一种校园电动洒水车概念设计及动画仿真【三维SW】【6张CAD图纸+文档全套资料】
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毕业设计题 目一种校园洒水车概念设计学生姓名学 号系 部专 业班 级指导教师二一五年X月摘要曾经有人说过决定21世纪发展的是能源,上世纪70年代全球三次石油危机爆发后，各跨国汽车公司先后开始研发各种类型的电动汽车。我国经过“八五”、“九五”、“十五”三个五年计划，在研发电动汽车的专项上投入了大量的人力、物力和财力，并取得了一系列科研成果，但是,迄今为止，这些科研成果真正能转化为产品，并实现产业化生产的项目并不多。本文主要介绍一种校园电动洒水车的概念设计，其采用全电力驱动。本文设计一种校园电动洒水车的概念设计，其包括电动汽车本体结构、驱动电源、洒水水箱、管路、水泵和水泵电机等组成。洒水工作通过电机带动水泵产生水压，最后由管路洒水头完成洒水工作。本文首先确认校园电动洒水车方案，完成关键部件设计计算，然后利用三维SOLIDWORKS完成校园电动洒水车的三维建模，并导出二维工程图，最后利用SOLIDWORKS对校园电动洒水车进行运动仿真。关键词：校园电动洒水车，管路，运动仿真，三维建模AbstractSomeone once said that the development of energy is decided in twenty-first Century 70 of the last century, the three global oil crisis, the multinational automobile company has started the research and development of various types of electric vehicles. After our country eight five, Nine Five, fifteen three five year plan, a large amount of manpower, material resources in the research and development of electric vehicles and special resources, and achieved a series of research results, but, so far, these research results can be transformed into real products, and to achieve industrialization the production of the project is not much. This paper mainly introduces the design concept of a campus electric sprinkler, the full electric drive.This paper designs a concept design of campus electric sprinkler, which comprises electric car body structure, driving power, water tank, pipeline, water pump and water pump motor etc. Sprinkler work drives the water pump through the motor cause pressure, and finally by the pipeline sprinkler sprinkler work completed. This paper first confirms the campus electric sprinkler scheme, complete the key components of the design calculation, 3D modeling and 3D SOLIDWORKS to complete the campus electric sprinkler, and the output of engineering drawing, finally the use of SOLIDWORKS motion simulation was carried out on the campus of electric sprinkler.Keywords: campus electric truck, pipeline, motion simulation, 3D modeling目录摘要iAbstractii第一章 引言11.1 课题研究的目的及意义11.2洒水车国内外的现状21.2.1国内的研究现状21.2.2 国内外可移动机器人的发展现状31.3 电驱动汽车的结构和特点41.5 课题设计思路51.6 课题设计结构5第二章 校园电动洒水车的总体设计方案62.1校园电动洒水车的组成及各部分关系概述62.1.1 驱动电动机和驱动系统62.1.2 驱动电动机和驱动系统72.1.3 控制技术72.1.4 车身及底盘82.1.5 罐体82.1.6 洒水管路82.2 总体方案拟定9第三章 校园电动洒水车整体结构的设计103.1拟定校园电动洒水车的整体设计参数103.2 电动洒水车一般设计要求103.3 传动比的确定133.4 电机的选择143.4.1 电动机的功率确定153.4.2 电动机最大输出转矩计算153.4.3 电动机额定转矩计算163.4.4 电动机加速性能计算163.5 电池参数的确定173.6罐体的设计183.6.1 罐体材料183.6.2 水罐容积确定183.6.3 罐体厚度的确定193.7管路的设计20第四章 校园电动洒水车三维造型的设计214.1 Solidworks软件简介214.2 零件建模234.2.1支撑架三维建模的形成234.2.2 底盘的三维建模形成234.2.3其他零件的三维模型造型234.3零件装配244.4三维向二维的转换27第五章 校园电动洒水车的仿真305.1机构仿真的作用305.2机构仿真类型305.3机构运动仿真步骤305.4 机构功能30第六章 结论326.1 本论文所取得的结果326.2 技术展望32参考文献33致谢35第一章 引言1.1 课题研究的目的及意义曾经有人说过决定21世纪发展的是能源,上世纪70年代全球三次石油危机爆发后，各跨国汽车公司先后开始研发各种类型的电动汽车。