继续“磕”车和家电动车:底盘会如何设计?

冰封之城

前段时间写了些关于“车和家”产品的一些预测,有朋友要求再写一点关于底盘的事情,下面就结合“小而美”的产品,聊聊轮边驱动电动车的底盘,纯属娱乐探讨,与“车和家”的实际技术路线无关。前文预测了李想的“小而美”是在类似欧盟L7E标准框架下开发的,一款城市短途区间通勤工具,可能采用全铝合金的车身和轮毂电机驱动。本文分析主要集中于电动轮的结构形式选择、驱动布置方案、悬架形式、以及非簧质量的控制等四个方面进行。

一、电动轮结构形式的选择

电动汽车的电动轮按照驱动方式分类,可以分为减速驱动和直接驱动两大类型

(1) 减速驱动型电动轮

起源于矿用车的传统电动轮属于减速驱动型,这种电动轮允许电动机在高速下运行,通常电动机的最高转速设计在4000rpm—20000rpm之间,其目的是为了能够获得较高的比功率,通常采用普通的内转子高速电动机。减速器布置在电动机和车轮之间,起到减速和增矩的作用,从而保证电动汽车在低速时能够获得足够大的转矩。

减速驱动型电动轮电动机的优点是转速高,有较高的比功率,质量轻,效率高,噪声小,成本低;但因为电动机转速较大,必须用减速器降低转速以获得较大的转矩,因此作为非簧载质量的整个电动轮的质量会比传统的内燃机汽车的车轮重很多。

(2) 直接驱动型电动轮

这种电动轮多采用外转子电动机,直接将外转子安装在车轮的轮辋上驱动车轮转动。电动汽车在起步时需要较大的转矩,因此安装在直接驱动型电动轮中的电动机必须能在低速时提供较大的转矩,为了使汽车能够有较好的动力性,电动机还必须具有很宽的转矩和转速调节范围,并且保证在这个范围内有较高的效率。

直接驱动型电动轮中采用的外转子电动机结构简单,轴向尺寸小,比功率高,能够在很宽的速度范围内控制转矩,且响应速度快,又因为没有减速器,所以效率较高:和减速驱动型电动轮相比,它更容易实现车轮防抱死系统,更容易实现线控技术,更好的提高电动汽车的操纵稳定性;但在加速时效率并不太高,且噪声很大。

李想的“小而美”全部电机总功率应该小于15kw,最高车速预计在100KM/h左右,车速不高,预计将采用直接驱动型电动轮,结构方式类似下图:

继续“磕”车和家电动车:底盘会如何设计?

二、轮毂电机选型

轮毂电机常用形式如下:无刷直流电机、开关磁阻电机、感应电机、盘式永磁电机、轴向磁场电机、Weh氏横向磁场永磁电机、永磁同步电机及其它形式电机。轮毂电机由电池供电,结构紧凑、高效率、高可靠性是最基本的设计要求。此外,控制简便、动态响应好、冲击电流小等指标也都希望得到保障。类似“小而美”的产品,单个电机功率较小,兼顾到技术的成熟性,预计其设计选型可能会优先考虑一下几点:

1.永磁电机可能为首选,并采用高性能钕铁硼永磁材料。这样,就有可能最大限度地简化电机结构,减小电机体积,设计出高功率密度、高效率电机。

2.采用轴向磁场结构。这既是此类电机扁平外形的实际需要(轴向截面积大,周向表面积小),也是扬轴向磁场电机所长、避径向磁场电机之短的科学选择。电机的空间利用率会更高,结构会更紧凑,材料会更节约,性能会更优越。

3.选择较大的电机外径(意味着较大的轮胎直径,其实对造型也更有利)。轮毂电机并非越小越好,扭矩一定时,轮径越小,所承受的剪切力就越大,结果,构件的抗疲劳强度降低,受损可能性增大。对于电动车辆,这就意味着轮毂更容易损坏,寿命要缩短,可靠性会下降。此外,电机损耗一定时,体积越小,温度就会越高,而由于此时的散热面积相对较小,因此温升必然会更高。由此可见,小外径电机对提高性能和运行可靠性都是不利的。

三、驱动单元布置方案

轮边驱动单元,按照驱动形式可以分为四轮轮边驱动型、2常规驱动轮+2轮边驱动轮、2前轮短半轴加轮穀电机+2后轮轮边驱动和4轮短半轴加轮毅电机形式。比如,下图就是一种采用2前轮短半轴加轮毂电机+2后轮轮边驱动形式的电动车的结构示意图。

继续“磕”车和家电动车:底盘会如何设计?

