毕业设计（论文）-电动汽车单级主减速器设计

目 录1 绪 论11.1 课题目的及意义11.2 国内外研究现状11.2.1 国外研究现状11.2.2 国内研究现状21.3 研究内容32 电动汽车动力系统组成及性能42.1 电动汽车基本结构42.1.1 电动汽车系统组成42.1.2 电动汽车动力系统结构形式52.1.3 电动汽车主要部件 72.2 电动汽车动力系统性能102.2.1 电动汽车动力性102.2.2 电动汽车经济性122.3 本章小结133 电动汽车关键技术143.1 电动机技术143.2 蓄电池技术163.3 电池管理系统173.4 本章小结174 电动汽车动力系统参数匹配194.1 电动机参数匹配：194.1.1 电动机参数计算：194.1.2 电机参数选取：224.1.3 电机控制器：224.1.4 冷却水箱设计224.2 电池系统匹配274.2.1 电池参数计算274.2.2 电池参数选取284.3 传动系参数设计284.3.1 单级主减速器结构设计294.3.2 单级主减速器参数计算294.3.3 单级主减速器锥齿轮强度校核324.3.4 联轴器设计344.4 本章小结375 结论与展望385.1 结论385.2 展望38致 谢：39参考文献：40501 绪 论1.1 课题目的及意义 本文研究小型电动汽车动力系统的目的是设计出满足市场需求的小型电动货车，提高电动汽车动力系统的工作效率，降低生产成本，提高电动汽车在小型货车市场上的占有率。随着能源需求量不断增加，环境污染问题日益严重，科学技术日新月异，发展纯电动汽车势在必行1。纯电动汽车是汽车行业以新能源技术为核心的一个重要发展方向，无污染、低能耗、低噪音是其技术重点，广泛的电能来源，为其可持续发展奠定基础。电能将会越来越多的来自于清洁能源，比如取之不尽的太阳能，用之不竭的潮汐能，高效环保的核能等。毫无疑问，纯电动汽车将使人类文明发展进入更高阶段，所以，纯电动汽车的发展对我国应对环境污染，能源短缺问题有着重大意义。1.2 国内外研究现状追溯电动汽车发展起源，比内燃机还要早十几年，但是电动汽车对技术要求较高，受技术限制所以电动汽车发展一直落后于内燃机发展。近几年，科学技术发展迅速，同时世界各国对环境污染问题高度重视，所以电动汽车发展也迎来新机遇2。1.2.1 国外研究现状 目前世界很多国家与企业都在发展电动汽车，但是研发重点不尽相同3。美国对环保要求严格，所以电动汽车研究时间较早，此外美国对国家能源安全高度重视，电动汽车恰好解决了石油依赖的问题。美国政府逐年增加对电动汽车的研发投入，同时各大汽车厂也加大对电动汽车的研发力度，年销售量超过6万辆的汽车厂需要实现年销售量EV3%、PHEV3%或者EV6%的目标，而且美国有7个州加入零排放计划2。欧洲关注全球气候变暖，注重温室气体排放问题，对二氧化碳排放有严格要求，对乘用车CO2排放提出要求，到2020年每辆乘用车平均排放量为95g/km，到2025年减少至70g/km，这一发展目标的提出，大大推动了欧洲电动汽车的发展进程。法国积极推动“发展电动汽车全国计划”计划2020年推广200万辆电动车4。搭载永磁同步电动机的雪铁龙C-Zero最高时速可达130km/h，续驶里程160km,使用锂电池技术，快速充电模式下半小时可以充电80%。奔驰确立“蓝色效能战略、混合动力战略和燃料电池实现零排放”的三阶段战略，奔驰Smart电动汽车最高时速为100km/h，电动机功率为40马力，续驶里程115km,每公里消耗十二千瓦电量，被评为城市交通中最节能最环保车型之一5。日本为发展电动汽车早在1967年就成立了日本电动汽车工业协会，后来制定了电动汽车的开发计划和电动汽车生产和保有量目标6。日本计划到2020年新能源汽车销售比例将占到新车销售总量的一半，到2030年达到四分之三7。到目前为止，日本是电动汽车产业化最先进的国家，部分车企实现电动车量产化，开始建立销售平台。本田公司电动汽车研发主要包括混合动力和燃料电池两个方面，丰田公司则在混合动力电动汽车方面取得很大成功，日产公司生产的Leaf，使用先进的电池技术，最大能够支持120马力的电动机，使用的电动机最大扭矩为280Nm,快充模式下半小时可以将电池组充到80%。1.2.2 国内研究现状我国虽然带动汽车发展时间比较短，技术还未成熟，但是目前也在大力发展电动汽车，2001年我国确立电动汽车三纵三横研发布局，承担研发项目的企业有上海汽车、奇瑞公司和天津汽车集团等，参与的高校有北京理工大学和上海交通大学。