（光学工程专业论文）减速驱动型电动轮的设计与研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得武汉理工大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 虢掣圣晚迎乡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 内容，可以采用复印、缩印或其他复制手段保存论文。 纱乙妙 日期：2 红盘：p 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 全世界的汽车保有量和使用量巨大，而且增长迅速。对电动汽车进行研究 是利国利民的工作，有利于保护环境，有利于节约石油，有利于发展我国的民 族汽车工业。“十一五期间，科技部启动了“节能与新能源汽车”重大项目，重 点研发电动汽车和代用燃料汽车整车技术、动力系统技术、关键零部件瓶颈技 术和系统集成技术。在十二五规划里，国家进一步加大对电动汽车的投入，力 争进一步完善技术创新体系，增强原始创新能力，加快技术标准的研究，积极 探索新型高效的创新模式，做好电动汽车示范试点，完善公共研发平台的建设。 这一系列的政策为各企业、高校及研究机构在电动汽车领域的发展提供了有力 支持。 本文介绍了电动汽车和电动轮的发展历史和国内外研究现状，简要介绍了 轮毂电机驱动技术，对轮毂电机的类型和特点做了分析，并进行了整车参数的 研究。论文还进行了电机参数的计算和电动轮其他各部件的研究，之后在悬架 系统的选型方面做了一定的工作。在结构研究的基础上，论文基于a d a m s v i e w 创建了用于分析的复杂的车辆模型，重点是创建了双横臂前悬架参数化模型， 并对该车的前悬架进行了运动学仿真分析，对整车进行了转向盘转角、稳态回 转及蛇形试验，分析了整车操纵稳定性。然后，对整车进行平顺性的仿真与分 析。从整车的传递特性分析入手，按照国标g b t 5 9 0 2 8 6 汽车平顺性脉冲输入 行驶试验方法对整车进行平顺性仿真分析，找出该车平顺性方面的不足，并 分析可改进的方案。 最后本文利用参数化方案研究，对该车进行前轮定位参数的优化设计，修 改整车仿真模型前轮定位参数值，减小前轮磨损。 关键词：电动轮轮毂电机操纵稳定性平顺性优化 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ev e h i c l ep o p u l a t i o no ft h ew o r l di sh u g ea n di n c r e a s i n ga th i g hs p e e d r e s e a r c ho ne l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) i sb o t hf a v o r a b l ef o rt h es t a t ea n dt h ec i t i z e n s c o n c r e t e l y , i t sp r o p i t i o u st oe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n , o i ls a v i n ga n dt h ed e v e l o p m e n t 。 o fn a t i o n a la u t oi n d u s t r y d u r i n g t h e1lt hf i v e p e r i o d ，s c i e n c e & t e c h n o l o g y m i n i s t r yo fc h i n a ( s t m o c ) s t a r t e du p “e n e r g y - s a v i n ga n dn e w r e s o u r c ev e h i c l e ” p r o g r a m ，t h i sp r o g r a mf o c u s e so nr e s e a r c ha n dd e v e l o po fe va n df u e lv e h i c l e ， d y n a m i c ss y s t e m s ，k e ya u t o m o t i v es p a r ep a r t st e c h n i q u e sa n ds y s t e ma s s e m b l i n g t e c h n i q u e s i n t h e1 2 t hf i v e p r o g r a m ，t h en a t i o ns t r e n g t h e n e dt h ei n t e r e s t si ne v , t h et e c h n i q u