【正文】 與傳統(tǒng)汽車相比，四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可通過(guò)電動(dòng)機(jī)來(lái)完成驅(qū) 動(dòng)力的控制而不需要其他附件，容易實(shí)現(xiàn)性能更好的、成本更低的牽引力控制系統(tǒng)（ TCS）、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ ABS）及電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)（ ESP）。并且相對(duì)于傳統(tǒng)汽車這些功能的實(shí)現(xiàn)，四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)汽車具有響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。在這樣的功能實(shí)現(xiàn)的工作模式下，存在著獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的車輪之間的通信協(xié)同控制的一大難題。 吉林大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 （設(shè)計(jì)） 2 3) 對(duì)各車輪采用制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，則可大大提高汽車能量利用效率，且與采用單電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車相比，其能量回收效率也獲得顯著增加。這對(duì)提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程是很重要的。 4) 實(shí)現(xiàn)汽車底盤系統(tǒng)的電子化、主動(dòng)化?，F(xiàn)代汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置分為前驅(qū)動(dòng)、后驅(qū)動(dòng)或全驅(qū)動(dòng)。這兩種驅(qū)動(dòng)型式各有優(yōu)缺點(diǎn)，而且對(duì)汽車行駛工況的適應(yīng)性也不同。如前驅(qū)動(dòng)轎車在高速轉(zhuǎn)向時(shí)穩(wěn)定性好，但在加速時(shí)或爬坡時(shí)，動(dòng)力性受載荷轉(zhuǎn)移的影響較大，而后驅(qū)動(dòng)在這方面的性能優(yōu)于前驅(qū)動(dòng)車，而全輪驅(qū)動(dòng)車的成本較高。汽車采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)技術(shù)后，汽車采用前驅(qū)動(dòng)、后驅(qū)動(dòng)或全輪驅(qū)動(dòng)可根據(jù)汽車行駛工況由控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與轉(zhuǎn)換。且各車輪的驅(qū)動(dòng)力可根據(jù)汽車行駛狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，真正實(shí)現(xiàn)汽車的 電子主動(dòng)底盤 四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的特點(diǎn) 在一般汽車，以 操縱方向盤使前輪的輪胎轉(zhuǎn)向發(fā)揮轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)能，但四輪轉(zhuǎn)向是后輪的輪胎也可轉(zhuǎn)向之系統(tǒng)。四輪轉(zhuǎn)向的目的：在低速行駛時(shí)作逆相轉(zhuǎn)向（前輪與旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟嫦颍┦剐D(zhuǎn)時(shí)小轉(zhuǎn)彎性能良好，中高速時(shí)為同相轉(zhuǎn)向（前輪與旋轉(zhuǎn)方向?yàn)橥较颍蕴岣咴诟咚贂r(shí)之車道變換或旋轉(zhuǎn)時(shí)操縱穩(wěn)定性。 1)四輪轉(zhuǎn)向降低低速轉(zhuǎn)向半徑。 如圖 11a 所示，汽車在低速旋轉(zhuǎn)時(shí)，車輛行進(jìn)方向與輪胎方向大概可視為一致，在各輪大部份不會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)向心力 (cornering force )。四輪行進(jìn)方向 的垂直線會(huì)交于一點(diǎn)，車輛就以該點(diǎn)為中心 (旋轉(zhuǎn)中心 )旋轉(zhuǎn)。參考下圖低速 旋轉(zhuǎn)時(shí)之行車軌跡，單軸轉(zhuǎn)向車 (通常前輪轉(zhuǎn)向 )時(shí)，因?yàn)楹筝啿晦D(zhuǎn)向，旋轉(zhuǎn)中心差不多在后軸的延長(zhǎng)線上。 第 1 章 緒 論 3 圖 11 如圖 11b 四輪轉(zhuǎn)向車此時(shí)是把后輪逆向轉(zhuǎn)向，旋轉(zhuǎn)中心比單軸轉(zhuǎn)向（前軸轉(zhuǎn)向）車更靠近車輛，亦即回轉(zhuǎn)半徑較小。