纯电动汽车设计毕业课程设计论文.doc

1、中国农业大学学士学位论文 摘 要 I 摘 要 日益严重的环境污染和能源危机对汽车工业的发展提出了极为严峻的挑战。为了汽车工业的可持续发展，以使用电能的电动机作为驱动设备的电动汽车能真正实现“零污染”，现已成为各国汽车研发的一个重点。在电动汽车研发的众多技术选型之中，依靠轮边驱动的电动汽车逐渐成为一种新颖的电动汽车选型方向。 为了弥补现有轮边驱动电动车辆驱动系统的缺陷，本文设计了一种新型双电机二级减速独立驱动桥。该方案采用 磷酸铁锂动力电池作为动力源， 两台永磁同步电机作为驱动装置，依靠两套减速齿轮组分别进行减速，用短半轴来带动车轮旋转。在系 统构型设计的基础上，进行了包括电动机、减速器和电池在

2、内的动力系统参数匹配和主减速器的设计。 事实上，该驱动方案和匹配方法为新型动力系统开发提供了一定借鉴。 关键词： 电动车辆；车轮独立驱动系统；构型设计；电驱动车桥中国农业大学学士学位论文 Abstract II Abstract With the increasingly serious environmental pollution and the energy crisis, the auto industry is facing severe challenges. To the sustainable development of the automobile industry, th

3、e words major automobile companies are starting to research various new types of pollution-free environmentally friendly vehicles. In all development projects, the use of the Wheel-driven motors for electric cars can truly achieve“ zero pollution” ,it has become a vehicle of research and development

4、 focus. In a wide range of technical options of the electric vehicles, the Wheel-driven electric vehicles have become a new research direction. In order to make up the flaws of existing in-wheel motors driving system for electric vehicles, a new kind of two-motor independent wheel driving axle with

5、two sets of deceleration gear clusters, has been designed. The system uses Lithium iron phosphate battery to provide driving force, two permanent magnetism synchronous motors as driven equipment, depends upon two sets of deceleration gear clusters to carry on the deceleration, leads wheel revolving

6、with the semi axles. Based on the design, the parameters matching for electric motors, battery and reduction gears have been carried on. Take all above factors into consideration, this research provides some help for the development of new type drive systems. Key Words: electric vehicles; independen

7、t driving system of vehicles; configuration design; electric drive axl中国农业大学学士学位论文 目 录 III 目 录 摘 要 . I Abstract .II 第一章 绪 论 . 1 1.1. 题目背景和意义 . 1 1.2. 国内外研究现状和发展趋势 . 2 1.3. 存在问题 . 4 第二章 总体方案设计 . 5 2.1. 蓄电池的选择 . 5 2.2. 电动机的选择及布置方案 . 5 第三章 电驱动性能和动力性能匹配计算 .10 3.1. 驱动轮所需的功率和转速 .10 3.2. 驱动电机参数确定 . 11 3.3.

8、 减速比的确定 .12 3.4. 动力性分析 .12 3.5. 电池组参数的选择 .16 第四章 主减速器的基本设计 .17 4.1. 减速比的分配 .17 4.2. 主减速器齿轮的基本设计 .17 4.2.1. 轴的运动和动力参数的计算 .17 4.2.2. 轴直径的初算和轴承的初步选择 .18 4.2.3. 齿轮的设计和计算 .19 第五章 主减速器的主要校核 .29 5.1. 输入轴强度、轴承寿命及键的强度校核 .29 5.2. 中间轴强度、轴承寿命及键的强度校核 .33 5.3. 输出轴强度、轴承寿命及键的强度校核 .39 第六章 设计总结 .44 致 谢 .45 附 录 .46 驱动

9、力 -行驶阻力平衡图源程序 .46 爬坡度曲线源程序 .46 加速度时间计算源程序 .47 参考文献 .49 中国农业大学学士学位论文 第一章 绪 论 1 第一章 绪 论 1.1. 题目背景 和意义 电动汽车是一种以电力为动力源 , 以电控代替机械传动 , 以控制电动机方式改变车速的无轨运输车辆。它孕育于 19世纪 30年代 , 至今已历时一百余年。它在 20世纪初曾一度被广泛采用 , 但是 , 鉴于当时的历史条件 ,蓄电池容量小、体积大、寿命短 , 因而逐步让位于内燃机汽车。一直到 20世纪 70年代世界第一次能源危机出现 , 才重新为人们所重视。 20世纪 70年代末，随着石油价格回落 ,

