畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-電動(dòng)汽車單級(jí)主減速器設(shè)計(jì)

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1、目 錄 1 緒 論 1 1.1 課題目的及意義 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 1 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2 1.3 研究?jī)?nèi)容 3 2 電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)組成及性能 4 2.1 電動(dòng)汽車基本結(jié)構(gòu) 4 2.1.1 電動(dòng)汽車系統(tǒng)組成 4 2.1.2 電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式 5 2.1.3 電動(dòng)汽車主要部件 7 2.2 電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)性能 10 2.2.1 電動(dòng)汽車動(dòng)力性 10 2.2.2 電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性 12 2.3 本章小結(jié) 13 3 電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù) 14 3.1 電動(dòng)機(jī)技術(shù) 14 3.2 蓄電池技術(shù) 16 3.3 電池管

2、理系統(tǒng) 17 3.4 本章小結(jié) 17 4 電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配 19 4.1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配： 19 4.1.1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算： 19 4.1.2 電機(jī)參數(shù)選?。?22 4.1.3 電機(jī)控制器： 22 4.1.4 冷卻水箱設(shè)計(jì) 22 4.2 電池系統(tǒng)匹配 27 4.2.1 電池參數(shù)計(jì)算 27 4.2.2 電池參數(shù)選取 28 4.3 傳動(dòng)系參數(shù)設(shè)計(jì) 28 4.3.1 單級(jí)主減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 29 4.3.2 單級(jí)主減速器參數(shù)計(jì)算 29 4.3.3 單級(jí)主減速器錐齒輪強(qiáng)度校核 32 4.3.4 聯(lián)軸器設(shè)計(jì) 34 4.4 本章小結(jié) 37 5 結(jié)論與展望 38

3、5.1 結(jié)論 38 5.2 展望 38 致 謝： 39 參考文獻(xiàn)： 40 50 1 緒 論 1.1 課題目的及意義 本文研究小型電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的目的是設(shè)計(jì)出滿足市場(chǎng)需求的小型電動(dòng)貨車，提高電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的工作效率，降低生產(chǎn)成本，提高電動(dòng)汽車在小型貨車市場(chǎng)上的占有率。 隨著能源需求量不斷增加，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，科學(xué)技術(shù)日新月異，發(fā)展純電動(dòng)汽車勢(shì)在必行[1]。純電動(dòng)汽車是汽車行業(yè)以新能源技術(shù)為核心的一個(gè)重要發(fā)展方向，無污染、低能耗、低噪音是其技術(shù)重點(diǎn)，廣泛的電能來源，為其可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。電能將會(huì)越來越多的來自于

4、清潔能源，比如取之不盡的太陽能，用之不竭的潮汐能，高效環(huán)保的核能等。毫無疑問，純電動(dòng)汽車將使人類文明發(fā)展進(jìn)入更高階段，所以，純電動(dòng)汽車的發(fā)展對(duì)我國應(yīng)對(duì)環(huán)境污染，能源短缺問題有著重大意義。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 追溯電動(dòng)汽車發(fā)展起源，比內(nèi)燃機(jī)還要早十幾年，但是電動(dòng)汽車對(duì)技術(shù)要求較高，受技術(shù)限制所以電動(dòng)汽車發(fā)展一直落后于內(nèi)燃機(jī)發(fā)展。近幾年，科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，同時(shí)世界各國對(duì)環(huán)境污染問題高度重視，所以電動(dòng)汽車發(fā)展也迎來新機(jī)遇[2]。 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 目前世界很多國家與企業(yè)都在發(fā)展電動(dòng)汽車，但是研發(fā)重點(diǎn)不盡相同[3]。美國對(duì)環(huán)保要求嚴(yán)格，所以電動(dòng)汽車研究時(shí)間較早，此外美國對(duì)國

5、家能源安全高度重視，電動(dòng)汽車恰好解決了石油依賴的問題。美國政府逐年增加對(duì)電動(dòng)汽車的研發(fā)投入，同時(shí)各大汽車廠也加大對(duì)電動(dòng)汽車的研發(fā)力度，年銷售量超過6萬輛的汽車廠需要實(shí)現(xiàn)年銷售量EV3%、PHEV3%或者EV6%的目標(biāo)，而且美國有7個(gè)州加入零排放計(jì)劃[2]。 歐洲關(guān)注全球氣候變暖，注重溫室氣體排放問題，對(duì)二氧化碳排放有嚴(yán)格要求，對(duì)乘用車CO2排放提出要求，到2020年每輛乘用車平均排放量為95g/km，到2025年減少至70g/km，這一發(fā)展目標(biāo)的提出，大大推動(dòng)了歐洲電動(dòng)汽車的發(fā)展進(jìn)程。法國積極推動(dòng)“發(fā)展電動(dòng)汽車全國計(jì)劃”計(jì)劃2020年推廣200萬輛電動(dòng)車[4]。搭載永磁同步電動(dòng)機(jī)的雪鐵龍C-

6、Zero最高時(shí)速可達(dá)130km/h，續(xù)駛里程160km,使用鋰電池技術(shù)，快速充電模式下半小時(shí)可以充電80%。奔馳確立“藍(lán)色效能戰(zhàn)略、混合動(dòng)力戰(zhàn)略和燃料電池實(shí)現(xiàn)零排放”的三階段戰(zhàn)略，奔馳Smart電動(dòng)汽車最高時(shí)速為100km/h，電動(dòng)機(jī)功率為40馬力，續(xù)駛里程115km,每公里消耗十二千瓦電量，被評(píng)為城市交通中最節(jié)能最環(huán)保車型之一[5]。 日本為發(fā)展電動(dòng)汽車早在1967年就成立了日本電動(dòng)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)，后來制定了《電動(dòng)汽車的開發(fā)計(jì)劃》和電動(dòng)汽車生產(chǎn)和保有量目標(biāo)[6]。日本計(jì)劃到2020年新能源汽車銷售比例將占到新車銷售總量的一半，到2030年達(dá)到四分之三[7]。到目前為止，日本是電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化最

7、先進(jìn)的國家，部分車企實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車量產(chǎn)化，開始建立銷售平臺(tái)。本田公司電動(dòng)汽車研發(fā)主要包括混合動(dòng)力和燃料電池兩個(gè)方面，豐田公司則在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車方面取得很大成功，日產(chǎn)公司生產(chǎn)的Leaf，使用先進(jìn)的電池技術(shù)，最大能夠支持120馬力的電動(dòng)機(jī)，使用的電動(dòng)機(jī)最大扭矩為280Nm,快充模式下半小時(shí)可以將電池組充到80%。 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國雖然帶動(dòng)汽車發(fā)展時(shí)間比較短，技術(shù)還未成熟，但是目前也在大力發(fā)展電動(dòng)汽車，2001年我國確立電動(dòng)汽車三縱三橫研發(fā)布局，承擔(dān)研發(fā)項(xiàng)目的企業(yè)有上海汽車、奇瑞公司和天津汽車集團(tuán)等，參與的高校有北京理工大學(xué)和上海交通大學(xué)。2008年北京奧運(yùn)會(huì)期間，電動(dòng)汽車在奧運(yùn)村大

