Помощь студентам в учебе
Разработка трансмиссии электромобиля на базе легкового автомобиля Mitsubishi Lance
|
ВВЕДЕНИЕ 7
1 АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ И ТИПОВ КОМПОНОВОК ТРАНСМИСИЙ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ
1.1 Анализ конструкций электромобилей 9
1.2 Анализ электродвигателей и систем автоматического управления,
используемых в электромобилях 18
1.2.1 Двигатели постоянного тока 18
1.2.2 Двигатели пульсирующего тока 19
1.2.3 Двигатели переменного тока 19
1.2.4 Синхронный двигатель 20
1.2.5 Асинхронный двигатель 21
1.2.6 Двигатели с вентильным управлением 22
1.2.7 Системы автоматического управления в электромобиле 22
1.3 Анализ аккумуляторных батарей, их основные достоинства и
недостатки 24
1.3.1 Тяговые свинцово-кислотные аккумуляторы 26
1.3.2 Литий-ионные Li-Ion аккумуляторы 27
1.3.3 Никель-металлгидридные Ni-MH аккумуляторы 28
1.3.4 Никель-кадмиевые Ni-Cd аккумуляторы 29
1.3.5 Супер конденсаторы для электротранспорта 30
1.4 Анализ типов компоновок трансмиссий электромобиля 31
1.4.1 Простая компоновка трансмиссии электромобиля с
дифференциальным приводом на одну ведущую ось 32
1.4.2 Двухмоторная компоновка с двумя ведущими осями
(двухосный привод) 33
1.4.3 Компоновка трансмиссии с силовой установкой «мотор -
колесо» 34
1.4.4 Компоновка трансмиссии электромобиля Tesla Model S 38
2 КОНСТРУКТОРСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ
2.1 Тягово-скоростной расчет автомобиля Mitsubishi Lancer с
бензиновым двигателем 45
2.1.1 Расчетные параметры 47
2.1.2 Выбор двигателя и построение его внешней скоростной
характеристики 48
2.1.3 Определение передаточного числа главной передачи 52
2.1.4 Выбор числа передач и определение передаточных чисел
КПП 52
2.1.5 Тяговая и динамическая характеристики автомобиля 54
Ускорение автомобиля 59
2.1.7 Определение времени и пути разгона 62
2.1.8 Мощностной баланс 66
2.2 Тягово-скоростной расчет автомобиля Mitsubishi Lancer с электрической силовой установкой 71
2.2.1 Исходные данные 71
2.2.2 Расчетные параметры 72
2.2.3 Выбор тягового электродвигателя и построение его внешней
скоростной характеристики 73
2.2.4 Определение передаточного числа главной передачи 78
2.2.5 Тяговая и динамическая характеристики электромобиля 79
2.2.6 Ускорение автомобиля 83
2.2.7 Определение времени и пути разгона 86
2.2.8 Мощностной баланс 90
3 АНАЛИЗ И РАСЧЕТ РЕДУКТОРА
3.1 Анализ редукторов, их конструкция, основные достоинства и
недостатки 98
3.1.1 Цилиндрический редуктор 99
3.1.2 Конический редуктор 101
3.1.3 Червячный редуктор 102
3.1.4 Планетарный редуктор 104
3.2 Проектный расчет редуктора 107
3.2.1 Подготовка исходных данных 107
3.2.2 Расчетная мощность на валу исполнительного механизма .. 107
3.2.3 Определение частоты вращения на валах исполнительного
механизма 108
3.2.4 Определение вращающего момента на валах исполнительного
механизма 108
3.2.5 Предварительная разбивка передаточного числа редуктора 109
3.2.6 Геометрический расчет цилиндрической передачи 109
3.2.7 Проектный расчет валов редуктора 122
3.2.8 Подбор подшипников 125
3.2.9 Расчет шлицевого соединения 126
3.2.10 Проверочный расчет промежуточного вала редуктора 128
3.2.11 Расчет вала на сопротивление усталости 138
3.2.12 Проверка работоспособности подшипников качения по
динамической грузоподъемности 140
4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
4.1 Анализ служебного назначения детали 143
4.2 Анализ технологичности детали 143
4.3 Выбор метода получения заготовки 144
4.4 Технологический процесс обработки детали 145
4.5 Контроль готовой детали 148
4.6 Расчет режимов резания и нормы времени 149
4.7 Значения норм времени для изготовления детали 168
5 ОРГАНИЗАЦИОННО - ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
5.1 Организационная часть 169
5.2 Затраты по смете дипломного проекта 171
