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本科毕业设计
题目:
某型电动车总体设计
学院:
汽车与交通工程学院
专业:
学号:
学生姓名:
指导教师:
日期:
二○一五年六月
摘要
电动车（简称EV）是由车载动力电池作为能量源的车辆，可实现车辆零污染排放。
随着环境日趋恶化，我们迫切需要使用环境友好型车辆,而本次设计的电动车正好拟合这个趋势,所以这一款电动车具有很强的现实意义。
本次毕业设计主要是对电动车的车架设计和总体布置。
根据本款电动车的实际工况和参考现有电动的一些参数，按照动力性能要求,运用汽车理论、汽车设计等相关知识计算，选出各个部分需要的零部件和总成.根据各类零件和总成的参数，再加上对车辆行驶性能部分的要求,来完成车架框架部分的设计。
然后在将每个部分按照相对位置关系，布置在车架上，完成车架的装配。
最后,根据现有的计算的结果，完成对车辆的外部装饰和布置.
通过已知计算和选取得来的各个零部件和总成的相关尺寸，利用制图软件CAD进行相关装配图、布置图、零件图形的绘制，得到理论上合为5张A1的图纸，该电动车基本满足要求。
关键词：
电动车；总体布置；车架设计
Abstract
Electricvehicles（referredtoEV）isavehicle-mountedbatteryasanenergysource.vehicle,whichcanachievezeroemissionsvehicles。
Withthedeteriorationoftheenvironment,weurgentlyneedtouseenvironment—friendlyvehicles,andelectricvehiclesisdesignedjusttofitthistrend，sothatanelectriccarhasastrongpracticalsignificance.
Thegraduationprojectismainlyforelectricvehicleframedesignandoveralllayout。
Accordingtosomeparametersoftheelectriccar'sactualconditionsandreferencetoanexistingpower,makingusingofthepowerperformancerequirementsandapplyingcartheory,automotivedesigntocalculateandselecteachpartrequiredpartsandassemblies.Accordingtoallkindsofpartsandassemblyparameters，togetherwithpartofthevehicleperformancerequirements，wecancompletetheframeportionoftheframedesign.Thenaccordingtotherelativepositionalrelationshipbetweeneachsection,itisarrangedontheframetocompletetheassembly。
Finally,accordingtotheresultsofexistingcomputing，onecancompletethevehicleexteriorandfurnished。
Therelativedimensionsofaknownindividualcomponentsandassembliesismadebycalculatingandselection,andweuseofCADdrawingsoftwaretodrawtherelevantassemblydrawings，layout，graphicscomponentstoobtaintheoreticallycloselyto5A1drawings.Theelectriccarbasicallymeettherequirements。
Keywords：
electricvehicles;generalarrangement;framedesign
1绪论
1.1引言
汽车是现代文明的重要标志，融合了当代社会各项最先进的科技技术,可以是说是科学的集大成者。
汽车作为主要的道路交通工具，在国防建设和人民生产、经营活动、社会生活中起到了非常重要的作用,同时,汽车工业是支柱产业之一，它的发展改变了历史进程.
可以说,人类的生活和生产早已经离不开汽车了。
同时,传统汽车在对现代社会做出重大贡献的时候，也给人们的生活带来了不可忽视的灾难，让人们面临环境污染、石油资源短缺等严重问题.汽车运行时所排放的的废气会对环境造成严重的污染，而且废气中的部分污染物对人体损害特别大，严重的会造成人们死亡。
虽然现代科技已经能将大部分污染物很好的处理掉，但是由于车辆保有量太高，还是会对环境和人类的生存造成严重的影响。
另外，内燃机汽车的主要能源消耗品是石油，众多周知，石油资源是有限的、属于不可再生资源。
人类从1973开始共向地球索取了大约5000亿桶（约800亿桶）石油，占当时探明总储量的85％;此后,新发现的石油储量几乎翻了一番。
初步估计,目前地球上大约还有1370亿吨石油储量，按照现有的实际生产水平，全世界每年大约要开采30亿吨石油，这样，地球上的石油估计还能供人们开采40—50年。
随着新油田的发现,大概也只能延长十年左右，但是终将有枯竭的一天。
随着能源危机、石油短缺的逐渐到来和人们对环境保护更加重视,人们必须使用更加绿色环保的出行工具，而无需使用石油、对环境友好的电动车正好满足了人们的这一需求，所以它必将在未来的社会中大发异彩，为现代文明做出巨大的贡献。
1.2电动车的发展概况
电动汽车比内燃机车辆实际上出现的还要早.1859年,法国著名科学家普兰特（Plant）发明了铅酸电池，这为以后电动车的出现奠定了基础.由于当时蓄电池和电动机的发展相比内燃机更加成熟，并且蒸汽机汽车的性能和操控也拿与让人接受,因此电动汽车就成了人们用来取代马车的首选。
1873年,英国科学家RobertDavidson首次在马车的基础上制造了一辆电动三轮车，它是由铁锌电池（一次性电池）提供电力，由电机驱动,它比内燃机动力汽车发明早13年.1881年,法国工程师GustaveTmuve制造了一辆电动三轮车在巴黎的街道出现以后，更多的电动车就如同雨后春笋般出现.英、美、德等国先后制造出了电动汽车,电动车的性能也逐渐提高。
1911年，在巴黎和伦敦的大街上已经有运营的电动出租汽车出现；到了1912年，起码有3.4万辆电动车在美国运行.
