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摘 要在不可再生能源日益供需状态紧张以及生态环境逐渐趋向恶化的今天，伴随着人们日益增长的收入，开始富裕起来的人们对汽车这种传统出行方式的需求也越来越明显。然而，穹顶之下，传统汽车的燃料所依赖的汽油、柴油所产生的汽车尾气也正是我们如今以雾霾为典型的各种形式的气候问题元凶之一，所以汽车领域在以“可持续发展”为基础，“科学发展观”为指导的科技创新里必然要使用一种以新型绿色、低排放甚至零排放的新型能源来作为新型汽车的动力来源，因此纯电动汽车这种以电能这种清洁能源以其来源广、零排放、易储存、安全性高的优势作为动力的新型汽车应运而生。此次的毕业论文题目，就是根据目前汽车市场上方兴未艾的纯电动汽车为研究基础，通过轮毂电机这种新型的动力传动方式来实现小型纯电动汽车的多种新颖的行进动作以及很大程度上简化传统汽车的传动系统，即从传统“三大件”（发动机、变速箱、底盘）简化为仅需合理的设计好底盘即可。这次所设计的课题是以轮毂电机技术为基础，市场化方向定位为市区中老年人代步车，车身结构为3门2座两厢，通过四个具备轮毂电机的车轮以适时四驱的形式行驶的一种体现低成本、环保、节能、便利等诸多优势的纯电动汽车。本设计是关于纯电动汽车诸多动力方案之一的轮毂电机进行进一步的研究。利用CAXA以及CATIA等二维与三维软件来对本设计进行绘图。其包括轮胎、轮辋、电机、旋转变压器、盘式制动器。关键词：轮毂电机；纯电动；旋转变压器AbstractOur countryin non renewable energyincreasingly tenseand thegradual deterioration of the ecological environmentin twenty-first Century,along withthe increasingof income,peoplegradually affluentdemand for carsthetraditional way to travelis becoming more and more obvious.However,the traditional automobilefuelongasolineisone ofourclimate issuesin various forms ofculpritsnow,so the carin the field ofsustainable development is thebasis ofscientific development viewscience and technology innovation as theguidancein thebound to usea new type of green,low emissionsand even0emissionsasnewenergythe energy sourceof the car,sothepowercame into beingas a pure electric vehicleenergy.This designmakes a further studyofwheel motorelectric vehiclepower solutionsonthemany.Tothe design ofdrawingby CAXAand CATIAin 2D and 3Dsoftware.Includingtires,rims,motor,rotary transformer,disc brake.Keywords：three degrees of freedom；mechanical arm；Model teaching aid目 录摘要IAbstractII目录III第一章 绪论11.1 纯电动汽车发展的概况11.1.1 国外电动汽车的发展现状21.1.2 国内电动汽车的发展现状21.2 选题的背景和意义31.3 本文的结构51.4 本章小结5第二章 整车设计62.1 汽车整体初步方案的选择62.1.1 电池的选择62.1.2 电动汽车的几种驱动方式82.2 基于轮毂电机技术的电子差速转向分析122.2.1 转向原理132.2.2 电子差速实现方式142.2.3 特殊用途的转向结构152.3 车辆的阻力162.3.1 滚动阻力162.3.2 空气阻力202.4 本章小结20第三章 方案分析213.1 无刷电机的特性分析213.1.1 永磁无刷直流电机驱动基本原理213.1.2 永磁体的材料性能213.1.3 扩展转速技术223.1.4 无检测技术223.2 轮毂电机制动的比较与选择233.2.1 鼓式制动233.2.2 浮钳式制动243.3 本章小结26第四章 汽车总体性能及关键零部件的设计和选用274.1 电动汽车动力性能计算274.2 轮毂电机参数选择284.3 转速的确定294.4 功率的确定294.5 转矩校核304.6 加速性能校核314.7 初选几段重要轴颈尺寸314.7.1 根据最大垂直工况设计324.7.2 根据最大侧向力工况设计344.7.3 最大纵向力工况374.8 关键零部件强度校核394.9 本章小结42结论43致谢44参考文献45VICONTENTSAbstractII Chapter1 Introduction1 1.1 Development of pure electric vehicle1 1.1.1 Development of electric vehicles abroad2 1.1.2 Development of electric vehicle in China2 1.2 Background and significance of the topics3 1.3 Structure of this paper5 1.4 Summary of this chapter5 