超微型双轮毂电动四轮车仿真设计
本文针对电动汽车领域里的轮毂电动汽车展开分析与研究,具体的研究设计对象是超微型双轮毂电动四轮车仿真设计。对整车进行总体仿真设计，以及部分关键零部件的选取、参数给定以及仿真模型的设计。
本文针对超微型双轮毂电动四轮车的整体仿真设计做了较为详细的工作,在整车布置设计，动力系统部件选择，主要尺寸和参数确定。并对其他关键部位，悬架系统、转向系统、制动系统等作了仿真设计。
关键词 电动汽车，轮毂电机，整车布置，仿真设计
目 录
1 绪论 1
1．1 研究背景及意义 1
1．2 轮毂电机技术的发展概况 1
1．3 轮毂电机驱动电动汽车的技术特点分析 3
1．4 本论文研究的主要内容 4
2 总成零部件仿真建模 4
2．1 轮毂电机选型及其Pro/E仿真建模 4
2．2 前悬架选型及其Pro/E仿真建模 9
2．3 后悬架选型及其Pro/E仿真建模 14
2．4 转向系统选型及其Pro/E仿真建模 15
3 外形和车架仿真建模 20
3.1 外廓尺寸的设定 20
3.2 外廓造型的设计 21
3.3 外廓造型的Pro/E仿真建模 21
结 论 23
致 谢 24
参 考 文 献 25
1 绪论
1．1 研究背景及意义
现阶段电动汽车想要普及发展还面临着众多困难，首先较高的制造成本导致较高的售价，即使有国家补贴却依然让许多消费者难以接受。其次，与电动汽车配套的基础设施建设还很不成形，如电动汽车充电站，家用充电桩以及专业的电动汽车维修厂都很不完善。还有电池的回收 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
和安全问题等等，这些都在制约着电动汽车的普及。
新能源车型的驱动技术和传统内燃机汽车有着不小的区别，而其中有一类驱动技术有着很大的发展前景，这就是轮毂电机技术。采用轮毂电机不仅省略了传统的机械传动系统，降低了整车质量，而且轮毂电机响应快、转矩独立可控且控制精确。将轮毂电机驱动技术与超微型电动四轮车相结合会使得其更具市场竞争力。
轮毂电机技术又称车轮内装电机技术，它的最大特点就是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，因此将电动汽车的机械部分大大简化。轮毂电机将电机置于车轮轮毂位置，电机与车轮组成一体，车轮直接由电机驱动，没有传统内燃机汽车笨重的机械传动系统，且其体积小、比功率大，具有很高的传动效率，可大大简化整车机构和降低整车重量及重心，从而减少电动汽车电池消耗和提高电动车稳定性。轮毂电机驱动形式被业界称为电动车辆终极驱动形式。建立一个超微型双轮毂电动四轮车的动力学模型对轮毂电机电动汽车研究具有重要意义。
1．2 轮毂电机技术的发展概况
在1900年，两个前轮为轮毂电机的双座电动车在德国保时捷公司被研制出来。100多年后，即21世纪前后，汽车经历了由内燃机时代到现在的混合动力、纯电动汽车大力研发阶段，轮毂电机电动汽车再次成为研究的热点。
1.2.1 国外轮毂电机技术发展状况
在轮毂电机电动汽车研究方面，日本起步较早。上世纪90年代末，日本丰田汽车公司开始进行了四轮轮毂电机纯电动汽车研发工作。从轮毂电机驱动实用化角度，开展了将传统内燃机汽车底盘进行改进设计以适应轮毂电机安装的关键技术研究。从控制的角度，丰田公司还研究了通过对四轮制动力的控制实现ABS（制动防抱死系统）、TCS（驱动防滑系统）、ESC（稳定性控制系统）功能及车辆垂直振动控制以提高行驶舒适性。
在2005年，美国通用汽车公司在北美国际汽车展上展出了采用氢燃料电池的四轮轮毂电机驱动的电动汽车Sequel，由于四个车轮转矩可通过驱动电机进行精确控制，相对于传统内燃机汽车提高了车辆稳定性和牵引性能，该车还具有电机再生制动功能。美国俄亥俄州立大学开发了四轮轮毂电机驱动的微型电动汽车，并在实车实验基础上研究了四轮驱动、制动力矩的节能和再生制动分配方法。
瑞典Volvo公司开发了在单个车轮中高度集成驱动、转向、制动、悬架部分。并通过计算机对4个车轮独立控制的技术，申请了车轮自主组件模块专利，该技术可实现电动车乘坐舒适性、操纵稳定性、降低轮胎滚动阻力和减小轮胎磨损。
