（光学工程专业论文）基于桑塔纳lx型电动教练车总布置设计及改制.pdf

2 the layout design and remanufacture of elect learner-driven car based on santana lx a dissertation submitted for the degree of master candidate：bai zhe supervisor：prof. jian xiaoping changan university, xian, china 论文独创性声明 i 摘摘 要要 驾驶员培训行业，作为道路运输行业实施节能减排工作的重要组成部分，引入电动 汽车方案指日可待。因教练车大部分时间进行场地科目训练，档位低、车速慢的工况常 使发动机工作在高油耗、高污染区域，对周围环境造成极大危害。电动教练车的开发研 制，将对节能减排工作的开展起到关键作用。 本文研究以驾校普遍使用的桑塔纳 lx 型燃油车为原型，结合教练车的功能要求以 及电动车的结构特点，提出了一种关于电动教练车动力传动系统的结构方案。参照驾校 场地训练的相关数据，据此拟定参数并进行动力匹配计算，选择 4.2kw 串励直流电机与 72v 铅酸蓄电池作为动力源并对其布置；对电动教练车助力转向系、助力制动系、电气 系统等结构进行改制与总布置设计；依托驾校实训模式，进行了电动教练车综合性能试 验，包括动力性能试验与教练车实际运行工况试验。 本文选择电机与飞轮壳直联方式，以保证高效传动与空间紧凑布置；由电动真空助 力泵产生真空并由真空罐存储，以满足制动需要；采取安装电动液压助力转向系统的方 法，以实现助力转向功能；完成电动教练车质心估算与轴荷分配计算。结果为：质心高 度估算值比原车下降 54mm，前、后轴分配为 58:42，在误差允许范围之内，质心位置可 靠，轴荷分配合理；进行车身的纵向、横向稳定性校核。动力性能试验测得最高车速为 51.2km/h；能够完成 i=15%的坡道爬坡试验，符合初始拟定值；教练车实际运行工况试 验中，续驶里程为 62km，未达到初始拟定的续驶里程要求。原因是：教练车频繁转换工 况过快，造成电机的温升过高，进而影响续驶里程；蓄电池的不一致性带来能量自耗损。 关键词：电动教练车；动力匹配；改制；总布置设计；轴荷分配；综合性能试验 ii abstract the driver-training school, as the important element of the road transport industry that carry out the plan for energy conservation and emission reduction, is just around the corner to introduce the electric vehicle. a learner-driven car that burn fuel oil often has a low gear and snail speed, which makes the engine work in the area of high fuel consumption and pollution, and does irreversible harm to the environment. the electric learner-driven car, as yet to be developed, will play a key role in the work of energy conversation and emission reduction. combining with functional requirement of the learner-driven car and the structural features of the electric vehicle, this paper studied to set the santana lx which type was widely used in the driver-training school as the prototype, introduced a kind of power transmission. referring to the relevant data of the driving training, it made the calculation to decide the parameters of power matching