我国经过“八五”、“九五”、“十五”三个五年计划，在研发电动汽车的专项上投入了大量的人力、物力和财力，并取得了一系列科研成果，但是,迄今为止，这些科研成果真正能转化为产品，并实现产业化生产的项目并不多。国外大汽车公司投入远比我国更多的资金和人力，已投入批量生产的电动汽车产品也寥寥无几。随着全球能源危机的不断加深，石油资源的日趋枯竭以及大气污染、全球气温上升的危害加剧，各国政府及汽车企业普遍认识到节能和减排是未来汽车技术发展的主攻方向，发展电动汽车将是解决这二个技术难点的最佳途径。从汽车工业的发展来看，电动汽车的迅速发展是不可逆的趋势。因此，我国作为世界汽车生产大国应该抓住这一机遇，加快电动汽车这一块的发展。随着精神文明建设的深入开展和人们对环境保护的日益重视、企业、机关、学校甚至乡村都建有绿地和小型的园林场所。目前。大学校园主干道以及绿化带主要采用人工进行洒水工作。这样的工作方式耗时、费力、效率低。还有，夏季天气干燥，道路灰尘多，为了进一步降低空气粉尘对环境的污染，要经常在校园干道进行冲洗和洒水是十分必要的。洒水作业，不仅可以除尘、降温，还可增加空气的湿度，这对师生的健康都是十分重要，所以洒水车的设计与研发是必不可少的。 无论是电动洒水车还是内燃机驱动洒水车，其实他们还是有些相似的。因为众多种类的洒水车无外乎都是附加了一些各式各样的功能而已，我们能看到的是他们的专有用途，但却没注意到，无论哪种洒水车，它的主要部分-罐体和水路都是相似的。在人们的使用过程中，往往会选用一些口碑较好的厂商生产的洒水车，因为通过他们长期的使用会发现，决定一个洒水车性能的好坏不是那些附加的功能，而是这些重要的关键部件。所以把这些重要部件做好，就会在市场上建立一个好的口碑。而一辆洒水车的关键部件，无外乎汽车底盘，发动机，变速箱，罐体，水路系统等。通过本课题，让学生在毕业设计过程中综合大学所学基础课程及专业课程，培养学生综合应用所学知识和技能去分析和解决一般工程技术问题的能力；进一步培养学生分析问题、创造性地解决实际问题的能力。1.2洒水车国内外的现状1.2.1国内的研究现状十一五”期间我国明显加大了对基础设施的投入力度，诸如“西气东输、西电东送、南水北调”，青藏铁路和国内多条高速公路等大型建设项目的启动，促进了对工程专用汽车及各类专用货车、半挂汽车、随车起重运输车的市场需求量的大幅度增长。据分析：我国专用车产品从原来仅有的1600多种将会增长到6000个品种，年产量将到90万量。北京举办2008年奥运会，为建筑用车、市政用车、物流用车等专用汽车提供了一个巨大的市场平台。2010年的上海世博会工程将大大激发国内专用车市场的需求量。油田建设需要大量的勘探车、钻井车、固井车等专用汽车。机杨急需高质量的加油车、机场除雪车及货物专用运输车。矿山、大型水利工地需要大量矿用汽车、散装水泥车等，医疗卫生、国防等领域也都大量需要适用的专用汽车和特种车。种种迹象表明，在国民经济继续快速发展的宏观经济环境下，在产业政策逐步落实和行业标准法规政策不断完善的过程中，我国正处于专用车发展的绝佳时期。在许多专用车品种中市政用车凭借因每年35000-40000辆以上的的总需求被人们看好，其中洒水车因为产品的功能日趋完善，慢慢成为市政用车中的主要车型。国内洒水车技术现状：洒水车等专用车市场首要问题是定位问题，即在“专”上的问题。当前，国内一些改装车厂定位在汽车行业，和汽车行业是同盟军关系，造成了洒水车等专用车市场的混乱。使得洒水车等专用车的发展方向不能向着专门化、专业化方向发展，就是不能根据用户的特种要求生产包括起重车辆、带云梯的洒水车等专用车、集装箱运输车等，生产一些新结构、价格比较高、用途比较特别的车辆。另外到现在为止，国产专用汽车底盘还十分匮乏。我国生产的洒水车等专用车，仍大多是采用东风、解放、斯太尔、依维柯等普通载货(客)车底盘，经过调整轴距等小幅度的改动进行改装的，根本谈不上特种车专用底盘的技术储备；生产出的大部分洒水车等专用车仍基本是技术含量低、售价低的劳动密集型的普通洒水车等专用车，如低吨位自卸车、半挂牵引车、罐车、邮政车等。即使目前国内厂家生产的比较先进的斯太尔系列汽车底盘，其技术在国际上已经显得很落后，在国际竞争中处于非常被动的地位。目前国内洒水车等专用车生产仍基本停留在仿制阶段，开发设计雷同现象十分普遍。另一种普遍的现象就是如果一段时间内一种类型洒水车等专用车市场需求很大，则很多厂家就会一窝蜂似地组织生产，甚至有的小改装厂在地方保护主义的掩护下“照葫芦画瓢”似地拼装车辆出售，这些质量、性能良莠不齐的洒水车等专用车很快就破坏了洒水车等专用车市场的“游戏规则”，使正规的生产厂家蒙受巨大损失，也使正规厂家技术开发的积极性受到严重打击。除了上述说的问题需要解决意外，洒水车需要变得多功能才能更好的发展下去，这需要很高的应用技术。洒水车应用范围越来越广，要有装备前冲（喷）后洒、带侧喷（花洒）、带后工作平台、平台上安装绿化洒水高炮(炮有大雨、中雨、毛毛雨、雾状可调节)，带吸水管，能够多角度喷洒，而且带消防接头，带自流阀，自吸自排，还可以选配绿化喷药卷盘、高空作业、随车吊货运等功能，另外也可加装药盘、药泵、罐内防腐防锈、多方位进出水接头、电磁阀、气动阀等先进设施。