微型电动货车三维总布置设计与整车性能计算设计说明书.docx
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微型电动货车三维总布置设计与整车性能计算设计说明书
微型电动货车三维总布置设计与整车性能计算
摘要
随着全球环境的日益恶化以及石油能源的逐渐紧缺，节能环保成为时代主题，无污染的微型纯电动汽车越来越受到世界各国的重视，微型纯电动汽车代替内燃机汽车也是汽车工业发展的趋势。
微型货车是商用车市场的主要类型之一，使用方便灵活，经济实用,在城市短途货运市场占据了主要地位，具有污染少、噪声低、振动小、结构简单紧凑、易于操作维修、使用成本低等优点，具有非常大的发展意义。
本文在参考已投产上市的电动汽车的基础上，以模型作为实验对象，对电动汽车的整体以及各个系统的结构以及电子控制器进行了全面的设计，并通过MATLAB检验了汽车的动力性。
在机械方面，本设计以电动机后置驱动桥后置（R-R）的电动机-驱动桥组合式的整体布置形式为基础设计了微型电动汽车的整体结构以及传动系、转向系、制动系、行驶系等各系统的机械结构，计算了系统的一些重要参数，并对其进行了匹配，最后论证了各个系统设计的合理性。
在汽车总体设计完成后，运用solidworks进行了整车三维建模，最后进行了动力性分析。
关键词：
电动汽车，整车结构，三维建模，动力性分析
Calculationofmicroelectricvehicle3Dlayoutdesignandvehicleperformance
Abstract
Withthedeterioratingglobalenvironmentandthegradualshortageofoilenergy,energysavingandenvironmentalprotectionhasbecomethethemeofthetimes,pollution-freemicro-pureelectricvehiclesmoreandmoreattentionfromallovertheworld,micro-pureelectricvehiclesinsteadofinternalcombustionengineisthedevelopmenttrendoftheautomobileindustry.Minitruckisoneofthemaintypesofcommercialvehiclemarket,easytouseflexible,economicalandpractical,inthecityshort-distancefreightmarketoccupiesamajorposition,withlesspollution,lownoise,smallvibration,simpleandcompactstructure,easyoperationandmaintenance,lowcostAndsoon,withaverylargedevelopmentsignificance.Onthebasisoftheelectriccarwhichhasbeenputintooperation,thispapertakesthemodelastheexperimentalobject,designsthewholestructureoftheelectricvehicleaswellasthestructureofthesystemandtheelectroniccontroller,andteststhedynamicofthevehiclethroughMATLAB.
Onthemechanicalfront,thedesignofthemotorreardriveaxlerear（RR）ofthemotor-driveaxlecombinationoftheoveralllayoutoftheoveralldesignofthestructureofthemicro-electricvehicleandthedrivesystem,steeringsystem,brakesystem,drivingThemechanicalstructureofeachsystemiscalculated,andsomeimportantparametersofthesystemarecalculatedandmatched.Finally,therationalityofeachsystemdesignisdemonstrated.Aftertheoveralldesignofthecariscompleted,thesolidworksisusedtosimulatethevehicle,andfinallythedynamicanalysisiscarriedout.
