毕业设计(论文)-电动汽车的制动系统制动结构分析及研究.doc
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1、 毕业论文(设计)题 目电动汽车的制动系统制动结构分析及研究 指导教师 学生姓名 学 号 专 业 交通运输 教学单位 德州学院汽车工程系 (盖章) 二O一二年五月十日目录1 绪论11.1 引言11.2国内外电动汽车制动系统的研究状况21.3 本文的主要研究内容32 电动汽车制动系统的组成和结构分析42.1 电磁制动器42.2 电动汽车制动系统的理论分析和数学建模52.2.1 制动时车轮受力分析52.2.2 制动过程分析82.2.3 理想制动力分配曲线92.2.4 具有固定比值的前、后制动器制动力与同步附着系数132.2.5 前、后制动器制动力具有固定比值的汽车在各种路面上制动过程分析142.2
2、.6 利用附着系数163 电动汽车制动系统的功能和设计要求183.1 制动系统的功用183.2 制动系统的评价指标183.3 制动系统的设计要求184 结论和展望194.1 结论194.2 展望19参考文献20谢 辞20德州学院 汽车工程系 2012届 交通运输专业 毕业论文电动汽车的制动系统制动结构分析及研究魏自龙(德州学院 汽车工程系,山东德州 253023)摘 要: 电动汽车的制动系统对轿车行驶的安全性和可靠性有很大的影响,它是电动汽车十分重要的组成部分,只有在保证汽车制动系统的制动性能优良,制动系统的工作灵敏可靠的情况下,人们的生命安全和财产安全才能得到保证,才能发挥电动汽车的其它优越
3、性能。而制动系统的结构分析和设计计算是保证和提高电动汽车制动性能至关重要的一步。本文就是围绕这个中心,对电动汽车制动性能进行了研究。首先,对电动汽车制动系统组成和结构进行了系统分析,并简单扼要的介绍了各部分的基本工作原理,随后,对电动汽车制动系统进行了理论分析和举例计算,其中包括对电动汽车制动过程,理想制动力分配曲线,前、后制动力的分配,制动器制动力矩的计算。关键词: 制动系统; 结构分析; 工作原理; 简单计算1 绪论1.1 引言随着人们生活水平的日益提高和汽车工业的迅速发展,汽车已经成为最重要的现代化交通工具,汽车也是数量最多、最普及、活动范围最广泛、运输量最大交通工具。在现代社会中,没有
4、哪一种交通工具可以与汽车相媲美。目前,全世界的汽车保有量在7亿左右,平均每九个人就有一辆,其中轿车的数量最多,占保有量的80%左右,汽车普及率最高的要属美国,但是近几年来,我国的汽车工业迅速发展,截止到2011年8月底,我国汽车保有量已经突破一个亿,成为汽车拥有的超级大国。社会的不断发展使对汽车的要求也日益增高,促使了汽车工业的日益繁荣。但是汽车工业的迅猛发展也带来了严重的能源问题,据统计数据显示,去年全球汽车平均拥有量为16.75,即每6.75个人拥有1辆汽车。在美国,这个比例是11.3;在法国、日本和英国,这个比例大约为11.7;在中国,这个比例约为117.2。目前,中国人均拥有量远低于平
5、均水平,但迅速增加的汽车保有量已对国内燃油供应带来巨大压力。如果中国千人汽车保有量达到美国的水平,全世界的石油都供应不起。国家能源委员会专家咨询委主任张国宝日前表示,“十一五”期间,国内新增炼油能力,全部被新增汽车吃掉。每年因汽车增长而增加的石油消费达到3000万吨。能源压力正在制约中国汽车产业可持续发展。在这种石油资源的日益匮乏和坏境污染的日益严重的情况下,非石油燃料的,零污染的纯电动汽车又一次引起了人们极大的兴趣。清华大学教授、国家863计划节能与新能源汽车重大项目总体组组长欧阳明高表示,到2015年,我国电动汽车保有量将达到百万级水平。随着电动汽车的数量越来越多,电动汽车的安全问题也越来
6、越受人们的关注,电动汽车制动系统的研究也成为车辆研究的一个重点,汽车制动性能是衡量一个车安全性的一个重要标准,制动效能不佳和制动时失控是造成交通事故的重要原因,所以研究电动汽车制动系统的结构和设计计算已成为提高汽车安全性的一个重要步骤,具有很重要的意义.1.2国内外电动汽车制动系统的研究状况汽车的制动性能是电动汽车的关键技术之一,电动汽车的制动安全性、行驶里程及乘客舒适性都与它有很深厚的关系,同时也是评价电动汽车好坏的一个重要指标。国外在很久之前就开展了研究,并积攒了很丰富的经验,具备了相当成熟的理论,并且从上世纪90年代开始上市。日本丰田汽车公司是走在最前沿的汽车公司,开发的混合动力汽车已达
