畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-電動(dòng)汽車(chē)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 1 1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 2 1.3 研究?jī)?nèi)容 3 2 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)組成及性能 4 2.1 電動(dòng)汽車(chē)基本結(jié)構(gòu) 4 2.1.1 電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)組成 4 2.1.2 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式 5 2.1.3 電動(dòng)汽車(chē)主要部件 7 2.2 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)性能 10 2.2.1 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性 10 2.2.2 電動(dòng)汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性 12 2.3 本章小結(jié) 13 3 電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)，提高電動(dòng)汽車(chē)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(chē)在小型貨車(chē)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(wèn)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(chē)勢(shì)在必行[1]。純電動(dòng)汽車(chē)是汽車(chē)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(wú)污染、低能耗、低噪音是其技術(shù)重點(diǎn)，廣泛的電能來(lái)源，為其可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。電能將會(huì)越來(lái)越多的來(lái)自于

4、清潔能源，比如取之不盡的太陽(yáng)能，用之不竭的潮汐能，高效環(huán)保的核能等。毫無(wú)疑問(wèn)，純電動(dòng)汽車(chē)將使人類文明發(fā)展進(jìn)入更高階段，所以，純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展對(duì)我國(guó)應(yīng)對(duì)環(huán)境污染，能源短缺問(wèn)題有著重大意義。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 追溯電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展起源，比內(nèi)燃機(jī)還要早十幾年，但是電動(dòng)汽車(chē)對(duì)技術(shù)要求較高，受技術(shù)限制所以電動(dòng)汽車(chē)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(guó)對(duì)環(huán)境污染問(wèn)題高度重視，所以電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展也迎來(lái)新機(jī)遇[2]。 1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 目前世界很多國(guó)家與企業(yè)都在發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)，但是研發(fā)重點(diǎn)不盡相同[3]。美國(guó)對(duì)環(huán)保要求嚴(yán)格，所以電動(dòng)汽車(chē)研究時(shí)間較早，此外美國(guó)對(duì)國(guó)

5、家能源安全高度重視，電動(dòng)汽車(chē)恰好解決了石油依賴的問(wèn)題。美國(guó)政府逐年增加對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)投入，同時(shí)各大汽車(chē)廠也加大對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)力度，年銷(xiāo)售量超過(guò)6萬(wàn)輛的汽車(chē)廠需要實(shí)現(xiàn)年銷(xiāo)售量EV3%、PHEV3%或者EV6%的目標(biāo)，而且美國(guó)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(wèn)題，對(duì)二氧化碳排放有嚴(yán)格要求，對(duì)乘用車(chē)CO2排放提出要求，到2020年每輛乘用車(chē)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(chē)的發(fā)展進(jìn)程。法國(guó)積極推動(dòng)“發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)全國(guó)計(jì)劃”計(jì)劃2020年推廣200萬(wàn)輛電動(dòng)車(chē)[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(chē)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(chē)型之一[5]。 日本為發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)早在1967年就成立了日本電動(dòng)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)，后來(lái)制定了《電動(dòng)汽車(chē)的開(kāi)發(fā)計(jì)劃》和電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)和保有量目標(biāo)[6]。日本計(jì)劃到2020年新能源汽車(chē)銷(xiāo)售比例將占到新車(chē)銷(xiāo)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(chē)產(chǎn)業(yè)化最

