电动游览车设计-毕业论文

第1页共67页电动车第一章设计任务来源本次毕业设计由老师辅导,老师经过多方面的搜集资料研究课题,最后他发现电动车将是21世纪城市的主要的交通工具之一。根据相关的资料,随着经济的发展和人民生活水平的不断提高，城市的汽车保有量急剧提高，然而，燃油汽车的尾气排放已经是城市污染的主要来源，而且也给人们健康带来危害。电动车耗能低，噪音小，无尾气排放，绿色环保，可以为广大市民营造良好的生活环境。所以，电动汽车代替传统的燃油车是未来汽车工业发展的必然趋势。我们设计的DDF-8电动游览车体积小、外型美观、能耗低、价格低；能够满足市民的多元化需求。该车可用于车站、高尔夫球场、高档小区、校园等场所。起初，我们都认为这个课题没有什么难度，所以大家也就不急。但是，随着设计一步一步的进行，我发现了很多值得研究的问题，例如，机体内零部件的合理安置，某些重要零件的结构设计，车架的总体设计等等。我们在设计过程中，不断的发现问题，解决问题，从中感受到了机械设计带给我们的快乐以及那种难得的成就感，同时，也学会了怎样去思考问题和解决问题，这是书本上学不到的。这也是本次设计的最大收获。第二章总体方案设计一、概述DDF-8型电动游览车车的总体设计及其电传系统设计，包括电动车的总体外型设计、8人的座椅总体设计、功率的确定、车速的确定、车架设计、悬挂系统设计、制动系统设计、车桥设计等。二、总体方案设计与论证1、动力源的选择：关于DDF-8的动力源问题，我们考虑了多种设计方案。首先，从环境保护方面，我们想到太阳能，因为太阳能不但无污染而且技术方面先进，操作易行。但目前我国太阳能技术还不够成熟，功率很小，若采用与机型相配合的尺寸，不能够达到所需要的功率，这一缺点也抑制了它在许多方面的启用，而且从使用场合方面，阴雨天也无法工作，另外价格昂贵，很难得到推行。鉴于以上几个方面的缺点，决定放弃这一方案。电池是电动汽车发展的首要关键，要想在较大范围内应用电动汽车，要依靠先进的蓄电池经过10多年的筛选，现在普遍看好的氢镍电池，锂离子和锂聚合物电池。氢镍电池单位重量储存能量比铅酸电池多一倍，其它性能也都优于铅酸电池。但目前价格为铅酸电池的4-5倍，正在大力攻关让它降下来。锂是最轻、化学特性十分活泼的金属，锂离子电池单位重量储能为铅酸电池的3倍，锂聚合物电池为4倍，而且锂资源较丰富，价格也不很贵，是很有希望的电池。我国在镍氢电池和锂离子电池的产业化开发方面均取得了快速的发展。电动汽车其他有关的技术，近年都有巨大的进步，如：交流感应电机及其控制，稀土永磁无刷电机及其控制，电池和整车能量管理系统，智能及快速充电技术，低阻力轮胎，轻量和低风阻车身，制动能量回收等等，这些技术的进步使电动汽车日见完善和走向实用化。我国大城市的大气污染已不能忽视，汽车排放是主要污染源之一，我国已有10个城市被列入全球大气污染最严重的20个城市之中。我国现今人均汽车是每1000人平均10辆汽车，但石油资源不足，每年已进口几千万吨石油，随着经济的发展，假如我国人均汽车持有量达到现在全球水平每1000人有110辆汽车，我国汽车持有量将成10倍地增加，石油进口就成为大问题。因此在我国研究发展电动汽车不是一个临时的短期措施，而是意义重大的、长远的战略考虑。铅酸电池的应用历史最长，也是最成熟，成本售价最低廉的电池。当前存在的主要问题是一次充电的行程短，一般约在30-40；就是快速充电也要4-6h，且质量能只有。为此人们一直探索着如何改进铅酸电池的性能，开发能量效率更高、稳定性更好，电荷容量更大的新电池。在改进铅酸电池性能方面，人们现在已在广泛使用免维护电池。免维护电池给人们带来了使用的方便性。为使使用铅酸电池更可靠，人们开发了胶体电池。胶体电池也是铅酸电池范畴的二次电池。它依然用密度为1.28g/的硫酸水溶液，但在其中添加了，电解液呈胶体状--乳白色的凝胶，构成了胶体电解质。胶体的状况会随着温度和电场的作用而变化。当电池放电时，胶体的凝聚性会更明显；温度降低，胶体内部溶液扩散迁移及传导性变差，内电阻增加。在温度升到30℃以上，外施单格电压超过2.6V，要产生充电气泡；充电时间过长，温度过高，特别是单格电压超过2.7V，胶体常常会发生水解，放出大量和，并伴有硫酸和水外溢，胶体变成了液态。如及时停止充电，下降温度，去掉外电压，胶体还可重新恢复。它的性能、价格与铅酸电池差不多，只是由于胶体电解质具有不易渗漏性，能保证电源使用的可靠性。即使电池壳体产生了裂纹也可继续使用，不会产生对车辆的腐蚀作用。因此其可适用于道路状况差(乡间土路)和用电负荷变化大的车辆，如在中西部地区的山区、半山区、乡村使用车辆的电池，军用车辆的起动用电池，以及由于环保要求，限制酸腐蚀的特种车辆等用的电池。由于电解质中有存在，在极板硫化过程中，会同时产生硫酸铅、硫酸锅结晶，从而防止了极板生成粗大的硫酸铅结晶体，使极板不易硫化，容易再次充电活化；不易丧失极板的多孔性；还能防止正极板上生出尖锐的硫酸铅突起，避免隔板被刺穿形成极板间短路。据统计，传统电动游览车、高尔夫球车、机场牵引车等动力源约90%采用铅酸蓄电池，每年全国报废的铅酸蓄电池达到30万吨。由于工艺和成本的限制，其中只有很少部分进行了无害化的回收处理。废弃电池导致的各种污染和病症经常见诸报端，由此导致的治理及医疗成本等更是难以计数。燃料电池是以氢为燃料，能量转化效率最高，既无污染物排放又不产生温室气体二氧化碳的理想能量转化装置。二十世纪九十年代以来，车用燃料电池有了飞速的发展，于是各大汽车公司竞相开发燃料电池概念车。在这一技术领域各国累计总投资已达１００亿美元，并形成了日本丰田与美国通用、日本东芝与美国国际燃料电池公司、德国ＢＭＷ与西门子公司、美国福特与德国戴－克联盟等一批实力强大的跨国联盟。燃料电池又叫氢能发动机。质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术使目前世界上最成熟的一种能将氢气与空气中的氧气化合成洁净水并释放出电能的技术。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）的优点主要有：

（1）能量转化效率高。

（2）可实现零排放。其唯一的排放物是纯净水（及水蒸气）。

（3）运行噪声低，可靠性高。

（4）维护方便。

（5）氢是世界上最多的元素，氢气来源极其广泛，是一种可再生的能源资源，取之不尽、用之不绝。可通过石油、天然气、甲醇、甲烷等进行重整制氢，也可通过电解水制氢、光解水制氢、生物制氢等方法获取氢气。（6）氢气的生产、储存、运输和使用等技术目前已非常成熟、安全、可靠。

燃料电池的应用十分广泛：（1）用作助动车、摩托车、汽车、船舶等交通工具动力，以满足环保对车船排放的要求并解决对石油燃料依赖过重的问题。

（2）可用作分散型电站与电源。

燃料电池应用前景广阔，市场潜力巨大，对产业结构升级、环境保护及经济的可持续发展均有重要意义。随着氢燃料电池的逐步普及及应用，人类将从目前使用碳氢燃料逐步转向使用氢燃料，从而告别化石能源而进入氢能经济时代。专家们预言：21世纪将是氢能的世纪，然而，燃料电池的高成本以及氢能的供给问题是当前未能很好解决的难题。为此，进一步寻找低成本的燃料电池技术，更好地解决高效率制氢、高密度储氢以及燃料电池汽车的安全运行等问题仍有待进一步克服。

