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中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計文獻綜述
系 別： 工程技術(shù)系
專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化
姓 名： 趙東亮
學(xué) 號： 05208729
2012 年 1 月 30 日
一、電動汽車發(fā)展的背景
內(nèi)燃機汽車經(jīng)過120年的發(fā)展和壯大，逐步實現(xiàn)了機電一體化和全面應(yīng)用現(xiàn)代的科技，其性能已達到至高的境界，在安全，環(huán)保，節(jié)能和廉價等方面取得了較大的進展，但內(nèi)燃機汽車的發(fā)展也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。
能源問題全球石油供用短缺，國際能源機構(gòu)（IEA）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：2003年全球57%的石油消耗在交通領(lǐng)域。預(yù)計2020年交通領(lǐng)域的用油量將占全球消耗的62%以上，屆時全球的石油需求與常規(guī)的石油供應(yīng)將會出現(xiàn)短缺。環(huán)境問題，當(dāng)下環(huán)保節(jié)能是時代的主題，也是科學(xué)發(fā)展觀的要求。大量的石化類交通能源消耗導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染。汽車的有害物質(zhì)的排放量已經(jīng)成為大中城市空氣的主要污染物，我國大城市60%的CO，50%的NOx，30%的CH污染來自機動車輛。環(huán)境污染不僅導(dǎo)致高昂的經(jīng)濟成本，而且對公共的健康構(gòu)成極大的危害，是建設(shè)小康社會面臨著巨大的挑戰(zhàn)，發(fā)展新能源汽車迫在眉睫。
二、電動汽車的概念
電動汽車是指以車載電源為動力,用電機驅(qū)動車輪行駛,符合道路交通、安全法規(guī)各項要求的車輛。它本身不排放污染大氣的有害氣體,即使按所耗電量換算為發(fā)電廠的排放,除硫和微粒外,其它污染物也顯著減少,由于電廠大多建于遠離人口密集的城市,對人類傷害較少,而且電廠是固定不動的,集中的排放,清除各種有害排放物較容易,也已有了相關(guān)技術(shù)。由于電力可以從多種一次能源獲得,如煤、核能、水力等,解除人們對石油資源日見枯竭的擔(dān)心。電動汽車還可以充分利用晚間用電低谷時富余的電力充電, 使發(fā)電設(shè)備日夜都能充分利用,大大提高其經(jīng)濟效益。有些研究表明,同樣的原油經(jīng)過粗煉,送至電廠發(fā)電,經(jīng)充入電池,再由電池驅(qū)動汽車,其能量利用效率比經(jīng)過精煉變?yōu)槠透摺?
電動汽車主要有純電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車3 種類型。
1.純電動汽車是完全由二次電池( 如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池或鋰離子電池等) 提供動力的汽車。目前純電動轎車和純電動客車均已通過國家質(zhì)檢中心的型式認(rèn)證試驗, 各項指標(biāo)均滿足有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。天津清源電動車輛有限公司、深圳雷天公司等單位研發(fā)的純電動轎車, 其整車的動力性、經(jīng)濟性、續(xù)駛里程、噪聲等指標(biāo)已達到甚至超過國外同級別車型, 初步形成了關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)能力。目前, 進行純電動汽車示范運行的城市有若干個, 但是規(guī)模都比較小。