【正文】 的計(jì)算結(jié)果，所選超級(jí)電容器能夠滿(mǎn)足車(chē)輛行駛對(duì)能量的要求。該超級(jí)電容 器組 的具體參數(shù)如表 所示。 表 超級(jí)電容器組參數(shù) 額定容量 （ F） 70 額定電壓 （ V） 單體額定容量 （ F） 10 單體額定電壓 （ V） 比能量 （ Wh/kg） 比功率 （ kW/kg） 串聯(lián)數(shù)量 7 總質(zhì)量 （ kg） 工作溫度范圍 （ ℃ ） 40～ +60 工作壽命 （ h） 90000 本章小結(jié) 本章介紹了復(fù)合電源 系統(tǒng) 的概念， 并 對(duì)復(fù)合電源 系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了闡 述。 此外 ，本章還對(duì)蓄電池和超級(jí)電容器這兩個(gè)復(fù)合電源系統(tǒng)中重要的儲(chǔ)能裝置進(jìn)行了選型，并根據(jù)整車(chē)行駛要求，分別對(duì)蓄電池和超級(jí)電容器 進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算和匹配。 四輪轉(zhuǎn)向電動(dòng)平臺(tái)車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 第四章 底盤(pán) 結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì) 平臺(tái)車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì) 平臺(tái)車(chē)車(chē)架材料選擇 車(chē)架作為本次畢業(yè)設(shè)計(jì)四輪轉(zhuǎn)向平臺(tái)車(chē)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(tái)車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，以及 搭載 復(fù)合電源系統(tǒng)。另外，考慮到可以在日后豐富本四輪轉(zhuǎn)向平臺(tái)車(chē)的功能，也需要留出一定的設(shè)計(jì)空間，以為日后的設(shè)計(jì)留下便利。 在進(jìn)行本四輪轉(zhuǎn)向平臺(tái)車(chē)的底盤(pán)結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)的時(shí)候， 考慮采用桁架式車(chē)架，這種車(chē)架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)計(jì)的要求不高，加工也簡(jiǎn)單。結(jié)合以前在校捷能車(chē)隊(duì)制作節(jié)能賽車(chē)的經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)之初計(jì)劃通過(guò)購(gòu)買(mǎi)鋁管，切割成合適的長(zhǎng)度后焊接成車(chē)架 ， 考慮到本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)間、經(jīng)費(fèi) 等等因素 ，以及 出于方便安裝調(diào)試的目的 ， 最終決定 車(chē)架主體選用 工業(yè) 6060W鋁型材 ，這種鋁型材強(qiáng)度高、尺寸定制性好、連接方便、拆卸簡(jiǎn)單。 圖 一種 桁架式支架 本次設(shè)計(jì) 的 四輪轉(zhuǎn)向平臺(tái)車(chē) 桁架式車(chē)架的設(shè)計(jì)方案是，將 3 種不同長(zhǎng)度、每種長(zhǎng)度 4根共 12 根工業(yè) 6060W鋁型材，通過(guò)機(jī)加工的角件以及螺栓進(jìn)行連接與固定，組裝 成一個(gè)鋁型材立方體 鋁 框 ，也就是本次的桁架式車(chē)架。其 可以方便的與驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行連接， 內(nèi)部空間安裝 復(fù)合電源 系統(tǒng)、電機(jī)控制器等 ，其頂部空間也可以在日后的其他研究中放置與添加其他零部件以及實(shí)驗(yàn)操作儀器， 以 進(jìn)行功能的豐富與擴(kuò)展。 該 工業(yè) 6060W 鋁型材截面 尺寸及材料性能參數(shù) 如圖 和表 所示 ： 圖 工業(yè) 6060W 鋁型材截面尺寸 四輪轉(zhuǎn)向電動(dòng)平臺(tái)車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 表 歐標(biāo) 6060W 工業(yè)鋁型材性能 材料 鋁 6063T5 尺寸 60*60mm 單位質(zhì)量 集合慣性 4x ? 4y ? 截面慣性 4x cm261Z ?? 4y cm261Z ?? 彈性模量（ MPa） 72021 泊松比 平臺(tái)車(chē)車(chē)架尺寸 計(jì)算 車(chē)架的尺寸是一個(gè)重要參數(shù)，由于車(chē)架上需要安裝大量設(shè)備，空間和承載能力非常重要[3]。 本章第一節(jié)有提到，本次設(shè)計(jì)是將 3 種不同長(zhǎng)度、每種長(zhǎng)度 4 根共 12根工業(yè) 6060W 鋁型材，通過(guò)機(jī)加工的角件以及螺栓進(jìn)行連接與固定，組裝成一個(gè)鋁型材立方體框。