ec r e a t i o ns y s t e mi se x p e c t e dt ob ei m p r o v e d ，a n dt h eo r i g i n a lc r e a t i v e a b i l i t yi st ob ee n h a n c e d m o r eo v e r , t h ep r o g r a mp l a n st os p e e dt h er e s e a r c ho n t e c h n i c a ls t a n d a r d ，a n de x p l o r ew a y so fh i g h - e f f i c i e n tc r e a t i v em o d e e vp i l o tp r o j e c t i ns o m ec i t i e sa n dp u b l i cr & d p l a t f o r mw i l lb ec o m p l e t e d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g y 跚v i n ga r et h eg r e a tt h e m eo ft h e21 啦 c e n t u r yw o r l d b yt h a t , c h i n ah a sg i v e nap o l i c yo fb u i l d i n ge c o n o m i c a ls o c i e t y i n c l u d i n gas u bp o l i c yo fd e v e l o p i n gs m a l lv e h i c l e s a na p p r o a c ht om a k et h a tt r u ei s t o d e v e l o pe l e c t r i cv e h i c l e s t h o u g ht h e r e i sah i s t o r yo fr & do ne v , t h e i n d u s t r i a l i z a t i o nh a sn e v e rc o m eb yt h el i m i to fb a t t e r y , m o t o ra n dc o n t r o ls t r a t e g y i nt h i st h e s i s ，e va n da c t i v ew h e e ld e v e l o p i n gh i s t o r ya n dr e c e ms t a t u sa l e d e s c r i b e d a r e rc l a s s i f y i n gt h ea c t i v ew h e e la n dt r a d i t i o n a ls u s p e n s i o ns y s t e m ，s e l e c t t h er i g h ta c t i v ew h e e la n dt h et y p eo ff r o n ts u s p e n s i o na n dr e a l s u s p e n s i o n d e t e r m i n et h ep r o t o t y p em o d e la n db u i l dt h ev i r t u a lp r o t o t y p em o & lo ft h ev e h i c l e f o ra n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nd e s i g no fh a n d l i n gp e r f o r m a n c ea n dr i d ep e r f o r m a n c e f i r s to fa l l ，t h ep a p e rh a sb u i l tt h ec o m p l e xc a l m o d e lb ya d a m s v i e wf o r a n a l y s i s ，e s p e c i a l l yb u i l tt h ep a r a m e t r i cm o d e lo fd o u b l e - w i s h b o n es u s p e n s i o n p a p e r c a r r i e do u tk i n e m a t i c ss i m u l a t i o na n a l y s i st of r o n ts u s p e n s i o n t h ec h a n g e so fw h e e l a l i g n m e n t si n c l u d i n