在20世纪20年代初期，美国的汽车保有量中电动汽车占38%，而内燃机作动力的车辆仅仅只占占22%，到了1915年，美国电动汽车保有量已经达到5万辆.然而到了20世纪30年代末，电动车就逐渐消失在人们的视野当中.主要是由于当时的蓄电池性能较差，电动汽车的成本太高，而续驶里程太短。
同时，大量油田的开发，降低了石油价格，也降低了内燃机汽车的使用成本，加上内燃机汽车底盘技术不断提高，并采用流水线生产方式大规模批量制造，是内燃机汽车在市场竞争中占据了据对的优势，电动汽车被市场所抛弃。
20世纪50年代到60年代中期,电动汽车得到复苏，同样是因为石油，但是主要因为它逐渐短缺,人们再次将目光投向电动汽车。
20世纪80年代以来,内燃机汽车尾气带来的环境污染问题越来越引起人们的重视，人们对于绿色出行方式的需求被进一步释放。
在严格控制污染排放和节省能源的现代，依托逐渐发展完备的电子电力控制技术和计算机技术，加之对蓄电池的精益求精和开发新动力电源，电动车辆终将打败内燃机车辆，成为21世纪广泛采用的交通工具。
1.2.1国外电动车的发展现状
从二十世纪九十年代开始,电动汽车重新成为世界性的的研发热点之后，世界上各大汽车公司纷纷投入巨资开发自己的电动车,寻求在未来电动汽车市场中先发制人.各国政府也都出台相应的政策或制定计划，以促进本国电动汽车的发展。
（1）美国的电动汽车研究规划美国是汽车工业最发达的国家之一，汽车产量和保有量都居世界前茅,每一年的石油消耗总量和汽车污染物的排放总量亦是居世界首位.为增强汽车制造业的竞争力，美国政府提出了著名的PNGV计划和FreedomCAR计划。
PNGV计划于1993年由克林顿政府提出，该计划主要由商务部（简称DOC）、国防部（简称DOD）、能源部（简称DOE）、运输部（简称DOT）、环保局（简称EPA）、宇航局（简称NASA）及国家科学基金会（简称NSF）等联邦政府机构和三大汽车公司（通用、格莱斯勒、福特）联合实施。
美国商务部代表政府负责PNGV计划的组织协调和总体规划.
该规划明确地提出了要显著改善和增加美国汽车制造业的竞争力，尽可能快的将商业可行性的技术创新成果应用于汽车生产制造中，开发出燃料效率高于现行汽车3倍的新一代汽车。
该计划在1997年完成了新一代汽车的技术选择，确定了轻质制造材料、混合动力技术、高性能发动机（即四冲程直燃式）和燃料电池等为PNGV计划的主要技术方向；到2000年,三大汽车公司纷纷推出了各自的概念车;2004年就已经生产出了电动汽车样车.
