毕业论文定稿-混合动力自行车驱动装置方案设计

原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763摘要混合动力自行车是自行车家族中的一个重要成员。美国通用公司和克莱斯勒公司前总裁现都潜心于研究混合动力自行车及其电池，德国的奔驰公司和日本的本田、铃木、雅玛哈等世界知名的汽车、摩托车公司和松下（松下和丰田合作搞电动汽车） 、三洋等世界知名企业都在投入巨资研发混合动力自行车的基础上，现已进入产业化阶段。由此可见混合动力自行车的发展前景。本文首先系统的对混合动力自行车的运行状态进行了分析，分别对混合动力自行车的运行阻力、惯性力、再生制动力以及所需要的牵引力进行了计算。根据所需要的牵引力，在本设计中也对无刷直流电动机和电池进行了选型计算。然后本文还对混合动力自行车在费电驱动情况下，飞轮变速机构进行设计。关键词：混合动力自行车；电机控制；永磁无刷直流轮毂电机 ；飞轮原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763AbstractThe mixed power bicycle is an important member of the family of bicycle. The United States General Company and former president of Chrysler Corporation are concentrated on the study of hybrid electric bicycle and its battery, the German Benz Corp and Japan's Honda, Yamaha Suzuki, such as the world famous automobile, motorcycle company and Panasonic (Panasonic and Toyota cooperation make electric cars), Sanyo and other world famous enterprises in the foundation invested heavily in research and development of hybrid bicycle, has now entered the stage of industrialization. The development prospects of this hybrid bicycle.In this paper, the hybrid bike running state first system are analyzed, respectively, running resistance of hybrid bicycle inertia force, braking force and traction force required to calculate the. According to the traction force, in this design has also carried on the selection calculation of Brushless DC motor and battery. Then the hybrid bicycle driving in electricity situation, to design the flywheel transmission mechanism.Keywords: hybrid bike; motor control; permanent magnet brushless DC wheel hub motor; flywheelXXXX 大 学 本 科 毕 业 设 计 说 明 书I目 录摘要 IABSTRACTII第一章 绪论 .11.1 国内外研究现状和发展趋势 .11.1.1 国内发展趋势 11.1.2 国外发展趋势 11.2 研究意义 .21.3 设计任务 .3第二章 混合动力自行车动力性能分析 .42.1 电动车运行方程 .42.2 混合动力自行车的行驶力学 .52.2.1 车辆模型 .52.2.2 电动车阻力计算 .62.2.3 空气阻力 .72.2.4 电动车惯性力的计算 .72.2.5 电动车的牵引力计算 .82.3 混合动力自行车的动力性能 .92.3.1 自行车基本参数介绍 .102.4 制动系统 .102.4.1 混合动力自行车刹车分类 .102.4.2 制动力的分析与求解 .112.4.3 手动制动器的设计 .122.5 蓄电池的种类和结构 .132.6 动力传动系统设计 .142.6.1 驱动方式对两轮电动车性能的影响 .142.6.2 混合动力自行车驱动系统的构成 .152.6.3 无刷直流电动机驱动系统 .16第三章 混合动力自行车的运行控制 .173.1 电动机的选择 .173.1.1 直流电动机的特点 .173.1.2 电动机容量选择的原则 .183.1.3 电动机的发热与冷却 .183.1.4 选择步骤： .19XXXX 大 学 本 科 毕 业 设 计 说 明 书II3.1.5 无刷直流电动轮毂的选型计算 .193.1.6 混合动力自行车的续行距离 .203.2 无刷电动机的调速控制系统 .213.2.1 直流电动机的机械特性 .213.2.2 脉宽调制（PWM） 223.2.3 传感器 .223.3 电动车控制系统设计 .233.3.1 控制系统的组成 .233.3.2 控制系统设计方案 .23第四章 混合动力自行车的能量回收 .274.1 制动模式与能量的分析 .274.2 能量回馈的控制策略 .284.3 混合动力自行车能量的消耗评价方法 .284.3.1 能量流分配关系及能量测量 .294.3.2 能耗影响因素分析 .294.4 制动效能及制动能量回收的约束条件 .294.4.1 自行车的制动效能 .294.5 制动能量回收控制算法 .304.5.1 制动能量回收的约束条件 .304.6 永磁无刷直流电机相关性能及其能量回馈制动原理 .314.6.1 永磁无刷直流电机及其基本工作原理 .314.6.2 直流电动机的制动方式 .324.6.3 永磁无刷直流电机能量回馈制动原理 .34第五章 变速装置的设计 .395.1 变速装置工作原理 .395.2 变速装置设计 395.2.1 设计条件 395.2.2 链轮的高速齿片（48 齿）和飞轮（28 齿）的设计参数 41结论 .42致谢 .43参考文献 .44XXXX 大 学 本 科 毕 业 设 计 说 明 书1第一章 绪论1.1 国内外研究现状和发展趋势混合动力自行车是自行车家族中的一个重要成员。美国通用公司和克莱斯勒公司前总裁现都潜心于研究混合动力自行车及其电池，德国的奔驰公司和日本的本田、铃木、雅玛哈等世界知名的汽车、摩托车公司和松下（松下和丰田合作搞电动汽车） 、三洋等世界知名企业都在投入巨资研发混合动力自行车的基础上，现已进入产业化阶段。由此可见混合动力自行车的发展前景。我国混合动力自行车车的研究相比欧美国家起步较晚。直到上个世纪 90 年代中期，我国才掀起开发研究的高潮，虽然我国混合动力自行车研究起步晚，但从技术的角度，我们并不落后于世界。我国混合动力自行车产业基本保持与世界同步发展1。 混合动力自行车核心技术包括三个方面：电机与传动、控制器与控制技术、电池等,涉及电气、电力电子、控制、机械等多学科。本论文研究的是驱动装置的方案设定，故重点介绍电机与传动方面的研究成果。1.1.1 国内发展趋势目前我国混合动力自行车所使用的电机一般为直流电机,它具有体积小,效率高,调速性能优良等特点。直流电机有可分为有刷直流电机和无刷直流电机。有刷直流电机内部有碳刷和换向器，它应用技术成熟,高速范围宽,构成的控制系统简单,成本相对较低,过载能点强,因为通过机械换向,故不需要位置传感器。无刷直流电机内部没有电刷(碳刷)和换向器,其转子一般由永磁体构成,这样构成的永磁无刷直流电机因其转子没有励磁损耗,效率较高,得到了广泛的应用。但无刷直流电机也有一定的缺点就是由于控制系统相对较为复杂,所以成本相对较高。不过随着永磁无刷直流电机的性价比不断提高,其应用将日趋广泛。在传动技术方面，主要有一下几种：摩带式传动：摩带头易磨损打滑，效率不高.中置式传动：将电机和减速机构放置于中轴位置，国内使用较少。侧挂式传动：属于轴传动范围，具有轴传动的优点。轮榖式传动：传动效率高，造型精巧，应用越来越广泛。国内常用的是轮毂式传动。1.1.2 国外发展趋势前面讲到从技术角度，国内的混合动力自行车技术并不落后于世界，故这里选取国外一些典型的混合动力自行车进行介绍。日本：艾纳库尔非助力电动自行车，可以三种方式骑行（电驱，人力，或两者结合） ，XXXX 大 学 本 科 毕 业 设 计 说 明 书2装备的电源为 Cd-Ni 电池。骑行时人力先启动，之后再转入电动模式。为双斜梁车架的坤车，电池板为后置式，车型为轮毂电动机后躯式。智能控制器固定在中轴后上方。美国：军马牌电动自行车。中轴链驱动，电池斜放在前斜梁上，装有 7 档变速箱，并有电脑控制系统和防盗密码，电动机功率为 375w，可称全球自行车用电动机之首。欧洲：以德国为例。德国电动自行车电源以 Cd-Ni 电池为主，充一次电续驶能力一般为 20km。发展趋势电动机：重量轻，容易安装，易省电能，并且容易调控转速。电动机的调速控制方面：采用最新电力电子器件和集成电路，达到智能控制的境地。控制电路中兼有对电池电量监视系统，当电池放电达到临界点时可以自动切断电源，保护电池免受过量放电而损坏或影响寿命。电池：趋于坚实耐用，镉镍，氢镍电池自不必说，就是铅酸电池也可以任意放置而不必担心漏 。1.2 研究意义从技术角度看：混合动力自行车是电动自行车和汽油助力车的技术结合产品，它继承了汽油助力车行驶里程不受限制与电动车零排放行驶两者的优点，适应了城市化的环境要求，如城市内选择零排放（电池动力）行驶，郊外远距离里程选择 HEV （内燃机发电/ 电池混合动力）行驶。从我国国情及国家的政策看：13 亿的人口基数巨大，若全民普及汽车，交通、环境、燃料消耗的压力之大难以想象。电动自行车、摩托车已是广大国民生活中不可替代的个人交通工具。而混合动力自行车是电动自行车和摩托车的升级取代技术之一，是当今世界混合动力车技术系统蓬勃发展的另一个主流轻型化、小型化的个人交通工具。从节能的角度看：混合动力自行车比电动车及汽油车更加节约能源。据初步测算，一辆轻型电动车（250W 400W）百公里耗电约 3 度左右，以年行驶 1 万公里计算，全年耗 300 度，以 0.8 元 / 度平均价计算，电费大约需要 240 元。而与目前百公里油耗 3 升的摩托车相比（10000km）油费约为 1800 元，而以 1.6 升排量、百公里油耗 7 升的汽车相比，每辆汽车（10000km）油耗 700 升，油费约为 4000 元；而每辆混合动力电动车百公里油耗 1 升 600 元。每年与摩托车同比油耗将节约 1100 元左右，与汽车同比油耗将节约 3400 元左右。从环保角度看：混合动力自行车排放量是摩托车的 1/3，汽车（以 1.6 升排量为例）的 1/40。而且混合动力自行车是汽油发电和电池交替驱动的，这样废气排放量又可以减少一半左右。从电池的利用率角度看：混合动力自行车的电池寿命可以提高 2 倍以上，因为边骑车边充电的浮充电特性使电池容量经常保持较满的状态，避免了深度循环放电导致的电XXXX 大 学 本 科 毕 业 设 计 说 明 书3池损坏。