超微型可折叠电动汽车车架机构设计与分析

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1 匐 似超微型可折叠电动汽车车架机构设计与分析Mechanism design and analysis of super-micro foIdable electric vehicle frame董建华，张三川，褚 铮，郭正阳DONG Jian—hua，ZHANG San—chuan，CHU Zheng，GUO Zheng-yang(郑州大学，郑州450001)摘 要：介绍了电动汽车的发展现状，可折叠电动汽车的工作原理和其在城市交通中的作用。设计了基于连杆机构的新式超微型可折叠电动汽车，实现电动汽车底盘和车身的同时折叠以及轴距的缩短。利用ADAMS软件对折叠机构进行基于最大传动角的优化设计，并利用Pro／Mechanism中的机构仿真，验证了设计的合理性。

关键词：超微型可折叠电动汽车；连杆机构；优化设计；机构仿真中圈分类号：TH11 2 文献标识码：B 文章编号：1009-01 34(201 3)1O(上)-Ol03-03Doi：1 0．3969／J．issn．1 009-01 34．201 3．1 0(I-)．300 引言电动汽车经历了18世纪80年代至19世纪2O年代的鼎盛时期，内燃机汽车占据主要市场后的销声匿迹期，以及2O世纪7O年代石油危机爆发后的重新受到重视。目前，世界主要汽车国都在电动汽车各项技术发展上取得了一定成果和进步，以缓解 日益增大的能源和环境压力。全球知名战略咨询公司-贝思公司最近发布调研报告预测：电动汽车在未来几年内潜在市场有望达到150万辆，其中中国将以20万辆的份额占据全球首位。以锂电池加轮毂电机为动力源的电动汽车将大行其道。

随着工业技术和世界经济的高速发展，城市人均汽车保有量连年递增，大中城市交通拥堵严重，停车空间严重匮乏。由美国麻省理工学院改变空间研究组和西班牙巴斯克地区DENOKINN研发机构合作研制出的Hiriko【l】，采用轮毂电机四轮驱动，线控转向式可折叠方向盘，可在驻车时，前轮制动，仅后轮推动车体，缩短轮距同时将车身折叠。Hiriko电动汽车轴距不足2000mm，可乘坐两人，体积小、便利、环保，可在拥挤的城市交通中更灵巧的行驶；驻车时整车折叠，占据较小的空间，可有效缓解城市交通压力，但其车身不能实现折叠，折叠效率不高。

综上考虑，以轴距缩短过程中同时举升并折叠车身为目标，提出和设计了一种车身基于连杆机构的超微型可折叠 电动汽车，阐述 了折叠原理，利用ADMAS软件对关键位置进行优化设计，利用Pro／E建立虚拟样机并检查有无干涉，利用Pro／Mechanism的机构仿真验证设计的合理性。

1 超微型可折叠电动车架汽车机构设计与优化1．1折叠方案设计曲柄滑块机构式折叠汽车Hiriko折叠方案为：驻车时，前轮制动，后轮作为动力源以滑块形式通过分别与车体和后轮铰接的连杆推动车体，缩短轴距，同时将车身举升，实现折叠，折叠方案如图1所示。但曲柄滑块式折叠方案折叠过程中，仅实现了车身举升和轴距缩短，不能实现车身框架的折叠，车身不够紧凑，折叠后会超出前轮较长距离。

_ 、前连杆滑块)图1 曲柄滑块式折叠方案现提出一种新的设计方案，将车身设计为四连杆机构，同时，将车身四连杆机构与原折叠方案中曲柄滑块机构有机结合，在车身举升过程中实现折叠，改进方案如图2所示。

对改进方案应计算机构 自由度，分析机构是否具有确定运动的条件。除去复合铰链连接带来的复合转动副，改进方案中机构的自由度为1。所设计机构中，原动件仅为后轮 (滑块)，即机构般 日l：2013-05—31作者简介：董建华 (1987一)，男，河南焦作人，硕士研究生，研究方向为新能源汽车。

第35卷 第1O期 2013—10(上) [1031 1 訇 化图2 连杆机构折叠方案的自由度数 目等于原动件数目等于1，则所设计方案机构具有满足确定运动的条件。

1．2折叠机构设计在确定折叠机构的各连杆长度之前，需对汽车进行总体设计，在确定汽车主要参数和总体布置以后，杆长IA ，1Bc，lc。，lGA，lAH就相应确定。

车身布置过程中，从人体工程学观点出发，以乘坐舒适性和驾驶安全性为原则，合理布置座椅；以方便充电和快捷更换电池为原则，将锂电池布置在座椅下方。

为在举升过程中，对车身提供绕A点转动的较大转矩，获得较大传动角，在保障连杆机构合理运动的前提下，可将F点置于电池之上，座椅后方，则杆长l 1 可确定。以缩短50％轴距为设计 目标，即l =l ／2，相应地可以确定车身转过角度 GAG’和E’F 相对EF转过角度。

为确定E点和D点位置即确定杆长lED，现将FEDG视为四连杆机构单独进行分析，EF与FH为同一杆件，所以EF可在四连杆FEDG中作为原动件。如图3所示， EFE’可由车身转过角度求得，为避免原机构出现死点位置， CG杆不能与AG杆共线，将D点设置在CG杆内侧，且预设DIGD’： EI砸’／2。确定E点、D点位置就可转化为连杆机构已知一组对应角位移的四杆机构综合 。

