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XXXX 大學本科畢業(yè)設計說明書 摘要 混合動力自行車是自行車家族中的一個重要成員。美國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力自行車及其電池，德國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汽車） 、三洋等世 界知名企業(yè)都在投入巨資研發(fā)混合動力自行車的基礎上，現(xiàn)已進入產(chǎn)業(yè)化階段。由此可 見混合動力自行車的發(fā)展前景。 本文首先系統(tǒng)的對混合動力自行車的運行狀態(tài)進行了分析，分別對混合動力自行車 的運行阻力、慣性力、再生制動力以及所需要的牽引力進行了計算。根據(jù)所需要的牽引 力，在本設計中也對無刷直流電動機和電池進行了選型計算。然后本文還對混合動力自 行車在費電驅(qū)動情況下，飛輪變速機構(gòu)進行設計。 關鍵詞：混合動力自行車；電機控制；永磁無刷直流輪轂電機 ；飛輪 XXXX 大學本科畢業(yè)設計說明書 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 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 目 錄 摘要 ..................................................................................................................................................I ABSTRACT....................................................................................................................................II 第一章 緒論 .................................................................................................................................1 1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 ...............................................................................................1 1.1.1 國內(nèi)發(fā)展趨勢 ..................................................................................................................1 1.1.2 國外發(fā)展趨勢 ..................................................................................................................1 1.2 研究意義 ...............................................................................................................................2 1.3 設計任務 ...............................................................................................................................3 第二章 混合動力自行車動力性能分析 .......................................................................................4 2.1 電動車運行方程 ...................................................................................................................4 2.2 混合動力自行車的行駛力學 ...............................................................................................5 2.2.1 車輛模型 .........................................................................................................................5 2.2.2 電動車阻力計算 .............................................................................................................6 2.2.3 空氣阻力 .........................................................................................................................7 2.2.4 電動車慣性力的計算 .....................................................................................................7 2.2.5 電動車的牽引力計算 .....................................................................................................8 2.3 混合動力自行車的動力性能 ...............................................................................................9 2.3.1 自行車基本參數(shù)介紹 ...................................................................................................10 2.4 制動系統(tǒng) .............................................................................................................................10 2.4.1 混合動力自行車剎車分類 ...........................................................................................10 2.4.2 制動力的分析與求解 ...................................................................................................11 2.4.3 手動制動器的設計 .......................................................................................................12 2.5 蓄電池的種類和結(jié)構(gòu) .........................................................................................................13 2.6 動力傳動系統(tǒng)設計 .............................................................................................................14 2.6.1 驅(qū)動方式對兩輪電動車性能的影響 ...........................................................................14 2.6.2 混合動力自行車驅(qū)動系統(tǒng)的構(gòu)成 ...............................................................................15 2.6.3 無刷直流電動機驅(qū)動系統(tǒng) ...........................................................................................16 第三章 混合動力自行車的運行控制 .......................................................................................17 3.1 電動機的選擇 .....................................................................................................................17 3.1.1 直流電動機的特點 .......................................................................................................17 3.1.2 電動機容量選擇的原則 ...............................................................................................18 3.1.3 電動機的發(fā)熱與冷卻 ...................................................................................................18 3.1.4 選擇步驟： ...................................................................................................................19 XXXX 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 I 3.1.5 無刷直流電動輪轂的選型計算 ...................................................................................19 3.1.6 混合動力自行車的續(xù)行距離 .......................................................................................20 3.2 無刷電動機的調(diào)速控制系統(tǒng) .............................................................................................21 3.2.1 直流電動機的機械特性 ...............................................................................................21 3.2.2 脈寬調(diào)制（PWM） ......................................................................................................22 3.2.3 傳感器 ...........................................................................................................................22 3.3 電動車控制系統(tǒng)設計 .........................................................................................................23 3.3.1 控制系統(tǒng)的組成 ...........................................................................................................23 3.3.2 控制系統(tǒng)設計方案 .......................................................................................................23 第四章 混合動力自行車的能量回收 .........................................................................................27 4.1 制動模式與能量的分析 .....................................................................................................27 4.2 能量回饋的控制策略 .........................................................................................................28 4.3 混合動力自行車能量的消耗評價方法 .............................................................................28 4.3.1 能量流分配關系及能量測量 .......................................................................................29 4.3.2 能耗影響因素分析 .......................................................................................................29 4.4 制動效能及制動能量回收的約束條件 .............................................................................29 4.4.1 自行車的制動效能 .......................................................................................................29 4.5 制動能量回收控制算法 .....................................................................................................30 4.5.1 制動能量回收的約束條件 ...........................................................................................30 4.6 永磁無刷直流電機相關性能及其能量回饋制動原理 .....................................................31 4.6.1 永磁無刷直流電機及其基本工作原理 .......................................................................31 4.6.2 直流電動機的制動方式 ...............................................................................................32 4.6.3 永磁無刷直流電機能量回饋制動原理 .......................................................................34 第五章 變速裝置的設計 .............................................................................................................39 5.1 變速裝置工作原理 .............................................................................................................39 5.2 變速裝置設計 ......................................................................................................................39 5.2.1 設計條件 ........................................................................................................................39 5.2.2 鏈輪的高速齒片（48 齒）和飛輪（28 齒）的設計參數(shù) ..........................................41 結(jié)論 ...............................................................................................................................................42 致謝 ...............................................................................................................................................43 參考文獻 .......................................................................................................................................44 XXXX 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 0 第一章 緒論 1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 混合動力自行車是自行車家族中的一個重要成員。