純電動汽車傳動系統(tǒng)結構設計【含8張CAD圖紙+說明書完整資料】

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臨能源和環(huán)境危機的嚴峻挑戰(zhàn) 純電動汽車的出現能有效解決能源 和環(huán)境這兩大危機 另外 純電動汽車的運行平穩(wěn) 低噪聲 零部 件布置靈活多樣化 維修方便 能量利用率高等優(yōu)點 電動車作為解決環(huán)境污染的重要可行途徑 得到快速發(fā)展 2 國內外研究概況 國內現今電動汽車主要是改裝設計的 在上世紀 60 年代 我國 就開始了純電動汽車的研發(fā)工作 于上世紀 90 年代掀起了一股研發(fā) 熱潮 部分相關高校 科研院所以及汽車企業(yè)聯合開發(fā)充電電池和 純電動汽車 相繼研制出電動汽車功能樣車 性能樣車和產品樣車 并開始著力推廣其示范運行 國外電動汽車設計主要有以下兩種方法 改裝設計和全新設計 改裝設計 選擇一輛與目標設汁的電動汽車在載客量和載質量 方面都近似的傳統(tǒng)汽車來進行改裝 移除內燃機 換成電機 充分 利用車架上部和下部以及原油箱和座椅下的一些空間來安放電池 為盡量擴大車廂內的有一效空間 全新設計 國外電動車發(fā)展比較 早 新研制的電動汽車大部分是采用全新設計 即采用新的外形 新的造型 底盤設計用于減小風阻 提高續(xù)時里程 對車身 底盤 和電池采取輕量化措施減輕車身質量 用間接驅動式或直接驅動式 或電動輪式驅動 再用仿真軟件進行仿真修改 3 目前技術現狀及發(fā)展趨勢 萬向電動汽車有限公司自 2002 年成立以來 在高能量聚合物鋰 離子動力電池 一體化電動機及其驅動控制系統(tǒng)等方面取得了相應 的成果 成為動力電池產業(yè)化制造基地和 十一五 純電動汽車平 臺牽頭單位 天津清源電動車輛有限公司等單位研發(fā)的純電動轎車 30 其整車的動力性 經濟型 續(xù)駛里程 噪聲等指標已超過法國雪鐵 龍的純電動轎車和箱式貨車 初步形成了關鍵技術的研發(fā)能力 北 京理工大學等單位聯合組建了北京理工科凌電動車輛股份有限公司 密云電動車輛產業(yè)化生產基地 并于 2003 年底順利通過北京市公共 交通總公司組織的示范運行車組驗收 小批量研發(fā)生產的四種車型 約 40 輛公交車投放了北京市奧運電動車示范車隊運行 設計內容和預 期成果 具體設計內容 和重點解決的技 術問題 預期成 果和提供的形式 一 設計內容和重點解決的技術問題 1 確定驅動方式 2 設計齒輪 3 確定變速器及制動器形式 二 預期成果和提供的形式 1 制定傳動系統(tǒng)結構總體方案 2 總體結構裝配圖 3 制定關鍵部位的優(yōu)化設計方案 4 撰寫畢業(yè)設計說明書 擬采取設計方 法和技術支持 設計方案 技 術要求 實驗方 法和步驟 可能 遇到的問題和解 決辦法等 1 純電動汽車傳動系統(tǒng)結構設計方法 在純電動汽車傳動系統(tǒng)結構設計過程中 首先需掌握相關仿真 軟件 具備汽車原理 汽車設計及機械制圖等專業(yè)基礎知識 然后 采用電動汽車仿真軟件 ADVISOR 建立整車動力傳動系統(tǒng)的 Simulink 仿真模型 2 工作環(huán)境及技術條件 需要用 PC 機進行機械工程圖的繪制 可以充分利用系里的 CAD CAM 實驗室進行設計工作 設計相關的各種手冊和資料和從學校圖書館借閱 另外可以充 分利用學校的數字圖書資源 查閱中 英文文獻 31 實現本項目預 期目標和已具 備的條件 包括過去學習 研究工作基礎 現有主要儀器設 備 設計環(huán)境及 協(xié)作條件等 1 完成傳動系統(tǒng)的初步掌握 已學習完汽車設計課程 已具有一 定的專業(yè)基礎知識 2 掌握純電動汽車傳動系統(tǒng)的設計 需具有機械制圖和汽車設計 的相關知識 已學習過汽車理論 汽車設計等多門課程 為設計工作打 下了良好的基礎 3 已掌握相關仿真軟件 且熟悉 ADVISOR 軟件的運用 可對傳動 系統(tǒng)進行仿真 為制定優(yōu)化設計方案提供依據 4 我院已具備 CAD CAM 實驗室 圖書館 數字圖書館等硬件設施 各環(huán)節(jié)擬定階 段性工作進度 以周為單位 1 準備開題報告 3 周 2 純電動汽車傳動系統(tǒng)結構設計 8 周 4 撰寫畢業(yè)設計說明及準備答辯 2 周 開 題 報 告 審 定 紀 要 時 間 地點 主持人 姓 名 職 務 職 稱 姓 名 職 務 職 稱 參 會 教 師 32 論 證 情 況 摘 要 記錄人 指 導 教 師 意 見 指導教師簽名 年 月 日 教 研 室 意 見 教研室主任簽名 年 月 日 41 本科生畢業(yè)設計 論文 外 文 翻 譯 原 文 標 題 Electric Vehicle Development The Past Present Gasoline vehicle took over as the leader and surpass electric vehicle both in performance and cost Infrastructure improvement and demand of inter city travel required a longer travel distance that was never able to exploit by electric vehicle before Lacking of charge infrastructure development reliable electricity transmission and limited travel distance electric vehicle no longer suited for consumer demand and lost the edge to regular gasoline vehicle Limited or no electrical infrastructure support forced the resignation and abundance of earlier electric vehicle Widely discovery of gasoline in the sate and ready availability of cheap fuel also contributed the spread of gasoline vehicle Petrol in the 1930s provided a direct cheap source of energy for vehicle transportation It could be carried around by container which enabled and extended the mobility of owning a vehicle B Midterm development 1930s 1980s Electric vehicle production and development came to a halt as personal transportation after combustion engine took over in 1935 Political sensitivity with OPEC created a necessity of energy independence during the 1960s and 1970s U S Government and environmentalist reintroduced tougher fuel efficient standard for the industry and ignited a board interest in electric vehicle in the period Energy crisis in early 70s driven the US postal service placed a large order of 350 EV test fleet It is the highest node of midterm development However partly due to limited performance other governmental priorities lack of board infrastructure support and range of corporation participation the development quiet down quickly during this period C Modern Development Modern EV development was dominated by EV1 who produced by GM for fleet application Following a program funded by Department of Energy Ford