then chose the series-excided dc motor which power is 4.2kw, and the lead acid battery which voltage is 72v as the power source. it reformed the body and made the layout design of the electric power steering, power braking system, electrical system of the car. based on the special mode of driving training, comprehensive performance tests were made, including the dynamic performance and endurance mileage performance. its practical conclusions as follows: the motor and the flywheel were chosen to direct connection to make sure the high efficiency and compact spatial arrangement. the electric vacuum booster pump and the vacuum tank were used to meet the need of the braking power. the paper took the method of installing the electric hydraulic steering system to realize the function of power steering. it completed the estimated calculation of the centroid and distribution of axle load. it worked out: the estimated height of centroid declined 54mm comparing with the original car; the distribution of the front and rear axles load was 58:42, which was within the allowed range. checked the longitudinal and lateral stability of the body, the position of the centroid was reliable. in the test of power performance, the max speed was 51.2km/h; it finished the climbing test which degree of climbing was15%, and fit the original design of value. in the operation condition test, the driving mileage was 62km, which did not reach the original requirement, owing to changing the condition frequently which made the motors temperature rising and the inconsistency of the battery which lost the energy. key words: electric learner-driven car, power matching, reform, layout design, distribution of axle load, comprehensive performance test iii 目目 录录 第一章 绪论 . 1 1.1 研究背景与意义 . 1 1.2 国内外电动汽车发展状况 . 2 1.2.1 国外电动汽车发展现状 . 3 1.2.2 我国电动汽车发展现状 . 4 1.2.3 电动教练车研究现状 . 5 1.3 电动汽车的特点与结构 . 7 1.3.1 特点 . 7 1.3.2 结构 . 7 1.4 本文的研究内容与技术路线 . 8 1.4.1 研究内容 . 8 1.4.2 技术路线 . 