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混合动力自行车驱动装置方案设计【全套CAD图纸和毕业论文】【原创资料】

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混合动力自行车驱动装置方案设计

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摘要

混合动力自行车是自行车家族中的一个重要成员。美国通用公司和克莱斯勒公司前总裁现都潜心于研究混合动力自行车及其电池，德国的奔驰公司和日本的本田、铃木、雅玛哈等世界知名的汽车、摩托车公司和松下（松下和丰田合作搞电动汽车）、三洋等世界知名企业都在投入巨资研发混合动力自行车的基础上，现已进入产业化阶段。由此可见混合动力自行车的发展前景。

本文首先系统的对混合动力自行车的运行状态进行了分析，分别对混合动力自行车的运行阻力、惯性力、再生制动力以及所需要的牵引力进行了计算。根据所需要的牵引力，在本设计中也对无刷直流电动机和电池进行了选型计算。然后本文还对混合动力自行车在费电驱动情况下，飞轮变速机构进行设计。

关键词：混合动力自行车；电机控制；永磁无刷直流轮毂电机；飞轮

Abstract

The mixed power bicycle is an important member of the family of bicycle. The United States General Company and former president of Chrysler Corporation are concentrated on the study of hybrid electric bicycle and its battery, the German Benz Corp and Japan's Honda, Yamaha Suzuki, such as the world famous automobile, motorcycle company and Panasonic (Panasonic and Toyota cooperation make electric cars), Sanyo and other world famous enterprises in the foundation invested heavily in research and development of hybrid bicycle, has now entered the stage of industrialization. The development prospects of this hybrid bicycle.

In this paper, the hybrid bike running state first system are analyzed, respectively, running resistance of hybrid bicycle inertia force, braking force and traction force required to calculate the. According to the traction force, in this design has also carried on the selection calculation of Brushless DC motor and battery. Then the hybrid bicycle driving in electricity situation, to design the flywheel transmission mechanism.

Keywords: hybrid bike; motor control; permanent magnet brushless DC wheel hub motor; flywheel

