CN102700651B - 一种基于车轮系统结构设计车辆的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于车轮系统结构设计车辆的方法，为了解决现有的车轮系统为同等半径，造成车辆从动轮费力、驱动轮乏力及动力配置过剩的问题，所述基于车轮系统结构设计车辆的方法包括如下步骤：1）根据从动轮滚动阻力平衡公式F_p1=Fz初步设定荷载轮半径及推动力；2）根据车轮地面制动力公式F_xb=T_u/r拟定荷载轮半径r₁，核定车辆制动力矩是否安全可靠；3）确定荷载轮结构车辆所需驱动力F_t=F_f+F_w+F_i；4）将驱动轮以设置在荷载轮车辆驱动部位的荷载轮的一侧或两侧；5）驱动轮的半径r₂小于或等于荷载轮半径r₁一半确定r₂，确定车辆动力系合理配置。本发明实现了在不增加车辆原动力条件下大幅增强车辆驱动力，达到了大幅节能的目标。

Description

一种基于车轮系统结构设计车辆的方法

技术领域

本发明属于车辆技术设计领域，尤其涉及一种基于车轮系统结构设计车辆的方法，具体是指将道路车辆车轮系统的从动轮与驱动轮结构概念，变革为以荷载轮为基本结构的概念，由此，根据车轮运动特性优势进行车辆设计，实现车辆大幅节能的目标。

背景技术

车辆车轮系统结构的研究长期以来不为人重视，在车辆技术设计时，人们习惯于按照车辆发动机的转速特性、变速器的传动比、主变速比、传动效率、车轮半径、空气阻力系数、迎风面积和车辆质量等条件顺序思考问题。这种思路与方法是否妥当，人们从未置疑。但是，从车辆的行驶情况看，特别是汽车技术一百年历程看，至今车辆仍然普遍存在效率不高的缺陷，无论是摩托车、电动车还是汽车都是如此。以汽车为例，其经济效能是十分低下的，有研究表明“在实际使用中，大部分使用时间内发动机的负荷率都达不到经济范围，试验证明，一般汽车在水平良好路面上以常用速度行驶时，克服各种阻力所需的功率仅为发动机相应转速下最大功率的50﹪-60﹪，相当于发动机最大功率的20﹪左右。”这一实例充分说明人们习惯的设计思路和方法肯定是有不当之处的，可是人们并没有因此而寻求创新之路，还是固执地将提高车辆燃油经济性因素的努力和希望，寄托在主要依靠发动机的有效燃油消耗率、行驶阻力和传动系的传动效率三方面，面临着收效甚微的尴尬。如果从车辆车轮系统结构考虑问道，现行车辆的弊端就暴露无疑了，情况也将大为改观。

传统的车轮系统结构是就车轮功能而言的，该概念一直牢固地建立在从动轮与驱动轮结构上，根据车轮运动力学的特点，认为车辆车轮系统是由从动轮与驱动轮二者构成的。在这种传统结构中，将依靠传输至车轮圆周上转矩运动的车轮称为驱动轮，将依靠车轮中心推力滚动的车轮谓之从动轮；在这种传统结构中所有的车轮都是车辆荷载的荷载轮，驱动轮也是荷载轮。

长期以来，人们从未质疑过这一概念在应用时的准确性，在不懈地追求车辆造型完美性的同时，往往将车辆的从动轮与驱动轮半径尺寸设定成相等。

根据经典的车轮运动力学研究分析不难发现，这种传统的车轮系统结构充满内载矛盾；这种矛盾主要体现在车轮半径尺寸方面。对于驱动轮驱动力公式为F_t = T_t /r，驱动轮上的地面切向反作用力F_x2=T_t-T_f（式中Ft为驱动力、T_t为驱动力矩、r车轮半径、F_x2为驱动轮上的地面切向反作用力、T_f为滚动阻力矩），对于从动轮滚动阻力平衡公式F_p1=Fz（式中F_p1为荷载轮中心推力、a车轮作用力前移距离、r为车轮半径，Fz为荷载的反作用力），这两类公式揭示的法则是：在传统车轮系统结构中，驱动轮半径尺寸越小其驱动力越大，从动轮半径尺寸越大其所需推动力越小，从动轮与驱动轮半径取向相反。因此，目前车辆设计中将从动轮与驱动轮车轮半径设计成同等尺寸的作法显然是不妥当的。再则，由于传统车轮系统结构中驱动轮兼有驱动与荷载双重功能，对于车辆荷载该轮应该理解其内涵从动轮特性，所以，这种车轮功能属性本身就注定了其半径尺寸选择时的两难境地。

