自行车设计说明书.doc

三明学院设计说明书节能环保自行车设计说明书 学院名称： 三明学院机电工程学院 参赛学生姓名： 刘亚娟 、黄宇征 指导老师： 张雯娟、 熊昌炯 时间：2014 年 7月1 日 10 月 8 日 目录摘要.1Abstract.2 第一章 绪论.31.1创意来源，目的，意义与该设计的市场前景.31.2有关节能环保自行车的概念.31.2.1什么是节能环保自行车.31.2.2节能环保自行车的种类.4第二章节能环保自行车动力性分析.42.1节能环保自行车运行方程.5 2.2节能环保自行车的行驶力学.62.2.1车辆模型.62.2.2节能环保自行车阻力计算.62.2.3空气阻力.72.2.4节能环保自行车惯性力的计算.82.2.5节能环保自行车的牵引力计算.92.3节能环保自行车的动力性能.102.3.1自行车基本参数介绍.112.4制动系统.112.5节能环保自行车驱动系统的成.122.6电机的选择.122.6.1无刷直流电动轮毂的选型计算.132.7节能环保自行车的续行距离.14第三章传感器的选择.15第四章控制器的选择.15总结.16参考文献.17致谢声明.18附录.191摘要现今由汽车产业的高速发展，能源无节制消耗，污染排放过量，节能环保自行车已成为大部分人的选择。但是，当今节能环保自行车的动力性能有驱动系统决定行驶里程受限于蓄电池的储存电量，为了提高动力性能和行驶里程，我们采用了能量转换装置，安装了能量转换器，主要是把太阳能转换成电能,动能转化为电能。以此来增加续行距离。本文研究了环保节能自行车在制动过程中的能量反馈，设计了永磁无刷直流电动机在环保节能自行车制动过程中的能量再生反馈控制系统。从理论上分析了永磁无刷直流电机利用位置传感器测转子未知的方法，并对换相过程，及能量转化过程做出了较详细的介绍。首先系统对节能环保自行车的运行状态进行了状态分析，分别对节能自行车的运行阻力，惯性力，再生制动力以及所需要的牵引力进行了计算。根据所需的牵引力，在本设计中也对无刷直流电机和蓄能电池，以及能量转换器进行了选型计算。再次对节能环保自行车的能量反馈控制方案进行了研究，内容包括轮毂电机的调速、车的再生制动控制。关键词：节能环保自行车；动力性能、再生制动、电能控制；永磁无刷直流轮毂电机，能量转换AbstractDue to the fast development of auto industry, the excess consumption of energy, and emissions of pollution, bicycle of energy conservation and environmental protection has become the choice of most people. However, the dynamic performance of the bicycle is limited by the battery storage capacity. In order to supplement energy, improve the dynamic performance and mileage, we adopte the energy conversion device, by installing energy converters, mainly solar energy into electrical energy.This paper studies the energy feedback in the process of braking of environmental protection and energy saving bicycle, and we design for permanent magnet brushless dcmotor in the energy saving bicycle brake energy regeneration feedback control system.Permanent magnet brushless dc motor are analyzed theoretically by using the method of rotor position sensor measuring the unknown, and