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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論 文）
設(shè)計(jì)(論文)題目： 無(wú)人駕駛電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)
系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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目 錄
摘 要 Ⅲ
Abstract Ⅳ
1.緒論 1
1.1課題研究背景及意義 1
1.2無(wú)人駕駛電動(dòng)汽車(chē)的概述 1
1.3課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.4本文的研究意義及主要研究?jī)?nèi)容 3
2.再生制動(dòng)系統(tǒng)的基本原理 4
2.1汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成 4
2.2再生制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理 4
2.3再生制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 5
2.4常見(jiàn)的再生制動(dòng)方式 6
2.5本章小結(jié) 6
3 再生制動(dòng)力的計(jì)算與修正 8
3.1再生制動(dòng)力的限制因素分析 8
3.2電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)參數(shù) 9
3.3制動(dòng)力分配系數(shù)計(jì)算 10
3.4電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩限制計(jì)算 14
3.5本章小結(jié) 15
4 制動(dòng)能量的回收 16
4.1儲(chǔ)能器件的選擇 16
4.2超級(jí)電容的基本原理 16
4.3超級(jí)電容的特性 17
4.4本章小結(jié) 17
5 再生制動(dòng)系統(tǒng)的建模與仿真 18
5.1制動(dòng)系統(tǒng)的建模 18
5.2 制動(dòng)零部件主要系統(tǒng)的仿真分析 21
5.3 主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的仿真分析 24
5.4本章小結(jié) 26
6 結(jié)論與展望 27
參考文獻(xiàn) 28
致謝 29
II
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無(wú)人駕駛電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
摘 要
汽車(chē)經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展歷程，現(xiàn)在已經(jīng)融入到人們生活的方方面面。它擴(kuò)大了人們的出行范圍，提高了人們的生活質(zhì)量，極大地促進(jìn)了社會(huì)的進(jìn)步。伴隨著汽車(chē)的增多，它的弊端也隨之出現(xiàn)，例如：交通擁堵、環(huán)境污染等。在全世界范圍內(nèi)，已經(jīng)出現(xiàn)了好幾次重大的污染事件，汽車(chē)排放也是罪魁禍?zhǔn)字弧Ｓ捎陔妱?dòng)汽車(chē)具有零排放、低污染等優(yōu)點(diǎn)，已受到人們的重視。
本文主要的研究目地，是根據(jù)已有理論知識(shí)，設(shè)計(jì)出一套再生制動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)在前軸上添加一齒輪，并將該齒輪與電機(jī)上的齒輪嚙合，通過(guò)制動(dòng)時(shí)汽車(chē)的慣性帶動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生電能回收能量。整個(gè)再生制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包含機(jī)械與電路兩部分，本文側(cè)重于機(jī)械部分重要零部件的分析及計(jì)算。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，計(jì)算出制動(dòng)力分配系數(shù)、電機(jī)轉(zhuǎn)矩等重要數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，分析仿真結(jié)果，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，并對(duì)其中出現(xiàn)的的問(wèn)題加以分析解決。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)； 再生制動(dòng) ；能量回收
VI
Abstract
The design of the unmanned electric vehicle regenerative braking system
Abstract
After one hundred years of development, car has now been integrated into all aspects of people's life.It enlarged the scope of people's travel, improve people's quality of life and greatly promoted the progress of the society.With the increasing of the car, its disadvantages are also emerged, traffic congestion, environmental pollution, etc.?there have been several major pollution incident all the world, emissions from cars is also one of the culprit.Due to it has the advantages of zero emissions, low pollution, the electric car has received people's attention.
The purpose of this paper is based on existing theory knowledge, design a set of regenerative braking system,By adding the one on the front axle gear and the gear on the motor gear mesh, by inertia driven motor to generate electricity when braking energy recycling.The whole design of regenerative braking system includes mechanical and circuit two parts, this paper focuses on the important parts of mechanical part of analysis and calculation.Through the analysis of the existing electric vehicle related parameters calculation, calculate the braking force distribution coefficient, motor torque and other data, and carries on the simulation analysis based on these data, the analysis of simulation results, the feasibility of the design are verified, and the analysis of the problems of solution.
Keywords: electric vehicle； regenerative braking； energy recovery
第一章 緒論
1.緒論
1.1課題研究背景及意義