非常遗憾的是，人们在实践过程中竟然无视这种传统结构的矛盾，忘却了车轮运动力学的基本原理，并没有采取首先从车轮结构因素出发考虑车辆设计的方法，由此直接获取车轮属性的效能优势，而是采用放弃车轮属性的效能特点优势，首先考虑动力因素再考虑动力传递因素……最后考虑车轮结构因素的方法，由此，将大多车轮系统设计成同等半径，造成车辆从动轮费力、驱动轮乏力的困难局面，同时，还将提高车辆驱动力的技术措施引入到单纯依靠增加车辆原动力的歧途，严重地阻碍了人类社会理性发展的进程。

发明内容

为了克服现有车辆技术设计方法导致的车辆功率过剩、功效低下的弊端，本发明旨在提供一种基于车轮系统结构设计道路车辆的方法，该方法遵循车轮结构运动力学研究原则，彻底摒弃了传统车辆车轮系统结构的概念，创新建立了车辆以荷载轮为基础的系统结构概念，技术设计时，首先将车辆视为荷载轮车辆，由此，提出按从动轮特性确定车辆所需动力等条件，合理采用较大半径的荷载轮，以求减小车辆所需推动力，这种荷载轮车辆所需驱动力小于传统车轮结构车辆所需驱动力；而后，再将驱动轮作为荷载轮车辆系统的功能补充设置其中，合理采用较小半径的驱动轮，以求获取较大驱动力；在驱动轮半径、驱动力都确定后，据此合理配置发动机及传动系；这种以荷载轮车辆所需驱动力确定车辆动力的方法比传统车辆方法更合理，没有不必要的动力配置和高额剩余功率，车辆达到了高效能的行驶特性，实现了大幅节能的目标。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于车轮系统结构设计车辆的方法，其特点是，车辆车轮系统由若干个安装在车架上的荷载轮构成，该车架上还装有驱动轮；所述荷载轮与驱动轮构成复合车轮；具体设计步骤为：

1）根据从动轮滚动阻力平衡公式F_p1 = F_z 初步设定荷载轮半径r₁及荷载轮中心推力F_p1和车轮滚动阻力F_f，F_f =F_p1,式中F_p1为荷载轮中心推力、a为车轮作用力前移距离、r为车轮半径、Fz为荷载的反作用力、F_f车轮滚动阻力；

2）根据车轮地面制动力公式F_xb=T_u/r拟定荷载轮半径r₁，核定车辆制动力矩是否安全可靠，式中F_xb为制动力、T_u为制动器摩擦力矩；

3）根据车辆驱动条件式确定荷载轮结构车辆所需驱动力F_t，其中车辆所需驱动力F_t = F_f + F_w +F_i，式中F_w为空气阻力、F_i为坡度阻力、F_f为滚动阻力；

4）将驱动轮设置在荷载轮车辆驱动部位的荷载轮的一侧或两侧；

5）按照驱动轮的半径r₂小于或等于荷载轮半径r₁一半的原则，确定驱动轮的半径r₂，根据驱动轮驱动力矩T_t及发动机输出转矩经传动系传到驱动轮的力矩相等来确定车辆动力系的配置。

6）确定驱动轮附着力F_Ҩ，使驱动轮附着力F_Ҩ﹥驱动力F_t。

为了提高车辆通行性能，本发明采用复合车轮技术方案，复合车轮是由荷载轮、驱动轮、活动支架及与车身连接的连接支架组成的。所述连接支架与荷载轮固定连接，该连接支架与一活动支架柔性连接，该活动支架上装有驱动轮；所述活动支架的一端与压力调节器的一端相连，该压力调节器的另一端与连接支架相连，活动支架的另一端通过活动接头固定在连接支架上。