Chapter2 Vehicle design6 2.1 Choice of the overall scheme of the car6 2.1.1 Battery selection6 2.1.2 Several driving modes for electric vehicles8 2.2 Electronic differential speed steering analysis12 2.2.1 Steering principle13 2.2.2 Electronic differential speed implementation14 2.2.3 Special purpose steering structure15 2.3 Vehicle resistance16 2.3.1 Rolling resistance16 2.4 Summary of this chapter20 Chapter3 Plan analysis20 3.1 Characteristic analysis of brushless motor21 3.1.1 Permanent magnet brushless DC motor driver213.1.2 Material properties of permanent magnets213.1.3 Extended speed technology223.1.4 No-detection technology223.2 Comparison and selection of wheel motor braking233.2.1 Drum brake233.2.2 Floating clamp brake243.3 Summary of this chapter26Chapter4 Overall performance and selection of key parts of vehicle274.1 Electric vehicle power performance calculation274.2 Parameters selection for hub motor284.3 Determination of rotational speed294.4 Determination of power294.5 Torque check304.6 Speed up performance verification314.7 Primary key axis neck size314.7.1 Maximum vertical working condition design324.7.2 Maximum lateral force working condition design344.7.3 Maximum longitudinal force condition374.8 Strength check of key parts394.9 Summary of this chapter42Conclusion43Thanks44 Reference45第一章 绪 论1.1 纯电动汽车发展的概况纯电动汽车发展至今，种类较多，通常按车辆用途、车载电源数目以及驱动系统的组成进行分类。按照用途不同分类，纯电动汽车可分为电动轿车、电动货车和电动客车三种。（1）电动轿车是目前最常见的纯电动汽车。除了一些概念车，纯电动轿车已经有了小批量生产，并已进入汽车市场。（2）电动货车用作功率运输的电动货车目前还比较少，而在矿山、工地及一些特殊场地，则早已出现了一些大吨位的纯电动载货汽车。（3）电动客车，目前纯电动小客车也较少见；纯电动大客车用作公共汽车，在一些城市的公交线路以及世博会、世界性的运动会上，已经有了良好的表现。纯电动汽车采用电动机中央驱动形式，直接借用了内燃机汽车的驱动方案，由发动机前置前驱发展而来，由电动机、离合器、变速箱和差速器责成。用电驱动装置替代了内燃机，通过离合器将电动机动力与驱动轮进行连接或动力切断，变速箱提供不同的传动比以变更转速功率曲线匹配的需要，变速器实现转弯时两车轮不同车速的行驶。纯电动汽车采用双电动机电动轮驱动方式，机械差速器被两个牵引电动机所代替，两个电动机分别驱动各自车轮，转弯时通过电子差速控制以不同车速行驶，省掉了机械变速器。现在纯电动汽车所独有的以蓄电池作能量源的一种结构，蓄电池可以布置在上的四周，也可以集中布置在车的尾部或者布置在底盘下面。所选用的蓄电池应该能提供足够高的比能量和比功率，并且在车辆制动时能回收再生制动能量。具有高比能量和高比功率的动力电池对纯电动汽车的加速性和爬坡能力。为了解决一种蓄电池不能同时满足对比能量和比功率的要求这个问题，可以在纯电动汽车同时采用两种不同的蓄电池，其中一种能提供高比能量，另外一种提供高比功率。两种电池作混合能量源的基本结构，这两种结构不仅分开了对比能量和比功率的要求，而且在汽车下坡或制动时可利用蓄电池回收能量。燃料电池所需的氢气不仅能以压缩氢气、液态氢或金属氢化物的形式储存，还可以由常温的液态燃料如甲醇或汽油随车产生。一个带小型重整器的纯电动汽车的结构，燃料电池所需的氢气由重整随车产生。1.1.1 国外电动汽车的发展现状美国在今年第二季度在全世界范围内销售了7931台电动车，这一数字领先于其他所有市场，销量环比上涨28%。其他市场的数字分别是日本4240台，法国2056，德国1284。而在中国，今年的第一季度仅有235台电动汽车售出，比上一季度的343台下降了31%。日本将会是这个产业的领头羊，到2017年，日本将生产77.9万辆电动车，占其汽车生产总量的9.7%。德国和美国也有可能将电动汽车的产量推升至21.83万辆和36.23万辆，分别占汽车市场总产量的3.55%和3%。在此期间，中国的产量可能会达到273150辆，仅为汽车总产量的1%。