2008年北京奥运会期间，电动汽车在奥运村大量使用，不仅降低了环境污染，而且在全国起到示范作用，促进电动汽车的发展。2009年国家进一步加大对电动汽车的发展力度，出台了汽车产业调整振兴规划、电动汽车“十城千辆”等项目。2010年第十一届北京国际汽车展览会上，各大汽车厂家推出新型电动汽车，东风、一汽、奇瑞等国内各大汽车制厂也制定的电动汽车发展计划。同年，第二十五届电动汽车大会在深圳开幕，此次是有史以来最大规模的电动车国际会议，对我电动车发展起到了推动作用8。2016年第十五届青岛国际车展，上汽大通展出EV80电动车，此款车型是国内首发的纯电动宽体轻型客车，续驶里程为370km，采用高效的大容量磷酸铁锂电池技术，2小时即可充满，比亚迪也带来多款新能源汽车。 电动汽车虽然有着大好的发展前景，但是也面临着许多发展问题，主要包括续驶里程、生产成本、蓄电池技术和电动汽车配套设施建设四方面。续驶里程是人们关注的一个重要问题，目前市场上存在的大部分纯电动汽车续驶里程在300km以下，而纯电动货车在150km以下，这一性能是在整个动力系统运行良好的情况下才能实现，绝大多数电动汽车在实际使用时续驶里程会有不同程度度的降低，续驶里程根本无法与燃油汽车相提并论，这也是电动汽车占领市场最大的短板。电动汽车技术要求高，有关零部件没有形成生产规模，甚至还需要应用新材料，所以生产成本高。高昂的生产成本大大降低了纯电动汽车的性价比，虽然国家为鼓励发展电动汽车实施补贴政策，但是高生产成本仍然是制约电动汽车批量生产的关键因素。蓄电池技术是纯电动汽车发展的核心技术，也是各国发展纯电动车需要攻克的难关，提高电池比能量、比功率和增加电池循环使用寿命对提升电动汽车整车性能有重大意义。电动汽车配套基础设施建设更是一个庞大长期的系统工程，它决定了电动汽车市场的发展命运，电动汽车实现全国范围内的正常运行需要健全基础设施，标准化的技术要求，规范化的充电站、蓄电池管理站和维修站，此外还需要相应的法律法规规范电动车的使用。1.3 研究内容 本文研究对象为小型电动汽车动力系统，主要用于城乡之间的轻型货物运输，主要研究内容为： 1、通过查阅文献和市场调查了解电动汽车的发展情况，发现存在的问题，了解市场需求，并且设计符合市场需求的电动汽车。 2、简单阐述电动汽车动力系统组成及性能，通过比较分析提出合理的设计方案。 3、研究分析电动汽车发展中应用到的关键技术，掌握电动汽车设计中涉及的关键技术和运用方法。 4、根据整车工作要求，计算出电动机、主减速器的参数，完成电机选型和主减速器校核。2 电动汽车动力系统组成及性能2.1 电动汽车基本结构2.1.1 电动汽车系统组成电动汽车主要由动力系统、能源系统和辅助系统组成，如图2-1所示。动力系统主要包括驱动电机、控制器和传动系三大部分。控制器是整个动力系统的控制中心，需要接收加速（减速）踏板传来的信号，然后进行处理，将执行指令传递给驱动电机，电动机根据指令输出相应的功率、扭矩，动力通过主减速器、差速器、半轴传递到驱动轮，从而实现驾驶员的驾驶意图。驱动电机是整个电动汽车的核心部件，其有两个左右，启动、加速和正常行驶时，电动机需要根据控制传来的指令将电能转化为机械能提供给驱动轮，下坡或制动时，电动机成为发电机，将驱动轮通过传动系传来的机械能转化为电能储存在蓄电池中。图2-1 电动汽车系统组成传动系是动力传递的重要组成部分，负责将电动机输出的动力传递给驱动轮，制动时动力反向传递，其结构和传动比的选择对整车动力性和经济性有重大影响。能源系统主要包括蓄电池、能量管理系统和充电器组成。蓄电池是整车唯一的能源提供，其作用有三个，充电，放电和存储电能。电动汽车工作时，蓄电池需要将存储的电能释放出来，充电或者制动时，蓄电池需要将外界能量存储起来，蓄电池需要有较大的比功率、比能量和较长的循环寿命。能量管理系统负责对蓄电池中的能量管理分配，负责协调整车能量供给，使电池中能量的使用效率最大化。合理科学的能量管理系统不仅能延长电池的受用寿命，而且可以准确的提供整车的实时信息，便于整车状况监控。充电器是蓄电池获取外界能源的主要途径，充电器需要将外界电能转化满足蓄电池充电要求的制式，而且市场需求的快速充电也是充电器技术发展的关键技术。辅助系统包括动力转向系统、辅助动力源和冷气和暖气。2.1.2 电动汽车动力系统结构形式 电动汽车驱动布置方案与传统燃油汽车有很大不同，为了更充分发挥电动机的优势，需要根据电动汽车的工作环境及要求合理设计驱动结构。本文主要介绍四种驱动结构布局：传统驱动模式、轮毂电动机驱动式、电动机驱动桥整体式、电动机驱动桥组合式。 