混联式电动汽车再生制动系统试验台设计 - 图文

安徽工程大学机电学院毕业设计

摘 要

电动汽车的再生制动，就是利用电机的电气制动产生反向力矩使车辆减速或停车。对于感应电机来说，电气制动有反接制动、直流制动和再生制动等。其中，能实现将刹车过程中能量回收的只有再生制动，其本质是电机转子的转动频率超过电机的电源频率，电机工作于发电状态，将机械能转化为电能通过逆变器的反向续流二极管给储能装置充电。

本文简要介绍再生制动系统的种类及其发展过程，分析了国内外再生制动系统的研究动态及发展趋势，掌握其原理，设计出一台再生制动系统试验台。试验台主要通过一个无级变速装置实现传动比的改变，配合其他装置，实现能量回收。其中，对核心装置，使用CAD画出其原理图，并使用CATIA等三维软件进行建模。本文最后对自己所做工作进行总结，探讨了设计方案中可能存在的问题，并对下一步的工作进行了展望。

关键词：再生制动系统、试验台、无级变速器、模型

- I -

周勐：混联式电动汽车再生制动系统实验台设计

Abstract

Electric vehicle regenerative braking, reverse torque developed is the use of electric braking of the motor vehicle to slow down or stop. For induction motor, the electric braking is dc braking and regenerative braking, reverse connect braking, etc. Which can achieve the braking energy recovery is only in the process of regenerative braking, its essence is the power of the motor rotor rotational frequency over the frequency, the motor working in power state, convert mechanical energy into electrical energy through the inverter the reverse of the fly-wheel diode recharge energy storage device.

This paper briefly introduces the kinds of regenerative braking system and its development process, and analyzes the domestic and foreign research status and development trend of regenerative braking system, master the principle, design a regenerative braking system test bench. Test stand is mainly achieved by a stepless speed change device transmission ratio of the change, cooperate with other devices, to achieve energy recovery. Among them, the core device, use CAD draw its principle diagram, and using CATIA three-dimensional modeling software. Finally to summarize their work, this paper discusses the design scheme of the problem4, and the further work is prospected.

Key words: Regenerative braking system, test bench, stepless transmission, model

- II -

安徽工程大学机电学院毕业设计

目录

摘 要 ................................................................. I ABSTRACT ................................................................ II 引 言 ................................................ 错误！未定义书签。 第1章 绪论 ............................................................. 2 1.1再生制动系统研究背景 ................................................ 2 1.2再生制动研究现状 .................................................... 2 1.3再生制动系统研究意义 ................................................ 2 第2章 再生制动系统原理及分类 ............................................ 4 2.1再生制动的分类 ...................................................... 4 2.1.1飞轮储能式制动能量再生系统 ...................................... 4 2.1.2液压储能 ........................................................ 5 2.1.3电化学储能 ...................................................... 5 第3章 实验台方案设计 .................................................... 6 3.1实验台整体布置 ...................................................... 7 3.2试验台主要装置 ...................................................... 8 3.2.1无级变速器 ...................................................... 8 3.2.2飞轮 ............................................................ 9 3.2.3电机 ............................................................ 9 3.2.4蓄电池 ......................................................... 10 3.2.5功率变换器 ..................................................... 10 3.3混合动力系统与CVT融合的技术优势 ................................... 10 第4章 试验台CVT三维模型的建立 ......................................... 11 4.1、CATIA软件介绍 .................................................... 12 4.2、CVT建模过程 ...................................................... 12 4.2.1、主动工作缸建模 ................................................ 12 4.2.2、从动工作轮建模 ................................................ 16 4.2.3、金属传动带建模 ................................................ 18 4.2.4、斜齿轮建模 .................................................... 20 4.2.5、飞轮轴及飞轮建模 .............................................. 22 4.3、主要零件装配 ...................................................... 26 4.3.1、飞轮的装配 .................................................... 27 4.3.2、无级变速器装配 ................................................ 28 第5章 模型的干涉检测 ................................................... 30 结论与展望 .............................................................. 34 致 谢 .................................................................. 35 参考文献 ................................................................ 36 附录A ................................................................... 36 附录B 主要参考文献及其摘要 .............................................. 41

