馮乾隆，宋偉萍，南友飛，任田園

?

大角度轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車(chē)懸架與轉(zhuǎn)向系設(shè)計(jì)

馮乾隆，宋偉萍，南友飛，任田園

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，陜西 西安 710064）

為了提高汽車(chē)轉(zhuǎn)向靈活性及減小交通擁堵和提高停車(chē)空間利用率，基于輪轂電機(jī)及線(xiàn)控轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)上，提出了一種可實(shí)現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)向的電動(dòng)汽車(chē)模型，使其可實(shí)現(xiàn)90°大角度轉(zhuǎn)向，從而提高汽車(chē)的轉(zhuǎn)向靈敏性，并用SolidWorks軟件對(duì)轉(zhuǎn)向系與懸架進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

大角度轉(zhuǎn)向；轉(zhuǎn)向系；懸架

前言

近幾年，我國(guó)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展迅速，引起了城市交通擁堵等一系列問(wèn)題。而在輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，發(fā)展可實(shí)現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)向的四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車(chē)有利于解決城市交通擁堵，提高停車(chē)空間和道路利用程度[1-2]。這種設(shè)計(jì)也大大增加了汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性，使汽車(chē)動(dòng)力響應(yīng)快速和準(zhǔn)確，在汽車(chē)停車(chē)入庫(kù)方面也發(fā)揮了積極重要的作用。而要實(shí)現(xiàn)此功能，對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)提出了更高的要求，需設(shè)計(jì)出能滿(mǎn)足汽車(chē)90°大角度轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向系和懸架系統(tǒng)。

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使汽車(chē)可實(shí)現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)向，在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系上做一些改進(jìn)，將傳統(tǒng)機(jī)械連桿式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由線(xiàn)性控制轉(zhuǎn)向電機(jī)取代，通過(guò)齒輪齒條機(jī)構(gòu)單獨(dú)控制每個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)向節(jié)，取消轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)等機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)，使每個(gè)車(chē)輪轉(zhuǎn)向互不影響，同時(shí)每個(gè)車(chē)輪都由一個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向電機(jī)的控制，使每個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)角均達(dá)到[-36°，+90°]，從而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)多種轉(zhuǎn)向模式。

1.控制器 2.轉(zhuǎn)向電機(jī) 3.減速機(jī) 4.轉(zhuǎn)向齒輪 5.滑軌 6.滑塊單元 7.轉(zhuǎn)向齒條 8,10.球頭鉸鏈 9.轉(zhuǎn)向橫拉桿 11.轉(zhuǎn)向節(jié)臂 12.轉(zhuǎn)向節(jié)

所設(shè)計(jì)大角度轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三維模型如圖1所示。將駕駛員作用在方向盤(pán)上的轉(zhuǎn)矩信號(hào)通過(guò)傳感器傳至控制器1，經(jīng)過(guò)控制器計(jì)算使轉(zhuǎn)向電機(jī)2輸出相應(yīng)轉(zhuǎn)速，經(jīng)減速機(jī)3將動(dòng)力傳至轉(zhuǎn)向齒輪4，經(jīng)齒輪嚙合，將動(dòng)力傳至齒條7，齒條7經(jīng)球鉸鏈8與轉(zhuǎn)向橫拉桿9相連，轉(zhuǎn)向橫拉桿9另一端又經(jīng)過(guò)球鉸鏈10與轉(zhuǎn)向節(jié)12相連，最終動(dòng)力經(jīng)轉(zhuǎn)向橫拉桿9傳至車(chē)輪實(shí)現(xiàn)汽車(chē)轉(zhuǎn)向。

2 懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用不等長(zhǎng)式雙橫臂懸架結(jié)構(gòu)，對(duì)懸架的設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足轉(zhuǎn)向時(shí)各部件間不發(fā)生干涉，因此采用直角三角形結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出的懸架系統(tǒng)如圖2所示。為減小懸架安裝誤差，在上下橫臂與車(chē)架相連的套筒內(nèi)裝有橡膠襯套。上下橫臂另一端分別通過(guò)桿端關(guān)節(jié)12、10與轉(zhuǎn)向節(jié)的C形槽3、11相連，桿端關(guān)節(jié)的球鉸端用鉸制孔螺栓固定于C形槽內(nèi)。上下C形槽3、11分別通過(guò)兩端的螺栓固定于轉(zhuǎn)向節(jié)4上。在轉(zhuǎn)向節(jié)另一端，裝有電磁制動(dòng)器8，用于產(chǎn)生汽車(chē)的制動(dòng)力。電磁制動(dòng)器8又與輪轂電機(jī)6通過(guò)一個(gè)連接件7進(jìn)行連接，輪轂電機(jī)外圈（轉(zhuǎn)子）用螺柱與輪轂總成5相連，內(nèi)圈通過(guò)花鍵與轉(zhuǎn)向節(jié)相連，并用圓螺母進(jìn)行軸向固定，從而使輪轂電機(jī)內(nèi)圈（定子）得到固定。