developed EV Ranger pick up truck Toyota provided Rav4 EV and Honda had an EV available as well during late 1990s and early 2000s Unfortunately this short surge of EV availability did not realized into commercial production because of a complicated issue of politics economic education and technology that includes vehicle production cost and safety concerns EV1 Ranger Rav4 and Honda EV were intended for fleet test only almost all the vehicles has been discontinued destroyed and recycled Only a handful of electric 共 5 頁 第 7 頁 vehicles were survived under the hands of EV enthusiasts D Modern HEV development However in 1999 and early 2000s a new type of electric vehicle emerged from pure electric vehicle Honda introduced the first HEV Honda Insight to the US Market that brought another milestone in auto industry With brisk market acceptance and success of the Prius HEV technology shows it maturity and potential Ford introduced the first American hybrid electric vehicle Escape SUV HEV during the Manhattan on a Tank event and registered 600 miles tank in congestive city traffic that opened a new era of competition in US among HEVs By year of 2008 the HEV sales were more than 2 5 for total sales volume In deep the next generation of HEV from Toyota Honda and Ford has introduced into 2009 with further refinement along updated technology Fuel efficiency has improved as well Toyota is the clear leader in the HEV arena base on volume and range of models with it synergy drive system Honda and Ford are right behind with their offering in full hybrids GM offers its two mode technology in hybrid passenger cars and trucks as well E Future Development As gasoline price rise rapidly combined with environmental concern the society renews the call for social responsibility Electric Vehicle and other AFV suddenly becomes popular again With announcement of the Chevy Volt plug in concept couple years ago and pure electric vehicle from Nissan a new round of EV development has resurrected into OEM s cycle plan in the up coming years The fruit of this EV trend will be seen in the next three years Comparing to previous electric vehicle development there are a few factors that will ensure this initiation be successful in the future Vehicle operators are the direct target customers of developing EV Market driven approach always creates competitive and attractive products at reasonable cost and performance Early technology and environmental adopter will the initial leaders and users They are willing to support and has the capability to influence the success Also various education programs and EV initiatives transform general understanding of fuel efficient vehicles and their benefits Warm acceptance of electric vehicle is high in the coming years Cooperation in charge station and infrastructure development has gained attention at different level Various business models are being explored The industry and government are confident that final plan will reach prior to the mass launch of electric vehicle Energy storage technology improvement makes lithium battery application became safe in vehicle Sophistication of system management upgrades and improves electric vehicle to a comparable level of combustion engine Lastly proper government policy provides a development foundation for the industry Special tax incentives and subsidy will offset consumer burden for purchasing electric vehicle It is a confident vote for the product when government is willing to provide financial and strategic support III CONCLUSION Like many emerging technology electric vehicle development and application have been around for a long time but until recently the technology has not really taken off 共 5 頁 第 8 頁 Even though HEV started as a good alternative to gasoline vehicle and well publicized by the media but it only represented as the intermediate step or near term solution Government regulation and