微型電動汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與拆裝

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7一目的本次的綜合課程設(shè)計(jì)主要目的就是把原來的沙灘四輪車改裝為電動的四輪車，將沙灘四輪車的汽油發(fā)動機(jī)拆掉，用一個直流電動機(jī)代替作為驅(qū)動系統(tǒng)，再加上電瓶來供電，用一個電阻控制器作為調(diào)節(jié)電機(jī)快慢的控制系統(tǒng)，最后能使四輪車跑起來。大四上學(xué)期我們都學(xué)了電動汽車的基礎(chǔ)知識，對電動汽車的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)有了一定的了解，我們希望學(xué)與致用，同時鍛煉自己的動手能力，也加強(qiáng)對電動車的了解。二文獻(xiàn)概述汽車是現(xiàn)代社會的重要交通工具，為人們提供了便捷、舒適的出行服務(wù)，然而傳統(tǒng)燃油車輛在使用過程中產(chǎn)生了大量的有害廢氣，并加劇了對不可再生石油資源的依賴。在能源方面，目前世界汽車保有量約8億輛，并以每年3000萬輛的速度遞增，預(yù)計(jì)到2020年全球汽車保有量將達(dá)到12億輛，主要增幅來自發(fā)展中國家。就整體而言，我國傳統(tǒng)能源汽車的研發(fā)水平、自主創(chuàng)新能力，與世界水平相比仍有不小差距。但在新能源汽車方面，我國并不落后。進(jìn)入新世紀(jì)以來，以汽車動力電氣化為主要特征的新能源電動汽車技術(shù)突飛猛進(jìn)。油電混合動力技術(shù)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化，鋰動力電池技術(shù)取得重大突破，車用燃料電池技術(shù)不斷進(jìn)步。我國目前每天有超過９億度低谷電，可供5000萬輛左右電動汽車充電。我國鋰資源、稀土資源和鎂資源豐富，可以為電動汽車關(guān)鍵部件提供原材料資源保障。我國電動自行車、電動摩托車等輕型電動車保有量已超過5000萬輛，在世界上遙遙領(lǐng)先，這為新能源電動汽車產(chǎn)業(yè)化奠定了良好基礎(chǔ)。我國政府高度關(guān)注電動汽車的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。2005年國務(wù)院政府工作報(bào)告提出“要鼓勵和發(fā)展清潔汽車”，《國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要》提出：“鼓勵開發(fā)使用節(jié)能環(huán)保和新型燃料汽車?！?006年2月，國務(wù)院發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》將“低能耗與新能源汽車”和“氫能及燃料電池技術(shù)”分別列入優(yōu)先主題和前沿技術(shù)。2007年6月公布的《中國應(yīng)對氣候變化國家方案》鼓勵混合動力汽車、純電動汽車的生產(chǎn)和消費(fèi)。國家發(fā)展與改革委員會通過發(fā)布一系列政策，強(qiáng)調(diào)開展電動汽車的研究與推廣。近兩年發(fā)布的《節(jié)能中長期專項(xiàng)規(guī)劃》、《高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十一五”規(guī)劃》、《能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》，均強(qiáng)調(diào)要大力發(fā)展電動汽車及零部件和配套基礎(chǔ)設(shè)施。電動汽車的共性關(guān)鍵技術(shù)代表了未來汽車能源和動力技術(shù)的發(fā)展走向。為增強(qiáng)各國在未來能源與交通技術(shù)方面的競爭力，各國都從不同的角度對技術(shù)研發(fā)進(jìn)行支持。首先，我國在傳統(tǒng)汽車技術(shù)方面與國外存在較大差異，通過電動汽車技術(shù)的開發(fā)，可以帶動傳統(tǒng)汽車技術(shù)的進(jìn)步，縮小與國外技術(shù)的差距。其次，在能源技術(shù)方面，通過電動汽車的發(fā)展，可以促進(jìn)可再生能源和新能源技術(shù)的開發(fā)，提升我國在能源技術(shù)方面的競爭力。如在燃料電池技術(shù)方面，通過車輛的應(yīng)用，促進(jìn)燃料電池技術(shù)的進(jìn)步。第三，可以帶動電力電子技術(shù)的進(jìn)步，在電動汽車中大量采用的電力電子技術(shù)可以促進(jìn)相應(yīng)技術(shù)的進(jìn)步。三微型電動汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電動汽車由電力驅(qū)動系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等三部分組成。電力驅(qū)動系統(tǒng)包括電子控制器、功率轉(zhuǎn)換器、電動機(jī)、機(jī)械傳動裝置和車輪，其功用是將存儲在蓄電池中的電能高效地轉(zhuǎn)化為車輪的動能，并能夠在汽車減速制動時，將車輪的動能轉(zhuǎn)化為電能充入蓄電池。后一種功能稱作再生制動。