车辆工程毕业设计论文

本科毕业设计（论文）说明书 燃料电池汽车关键技术的研究 系 别 汽车工程系 专业班级 车辆工程 学生姓名 谢伟敏 指导教师 戴海燕 提交日期 2012 年 5 月 18 日 华南理工大学广州汽车学院学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学广州汽车学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名： 日期： 年 月 日指导教师签名： 日期： 年 月 日华 南 理 工 大 学 广 州 学 院 毕 业 设 计 （论文） 任 务 书 兹发给 08车辆 班学生 谢伟敏 毕业设计（论文）任务书，内容如下： 1.毕业设计（论文）题目： 燃料电池汽车关键技术的研究 2.应完成的项目： （1）调研与资料的收集 （2）通过看组图及参数，了解了燃料电池的工作原理。 （3）通过查阅相关文献了解燃料电池汽车的电动技术、 自动化技术、电子技术、信息技术及化学技术。 （4）利利用网络资源，下载FLASH模拟动画，生动的演示出燃料电池汽车中燃料电池的 工作情况。 3.参考资料以及说明： （1）王震坡 孙逢春.电动车辆动力电池系统及应用技术 机械工业出版社 . 2012 3 （2）日本电气学会 .电动汽车最新技术 .机械工业出版社 . 2008.9 （3）燃料电池汽车相关文献 （4） （5） （6） （7） 4.本毕业设计（论文）任务书于2012年1月7日发出，应于2012年5月24日前完成，然后提交毕业考试委员会进行答辩。 专业教研组（系）负责人 审核 2012年1月9日 指导教师（导师组） 签发 2012 年1月10日毕业设计（论文）评语： 三号宋体毕业设计（论文）总评成绩： 四号宋体 毕业设计（论文）答辩小组负责人签字： 四号宋体 年 月 日 四号宋体I摘 要 近年来，燃料电池汽车的迅猛发展和商业化的推进席卷了整个世界，其高效节能，以及零排放或接近零排放的良好环境性能，使之成为当今世界能源和交通领域开发的热点。随着国际各大汽车生产商和石油巨头的积极参与，从资金到技术的大力投入，燃料电池汽车已经走出实验室，开始商业化旅程。很多专家更是乐观地认为，燃料电池汽车将引发汽车工业的革命，最终取代传统内燃机车成为主流。 近几年我国燃料电池的研究开发取得了长足的进展，特别在质子交换膜燃料电池方面，达到或接近了世界水平；在熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池技术等方面也取得一些进展。但在总体上，我国燃料电池仍处于科研阶段，与国外相比，水平较低。发达国家都已将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，并取得了许多重要成果，各等级的燃料电池发电厂相继建成，即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车动力。我国应集中研究力量，加大投入，大力推动燃料电池发电技术的研究开发和应用工作。燃料电池是一种不经过燃烧而以电化学反应方式将燃料的化学能直接变为电能的发电装置，可以用天然气、石油液化气、煤气等作为燃料。也是煤炭洁净转化技术之一。按电解质种类可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、再生氢氧燃料电池(RFC)、 直接醇类燃料电池（DMFC），还有如新型储能电池、固体聚合物型电池等。氢和氧气是燃料电池常用的燃料气和氧化剂。此外，CO等一些气体也可作为MCFC与SOFC的燃料。从长远发展看，高温型MCFC和SOFC系统是利用煤炭资源进行高效、清洁发电的有效途径。我国丰富的煤炭资源是燃料电池所需燃料的巨大来源。 燃料电池具有高效率、无污染、建设周期短、易维护以及成本低的诱人特点，它不仅是汽车最有前途的替代清洁能源，还能广泛用于航天飞机、潜艇、水下机器人、通讯系统、中小规模电站、家用电源，又非常适合提供移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，还能解决电网调峰问题。随着燃料电池的商业化推广，市场前景十分广阔。