8、量使用，不僅降低了環(huán)境污染，而且在全國起到示范作用，促進(jìn)電動(dòng)汽車的發(fā)展。2009年國家進(jìn)一步加大對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展力度，出臺(tái)了《汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整振興規(guī)劃》、電動(dòng)汽車“十城千輛”等項(xiàng)目。2010年第十一屆北京國際汽車展覽會(huì)上，各大汽車廠家推出新型電動(dòng)汽車，東風(fēng)、一汽、奇瑞等國內(nèi)各大汽車制廠也制定的電動(dòng)汽車發(fā)展計(jì)劃。同年，第二十五屆電動(dòng)汽車大會(huì)在深圳開幕，此次是有史以來最大規(guī)模的電動(dòng)車國際會(huì)議，對(duì)我電動(dòng)車發(fā)展起到了推動(dòng)作用[8]。2016年第十五屆青島國際車展，上汽大通展出EV80電動(dòng)車，此款車型是國內(nèi)首發(fā)的純電動(dòng)寬體輕型客車，續(xù)駛里程為370km，采用高效的大容量磷酸鐵鋰電池技術(shù)，2小時(shí)即可充滿，比亞

9、迪也帶來多款新能源汽車。 電動(dòng)汽車雖然有著大好的發(fā)展前景，但是也面臨著許多發(fā)展問題，主要包括續(xù)駛里程、生產(chǎn)成本、蓄電池技術(shù)和電動(dòng)汽車配套設(shè)施建設(shè)四方面。續(xù)駛里程是人們關(guān)注的一個(gè)重要問題，目前市場(chǎng)上存在的大部分純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程在300km以下，而純電動(dòng)貨車在150km以下，這一性能是在整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行良好的情況下才能實(shí)現(xiàn)，絕大多數(shù)電動(dòng)汽車在實(shí)際使用時(shí)續(xù)駛里程會(huì)有不同程度度的降低，續(xù)駛里程根本無法與燃油汽車相提并論，這也是電動(dòng)汽車占領(lǐng)市場(chǎng)最大的短板。電動(dòng)汽車技術(shù)要求高，有關(guān)零部件沒有形成生產(chǎn)規(guī)模，甚至還需要應(yīng)用新材料，所以生產(chǎn)成本高。高昂的生產(chǎn)成本大大降低了純電動(dòng)汽車的性價(jià)比，雖然國家

10、為鼓勵(lì)發(fā)展電動(dòng)汽車實(shí)施補(bǔ)貼政策，但是高生產(chǎn)成本仍然是制約電動(dòng)汽車批量生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。蓄電池技術(shù)是純電動(dòng)汽車發(fā)展的核心技術(shù)，也是各國發(fā)展純電動(dòng)車需要攻克的難關(guān)，提高電池比能量、比功率和增加電池循環(huán)使用壽命對(duì)提升電動(dòng)汽車整車性能有重大意義。電動(dòng)汽車配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)更是一個(gè)龐大長(zhǎng)期的系統(tǒng)工程，它決定了電動(dòng)汽車市場(chǎng)的發(fā)展命運(yùn)，電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)全國范圍內(nèi)的正常運(yùn)行需要健全基礎(chǔ)設(shè)施，標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)要求，規(guī)范化的充電站、蓄電池管理站和維修站，此外還需要相應(yīng)的法律法規(guī)規(guī)范電動(dòng)車的使用。 1.3 研究?jī)?nèi)容 本文研究對(duì)象為小型電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)，主要用于城鄉(xiāng)之間的輕型貨物運(yùn)輸，主要研究?jī)?nèi)容為： 1、

11、通過查閱文獻(xiàn)和市場(chǎng)調(diào)查了解電動(dòng)汽車的發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)存在的問題，了解市場(chǎng)需求，并且設(shè)計(jì)符合市場(chǎng)需求的電動(dòng)汽車。 2、簡(jiǎn)單闡述電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)組成及性能，通過比較分析提出合理的設(shè)計(jì)方案。 3、研究分析電動(dòng)汽車發(fā)展中應(yīng)用到的關(guān)鍵技術(shù)，掌握電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)中涉及的關(guān)鍵技術(shù)和運(yùn)用方法。 4、根據(jù)整車工作要求，計(jì)算出電動(dòng)機(jī)、主減速器的參數(shù)，完成電機(jī)選型和主減速器校核。 2 電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)組成及性能 2.1 電動(dòng)汽車基本結(jié)構(gòu) 2.1.1 電動(dòng)汽車系統(tǒng)組成 電動(dòng)汽車主要由動(dòng)力系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成，如圖2-1所示。動(dòng)力系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器和傳動(dòng)系三大部分。控制

12、器是整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的控制中心，需要接收加速（減速）踏板傳來的信號(hào)，然后進(jìn)行處理，將執(zhí)行指令傳遞給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電動(dòng)機(jī)根據(jù)指令輸出相應(yīng)的功率、扭矩，動(dòng)力通過主減速器、差速器、半軸傳遞到驅(qū)動(dòng)輪，從而實(shí)現(xiàn)駕駛員的駕駛意圖。驅(qū)動(dòng)電機(jī)是整個(gè)電動(dòng)汽車的核心部件，其有兩個(gè)左右，啟動(dòng)、加速和正常行駛時(shí)，電動(dòng)機(jī)需要根據(jù)控制傳來的指令將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能提供給驅(qū)動(dòng)輪，下坡或制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)成為發(fā)電機(jī)，將驅(qū)動(dòng)輪通過傳動(dòng)系傳來的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池中。 圖2-1 電動(dòng)汽車系統(tǒng)組成 傳動(dòng)系是動(dòng)力傳遞的重要組成部分，負(fù)責(zé)將電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)輪，制動(dòng)時(shí)動(dòng)力反向傳遞，其結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)比的選擇對(duì)整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有重

13、大影響。能源系統(tǒng)主要包括蓄電池、能量管理系統(tǒng)和充電器組成。蓄電池是整車唯一的能源提供，其作用有三個(gè)，充電，放電和存儲(chǔ)電能。電動(dòng)汽車工作時(shí)，蓄電池需要將存儲(chǔ)的電能釋放出來，充電或者制動(dòng)時(shí)，蓄電池需要將外界能量存儲(chǔ)起來，蓄電池需要有較大的比功率、比能量和較長(zhǎng)的循環(huán)壽命。能量管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)蓄電池中的能量管理分配，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整車能量供給，使電池中能量的使用效率最大化。合理科學(xué)的能量管理系統(tǒng)不僅能延長(zhǎng)電池的受用壽命，而且可以準(zhǔn)確的提供整車的實(shí)時(shí)信息，便于整車狀況監(jiān)控。充電器是蓄電池獲取外界能源的主要途徑，充電器需要將外界電能轉(zhuǎn)化滿足蓄電池充電要求的制式，而且市場(chǎng)需求的快速充電也是充電器技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