美国通用汽车公司的EV—1型电动轿车就是成果之一，它采用铅酸电池，车身采用复合纤维材料，外形呈现流线型,后轮采用电动式制动器，每个轮胎都有制动能量回收系统。
该电动车最高时速达到1208km/h，一次充电可以行使112km（在市区）或144km（在高速）。
FreedomCAR规划于2002年由布什政府提出,用于代替PNGV计划。
FreedomCAR计划的重点为：
燃料电池动力系统，氢能储存系统，国家氢能基础设施的技术开发，支持有关氢能基础设施法规和标准的研究,用于燃料电池和混合动力两类汽车的电驱动系统，新型电能储存装置，新型、轻型结构与材料的开发,内燃机用先进燃料和排放控制系统等。
该计划由能源部门领导，由汽车制造着协会协调组织,并且有燃料供应商参与其中。
该计划的主要目标是开发出无污染、燃料能源转换效率高、成本具有竞争力、燃料添加方便的燃料电池电动汽车。
开发出排放达到或低于排放标准、成本具有竞争力的混合动力电动汽车。
（2）日本的电动汽车研发规划日本是汽车生产大国，汽车保有量位居世界第二位，并且日本的缺乏石油资源,石油资源近乎全部依赖进口。
所以,日本政府及日本的各大汽车公司都对电动车的开发十分重视，这也造就日本的混合动力电动汽车技术处于世界领先地位。
日本的电动汽车开发计划主要有:
低公害汽车研发普及行动计划、JHFC示范工程和专项开发计划等。
丰田RAV—4型也是一个模范产品，该五座电动汽车采用镍氢电池，最高时速在130km/h，最大爬坡度为28%，一次充电大约可以行使215km。
（3）欧盟的研发计划欧盟计划旨在增强欧盟各国工业的竞争力,充分调动欧盟各国的科学技术力量，避免各国科研计划重复，综合有效的利用各国的人力和物力资源.欧盟计划相关的开发计划主要有FP系列计划、欧盟燃料电池研究与发展计划、欧盟电动巴士示范计划和欧洲电动车汽车城市运输系统计划。
大众的斯柯达-明锐EV也算是一款比较杰出的成果之一,该车使用的是锂离子电池技术,续航里程达到150km,100km耗电也只有14kwh。
1。
2。
2国内电动车的发展现状
我国也早已将电动汽车的研究和开发以及电动车产业化列为重点项目，并制定电动汽车发展的规划。
1）我国的863计划的HEV、FCEV和EV研究计划纲领。
在国家科学与技术部、国家高技术研究发展计划中,创设了电动汽车重要专项，择取新一代电动汽车技术作为我国汽车工业自主创新和科技创新的主要研究方向，协调汽车企业、高等院校和科研机关,以及官、产、学、研四位一体的方式进行协同攻关，以电动汽车的最新行业技术平台为工作重点，力争在电动汽车关键制造技术、系统集成核心技术等方面取得重要突破，促使电动汽车符合现代企业生产制造和市场经济实际需求以及研发系统和研发机制的建立。
2）我国的973计划的电动车专项计划。
由国家科学技术部组织实施的国家重点基础研究计划中，也创立了电动车专项.电动汽车专项包含在973计划的能源项目之中,主要涉及氢能的规模制造、储运及相关的燃料电池基础开发研究。
目前的行业现状还比较理想，主要体现在一下几点：
（1）政策向好，补贴标准有所降低，但是鼓励发展仍是主旋律
2013年3月，国家财政部等四部委达成一致意见,对新能源汽车补贴政策延迟3年。
同年7月12日，我国国务院总理李克强主持并召开国务院常务会议，讨论计划加快节能环保产业，提出公务员用车、城市公交车要率先推广使用新能源汽车,并同步完善配套设施。
9月17日，上述四部委共同下发《关于继续开展新能源汽车推广应用工作通知》，明确了财政补贴支持推广应用新能源汽车的相关政策。
（2）电动汽车产量增长特别快，全年跨越3。
57万辆，进口车辆共计1。
66万
在环保形势和国家政策引导下，2013年中国电动汽车产量实现爆发性增长。
从月度产量和进口量来看，全年基本上保持很强的增长趋势。
受到2012年11月电动车产量基数太高的影响，2013年同比电动汽车产量出现了下滑；12月受2014年补贴减少的负面影响，电动汽车产量出现显著的翘尾现象,国内电动车生产销售也取得了很好的效果。
图1—12013年国内电动汽车生产（包括进口车）月度变化
1。
3本次设计的意义
首先,我国大城市的环境污染已到了不能忽视的境地，燃油汽车排放是主要污染源之一，我国已经有16个城市被列入全世界环境污染最严重的20个城市当中。
随着环境污染问题越来越引起人们的重视，人们迫切需要一种更加环保的出行方式，电动车使用无污染的车载电源,必能带给我们一片新的天空。
其次，电动车可以减少人们对石油的依赖，它从车载电源获得电力，而蓄电池的电能可以从水能、核能、风能、太阳能等清洁转化而来,从而不用依赖石油资源。
众所周知，我国是石油进口大国，减少石油的使用可以变相增加国家外汇储备，而外汇储备的多少是一个国家金融安全的重要保障.
