未來(lái)智能車(chē)的構(gòu)想與設(shè)計(jì)

1、未來(lái)智能車(chē)的構(gòu)想與設(shè)計(jì)作者姓名賈一帆 吳宙平 范士琦作者單位吉林大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院車(chē)輛工程卓越工程師班日期2010年11月26日摘要Abstract （中英文）本報(bào)告從車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)，底盤(pán)，車(chē)身和電氣設(shè)備四個(gè)方面構(gòu)想并簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)了一款智能車(chē)，其重點(diǎn)在于該車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)，對(duì)傳感器與電腦也進(jìn)行了簡(jiǎn)單布置。This report explains a thought and a simple design of a intelligent car, including engine, chassis, car body and electric facilities. The stresses ar

2、e the motive force system and the suspension.We also design the sensors and the computer generally.前言（Introduction）上一個(gè)報(bào)告我們對(duì)智能車(chē)應(yīng)具有的功能和技術(shù)從交流，感覺(jué)，思考，行走和交通設(shè)施等方面進(jìn)行闡述。在上一個(gè)報(bào)告所探討的基礎(chǔ)上，本報(bào)告將基于我們認(rèn)為的智能車(chē)的功能，功用以及技術(shù)設(shè)計(jì)一款智能車(chē)的雛形。我們的設(shè)想在保證合理的工程約束和可行性的基礎(chǔ)之上進(jìn)行了一定的創(chuàng)新。我們將就發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)、車(chē)身和電氣設(shè)備對(duì)這款智能車(chē)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本報(bào)告只談設(shè)想，不涉及具體的制造方案。第一部分 發(fā)動(dòng)機(jī)我們

3、決定采用四個(gè)獨(dú)立的高壓（約400V）電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)四個(gè)車(chē)輪。用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力除清潔，環(huán)保，體積小外還有許多優(yōu)點(diǎn)，這在下一部分的論述中將凸顯出來(lái)。我們對(duì)現(xiàn)當(dāng)代電動(dòng)機(jī)技術(shù)不甚了解，但我們要求所使用的電動(dòng)機(jī)必須能夠適應(yīng)快慢不同的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速變化范圍廣（因?yàn)槲覀儾粶?zhǔn)備使用變速箱），而且扭矩大，以保證加速順暢和各項(xiàng)動(dòng)作的需要。高電壓是為了適應(yīng)用作動(dòng)力的電動(dòng)機(jī)功率大，能耗相對(duì)其它電機(jī)較高的特點(diǎn)。當(dāng)然，這也對(duì)電池要求很高。普通的鋰電池作電源的電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程在200公里以?xún)?nèi)。燃料電池成本高，易故障，而且大多只能用氣體燃料。所以為了增加續(xù)航里程，我們決定在車(chē)身后方加一個(gè)小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，必要時(shí)為鋰電池組充電以

4、增大續(xù)航里程。燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)具有工作穩(wěn)定，熱效率高的特點(diǎn)，可以減少能量損失。另外，燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)燃料沒(méi)有特殊的要求，只需稍加改動(dòng)，就可以在汽油，乙醇等燃料之間變化。第二部分 底盤(pán) 我們本想采用Audi RSQ那樣的電磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)的球形車(chē)輪以實(shí)現(xiàn)高靈活性，但經(jīng)過(guò)論證之后，我們沒(méi)有采用。這種車(chē)輪局限性很大比如不宜更換輪胎，成本高，而且輪胎與地面接觸面積太小以至于抓地力不強(qiáng)，而且實(shí)現(xiàn)起來(lái)技術(shù)復(fù)雜。我們還是采用傳統(tǒng)的圓柱形輪胎，但是我們的懸掛系統(tǒng)采用了高靈活性的設(shè)計(jì)。由于我們采用了四個(gè)獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)每個(gè)車(chē)輪，電動(dòng)機(jī)與車(chē)輪之間是直接的，剛性的連接，或者干脆說(shuō)電動(dòng)機(jī)使車(chē)輪的一部分，那我們就免去了復(fù)雜的傳動(dòng)系