美國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力自行車及其電池，德國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汽車） 、三洋等世 界知名企業(yè)都在投入巨資研發(fā)混合動力自行車的基礎上，現(xiàn)已進入產(chǎn)業(yè)化階段。由此可 見混合動力自行車的發(fā)展前景。 我國混合動力自行車車的研究相比歐美國家起步較晚。直到上個世紀 90 年代中期， 我國才掀起開發(fā)研究的高潮，雖然我國混合動力自行車研究起步晚，但從技術的角度， 我們并不落后于世界。我國混合動力自行車產(chǎn)業(yè)基本保持與世界同步發(fā)展[1]。 混合動力自行車核心技術包括三個方面：電機與傳動、控制器與控制技術、電池等, 涉及電氣、電力電子、控制、機械等多學科。本論文研究的是驅(qū)動裝置的方案設定，故 重點介紹電機與傳動方面的研究成果。 1.1.1 國內(nèi)發(fā)展趨勢 目前我國混合動力自行車所使用的電機一般為直流電機,它具有體積小,效率高,調(diào)速性 能優(yōu)良等特點。直流電機有可分為有刷直流電機和無刷直流電機。有刷直流電機內(nèi)部有 碳刷和換向器，它應用技術成熟,高速范圍寬,構(gòu)成的控制系統(tǒng)簡單,成本相對較低,過載能 點強,因為通過機械換向,故不需要位置傳感器。無刷直流電機內(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因其轉(zhuǎn)子沒有勵磁損耗,效率較 高,得到了廣泛的應用。但無刷直流電機也有一定的缺點就是由于控制系統(tǒng)相對較為復雜, 所以成本相對較高。不過隨著永磁無刷直流電機的性價比不斷提高,其應用將日趨廣泛。 在傳動技術方面，主要有一下幾種： 摩帶式傳動：摩帶頭易磨損打滑，效率不高. 中置式傳動：將電機和減速機構(gòu)放置于中軸位置，國內(nèi)使用較少。 側(cè)掛式傳動：屬于軸傳動范圍，具有軸傳動的優(yōu)點。 輪榖式傳動：傳動效率高，造型精巧，應用越來越廣泛。 國內(nèi)常用的是輪轂式傳動。 1.1.2 國外發(fā)展趨勢 前面講到從技術角度，國內(nèi)的混合動力自行車技術并不落后于世界，故這里選取國 外一些典型的混合動力自行車進行介紹。 日本：艾納庫爾非助力電動自行車，可以三種方式騎行（電驅(qū)，人力，或兩者結(jié)合） ， XXXX 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 1 裝備的電源為 Cd-Ni 電池。騎行時人力先啟動，之后再轉(zhuǎn)入電動模式。為雙斜梁車架的 坤車，電池板為后置式，車型為輪轂電動機后軀式。智能控制器固定在中軸后上方。 美國：軍馬牌電動自行車。中軸鏈驅(qū)動，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，電動機功率為 375w，可稱全球自行車用電動機之首。 歐洲：以德國為例。德國電動自行車電源以 Cd-Ni 電池為主，充一次電續(xù)駛能力一 般為 20km。 發(fā)展趨勢 電動機：重量輕，容易安裝，易省電能，并且容易調(diào)控轉(zhuǎn)速。 電動機的調(diào)速控制方面：采用最新電力電子器件和集成電路，達到智能控制的境地。 控制電路中兼有對電池電量監(jiān)視系統(tǒng)，當電池放電達到臨界點時可以自動切斷電源，保 護電池免受過量放電而損壞或影響壽命。 電池：趨于堅實耐用，鎘鎳，氫鎳電池自不必說，就是鉛酸電池也可以任意放置而 不必擔心漏 。 1.2 研究意義 從技術角度看：混合動力自行車是電動自行車和汽油助力車的技術結(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車零排放行駛兩者的優(yōu)點，適應了城市化的環(huán) 境要求，如城市內(nèi)選擇零排放（電池動力）行駛，郊外遠距離里程選擇 HEV （內(nèi)燃機發(fā) 電/ 電池混合動力）行駛。 從我國國情及國家的政策看：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。電動自行車、摩托車已是廣大國民生活中不可替代的個 人交通工具。而混合動力自行車是電動自行車和摩托車的升級取代技術之一，是當今世 界混合動力車技術系統(tǒng)蓬勃發(fā)展的另一個主流——輕型化、小型化的個人交通工具。 從節(jié)能的角度看：混合動力自行車比電動車及汽油車更加節(jié)約能源。據(jù)初步測算， 一輛輕型電動車（250W ～400W）百公里耗電約 3 度左右，以年行駛 1 萬公里計算，全 年耗 300 度，以 0.8 元 / 度平均價計算，電費大約需要 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，油費約為 4000 元；而每輛混合動力電動車 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。而且混合動力自行車是汽油發(fā)電和電池交替驅(qū)動的，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：混合動力自行車的電池壽命可以提高 2 倍以上，因為邊騎 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)放電導致的電 XXXX 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 2 池損壞。 1.3 設計任務 對混合動力自行車的運行狀態(tài)進行了分析，分別對混合動力自行車的運行阻力、慣 性力、再生制動力以及所需要的牽引力進行計算。 利用現(xiàn)代電子技術及電動機發(fā)電反饋制動理論，設計一套能夠在電氣制動的同時， 發(fā)電給電瓶充電的發(fā)電反饋制動系統(tǒng)。 利用該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)將自行車及人體的動能通過電動機的發(fā)電運行狀態(tài)轉(zhuǎn)化為電能， 并經(jīng)過相應的處理和控制電路，達到給電瓶充電和自行車減速的雙重目的。 完成發(fā)電反饋制動系統(tǒng)機械連動機構(gòu)、發(fā)電反饋制動電控系統(tǒng)、發(fā)電反饋回路的設 計、電動機選型。 