《汽车节能与新能源技术应用》高职全套教学课件

汽车节能与新能源技术应用全套可编辑PPT课件

目

录项目一

汽车节能技术的应用任务1

汽车发动机节能技术的应用任务2

汽车底盘节能技术的应用任务3

汽车车身节能技术的应用项目二

汽车新能源技术的应用任务1动力电池及管理系统技术的应用任务2

电机驱动系统技术的应用任务3

新能源汽车维护技术的应用项目一

汽车节能技术的应用全套可编辑PPT课件

教学目标知识目标能力目标素质目标1.能够分析汽车发动机节能技术原理及途径。2.能够阐述汽车传动系统与发动机的匹配原理。3.能够描述汽车自动变速器节能技术原理。4.能够描述制动能量回收原理及应用。5.能够分析低风阻车身造型设计原理及应用。6.能够分析汽车轻量化技术及应用。1.能够准确分析不同车型汽车应用的节能技术的原理及特点。2.能够准确辨识不同车型汽车的节能部件，并规范地进行拆装和检测。1.养成吃苦耐劳、勇于开拓的奋斗精神。2.养成细致严谨、精益求精的工匠精神。3.养成以爱国主义为核心的民族精神。4.养成以改革创新为核心的创新精神。5.树立节能环保意识和生态文明意识。项目一

汽车节能技术的应用任务一汽车发动机节能技术的应用发动机节能技术是汽车节能技术的关键。在保证发动机具有可靠性高、使用寿命长和运转性能好的前提下，我们既要努力提高发动机的热效率，又要从节能和环保的角度出发，努力降低燃油消耗和减少有害物质排放。通过本任务的学习，学生应能够准确分析汽车发动机所采用的先进节能技术及原理。节能技术包括燃油喷射与点火系统电子控制技术、提高发动机充气效率技术、发动机稀薄燃烧技术、发动机进气增压技术、可变压缩比技术、分缸断油技术等。任务解析知识连接1.1.1