從1886年本茨發(fā)明了第一輛三輪汽車(chē)，到如今已有130年的歷史，在這過(guò)程中汽車(chē)產(chǎn)業(yè)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，從最初的三輪簡(jiǎn)陋的汽車(chē)，到如今功能齊全速度飛快地四輪汽車(chē)，汽車(chē)這一對(duì)促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步起到非常重要作用的工具也在人們的不斷努力下得以完善。如今汽車(chē)已經(jīng)與人類(lèi)的生活密不可分。它極大地?cái)U(kuò)展了人們的出行范圍，為貨物的運(yùn)輸提供了極大的便利。雖然汽車(chē)對(duì)人類(lèi)的進(jìn)步作用巨大，但我們并不能只看到它的好處而無(wú)視它帶來(lái)的危害。最近十幾年，伴隨著世界汽車(chē)保有量的增加，作為汽車(chē)能源的石油等資源不可避免的被大量消耗，據(jù)預(yù)測(cè)，世界各地的石油等資源只夠再挖掘50多年。有數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)今全世界每天石油的消耗量大約在4000萬(wàn)桶左右，其中大約30%～50%是被用來(lái)進(jìn)行貨物的流通，而作為主要交通工具的汽車(chē)消耗的石油大約占交通運(yùn)輸消耗總量的70%～80%。
汽車(chē)不僅僅是消耗大量石油資源，還會(huì)產(chǎn)生大量的有害物質(zhì)，影響人類(lèi)的健康以及動(dòng)植物的生長(zhǎng)。目前，絕大多數(shù)的汽車(chē)都是靠燃燒汽油或者柴油來(lái)工作的，在理想情況下，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)能夠充分利用汽油的話(huà)，就只有二氧化碳和水會(huì)被排放到大氣中去，這些二氧化碳會(huì)被自然界中的植物吸收。但是隨著交通運(yùn)輸量的增加，汽車(chē)的使用量急劇上升，汽車(chē)排放的二氧化碳量已經(jīng)超過(guò)的環(huán)境能凈化的上限，大量的二氧化碳累積起來(lái)，就會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)。而實(shí)際并不如想象的那么美好，汽油在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃燒不充分，就會(huì)有大量的沒(méi)有完全燃燒的碳?xì)浠衔?、一氧化碳、氮氧化物等物質(zhì)產(chǎn)生，這些氣體成分對(duì)人體是有害的。我國(guó)作為發(fā)展中國(guó)家，片面的追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展而容易忽視對(duì)環(huán)境進(jìn)行保護(hù)，所以我國(guó)的環(huán)境污染問(wèn)題相當(dāng)嚴(yán)重。
人們逐漸重視汽車(chē)所造成的負(fù)面影響，世界各國(guó)都在制定有關(guān)的法律法規(guī)。當(dāng)下，為尋求更好的發(fā)展，促進(jìn)汽車(chē)的節(jié)能、環(huán)保和安全等性能已經(jīng)成為焦點(diǎn)。在汽車(chē)行業(yè)，促進(jìn)節(jié)能、環(huán)保主要有兩大途徑:一是降低油耗并且限制有害物的排放;另一方法是開(kāi)發(fā)使用新能源汽車(chē)如：燃料電池電動(dòng)汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)等。目前，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展內(nèi)燃機(jī)技術(shù)己經(jīng)走到頂點(diǎn)，想要再做重大突破已然不現(xiàn)實(shí)，所以各國(guó)汽車(chē)行業(yè)將新能源汽車(chē)的研發(fā)作為主要的研究方向。相較于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)，新能源汽車(chē)在尾氣的排放、能量的來(lái)源、總能量利用率、高功率運(yùn)行工況以及未來(lái)的應(yīng)用前景等方面都有優(yōu)勢(shì)。
1.2無(wú)人駕駛電動(dòng)汽車(chē)的概述
電動(dòng)汽車(chē)屬于電動(dòng)車(chē)輛，是指那些靠汽車(chē)所攜帶的儲(chǔ)能器件上儲(chǔ)存的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)的一類(lèi)汽車(chē)。電動(dòng)汽車(chē)在性能上基本與內(nèi)燃機(jī)保持一致，只是驅(qū)動(dòng)方式和動(dòng)力線(xiàn)路與內(nèi)燃機(jī)不同，且具有電動(dòng)車(chē)輛的基本特征。電動(dòng)汽車(chē)通常分為三類(lèi)：純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池電動(dòng)汽車(chē)。
研發(fā)電動(dòng)汽車(chē)的目的只是改善日益嚴(yán)峻的能源壓力以及環(huán)境污染，所以電動(dòng)汽車(chē)與內(nèi)燃機(jī)相比，只有有關(guān)動(dòng)力系統(tǒng)方面的進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)有所不同，其它的汽車(chē)中的系統(tǒng)包括造型、車(chē)身、底盤(pán)等都與內(nèi)燃機(jī)大同小異。目前由于電動(dòng)汽車(chē)處于研發(fā)、示范階段，個(gè)人想法不同，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式也就五花八門(mén)，但總體來(lái)說(shuō)，電動(dòng)汽車(chē)一般包括電源供給系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、管理系統(tǒng)等系統(tǒng)。
電動(dòng)汽車(chē)的顯著優(yōu)點(diǎn)如下：1、污染少；2、可使用多種能源；3、效率高；4、噪聲低；5、更利于智能化。現(xiàn)在，發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)已成為減輕環(huán)境污染的行之有效的途徑之一，同時(shí)，隨著社會(huì)的進(jìn)步，各種高新技術(shù)蓬勃發(fā)展，為電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)及完善提供了有利條件。
1.3課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.3.1國(guó)外再生制動(dòng)技術(shù)研究現(xiàn)狀
從二十多年前，國(guó)外就已經(jīng)關(guān)注并研究再生制動(dòng)系統(tǒng)的有關(guān)技術(shù)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間研究，在這塊全新的領(lǐng)域已經(jīng)獲得了成功，他們的有關(guān)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，并且部分已經(jīng)運(yùn)用于實(shí)車(chē)之上。
在1997年，日本豐田汽車(chē)公司研發(fā)出一款名為Prius的混合動(dòng)力轎車(chē)，該車(chē)在當(dāng)時(shí)就已經(jīng)配備了再生制動(dòng)系統(tǒng)，這是再生制動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)車(chē)上的首次運(yùn)用。該系統(tǒng)包含兩種制動(dòng)方式，即再生制動(dòng)與傳統(tǒng)摩擦制動(dòng)。它通過(guò)調(diào)節(jié)再生、摩擦制動(dòng)的比例，來(lái)控制再生制動(dòng)力與摩擦制動(dòng)力的大小。
本田汽車(chē)緊跟著豐田的腳步，在1999年研發(fā)出自己的混合動(dòng)力汽車(chē)Insight。在這款車(chē)上雙制動(dòng)力分配系數(shù)更加的合理，這就使得再生制動(dòng)的控制向精確化與速度化發(fā)展，不僅使汽車(chē)的制動(dòng)過(guò)程更加安全舒適，同時(shí)它還增加了制動(dòng)能量的回收效率。