2005 年1 月, 天津市的22 輛轎車和1 輛公共汽車的示范運行通過了國家驗收。同年12 月, 武漢市進行的95 輛純電動小型公共汽車( 另有20 輛混合動力公共汽車和3 輛混合動力轎車) 的3 年示范運行也通過了國家驗收。因為純電動汽車受到續(xù)駛能力的約束, 純電動汽車試驗主要集中在小型公共汽車上。根據(jù)“中國電動汽車網(wǎng)”報道, 2006 年1 月, 湖南省株洲市有50 臺小型電動汽車進行社區(qū)內(nèi)運行, 該市有若干輛電動公共汽車也在運行中。同年4 月, 浙江省杭州市啟動了電動汽車示范項目, 6 輛轎車和5 輛公共汽車在市內(nèi)進行示范運行。
2.混合動力電動汽車是以燃料電池作為動力源的電動汽車。是在純電動汽車開發(fā)過程中為有利于市場化而產(chǎn)生的一種新車型。一般是指采用內(nèi)燃機和電動機兩種動力, 將內(nèi)燃機與儲能器件( 如高性能電池或超級電容器) 通過先進控制系統(tǒng)相結(jié)合, 提供車輛行駛所需要的動力, 混合動力電動汽車并未從根本上擺脫交通運輸對石油資源的依賴。因此,混合動力電動汽車是電動汽車發(fā)展過程中的一種過渡車型。目前進行混合動力電動汽車研發(fā)的主要企業(yè)有一汽、上海大眾、東風(fēng)汽車、長安汽車、奇瑞汽車、吉利汽車、比亞迪汽車、上海華普、上海通用等企業(yè)。一汽從1999 年開始混合動力電動汽車的研發(fā), 2002 年起得到國家“863 計劃”的支持, 2005 年12 月開始生產(chǎn)混合動力電動公共汽車。該電動公共汽車采用了雙軸并聯(lián)驅(qū)動方式, 制造成本比普通公共汽車約高30%。東風(fēng)汽車公司自主開發(fā)了混合電動動力公共汽車“EQ6110H 電動汽車”, 該產(chǎn)品在2006 年5 月被列入國家“汽車生產(chǎn)目錄”, 其生產(chǎn)的20 輛混合電動動力公共汽車在武漢市作示范運行。上海則開發(fā)了途安轎車、海尚305 轎車、申新1 號公共汽車等混合電動動力汽車。另一方面, 2005 年12 月, 一汽豐田開始生產(chǎn)普瑞斯混合動力電動汽車。同年, 廣州本田和東風(fēng)本田也相繼宣布要盡早實現(xiàn)雅閣和思域的混合動力電動汽車的生產(chǎn)。5 月份, 北京現(xiàn)代則宣布要在2008 年前在中國進行混合動力電動汽車的生產(chǎn)。
3.燃料電池是利用氫氣和氧氣( 或空氣) 在催化劑的作用下直接經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的裝置, 具有完全無污染( 排放物為水) 的優(yōu)點, 但現(xiàn)階段, 燃料電池的許多關(guān)鍵技術(shù)還處于研發(fā)試驗階段。我國自主研發(fā)的燃料電池電動轎車在必比登世界清潔汽車挑戰(zhàn)賽上, 在高速蛇行障礙賽、噪音、排放、能耗、溫室氣體減排5 個單項指標(biāo)方面獲表現(xiàn)突出。我國燃料電池電動汽車以清華大學(xué)和上海同濟大學(xué)為中心進行研發(fā)工作。1998 年,清華大學(xué)開發(fā)了中國首輛高爾夫用燃料電池電動汽車( 5kW) ,之后清華大學(xué)和北京綠能公司、三星公司、豐田公司共同進行了燃料電池電動汽車的研發(fā)工作。在上海, 同濟大學(xué)和上海神力科技公司共同開發(fā)了“超越1 號”, 現(xiàn)在已經(jīng)改進至“超越3號”。2005 年, 生產(chǎn)了兩輛“超越3 號MPV”和兩輛“超越3 號桑塔納3000”；2006 年, 進行了10 輛“超越3 號”燃料電池電動汽車的示范運行。上海市政府推出了“百千萬計劃”, 即燃料電池電動汽車普及量2008 年達到100 輛, 2009 年達到1000 輛,2012 年預(yù)計達到10000 輛。