随着电动汽车行业竞争的不断加剧，大型电动汽车企业间并购整合与资本运作日趋频繁，国内优秀的电动汽车企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深入研究。正因为如此，一大批国内优秀的电动汽车品牌迅速崛起，逐渐成为电动汽车行业中的翘楚。1.1.2 国内电动汽车的发展现状新能源汽车的发展方向有多种，但其中之一的氢燃料电池技术不成熟，成本昂贵，是20年之后的技术。中国也没有氢燃料电池反应所必需的铂。虽然没有公开申明，但据传国家内部决策层曾明确表示中国不适宜发展氢燃料电池汽车，只作为科研跟踪。从技术发展成熟程度和中国国情来看，纯电动汽车应是大力推广的发展方向，而混合动力作为大面积充电网络还没建立起来之前的过渡技术。但混合动力车动力系统复杂，成本昂贵。比亚迪F3DM有两套动力系统，其公布的动力系统成本增加了5万元，相当于每年要节省8千元的油费才能比传统汽油车经济。混合动力的优势是保留了传统汽油汽车的使用生活方式，根据汽油机和电动机混合程度，充电次数和传统汽油汽车加油次数相当，或者不用充电。行驶距离也不受限制。纯电动车省去了油箱、发动机、变速器、冷却系统和排气系统，相比传统汽车的内燃汽油发动机动力系统，电动机和控制器的成本更低，且纯电动车能量转换效率更高。因电动车的能量来源电，来自大型发电机组，其效率是小型汽油发动机甚至混合动力发动机所无法比拟的。纯电动汽车因此使用成本在下降。按比亚迪F3e纯电动车公布的数据，百公里行驶耗电12度，依照0.5元的电价算，百公里使用成本才6元。而其原形车F3汽油车百公里耗油7.6升，按目前6.2元的油价，成本是46.5元。相比之下，电动车的使用成本才是传统汽油汽车的八分之一。纯电动车的缺点是它改变了传统汽车的使用生活方式，需要每天充电。传统的汽车使用习惯是大致一到两周加一次油。而且每次出行也有几百公里的距离限制，虽然一个家庭远距离出行可能一年就这么几次。1.2 选题的背景和意义 汽车在全球保有量的不断增加使人类社会面临能源短缺、全球变暖、空气质量水平下降等诸多挑战，同时也推动的汽车自身技术的发展，为此汽车工程师正在不断努力降低油耗的方法，寻求各种代用燃料以及开发不用或少用汽油的新型车辆；越来越多的认识已认识到各种类型电动汽车和燃料电池汽车是实现清洁汽车的解决方案，全世界的汽车业界也正在为此努力并投入巨大的资金和人力。众所周知，电动汽车相对于传统汽车最大的特点是在行驶过程中很少甚至没有排放污染，热辐射低，噪声低且环境友好。然而轮毂电机技术特点在于将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，因此将电动车辆的机械部分大大简化。轮毂电机技术并非新生事物，早在1900年，就已经制造出了前轮装备轮毂电机的电动汽车，在20世纪70年代，这一技术在矿山运输车等领域得到应用。而对于乘用车所用的轮毂电机，日系厂商对于此项技术研发开展较早，目前处于领先地位，包括通用、丰田在内的国际汽车巨头也都对该技术有所涉足。轮毂电机驱动系统根据电机的转子型式主要分成两种结构型式：内转子式和外转子式。其中外转子式采用低速外转子电机，电机的最高转速在1000-1500r/min，无减速装置，车轮的转速与电机相同；而内转子式则采用高速内转子电机，配备固定传动比的减速器，为获得较高的功率密度，电机的转速可高达10000r/min。随着更为紧凑的行星齿轮减速器的出现，内转子式轮毂电机在功率密度方面比低速外转子式更具竞争力。轮毂电机的优点，相对于传统以电动机为动力的纯电动汽车的优越性在于：省略大量传动部件，让车辆结构更简单，可实现多种复杂的驱动方式，便于采用多种新能源车技术等等。对于轮毂电机技术近年来的应用现状，国外轮毂电机驱动技术的应用主要体现在两个方面：一是以轮胎生产商或汽车零部件生产商为代表的研发团队开发的集成化电动系统；二是整车生产商与轮毂电机驱动系统生产商联合开发的电动汽车。而在我国国内对于轮毂电机的研究多集中于高校，产品均为电动汽车，与此同时，自主品牌汽车厂商也纷纷推出了自己的轮毂电机技4术产品，国内的汽车商虽然能够生产电动汽车，但是对于轮毂电机驱动技术的研究尚不成熟，尤其是在高转矩轮毂电机开发方面，与国外先进产品仍有一定差距。1.3 本文的结构本文的第1章为引入的绪论，概括了纯电动汽车发展的现状和趋势；本文的第2章为方案分析，较为详细的阐述了轮毂电机方案选择及其优缺点；本文的第3章为主要零部件的选择和设计分析，选取电池、电动机整体为对象具体的分析和设计；本文的第4章为电机整体的参数设计，零件的设计与校核。1.4 本章小结本章绪论部分主要对本次毕业设计的选题及研究目标进行了相关的介绍，主要目的是能够对该题目有个初步的了解并确定设计方向。对于轮毂电机技术选题的意义以及它在国外和国内相关领域的发展情况进行了简要的介绍，让大家对轮毂电机技术的起源发展及历史有一定了解。47第二章 整车设计2.1 汽车整体初步方案的选择 2.1.1 电池的选择电动汽车电池分两大类，蓄电池和燃料电池。蓄电池适用于纯电动汽车，包括铅酸蓄电池、镍基电池、钠硫电池、二次锂电池、空气电池。燃料电池专用于燃料电池电动汽车，包括碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐电池(MCFC )、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC )、直接甲醇燃料电池(DMFC )。燃料电池由。燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原。如果在阳极(即外电路的负极，也可称燃料极)上连续供给气态燃料(氢气)，而在阴极(即外电路的正极，也可称空气极)上连续供给氧气(或空气)，就可以在电极上连续发生电化学反应，并产生电流。由此可见燃料电池与常规电池不同，它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外部的储罐中。