窄長型電動汽車中具有車身側(cè)傾車輛的研究現(xiàn)狀

吳子軒　楊敏　劉鵬

摘 要：如今，交通擁擠是全世界一個日益嚴(yán)重的問題。為了解決交通擁堵，出行需求與道路資源之間的矛盾，可供單人或雙人駕乘的窄長型電動汽車ENV（Enclosed Narrow Vehicle）逐漸出現(xiàn)。本文通過對國內(nèi)外近年來國內(nèi)外ENV以及ENV中具有車身傾斜功能的 NTV （Narrow Titled Vehicle）車型的特點。通過總結(jié)比較了ENV的各特點得出目前ENV中NTV的發(fā)展現(xiàn)狀研究。

關(guān)鍵詞：ENV NTV 轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)

1 窄長型車輛產(chǎn)生的背景

近年來，隨著汽車數(shù)量的增加。為了解決交通擁堵等問題，提出了通過結(jié)合傳統(tǒng)汽車和兩輪車的好處，針對個人流動性的汽車市場的概念，從而提出了占地面積小、質(zhì)量輕的狹窄城市車輛即ENV。減少的尺寸節(jié)省了生產(chǎn)成本，更有效地利用現(xiàn)有的道路基礎(chǔ)設(shè)施?？傎|(zhì)量減少也有助于提高燃油效率和減少污染，這使其在新興汽車共享項目中具有競爭優(yōu)勢。

1.1 窄長型車輛的分類

按車輪數(shù)量分類可以分為三輪、四輪。

三輪形式按車輪布置又可以分為前2輪后1輪或前1輪后2輪，三輪汽車往往都比較小巧，具有很高的靈活性，具有自身獨特的優(yōu)勢。

歷史上三輪ENV車型較為成功的包括科爾賓麻雀Bip2000（圖1），梅賽德斯奔馳 F 300（圖2），大眾公司的踏板車（圖3），日本HONDA公司的Gyro（圖4），Reliant Motor Company的Reliant MKV1（圖5），意大利比亞喬的MP3 500（圖6），雕刻家一號Bip2000（圖7），豐田的i-Road（圖8）等；其中 Gyro（圖4），Reliant MKV1（圖5）雕刻家一號Bip2000（圖7）都采用的是前一輪后兩輪的布置形式，其余采用的都是前兩輪后一輪的布置形式。

四輪車輛分為普通四輪車和菱形四輪車，擁有更好的的行駛穩(wěn)定性和低速穩(wěn)定性，不需要人為的去控制平衡。

普通四輪車有：雷諾twizy（圖9），Nissan Land Glider Concept（圖10），奧迪Urban（圖11）等。雷諾twizy搭載了一臺17馬力的電動機，最高車速80km/h。研發(fā)人員考慮到車輛在彎道中可能會出現(xiàn)側(cè)翻，將懸架調(diào)校的很硬，同時采用了略寬于前輪的后輪[1]。Nissan Land Glider Concept在2009年的東京車展上亮相，車型小巧靈活，容易駕駛、零排放零污染，是一款非常適合穿梭于都市之間的環(huán)保交通工具[2]。2011法蘭克福車展上，奧迪Urban概念車是針對日益擁擠的都市交通開發(fā)的“1+1”雙座超級輕量化概念車。此款車型采用電動機驅(qū)動，最大功率20馬力，最大扭矩47Nm，最高時速為100km/h。這款車滿電量續(xù)航里程為70km，20分鐘即可將電池充滿[3]。

鐘志華院士團(tuán)隊提出了車輪菱形布置的新概念車（簡稱菱形車）。菱形四輪車有別于傳統(tǒng)汽車的前后輪的布置方式，設(shè)置了3個輪軸，前后各布置1個車輪，中間輪軸布置2個車輪， 采用菱形的底盤和車身設(shè)計，整車的安全性、機動性、燃油經(jīng)濟性方面都有明顯的改善[4]。

窄長型車根據(jù)其車身和座艙形式又可以分為封閉式車身和非封閉式車身。封閉式車身可以更好的保護(hù)駕乘人員、滿足全天候的出行需求；非封閉式車身具有方便駕乘人員上下車、有用更好的視野的特點；