gi n c l i n a t i o na n g l e 、c a s t e ra n g l e 、c a m b e ra n g l e 、t o ea n g l e ，a n d s i d e w a y sd i s p l a c e m e n tw e r ep r e s e n t e dw h e nw h e e l sb u m p e da n dr e b o u n d e d ，a n df r e d 武汉理工大学硕士学位论文 o u tt h ed e f i c i e n c yo fs u s p e n s i o ns y s t e m p a p e rc a r r i e do u ts t e a d ys t a t i cc i r c u l a rt e s t p r o c e d u r et oa n a l y z et h eh a n d l i n gs t a b i l i t yo ft h em o d e lc a r s e c o n d l y ，p a p e rc a r r i e d o u ts i m u l a t i o na n a l y s i sf o rr i d ep e r f o r m a n c e p a p e rs t a r t e dr e s e a r c hf o r ms y s t e m t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c p a p e rc a r r i e do u ts i m u l a t i o na n a l y s i so fr i d ep e r f o r m a n c et h a t b a s e do n “g b t 5 9 0 2 8 6r i d ep e r f o r m a n c et e s to np u l s er o a df o ra u t o m o b i l e s ”，a n d f m do u tt h ed e f i c i e n c yo fm o d e lc a ri nr i d ep e r f o r m a n c e i nt h ee n d ，p a p e ru s e dp a r a m e t r i cd e s i g ns t u d yt oo p t i m i z et h ef r o n tw h e e l a l i g n m e n t ，a n dm o d i f i e dt h ep a r a m e t e ro f f r o n tw h e e la l i g n m e n t p a p e ra n a l y z e dt h e f a c t o ro fi n f l u e n c i n gt h ee a rr i d ep e r f o r m a n c et of i n do u tt h ei m p r o v e m e n t p r o j e c t a n ds i m u l a t e dc h e c k i n gt e s t p a p e rc a r r i e do u tt h eo t h e rs i m u l a t i o na n a l y s i sf o r h a n d l i n gs t a b i l i t yw i t ht h ei m p r o v e dc a rm o d e l s i m u l a t i o nr e s u l t s h a v eb e e n c o n t r a s t e dt oo r i g i n a lc a rm o d e l t h ea i mo fc o n t r a s ti st ov a l i d a t et h ei m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：a c t i v ew h e e l ，i n - w h e e lm o t o gh a n d l i n gs t a b i l i t y , r i d ep e r f o r m a n c e ， o p t i m i z a t i o n m 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 论文背景和意义1 1 1 1 论文背景1 1 1 2 论文意义1 1 2 电动汽车和电动轮的研究概述2 l - 2 1 电动轮国外研究现状2 1 2 2 电动轮国内研究现状6 第2 章电动轮集成设计及悬架系统方案选择8 2 1 电动轮概述及设计任务8 2 1 1 轮毂电机驱动技术简介8 2 1 2 电动轮设计任务9 2 2 电动轮方案设计9 2 2 1 电机方案的选定。