四轮环保电瓶车整体结构设计Word下载.docx
《四轮环保电瓶车整体结构设计Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《四轮环保电瓶车整体结构设计Word下载.docx（28页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
Keywords:
Engine,electricmotor、frequencycontrolofmotorspeedandtorqueofacmotor、Theelectriccar,environmentalprotection、storagebattery、energyconservationandenvironmentalprotection
四轮环保电瓶车的整体结构设计
XXXXXXXXXXX
1、绪论
1.1、课题来源，目的，意义与该课题的市场前景
汽车工业的高速发展，汽车带来的环境污染、能源短缺、资源枯竭和安全等方面的问题越来越突出。
为了保持国民经济的可持续发展，保护人类居住环境和能源供给，各国政府不惜巨资，投入大量人力、物力，寻求解决这些问题的各种途径。
我国面临的形式也十分严峻，国内的石油储藏量和开采量相当有限，随着汽车保有量的增加，石油需求越来越多，目前已不能自给，不足部分主要通过进口来满足，而且每年成递增趋势。
由于电动汽车具有突出的环保方面的优势，使得电动汽车的开发和研究成为各国开发绿色汽车的主流。
电动汽车使用的能源是可以用与发电的一切能源。
因此使用电动汽车可以摆脱汽车对化石燃料的依赖，改善能源结构，使能源供给多样化，使能源的供给有保障。
电动汽车在解决道路交通事故方面和传统汽车相比也具有一定优势。
因此，开发电动汽车是迎接汽车面临挑战的重要对策之一。
电动汽车具有良好的环保性能和可以以多种能源为动力的显著特点，即可以保护环境，又可以缓解能源短缺和调整能源结构，保障能源安全。
目前发展电动汽车已成为各国政府和汽车行业的共识，电动汽车的研发已成为汽车行业的热点。
因此，无论是从设计、研究和开发的观点，还是从实用的角度来看，了解和掌握电动汽车技术的社会需求会越来越大。
近些年来，随着我国的经济迅速发展，人民生活水平也得到很大的提高。
人民对城市的卫生、道路清洁程度也越来越重视，之前城市道路的清扫都是依靠环卫清洁工人的双手来清扫，这种的方式显然已经变得很落后落后，不再能够满足当今大中城市对现代化环境卫生工作的发展需求。
人工清扫，工作效率低，工作量大这就会在很大程度上阻碍了城市道路环境卫生工作向更深的层次方向发展，对城市的整体形象造成了很大的影响，对人民的生活环境也会造成很大的影响。
因此，全国各地的环境卫生部门对城市道路清扫作业机械化程度的提高提出了迫切的需求。
依据城市道路建设部门的量化要求，大中城市的街道清扫作业机械化量需要占到城市道路清扫作业量的百分之六十以上。
因此对当前存在扫路车进行持续不断的深入研究和科技创新的问题，迫切得以解决。
纵观这十几年，我国道路清扫车快速发展，其产品从以前单一的纯扫式发展到现在的多种型式，多形式的扫路车以致满足我国不同地方不同气候的需求。
不管是产品的质量何时性能等各方面都得到了迅猛提高，尤其是在改革开放之后，通过从国外进口一些扫路车，将国外的扫路车与国内的相结合，取其精华，去其糟粕，将各自优点相融合，使得我国扫路车的产品性能、质量以及可靠性得到很大程度的提高。
不过现在，由于我国在一些诶技术领域上仍然相对落后，使得我国道路清扫车的整体水平同国外一些发达国家的扫路车水平相比，还有一定程度的差距，尤其是在产品的性能方面，仍存在较大的差距。
