多连杆悬架―轮边驱动模块的研究_图文

1、同济大学汽车学院硕士学位论文多连杆悬架轮边驱动模块的研究姓名：屈宝鹏申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：陈辛波20070301摘要摘要随着能源危机的日益严重以及人们环保意识的不断增强，研究开发清洁、节能和安全的汽车成为汽车工业发展的方向。其中电动汽车具有行驶过程中零排放、能源利用多元化和高效化以及方便实现智能化等优点，使之成为新型汽车研发的重点之一。在各类电动汽车的动力驱动系统中，电动轮驱动系统由于其控制方便、结构紧凑等突出的优点而备受青睐和重视。本论文以一种电动轮模块的结构设计为中心展开研究。首先，对已有的各种电动轮的结构方案进行了分类比较和选型，确定了本文的电动轮驱动模式。进而在各种

2、多连杆悬架系统中选择出具有较多优势的五连杆悬架作为电动轮的悬架系统。在确定了行星齿轮减速器作为减速机构的基础上，对整个系统进行性能仿真，并对系统的结构进行了优化。最后给出了一个详细的设计实例：从一般意义上讲，本文同时也可以作为电动轮驱动模块设计中简单、迅捷的方法。最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。关键词：多连杆悬架，电动轮模块，行星齿轮减速器，优化，：，同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究

3、工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。一躲户鼋确年雪月日学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名：稻叫，啄赵层唧课题的来源和背景第章

4、引言当今世界人们对环保和能源问题的关注，使得开发研制清洁、节能和安全的汽车成为汽车工业发展的方向。而电动汽车由于其行驶中能实现零排放、利用能源的多元化和高效化以及更容易实现智能化等优点，成为新型汽车研发的一个重要方向。在这个大背景下，上海燃料电池汽车动力系统有限公司联合同济大学在承接国家计划电动汽车专项燃料电池轿车的研究中，设立“四轮驱动电动汽车关键技术研究子课题（编号：从一）的研究，跟踪该领域的国际前沿技术研究。本硕士论文的研究就是来源于该研究子课题的研究任务。电动汽车驱动系统布置比传统燃油汽车有着更大的灵活性，由驱动电动机所在位置以及动力传递方式的不同，通常可以分为集中单电机驱动、多电机驱

5、动以及电动轮（轮毂电机）直接驱动等型式。其中独立电动轮驱动的电动汽车由于其控制方便、结构紧凑等优点，成为电动汽车驱动型式研究的新方向。由独立轮毂电机驱动的电动汽车最大的特点在于：）改传统的机械连接为线束连接，通过电子线控技术，实现各电动轮从零到最大速度的无级变速和各电动轮间的差速要求，省略了传统汽车所需的机械式操纵换档装置离合器、变速器、传动轴和机械差速器等，从而使得驱动系统和整车结构简洁、可利用空间大、传动效率高。）各电动轮的驱动力直接独立可控，动力学控制更为灵活、方便，有利于提高恶劣路面条件下的行驶性能。轮毂电机是电动轮驱动系统的核心部件，轮毂电动机的选择和设计不仅会影响到电动汽车的质量、

6、尺寸和形状，还会直接影响其它相关系统。如制动、悬架等系统的结构与性能。例如，在日前己研制开发“春晖”系列电动车上，前后轮均采用了由双横臂独立悬架和外转子轮毂电机等构成的结构相同的悬架一电动轮模块，它集成了导向、承载、驱动、测速和制动等多项功能。这样做的突出优点是减少了整车关键零部件种类，有利于降低零部件制造成本。但由于外转子轮毂电机与悬架之间安装盘式制动元件等的结构制约，使转向主销偏移距偏大，对汽车行驶和转向特性等将产生一定的影响。如何通过基于虚拟转向主销的新型悬架机构设计，改善这种影响，是值得深入研究的课题。另外，轮毂电机驱动方式，具有传动高效，整车结构简单等优点，但会使簧下质量偏大，一般来

7、说不利于车辆行驶平顺性的提高。有必要研究轮毂电机质量对车辆行驶平顺性等的影响程度，进而研究实现轮毂电机轻量化的方法。比如，增加轮边减速机构，一般可以减小电机扭矩和电机体积。弄清电机功率、效率和减速器传动比与体积等要素之间的匹配关系，进而提出传动效率、输出力矩与簧下质量轻量化之间的综合优化方案，也是一个值得研究的课题方向。带着这些问题，考虑到多连杆系统在实际的导向过程中没有物理主销，并且相比双横臂悬架有非常大的设计自由度，同时采用轮边减速驱动模块可以进一步减轻簧下质量，基于此，本文的初步构思就是设计多连杆悬架一轮边减速器驱动模块。国内外研究现状删电动轮驱动系统，可以布置在电动汽车的两个前轮、两个

