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XXXX 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 摘要 混合動(dòng)力自行車是自行車家族中的一個(gè)重要成員。美國(guó)通用公司和克萊斯勒公司前 總裁現(xiàn)都潛心于研究混合動(dòng)力自行車及其電池，德國(guó)的奔馳公司和日本的本田、鈴木、 雅瑪哈等世界知名的汽車、摩托車公司和松下（松下和豐田合作搞電動(dòng)汽車） 、三洋等世 界知名企業(yè)都在投入巨資研發(fā)混合動(dòng)力自行車的基礎(chǔ)上，現(xiàn)已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。由此可 見混合動(dòng)力自行車的發(fā)展前景。 本文首先系統(tǒng)的對(duì)混合動(dòng)力自行車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了分析，分別對(duì)混合動(dòng)力自行車 的運(yùn)行阻力、慣性力、再生制動(dòng)力以及所需要的牽引力進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)所需要的牽引 力，在本設(shè)計(jì)中也對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)和電池進(jìn)行了選型計(jì)算。然后本文還對(duì)混合動(dòng)力自 行車在費(fèi)電驅(qū)動(dòng)情況下，飛輪變速機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力自行車；電機(jī)控制；永磁無刷直流輪轂電機(jī) ；飛輪 XXXX 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 I Abstract The 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; flywheel XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 目 錄 摘要 ..................................................................................................................................................I ABSTRACT....................................................................................................................................II 第一章 緒論 .................................................................................................................................1 1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) ...............................................................................................1 1.1.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展趨勢(shì) ..................................................................................................................1 1.1.2 國(guó)外發(fā)展趨勢(shì) ..................................................................................................................1 1.2 研究意義 ...............................................................................................................................2 1.3 設(shè)計(jì)任務(wù) ...............................................................................................................................3 第二章 混合動(dòng)力自行車動(dòng)力性能分析 .......................................................................................4 2.1 電動(dòng)車運(yùn)行方程 ...................................................................................................................4 2.2 混合動(dòng)力自行車的行駛力學(xué) ...............................................................................................5 2.2.1 車輛模型 .........................................................................................................................5 2.2.2 電動(dòng)車阻力計(jì)算 .............................................................................................................6 2.2.3 空氣阻力 .........................................................................................................................7 2.2.4 電動(dòng)車慣性力的計(jì)算 .....................................................................................................7 2.2.5 電動(dòng)車的牽引力計(jì)算 .....................................................................................................8 2.3 混合動(dòng)力自行車的動(dòng)力性能 ...............................................................................................9 