人们预测，燃料电池将成为继火电、水电、核电后的第四代发电方式1，它将引发21世纪新能源与环保的绿色革命。关键词：太阳能、氢能源、燃料电池，汽车结构，燃料电池汽车，质子交换膜 AbstractIn 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 development 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 optimistic 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 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 development 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, increase 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 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 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 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 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 electricity 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 environmental protection in the 21st century green revolution.Keyword：Solar energy, hydrogen energy, fuel cells, automotive structures, fuel cell vehicles, proton exchange membrane目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1研究的背景与意义11.2国内外研究状况21.3燃料电池电动车的开发背景31.4国内外燃料电池车的发展状况5第二章 汽车传动系统的燃料电池设计方案62.1动力传动系统拓扑构架设计62.2普通汽车的差速原理92.3汽车四轮转向系统分析92.4汽车四轮转向机构转向过程分析102.5四轮转向汽车的转向特性122.5.1 4WS系统的低速转向特性122.5.2 4WS系统的高速转向特性142.6本章小结15第三章 基于轮胎非线性的汽车四轮转向模型研究163.1非线性因素的引入163.1.1运动中所受到的力163.1.2轮胎的受力及其模型分析173.2汽车四轮转向系统模型分析203.2.1 4WS三自由度模型203.2.2 4WS二自由度模型213.3 本章小结23第四章 四轮转向系统非线性动力学分析254.1司机模型的分析254.2四轮转向的非线性模型274.3四轮转向系统的非线性动力学分析314.4本章小结34第五章 总结与展望35参考文献36附录37致谢38III第二章（汽车四轮转向系统原理及提醒）第一章 绪论1.1 研究的背景与意义 随着世界能源和环境危机的加剧，新能源环保型汽车的开发已迫在眉睫，研发高效清洁的新能源环保型汽车日益受到国内外汽车厂商的关注。伴随着燃料电池技术的成熟，一种很有市场前景的清洁动力汽车燃料电池汽车，作为!世纪最有前途的新能源环保型汽车，正逐渐成为世界汽车厂商竞相研究开发的热点。燃料电池汽车以其高效、无噪音、零污染等高科技优势，体现了未来汽车能源和环保趋势，以及先进科技的汽车工业、可持续交通和可持续经济社会发展，领衔着汽车工业革命的新潮流。目前世界各大汽车企业也纷纷投入巨资对燃料电池汽车进行研究开发，竞相推出自己的燃料电池汽车，一场全球的汽车全新革命正由燃料电池汽车拉开帷幕。1.2 国内外研究状况 目前解决能源与环境问题的新能源环保汽车主要有3类：纯电动汽车混合动力汽车和燃料电池汽车。从环保角度来看，第代环保汽车是纯电动汽车，其动力来自蓄电池组。