把成本和使用性能及环保等综合起来评比，最后决定采用以铅酸蓄电池为动力，用电机通过驱动桥间接带动后桥传动，这样使传动系统结构大大简单化。

2、总体设计方案

DDF-8电动游览车设计原则是：体积小、外型美观、能耗低、多元化需求。

（1）DDF-8电动游览车底盘选型燃料电池轿车是以我国一款成熟的轿车为原形的基础上进行改造设计的。DDF-8电动游览车底盘一般选用定型二类货车底盘或专用底盘。虽然定型汽车底盘技术性能好、质量稳定，但总体布局限制条件多。为优化结构，决定采用专用底盘，自行设计。可参见车架设计这一环节。

（2）总体设计说明，总体布置示意图如下所示：

（3）主要结构型式和主要技术参数1）主要结构型式电池：3-DG-170调速器：DC-C电动机:XQ-3.0-1H最大功率:3.0kW额定转速：1500r/min续驶里程：80Km2)主要技术参数外形尺寸（mm）3600×1200×1830轴距（mm）960轮距（mm）2460最小离地间隙（mm）114最小转弯半径（mm）4000最大爬坡度18%整备质量（kg）1000最高车速20km/h轮胎145/70R123．稳定性计算1）纵向稳定性计算根据《汽车理论》，DDF-8电动游览车低速上坡，保证不纵向倾翻的极限坡度为：但此极限坡度受到车轮滑转的限制，为使车轮滑转发生在纵向倾翻之前，对于DDF-8电动游览车（后轮驱动）应满足（式中-附着系数，取0.8）。而该DDF-8电动游览车满足上述条件。2）横向稳定性设计在侧坡上直线行驶时，当坡度大到质心通过一侧车轮中心，而另一侧车轮的地面法向反作用力等于0时，则DDF-8电动游览车将发生侧向倾翻。显然，此时，该角度大于GB725887《机动车运行安全技术条件》中规定的。第三章动力系统设计电机是电动汽车动力系统的核心。电动汽车要求电动机在稳定运行时电流较小,在满负荷运行的情况下要求启动力矩较大。从蓄电池的容量而言要求电动机的比功率、比转矩和效率都尽可能的高。为使整车性能达到最佳匹配,还要求电动机功率必须满足整车的动力性,满足最高车速、爬坡、满载加速等性能要求。作为汽车三大动力性之一的加速性,直接影响汽车的起步、超车。由于电动游览车不会频繁起步和超车，因此对加速性的要求可放低点。另外，电动汽车所用牵引电动机应具有较大的调速范围，高效、低耗，各种配套的控制装置的重量要尽可能轻，系统噪声要低。另外，还要求可靠性好、耐高温及耐潮、结构简单、适合于大批量生产、使用维修方便、价格便宜等。一、电动机参数的选择随着科学技术的发展，应用于电动车上的电极也各式各样，层出不穷。因此选择合适的电动机参数是相当重要的。电动机的主要参数包括电动机类型、电动机额定功率和电动机额定转速。1．电动机类型的选择用于电动汽车驱动系统的电机主要有以下几种：直流电动机、交流电动机、永磁无刷直流电动机和开关磁阻电动机。在电动汽车所用各种牵引电动机中，直流电动机效率低、可靠性差、重量大；交流异步牵引电动机结构简单、运行可靠；永磁电动机和开关磁阻电动机相对应的性能也都较直流电动机优越，它们的基本性能比较见表1。表7.1电动汽车常用各种电动机的性能比较表项目内容直流电动机交流电动机永磁电动机开关磁阻电动机比功率低中高较高可靠性一般好优优结构坚固性差好一般优外型大小大中小小目前成本较高低高较高控制器成本低较高较高一般表7.2美国通用汽车公司对各类电机的评价直流电动机永磁无刷直流电动机开关磁阻电动机感应电动机最高效率85～8995～97～9091～9410%负载时的效率80～8773～8293～94最高转速4000～60004000～1000015000以上9000～15000成本/单位轴功率20～305～202.75～5配套控制器的相对成本13.7～6.04～102.5～3.0电机的牢固性好尚可优优参照以上的说明，结合电动游览车车实际工作情况，并考虑技术经济学。我采用串励直流牵引电机。下面简单介绍一下直流电机：（1）直流牵引电动机结构直流牵引电动机有转子电枢绕组和定子励磁绕阻、机座和电刷换向装置等主要部件组成。串激式直流电动机的电枢绕组和励磁绕组串联，而它激式直流电动机的励磁绕组和电枢绕组是分开的。（2）直流电动机工作原理直流电动机接上直流电源后，励磁绕组将有励磁电流通过，建立磁场。这磁场在空间固定不动，当电枢绕组经电刷和换向器的滑动接触而通过电流时，受到固定不动的励磁磁场的作用而产生电磁力，力的方向可按左手定则判定，通过控制电枢及励磁绕组的电压、电流大小调节直流电动机的转矩和转速，电枢的转动带动汽车轮子转动而驱电动汽车。（3）直流电动机特点直流电动机以前通过电阻降压调速，这要消耗大量能量。目前多数采用直流斩波器来控制它的输入电压、电流，根据直流电动机输出转矩的需要，脉冲输出和变换直流电动机所需从零到最高电压，来控制和驱动直流电动机运转。直流电动机的容量范围大，可以根据需要选用。其制造技术和控制技术都较成熟，驱动系统也较简单，价格便宜。但直流电机在结构上有电刷、换向器等易磨损件，因此存在维修保养困难、寿命较短、使用环境要求高。2．电动机额定功率的选择电动机的额定功率若选小了,则电动机经常在过载状态下运行,会因过热而过早损坏,还有可能承受不了冲击负载或造成起动困难。额定功率若选得过大,电动机经常在欠载下运行,其效率及功率因数等指标变差,使综合经济效益下降。正确选择电动机功率应考虑动汽车最高车速、爬坡、满载加速等性能要求。(1)最高车速:作为电动游览车多数情况下是以中、低速行驶,因此,最高车速可以定得低些。(2)加速性能:一般来说,电动汽电动机的储备功率越高,加速性越好,但又会使电动机经常处于欠载下工作。为了不浪费能源尽可能提高电动机的使用效率,其加速性考虑到行驶工况的复杂性,如坑洼路面、坡度、满载启动加速等,这就要求电动机有一定的过载能力,能发出高于额定转矩1.5～3倍的转矩。同燃油汽车一样,设计中一般先从预期的最高车速来初步择电动机的功率,使功率大体等于、但不小于以最高车速行驶时行驶阻力功率之和。①根据燃油车发动机功率选择计算式：Pemax为电动机的最大功率（kw）； ηT为传动效率，对于驱动桥用单级主减速器的4×2汽车可取为90%；ma为汽车总质量（Kg）；g为重力加速度m/s2fr滚动阻力系数，fr其范围为0.015～0.020；V用最高车速代入。CD为空气阻力系数货车取0.80-1.00，轿车取0.30～0.35，大客车取0.60～0.70；A为正面投影面积（㎡）；vamax为高车速（km/h）。根据上式，结合实际情况，我们取ηT为0.90，ma为1000Kg，g=9.8m/s2，fr=0.015，CD为0.80，A=1.9125㎡，=20Km代入①中：可求得Pemax=3.0kw3．电动机额定转速(或额定频率)的选择额定功率相同的电动机,额定转速高时,其体积小、重量轻、价格低、效率功率因数也较高,且从整车性能来说既可减少实际运行过程中的机械损耗,也可控制系统提供较大的调速范围,因此电动机转速越高越有利。但在汽车的行驶速度一定时,电动机的额定转速越高,则传动速比大,有可能加大主减速器的速比和尺寸。而在此车中，我们是将电机的输出直接引入后桥主减速器上的。最高时速选为20km。综合考虑以上因素，结合电机的速度范围，我们取电机的额定转速取为1500r/min左右。结合以上几点，我们选取XQ-3.0-1H。其主要参数表3：XQ-3.0-1H主要参数型号XQ-3.0-1H额定转速1500r/min重量56Kg额定功率3.0kw励磁方式串励防护形式IP20额定电压48V机座外径242mm额定电流139A二、电动机调速器的选择电动机调速控制装置是为电动汽车的变速和方向变换等设置的，其作用是控制电动机的电压或电流，完成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。早期的电动汽车上，直流电动机的调速采用串接电阻或改变电动机磁场线圈的匝数来实现。因其调速是有级的，且会产生附加的能量消耗或使用电动机的结构复杂，现在已很少采用。目前电动汽车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均匀地改变电动机的端电压，控制电动机的电流，来实现电动机的无级调速。在电子电力技术的不断发展中，它也逐渐被其他电力晶体管（如GTO、MOSFET、BTR及IGBT等）斩波调速装置所取代。在选择调速器时首先要考虑满足电动机功率的要求,此外,还要考虑调速器能根据整车的行驶要求,按照预定的调速逻辑对电动机进行控制。