8、后轮或四个车轮的轮毂中，成为前轮驱动、后轮驱动或四轮驱动的电动汽车。电动轮驱动系统一般由驱动电动机、减速机构、制动系统等组成，其结构示意图如图所示。圮嚣：匏曼错曲誊蹙，绕址，丧件坤眨甑控嘲番璺冉栳尊赣最图电动轮系统结构示意图目前电动轮用驱动电机也称作轮毂电动机，按形式分为两种：一种采用高第章引言速内转于电动机（见图（）在电机输出轴与车轮之间加装定减速比的齿轮减速装置来降低车轮转速；另一种采用低速外转子电动机（见图（），这种电动机无需任何变速装置直接安装在车轮轮辋上。高速内转了电动机具有体积小、质麓轻、成本低以及功率密度高等优点：低速外转子电动机结构简单，但相较目者功率密度较低、体积、重量较大。

9、目前这两种形式的电动机在电动轮匕都有所使用。电动轮的驱动电机类型一般多为永磁无刷直流电动机，在该类研究的早期由于制造以及价格等原因，也有一些车轮采用感应交流电动机，不过现今永磁无刷电动机由于其功率密度高、体积小等优点占据了电动轮驱动电机类型主要的市场份额。传统汽车中使用的两类制动器，即盘式制动器和鼓式制动器在电动轮的制动系统中都有一定的应用。电动轮驱动是当今电动车驱动系统的一个重要发展方向，而且它也具有悠久的历史：早在年设计出了它由两个装在前轮轮毂上的电机驱动这辆车被认为是世界上第一辆轮教电机驱动的汽车：年又设计了一辆在四个轮毂上分别装有一个电动机的电动跑车：而在年英国伦敦电动汽车公司就开始批

10、量生产轮毂电动机后轮驱动电动汽车。目前国外电动轮的研究主要以同本、美国为主如庆应义塾大学环境信息学部清水浩教授领导的电动汽车研究小组在过去的十几年中，一直以轮毅电机驱动的电动汽车作为理想的研蛙只标，下令已试制了五种不同形式的样车。其图电动汽乍中，年协同东京电力公司共同开发的四座电动汽车，采用电池第章引言为动力源，以阳个额定功率为，峰值功率达到的外转子永磁轮毂电机驱动，晟高时速达。年，该小组又最新推出了以锂电池为动力源，采用个大功率交流同步轮毂电机独立驱动的电动大轿车（见图）。该车充分利用电动轮驱动系统布置灵活的特点，打破传统在轿车上安装了个车轮，大大增加了该车的动力，从而使该车的最高时速可以达

11、到惊人的。的电动轮系统中采用了高转速、高性能的内转子电动机，其峰值功率可选，大大提高了的极限加速能力，使其加速时问达到秒。为了使得电动机输出转速符合实际转速要求，的电动轮系统匹配了一个传动比为的行星齿轮减速器。制动系统的前后轮没有采用相同的形式，而是前轮采用盘式，后轮采用鼓式。图为的前、后电动轮系统的结构图。图电动轮系统结干勾图美国通用公司年试制的全新线控四轮驱动燃料电池概念车也是采用电动轮驱动形式的（见图）。法国公司所设计的电动轮结构形式清晰，采用外转子永磁电动机，将电动机转子外壳直接与轮毅相连，将电动机外壳作为车轮的组成部分，并且电动机转子外壳集成为鼓式制动器的制动鼓，制动蹄片直接作用在电

12、动机外壳上，省却制动鼓的结构，减轻了电动轮系统的质量，集成化设计程度相当高。公司研制的这个电动轮系统的永磁无刷直流电动机性能非常高，其峰值功率可以达到，峰值扭矩为，最高转速为，额定功率为，额定转速为，额定工况下的平均效率可以达到，图给出了电动轮的结构形式。第章引言，谴亟茹盛涵蔷遴豳嗣一图因凄附电动轮系统我国在这一方面也有研究。哈尔滨工业大学一爱英斯电动汽车研究所研制开发的型电动汽车驱动电动轮也属于外转了型电动机。该电动机选用的足一种“多卷电动机”的永磁电动机，兼有同步电动机和异步电动机的双重特性，集成盘式制动器，采用风冷散热系统。同济大学汽车学院试制的四轮驱动电动汽车“春辉一号”，“春晖二号”

