电动客车毕业设计.doc

课程设计说明书课程设计说明书 题目题目 电动公交客车总体设计电动公交客车总体设计 学院：机械与汽车工程学院学院：机械与汽车工程学院 专业：车辆工程专业：车辆工程 班级：班级：2 2 班班 3535 号号 学号：学号：200630592244200630592244 姓名：庞姓名：庞 劲劲 指导教师：李礼夫指导教师：李礼夫 20102010 年年 3 3 月月 1111 日日 1 / 21 目录目录 电动客车基本参数电动客车基本参数.5 电动客车设计过程电动客车设计过程.7 异步电机的选择.7 变速器选择.9 计算性能.10 蓄电池及功率转化器选择.13 传动轴选择.15 前桥及其悬架系统.15 后桥及其悬架系统.16 转向系统简介.16 制动系统简介.17 车身与车架技术参数.18 设计总结设计总结.18 参考文献参考文献.19 2 / 21 车辆工程专业课程设计车辆工程专业课程设计设计任务书设计任务书 设计任务：电动公交客车总体设计设计任务：电动公交客车总体设计 1、客车基本情况：、客车基本情况： 城市电动客车 CA6105 的主要基本参数 序号基本参数 1长宽高（mm） 1158024903200 2轴距（mm）5800 3前悬/后悬（mm）2340/3440 4轮距（前/后） （mm）2096/1836 5接近角/离去角/77 6乘客一级踏步（mm）380 7乘客数（载荷质量 kg）60（5200） 8坐席（包括驾驶员） （名）24 9立席（名）36 10整车整备质量（kg）11847 11前后轴荷（空载） （kg）3963/7881 12最大允许总重（kg）17067 13前后轴荷（满载） （kg）6123/10944 14最高车速（km/h）80 15最大爬坡度（%）%20 16050km 加速时间（s）20.7 17最小转弯半径(mm)22.8 18最小离地间隙(mm)152 19重心高度（计算值） （空载/满载）(mm)820/570 20制动距离（初速 30km/h 紧急制动）(m)80 21一次充电续驶里程(40km/h 匀速行驶) (km)200 22一次充电城市公交工况续驶里程(km)120 2、整车基本结构、整车基本结构 电动公交客车主要由驱动控制系统、电池系统、底盘、车身及电气系统组成。整车采 用动力装置后置后轮驱动，具有合理的轴荷分配和良好的操纵稳定性。 驱动控制系统是电动汽车的心脏，其任务是在驾驶员控制下，高效地将蓄电池的能量 转化为车轮的动能，驱动汽车前进。驱动控制系统主要由电机和电机控制器组成，电机与 电池之间的能量流动通过控制器调节，电机与车轮通过机械传动装置连在一起。电动公交 客车采用交流电机作为驱动电机。 电池系统作为整车的动力源，主要功能是为驱动控制系统提供电能，并用周期性的充 电来补充电能。动力电池组作为电动汽车的关键装备，它的质量和体积以及储存的能量对 3 / 21 电动汽车的性能起决定性的作用。电动公交客车采用锂离子电池作为整车的动力源。 底盘包括传动行驶系、转向系、制动系、悬架和前桥等，其中行驶系又主要由变速器、 传动轴、后桥和车轮等组成。底盘的主要功能是支撑整车的质量，将电机发出的动力传给 驱动车轮，同时还要传递和承受路面作用于车轮的各种力和力矩，并缓和冲击、吸收振动 以保证汽车的舒适性，能够比较轻便和灵活地完成整车的转向和制动等操作。其行驶系示 意图如图 1-1 所示。 车身骨架总成由前围、后围、左侧围、右侧围及顶盖等部件组成。车身骨架采用异型 钢材（矩形钢管）及薄板冲压件组焊而成，所构成的三维框架结构，经有限元计算有足够 的刚度和强度，并进行了轻量化改进，结构较为合理。 电气系统包括低压电气系统和高压电气系统两部分。动力电池组输出的高压直流电通 过电机控制器驱动电机运转，同时还向空调系统的压缩机、转向系统的驱动电机、制动系 统的驱动电机提供电能，这构成了整车的高压电气系统；动力电池组通过 DC/DC 变换器将 高压直流电转换为 24 V 低压直流电，为仪表、照明、控制系统和车身附件提供电能，并给 辅助蓄电池充电，这构成了整车的低压电气系统。 