小型電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)及大角度轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì),指導(dǎo)教師：,LOREM IPSUM DOLOR SIT AMET,輪轂電機(jī)的前景,1,Prospect ofHub motor,設(shè)計(jì)方案的選擇,2,Selection of design scheme,方案成果展示,3,Program results show,后續(xù)改進(jìn)方向,4,Follow the direction of improvement,,輪轂電機(jī)的優(yōu)勢(shì),省略大量傳動(dòng)部件，車輛結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單/可實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)方式/便于多種復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)方式/節(jié)約大量車體空間,輪轂電機(jī)這一具有革命性質(zhì)的應(yīng)用最典型的莫過于比亞迪唐這一款車型，利用了傳動(dòng)+電動(dòng)的混動(dòng)傳動(dòng)方式。其中電動(dòng)部分又分為四個(gè)具備輪轂電機(jī)技術(shù)的車輪以及前后橋的兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，最終四臺(tái)輪轂電機(jī)使得在車體流線不具備優(yōu)勢(shì)的情況下仍然可以為4.9秒的百公里加速成績(jī)起到有目共睹的作用。,,輪轂電機(jī)的典型應(yīng)用,,,汽車整體方案選擇,1.電池：磷酸鐵離子電池 2.轉(zhuǎn)向：基于電子差速的四輪轉(zhuǎn)向 3.電機(jī)：永磁無刷直流外轉(zhuǎn)子電機(jī) 4.制動(dòng)：浮鉗式制動(dòng) 5.懸掛：雙橫臂式懸掛,,磷酸鐵鋰電池：相比于早起的錳酸鋰電池，磷酸鐵鋰電池在能量密度上未有太大差別，但其穩(wěn)定性是目前車用鋰電池中最好的，當(dāng)電池溫度處于500~600℃高溫時(shí)，其內(nèi)部化學(xué)成分菜開始分解，而同屬鋰電池的鈷酸鋰電池在180~250℃時(shí)內(nèi)部化學(xué)成分已處于不穩(wěn)定狀態(tài)。也就是說，磷酸鐵鋰電池的安全性在鋰電池中首屈一指，也正因?yàn)槿绱?，磷酸鐵鋰電池也稱為目前電動(dòng)車電池的主要門類之一。,永磁無刷直流電機(jī)：永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，功率密度滿足應(yīng)用，調(diào)速性能好，成本較低廉，安全性高，重量輕等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于本次設(shè)計(jì)的市場(chǎng)化方向及其性能足夠滿足要求，所以本次設(shè)計(jì)選擇了更貼近使用要求的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。,雖然盤式制動(dòng)器相對(duì)于鼓式制動(dòng)器成本較為昂貴，但卻有體積小、散熱好、制動(dòng)效果好且不易變形等優(yōu)勢(shì)更加適合本課題的要求，因此選用浮鉗式盤式制動(dòng)器,,在獲得相同剎車力矩的情況下，鼓式制動(dòng)裝置的剎車鼓的直徑可以比盤式制動(dòng)的剎車盤還要小上許多；制造成本低廉,制動(dòng)器的比較與選擇,,雙橫臂式獨(dú)立懸掛：,為了凸顯輪轂電機(jī)所具備的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特性，可以實(shí)現(xiàn)如動(dòng)圖中這一新穎的行進(jìn)動(dòng)作，本次設(shè)計(jì)針對(duì)汽車底盤懸掛部分進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化：底盤的懸掛部分選擇了雙橫臂式獨(dú)立懸掛方案，其雙橫臂的特性使得又可以保證車輪在進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)的時(shí)候不會(huì)對(duì)底盤及懸掛本身產(chǎn)生干涉，同時(shí)作為獨(dú)立式懸掛又可以從整體上保證了汽車本身的通過性能從而提高了乘坐的舒適度。,汽車整體及輪轂電機(jī)的性能參數(shù),汽車整體 最大總質(zhì)量：1365kg 前軸載荷最大770kg 最高車速：70km/h 汽車軸距：2000mm 汽車前輪距：1440mm 質(zhì)心高度：空載510mm；滿載500mm 輪胎型號(hào)175/65R14,輪轂電機(jī)電機(jī)參數(shù)：電動(dòng)機(jī)4臺(tái)額定轉(zhuǎn)矩：100Nm峰值轉(zhuǎn)矩：150Nm額定功率：5kw峰值功率：7.5kw額定轉(zhuǎn)速：480r/min峰值轉(zhuǎn)速：1350r/min電壓：144V殼體徑向尺寸：300mm殼體軸向尺寸：110mm,汽車整體裝配爆炸圖展示,輪轂電機(jī)裝配爆炸圖展示,汽車整體的運(yùn)動(dòng)仿真,三維圖效果展示,,,后續(xù)設(shè)計(jì)可優(yōu)化改進(jìn)的方向,,輪轂電機(jī)技術(shù)作為一個(gè)全新的具有革命性質(zhì)的技術(shù)固然很有潛力和前景，然而在相對(duì)有限的時(shí)間和知識(shí)儲(chǔ)備中，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)還有很大的改進(jìn)與提升空間：1.輪轂電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化2.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的細(xì)化與改進(jìn)3.車體線形的改進(jìn)4.電機(jī)的儲(chǔ)能方式的設(shè)計(jì),,,,THANKS 感謝各位,,,,,一生情,,,一輩子,I摘 要在不可再生能源日益供需狀態(tài)緊張以及生態(tài)環(huán)境逐漸趨向惡化的今天，伴隨著人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的收入，開始富裕起來的人們對(duì)汽車這種傳統(tǒng)出行方式的需求也越來越明顯。然而，穹頂之下，傳統(tǒng)汽車的燃料所依賴的汽油、柴油所產(chǎn)生的汽車尾氣也正是我們?nèi)缃褚造F霾為典型的各種形式的氣候問題元兇之一，所以汽車領(lǐng)域在以“可持續(xù)發(fā)展”為基礎(chǔ)， “科學(xué)發(fā)展觀”為指導(dǎo)的科技創(chuàng)新里必然要使用一種以新型綠色、低排放甚至零排放的新型能源來作為新型汽車的動(dòng)力來源，因此純電動(dòng)汽車這種以電能這種清潔能源以其來源廣、零排放、易儲(chǔ)存、安全性高的優(yōu)勢(shì)作為動(dòng)力的新型汽車應(yīng)運(yùn)而生。此次的畢業(yè)論文題目，就是根據(jù)目前汽車市場(chǎng)上方興未艾的純電動(dòng)汽車為研究基礎(chǔ)，通過輪轂電機(jī)這種新型的動(dòng)力傳動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)小型純電動(dòng)汽車的多種新穎的行進(jìn)動(dòng)作以及很大程度上簡(jiǎn)化傳統(tǒng)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)，即從傳統(tǒng)“三大件” （發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、底盤）簡(jiǎn)化為僅需合理的設(shè)計(jì)好底盤即可。這次所設(shè)計(jì)的課題是以輪轂電機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，市場(chǎng)化方向定位為市區(qū)中老年人代步車，車身結(jié)構(gòu)為 3 門 2 座兩廂，通過四個(gè)具備輪轂電機(jī)的車輪以適時(shí)四驅(qū)的形式行駛的一種體現(xiàn)低成本、環(huán)保、節(jié)能、便利等諸多優(yōu)勢(shì)的純電動(dòng)汽車。本設(shè)計(jì)是關(guān)于純電動(dòng)汽車諸多動(dòng)力方案之一的輪轂電機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。利用 CAXA 以及 CATIA 等二維與三維軟件來對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行繪圖。其包括輪胎、輪輞、電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、盤式制動(dòng)器。