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摘要I

AbstractII

第一章绪论1

1.1 国内外研究现状和发展趋势1

1.1.1国内发展趋势1

1.1.2国外发展趋势1

1.2 研究意义2

1.3 设计任务3

第二章混合动力自行车动力性能分析4

2.1 电动车运行方程4

2.2 混合动力自行车的行驶力学5

2.2.1 车辆模型5

2.2.2 电动车阻力计算6

2.2.3 空气阻力7

2.2.4 电动车惯性力的计算7

2.2.5 电动车的牵引力计算8

2.3 混合动力自行车的动力性能9

2.3.1 自行车基本参数介绍10

2.4 制动系统10

2.4.1 混合动力自行车刹车分类10

2.4.2 制动力的分析与求解11

2.4.3 手动制动器的设计12

2.5 蓄电池的种类和结构13

2.6 动力传动系统设计14

2.6.1 驱动方式对两轮电动车性能的影响14

2.6.2 混合动力自行车驱动系统的构成15

2.6.3 无刷直流电动机驱动系统16

第三章混合动力自行车的运行控制17

3.1 电动机的选择17

3.1.1 直流电动机的特点17

3.1.2 电动机容量选择的原则18

3.1.3 电动机的发热与冷却18

3.1.4 选择步骤：19

3.1.5 无刷直流电动轮毂的选型计算19

3.1.6 混合动力自行车的续行距离20

3.2 无刷电动机的调速控制系统21

3.2.1 直流电动机的机械特性21

3.2.2 脉宽调制（PWM）22

3.2.3 传感器22

3.3 电动车控制系统设计23

3.3.1 控制系统的组成23

3.3.2 控制系统设计方案23

第四章混合动力自行车的能量回收27

4.1 制动模式与能量的分析27

4.2 能量回馈的控制策略28

4.3 混合动力自行车能量的消耗评价方法28

4.3.1 能量流分配关系及能量测量29

4.3.2 能耗影响因素分析29

4.4 制动效能及制动能量回收的约束条件29

4.4.1 自行车的制动效能29

4.5 制动能量回收控制算法30

4.5.1 制动能量回收的约束条件30

4.6 永磁无刷直流电机相关性能及其能量回馈制动原理31

4.6.1 永磁无刷直流电机及其基本工作原理31

4.6.2 直流电动机的制动方式32

4.6.3 永磁无刷直流电机能量回馈制动原理34

第五章变速装置的设计39

5.1 变速装置工作原理39

5.2变速装置设计39

5.2.1设计条件39

5.2.2链轮的高速齿片（48齿）和飞轮（28齿）的设计参数41

结论42

致谢43

参考文献44

第一章绪论

1.1 国内外研究现状和发展趋势

我国混合动力自行车车的研究相比欧美国家起步较晚。直到上个世纪90年代中期，我国才掀起开发研究的高潮，虽然我国混合动力自行车研究起步晚，但从技术的角度，我们并不落后于世界。我国混合动力自行车产业基本保持与世界同步发展[1]。

混合动力自行车核心技术包括三个方面：电机与传动、控制器与控制技术、电池等,涉及电气、电力电子、控制、机械等多学科。本论文研究的是驱动装置的方案设定，故重点介绍电机与传动方面的研究成果。

1.1.1国内发展趋势

目前我国混合动力自行车所使用的电机一般为直流电机,它具有体积小,效率高,调速性能优良等特点。直流电机有可分为有刷直流电机和无刷直流电机。有刷直流电机内部有碳刷和换向器，它应用技术成熟,高速范围宽,构成的控制系统简单,成本相对较低,过载能点强,因为通过机械换向,故不需要位置传感器。无刷直流电机内部没有电刷(碳刷)和换向器,其转子一般由永磁体构成,这样构成的永磁无刷直流电机因其转子没有励磁损耗,效率较高,得到了广泛的应用。但无刷直流电机也有一定的缺点就是由于控制系统相对较为复杂,所以成本相对较高。不过随着永磁无刷直流电机的性价比不断提高,其应用将日趋广泛。

在传动技术方面，主要有一下几种：

摩带式传动：摩带头易磨损打滑，效率不高.