为了使我国的道路清扫车水平在较短的时间内得到提高，缩小和一些发达国家道路清扫车性能水平上的差距，满足我国环卫部门对城市街道清扫作业的要求，扫路车制造企业应该加大对道路车性能方面的研究。
只有明确扫路车的研究方向，从扫路车的基础研究方面入手，根据中国城市街道对扫路车的要求，研发出高质量、高性能，低成本、符合中国国情的扫路车。
1.2、有关环保电瓶车的概念
1.2.1、什么是环保电瓶车
环保电瓶车是以电池作为辅助能源，具有两个或四个车轮，能实现人力骑行、电动或电助动功能的特种车。
它虽然具有普通车的外表特征，但更主要的是，它是在普通车的基础上，安装电动机、控制器、电池、转把、闸把等操纵部件和显示仪表系统的、机电一体化的个人交通工具或助力工具。
1.2.2、环保电瓶车的种类
电动车以其驱动力性质、整车结构及电动机驱动方式的不同，可以分成以下三种类型：
按驱动力性质分：
有电动型和助力型两种。
按整车结构分：
有两轮、三轮、四轮三种。
按电动机形式及驱动方式分：
有直驱车轮的轮毂式直流电动机、中轴链式驱动的柱式直流电动机、电动箱式驱动的柱式和盘式直流电动机。
1.2.3、电机
由于电动车要求的功率较小，所带有的能源有限，故希望电机的驱动系统的体积小、功率高，而其中以直流电机最为合适。
目前，电动车所使用的电机大多数为有刷直流电动机，但是随着技术的进步与电子元件成本的不断下降，无刷直流电机将成为今后电动车的发展主流。
1、有刷直流电机
电动车上使用的有刷直流电机主要有两种：
一是印制绕组电机，二是绕线盘式电机。
前者的应用较后者多一点。
有刷直流电机的优点是控制系统简单，成本较低，过载能力强，但需要换向器（整流子），影响电机的效率。
有刷直流电机又可以分为有齿和无齿两种。
有刷有齿电机是一种高速电机，所谓“有齿”就是通过齿轮减速机构，将电机转速降低（国家标准规定电动车的转速不超过20
）。
由于高速电机通过齿轮减速，其特点是骑车者的感觉动力较强，而且爬坡的能力较强。
但是电动轮毂是封闭的，只是在出厂前加注了润滑脂，用户很难进行日常保养。
而且齿轮本身就有机械磨损，一年左右因为润滑不足导致齿轮磨损加剧，噪音增大，影响电机和电池的寿命。
另一种是有刷无齿电机，这是一种外转子式电动机，没有齿轮减速机构，直接采用低速输出，消除了齿轮噪音，其电机输出转矩较有刷有齿电机要小，故动力性能和爬坡性能相对要弱一些。
但运行安全，电刷磨损小、噪音小这是他的优点。
2、无刷直流电机
无刷直流电机由于没有电刷，不需要齿轮减速，从根本上消除了电刷磨损和齿轮磨损，不存在定期更换电刷，而且噪音很小。
因此，他无干扰、寿命长、效率高、运行可靠、维护简单，且转速由于不受机械换向的限制，可在宽广的范围内平滑调速，与有刷直流电机相比成本低，但是控制系统复杂成本高。
无刷直流电机就起结构而言，是由电动机本体转子位置传感器以及电子电路换向组成。
电动车上采用的是无刷电动轮毂电动机一般制成多相，如采用三相，它的电枢放在定子上，永磁磁极位于转子上。
反映电动机定转子位置传感器输出信号，通过定子换向电路去驱动与电枢绕组联接的相应的功率器件，使电枢绕组依次馈电，从而在定子上产生一个跳跃式旋转磁场，拖动永磁转子旋转。
随着转子位置的旋转，位置传感器通过电子换向线路不断的送出信号，以改变电枢绕组的通电状态，保证在一定的范围内定子磁场与转子磁场成正交关系，保持转矩连续不断的产生，输出机械功率，从而实现了无接触式电磁换向。