传统驱动模式：传统驱动模式就是在传统内燃机的基础上，用电动机将发动机代替，其传动系统不变。类比传统内燃机的布置形式，电动汽车驱动电动机可分为前置式和后置式，其工作原理与传统内燃机相似。如图所示驱动模式，动力从电动机通过离合器、变速器、传动轴、主减速器、差速器、半轴到驱动轮。如图2-2所示。图2-2 传统驱动模式轮毂电动机驱动式：轮毂电动机驱动式就是将电动机设计在驱动轮中，这种驱动模式既节省了空间又简化了传动路径。布置方式可分为前轮驱动、后轮驱动、四轮驱动，不管哪种布置方式，都需要用到控制器控制电动机，实现差速的目的，此布置方案对技术要求最高，成本也是最高的，目前应用不广泛。布置形式如图2-3所示。图2-3 轮毂电机驱动式 电动机驱动桥整体式：电动机驱动桥整体式可分为同轴式和双联式。同轴式是电动机放在车桥的空心轴中，动力通过主减速器、差速器、半轴传到驱动轮上。双联式是左右两台电动机直接通过半轴将动力传输到驱动轮上，但是需要控制器控制电动机，实现差速功能，但是控制比较复杂，成本较高。如图2-4即电动机驱动桥整体式布置形式。图2-4 电动机驱动桥整体式电动机驱动桥组合式：这种形式最为常见，即电动机与车桥平行，动力通过主减速器、差速器、半轴传到驱动轮，此外还有电动机与车桥垂直的布置形式，此方案具有传动效率高，便于安装，结构紧凑的优点，但是此方案对电机和电机控制器的要求较高，所以成本较高。图2-5所示为电动机与车桥平行的布置形式。本文所设计车型是参考东风小康K05厢式货车，根据电动汽车工作要求，选择动力系统驱动方式为电动机驱动桥组合式。电动机与驱动桥垂直布置，选用锥形齿轮主减速器。图2-5 电动机驱动桥组合式2.1.3 电动汽车主要部件 1、驱动电机驱动电机的类型不一，具体分类如图2-6所示。图2-6 驱动电机分类 电动汽车使用环境不同对电机的要求就不同，一般电动机转速特性和转矩特性应该满足以下性能要求： （1）电机具有较大的转矩和转速范围。汽车在不同的工况下对电动机特性要求不同，因此电动机需要满足汽车在不同工况下保持较高的效率。 （2）电动机相应及时。在电动汽车启动、加减速、制动时，能迅速做出响应以满足汽车对转速和转矩的要求，在响应过程中，应该实现平稳过度。 （3）电动机安全可靠，便于维修。电动机对工作环境要求较高，所以应该具备高可靠性，便于维修的特点。电动汽车使用的电动机种类较多，各电动机性能特点也不同，如表2-1所示列出几种常用的电动机性能特点比较。表2-1 电动机性能特点比较项目直流电动机交流感应电动机永磁无刷电动机开关磁阻电动机功率密度低中高较高峰值效率（%）85-8990-9595-9715000可靠性一般好优秀好电机尺寸大中小小电机质量重中轻轻控制性能最好好好好控制器成本低高高一般综合评价差一般优较优 永磁同步电机具有高效率、高功率密度和高可靠性的有点，目前纯电动汽车市场使用广泛，本文选用永磁同步电动机。通过查阅文献资料获得了永磁同步电动机的特性曲线图，如图2-7所示。图2-7 永磁同步电机特性曲线 从上图可以看出，永磁同步电机满足电动汽车对电动机低转速高扭矩，高转速恒功率的特性要求。 2、蓄电池 电动汽车的发展主要受到电池技术的制约，随着科学技术的发展，蓄电池技术也有了很大进步，目前电动汽车主要使用的蓄电池为锂电池，而燃料电池技术还不成熟，有待进一步研究。电动汽车的蓄电池有一下评价指标： 比能量是指单位体积或质量的能量，为降低电动汽车的质量，提高经济性，适合选择高比能量的蓄电池。 充电时间是指电动车正常充满电所需要的时间，充电时间越短，技术要求越高，成本也越高。 连续放电率和自放电率是指电池连续放电时间，一般要求1小时放电70%，自放电率是指在一定条件下，电量保持能力，要求时间越长越好。 使用寿命是指在正常工作条件下，电池循环使用次数，一般要求为不低于1000次。蓄电池类型不同性能各异，如表2-2所示就是各种常用电池的比较。表2-2 各种蓄电池性能比较电池类型特点铅酸电池技术成熟、成本低廉、比功率高、比能量低镍镉电池技术成熟、比功率高、成本高、比能量低镍锌电池比能量低、比功率高、成本低、循环寿命短锌空气电池非常高的比能量、成本低、比功率低钠硫电池比能量高、比功率高、成本高、需要热管理锂聚合物电池非常高的比能量、比功率高、低温性能差锂离子电池非常高的比能量和比功率、成本高 3、电池管理系统 电池管理系统是电池电能高效利用的保障，它管理众多单体电池组成的电池组，协调整车各部分的电能使用，科学的电池管理系统可以大大提高电池组的使用寿命，电池管理系统结构如图2-8所示。