13、和“春晖三号”均采用阳个直流无刷轮毂电动机，外置式盘式制动器。表州出了目前国内外研制的电动轮系统。表电动轮系统剐表；，一一“一一“”；：”“”“”“，日神删自掰【自口自哺，±栅洲十自￥掰自啪帅州；慷挂）¨（）！”删社舢抽岍【舳（州瑚瑚！日姗，埘！上竺一【一旦一槲十。自十一“”主÷“一；¨苎土世！】。”。严”鬣“一“：“”嚣“一；一一女¨，¨一一。一：；。：§；§：§：第章引言多连杆悬架简介近年来，各个汽车厂苛求乘坐舒适性与操作安全性的底盘性能，故多连杆悬架系统便应运而生，在现今高级轿车的设计上，已经被广泛

14、采用。多连杆悬架系统首先出现于年奔驰车系（）上，现今一些中档轿车也都开始采用，并陆续采用此多连杆悬架系统，如：三菱（）、等。这种悬架系统的特性主要以车厢空间运用及行驶稳定性两者并重为出发点，如此使得在设计上必须以最小空间让悬架系统发挥最大功能，因此利用多根小型连杆，让悬架系统的上下运动与几何角度受到精确的控制，进而达到所需的性能要求，这种类型的多连杆悬架系统可平衡达成其它悬架系统所达不到的性能要求，但因其结构复杂，精度要求高，使得制作成本增加。不过这种悬架系统在性能上的优异表现，却是目前所有轿车中的佼佼者。它的具体优点是：多连杆悬架系统由于设计自由度较大，所以比较容易控制车轮外倾角（）、滚动中

15、心（）及俯仰控制中心（）等悬架系统参数，减少转向连杆的负荷，使转向省力，降低因侧风及路面颠簸所造成的车身敏感度，并维持轮胎的回复力。轮胎在上下跳动的过程中，因悬架系统构型的影响，使得车轮的侧滑量变化很小，也就足说轮距变化很小，因此可减低轮胎的磨损，减小主销偏移量（），使驱动力（）的影响降低。多连杆悬架系统由于所需要的安装空间不大，因此可降低车盖高度并增大发动机的安装空间，并且可提供较大的后倾角（），故可提升转弯性能。多连杆悬架系统由于其结构形式的影响，在刹车时可以产生前束（）的效果，进而增强制动时的操作性能，提高行驶安全性。虽然多连杆悬架系统有上述诸多的优点，但也有一些缺点需要注意，这种悬架系

16、统可以实现很多其它悬架系统难以实现的性能要求，故而其结构较复杂，所以设计难度高，再加上其精度要求较高，且维修不易，故成本相较其它型式的悬架系统而言，有所增加。多连杆悬架系统所使用的接头为弹性旋转接头及弹性球接头，若此弹性接头的刚性太高，则会降低乘坐的舒适性，若刚性太低，则转向的精准度会受到影响，但就其性能而言，到目前为止，仍是最佳的悬架系统，故非常具有发展潜力。图给出了某款车的多连杆悬架系统。第章引言幽多连杆悬架系统本文的研究思路与内容本论文以电动轮模块的结构为重点减速器进行了系统的设计和优化。第二章重点介绍了研究的理论基础究方法。采用虚拟样机仿真技术，围绕悬架和包括空间刚体的研究方法和计算机

17、研第三章对着重分析了电动轮模块的方案，在对两种电动轮方案分析的基础上确定了本文的研究对象。同时对多连杆悬架和减速器系统分别进行了分类和比较。第四章对关键零部件进行了研究和设计。最后在第五章结合具体的实例对整个模块进行了性能仿真和优化。第章多连杆悬架轮边驱动模块研究的理论基础第章多连杆悬架轮边驱动模块研究的理论基础空间机构研究中的方向余弦矩阵法共原点的坐标转换和刚体的定点转动）绕轴旋转设有两个共原点的右手直角坐标系如图所示。对坐标系毛；乙来说，坐标，乙的坐标轴方向可认为是绕轴旋转了一个角度。关于转角目的正负，通常系按右手法则的规定，即对着轴看，由薯轴逆时针转至轴为正而顺时针转为负。图由平面解析几