窄長型車根據(jù)其底盤結(jié)構(gòu)可以分為單縱梁類型的摩托車車架結(jié)構(gòu)和承載式車身結(jié)構(gòu)。絕大部分非封閉式車身的車都采用的是摩托車單縱梁底盤結(jié)構(gòu)。封閉式車身多采用承載式車身結(jié)構(gòu)。摩托車單縱梁結(jié)構(gòu)相比承載式車身結(jié)構(gòu)讓車擁有了更高的強度，但同時降低了對駕乘人員的保護(hù)，只有承載式車身才能全方位的保護(hù)駕乘人員。

1.2 窄長型車輛發(fā)展存在的問題

通過對上述窄長型車輛不同結(jié)構(gòu)形式的比較分析，不難發(fā)現(xiàn)窄長型車作為環(huán)節(jié)交通擁擠和節(jié)約能源的車輛類型，在未來交通中將承擔(dān)越來越重要的角色，但是目前窄長型車輛形式多樣，也存在一些發(fā)展的問題。1）窄長型車輛的分類界限模糊，作為滿足個人出行的交通工具，在結(jié)構(gòu)形式和安全性方面受到車輛成本和使用者對其需求的不同而形成多種多樣的結(jié)構(gòu)類型，不同結(jié)構(gòu)類型的分類在不同國家區(qū)分的標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，甚至在很多國家并不能符合機動車行駛的標(biāo)準(zhǔn)。這種模糊的區(qū)分界限將限制其大批量生產(chǎn)和使用，也就制約了其發(fā)展。2）窄長型車輛來源于傳統(tǒng)的兩輪車輛，為了解決其穩(wěn)定性增加了車輪數(shù)量，因此在結(jié)構(gòu)和用途上仍然趨向于兩輪車輛的使用范疇。隨著整車質(zhì)量的增加，窄長型車的機動性也隨之下降，例如車輛的轉(zhuǎn)向半徑隨著軸距的增加而增加，窄長型車輛面臨的需求將是能夠保持自身穩(wěn)定的前提下，盡量減小轉(zhuǎn)向半徑，甚至實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。3）窄長型車載解決穩(wěn)定性和機動性的前提下，其舒適性也將成為車輛發(fā)展的趨勢。封閉式車身和承載式車身更能滿足人們?nèi)旌畛鲂行枨?，在這一類車型中由于駕乘人員得到保護(hù)，車輛行駛特性上將通過借鑒兩輪車輛的側(cè)傾實現(xiàn)行駛和轉(zhuǎn)向工況下的穩(wěn)定性，這就出現(xiàn)了車身側(cè)傾的窄長型車輛，未來這樣的窄長型車結(jié)合新能源技術(shù)和車輛自動駕駛控制技術(shù)的發(fā)展將成為人們出行智能化工具。

2 窄長型車輛中具有車身側(cè)傾車輛

2.1 車身側(cè)傾車輛的發(fā)展

介于封閉式車身以及傳統(tǒng)的車輛系統(tǒng)布局存在設(shè)計沖突，所導(dǎo)致的早期的ENV車型的駕駛穩(wěn)定性較差，窄長的車輛在轉(zhuǎn)彎時更容易側(cè)翻，曾經(jīng)出現(xiàn)了幾種解決方法。

1）低速和慢速法——根據(jù)寬度的減小降低車輛高度并限制最高速度和轉(zhuǎn)彎速度，這在現(xiàn)代交通時不切實際的。如圖13中的Messerschmidt。

2）摩托車法——騎摩托車時，騎手可以很容易的利用身體重心控制車輛。然而，在困難的道路情況下（濕滑的道路等），需要更好的駕駛技巧，才能防止車輛失控。封閉式摩托車則需要更好的駕駛技巧，還需要有低速和停車的支撐輪。這也不是很好的解決方法。如圖14的Lean Mechine。