10、 能源危机缓和 , 内燃机性能不断完善 , 相比之下 , 电动汽车动力性差 , 蓄电池寿命不高 , 因而不断降温。然而到了 20世纪 90年代 , 由于 人们日益关注空气质量和温室效应所产生的影响，电动汽车的发展再次获得生机 1。电动汽车经过百余年实践 , 证明它具有污染少、噪声低、振动小、结构简单紧凑、易于操作维修、能综合利用能源等优点 , 特别是近年来人们所从事研究的充电装置的开发和充电方法的发展和改进 , 以及电控技术与电动机性能的新突破和改善 , 所有这些就导致了 80年代末和 90年代初第二次电动汽车热的出现。近些年，汽车制造商在不断推动电动汽车技术的发展，并开始将电动汽车商业化。在

11、世界范围内，尤其在美国、日本和欧洲，许多汽车生产商开始生产电动汽车或者涉及电 动汽车领域。 随着我国国民经济的快速发展，汽车工业进入迅猛发展阶段，汽车保有量的剧增给环境和能源带来了巨大的压力。为了减轻能源消耗和环境污染，国家出台的汽车排放法规和能耗标准越来越严，汽车使用成本越来越高，汽车产业的可持续发展面临新的挑战。研发一种最高车速在100km/h 以上，整车性能和燃油车相仿，价位适中，操作简单，使用维修费用低廉的小型四轮纯电动汽车，可成为缓解我国能源危机和解决环境污染的重大举措。其意义主要表现在以下几个方面： 1) 落实保护环境、节能减排国策 研发的小型纯电动汽车能仅为燃油汽车的 1/51/

12、4，且使用过程零污染，是中国汽车行业实现环境保护、节能减排的重要措施。 2) 对国家能源战略安全将发挥重大作用 我国是石油资源相对贫乏的国家， 2007 年原油进口量达 1.68 亿吨，对外依存度过高，给国家整个经济安全带来严重不稳定因素，若有 20%的家庭用车改为小型纯电动汽车，每年节省的燃油消耗是巨大的。 3) 实现我国汽车工业可持续发展 纵观我国汽车工业，近几年出现了井喷式增长，汽车年产量近期有望突破 1000 万辆。但我们也应当看到，在传统燃油汽车领域，我国与世界发达国家的差距依然巨大，在发动机、变 速箱及汽车电控等关键技术领域仍受制于人。从可持续发展和技术跨越的角度大力发展小型纯电动

13、汽车对于提升我国汽车尤其是乘用车产业核心竞争力具有重要的战略意义。 4) 可回收利用的能量多 2 中国农业大学学士学位论文 第一章 绪 论 2 对电动汽车而言，很容易利用电动机反转时发电的功能回收制动或下坡时的能量，从而使汽车的续驶里程增加、经济性提高。近年新开发的电动汽车都具有下坡、制动或减速时的能量回收系统，具有能量回收系统的电动汽车的续驶里程可增加 10%15%。 1.2. 国内外研究现状和发展趋势 1991 年美国三大汽车公司签订协议，合作研究电动汽车用的 先进电池，成立美国先进电池联合体 USABC（ United States Advanced Battery Consortium

14、） ,同年 7 月美国电力研究院EPRI(Electric Power Research Institute)参加了美国先进电池联合体， 10 月布什总统批准了 2.26 亿美元拨款资助此项研究。通用汽车公司与 1990 年在洛杉矶展出“冲击（ Impact）”牌电动轿车，该车采用铅酸电池与高新技术。从此掀起了一个以高新技术为基础、得到各国政府大力支持的、世界性的电动汽车研发热潮 2。 截止到 1998 年 底，全世界有 9 个大型汽车厂 10 种纯电动汽车投入小规模生产 ，如 表 1-1 所示： 表 1-1 国外 10 种纯电动汽车的基本情况 8 年份 生产厂商 车型 1994 日本大发汽车

15、公司 电动微型面包车 Hi-Jet EV 1995 法国标致雪铁龙公司 电动 4 座小型轿车 P106.SAXO 及其客货车 1996 美国通用汽车 EV-1 1996 日本丰田公司 电动 5 座小型轿车 RAV4EV(氢镍 ) 1996 日本丰田公 司 电动 4 座小型轿车 Plus(氢镍 ) 1996 法国雷诺公司 电动 4 座小型轿车 Ctio(铬镍电池 ) 1997 美国福特公司 电动 2 座轻型皮卡 (客货车 )Ramger 1997 美国克莱斯勒公司 电动 4 座小型轿车 Epic 1997 美国通用公司 电动 2 座轻型皮卡 S-10 1998 日本日产公司 电动 4 座轻型轿车