18、何知，同一点在两坐标系中的坐标变换有下列关系：；乙一×，×，×第章多连杆悬架轮边驱动模块研究的理论基础进一步用矩阵简写为（】（，），（）式中（，）；和（，），为同一点分别在归坐标系及新坐标系中的坐标列阵（代表向量卯），即（，一（毛，乞）及（，），）。方阵】为、妒】三口。日：）方阵符号的右上角（）表示坐标系是由坐标系绕轴转过角度日得到的，右下角移表示该方阵是由坐标系歹变换到坐标系的坐标变换矩阵。由于方阵】中的每一个元素都是表中的方向余弦：蕾一（，工），）一（，）：。（；，）（。，）一；，）。（，）：（，）一，）故，常称为方向余弦矩阵。对两个没有相对旋转的矩阵，由于主

19、对角元素。一笠一而其余元素为零，这时的方向余弦矩阵显然成为单位矩阵，。）绕其它坐标系轴的旋转坐标系对坐标系的方向可认为是绕轴转过角度口，坐标系对坐标系则为绕轴旋转了角度，至于转角口，声的正负则由右手法则规定。利用表不难写出它们的余弦矩阵分别为：，、阿】一口）第章多连杆悬架轮边驱动模块研究的理论基础阿】一【一（）绕两个坐标轴旋转的坐标变换图所示坐标系石对咒乙的方向，可认为是先绕（乙）轴转过了角度，接着绕，（）转过了角度口。将坐标系绕乙轴转过到达。时，坐标变换的矩阵关系为（，）坎，式中方向余弦矩阵取式（）的形式。图）（上图接着，将坐标系绕轴转过角度到达，时，坐标变换的矩阵关系式为（，咄，），式中的

20、方向余弦矩阵】取式（）的形式。由此得由坐标系歹向坐标系进行坐标变换的矩阵关系式为（，）；瞬，。），式中的方向余弦矩阵喏口】可写为（）疗矗珞咖。鲻第章多连杆悬架轮边驱动模块研究的理论基础睇冉蛾：）任意旋转的坐标变换这是共原点坐标变换中最一般的形式。坐标对坐标的方向我们在这里用三个欧拉角表示。如图所示，坐标的方向可认为是由坐标连续进行三次欧拉角旋转而来，利用式（）及（），根据三个欧拉角的连续旋转，可由坐标系变换到坐标系的方向余弦矩阵一一】为州】式中多一；一一：，一口口一口。口（）夙阳嬲；口；口佃趴口竿略日。一；豳嬲。叫亏啷？口毗口口觚始；罨；口§一口佃以口：？第章多连杆悬架轮边驱动模块研

21、究的理论基础方向余弦矩阵的导数和刚体的瞬时转动（互）方向余弦矩阵的一次导数和角速度矩阵方向余弦矩阵，对时问的一次求导如果坐标系绕各坐标轴所转动的角度均为微量（绕）、（绕）、（三二二一；口），（一重兰？），（？一三口；从坐标系转至歹的方向余弦矩阵，如果有绕，三：轴的微量转动，卢，则将有一增量。由于对坐标系叠加转动系与有关方向余弦，之，（三兰一曼）一童声：笞）（，】口一口训以如也籼笠一声雌一筇】【：】一口一邵【】臼。一口卢由此得对时间的一次导数为口一第章多连杆悬架轮边驱动模块研究的理论基础蚓卧§口一口一卢口由于口，代表坐标系对辞专动角速度在坐标轴，上的分量，所以上式可进一步写为阡】一（）

22、：（）（）：（，（）（。×】，（）仿上，如果微量转动，厶卢，是绕薯，乙三轴进行，则可以推断出如下公式：阡一（）：（），（一（），（），【】×】，【巳】（）角速度矩阵的计算：利用式（）并按照相等矩阵中对应元素相等的法则，可得写在坐标系中系，对系的角速度矩阵（）为，、荟叮叮呵，一么二叮孽勺譬口同理，我们可以得到写在坐标系中系对系的角速度矩阵为：，、婶。）荟两幻口幻：一弋厶叮却功叮幻（）（）第章多连杆悬架轮边驱动模块研究的理论基础（）方向余弦矩阵的二次导数和角加速度矩阵将式（）对时间再次求导一次并注意到角速度对时间的导数为角加速度，可得磊】玎声×磊】×】一肛&