9 2 2 2 整车参数的确定：1 0 2 2 3 电机主要参数的选定。1 l 2 3 悬架选型研究。13 2 3 1 麦弗逊悬架1 4 2 3 2 多连杆式悬架15 2 3 3 双横臂悬架16 2 3 4 拖曳臂式半独立悬架1 7 2 4 本章小结一1 9 第3 章整车操纵性能仿真分析2 0 3 1 车辆操纵稳定性评价方法2 0 3 1 1 车辆操纵稳定性的影响因素2 0 3 1 2 车辆操纵稳定性的评价内容2 1 3 2 模型建立及仿真2 3 3 2 1 仿真模型的建立2 3 3 2 2 操纵性试验仿真2 6 3 2 3 仿真结果评价3 5 3 3 本章小结3 5 第4 章整车操纵稳定性的优化3 6 4 1 修改方案研究3 6 4 2 最优化设计3 6 4 3 前轮定位参数优化结果3 7 4 4 本章小结4 1 武汉理工大学硕士学位论文 第5 章整车平顺性仿真分析4 2 5 1 车辆平顺性研究内容4 2 5 1 1 人体对振动的反应4 2 5 1 2 车辆平顺性的评价方法4 3 5 2 整车模型的建立4 4 5 3 整车平顺性仿真分析4 4 5 3 1 本文平顺性评价指标4 4 5 3 2 整车平顺性试验仿真4 5 5 3 3 仿真结果分析4 8 5 4 本章小结4 9 第6 章总结及展望5 0 6 1 全文总结5 0 6 2 改进与展望5 0 参考文献5 2 致谢5 5 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文背景和意义 ， 1 1 1 论文背景 虽然在如今的汽车市场中，电动汽车所占的份额比起燃油汽车要小得多，但 其在汽车历史中的出现要早于后者。世界上第一辆电动汽车的诞生可追溯到 1 8 3 4 年，托马斯戴文波特制造了一辆电动三轮车，它由一组不可充电的干电池 驱动，只有很短的续驶里程。这比内燃机汽车的出现早了将近半个世纪。之后 1 8 8 1 年在法国出现了世界上第一辆以可充电电池为动力的电动汽车，并带来了 电动汽车发展的第一个繁荣期，从1 8 9 5 年到1 9 1 1 年这个时期内，由于内燃机汽 车技术还不够成熟，电动汽车的性价比已经胜过内燃机汽车；而且蒸汽汽车在一 次加水后，其续驶里程也不如电动汽车一次充电后的续驶里程长。因此，在当时， 电动汽车的发展和普及远远快于内燃机汽车和蒸汽汽车，到1 9 0 0 年美国已普及 电动汽车4 0 0 0 辆，在所有汽车中所占的比例达到了4 0 。但是，随着t 型福特 汽车的问世，内燃机的生产成本大大降低，此外，大量油田的发现为内燃机的燃 油提供了保障，内燃机汽车技术得到迅猛发展。因此电动汽车势力逐渐减少，并 一度退出了历史舞台。之后，虽然战后的日本在汽油短缺时曾经出现过电动汽车， 或者当美国加利福尼亚州实施环保规定时电动汽车受到关注，但随着基础设施的 完善及汽油车技术上的突飞猛进，电动汽车最终未能成为主角。 从2 0 世纪7 0 年代起，由于人们环保意识的增强以及电池技术所取得的长 足进步，电动汽车再次受到关注。电池方面，能量密度高于现有铅蓄电池的镍氢 电池和锂离子电池技术迅速发展。同时，电机技术的发展也使电动汽车的研究进 入了一个新时期。 1 1 2 论文意义 全世界的汽车保有量和使用量巨大，而且增长迅速。 对电动汽车进行研究是利国利民的工作，有利于保护环境，有利于节约石油， 有利于发展我国的民族汽车工业。 我国政府高度重视能源、资源与环境问题，2 0 0 1 年，科技部启动了国家“8 6 3 ” 计划电动汽车重大科技专项，取得了一批可喜的研发成果，为我国电动汽车工业 武汉理工大学硕士学位论文 实现跨越式发展打下了很好的基础。“十一五”期间，科技部进一步加大研发投入 力度，启动了“节能与新能源汽车”重大项目，重点研发电动汽车和代用燃料汽车 整车技术、动力系统技术、关键零部件瓶颈技术和系统集成技术，加大公共服务 平台建设力度，最终建立节能与新能源汽车自主研发创新体系，通过核心技术突 破实现跨越发展与可持续发展。 经过“8 6 3 计划”连续两个五年计划，我国几百家汽车企业、电机蓄电池等零 部件企业、大学及科研院所等共同构建了“三纵三横”矩阵式产业化技术研发布 局，基本建立了具有自主知识产权的电动车动力系统技术研发平台，初步构成了 关键零部件的配套研发体系和产业化生产能力，其中车用动力蓄电池年生产能力 达1 0 亿w h 以上，开发了系列电动汽车车型，1 6 0 余款各类电动汽车进入汽车 产品公告，并投入批量生产和商业示范运行，首批启动的“十城千辆”1 3 个示范 城市已有5 0 0 0 余辆新能源汽车投入示范运行。 “十二五”规划中继续加大对电动汽车重大项目的支持，将纯电动汽车分为 5 个课题方向，纯电动轿车，全新结构小型电动乘用车、增加了增程式纯电动轿 车、插电式混合动力汽车和纯电动商用车三个课题方向。