電源系統(tǒng)包括電源、能量管理系統(tǒng)和充電機(jī)，其功用主要是向電動機(jī)提供驅(qū)動電能、監(jiān)測電源使用情況以及控制充電機(jī)向蓄電池充電。輔助系統(tǒng)包括輔助動力源、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、空調(diào)器、照明及除霜裝置、刮水器和收音機(jī)等等，借助這些輔助設(shè)備來提高汽車的操縱性和乘員的舒適性。各個系統(tǒng)在電動汽車上的布置各式各樣，這是因?yàn)樵陔妱悠嚿夏芰渴峭ㄟ^柔性的電線而不是通過剛性聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)軸傳輸?shù)?，因此，電動汽車各個系統(tǒng)或各個部件的布置有很大的靈活性。例如一輛電動機(jī)前置，前輪驅(qū)動的電動汽車。充電機(jī)經(jīng)汽車前端的充電接口向置于汽車尾部的蓄電池充電。在汽車行駛時，蓄電池經(jīng)控制器向電動機(jī)供電。來自加速踏板的信號輸入控制器并通過控制器調(diào)節(jié)電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速。電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)汽車傳動系統(tǒng)驅(qū)動車輪。3.1電力驅(qū)動系統(tǒng)電動汽車的電力驅(qū)動方式基本上可分為電動機(jī)中央驅(qū)動和電動輪驅(qū)動兩種。由電動機(jī)、固定速比減速器和差速器等構(gòu)成的電動機(jī)中央驅(qū)動系統(tǒng)。在這種驅(qū)動系統(tǒng)中，由于沒有離合器和變速器，因此可以減少機(jī)械傳動裝置的體積和質(zhì)量。另一種電動機(jī)中央驅(qū)動系統(tǒng)的布置形式，它與前輪驅(qū)動、橫向前置發(fā)動機(jī)的燃油汽車的布置形式相似，將電動機(jī)、固定速比減速器和差速器集成一體，兩根半軸連接兩個驅(qū)動車輪，這種布置形式在小型電動汽車上應(yīng)用最普遍。電動汽車的驅(qū)動電動機(jī)在20世紀(jì)90年代以前主要采用直流電動機(jī)。它具有起動加速時驅(qū)動力大、調(diào)速控制簡單、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。但是直流電動機(jī)的電樞電流由電刷和換向器引入，換向時產(chǎn)生電火花，換向器容易燒蝕，電刷容易磨損，需經(jīng)常更換，維護(hù)工作量大。接觸部分存在摩擦損失，不僅使電機(jī)效率降低，還限制了電動機(jī)的工作轉(zhuǎn)速。目前，無換向器真流無刷電動機(jī)已經(jīng)面世，它由電動機(jī)本體、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角傳感器和電子開關(guān)控制電路組成。其中電子開關(guān)控制電路起到了普通直流電動機(jī)中換向器的作用。直流無刷電動機(jī)既有交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，又具備運(yùn)行效率高、無勵磁損耗、運(yùn)行成本低和調(diào)速性能好等特點(diǎn)。因此，它在電動汽車上的應(yīng)用與日俱增。例如，寶馬公司生產(chǎn)的BMWEI電動汽車和東京電力公司開發(fā)的IZA電動汽車，均采用永磁直流無刷電動機(jī)作為電動輪。3.2電源系統(tǒng)電源是制約電動汽車發(fā)展的因素。作為電動汽車的電源應(yīng)該具有高比能和高比功率等性能，以滿足汽車的動力性和續(xù)駛里程的要求。另外，還應(yīng)具有與汽車使用壽命相當(dāng)?shù)难h(huán)壽命、效率高、成本低和免維護(hù)等特點(diǎn)。目前用于電動汽車上的電源主要是蓄電池，其次是燃料電池。蓄電池是能量存儲裝置，通過外界充電實(shí)現(xiàn)儲能；燃料電池是能量生成裝置，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。蓄電池技術(shù)成熟，價(jià)格合理，而燃料電池則被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的電動汽車動力源。蓄電池的主要性能指標(biāo)有：①比能量--單位電池質(zhì)量所能存儲的電量(W·h/kg)，是評價(jià)電動汽車整車質(zhì)量和續(xù)駛里程的指標(biāo)；②能量密度--單位電池體積所存儲的電量(W·h/L)，它影響蓄電池的尺寸；③比功率--單位電池質(zhì)量所能輸出的功率(W/kg)，是評價(jià)電動汽車加速性、爬坡能力及最高車速的指標(biāo)；④功率密度--單位電池體積所能輸出的功率(W/L)；⑤循環(huán)壽命--蓄電池充、放電一次稱為一個循環(huán)，循環(huán)壽命表示更換電池前所能完成的循環(huán)數(shù)。循環(huán)壽命短，將增加電動汽車的維護(hù)費(fèi)用。四拆裝4.1摩托車的“心臟”—發(fā)動機(jī)摩托車發(fā)動機(jī)拆裝是一門鍛煉我們動手能力和理解發(fā)動機(jī)工作原理的課程，通過此課程，我們學(xué)習(xí)了摩托車發(fā)動機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造并了解了各零件的作用和功能。