Keywords:
electricvehicle,vehiclestructure,3Dmodeling,dynamicanalysis
1绪论
1.1微型纯电动货车的研究背景及意义
微型纯电动货车是在传统微型货车的结构基础上，用蓄电池代替原有动力机构，并改善动力传动系统，具有污染少、噪声低、振动小、结构简单紧凑、易于操作维修、使用成本低等优点。
微型货车是商用车市场的主要类型之一，使用方便灵活，经济实用,在城市短途货运市场占据了主要地位。
另外，人类在电能、蓄电池、快充技术、人工智能等这些方面所取得的重大成就为电动汽车的发展提供了坚实的基础，随着传统重工业的转型，微型纯电动货车是中国发展的需要，能满足大部分中小型私营企业的需求。
因此微型纯电动货车的研究具有非常重大的意义。
1.2微型纯电动货车在国内外发展状况
在美国、欧洲、日本等发达国家，都比较早的重视电动汽车的研究和开发，也取得了一定的成就。
1991年美国通用汽车公司、福特汽车公司和克莱斯勒公司共同协议，成立了先进电池联合体（USABC），共同研究开发新一代电动汽车所需的高能电池。
1991年10月USABC与美国能源部签订协议，在1991-1995年四年间共投资2.26亿美元来资助电动汽车高能电池的研究，主要有镍-氢、钠-硫、锂-二硫化铁、锂聚合物和锂离子等高能电池。
美国电动汽车的研究和开发，得到了美国政府的支持。
在德国1992年政府拨款在吕根岛建立欧洲电动汽车试验基地，对64辆电动汽车的系统工程进行长达4年的大规模试验，20世纪80年代初期，德国奔驰汽车公司生产了商用电动汽车。
1990年法国标致-雪铁龙公司所开发的J-5和C-25电动货车投入生产。
日本国土狭小，石油资源匮乏，几乎完全依赖进口，而且日本人口密度大，污染严重，因此日本政府特别重视电动汽车的研究开发，1971年日本通产省就制定了电动汽车的开发计划，日本大发汽车公司从1976年开始生产电动汽车，特别是电动轻型客车和电动货车是大发的主导产品，轻型运输车、冷藏车等取得了较大的发展。
截止目前，微型纯电动货车在美国、德国、法国和日本运输业中已经占了很大比重，发展水平处于世界领先地位。
相对国外，我国在微型纯电动汽车的发展上处于相对落后的水平，但是在国家科委和机械工业部的领导和组织下，我国在电动汽车领域也得到了快速的发展，1987年12月成立了中国电工技术学会电动车辆研究会，统筹规划了我国电动车辆单元技术的研究、开发和技术攻关等工作，组织单元器件的分工配套生产和电动车辆整车的研制和实验工作，试制出我国第一批电动车辆。
1994年，清华大学研制成功了轻型电动厢式客货车。
客车整车质量为2550kg。
载客16人。
货车整车质量为2400kg，载质量1300kg。
最高车速80km/h。
一次充放电续驶里程为155km。
国防科工委研制的YW6120DD型大客车，可装载51个乘客，满载总质量为17260kg，最高车速为90km/h，续驶里程达150km，电池充放电400次。
1999年10月“第16届国际电动车会议暨展览会”在北京召开，欧美日各国派大型展团，展出了21世纪的电动车辆、高能电池、新型控制装置等先进产品和技术，对我国电动汽车事业提供了各种宝贵信息和电动汽车模式，推动了我国电动汽车快速发展。
山东科技大学雷卓的硕士学位论文‘微型纯电动汽车的研究’。
在这篇文献中雷卓在参考已投产上市的电动汽车的基础上，以模型作为实验对象，对电动汽车的整体以及各个系统的结构以及电子控制器进行了全面的设计，并通过试验与调试证明了其工作的可靠性。
在机械方面，本设计以电动机后置驱动桥后置（R-R）的电动机-驱动桥组合式的整体布置形式为基础设计了微型电动汽车的整体结构以及传动系、转向系、制动系、行驶系等各系统的机械结构，计算了系统的一些重要参数，并对其进行了匹配，最后论证了各个系统设计的合理性。
在控制系统方面，以MC9S12DG128为核心控制器进行硬件和软件的设计。
在硬件电路上，以单片机为核心部件进行电路的扩展，以分模块设计的方法设计了电机驱动电路以及过流保护、欠压保护、温度保护等各种保护电路。
在软件程序设计上，以模糊控制作为控制算法，建立规则库对电机驱动进行控制，并将整个程序划分为PWM、模数转换、定时器、中断等模块，分模块进行设计和调试。
