小型太陽能汽車的結構設計目錄TOC\o"1-3"\h\u26104第1章緒論 2278851.1課題研究背景與意義 286391.1.1我國汽車的發展現狀問題 2308281.1.2.我國太陽能資源豐富 3241711.2國內外汽車發展歷程 4210051.2.1國外汽車發展史 469661.2.2我國汽車市場的發展歷史 4216941.3國內外太陽能汽車發展史 69609第2章太陽能汽車的工作原理 8178412.1太陽能電池原理 8198572.1.1太陽能發電原理 8238272.2太陽能在汽車上的應用情況 8226822.3太陽能汽車上的太陽能發電系統 918831第3章汽車外形設計及電動機選型 10263703.1汽車外形設計 10114913.2動力電機選型及其控制原理 1029444第4章動力傳動系統的方案設計 12169044.1設計要求及分析 12303854.2太陽能汽車整體參數設計 1286464.3傳動機構的布置 14314344.4驅動電機的選型匹配 141634.5變速器傳動比參數選擇 1575184.6變速器傳動軸設計計算 16229244.6.1輸入軸設計計算 16220994.6.2輸出軸設計計算 18211774.7對軸承進行校核 19126154.7.1輸入軸的軸承校核 19221544.7.2輸出軸的軸承校核 2012141總結 2126738參考文獻 22摘要太陽能汽車的最大優勢就是節能環保，而太陽能又易得到，因此受到越來越多的國家歡迎。而近年來，交通堵塞的情況日益嚴重，為在達到滿足個人出行需求又能緩解交通堵塞的條件下，小型單人太陽能汽車無疑將在汽車市場中占有重要的地位。本次設計主要通過研究國內外太陽能汽車發展史、分析小型單人太陽能汽車的發展現狀及對太陽能電池在汽車上的應用等內容的分析，進行電機的選型及零件選用的校核，設計確定了小型單人太陽能汽車的主要參數及動力傳動系統的相關參數。關鍵詞：太陽能；小型單人；太陽能電池；動力傳動系統第1章緒論1.1課題研究背景與意義伴隨著在歐洲誕生的世界上第一輛蒸汽三輪汽車，標志著世界迎來了新的紀元，逐漸結束了以人力、畜力為主要驅動方式的古代交通的主導地位。以蒸汽汽車為代表的蒸汽時代的到來是人類進程史上所邁出的一大步，機械電子、材料化工、金融經濟等各個產業相輔相成，互相襯托，互相促進，為整個世界的繁榮進步起到了巨大的推動作用。1.1.1我國汽車的發展現狀問題隨著科技的進步和社會需求的提高，汽車已經滲入生產生活的各個領域，變得越來越重要。但是汽車在為人民生活帶來便利的同時，也對環境帶來了巨大的污染。根據最新版的統計調查結果,我國乘用汽車市場保有量已經在2020年下半年已經達到2.6億輛,據預測中國的全年汽車銷量還有可能繼續增長50%,達到4200萬輛,。但我國目前汽車的動力來源還主要是汽油，而以電動汽車為代表的新能源汽車依舊不占主導地位，因此城市環境面臨著前所未有的壓力。傳統小型車用燃油車排放有害氣體擴散到空氣中，造成大氣污染，容易引發呼吸道疾病，造成光化學煙霧，全球溫室效應、海平面上升已經開始危害到人們的生活了。據調查分析結果顯示,城市里的小型汽車車內空氣中的顆粒物等污染物一半以上都是來自于較大排放量的汽車尾氣的碳排放造成的。電動汽車已經成為了實現各國低碳經濟戰略的重要一步,其很大程度上緩解了一次能源的消耗壓力也減少了空氣污染。電動汽車的快速出現為我們解決環保低碳節能這一當前全球熱點問題提供了重要的問題解決政策方案,同時為推動人們的日常出行生活方式轉變提供了更多的發展可能,與其他傳統電動汽車方式相比,不僅為它改革了電動技術,而且為它提供了全新的自動駕駛方式體驗。據有關調查顯示,每年電動汽車將會保持至少50%的增長率進行增長。而隨著電動汽車的快速發展現在道路上仍然存在并面臨著許多新的問題,例如汽車供電基礎設施建設和電動汽車的電池設計不足導致的續航差等問題。市面上出現的電動汽車大多是以充電柱的形式來進行能量的補給,極易受到地域的限制。且城鄉資源分配不均衡,如今許多偏遠地區并沒有為電動車供電的裝置,以及受到充電時長的限制,長途運輸路線難免受到限制。