设计内容设计内容 主要进行汽车总体设计。汽车总体设计的内容包括： 1查阅资料、调查研究、制定设计原则 2选择整车和各总成的结构型式及主要技术特性参数和性能参数，形成一个完整的 整车概念。选型过程中要进行必要的计算，并绘制总布置草图，以检验所选择的总成能否 满足选型时确定的整车性能和尺寸要求。 4 / 21 3汽车主要技术参数的确定 （1）汽车质量参数的确定：汽车装载质量、整车整备质量、汽车总质量、汽车轴数 和驱动型式、汽车的轴荷分配。 （2）汽车主要尺寸参数的确定：汽车轴距、汽车的前后轮距、汽车的前悬和后悬、 汽车的外廓尺寸。 （3）汽车主要性能参数的确定：汽车动力性能参数（汽车最高车速 vamax、加速时 间、最大爬坡度 imax、直接档最大动力因数 D0max、档最大动力因数 Dmax） 、燃料经 济性参数、通过性参数、制动性参数、操纵稳定性参数、行使平顺性参数。 3绘制总布置图 （1）明确绘制总布置图的基准； （2）标注主要结构尺寸和装配尺寸； 设计要求设计要求 1绘制汽车的总布置图，0 号图纸一张。 2编写设计说明书，设计说明书应包括以下内容： （1）汽车形式的选择； （2）汽车各总成的选择； （3）汽车主要技术参数的确定； （4）汽车主要性能的计算；包括：汽车动力性、经济性、操纵稳定性等。 （5）参考文献。 5 / 21 汽车主要参数汽车主要参数 驱动形式：4*2，电动机后置后驱 整备质量：11847 千克 前轴：3963 千克，后轴 7884 千克， 满载等量：17067 千克 前轴：6123 千克，后轴 10944 千克。 外型尺寸：总长 11580mm，总宽 2490mm，总高 3200mm。 轴距 5800mm，轮距：前轮（沿地面）2096mm，后轮(双胎中心线)1836mm， 最小离地间隙（满载的时候） 152mm 最小转弯直径（前外轮轮轨迹） ，22.8mm， 汽车通过角度：接近角 7 度，离去角 7 度。 最大制动距离(车速为 30km/小时):8.2m 电动动机的最大功率 100 千瓦 1700r/min 额定功率 100 千瓦 1800r/min 变速器：两档变速 传动轴：普通十字轴万向节传动轴 驱动桥： 主减速器型式 ：单级主减速式，弧齿锥齿传动形式。 减速比：6 桥壳形式：整体插管式。 半轴型式：全浮式 差速器型式：圆锥齿轮式。 悬架： 前悬架型式：两个整体弹性空气悬挂、双向作用液压筒式减振器和横向稳定装置及限位块 等 所组成 后悬架型式：四个整体弹性空气悬挂、双向作用液压筒式减振器和横向稳定装置及限位块 等所组成 减震器型式：筒式。 轮胎：数量 4 个，不设备胎 型号 275/70 R22.5 型子午线无内胎轮胎 6 / 21 气压 前轮 0.81mpa 后轮 0.74mpa 轮辋规格：8.25*22.5（in） 轮胎：规格 8.25R20 6 个 前轴两个，后轴四个 充气压力 前轮 0.81mpa 后轮 0.74mpa 车身结构：车身由底架和车身骨架组成，而车身骨架又由前围、后围、顶架、左侧围和右 侧围组成。车身采用凯斯鲍尔成熟的全承载式桁架结构，具有足够的刚度和强 度，并进行了轻量化改进，结构较为合理。 前轮定位：车轮外倾角。主销后倾度，主销内倾角。13.58.5 前轮前束：02mm。 转向机构：转向器型式：循环球摇臂式动力转向器，转向泵为叶片液压油泵 可变传动比：20 17 20 7 / 21 设计过程设计过程 一异步电机选择一异步电机选择 匹配内容：异步电机的额定功率、峰值功率、最大转矩、基速、峰值转速、额定电压、 额定电流和功率因数。 根据上述技术参数表，可以初步计算出城市电动客车的行驶阻力。 公式如下： fijw FFFFF 式中： 滚动阻力 f F 空气阻力 w F 滚动阻力 i F 加速度阻力 j F 1 滚动阻力 f FfGcos 式中：滚阻系数，取；f0.012 最大允许车重G167526.6N 坡度角。 