機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告

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機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)課作業(yè)

題目小型節(jié)能電動汽車設(shè)計(jì)

院系機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)班級工程0801學(xué)生姓名張成偉指導(dǎo)教師戴慶輝

二〇一一年五月十六日

汽車設(shè)計(jì)任務(wù)書

1、問題：中國大城市中數(shù)量高速增長的各種車輛所帶來的環(huán)境污染，交通壓力等。

目前國內(nèi)汽車所使用的燃料絕大多數(shù)是建立在石油的基礎(chǔ)之上，隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，從1990年開始,世界能源就出現(xiàn)了危機(jī)的跡象。在此之前,人類都是一味開采已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的能源,包括石油、煤、自然氣,而沒有關(guān)注能源的未來。而近年來，隨著汽車等車輛數(shù)量的高速增長，石油資源日益緊缺，油價也隨之大幅上漲，據(jù)有關(guān)組織估計(jì)，世界石油資源只能夠使用45年，所以人類必需在石油資源枯竭之前找到替代資源或者是改變現(xiàn)有的一些使用石油資源的工具，使用其他能源。

還有一個問題就是石油的衍生物，如汽油，柴油等在燃燒時，都會產(chǎn)生大量的有害氣體，隨著全世界汽車的數(shù)量的大幅增多，這些有害氣體排入大氣后造成的空氣污染也越來越嚴(yán)重，由于溫室氣體增多，還造成了臭氧空洞等問題，所以人們也開始認(rèn)識到環(huán)境污染的嚴(yán)重性，去嘗試使用一些清潔能源作為燃料。

在國內(nèi)的一些大城市，交通擁堵已經(jīng)成為一個很嚴(yán)重的問題。一方面的原因是汽車數(shù)量的高速增長，一方面是由于原有的道路已經(jīng)不滿足現(xiàn)在的車流量。綜合這兩面考慮，其實(shí)就是空間不足的問題，而且現(xiàn)在對于城市中擁有汽車數(shù)量最多的上班族來說，好多時候汽車是空載的，也就是說一般的四座汽車只坐了一個人，而其他的空間是閑置的，因此我覺得這部分的空間是浪費(fèi)的，這也是造成交通壓力大的原因。2、設(shè)計(jì)要求

這款汽車首先是面向城市中的上班族還有一些單身青年，考慮他們的收入水平，以及以上的問題，提出這個設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求：

（1）節(jié)能宏觀來說面對當(dāng)下日益嚴(yán)重的能源危機(jī)，我們應(yīng)當(dāng)找其他的替代能源或是減少對石油的依靠，去使用其他能源，譬如當(dāng)下正在起步的電動汽車就是很好的例子。

（2）環(huán)保以前人類對環(huán)境問題的忽略已經(jīng)讓人類付出了沉重的代價，針對于現(xiàn)在環(huán)境無污染問題，這個設(shè)計(jì)要使用清潔能源作為動力來源。

（3）結(jié)構(gòu)緊湊針對于普通汽車空間浪費(fèi)嚴(yán)重，體積較大的不足，這個設(shè)計(jì)首先要考慮的就是結(jié)構(gòu)的緊湊性，這樣更有助于減輕城市交通的壓力，以及減少成本。

（4）價格低廉由于這個設(shè)計(jì)所面對的是普通上班族，他們的經(jīng)濟(jì)能力十分有限，所以我們得從成本各方面考慮，降低這款汽車的價格，使更多人能夠接受。

以上只是綜合考慮了之前的問題所給出的設(shè)計(jì)要。當(dāng)然，再結(jié)合一些其他的實(shí)際狀況我還給這個設(shè)計(jì)增加了一些其他的功能。譬如：

由于中國跟西方大多數(shù)國家的交通規(guī)則上有些不同（中國靠右行，西方大多數(shù)國家靠左行），所以我設(shè)計(jì)的這個汽車的方向盤是可以左右移動的，這樣就可以適應(yīng)各個國家的交通規(guī)則。

考慮到車體本身很小，這樣可能造成車內(nèi)空間比較小，為了不使駕駛者有壓抑的感覺，這款汽車設(shè)計(jì)為敞篷，當(dāng)然下雨的時候可以合上頂棚。3、初步設(shè)計(jì)