另外，電動汽車關(guān)鍵零部件。動力蓄電池、高功率鎳氫電池、鋰離子動力電池性能有了較大提高, 已能為整車提供基本符合要求的產(chǎn)品; 燃料電池發(fā)動機, 突破了大功率氫- 空燃料電池組制備的關(guān)鍵技術(shù)。轎車用凈輸出30kW、客車用凈輸出60kW和100kW的燃料電池發(fā)動機, 已在同濟大學(xué)和清華大學(xué)燃料電池發(fā)動機測試基地分別通過了嚴(yán)格的測試, 并裝車運行；驅(qū)動電機及其控制系統(tǒng), 已開發(fā)出額定功率為60kW、100kW功率等級的客車用驅(qū)動電機系統(tǒng), 可以滿足整車行駛性能要求。
三、研究現(xiàn)狀
新能源汽車發(fā)展步伐正在加快。記者昨日獲悉，多部委均牽頭制訂涉及扶持新能源汽車發(fā)展的相關(guān)政策。由科技部牽頭的《電動汽車科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》已制訂完畢，最遲明年正式對外公布。
根據(jù)《規(guī)劃》，小型化和汽車電氣化是中國汽車未來發(fā)展的兩大方向，2015年中國電動汽車保有量計劃達到100萬輛，動力電池產(chǎn)能約達100億瓦時。為此，我國計劃推動電動汽車產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，動力電池、電機、電控成為未來發(fā)展的核心。
上汽集團董事長胡茂元表示，近年來，上汽集團已全面布局整個新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈，上汽集團計劃占領(lǐng)20%的新能源汽車市場份額。
在“直達2030世博會與汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展”總結(jié)論壇上，新能源汽車發(fā)展成為焦點話題。全國政協(xié)常委、汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室主任歐陽明高表示，發(fā)改委、工信部、科技部前期均在制訂與新能源汽車相關(guān)的政策。記者從論壇上了解到，由科技部牽頭的《電動汽車科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》已制訂完畢，最遲明年公布。
據(jù)參與《電動汽車科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》的專家指出，鑒于電池技術(shù)及產(chǎn)能成為制約電動汽車普及的關(guān)鍵?！笆濉逼陂g，中國將大力發(fā)展電力電池模塊化，2015年動力電池產(chǎn)能達100億瓦時，汽車電池成本將降低一半。
中國汽車企業(yè)們已經(jīng)迫不及待地布陣新能源汽車領(lǐng)域。昨日，上汽集團董事長、上海汽車(19.94,0.30,1.53%)董事長胡茂元指出，“上汽集團新能源瞄準(zhǔn)汽車驅(qū)動電力化趨勢，具體技術(shù)發(fā)展路線是以電力為驅(qū)動主攻方向。按照集團的‘十二五’規(guī)劃，2015年上汽集團新能源車的市場占有率達到20%，保持在業(yè)界的領(lǐng)先地位?！焙Q，“與其他企業(yè)不同，上汽從研發(fā)新能源汽車著手，以求真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。通過新能源汽車的產(chǎn)業(yè)化，帶動電池、電機等關(guān)鍵零部件技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化。”發(fā)達國家與主要汽車集團的電動汽車現(xiàn)狀國外著名汽車公司都十分重視研究開發(fā)電動汽車， 世界發(fā)達國家不惜投入巨資進行研究開發(fā)， 并制定了一些相關(guān)的政策、法規(guī)來推動電動汽車的發(fā)展。
四、電動汽車車架研究內(nèi)容
現(xiàn)在高性能的電動汽車通常是專門設(shè)計制造的，這種專門設(shè)計制造的電動汽車以原有的車體和車架設(shè)計為基礎(chǔ)。車架的作用是承受載荷，包括汽車自身零件的重量和行駛時所受的沖擊、扭曲、慣性力等?，F(xiàn)有的車架種類有非承載式式、承載式、鋼管式及特殊材料一體成型式等。