16、 Aitra 近些年来，致力于 纯电动汽车研发活动中的企业 ， 不仅有 Heuliez、三菱、富士重工、通用这样的汽车企业，也有属于电力系统的法国电力公司、东京电力公司，以及东芝、日立、东洋电机、三洋电机、旭化成、 NEC等机电跨国公司。 2001年，法国电力公司和博洛尔集团（ Group BOLLORE）成立了一个联合子公司 BatScap，开发了采用高性能聚合金属锂蓄电池（ LMP）的电动蓝色轿车（ Blue car） ； 2005年 5月，日本 三菱 公司推出了属于世界首创的交流电动轮轿车（第二代纯电动轿车） 运动型小马（ Colt）牌 5人座的低中级电动轮轿车 ； 通用在 2007上海

17、国际汽车工业博览会 推出新款 雪佛兰 Volt概念车 ，采用了最新研发的 E-Flex 动力推进系统 。 虽然我国汽车工业相对落后，但近些年也得到了飞速的发展。 国内企业从事 纯电动汽车 研发、少量产业化生产与试运营的有东风 、天津清源、北京理工科凌、比亚迪等企业。 2006 年，我国第一批纯电动轿车取得了产品准入公告 。 东风公司是国内最早从事电动汽车研发的汽车企业之一，开发了游览车、多功能车、工业专用车和高尔夫球车等 4 大系列、近 20 个品种的纯电动车，包括东风纯电动轿车（ EQ7160EV）、纯电动富康轿车（ EQ7140EV）、纯电动客车（ EQ6690EV）等 ；十五 ” 期间，

18、国家 863 计划电动汽车重大专项项目中纯电动轿车研制点之一在天津汽车。天津市中国农业大学学士学位论文 第一章 绪 论 3 电动车辆研究中心与天津一汽产品开发中心联合众多汽车技术研究中心与大学资源，组建天津清源电动车 辆有限责任公司，承担 863 计划重点项目 “XL -2 纯电动轿车 ” 研发工作，各项技术指标达到了国际先进水平，全车总重 1600 公斤，最高时速达到 140 千米 /小时，续驶里程超过 260 千米， 0 千米 /小时 50 千米 /小时的加速时间 6.8 秒，被认为是国内水平最高又最接近产业化的电动车型 ；同时 ，北京理工大学作为整车总体单位承担了 863 电动汽车重大专

19、项 “ 纯电动客车项目 ” ，作为技术依托单位承担了北京市科技奥运电动汽车特别专项 “ 电动汽车运行示范、研究开发及产业化 ” 等项目。已完成纯电动低地板公交车、纯电动中巴客车、纯电动旅游客车 、纯电动超低地板公交车等四种车型的整车开发、型式认证和定型设计，并进行了 40 余辆的小批量试生产，各项动力性、经济性、续驶里程、噪声等指标已达到或接近国际水平 ； 著名电池制造商 比亚迪 在动力电池方面的研究成果一直处于世界的前沿，该公司最新研发的车用产品的充电时间已缩短到 8 9 小时，最高续驶里程可达 450 500 公里，最高时速可达 120 180 公里 /小时， 0 100公里 /小时加速时

20、间小于 13 秒 。 在电动汽车产品开发中，采用多电机进行车轮独立驱动相对于单电机驱动而言，简化了机械传动系统，提高了驱动效率，能够充分利用车载能量来提高续驶里程；结构紧凑，提高了空间利用率；可通过驱动轮的电子差速改善车辆的行驶性能，容易实现底盘的电子化和主动化。鉴于以上优点，车轮独立驱动已经成为国内外的一个研究热点。 近几年 ，国内外很多高校、科研院所和企业都陆续开展了这方面的研究，取得了一定的成果，相应的概念车也已问世。在国外，日本的庆应义塾大学、丰田、本田、日产、三菱等公司、美国通用公司、法国 TM4 公司、标志雪铁龙公司、德国大众奥迪公司、西门子公司、英国贝姆勒公司等等，分别开发了多种