（1）外觀設(shè)計(jì)外觀設(shè)計(jì)圖：

前面效果圖

俯視圖

后面效果圖

車身尺寸及部分參數(shù)：

轉(zhuǎn)向/懸掛/輪胎驅(qū)動方式后置后驅(qū)制動方式碟/碟（前/后）麥弗遜式獨(dú)立懸轉(zhuǎn)向助力助力轉(zhuǎn)向式懸掛方式架/拖曳臂式獨(dú)立懸架（前/后）配寬胎前輪轂尺寸6輻合金車輪（15英寸）輪胎155/60R15后175/55R15尺寸和重量車身重量輪距650軸距車身長度179521851548（合上頂棚車身寬度1549車身高度后）

（2）發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)A、電源的選擇：

電動汽車對電源系統(tǒng)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)快速充電和深度放電的能力；(4)使用壽命長；(5)自放電率小,充電效率高；(6)安全性能良好,且成本低廉；(7)免維修；(8)對環(huán)境無危害,可回收性好。目前還沒有一種電池能完全滿足上述要求。以下是對于現(xiàn)在市場上的各種電池分析

鉛酸電池鉛酸電池鉛酸電池誕生于1860年,距今已有100多年的歷史，廣泛用作內(nèi)燃機(jī)汽車的起動動力源，它也是成熟的電動汽車蓄電池。總體上說，鉛酸電池具有可靠性好、原材料易得、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，比功率也基本上能滿足電動汽車的動力性要求。但它有兩大缺點(diǎn)；一是比能量低，所占的質(zhì)量和體積太大，且一次充電行駛里程較短；另一個是使用壽命短，使用成本過高。正在開發(fā)的電動汽車用先進(jìn)鉛酸電池主要有以下幾種：水平鉛酸電池、雙極性密封鉛酸電池、卷繞式電極鉛酸電池等。

鎳金屬電池目前在電動汽車上使用的鎳金屬電池主要有鎳氫電池和鎳鎘電池兩種。主要優(yōu)缺點(diǎn):相對于其他電池,Ni2MH電池的優(yōu)異特性表現(xiàn)在以下幾點(diǎn),(1)高比能量(衡量電動車一次充電行駛里程)已與鋰離子電池水平相當(dāng);(2)高比功率(賦予電動車良好的啟動、加速、爬坡性能)其性能已高于鋰離子電池;(3)長壽命特性(賦予電池良好的經(jīng)濟(jì)性)平均壽命300～600次;(4)安全性能高,無污染物,被譽(yù)為“綠色電源〞。但是目前阻礙其應(yīng)用的一個重要問題是初始成本的太高,而且還有記憶效應(yīng)和充電發(fā)熱等問題,充電發(fā)熱會引發(fā)安全問題,因此相應(yīng)的要求發(fā)展可靠的能量管理系統(tǒng)。

鋰離子蓄電池鋰離子電池出現(xiàn)在90年代初期,主要優(yōu)缺點(diǎn):鋰離子電池基本上解決了蓄電池的兩個技術(shù)難題,即安全性差和充放電壽命短的問題。同時鋰離子電池具有高的電池單體電壓、高的比能量和能量密度,可以說是當(dāng)前比能量最高的電池,工作穩(wěn)定。缺點(diǎn)是自放電率高,初始成本較高,生產(chǎn)技術(shù)上還有待于進(jìn)一步發(fā)展。

高溫鈉電池高溫鈉電池主要包括鈉氯化鎳電池(NaNiC12)和鈉硫蓄電池兩種。鈉硫蓄電池具有高的比能量和功率，但成本高，安全性差，其工作溫度接近300℃，熔融的鈉和硫有潛在的危險性，并且腐蝕也限制了電池的可靠性和壽命。鋅空氣電池(Zinc(Zinc5鋅空氣電池(Zinc-air)鋅空氣電池是一種機(jī)械更換離車充電方式的高能電池，每一型號的電池有其最正確使用電流值，超過極限值時活性炭電極會迅速劣化。鋅空氣電池具有高比能量(200Wh／kg)，免維護(hù)、耐惡劣工作環(huán)境，清潔安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，但其比功率較小(90W／kg)，不能存儲再生制動的能量，壽命較短，不能輸出大電流及難以充電等缺點(diǎn)。一般為了彌補(bǔ)它的不足，使用鋅空氣電池的電動汽車還會裝有其它電池(如鎳鎘蓄電池)以幫助起動和加速。