当它工作(输出电流并做功)时，需要不间断地向电池内输人燃料和氧化剂并同时排出反应产物。因此，从工作方式上看，它类似于常规的汽油或柴油发电机。由于燃料电池工作时要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，所以燃料电池使用的燃料和氧化剂均为流体(气体或液体)。最常用的燃料为纯氢、各种富含氢的气体(如重整气)和某些液体(如甲醇水溶液)，常用的氧化剂为纯氧、净化空气等气体和某些液体(如过氧化氢和硝酸的水溶液等)1。 燃料电池阳极的作用是为燃料和电解液提供公共界面，并对燃料的氧化产生催化作用，同时把反应中产生的电子传输到外电路或者先传输到集流板后再向外电路传输。阴极(氧电极)的作用是为氧和电解液提供公共界面，对氧的还原产生催化作用，从外电路向氧电极的反应部位传输电子。由于电极上发生的反应大多为多相界面反应，为提高反应速率，电极一般采用多孔材料并涂有电催化剂。 电解质的作用是输送燃料电极和氧电极在电极反应中所产生的离子，并能阻止电极间直接传递电子。 隔膜的作用是传导离子、阻止电子在电极间直接传递和分隔氧化剂与还原剂。因此隔膜必须是抗电解质腐蚀和绝缘的物质，并具有良好耐润湿性。 图2-1 燃料电池 图2-2 特斯拉磷酸铁锂电池组 1）电池组 电动汽车电池组由多个电池串联叠置组成。一个典型的电池组大约有96个电池，充电到4.2V的锂离子电池而言，这样的电池组可产生超过400V的总电压。尽管汽车电源系统将电池组看作单个高压电池，每次都对整个电池组进行充电和放电，但电池控制系统必须独立考虑每个电池的情况。如果电池组中的一个电池容量稍微低于其他电池，那么经过多个充电/放电周期后，其充电状态将逐渐偏离其它电池。如果这个电池的充电状态没有周期性地与其它电池平衡，那么它最终将进入深度放电状态，从而导致损坏，并最终形成电池组故障。为防止这种情况发生，每个电池的电压都必须监视，以确定充电状态。此外，必须有一个装置让电池单独充电或放电，以平衡这些电池的充电状态。电池组监视系统的一个重要考虑因素是通信接口。就PC板内的通信而言，常用的选项包括串行外设接口(SPI)总线、I2C总线，每种总线的通信开销都很低，适用于低干扰环境。另一个选项是控制器局域网(CAN)总线，这种总线在汽车应用中被广泛使用。CAN总线具有误差检测和故障容限特性，但是它的通信开销很大，材料成本也很高。尽管从电池系统到汽车主CAN总线的连接是值得要的，但在电池组内采用SPI或I2C通信是有优势的。综上所述，对于本文中的电动汽车所面临的使用环境（市区为主），考虑到使用环境中对安全性及结合当前充电桩等相关配套设备的实用性，所以本设计中将采用在比亚迪S6等车型中所使用的磷酸铁锂电池，尽管能量密度并非最高，但其所带来的安全性和可循环充电次数、可预见的经济性等方面的优异行仍是本方案的最佳选择。2.1.2 电动汽车的几种驱动方式在现代电驱动系概念性的视于图2-3中。该电驱动系有三个主要的子系统组成：电动机驱动、能源和辅助子系统。电动机驱动子系统由车辆控制器、电力电子变换器、电动机、机械传动装置和驱动轮组成；能源子系统包含能源、能量管理单元和能量的燃料供给单元；辅助子系统由功率控制单元和辅助电源组成。图2-3 通用EV结构的概念性图示基于来自加速和制动踏板的控制输入，车辆控制器想电力电子变换器给出正确的控制信号，变换器行驶控制电动机与能源之间的功率流的功能。起因于EV再生制动所导致的反向功率流，以及该再生能量可储存与能源之中，构成了有接受能量能力的能源。大多数的EV蓄电池组、超级电容器组以及飞轮组都可容易的具有接收再生能量的能力。能量管理单元与车辆控制器相配合，控制再生制动及其能量的回收，它与能量的燃料供给单元一起控制燃料供给单元，并监控能源的使用性能。辅助电源为所有的EV辅助设备，尤其是车内气候控制和功率控制单元，提供不同电压等级的所需功率。由于在电驱动特性和能源方面的多样性，可有各种可能的EV结构形式，如图2-4所示。1）图2-4a表明了第一种可供选择的结构，其中电驱动装置替代了传统车辆驱动系的内燃机，它由电动机、离合器、变速器和差速器组成。离合器和变速箱可有自动传动装置予以替代，离合器用以将电动机的动力连接到驱动轮，或从驱动轮处脱开。变速箱提供一组传动比，以变更转速功率（转矩）曲线匹配在和的需求。差速器是一种机械器件（通常是一组行星齿轮），当车辆沿着玩去的路径行驶时，它使两侧车轮以不同的转速驱动。图2-4 a)2） 如图2-24 b所示，借助于电动机在大范围转速变化中所具有的恒功率特性，可用固定当的齿轮传动装置替代多速变速箱，并缩减了对离合器的需要。这一结构不仅减小了机械传动装置的尺寸和重量，而且由于不需要换挡，故可简化驱动系的控制。图2-4 b）3）如图2-4c所示，类似于如2-2b中的驱动系，电动机、固定当的齿轮传动装置和差速器可进一步集成为单个组合件，而其两侧的轴连接两边的驱动轮。整个驱动系由此得以进一步的简化和小型化。图2-4 c) 4）在图2-4d中，机械差速器被两个牵引电动机所替代。该两电动机分别驱动相应侧的车轮，并当车辆沿弯曲路径行驶时，两者以不同的转速运转。图2-4 d) 5）如图2-4e所示，为进一步简化驱动系，牵引电机可安置在车轮内，即使用本文所涉及的轮毂电机。这种配置是通常所说的轮式驱动。一个薄型行星齿轮组可用以降低电动机转速，并增大电动机转矩。该薄型行星齿轮组具有高减速比以及输入和输出轴纵向配置的优点。图2-4 e)6） 如图2-4f所示，通过完全舍弃电动机和驱动轮之间任何的机械传动装置，应用于论事驱动的低速外转子型电动机可直接连接至驱动轮。此时电动机的转速控制等价于轮速控制。然而，这一配置要求电动机在车辆启动和加速运行时具有高转矩性能。