1、低速电动汽车的底盘设计文献综述低速电动汽车的底盘设计文献综述摘 要：如今全球面临日益严重的环境污染问题引起了各国的高度重视，全球各主要国家纷纷出台了更为严格的汽车尾气排放标准。因此发展节能环保的新能源汽车迫在眉睫，电动汽车是目前世界上唯一能达到零排放的机动车。低速电动汽车具有经济性能好、节能环保、节约资源、使用成本低、充电方便等优势，是城市最经济、最环保、最易推广的交通工具，是我国实现绿色交通的战略选择1。而且近年来，当代汽车底盘飞速发展，新技术不断涌现和应用，使得车辆性能得到极大改善，也带动低速电动汽车的发展。关键词：电动汽车；结构；底盘设计1 引言1.1 研究背景根据美国能源信息署EIA发
2、布的国际能源展望，世界能源市场消耗量2005年到2030年预计增加50%。随着能源消耗的逐年增加，二氧化碳的排放量也将增加，目前二氧化碳排放中，25%来自于汽车。目前应对气候变化己成为全球事务议程中的重要议题，而温室气体的减排更成为其中的重中之重2 。在我国，汽车排放的污染已经成为城市大气污染的重要因素，我国的二氧化碳排放目前已居全球第二，减排二氧化碳的压力将越来越大。因此大力发展新能源汽车是实现我国能源安全、环境保护以及中国汽车工业实现跨越式、可持续发展的需要。发展电动汽车,实现汽车工业的可持续发展已是全世界的共识3。电动汽车的动力源是电池，相对于以燃料为动力的车辆是清洁的，同时噪声污染也小
3、得多，能源效率高，多样化，结构简单，使用维修方便。电动汽车还有一个独特的优点，就是它的制动能量能够被回收。传统车辆制动时，汽车的动能完全消耗在制动盘和轮毅的摩擦热中。而电动汽车制动时可以利用反拖电机为蓄电池充电，即大部分动能转化为电能4。电动汽车技术的研究已经取得了很大的进展。但是,和传统汽车相比,电动汽车有着致命的弱点续驶里程短、充电时间长、充电站等基础设施缺乏,最要命的是成本高昂。据丰田公司提供的资料,在日本,电动汽车市场售价是汽油车的2. 5倍,维修、保养的费用更加令人不堪重负,特别是电池,更换一组电池就得3万美元5。中国传统汽车技术比发达国家落后30多年,但电动汽车技术只落后8年左右,
4、部分核心技术居世界领先水平。业内专家认为,电动汽车的产业化已成为汽车工业产业结构调整和跨越式发展的切入点,完全有可能发挥后发优势,迅速赶上先进国家的步伐,实现和世界汽车工业的同步发展6。目前,我国燃料电池发动机发展趋势很好,已从过去单电堆研究,发展到带有支持系统和控制系统的燃料电池发动机系统研发能力;我国的高功率型动力蓄电池进展很迅速,目前的阶段成果和国外相比,有较大的价格优势;在电机和驱动系统研究方面,我国借助基础材料领域的优势,正在鼓励开发稀土磁电机7。在这种情况下电动汽车逐步出现，成为当前新型汽车的开发热点。1.2 低速电动汽车的基本概念低速电动汽车是集中了低速汽车和电动汽车特点的复合型
5、产品。低速电动汽车由电动机驱动，行驶速度一般在4070km/h之间，行驶里程一般在100km左右。主要适用于二、三级城市和城乡结合部，是有发展前景的低成本、节能车辆8。国外一般以时速70 千米为分水岭，将电动车划分为高速电动车和低速电动车。欧盟、日本等对低速电动四轮车进行单独管理，这类车的牌照区别于传统汽车，车主可享受购车补贴、免年检、过路等费用的优惠政策。在欧洲，一些国家已经为低速车型专门划分了行驶道路。而我国还没有对低速电动汽车进行明确的定义，一般指时速低于70km/h，有一定整备质量、外廓尺寸等指标约束，具备安全、节能、舒适等性能要求的M1类纯电动汽车。1.3 低速电动汽车在国内外的发展