21、形式的车轮独立驱动汽车。在国内，同济大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学、清华大学、比亚迪汽车公司、北京三环通用电气公司、中船总公司 724 研究所和北京蓝天之星复合材料应用技术研究所等单位也都进行了类似电动汽车的开发。但是，由于车轮独立驱动系统结构复 杂和控制策略不够完善，各国目前所开发的高速乘用车都处于概念设计阶段，真正实现产业化的主要是包括场地车和工程车在内的低速车辆。 在未来 30 年里，纯电动汽车和混合电动汽车都将会市场化，并且会占有各自的市场份额。纯电动汽车适合于特定的市场，如社区交通、电价便宜、使用方便的地区和零排放管制的城市；而混合电动汽车则适合于长途运输。纯电动汽车和混合电动汽

22、车市场化的速度最终主要取决于它们各自的价格。在未来 20 年中燃料电池车的商业化速度也会加快，因为只有燃料电池车载续驶图 1-1 丰田纯电动概念车 AEV9 图 1-2 比亚迪 e6 纯电动 crossover 车型 9 中国农业大学学士学位论文 第一章 绪 论 4 里程和性能方面与燃油车相媲美 1。 1.3. 存在问题 1 4 1、初始成本高 目前纯电动汽车的价格一般为同级燃油汽车的 25 倍。当然生产规模扩大后，会有一定幅度的降低，但仍难以达到燃油汽车的水平。混合动力汽车价格明显高于同级别的燃油汽车。 为了降低电动汽车的成本，人们正在努力改善电动汽车的各个子系统，比如电动机、功率转换器，电

23、子控制器、能量管理系统、充电器、电池以及其他辅助设施，同时对电动汽车整车系统进行综合和优化。当然，除了对电动汽车各个子系统进行改进和整车系统进行优化外，我们应该努力提高全球的电动汽车水平，集中东西方的力量共同解决有 关电动车的一些问题，尤其是生产成本问题。东方一些国家如中国、印度、泰国和马来西亚能提供廉价的劳动力，而西方一些国家如美国、德国和法国能提供资金和高新的技术。因此，如果我们能综合廉价利用廉价劳动力和高新技术的优势，电动汽车的生产成本就会大大降低。 2、续驶里程短 能量密度低是除混合电动汽车外的电动汽车存在的最大问题。目前实际使用的电池有铅酸电池、镍基电池、常温锂电池、金属空气电池等，

24、常见的蓄电池比能量的范围为 35110Wh/kg，而汽油的低热值为 44MJ/kg，可见汽油的能量密度约为蓄电池的 110340 倍，即使把电动机的工作效率高于发动机这一因素考虑在内，两者之差也相当悬殊。为解决这一问题，现在各国都在积极研发一些先进的电池，并采用了其他辅助设施来改善电动汽车的续驶里程。 3、必须重新建设基础设施 为了克服蓄电池充电时间长的问题，需要在停车场或车库建设类似燃油汽车加油站的快速充电站，氢燃料电池汽车则需要解决氢的来源问题和建设加氢站等设施。中国农业大学学士学位论文 第二章 总体方案设计 5 第二章 总体方案设计 纯电动汽车的组成如图 2-1所示。纯电动汽 车主要由三

25、个子系统组成：电力驱动系统、能源系统和辅助系统。电力驱动子系统包括电子控制器、功率 转换器、电机、机械传动装置。能源子系统包括能源及能量管理系统。辅助系统包括助力转向单元、温控单元和辅助动力供给单元等。图中，双线表示机械连接，粗线表示电气连接，细线表示控制连接。每根线上的箭头表示电能或控制信息的流向。 222 图 2-1 纯电动汽车的基本结构 2.1. 蓄电池的选择 蓄电池作为电动汽车的能量源，要求其具有高的比能量和比功率，满足车辆动力性和续驶里程的需要，还应具有与车辆使用寿命相当的循环寿命、高效率、良好的性能价格比及免维 护性。可用于电动汽车的蓄电池归类为铅酸电池、镍基电池、金属空气电池、钠

26、电池和常温锂电池等。 在众多电池中，磷酸铁锂电池由于它超常的使用寿命、安全性、大电流快速充放电、耐高温、大容量、无记忆效应和绿色环保等优点，逐渐成为动力电池的佼佼者， 表 2-1 为磷酸 铁锂动力电池性能及与其他电池性能的比较。 因此，此设计采用磷酸铁锂动力电池作为其能量源。 2.2. 电动机的选择及布置方案 纯电动汽车是利用电机将电能转化为机械能来实现驱动的。电机的种类多、用途广、功率覆盖面非常大。车辆行驶的路面工况较复杂，所以作 为纯电动汽车用的电机的功率必须要适应这种复杂工况的要求。其性能要求有 :较大的起动转矩来保证纯电动汽车的良好的起动和加速性 中国农业大学学士学位论文 第二章 总体