III

周勐：混联式电动汽车再生制动系统实验台设计

插图清单

图2—1 再生制动系统原理示意图 ............................................ 6 图2—2 飞轮储能系统 ...................................................... 7 图2—3 液压储能系统 ............................................................................................................. 8 图3—1 再生制动系统方案布置图 ........................................................................................ 10 图3—2 CVT控制系统方案图 ............................................................................................... 11 图4—1 主动缸草图1 ............................................................................................................ 15 图4—2 主动缸草图2 ............................................................................................................. 15 图4—3 旋转体草图 ............................................................................................................... 16 图4—4 旋转体 ....................................................................................................................... 16 图4—5 带轮轴建模 ................................................................................................................ 17 图4—6 模型倒角 ................................................................................................................... 17 图4—7 圆形阵列 ................................................................................................................... 18 图4—8 主动工作轮 ................................................................................................................ 18 图4—9 主动缸草图 ............................................................................................................... 19 图4—10 从动工作轮 ............................................................................................................. 20 图4—11 金属传动带草图 ...................................................................................................... 21 图4—12 金属传动带 ............................................................................................................. 22 图4—13 斜齿轮1 .................................................................................................................. 23 图4—14 斜齿轮2 ................................................................................................................... 24 图4—15 飞轮轴 ..................................................................................................................... 25 图4—16 螺栓 ......................................................................................................................... 26 图4—17 螺母 .......................................................................................................................... 27 图4—18 飞轮 ......................................................................................................................... 28 图4—19 飞轮装配图 ............................................................................................................. 30 图4—20 无级变速器 .............................................................................................................. 31 图4—21 CVT和飞轮装配图 ................................................................................................. 32 图5—1 “分解”对话框 ....................................................................................................... 33 图5—2 模型爆炸图 ................................................................................................................ 34 图5—3 模型干涉检测 ........................................................................................................... 35 图5—4 干涉检测结果 ........................................................................................................... 33

IV

安徽工程大学机电学院毕业设计

引 言

汽车作为社会主要的交通工具之一，在社会进步和经济发展中起到了举足

轻重的作用，但同时它也给社会带来了环境污染和能源短缺等严重问题，因此， 节能和环保就成了现代汽车发展的主题。为了解决这两个难题，各国针对汽车节能和环保技术进行了大量的研究与开发，其中混合动力汽车（Hybrid Electrical Vehicle, HEV）是目前最适应21 世纪汽车技术发展趋势的车型之一 。

混合动力汽车是指车上装有两个及其两个以上动力源，符合汽车道路安全法规的车辆。国际电工委员会所属电动汽车技术委员会对混合动力汽车的定义为：有多于一 种能量转换器提供驱动力的混合型电动汽车。一般说的混合动力汽车是指油电（发动机和电机）混合动力汽车 。

混合动力汽车不仅继承了电动汽车低排放的优点，而且还保持了传统汽车 比功率大和比能量高的优势，因此它既能改善汽车排放，又能克服电动汽车续 驶里程短的缺点，在电动汽车时代还没到来之前，混合动力汽车将承担这一角色。混合动力汽车的主要节能技术主要有4 个：(a)发动机减小（down size）； (b)高效工作区域控制；(c)制动能量回收；(d)消除怠速。因此，再生制动的研究对于混合动力汽车节能效果的提高具有重要意义。

再生制动系统就是在车辆制动时,将车辆行驶动能转化为其它形式的能量储存起来,在车辆启动或加速行驶时再次加以利用的装置或系统\这种系统属于新型的节能装置在未来的混合动力汽车及纯电动汽车上将有广泛的运用\在能源问题越来越突出的今天节约能源已成为所有行业的发展目标之一\再生制动系统,将原本摩擦制动耗散的能量,部分回收再利用,有效地提高了车辆的能量效率。由于我国在实车方面研究落后于世界先进国家，故多在搭建的试验台架上进行再生制动系统实验。

1

周勐：混联式电动汽车再生制动系统实验台设计

第1章 绪论

1.1再生制动系统研究背景

自1886年发明汽车以来,汽车成为人们日常生活中的代步和运输工具,可以说汽车大大的缩短了人们之间的距离,改变了人们的生活方式,提高了人们的生活质量。内燃机汽车经过 120 年的发展和壮大,逐步实现了机电一体化和全面应用现代高科技,其性能已达到很高的程度了,在安全、环保、节能和廉价等方面取得了重大的进展。但是内燃机汽车的发展也正在面临严峻的挑战。首先，由于燃油汽车要消耗大量的石油资源,排放大量的废气,制造噪音,汽车也给世界带来了无法回避的负面影响，机动车辆运行对环境的影响主要是大气污染和噪声污染。其次，20世纪90年代以来,由于石油等能源的日渐紧缺,节能成为汽车工业的一个重要发展方向。而电动汽车在环保和节能方面表现出明显的优势,日益受到汽车工业界重视。近年来,各大公司在政府的支持下,也制定了发展电动汽车的长远规划,调动了社会上各种力量参与电动汽车的研制。 1.2再生制动研究现状

国外再生制动技术的研究比较深入。除了大量的理论研究成果，实车应用也比较成熟，丰田公司的Prius、Estima和本田公司的Insight轿车就是成功应用再生制动技术的典范。

丰田公司Prius的再生制动系统通过电液比例控制单元调节液压制动力，实现再生制动与摩擦制动的综合控制，在丰田HTS—II混合系统下，能提高整车能量利用率达20％以上，同时确保制动安全。丰田公司在混合动力汽车Estima中采用了电控柔性制动系统，并将再生制动纳入整车动力控制系统进行集中控制，通过CVT控制，提高了制动能量回收率。

基于ISG电机(Integrated Starter Generator集成启动电机)、液压系统并结合发动机节气门控制，本田公司提出了一种双制动力分配系数控制再生制动系统，在Insight车上实现了混合动力汽车制动能量的高效回收。在其EV PLUS纯电动汽车上，基于能量的最大化回收、驾驶员制动感觉以及能量的较大回收兼顾驾驶员制动感觉的三种再生制动目标，分别建立了再生制动系统制动力分配控制策略并进行了试验。

