机械系统设计报告 - 图文

机械系统设计 结课作业

题目 小型节能电动汽车设计

院 系 机械工程学院 专业班级 工程0801 学生姓名 张成伟 指导教师 戴庆辉

二〇一一年五月十六日

汽车设计任务书

1、问题：中国大城市中数量高速增长的各种车辆所带来的环境污染，交通压力等。

目前国内汽车所使用的燃料绝大多数是建立在石油的基础之上，随着世界经济的发展，从1990年开始,世界能源就出现了危机的迹象。在此之前,人类都是一味开采已经发现的能源,包括石油、煤、天然气,而没有关注能源的未来。而近年来，随着汽车等车辆数量的高速增长，石油资源日益紧缺，油价也随之大幅上涨，据有关组织估计，世界石油资源只能够使用45年，所以人类必须在石油资源枯竭之前找到替代资源或者是改变现有的一些使用石油资源的工具，使用其他能源。

还有一个问题就是石油的衍生物，如汽油，柴油等在燃烧时，都会产生大量的有害气体，随着全世界汽车的数量的大幅增多，这些有害气体排入大气后造成的空气污染也越来越严重，由于温室气体增多，还造成了臭氧空洞等问题，所以人们也开始认识到环境污染的严重性，去尝试使用一些清洁能源作为燃料。

在国内的一些大城市，交通拥堵已经成为一个很严重的问题。一方面的原因是汽车数量的高速增长，一方面是因为原有的道路已经不满足现在的车流量。综合这两面考虑，其实就是空间不足的问题，而且现在对于城市中拥有汽车数量最多的上班族来说，很多时候汽车是空载的，也就是说一般的四座汽车只坐了一个人，而其他的空间是闲置的，因此我觉得这部分的空间是浪费的，这也是造成交通压力大的原因。 2、设计要求

这款汽车首先是面向城市中的上班族还有一些单身青年，考虑他们的收入水平，以及以上的问题，提出这个设计的设计要求：

（1）节能 宏观来说面对当下日益严重的能源危机，我们应该找其他的替代能源或是减少对石油的依赖，去使用其他能源，比如当下正在起步的电动汽车就是很好的例子。

（2）环保 以前人类对环境问题的忽略已经让人类付出了沉重的代价，针对于现在环境无污染问题，这个设计要使用清洁能源作为动力来源。

（3）结构紧凑 针对于普通汽车空间浪费严重，体积较大的不足，这个设计首先要考虑的就是结构的紧凑性，这样更有助于减轻城市交通的压力，以及减少成本。

（4）价格低廉 由于这个设计所面对的是普通上班族，他们的经济能力非常有限，所以我们得从成本各方面考虑，降低这款汽车的价格，使更多人能够接受。

以上只是综合考虑了之前的问题所给出的设计要。当然，再结合一些其他的实际情况我还给这个设计增加了一些其他的功能。比如：

因为中国跟西方大多数国家的交通规则上有些不同（中国靠右行，西方大多数国家靠左行），所以我设计的这个汽车的方向盘是可以左右移动的，这样就可以适应各个国家的交通规则。

考虑到车体本身很小，这样可能造成车内空间比较小，为了不使驾驶者有压抑的感觉，这款汽车设计为敞篷，当然下雨的时候可以合上顶棚。 3、初步设计

（1）外观设计 外观设计图：

前面效果图

俯视图

后面效果图

车身尺寸及部分参数：

转向/悬挂/轮胎 驱动方式 后置后驱 制动方式 碟/碟（前/后） 麦弗逊式独立悬转向助力 助力转向式 悬挂方式 架/拖曳臂式独立悬架（前/后） 配宽胎 前轮毂尺寸 6辐合金车轮（15英寸） 轮 胎 155/60 R15 后175/55 R15 尺寸和重量 车身重量 轮 距 650 轴 距 车身长度 1795 2185 1548 （合上顶棚车身宽度 1549 车身高度 后）

（2）发动机设计 A、电源的选择：

电动汽车对电源系统的要求如下: (1) 高的比能量和能量密度； (2) 高的比功率和功率密度； (3) 快速充电和深度放电的能力； (4) 使用寿命长； (5) 自放电率小, 充电效率高； (6) 安全性能良好, 且成本低廉； (7) 免维修； (8) 对环境无危害, 可回收性好。 目前还没有一种电池能完全满足上述要求。以下是对于现在市场上的各种电池分析

铅酸电池 铅酸电池铅酸电池诞生于1860 年, 距今已有100多年的历史，广泛用作内燃机汽车的起动动力源，它也是成熟的电动汽车蓄电池。总体上说，铅酸电池具有可靠性好、原材料易得、价格便宜等优点，比功率 也基本上能满足电动汽车的动力性要求。但它有两大缺点；一是比能量低，所占 的质量和体积太大，且一次充电行驶里程较短；另一个是使用寿命短，使用成本过高。正在开发的电动汽车用先进铅酸电池主要有以下几种：水平铅酸电池、双极性密封铅酸电池、卷绕式电极铅酸电池等。

