电力驱动动力挂车装置设计与分析【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 电力驱动动力挂车装置设计与分析 摘要 随着汽车挂车的不断发展，动力挂车的应用对提高汽车挂车运输效率以及运输安全的更加突出，而挂车的使用时往往会超载或上陡坡，因此除牵引车外让挂车也具有一定的动力性，这样就增加了挂车在上坡时的爬坡能力，大大加强了汽车的运输能力，同时也保证了上坡时的安全性。因此深入研究汽车挂车的动力挂车也就显得更有实际意义。 该系统使用车轮用轮毂马达，将其安装于挂车车轮，采用蓄电池为轮毂马达提供能量实现电力驱动，使挂车在上坡或超载时获得一定额外动力，在一定速度下增大爬坡角度，并保证了行驶的安全 性和可靠性。 关键字 ：动力挂车，辅助动力，电力驱动，轮毂马达买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 of of to a to s to of So of of it to be it in to up or in of 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 共 目 录 1 引言 . 1 课题研究的目的与 意义 . 1 国内发展现状 . 2 国外发展趋势 . 2 研究方法 . 3 2 未安装辅助动力系统时挂车额定载重与超载前后爬坡能力比较 . 4 车型的选择 . 4 引车的选择 . 4 挂车车型的选择 . 6 未安装辅助动力系统时汽车超载前后动力计算 . 6 定载荷时汽车原有动力及爬坡能力计算 . 6 超载后汽车动力及爬坡能力的计算 . 6 超载前后爬坡能力的比较 . 8 3 电力辅助驱动动力系统的设计 . 12 驱动方式 . 12 电动马达的选择 . 13 电动马达的验算 . 14 蓄电池的选择及使用 . 18 蓄电池的确定 . 18 充放电方式 . 18 电池的维护 . 19 电池箱的设计 . 19 参考文献 . 21 致谢 . 23 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 1页 共 23页 1 引言 课题研究的目的与意义 为了获得汽车运输的最佳运输效率和最佳的经济效益，主要途径是增加车辆的运载量、提高平均使用车速，减少车辆的停放时间。汽车单车增加运载量，因公路路面和桥涵等原因而受到单轴最大轴荷的限制。所以最有效的办法是采用汽车挂 车，尤其是采用较大吨位的汽车挂车。 汽车挂车具有运量大、运输生产率高、运输成本低等特点。欧美各国汽车挂车运输占汽车货运量 70%以上，其中只要是半挂汽车。 这些高等级公路的飞速发展，将带动适合于高等级公路运输的重型牵引车、各种半挂车快速发展。 从政策来看，国家把发展集装箱车、厢式车、特种半挂车、载重在 8 吨以上的重型货车等产品列入道路运输业发展规划纲要，并制定了一系列优惠政策。货运市场对半挂车需求的增长已成必然 。然而由于利益驱使和成本的逐渐增加，超载已经是挂车运输的必然形式，有的甚至超载百分之五十至六十，这样在 上坡或复杂路段是产生动力不足的现象。这时就需要给货车提供额外的动力，防止货车因动力不足而产生威胁。电力驱动动力挂车装置则能给挂车在爬坡时提供额外动力，防止货车停滞或溜坡，确保整车的动力性和安全性。 挂车运输能够有效节约资源。在相同的运输条件下，汽车运输效率的高低有汽载重量、技术速度和装卸的时间三个主要因素决定。道路甩挂运输让汽车运输列车化了，能提高车辆每趟次的载质量，来提高驾驶员的工作效率，避免空车行驶，免除了装载货的等候时间。 随着汽车挂车的不断发展，汽车挂车中动力挂车的应用对提高汽车挂车运输效率以及运输 安全的意义更加突出， 除牵引车外，挂车也有一定的动力性，增加了汽车的加速能力，爬坡能力，大大加强了汽车的运输能力， 深入研究汽车挂车的动力挂车也就显得更有实际意义。在动力挂车诸多驱动系统形式中，采用轮毂电机系统的动力系统形式正日益成为发展方向，而轮毂电机系统作为关键总成成为汽车助力领域的研究重点和研究热点。动力挂车是进一步提高运输和物流效率的有效形式，对节能减排、建设环境友好型社会和资源节约型社会有重要意义。