美国福特公司的Escape应用了线传电液系列再生制动系统(线传操控技术、电子系统和机械制动器)代替机械及液压制动系统，把来自驾驶者的命令转变为电信号，以驱动电机实现所需的操作，显著提高了制动能量回收效率、汽车制动方向稳定性和汽车舒适性。

1.3再生制动系统研究意义

汽车制动能量是一种亟待开发的能量，通过制动能量的回收与利用可大大提高汽车能源综合利用率，同时可降低汽车废气排放。随着混合动力汽车和电动汽车的发展，再生制动系统己成为这类汽车的一种常规配置，在普通的内燃机车上使用再生制动也越来越多。但是，再生制动能量回收与利用理论还很不完善，特别是在国内还处于起步阶段 通过模拟试验台对汽车再生制动理论进行验证与改进，可缩短系统开发研究的时间，降低开发成本。本次毕业设计为研究再生制动回收能量最大化和能量利用最优相关理论而

2

安徽工程大学机电学院毕业设计

设计的模拟试验台。

作为和纯电动汽车共通的混合动力方式的特点之一，制动能量是能够在一定程度上进行回收的。有资料表明，在日本、美国和欧洲的任何市区行驶工况下以Prius为例来看，制动能量回馈对燃油经济性提高的贡献超过了20％，可以说，和没有制动能量回收的其他驱动系统车辆相比其优势是异常明显的。因此，为了提高燃油经济性，混合动力的再生制动系统是必要的条件之一。

再生制动系统在保证车辆制动效能的条件下，先将车辆制动或减速时的一部分机械能(动能)转换(或转移)为其他形式的能量(如旋转动能、液压能、化学能等)，并储存于储能器中，同时产生一定的负荷阻力使车辆减速制动，当车辆再次启动或加速时，又将储存在储能器中的能量转换为车辆行驶所需的动能(驱动力)，这样，既实现了车辆所需的减速和制动，又能够将能量回收再利用，提高燃油经济性和减少污染物排放。对于本文所研究的混合动力汽车，能量的回馈和储存是通过发电机和动力电池组来实现的。

3

周勐：混联式电动汽车再生制动系统实验台设计

第2章 再生制动系统原理及分类

再生制动又称再生回馈制动,混合动力汽车制动时, 通过与驱动轮(轴)相连的能量转换装置把制动能量在储存到电池中，把汽车的一部分动能转化为其他形式的能量储存起来，在减速或制动的同时达到回收制动能量的目的。在制动过程中,汽车行驶的惯性能量也经由车轮及传动系统传递给电机,此时电机充当发电机,以发电形式工作,为动力电池充电,实现制动能量的回收。而电机在发电过程中产生的电机制动力矩又可以对驱动轮施加制动,产生制动力；然后在汽车起步或加速时义释放储存的能量(如图1所示)，以增加驱动轮(轴)上的驱动力或增加混合动力汽车及电动汽车的续驶里程。

再 动能 驱动轮（轴）

能量转换 生能量储能装置 图2-1 再生制动系统原理示意图

2.1再生制动的分类

车辆制动能量再生方法根据不同的储能机理可分为：飞轮储能式、液压储能式和电化学储能式。

2.1.1飞轮储能式制动能量再生系统

飞轮储能是机械储能的一种形式，在车辆制动或减速过程中，飞轮储能系统拖动飞轮加速，将车身的惯性动能转化为飞轮高速旋转的动能；当车辆启动或加速时，飞轮减速，释放本身旋转动能给车身，以增加车辆的行驶动能。

图2-2 飞轮储能系统

飞轮储能系统需要解决的问题：

4

安徽工程大学机电学院毕业设计

(1)飞轮储能系统不能长时间的储能,只能是在汽车运行时靠飞轮的转动暂时储存能量,在汽车停止以后,飞轮停止转动后就必须释放能量。于是汽车上应该再装有与之相配套的蓄电池,可以在汽车熄火是储存飞轮上剩余的能量，在电动汽车上,这个能量又可以支持汽车的正常运行。

(2)安全问题\飞轮要储存能量就要高速旋转,一旦应力超过材料的极限应力,飞轮破裂,后果不堪设想\于是要求,首先飞轮的质量尽可能轻,储存能量尽可能多,可承受的应力尽可能的大\最关键的是外面的壳体能承受飞轮在最高速旋转时破裂所带来的冲击\汽车应该有应急系统,在飞轮出现故障后,能按普通模式正常运行。

(3)能量损耗,采用磁悬浮轴承而减少飞轮摩擦而损耗的能量,但飞轮本身的设计和制造的不平衡,同样会消耗能量,以及空气阻力的影响到底有多大。

(4)飞轮的高速旋转不可避免的会产生热量,完全消除热量是不可能的,于是这个热量怎么回收利用,才能使得整个回收系统回收到更多的能量。 2.1.2液压储能

汽车起动或加速的过程就是液压系统将储存的液压能转换成机械能并释放给汽车,以增加汽车动能的过程\系统主要由发动机、液压泵/马达、液压蓄能器、变速箱、驱动桥、离合器和液压控制系统组成起动。加速或爬坡时,液控离合器接合,液压蓄能器与连动变速箱连接,液压蓄能器中的液压势能通过泵/马达转化为车辆动能,用来辅助发动机满足驱动汽车所要求的峰值功率.减速时,电控元件发出信号,使系统处于蓄能状态,将动能转换为压力能储存在液压蓄能器内,这时车辆行驶阻力增大,车速降低直至停车\在紧急制动或初始车速较高时,再生制动系统不工作,不影响原车制动系统发挥效能。