电动车有很长的发展历史，其最大的优点是行驶过程中无污染。缺点是蓄电池电量有限，跑的距离短，电池本身很重，充电时间很长，且成本高、折旧快，还容易对环境造成二次污染。第!代环保汽车是混合动力汽车， 它采用内燃机和电动机两种动力，克服了电池电动车续驶里程短的致命弱点。混合动力汽车在高速行驶时利用汽油燃烧发电，以电力推动汽车行驶，多余电力储入蓄电瓶，此时汽油充分燃烧，有利于保护环境。但混合动力汽车低速行驶和启动时，会因汽油燃烧不充分而产生很多废气，把两种技术纳入一辆车里，技术和工艺复杂，材料多，重量大，而且仍然离不开汽油。燃料电池汽车属于第3代环保汽车。燃料电池汽车实际上是一种氢能汽车。与传统汽车相比， 燃料电池汽车以丰富的可再生资源氢为能源，通过氢和氧的反应产生电能供给动力系统。氢和氧化学反应生成水蒸气，不排放碳化氢、一氧化碳、氮化物和二氧化碳等污染物质，因此，尾气只有水蒸气。它不会给环境带来任何污染，堪称“零污染”的理想环保车。燃料电池将化学能直接转为电能，在能量产生效率上比汽油、柴油等传统燃料高出一筹，在能量耗尽后，燃料电池不像传统的电池那样需要长时间充电，而只需补充燃料即可继续工作，这一点对汽车驾驶者来说尤为方便。燃料电池汽车使用的燃料是氢，而获取氢的途径又是多种多样的。用于燃料电池的氢可从富含氢的石化燃料制取，例如天然气、甲醇、汽油等，也可从水里提取氢和生物制氢。燃料电池汽车的开发，对利用清洁能源、改善地球环境，解决能源危机，促进汽车产发展完善中的燃料电池汽车1.3 汽车四轮转向技术的研究现状国外现阶段的4WS系统设计，力图达到以下目的1： 缩短横向加速度及偏转运动的响应时间； 减小车体的侧偏角； 增加稳定性； 提供良好的操纵性； 当汽车参数变化时，保持良好的转向响应； 增加对外界环境变化的抗干扰能力；从大体上说，国外对4WS的研究，一般均把汽车模型看作线性二自由度“自行车”模型，只研究向心加速度和绕汽车纵轴的旋转，控制形式主要有以下两种：（1）“车速感应型”：当车速小于某一数值时（一般为45-55 km/h）时，前后轮转向相反；而当车速高于该数值时，前后轮转向相同。（2）“转角感应型”：当转角小于某一角度（如：“本田”4WS为24度）时，前后轮转向相同；当大于该角度时，转向相反。早期的样车有：本田汽车公司的4WS是控制前后轮的转向角，马自达汽车公司的4WS是由车速直接控制前后轮的转向角之比，三菱汽车公司的4WS是采用纯液压控制，日产汽车公司的4WS是动态的对质心侧偏角进行补偿，大众汽车公司的4WS是调节横摆角速度。由于对四轮转向的许多问题还研究得不够深入，因此，为了安全起见，这些车型基本采用机械装置或简单的电器装置，而且以上这些研究都只是针对转向角一旦确定就不再改变的情形。同时对于所研究的汽车模型，均假设为线性二自由度简化模型进行，并未考虑动态驾驶中汽车的动力学特性。汽车四轮转向系统的非线性动力学研究现状：四轮转向技术的研究已经取得了不少进展，但是至今这项技术还未在商用汽车上得到广泛的应用。这是因为，现在还没有一个成熟的理论对汽车四轮转向运动行为进行深刻的阐述，导致在运用现代控制理论进行研究时，控制规则的确定和控制方法的选择，更多的是依靠经验，而不是根据令人信服的理论依据，尤其是考虑到汽车模型中的非线性因素时，汽车模型更加趋于复杂，仅靠经验，几乎无法得到准确结果。要使四轮转向系统在已有基础上有更进一步的发展，应该综合考虑下面的几个热点问题： 轮胎的非线性，车辆的多自由度特性及其数学模型； 动态运行中，汽车的动力学特性，特别是汽车在随机干扰下的稳定性问题，这些随机干扰来源于轮胎压力变化、轮胎老化程度，车辆载荷，路面，环境的变化（如侧风）；4WS作为新技术，目前在各国的应用都不是很广泛，日本虽然在4WS的研究上做了很多的工作，也取得了很大的成果，并成功地将其运用在汽车上，但是就日本每年生产的千万辆汽车而言，安装4WS的只是很小一部分，仍然不能大规模地使用，可见作为领域新技术，4WS在很多方面尚不是很成熟，还不能大批量地应用，因此成本较高，这也是4WS不能大规模运用的主要原因。尽管如此，4WS技术在改善汽车操纵稳定性和增强汽车的安全性能上有着很明显的效果和不可忽视的作用。正因为以上提到的这些技术困难，使得4WS的运用领域受到了很大的限制，本文也正是针对这个特点，试图进行进一步的4WS研究，也可以为以后的更深层次研究打下基础。