电动车设计方案
大学生纯电动车
纯电动车总体概述
本次总布置设计基本车型数据参数以及参考前人车身总布置设计经验和积累的有用数据的基础上,设计出令人满意的合格的汽车。
§1总体设计目标
立足国内的采购条件以及目前项目可以达到的加工条件,通过购买可以通用的部件、改装符合条件的通用部件以及制造所有其他部件,完成赛车的制造、装配和调试。 在这个过程中必须兼顾成本、性能和可靠性三个方面。
总体设计目的是制造一辆安全可靠、各方面性能均衡、有良好驾驶特性、调整方便并且足够快的车。可靠性可以确保测试阶段的顺利进行,可调整的特性可以让车适应不同的驾驶环境和不同的驾驶员。
§2整车结构
整车布局为方程式赛车典型的开放式中置后驱布局。
其基本结构主要包含以下系统:
1、车架及车身
主要包括车辆的承载部分、防滚架和外壳以及蒙皮。主要部件包括:各种踏板、相关连接线、桁架、车身材料、车身附件、底板、各种安装基座、连接紧固件等。 车架主要是由三个防滚架以及必要的支撑包围的结构,防滚架是一组钢管组合件(有可拆卸和不可拆卸两种),使用冷拔无缝碳素钢管弯制而成,安装时一根一根按照车厢内部的轮廓进行连接或焊接的。如果去掉车身外壳,所看见的就是一个由数根钢管搭建的金属笼子。防滚架所用的钢管材质和抗扭曲度是根据车身重量而定的,一般
要能够承受两倍以上车身重量的冲击。
车架的长度约为661+1100+500+100=2456mm.考虑到加工因素及其他零部件的安
装,在此范围内架上200mm,可以使加工安装时的预备尺寸更加合理,车架的长度约为2630mm。
宽度方向上,内操纵舱车架最窄处应至少为350mm。
高度方向上,安装悬架位置点,即上下叉臂高度约为200mm,
主环高度最高,由于人体自然驾驶姿势驾驶时坐高约为850mm,而且主环最高点与前环最高点连线至少高于头顶50mm,因此,主环高度约为1050mm。
赛车车架初步设计模型
2、动力总成和传动系统
主要部件包括:电机、电池、驱动轴、差速器基座、链轮/皮带轮、差速器轴承、
差速器、万向节、保护罩、连接紧固件等。根据运动学原理,在保证车速的同时要保证车辆能正常起步要选择合适的传动比。电机参数620rpm,3KW,72V,后轮半径r=0.4m,整车重300kg
M电机输出=9550*p/n=46.2N·M(1)
F驱动=46.2*i/r (2)
Fmax=umg=0.01*10*300=30N (3)
车辆要启动必须要克服最大静摩擦力,则
则i>=1.54
当i=1.54时,车辆的车速为v
则V=2πnr=2*3.14*(620/1.54)/60*0.4=16.83m/s=60.588km/h
3、悬架系统
主要部件包括:减震器、弹簧、悬架机械系统、拉/挺杆、杆端球头、前/后A 臂
或同等结构、前/后支柱、直角杠杆/换向机构、连接紧固件等。
悬架系统设计
悬架总成是汽车的一个重要组成部分,它的功用是把路面作用于车轮上的垂直反
力、纵向反力和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架上,以保证汽车的正常行驶。
悬架系统的设计是根据大学生方程式汽车大赛的比赛规则及赛车设计具体参数
要求,参考各种赛车悬架资料,分析各种悬架类型的优缺点,并最终确定适合赛车运动的悬架形式---不等长双横臂式螺旋弹簧独立悬架。一、前悬架
目前已知赛车总体方案,前轮距1200mm。车架组设计的前端上杆架宽522mm,
F驱动>=Fmax
下杆架宽450mm。制动组设计的主销关节轴承安装孔,距离轮中心为80mm。以及悬架与车架的焊接块长35mm。位置关系如图:
图2-8前悬架正视示意图