我国电动车用无刷直流电机的研制和生产厂家有上海微电机研究所、浙江卧龙集团等。
今后二合一轮毂式无刷直流电机和无位置传感器无刷直流电机是电动车车用电机的发展方向。
1.2.4、电池
电池是电动车的动力源，电池质量直接影响电动车的行驶里程和寿命。
目前电池选用的是铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池等。
镍镉电池属碱性电池，我国产量较大，主要生产厂家有深圳比迪亚有限公司和上海电池厂等。
镍镉电池可以快速充电，其过充、过放电性能均好，循环寿命较长，达2000次。
但它的价格是铅酸电池的4.5倍，而且旧电池得不到很好的回收，会因重金属镉造成严重的污染。
常用的是24V5Ah，重量
，一次充电续行里程
，按标准的80%放电，寿命约500次。
1.2.5、控制器
控制器是电动车的驱动系统，它是电动车的大脑。
其主要的作用是提高电机和蓄电池的效率、节省能源、保护电机及蓄电池以及降低电动车在受到破坏时的损伤程度。
电动车常用的无刷直流电机的控制器的目的是有两种类型：
一是采用专用集成电路制作的控制器；
另一种是采用单片机为控制器件的控制器。
前者针对无刷电机的控制要求，将控制逻辑集成在芯片内，一般该类控制器称为模拟控制器；
后者采用单片机，用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑，其特点是使用灵活，通过修改程序可以适应不同规格的无刷电动机，增加功能方便，如果电机缺相保护，堵转保护，添加力矩传感器，可以根据不同的电机进行结构的优化以达到良好的匹配等，通常将此类控制器称为数字式控制器。
但无论是数字式还是模拟式控制器，其工作原理大致相同；
用电子控制代替电刷控制线圈电流换向，根据电机内的位置传感器信号，决定换向的顺序和时间，从而决定电机的转向和转速。
1.3、电动车行车参数的设计
在设计前先将文章中计算需要的数据假定如下：
整车质量（
）300
滚动阻力系数（
）
人重（
）70
额定载重重（
）100
车轮直径（
）400
后轴转子直径（
）10
1.4、设计任务
对电动车的运行状态进行了分析，分别对电动车的运行阻力、惯性力、再生制动力以及所需要的牵引力进行计算。
利用现代电子技术及电动机发电反馈制动理论，设计一套能够在电气制动的同时，发电给电瓶充电的发电反馈制动系统。
利用该系统能够实现将车及人体的动能通过电动机的发电运行状态转化为电能，并经过相应的处理和控制电路，达到给电瓶充电和车减速的双重目的。
完成发电反馈制动系统机械连动机构、发电反馈制动电控系统、发电反馈回路的设计、电动机选型。
1.5、研究意义
首先本设计的课题使我们对电动车有了进一步的了解，对制动能量再生有了新的认识，所谓制动能量再生，是指电动车减速制动时将其中一部分机械能转化为其他形式的能量这里是电能，并且将其充进电池。
制动能量再生方法原理是先将电动车制动或减速时的一部分机械能转化为电能存储在电池中，同时产生一定的负荷阻力使电动车速度降低；
当电动车再次起动或加速时再生系统又将存储的能量再次转化为电动车行驶时所需要的动能。
这样就可以提高一次充电的续行距离，避免了不必要的能量损失。
同时电动车可以运用在很多领域，比如代步、助力、小型搬运、城市环卫等。
2、环保电动车的动力性能分析
动力传动系统由蓄电池、控制器、电动机、驱动轮等组成。
电动车的动力性评价指标有最高车速、加速时间和最大爬坡度。
然而，电动机的最大功率与额定功率下观察甚多，而最大功率工况不能长时间运行，因此必须用电动机的额定工况计算电动车的最大爬坡度和最高车速。