3）傾斜3或4輪車方法——為了補償橫向穩(wěn)定性，車輛具有某種傾斜系統(tǒng)，使其能夠像摩托車一樣傾斜。但這種類型的車輛很難由普通人安全的駕駛，這使其不能大規(guī)模生產(chǎn)，對于駕駛?cè)说募夹g(shù)水平有較高的要求，受眾人群局限。如圖15中的eco-mobile。

最終，我們發(fā)現(xiàn)車身側(cè)傾方案可以解決車輛行駛過程中容易傾倒側(cè)翻的問題，同時可以滿足車輛在高速行駛狀態(tài)下的穩(wěn)定性。具有車身傾斜功能的NTV（Narrow Titled Vehicle）出現(xiàn)是窄長型車輛發(fā)展的重要方向。

2.2 NTV的傾斜方式

NTV 車輛可以實現(xiàn)多種形式的車身傾斜，可分為主動傾斜和被動傾斜兩種。主動傾斜由車載計算機計算和處理，在轉(zhuǎn)彎過程中根據(jù)駕駛員轉(zhuǎn)向角度和車速調(diào)整車身傾斜角度，使車輛始終處于最佳平衡狀態(tài)。被動傾斜是指由車體本身的慣性和人為對車輛平衡進(jìn)行調(diào)整。

2.3 NTV的傾斜控制

轉(zhuǎn)向控制傾斜STC（Steering Tilt Control），即轉(zhuǎn)向傾斜控制由驅(qū)動裝置實現(xiàn)車身的傾斜，該系統(tǒng)對于驅(qū)動裝置的要求較高，在駕駛時對于道路的判斷執(zhí)行力強于駕駛者[5]。

直接傾斜控制DTC（Direct Tilt Control），即由駕駛?cè)藛T改變自身的駕駛姿態(tài)控制車身傾斜，該系統(tǒng)在使用過程中，主要依靠駕駛員的肢體動作完成對于車輛的操控，在低速行駛時，可能會存在轉(zhuǎn)向不足的情況。

由于NTV車輛的設(shè)計特性，單一的傾斜控制已經(jīng)無法滿足于日常出行對于車輛的全工況運行要求。因此目前行業(yè)內(nèi)的主流研究方向設(shè)計是將轉(zhuǎn)向傾斜控制DTC與直接傾斜控制STC混合使用。在低速時，DTC的使用優(yōu)勢強于STC，但是在高速狀態(tài)下STC對于車身的控制性強于DTC。使用這種方法，設(shè)計人員必須解決幾個問題，例如，從 STC 到 DTC 策略的切換不應(yīng)發(fā)生在反向轉(zhuǎn)向操作期間。此外，STC和DTC策略會導(dǎo)致靜態(tài)誤差，如果在恒定半徑彎曲期間發(fā)生DTC/STC切換，則會出現(xiàn)不連續(xù)狀況。為了避免上述等問題的出現(xiàn)。NTV車型的開發(fā)，性能的優(yōu)化與DTC和STC系統(tǒng)的配合密切相關(guān)。目前也由很多國內(nèi)外團(tuán)隊正在進(jìn)行相應(yīng)的開發(fā)[6]。

2.4 NTV車型設(shè)計

目前市面上主流的NTV車型的設(shè)計主要分為三種，分別如下：

1）車身傾斜式正三輪。典型代表就是HONDA Gyro（圖16）。采用前面一個轉(zhuǎn)向車輪、后面兩個寬面車輪的布置方案[7]。采用直接傾斜控制 DTC，擺動機構(gòu)可以減少后輪的浮動，通過配備差速齒輪，以調(diào)整后輪在轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速差，表現(xiàn)出優(yōu)異的行駛穩(wěn)定性。

2）前輪傾斜，前輪轉(zhuǎn)向式倒三輪。[8]這種車型采用直接傾斜控制DTC。通過前輪雙輪傾斜轉(zhuǎn)向，后輪僅僅作為驅(qū)動輪使用，提高了車輛的穩(wěn)定性。典型代表是逗哈 itan（圖17）。