environmental prospect in particular will drive the adoption of transportation electrification Electric vehicle will be the final goal In fact as OEM introduce more EV model to the end consumer by 2012 the presents of electric vehicle will be widely seen and recognized Along with new electric vehicle development on the way it will also introduce tremendous opportunity in associated technology especially in Power electronics We shall utilize this opportunity and contribute to the green trend 共 5 頁 第 9 頁 指 導 教 師 評 語 外文翻譯成績 指導教師簽字 年 月 日 注 1 指導教師對譯文進行評閱時應注意以下幾個方面 翻譯的外文文獻與畢業(yè)設計 論文 的主題 是否高度相關 并作為外文參考文獻列入畢業(yè)設計 論文 的參考文獻 翻譯的外文文獻字數 共 5 頁 第 10 頁 是否達到規(guī)定數量 3 000 字以上 譯文語言是否準確 通順 具有參考價值 2 外文原文應以附件的方式置于譯文之后 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 1 目 錄 第 1 章 緒論 1 1 1 電動汽車概述 1 1 1 1 什么是電動汽車 1 1 1 2 電動汽車的特點 1 1 2 研究電動車的目的和意義 2 1 2 1 研究電動汽車的時代背景 2 1 2 2 國外電動汽車的發(fā)展現狀和趨勢 4 1 2 3 國內電動汽車發(fā)展的現狀和趨勢 4 1 2 3 我國發(fā)展電動汽車具有特殊的意義 6 1 3 本論文的主要內容 6 第 2 章 電動汽車及其相關技術 7 2 1 電動汽車的基本結構 7 2 2 電動汽車電力驅動子系統(tǒng)的結構形式 8 2 3 電動汽車的動力蓄電池和動力電機 10 2 3 1 動力蓄電池組及其管理系統(tǒng) 10 2 3 2 動力電機及其控制原理 12 2 4 本章小結 14 第 3 章 電動汽車動力傳動系統(tǒng)的總體設計及參數的匹配 15 3 1 電動汽車動力傳動系統(tǒng)的方案設計 15 3 2 電動汽車功率流分析 16 3 3 電動汽車動力傳動系統(tǒng)參數設計 17 3 3 1 車輛參數 17 3 3 2 傳動機構布置方案 18 3 3 3 驅動電機匹配 18 3 3 4 變速器傳動比參數選擇 20 3 3 5 變速器齒輪設計計算 21 3 3 6 主減速器齒輪設計計算 23 3 3 7 各齒輪參數 24 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 2 3 3 8 變速器傳動軸設計計算 24 3 3 9 軸承的校核計算 28 3 4 蓄電池的選擇 30 3 5 本章小結 33 參考文獻 34 致 謝 36 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒論 1 1 電動汽車概述 1 1 1 什么是電動汽車 從車輛定義上來講 電動汽車是以車載電源作為動力輸出源 用電動機把 電能轉換成驅動車輪轉動的機械能的機動車輛 電動汽車目前分成三類 混合 動力電動汽車 燃料電池電動汽車和純電動汽車 本文僅研究純電動汽車 以 下所提電動汽車如果沒有特別指出都是純電動汽車 對我們的生活來講 電動汽車就不只是我們的代步工具那么簡單了 它集 合了新能源 新材料 新技術 可以說是現代高科技技術產品 并且 它還可 以實現我們節(jié)約資源 保護環(huán)境的迫切愿景 是未來汽車的科研方向 1 1 2 電動汽車的特點 1 可用能源豐富 電動汽車使用的電能來源廣泛 并且可以由許多可再生能源獲得 例如太 陽能 風能 潮汐能等 對石油的依賴性低 另一方面 可以在晚上給蓄電池 充電 避開了日間用電高峰 還可以節(jié)約電費 2 零污染或者低污染 由于電動汽車使用蓄電池驅動汽車 汽車工作過程中無排放 避免了內燃 機汽車排放尾氣的缺點 雖然在電廠發(fā)電過程中也會產生各種污染物 而且蓄 電池的生產也會帶來污染 但是與內燃機汽車的排放相比要輕得多 3 運行平穩(wěn) 低噪聲 由于電動汽車沒有發(fā)動機 不會發(fā)出傳統(tǒng)汽車工作時的震動和噪聲 因此 電動汽車即使在高速運行時也不會給人帶來不適感 4 部件布置多樣化 維修方便 電動汽車動力傳統(tǒng)系統(tǒng)部件間的連接大多是柔性的電線連接 不完全需要 機械連接 各部間的布置可以根據需要進行靈活安排 電動汽車的部件維修保 養(yǎng)工作量小 有些部件甚至無需維護 5 能量利用率高 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 2 電動汽車以電能作為動力源 由于電流比機械傳遞能量損耗小 因此電動 汽車能量利用率可以到 80 即使在考慮油井 車輪的情況下 最終能量轉換率 也可以到 29 左右 而內燃機汽車在考慮各種工況下工作時能量轉換率不足 12 1 2 研究電動車的目的和意義 1 2 1 研究電動汽車的時代背景 而今人們常常將 EV 稱為 新能源汽車 其實 EV 的出現時間比內燃機汽 車更早 1834 年 Thomas Davenport 發(fā)明了第一輛電動三輪車 比 1885 年德國 的 Karl Friedrich Benz 制造出天下上第一輛以汽油為動力的三輪汽車還早 51 年 上世紀末本世紀初 曾是 EV 十分繁榮的時期 1890 年全天下汽車保有量約為 4 2k 輛汽車 此中 38 為 EV 40 為蒸汽機汽車 其余為內燃機汽車 1911 年 巴黎和倫敦有電動出租汽車運營 1912 年在美國有 3 4 萬輛 EV 1907 年底特 律電氣公司出產的 EV 最高車速達 40km h 可是 由于 EV 采用的蓄電池質能 比低 使用周期短 汽車的續(xù)駛里程 動力性與價錢都無法與快速進步的內燃 機汽車相比 特別是 Ford 于 19 世紀初做到了大批量出產汽車 T 型車的最大 功率 20 馬力 最高車速 72km h 一開始的價格只有 825 美元 到了 1921 年 價格便宜了 565 美元 將 US 推到汽車遍地都是的時期 到 19 世紀 20 年代 EV 基本上競爭不過內燃機汽車 汽車消費者更喜歡了內燃機汽車 可以說這是 EV 的 一起一落 到 20 世紀 70 年代 普天之下出現了 3 次石油危機 使 EV 第二次受到青 睞 80 年代 GM Ford 和 Toyota Honda 均開發(fā)了 EV 在 20 世紀前 全天下 賣了 EV 大約 60000 輛 大概占世界上汽車保有量 6 億輛的萬分之一 在這之 中 GM 的 EV1 電動車代表性十分強 使用兩級減速的三相交流感應電動機作為 驅動系統(tǒng) 裝有 20 余塊德科 VRLA 鉛酸電池 造型悅目 低風阻 加速性優(yōu) 良 0 96km h 在 9s 以內提速完成 續(xù)航里程在 120km 160km 但是 EV1 到 最后只制造了 1117 輛 非?？上У赝顺隽藲v史舞臺 到 21 世紀 在石油的價格一直上漲和環(huán)保意識不斷提高的背景下 EV 又 等到了第二春 EV 再一次被推送到人們的視野中 在布什執(zhí)政時代 美國人將 研究重點放在氫燃料電池汽車上 但由于燃料電池造價昂貴等問題 短期內沒 有產業(yè)化的資本而胎死腹中 Toyota 卻在 HEV 上取得了重要成果 有電池與 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 3 電機參與工作的普銳斯汽車取得了不錯成就 燃油耗損得到良好解決并已在世 界上賣了 300 多萬輛 緊跟著研究人員又將精力放到純 EV 由于質能比高于鉛 酸電池 3 4 倍的新型鋰離子電池的問世 人們好像又找到了不靠石油 干凈無 污染的純 EV 的進展 海內外大量汽車企業(yè)與電池企業(yè)合作開展了新一輪 EV 研發(fā)與試驗的熱潮 可以說這是 EV 的 三起 吧 能源危機和環(huán)境危機已經是當今天下列國發(fā)展必須解決的現實危機 隨著 化石能源的減少和環(huán)境的惡化 人們越來越需要能耗少 污染小 效率高的新 型交通工具 純 EV 作為以后最具潛力的交通運輸工具正快速發(fā)展 并且在天 下列國都倡導并進行政策服務 我國在汽車行業(yè)方面發(fā)展較晚 與其它汽車工業(yè)發(fā)展成熟的國家比較之下 難免落伍 特別是在發(fā)動機 變速器等關鍵零部件技術層面沒有掌握核心技術 