中置式传动：将电机和减速机构放置于中轴位置，国内使用较少。

侧挂式传动：属于轴传动范围，具有轴传动的优点。

轮榖式传动：传动效率高，造型精巧，应用越来越广泛。

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飞轮.gif

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原理图.gif

控制线路图.gif

内容简介：: XXXX大学本科毕业设计说明书 I 摘要混合动力自行车是自行车家族中的一个重要成员。美国通用公司和克莱斯勒公司前总裁现都潜心于研究混合动力自行车及其电池，德国的奔驰公司和日本的本田、铃木、雅玛哈等世界知名的汽车、摩托车公司和松下（松下和丰田合作搞电动汽车）、三洋等世界知名企业都在投入巨资研发混合动力自行车的基础上，现已进入产业化阶段。由此可见混合动力自行车的发展前景。本文首先系统的对混合动力自行车的运行状态进行了分析，分别对混合动力自行车的运行阻力、惯性力、再生制动力以及所需要的牵引力进行了计算。根据所需要的牵引力，在本设计中也对无刷直流电动机和电池进行了选型计算。然后本文还对混合动力自行车在费电驱动情况下，飞轮变速机构进行设计。关键词：混合动力自行车；电机控制；永磁无刷直流轮毂电机；飞轮 ntsXXXX大学本科毕业设计说明书 II Abstract The mixed power bicycle is an important member of the family of bicycle. The United States General Company and former president of Chrysler Corporation are concentrated on the study of hybrid electric bicycle and its battery, the German Benz Corp and Japans Honda, Yamaha Suzuki, such as the world famous automobile, motorcycle company and Panasonic (Panasonic and Toyota cooperation make electric cars), Sanyo and other world famous enterprises in the foundation invested heavily in research and development of hybrid bicycle, has now entered the stage of industrialization. The development prospects of this hybrid bicycle. In this paper, the hybrid bike running state first system are analyzed, respectively, running resistance of hybrid bicycle inertia force, braking force and traction force required to calculate the. According to the traction force, in this design has also carried on the selection calculatio n of Brushless DC motor and battery. Then the hybrid bicycle driving in electricity situation, to design the flywheel transmission mechanism. Keywords: hybrid bike; motor control; permanent magnet brushless DC wheel hub motor; flywheel ntsXXXX 大学本科毕业设计说明书 I 目录摘要 . I ABSTRACT . II 第一章绪论 . 1 1.1 国内外研究现状和发展趋势 . 1 1.1.1 国内发展趋势 . 1 1.1.2 国外发展趋势 . 1 1.2 研究意义 . 2 1.3 设计任务 . 3 第二章混合动力自行车动力性能分析 . 