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1、 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 燃料電池汽車關(guān)鍵技術(shù)的研究 系 別 汽車工程系 專業(yè)班級 車輛工程 學(xué)生姓名 謝偉敏 指導(dǎo)教師 戴海燕 提交日期 2012 年 5 月 18 日 華南理工大學(xué)廣州汽車學(xué)院 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別

2、加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)華南理工大學(xué)廣州汽車學(xué)院可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。

3、 保密□，在 年解密后適用本授權(quán)書。 本學(xué)位論文屬于 不保密□。 （請在以上方框內(nèi)打“√”） 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 年 月 日 華 南 理 工 大 學(xué) 廣 州 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 （論文） 任 務(wù) 書 茲發(fā)給 08車輛 班學(xué)生 謝偉敏

4、 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書，內(nèi)容如下： 1.畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 燃料電池汽車關(guān)鍵技術(shù)的研究 2.應(yīng)完成的項目： （1）調(diào)研與資料的收集

5、 （2）通過看組圖及參數(shù)，了解了燃料電池的工作原理。 （3）通過查閱相關(guān)文獻了解燃料電池汽車的電動技術(shù)、 自動化技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)及化學(xué)技術(shù)。 （4）利利用網(wǎng)絡(luò)資源，下載FLASH模擬動畫，生動的演示出燃料電池汽車中燃料電池的 工作情況。

6、 3.參考資料以及說明： （1）王震坡 孫逢春.《電動車輛動力電池系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù)》 機

7、械工業(yè)出版社 . 2012 3 （2）日本電氣學(xué)會 .《電動汽車最新技術(shù)》 .機械工業(yè)出版社 . 2008.9 （3）燃料電池汽車相關(guān)文獻 （4）

8、 （5） （6） （7）

9、 4.本畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書于2012年1月7日發(fā)出，應(yīng)于2012年5月24日前完成，然后提交畢業(yè)考試委員會進行答辯。 專業(yè)教研組（系）負責人 審核 2012年1月9日 指導(dǎo)教師（導(dǎo)師組） 簽發(fā) 2012 年1月10日 畢業(yè)設(shè)計（論文）評語： 三號宋體

10、 畢業(yè)設(shè)計（論文）總評成績： 四號宋體 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯小組負責人簽字： 四號宋體 年 月 日 四號宋體 I 摘 要 近年來，燃料電池汽車的迅猛發(fā)展和商業(yè)化的推進席卷了整個世界，其高效

11、節(jié)能，以及零排放或接近零排放的良好環(huán)境性能，使之成為當今世界能源和交通領(lǐng)域開發(fā)的熱點。隨著國際各大汽車生產(chǎn)商和石油巨頭的積極參與，從資金到技術(shù)的大力投入，燃料電池汽車已經(jīng)走出實驗室，開始商業(yè)化旅程。很多專家更是樂觀地認為，燃料電池汽車將引發(fā)汽車工業(yè)的革命，最終取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機車成為主流。 近幾年我國燃料電池的研究開發(fā)取得了長足的進展，特別在質(zhì)子交換膜燃料電池方面，達到或接近了世界水平；在熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池技術(shù)等方面也取得一些進展。但在總體上，我國燃料電池仍處于科研階段，與國外相比，水平較低。發(fā)達國家都已將大型燃料電池的開發(fā)作為重點研究項目，并取得了許多重要成果，各

12、等級的燃料電池發(fā)電廠相繼建成，即將取代傳統(tǒng)發(fā)電機及內(nèi)燃機而廣泛應(yīng)用于發(fā)電及汽車動力。我國應(yīng)集中研究力量，加大投入，大力推動燃料電池發(fā)電技術(shù)的研究開發(fā)和應(yīng)用工作。 　　燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒而以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料的化學(xué)能直接變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置，可以用天然氣、石油液化氣、煤氣等作為燃料。也是煤炭潔凈轉(zhuǎn)化技術(shù)之一。按電解質(zhì)種類可分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、再生氫氧燃料電池(RFC)、 直接醇類燃料電池（DMFC），還有如新型儲能電池、固體聚合物型電池等。 　　氫和氧氣

13、是燃料電池常用的燃料氣和氧化劑。此外，CO等一些氣體也可作為MCFC與SOFC的燃料。從長遠發(fā)展看，高溫型MCFC和SOFC系統(tǒng)是利用煤炭資源進行高效、清潔發(fā)電的有效途徑。我國豐富的煤炭資源是燃料電池所需燃料的巨大來源。 　　 燃料電池具有高效率、無污染、建設(shè)周期短、易維護以及成本低的誘人特點，它不僅是汽車最有前途的替代清潔能源，還能廣泛用于航天飛機、潛艇、水下機器人、通訊系統(tǒng)、中小規(guī)模電站、家用電源，又非常適合提供移動、分散電源和接近終端用戶的電力供給，還能解決電網(wǎng)調(diào)峰問題。隨著燃料電池的商業(yè)化推廣，市場前景十分廣闊。人們預(yù)測，燃料電池將成為繼火電、水電、核電后的第四代發(fā)電方式[1]，它將

14、引發(fā)21世紀新能源與環(huán)保的綠色革命。 　　關(guān)鍵詞：太陽能、氫能源、燃料電池，汽車結(jié)構(gòu)，燃料電池汽車，質(zhì)子交換膜 Abstract In recent years, the rapid development and commercialization of fuel cell vehicle propulsion swept the whole world, and its energy efficient and zero emission or near-zero emissions, good environmental performance, making the deve

15、lopment of hot spots of todays world energy and transport sectors. With the active participation of major international car manufacturers and oil giant, from the capital to technology, has invested heavily, fuel cell vehicles have been out of the lab, began commercial journey. Many experts are optim

16、istic that fuel cell vehicles will lead to a revolution in the automotive industry, and eventually replace the traditional diesel locomotive into the mainstream. In recent years, Chinas fuel cell research and development has made considerable progress, particularly in proton exchange membrane

17、fuel cell, at or near the world level; also made some progress in the molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cell technology . However, in general, the fuel cell is still in research stage, compared with foreign countries, a lower level. Developed countries have large-scale fuel cell developm

18、ent as a key research projects and has achieved many important results, the various grades of fuel cell power plants have been built, will replace the traditional generator and internal combustion engines are widely used in power generation and automotive power. China should focus on strength, incre

