【正文】 ..................................................................... 26 展望 ................................................................................................................ 28 致謝 .............................................................................................................................. 29 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 30 四輪轉(zhuǎn)向電動平臺車底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計 1 第一章 概述 選題背景與研究意義 汽車工業(yè)產(chǎn)業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，反映了國家產(chǎn)業(yè)的綜合競爭力，產(chǎn)業(yè)鏈長，關(guān)聯(lián)度高、就業(yè)面廣、消費(fèi) 帶動作用大 ，在國民經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷史中扮演著不可或缺的角色 。 此外按照當(dāng)前 全球 汽車燃油經(jīng)濟(jì)性水平估計，車用燃油 的 消耗量將突破 每一年 4億噸， 能源緊缺 問題 和 環(huán)境 惡化 問題由此變得更加突出 。 一般使用蓄電池配合各種電機(jī)作為動力，使用輪式或履帶式驅(qū)動系統(tǒng) [3]。此后，菲亞特公司首次將蓄電池和超級電容器并聯(lián)之后構(gòu)成新型蓄電池 超級電容器復(fù)合電源系統(tǒng)。最早的微型無人車輛出現(xiàn)在第二次世界大戰(zhàn)的戰(zhàn)場 上，當(dāng)時為了減少士兵傷亡，納粹俄國率先研發(fā)出了一種無人排雷車并將其應(yīng)用到戰(zhàn)場上，效果顯著。在 1967 年 7 月人類第一次登上地球之前，美國就曾向月球發(fā)射了無人巡游探測器，此后，各個國家曾向其他很多星球上發(fā)射過無人探測車，其中 2021年成功登陸 Gusev Crater 美國勇氣號火星探測車就是其中一個典型代表。 第二章，總體設(shè)計方案。主要 介紹了一下 復(fù)合 電源系統(tǒng)的概念與工作原理，然后對復(fù)合電源系統(tǒng)中的兩個重要部分蓄電池和超級電容器進(jìn)行了容量計算與選型設(shè)計 以及參數(shù)匹配 。對本次畢業(yè)設(shè)計進(jìn)行了總結(jié) ，列出了本次畢業(yè)設(shè)計的成果 ，并就工作上的不足與不完善之處進(jìn)行展望 ，以期日后可以做出更完善的設(shè)計。 本次畢業(yè)設(shè)計復(fù)合電源系統(tǒng)選定的能量儲存裝置分別為鉛酸蓄電池和超級電容器組，將在第三章對這兩個能量儲存裝置進(jìn)行容量計算和參數(shù)匹配。 該工業(yè) 6060W鋁型材結(jié)構(gòu)圖 車架 及結(jié)構(gòu)圖如下： 四輪轉(zhuǎn)向電動平臺車底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計 5 圖 工業(yè) 6060W 鋁型材 結(jié)構(gòu)圖 圖 車架主體結(jié)構(gòu)圖 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 一般微型純電動車驅(qū)動系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是使用輪轂，另一種是通過直流電機(jī)以及聯(lián)軸器、減速器構(gòu)成驅(qū)動系統(tǒng)。 四輪轉(zhuǎn)向電動平臺車底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 第三章 復(fù)合電源 系統(tǒng) 選型設(shè)計 復(fù)合電源 概念 復(fù)合電源系統(tǒng)是將兩個或者兩個以上的能量存儲裝置組合在一起，以使每一個能量存儲裝置都能發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，并使其缺點(diǎn)可由其他的能量存儲裝置予以補(bǔ)償。 已有實(shí)驗(yàn)表明 蓄電池 的 能量特性 比較突出 ，而超級電容器 的 功率特性 比較突出 [1]， 所以 在蓄電池和超級電容器之間需要 添加一個 功率分配控制器來協(xié)調(diào) 蓄電池和超級電容器組 的輸入輸出特性，從而 合理分配 蓄電池和超級電容器 的輸出 功率。并且，在超級電容器組的剩余電量不足時，蓄電池除了要對外輸出提供車輛穩(wěn)定行駛的功率之外，同時還要輸出一部分功率來給超級電容器組充電，以使超級電容器組在加速或上坡時有足夠的電量輸出以滿足此時需求的功率。 圖 （ c）是車輛在制動或者下坡時復(fù)合電源系統(tǒng)的工作模式圖。 表 動力蓄電池性能比較 系統(tǒng) 比能量/(Wh/kg) 比功率/(W/kg) 能量效率 (%) 循環(huán)壽命 工作溫度范圍 (℃ ) 自放電(%/48h) 價格 /(美元 /kWh) 鉛蓄電池 20~50 50~400 80 300~400 0~+45 120~150 鎳氫電池 70~95 200~300 70 750~1200+ 30~+50 6 200~350 鋰離子電池 80~130 200~300 95 1000+ 30~+55 200 表 這三種蓄電池性能的對比表明，鎳氫電池與鋰離子電池都能夠較好的滿足純電動汽車對蓄電池各方面性能的要求，但是其市場價格相對于鉛酸蓄電池的市場價格比較高昂，而這一點(diǎn)將制約這兩種蓄電池在純電動汽車上的運(yùn)用。 