國(guó)外的各個(gè)汽車(chē)企業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)都在研究再生制動(dòng)系統(tǒng)這一技術(shù)，同時(shí)，受到他們的影響，國(guó)外的大學(xué)也將這一課題作為熱門(mén)課題加以研究。
由于國(guó)外較早的就開(kāi)始對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，所以目前在再生制動(dòng)這個(gè)領(lǐng)域里己取得了較多成果，并且已經(jīng)能夠?qū)⒃偕苿?dòng)系統(tǒng)運(yùn)用于特定的量產(chǎn)車(chē)型之上。
1.3.2國(guó)內(nèi)再生制動(dòng)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
我國(guó)受到經(jīng)濟(jì)發(fā)展與技術(shù)水平的限制，所以對(duì)于再生制動(dòng)這個(gè)領(lǐng)域的研究起步比較晚，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于再生制動(dòng)這方面的研究仍處于起步階段，雖然在理論研究等方面已經(jīng)有所突破，但距離實(shí)用仍需要很長(zhǎng)時(shí)間。
重慶大學(xué)的譚強(qiáng)俊搭建了再生制動(dòng)系統(tǒng)硬件環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制參數(shù)的在線(xiàn)整定與性能實(shí)驗(yàn)，為混合動(dòng)力轎車(chē)再生制動(dòng)系統(tǒng)的完善和優(yōu)化提供研究基礎(chǔ)[1]。
江蘇大學(xué)的陳慶樟、何仁、商高高等通過(guò)模塊化、分層控制等方法設(shè)計(jì)出一套環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)在研究制動(dòng)穩(wěn)定性、能量回收率、制動(dòng)踏板穩(wěn)定性、等方面具有顯著的效果，同時(shí)他們將各個(gè)部分通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行連接，使試驗(yàn)臺(tái)具有較好的可控性與線(xiàn)控制動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)擴(kuò)展性[2]。
江蘇大學(xué)的隋妮、王廣萍等以電動(dòng)汽車(chē)上的輪轂電機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)于輪轂電機(jī)的研究，設(shè)計(jì)出了直流無(wú)刷電機(jī)再生制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，并將在該試驗(yàn)臺(tái)上采集的數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了再生制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的可行性和控制策略的合理性[3]。
從以上例子能看出，再生制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)在我國(guó)仍屬于新技術(shù)，我們對(duì)它的研究較少，大多都是仿真分析等理論性的研究，應(yīng)用于實(shí)車(chē)上技術(shù)的較少，還需要繼續(xù)深入研究。
1.4本文的研究意義及主要研究?jī)?nèi)容
由于目前還沒(méi)有發(fā)明出小體積大能量且價(jià)格便宜的儲(chǔ)能器件，電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源問(wèn)題沒(méi)辦法從根本上解決，所以現(xiàn)在電動(dòng)汽車(chē)不能像傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)一樣長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)距離的使用是限制電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的最大難題。既然開(kāi)源我們沒(méi)辦法解決，那就從節(jié)流入手，而采用再生制動(dòng)系統(tǒng)，能夠回收部分本應(yīng)被浪費(fèi)的制動(dòng)能量，雖然沒(méi)辦法增加儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量上限，但會(huì)使電動(dòng)汽車(chē)使用的總能量增加，這就能夠在一定程度上增加它的的續(xù)駛里程，所以研究再生制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展具有重大意義。
本課題的主要研究?jī)?nèi)容為：
1.分析可能會(huì)對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)造成影響的地方，并根據(jù)電機(jī)分析計(jì)算再生制動(dòng)力矩，保證電機(jī)的轉(zhuǎn)矩等符合強(qiáng)度要求，從而使整個(gè)系統(tǒng)能夠順利工作。
2.對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模，對(duì)系統(tǒng)的重要零件進(jìn)行強(qiáng)度校核及受力分析，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，分析仿真結(jié)果，為以后的改進(jìn)創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。
29
第二章 再生制造系統(tǒng)的基本原理
2.再生制動(dòng)系統(tǒng)的基本原理
2.1汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成
汽車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)的組成見(jiàn)圖2-1，操縱機(jī)構(gòu)接收控制員的制動(dòng)信號(hào)，并將它發(fā)送到下一機(jī)構(gòu)，同時(shí)它也得判斷在電機(jī)制動(dòng)失效的情況下，將所有的制動(dòng)壓力傳送給摩擦制動(dòng)系統(tǒng)而切斷電機(jī)制動(dòng)。負(fù)責(zé)接收操縱機(jī)構(gòu)命令的是控制器，它的主要作用是根據(jù)控制算法來(lái)分配摩擦制動(dòng)和電機(jī)制動(dòng)各自所占的比例。摩擦制動(dòng)系統(tǒng)即是傳統(tǒng)的機(jī)械制動(dòng)，把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能然后通過(guò)散熱消耗掉，以此來(lái)進(jìn)行汽車(chē)的制動(dòng)過(guò)程。而電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)和能量存儲(chǔ)系統(tǒng)共同組成了能量回收系統(tǒng)，在保證制動(dòng)安全性的前提下回收部分制動(dòng)能量。
圖2-1再生制動(dòng)系統(tǒng)基本構(gòu)成
2.2再生制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理
再生制動(dòng)系統(tǒng)基本原理如圖2-2所示，電機(jī)的作用就是在汽車(chē)制動(dòng)減速時(shí)回收制動(dòng)能量并將回收的能量在加速時(shí)回饋給汽車(chē)，當(dāng)電機(jī)M在汽車(chē)加速狀態(tài)下工作時(shí)，蓄電池給電機(jī)供電，促進(jìn)汽車(chē)的啟動(dòng)行駛；當(dāng)電機(jī)M在汽車(chē)制動(dòng)減速狀態(tài)下工作時(shí)，電機(jī)工作方式有兩種情況：一種是開(kāi)關(guān)K閉合時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作增加反向力來(lái)幫助汽車(chē)減速;一種是開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)時(shí)，電機(jī)發(fā)電并將能量?jī)?chǔ)存在蓄電池當(dāng)中。
圖2-2再生制動(dòng)系統(tǒng)原理