關(guān)鍵詞：輪轂電機(jī)；純電動(dòng)；旋轉(zhuǎn)變壓器IIAbstractOur country in non renewable energy increasingly tense and the gradual deterioration of the ecological environment in twenty-first Century, along with the increasing of income, people gradually affluent demand for cars the traditional way to travel is becoming more and more obvious.However, the traditional automobile fuel on gasoline is one of our climate issues in various forms of culpritsnow, so the car in the field of “sustainable development“ is the basis of “scientific development view“ science and technology innovation as the guidance in thebound to use a new type of green, low emissions and even 0 emissions as newenergy the energy source of the car, so the power came into being as a pure electric vehicle energy.This design makes a further study of wheel motor electric vehicle power solutionson the many. To the design of drawing by CAXA and CATIA in 2D and 3D software.Including tires, rims, motor, rotary transformer, disc brake.Keywords：three degrees of freedom；mechanical arm；Model teaching aidIII目 錄摘要 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????IAbstract??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????II目錄 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????III第一章 緒論 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.1 純電動(dòng)汽車發(fā)展的概況 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????11.1.1 國(guó)外電動(dòng)汽車的發(fā)展現(xiàn)狀 ??????????????????????????????????????????????????????21.1.2 國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車的發(fā)展現(xiàn)狀 ??????????????????????????????????????????????????????21.2 選題的背景和意義 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????31.3 本文的結(jié)構(gòu) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????51.4 本章小結(jié) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????5第二章 整車設(shè)計(jì) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????62.1 汽車整體初步方案的選擇 ?????????????????????????????????????????????????????????????????62.1.1 電池的選擇 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????62.1.2 電動(dòng)汽車的幾種驅(qū)動(dòng)方式 ??????????????????????????????????????????????????????82.2 基于輪轂電機(jī)技術(shù)的電子差速轉(zhuǎn)向分析 ???????????????????????????????????????122.2.1 轉(zhuǎn)向原理 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????132.2.2 電子差速實(shí)現(xiàn)方式 ????????????????????????????????????????????????????????????????142.2.3 特殊用途的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu) ????????????????????????????????????????????????????????????152.3 車輛的阻力 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????162.3.1 滾動(dòng)阻力 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????162.3.2 空氣阻力 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????202.4 本章小結(jié) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????20第三章 方案分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????213.1 無刷電機(jī)的特性分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????21IV3.1.1 永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)基本原理 ????????????????????????????????????????213.1.2 永磁體的材料性能 ????????????????????????????????????????????????????????????????213.1.3 擴(kuò)展轉(zhuǎn)速技術(shù) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????223.1.4 無檢測(cè)技術(shù) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????223.2 輪轂電機(jī)制動(dòng)的比較與選擇 ?????????????????????????????????????????????????????????233.2.1 鼓式制動(dòng) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????233.2.2 浮鉗式制動(dòng) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????243.3 本章小結(jié) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????26第四章 汽車總體性能及關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)和選用 ????????????????????????????????????274.1 電動(dòng)汽車動(dòng)力性能計(jì)算 ???????????????????????????????????????????????????????????????????274.2 輪轂電機(jī)參數(shù)選擇 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????284.3 轉(zhuǎn)速的確定 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????294.4 功率的確定 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????294.5 轉(zhuǎn)矩校核 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????304.6 加速性能校核 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????314.7 