使洒水车功能更完善，用途更广泛，成为适用于、绿化、浇水、消防、打农药、园林、环卫、公路、送水于一体的专用车。还有就是研发注意洒水车节水问题，怎么样才能更好的有效率的去工作应该得到我们的关注。而对于国外怎么看待中国专用车的前景呢，很多国外专用车企业都有一个共同的认识：在中国有很多商机。这个商机主要包括两个方面：一是中国本土市场对专用车的据求在不断扩大。是中国专用车行业的研发和制造水平在不断提高, 参与国际市场竞争的能力在逐步增强。目前中国专用汽车行业存在的最大问题, 就是相关标准法规还很不完替, 一些企业没有严格执行现有的标准法规,很突出, 这在一定程度上抑制了中国专用汽车行业的发展。还有就是在中国的卡车市场, 中重型卡车所占的比例偏低, 半挂车列车也很少见, 甩挂运输的方式几乎看不见。这导致了运输效率很低, 抑制了挂车、半挂车的发展。但是巧吨以上的重卡发展很快, 这符合世界的发展潮流。洒水车的前景是非常可观的，然而它也需要我们去努力，只有努力才能把我国的洒水车走出亚洲推向世界。1.2.2 国内外可移动机器人的发展现状国外最早发展洒水车产品的是美国和西欧的一些国家，第二次世界大战后，接踵在日本、前苏联等国得到了发展。 70 年代末，当汽车产业泛起世界性的萧条和滞销时，发展洒水车成了当时挣脱汽车产业危机的一条出路。这样，洒水车在世界范围内迅速发展起来。外国洒水车厂从底盘厂购买底盘，装配自己全产的洒水车这些洒水车厂在接受用户订货后，从汽车底盘厂主要是主机厂）购买所需底盘进行改装出产。在竞争中，各主机厂大量出产适于改装专用车的各种底盘以求发展。例如英国的福特汽车公司，出产出售的货车中有 80%是带驾驶室的二类底盘。美国大中型货车的出厂型式几乎全部是底盘，而不是整车，由专用车厂改装成各种专用车。原苏联的各洒水车厂则在汽车厂提供的基本型底盘上改装出产各种厢式、罐式洒水车。例如高尔基汽车厂 70 的汽车是以底盘形式出厂供应专用车厂改装各种洒水车。专业程度很高，有助于高技术产品的制造。车型齐全，重、中、高、普、特新比例平衡。专业性强、技术高、价格低廉、这将对国内的洒水车长带来严峻的考验。1.3 电驱动汽车的结构和特点电动汽车一般由车身、底盘、动力系统等组成。其车身和底盘与传统汽车结构相类似，或者甚至是有所简化。故电动汽车的车身和底盘不是本文讨论的重点。而电动汽车的动力系统和传统汽车有着根本的不同。传统汽车由内燃机提供动力，动力从内燃机输出后，送达飞轮和离合器，再进一步传递到传动系，直至驱动车辆前进。而内燃机消耗化石燃料，燃料储存在油箱之中。但是电动汽车使用电动机提供动力，动力输出到传动系后，其过程和传统车辆相一致，甚至还因为电动汽车的相关特性而有所简化。电动机的能量来自于动力电池。由此可见，电动汽车的构造相对来说比较简单。电动汽车中的关键技术便是对控制流程中的各个节点和整个系统进行精确有效的控制，目前这一方面，也是电动汽车科研力量的研究重心。发展纯电动汽车的优点是：它本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显著减少。由于电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且电厂是固定不动的，集中的排放，清除各种有害排放物较容易，也已有了相关技术。由于电力可以从多种一次能源获得，如煤、核能、水力等，解除人们对石油资源日见枯竭的担心。纯电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。有些研究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电，经充入电池，再由电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车高。而且电动汽车结构简单，便于维修，相对于传统汽车来说，有着更大的市场竞争力。因此研发电动汽车不仅有利于节约能源和减少二氧化碳的排量，而且市场前景也很广阔。正是这些优点，使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个“热点”。但是纯电动汽车业面临很多困难。目前蓄电池单位重量储存的能量太少，还因纯电动车的电池较贵，又没形成经济规模，故购买价格较贵，至于使用成本，有些使用结果比汽车贵，有些结果仅为汽车的1/3，这主要取决于电池的寿命及当地的油、电价格。对于纯电动车而言，目前最大的障碍就是基础设施建设以及价格影响了产业化的进程，与混合动力相比，纯电动车更需要基础设施的配套，而这不是一家企业能解决的，需要各企业联合起来与当地政府部门一起建设，才会有大规模推广的机会。不仅如此，人们在实践中发现，尽管纯电动汽车的一些基础技术，如电动机技术、电池技术有着上百年的发展历史，而简单原始的电动汽车也有百年左右的发展历程。但是当我们用现代汽车运用眼光审视他们的时候，并且希望把这些技术整合到现代的汽车上时，却表现一切不尽如人意。而传统的汽车设计理念和设计方法，在面对电机和电池技术的掣肘时，也往往一筹莫展。1.5 课题设计思路1） 参考所有与校园电动洒水车产品相关数据，了解整个校园电动洒水车的整机系统的组成。 2）校园电动洒水车整机方案的确认。3）校园电动洒水车整机的设计计算，并对主要零部件进行设计校核。4）校园电动洒水车整机三维建模。5）校园电动洒水车整机仿真1.6 课题设计结构本文以校园电动洒水车项目作为应用背景，对其机械结构进行了研究。全文共分为六章，各章的主要内容如下：第一章前言部分，主要介绍校园电动洒水车的研究现状和课题研究的目的及意义；第二章对整个校园电动洒水车的整机方案进行确认，包括传动系统，驱动系统等确认。