图2-3 液压式储能系统

2.1.3电化学储能

储能器可采用蓄电池或超级电容器,由发电机/电动机执行机械能一电能之间的转化系统还包括一个电子控制单元(ECU),用来控制蓄电池或超级电容器的充放电状态，并且保证蓄电池的剩余电量在规定的范围内。电储能形式的再生制动系统使用的蓄电池作

5

周勐：混联式电动汽车再生制动系统实验台设计

为蓄能器,相对其他储能方式而言,具有储能时间长,一次储能量大,储能稳定性好,维护次数少,使用方便等优点\理论上讲,电化学储能方式再生制动方法适用于各种车辆\近年来正在开发和研制的电动汽车上普遍考虑采用这种方法实现再生制动,以节约能源,增加汽车连续行驶能力\制约这一方法应用的技术瓶颈仍是缺乏高性能!低成本的电化学储能器\当前作为电化学储能器主要是各种可充电电池和超级电容;超级电容的低比功率特性使之不可能单独用作电动汽车的能量源,但用它作为辅助能量源则具有显著的优点一充放电率高,与蓄电池相比可迅速高效地吸收和释放制动回收的能量。

所以,本次毕业设计采用蓄电池加超级电容的电化学储能形式。

6

安徽工程大学机电学院毕业设计

第3章 试验台方案设计

无论任何车辆的制动性能，首先必须满足安全性能的要求。作为汽车三大功能(行驶,制动和转向)之一的制动性能，也是汽车安全性能中的重要指标之一。整车再生制动系统的搭建及试验成本较高，而简易的再生制动试验台能够节约再生制动系统的开发成本， 缩短开发周期。 3.1实验台整体布置

再生制动理论主要是研究回收制动能量方法、回收制动能量的效率、驱动电动机与功率转换器的控制技术、再生制动控制策略、机电复合制动的协调等。模拟试验台采用模块化设计方法，如图3所示，包括制动踏板输入模块、制动能量转换模块、惯性模块、道路阻力模拟模块（负载电动机）、常规制动模块、能量储存管理模块、测控系统模块等。

试验台通过机械和电气连接，主要完成把发动机的动能和蓄电池的电能转换为飞轮的动能和把飞轮的动能转换为蓄电池的电能，由此模拟能量回收过程。其中，通过CVT无级变速器在启动时给起动机减速，保证飞轮在合适的转速下工作；在减速制动时，打开离合器，中断动力装置，由于惯性，飞轮旋转，再次通过CVT调节，使发电机增速，保证飞轮的动能一直能够被利用发电。发电机产生的电能通过变化器存储在蓄电池中。具体布置图如下图所示：

图3-1 再生制动系统方案布置图

7

周勐：混联式电动汽车再生制动系统实验台设计

金属带式无级变速器(CVT)的速比是在设计范围内连续变化的，此过程由电控单元ECU以及控制系统的测试、执行机构自动完成。通过电子控制技术，将电机的驱动源和CVT结合在一起实现汽车动力传动系统的综合控制，能够使动力源与传动系统形成优势互补。

3.2试验台主要装置

试验台主要装置包括无级变速装置、飞轮装置、电机、蓄电池、ECU、功率转换器等。 3.2.1无级变速器

CVT技术的发展，已经有了一百多年的历史。德国奔驰公司是在汽车上采用CVT技术的鼻祖，早在1886年就将V型橡胶带式CVT安装在该公司生产的汽油机汽车上。1958年，荷兰的DAF公司H.Van Doorne博士研制成功了名为Variomatic的双V型橡胶带式CVT，并装备于DAF公司制造的Daffodil轿车上，其销量超过了100万辆。1997年上半年，日本日产公司开发了使用在2.0L汽车上的CVT。在此基础上，日产公司在1998年开发了一种为中型轿车设计的包含一个手动换档模式的CVT。新型CVT采用一个最新研制的高强度宽钢带和一个高液压控制系统。通过采用这些先进的技术来获得较大的转矩能力，日产公司研究开发CVT的电子控制技术，传动比的改变实行全档电子控制，汽车在下坡时可以一直根据车速控制发动机制动，而且在湿滑路面上能够平顺地增加速比来防止打滑。

德国博世的电子式CVT控制系统是基于用传感器和执行器单元控制基础上的电子/液力模块。博世公司已经将独立部件、执行器、传感器和变速器换档ECU组成一个单独的模块，变速器制造商只需增加一个集成控制单元。