5.3 Расчет основной заработной платы работников 171
5.4 Оценка коммерческой состоятельности дипломного проекта 176
5.4.1 Расчет себестоимости изделия 177
5.4.2 Простая норма прибыли 179
5.4.3 Период окупаемости проекта 180
5.4.4 Точка безубыточности 181
6 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
6.1 Определение области применения автомобиля 186
6.2 Идентификация электробезопасности 187
6.3 Требования к функциональной безопасности электромобиля 191
6.4 Идентификация механических опасностей 192
6.5 Опасности от шума и вибрации 192
6.6 Пожарная безопасность электромобиля 193
6.7 Устранение опасностей и защитные меры по снижению риска 194
6.7.1 Комплекс мер по устранению механических опасностей .... 194
6.7.2 Комплекс мер по устранению опасностей от шума и
вибрации 195
6.7.3 Комплекс мер защиты по электробезопасности 195
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 199
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 201
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Спецификации на 4 листах ф. А4
1 АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ И ТИПОВ КОМПОНОВОК ТРАНСМИСИЙ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ
1.1 Анализ конструкций электромобилей 9
1.2 Анализ электродвигателей и систем автоматического управления,
используемых в электромобилях 18
1.2.1 Двигатели постоянного тока 18
1.2.2 Двигатели пульсирующего тока 19
1.2.3 Двигатели переменного тока 19
1.2.4 Синхронный двигатель 20
1.2.5 Асинхронный двигатель 21
1.2.6 Двигатели с вентильным управлением 22
1.2.7 Системы автоматического управления в электромобиле 22
1.3 Анализ аккумуляторных батарей, их основные достоинства и
недостатки 24
1.3.1 Тяговые свинцово-кислотные аккумуляторы 26
1.3.2 Литий-ионные Li-Ion аккумуляторы 27
1.3.3 Никель-металлгидридные Ni-MH аккумуляторы 28
1.3.4 Никель-кадмиевые Ni-Cd аккумуляторы 29
1.3.5 Супер конденсаторы для электротранспорта 30
1.4 Анализ типов компоновок трансмиссий электромобиля 31
1.4.1 Простая компоновка трансмиссии электромобиля с
дифференциальным приводом на одну ведущую ось 32
1.4.2 Двухмоторная компоновка с двумя ведущими осями
(двухосный привод) 33
1.4.3 Компоновка трансмиссии с силовой установкой «мотор -
колесо» 34
1.4.4 Компоновка трансмиссии электромобиля Tesla Model S 38
2 КОНСТРУКТОРСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ
2.1 Тягово-скоростной расчет автомобиля Mitsubishi Lancer с
бензиновым двигателем 45
2.1.1 Расчетные параметры 47
2.1.2 Выбор двигателя и построение его внешней скоростной
характеристики 48
2.1.3 Определение передаточного числа главной передачи 52
2.1.4 Выбор числа передач и определение передаточных чисел
КПП 52
2.1.5 Тяговая и динамическая характеристики автомобиля 54
Ускорение автомобиля 59
2.1.7 Определение времени и пути разгона 62
2.1.8 Мощностной баланс 66
2.2 Тягово-скоростной расчет автомобиля Mitsubishi Lancer с электрической силовой установкой 71
2.2.1 Исходные данные 71
2.2.2 Расчетные параметры 72
2.2.3 Выбор тягового электродвигателя и построение его внешней
скоростной характеристики 73
2.2.4 Определение передаточного числа главной передачи 78
2.2.5 Тяговая и динамическая характеристики электромобиля 79
2.2.6 Ускорение автомобиля 83
2.2.7 Определение времени и пути разгона 86
2.2.8 Мощностной баланс 90
3 АНАЛИЗ И РАСЧЕТ РЕДУКТОРА
3.1 Анализ редукторов, их конструкция, основные достоинства и
недостатки 98
3.1.1 Цилиндрический редуктор 99
3.1.2 Конический редуктор 101
3.1.3 Червячный редуктор 102
3.1.4 Планетарный редуктор 104
3.2 Проектный расчет редуктора 107
3.2.1 Подготовка исходных данных 107
3.2.2 Расчетная мощность на валу исполнительного механизма .. 107
3.2.3 Определение частоты вращения на валах исполнительного
механизма 108
3.2.4 Определение вращающего момента на валах исполнительного