第三章完成整个校园电动洒水车的设计计算；第四章对校园电动洒水车进行三维建模；第五章对校园电动洒水车进行仿真第六章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。第二章 校园电动洒水车的总体设计方案2.1校园电动洒水车的组成及各部分关系概述校园电动洒水车主要由车载电源、驱动电机和驱动系统、控制系统、车身和地盘、水箱和洒水管路系统组成。2.1.1 驱动电动机和驱动系统在目前的电动汽车上，车载动力源一般都是各式各样的蓄电池，利用周期性的充电来补充电能。动力电池组是电动汽车的关键装备，它储存的电能、质量和体积，对电动汽车的性能起到决定性的影响。目前，电动汽车用电池已经经过了三代的发展。第一代电动汽车用电池都是铅酸电池，由于铅酸电池的比能量和比功率不能满足电动汽车动力性能的要求，所以就进一步发展了阀控铅酸电池、铅布电池等，使得铅酸电池的比能量有所提高，仍能够满足作为电动汽车的电源使用要求。第二代的高能电池有镍镉电池、镍氢电池、钠硫电池、锂离子电池等。第二代动力电池的比功率和比能量都要比铅酸电池高出很多，大大提高了电动汽车的动力性和续驶里程。但是第二代动力电池现在依然是电能-化学能-电能的化学反应过程中储存和供给电能，有一些特殊使用条件和一定的局限性，其中有些高能电池还需要复杂的电池管理系统和温度控制系统，各种电池对充电技术还有不同的要求。而且第二代电池在使用一定的次数后会出现老化甚至报废的情况，几乎或者完全丧失充放电能力，并且会造成污染。这无疑又增加了电动汽车的使用成本。第三代电池是以燃料电池为主的电池，燃料电池直接将燃料的化学能转化成电能，能量转变的效率高，比能量和比功率高。并且燃料电池能量转化过程可以连续进行，反应过程能够有效地控制，是比较理想的燃料电池电动汽车用电池。但是燃料电池的燃料往往有毒有害而且价格昂贵，需要对车辆进行额外的设计，增加了设计和制造成本。除此以外，飞轮储能器、超级电容也是常见的电动汽车车载动力源。飞轮储能器是电能-机械能-电能转换装置，可以瞬间输出很高的功率。而超级电容具备了电能-电位能-电能转换的能力，而且其充放电时间比起传统电池来说有很大的提高。以上种种装置都有自己的优缺点，但是综合现有技术条件以及相关技术的成本，现代电动汽车普遍使用先进的高能电池作为其动力源。本文讨论的对象也是使用高能锂电池作为动力源的电动汽车。2.1.2 驱动电动机和驱动系统驱动电机是电动汽车的动力装置，这是电动汽车和传统汽车最根本的区别。现代电动汽车一般使用的是交流电机、永磁电动机或者是开关磁阻电机。由于电动汽车制动时使用再生制动，一般可以回收10%15%的能量。再生制动能量是电动汽车节能和延长续驶里程的重要措施之一。再生制动显然不可能在内燃机汽车上实现。在电动汽车的制动系统中，还保留着常规制动系统和ABS，以保证车辆在紧急制动时，有可靠的制动性能。电动汽车的驱动系统由驱动电机和驱动系统共同组成，随着电动汽车结构形式的不同，采用了不同的驱动系统。本次设计的电动洒水车的驱动系统有电动轮方案（轮边驱动系统），如图2-1所示。蓄电池速度给定PDRN制动（踏板）电机控制器左电动轮右电动轮图2-1 电动轮方案电动轮方案是采用多电机，将电机装配于车轮上，或者和轮边减速器相配合。差速半轴方案采用单电机系统，其动力布置方案和传统汽车相一致，即电动机输出扭矩，通过变速装置传输到差速器上，差速器再通过半轴传输到轮上。电动轮技术可以减小电动机的直径，便于在电动汽车底盘下部布置，能够减轻电动车辆的簧载质量。2.1.3 控制技术对于广大汽车使用者来说，加速踏板、方向盘、制动踏板等操纵装置是非常熟悉的，电动汽车也应当继承和尊重这一习惯。通过各种踏板和控制手柄，将踏板和手柄的位移信号转化成电信号，输入中央控制器，通过电动汽车方向盘来控制电动机的运行。电动汽车的控制系统主要是对于动力电池组的管理和对电动机的控制，随着车辆行驶工况的变化。而引起的电动机输出功率、转矩和转速的变化，必然引起动力电池组的电压电流的改变。通常采用电压表、电流表、电功率表、转速表和温度表等仪表来显示。特别是对动力电池组剩余电量和声誉续驶里程的显示有重要的意义。由于电动汽车的高度电气化，因此更加有条件实现机电一体化和采用自动化的控制系统和管理系统，一般用中央控制器中的计算机来进行控制和管理。另外，控制系统还包括整车低压系统的电子和电器装置。现代化的卫星导航系统和雷达防撞系统。现代控制理论在电动汽车上得到了广泛的应用。电动汽车除装备现代内燃机汽车的一些先进的电子设备外，电动轮、四轮转向、再生制动和太阳能的利用等，都可以在电动汽车上有其独特的作用。2.1.4 车身及底盘由于动力电池组的质量大和动力电池组的占据的空间也很大，为减轻电动汽车的整车质量和体积，采用轻质材料、碳纤维增强树脂和复合材料等制造车身和底盘部分的总成，并且采用三维挤压成型工艺，制造出结构复杂、质量小、强度大和装卸动力电池组方便的车价，补偿因的装备动力电池组而增加的负载。在底盘的布置上还要有足够的空间存放动力电池组，并且要求线路连接方便，充电方便，检查方便和装卸方便。能够实现动力电池组的整体机械化装卸。这就要求在电动汽车的底盘的布置上，打破传统的内燃机汽车底盘布置模式，加大承载空间的跨度和承载结构件的刚度，并且充分考虑防止动力电池组渗出的酸或碱液对底盘结构件的腐蚀侵害。在电动汽车上采用滚动阻力小的子午线轮胎，这种子午线轮胎的滚动阻力系数仅为0.005，使得电动汽车的滚动阻力大大地降低。2.1.5 罐体罐体是洒水车的主要载体和工作部件，是洒水车的重要组成。不同类型的洒水车罐体的设计肯定不同，我们从外形上就可以看出罐体有椭圆形和方形的，而且大小也不尽相同，其实罐体的设计需要涉及到很多方面，因为罐体的结构直接影响着洒水车的外廓尺寸、装备质量、质心位置、底盘选择、轴荷分配、动力性能等等。