5、統(tǒng)，也沒(méi)有了許多單一動(dòng)力源所帶來(lái)的種種限制。傳統(tǒng)汽車(chē)要想實(shí)現(xiàn)較好的四輪驅(qū)動(dòng)，要有變速箱，差速器，傳動(dòng)軸，萬(wàn)向節(jié)等復(fù)雜的機(jī)械裝置，不僅不易實(shí)現(xiàn)四個(gè)車(chē)輪上動(dòng)力的最優(yōu)分配，而且還限制了四個(gè)車(chē)輪的位置。每個(gè)車(chē)輪有一個(gè)電機(jī)，中央電腦可以動(dòng)態(tài)的分配每個(gè)電動(dòng)機(jī)的電壓，非常靈敏迅速的適應(yīng)各種情況，達(dá)到四輪動(dòng)力的最優(yōu)分配。傳統(tǒng)的摩擦制動(dòng)系統(tǒng)可以免去，當(dāng)車(chē)輪電機(jī)通入反向電壓時(shí)即實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。而且四個(gè)車(chē)輪的位置也不必固定，這就使車(chē)子能夠更加靈活，適應(yīng)各種路況。我們的設(shè)想是，像馬的四肢那樣的裝置連接底盤(pán)與帶有電機(jī)的輪子。具體地說(shuō)是每個(gè)車(chē)輪及其電機(jī)連接著一個(gè)電控可伸縮的桿，這個(gè)桿的另一端通過(guò)電控液壓裝置可活動(dòng)地連接在底盤(pán)上

6、。不管別的，舒適性首先得到了提升。車(chē)輪不再位于車(chē)子的正下方，豎直方向的顛簸不能直接傳遞給乘員，而是通過(guò)與車(chē)身成一定角度的連桿傳遞，這樣豎直方向上的震動(dòng)就很容易通過(guò)連桿與車(chē)身角度的輕微變化被吸收。此時(shí)減震器將不再需要垂直應(yīng)用的螺旋彈簧，而是由四個(gè)可調(diào)扭矩的扭轉(zhuǎn)彈簧和對(duì)應(yīng)的阻尼裝置組成。四根桿的長(zhǎng)度，與車(chē)身傾角都動(dòng)態(tài)地受電腦調(diào)節(jié)，從而適應(yīng)各種地形，應(yīng)對(duì)各種情況都比傳統(tǒng)車(chē)輪固定汽車(chē)優(yōu)秀許多。比如，要開(kāi)上高出馬路的人行道，可以縮短一個(gè)連桿升高一個(gè)輪子，形成一個(gè)短暫的三輪著地狀態(tài)，將升高的輪子落在人行道上，其他輪子采用類(lèi)似方法，避免了硬沖上去。停車(chē)時(shí)，四根連桿均縮到最短長(zhǎng)度，輪子縮回到車(chē)身下方，與現(xiàn)當(dāng)代

7、轎車(chē)的車(chē)輪位置相似。另外，由于我們采用了這種結(jié)構(gòu)，那么對(duì)連桿與車(chē)身連接處以及車(chē)身整體強(qiáng)度都有很高的要求。承載式車(chē)身不能很好的滿(mǎn)足這種設(shè)計(jì)，所以我們采用非承載式車(chē)身。用大梁來(lái)連接這四根連桿，車(chē)身不再承受來(lái)自四個(gè)方向時(shí)刻不同的壓力，從而提高平穩(wěn)性和安全性。以上兩示意圖為俯視圖。左圖：當(dāng)行駛空間大或車(chē)輛高速行駛時(shí)，連桿伸長(zhǎng)，與水平方向夾角減小以增大輪距和軸距，使車(chē)輛更加穩(wěn)定。右圖：當(dāng)交通較擁堵或車(chē)輛低速行駛，路況復(fù)雜時(shí)，連桿縮短，與水平方向夾角適當(dāng)增大以節(jié)省空間，使車(chē)輛更靈活。以上兩示意圖為主視圖。左圖：當(dāng)路面凹凸不平時(shí)連桿伸長(zhǎng)，與水平方向夾角增大以增大離地間隙，增大車(chē)輛通過(guò)性。右圖：當(dāng)路面平坦時(shí)，

8、連桿縮短，與水平方向夾角縮短以減小離地間隙，增強(qiáng)穩(wěn)定性。上圖為主視圖，表示當(dāng)車(chē)輛高速行駛時(shí)，連桿伸長(zhǎng)，并且與水平方向夾角減小，使輪距變大，離地間隙變小，使車(chē)輛的高速穩(wěn)定性提高，風(fēng)阻系數(shù)降低。上圖為主視圖，表示車(chē)輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，外側(cè)輪胎的連桿伸長(zhǎng)，使車(chē)身傾斜向轉(zhuǎn)彎中心一定角度，該角度由轉(zhuǎn)彎半徑和速度決定。通過(guò)支持力的水平分力提供轉(zhuǎn)彎向心力，從而避免側(cè)傾。以上兩示意圖為側(cè)視圖左圖：車(chē)輛制動(dòng)時(shí)前輪連桿伸長(zhǎng)，以防止重心前移引起的車(chē)頭下沉。右圖：車(chē)輛急加速時(shí)后輪連桿伸長(zhǎng)，以防止中心后移引起的車(chē)頭上仰。第三部分 車(chē)身關(guān)于車(chē)身，我們準(zhǔn)備采用傳統(tǒng)的方式，采用兩廂的結(jié)構(gòu)，四門(mén)側(cè)開(kāi)，座椅分前后排。車(chē)頂采用硬頂全景天窗，