从下图的比较可以看出,在a、b、c和d四种驱动形式中,电动轮驱动形式的结构最简单、最紧凑,所占用的空间是最少的,这不仅可以提供更大的乘坐空间,还降低车厢底板,使汽车的重心大大降低,提高了汽车的稳定性。

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因为“小而美”的车辆,车身尺寸较小,布置空间有限,预计将会采用四轮轮边驱动型的结构,如下图:

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四、前/后悬架方案的选择

与独立悬架相比,非独立悬架质量相对大,不适合轮边驱动电动车悬架系统。应用于传统车辆的常见独立悬架包括:单横臂式、单纵臂式、单斜臂式、纵臂扭杆梁式、麦弗逊式、双横臂式和多杆式等。

不同悬架系统,结构的复杂程度不同,因此所需材料的多少存在差别,同时由于悬架不同连接方式,悬架中部件在非簧载质量和簧载质量之间的比重不同,由扭杆弹簧构成弹性元件的双横臂悬架,无论在悬架性能方面,还是轻量化方面,都具有相当大的优势,因此适合轮边驱动电动车的悬架系统。该类型悬架系统在传统车辆上得到广泛应用,如IVECO系列前独立悬架总成、江淮瑞风商务车系列前独立悬架总成等,均采用不等长双横臂扭杆弹簧悬架系统。因车身尺寸较小,预计将会采用单纵臂式后悬架,不占高度空间,可以最大限度提供电池组安放空间,对提高电动车续驶里程有利。

从悬架系统及关键零部件的所用材料考虑,悬架系统预计会选用铝合金、钛合金、镁合金、复合材料(如玻璃纤维增强树脂复合材料、碳纤维增强树脂材料、彩色塑料)等,目前应用于汽车的铝合金悬架或铝合金轮辋均可以降低整车的非簧载质量。轮边驱动系统的设计,也会采用轻量化材料,如轮毂电机外壳、轮辋均采用铝合金材料,整体上减少整车的非簧载质量。

五、轮边驱动系统非簧质量大的解决方案

由于常规轮边驱动电动车的轮毂电机和车轮刚性相连,其质量构成整车的非簧载质量,使整车簧载质量和非簧载质量之比过小,和其他类型车辆相比,其不足之处主要表现为:

l 车轮旋转部件的惯量增加,影响到了整车的加速、制动特性;

l 轮毂电机的安装位置偏低及旋转部件密封难,使整车的涉水能力不强;

l 车轮位置各部件的安装(如制动器的安装)比较困难;

l 由于轮毂电机和车轮直接相连,其受地面不平度的激励非常明显,对轮毂电机的疲劳寿命要求特别高;

l 轮边驱动系统质量过大,车轮动载荷显著增加,影响了整车的安全性和车辆的转弯能力。

下面是搜集到的目前国内外对解决以上问题研究的解决思路,供参考:



解决思想

实现措施

典型案例及可行性分析

效果

原因分析

轻量化

悬架材料选择

采用铝合金悬架

Audi A8BMW;相对容易实现

一般

轮辋材料选型

乘用车辆采用铝合金轮辋

常用乘用车辆;相对容易实现

其他零部件

新型结构;镁、铝合金的应用

采用新型材料、优化零部件结构的车辆

一般

一体化电动轮

电机、轮辋、轮毂、轮穀轴承和制动系统等部件一体化设计

保时捷推出的电动轮驱动系统采用一体化结构;结构复杂

很好

质量转移

动态阻尼吸振器

将电机本体质量转化为吸振器

Bridgestone动态吸振器;需要特殊形式电机,结构非常复杂,成本高,而且对力矩传递部件要求高

很好

盘式电机

将电机定子质量转为簧载质量

采用特殊形式电机;传动链相对较长

轴向磁通电机

聚磁式轴向磁通电机

技术不成熟

悬架部件的质量转移

不同悬架结构及结构件质量对非簧载质量的贡献程度不同

双横臂扭杆弹簧悬架模块

较好

传递途径

悬架

被动悬架选型

选用性能优的悬架

实现容易,成本差异大

有限

主动悬架、半主动悬架

常规主动、半主动悬架控制策略及系统

Volvo S60 R,半主动悬架;Citroen C5主动液压悬架;成本高,提高舒适性,对于降低现有动载荷有限

有限

特殊控制策略

旨在降低动载荷、减少路面损伤

轮胎

低刚度、低滚阻轮胎

采用宽胎,如扁平比为55的子午线轮胎

相对来说轮胎刚度小,降低动载荷有效,但存在乘坐舒适性和燃油经济性矛盾

第三方

传统吸振器

车轮振动型


较好


较好

车身振动型


有限

耦合型


有限

二级减振

车轮和电机本体之间弹性连接


有限


电机和悬架之间加弹性阻尼系统


有限

总结一下:预计李想的“小而美”电动车,将会采用四轮轮边电机驱动,采用直接驱动型的电动轮, 大直径永磁电机,低刚度低滚阻轮胎,采用双横臂独立前悬架,单纵臂后悬架,并在悬架和轮边电机上大量使用镁铝合金等轻量化材料。由于单个轮毂电机功率较小,且速度不是太高,相信非簧质量的问题应该很好解决,就来期待一下最终的产品吧。

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