完成人工腳踏運行時變速機構(gòu)的設計 XXXX 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 3 第二章 混合動力自行車動力性能分析 動力傳動系統(tǒng)由蓄電池、控制器、電動機、驅(qū)動輪等組成?；旌蟿恿ψ孕熊嚨膭恿?性評價指標有最高車速、加速時間和最大爬坡度。然而，電動機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時間運行，因此必須用電動機的額定工況計算混合 動力自行車的最大爬坡度和最高車速。混合動力自行車的加速過程和起步時間較短，理 論上可以用電動機的外特性進行設計計算。下面從自行車直線行駛動理學模型來進行分 析。 在設計前先將文章中計算需要的數(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 電動車運行方程 混合動力自行車在路面上運行，有各種不同方向和不同大小的作用力作用在混合動 力自行車上，混合動力自行車牽引學主要研究對自行車運行有直接影響的力，也就是與 混合動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： 混合動力自行車的牽引力 它是由電力機車的牽引電動機所產(chǎn)生的，并通過動輪與F 路面的相互作用力而引起的外力。它與混合動力自行車的運動方向相同，其大小由開車 的人決定。 混合動力自行車運行阻力 它是由混合動力自行車運行時由多種原因引起的阻止電W 動車運行的外力，其大小是不可以控制的。 混合動力自行車的制動力 它是由機車和車輛上的制動裝置所產(chǎn)生的，并通過輪與B 鋼軌的相互作用而引起的外力，用來使混合動力自行車減速或停車。它與混合動力自行 車的運行方向相反。 這三種力以不同的方式形成作用于混合動力自行車上形成的合力 ：C 牽引運行時：合力 ；WFC?? 慣性運行時：合力 ； 制動時：合力 。)(B? 電動車運行方程是把電動車當作一個平移的鋼體，表示電動車在不同運行狀態(tài)時， XXXX 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 4 作用在電動車上諸力的關系式。在工程上用它計算電動車運行時所需要的制動力、慣性 力。 電動車在運行時狀態(tài)有三種： 牽引狀態(tài)，電動車在電動機的牽引力作用下，起動，加速或等速運行； 慣性運行，電動車在運行中牽引電動機斷電后靠慣性運行； 制動運行，電動車在運行中切斷牽引電動機的電源，并且施加機械或電氣的制動力， 減速運行。 電動車在牽引等速狀態(tài)下，沿運行方向作用在電動車上的力有牽引力 、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?? 這就是牽引等速運行狀態(tài)下的基本方程。 2.2 混合動力自行車的行駛力學 2.2.1 車輛模型 驅(qū)動系統(tǒng)的動力輸出特性與車子的動力性能直接相關。驅(qū)動系統(tǒng)的動力輸出更該滿 足車子的動力性能要求。在設計混合動力自行車驅(qū)動系統(tǒng)時，為了使混合動力自行車達 到要求的動力性能指標，首先必須建立混合動力自行車的力學模型，對混合動力自行車 行駛過程中力與功率的平衡進行分析，以得到混合動力自行車的需求特性。混合動力自 行車的動力傳動系統(tǒng)主要是由能量存儲系統(tǒng)和動力驅(qū)動系統(tǒng)組成。能量存儲系統(tǒng)包括蓄 電池和能量管理系統(tǒng)，動力驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動電動機和驅(qū)動控制系統(tǒng)。 混合動力自行車在行駛過程中，由動力蓄電池輸出電能給電動機，電動機輸出功率， 用于克服混合動力自行車本身機械裝置中的內(nèi)部阻力以及行駛條件決定的外部阻力消耗 的功率，外部阻力即混合動力自行車的行駛阻力。從分析電動汽車行駛時的受力狀況出 發(fā)，建立直線行駛方程式，是分析混合動力自行車直線行駛性能的基礎。 XXXX 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 5 圖 2-1 車輪行駛時的受力分析 混合動力自行車運行時的阻力系數(shù) 為：? 式(2.2)fdKuD?? 式中： ——車輪與地面之間的滾動摩擦系數(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 [27]給出正常行駛的不同路段的滾動摩擦系數(shù)表 2-1。 表 2-1 不同路面的滾動摩擦系數(shù) 路面特征 fK 全新堅硬的柏油、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 電動車阻力計算 混合動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，計算 時可以不予考慮。 基本阻力是電動車經(jīng)常受的阻力?；咀枇τ米枇ο禂?shù)求得，電動車的基本阻力用 下式計算： 式（2.3）?gmMgF)(211?? 式中 ——人的質(zhì)量， =70 ；1mmk ——混合動力自行車空載時的質(zhì)量， =50 。2 2k 所以基本阻力為： XXXX 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 6 NF06.245.01)750(1 ???? 坡道阻力是混合動力自行車載坡道上運行時，電動車的重力沿坡道傾斜方向的分力。 設 為坡道的傾斜角，這時坡道的阻力 為：?2 式（2.4）?sin)(21gm??? 式中的“ ”符號表示：上坡運行時取“+” ，下坡運行時取“-”? 所以混合動力自行車的靜阻力為： 式（2.5）01212()(sin)Fg????? 若混合動力自行車在水平地面上行駛時電動車的靜阻力為： N06.24)05.()75(0 ??? 2.2.3 空氣阻力 車子向前進，必須借助一定的力量。騎車人每踏蹬的力量叫前進力，也叫向前推力。 前進力與用力、傳動比、曲柄(即中軸到腳蹬的連桿)長以 Y 代表前進力，Q 代表踏蹬力量， I 代表曲柄長度，D 代表傳動比，它們之間的關系用公式表示則為： 式（2.6）DY/? 前進力與踏蹬力量，曲柄長度成正比，與傳動系數(shù)則成反比。 人們騎著自行車前進時，即使在無風天也會感到有風從耳邊飛過，速度越快人感覺 到的風力越大，阻礙前進的效果越明顯。因為人們不是在真空中騎車，而是四周始終被 空氣包圍著。