所以上悬架的垂直距离L1可由上相关数据计算得出。
L1=(1200-522-80×2-35×2)/2=224mm
L2= (1200-450-80×2-35×2) /2=260mm
本次设计用的杆件为外径16mm.内径12mm,管壁厚2mm。
杆件与M10薄螺母,M10关节轴承链接。
初步设计前悬架上横臂的形状如下图所示
前悬架上叉臂装配图
水平方向上M10关节轴承所占距离20mm,M10薄螺母所占距离4.85mm,套筒
所占距离17mm,设定安装伸出的螺纹均为3.15mm,所以杆长:
L=224-(20+3.15+4.85+17)×2=134mm
取安装悬架上横臂的两个焊接块垂直距离为178mm,且两叉臂的张角定为50
度,
所以134+45-178×cot50≈30mm 为斜叉臂在垂直车架叉臂上的焊接大致位置。
初步设计前悬架下横臂的形状如下图所示
前悬架下叉臂装配图
水平方向上M10关节轴承所占距离20mm,M10薄螺母所占距离4.85mm,套筒所占距离17mm,设定安装伸出的螺纹均为3.15mm,所以垂直车架的杆长L=260-(20+3.15+4.85+17) ×2=170mm
取安装悬架上横臂的两个焊接块垂直距离为220mm,且两叉臂的张角定为50度,所以170+45-220×cot50≈30mm 为斜叉臂在垂直车架叉臂上的焊接大致位置。
二、后悬架
目前已知赛车总体方案,后轮距1150mm。车架组设计的后端上杆架宽600mm,下杆架宽400mm。制动组设计的主销关节轴承安装孔,距离轮中心距
离为80mm。以及悬架与车架的焊接块长35mm。位置关系如图:
后悬架正视示意图
所以上悬架的垂直距离L1可由上相关数据计算得出:
L1=(1150-600-80×2-35×2)
/2=160mm
L2= (1150-400-80×2-35×2) /2=260mm
本次设计用的杆件为外径16mm.内径12mm,管壁厚2mm。
杆件与M10薄螺母,M10关节轴承链接。
由于前悬架的位置已定,前后轴距为1600mm,所以大致定出后悬架安装在车架上的位置。
初步设计前悬架上横臂的形状与杆件在悬架上的位置以及如下图所示
后悬架上叉臂装配图
水平方向上M10关节轴承所占距离20mm,M10薄螺母所占距离4.85mm,套筒所占距离17mm,设定安装伸出的螺纹均为3.15mm,所以垂直车架的杆长:
L=160-(20+3.15+4.85+17) ×2=70mm
取安装悬架上横臂垂直横臂的焊接块距车架后端关节处距离为97mm,且两叉臂的张角定为70度,且斜叉臂在垂直车架叉臂上的焊接大致位置为距离左部杆端12mm。
初步设计前悬架上横臂的形状与杆件在悬架上的位置以及如下图所示:
后悬架上叉臂装配图
水平方向上M10关节轴承所占距离20mm,M10薄螺母所占距离4.85mm,套筒所占距离17mm,设定安装伸出的螺纹均为3.15mm,所以垂直车架的杆长:
L=260-(20+3.15+4.85+17) ×2=170mm
取安装悬架上横臂垂直横臂的焊接块距车架后端关节处距离为97mm,且两叉臂的张角定为70度,且斜叉臂在垂直车架叉臂上的焊接大致位置为距离左部杆端12mm
UG NX 7.0建立悬架模型如下:
前悬架上横臂图减震器图
前悬架装配图
后悬架装配图
4、制动系统
主要部件包括:制动管线、制动块、卡钳、液压缸/泵、制动盘、平衡杆、比例阀、连接紧固件等。
车采用盘式制动器。制动驱动机构将来自驾驶员或其他力源的力传给制动器,使之产生制动力矩。液压制动的优点是:作用滞后时间短(0.1~0.3s),工作压力高(可达10~12MPa),轮缸尺寸小,可布置在制动器内部作为制动蹄张开机构或制动块压紧机构,使之结构简单、紧凑、质量小、造价低;机械效率高。