电动车的加速过程和起步时间较短，理论上可以用电动机的外特性进行设计计算。
下面从车的直线行驶动理学模型来进行分析。
2.1、电动车运行方程
电动车在路面上运行，有各种不同方向和不同大小的作用力作用在电动车上，电动车牵引学主要研究对车运行有直接影响的力，也就是与电动车方向相平行的外力及外力的分力，这些力可以分为三种：
电动车的牵引力
它是由电力机车的牵引电动机所产生的，并通过动轮与路面的相互作用力而引起的外力。
它与电动车的运动方向相同，其大小由开车的人决定。
电动车运行阻力
它是由电动车运行时由多种原因引起的阻止电动车运行的外力，其大小是不可以控制的。
电动车的制动力
它是由机车和车辆上的制动装置所产生的，并通过轮与钢轨的相互作用而引起的外力，用来使电动车减速或停车。
它与电动车的运行方向相反。
这三种力以不同的方式形成作用于电动车上形成的合力
：
牵引运行时：
合力
；
惯性运行时：
制动时：
。
电动车运行方程是把电动车当作一个平移的钢体，表示电动车在不同运行状态时，作用在电动车上诸力的关系式。
在工程上用它计算电动车运行时所需要的制动力、惯性力。
电动车在运行时状态有三种：
牵引状态，电动车在电动机的牵引力作用下，起动，加速或等速运行；
惯性运行，电动车在运行中牵引电动机断电后靠惯性运行；
制动运行，电动车在运行中切断牵引电动机的电源，并且施加机械或电气的制动力，减速运行。
电动车在牵引等速状态下，沿运行方向作用在电动车上的力有牵引力
、静阻力
和惯性力
根据静法原理，可列出如下方程
式（2.1）
这就是牵引等速运行状态下的基本方程。
2.2、电动车的行驶力学
2.2.1、车辆模型
驱动系统的动力输出特性与车子的动力性能直接相关。
驱动系统的动力输出更该满足车子的动力性能要求。
在设计电动车驱动系统时，为了使电动车达到要求的动力性能指标，首先必须建立电动车的力学模型，对电动车行驶过程中力与功率的平衡进行分析，以得到电动车的需求特性。
电动车的动力传动系统主要是由能量存储系统和动力驱动系统组成。
能量存储系统包括蓄电池和能量管理系统，动力驱动系统包括驱动电动机和驱动控制系统。
电动车在行驶过程中，由动力蓄电池输出电能给电动机，电动机输出功率，用于克服电动车本身机械装置中的内部阻力以及行驶条件决定的外部阻力消耗的功率，外部阻力即电动车的行驶阻力。
从分析电动汽车行驶时的受力状况出发，建立直线行驶方程式，是分析电动车直线行驶性能的基础。
图2-1车轮行驶时的受力分析
电动车运行时的阻力系数
为：
式（2.2）
式中：
——车轮与地面之间的滚动摩擦系数，
取0.02；
——车轮直径，
;
——轴承的直径，
——轴承的摩擦系数，取0.002；
所以阻力系数：
需要说明的是车轮与地面之间的滚动摩擦系数
是随着路面状况的不同，其数值也在不断改变。
参考文献[27]给出正常行驶的不同路段的滚动摩擦系数表2-1。
表2-1不同路面的滚动摩擦系数
路面特征
全新坚硬的柏油、混泥土、小方石块路面
0.01-0.02
经压轧的坑洼波动的碎石路，混泥土路面
0.02-0.03
压坏的柏油路面
0.03-0.04
良好路面
0.045
一般的土路
0.05-0.15
松沙路面
0.15-0.3
2.2.2、电动车阻力计算
2.2.3、电动车惯性力的计算
2.2.4、电动车牵引力的计算
2.3、电动车的动力性能
电动车因为以蓄电池存储的电能为能量来源，所以衡量电动车性能的一项重要指标是最大续驶里程，而且，电动车采用的是电机驱动系统，其输出特性和一般车也不相同。