初選幾段重要軸頸尺寸 ???????????????????????????????????????????????????????????????????314.7.1 根據(jù)最大垂直工況設(shè)計(jì) ????????????????????????????????????????????????????????324.7.2 根據(jù)最大側(cè)向力工況設(shè)計(jì) ????????????????????????????????????????????????????344.7.3 最大縱向力工況 ????????????????????????????????????????????????????????????????????374.8 關(guān)鍵零部件強(qiáng)度校核 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????404.9 本章小結(jié) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????40結(jié)論 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????40致謝 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????40參考文獻(xiàn) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????40VCONTENTSAbstract.錯(cuò)誤！未定義書簽。Chapter1 Introduction11.1 Development of pure electric vehicle .11.1.1 Development of electric vehicles abroad.21.1.2 Development of electric vehicle in China21.2 Background and significance of the topics .31.3 Structure of this paper.51.4 Summary of this chapter .5Chapter2 Vehicle design.62.1 Choice of the overall scheme of the car62.1.1 Battery selection.62.1.2 Several driving modes for electric vehicles .82.2 Electronic differential speed steering analysis122.2.1 Steering principle .132.2.2 Electronic differential speed implementation 142.2.3 Special purpose steering structure .152.3 Vehicle resistance .162.3.1 Rolling resistance.162.4 Summary of this chapter .20Chapter3 Plan analysis .203.1 Characteristic analysis of brushless motor213.1.1 Permanent magnet brushless DC motor driver 213.1.2 Material properties of permanent magnets 21VI3.1.3 Extended speed technology223.1.4 No-detection technology223.2 Comparison and selection of wheel motor braking 233.2.1 Drum brake 233.2.2 Floating clamp brake243.3 Summary of this chapter .26Chapter4 Overall performance and selection of key parts of vehicle 274.1 Electric vehicle power performance calculation.274.2 Parameters selection for hub motor 284.3 Determination of rotational speed.294.4 Determination of power 294.5 Torque check.304.6 Speed up performance verification .314.7 Primary key axis neck size314.7.1 Maximum vertical working condition design 324.7.2 Maximum lateral force working condition design.344.7.3 Maximum longitudinal force condition .374.8 Strength check of key parts.394.9 Summary of this chapter .42Conclusion 43Thanks.44Reference 451第一章 緒 論1.1 純電動(dòng)汽車發(fā)展的概況純電動(dòng)汽車發(fā)展至今，種類較多，通常按車輛用途、車載電源數(shù)目以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成進(jìn)行分類。按照用途不同分類，純電動(dòng)汽車可分為電動(dòng)轎車、電動(dòng)貨車和電動(dòng)客車三種。（1）電動(dòng)轎車是目前最常見的純電動(dòng)汽車。除了一些概念車，純電動(dòng)轎車已經(jīng)有了小批量生產(chǎn)，并已進(jìn)入汽車市場(chǎng)。（2）電動(dòng)貨車用作功率運(yùn)輸?shù)碾妱?dòng)貨車目前還比較少，而在礦山、工地及一些特殊場(chǎng)地，則早已出現(xiàn)了一些大噸位的純電動(dòng)載貨汽車。（3）電動(dòng)客車，目前純電動(dòng)小客車也較少見；純電動(dòng)大客車用作公共汽車，在一些城市的公交線路以及世博會(huì)、世界性的運(yùn)動(dòng)會(huì)上，已經(jīng)有了良好的表現(xiàn)。純電動(dòng)汽車采用電動(dòng)機(jī)中央驅(qū)動(dòng)形式，直接借用了內(nèi)燃機(jī)汽車的驅(qū)動(dòng)方案，由發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)發(fā)展而來，由電動(dòng)機(jī)、離合器、變速箱和差速器責(zé)成。用電驅(qū)動(dòng)裝置替代了內(nèi)燃機(jī)，通過離合器將電動(dòng)機(jī)動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行連接或動(dòng)力切斷，變速箱提供不同的傳動(dòng)比以變更轉(zhuǎn)速—功率曲線匹配的需要，變速器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎時(shí)兩車輪不同車速的行駛。純電動(dòng)汽車采用雙電動(dòng)機(jī)電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)方式，機(jī)械差速器被兩個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)所代替，兩個(gè)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)各自車輪，轉(zhuǎn)彎時(shí)通過電子差速控制以不同車速行駛，省掉了機(jī)械變速器。現(xiàn)在純電動(dòng)汽車所獨(dú)有的以蓄電池作能量源的一種結(jié)構(gòu)，蓄電池可以布置在上的四周，也可以集中布置在車的尾部或者布置在底盤下面。所選用的蓄電池應(yīng)該能提供足夠高的比能量和比功率，并且在車輛制動(dòng)時(shí)能回收再生制動(dòng)能量。具有高比能量和高比功率的動(dòng)力電池對(duì)純電動(dòng)汽車的加速性和爬坡能力。為了解決一種蓄電池不能同時(shí)滿足對(duì)比能量和比功率的要求這個(gè)問題，可2以在純電動(dòng)汽車同時(shí)采用兩種不同的蓄電池，其中一種能提供高比能量，另外一種提供高比功率。兩種電池作混合能量源的基本結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)不僅分開了對(duì)比能量和比功率的要求，而且在汽車下坡或制動(dòng)時(shí)可利用蓄電池回收能量。燃料電池所需的氫氣不僅能以壓縮氫氣、液態(tài)氫或金屬氫化物的形式儲(chǔ)存，還可以由常溫的液態(tài)燃料如甲醇或汽油隨車產(chǎn)生。一個(gè)帶小型重整器的純電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)，燃料電池所需的氫氣由重整隨車產(chǎn)生。