对燃料电池车仍给予大 力支持，共有6 个课题方向，即燃料电池轿车和燃料电池客车动力系统技术平台 与整车研发，增加了面向示范和产品验证的燃料电池系统开发和下一代燃料电池 系统研发，还对车载储氢与高压加注高效低成本制氢技术及储氢装置研发提出了 二个课题方向。增加了下一代高性能纯电动轿车、下一代蓄电池技术、下一代纯 电驱动系统和整车电控系统研发。 1 2 电动汽车和电动轮的研究概述 1 2 1 电动轮国外研究现状 目前国际上对轮毂式电动汽车的研究呈一片热忱之势，实际上，轮毂电机的 概念在1 9 世纪后期就已经出现。1 8 8 4 年，威灵顿亚当斯第一次提出将电机安装 在车轮内部，两者以较为复杂的机构相连，这是文献可记录的最早的轮毂电机雏 形。六年之后，a l b e r tp a r c e l l e 研制出第一个完全一体化的轮毂电机。同时e d w a r d p a r k h u r s t 也开发出机构更加精简的轮毂电机。在那一段时间内，轮毂电机得到了 短时间的高速发展，并在整车系统中得以应用。其中包括1 8 9 6 年cfg o d d a r d 开发的通过偏心可变形的弯曲辐条产生的膨胀气体来作为动力驱动的活塞式轮 毂电机，该产品应用于阿波罗漫游者登月车。这是电动汽车与航天科技的一次完 美结合，也在电动汽车的发展史上写下了浓墨重彩的一笔。 2 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 1 保时捷研制的轮毂电机纯电动汽车图1 2 保时捷研制的轮毂电机 混合动力电动汽车 1 9 0 0 年，保时捷研制出了两个前轮装备轮毂电机的前轮驱动双座电动汽车， 并在电动汽车比赛中取得了最好的成绩。图1 1 所示为保时捷研制的轮毂电机驱 动电动汽车。值得引起注意的是，保时捷在1 9 0 2 年就研制出了采用发动机和轮 毂电机的混合动力汽车( 如图1 2 所示) ，并在山地汽车拉力赛取得了不俗的成 绩。1 9 1 0 年，保时捷研制出军用陆地列车，最前面的机车装备发动机和发电机， 后面的l o 辆列车利用轮毂电机驱动。可以说，保时捷是基于轮毂电机的电动汽 车和混合动力汽车之父。 此后随着电动汽车发展的沉寂，对轮毂电机的研究也暂告一段落。之后在 2 0 世纪后期重新进入各国研发人员的视野。 日本由于其国家的地理环境和经济发展等因素，非常注重对清洁能源及可再 生资源的利用，因此其对电动汽车开发的热忱远超于其他汽车发达国家，并在这 个领域取得了大量的成果。在电动轮式电动汽车的研发中，日本位于世界的顶尖 水平。 1 9 9 6 年第十三届国际电动汽车会议展出了一款搭载电动轮的电动汽车，这 款小型纯电动汽车由日本国立研究所开发，被命名为l u c i o l e 。该车只有前后布 置的两个座位，车身宽度为1 2 m ，在两个后轮各有一个3 6 k w 的轮毂电机。 日本庆应义塾大学一直致力于对轮毂式电动汽车的研究，自2 0 0 0 年以来开 发了一系列成型的样车。比如i z a ，e c o ，k a z 等车型。i z a 是该大学与东京 武汉理工大学硕士学位论文 电力公司合作开发的一款四人四座小型纯电动汽车，如图1 3 所示，最高车速 1 7 6 k m h ，续驶里程2 7 0 k m 。这款车由于展现了电动汽车与燃油汽车相当的行驶 性能，在电动汽车的发展上具有开创性的意义。电机为外转子式无刷直流，额定 功率6 8 k w , ，整车最大功率为2 5 k w ，最大输出转矩4 2 5 k g m 。 k a z 是该研究小组2 0 0 2 年推出了一款惊世之作，其采用八人座设计，最 高车速3 1 0 k m h ，续驶里程3 0 0 k m 。设计者最初的设计意图是为了最大化的利用 由于电动轮结构而节省出来的乘用空间。但设计结果是轮胎尺寸过大，反而占据 了更多的乘用空间。于是设计者试图通过减小轮胎尺寸来达到目的，但是单纯的 尺寸变化会降低车辆乘用舒适性及可承载重量。于是他们采用了两个小型轮胎来 代替一个大尺寸轮胎的创意，以此达到了设计目的。k a z 总共配备八个轮胎， 每个轮胎均搭载一个轮内驱动装置，总输出功率高达4 4 0 k w 。该系统有效减少了 动力源传递过程中的动力流失，并创造出了最大化的乘用空间。车身动力源来自 锂电池，单个电池3 7 5 v ，共8 4 块。并设计了智能动力模块，进一步克服了动 力流失。 图1 3i z a 电动汽车图1 4k a z 八驱动电动汽车 k a z 底盘最小离地间隙1 5 e r a ，这数据已经接近一般房车甚至优于时下的 m p v 车款，当然也是该车得以成功的贡献。其他令人眼前一亮的设计哈有串联 式悬架，架构基础是一对驱动轮和液压控制，这降低了轮毂占据的空间，并使动 态反应舒适稳定。 