4 2.1 电动车运行方程 . 4 2.2 混合动力自行车的行驶力学 . 5 2.2.1 车辆模型 . 5 2.2.2 电动车阻力计算 . 6 2.2.3 空气阻力 . 7 2.2.4 电动车惯性力的计算 . 7 2.2.5 电动车的牵引力计算 . 8 2.3 混合动力自行车的动力性能 . 9 2.3.1 自行车基本参数介绍 . 10 2.4 制动系统 . 10 2.4.1 混合动力自行车刹车分类 . 10 2.4.2 制动力的分析与求解 .11 2.4.3 手动制动器的设计 . 12 2.5 蓄电池的种类和结构 . 13 2.6 动力传动系统设计 . 14 2.6.1 驱动方式对两轮电动车性能的影响 . 14 2.6.2 混合动力自行车驱动系统的构成 . 15 2.6.3 无刷直流电动机驱动系统 . 16 第三章混合动力自行车的运行控制 . 17 3.1 电动机的选择 . 17 3.1.1 直流电动机的特点 . 17 3.1.2 电动机容量选择的原则 . 18 3.1.3 电动机的发热与冷却 . 18 3.1.4 选择步骤： . 19 ntsXXXX 大学本科毕业设计说明书 II 3.1.5 无刷直流电动轮毂的选型计算 . 19 3.1.6 混合动力自行车的续行距离 . 20 3.2 无刷电动机的调速控制系统 . 21 3.2.1 直流电动机的机械特性 . 21 3.2.2 脉宽调制（ PWM） . 22 3.2.3 传感器 . 22 3.3 电动车控制系统设计 . 23 3.3.1 控制系统的组成 . 23 3.3.2 控制系统设计方案 . 23 第四章混合动力自行车的能量回收 . 26 4.1 制动模式与能量的分析 . 27 4.2 能量回馈的控制策略 . 28 4.3 混合动力自行车能量的消耗评价方法 . 28 4.3.1 能量流分配关系及能量测量 . 28 4.3.2 能耗影响因素分析 . 29 4.4 制动效能及制动能量回收的约束条件 . 29 4.4.1 自行车的制动效能 . 29 4.5 制动能量回收控制算法 . 30 4.5.1 制动能量回收的约束条件 . 30 4.6 永磁无刷直流电机相关性能及其能量回馈制动原理 . 30 4.6.1 永磁无刷直流电机及其基本工作原理 . 31 4.6.2 直流电动机的制动方式 . 32 4.6.3 永磁无刷直流电机能量回馈制动原理 . 34 第五章变速装置的设计 . 39 5.1 变速装置工作原理 . 39 5.2 变速装置设计 . 39 5.2.1 设计条件 . 39 5.2.2 链轮的高速齿片（ 48 齿）和飞轮（ 28 齿）的设计参数 . 41 结论 . 42 致谢 . 43 参考文献 . 44 ntsXXXX 大学本科毕业设计说明书 1 第一章绪论 1.1 国内外研究现状和发展趋势混合动力自行车是自行车家族中的一个重要成员。美国通用公司和克莱斯勒公司前总裁现都潜心于研究混合动力自行车及其电池，德国的奔驰公司和日本的本田、铃木、雅玛哈等世界知名的汽车、摩托车公司和松下（松下和丰田合作搞电动汽车）、三洋等世界知名企业都在投入巨资研发混合动力自行车的基础上，现已进入产业化阶段。由此可见混合动力自行车的发展前景。我国混合动力自行车车的研究相比欧美国家起步较晚。直到上个世纪 90 年代中期，我国才掀起开发研究的高潮，虽然我国混合动力自行车研究起步晚，但从技术的角度，我们并不落后于世界。我国混合动力自行车产业基本保持与世界同步发展 1。混合动力自行车核心技术包括三个方面：电机与传动、控制器与控制技术、电池等 ,涉及电气、电力电子、控制、机械等多学科。本论文研究的是驱动装置的方案设定，故重点介绍电机与传动方面的研究成果。 1.1.1国内发展趋势目前我国混合动力自行车所使用的电机一般为直流电机 ,它具有体积小 ,效率高 ,调速性能优良等特点。直流电机有可分为有刷直流电机和无刷直流电机。有刷直流电机内部有碳刷和换向器，它应用技术成熟 ,高速范围宽 ,构成的控制系统简单 ,成本相对较低 ,过载能点强 ,因为通过机械换向 ,故不需要位置传感器。无刷直流电机内部没有电刷 (碳刷 )和换向器 ,其转子一般由永磁体构成 ,这样构成的永磁无刷直流电机因其转子没有励磁损耗 ,效率较高 ,得到了广泛的应用。但无刷直流电机也有一定的缺点就是由于控制系统相对较为复杂 ,所以成本相对较高。不过随着永磁无刷直流电机的性价比不断提高 ,其应用将日趋广泛。在传动技术方面，主要有一下几种：摩带式传动：摩带头易磨损打滑，效率不高 . 