燃料電池燃料電池的優(yōu)越性在于高效率的把燃料轉(zhuǎn)化為電能,工作恬靜,以純氫為燃料時可以實(shí)現(xiàn)零排放,燃料補(bǔ)充迅速,并且燃料簡單獲得。缺點(diǎn)是現(xiàn)在的應(yīng)用技術(shù)還需要進(jìn)一步的提高,還存在一定的安全問題和價格問題。由于汽車運(yùn)行工況繁雜,假使單獨(dú)用燃料電池作動力源會導(dǎo)致燃料電池后備功率很大,引起重量增加,成本上升,氫氣利用低的問題。所以,目前的燃料電池幾乎全部采用燃料電池加輔助動力源的混合驅(qū)動方案。目前以氫為燃料的電動汽車在性能上已經(jīng)基本趕上了燃油汽車。

太陽能電池目前，太陽能電池還存在光電轉(zhuǎn)換效率不高、價格太高、電池系統(tǒng)配置較繁雜等問題，近期內(nèi)只能作為電動汽車的補(bǔ)充電源，還不能大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用。但太陽能作為最清潔的、取之不盡用之不竭的能源，對它的研究和應(yīng)用必將會取得長足的進(jìn)步。

綜合以上的分析，再考慮設(shè)計(jì)要求，采用鉛酸電池，鉛酸電池最安全,成本最低,當(dāng)然也有一些缺點(diǎn)需要解決，如比能量、比功率都較低。要解決這些問題，就要從汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等一些方面著手。

B、電動機(jī)的選擇

電動汽車對電動機(jī)的基本要求：

電動汽車用電動機(jī)應(yīng)具有瞬時功率大，過載能力強(qiáng)、過載系數(shù)應(yīng)為3～4，加速性能好，使用壽命長的特點(diǎn)。

電動汽車用電動機(jī)應(yīng)具有寬廣的調(diào)速范圍，包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，要求低速運(yùn)行時具有大轉(zhuǎn)矩，以滿足起動和爬坡的要求；在恒功率區(qū)，要求低轉(zhuǎn)矩時具有高的速度，以滿足汽車在平坦的路面能夠高速行駛的要求。電動汽車用電動機(jī)應(yīng)能夠在汽車減速時實(shí)現(xiàn)再生制動，將能量回收并反饋回蓄電池，使得電動汽車具有最正確能量的利用率，這在內(nèi)燃機(jī)汽車上是不能實(shí)現(xiàn)的。

電動汽車用電動機(jī)應(yīng)在整個運(yùn)行范圍內(nèi)，具有高的效率，以提高1次充電的續(xù)駛里程。

另外還要求電動汽車用電動機(jī)可靠性好，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作，結(jié)構(gòu)簡單適應(yīng)大批量生產(chǎn)，運(yùn)行時噪聲低，使用維修便利，價格低廉等。

各類電動機(jī)的分析比較：

直流電動機(jī)有刷直流電動機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是控制簡單、技術(shù)成熟。具有交流電機(jī)不可比較的優(yōu)良控制特性。但由于存在電刷和機(jī)械換向器，不但限制了電機(jī)過載能力與速度的進(jìn)一步提高，而且假使長時間運(yùn)行，勢必要經(jīng)常維護(hù)和更換電刷和換向器。另外，由于損耗存在于轉(zhuǎn)子上，使得散熱困難，限制了電機(jī)轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比的進(jìn)一步提高。鑒于直流電動機(jī)存在以上缺陷，在新研制的電動汽車上已基本不采用直流電動機(jī)。

交流三相感應(yīng)電動機(jī)交流三相感應(yīng)電動機(jī)是應(yīng)用得最廣泛的電動機(jī)。結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，經(jīng)久耐用。交流感應(yīng)電動機(jī)的功率覆蓋面很寬廣，轉(zhuǎn)速達(dá)到12000～15000r/min。可采用空氣冷卻或液體冷卻方式，冷卻自由度高。對環(huán)境的適應(yīng)性好，井能夠?qū)崿F(xiàn)再生反饋制動。與同樣功率的直流電動機(jī)相比較，效率較高，質(zhì)量減輕一半左右，價格低廉，維修便利。但是交流三相感應(yīng)電動機(jī)的耗電量較大，轉(zhuǎn)子簡單發(fā)熱，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時需要保證對交流三相感應(yīng)電動機(jī)的冷卻，否則會損壞電動機(jī)。功率因數(shù)較低，使得變頻變壓裝置的輸入功率因數(shù)

