12m纯电动旅游客车总布置设计毕业设计论文Word文档下载推荐.docx
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Keywords:
Pureelectrictouristbus,Newenergy,Powerselection,Generalarrangement
第1章绪论
1.1选题的背景与意义
随着世界人口和经济的增长,人类对能源的需求量越来越大。
不仅仅是由于石化能源无法再生,而且资源的消耗量也日益增长。
国际上的专家预测:
按照现在的发展进度来算,人类只能再使用石油220年,天然气也只能够人类开采60年,而煤更是只有40年的储量。
世界能源短缺的问题常常使得世界各国间出现矛盾,甚至爆发战争,过多的排放温室气体导致了大量气候性的灾难,人类的生活质量也受到环境污染很大的影响,这些问题都引起了各国高度重视,促使他们抓紧时间研究环保节能的新能源产品。
20世纪后期,科学技术得到了快速发展,电动客车已经成为了公共交通出行工具中最热门的选择。
不管是从汽车尾气排放的问题造成的PM2.5(大气悬浮颗粒)严重超标,还是从过量的二氧化碳排放造成的温室效应方面,都使人们树立了更加深刻的环境保护意识。
因此,对电动客车的大力研究和发展都已经成为了世界各国关注的焦点。
美国、日本和欧盟等汽车强国都将研究发展新能源汽车上升到了国家战略的高度,电动客车产业化的进程也被大大加快。
因为电动客车具有载客量大、空间大、适合城市公共交通等特点深受社会、企业和政府的重视和关注。
相关数据表明,全国从2012年起50家客车企业中就有21家涉及新能源客车领域,而且从2011年开始新能源客车的销售量由2044辆增长到6614辆,已经具备一定的市场。
众所周知内燃机汽车会产生废气,而电动客车则不会,这样对空气环境就不会造成太大的污染,是相当绿色环保的产品。
对电动客车的相关研究表明,它的能源效率非常高,毫无疑问已经超过了汽油机汽车。
电动汽车在停止时是不消耗电量的,而在制动过程中,传统发电机的功用就可以由电动机代替,实现制动减速时能量的再利用。
另一方面,电动客车的应用可有效地减少对石油资源的依赖,可将有限的石油用于更重要的方面。
向蓄电池充电的电力可以由煤炭、核能、水力、太阳能、潮汐、风力等能源转化。
除此之外,如果夜间向蓄电池充电,还可以避开用电高峰,有利于电网均衡负荷,减少费用。
电动客车较内燃机客车结构简单,运转、传动部件少,维修保养工作量小,当采用交流感应电动机时,电机无需保养维护,更重要的是电动客车易操纵。
鉴于以上电动客车的种种优点,对12m纯电动旅游客车的总体布置的研究将有十分重要的意义。
电动旅游客车将是一种既环保又方便的交通方式,给人们带来舒适的旅游享受时,又保护了环境。
1.2电动汽车的国内外发展现状
在国外,诸如美国日本等汽车强国尽管有传统车技术的优势,仍然对电动汽车的研究十分重视。
环境问题和能源问题日益突出,国外著名汽车公司都相当重视研究开发电动汽车,如美国日本等发达国家更是花费大量人力财力对其进行研究,并且制定了一些相关的法规和政策来推动电动汽车产业的发展。
比如说美国的电动汽车研发计划就提出了著名的PNGV计划和FreedomCAR计划。
JHFC示范工程、专项研究计划和低公害汽车开发普及行动计划则是日本提出的。
欧盟则推出了FP5、FP6、欧盟电动汽车城市运输系统计划等。
自“八五”以来,我国在电动汽车领域取得了一定的成果,包括电动汽车(电动公交客车和电动轿车)系统设计与开发,相关的能量存储装置,还有部分零部件与子系统的研制。