坡度取为 0 时， f FfGcos2007.1N 取最大坡度为 0.2 时， fmax FfGcos167526.60.981966.94N 2 坡度阻力 f FGsin 最大坡度 0.2 时， fmax FGsin167526.60.233505.32N 3 空气阻力 8 / 21 2 dmax f C AV F 21.15 式中： 空气阻力系数，取为 d C0.7 迎风面积，取为,为前轮距，车高A 1 AB H6.7 1 BH 最高车速取为 max V80km / h 2 dmax f C AV F1419.2N 21.15 4 加速度阻力 dt mdV Fj 汽车驱动力： r iTi F tog t 式中： 驱动电动机转矩T 变速箱传动比 g i 主减速器传动比 o i 传动效率 t 驱动轮半径，取为 0.5mr 根据驱动力和行驶阻力平衡运动风度： dt mdVAVC GfG r iTi d tog 15.21 sincos 2 当汽车以最高速度 80km/h 行驶时，只有空气阻力和滚动阻力: 汽车驱动力N AVC fGFFF d wf 3 . 3426 2 . 1419 1 . 2007 15.21 cos 2 t 则此时的驱动功率: 9 / 21 这是电机额定输出功率的下限值KW VF P T t 6 . 84 3600 max 考虑到驱动空调、助力附件和一些杂散能耗，电动机的额定功率取 100KW，才能有效 保证汽车的动力性要求。电机的最高转速定为 5000r/min 较合适，因为高于 6000r/min 的 电机为高速电机，对轴承和其他部件的要求都较高，增加了电机制造成本，对于最高车速 为 80km/h 的客车并不适用。电机基速可以选用 1800 r/min，它具有较理想的转矩特性和较 高的效率。 电机额定转矩：，N n P T e 5 . 530 9549 e e 受电机自身特性的限制，转矩过载系数越大，电机设计的难度越大。故取转矩过载系数为 8 . 1 则电机峰值转矩：NTT 9 . 954 emax 通常情况下，满足加速性能要求的电机峰值功率的一半均大于电机额定输出功率的下限值。 故取电机峰值功率,则电机峰值转速KWP170 e mr T Pp e /1700 9549 n max 二变速器的选择：二变速器的选择： 电动汽车中电机转矩特性曲线比发动机转矩特性曲线更理想，传动系设计可以采用两 档变速器，高档用于正常行车，低档用于起步和爬陡坡，从而简化传动系结构和降低整车 制造成本。 根据汽车传动系设计要求： 传动系最高档总减速比应小于 max min2 max 0.37711.78 o g nr ii i V 可以选取 2 6,1 og ii 传动系最低档传动比应大于 57 . 3 43.21 15.21 sincos 1 2 max max g d t i AVC GfG T r i 故可以取96 . 3 1g i 10 / 21 表一表一 传动系传动比传动系传动比 传动系传动比 一档二档变速器 3.96 1 主减速器6 三计算性能：三计算性能： 1动力性能：动力性能： 假设电机驱动系统具有理 想的峰值工作特性，则对应的 电动汽车整车驱动力一车速曲 线如图所示。 加速时间：加速时间： 图中，Vb为与电机基速(额 定转速) 对应的车速，Vmax为 与电机最高工作转速 对应的车 速，Va为电动汽车起步加速达到的某一车速，Pp为电机峰值输出功率，KW。 则电机起步加速到Va的加速时间 dV AVCGf m Va D 0 2 t 15.21/F6 . 3 1 t 式中驱动力： t F b b b VV V VV V , 3600P , 3600P tp tp hkm ii rn V go e /28.14 377 . 0 1 b sttt sdV AVCGf m t VV sdV AVCGf m t VV D b D b 309.15 069.15 15.21/F6 . 3 1 24 . 0 15.21/F6 . 