罐体结构设计受到洒水车总体指标及其他部分指标制约，同时罐体结构设计对于洒水车总体及其他部分结构设计又起着重要的影响，罐体的设计好坏，可以说是直接关系到洒水车产品开发的成败。所以洒水车罐体的结构设计的主要意义就是保证结构尺寸和技术参数满足规定的要求，加强洒水车的承载能力，合理分配轴荷，减轻自重，降低质心，提高动力性能等。2.1.6 洒水管路一辆洒水车性能的好坏还与整车的水路设计有很大的关系，我们都知道，洒水车的水路设计有很多需要注意的地方，比如说：管路的布局，肯定会有一些弯角，那么不可避免的在弯角处就会有一定的压力损失，这在以后的改进中要注意，尽量避免过多的弯角；拿喷头来说，洒水车前面有鸭嘴形喷水器或圆头冲嘴，后面有圆柱形洒水头或莲蓬头喷嘴，每辆车因型号不同车身高度也不尽相同，但对前后喷头的位置有很大的要求，如果喷头位置过高，对路面的除尘降噪效果会有一定的影响，但如果喷头位置过低，溅起的泥土会黏附在轮胎上，而且会影响到整车的通过性；管路的直径也是个很大的问题，需要考虑到水泵的功率，喷头出的压力等等。2.2 总体方案拟定因为本校园电动洒水车的要求是概念设计，所以本次设计的校园电动洒水车采用如图2-2所示的结构形式：图2-2 校园电动洒水车方案布置图本次校园电动洒水车的结构原理图如图2-1所示，从图中可以看出，整个洒水车可大概分为两个部分：第一部分为电动汽车部分，第二个部分水洒水机构工作部分。第一部分主要包括驾驶室，地盘，中控台，电机和电池组。第二部分主要包括罐体，洒水管路和水泵等组成。第三章 校园电动洒水车整体结构的设计3.1拟定校园电动洒水车的整体设计参数本次设计的校园洒水车为小型电动洒水车，我们拟定设计参数如下：洒水车长度:3350mm宽度：1400mm高度：1760mm整备质量：800KG传动系主要参考设计参数以及动力性要求如下表3-1、表3-2所示：表3-1 传动系参考设计参数传动系部件设计参数设计值电池组额定电压/V额定放电容量/Ah80150其他迎风面积A/m2空气阻力系数CD车轮滚动半径r/m1.80.40.238表3-2动力性要求额定车速22 km/h最高车速50 km/h加速性能 045km/h小于10S爬坡度不小于20%3.2 电动洒水车一般设计要求在纯电动汽车行驶时，电池为电机提供运行能量，电机动力输出经传动系而到达车轮。因此在计算满足纯电动汽车行驶要求的性能应针对全部行驶工况。从分析电动汽车行驶时的受力状况出发，建立行驶方程式，这是分析电动汽车行驶性能的基础。驱动系统的动力输出特性与车辆的动力性能直接相关。驱动系统的动力输出应该满足车辆的动力性要求。电动汽车在进行参数匹配的时候，首先必须建立电动汽车的行驶动力学模型，对电动汽车行驶过程中力与功率的平衡进行分析。车辆行驶过程中力的平衡关系如图3-1。根据力的平衡关系，汽车的行驶方程式为： (3-1)式中：Ft驱动力；F行驶阻力之和。图3-1 汽车行驶过程中受力示意图车辆行驶的驱动力是路面作用在车辆驱动轮上的，电动汽车的电动机输出轴输出转矩，经过车辆传动系传递到驱动轮的驱动力矩为Tt，使驱动轮与地面之间产生相互作用，车轮与地面作用一圆周力F0。同时，地面对驱动轮产生反作用力Ft。这两个力大小相等方向相反，地面对驱动轮产生的反作用力Ft与驱动轮前进方向一致，是推动汽车前进的外力，这个反作用力就是驱动汽车行驶的外力，即驱动力。它不仅与车辆驱动系统提供的牵引力有关，而且与路面和车轮之间的接触状态有关。其数值为： (3-2)式中：Tt作用与驱动轮上的转矩；r车轮半径。传统内燃机汽车中，Tt是由发动机产生的转矩，由于电动汽车采用电动机驱动，所以在电动汽车中Tt是由电动机输出的转矩经传动系统传递到车轮上的。令传动系统总传动比为i，传动系统的机械效率为t。驱动电动机的输出转矩为Ttq，则有： (3-3)因此汽车的驱动力为： (3-4)汽车在水平道路上等速行驶时，必须克服来自地面的滚动阻力和来自空气的空气阻力。当汽车在坡道上上坡行驶时，还必须克服坡度阻力。汽车加速行驶时还需要克服加速阻力。因此汽车行驶过程中的总阻力为： (3-5)式中：Ff滚动阻力Fw空气阻力Fi坡度阻力Fj加速阻力其中：(1) 滚动阻力：Ff可以等效的表示为： (3-6)式中：W作用于车辆上的法向载荷；滚动阻力系数，与路面种类，行驶车速以及轮胎的结构、材料、气压等有关。研究中滚动阻力系数，按经验公式取值。(2) 空气阻力： (3-7)式中：空气阻力系数；迎风面积，即车辆行驶方向的投影面积；空气密度，一般1.2258Ns2m-4。相对速度，在无风时即车辆的行驶速度。在无风条件下汽车的运动，即为汽车的行驶速度ua。如ua以kmh计，A以m2计，则空气阻力(N)为： (3-8)(3) 坡度阻力： (3-9)式中：坡度。一般道路的坡度均较小，此时sin=tan=i。(4) 加速阻力： (3-10)式中：车辆旋转质量换算系数。m车辆质量； 行驶加速度。这样，汽车行驶阻力为： (3-11)车辆行驶时，不仅驱动力和行驶阻力相互平衡，电动机功率和车辆行驶阻力功率也总是平衡的。即：在车辆行驶的每一时刻，电动机发出的功率Pe总是等于机械传动损失的功率与全部运动阻力所消耗的功率之和。在纯电动汽车中，Pe为电动机的输出功率。车辆运动阻力所消耗的功率有滚动阻力功率Pf，空气阻力功率Pw,坡度阻力功率Pi以及加速阻力功率Pj。即： (3-12)根据以上的推导，可得车辆行驶过程中的平衡方程如下： (3-13) (3-14)对纯电动汽车而言，式中：Pe电动机输出功率(kW)。n电动机输出转速(rpm)。3.3 传动比的确定首先，我们比照参考车型，选定某型电动汽车的固定减速比为6.3。现在进行改减速比的可行性验证。(1) 传动比的选择首先应满足车辆最高车速的要求，由最高车速vmax与电机的最大转速nmax确定传动比的上限。 (3-15)其中，类比其他车型，我们确定最大转速nmax=4000。