1.3 设计任务对混合动力自行车的运行状态进行了分析，分别对混合动力自行车的运行阻力、惯性力、再生制动力以及所需要的牵引力进行计算。利用现代电子技术及电动机发电反馈制动理论，设计一套能够在电气制动的同时，发电给电瓶充电的发电反馈制动系统。利用该系统能够实现将自行车及人体的动能通过电动机的发电运行状态转化为电能，并经过相应的处理和控制电路，达到给电瓶充电和自行车减速的双重目的。完成发电反馈制动系统机械连动机构、发电反馈制动电控系统、发电反馈回路的设计、电动机选型。完成人工脚踏运行时变速机构的设计XXXX 大 学 本 科 毕 业 设 计 说 明 书4第二章 混合动力自行车动力性能分析动力传动系统由蓄电池、控制器、电动机、驱动轮等组成。混合动力自行车的动力性评价指标有最高车速、加速时间和最大爬坡度。然而，电动机的最大功率与额定功率下观察甚多，而最大功率工况不能长时间运行，因此必须用电动机的额定工况计算混合动力自行车的最大爬坡度和最高车速。混合动力自行车的加速过程和起步时间较短，理论上可以用电动机的外特性进行设计计算。下面从自行车直线行驶动理学模型来进行分析。在设计前先将文章中计算需要的数据假定如下：整车质量（ ） 502mkg重力加速度（ ） 10 2/s滚动阻力系数（ ） u0.人重（ ） 701k车轮直径（ ） 400D后轴转子直径（ ） 10dm2.1 电动车运行方程混合动力自行车在路面上运行，有各种不同方向和不同大小的作用力作用在混合动力自行车上，混合动力自行车牵引学主要研究对自行车运行有直接影响的力，也就是与混合动力自行车方向相平行的外力及外力的分力，这些力可以分为三种：混合动力自行车的牵引力 它是由电力机车的牵引电动机所产生的，并通过动轮与F路面的相互作用力而引起的外力。它与混合动力自行车的运动方向相同，其大小由开车的人决定。混合动力自行车运行阻力 它是由混合动力自行车运行时由多种原因引起的阻止电W动车运行的外力，其大小是不可以控制的。混合动力自行车的制动力 它是由机车和车辆上的制动装置所产生的，并通过轮与B钢轨的相互作用而引起的外力，用来使混合动力自行车减速或停车。它与混合动力自行车的运行方向相反。这三种力以不同的方式形成作用于混合动力自行车上形成的合力 ：C牵引运行时：合力 ；WFC惯性运行时：合力 ；制动时：合力 。)(B电动车运行方程是把电动车当作一个平移的钢体，表示电动车在不同运行状态时，XXXX 大 学 本 科 毕 业 设 计 说 明 书5作用在电动车上诸力的关系式。在工程上用它计算电动车运行时所需要的制动力、惯性力。电动车在运行时状态有三种：牵引状态，电动车在电动机的牵引力作用下，起动，加速或等速运行；惯性运行，电动车在运行中牵引电动机断电后靠惯性运行；制动运行，电动车在运行中切断牵引电动机的电源，并且施加机械或电气的制动力，减速运行。电动车在牵引等速状态下，沿运行方向作用在电动车上的力有牵引力 、静阻力F和惯性力 。根据静法原理，可列出如下方程0FaW式(2.1)0aFW这就是牵引等速运行状态下的基本方程。 2.2 混合动力自行车的行驶力学2.2.1 车辆模型驱动系统的动力输出特性与车子的动力性能直接相关。驱动系统的动力输出更该满足车子的动力性能要求。在设计混合动力自行车驱动系统时，为了使混合动力自行车达到要求的动力性能指标，首先必须建立混合动力自行车的力学模型，对混合动力自行车行驶过程中力与功率的平衡进行分析，以得到混合动力自行车的需求特性。混合动力自行车的动力传动系统主要是由能量存储系统和动力驱动系统组成。能量存储系统包括蓄电池和能量管理系统，动力驱动系统包括驱动电动机和驱动控制系统。混合动力自行车在行驶过程中，由动力蓄电池输出电能给电动机，电动机输出功率，用于克服混合动力自行车本身机械装置中的内部阻力以及行驶条件决定的外部阻力消耗的功率，外部阻力即混合动力自行车的行驶阻力。从分析电动汽车行驶时的受力状况出发，建立直线行驶方程式，是分析混合动力自行车直线行驶性能的基础。XXXX 大 学 本 科 毕 业 设 计 说 明 书6图 2-1 车轮行驶时的受力分析混合动力自行车运行时的阻力系数 为：式(2.2)fdKuD式中：车轮与地面之间的滚动摩擦系数， 取 0.02；fKf 车轮直径， ;Dm 轴承的直径， ；d 轴承的摩擦系数，取 0.002；u所以阻力系数： 025.410.2.需要说明的是车轮与地面之间的滚动摩擦系数 是随着路面状况的不同，其数值也fK在不断改变。参考文献 27给出正常行驶的不同路段的滚动摩擦系数表 2-1。表 2-1 不同路面的滚动摩擦系数路面特征 fK全新坚硬的柏油、混泥土、小方石块路面 0.01-0.02经压轧的坑洼波动的碎石路，混泥土路面 0.02-0.03压坏的柏油路面 0.03-0.04良好路面 0.045一般的土路 0.05-0.15松沙路面 0.15-0.32.2.2 电动车阻力计算混合动力自行车的静阻力主要是基本阻力和坡道阻力，空气阻力因车速不高，计算时可以不予考虑。基本阻力是电动车经常受的阻力。基本阻力用阻力系数求得，电动车的基本阻力用下式计算：式（2.3）gmMgF)(211式中 人的质量， =70 ；1mmk混合动力自行车空载时的质量， =50 。2 2k所以基本阻力为：XXXX 大 学 本 科 毕 业 设 计 说 明 书7NF06.245.01)750(1 坡道阻力是混合动力自行车载坡道上运行时，电动车的重力沿坡道倾斜方向的分力。设 为坡道的倾斜角，这时坡道的阻力 为：2式（2.4）sin)(21gm式中的“ ”符号表示：上坡运行时取“+” ，下坡运行时取“-”所以混合动力自行车的静阻力为：式（2.5）01212()(sin)Fg若混合动力自行车在水平地面上行驶时电动车的静阻力为： N06.24)05.()75(0 2.2.3 空气阻力车子向前进，必须借助一定的力量。骑车人每踏蹬的力量叫前进力，也叫向前推力。