19、ase investment, promote research and development and application of fuel cell power generation technology. The fuel cell is an after combustion by electrochemical reaction chemical energy of fuel directly into electrical energy generating device, you can use natural gas, liquefied petroleum gas as

20、fuel. Clean coal conversion technologies. Electrolyte species can be divided into the alkaline fuel cell (AFC), phosphoric acid fuel cell (PAFC), molten carbonate fuel cell (MCFC) and solid oxide fuel cell (SOFC), proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), renewable hydrogen fuel cell (RFC), direct

21、 methanol fuel cells (DMFC), such as new energy storage battery, the solid polymer batteries, etc.. Hydrogen and oxygen gas is the fuel cell fuel gas and oxidizer. In addition, CO, etc., some of the gases can be used as the MCFC and SOFC fuel. From long-term development of high temperature MCFC and

22、 SOFC systems is the effective utilization of coal resources for efficient, clean power. Chinas abundant coal resources is a huge source of fuel for fuel cell. Fuel cell with high efficiency, no pollution, short construction period, the attractive features of easy maintenance and low cost, it is not

23、 only the car the most promising alternative clean energy, but also widely used in space shuttles, submarines, underwater robots, communication systems, small and medium-sized power plants, household power, ideally suited to provide mobile, decentralized power and close to the end user of electricit

24、y supply, but also to solve the power peaking problems. As to promote the commercialization of fuel cell, the market prospect is very broad. Predicted, the fuel cell will become the fourth generation of thermal power, hydropower, nuclear power generation method [1], it will lead to new energy and en

25、vironmental protection in the 21st century green revolution. Keyword： Solar energy, hydrogen energy, fuel cells, automotive structures, fuel cell vehicles, proton exchange membrane 目 錄 摘要 I Abstract II 第一章 緒論 1 1.1研究的背景與意義 1 1.2國內(nèi)外研究狀況 2 1.3燃料電池電動車的開發(fā)背景

26、3 1.4國內(nèi)外燃料電池車的發(fā)展狀況 5 第二章 汽車傳動系統(tǒng)的燃料電池設(shè)計方案 6 2.1動力傳動系統(tǒng)拓撲構(gòu)架設(shè)計 6 2.2普通汽車的差速原理 9 2.3汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析 9 2.4汽車四輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)轉(zhuǎn)向過程分析 10 2.5四輪轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向特性 12 2.5.1 4WS系統(tǒng)的低速轉(zhuǎn)向特性 12 2.5.2 4WS系統(tǒng)的高速轉(zhuǎn)向特性 14 2.6本章小結(jié) 15 第三章 基于輪胎非線性的汽車四輪轉(zhuǎn)向模型研究 16 3.1非線性因素的引入 16 3.1.1運動中所受到的力 16 3.1.2輪胎的受力及其模型分析 17 3.2汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型分析 2

27、0 3.2.1 4WS三自由度模型 20 3.2.2 4WS二自由度模型 21 3.3 本章小結(jié) 23 第四章 四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)非線性動力學(xué)分析 25 4.1司機模型的分析 25 4.2四輪轉(zhuǎn)向的非線性模型 27 4.3四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的非線性動力學(xué)分析 31 4.4本章小結(jié) 34 第五章 總結(jié)與展望 35 參考文獻 36 附錄 37 致謝 38 III 第二章（汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理及提醒） 第一章 緒論 1.1 研究的背景與意義 隨著世界能源和環(huán)境危機的加劇，新能源環(huán)保型汽車的開發(fā)已迫在眉睫，研發(fā)高效清潔的新能源環(huán)保型汽車日益受到國內(nèi)外汽車

28、廠商的關(guān)注。伴隨著燃料電池技術(shù)的成熟，一種很有市場前景的清潔動力汽車———燃料電池汽車，作為!"世紀最有前途的新能源環(huán)保型汽車，正逐漸成為世界汽車廠商競相研究開發(fā)的熱點。燃料電池汽車以其高效、無噪音、零污染等高科技優(yōu)勢，體現(xiàn)了未來汽車能源和環(huán)保趨勢，以及先進科技的汽車工業(yè)、可持續(xù)交通和可持續(xù)經(jīng)濟社會發(fā)展，領(lǐng)銜著汽車工業(yè)革命的新潮流。目前世界各大汽車企業(yè)也紛紛投入巨資對燃料電池汽車進行研究開發(fā)，競相推出自己的燃料電池汽車，一場全球的汽車全新革命正由燃料電池汽車拉開帷幕。 1.2 國內(nèi)外研究狀況 目前解決能源與環(huán)境問題的新能源環(huán)保汽車主要有3類：純電動汽車混合動力汽車和燃料電池

29、汽車。從環(huán)保角度來看，第"代環(huán)保汽車是純電動汽車，其動力來自蓄電池組。電動車有很長的發(fā)展歷史，其最大的優(yōu)點是行駛過程中無污染。缺點是蓄電池電量有限，跑的距離短，電池本身很重，充電時間很長，且成本高、折舊快，還容易對環(huán)境造成二次污染。第!代環(huán)保汽車是混合動力汽車， 它采用內(nèi)燃機和電動機兩種動力，克服了電池電動車續(xù)駛里程短的致命弱點?；旌蟿恿ζ囋诟咚傩旭倳r利用汽油燃燒發(fā)電，以電力推動汽車行駛，多余電力儲入蓄電瓶，此時汽油充分燃燒，有利于保護環(huán)境。但混合動力汽車低速行駛和啟動時，會因汽油燃燒不充分而產(chǎn)生很多廢氣，把兩種技術(shù)納入一輛車里，技術(shù)和工藝復(fù)雜，材料多，重量大，而且仍然離不開汽油。燃料電池汽

30、車屬于第3代環(huán)保汽車。燃料電池汽車實際上是一種氫能汽車。與傳統(tǒng)汽車相比， 燃料電池汽車以豐富的可再生資源———氫為能源，通過氫和氧的反應(yīng)產(chǎn)生電能供給動力系統(tǒng)。氫和氧化學(xué)反應(yīng)生成水蒸氣，不排放碳化氫、一氧化碳、氮化物和二氧化碳等污染物質(zhì)，因此，尾氣只有水蒸氣。它不會給環(huán)境帶來任何污染，堪稱“零污染”的理想環(huán)保車。燃料電池將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)為電能，在能量產(chǎn)生效率上比汽油、柴油等傳統(tǒng)燃料高出一籌，在能量耗盡后，燃料電池不像傳統(tǒng)的電池那樣需要長時間充電，而只需補充燃料即可繼續(xù)工作，這一點對汽車駕駛者來說尤為方便。燃料電池汽車使用的燃料是氫，而獲取氫的途徑又是多種多樣的。用于燃料電池的氫可從富含氫的石化燃料