此外,我国在制定相关标准和政策方面也取得了许多成果,在各地区的试运行也非常成功。
中国工程院某院士曾经表示:
“中国想做汽车业的领头羊,在传统车方面已经是不可能了,但是各国在纯电动汽车方面基本都处于同一起跑线,中国的机会还是很多的。
与此同时,我国城市交通堵塞问题严重,环境问题也日益突出,这些问题都说明了发展纯电动汽车是大势所趋、刻不容缓。
目前,据了解我国已经在纯电动客车领域出现了有名的企业,他们的部分核心技术已经达到了世界一流水平。
”据了解,在纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池电动汽车三类电动汽车中,节油率最高的是纯电动汽车,它的污染最少,与国外技术水平的差距最小,因此更符合我国石油资源短缺并且传统汽车技术发展受限的国情。
不想当领导的员工不是好员工,中国一直有一颗当汽车行业领导的心,虽然目前与国外汽车强国的差距很大,通过对纯电动汽车的努力研究,中国还是很有机会在汽车领域崛起的。
目前,中国的综合国力在稳步上升,为纯电动汽车领域的研究提供了更坚强的后盾与资本。
前一段提到中国力图在新能源汽车的发展上占得先机,来消除与汽车强国在传统车上的差距。
因此我国不断发布相关法律和法规,促进国内新技术能源的开发,尽快使新能源汽车得到发展,这些都无疑促使公共交通成为新能源车应用的先锋,国内客车都纷纷进入新能源汽车领域。
我国现已具备较强的开发和实现产业化的能力,表1-1是我国近年研制的部分纯电动汽车的参数。
表1-1我国近年研制的部分纯电动汽车的技术参数
产品名称
长(mm)×
宽(mm)×
高(mm)
整备质量/kg
最高车速/(km/h)
最大爬坡度(%)
续驶里程(km)
电池种类
电动机种类
主要研制单位
威乐
4185×
1660×
1510
1300
120
20
230
锂离子电池
交流异步电机
天津清源电动车辆有限责任公司
威姿
3640×
1520
1200
100
30
170
比亚迪F3e
4533×
1705×
1490
1530
150
300
永磁同步电机
比亚迪汽车有限公司
WinstonEV-8800
4687×
1700×
1450
140
35
直流电动机
深圳温斯顿电池制造有限公司
奇瑞M1EV
3601×
1587×
1527
1060
25
110
奇瑞汽车股份有限公司
BK6120EV
11580×
2490×
3205
12930
81
210
北京理工大学
BFC6110EV
10660×
2500×
3565
12000
95
另外从这张表中获得了2辆纯电动客车的信息,对后面的设计起到了参考的作用。
安凯、申沃和南车时代是现在国内的纯电动客车比较有代表性的企业。
南车时代以机车电机起家,开始逐步进入电动车的领域,其产品以10-12米为主,曾在长沙进行批量示范运行。
安凯和申沃则不具备自己的核心技术,申沃采用的是北京理工和杭州万向的系统;
安凯则采用北京理工和上海雷博的系统;
而三龙一通作为国内汽车行业的巨头也都开始纯电动汽车的研发,新能源研发部门的成立对宇通来说是一个崭新的开始。
1.3电动汽车的关键技术
节能和减排是目前世界各国政府所倡导的,也是汽车企业一直以来的发展方向,发展电动汽车我们就不得不了解下电动汽车的关键技术。
电动汽车的关键技术有整车技术、电池技术、驱动电机及其控制技术、整车控制技术和电动车充电技术。
1.3.1整车技术
电动汽车是复杂的产品,包含许多技术与工艺。
除驱动电机、动力电池外,车身也包含了许多高新技术。
其采用轻质材料如铝、镁优质钢材及复合材料,优化结构,可使汽车自身质量减轻30%-50%;