當(dāng)復(fù)合電源系統(tǒng)能量儲存裝置整體的能量和功率剛好能夠滿足車輛在行駛的時候需求的能量和功率的時候，是復(fù)合電源系統(tǒng)的最理想設(shè)計。 四輪轉(zhuǎn)向電動平臺車底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計 10 電池能量的計算公式為： 1 0 0 0/CUD O U=W b a tte ryb a tte ryb a tte ry （ 31） 式中 ： batteryW 蓄電池組的實(shí)際能量（ kWh）； DOU 蓄電池組的平均工作電壓（ V）； batteryU 蓄電池放電深度，本文取 ； batteryC 蓄電池的安時容量（ Ah）。將需要的總能量代入公式 （ 31） 可以得到蓄電池容量 = 。 超級電容器最高和最低電壓的計算必須根據(jù)復(fù)合電源系統(tǒng)中的 DC/DC功率變換器的變換系數(shù)和蓄電池組的電壓，其中DC/DC功率變換器的變換系數(shù)應(yīng)小于等于 4[1]， 上面進(jìn)行蓄電池參數(shù)匹配的時候提到， 本次畢業(yè)設(shè)計 四輪轉(zhuǎn)向平臺車的鉛酸 蓄電池 電壓等級為 36V， 所以 超級電容器組的最小電壓 是V9=4/36=U Low 。即： UCW=Wk （ 38） 從而可得超級電容器的電容量為： 2UpkUC U3W8C = （ 39） 本次畢業(yè)設(shè)計的四輪轉(zhuǎn)向平臺車的最快車速是 30km/h，整車最大質(zhì)量是 150kg，所以四輪轉(zhuǎn)向電動平臺車底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計 12 由式（ 35）， 本平臺車在最高車速下行駛的最大動能 KJ2085Wk ?? 。應(yīng)用式 （ 37） 可得 =Wuc ，很顯然大于式 （ 310） 的計算結(jié)果，所選超級電容器能夠滿足車輛行駛對能量的要求。 四輪轉(zhuǎn)向電動平臺車底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計 13 第四章 底盤 結(jié)構(gòu)選型設(shè)計 平臺車車架設(shè)計 平臺車車架材料選擇 車架作為本次畢業(yè)設(shè)計四輪轉(zhuǎn)向平臺車的主體結(jié)構(gòu)，必須具有一定的形狀結(jié)構(gòu)，以方便安裝四輪轉(zhuǎn)向平臺車的驅(qū)動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，以及 搭載 復(fù)合電源系統(tǒng)。 圖 一種 桁架式支架 本次設(shè)計 的 四輪轉(zhuǎn)向平臺車 桁架式車架的設(shè)計方案是，將 3 種不同長度、每種長度 4根共 12 根工業(yè) 6060W鋁型材，通過機(jī)加工的角件以及螺栓進(jìn)行連接與固定，組裝 成一個鋁型材立方體 鋁 框 ，也就是本次的桁架式車架。本次設(shè)計對車架尺寸的計算主要的參考對象是比亞迪汽車公司在 2021 年 10 月 上市的比亞迪 E6的部分參數(shù)。 圖 比亞迪 E6 側(cè)前方圖 該款車型主要設(shè)計參數(shù)如表 所示： 表 比亞迪 E6 主要設(shè)計參數(shù) 電動機(jī) 總功率（ kW） 90 電動機(jī)總扭矩（ N由此計算得到平臺車的長度是 900mm，其前輪距 500mm，其高度為 600mm。該車架 及角件 的結(jié)構(gòu)圖如圖 所示： （ a） 鋁型材車架三維結(jié)構(gòu)圖 （ b） 鋁合金角件三維 結(jié)構(gòu) 圖 四輪轉(zhuǎn)向電動平臺車底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計 16 （ c） 鋁合金角件尺寸圖 圖 鋁型材車架及鋁合金角件結(jié)構(gòu)圖 車架強(qiáng)度分析 平臺車的車架是平臺車驅(qū)動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安裝基礎(chǔ)，是平臺車的主要承力部分，所以車架的強(qiáng)度和剛度在整個 設(shè)計 過程中顯得尤為必要及重要。 基于 DM組件建立車架幾何模型 ANSYS DesignModeler（簡稱 DM）是一個基于 ANSYS Workbench平臺的數(shù)據(jù)整合應(yīng)用程序，它可以同傳統(tǒng) CAD 軟件一樣創(chuàng)建基于 2D 草圖的 3D 模型，本次 設(shè)計 就是基于 DM組件建立了車架的 幾何模型并對其進(jìn)行后續(xù)應(yīng)力分析。本次設(shè)計施加的約束為 Fixed Support（固定約束），在頂點(diǎn)約 束了所有的自由度。 四輪轉(zhuǎn)向電動平臺車底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計 19 平臺車驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 平臺車驅(qū)動方式設(shè)計 驅(qū)動系統(tǒng)是該四輪轉(zhuǎn)向平臺車的一大重要部分，驅(qū)動系統(tǒng)的動力輸出關(guān)系到四輪轉(zhuǎn)向平臺車的 性能狀況，因此必須慎之又慎。輪轂電機(jī)是將電機(jī)直接置于車輪中，由于這種特殊結(jié)構(gòu)方式電機(jī)驅(qū)動力通過車輪直接傳輸，所以在轉(zhuǎn)動時不用考慮能量的損失，電動車這種驅(qū)動方式的執(zhí)行效率要遠(yuǎn)高于其他類型驅(qū)動方式，并且易實(shí)現(xiàn)電動車車輪的再生能量回饋等功能。 將數(shù)據(jù)代入式（ 41），得阻力F=。 