前进力与用力、传动比、曲柄(即中轴到脚蹬的连杆)长以 Y 代表前进力，Q 代表踏蹬力量，I 代表曲柄长度，D 代表传动比，它们之间的关系用公式表示则为：式（2.6）DY/前进力与踏蹬力量，曲柄长度成正比，与传动系数则成反比。人们骑着自行车前进时，即使在无风天也会感到有风从耳边飞过，速度越快人感觉到的风力越大，阻碍前进的效果越明显。因为人们不是在真空中骑车，而是四周始终被空气包围着。从物理学观点来讲：人骑车行进时，人和车给前方空气以挤压力，而空气给人和车以反作用力，即空气阻力。经过测量，风速在 40 公里每小时的情况下，垂直于风向每平方米面积受到的压力为 11 公斤。不论风速 40 公里每小时或是每小时 40 公里的速度骑行时，它们垂直于风向的每平方米面积上所受到的空气压力都是 11 公斤。人们骑车前进时，必须突破空气阻力，这就需要力量。不同风级所产生的风速和垂直风向每平方米所受到的压力均不相同，只有克服这些因素，车子才能向前行驶。2.2.4 电动车惯性力的计算电动车的惯性力除了平移之外，还有车轮、电机转子等螺旋部件的旋转部件的旋转惯性矩。为了简化计算，将这些旋转惯性矩折算成平移移动的惯性力。这样混合动力自行车惯性力即为：式121212()()()aWmama（2.7）XXXX 大 学 本 科 毕 业 设 计 说 明 书8混合动力自行车的惯性力， ；aWN 旋转惯性系数，参照矿用机车的数据，混合动力自行车取 0.075； 混合动力自行车的加速度，启动时的加速度取 0.03-0.05 。2/ms将 值代入式（2.6）得：式（2.812.075()ama）将式(2.5)、式 (2.7)带入式（ 2.1）整理后得到混合动力自行车牵引运行时需要机车给出的牵引力为：式12()(sin0.175)Fmga（2.9）将数据带入得： N05.31).1075.2.(10)75( 电动车在惯性运行的状态下牵引电动机断电，牵引力消失。混合动力自行车依靠已具有的能量克服阻力继续运行，如果轨道坡度不大，混合动力自行车是减速运行的，在这种情况下，沿运行方向作用在混合动力自行车的力只有静阻力 和惯性力 。令式FaW(2.1)中的 等于零，可得到惯性运行状态下的基本方程为：F式（2.100aFW）将式（2.5） 、式（2.7）带入式（2.9） ，可以得到惯性运行时列车的加速度的表达式：式1(sin).075agw（2.11）由上式可以看出，混合动力自行车上坡或沿水平运行时，及下坡 时，sin，混合动力自行车减速运行；只有在下坡运行 时，混合动力自行车是加速0a sin运行的。2.2.5 电动车的牵引力计算现在分析牵引电动机给出的转矩怎样转化成自行车的牵引力，牵引力与哪些因素有关。混合动力自行车的后轮，是牵引电动机的主动轮。设混合动力自行车的质量为 ，2m作用在该轮对上的力见图 2-2。 为牵引电动机传递到该轮上的转矩； 为运行阻力，MF为地面的支持力。将转矩 用一个作用在轮轨接触点和轮心的等效力偶代替，则力偶0NXXXX 大 学 本 科 毕 业 设 计 说 明 书9的大小 为：1F式12MFD（2.12）当轮胎接触点处的 时，摩擦 与力偶力 总是大小相等方向相反，车轮在maxfFf1C 点处无滑移，在轮心处 的作用下，车轮以 C 点为瞬心，向前滚动前进。轮心处 11F力，即为一个轮上的牵引力， 与阻力 平衡。1F图 2-2 混合动力自行车牵引力分析若 时，车轮在 C 点受力不平衡，车轮将克服路面的摩擦阻力空转而不前进。maxfF实际上，由于车轮的圆度误差不均与磨损以及轨面状况等因素的影响，车轮在 C 点处不可能保持理想的无滑动滚动、免不了有滑移。为考虑这一因素影响，将摩擦系数值取低一点。理论上把这个系数称为粘着系数；车轮与路面之间的摩擦力相应得称为粘着力；这种牵引方式称为粘着牵引。表 2-2 不同路面状况的粘着系数 路面特征 粘着系数 全新坚硬的柏油、混泥土（干） 0.015柏油路面（湿） 0.01混泥土路面（湿） 0.009泥土路面（干） 0.045泥土路面（湿） 0.1松沙路面 0.1冰面 0.001XXXX 大 学 本 科 毕 业 设 计 说 明 书10影响粘着系数的因素很多，其中主要有：1、车轮与路面的状态 带有花纹的轮面或干燥的路面，粘着系数较大，路面潮湿，有冰、血、霜或油垢的路面粘着系数较小。2、运行速度的高低 随着运行速度增加,加剧了车轮与路面的纵向和横向的滑动及机车振动，粘着系数减小。3、混合动力自行车特性的差异，车轮直径的大小不同，各车轮间的负载分布不均、电动机的分布等都对粘着系数有影响。参考文献 27得到表 2-2。2.3 混合动力自行车的动力性能混合动力自行车因为以蓄电池存储的电能为能量来源，所以衡量混合动力自行车性能的一项重要指标是最大续驶里程，而且，混合动力自行车采用的是电机驱动系统，其输出特性和一般自行车也不相同。混合动力自行车的电机驱动系统将蓄电池输出的电能转化为车轮的旋转动能，从而驱动混合动力自行车运行。它决定了混合动力自行车的动力性能，它的能量转化效率也直接影响到混合动力自行车的最大行驶里程。由此可见，研究混合动力自行车驱动系统对提高混合动力自行车性能具有重要意义。另外，混合动力自行车因为采用电机驱动系统，可以利用电动机的逆向工作性能，制动时的能量进行回馈，增强其制动性能。混合动力自行车的动力性能值是自行车在良好路面上直线行驶时由自行车受到的纵向外力决定的，所能达到的平均行驶速度 29。下面介绍自行车的主要动力性能指标：最高车速、加速时间、最大爬坡度。自行车的最高车速：在水平良好的路面上，自行车所能达到的最高行驶车速。自行车的加速时间：常用原地起步加速时间与超车加速时间来表明自行车的加速能力。原地起步加速时间是指汽车由低档起步，并以最大的加速度逐步换至最高档后到预定的距离或预定速度所需的时间。超车加速时间，是指用最高档由较低车速全力加速到高速所需的时间。