在低速旋轉(zhuǎn)，前輪轉(zhuǎn)向角若相同，則四輪轉(zhuǎn)向車的回轉(zhuǎn)半徑可較小，小轉(zhuǎn)彎性能良好，內(nèi)輪差也可縮小。內(nèi)輪差的減少對(duì)大型車輛轉(zhuǎn)向安全尤為重要 2)四輪轉(zhuǎn)向高速提高操縱穩(wěn)定性 直向行進(jìn)之汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，由車輛的重心點(diǎn)變化行進(jìn)方向的公轉(zhuǎn)，與該重心點(diǎn)周圍的車輛自轉(zhuǎn)之兩種運(yùn)動(dòng)合成來(lái)進(jìn)行。圖 B 表示單軸（前輪）轉(zhuǎn)向車高速旋轉(zhuǎn)時(shí)之車輛狀況。首先，若前輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向，前輪胎就產(chǎn)生滑動(dòng)角α，并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)向心力，車身開(kāi)始自轉(zhuǎn)。結(jié)果，使車身偏向后輪也產(chǎn)生滑動(dòng)角β，后輪也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)向心力，四輪的力量就分擔(dān)自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)力，隨著取得平衡進(jìn)行旋轉(zhuǎn)?？墒撬俣扔呦蛐牧υ龃?，因此與其取得平衡之旋轉(zhuǎn)向心力也不得不增大，給與前輪更大的滑動(dòng)角不得不產(chǎn)生大的旋轉(zhuǎn)向心力，而且，因?yàn)楹筝喴矔?huì)給與相似的滑動(dòng)角，就發(fā)生使車身產(chǎn)生更大的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)之必要性。可是，速度愈高更增加車身自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)之不穩(wěn)定性，容易產(chǎn)生車輛旋轉(zhuǎn)或橫滑。 圖 12 吉林大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 （設(shè)計(jì)） 4 圖 13 理想的高速度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)使車身方向與車輛行進(jìn)方向盡量一致，以抑制多余的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使前后輪能產(chǎn)充分的旋轉(zhuǎn)向心力。如圖 C所示，在 4WS 車中，使后輪同相轉(zhuǎn)向后輪也產(chǎn)生滑動(dòng)角α，使與前輪的旋轉(zhuǎn)向心力平衡以抑制自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。結(jié)果，使車身方向與車輛行進(jìn)方向一致就可期待穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)。 雖然四輪轉(zhuǎn)向相對(duì)于單軸轉(zhuǎn)向有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于電控技術(shù)不穩(wěn)定性，其控制的可靠性很難保證，上個(gè)世紀(jì) 80 年代很多日本車采用四輪轉(zhuǎn)向，以便于在日本多山路的路況下得到更好的操控性能。但是，由于可靠性的問(wèn)題應(yīng)用的越來(lái)又少?，F(xiàn)在主動(dòng)四輪轉(zhuǎn)向多用于大 型礦業(yè)車輛上和部分越野車上。而被動(dòng)的四輪轉(zhuǎn)向（即后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向）在法系車上，比如標(biāo)志 207 上一直在使用。 第 2 章 設(shè)計(jì)任務(wù) 5 第二章 設(shè)計(jì)任務(wù) 這項(xiàng)設(shè)計(jì)是為四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng) /四輪轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)一種可行的“輪邊”機(jī)構(gòu)。這套機(jī)構(gòu)必須完成安裝車的動(dòng)力機(jī)構(gòu) —— 輪轂電機(jī)；車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) —— 輪邊線控轉(zhuǎn)向；同時(shí)還必須具有傳統(tǒng)輪邊機(jī)構(gòu)所具有的減震、行駛等功能。