3 1 , 21 50 28.14 2 t 2 28.14 0 2 t 1 11 / 21 故满足从0-50km/h加速要20.7s的时间 当汽车以10km/h的速度在坡度20%上匀速行驶，所需的功率 KW AVCGVfG P d t 73.98 761403600 sin 3600 cos1 3 maxmax 即小于电机额定功率，更远小于电机峰值功率，故电机选择满足要求 最大爬坡度验证：最大爬坡度验证： 设汽车以10km/h爬坡，则最大爬坡度 %20%42.22%100)( 1 15.21/ arcsintan 2 2 factg fmg AVCF i Dt 故也满足要求 最高车速验证：最高车速验证： 最高车速时对应的转速： max 02 2546.42 / 0.377 g Vi i nr m r 此时电机提供的转矩 9549 375 . e P TN m n 传递到车轮的驱动力： 2 02 40503426.3 21.15 gt d tfW Ti i C AV FNFFFfGN r 故远远满足最高速度为80km/h的要求。 操纵稳定性分析计算：操纵稳定性分析计算： 1纵向行驶稳定性及保证汽车上坡时不致纵向翻车，其条件为：纵向行驶稳定性及保证汽车上坡时不致纵向翻车，其条件为： 式中 汽车质心高 汽车质心至后轴距离 道路附着系数取0.7 g b h g hb 表二表二 纵向行驶稳定性计算结果纵向行驶稳定性计算结果 参数空载满载 汽车质心至后轴距离b/mm19402129 汽车质心高hg/mm820570 b/hg2.373.74 12 / 21 计算结果表明，该车在上坡时不致纵向翻车，纵向行驶稳定。 2横向行驶稳定性横向行驶稳定性 (1)静态侧翻角静态侧翻角计算：计算： 式中 B汽车前轮距，2096mmtan 2 g B h 静态侧翻角， 客车通用技术条件中规定应不小于，计算结果见表三35 表三表三 静态侧翻角计算结果静态侧翻角计算结果 参数空载满载 汽车前轮距B/mm20962046 汽车质心高hg/mm820570 B/hg1.2781.84 静态侧翻角 523561.535 (2)动态侧翻角计算如下动态侧翻角计算如下。汽车在横向坡道上行驶时，应保证侧滑发生在侧翻之前。条件是： 计算结果见表四0.7 2 g B h 表三表三 动态侧翻角计算结果动态侧翻角计算结果 参数空载满载 汽车前轮距B/mm20962046 汽车质心高hg/mm820570 B/hg1.2781.84 故该车在有坡度的良好沥青路面上行驶仍能保证侧滑发生在侧翻之前，所以是稳定的。 (3)通过性计算通过性计算 汽车克服台阶、沟道等障碍物时车速较低，可以用解静力学方程求解汽车可以通过的台 阶高度和沟宽，故可用以下公式计算： 13 / 21 车轮直D 径，1000m 汽车轴距，5800mmL 汽车至前轴距离，3860mma 台阶高度 w h 沟宽 d l 计算结果 表五表五 通过性计算结果通过性计算结果 上台阶能力（台阶高）过沟能力（沟宽）参数 hw/Dhw/mmLd/DLd/mm 前轮0.21342130.819819 后轮0.09900.572572 在采用静力学平衡方程求解通过性时没有考虑车速引起的惯性力的影响，因此后轮越过的 台阶高度较小，但是实际运行时，由于汽车具有一定的加速度，汽车可以越过的台阶和沟 宽要比计算值大。 四蓄电池及功率转化器的选择：四蓄电池及功率转化器的选择： 1蓄电池选择：蓄电池选择： 根据电动汽车的续驶里程要求确定蓄电池的总容量；电池电压应根据市场上技术成熟 电机的额定电压及动力电池的单块电压确定；根据电机峰值功率确定蓄电池功率。电动客 车的一次充电应能够在城市循环工况下行驶200km（根据设计目标） ，按照城市客车四工况 循环来估算所需的蓄电池总容量。 2 1 2 2 2 2 11 1 2 / 1 1/ 2 11 1 2 1 2 w w dww h D a L a LDL h D lhh DDD 14 / 21 右图是GB12545.22001中规定的城市客车能耗试验四工况循环图，横坐标表示行程和 时间，纵坐标表示车速 整个工况循环行驶里程为 700m，计算电池能量消耗时可以近似看作四 段，并且第四段为滑行，没有能耗，所以我们只需计算两个加速段和一个匀速段。 