7、先進(jìn)的國(guó)家，部分車(chē)企實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)量產(chǎn)化，開(kāi)始建立銷(xiāo)售平臺(tái)。本田公司電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國(guó)雖然帶動(dòng)汽車(chē)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(chē)，2001年我國(guó)確立電動(dòng)汽車(chē)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(chē)、奇瑞公司和天津汽車(chē)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(chē)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(guó)起到示范作用，促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展。2009年國(guó)家進(jìn)一步加大對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展力度，出臺(tái)了《汽車(chē)產(chǎn)業(yè)調(diào)整振興規(guī)劃》、電動(dòng)汽車(chē)“十城千輛”等項(xiàng)目。2010年第十一屆北京國(guó)際汽車(chē)展覽會(huì)上，各大汽車(chē)廠家推出新型電動(dòng)汽車(chē)，東風(fēng)、一汽、奇瑞等國(guó)內(nèi)各大汽車(chē)制廠也制定的電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展計(jì)劃。同年，第二十五屆電動(dòng)汽車(chē)大會(huì)在深圳開(kāi)幕，此次是有史以來(lái)最大規(guī)模的電動(dòng)車(chē)國(guó)際會(huì)議，對(duì)我電動(dòng)車(chē)發(fā)展起到了推動(dòng)作用[8]。2016年第十五屆青島國(guó)際車(chē)展，上汽大通展出EV80電動(dòng)車(chē)，此款車(chē)型是國(guó)內(nèi)首發(fā)的純電動(dòng)寬體輕型客車(chē)，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(lái)多款新能源汽車(chē)。 電動(dòng)汽車(chē)雖然有著大好的發(fā)展前景，但是也面臨著許多發(fā)展問(wèn)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(chē)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(wèn)題，目前市場(chǎng)上存在的大部分純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程在300km以下，而純電動(dòng)貨車(chē)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(chē)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(wú)法與燃油汽車(chē)相提并論，這也是電動(dòng)汽車(chē)占領(lǐng)市場(chǎng)最大的短板。電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)要求高，有關(guān)零部件沒(méi)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(chē)的性價(jià)比，雖然國(guó)家

10、為鼓勵(lì)發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)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(chē)批量生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。蓄電池技術(shù)是純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的核心技術(shù)，也是各國(guó)發(fā)展純電動(dòng)車(chē)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(chē)整車(chē)性能有重大意義。電動(dòng)汽車(chē)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(chē)市場(chǎng)的發(fā)展命運(yùn)，電動(dòng)汽車(chē)實(shí)現(xiàn)全國(guó)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(chē)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(chē)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(guò)查閱文獻(xiàn)和市場(chǎng)調(diào)查了解電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)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(chē)。 2、簡(jiǎn)單闡述電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)組成及性能，通過(guò)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(chē)發(fā)展中應(yīng)用到的關(guān)鍵技術(shù)，掌握電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(chē)動(dòng)力系統(tǒng)組成及性能 2.1 電動(dòng)汽車(chē)基本結(jié)構(gòu) 2.1.1 電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)組成 電動(dòng)汽車(chē)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(lái)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(guò)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(chē)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(lái)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(guò)傳動(dòng)系傳來(lái)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)工作時(shí)，蓄電池需要將存儲(chǔ)的電能釋放出來(lái)，充電或者制動(dòng)時(shí)，蓄電池需要將外界能量存儲(chǔ)起來(lái)，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(chē)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(chē)的實(shí)時(shí)信息，便于整車(chē)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(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式 電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)布置方案與傳統(tǒng)燃油汽車(chē)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(chē)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(chē)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(guò)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(chē)橋的空心軸中，動(dòng)力通過(guò)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(guò)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(jiàn)，即電動(dòng)機(jī)與車(chē)橋平行，動(dòng)力通過(guò)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(chē)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(chē)橋平行的布置形式。 本文所設(shè)計(jì)車(chē)型是參考東風(fēng)小康K05廂式貨車(chē)，根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)啟動(dòng)、加減速、制動(dòng)時(shí)，能迅速做出響應(yīng)以滿足汽車(chē)對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的要求，在響應(yīng)過(guò)程中，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)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(chē)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(wú)刷電動(dòng)機(jī) 開(kāi)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(chē)市場(chǎng)使用廣泛，本文選用永磁同步電動(dòng)機(jī)。通過(guò)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)動(dòng)力系統(tǒng)性能 本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)與傳統(tǒng)的汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)不同，但是汽車(chē)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)上有共同之處。 2.2.1 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性 電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)和傳統(tǒng)汽車(chē)一樣包括最高車(chē)速、加速性能和爬坡性能三個(gè)指標(biāo)[9]。 電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)在良好路況下正常行駛時(shí)，最大車(chē)速阻力： (2-16) 2.2.2 電動(dòng)汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性