在完成設(shè)計(jì)后， ① 電動(dòng)車必須可以在城市平直路面上以最高 80KM/h 的速度穩(wěn)定行駛，可以在 10s 內(nèi)加速到最高行駛速度，具有足夠可靠的制動(dòng)性能； ② 同時(shí)機(jī)構(gòu)可以承受必要的側(cè)向力，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以在高速時(shí)可以后輪同向轉(zhuǎn)向，低速時(shí)可以反向轉(zhuǎn)向，必要情況下轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以“蟹行”。 為滿足以上要求我們制訂了如下的整體方案。 圖 21 這里會(huì)出現(xiàn)以下幾個(gè)新名詞 :承載下彎梁、承載上彎梁、連接卡塊、連接法蘭等。這幾個(gè)詞將在下面的說(shuō)明書中反復(fù)的使用。希望第一次接觸這些由我自己根據(jù)其作用命名的結(jié)構(gòu)能很好的適應(yīng)。 以上是結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)提出的要求，下面就使用可靠性提出設(shè)計(jì)要求 作為一款實(shí)驗(yàn)平臺(tái)類產(chǎn)品，使用的可靠性不是在使用過(guò)程中體現(xiàn)的，更多地是存放的耐久性，存放的耐久性則更多的是存儲(chǔ)條件保養(yǎng)的任務(wù)。明確了上面一點(diǎn)，我們吉林大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 （設(shè)計(jì)） 6 提出實(shí)驗(yàn)平臺(tái)正常使用可以滿足連續(xù)工作 2500 小時(shí)的。這一數(shù)據(jù)的根據(jù)是使用時(shí)間3 年，每天工作 2 小時(shí)，那么我們的工作時(shí)間取 2500 小時(shí)是完全能滿足的。據(jù)此提出軸承類部件的使用壽命為 5000 小時(shí)，軸類旋轉(zhuǎn)受交變載荷的沖擊次數(shù)為 次。 由于是第一代產(chǎn)品，這里對(duì)很多影響操縱穩(wěn)定性的車身整體參數(shù)并沒(méi)有提出很精確地設(shè)計(jì)要求，也沒(méi)有現(xiàn)成的參數(shù)可以選來(lái)適配。整個(gè)設(shè)計(jì)旨在為以后的電控地盤的實(shí)現(xiàn)做一個(gè)簡(jiǎn)單可靠的機(jī)械平臺(tái)。簡(jiǎn)單可靠也是整個(gè)設(shè)計(jì)的主旨。 第 3 章 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 7 第三章 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 電機(jī)的選擇 . 轉(zhuǎn)向系計(jì)算載荷的確定 為了保證行駛安全，組成轉(zhuǎn)向系的各零部件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。欲驗(yàn)算轉(zhuǎn)向系零件的強(qiáng)度，需要首先確定作用在各零件上的力。影響這些力的主要因素有轉(zhuǎn)向軸的負(fù)荷，路面阻力和 輪胎氣壓等。在傳統(tǒng)汽車中為傳動(dòng)轉(zhuǎn)向輪要克服的阻力，包括轉(zhuǎn)向繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)的助力、輪胎變形阻力和轉(zhuǎn)向系中的內(nèi)摩擦助力等。為了準(zhǔn)確計(jì)算這些力是非常困難的，這能使用足夠精確地半經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算。這些力在平衡狀態(tài)下又是和地面對(duì)轉(zhuǎn)向的阻力矩是平衡的。而其中最大的值就是靜止轉(zhuǎn)向阻力矩。下面就計(jì)算原地轉(zhuǎn)向阻力矩使用兩種方法： 《汽車動(dòng)力學(xué)》求解 書中并未給出直接的經(jīng)驗(yàn)公式，而是就靜止轉(zhuǎn)向力矩的影響因素給出了比列關(guān)系： 其中，為轉(zhuǎn)向輪垂直載荷的 倍， 為輪胎與路面之間的摩擦系數(shù)， p為輪胎的胎壓。下 面，我們就對(duì)以上公式進(jìn)行更加詳細(xì)的推理計(jì)算。 1)輪胎選用 普利司通 165/60 R14 子午線輪胎 則輪胎主要尺寸參數(shù)： 胎高 H=b179。 =165179。 =99mm 輪轂直徑 =14179。 = 輪胎直徑 = +2H= 2)輪胎原地轉(zhuǎn)向力矩計(jì)算 初選 ， g=10 由于 4 輪 獨(dú) 立 轉(zhuǎn) 向 ， 則 每 個(gè) 輪吉林大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 （設(shè)計(jì)） 8 = =2500N 參考比亞迪 F0的輪胎氣壓標(biāo)準(zhǔn)，取胎壓有助于轉(zhuǎn)向的 。 在米克其汽車動(dòng)力學(xué)查得輪胎在垂直方向變形 s=10mm 圖 31 接地點(diǎn)縱向長(zhǎng)度 L=2 = 取橫向摩擦力系數(shù)φ = 則根據(jù)微積分力矩計(jì)算簡(jiǎn)化算法得 M= = 《汽車設(shè)計(jì)》計(jì)算 在汽車設(shè)計(jì)那本書中給出了具體的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)求解原地轉(zhuǎn)向阻力矩( )。 