法国米奇林公司开发了驱动、制动和主动悬架功能集一体的轮毂电机总成，其结构非常紧凑，命名为Active wheel。该公司基于Active wheel设计出概念车。英国Protean 和PML公司、日本Bridgstone公司和德国SIEMENS VDO等公司均开发了各自的轮毂电机产品，并将其应用于新能源汽车上。
1.2.2 国内轮毂电机技术发展状况
国内从本世纪初开始，主要是一些高校在四轮轮毂电机电动汽车控制方法和试验研究方面做了大量工作。香港中文大学开发了多模式转向运动四轮轮毂电机电动车，通过对该车四个驱动轮驱动电机和转向轮转向电机的控制，实现原地转向和横向移动，并基于电机效率图研究了对四轮驱动力矩进行优化的控制方法以实现驱动节能的目的。
同济大学开发了“春晖”和“登峰”系列轮毂电机驱动电动轿车，研究了四轮驱动电动汽车轮胎侧偏刚度、车辆运动状态估计和路面附着系数的估算方法，在此基础上基于电机效率图进一步应用LQR和WLS算法研究了电动汽车驱动/制动力矩的控制分配，从而增强车辆的稳定性和实现节能的目的。
清华大学从提高稳定性和机动性的角度，研究了全轮纵向力优化分配方法，提高了直接横摆力矩控制效果和横摆控制响应速度；从节能控制的角度，通过优化四轮驱动力保证安全行驶状态下的整车的最佳经济性；同时还研究了通过驱动力分配的双重转向控制策略。
吉林大学在企业支持下，将传统的汽车改装成四轮独立驱动电动汽车，研究了转向行驶时四轮转矩协调控制方法和差动驱动助力转向方法，从而提高了车辆的操纵稳定性、转向轻便性和良好的路感。在2010年世界电动汽车展览会上，吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室展出了自主开发的四轮轮毂电机驱动、四轮转向电机转向和四轮电磁制动器制动的全线控轮毂电机电动车，并基于此电动车研究了电动车底盘集成控制方法和进行了相关实验验证。
1．3 轮毂电机驱动电动汽车的技术特点分析
1.3.1 轮毂电机驱动电动汽车的优势
轮毂驱动电动汽车作为新型汽车，与汽车及普通的电动汽车相比有着许多优势。
（1）由于采用电动机直接驱动车轮，因此省去了传统的传动系统，取消了变速器、离合器等部件，为汽车节省了空间。
120
<40
整车重量kg
续航里程km
爬坡度
外形尺寸mm
300
100-150
＞12°
图2-3 直驱式轮毂电机结构图
2.1.2 超微型双轮毂电动四轮车用轮毂电机的性能要求
此次设计所选悬架的减振器为双向作用筒式液压减振器。
减振器阻尼系数公式：
（2-11）
1 绪论 1
1．1 研究背景及意义 1
1．2 轮毂电机技术的发展概况 1
1．3 轮毂电机驱动电动汽车的技术特点分析 3
1．4 本论文研究的主要内容 4
2 总成零部件仿真建模 4
2．1 轮毂电机选型及其Pro/E仿真建模 4
2．2 前悬架选型及其Pro/E仿真建模 9
2．3 后悬架选型及其Pro/E仿真建模 14
2．4 转向系统选型及其Pro/E仿真建模 15
3 外形和车架仿真建模 20
3.1 外廓尺寸的设定 20
3.2 外廓造型的设计 21
3.3 外廓造型的Pro/E仿真建模 21
结 论 23
致 谢 24
参 考 文 献 25
1 绪论
1．1 研究背景及意义
现阶段电动汽车想要普及发展还面临着众多困难，首先较高的制造成本导致较高的售价，即使有国家补贴却依然让许多消费者难以接受。其次，与电动汽车配套的基础设施建设还很不成形，如电动汽车充电站，家用充电桩以及专业的电动汽车维修厂都很不完善。还有电池的回收 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
和安全问题等等，这些都在制约着电动汽车的普及。
新能源车型的驱动技术和传统内燃机汽车有着不小的区别，而其中有一类驱动技术有着很大的发展前景，这就是轮毂电机技术。采用轮毂电机不仅省略了传统的机械传动系统，降低了整车质量，而且轮毂电机响应快、转矩独立可控且控制精确。将轮毂电机驱动技术与超微型电动四轮车相结合会使得其更具市场竞争力。
轮毂电机技术又称车轮内装电机技术，它的最大特点就是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，因此将电动汽车的机械部分大大简化。轮毂电机将电机置于车轮轮毂位置，电机与车轮组成一体，车轮直接由电机驱动，没有传统内燃机汽车笨重的机械传动系统，且其体积小、比功率大，具有很高的传动效率，可大大简化整车机构和降低整车重量及重心，从而减少电动汽车电池消耗和提高电动车稳定性。轮毂电机驱动形式被业界称为电动车辆终极驱动形式。建立一个超微型双轮毂电动四轮车的动力学模型对轮毂电机电动汽车研究具有重要意义。