2.3.1 自行車基本參數(shù)介紹 ...................................................................................................10 2.4 制動(dòng)系統(tǒng) .............................................................................................................................10 2.4.1 混合動(dòng)力自行車剎車分類 ...........................................................................................10 2.4.2 制動(dòng)力的分析與求解 ...................................................................................................11 2.4.3 手動(dòng)制動(dòng)器的設(shè)計(jì) .......................................................................................................12 2.5 蓄電池的種類和結(jié)構(gòu) .........................................................................................................13 2.6 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) .............................................................................................................14 2.6.1 驅(qū)動(dòng)方式對(duì)兩輪電動(dòng)車性能的影響 ...........................................................................14 2.6.2 混合動(dòng)力自行車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成 ...............................................................................15 2.6.3 無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) ...........................................................................................16 第三章 混合動(dòng)力自行車的運(yùn)行控制 .......................................................................................17 3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 .....................................................................................................................17 3.1.1 直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) .......................................................................................................17 3.1.2 電動(dòng)機(jī)容量選擇的原則 ...............................................................................................18 3.1.3 電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱與冷卻 ...................................................................................................18 3.1.4 選擇步驟： ...................................................................................................................19 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 I 3.1.5 無刷直流電動(dòng)輪轂的選型計(jì)算 ...................................................................................19 3.1.6 混合動(dòng)力自行車的續(xù)行距離 .......................................................................................20 3.2 無刷電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng) .............................................................................................21 3.2.1 直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 ...............................................................................................21 3.2.2 脈寬調(diào)制（PWM） ......................................................................................................22 3.2.3 傳感器 ...........................................................................................................................22 3.3 電動(dòng)車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) .........................................................................................................23 3.3.1 控制系統(tǒng)的組成 ...........................................................................................................23 