exchange process, and the energy conversion process has made the detailed introduction.Firstly,we systematically ananlyze of operation state of bicycle, respectively for energy-saving running resistance of bicycle, inertia force, the regenerative braking force and the traction needed to calculate.According to the required traction,we conduct the type selection calculation in the design of brushless dcmotor and energy storage batteries, as well as the energy converter. Then for energy conservation and environmental protection bicycle, the energy feedback control scheme is studied again, and the content includs the wheel hub motor speed, vehicle regenerative braking control.Keywords: Energy conservation and environmental protection bicycles;Dynamic performance, regenerative braking, power control;Permanent magnet brushless dcmotor wheel hub, Energy conversion第一章绪论1.1课题来源，目的，意义与该课题的市场前景当今时代，节能环保自行车已成为人们日常生活不可缺少的代步工具，改变了人们的生活方式提高了人们的生活质量。由于汽车的燃料供应存在着潜在的隐患。此外汽车废气造成的大气污染日益严重。针对上述问题。电动汽车，节能环保自行车已经进入了中国市场。设计的意义:首先本设计对能量再生有了新的认识，一类是太阳能再生，是指节能环保自行车再行驶的过程中吸收太阳能，将太阳能转化为电能，并且充进电池；一类是制动能量再生，是指节能环保自行车减速制动时将其中的一部分机械能转化为电能，并且将其充进电池。这样就可以提高一次充电的行驶距离，避免了不必要的能量损失。1.2有关节能环保自行车的概念1.2.1什么是节能环保自行车节能环保自行车是以电池作为辅助能源，具有两个车轮，能实现人力骑行，电动或电助动功能的自行车。它虽具有普通自行车的外表特征，但更主要的是，它是在普通自行车的基础上，安装了电动机，控制器，电池，装换器，转把，闸把等操纵部件和显示仪表系统、机电一体化的个人交通工具。如（图1.1)（图1.1）节能环保自行车1.2.2节能环保自行车整车参数的设计在设计前先将文章中计算需要的数据假定如下：整车质量（）50kg；重力加速度（g）10m/；滚动阻力系数（u)0.02；人重（) 70kg；车轮直径(D) 400mm；后轮转子直径（d)10mm。第二章节能环保自行车动力性能分析动力传动系统由蓄电池、控制器、发动机、驱动轮等组成。节能环保自行车的动力性评价指标有最高车速、加速时间和最大爬坡度。然而，电动机的最大功率与额定功率下观察甚多，而最大功率工况不能长时间运行，因此必须用电动机的额定工况计算节能环保自行车的最大爬坡度和最高车速。节能环保自行车的加速度过程和起步时间较短，理论上可以用电动机的外特性进行设计计算。下面从自行车直线行驶动力学模型来进行分析。2.1节能环保自行车运行方程节能环保自行车在路面上行驶，有各种不同方向和不同大小的作用力作用在节能环保自行车上，节能环保自行车主要研究与车方向平行的外力及外力的分析，这些力可以分为三种：牵引力；运行阻力；制动力。这三种力以不同形式形成作用于节能环保自行车上形成的合力C:牵引运行时：合力C=F-W；惯性运行时：合力C=-W；制动时：合力C=-(W+B)。