雖然我國汽車年產銷已經突破 1800 萬輛 是名副其實的汽車大國 但是我們面 臨的是大而不強的局面 很是尷尬 想要成為汽車工業(yè)強國 那么我國汽車工 業(yè)必須具有前瞻性 發(fā)展未來技術儲備 研發(fā)更高效能新能源汽車 尤其是純 EV 爭取掌握新一輪天下汽車市場競爭的主動權 人類發(fā)明了汽車 給我們的生活帶來了極大便利 但是汽車也是一把雙刃 劍 如何使用關系著人類社會未來的發(fā)展 權且放下我們國家的汽車技術落后 于其他國家汽車技術的事實 國內外汽車行業(yè)都遇到的攔路虎 環(huán)境污染和石 油缺乏 這兩個問題對當下發(fā)展快速的汽車行業(yè)產生了不小的沖擊 同時石油 資源在世界范圍內的分布不均使各國之間摩擦增大 導致一些國家動蕩不安 民不聊生 傳統(tǒng)汽車對外界的影響主要是排放的尾氣 還有發(fā)動機產生的噪聲 工業(yè) 化和現代化的時代發(fā)展推動了鋼筋水泥叢林的出現 使得汽車內燃機產生的污 染物難以擴散 城市里人類生活區(qū)域內空氣污染嚴重 另外 燃油汽車的內燃 機是巨大的噪聲來源 據統(tǒng)計 都市中 80 的噪聲污染來自燃油汽車 我國約 莫 2 3 的人口生活在比較高的噪聲環(huán)境中 此中有 29 的人們的生活是在不堪 忍受的噪音中度過的 自從我國加入 WTO 汽車行業(yè)發(fā)展速度變快 但汽車保有量也因此提高 噪聲和環(huán)境污染更加嚴重 我國人民的健康受到威脅 燃油汽車面對著另一個 難題 石油資源短缺 石油作為能源和它豐富的衍生物都可以在汽車上產生用 途 造成傳統(tǒng)汽車行業(yè)對石油十分依賴 據統(tǒng)計 從 1950 年到 2010 年全球汽 車保有量增加近 12 倍 如此多的汽車需要的石油量可想而知 據調查 全世界 石油儲量可開發(fā)不足五十年 而我國近些年汽車行業(yè)成長特別快 對石油的需 求一直增長 故思量到社會太平和持續(xù)發(fā)展我國要從外國采辦石油 預計到 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 4 2012 年我國的汽車石油年消耗量將突破 8000 億噸 故解決能源問題在我國刻 不容緩 恰是由于傳統(tǒng)汽車帶來了環(huán)境和能源問題 在這樣的情況下 很多國家都 在加緊研發(fā)新能源汽車 而純 EV 零排放 使用便利 構造相對簡單等優(yōu)點獲 得公眾的承認 被稱為真正的 綠色汽車 故自上個世紀 90 年代后 發(fā)展 EV 被看作解決當前問題的重要路子 可減輕我國石油需求壓力 阻止都市環(huán)境惡 化 加強汽車企業(yè)競爭力等方面 所以 研發(fā)純 EV 可以解決傳統(tǒng)汽車造成的環(huán)境和資源問題 從能源方面思 量 EV 使用的能源是一種可靠的 來源廣泛的 均衡的 對環(huán)境友好的能源 從環(huán)境方面思量 純 EV 在都市交通中可實現零排放或極低排放 縱然思量到 給這些 EV 供應能量的發(fā)電廠的排放 使用 EV 仍能明顯減輕全球的環(huán)境污染 因此能預測到 研究開發(fā)純 EV 將對能源 環(huán)境 交通以及尖端技術的發(fā)展 新型工業(yè)的建立和經濟的成長造成巨大而長遠的影響 1 2 3 1 2 2 國外電動汽車的發(fā)展現狀和趨勢 早在 1930 年就有外國人開始研究電動汽車 1834 年 Thomas Davenport 發(fā) 明了第一輛電動三輪車 比 1885 年德國的 Karl Friedrich Benz 制造出天下上第 一輛以汽油為動力的三輪汽車還早 51 年 1881 年 一個法國工程師也研究了 一輛電動汽車 與最早的電動車的區(qū)別在于 最早的電動車采用干電池作動力 而這輛采用了可充電的鉛酸電池 后來過了五年出現了有軌電車 電動汽車隨 之興盛 19 世紀末期 英法美多家公司開始研究電動汽車 此時電動汽車代表著那 時候車輛工業(yè)的最高技術水平 在美國 機動車市場被電動汽車牢牢把控 但 是 因為當時的電動汽車的各種性能指標都比不上內燃機汽車 汽車起動機被 發(fā)明后 電動汽車在市場上的銷量急劇下降 到 1930 年可以認為其退出了機動 車市場 因為世界上石油資源有限 并且分布不均 終于在上世紀 70 年代爆發(fā)了中 東戰(zhàn)爭 所以很多國家為了降低對石油的依賴對電動汽車投入了很大的精力 再加上人們環(huán)保意識的提高 電動汽車煥發(fā)第二春 上世紀末期 美國三大公司簽訂協(xié)議成立 USABC 一起研發(fā)電動汽車電池 1971 年 Toyota 也開始加入電動汽車行列 并研發(fā)出一系列的電動汽車 就在 這一年還研發(fā)出了 PriusHEV 并于 1997 年投入市場 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 5 1 2 3 國內電動汽車發(fā)展的現狀和趨勢 我國最早在 1920 年出現了電動汽車 但是由于當時條件 技術都不成熟 研究不得不中止 60 年代初 國內石油匱乏 為了解決能源問題 電動汽車的 研究趨勢又興盛起來 1962 年 上海公用事業(yè)研究所研究開發(fā)出了滿載質量為 968kg 的 SWD S2 電動汽車 70 年代 電動汽車的研究在北京 上海 河南 廣州 武漢等地開始進行 有試制樣車進行試驗 但因為資本 人力的分配不好協(xié)調 研究沒有繼續(xù)下去 80 年代 我國改革開放 一切百廢待興 政府對基本情況有了更加清楚地 了解 科技水平落后 能源短缺 與世界人均擁有量相差甚遠 另一方面 能 源匱乏和環(huán)保問題隨著汽車保有量的上升愈加嚴重 因此電動汽車的研制被政 府提上日程 同時 政府還出臺相關電動汽車的技術標準 提供政策支持 1993 年 香 港大學研發(fā)出配置功率 45Kw 的電動機和 264V 鎳蓄電池的 U2001 微型電動汽 車 1996 年 中國遠望集團研制了最高時速可達 90km h 的 YW6 120DD 大 客車 2001 年 科技部啟動電動汽車重大科技專項 7 年時間過去了 這個科技 專項得到了長足發(fā)展 像汽車關鍵技術 系統(tǒng)集成技術與整車技術都有了空前 的進步 各種電動汽車通過了認證試驗 已經進入實用化考核階段 我國電動 汽車行業(yè)正在向成熟產業(yè)化成長階段靠攏 2008 2010 年期間奧運會和世博會對電動汽車需求巨大 因此國內加快研 發(fā)進程 奧運會期間就使用了新型鋰離子電池純電動客車 屬于國際電動大客 車的先進水平 2010 年 8 月 16 家中央直屬國有企業(yè)成立聯盟 共同參與電動 汽車的研發(fā) 參與各方分為 整車廠和電動汽車制造廠家 一汽集團 東風 中國東方電機集團等 電池廠家 中海油集團 有色金屬研究院 中國航空工 業(yè)集團等 電池充電站建設單位 國家電網 中國南方電網 中石化等 緊接 著東風汽車公司宣布 將在 5 年內陸續(xù)投入 30 億元專項資金 用于節(jié)能與新能 源汽車的技術研究開發(fā)和產業(yè)化 經過持續(xù)快速發(fā)展 我國電動汽車逐步累積起自己的研發(fā)能力 整車產品 性能得到提升 電動汽車產業(yè)在國內已經形成了較為合理的行業(yè)創(chuàng)新布局體系 通過自主創(chuàng)新和圍繞電動汽車 混合動力汽車 清潔燃料汽車等領域進行研究 開發(fā)與產業(yè)生產創(chuàng)新 取得自主知識產權的專利和科研成果 20 多項 幾項關鍵 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 6 性的技術已經取得了重大突破 某些方面甚至走在了世界同行的前面 處于國 際先進水平 如比亞迪自主研發(fā)生產的 ET POWER 鐵電池 不會對環(huán)境造成 任何危害 可以使用 220V 民用電源進行充電 在專用充電站上僅需 15 分鐘左 右就可充滿電池 80 的電量 該電池在使用循環(huán) 2000 次后 容量仍可維持在 80 以上 基本實現了與整車同壽命 1 2 3 我國發(fā)展電動汽車具有特殊的意義 雖然我國汽車產業(yè)飛速發(fā)展令世界驚嘆 但是起步晚 沒有經驗只能摸著 石頭過河 發(fā)達國家壟斷核心技術 想要追上發(fā)達國家特別困難 但是電動汽 車是近些年的新興技術產品 在技術研發(fā)上我國和發(fā)達國家基本上同線起跑 這不僅是挑戰(zhàn) 更是百年難得一遇的機遇 我們必須抓住這次機會 攻克電動 汽車的核心技術 實現產業(yè)化 不僅要做大 更要做強 這樣才能擁有主動權 不依賴外國技術 形成自己的品牌 在全球汽車行業(yè)中占有重要一席 另外 我國經濟發(fā)展迅速 已經成為世界第二大經濟體 同時我國也成為 了世界上最大的能源消耗國 7 我國能源匱乏 石油 天然氣人均資源僅為世 界平均水平的 1 15 左右 8 化石能源的使用使得環(huán)境污染嚴重 直接影響著 生態(tài)平衡和人們的健康 