1.4 国内外燃料电池车的发展状况美国20世纪60年代和70年代，美国首先将燃料电池用于航天，作为航天飞机的主要电源。此后，美国等西方各国将燃料电池的研究转向民用发电和作为汽车、潜艇等的动力源。世界各著名汽车公司相继投入较多的人力和物力，开展燃料电池电动汽车的开发研究。在北美，各大汽车公司加入了美国政府支持的国际燃料电池联盟，各公司分别承担相应的任务，生产以新的燃料电池作动力的汽车。美国通用汽车公司在美国能源部的资助下，推出了以质子交换膜燃料电池（PEMFC，也称为离子交换膜燃料电池或固体高聚合物电解质燃料电池）和蓄电池并用提供动力的轿车。美国福特汽车公司现已研制出从汽油中提取氢的新型燃料电池，其燃料效率比内燃机提高1倍，而产生的污染则只有内燃机的5%。 加拿大巴拉德(Ballard)汽车公司是PEMFC燃料电池技术领域中的世界先驱公司，自1983年以来，Ballard公司一直从事开发和制造燃料电池。1992年巴拉德公司在政府的支持下，为运输车研制了88kM的PEMFC动力系统，以PEMFC为动力做试验车进行演示。1993年巴拉德公司推出了世界上第一辆运用燃料电池的电动公共汽车样车，装备105kW级PEMFC燃料电池组，能载客20人，对于一般城市公共汽车，采用碳吸附系统储备气态H2即可连续运行480km。目前，Ballard燃料电池的体积功率已达到1kW/L的目标。 日本 在日本燃料电池系统发展中丰田公司处于领先地位。丰田的目标是开发能量转换效率达到传统汽油机2.5倍的燃料电池，且能和现用的汽（柴）油汽车一样方便地添加燃料。日本还在1981年开发了熔融碳酸盐燃料电池（MCFC），随后又研制了磷酸燃料电池（PAFC），1992年又开发了比功率高、工作温度低、结构紧凑和安全可靠的质子交换膜燃料电池（PEMFC）。 德国德国奔驰公司和西门子公司合作于1996年推出了装有PEMFC的NECARll小客车。2009年，德国主要的汽车和能源公司就与政府联合启动了“H2MobilityInitiative”计划。按照计划，德国将在2015年建成1000个加氢站，开始实现燃料电池动力汽车的大规模商业化，到2020年将有100万辆电动车和50万辆燃料电池汽车投入使用。 2011年1月，奔驰公司研发的3辆燃料电池原型车，横跨4大洲、14个国家，完成绕地球行驶1周的创举。此外，奔驰在德国还有36辆氢燃料电池大巴，已收集到200万千米的运行数据，目前的氢料燃大巴比早期的燃料消耗降低了50%，性能和行驶里程均显著提高。 法国 开发出使用“运程”燃料电池的电动汽车“Fever”，它以低温储存的氢和空气作燃料，发电功率达20kW，电压为90V，且采用先进的电子控制系统对电力系统进行控制，并把制动时产生的能量储存在蓄电池里，以备汽车起动或加速时使用。 英国 1992年成立了国家燃料电池开发中心。英国燃料电池技术的开发重点在燃料供应、重整炉、气体净化和空气压缩等方面。质子交换膜燃料电池的研究重点是改善催化材料的性能并探索铂(Pt)催化剂的涂覆方法，降低铂(Pt)含量，提高铂(Pt)利用率和耐受CO的允许值。 韩国韩国现代已经推出第三代燃料电池电动车ix35。ix35完全由氢燃料电池驱动，这款零排放SUV是在2010年由200多名设计师在韩国现代的燃料电池研发中心设计完成。 中国在中国，燃料电池汽车是“十五”期间全国12个重大研究专项之一。其中，质子膜关键技术被列为山东省第一号科技攻关项目，取得了重大突破。辽宁新源动力股份有限公司承接国家“863”重大科研项目，研制了200KW、110KW、60KW、30KW、10KW、5KW燃料电池系统、燃料电池电站、便携式电源等产品。在“十一五”期间，中国将继续加大对燃料电池汽车的研发投入，推动核心技术产业化。2008年奥运会，23辆燃料电池汽车示范运行7.6万公里。到了2010年世博会，这个数字上升到196辆和91万公里。2012年3月两会期间，科技部电动汽车重大项目管理办公室副主任甄子健认为，燃料电池汽车在5到10年后，将可以像近两年的电动汽车一样，通过示范运行进入商业化销售阶段。第二章 汽车四轮转向系统的原理及特性随着现代汽车电子技术的发展，新能源汽车、电动汽车的出现无疑给整个行业注入了一股新鲜而且充满挑战性的血液。