图2-8 电池管理系统结构图2.2 电动汽车动力系统性能 本文设计的电动汽车动力系统与传统的汽车动力系统不同，但是汽车系统性能评价上有共同之处。2.2.1 电动汽车动力性 电动汽车的动力性评价指标和传统汽车一样包括最高车速、加速性能和爬坡性能三个指标9。电动汽车行驶方程为： (2-1)驱动力： (2-2)滚动阻力： (2-3)坡道阻力： (2-4)空气阻力： (2-5)加速阻力： (2-6)行驶速度： (2-7)最高车速可以根据最终选择电动机确定： (2-8)为电机最高转速。爬坡度可以根据牵引力确定： (2-9) (2-10) (2-11)式中 (2-12)电动汽车加速度计算： (2-13)加速时间： (2-14)转动惯量系数： (2-15)电动汽车在良好路况下正常行驶时，最大车速阻力： (2-16)2.2.2 电动汽车经济性 电动汽车经济性是指电动汽车电池充满的情况下，正常行驶的最大距离，其评价指标为能量消耗率、能量经济性和比能量消耗率。 能量消耗率是指电动汽车在规定的实验条件下，对电池重新充电，充电所需要电能与行驶距离的比值。 能量经济性是指电动汽车以各种预定要求所达到的续驶里程与动力电池再充电到原有状态所需要的电能之比。 比能量消耗率是指电动汽车能量消耗率与整车质量的比值。 续驶里程和能量消耗情况受实际行驶工况影响，不同工况下计算公式不同，难以用统一的公式计算，只能通过实验获取电动汽车特性曲线。滚动阻力与空气阻力之和： (2-17)式中 为传动系对驱动轮的力矩电动汽车消耗的阻力功率： (2-18)化简得： (2-19)式中 M为整车质量，V为行驶速度，t为时间电动汽车克服滚动阻力和空气阻力行驶单位里程消耗功率： (2-20) 电动汽车续驶里程是指电动车消耗掉电池中的电能所能行驶的最大距离，是电动汽车的一个重要指标，降低电动车质量，提高能量利用效率，对电动车发展极其重要。电动车正常行驶时所需功率： (2-21)式中 为电动车所需功率，是电动车驱动功率，是电机效率，是传动效率电动车消耗能量： (2-22)式中 为消耗能量，为驱动电压，为驱动电流续驶里程： (2-23)2.3 本章小结 本章介绍了电动汽车动力系统组成和结构形式，通过分析四种驱动模式特点，结合本文设计要求，选择电动机驱动桥结合式的结构形式作为本文设计车辆的驱动模式，通过对关键零部件的分析，为电动机和电池的选型奠定基础，通过对电动汽车动力性和经济性进行分析，为动力系统参数匹配提供了依据。3 电动汽车关键技术3.1 电动机技术 电动机作为电动汽车的动力输出，应该高效的将电池中的电能转换为驱动车辆行驶的机械能，此外为了增加汽车的续航能力，电动机还应该尽量高效的将制动时产生的能量存储的电池中10。电动汽车使用电动机种类不一，传统电动机主要有以下几种： 直流电动机：直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动。直流电机可以在重载工况下实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围广，此外直流电动机起动力矩大适用于重负载机械，但是它质量、体积比较大，与轻量化设计理念不一致，同时效率低经济性不好，所以在汽车上应用受限。直流电动机及控制器如图3-1所示。图3-1 直流电动机及控制器 交流感应电动机：交流感应电动机是转子在旋转磁场的作用下获得一个转矩，将电能转换为机械能。交流感应电动机包括笼形和绕线转子两种，因为笼形交流感应电动机具有效率高、成本低、结构简单、便于维修的特点，所以与直流电动机相比更具优势，但是绕线转子交流感应电动机结构复杂，成本高，而且故障率也较高。感应电动机可以再生制动实现车辆制动时的能量回收，因此在电动汽车上得以广泛应用。但是感应电动机也具有降低电网功率、调速范围窄、不能平滑调速的缺点。因为感应电动机使用三相电，所以需要使用逆变器将电池中的直流电转换为交流电供给感应电机。此外，感应电动机控制策略有转速控制、矢量控制、变压变频控制、效率优化控制、自适应控制和变级控制等。交流感应电动机及控制器如图3-2所示。图3-2 交流感应电动机及控制器 开关磁阻电动机:开关磁阻电动机驱动系统包括功率变换器、开关磁阻电动机、控制器和传感器四部分。具有结构简单、体积小、可靠性高和成本低的有点，转速比较高。缺点是转矩不稳定，噪音大，经济性也不理想，所以在电动汽车上应用也有限。开关磁阻电动机及控制器如图3-3所示。图3-3 开关磁阻电动机及控制器 永磁电动机分为两种：永磁无刷直流电动机、永磁同步电动机。