14、輔助系統(tǒng)包括動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輔助動(dòng)力源和冷氣和暖氣。 2.1.2 電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)布置方案與傳統(tǒng)燃油汽車有很大不同，為了更充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，需要根據(jù)電動(dòng)汽車的工作環(huán)境及要求合理設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。本文主要介紹四種驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)布局：傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式、輪轂電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)式、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橋整體式、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橋組合式。 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式：傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式就是在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)上，用電動(dòng)機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)代替，其傳動(dòng)系統(tǒng)不變。類比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的布置形式，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)可分為前置式和后置式，其工作原理與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相似。如圖所示驅(qū)動(dòng)模式，動(dòng)力從電動(dòng)機(jī)通過離合器、變速器、傳動(dòng)軸、主減速器、差速器、

15、半軸到驅(qū)動(dòng)輪。如圖2-2所示。 圖2-2 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式 輪轂電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)式：輪轂電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)式就是將電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)在驅(qū)動(dòng)輪中，這種驅(qū)動(dòng)模式既節(jié)省了空間又簡(jiǎn)化了傳動(dòng)路徑。布置方式可分為前輪驅(qū)動(dòng)、后輪驅(qū)動(dòng)、四輪驅(qū)動(dòng)，不管哪種布置方式，都需要用到控制器控制電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)差速的目的，此布置方案對(duì)技術(shù)要求最高，成本也是最高的，目前應(yīng)用不廣泛。布置形式如圖2-3所示。 圖2-3 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)式 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橋整體式：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橋整體式可分為同軸式和雙聯(lián)式。同軸式是電動(dòng)機(jī)放在車橋的空心軸中，動(dòng)力通過主減速器、差速器、半軸傳到驅(qū)動(dòng)輪上。雙聯(lián)式是左右兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)直接通過半軸將動(dòng)力傳輸?shù)津?qū)動(dòng)輪上，但是需

16、要控制器控制電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)差速功能，但是控制比較復(fù)雜，成本較高。如圖2-4即電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橋整體式布置形式。 圖2-4 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橋整體式 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橋組合式：這種形式最為常見，即電動(dòng)機(jī)與車橋平行，動(dòng)力通過主減速器、差速器、半軸傳到驅(qū)動(dòng)輪，此外還有電動(dòng)機(jī)與車橋垂直的布置形式，此方案具有傳動(dòng)效率高，便于安裝，結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，但是此方案對(duì)電機(jī)和電機(jī)控制器的要求較高，所以成本較高。圖2-5所示為電動(dòng)機(jī)與車橋平行的布置形式。 本文所設(shè)計(jì)車型是參考東風(fēng)小康K05廂式貨車，根據(jù)電動(dòng)汽車工作要求，選擇動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橋組合式。電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)橋垂直布置，選用錐形齒輪主減速器。 圖2-5 電

17、動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橋組合式 2.1.3 電動(dòng)汽車主要部件 1、驅(qū)動(dòng)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型不一，具體分類如圖2-6所示。 圖2-6 驅(qū)動(dòng)電機(jī)分類 電動(dòng)汽車使用環(huán)境不同對(duì)電機(jī)的要求就不同，一般電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性和轉(zhuǎn)矩特性應(yīng)該滿足以下性能要求： （1）電機(jī)具有較大的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速范圍。汽車在不同的工況下對(duì)電動(dòng)機(jī)特性要求不同，因此電動(dòng)機(jī)需要滿足汽車在不同工況下保持較高的效率。 （2）電動(dòng)機(jī)相應(yīng)及時(shí)。在電動(dòng)汽車啟動(dòng)、加減速、制動(dòng)時(shí)，能迅速做出響應(yīng)以滿足汽車對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的要求，在響應(yīng)過程中，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過度。 （3）電動(dòng)機(jī)安全可靠，便于維修。電動(dòng)機(jī)對(duì)工作環(huán)境要求較高，所以

18、應(yīng)該具備高可靠性，便于維修的特點(diǎn)。 電動(dòng)汽車使用的電動(dòng)機(jī)種類較多，各電動(dòng)機(jī)性能特點(diǎn)也不同，如表2-1所示列出幾種常用的電動(dòng)機(jī)性能特點(diǎn)比較。 表2-1 電動(dòng)機(jī)性能特點(diǎn)比較 項(xiàng)目 直流電動(dòng)機(jī) 交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 永磁無刷電動(dòng)機(jī) 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī) 功率密度 低 中 高 較高 峰值效率（%） 85-89 90-95 95-97 <90 負(fù)荷效率（%） 80-97 90-92 85-87 78-86 轉(zhuǎn)速（r/min） 4000-8000 12000-15000 4000-100000 >15000 可靠性 一般 好 優(yōu)秀 好 電機(jī)尺寸 大

19、 中 小 小 電機(jī)質(zhì)量 重 中 輕 輕 控制性能 最好 好 好 好 控制器成本 低 高 高 一般 綜合評(píng)價(jià) 差 一般 優(yōu) 較優(yōu) 永磁同步電機(jī)具有高效率、高功率密度和高可靠性的有點(diǎn)，目前純電動(dòng)汽車市場(chǎng)使用廣泛，本文選用永磁同步電動(dòng)機(jī)。通過查閱文獻(xiàn)資料獲得了永磁同步電動(dòng)機(jī)的特性曲線圖，如圖2-7所示。 圖2-7 永磁同步電機(jī)特性曲線 從上圖可以看出，永磁同步電機(jī)滿足電動(dòng)汽車對(duì)電動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速高扭矩，高轉(zhuǎn)速恒功率的特性要求。 2、蓄電池 電動(dòng)汽車的發(fā)展主要受到電池技術(shù)的制約，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，蓄電池技術(shù)也有了很大

20、進(jìn)步，目前電動(dòng)汽車主要使用的蓄電池為鋰電池，而燃料電池技術(shù)還不成熟，有待進(jìn)一步研究。電動(dòng)汽車的蓄電池有一下評(píng)價(jià)指標(biāo)： 比能量是指單位體積或質(zhì)量的能量，為降低電動(dòng)汽車的質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)性，適合選擇高比能量的蓄電池。 充電時(shí)間是指電動(dòng)車正常充滿電所需要的時(shí)間，充電時(shí)間越短，技術(shù)要求越高，成本也越高。 連續(xù)放電率和自放電率是指電池連續(xù)放電時(shí)間，一般要求1小時(shí)放電70%，自放電率是指在一定條件下，電量保持能力，要求時(shí)間越長(zhǎng)越好。 使用壽命是指在正常工作條件下，電池循環(huán)使用次數(shù)，一般要求為不低于1000次。 蓄電池類型不同性能各異，如表2-2所示就是各種常用電池的