3）前輪傾斜，后輪轉(zhuǎn)向式倒三輪。采用轉(zhuǎn)向控制傾斜STC，通過前輪雙輪傾斜，后輪轉(zhuǎn)向的方式，車載計算機根據(jù)轉(zhuǎn)向角計算給出合適的前輪傾斜角，后輪轉(zhuǎn)向角，最大程度上保證了車輛的安全與穩(wěn)定。該車型采用封閉式座艙，滿足人們在全天候的使用需求。如豐田 i-Road（圖18）。

2.5 NTV的動力類型

2.5.1 采用內(nèi)燃機的車型

內(nèi)燃機在NTV車型中也有著廣泛的使用。

1）寶馬的Carver為燃油發(fā)動機，它配備660 cc 4缸發(fā)動機，帶有渦輪增壓中冷器，最大馬力為65bhp，最大扭矩為100N·m。前輪略大于后輪。Carver One的最高時速為185公里/小時。

2）目前市面上主流的倒三輪摩托車雅馬哈。雅馬哈 Tricity300采用水冷四沖程單缸SOHC4氣門發(fā)動機，排量為292cc，最大馬力20.6kW（28ps）/7250rpm，最大扭矩為29Nm（2.9kg-m）/5750rpm。

2.5.2 采用電動機的車型

科爾賓汽車的麻雀車型是較早使用電機作為驅(qū)動器的車型。該車型極速可達(dá)80km/h，續(xù)航里程在65英里左右，采用了一種低成本的鋰電池系統(tǒng)。雪鐵龍發(fā)布了一款3輪概念車，名為Liion。該車輛由鋰離子電池驅(qū)動的電動機提供動力，該電動機驅(qū)動單個后輪。豐田公司推出的i-Road搭載2Kw的電動機，單次充電可以續(xù)航31英里，最高時速約60km/h。

2.5.3 對比和總結(jié)

與電動機相比內(nèi)燃機就顯得十分笨重。電動機可以產(chǎn)生更大的功率和扭矩輸出。電動機產(chǎn)生的廢熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)燃機。內(nèi)燃機還需要復(fù)雜傳動結(jié)構(gòu)等。但內(nèi)燃機可以很快完成能源補給，而電動機能源補給時間相對較長。在能量密度方面，鋰電池的能量密度遠(yuǎn)不及汽油。電動機存在電池組發(fā)熱問題，燃油車則不需過多考慮相關(guān)問題。由于電動車電池組位置低，能提高車輛的穩(wěn)定性，使車輛整體穩(wěn)定性得到提高。電機通過電調(diào)，可以實時控制牽引力，內(nèi)燃機響應(yīng)速度沒有電機快。

隨著電能源技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合電機的特點，未來NTV的發(fā)展更偏向于采用電動機，或許也會出現(xiàn)混動的車型來提高動力性和續(xù)航能力。

3 NTV控制系統(tǒng)的研究及測試

3.1 研究機構(gòu)及其車型

奔馳在1997年法蘭克福車展上推出了“F300FifeJet”概念車。這款車的是雙座串聯(lián)艙室，一體式的機艙、發(fā)動機是傾斜的，通過一個“主動傾斜控制”（ATC）系統(tǒng)[9]作用于兩個前輪。單后輪傳輸驅(qū)動。

2003年至2006年Johan Berote在Dynamics and control of a tilting three-wheeled vehicle中提到的CLEVER是一種直接傾斜控制的三輪原型車，由巴斯大學(xué)開發(fā)，歐盟資助一部分的項目?？刂撇呗岳盟俣群娃D(zhuǎn)向的測量來預(yù)測橫向加速度，從而預(yù)測在轉(zhuǎn)彎時平衡車輛所需的傾斜角度。然后使用兩個液壓執(zhí)行器將車輛的駕駛室傾斜到所需的角度。雖然車輛在穩(wěn)定狀態(tài)下表現(xiàn)良好，但瞬態(tài)沖擊會導(dǎo)致車輛不穩(wěn)定并最終翻車[10]。