發(fā)展電動汽車實現汽車產業(yè)可持續(xù)發(fā)展 有效解決環(huán) 境問題和能源問題 保證國家能源和環(huán)境安全 對實施節(jié)能減排與國家能源戰(zhàn) 略具有重要意義 1 3 本論文的主要內容 1 本文介紹了電動汽車的基本結構 不同電力驅動子系統(tǒng)的具體結構形式 電動汽車動力總成 分析了目前用于電動汽車上的動力蓄電池和動力電動機的 各種性能指標及其相應的管理控制系統(tǒng) 2 介紹了電動汽車的主要參數 對電動汽車各種工況下的受力進行了分析 根據車輛動力學原理建立了車輛整車動力學模型 3 根據設計目標 對電動汽車動力傳動系統(tǒng)的設計提出了合理設計方案 并對該方案進行了分析 依據車輛的動力學模型和電動機功率 傳動比和電池 組容量等參數設計的原則和方法 對電動汽車動力傳動系統(tǒng)的這些參數進行了 相應的數學建模 并對動力傳動系統(tǒng)的主要部件進行了合理選型和動力傳動系 統(tǒng)的主要參數進行合理的選擇和匹配 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 7 第 2 章 電動汽車及其相關技術 電動汽車的動力傳動系統(tǒng)與傳統(tǒng)內燃機汽車的動力傳動系統(tǒng)有很大區(qū)別 電動汽車的動力傳動系統(tǒng)包括蓄電池 動力電機 變速器等部件 去除了傳統(tǒng) 內燃機汽車中的發(fā)動機 發(fā)動機附件 離合器和部分機械傳動部件 然而 電 動汽車高性能的獲得不僅僅是將傳統(tǒng)內燃機部件換成現代電動汽車所需的部件 而是要根據現代電動汽車的特點進行合理設計 對電動汽車各部件進行合理布 置 對動力傳動系統(tǒng)中各個部件進行合理選型 并對主要參數進行匹配 優(yōu)化 9 2 1 電動汽車的基本結構 電動汽車用電能驅動 與傳統(tǒng)汽車不同的是它通過柔性的電線傳遞能量 只有部分零部件采用剛性機械結構 因此電動汽車與傳統(tǒng)燃油汽車相比 各部 件布置起來更加方便多樣 提高了汽車整體的空間使用率 現代電動汽車的基 本結構主要有三個子系統(tǒng)組成 即電力驅動子系統(tǒng) 主能源子系統(tǒng)和輔助控制 子系統(tǒng) 9 現代電動汽車很多采用交流感應電動機 相應電動汽車的典型結構 組成如圖 2 1 所示 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 8 圖 2 1 電動汽車的典型結構 附注 1 雙實線表示部件間剛性連接 粗實線表示部件間柔性電線連接 細實線表示部件間信號控制連接 箭頭方向表示部件間電流和控制信號流向 電子控制器根據外界輸入的信號發(fā)出指令控制功率轉換器 如果同時收到 加速與制動信號同時輸入 優(yōu)先響應制動信號 功率轉換器用來調節(jié)電動機和 電源之間的電流頻率和幅值 一方面可以把將蓄電池產生的直流電轉換成交流 電 這樣電動機就可以工作輸出機械能 另一方面 發(fā)電機可以回收減速制動 時的能量為蓄電池充電 充電系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)一起可以實時監(jiān)測并控制蓄 電池的使用 確保蓄電池能夠不出問題 還可以保護蓄電池 輔助動力源為溫 度控制單元 動力轉向 制動等輔助系統(tǒng)提供能量 2 2 電動汽車電力驅動子系統(tǒng)的結構形式 電力驅動子系統(tǒng)的功能是把蓄電池與車體有效連系起來 10 電力驅動子 系統(tǒng)像中轉站一樣 把電能轉換成機械能輸出給車輪驅動車輛前進 可以說是 電動汽車的核心系統(tǒng) 所以這個系統(tǒng)性能的優(yōu)劣幾乎決定了整個汽車的優(yōu)劣 現在比較常規(guī)的幾個電力驅動子系統(tǒng)有四種布置 如圖 2 2 所示 11 第一種類型如圖 a 所示 與發(fā)動機前置前驅的傳統(tǒng)汽車的傳動系統(tǒng)構造相 似 其組成包括差速器 變速器 離合器和電動機 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 9 圖 2 2 電驅動的結構形式 第二種類型如圖 b c 所示 電動機具有較大的起動轉矩和較寬的調速 性能 去掉離合器 安裝固定速比的減速器 這樣可減少機械傳動裝置 減小 電動汽車的整備質量 增大車內空間 這種電動汽車電力驅動子系統(tǒng)的結構由 電動機 固定速比減速器和差速器組成 這些部件有兩種布置形式 第一種形 式如圖 b 所示 各部件之間存在中間機械傳動裝置 第二種形式如圖 c 所示 同傳統(tǒng)內燃機汽車發(fā)動機橫向布置 前置前驅的布置方式相似 把電動機 差 速器和固定速比減速器這三個部件集成為一個整體 通過兩根半軸直接與驅動 輪相連接 少了一些中間機械傳動部件 這種結構形式最近幾年在小型電動汽 車上應用最普遍 第三種類型如圖 d e 所示 雙電動機結構 這種結構可以實現電子差 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 10 速 因為 兩個驅動輪由各自的電動機分別驅動 每個電動機的轉速可以通過 各自的固定速比減速器獨立的調節(jié)控制 因此 采用該種結構的電動車輛不存 在機械差速器 同樣這種類型的結構和第二種類型一樣也有兩種布置形式 第 二種形式如圖 e 所示 和第一種形式圖 d 差別并不很多 只是第二種形式電 動機直接裝在車輪里面 進一步縮短動力從電動機傳到驅動車輪的傳遞路徑 另外 為了提供車輪理想的轉速 可以在電動機和驅動車輪之間裝行星齒輪變 速器 固定速比 它不但能提供大的減速比 而且還能將動力輸入軸和輸出軸 布置在一條軸線上 12 第四種類型如圖 f 所示 是一種采用輪轂電動機的電力驅動子系統(tǒng)結構 這種結構的電動汽車使用低速外轉子電動機 電動機的外轉子直接安裝在車輪 的輪緣上 徹底去掉了減速器 差速器等機械傳動裝置 電動機的轉速和電動 汽車的車速控制完全取決于電動汽車的轉速控制器 2 3 電動汽車的動力蓄電池和動力電機 電動汽車能有效地解決現代社會所面臨嚴峻的能源問題和環(huán)境問題 實現 人和社會和諧發(fā)展 可持續(xù)發(fā)展 電動汽車是多種技術的融合體 是現代各種 學科的集中體現 發(fā)展 普及電動汽車必須解決以下幾點關鍵技術 動力蓄電 池組及其能量管理系統(tǒng) 電動機及其控制系統(tǒng) 2 3 1 動力蓄電池組及其管理系統(tǒng) 動力蓄電池組為電動汽車的能量源 是主能源子系統(tǒng)的核心部分 其性能 的優(yōu)劣直接影響到整車性能 因此 電動汽車對車載電源的要求較高 基本要 求是 連續(xù)放電率高 自放電率低 充放電性能好 能量密度高 功率密度高 充電時間短 循環(huán)壽命長 使用安全可靠 溫度特性好 一致性好 成本低 免維護 無污染 可回收性好等 a 目前電動汽車上常用的幾種動力蓄電池及其特點 1 鉛酸蓄電池 Lead Acid 經過一個多世紀發(fā)展的鉛酸蓄電池技術成熟 具有功率密度高 價格便宜 可靠性好 大電流放電性好 原材料豐富及鉛的回收率高等優(yōu)點 在電動汽車 發(fā)展早期得到了廣泛應用 但是其能量密度小 過充電和過放電性能差 易自 放電 壽命短加上鉛對人體有毒等缺點 正逐漸被性能高的蓄電池所取代 2 鎳鎘蓄電池 Ni Cd 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 11 鎳鎘蓄電池是一種堿性蓄電池 其技術成熟 功率密度高 工作電壓穩(wěn)定 過充電和過放電性能好 充電容易 使用壽命長 維護方便等優(yōu)點 但是其比 能量低 價格高 耐溫性差 有記憶性 加上重金屬鎘有劇毒 報廢后對環(huán)境 造成污染等缺點 限制了鎳鎘蓄電池的推廣應用 3 鎳氫蓄電池 Ni MH 鎳氫蓄電池和鎳鎘蓄電池一樣是一種堿性蓄電池 但不一樣的是鎳氫蓄電 池不存在重金屬的污染 被稱為 綠色蓄電池 鎳氫蓄電池具有較高的能量密 度和功率密度 過放電和過充電性能好 低溫性能好 使用壽命長 并可以實 現快速充電等優(yōu)點 13 除去其成本較高 不如鎳鎘電池成熟 其它性能均優(yōu) 于鎳鎘電池 因其良好的性能對用戶具有很強的吸引力 鎳氫電池正逐步取代 鎳鎘電池 91 鎳氫電池的續(xù)駛里程和使用壽命是鉛酸電池的兩倍 其能量密度 和峰值功率密度在實際使用中較高 在目前已經上市的混合動力電動車輛中 大多數都采用鎳氫電池 大有后來者居上的趨勢 14 4 鋰離子蓄電池 Li Ion 鋰離子蓄電池和鋰聚合物電池受到美 日 歐等電動汽車研究者的高度重 視 其具有能量密度高 充電效率高 工作電壓高 估計剩余電量容易等優(yōu)點 在能量密度 放電率 充放電壽命及密封性等方面均滿足了 USABC 美國先進 電池聯合體 的中期目標 具備優(yōu)良的電動汽車車用電池的性能 但是 鋰離子 蓄電池存在快速充 放電性能差 低溫性能差 過充 放電保護差 初始投入 費用高 