在完成了电动汽车的整车结构以及控制器的软硬件设计后，最后对整个设计进行了实验和调试。
硬件调试是利用万用表、电烙铁、螺丝刀以及电源、电机等设备和器件检查电路是否存在问题以及能否按预期工作。
软件调试首先是将程序在CodeWarrior开发环境中进行运行和调试，在CodeWarrior中运行没有问题后再将程序烧写如单片机中，连接实物按模块进行试验，在软件调试的过程中还对程序进行不断的调整与改进以使程序达到最优化。
经过调试与实验确保了系统的硬件和软件都能够按预期正常的工作。
另外，外文文献ElectricVehicleConversionDesign（电动汽车改装设计）、Designandcomparisonofthehandlingperformanceofdifferentelectricvehiclelayouts（不同电动汽车的操纵稳定性设计与比较）等参考文献对我也有很大的指导意义。
1.3微型纯电动货车目前存在的主要问题及关键技术
主要存在的问题：
续驶里程短以及初始成本高。
驶里程短主要因为目前
的蓄电池水平比较低，其比能量和能量密度低，电动汽车质量过大；电动汽车成本较高主要是因为电动汽车的各个控制系统比较复杂，各个子系统开发的技术要求较高，如电子控制器、电动机、功率转换、能量管理、电池及充电器还有一些其它辅助设施等。
纯电动微型货车关键技术：
动力蓄电池及其管理系统、驱动电机、控制系统以及车身等。
1.4研究的内容和目标
研究内容：
参照现有汽油机动力的微型货车，改进设计为纯电动货车。
主要设计任务：
车架、传动系、行驶系、操纵系主要部件的三维建模和装配；整车动力性计算。
目标：
汽车总体设计是汽车设计的一个重要环节。
通过毕业设计进行汽车总体设计，是掌握汽车设计基本功的重要手段之一。
我想通过本次课程设计，巩固自身所学的车辆知识的同时，提升自己运用solidworks进行三维实体设计的能力，为今后工作打下良好的三维软件基础。
1.5本章小结
在注重全球可持续发展的今天，绿色环保的纯电动微型小货车作为一种无污染的运输车辆，是汽车运输业发展的必然趋势，已经引起全球的重视，微型纯电动货车正处于大快步的向前发展时期。
本章简要介绍了微型纯电动汽车的发展背景以及研究意义，叙述了国内外微型纯电动货车的发展现状，介绍了目前微型纯电动货车研究中存在的主要问题以及关键技术，并总结了本课题主要的研究内容和方法以及预期所要达到的目标等。
2汽车形式和主要参数的选择
2.1汽车形式的选择
不同形式的汽车，主要体现在轴数、驱动形式以及布置形式上有区别。
2.1.1汽车类别
表2-1载货汽车按质量分类
汽车类型
总质量ma/t
载货汽车
轻型
1.8—6.0
中型
6.0—14.0
重型
ma>14.0
本次设计的纯电动货车属于微型载货汽车。
2.1.2轴数
汽车可以有两轴、三轴、四轴甚至更多的轴数。
汽车的总质量和道路法规对轴载质量的限制和轮胎的负荷能力以及汽车的结构等对汽车的轴数有很大的影响。
汽车轴数的增加，不仅轴，而且车轮、制动器、悬架等结构均相应增多，使整车结构变得复杂，整备质量以及制造成本增加。
若转向轴数不变，汽车的最小转弯直径又增大，后轴轮胎的磨损速度也加快。
所以增加汽车轴数是不得已的选择。
汽车总质量小于19t的公路运输车辆和轴荷不受道路、桥梁限制的不在公路上行驶的车辆，如矿用自卸车等，均采用结构简单、制造成本低廉的两轴方案,当汽车的总质量在19-26t的公路运输车采用三轴形式，总质量更大的汽车宜采用四轴和四轴以上的形式。
故本次设计车轴数定为两轴。
2.1.3驱动形式
汽车的驱动形式有4×2、4×4、6×2、6×4、6×6、8×4、8×8等多种，其中前一位数字表示汽车车轮总数，后一位数字表示驱动轮数。
汽车的用途，总质量和对车辆通过性能的要求等，是影响选取驱动形式的主要因素。
本车为微型商用货车采用结构简单、制造成本低的4×2的驱动形式。
2.1.4布置形式
汽车的布置形式是指发动机、驱动桥和车身（或驾驶室）的相互关系和布置特点而言。
汽车的使用性能取决于整车和各总成的有关参数以外。
其布置的形式也对使用性能也有很重要的影响。
本车为纯电动微型货车，采用后置后驱驱动形式。
2.1.5驾驶室布置
载货汽车驾驶室一般有长头式、短头式、平头式三种。
平头式货车的主要优点是：
汽车总长和轴距尺寸短，最小转弯直径小，机动性能良好，汽车整备质量小，驾驶员视野得到明显的改善，平头汽车的面积利用率高。