同时它更能够提高整车的动力，增加挂车行驶时的安全性，降低事故发生率。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 2页 共 23页 国内发展现状 目前我国 在动力挂车装置方面的研究和生产上几乎还是空白。 我国半挂车行业起步于 20 世纪 50 年代末期，经过 40 多年的发展，已具备一定的规模，进而成为汽车工业的一个重要组成部分。从我国挂车市场情况来看，生产基本停留在仿制阶段，创新少，满足不了社会的需求，我国半挂车生产技术要想进步需要突破两大关键 专用底盘与专用装置的开发。其中挂车助力装置就属于专用装置。 电力驱动动力挂车装置的动力来源主要是采用轮毂电机驱动形式。我国在该领域的研究相对落后，但近几年随着各高校、公司对轮边驱动系统认识的加深，也加强了对该新型驱动系统的研究 。同济大学在 2002 2005 年推出了独立研制的采用轮边驱动系统的微型电动车“春晖”系列，该车均采用四个低速永磁直流无刷轮毂电机直接驱动。哈尔滨工业大学 爱英斯电动汽车研究所研制开发的 电动汽车也采用了轮边驱动系统，轮毂电机的额定功率达到 值功率为 15圳比亚迪公司开发的四轮轮边驱动电动概念车 单个永磁同步轮毂电机功率达到 25 轮毂电动机在挂车上还没有得到应用，为了满足未来挂车助力系统的发展需要，开发高效、低成本、适用的轮边驱动系统是未来该类型挂车亟需解决的问题。 国外发展趋势 目前欧美地区的动力挂车和挂车助力装置也都处于发展初期。 国外汽车拖挂列车的编组方式是多样化的，特别是北美地区美国、加拿大等国的挂车可以互换拖挂的甩挂运输方式，最大限度地提高了牵引车及驾驶人员的工作效率，免除了到达目的地的卸货等候时间，避免了牵引车空载行驶，减低了燃油消耗和运输成本。国外在动力挂车、挂车辅助动力装置方面的研究依然处于空白，而这正适合于国外的甩挂运输方式，能有效提高挂车自身的机动性，以及上坡时为挂车提供额外动力来减轻牵引车负担。 国外对轮毂电动机的研究最早始于保时捷公司， 1910年，保时捷研制了军用陆地列车，最前面的机车装备发动机和发电机，后面的 10 辆列车利用轮毂电动机驱动。 20 世纪 50 年代，美国人罗伯特发明了电动汽车轮毂，并申请了专利。 1968 年这种轮毂被通用电器公司应用在大型矿用自卸车上。 目前国际上对轮毂式电动汽车的研究主要以日本为主。 1991年日本庆应义塾大学与东京电力公司共同开发的 4 座电动汽车 用 池为动力源，以 4 个额定功买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 3页 共 23页 率为 值功率达到 25外转子式永磁同步轮毂电机驱动，最高速可达176km/h。 2001 年，该小组又推出了以锂电 池为动力源，采用 8 个大功率交流同步轮毂电机独立驱动的电动汽车 峰值功率可达 55用自 2002 年开始推出的概念车 与此同时，各大厂商加大了对轮毂 电机 系统的研发力度，高性能的新型轮毂 电机 系统不断涌现，轮毂 电机 的门类不断丰富，性能不断提高，著名的轮毂 电机 厂商有加拿大的 国的 。 轮毂电机驱动系统是一种全新的驱动形式，具有的明显优势，已成为电动交通工具发展的一个重要方向。目前，轮毂电机已在电动自行车的应用上取得巨大成功 。可以预见，随着研究的不断深入，电机性能的不断提高，以及电池技术、动力控制系统和整车能源管理系统等相关技术的突破，轮毂电机也将在汽车上取得更大的成功。 研究方法 本次设计的基本思路是利用轮边驱动形式，在车轮内安装轮毂电动机，通过蓄电池提供能量，把电能转化为车轮的机械能，通过电动机给挂车提供额外动力，从而达到提升爬坡能力和安全性能。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 4页 共 23页 2 未安装辅助动力系统时挂车额定载重与超载前后爬坡能力比较 型的选择 引车的选择 牵引车是货车的全部动力来源，具有驱 动能力，驱动形式有 42、 62、 46，为了突出研究动力挂车的作用，现选用 42的牵引车头。 