永磁无刷直流电机的优点是便于控制和转矩大，缺点是工作转矩不稳定。永磁同步电机优点是工作转矩稳定，但是其难以控制，技术要求高，成本也高，并且转矩较无刷直流电机小。永磁同步电动机及控制器如图3-4所示。图3-4 永磁同步电动机及控制器3.2 蓄电池技术 蓄电池是电动汽车唯一的能量提供源，电池蓄电能力对电动汽车续驶里程有很大影响，要想续驶里程远，就必须增大蓄电池容量，蓄电池容量越大，体积和质量就越大，导致整车质量加重，自身消耗能量增加，使汽车续驶里程降低。因此，蓄电池对整车性能影响重大。 电动汽车蓄电池有五大要求：功率密度高、能量密度高、循环寿命长、安全可靠、制造成本低11。根据电动汽车工作需要，平衡五个方面的取舍，获得最优方案。这也是目前电动汽车蓄电池领域需要攻克的难关。市场存在的蓄电池主要有三种：铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池。不同类型蓄电池性能比较如表3-1所示。表3-1 不同类型蓄电池性能比较电池类型铅酸电池镍氢电池锂离子电池正极PbO2NiOOHLiCoO2电解液H2SO4KOHLiPF6负极PbMHC能量密度（Wh/kg）3060-80100基本电压2V1.25V3.6V自我放电率（月）5%30%10%可充电次数200-5005001000容忍过充电率高低非常低最佳放电率30%-50%80%60%容许负载高最低低最快充电8H2H3H工作温度-20-600C-20-600C-20-600C估计成本2570100铅酸电池：电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。应用广泛，成本低、控制简单，技术成熟，质量稳定，可靠性高。其缺点是质量中，体积大，不能满足汽车续驶里程长的要求，其次寿命较其他电池短，更换次数频繁。 镍氢电池：由氢离子和金属镍合成，电量储备比镍镉电池多30%，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染。镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多，性能比锂电池要差。其高比功率特性完全可以满足电动汽车启动、加速和爬坡的要求，寿命也是铅蓄电池的2倍以上，而且安全，环保。它曾是电动汽车发展过程中的主要能源，随着技术发展逐渐被替代。 锂离子电池：是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。其具有电压高、比能量大、循环寿命长、安全性好、自放电率小和充电速度快的特点。其缺点是不同程度的衰老和不耐受过充、过放。3.3 电池管理系统1、系统管理在电动汽车正常使用时，电池组会不断的放电、充电，电池组中电压，电流，温度都会有不同程度的变化。为了保证整个电池组的整体性能，需要对各单体电池进行监控、管理，从而保证电池组中各单体电池性能的一致性。2、电池充电在使用过程中必须对电池组进行周期性的充电。充电需要用专用的充电设备进行充电，充电设备多种多样，包括接触式和感应式充电器，根据汽车需要选择适合的充电器。电池管理系统如图3-5所示。图3-5 电池管理系统3.4 本章小结本章重点对电动汽车的关键技术电动机技术和蓄电池技术做了详细的介绍，通过对比分析各种类型的电动机和蓄电池的性能参数，结合实际需求，最终确定电动机类型为永磁同步电动机，蓄电池类型为锂离子蓄电池。4 电动汽车动力系统参数匹配4.1 电动机参数匹配： 为了使电动机更好的匹配整车性能，本文首先列出了车辆的结构参数和性能要求，部分参数为设计车辆的期望值。整车结构参数及性能要求如表4-1所示。表4-1 整车结构参数及性能要求名称参数单位整车质量1090Kg载货质量600kg空载最高车速80Km/h满载最高车速60Km/h迎风面积2.4M2空气阻力系数0.35滚动阻力系数0.0076+0.000056u最大爬坡度20%续驶里程100km传动效率0.92轮胎规格165/70R14车轮滚动半径0.29m 电动汽车所需转速和转矩都来自于电动机，电动机功率大小直接影响到整车性能。如果电动机功率过大，后备功率就会很大，不仅使得电动机的质量增大，而且会使电动机工作效率低下；反之，功率过小，不能满足整车的性能要求，而且电动机经常过载工作，导致电动机寿命大大缩短，甚至直接损坏12。