9 第二章 桑塔纳 lx 型电动教练车动力系统参数匹配 . 10 2.1 电动教练车功能要求 . 10 2.2 动力传动系统选择 . 10 2.3 动力系统匹配设计 . 11 2.3.1 动力参数的确定 . 11 2.3.2 驱动电机选择要求 . 13 2.3.3 驱动电机参数计算 . 13 2.3.4 蓄电池选择 . 15 2.3.5 蓄电池参数计算 . 16 第三章 桑塔纳 lx 型电动教练车改制 . 18 3.1 整车总体改制流程 . 18 3.2 驱动电机连接方式 . 18 3.3 助力制动系统改制 . 19 3.3.1 真空度计算 . 20 3.3.2 真空泵 . 22 3.3.3 真空罐 . 23 3.3.4 真空压力不足报警装置 . 23 3.4 转向助力系统改制 . 23 3.4.1 改制设计原则与要求 . 23 3.4.2 改制方案选择 . 24 3.5 电气系统改制 . 25 3.5.1 油门踏板机构的改制 . 25 iv 3.5.2 线路原理 . 25 第四章 桑塔纳 lx 型电动教练车总布置设计及校核 . 27 4.1 设计原则 . 27 4.2 动力传动系统布置与安装 . 27 4.3 真空助力制动系统设计与布置 . 28 4.4 蓄电池布置 . 30 4.4.1 布置原则 . 30 4.4.2 布置方案选择 . 30 4.4.3 电池架与轨道设计 . 32 4.4.4 充电方式 . 33 4.5 总布置图 . 33 4.6 轴荷分配计算 . 35 4.6.1 质心估算 . 35 4.6.2 轴荷分配计算 . 37 4.6.3 纵向与横向稳定性校核 . 39 第五章 桑塔纳 lx 型电动教练车综合性能试验 . 42 5.1 试验条件 . 42 5.1.1 环境条件 . 42 5.1.2 道路条件 . 43 5.1.3 车辆条件 . 43 5.2. 动力性能试验 . 44 5.2.1 30 分钟最高车速试验 . 44 5.2.2 最高车速试验 . 45 5.2.3 爬坡性能试验 . 45 5.2.4 坡道起步试验 . 46 5.3 教练车实际运行工况试验 . 47 5.3.1 驾校移库倒库训练试验 . 47 5.3.2 驾校场地科目训练试验 . 49 5.3.3 试验结果分析与讨论 . 50 总结与展望 . 55 参考文献 . 57 附录 电动教练车真空度计算 matlab 程序 . 60 攻读学位期间取得的研究成果 . 61 致 谢 . 62 长安大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 研究背景与意义 有着一百多年历史的汽车，已成为舒适、快捷的重要交通工具。不过，汽车在运输 过程中产生大量废气， 污染环境， 严重依赖石油供给， 使得这一不可再生能源日渐枯竭。 截至 2011 年末，我国的原油消费量超过 4.54 亿吨，依赖进口原油量占总量 55%。 这对一个能源消费大国来说还是第一次。如此大规模进口原油，不仅国民经济的正常运 行受到危害，国家能源安全也受到严重威胁。与此同时，全球汽车保有量的增幅达到了 3000 万辆/年。预计到 2020 年，全球范围内汽车保有量将超过 12 亿辆。其中大部分由 发展中国家所有。如图 1.1 是现实状况的缩影。 图图 1.1 汽车汽车数量增加数量增加、石油需求膨胀、石油需求膨胀 面临如此庞大的能源消耗， 人们越来越关注由此引发的环境污染与温室气体排放问 题。有数据显示，在中国 600 多座城市中，仅有不足 1%的城市空气质量可以达到国家 一级标准。而城市中约 42%的空气污染来自各类交通工具排放。由交通引发的污染情况 日益加剧，见图 1.2。 图图 1.2 汽车环境污染汽车环境污染 随着环境污染不断恶化，西方各国强烈的环境危机感开始蔓延。为此，欧洲主要发 达国家制定出严格的碳排放法规，首次将 co2排放量作为燃油经济性重要量度，更使之 成为批准新车进入市场的重要控制标准1。例如：欧盟制定出新标准：到 2015 年，新车 第一章 绪论 2 co2排放量需降至 130g/km，到 2020 年需限制在 95g/km 内；又如美国颁布的燃油经 济条例提出：截至 2016 年，美国制造的新车 co2排放量限制在 155g/km 内2。可以 预见，汽车排放问题正受到各国高度关注，并极有可能将其列入全球环境保护协议范围 内。 关于能源危机、环境污染、新能源汽车三者关系的探讨与争论，从未停止过。目前， 对于汽车工业未来前景普遍看法是：二十一世纪面临着能源与环境矛盾、冲突，有着极 大挑战；传统燃油汽车将向高效、低碳的新能源汽车、特别是电动汽车方向发展。 