CVT的主要结构和工作原理如上图所示，该系统主要包括主动轮组、从动轮组、金属带和液压泵等基本部件。金属带由两束金属环和几百个金属片构成。主动轮组和从动轮组都由可动盘和固定盘组成，与油缸靠近的一侧带轮可以在轴上滑动，另一侧则固定。可动盘与固定盘都是锥面结构，它们的锥面形成V型槽来与V型金属传动带啮合。发动机输出轴输出的动力首先传递到CVT的主动轮，然后通过V型传动带传递到从动轮，最后经减速器、差速器传递给车轮来驱动汽车。工作时通过主动轮与从动轮的可动盘作轴向移动来改变主动轮、从动轮锥面与V型传动带啮合的工作半径，从而改变传动比。可动轮的轴向移动是根据汽车的使用要求，通过液压控制系统进行连续的调节，从而实现无级变速。

8

安徽工程大学机电学院毕业设计

图3-2 CVT控制系统方案图 3.2.2飞轮

飞轮是具有适当转动惯量、起贮存和释放动能作用的转动构件。安装在机器回转轴上的具有较大转动惯量的轮状蓄能器。当机器转速增高时，飞轮的动能增加，把能量贮蓄起来；当机器转速降低时，飞轮动能减少，把能量释放出来。飞轮可以用来减少机械运转过程的速度波动。一般由飞轮、齿圈、离合器定位销、轴承等组成，部分产品轴承用花键代替。本试验台中飞轮主要功能是模拟汽车在实际道路行驶中的惯量，因此选用的飞轮的惯量应当与选择的汽车的自重相适应。采用车辆惯性四分之一的惯性飞轮组来模拟车辆惯性，这样负载电动机与辅助制动电动机可选较小功率电动机，降低了试验系统搭建成本和试验成本。 3.2.3电机

电机既可以把蓄电池电能转换成飞轮动能，也可以把无级变速器传过来的动能再装换成电能存储在蓄电池中，也是十分重要的装置。一般可以选用的电机有：异步电机、永磁同步电机、磁阻电机、爪极电机等。当然，每种电机都有各自的优缺点。

爪机电机的有点表现在可调节性和费用方面，这一点使爪机电机非常具有吸引力，因为它可提供直至约6KW的发电机功率及大体积发动机所需要的足够的启动功率。主机电机受取决于机型结构尺寸的限制。其他电机都适合于向上扩大功率频谱。永久磁铁的同步电机优点是励磁无损耗，根据结构形式只有少量的磁场减弱。这个必须通过超限度的脉冲反用换流器来平衡。磁阻原理首先在噪声性能和对间隙公差要求上暴露出了弱电。异步电机不因其最佳值而引人注目，但在所有领域中都可提供可接受的特性，这是将它作为曲轴电机使用的最大理由。在故障情况下它也具有良好的特性，如在机动车传

9

周勐：混联式电动汽车再生制动系统实验台设计

动系统的离合器范围中看到的那样，它比较适用环境条件（如：水、油、铁屑）。

综上所述，对于起动机—电动机来说，异步电机（盘式转子）的优点是，转子孔的内腔可以用来安装主动的机械部件，在装有自动变速器的汽车上就可以使用这个内腔。这样可以更好的利用空间，这种盘式转子电机就是一种理想的解决方案，所以本次毕业设计选用异步电机。 3.2.4蓄电池

近些年，许多汽车制造商都完成了新汽车电源结构的设计。努力的两个主要目标是：

一、开发高效率的技术方案，并以此继续降低汽车单位电能消耗。

二、顺应汽车上使用越来越多的电气负载的发展趋势，提供必要的功率。

对汽车制造商的挑战是将这两点结合起来的，当然也能给用户提供一种具有新功能和新特点的汽车电源结构。

混合电力车辆可以选用的电池种类有铅酸电池，镍氢电池，镍镉电池、锂离子电池，铁电池等很多种。但是镍氢电池以其非常好的综合性能成为了大多数混合动力车辆的首选配套电池。其能量密度、功率密度均高于铅酸电池和镍镉电池，循环使用寿命在实际电动车辆使用电池中是最高，快速充电和深度放电性能很好，充放电效率高，无重金属污染，全密封免维护。所以在此采用的也是镍氢电池作为动力电池。电池组额定电压为 216V，16Ah。电池和电机和配合工作在改善发动机的工作状况方面，特别在动力性能不变的前提下提高发动机经济性能和排放性能的方面起到了巨大的作用。 3.2.5功率变换器

功率变换器调节不同的负载处于额定功率运行同时也有不受电网波动影响的作用。功率变换器通过电力电子装置，在一个周期内调节而导通时间或是在几个周期内调节若干个连续导通或管断，保证再生发电时蓄电池充电稳定。 3.3再生制动系统与CVT融合的技术优势

由于无级变速器(ContinuouslyVariable Transmission，CVT)可以连续改变速比，使得汽车在任意行驶工况下，都可以按照驾驶员的操作意图实现发动机、电机与变速器的最佳匹配(最佳经济性匹配或最佳动力性匹配)，使发动机的转速与车速相互独立，在发动机转速一定时，可以通过调节CVT的速比使车速在一定范围内变化，使发动机工作在高效区，从而可降低排放，提高燃油经济性、动力性、操纵性及乘坐舒适性。用在本试验台上，其优势是显而易见的：