23、#215;上×上×，。×】×】小同样，由式（）可得吲：赂×】这里，矩阵×，×展开的形式为。一×】×一（），一，（），一一（），（）（）一一（）（）（）（）（）刚体转动中点的速度和加速度先将点的坐标变换公式对时间求导，再利用式（）和式（）的关系，可得在坐标系中表示点速度和加速度的矩阵式子为（秒（），【弓×（，），（】），】。，（二）（），尽吐丘×】×】工（），×（】），（），】。，不共原点的坐标变换和刚体的一般运动（）不共原点的坐标变换如图所示，坐标系对薯只刁来说，除

24、有转动之外还有平移，因第章多连杆悬架轮边驱动模块研究的理论基础而不共原点。新坐标系原点。对旧坐标系的平移，可用向量。；（）或原点。在坐标系中的坐标毛（吲，咒（口，（勺）来表示；同样，旧坐标原点对新坐标系的平移，可用向量或原点在坐标系，中的坐标石，来表示。因此，不共原点的坐标变换的矩阵表达式为×图（一拶）一）【汜，式中（勺），分别表示原点的坐标列阵，）；丧），）；即（）的三阶矩阵形式可以简化为下列的四阶形式：阶”卜他（，）】（，）【彳，）。，式中妇和为由坐标系，工，变换到咒乞及其逆变换的的必标弯推牾脏第章多连杆悬架轮边驱动模块研究的理论基础（）刚体的位移矩阵和螺旋位移参数现在我们讨论利

25、用点的不司坐标变换来研究刚体一般运动的司题。在图，中，可设坐标系芬；也是研究刚体运动的参数坐标，而坐标系产，代表运动的刚体。这样，坐标列阵，）既代表刚体上点在参考系中的位置列阵（）：坐标列阵（厂）；代表刚体运动至位置时，其上点在参考系中的位置列阵（弓）；四阶坐标变换矩阵；既包含动坐标系沿方向移动，又包含刚体绕某任意轴转动痧，所以称为刚体的位移矩阵【。因此，式中的第一式可写为阱掣黹卜眨。，在一般情况下，研究刚体运动的参考坐标系，虽与坐标系薯咒乙平行，但是并不通过（即点）如图所示，图中线段弓及。晶分别代表刚体×，么图的起始位置和运动后的位置。由于参考坐标系原点的变动，根据图中向量关系：晶

26、一露。一矗一咀，墨一墨一日一咀，应将式（）改写为：舻“）一掣七）第章多连杆悬架轮边驱动模块研究的理论基础即嚣郴卜。式中的三阶列阵为（），）。）一）。）；。）一）。）（）（）（）一（。，。，。厂（，）时，（）才代表刚体的移动（）而与转动硝引无向。（即）与刚体作任意转动的轴线方向一致时，则位移矩阵成为刚体的螺旋位移矩阵。设螺旋轴的方向余弦，由余弦矩阵对应。，（墨兰。（至三；一【三一兰兰麓，妻】（三兰。，吣淼斗皿，显然，刚体的任何空间位移可用参数），；，儿，乙，来描述，在前六个参数中由于），和点必须位于螺旋轴上，只有四个参数是独立的，因此，刚体的任何空间位移仍由六个参数确定。（）刚体一般运动中点的速

27、度和加速度将点的坐标变换公式（）中的第一式对时间求导，便可得出在坐标系中表示点速度和加速度的式子，这些速度和加速度也可以写到与运动刚体相连的动坐标系中。他们分别为第章多连杆悬架轮边驱动模块研究的理论基础（；）；（。）【岛×（，（；），】卜ר，眩巧，（口一（）；一（）【乃吐盯×】丘×】（）乒×（），（），】：（：，）吐巧×】×】（厂丘×乃】），（刁：），。，导向机构自由度计算由文献，我们得到悬架导向系统自由度计算公式为：一（一厂）一（口吼一）荟饥一荟”兀一式中一自由度为的约束副的个数。吼一闭合约束为的独立

28、封闭环个数。一局部自由度。一消极约束副（虚约束）。一般而言，平面机构型独立封闭环一，空间机构型独立封闭环一。设计方法介绍本论文将采用虚拟样机技术来完成轮边驱动模块系统的设计。在现代设计中，计算机应用日益广泛。计算机辅助设计、计算机辅助工程、计算机辅助制造等技术被广泛的应用到机械、汽车、航天等行业。计算机虚拟设计与传统原型设计方法相比，其优点在于节约设计成本、缩短设计周期、便于优化和修改等。随着计算机技术的发展，开发了许多大型的计算机集成设计软件，有些软件更是集成各种功能于一体，很大程度上优化了设计过程，免去了各个软件之间的数据传递的过程，使得使用更为方便快捷。在本论文的设计过程中，我们首先利用

