專利名稱：一種基于車輪系統(tǒng)結構設計車輛的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于車輛技術設計領域，尤其涉及一種基于車輪系統(tǒng)結構設計車輛的方法，具體是指將道路車輛車輪系統(tǒng)的從動輪與驅動輪結構概念，變革為以荷載輪為基本結構的概念，由此，根據(jù)車輪運動特性優(yōu)勢進行車輛設計，實現(xiàn)車輛大幅節(jié)能的目標。
背景技術：
車輛車輪系統(tǒng)結構的研究長期以來不為人重視，在車輛技術設計時，人們習慣于按照車輛發(fā)動機的轉速特性、變速器的傳動比、主變速比、傳動效率、車輪半徑、空氣阻力系數(shù)、迎風面積和車輛質量等條件順序思考問題。這種思路與方法是否妥當，人們從未置疑。但是，從車輛的行駛情況看，特別是汽車技術一百年歷程看，至今車輛仍然普遍存在效率不高的缺陷，無論是摩托車、電動車還是汽車都是如此。以汽車為例，其經(jīng)濟效能是十分低下的，有研究表明“在實際使用中，大部分使用時間內(nèi)發(fā)動機的負荷率都達不到經(jīng)濟范圍，試驗證明，一般汽車在水平良好路面上以常用速度行駛時，克服各種阻力所需的功率僅為發(fā) 動機相應轉速下最大功率的50 % -60 %,相當于發(fā)動機最大功率的20 %左右?！边@一實例充分說明人們習慣的設計思路和方法肯定是有不當之處的，可是人們并沒有因此而尋求創(chuàng)新之路，還是固執(zhí)地將提高車輛燃油經(jīng)濟性因素的努力和希望，寄托在主要依靠發(fā)動機的有效燃油消耗率、行駛阻力和傳動系的傳動效率三方面，面臨著收效甚微的尷尬。如果從車輛車輪系統(tǒng)結構考慮問道，現(xiàn)行車輛的弊端就暴露無疑了，情況也將大為改觀。傳統(tǒng)的車輪系統(tǒng)結構是就車輪功能而言的，該概念一直牢固地建立在從動輪與驅動輪結構上，根據(jù)車輪運動力學的特點，認為車輛車輪系統(tǒng)是由從動輪與驅動輪二者構成的。在這種傳統(tǒng)結構中，將依靠傳輸至車輪圓周上轉矩運動的車輪稱為驅動輪，將依靠車輪中心推力滾動的車輪謂之從動輪；在這種傳統(tǒng)結構中所有的車輪都是車輛荷載的荷載輪，驅動輪也是荷載輪。長期以來，人們從未質疑過這一概念在應用時的準確性，在不懈地追求車輛造型完美性的同時，往往將車輛的從動輪與驅動輪半徑尺寸設定成相等。根據(jù)經(jīng)典的車輪運動力學研究分析不難發(fā)現(xiàn)，這種傳統(tǒng)的車輪系統(tǒng)結構充滿內(nèi)載矛盾；這種矛盾主要體現(xiàn)在車輪半徑尺寸方面。對于驅動輪驅動力公式為Ft= Tt/r，驅動輪上的地面切向反作用力Fx2=Tt-Tf (式中Ft為驅動力、Tt為驅動力矩、r車輪半徑、Fx2為驅動輪上的地面切向反作用力、Tf為滾動阻力矩)，對于從動輪滾動阻力平衡公式Fpl= Fz
-(式中Fpl為荷載輪中心推力、a車輪作用力前移距離、r為車輪半徑，F(xiàn)z為荷載的反作用r
力)，這兩類公式揭示的法則是在傳統(tǒng)車輪系統(tǒng)結構中，驅動輪半徑尺寸越小其驅動力越大，從動輪半徑尺寸越大其所需推動力越小，從動輪與驅動輪半徑取向相反。因此，目前車輛設計中將從動輪與驅動輪車輪半徑設計成同等尺寸的作法顯然是不妥當?shù)?。再則，由于傳統(tǒng)車輪系統(tǒng)結構中驅動輪兼有驅動與荷載雙重功能，對于車輛荷載該輪應該理解其內(nèi)涵從動輪特性，所以，這種車輪功能屬性本身就注定了其半徑尺寸選擇時的兩難境地。
