轮毂电动汽车XBW中心转向独立悬架模块化设计与分析.docx

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1、第*卷第*期20*年*月机械工程学报JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGVol.*No.*20*DOI：10.3901/JME.20*.*.*轮毂电动汽车XBW中心转向独立悬架模块化设计与分析国家自然科学基金资助项目(61403259,51577120)池成徐颖徐刚陈碧云魏波(深圳大学机电与控制工程学院深圳518060)摘要：针对传统转向系、悬挂系与电动轮的适配问题，提出一种全新的XBW(X-By-Wire)转向悬架系统设计方案，以满足了四轮独立大幅度转向功能要求。设计令车轮转向中心轴与虚拟主销重合，实现了中心转向悬架在电动轮上的应用；采用模块化设计，减少了各大系统及车

2、架间的耦合关系，实现了前后转向悬架系统通用化，精简了整车零部件。进一步，对中心转向悬架的自回正力矩进行了理论分析和参数设计：联合ADAMSZSimuIinkCarSir进行了多体动力学仿真建模，从时域和频域角度对悬架性能进行了评估，对比仿真试验研究表明方案具有较高的可行性。最后，进行了中心转向独立悬架系统样机研制，研究为电动车底盘设计提供了新的思路。关键词，中心转向独立悬架：全线控：电动轮；操作稳定性仿真中图分类号：U46ModulardesignandanalysisoftheXBWCenterpointsteeringindependentsuspensionforin-wheelelec

3、tricvehicleCHIChengXUYingXUGangCHENBiyunWEIBo(Schoolofmechanicalandelectricalengineering,ShenzhenUniversity,518060)Abstract:Theuniquedistributeddrivingmodeofwheelelectricvehicle,whichbringsmoreflexibilityandcreativityIbrthechassisdesign.Inthispaper,anewdesignschemeof4WISCenterpoin(steeringindependen

4、tsuspensionandelectricwheelsystemisproposed,whichcansolvetheadaptationproblemofthetraditionalsteeringsystem,suspensionsystemand(heelectricwheel,tomeettherequirementoffour-wheelindependentlargescalesteeringfunction.Thedesignkeepswheelsteeringcenteraxiscoincidewiththevirtualkingpin,realizingtheapplica

5、tionofthecenterpointsteeringindependentsuspensionintheelectricwheel.Inaddition,Modulardesignisadoptedtoreducethecouplingbetweenthesystemandtheframe,torealizethegeneralizationofthefrontandrearsteeringsuspensionsystemofelectricwheel,andtosimplifythenumberofkeycomponents.Further,thetheoreticalanalysisa

6、ndthesimulationofmulti-bodydynamicsmodelwereusedtoverifythefeasibilityofthedesign.ThefinalresultsoftheresearchweresuccessfullyappliedtothetestplatformofthewholewheeledelectricvehicleofShenzhenUniversity,whichprovidinganewwayforthechassisdesignofelectricvehicle.Keywords:Centerpointsteeringindependent

7、suspension;X-by-wiretechnology;Electric-wheel;Operationstabilitysimulation0前言迫于环境和资源的压力及车辆电气化的飞速发展，电动汽车成为汽车发展的必然方向，其中四轮独立驱动线控轮毂电动车是目前车辆领域的研究热点IL四轮独立驱动、独立制动、独立转向的全线控技术是当代汽车机电一体化技术的代表，通过转向、制动、驱动三者的协调及独立控制，全线控技术赋予了车辆更多的可控自由度，易于统一当前主动安全系统的分散式结构，实现DYC、ABS.TCS.ESP、EBD等底盘稳定性系统集成；同时底盘结构更简洁、传动链更短，能大幅度的提升整车操控

8、稳定性、安全性、舒适性、经济性。为实现斜行、蟹行、原地转向等超机动性能，各车轮要能独立大幅转向。传统梯形转向机构显然与实现上述功能相冲突，而独立转向单元并搭配传统悬挂的转向系统，虽可实现4WIS,但转向幅度较小，且转向节臂会使两侧轮胎接地印迹中心距离无法维持恒定，引发的补偿运算会给转向控制算法带来较大困难。同时，轮毂电机径轴向尺寸对转向系、悬架的安装构成了制约，各布置参数相互冲突，会严重恶化整车操纵稳定性和行驶平顺性，甚至引起底盘结构的运动学干涉。国外对电动轮专用转向悬架系统进行研究典型的有MichelinActivewhell,31,其采用液压主动悬置，将转向器、悬架和制动器等集成在轮辆内，

9、利用主销内置实现中心转向，其对器件尺寸、封装、散热、防污等要求较高。类似地，汽车电子供应商SiemensVDO提出了线控刹车BBW解决方案。相比之下，澳大利亚Eze.Corp公司则采用类似美国航天局NASA星球探测车方案，推出了SmartWheel概念底盘网，但悬架承载较弱。VOLVO公司提出了AutonomousCOrnerMOdUle车轮总成构想，通过双转向执行机构、主动悬架、减震器实现了车轮集成，遗憾的是系统过于臃肿。在国内，陈辛波等提出了双横臂悬架一扭杆弹簧一电动轮模块化设计概念。针对轮毂电机导致的主销偏离，史天泽设计了主销参数由虚拟较接点控制的新型双节臂前悬架系统。为实现任意旋转平移

