超微型双轮毂电动四轮车转向试验台
本文简单介绍轮毂电动车背景及发展现状，通过研究电桥差速器的工作原理和特点，在通向从理论到实践的应用中，充分考虑现有的试验条件和实际应用目的，完成试验台的搭建和测试实验，其中主要考虑了试验台各部件的安装设计选择，在差速器不需要轮速、转角等传感器等的条件下，设计了一个成本低、结构简单的超微型双轮毂电动车四轮转向试验台，经过各种实际的设计安装操作进行相应的改良完善布置方式，最终结合实际现有的道具来完成试验台搭建，能完成电桥差速控制试验的各种测试项目。
关键词 轮毂电动车，电桥差速器,试验台
目录
1 绪论1
1.1 选题背景和意义1
1.2 国内外研究状况概括2
1.2.1 国外研究状况3
1.2.2 国内研究状况3
1.3 本文主要研究内容3
2 电动汽车电桥差速器控制系统的设计4
2.1 传统差速控制器原理及实现4
2.2 电桥差速器原理及实现4
2.2.1 惠斯通电桥原理4
2.2.2 电桥差速器原理5
2.2.3 有关参数的选择6
2.2.4 转向盘转角与电桥参数之间的匹配关系7
3 转向试验台的整体设计8
3.1 试验台整体方案设计8
3.2 电桥差速器转向试验台的核心部件选择9
3.2.1 方向盘转向柱10
3.2.2 齿轮的选择10
3.2.3 电桥的安装和焊接12
结论14
致谢15
参考文献16
1 绪论
1.1 选题背景和意义
汽车作为当今社会不可缺少的交通工具，成为推动人类社会发展的重要动力，但 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
是也加剧了环境污染和能源紧张问题[1]，这直接影响了汽车工业的可持续发展。为了对这种压力和危机，无论是汽车公司还是政府部门和研究机构都在积极地研发节能环保型车辆，从目前的研究进展来看，将电动车作为未来汽车的发展方向是业内的普遍共识[2]。以电机为原动机的电动车，在驱动形式的多样性上有较大优势，各种形式的电动车正在成为世界汽车工业的研发焦点[3]。随着电动车相关技术的发展，一种新型的电动车底盘形式引起了学者的广泛关注——多个电机独立驱动多个车轮的底盘形式[4]，其中比较常见的是基于轮毂电机的四轮独立驱动电动车。该类型电动车采用轮毂电机（车轮与电机集成设计），电机输出的转矩直接传送给车轮，取消了传统的动力传动系统，减轻了车体重量、提高了车体空间利用率、实现了每个车轮的单独控制[5]。这种创新性的车辆结构及牵引方式，为电动车在性能上全面超越传统汽车提供了广阔的空间，是未来电动车的重要发展方向[6]。
无论是传统汽车还是电动车，车辆行驶安全问题始终是人们关注的焦点。为解决车辆在行过程中由于车身失稳而引发交通事故的问题，学者们提出了车身稳定控制的概念，通过主动控制车辆的侧向运动来提高车辆行驶过程中的车身稳定能力[7]。车身电子稳定、牵引力控制、主动前轮转向、直接横摆力矩控制等控制技术是目前在传统汽车上得到广泛应用的车身稳定控制技术[8]。由于轮毂电动车是由轮毂电机直接驱动每个车轮，底盘结构与传统汽车具有本质的区别，针对传统汽车的控制技术已无法直接应用于四轮轮毂电动车。同时轮毂电机与传统汽车的发动机相比具有更快速的转矩响应和更高的转矩精度，便于控制系统完成实时控制。因此轮毂电动车的车身稳定控制技术正在成为控制领域的研究热点[9]。
轮毂电动车的电驱动系统是由轮毂电机作为动力源的及相关部件组成，一旦出现电驱动系统失效（包括电机及相关部件故障）情况，故障电机将无法输出驱动转矩，这势必会导致车辆出现非期望的姿态参数变化，使车身出现失稳的状况，从而增加交通事故发生的概率，因此轮毂电动车的电驱动失效控制是该车型研发的关键技术[10]。目前国内外在这方面的研究尚处于起步阶段，已发表的文献主要是关于故障诊断系统，少数几篇文献进行了失效控制策略的研究，采用的是基于简单规则的失效控制方法，并没有从车身稳定控制的层面来考虑。因此，结合传统的车身稳定控制技术，研究该车型的电驱动系统失效控制方法，以保该车型在电驱动系统失效情况下的驱动能力和车身稳定，减小驾驶员错误操作的可能性和驾驶难度，保证行车安全，是该车型研发的关键技术，具有十分重要的研究意义。
1.2国内外研究状况概括
1.2.1 国外研究状况
轮毂式电动车作为具有先进驱动技术的车型，正在获得前所未有的重视，国内外大型汽车公司以及相关研究机构在该领域进行了广泛深入的研究[11]。美国UQM Technologies 公司、法国 TM 公司、日本普利斯通轮胎公司、日本丰田和本田汽车公司、德国 NASS Magnet 公司等都有轮毂电机研发与生产能力。