图2-4 f)a) 配置多档传动装置和离合器的传统驱动系 b) 无离合器需求的单挡传动装置 c)固定挡的传动装置和差速器的集成 d) 两个独立的电动机和带有驱动轴的固定挡传动装置 e)配置两个独立电动机和固定挡传动装置的直接驱动 f) 两个分离的轮式驱动形式C离合器 D 差速箱 FG固定挡的齿轮传动装置 GB变速箱 M电动机综上所述，使用轮毂电机技术的f型传动方式无疑在驱动结构上极大的简化了传动装置，所以在技术研发的过程中可以节约大量的人力资源，缩短研发周期，极大的降低汽车成本。基于本文中的设计需要，故选择四个具有轮毂电机的车轮作为动力源的f方案。2.2 基于轮毂电机技术的电子差速转向分析由于本文是基于轮毂电机技术而设计的车型，对于汽车的转向方式，出于轮毂电机技术的特性，进而可以选择很多更具灵活性的结构，比如电子差速转向。电子差速的方法是通过驾驶者输入信号，恐怕那个之气改变车轮速度实现转向，如图2-5所示。方向盘的转动轴底部直接连接一个误差为0.5%的唯一传感器，该传感器的位移范围是（0200）mm，模拟电压输出范围为（05）V，作为电子差速转向系统的指令输入。1. 方向盘 2.转轴 3.转向节 4.转向横拉杆 5.万向节 6.轮毂电机图2-5 电子差速的转向机构控制器2.2.1 转向原理四轮电子差速需要对4个轮毂电机同时进行速度控制和差速计算，是一个复杂的控制系统。硬件结构包括方向盘、位移传感器、控制器、4个轮毂电机、每个电机的转子位置传感器。图4为电子差速转向总体控制框图。电子差速转向系统通过调整电机转速，改变车轮的转速实现差速转向。当电动汽车需要转向时，转向的内侧车轮速度小于外侧车轮速度。由于内外轮测的速度差异，相同时间内，内侧车轮驶过的距离较小，外侧车轮驶过的距离较大，车体必然向内侧偏转，从而实现转向。具体转向过程如下：首先将方向盘的角度输出转换成控制系统可以接收的模拟信号，在执行转向之前，定义方向盘的角度输出与模拟量之间的关系；然后对模拟信号的变化范围进行分析，经过计算即可得到不同的方向盘位置与转向时各个车轮转速的分配；内外侧车轮产生速度差异，实现转向。图2-6 电子差速转向总体控制框图2.2.2 电子差速实现方式电动汽车在进行电子差速转向时，其当前的运行方式对电子差速方案的实施有着重要的影响。根据不同的工作模式，电子差速运行时，当前电动汽车的速度状态和转向角度指令都要作相应的变化和调整。电动汽车在进行匀速前进时，由于路面存在高低不平、轮胎参数有差异，4个车轮速度必然会受到影响，导致4个车轮转速不同。如果不进行纠正，就会引起电动汽车向转速较慢的那一方转向，若四轮车速相差较大更会引起车辆行驶的不稳定。利用PD调速方法对电机转速进行闭环控制，可提高电机调速的响应时间和调速稳定性，有利于4个轮毂电机转速的一致性协调。转速一致性协调遵循一下法则：在电动汽车直线前进时，在采样点时刻求出4个车轮转速的最小值，使其他3个车轮的转速与其始终保持一致，其流程如图2-7所示。当电动汽车在加速前进时，加速踏板发出的速度指令在不断变化，控制器根据加速指令的变化改变控制器的PWM占空比输出，轮毂电机的转速也相应在变化。此时产生转向指令，若保持电机处于加速状态同时进行转向操作，必然会导致在转向过程中电动汽车的不稳定运行。本文采取的策略是记录向指令发生时刻的PWM占空比值和车速，并保持PWM占空比值不变。根据车速和转向角度计算4个车轮的各自的转速，并开始实施转向；当转向指令结束后，PWM的占空比值从转向指令发生时可记录的数据开始随之加速踏板指令变化，车速也随着作相应变化。具体实施策略如图2-8所示。图中v是电动的车轮速度，T是电动汽车车轮的转矩。 图2-7四轮速度协调流程图 图2-8加减速运行时电动车转向策略流程图2.2.3 特殊用途的转向结构 前几节中所提到的均为日常行驶过程中的转向方式，但在实际生活中，基于轮毂电机技术的汽车通过特殊的转向结构还可以实现特殊环境下独特的转向方式，例如侧方位停车以及汽车的倒库出库等与汽车驾驶息息相关的驾驶动作。本文中，电子差速系统虽然在日常行驶过程中足以满足正常的使用要求，但是仍然没有进一步发挥轮毂电机技术的优势。所以本文在悬挂系统、底盘结构的选择及设计上进行了一些调整与变更，即选用横臂式独立悬挂并为4个轮胎各配备一个气压缸使轮胎的摆动角度可以大大提高，即0120之间。如下图2-10所示，如果在汽车的电控系统中单独为气压缸设定一个转向模式，当驾驶者在需要进行侧方位停车、汽车的倒库出库、原地转向等驾驶动作时启用，电控系统向气压缸传递电信号使活塞杆伸出所需长度使轮胎完成所需角度的旋转，再通过四个轮毂电机的正反转配合，可以很大程度上简化了停车、转向的程序并很大程度的节约了这些过程所用的时间。如果在电控系统中通过汽车前后雷达配以很多厂商结合自己车型所设计的自动泊车系统应用到使用轮毂电机技术的汽车上，无疑会为汽车带来不一样的操纵乐趣的同时大大降低停车过程中由于新手司机技术上的不足所引发的汽车之间的刮蹭事故。 图2-9 汽车底盘悬挂 图2-10 汽车侧位停车图2.3 车辆的阻力2.3.1 滚动阻力 如图2-11所示，与其运动方向相反的车辆阻力包括轮胎滚动阻力、空气阻力Fw以及爬坡阻力。图2-11 作用于上坡行驶车辆上的力在硬地面上，轮胎的滚动阻力基本上起因于轮胎材料的滞变作用。图2-12表明作用于停顿状态轮胎上的力P通过其中心。这样，在轮胎和地面之间接触面上的压力对称于中心线分布，而所产生的反作用力Pz与P共线。在加载和卸载过程中，作为载荷P的函数的形变z，如图2-12所示。由于橡胶材料形变状态下的滞变作用，对于相同的形变z，处于加载情况下的载荷大于卸载时的在和（见图2-13）。当轮胎滚动时，如图2-14a所示，在接触面的前半部分为加载，而后半部分为卸载。从而，滞变作用导致地面反作用力的不对称分布，使接触面前半部分的压力大于后半部分的压力（见图2-14a）。这一现象的结果是地面反作用力向前偏移。该向前偏移的地面反作用力和作用于车轮中心、铅锤方向的载荷产生了一个抵制车轮滚动的扭矩。在软地面上，滚动阻力基本上起因于地面的变形，如图2-14b所示。此时，地面反作用力几乎完全地偏移至接触面的前半部分。 