從物理學觀點來講：人騎車行進時，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)過測量，風速在 40 公里每小時的情況下，垂直于 風向每平方米面積受到的壓力為 11 公斤。不論風速 40 公里每小時或是每小時 40 公里的 速度騎行時，它們垂直于風向的每平方米面積上所受到的空氣壓力都是 11 公斤。 人們騎車前進時，必須突破空氣阻力，這就需要力量。不同風級所產(chǎn)生的風速和垂 直風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 電動車慣性力的計算 電動車的慣性力除了平移之外，還有車輪、電機轉(zhuǎn)子等螺旋部件的旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn) 慣性矩。為了簡化計算，將這些旋轉(zhuǎn)慣性矩折算成平移移動的慣性力。這樣混合動力自 行車慣性力即為： 式121212()()())aWmama?????? （2.7） XXXX 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 7 ——混合動力自行車的慣性力， ；aWN —— 旋轉(zhuǎn)慣性系數(shù)，參照礦用機車的數(shù)據(jù)，混合動力自行車取 0.075；? —— 混合動力自行車的加速度，啟動時的加速度取 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）整理后得到混合動力自行車牽引運行時需要機車給 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( ?????? 電動車在慣性運行的狀態(tài)下牽引電動機斷電，牽引力消失?；旌蟿恿ψ孕熊囈揽恳?具有的能量克服阻力繼續(xù)運行，如果軌道坡度不大，混合動力自行車是減速運行的，在 這種情況下，沿運行方向作用在混合動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） ，可以得到慣性運行時列車的加速度的表達式： 式1(sin).075agw???? （2.11） 由上式可以看出，混合動力自行車上坡或沿水平運行時，及下坡 時，sin??? ，混合動力自行車減速運行；只有在下坡運行 時，混合動力自行車是加速0a? sin??? 運行的。 2.2.5 電動車的牽引力計算 現(xiàn)在分析牽引電動機給出的轉(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。 混合動力自行車的后輪，是牽引電動機的主動輪。設混合動力自行車的質(zhì)量為 ，2m 作用在該輪對上的力見圖 2-2。 為牽引電動機傳遞到該輪上的轉(zhuǎn)矩； 為運行阻力，MF 為地面的支持力。將轉(zhuǎn)矩 用一個作用在輪軌接觸點和輪心的等效力偶代替，則力偶0N XXXX 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 8 的大小 為：1F 式12MFD? （2.12） 當輪胎接觸點處的 時，摩擦 與力偶力 總是大小相等方向相反，車輪在maxfF?f1 C 點處無滑移，在輪心處 的作用下，車輪以 C 點為瞬心，向前滾動前進。輪心處 11F 力，即為一個輪上的牽引力， 與阻力 平衡。1F 圖 2-2 混合動力自行車牽引力分析 若 時，車輪在 C 點受力不平衡，車輪將克服路面的摩擦阻力空轉(zhuǎn)而不前進。maxfF? 實際上，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 處不可能保持理想的無滑動滾動、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。理論上把這個系數(shù)稱為粘著系數(shù)；車輪與路面之間的摩擦力相應得稱為粘著 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 本 科 畢 業(yè) 設 計 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、運行速度的高低 隨著運行速度增加,加劇了車輪與路面的縱向和橫向的滑動及機 車振動，粘著系數(shù)減小。 3、混合動力自行車特性的差異，車輪直徑的大小不同，各車輪間的負載分布不均、 電動機的分布等都對粘著系數(shù)有影響。參考文獻 [27]得到表 2-2。 2.3 混合動力自行車的動力性能 混合動力自行車因為以蓄電池存儲的電能為能量來源，所以衡量混合動力自行車性 能的一項重要指標是最大續(xù)駛里程，而且，混合動力自行車采用的是電機驅(qū)動系統(tǒng)，其 輸出特性和一般自行車也不相同。 混合動力自行車的電機驅(qū)動系統(tǒng)將蓄電池輸出的電能轉(zhuǎn)化為車輪的旋轉(zhuǎn)動能，從而 驅(qū)動混合動力自行車運行。它決定了混合動力自行車的動力性能，它的能量轉(zhuǎn)化效率也 直接影響到混合動力自行車的最大行駛里程。由此可見，研究混合動力自行車驅(qū)動系統(tǒng) 對提高混合動力自行車性能具有重要意義。 另外，混合動力自行車因為采用電機驅(qū)動系統(tǒng)，可以利用電動機的逆向工作性能， 制動時的能量進行回饋，增強其制動性能。 混合動力自行車的動力性能值是自行車在良好路面上直線行駛時由自行車受到的縱 向外力決定的，所能達到的平均行駛速度 [29]。下面介紹自行車的主要動力性能指標：最 高車速、加速時間、最大爬坡度。 自行車的最高車速：在水平良好的路面上，自行車所能達到的最高行駛車速。 自行車的加速時間：常用原地起步加速時間與超車加速時間來表明自行車的加速能 力。原地起步加速時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 定的距離或預定速度所需的時間。超車加速時間，是指用最高檔由較低車速全力加速到 高速所需的時間。 自行車能爬上的最大的坡度是指用滿載時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 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 10 c.扭矩：扭矩是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動的力。