短头式货车最小转弯半径、机动性能不如平头式货车，驾驶员视野也不如平头式货车好，但与长头式货车比较，还是得到改善，动力总成操作机构简单，发动机的工作噪声、气味、热量和振动对驾驶员的影响与平头货车比较得到很大改善，但不如长头式货车。
长头式货车的主要优点是发动机及其附件的接触性好，便于检修工作，离合器、变速器等操纵稳定机构简单，易于布置，主要缺点是机动性能不好，汽车整备质量大，驾驶员的视野不如短头式货车，更不如平头式货车好，面积利用率低。
综上各货车的优缺点，本车选用平头式，该布置形式视野较好，汽车的面积利用较高，在各种等级的载重车上得到广泛采用。
2.2汽车主要参数的选择
汽车的主要参数包括尺寸参数、质量参数和汽车性能参数。
2.2.1汽车主要尺寸的确定
汽车的主要尺寸参数有外廓尺寸、轴距、轮距、前悬、后悬、货车车头长度和车厢尺寸等。
2.2.2外廓尺寸
汽车的长、宽、高称为汽车外廓尺寸。
我国法规对载货汽车外廓尺寸的规定是：
总高不大于4米，总宽不大于2.5米，总长不大于12米。
一般载货汽车的外廓尺寸随载荷的增大而增大。
在保证汽车主要使用性能的条件下应尽量减小外廓尺寸。
参考同类车型凯马KMC1033EVB29D微型纯电动车，取外廓尺寸:
4650×2000×1920（单位mm）。
2.2.3轴距L的确定
轴距L对整备质量、汽车总长、汽车最小转弯直径、传动轴长度、纵向通过半径等有影响。
表2-2载货汽车的轴距和轮距
4×2
货车
总质量
（t）
轴距（mm）
轮距（mm）
1.8～6.0
2300～3600
1300～1650
6.0～14.0
3600～5500
1700～2000
根据表2-2，并参照同类车型凯马KMC1033EVB29D微型纯电动车，选取轴距为2900mm。
2.2.4前轮距
和后轮距
汽车轮距B应该考虑到车身横向稳定性,在选定前轮距
范围内，应能布置下发动机、车架、前悬架和前轮，并保证前轮有足够的转向空间，同时转向杆系与车架、车轮之间有足够的运动空间间隙。
主要取决于车架后部宽度、后悬架宽度和轮胎宽度,同时还要考虑车轮和车架之间的间隙。
各类载货汽车的轮距选用范围如表2-2所示。
考虑本次课设实际要求和根据表2-2提供的数据并参照同类车型凯马KMC1033EVB29D微型纯电动车，前轮距
=1420mm,后轮距B2=1420mm。
2.2.5前悬
和后悬
前悬尺寸对汽车通过性、碰撞安全性、驾驶员视野、前钢板弹簧长度、下车和上车的方便性以及汽车造型等均有影响。
初选的前悬尺寸，应当在保证能布置各总成、部件的同时尽可能短些。
后悬尺寸对汽车通过性、汽车追尾时的安全性、货厢长度、汽车造型等有影响，并决定于轴距和轴荷分配的要求。
参考同类车型凯马KMC1033EVB29D微型纯电动车，取
=750mm，
=1000mm。
2.2.6车头长度
由于设计车型为单排座平头货车，并考虑到舒适性及驾驶室内储物空间，参考同类车型凯马KMC1033EVB29D微型纯电动车，故车头长度取1870mm。
宽度2000mm。
2.2.7货车车厢尺寸
参考同类车型凯马KMC1033EVB29D微型纯电动车，考虑本车设计要求，确定本车车箱尺寸：
2780×2000×360（mm）。
2.2.8汽车质量参数的确定
汽车的质量参数包括整车整备质量
、载客量、装载质量、质量系数
、汽车总质量
、轴荷分配等。
汽车总质量
是指装备齐全，并按规定装满客、货时的整车质量。
整车整备质量是指车上带有全部装备（包括随车工具，备胎等），加满燃料、水、但没有装货和载人时的整车质量。
质量系数
是指汽车载质量与整车整备质量的比值，
=
/
。
参考同类车型凯马KMC1033EVB29D微型纯电动车：
汽车总质量
=2620kg
根据公式
=
+
+2×65kg
整车整备质量
=
-（
+2×65kg）=1500kg
质量系数
=
/
=0.66
2.2.9轴荷分配
表2-3各类汽车轴荷分配
满载
空载
前轴
后轴
前轴
后轴
商
用
货
车
4×2后轮单胎
32%～40%
60%～68%
50%～59%
41%～50%
4×2后轮双胎，长、端头式
25%～27%
73%～75%
44%～49%
51%～56%
4×2后轮双胎，平头式
30%～35%
65%～70%
48%～54%
46%～52%
6×2后轮双胎
19%～25%
75%～81%
31%～37%
63%～69%
根据要求，空载时前后载荷分布，后轮单胎按50:
50计算，满载时按68:
32计算。
空载时，前轴载荷：