4.1.1 电动机参数计算： 1、电动机功率计算：（1）满足空车最高车速（80km/h)要求，电动机需要提供的功率： (4-1)满足满载最高车速（60km/h）要求，电动机需要提供功率： (4-2)式中 、电动汽车的车速，功率效率系数，m电动车质量 f滚动阻力系数，空气阻力系数，A迎风面积，g重力加速度经计算得： ， （2）满足爬坡性能（10km/h,20%）要求,电动机需要提供功率： (4-3)式中 v电动汽车车速，最大爬坡度经计算得： （3）满足电动汽车加速性能（040km/h,10s）要求，电动机需要提供率： (4-4)式中 为旋转质量换算系数经计算得： 为满足电动汽车使用性能要求，电动机最大功率应满足： (4-5)则电动机的最大功率为：电动机的额定功率为： (4-6)式中 为电机过载系数，一般选取范围24，本文选取 2、电动机转速和转矩计算： 电动汽车传动系统主要包括固定速比减速器、差速器、半轴、驱动车轮等。主减速比直接影响到整车的经济性和动力性，根据汽车理论经验公式可以大致得出主减速比的选择范围：6-9，本文初选传动比为i=7.413。电动货车在满载最大爬坡度工况时所需扭矩最大扭矩： (4-7)经计算得： (4-8)考虑电机扭矩余量，故选取： (4-9)驱动电机满足额定转速： (4-10)带入数据计算得： (4-11)驱动电机额定转矩： (4-12)计算得： (4-13)最高车速时电机最高转速： (4-14)计算得： (4-15)选取电机最高转速： (4-16)4.1.2 电机参数选取：根据计算电动货车功率、转速、转矩需求，结合电动机厂家所提供电机参数，电机参数如表4-2所示。表4-2 电机参数表电机形式永磁同步电动机额定电压288V最大功率30kw额定功率15kw最大转矩160N*m额定转矩80N*m最大转速6500r/min额定转速2400r/min冷却方式水冷（流量8L/min）质量45kg4.1.3 电机控制器：电机控制器相关参数如表4-3所示。表4-3 电机控制器参数表型号N110WSA冷却方式水冷额定输入电压（VDC）336最高输入电压（VDC）420额定输出电压（VAC）288额定输入电流（A）70额定输出电流（A）210控制电源（V）12外形尺寸（mm）404X249X134质量（kg）84.1.4 冷却水箱设计 根据所选电动机及控制器使用要求，需要对其进行水冷，电动汽车冷却系统包括散热器、风扇、水泵和管路等。冷却系统应该满足的要求主要包括满足系统要求，便于安装、维修，效率高，成本低等14。 1、水泵的选型 为了使动力系统中的热量及时被冷却液带走，需要使用水泵加快冷却液的循环速度。水泵的选择对于整个冷却系统性能起着至关总要的作用，其主要设计参数包括流量和扬程。电动机和控制器已经给出流量要求（8L/min），所以只需要设计水泵扬程。水泵扬程理论上是可以通过流体力学公式计算出来的，但是由于设计水道复杂，流量分配难以确定，所以本文水泵扬程根据经验估取为10m。 2、散热器设计 散热器是冷却系统散发热量的主要部件，其作用是将循环水中的热量散发到外界，降低循环水的温度，达到冷却电动机和控制器的目的。 散热器包括管片式和管带式两种。管片式散热器由水管和散热翅片组成，翅片可以加快热量的散发，达到冷却循环水的效果。其优点是刚度和强度高，气阻小；缺点是效率低、成本高，加工难度大。管片式散热器结构如图4-1所示。图4-1 管片式散热器结构 管带式散热器由扁平水管和波浪形散热翅组成，性能较管片式散热器提升很多，所以目前在汽车上广泛使用。其有点是散热效率高、成本低。管带式散热器结构如图4-2所示。图4-2 管带式散热器结构散热器面积由散发的热量决定的，其计算公式为： (4-17)式中 为散发热量（kJ/h）；为散热器贮备系数，取1.1；为传热系数（W/（m2K）；为冷却介质对数平均温差（K） (4-18)式中 为修正系数，取0.98；为冷却液进出口温度；为空气进出口温度 则： 散热器传导系数： (4-19)式中 为热流体与壁面表面传热系数，管内液体流速为0.2-0.6m/s时，取4070W/（m2K） 为冷流体与壁面传热系数，与空气流过散热器速度有关，取112W/（m2K） 为散热壁厚，取0.15mm。 为散热管导热系数，铝材取230W/（mK）计算得： 动力系统散发热量: (4-20)式中 V为水泵流量；为水的比热，取4.179kJ/（kg0C）;为水泵进出水温差，取500C计算得： 带入数据得： 求得散热器面积，根据QC/T 29025-91，选择汽车管带式散热器芯子型式尺寸。芯子中冷管分为咬口管和高频对焊管，如图4-3所示，本文选用高频对焊管。