美国通用汽车公司研制了 Autonomy 四轮驱动燃料电池概念车和 Sequel 四轮轮毂电动车。Sequel 由一台横向安装的三相 60 千瓦轮毂电机驱动前轮，另外两台三相 25 千瓦轮毂电机驱动后轮，使整车总功率达到 110 千瓦，续航里程达到500km[12]，由于轮毂电机实时控制车轮转矩，提高了车辆的稳定性和牵引性能，且具有制动能量回收功能。
日本在轮毂电动车领域的研究处于世界先进水平。日本三菱公司研制了Lancer Evolution MIEV 四轮轮毂电动车，该装配了三菱公司最新的 S-AWC 超级全轮控制系统，无需布置减速箱也能够满足车辆起步、加速、爬坡的动力性需求[13]。日本庆应大学的电动车研发小组研制了 IZA、ECO、KAZ 等轮毂式电动车[14]，其主要成员清水浩教授在业内享有很的声誉，在 2011 年由他教授组建的“SIM-DRIVE”公司开发了试验车“SIM-LEI”，该车以 100km/h 的速度行驶时，续航距离仍可达到305km，0-100km/h 加速时间为 4.8 秒，最高时速可达 150km/h。日本东京大学研制了 UOT Electric March II 四轮独立驱动电动车，该车的四轮独立电驱动结构是通过四个轮毂电机分别驱动四个车轮来实现，主要设计目标是为了改善车辆的动力学特性，利用轮毂电机转矩响应快精度高、每个车轮驱动力可单独控制的特点，实现了四轮独立驱动和制动控制[15]。日本东京农工大学永井正夫教授所领导的实验室研制了 NOVEL-I 和 NOVEL-II 微型轮毂电动车，进行了基于直接横摆力矩控制和线控转向（Steering By Wire, SBW）的操纵稳定控制策略的研究[16]。
1.2.2 国内研究状况
我国在轮毂电动车领域起步较晚，随着近几年国家“863”计划电动车重大课题研究的深入，国内几个主要的汽车厂商和高校都对电动车的关键技术展开了深入研究，对于轮毂电动车的研究主要集中在各大高校中。
上海同济大学汽车学院研制了春晖系列轮毂电机独立驱动电动车，其中春晖三号是线控转向四轮独立驱动燃料电池汽车，其电驱动系统由四部 800W 的轮毂电机、盘式制动器、双横臂悬架和轮胎组成[17]。
哈尔滨工业大学和爱因斯电动车研究所研制了四轮轮毂电动车 EV96-1。该车使用的轮毂电机被称为“多态电机”，因为该电机兼有异步电机和同步电机双重特性，其额定功率和峰值功率分别是 6.8kW 和 15kW。
表2.4电桥差速器设计的基本参数
1 绪论1
1.1 选题背景和意义1
1.2 国内外研究状况概括2
1.2.1 国外研究状况3
1.2.2 国内研究状况3
1.3 本文主要研究内容3
2 电动汽车电桥差速器控制系统的设计4
2.1 传统差速控制器原理及实现4
2.2 电桥差速器原理及实现4
2.2.1 惠斯通电桥原理4
2.2.2 电桥差速器原理5
2.2.3 有关参数的选择6
2.2.4 转向盘转角与电桥参数之间的匹配关系7
3 转向试验台的整体设计8
3.1 试验台整体方案设计8
3.2 电桥差速器转向试验台的核心部件选择9
3.2.1 方向盘转向柱10
3.2.2 齿轮的选择10
3.2.3 电桥的安装和焊接12
结论14
致谢15
参考文献16
1 绪论
1.1 选题背景和意义
汽车作为当今社会不可缺少的交通工具，成为推动人类社会发展的重要动力，但 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
是也加剧了环境污染和能源紧张问题[1]，这直接影响了汽车工业的可持续发展。为了对这种压力和危机，无论是汽车公司还是政府部门和研究机构都在积极地研发节能环保型车辆，从目前的研究进展来看，将电动车作为未来汽车的发展方向是业内的普遍共识[2]。以电机为原动机的电动车，在驱动形式的多样性上有较大优势，各种形式的电动车正在成为世界汽车工业的研发焦点[3]。随着电动车相关技术的发展，一种新型的电动车底盘形式引起了学者的广泛关注——多个电机独立驱动多个车轮的底盘形式[4]，其中比较常见的是基于轮毂电机的四轮独立驱动电动车。该类型电动车采用轮毂电机（车轮与电机集成设计），电机输出的转矩直接传送给车轮，取消了传统的动力传动系统，减轻了车体重量、提高了车体空间利用率、实现了每个车轮的单独控制[5]。这种创新性的车辆结构及牵引方式，为电动车在性能上全面超越传统汽车提供了广阔的空间，是未来电动车的重要发展方向[6]。