的路面上勻速行駛，則平臺車行駛時受到的阻力為： + G AuCα+c os= G fF 2ad阻力 （ 42） 式中： α— 最大坡度， α=30176。 m 電機(jī)轉(zhuǎn)速為： = a3770 =（ 3）爬坡同時加速啟動 由于本文平臺車是一款輕 型 低速電動汽車 ,對在爬坡時候同時加速啟動不做具體要求。 （ a） 輪轂電機(jī)實(shí)物圖（未裝配輪胎） （ b） 輪轂電機(jī)實(shí)物圖（已裝配輪胎） 圖 輪轂電機(jī)實(shí)物圖 平臺車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計 轉(zhuǎn)向驅(qū)動機(jī)構(gòu)選擇 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是本四輪轉(zhuǎn)向平臺車的另一重要組成 部分，也是保證平臺車實(shí)現(xiàn)功能的關(guān)鍵所在。 其突出優(yōu)點(diǎn)是它可在寬廣 頻率范圍內(nèi) ,通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速 、 快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等 ,并且由其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價 ,又非?？煽?,因此在眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用 [6]。為轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向輪要克服的阻力，包括轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動的阻力、車輪穩(wěn)定阻力、輪胎變形阻力和轉(zhuǎn)向系中的內(nèi)摩擦阻力等等。 mm= 將數(shù)據(jù)代入式（ 44）可得 Te=該步進(jìn)電機(jī)型號參數(shù)如表 所示 ，尺寸參數(shù)如圖 所示 ，實(shí)物圖如圖 所示 ： 表 步進(jìn)電機(jī)型號參數(shù) 型號 J5718HB3401 保持轉(zhuǎn)矩（ N 通過上面的計算得到輪胎的轉(zhuǎn)向力矩是 wT = m） 50 d1 14 mm d2 19 mm D 55 mm L 45 mm L1 mm M M5 四輪轉(zhuǎn)向電動平臺車底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計 25 圖 聯(lián)軸器尺寸參數(shù) 圖 聯(lián)軸器實(shí)物圖 本章小結(jié) 本章主要是對該四輪轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向平臺車的底盤部分的設(shè)計。 （ 2）確定了平臺車車架使用工業(yè) 6060W 鋁型材作為主要材料，搭建出了桁架式車架，并對比比亞迪 E6 電動汽車尺寸參數(shù)，對平臺車車架的尺寸進(jìn)行了確定，并且通過計算機(jī)輔助軟件 ANSYS 對車架進(jìn)行了強(qiáng)度校核，其分析結(jié)果表明車架的強(qiáng)度滿足使用工況。該部分 三維 設(shè)計圖如圖 （ a）所示， 實(shí)物圖如圖 （ b） 所示： 四輪轉(zhuǎn)向電動平臺車底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計 27 （ a）車架三維設(shè)計圖 （ b）車架實(shí)物圖 圖 車架結(jié)構(gòu)圖 （ 2）驅(qū)動系統(tǒng) 本次畢業(yè)設(shè)計實(shí)物設(shè)計的四輪轉(zhuǎn)向平臺車的驅(qū)動機(jī)構(gòu)為輪轂電機(jī)驅(qū)動，該輪轂電機(jī)額定功率 500W，額定扭矩 450N該部分 三維設(shè)計圖如圖 （ a）所示， 實(shí)物圖如 所示： 四輪轉(zhuǎn)向電動平臺車底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計 28 （ a）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三維設(shè)計圖 （ b）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)物圖 圖 轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)圖 （ 4）平臺車整體結(jié)構(gòu) 本次畢業(yè)設(shè)計實(shí)物設(shè)計的四輪轉(zhuǎn)向平臺車的設(shè)計方案是通過工業(yè)鋁型材搭建成桁架式車架，復(fù)合電源系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等都固定在 這個桁架式 車架上 。 （ 2） 由于時間和技能水平限制，沒有對轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，平臺車功能不夠完善。本科學(xué)習(xí)階段有很多老師、同學(xué)給我提供了各種各樣的幫助。 其次，我要感謝我的畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)老師 xxxx老師。感謝 xxxx 老師在本次畢業(yè)設(shè)計過程中對我的指導(dǎo)，也感謝以前在 xxxxxxxx 比賽時 xxxx老師對我們的教誨。 再次，我要感謝 xxxxxxxxxx 車輛教研室全體老師以及其他所有對我的學(xué)習(xí)、生活提供幫助的老師。愿畢業(yè)后我們都能彼此經(jīng)常聯(lián)系，共同維系這段本科校友情、摯友情、兄