图4-3 咬口管与高频对焊管选择两排管，即D2型，结构如图4-4所示， b=2.2 l=14。图4-4 D2型管结构根据QC/T29025-91标准，计算可得：;；查表得： ；散热带数量： (4-21)取 散热器实际芯宽： (4-22)散热器正面积： 选定冷却水管尺寸为：，布置两排，总数量为：根，周围大约33mm。散热器总散热面积： (4-23)式中 (4-24)带入得： 满足散热面积4.2m2的要求。所设计散热器参数如表4-4所示。表4-4 散热器参数表名称规格（mm）宽X高X厚486X300X34排数2波高10波据4水管截面尺寸2.2X14管间距10翅片厚度0.06百叶窗宽度8百叶窗间距1.3 3、风扇和管路材料选择 在冷却系统中为了提升散热器的散热效果，需要设计与冷却系统匹配的散热风扇，对散热风扇要求包括：提供足够的风量；结构简单、重量小、成本低；效率高。风扇材料包括薄板型和工程塑料型，本文选取带金属镶嵌的复合塑料风扇。 水管是连接电动机和散热器的重要部件，对其要求包括耐热性好、耐压性好和具有一定的柔韧性。本文选用壁厚为4mm中间加强型橡胶管，硬度为60HS。4.2 电池系统匹配4.2.1 电池参数计算 目前电动汽车可选用电池种类较多，根据查阅文献 和实际调查，结合所设计车辆要求，本文选取性能较高的锂电池作为车辆动力电池。 本文在选择电池组电压时参考市场上现有相似车型电压，根据国标中推荐使用电源电压等级，选取电压为360V，锂电池单体电压为3.2V。计算单体电池数量： (4-25)取整得： 按照电动汽车满载以50km/h匀速行驶100km，计算电池组能量： (4-26)式中 (4-27)计算得： 计算电池组总能量： (4-28)其中，为电池组实际能量；为电池组工作电压；为电池容量，为放电系数，取0.8。计算电池容量： (4-29)取 综上所述，电池组容量为31Ah，单体电池数目为113块，最大放电能量为8.91kwh。4.2.2 电池参数选取经过计算选取动力电池参数如表4-5所示。表4-5 电池参数表参数名称参数要求单体电池类型锂离子电池单体电池电压3.2V单体电池容量31Ah电池组总数量113电池组电压360冷却方式水冷循环寿命1600单体电池连接方式串联4.3 传动系参数设计传动系有固定速比和可变速比两种，固定速比采用固定齿轮传动，结构简单，成本低，而可变速比需要用到离合器和变速器，结构复杂，成本高。本文列出了固定速比和可变速比的比较，综合比较选择使用固定速比。固定速比与可变速比特点比较如表4-6所示。表4-6 固定速比与可变速比对照表固定速比可变速比电动机额定值较高较低控制器额定值较高较低成本较低较高体积较小较大质量较低较高效率较高较低可靠性较高较低4.3.1 单级主减速器结构设计 1、主减速器齿轮的类型 双曲面齿轮与弧齿锥齿轮相比具有一下优点： 当双曲面齿轮与螺旋锥齿轮尺寸相同时，双曲面齿轮传动有更大的传动比。当传动比一定，从动齿轮尺寸相同时，双曲面主动齿轮比相应的螺旋锥齿轮有较大的直径，较高的轮齿强度以及较大的主动齿轮轴和轴承刚度。当传动比一定，主动齿轮尺寸相同时，双曲面从动齿轮直径比相应的螺旋锥齿轮为小，因而有较大的离地间隙。 在工作过程中，可改善齿轮的磨合过程，使其具有更高的运转平稳性。重合度较大，不仅提高了传动平稳性，而且使齿轮的弯曲强度提高约30%。 根据这些优点，主减速器齿轮选取双曲面齿轮。 2、主、从动齿轮的支承方案 主动锥齿轮传递的转矩不是很大，所以我们选取悬臂式支承，这样既保证了支承刚度又能使结构简单，方便制造。 从动锥齿轮的支承选择跨置式的，这种支承可以增大支承刚度，使轴承负荷减小，齿轮啮合条件改善。4.3.2 单级主减速器参数计算 1、齿轮计算载荷的确定按电机最大转矩和传动比确定从动锥齿轮的计算转矩。 (4-30)式中 为电机最大转矩，为固定速比，为传动效率，n为驱动桥数经计算得： 主动锥齿轮的计算转矩为： (4-31)式中 为主动锥齿轮的计算转矩（N*m），为主、从动锥齿轮之间的传动比取0.85经计算得： 2、锥齿轮主要参数的选择 （1）选择主、从动锥齿轮齿数时应考虑如下因素： 为了磨合均匀，、之间应避免有公约数。 为了得到理想的齿面重合度和高的轮齿弯曲强度，主、从动齿轮齿数和应不少于40。 为了啮合平稳、，噪声小和具有高的疲劳强度，对于轿车，一般不少于9；对于货车，一般不少于6。 当主传动比主。较大时，尽量使取得少些，以便得到满意的离地间隙。 对于不同的主传动比，和应有适宜的搭配。 （2）从动锥齿轮大端分度圆直径和端面模数m 对于单级主减速器，对驱动桥壳尺寸有影响，大将影响桥壳离地间隙；小则影响跨置式主动齿轮的前支承座的安装空间和差速器的安装。 可根据经验公式初选： (4-32)式中 为从动锥齿轮大端分度圆直径(mm)，为直径系数；一般为13.015.3，本文取13.5，为从动锥齿轮的计算转矩(Nm)经计算得： 由下式计算： (4-33)式中 为齿轮端面模数同时，还应满足： (4-34)式中 为模数系数，取0.30.4，本文取0.3经计算得： 取 取则： 取 （3）主、从动锥齿轮齿面宽和 锥齿轮齿面过宽并不能增大齿轮的强度和寿命，反而会导致因锥齿轮轮齿小端齿沟变窄引起的切削刀头顶面宽过窄及刀尖圆角过小。这样，不但减小了齿根圆角半径，加大了应力集中，还降低了刀具的使用寿命。此外，在安装时有位置偏差或由于制造、热处理变形等原因，使齿轮工作时载荷集中于轮齿小端，会引起轮齿小端过早损坏和疲劳损伤。另外，齿面过宽也会引起装配空间的减小。但是齿面过窄，轮齿表面的耐磨性会降低。 从动锥齿轮齿面宽推荐不大于其节锥距的0.3倍，即0.3,而应满足10ms，一般也推荐=0.1552，=21.3。对于螺旋锥齿轮，一般比大10%。因此本文中取23.4。4.3.3 单级主减速器锥齿轮强度校核 1、齿轮弯曲强度 锥齿轮轮齿的齿根弯曲应力为： (4-35)式中 为锥齿轮轮齿的齿根弯曲应力(MPa)；T为所计算齿轮的计算转矩（N*m），对于从动齿轮，对于主动齿轮，,为过载系，一般取1；为尺寸系数，它反映了材料性质的不均匀性，与齿轮尺寸及热处理等因素有关，当1.6mm时，当1.6mm时，；为齿面载荷分配系数，跨置式结构，悬臂式结构，；为质量系数，当轮齿接触良好，齿距及径向跳动精度高时，b为所计算的齿轮齿面宽(mm)；D为所讨论齿轮大端分度圆直径(mm)；为所计算齿轮的轮齿弯曲应力综合系数。取法见图4-5。上述按计算的最大弯曲应力不超过700MPa；按计算的疲劳弯曲应力不应超过210MPa，破坏的循环次数为。本文取=1，=1.0，=1.0，=0.58，从上图知主动锥齿轮为0.24，从动锥齿轮为0.21，计算得：从动锥齿轮弯曲强度：主动锥齿轮弯曲强度： 计算应力小于许用应力所以可靠。图4-5 齿轮弯曲应力综合系数 2、轮齿接触强度 锥齿轮轮齿的齿面接触应力为： (4-36)式中 为锥齿轮轮齿的齿面接触应力(MPa)；为主动锥齿轮大端分度圆直径(mm)；b取和的较小值(mm)；为尺寸系数，它考虑了齿轮尺寸对淬透性的影响，通常取1.0，为齿面品质系数，它取决于齿面的表面粗糙度及表面覆盖层的性质(如镀铜、磷化处理等)，对于制造精确的齿轮，=1.0，为综合弹性系数，钢对钢齿轮，取，为齿面接触强度的综合系数。 上述按计算的最大接触应力不应超过2800MPa，按计算的疲劳接触应力不应超过1750MPa。主、从动齿轮的齿面接触应力是相同的。经计算得： 计算应力小于许用应力所以可靠。4.3.4 联轴器设计 联轴器的作用是连接和传递运动与扭矩，主要分为刚性联轴器和挠性联轴器，由于电机转速较高，所以本文选用平衡精度高的膜片联轴器。 膜片联轴器弹性元件为一定数量的多边形或圆形金属膜片叠合而成的膜片组，膜片周围上有沿圆周均布的若干螺栓孔，用较制孔用螺栓交错间隔与两边的半联轴器相连接。膜片联轴器特点是结构简单，弹性元件的连接没有间隙，不需要润滑，维护方便，平衡容易，质量小，对环境适应性强，主要用于载荷平稳的高速传动。本文选用四连杆型膜片形式，螺栓数目为4，结构如图4-6所示。螺栓受剪力： (4-37)式中 为传递公称扭矩；为螺栓分布半径；为工况系数，由机械手册查得；为螺栓数目带入数据得： 许用剪切应力： (4-38)式中 为螺栓材料屈服极限，查表得900MPa；为安全系数，取4计算得： 图4-6 四连杆型膜片 螺栓直径： (4-39)取为了增加联轴器轴向刚度，降低轴向移动，需要对螺栓施加预紧力15。预紧力计算： (4-40)式中 为许应拉应力 (4-41)查表得： ，n=3为安全系数计算得： 扭矩引起的剪力： (4-42)两螺栓孔连心线上压力： (4-43)式中 为Q与P的夹角临界压力： (4-44)式中 K为稳定安全系数，取3膜片厚度： (4-45)取整数4mm。式中 为膜片连杆长度系数取0.5；E为膜片弹簧弹性模量取206GPa；b为连杆平均宽度30mm拉压应力： (4-46)式中 为膜片材料的抗拉强度极限；n为安全系数取3；A为膜片危险截面面积安全裕度：非常安全。4.4 本章小结 本章重点围绕电动机参数匹配、蓄电池参数选择和主减速