无论是传统汽车还是电动车，车辆行驶安全问题始终是人们关注的焦点。为解决车辆在行过程中由于车身失稳而引发交通事故的问题，学者们提出了车身稳定控制的概念，通过主动控制车辆的侧向运动来提高车辆行驶过程中的车身稳定能力[7]。车身电子稳定、牵引力控制、主动前轮转向、直接横摆力矩控制等控制技术是目前在传统汽车上得到广泛应用的车身稳定控制技术[8]。由于轮毂电动车是由轮毂电机直接驱动每个车轮，底盘结构与传统汽车具有本质的区别，针对传统汽车的控制技术已无法直接应用于四轮轮毂电动车。同时轮毂电机与传统汽车的发动机相比具有更快速的转矩响应和更高的转矩精度，便于控制系统完成实时控制。因此轮毂电动车的车身稳定控制技术正在成为控制领域的研究热点[9]。
轮毂电动车的电驱动系统是由轮毂电机作为动力源的及相关部件组成，一旦出现电驱动系统失效（包括电机及相关部件故障）情况，故障电机将无法输出驱动转矩，这势必会导致车辆出现非期望的姿态参数变化，使车身出现失稳的状况，从而增加交通事故发生的概率，因此轮毂电动车的电驱动失效控制是该车型研发的关键技术[10]。目前国内外在这方面的研究尚处于起步阶段，已发表的文献主要是关于故障诊断系统，少数几篇文献进行了失效控制策略的研究，采用的是基于简单规则的失效控制方法，并没有从车身稳定控制的层面来考虑。因此，结合传统的车身稳定控制技术，研究该车型的电驱动系统失效控制方法，以保该车型在电驱动系统失效情况下的驱动能力和车身稳定，减小驾驶员错误操作的可能性和驾驶难度，保证行车安全，是该车型研发的关键技术，具有十分重要的研究意义。
1.2国内外研究状况概括
1.2.1 国外研究状况
轮毂式电动车作为具有先进驱动技术的车型，正在获得前所未有的重视，国内外大型汽车公司以及相关研究机构在该领域进行了广泛深入的研究[11]。美国UQM Technologies 公司、法国 TM 公司、日本普利斯通轮胎公司、日本丰田和本田汽车公司、德国 NASS Magnet 公司等都有轮毂电机研发与生产能力。
美国通用汽车公司研制了 Autonomy 四轮驱动燃料电池概念车和 Sequel 四轮轮毂电动车。Sequel 由一台横向安装的三相 60 千瓦轮毂电机驱动前轮，另外两台三相 25 千瓦轮毂电机驱动后轮，使整车总功率达到 110 千瓦，续航里程达到500km[12]，由于轮毂电机实时控制车轮转矩，提高了车辆的稳定性和牵引性能，且具有制动能量回收功能。
日本在轮毂电动车领域的研究处于世界先进水平。日本三菱公司研制了Lancer Evolution MIEV 四轮轮毂电动车，该装配了三菱公司最新的 S-AWC 超级全轮控制系统，无需布置减速箱也能够满足车辆起步、加速、爬坡的动力性需求[13]。日本庆应大学的电动车研发小组研制了 IZA、ECO、KAZ 等轮毂式电动车[14]，其主要成员清水浩教授在业内享有很的声誉，在 2011 年由他教授组建的“SIM-DRIVE”公司开发了试验车“SIM-LEI”，该车以 100km/h 的速度行驶时，续航距离仍可达到305km，0-100km/h 加速时间为 4.8 秒，最高时速可达 150km/h。日本东京大学研制了 UOT Electric March II 四轮独立驱动电动车，该车的四轮独立电驱动结构是通过四个轮毂电机分别驱动四个车轮来实现，主要设计目标是为了改善车辆的动力学特性，利用轮毂电机转矩响应快精度高、每个车轮驱动力可单独控制的特点，实现了四轮独立驱动和制动控制[15]。日本东京农工大学永井正夫教授所领导的实验室研制了 NOVEL-I 和 NOVEL-II 微型轮毂电动车，进行了基于直接横摆力矩控制和线控转向（Steering By Wire, SBW）的操纵稳定控制策略的研究[16]。
1.2.2 国内研究状况
我国在轮毂电动车领域起步较晚，随着近几年国家“863”计划电动车重大课题研究的深入，国内几个主要的汽车厂商和高校都对电动车的关键技术展开了深入研究，对于轮毂电动车的研究主要集中在各大高校中。
上海同济大学汽车学院研制了春晖系列轮毂电机独立驱动电动车，其中春晖三号是线控转向四轮独立驱动燃料电池汽车，其电驱动系统由四部 800W 的轮毂电机、盘式制动器、双横臂悬架和轮胎组成[17]。
哈尔滨工业大学和爱因斯电动车研究所研制了四轮轮毂电动车 EV96-1。该车使用的轮毂电机被称为“多态电机”，因为该电机兼有异步电机和同步电机双重特性，其额定功率和峰值功率分别是 6.8kW 和 15kW。
表2.4电桥差速器设计的基本参数
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