1.1.2.我國太陽能資源豐富太陽能作為可再生能源,不存在枯竭的可能,人類就可以盡可能的去開發利用。而作為交通工具的汽車可以隨時隨地獲得可再生資源無疑成了一種很好的選擇。太陽能的這一便利性很大的緩解了長途汽車的動力不足問題也一定程度上可以緩解充電時長帶來的時間浪費。只要有太陽光照的地方就可以為汽車提供能量。我國擁有得天獨厚的地理自然環境條件,太陽光和水資源特別豐富。1.2國內外汽車發展歷程 1.2.1國外汽車發展史蒸汽機的廣泛發展投入使用這也直接標志著第一次工業革命的正式開始到來,推動了整個社會的發展。1769年,第一臺蒸汽汽車由尼古拉斯古諾研制成功。但是汽車的行駛時間僅僅有十幾分鐘,時速不足四公里每小時。1805年,美國人發明了第一輛蒸汽水陸兩用車。1804-1808年,第一輛鐵路蒸汽機車在英國誕生。伴隨著可燃混合氣設想、煤氣機的原理以及卡諾循環的提出。內燃機也應運而生。1866年,世界上第一臺立式直列四沖程單缸內燃機研制成功，其具有開創性的意義。柴油機車以汽車的名稱誕生。1897年,第一臺重型柴油機在德國號上研制成功,也就是狄塞爾柴油機。隨后1885年成功地研制成了本茨汽車。1.2.2我國汽車市場的發展歷史我國第一輛中型轎車于1958年成功設計制成。1950年,在蘇聯的政策幫助下促使我國第一個大型載重通用汽車廠順利建成。1953年,我國汽車歷史上第一座自己的通用汽車廠終于在長春正式建成。1956年中國開始批量生產汽車。1958年,民族轎車"東風"的誕生帶動了我國民族汽車的發展。同年6月,井岡山牌中型轎車正式試制成功。至此,新中國汽車行業告白了一片空白的時代。1985年,上海大眾汽車正式成立,從此中國的中國現代化豪華轎車制造工業之路迎來了全新的歷史開端。上世紀90年代,我國技術交流合作的趨勢愈發強烈,富康汽車引進了部分90年代的國產車型,一汽本田引進了一些較為先進的新型氣閥增壓發動機零件制造設計技術,并開始生產氣閥發動機及零部件等并出口德國。此后國產電動車的技術質量大大提高,而汽車價格下調,轎車開始走進人們的生活。2009年中國成為了世界上汽車第一大國。汽車工業也逐步向轎車靠攏過度。此外,我國現代轎車制造工業又在促進中外合作和轎車技術引進合作方面也又邁出了一個新大步。雅閣、別克和廣汽奧迪等的a6也相繼被中國引進,這幾個品牌車型的成功投產也也標志著中國中國轎車制造行業的快速發展正在向世界排名前列的轎車靠近。1.3國內外太陽能汽車發展史1978年,英國第一批電動太陽車以每小時13公里的最高速度重新發展壯大起來。1982年,墨西哥開始興建了一個運行時速40公里的大型三輪車。1999年5月,巴西成功發展制造出一輛新型太陽能電動汽車。最高奔跑速度設計為每小時100公里,這輛車來自荷蘭公司推出的新型太陽能電動汽車在2003年連續取得了世界冠軍。圖1.1全球第一輛可量產的太陽能汽車1984年9月,我國第一輛"太陽號"小型太陽能電動汽車就地測試成功，車頂上已經組成了10平方米的一塊太陽能多晶硅板。其中安裝有三個電動輪子,操作靈活,轉向靈活。2001年，我國第一輛可載人的太陽能電動汽車“思源”誕生。沒有燃料，就可以輕松地通過陽光照射數個小時就能行駛超過10公里。圖1.1上海交大“思源”號中山大學太陽能電力系統研究所公司生產的這款太陽能光池電動車雖然看起來和公園里的移動電池自行車一樣,但是最長行駛時間1小時，最大速度48公里每小時。中山大學這款試車的費用只有5萬元左右。圖1.2中山大學“無名”太陽能汽車第2章太陽能汽車的工作原理2.1太陽能電池原理2.1.1太陽能發電原理太陽能光熱電池又常用的簡稱為"太陽能電池"或"光電池",是一種專門用于發明利用光將剩余太陽光直接進行加熱即可發電的光電電池專用儲能半導體芯片。單體式的電池太陽能電和混合式蓄電池不能直接安裝用來或者做其他水池電源電壓轉換器的使用。太陽能板(也我們可以把它叫新型板式太陽能光伏風力電池組件系統結構組件),是目前我國新型太陽能光伏風力發電電池組件系統結構設計中的一個非常核心重要組成部分。