本次設(shè)計(jì)對(duì)車(chē)架尺寸的計(jì)算主要的參考對(duì)象是比亞迪汽車(chē)公司在 2021 年 10 月 上市的比亞迪 E6的部分參數(shù)。 比亞迪 E6是一款純電動(dòng) 的 四驅(qū) 乘用 車(chē)，是比亞迪 汽車(chē)公司 在 F3DM之后再次打造的第二款新能源車(chē)型。 該款 比亞迪 E6 是 cross 跨界車(chē)型， 其外形融合了 SUV 與 MPV的各類(lèi)特點(diǎn) ， 看起來(lái)時(shí)尚美觀(guān)、高端大氣 。其車(chē)身尺寸為 **， 前后兩 軸距 為 。 圖 比亞迪 E6 側(cè)前方圖 該款車(chē)型主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表 所示： 表 比亞迪 E6 主要設(shè)計(jì)參數(shù) 電動(dòng)機(jī) 總功率（ kW） 90 電動(dòng)機(jī)總扭矩（ N m） 450 電池容量（ kW h） 82 整備質(zhì)量（ kg） 2380 最高車(chē)速（ km/h） 140 車(chē)長(zhǎng)（ mm） 4560 車(chē)寬（ mm） 1822 車(chē)高（ mm） 1630 軸距（ mm） 2830 前輪距（ mm） 1585 后輪距（ mm） 1560 四輪轉(zhuǎn)向電動(dòng)平臺(tái)車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 本次平臺(tái)車(chē)車(chē)架的尺寸設(shè)計(jì)主要參考了比亞迪 E6 電動(dòng)汽車(chē)的軸距（ 2830mm）、前輪距（ 1585mm） 和車(chē)高（ 1630mm）三 個(gè)尺寸參數(shù)。由于平臺(tái)車(chē)的結(jié)構(gòu)尺寸相比汽車(chē)要小很多，因此，設(shè)計(jì)的時(shí)候，在這兩個(gè)尺寸的基礎(chǔ)上進(jìn)行了等比例縮小，最終，本次平臺(tái)車(chē)采用比亞迪 E6近似 1/3車(chē)型大小進(jìn)行設(shè)計(jì)。由此計(jì)算得到平臺(tái)車(chē)的長(zhǎng)度是 900mm，其前輪距 500mm，其高度為 600mm。 由于本次設(shè)計(jì)采用桁架式車(chē)架，因此上面得出的前輪距以及車(chē)高并不是該車(chē)架的實(shí)際尺寸?？紤]到平臺(tái)車(chē)的用途，以及四輪轉(zhuǎn)向的要求，故車(chē)架的寬度選擇為 230mm，高度選擇為 240mm。在考慮工業(yè) 6060W 鋁型材 尺寸的情況下，最終確定本車(chē)架由 120mm、 230mm和 780mm 的鋁型 材各 4 根通過(guò)角件與螺栓連接而成 ，裝配后的車(chē)架尺寸（長(zhǎng) 寬 高）為900230240mm。該車(chē)架 及角件 的結(jié)構(gòu)圖如圖 所示： （ a） 鋁型材車(chē)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(dòng)平臺(tái)車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16 （ c） 鋁合金角件尺寸圖 圖 鋁型材車(chē)架及鋁合金角件結(jié)構(gòu)圖 車(chē)架強(qiáng)度分析 平臺(tái)車(chē)的車(chē)架是平臺(tái)車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安裝基礎(chǔ)，是平臺(tái)車(chē)的主要承力部分，所以車(chē)架的強(qiáng)度和剛度在整個(gè) 設(shè)計(jì) 過(guò)程中顯得尤為必要及重要。 隨著當(dāng)今世界對(duì)車(chē)輛輕量化和成本降低化的不斷追求，對(duì)車(chē)架的強(qiáng)度與剛度分析的要求也越來(lái)越高。隨著全球計(jì)算機(jī)水平的提升以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用的發(fā)達(dá)應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的汽車(chē)研究部門(mén)開(kāi)始用有限元分析的方法對(duì)車(chē)架進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算與分析， 有限元方法分析數(shù)據(jù)運(yùn)算速度快、分析成本低、計(jì)算精度高、模型修改比較方便 ,使車(chē)架的動(dòng)態(tài)分析成為可能 [7]。本文使用 ANSYS Workbench 對(duì)車(chē)輛進(jìn)行強(qiáng)度 有限元 分析。 基于 DM組件建立車(chē)架幾何模型 ANSYS DesignModeler（簡(jiǎn)稱(chēng) DM）是一個(gè)基于 ANSYS Workbench平臺(tái)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(jì) 就是基于 DM組件建立了車(chē)架的 幾何模型并對(duì)其進(jìn)行后續(xù)應(yīng)力分析。