通过在网上查阅各种控制器的资料最后我们选择了山东火云公司生产的调速器，火云公司系列直流电机斩波调速器采用电动车专用控制电路和国际上先进的SMD工艺制成，能使电机运行更加平稳，减少电机和蓄电池发热，延长电机和蓄电池的使用寿命，高效节能，性能稳定可靠，应用范围广，适应性强。其主电路基板为本公司独家研制生产的陶瓷覆铜板（DCB），导电性、绝缘性和耐久性国际领先。产品选用模块封装，将主电路与斩波调速控制电路集成在一起，体积小，安装方便；封装材料防潮、抗老化；外型美观、精巧。其主要技术参数如下：表7.4DC-C型调速器参数型号额定工作电压额定工作电流瞬时最大电流适用电机DC-C48（V）80（A）500（A）1500～3000（W）三、蓄电池的选择选择蓄电池时,所选择的蓄电池、电动机及控制系统必须合理匹配,电动汽车才能获得高的性能与效率，同时使汽车更具经济性。蓄电池参数的选择主要包括蓄电池类型、蓄电池电压与蓄电池容量这三方面。在选择时主要考虑以下几点：（1）不同类型的蓄电池其性能价格比都不一样,选用何种类型的蓄电池,既要考虑改装后车辆的动力性指标,也要考虑其价格因素。目前,一些高能电池如镍氢电池、锂电池、燃料电池等,由于其价格昂贵,不适合我国的国情,而铅酸电池由于其技术较成熟,比功率也较大,且价格便宜,因此在我国比较普及,用得较多。（2）蓄电池的电压高些,在一定功率条件下,电流较小,从而可以减少线路的功率损失。但另一方面受安全性影响和电子元件性能的限制,电压也不宜太高,一般在240V以下。（3）蓄电池的类型一定后,其容量随蓄电池质量的增加而增加,从而可使续驶里程也增加,但蓄电池质量的增加又受汽车的空间结构及底盘承载能力的限制,故蓄电池的容量也不宜太大。在选型进行之前，必须对整车功率进行计算：=2.5（Kw）根据电池的放电规律，电池的标准放电时间一般为5小时。因此我们的连续行驶时间也为5小时。=5×2.5=12.5（Kw）综合考虑以上几点，并通过上网查阅各蓄电池生产厂家的资料我们最后选择了镇江通达蓄电池厂生产的电池，其主要参数如下。表7.53-DG-170蓄电池参数型号5小时额定容量（Ah）最大外型尺寸参考质量容量材料极柱数量单体电池电压长宽高总高无液（Kg）带液（Kg）LWHH3-DG-1701702451902752882028PP26（V）至于电池单体的个数可由下式确定：取整为Z=8。第四章车架设计一、车架总体设计前的注意事项1．车架总体设计要求电动游览车是以我国一款成熟的电动游览车为原型车的基础上进行改制设计的。首先,按照汽车车身设计的一般原则确定汽车车身的基本参数,包括总长,总宽,总高,轴距,离地间隙,接近角、离去角等,并初步画出汽车的外形草图,如图下所示。在确定汽车的基本参数和外形特征时，由于要最大可能借用原型车的零部件,如前后悬架、转向系统、制动系统、仪表板、座椅等，所以充分考虑了原型车的基本参数和外形，基本做到各种参数与原型车的相同或相近，然后，在草图上进行初步布置。燃料电池汽车的各个动力总成部件被分别布置在车架的后部。在进行这些部件布置时,由于蓄电池和燃料电池堆被分别安装于座椅下方,发现如果按照原型车的空间进行布置时，燃料电池汽车车架的最小离地间隙过小将无法满足法规的要求,经讨论研究决定将车身骨架适当的抬高,然后在车架设置铁篮用以放置燃料电池,以满足总成的布置空间要求。2．功能性和工艺性的要求在设计车架的钢管件的形状和连接时必须根据车架的功能性和生产的工艺性来设计，同时还要尽量使设计的车架造型美观。在功能性方面需要注意如下几点：1）车身的关键定位点，如前、后悬架与汽车车身的连接点，转向器与车身的连接点，必须确保与原型车一致，不得任意变动。车架取消了副车架，悬架下摆臂直接用支架安装在车架上，前悬架与车架的连接采用碗状结构，后悬架与车架的连接处采用槽钢连接，可以较好地保证安装精度。2）车架的外形设计不得与汽车运动部件的运动相干涉。如前后轮胎的跳动，前轮转向，转向杆的运动等。在设计中参考了原车的轮包的位置，车架梁不应与原车轮干涉。同时也要尽量避开转向器拉杆和汽车传动轴的运动位置。3）车架的纵梁和横梁的位置布置应满足燃料电总成的安装要求。且尽量保证各个总成的安装方便可靠。如在电动机的安装位置布置电动机横梁，车架底部纵梁的间隙与蓄电池组和燃料电池堆的宽度相适应以利于这些部件的安装。工艺性方面需要注意如下几点：1）在设计钢管的走向时，尽量避免了小半径的圆弧和过多的折线；尽量采用平面曲线，避免空间曲线；曲线部分应保证圆滑过渡，管路尽量垂直相交。小半径的圆弧将造成钢管过分拉伸和褶皱，易出现应力集中和裂纹。2）在满足结构强度的情况下，尽量减少汽车车架钢管的数量和钢管的壁厚，以减轻汽车车架的总体质量。3）在钢管的接头上，应避免多根钢管焊接于同一点，造成焊接施工的不便。有些焊接点在内部的，焊接处周围应留有适当的空间使焊枪能够伸入作业。3．车架设计的基本原则车架是车辆的骨架，是车辆上用以安装和固定各主要总成、零部件、乘客、专用设备及装置的主要承载件。车架在其使用过程中，不仅要承受由悬架系统所产生的各种反力的作用，而且要承受车辆行驶过程中所产生的各种动载荷的作用，因此，车架还是一个受力很大且受载情况十分复杂的部件。车架设计的基本原则是：1）具有足够的强度，车架的主要零部件不受应力而破坏。2）具有足够的抗弯刚度。最大弯曲挠度应小于10mm，以免车架上的总成因变形过大而早期损坏。3）车架要有合适的扭转刚度，一般两端的扭转刚度大些，而中间小些。4）车架的自身总量要轻。一般应在汽车整备质量的10%左右。二、车架结构设计和材料选择1．纵梁的结构设计（1）纵梁为车架的主要承载零件，在汽车行驶当中受较大的弯曲应力。因此，本车架纵梁采用两根抗弯性能较好的平直梁结构,长度3100mm,高度170mm,宽度734mm。（2）纵梁的截面为槽形。槽形便于批量生产和加工，有利于等强度设计，强度和刚度也能满足。矩形易保证强度和刚度，但不便加工，不便与横梁连接，且不易做到等强度设计。故采用槽形截面。槽形断面如图所示，高63mm，宽40mm，厚7.5mm。在查询了国内外已完成的车架的资料，结合本车架结构和承载的特点，初步确定采用6.3材料为16Mn的槽钢。图8.22．横梁的结构设计横梁的主要作用是连接左右两根纵梁成一完整的框架，保证车架有足够的扭转刚度。一般车架的刚度是两端大，中间小。（1）车架前部的横梁布置由于本车架前部装有前覆盖件和转向机构，因此为了保证驾驶室在汽车行驶当中不致扭坏，转向系统不致由于车架的挠曲变形而影响转向特性和操纵稳定性。因此在前端布置了两根抗弯强度较大的槽形梁（即第一横梁和第二横梁）。第二横梁采用整体贯穿式,槽形断面高63mm、宽40mm,采用厚7.5mm的16Mn槽钢，第一横梁开有保险杠安装孔。（2）车架后部横梁布置由于本车的电池放在后轮前部的车架上，固在车架的中后部布置了两根横梁，横梁上焊有吊儿，用于安装电池。该车后钢板弹簧为平衡悬架，悬架支座只与大梁的侧翼面连接。为了保证汽车操作稳定，减少轴转向，提高侧倾的稳定性，这一部分设计刚性也应较大。电机的质量较重，固在车架后部布置了一根横梁，梁上开有螺纹孔，用于加固电机。在车架尾部布置了一根槽型梁，用于安装车的后地板。（3）车架中部横梁布置由于车架前部和后部的弯曲、扭转刚度均较大，因此车架的变形（弯曲、扭转）均集中在中部，这一段应允许有一定的挠曲变形来避免车架的早期损坏。因此，布置了两根跨度较大的槽型梁。3．加强梁的布置（1）车架中部（即前悬后支架到平衡悬架支架之间）所受弯矩、扭矩最大，而且还是水平方向弯曲最大的部位。因此在这一区域应加加强梁，由于下翼板所受弯曲应力较大，因此，加强板梁在纵梁内侧紧贴下翼板，为了避免下翼板由于钻孔而导致抗弯强度下降，除与后加强板重叠部位，该加强梁与纵梁连接。4．纵梁与横梁的连接纵梁与横梁的连接方式有主要有两种，一为铆接，二为焊接。为了简化车架，采用焊接。如图所示：5．注意开孔对车架的影响要尽量避免在高应力区和车架上翼缘自由端附近开孔。第五章覆盖件与座椅的设计一：概述1.前言社会不断的向前发展，对与物质文明的享受有非常大的提高，所以在设计覆盖件与座椅的同时就要充分的考虑人机关系，当然人的审美观念也发生了，所以设计时也要适应社会的变化。本车是电动游览车，如果它颜色造型很自然得体。那么会给整个过程带来一中美的效果，本着这样的原则设计了覆盖件与座椅，覆盖件与座椅技术美学设计的目的是，使覆盖件与座椅的骨架结构、造型风格、内外装饰和整体造型与人的心理需要相协调，与自然美融为一体。