太陽的輻射光照在一個電子輻射半導體上的一個p-n結上,形成新的一個電子半導空穴-它與一個電子空穴結交互相對,空穴由一個新的n區開始繼續運動流向一個新的p區,電子由p區流向n區,接通電路后就形成電流。圖2.1太陽能電池發電原理圖2.2太陽能在汽車上的應用情況現階段，太陽能主要以驅動力和作為輔助能源應用在汽車上。作為驅動力：直接通過太陽能電池板所提供的電能來驅動汽車行駛。目前市面上的大多數太陽能賽車就主要是將太陽能作為第一能量來源來驅動汽車。除此之外，還有一部分太陽能汽車是以太陽能作為動力來源之一，和其他能量一起來為汽車提供動力。這種辦法不僅可以滿足了環保節能的需求，也在一定程度上減輕了蓄電池的質量，使汽車達到輕便的目的。圖2.2太陽能賽車作為輔助能源：現階段，太陽能通過太陽能電池板的光電轉換效率還比較低，且部分地區光照不足，而一些汽車對于續航能力還有較高的要求。因此，一些汽車只是將太陽能作為輔助能源，僅僅對汽車上的一些個別系統提供電能。2.3太陽能汽車上的太陽能發電系統太陽能電池板：對太陽能發電起著非常重要不可替代的作用。其功能是將太陽光所產生的光能轉化為電能，并通過連接轉換器將電能輸送到蓄電池中保存起來，或使負荷工作。太陽能電池板與蓄電池相連，為蓄電池提供電能。圖2.3太陽能電池板太陽能控制器：太陽能控制器是裝置平穩運行的前提。在溫度不穩定的情況下，太陽能控制器應該也進行相應的溫度調節使其平衡。除此之外，還有一些其他附加功能。蓄電池：一般為鉛蓄電池。主要是將太陽能電池板所轉換的電能儲存起來。小型微系統中還可以使用鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰電池。其功能是在有光的情況下保存太陽能電池板產生的電能，必要時將其釋放。在該設計中，電池選用的是鋰電池，其具有性能高、高性價比的特點。逆變器：主要用于將太陽能的輸出能量VDC轉換為VAC，也就是說需要將直流電轉換為交流電。通常要用到DC轉AC的逆變器。效率是選擇逆變器的重要選項之一。逆變器的質量決定了發電系統的效率，發電系統是太陽能發電系統的核心。第3章汽車外形設計及電動機選型3.1汽車外形設計汽車的外形設計是汽車帶給人最直觀的感受,是汽車制造商促進銷售,帶動銷量的重要手段。汽車氣動造型系統設計對于我國汽車自身在我國市場上的銷量占有率情況一直有著巨大的深遠影響,是我國汽車工業生產力和制造發展過程中一個不可回避的首要待解決技術問題。在本次課題設計中強調小型單人太陽能為主要因素,因此此次汽車設計要求整車輕便、小巧,經濟適用等特點。相較于其他傳統小型汽車,此小型車不僅僅輕便,又因為與其他傳統小型汽車的高速驅動動力方式不同,傳統小型汽車主要還是依靠用于燃燒二氧化石化物燃料的高速燃燒動力來快速產生驅動能量,通過驅動活塞的氣缸、離合器、傳動裝置等部件傳遞驅動能量,最終電能來用于驅動小型汽車,實現自動駕駛的最終目的。而目前太陽能激光電動汽車由于沒有了復雜的動力機械傳動控制系統,大幅度減輕了電動汽車的承載體積與傳動重量,變得更加輕便。而對于太陽能燃料電池板的安全附著,要求是純電動汽車及其整體車身結構簡單,易于加工組裝和方便拆卸,方便汽車進行修理。選擇較為環保的家用車身裝飾材料可使家用汽車的可回收性大大提高,有利于汽車資源的高效循環節約利用。除了太陽能汽車具有外形美觀的技術要求外,人們對使用新能源電動汽車的行駛速度也提出了更高的技術要求。由上述物理化學知識分析可知,在一輛汽車高速行駛的運動過程中,空氣阻力系數會隨著按照汽車運行速度和按照汽車運行速度流動面積的不同增加而不斷增加。當重型車輛持續行駛最高速度已經達到100公里/小時,超過85%的重型車輛制動功率被大量消耗以用于克服空氣阻力。因此,為了滿足更高的速度要求,必須降低空氣阻力的影響因素,而且大部分都采用形狀光滑的流線型曲線。簡單的直線和尖銳的零件很少使用,以最小化整個車輛的空氣阻力。3.2動力電機選型及其控制原理發動機上的功率控制是汽車太陽能光伏電動車動力驅動系統電氣控制子系統的主要部分組成部分,它對驅動車輛車的啟動、加速和車輛減速運動起著重要控制作用,因此對汽車發動機的功率控制要求很高。要求動力發動機具有高速、高壓、小尺寸、小質量等特點。