31、制取，例如天然氣、甲醇、汽油等，也可從水里提取氫和生物制氫。燃料電池汽車的開發(fā)，對利用清潔能源、改善地球環(huán)境，解決能源危機，促進汽車產(chǎn)發(fā)展完善中的燃料電池汽車 1.3 汽車四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究現(xiàn)狀 國外現(xiàn)階段的4WS系統(tǒng)設(shè)計，力圖達到以下目的[1]： ? 縮短橫向加速度及偏轉(zhuǎn)運動的響應(yīng)時間； ? 減小車體的側(cè)偏角； ? 增加穩(wěn)定性； ? 提供良好的操縱性； ? 當汽車參數(shù)變化時，保持良好的轉(zhuǎn)向響應(yīng)； ? 增加對外界環(huán)境變化的抗干擾能力； 從大體上說，國外對4WS的研究，一般均把汽車模型看作線性二自由度“自行車”模型，只研究向心加速度和繞汽車縱軸的旋轉(zhuǎn)，控制形式主要有以下兩種

32、： （1）“車速感應(yīng)型”：當車速小于某一數(shù)值時（一般為45-55 km/h）時，前后輪轉(zhuǎn)向相反；而當車速高于該數(shù)值時，前后輪轉(zhuǎn)向相同。 （2）“轉(zhuǎn)角感應(yīng)型”：當轉(zhuǎn)角小于某一角度（如：“本田”4WS為24度）時，前后輪轉(zhuǎn)向相同；當大于該角度時，轉(zhuǎn)向相反。 早期的樣車有：本田汽車公司的4WS是控制前后輪的轉(zhuǎn)向角，馬自達汽車公司的4WS是由車速直接控制前后輪的轉(zhuǎn)向角之比，三菱汽車公司的4WS是采用純液壓控制，日產(chǎn)汽車公司的4WS是動態(tài)的對質(zhì)心側(cè)偏角進行補償，大眾汽車公司的4WS是調(diào)節(jié)橫擺角速度。 由于對四輪轉(zhuǎn)向的許多問題還研究得不夠深入，因此，為了安全起見，這些車型基本采用機械裝置或簡單的電

33、器裝置，而且以上這些研究都只是針對轉(zhuǎn)向角一旦確定就不再改變的情形。同時對于所研究的汽車模型，均假設(shè)為線性二自由度簡化模型進行，并未考慮動態(tài)駕駛中汽車的動力學(xué)特性。 汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的非線性動力學(xué)研究現(xiàn)狀： 四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究已經(jīng)取得了不少進展，但是至今這項技術(shù)還未在商用汽車上得到廣泛的應(yīng)用。這是因為，現(xiàn)在還沒有一個成熟的理論對汽車四輪轉(zhuǎn)向運動行為進行深刻的闡述，導(dǎo)致在運用現(xiàn)代控制理論進行研究時，控制規(guī)則的確定和控制方法的選擇，更多的是依靠經(jīng)驗，而不是根據(jù)令人信服的理論依據(jù)，尤其是考慮到汽車模型中的非線性因素時，汽車模型更加趨于復(fù)雜，僅靠經(jīng)驗，幾乎無法得到準確結(jié)果。 要使四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在

34、已有基礎(chǔ)上有更進一步的發(fā)展，應(yīng)該綜合考慮下面的幾個熱點問題： ? 輪胎的非線性，車輛的多自由度特性及其數(shù)學(xué)模型； ? 動態(tài)運行中，汽車的動力學(xué)特性，特別是汽車在隨機干擾下的穩(wěn)定性問題，這些隨機干擾來源于輪胎壓力變化、輪胎老化程度，車輛載荷，路面，環(huán)境的變化（如側(cè)風）； 4WS作為新技術(shù)，目前在各國的應(yīng)用都不是很廣泛，日本雖然在4WS的研究上做了很多的工作，也取得了很大的成果，并成功地將其運用在汽車上，但是就日本每年生產(chǎn)的千萬輛汽車而言，安裝4WS的只是很小一部分，仍然不能大規(guī)模地使用，可見作為領(lǐng)域新技術(shù)，4WS在很多方面尚不是很成熟，還不能大批量地應(yīng)用，因此成本較高，這也是4WS不能大規(guī)

35、模運用的主要原因。盡管如此，4WS技術(shù)在改善汽車操縱穩(wěn)定性和增強汽車的安全性能上有著很明顯的效果和不可忽視的作用。正因為以上提到的這些技術(shù)困難，使得4WS的運用領(lǐng)域受到了很大的限制，本文也正是針對這個特點，試圖進行進一步的4WS研究，也可以為以后的更深層次研究打下基礎(chǔ)。 1.4 國內(nèi)外燃料電池車的發(fā)展狀況 美國　　20世紀60年代和70年代，美國首先將燃料電池用于航天，作為航天飛機的主要電源。此后，美國等西方各國將燃料電池的研究轉(zhuǎn)向民用發(fā)電和作為汽車、潛艇等的動力源。世界各著名汽車公司相繼投入較多的人力和物力，開展燃料電池電動汽車的開發(fā)研究。在北美，各大汽車公司加入了美國政府支持的國際

36、燃料電池聯(lián)盟，各公司分別承擔相應(yīng)的任務(wù)，生產(chǎn)以新的燃料電池作動力的汽車。美國通用汽車公司在美國能源部的資助下，推出了以質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC，也稱為離子交換膜燃料電池或固體高聚合物電解質(zhì)燃料電池）和蓄電池并用提供動力的轎車。美國福特汽車公司現(xiàn)已研制出從汽油中提取氫的新型燃料電池，其燃料效率比內(nèi)燃機提高1倍，而產(chǎn)生的污染則只有內(nèi)燃機的5%。 　　 加拿大 巴拉德(Ballard)汽車公司是PEMFC燃料電池技術(shù)領(lǐng)域中的世界先驅(qū)公司，自1983年以來，Ballard公司一直從事開發(fā)和制造燃料電池。1992年巴拉德公司在政府的支持下，為運輸車研制了88kM的PEMFC動力系統(tǒng)，以PEMF