3.3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 .......................................................................................................23 第四章 混合動(dòng)力自行車的能量回收 .........................................................................................27 4.1 制動(dòng)模式與能量的分析 .....................................................................................................27 4.2 能量回饋的控制策略 .........................................................................................................28 4.3 混合動(dòng)力自行車能量的消耗評(píng)價(jià)方法 .............................................................................28 4.3.1 能量流分配關(guān)系及能量測(cè)量 .......................................................................................29 4.3.2 能耗影響因素分析 .......................................................................................................29 4.4 制動(dòng)效能及制動(dòng)能量回收的約束條件 .............................................................................29 4.4.1 自行車的制動(dòng)效能 .......................................................................................................29 4.5 制動(dòng)能量回收控制算法 .....................................................................................................30 4.5.1 制動(dòng)能量回收的約束條件 ...........................................................................................30 4.6 永磁無刷直流電機(jī)相關(guān)性能及其能量回饋制動(dòng)原理 .....................................................31 4.6.1 永磁無刷直流電機(jī)及其基本工作原理 .......................................................................31 4.6.2 直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方式 ...............................................................................................32 4.6.3 永磁無刷直流電機(jī)能量回饋制動(dòng)原理 .......................................................................34 第五章 變速裝置的設(shè)計(jì) .............................................................................................................39 5.1 變速裝置工作原理 .............................................................................................................39 5.2 變速裝置設(shè)計(jì) ......................................................................................................................39 5.2.1 設(shè)計(jì)條件 ........................................................................................................................39 5.2.2 鏈輪的高速齒片（48 齒）和飛輪（28 齒）的設(shè)計(jì)參數(shù) ..........................................41 結(jié)論 ...............................................................................................................................................42 致謝 ...............................................................................................................................................43 參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................................44 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 0 第一章 緒論 1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 混合動(dòng)力自行車是自行車家族中的一個(gè)重要成員。美國(guó)通用公司和克萊斯勒公司前 總裁現(xiàn)都潛心于研究混合動(dòng)力自行車及其電池，德國(guó)的奔馳公司和日本的本田、鈴木、 雅瑪哈等世界知名的汽車、摩托車公司和松下（松下和豐田合作搞電動(dòng)汽車） 、三洋等世 界知名企業(yè)都在投入巨資研發(fā)混合動(dòng)力自行車的基礎(chǔ)上，現(xiàn)已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。由此可 見混合動(dòng)力自行車的發(fā)展前景。 我國(guó)混合動(dòng)力自行車車的研究相比歐美國(guó)家起步較晚。直到上個(gè)世紀(jì) 90 年代中期， 我國(guó)才掀起開發(fā)研究的高潮，雖然我國(guó)混合動(dòng)力自行車研究起步晚，但從技術(shù)的角度， 我們并不落后于世界。