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图3 “FEDG”连杆机构运动简 图令 DGD’=Q， EFE’=B，选取FG杆为机架，再以机架轴线X负向为角度的度量起始线，在F点和G点处由轴线X负方向分别按 B与n的相反方向按逆时针方向作角B／2和 Q／2射线，交点即相对转动极R，则 FRG=ZERD=(B—Q)／2，以R为顶[1041 第35卷 第1O期 2013-10(上)点任作LeRd=／FRG，分别在射线Re和Rd任选点E、D，即为所求。

因为 与 Q转向相同，所以需使其连线ED或其延长线交于机架FG外侧，使两连架杆相对速度瞬心P落在机架FG外侧才能保证两连架杆同向转动。依次连接E、F、G、D便得到满足给定转动角度的铰链四连杆机构FEDG，并得到ED杆长lED，如图4所示。

图4 已知一组对应角位移的四杆机构综合1．3折叠机构优化设计前述两条射线和E、D两点为满足角度条件任意选取，而满足条件的点有无数多组。为提高机械传动效率，以最大传动角为目标函数，对该四连杆机构进行优化。以E、D两点位置为设计变量，以 EDG最大值为目标函数，以ED连线与FG交于FG之外，DG与FG不共线，l 和l。。长度可保留车身内部配件调整后所需空间为约束条件。

在ADAMS／View中，以F为原点，FG为x轴，垂直FG方向向上为y轴建立直角坐标系，建立F、E、D、G四点，其中E、D为可行域内任选的初值，建立四连杆，添加运动副和运动参数。

将上述设计变量、目标函数、约束条件等量化 ，对机构进行优化设计，可得到E、F两点最优位置，从而得出ED最优杆长。通过ADAMS软件，可测量优化前后 目标函数即传动角的增大幅度，如图5所示。

优化后，在整个举升过程中，传动角被整体增大，传动角最小值由l6。增大至36。。优化后四连杆机构的各杆长度即可确定，如表1所示。

表1 优化后四连杆机构各杆长度连杆ABBCCGGADEEFFHAH长度 (mm)舶 舯u 肿 83 2 4 0姒 渤聊
务l 匐 化图5 优化前后传动 角对 比2 虚拟样机建模及运动学分析在整车参数选定和折叠机构设计完成的基础上，利用Pro／E建立机构各组件的3D模型，并装配建立虚拟样机，经全局干涉检查功能验证所建立样机模型有无干涉，将有干涉部件重新设计，获得无干涉的虚拟样机。

图6 超微型 司折叠电动车虚拟样机通过Pro／Mechanism添加运动副与伺服电机，以缩短轴距50％为设计目标建立运动参数，进行运动学分析，可测量连杆机构各铰接点运动副的速度、加速度、位移等变化。

F点的速度测量结果如图7所示，从图中可以看出折叠过程中F点速度随时间的变化为连续光滑递减，无速度突变，从曲线中可获得整个过程中的速度最小值与最大值。

F点的角位移测量结果如图8所示，从图中可以看出折叠过程中F点的角位移随时间的变化为连续光滑递增，从曲线中可以获得折叠过程中任意时刻F点的位置，从而可以获得F点的运动轨迹。

在Pro／M echanism模块中添加样机的各组件物理属性，将乘员体重与电池等主要负重以外力形式加载，对机构进行动态分析，可测量连杆机构中各铰接点运动副反力，可在铰链连接中销轴选择和各杆件强度校核等后续工作中进行有限元分析。

F点的运动副反力分析如图9所示，从图中可以看出折叠过程中铰接点F处运动副反力随时间的变化，运动过程中运动副反力无突变，从曲线中可获得整个过程中的反力最大值，为机构杆件等强度校核做准备。

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＼ 8¨— 、 、 ‘ 0” ．：． |： ， ．：，。 釜 } 三二 ： ” ”图7 F点速度测量结果 图8 F点角位移测量结果图9 F点运动副反力测量结果3 结论 r从机构设计角度出发，结合全文的设计与分析，可知所设计超微型可折叠电动汽车车架机构符合设计初衷，实现了整车的折叠与轴距的缩短。

具体表现在：1)设计了一种新式的基于连杆的整车折叠方案，该方案满足机构运动条件，车身可折叠，提高了折叠效率：2)利用现代连杆设计方法，结合整车参数，对所设计方案中机构的各杆长度进行设计，并利用ADAMS软件的优化设计功能，对其中的关键连杆长度进行优化设计，获得了最优连杆长度：3)利用Pro／E软件对所设计超微型可折叠电动车建立虚拟样机，验证了所设计车架机构无干涉，通过Pro／Mechanism运动学分析、位置分析与动态分析，测量出了折叠过程中各关键位置的速度、位移和铰接点运动副反力，验证了机构运动的合理性，为对各部件进行强度校核做数据准备。

参考文献：【1]http：／／cities．media．mit．edu／[2】宋黎，范崇辉．全铰链平面连杆机构运动综合的结构类型优选方法【J]．机械工程学报，2009，45(3)：132．137.

【3】屠凤莲，范顺成．基于Pro／E的2一PRR并联机构运动仿真fJ1．机械传动，2010，34(5).

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