中置式传动：将电机和减速机构放置于中轴位置，国内使用较少。侧挂式传动：属于轴传动范围，具有轴传动的优点。轮榖式传动：传动效率高，造型精巧，应用越来越广泛。国内常用的是轮毂式传动。 1.1.2国外发展趋势前面讲到从技术角度，国内的混合动力自行车技术并不落后于世界，故这里选取国外一些典型的混合动力自行车进行介绍。日本：艾纳库尔非助力电动自行车，可以三种方式骑行（电驱，人力，或两者结合），ntsXXXX 大学本科毕业设计说明书 2 装备的电源为 Cd-Ni电池。骑行时人力先启动，之后再转入电动模式。为双斜梁车架的坤车，电池板为后置式，车型为轮毂电动机后躯式。智能控制器固定在中轴后上方。美国：军马牌电动自行车。中轴链驱动，电池斜放在前斜梁上，装有 7 档变速箱，并有电脑控制系统和防盗密码，电动机功率为 375w，可称全球自行车用电动机之首。欧洲：以德国为例。德国电动自行车电源以 Cd-Ni电池为主，充一次电续驶能力一般为 20km。发展趋势电动机：重量轻，容易安装，易省电能，并且容易调控转速。电动机的调速控制方面：采用最新电力电子器件和集成电路，达到智能控制的境地。控制电路中兼有对电池电量监视系统，当电池放电达到临界点时可以自动切断电源，保护电池免受过量放电而损坏或影响寿命。电池：趋于坚实耐用，镉镍，氢镍电池自不必说，就是铅酸电池也可以任意放置而不必担心漏。 1.2 研究意义从技术角度看：混合动力自行车是电动自行车和汽油助力车的技术结合产品，它继承了汽油助力车行驶里程不受限制与电动车零排放行驶两者的优点，适应了城市化的环境要求，如城市内选择零排放（电池动力）行驶，郊外远距离里程选择 HEV （内燃机发电 / 电池混合动力）行驶。从我国国情及国家的政策看： 13 亿的人口基数巨大，若全民普及汽车，交通、环境、燃料消耗的压力之大难以想象。电动自行车、摩托车已是广大国民生活中不可替代的个人交通工具。而混合动力自行车是电动自行车和摩托车的升级取代技术之一，是当今世界混合动力车技术系统蓬勃发展的另一个主流轻型化、小型化的个人交通工具。从节能的角度看：混合动力自行车比电动车及汽油车更加节约能源。据初步测算，一辆轻型电动车（ 250W 400W）百公里耗电约 3 度左右，以年行驶 1 万公里计算，全年耗 300 度，以 0.8 元 / 度平均价计算，电费大约需要 240 元。而与目前百公里油耗 3 升的摩托车相比（ 10000km）油费约为 1800 元，而以 1.6 升排量、百公里油耗 7 升的汽车相比，每辆汽车（ 10000km）油耗 700 升，油费约为 4000 元；而每辆混合动力电动车百公里油耗 1 升 600 元。每年与摩托车同比油耗将节约 1100 元左右，与汽车同比油耗将节约 3400 元左右。从环保角度看：混合动力自行车排放量是摩托车的 1/3，汽车（以 1.6 升排量为例）的 1/40。而且混合动力自行车是汽油发电和电池交替驱动的，这样废气排放量又可以减少一半左右。从电池的利用率角度看：混合动力自行车的电池寿命可以提高 2 倍以上，因为边骑车边充电的浮充电特性使电池容量经常保持较满的状态，避免了深度循环放电导致的电池损ntsXXXX 大学本科毕业设计说明书 3 坏。 1.3 设计任务对混合动力自行车的运行状态进行了分析，分别对混合动力自行车的运行阻力、惯性力、再生制动力以及所需要的牵引力进行计算。利用现代电子技术及电动机发电反馈制动理论，设计一套能够在电气制动的同时，发电给电瓶充电的发电反馈制动系统。利用该系统能够实现将自行车及人体的动能通过电动机的发电运行状态转化为电能，并经过相应的处理和控制电路，达到给电瓶充电和自行车减速的双重目的。完成发电反馈制动系统机械连动机构、发电反馈制动电控系统、发电反馈回路的设计、电动机选型。完成人工脚踏运行时变速机构的设计 ntsXXXX 大学本科毕业设计说明书 4 第二章混合动力自行车动力性能分析动力传动系统由蓄电池、控制器、电动机、驱动轮等组成。混合动力自行车的动力性评价指标有最高车速、加速时间和最大爬坡度。然而，电动机的最大功率与额定功率下观察甚多，而最大功率工况不能长时间运行，因此必须用电动机的额定工况计算混合动力自行车的最大爬坡度和最高车速。混合动力自行车的加速过程和起步时间较短，理论上可以用电动机的外特性进行设计计算。下面从自行车直线行驶动理学模型来进行分析。