HD6120混合動力城市客車總體設計【說明書+CAD】

HD6120混合動力城市客車總體設計【說明書+CAD】,說明書+CAD,HD6120混合動力城市客車總體設計【說明書+CAD】,hd6120,混合,動力,城市,客車,總體,整體,設計,說明書,仿單,cad 本科學生畢業(yè)設計 HD6120混合動力城市客車總體設計? 系部名稱： 哈工大華德應用技術學院 專業(yè)班級： 汽車運用工程 0793122班 學生姓名： 金海誠 指導教師： 李涵武 職 稱： 副教授 哈工大華德應用技術學院 二○一○年十二月 The Graduation Thesis for Bachelor's Degree Design of HD6120 Hybrid City Bus Candidate：Jin Hai Cheng Specialty：Automobile application engineering Class： 0793122 Supervisor：Associate Prof. Li Hanwu Harbin Institute of Technology Applied Technology College Ward 2010-12·HarBin 摘 要 城市客車是市民出行的首選，在各個城市中承擔著人口流動的任務，應用廣泛，數量眾多。同時城市客車的運行工況特殊，城市中信號燈多，站點之間距離短，運行路線固定，城市客車頻繁的起步，加速，制動，怠速時間長，平均運行速度低。由于汽車設計時需要滿足最高行駛車速和最大爬坡度等動力性要求，需要裝備大功率發(fā)動機，使得城市客車經常處于功率過剩狀態(tài)，造成了嚴重的能源浪費和環(huán)境污染。 油電混合動力汽車融合了傳統(tǒng)燃油汽車和純電動汽車的優(yōu)點，具有傳統(tǒng)內燃機車動力性好和電動汽車清潔環(huán)保的特點，能夠有效的降低能源消耗，減少污染排放，具有重要的研究意義。 關鍵詞：混合動力；并聯；城市客車；人機工程學 ABSTRACT City bus is the first choice of the public, bearing the task of the movement of the population. City bus is widely used and the number is large. The using condition of city bus is special, there are many signal lights, short distance between sites ,fixed routes, frequently starting, accelerating, braking, long idle time, low average speed and so on. As the vehicle needs to meet the requirement of the highest speed and maximum climbing degree while designing, usually a high-power engine is equipped, making the city bus in power surplus state, resulting in a serious energy waste and environment pollution. Hybrid electric vehicle combines the traditional fuel vehicles and pure electric vehicles advantages effectively reduce energy consumption and reduce emissions. It is meaningful to study on hybrid vehicles. Key words: Hybrid; Parallel; City Bus; Ergonomic 目 錄 摘要……………………………………………………………………………………Ⅰ Abstract ……………………………………………………………………………Ⅱ 第1章 緒論…………………………………………………………………………1 1.1選題的背景和意義…………………………………………………………1 1.2國內外研究動態(tài)………………………………………………………………2 1.3 研究內容與方法……………………………………………………………3 第2章 混合動力城市客車驅動系統(tǒng)選型…………………………………4 2.1 混合動力客車的分類 ………………………………………………………4 2.1.1 串聯式混合動力城市客車 …………………………………………4 2.1.2 并聯式混合動力城市客車 ………………………………………5 2.1.3 混聯式混合動力城市客車 …………………………………………6 2.2混合動力城市客車驅動系統(tǒng)的選擇…………………………………………7 2.2.1混合動力城市客車動力系統(tǒng)對比……………………………………7 2.2.2混合動力系統(tǒng)結構選型依據…………………………………………9 2.3本章小結……………………………………………………………………10 第3章 混合動力城市客車動力系統(tǒng)設計……………………………………11 3.1動力系統(tǒng)參數計算…………………………………………………………11 3.1.1驅動電機的選擇……………………………………………………11 3.1.2動力電池的選擇……………………………………………………13 3.2發(fā)動機的選擇………………………………………………………………15 