21、比較。 表2-2 各種蓄電池性能比較 電池類型 特點(diǎn) 鉛酸電池 技術(shù)成熟、成本低廉、比功率高、比能量低 鎳鎘電池 技術(shù)成熟、比功率高、成本高、比能量低 鎳鋅電池 比能量低、比功率高、成本低、循環(huán)壽命短 鋅空氣電池 非常高的比能量、成本低、比功率低 鈉硫電池 比能量高、比功率高、成本高、需要熱管理 鋰聚合物電池 非常高的比能量、比功率高、低溫性能差 鋰離子電池 非常高的比能量和比功率、成本高 3、電池管理系統(tǒng) 電池管理系統(tǒng)是電池電能高效利用的保障，它管理眾多單體電池組成的電池組，協(xié)調(diào)整車各部分的電能使用，科學(xué)的電池管理系統(tǒng)可以大大提高電池組的

22、使用壽命，電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-8所示。 圖2-8 電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2.2 電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)性能 本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)與傳統(tǒng)的汽車動(dòng)力系統(tǒng)不同，但是汽車系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)上有共同之處。 2.2.1 電動(dòng)汽車動(dòng)力性 電動(dòng)汽車的動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)和傳統(tǒng)汽車一樣包括最高車速、加速性能和爬坡性能三個(gè)指標(biāo)[9]。 電動(dòng)汽車行駛方程為： (2-1) 驅(qū)動(dòng)力： (2-2) 滾動(dòng)阻力：

23、 (2-3) 坡道阻力： (2-4) 空氣阻力： (2-5) 加速阻力： (2-6) 行駛速度：

24、 (2-7) 最高車速可以根據(jù)最終選擇電動(dòng)機(jī)確定： (2-8) 為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速。 爬坡度可以根據(jù)牽引力確定： (2-9) (2-10) (2-11) 式中

25、 (2-12) 電動(dòng)汽車加速度計(jì)算： (2-13) 加速時(shí)間： (2-14) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系數(shù)： (2-15) 電動(dòng)汽車在良好路況下正常行駛時(shí)，最大車速阻力： (2-16) 2.2.2 電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性

26、 電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性是指電動(dòng)汽車電池充滿的情況下，正常行駛的最大距離，其評(píng)價(jià)指標(biāo)為能量消耗率、能量經(jīng)濟(jì)性和比能量消耗率。 能量消耗率是指電動(dòng)汽車在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)電池重新充電，充電所需要電能與行駛距離的比值。 能量經(jīng)濟(jì)性是指電動(dòng)汽車以各種預(yù)定要求所達(dá)到的續(xù)駛里程與動(dòng)力電池再充電到原有狀態(tài)所需要的電能之比。 比能量消耗率是指電動(dòng)汽車能量消耗率與整車質(zhì)量的比值。 續(xù)駛里程和能量消耗情況受實(shí)際行駛工況影響，不同工況下計(jì)算公式不同，難以用統(tǒng)一的公式計(jì)算，只能通過實(shí)驗(yàn)獲取電動(dòng)汽車特性曲線。 滾動(dòng)阻力與空氣阻力之和：

27、 (2-17) 式中 為傳動(dòng)系對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的力矩 電動(dòng)汽車消耗的阻力功率： (2-18) 化簡(jiǎn)得： (2-19) 式中 M為整車質(zhì)量，V為行駛速度，t為時(shí)間 電動(dòng)汽車克服滾動(dòng)阻力和空氣阻力行駛單位里程消耗功率： (2-20) 電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程是指電動(dòng)車消耗掉電池中的電能所能行駛的最大距離，是電動(dòng)

28、汽車的一個(gè)重要指標(biāo)，降低電動(dòng)車質(zhì)量，提高能量利用效率，對(duì)電動(dòng)車發(fā)展極其重要。 電動(dòng)車正常行駛時(shí)所需功率： (2-21) 式中 為電動(dòng)車所需功率，是電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)功率，是電機(jī)效率，是傳動(dòng)效率 電動(dòng)車消耗能量： (2-22) 式中 為消耗能量，為驅(qū)動(dòng)電壓，為驅(qū)動(dòng)電流 續(xù)駛里程：

29、 (2-23) 2.3 本章小結(jié) 本章介紹了電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)形式，通過分析四種驅(qū)動(dòng)模式特點(diǎn)，結(jié)合本文設(shè)計(jì)要求，選擇電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橋結(jié)合式的結(jié)構(gòu)形式作為本文設(shè)計(jì)車輛的驅(qū)動(dòng)模式，通過對(duì)關(guān)鍵零部件的分析，為電動(dòng)機(jī)和電池的選型奠定基礎(chǔ)，通過對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，為動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配提供了依據(jù)。 3 電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù) 3.1 電動(dòng)機(jī)技術(shù) 電動(dòng)機(jī)作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力輸出，應(yīng)該高效的將電池中的電能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)車輛行駛的機(jī)械能，此外為了增加汽車的續(xù)航能力，電動(dòng)機(jī)還應(yīng)該盡量高效的將制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量存儲(chǔ)的電池中[10]

30、。電動(dòng)汽車使用電動(dòng)機(jī)種類不一，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)主要有以下幾種： 直流電動(dòng)機(jī)：直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)。直流電機(jī)可以在重載工況下實(shí)現(xiàn)均勻、平滑的無級(jí)調(diào)速，而且調(diào)速范圍廣，此外直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)力矩大適用于重負(fù)載機(jī)械，但是它質(zhì)量、體積比較大，與輕量化設(shè)計(jì)理念不一致，同時(shí)效率低經(jīng)濟(jì)性不好，所以在汽車上應(yīng)用受限。直流電動(dòng)機(jī)及控制器如圖3-1所示。 圖3-1 直流電動(dòng)機(jī)及控制器 交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)：交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下獲得一個(gè)轉(zhuǎn)矩，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)包括籠形和繞線轉(zhuǎn)子兩種，因?yàn)榛\形交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有效率高、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維修的特點(diǎn)，所

31、以與直流電動(dòng)機(jī)相比更具優(yōu)勢(shì)，但是繞線轉(zhuǎn)子交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，而且故障率也較高。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可以再生制動(dòng)實(shí)現(xiàn)車輛制動(dòng)時(shí)的能量回收，因此在電動(dòng)汽車上得以廣泛應(yīng)用。但是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)也具有降低電網(wǎng)功率、調(diào)速范圍窄、不能平滑調(diào)速的缺點(diǎn)。因?yàn)楦袘?yīng)電動(dòng)機(jī)使用三相電，所以需要使用逆變器將電池中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電供給感應(yīng)電機(jī)。此外，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制策略有轉(zhuǎn)速控制、矢量控制、變壓變頻控制、效率優(yōu)化控制、自適應(yīng)控制和變級(jí)控制等。交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)及控制器如圖3-2所示。 圖3-2 交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)及控制器 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī):開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括功率變換器、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、控制器和傳感器四部分。