在设计前先将文章中计算需要的数据假定如下：整车质量（2m） 50kg 重力加速度（ g ） 10 2/ms 滚动阻力系数（ u ） 0.02 人重（1m） 70kg 车轮直径（ D ） 400mm 后轴转子直径（ d ） 10mm 2.1 电动车运行方程混合动力自行车在路面上运行，有各种不同方向和不同大小的作用力作用在混合动力自行车上，混合动力自行车牵引学主要研究对自行车运行有直接影响的力，也就是与混合动力自行车方向相平行的外力及外力的分力，这些力可以分为三种：混合动力自行车的牵引力 F 它是由电力机车的牵引电动机所产生的，并通过动轮与路面的相互作用力而引起的外力。它与混合动力自行车的运动方向相同，其大小由开车的人决定。混合动力自行车运行阻力 W 它是由混合动力自行车运行时由多种原因引起的阻止电动车运行的外力，其大小是不可以控制的。混合动力自行车的制动力 B 它是由机车和车辆上的制动装置所产生的，并通过轮与钢轨的相互作用而引起的外力，用来使混合动力自行车减速或停车。它与混合动力自行车的运行方向相反。这三种力以不同的方式形成作用于混合动力自行车上形成的合力 C ：牵引运行时：合力 WFC ；惯性运行时：合力 WC ；制动时：合力 )( BWC 。电动车运行方程是把电动车当作一个平移的钢体，表示电动车在不同运行状态时，作用在电动车上诸力的关系式。在工程上用它计算电动车运行时所需要的制动力、惯性力。 ntsXXXX 大学本科毕业设计说明书 5 电动车在运行时状态有三种：牵引状态，电动车在电动机的牵引力作用下，起动，加速或等速运行；惯性运行，电动车在运行中牵引电动机断电后靠惯性运行；制动运行，电动车在运行中切断牵引电动机的电源，并且施加机械或电气的制动力，减速运行。电动车在牵引等速状态下，沿运行方向作用在电动车上的力有牵引力 F 、静阻力0F和惯性力aW。根据静法原理，可列出如下方程 0 0aF F W 式 (2.1) 这就是牵引等速运行状态下的基本方程。 2.2 混合动力自行车的行驶力学 2.2.1 车辆模型驱动系统的动力输出特性与车子的动力性能直接相关。驱动系统的动力输出更该满足车子的动力性能要求。在设计混合动力自行车驱动系统时，为了使混合动力自行车达到要求的动力性能指标，首先必须建立混合动力自行车的力学模型，对混合动力自行车行驶过程中力与功率的平衡进行分析，以得到混合动力自行车的需求特性。混合动力自行车的动力传动系统主要是由能量存储系统和动力驱动系统组成。能量存储系统包括蓄电池和能量管理系统，动力驱动系统包括驱动电动机和驱动控制系统。混合动力自行车在行驶过程中，由动力蓄电池输出电能给电动机，电动机输出功率，用于克服混合动力自行车本身机械装置中的内部阻力以及行驶条件决定的外部阻力消耗的功率，外部阻力即混合动力自行车的行驶阻力。从分析电动汽车行驶时的受力状况出发，建立直线行驶方程式，是分析混合动力自行车直线行驶性能的基础。图 2-1 车轮行驶时的受力分析 ntsXXXX 大学本科毕业设计说明书 6 混合动力自行车运行时的阻力系数为： f dKuD 式 (2.2) 式中： fK车轮与地面之间的滚动摩擦系数，fK取 0.02； D 车轮直径， mm ; d 轴承的直径， mm ； u 轴承的摩擦系数，取 0.002；所以阻力系数： 0 2 0 5.04 0 0100 0 2.002.0 需要说明的是车轮与地面之间的滚动摩擦系数fK是随着路面状况的不同，其数值也在不断改变。参考文献 27给出正常行驶的不同路段的滚动摩擦系数表 2-1。表 2-1 不同路面的滚动摩擦系数路面特征 fK 全新坚硬的柏油、混泥土、小方石块路面 0.01-0.02 经压轧的坑洼波动的碎石路，混泥土路面 0.02-0.03 压坏的柏油路面 0.03-0.04 良好路面 0.045 一般的土路 0.05-0.15 松沙路面 0.15-0.3 2.2.2 电动车阻力计算混合动力自行车的静阻力主要是基本阻力和坡道阻力，空气阻力因车速不高，计算时可以不予考虑。基本阻力是电动车经常受的阻力。基本阻力用阻力系数求得，电动车的基本阻力用下式计算： gmmMgF )( 211 式（ 2.3）式中 1m人的质量，1m=70kg ； 2m混合动力自行车空载时的质量，2m=50kg 。所以基本阻力为： NF 06.2402 0 05.010)7050(1 ntsXXXX 大学本科毕业设计说明书 7 坡道阻力是混合动力自行车载坡道上运行时，电动车的重力沿坡道倾斜方向的分力。