3.3本章小結……………………………………………………………………16第4章 混合動力城市客車動力混合器的設計………………………………17 4.1動力混合器的作用 …………………………………………………………17 4.2動力混合器的設計…………………………………………………………17 4.1.1齒輪幾何參數的計算……………………………………………18 4.1.2齒輪的校核……………………………………………………20 4.3本章小結……………………………………………………………………21 第5章 基于人機工程學的駕駛區(qū)布置………………………………………22 5.1人機工程學………………………………………………………………22 5.2二維人體模板的結構…………………………………………………22 5.3人體尺寸………………………………………………………………23 5.3.1人體主要尺寸………………………………………………………23 5.3.2人體水平尺寸………………………………………………………23 5.4本章小結……………………………………………………………………25 第6章 整車經濟性計算…………………………………………………………26 6.1燃油經濟性的評價指標……………………………………………………26 6.2燃油經濟性的計算…………………………………………………………27 6.3本章小結……………………………………………………………………29 結論………………………………………………………………………………30 參考文獻 …………………………………………………………………………31 致謝……………………………………………………………………………………33 第1章 緒 論 1.1 選題的背景和意義 汽車自誕生以來，其發(fā)展速度不斷加快，與人們生活的聯系越來越緊密。汽車已經不再是一個簡單的代步和運輸工具，它已成為許多人的生活必需品和文化生活的一部分。汽車的普及程度和技術水平甚至已經成為一個國家或地區(qū)現代化程度的標志。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車的產銷量和保有量逐年增加，同時也帶來了能源消耗、環(huán)境污染等許多負面影響。傳統(tǒng)汽車對石油資源的需求越來越大，對生態(tài)環(huán)境的影響也越來越大。更糟糕的是，汽車排放的尾氣中二氧化碳對氣候變暖有著很大的影響；汽車尾氣中氮氧化合物、一氧化碳、未燃碳氫化合物和顆粒排放物等有害物質，對人類的生態(tài)環(huán)境都產生了不利的影響。每年全球汽車排放有害氣體約2億噸以上，約占大氣污染總量的60％，是大氣污染的“頭號殺手"。為此，各國制定了一系列十分嚴格的排放法規(guī)，要求汽車生產廠家設法減少汽車排放，開發(fā)無污染和超低污染汽車。面對世界能源匱乏，油價高居不下，環(huán)境污染嚴重的現實，節(jié)油環(huán)保便成為社會關注的焦點，新能源車的開發(fā)和應用也就成了世界范圍內的新課題和大趨勢。 在諸多解決方案中，目前成功實現產業(yè)化的只有混合動力汽車?；旌蟿恿ζ嚰染哂袃热紮C動力性好、工作時間長的優(yōu)點，又有電動機無污染和低噪聲的好處，達到了發(fā)動機和電動機的最佳匹配。由于混合動力系統(tǒng)本身也具有充電功能，因此不需要建設配套的充電基礎設施，對蓄電池的要求，與純電動汽車相比也大大降低。混合動力汽車在技術、經濟和環(huán)境等方面具有突出的綜合優(yōu)勢。 而城市客車，是大部分市民出行的首選交通方式，承擔著巨大的人流量，由于城市客車大部分運行在市區(qū)內，具有經常起步加速，制動停車，站臺之間運行距離短，平均速度低等特殊工況，內燃機大部分時間工作在最佳工作轉速范圍以外，造成了能源的浪費、環(huán)境的污染以及加速了車輛本身的磨損?；旌蟿恿ο到y(tǒng)則可以優(yōu)化內燃機的工作區(qū)間，大大改善上述問題，因此，發(fā)展研究混合動力城市客車具有很重大的現實意義。 1.2 國內外研究動態(tài) 融合了純電動汽車和燃油汽車優(yōu)點的混合動力汽車，由于較好地滿足了汽車低排放、低油耗、高性價比的綜合要求，較好地解決了汽車節(jié)能與環(huán)保問題，因而逐漸成為世界各大汽車生產企業(yè)開發(fā)的熱點，其市場前景也越來越被看好。目前，豐田公司是混合動力汽車領域的佼佼者，1997年12月，日本豐田汽車公司首先在日本市場上推出了世界上第一款批量生產的混合動力汽車“普銳斯(PRIUS)”，該轎車于2000年7月開始出口北美，同年9月開始出口歐洲。普銳斯在達成高水平的燃油經濟性和環(huán)保性能的前提下，實現了出色的動力性和舒適性。“PRIUS”的正式量產上市標志以混合動力汽車為代表的新一輪汽車研發(fā)競爭的開始。為保持領先地位，豐田公司加大了對混合動力車的投入，2005年，豐田投資1000萬美元在美國肯塔基州工廠改造設備和訓練員工。2006年，豐田汽車公司在美國市場上推出了4款從現有車型改造成的混合動力汽車，這些混合動力汽車的外形、操控以及車內的設備和普通車完全一樣。豐田的目標是最終將推出旗下幾乎所有車型的混合動力版，并在2012年把混合動力汽車的產量提高到100萬輛。本田公司推出了“insight”、“CIVIC”等混合動力汽車．福特公司緊隨其后，推出了“ESCAPE”混合動力汽車，戴克、通用、雪鐵龍、日產等公司也紛紛加快了混合動力技術的產業(yè)化開發(fā)。通用、戴克、寶馬三家公司在混合動力技術發(fā)展方面結成了技術聯盟，攜手發(fā)展雙模混合動力技術，并在2005年的北美車展上引入了一款結合了V8柴油發(fā)動機和最新一代混合動力驅動系統(tǒng)的S級轎車。 國內研究混合動力轎車已經有將近10年的歷史。