自行车能爬上的最大的坡度是指用满载时自行车在良好路面上的最大爬坡度表示的。2.3.1 自行车基本参数介绍a.整车整备质量：包括动力蓄电池，不包括乘员或装载质量，随车工具，车载充电器。b.功率：指物体在单位时间内所做的功。功率越大转速越高，自行车的最高速度也越高，常用最大功率来描述自行车的动力性能。最大功率一般用马力或千瓦来表示，1 马力等于 0.735 千瓦。XXXX 大 学 本 科 毕 业 设 计 说 明 书11c.扭矩：扭矩是使物体发生转动的力。发动机的扭矩就是指从曲轴端输出的力矩。在功率固定的条件下它与发电机转速成反比关系，转速越快扭矩越小，反之越大，它反映了自行车在一定范围内的负载能力。d.最大总质量（kg）：自行车满载时的总质量。最大装载质量（kg）：自行车在道路上行驶时的最大装载质量。e.轴距（mm）：通过车辆两车轮的中心，并垂直于车辆纵向对称平面的二垂线之间的距离。简单的说，就是自行车前轴到后轴的距离。轮距（mm）：车的左右轮胎面中心线间的距离。2.4 制动系统2.4.1 混合动力自行车刹车分类传统的混合动力自行车只是机械式刹车,使很多的能量在不知不觉中浪费,而现在我们做的混合动力自行车带有了能量反馈节约了能量。带有制动能量再生系统混合动力自行车的制动过程与传统的混合动力自行车的制动有着不同之处。再生制动力是利用在电磁场中旋转的磁极将会产生的电磁转矩，电磁转矩的旋转方向与车轮行驶的方向相反，从而产生对混合动力自行车的制动。但是这种制动方式在遇到紧急情况时将不能应付，因为他不能在短时间内使自行车停下来。因此在做混合动力自行车制动时，既用了再生制动也使用了传统的带式制动器，使电动车的刹车更有效，也能尽量减少不必要的损耗，电池一次充电行驶的路程最长。因此在求制动力时，我们分紧急情况与正常情况。紧急情况指的是在同一时间内既有手制动也有再生制动。正常状况指的是只有再生制动一种情况。2.4.2 制动力的分析与求解图 2-3 为良好的硬路面上制动时车轮受力情况：图中， 是车轮制动器中的摩擦力矩； 是再生制动力矩，即制动时再生制动系统uTreT作用于自行车车轮的阻力矩， 为车子的阻力， 为车轴对车轮的推力。有力矩平衡得：1FpF式（2.131/2ureD）由于制动力不可以大于粘着力,即：式1zF（2.14）式中， 粘着力； 为粘着系数； 为地面对车轮的法向反作用力。F zXXXX 大 学 本 科 毕 业 设 计 说 明 书12将式（2.12）代入（2.13）得： /2urezTFD整理得： /rezu在制动器中，有： /2uTFD为机械刹车时制动器的制动力。uF图 2-3 制动时车轮受力这里以正常状态下计算为例，在正常情况下，只有再生能量制动。车轮制动器中的摩擦力矩 ，那么0uT/23.6rezTFDNM本设计的电动车使用了制动能量回收技术，制动系统在原有的制动基础上增加了能量回收，制动力矩再生制动过程与传统的制动过程的不同。2.4.3 手动制动器的设计混合动力自行车的制动器正常多数采用带式制动，带式制动器已经标准化。根据电动轮上的刹车轮的直径为 43 ，所以选择的带式制动器的型号为 ZBJ8501-1989，额定m制动力矩 。NTe250制动带总成：内径为 45 ，带宽为 12 ；m制动带板：带长为 142.3 ，带宽为 12 ；制动衬片：内径 45 ，展开长度为 24 。参考文献 13，各基本尺寸见表 3-1。表 3-1 简单制动器的各基本尺寸XXXX 大 学 本 科 毕 业 设 计 说 明 书13d e1 e2 B a1 a245 0.6 0.9 15 015015选好制动器以后，应该按照配套主机的要求对制动力矩、发热情况进行验算。由于混合动力自行车的工作环境比较好，散热条件也比较优越，因此在校核时不考虑发热对制动器的影响只验算制动力矩。根据制动器的运转情况计算制动轴上的负载力矩。并考虑一定的安全设备（安全系数 ，可查表获得）求出制动力矩 。再参照制动器的额定制T动力矩 使 。eTe根据制动对象的运动情况可以分为平移动制动和垂直移动制动两种类型。平移制动指的是被制动的是惯性质量；而垂直制动被制动的是有惯性质量和垂直负载，且垂直负载是主要的，如提升设备制动。计算制动力矩时，平移制动按照：式(2.15)fuT负载力矩此处为换算到制动轴上的传动系统的摩擦力矩， ；uT mN换算到制动轴上的总摩擦力矩， 。f mN垂直制动按照：式(2.16)uT换算到制动轴上的负载力矩， ；uT1u换算到制动轴上的总摩擦力矩， 。1T mN转化效率。混合动力自行车制动的是惯性质量属于平移制动，根据 2.14 计算。这里需要说明的是混合动力自行车除了摩擦力矩还有直流电动机的再生制动。所以需将公式 2.14 改为：式(2.17)refuT再生制动力矩。上章节已经计算出了 的取值范围。reT rmNgwDmTf 92.4/.025.1)705(/21u /.)(XXXX 大 学 本 科 毕 业 设 计 说 明 书14由于 是一个范围值,那么就可以求出制动力矩 的一个最大与最小的范围.最小是再reT T生制动力矩 达到最大 ,此时mN6.3 mNTrefu 48.2316.9420最大是再生制动力矩 达到最小为 0,此时rerefu 0.5.所以刹车的制动力矩 ，满足 ，即选择的带式制动器满mNT0823548.231eT足要求可以使用。2.5 蓄电池的种类和结构蓄电池是混合动力自行车的能源载体，是混合动力自行车的核心部件之一，主要分为阀控密封铅酸蓄电池、胶体电池、锂离子电池、镍氢电池和燃料电池等。电动车对蓄电池的要求是容量大，寿命长，重量轻，价格廉。铅酸蓄电池的优点是价格最低，内电阻小、电压稳定，具有良好的防振性能和密封性能；锂离子电池和镍氢电池虽然重量轻，寿命长，但是价格昂贵。在混合动力自行车的电源广泛采用铅酸蓄电池。但铅酸蓄电池的比能量和比功率都很低，随着科技的发展近年来又使用了新型的蓄电池如镉-镍电池。