汽车保有量日益增多的同时，驾驶员培训行业也呈现出繁荣景象。不过，由于驾校 场地训练的教练车长期处于低速状态，导致发动机始终运行在高油耗、高污染区域、小 负荷工况，燃油效率只有不到 15%。而驾校场地空间小、学员人数密集，有害物质排放、 以及对人员的危害程度，教练车的排放污染量远比正常行驶条件下高。除此以外，目前 油价已经上升至 8 元/升，驾校的培训成本也在无形增加。驾校学费上涨，练习驾驶的时 间缩短，学员从驾校学到的驾驶水平令人堪忧。 从低碳排放角度出发， 使用电动教练车进行场地训练， 对驾驶员培训行业形成绿色、 环保的意识，起到了良好的促进作用，同时为建设节约型、环保型社会尽一份力。从节 约燃料成本角度出发，也会使驾校获益颇多。经探访西安相关驾校得知，燃油教练车训 练时间一般为 8 小时/天，汽油费用约 75 元。若使用电动教练车进行教学，除满足续驶 里程达到驾校要求外，电动教练车的教学效果也应符合燃油教练车的场地训练要求。此 外，为了节约电能，充电时间段可以选择在夜间。电动教练车可限定行驶最高行驶速度， 减少了因学员错挂车档位、致使教练车横冲直撞的情况，避免意外事故发生，保证学员 自身安全。 一方面，汽车保有量日益增多，驾驶员培训行业经营地如火如荼；另一方面，石油 价格上涨和能源需要剧增，寻找替代石油的能源尤为迫切。电动教练车的出现，以绿色 环保、经济便捷作为优势，不仅使得学员驾驶训练时间得到保障，教学质量提高，驾校 的社会影响力也会显著提高。无疑对缓解能源问题，构建节约型和谐社会，有着广泛的 现实意义。 1.2 国内外电动汽车发展状况 电动汽车因以储存在蓄电池内的能量驱动汽车而得名，汽车本身不排放有害物质。 即使按照充电时的电荷功耗换算为电厂的污染物排放，其排放量（除硫和微粒）也显著 长安大学硕士学位论文 3 降低。 因此， 研制开发电动汽车这一课题得到世界范围内各国政府与企业的大力支持2。 1.2.1 国外电动汽车发展现状 在德国，其经济部、环保部、交通部就“电动汽车国家发展计划”已于 2009 年达 成一致3，制定目标为：2020 年电动汽车保有量达到 100 万辆。由技术、经济等因素导 致电动汽车售价一直居高不下，为此，德国联邦政府准备投入资金约 5 亿欧元，为前 10 万名购车者提供大幅度补贴。这一购车补贴将有力刺激汽车行业发展。德国汽车企业如 bmw（宝马） 、volkswagen（大众）和 mercedes-benz（梅赛德斯-奔驰）各大公司也积 极响应新能源汽车的潮流。以奔驰为例，该公司已与德国最大的电力工业巨头 rwe 公 司决定共同建设 500 个电动汽车充电站，为本国电动汽车市场的需要提前做好准备。同 时，奔驰公司还看好位于美国硅谷 tesla 公司的电池电力装配技术，并为进一步加强双 方的合作伙伴关系，取得了其 10%的股权。tesla 公司生产了影响颇为深远的 tesla roadster 电动汽车，如图 1.3 所示。 图图 1.3 tesla roadster 电动汽车电动汽车 有着“车轮上的国家”之称的美国，正在开展一项名为“清洁城市”项目。该项目 提供近 3 亿美元补贴， 来帮助美国社区购买可再生能源交通工具， 9000 多辆可再生能源 绿色汽车将流向美国各州及大城市。 同时政府将建立 542 个燃料充电站以供给这些绿色 车辆，以削弱对石油的依赖3。这项资助将可使每年减少 3800 万吨的石油用量。作为美 国最大的汽车公司 gm（通用）汽车也积极响应政府的号召，并于 2008 年 9 月宣布推 出 volt 电动汽车，如图 1.4 所示。 图图 1.4 gm volt 电动汽车电动汽车 第一章 绪论 4 该款 volt 电动汽车一次充电可行驶 65km，最高时速为 160km/h。据 gm 估算，volt 电动汽车用电池驱动成本约为：2 美分/英里，可谓物超所值。该车已于 2010 年在美国 生产销售。 法国在推广电动汽车方面一直引领世界车用新能源的发展4。 早在 20 世纪 90 年代， 法国政府就制定出新能源汽车“一揽子方案” ，计划采取一系列举措，鼓励汽车向新能源 方向发展。例如政府规定，按所购买一辆新车 co2排放量不同，对车主给予现金奖励或 惩罚，凡新车 co2排放量在 100130g 之内，可获现金奖励 2005000 欧元不等。反之， 如果 co2尾气排放量高于 160g，将向车主征收环保税，税额 2002600 欧元不等。这一 政策的提出将消费者引入购买小排量环保车型的热潮。 日本各大汽车公司素以“节能”著称。以 toyota（丰田）公司为例，该公司一直致 力于研制混合动力系统，并因其在产品 prius 车型上的应用而备受关注。