目前，除一汽豐田的普銳斯正式量產上市外，國內各汽車制造企業(yè)紛紛進入混合動力汽車領域，如一汽研發(fā)的紅旗HQ3于2006年投產；東風集團的混合動力公交車已于2005年7月完成最終產品定型樣車試驗并通過驗收；奇瑞集團成立了國家節(jié)能環(huán)保汽車工程技術研究中心，將在2006年下半年重點推出第一自主品牌真正意義上的混合動力車，代號為“BSG”的混合動力車；吉利集團旗下的上海華普汽車已與同濟大學汽車學院簽署合作協(xié)議，預計3年內完成混合動力轎車商業(yè)化生產；而廣州本田更是緊跟豐田的步伐，預計2006年中下旬推出國產雅閣混合動力車；上汽集團與通用簽署協(xié)議，將聯手開發(fā)混合動力轎車和公交客車；長安杰勛混合動力汽車經過六年的艱苦攻關研發(fā)成功，目前已進入量產階段。其整車油耗比傳統(tǒng)汽車低20％以上，排放限值滿足國Ⅳ標準。據長安集團有關負責人介紹，長安杰勛HEV轎車創(chuàng)造了多項中國第一：第一款自主研發(fā)量產的混合動力轎車；第一個將中度混合技術方案實現產業(yè)化的車型；第一款在整車、動力總成和混合動力系統(tǒng)三個方面全新自主的一體化設計量產車型；國家863計劃重大汽車專項中第一款實現量產下線的自主品牌轎車；第一款在整車和系統(tǒng)技術上擁有完整自主知識產權的車型，共擁有各類專利300余項，其中發(fā)明專利27項；建成了國內自主研發(fā)的第一條用于制造混合動力的生產線等。 1.3研究內容與方法 混合動力汽車有兩套動力系統(tǒng)，因此具有高度的復雜性，而正是這種復雜性為混合動力系統(tǒng)的設計提供了更大的空間。本論文主要研究內容主要為客觀評價混合動力城市客車采用各種驅動型式時的優(yōu)劣，然后確定動力總成的結構方案，系統(tǒng)研究并聯混合動力總成及其應用，比較混合動力客車各種驅動方式，提出并聯混合動力驅動方式及對動力系統(tǒng)參數進行設計，完成并聯式混合動力系統(tǒng)中電動動力系統(tǒng)的部件選型。設計動力混合裝置，以實現不同的驅動模式。 第2章 混合動力城市客車驅動系統(tǒng)選型 2.1 混合動力客車的分類 2.1.1 串聯式混合動力城市客車 串聯式混合動力系統(tǒng)如圖2.l所示，串聯式混合動力汽車Series Hybrid Electric Vehicle(SHEV),由發(fā)動機、發(fā)電機和電動機3部分組成，它們之間以串聯的方式聯結，發(fā)動機驅動發(fā)電機發(fā)電，電能通過控制器輸送到電池或電動機，由電動機通過變速機構驅動汽車。小負荷時由電池驅動電動機，帶動車輪，大負荷時通發(fā)動機帶動發(fā)電機，發(fā)電機驅動電動機。串聯式結構適用于城市內頻繁起步和低速行駛工況，可以將發(fā)動機調整在最佳工況點附近穩(wěn)定運轉，通過調整電池和電動機的輸出來達到調整車速的目的。使發(fā)動機避免了怠速和低速運轉的工況，從而提高了發(fā)動機的效率，減少了廢氣排放。但是它的缺點是整個動力系統(tǒng)功率儲備大，需要功率足夠大的電動機。另外，發(fā)動機輸出的機械能需要轉化為電能再轉化為機械能，幾經轉換，效率降低。 蓄電池 驅動橋 電動機 控制器 車輪 整流 換流器 機械能 電能內燃機 發(fā)電機 圖2.1 SHEV結構示意圖 SHEV的優(yōu)點: (1)SHEV只有驅動電機作為驅動系統(tǒng)，其特點更加趨近于EV。從總體結構上看比較簡單，易于控制，三大動力總成之聞沒有機械聯系，在電動汽車上布置起來有較大的自由度，可以獨立地布置。 (2)此外，SHEV中的發(fā)動機一發(fā)電機組中的發(fā)動機的工作狀態(tài)可以不受汽車行駛工況的影響，能在穩(wěn)定、高效、低油耗、低污染的狀態(tài)下運轉，因此SHEV具有更好的排放性能和燃油經濟性。 (3)在繁華市區(qū)行駛時，可以單獨以動力電池組為動力源，實現“零排放’行駛。當動力電池組電量不足時，可以通過發(fā)電機組發(fā)出的電能給電池充電，若為可外接充電式(Plug-in)電動汽車，則電池能量不足時，可以通過外接充電的形式補充電能，這樣就可以進一步提高燃油經濟性。 SHEV的缺點: (1)SHEV由于僅依靠驅動電機驅動車輛，驅動電機的功率和扭矩必須能夠滿足汽車的動力性能，克服汽車在行駛過程中的最大阻力，因此驅動電動機的功率要求較大，外形尺寸較大，質量也較重。因此整個系統(tǒng)的規(guī)模龐大，增加了車輛成本及機構布置難度。一般在轎車上很少采用串聯式混合動力系統(tǒng)，串聯式混合動力系統(tǒng)主要應用于大型客車上。此外驅動電機由于不是經常在滿負荷狀態(tài)下運轉，因此效率較低。 (2)發(fā)電機將機械能量轉變?yōu)殡娔?、電和放電都有能量損失，能量幾經轉換，電動機將電能轉變?yōu)闄C械能、電池的充發(fā)動機輸出的能量利用率比較低。 2.1.2 并聯式混合動力城市客車 并聯式混合動力汽車Parallel Hybrid Electric Vehicle(PHEV)可以利用發(fā)動機和電機共同驅動車輪，結構比較復雜，如圖2.2所示，發(fā)動機與電動機分屬兩套系統(tǒng)，可以分別獨立地向汽車傳動系統(tǒng)提供扭矩。發(fā)動機通過變速箱驅動汽車，電力驅動系統(tǒng)通過蓄電池及電動機經過耦合同時驅動汽車。在PHEV上可以實現發(fā)動機驅動模式， 驅動電動機驅動模式和發(fā)動機-驅動電動機混合驅動模式3種驅動模式。發(fā)動機和發(fā)電機各自的功率，可以是PHEV的最大驅動功率的0．5～l倍，兩大動力總成的功率可以疊加，因此可以采用較小功率的發(fā)動機和驅動電動機，使整個動力總成的尺寸較小，質量較輕，造價也較低。 