9、由于車(chē)輛前部不需要發(fā)動(dòng)機(jī)艙，所以車(chē)鼻部分可以短些，以增大車(chē)內(nèi)空間，擴(kuò)大成員視野。車(chē)鼻內(nèi)部用于放置電池組。車(chē)箱后方行李艙下方放置兩個(gè)燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)，排氣管對(duì)稱(chēng)置于車(chē)身后部。車(chē)頂后方設(shè)置一個(gè)可自動(dòng)調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，寬度與角度的擾流翼，以根據(jù)情況給車(chē)輛提供最佳的下壓力與風(fēng)阻系數(shù)。值得注意的是，智能車(chē)大部分時(shí)間都是自動(dòng)駕駛，而如果保留方向盤(pán)，將會(huì)阻礙駕駛員的活動(dòng)。但是方向盤(pán)是必須的，因?yàn)楸仨毐３竹{駛員對(duì)車(chē)輛的控制權(quán)。所以我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)可折疊的方向盤(pán)放置在前排左側(cè)前端。儀表盤(pán)放置在車(chē)廂的前端中央，包括當(dāng)前功率，電力剩余，時(shí)速，四輪轉(zhuǎn)速。除了左側(cè)駕駛員腳下有剎車(chē)踏板外，每名成員前方的操作面板都有一個(gè)醒目的制動(dòng)按鈕，

10、以應(yīng)對(duì)突發(fā)事件。駕駛位除了具有普通汽車(chē)應(yīng)有的功能外，還有手動(dòng)調(diào)節(jié)四根連桿角度和長(zhǎng)度的手柄。當(dāng)然每名成員前方的操作面板都與主計(jì)算機(jī)連接，可以對(duì)主計(jì)算機(jī)下達(dá)命令或查看當(dāng)前車(chē)輛駕駛模式，道路當(dāng)前狀態(tài)以及附近車(chē)輛信息等。沒(méi)有了傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，很易實(shí)現(xiàn)前后重量50：50的分配(根據(jù)乘員在車(chē)廂中的位置調(diào)節(jié)連桿智能分配)，再加上四輪的智能驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)向過(guò)度與轉(zhuǎn)向不足都可以很好的被解決。第四部分 電氣設(shè)備由于我們的懸掛采用了這種連桿的結(jié)構(gòu)，所以四個(gè)車(chē)輪處于車(chē)子的四個(gè)角。在四個(gè)車(chē)輪罩上分別安裝短程傳感器（毫米波雷達(dá)），隨動(dòng)大燈，轉(zhuǎn)向燈，剎車(chē)燈，倒車(chē)燈，也安裝在車(chē)輪罩上；高位剎車(chē)燈安裝在后風(fēng)擋上，霧燈安裝在相當(dāng)于散熱格

11、柵兩側(cè)的位置。車(chē)頂前后各安裝兩個(gè)遠(yuǎn)程傳感器（激光雷達(dá)）和兩個(gè)照相機(jī)，左右后視鏡分別安裝兩個(gè)盲點(diǎn)傳感器。天線(xiàn)安裝在車(chē)頂正后方。主計(jì)算機(jī)位于前風(fēng)擋下方，以鋼板保護(hù)并加散熱片散熱。但易于打開(kāi)以解決各種問(wèn)題并更新升級(jí)各硬件。傳感器，車(chē)燈，車(chē)內(nèi)空調(diào)，照明，電腦用一套低壓電源（24V）。四個(gè)車(chē)輪電機(jī)，電力液壓設(shè)備使用高壓電源（約400V），低壓電源由高壓電源提供電力，高壓電源由燃?xì)廨啓C(jī)充電。自檢程序?qū)r(shí)刻感應(yīng)車(chē)輛各部件工作情況，并將車(chē)輛各部分狀態(tài)反饋給主計(jì)算機(jī)和駕駛員，出現(xiàn)問(wèn)題將以警報(bào)的方式提醒駕駛員，當(dāng)出現(xiàn)重大故障車(chē)輛無(wú)法自動(dòng)駕駛時(shí)，將切換為手動(dòng)駕駛，折疊的方向盤(pán)將自動(dòng)展開(kāi)。（當(dāng)然駕駛員也可以隨時(shí)選擇手動(dòng)駕駛）。報(bào)告結(jié)論（Concl