拟用大运 90马力 42牵引车，车型参数如下： 表 公告型号 4181动形式 4距 3500身长度 车身长 车身高度 车身高度 整车重量 最大总质量 18吨 牵引总质量 30吨 表 发动机型号 潍柴 缸数 6 汽缸排列 形式 直列 排量 力 290马力 最大输出功率 213矩 1160Nm 最大扭矩转速 1200文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 5页 共 23页 续表 额定转速 2200放标准 国 轮胎数 6个 轮胎规格 型号 形式 速比 额定载荷 /动效率 16吨双联驱动桥 轮边减速 6000 92% 表 变速箱型号 法士特 9速箱系列 法士特 9档系列 9变速箱档位数 9个 变速箱档位数 手动 传动系数 90% 1档传动比： 档传动比： 档传动比： 档传动比： 档传动比： 档传动比： 档传动比： 档传动比： 档传动比： 1 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 6页 共 23页 挂车车型的选择 本次设计拟选用 鲁峰栏板式半挂车（ 其参数如下： 表 公告 车型 型： 栏板式半挂车 外型尺寸 (长 宽 高 )： 10货箱 (斗、罐 )尺寸 (长 宽 高 )： 轴距： 5500+1305悬： 后轮距： 1840车重量： 6吨 额定载重： 20吨 轴数： 双轴 轴荷： 轮胎数： 8个 轮胎规格： 未安装辅助动力系统时汽车超载前后动力计算 定载荷时汽车原有动力及爬坡能力计算 坡度是指 1 挡时的最大爬坡度。由表 1知，变速器的 1 挡传动比 表 1 表 1车总质量 m=33000手册可得，牵引车轮胎直径为 d=动机最大扭矩 T=1160Nm,最大扭矩转速 n=1200 90217 N 汽车行驶方程式 f+i+ (1) 其中 Ff=fG=Fi=速度较小时可忽略风阻，由于不考虑坡道加速，故可忽略加速阻力。道路选取良好的沥青或混凝土路面，取滚动阻力系数 f=有 330000 30000= 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 7页 共 23页 解得 = ,进而可得 =(2) 另发动机转速与汽车行驶速度之间的关系式为 u=) 由图 查得的相应转速下功率和扭矩的数据 ,并结合式子 (2)、 (3)可以求得汽车在发动机不同转速时的速度 表 机外特性曲线 表 转速 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 8页 共 23页 n(r/扭矩 T（ 720 900 1030 1120 1160 1160 1160 1160 速度u(Km/h) 坡 度() 速n(r/1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 扭矩 T（ 1160 1150 1100 1050 1020 980 930 速度u(Km/h) 爬 坡 度() 由表 图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 9页 共 23页 3 4 5 6 7 8 989101112131415额定载重时爬坡度与速度关系速度 ( k m / h )爬坡角度（）图 定载重时爬坡角度与速度的关系图 超载后汽车动力及爬坡能力的计算 根据国家超 载处罚相关条例，超载超过 20%将视为严重超载，但是在实际中，超载远不止 20%，超载 100%常见现象。在本设计中，考虑到汽车的寿命和安全，设定超载 60%，即超载 12 吨，此时汽车的总质量 m=45000 按照同样的方法可求得： = 同理可以求得汽车在超载情况下发动机不同转速时汽车的速度和爬坡角度，并列于下表 表 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 10页 共 23页 转速 n(r/800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 扭矩 T（ 720 900 1030 1120 1160 1160 1160 1160 速度 u(Km/h) 坡度 () 速 n(r/1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 扭矩 T（ 1160 1150 1100 1050 1020 980 930 速度 u(Km/h) 爬坡度 () 由表 图 3 4 5 6 7 8 966 . 