1.1.1 國(guó)外電動(dòng)汽車的發(fā)展現(xiàn)狀美國(guó)在今年第二季度在全世界范圍內(nèi)銷售了 7931 臺(tái)電動(dòng)車，這一數(shù)字領(lǐng)先于其他所有市場(chǎng)，銷量環(huán)比上漲 28%。其他市場(chǎng)的數(shù)字分別是日本 4240 臺(tái)，法國(guó) 2056，德國(guó) 1284。而在中國(guó)，今年的第一季度僅有 235 臺(tái)電動(dòng)汽車售出，比上一季度的 343 臺(tái)下降了 31%。日本將會(huì)是這個(gè)產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)頭羊，到 2017 年，日本將生產(chǎn) 77.9 萬輛電動(dòng)車，占其汽車生產(chǎn)總量的 9.7%。德國(guó)和美國(guó)也有可能將電動(dòng)汽車的產(chǎn)量推升至21.83 萬輛和 36.23 萬輛，分別占汽車市場(chǎng)總產(chǎn)量的 3.55%和 3%。在此期間，中國(guó)的產(chǎn)量可能會(huì)達(dá)到 273150 輛，僅為汽車總產(chǎn)量的 1%。隨著電動(dòng)汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇，大型電動(dòng)汽車企業(yè)間并購(gòu)整合與資本運(yùn)作日趨頻繁，國(guó)內(nèi)優(yōu)秀的電動(dòng)汽車企業(yè)愈來愈重視對(duì)行業(yè)市場(chǎng)的研究，特別是對(duì)企業(yè)發(fā)展環(huán)境和客戶需求趨勢(shì)變化的深入研究。正因?yàn)槿绱?，一大批?guó)內(nèi)優(yōu)秀的電動(dòng)汽車品牌迅速崛起，逐漸成為電動(dòng)汽車行業(yè)中的翹楚。1.1.2 國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車的發(fā)展現(xiàn)狀新能源汽車的發(fā)展方向有多種，但其中之一的氫燃料電池技術(shù)不成熟，成本昂貴，是 20 年之后的技術(shù)。中國(guó)也沒有氫燃料電池反應(yīng)所必需的鉑。雖然3沒有公開申明，但據(jù)傳國(guó)家內(nèi)部決策層曾明確表示中國(guó)不適宜發(fā)展氫燃料電池汽車，只作為科研跟蹤。從技術(shù)發(fā)展成熟程度和中國(guó)國(guó)情來看，純電動(dòng)汽車應(yīng)是大力推廣的發(fā)展方向，而混合動(dòng)力作為大面積充電網(wǎng)絡(luò)還沒建立起來之前的過渡技術(shù)。但混合動(dòng)力車動(dòng)力系統(tǒng)復(fù)雜，成本昂貴。比亞迪 F3DM 有兩套動(dòng)力系統(tǒng)，其公布的動(dòng)力系統(tǒng)成本增加了 5 萬元，相當(dāng)于每年要節(jié)省 8 千元的油費(fèi)才能比傳統(tǒng)汽油車經(jīng)濟(jì)?；旌蟿?dòng)力的優(yōu)勢(shì)是保留了傳統(tǒng)汽油汽車的使用生活方式，根據(jù)汽油機(jī)和電動(dòng)機(jī)混合程度，充電次數(shù)和傳統(tǒng)汽油汽車加油次數(shù)相當(dāng)，或者不用充電。行駛距離也不受限制。純電動(dòng)車省去了油箱、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、冷卻系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)汽車的內(nèi)燃汽油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)和控制器的成本更低，且純電動(dòng)車能量轉(zhuǎn)換效率更高。因電動(dòng)車的能量來源——電，來自大型發(fā)電機(jī)組，其效率是小型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)甚至混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)所無法比擬的。純電動(dòng)汽車因此使用成本在下降。按比亞迪 F3e 純電動(dòng)車公布的數(shù)據(jù)，百公里行駛耗電 12 度，依照 0.5元的電價(jià)算，百公里使用成本才 6 元。而其原形車 F3 汽油車百公里耗油 7.6升，按目前 6.2 元的油價(jià)，成本是 46.5 元。相比之下，電動(dòng)車的使用成本才是傳統(tǒng)汽油汽車的八分之一。純電動(dòng)車的缺點(diǎn)是它改變了傳統(tǒng)汽車的使用生活方式，需要每天充電。傳統(tǒng)的汽車使用習(xí)慣是大致一到兩周加一次油。而且每次出行也有幾百公里的距離限制，雖然一個(gè)家庭遠(yuǎn)距離出行可能一年就這么幾次。1.2 選題的背景和意義汽車在全球保有量的不斷增加使人類社會(huì)面臨能源短缺、全球變暖、空氣質(zhì)量水平下降等諸多挑戰(zhàn)，同時(shí)也推動(dòng)的汽車自身技術(shù)的發(fā)展，為此汽車工程師正在不斷努力降低油耗的方法，尋求各種代用燃料以及開發(fā)不用或少用汽油4的新型車輛；越來越多的認(rèn)識(shí)已認(rèn)識(shí)到各種類型電動(dòng)汽車和燃料電池汽車是實(shí)現(xiàn)清潔汽車的解決方案，全世界的汽車業(yè)界也正在為此努力并投入巨大的資金和人力。眾所周知，電動(dòng)汽車相對(duì)于傳統(tǒng)汽車最大的特點(diǎn)是在行駛過程中很少甚至沒有排放污染，熱輻射低，噪聲低且環(huán)境友好。然而輪轂電機(jī)技術(shù)特點(diǎn)在于將動(dòng)力、傳動(dòng)和制動(dòng)裝置都整合到輪轂內(nèi)，因此將電動(dòng)車輛的機(jī)械部分大大簡(jiǎn)化。輪轂電機(jī)技術(shù)并非新生事物，早在 1900 年，就已經(jīng)制造出了前輪裝備輪轂電機(jī)的電動(dòng)汽車，在 20 世紀(jì) 70 年代，這一技術(shù)在礦山運(yùn)輸車等領(lǐng)域得到應(yīng)用。而對(duì)于乘用車所用的輪轂電機(jī)，日系廠商對(duì)于此項(xiàng)技術(shù)研發(fā)開展較早，目前處于領(lǐng)先地位，包括通用、豐田在內(nèi)的國(guó)際汽車巨頭也都對(duì)該技術(shù)有所涉足。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)子型式主要分成兩種結(jié)構(gòu)型式：內(nèi)轉(zhuǎn)子式和外轉(zhuǎn)子式。其中外轉(zhuǎn)子式采用低速外轉(zhuǎn)子電機(jī)，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速在 1000-1500r/min，無減速裝置，車輪的轉(zhuǎn)速與電機(jī)相同；而內(nèi)轉(zhuǎn)子式則采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，配備固定傳動(dòng)比的減速器，為獲得較高的功率密度，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可高達(dá) 10000r/min。隨著更為緊湊的行星齒輪減速器的出現(xiàn)，內(nèi)轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)在功率密度方面比低速外轉(zhuǎn)子式更具競(jìng)爭(zhēng)力。輪轂電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的純電動(dòng)汽車的優(yōu)越性在于：省略大量傳動(dòng)部件，讓車輛結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)方式，便于采用多種新能源車技術(shù)等等。對(duì)于輪轂電機(jī)技術(shù)近年來的應(yīng)用現(xiàn)狀，國(guó)外輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是以輪胎生產(chǎn)商或汽車零部件生產(chǎn)商為代表的研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的集成化電動(dòng)系統(tǒng)；二是整車生產(chǎn)商與輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)生產(chǎn)商聯(lián)合開發(fā)的電動(dòng)汽車。而在我國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)于輪轂電機(jī)的研究多集中于高校，產(chǎn)品均為電動(dòng)汽車，與此同時(shí)，自主品牌汽車廠商也紛紛推出了自己的輪轂電機(jī)技5術(shù)產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)的汽車商雖然能夠生產(chǎn)電動(dòng)汽車，但是對(duì)于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究尚不成熟，尤其是在高轉(zhuǎn)矩輪轂電機(jī)開發(fā)方面，與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品仍有一定差距。