该系统将串联 混合动力（shev）与并联混合动力（phev）集成为混联式混合动力，最大限度地发挥 两者优点4。同时，该系统既能很好地维持内燃机长时间工作，又利用驱动电机零污染、 低噪音的优势，使内燃机始终工作在万有特性的高效功率区域。若超车加速时，还可以 由蓄电池补充能源，以缓解内燃机的动力不足问题。这样，prius 汽车就可以针对不同 的行驶状态地作出反应，显著地降低燃油消耗与污染排放量。 日本 mitsubishi（三菱）汽车于 2009 年 4 月 1 日宣布生产一款 i miev 电动汽车4。 该款电动汽车配备 16kw h 电池组由 22 个模块构成，单个模块再由 4 块电池组成。快 速充电连接器可在 30 分钟内可使电池充电容量达 80%。专用的锂离子电池由日本 gs yuasa（汤浅）公司、三菱公司及三菱汽车公司的合资企业 li-energy japan（日本锂能 源）公司生产，如图 1.5 所示。 图图 1.5 mitsubishi i miev 电动汽车电动汽车 1.2.2 我国电动汽车发展现状 经过三十年的改革开放，我国的汽车工业已有了巨大跨越式发展。目前，我国汽车 产业已成为全球第二大车企市场、第三大汽车制造基地。自 2009 年以来，国内汽车市 长安大学硕士学位论文 5 场凭借汽车产业振兴规划的发布实施而快速回升，年产、销量均超过千万大关。不过， 由于汽车保有量与油耗的矛盾日渐激化，电动汽车再次出现在聚光灯下。目前，我国的 新能源汽车，特别是电动汽车已走在科技前沿。在过去的十年间，科技部组织实施了国 家“863 计划”及其他科技计划，先后投入近二十亿元在全国范围内开展研发工作6。 比如北京奥运会在奥运村建成一座大型锂电池充电站，为 50 辆锂电池巴士提供能源， 方便运动员在奥运村和场馆之间穿梭行驶。以实现奥运村中心区零排放的目标。 2010 年 8 月， “电动汽车联盟”在北京成立。该联盟由国资委直接领导，16 家央企 共同参与建设6。该联盟主要在资源优化、上下游产业链衔接，产能配合等方面起到协 调与互助作用。意义在于提升汽车产业总体水平，共同研制电动汽车。短期目标是制定 新能源汽车各项规范标准；中、长期目标是要掌握电池等技术，构建本土电动车企业与 品牌，使其拥有国际竞争力。联盟内汽车企业有一汽、东风、长安汽车这三家；其他企 业涵盖国家电网、中石油、中石化等能源央企。国资委领导组建电动汽车“央企大联盟” 的初衷源于“集中力量，整合优势资源” 。北京已成为中石化试点城市，全市将建成若 干座规模较大的油、气、电综合服务站，这一举措逐渐向全国推广。 比亚迪（byd）公司作为以生产电池起家的汽车企业，现已进军电动汽车领域。该 公司凭借 f3dm（dual mode）双模式电动车，搭载“铁电池”核心技术，代表了目前国 内电动汽车的技术高度。 该款车可设两种工作模式： 电动车模式与混合动力模式。 f3dm 的全铝汽油机型号为 371qa。配备两台永磁同步驱动电机 m1 和 m2。电能储存在 100 块串联的磷酸铁钴锂电池中。 比亚迪 f3dm 电动车混合动力模式分为四种工作状态：（1） 在中短途、中低速行驶的路况下，采用纯电动驱动方式靠电池供电，电动机 m2 提供动 力。如果电量充足的话，也可以以纯电动方式高速行驶一段时间。 （2）挂档滑行或者制 动等减速工况下，电动机 m2 不再消耗电能。相反，电机以反转的形式回收一部分损失 的动能，为电池充电。 （3）在纯电动模式，电池接近耗尽、电量达到 20%底线的时候， 发动机启动，带动 m1 发电机为电池充电。然后通过 igbt 逆变器，为 m2 电动机供电， 驱动 f3 行驶。 （4）在电量充足、超高速行驶或者急加速情况下，发电机 m1、电动机 m2 和发动机将协同工作，提供强劲动力7。 1.2.3 电动教练车研究现状 面对当前油价持续上涨的现状，驾驶员培训行业急需将电动汽车技术应用于教练 车，通过科技创新，以加强节能减排的工作迫在眉睫。研制利用电力驱动的教练车进行 场地训练，给目前正面临耗油高、污染高、成本高的驾培行业带来巨大的改观。就全国 第一章 绪论 6 范围的驾校行业来看，使用新能源学车较多的省份有北京、江苏、浙江、广东以及湖北。 佛山市驾校由燃油教练车改装成电动车， 改装采取两种方案8： 一种是选电机 4kw、 八块 6v 电池、制动助力泵、控制总成，能完成倒桩、半坡起步、百米加减挡等所有训 练科目，最高时速达 45km/h；另一种是选电机 1.8kw，制动助力泵、控制总成，专门用 来练习倒桩。