我國(guó)混合動(dòng)力自行車產(chǎn)業(yè)基本保持與世界同步發(fā)展[1]。 混合動(dòng)力自行車核心技術(shù)包括三個(gè)方面：電機(jī)與傳動(dòng)、控制器與控制技術(shù)、電池等, 涉及電氣、電力電子、控制、機(jī)械等多學(xué)科。本論文研究的是驅(qū)動(dòng)裝置的方案設(shè)定，故 重點(diǎn)介紹電機(jī)與傳動(dòng)方面的研究成果。 1.1.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展趨勢(shì) 目前我國(guó)混合動(dòng)力自行車所使用的電機(jī)一般為直流電機(jī),它具有體積小,效率高,調(diào)速性 能優(yōu)良等特點(diǎn)。直流電機(jī)有可分為有刷直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)。有刷直流電機(jī)內(nèi)部有 碳刷和換向器，它應(yīng)用技術(shù)成熟,高速范圍寬,構(gòu)成的控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單,成本相對(duì)較低,過載能 點(diǎn)強(qiáng),因?yàn)橥ㄟ^機(jī)械換向,故不需要位置傳感器。無刷直流電機(jī)內(nèi)部沒有電刷(碳刷)和換向 器,其轉(zhuǎn)子一般由永磁體構(gòu)成,這樣構(gòu)成的永磁無刷直流電機(jī)因其轉(zhuǎn)子沒有勵(lì)磁損耗,效率較 高,得到了廣泛的應(yīng)用。但無刷直流電機(jī)也有一定的缺點(diǎn)就是由于控制系統(tǒng)相對(duì)較為復(fù)雜, 所以成本相對(duì)較高。不過隨著永磁無刷直流電機(jī)的性價(jià)比不斷提高,其應(yīng)用將日趨廣泛。 在傳動(dòng)技術(shù)方面，主要有一下幾種： 摩帶式傳動(dòng)：摩帶頭易磨損打滑，效率不高. 中置式傳動(dòng)：將電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)放置于中軸位置，國(guó)內(nèi)使用較少。 側(cè)掛式傳動(dòng)：屬于軸傳動(dòng)范圍，具有軸傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。 輪榖式傳動(dòng)：傳動(dòng)效率高，造型精巧，應(yīng)用越來越廣泛。 國(guó)內(nèi)常用的是輪轂式傳動(dòng)。 1.1.2 國(guó)外發(fā)展趨勢(shì) 前面講到從技術(shù)角度，國(guó)內(nèi)的混合動(dòng)力自行車技術(shù)并不落后于世界，故這里選取國(guó) 外一些典型的混合動(dòng)力自行車進(jìn)行介紹。 日本：艾納庫(kù)爾非助力電動(dòng)自行車，可以三種方式騎行（電驅(qū)，人力，或兩者結(jié)合） ， XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 1 裝備的電源為 Cd-Ni 電池。騎行時(shí)人力先啟動(dòng)，之后再轉(zhuǎn)入電動(dòng)模式。為雙斜梁車架的 坤車，電池板為后置式，車型為輪轂電動(dòng)機(jī)后軀式。智能控制器固定在中軸后上方。 美國(guó)：軍馬牌電動(dòng)自行車。中軸鏈驅(qū)動(dòng)，電池斜放在前斜梁上，裝有 7 檔變速箱， 并有電腦控制系統(tǒng)和防盜密碼，電動(dòng)機(jī)功率為 375w，可稱全球自行車用電動(dòng)機(jī)之首。 歐洲：以德國(guó)為例。德國(guó)電動(dòng)自行車電源以 Cd-Ni 電池為主，充一次電續(xù)駛能力一 般為 20km。 發(fā)展趨勢(shì) 電動(dòng)機(jī)：重量輕，容易安裝，易省電能，并且容易調(diào)控轉(zhuǎn)速。 電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方面：采用最新電力電子器件和集成電路，達(dá)到智能控制的境地。 控制電路中兼有對(duì)電池電量監(jiān)視系統(tǒng)，當(dāng)電池放電達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)可以自動(dòng)切斷電源，保 護(hù)電池免受過量放電而損壞或影響壽命。 電池：趨于堅(jiān)實(shí)耐用，鎘鎳，氫鎳電池自不必說，就是鉛酸電池也可以任意放置而 不必?fù)?dān)心漏 。 1.2 研究意義 從技術(shù)角度看：混合動(dòng)力自行車是電動(dòng)自行車和汽油助力車的技術(shù)結(jié)合產(chǎn)品，它繼 承了汽油助力車行駛里程不受限制與電動(dòng)車零排放行駛兩者的優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)了城市化的環(huán) 境要求，如城市內(nèi)選擇零排放（電池動(dòng)力）行駛，郊外遠(yuǎn)距離里程選擇 HEV （內(nèi)燃機(jī)發(fā) 電/ 電池混合動(dòng)力）行駛。 從我國(guó)國(guó)情及國(guó)家的政策看：13 億的人口基數(shù)巨大，若全民普及汽車，交通、環(huán)境、 燃料消耗的壓力之大難以想象。電動(dòng)自行車、摩托車已是廣大國(guó)民生活中不可替代的個(gè) 人交通工具。而混合動(dòng)力自行車是電動(dòng)自行車和摩托車的升級(jí)取代技術(shù)之一，是當(dāng)今世 界混合動(dòng)力車技術(shù)系統(tǒng)蓬勃發(fā)展的另一個(gè)主流——輕型化、小型化的個(gè)人交通工具。 從節(jié)能的角度看：混合動(dòng)力自行車比電動(dòng)車及汽油車更加節(jié)約能源。據(jù)初步測(cè)算， 一輛輕型電動(dòng)車（250W ～400W）百公里耗電約 3 度左右，以年行駛 1 萬公里計(jì)算，全 年耗 300 度，以 0.8 元 / 度平均價(jià)計(jì)算，電費(fèi)大約需要 240 元。而與目前百公里油耗 3 升的摩托車相比（10000km）油費(fèi)約為 1800 元，而以 1.6 升排量、百公里油耗 7 升的汽 車相比，每輛汽車（10000km）油耗 700 升，油費(fèi)約為 4000 元；而每輛混合動(dòng)力電動(dòng)車 百公里油耗 1 升 600 元。每年與摩托車同比油耗將節(jié)約 1100 元左右，與汽車同比油耗 將節(jié)約 3400 元左右。 從環(huán)保角度看：混合動(dòng)力自行車排放量是摩托車的 1/3，汽車（以 1.6 升排量為例） 的 1/40。而且混合動(dòng)力自行車是汽油發(fā)電和電池交替驅(qū)動(dòng)的，這樣廢氣排放量又可以減 少一半左右。 從電池的利用率角度看：混合動(dòng)力自行車的電池壽命可以提高 2 倍以上，因?yàn)檫咈T 車邊充電的浮充電特性使電池容量經(jīng)常保持較滿的狀態(tài)，避免了深度循環(huán)放電導(dǎo)致的電 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 2 池?fù)p壞。 1.3 設(shè)計(jì)任務(wù) 對(duì)混合動(dòng)力自行車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了分析，分別對(duì)混合動(dòng)力自行車的運(yùn)行阻力、慣 性力、再生制動(dòng)力以及所需要的牽引力進(jìn)行計(jì)算。 