同時,它還具有瞬時工作功率高、加速度好、過載抵抗能力強、工作效率高、能耗低等特點。此外,動力渦輪增壓柴油發動機長期使用不得不考慮較大的熱噪音問題,可靠性高,而且使用維護方便,可大規模生產。（1）直流電動機直流電機是歷史最悠久的一種電機，它具有一定的領先地位。直流電機是一種具有好的調速性、維護便宜、過載容量強、電磁干擾影響小，但生產成本高、碳刷、可靠性低、使用壽命短、維護負擔大的電機設備。由于結構中的刷子和換向器磨損，效率很低，而且在高速運轉時會產生火花，這很容易影響車輛上的電子設備，限制發動機的最大速度。（2）交流感應電機交流感應電機主要優點之一是產品結構簡單,生產成本低,維護簡單費用經濟。交流驅動電機的主要缺點:它不能自己直接完成轉動速度上的調節,它通常需要控制設備頻率轉換器的頻率信號來幫助實現轉動速度上的變化。但是,隨著通用電子技術的不斷發展和工作速度自動調節控制方法的不斷改進,交流速度感應驅動電機的工作速度自動調節性能有了很大的幅度改善,并且逐漸遠遠超過了直流感應電機。這種增壓發動機廣泛應用于汽車現代化和電動汽車。（3）永磁電機永磁直流電機主要還是受內部電流波動控制,因為它的內部磁場由永磁磁性材料振動產生。其技術優點主要包括調制體積小、頻率高和調制應用范圍廣、功率調制密度和工作效率高、慣性低、響應快等。它廣泛適用于各種現代的純電動汽車很有前景。然而,這不僅是花費高的,而且對于高速大功率的永磁直流電機來說,這很難真正做到使其體積小、重量輕。隨著通用電子技術的不斷穩步發展和技術進步,成本不斷降低,永磁電機是電動車最有希望的電機。表3.1電動機各項參數數據項目直流電動機感應電動機永磁電動機功率密度低中高過載能力(％)200300～500300峰值效率(％)85～8994～9595～97負荷效率(％)80～8790～9297~85功率因數(％)82～8590～9360～65恒功率區l：5l：2.25l：3轉速范圍(r／min)4000～600012000～200004000～10000可靠性一般好優良結構的堅固性差好一般電動機外形尺寸大中小電動機質量重中輕控制操作性能最好好好控制器成本低高高費用／軸功率($／kW)108～1210～15第4章動力傳動系統的方案設計4.1設計要求及分析（1）設計要求如下：①保證車輛動態性能、有效降低能耗100公里的前提下；②盡可能的提高太陽能的轉化利用率；③汽車行駛里程盡可能的大；④設計安全可行。（2）方案分析太陽能電動車的交流輸電動力系統主要由三個動力電動機、電動機和微控制器和一個電池組(它們連接整個太陽能車的電池板以同時儲存大量電能)組成。汽車在正常行駛時,太陽能板板所提供的充電能量并儲存在汽車蓄電池中,前輪的主電機由其提高能量來運行。超負荷時,前后的兩個電機同時利用其提供的能量,電機驅動控制器可以控制三個直流電機同時向一臺車載機供電。通過該整體結構的綜合設計我們可以通過提高再生能源的綜合利用率有效地大大增加電動汽車的行駛續航力和距離。電力自動傳輸控制系統十分重要，當前情況下,前輪驅動比后輪啟動更占優勢,雙馬達車輪的運轉效率高于單作用行駛。所以,本次小型單人太陽能汽車的設計,采用的是前輪驅動，并且采用雙馬達式的車輪,其共同作用大大地增加了工作效益。4.2太陽能汽車整體參數設計太陽能汽車動力傳動系統的設計不僅要滿足汽車主要性能指標的要求，而且要滿足結構布局的要求。因此，小型單人太陽能車的參數如下。：表4.1小型單人太陽能汽車參數表基本參數值基本參數值整車長、寬、高mm3600、1920、1650車輪滾動半徑r/m0.372主減速器傳動比i04.89軸距L/mm2500機械效率η0.86表4.2小型單人太陽能汽車性能參數表性能參數值性能參數值最大速度km/h≥80最大行駛路途/km80最大爬坡度i0.2加速時間/s≤10 4.3傳動機構的布置圖4.1傳動機構布置圖4.4驅動電機的選型匹配（1）額定功率驅動動力電機的最大額定功率為： （4-1）代入得Pe（2）峰值功率驅動電機最大峰值（汽車穩定狀態下保持低速爬坡）為: （4-2）又，amax=arctania=11.3，太陽能汽車速度從零到達100km/h時，最大驅動功率為： （4-3）t為10s，得P2所以,Pmax（3）額定轉矩與最大轉矩 （4-4）又ne=3500r/min，得同理，nmax=5800r/min，得4.5變速器傳動比參數選擇（1）i1太陽能汽車在較慢的情況下正常運動時，汽車的動力應該遠遠大于整車所能同時承受檢測到的一檔車輪低速行駛時的傳動轉向阻力,可得：: （4-5）得：i1而也要保證,汽車能在道路上平穩運行: （4-6）又?