（1)通过电动机提供额外的转矩，克服CVT技术仅适用于小排量汽车的局限性，将其搭载到中、高排量的汽车上。

(2)CVT速比的可连续变化配合适当的电机作为动力源，能够降低其电机功率和电池组容量，达到减轻自重和降低成本的目的。

(3)两者结合提高了试验台的自动化水平，为合理分配动力与改进综合控制策略提供了广阔的空间。

10

安徽工程大学机电学院毕业设计

(4)因为变速器的总变速比选择得很长，所以在回收时，不能因为存储重要的动能而把飞轮惯量提到足够高的转速，即使不能足够地利用机械回收，无级变速器也能使达到对功率和作用率有利的转速。这样，小型电机的回收也能得到改进。

11

周勐：混联式电动汽车再生制动系统实验台设计

第4章 试验台CVT三维建模

4.1、CATIA软件介绍

CATIA是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。模块化的CATIA系列产品旨在满足客户在产品开发活动中的需要，包括风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和模拟。CATIA产品基于开放式可扩展的V5架构。 作为世界领先的CAD/CAM软件，CATIA在过去的二 十多年中一直保持着骄人的业绩，并继续保持其强 劲的发展趋势。CATIA在汽车、航空航天领域的统 治地位不断增强。同时,CATIA也大量地进入了其他 如摩托车、机车、通用机械、家电等行业。国际一 些著名的公司如空中客车、波音等飞机制造公司， 宝马、克莱斯勒等汽车制造公司都将CATIA作为他 们的主流软件。国内10几家大的飞机研究所和飞机 制造厂选用了CATIA，一汽集团、二汽集团、上海 大众集团等10多家汽车制造厂都选用CATIA作为 车型的开发平台。 4.2、CVT建模过程

实体造型主要有两种模式。第一种模式是以立方体，圆柱体，球体，锥体和环状体等为基本体素，通过交、并、差等集合运算，生成更为复杂形体；第二种模式是以草图为基础，建立基本的特征，以修饰特征方式创建形体。两种模式生成的形体都具有完整的几何信息，是真实而唯一的三维实体。CATIA侧重第二种模式。零件设计的基本思路是以二维草图为基础，通过拉伸、旋转等操作生成三维实体，再通过倒角、变换、布尔操作等操作对三维实体做进一步修饰。

通过第二章对无级变速器工作原理的介绍可知，其结构十分复杂，所以考虑实际情况，在本次毕业设计中，只画出CVT零件轮廓，不画出内部详细结构。 4.2.1、主动工作缸建模

选择菜单【开始】→【机械设计】→【零件设计】，即可进入零件三维建模模块。 1）选择X—Y平面，点击草图，使用草图编辑器，在草图中画圆直径120mm，完成草图后使用凸台命令拉伸长度为10mm。

12

安徽工程大学机电学院毕业设计

图4—1 主动缸草图1

图4—2 主动缸草图2

2）选择上一步建立的凸台圆面为基面点击草图再次进入草图界面完成草图后，使用凸台命令过程与第一步相同。继续使用凸台命名完成模型上部。 3）选择Y-Z平面为基面进入草图编辑器完成旋转体的建模。

13

周勐：混联式电动汽车再生制动系统实验台设计

图4—3 旋转体草图

图4—4 旋转体

4）选择旋转体面为基面使用凸台完成拉伸，选择第一步的凸台圆面为基面完成带轮轴的建模

14

安徽工程大学机电学院毕业设计

图4—5 带轮轴建模

5）选择上一步的凸台圆面为基面完成带轮另一侧圆盘的建模草图圆的直径为120mm拉伸长度10mm。

6）建立固定带轮的螺母具体步骤同上。 7）模型完成后进行倒角

图4—6 模型倒角

15

周勐：混联式电动汽车再生制动系统实验台设计

8）主动缸上端盖的紧固件使用螺钉，螺钉的建模完成后进行圆形阵列

图4—7 圆形阵列

9)主动缸的最终模型

图4—8 主动工作轮

4.2.2、从动工作轮建模

1、在二维平面绘制如下图的草图，添加约束，保证对称。

16

安徽工程大学机电学院毕业设计

图4—9 从动缸草图

2、通过旋转体、倒角、凹槽、凸台等操作，形成如下从动缸外形轮廓。

17

周勐：混联式电动汽车再生制动系统实验台设计

图4—10 从动工作轮

4.2.3、金属传动带建模

建立如下草图，然后依次通过凸台、凹槽、两次倒圆角完成金属带建模。

18

安徽工程大学机电学院毕业设计

图4—11 金属传动带草图

19

周勐：混联式电动汽车再生制动系统实验台设计

图4—12 金属传动带

4.2.4、斜齿轮建模

由于使用CATIA画斜齿轮难度比较大，要先创建参数及关系，然后利用这些参数创建出齿轮模型，比较复杂。而UG NX8.0只需输入参数，可以快速生成齿轮，快捷方便，为节约时间，本次毕业设计在斜齿轮绘制环节，使用UG NX8.0画出齿轮，然后转换成CATIA格式。具体从动缸上斜齿轮1和飞轮轴上斜齿轮2如下图所示：