——電樞電阻；——制動(dòng)限流電阻；
——電流回饋電路的等效電阻；——制動(dòng)電流；
——感應(yīng)電勢(shì)；——電機(jī)電樞的電感。
當(dāng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)，一般情況下都會(huì)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)K，來(lái)回收部分能量，這時(shí)由于切割磁感應(yīng)線(xiàn)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)迅速上升，通過(guò)帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收以及再利用。
2.3再生制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
2.3.1制動(dòng)穩(wěn)定性
制動(dòng)系統(tǒng)是保證汽車(chē)行駛安全最重要的系統(tǒng)，保證制動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要考慮因素[4]。與單純的摩擦制動(dòng)系統(tǒng)相比，再生制動(dòng)系統(tǒng)是摩擦制動(dòng)與電機(jī)制動(dòng)兩部分聯(lián)合工作，由于電機(jī)制動(dòng)力受外界的影響較大，所以總的制動(dòng)力的大小總是上下浮動(dòng)的。在前驅(qū)電動(dòng)汽車(chē)上，電機(jī)的制動(dòng)力矩一般都是作用在前輪上的，如果電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)力矩以及傳統(tǒng)液壓制動(dòng)力矩兩者之和超過(guò)所需要的制動(dòng)力矩的話(huà)，那么前輪就會(huì)抱死，則車(chē)輛無(wú)法控制方向，容易發(fā)生汽車(chē)失控的情況;如果電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)力矩以及傳統(tǒng)液壓制動(dòng)力矩兩者之和小于所需要的制動(dòng)力矩，那么汽車(chē)對(duì)地面的附著力不夠，汽車(chē)從制動(dòng)到完全停止的距離就會(huì)拉長(zhǎng)，這在某些時(shí)候就會(huì)對(duì)駕駛員及乘員的安全造成威脅。所以，再生制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的是保證再生制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)穩(wěn)定性，避免發(fā)生車(chē)輪抱死或者制動(dòng)力不夠的情況。
2.3.2制動(dòng)平順性
再生制動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)制動(dòng)部分受外界影響較大，特別是當(dāng)車(chē)速變化時(shí)，制動(dòng)力矩的大小也會(huì)隨之變化。當(dāng)電機(jī)制動(dòng)力矩減小時(shí)，為了保證制動(dòng)效果，摩擦制動(dòng)力矩的大小就得隨之增加，從而保證兩者之和在允許范圍內(nèi)，避免制動(dòng)力不足而引起的制動(dòng)距離增加的情況；當(dāng)電機(jī)制動(dòng)力矩增加時(shí)，摩擦制動(dòng)力矩就得隨之減小，否則的話(huà)，兩者之和總的制動(dòng)力超出了汽車(chē)制動(dòng)所需制動(dòng)力，就會(huì)產(chǎn)生車(chē)輪抱死的情況。以上都只能在理論滿(mǎn)足的條件，因?yàn)橐簤褐苿?dòng)過(guò)程總是需要一定的時(shí)間，這就使得制動(dòng)力矩的變化有滯后性，這種滯后性最顯著的反饋就是制動(dòng)踏板的抖動(dòng)，這就會(huì)影響駕駛員的操作。
2.3.3制動(dòng)能量回收率
再生制動(dòng)系統(tǒng)最初被設(shè)計(jì)出來(lái)的目的就是能夠回收制動(dòng)能量，所以能量的回收率不可避免的成為衡量制動(dòng)系統(tǒng)好壞的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。然而，汽車(chē)的制動(dòng)過(guò)程并不僅僅只有再生制動(dòng)系統(tǒng)參與，還有液壓制動(dòng)，即傳統(tǒng)的摩擦制動(dòng)，其消耗的制動(dòng)能則是無(wú)法回收的；滾動(dòng)阻力、空氣阻力等也會(huì)消耗部分能量，這部分的能量也是不可回收的，能夠加以回收得能量只有電機(jī)參與的再生制動(dòng)過(guò)程中消耗的部分能量。
2.4常見(jiàn)的再生制動(dòng)方式
2.4.1飛輪再生制動(dòng)系統(tǒng)
飛輪再生制動(dòng)系統(tǒng)，就是在汽車(chē)制動(dòng)時(shí)，將飛輪系統(tǒng)接入制動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)車(chē)輪帶動(dòng)飛輪，將本來(lái)應(yīng)該被轉(zhuǎn)化成熱量消耗掉的部分制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為飛輪的動(dòng)能，其實(shí)質(zhì)就是能量的轉(zhuǎn)移。在20世紀(jì)80年代，這種技術(shù)就已被人們研究，但受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)，并沒(méi)有取得成果。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，利用飛輪來(lái)儲(chǔ)存能量這一技術(shù)又再次回到了人們研究范圍。而其缺點(diǎn)也是較為明顯的，機(jī)械機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，能量釋放難以控制以及噪聲大等。
2.4.2液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)
液壓制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)與飛輪再生制動(dòng)相似，它的工作方式是通過(guò)控制液壓泵/馬達(dá)中液壓油的流向來(lái)產(chǎn)生制動(dòng)效果的。在汽車(chē)需要制動(dòng)停車(chē)或減速時(shí)，慣性能量驅(qū)動(dòng)液壓泵/馬達(dá)工作，使得液壓油從低壓蓄能器內(nèi)流向高壓蓄能器，然后制動(dòng)能量就會(huì)被保存在高壓蓄能器中;在汽車(chē)處于啟動(dòng)或加速狀態(tài)下時(shí)，高壓蓄能器中的液壓油釋放能量并流入低壓蓄能器，當(dāng)液壓油流經(jīng)液壓泵/馬達(dá)時(shí)，儲(chǔ)存在液壓油中的能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，幫助汽車(chē)啟動(dòng)或者加速。液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是比功率高，回收或者釋放能量的速度快，但其局限性在于存儲(chǔ)的能量有限，而且要求較高的油路密封性，如果發(fā)生泄露，不僅會(huì)污染環(huán)境，還會(huì)引起汽車(chē)動(dòng)力性能方面的安全隱患。
2.4.3電化學(xué)再生制動(dòng)系統(tǒng)
電化學(xué)再生制動(dòng)系統(tǒng)是通過(guò)發(fā)電機(jī)將汽車(chē)的制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在儲(chǔ)能設(shè)備中，存儲(chǔ)在儲(chǔ)能設(shè)備中的能量則通過(guò)電動(dòng)機(jī)在需要時(shí)向外輸出機(jī)械能。在電動(dòng)汽車(chē)中，作為核心的能量轉(zhuǎn)換元件驅(qū)動(dòng)電機(jī)它本身就是汽車(chē)的一部分，這就能避免像飛輪儲(chǔ)能、液壓儲(chǔ)能等方式一樣加裝額外零部件或者改變機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此電化學(xué)再生制動(dòng)技術(shù)在新能源汽車(chē)領(lǐng)域上的應(yīng)用的比較廣泛。
2.5本章小結(jié)