發(fā)動機(jī)是摩托車的“心臟”，購買或使用摩托車，必須要了解摩托車發(fā)動機(jī)。摩托車發(fā)動機(jī)與汽車發(fā)動機(jī)不同的主要地方在于，汽車發(fā)動機(jī)不管是汽油機(jī)還是柴油機(jī)，都是4沖程發(fā)動機(jī)；而摩托車發(fā)動機(jī)不但有4沖程，還有2沖程發(fā)動機(jī)。以單缸機(jī)為例，4沖程發(fā)動機(jī)指“進(jìn)氣”、“壓縮”、“作功”、“排氣”四個沖程，整個工作循環(huán)曲軸旋轉(zhuǎn)2周，活塞上下各2次。而2沖程發(fā)動機(jī)只有“進(jìn)氣壓縮”和“作功排氣”兩個沖程，整個循環(huán)曲軸旋轉(zhuǎn)1周，活塞上下各1次。2沖程發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，功率高。由于完成一個工作循環(huán)，2沖程發(fā)動機(jī)比4沖程發(fā)動機(jī)少轉(zhuǎn)1周，因此當(dāng)兩者的發(fā)動機(jī)工作容積、壓縮比和轉(zhuǎn)速相等的話，從理論上講2沖程發(fā)動機(jī)的功率是4沖程發(fā)動機(jī)的兩倍，實(shí)際測量也有1.5-1.6倍之間。4.2直流無刷電機(jī)我們將用直流無刷電機(jī)替換摩托車發(fā)動機(jī)，功率大概2KW，48V直流供電。無刷直流電機(jī)由電動機(jī)主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。無刷電機(jī)是指無電刷和換向器(或集電環(huán))的電機(jī)，又稱無換向器電機(jī)。早在上世紀(jì)誕生電機(jī)的時候，產(chǎn)生的實(shí)用性電機(jī)就是無刷形式，即交流鼠籠式異步電動機(jī)，這種電動機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。但是，異步電動機(jī)有許多無法克服的缺陷，以致電機(jī)技術(shù)發(fā)展緩慢。本世紀(jì)中葉誕生了晶體管，因而采用晶體管換向電路代替電刷與換向器的直流無刷電機(jī)就應(yīng)運(yùn)而生了。這種新型無刷電機(jī)稱為電子換向式直流電機(jī)，它克服了第一代無刷電機(jī)的缺陷。直流無刷電機(jī)原理圖如下：圖直流無刷電機(jī)原理圖無刷直流電機(jī)因?yàn)榫哂兄绷饔兴㈦姍C(jī)的特性,同時也是頻率變化的裝置,所以又名直流變頻,國際通用名詞為BLDC.無刷直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率,低速轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速精度等都比任何控制技術(shù)的變頻器還要好,所以值得業(yè)界關(guān)注.本產(chǎn)品已經(jīng)生產(chǎn)超過55kW,可設(shè)計(jì)到400kW,可以解決產(chǎn)業(yè)界節(jié)電與高性能驅(qū)動的需求。下圖為無刷大功率直流電機(jī)實(shí)物圖：圖無刷大功率直流電機(jī)無刷電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：①電子換向來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械換向，性能可靠、永無磨損、故障率低，壽命比有刷電機(jī)提高了約6倍，代表了電動車的發(fā)展方向；②屬靜態(tài)電機(jī)，空載電流小；③效率高；④體積小。缺點(diǎn)：①低速起動時有輕微振動，如速度加大換相頻率增大，就感覺不到振動現(xiàn)象了；②價(jià)格高，控制器要求高；③易形成共振，因?yàn)槿魏我患|西都有一個固有振動頻率，如果無刷電機(jī)的振動頻率與車架或塑料件的振動頻率相同或接近時就容易形成共振現(xiàn)象，但可以通過調(diào)整將共振現(xiàn)象減小到最小程度。所以采用無刷電機(jī)驅(qū)動的電動車有時會發(fā)出一種嗡嗡的聲音是一種正常的現(xiàn)象；④腳踏騎行時較費(fèi)力，最好是電力驅(qū)動與腳踏助力相結(jié)合。4.3鉛酸電池本次課程設(shè)計(jì)采用的是鋁酸蓄電池，鉛酸蓄電池廣泛地應(yīng)用于電動汽車上，其主要原因是技術(shù)成熟，價(jià)格便宜，可靠性好，單體額定電壓高(2.0V)。另外，輸出電流大以及良好的高、低溫性能等均適合電動汽車使用。但是鉛酸蓄電池存在比能量低，充電時間長，使用壽命較短等缺點(diǎn)。五總結(jié)這學(xué)期的綜合課程設(shè)計(jì)我們選擇的是沙灘四輪車的改裝，我們學(xué)習(xí)了四輪車的拆裝、直流無刷電機(jī)與鉛酸電池的安裝、電子控制、機(jī)械加工，在拆裝四輪車發(fā)動機(jī)的時候，我們學(xué)到的不僅是沙灘四輪車的拆裝方法和其構(gòu)造，以及電動車的設(shè)計(jì)構(gòu)造，更重要的是學(xué)到了一種考慮、解決問題的思想和方法。我們是自動化汽車方向的，而四輪車上的許多零部件的結(jié)構(gòu)及工作原理都與汽車相似，學(xué)習(xí)四輪車的改裝對我們以后學(xué)汽車是有一定幫助的。沙灘四輪車上的一些零件的