37、C為動力做試驗車進行演示。1993年巴拉德公司推出了世界上第一輛運用燃料電池的電動公共汽車樣車，裝備105kW級PEMFC燃料電池組，能載客20人，對于一般城市公共汽車，采用碳吸附系統(tǒng)儲備氣態(tài)H2即可連續(xù)運行480km。目前，Ballard燃料電池的體積功率已達到1kW/L的目標。 　　 日本 　　 在日本燃料電池系統(tǒng)發(fā)展中豐田公司處于領(lǐng)先地位。豐田的目標是開發(fā)能量轉(zhuǎn)換效率達到傳統(tǒng)汽油機2.5倍的燃料電池，且能和現(xiàn)用的汽（柴）油汽車一樣方便地添加燃料。日本還在1981年開發(fā)了熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC），隨后又研制了磷酸燃料電池（PAFC），1992年又開發(fā)了比功率高、工作溫度低、結(jié)構(gòu)緊

38、湊和安全可靠的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）。 　　 德國 德國奔馳公司和西門子公司合作于1996年推出了裝有PEMFC的NECARll小客車。2009年，德國主要的汽車和能源公司就與政府聯(lián)合啟動了“H2MobilityInitiative”計劃。按照計劃，德國將在2015年建成1000個加氫站，開始實現(xiàn)燃料電池動力汽車的大規(guī)模商業(yè)化，到2020年將有100萬輛電動車和50萬輛燃料電池汽車投入使用。 　　2011年1月，奔馳公司研發(fā)的3輛燃料電池原型車，橫跨4大洲、14個國家，完成繞地球行駛1周的創(chuàng)舉。此外，奔馳在德國還有36輛氫燃料電池大巴，已收集到200萬千米的運行數(shù)據(jù)，目前的氫

39、料燃大巴比早期的燃料消耗降低了50%，性能和行駛里程均顯著提高。 　　 法國 　　 開發(fā)出使用“運程”燃料電池的電動汽車“Fever”，它以低溫儲存的氫和空氣作燃料，發(fā)電功率達20kW，電壓為90V，且采用先進的電子控制系統(tǒng)對電力系統(tǒng)進行控制，并把制動時產(chǎn)生的能量儲存在蓄電池里，以備汽車起動或加速時使用。 　　 英國 　　 1992年成立了國家燃料電池開發(fā)中心。英國燃料電池技術(shù)的開發(fā)重點在燃料供應(yīng)、重整爐、氣體凈化和空氣壓縮等方面。質(zhì)子交換膜燃料電池的研究重點是改善催化材料的性能并探索鉑(Pt)催化劑的涂覆方法，降低鉑(Pt)含量，提高鉑(Pt)利用率和耐受CO的允許值。 　

40、　 韓國 韓國現(xiàn)代已經(jīng)推出第三代燃料電池電動車ix35。ix35完全由氫燃料電池驅(qū)動，這款零排放SUV是在2010年由200多名設(shè)計師在韓國現(xiàn)代的燃料電池研發(fā)中心設(shè)計完成。 　　 中國 在中國，燃料電池汽車是“十五”期間全國12個重大研究專項之一。其中，質(zhì)子膜關(guān)鍵技術(shù)被列為山東省第一號科技攻關(guān)項目，取得了重大突破。遼寧新源動力股份有限公司承接國家“863”重大科研項目，研制了200KW、110KW、60KW、30KW、10KW、5KW燃料電池系統(tǒng)、燃料電池電站、便攜式電源等產(chǎn)品。在“十一五”期間，中國將繼續(xù)加大對燃料電池汽車的研發(fā)投入，推動核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。2008年奧運會，23

41、輛燃料電池汽車示范運行7.6萬公里。到了2010年世博會，這個數(shù)字上升到196輛和91萬公里。2012年3月兩會期間，科技部電動汽車重大項目管理辦公室副主任甄子健認為，燃料電池汽車在5到10年后，將可以像近兩年的電動汽車一樣，通過示范運行進入商業(yè)化銷售階段。 第二章 汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理及特性 隨著現(xiàn)代汽車電子技術(shù)的發(fā)展，新能源汽車、電動汽車的出現(xiàn)無疑給整個行業(yè)注入了一股新鮮而且充滿挑戰(zhàn)性的血液。憑借可以減少很多廢棄物、有害氣體的排放，對整個社會的生活環(huán)境都有很大的改善效果，得到社會及國家的高度的重視，具有很好的發(fā)展前景。下面我們就來從電動車的結(jié)構(gòu)引入到電動汽車傳動系統(tǒng)，并分析它的工作

42、原理、傳動方式、優(yōu)勢等，并簡單的列舉一些成功的應(yīng)用案例。 電動汽車和普通的汽車不同，它是用車載電源提供行駛的動力，用電機來驅(qū)動車輪的運動，而不是用點火裝置來提供向前運動的力。我們知道，電動汽車主要是由電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)、驅(qū)動力傳動系統(tǒng)、工作裝置等各個部分組成。它的工作原理是蓄電池中提供恒定的電流輸出，這些恒定的電路通過電力調(diào)節(jié)器進行一次轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動電動機的合適的電流和電壓，從而可以驅(qū)動整個動力傳動系統(tǒng)的正常運行，經(jīng)過他們之間相互的作用最終給汽車提供可以運行的動力汽車可以正常的行駛。 由此可見，電動汽車傳動系統(tǒng)的有效性和安全性直接影響著整個系統(tǒng)的運行。 電動汽車傳動系統(tǒng)原理是直接將電動機

43、的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩傳給汽車的驅(qū)動軸。汽車傳動軸在采用電動輪驅(qū)動時，由于它是靠車載電源提供動力源驅(qū)動電動機因而可以實現(xiàn)帶負載啟動，無需離合器;也正是因為是車載電源可以提供恒定的電流，中間會有電路控制的環(huán)境來實現(xiàn)驅(qū)動電機的方向和轉(zhuǎn)速的控制，所以不需要倒檔和差速器。若采用無級調(diào)速，就可以實現(xiàn)自動控制，無需變速器。 電動汽車傳動系統(tǒng)的傳動方式主要有三種： (1)電機+傳動軸+后橋 (2)電機+變速箱+后橋 (3)電機+磁力變矩器+后橋 以目前的變速箱技術(shù)成熟度而言，除了傳統(tǒng)車的變速箱外還沒有一款真正成熟的適用于電動汽車的產(chǎn)品，最可靠和適用的傳動方式還是電機+傳動軸+后橋的直驅(qū)方案。當然在具體的設(shè)計時