1.3 本文的結(jié)構(gòu)本文的第 1 章為引入的緒論，概括了純電動(dòng)汽車發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢(shì)；本文的第 2 章為方案分析，較為詳細(xì)的闡述了輪轂電機(jī)方案選擇及其優(yōu)缺點(diǎn)；本文的第 3 章為主要零部件的選擇和設(shè)計(jì)分析，選取電池、電動(dòng)機(jī)整體為對(duì)象具體的分析和設(shè)計(jì)；本文的第 4 章為電機(jī)整體的參數(shù)設(shè)計(jì)，零件的設(shè)計(jì)與校核。1.4 本章小結(jié)本章緒論部分主要對(duì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題及研究目標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)的介紹，主要目的是能夠?qū)υ擃}目有個(gè)初步的了解并確定設(shè)計(jì)方向。對(duì)于輪轂電機(jī)技術(shù)選題的意義以及它在國(guó)外和國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，讓大家對(duì)輪轂電機(jī)技術(shù)的起源發(fā)展及歷史有一定了解。6第二章 整車設(shè)計(jì)2.1 汽車整體初步方案的選擇2.1.1 電池的選擇電動(dòng)汽車電池分兩大類，蓄電池和燃料電池。蓄電池適用于純電動(dòng)汽車，包括鉛酸蓄電池、鎳基電池、鈉硫電池、二次鋰電池、空氣電池。燃料電池專用于燃料電池電動(dòng)汽車，包括堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽電池(MCFC )、固體氧化物燃料電池(SOFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC )、直接甲醇燃料電池(DMFC )。燃料電池由。燃料在陽極氧化，氧化劑在陰極還原。如果在陽極(即外電路的負(fù)極，也可稱燃料極)上連續(xù)供給氣態(tài)燃料(氫氣)，而在陰極(即外電路的正極，也可稱空氣極)上連續(xù)供給氧氣(或空氣)，就可以在電極上連續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生電流。由此可見燃料電池與常規(guī)電池不同，它的燃料和氧化劑不是儲(chǔ)存在電池內(nèi)，而是儲(chǔ)存在電池外部的儲(chǔ)罐中。當(dāng)它工作(輸出電流并做功)時(shí)，需要不間斷地向電池內(nèi)輸人燃料和氧化劑并同時(shí)排出反應(yīng)產(chǎn)物。因此，從工作方式上看，它類似于常規(guī)的汽油或柴油發(fā)電機(jī)。由于燃料電池工作時(shí)要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)送入燃料和氧化劑，所以燃料電池使用的燃料和氧化劑均為流體( 氣體或液體) 。最常用的燃料為純氫、各種富含氫的氣體(如重整氣)和某些液體( 如甲醇水溶液) ，常用的氧化劑為純氧、凈化空氣等氣體和某些液體(如過氧化氫 和硝酸的水溶液等) [1]。燃料電池陽極的作用是為燃料和電解液提供公共界面，并對(duì)燃料的氧化產(chǎn)生催化作用，同時(shí)把反應(yīng)中產(chǎn)生的電子傳輸?shù)酵怆娐坊蛘呦葌鬏數(shù)郊靼搴笤?向外電路傳輸。陰極(氧電極)的作用是為氧和電解液提供公共界面，對(duì)氧的還原產(chǎn)生催化作用，從外電路向氧電極的反應(yīng)部位傳輸電子。由于電極上發(fā)生的反應(yīng)大多為多相界面反應(yīng)，為提高反應(yīng)速率，電極一般采用多孔材料并涂有電催化劑。電解質(zhì)的作用是輸送燃料電極和氧電極在電極反應(yīng)中所產(chǎn)生的離子，并能阻止電極間直接傳遞電子。隔膜的作用是傳導(dǎo)離子、阻止電子在電極間直接傳遞和分隔氧化劑與還原劑。因此隔膜必須是抗電解質(zhì)腐蝕和絕緣的物質(zhì)，并具有良好耐潤(rùn)濕性。圖 2-1 燃料電池 圖 2-2 特斯拉磷酸鐵鋰電池組1）電池組電動(dòng)汽車電池組由多個(gè)電池串聯(lián)疊置組成。一個(gè)典型的電池組大約有 96個(gè)電池，充電到 4.2V 的鋰離子電池而言，這樣的電池組可產(chǎn)生超過 400V 的總電壓。盡管汽車電源系統(tǒng)將電池組看作單個(gè)高壓電池，每次都對(duì)整個(gè)電池組進(jìn)行充電和放電，但電池控制系統(tǒng)必須獨(dú)立考慮每個(gè)電池的情況。如果電池組中的一個(gè)電池容量稍微低于其他電池，那么經(jīng)過多個(gè)充電/放電周期后，其充電狀態(tài)將逐漸偏離其它電池。如果這個(gè)電池的充電狀態(tài)沒有周期性地與其它電池平衡，那么它最終將進(jìn)入深度放電狀態(tài)，從而導(dǎo)致?lián)p壞，并最終形成電池組8故障。為防止這種情況發(fā)生，每個(gè)電池的電壓都必須監(jiān)視，以確定充電狀態(tài)。此外，必須有一個(gè)裝置讓電池單獨(dú)充電或放電，以平衡這些電池的充電狀態(tài)。電池組監(jiān)視系統(tǒng)的一個(gè)重要考慮因素是通信接口。就 PC 板內(nèi)的通信而言，常用的選項(xiàng)包括串行外設(shè)接口(SPI)總線、I2C 總線，每種總線的通信開銷都很低，適用于低干擾環(huán)境。另一個(gè)選項(xiàng)是控制器局域網(wǎng)(CAN)總線，這種總線在汽車應(yīng)用中被廣泛使用。CAN 總線具有誤差檢測(cè)和故障容限特性，但是它的通信開銷很大，材料成本也很高。盡管從電池系統(tǒng)到汽車主 CAN 總線的連接是值得要的，但在電池組內(nèi)采用 SPI 或 I2C 通信是有優(yōu)勢(shì)的。綜上所述，對(duì)于本文中的電動(dòng)汽車所面臨的使用環(huán)境（市區(qū)為主） ，考慮到使用環(huán)境中對(duì)安全性及結(jié)合當(dāng)前充電樁等相關(guān)配套設(shè)備的實(shí)用性，所以本設(shè)計(jì)中將采用在比亞迪 S6 等車型中所使用的磷酸鐵鋰電池，盡管能量密度并非最高，但其所帶來的安全性和可循環(huán)充電次數(shù)、可預(yù)見的經(jīng)濟(jì)性等方面的優(yōu)異行仍是本方案的最佳選擇。2.1.2 電動(dòng)汽車的幾種驅(qū)動(dòng)方式在現(xiàn)代電驅(qū)動(dòng)系概念性的視于圖 2-3 中。該電驅(qū)動(dòng)系有三個(gè)主要的子系統(tǒng)組成：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、能源和輔助子系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)由車輛控制器、電力電子變換器、電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)輪組成；能源子系統(tǒng)包含能源、能量管理單元和能量的燃料供給單元；輔助子系統(tǒng)由功率控制單元和輔助電源組成。9圖 2-3 通用 EV 結(jié)構(gòu)的概念性圖示基于來自加速和制動(dòng)踏板的控制輸入，車輛控制器想電力電子變換器給出正確的控制信號(hào)，變換器行駛控制電動(dòng)機(jī)與能源之間的功率流的功能。起因于EV 再生制動(dòng)所導(dǎo)致的反向功率流，以及該再生能量可儲(chǔ)存與能源之中，構(gòu)成了有接受能量能力的能源。大多數(shù)的 EV 蓄電池組、超級(jí)電容器組以及飛輪組都可容易的具有接收再生能量的能力。能量管理單元與車輛控制器相配合，控制再生制動(dòng)及其能量的回收，它與能量的燃料供給單元一起控制燃料供給單元，并監(jiān)控能源的使用性能。輔助電源為所有的 EV 輔助設(shè)備，尤其是車內(nèi)氣候控制和功率控制單元，提供不同電壓等級(jí)的所需功率。由于在電驅(qū)動(dòng)特性和能源方面的多樣性，可有各種可能的 EV 結(jié)構(gòu)形式，如圖 2-4 所示。1）圖 2-4a 表明了第一種可供選擇的結(jié)構(gòu)，其中電驅(qū)動(dòng)裝置替代了傳統(tǒng)車輛驅(qū)動(dòng)系的內(nèi)燃機(jī)，它由電動(dòng)機(jī)、離合器、變速器和差速器組成。離合器和變速箱可有自動(dòng)傳動(dòng)裝置予以替代，離合器用以將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力連接到驅(qū)動(dòng)輪，或從驅(qū)動(dòng)輪處脫開。變速箱提供一組傳動(dòng)比，以變更轉(zhuǎn)速—功率（轉(zhuǎn)矩）曲線匹配在和的需求。