节能环保自行车运行方程是把节能环保自行车当作一个平移的钢体，表示节能环保自行车在不同运行状态时，作用在节能环保自行车上诸力的关系式。在工程上用它计算节能环保自行车运行时所需要的制动力、惯性力。节能环保在运行时状态有三种：牵引状态：节能环保自行车在电动机的牵引力作用下，起动，加速或等速运行；惯性运行：节能环保自行车在运行中牵引电动机断电后靠惯性运行；制动运行：节能环保自行车在运行中切断牵引电动机的电源，并且施加机械或电器的制动力，减速运行。节能环保自行车在牵引等速状态下，沿运行方向作用在节能环保自行车上的力有牵引力F,静阻力和惯性力W。根据静法原理，可列出如下方程 (2-1)这就是牵引等速运行状态下的基本方程。2.2节能环保自行车的行驶力学2.2.1车辆模型驱动系统的动力输出特性与车子的动力性能直接相关。驱动系统的动力输出更满足车子的动力性能要求。在设计节能环保自行车驱动系统时，为了使节能环保自行车达到要求的动力性能指标，首先必须必须建立节能环保自行车的力学模型，对节能环保自行车行驶过程中力与功率的平衡进行分析，以得到节能环保自行车的需求特性。节能环保自行车的动力传动系统主要是由能量存储系统和动力驱动系统组成。能量存储系统包括蓄电池和能量管理系统，动力驱动系统包括驱动电动机和驱动控制系统如（图2.1)。(图2.1)电动机节能环保自行车在行驶过程中，由动力蓄电池输出电能给电动机，电动机输出功率，用于克服节能环保自行车本身机械装置中的内部阻力以及行驶条件决定的外部阻力消耗的功率，外部阻力即节能环保自行车的行驶阻力。从分析电动汽车行驶时的受力状况出发，建立直线行驶方程式，是分析节能环保自行车直线行驶性能的基础。节能环保自行车运行时的阻力系数为：=+u (2-2)车轮与地面之间的滚动摩擦系数，取0.02；D车轮直径，mm；d轴承的直径，mm；U轴承的摩擦系数，取0.002；所以阻力系数：=0.02+0.002=0.0205需要说明的是车轮与地面之间的滚动摩擦系数是随着路面状况的不同，其数值也在不断改变。参考给出正常行驶的不同路段的滚动摩擦系数表2-1.表2-1不同路面的滚动摩擦系数路面特征全新坚硬的柏油、混泥土、小方石块路面0.0.1-0.02经压轧的坑洼波动的碎石路，混泥土路面0.02-0.03压坏的柏油路面0.03-0.04良好路面0.045一般的土路0.05-0.15松沙路面0.15-0.32.2.2节能环保自行车阻力计算节能环保自行车的静阻力主要是基本阻力和坡道阻力，空气阻力因车速不高，计算时可以不予以考虑。基本阻力是节能环保自行车经常受的阻力。基本阻力用于阻力系数求得，节能环保自行车的基本阻力用下式计算： (2-3)式中人的质量，节能环保自行车空载时的质量，所以基本阻力为=（50+70）100.02005=24.06N坡道阻力是节能环保自行车在坡道上运行时，节能环保自行车的重力沿坡道倾斜方向的分力。设为坡道的倾斜角，这时坡道的阻力为： (2-4)式中的“”符号表示：上坡运行时取“+”，下坡运行时取“”所以节能环保自行车的静阻力为：=+=(+）g(sin) (2-5)若节能环保自行车在水平地面上行驶时节能环保自行车的静阻力为：=（50+70）10（0.02005+0）=24.06N2.2.3空气阻力车子向前进，必须借助一定的力量。骑车人每踏蹬的力量叫前进力，也叫向前推理。前进力与用力、传动比、曲柄长以Y代表前进力，Q代表踏蹬力量，I代表曲柄长度，D代表传动比，他们之间的之间的关系公式表示为： Y=Q/D (2-6)前进力与踏蹬力量，曲柄长度成正比，与传动系数则成反比。人们骑着自行车前进时，即使在无风天也会感到有风从耳边飞过，速度越快人感觉到的风力越大，阻碍前进的效果越明显。因为人们不是在真空中骑车，而是四周始终被空气包围着。从物理学观点来讲：人骑车进行时，人和车给前方空气以挤压力，而空气给人和车以反作用力，即空气阻力。经测量，风速在49公里每小时的情况下，垂直于风向每平方米面积受到的压力为11公斤。不论风速40公里每小时或每小时49公里的速度骑行时，他们垂直于风向的每平方米面积上所受到的空气压力都是11公斤。人们骑车前进时，必须突破空气阻力，这需要力量。不同风级所产生的风速和垂直风向每平方米所受到的压力均不相同，只有克服这些因素，车子才能向前行驶。2.2.4节能环保自行车惯性力的计算节能环保自行车的惯性力除了平移之外，还有车轮、电机转子等螺旋部件的旋转部件的旋转惯性距。