非常遺憾的是，人們在實踐過程中竟然無視這種傳統(tǒng)結構的矛盾，忘卻了車輪運動力學的基本原理，并沒有采取首先從車輪結構因素出發(fā)考慮車輛設計的方法，由此直接獲取車輪屬性的效能優(yōu)勢，而是采用放棄車輪屬性的效能特點優(yōu)勢，首先考慮動力因素再考慮動力傳遞因素……最后考慮車輪結構因素的方法，由此，將大多車輪系統(tǒng)設計成同等半徑，造成車輛從動輪費力、驅動輪乏力的困難局面，同時，還將提高車輛驅動力的技術措施引入到單純依靠增加車輛原動力的歧途，嚴重地阻礙了人類社會理性發(fā)展的進程。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有車輛技術設計方法導致的車輛功率過剩、功效低下的弊端，本發(fā)明旨在提供一種基于車輪系統(tǒng)結構設計道路車輛的方法， 該方法遵循車輪結構運動力學研究原則，徹底摒棄了傳統(tǒng)車輛車輪系統(tǒng)結構的概念，創(chuàng)新建立了車輛以荷載輪為基礎的系統(tǒng)結構概念，技術設計時，首先將車輛視為荷載輪車輛，由此，提出按從動輪特性確定車輛所需動力等條件，合理采用較大半徑的荷載輪，以求減小車輛所需推動力，這種荷載輪車輛所需驅動力小于傳統(tǒng)車輪結構車輛所需驅動力；而后，再將驅動輪作為荷載輪車輛系統(tǒng)的功能補充設置其中，合理采用較小半徑的驅動輪，以求獲取較大驅動力；在驅動輪半徑、驅動力都確定后，據(jù)此合理配置發(fā)動機及傳動系；這種以荷載輪車輛所需驅動力確定車輛動力的方法比傳統(tǒng)車輛方法更合理，沒有不必要的動力配置和高額剩余功率，車輛達到了高效能的行駛特性，實現(xiàn)了大幅節(jié)能的目標。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案是
一種基于車輪系統(tǒng)結構設計車輛的方法，其特點是，車輛車輪系統(tǒng)由若干個安裝在車架上的荷載輪構成，該車架上還裝有驅動輪；所述荷載輪與驅動輪構成復合車輪；具體設計步驟為
1)根據(jù)從動輪滾動阻力平衡公式FP1= Fz^初步設定荷載輪半徑A及荷載輪中心推
r
力Fpl和車輪滾動阻力Ff，F(xiàn)f =Fpl,式中Fpl為荷載輪中心推力、a為車輪作用力前移距離、r為車輪半徑、Fz為荷載的反作用力、Ff車輪滾動阻力；
2)根據(jù)車輪地面制動力公式Fxb=Tu/r擬定荷載輪半徑&，核定車輛制動力矩是否安全可靠，式中Fxb為制動力、Tu為制動器摩擦力矩；
3)根據(jù)車輛驅動條件式確定荷載輪結構車輛所需驅動力Ft，其中車輛所需驅動力Ft=Ff + Fw +Fi,式中Fw為空氣阻力、Fi為坡度阻力、Ff為滾動阻力；
4)將驅動輪設置在荷載輪車輛驅動部位的荷載輪的一側或兩側；