6、概况在美国、日木、欧洲等发达国家，电动汽车已开始进入实用化阶段。由于高新技术发展的推动和政府对汽车排放越来越苛刻的要求，各大汽车公司投入了大景的人力、物力和则力用于电动汽车开发，不断推出自己的新产品9。图1为几种国外高速电动汽车的技术指标。图1 国外几种电动汽车的技术指标上世纪末，美国一些社区(主要是大型的退休社区)出现许多经改装的高尔夫球车等低速场地车，这些车辆主要在相对封闭的区域内行驶，但有些也开始上路行驶。政府主管部门认为：要求这类车辆满足全尺寸车辆的安全标准不符合实际情况，需要制定专门的法规来规范。在此背景下，美国交通运输部(DOT)下属的国家公路交通安全管理局(NHTSA)在综合评估
7、加利福尼亚州棕榈泉(Palm Desert,California)退休社区低速车辆的运行模式后(配备特定装备和使用专用线路)，于1998年针对低速车辆(LSV)制定了专门的联邦机动车安全标准(FMVSS)第500号法规(49CFR571.500)及相应的测试规范(TP-500-02)，并于2005、2006年进行了二次修订，对LSV的最高设计车速、车辆总质量(1998年版未作要求，2005年版本要求小于1135kg)并取消了对货车的限制，2006年版考虑动力蓄电池的重量将上限提高到1361kg、基本装备及相关试验条件、试验方法等做出了具体规定(表1)，将其归类于四轮机动车10。表1为美国低速电
8、动汽车的基本要求。项目具体要求最高设计初速（km/h）32V40车辆总体质量（kg）1361基本装备要求要求装前照灯、尾灯、停车指示灯、转向灯、反光镜、停车制动器、后视镜、风窗玻璃、停车识别号码和安全带表1 美国低速电动汽车的基本要求在路权方面，大多数州准许低速车辆在限速56km/h的公路上行驶，德克萨斯(Texas)、阿拉斯加(Alaska)等个别州放宽到72km/h，穿越交叉路口不受限制。目前美国有数家低速电动汽车生产企业，规模较大的是GEM公司和ZAP公司。图2为美国典型低速电动汽车产品参数。图2 美国典型低速电动汽车产品参数日本在电动汽车研发和产业化方面走在世界前列, 混合动力汽车产品
9、已经占据其很大一部分的市场份额, 纯电动汽车产品也已推向市场。纯电动汽车的续驶里程主要取决了动力电池的能量和车辆本身的自重11。而在日本，丰田、本田、日产等几大主流汽车公司目前没有生产配套铅酸电池的低速电动汽车, 各企业推出的轻型电动汽车均具有较高的最高设计车速和较长的继驶里程。但日本本土也有部分企业改装生产使用铅酸电池的低速电动汽车, 其生产规模普遍很小, 如TAKEOKA 公司生产的REVA - CLASSIC、ZERO SPORTS 公司生产的celoview。韩国CT&T 公司2009年11月起开始在日本销售低速电动汽车, 主力车型是e- ZONE, 低级版本也使用铅酸电池。这些产品继
10、驶里程较短, 最高设计车速较低, 普遍低于90 km /h。图3为日本市场低速电动汽车产品参数。图3 日本市场低速电动汽车产品参数欧洲各国也都开展了低速电动汽车得研究。法国的标致一雪铁龙和需诺2大汽车公司一直在积极研制电动汽车，1990年J-5和C-25电动货车投入生产，1995年标致106和雪铁龙AX电动车投入生产。1972年德国欧宝公司开始研制电动汽车，1981年和ABB公司合作改装电动轿车。1990年意大利菲亚特汽车公司开始生产电动汽车，载质景为1330kg，车速为70km/h，行驶里程为100km。英国国际汽车设计公司(工AO)从1979年开始研制电动汽车。1991年克罗德里蓄电池公司