所述连接支架通过纵向梁与车辆车桥相连，该纵向梁固定连接车辆动力输出端，所述车辆动力输出端与驱动接头相连，该驱动接头与所述驱动轮固定相连。

藉由上述方法，对于道路车辆，特别是城市道路路面较好的情况，增大车轮半径能降低轮胎的接地比压、减少阻力、提高车辆通行性能，但是车辆惯性也会增大，对车辆制动系统要求提高。本发明首先根据从动轮滚动阻力平衡公式F_p1= Fz，F_f =F_p1（式中F_p1为荷载轮中心推力、a为车轮作用力前移距离、r为车轮半径、Fz为荷载的反作用力、F_f为车轮滚动阻力）初步设定荷载轮半径及荷载轮中心推力和车轮滚动阻力。

然后根据车轮地面制动力公式F_xb= T_u/ r（式中F_xb为制动力、T_u为制动器摩擦力矩）拟定荷载轮半径r₁，核定车辆制动力矩是否安全可靠。

再根据车辆驱动条件式确定荷载轮结构车辆所需驱动力F_t，该所需驱动力小于传统车辆所需驱动力；对于本发明车辆 F_t = F_f + F_w +F_i；对于传统车辆Ft=F_x2+F_f+ F_w +F_i；式中F_w为空气阻力、F_i为坡度阻力、F_x2为驱动轮上的地面切向反作用力、F_f为车轮滚动阻力。

之后将驱动轮以设置在荷载轮车辆驱动部位的荷载轮的一侧或两侧。

再之后按照本发明驱动轮的半径r₂小于或等于荷载轮半径r₁一半的原则，确定驱动轮的半径r₂，根据驱动轮驱动力矩T_t及发动机输出转矩经传动系传到驱动轮的力矩相等来确定车辆动力系合理配置，这种配置可以采用中速发动机或电动机及传动系实现，达到车辆节能目标。

最后确定驱动轮附着力F_Ҩ，使驱动轮附着力F_Ҩ﹥驱动力F_t。

本发明的车轮结构是以荷载轮为基础的，即车辆是以荷载轮为基础组成承担车辆荷载、保持车辆稳定的系统结构的;驱动轮（非荷载轮）不承担车辆主要荷载，仅作为荷载轮车轮系统的辅助结构，为荷载轮中心提供推力。简而言之，新概念认为车辆车轮系统结构是一种在荷载轮结构基础上增设驱动轮（非荷载轮）的方式，由此，实现了荷载轮与驱动轮半径不等，且充分发挥了车轮属性优势。

车轮系统结构新概念彻底摆脱了传统车轮系统结构的困扰，为车辆技术设计提供了新的技术方向，所述车辆车轮系统由若干个安装在车架上的荷载轮构成，形成较大车轮半径的荷载轮结构车辆，所述荷载轮为从动轮特性，承担车辆荷载具备保障车辆稳定与运动的功能，其运动所需推动力较小；驱动轮作为荷载轮车轮系统的功能补充要数安装在车架上，所述驱动轮为驱动轮特性，不承担车辆荷载，小半径的驱动轮为荷载轮结构车辆提供较大驱动力，由于车辆所需推动力减小、驱动轮驱动力增大，要求与之配置的发动机功率相应较小，并且简化了传动系配置，达到了节能要求；所述荷载轮与驱动轮通过固定连接组件构成复合车轮；所述驱动轮的半径r₂小于或等于荷载轮半径r₁ 的一半。

本发明技术创新作用主要体现在：

⑴建立了荷载轮车辆概念；提出了车辆车轮系统以荷载轮为基础的技术理念，实现了车辆车轮系统结构中车轮功能的分离与独立；

⑵复合车轮技术实现了车轮功能独立的宗旨,将两种不同功能的车轮整合成一个整体使用，是车辆车轮系统结构创新中的亮丽创新点；

⑶改变车轮系统结构大幅节能的技术方向为一批新理念车辆问世奠定了坚实基础；

⑷建立了复合车轮结构车辆的新概念，对于多种车辆均有适用价值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明彻底改变了车辆车轮系统结构设置的概念，复合车轮技术开创了道路车辆车轮系统“从动轮”省力、“驱动轮”强力的新局面，复合车轮车辆由此问世，必将带来道路车辆大幅节能的巨大成就，必将促进人类社会的和谐发展。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1是现有四轮车辆的结构原理图；