镍金属电池 目前在电动汽车上使用的镍金属电池主要有镍氢电池和镍镉电池两种。主要优缺点:相对于其他电池,Ni2MH电池的优异特性表现在以下几点, (1) 高比能量(衡量电动车一次充电行驶里程) 已与锂离子电池水平相当;(2) 高比功率(赋予电动车良好的启动、加速、爬坡性能) 其性能已高于锂离子电池; (3) 长寿命特性(赋予电池良好的经济性) 平均寿命300～ 600 次; (4) 安全性能高, 无污染物, 被誉为“绿色电源”。但是目前阻碍其应用的一个重要问题是初始成本的太高,而且还有记忆效应和充电发热等问题,充电发热会引发安全问题,因此相应的要求发展可靠的能量管理系统。

锂离子蓄电池 锂离子电池出现在90 年代初期,主要优缺点: 锂离子电池基本上解决了蓄电池的两个技术难题, 即安全性差和充放电寿命短的问题。同时锂离子电池具有高的电池单体电压、高的比 能量和能量密度, 可以说是当前比能量最高的电池, 工作稳定。缺点是自放电率高, 初始成本较高, 生产技术上还有待于进一步发展。

高温钠电池 高温钠电池主要包括钠氯化镍电池(NaNiC12)和钠硫蓄电池两种。钠硫蓄电池具有高的比能量和功率，但成本高，安全性差，其工作温度 接近 300℃，熔融的钠和硫有潜在的危险性，并且腐蚀也限制了电池的可靠性和寿命。锌空气电池(Zinc (Zinc5 锌空气电池(Zinc-air) 锌空气电池是一种机械更换离车充电方式的高能电池，每一型号的电池有其最佳使用电流值，超过极限值时活性炭电极会迅 速劣化。锌空气电池具有高比能量(200 Wh／kg)，免维护、耐恶劣工作环境，清洁安全可靠等优点，但其比功率较小(90 W／kg)，不能存储再生制动的能量，寿命较短，不能输出大电流及难以充电等缺点。一般为了弥补它的不足，使用锌空气电 池的电动汽车还会装有其它电池(如镍镉蓄电池)以帮助起动和加速。

燃料电池 燃料电池的优越性在于高效率的把燃料转化为电能, 工作安静, 以纯氢为燃料时可以实现零排放, 燃料补充迅速, 并且燃料容易获得。 缺点是现在的应用技术还 需要进一步的提高, 还存在一定的安全问题和价格问题。由于汽车运行工况复杂, 如果单独用燃料电池作动力源会导致燃料电池后备功率很大, 引起重量增加, 成本上升, 氢气利用低的问题。 所以, 目前的燃 料电池几乎全部采用燃料电池加辅助动力源的混合驱动方案。 目前以氢为燃料的 电动汽车在性能上已经基本赶上了燃油汽车。

太阳能电池 目前，太阳能电池还存在光电转换效率不高、价格太高、电池系统配置较复杂等问题，近期内只能作为电动汽车的补充电源，还不能大规模的生产应用。但太阳能作为最清洁的、取之不尽用之不竭的能源，对它的研究和应用必将会取得长足的进步。

综合以上的分析，再考虑设计要求，采用铅酸电池，铅酸电池最安全, 成本最低,当然也有一些缺点需要解决，如比能量、比功率都较低。要解决这些问题，就要从汽车的结构设计等一些方面着手。

B、电动机的选择

电动汽车对电动机的基本要求：

电动汽车用电动机应具有瞬时功率大，过载能力强、过载系数应为3～4，加速性能好，使用寿命长的特点。

电动汽车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足汽车在平坦的路面能够高速行驶的要求。 电动汽车用电动机应能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，使得电动汽车具有最佳能量的利用率，这在内燃机汽车上是不能实现的。

电动汽车用电动机应在整个运行范围内，具有高的效率，以提高1次充电的续驶里程。

另外还要求电动汽车用电动机可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作，结构简单适应大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等。

各类电动机的分析比较：

直流电动机 有刷直流电动机的主要优点是控制简单、技术成熟。具有交流电机不可比拟的优良控制特性。但由于存在电刷和机械换向器，不但限制了电机过载能力与速度的进一步提高，而且如果长时间运行，势必要经常维护和更换电刷和换向器。另外，由于损耗存在于转子上，使得散热困难，限制了电机转矩质量比的进一步提高。鉴于直流电动机存在以上缺陷，在新研制的电动汽车上已基本不采用直流电动机。