2 0 0 9 年，庆应义塾大学与格列佛国际( g u l l i v e ri n t e r n a t i o n a l ) 及倍乐生 ( b e n e s s ec o r p o r a t i o n ) 等4 家企业联合成立了设计与开发电动汽车的新公司 s i m d r i v e 。s i m d r i v e 启动了以庆应义塾大学清水教授开发的技术为基础的电动 汽车联合开发项目，邀请日本国内及国际企业加盟。开发在轮胎内设置马达的轮 4 武汉理工大学硕士学位论文 毂电机式。目标是在2 0 1 3 年之前年产量达到1 0 万辆，将不含电池费用的车辆价 格控制在1 5 0 万日元以下。 电池和底盘的整合，也是一项挑战，研究小组必须制造一组坚固的结构承载 八十四颗电池，且必须考究到配重、轻量化、低重心和空间需求。 s i m d r i v e 的开发模式是“开发的电动汽车技术将作为开放源码公开”，计 划采用向其他公司提供技术来获得咨询费及授权费的运营模式。关于开发技术的 具体内容，清水教授表示，“制定马达的性能指标。因为充电电池技术还在不断 革新，所以只需定好尺寸即可。而逆变器和充电器只要制定出不太严格的设计规 则即可”。 该公司开发的最新电动车s i m l e i 采用电动轮驱动模式，其外形如图1 5 所示，该车使用东芝的高效锂电池，具有能源回收系统，最高车速为1 5 0 k m h ， 续驶里程3 0 0 k m ，o - - 1 0 0 k m h 加速仅为4 8 秒，快速充电装置可使车辆在3 0 分 钟内达到l o o 的电力。 图1 5l e i 电动轮驱动电动汽车图1 8 电动自行车电动轮 此外，欧美各汽车工业发达国家也一直致力于对轮毂式电动汽车的开发，特 别是各大汽车业巨头企业都推出了自己的电动轮概念或产品。 其中最具代表性的当属米其林推出的主动车轮，其结构如图l - 6 所示。轮毂 中富有创意地装载了两个电机，一个用于扭矩输出，另一个用于控制悬架系统。 在使整车结构变得更加紧凑的基础上，同时兼顾了动力源输出与操纵稳定性、平 顺性控制的需求。这种主动车轮使单个车轮的扭矩独立调节得以实现，该系统的 5 武汉理工大学硕士学位论文 另一个优点是可以提高车辆的被动安全性。 图1 - 6 米其林电动轮图1 7 t m 4 电动轮 法国t m 4 公司也设计了一款一体化轮毂电机，其具体结构如图1 7 所示。 此外，标致的b b 2 ，通用的a u t o n o m y ( 自主魔力) 、s q u e l 概念车型，沃尔 沃的r e - c h a r g e 混合动力概念车，三菱的c o l t 、l a n c e r 、 e v o l u tm i e v ，本田的 f c x c o n c e p t 均采用轮毂电机系统驱动。 1 2 2 电动轮国内研究现状 我国对电动轮的研制始于2 0 世纪7 0 年代，早期的电动轮研制主要集中于矿 用自卸车。自1 9 7 7 年起，湖南湘潭电机厂成功研制了一系列电动轮自卸车样车。 2 0 世纪9 0 年代初期，国内的一些大学及科研机构开始将电动轮的思想应用 到电动自行车的研制上。1 9 9 0 年，清华大学申报了半轴结构式高速有刷电动机 轮毂的发明专利，成为世界上最早将电动轮传动结构用在电动自行车上的单位。 该电动轮的结构示意图如图所示，其结构与矿用车电动轮有所不同，轮毂内用超 越离合器替代了制动器，结构紧凑，体积较小。 同济大学汽车学院在2 0 0 2 年、2 0 0 3 年和2 0 0 4 年分别推出了采用轮毂电机 驱动系统的四轮驱动燃料电池微型电动汽车动力平台“春晖一号 和“春晖二号 ， 两者均采用四个低速永磁直流无刷轮毂电动机直接驱动，匹配相应的盘式制动 器。轮毂电机为外转子型轮毂电机，其外形结构主要考虑与双横臂悬架、轮辋及 制动盘的连接方便。为了提高轮毂电机的外形通用性，考虑在一定功率范围内的 轮毂电机采用相同的外形结构。该轮毂电机既可安装市售微型汽车制动盘，又能 6 武汉理工大学硕士学位论文 安装不同规格摩托车制动盘。因此相同的底盘结构只需更换不同功率的轮毂电 机，即可获得不同的整车动力性能。轮毂电机额定功率o 8 k w ，峰值功率2 5 k w ； 额定转矩2 5 n m ，峰值转矩1 5 5 n m ；额定转速3 0 0 r p m ，最高转速5 1 0 r p m 。 随着国家对新能源汽车发展的鼓励与支持，国内对电动汽车尤其是电动轮 技术的研究与开发也将进入一段繁荣时期。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电动轮集成设计及悬架系统方案选 择 2 1 电动轮概述及设计任务 2 1 1 轮毂电机驱动技术简介 跟传统的内燃机汽车以及一般的单电机中央驱动电动汽车相比，电动轮驱动 电动汽车在取消了一些机械约束之后，在底盘结构、传动效率和控制性能等方面 有其独特的技术优势，具体体现在以下几方面： ( 1 ) 跟传统汽车相比，电动汽车没有离合器，变速器，传动轴等部分，大 大优化了传动系统。