發(fā)動機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)電機轉(zhuǎn)速成反比關系，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)的負載能力。 d.最大總質(zhì)量（kg）：自行車滿載時的總質(zhì)量。 最大裝載質(zhì)量（kg）：自行車在道路上行駛時的最大裝載質(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 制動系統(tǒng) 2.4.1 混合動力自行車剎車分類 傳統(tǒng)的混合動力自行車只是機械式剎車,使很多的能量在不知不覺中浪費,而現(xiàn)在我們 做的混合動力自行車帶有了能量反饋節(jié)約了能量。帶有制動能量再生系統(tǒng)混合動力自行 車的制動過程與傳統(tǒng)的混合動力自行車的制動有著不同之處。再生制動力是利用在電磁 場中旋轉(zhuǎn)的磁極將會產(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)生對混合動力自行車的制動。但是這種制動方式在遇到緊急情況時將不能應付，因 為他不能在短時間內(nèi)使自行車停下來。因此在做混合動力自行車制動時，既用了再生制 動也使用了傳統(tǒng)的帶式制動器，使電動車的剎車更有效，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。因此在求制動力時，我們分緊急情況與正常情況。 緊急情況指的是在同一時間內(nèi)既有手制動也有再生制動。 正常狀況指的是只有再生制動一種情況。 2.4.2 制動力的分析與求解 圖 2-3 為良好的硬路面上制動時車輪受力情況： 圖中， 是車輪制動器中的摩擦力矩； 是再生制動力矩，即制動時再生制動系統(tǒng)uTreT 作用于自行車車輪的阻力矩， 為車子的阻力， 為車軸對車輪的推力。有力矩平衡得：1FpF 式（2.131/2ureD?? ） 由于制動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)； 為地面對車輪的法向反作用力。F? z XXXX 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 11 將式（2.12）代入（2.13）得： /2urezTFD??? 整理得： /rezu? 在制動器中，有： /2uTFD? ——為機械剎車時制動器的制動力。uF 圖 2-3 制動時車輪受力 這里以正常狀態(tài)下計算為例，在正常情況下，只有再生能量制動。車輪制動器中的 摩擦力矩 ，那么0uT? /23.6rezTFDNM??? 本設計的電動車使用了制動能量回收技術，制動系統(tǒng)在原有的制動基礎上增加了能 量回收，制動力矩再生制動過程與傳統(tǒng)的制動過程的不同。 2.4.3 手動制動器的設計 混合動力自行車的制動器正常多數(shù)采用帶式制動，帶式制動器已經(jīng)標準化。根據(jù)電 動輪上的剎車輪的直徑為 43 ，所以選擇的帶式制動器的型號為 ZBJ8501-1989，額定m 制動力矩 。NTe??250 制動帶總成：內(nèi)徑為 45 ，帶寬為 12 ；m 制動帶板：帶長為 142.3 ，帶寬為 12 ； 制動襯片：內(nèi)徑 45 ，展開長度為 24 。 參考文獻 [13]，各基本尺寸見表 3-1。 表 3-1 簡單制動器的各基本尺寸 XXXX 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 12 d e1 e2 B a1 a2 45 0.6 0.9 15 015015 選好制動器以后，應該按照配套主機的要求對制動力矩、發(fā)熱情況進行驗算。由于 混合動力自行車的工作環(huán)境比較好，散熱條件也比較優(yōu)越，因此在校核時不考慮發(fā)熱對 制動器的影響只驗算制動力矩。根據(jù)制動器的運轉(zhuǎn)情況計算制動軸上的負載力矩。并考 慮一定的安全設備（安全系數(shù) ，可查表獲得）求出制動力矩 。再參照制動器的額定制?T 動力矩 使 。eTe? 根據(jù)制動對象的運動情況可以分為平移動制動和垂直移動制動兩種類型。平移制動 指的是被制動的是慣性質(zhì)量；而垂直制動被制動的是有慣性質(zhì)量和垂直負載，且垂直負 載是主要的，如提升設備制動。 計算制動力矩時，平移制動按照： 式(2.15)fuT?? ——負載力矩此處為換算到制動軸上的傳動系統(tǒng)的摩擦力矩， ；uT mN? ——換算到制動軸上的總摩擦力矩， 。f mN? 垂直制動按照： 式(2.16)?uT? ——換算到制動軸上的負載力矩， ；uT???1u? ——換算到制動軸上的總摩擦力矩， 。1T mN? ——轉(zhuǎn)化效率。? 混合動力自行車制動的是慣性質(zhì)量屬于平移制動，根據(jù) 2.14 計算。這里需要說明的 是混合動力自行車除了摩擦力矩還有直流電動機的再生制動。所以需將公式 2.14 改為： 式(2.17)refuT?? ——再生制動力矩。上章節(jié)已經(jīng)計算出了 的取值范圍。reT rmNgwDmTf ?????92.4/.025.1)705(/21u ?/.)( XXXX 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 13 由于 是一個范圍值,那么就可以求出制動力矩 的一個最大與最小的范圍.最小是再reT T 生制動力矩 達到最大 ,此時mN?6.3 mNTrefu ??????48.2316.9420 最大是再生制動力矩 達到最小為 0,此時rerefu ??0.5. 所以剎車的制動力矩 ，滿足 ，即選擇的帶式制動器滿mNT?0823548.231eT? 足要求可以使用。 2.5 蓄電池的種類和結(jié)構(gòu) 蓄電池是混合動力自行車的能源載體，是混合動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。電動車對蓄 電池的要求是容量大，壽命長，重量輕，價格廉。鉛酸蓄電池的優(yōu)點是價格最低，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，但是價格昂貴。在混合動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，正極 還原為 ，充電時 ，又被氧化成NiOH2()i 2()NiOH ，電極反應表示為：NiOH22()iei?? ? ????? ?放充 負極海綿狀鎘放電時氧化生成氫氧化鎘，充電時氫氧化鎘還原為鎘，電極反 應表示為