利用現(xiàn)代電子技術(shù)及電動(dòng)機(jī)發(fā)電反饋制動(dòng)理論，設(shè)計(jì)一套能夠在電氣制動(dòng)的同時(shí)， 發(fā)電給電瓶充電的發(fā)電反饋制動(dòng)系統(tǒng)。 利用該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)將自行車及人體的動(dòng)能通過電動(dòng)機(jī)的發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)化為電能， 并經(jīng)過相應(yīng)的處理和控制電路，達(dá)到給電瓶充電和自行車減速的雙重目的。 完成發(fā)電反饋制動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械連動(dòng)機(jī)構(gòu)、發(fā)電反饋制動(dòng)電控系統(tǒng)、發(fā)電反饋回路的設(shè) 計(jì)、電動(dòng)機(jī)選型。 完成人工腳踏運(yùn)行時(shí)變速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 3 第二章 混合動(dòng)力自行車動(dòng)力性能分析 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)由蓄電池、控制器、電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪等組成?；旌蟿?dòng)力自行車的動(dòng)力 性評(píng)價(jià)指標(biāo)有最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度。然而，電動(dòng)機(jī)的最大功率與額定功率 下觀察甚多，而最大功率工況不能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，因此必須用電動(dòng)機(jī)的額定工況計(jì)算混合 動(dòng)力自行車的最大爬坡度和最高車速。混合動(dòng)力自行車的加速過程和起步時(shí)間較短，理 論上可以用電動(dòng)機(jī)的外特性進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。下面從自行車直線行駛動(dòng)理學(xué)模型來進(jìn)行分 析。 在設(shè)計(jì)前先將文章中計(jì)算需要的數(shù)據(jù)假定如下： 整車質(zhì)量（ ） 502mkg 重力加速度（ ） 10 2/s 滾動(dòng)阻力系數(shù)（ ） u0. 人重（ ） 701k 車輪直徑（ ） 400D 后軸轉(zhuǎn)子直徑（ ） 10dm 2.1 電動(dòng)車運(yùn)行方程 混合動(dòng)力自行車在路面上運(yùn)行，有各種不同方向和不同大小的作用力作用在混合動(dòng) 力自行車上，混合動(dòng)力自行車牽引學(xué)主要研究對(duì)自行車運(yùn)行有直接影響的力，也就是與 混合動(dòng)力自行車方向相平行的外力及外力的分力，這些力可以分為三種： 混合動(dòng)力自行車的牽引力 它是由電力機(jī)車的牽引電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的，并通過動(dòng)輪與F 路面的相互作用力而引起的外力。它與混合動(dòng)力自行車的運(yùn)動(dòng)方向相同，其大小由開車 的人決定。 混合動(dòng)力自行車運(yùn)行阻力 它是由混合動(dòng)力自行車運(yùn)行時(shí)由多種原因引起的阻止電W 動(dòng)車運(yùn)行的外力，其大小是不可以控制的。 混合動(dòng)力自行車的制動(dòng)力 它是由機(jī)車和車輛上的制動(dòng)裝置所產(chǎn)生的，并通過輪與B 鋼軌的相互作用而引起的外力，用來使混合動(dòng)力自行車減速或停車。它與混合動(dòng)力自行 車的運(yùn)行方向相反。 這三種力以不同的方式形成作用于混合動(dòng)力自行車上形成的合力 ：C 牽引運(yùn)行時(shí)：合力 ；WFC?? 慣性運(yùn)行時(shí)：合力 ； 制動(dòng)時(shí)：合力 。)(B? 電動(dòng)車運(yùn)行方程是把電動(dòng)車當(dāng)作一個(gè)平移的鋼體，表示電動(dòng)車在不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)， XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 4 作用在電動(dòng)車上諸力的關(guān)系式。在工程上用它計(jì)算電動(dòng)車運(yùn)行時(shí)所需要的制動(dòng)力、慣性 力。 電動(dòng)車在運(yùn)行時(shí)狀態(tài)有三種： 牽引狀態(tài)，電動(dòng)車在電動(dòng)機(jī)的牽引力作用下，起動(dòng)，加速或等速運(yùn)行； 慣性運(yùn)行，電動(dòng)車在運(yùn)行中牽引電動(dòng)機(jī)斷電后靠慣性運(yùn)行； 制動(dòng)運(yùn)行，電動(dòng)車在運(yùn)行中切斷牽引電動(dòng)機(jī)的電源，并且施加機(jī)械或電氣的制動(dòng)力， 減速運(yùn)行。 電動(dòng)車在牽引等速狀態(tài)下，沿運(yùn)行方向作用在電動(dòng)車上的力有牽引力 、靜阻力F 和慣性力 。根據(jù)靜法原理，可列出如下方程0FaW 式(2.1)0aFW?? 這就是牽引等速運(yùn)行狀態(tài)下的基本方程。 2.2 混合動(dòng)力自行車的行駛力學(xué) 2.2.1 車輛模型 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力輸出特性與車子的動(dòng)力性能直接相關(guān)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力輸出更該滿 足車子的動(dòng)力性能要求。在設(shè)計(jì)混合動(dòng)力自行車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，為了使混合動(dòng)力自行車達(dá) 到要求的動(dòng)力性能指標(biāo)，首先必須建立混合動(dòng)力自行車的力學(xué)模型，對(duì)混合動(dòng)力自行車 行駛過程中力與功率的平衡進(jìn)行分析，以得到混合動(dòng)力自行車的需求特性。混合動(dòng)力自 行車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要是由能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。能量存儲(chǔ)系統(tǒng)包括蓄 電池和能量管理系統(tǒng)，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。 混合動(dòng)力自行車在行駛過程中，由動(dòng)力蓄電池輸出電能給電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)輸出功率， 用于克服混合動(dòng)力自行車本身機(jī)械裝置中的內(nèi)部阻力以及行駛條件決定的外部阻力消耗 的功率，外部阻力即混合動(dòng)力自行車的行駛阻力。