为了简化计算，将这些旋转惯性距折算成平移移动的惯性力。这样节能环保自行车惯性力即为：=（+）a+(+）a=(1+)（+）a ( 2-7)为节能环保自行车的惯性力，N；旋转惯性系数，参照矿用机车的数据，节能环保自行车取0.075；a节能环保自行车的加速度，启动时的加速度取0.03-0.05m/。将代入(2-7)式得=1.075（+）于所有式子整理得到节能环保自行车牵引运行时需要机车给出的牵引力为：F=（+）g(sin+0.1075a)将数据代入得：F=(50+70）10（0.0205+0.10750.05）=31.05N节能环保自行车在惯性运行时的状态下牵引电动机断电，牵引力消失。节能环保自行车依靠已具有能量克服阻力继续运行，如果轨道坡度不大，节能环保自行车是减速运行的，在这种情况下。沿运行方向作用在节能环保自行车的力只有静阻力F和惯性力。令式中的F等于零可得到惯性运行状态下的基本方程为： (2-8)将式子代入(2-7)式得，可得到惯性运行时列车的加速度的表达式：g(sin)由上式可以看出，节能环保自行车上坡或沿水平运行时，及下坡sin时，a时，节能环保自行车是加速运行的。2.2.5节能环保自行车的牵引力计算节能环保自行车的后轮，是牵引电动机的主轮。设节能环保自行车的质量为，作用在该轮上的力如图所示，M为牵引电动机传递到该轮上的转矩；F为运行阻力，为地面的支持力。将转矩M用一个作用在轮轨接触点和轮心的等效力偶代替，则力偶的大小为： (2-9)当轮胎接触点处的时，摩擦力与力偶总是大小相等方向相反，车轮在C点处无滑移，在轮心处F的作用下，车轮以C点为瞬心，向前滚动前进。轮心处力，即为一个轮上的牵引力，与阻力F平衡。若时，车轮在C点受力不平衡，车轮将克服路面的摩擦阻力空转而不前进。实际上，由于车轮的圆度误差不均与磨损以及轨面状况等因素的影响，车轮在C点处不可能保持理想的无滑动滚动，免不了有滑移。为考虑这一因素的影响，将摩擦系数值取低一点。理论上把这个系数称为粘着系数；车轮与路面之间的摩擦力响应的称为粘着力；这种牵引方式称为粘着牵引。不同路面状况的粘着系数 路面特征粘着系数全新坚硬的柏油、混泥土（干）0.015柏油路面（湿）0.01混泥土路面（湿）0.009泥土路面（干）0.045泥土路面（湿）0.1松沙路面0.1冰面0.001影响粘着系数的因素：车轮于路面的状态 带有花纹的轮面或干燥的路面，粘着系数较大，路面潮湿，有冰、血、霜、或油垢的路面粘着系数较小。运行速度的高低 随着运行速度的增加，加剧了车轮与路面的纵向和横向的滑动及机车振动，粘着系数减小。节能环保自行车特性的差异，车轮直径的大小不同，各车轮间的负载分布不均，电动机的分布等都对粘着系数有影响。2.3节能环保自行车的动力性能节能环保自行车因为以太阳能、和蓄电池存储的电能为能量来源，所以衡量节能环保自行车性能的一项重要指标是最大行驶里程，而且，节能环保自行车采用的是电机驱动系统，其输出特性和一般自行车不同，它是将太阳能、电能转化为其动能。另外节能环保自行车采用电机驱动系统，可以利用电动机的逆向工作性能，制动时的能量回馈，增强其制动性能。节能环保自行车的动力性能指标为：最高车速、加速时间、最大爬坡度。最大车速：在水平良好的路面上，节能环保自行车所能达到的最高行驶车速。加速时间：常用原地起步加速时间与超车加速时间来表明节能环保自行车的加速能力。最大爬坡度：指用满载时节能环保自行车在良好路面上的最大爬坡度。2.3.1基本参数的介绍整车装备质量：包括动力蓄电池，能量转化器等。如（图2.2）（图2.2）蓄电池功率：指物体在单位时间内所做的功。功率越大转速越高，节能环保自行车的最高速度也就越高，常用最大功率来描述自行车的动力性能。A. 扭矩:扭矩是使物体发生转动的力。B. 最大总质量：自行车满载时的总质量。C. 最大装载质量：自行车在道路上行驶时的最大装载质量。D. 轴距：通过车辆两轮的中心，并垂直与车辆纵向对称平面的两垂线之间的距离。简单的说，就是自行车前轴到后轴的距离。E. 轮距：车的左右轮胎面中心线间的距离。2.4制动系统传统的节能环保自行车1只是机械式刹车，使很多的能量在不知不觉中浪费。而现在我们做的节能环保自行车带有了能量反馈节约了能量。带有制动能量再生系统节能环保自行车的制动过程与传统的节能环保自行车的制动不同。