5)按照驅動輪的半徑r2小于或等于荷載輪半徑&一半的原則，確定驅動輪的半徑r2，根據(jù)驅動輪驅動力矩Tt及發(fā)動機輸出轉矩經(jīng)傳動系傳到驅動輪的力矩相等來確定車輛動力系的配置。6)確定驅動輪附著力F，使驅動輪附著力F >驅動力Ft。為了提高車輛通行性能，本發(fā)明采用復合車輪技術方案，復合車輪是由荷載輪、驅動輪、活動支架及與車身連接的連接支架組成的。所述連接支架與荷載輪固定連接，該連接支架與一活動支架柔性連接,該活動支架上裝有驅動輪；所述活動支架的一端與壓力調節(jié)器的一端相連，該壓力調節(jié)器的另一端與連接支架相連，活動支架的另一端通過活動接頭固定在連接支架上。所述連接支架通過縱向梁與車輛車橋相連，該縱向梁固定連接車輛動力輸出端，所述車輛動力輸出端與驅動接頭相連，該驅動接頭與所述驅動輪固定相連。藉由上述方法，對于道路車輛，特別是城市道路路面較好的情況，增大車輪半徑能降低輪胎的接地比壓、減少阻力 、提高車輛通行性能，但是車輛慣性也會增大，對車輛制動
系統(tǒng)要求提高。本發(fā)明首先根據(jù)從動輪滾動阻力平衡公式Fpl= Fz , Ff =Fpl (式中Fpl為
r
荷載輪中心推力、a為車輪作用力前移距離、r為車輪半徑、Fz為荷載的反作用力、Ff為車輪滾動阻力)初步設定荷載輪半徑及荷載輪中心推力和車輪滾動阻力。然后根據(jù)車輪地面制動力公式Fxb= Tu/ r (式中Fxb為制動力、Tu為制動器摩擦力矩)擬定荷載輪半徑^，核定車輛制動力矩是否安全可靠。再根據(jù)車輛驅動條件式確定荷載輪結構車輛所需驅動力Ft，該所需驅動力小于傳統(tǒng)車輛所需驅動力；對于本發(fā)明車輛Ft = Ff+ Fw +Fi ;對于傳統(tǒng)車輛Ft=Fx2+Ff+ Fw +Fi ；式中Fw為空氣阻力、Fi為坡度阻力、Fx2為驅動輪上的地面切向反作用力、Ff為車輪滾動阻力。之后將驅動輪以設置在荷載輪車輛驅動部位的荷載輪的一側或兩側。再之后按照本發(fā)明驅動輪的半徑r2小于或等于荷載輪半徑1^ 一半的原則，確定驅動輪的半徑r2，根據(jù)驅動輪驅動力矩Tt及發(fā)動機輸出轉矩經(jīng)傳動系傳到驅動輪的力矩相等來確定車輛動力系合理配置，這種配置可以采用中速發(fā)動機或電動機及傳動系實現(xiàn)，達到車輛節(jié)能目標。最后確定驅動輪附著力F ,使驅動輪附著力F >驅動力Ft。本發(fā)明的車輪結構是以荷載輪為基礎的，即車輛是以荷載輪為基礎組成承擔車輛荷載、保持車輛穩(wěn)定的系統(tǒng)結構的；驅動輪(非荷載輪)不承擔車輛主要荷載，僅作為荷載輪車輪系統(tǒng)的輔助結構，為荷載輪中心提供推力。簡而言之，新概念認為車輛車輪系統(tǒng)結構是一種在荷載輪結構基礎上增設驅動輪(非荷載輪)的方式，由此，實現(xiàn)了荷載輪與驅動輪半徑不等，且充分發(fā)揮了車輪屬性優(yōu)勢。車輪系統(tǒng)結構新概念徹底擺脫了傳統(tǒng)車輪系統(tǒng)結構的困擾，為車輛技術設計提供了新的技術方向，所述車輛車輪系統(tǒng)由若干個安裝在車架上的荷載輪構成，形成較大車輪半徑的荷載輪結構車輛，所述荷載輪為從動輪特性，承擔車輛荷載具備保障車輛穩(wěn)定與運動的功能，其運動所需推動力較??；驅動輪作為荷載輪車輪系統(tǒng)的功能補充要數(shù)安裝在車架上，所述驅動輪為驅動輪特性，不承擔車輛荷載，小半徑的驅動輪為荷載輪結構車輛提供較大驅動力，由于車輛所需推動力減小、驅動輪驅動力增大，要求與之配置的發(fā)動機功率相應較小，并且簡化了傳動系配置，達到了節(jié)能要求；所述荷載輪與驅動輪通過固定連接組件構成復合車輪；所述驅動輪的半徑r2小于或等于荷載輪半徑的一半。本發(fā)明技術創(chuàng)新作用主要體現(xiàn)在
