大转角轮边驱动系统的设计与控制

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近年来,随着能源问题与环境问题的日益严峻,电动汽车成为了汽车产业的重要发展方向,同时受到了全球汽车行业的广泛关注。电动汽车作为新能源汽车的一种,不仅在节能环保方面显示出巨大的优越性,更具有转矩响应快、加速快等动力性方面的优势,因此越来越被人们所接受并视为未来汽车的发展方向。目前以轮边/轮毂电机驱动形式的汽车最能体现出电动车相比传统内燃机汽车的优越性,包括能量利用率高以及环境友好性突出等优点。然而,由于轮边电机的体积与质量较大,因此目前主要在大中型车辆中应用。因此设计一款能够应用于微型车的轮边驱动系统能够提高电动车车型的多样性,有利于电动车市场的发展。转弯机动性作为汽车敏捷性的体现指标之一,随着时间的推移也变成了汽车性能重要的参考指标之一,汽车的最大转角与最小转弯半径能够最为直观的体现汽车转弯机动性的极限性能,目前市场上的大部分车型车轮最大转角一般不超过40度,而以优秀的灵活性闻名的smart某款车型最小转弯半径可以达到6.95米。由此可以看出人们对于汽车机动性的要求也随着汽车的发展逐渐提高。而通过提高电动车的转向系统的转角,降低最小转弯半径,可以提高电动车的转弯机动性,从而使电动车具有转弯敏捷,灵活的特点,这也是电动车的重要发展方向之一。本文的主要研究内容如下:对目前的电动汽车驱动形式的种类以及发展现状进行了调研,对轮边驱动系统的优缺点进行了分析总结。得到了目前轮边驱动电动车应用环境主要为大中型车辆的结论,因此,设计一款面向微型车的轮边驱动系统具有一定实际意义以及商业价值。同时,对目前汽车转向敏捷性以及目前主流转向技术进行了调研以及优缺点分析,主要包括EPS,AFS,AIFS以及SBW。根据目前汽车转向发展形势以及各种转向方案的调研,最终决定设计一款能够满足汽车较小转弯半径的,左右车轮独立转向的转向系统,并拟采用线控转向的方式进行驱动。基于以上结论和现有电动汽车结构,参考现有smart某款车型的车辆参数,借助动力学分析软件ADAMS\Car设计了一款轮边驱动系统,并进行参数优化,在参数设计中验证悬架运动学的相关参数,且车轮转角大于传统汽车的极限转角。针对构建的轮边驱动系统硬点参数,构建实体三维结构,进行运动机构仿真确保车轮轮跳以及转向工况时,车轮内部零件之间不会产生运动干涉。并根据汽车极限工况下的受力对相关零件进行了有限元分析,保证零件具有足够的强度。然后根据魔术公式建立轮胎模型,通过Matlab/Simulink软件对模型进行转向控制算法的搭建,最终仿真结果显示,转向电机输出转矩作用于车轮产生的车轮转角与理论值接近,且响应时间满足国家标准对转向机构的要求最后通过Adams软件以及之前设计的悬架和转向硬点参数搭建整车的模型,并根据国家标准试验工况编辑事件运行稳态回转仿真实验,对输出结果进行数据处理,并与国家标准相比较,结果表明本文构建的轮边驱动系统评分值满足国家要求。
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