镉-镍电池放电时，正极 还原为 ，充电时 ，又被氧化成NiOH2()i 2()NiOH，电极反应表示为：NiOH22()iei 放充负极海绵状镉放电时氧化生成氢氧化镉，充电时氢氧化镉还原为镉，电极反应表示为：22CdOHe 放充 d()电池的总反应的表示式为： 2222()()Ni NiCOH 放充镉-镍电池体系以氢氧化钾或氢氧化钠水溶液为液，加入适当的氢氧化锂可以延长电池的寿命。氢氧化钾（或钠）不参加反应，但是放电时消耗水，充电时生成水。氢氧化物只起导电的作用，在充电过程中密度和组成没有明显的变化。参考文献 6，选择的型号为：GNY-12其中：G镉为负极 ，N镍为正极，Y圆柱形，12额定容量为 12。hA参考文献镉-镍电池理论比能量为 214.3 ，实际比能量为：35 。h/KgW h/KgW说明：电池的容量是指电池工作，即电池放电时能提供的电量，有理论容量，实际XXXX 大 学 本 科 毕 业 设 计 说 明 书15容量，额定容量（或公称容量）之分，常以 或 为单位。为了比较不同系列的电Ahm池，常用比容量的概念即单位质量或单位体积的电池所能给出的电量来衡量，公别以或 表示。在表中列出了各种电池体系的理论比容量。/Ahkg/L2.6 动力传动系统设计现有混合动力自行车车大致可以分为以下几个主要部分:蓄电池、电池管理、充电系统、驱动系统整车管理系统及车体等。驱动系统为电动车提供所需的动力,负责将电能转换成机械能。无论何种电动车的驱动系统,均具有基本相同的结构,都可以分成能源供给子系统、电气驱动子系统、机械传动子系统三部分,其中电气驱动子系统是电动车的心脏,主要包括电动机、功率电子元器件及控制部分。2.6.1 驱动方式对两轮电动车性能的影响目前两轮电动车主要有三种：一是全电动型自行车，二是电动助力自行车(PAS),三是电动摩托车。全混合动力自行车完全依靠电力就可以行驶，电动助力自行车电机的出力是需要人力的驱动为前提的,人力和电力的比通常为 1：1,即所谓的 1+1 系统,这种系统在日本较为通常采用。无论它们两者有这样那样的区别,至少有一点是共同的,这就是要求人力能够正常骑行,而电动摩托车无需考虑人力骑行问题。由于受当前电池技术的限制以及混合动力自行车对蓄电池容量要求不高,当前发展混合动力自行车以及电动助力车是较为适宜的。根据国家质量技术监督局 1999 年 10 月 1 日颁布实施的混合动力自行车通用技术条例规定,混合动力自行车的最高时速不得超过 20km。由于这个速度较低,永磁直流电机、永磁无刷直流电机、开关磁阻电机及交流异步电机这四种电机都能够胜任,但考虑到成本、机械加工以及技术复杂程度等因素,目前两轮电动车主要采用永磁直流电机以及永磁无刷直流电机。而开关磁阻电机以及交流异步电机主要用在电动汽车。永磁直流电机以及永磁无刷直流电机当前都有质量较好的产品,如上海新联的永磁直流有刷电机,采用轮毂电机直接驱动方式,由于磁阻造成的力矩,以及人力骑行时的电机发电问题,实际使人力骑行时感到十分费力。中轴式对机械的设计和制造水平较高。通过采用双飞结构,解决了人力骑行困难问题。旁挂式相对要求较低,只是在后轮上增加了一条链条来驱动,而且骑行时电机不转动,因此不存在磁阻转矩以及发电问题,可减轻人力负担问题,如果在造型上下点功夫。无疑旁挂式将是混合动力自行车非常好的驱动方式。值得一提的是上述的驱动方式还可以进一步划分,如除了轮毂直接驱动方式外,轮毂电机还有带减速齿轮(减速比为1：7 和 1：22 两种)以及同步带减速齿轮(减速比为 1：25)；中轴式可以继续划分为同轴式(减速比为 1：50) 以及非同轴式(减速比为 1：35)。用于混合动力自行车的电机功率70235W,主要为 135180W。按照转速可以归为三类：一是低速电机,主要用于轮毂直接驱动方式,电机转速为 174rpm(240)；二是中速电机 ,8001800rpm,轮毂式齿轮减速以及 1 级减速的旁挂式( 减速比为 1：5)；三是高速电机。24004500rpm,主要用于轮毂式同步带减XXXX 大 学 本 科 毕 业 设 计 说 明 书16速或齿轮减速,中轴驱动、2 级减速的旁挂式(减速比为 1：22)以及摩擦式(减速比为 1：17)。2.6.2 混合动力自行车驱动系统的构成混合动力自行车驱动系统包括机械传动系统和电气系统两个部分 4。其中,机械传动部分因混合动力自行车驱动系统布置方式不同而不同。混合动力自行车对其驱动系统有特殊要求能够频繁地起动、停车,加、减速,对转矩控制的动态性能要求高，混合动力自行车驱动的速度、转矩变化范围大,既要工作在恒转矩区,又要运行在恒功率区,同时还要求保持较高的运行效率能在恶劣工作环境下可靠地工作。正因为混合动力自行车对其电机驱动系统有这些特殊要求,所以在混合动力自行车电机驱动系统设计中,驱动电机的选择及整流器、控制器的设计,都必须考虑到这些特殊的要求。直流电机驱动系统为混合动力自行车的驱动系统之一,它结构简单,具有优良的电磁转矩控制特性。与直流驱动电机相匹配的变流器是斩波器,它将固定的直流电压变成可调的直流电压,调速方法主要是调压调速和调磁调速。采用直接转矩控制的电机驱动系统,转矩给定值的确定非常重要,它是直接转矩控制的转矩目标值,理想情况下,电动机的输出转矩就等于该时刻的转矩给定值。所以,转矩给定值应该能够满足负载的动力需求。因此在混合动力自行车的电机驱动系统设计中,首先要按照混合动力自行车的性能要求,对电机驱动系统的载荷进行分析,也就是对混合动力自行车行驶所需的的牵引力进行分析,得出合理的电动机直接转矩控制的转矩给定值。2.6.3 无刷直流电动机驱动系统永磁无刷电动机系统可以分为两类,一类是方波驱动的无刷直流电动机系统(BDCM),另一类是永磁同步电动机系统(PMSM),也称之为正弦波驱动的无刷直流电动机系统。