32、具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠性高和成本低的有點(diǎn)，轉(zhuǎn)速比較高。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，噪音大，經(jīng)濟(jì)性也不理想，所以在電動(dòng)汽車上應(yīng)用也有限。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)及控制器如圖3-3所示。 圖3-3 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)及控制器 永磁電動(dòng)機(jī)分為兩種：永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)。永磁無刷直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是便于控制和轉(zhuǎn)矩大，缺點(diǎn)是工作轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定。永磁同步電機(jī)優(yōu)點(diǎn)是工作轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，但是其難以控制，技術(shù)要求高，成本也高，并且轉(zhuǎn)矩較無刷直流電機(jī)小。永磁同步電動(dòng)機(jī)及控制器如圖3-4所示。 圖3-4 永磁同步電動(dòng)機(jī)及控制器 3.2 蓄電池技術(shù) 蓄電池是電動(dòng)汽車唯一的能量提供源，電池蓄電能力對(duì)電動(dòng)汽

33、車?yán)m(xù)駛里程有很大影響，要想續(xù)駛里程遠(yuǎn)，就必須增大蓄電池容量，蓄電池容量越大，體積和質(zhì)量就越大，導(dǎo)致整車質(zhì)量加重，自身消耗能量增加，使汽車?yán)m(xù)駛里程降低。因此，蓄電池對(duì)整車性能影響重大。 電動(dòng)汽車蓄電池有五大要求：功率密度高、能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全可靠、制造成本低[11]。根據(jù)電動(dòng)汽車工作需要，平衡五個(gè)方面的取舍，獲得最優(yōu)方案。這也是目前電動(dòng)汽車蓄電池領(lǐng)域需要攻克的難關(guān)。 市場(chǎng)存在的蓄電池主要有三種：鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池。不同類型蓄電池性能比較如表3-1所示。 表3-1 不同類型蓄電池性能比較 電池類型 鉛酸電池 鎳氫電池 鋰離子電池 正極 PbO2 N

34、iOOH LiCoO2 電解液 H2SO4 KOH LiPF6 負(fù)極 Pb MH C 能量密度（Wh/kg） 30 60-80 100 基本電壓 2V 1.25V 3.6V 自我放電率（月） 5% 30% 10% 可充電次數(shù) 200-500 500 1000 容忍過充電率 高 低 非常低 最佳放電率 30%-50% 80% 60% 容許負(fù)載 高 最低 低 最快充電 8H 2H 3H 工作溫度 -20-600C -20-600C -20-600C 估計(jì)成本 25 70 100 鉛酸電池：電極主要由

35、鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。應(yīng)用廣泛，成本低、控制簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，質(zhì)量穩(wěn)定，可靠性高。其缺點(diǎn)是質(zhì)量中，體積大，不能滿足汽車?yán)m(xù)駛里程長(zhǎng)的要求，其次壽命較其他電池短，更換次數(shù)頻繁。 鎳氫電池：由氫離子和金屬鎳合成，電量?jī)?chǔ)備比鎳鎘電池多30%，比鎳鎘電池更輕，使用壽命也更長(zhǎng)，并且對(duì)環(huán)境無污染。鎳氫電池的缺點(diǎn)是價(jià)格比鎳鎘電池要貴好多，性能比鋰電池要差。其高比功率特性完全可以滿足電動(dòng)汽車啟動(dòng)、加速和爬坡的要求，壽命也是鉛蓄電池的2倍以上，而且安全，環(huán)保。它曾是電動(dòng)汽車發(fā)展過程中的主要能源，隨著技術(shù)發(fā)展逐漸被替代。 鋰離子電池：是一種二次電池（充電電池），它主要依靠

36、鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作。在充放電過程中，Li+ 在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。電池一般采用含有鋰元素的材料作為電極，是現(xiàn)代高性能電池的代表。其具有電壓高、比能量大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性好、自放電率小和充電速度快的特點(diǎn)。其缺點(diǎn)是不同程度的衰老和不耐受過充、過放。 3.3 電池管理系統(tǒng) 1、系統(tǒng)管理 在電動(dòng)汽車正常使用時(shí)，電池組會(huì)不斷的放電、充電，電池組中電壓，電流，溫度都會(huì)有不同程度的變化。為了保證整個(gè)電池組的整體性能，需要對(duì)各單體電池進(jìn)行監(jiān)控、管理，從而保證電池組中各單體電池性能的一致性。 2、電池充

37、電 在使用過程中必須對(duì)電池組進(jìn)行周期性的充電。充電需要用專用的充電設(shè)備進(jìn)行充電，充電設(shè)備多種多樣，包括接觸式和感應(yīng)式充電器，根據(jù)汽車需要選擇適合的充電器。 電池管理系統(tǒng)如圖3-5所示。 圖3-5 電池管理系統(tǒng) 3.4 本章小結(jié) 本章重點(diǎn)對(duì)電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)——電動(dòng)機(jī)技術(shù)和蓄電池技術(shù)做了詳細(xì)的介紹，通過對(duì)比分析各種類型的電動(dòng)機(jī)和蓄電池的性能參數(shù)，結(jié)合實(shí)際需求，最終確定電動(dòng)機(jī)類型為永磁同步電動(dòng)機(jī)，蓄電池類型為鋰離子蓄電池。 4 電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配 4.1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配：

38、 為了使電動(dòng)機(jī)更好的匹配整車性能，本文首先列出了車輛的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能要求，部分參數(shù)為設(shè)計(jì)車輛的期望值。整車結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能要求如表4-1所示。 表4-1 整車結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能要求 名稱 參數(shù) 單位 整車質(zhì)量 1090 Kg 載貨質(zhì)量 600 kg 空載最高車速 80 Km/h 滿載最高車速 60 Km/h 迎風(fēng)面積 2.4 M2 空氣阻力系數(shù) 0.35 滾動(dòng)阻力系數(shù) 0.0076+0.000056u 最大爬坡度 20 % 續(xù)駛里程 100 km 傳動(dòng)效率 0.92 輪胎規(guī)格 165/70R14 車輪滾動(dòng)半徑 0

39、.29 m 電動(dòng)汽車所需轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都來自于電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)功率大小直接影響到整車性能。如果電動(dòng)機(jī)功率過大，后備功率就會(huì)很大，不僅使得電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量增大，而且會(huì)使電動(dòng)機(jī)工作效率低下；反之，功率過小，不能滿足整車的性能要求，而且電動(dòng)機(jī)經(jīng)常過載工作，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)壽命大大縮短，甚至直接損壞[12]。 4.1.1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算： 1、電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算： （1）滿足空車最高車速（80km/h)要求，電動(dòng)機(jī)需要提供的功率： (4-1) 滿足滿載最高車速（60km/h）要求，電動(dòng)機(jī)需要提供功率：

40、 (4-2) 式中 、—電動(dòng)汽車的車速，—功率效率系數(shù)，m—電動(dòng)車質(zhì)量 f—滾動(dòng)阻力系數(shù)，—空氣阻力系數(shù)，A—迎風(fēng)面積，g—重力加速度 經(jīng)計(jì)算得： ， （2）滿足爬坡性能（10km/h,20%）要求,電動(dòng)機(jī)需要提供功率： (4-3) 式中 v—電動(dòng)汽車車速，—最大爬坡度 經(jīng)計(jì)算得： （3）滿足電動(dòng)汽車加速性能（0—40km/h,10s）要求，電動(dòng)機(jī)需要提供率： (4-4) 式中 為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換