覆盖件与座椅是整机的重要组成部分，其造型美和外观美对整机的外在形象影响很大。在设计覆盖件与座椅时，首先要注意造型结构设计与功能之间的协调统一，在符合结构、使用和工艺要求的前提下，使外形给人以美观协调的感觉；同时要注意整体性要求，即覆盖件与座椅与整机的整体观念，注意整机的侧向视觉效果和立面造型的协调，覆盖件与座椅与整机的外部轮廓应自然沟通成形；另外还要注意涂装工艺和色彩设计符合美学的要求。

2.设计的要求人们心理上的美感是最高、最复杂的一种感觉美，很难对其进行量化评价。工程设计人员只有加强修养，在设计过程中把人们的心理美感与产品的造型美统一在大多数人所能理解和接受的范围之内，才能使技术美学在产品设计中得到完美的体现：

1）技术美学与覆盖件与座椅的造型与结构设计

覆盖件与座椅的造型与结构设计的主要要求是：安全、舒适、外形美观、结构合理、操作方便，符合人机工程学原理，其技术美学设计主要体现在以下几个方面。

２）外形线条

传统的覆盖件与座椅的外形线条是直线加棱角，由于直线形结构具有工艺简单的特点，因而在我国早前获得广泛的应用。但单纯的直线线条不符合人们的审美要求，圆弧和曲面更能体现自然美的特点。异型管弯曲成形的圆弧框架结构，给人以线条流畅、自然、美观的感觉。金属薄板件压延成形、模具成形、无骨架双层板拼焊的圆弧，以及曲面流线造型，具有精美、流畅、自然等优点。3）强度和刚度

强度和刚度严重制约技术美学的充分发挥，如果覆盖件与座椅的强度和刚度不够，不但影响其密封性能，也会因结构件产生弯扭变形而影响造型美观。覆盖件与座椅的主体强度和刚度可通过对结构件进行强度校核、刚度校核和利用计算机进行有限元分析确定。

5）生产条件和工艺

现代科学技术和数字技术的广泛应用为覆盖件与座椅的技术美学设计提供了可靠的技术支持和保障。采用数控弯管机弯曲成形工艺，可使异型无缝管形成结构强度好、造型美观的圆弧；智能化的数控激光切割机下料，数控折弯机成形制造工艺，可制造出各种优美的曲面。在结构件拼焊方面由机器人焊接代替传统的人工焊接，可以使焊缝均匀规则，体现完美的设计要求。

另外，覆盖件与座椅总成的概念也在日臻完善。国际上有多家生产厂商已经形成了包括覆盖件的结构总成、电气仪表总成、操纵装置总成、座椅和仪表盘支架总成及舒适软化的汽车内部装饰的配套生产体系。3.技术美学与覆盖件的涂覆设计

驾驶室的涂覆设计与覆盖件的造型结构设计一样，也是覆盖件技术美学的一大分支。内外表面的涂覆设计和色彩设计虽然只占覆盖件制造工序中很小一部分，但是对于汽车形象的认知印象却起到很重要的作用，在某种程度上汽车表层的涂覆及色彩的搭配直接影响着产品的形象和生命力。