凭借可以减少很多废弃物、有害气体的排放，对整个社会的生活环境都有很大的改善效果，得到社会及国家的高度的重视，具有很好的发展前景。下面我们就来从电动车的结构引入到电动汽车传动系统，并分析它的工作原理、传动方式、优势等，并简单的列举一些成功的应用案例。电动汽车和普通的汽车不同，它是用车载电源提供行驶的动力，用电机来驱动车轮的运动，而不是用点火装置来提供向前运动的力。我们知道，电动汽车主要是由电力驱动及控制系统、驱动力传动系统、工作装置等各个部分组成。它的工作原理是蓄电池中提供恒定的电流输出，这些恒定的电路通过电力调节器进行一次转换成可以驱动电动机的合适的电流和电压，从而可以驱动整个动力传动系统的正常运行，经过他们之间相互的作用最终给汽车提供可以运行的动力汽车可以正常的行驶。由此可见，电动汽车传动系统的有效性和安全性直接影响着整个系统的运行。电动汽车传动系统原理是直接将电动机的驱动转矩传给汽车的驱动轴。汽车传动轴在采用电动轮驱动时，由于它是靠车载电源提供动力源驱动电动机因而可以实现带负载启动，无需离合器;也正是因为是车载电源可以提供恒定的电流，中间会有电路控制的环境来实现驱动电机的方向和转速的控制，所以不需要倒档和差速器。若采用无级调速，就可以实现自动控制，无需变速器。电动汽车传动系统的传动方式主要有三种：(1)电机+传动轴+后桥(2)电机+变速箱+后桥(3)电机+磁力变矩器+后桥以目前的变速箱技术成熟度而言，除了传统车的变速箱外还没有一款真正成熟的适用于电动汽车的产品，最可靠和适用的传动方式还是电机+传动轴+后桥的直驱方案。当然在具体的设计时，我们需要更具实际情况来设计，包括电机的位置、电源的位置、驱动负载的能力、行驶速度要求、稳定性等这些都需要综合的来考虑。了解车辆效率损失分配即从发动机输出的功率消耗在不同汽车部件上的量及比例。这对改善车辆总体的传动效能非常有用，以达到适当配置资源，改善性能的目的。各种损失，使用安装在车辆适当位置的传感器进行测定。电动汽车传动系统拓扑构架设计汽车动力传动系统采用传统的内燃机和电动机作为动力能源，通过混合使用热能和电能两套系统开动汽车。在低速小功率运行时可以关闭发动机，采用电动机驱动;而高速行驶时用内燃机驱动;通过发动机和电动机的协同工作模式，将车辆在制动时产生的能量转化为电能，并积蓄起来成为新的驱动力量.从而在不同工况下都能达到高效率。一般上有串联式、并联式、混联式和复合式4种布置形式。(1)串联式下图中采用的电力电子装置只有电机控制器,电池和辅助动力装置都直接并接在电机控制器的入口，属于串联式，车辆的驱动力只来源于电动机。(2)并联式下图中是典型的并联式动力系统结构，通常在电池和电机控制器之间安装了一个DC/DC变换器,电池的端电压通过DC/DC变换器的升压或降压来与系统直流母线的电压等级进行匹配。车辆的驱动力由电动机及发动机同时或单独供给。(3)混联式-采用四轮驱动、前后轮分别与不同的驱动系相连，后轮驱动有发动机、后置电机、发电机、变速器等组成，前轮驱动由前置电机、发电机组成。由于它使用不同的驱动方式，所以整个电动汽车传动系统既分离又相关联，可以更好的控制。下图就是一个简单的混联式的拓扑构架。同时具有串联式、并联式驱动方式。(4)复合式-改结构主要集中于双轴混合动力系统中，前轴和后轴独立驱动，前轮和后轮之间没有任何驱动抽或转电力主动型的设计，这种独立的驱动，让传动系统各个部件在运行过程中相互独立控制，因此可以有更好的传输能力。要让整个系统可以更好的运行，除了结构设计方面需要注意之外，还有一个就是电动汽车传动系统的参数设计也需要合理的匹配，这些参数对传动结构的性能影响也是很大的。这一方面的知识，小编在这边文章就不具体介绍了。总结能源问题和环境污染问题是现在社会日益突出的问题，深受国家的重视。因此寻找新能源汽车可以减少废气排放，让能源可以更好的利用在汽车电子设计行业是当务之急。电动汽车正是因为具有上面的这些特征，得到充分的肯定和发展。由此可见，电动汽车传动系统作为整个汽车系统中非常重要的一个环节，也需要大家的重视和研究，开发出性能更好的电动汽车传动系统结构，提供动力的转化和转化能力，提高电源的利用率，是非常必要和很艰巨的任务。本文对它的工作原理、传动方式、优势做了分析，并且列举了四种常用拓扑构架设计2.2普通汽车的差速原理图2-7 普通汽车差速器原理上图2-73中，1、2为半轴齿轮；3为减速器壳；4为行星齿轮；5为行星齿轮轴；6为主减速器从动齿轮。