20

安徽工程大学机电学院毕业设计

图4—13 斜齿轮 1

21

周勐：混联式电动汽车再生制动系统实验台设计

图4—14 斜齿轮 2 4.2.5、飞轮轴及飞轮建模

1、飞轮轴用于连接斜齿轮和飞轮，但是结构简单，通过简单的拉伸，倒角即可得到。

22

安徽工程大学机电学院毕业设计

图4—15 飞轮轴

2、同样，飞轮也是通过简单的拉伸得到。为了安装固定飞轮，设计成6颗螺栓连接形式。绘图时通过圆形阵列得到。

23

周勐：混联式电动汽车再生制动系统实验台设计

图4—16 螺栓

24

安徽工程大学机电学院毕业设计

图4—17 螺母

25

周勐：混联式电动汽车再生制动系统实验台设计

图4—18 飞轮

4.3、主要零件装配

装配图是将已经绘制好的三维零件图形，通过相合约束、接触约束、偏移约束等约

26

安徽工程大学机电学院毕业设计

束条件，将其组装形成一个最终的部件三维图。根据飞机的各个部件的关系使用相应约束。首先点击开始→机械设计→装配设计。进入装配设计工作台。 4.3.1、飞轮的装配

操作步骤：

1、调用新建功能，在【新建】对话框中选择“product”，建立文件。

2、在【产品结构工具】工具栏单击“插入现有部件”按钮，在特征树中选择产品1，弹出对话框，选择上面做好的部件文件。

3、在【约束】工具栏中单击“固定约束”按钮，选择第二部插入的零件，建立固定约束，如相合、偏移。

4、重复第二步和第三步插入其他零件和建立相应的约束。

图4-19 飞轮装配图

27

周勐：混联式电动汽车再生制动系统实验台设计

4.3.2、无级变速器装配

图4-20 无级变速器

28

安徽工程大学机电学院毕业设计

图4-21 CVT和飞轮装配图

至此，再生制动系统试验台核心部分的无级变速器和飞轮建模完成。

29

周勐：混联式电动汽车再生制动系统实验台设计

第5章 模型的干涉检测

5.1 模型爆炸图

装配体完成后，把装配体分解成分解图，便可以清楚地反映出部件间的装配关系。具体操作步骤如下：

1、选取命令。先进入零件设计模块，然后选择下拉菜单“编辑”→“移动”→“在装配件中分解”命令，系统弹出图5—1所示的“分解”对话框。

图5—1 “分解”对话框

2、在“分解”对话框中进行如下设置：

定义分解层次。在“深度”下拉列表中选择“所有级别”选项，如图5—1所示。 定义分解类型。在“类型”下拉列表中选择“3D”选项。如图5—1所示。 3、单击“应用”按钮，在弹出“信息框”对话框中，单击“确定”按钮。

4、定义分解程度。将滑块拖拽到0.72，单击“确定”按钮。在系统弹出的“警告”对话框中单击“是”按钮，此时，装配图如下图5—2所示。

30

安徽工程大学机电学院毕业设计

图5—2 模型爆炸图 5.2、模型的干涉检测

在产品设计过程中，当各零部件组装完成后，设计者最关心的是各个零部件之间的干涉情况，碰撞检测和装配分析功能可以帮助设计者了解这些信息。CATIA的干涉检测功能，是分析当前文档中所有部件之间是否存在干涉关系。它首先分析部件之间干涉的不同类型，可以用图来表示干涉的部位，并计算出部分之间的距离。

1、选择【视图】→【工具】→【空间分析】，点击在分析菜单中的碰撞，弹出一个检查碰撞的对话框。

31

周勐：混联式电动汽车再生制动系统实验台设计

图5—1 模型干涉检测

2、“名称”输入栏是确定干涉检测的名称，并在特征树中显示。“类型”中的第一个下拉框是选择干涉检测的类型。

▲ 接触+碰撞：检测部件之间是否存在接触或者碰撞。

▲ 间隙+接触+碰撞：检测部件之间是否存在接触、碰撞和小于设定的间隙。

第二个下拉框包含了部件检测的目标范围（在所有部件之间：默认选项，检测所有部件中的每一个部件与其他部件之间是否存在干涉）。

对所做模型选择“接触+碰撞”的检测类型，并选择“在所有部件之间”的目标范围，单击“应用”按钮进行运算，结果如下图所示：

32

安徽工程大学机电学院毕业设计

图5—2 干涉检测结果

3、对话框中亮起了黄灯，并列出了干涉具体类型和项目。在“过滤器列表”中可以根据需求列出要求的干涉类型。由检测结果可知，从动缸与金属带装配初装配的不好，其他地方尚可。

33

周勐：混联式电动汽车再生制动系统实验台设计

结论与展望

再生制动理论技术是混合动力汽车的关键技术之一，其控制系统的研究比 较复杂，而我国关于这方面的研究与开发尚处于起步阶段，还有很多关键问题 亟待解决。

在混合动力汽车再生制动系统的研究方面，本文只能说是抛砖引玉，仅仅分析了电动汽车再生制动的原理和方法，进行了试验台方案的设计，绘制出核心部件的三维模型等，该方向的研究仍然任重道远，还有许多有待深入研究的工作。