44、，我們需要更具實際情況來設(shè)計，包括電機的位置、電源的位置、驅(qū)動負載的能力、行駛速度要求、穩(wěn)定性等這些都需要綜合的來考慮。了解車輛效率損失分配即從發(fā)動機輸出的功率消耗在不同汽車部件上的量及比例。這對改善車輛總體的傳動效能非常有用，以達到適當配置資源，改善性能的目的。各種損失，使用安裝在車輛適當位置的傳感器進行測定。 電動汽車傳動系統(tǒng)拓撲構(gòu)架設(shè)計 汽車動力傳動系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機和電動機作為動力能源，通過混合使用熱能和電能兩套系統(tǒng)開動汽車。在低速小功率運行時可以關(guān)閉發(fā)動機，采用電動機驅(qū)動;而高速行駛時用內(nèi)燃機驅(qū)動;通過發(fā)動機和電動機的協(xié)同工作模式，將車輛在制動時產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能，并積蓄起來

45、成為新的驅(qū)動力量.從而在不同工況下都能達到高效率。一般上有串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式和復(fù)合式4種布置形式。 (1)串聯(lián)式—下圖中采用的電力電子裝置只有電機控制器,電池和輔助動力裝置都直接并接在電機控制器的入口，屬于串聯(lián)式，車輛的驅(qū)動力只來源于電動機。 (2)并聯(lián)式—下圖中是典型的并聯(lián)式動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通常在電池和電機控制器之間安裝了一個DC/DC變換器,電池的端電壓通過DC/DC變換器的升壓或降壓來與系統(tǒng)直流母線的電壓等級進行匹配。車輛的驅(qū)動力由電動機及發(fā)動機同時或單獨供給。 (3)混聯(lián)式----采用四輪驅(qū)動、前后輪分別與不同的驅(qū)動系相連，后輪驅(qū)動有發(fā)動機、后置電機、發(fā)電機、變速器

46、等組成，前輪驅(qū)動由前置電機、發(fā)電機組成。由于它使用不同的驅(qū)動方式，所以整個電動汽車傳動系統(tǒng)既分離又相關(guān)聯(lián)，可以更好的控制。下圖就是一個簡單的混聯(lián)式的拓撲構(gòu)架。同時具有串聯(lián)式、并聯(lián)式驅(qū)動方式。 (4)復(fù)合式---改結(jié)構(gòu)主要集中于雙軸混合動力系統(tǒng)中，前軸和后軸獨立驅(qū)動，前輪和后輪之間沒有任何驅(qū)動抽或轉(zhuǎn)電力主動型的設(shè)計，這種獨立的驅(qū)動，讓傳動系統(tǒng)各個部件在運行過程中相互獨立控制，因此可以有更好的傳輸能力。 要讓整個系統(tǒng)可以更好的運行，除了結(jié)構(gòu)設(shè)計方面需要注意之外，還有一個就是電動汽車傳動系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計也需要合理的匹配，這些參數(shù)對傳動結(jié)構(gòu)的性能影響也是很大的。這一方面的知識，小編在這邊文章就不

47、具體介紹了。 總結(jié) 能源問題和環(huán)境污染問題是現(xiàn)在社會日益突出的問題，深受國家的重視。因此尋找新能源汽車可以減少廢氣排放，讓能源可以更好的利用在汽車電子設(shè)計行業(yè)是當務(wù)之急。電動汽車正是因為具有上面的這些特征，得到充分的肯定和發(fā)展。 由此可見，電動汽車傳動系統(tǒng)作為整個汽車系統(tǒng)中非常重要的一個環(huán)節(jié)，也需要大家的重視和研究，開發(fā)出性能更好的電動汽車傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提供動力的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)化能力，提高電源的利用率，是非常必要和很艱巨的任務(wù)。本文對它的工作原理、傳動方式、優(yōu)勢做了分析，并且列舉了四種常用拓撲構(gòu)架設(shè)計 2.2普通汽車的差速原理 圖2-7 普通汽車差速器原理

48、 上圖2-7[3]中，1、2為半軸齒輪；3為減速器殼；4為行星齒輪；5為行星齒輪軸；6為主減速器從動齒輪。差速器殼3與行星齒輪軸5連成一體，形成行星架，和主減速器從動齒輪6固連，假設(shè)其角速度為ω0，半軸齒輪1和2為從動件，其角速度為ω1和ω2。A，B兩點分別為行星齒輪4與兩半軸齒輪的嚙合點。行星齒輪的中心點為C，A、B、C三點到差速器旋轉(zhuǎn)軸線的距離均為r。 上述差速器中，當差速器不起差速作用時，ω0 = ω1 = ω2，當差速器開始工作時，ω1 + ω2 = 2ω0。假定主減速器傳來的轉(zhuǎn)矩為M0，差速器不起差速作用時，M1=M2=1/2 M0，差速器開始工作時，M1=1/2(M0

49、-MT)，M2=1/2(M0+MT)，左右車輪上的轉(zhuǎn)矩之差等于差速器的內(nèi)摩擦力矩MT，由于差速器內(nèi)摩擦力矩很小，故即使是在差速器開始工作時，M2/M1大致也僅為1.1~1.4，實際上可以認為，無論左、右兩輪的轉(zhuǎn)速是否相等，轉(zhuǎn)矩總是在兩個半軸之間平均分配的。這樣的分配比例對于汽車在好路面上直線或轉(zhuǎn)彎行駛時，都是滿意的。但是當汽車在壞路面上行駛時，卻嚴重影響了通過能力。當汽車的一個驅(qū)動輪接觸到泥濘或冰雪路面時，即使另一車輪是在好路面上，汽車也往往不能前進。這是因為，在泥濘路面上的車輪與路面之間的附著力很小，路面只能對半軸作用很小的反作用轉(zhuǎn)矩，雖然另一個車輪與好路面的附著力較大，但因差速器平均分配轉(zhuǎn)