1）涂装工艺

表面处理、喷涂与干燥是汽车覆盖件涂装的三大工序。表面处理主要包括表面清洗、刮腻子等工序，刮腻子与技工的技巧、经验有关，要选派技术熟练的工人，严格按程序操作程序去完成。喷涂质量不仅与技工的操作技巧有关，新设备、新技术的采用对提高喷涂质量也有着积极作用。国内传统的用压缩空气来完成喷涂工序难以保证质量，主要因为压缩空气中的残余水分、油雾和尘埃对产品质量影响很大。德国KurjSchmidt公司生产的真空热喷涂装置，喷涂质量就非常高。专用喷漆烤漆房对提高机件的干燥质量也非常有帮助二、座椅设计座椅设计糅合了人体工程学的概念。有系统分布的拨杆和踏板，一目了然的仪表板，使汽车的操作更容易、更安全。力至优的汽车视野佳、操控容易、设有舒适的座垫、可调校的驾驶椅、低车身设计使上/下车更方便。以上各优点使操作员更舒适，减少开车的疲劳，提高安全性及工作效率。1H点和R点的选取H点和R点分别是驾驶座椅内尺寸布置和测量的基础。跨点H指座椅调整至最后最下位置时乘员乘坐在座椅上大腿与躯干相连的旋转点，按标准规定的方法和程序用H点测量模型测得。座倚参考点R点是设计时的确定点，其意义与H点是一致的，区别在于点是设计时事先按经验确定的，而H点是实物测量得到的。H点应落入以R点的中心、水平边30mm，垂直边20mm的方框中（靠背角与设计值相差不大雨）,否则应修正设计。2眼椭圆眼椭圆是数量男女驾驶员眼睛位置的分布范围，呈两个椭圆体形状，眼椭圆的大小因包含驾驶员数量（百分比）的不同而不同。一般用90%驾驶员数量的眼椭圆（简称902%眼椭圆）校核视野、风窗刮水器刮扫面积、除霜除雾范围及仪表反光等性能（见图）眼椭圆中心位置因座椅前后调整量亦即跨点行程而和靠背角度的不同有所变化，变化范围见表和表。眼椭圆大小（长短轴尺寸）与跨点行程和驾驶员数量（百分比）的关系，见表和见表表9.1眼椭圆中心因跨点行程引起的变化量跨点行程到X-X轴距离到Z-Z轴距离到Y-Y轴距离（左眼）到Y-Y轴距离（右眼）102+1.8-5.6-6.4+58.0114-6.4-6.4-5.6+58.0127-10.7-7.1-5.1+59.0140-17.0-7.6-4.3+59.7152-20.3-8.4-4.1+60.2165-22.9-8.4-4.1+60.5表9.2靠背角不同引起的眼椭圆中心的变化量靠背角（）水平位移（㎜）铅直位移（㎜）靠背角（）水平位移（㎜）铅直位移（㎜）5.6-186.427.623-17.54.96.0-176.527.324.0-8.72.57.0-166.627.025.0008.0-156.826.526.08.6-2.69.0-147.125.927.017.2-5.410.0-137.425.128.025.8-8.211.0-127.824.329.034.2-11.212.0-118.323.330.042.6-14.313.0-108.822.231.050.9-17.514.0-99.421.032.059.2-20.815.0-90.019.733.067.4-24.316.0-80.718.334.075.6-27.917.071.516.735.083.6-31.518.0-62.315.036.091.6-35.419.0-53.213.237.099.6-39.320.0-44.211.238.0107.5-43.321.0-26.37.240.0123.0-51.8表9.3眼椭圆长轴长度（mm）跨点行程侧视图与俯视图中长轴长度90%eq\o\ac(○,1)95%eq\o\ac(○,1)99%eq\o\ac(○,1)102109147216114122160229127135173241140147185254152155193262165160198267eq\o\ac(○,1)指驾驶座椅数量百分比。表9.4眼椭圆短轴长度（mm）侧视图与俯视图中短轴长度90%eq\o\ac(○,1)95%eq\o\ac(○,1)99%eq\o\ac(○,1)侧视图7786122俯视图82105145eq\o\ac(○,1)指驾驶员数量百分比。3．驾驶员操作作业区及操作力驾驶员手脚的操作作业区，取决于驾驶员的约束条件（佩带二点或三点式安全带）、座椅尺寸参量及男女驾驶员的比例。经常使用的操作条件布置早操作作业区内。操作力是引起驾驶员驾驶疲劳的主要因素。操作力过大容易疲劳，过小不易分辨。按忸的手控操作力在20~50N之间。配置间距为60~90mm。4．生理与心理反应人体负担可用测量呼吸的氧气消耗量的方法，即能量代谢法来评价。振动对人体影响的规律一般是：频率不变时，能量代谢随振幅的增加而增加；振幅不变时，能量代谢在5~6时呈现峰值，反映出人对该频率的震动是不适应的。精神负担可用测量心跳、皮肤电阻（反映出汗）、呼吸等得出。疲劳程度可用闪光检查发来测量。当闪光频率逐渐增加到变成连续光的一瞬间，称为临界闪光频率。随着疲劳程度的增加，临界闪光频率降低。疲劳程度以作业前后临界闪光频率的比值来衡量。5．内部座椅布置尺寸根据人机工程学以及设计积累的经验，并遵照有关的标准，在图1和表5中给出了驾驶室尺寸布置表9.5符号内容货车和客车轿车A室内肩部宽度单人座≥850≥1016双人座≥1250三人座≥1650轻型货车≥1650BR点至踵点水平距离550~900CR点至前围水平距离≥950DR点至顶盖内面高（沿躯干线量取）≥950轻型货车≥910850~970ER点至地板高370±130300~380F座椅上下最小调整范围±20，±35较好轻型货车可不调±20~±35微型和普通级轿车可不调G座椅前后最小调整范围100，140较好140~160H座垫深度440±60430~480I座垫与靠背宽度≥450480~550N转向盘外缘至前、下障碍物的距离≥80TR点距仪表板的水平距离≥500S仪表板下缘至地面距离≥540B1座椅中心面至前门支柱内侧距离360±30轻型客、货车≥310E1转向盘外缘至侧面障碍物距离≥100轻型客、货车≥80Q车门打开时下部通道宽度≥250U车门打开时上部通道宽度≥650V离合器踏板中心至侧壁距离≥80X离合器踏板纵向中心面至制动踏板纵向中心面距离≥110Y制动踏板纵向中心面至通过加速踏板中心纵向中心面的距离≥100Z加速踏板中心纵向中心面至最近障碍物的距离≥60A1离合器踏板纵向中心面至转向柱纵向中心面的距离50~150D1制动踏板纵向中心面至转向柱纵向中心面距离50~150C1转向柱中心对座椅中心面的偏移量≤40λ转向盘平面与汽车对称平面的夹角（O）变速杆和手制动器受柄在任意位置距离室内其他零件的距离90±5F1变速杆和手制动器受柄在任意位置距离室内其他零件的距离转向盘直径≥50G1转向盘直径水平视角（O）400~500300~420φ水平视角（O）≥180L1前后排座位跨点距离≥680750~900ω上视角（O）≥12≥15ε下视角（O）≥12≥15P靠背高度520±70对于带头枕的整体式靠背，此尺寸可增加，但增加部分的宽度应减小480~560α坐垫上表面与水平夹角（O）2~106~20β靠背与坐垫夹角（臀角）（O）90~115105~130γ靠背与坐垫夹角（背角（O）5~28θ足角（O）87~95105~130WR点至离合器和制动器踏板中心在座椅纵向中心平面上的距离750~850对于助力踏板，此尺寸的增加不大于100J离合器、制动器踏板行程≤200K转向盘下缘至坐垫上表面的距离≥160L转向盘后缘距靠背距离≥350350~400M转向盘下缘至离合器和制动踏板中心在转向柱中心平面上距离≥600图9.1车身内部的布置尺寸机器造型的宜人性设计汽车车客座椅的主要空间尺寸参数/mm代号尺寸参数名称短途车中途车长途车α靠背与坐垫之间的夹角β坐垫一水平面的夹角—D座椅的有效深度420—450420450420450H座椅高度480450440E靠背高度530--560530-560530-560坐垫宽度440-450470--480490--550靠背宽度440-450470--480490--550F扶手高度230--240230--240230--240K前后座椅间距650--700720--760750--800L后椅坐垫前缘至前椅背面的最小距离260270280M后椅坐垫前缘至前椅后脚下端的距离550560580N后椅前脚至前椅后脚的水平距离大于300大于300大于300P坐垫上平面与车顶内壁间的距离1300--15001300--1500950--1000根据经验，我α取，H取380mm，F取210mm，K取680mm，M取550mm，N取380mm。