從分析電動(dòng)汽車行駛時(shí)的受力狀況出 發(fā)，建立直線行駛方程式，是分析混合動(dòng)力自行車直線行駛性能的基礎(chǔ)。 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 5 圖 2-1 車輪行駛時(shí)的受力分析 混合動(dòng)力自行車運(yùn)行時(shí)的阻力系數(shù) 為：? 式(2.2)fdKuD?? 式中： ——車輪與地面之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)， 取 0.02；fKf —— 車輪直徑， ;Dm —— 軸承的直徑， ；d —— 軸承的摩擦系數(shù)，取 0.002；u 所以阻力系數(shù)： 025.410.2.????? 需要說明的是車輪與地面之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù) 是隨著路面狀況的不同，其數(shù)值也fK 在不斷改變。參考文獻(xiàn) [27]給出正常行駛的不同路段的滾動(dòng)摩擦系數(shù)表 2-1。 表 2-1 不同路面的滾動(dòng)摩擦系數(shù) 路面特征 fK 全新堅(jiān)硬的柏油、混泥土、小方石塊路面 0.01-0.02 經(jīng)壓軋的坑洼波動(dòng)的碎石路，混泥土路面 0.02-0.03 壓壞的柏油路面 0.03-0.04 良好路面 0.045 一般的土路 0.05-0.15 松沙路面 0.15-0.3 2.2.2 電動(dòng)車阻力計(jì)算 混合動(dòng)力自行車的靜阻力主要是基本阻力和坡道阻力，空氣阻力因車速不高，計(jì)算 時(shí)可以不予考慮。 基本阻力是電動(dòng)車經(jīng)常受的阻力?；咀枇τ米枇ο禂?shù)求得，電動(dòng)車的基本阻力用 下式計(jì)算： 式（2.3）?gmMgF)(211?? 式中 ——人的質(zhì)量， =70 ；1mmk ——混合動(dòng)力自行車空載時(shí)的質(zhì)量， =50 。2 2k 所以基本阻力為： XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 6 NF06.245.01)750(1 ???? 坡道阻力是混合動(dòng)力自行車載坡道上運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)車的重力沿坡道傾斜方向的分力。 設(shè) 為坡道的傾斜角，這時(shí)坡道的阻力 為：?2 式（2.4）?sin)(21gm??? 式中的“ ”符號(hào)表示：上坡運(yùn)行時(shí)取“+” ，下坡運(yùn)行時(shí)取“-”? 所以混合動(dòng)力自行車的靜阻力為： 式（2.5）01212()(sin)Fg????? 若混合動(dòng)力自行車在水平地面上行駛時(shí)電動(dòng)車的靜阻力為： N06.24)05.()75(0 ??? 2.2.3 空氣阻力 車子向前進(jìn)，必須借助一定的力量。騎車人每踏蹬的力量叫前進(jìn)力，也叫向前推力。 前進(jìn)力與用力、傳動(dòng)比、曲柄(即中軸到腳蹬的連桿)長(zhǎng)以 Y 代表前進(jìn)力，Q 代表踏蹬力量， I 代表曲柄長(zhǎng)度，D 代表傳動(dòng)比，它們之間的關(guān)系用公式表示則為： 式（2.6）DY/? 前進(jìn)力與踏蹬力量，曲柄長(zhǎng)度成正比，與傳動(dòng)系數(shù)則成反比。 人們騎著自行車前進(jìn)時(shí)，即使在無風(fēng)天也會(huì)感到有風(fēng)從耳邊飛過，速度越快人感覺 到的風(fēng)力越大，阻礙前進(jìn)的效果越明顯。因?yàn)槿藗儾皇窃谡婵罩序T車，而是四周始終被 空氣包圍著。從物理學(xué)觀點(diǎn)來講：人騎車行進(jìn)時(shí)，人和車給前方空氣以擠壓力，而空氣 給人和車以反作用力，即空氣阻力。經(jīng)過測(cè)量，風(fēng)速在 40 公里每小時(shí)的情況下，垂直于 風(fēng)向每平方米面積受到的壓力為 11 公斤。不論風(fēng)速 40 公里每小時(shí)或是每小時(shí) 40 公里的 速度騎行時(shí)，它們垂直于風(fēng)向的每平方米面積上所受到的空氣壓力都是 11 公斤。 人們騎車前進(jìn)時(shí)，必須突破空氣阻力，這就需要力量。不同風(fēng)級(jí)所產(chǎn)生的風(fēng)速和垂 直風(fēng)向每平方米所受到的壓力均不相同，只有克服這些因素，車子才能向前行駛。 2.2.4 電動(dòng)車慣性力的計(jì)算 電動(dòng)車的慣性力除了平移之外，還有車輪、電機(jī)轉(zhuǎn)子等螺旋部件的旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn) 慣性矩。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將這些旋轉(zhuǎn)慣性矩折算成平移移動(dòng)的慣性力。這樣混合動(dòng)力自 行車慣性力即為： 式121212()()())aWmama?????? （2.7） XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 7 ——混合動(dòng)力自行車的慣性力， ；aWN —— 旋轉(zhuǎn)慣性系數(shù)，參照礦用機(jī)車的數(shù)據(jù)，混合動(dòng)力自行車取 0.075；? —— 混合動(dòng)力自行車的加速度，啟動(dòng)時(shí)的加速度取 0.03-0.05 。2/ms 將 值代入式（ 2.6）得： 式（2.812.075()ama?? ） 將式(2.5)、式 (2.7)帶入式（ 2.1）整理后得到混合動(dòng)力自行車牽引運(yùn)行時(shí)需要機(jī)車給 出的牽引力為： 式12()(sin0.175)Fmga?????? （2.9） 將數(shù)據(jù)帶入得： N05.31).1075.2.(10)75( ?????? 電動(dòng)車在慣性運(yùn)行的狀態(tài)下牽引電動(dòng)機(jī)斷電，牽引力消失?；旌蟿?dòng)力自行車依靠已 具有的能量克服阻力繼續(xù)運(yùn)行，如果軌道坡度不大，混合動(dòng)力自行車是減速運(yùn)行的，在 這種情況下，沿運(yùn)行方向作用在混合動(dòng)力自行車的力只有靜阻力 和慣性力 。令式FaW (2.1)中的 等于零，可得到慣性運(yùn)行狀態(tài)下的基本方程為：F 式（2.100aFW?? ） 將式（2.5） 、式（2.7）帶入式（2.9） ，可以得到慣性運(yùn)行時(shí)列車的加速度的表達(dá)式： 式1(sin).075agw???? （2.11） 由上式可以看出，混合動(dòng)力自行車上坡或沿水平運(yùn)行時(shí)，及下坡 時(shí)，sin??? ，混合動(dòng)力自行車減速運(yùn)行；只有在下坡運(yùn)行 時(shí)，混合動(dòng)力自行車是加速0a? sin??? 運(yùn)行的。 2.2.5 電動(dòng)車的牽引力計(jì)算 現(xiàn)在分析牽引電動(dòng)機(jī)給出的轉(zhuǎn)矩怎樣轉(zhuǎn)化成自行車的牽引力，牽引力與哪些因素有 關(guān)。 混合動(dòng)力自行車的后輪，是牽引電動(dòng)機(jī)的主動(dòng)輪。