механизма 108
3.2.5 Предварительная разбивка передаточного числа редуктора 109
3.2.6 Геометрический расчет цилиндрической передачи 109
3.2.7 Проектный расчет валов редуктора 122
3.2.8 Подбор подшипников 125
3.2.9 Расчет шлицевого соединения 126
3.2.10 Проверочный расчет промежуточного вала редуктора 128
3.2.11 Расчет вала на сопротивление усталости 138
3.2.12 Проверка работоспособности подшипников качения по
динамической грузоподъемности 140
4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
4.1 Анализ служебного назначения детали 143
4.2 Анализ технологичности детали 143
4.3 Выбор метода получения заготовки 144
4.4 Технологический процесс обработки детали 145
4.5 Контроль готовой детали 148
4.6 Расчет режимов резания и нормы времени 149
4.7 Значения норм времени для изготовления детали 168
5 ОРГАНИЗАЦИОННО - ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
5.1 Организационная часть 169
5.2 Затраты по смете дипломного проекта 171
5.3 Расчет основной заработной платы работников 171
5.4 Оценка коммерческой состоятельности дипломного проекта 176
5.4.1 Расчет себестоимости изделия 177
5.4.2 Простая норма прибыли 179
5.4.3 Период окупаемости проекта 180
5.4.4 Точка безубыточности 181
6 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
6.1 Определение области применения автомобиля 186
6.2 Идентификация электробезопасности 187
6.3 Требования к функциональной безопасности электромобиля 191
6.4 Идентификация механических опасностей 192
6.5 Опасности от шума и вибрации 192
6.6 Пожарная безопасность электромобиля 193
6.7 Устранение опасностей и защитные меры по снижению риска 194
6.7.1 Комплекс мер по устранению механических опасностей .... 194
6.7.2 Комплекс мер по устранению опасностей от шума и
вибрации 195
6.7.3 Комплекс мер защиты по электробезопасности 195
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 199
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 201
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Спецификации на 4 листах ф. А4
Все возрастающая потребность в перевозках грузов и пассажиров вызывает необходимость увеличения и интенсификации использования парка автомобильного
транспорта. Это приводит к повышению уровня загрязнения воздушной среды отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания, а также к росту уровня
шума транспортных потоков на улицах и магистралях, особенно крупных городов.
Одним из возможных направлений в решении перечисленных проблем является
использование в качестве транспортных средств электромобилей, не смотря на то,
что в производстве электромобилей имеется целый ряд еще нерешенных вопросов
как технического, так и экономического плана. Наибольшее распространение на
данный момент имеют гибридные автомобили, однако будущее, несомненно, за
полностью электрическими тяговыми машинами. Стоимость гибридного двигателя
неоправданно высока по сравнению с обыкновенным двигателем внутреннего сгорания (ДВС), при небольшом экологическом выигрыше, тогда как полностью электрическая тяговая установка не имеет выбросов и значительно проще как гибридных установок, так и ДВС, что значительно повышает надежность и снижает стоимость обслуживания автомобиля. За счет меньшего количества составных частей и
использования только одного вида энергоресурса, электрический привод проще
разработать, чем привод с гибридной силовой установкой, поэтому производство
электромобилей на сегодняшний день более перспективно. Основная и общая проблема для автономного тягового электропривода, независимо от типа используемого двигателя – это энергосбережение. Средний пробег существующих на рынке
моделей электромобилей составляет 400 - 500 километров на одной зарядке. Основной путь увеличения данного параметра на сегодняшний день – разработка и
использование более совершенных аккумуляторов.