Dynamics and control of a tilting three-wheeled vehicle的工作是了解導(dǎo)致瞬態(tài)不穩(wěn)定的動力學(xué)，設(shè)計一種控制方法，以改善車輛的操控特性并防止危險的瞬變。為了研究車輛的動力學(xué)并測試新的控制系統(tǒng)，使用軟件開發(fā)了一個完整的模型。使用整車模型，可以分析可能導(dǎo)致車輛瞬態(tài)翻車的場景，從而很好地理解導(dǎo)致這些潛在危險情況的動力學(xué)。考慮到這些動力學(xué)因素，進(jìn)行了橫向動力學(xué)優(yōu)化研究，證明了獨立控制傾斜機構(gòu)和橫向加速度的必要性，證實了轉(zhuǎn)向和直接傾斜控制相結(jié)合的必要性。

在2011年時Auguste van Poelgeest 開發(fā)一種新的轉(zhuǎn)向傾斜控制（STC）算法。該研究的目的是確定三輪傾斜車輛的獨特運動學(xué)，并確定運動學(xué)效應(yīng)對車輛系統(tǒng)的重要性。推導(dǎo)了駕駛員感知加速度的廣泛表達(dá)式，并對三輪傾斜車輛組件的非傾斜部分的側(cè)傾動力學(xué)進(jìn)行了建模。對車輛的轉(zhuǎn)向扭矩進(jìn)行了全面分析，并利用仿真模型對側(cè)風(fēng)對車輛的影響進(jìn)行了建模，測試了上坡或下坡行駛的影響，并考慮了道路外傾角對車輛動力學(xué)的影響。

3.2 控制方式存在的問題

雖然車輛在穩(wěn)定狀態(tài)下表現(xiàn)良好，但瞬態(tài)動力學(xué)已被證明會導(dǎo)致車輛不穩(wěn)定并最終翻車。即使是使用DTC＼STC的控制方式，在DTC＼STC切換的時還是會不穩(wěn)定，低速行駛的穩(wěn)定性也很難得到保證。

4 NTV的發(fā)展預(yù)測

我們對NTV的發(fā)展做出如下幾方面的預(yù)測：

1）市場方面：目前NTV的量產(chǎn)車型少之又少，還有很大的市場空間，它的出現(xiàn)可以解決很多個人的出行問題，減少交通擁堵，提高交通效率等。

2）結(jié)構(gòu)方面：多采用前2后1的輪胎布局，前輪轉(zhuǎn)向或者后輪轉(zhuǎn)向。

3）車身方面：ntv將來會采用封閉式的承載車身，這樣的駕乘人員的安全性，舒適性都會得到保障。

4）側(cè)傾控制方面：隨著技術(shù)的成熟，側(cè)傾控制更多的會傾向于多種控制方式無限銜接切換。自主主動控制的方法為主，保證車輛行駛的安全性。

5）動力方面：更會趨向于電動化的方向，為了滿足長途駕駛，也有可能會產(chǎn)出混動的動力方式。

江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（202013654003Y）：ENV后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

[1]https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1723798893914215026&wfr=spider&for=pc.

[2]https：//newatlas.com/nissan-landglider/13368/.

[3]https：//baike.baidu.com/item/%E5%A5%A5%E8%BF%AAUrban/4303957？fr=aladdin.

[4]黃智，鐘志華.菱形新概念車轉(zhuǎn)向性能分析[J].湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006（06）：46-50.

[5]Tang， Chen et al. “Design and analysis of an integrated suspension tilting mechanism for narrow urban vehicles.”Mechanism and Machine Theory 120（2018）：225-238.

[6]Tang， Chen and Amir Khajepour.“Narrow Tilting Vehicles： Mechanism， Dynamics， and Control.”Synthesis Lectures on Advances in Automotive Technology（2019）： n. pag.

[7]王志強.電動汽車運動控制研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2013.

[8]于叢赫.王凌.孫策.張宇. 可傾斜式車輛轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計[J].北京：北京交通大學(xué).2013.

[9]Anonymous，Mercedes Benz UK [online]. Available from：http：//www2.mercedesbenz.co.uk/content/unitedkingdom/mpc/mpc_unitedkingdom_website/en/home_mpc/passengercars/home/passenger_cars_world/innovation_new/concept_cars.0004.html[Accessed 16/12/2010].

[10]Berote， Johan J. H..“Dynamics and control of a tilting three wheeled vehicle.” （2010）.