29、三维建模软件对系统进行初步的建模，进行结构上的设计。进而将数据导入仿真软件进行运动学分析和优化，在这个基础上再利用对系统进行了详细的设计，这个同时也进行了部件的受力分析。下面简单介绍一下这两个设计软件。简介是的简称，起源于美国麦道飞机制造公司。它以卜一体化而著称，可以支持目前市面上销售的不同厂家的所有工作站。年月被并入美国通用汽车公司的部分。多年来，软件汇集了美国航天航空与汽车工业的专业经验，发展成为世界一流的集成化机械设计和分析制造软件，并被多家美国和世界著名公司选定为企业计算机辅助设计、分析和制造的标准方法。现在已广泛应用于航天航空、汽车、发动机、通用机械及模具等各个领域。因为公司曾经一度

30、与美国最大的汽车公司合并，并结合汽车工业的实际进行了完善和扩充，所以该软件很适合汽车工业。的实体建模是其它所有几何造型产品的基础，它将基于约束的特征建模和传统的几何建模融为一体，形成了优秀的建模工具。这种建模方法是目前最为先进的建模技术，它能方便灵活地编辑和修改从特征到自由形状曲面的所有实体模型，并能充分发挥传统实体，曲面和线框造型的长处。复合式建模工具较之纯参数化的系统更为灵活和自由。它允许在需要的时候随时增加参数，能同时有效地运用传统的产品设计过程，并在必要时与基于约束的特征建模相结合，在最大程度上满足设计人员的要求。采用复合建模技术，将参数设计和特征几何设计等方法有机结合起来。实体造型以

31、先进的为建模核心，曲面设计采用非均匀有利样条为数学基础。可用多种方法生成、编辑和修改实体模型、复杂曲面。本文中用到的还有的虚拟装配技术。所谓虚拟装配技术就是利用计算机工具，而不是建立产品的实际模型，通过分析、简化、可视化、数据表示等技术，帮助设计者进行装配关系的工程决策。完成所有零部件的三维实体造型只是产品结构设计工作中的一个部分，各个零件的结构造型是否合理、是否能够满足装配要求、是否能顺利的装配在一起，还需要通过装配设计来进一步的检验，装配建模的设计方法正是基于这个要求而进行的。对于虚拟装配过程来说，要满足设计要求的装配系统应该具有以下五个方面的特点：）装配体采用树状的管理结构，一个装配件可

32、以包括多个子装配件和零件，层次清楚而且易于管理。设计者可以随时调用装配管理窗口，查看装配信息。）装配方式同时支持自顶向下和自底向上的装配技术，设计人员可以使用邻近图形的几何图形，以确保装配的准确性，而保证新零件的造型可以在装配体内进行，即可将零件装配与零件设计结合使用。）装配体的编辑和修改应该比较方便，不但可以对已装配好的零部件重新定位，而且可以通过修改零部件的造型来达到修改装配体形式的目的。装配体是各个零部件总成的信息集合，同时还包括与装配有关的信息，如配合关系等，当某一个零件或部件被修改后，这些修改之后的信息会自动更新到总的装配体中。）装配过程中，应能够自动检查零部件之间的配合和干涉情况，

33、一旦发现有干涉或配合关系不合理，可立即返回到三维零部件状态进行修改，修改好以后再回到装配体状态。这种检验还可以通过查看装配体的相应装配二维图来完成，消除设计人员在考虑出二维工程图之前就可能发生的错误，既提供设计的准确性，又实现设计思想的直观描述。）装配建模里面包含一个爆炸环境，可以在保留装配关系结构内零件关系的同时，使系统按照预先设定的方向和距离自动爆炸分离出装配部件，而且装配爆炸体与原装配体可以随时互换；同时也可以由设计者手动操作，按照自定义的方式设置各个零部件的装配方向和距离。并且装配方向和距离及爆炸方向均可以随时修改和调整，直到满足设计要求为止。装配爆炸与装配体一样，都可以转化成相应的二