一方面减轻了整车质量，实现了汽车轻量化设计的目标，另 外一方面也达到了节约成本的目的。 ( 2 ) 电动轮布置形式减少了机械部分，大大节约了空间，便于整车系统的 布置和设计，比如使驾乘空间，储物空间及电池的布置都显得更加灵活，轴荷分 配也具有更大的自由度。 ( 3 ) 传统汽车的动力在系统传递过程中能量损失巨大。现代汽车传动热效 率普遍在1 5 - 2 5 之间，其中，变速箱的传动效率为9 6 ，离合器的传动效率 约为8 5 ，差速器的相应值是8 0 ，通过粗略计算，可知通过传动系统，只有 约6 5 的驱动功率传递到了车轮。相比之下，电动汽车利用电机作为驱动部件， 取消了上述部分，具有更高的传动效率。 ( 4 ) 机械传动不能传递大转矩，电动轮结构可以弥补这一局限。 ( 5 ) 对于电动汽车，车辆在行驶，制动，减速，下坡过程中的能量可以以 电能形式回收，实现能量的回收再利用，提高整车的系统效率。 ( 6 ) 电动轮驱动结构易于布置，在总功率需求相同的情况下，电动轮系统 可以使用多个电机，利用两轮或者全轮驱动布置，降低电机及相关零部件的性能 及设计要求。 ( 7 ) 电动轮结构的设计便于实现机电一体化。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 电动轮设计任务 由于跟传统电动汽车的车轮结构布置有较大的差异，在电机的选取以及各系 统的设计上，关于电动轮的设计除了满足2 2 1 章节所述的关于电动轮式电动汽 车的基本性能之外，还需要考虑以下几个方面： ( 1 ) 系统的可靠性 ( 2 ) 维护保养方便 ( 3 ) 噪声辐射达到环保要求 ( 4 ) 合适的成本 2 2 电动轮方案设计 2 2 1 电机方案的选定 起源于矿用车的传统电动轮属于减速驱动型，这种电动轮允许电动机在高速 下运行，通常电动机的最高转速设计在4 0 0 0 r p m - - 2 0 0 0 0 r p m 之间，其目的是为 了能够获得较高的比功率，通常采用普通的内转子高速电动机。减速器布置在电 动机和车轮之间，起到减速和增矩的作用，从而保证电动汽车在低速时能够获得 足够大的转矩。 减速驱动型电动轮电动机的优点是转速高，有较高的比功率，质量轻，效率 高，噪声小，成本低：但因为电动机转速较大，必须用减速器降低转速以获得较 大的转矩，因此作为非簧载质量的整个电动轮的质量会比传统的内燃机汽车的车 轮重很多。减速器多为行星齿轮减速装置，其结构紧凑，减速比较大；也有采用 外啮合圆柱齿轮减速装置，但轴向尺寸过大，径向质量分布不均，因此较少采用。 为了减少电动轮的非簧载质量，出现了直接驱动型电动轮。这种电动轮去掉 了减速驱动型电动轮中的减速器，大大减轻了非簧载质量，也简化了整个电动轮 结构。这种电动轮多采用外转子电动机，直接将外转子安装在车轮的轮辋上驱动 车轮转动。电动汽车在起步时需要较大的转矩，因此安装在直接驱动型电动轮中 的电动机必须能在低速时提供较大的转矩，为了使汽车能够有较好的动力性，电 动机还必须具有很宽的转矩和转速调节范围，并且保证在这个范围内有较高的效 率。 直接驱动型电动轮中采用的外转子电动机结构简单，轴向尺寸小，比功率高， 能够在很宽的速度范围内控制转矩，且响应速度快，又因为没有减速器，所以效 率较高；和减速驱动型电动轮相比，它更容易实现车轮防抱死系统，更容易实现 9 武汉理工大学硕士学位论文 线控技术，更好的提高电动汽车的操纵稳定性；但为了获得较大的转矩，必须增 大电动机的体积和质量，成本较高，另外，在加速时效率并不太高，且噪声很大。 用于直接驱动型电动轮的电动机，除了外转子式电动机，还有盘式电动机。外转 子机是径向磁场型，而盘式电动机则是轴向磁场型。把转子盘固定在轮辋上就可 直接驱动车轮转动。因为盘式电动机存在定子和转子互相吸引的问题，所以在电 动汽车上一直没有受到广泛的应用。 采用盘式电动机的直接驱动型电动轮，在较大转矩时效率也较高，最大的优 点是轴向尺寸非常小，盘式形状使其更适合安放在车轮轮毂内，较轻的质量和紧 凑的结构是将其用于电动汽车电动轮中的主要原因，这不仅可以减轻电动汽车的 非簧载质量，还能减少对空间的占用，给乘客提供宽敞的乘坐空间。 2 2 2 整车参数的确定 本论文的最终目标是两人座四轮全驱动超轻电动汽车，适用于城市工况。所 以整车参数的确定如下。 ( 1 ) 整车装备质量的估计 整车整备质量是设计电动轮电动汽车时的一个重要的指标，通常需要根据同 级别的内燃机汽车或已有的电动汽车样车对此值进行估计。对电动轿车而言，整 备质量可按每人所占整备质量的统计平均值估算。本文基于创新设计的目的，为 了尽量达到轻量化设计的目标，车身采用新型材料，整备质量可控制在3 0 0 k g 左右。 、 ( 2 ) 总质量m 的确定 对于电动汽车的总质量，即 m = m o + m 。+ 朋， ( 2 - 1 ) 其中式中：m 汽车总质量，k g ； 汽车整备质量，k g ； m 。驾乘人员质量，埏； 码行李质量，k g 驾乘人员质量历。