图2-12 在接触表面上的压力分布 图2-13在加载和卸载情况下作为轮胎形变函数 图2-14 轮胎的挠曲及其滚动阻力a） 硬路面 b）软路面 由合成的地面反作用力向前偏移所产生的转矩被成为滚动阻力转矩，即：为保持车轮转动，作用于车轮中心的力F应与滚动阻力距相平衡，即此力应为： 其中，rd 为轮胎的有效半径；fr=a/rd称为滚动阻力系数。这样，滚动阻力距可通过作用于车轮中心且其指向与车轮运动方向相反的一个水平力予以等值替代。这一等值力被称为滚动阻力，即： 式中，P为作用于滚动车轮中心的铅锤方向的载荷。当车辆运行在有坡度的地面上时，铅锤方向的载荷P应由与地面蒸饺的分量所替代，即： 其中，为地面的倾斜角。 滚动阻力系数fr是取决于轮胎材料、轮胎结构、轮胎温度、轮胎充气压力、外胎面的几何形状、路面粗糙度、路面材料和路面上有无液体的函数，它对应于各种不同特征路面的典型值列于表2-1。 由在混凝土路上，轿车的滚动阻力系数可用下列经验公式计算： 其中V为车速（km/h）；f0和fs取决于轮胎的充气压力。 车辆性能计算中，对混凝土路面行驶的轿车，可应用如下适合于最一般充气压力范围的公式：表2-1 不同特征路面的典型值状况滚动阻力系数混凝土或沥青路面上的汽车轮胎0.013压实的沙砾路面上的汽车轮胎0.02沥青碎石路0.025未铺路面0.05田野0.10.35混凝土或沥青路面上的载货汽车轮胎0.0060.01铁轨上的车轮0.0010.0022.3.2 空气阻力 以特定速度运动的车辆将遇到阻碍其运动的空气阻力的作用，即形状阻力和外壳摩擦力。 即形状阻力，而空气阻力的表达式为：式中，车速是V，车辆迎风正面的面积Af，车身形状和空气密度的函数，CD是车身形状特空气阻力系数；Vw是车辆运动方向上的风速分量2。2.4 本章小结 本章的主要是介绍了一些关于汽车总体上根据本论文所面市场而选定的一些方案以及整体驱动的数据计算所依据的公式，为后续更详尽的数据的计算展开铺垫。并且在转向结构的设计上为相对与传统汽车的转向系统提供了一种新的思路。第3章 方案分析3.1 无刷电机的特性分析3.1.1 永磁无刷直流电机驱动基本原理用词无刷直流电动机驱动主要有无刷直流电动机、基于数字信号处理器（DSP）的控制器和基于电力电子的功率变换器所构成。由位置检测器检测电动机转子的位置。转子的位置信息输入到基于DSP的控制器，随即由该控制器向功率变换器提供门控信号，从而导通和关断特定的电动机定子磁极绕组。按这种方式，控制电机的转矩和转速3。 3.1.2 永磁体的材料性能 目前用于电机的永磁体材料有三类： 1）铝镍钴（Al、Ni、Co、Fe）； 2）陶瓷（铁氧体），例如钡铁氧体（BaOx6Fe2O3）和铁酸锶（SrOx6Fe2O3）； 3）稀土永磁材料，即钐钴（SmCo）和钕铁硼（NdFeB）。1）铝镍钴铝镍钴的主要优点是其高剩余磁通密度和低温度系数。这种材料剩磁Br的温度系数为0.02%/，且其最高工作温度为520。这些优点使很高的气隙磁密，以及高运行温度成为可能。遗憾的是，矫顽力很低，且其退磁曲线呈现高度的非线性。因此，铝镍钴不仅易于磁化，而且也很容易退磁。铝镍钴永磁体已用于额定功率为几瓦到150kW范围内的电机。2）铁氧体钡铁氧体、铁酸锶与铝镍钴相比铁氧体具有较高的矫顽力，但同时剩磁较低。铁氧体的温度系数相对较高，即Br的温度系数为0.20%/，矫顽力Hc的温度系数为0.27%/。最高工作温度为400。铁氧体的主要优点是低成本和高阻抗，这意味着永磁体内无涡流损耗。3）稀土永磁体现今，钐钴市一中广泛接受的硬磁材料，它具有高剩磁、高矫顽力、高能量积、线性退磁曲线和低温度系数的优点。其温度系数（0.030.045）%/，而Hc的温度系数为（0.140.40）%/。最高工作温度为250300。钐钴非常适合做小体积的电机，从而电机具有高比功率和低转动惯量。价格昂贵是钐钴唯一的缺点。3.1.3 扩展转速技术永磁无刷直流电动机由于其受到限制的弱磁能力，故其固有的恒功率范围小。这起因于永磁体磁场的存在，该磁场只能通过与转子磁场反向的定子磁场成分予以弱化。其转速比通常小于25。 最近，已开发使用附加的励磁绕组来扩展永磁无刷直流电动机的转速范围。该技术的关键是控制励磁电流，使得由永磁体提供的气隙磁场在高速恒功率运行期间可被弱化。由于永磁体和励磁绕组的存在，这种电动机被称作永磁混合式电动机。永磁混合式电动机可获得的转速比约为4。永磁混合式电动机驱动的最佳效率图如图所示。但是，永磁混合式电动机具有结构相对复杂的缺点，其转速比仍不足以满足车辆性能需求，特别是在越野汽车中，因此需要有多档的传动装置。3.1.4 无检测技术永磁无刷直流电动机驱动的运行主要依赖于位置检测器6，以获得转自位置信息，从而恰当的执行各相的导通或关断。位置检测器通常不是三维霍尔效应传感器，就是光编码器。这些位置检测器都是高成本、易损的原件。因此，位置检测器的存在不仅提高了电动机驱动的成本，而且严重地降低了系统的可靠性，并限制了其在某些环境中的应用，如军用。如果位置检测器失效，则无位置检测器技术可有效的继续系统的运行。已有几种无检测器技术被开发，这些技术的大多数都是以电压、电流和反电动势的检测为基础的，主要分为四类：1） 使用所检测的电流、电压、电机的基本方程和代数计算的一类；2） 使用观测器的一类；3） 使用反电动势法的一类； 4）与前三类不同，采用新技术的一类。3.2 轮毂电机制动的比较与选择3.2.1 鼓式制动 鼓式制动器也叫块式制动器（如图3-1），是靠制动块在制动轮上压紧来实现刹车的。鼓式制动是早期设计的制动系统，其刹车鼓的设计1902年就已经使用在马车上了，直到1920年左右才开始在汽车工业广泛应用。鼓式制动器的主流是内张式，它的制动块(刹车蹄)位于制动轮内侧，在刹车的时候制动块向外张开，摩擦制动轮的内侧，达到刹车的目的7。近三十年中，鼓式制动器在轿车领域上已经逐步退出让位给盘式制动器。但由于成本比较低，仍然在一些经济类轿车中使用，主要用于制动负荷比较小的后轮和驻车制动。优点：鼓式制动器造价便宜，而且符合传统设计。 