电动车的电机驱动系统将蓄电池输出的电能转化为车轮的旋转动能，从而驱动电动车运行。
它决定了电动车的动力性能，它的能量转化效率也直接影响到电动车的最大行驶里程。
由此可见，研究电动车驱动系统对提高电动车性能具有重要意义。
另外，电动车因为采用电机驱动系统，可以利用电动机的逆向工作性能，制动时的能量进行回馈，增强其制动性能。
电动车的动力性能值是车在良好路面上直线行驶时由车受到的纵向外力决定的，所能达到的平均行驶速度[29]。
下面介绍车的主要动力性能指标：
最高车速、加速时间、最大爬坡度。
车的最高车速：
在水平良好的路面上，车所能达到的最高行驶车速。
车的加速时间：
常用原地起步加速时间与超车加速时间来表明车的加速能力。
原地起步加速时间是指汽车由低档起步，并以最大的加速度逐步换至最高档后到预定的距离或预定速度所需的时间。
超车加速时间，是指用最高档由较低车速全力加速到高速所需的时间。
车能爬上的最大的坡度是指用满载时车在良好路面上的最大爬坡度表示的。
2.3.1、电动车的基本参数介绍
a.整车整备质量：
包括动力蓄电池，不包括乘员或装载质量，随车工具，车载充电器。
b.功率：
指物体在单位时间内所做的功。
功率越大转速越高，车的最高速度也越高，常用最大功率来描述车的动力性能。
最大功率一般用马力或千瓦来表示，1马力等于0.735千瓦。
c.扭矩：
扭矩是使物体发生转动的力。
发动机的扭矩就是指从曲轴端输出的力矩。
在功率固定的条件下它与发电机转速成反比关系，转速越快扭矩越小，反之越大，它反映了车在一定范围内的负载能力。
d.最大总质量（kg）：
车满载时的总质量。
最大装载质量（kg）：
车在道路上行驶时的最大装载质量。
e.轴距（mm）：
通过车辆两车轮的中心，并垂直于车辆纵向对称平面的二垂线之间的距离。
简单的说，就是车前轴到后轴的距离。
轮距（mm）：
车的左右轮胎面中心线间的距离。
2.4、电动车的制动系统
2.4.1、电动车刹车分类
传统的电动车只是机械式刹车,使很多的能量在不知不觉中浪费,而现在我们做的电动车带有了能量反馈节约了能量。
带有制动能量再生系统电动车的制动过程与传统的电动车的制动有着不同之处。
再生制动力是利用在电磁场中旋转的磁极将会产生的电磁转矩，电磁转矩的旋转方向与车轮行驶的方向相反，从而产生对电动车的制动。
但是这种制动方式在遇到紧急情况时将不能应付，因为他不能在短时间内使车停下来。
因此在做电动车制动时，既用了再生制动也使用了传统的带式制动器，使电动车的刹车更有效，也能尽量减少不必要的损耗，电池一次充电行驶的路程最长。
因此在求制动力时，我们分紧急情况与正常情况。
紧急情况指的是在同一时间内既有手制动也有再生制动。
正常状况指的是只有再生制动一种情况。
2.4.2、制动力的分析与求解
2.4.3、手动制动器的设计
2.5、蓄电池的种类和结构
蓄电池是电动车的能源载体，是电动车的核心部件之一，主要分为阀控密封铅酸蓄电池、胶体电池、锂离子电池、镍氢电池和燃料电池等。
电动车对蓄电池的要求是容量大，寿命长，重量轻，价格廉。
铅酸蓄电池的优点是价格最低，内电阻小、电压稳定，具有良好的防振性能和密封性能；
锂离子电池和镍氢电池虽然重量轻，寿命长，但是价格昂贵。
在电动车的电源广泛采用铅酸蓄电池。
但铅酸蓄电池的比能量和比功率都很低，随着科技的发展近年来又使用了新型的蓄电池如镉-镍电池。
镉-镍电池放电时，正极
还原为
，充电时
，又被氧化成
，电极反应表示为：
负极海绵状镉放电时氧化生成氢氧化镉，充电时氢氧化镉还原为镉，电极反
应表示为
升级会员 