11、投资建立电动汽车生产集团，研制成MOL C3型混合型电动汽车，行程130km。其他国家和地区如瑞士、瑞典、丹麦、奥地利、捷克、匈牙利、俄罗斯、澳大利亚、墨西哥等都已开展和研制电动汽车。我国从“十五”时期开始实施新能源汽车科技规划，“863”项目共投入20亿元研发经费，研发布局“三纵三横” 申请 520 项国内外专利。专项确定了“三纵三横”的研发布局，以燃料电池汽车、混合动力电动汽车、纯电动汽车三种车型为“三纵”，多能源动力总成控制系统、驱动电机及其控制系统、动力蓄电池及其管理系统三种共性技术为“三横”的电动汽车研发格局12。从“十五规划”到 “十一五规划”，中国政府对新能源车的投入从8亿人民币
12、增长到50亿人民币；2009年3月出台的汽车产业调整和振兴规划则明确提出：在2009-2011年间, 要形成50万辆纯电动、充电式混合动力和普通型混合动力等新能源汽车产能，新能源汽车销量要占乘用车销售总量的5%左右。打造节能汽车和电动汽车为主体的新能源汽车，这将成为未来我国新兴战略性产业。新能源汽车发展的战略目标，到2015年，纯电动汽车应用达50万辆；不同程度的混合动力汽车比例达到年产量的30%以上；新能源汽车整车及关键零部件的产业化达到世界先进水平；据了解，目前世界上掌握双模电动汽车技术的只有通用、丰田和比亚迪。而且比亚迪双模电动汽车的纯电动续航里程可以达到 100KM，远远超过通用、丰田
13、13。在国内据相关机构不完全统计：长江以北地区正在研制或小批量生产低速小型电动汽车的生产厂家超过百家。另外，奇瑞汽车、吉利汽车、江南汽车等部分具有乘用车资质的企业，为适应自发形成的小型低速电动汽车市场的需求，在本企业纯电动乘用车产品的基础上，简化技术方案、调整动力性指标，大幅度地降低了成本后，也推出了使用铅酸蓄电池的小型低速电动汽车产品。由于国内尚未制定小型低速电动汽车的标准法规，因此销售的小型低速电动汽车生产企业往往以电动观光车和场地车的名义卖车，或者在地方政府支持下在个别小城市进行示范运行。国产小型低速电动汽车具有低成本优势，目前一些江、浙低速电动汽车企业已经实现了国际市场的批量出口14
14、。在当前的经济条件下看，低速电动车的性能可以满足相当一部分中国人的需求，因此有非常大的潜在市场。低速电动车要驶入千家万户，仍然面临着不少障碍。这主要包括三个方面：一是低速电动车的技术标准没有确定；二是面临道路运行难题，因为低速电动车在混合道路上会影响其他车的运行；三是充电设施几乎是空白15。 正此前, 被业内当作我国电动汽车产业发展突破口的低速电动汽车, 一度被传出将在节能和新能源汽车产业规划(2011-2020年)中得以转正,有望率先在试点城市合法运行。近日却有媒体报道称,低速电动汽车的提法或已从新能源汽车的十年规划中删除,这意味着长期以来生存在夹缝当中、并苦苦寻求政策认可的低速电动汽车将无
15、法拿到准生证,前景堪忧16。3 低速电动汽车的结构和底盘设计3.1电动汽车的基本结构和燃油汽车相比，电动汽车的结构特点是灵活的，这种灵活性源于电动汽车几有以卜几个独特的特点:首先，电动汽车的能量主要是通过柔性的电线而且是通过刚性联轴器和转轴传递的，因此，电动汽车各部件的布置几有很大的灵活性；其次，电动汽车驱动系统的布置小同(如独立的四轮驱动系统和轮毅电动机驱动系统等)会使系统结构区别很大，采用不同类型的电动机(如直流电动机和交流电动机)会影响到电动汽车的质量、尺寸和形状;不同类型的储能装置(如蓄电池和燃料一电池)一也会影响电动汽车的质量、少泛寸及形状。另外，不同的补充能源装置也有不同的硬件和机