設(shè)混合動(dòng)力自行車的質(zhì)量為 ，2m 作用在該輪對(duì)上的力見圖 2-2。 為牽引電動(dòng)機(jī)傳遞到該輪上的轉(zhuǎn)矩； 為運(yùn)行阻力，MF 為地面的支持力。將轉(zhuǎn)矩 用一個(gè)作用在輪軌接觸點(diǎn)和輪心的等效力偶代替，則力偶0N XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 8 的大小 為：1F 式12MFD? （2.12） 當(dāng)輪胎接觸點(diǎn)處的 時(shí)，摩擦 與力偶力 總是大小相等方向相反，車輪在maxfF?f1 C 點(diǎn)處無滑移，在輪心處 的作用下，車輪以 C 點(diǎn)為瞬心，向前滾動(dòng)前進(jìn)。輪心處 11F 力，即為一個(gè)輪上的牽引力， 與阻力 平衡。1F 圖 2-2 混合動(dòng)力自行車牽引力分析 若 時(shí)，車輪在 C 點(diǎn)受力不平衡，車輪將克服路面的摩擦阻力空轉(zhuǎn)而不前進(jìn)。maxfF? 實(shí)際上，由于車輪的圓度誤差不均與磨損以及軌面狀況等因素的影響，車輪在 C 點(diǎn) 處不可能保持理想的無滑動(dòng)滾動(dòng)、免不了有滑移。為考慮這一因素影響，將摩擦系數(shù)值 取低一點(diǎn)。理論上把這個(gè)系數(shù)稱為粘著系數(shù)；車輪與路面之間的摩擦力相應(yīng)得稱為粘著 力；這種牽引方式稱為粘著牽引。 表 2-2 不同路面狀況的粘著系數(shù) ? 路面特征 粘著系數(shù) ? 全新堅(jiān)硬的柏油、混泥土（干） 0.015 柏油路面（濕） 0.01 混泥土路面（濕） 0.009 泥土路面（干） 0.045 泥土路面（濕） 0.1 松沙路面 0.1 冰面 0.001 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 9 影響粘著系數(shù)的因素很多，其中主要有： 1、車輪與路面的狀態(tài) 帶有花紋的輪面或干燥的路面，粘著系數(shù)較大，路面潮濕， 有冰、血、霜或油垢的路面粘著系數(shù)較小。 2、運(yùn)行速度的高低 隨著運(yùn)行速度增加,加劇了車輪與路面的縱向和橫向的滑動(dòng)及機(jī) 車振動(dòng)，粘著系數(shù)減小。 3、混合動(dòng)力自行車特性的差異，車輪直徑的大小不同，各車輪間的負(fù)載分布不均、 電動(dòng)機(jī)的分布等都對(duì)粘著系數(shù)有影響。參考文獻(xiàn) [27]得到表 2-2。 2.3 混合動(dòng)力自行車的動(dòng)力性能 混合動(dòng)力自行車因?yàn)橐孕铍姵卮鎯?chǔ)的電能為能量來源，所以衡量混合動(dòng)力自行車性 能的一項(xiàng)重要指標(biāo)是最大續(xù)駛里程，而且，混合動(dòng)力自行車采用的是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其 輸出特性和一般自行車也不相同。 混合動(dòng)力自行車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將蓄電池輸出的電能轉(zhuǎn)化為車輪的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，從而 驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力自行車運(yùn)行。它決定了混合動(dòng)力自行車的動(dòng)力性能，它的能量轉(zhuǎn)化效率也 直接影響到混合動(dòng)力自行車的最大行駛里程。由此可見，研究混合動(dòng)力自行車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 對(duì)提高混合動(dòng)力自行車性能具有重要意義。 另外，混合動(dòng)力自行車因?yàn)椴捎秒姍C(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以利用電動(dòng)機(jī)的逆向工作性能， 制動(dòng)時(shí)的能量進(jìn)行回饋，增強(qiáng)其制動(dòng)性能。 混合動(dòng)力自行車的動(dòng)力性能值是自行車在良好路面上直線行駛時(shí)由自行車受到的縱 向外力決定的，所能達(dá)到的平均行駛速度 [29]。下面介紹自行車的主要?jiǎng)恿π阅苤笜?biāo)：最 高車速、加速時(shí)間、最大爬坡度。 自行車的最高車速：在水平良好的路面上，自行車所能達(dá)到的最高行駛車速。 自行車的加速時(shí)間：常用原地起步加速時(shí)間與超車加速時(shí)間來表明自行車的加速能 力。原地起步加速時(shí)間是指汽車由低檔起步，并以最大的加速度逐步換至最高檔后到預(yù) 定的距離或預(yù)定速度所需的時(shí)間。超車加速時(shí)間，是指用最高檔由較低車速全力加速到 高速所需的時(shí)間。 自行車能爬上的最大的坡度是指用滿載時(shí)自行車在良好路面上的最大爬坡度表示的。 2.3.1 自行車基本參數(shù)介紹 a.整車整備質(zhì)量：包括動(dòng)力蓄電池，不包括乘員或裝載質(zhì)量，隨車工具，車載充電器。 b.功率：指物體在單位時(shí)間內(nèi)所做的功。功率越大轉(zhuǎn)速越高，自行車的最高速度也越 高，常用最大功率來描述自行車的動(dòng)力性能。最大功率一般用馬力或千瓦來表示，1 馬力 等于 0.735 千瓦。 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 10 c.扭矩：扭矩是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的力。發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩就是指從曲軸端輸出的力矩。在 功率固定的條件下它與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系，轉(zhuǎn)速越快扭矩越小，反之越大，它反映 了自行車在一定范圍內(nèi)的負(fù)載能力。 d.最大總質(zhì)量（kg）：自行車滿載時(shí)的總質(zhì)量。 最大裝載質(zhì)量（kg）：自行車在道路上行駛時(shí)的最大裝載質(zhì)量。 e.軸距（mm）：通過車輛兩車輪的中心，并垂直于車輛縱向?qū)ΨQ平面的二垂線之間 的距離。簡(jiǎn)單的說，就是自行車前軸到后軸的距離。 輪距（mm）：車的左右輪胎面中心線間的距離。 2.4 制動(dòng)系統(tǒng) 2.4.1 混合動(dòng)力自行車剎車分類 傳統(tǒng)的混合動(dòng)力自行車只是機(jī)械式剎車,使很多的能量在不知不覺中浪費(fèi),而現(xiàn)在我們 做的混合動(dòng)力自行車帶有了能量反饋節(jié)約了能量。帶有制動(dòng)能量再生系統(tǒng)混合動(dòng)力自行 車的制動(dòng)過程與傳統(tǒng)的混合動(dòng)力自行車的制動(dòng)有著不同之處。再生制動(dòng)力是利用在電磁 場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)的磁極將會(huì)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩的旋轉(zhuǎn)方向與車輪行駛的方向相反，從 而產(chǎn)生對(duì)混合動(dòng)力自行車的制動(dòng)。