7、到实用化水平。1997年,丰田退出了世界上第一款批量生产的混合动力汽车Prius,该车应用了制动力综合控制系统(THS),该系统集成了防抱死控制功能和再生制动功能,提高整车利用率达到20%。日本丰田汽车公司还开发了以优越驾驶员制动感受和能量回收的效率为控制目标的EV PLUS纯电动汽车,并且建立了再生 制动系统制动力分配控制策略并进行了实验,取得了很好的效果。美国的福特公司主要应用线控电液再生制动系统,以电子系统和机械制动器来取代传统的制动系统。其他公司在这方面也有很好的研究。在国内,在国家863计划的支持下,我国在电动汽车制动技术上取得了阶段性的研究成果,1995年北京理工大学何宇平等人对汽
8、车制动模拟进行了较深入的研究,提出了一种汽车直线制动性能的分析和计算方法,并对具体的车型进行了模拟计算和实车道路试验。在他们的研究中,考虑到了制动过程中轮胎滑移率的变化,建立了车轮一路面附着系数与滑移率之间简化的关系式。为以后的制动系统的结构优化和设计奠定了良好的基础,但是大部分的研究成果都停留在理论方面,并不能实现批量生产,这是我国技术的缺陷。1.3 本文的主要研究内容(1)介绍了国内外电动汽车制动系统设计技术研究状况(2)对电动汽车的制动系统的组成、结构进行了具体说明对制动系统的各个组成部分的基本原理做了简单的阐述,并进行了简单的理论计算。(3)电动汽车制动系统理论分析,包括制动时车轮的受
9、力分析、制动过程分析、理想制动力分配曲线及前、后制动器制动力具有固定比值和利用附着系数。(4)通过以上各种分析和理论计算来确定电动汽车的制动系统的制动性能,并进行一定成都的优化,电动汽车上的制动系统和普通燃油汽车上的制动系统基本上一样,有些纯电动汽车就是采用普通燃油汽车上的部件,只是把燃油发动机换成了电动机,其他结构基本一致。212 电动汽车制动系统的组成和结构分析电动汽车现在都是采用全电刹车系统,这种刹车系统最早是应用在飞机上,其工作原理与液压刹车系统类似,但是有它独特的特点,他的运作步骤为:车轮速度信号和刹车力矩信号经速度传感器和力矩传感器送入刹车控制盒,产生相应的控制信号输入到机电作动控
10、制器,再由机电作动控制器产生相应的控制信号控制电作动机构,输出刹车压力到刹车盘,产生相应的刹车力矩。其工作原理图如图1-1图1-1这种制动系统有很多优点,首先整个制动系统结构简单,省去了传统制动系统的制动油箱、制动主缸、助力装置、液压阀、复杂的管路系统等部件、使整车质量降低,符合国家汽车轻量化的发展标准,达到节油的目的。其次,制动相应时间短,提高了制动性能。无制动液,维护起来也比较简单,系统总成制造、装配、测试简单快捷、制动分总称为模块化结构。还有这种制动系统易于改进,不用大的改动就可以增加各种电控制功能,更加方便化。2.1 电磁制动器现在电磁制动器已经处于很好的研究状态,电磁鼓式制动器已经设
11、计申请了国家专利,其结构如图1-2所示:图1-2该电磁制动器是利用电子装置的电磁制动机构,通过控制电流的大小等一系列的参数来改变和控制制动力。因为这种制动器省去了传统的液压制动机构,所以这种制动器是不需要液压油的,就减少了液压油燃烧的危险,提高了安全性,简化了其结构,也相应的减轻了汽车的质量。电磁制动系统采用了转速反馈控制系统,很明显的改善了制动力矩和制动时间,缩短了制动距离,提高了制动装置的使用寿命。而且这种制动器的制动效率比传统的制动器要好的多,将是制动器未来发展方向。2.2 电动汽车制动系统的理论分析和数学建模2.2.1 制动时车轮受力分析汽车受到与行驶方向相反的外力,才能从一定的车速制