Другой метод подразумевает энергосбережение за счет использования рекуперации энергии. Анализ графиков движения на автомобиле по городу и кольцевым
автобанам, показывает, что 60% кинетической энергии тратится на ускорение.
Примерно 30% этой энергии возможно восстановить во время рекуперативного
торможения в случае использования тягового электропривода, когда двигатель переходит в генераторный режим, тем самым заряжая аккумуляторы (заряд за счет
длительного перехода в генераторный режим) и конденсаторы (заряд за счет коротких тормозных пиков). Также на конденсаторах выполняются специальные
стартовые системы, позволяющие уменьшить потребление энергии из аккумулятора при резких стартах. В целом, экономия за счет рекуперации и использования
временных накопителей энергии достигает примерно 25%.
Система электропривода, состоит из сложной последовательности различных
элементов трансмиссии, которые по средствам различных источников питания
приводят в движение механизмы и различные компоненты привода. В работе каждого из этих механизмов заложены алгоритмы и последовательность действий.
Для каждого механизма необходима точная отладка, с определяющей особенностью области, в которой они используются, не говоря уже об энергосбережении,
оптимизации, условиях окружающей среды и так далее. Но современное производство подразумевает использование высокотехнологических комплексов, где все
части системы, входящие в комплекс, должны работать как единый механизм.
Слаженную работу таких механизмов на этапе проектирования определяет правильно разработанная или подобранная методика расчета параметров приводов,
методика выбора устройств управления, следование которым дает в конечном результате требуемый характер перемещения и работы механизма. Скоростные и тяговые свойства – это одни из более необходимых и главных свойств в эксплуатации автомобиля с тяговым электроприводом.
Актуальность работы обусловлена тем, что на сегодняшний день подавляющее
число легковых автомобилей имеет в своей конструкции механический привод
трансмиссии с ДВС, топливом для таких автомобилей являются нефтепродукты,
ресурс которых небезграничен, а их цена периодически только растет. Кроме того,
автомобили с ДВС значительно загрязняют окружающую среду. Несмотря на то,
что разработка альтернативы ДВС в качестве электросиловой установки для легкового автомобильного транспорта требует достаточно серьезных конструкторских
проработок, больших средств и усилий на изучение технических материалов, их
применение позволит избежать многих негативных факторов, как при техническом
обслуживании автомобиля, так и при его повседневной эксплуатации. В связи с
этим, одна из главных задач данной работы – это необходимость полного рассмотрения различных устройств и конструкций электроприводной системы трансмиссии, а также ее компоновок в электромобиле, с целью внесения предложения новой
конструкции электропривода на базе легкового автомобиля среднего класса. В настоящей работе в качестве легкового автомобиля для расчетов был выбран
Mitsubishi Lancer, потому что данный автомобиль достаточно широко распространен на мировом рынке, имеет большой спрос потребителей, а также обладает высокой утилитарностью, имеет отличную проходимость, объемный салон и достаточно универсален под любые условия эксплуатации.
транспорта. Это приводит к повышению уровня загрязнения воздушной среды отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания, а также к росту уровня
шума транспортных потоков на улицах и магистралях, особенно крупных городов.