图2是本发明一种实施例的结构示意图；

图3为本发明复合车轮原理结构示意图；

图4为图3的左视图；

图5为本发明所述三轮车结构示意图；

图6为本发明一种两轮车结构示意图；

图7为本发明另一种两轮车结构示意图。

在图中

1-荷载轮；2-驱动轮；3-复合车轮；4-连接支架；

5-活动支架；6-压力调节器；7-活动接头；8-驱动接头。

具体实施方式

一种基于车轮系统结构设计车辆的方法，车辆车轮系统由若干个安装在车架上的荷载轮构成，形成具有荷载能力与车辆稳定性、运动性的功能结构，且该荷载轮为较大半径取向，由此，车辆动力设置等条件均需满足该结构的要求；该车架上还装有驱动轮，该驱动轮是荷载轮系统结构的功能补充，其驱动力要求由荷载轮车辆所需动力条件确定，且该驱动轮为较小半径取向，由此，再确定车辆动力及传动系合理配置，这个配置条件要求不高，是一种高效能的配置；所述车轮系统结构考虑到车辆通行条件，采用由荷载轮与驱动轮构成复合车轮的方式。以下以传统电动车（电动摩托）为例简述实施方式，相关参数为：传统电动车电动机功率180W、车轮半径r = 180mm、路面滚动阻力系数f = 0.020的沥青或水泥城市道路、最高车速S = 20km/h（法定车速）、车辆总质量重力W =1960N 、空气阻力F_w = 800N、坡度阻力F_i = 507N （坡度15⁰），具体设计步骤为：

1）根据从动轮滚动阻力平衡公式F_p1 = F_z ，F_f=F_p1（式中F_p1为荷载轮中心推力、a为车轮作用力前移距离、r为车轮半径、Fz为荷载的反作用力、F_f为车轮滚动阻力）初步设定荷载轮半径及荷载轮的中心推力。示例：因为现行电动车的阻力系数f=0.020=、r =180mm、F_z =W =1960N； 所以a=3.6mm、F_p1= 39.2N，传统电动车荷载轮的中心推力为39.2N。本发明车轮半径增至 r=250mm ，则f=0.0144，则有 F_p1=28.2N，荷载轮的中心推力只需28.2N，实现从动轮省力；

2）根据车轮地面制动力公式F_xb= T_u/ r（式中F_bx为制动力、T_u为制动器摩擦力矩）拟定荷载轮半径r₁，核定车辆制动力矩是否安全可靠；按示例条件r₁=250mm、W=1960N ，根据目前碟型闸产品技术指标可行；

3）根据车辆驱动条件式确定荷载轮结构车辆所需驱动力F_t，对于本发明车辆 F_t =F_f + F_w +F_i（式中F_w为空气阻力、F_i为坡度阻力），对于传统车辆Ft=F_x2+F_f+ F_w +F_i（式中F_x2为驱动轮上的地面切向反作用力） ；

示例：本发明车辆所需驱动力F_t﹤传统车辆所需驱动力F_t；

4）将驱动轮以设置在荷载轮车辆驱动部位的荷载轮1的一侧或两侧；

5）本发明驱动轮的半径r₂小于或等于荷载轮半径r₁一半的原则，确定驱动轮的半径r₂，根据驱动轮驱动力矩T_t及发动机输出转矩经传动系传到驱动轮的关系式_r确定车辆动力系合理配置，达到车辆节能目标；

根据示例条件，设驱动力为1340N，按传统车轮半径r₂=0.18mm时所需驱动力矩T_t=241N/m, 本发明车轮半径r₂=0.125m时所需驱动力矩T_t=166N/m，车辆驱动轮所需驱动转矩采用小半径驱动轮时将减小31.2﹪；由此，所需配置的动力系功率也相应变小。示例：因为法定车速20km/h、传统电动车T_t=241N/m 、本发明车辆T_t=166N/m、传统电动机功率P=0.18kw，按照转矩T_t=电动机功率P×9550÷S的简易方法，其中S为电动机的转速；所以两种车辆速度相等时，本发明电动机功率P仅为120W，所以本发明是可以大幅节能的，这种动力配置可以采用中速电动机及传动系实现。