41、算系數(shù) 經(jīng)計(jì)算得： 為滿足電動(dòng)汽車使用性能要求，電動(dòng)機(jī)最大功率應(yīng)滿足： (4-5) 則電動(dòng)機(jī)的最大功率為： 電動(dòng)機(jī)的額定功率為： (4-6) 式中 為電機(jī)過載系數(shù)，一般選取范圍2—4，本文選取 2、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩計(jì)算： 電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括固定速比減速器、差速器、半軸、驅(qū)動(dòng)車輪等。主減速比直接影響到整車的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，根據(jù)汽車?yán)碚摻?jīng)驗(yàn)公式可以大致得出主減

42、速比的選擇范圍：6-9，本文初選傳動(dòng)比為i=7.4[13]。 電動(dòng)貨車在滿載最大爬坡度工況時(shí)所需扭矩最大扭矩： (4-7) 經(jīng)計(jì)算得： (4-8) 考慮電機(jī)扭矩余量，故選?。? (4-9) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)滿足額定轉(zhuǎn)速：

43、 (4-10) 帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得： (4-11) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩： (4-12) 計(jì)算得： (4-13) 最高車速時(shí)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速： (4-14) 計(jì)算得： (4-15) 選取電機(jī)最

44、高轉(zhuǎn)速： (4-16) 4.1.2 電機(jī)參數(shù)選?。? 根據(jù)計(jì)算電動(dòng)貨車功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩需求，結(jié)合電動(dòng)機(jī)廠家所提供電機(jī)參數(shù)，電機(jī)參數(shù)如表4-2所示。 表4-2 電機(jī)參數(shù)表 電機(jī)形式 永磁同步電動(dòng)機(jī) 額定電壓 288V 最大功率 30kw 額定功率 15kw 最大轉(zhuǎn)矩 160N*m 額定轉(zhuǎn)矩 80N*m 最大轉(zhuǎn)速 6500r/min 額定轉(zhuǎn)速 2400r/min 冷卻方式 水冷（流量8L/min） 質(zhì)量 45kg 4.1.3 電機(jī)控制器： 電機(jī)控制器相關(guān)參數(shù)如表4-3所示。 表4-

45、3 電機(jī)控制器參數(shù)表 型號(hào) N110WSA 冷卻方式 水冷 額定輸入電壓（VDC） 336 最高輸入電壓（VDC） 420 額定輸出電壓（VAC） 288 額定輸入電流（A） 70 額定輸出電流（A） 210 控制電源（V） 12 外形尺寸（mm） 404X249X134 質(zhì)量（kg） 8 4.1.4 冷卻水箱設(shè)計(jì) 根據(jù)所選電動(dòng)機(jī)及控制器使用要求，需要對(duì)其進(jìn)行水冷，電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)包括散熱器、風(fēng)扇、水泵和管路等。冷卻系統(tǒng)應(yīng)該滿足的要求主要包括滿足系統(tǒng)要求，便于安裝、維修，效率高，成本低等[14]。 1、水泵的選型 為了使動(dòng)

46、力系統(tǒng)中的熱量及時(shí)被冷卻液帶走，需要使用水泵加快冷卻液的循環(huán)速度。水泵的選擇對(duì)于整個(gè)冷卻系統(tǒng)性能起著至關(guān)總要的作用，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括流量和揚(yáng)程。電動(dòng)機(jī)和控制器已經(jīng)給出流量要求（8L/min），所以只需要設(shè)計(jì)水泵揚(yáng)程。水泵揚(yáng)程理論上是可以通過流體力學(xué)公式計(jì)算出來的，但是由于設(shè)計(jì)水道復(fù)雜，流量分配難以確定，所以本文水泵揚(yáng)程根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估取為10m。 2、散熱器設(shè)計(jì) 散熱器是冷卻系統(tǒng)散發(fā)熱量的主要部件，其作用是將循環(huán)水中的熱量散發(fā)到外界，降低循環(huán)水的溫度，達(dá)到冷卻電動(dòng)機(jī)和控制器的目的。 散熱器包括管片式和管帶式兩種。管片式散熱器由水管和散熱翅片組成，翅片可以加快熱量的散發(fā)

47、，達(dá)到冷卻循環(huán)水的效果。其優(yōu)點(diǎn)是剛度和強(qiáng)度高，氣阻??；缺點(diǎn)是效率低、成本高，加工難度大。管片式散熱器結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。 圖4-1 管片式散熱器結(jié)構(gòu) 管帶式散熱器由扁平水管和波浪形散熱翅組成，性能較管片式散熱器提升很多，所以目前在汽車上廣泛使用。其有點(diǎn)是散熱效率高、成本低。管帶式散熱器結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。 圖4-2 管帶式散熱器結(jié)構(gòu) 散熱器面積由散發(fā)的熱量決定的，其計(jì)算公式為： (4-17) 式中 為散發(fā)熱量（kJ/h）；為散熱器貯備系數(shù)，取1.1；為傳熱系數(shù)（W/（m2·K））；為冷卻介質(zhì)對(duì)數(shù)平均溫差（K）

48、 (4-18) 式中 為修正系數(shù)，取0.98；為冷卻液進(jìn)出口溫度；為空氣進(jìn)出口溫度 則： 散熱器傳導(dǎo)系數(shù)： (4-19) 式中 為熱流體與壁面表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，管內(nèi)液體流速為0.2-0.6m/s時(shí)，取4070W/（m2·K） 為冷流體與壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，與空氣流過散熱器速度有關(guān)，取112W/（m2·K） 為散熱壁厚，取0.15mm。 為散熱管導(dǎo)熱系數(shù)，鋁材取230W/（m·K） 計(jì)算得：

49、 動(dòng)力系統(tǒng)散發(fā)熱量: (4-20) 式中 V為水泵流量；為水的比熱，取4.179kJ/（kg·0C）;為水泵進(jìn)出水溫差，取500C 計(jì)算得： 帶入數(shù)據(jù)得： 求得散熱器面積，根據(jù)QC/T 29025-91，選擇汽車管帶式散熱器芯子型式尺寸。芯子中冷管分為咬口管和高頻對(duì)焊管，如圖4-3所示，本文選用高頻對(duì)焊管。 圖4-3 咬口管與高頻對(duì)焊管 選擇兩排管，即D2型，結(jié)構(gòu)如圖4-4所示， b=2.2 l=14。

50、 圖4-4 D2型管結(jié)構(gòu) 根據(jù)QC/T29025-91標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算可得： ;； 查表得： ；；； 散熱帶數(shù)量： (4-21) 取 散熱器實(shí)際芯寬： (4-22) 散熱器正面積： 選定冷卻水管尺寸為：，布置兩排，總數(shù)量為：根，周圍大約33mm。 散熱器總散熱面積： (4-23) 式中 (4-24) 帶