50、矩的特點，使這一個車輪分配到的轉(zhuǎn)矩只能與傳到滑轉(zhuǎn)的驅(qū)動輪上的很小的轉(zhuǎn)矩相等，以致總的牽引力不足以克服行駛力。 2.3汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析 電控電動式4WS系統(tǒng)[4]主要由車速傳感器、電控單元ECU、步進電動機、后輪助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)等組成。 系統(tǒng)設(shè)有兩種轉(zhuǎn)向模式，既可進入4WS狀態(tài)，也可保持傳統(tǒng)的2WS狀態(tài)，當電子控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，后輪自動回到中間位置，汽車自動進入前輪轉(zhuǎn)向狀態(tài)，保證汽車像普通前輪轉(zhuǎn)向汽車一樣安全地行駛。 由于本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及控制的復(fù)雜性，使得在特定的條件下系統(tǒng)出現(xiàn)故障的幾率增加，當某一轉(zhuǎn)向電機失靈時應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向模式的不同，調(diào)用相應(yīng)的故障排除程序。下面以前輪為例，介紹電機失靈的

51、故障排除方法。 汽車在正常行駛過程中，兩個前輪為同向轉(zhuǎn)動，當左右電磁離合器分離時，處于單電機--單車輪的轉(zhuǎn)向驅(qū)動方式。當左側(cè)電機失靈時，控制系統(tǒng)檢測左車輪轉(zhuǎn)角傳感器，獲得當前左側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角，右側(cè)電機轉(zhuǎn)動右側(cè)車輪至相同轉(zhuǎn)角，左右電磁離合器吸合，由右側(cè)電機單獨驅(qū)動兩個車輪進行轉(zhuǎn)向，將該故障在汽車運動過程中排除，不影響汽車的正常行駛。當汽車處于特殊轉(zhuǎn)向方式時，雙電機單獨驅(qū)動左右兩前輪相對異向轉(zhuǎn)動，該種轉(zhuǎn)向模式一般在車速為零時進行，當左側(cè)電機失靈時，控制系統(tǒng)檢測左側(cè)車輪轉(zhuǎn)角傳感器，獲得當前左側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角，右側(cè)電機轉(zhuǎn)動右側(cè)車輪至相同轉(zhuǎn)角，左右電磁離合器吸合，右側(cè)電機同時驅(qū)動兩個車輪進行復(fù)位，不僅左右車

52、輪可以切換轉(zhuǎn)向電機，前后不同軸車輪也可通過中央離合器的吸合進行切換，即使有3個電機失靈，也可由一個轉(zhuǎn)向電機通過5個離合器的開關(guān)組合依次地、分別調(diào)整其它3個車輪中的任一個車輪角度進行復(fù)位。該種故障對策需由一個電機同時帶動兩個車輪轉(zhuǎn)向，因此在進行電機的選擇時必須保證一個電機可同時驅(qū)動兩個車輪。 目前，成型的4WS主要運用在汽車中，且大多采用電控液壓式4WS，雖然電控電動式4WS發(fā)展較晚，相應(yīng)的技術(shù)還不夠成熱，且存在著動力小、ECU復(fù)雜，成本高等不足之處，但隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、電機技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用，電控電動式4WS技術(shù)的不斷完善，使其在轉(zhuǎn)向控制性能、系統(tǒng)布置、節(jié)能等方面越來越顯示其優(yōu)越性，電控電

53、動式4WS系統(tǒng)的應(yīng)用前景廣闊，必將取代電控液壓式4WS，成為4WS發(fā)展的主流，本文也將在此方面做一些有益的嘗試。 2.4汽車四輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)轉(zhuǎn)向過程分析 4WS轉(zhuǎn)向過程的研究屬于操縱穩(wěn)定性方面的內(nèi)容，操縱穩(wěn)定性的內(nèi)容主要包括：方向盤角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、方向盤角階躍輸入下進入的瞬態(tài)響應(yīng)、橫擺角速度頻率響應(yīng)特性、轉(zhuǎn)向輕便性等方面。 實際中的任何汽車在轉(zhuǎn)向的過程當中會受到輪胎側(cè)偏角、側(cè)傾剛度和轉(zhuǎn)向系剛度的影響，出現(xiàn)過多、中性、不足三種轉(zhuǎn)向類型的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。同時，由于轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)并不能精確的滿足理想內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角關(guān)系式，汽車在轉(zhuǎn)向時，前兩輪的軸線相交于前、后軸之間或后軸之后的某個點上。在研究

54、轉(zhuǎn)向過程的當中，如果考慮到了這些影響，將會使所研究的問題變得紛繁蕪雜，而導(dǎo)致問題的研究無法進行下去。所以在研究的過程當中，假定輪胎側(cè)偏角、側(cè)傾剛度和轉(zhuǎn)向系剛度都滿足理想的狀態(tài)，即輪胎在轉(zhuǎn)向時不發(fā)生側(cè)偏現(xiàn)象，側(cè)傾時垂直載荷對左、右側(cè)車輪的影響不計，轉(zhuǎn)向系各零部件之間均為剛性連接，轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)在轉(zhuǎn)向時滿足理想內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角關(guān)系式。 汽車在等速直線行駛時，急速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向輪，然后維持其轉(zhuǎn)角不變，即給汽車以轉(zhuǎn)向輪角階躍輸入，一般汽車在經(jīng)過短暫時間后便進入等速圓周行駛，這稱之為轉(zhuǎn)向輪角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。在等速直線行駛與等速圓周行駛這兩個穩(wěn)態(tài)運動之間的過渡過程是一種瞬態(tài)，相應(yīng)的響應(yīng)稱之為角階躍輸入

55、下進入的瞬態(tài)響應(yīng)。 為了簡化研究條件，假定在汽車等速直線行駛時，給轉(zhuǎn)向輪以角階躍輸入，不考慮其等速直線行駛與等速圓周行駛之間的瞬態(tài)過程，只以其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)作為研究的重點。 若將整個汽車看作一個質(zhì)點，汽車轉(zhuǎn)向輪角階躍輸入下穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，這時汽車運行軌跡應(yīng)如圖2-8所示： O R 圖2-8 轉(zhuǎn)向輪角階躍輸入下汽車運行軌跡 汽車處在轉(zhuǎn)向狀態(tài)下時，由阿卡曼轉(zhuǎn)向原理可知汽車上的任意一點均繞其瞬時轉(zhuǎn)動中心O轉(zhuǎn)動，而由上圖可以看出，汽車在等速圓周行駛的情況下，其上任意一點均圍繞汽車回轉(zhuǎn)中心點O轉(zhuǎn)動。 此外，汽車處在等速圓周行駛的情況下，其車體的運動不但有平移，還具有