電動機 蓄電池 車輪 驅動橋 控制器 內燃機 離合器 機械能 電能 圖2.2 PHEV的結構示意圖 PHEV的優(yōu)點: (1)PHEV的基本驅動模式是發(fā)動機驅動模式，由于發(fā)動機的機械能可贏接輸出到汽車驅動橋，沒有機械能一電能一機械能的轉換過程，與串聯式布置相比，能量綜合效率較高。 (2)在車輛需要最大輸出功率時(即加速或爬坡時)，驅動電機可向汽車提供額外的輔助動力，因此發(fā)動機的功率也可以選擇得比較小，汽車的燃油經濟性也相應地提高。 (3)由于驅動電機僅在車輛輸出大功率時提供輔助動力，因此驅動電機的尺寸和體積也要小得多。此外，PHEV比SHEV少一個發(fā)電機，因此汽車的質量也相對較輕。 PHEV的缺點: (1)由于基本驅動模式是發(fā)動機驅動，故需要配備與內燃機汽車相同的傳動系統(tǒng)，在總布置上基本與內燃機汽車相同，動力性能接近內燃機汽車，發(fā)動機有害氣體的排放高于串聯式。 (2)發(fā)動機驅動模式需要裝置離合器、變速器、傳動軸和驅動器等傳動總成，另外還有驅動電動機、動力電池組，以及動力組合器等裝置，因此使動力系統(tǒng)結構復雜，布置和控制也更加困難。 (3)發(fā)動機與車輛驅動輪間有直接的機械連接，發(fā)動機運行工況不可避免地受到汽車具體行駛工況的影響，要維持發(fā)動機在最佳工作區(qū)工作，則控制系統(tǒng)和控制策略較復雜。 2.1.3 混聯式混合動力城市客車 混聯式混合動力汽車Split Hybrid E1ectric Vehicle(PSHEV)是綜合SHEV和PHEV結構特點組成的，由發(fā)動機、電動/發(fā)電機和驅動電動機3大動力總成組成，如圖2.3所示，PSHEV兼有SHEV和PHEV的優(yōu)點，可以組合成更多種形式的混合驅動模式，能夠使發(fā)動機，發(fā)電機和電動機等部件進行更多的優(yōu)化匹配，從而在結構上保證在更復雜的工況下使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。進而，車輛的整備質量可以降低，而且性能更加完善，經濟性更好，在動力性能方面接近和達到內燃機汽車的水平，有害氣體的攤放更少，達到“超低污染"的標準要求。因此，混聯式混合動力汽車最具影響力。 驅動橋 電動機 離合器 內燃機 控制器 發(fā)電機 車輪 蓄電池 發(fā)電控制器 機械能 電能 圖2.3 PSHEV的結構示意圖 PSHEV的優(yōu)點: (1)發(fā)動機的工作不受汽車行駛狀況影響，總是在最高效率狀態(tài)下工作或自動關閉，使汽車在任何時候都可實現低排放及超低油耗，達到環(huán)保和節(jié)能效果。 (2)車輛的最大輸出功率相當于三個動力裝置共同組成混合動力驅動汽車時發(fā)動機和電動機的最大輸出功率之和。因此發(fā)動機排量可減少，電動機功率可降低，其體積減少，而且加速性能很好。 (3)配有專用電動/發(fā)電機發(fā)電系統(tǒng)，所以對電池的依賴較少。 PSHEV的缺點: 系統(tǒng)結構及控制策略過于復雜，控制系統(tǒng)開發(fā)難度大，部件性能要求高，設計加工困難，而且成本很高。 2.2混合動力城市客車驅動系統(tǒng)的選擇 2.2.1混合動力城市客車動力系統(tǒng)對比 混合動力客車的動力系統(tǒng)結構形式復雜多變，如何從各個動力系統(tǒng)結構中選擇合適的結構，我們就要對各種形式的混合動力汽車動力總成結構進行對比分析： 1．串聯式混合動力電動汽車結構最簡單，同時控制策略也不復雜，開發(fā)難度較小，可開發(fā)用于降低城市污染的公交車，并為其他類型的HEV積累開發(fā)經驗。在串聯混合動力的兩種常用控制方式中，由于功率跟隨式控制策略在動力性和燃油經濟性方面有較好的綜合性能，所以該控制方式較為常用。采用功率跟隨與恒溫器綜合控制方式引更有利于避免電池大電流放電和發(fā)動機的頻繁啟動，降低油耗提高排放性能。 2．并聯式混合動力電動汽車可以使油耗和排放都得到顯著的降低，其控制策略優(yōu)化后優(yōu)點更加明顯。采用小功率電動機和小容量蓄電池組的并聯式混合動力汽車，能夠極大地降低混合動力汽車的自重和制造成本，是十分有市場化前景的一種結構型式。特別是這種結構型式與CVT配合，是獲得較高的燃油經濟性、較低的排放、平穩(wěn)的駕駛性能的一種比較理想的系統(tǒng)型式。對于這種系統(tǒng)，如何對蓄電池組的SOC進行合理而有效的能量管理是獲得整車最佳燃油經濟性的關鍵。電力輔助控制策略是并聯式混合動力電動汽車較為普遍采用的一種控制策略。電力輔助控制策略比較簡單，易于實現，但控制效果不夠精確。目前并聯式混合動力車控制策略還不十分成熟。己開發(fā)的控制策略各有優(yōu)點，互補性很強，但都沒有達到最優(yōu)。 3．混聯式混合動力汽車在理論上易于實現最優(yōu)的燃油經濟性和排放性，但由于結構過于復雜，相對成本高。但為了更好地解決當前大中城市普遍存在的空氣污染嚴重問題，同時作為對低排放、低油耗車輛的探索，必須深化CHEV的開發(fā)工作。在混聯式混合動力汽車控制策略中，從理論上講全局最優(yōu)模式是最佳的。但是建立在固定循環(huán)下的全局優(yōu)化控制策略受驅動循環(huán)影響大，實現起來有一定的困難。發(fā)動機恒定工作點模式、發(fā)動機最優(yōu)曲線模式這兩種控制策略是比較實用的控制方法。 與串聯式混合動力汽車的動力系統(tǒng)相比，并聯式結構相對要復雜一些，自由度也要多一些，控制方式比較復雜，但是在節(jié)能方面比較突出，符合目前的技術潮流與日益增長的環(huán)保和節(jié)能要求。另外動力總成的重量和成本相對較低，雖然開發(fā)成本比較高，但是對于我國的汽車先進制造技術積累與持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。