交流三相感应电动机 交流三相感应电动机是应用得最广泛的电动机。结构简单，运行可靠，经久耐用。交流感应电动机的功率覆盖面很宽广，转速达到12000～15000r/min。可采用空气冷却或液体冷却方式，冷却自由度高。对环境的适应性好，井能够实现再生反馈制动。与同样功率的直流电动机相比较，效率较高，质量减轻一半左右，价格便宜，维修方便。但是交流三相感应电动机的耗电量较大，转子容易发热，在高速运转时需要保证对交流三相感应电动机的冷却，否则会损坏电动机。功率因数较低，使得变频变压装置的输入功率因数

也较低，因此需要采用大容量的变频变压装置。交流三相感应电动机的控制系统的造价远远高于交流三相感应电动机本身，增加了电动汽车的成本。另外，交流三相感应电动机的调速性也较差。

永磁无刷直流电动机 永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有刷组成的机械接触结构。有励磁损耗：散热容易，因此，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。此外，它的转速不受机械换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转运行。永磁无刷直流电动机机系统相比具有更高的能量密度和更高的效率，在电动汽车中有着很好的应用前景。永磁无刷直流电动机功率范围较小，最大功率仅几十千瓦。永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机，在使用中必须严格控制，使其不发生过载。永磁无刷直流电动机在恒功率模式下，操纵复杂，需要一套复杂的控制系统，从而使得永磁无刷直流电动机的驱动系统造价很高

开关磁阻电动机 开关磁阻电动机的结构比其它任何一种电动机都要简单，维护修理容易。因而可靠性好，转速可达15000 r/min。效率可达85%～93%，比交流感应电动机要高。电机易于冷却，调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩一速度特性，而且在很广的范围内保持高效率。更加适合电动汽车动力性能要求。开关磁阻电动机的控制系统比其他电动机的控制系统复杂一些，噪声是开关磁阻电动机最主要的缺点。但近年来的研究表明，采用合理的设计、制造和控制技术，开关磁阻电动机的噪声完全可以得到良好的抑制。另外，由于开关磁阻电动机输出转矩波动较大，功率变换器的直流电流波动也较大，所以在直流母线上需要装置一个很大的滤波电容器

综合考虑各种因素，采用交流三相感应电动机，由于结构简单，运行可靠，经久耐用，这样以后维修方便。再考虑缺点，在转速高时冷却的问题，由于面向人群是城市上班族，所以对于速度的要求不是很高，而且也不是经常长时间运转，因此对与电机的冷却要求比较低，这也一方面降低了电机的成本。

地盘及结构设计：

底盘：底盘作用是支承、安装汽车发动机及其各部件、总成，形成汽车的整体造型，并接受发动机的动力，使汽车产生运动，保证 正常行驶。底盘由传动系、行驶系、转向系和制动系四部分组成。

传动系：传动系一般由离合器、变速器、万向传动装置、主减速器、差速器和半轴等组成。

行驶系

转向系

图为转向系结构图,主要由转向操纵机构和转向传动机构组成。转向操纵机构包括转向盘1和安全转向柱2;转向传动机构包括转向器8、左右横拉杆6、转向节臂5和转向节3等。

汽车转向时,司机转动转向盘,安全转向柱和转向器中的转向齿轮一起转动,带动转向器中的转向齿条横向移动}转向齿条带动左右转向横拉杆移动,横拉杆与左右转向节臂相连,推动转向节臂转动；转向节臂与转向节固定在一起,转向节随着转动；转向节上装有转向车轮,于是转向车轮被转向节带动偏转一个转向角度,使汽车改变行驶方向.转向完了,转向盘转回原位,带动转向车轮恢复原位,汽车恢复直线行驶。

这个设计采用方向盘可移动式设计，结构图大体如下：

图中，连杆3可以左右转动，这样方向盘就可以左右移动了，左右两边的位置上，留有卡槽，移动到卡槽的位置，予以锁定。 4、设计体会

对于这次课程老师布置的这个作业，刚开始感觉无从下手，脑子里很混乱，后来定了题目后，还是感觉题目太宽。对于汽车设计来说，以前没有接触过，而且汽车设计包含内容很多，后来经过查一些资料，逐渐有了一些想法，再经过跟老师交流，对于自己的设计明确了方向。虽说在做的过程中很多地方不太懂，但是通过去查一些资料，课本，很多问题都得以解决。

对于我的这个作业，其实还是觉得很多地方没有做细，问题还是很多，比如对于整个车的电气系统，制动系统等，还有就是汽车底盘发动机，电池的布局，都没有做好，有些地方是确实能力有限，还有些地方是查过资料但是还没有解决。

总的来说，这次课程的设计还是让我收获很大，也让我认识到自身的一些毛病，比如遇到困难总想去逃避，对于问题没有认真钻研的态度等，以后应该改正！

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