按每人6 5 k g 计算，行李质量按每人5 l o k g 计算。由此可 得出汽车整备质量m 为4 5 0 k g 。 ( 3 ) 轴荷分配 电动轮电动汽车可分为电动轮前轮驱动、电动轮后轮驱动和电动轮全轮驱 武汉理工大学硕士学位论文 动，他们的轴荷分配大致可以等同于发动机前置前驱动、发动机后置后驱动和发 动机前置后驱动的内燃机汽车。电动轮电动轿车的轴荷分配可按表2 1 选取 表2 1 电动轿车轴荷分配 空载满载 驱动形式 前轴 后轴 前轴后轴 前轮驱动 5 6 6 6 3 4 4 4 4 7 6 0 4 0 5 3 后轮驱动 3 3 5 0 5 0 6 2 4 0 4 6 5 4 5 3 全轮驱动 5 1 5 6 4 4 4 9 4 5 5 0 5 0 5 5 ( 4 ) 最高车速 最高车速可以根据汽车用途、公路条件及汽车类别来确定。根据经验，电动 轿车同级别的内燃机轿车动力性能略差，所以设定电动轿车的最高车速时，适当 比同级别内燃机轿车小些，微型电动轿车最高车速在7 0 - - 1 0 0 k m h 的范围，轻型 电动轿车为9 0 1 5 0 k m h ，中级别的是1 1 0 - - 2 0 0 k m h ，高级电动轿车大于1 3 0 k m h 。 所以此微型电动汽车的最高车速初定在8 0 k m h 。 ( 5 ) 最大加速度 最大加速度是直接反映电动汽车的加速性能的指标，加速度值越高则加速性 能越好。电动汽车最大加速度可以根据需要来设定，通常在2 m s - - 1 0 m s 范围内 选取，如果是轻型电动汽车，不需要较好的加速性能，则可取较小值，如果是高 级电动轿车，需要较好的加速性能，则将最大加速度值取大些。最大加速度值的 设定是为了确定电机最大转矩。 ( 6 ) 轮胎的选择 在电动汽车总体设计的开始阶段要选择轮胎型号和尺寸，这样才能确定轮毂 的直径，从而估计电动轮驱动系统中电动机和减速器的体积。对轿车来说，其速 度快，为了降低重心高度，提高行驶稳定性，通常采用直径较小的低压轮胎。但 考虑到轮毂电机系统的尺寸，最终选择r 1 5 的轮胎。 2 2 3 电机主要参数的选定 ( i ) 电机功率的初选 武汉理工大学硕士学位论文 电动机功率的大小主要是根据汽车的最高车速，最大爬坡度和加速时间的要 求来确定的。电动汽车的动力性在一定程度上取决于功率，在对电机的功率进行 初步估计时，由已初定的最高车速“雠来确定，如下所示 只。：1 ( m g f u 彻, + c o a u l1 ( 2 - 2 )嘲 r 3 6 0 0 。7 6 1 4 0j 7 式中：尸眦汽车最大总功率，k w ； r i 效率； r l l - 汽车总质量，k g , g 重力加速度，m l s 2 ； 厂滚动阻力系数； c d 空气阻力系数； a 迎风面积，m 2 根据实际情况，选定式中的各项具体数值，作为减速驱动型电动轮而言，传 动效率r t 取0 8 0 9 ，汽车总质量之前已经初定为3 0 0 k g ，重力加速度g 取 9 8 m s 2 ，滚动阻力系数根据轿车常用的计算公式 f = 0 0 1 6 5 + 0 0 1 ( 一5 0 ) ( 2 3 ) 可得滚动阻力系数厂= 0 31 6 5 ，其他参数已于前章节给出。 由上述给定的已知条件可以估算出该电动汽车的最大总功率。 电动汽车的最大功率即为所有电动轮中电动机的最大功率之和，本车为全轮 驱动，电机的最大功率可由下式得出 = 4 ( 2 - 4 ) 所选电机的最大功率需要约7 9 4 k w 。 又由于驱动电机的峰值功率与额定功率之间的关系为： p 。= ap 额 ( 2 - 5 ) 式中： 驱动电机峰值功率，k w ； 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 p 峰驱动电机额定功率，k w ； 允驱动电机过载系数 驱动电机过载系数a 常选取2 3 之间，由此可得，电机所需的额定功率约为 6 s k w ，实际使用中选取电机的额定功率为7 k w 。 ( 2 ) 电机最高转速的确定 对于减速驱动型电动轮来说，电机的最高转速在4 0 0 0 - - , 1 0 0 0 0 r p m 范围选取。 ( 3 ) 电机最大转矩的估计 电动汽车电动轮中电动机的最大转矩乙可以通过下式进行估计 ， k = ( m g f + 8 m a t u r e , ) ( 2 6 ) l o t 式中：i o 诫速器的减速比； 6 汽车旋转质量换算系数 ( 4 ) 减速器减速比的确定 减速比可以根据电动机的最大转速和电动汽车的最高车速来估算，如下式 i 。= 0 3 7 7r n 一 ( 2 7 ) 式中： n 一电动机最高转速，r p m 由此可以确定减速器的减速比。 2 3 悬架选型研究 汽车悬架是车轮与车身之间一切装置的总称，其功用在于：在垂直方向减振 和起悬挂作用；在侧向可防止侧倾与左右车轮载荷转移；在行驶方向上保证