計(jì)算公式： 式中， f 為輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因素，一般取 ； 為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷（ N） 。P為輪胎氣壓（ MPa）。 車重取 1000Kg，且質(zhì)心在四輪中央，那么 =2500N，由于標(biāo)定車是比亞迪 F0，輪胎胎壓選比亞迪 F0 的參考，夏天 MPa，冬天 MPa。那么靜止原地轉(zhuǎn)向力矩在 至 之間。 根據(jù)以上兩種算法取其中的較大值作為我們的設(shè)計(jì)參考，記靜止原地轉(zhuǎn)向力矩為 。 電機(jī)的選擇 我們的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由伺服電機(jī)和蝸輪蝸桿減速機(jī)作為動(dòng)力源。我們選用的是松下 A5系列 MSMD022S1U 伺服電機(jī)和類 RV50 減速機(jī)的蝸輪蝸桿減速機(jī)作為動(dòng)力源，下面就這兩項(xiàng)的選用和設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明 在傳統(tǒng)汽車中我們對(duì)汽車轉(zhuǎn)向系提出來(lái)如下要求： ，全部車輪應(yīng)繞瞬間轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，任何車輪不應(yīng)該有側(cè)滑。 ，在駕駛員松開(kāi)轉(zhuǎn)向盤的條件下，轉(zhuǎn)向輪能自動(dòng)返回到直線行駛位置，并穩(wěn)定行駛。 第 3 章 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 9 ，轉(zhuǎn)向輪都不得產(chǎn)生自振，轉(zhuǎn)向盤沒(méi)有擺動(dòng)。 ，由于運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)使車輪產(chǎn)生的擺動(dòng)應(yīng)最小。 ，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行駛的能力。 。 ，傳給轉(zhuǎn)向盤的反沖力要盡可能小。 ，有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)。 ，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向盤由于車架或車身變形而共同后移時(shí)，轉(zhuǎn)向系應(yīng)有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置。 ⑩ 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核，保證轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向盤方向一致。 從上面的要求我們知道，我們?cè)谶M(jìn)行線性轉(zhuǎn)向控制時(shí)，必須可以精確地控制轉(zhuǎn)向位置、控制轉(zhuǎn)向速度和快速的響應(yīng)這一切促使我們選擇伺服電機(jī)作為我們的轉(zhuǎn)向動(dòng)力源。綜合價(jià)格和性能我們選擇了松下 MSMD022S1U 伺服電機(jī)，下面就這一電機(jī)的選型進(jìn)行闡述。 首先，先了解伺服控制的工作原理。 這里面只有最后的電機(jī)部分由我進(jìn)行選型，同時(shí)根據(jù)控制形式 選擇相應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)。 圖 32 國(guó)內(nèi)伺服電機(jī)現(xiàn)在主要存在三種產(chǎn)品，分別是價(jià)格昂貴精度高的歐美產(chǎn)品，比如四門子、科爾摩爾等，在一些高尖端的設(shè)備上用的比較多；國(guó)產(chǎn)品牌，國(guó)產(chǎn)品牌應(yīng)用的較少，整體的售后服務(wù)精度很難得到保障（這里包括臺(tái)灣省的產(chǎn)品）；日系品牌在國(guó)內(nèi)使用最多，同時(shí)也是性價(jià)比最高，售后服務(wù)最好，其中松下伺服已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，相對(duì)價(jià)格低廉，符合中國(guó)工程師的使用習(xí)慣，所以這里我們選 擇松下的產(chǎn)品。松下伺服在市場(chǎng)上現(xiàn)在存在兩個(gè)系列老的 A4系列和新的 A5系列，相對(duì)于 A4吉林大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 （設(shè)計(jì)） 10 系列 A5系列具有更快的響應(yīng)速度，更加輕便等諸多優(yōu)點(diǎn)。這里選用松下 A5系列的伺服系統(tǒng)。 下面就是具體的電機(jī)選擇。 