27、方案设计 6 表 2-1 磷酸铁锂动力电池性能及与其他电池性能的比较 能 ;较宽的恒功率范围，保证纯电动汽车具有高速行驶的能力，电机的过载系数应达到 2-3倍 ;较大范围的调速功能，在低速时具有较大的转矩，在高速时具有高功率，能够根据驾驶员对加速踏板的控制，随即地调整纯电动汽车的行驶速度和相应的驱动力 ;电机的外形尺寸要求尽可能小，质量尽可能轻 :电机的可靠 性好，耐温和耐潮性能强，能够在较恶劣的环境下长期工作，运行时噪音低，维修方便。 2.2.1. 电动机的选择 驱动电机的性能直接决定着驱动系统性能。目前纯电动汽车普遍采用的电机主要有直流电机、感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机四种，总的发

28、展趋势是由通用电机向专用电机发展，由直流电机向交流电机发展。通过对纯电动汽车驱动系统的效率进行比较，直流电机的传动效率最低，感应电机的传动效率较高，永磁同步电机的传动效率为最高。采用数字评分的方法来比较上述几种电机的性能，主要对电机的六个方面的性能加以评价，每个性能的得分为 1-5分， 表 2-2给出了比较结果。 表 2-2 各种驱动电机性能比较 直流电动机 感应电动机 永磁无刷电动机 开关磁阻电动机 功率密度 2.5 3.5 5 3.5 功率 2.5 3.5 5 3.5 可控制性 5 4 4 3 可靠性 3 5 4 5 成熟性 5 5 4 4 成本 4 5 3 4 综合 22 26 25 2

29、3 由 表 2-2可知，永磁无刷电机和感应电动机的综合性能较好。 虽然感应电动机具有体积较小、成本较低、调速范围宽、响应快等优点，但是由于永磁无刷电动机没有传统电动机的电刷和换向器，因此永磁无刷电动机几乎可与感应电动机竞争媲美，而且具有如下优点： 1) 由于电动机由高能永磁材料励磁，对于给定的输出功率，它的质量和体积能够大大减小，中国农业大学学士学位论文 第二章 总体方案设计 7 使得功率密度提高； 2) 由于转子无绕组，无铜损，其效率高于感应电动机； 3) 电动机发热主要集中在定子上，易于采取措施散热； 4) 永磁励磁不受制造缺陷、过热或机械损坏的限制，因而可靠性较高 ； 5) 转子电磁时间

30、常数小，动态性能好。 综上所述，此设计初步选用永磁无刷电动机。在永磁无刷电动机中，由于永磁同步电机 (PMSM)在效率、功率密度和低速转矩方面的突出优点使它非常适合应用于多电机独立驱动，故初步定为永磁同步电机。 2.2.2. 电动机的布置方案 在电动汽车中，一种是采用单个电动机驱动车轮，另一种是采用多个电动机一起单独驱动每一个车轮。单电机结构的优点是：由于只用一个电动机，它能最大限度的减小型相应的体积、质量及成本。而多电机结构能减小单个电机的电流和功率的额定值，并能均衡电动机的尺寸和质量。单电机和双电机结构 的比 较如 表 2-3 所示。 表 2-3 单电机和双电机结构的比较 单电机结构 双电

31、机结构 成本 较低 较高 体积 笨重 分散 质量 集中 分散 效率 较低 较高 差速方式 机械式 电子式 因此，本设计采用双电机独立驱动方案。 2.2.3. 电动机的减速装置 通常对于电动汽车的减速装置分为固定速比和可变速比变速传功两种，它们的优缺点 如下 表2-4 所示 。 表 2-4 固定速比与可变速比变速传动的比较 固定速比 可变速比 电动机额定值 较高 较低 逆变器额定值 较高 较低 成本 较低 较高 体积 较小 较大 质量 较低 较高 效率 较高 较低 可靠性 较高 较低 由 表 2-4 可知 ，固定速比变速器性能优良，是可变速比变速器不能比拟的，实际上，现在几乎所有的电动汽车都采用固定速定 齿轮减速器。 因此，此设计也采用固定速定齿轮减速器。 2.2.4. 电驱动的结构形式