本章首先介紹了再生制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成工作原理和它是如何工作的，提出了制動(dòng)穩(wěn)定性、制動(dòng)平順性和能量回收率這幾個(gè)需要重點(diǎn)考慮方面的要求。并且根據(jù)儲(chǔ)能器的不同，將常見(jiàn)的再生制動(dòng)方式進(jìn)行分類(lèi)并根據(jù)其工作環(huán)境和優(yōu)缺點(diǎn)簡(jiǎn)單介紹了一下。本章主要是是為下一章制動(dòng)力的計(jì)算與校核做準(zhǔn)備工作的。
第三章 再生制動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算與修正
3 再生制動(dòng)力的計(jì)算與修正
3.1再生制動(dòng)力的限制因素分析
再生制動(dòng)系統(tǒng)包含是機(jī)械制動(dòng)和再生制動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)起作用時(shí)，機(jī)械與再生制動(dòng)兩部分相輔相成。機(jī)械制動(dòng)部分主要是靠制動(dòng)鉗受到液壓油給他的壓力，兩側(cè)間隙變小，表面與制動(dòng)盤(pán)接觸產(chǎn)生摩擦力，幫助汽車(chē)制動(dòng)。再生制動(dòng)力來(lái)自電機(jī)轉(zhuǎn)矩，靠電機(jī)產(chǎn)生反向的力矩使汽車(chē)制動(dòng)減速或停止。由于力的作用是相互的，電機(jī)制動(dòng)對(duì)車(chē)輪的反向力越大，那么相應(yīng)的，通過(guò)電機(jī)進(jìn)入儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)的能量的量就越大，那么能不能將汽車(chē)所需要的力矩全部用電機(jī)來(lái)提供呢?用電機(jī)來(lái)幫助汽車(chē)制動(dòng)這是一整個(gè)系統(tǒng)，與之相關(guān)的一系列零件，工況等都會(huì)影響它的工作，即使我們想要將電機(jī)制動(dòng)的利益最大化，也不能為了片面追求能量的回收再利用率而危害整車(chē)的制動(dòng)安全與穩(wěn)定。限制電機(jī)再生制動(dòng)力的幾點(diǎn)主要因素如下：
（1） 制動(dòng)時(shí)的安全穩(wěn)定性。汽車(chē)作為人們出行與運(yùn)輸?shù)墓ぞ撸苿?dòng)系統(tǒng)的最重要的，是在需要時(shí)，能按照駕駛員的操控降速或者停車(chē)，規(guī)避危險(xiǎn)。如果為了盡可能多的回收能量，完全依靠電機(jī)制動(dòng)的話(huà)，在某些緊急情況下，車(chē)輛需要在很短的時(shí)間范圍內(nèi)減速或者停車(chē)，如此高強(qiáng)度的制動(dòng)力是電機(jī)根本無(wú)法輸出的。
（2）電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩。電機(jī)的最大制動(dòng)力取決于它的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩。由于電機(jī)能提供的制動(dòng)力較小，所以只有在小強(qiáng)度制動(dòng)的情況下才能單獨(dú)使用電機(jī)制動(dòng)，當(dāng)汽車(chē)需要很高的制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)，電機(jī)所能產(chǎn)生的制動(dòng)力不夠大，這樣的話(huà)，摩擦制動(dòng)就需要參與到制動(dòng)過(guò)程中去，在緊急制動(dòng)下，電機(jī)產(chǎn)生的制動(dòng)力對(duì)于整個(gè)制動(dòng)力來(lái)說(shuō)只能占很少的部分，而且這時(shí)主要考慮的，應(yīng)該是乘員與車(chē)輛的安全，所以電機(jī)制動(dòng)能夠完全不參與到整車(chē)的制動(dòng)。
（3）電池組功率限制。電池的SOC決定了電池是否實(shí)行充電。SOC表示的是電池現(xiàn)有電量與所能儲(chǔ)存的最大值的比值，它表示了電池的能量?jī)?chǔ)存的情況，最少為0，最大為1。SOC為0時(shí)，電池里完全空的，一點(diǎn)能量沒(méi)有；SOC為1時(shí)，能量已經(jīng)儲(chǔ)存滿(mǎn)。電池作為能量回收裝置的一部分，它的SOC數(shù)值，會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。一般情況下，電池中已儲(chǔ)存的能量越少，它能繼續(xù)儲(chǔ)存的量就會(huì)隨之增大，再生制動(dòng)就要最大化的參與汽車(chē)的制動(dòng);蓄電池剩余電量較多時(shí)，要減少能量的回收，以免回收的電量過(guò)大而造成電池過(guò)載，再生制動(dòng)應(yīng)盡量少的參與制動(dòng)。
（4）行駛工況。在城市工況，由于路上車(chē)輛行人較多，汽車(chē)需要頻繁制動(dòng)，且強(qiáng)度較小，適合用電機(jī)再生制動(dòng);而在高速公路上，需要制動(dòng)的情況較少，而且在高速上行駛時(shí)速度快，如果仍使用再生制動(dòng)的話(huà)，在遇到突發(fā)情況時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)將不能在很短的時(shí)間范圍內(nèi)降速，這就容易引發(fā)事故，威肋人員安全，所以這種情況下主要的制動(dòng)力要由機(jī)械制動(dòng)提供。
（5）駕駛?cè)藛T制動(dòng)舒適感。在駕駛員操控制動(dòng)減速時(shí)，要是因?yàn)樵偕苿?dòng)力矩而引起駕駛?cè)藛T無(wú)法掌控制動(dòng)力的大小，對(duì)汽車(chē)的制動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生影響。
3.2電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)參數(shù)
本文研究的電動(dòng)汽車(chē)是學(xué)校周邊運(yùn)行的電動(dòng)公交客車(chē)，其技術(shù)參數(shù)如下表3.1
表3.1汽車(chē)相關(guān)參數(shù)
本車(chē)的驅(qū)動(dòng)方式為后軸驅(qū)動(dòng)，前輪的制動(dòng)方式為傳統(tǒng)摩擦制動(dòng)。本文的設(shè)計(jì)思路是這樣的：在前軸的某一位置添加一主動(dòng)齒輪，在主動(dòng)齒輪的邊上并列一個(gè)小的從動(dòng)齒輪，從動(dòng)齒輪連接電機(jī)。當(dāng)汽車(chē)正常行駛時(shí)，大齒輪空轉(zhuǎn)，不影響整車(chē)的行駛；當(dāng)汽車(chē)制動(dòng)時(shí)，兩個(gè)齒輪嚙合，用制動(dòng)能量帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電，并將轉(zhuǎn)化出的電能儲(chǔ)存在儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)中。詳見(jiàn)圖3.2.
圖3.2再生制動(dòng)設(shè)計(jì)圖
3.3制動(dòng)力分配系數(shù)計(jì)算
ECE法規(guī)全稱(chēng)為聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)汽車(chē)法規(guī)，該法規(guī)針對(duì)不同車(chē)型，對(duì)其制動(dòng)分配有不同的規(guī)定[5]。本文研究的對(duì)象按分類(lèi)屬于M3型客車(chē)，按照ECE法規(guī)對(duì)于這類(lèi)汽車(chē)的要求，本文的改進(jìn)基礎(chǔ)車(chē)型的制動(dòng)力分配曲線(xiàn)圖，如圖3.3所示:
圖3.3 ECE法規(guī)對(duì)M3車(chē)型的規(guī)定
由圖可知:
（1）當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)，前、后軸利用附著系數(shù)曲線(xiàn)，應(yīng)處于之下，在之上，并且，前軸利用附著系數(shù)曲線(xiàn)即應(yīng)位于后軸利用附著系數(shù)曲線(xiàn)之上，以防止后車(chē)輪先抱死而前輪尚未抱死情況的出現(xiàn)。
（2）當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)，后軸的利用附著系數(shù)滿(mǎn)足不等式