=1500×50%=750kg
后轴载荷：
=15000×50%=750kg
满载时，前轴载荷：
=2620×32%=838.4kg
后轴载荷：
=2620×68%=1781.6kg
2.2.10汽车参数汇总
表2-4汽车参数汇总
质量参数
总质量/kg
2620
装载质量/kg
990
整车整备质量/kg
1500
载客量/人
2
质量利用系数
0.66
空载时轴荷分配（前/后）/kg
750/750
满载时轴荷分配（前/后）/kg
838.4/1781.6
尺寸参数
外廓尺寸/mm
4650×2000×1920
轴距/mm
2900
轮距（前/后）/mm
1500/1500
前/后悬/mm
750/1000
车头长×宽/mm
1780×2000
车厢尺寸/mm
2780×2000×360
其他参数
接近角
30
离去角
18
最小离地间隙/mm
190
最小转弯直径/m
16
轮胎数
4
轮胎规格
185R14LT
迎风面积/m2
3.84
空气阻力系数
0.6
最大爬坡度
25%
最高车速（km/h）
100
续驶里程（km）
120
车轮滚动半径（m）
0.375
传动系总效率
0.92
旋转质量换算系数
1.04
2.3本章小结
上一章节简要介绍了微型纯电动汽车的发展背景以及研究意义，叙述了国内外微型纯电动货车的发展现状，介绍了目前微型纯电动货车研究中存在的主要问题以及关键技术，并总结了本课题主要的研究内容和方法以及预期所要达到的目标。
本章针对本次设计进行汽车形式和主要参数的设计。
包括汽车类别、轴数、驱动形式、布置形式、驾驶室布置和外廓尺寸、轴距、轮距、前悬、后悬、货车车头长度、车厢尺寸以及整车整备质量
、载客量、装载质量、质量系数
、汽车总质量
、轴荷分配等参数的设计，并进行了参数汇总，方便在以后的设计过程中对汽车参数的提取，为后续工作提供方便。
3总体设计
3.1总体结构设计
微型纯电动货车的整车结构是从传统内燃机微型货车结构发展而来的，同传统内燃机货车具有很多相同之处，但也有自身的特点。
本章将从电动车的整体结构方案入手，对电动汽车的各个系统进行设计和参数匹配。
3.1.1微型纯电动货车的结构特点
微型纯电动货车是新型的运载车辆，它具有现代汽车的基本性能，并采用内燃机货车上的许多总成，如：
底盘、行驶系、转向系、制动系、车身和车身附件以及各种电子电器设备等。
但微型纯电动货车又不同于传统微型内燃机货车，在动力系统、控制系统、传动系统等方面都具有自己的特点。
电动汽车在总体布置结构上具有以下特点：
（1）、相较于传统微型内燃机货车，微型纯电动货车更趋向于小型化和轻量化；
（2）、微型纯电动货车的动力系统由电池组来供电，不再使用传统内燃机；
（3）、微型纯电动货车的传动系统一般不再使用传统内燃机汽车的传动方式，而采用机电一体化的集中驱动轴或轮毂分散驱动系统等，省略了变速器和离合器等结构，把传统内燃机汽车长长的传动系统合理简化，使电动汽车的驱动系统紧凑合理、并能减轻簧载质量，有利于电动汽车其它系统的合理布置以及增强纯电动货车的动力性；
（4）、微型纯电动货车的控制系统是电动货车行车大脑，控制着车辆在各类工况下的行驶速度、加速度和能源转换情况等，其性能直接影响着车辆的性能指标，相比较传统内燃机的控制系统更加的复杂，有更高的技术要求；
（5）、最后，微型纯电动货车相比较传统内燃机汽车在车身材料方面也有一定差异。
微型纯电动货车的车身材料一般使用轻质材料或纤维增强树脂制造，以降低车身重量，提高汽车动力性和经济性。
3.1.2微型纯电动货车驱动系统布置形式
微型纯电动货车的驱动系统是电动汽车的核心部分，其性能决定着电动汽车运行性能的好坏。
其布置形式一般有传统的驱动模式、电动机-驱动桥组合式驱动模式、电动机-驱动桥整体式驱动模式和轮毂电动机分散驱动模式。
传统驱动模式就是用电动机代替发动机作为动力源，仍采用内燃机汽车的传动系统，，包括离合器、变速器、传动轴和驱动桥等总成，如图3-1该模式有电动机前置、驱动桥前置的前置前驱模式（F-F），电动机前置、驱动桥后置的前置后驱模式（F-R）等，采用了传统内燃机汽车的传动模式，即：
离合器—变速器—传动轴—驱动桥—车轮。
传统驱动模式充分利用现有内燃机汽车的传动系和底盘的总成来完成电动汽车的开发，虽然缩短了电动汽车的开发周期，但其结构比较复杂，效率低，不能充分发挥电动机的性能。
图3-1传统驱动模式
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