设为坡道的倾斜角，这时坡道的阻力2F为： s in)( 212 gmmF 式（ 2.4）式中的 “ ” 符号表示：上坡运行时取 “ +”，下坡运行时取 “ -” 所以混合动力自行车的静阻力为： 0 1 2 1 2( ) ( s i n )F F F m m g 式（ 2.5）若混合动力自行车在水平地面上行驶时电动车的静阻力为： NF 06.24)002005.0(10)7050(0 2.2.3 空气阻力车子向前进，必须借助一定的力量。骑车人每踏蹬的力量叫前进力，也叫向前推力。前进力与用力、传动比、曲柄 (即中轴到脚蹬的连杆 )长以 Y 代表前进力， Q 代表踏蹬力量，I 代表曲柄长度， D 代表传动比，它们之间的关系用公式表示则为： DQY / 式（ 2.6）前进力与踏蹬力量，曲柄长度成正比，与传动系数则成反比。人们骑着自行车前进时，即使在无风天也会感到有风从耳边飞过，速度越快人感觉到的风力越大，阻碍前进的效果越明显。因为人们不是在真空中骑车，而是四周始终被空气包围着。从物理学观点来讲：人骑车行进时，人和车给前方空气以挤压力，而空气给人和车以反作用力，即空气阻力。经过测量，风速在 40 公里每小时的情况下，垂直于风向每平方米面积受到的压力为 11 公斤。不论风速 40 公里每小时或是每小时 40 公里的速度骑行时，它们垂直于风向的每平方米面积上所受到的空气压力都是 11 公斤。人们骑车前进时，必须突破空气阻力，这就需要力量。不同风级所产生的风速和垂直风向每平方米所受到的压力均不相同，只有克服这些因素，车子才能向前行驶。 2.2.4 电动车惯性力的计算电动车的惯性力除了平移之外，还有车轮、电机转子等螺旋部件的旋转部件的旋转惯性矩。为了简化计算，将这些旋转惯性矩折算成平移移动的惯性力。这样混合动力自行车惯性力即为： 1 2 1 2 1 2( ) ( ) ( 1 ) ( )aW m m a m m a m m a 式（ 2.7） aW混合动力自行车的惯性力， N ；旋转惯性系数，参照矿用机车的数据，混合动力自行车取 0.075； a 混合动力自行车的加速度，启动时的加速度取 0.03-0.05 2/ms。 ntsXXXX 大学本科毕业设计说明书 8 将值代入式（ 2.6）得： 121 . 0 7 5 ( )aW m m a式（ 2.8）将式 (2.5)、式 (2.7)带入式（ 2.1）整理后得到混合动力自行车牵引运行时需要机车给出的牵引力为： 12( ) ( s i n 0 . 1 0 7 5 )F m m g a 式（ 2.9）将数据带入得： NF 05.31)05.01 0 7 5.00 2 0 5.0(10)7050( 电动车在惯性运行的状态下牵引电动机断电，牵引力消失。混合动力自行车依靠已具有的能量克服阻力继续运行，如果轨道坡度不大，混合动力自行车是减速运行的，在这种情况下，沿运行方向作用在混合动力自行车的力只有静阻力 F 和惯性力 aW 。令式 (2.1)中的F 等于零，可得到惯性运行状态下的基本方程为： 0aFW 式（ 2.10）将式（ 2.5）、式（ 2.7）带入式（ 2.9），可以得到惯性运行时列车的加速度的表达式： 1 ( s i n )1 . 0 7 5a g w 式（ 2.11）由上式可以看出，混合动力自行车上坡或沿水平运行时，及下坡 sin 时， 0a ，混合动力自行车减速运行；只有在下坡运行 sin 时，混合动力自行车是加速运行的。 2.2.5 电动车的牵引力计算现在分析牵引电动机给出的转矩怎样转化成自行车的牵引力，牵引力与哪些因素有关。混合动力自行车的后轮，是牵引电动机的主动轮。设混合动力自行车的质量为 2m ，作用在该轮对上的力见图 2-2。 M 为牵引电动机传递到该轮上的转矩； F 为运行阻力，0N为地面的支持力。将转矩 M 用一个作用在轮轨接触点和轮心的等效力偶代替，则力偶的大小11F 为： 11 2MF D式（ 2.12）当轮胎接触点处的maxfFF时，摩擦fF与力偶力11F总是大小相等方向相反，车轮在C 点处无滑移，在轮心处 F 的作用下，车轮以 C 点为瞬心，向前滚动前进。轮心处 F 11 力，即为一个轮上的牵引力，11F与阻力 F 平衡。 ntsXXXX 大学本科毕业设计说明书 9 图 2-2 混合动力自行车牵引力分析若maxfFF时，车轮在 C 点受力不平衡，车轮将克服路面的摩擦阻力空转而不前进。实际上，由于车轮的圆度误差不均与磨损以及轨面状况等因素的影响，车轮在 C 点处不可能保持理想的无滑动滚动、免不了有滑移。为考虑这一因素影响，将摩擦系数值取低一点。理论上把这个系数称为粘着系数；车轮与路面之间的摩擦力相应得称为粘着力；这种牵引方式称为粘着牵引。