(1)建立了荷載輪車輛概念；提出了車輛車輪系統(tǒng)以荷載輪為基礎的技術理念，實現(xiàn)了車輛車輪系統(tǒng)結構中車輪功能的分離與獨立；
⑵復合車輪技術實現(xiàn)了車輪功能獨立的宗旨，將兩種不同功能的車輪整合成一個整體使用，是車輛車輪系統(tǒng)結構創(chuàng)新中的亮麗創(chuàng)新點；(3)改變車輪系統(tǒng)結構大幅節(jié)能的技術方向為一批新理念車輛問世奠定了堅實基礎； ⑷建立了復合車輪結構車輛的新概念，對于多種車輛均有適用價值。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明徹底改變了車輛車輪系統(tǒng)結構設置的概念，復合車輪技術開創(chuàng)了道路車輛車輪系統(tǒng)“從動輪”省力、“驅動輪”強力的新局面，復合車輪車輛由此問世，必將帶來道路車輛大幅節(jié)能的巨大成就，必將促進人類社會的和諧發(fā)展。
以下結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步闡述。


圖I是現(xiàn)有四輪車輛的結構原理 圖2是本發(fā)明一種實施例的結構示意 圖3為本發(fā)明復合車輪原理結構示意 圖4為圖3的左視 圖5為本發(fā)明所述三輪車結構示意 圖6為本發(fā)明一種兩輪車結構不意 圖7為本發(fā)明另一種兩輪車結構示意圖。在圖中
I-荷載輪； 2-驅動輪； 3-復合車輪；4-連接支架；
5-活動支架； 6-壓力調節(jié)器；7-活動接頭； 8-驅動接頭。
具體實施例方式一種基于車輪系統(tǒng)結構設計車輛的方法，車輛車輪系統(tǒng)由若干個安裝在車架上的荷載輪構成，形成具有荷載能力與車輛穩(wěn)定性、運動性的功能結構，且該荷載輪為較大半徑取向，由此，車輛動力設置等條件均需滿足該結構的要求；該車架上還裝有驅動輪，該驅動輪是荷載輪系統(tǒng)結構的功能補充，其驅動力要求由荷載輪車輛所需動力條件確定，且該驅動輪為較小半徑取向，由此，再確定車輛動力及傳動系合理配置，這個配置條件要求不高，是一種高效能的配置；所述車輪系統(tǒng)結構考慮到車輛通行條件，采用由荷載輪與驅動輪構成復合車輪的方式。以下以傳統(tǒng)電動車(電動摩托)為例簡述實施方式，相關參數(shù)為:傳統(tǒng)電動車電動機功率180W、車輪半徑r = 180mm、路面滾動阻力系數(shù)f = O. 020的浙青或水泥城市道路、最高車速S = 20km/h (法定車速)、車輛總質量重力W =1960N、空氣阻力Fw =800N、坡度阻力Fi = 507N (坡度15°)，具體設計步驟為
I)根據(jù)從動輪滾動阻力平衡公式Fpl = Fz Ff=Fpl (式中Fpl為荷載輪中心推力、a為
r
車輪作用力前移距離、r為車輪半徑、Fz為荷載的反作用力、Ff為車輪滾動阻力)初步設定荷
載輪半徑及荷載輪的中心推力。示例因為現(xiàn)行電動車的阻力系數(shù)f=0. 020= -、r =180mm>
r