第六章驱动控制系统与系统硬件设计电动汽车对驱动控制系统的基本要求电动汽车通过电机控制器驱动电机，电机将电能转换为机械能来驱动汽车。电动汽车对驱动控制系统的基本要求如下:(1)足够大的起动转矩，以满足电动汽车快速启动、加速、爬坡、频繁启/停的要求，通常电机的过载系数应达3-4.(2)电机的调速范围大，一般在25%^'100%最大转速范围内，近似有小转矩、恒功率的输出特性，满足电动汽车最高车速和公路巡航行驶工况的要求。(3)比功率大，以最大功率计时，一般应达(1~1.25)kw/kg.(4)具有良好的效率特性，在较宽的转速/转矩范围内，获得最优的效率，提高一次充电后的持续行驶里程，一般要求在典型的驾驶循环区，获得85%——93%的效率。(5)再生制动时的能量回收率高。(6)快速的转矩响应特性，在各种车速范围内能快速而柔和地控制驱动和制动转矩;在多电机系统中，要求电机可控性高、稳态精度和动态特性好。(7)具有良好的环境适应性，在不同的工作条件下能可靠地工作。(8)单位功率系统成本低，目前电气驱动系统的成本约为$10/kw,其目标要达到$4/kw.(9)维护简单，工作噪声低。驱动电动机的控制策略由于感应电动机直轴和交轴的磁祸合作用，导致其动态模型高度非线性，使得感应电动机的控制比直流电动机要复杂得多。为了实现感应电动机的理想控制，许多新的控制方法被应用到电动汽车的感应电动机驱动中来。(1)变压变频控制变频变压控制方法在基频以下用恒压恒频控制，基频以上用变频恒压控制。由于变压变频控制方法具有气隙磁通偏移和延时响应等缺点，在高性能电动汽车驱动中很少使用这种方法。（2)矢量控制为了改善电动汽车感应驱动电动机的动态特性，应优先选择磁场定向(FOC)而不是VVVF控制。通过使用FOC控制，把静态参考坐标系变换为同步旋转坐标系下的新数学模型，使电动机各电磁学参量均用标量表示。当同步旋转坐标轴与转子磁链方向一致，与转子磁链同步旋转时，就是我们通常所说的转子磁场定向控制。转子磁场定向控制是磁场定向控制策略中的最佳选择，也是目前应用最多的一种。矢量控制方式类似直流电机的控制，控制方法简单，动态响应速度快，具有较好的控制效果。自FOC问世以来，出现了许多实现FOC的方法，这些方法基本上分为两类:直接FOC和间接FOC。直接FOC需要直接测量转子磁通，增加了实施的复杂性和低速测量时的不可靠性，因此很少用于电动汽车的驱动。间接FOC是用计算代替直接测量决定转子磁通，间接FOC比直接FOC更容易实现，因此，间接FOC在高性能电动汽车驱动中的应用具有更好的前景。(3)自适应控制间接FOC控制中，由于转子时间常数随工作温度和磁饱和度的变化会发生很大变化，导致FOC控制性能变差。为解决这一问题，人们研究出一种模型参考自适应控制(MRAC)算法用于电动汽车感应电动机驱动的FOC控制。其原理是:首先，建立满足电动机驱动动态要求的参考模型，通常把参考模型设计成一个优化系统;然后为使电动机驱动系统由于超时工作而引起参数变化时仍能跟踪参考模型，系统引入自适应机制，自适应机制的主要作用是自动和渐进地消除电动机驱动系统和参考模型之间的误差。(4)滑模控制滑模控制是一种响应快、鲁棒性强、设计简单且易于实现的控制方法。滑模控制也被引入来确保FOC，它们都是以FOC机构的数学模型为基础。然而，系统在超时工作引起转子参数发生变化很大时，就可能违反了解祸条件，电动机不能再用二阶模型，而应用一个五阶模型来描述。尽管滑模控制的鲁棒性强，但电动机模型的改变对其影响很大，这些方法就不能很好地使用了。最近，也有人提出一种新型滑模控制方法，用于电动汽车感应电动机在高温、高磁饱和时驱动。(5)效率优化控制感应电动机驱动采用传统地FOC，控制电流的励磁分量在恒功率区负载的变化时基本保持不变。大部分运行条件下，它的铁心损耗没有铜耗明显，因此，传统的FOC能提供最大的单位安培转矩。但是轻载运行时，铁耗与铜耗相当，会使效率很低。电动汽车载运行过程中，由于车载能量有限、负载和速度变化范围大，电动汽车电动机驱动系统的效率应在整个运行区优化，效率优化控制便是为解决这一问题而产生。它主要是针对效率函数进行最优化，来确定转矩分量和励磁分量之比，从而实现优化控制目的。使用效率优化FOC，驱动系统的效率提高大约17%.(6)变极控制改变感应驱动电动机的极对数可调节旋转磁场的同步转速。鼠笼电动机比绕线式电动机优点多，能自动使转子的极数适合定子的极数。早期，变极控制又机械接触器来实现，获得不连续的两、三个转速。随着功率电子和控制技术的发展，变极控制能用电子控制的方式来实现。从电动汽车驱动电动机的各种控制策略来看，矢量控制技术是目前应用最广、最受人们青睐的，也是其它复杂控制策略的核心技术，所以本文将研究重心放在了驱动电动机的矢量控制技术上。驱动电动机的矢量控制技术矢量控制I'll(VC)是1971年由西德FelixBlaschke等人首先提出来的。这种原理的基本思想是:考虑到异步电动机是一个多变量、强祸合、非线性的时变系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但如果以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标系，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，分别进行控制;其基本出发点是:一个三相交流的磁场系统和一个旋转体上的直流磁场系统，通过两相交流作为过渡，可以互相进行等效变换。所以，如果将用于控制交流调速的给定信号变换成类似于直流电动机磁场系统的控制信号，也就是说，假想由两个互相垂直的直流绕组同处于一个旋转体上，两个绕组中分别独立地通入由给定信号分解而得的励磁电流信号和转矩电流信号，并将它们作为基本控制信号，通过等效变换，可以得到与基本控制信号等效的三相交流控制信号，用它们去控制逆变电路。同样，对于电动机在运行过程中系统的三相交流数据，又可以等效变换成两个互相垂直的直流信号，反馈到控制端，用来修正基本控制信号。在进行控制时，可以和直流电动机一样，使其中一个磁场电流不变，而控制另一个转矩电流，从而获得和直流电动机类似的控制效果。矢量控制技术中，对异步电动机的数学模型首先作如下假设:a)忽略空间谐波，假设三相绕组对称，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布;b)忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是线性的，忽略铁芯损耗;c)忽略磁滞及涡流等因素的影响，不计电机铁芯和导线的集肤效应。无论异步电动机转子是绕线式还是鼠笼式的，都将其等效成绕线转子，并折算到定子侧，折算后的每相匝数都相等。转子为对称的多相绕组，转子每相均在气隙中产生正弦分布的磁势及磁密。矢量控制的基本原理可以用图5.1来加以说明。将给定信号分解成两个互相垂直而独立的直流信号1矿、矿，通过Park逆变换将其变换成两相交流信号ia,ie.，然后经过Clarke逆变换，得到三相交流的控制信号iA,iB,ic，去控制逆变电路。感应电动机内的磁场是由定子、转子三相绕组的磁势(或磁动势)产生的，根据电动机旋转磁场理论可以知道，向对称的三相绕组中通以对称的三相正弦电流时，就会产生合成磁动势，它是一个在空间以一定速度旋转的空间矢量。如果用磁势或电流空间矢量来描述三相磁场、两相磁场和旋转直流磁场，并对它们进行坐标变换，就称为矢量坐标变换。矢量坐标变换必须要遵循以下原则:应遵循变换前后电流所产生的旋转磁场等效;应遵循变换前后两个系统的电动机功率不变。Clarke变换是将感应电动机定、转子变量分别由与各自绕组相对静止的三相坐标系中变换到两相直角坐标系中，也即将定、转子均为三相绕组的电动机变成定、转子均为两相绕组的电动机。定子绕组的Clarke变换如图5.2所示为定子三相电动机绕组A,B,C的磁势矢量和两相电动机绕组a,b的磁势矢量的空间位置关系。其中选定A轴与a轴重合。普通直流电机的脉宽调制20世纪90年代前开发的电动汽车通常采用直流电机驱动系统。直流驱动系统有成本低、易于平滑调速、控制器简单、控制相对成熟等优点。但由于直流电机在运行过程中需要电刷和机械换向器换向，效率和转速均低于交流感应电机。直流电机可以用作电动机，也可以用作发电机。当电动汽车在起动、加速和恒速运行时，电机处于电动状态，实现电能到机械能的变换，驱动车辆前进。当电动汽车减速或制动时，要求直流电机处在发电制动状态，即处于再生制动状态，给蓄电池充电，实现机械能到电能的转换。电动汽车直流电机驱动系统中的直流电机通常采用串励电机和他励电机。