高气压子午线轮胎采用高弹滞材料制成,可使汽车的滚动阻力减少50%,特别是汽车底部流线型可使汽车的空气阻力减少50%。
1.3.2电池技术
电池是电动汽车动力系统的关键,电动机将电池电能转化为机械能,通过传动装置或直接驱动车轮给车辆提供动力。
目前动力电池还称不上完美,这也使得电动汽车的发展受到了很大的限制。
主要问题是蓄电池比能量比功率都还不够大,这样带来的问题就是续驶里程太短,充电时间太长,使用不方便,成本高,使用寿命短。
虽然有上述的种种不足,目前的电动汽车电池技术还是能达到实用化要求的。
而且电池技术更新如此之快,相信不久的将来会愈加完善。
1.3.3驱动电机及其控制技术
驱动电机是纯电动汽车的重要系统。
蓄电池提供的电源是直流电,直流电机很早就应用于电动汽车上,但是存在许多不足。
直流电机作为传统的驱动电机使转子体积和惯性有所增加,机械式换向器受到限制,效率比其他电机低,并且需要经常保养。
因此,传统直流电机基本上已经被交流感应电动机、永磁电动机或开关磁阻电动机所取代。
1.3.4整车控制技术
动力总成是整个电动汽车的重要部件,也是电动汽车区别于普通汽车的重要特点和发挥其节能、环保优势的关键,也就成为研究的重点。
所以,多能源动力总成控制系统融合了现代电子技术、通信技术、计算机技术和控制技术等最新研究成果。
1.3.5电动车充电技术
车载充电装置是指安装在电动汽车上的采用地面交流电网和车载电源对电池组进行充电的装置,包括车载充电机、车载发电机组和运行能回收充电装置。
1.4纯电动汽车的特点
(1)无污染,噪声低
(2)能源效率高,且多样化
(3)结构简单,使用维修方便
(4)动力电源使用成本高,续驶里程短
1.5本设计主要研究的内容和思路
由于目前对纯电动旅游客车的研究比较少,直接设计纯电动旅游客车的总体布置会有一定的困难。
但是经过我的仔细观察,发现纯电动旅游客车可以理解为纯电动公交客车和传统旅游客车的结合。
在外观上纯电动旅游客车跟传统旅游客车更接近,而在动力系统、车内布置上则与纯电动公交车比较像。
本次关于纯电动旅游客车的设计的主要内容包含整车基本参数与目标性能的确定,驱动电机参数的计算及选择,动力电池参数的计算及选择,传动比的设计和整车的总布置。
在整车总布置这一方面,主要布置关键总成,如驱动电机、变速器、电池组的安装、座椅的布置等总成。
特此说明,本设计对部分总成未作布置,并且对机械工艺不做过多研究。
第2章驱动电机的参数匹配与选型
2.1整车基本参数的确定
整备质量:
综合以往纯电动客车的整备质量,再考虑到纯电动旅游客车的电池组重量,所以最终选取本次设计整车的整备质量为14000kg。
最大总质量:
本次设计的纯电动旅游客车的乘客数是40个,所以最大总质量设计为17000kg。
迎风面积:
在后面的设计中用CAXA绘制出整车的前视图,不妨利用CAD软件的面域功能直接清楚的计算出其迎风面积。
图2-1就是迎风面积图。
图2-1整车迎风面积图
最终得出迎风面积为8㎡。
滚动阻力系数:
滚动阻力系数的选取是参考了《汽车理论》第9页的滚动阻力系数的数值这个表格。
纯电动旅游客车一般行驶的路面是在良好的沥青或混凝土路面,所以选取滚动阻力系数为0.016。
表2-1滚动阻力系数f的数值
路面类型
滚动阻力系数
良好的混凝土路面或沥青
0.010~0.018
泥泞土路
0.100~0.250
一般的混凝土路面或沥青
0.018~0.020
干砂
0.100~0.300
碎石路面
0.020~0.025
湿砂
0.060~0.150
良好的卵石路面
0.025~0.030
结冰路面
0.015~0.030