51、入得： 滿足散熱面積4.2m2的要求。 所設(shè)計(jì)散熱器參數(shù)如表4-4所示。 表4-4 散熱器參數(shù)表 名稱 規(guī)格（mm） 寬X高X厚 486X300X34 排數(shù) 2 波高 10 波據(jù) 4 水管截面尺寸 2.2X14 管間距 10 翅片厚度 0.06 百葉窗寬度 8 百葉窗間距 1.3 3、風(fēng)扇和管路材料選擇 在冷卻系統(tǒng)中為了提升散熱器的散熱效果，需要設(shè)計(jì)與冷卻系統(tǒng)匹配的散熱風(fēng)扇，對(duì)散熱風(fēng)扇要求包括：提供足夠的風(fēng)量；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量小、成本低；效率高。風(fēng)扇材料包括薄板型和工程塑料型，本文選取帶金

52、屬鑲嵌的復(fù)合塑料風(fēng)扇。 水管是連接電動(dòng)機(jī)和散熱器的重要部件，對(duì)其要求包括耐熱性好、耐壓性好和具有一定的柔韌性。本文選用壁厚為4mm中間加強(qiáng)型橡膠管，硬度為60HS。 4.2 電池系統(tǒng)匹配 4.2.1 電池參數(shù)計(jì)算 目前電動(dòng)汽車可選用電池種類較多，根據(jù)查閱文獻(xiàn) 和實(shí)際調(diào)查，結(jié)合所設(shè)計(jì)車輛要求，本文選取性能較高的鋰電池作為車輛動(dòng)力電池。 本文在選擇電池組電壓時(shí)參考市場(chǎng)上現(xiàn)有相似車型電壓，根據(jù)國標(biāo)中推薦使用電源電壓等級(jí)，選取電壓為360V，鋰電池單體電壓為3.2V。 計(jì)算單體電池?cái)?shù)量： (4-25) 取整得：

53、 按照電動(dòng)汽車滿載以50km/h勻速行駛100km，計(jì)算電池組能量： (4-26) 式中 (4-27) 計(jì)算得： 計(jì)算電池組總能量： (4-28) 其中，為電池組實(shí)際能量；為電池組工作電壓；為電池容量，為放電系數(shù)，取0.8。計(jì)算電池容量： (4-29) 取 綜上所述，電池組

54、容量為31Ah，單體電池?cái)?shù)目為113塊，最大放電能量為8.91kw·h。 4.2.2 電池參數(shù)選取 經(jīng)過計(jì)算選取動(dòng)力電池參數(shù)如表4-5所示。 表4-5 電池參數(shù)表 參數(shù)名稱 參數(shù)要求 單體電池類型 鋰離子電池 單體電池電壓 3.2V 單體電池容量 31Ah 電池組總數(shù)量 113 電池組電壓 360 冷卻方式 水冷 循環(huán)壽命 1600 單體電池連接方式 串聯(lián) 4.3 傳動(dòng)系參數(shù)設(shè)計(jì) 傳動(dòng)系有固定速比和可變速比兩種，固定速比采用固定齒輪傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，而可變速比需要用到離合器和變速器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。本文列出了固定速比和可變速比的比較，綜合比

55、較選擇使用固定速比。固定速比與可變速比特點(diǎn)比較如表4-6所示。 表4-6 固定速比與可變速比對(duì)照表 固定速比 可變速比 電動(dòng)機(jī)額定值 較高 較低 控制器額定值 較高 較低 成本 較低 較高 體積 較小 較大 質(zhì)量 較低 較高 效率 較高 較低 可靠性 較高 較低 4.3.1 單級(jí)主減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1、主減速器齒輪的類型 雙曲面齒輪與弧齒錐齒輪相比具有一下優(yōu)點(diǎn)： 當(dāng)雙曲面齒輪與螺旋錐齒輪尺寸相同時(shí)，雙曲面齒輪傳動(dòng)有更大的傳動(dòng)比。當(dāng)傳動(dòng)比一定，從動(dòng)齒輪尺寸相同時(shí)，雙曲面主動(dòng)齒輪比相應(yīng)的螺旋錐齒輪有較大的直徑

56、，較高的輪齒強(qiáng)度以及較大的主動(dòng)齒輪軸和軸承剛度。當(dāng)傳動(dòng)比一定，主動(dòng)齒輪尺寸相同時(shí)，雙曲面從動(dòng)齒輪直徑比相應(yīng)的螺旋錐齒輪為小，因而有較大的離地間隙。 在工作過程中，可改善齒輪的磨合過程，使其具有更高的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。重合度較大，不僅提高了傳動(dòng)平穩(wěn)性，而且使齒輪的彎曲強(qiáng)度提高約30%。 根據(jù)這些優(yōu)點(diǎn)，主減速器齒輪選取雙曲面齒輪。 2、主、從動(dòng)齒輪的支承方案 主動(dòng)錐齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩不是很大，所以我們選取懸臂式支承，這樣既保證了支承剛度又能使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便制造。 從動(dòng)錐齒輪的支承選擇跨置式的，這種支承可以增大支承剛度，使軸承負(fù)荷減小，齒輪嚙合條件改善。 4

57、.3.2 單級(jí)主減速器參數(shù)計(jì)算 1、齒輪計(jì)算載荷的確定 按電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和傳動(dòng)比確定從動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩。 (4-30) 式中 為電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，為固定速比，為傳動(dòng)效率，n為驅(qū)動(dòng)橋數(shù) 經(jīng)計(jì)算得： 主動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩為： (4-31) 式中 為主動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩（N*m），為主、從動(dòng)錐齒輪之間的傳動(dòng)比取0.85 經(jīng)計(jì)算得： 2、錐齒輪主要參數(shù)的選擇 （1）選擇主、從動(dòng)錐齒輪齒數(shù)時(shí)應(yīng)考慮如下因素

58、： 為了磨合均勻，、之間應(yīng)避免有公約數(shù)。 為了得到理想的齒面重合度和高的輪齒彎曲強(qiáng)度，主、從動(dòng)齒輪齒數(shù)和應(yīng)不少于40。 為了嚙合平穩(wěn)、，噪聲小和具有高的疲勞強(qiáng)度，對(duì)于轎車，一般不少于9；對(duì)于貨車，一般不少于6。 當(dāng)主傳動(dòng)比主。較大時(shí)，盡量使取得少些，以便得到滿意的離地間隙。 對(duì)于不同的主傳動(dòng)比，和應(yīng)有適宜的搭配。 （2）從動(dòng)錐齒輪大端分度圓直徑和端面模數(shù)m 對(duì)于單級(jí)主減速器，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼尺寸有影響，大將影響橋殼離地間隙；小則影響跨置式主動(dòng)齒輪的前支承座的安裝空間和差速器的安裝。 可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式初選：