四轮轿车在制动过程中，由于惯性的作用，前轮的负荷通常占汽车全部负荷的70%-80%，前轮制动力要比后轮大，后轮起辅助制动作用，因此轿车生产厂家为了节省成本，就采用前盘后鼓的制动方式。不过对于重型车来说，由于车速一般不是很高，刹车蹄的耐用程度也比盘式制动器高，因此许多重型车至今仍使用四轮鼓式的设计。缺点：鼓式制动器的制动效能和散热性都要差许多，鼓式制动器的制动力稳定性差，在不同路面上制动力变化很大，不易于掌控。而由于散热性能差，在制动过程中会聚集大量的热量。制动块和轮鼓在高温影响下较易发生极为复杂的变形，容易产生制动衰退和振抖现象，引起制动效率下降。另外，鼓式制动器在使用一段时间后，要定期调校刹车蹄的空隙，甚至要把整个刹车鼓拆出清理累积在内的刹车粉。 图3-1 鼓式制动器3.2.2 浮钳式制动盘式制动器有液压型的（如图3-2），由液压控制，主要零部件有制动盘、分泵、制动钳、油管等。盘式制动器散热快、重量轻、构造简单、调整方便。特别是高负载时耐高温性能好，制动效果稳定，而且不怕泥水侵袭，在冬季和恶劣路况下行车，很多轿车采用的盘式制动器有平面式制动盘、打孔式制动盘以及划线式制动盘，其中划线式制动盘的制动效果和通风散热能力均比较好。盘式制动器沿制动盘向施力，制动轴不受弯矩，径向尺寸小8。优点：一般无摩擦助势作用，因而制动器效能受摩擦系数的影响较小，即效能较稳定；浸水后效能降低较少，而且只须经一两次制动即可恢复正常；在输出制动力矩相同的情况下，尺寸和质量一般较小；制动盘沿厚度方向的热膨胀量极小，不会象制动鼓的热膨胀那样使制动器间隙明显增加而导致制动踏板行程过大；较容易实现间隙自动调整，其他保养修理作业也较简便。1）热稳定性较好。因为制动摩擦衬块的尺寸不长，其工作表面的面积仅为制动盘面积的12%6%，故散热性较好。2）水稳定性较好。因为制动衬块对盘的单位压力高，易将水挤出，同时在离心力的作用下沾水后也易于甩掉，再加上衬块对盘的擦拭作用，因而，出水后只需经一、二次制动即能恢复正常；而鼓式制动器则需经过十余次制动方能恢复正常制动效能。3）制动力矩与汽车前进和后退行驶无关。4）在输出同样大小的制动力矩的条件下，盘式制动器的质量和尺寸比鼓式要小。5）盘式的摩擦衬块比鼓式的摩擦衬片在磨损后更易更换，结构也较简单，维修保养容易。6）制动盘与摩擦衬块间的间隙小(0.050.15mm)，这就缩短了油缸活塞的操作时间，并使制动驱动机构的力传动比有增大的可能。7）制动盘的热膨胀不会像制动鼓热膨胀那样引起制动踏板行程损失，这也使间隙自动调整装置的设计可以简化。缺点：盘式制动器有自己的缺陷。例如对制动器和制动管路的制造要求较高，摩擦片的耗损量较大，成本贵，而且由于摩擦片的面积小，相对摩擦的工作面也较小，需要的制动液压高，必须要有助力装置的车辆才能使用是效能较低，故用于液压制动系统时所需制动促动管路压力较高，一般要用伺服装置。两个粘有摩擦衬面的摩擦盘能在花键轴上来回滑动，是制动器的旋转部分。当制动时，能在极短时间使车辆停止。再加上压盘上球槽的倾斜角不可能无限大，所以制动不平顺。综上所述，显然盘式制动器在安全性及性能上更加贴合本文对制动性能的要求，所以即在本次设计中四个装备有轮毂电机的车轮均由浮钳式制动器来对电动汽车进行制动。 图3-2 浮钳式制动器3.3 本章小结 本章主要通过分析了电机部分的几种性能的比较得出永磁无刷直流电动机的性能参数更符合本文轮毂电机技术对电机部分的要求以及在制动器的选择上，通过永磁无刷直流电动机和浮钳式制动器的配合，对整车的制动性能可以有一个更加出色的制动效果，使得整车的安全性、可靠性、耐久性方面比其他几种方案更加合适。第四章 汽车总体性能及关键零部件的设计和选用4.1 电动汽车动力性能计算当电动汽车在坡路上加速形式是，所受到的阻力包括滚动阻力、空气阻力、坡度阻力与加速阻力，电动汽车的驱动力等于阻力的总和，电动汽车的行驶方程为： （4-1）式中：m为汽车总质量；f为滚动阻力系数；为坡度；为空气阻力系数；A为迎风面积；为行驶车速；为车辆旋转质量换算系数9。电动汽车的总功率等于滚动阻力消耗的功率、空气阻力消耗的功率、坡度阻力所消耗的功率与加速阻力所消耗的功率之和，电动汽车的功率平衡方程为：式中，为电动机输出总功率。电动汽车的动力性能评价指标与传统燃油车相同，主要评价指标有三种：最高车速、加速时间与最大爬坡角度10。电动汽车的最高车速是指在无风条件下，在水平良好路面上满载时所能达到的最高车速；加速时间是指在无风条件下电动汽车以最强的动力启动后加速到某一时速所需时间；最大爬坡角度是指电动汽车在良好平整路面满载时以最低车速上坡行驶的最大坡度。电动汽车最高车速可以通过电动机最高转速与轮胎外径确定，即 （4-2）式中：D为轮胎外径；为电动机的最高转速。电动汽车从速度加速到速度所需时间为： （4-3）电动汽车最大爬坡角度为： （4-4）4.2 轮毂电机参数选择轮毂电机参数的选择要依据电动汽车的基本参数，包括迎风面积A、汽车总质量m、最高时速、加速与爬坡能力、轮毂与轮胎的相关参数等。为适应实际需求以及体现设计的合理性 ，本文参考用途与某德系公司电动车中的小型乘用车相像的车型的相关指标用以进行相应参考计算，选取电动汽车相关参数如表所示11。表4-1 某德系汽车相关参考参数车辆主要参数要求单位数值迎风面积 2.38汽车总质量1500最高时速110最大爬坡角度18爬最大坡度时速20060km/h加速时间20轮毂外径381轮胎外径500滚动阻力系数0.016空气阻力系数0.4旋转质量换算系数1.034.3 转速的确定电动机转速的确定不仅与电动汽车行驶速度有关，还与轮胎的外径相关。城市中通畅的道路平均车速为4060km/h，应选定电动机经常工作的转速在额定转速附近。本文选择，根据上节公式可得电动机的额定转速，同时根据电动汽车最高时速可确定电动机的最大转速。4.4 功率的确定电动机额定功率的选择是非常关键的，在电动汽车的运行中，应该经常使轮毂电机运行在额定功率附近。