再生制动力是利用在电磁场中旋转的磁极产生电磁转矩，电磁转矩的旋转方向与车轮的行驶方向相反，从而产生对节能环保自行车的制动。节能环保自行车制动时既用到了再生制动，也用到了传统的带式制动器，使节能环保自行车的刹车更有效，也能尽量减少不必要的损耗，再加上太阳能的转化，使电池一次充电行驶的路程最长。如（图2.3)(图2.3)刹车系统2.5节能环保自行车驱动系统的构成节能环保自行车驱动系统包括机械传动系统和电气系统两个部分。其中机械传动部分因节能环保自行车驱动系统布置方式不同而不同。节能环保自行车对其驱动系统有特殊要求能够频繁的启动、停车，加减速，对转矩控制的动态性能要求高，节能环保自行车驱动的速度、转矩变化范围大，既要工作在恒转矩区，又要运行在恒功率区，同时还要求保持较高的运行速率，能在恶劣的工作环境下可靠地工作。正因为节能环保自行车对其电机驱动系统有这些特殊的要求，所以在节能环保自行车电机驱动系统设计中，驱动电机的选择和整流器、控制器的设计，都必须考虑到这些特殊的要求。直流电机驱动系统为节能环保自行车的驱动系统之一，它结构简单，具有优良的电磁转矩控制特性。与直流驱动电机相匹配的是交流器是斩波器，它将固定的直流电压变成可调的直流电压，调速方法主要是调压调速和磁极调速。2.6电动机的选择在所有已有的电机中，综合性能最好的是直流电机，过去开发有刷直流电机，有刷直流电动机系统调速方便，改变其输入电压或励磁电流就可以对其转距实现独立控制，进行平滑调速，所以有刷直流电动机调速系统具有良好的动态特性和调速品质。但是有刷直流电动机系统由于电刷和换向器的存在而导致以下两方面的缺点：第一，必须进行经常性的维护和保养；第二，无法实现高速大容量。这两方面的缺点使其在节能环保自行车驱动系统中的应用受到了限制。而无刷直流电动机则克服了有刷直流电动机的缺点，它既有有刷直流电动机的优越的性能，又依靠电子换向，免去了机械式电刷和换向器。本节能环保自行车选用无刷直流电机。无刷直流电机，就其基本结构而言，可以认为是一台有电子开关线路，永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成。电动机系统，它借助反映转子位置的位置信号，通过驱动控制电路，驱动逆变电路的功率开关元件，使电枢组依一定次序馈电从而在气隙中产生步进式旋转磁场，拖动永磁转子旋转。随着转子的转动，转子的位置信号依一定规律变化，从而改变电枢绕组的通电状态，实现无刷直流电动机的机械能量转换。如（图2.4)(图2.4)电动机2.6.1无刷直流电动轮毂的选型计算节能环保自行车正常行驶时所需要电机的功率为： (2-10)式中：P电动机的功率，kw;v节能环保自行车的车速，km/h;电动机的效率，取0.9；m电动机的台数，m=1。将数据带入 (2-10)得：电机的工作电流： (2-11)由于电池的电压为36V,所以节能环保自行车的工作电压为36V。将P与U的数据代入 (2-11)求得工作电流I=4.8A。转速为式中：v表示转速，m/s；D表示车轮直径，m；代入数据得所以选择的无刷直流电动轮毂的型号为170SN-J05F。额定电压为36V额定电流为5A额定功率为180W空载转速280r/min在选择电池时也应该根据上述公式计算的结果选择电池的容量。2.7节能环保自行车的续行距离节能环保自行车一次充电后在某一速度下续行的距离等于电池能量与该车在该速度下能耗率之比。能耗率正比于行驶阻力，故设计该节能环保自行车由下式估算续行距离： (2-12)式中：K决定于所用电池能量密度及节能环保自行车的传动效率系数，对镍镉电池K=100；蓄电池的质量，=10kg；旋转阻力系数，取0.1-0.12N/kg；A节能环保自行车受空气阻力的面积，取A=0.1；v车速，km/h。对于，前面较陡的非线型车取1.0，小客车取0.5，完全流线型车取0.2。节能环保自行车的没有给出，但是由于节能环保自行车的空气阻力的受力面主要为人的身体比较不规则，因此取=10。将数据代入（2-12）式数据得：由公式可见，提高续行距离S的有效途径是减轻车的质量，同时尽量增加电池的容量。当今节能环保自行车选用的高能量密度的电池，直接将电动机与车轮合为一体，以提高传动效率，即提高了节能环保自行车的续行距离。在行驶中刹车把节能环保自行车的动能转化为热能，实际上续行距离减少。用电机再生制动取代机械式制动可以减少这种损失，而且简化了结构，减轻了质量。这也是本设计