第一段：025km/h，用时 37.6s。平均加速度为 a=V/3.6t=25/(3.6 37.6)=0.1846 m/ 2 s 平均驱动力=+ma=54.45+2007.1+3150.5682=5212.12N t F f F W F 平均功率P=V/3.6=18097.6w t F 平均电池能耗 1 12 37.6 237.72 3600 0.9 0.93 0.95 t t P EVAh 其中，分别为传动系，电动机和功率转化器的效率。 12t 第二段：匀速阶段，车速 25Km/h，用时 17.2S，驱动力为 =+=2007.1+138.6=2145.7N t F f F W F 平均功率P=V/3.6=14900.65w t F 平均电池能耗 2 12 89.53 t t P EVAh 第三段：2540Km/h，用时 17.7S，平均加速度 a=（40-25）/（3.6 17.7）=0.2354 m/ 2 s 平均驱动力为=+ma=2007.1+217.8+4017.57=6242.47N t F f F W F 平均功率为 p=V/3.6=6242.47 t F 32.5/3.6=56355.65w 平均电池能耗 3 12 348.465 t t P EVAh 故整个四段循环的 电池总能耗E=+ 1 E 2 E 15 / 21 =675.72VAh为达到 200Km 的续驶里程，需要的电池总能量为 3 E 200 193061.4 0.7 E EVAh 若选用 384V 的电池组，则总电池容量应不低于 502.76Ah，考虑到汽车附件的能耗， 电池组容量选择 600Ah。根据锂离子电池的比能量 90130Wh/kg,按 110Wh/kg 需要的锂离 子电池质量约有 1755kg。锂离子电池的比功率为 250450W/kg，按 250W/kg，于是电池组 的总功率可达 438.775kW 以上，高于电机峰值功率，满足功率要求。 选取电池单块电压 24V，单块容量 20Ah，适合作为该电动客车驱动电池。 2 2 功率转换器的匹配内容有功率转换器的匹配内容有：1、最大功率；2、允许的最大电流。 GB/T 18488.1-2001 提供了电机与控制器（主要是功率转化器）输出容量的匹配表，100kW 的电机对应 200kW 的功率转化器。功率转化器允许的最大输出电流须大于电机工作的最大 电流 300A（峰值功率电流） 。 表二表二 城市电动公交客车选用电机、电池和逆变器参数表城市电动公交客车选用电机、电池和逆变器参数表 额定功 率 KW 峰值功 率 KW 最大转矩 N.m 峰值转 速 r/min 基速 r/min 额定电 压 V 额定电 流 A 电机 100170954.950001800240330 总电压 V单块电 压 V 单块容量 Ah 组串联 数 并联组数容量 Ah电池 38424201630600 输出容量 KVA允许最大电流 A功率转换 器 200300 四传动轴的选择：四传动轴的选择： 变速器与后桥主减速器之间的动力传递以高万向传动轴完成，该车采用普通十字轴万 向节传动轴，它由万向节，轴管及其伸缩花键等组成。传动轴前段万向节连接叉用螺栓与 变速器凸缘相连接，后端万向节连接叉用螺栓与后桥差速器凸缘相连接。 五前桥及其悬架系统五前桥及其悬架系统 16 / 21 1前桥技术参数：前桥技术参数： 额定轴荷：6500kg 轮距: 2096mm 主销内倾角：8.5 主销后倾角：3.5 前轮前束： 02mm 制动器型式： 盘式 前桥系统总重：1033kg 轮辋尺寸：22.5 8.25(in) 适用轮胎：275/70 R 22.5 2前悬架系统：前悬架系统： 考虑到乘客经常上下车，城市客车的载荷也经常变化，可采用空气悬架。 