。
根據(jù)圖3-3，，可進(jìn)一步計(jì)算出前、后軸制動(dòng)力分配系數(shù)的范圍。計(jì)算過(guò)程如下:
當(dāng)z=0.15～0.3時(shí)，按照規(guī)定，前軸利用附著系數(shù)應(yīng)大于后軸利用隨著系數(shù)，即≥ 根據(jù)前文中提及得利用附著系數(shù)公式，可得到公式:
3-1
根據(jù)制動(dòng)力分配系數(shù)的定義以及前軸地面法向反作用力的計(jì)算公式:
3-2
在考慮前后車(chē)輪總制動(dòng)力均為超過(guò)要求，汽車(chē)整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)能提供的制動(dòng)力為:
3-3
由式3-1,3-2,3-3得:
3-4
3-5
在這種情況下，這里得最小值表示曲線(xiàn)并不是后軸利用附著系數(shù)得最小值。
當(dāng)z = 0.3～0.61時(shí)，計(jì)算方式同樣:
3-6
式3-6中代表前輪上制動(dòng)力與整車(chē)上所有制動(dòng)力的總和的比值。結(jié)合以上能得到和制動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)系:
3-7
將汽車(chē)在空載和滿(mǎn)載時(shí)相應(yīng)狀態(tài)下所測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)公式3-7，計(jì)算出取值的范圍，所得計(jì)算結(jié)果如圖3.4和3.5所示。
圖3.4空載時(shí)制動(dòng)力分配系數(shù)曲線(xiàn)
圖3.5滿(mǎn)載時(shí)制動(dòng)力分配系數(shù)曲線(xiàn)
根據(jù)上圖分析，為使再生制動(dòng)的制動(dòng)力分配系數(shù)符合相關(guān)法律法規(guī)的要求，以及防止后輪先抱死后汽車(chē)無(wú)法控制方向發(fā)生意外，所以值應(yīng)該位于曲線(xiàn)e（E）之上，曲線(xiàn)a（A）之下。
以下為為了對(duì)原來(lái)的制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造而重新計(jì)算汽車(chē)的制動(dòng)力分配系數(shù)，分配系數(shù)上限曲線(xiàn)a取最小值的條件為
3-8
即：
3-9
值的最小值在曲線(xiàn)e(E)取得，e(E)曲線(xiàn)在z=0.3時(shí)位置最高，即:
3-10
分別將空載和滿(mǎn)載時(shí)的參數(shù)代入式中，計(jì)算得到:
空載時(shí)，再生制動(dòng)不參與汽車(chē)的制動(dòng)過(guò)程，所以在此無(wú)需計(jì)算，制動(dòng)力分配系數(shù)取值范圍為:;滿(mǎn)載時(shí)，制動(dòng)力分配系數(shù)的合理取值范圍為:。
空載與滿(mǎn)載兩種情況下制動(dòng)分配系數(shù)有所不同，考慮到這兩種情況，我們選取空載的下限以及滿(mǎn)載的上限，即0.433≤≤0.532，在這范圍內(nèi)的任一數(shù)值都是符合要求的。所以，選取0.5這一數(shù)值既符合相關(guān)法律法規(guī)的要求，又能滿(mǎn)足車(chē)輛的制動(dòng)要求。
如果汽車(chē)是前軸驅(qū)動(dòng)的話(huà)，制動(dòng)力分配系數(shù)值就會(huì)比較大，所以上段所取得的數(shù)值只能作為最低值，再考慮到電機(jī)再生制動(dòng)力會(huì)參與制動(dòng)，所以分配系數(shù)的取值為 ；
如果汽車(chē)是后軸驅(qū)動(dòng)的話(huà)，只有后軸產(chǎn)生電機(jī)再生制動(dòng)力，這時(shí)制動(dòng)力分配系數(shù)值將會(huì)變小，所以上段所取得的數(shù)值能作為最大值，再考慮到電機(jī)再生制動(dòng)力會(huì)參與制動(dòng)，分配系數(shù)只能在這一范圍內(nèi)取得。
因?yàn)楸疚难芯康能?chē)輛是靠后軸驅(qū)動(dòng)的，所以制動(dòng)力分配系數(shù)的取值范圍為0.433 ≤≤0.5。
3.4電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩限制計(jì)算
電機(jī)再生制動(dòng)力的計(jì)算公式為:
3-11
式中，為電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，為主減速器，為變速器速比，為車(chē)輪半徑，為機(jī)械傳動(dòng)效率。
電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩與功率、轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為: 3-12
式(3-10)中，為電機(jī)峰值功率(kW)，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min )，為不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩(N·m)。
我們?cè)谏隙沃幸呀?jīng)計(jì)算出制動(dòng)力分配系數(shù)的大小是是滿(mǎn)足要求的。由于兩根驅(qū)動(dòng)軸上所要承擔(dān)的制動(dòng)力占總制動(dòng)力的大小是一定的，一旦后軸上有電機(jī)再生制動(dòng)參與，就會(huì)破壞原有的平衡，假如不能很好的控制，那么實(shí)際的分配系數(shù)就很有可能會(huì)變化而超出規(guī)定。
當(dāng)后軸增加電機(jī)制動(dòng)力后，如果前軸的機(jī)械制動(dòng)不變的話(huà)，那么相應(yīng)的分配系數(shù)為:
3-13
式中:為電機(jī)再生制動(dòng)力;為前制動(dòng)器制動(dòng)力;為總制動(dòng)器制動(dòng)力。
綜上，可得:
3-14
當(dāng)，驅(qū)動(dòng)軸再生制動(dòng)力達(dá)到最大:
3-15
綜合考慮電機(jī)制動(dòng)力以及力矩，電機(jī)最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為:
3-16
式中為電機(jī)再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的最大值;r為驅(qū)動(dòng)輪半徑;為主減速器速比;為變速器速比；粉為傳動(dòng)系效率。
3.5本章小結(jié)
本章分析了再生制動(dòng)的限制條件。在原來(lái)汽車(chē)的一系列參數(shù)的基礎(chǔ)上提出自己的再生制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。并分別計(jì)算出空載和滿(mǎn)載時(shí)，汽車(chē)的制動(dòng)力分配系數(shù)。考慮到原來(lái)車(chē)型的后軸驅(qū)動(dòng)的特性，最后確定最終的制動(dòng)力分配系數(shù)的取值。為后續(xù)的建模及仿真奠定基礎(chǔ)。
第四章 制動(dòng)能量的回收
4 制動(dòng)能量的回收
4.1儲(chǔ)能器件的選擇
在實(shí)際使用中，汽車(chē)總不能避免經(jīng)常性的停車(chē)減速等情況，特別是在市區(qū)內(nèi)行駛時(shí)，車(chē)載電源變動(dòng)量在這時(shí)候就會(huì)很大。車(chē)載電源及相關(guān)的科技到目前為止，也只是在比能量、比功率及比功率和循環(huán)壽命這三個(gè)方面的限制下取最好的情況。
綜合考慮電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程與瞬時(shí)最大功率的要求，設(shè)計(jì)出一套由兩種能源系統(tǒng)組成的最優(yōu)的能源系統(tǒng)，其中汽車(chē)正常行駛時(shí)，能量由一種能源系統(tǒng)提供，作為主要能源，而另一種輔助能源系統(tǒng)則提供瞬時(shí)的大功率。兩種能源系統(tǒng)中的能量應(yīng)該是能夠相互轉(zhuǎn)移的。表4.1是集中典型的儲(chǔ)能器件的性能對(duì)比情況。通過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)超級(jí)電容在循環(huán)壽命上具有優(yōu)勢(shì)且充放電時(shí)間也滿(mǎn)足作為輔助能源的要求，因此，選用超級(jí)電容作為輔助能源。