差速器是一種機(jī)械器件（通常是一組行星齒輪） ，當(dāng)車輛沿10著玩去的路徑行駛時(shí)，它使兩側(cè)車輪以不同的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)。圖 2-4 a)2）如圖 2-24 b 所示，借助于電動(dòng)機(jī)在大范圍轉(zhuǎn)速變化中所具有的恒功率特性，可用固定當(dāng)?shù)凝X輪傳動(dòng)裝置替代多速變速箱，并縮減了對(duì)離合器的需要。這一結(jié)構(gòu)不僅減小了機(jī)械傳動(dòng)裝置的尺寸和重量，而且由于不需要換擋，故可簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)系的控制。圖 2-4 b）3）如圖 2-4c 所示，類似于如 2-2b 中的驅(qū)動(dòng)系，電動(dòng)機(jī)、固定當(dāng)?shù)凝X輪傳動(dòng)裝置和差速器可進(jìn)一步集成為單個(gè)組合件，而其兩側(cè)的軸連接兩邊的驅(qū)動(dòng)輪。整個(gè)驅(qū)動(dòng)系由此得以進(jìn)一步的簡(jiǎn)化和小型化。圖 2-4 c)114）在圖 2-4d 中，機(jī)械差速器被兩個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)所替代。該兩電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)相應(yīng)側(cè)的車輪，并當(dāng)車輛沿彎曲路徑行駛時(shí)，兩者以不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。圖 2-4 d)5）如圖 2-4e 所示，為進(jìn)一步簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)系，牽引電機(jī)可安置在車輪內(nèi)，即使用本文所涉及的輪轂電機(jī)。這種配置是通常所說的輪式驅(qū)動(dòng)。一個(gè)薄型行星齒輪組可用以降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并增大電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。該薄型行星齒輪組具有高減速比以及輸入和輸出軸縱向配置的優(yōu)點(diǎn)。圖 2-4 e)6）如圖 2-4f 所示，通過完全舍棄電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪之間任何的機(jī)械傳動(dòng)裝置，應(yīng)用于論事驅(qū)動(dòng)的低速外轉(zhuǎn)子型電動(dòng)機(jī)可直接連接至驅(qū)動(dòng)輪。此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制等價(jià)于輪速控制。然而，這一配置要求電動(dòng)機(jī)在車輛啟動(dòng)和加速運(yùn)行時(shí)具有高轉(zhuǎn)矩性能。12圖 2-4 f)a) 配置多檔傳動(dòng)裝置和離合器的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系 b) 無離合器需求的單擋傳動(dòng)裝置 c)固定擋的傳動(dòng)裝置和差速器的集成 d) 兩個(gè)獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)和帶有驅(qū)動(dòng)軸的固定擋傳動(dòng)裝置 e)配置兩個(gè)獨(dú)立電動(dòng)機(jī)和固定擋傳動(dòng)裝置的直接驅(qū)動(dòng) f) 兩個(gè)分離的輪式驅(qū)動(dòng)形式C—離合器 D —差速箱 FG—固定擋的齒輪傳動(dòng)裝置 GB—變速箱 M—電動(dòng)機(jī)綜上所述，使用輪轂電機(jī)技術(shù)的 f 型傳動(dòng)方式無疑在驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)上極大的簡(jiǎn)化了傳動(dòng)裝置，所以在技術(shù)研發(fā)的過程中可以節(jié)約大量的人力資源，縮短研發(fā)周期，極大的降低汽車成本?；诒疚闹械脑O(shè)計(jì)需要，故選擇四個(gè)具有輪轂電機(jī)的車輪作為動(dòng)力源的 f 方案。2.2 基于輪轂電機(jī)技術(shù)的電子差速轉(zhuǎn)向分析由于本文是基于輪轂電機(jī)技術(shù)而設(shè)計(jì)的車型，對(duì)于汽車的轉(zhuǎn)向方式，出于輪轂電機(jī)技術(shù)的特性，進(jìn)而可以選擇很多更具靈活性的結(jié)構(gòu)，比如電子差速轉(zhuǎn)向。電子差速的方法是通過駕駛者輸入信號(hào)，恐怕那個(gè)之氣改變車輪速度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，如圖 2-5 所示。方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)軸底部直接連接一個(gè)誤差為 0.5%的唯一傳感器，該傳感器的位移范圍是（0~200）mm，模擬電壓輸出范圍為（0~5）V，作為電子差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的指令輸入。131.方向盤 2.轉(zhuǎn)軸 3.轉(zhuǎn)向節(jié) 4.轉(zhuǎn)向橫拉桿 5.萬向節(jié) 6.輪轂電機(jī)圖 2-5 電子差速的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制器2.2.1 轉(zhuǎn)向原理四輪電子差速需要對(duì) 4 個(gè)輪轂電機(jī)同時(shí)進(jìn)行速度控制和差速計(jì)算，是一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)。硬件結(jié)構(gòu)包括方向盤、位移傳感器、控制器、4 個(gè)輪轂電機(jī)、每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器。圖 4 為電子差速轉(zhuǎn)向總體控制框圖。電子差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變車輪的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。當(dāng)電動(dòng)汽車需要轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向的內(nèi)側(cè)車輪速度小于外側(cè)車輪速度。由于內(nèi)外輪測(cè)的速度差異，相同時(shí)間內(nèi)，內(nèi)側(cè)車輪駛過的距離較小，外側(cè)車輪駛過的距離較大，車體必然向內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。具體轉(zhuǎn)向過程如下：首先將方向盤的角度輸出轉(zhuǎn)換成控制系統(tǒng)可以接收的模擬信號(hào)，在執(zhí)行轉(zhuǎn)向之前，定義方向盤的角度輸出與模擬量之間的關(guān)系；然后對(duì)模擬信號(hào)的變化范圍進(jìn)行分析，經(jīng)過計(jì)算即可得到不同的方向盤位置與轉(zhuǎn)向時(shí)各個(gè)車輪轉(zhuǎn)速的分配；內(nèi)外側(cè)車輪產(chǎn)生速度差異，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。14圖 2-6 電子差速轉(zhuǎn)向總體控制框圖2.2.2 電子差速實(shí)現(xiàn)方式電動(dòng)汽車在進(jìn)行電子差速轉(zhuǎn)向時(shí)，其當(dāng)前的運(yùn)行方式對(duì)電子差速方案的實(shí)施有著重要的影響。根據(jù)不同的工作模式，電子差速運(yùn)行時(shí)，當(dāng)前電動(dòng)汽車的速度狀態(tài)和轉(zhuǎn)向角度指令都要作相應(yīng)的變化和調(diào)整。電動(dòng)汽車在進(jìn)行勻速前進(jìn)時(shí)，由于路面存在高低不平、輪胎參數(shù)有差異，4 個(gè)車輪速度必然會(huì)受到影響，導(dǎo)致 4 個(gè)車輪轉(zhuǎn)速不同。如果不進(jìn)行糾正，就會(huì)引起電動(dòng)汽車向轉(zhuǎn)速較慢的那一方轉(zhuǎn)向，若四輪車速相差較大更會(huì)引起車輛行駛的不穩(wěn)定。利用 PD 調(diào)速方法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制，可提高電機(jī)調(diào)速的響應(yīng)時(shí)間和調(diào)速穩(wěn)定性，有利于 4 個(gè)輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速的一致性協(xié)調(diào)。