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轮毂电动汽车中心式转向悬架系统设计

系统设计

摘要:针对当前全线控轮毂电动车,提出了一种全新的中心转向悬架系统,解决了传统转向悬架系与电动轮广泛存在的适配问题,实现了中心转向式悬架在轮毂电动车上的应用。该系统可使实现独立驱动、独立制动、独立转向在内的全线控功能,赋予了车辆360°全方位的运动能力,为底盘系统的机电一体化集成控制提供了可能。与此同时,对该方案动力学特性进行了初步研究和探索,为轮毂电动车底盘设计提供了新的思路。

电动汽车悬架的发展历程

电动车伊始主要借助燃油车转向悬架系统,但随着分布式驱动、线控转向、电动轮技术的出现,传统悬架的局限性开始凸显。于是,中心转向悬重新架受到了重视。

 

 

所谓中心转向悬架,是指转向主销垂直穿过轮胎接地中心的悬架系统。该类悬架主要用于解决主销偏距过大而诱发的主销侧倾力矩过大问题,特点是能保证轮胎接地印迹中心距离不变;分为二类,地面中心转向和理想中心转向。

 

 

传统悬架局限性

电动轮将电机安装在轮辋里,车轮通过电机直驱实现旋转。轮毂电动车则是采用二个或者四个电动轮从而实现独立驱/制动的新型汽车。

 

 

线控转向则要求车轮能独立大幅度旋转,且控制算法上要求轮胎接地印迹中心距离保持恒定,传统悬架的横拉杆和转向梯形机构显然与该功能的实现相矛盾;同时电机轮内安装会严重挤压悬架及转向节的布置空间,引发适配冲突,主要是因为主销偏距(转向阻力臂的主要成分)过大会导致转向沉重;此外,质量较沉的电机好比是人笨重的鞋子,易导致车轮路面附着不佳,舒适性差。

如果沿用传统悬架结构,必然会导致操纵稳定性和平顺性的严重恶化,引发底盘运动学干涉及安全问题。中心转向悬架可满足上述要求,但由于电机横向尺寸大,实现地面中心转向,主销内倾角倾斜过大,安全和操控性上不允许;而通过主销内置实现中心转向,电机功率等牺牲较多,成本过高。

中心转向悬架发展现状

目前,轮毂电动用转向悬架系统,较具代表性的是米其林“主动轮胎”技术。装置采用主销内置实现理想中心转向,但狭小的空间对部件小型化及安装精度要求高,不经济,同时散热、防躁也面临诸多问题;此外,主动悬架在使用寿命、可靠性存在较多问题,整体开发难度高。采用类似结构,普利公司推出了车轮动态减震系统概念设计。

 

 

此外,美国航天局NASA设计了一款采用双边输入实现中心转向功能的概念底盘,但其结构复杂承载力较弱。

中心转向悬架结构设计

针对上述问题,本文提出了新型转向悬架系统方案,由四部分构成,其中电动轮部分通过电机轴固定在悬挂系统下端的连接盘中,悬挂装置上端的悬架臂则通过螺栓与转向装置的凸台轴连接,最后系统连接部分的夹紧箍固定住转向装置的圆台,从而完成三大系统总成与车身连接。

系统特点在于采用了转向节外置的手段,避开了轮内横向空间不足的问题;通过设置虚拟主销并使转向中心线穿过轮胎中性面,来使主销偏距为零;由于转向中心线与主销重合,因此轮胎接地印迹中心距离能保持不变;且消除了横拉杆和转向梯形,车轮之间可独立大幅偏转而互不干扰,并减轻了簧下质量集中现象。此外,模块化设计减少了模块彼此及车架之间的耦合关系,各部分设计自由度大,同时前后悬的通用化,可减少整车关键零部件数量,降低整车开发成本。

 

 

系统仿真研究分析

日常生活中,车辆保养时需要做四轮定位,主要是为了防止悬架参数异常导致汽车偏航等危险工况,因为悬架布置参数对轮胎回正力矩有直接影响,决定了车辆遭遇路面扰动时的直线行驶能力。下面通过虚拟样机技术做路面扰动试验,对回正力矩做仿真研究,其中ADAMS和CarSim分别代表设计悬架和传统悬架,仿真结果如下,其中数值的绝对值越大表明回正力矩越大。

 

 

透过曲线可知,中心转向悬架的回正力矩响应与传统悬架响应趋势高度一致,表明其基本满足车辆稳定直线行驶能力要求。鉴于二者响应数值上略有差异,现将响应分为瞬态和稳态两种工况进行研究,数据如表1。

表1 回正力矩响应数值表

   


则结论有:稳态下,中心转向悬架的回正力在中低速区段,随着车速增加而增大,而在高度区段则随着车速增加呈减小趋势,且与传统悬架响应的变化趋势相同,同时二者回正力矩数值差随车速增加而缩小,表明二者在中高速情况下抵抗侧向力干扰的能力基本相同。在遭遇扰动瞬间,车速越快,瞬时回正力矩越大,车辆抵抗侧向力维持直线的能力越强,符合车辆设计的整体要求;低速情况中心转向悬架瞬时回正力矩偏小,但在高速情况下会得到改善,由于在低速情况下回正力矩小不会产生实质性危害,所以设计悬架总体上满足稳定直线行驶的要求。

结论

中心转向悬架解决了传统悬架在轮毂电动车应用上普遍存在的适配问题,实现了轮毂电动车的全线控功能,同时对比仿真试验表明方案满足抵抗路面干扰的性能要求,具有较高的可行性。



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