由于本人計(jì)算機(jī)硬件配置的原因，在對(duì)截面形狀鋁型材車(chē)架幾何模型進(jìn)行表格劃分時(shí)多次嘗試而沒(méi)有結(jié)果，因此，最后對(duì)該平臺(tái)車(chē)車(chē) 架進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，將車(chē)架各根型材的截面簡(jiǎn)化成了正方形， 該簡(jiǎn)化幾何模型如圖 所示： 四輪轉(zhuǎn)向電動(dòng)平臺(tái)車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 圖 基于 DM 組件的車(chē)架幾何模型 基于 Mechanical 組件的靜力結(jié)構(gòu)有限元分析 在上一步基于 DM 組件建立了車(chē)架的幾何模型以后，在 Mechanical 組件中完成后續(xù)分析流程。 （ 1）靜力分析中分配材料及網(wǎng)格劃分 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)平臺(tái)車(chē)車(chē)架使用的是 6060W 工業(yè)鋁型材，其彈性模量與泊松比與鋁合金接近，故取彈性模量 E=72021MPa，泊松比μ =，并在 Mechanical組件 中完成新材料的屬性 分配。接下來(lái)對(duì)車(chē)架進(jìn)行 有限元分析的 網(wǎng)格劃分，經(jīng)網(wǎng)格劃分之后的車(chē)架如圖 ： 圖 車(chē)架網(wǎng)格劃分圖 （ 2）施加約束與載荷 在網(wǎng)格劃分之后，需要對(duì)車(chē)架施加約束與載荷。本次設(shè)計(jì)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。在施加載荷的時(shí)候，考慮到該平臺(tái)車(chē)受力眾多且大小不一，對(duì)車(chē)架的受力進(jìn)行了簡(jiǎn)化，設(shè)平臺(tái)車(chē)上面的兩個(gè)梁兩端各受 300N 豎直向上的力。施加的載荷如圖 所示： 四輪轉(zhuǎn)向電動(dòng)平臺(tái)車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18 圖 車(chē)架所受載荷圖示 （ 3）求解與結(jié)果 在施加約束與載荷之后，對(duì)車(chē)架模型添加求解選項(xiàng)并進(jìn)行求解，本次設(shè)計(jì)添加的求解項(xiàng)為應(yīng)力與變形，其結(jié)果如圖 所示： （ a） 應(yīng)力分析 求解項(xiàng)求解 結(jié)果 （ b） 最大變形求解項(xiàng)求解 結(jié)果 圖 車(chē)架強(qiáng)度有限元分析 結(jié)果圖示 從圖 （ a） 可以看出來(lái)，平臺(tái)車(chē)車(chē)架的最大應(yīng)力 = ， 而從圖 （ b）可以看出， 最大變形是 。該鋁型材屈服應(yīng)力 MPa370=σs ，安全系數(shù) s=，其許用應(yīng)力 [ ] MP =sσ=σ s ，因此 [ ]σσ ，另外最大變形量也很小，故認(rèn)為本次畢業(yè)設(shè)計(jì)平臺(tái)車(chē)車(chē)架強(qiáng)度符合要求。 四輪轉(zhuǎn)向電動(dòng)平臺(tái)車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 平臺(tái)車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 平臺(tái)車(chē)驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是該四輪轉(zhuǎn)向平臺(tái)車(chē)的一大重要部分，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力輸出關(guān)系到四輪轉(zhuǎn)向平臺(tái)車(chē)的 性能狀況，因此必須慎之又慎。 隨著人們對(duì)電動(dòng)汽車(chē)性能要求的不斷提高 , 在電動(dòng)汽車(chē)多種電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)形式中，輪轂式驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的電動(dòng)汽車(chē)越來(lái)越受到人們的青睞，在新能源汽車(chē)行業(yè)發(fā)展中輪轂電機(jī)系統(tǒng)的這種結(jié)構(gòu)形式將成為主要趨勢(shì) [4]。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車(chē)和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相比，通過(guò)輪轂電機(jī)的快速驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)可以獨(dú)立地對(duì)各個(gè)車(chē)輪進(jìn)行控制，其輸出的效率高，并且可以利用電子差速來(lái)增加車(chē)輛的轉(zhuǎn)向靈敏性。在結(jié)構(gòu)上電動(dòng)車(chē)刪減了一些傳統(tǒng)汽車(chē)上的部件，如：離合器、差速器、傳動(dòng)軸和變速器等，大大簡(jiǎn)化了底盤(pán)的結(jié)構(gòu)，使得整車(chē)質(zhì)量大幅減輕，從而在一定的程度上達(dá)到了整車(chē)的輕量化，而且給底盤(pán)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)智能化方面創(chuàng)造了非常有利的條件。