轉(zhuǎn)速一致性協(xié)調(diào)遵循一下法則：在電動(dòng)汽車直線前進(jìn)時(shí)，在采樣點(diǎn)時(shí)刻求出 4 個(gè)車輪轉(zhuǎn)速的最小值，使其他 3 個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速與其始終保持一致，其流程如圖 2-7 所示。當(dāng)電動(dòng)汽車在加速前進(jìn)時(shí)，加速踏板發(fā)出的速度指令在不斷變化，控制器15根據(jù)加速指令的變化改變控制器的 PWM 占空比輸出，輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)速也相應(yīng)在變化。此時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向指令，若保持電機(jī)處于加速狀態(tài)同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作，必然會(huì)導(dǎo)致在轉(zhuǎn)向過程中電動(dòng)汽車的不穩(wěn)定運(yùn)行。本文采取的策略是記錄向指令發(fā)生時(shí)刻的 PWM 占空比值和車速，并保持 PWM 占空比值不變。根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向角度計(jì)算 4 個(gè)車輪的各自的轉(zhuǎn)速，并開始實(shí)施轉(zhuǎn)向；當(dāng)轉(zhuǎn)向指令結(jié)束后，PWM 的占空比值從轉(zhuǎn)向指令發(fā)生時(shí)可記錄的數(shù)據(jù)開始隨之加速踏板指令變化，車速也隨著作相應(yīng)變化。具體實(shí)施策略如圖 2-8 所示。圖中 v 是電動(dòng)的車輪速度，T 是電動(dòng)汽車車輪的轉(zhuǎn)矩。圖 2-7 四輪速度協(xié)調(diào)流程圖 圖 2-8 加減速運(yùn)行時(shí)電動(dòng)車轉(zhuǎn)向策略流程圖2.2.3 特殊用途的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)前幾節(jié)中所提到的均為日常行駛過程中的轉(zhuǎn)向方式，但在實(shí)際生活中，基于輪轂電機(jī)技術(shù)的汽車通過特殊的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)還可以實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境下獨(dú)特的轉(zhuǎn)向方式，例如側(cè)方位停車以及汽車的倒庫出庫等與汽車駕駛息息相關(guān)的駕駛動(dòng)作。本文中，電子差速系統(tǒng)雖然在日常行駛過程中足以滿足正常的使用要求，但是仍然沒有進(jìn)一步發(fā)揮輪轂電機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。所以本文在懸掛系統(tǒng)、底盤結(jié)16構(gòu)的選擇及設(shè)計(jì)上進(jìn)行了一些調(diào)整與變更，即選用橫臂式獨(dú)立懸掛并為 4 個(gè)輪胎各配備一個(gè)氣壓缸使輪胎的擺動(dòng)角度可以大大提高，即 0~120°之間。如下圖 2-10 所示，如果在汽車的電控系統(tǒng)中單獨(dú)為氣壓缸設(shè)定一個(gè)轉(zhuǎn)向模式，當(dāng)駕駛者在需要進(jìn)行側(cè)方位停車、汽車的倒庫出庫、原地轉(zhuǎn)向等駕駛動(dòng)作時(shí)啟用，電控系統(tǒng)向氣壓缸傳遞電信號(hào)使活塞桿伸出所需長(zhǎng)度使輪胎完成所需角度的旋轉(zhuǎn)，再通過四個(gè)輪轂電機(jī)的正反轉(zhuǎn)配合，可以很大程度上簡(jiǎn)化了停車、轉(zhuǎn)向的程序并很大程度的節(jié)約了這些過程所用的時(shí)間。如果在電控系統(tǒng)中通過汽車前后雷達(dá)配以很多廠商結(jié)合自己車型所設(shè)計(jì)的自動(dòng)泊車系統(tǒng)應(yīng)用到使用輪轂電機(jī)技術(shù)的汽車上，無疑會(huì)為汽車帶來不一樣的操縱樂趣的同時(shí)大大降低停車過程中由于新手司機(jī)技術(shù)上的不足所引發(fā)的汽車之間的刮蹭事故。圖 2-9 汽車底盤懸掛 圖 2-10 汽車側(cè)位停車圖2.3 車輛的阻力2.3.1 滾動(dòng)阻力如圖 2-11 所示，與其運(yùn)動(dòng)方向相反的車輛阻力包括輪胎滾動(dòng)阻力、空氣阻力 Fw 以及爬坡阻力。17圖 2-11 作用于上坡行駛車輛上的力在硬地面上，輪胎的滾動(dòng)阻力基本上起因于輪胎材料的滯變作用。圖 2-12 表明作用于停頓狀態(tài)輪胎上的力 P 通過其中心。這樣，在輪胎和地面之間接觸面上的壓力對(duì)稱于中心線分布，而所產(chǎn)生的反作用力 Pz 與 P 共線。在加載和卸載過程中，作為載荷 P 的函數(shù)的形變 z，如圖 2-12 所示。由于橡膠材料形變狀態(tài)下的滯變作用，對(duì)于相同的形變 z，處于加載情況下的載荷大于卸載時(shí)的在和（見圖 2-13） 。當(dāng)輪胎滾動(dòng)時(shí)，如圖 2-14a 所示，在接觸面的前半部分為加載，而后半部分為卸載。從而，滯變作用導(dǎo)致地面反作用力的不對(duì)稱分布，使接觸面前半部分的壓力大于后半部分的壓力（見圖 2-14a） 。這一現(xiàn)象的結(jié)果是地面反作用力向前偏移。該向前偏移的地面反作用力和作用于車輪中心、鉛錘方向的載荷產(chǎn)生了一個(gè)抵制車輪滾動(dòng)的扭矩。在軟地面上，滾動(dòng)阻力基本上起因于地面的變形，如圖 2-14b 所示。此時(shí)，地面反作用力幾乎完全地偏移至接觸面的前半部分。18圖 2-12 在接觸表面上的壓力分布 圖 2-13 在加載和卸載情況下作為輪胎形變函數(shù) 圖 2-14 輪胎的撓曲及其滾動(dòng)阻力a）硬路面 b）軟路面由合成的地面反作用力向前偏移所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩被成為滾動(dòng)阻力轉(zhuǎn)矩，即： arPT?為保持車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，作用于車輪中心的力 F 應(yīng)與滾動(dòng)阻力距相平衡，即此力應(yīng)為：19rdPfarTF?其中，r d 為輪胎的有效半徑；f r=a/rd 稱為滾動(dòng)阻力系數(shù)。這樣，滾動(dòng)阻力距可通過作用于車輪中心且其指向與車輪運(yùn)動(dòng)方向相反的一個(gè)水平力予以等值替代。這一等值力被稱為滾動(dòng)阻力，即： rrPfF?式中，P 為作用于滾動(dòng)車輪中心的鉛錘方向的載荷。當(dāng)車輛運(yùn)行在有坡度的地面上時(shí)，鉛錘方向的載荷 P 應(yīng)由與地面蒸餃的分量所替代，即： ?cosfrr其中，α 為地面的傾斜角。滾動(dòng)阻力系數(shù) fr 是取決于輪胎材料、輪胎結(jié)構(gòu)、輪胎溫度、輪胎充氣壓力、外胎面的幾何形狀、路面粗糙度、路面材料和路面上有無液體的函數(shù)，它對(duì)應(yīng)于各種不同特征路面的典型值列于表 2-1。由在混凝土路上，轎車的滾動(dòng)阻力系數(shù)可用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： 2.5s0r)1V(f??其中 V 為車速（km/h） ；f 0 和 fs 取決于輪胎的充氣壓力。車輛性能計(jì)算中，對(duì)混凝土路面行駛的轎車，可應(yīng)用如下適合于最一般充氣壓力范圍的公式： )160V(.fr??20表 2-1 不同特征路面的典型值狀況 滾動(dòng)阻力系數(shù)混凝土或?yàn)r青路面上的汽車輪胎 0.013壓實(shí)的沙礫路面上的汽車輪胎 0.02瀝青碎石路 0.025未鋪路面 0.05田野 0.1~0.35混凝土或?yàn)r青路面上的載貨汽車輪胎 0.006~0.01鐵軌上的車輪 0.001~0.0022.3.2 空氣阻力以特定速度運(yùn)動(dòng)的車輛將遇到阻礙其運(yùn)動(dòng)的空氣阻力的作用，即形狀阻力和外殼摩擦力。即形狀阻力，而空氣阻力的表達(dá)式為： 2wDfw)V(CA21F???式中，車速是 V，車輛迎風(fēng)正面的面積 Af，車身形狀和空氣密度 的函?數(shù)，C D 是車身形狀特空氣阻力系數(shù)；V w 是車輛運(yùn)動(dòng)方向上的風(fēng)速分量 [2]。2.4 本章小結(jié)本章的主要是介紹了一些關(guān)于汽車總體上根據(jù)本論文所面市場(chǎng)而選定的一些方案以及整體驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)計(jì)算所依據(jù)的公式，為后續(xù)更詳盡的數(shù)據(jù)的計(jì)算展開鋪墊。并且在轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上為相對(duì)與傳統(tǒng)汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供了一種新的思路。