1．2 轮毂电机技术的发展概况
在1900年，两个前轮为轮毂电机的双座电动车在德国保时捷公司被研制出来。100多年后，即21世纪前后，汽车经历了由内燃机时代到现在的混合动力、纯电动汽车大力研发阶段，轮毂电机电动汽车再次成为研究的热点。
1.2.1 国外轮毂电机技术发展状况
在轮毂电机电动汽车研究方面，日本起步较早。上世纪90年代末，日本丰田汽车公司开始进行了四轮轮毂电机纯电动汽车研发工作。从轮毂电机驱动实用化角度，开展了将传统内燃机汽车底盘进行改进设计以适应轮毂电机安装的关键技术研究。从控制的角度，丰田公司还研究了通过对四轮制动力的控制实现ABS（制动防抱死系统）、TCS（驱动防滑系统）、ESC（稳定性控制系统）功能及车辆垂直振动控制以提高行驶舒适性。
在2005年，美国通用汽车公司在北美国际汽车展上展出了采用氢燃料电池的四轮轮毂电机驱动的电动汽车Sequel，由于四个车轮转矩可通过驱动电机进行精确控制，相对于传统内燃机汽车提高了车辆稳定性和牵引性能，该车还具有电机再生制动功能。美国俄亥俄州立大学开发了四轮轮毂电机驱动的微型电动汽车，并在实车实验基础上研究了四轮驱动、制动力矩的节能和再生制动分配方法。
瑞典Volvo公司开发了在单个车轮中高度集成驱动、转向、制动、悬架部分。并通过计算机对4个车轮独立控制的技术，申请了车轮自主组件模块专利，该技术可实现电动车乘坐舒适性、操纵稳定性、降低轮胎滚动阻力和减小轮胎磨损。
法国米奇林公司开发了驱动、制动和主动悬架功能集一体的轮毂电机总成，其结构非常紧凑，命名为Active wheel。该公司基于Active wheel设计出概念车。英国Protean 和PML公司、日本Bridgstone公司和德国SIEMENS VDO等公司均开发了各自的轮毂电机产品，并将其应用于新能源汽车上。
1.2.2 国内轮毂电机技术发展状况
国内从本世纪初开始，主要是一些高校在四轮轮毂电机电动汽车控制方法和试验研究方面做了大量工作。香港中文大学开发了多模式转向运动四轮轮毂电机电动车，通过对该车四个驱动轮驱动电机和转向轮转向电机的控制，实现原地转向和横向移动，并基于电机效率图研究了对四轮驱动力矩进行优化的控制方法以实现驱动节能的目的。
同济大学开发了“春晖”和“登峰”系列轮毂电机驱动电动轿车，研究了四轮驱动电动汽车轮胎侧偏刚度、车辆运动状态估计和路面附着系数的估算方法，在此基础上基于电机效率图进一步应用LQR和WLS算法研究了电动汽车驱动/制动力矩的控制分配，从而增强车辆的稳定性和实现节能的目的。
清华大学从提高稳定性和机动性的角度，研究了全轮纵向力优化分配方法，提高了直接横摆力矩控制效果和横摆控制响应速度；从节能控制的角度，通过优化四轮驱动力保证安全行驶状态下的整车的最佳经济性；同时还研究了通过驱动力分配的双重转向控制策略。
吉林大学在企业支持下，将传统的汽车改装成四轮独立驱动电动汽车，研究了转向行驶时四轮转矩协调控制方法和差动驱动助力转向方法，从而提高了车辆的操纵稳定性、转向轻便性和良好的路感。在2010年世界电动汽车展览会上，吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室展出了自主开发的四轮轮毂电机驱动、四轮转向电机转向和四轮电磁制动器制动的全线控轮毂电机电动车，并基于此电动车研究了电动车底盘集成控制方法和进行了相关实验验证。
1．3 轮毂电机驱动电动汽车的技术特点分析
1.3.1 轮毂电机驱动电动汽车的优势
轮毂驱动电动汽车作为新型汽车，与汽车及普通的电动汽车相比有着许多优势。
（1）由于采用电动机直接驱动车轮，因此省去了传统的传动系统，取消了变速器、离合器等部件，为汽车节省了空间。
120
<40
整车重量kg
续航里程km
爬坡度
外形尺寸mm
300
100-150
＞12°
图2-3 直驱式轮毂电机结构图
2.1.2 超微型双轮毂电动四轮车用轮毂电机的性能要求
此次设计所选悬架的减振器为双向作用筒式液压减振器。
减振器阻尼系数公式：
（2-11）
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