輪轂電機(jī)是將電機(jī)直接置于車(chē)輪中，由于這種特殊結(jié)構(gòu)方式電機(jī)驅(qū)動(dòng)力通過(guò)車(chē)輪直接傳輸，所以在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不用考慮能量的損失，電動(dòng)車(chē)這種驅(qū)動(dòng)方式的執(zhí)行效率要遠(yuǎn)高于其他類(lèi)型驅(qū)動(dòng)方式，并且易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)車(chē)輪的再生能量回饋等功能。相較于傳統(tǒng)汽車(chē)，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車(chē)可回收部分制動(dòng)能量，在一定程度上減小了能量浪費(fèi)，從而使能源利用率得到了提高 [4]。 綜上所述，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目四輪轉(zhuǎn)向平臺(tái)車(chē)的驅(qū)動(dòng) 機(jī)構(gòu) 選擇使用輪轂電機(jī) ，通過(guò)減震器支撐形成車(chē)輪，其結(jié)構(gòu) 如圖 所示： 圖 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三維圖 輪轂電機(jī)容量計(jì)算 由汽車(chē)動(dòng)力學(xué)可以得到 :通過(guò)純電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行需要來(lái)確定 輪轂電機(jī)的 額定 轉(zhuǎn)矩 Temax以及 額定 功率 Pemax，一般通過(guò)汽車(chē)在不同運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的受力情況來(lái)進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)分析電動(dòng)汽車(chē)的在行駛過(guò)程中的運(yùn)轉(zhuǎn)情況可以得到 :輪轂電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩主要出現(xiàn)在下面三種情況 [5]： （ 1）以最高速度在平直路面均速行駛 假設(shè)平臺(tái)車(chē)在平直路面以最高車(chē)速 30km/h 均速直線(xiàn)行駛，其受到的阻力為 ： =Gf+F 2ad阻力 （ 41） 四輪轉(zhuǎn)向電動(dòng)平臺(tái)車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20 式中： G平臺(tái)車(chē)重力； f— 行駛滾動(dòng)阻力系數(shù)，本文取 f=； Cd— 風(fēng)阻系數(shù)，本文取 Cd=； A— 迎風(fēng)面積，本文取 A=； ua— 平臺(tái)車(chē)速度。 將數(shù)據(jù)代入式（ 41），得阻力F=。此時(shí)，輪轂電機(jī)功率為： a阻力t uFη1P==211W 電動(dòng)機(jī)扭矩為： rT=F阻力 = m 電機(jī)轉(zhuǎn)速為： = a3770 =式中， tη 傳動(dòng)系機(jī)械效率； r— 車(chē)輪滾動(dòng)半徑， r=。 （ 2）以最大爬坡度勻速爬坡 假設(shè)平臺(tái)車(chē)以最大爬坡速度 5km/h 在坡度 30176。 的路面上勻速行駛，則平臺(tái)車(chē)行駛時(shí)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。； i— 坡度，本文 i=tanα=。 將數(shù)據(jù)代入式（ 42），得 F 阻力 =。此時(shí)，輪轂電機(jī)功率為： a阻力t uFη1P==450W 電動(dòng)機(jī)扭矩為： rT=F阻力 = m 電機(jī)轉(zhuǎn)速為： = a3770 =（ 3）爬坡同時(shí)加速啟動(dòng) 由于本文平臺(tái)車(chē)是一款輕 型 低速電動(dòng)汽車(chē) ,對(duì)在爬坡時(shí)候同時(shí)加速啟動(dòng)不做具體要求。 綜上所述，可得到電機(jī)的最大功率為 450W，最大輸出扭矩 m，考慮到需要為設(shè)計(jì)四輪轉(zhuǎn)向電動(dòng)平臺(tái)車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 留有一定的加工余量，因此選擇輪轂電機(jī)額定功率 500W，額定扭矩 15N m，其實(shí)物圖如圖 所示。 （ 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(tái)車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是本四輪轉(zhuǎn)向平臺(tái)車(chē)的另一重要組成 部分，也是保證平臺(tái)車(chē)實(shí)現(xiàn)功能的關(guān)鍵所在。在對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的 時(shí)候，首先必須要保證 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)