16、构，例如蓄电池可通过感应式和接触式的充电机充电，或者采用替换蓄电池的方式，将替换卜来的蓄电池再进行集中充电17。图4为电动汽车的组成和结构形式。图4 电动汽车的组成和结构形式图5 纯电动小巴基本构造采用小同的电力驱动系统可构成小同结构形式的电动汽车。根据电力驱动系统的小同，电动汽车分为6种，如图6所示。图6电动汽车的结构形式图a由发动机前置前轮驱动的燃油车发展而来，它由电动机、离合器、变速器和差速器组成。离合器用来切断或接通电动机到车轮之间传递动力的机械装置，变速器是一套具有不同速比的齿轮机构，驾驶员可选择不同的变速比，把力矩传给车轮。图b由电动机、固定速比的减速器和差速器组成电力驱动系统，这
17、种结构虽然去掉离合器减小了机械传动装置的质量并缩小了体积，但是由于没有离合器和可选的变速档位，不能提供理想的转矩0转速特性，因而不适合于使用发动机的燃油汽车。图c和发动机横向前置、前轮驱动的燃油汽车的布置方式类似，它把电动机、固定速比减速器和差速器集成为一个整体，两根半轴连接驱动车轮，这种结构在小型电动汽车上应用最普遍。图d所示的双电动机结构就是采用2个电动机通过固定速比的减速器分别驱动1个车轮，每个电动机的转速可以独立地调节控制，便于实现电子差速，因此，电动汽车不必选用机械差速器。图e电动机也可以装在车轮里面，称为轮毂电动机， 可进一步缩短从电动机到驱动车轮的传递路径，为了将电动机转速降低到
18、理想的车轮转速，采用固定减速比的行星齿轮变速器，它能提供大的减速比，而且输入和输出轴可布置在同一条轴线上。图f表示了另一种使用轮毂电动机的电动汽车结构，这种结构采用低速外转子电动机，彻底去掉了机械减速变速器，电动机的外转子直接安装在车轮的轮缘上，车轮转速和电动汽车的车速控制完全取决于电动汽车的转速控制。如果我们采用小同类型的储能装置，如小同的蓄电池、 燃料一电池、 超大电容器和一些高速飞轮等装置的话，构成小同的电动汽车结构，那么图7所示的是6种典型的结构。图7 电动汽车6种典型的储能结构3.2 电动汽车的底盘设计底盘系统包含了悬架、制动、转向等子系统,在传统意义上它影响着整车的舒适性、安全性和
19、操控性,而对于新能源汽车而言,它的影响更加深远。新能源汽车的底盘系统需要适应于载能源的多样性、适用于高度集成的系统模块,同时不限制汽车内部空间和外部造型的设计。一般所说的底盘工程包括前后悬架、转向系，制动系和车轮的设计配置。和这些系统直接相关的整车性能有制动性、操稳性和平顺性。底盘的悬架部件本身要足够牢固，而其设计是否到位直接影响车架车身的受力大小，同时底盘设计也和耐久性相关18。 纵观各类新能源汽车，从概念车到量产车，从国内自主车型到国际典型车型，底盘系统的设计朝着两大方向发展：其一以传统车平台为基础，根据需求进行局部改进;其二推翻传统思维模式，创造出全新的理念19。3.2.1 改制的设计思