=0.6，所以：i1最終得：1.72≤i（2）i2當T （4-7）得：1.02≤同時,在10%的橫向滑移加速率下，i2應滿足最高車速的要求： （4-8）得：i2≤6.72。所以可得：1.02≤i又因為imax=12~18，imax=igi4.6變速器傳動軸設計計算4.6.1輸入軸設計計算（1）材料選用及熱處理選擇輸入軸選用20CrMnTi，并經過滲碳、淬火和高溫回火。20CrMnTi的強度極限σ（2）求d（4-9）P1=得：dmin又因為dmin端要與C型平鍵相連接，d故選取C型鍵型號為：b×h×L=10×8×36。（3）對軸進行校核輸入軸的一擋主動齒輪受力圖如下：圖4.2輸入軸的受力圖輸入軸的轉矩T1=162352.67N·mm對垂直平面內進行計算： （4-10）可得：F對水平面內進行計算： （4-11）可得：FHA=4264.04N又因為兩個平面內的最大應力都位于C處，MVmax=92167.40N·mm則： （4-12）取函數α=1,則： （4-13）求得σe=10.96Mpa<90Mpa，故滿足要求。4.6.2輸出軸設計計算（1）材料選用及熱處理選擇輸入軸選用20CrMnTi，并經過表面滲碳、淬火和回火。20CrMnTi的強度極限σB=80Mpa，σS（2）求d （4-14）P2=P1×η軸承×η（3）對軸進行校核輸出軸一擋主動齒輪受力圖如下：圖4.3輸出軸受力圖輸入齒輪支承與主軸的轉矩相應力為T2=T1×η對垂直面內進行計算： （4-15）得：FVD=1440.00對水平面內進行計算： （4-16）可得：FHD=7222.56又因為兩個平面內的最大應力都位于C處，Mymaxx=348580.88N·mm，MHmaxMHmax則： （4-17）取α=1，則Memax又： （4-18）最終得σe=14.62Mpa<90Mpa，故滿足要求σ4.7對軸承進行校核4.7.1輸入軸的軸承校核（1）輸入軸的軸向力因為，又因為，所以輸入軸的軸向力。因為內部軸向力： （4-19）又，所以。得，。又，所以A處以緊張的狀態，而B處于放松狀態。則：FaA=FB'+FA=2716.08N,，又因為，，最終得，，（2）求P當量動載荷的求取公式為： （4-20）所以：PA=5442.60N最終只需要校核A就可以。（3）求C額定動載荷的求取公式為： （4-21）取fp=1.2，ft=1，L4.7.2輸出軸的軸承校核（1）輸出軸的軸向力，，所以輸入軸的軸向力。又因為內部軸向力： （4-22），所以。最終可知，。因為，所以D處以緊張的狀態，而E處于放松狀態。所以：=10514.45N，，同時，，可得：，；，YE=0。（2）求P當量動載荷的求取公式為： （4-23）得：PD=13670.62所以僅僅校核D就可以。（3）求C額定動載荷的求取公式為： （4-24）取fp=1.2，ft=1，L總結本文通過對太陽能汽車技術的研究，對小型單人太陽能汽車進行了設計，主要對汽車外形參數及動力傳動系統進行了設計。通過對太陽能電池的發電原理的研究分析，確定了太陽能電池板在汽車上的應用方案。介紹并分析了不同電力驅動系統的具體結構形式，依據對國內外太陽能汽車的發展史的調研，確定了小型單人太陽能汽車的外形及動力參數。并且根據太陽能汽車發展現狀及參數要求對小型單人太陽能汽車的主要部件在滿足相關條件下進行了合理選型及校核。基于新能源汽車及城市交通的發展現狀，雖然小型單人太陽能汽車的普遍應用還有很長的一段路要走，但是其擁有十分廣闊的發展前景。

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