與混聯式結構相比，并聯式結構簡單得多，自由度少，因此控制起來相對容易一些。 在對混聯式混合動力電動汽車的動力系統(tǒng)進行控制時，除了對驅動轉矩的控制有嚴格要求，同時也對速度調節(jié)控制有嚴格要求，這種轉矩和速度的雙重控制增加了控制器和控制策略的復雜度，而且混聯式結構要求更加精密的傳動系統(tǒng)，這對制造技術也提出了比較高的要求。另外并聯式結構的成本相對較低，因此通常一般選用并聯式結構，當并聯式結構的性能指標不能滿足設計要求時，才選用混聯式結構。 2.2.2混合動力系統(tǒng)結構選型依據 基于以上對HEV動力系統(tǒng)的分析，在動力系統(tǒng)選型中著重考慮以下幾個因素： 1．使用環(huán)境 城市客車運行的工況有以下顯著特點：(1)城市客車由于交通擁擠，站距短，因而起步、停車頻繁，大多數時間以加速—減速—滑行—怠速等過渡工況工作，且平均加速度小。(2)城市道路有其自身特點隨著城市基礎設施建設的逐步完善，城市道路條件逐步完善，道路質量比較好，車輛行駛較平穩(wěn)；由于大城市廣泛采用了立體交通，立交橋路面坡度一般為4%-6%，在沒有公交專線的情況下城市車輛行駛速度較低。 (3)路線固定，往復運行城市公交車不像其他車輛運行路線千變萬化，而是每天都在指定線路運行并來回往復。每條線的車輛都在固定站點?？?，而且現在城市廣泛采用了立體交通，立體橋線路的車輛每天在固定地段爬坡和下坡。運行時間固定。(4)載荷多變且時間特征明顯隨著城市規(guī)模的逐步擴大，城市交通網也日趨復雜，城市公交線路眾多，每條線路的長度也不相同，每條線路途徑地區(qū)的行駛速度、道路特點、乘客數量各不一樣，上、下班高峰時段和中心城區(qū)乘客擁擠，非上、下班高峰期和郊區(qū)乘客相對稀少，車輛負荷低，造成了能源的極大浪費。 2．性能要求 不同類型的HEV之間性能差異十分明顯，在選型時必須注意由動力系統(tǒng)結構引發(fā)的性能差異。如果對加速性能要求高，就有必要選擇配有峰值功率調節(jié)器的結構型式。如果對經濟性要求苛刻，并聯式可以成為合適的選擇。 3．技術條件 所謂技術條件，除研究開發(fā)的條件和力量外，還包括工業(yè)基礎。強調工業(yè)基礎是因為一些常見的動力系統(tǒng)部件，我國的產品水平還不能滿足需要或尚無法生產。進行時間的產品開發(fā)總會有一定的進度要求，如果技術條件無法保證，就難以實現預定開發(fā)目標。開發(fā)性是指動力系統(tǒng)需要進一步完善的空間。產品性能是一個完善的過程，同樣開發(fā)工作也不可能一步到位，也需要進行不斷的完善。在具體開發(fā)工作中應該由簡單到復雜、由易到難的思路，先選擇對技術條件要求較低簡單的結構進行開發(fā)。 4．成本和使用維護費用 動力系統(tǒng)的結構對HEV成本影響很大，這是因為不同類型的動力系統(tǒng)對部件的種類、數量和性能要求差別很大。而部件的種類、數量和性能指標是影響HEV成本的主要因素。選型時還應考慮使用、維護費用，結構越復雜，故障率越高，使用和維護費用也越高。 價格和使用維護費用直接關系到HEV的產業(yè)化，如果不能產業(yè)化，就不能為進一步開發(fā)提供資金，也就難以促進技術水平的提高和服務性能的改善。事實上，性能優(yōu)良但價格過高無法商業(yè)化、甚至被迫放棄HEV開發(fā)的實例很多，我們不應重蹈覆轍。 通過綜合分析混合動力客車的動力系統(tǒng)結構形式，并考慮到目前的技術能 力與開發(fā)成本，采用并聯式結構是理想的選擇。并聯方式控制靈活，兼有傳統(tǒng)內燃機車和電動汽車的優(yōu)點，結構也不像混聯混合動力汽車那樣結構復雜。 蓄電池 電機控制器 內燃機 離合器 電動機 電動機 動力混合器 變速器 車輪 車輪 驅動橋 機械能 電能 圖2.4 本文所選并聯結構示意圖 2.3本章小結 本章進行了對混合動力系統(tǒng)串聯、并聯、混聯方式的介紹，對每種布置方式的特點進行了分析。通過對城市客車的使用工況、環(huán)境以及技術條件的分析，確定了采用并聯方式的設計路線，并聯系統(tǒng)控制方式靈活，兼有內燃機車和電動汽車的優(yōu)點。 第3章 混合動力城市客車動力系統(tǒng)設計 3.1動力系統(tǒng)參數計算 3.1.1驅動電機的選擇 電動機是混合動力汽車的驅動單元之一，電動機驅動系統(tǒng)包括電動機、功率電子電路及控制部分。混合動力汽車對電機驅動系統(tǒng)的基本要求為： 1、電機驅動系統(tǒng)具有寬廣的調速范圍，有著與汽車行駛一致的動力特性。簡言之，低轉速時恒轉矩，高轉速時恒功率。最高轉速越高，在同樣的額定輸出功率下，轉速越高，電動機尺寸、重量越小； 2、動態(tài)性能好——電動機應具有較大的啟動轉矩和較大范圍的調速性能，使HEV具有良好的起動性能和加速性能，以獲得所需要的起動、加速、行駛、減速、制動所需的功率和轉矩。電動機具有自動調速功能，因此，可以減輕駕駛員的操縱強度，提高家是舒適性，并且能夠達到與內燃機汽車加速踏板同樣的控制響應； 3、為了減少汽車的非有效載荷，要求電機驅動系統(tǒng)體積小、重量輕，功率密度大，在短時間內具有較高的過載能力； 4、高效率—這對于電動汽車意義尤其重大； 5、電氣系統(tǒng)安全性和控制系統(tǒng)安全性——抗振動、耐腐蝕、低噪音；抗干擾，具有較好的電磁兼容性；各種動力電池組和電動機的工作電壓，可以達到300V以上，對電氣系統(tǒng)安全性和控制系統(tǒng)的安全性，都必須符合國家或國際有關車輛電氣控制的安全性能的標準和規(guī)定； 6、能夠四象限運行，實現正反轉和再生制動，進能量回收，再生制動回收的能量一般可達到總能量的10%-15%，這點在內燃機汽車上是不能實現的； 7、高電壓——在允許的范圍內，盡可能采用高電壓，電壓越高，電動機尺寸越小、重量越低，特別是可以降低功率轉換器成本； 8、電動機還要求可靠性好、耐溫和耐潮性強，運行時噪音低，能夠在較惡劣環(huán)境下長期工作，結構簡單，適合大批量生產，價格便宜，便于維修。 