差速器壳3与行星齿轮轴5连成一体，形成行星架，和主减速器从动齿轮6固连，假设其角速度为0，半轴齿轮1和2为从动件，其角速度为1和2。A，B两点分别为行星齿轮4与两半轴齿轮的啮合点。行星齿轮的中心点为C，A、B、C三点到差速器旋转轴线的距离均为r。上述差速器中，当差速器不起差速作用时，0 = 1 = 2，当差速器开始工作时，1 + 2 = 20。假定主减速器传来的转矩为M0，差速器不起差速作用时，M1=M2=1/2 M0，差速器开始工作时，M1=1/2(M0-MT)，M2=1/2(M0+MT)，左右车轮上的转矩之差等于差速器的内摩擦力矩MT，由于差速器内摩擦力矩很小，故即使是在差速器开始工作时，M2/M1大致也仅为1.11.4，实际上可以认为，无论左、右两轮的转速是否相等，转矩总是在两个半轴之间平均分配的。这样的分配比例对于汽车在好路面上直线或转弯行驶时，都是满意的。但是当汽车在坏路面上行驶时，却严重影响了通过能力。当汽车的一个驱动轮接触到泥泞或冰雪路面时，即使另一车轮是在好路面上，汽车也往往不能前进。这是因为，在泥泞路面上的车轮与路面之间的附着力很小，路面只能对半轴作用很小的反作用转矩，虽然另一个车轮与好路面的附着力较大，但因差速器平均分配转矩的特点，使这一个车轮分配到的转矩只能与传到滑转的驱动轮上的很小的转矩相等，以致总的牵引力不足以克服行驶力。2.3汽车四轮转向系统分析电控电动式4WS系统4主要由车速传感器、电控单元ECU、步进电动机、后轮助力转向机构等组成。系统设有两种转向模式，既可进入4WS状态，也可保持传统的2WS状态，当电子控制系统出现故障时，后轮自动回到中间位置，汽车自动进入前轮转向状态，保证汽车像普通前轮转向汽车一样安全地行驶。由于本系统的结构及控制的复杂性，使得在特定的条件下系统出现故障的几率增加，当某一转向电机失灵时应根据转向模式的不同，调用相应的故障排除程序。下面以前轮为例，介绍电机失灵的故障排除方法。汽车在正常行驶过程中，两个前轮为同向转动，当左右电磁离合器分离时，处于单电机-单车轮的转向驱动方式。当左侧电机失灵时，控制系统检测左车轮转角传感器，获得当前左侧车轮的转角，右侧电机转动右侧车轮至相同转角，左右电磁离合器吸合，由右侧电机单独驱动两个车轮进行转向，将该故障在汽车运动过程中排除，不影响汽车的正常行驶。当汽车处于特殊转向方式时，双电机单独驱动左右两前轮相对异向转动，该种转向模式一般在车速为零时进行，当左侧电机失灵时，控制系统检测左侧车轮转角传感器，获得当前左侧车轮的转角，右侧电机转动右侧车轮至相同转角，左右电磁离合器吸合，右侧电机同时驱动两个车轮进行复位，不仅左右车轮可以切换转向电机，前后不同轴车轮也可通过中央离合器的吸合进行切换，即使有3个电机失灵，也可由一个转向电机通过5个离合器的开关组合依次地、分别调整其它3个车轮中的任一个车轮角度进行复位。该种故障对策需由一个电机同时带动两个车轮转向，因此在进行电机的选择时必须保证一个电机可同时驱动两个车轮。目前，成型的4WS主要运用在汽车中，且大多采用电控液压式4WS，虽然电控电动式4WS发展较晚，相应的技术还不够成热，且存在着动力小、ECU复杂，成本高等不足之处，但随着现代电子技术、电机技术的飞速发展和应用，电控电动式4WS技术的不断完善，使其在转向控制性能、系统布置、节能等方面越来越显示其优越性，电控电动式4WS系统的应用前景广阔，必将取代电控液压式4WS，成为4WS发展的主流，本文也将在此方面做一些有益的尝试。2.4汽车四轮转向机构转向过程分析4WS转向过程的研究属于操纵稳定性方面的内容，操纵稳定性的内容主要包括：方向盘角阶跃输入下进入的稳态响应、方向盘角阶跃输入下进入的瞬态响应、横摆角速度频率响应特性、转向轻便性等方面。实际中的任何汽车在转向的过程当中会受到轮胎侧偏角、侧倾刚度和转向系刚度的影响，出现过多、中性、不足三种转向类型的稳态响应。同时，由于转向传动机构并不能精确的满足理想内、外转向轮转角关系式，汽车在转向时，前两轮的轴线相交于前、后轴之间或后轴之后的某个点上。在研究转向过程的当中，如果考虑到了这些影响，将会使所研究的问题变得纷繁芜杂，而导致问题的研究无法进行下去。