当电动汽车制动和减速时，一般采用再生制动。再生制动是利用直流电机可以从电动机运行状态平滑地转换到发电机运行状态这一特性。此时，电机转矩方向与转速方向相反，电机吸收机械能，把机械能转化为电能储存起来，可节省能量。直流电机的控制器采用的是斩波控制器(又称电压斩波器)，它是直流电源和负载电机之间的一个周期性通断的开关控制装置，它的作用是通过改变供给直流电机的电压，来控制电机的转速和转矩。在调节电枢电压的直流调速系统中，为了获得可调的直流电压，也可利用电力电子元件的可控性能，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成极性可变大小可调的直流电压，用于实现直流电动机电枢端电压的平滑调节，构成直流脉宽调速系统。其主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。脉宽调制器内一般使用全控电力晶体管作为可控电子元件。当其接通时，直流电流给电动机供电;当其断开时，电流被切断，电机的储能经二极管续流，电枢两端电压接近为零。如果其按照某固定频率开闭而改变周期内的接通时间时，控制脉冲宽度相应改变，从而改变了电动机两端平均电压，达到调速的目的〔们。一般的八位或十六位单片机就可满足控制要求。系统硬件设计驱动控制系统整体结构驱动控制系统的主要任务是采集与电机运行相关的控制输入信号，如档位信号、危险限制信号、加速踏板、刹车等，以及部分运行参数，如电机的转速和温度、功率器件的温度、回路的电压和电流信号等，通过采用合理的控制算法处理这些信号，调节控制主回路接触器以及驱动单元中功率元件(工GBT)的通断来实现对汽车运行方向、速度的调节、以及刹车制动过程中的能量回收控制。本次系统设计的驱动电机为45千瓦直流他励电动机，驱动电源为北京世纪千网公司提供的水平铅布蓄电池组。每节蓄电池额定电压为12伏，共有18节电池串联。电池组最高电压为230伏，一般放电至180伏后即应停止，否则有损害电池的危险。强电回路的通断由五个接触器完成，其中两个(E1,E4)用于主回路，分别接在电源的正负两极，两个(E2.E3)用于励磁电流的换向，一个(E5)用于电枢电流的通断。控制系统的微处理器采用8OC196KC单片机，它的主频可运行到20MHZ，具有丰富的外部接口资源与较高的可靠性。鉴于逻辑处理(强电回路接触器控制)的特殊重要性，本系统采用了可编程逻辑处理器件(XC9572)与处理器管理相结合的工作模式以实现安全逻辑控制，这样一方面消除了单片机程序跑飞的潜在危险(当然较少出现，但对安全威胁极大，不能允许)，同时能方便的实现逻辑的在系统更改。系统的整体结构框图与强电回路结构框图分别如图6.1——6.2所示6.1整体结构框图6.2电回路结构框图控制单元硬件设计1）嵌入式微处理器80C控制系统的核心芯片采用Intel公司的MCS%系列单片机80C196KC}26341MCS96系列单片机是在工业界有着广泛应用的嵌入式微处理器，具有高性能的寄存器一寄存器结构，可以很好地运用于实时控制的场合，如自动化控制、车辆控制、电机控制等。其中，80C196KC是采用CHMOS技术的高性能16位单片机，主频可运行到20MHZ，具有丰富的外部接口资源，较高的可靠性。80C196KC具有一个逻辑上完全统一的寄存器空间，可寻址范围为64K，其中0200H-1FFFH和2080H-FFFFH是用户可以自由使用的空间，其余空间主要用作中断向量、芯片配置字节、内部寄存器等。其特点如下:具有高效的指令系统;8路可编程转换时间的10或8位AID转换器;3个硬件产生的8位PWM输出(12MHz下脉冲周期为64us);高速(相对于定时器自动)输入/输出器;5个8位标准(复用)输入/输出口;18个中断向量共对应28个中断源;;16位监视定时器(Watchdogtimer);带捕捉的16位上升/下降沿计数器;512字节的寄存器(488)阵列和专用寄存器;2个16位定时器:4个16位软件定时器;1个全双工位串口(SIO);看门狗定时器:经过细致的分析与统计，发现80C196KC单片机提供了系统设计所需要的所有资源，完全能够满足本次驱动电机控制系统的设计要求。其封装的俯视图如图3-3所示。6.3SOC196KC封装图制单元开关量的输入输出在电动汽车驱动控制系统中，开关量输入输出逻辑处理主要就是根据挡位、钥匙、等输入信号的处理，来实现对接触器的合理、有效控制。逻辑处理的可靠性是十分重要的，错误动作不仅会导致运行错误，甚至会造成生命或是财产的损失。如何在保证效率的同时，确保汽车安全可靠运行，这对于逻辑控制提出了更高的要求，因此有必要对逻辑控制部分进行详细设计。系统中所涉及到的主要开关量输入有:DIO:钥匙信号;DI1挡信号;DI2:前进信号:DI3:后退信号;DI4:杀i]车信号;DI5:发电机状态信号;DI6:电枢过流信号;DI7;其他限制性输入信号。主要的开关量输出有:DOD:主回路通断接触器;DO1:电枢回路通断接触器;D02:励磁正向接通接触器;D03:励磁反向接通接触器:D04:过流报警:D05:刹车报警;D06:其他限制性输入报警;D07:预留。由于逻辑处理的特殊重要性，在逻辑处理的过程中采用了光电隔离等抗干扰措施。在本次系统设计中，采用的是东芝公司的TLP-4光电祸合管。在数字量传输的过程中，为了避免可能出现的悬浮状态，也就是说处理器不能够辨别电平是高是低的状态，而在不同的场合分别使用了上拉和下拉电阻。输出数字量所控制的接触器的线圈电阻为75欧姆或200欧姆，而要求的驱动电压为48伏，因而在这些控制量进入接触器前，用BD237三极管进行了电压和电流的放大，以保证接触器触点的稳定吸合。整个逻辑处理部分的信号流向示意图如图6-46.4逻辑信号示意图模拟量的输入输出本次系统设计所涉及到的主要模拟输入量有:AIO:电池组电压;All:电池组电流;AI2:电枢电流;AI3:励磁电流;AI4:加速踏板;A15:刹车踏板;AI6:IGBT温度;AI7:预留。由于系统中存在着多种形式的模拟输入量，因此需要针对不同的信号设计不同的接口调理电路。用于电压电流测量的霍尔传感器，它将外部信号转换为电流信号，需要通过一个一阶RC并联电路将其转化为电压输出。刹车、加速踏板等信号则采用滑线变阻分压电路将其调理为0-5V范围内，以便进一步处理。热敏电阻式温度传感器的输出信号是弱电流信号，将其变换为电压信号后，还要经过一级放大电路的处理。以上信号经过初步处理后，接入到逻辑运算单元进行二级调理。二级调理的主要目的是利用输入电阻进行信号差动隔离以及简单信号变换。这些信号分别经过差动模拟加法器、差动模拟减法器、差动跟随器的处理后，就变成了单片机所需要的0-5V标准模拟输入信号。变换电路中所采用的300K的输入电阻，有效防止了电压冲击干扰对逻辑运算电路造成的损害，同时限制了输入电流，减少了传感器信号的失真程度。在电机控制系统中，最重要的输出量为三路PWM波。通过改变PWM占空比实现电枢、励磁、回馈回路运行状况的控制，调节取得驱动电机的运转状态。由于80C196KC芯片自带的3路硬件PWM发生波形频率较高，周期不可调，只能调节占空比，而工程计算的结果要求2K左右的频率，因此不直接采用自带的PWM波形发生器，而是通过3路高速输出口HSO0、HSO1、HSO2的定时中断实现2K频率的PWM占空比输出。然后通过富士公司推出的专用集成驱动模块EXB841实现对IGBT和GTR的驱动，关于该芯片的用法与实际的驱动保护电路。控制系统需要多路电源供电。除了接触器所需的48伏外，还有各种芯片与传感器所需的5，12，-12，20伏等电源。因汽车本身单独载有48伏电池组，因而采用输入电压为48伏的DC/DC电源模块来获得各种需要电源。其中，EXB841模块需要单独的20伏隔离电源，而标准直流转换模块中没有20伏的输出信号，因此我们需要在选用48/24伏DC/DC后，又采用了L7820芯片来获得标准20伏隔离输出。整个电源板实物如图串行通讯接口电路为方便系统的调试，设计了串行通讯借口电路，通过MAX232芯片将5V的单片机串口信号转换为RS232标准信号，实现与PC机串口通讯的功能如下图所示复位电路控制系统的可靠复位是系统稳定运行的保证，系统中采用MAX705进行供电电压的检测和系统复位处理，电路原理如下图所示6-7复位电路图功率驱动单元的分析与设计原有单元的分解分析整体结构原I型电动汽车的强电设计部分结构紧凑，耐压器件质量稳定可靠，因此在改进设计中尽量利用原有高压器件，并保持原有强电控制箱的结构。经过详细地分解分析，得出其强电回路结构示意图如图6-8所示。6.8原有强电回路结构框图由上图可知，强电回路接触器共有5个。