非承載式車架，又稱大梁式車架。原理很簡單：將粗壯的鋼梁焊接或鉚合起來成為一個鋼架，然后在這個鋼架上安裝引擎、懸架、車身等部件，這個鋼架就是名附其實的“車架”。
承載式車架的意念是用金屬制成堅固的車身，再將發(fā)動機、懸架等機械零件直接安裝在車身上。這個車身承受所有的載荷，充當(dāng)車架。承載式車架由鋼（較先進的是鋁）經(jīng)沖壓、焊接而成，對設(shè)計和生產(chǎn)工藝的要求都很高。
鋼管式車架就是用很多鋼管焊接成一個框架，再將零部件裝在這個框架上。它的生產(chǎn)工藝簡單，很適合小規(guī)模的工作坊作業(yè)。由于對鋼管車車架進行局部強十分容易（只須加焊鋼管），在質(zhì)量相等的情況下，往往可以得到比承載式車架更強的剛度。
鋁合金車架是將鋁合金條梁焊接、鉚接或貼合在一起組成一個框架，可以理解為鋼管車架的變種，只是鋁合金是方梁狀而非管狀。鋁合金車架最大優(yōu)點是輕（相同剛度的情況下）。但是成本高，不宜大量生產(chǎn)，而且鋁合金本身的特性決定了其承載能力受限制。
碳纖維車架是特殊材料一體成型式車架，碳纖維車架的剛度極高，重量比其它任何車架都要輕，重心也可以造得很低，但是制造成本是它的致命傷。
非承載（大梁）式和承載式車架是占絕大多數(shù)的主流車架形式，但它們都分別有著顯著的缺點，即笨重和剛度不足。于是近年出現(xiàn)了融合這兩者優(yōu)點和車架設(shè)計方案，三菱PAJERO IO的獨創(chuàng)車架，在承載式結(jié)構(gòu)的車廂底部增加了獨立的鋼框架，可以認(rèn)為是簡化的大梁結(jié)構(gòu)，從而在保證剛度的同時，重量和重心又比大梁式結(jié)構(gòu)大為下降。因此這次設(shè)計我想采用的就是這種“雜交”式的車架。
五、車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計
現(xiàn)在高性能的電動汽車通常是專門設(shè)計制造的，這種專門設(shè)計制造的電動汽車以原有的車體和車架設(shè)計為基礎(chǔ)，滿足電動汽車獨有的結(jié)構(gòu)要求并充分利用了電力驅(qū)動的靈活性。電動汽車的能量主要是通過柔性的電線傳遞的，因此，電動汽車各部件的布置具有很大的靈活性。
1、要有足夠的強度。它要承受發(fā)動機、油箱、乘員以及載貨架連接懸掛裝置、操作裝置、電器零件及外觀覆蓋件等載重；
2、要有足夠的剛度。所謂剛度就是指抵抗變形的能力，汽車具有更大范圍的運動自由度、急劇轉(zhuǎn)彎、行駛高低不平的山路等等，車架剛度低，當(dāng)車輛受到?jīng)_擊時車架容易變形，但車架剛度過大在某種范圍內(nèi)影響系統(tǒng)的彈性，從而影響乘車人的感覺；
3、車架的結(jié)構(gòu)尺寸要符合要求。車架有些部分是十分關(guān)鍵的，影響汽車的平穩(wěn)性，所以設(shè)計師在設(shè)計車架時要考慮到車輛的敏捷但又不宜太靈活，要穩(wěn)定但又不宜太沉重，一般車架與整車質(zhì)量比取1：10左右，又如轉(zhuǎn)向軸頭，涉及到前叉傾角，車輪拖曳距、偏置距、兩輪軸距等尺寸問題。前叉傾角大，轉(zhuǎn)向時方向把手移動的角度也就小，拖曳距大，前輪的扭力也就越大，車子就覺得越穩(wěn)定，但拖曳距越大，轉(zhuǎn)向就越重手，因此一般輕型汽車的拖曳距在85~120毫米之間，而前叉傾角的大小影響汽車操縱的靈活性和行駛的穩(wěn)定性；
4、汽車在行駛中所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向力、離心力及車子的顛簸都會產(chǎn)生側(cè)向扭力，為抵抗這種側(cè)向扭力；
5、車架重量要輕，從材料上分析，多用高強度鋼材，這種鋼材含有微量元素，現(xiàn)在有些車輛已應(yīng)用鋁合金或鈦合金車架，減輕汽車本身重量，有利于增加發(fā)動機功率。
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