根据本次毕业设计所做的工作，提出以下两点展望：

(1)从生产和装配的角度出发，要尽量使再生制动系统对车辆整个传动系统影响最小，以达到安装更方便、通用性更强、适用范围更广的目的。

(2)从制动新技术的角度出发，考虑用电磁场原理革新再生制动技术。从能量转换角度出发。可以考虑将这部分制动动能转化为易于再生的电磁能。从电机制动方式得到启示，电磁场原理可应用于汽车制动，即：在制动过程中车轮作为电动机给电机反相电压，使车轮产生一个与转动方向相反的电磁力矩，从而达到减速停车的目的。这符合能量守恒原理，理论上是可行的。它不再借助摩擦制动，不需要摩擦制动器，却能有效回收利用制动能量，是再生制动研究和探索的新方向。

34

安徽工程大学机电学院毕业设计

致 谢

本次毕业设计是在肖平老师的悉心指导下完成的。在我毕业设计的整个完成过程中，肖平老师百忙之中抽出时间定期指导毕，了解我的毕业设计进度和所遇到的难点，予以积极建议和耐心指导，并尽可能地为我搜集了相关设计资料。肖老师不仅以其多年来在无级变速器领域积累的丰富研究经验帮助指导我完成了原本相对困难的课题，使我对本课题的知识有了更透彻更深入的了解，而且，他严谨的治学态度、契而不舍的科研态度将继续影响着我，使我受益终身。饮水思源，我将永远牢记肖平老师的帮助和指导，并在今后的工作学习中效仿。在此，向肖平老师及其家人表示我最衷心的感谢。 在我完成毕业设计的过程中，阅读了大量汽车专业人士的学术成果，在此表示感谢。 在制图过程中，与同学共同鼓励，互相支持。特别是谢思长同学和张硕，我们是同一组跟随肖老师做毕业设计的，谢思长同学论文题目与我类似，我们经常就肖老师布置的任务进行交流、探讨；张硕同学善于使用三维软件，在最后的三维建模过程中，给与我极大的帮助，感谢你们的帮助，感谢同窗四载相伴走过的日子。 值此学业完成之际，对多年来一直辛苦养育、全力支持我的父母表示最深的敬意。没有老师的指导建议、同学的支持帮助和汽车专业前辈的经验成果，我的毕业设计是不可能顺利完成的。再次向所有曾经给予我帮助的人表示深深的谢意！

35

周勐：混联式电动汽车再生制动系统实验台设计

参考文献

[1] 周云山 钟勇，汽车电子控制技术[M]，北京：机械工业出版社，2009

[2] 汽车工程手册编辑委员会编，汽车工程手册(设计篇) ,人民交通出版社,2001 [3]王望予，汽车设计[M]，北京：机械工业出版社

[4] 陈家瑞，汽车构造（下册）[M］，北京：机械工业出版社 [5] 王维平 张磊 宋锦 朱敏，电动汽车开关磁阻电机再生制动发电系统研究[J]，微电机，2009,06（1）:63—65

[6]王军 申金升.国内外混合动力电动汽车开发动态及发展趋势[J]公路交通科技,2000,17(l):71一74

[7]赵金龙，再生制动现状及发展趋势[D] 重庆大学 2011（11） [8]何仁汽车制动能量再生方法的探讨[J]江苏大学学报,2003

[9]葛安林.车辆自动变速原理与设计[M].北京：机械工业出版社，1993.

[10]K..Wipke, T. Markel, D. Nelson Proceedings of the 18th Electric Vehicle Symposium, Berlin, Germany (2003)

[11]刘博.基于纯电动汽车的再生制动系统的研究与实现2004;12

[12]张培斌.电动汽车再生制动控制的研究与仿真 [D] 武汉理工大学2006（1） [13]李鸣 公共汽车制动能量再生系统电控装置的研制[D]山东理工大学2006;1

[14]Avernethy Francisco,Andrew Frank.Plug—In Hybrid Electric Vehicles With Full Performance From Sports Cars to Full Sized Trucks.EVS18,2001.Berlin Germany [15]詹熙达主编，CATIA V5 R20产品设计实例精解［M］，北京：机械工业出版社，2011 [16]谢龙汉 杜如虚主编，CATIA V5 R20产品造型及设计［M］，北京：清华大学出版社，2011

[17]陈庆樟 何仁 商高高，汽车能量再生制动模拟实验台设计[J]，农业学报，2008；39（4）：15—42

[18]陈清泉，孙逢春，祝嘉光，现代电动汽车技术［M］，北京理工大学出版社，2001 [19] 隋妮 王广萍等 直流无刷电机再生制动系统试验台的设计与验证[J].汽车技术，2011,1（01）49——53

[20] 王旭，电储能式再生制动系统实验方法的研究[D] 江苏大学 2009（6）

[21] Chan CC.The state of the art of electric and hybrid vehicle [J].IEEE，2002，90（2）:247—275

36

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/kz37.html