Fz=W =1960N ；所以a=3. 6mm、Fpl= 39. 2N，傳統(tǒng)電動車荷載輪的中心推力為39. 2N。本發(fā)明車輪半徑增至r=250mm，則f=0. 0144，則有Fpl=28. 2N，荷載輪的中心推力只需28. 2N，實現(xiàn)、從動輪省力；
2)根據(jù)車輪地面制動力公式Fxb=Tu/ r (式中Fbx為制動力、Tu為制動器摩擦力矩)擬定荷載輪半徑A,核定車輛制動力矩是否安全可靠；按示例條件；rpSOmm、ff=1960N ,根據(jù)目前碟型閘產(chǎn)品技術指標可行；
3)根據(jù)車輛驅動條件式確定荷載輪結構車輛所需驅動力Ft，對于本發(fā)明車輛Ft=Ff+ Fw +Fi (式中Fw為空氣阻力、Fi為坡度阻力)，對于傳統(tǒng)車輛Ft=Fx2+Ff+ Fw +Fi (式中Fx2為驅動輪上的地面切向反作用力)；
示例本發(fā)明車輛所需驅動力Ft <傳統(tǒng)車輛所需驅動力Ft ；
4)將驅動輪以設置在荷載輪車輛驅動部位的荷載輪I的一側或兩側；
5)本發(fā)明驅動輪的半徑r2小于或等于荷載輪半徑一半的原則，確定驅動輪的半徑r2，根據(jù)驅動輪驅動力矩Tt及發(fā)動機輸出轉矩經(jīng)傳動系傳到驅動輪的關系式^確定車輛動 力系合理配置，達到車輛節(jié)能目標；
根據(jù)示例條件，設驅動力為1340N,按傳統(tǒng)車輪半徑1*2=0· 18mm時所需驅動力矩Tt=241N/m,本發(fā)明車輪半徑r2=0. 125m時所需驅動力矩Tt=166N/m，車輛驅動輪所需驅動轉矩采用小半徑驅動輪時將減小31. 2 % ;由此，所需配置的動力系功率也相應變小。示例因為法定車速20km/h、傳統(tǒng)電動車Tt=241N/m、本發(fā)明車輛Tt=166N/m、傳統(tǒng)電動機功率P=O. 18kw，按照轉矩Tt=電動機功率PX9550 + S的簡易方法，其中S為電動機的轉速；所以兩種車輛速度相等時，本發(fā)明電動機功率P僅為120W，所以本發(fā)明是可以大幅節(jié)能的，這種動力配置可以采用中速電動機及傳動系實現(xiàn)。6)確定驅動輪附著力F ,保證驅動輪附著力F >驅動力Ft。參見圖1，車輛車輪系統(tǒng)是以荷載輪I為基礎構成的，根據(jù)車輛穩(wěn)定性、運動性等要求，由一定數(shù)量的荷載輪I組成車輛車輪系統(tǒng)基本結構；初步設定荷載輪采用較大半徑及而后車輛所需動力、車輛制動力矩，再由此確定荷載輪半徑、車輛驅動力。這種基本結構中只要加上驅動輪2就構成完整的車輛車輪系統(tǒng)。如圖2，四個荷載輪I構成四輪車基本結構，若在其后面兩個荷載輪I內(nèi)側各增加一個驅動輪2就構成一輛功能完整的四輪車車輪系統(tǒng)結構。確定驅動輪2半徑小于或等于荷載輪I半徑一半，根據(jù)已定車輛驅動力及驅動輪2半徑，求得所需傳矩，進而合理配置發(fā)動機、傳動系及車輪附著力。參見圖3和圖4，以荷載輪I與驅動輪2構成復合車輪3的方式。復合車輪3是以荷載輪I為主，驅動輪2為輔，經(jīng)連接組合而成的。其構成是荷載輪I固定于連接支架4上，連接支架4與車身連接；驅動輪2通過活動支架5固定，活動支架5 —頭連接壓力調節(jié)器6，壓力調節(jié)器6另一頭與連接支架4連接；活動支架5另一頭通過活動接頭7固定在連接支架4上。復合車輪3通過驅動接頭8與外部動力傳輸系統(tǒng)連接獲取動力。本發(fā)明方法可以適應多種車輛，圖2為道路四輪車結構，由四個荷載輪I構成的基本結構，在其兩個后輪內(nèi)側各設置一個驅動輪2形成復合車輪3結構。圖5為道路三輪車結構，由三個荷載輪I構成的基本結構，后輪兩側設置驅動輪2，形成復合車輪3結構。圖6和圖7為道路兩輪車結構，由兩個荷載輪I構成的基本結構，后輪一側、兩側設置驅動輪2，形成復合車輪3結構。