目前所采用的電動機有直流電動機、交流感應式電動機、永磁同步電動機、開關磁阻電動機等。 在功率電子元件出現以前，電動汽車中所采用的電動機主要是直流電動機，它的優(yōu)點在于調速較為方便，直流電動機的磁場和電樞可以分別控制，因此控制起來比較容易，而且控制性能較好。直流電動機的容量范圍很廣，可以根據需要的轉矩和最高轉速來選用所需要的容量，市場上有各種不同結構的直流電動機以供選用，直流電動機的制造技術和控制技術都比較成熟，驅動系統(tǒng)價格較便宜。上世紀60—80年代初電動汽車大多采用直流串激有刷電機，80年代直流他激有刷電機得到廣泛應用。這兩種電機由于有電刷、換向器等接觸零件的限制，轉速不能太高，因而質量大，尺寸大，效率較低，還需要對電刷經常進行維護和修理。80年代后期和90年代，由于電力電子技術的飛速進步，功率電子元件以及變頻器的問世，再加上一些新的控制算法的出現，滑差控制、矢量控制、直接轉矩控制等交流電機的調速技術日趨成熟，交流電機驅動系統(tǒng)在電動汽車中已成秀主流，交流電機的效率和功率密度都較直流電機高，而且交流電機結構牢固，維護起來十分方便。 永磁電機驅動系統(tǒng)主要選用永磁無刷同步電機，該電機沒有激磁銅耗、效率較高(最大效率可達95％)、功率因高、體積小、功率密度大(可以遠大于1KW／kg)，變頻調速是永磁無刷同步電機的基本調速方式。目前最常用的是1200導通型PWM斬波控制IGBT逆變器，而且為了更好地改善轉矩控制，增加電池調節(jié)控制減小轉矩波動。但其主要不足是永磁材料昂貴，制造工藝復雜，性能受溫度影響較大(易退磁)，大功率輸出困難。由于其體積小和效率高有十分廣闊的應用前景。 開關磁阻電機驅動系統(tǒng)中的開關磁阻電機(SRM)的定子和轉子均為凸極結構，只在定子凸極上安裝備相勵磁繞組，轉子上沒有任何繞組，因此結構十分簡單、成本較低、可靠性高、起動性能好、調速性能好，控制裝置也比較簡單，主要缺點為轉矩脈動大、噪聲大、必須使用位置檢測器、按照定予的凸極數來確定逆變器和電機的引出線等。實際應用較少。伴隨著技術的進步，其開始應用在電動車上。 綜合考慮在已有車型上布置的難易程度，本文選擇體積小，功率密度大的永磁電動機。 汽車功率平衡方程式如下： （3.1） 從起步到10Km/h，由電動機單獨驅動，所需時間5s,計算電動機的功率 （3.2） 其中，η為總效率，永磁電動機效率95%-97%，取96%，G為整車滿載時所受重力mg，m為16500kg，g取9.8m/s2，f為滾動阻力系數，良好的瀝青或混凝土路面為0.010-0.018，取0.012,CD空氣阻力系數，客車0.5-0.8，取0.8，A為迎風面積，經計算為7.25m2，δ為汽車旋轉質量換算系數，查表取1.3，于是 （3.3） =44.6kw 所選電機為大連恒田電機有限公司生產的H160-B35型混合動力車用永磁電動機。額定功率35Kw，峰值功率70Kw，額定電壓320V。 3.1.2動力電池的選擇 電池是混合動力汽車一個十分重要的部分，但是由于在混合動力汽車中，電池不再是唯一的能量載體，電池僅在車輛啟動、低速運行、加速等工況下工作，對能量和容量的要求不像純電動汽車那樣苛刻，所以混合動力汽車電池的重量和成本都有大幅度下降，選擇范圍也更為廣泛。 混合動力汽車上的電池其使用狀況也不同于電動汽車，在工作中電池處于非周期性的充放電循環(huán)中，要求電池的充放電速率和效率高，因此，混合動力電動汽車用電池不僅需要高能量密度(W·h／kg)而且還需要離功率密度(W/ kg)。研究與開發(fā)高性能、低成本、壽命長的電池，仍然是發(fā)展混合動力電動汽車的關鍵問題之一。目前已研究開發(fā)的電池有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等幾種。鉛酸電池是較為成熟的電池，它具有可靠性賽、價格低的特點，新研究開發(fā)的膠體電池、閥控電池等，在比能量、比功率、快速充電性能等方面均比普通鉛酸電池有較大的提高，因此，在各國都有較多的應用，但是鉛酸電池因為循環(huán)壽命、比功率等因素很難滿足混合動力汽車的使用條件，所以近兩年來基本已經退出混合動力汽車的應用。 1. 鎳-氫(Ni-MH)電池 鎳-氫電池是一種堿性電池，鎳-氫電池的標稱電壓為1.2V，比能量可達到70-80 W·h／kg，有利于延長HEV的行駛里程。比功率可達到200 W/ kg，是鉛酸電池的2倍，能提高車輛的起動性能和加速性能。有高倍率的放電特性，短時間可以以3C放電，瞬時脈沖放電率很大。鎳-氫電池的過充電和過放電性能好，能夠帶電充電，并且可以快速充電，在15min內可以充60%的容量，一小時內可以完全充滿，應急補充充電的時間短。在80%的放電深度下，循環(huán)壽命可達到1000次以上，是鉛酸電池的3倍。采用全封閉的外殼，可以在真空的環(huán)境中正常工作。低溫性能較好，能夠長時間存放。鎳-氫電池中沒有Pd和Cd等重金屬元素，不會對環(huán)境造成污染，鎳-氫電池可以隨充隨放，不會出現鎳-膈電池在沒有放完電后隨即充電而產生的“記憶效應”。 HEV動力電池組是經常處于充電、放電狀態(tài)，而且充電、放電是不規(guī)則地進行，這對電池的壽命帶來嚴重的影響，松下電氣公司，用模擬HEV行駛工況對鎳-氫電池進行仿真試驗，證實鎳-氫電池的特性幾乎不發(fā)生變化，鎳-氫電池用于HEV是比較合適的。 2．鋰離子（Li-ion）電池 鋰是最輕的金屬元素，原子量僅為6.49，比重為0.534g/cm3，也是化學性能最活潑的金屬元素。鋰離子電池顯示出很多優(yōu)點，電壓高達3.6-4V，相當于3個鎳-鎘電池串連起來的電壓。