另外，电动车可以节约大量资源，它既可以充分利用夜间富余电力给蓄电池充电,减少夜间大量电力的浪费，提高国家电网电能的利用率,也可以通过高效的能量利用率减少功耗（比如百公里的能量消耗率），从而优化我国资源使用效率。
2电动车主要部分设计
2.1驱动控制部分
2.1.1驱动布置
电动车的载客一般为8人，满载质量大约1200kg,总质量较小，电动车的行驶条件一般较好，不需要太高的通过性，为了减少制造成本,同时简化流程,便于模块化生产，所以采用结构简单、制造成本较低的4×2驱动形式。
电动车使用的是车载电源，电池一般为了安全和方便起见安置在中部或者中后部，底盘部分并不宽敞,驾驶室空间有限，而且控制台前端布置大量电气设备，所以选择将发动机放至后方,同时可以保证轴荷分配尽量合理，从而有利于提高轮胎实际使用寿命。
如下图：
图2—1电动车的总体布置简图
1-控制器2—电池3—电机4—传动系统5-驱动轮
2.1。
2电机
驱动电机的主要功能是将电源的电能转化为机械能，并且利用传动装置或直接驱动车轮和工作装置。
电动机的种类繁多,考虑到本款电动车的实际情况，选择开关磁阻电机，主要是由于它布局较为简单，同时制造方便,运转性也较好，并可节约很多材料，价格便宜。
下面来计算电机的详细参数。
已知电动车的基本参数如下：
表2。
1电动车的基本参数
参数
车型
总质量
M（kg）
最高车速
V（km/h）
迎风面积
A（m2）
最大爬坡度
I（%）
加速度
a（m/s2）
电动车
1200
30
2.70
15
1.0
据上面的基础参数来设计:
汽车匀速行驶在水平道路上时，肯定要克服来自地面的滚动阻力，同时还有空气阻力；当汽车进行上坡行驶的时候，还要克服坡度阻力;汽车加速行驶的时候还需要克服加速阻力，即产生加速度的力。
因此汽车行驶的总阻力为滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力之和，得到汽车行驶方程为：
（2。
1）
式中:
Ff—滚动阻力，Fw—空气阻力；Fi—坡度阻力；Fj—加速阻力
其中Ff可以等效的表示为:
（2.2）
公式中：
W为作用于车辆上的法向载荷；f为滚动阻力系数，它与路面粗糙度，行驶速度和轮胎的结构、材料等很多因素相关。
滚动阻力系数一般在0。
010-0.030，根据经验，f取0。
020,则有：
（2.3）
空气阻力:
（2。
4）
公式中：
CD为空气阻力系数；A为迎风面积;ρ—空气密度，一般ρ为1.2258Ns2m—4。
ｕｒ为相对速度
汽车在风速为0的情况下运动，ｕｒ等于汽车的行驶速度ua，则空气阻力（N）为：
（2.5）
轿车的CD值一般在0.3-0。
6之间，考虑到此款电动车的经济实用性,CD取0.6，A=B1＊H=1.5＊1。
8=2.70m2（B1为车身宽度，H为车身净高度），最高车速取36km/h，则有
（2。
6）
坡度阻力:
（2。
7）
公式中：
α为坡度，此时sinα=tanα=i。
当i取0。
15时，则有：
（2。
8）
当i取0,即在水平的道路上行驶时，
（2.9）
加速阻力：
（2.10）
公式中：
δ为车辆的旋转质量换算系数；m为车辆质量;du/dt为汽车的行驶加速度.
δ值一般在1。
1—1.5之间,根据经验，δ取1.3。
GB《纯电动乘用车技术条件》规定:
车辆的最大爬坡度（不小于20℅）、起步加速时间（0~50km/h的时间不大于10s），即amin=1.38m/s2，根据本车的实际情况，要求较低，最大加速度取1.0m/s2时,则有：
（2。
11）
电动车匀速行驶时，
（2。
12）
故当电动车在水平道路上以最高速度匀速行驶时，阻力之和为:
（2。
13）
理论上,加速时的阻力之和：
（2。
14）
电动机需要的峰值功率
（2.15）
以最高速匀速行驶时的功率
（2.16）
式中，ηt为机械效率，参考值在0。
8~0。
95。
根据电机功率的选择方式,参考电动车以最高速匀速行驶时的功率，但肯定要比上述功率大，故初步确定电动机的额定功率Pe=2.5kw。
根据资料选择，永磁无刷同步电机。
表2.2电动机参数
电动机型号
ZC-CD-2。
5
额定功率
2。
5kw
功率因素
0。
87
额定电压
48V
额定电流
60A
最大转矩
2。
3
额定转速
1100r/min
噪声
79A
绝缘等级
F
防护等级
IP54
冷却形式
自然风冷
质量
33kg
外观尺寸
215
380
2.1。
3控制器
电动车控制器的作用是控制电动车电机的发动、运转、进退、速率、停止以和电动车的其余电子器件的中枢控制器件，它对于电动车说就是其大脑，是电动车上最为重要的的部件之一。
控制器的组成部件有周边器件、主芯片（或者是单片机）。
周边器件主要是各种类型的功能器件,如执行、采样等，它们是电阻、传感器、桥式开关电路,和辅助类单片机或专用集成电路完成控制过程的电子器件；单片机也被叫做微型控制器，它把储存器、有变换信号语言的译码器、锯齿波发生器、脉宽调制功能电路和可以让开关电路功率管导通或截止、利用方波控制功率管的导通时间以控制电机转速的驱动电路、输出输入的端口等集成在一起，从而组成的计算机片。
它被称为是具有“傻瓜"面目的高科技产品.控制器被生产出来的质量、特性、所采用的微处理器的功用、功率开关器件电路以及周边器件结构等等,都直接影响到整车的性能和运行状态，也对控制器本身质量和效率产生重大影响.