教练车改装成电动汽车后，晚间充电约 8 度电，第二天可以持续 8 小时练 车时间。改装形式如图 1.6 所示。 图图 1.6 佛山市驾校用电动教练车佛山市驾校用电动教练车 在嘉兴、白城等地的驾校，将发动机换成三相异步交流电动机，同时采用“辫子车” 原理，在教练场上采取自动伸缩供电电缆和立柱，伸出的电缆线连接教练车顶部支架， 模样酷似曾经的无轨电车。 立柱与埋在地下的 360v 电源相连， 电缆线要有足够的长度， 保证车子可以在一定范围内自由移动9,10。利用这种车对学员进行倒桩和侧方停车两个 项目的培训，排档、离合器一应俱全。在教学过程中，电动教练车还引入“基于训练科 目的分段式培训模式”，即把培训过程分为若干个阶段，每个阶段为一个训练，由专职 教练员、专用训练车辆保障训练。电动教练车有规定的时速和活动范围，教学更安全， 并且采取自动断电装置，一旦超出场地范围和行车速度就自动熄火，杜绝教学过程中事 故的发生。由于学员上车次数增加，该电动教练车培养的学员一次考试通过率达 100%， 教学效果明显提高，如图 1.7 所示。 图图 1.7 嘉兴嘉兴、白城白城两地两地驾校“驾校“辫子辫子”教练车教练车 由于武汉夏季炎热，冬天又很潮冷，燃油车“怕冷怕热”。冬季时常打不着火，夏 长安大学硕士学位论文 7 季由于教练车长期低速，温度太高，水箱内的水沸腾“开锅”导致汽车熄火。武汉某公 司保留燃油车驾驶性能特征不变，离合、档位、刹车系统不变，将教练车改装成电动车， 并设置倒库及道路行驶两种模式相互转换。电动教练车散热少，凉快之余，产生噪音仅 10db，得到学员的一致好评，如图 1.8 所示11。 图图 1.8 武汉武汉驾校驾校电动模拟教电动模拟教学学车车 1.3 电动汽车的特点与结构 1.3.1 特点 （1）清洁与低碳 尽管有人认为，电动汽车只是将污染物从排气管的位置移到了发电厂的烟囱里，但 发电厂这样推算到12：co2的排放系数为 0.38kg/kw h，汽油的排放系数为 2.23kg/l。 以行驶 30000km/年计算，汽油车耗油 1l 大致行驶 15.8km，每年大概耗油 1900l，计算 出 co2排放量是 4250kg。反观电动汽车，行驶 150km 耗电 21.12kw h。其年均 co2排 放量仅仅 1600kg。由此算出，电动汽车所排出的 co2不到燃油车的 40%。所以其可观 的低碳与清洁优势，使其必将具有广泛地环保效应。 （2）能量高效与能源丰富 电动汽车的蓄电池能量由发电厂提供电能获得。 而发电可采用煤炭、 天然气、 核能、 水力、太阳能等多种能源。若将采矿、能量转化及传递中的损耗考虑进去，能源来源丰 富的电动汽车能量效率仍比汽油车高。 （3）结构简单与维修方便 因其运动部件数量的减少，电动汽车的一般组成结构显得并不复杂。日常的维修保 养量大幅度地降低。驾驶操作方便之余，又节省了维修开支。 1.3.2 结构 第一章 绪论 8 油门踏板 制动踏板 点火开关 控制器 驱动电机 传动装置 车轮 能源管理系统 蓄电池组 充电器 电网 dc/dc 转换 辅助电池 电器设备 电驱动系统 能 源 系 统 辅助电器系统 电动汽车一般分为三部分：电驱动系统、能源系统与辅助电器系统13。总体结构如 图 1.9 所示。 图图 1.9 电电动汽车基本结构动汽车基本结构 其中，电驱动系统的组成部分有：控制器、驱动电机、传动装置及车轮；作用是： 开启点火开关，将制动踏板、油门踏板的信号输入到控制器。控制器发出相应指令提示， 并控制驱动电机的转速、扭矩，进而实现对电动教练车速度、牵引力调控。 能源系统的组成部分有：能量管理系统、蓄电池组及充电器。作用是：从电网获得 电能经过充电器，提供给电力驱动系统，并存储回馈电能，进而管理蓄电池组，对电池 进行加温、保温、控温、散热，均衡充放电等操作。 辅助电器系统的组成部分有：dc/dc 转换器、辅助电池及车内电器设备。作用是： 对电动教练车的车内用电设备提供电能，如真空泵、转向助力泵、照明系等，使其正常 工作，并给辅助电池实时充电。 1.4 本文的研究内容与技术路线 1.4.1 研究内容 文中以驾校广泛使用的桑塔纳 lx 型轿车为原型车， 改制为一款小型电动场地教练 车。主要研究内容为：结合教练车的功能要求以及电动车的结构特点，提出了一种关于 电动教练车动力传动系统的结构方案。 参照驾校场地训练的相关数据， 据此拟定参数并 进行动力匹配计算， 选择串励直流电机与铅酸蓄电池作为动力源并对其布置； 对电动教 长安大学硕士学位论文 9 练车助力转向系、助力制动系、电气系统等结构进行改制与总布置设计；依托驾校实训 模式， 进行了电动教练车综合性能试验， 包括动力性能