若电动机的额定值选择过小，则运行时要经常处于过载状态，使之寿命降低；若额定值选择过大，则运行时要经常处于欠载状态，对电动机没有充分利用，使电动汽车的综合效率降低，通常，从保证汽车预期的车速、加速能力和爬坡能力来初步选择电动机应有的功率。电动汽车以最大速度在水平路面上行驶消耗的功率为： （4-5）电动汽车以某一车速爬上一定坡度消耗的功率为： （4-6）电动汽车在水平路面上加速行驶消耗的功率为： （4-7）电动汽车的最大功率应满足汽车对最高车速、加速度以及爬坡度的要求，所以电动汽车电动机的最大功率为：当电动汽车以最高时速在水平路面上行驶时，通过公式得出消耗功率。由于当电动汽车以时速爬坡角度时，通过公式得出消耗功率。由于电动汽车加速时并不是匀加速运动，公式中的不是常数，加速运行时每个时刻消耗功率不能简单的用公式进行计算。车辆经常的形式速度要低于最高车速，也不会经常以时速爬最大坡角，所以选择电动汽车的额定功率为20kW，每个轮毂电机的额定功率为5kW。由于永磁同步电动机有较强的过载能力，电动汽车的最大功率为30kW，每个轮毂电机最大功率为7.5kW，这也为加速与爬坡留下了足够的后备功率12。4.5 转矩校核任意时刻的转矩、功率与转速三者的关系是：电动汽车以最大速度在水平路面上行驶的最大转矩为： （4-8）在爬坡的工况下电动汽车最大转矩表达式为： （4-9）通过公式计算得出功率与转速的选择满足水平路面最大速度和在最大爬坡的工况下最大转矩的要求13。4.6 加速性能校核加速时间是加速性能最重要的指标，车速从0加速到所需要的时间为： （4-10）式中：为车轮转矩；为输出功率。通过公式先计算得出，可进一步算出车速从060km/h的加速时间t为20s，从而满足加速要求14。4.7 初选几段重要轴颈尺寸根据电机的峰值功率=7.5kW,和电机的峰值转速，可求出电机受力部分的最小轴颈： （4-12）考虑电机轴采用40Cr，通过查表可知，A=103，故根据电机的工作需求，初定电机输出轴结构如图4.1所示。下述进行各段重要轴颈的选取。图4-1 电机轴结构示意图4.7.1 根据最大垂直工况设计 （4-1310）式中：单个车轮上的计算垂直力； 单个车轮上用于静强度校核的最大计算垂直力； 单个车轮上的满载静负荷； 静强度垂直动载荷系数，根据经验，一般轿车取=2。由已知可得：故， (4-14)垂向弯矩；b车轮接地点与危险截面间的距离。=20+16+51.5+10+9+20+40=175.5mm;=20+16+51.5+10+9=106.5mm;=20+16+26=62mm;=20+8=28mm;=20+8=28mm;故，； ； ； (4-15)电机输出轴弯曲强度；设计截面直径。弯曲应力 (4-16)电动机的输出轴采用40Cr调质，故查表可得，。40Cr是塑形材料，其失效形式为屈服，故参考强度为屈服极限。安全系数，在后续类似运算中，采用15。故， 4.7.2 根据最大侧向力工况设计 (4-1612)式中：电机输出轴所受侧向力和垂向力合成弯矩； 单个车轮上用于静强度校核的最大计算侧向力； 车轮滚动半径，取300mm； 单个车轮上用于静强度校核的最大计算垂直力； 车轮接地点与危险截面间的距离。式中：车辆满载质心高度； 侧向附着系数，0.4； 汽车前轮距； 单侧车轮本身对水平地面的载荷，本文考虑主要为轮毂电机重量 由公式4-16可得： （4-17）由上可知， ； 故，由上可知： 故 半轴弯曲强度；由上可知， ； ； ； ； 选取截面尺寸 选取截面尺寸 选取截面尺寸 选取截面尺寸 4.7.3 最大纵向力工况 （4-189） （4-19）式中：计算制动力； 一个前轮的最大制动力； 一个前轮的满载静负荷； 地面附着，去0.8； 单个车轮上的计算垂直力； 一个前轮的计算垂直力； 耐久性垂直动载系数，根据经验，取1.2 。由上可知： =3850N； =0.8； =1.2。故，电机输出轴的弯曲应力。； 选取截面尺寸 选取截面 选取截面 选取截面电机输出轴的弯曲应力。 选取截面尺寸 选取截面尺寸 选取截面尺寸 选取截面尺寸 根据经前度的初选结果由于轴上有一个平键，故轴向尺寸应增大3%8%，则故，初选，。4.8 关键零部件强度校核1）根据初选轴颈进行强度校核根据前述的设计要求，电机的额定转矩；电机的额定转速；电机的额定功率，车辆在正常行驶过程中，假定电机输出的为额定转矩，由于车轮型号的限制，电机壳体的直径D=300mm。图4-2 电机轴弯矩图通过查表，可知40Cr调质，抗拉强度极限=750MPa，屈服强度极限=550MPa，弯曲疲劳极限=355MPa，剪切疲劳极限=200MPa，许用弯曲应力=70MPa。2）确定支反力水平面内的支反力3）垂直面内支反力4）计算轴的弯矩，并画弯矩图水平面弯矩垂直面弯矩合成弯矩画弯矩图，如上图4-2所示计算当量弯矩通常弯矩产生的弯曲应力是对称循环的变应力，而转矩产生的扭转切应力往往是不对称的变应力，故在求计算当量弯矩时，必须计及这种循环特性差异的影响。式中的就是考虑弯曲应力与扭转切应力的循环特性不同，将转矩T转化为当量转矩时的应力折算系数16。根据转矩特性而定，对于不变的转矩，取=0.6 得进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩及转矩的截面的强度。所以轴的强度合格。4.9 本章小结本章节主要对轮毂电机的主要参数进行了运算设计并对电机内部关键零件进行了设计及强度校核以确保电机可以既满足性能要求又不会因为设计缺陷产生安全事故。结 论轮毂电机技术相对于传统汽车来说具有极大的革命意义，传统汽车所依据的发动机、变速箱、底盘“三大件”在使用轮毂电机之后变为仅需对底盘进行进一步的优化设计。从而为企业节约了大量的人力、物力，并大大的缩短了产品的研发周期与生产周期，而消费者也可以用同等的预算买到更舒适、实惠、性能更好的产品。所以，加大对轮毂电机技术的研究，对于该技术所面临的广阔的市场空间和技术前景都是大有裨益的。从国家战略的角度来说，通过加