松下 A5 伺服電機(jī)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量分為：大慣量（ MEME、 ,MEMD）、中慣量（ MGME）、小慣量（ MSME、 MSMD）。這里的電機(jī)慣量直接影響所加載載荷的響應(yīng)速度，所以現(xiàn)在需要對(duì)所帶載荷的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行估算。我們轉(zhuǎn)向電機(jī)的負(fù)載包括：減速機(jī)的齒輪副、轉(zhuǎn)軸、軸承內(nèi)圈、懸架支撐轉(zhuǎn)向梁、液壓制動(dòng)鉗組件、輪轂電機(jī)、車輪組件。其中減速機(jī)齒輪副是以自己的幾何中心線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其余部件均以輪胎垂直中心線為旋轉(zhuǎn)中心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 。這里面轉(zhuǎn)軸組件（包括轉(zhuǎn)軸、軸承內(nèi)圈、定位擋圈、止動(dòng)塊）和減速機(jī)齒輪副由于質(zhì)量相對(duì)較小、質(zhì)量集中度大，且轉(zhuǎn)動(dòng)中心為其幾何中心，這里在近似計(jì)算時(shí)不予考慮。下面對(duì)其余部分簡(jiǎn)化計(jì)算。由于計(jì)算公式復(fù)雜這里使用一款轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算軟件計(jì)算。 輪胎輪輞組件： 這一組件質(zhì)量 14Kg,將其理想為一內(nèi)徑 35外徑 55厚度 165 的圈，圈的密度為 。計(jì)算結(jié)果： 圖 33 輪轂電機(jī)制動(dòng)盤組： 這里把輪轂電機(jī)和制動(dòng)盤理想成一均質(zhì)圓盤，圓盤繞與其直徑平行的軸轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)質(zhì)量 18Kg,厚度 ,直徑 223mm,這里我們理想均質(zhì)圓盤的密度為 。計(jì)算結(jié)果： 第 3 章 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 11 圖 34 懸架轉(zhuǎn)向梁： 由于我們的計(jì)算軟件只能進(jìn)行簡(jiǎn)單外形的物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算，這里我們將彎梁簡(jiǎn)化為一段橫梁、一段豎梁，并且認(rèn)為這 兩個(gè)空心方鋼為密度為 的均質(zhì)梁進(jìn)行計(jì)算。 圖 35 將兩者相加得 。 由以上計(jì)算過(guò)程我們大概知道我們轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)負(fù)載部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 ，這里我們翻過(guò)來(lái)到選型手冊(cè)里面選電機(jī)。電機(jī)要求負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的 30 倍以內(nèi)，這事我們可以選用小慣量系列電機(jī)作為我們的動(dòng)力源。在小慣量系列中又有兩種類型： MSME 和 MSMD 兩種型號(hào)。這兩者的差距在于， MSME型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電178。機(jī)之間的鏈接采用航空插頭，而 MSMD 型則是直接從電機(jī)內(nèi)引出線鏈接。 MSME 型在市面上貨源相對(duì)比較稀缺，雖然航空插頭有諸多優(yōu)點(diǎn)，但考慮其對(duì)我們的使用沒(méi)有多大影響和貨源的問(wèn)題，我們選用 MSMD 型伺服電機(jī)。 我們選擇 NMRV50 蝸輪蝸桿減速機(jī)，速比 100，效率 80%。根據(jù)原地靜止轉(zhuǎn)向力矩吉林大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 （設(shè)計(jì)） 12 需求我們反過(guò)來(lái)推得減速機(jī)輸入端所需力矩為 。正常工作時(shí)，所需輸入力矩是小于這一值的，同時(shí)考慮到伺服電機(jī)優(yōu)秀的過(guò)載能力，我們選用額定轉(zhuǎn)矩為 的 MSMD022S1U 伺服電機(jī)。 下面就通過(guò)伺服電機(jī)的型號(hào)對(duì)其進(jìn)行介紹： 松下 A5 伺服電機(jī)銘牌： 圖 36 022,，電機(jī)額定輸出功率為 200W，電機(jī)電源為 200V 交流電。選擇 200W 是由于我們所需輸出轉(zhuǎn)矩決定的。選擇 200V 供電電源，是考慮到電線粗細(xì)對(duì)布線的影響，同樣的功率工作時(shí) ，電壓越高，電流越小，電線越細(xì)，越方便布局。由于我們采用逆變器對(duì)其進(jìn)行供電，更小的電流也有助于提高逆變器效率，減少逆變器的熱效應(yīng)。 下面是電機(jī)的參數(shù)：