比能量達到100-120 W·h／kg，是鎳-鎘電池的1.5-3倍，比功率高達1500 W/ kg，循環(huán)壽命可以達到1000次。充放電效率高，功率輸出密度大，沒有記憶效應，其能量達到銅酸電池的三倍以上，具有安全性、環(huán)保性好等優(yōu)點。 鋰離子電池主要問題是快速充、放電的性能較差，需要進一步解決對其充放過程的控制和配備專用的充電器。對于大容量鋰離子電池組，還需要解決電池組的可靠性和各個單體電池之間一致性。鈷系鋰離子電池在充電狀態(tài)時會引起電池爆炸，需要用安全閥以防止電解液受高溫氣化后產生的壓力升高。并裝自動溫度調控裝置，進行過充、放電的保護。 鋰的制取較困難，管理和使用較復雜，要求有嚴格的安全措施，需要配備電子保護電路、電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)等，使得其附屬裝置更加復雜，也增加了電池組的造價，價格高于同等容量的Ni-Cd電池或Ni-MH電池。 3．鎳-鎘（Ni-Cd）電池 鎳-鎘電池的工作電壓較低，單體電池的標稱電壓為12V。比能量為55 W·h／kg，比功率可以超過225 W/ kg，循環(huán)使用壽命達2000次以上?？梢赃M行快速充電，充電15min可以恢復50%的容量，1h可以恢復100%的容量，但一般情況下完全充電需要6h。放電深度100%，自放電率低于0.5%/天?？梢栽?40℃-80℃的環(huán)境溫度條件下正常工作?？焖俪潆娔芰?，18min即可從40%達到80%。 鎳-鎘電池具有記憶效應，鎳-鎘電池采用的鎘（Cd）是一種有害的重金屬，在電池報廢后必須進行有效的回收，這點在國外已能實現。鎳-鎘電池的成本約為鉛酸電池的4-5倍，初始購置費用較高，但鎳-鎘電池的比能量和循環(huán)使用壽命，都大大的高于鉛酸電池，因此，在電動汽車實際使用時，總的費用不會超過鉛酸電池的費用。 4．超級電容器 電容器是有兩個彼此絕緣的平行金屬導體的電容板組成，電容器極板上所儲積的電量q與其上的電壓成正比。電容器的容量單位為法拉（F），當電容充上1V電壓，如果極板上儲存1C的電荷量，則該電容的電容量就是1F。 超級電容器具有高的能量密度和極好的充電和放電能力。超級電容器的一對集電極上裝有固體活性材料，在兩個電極之間裝有電解液和絕緣層。電荷演集電極和電解液成對排列，形成一個雙層電容器，擴大了電容器的容量。 電容器的電容量從1F到幾千F，工作電壓由即使V到幾百V，放電電流可高達幾千A，能量密度比傳統(tǒng)的電容高近百倍，瞬時放電功率比鉛酸蓄電池高幾十倍，充放電次數可達數十萬次。但對超級電容器放電的控制，還需要進一步解決智能化控制技術。 根據城市客車的頻繁起步加速，經常制動等運行工況、環(huán)境，選擇充放電性能優(yōu)良的鎳-氫電池作為動力電池。東風牌EQ6122HEV混合動力城市客車采用額定功率為40Kw的永磁電動機，電池采用40A·h的鎳-氫電池，以此為參照，選擇松下公司生產的鎳-氫動力電池，單體電壓12V，容量40A·h，質量6.5kg，30組串聯，總電壓360V。 3.2發(fā)動機的選擇 1．國家863計劃多混合動力客車最高時速的設計要求為80Km/h，根據最高車速計算功率需求： （3.4） （3.5） 2．國家863計劃多混合動力客車的最大爬坡度設計要求為25°，根據最大爬坡度計算功率需求： （3.6） （3.7） 由于電動機可以提供35kw的額定功率，所以，發(fā)動機需提供的最大功率為176-35=141kw。據此選擇道依茨一汽（大連）柴油機有限公司生產的CA6DE2-20發(fā)動機。型式為立式、直列六缸、水冷、四沖程，廢氣渦輪增壓，空-空中冷，該發(fā)動機最大功率為147kw/2000rpm,最大轉矩720N·m/1400rmp。 3.3本章小結 本章的內容是設計中的關鍵環(huán)節(jié)，首先確定了原型車的基本參數，通過對比分析選定了永磁電動機作為驅動電機，鎳-氫電池作為動力蓄電池，并通過計算以及參考確定了相應的參數，電動機額定功率35Kw，動力電池360V，40A·h，確定了整車的動力性參數。 第4章 混合動力城市客車動力混合器的設計 4.1動力混合器的作用 動力混合器的作用是將發(fā)動機輸出的動力和電動機輸出的動力進行混合，在各種不同驅動模式下進行切換。動力混合器是實現對HEV控制的機械基礎，根據使用情況，動力混合器應當實現以下動力傳輸路線： 1、怠速的時候，發(fā)動機輸出動力驅動電動機，此時電動機作為發(fā)電機工作； 2、客車起步時，電動機輸出動力，驅動客車行駛，達到10Km/h； 3、當客車速度達到10Km/h時，動力混合器切換動力傳遞路線，發(fā)動機驅動整車行駛； 4、制動的時候，動力由車輪出發(fā)，逆向傳遞回電動機，此時，電動機作為發(fā)電機工作，實現制動能量回收； 5、當客車爬坡處于大負荷工況下時，發(fā)動機和電動機輸出的驅動力在動力混合器中混合，實現混合動力驅動。 4.2動力混合器的設計 內燃機 2 B A 4 3 1 電動機 傳動軸 圖4.1 動力混合器示意圖 1、車輛怠速運行時，同步器A向左移動，內燃機帶動電動機運行，此時電動機作為發(fā)電機運行，為動力電池充電； 2、車輛起步時，同步器A向右移動，電動機與輸出軸連接，輸出動力驅動車輛行駛； 3、當車輛行駛速度達到10Km/h時，同步器A復位，同步器B向左移動，內燃機輸出動力驅動車輛行駛； 4、當車輛大負荷行駛時，同步器A向右移動，同步器B向左移動，電動機與內燃機共同輸出動力，驅動車輛行駛，實現混合動力驅動； 5、車輛制動時，同步器A向右移動，動力由車輪逆向傳遞，帶動電動機運行，實現制動能量的回收。 