所以在研究的过程当中，假定轮胎侧偏角、侧倾刚度和转向系刚度都满足理想的状态，即轮胎在转向时不发生侧偏现象，侧倾时垂直载荷对左、右侧车轮的影响不计，转向系各零部件之间均为刚性连接，转向传动机构在转向时满足理想内、外转向轮转角关系式。汽车在等速直线行驶时，急速转动转向轮，然后维持其转角不变，即给汽车以转向轮角阶跃输入，一般汽车在经过短暂时间后便进入等速圆周行驶，这称之为转向轮角阶跃输入下进入的稳态响应。在等速直线行驶与等速圆周行驶这两个稳态运动之间的过渡过程是一种瞬态，相应的响应称之为角阶跃输入下进入的瞬态响应。为了简化研究条件，假定在汽车等速直线行驶时，给转向轮以角阶跃输入，不考虑其等速直线行驶与等速圆周行驶之间的瞬态过程，只以其稳态响应作为研究的重点。若将整个汽车看作一个质点，汽车转向轮角阶跃输入下稳态响应，这时汽车运行轨迹应如图2-8所示：OR图2-8 转向轮角阶跃输入下汽车运行轨迹汽车处在转向状态下时，由阿卡曼转向原理可知汽车上的任意一点均绕其瞬时转动中心O转动，而由上图可以看出，汽车在等速圆周行驶的情况下，其上任意一点均围绕汽车回转中心点O转动。此外，汽车处在等速圆周行驶的情况下，其车体的运动不但有平移，还具有绕自身汽车坐标系中Z轴的转动，即横摆角速度。这就很好的符合了关于车轮的转向轮角阶跃输入下的稳态响应的理论叙述。通常情况下，横摆角速度是衡量汽车操纵稳定性的一个重要的参数，四轮转向系统在汽车转弯时能够基本保持重心侧偏角为零。传统的前轮转向汽车在转弯时，汽车的前进方向与其纵向中心线的方向不一致，其夹角就是汽车重心侧偏角。2WS汽车的重心侧偏角对前轮转向角的增益5：公式（2-1）其中，如下图2-9所示，在某一速度下汽车重心侧偏角 = 0，此时汽车的前进方向（即汽车重心的运动方向）与汽车纵向对称线方向一致。当低于这一速度时，重心向与前轮转角方向相同的方向偏移。当高于这一车速时，重心向与前轮转向角方向相反的方向偏移。当后轮附加某一特定的转角时，将产生与前述方向相反的重心侧偏角，与前轮产生的重心侧偏角叠加，使汽车侧偏角基本为零。图2-9汽车重心侧偏角对前轮转向角的增益与速度的关系2.5四轮转向汽车的转向特性四轮转向的目的是：在低速行驶时作逆相转向（后轮与前轮的转向操纵方向相反），使转向时小转弯性能良好；中高速行驶时作同相转向（后轮与前轮的转向操纵方向相同），以提高在汽车在高速行驶时进行车道变换或转向时的操纵稳定性。2.5.1 4WS系统的低速转向特性现在所说的四轮转向，不是前后轮反向偏转的古典方式，而是指前后轮既可同方向地，也可反方向偏转的新概念的四轮转向。在四轮转向中，如果前后轮的偏移角不同，会产生重心的平移运动和重心旋转运动。在二轮转向中，不管前轮如何偏转都要产生重心的平移运动与重心的旋转运动，二者的运动情况取决于机械的设计参数与行驶条件。而四轮转向则与此不同，由于前后轮的转向比率变化，重心的平移运动和重心旋转的回转运动两者能任意改变，即能够单独决定距离与位置，这是四轮转向机械的独有特性。四轮转向可以得到两个自由度的运动，应以转向输入的变化和机械运动状态来改变前后轮的偏转，想办法经常使机械的两个输出的匹配成为最佳状态，也就是要使机械处于最佳转向状态，这才是四轮转向的本质所在。汽车在低速转向的情况下，可以认为车体的前进方向和汽车的朝向大体一致的，所以各车轮几乎不产生转向力。四轮的前进方向的垂线在一点相交，而汽车以此交点（转向中心）为中心进行转向。转向中心转向中心（a） 2WS（b） 4WS图2-10 低速转向时的行驶轨迹观察上图2-106所示的低速转向时的行驶轨迹，可知2WS汽车（前轮转向操纵）的情况是后轮不转向，所以转向中心大致在后轴的延长线上。4WS汽车的情况是对后轮进行逆向转向操纵，所以中心就比2WS汽车的超前并在靠近车体处。在低速转向时，4WS汽车比2WS汽车的转向半径更小，内轮差也能更小，所以转向性好。此外，二轮转向和四轮转向不仅行驶轨迹不同，在转弯动作过程上也有很大差别，下面分别以流程图说明它们的转弯过程。驾驶员意志驾驶员打方向盘前轮改变方向前轮产生横向力车辆方向发生改变后轮改变方向后轮产生横向力开始转弯路线与车轮轨迹发生偏差图2-11 2WS转向流程图2-12 4WS转向流程驾驶员意志驾驶员打方向盘前轮改变方向前轮产生横向力后轮改变方向后轮产生横向力开始转弯路线与车轮轨迹发生偏差如以上二图2-11和2-12所示，4WS与2WS的区别在于，在2WS中，汽车转向时，先是前轮转向，然后后轮根据前轮的偏转产生偏转力，进行被动的转向。