21第 3 章 方案分析3.1 無刷電機(jī)的特性分析3.1.1 永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)基本原理用詞無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主要有無刷直流電動(dòng)機(jī)、基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的控制器和基于電力電子的功率變換器所構(gòu)成。由位置檢測(cè)器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。轉(zhuǎn)子的位置信息輸入到基于 DSP 的控制器，隨即由該控制器向功率變換器提供門控信號(hào)，從而導(dǎo)通和關(guān)斷特定的電動(dòng)機(jī)定子磁極繞組。按這種方式，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速 [3]。 3.1.2 永磁體的材料性能目前用于電機(jī)的永磁體材料有三類：1）鋁鎳鈷（Al、Ni、Co、Fe） ；2）陶瓷（鐵氧體） ，例如鋇鐵氧體（BaOx6Fe 2O3）和鐵酸鍶（SrOx6Fe 2O3） ；3）稀土永磁材料，即釤鈷（SmCo）和釹鐵硼（NdFeB） 。1）鋁鎳鈷鋁鎳鈷的主要優(yōu)點(diǎn)是其高剩余磁通密度和低溫度系數(shù)。這種材料剩磁 Br的溫度系數(shù)為 0.02%/ ，且其最高工作溫度為 520 。這些優(yōu)點(diǎn)使很高的氣C? C?隙磁密，以及高運(yùn)行溫度成為可能。遺憾的是，矯頑力很低，且其退磁曲線呈現(xiàn)高度的非線性。因此，鋁鎳鈷不僅易于磁化，而且也很容易退磁。鋁鎳鈷永磁體已用于額定功率為幾瓦到 150kW 范圍內(nèi)的電機(jī)。2）鐵氧體22鋇鐵氧體、鐵酸鍶與鋁鎳鈷相比鐵氧體具有較高的矯頑力，但同時(shí)剩磁較低。鐵氧體的溫度系數(shù)相對(duì)較高，即 Br 的溫度系數(shù)為 0.20%/ ，矯頑力 HcC?的溫度系數(shù)為 0.27%/ 。最高工作溫度為 400 。鐵氧體的主要優(yōu)點(diǎn)是低成C??本和高阻抗，這意味著永磁體內(nèi)無渦流損耗。3）稀土永磁體現(xiàn)今，釤鈷市一中廣泛接受的硬磁材料，它具有高剩磁、高矯頑力、高能量積、線性退磁曲線和低溫度系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。其溫度系數(shù)（0.03~0.045）%/ ，而 Hc 的溫度系數(shù)為（ 0.14~0.40）%/ 。最高工作溫度為C? C?250~300 。釤鈷非常適合做小體積的電機(jī)，從而電機(jī)具有高比功率和低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。價(jià)格昂貴是釤鈷唯一的缺點(diǎn)。3.1.3 擴(kuò)展轉(zhuǎn)速技術(shù)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)由于其受到限制的弱磁能力，故其固有的恒功率范圍小。這起因于永磁體磁場(chǎng)的存在，該磁場(chǎng)只能通過與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)反向的定子磁場(chǎng)成分予以弱化。其轉(zhuǎn)速比 ?通常小于 2[5]。最近，已開發(fā)使用附加的勵(lì)磁繞組來擴(kuò)展永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍。該技術(shù)的關(guān)鍵是控制勵(lì)磁電流，使得由永磁體提供的氣隙磁場(chǎng)在高速恒功率運(yùn)行期間可被弱化。由于永磁體和勵(lì)磁繞組的存在，這種電動(dòng)機(jī)被稱作永磁混合式電動(dòng)機(jī)。永磁混合式電動(dòng)機(jī)可獲得的轉(zhuǎn)速比約為 4。永磁混合式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的最佳效率圖如圖所示。但是，永磁混合式電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的缺點(diǎn)，其轉(zhuǎn)速比仍不足以滿足車輛性能需求，特別是在越野汽車中，因此需要有多檔的傳動(dòng)裝置。3.1.4 無檢測(cè)技術(shù)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行主要依賴于位置檢測(cè)器 [6]，以獲得轉(zhuǎn)自位23置信息，從而恰當(dāng)?shù)膱?zhí)行各相的導(dǎo)通或關(guān)斷。位置檢測(cè)器通常不是三維霍爾效應(yīng)傳感器，就是光編碼器。這些位置檢測(cè)器都是高成本、易損的原件。因此，位置檢測(cè)器的存在不僅提高了電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的成本，而且嚴(yán)重地降低了系統(tǒng)的可靠性，并限制了其在某些環(huán)境中的應(yīng)用，如軍用。如果位置檢測(cè)器失效，則無位置檢測(cè)器技術(shù)可有效的繼續(xù)系統(tǒng)的運(yùn)行。已有幾種無檢測(cè)器技術(shù)被開發(fā)，這些技術(shù)的大多數(shù)都是以電壓、電流和反電動(dòng)勢(shì)的檢測(cè)為基礎(chǔ)的，主要分為四類：1）使用所檢測(cè)的電流、電壓、電機(jī)的基本方程和代數(shù)計(jì)算的一類；2）使用觀測(cè)器的一類；3）使用反電動(dòng)勢(shì)法的一類；4）與前三類不同，采用新技術(shù)的一類。3.2 輪轂電機(jī)制動(dòng)的比較與選擇3.2.1 鼓式制動(dòng)鼓式制動(dòng)器也叫塊式制動(dòng)器（如圖 3-1） ，是靠制動(dòng)塊在制動(dòng)輪上壓緊來實(shí)現(xiàn)剎車的。鼓式制動(dòng)是早期設(shè)計(jì)的制動(dòng)系統(tǒng)，其剎車鼓的設(shè)計(jì) 1902 年就已經(jīng)使用在馬車上了，直到 1920 年左右才開始在汽車工業(yè)廣泛應(yīng)用。鼓式制動(dòng)器的主流是內(nèi)張式，它的制動(dòng)塊(剎車蹄)位于制動(dòng)輪內(nèi)側(cè)，在剎車的時(shí)候制動(dòng)塊向外張開，摩擦制動(dòng)輪的內(nèi)側(cè)，達(dá)到剎車的目的 [7]。近三十年中，鼓式制動(dòng)器在轎車領(lǐng)域上已經(jīng)逐步退出讓位給盤式制動(dòng)器。但由于成本比較低，仍然在一些經(jīng)濟(jì)類轎車中使用，主要用于制動(dòng)負(fù)荷比較小的后輪和駐車制動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：鼓式制動(dòng)器造價(jià)便宜，而且符合傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。 四輪轎車在制動(dòng)過程中，由于慣性的作用，前輪的負(fù)荷通常占汽車全部負(fù)荷的 70%-80%，前輪制動(dòng)力要24比后輪大，后輪起輔助制動(dòng)作用，因此轎車生產(chǎn)廠家為了節(jié)省成本，就采用前盤后鼓的制動(dòng)方式。不過對(duì)于重型車來說，由于車速一般不是很高，剎車蹄的耐用程度也比盤式制動(dòng)器高，因此許多重型車至今仍使用四輪鼓式的設(shè)計(jì)。缺點(diǎn)：鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)效能和散熱性都要差許多，鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)力穩(wěn)定性差，在不同路面上制動(dòng)力變化很大，不易于掌控。而由于散熱性能差，在制動(dòng)過程中會(huì)聚集大量的熱量。制動(dòng)塊和輪鼓在高溫影響下較易發(fā)生極為復(fù)雜的變形，容易產(chǎn)生制動(dòng)衰退和振抖現(xiàn)象，引起制動(dòng)效率下降。另外，鼓式制動(dòng)器在使用一段時(shí)間后，要定期調(diào)校剎車蹄的空隙，甚至要把整個(gè)剎車鼓拆出清理累積在內(nèi)的剎車粉。圖 3-1 鼓式制動(dòng)器3.2.2 浮鉗式制動(dòng)盤式制動(dòng)器有液壓型的（如圖 3-2） ，由液壓控制，主要零部件有制動(dòng)盤、分泵、制動(dòng)鉗、油管等。盤式制動(dòng)器散熱快、重量輕、構(gòu)造簡(jiǎn)單、調(diào)整方便。特別是高負(fù)載時(shí)耐高溫性能好，制動(dòng)效果穩(wěn)定，而且不怕泥水侵襲，在冬季和惡劣路況下行車，很多轎車采用的盤式制動(dòng)器有平面式制動(dòng)盤、打孔式制動(dòng)盤以及劃線式制動(dòng)盤，其中劃線式制動(dòng)盤的制動(dòng)效果和通風(fēng)散熱能力均比較好。盤式制動(dòng)器沿制動(dòng)盤向施力，制動(dòng)軸不受彎矩，徑向尺寸小 [8]。