由于空气悬架的静挠度比较大，可以使客车获得较低的振动频率，提高其行驶平顺性， 也能有利与客车从空载到满载的各种载荷状态下均能保持车身高度不变。 空气悬架可以做到在客车满载载荷状态附近时，空气弹簧的弹性特性曲线平缓、变化 小、刚度低；而在冲击载荷作用下弹性特性曲线又呈陡直状态变化，说明刚度增大，这在 使用中能减少悬架的变形量即减小了悬架动挠度和减少了碰撞车架的机会，改善舒适性。 空气悬架还有单位质量储能量大，工作噪声小和寿命长等优点， 故该车前桥为整体式车桥，采用空气悬架。其前悬架总成有整体弹性空气悬挂、双向 作用液压筒式减振器和横向稳定装置及限位块等所组成 六后桥及其悬架系统六后桥及其悬架系统 1后桥主要技术参数：后桥主要技术参数： 额定轴荷: 11000kg 轮距： 1836mm 主减速比： 6 制动器型式：盘式 桥重（包括油）：819kg 前桥系统总重： 1033kg 17 / 21 轮辋尺寸： 22.5 8.25(in) 适用轮胎：275/70 R 22.5 后桥是采用整体式驱动桥，整个驱动桥通过空气悬挂与车桥相连。它由主减速器、差 速器、半轴及巧壳等组成。主减速器采用单级主减速式，弧齿锥齿传动形式，这样有工作 平稳，噪声和振动小等优点。差速器型式为圆锥齿轮式。桥壳形式：整体插管式。半轴型 式：全浮式。 七转向系统简介：七转向系统简介： 1 本车采用整体电动液压式动力转向系统，由蓄电池供电的独立直流电动机驱动液压 泵。控制器根据车速信号、转向盘转速信号控制电动机转速，从而控制液压泵油量。车速 低又转向时，通过增加供油量改善助力效果并减小手力；汽车急转弯通过时通过传感器检 测转向角速度的快速变化，提供最大供油量达到全动力转向状态。车速高时又能减少液压 泵供油量，使手力略感沉重，使驾驶员无发飘感觉，使转向轻便、灵活，而且提高了汽车 高速行驶时的安全性。与液压式助力转向系统比较，还有较少能量损耗有点 该电液式动力转向系统由循环球式转向器、转向电机、转向油罐、转向油泵、压力油 管、回油管和吸油管等组成。 转向器为循环球式摇臂动力转向器，由控制阀、动力油缸和完整的人力转向机构组成。 转向器采用可变速比，这样可以使转向在中间位置附近的速比较小，保证此时的转向灵敏 度。在停车大角度转向时，转向器的速比较大，可使摇臂善齿轴获得更大液压助力，减小 手力。 转向泵为叶片式液压油泵，具有尺寸小，工作压力高等优点。 2 转向系统技术参数转向系统技术参数: 最大转向角（内/外）：47 /36 转向盘直径：480mm 最小转弯半径：23m 3 转向器参数：转向器参数： 传动比: 20 17 20 方向盘总圈数：4.8 最大输出转矩： 06479. 487618. N m N m 质量: 42kg 4 转向油泵用电机参数：转向油泵用电机参数： 18 / 21 型号： YZD-112 型永磁直流电机 额定功率：3.7KW 额定电流：11.2A 额定电压：400V 额定转速：1350r/m 八制动系统简介八制动系统简介 本车的制动系主要由行车制动系，应急制动系和驻车制动系组成，行车制动系用以使 行驶中的汽车减速行驶，应急制动系用于行车制动失效的情况下仍能行驶中的车辆减速行 驶或停使，驻车制动系以机械作用保持已经停驶（包括坡道停车）的汽车不动。 本车的制动系主要由制动器，空气压缩机及其驱动电机和制动管路系组成。为了提高 制动系统的工作可靠性，保证行车安全，本车采用双回路式制动器，带拉杆操纵装置的气 制动阀，双回路气压管路结构可以保证当一个回路失效后，另一个回路仍然肯能可靠工作。 气路原理图如上图所示。按分工可分为三大部分，即气源回路，双回路制动气路子系统和 辅助气路子系统。 气源气路从气泵到四回路保护阀，由气泵，螺旋冷却管，自动放水阀，储气筒，调压 阀，防冻泵和四回路保护阀组成。 双回路制动子系统有四回路保护阀到前后制动气室，由储气筒，脚制动阀，手制动阀， 减压比例阀，继动阀，快放阀，前制动气室，后制动弹簧储能气室，单向阀，双向阀，前 气制动气压表和后制动气压表等组成。 辅助气路子系统分许多支路和支路系统，如车门