577 . 588 . 599 . 5101 0 . 511超载时爬坡度与速度关系速度 ( k m / h )爬坡角度（）图 载时爬坡角度与速度的关系图 超载前后爬坡能力的比较 分析图 比超载前后汽车的爬坡角度，可见超载后汽车的爬坡能力（买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 11页 共 23页 =明显不如额定载重下的爬坡能力（ =15）。由于我国公路设计的最大坡度路段为四级重丘公路，其最大纵坡为 9%（见表 即最大坡角为 但是其他等级以外的道路的坡度超过 9%的颇为常见，故在设计时，汽车的实际爬坡能力远大于 9%，尤其是货运车辆，需要行驶各种复杂的路段，所以要求货车具有足够的爬坡能力，通常最高要求达到 30%的道路坡度，即要求能爬 角度的坡。而原发动机动力显然不足，需要额外增加动力源 电动驱动辅助动力系统。 3 4 5 6 7 8 96789101112131415超载前后爬坡度与速度关系对比图速度 ( k m / h )爬坡角度（）超载后超载前图 表 路工程技术标准里的坡度表 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 12页 共 23页 公路等级 高速公路 一 二 三 四 地 平原 山岭 平原 山岭 平原 山岭 平原 山岭 平原 山岭 形 微丘 重丘 微丘 重丘 微丘 重丘 微丘 重丘 微丘 重丘 最大纵波 （） 3 电力辅助驱动动力系统的设计 驱动方式 轮毂电机的驱动方式可以分为减速驱动和直接驱动两大类。形式的不同主要取决于采用的是低速外转子还是高速内转子电动机。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 13页 共 23页 在减速驱动方式下，电机一般在高速下运行，而且对电机的其他性能没有特殊要求，因此可选用普通的内转子电机。减速机构放置在电机和车轮之间，起减速和增加转矩的作用。减速驱动的优点是：电机运行在高转速下，具有较高的比功率和效率；体积小， 重量轻，通过齿轮增力后，扭矩大，爬坡性能好；能保证汽车在低速 运行时获得较大的平稳转矩。不足之处是：难以实现液态润滑，齿轮磨损较快，使用寿命短，不易散热，噪声偏大。减速驱动方式适用于丘陵或山区，以及要求过载能力较大等场合。图 减速驱动示意图 图 直接驱动示意图 在直接驱动方式下，电机多采用外转子（即直接将转子安装载轮辋上）。为了使汽车能顺利起步，要求电机在低速时能提供大的转矩。此外，为了使汽车能够有较好的动力性，电机需具有较宽的调速范围。直接驱动的优点有：不需要减速机构，不但使得整个驱动轮结构更加简单、 紧凑，轴向尺寸也减小，而且效率进一步提高，响应速度也变快。其缺点是：起步、顶风或爬坡等承载大扭矩时需大电流，易损坏电池和永磁体；电机效率峰值区域很小，负载电流超过一定值后效率急剧下降，此方式适用于平路或负载较轻的场合。 电动马达的选择 本次设计拟定增加液压辅助动力系统后汽车的爬坡能力达到 18，在此条件下，由公式 (1)可求得汽车的行驶阻力为 F=450000（ =123218N，故需要增加牵引力为 F=123218N - 90217N=33001N。 本次拟选用永磁同步电机（ 具有与负载无关的高效率、接近 1的功率因数和宽而精的买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 14页 共 23页 调速性能等优点。所设计的电动车轮由此轮毂电机、行走减速器、控制器和车轮组成。实验数据表明电动轮行驶效率达到 95以上，车速 6右，最大牵引力 26700 动马达的验算 马达 驱动力计算公式为： F=T/r (5)其中， T 为马达扭矩，单位是 r 为挂车车轮半径，单位是 m。