图2.电动车控制器
2.2电池系统
电动汽车电池分两大类，蓄电池和燃料电池。
蓄电池可以用作纯电动汽车的车载电源，拥有铅酸蓄电池、、空气电池、钠硫电池、镍基电池、二次锂电池等多种类型。
燃料电池专用于燃料电池电动汽车,类型很多,有碱性燃料（AFC）、固体氧化物燃料（SOFC）、磷酸燃料（PAFC）、熔融碳酸盐燃料（MCFC）、直接甲醇燃料（DMFC）、质子交换膜燃料（PEMFC）几大类.
市面上电动车主要使用的车载电源是铅酸电池或者锂离子电池，铅酸电池正极的活性物质是二氧化铅PbO2,负极的活性物质是铅Pb,电解液为硫酸的水溶液（H2O+H2SO4）。
正极板上PbO2的溶解电离过程为
，负极板处Pb的溶解过程为
。
它最大的优点是内阻很小,可以输出较大的电流，这一点在电动车起步阶段尤为重要。
而且它的价格很低，这是它在商业开发中用作动力电源的最显著优势。
但是它也有很明显的缺点,比能量及能量密度较低，在满足一定续航里程的情况下,它的质量和体积较大。
另外它的寿命短,使用成本较高，需要的充电时间也较长.
锂离子电池的负极活性物质是可嵌入锂离子（Li＋）的碳，正极活性物质一般为金属锂化物（如LiNiO2），而电解质为非水性的有机溶液或者某类聚合物。
以CoO2为例，其充放电过程正负极反应为
.锂离子电池作为动力电池有很多优点，它的比能量大，循环寿命长,安全性能好，可以实现安全、快速充电.但是,它的成本比较高，原材料价格昂贵，且不能大电流放电。
从本次开发的低速电动车而言，需要循环寿命较好、充电快、经济实惠,最重要的是安全有保障，故优先选择铅酸电池电池。
电池的电压主要由电动机的功耗和性能来决定的,容量则是根据电动汽车的一次充电行驶的总里程来决定.由于前面我们以及把电动机的型号定好了，所以电池的电压也决定了。
接下来,我们就要根据电动汽车一次充电的总行驶里程来计算它的容量。
根据本款电动车的设计要求和前面的条件，此次设计的电动汽车一次充电的总行驶里程为90km,最高时速为30km/h，电动机的功率是2。
5KW.
参考实际情况，电动车实际平均车速低于30km/h，为了使实际车辆可靠性更好，就以30km/h的时速计算，则电动车能持续行驶的时间为:
（2.17）
电动汽车的容量:
（2。
18）
在实际的使用中，由于电池自身的损耗，和其他多方面的原因会使电池的容量比理论上少，所以此款电动车选择200Ah的铅酸电池，电池的具体参数见下表：
表2.3电池参数
电池个数
2块
电池总容量
200Ah
额定电压
24V
外形尺寸（mm）
450×200×200（长、宽、高）
总高（mm）
240
总质量（kg）
90
2.3电气系统
电气系统是电动车的重要组成部分之一，它能直接影响到电动车的动力性、经济性、可靠性、安全性、舒适性等性能。
电气系统是现代科技的产物,它综合了很多高科技技术。
随着科学技术的不断发展，微型电子计算机、集成电路在汽车上大量应用，电器的数量和种类在不断增加，产品的性能和质量在不断提高，带给人们更加美好的体验。
电气系统主要下列部分组成：
（1）电源系统
电源系统主要由发电机、蓄电池和调节
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