BDCM 系统不需要绝对位置传感器,一般采用霍尔元件或增量式码盘,也可以通过检测反电动势波形换相。PMSM 系统一般需要绝对式码盘或旋转变压器等转子位置传感器。从磁铁所处不同位置的结构上看,永磁无刷电动机可以分成表面型、镶嵌型、深埋式等结构型式,在混合动力自行车中也有采用盘式结构或外转子结构的。深埋式永磁同步电动机因其有高的功率密度、有效的弱控制及方便的最大效率控制而在电动车应用领域倍受青睐,是当前电动车电动机研发的热点。用在电动车上的永磁同步电动机是将磁铁插入转子内部,得到可同步旋转的磁极。深埋式转子结构如下图所示,这种电动机在结构设计方面主要有两个特征:转子磁铁使用埋入式、采用多极化设计。这种设计具有显著的优点 :(1)与将永磁体贴在转子表面的情况相比,将永磁体植入转子内部,则即使高速旋转,永磁体也不会飞散,为此就使设计 10000r/min 以上的超高速电动机成为可能。(2)对于要求的最大转矩而言,采用下图所示的转子结构,永磁电动机能做得更小。XXXX 大 学 本 科 毕 业 设 计 说 明 书17图 24 正弦波驱动的无刷直流电机的结构简图第三章 混合动力自行车的运行控制在实际中发电机的构造与电动机是相同的，都是通过定子与转子的磁场作用力产生电力的。导体线圈在磁场中运动就能产生电流，导体线圈通电在磁场中就能旋转。两者的不同点就是通电与不通电，由于电动机与发电机有着相同的构造，如果把电动机转动起来，就像发电机一样发电。但是，这时的发电电流方向与电动机旋转时的电流方向相反的。混合动力自行车在正常行驶时，车轮是旋转的，只要停止向电动机供电此时的电动机变成了发电机为蓄电池充电。一段时间后给电机供电就又变为了电动机，将电能转化为机械能使混合动力自行车能够行驶。3.1 电动机的选择在所有已有的电动机中,综合性能最好的是直流电动机。过去开发的电动车主要采用有刷直流电动机,有刷直流电动机系统调速方便,改变其输入电压或励磁电流就可对其转矩实现独立的控制,进行平滑的调速,所以有刷直流电动机调速系统具有良好的动态特性和调速品质。但是有刷直流电动机系统由于电刷和换向器的存在而导致以下两方面的缺点:第一,必须进行经常性的维修和保养;第二,无法实现高速大容量。这两方面的缺点使其在电动车驱动系统中的应用受到了限制。而无刷直流电动机则克服了有刷直流电动机的缺点,它既有有刷直流电动机的优越的性能,又依靠电子换向,免去了机械式电刷和换向器。本系统选用无刷直流电动机。无刷直流电动机,就其基本结构而言,可以认为是一台有电子开关线路，永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的。电动机系统,它借助反映转子位置的位置信号,通过驱动控制电路,驱动逆变电路的功率开关元件,使电枢绕组依一定次序馈电从而在气隙中产生步进式旋转磁场,拖动永磁转子旋转。随着转子的转动,转子位置信号依一XXXX 大 学 本 科 毕 业 设 计 说 明 书18定规律变化,从而改变电枢绕组的通电状态,实现无刷直流电动机的机械能量转换。3.1.1 直流电动机的特点有刷直流电动机带有整流子与电刷，而整流子与电刷根据转子位置不同而自动切换连接位置，从而改变转子电流方向，这是一个很巧妙的组合。有了它，电动机一接通电源就能旋转。但是实际应用中，这种结构还存在着一些由整流自与电刷之间的机械连接所产生的缺点。1、磨损问题。整流子的材料大多采用硬质合金。电刷则使用光滑而又易接触的金属与炭化物，这种金属与碳的化合物具有相类似的润滑性。但是，无论采用多么耐磨损的整流子材料，他们接触面之间的磨损总是会随着转子的旋转而产生，所以必须定期更换损坏的电刷。2、噪声问题。无论怎么精工制作，整流自娱电刷间的接触面都不会天衣无缝，噪声是必然会产生的。3、旋转中整流子与电刷磨擦是将由电器噪声产生。这种电器噪声会使电动机周围的电器设备产生无动作，对混合动力自行车的电器设备产生不良影响。正对以上缺点，在电动机选用时选用了一种以电子线路进行电流切换，而无需整流子与电刷的无刷直流电动机，避免了以上的缺点提高了电动车的耐用度。但是无刷直流电动机必须与一定的电子换向电路配套使用从而总的成本增加，但从控制的角度看更具有了灵活性.利用低电平信号可方便的控制电路的切换，电动机的起停，调节转速与转矩。3.1.2 电动机容量选择的原则混合动力自行车在传动系统中选择一台合适的电动机是极为重要的。电动机的选择主要是容量的选择，电动机的容量选小了，一方面不能充分发挥机械设备的能力，使生产效率降低，另一方面电动机经常在过载下运行，会使它过早损坏，同时还可能出现启动困难、经受不起冲击负载等故障。如果电动机的容量选大了，则会使设备投资费用增加。选择电动机容量应根据以下两项基本原则进行。(1)发热：电动机在运行时，必须保证电动机的实际最高工作温度 max 等于或略小于电动机绝缘的允许最高工作温度 a ,即 max a。(2)过载能力: 电动机在运行时 ,必须具有一定的过载能力.特别是在短期工作时,由于电动机的热惯性很大,电动机在短期内承受高于额定功率的负载功率时仍可保证 max a ,故此时,决定电动机容量的主要因素不是发热而是电动机的过载能力.即所选电动机的最大允许电流 Imax 必须大于运行过程中可能出现的最大负载电流 ILmax 。XXXX 大 学 本 科 毕 业 设 计 说 明 书193.1.3 电动机的发热与冷却电动机是由多种金属（铜、铝、铁、硅钢片）和绝缘材料等组成，它在运行时，不断地把电能转变成机械能，在能量的变换过程中必然有能量损耗，这些损耗包括铜损、铁耗和机械损耗，其中铜耗与电流的平方成正比地变化，而铁耗与机械损耗则几乎是不变的。这些损耗都变成了热能而使电动机发热、温度升高。