其中，接触器E1接电池组正极，接触器E4接电池组负极，为主回路接触器，受同一信号控制，而接触器E2和E3为励磁回路接触器，通过两种不同的工作状态实现励磁电流的换向，E5为电枢回路接触器，它们的接触器线圈总的工作电流为1.35A。通过调节控制单元产生的PWM波的占空比，实现对功率器件的高频通断，改变电枢与励磁电流的大小，实现电机转矩与转速的变化。电枢回路6.9电枢回路原理图电枢回路原理如图3-9所示，通过控制PRXKS62455。中Q1的导通占空比，实现对电枢回路电流大小的控制。在Q1关断时，电枢回路通过PRXKS624530中的D2形成续流，减小了电机的转矩波动，使得电机运行较平稳;刹车动能的回馈也可以利用这一回路实现。刹车时，保持电机的有效励磁，这时电机工作在发电机状态，向外输出能量，通过控制PRXKS624530中Q2导通，在电机中产生反向电流，当关断Q2时，电机可以通过D1、电池形成续流，此时的电流与电动机状态的电流相反，形成对电池的反充电。要实现有效的能量回馈，关键在于根据转速有效的控制Q2的导通占空比，在保证电流处于安全范围内的同时实现动能较大限度的回收，这一问题的实现目前课题组还在研究中。3.3.1.3励磁回路励磁电流方向的转换设计的非常巧妙，它仅仅通过两个接触器的不同吸合状态就实现了励磁电流的变化，大大降低了软件设计的复杂性。图6-10所示为空挡状态，励磁绕组没有电流流过;当挂上前进档，就会输入相应的前进逻辑信号由此促使接触器E2接触片向上吸合，接触器E3接触片保持原态向下吸合，接触器E2的常开触点e21,e22被接触片导通，常闭触点e23,e24断开;接触器E3的常开触点e31,e32保持断开，常闭触点e33,e34保持被接触片导通，回路中电流流向为:电源"+"--e32-e22e21一经过励磁线圈、e31e33--e34-电源“一”，励磁绕组线圈电流从左至右。当挂上倒车档，倒车档的后退逻辑信号会使接触器E2接触片回落到初态向下吸合，接触器E3接触片保持向上吸合。接触器E2的常开触点e21,e22保持断开，常闭触点e23,e24保持导通，接触器E3的常开触点e31,e32被接触片导通，常闭触点e33,e3被断开，回路中电流流向为:电源"+--e32-e31~经过励磁线圈-e21-一e23-e24，e34-源“-，励磁绕组线圈电流顺利实现反向。如果E2,E3接触器由于控制逻辑的错误而全部接通时，励磁回路则处于断开状态，这就保证了励磁电路的相对安全，并且避免了由于短路而造成对电池组的可能的损害。6.10励磁电路换向图功率单元的改进设计原有功率单元中，所有的功率器件均为GTR。在由分立元件搭接而成的原控制系统中，GTR工作良好。在改进控制系统后，可能由于电流等级匹配及最佳工作点的寻找上存在问题，频频出现烧毁GTR的现象。为此，我们把电枢回路的GTR换成了性能更为优良的新一代电力电子产品工GBT，由此带来的驱动与保护电路根本性的改变将在第四章中讲述，而励磁回路依然采用GTR。改进后的强电单元电气原理如图6-11所示。改进后的强电原理图第七章车桥设计概述驱动桥处于动力传动系末端，其基本功能是增大由传动轴或变速箱传来的转矩，并将动力合理分配给左、右驱动轮，另外还承受作用于路面和车架或车身之间的垂直力、纵向力和横向力。驱动桥一般由主减速器、差速器、车轮传动装置和驱动桥壳等组成。驱动桥设计应满足如下基本要求：所选择的主减速比应能保证汽车具有最佳的动力性和经济性。外形尺寸要小，保证有足够的离地间隙。齿轮及其它传动件工作平稳，噪声小。在各种转速和载荷下具有较高的传动效率。在保证足够的强度、刚度条件下，应力求质量小，尤其是簧下质量应尽量小，以改善汽车平顺性。与悬架导向机构运动协调，对于转向驱动桥，还应与转向机构运动相协调。结构简单，加工工艺性好，制造容易，拆装、调整方便。驱动桥的结构方案分析驱动桥的结构形式与驱动车轮的悬架形式密切相关。当车轮采用非独立悬架时，驱动桥应为非断开式（或称为整体式），即驱动桥壳是一根列界左右驱动车轮的刚性空心梁，而主减速器、差速器及车轮传动装置（由左、右半轴组成）都装在它里面。当采用独立悬架时，为保证运动协调，驱动桥应为断开式。这种驱动桥无刚性的驱动外壳，主减速器及其壳体装在车架或车身上，两侧驱动车轮则与车架或车身作弹性联系，并可彼此独立地分别相对于车架或车身作上下摆动，车轮传动装置采用万向节传动。为了防止运动干涉，应采用滑动花键轴或一种允许两轴能有适量轴向移动的万向传动机构。具有桥壳的非断开式驱动桥结构简单、制造工艺行好、成本低、工作可靠、维修调整容易，广泛应用于各种载货汽车、客车及多数的越野汽车和小轿车上。但整个驱动桥均属于簧下质量，对于汽车平顺性和降低动载荷不利。断开式驱动桥结构复杂，成本较高，但它大大地增加了离地间隙；减小了簧下质量，从而改善了行驶平顺性，提高了汽车的平均车速；减小了汽车在行驶时作用于车轮和车桥上的动载荷，提高了零部件的使用寿命；由于驱动车轮与地面的接触情况及对各种地形的适应性较好，大大增强了车轮的抗侧滑能力；与之相配合的独立悬架导向机构设计得合理，可增加汽车的不足转向效应，提高汽车的操纵稳定性。这种驱动桥在轿车和高通过性的越野车上应用相当广泛。我们这里设计的是电动游览车驱动桥，其负载较小。根据结构、成本和工艺等特点，驱动桥我们采用非断开式结构，这样，成本低，制造加工简单，成本低，便于维修。主减速器设计1.主减速器结构方案分析（1）齿轮形式主减速器的结构形式主要是根据齿轮类型、减速形式的不同而不同。主减速器的齿轮主要有螺旋锥齿轮、双曲面齿轮、圆柱齿轮、蜗轮蜗杆等形式。这里我们采用斜齿圆柱齿轮。斜齿圆柱齿轮传动中，每对轮齿进入啮合和脱离啮合都是渐进进行的，因而传动平稳，噪声小，所以啮合方式也减小了制造误差对传动的影响。斜齿圆柱齿轮传动重合度大，可以减低了每对轮齿的载荷，从而提高了齿轮的承载能力，延长了使用寿命，并使传动平稳。另外，结构紧凑，可以减少空间。但是在工作中噪声大，对啮合精度很敏感，齿轮副锥顶稍有不吻合便会使工作条件急剧变坏，并伴随磨损增大和噪声增大。为保证齿轮副的正确啮合，必须将支承轴承预紧，提高支承刚度，增大壳体刚度。（2）减速形式主减速器的减速形式可风为单级减速、双级减速、单双级贯通、单双级减速配以轮边减速等。本车电机转速1500r/min车的最高时速为20km/min车轮的直径是509mm计算的i=7.1957。而且我们设计的电动机横置，固采用采用双级减速器。双级主减速器由两对斜齿圆柱齿轮组成，具有结构简单、质量小、成本低、使用简单等优点。2.主减速器第一级和第二级斜齿圆柱齿轮的支承方案主减速器中必须保证第一级和第二级斜齿圆柱齿轮具有良好的啮合状况，才能使它们很好的工作。齿轮的正确啮合，除于齿轮的加工质量、装配调整及轴承、主减速器壳体的刚度有关以外，还与齿轮的支承刚度密切相关。（1）第一级斜齿圆柱齿轮的支承（如下图）第一级斜齿圆柱齿轮的支承形式可分为悬臂式支承和跨臂式支承两种。悬臂式支承结构简单，支承刚度较差这里我们采用跨臂式支承支承形式。跨臂式支承支承形式结构的特点是在斜齿圆柱齿轮两端的轴上都有轴承。这样可以大大增加支承刚度，有使轴承负荷减小，齿轮啮合条件改善，因此齿轮的承载能力高于悬臂式。此外，由于齿轮大端一侧轴颈上的两个相对安装的圆锥磙子轴承之间的距离很小，可以缩短主动齿轮轴的长度，使布置更紧凑，并可以减小传动轴夹角。有利于整车的布置。其中的不足是，跨臂式支承必须在主减速器壳体上有支承手需要的轴承座，使主减速器壳体结构复杂，加工成本提高。图10.1（2）第二级斜齿圆柱齿轮的支承（如下图）第二级斜齿圆柱齿轮的支承，其支承刚度与轴承的形式、支承间的距离及轴承之间的分布比例有关。第二级斜齿圆柱齿轮多用圆锥滚子轴承支承。为了增加支承刚度，两轴承的圆锥滚子大端应向内，以减小尺寸c+d。为了使第二级斜齿圆柱齿轮背面的差速器壳体处有足够的位置设置加强肋以增强支承稳定性，c+d应不小于第二级斜齿圆柱齿轮分度圆直径的70%。为了使载荷能尽量均匀分配在两轴承上，应尽量使尺寸c等于或大于尺寸d。3.主减速器斜齿圆柱齿轮主要参数的选择主减速器斜齿圆柱齿轮的主要参数有第一级和第二级斜齿圆柱齿轮齿数、、和,第二级从动斜齿圆柱齿轮法向分度圆直径和法向模数、第一级和第二级斜齿圆柱齿轮轮面宽、螺旋角β、法向压力角等。1．第一级和第二级斜齿圆柱齿轮齿数。选择第一级和第二级斜齿圆柱齿轮齿数时应考虑如下因素：为了磨合均匀，、和、之间应避免有公约数。为了啮合平稳、噪声小和具有高的疲劳强度，对于轿车，一般不少于9；对于货车，一般不少于6。当传动比较大时，应尽量使取得少些，以便得到满意的离地间隙。对于不同的传动比，齿数应有适宜的搭