表4.1幾種典型的儲(chǔ)能器件性能對(duì)比
特性
蓄電池
超級(jí)電容
傳統(tǒng)電容
放電時(shí)間
0.3～3h
1～10min
～ s
充電時(shí)間
1～5h
1～10min
～s
功率密度/Wh*kg
20～200
1～16
<0.1
能量密度/W*kg
50～
～5×
循環(huán)壽命/次
200～
>
>
效率/%
70～90
>95
4.2超級(jí)電容的基本原理
超級(jí)電容儲(chǔ)能主要采用雙電層電容器技術(shù)。在稀硫酸中，用兩根碳棒為其充電，充電電壓由OV逐漸升至1.5V，在充電電壓達(dá)到1.2V時(shí)，在兩個(gè)電極附近有氣泡的出現(xiàn)，這些氣泡表明水己經(jīng)電解。此時(shí)的電壓稱(chēng)為電解電壓，低于該電壓時(shí)，雖然沒(méi)有形成電流，卻在電極與電解液之間形成了“雙電層”。電子穿過(guò)這種“雙電層”表明被充電，這種功能即為一個(gè)電容器。
圖4.2雙電層電容器的儲(chǔ)能原理
這種雙電層電容器存儲(chǔ)的能量表達(dá)式為
（4.1）
其中為電容端電壓，為電容容值。
4.3超級(jí)電容的特性
超級(jí)電容的顯著特征是非常高的比功率，但與化學(xué)電池相比較，其比能量則低得多。它的比能量在每千克為幾w/h的范圍內(nèi)，然而比功率能達(dá)到3KW/Kg,比任何蓄電池都要高得多，所以超級(jí)電容并不能夠單獨(dú)的用來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)以及混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)。盡管如此，如果采用超級(jí)電容作為輔助能量源的話(huà)，卻會(huì)產(chǎn)生如下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：1、比能量和比功率同時(shí)受限制的情況得到改善，突破比功率的限制而盡量改進(jìn)提高電池的比能量并且延長(zhǎng)它的使用壽命：2、由于超級(jí)電容的負(fù)載電平效應(yīng)，蓄電池在汽車(chē)加速時(shí)的大電流放電過(guò)程以及借助于再生制動(dòng)器在汽車(chē)緊急制動(dòng)時(shí)向蓄電池大電流充電的過(guò)程能被盡量的優(yōu)化，其結(jié)果是使蓄電池的有用能量和持續(xù)工作時(shí)間得到明顯的增加。
4.4本章小結(jié)
本章主要是介紹了制動(dòng)能量回收之后的存儲(chǔ)過(guò)程，并對(duì)存儲(chǔ)器件中除常規(guī)蓄電池之外的超級(jí)電容進(jìn)行詳細(xì)的介紹，對(duì)其結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了的介紹，并對(duì)其特性進(jìn)行分析，已設(shè)計(jì)出一套完整的再生制動(dòng)系統(tǒng)。從能量回收裝置到能量的儲(chǔ)存，為下一章再生制動(dòng)的建模與仿真提供了理論基礎(chǔ)。
第五章 再生制動(dòng)系統(tǒng)的建模與仿真
5 再生制動(dòng)系統(tǒng)的建模與仿真
5.1制動(dòng)系統(tǒng)的建模
Pro/E是現(xiàn)代三維造型軟件的領(lǐng)頭羊，是目前最先進(jìn)、最廣泛的三維設(shè)計(jì)軟件，Pro/E已成為三維機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域里最富有魅力的軟件,在當(dāng)今世界的各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是汽車(chē)領(lǐng)域。
現(xiàn)在的汽車(chē)行業(yè)已經(jīng)完全離不開(kāi)各種制圖軟件的使用，各種主流軟件種類(lèi)繁多，Pro/E就是一個(gè)典型的例子。Pro/E是把理想變成現(xiàn)實(shí)的杰出工具，現(xiàn)在汽車(chē)以及汽車(chē)零部件的設(shè)計(jì)已經(jīng)越來(lái)越離不開(kāi)它。同時(shí)，通過(guò)Pro/E設(shè)計(jì)的軟件還可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，這樣就能夠使設(shè)計(jì)師直觀(guān)的感受設(shè)計(jì)零件的工作狀態(tài)。通過(guò)Pro/E設(shè)計(jì)出來(lái)的參數(shù)化的圖也能夠非常方便的導(dǎo)入帶其他的3D軟件中，能夠方便的進(jìn)行如受力分析（導(dǎo)入到ANSYS中）等其他方面的研究，對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)研究工作起著越來(lái)越重要的作用。
5.1.1 齒輪的的建模
齒輪建模:設(shè)置齒輪相關(guān)參數(shù)→繪制齒輪基本圓曲線(xiàn)→創(chuàng)建齒輪相關(guān)關(guān)系式，確定齒輪尺寸→創(chuàng)建齒輪輪廓漸開(kāi)線(xiàn)→創(chuàng)建齒輪螺旋曲線(xiàn)→創(chuàng)建齒頂圓實(shí)體特征→創(chuàng)建倒斜角特征→創(chuàng)建草繪曲線(xiàn)特征→創(chuàng)建另一端齒廓曲線(xiàn)→創(chuàng)建掃描混合切剪特征→創(chuàng)建陣列特征→創(chuàng)建基準(zhǔn)平面→隱藏基準(zhǔn)特征并保存文件等，完成如圖5.1所示電機(jī)在主動(dòng)齒輪的pro/E模型和如圖5.2所示從動(dòng)齒輪的建模。由于是在制動(dòng)的時(shí)候制動(dòng)盤(pán)將通過(guò)齒輪傳遞給發(fā)電機(jī)，所以大齒輪為主動(dòng)輪，小齒輪為從動(dòng)輪。
圖5.1主動(dòng)齒輪模型
圖5.2從動(dòng)齒輪模型
5.1.2 發(fā)電機(jī)的建模
拉伸→草繪→創(chuàng)基面→拉伸，去除材料→倒圓角→染色等進(jìn)行發(fā)電機(jī)的建模。如圖5.3所示為已經(jīng)建好的電機(jī)模型。
圖5.3電機(jī)模型
5.1.3 制動(dòng)回收系統(tǒng)的轉(zhuǎn)配
新建組件→插入齒條，默認(rèn)缺省→插入零件，移動(dòng)后對(duì)齊，齒條嚙合完整，部分約束→插入球頭銷(xiāo)，中心線(xiàn)對(duì)齊，端面配對(duì)，部分約束→染色。同樣的方法把各個(gè)零件插入，完成總轉(zhuǎn)配圖。
將已經(jīng)建好的零件圖進(jìn)行能量回收系統(tǒng)的裝配，圖如5.4位已經(jīng)建好的制動(dòng)能量回收裝置。
圖5.4 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)
制動(dòng)能量回收系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)、主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪組成。
5.1.4 制動(dòng)系統(tǒng)的建模
拉伸→草繪→創(chuàng)基面→拉伸，去除材料→倒圓角→裝配等進(jìn)行制動(dòng)系統(tǒng)的建模。如圖5.5為已經(jīng)建好的制動(dòng)系統(tǒng)。
圖5.5為制動(dòng)系統(tǒng)
5.2 制動(dòng)零部件主要系統(tǒng)的仿真分析
5.2.1制動(dòng)鉗 CAE模型的仿真
① 幾何處理
將所建的CATIA模型包括風(fēng)道和風(fēng)扇。將CATIA模型導(dǎo)入hypermesh進(jìn)行幾何處理。消除模型導(dǎo)入中的一些錯(cuò)誤，去除細(xì)小對(duì)仿真結(jié)果可以忽略的特征。幾何處理過(guò)的制動(dòng)鉗模型如圖5.6所示：
圖5.6幾何處理過(guò)的制動(dòng)鉗模型
② 網(wǎng)格劃分
使用hypermesh里面的automesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于風(fēng)道中氣流復(fù)雜且流速變化大將應(yīng)力集中地方進(jìn)行網(wǎng)格加密。網(wǎng)格大小設(shè)置成5mm，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，防止計(jì)算過(guò)程中網(wǎng)格質(zhì)量問(wèn)題報(bào)錯(cuò)，利用2D面板下qualityindex工具對(duì)不合格質(zhì)量進(jìn)行修改，保證QI<1,修改后網(wǎng)格質(zhì)量如圖3所示。采用殼單元并賦予3mm厚度并將風(fēng)扇賦予材料及屬性。殼單元有限元模型如圖5.7、5.8所示。