其发热的过程如下：刚开始工作的时候，电动机的温度 M 与周围介质的温度 0（规定取 040 C）0之差( M- 0)很小，而热量的发散是随温度差递增的，所以，这时只有少量的热量被散发出去，大部分热量都被电动机吸收，因而温度升高较快，随着电动机温度的逐渐升高，它和周围介质的温差也相应地加大，发散出去的热量逐渐增加，而被电动机吸收的热量则逐渐减少，温度的升高逐渐缓慢。温升 M 0 是按指数规律上升的。当温度升高到一定数值时，电动机在一秒内发散出去的热量正好等于电动机在他一秒内由于损耗所产生的热量，这时电动机不再吸收热量，因此温度不再升高温度趋于稳定，达到最高温升。值得指出的是热惯性比电动机本身的电磁惯性、机械惯性要大得多，一个小容量的电动机也要运行（23）小时，温升才趋于稳定，但温升上升的快慢还与散热条件有关。在切断电源或负载减少时，电动机温度要下降而逐渐冷却，在冷却过程中，其温度降低也是按指数规律变化的，而冷却过程是进行的很慢的。电动机运行时，温度若超过一定的数值，首先损坏的是绕组的绝缘，因为电动机中的绝缘材料是耐热最弱的部分，目前，常用的绝缘有 E、B 、F 、H 四级。如果电动机的工作温度超过了绝缘材料允许的最高工作温度，轻则加速绝缘老化过程，缩短电动机寿命，重则绝缘材料碳化变质，也就损坏了电动机。据此规定了电动机的额定容量，电动机长期在此容量下运行时，应不超过绝缘材料所允许的最高温度。所以， M a 是保证电动机长期安全运行的必要条件，也就是按发热条件选择电动机功率的最基本的依据。由于电动机的温升和冷却都有一个过程，其温升不仅取决于负载的大小，而且也和负载的持续时间有关，也就是与电动机的运行方式有关。或者说，电动机额定功率的大小与电动机的运行方式有关。 3.1.4 选择步骤：第一步，计算负载功率 PL。第二步，根据负载功率，预选电动机的额定功率和其它。第三步，校核预选电动机。一般先校核发热温升，再校核过载能力，必要时校核启动能力。在满足生产机械要求的前提下，电动机额定功率越小越经济。3.1.5 无刷直流电动轮毂的选型计算XXXX 大 学 本 科 毕 业 设 计 说 明 书20混合动力自行车正常行驶时所需要电机的功率为：式(3.1)360FvPm式中： 电动车的功率， ；Pkw混合动力自行车的车速， ；v h/电动机的效率，取 0.9；电动机的台数， 。m1将数据带入： 3.052.176698Pkw电机的工作电流：式(3.2)UI3由于电池的电压为 36 ，所以混合动力自行车的工作电压为 36 。将 与 的数据VVPU带入求得工作电流 。4.8IA转速为： 60vnD式中： 表示转速， ；v/ms表示车轮直径， ；D带入数据得： 1062365/min4.nr选择的无刷直流电动轮毂的型号为 170SN-J05F。额定电压 36V额定电流 5 A额定功率 180W空载转速 2/minr在电池选择时也应该根据公式(3.1)计算的结果选择电池的容量。3.1.6 混合动力自行车的续行距离电动车一次充电后在某一速度下续行的距离等于电池能量与该车在该速度下耗能率之比。能耗率正比于行驶阻力，故设计混合动力自行车时可以由下式估算续行kmhw/距离：参考文献 9。XXXX 大 学 本 科 毕 业 设 计 说 明 书21式(3.3)221)(AvkmKGSarb式中： 决定于所用电池能量密度及混合动力自行车的传动效率系数，对镍镉K电池 ;0蓄电池的质量, ；bGkgGb1旋转阻力系数,取 0.10.2 ；rkN/空气阻力系数；a混合动力自行车受空气阻力的面积,取 ；A 21.0mA车速， 。vhkm/对于 参考文献 6，前面较陡的非线型车取 1.0，小客车取 0.5，完全流线型车取ak0.2。混合动力自行车没有给出，但是由于混合动力自行车的空气阻力的受力面主要为人的身体比较不规则，因此取 。0.1ak将数据带入： kmS37201.2. 由公式(3.3)可见，提高续行距离 的有效途径是减轻车的质量，同时尽量增加电池的容量( 主要提高 )。当今电动车选用的高能量密度的电池，直接将电动机与车轮合为一体K(电动轮 )以提高传动效率，即提高了混合动力自行车的续行距离。在行驶中刹车把电动车的动能转化为热能，使实际续行距离减少。用电机再生制动取代机械式制动可以减少这种损失，而且简化了结构，减轻了质量。这也就是本设计的研究意义所在.节省能量，一次充电行使距离最远。3.2 无刷电动机的调速控制系统3.2.1 直流电动机的机械特性直流电动机的定子通常有励磁绕组,当励磁绕组通以直流电时产生磁场。转子又称电枢，它的作用就是产生电磁转矩和电势，实现机电能量变化。当电枢旋转时，电枢绕组中将产生交变感应电势。忽略电机电感时，电枢电流 Ia 为aUEIR式中：U 为电枢电压；E 为电枢反电动势；Ra 为电枢电阻。XXXX 大 学 本 科 毕 业 设 计 说 明 书22直流电动机的机械特性方程式为式etaCRIUn)(（3.4）式中： 电枢电阻；aR励磁回路电阻t工作电压；U电机构成常数；eC磁通量。由式（3.4）可以看出，改变电机的电压、磁通和电枢电阻均可以改变电机的转速。1、改变电枢两端的电压调速：给励磁绕组加上额定电压，使主磁通不变；调节施加在电枢上的电源电压在额定以下变动，直流电动机的转速就会降低。这种调速方法稳定、平滑，但是转速只能降低。 于恒功率调速。电枢串电阻调速时电机的运行效率较低，只在小功率或特殊场合使用。2、改变电枢回路串联电阻调速：改变电枢回路串联的调速电阻 Rt,实际上就是改变电枢端电压。增大电枢串联电阻，等于降低电枢端电压，电枢转速必定下降。这种调速方法转速不稳定，转速只能降低，消耗能量。3、改变励磁回路电阻调速：当励磁电压为恒值时，调节励磁回路串联电阻，即改变了励磁电流，也就改变主磁通，使电动机的转速改变。这种调速方法调速范围大，调速平稳，转速稳定。当改变电机的电压进行调速时，电机的机械特性为一组平行直线。当增加电机电压达到电机的额定电压时，因为电机的绝缘强度的限制不能继续增加电压提高电机的转速，改变可以减小电机的磁通以