4.2.1 齒輪幾何參數的計算 發(fā)動機最大轉矩為720N·m，所選電動機最大轉矩為210 N·m，Temax =930 N·m 動力混合器設計參數 A= （4.1） =9.5~11=176.96~204.90mm 取A=180mm 式中，A為中心距（mm）；為中心距系數，=9.5~11； 為發(fā)動機最大轉矩（）；為變速器一擋傳動比；為變速器傳動效率0.96。 齒輪壓力角為 =20 螺旋角=23°法向模數 =4 =2A/=82.8 取整，齒輪1和2齒數和為83 修正中心距A=/2=180.336mm 中心距A取180mm 精確計算螺旋角 β= （4.2） 分度圓壓力角 （4.3） 端面齒合角 （4.4） 分配齒數，齒輪1的齒數為28，齒輪2的齒數為55，當量齒數比為2.04 分度圓直徑 查《機械設計課程設計手冊》得： 變位系數和為0.4，小齒輪0.35，大齒輪0.05 齒頂高 =3.8mm （4.5） =2.6mm （4.6） 齒根高 =3.6mm （4.7） =5.2mm （4.8） 齒全高 +=7.4mm （4.9） +=7.8mm （4.10） 齒頂圓直徑 =129.05 mm （4.11） =243.76mm （4.12） 齒根圓直徑 =114.25mm （4.13） =228.05mm （4.14） 表4.1 主動錐齒輪幾何尺寸 名稱 代號 計算公式 計算結果 分錐角 43.88° 分度圓直徑 100mm 錐距 72.14mm 齒頂高 4mm 齒根高 4.8mm 齒頂圓直徑 105.77mm 齒根圓直徑 93.08mm 齒頂角 3.17° 齒根角 3.8° 根錐角 40.08° 頂錐角 47.05° 齒寬 20mm 表4.2 從動錐齒輪幾何尺寸 名稱 代號 計算公式 計算結果 分錐角 46.12° 分度圓直徑 104mm 錐距 72.14mm 齒頂高 4mm 齒根高 4.8mm 齒頂圓直徑 109.55mm 齒根圓直徑 97.35mm 齒頂角 3.17° 齒根角 3.8° 根錐角 42.32° 頂錐角 49.29° 齒寬 20mm 4.2.2齒輪的校核 =28，=55，=0.165，=0.162，=428.4N.m，=210N.m，=22.75=4 8.5 1.50 2 主動齒輪 = （ 4.15） =37.36MPa<180～350MPa 從動齒輪 = （4.16） =39.52MPa<180～350MPa 許用接觸應力的計算 （4.17） 式中，為輪齒的接觸應力（MPa）；F為齒面上的法向力（N），；為圓周力（N），；為計算載荷（N·mm）；d為節(jié)圓直徑；α為節(jié)點處壓力角（°），β為齒輪螺旋角（°）；E為齒輪材料的彈性模量（MPa）；b為齒輪接觸的實際寬度（mm）；，；、為主、從動齒輪節(jié)圓半徑（mm）。 主動齒輪 （4.18） =359.16MPa <950～1000MPa 從動齒輪 （4.19） =366.1MPa <950～1000MPa 4.3本章小結 本章是混合動力車輛的一個重要結構——動力混合器的設計，通過設計一個類似于中間軸式變速器的動力混合器，通過兩對常嚙合齒輪和兩個同步器，實現了動力傳遞路線的靈活切換，為進一步的控制提供了機械基礎。 第5章 基于人機工程學的駕駛區(qū)布置 5.1人機工程學 人機工程學是從20世紀50年代開始迅速發(fā)展起來的一門新興的邊緣學科，其基礎理論涉及到許多學科。除了有關的技術工程學科，還與人體解剖學、人體測量學、勞動衛(wèi)生學、生理學、心理學、安全工程學等有著密切關系。人機工程學的應用范圍十分廣泛，從日常用品到工程建筑，從大型機械到高技術產品，從家庭活動到工業(yè)系統(tǒng)，各個方面都在運用人機工程學的原理和方法，解決人、機、環(huán)境之間的相互關系和系統(tǒng)的優(yōu)化問題。 在車輛人機工程學中，駕駛員-車輛-環(huán)境是主要的研究對象，其中駕駛員是核心。隨著機動車用途的日益擴大、形態(tài)的日益多樣化、功率和速度的不斷增、自動化的程度不斷提高、行駛道路和交通環(huán)境條件的日益復雜，駕駛工作變得越來越繁重，因而對改善駕駛員勞動條件的要求越來越迫切。 5.2二維人體模板的結構 圖5.1 二維人體模板側視圖 基準線——人體各部分肢體上標出的基準線是用來調節(jié)的，這些角度可以從人體模板相應的部位所設置的刻度盤上讀取。頭部標出的標準眼軸線表示正常的視線，相當于自眼耳平面成15°角向下傾斜的方向，鞋上標出的基準線表示人的腳底。 關節(jié)——人體模板可以在側視圖上演示關節(jié)的多種功能，但不能顯示側向外展和轉動運動。 活動范圍——模板上帶有刻度的人體關節(jié)調節(jié)范圍，使之功能技術測量系統(tǒng)的關節(jié)。圖5.1 二維人體模板側視圖角度，包括健康人在韌帶和肌肉不超過負荷的情況下所能達到的位置，不考慮那些雖然可能，但對勞動姿勢來說超出了生理舒適界限的活動。 正視圖和俯視圖關節(jié)角度的調節(jié)范圍參照GB/T14779-93《坐姿人體模板功能設計要求》。 5.3人體尺寸 5.3.1人體主要尺寸 人體主要尺寸包括身高、體重、上臂長、前臂長、大腿長、小腿長等六項。表5.1列出我國男性成年人的主要尺寸。 表5.1 人體主要尺寸 百分位數 項目 1 5 10 50 90 95 99 身高/mm 1543 1583 1604 1678 1754 1775 1814 體重/kg 44 48 50 59 71 75 83 上臂長/ mm 279 289 294 313 333 338 349 前臂長/ mm 206 216 220 237 253 258 268 大腿長/ mm 413 428 436 465 496 505 523 小腿長/ mm 324 338 344 369 396 403 419 5.3.2人體水平尺寸 人體水平尺寸包括胸寬、胸厚、肩寬、最大肩寬、臀寬、坐姿臀寬、坐姿兩肘肩寬、胸圍、腰圍、臀圍等十項。表5