盘式制动器结构图
5、转向系统
主要部件包括:转向齿条/齿轮、转向节、主销、方向盘、转向横拉杆、方向盘快速释放机构,连接紧固件等。
赛车转向系统是关系到赛车性能的主要系统,它是用来保持或者改变赛车行驶方向的机构,在赛车行驶时,保证各转向轮之间有协调的转角关系。
赛车的转向机构转向梯形前置,转向拉杆横置,转向机构为齿轮齿条。
由于在转向节臂、横拉杆以及齿条机构的连接必然存在微小的间隙,如果将转向梯形后置将会带来的结果是在车辆入弯时由于整个转向系统将受到来自转向轮的力,此作用力会压缩连接部件之间的间隙,导致稍微增加转向角度,造成微小的转向过度感,不利于在弯中的操控性。同理,如果将整个转向梯形前置,被压缩的间隙造成的效果刚好和转向梯形后置时相反,会导致转向角度的稍微减少,造成微小的转向不足。齿轮齿条转向机构结构简单,质量轻,成本低,工作可靠。
转向操纵机构包括转向盘、转向轴、转向管柱。
转向操纵机构转向万向节
防伤机构转向传动机构
装配模型检查干涉问题,我们将转向于悬架模型安装于车架上,总共装了三种状态,一种是原始状态,另外两种状态分别是轮胎上跳到最大位置时和轮胎向下跳动到最大位置时,装配效果如下图所示。
原始状态轮胎上跳轮胎下跳
从图中可以看到三种极限状态下,转向于悬架系统为发生干涉现象,能满足要求。
6、车轮
主要部件包括:轮辋、带耳螺母、轮胎、气门嘴、车轮平衡块、轮毂轴承、前/后轮毂、车轮安装螺栓、连接紧固件等。
本文对赛车行驶系统的研究主要是轮胎及其配套部分,即轮毂、立柱和制动部分。
赛车行驶系统的组成
6.1.2 轮辋
参赛赛车的轮辋选择了铝合金三片式轮毂。三片式轮辋由三个部分组成,外侧轮圈、内侧轮圈和辐板。其结构如图6-3所示。
三片式轮辋结构
选择三片式轮辋的好处在于可以根据需要选择轮辋的偏置值。这里的偏置值的定义为轮辋的安装面到轮胎中心截面的距离,向内为正,向外为副。为了充分利用轮辋内的空间。
轮辋的外侧轮圈、内侧轮,材料为T6061-T6铝合金,直径为13英寸,宽度为7英寸,材料为T6061-T6铝合金。轮辋为辐板式,目的是减轻车轮的重量和利于制动毂的散热。
图6-4轮辋
6.1.3 轮毂
赛车的轮毂通常是指固定轮辋和制动系统相关组建的轮胎中心的心轴。
图6-5赛车后轮轮毂
此车对操纵灵活性、行驶安全性的要求要比一般的汽车高很多,因此轮毂的设计原则就是在保证安全的基础上,尽可能的使结构简单,节省整车整备质量。
前轮轮毂轴承采用了开口螺母压紧轴承内圈的方法。将4个轮辋螺栓的一端均匀固定在轮毂上,使的轮毂结构简单,质量减轻,轮辋安装方便。
赛车前轮轮毂
7.电池的选择
在选择了电机和电池的类型后,就要确定电机的额定电压和电池的电压。在电机功率一定的情况下,电压越高,电流越低,线路功率损失就越小,电池以小电流放电时,可获得较大的容量。但电压过高,又影响电子元器件的性能和安全。
电池容量选择
众所周知,目前影响电动汽车商品化和实用化进程的关键因素是电动汽车的续驶里程和电池的使用性能(包括电池的充电时间、安全性、价格和使用寿命等)。在选择电池的容量时,既要满足汽车的续驶里程的设计要求,又要考虑整车的空间结构和底盘承载能力。因为选择电池容量过大,电池组所贮存的电能越多,续驶里程相应延长,但电池组的重量增加,整车的整备质量增加,导致行驶阻力也增加,反过来又影响纯电动汽车的续驶里程。
考虑到成本与我所设计的电动车的实际性能,我决定使用锂动力电池作为该电动车的动力源。电池的电压由电动机决定,容量由电动车的续行驶里程决定。因为电动机已经暂时定了下来,于是电池的电压也定了下来。那么下面就要根据电动车的续行驶里程来决定电池的容量。