20、路从探索新能源车开始，很多新能源车是在现有平台上实施新的总布置方案。其设计思路是被动的，根据其他系统方案的更改给底盘系统带来的影响，在原有平台的基础上设计或更改底盘各子系统。在该思路指导下，传统车的成熟零部件得到最大可能的沿用，保持底盘框架不改变，制动系统、转向系统、悬架系统、传动系统等在保持工作原理基本不变的前提下做相应改变或调整。其特点是，尽可能地沿用传统车底盘，根据需要进行部分的改制工作，开发难度小、开发成本低、开发周期短，并且能够和传统车公用平台，并在很大程度上沿用传统车的成熟零部件。图8为“改制”的设计思路。图8 “改制”设计思路（1）沿用底盘平台。沿用原有平台的底盘构架，即副车架不
21、变、底盘子系统工作原理不变。（2）传统发动机的取消影响部分底盘子系统。因为新的动力系统取代了原传统发动机，新能源汽车的制动系统、转向系统、传动系统都需要在原有构架上做出相应调整。制动真空助力泵失去了真空源，需要增加电动真空泵为其提供真空源，相应的管路等零部件需要更改；原动力转向泵因为发动机的取消而无法沿用，需要开发新的转向动力源，相应的管路等零部件需要更改;新动力系统的减速器接曰和原车相比发生了改变，因此传动系统需要根据新的输入信息进行更改或者重新设计。各子系统零部件更改的设计完成之后，根据总布置的位置和零部件数模设计悬置支架，最后通过CAE分析来确定悬置系统的强度和噪音并做出相应的改进。(3
22、)总布置的改变影响悬架系统。由于实施了新的总布置方案，前后舱布置内容较原型车有重大改变，需要重新计算整车的质量和载荷匹配，来确定原有悬架系统是否可靠，若不可靠需调整或重新设计悬架系统。首先需要统计新能源汽车相对于同一平台的原型车新增部件的质量和质心位置，结合沿用的原车部件的质量和质心位置，计算出新总布置方案下新能源汽车的质量和质心位置；再通过质量和X向质心位置计算出前后轴荷分布然后根据质量和轴荷来校验原有悬架系统的可靠性，若不可沿用则重新设计悬架系统或更改原系统的设计参数；最后通过Adorns来分析悬架的更改对四轮定位参数的影响，并对悬架设计做出相应调整。3.2.2总体设计方案现拟设计一款低速
23、纯电动汽车，主要的参数配置初设如下：基本参数：长宽高4225/1570/1375mm，整备质量1275KG，轴距2445mm，轮距前后1395/1375mm，最先离地间隙125mm。动力参数：电机功率60KW，扭矩180NM/RPM，最高车速75km/h。驱动形式：前置前驱，悬架前后：麦弗逊是独立悬架/多连杆式独立悬架，电子助力转向系统。制动器形式前后：通风盘式/盘式。操控方面：ABS防抱死，制动力分配EBD，刹车辅助EBA,牵引力控制ASR等。图9 总成结构形式设计说明：该纯电动汽车在结构上去掉了离合器，采用锂离子电池从而减少了整车质量，同时在行李箱处安装了蓄电池组及充电系统，另外为了前后轴
24、荷分配合理在前轴传统发动机处安装电动机，用于连接电池和电动机并进行交直流转换的控制器，并合理安装附加蓄电池用于对车身附件供电，为其充电的直流到直流的交换器。起动用的继电器，另外电动机在刹车时可以作为发电机回收能量。地盘上布线代替了传统的排气，油管等。3.2.3创新的设计思路所谓创新设计，是跳出现有平台的框架，以整体优化设计为指导思想，从零开始构思全新的平台或者全新的汽车理念。对底盘系统而言，底盘的框架结构、各子系统的工作模式均可做出全新的设计。新能源汽车底盘设计方向性的改革始于“滑板式底盘”的出现，该全新方案实现了从概念到可行到成功实现的演进。图9 采用滑板式底盘的三代燃料电动汽车滑板式底盘的