也較低，因此需要采用大容量的變頻變壓裝置。交流三相感應(yīng)電動機(jī)的控制系統(tǒng)的造價遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于交流三相感應(yīng)電動機(jī)本身，增加了電動汽車的成本。另外，交流三相感應(yīng)電動機(jī)的調(diào)速性也較差。

永磁無刷直流電動機(jī)永磁無刷直流電動機(jī)是一種高性能的電動機(jī)。它的最大特點(diǎn)就是具有直流電動機(jī)的外特性而沒有刷組成的機(jī)械接觸結(jié)構(gòu)。有勵磁損耗：散熱簡單，因此，永磁無刷直流電動機(jī)沒有換向火花，沒有無線電干擾，壽命長，運(yùn)行可靠，維修簡便。此外，它的轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向的限制，假使采用空氣軸承或磁懸浮軸承，可以在每分鐘高達(dá)幾十萬轉(zhuǎn)運(yùn)行。永磁無刷直流電動機(jī)機(jī)系統(tǒng)相比具有更高的能量密度和更高的效率，在電動汽車中有著很好的應(yīng)用前景。永磁無刷直流電動機(jī)功率范圍較小，最大功率僅幾十千瓦。永磁材料在受到振動、高溫柔過載電流作用時，其導(dǎo)磁性能可能會下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象，將降低永磁電動機(jī)的性能，嚴(yán)重時還會損壞電動機(jī)，在使用中必需嚴(yán)格控制，使其不發(fā)生過載。永磁無刷直流電動機(jī)在恒功率模式下，操縱繁雜，需要一套繁雜的控制系統(tǒng)，從而使得永磁無刷直流電動機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)造價很高

開關(guān)磁阻電動機(jī)開關(guān)磁阻電動機(jī)的結(jié)構(gòu)比其它任何一種電動機(jī)都要簡單，維護(hù)修理簡單。因而可靠性好，轉(zhuǎn)速可達(dá)15000r/min。效率可達(dá)85%～93%，比交流感應(yīng)電動機(jī)要高。電機(jī)易于冷卻，調(diào)速范圍寬，控制靈活，易于實(shí)現(xiàn)各種特別要求的轉(zhuǎn)矩一速度特性，而且在很廣的范圍內(nèi)保持高效率。更加適合電動汽車動力性能要求。開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制系統(tǒng)比其他電動機(jī)的控制系統(tǒng)繁雜一些，噪聲是開關(guān)磁阻電動機(jī)最主要的缺點(diǎn)。但近年來的研究說明，采用合理的設(shè)計(jì)、制造和控制技術(shù)，開關(guān)磁阻電動機(jī)的噪聲完全可以得到良好的抑制。另外，由于開關(guān)磁阻電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波動較大，功率變換器的直流電流波動也較大，所以在直流母線上需要裝置一個很大的濾波電容器

綜合考慮各種因素，采用交流三相感應(yīng)電動機(jī)，由于結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，經(jīng)久耐用，這樣以后維修便利。再考慮缺點(diǎn)，在轉(zhuǎn)速高時冷卻的問題，由于面向人群是城市上班族，所以對于速度的要求不是很高，而且也不是經(jīng)常長時間運(yùn)轉(zhuǎn)，因此對與電機(jī)的冷卻要求比較低，這也一方面降低了電機(jī)的成本。

地盤及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

底盤：底盤作用是支承、安裝汽車發(fā)動機(jī)及其各部件、總成，形成汽車的整體造型，并接受發(fā)動機(jī)的動力，使汽車產(chǎn)生運(yùn)動，保證正常行駛。底盤由傳動系、行駛系、轉(zhuǎn)向系和制動系四部分組成。

傳動系：傳動系一般由離合器、變速器、萬向傳動裝置、主減速器、差速器和半軸等組成。

行駛系

轉(zhuǎn)向系

圖為轉(zhuǎn)向系結(jié)構(gòu)圖,主要由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)組成。轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向盤1和安全轉(zhuǎn)向柱2;轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向器8、左右橫拉桿6、轉(zhuǎn)向節(jié)臂5和轉(zhuǎn)向節(jié)3等。

汽車轉(zhuǎn)向時,司機(jī)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤,安全轉(zhuǎn)向柱和轉(zhuǎn)向器中的轉(zhuǎn)向齒輪一起轉(zhuǎn)動,帶動轉(zhuǎn)