圖5.7修改前殼單元有限元模型
圖5.8修改后殼單元質(zhì)量
利用tetramesh進(jìn)行三維網(wǎng)格質(zhì)量的填充。如圖5.9為填充過(guò)四面體網(wǎng)格.新建實(shí)體賦予材料和屬性并更新comp，將材料和屬性賦予實(shí)體單元。
圖5.9填充過(guò)四面體網(wǎng)格
5.2.2 制動(dòng)鉗的線(xiàn)性受力分析
① 邊界條件的設(shè)定
在hypermesh的radioss模塊下進(jìn)行制制動(dòng)鉗的受力工況設(shè)定，如圖5.10將螺栓連接用constrans按鈕約束X、Y和Z方向上平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，模擬螺栓約束。如圖5.11通過(guò)load施加部分施加壓力，方向選擇normal。通過(guò)loadsteps進(jìn)行工況設(shè)定，SPC選擇所在設(shè)定的約束，load選擇施加載荷，新建工況后，提交radioss求解計(jì)算。
圖5.10模擬螺栓連接
圖5.11 液壓部分受力的模擬
② 計(jì)算結(jié)果及其分析
直接用hyperview打開(kāi)h3d文件查看計(jì)算結(jié)果。選擇result type選擇displacement并選擇所有組件，查看位移云圖。位移云圖如圖5.12所示
圖5.12 位移云圖
將displacement切換成element stress，選中所有單元，查看制動(dòng)鉗所受應(yīng)力分布，應(yīng)力云圖如圖5.13所示。
圖5.13 應(yīng)力分布
由仿真結(jié)果可知，制動(dòng)鉗的位移最大位移分布在制動(dòng)鉗下端中間位置，最大位移量可以忽略，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。由應(yīng)力場(chǎng)分布圖可知，最大為集中在螺栓孔外緣拐角處，大小為149MPa,在設(shè)計(jì)是應(yīng)考慮此處因截面劇烈變化而引起的應(yīng)力集中，符合實(shí)際情況。應(yīng)力大小在允許范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。
5.3 主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的仿真分析
基于pro/E已經(jīng)建立的齒輪模型，利用以上仿真方法，進(jìn)行受力分析。如圖5.14、5.15主動(dòng)輪的位移和應(yīng)力云圖.如圖5.16,5.17為從動(dòng)輪的位移和受力分析。
圖5.14 主動(dòng)輪的位移云圖
圖5.15主動(dòng)輪的應(yīng)力云圖
圖5.16從動(dòng)輪的位移云圖
圖5.17 從動(dòng)輪的應(yīng)力云圖
本章對(duì)制動(dòng)回收系統(tǒng)的主要部分進(jìn)行了仿真，根據(jù)仿真結(jié)果制動(dòng)系統(tǒng)主要部分滿(mǎn)足要求。同事也發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有設(shè)計(jì)的一些問(wèn)題，并提出了優(yōu)化意見(jiàn)。本次設(shè)計(jì)對(duì)由于本次設(shè)計(jì)的制動(dòng)鉗為近乎堆成結(jié)構(gòu)所以只需分析一半制動(dòng)鉗的性能即可。因本次設(shè)計(jì)時(shí)間有限，任務(wù)量大，也僅僅分析了右半部分的制動(dòng)鉗的力學(xué)性能，接下的研究中可以對(duì)剩下部分進(jìn)行進(jìn)制一步分析。
5.4本章小結(jié)
本章主要對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)中制動(dòng)部分及電機(jī)的能量回收部分進(jìn)行了仿真建模及分析，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的分析，驗(yàn)證整個(gè)仿真系統(tǒng)的可行性。
第六章 發(fā)展與展望
6 結(jié)論與展望
制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的最大瓶頸就是續(xù)駛里程不足，科學(xué)家們通過(guò)不斷的試驗(yàn)和探索想要解決這一難題，但是一直到目前為止都沒(méi)有重大的突破。而再生制動(dòng)系統(tǒng)能夠回收部分制動(dòng)能量，如果電動(dòng)汽車(chē)能夠采用的話(huà)，將極大的改進(jìn)續(xù)駛里程短這一弊端。本文對(duì)于這方面的研究的主要內(nèi)容具體如下：
（1） 敘述了再生制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成以及工作原理，并對(duì)三種常見(jiàn)的再生制動(dòng)方式進(jìn)行分析比較。
（2） 選擇正確類(lèi)型的電機(jī)以及儲(chǔ)能器件，確定了本文研究的對(duì)象，并結(jié)合其參數(shù)，對(duì)于車(chē)輛的制動(dòng)力的分配以及電機(jī)的轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行計(jì)算工作。
（3） 利用軟件對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，并分析其仿真結(jié)果，仿真的結(jié)果顯示，本文所采用的制動(dòng)力的分配方案，不僅能滿(mǎn)足汽車(chē)對(duì)于制動(dòng)安全性能的要求，還能回收部分本應(yīng)被浪費(fèi)的制動(dòng)能量。
（4） 雖然本文提出了一種再生制動(dòng)系統(tǒng)并驗(yàn)證了它的有效性，但由于時(shí)間以及技術(shù)層面上的不足，仍有許多需要改進(jìn)的地方，本人總結(jié)了如下幾點(diǎn):
1.本文所建立的制動(dòng)力模型是以汽車(chē)行駛方程式為基礎(chǔ)的，該模型沒(méi)辦法測(cè)量四個(gè)車(chē)輪的速度等信息，這就會(huì)影響汽車(chē)制動(dòng)性能的分析結(jié)果。如果以后還有人繼續(xù)研究這個(gè)課題的話(huà)，最好是能夠建立更加準(zhǔn)確而全面的模型，提高車(chē)輛的制動(dòng)安全性。
2.對(duì)于再生制動(dòng)系統(tǒng)的控制，本文只是從理論上分析驗(yàn)證它的可行性，并沒(méi)有進(jìn)行實(shí)物及仿真的驗(yàn)證，如需更加精確細(xì)致驗(yàn)證本文的控制策略，則需要搭建再生制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)。
3.本文只是提出一種再生制動(dòng)系統(tǒng)的可行性方案，而后續(xù)的硬件的開(kāi)發(fā)以及在該系統(tǒng)的改進(jìn)型號(hào)在實(shí)車(chē)上的運(yùn)用，仍需以后的努力。
參考文獻(xiàn)
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致謝
致謝
首先要感謝我的指導(dǎo)老師李志臣老師，在我完成本論文的的過(guò)程中，給予了我很多的幫助，在他的耐心指導(dǎo)與無(wú)私幫助下，我發(fā)現(xiàn)了很多存在于論文之中的錯(cuò)誤并將它們一一改正過(guò)來(lái)，并且在這過(guò)程中我學(xué)到了很多以前沒(méi)接觸過(guò)的知識(shí)，在這里，我向李老師表示誠(chéng)摯的感謝。
其次，為了很好的完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我去學(xué)校圖書(shū)館查閱了很多的相關(guān)資料，感謝學(xué)校能夠給我這么好的一個(gè)平臺(tái)，讓我能很方便的就借閱到相關(guān)資料，省去了大量的用于路途奔波的時(shí)間以及金錢(qián)。
感謝我的舍友及同學(xué)，在大學(xué)四年中，在學(xué)業(yè)上對(duì)我的幫助及生活上的陪伴；感謝我的大學(xué)輔導(dǎo)老師，在我遇到困難的時(shí)候，及時(shí)伸出援助之手，幫助我擺脫困境。
最后，在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束的時(shí)候，再次感謝四年以來(lái)所有幫助過(guò)我的人，謝謝你們的關(guān)心與幫助。