56、繞自身汽車坐標系中Z軸的轉(zhuǎn)動，即橫擺角速度。這就很好的符合了關(guān)于車輪的轉(zhuǎn)向輪角階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的理論敘述。通常情況下，橫擺角速度是衡量汽車操縱穩(wěn)定性的一個重要的參數(shù)，四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車轉(zhuǎn)彎時能夠基本保持重心側(cè)偏角為零。傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向汽車在轉(zhuǎn)彎時，汽車的前進方向與其縱向中心線的方向不一致，其夾角就是汽車重心側(cè)偏角。2WS汽車的重心側(cè)偏角對前輪轉(zhuǎn)向角的增益[5]： 公式（2-1） 其中， 如下圖2-9所示，在某一速度下汽車重心側(cè)偏角β = 0，此時汽車的前進方向（即汽車重心的運動方向）與汽車縱向?qū)ΨQ線方向一致。當?shù)陀谶@一速度時，重心向與前輪轉(zhuǎn)角方向相同的方向偏移。當高于這一車

57、速時，重心向與前輪轉(zhuǎn)向角方向相反的方向偏移。當后輪附加某一特定的轉(zhuǎn)角時，將產(chǎn)生與前述方向相反的重心側(cè)偏角，與前輪產(chǎn)生的重心側(cè)偏角疊加，使汽車側(cè)偏角基本為零。 圖2-9汽車重心側(cè)偏角對前輪轉(zhuǎn)向角的增益與速度的關(guān)系 2.5四輪轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向特性 四輪轉(zhuǎn)向的目的是：在低速行駛時作逆相轉(zhuǎn)向（后輪與前輪的轉(zhuǎn)向操縱方向相反），使轉(zhuǎn)向時小轉(zhuǎn)彎性能良好；中高速行駛時作同相轉(zhuǎn)向（后輪與前輪的轉(zhuǎn)向操縱方向相同），以提高在汽車在高速行駛時進行車道變換或轉(zhuǎn)向時的操縱穩(wěn)定性。 2.5.1 4WS系統(tǒng)的低速轉(zhuǎn)向特性 現(xiàn)在所說的四輪轉(zhuǎn)向，不是前后輪反向偏轉(zhuǎn)的古典方式，而是指前后

58、輪既可同方向地，也可反方向偏轉(zhuǎn)的新概念的四輪轉(zhuǎn)向。在四輪轉(zhuǎn)向中，如果前后輪的偏移角不同，會產(chǎn)生重心的平移運動和重心旋轉(zhuǎn)運動。在二輪轉(zhuǎn)向中，不管前輪如何偏轉(zhuǎn)都要產(chǎn)生重心的平移運動與重心的旋轉(zhuǎn)運動，二者的運動情況取決于機械的設(shè)計參數(shù)與行駛條件。而四輪轉(zhuǎn)向則與此不同，由于前后輪的轉(zhuǎn)向比率變化，重心的平移運動和重心旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)運動兩者能任意改變，即能夠單獨決定距離與位置，這是四輪轉(zhuǎn)向機械的獨有特性。四輪轉(zhuǎn)向可以得到兩個自由度的運動，應(yīng)以轉(zhuǎn)向輸入的變化和機械運動狀態(tài)來改變前后輪的偏轉(zhuǎn)，想辦法經(jīng)常使機械的兩個輸出的匹配成為最佳狀態(tài)，也就是要使機械處于最佳轉(zhuǎn)向狀態(tài)，這才是四輪轉(zhuǎn)向的本質(zhì)所在。 汽車在低速轉(zhuǎn)向

59、的情況下，可以認為車體的前進方向和汽車的朝向大體一致的，所以各車輪幾乎不產(chǎn)生轉(zhuǎn)向力。四輪的前進方向的垂線在一點相交，而汽車以此交點（轉(zhuǎn)向中心）為中心進行轉(zhuǎn)向。 轉(zhuǎn)向中心 轉(zhuǎn)向中心 （a） 2WS （b） 4WS 圖2-10 低速轉(zhuǎn)向時的行駛軌跡 觀察上圖2-10[6]所示的低速轉(zhuǎn)向時的行駛軌跡，可知2WS汽車（前輪轉(zhuǎn)向操縱）的情況是后輪不轉(zhuǎn)向，所以轉(zhuǎn)向中心大致在后軸的延長線上。4WS汽車的情況是對后輪進行逆向轉(zhuǎn)向操縱，所以中心就比2WS汽車的超前并在靠近車體處。在低速轉(zhuǎn)向時，4WS汽車比2WS汽車的轉(zhuǎn)向半徑更小，內(nèi)輪差也能更小

60、，所以轉(zhuǎn)向性好。 此外，二輪轉(zhuǎn)向和四輪轉(zhuǎn)向不僅行駛軌跡不同，在轉(zhuǎn)彎動作過程上也有很大差別，下面分別以流程圖說明它們的轉(zhuǎn)彎過程。 駕駛員意志 駕駛員打方向盤 前輪改變方向 前輪產(chǎn)生橫向力 車輛方向發(fā)生改變 后輪改變方向 后輪產(chǎn)生橫向力 開始轉(zhuǎn)彎 路線與車輪軌跡發(fā)生偏差 圖2-11 2WS轉(zhuǎn)向流程 圖2-12 4WS轉(zhuǎn)向流程 駕駛員意志 駕駛員打方向盤 前輪改變方向 前輪產(chǎn)生橫向力 后輪改變方向 后輪產(chǎn)生橫向力 開始轉(zhuǎn)彎 路線與車輪軌跡發(fā)生偏差

61、 如以上二圖2-11和2-12所示，4WS與2WS的區(qū)別在于，在2WS中，汽車轉(zhuǎn)向時，先是前輪轉(zhuǎn)向，然后后輪根據(jù)前輪的偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力，進行被動的轉(zhuǎn)向。而在4WS中，控制指令發(fā)出以后，前后輪一起偏轉(zhuǎn)，可省去前輪方向改變到后輪輪胎產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力的延遲時間，大大提高了轉(zhuǎn)向速度。 2.5.2 4WS系統(tǒng)的高速轉(zhuǎn)向特性 直行汽車的轉(zhuǎn)向是由下列兩個運動的合成，即汽車的質(zhì)心點繞改變前進方向的轉(zhuǎn)向中心的公轉(zhuǎn)和繞質(zhì)心點的自轉(zhuǎn)運動。 下圖2-13[7]所示為2WS汽車高速轉(zhuǎn)向時的運動狀態(tài)。前輪轉(zhuǎn)向時，前輪產(chǎn)生側(cè)偏角α，并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)向心力使車體開始自轉(zhuǎn)。當車體出現(xiàn)偏向時，后輪也發(fā)生側(cè)偏角β且也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)向心力。