6）确定驱动轮附着力F_Ҩ，保证驱动轮附着力F_Ҩ﹥驱动力F_t。

参见图1，车辆车轮系统是以荷载轮1为基础构成的，根据车辆稳定性、运动性等要求，由一定数量的荷载轮1组成车辆车轮系统基本结构；初步设定荷载轮采用较大半径及而后车辆所需动力、车辆制动力矩，再由此确定荷载轮半径、车辆驱动力。这种基本结构中只要加上驱动轮2就构成完整的车辆车轮系统。

如图2，四个荷载轮1构成四轮车基本结构，若在其后面两个荷载轮1内侧各增加一个驱动轮2就构成一辆功能完整的四轮车车轮系统结构。确定驱动轮2半径小于或等于荷载轮1半径一半，根据已定车辆驱动力及驱动轮2半径，求得所需传矩，进而合理配置发动机、传动系及车轮附着力。

参见图3和图4，以荷载轮1与驱动轮2构成复合车轮3的方式。

复合车轮3是以荷载轮1为主，驱动轮2为辅，经连接组合而成的。其构成是：荷载轮1固定于连接支架4上，连接支架4与车身连接；驱动轮2通过活动支架5固定，活动支架5一头连接压力调节器6，压力调节器6另一头与连接支架4连接；活动支架5另一头通过活动接头7固定在连接支架4上。复合车轮3通过驱动接头8与外部动力传输系统连接获取动力。

本发明方法可以适应多种车辆，图2为道路四轮车结构，由四个荷载轮1构成的基本结构，在其两个后轮内侧各设置一个驱动轮2形成复合车轮3结构。图5为道路三轮车结构，由三个荷载轮1构成的基本结构，后轮两侧设置驱动轮2，形成复合车轮3结构。图6和图7为道路两轮车结构，由两个荷载轮1构成的基本结构，后轮一侧、两侧设置驱动轮2，形成复合车轮3结构。

本发明采用一种复合车轮技术的新方案，实现在不增加车辆原动力条件下大幅增强车辆驱动力，达到大幅节能的目标。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种基于车轮系统结构设计车辆的方法，其特征在于，车辆车轮系统由若干个安装在车架上的荷载轮(1)构成，该车架上还装有驱动轮(2)；所述荷载轮(1)与驱动轮(2)构成复合车轮(3)；具体设计步骤为：

1)根据从动轮滚动阻力平衡公式初步设定荷载轮(1)半径r₁及荷载轮(1)中心推力F_p1和车轮滚动阻力F_f，F_f＝F_p1，式中F_p1为荷载轮(1)中心推力、a为车轮作用力前移距离、r为车轮半径、Fz为荷载的反作用力、F_f为车轮滚动阻力；

2)根据车轮地面制动力公式F_xb＝T_u/r拟定荷载轮(1)半径r₁，核定车辆制动力矩是否安全可靠，式中F_xb为制动力、T_u为制动器摩擦力矩；

3)根据车辆驱动条件式确定荷载轮结构车辆所需驱动力F_t，其中车辆所需驱动力F_t＝F_f+F_w+F_i，式中F_w为空气阻力、F_i为坡度阻力、F_f为滚动阻力；

4)将驱动轮设置在荷载轮车辆驱动部位的荷载轮的一侧或两侧；

5)按照驱动轮(2)的半径r₂小于或等于荷载轮半径r₁一半的原则，确定驱动轮(2)的半径r₂，根据驱动轮(2)驱动力矩T_t及发动机输出转矩经传动系传到驱动轮(2)的力矩相等来确定车辆动力系的配置；

6)确定驱动轮附着力使驱动轮附着力

所述复合车轮(3)由荷载轮(1)、驱动轮(2)、活动支架(5)及与车身连接的连接支架(4)组成；所述连接支架(4)与荷载轮(1)固定连接，该连接支架(4)与一活动支架(5)柔性连接，该活动支架(5)上装有驱动轮(2)；所述活动支架(5)的一端与压力调节器(6)的一端相连，该压力调节器(6)的另一端与连接支架(4)相连，活动支架(5)的另一端通过活动接头(7)固定在连接支架(4)上。

2.根据权利要求1所述的基于车轮系统结构设计车辆的方法，其特征在于，所述连接支架(4)通过纵向梁与车辆车桥相连，该纵向梁固定连接车辆动力输出端，所述车辆动力输出端与驱动接头(8)相连，该驱动接头(8)与所述驱动轮(2)固定相连。