坑洼的卵石路面
0.035~0.050
压紧雪道
0.030~0.050
压紧土路
干燥的
0.025~0.035
雨后的
0.050~0.015
风阻系数:
参考《汽车理论》第14页各车型的风阻系数,现截取部分制作表格2-2。
最终选定风阻系数为0.7
表2-2汽车的风阻系数
车型
风阻系数
典型轿车
0.30~0.41
货车
0.6~1.0
客车
0.5~0.8
轮胎半径:
根据GB-T2977-2008载重轮胎,选取315/75R24.5型号的轮胎。
传动效率:
选取0.9。
主减速器传动比:
参考目前客车用主减速器传动比与指导教师的意见,设计为6.17。
整车基本参数绘成表格2-3。
表2-3整车基本参数
参数
名称
数值
整备质量
14000㎏
m
最大总质量
17000㎏
A
迎风面积
8㎡
f
0.016
0.7
r
轮胎半径
0.555m
η
传动效率
0.9
主减速器传动比
6.17
2.2整车目标性能的确定
整车目标性能参数见表2-4。
表2-4目标性能指标
最高车速
100km/h
常规车速
75km/h
0-50km/h加速时间
≤25s
最大爬坡度
25%
续驶里程
200km
补充说明:
常规车速取的是75km/h,之所以取这么高是考虑到纯电动旅游客车经常会在高速道路上行驶,不像一般的城市公交车的行驶道路是在城市内的。
2.3驱动电机参数计算与匹配
驱动电机为纯电动汽车提供了所有的功率,所以电动机功率的选择必须满足加速时间、汽车的最高车速、最大爬坡度的要求。
对纯电动旅游客车而言,需要大功率的情况主要体现在急加速、爬坡和高速行驶,在中低速匀速行驶阶段需克服的阻力功率很小,因此在设计时要充分利用电动机的过载输出特性提高车辆的加速性能与爬坡能力,同时也要保证在长时间连续工况下的阻力功率在电机额定功率范围以内。
因此,纯电动旅游客车驱动电机的动力参数选型的要求有如下四点:
(1)电机的最大功率必须满足车辆加速性能、爬坡能力和最高车速的要求。
(2)电机的额定功率应该覆盖车辆长时间连续运行工况需要的功率范围,且有一定的余量。
(3)电机的最大扭矩取决于车辆最大爬坡度的要求。
(4)车辆常用工况电机的转速必须尽量靠近电机运行的高效率区,并且电机尽量处于或接近满负载。
在驱动电机选型时,本文还未设计变速器(变速器传动比设计在第三章提到),所以计算时按驱动电机直接与主减速器连接来考虑。
2.3.1电动机额定功率与最大功率的匹配
(1)由最高车速来计算所需的功率
=(m×
g×
f+
)×
/(3600×
η)(2-1)
式中
—最高车速所需功率,kw;
m—最大总质量,kg;
f—滚动阻力系数;
—风阻系数;
A—迎风面积,㎡;
—最高车速,km/h;
η—传动效率
计算得
=164kw
(2)爬坡情况下来计算所需功率
f×
cosα+m×
sinα+
V/(3600×
η)(2-2)
V—爬坡速度,20km/h;
η—传动效率;
α—在20km/h速度下的爬坡度
=265kw
(3)满足加速性能情况下,车辆所需的功率
此次设计的客车的加速性能的要求是指客车从0到50km/h的加速时间小于25秒。
=(δ×
m×
+m×
×
t+
t)/(3600×
η×
t)(2-3)
—满足加速性能情况下所需功率,kw;
A—迎风面积,
;
—加速末速度,为50km/h;
t—加速时间,为25s;
δ—旋转质量换算系数,其经验计算公式:
δ=1.027+0.0003×
=1.038
=86kw
综合上述计算,可知电动机的额定功率由最高车速决定,即电动机额定功率
=
电动机的峰值功率由最大爬坡度决定,即电动机峰值功率