而在4WS中，控制指令发出以后，前后轮一起偏转，可省去前轮方向改变到后轮轮胎产生旋转力的延迟时间，大大提高了转向速度。2.5.2 4WS系统的高速转向特性直行汽车的转向是由下列两个运动的合成，即汽车的质心点绕改变前进方向的转向中心的公转和绕质心点的自转运动。下图2-137所示为2WS汽车高速转向时的运动状态。前轮转向时，前轮产生侧偏角，并产生旋转向心力使车体开始自转。当车体出现偏向时，后轮也发生侧偏角且也产生旋转向心力。四轮分担自转和公转的力，一边转向一边平衡。但是，车速越高，离心力就越大。所以必须给前轮更大的侧偏角，使它产生更大的旋转向心力。而且，为了使后轮也产生与此相对应的侧偏角，使得车体有更大的自转运动。但车速愈高，车体的自转运动就愈不稳定，容易引起汽车的旋转或侧滑。理想的高速转向的运动状态是尽可能使车体的倾向和前进方向相一致，以防多余的自转运动，使前后轮产生足够的旋转向心力。在4WS的汽车上通过对后轮的同向转向操纵，使后轮也产生侧偏角。，使它与前轮的旋转向心力相平衡，从而抑制自转运动，如图2-174所示。这样有可能得到车体方向与汽车前进方向相一致的稳定转向状态。车体方向前进方向转向方向后轮侧偏角离心力后轮旋转向心力前轮旋转向心力图2-13 2WS汽车高速行驶的运动状态车体方向前进方向转向方向转向方向前进方向车体方向(a) 2WS(b) 4WS图2-14 高速转向时2WS与4WS比较2.6本章小结（1）分析了现有的各类转向机构特点，并指出其优缺点和适合的工作环境，对一些机构提出了改良意见。（2）指出本文研究重点，即四轮转向系统的组成和工作原理，指出其与传统机构的不同，以及其在特殊工作环境下运行的优点。（3）针对汽车四轮转向系统，具体分析了其转向过程，并对其在转向过程中的特点和优势进行了分析研究。39第三章（四轮转向系统非线性动力学分析）第三章 基于轮胎非线性的汽车四轮转向模型研究建立合理的数学模型是汽车四轮转向研究的重要一步。在设计的不同阶段，与汽车动力学模型规模的要求是不同的，鉴于人们己经在转向闭环系统组成部的建模方面己做了大量的工作，本章将综述已有的研究结果，构建4WS汽车力学模型，着重分析汽车在运动中所受到的外界影响和受力情况，分析其中重要的非线性因素，并对汽车四轮转向数学模型的建立进行深入而致的讨论，最后给出本系统的四轮转向模型。3.1非线性因素的引入3.1.1运动中所受到的力要建立一个较好的考虑汽车动力系统中非线性因素的汽车模型，首先应该分汽车的运动形式及在运动中所受到的力。汽车的运动包括：纵向（surge）、横向（sway）和上下（heave）共三个方向平动，以及三个方向的转动：横摆（yaw）、侧滚（roll）和俯仰/点头（Pitch）。其中纵向、上下和俯仰运动和转向操作没有直接关系，而侧倾运动则是伴随侧向横摆运动产生的（如以下示意图3-1所示）。上下俯仰横向侧滚纵向横摆图3-1汽车运动示意图汽车运动状态的改变，是由于重力、空气阻力和地面对它的作用力的影响。其中空气阻力可分为两个部分：无风时的空气阻力以及风力。前者的产生是由于汽车与空气的相对运动，该力的等效力在汽车上的作用点称为风压中心。为了确保汽车的稳定，车身的气动中心应处于汽车质心的后方，其原理与摆稳定的机理相同。后者的产生则是由于空气的运动，其方向和大小，都具有一定的随机性。显然，空气阻力对汽车运动的影响是随车速的升高而增加，这就要求车身的形状符合空气动力学理论。汽车的空气阻力模型很少见，一般都是在数值计算中引入这种作用，没有这种力的解析表达式，在现有的横向动力学分析中，主要考虑的是横向触碰的作用。汽车与地面接触，首先产生压力，又因汽车与地面之间存在相对运动或相对运动趋势，从而产生摩擦力。为了把握这种摩擦力的本质，通常把地面作用于轮胎的力分为：静态力、动态力、随机力，分别进行建模。现有的大量研究表明，轮胎力具有明显的非线性特性，在大转角的情况下对汽车的动力学有显着的影响。轮胎力的随机性表现在两个方面：横向力和垂向力。其中垂向力的随机性对车身铅垂方向运动的影响，己经引起人们的重视，并在汽车悬架系统的设计中考虑了这一因素。而横向力的随机性在汽车横向力的研究中还考