59、 (4-32) 式中 為從動(dòng)錐齒輪大端分度圓直徑(mm)，為直徑系數(shù)；一般為13.0～15.3，本文取13.5，為從動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩(N·m) 經(jīng)計(jì)算得： 由下式計(jì)算： (4-33) 式中 為齒輪端面模數(shù) 同時(shí)，還應(yīng)滿足： (4-34) 式中 為模數(shù)系數(shù)，取0.3～0.4，本文取0.3 經(jīng)計(jì)算得： 取

60、 取 則： 取 （3）主、從動(dòng)錐齒輪齒面寬和 錐齒輪齒面過寬并不能增大齒輪的強(qiáng)度和壽命，反而會(huì)導(dǎo)致因錐齒輪輪齒小端齒溝變窄引起的切削刀頭頂面寬過窄及刀尖圓角過小。這樣，不但減小了齒根圓角半徑，加大了應(yīng)力集中，還降低了刀具的使用壽命。此外，在安裝時(shí)有位置偏差或由于制造、熱處理變形等原因，使齒輪工作時(shí)載荷集中于輪齒小端，會(huì)引起輪齒小端過早損壞和疲勞損傷。另外，齒面過寬也會(huì)引起裝配空間的減小。但是齒面過窄，輪齒表面的耐磨性會(huì)降低。 從動(dòng)錐齒輪齒面寬推薦不大于其節(jié)錐距的0.3倍，即≤0.3,而應(yīng)滿足≤1

61、0ms，一般也推薦=0.1552，=21.3。對(duì)于螺旋錐齒輪，一般比大10%。因此本文中取23.4。 4.3.3 單級(jí)主減速器錐齒輪強(qiáng)度校核 1、齒輪彎曲強(qiáng)度 錐齒輪輪齒的齒根彎曲應(yīng)力為： (4-35) 式中 為錐齒輪輪齒的齒根彎曲應(yīng)力(MPa)；T為所計(jì)算齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩（N*m），對(duì)于從動(dòng)齒輪，，對(duì)于主動(dòng)齒輪，,為過載系，一般取1；為尺寸系數(shù)，它反映了材料性質(zhì)的不均勻性，與齒輪尺寸及熱處理等因素有關(guān)，當(dāng)≥1.6mm時(shí)，，當(dāng)<1.6mm時(shí)，；為齒面載荷分配系數(shù)，跨置式結(jié)構(gòu)，，懸臂式結(jié)構(gòu)，；為質(zhì)量系數(shù)，當(dāng)輪齒接觸良好，

62、齒距及徑向跳動(dòng)精度高時(shí)，，b為所計(jì)算的齒輪齒面寬(mm)；D為所討論齒輪大端分度圓直徑(mm)；為所計(jì)算齒輪的輪齒彎曲應(yīng)力綜合系數(shù)。取法見圖4-5。 上述按計(jì)算的最大彎曲應(yīng)力不超過700MPa；按計(jì)算的疲勞彎曲應(yīng)力不應(yīng)超過210MPa，破壞的循環(huán)次數(shù)為。 本文取=1，=1.0，=1.0，=0.58，從上圖知主動(dòng)錐齒輪為0.24，從動(dòng)錐齒輪為0.21，計(jì)算得： 從動(dòng)錐齒輪彎曲強(qiáng)度： 主動(dòng)錐齒輪彎曲強(qiáng)度： 計(jì)算應(yīng)力小于許用應(yīng)力所以可靠。 圖4-5 齒輪彎曲應(yīng)力綜合系數(shù) 2、輪齒接觸強(qiáng)度 錐齒輪輪齒的齒面接觸應(yīng)力為：

63、 (4-36) 式中 為錐齒輪輪齒的齒面接觸應(yīng)力(MPa)；為主動(dòng)錐齒輪大端分度圓直徑(mm)；b取和的較小值(mm)；為尺寸系數(shù)，它考慮了齒輪尺寸對(duì)淬透性的影響，通常取1.0，為齒面品質(zhì)系數(shù)，它取決于齒面的表面粗糙度及表面覆蓋層的性質(zhì)(如鍍銅、磷化處理等)，對(duì)于制造精確的齒輪，=1.0，為綜合彈性系數(shù)，鋼對(duì)鋼齒輪，取，為齒面接觸強(qiáng)度的綜合系數(shù)。 上述按計(jì)算的最大接觸應(yīng)力不應(yīng)超過2800MPa，按計(jì)算的疲勞接觸應(yīng)力不應(yīng)超過1750MPa。主、從動(dòng)齒輪的齒面接觸應(yīng)力是相同的。 經(jīng)計(jì)算得： 計(jì)算應(yīng)力小于許用應(yīng)力所以可靠。 4.3.4 聯(lián)軸器設(shè)計(jì) 聯(lián)軸

64、器的作用是連接和傳遞運(yùn)動(dòng)與扭矩，主要分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，所以本文選用平衡精度高的膜片聯(lián)軸器。 膜片聯(lián)軸器彈性元件為一定數(shù)量的多邊形或圓形金屬膜片疊合而成的膜片組，膜片周圍上有沿圓周均布的若干螺栓孔，用較制孔用螺栓交錯(cuò)間隔與兩邊的半聯(lián)軸器相連接。膜片聯(lián)軸器特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，彈性元件的連接沒有間隙，不需要潤滑，維護(hù)方便，平衡容易，質(zhì)量小，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，主要用于載荷平穩(wěn)的高速傳動(dòng)。 本文選用四連桿型膜片形式，螺栓數(shù)目為4，結(jié)構(gòu)如圖4-6所示。 螺栓受剪力： (4-37) 式中 為傳遞公稱扭矩；為螺栓分布半

65、徑；為工況系數(shù)，由機(jī)械手冊(cè)查得；為螺栓數(shù)目 帶入數(shù)據(jù)得： 許用剪切應(yīng)力： (4-38) 式中 為螺栓材料屈服極限，查表得900MPa；為安全系數(shù)，取4 計(jì)算得： 圖4-6 四連桿型膜片 螺栓直徑： (4-39) 取 為了增加聯(lián)軸器軸向剛度，降低軸向移動(dòng)，需要對(duì)螺栓施加預(yù)緊力[15]。預(yù)緊力計(jì)算： (4-40)

66、 式中 為許應(yīng)拉應(yīng)力 (4-41) 查表得： ，n=3為安全系數(shù) 計(jì)算得： 扭矩引起的剪力： (4-42) 兩螺栓孔連心線上壓力： (4-43) 式中 為Q與P的夾角 臨界壓力： (4-44) 式中 K為穩(wěn)定安全系數(shù)，取3 膜片厚度： (4-45) 取整數(shù)4mm。 式中 為膜片連桿長(zhǎng)度系數(shù)取0.5；E為膜片彈簧彈性模量取206GPa；b為連桿平均寬度30mm 拉壓應(yīng)力： (4-46) 式中 為膜片材料的抗拉強(qiáng)度極限；n為安全系數(shù)取3；A為膜片危險(xiǎn)截面面積 安全裕度： 非常安全。 4.4 本章小結(jié) 本章重點(diǎn)圍繞電動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配、蓄電池參數(shù)選擇和主減速