Одним из возможных направлений в решении перечисленных проблем является
использование в качестве транспортных средств электромобилей, не смотря на то,
что в производстве электромобилей имеется целый ряд еще нерешенных вопросов
как технического, так и экономического плана. Наибольшее распространение на
данный момент имеют гибридные автомобили, однако будущее, несомненно, за
полностью электрическими тяговыми машинами. Стоимость гибридного двигателя
неоправданно высока по сравнению с обыкновенным двигателем внутреннего сгорания (ДВС), при небольшом экологическом выигрыше, тогда как полностью электрическая тяговая установка не имеет выбросов и значительно проще как гибридных установок, так и ДВС, что значительно повышает надежность и снижает стоимость обслуживания автомобиля. За счет меньшего количества составных частей и
использования только одного вида энергоресурса, электрический привод проще
разработать, чем привод с гибридной силовой установкой, поэтому производство
электромобилей на сегодняшний день более перспективно. Основная и общая проблема для автономного тягового электропривода, независимо от типа используемого двигателя – это энергосбережение. Средний пробег существующих на рынке
моделей электромобилей составляет 400 - 500 километров на одной зарядке. Основной путь увеличения данного параметра на сегодняшний день – разработка и
использование более совершенных аккумуляторов.
Другой метод подразумевает энергосбережение за счет использования рекуперации энергии. Анализ графиков движения на автомобиле по городу и кольцевым
автобанам, показывает, что 60% кинетической энергии тратится на ускорение.
Примерно 30% этой энергии возможно восстановить во время рекуперативного
торможения в случае использования тягового электропривода, когда двигатель переходит в генераторный режим, тем самым заряжая аккумуляторы (заряд за счет
длительного перехода в генераторный режим) и конденсаторы (заряд за счет коротких тормозных пиков). Также на конденсаторах выполняются специальные
стартовые системы, позволяющие уменьшить потребление энергии из аккумулятора при резких стартах. В целом, экономия за счет рекуперации и использования
временных накопителей энергии достигает примерно 25%.
Система электропривода, состоит из сложной последовательности различных
элементов трансмиссии, которые по средствам различных источников питания
приводят в движение механизмы и различные компоненты привода. В работе каждого из этих механизмов заложены алгоритмы и последовательность действий.
Для каждого механизма необходима точная отладка, с определяющей особенностью области, в которой они используются, не говоря уже об энергосбережении,
оптимизации, условиях окружающей среды и так далее. Но современное производство подразумевает использование высокотехнологических комплексов, где все
части системы, входящие в комплекс, должны работать как единый механизм.
Слаженную работу таких механизмов на этапе проектирования определяет правильно разработанная или подобранная методика расчета параметров приводов,
методика выбора устройств управления, следование которым дает в конечном результате требуемый характер перемещения и работы механизма. Скоростные и тяговые свойства – это одни из более необходимых и главных свойств в эксплуатации автомобиля с тяговым электроприводом.
Актуальность работы обусловлена тем, что на сегодняшний день подавляющее
число легковых автомобилей имеет в своей конструкции механический привод
трансмиссии с ДВС, топливом для таких автомобилей являются нефтепродукты,
ресурс которых небезграничен, а их цена периодически только растет. Кроме того,
автомобили с ДВС значительно загрязняют окружающую среду. Несмотря на то,
что разработка альтернативы ДВС в качестве электросиловой установки для легкового автомобильного транспорта требует достаточно серьезных конструкторских
проработок, больших средств и усилий на изучение технических материалов, их
применение позволит избежать многих негативных факторов, как при техническом
обслуживании автомобиля, так и при его повседневной эксплуатации. В связи с
этим, одна из главных задач данной работы – это необходимость полного рассмотрения различных устройств и конструкций электроприводной системы трансмиссии, а также ее компоновок в электромобиле, с целью внесения предложения новой
конструкции электропривода на базе легкового автомобиля среднего класса. В настоящей работе в качестве легкового автомобиля для расчетов был выбран
Mitsubishi Lancer, потому что данный автомобиль достаточно широко распространен на мировом рынке, имеет большой спрос потребителей, а также обладает высокой утилитарностью, имеет отличную проходимость, объемный салон и достаточно универсален под любые условия эксплуатации.