2.3.2电动机额定转速与最大转速的选择
驱动电机的额定转速由常规车速确定,即
(2-4)
式中
—电动机额定转速,r/min;
—变速器传动比;
—主减速器速比:
—常规车速,km/h;
r—轮胎半径,m
此时是初步设计,即未用变速器,
=1
=2212r/min
电动机的最高转速一般取额定转速的2-4倍,本设计初步取3.2倍,所以
=7077r/min
2.3.3电动机的额定转矩与最大转矩的计算
(1)电动机的额定转矩由额定功率/额定转速确定.即
=9550×
=708N·
m(2-5)
(2)电动机的最大转矩由最大爬坡度确定,即M=
(2-6)
式中r—轮胎半径,m;
—在爬坡情况下客车受到的力
计算可得M=4103N·
经过上述各参数的计算,现初步得到如下表2-5的参数数据。
表2-5初步设计电机基本参数
额定功率
164kw
峰值功率
265kw
额定转速
2212r/min
最大转速
7077r/min
额定扭矩
708N·
最大扭矩
4103N·
2.4驱动电机的选择
选择纯电动汽车驱动电机类型的关键是驱动电机的机械特性。
当前纯电动汽车很大一部分是选用感应电动机作为驱动电机的。
感应电动机的效率高,可以达到90%,功率较大,功率因数变化大,鼠笼型的转子结构,具有适合于高速运转的特点。
另外,感应电动机便于维修,价格便宜,可靠性高。
随着功率变换器和功率电子器件的快速发展,逆变器和变频器采用了矢量控制的方法并被应用到感应电动机的控制器上,这一切使感应电动机具有更好的可控性与宽广的调速范围。
目前已经能在市场买到不同生产厂家生产出的不用规格的效率高、技术性能可靠的感应电动机及其变频器和逆变器,并且可以直接为纯电动汽车所用。
新式感应电机的转矩控制系统,具有调速范围宽、控制简单、动态响应快等优点。
感应电动机也存在许多的不足,比如控制系统的复杂性使得该系统的成本大大提高。
永磁电动机的应用越来越广泛了。
永磁电动机具有质量功率可以超过1kW/kg,效率更是最高可达97%的特点。
永磁电动机的转子无励磁绕组,可以进行高速运转,可靠性好,质量轻、体积小,便于维修。
其采用矢量控制的变频调速系统,使永磁电动机具有宽广的调速范围。
永磁电动机的控制系统要比感应电动机的控制系统简单,而且更便宜。
永磁电动机的永磁材料强度较差,以致于大功率的永磁电动机所需的永磁材料需要特别加固,因此,永磁电动机的功率一般都较小。
永磁材料在高温作用下发生材料衰退现象是很常见的,电动机需要采用水冷却方式来控制温度在150摄氏度以下。
当前永磁材料价格比较高,因此永磁电动机及其控制系统的成本也较高。
开关磁阻电动机是一种新型的电动机,它在电动机的转子上,没有滑环、绕组等转子导体和永磁磁铁等装置。
它的结构比其他任何一种电动机都简单,其效率可以达到85%-93%,转速可以达到15000r/min。
它的转矩-转速特性好,在较宽的转速范围内,转矩、速度可灵活地控制,并且有高的启动转矩和低的启动功率的机械特性;
无励磁绕组和永久磁铁的转子,结构简单、牢固,可靠性好,重量轻,维修方便,成本低。
开关磁阻电动机的控制系统包括一个微处理器、位置检测器和电流检测器等器件,不仅控制系统较复杂,对控制精度和调节性能的要求高。
其工作时噪声较大,转矩脉动大,体积也比同样功率的感动电动机大一些。
目前,正在开发水冷却开光磁阻电动机及其控制器和永磁开关磁阻电动机,其性能将进一步提高。
综上所述,在表2-6中列出了电动汽车常用驱动
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