價格高等缺點 5 鋅 空氣蓄電池 Zinc air 鋅一空氣蓄電池 發(fā)明于 1995 年已有上百年的歷史 美國及西歐的德國 瑞典 荷蘭等國家均在電動汽車上積極推廣該電池的應用 鋅一空氣蓄電池以 堿性氫氧化鉀為電解質 其具有比能量高 具有大電流持續(xù)放電的能力 自放 電效率低 使用性能穩(wěn)定 安全性好 快速的機械方法充電 不會造成污染環(huán) 境 原材料能回收重新利用等優(yōu)點而被看好 缺點是不能利用再生制動回饋能 量 9 另外 其釋放能量的速度緩慢 功率密度低 這些缺點限制了其快速發(fā) 展 表 2 1 給出了 USABC 的中期目標 15 和常見幾種蓄電池的主要性能指標 16 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 12 表 2 1 各種蓄電池的主要性能指標 b 能源管理系統(tǒng) 為了避免電池在使用過程中過度充 放電和蓄電池組件之間的電壓不平衡 等因素對蓄電池的損害 優(yōu)化使用電池能量 延長電池的使用循環(huán)壽命 必須 對蓄電池的電壓 電流和溫度指示等指標進行實時監(jiān)控 蓄電池的能量管理系 統(tǒng)實際上是以微處理器為核心的電子控制單元 其主要功能 1 利用各種傳感 器對使用過程中的蓄電池參數進行檢測 檢測的物理量包括 蓄電池的電壓 電流 溫度 充放電狀態(tài)和放電深度等 2 根據傳感器獲得的數據估計電池的 剩余能量 即估計荷電狀態(tài) SOC 值 3 進行充放電的控制 根據檢測的蓄電 池參數 系統(tǒng)自動控制蓄電池的充放電狀態(tài) 保證蓄電池的正常使用及其性能 的穩(wěn)定安全 4 通過對電池測溫點的數據進行實時采集 控制電池的溫度 對 電池進行熱管理 防止電池溫度過高 5 根據電池各種數據的采集 能預測電 池的各種性能 出現故障能提前報警 6 通用整車的通信協(xié)議 信息進行共享 將電池的主要信息進行實時顯示等 2 3 2 動力電機及其控制原理 動力電機的主要任務是將儲存在蓄電池中的電能高效率的轉化成能驅動車 輪行駛的機械能 并能在車輪制動時將制動能回收給蓄電池進行充電 動力電 機是電動汽車電力驅動子系統(tǒng)的核心部件 是電動汽車的動力源 電動汽車在 行駛過程中起動 加速和減速等操作頻繁 因此對動力電機有著很高的要求 電動汽車要求動力電機具有高轉速 高電壓 體積小 質量輕 基速時具有較 大的起動轉矩 較寬的恒功率范圍 較寬的調速性能 瞬時功率大 加速性好 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 13 過載能力強 工作效率高 能耗低 能實現制動能量的回收 另外 動力電機 還要求具有無驅動噪聲 良好的環(huán)境適應性 耐溫和耐潮性能強 可靠性好 壽命長 結構簡單 使用 維修方便 價格低 適合大批生產等特點 電動汽車常用的電動機的基本類型如圖 2 3 所示 圖 2 3 電動汽車常用電機類型 1 直流電動機 直流電機是使用最早的一種電動機 傳統(tǒng)上占據主導地位 其技術成熟 速度控制簡單 成本低 啟動轉矩和制動轉矩大 易于快速啟動和停車 調速 范圍廣 方便 易于平滑調速 但是其笨重 重量和體積較大 可靠性差 需 要定期進行維護 由于結構中存在電刷 換向器等磨損使得效率低 高速運行 時還會產生火花 容易影響車上電子器件 制約了電機的最高轉速 2 交流感應電機 交流感應電機是目前電動汽車上應用較多的電機 其優(yōu)點是 結構簡單 堅固 成本低 免維護 工作性能穩(wěn)定 可靠性好 使用壽命長 較直流電機 效率高 體積小 質量輕 轉矩脈動小 噪聲小 轉速極限高 響應快 設計 和制造工藝成熟 交流感應電機的最大缺點是控制器結構復雜 且容易損壞 但是 隨著電子技術的發(fā)展和調速方法的改進 交流感應電動機的調速性有較 大的改善 逐漸趕超了直流電機 該電機在現代電動汽車上己被廣泛應用 3 開關磁阻電機 開關磁阻電機結構簡單 使用安全可靠 低速轉矩大 起動轉矩高 起動 電流小 轉子無繞阻 工作效率高 調頻范圍寬 但是 因為開關磁阻電機有 嚴重的轉矩脈動 使電機的振動高和噪聲大 非線性嚴重 17 控制器復雜 價 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 14 格高 該種電動機在現代電動汽車上應用極少 4 永磁電機 永磁電機因磁場由永磁材料產生 一般采用電流控制 其體積小 調頻范 圍寬 功率密度和效率高 慣性低 響應快等 比較實用于現代電動汽車 呈 現比較廣闊的應用前景 但是其價格昂貴 同時大功率的永磁電機做到體積小 質量輕很困難 隨著電子技術的不斷發(fā)展 進步 使得成本不斷下降 永磁電 機是最具有前途的電動汽車動力電機 表 2 2 給出了幾種常用驅動電機基本特性的對比 表 2 2 各種電機的基本性能 項目 直流電動機 感應電動機 永磁電動機 開關磁阻 電動機 功率密度 低 中 高 較高 過載能力 200 300 500 300 300 500 峰值效率 85 89 94 95 95 97 90 負荷效率 80 87 90 92 97 85 78 86 功率因數 82 85 90 93 60 65 恒功率區(qū) l 5 l 2 25 l 3 轉速范圍 r min 4000 6000 12000 20000 4000 10000 15000 可靠性 一般 好 優(yōu)良 好 結構的堅固性 差 好 一般 優(yōu)良 電動機外形尺寸 大 中 小 小 電動機質量 重 中 輕 輕 控制操作性能 最好 好 好 好 控制器成本 低 高 高 一般 費用 軸功率 kW 10 8 12 10 15 6 10 2 4 本章小結 本章重點介紹了電動汽車的基本結構及其布置方式 介紹并分析了不同電 力驅動子系統(tǒng)的具體結構形式 詳細分析了目前用于電動汽車上的各種動力蓄 電池和動力電動機的性能指標及其相應的管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng) 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 15 第 3 章 電動汽車動力傳動系統(tǒng)的總 體設計及參數的匹配 電動汽車性能的好壞主要取決于動力傳動系統(tǒng)的結構及其參數的選擇與匹 配 通過第二章對一些常見電力驅動子系統(tǒng)結構的介紹 我們對動力傳動系統(tǒng) 的結構和各部件的作用有了一個整體的認識 本章為了提高電動汽車的性能就 整車動力傳動系統(tǒng)的結構 提出一個新的設計方案 并對該方案進行分析 3 1 電動汽車動力傳動系統(tǒng)的方案設計 1 方案設計 方案設計所依據的原則 保證車輛動力性的前提下 有效降低百公里能 耗 能量利用率達到最大化 車輛能達到設計目標的續(xù)駛里程 所選各 部件及結構設計能實現合理布置 實現輕量化 設計結構具有安全性和可實 現性 根據以上原則 本文提出的電動汽車動力傳動系統(tǒng)的結構示意圖 如圖 4 1 所示 圖 3 1 電動汽車動力傳動系統(tǒng)結構 2 方案分析 如圖 4 1 所示 該電動汽車動力傳動系統(tǒng)主要由 3 個電機 一個電機控制 器 蓄電池組和變速裝置組成 其中主電機驅動前輪運動 兩后輪分別裝有一 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 16 個小型的輪轂電機 主要是進行能量的回收和提供后備功率 車輛在一般工況 下運行時 由蓄電池向主電機供電 驅動前輪使車輛正常運行 車輛大負荷運 行時 為了保護主電機 這時由蓄電池分別向前 后電機供電 通過電動機控 制器控制 3 個電機同時工作向車輛提供所需功率 車輛在制動 下坡等需要減 速的工況下工作時 前后電機均參與能量的回收 進而實現四個車輪同時回收 能量 這種結構增加能量回收的同時 提高能量的利用率 有效地增加車輛的 續(xù)駛里程 3 2 電動汽車功率流分析 1 正常工況 車輛在起步 低負荷 高速行駛 加速行駛及爬坡等一般工況下運行時 主電機能提供車輛行駛過程中所需的全部功率 不會因為過載等因素造成對主 電機的損壞時 這時車輛僅僅通過主電機提供的動力驅動車輛 動力傳動系統(tǒng) 的能量傳遞線路為蓄電池 電動機控制器 主電機 變速器 驅動橋 前輪 此時動 力傳動系統(tǒng)的功率流路徑如圖 4 2 所示 3 制動與下坡減速工況 車輛在制動 下坡等需要減速的工況下工作時 電動機控制器接到減速指 令的同時控制主電機和輪轂電機均工作在發(fā)電機狀態(tài) 利用減速制動時的動能 進行發(fā)電 將產生的電能儲存在蓄電池中 這一過程即是制動減速能量的回收 圖 3 2 主電動機驅動車輛行駛的功率流 路徑 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 17 過程 此時三個電機的作用是將車輛四個輪上的制動減速動能同時回收 增加 了能量回收 同時提高了能量的利用率 能量的回收分為兩條路徑 分別為 前輪 