但是這種制動(dòng)方式在遇到緊急情況時(shí)將不能應(yīng)付，因 為他不能在短時(shí)間內(nèi)使自行車停下來。因此在做混合動(dòng)力自行車制動(dòng)時(shí)，既用了再生制 動(dòng)也使用了傳統(tǒng)的帶式制動(dòng)器，使電動(dòng)車的剎車更有效，也能盡量減少不必要的損耗， 電池一次充電行駛的路程最長(zhǎng)。因此在求制動(dòng)力時(shí)，我們分緊急情況與正常情況。 緊急情況指的是在同一時(shí)間內(nèi)既有手制動(dòng)也有再生制動(dòng)。 正常狀況指的是只有再生制動(dòng)一種情況。 2.4.2 制動(dòng)力的分析與求解 圖 2-3 為良好的硬路面上制動(dòng)時(shí)車輪受力情況： 圖中， 是車輪制動(dòng)器中的摩擦力矩； 是再生制動(dòng)力矩，即制動(dòng)時(shí)再生制動(dòng)系統(tǒng)uTreT 作用于自行車車輪的阻力矩， 為車子的阻力， 為車軸對(duì)車輪的推力。有力矩平衡得：1FpF 式（2.131/2ureD?? ） 由于制動(dòng)力不可以大于粘著力,即： 式1zF??? （2.14） 式中， 粘著力； 為粘著系數(shù)； 為地面對(duì)車輪的法向反作用力。F? z XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 11 將式（2.12）代入（2.13）得： /2urezTFD??? 整理得： /rezu? 在制動(dòng)器中，有： /2uTFD? ——為機(jī)械剎車時(shí)制動(dòng)器的制動(dòng)力。uF 圖 2-3 制動(dòng)時(shí)車輪受力 這里以正常狀態(tài)下計(jì)算為例，在正常情況下，只有再生能量制動(dòng)。車輪制動(dòng)器中的 摩擦力矩 ，那么0uT? /23.6rezTFDNM??? 本設(shè)計(jì)的電動(dòng)車使用了制動(dòng)能量回收技術(shù)，制動(dòng)系統(tǒng)在原有的制動(dòng)基礎(chǔ)上增加了能 量回收，制動(dòng)力矩再生制動(dòng)過程與傳統(tǒng)的制動(dòng)過程的不同。 2.4.3 手動(dòng)制動(dòng)器的設(shè)計(jì) 混合動(dòng)力自行車的制動(dòng)器正常多數(shù)采用帶式制動(dòng)，帶式制動(dòng)器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)電 動(dòng)輪上的剎車輪的直徑為 43 ，所以選擇的帶式制動(dòng)器的型號(hào)為 ZBJ8501-1989，額定m 制動(dòng)力矩 。NTe??250 制動(dòng)帶總成：內(nèi)徑為 45 ，帶寬為 12 ；m 制動(dòng)帶板：帶長(zhǎng)為 142.3 ，帶寬為 12 ； 制動(dòng)襯片：內(nèi)徑 45 ，展開長(zhǎng)度為 24 。 參考文獻(xiàn) [13]，各基本尺寸見表 3-1。 表 3-1 簡(jiǎn)單制動(dòng)器的各基本尺寸 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 12 d e1 e2 B a1 a2 45 0.6 0.9 15 015015 選好制動(dòng)器以后，應(yīng)該按照配套主機(jī)的要求對(duì)制動(dòng)力矩、發(fā)熱情況進(jìn)行驗(yàn)算。由于 混合動(dòng)力自行車的工作環(huán)境比較好，散熱條件也比較優(yōu)越，因此在校核時(shí)不考慮發(fā)熱對(duì) 制動(dòng)器的影響只驗(yàn)算制動(dòng)力矩。根據(jù)制動(dòng)器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況計(jì)算制動(dòng)軸上的負(fù)載力矩。并考 慮一定的安全設(shè)備（安全系數(shù) ，可查表獲得）求出制動(dòng)力矩 。再參照制動(dòng)器的額定制?T 動(dòng)力矩 使 。eTe? 根據(jù)制動(dòng)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)情況可以分為平移動(dòng)制動(dòng)和垂直移動(dòng)制動(dòng)兩種類型。平移制動(dòng) 指的是被制動(dòng)的是慣性質(zhì)量；而垂直制動(dòng)被制動(dòng)的是有慣性質(zhì)量和垂直負(fù)載，且垂直負(fù) 載是主要的，如提升設(shè)備制動(dòng)。 計(jì)算制動(dòng)力矩時(shí)，平移制動(dòng)按照： 式(2.15)fuT?? ——負(fù)載力矩此處為換算到制動(dòng)軸上的傳動(dòng)系統(tǒng)的摩擦力矩， ；uT mN? ——換算到制動(dòng)軸上的總摩擦力矩， 。f mN? 垂直制動(dòng)按照： 式(2.16)?uT? ——換算到制動(dòng)軸上的負(fù)載力矩， ；uT???1u? ——換算到制動(dòng)軸上的總摩擦力矩， 。1T mN? ——轉(zhuǎn)化效率。? 混合動(dòng)力自行車制動(dòng)的是慣性質(zhì)量屬于平移制動(dòng)，根據(jù) 2.14 計(jì)算。這里需要說明的 是混合動(dòng)力自行車除了摩擦力矩還有直流電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)。所以需將公式 2.14 改為： 式(2.17)refuT?? ——再生制動(dòng)力矩。上章節(jié)已經(jīng)計(jì)算出了 的取值范圍。reT rmNgwDmTf ?????92.4/.025.1)705(/21u ?/.)( XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 13 由于 是一個(gè)范圍值,那么就可以求出制動(dòng)力矩 的一個(gè)最大與最小的范圍.最小是再reT T 生制動(dòng)力矩 達(dá)到最大 ,此時(shí)mN?6.3 mNTrefu ??????48.2316.9420 最大是再生制動(dòng)力矩 達(dá)到最小為 0,此時(shí)rerefu ??0.5. 所以剎車的制動(dòng)力矩 ，滿足 ，即選擇的帶式制動(dòng)器滿mNT?0823548.231eT? 足要求可以使用。 2.5 蓄電池的種類和結(jié)構(gòu) 蓄電池是混合動(dòng)力自行車的能源載體，是混合動(dòng)力自行車的核心部件之一，主要分 為閥控密封鉛酸蓄電池、膠體電池、鋰離子電池、鎳氫電池和燃料電池等。電動(dòng)車對(duì)蓄 電池的要求是容量大，壽命長(zhǎng)，重量輕，價(jià)格廉。鉛酸蓄電池的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格最低，內(nèi)電 阻小、電壓穩(wěn)定，具有良好的防振性能和密封性能；鋰離子電池和鎳氫電池雖然重量輕， 壽命長(zhǎng)，但是價(jià)格昂貴。在混合動(dòng)力自行車的電源廣泛采用鉛酸蓄電池。但鉛酸蓄電池 的比能量和比功率都很低，隨著科技的發(fā)展近年來又使用了新型的蓄電池如鎘-鎳電池。 鎘-鎳電池放電時(shí)，正極 還原為 ，充電時(shí) ，又被氧化成NiOH2()i 2()NiOH ，電極反應(yīng)表示為：NiOH22()iei?? ? ????? ?放充 負(fù)極海綿狀鎘放電時(shí)氧化生成氫氧化鎘，充電時(shí)氫氧化鎘還原為鎘，電極反 應(yīng)表示為