34、维工程图，让设计人员方便的知道装配体的内部结构和空间投影关系。的模块正好提供了一个良好的虚拟装配环境，该模块采用主模型技术，即将一个零件视为主模型，或者称为父模型。再将其它相应的零部件信息导入。在的装配文件里面，并非直接将零部件实体导入，而只是纪录导第章多连杆悬架轮边驱动模块研究的理论基础入零部件的模型文件信息，如指针形式。在文件打开时指针信息将零件的实体导入，这样使得装配文件大大减小，在文件管理上更为便捷。在装配文件中可以对主实体模型进行修改，而其他的子模型则不能直接进行修改，只有在相应的空间内才能进行操作，不过这些都是非常方便的。软件介绍耵仿真软件（）是美国学者蔡斯（）等人利用多刚体动力学

35、理论，选取系统内每个刚体的质心在惯性参考系中的三个直角坐标和反映刚体方位的广义坐标编制的计算程序。它是虚拟样机仿真软件的一种。其中应用了（）等解决刚性积分问题的解决方法，并采用了稀疏矩阵技术来提高计算效率。该软件因其强大的功能在汽车领域得到了广泛的应用。该软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线，的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及利用动力学分析的结果确定有限元分析所需的外力和边界条件。的核心模

36、块包括（界面模块）和（求解器），模块提供以用户为中心的交互式图形坏境，并将仿真计算、优化设计、动画显示、结果分析和曲线图处理集成在一起；模块是软件的仿真“发动机”，它自动形成机械系统模型的动力学方程，并提供多种求解选项以及算法支持，以便获得精确结果。除次之外，还包括其它扩展模块，例如（模块）用于建立机械和控制系统的联合分析；（线性系统模块）可以在系统仿真时将非线性环节进行线性化处理，以便快速计算系统的固有频率（特征值）、特征向量和状态空间矩阵；（柔性分析模块）通过提供软件与有限元分析软件之间的双向数据交换接口，以便于在仿真时考虑零部件的弹性特性，提高仿真精度。同时参数化建模和优化也是该软件的一

37、个优势，本文用到的优化方法正是基于此，故而下面重点介绍以下参数化设计方法。的参数化分析功能可以分析设计参数变化对样机性能的影响。在参数第章多连杆悬架轮边驱动模块研究的理论基础化分析过程中，采用不同的设计参数值，自动运行一系列的仿真分析，然后返回分析结果。通过参数化分析结果分析，可以研究一个或多个参数变化对样机性能的影响，获得最危险的操作工况以及最优化的样机。类似于实际物理样机的设计、试验和优化过程，提供了种类型的参数化分析方法：设计研究（）、试验设计（）和分析优化（）。）设计研究设计研究主要考虑和研究：如果某个设计变量发生变化，或者取不同的值，样机的性能会发生怎样的变化。在设计研究过程中，对某

38、个设计参数在一定范围内取若干值，然后自动进行一系列的仿真分析，每次取不同的设计参数值，完成设计分析后报告各次分析结果，分析设计参数的影响。通过设计分析，用户可以获得以下的结果：样机有关性能可能的变化范围。样机有关性能的变化对设计参数变化的敏感程度。在一定的分析范围内，最佳的设计参数值。）试验设计试验设计可以考虑多个设计变量同时发生变化，对样机性能的影响。试验设计技术包括规划试验过程和试验结果的统计分析等，在物理样机进行试验时，试验设计技术是一种常用的试验分析手段，将试验设计手段成功的引入虚拟样机分析。对于简单的设计问题，分析试验人员往往可以根据直观的感觉，采用设计参数试差的方法，研究和优化样机

39、的性能。但是，随着对样机性能有影响的设计参数增加时，试验和分析变得越来越难以迅速有效的进行。一次仅变换一个参数，难以获得许多参数之间的相互影响关系。而试验变化许多不同的参数组合方式，需要进行大量的仿真试验，有大量的仿真分析输出数据需要处理和分析理解。试验设计方法提供了规划和分析一系列试验的工具，试验设计的基本步骤如下：确定试验目的。例如，确定哪个设计参数对样机性能有最大的影响。为待试验的样机选择一套参数，并确定测量有关系统响应的方法。为每一个参数选择一套参数值（又称为水平）。采用不同的参数值组合，设计一套试验过程或步骤。采用以上方法建立的试验称为试验设计，或矩阵试验。这些试验的操作步骤可以通过