查表得挂车轮胎直径 =1067虑到载重后轮胎变形，取 r=以，马达最大驱动力 6700N。 由于同轴车轮需对称安装马达，所以两个马达的可以提供的驱动力为 53400N,大于所需要的 F= 33001N。 马达在最大功率时的行驶方程式为： f=入数据则有： 450000（ =90217+53400，解得 = 马达功率计算公式为 P=(6)其中 位是 位是 r/ 马达转速计算公式为 n= (7) 单位是 km/h;位是 m 由表 发动机出于最高转速 1160r/，最大速度为 h,此时，将数据代入公式（ 7）可得电动机转速为 n= n=32r/公式（ 6）可以求得，马达在 n=32r/ P 最大 =照经验，取发动机的机械效率为 T=动机的机械效率 m=当马买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 15页 共 23页 达在额定电压下工作时 有效动力功率为 P 有效 =P 额定 m， 其中 , 表 13入数据可得： P 有效 =213=266车超载时的阻力功率为 P 阻力 =(i)u，代入数据可得 P 阻力 =19739当超载时发动机与马达均在额定工作状态时，可胜任 15坡角的爬坡要求。 所以，超载情况下，发动机在额定工作状态，马达在最高工作压力下，最大可爬上18的坡。具体数据，见表 表 转速 n(r/800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 扭矩 T（ 720 900 1030 1120 1160 1160 1160 1160 速度 u(Km/h) 坡度 () 速 n(r/1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 扭矩 T（ 1160 1150 1100 1050 1020 980 930 速度 u(Km/h) 爬坡度 () 速度与爬坡角度曲线图如下图 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 16页 共 23页 3 4 5 6 7 8 913141516171819超载时助力系统最大工况下速度与爬坡度的关系曲线速度 ( k m / h )爬坡角度()图 载后 有 助力系统时爬坡度与速度关系曲线图 在额定载重时，汽车在安装了助力系统前后爬坡角度与时间关系对比见表 车在安装助力系统前后爬坡角度与时间关系对比 转速 n(r/800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 扭矩 T（ 720 900 1030 1120 1160 1160 1160 1160 速度 u(Km/h) 大 爬坡角度 () 无助力 助力最大工况时 速 n(r/1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 扭矩 T（ 1160 1150 1100 1050 1020 980 930 速度 u(Km/h) 最 大 爬坡 角 度() 无助力 有助力最大工况时 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 17页 共 23页 3 4 5 6 7 8 9810121416182022242628额定载荷下助力系统最大工况时与无助力时爬坡角度与速度关系对比图速度（ k m / h ）爬坡角度（）有助力最大工况下无助力图 载下助力系统最大工况时与无助力时爬坡度与速度关 系对比图 综上，当本设计选定的车型在超载 60%的情况下，在安装了电力驱动辅助动力系统后的最大爬坡角度为 15 18。 由于挂车额定载荷时其最大爬坡度达到 时有必要验算汽车有无翻车危险。 因为挂车与牵引车通过牵引装置连接，因此，当坡度达到一定角度时，若牵引装置有上翘趋势，则就有翻车危险，故，整个汽车可简化为如上图模型。 由表 车后悬长为 车总长 10m,额定载重时，质量为 26吨。