25、应用使得汽车具有以下优势：（1）车身设计自由度很大。平而式的底盘和车身独立，给车身的造型设计提供了无比的自由。（2）总布置难度降低、内部可利用空间增大。由于底盘是扁平的整体框架，而目_安置在底盘上的燃料电池动力系统的集成度高、线传操控系统使得转向系统和制动系统所占空间大大减小，所以总布置的可利用空间相对增大，其布置难度也相对降低，相应的车内可利用空间也有所增大。 （3）制造、维护大大简化。得益于底盘的整体化设计，零部件少、集成度高，制造、装卸的工艺复杂程度降低，同时也便于维护。（4）出色的操控性。所有核心系统都布置在底盘上，因此车辆重心非常低，提高了汽车的操控性。（5）碰撞安全性高。整副底盘在
26、制造过程中保证1:1的前后配重，符合严格的碰撞安全标准;若发生碰撞，坚固的底盘能吸收绝大部分冲击力，使乘客舱免于因碰撞而内陷。上述两个新能源汽车底盘的设计方向各有特点：改制设计以其高效、经济的特点,可以应用于近期走向量产化的新能源汽车以及低投入、短周期的试制项目；创新设计前期投入大、开发周期长，是未来汽车的发展趋势，将在提高整车性能降低制造成本等方面做出更大的贡献。3.3 电动汽车底盘设计的优化由于电动汽车正处在试验研制阶段，为了满足安全行驶的需要，基于电动汽车操纵稳定性的考虑，要对电动汽车底盘的布置方案进行优化。针对电动汽车样车在行车试验时存在前轮侧滑量偏大引起轮胎磨损较大的问题，基于灵敏度
27、的考虑对悬架的布置方案进行了优化。在ADAMS /Car模块中建立优化后的整车虚拟样机模型，通过改变电池摆放位置和承载大小来观察整车操纵稳定性的变化，从而得到最优的汽车底盘布置方案。影响汽车操纵稳定性的因素有很多，前后轴质量和承载变化是其中重要因素。电动汽车电池质量相对于整车总质量占有较大比例，因此对底盘中心的位置和转动惯量有较大影响。 汽车在使用过程中，由于搭载乘客及货物，汽车的质心位置和空载时相比，必然会产生纵向偏移，进而影响汽车的操纵稳定性。电池的摆放高度和搭载不同的载荷也对汽车的稳定性有影响。通过对整车建立虚拟样机动力学仿真模型，针对对电动汽车的特殊性进行了底盘布置的优化，由仿真实验结
28、果可知，原车型电池的前后位置比较适宜，车身的质心应适当降低，另外载荷的增加也会对操纵稳定性带来负而影响。4 小结由于汽车底盘经过近20年的迅速发展，根据各种使用特点和要求已广泛应用在包括电动汽车在内的各类汽车上。高效、节能、低噪声、零排放的电动汽车将会是2 1世纪新型的交通工具。由于我国电动汽车还处在起步阶段应尽快提高电动汽车底盘的专用化程度，使其具有舒适、环保、安全特性，促进国内电动客车水平的发展。所以我国应该尽快制定相关标准，应该打破汽车行业的“准生证”限制，鼓励发展低速、短程、微型电动汽车，让更多的而企业参和进来20。而随着国内电动汽车的制造水平的不断提高，必然将以更专业更合理更人性化的
29、电动车底盘来带动电动车产业的发展。参考文献1李进巅.关于优先发展低速电动汽车的建议J.汽车零部件，2011（4）：20.2袁向华，王洪起，王晓乔. 电动交通工具的污染减排及对策J. 北方环境,2011(23):3652.3王静. 电动汽车: 2 1世纪的新型交通工具J. 科技日报版，2001（1）：45.4刘海峰. 不同种类电动汽车发展状况.J. 研究探讨，2008（1）:2224.5岳琳. 电池电动汽车的愁结所在J. 中国汽车报,2001(4):12.6张先国. 电动汽车将成为结构调整突破口J. 科技日报,2002(8):8.7刘晓军. 电动汽车我们的后发优势在哪J. 电动汽车，2002（1
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