本發(fā)明采用一種復合車輪技術的新方案，實現(xiàn)在不增加車輛原動力條件下大幅增強車輛驅動力，達到大幅節(jié)能的目標。上述實施例闡明的內(nèi)容應當理解為這些實施例僅用于更清楚地說明本發(fā)明，而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領域技術人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍?！?br> 權利要求
1.一種基于車輪系統(tǒng)結構設計車輛的方法，其特征在于，車輛車輪系統(tǒng)由若干個安裝在車架上的荷載輪(I)構成,該車架上還裝有驅動輪(2);所述荷載輪(I)與驅動輪(2)構成復合車輪(3);具體設計步驟為 1)根據(jù)從動輪滾動阻力平衡公式
2.根據(jù)權利要求I所述的基于車輪系統(tǒng)結構設計車輛的方法，其特征在于，所述復合車輪(3 )由荷載輪(I)、驅動輪(2 )、活動支架(5 )及與車身連接的連接支架(4)組成；所述連接支架(4)與荷載輪(I)固定連接，該連接支架(4)與一活動支架(5)柔性連接，該活動支架(5)上裝有驅動輪(2);所述活動支架(5)的一端與壓力調節(jié)器(6)的一端相連，該壓力調節(jié)器(6)的另一端與連接支架(4)相連，活動支架(5)的另一端通過活動接頭(7)固定在連接支架(4)上。
3.根據(jù)權利要求2所述的基于車輪系統(tǒng)結構設計車輛的方法，其特征在于，所述連接支架(4)通過縱向梁與車輛車橋相連，該縱向梁固定連接車輛動力輸出端，所述車輛動力輸出端與驅動接頭(8)相連，該驅動接頭(8)與所述驅動輪(2)固定相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于車輪系統(tǒng)結構設計車輛的方法，為了解決現(xiàn)有的車輪系統(tǒng)為同等半徑，造成車輛從動輪費力、驅動輪乏力及動力配置過剩的問題，所述基于車輪系統(tǒng)結構設計車輛的方法包括如下步驟1)根據(jù)從動輪滾動阻力平衡公式Fp1=Fz初步設定荷載輪半徑及推動力；2)根據(jù)車輪地面制動力公式Fxb=Tu/r擬定荷載輪半徑r1，核定車輛制動力矩是否安全可靠；3)確定荷載輪結構車輛所需驅動力Ft=Ff+Fw+Fi；4)將驅動輪以設置在荷載輪車輛驅動部位的荷載輪的一側或兩側；5)驅動輪的半徑r2小于或等于荷載輪半徑r1一半確定r2，確定車輛動力系合理配置。本發(fā)明實現(xiàn)了在不增加車輛原動力條件下大幅增強車輛驅動力，達到了大幅節(jié)能的目標。
文檔編號B60B11/00GK102700651SQ20121019182
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月12日 優(yōu)先權日2012年6月12日
發(fā)明者尚久駜, 陳化雨 申請人:尚久駜, 陳化雨