表 2-2 不同路面状况的粘着系数路面特征粘着系数全新坚硬的柏油、混泥土（干） 0.015 柏油路面（湿） 0.01 混泥土路面（湿） 0.009 泥土路面（干） 0.045 泥土路面（湿） 0.1 松沙路面 0.1 冰面 0.001 影响粘着系数的因素很多，其中主要有： 1、车轮与路面的状态带有花纹的轮面或干燥的路面，粘着系数较大，路面潮湿，有冰、血、霜或油垢的路面粘着系数较小。 2、运行速度的高低随着运行速度增加 ,加剧了车轮与路面的纵向和横向的滑动及机车振动，粘着系数减小。 3、混合动力自行车特性的差异，车轮直径的大小不同，各车轮间的负载分布不均、电动机的分布等都对粘着系数有影响。参考文献 27得到表 2-2。 2.3 混合动力自行车的动力性能 ntsXXXX 大学本科毕业设计说明书 10 混合动力自行车因为以蓄电池存储的电能为能量来源，所以衡量混合动力自行车性能的一项重要指标是最大续驶里程，而且，混合动力自行车采用的是电机驱动系统，其输出特性和一般自行车也不相同。混合动力自行车的电机驱动系统将蓄电池输出的电能转化为车轮的旋转动能，从而驱动混合动力自行车运行。它决定了混合动力自行车的动力性能，它的能量转化效率也直接影响到混合动力自行车的最大行驶里程。由此可见，研究混合动力自行车驱动系统对提高混合动力自行车性能具有重要意义。另外，混合动力自行车因为采用电机驱动系统，可以利用电动机的逆向工作性能，制动时的能量进行回馈，增强其制动性能。混合动力自行车的动力性能值是自行车在良好路面上直线行驶时由自行车受到的纵向外力决定的，所能达到的平均行驶速度 29。下面介绍自行车的主要动力性能指标：最高车速、加速时间、最大爬坡度。自行车的最高车速：在水平良好的路面上，自行车所能达到的最高行驶车速。自行车的加速时间：常用原地起步加速时间与超车加速时间来表明自行车的加速能力。原地起步加速时间是指汽车由低档起步，并以最大的加速度逐步换至最高档后到预定的距离或预定速度所需的时间。超车加速时间，是指用最高档由较低车速全力加速到高速所需的时间。自行车能爬上的最大的坡度是指用满载时自行车在良好路面上的最大爬坡度表示的。 2.3.1 自行车基本参数介绍 a.整车整备质量：包括动力蓄电池，不包括乘员或装载质量，随车工具，车载充电器。 b.功率：指物体在单位时间内所做的功。功率越大转速越高，自行车的最高速度也越高，常用最大功率来描述自行车的动力性能。最大功率一般用马力或千瓦来表示， 1 马力等于 0.735 千瓦。 c.扭矩：扭矩是使物体发生转动的力。发动机的扭矩就是指从曲轴端输出的力矩。在功率固定的条件下它与发电机转速成反比关系，转速越快扭矩越小，反之越大，它反映了自行车在一定范围内的负载能力。 d.最大总质量（ kg）：自行车满载时的总质量。最大装载质量（ kg）：自行车在道路上行驶时的最大装载质量。 e.轴距（ mm）：通过车辆两车轮的中心，并垂直于车辆纵向对称平面的二垂线之间的距离。简单的说，就是自行车前轴到后轴的距离。轮距（ mm）：车的左右轮胎面中心线间的距离。 2.4 制动系统 2.4.1 混合动力自行车刹车分类 ntsXXXX 大学本科毕业设计说明书 11 传统的混合动力自行车只是机械式刹车 ,使很多的能量在不知不觉中浪费 ,而现在我们做的混合动力自行车带有了能量反馈节约了能量。带有制动能量再生系统混合动力自行车的制动过程与传统的混合动力自行车的制动有着不同之处。再生制动力是利用在电磁场中旋转的磁极将会产生的电磁转矩，电磁转矩的旋转方向与车轮行驶的方向相反，从而产生对混合动力自行车的制动。但是这种制动方式在遇到紧急情况时将不能应付，因为他不能在短时间内使自行车停下来。因此在做混合动力自行车制动时，既用了再生制动也使用了传统的带式制动器，使电动车的刹车更有效，也能尽量减少不必要的损耗，电池一次充电行驶的路程最长。因此在求制动力时，我们分紧急情况与正常情况。紧急情况指的是在同一时间内既有手制动也有再生制动。正常状况指的是只有再生制动一种情况。 2.4.2 制动力的分析与求解图 2-3 为良好的硬路面上制动时车轮受力情况：图中，uT是车轮制动器中的摩擦力矩；reT是再生制动力矩，即制动时再生制动系统作用于自行车车轮的阻力矩，1F为车子的阻力，pF为车轴对车轮的推力。有力矩平衡得： 1 /2u reTTF D式（ 2.13）由于制动力不可以大于粘着力 ,即： 1 zF F

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