根据设计要求和已知条件,我所要设计的电动车赛车最高车速为60km/h,电机功率为3KW。
则电动车能够续行驶的时间为:
t=S/V=6/60=0.1h
电动车电池的容量应为:
R=P×t/U=3000×01/72=4.2Ah
从上面的计算可知,所选电池的容量至少为4.2Ah,我选择的是5Ah的高功率磷酸铁锂动力电池。
8.轮胎的选择
(1)、轮胎的作用与影响
轮胎与车轮用来支撑汽赛车,承受赛车重力,在车轴与地面之间传力,驾驶人员经操纵转向轮可实现对汽车运动方向的控制。
轮胎与车轮对汽车的许多重要性能,包括动力性、经济性、通过性、操纵稳定性、制动性及行驶安全性和汽车的承载能力都有影响。因此,选择轮胎是很重要的工作。
9.电器设备
电器与电子设备是车的重要组成部分,其性能的好坏会直接影响到赛车的经济性、可靠性与安全性。电气系统的设计在保证安全性、可靠性和经济性的基础上尽量使线路简单,容易制造。本次车的电气系统的线路较简单,所以采用一个主线束,布置方案根据整车的接线图和电器总成进行设计。根据整车电气原理图、线束专用件清单进行设计,完整正确的体现整车电气系统的功能,根据原理图分配用电设备的电源类型、保险丝容量、搭铁位置。根据线束所处的工作环境及在汽车内的空间布置合理选择电线的保护层和固定方式。
电气系统的整体布置不仅影响到整车电气系统工作的可靠性,对线束的的长度、重量也有影响。线束沿钢管布置,便于固定。
10.电动车布置
电动机的布置
(1)、电动机的上下位置
电动机的上下位置主要对离地间隙有影响。赛车电动底座至路面的距离应保证满载状态下对最小离地间隙的要求。为使赛车有更好的操纵稳定性和避免高速转弯侧翻,必须尽可能的降低整车的质心,电动机要放置地尽可能地低,但电动机固定又不能干涉,因而电动机最低处距地面约50mm左右。
(2)、电动机的前后位置
电动机的前后位置会影响赛车的轴荷分配等。赛车传动采用轴传动,因此,为了减小传动轴夹角,电动机前后位置应保证与驱动桥的距离。
(3)、电动机的左右位置
电动机曲轴中心线在一般情况下与汽车中心线一致。
传动系的布置
采用链条传动,后有差差速器,外加防护罩(铝制)
转向装置的布置
转向盘安装在前环中,为了保证赛车手能舒适地进行转向操作,应注意转向盘平面与水平面的夹角。转向盘与转向传动轴之间有快拆机构。
因转向器固定在车架上,其轴线常与转向盘中心线不在一条直线上,为此用万向节和转向传动轴连接起来。
我们选用的齿轮链条式转向器最主要的优点是:结构简单、紧凑。转向摇臂的设计要考虑到与前悬架的干涉情况。
悬架的布置
悬架普遍采用不等长双横臂独立悬架,因此在保证车架上悬架安装点正确以外,在悬架转配过程中,保证轴距、轮距等主要设计参数。
后悬架各个杆件应保证与半轴不干涉。
制动系的布置
踩下制动踏板所需要的力比踩下油门踏板要大得多,因此,制动踏板应布置在一个赛车手能够轻易操纵、能使上力的位置。这个位置需要考虑赛车手坐姿、座椅形状等因素。布置踏板时,应检查杆件运动时有无干涉和死角,更不应当在车轮跳动时自行制动。
布置制动管路要注意安全可靠,整齐美观。
踏板的布置
赛车的要求踩下时轻便。赛车手应当用脚后跟只靠在地板上,变化操纵时仅仅是通过踝关节角度达到。为了操纵方便,从赛车手方向看,油门踏板布置成朝外转的样子。
电池组的布置
电池组布置字座椅左侧偏后,要考虑到拆装方便性和良好的接近性。
座舱的布置
保证驾驶员的舒适性和车辆遇到事故逃离的快速。
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