26、 電動(dòng)汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性是指電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)能量消耗率與整車(chē)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(guò)實(shí)驗(yàn)獲取電動(dòng)汽車(chē)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(chē)消耗的阻力功率： (2-18) 化簡(jiǎn)得： (2-19) 式中 M為整車(chē)質(zhì)量，V為行駛速度，t為時(shí)間 電動(dòng)汽車(chē)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(chē)?yán)m(xù)駛里程是指電動(dòng)車(chē)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(chē)的一個(gè)重要指標(biāo)，降低電動(dòng)車(chē)質(zhì)量，提高能量利用效率，對(duì)電動(dòng)車(chē)發(fā)展極其重要。 電動(dòng)車(chē)正常行駛時(shí)所需功率： (2-21) 式中 為電動(dòng)車(chē)所需功率，是電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)功率，是電機(jī)效率，是傳動(dòng)效率 電動(dòng)車(chē)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(chē)動(dòng)力系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)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(chē)輛的驅(qū)動(dòng)模式，通過(guò)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(guò)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)輛行駛的機(jī)械能，此外為了增加汽車(chē)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(chē)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(wú)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(chē)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(chē)輛制動(dòng)時(shí)的能量回收，因此在電動(dòng)汽車(chē)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(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī):開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括功率變換器、開(kāi)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(chē)上應(yīng)用也有限。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)及控制器如圖3-3所示。 圖3-3 開(kāi)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)。永磁無(wú)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(wú)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(chē)唯一的能量提供源，電池蓄電能力對(duì)電動(dòng)汽

33、車(chē)?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(chē)質(zhì)量加重，自身消耗能量增加，使汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程降低。因此，蓄電池對(duì)整車(chē)性能影響重大。 電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(chē)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(guò)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(chē)?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(wú)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(chē)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(chē)發(fā)展過(guò)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(lái)工作。在充放電過(guò)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(guò)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(guò)充、過(guò)放。 3.3 電池管理系統(tǒng) 1、系統(tǒng)管理 在電動(dòng)汽車(chē)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(guò)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(chē)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(chē)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(guò)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(chē)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(chē)性能，本文首先列出了車(chē)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(chē)輛的期望值。整車(chē)結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能要求如表4-1所示。 表4-1 整車(chē)結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能要求 名稱 參數(shù) 單位 整車(chē)質(zhì)量 1090 Kg 載貨質(zhì)量 600 kg 空載最高車(chē)速 80 Km/h 滿載最高車(chē)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(chē)輪滾動(dòng)半徑 0

39、.29 m 電動(dòng)汽車(chē)所需轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都來(lái)自于電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)功率大小直接影響到整車(chē)性能。如果電動(dòng)機(jī)功率過(guò)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(guò)小，不能滿足整車(chē)的性能要求，而且電動(dòng)機(jī)經(jīng)常過(guò)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(chē)最高車(chē)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(chē)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(chē)的車(chē)速，—功率效率系數(shù)，m—電動(dòng)車(chē)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(chē)車(chē)速，—最大爬坡度 經(jīng)計(jì)算得： （3）滿足電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(guò)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(chē)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(chē)輪等。主減速比直接影響到整車(chē)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，根據(jù)汽車(chē)?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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)?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(guò)流體力學(xué)公式計(jì)算出來(lái)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?。蝗秉c(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(chē)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(guò)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(chē)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?chē)蠹s33mm。 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(chē)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(chē)輛要求，本文選取性能較高的鋰電池作為車(chē)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(chē)型電壓，根據(jù)國(guó)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(chē)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(guò)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(guò)程中，可改善齒輪的磨合過(guò)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(chē)，一般不少于9；對(duì)于貨車(chē)，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(guò)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(guò)窄及刀尖圓角過(guò)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(guò)早損壞和疲勞損傷。另外，齒面過(guò)寬也會(huì)引起裝配空間的減小。但是齒面過(guò)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(guò)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(jiàn)圖4-5。 上述按計(jì)算的最大彎曲應(yīng)力不超過(guò)700MPa；按計(jì)算的疲勞彎曲應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)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(guò)2800MPa，按計(jì)算的疲勞接觸應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)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?chē)嫌醒貓A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(méi)有間隙，不需要潤(rùn)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