驅動橋 變速器 發(fā)電機 主電動機 電機控制器 蓄電池 后輪 發(fā)電機 輪 轂電機 電機控制器 蓄電池 此時功率流的路徑如圖 4 4 所示 圖 3 3 能量回收的功率流途徑 動力傳動系統(tǒng)是電動汽車的核心系統(tǒng) 其合理的設計顯得尤為重要 現有 的驅動方式中 前輪驅動的效率比后輪驅動的效率高 雙電機輪邊驅動效率比 單電機驅動的驅動效率高 19 本文將前輪驅動和雙電機輪邊驅動有機結合 提 高驅動效率的同時提高能量回收率 3 3 電動汽車動力傳動系統(tǒng)參數設計 電動汽車動力傳動系統(tǒng)的設計除了要滿足結構布置方面的要求 更最要的 是該系統(tǒng)主要參數的設計要滿足電動汽車主要性能指標的要求 該系統(tǒng)主要參 數包括 電動機的參數 蓄電池的參數 變速器的變速比以及驅動橋中的最終 減速器速比 現階段評價電動車的性能好壞的指標 主要有車輛的動力性和續(xù) 駛里程 汽車的動力性是指車輛的最高速度 爬坡能力和加速性能 電動汽車 的續(xù)駛里程指車載動力能量源兩次能量補給之間 車輛所能達到的最大行駛里 程稱為電動氣車的續(xù)駛里程 12 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 18 3 3 1 車輛參數 表 3 1 純電動汽車整車參數表 基本參數 參數值 基本參數 參數值 整車質量 m Kg 1550 主減速器傳動比 i0 4 889 滾動阻力系數 f 0 0135 軸距 L mm 2500 機械效率 0 86 車輪滾動半徑 r m 0 372 迎風阻力系數 CD 0 35 迎風面積 A m2 3 17 旋轉質量換算系數 1 23 表 3 2 純電動汽車性能參數表 基本性能參數 參數值 基本性能參數 參數值 最高車速 uamax km h 80 續(xù)駛里程 km 80 最大爬坡度 i 0 2 100km h 加速時間 s 10 3 3 2 傳動機構布置方案 圖中 1 一擋主動齒輪 3 一擋從動齒輪 2 二擋主動齒輪 4 二擋 從動齒輪 5 主減速器主動齒輪 6 主減速器從動齒輪 I 變速器輸入軸 II 變速器輸出軸 III 主減速器輸出軸 T 同步器 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 19 3 3 3 驅動電機匹配 1 驅動電機額定功率 驅動電機的額定功率要滿足電動汽車的最高行駛車速 故 3 1 2maxmax13601 5De CAPgfuu 代入數據得 Pe 13 97KW 2 驅動電機峰值功率 驅動電機峰值功率依據汽車低速最大爬坡度 百公里加速時間來匹配 當 汽車以穩(wěn)定車速爬坡時 驅動電機輸出的最大功率為 3 2 21 maxcossin3601 5Dmaxi iiCAPgfugfu 其中 max arctani 11 31o u i 20km h 得 P1 20 67KW 當汽車以靜止開始加速度 100km h 時 驅動電機輸出的最大功率為 5 3 3 22360 5 2aaDaCAutPgfttt t 為 10S 得 P2 102 46KW 綜上可得 驅動電機的峰值功率 Pmax 102 46 KW 3 驅動電機的額定轉矩與峰值轉矩 3 4 950eeTn 取 ne 3500r min 得 Te 38 12N m 同理 取 nmax 5800 r min 得 Tmax 168 71 N m 綜上 驅動電機的參數見下表 電機參數 參數值 電機參數 參數值 額定功率 Pe KW 13 97 峰值轉矩 Tmax N m 168 71 峰值功率 Pmax KW 102 46 額定轉速 ne r min 3500 額定轉矩 Te N m 38 12 峰值轉速 nmax r min 5800 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 20 3 3 4 變速器傳動比參數選擇 1 一檔傳動比選擇 依據整車低速爬坡時車輪獲得的驅動力應大于所受到的行駛阻力 可知一 檔傳動比的下限為 3 5 2max10maxmaxcossin1 5DiTi CAgfgur 得 i 1 1 72 同時 一擋下最大驅動力不大于地面對驅動輪的最大附著力 可得一檔傳 動比的上限為 3 6max10Tigr 根據一般路面條件 取 0 6 得 i 1 12 85 綜上 1 72 i 1 12 85 2 二檔傳動比選擇 電機最高轉速下 對應的最大轉矩 Tmax 產生的最大驅動力應大于最高車速 下的行駛阻力 故二擋傳動比 i2 的下限為 3 7 2max21 5DCAgfuriT 得 1 02 i 2 同時 在 10 的滑移率下 i 2 應滿足最高車速的要求 3 8 max0 937rniu 得 i 2 6 72 綜上 1 02 i 2 6 72 由于一般乘用車的 imax 12 18 6 i max igi0 且為使換擋平順 所以本文選擇 i1 3 67 i 2 2 45 i1 2 1 7 1 8 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 21 3 3 5 變速器齒輪設計計算 3 3 5 1 一擋齒輪設計計算 首先選擇材料及確定許用應力 齒輪 1 和齒輪 3 均選用 20CrMnTi 并經過表面滲碳 淬火和回火 20CrMnTi 的接觸疲勞強度 Hlim 1500Mpa 彎曲疲勞強度 FE 850Mpa 因變速 器的使用應滿足高可靠度的要求 故取安全系數 SH 1 5 S F 2 0 7 由 3 9 limHFES 得 H1 H3 1000Mpa F1 F3 425Mpa 然后按齒輪彎曲疲勞強度設計 齒輪按 7 級精度制造 取載荷系數 K 1 3 齒寬系數 0 6 齒輪 1 上的d 轉矩 T1 Tmax 齒輪 軸承 165352 67N mm 初選螺旋角 20o 取 z1 19 則 z2 z1 i1 69 73 取 z2 70 則實際傳動比 3 69 12zi 因齒形系數 則13 90cosv 2384 6cosv YFa1 2 88 Y Fa3 2 23 Y Sa1 1 57 Y Sa3 1 76 因 故應對齒輪 1 進行彎曲強度計算 130 60 9FaSFaS 法向模數 3 10 2132cosFaSndYKTmz 求得 mn 2 65 取 mn 3 中心距 147 02mm 取 a 150mm 12cosza 則 1258nr 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 22 齒輪 1 分度圓直徑 61 91mm 齒寬 37 15mm 1cosnmzd 1db 取 b3 40mm b1 45mm 驗算齒面接觸強度 3 12 123 54HEKTuZbd 取 ZE 189 8 Z Mpacos 則 H 868 88Mpa H 安全 齒輪的圓周速度 因此選 7 級精度是合適的 2213 4 15 60dnvms 3 3 5 2 二擋齒輪設計計算 1 選擇材料及確定許用應力 齒輪 2 和齒輪 4 均選用 20CrMnTi 并經過表面滲碳 淬火和回火 20CrMnTi 的接觸疲勞強度 Hlim 1500Mpa 彎曲疲勞強度 FE 850Mpa 因變速 器的使用應滿足高可靠度的要求 故取安全系數 SH 1 5 S F 2 0 同理可得 H2 H4 1000Mpa F2 F4 425Mpa 2 按齒輪彎曲疲勞強度設計 齒輪按 6 級精度制造 取載荷系數 K 1 3 齒寬系數 0 6 d 齒輪 2 上的轉矩 T2 Tmax 齒輪 軸承 165352 67N mm 由 a13 a24 145mm 得 z1 z3 z2 z4 且 i2 2 45 z4 2 則 z2 26 z 4 63 實際傳動比 i2 2 42 m n 3mm 58 84 72mm 齒寬 50 83mm 2cosnmd 2db 取 b4 50mm b2 55mm 3 驗算齒面接觸強度 3 13 123 54HEKTuZbd 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 23 取 ZE 189 8 Z Mpacos 則 H 592 09Mpa H 安全 4 齒輪的圓周速度 因此選 6 級精度是合適的 22235 7 30 601dnvmss 3 3 6 主減速器齒輪設計計算 1 選擇材料及確定許用應力 齒輪 5 和齒輪 6 均選用 20CrMnTi 并經過表面滲碳 淬火和回火 20CrMnTi 的接觸疲勞強度 Hlim 1500Mpa 彎曲疲勞強度 FE 850Mpa 因變速 器的使用應滿足高可靠度的要求 故取安全系數 SH 1 5 S F 2 0 同理可得 H5 H6 1000Mpa F5 F6 425Mpa 2 按齒輪彎曲疲勞強度設計 齒輪按 8 級精度制造 取載荷系數 K 1 3 齒寬系數 0 6 齒輪 5 上的d 轉矩 T5 T1 i1 齒輪 軸承 596388 72N mm 初選螺旋角 20o 取 z5 20 則 z6 z5 i0 97 78 取 z6 98 則實際傳動比 4 89 605zi 