12、动到一定的车速或直至停车,这个外力只能由地面和空气提供。但是由于空气阻力比较小,所以实际上的外力主要是由地面提供的,所以称之为地面制动力。地面制动力越大,制动减速度越大,制动距离也就越短,所以说地面制动力对汽车的制动性能有至关重要的影响。下面我们分析一下车轮在制动时的受力情况,用来说明影响汽车制动力的主要因素,主要从两个方面进行分析即地面制动力和制动器制动力。 图2-1 图2-1为我们很清晰的表示了车轮在良好的硬路面上制动时车轮的手里情况。图中滚动阻力偶矩和减速时的惯性力、惯性力偶矩军忽略不计。是车轮制动器里面的摩擦片与制动鼓或者制动盘相对滑动时的摩擦力矩,单位是N.m;就是我们所说的地面制动
13、力,单位是N;W是车子对车轮的垂直载荷、是传动轴对于车轮的推动力、是地面对于车轮的法向反作用力,他们的单位均是N。那么我们就可以根据车轮的受力情况再结合力矩平衡得到以下式子 2-1其中式子中的r是车轮半径(m)。地面制动力就是使汽车制动从而使汽车减速行驶的外力。但是地面地面制动力又取决于制动器制动力和地面附着力,制动器制动力就是制动器内部摩擦片与摩擦片之间的摩擦力,地面附着力就是轮胎与地面间的摩擦力。下面我们分析一下地面制动力、制动器制动力与附着力之间的关系。在车轮制动时,如果我们只考虑车轮的运动为纯滚动与抱死滑动两种状况,当人踩的制动踏板力比较小时,制动器摩擦力矩不大,地面与轮胎间的摩擦力就
14、是地面制动力,这个力足以克服制动器摩擦力矩而使车轮转动自如。很显然车轮滚动时的地面制动力就等于制动器制动力,而且这是的地面制动力随着踏板力的增长成正比的增长,具体的可以看图2-2, 图2-2这个图可以为我们很好的很明了的解释这之间的关系。但是地面制动力是滑动摩擦的约束反力,所以它的值是不可能超过附着力的,可以用以下关系式来表示,即: 2-2或者可以用最大地面制动力来表示,即: 2-3当制动器踏板力上升到某一值(如图2-2表示的制动系液压力)、地面制动力达到附着力值时,车轮就会出现抱死不转而出现拖滑现象。当制动踏板力大于这个值时,制动器制动力会因为制动器摩擦力矩的增长而仍按直线关系继续增长。但是
15、,如果作用在车轮上的垂直载荷为常数,地面制动力达到附着力的值后就不再增加了,由此我们可以得出以下结论,汽车的地面制动力会首先取决于制动器制动力,但同时又受到地面附着条件的限制,所以只有汽车具有足够的制动器制动力的同时,地面又能提供足够高的附着力时,才能获得足够的地面制动力。2.2.2 制动过程分析 图2-3下面我们对制动过程做一个比较全面的分析,图2-3是驾驶员在接受了紧急制动信号后制动减速度与制动时间的关系曲线,这个图的曲线表示是经过简化后的,但也可以充分说明在制动过程中的问题,下面我们进行详细的分析。驾驶员在接到紧急停车的信号的时候,并没有即刻行动踩下制动踏板,而是要经过一段很小的反应时间
16、后才意识到应该进行紧急刹车,这时才开始踩下制动踏板,这段时间称为驾驶员的反应时间,一般为0.10.3s,在这之后,随着驾驶员踩制动踏板的动作,踏板力迅速增大,蹄片与制动鼓接触,产生较大的摩擦力,地面制动力开始起作用,是汽车产生减速度,就是制动器制动力逐渐增长过程所需要的时间,称为制动器的作用时间。制动器的作用时间一方面取决于驾驶员踩下制动踏板的速度,另外更重要的是受制动器结构形式的影响。的时间一般为0.20.9s之间。是持续制动时间,这期间制动减速度保持不变。到这段时间里的开始时就是驾驶员开始松开制动踏板,制动器制动力开始减弱,制动减速度也随之减小直至停车,的时间一般在0.21.0s之间。因此
17、,从驾驶员开始踏下制动踏板到制动结束,汽车制动的全过程包括:制动系统的反应时间、制动器起作用时间、持续制动时间和放松制动器四个阶段。在制动过程中,如果忽略滚动阻力偶矩、减速时的惯性力、惯性力偶矩,则车轮只受制动器制动力和地面制动力,制动器制动力为轮胎周缘克服制动器摩擦力矩所需的力,由制动器结构参数所决定,并与制动踏板力成正比。地面制动力是使汽车制动而减速行驶的外力,它取决于两个摩擦副的摩擦力:一是制动器内制动摩擦片与制动鼓或制动盘间的摩擦力;一是轮胎与地面间的摩擦力。在制动器开始起作用的初始阶段,制动器制动力较低,地面制动力足以克服制动器制动力而使车轮滚这时的地面制动力等2.2.3 理想制动力
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