通过该车外形设计参数，可得车轮半径r=0.238m,vmax=50km/h，则： (3-16)(2) 由电机的最大转速对应的最大输出转矩Tmax，和最高车速对应的行驶阻力Fmax确定速比的下限。 (3-17)其中：f=0.01，r=0.238m，则 (3-18)综合市面上的电动机参数，参考现有车型的选择的电动机，我们选择最大转速时转矩Tmax=7.5Nm作为参考值，则： (3-19)(3) 由电机最大输出转矩Tmax和最大爬坡度对应的行驶阻力Famax确定。 (3-20)其中：Famax=mgcosf+mgsin =8009.80.980.012+8009.80.2=1628.5 N，r=0.238m。综合市面上的电动机参数，参考现有车型的选择的电动机，我们取Tmax=60 Nm作为参考值，则： (3-21)为了满足上述要求，故本文确定减速器的减速比为6.3，并且电动机的转矩也能满足要求。3.4 电机的选择电动机的功率必须满足电动汽车的最高车速的功率要求，以保证电动汽车在良好路面情况下，能够获得较高的行驶车速。加速性能和爬坡度：电动机的功率越大，电动汽车的后备功率就越多，从而其加速性能和爬坡度就会越好，但过多的后备功率导致电动机的体积和质量增加，且由于电动机不能经常工作在额定功率附近，效率下降，增加电动汽车不必要的能量消耗。确定驱动电机参数的依据主要是：1) 动力系统的额定功率必须满足车辆以最高车速行驶； 2) 动力系统必须满足车辆加速性的要求；3) 动力系统必须满足车辆以最大爬坡度爬坡的要求；4) 动力系统必须满足车辆以额定转矩在额定车速行驶的要求； 5) 根据汽车的动力性指标选择最适合的驱动电机3.4.1 电动机的功率确定(1) 根据最高车速计算电动机功率在计算最高车速匀速行驶功率时忽略加速阻力功率与坡度阻力功率。 (3-22)满载时：G=8009.8N，f=0.012，CD=0.4，A=1.8m2，=0.9，ua=50km/h（此时电机转速为3500r/min） (3-23)(2) 根据最大爬坡度计算电动机功率在计算最大爬坡度行驶功率时时忽略加速阻力功率与空气阻力功率。 (3-24)满载时:G=8009.8N，f=0.012，i=0.2，=0.9，ua=20km/h (3-25)电动机的功率应能够满足根据以上计算得到的功率。3.4.2 电动机最大输出转矩计算根据电动汽车的最大爬坡度要求，可得电动汽车需求的最大转矩。由公式： (3-26)在电动汽车进行慢速匀速爬坡时，空气阻力Fw以及加速阻力Fj可以忽略。所以： (3-27)其中，Ff=mgfsin；Fi=mgcos，所以： (3-28)代入ig=1，i0=6.3，=0.9，m=800kg，g=9.8m/s2，f=0.012，=tan-1（0.2）=11.3，综上可得： (3-29)3.4.3 电动机额定转矩计算当电动汽车以额定车速在平地上匀速行驶时，电动机输出的转矩即为额定转矩。本文涉及的某型电动汽车的常规车速为22km/h，所以有 (3-30)即电动汽车在以常规车速（22km/h）的速度行驶时，阻力扭矩为4.64Nm。由公式： (3-31)代入P=5kW，n=1500r/min可得，额定转矩T=32Nm。额定转矩大于额定转速下的阻力扭矩，电动汽车满足车辆行驶条件。3.4.4 电动机加速性能计算在水平良好路面上，车辆的行驶加速度表示为： (3-32)式中：Ft辆行驶驱动力，计算公式为： (3-33)其中：Ttq电机额定转矩 ig变速器传动比i0主减速器传动比 r车轮半径 传动机构效率，包括变速器、传动轴和主减速器 Fw车辆行驶的空气阻力， Ff车辆行驶滚动阻力 M总质量 转动质量换算系数则，电动汽车从起步加速到速度为U的加速时间为： (3-34)选取峰值Ttq为68.35Nm，要求速度由0加到45km/h , =1.1，M=800kg，ig1，i0=6.3，=0.9，r=0.238m，CD=0.4，A=1.8m2，f=0.012。代入上式得： (3-35)因此，选择最大转矩为68.35Nm的电机，可以满足速度u由045km/h的时间为10s。综上所述，本文所选用的无刷直流电动机应为：额定功率5kW，最大功率15kW，可以满足功率要求。电动机的最大转速是4000r/min，额定转速是1500 r/min。采用的最大转矩70 Nm，最大转速时的转矩为32 Nm。额定电压80V。参照其他电机，我们获得电机的参数如下表：结合电机参数表，故选择某型电机作为该型电动汽车的动力源。表3-3 性能参数电机参数数值峰值转矩，Nm70额定转矩，Nm32额定功率，kw5额定电压，V80最大转速, rpm40003.5 电池参数的确定结合确定的电机参数，参考市面上已有的动力电池，我们选定某型号的锂铁动力电池作为我们的动力源。该型电池部分参数如下：表3-4 电池参数标称容量160Ah工作电压充电4.25V放电2.5V循环寿命（80DOD%）3000次(70DOD%)5000次适应环境充电-4585放电-4585自放电率（月）3%单体电池重量5.6kg100g3.6罐体的设计3.6.1 罐体材料根据固定式压力容器安全技术监察规程，用于焊接的碳素钢和低合金钢碳素钢和低合金钢钢材， C 0.25、P 0.035、S 0.035。选择低合金钢板，材料16MnR。因为考虑到成本、加工性等因素，决定罐体材料采用Q235A。3.6.2 水罐容积确定水罐容积的计算公 () （3-36） (L)式中：底盘相对于额定载重量的需用过载系数（0.8T的车载重汽车可取=1.11.2）底盘车的额定载重量（t）车厢重量（t）机器水罐等工作设备的质量对水箱容积之比，即每1L水罐容积的工作设备质量（）。所以取底盘相对于额定载重量的需用过载系数k为1.3，底盘车的额定载重量GH取为（t）（0.8t）。机器水罐等工作设备的质量对水箱容积之比0取为0.38。 () (L) =695（L）又因为罐体里面有防波板，水只占罐体内体积的80%，所以水箱容积为870L，根基整车的参数，设计的水箱的外形图如图3-2所示。图3-2 罐体尺寸3.6.3 罐体厚度的确定罐体的壁厚的计算罐体的壁厚： （3-39）式中：p罐体内压力（kPa）罐体截面曲率半径（mm）k焊缝强度系数（对于弧焊k=0.8）材料需用应力1锈蚀的附加厚度根据加工工艺性选择平板性封头。所以 =3.6mm所以我们取4mm后的钢板做罐体。3.7管路的设计一辆洒水车性能的好坏还与整车的水路设计有很大的关系，我们都知道，洒水车的水路设计有很多需要注意的地方，比如说：管路的布局，肯定会有一些弯角，那么不可避免的在弯角处就会有一定的压力损失，这在以后的改进中要注意，尽量避免过多的弯角；拿喷头来说，洒水车前面有鸭嘴形喷水器或圆头冲嘴，后面有圆柱形洒水头或莲蓬头喷嘴，每辆车因型号不同车身高度也不尽相同，但对前后喷头的位置有很大的要求，如果喷头位置过高，对路面的除尘降噪效果会有一定的影响，但如果喷头位置过低，溅起的泥土会黏附在轮胎上，而且会影响到整车的通过性；管路的直径也是个很大的问题，需要考虑到水泵的功率，喷头出的压力等等；本次设计的管路如图3-3所示：图3-3 管路图如图所示，本次设计的管路的原则是尽量减少折弯，图中一种只有两个弯管组成，弯管1连接水泵，弯管2连接鸭嘴喷头。相对与其它喷头，鸭嘴喷头的喷水范围广，喷水更加均匀。第四章 校园电动洒水车三维造型的设计4.1 Solidworks软件简介首先我要对Solidworks进行介绍一下，它是一种先进的，智能化的参变量式CAD设计软件，在业界被称为“3D机械设计方案的领先者”，易学易用，界面友好，功能强大，在机械制图和结构设计领域，掌握和使用Solidworks已经成为最基本的技能之一。与传统的2D机械制图相比，参变量式CAD设计软件具有许多优越性，是当代机械制图设计软件的主流和发展方向。传统的CAD设计通常是按照一定的比例关系，从正视，侧视，俯视等角度，根据投影，透视效果逐步绘出所需要的各个单元，然后标注相应尺寸，这就要求制图和看图人员都必须具备良好的绘图和三维空间想象能力。如果标注尺寸发生变化，几何图形的尺寸不会同步变更；如果改变了几何图行，其标注尺寸也不会发生变化，还要重新绘制，标注，因此绘图工作相当繁重。参变量式CAD设计软件，是参数式和变量式的统称。在绘制完草图后，可以加入尺寸等数值限制条件和其他几何限制条件，让草图进入完全定义状态，这就是参数式模式。由于软件自动加入了关联属性，如果修改了标注尺寸，几何图形的尺寸就会同步更新。也可以暂时不充分的限制条件，让草图处于欠定义状态，这就是变量式操作模态。美国Solid Works公司是一家专门从事开发三维机械设计软件的高科技公司，公司宗旨是使每位设计工程师都能在自己的微机上使用功能强大的世界最新CAD/CAE/CAM/PDM系统，公司主导产品是世界领先水平的Solid Works软件。90年代初，国际微机市场发生了根本性的变化，微机性能大幅提高，而价格一路下滑，微机卓越的性能足以运行三维CAD软件。为了开发世界空白的基于微机平台的三维CAD系统，1993年PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁成立SolidWorks公司，并于1995年成功推出了SolidWorks软件，引起世界相关领域的一片赞叹。在SolidWorks软件的促动下，1998年开始，国内、外也陆续推出了相关软件；原来运行在UNIX操作系统的工作站CAD软件，也从1999年开始，将其程序移植到Windows操作系统中。由于SolidWorks出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万的高额市值将SolidWorks全资并购。公司原来的风险投资商和股东，以原来一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD行业的世界纪录。并购后的SolidWorks以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业一家高素质的专业化公司。功能描述（1） TopDown(自顶向下)的设计（2） DownTop(自下向上)的设计（3） 配置管理（4） 易用性及对传统数据格式的支持（5） 零部件镜像（6） 装配特征（7） 工程图（8） eDrawingSolidworks模形由零件，装配体和工程图等文件组成，没有生成零件之前的图纸称为草图。由2D，3D草图直接生成3D模形和工程图时，如果修改了草图的标注尺寸，其3D模形和工程图会同步更新；相反，如果修改了工程图的标注尺寸，其3D模形和草图也会同步更新。软件使用起来非常方便，大大减少了设计人员的工作量，提高了工作效率。通常，从打开一个零件文件或建立一个新零件文件开始，绘制草图、生成基体特征、然后在模型上添加更多的特征，生成零件。也可以从其他软件导入曲面或几何实体开始，编辑特征，生成零件和装配体工程图。这是常用的设计方法，也就是自下而上的设计方法。草图绘制从零件文件开始，对于一个新的产品设计，要首先建立零件文件。由于零件、装配体及工程图的相关性，所以当其中一个视图改变时，其他两个视图也会自动改变。Solidworks2014允许自定义功能,选择菜单栏中的“工具”-“选择”命令,可以显示.定义”系统选项”和”文件属性”选项卡.Solidworks2014可以自动保存工作.自动恢复功能可以自动保存零件,装配体或工程图文件的信息,在系统死机时不会丢失数据.如果设定此选项,则选择”工具”_”选项”菜单命令.在”系统选项”选项卡上,单击”备份”选项,选择”每(n)次更改后,自动恢复信息”复选框,然后设定信息自动保存前应发生的变更次数.Solidworks2014具有很强的文件交换功能,可以输入,输出数十种文件格式,可以与AutoCAD，pro/ENGINEER,Solid Edge,CAM等软件很方便地进行文件交换。