因齒形系數 則5324 1cosv 6318 cosv YFa5 2 78 Y Fa6 2 23 Y Sa5 1 59 Y Sa6 1 83 因 故應對齒輪 1 進行彎曲強度計算 560 140 95FaSFaS 法向模數 3 14 2523cosFaSndYKTmz 求得 mn 3 90 取 mn 4 中心距 251 15mm 取 a 255mm 562cosza 則 56217nr 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 24 齒輪 5 分度圓直徑 86 44mm 齒寬 51 86mm 5cosnmzd 5db 取 b6 55mm b5 60mm 3 驗算齒面接觸強度 3 15 123 54HEKTuZbd 取 ZE 189 8 Z Mpacos 則 H 974 21Mpa H 安全 4 齒輪的圓周速度 因此選 8 級精度是合適的 22537 1 0 60dnvms 3 3 7 各齒輪參數 變速器各齒輪參數見下表 表 3 3 變速器各齒輪參數表 檔位 齒輪 法向模數 mm 齒寬 mm 中心距 mm 螺旋角 旋向 精度等級 z1 45 右 一擋 z3 3 40 145 258 左 7 z2 55 右 二擋 z4 3 50 145 左 6 z5 60 左主減速 器 z 6 4 55 255 2157 右 8 3 3 8 變速器傳動軸設計計算 3 3 8 1 輸入軸設計計算 1 材料選用及熱處理選擇 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 25 輸入軸選用 20CrMnTi 并經過表面滲碳 淬火和回火 20CrMnTi 的強度 極限 B 1080Mpa 屈服極限 S 835Mpa 2 估算軸的最小直徑 3 16 13ePdCn P1 Pmax 軸承 101 44KW n e 3500r min 取 C 95 得 d min 29 18mm 考慮到輸入軸最小直徑段需要與電動機通過 C 型平鍵連接 對軸的強度有 削弱 故 30 64mm mini15 故選取 C 型鍵型號為 b h L 10 8 36 輸入軸各段長度的軸徑詳見零件圖 3 軸的強度校核 一檔傳動比大 扭矩大 故選用一擋傳動齒輪計算軸的強度 輸入軸一擋主動齒輪受力圖如下 圖 3 4 輸入軸受力簡圖 輸入軸的轉矩 T1 162352 67N mm 則圓周力 徑向125340 8tTFNd F a F r Ft A B 53 204 C Fa Fr FHA FHB Ft FVA F VB 46 5 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 26 力 軸向力 tan21 36cosrFN tan264 08FN 在垂直面內 列力和力矩的平衡方程可得 3 17 15320453 VABra rdFF 求得 F VA 2003 64N F VB 107 72N 同理 在水平面內 列力和力矩的平衡方程可得 3 18 5320453HABttF 求得 F HA 4264 04N F HB 978 80N 垂直面內和水平面內的最大應力均位于 C 處 MVmax 92167 40N mm M Hmax 200653 73N mm 則當量彎矩 Me 為 3 19 22 222VHTMT 因輸入軸需要正反運轉 取 1 得 Memax 260127 34 N mm 當量應力 e 為 3 20 22310 eTWd 求得 e 10 96Mpa 1b 90Mpa 故滿足要求 3 3 8 2 輸出軸設計計算 1 材料選用及熱處理選擇 輸入軸選用 20CrMnTi 并經過表面滲碳 淬火和回火 20CrMnTi 的強度 極限 B 1080Mpa 屈服極限 S 835Mpa 2 估算軸的最小直徑 3 21 23PdCn P2 P1 軸承 齒輪 99 42KW n 2 951 09r min 取 C 95 1ei 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 27 得 d 44 75mm 取 dmin 45mm 輸出軸各段長度的軸徑詳見零件圖 3 軸的強度校核 一擋和主減速器傳動比大 扭矩大 故選用一擋和主減速器傳動齒輪和計 算軸的強度 輸出軸一擋主動齒輪受力圖如下 圖 3 5 輸出軸受力簡圖 輸入軸的轉矩 T2 T1 軸承 齒輪 596388 72N mm 則圓周力 徑向力 軸向力259 4tFNd tan2067 31cosrF tan16 8 在垂直面內 列力和力矩的平衡方程可得 3 22 5335531 51 32 VDErr raaF dFF 求得 F VD 1440 00N F VE 1919 42N 同理 在水平面內 列力和力矩的平衡方程可得 F a5F r5 Ft5 D E 53 153 5 F Fa5 Fr5 FHD FHE Ft5 FVD FVE 53 5 H Fa3 Ft3 Fr3 Fa3Fr3 Ft3 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 28 3 33 353551 1 3 HDEttt tFFF 求得 F HD 7222 56N F HE 11805 77N 垂直面內和水平面內的最大應力均位于 F 處 MVmax 348580 88N mm M Hmax 643414 47N mm 則當量彎矩 Me 為 3 34 22 222VHTMT 因輸入軸需要正反運轉 取 1 得 Memax 944018 18 N mm 當量應力 e 為 3 35 223510 eTWd 求得 e 14 62Mpa 1b 90Mpa 故滿足要求 3 3 9 軸承的校核計算 3 3 9 1 輸入軸的軸承校核 輸入軸的軸承型號為 30307 軸承正裝 1 計算軸向力 輸入軸 A 段的軸承 A 的徑向力 輸入軸 B 段2471 3rAVHBFN 的軸承 B 的徑向力 輸入軸的軸向力 2984 71rBVHBFN 264 08AF 軸承的內部軸向力 3 36 1 5tanF 取 則 17 0 46rF 得 26 AN 2 97B 又 故軸承 A 被壓緊 軸承 B 放松 8BA 則 2716 08N 又 aAF 452 97aBFN 0 58aArFe 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 29 所以 Y B 0 0 46aBrFe 0 4AX cot1 3BY X 2 計算當量動載荷 當量動載荷 P 3 37 raPF 得 P A 5442 60N P B 984 71N 故只需對軸承 A 進行校核 3 計算額定動載荷 額定動載荷 C 3 38 160phtfPnL 取 fp 1 2 f t 1 L h 9000h 假設該車使用 10 年 每年平均使用 300 天 每天平均使用 3 小時 則 故滿足要求 103 44 28107 5210rC 3 3 9 2 輸出軸的軸承校核 輸入軸的軸承型號為 30310 軸承正裝 1 計算軸向力 輸入軸 D 段的軸承 D 的徑向力 輸入軸 B 段27364 1rDVHDFN 的軸承 B 的徑向力 輸入軸的軸向力21960 rEVHEF 5347 58AaFN 軸承的內部軸向力 3 39 1 5tanF 取 則 21 5 0 59r 得 438DFN 76 8EN 又 故軸承 D 被壓緊 軸承 E 放松 EADF 則 10514 45N 又 aD 7056 8aEN aDrFe 所以 Y E 0 aErFe0 4DX cot12DY X 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 30 2 計算當量動載荷 當量動載荷 P 3 40 raPXFY 得 P D 13670 62N P E 11960 79N 故只需對軸承 D 進行校核 3 計算額定動載荷 額定動載荷 C 3 41 160phtfPnL 取 fp 1 2 f t 1 L h 9000h 則 故滿1355 2401 30rC 足要求 3 4 蓄電池的選擇 電動汽車運行過程中所消耗的能量均來自車載動力蓄電池組中儲存的能量 動力電池組的容量決定了車輛續(xù)駛里程的長短 車輛蓄電池組的容量越大 車 輛行駛過程中蓄電池釋放的能量越多 車輛的續(xù)駛里程越長 但是 就目前技 術而言大容量的蓄電池需要大的蓄電池體積和大的蓄電池質量 大的蓄電池質 量會增加電動汽車的整車整備質量 增加車輛的功率消耗 從而影響整車的動 力性和經濟性 另外 大的蓄電池體積給整車的布置也帶來不小的難度 因此 在選擇電動汽車動力蓄電池的時候 要綜合考慮 根據具體的設計目標要求和 實際情況來選擇 選擇的蓄電池既能滿足設計目標要求 同時又能使蓄電池的 質量和體積達到最小 從設計目標出發(fā) 綜合比較各種電動汽車車用蓄電池的優(yōu)缺點 本文選擇 Ovonic 電池公司生產的鎳氫蓄電池為該擬設計車輛的能量源 Ovonic 電池公司是世界上最重要的鎳氫電池生產公司 其生產的鎳氫電池 已在美國 歐洲 亞洲等地區(qū)被廣泛使用 占全世界電動汽車車用鎳氫