1.減震器 2.上橫臂 3.上C形槽 4.轉(zhuǎn)向節(jié) 5.車(chē)輪總成 6.輪轂電機(jī) 7.連接件 8.電磁制動(dòng)器 9.轉(zhuǎn)向節(jié)臂 10.下橫臂桿端關(guān)節(jié) 11.下C形槽 12.上橫臂桿端關(guān)節(jié) 13.下橫臂

3 懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)仿真分析

本文主要分析當(dāng)車(chē)輪上下震動(dòng)時(shí)，懸架主銷(xiāo)內(nèi)傾角、主銷(xiāo)后傾角、車(chē)輪外傾角的變化。

表1 雙橫臂獨(dú)立懸架的設(shè)計(jì)參數(shù)

仿真分析前，首先對(duì)模型進(jìn)行設(shè)置，設(shè)定汽車(chē)滿(mǎn)載時(shí)下橫臂與地面平行，分析車(chē)輪上下跳動(dòng)±50mm時(shí)的各參數(shù)變化。所設(shè)計(jì)懸架參數(shù)如表1所示。

3.1 主銷(xiāo)內(nèi)傾角變化

主銷(xiāo)內(nèi)傾角可以使車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)獲得一定的回正力矩[3]。經(jīng)過(guò)分析，主銷(xiāo)內(nèi)傾角隨車(chē)輪跳動(dòng)位移變化如圖3所示，車(chē)輪[-50，+50]上下跳動(dòng)時(shí)，主銷(xiāo)內(nèi)傾角變化大小約為1.2°，基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖3 主銷(xiāo)內(nèi)傾角隨車(chē)輪上下跳動(dòng)位移的變化曲線(xiàn)

3.2 主銷(xiāo)后傾角變化

主銷(xiāo)后傾角變化如圖4所示。車(chē)輪跳動(dòng)時(shí)，后傾角也跟著發(fā)生變化，變化角度約為0.0048°，在理想的變化區(qū)域內(nèi)，因此滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖4 主銷(xiāo)后傾角隨車(chē)輪上下跳動(dòng)的變化

3.3 車(chē)輪外傾角

車(chē)輪外傾角的大小也會(huì)影響汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性，車(chē)輪外傾角隨車(chē)輪上下跳動(dòng)產(chǎn)生變化會(huì)影響汽車(chē)直線(xiàn)行駛時(shí)的行駛穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向性能以及會(huì)使輪胎磨損等[4]。本設(shè)計(jì)中，當(dāng)車(chē)輪跳動(dòng)時(shí)，車(chē)輪外傾角變化如圖5所示，外傾角變化大小在1.2°以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖5 車(chē)輪外傾角隨車(chē)輪上下跳動(dòng)位移的變化

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車(chē)可實(shí)現(xiàn)汽車(chē)[-36°，90°]大角度轉(zhuǎn)向，提高汽車(chē)轉(zhuǎn)向靈活性從而減小城市道路擁堵。提出一種新型齒輪齒條轉(zhuǎn)向系，且為了避免運(yùn)動(dòng)干涉，設(shè)計(jì)出符合要求的直角三角形橫臂結(jié)構(gòu)。通過(guò)懸架定位參數(shù)的分析，驗(yàn)證此設(shè)計(jì)的合理性。

[1] 李校培.基于輪轂電機(jī)的空間節(jié)約型電動(dòng)汽車(chē)全轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究[D].西南交通大學(xué), 2015.

[2] Kueperkoch S, Ahmed J, Kojic? A, et al. Novel Vehicle Stability Control Using Steer-by-Wire and Independent Four Wheel Torque Distribution[C]// ASME 2003 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. American Society of Mechanical Engin -eers, 2003:413-420.

[3] 戴逢權(quán).多連桿懸架系統(tǒng)性能仿真研究[D].武漢理工大學(xué),2011.

[4] 劉輝.空氣懸架大客車(chē)的多體動(dòng)力學(xué)仿真分析[D].長(zhǎng)安大學(xué), 2011.

Design of suspension and steering system for large angle steering electric vehicle

Feng Qianlong, Song Weiping, Nan Youfei, Ren Tianyuan

( Automobile Chang'an University, Shaanxi Xi’an 710064 )

In order to improve vehicle steering flexibility, reduce traffic congestion and improve parking space utilization, based on hub motor and wire control steering, an electric vehicle model which can realize large angle steering is proposed, which can achieve 90° angle steering, thus improving the steering sensitivity of the vehicle. The steering system and suspension are designed with SolidWorks software, and the rationality of suspension system design is analyzed.

steering large angle; steering system; suspension

B

1671-7988(2018)20-15-03

U469.72

B

1671-7988(2018)20-15-03

U469.72

馮乾隆，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠?chē)電控技術(shù)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.005