40、一个试验设计矩阵来完成，试验设计矩阵的列表示不同的参数，行表示不同的试验过程，矩阵的单元值输入各次试验中的每一个参数的水平值。完成试验设计后，便可以按照试验设计矩阵的排列进行一系列的仿真分析，然后分析样机的性能变化。试验分析的类型取决于试验的目的，最常用的一种分析是方差分析方法，这种方法可以确定比较重要的因素。具有个或个参数的试验设计只需要试验次到次，但是随着试验因素的增加，试验的次数将会迅速增加到几十次，甚至几百次。因此试验分析成功的关键是具有一个良好的试验设计。设计良好的试验可以通过尽量减少试验次数，获得足够的试验数据来正确的描述样机的性能。最佳的试验设计取决于参数的数量和水平、参数的特性

41、、对样机的各种假设，以及试验目的等影响因素。通过适当的试验设计技术和试验设计，用户可以获得以下的分析结果：确定是哪个设计变量，以及所有的设计变量之间在怎样的组合下，对样机的性能有最大的影响。控制由于制造和操作条件的变化带来的影响。产生一个多项式，用以近似的表示样机的性能，以便能够用该多项式迅速的研究和优化样机性能。）优化分析优化分析是提供的一个复杂的高级分析工具。在优化分析过程中，可以设定设计变量的变化范围，施加一定的限制以保证最优化设计在处于合理的取值范围内进行。通常，优化分析问题可以归纳为：在满足各种设计条件和在指定的变量变化范围内，通过自动的选择设计变量，由分析程序求取目标函数的最大值或

42、最小值。优化分析过程中的目标函数是一个数值表达式，可以表示质量、效率、总的材料成本、运行时间、所需的能量、样机的稳定性等。可以选择在优化分析中是求最大值还是最小值。优化设计过程中的变量可以是构件的几何尺寸、力的大小、构件的质量等。设计变量可以被视为是未知的，采用可以变化的参数化变量分析过程。在优化分析过程中，程序能够自动调整设计变量，以获得最大的或最小的目标。优化分析过程中的约束是有条件的，这些边界条件能够直接或间接的消除无法接受的设计结果。约束条件通常也为优化分析附加了额外的设计目标。例如：样机的总重量必须小于、机器人手臂运动轨迹必须通过某个特殊点、汽车的基本频率必须高于多少等。从表面看，可

43、以利用的优化分析功能替代上面介绍的试验设计，事实上，这两种方法各有优点可以互相补充。例如，利用试验设计中的响应面方法获得的近似表示样机性能的表达式，可以非常方便快速的获得样机的近似优化结果。优化分析的着眼点在于获得最优的目标值，而试验设计除了可以获得正确的分析结果，还能研究参数之间的关系和影响。小结本章主要分为两大部分，首先对研究中需要的基本理论一空间机构研究中的方向余弦矩阵法一进行了阐述，其内容包括：共原点的坐标转换和刚体的定点转动；方向余弦矩阵的导数和刚体的瞬时转动；不共原点的坐标变换和刚体的一般运动。而后对研究方法也进行了简单的介绍，主要包括工程软件和的使用。第章多连杆悬架一轮边驱动模块

44、方案分析第章多连杆悬架一轮边驱动模块方案分析电动轮的分类、结构和特点”电动轮按照驱动方式进行分类，可分为减速驱动和直接驱动两太类。（）减速驱动型电动轮。起源于矿用车的传统电动轮，膳于减速驱动类犁。这种电动轮允许电动机在高速下运行，通常电动机转速较高，其目的是为了能够获得较高的比功率，而对电动机没有其它的特殊要求，因此可以采用普通的内转子高速电动机。减速机构布簧在电动机和车轮之间，起到减速和增矩的作用，从而保证电动汽牟在低速时能够获得足够大的转矩。图就是这种类型的电动轮。图内转子电动轮幽外转子电动轮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；但是因为电机转速较高，必须用减速机构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依然比传统的内燃汽车重。减速机构多为行星齿轮减速装置，其结构紧凑，减速比较大；也有采用外啮台圆柱齿轮减速装置的，但是因为轴向尺寸过大，径向质量分布不均，除了有蝗专利是这种结构，实际中则较少采用。（）直接驱动型电动轮。这种电动轮去掉了减速机构，简化了整个电动轮的结构，直接将外转予安装在车轮的轮毂上驱动车轮转动。然而电动汽车在启动的时候需要较大的转矩，也就是说安装在直接驱动型电动轮中的电动机必须能够在低速时提供大转矩。为了使汽车能够具有较好的动力性，电动