10、，卓桂荣等设计了主销偏置式双横臂悬架导向机构和锥齿轮线控转向机构，结构较为复杂。此外，夏存良网等、梁锐同等、宁国宝闻等、罗玉涛等，对电动轮引发的垂向振动负效应提出了改进方案和措施。目前针对电动轮汽车转向悬架系统研究多集中于传统结构上，用于减轻适配和簧下质量过沉等问题带来的消极影响，而对电动轮专用转向悬架系统的设计和研究偏少。为此，本文提出了新型“中心式转向”悬架系统设计方案，较好的解决了传统转向悬架与电动轮间的适配问题，实现了全线控功能，同时机构简洁，有较强承载能力和耐噪性。通过模块化设计思想，较大程度上精简了整车零部件数量。下面将简要阐述新型转向独立悬架的设计应用与仿真研究分析。1中心转向悬

11、架系统结构设计所谓“中心转向”悬架系统，是指车轮转向主销垂直穿过轮胎中心的悬架系统【。此类悬架用于解决因梯形机构、制动器布置等原因造成的主销偏距过大而诱发的主销侧倾力矩过大等问题，有地面中心式和理想中心式，如图Io理想中心式由于无主销偏移距，地面对车轮的垂直作用不产生绕主销的侧倾力矩，转向轻便路感良好。然而，受限于底盘结构和轮内空间，转向悬架系统难以取得理想的定位参数，应用较少。此外，轮毂电机的轴向尺寸与功率较难协调，致使通过主销内置实现中心转向代价过高。图1中心转向悬架全线控中心转向悬架通过虚拟主销外置，在设计上保证主销与车轮转向轴的实时重合，解决了中心转向悬架在轮毂电动车上的应用问题。模块

12、化设计减少转向系、悬挂系、电动轮系设计参数上的耦合关系，各模块结构相对独立，设计自由度宽裕。如图2所示，整体三大模块分别为电动轮系统A、悬挂系统B、转向系统C,各总成模块之间仅需螺栓螺母即可实现连接，配合关系清晰，最终通过悬臂夹紧装置D及螺栓组整体固定到车身上。AI轮胎、A2低速外转子轮敦电机、A3电机壳、A4磁性码盘、A5轮皴电机盖、A6轮毅电机轴、A7止推螺母、A8刹车片、A9电磁制动器、Alo轮辆|、AIl霍尔传感器：Bl连接盘、B2凸块、B3Pll尼、B4纹牙减震器、B5阻尼固定箍、B6悬架臂：CI凸台轴、C2圆台、C3回锥滚子轴承、C4推力轴承、C5推力轴承、C6锁紧片、C7上盖、C

13、8齿轮减速器、C9步进电机、ClO光电编码器：Dl夹素悬普：（螺栓组、键、附属件等略）图2中心转向悬架模块化设计结构图具体而言，电动轮模块A的电机轴A6穿过悬挂模块B下端连接盘Bl的轴孔，以平键、双止推螺母A7及止推垫圈进行径轴向固定；悬挂模块B上端的悬架臂B6则通过螺栓组与转向模块C的凸台轴CI连接；最后悬臂夹紧装置D的夹紧箍固定住转向系统的圆台C2,从而完成三大总成与车身的间接相连。转向时，步进电机C9产生的偏转力矩借由与悬架臂B6固连的凸台轴输出，拖拽电动轮、悬架整体偏转完成转向。系统的结构特点是转向主销穿过轮胎中性面，恰置于车轮正上方。因此，确保了转向力矩输出轴与车轮虚拟主销的实时重合

14、，使轮跳过程中车轮定位参数不变，消除了因路面不平衡力诱发的车轮摆振现象；从纯机械结构上确保左右轮胎接地印迹中心距离不变，对简化四轮线控转向算法贡献较大，系统实物如图3。图3中心转向悬架系统实物(换图，并图中加标注)整体上，由于电动轮通过轴完成与悬架以及其他部件的同轴连接，转向系统上置，解决了轮内横向空间不足诱发的适配和干涉问题。整车含有四个相同的中心转向悬架-电动轮模块，通用化设计，精简了零部件数量种类，具有批量成本优势。2中心转向悬架力学分析新型悬架系统的车轮与车身之间无机械硬连接，从而丧失了横臂和转向拉杆对车轮运动的收束作用，因此有必要对其运动和力学特性进行研究分析。以两侧车轮中心连线与车

15、辆横向对称面的交点在地面上的投影为原点，记为。点。采用ISO坐标系，建立悬架系统空间坐标系Oxyz,其中X的正方向与汽车前进方向一致；同时采用右手定则建立轮胎坐标系yz,则中心转向悬架系统机构拓扑和受力示意如图4。其中，O、02分别为夹紧悬臂与车身的上下固定点；03为轮胎接地印迹中心点；A、B为转向主销的上下虚拟球销点；C、D点分别为车轮中心和转向主销延长线与地面的交点；E、F、G、H分别为阻尼和减震器与连接盘及悬架臂的较接点；5分别为轮胎侧偏角和车轮转向角；,分别为机械拖距和气胎拖距；以为胎体侧向变形量。图4中心转向悬架系统机构拓扑和受力简图2.1悬架动力学参数计算己知各点的初始坐标向量为O=M00,zo,O2=xo2,yo2,zo2，O3=xo3iyo3,zo3,Ao=xaoJao,zao,=xo,yo,Zo，Co=xco,yco,zco，Qo=LTDoJD0,zoo0由以上分析，则有主销内倾角：=arctan(x4-xb)(za-zb)(1)主销后倾角：=arctan(x0-x2)(zl-)(2)轮胎外倾角：Y=arctan(yc-yD)/(zc-)(3)前轮前束角：=arctan(x01-2)(y01-y0z)(4)车轮机械拖距：=(zb-zd)tan()(5)2.2悬架动力学参数分析通过悬架布置参数的合理设计达到对轮胎六分力的理想控制是悬架设计的核心要