62、四輪分擔自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的力，一邊轉(zhuǎn)向一邊平衡。但是，車速越高，離心力就越大。所以必須給前輪更大的側(cè)偏角，使它產(chǎn)生更大的旋轉(zhuǎn)向心力。而且，為了使后輪也產(chǎn)生與此相對應(yīng)的側(cè)偏角，使得車體有更大的自轉(zhuǎn)運動。但車速愈高，車體的自轉(zhuǎn)運動就愈不穩(wěn)定，容易引起汽車的旋轉(zhuǎn)或側(cè)滑。 理想的高速轉(zhuǎn)向的運動狀態(tài)是盡可能使車體的傾向和前進方向相一致，以防多余的自轉(zhuǎn)運動，使前后輪產(chǎn)生足夠的旋轉(zhuǎn)向心力。在4WS的汽車上通過對后輪的同向轉(zhuǎn)向操縱，使后輪也產(chǎn)生側(cè)偏角。，使它與前輪的旋轉(zhuǎn)向心力相平衡，從而抑制自轉(zhuǎn)運動，如圖2-1[7]4所示。這樣有可能得到車體方向與汽車前進方向相一致的穩(wěn)定轉(zhuǎn)向狀態(tài)。 車體方向

63、前進方向 轉(zhuǎn)向方向 后輪側(cè)偏角 離心力 后輪旋轉(zhuǎn)向心力 前輪旋轉(zhuǎn)向心力 圖2-13 2WS汽車高速行駛的運動狀態(tài) 車體方向 前進方向 轉(zhuǎn)向方向 轉(zhuǎn)向方向 前進方向 車體方向 (a) 2WS (b) 4WS 圖2-14 高速轉(zhuǎn)向時2WS與4WS比較 2.6本章小結(jié) （1）分析了現(xiàn)有的各類轉(zhuǎn)向機構(gòu)特點，并指出其優(yōu)缺點和適合的工作環(huán)境，對一些機構(gòu)提出了改良意見。 （2）指出本文研究重點，即四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成和工作原理，指出其與傳統(tǒng)機構(gòu)的不同，以及其在特殊工作環(huán)境下運行的優(yōu)點。 （3）針對

64、汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，具體分析了其轉(zhuǎn)向過程，并對其在轉(zhuǎn)向過程中的特點和優(yōu)勢進行了分析研究。 39 第三章（四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)非線性動力學(xué)分析） 第三章 基于輪胎非線性的汽車四輪轉(zhuǎn)向模型研究 建立合理的數(shù)學(xué)模型是汽車四輪轉(zhuǎn)向研究的重要一步。在設(shè)計的不同階段，與汽車動力學(xué)模型規(guī)模的要求是不同的，鑒于人們己經(jīng)在轉(zhuǎn)向閉環(huán)系統(tǒng)組成部的建模方面己做了大量的工作，本章將綜述已有的研究結(jié)果，構(gòu)建4WS汽車力學(xué)模型，著重分析汽車在運動中所受到的外界影響和受力情況，分析其中重要的非線性因素，并對汽車四輪轉(zhuǎn)向數(shù)學(xué)模型的建立進行深入而致的討論，最后給出本系統(tǒng)的四輪轉(zhuǎn)向模型。 3.1非線性因素的引入 3

65、.1.1運動中所受到的力 要建立一個較好的考慮汽車動力系統(tǒng)中非線性因素的汽車模型，首先應(yīng)該分汽車的運動形式及在運動中所受到的力。 汽車的運動包括：縱向（surge）、橫向（sway）和上下（heave）共三個方向平動，以及三個方向的轉(zhuǎn)動：橫擺（yaw）、側(cè)滾（roll）和俯仰/點頭（Pitch）。其中縱向、上下和俯仰運動和轉(zhuǎn)向操作沒有直接關(guān)系，而側(cè)傾運動則是伴隨側(cè)向橫擺運動產(chǎn)生的（如以下示意圖3-1所示）。 上下 俯仰 橫向 側(cè)滾 縱向 橫擺 圖3-1汽車運動示意圖 汽車運動狀態(tài)的改變，是由于重力、空氣阻力和地面對它的作用力的

66、影響。其中空氣阻力可分為兩個部分：無風時的空氣阻力以及風力。前者的產(chǎn)生是由于汽車與空氣的相對運動，該力的等效力在汽車上的作用點稱為風壓中心。為了確保汽車的穩(wěn)定，車身的氣動中心應(yīng)處于汽車質(zhì)心的后方，其原理與擺穩(wěn)定的機理相同。后者的產(chǎn)生則是由于空氣的運動，其方向和大小，都具有一定的隨機性。 顯然，空氣阻力對汽車運動的影響是隨車速的升高而增加，這就要求車身的形狀符合空氣動力學(xué)理論。汽車的空氣阻力模型很少見，一般都是在數(shù)值計算中引入這種作用，沒有這種力的解析表達式，在現(xiàn)有的橫向動力學(xué)分析中，主要考慮的是橫向觸碰的作用。 汽車與地面接觸，首先產(chǎn)生壓力，又因汽車與地面之間存在相對運動或相對運動趨勢，從而產(chǎn)生摩擦力。為了把握這種摩擦力的本質(zhì)，通常把地面作用于輪胎的力分為：靜態(tài)力、動態(tài)力、隨機力，分別進行建?！，F(xiàn)有的大量研究表明，輪胎力具有明顯的非線性特性，在大轉(zhuǎn)角的情況下對汽車的動力學(xué)有顯著的影響。 輪胎力的隨機性表現(xiàn)在兩個方面：橫向力和垂向力。其中垂向力的隨機性對車身鉛垂方向運動的影響，己經(jīng)引起人們的重視，并在汽車懸架系統(tǒng)的設(shè)計中考慮了這一因素。而橫向力的隨機性在汽車橫向力的研究中還考