Solidworks2014在草图绘制模式及工程图中提供显示网格线和捕捉网格线功能。可将网格线与模型边线对齐，还可捕捉到角度。网格线和捕捉功能在Solidworks2014中不太使用，因为SolidWorks是参变量软件，尺寸和几何关系已提供了所需的精度。4.2 零件建模4.2.1支撑架三维建模的形成在SolidWorks中，支撑架的形成比较容易实现，通过拉伸、异型孔等指令，支撑架的三维模型如图4-1所示。图4-1 支撑架三维图4.2.2 底盘的三维建模形成由于底盘的三维模型比较复杂，运用了拉伸，切除，圆角，等特征，形成底盘的三维模型。如图4-2所示图4-2 底盘三维图4.2.3其他零件的三维模型造型另外，SolidWorks里toolbox里包含了各种传动件，螺栓，螺母，螺钉，轴承等数据，可直接调用输入自己参数即可。 轴承的建模，从toolbox中选择轴承，滚动轴承如图4-3所示图4-3 添加轴承由于方向盘的三维模型比较复杂，运用了拉伸，圆角，阵列,切除等特征，形成方向盘的三维模型。如图4-4所示图4-4 方向盘的三维建模其它零部件的三维建模这里就不一一描述4.3零件装配零件设计好了，可以将其在组建模式下通过一定的方式组合在一起，从而造成一个组件或完整产品模型。零件装配需要在专门的组件设计模式下进行。在Solidworks2014 中，可以按照以下步骤来创建一个组件设计文件：单击新建按钮，打开“新建”对话框。在“类型”选项组中选择“组件”单选按钮，在“子类型”选项组中寻则“设计”单选按钮，在“名称”文本框中输入组件名称，清除“使用缺省模板”复选框，然后单击“确定”按钮。弹出“新建文件选项”对话框。从“模板”选项组的列表框中选择“mmns _SLDASM_design”，单击“确定”按钮。在组件设计中（装配设计），主要有两种主流设计思路，即自底向上设计和自顶而下设计。通俗一点而言，前者是将已设计好的零部件按照一定的装配方式添加到装配体中；而后者则是从顶层的产品结构着手，由顶层的产品结构传递设计规范到所有相关子系统，从而有利于高效地对整个设计流程项目进行协作管理。在组件设计模式下，系统允许采用多种方法将元件添加到组件，包括使用放置定义集（简称约束集）和使用元件界面自动放置等。通常元件放置根据放置定义集而定，这些集合决定了元件与组件的相关方式及位置，这些集既可以是由用户定义的，也可以是预定义的。用户定义的约束集含有0个或多个约束；预定义约束集（也叫连接）具有预定义数目的约束。约束放置是较为常用的装配方式。在 Solidworks2014元件放置操控板的约束列表框中，提供了多种放置约束的类型选项，包括缺省、固定、曲面上的边、曲面上的点、直线上的点、相切、坐标系、插入、匹配、对其、和自动。在使用约束放置选项时，需要注意约束放置的一般原则及注意事项。例如，“匹配”约束或“对齐”约束的一组参照的类型要相同（平面对平面、旋转对旋转、点对点、轴对轴）；一次只能添加一个也是，譬如不能使用一个单一的“匹配”约束选项将一个零件上的两个不同的平面与另一个零件上的两个不同的平面配对，二必须定义两个单独的“匹配”约束；元件的装配需要定义放置约束集，放置约束集由若干个放置约束构成，用来组合定义元件的放置和方向。装配通过一个中心线重合，面重合或给定距离来配合圆弧曲面的零件。首先进行部装，在得到校园电动洒水车的装配图，总装配图见下图4-5 4-6所示：图4-5 校园电动洒水车三维装配体图4-6 校园电动洒水车三维装配体14.4三维向二维的转换SolidWorks作为一套功能强大的计算机辅助绘图和设计软件，可以建立零件的三维实体图，三维装配体图及二维工程图，且大多数生产一线的工程技术人员对二维绘图软件，如autocad，caxa电子图版，等更加熟悉，而且二维软件在绘制，尤其是标注装配体，零件图时，具有独特的优势。所以，充分利用SolidWorks和二维图之间的转换，把SolidWorks自动生成的工程视图与二维软件的标注结合起来，达到“以二维之长补三维之短”的目的。一下是三维建模生成二维工程图的详细过程。在SolidWorks中生成二维工程图。在SolidWorks中的新建模板中，新建一个工程图模板，打开工程图工具条，在工程图工具条中点击“新建”按钮，并在作图区域中单击右键，“从文件中选择”，确认要生成工程图的三维模型，并选择要形成工程图的视图方向；在绘制区域内单击左键，以确定图形位置，单击“确定，完成工程图的绘制，并将其保存为“dwg/dxf”格式的文件。如图4-7所示图4-7新建工程 选用标准图纸，或自定义图纸大小，如图4-8所示图4-8 选择图纸打开需要生成工程图的零件，并将其拖入此工程图。左键确定位置，继续移动鼠标，会显示鼠标移动方向的视图。从而确定所需工程图，此外，还可通过上方的工具来分析剖视图。也可标注此装配体的零件及其名称。因此图还将在CAD中修改，最后得到的工程图如图4-9所示：图4-9 校园电动洒水车工程图第五章 校园电动洒水车的仿真5.1机构仿真的作用利用SOLIDWORKS软件建立的机械系统的三维模型和力学模型， 在计算机上创建机械产品的电子样机，并对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，在预测分析过程中发现问题，进而改进产品的设计，直至获得最佳设计方案。5.2机构仿真类型1、运动学仿真。2、动力学仿真。3、控制理论仿真。5.3机构运动仿真步骤1、创建零件模型。使用各种特征创建工具创建模型。2、组装零件模型。使用装配命令，组装零件模型，生成连接。3、运
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