质心高度取 悬部分质量，剩下部分质量为，当汽车要发生翻转时，轮胎 与地面为零接触， 即没有相互作用力，汽车有绕轮胎 此时有关于力矩的关系式为： 即 : ， 代入数据可得 可得 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 18页 共 23页 所以有，解得 即当坡道角度大于 本挂车在最大爬坡角度 综上，当本设计选定的车型在超载 60%的情况下，在安装了液压辅助动力系统后的最大爬坡角度为 1820。 电池的选择及使用 蓄电池的确定 电池系统是整个液压辅助动力系统的的动力来源，它的性能直接影响着这个系统效率的高低。目前可用于电动车的蓄电池 包括铅酸电池、镍 硫电池和锂离子电池等。锂离子电池采用锂碳化合物（）作负极，锂化过镀金属氧化物（）作正极，液体有机溶液或固体聚合物作电解液。锂离子电池具有电池单体电压高、比能量高和比功率高、充放电效率高及循环使用寿命长等优点。为了保证汽车行驶的动力性，要求电池系统具有较高的比能量和比功率，因此，本次设计选择动公交客车锂离子电池组 ,其布置方式采用先并后串的方式，这样有利于电池的自动均衡。该电池具有电池单体电压高、比能量高和比功率高、充放电效率高及循环使用寿 命长等优点，其参数如下表 总电压 /V 容量 /00 放电率 常用 大 大电流400A 放电深度 60% 70% 用温度 / 50 单体额定电压 /V 体额定容量 /00 充放电方式 对蓄电池的使用需注意以下几点： （ 1） 首次使用时，必须用专用充电器对电池进行 （ 2） 锂离子电池组采用恒流限压充电方式，充电电流 不大于 充电电流小于买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 19页 共 23页 2制平均每只电池电压不大于 （ 3） 电池最佳恒流放电倍率为 大的放电电流倍率在 （ 4） 当检测到个别电池电压低于平均电压时应单独为其补充电，并跟踪该电池，下次充电仍然低时要及时更换电池。 （ 5） 对充电器要求：采用定流定压涓流充电方式。 对蓄电池充电可选用以下两种充电器： 1) 正常充电充电器： 型号 大充电电压 /V 500 最大充电电流 /A 50 设定最大充电电压 /V 460 设定最大充电电流 /A 40 设定自动停充电是的电流 /A 2，延续时间 2) 快速充电充电器 : 型号 大充电电压 /V 500 最大充电电流 /A 300 电池的维护 1) 电池及电池组应在 +75环境温度下使用。 2) 任何情况下不得拧开电池上端的安全阀。 3) 储存应在半充电状态下储存。长期储存时，应定期检查电池电压，过低或零伏时应补充充电，当再次使用时，应将电池充满电之后方可使用。 4) 运输电池时，应把每个单体电池的容量留置在 30%以下。 5) 电池不得短路。 电池箱的设计 考虑到更换电池 的方便性，电池箱设计成抽屉式结构，固定于挂车底部，靠近安装电动马达的车轴附近，这样既不会产生干涉，又能使布置简单化。在每个电池箱上有一排滚轮，这样就可以迅速、轻松地完成蓄电池的检查和更换。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 20页 共 23页 电池箱箱体采用框架结构，表面焊接开有通风口的冲压板，并进行过塑处理，内部铺有绝缘缓冲材料，利用压条将电池组固定在电池箱内。电池箱的对外接线采取了特殊的设计，在电池箱上有一个插槽，在电池仓上有一个插针，当将电池箱推入电池仓内时，可以自动、可靠地实现电池的对外连接，省去了箱间接线的时间，提高了电池组的安全性和可维护性。 挂车 底部设有自动锁止装置，当电池箱推入车底时，可以可靠地将电池箱锁止，提高了行车过程中电池箱的稳定性；如果要打开电池箱，只要拉住锁止开关上的拉绳即可。电池箱采用强制通风，在底价上安装有两个风扇，并且有风道通往各个电池箱，避免了电池组温度过高造成电池损坏和以外伤害。 为了充分保证电池组的安全，在每个电池组上安装有接触器和快速熔断器，在意外情况发生时及时切断电源，保证乘客和车辆的安全。买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 21页 共 23页 参考文献 1 焦岗耀 重型汽车 ,2006(6) 2