燃油喷射与点火系统电子控制技术的应用图1-1汽油发动机电控燃油喷射系统的分类和控制功能知识连接1.1.1

燃油喷射与点火系统电子控制技术的应用图1-2汽油发动机电控点火系统基本控制原理知识连接1.1.2提高发动机充气效率技术的应用充气效率是指在发动机处于进气行程时，实际进入气缸内的新鲜气体（空气或可燃混合气）的质量M与在进气状态下（1个大气压、20℃、密度1.187kg/m2）充满气缸工作容积的干燥气体质量M0的比值，用ηV来表示。影响发动机充气效率的主要因素有进气过程中的气缸压力、温度、残余废气系数、压缩比及配气相位等。我们主要从配气机构和进、排气系统设计等方面进行研究。目前提高充气效率的技术包括多气门结构方案、可变配气系统技术、进气动态效应等。（一）多气门结构方案增加进、排气门的数量，可增加气体流通截面积，从而减小进、排气阻力，提高充气效率。知识连接1.1.2提高发动机充气效率技术的应用图1-3发动机的多气门结构（二）可变配气系统技术可变配气系统可随发动机转速、负荷变化而自动调整。常见的特性参数主要有气门开启相位、气门开启持续角和气门升程。气门开启相位和气门开启持续角属于配气相位范畴，配气相位即用曲轴转角表示进、排气门实际开闭时刻和持续时间，一般用配气相位图来表示。知识连接1.1.2提高发动机充气效率技术的应用图1-4配气相位图1.气门开启相位进气门开启相位提前，即增大进气提前角α，一方面增加了进气时长，有利于解决高转速时进气时间不足的问题；另一方面，气门重叠角α＋δ增大，有更多的废气进入进气管，随后又同新鲜充量一起返回气缸，达到较高的内部废气再循环率，从而降低燃油消耗和氮氧化合物（NOx）排放。2.气门开启持续角进气门关闭相位推迟，即增大进气门迟闭角β，一方面在高转速时有利于利用高速气流的惯性提高进气效率；另一方面，在低转速时会将已经吸入气缸的新鲜充量重新推回进气管。进气门开启持续时间内的曲轴转角α＋β＋180°。（二）可变配气系统技术3.气门升程气门升程代表气门开启的大小。可变气门升程技术用于实现在高速区采用大角度凸轮，气门升程较大，故通道截面积较大，进气阻力较小，充气效率较高；在低速区切换到小角度凸轮，气门升程较小，故进入燃烧室的空气较少，换气损失和摩擦损失较小。知识连接1.1.2提高发动机充气效率技术的应用图1-9通用第八代Ecotec发动机系列的可变气门管理技术（三）进气动态效应进气门的开启和活塞的运动是一种扰动，会在进气系统中产生膨胀波。这个膨胀波从进气门出发，以当地声速传到进气系统的管端。管端是敞开的，膨胀波在此变成压缩波并以同样的声速反向传回进气门。若压缩波传到进气门时进气门开启，则由压缩波引起的质点振动的方向与进气气流方向一致，进气气流因此而得到增强，气缸充量系数将会提高，转矩也将增大，这称为进气动态效应。四冲程发动机要利用好这一效应必须满足式中L——进气管长度，m；c——当地声速，m/s；φse——进气有效持续角，℃A；n——发动机转速，r/min。知识连接1.1.2提高发动机充气效率技术的应用一般空燃比大于18左右的燃烧就可以称为稀薄燃烧，稀薄燃烧技术可以分为均质稀薄燃烧技术和分层稀薄燃烧技术两种，而分层稀薄燃烧技术又可分为进气道喷射分层稀薄燃烧技术和缸内直喷分层稀薄燃烧技术。（一）均质稀薄燃烧技术1.火球燃烧室火球燃烧室主要部分位于缸盖上凹陷的排气门下方，它的直径很小，所以结构紧凑并有一定挤气面积，可形成较强的挤气紊流，同时在进气门的浅凹坑处开一浅槽与主要燃烧室连通，在上止点前，一部分进入进气门凹坑的充量通过浅槽切向进入主要燃烧室，产生一个可控的涡流运动，当活塞下行时，燃气又以高速形成反挤流运动，这就大大提高了燃烧速度。2.碗形燃烧室碗形燃烧室采用紧凑的活塞顶凹坑，火焰传播距离短、挤气面积大、紊流强，火花塞位于凹坑内。知识连接1.1.3发动机稀薄燃烧技术的应用（二）分层稀薄燃烧技术分层稀薄燃烧技术在气缸内所形成的混合气浓度并不是均匀的。为了合理组织燃烧室内的混合气分布，火花塞周围局部混合气需较浓，空燃比为12～13.4；在远离火花塞的外层空间（靠近气缸壁与活塞顶部）混合气则比较稀薄，即燃烧室的大部分区域是较稀的混合气。为便于火焰传播，混合气浓度从火花塞由浓到稀逐步过渡，这就是所谓的分层稀薄燃烧。分层稀薄燃烧分为进气道喷射（PFI）方式和缸内直喷（GDI）方式。分层稀薄燃烧系统又有轴向和横向之分。知识连接1.1.3发动机稀薄燃烧技术的应用发动机进气增压技术是指利用压缩机对空气进行压缩增压后再将其送入缸内燃烧。在相同的进气冲程内，进气门的开启时长一定，将空气进行压缩后再将其送入气缸，能使单位时间内进入缸内的空气质量增加，同一循环内喷油量增加，输出功率增加，同时改善缸内燃烧状况，提升燃烧效率。用于汽车发动机上的增压技术包括机械增压、谐波增压、废气涡轮增压、电子增压、复合增压等。目前国内外广泛采用由发动机排气驱动废气涡轮增压器以提高进气压力和进气量的废气涡轮增压技术。知识连接1.1.4发动机进气增压技术的应用（一）废气涡轮增压技术废气涡轮增压技术是利用发动机排出的高温高压废气的热能和动能，驱使位于排气管道中的涡轮带动位于进气管道中的叶轮对进气进行加压，从而加大循环进气量，提高发动机的输出功率与动力性能，废气涡轮增压器的结构。知识连接1.1.4发动机进气增压技术的应用图1-18废气涡轮增压器的结构（一）废气涡轮增压技术发动机增压时要防止增压器超速和增压压力过高。涡轮增压器超速可能损坏压气机及涡轮旋转零部件，造成严重事故；增压压力过高则可能使汽油机发生爆燃，使柴油机机械负荷及热负荷过高。控制增压压力的办法有排气旁通控制、增压空气旁通控制和微处理器自动控制等。1.排气旁通控制知识连接1.1.4发动机进气增压技术的应用图1-20奔驰M270发动机增压控制系统为防止废气涡轮增压器超速或增压压力过高，奔驰M270四缸直列发动机采用排气旁通通道。（一）废气涡轮增压技术2.增压空气旁通控制另一种控制增压压力的方法是不让部分增压空气进入气缸，而是让其通过空气阀回到压气机入口处或者限制进入压气机的空气。在排气旁通控制中，部分增压空气未被利用又消耗了部分涡轮的功，这对增压发动机的效率有一定影响。知识连接1.1.4发动机进气增压技术的应用图1-20奔驰M270发动机增压控制系统（一）废气涡轮增压技术3.微处理器自动控制上述排气旁通阀的弹簧具有一定的刚度，对发动机转速、缸内燃烧状态变化的反应灵敏度较差，因此最好采用弱弹簧和电磁线圈来自动控制旁通阀。自动控制系统主要由微处理器、压力传感器、转速传感器及爆震传感器组成。输入信号经过处理后，微处理器向电磁线圈发出指令，控制旁通阀开启或关闭。由于采用了微处理器控制，在产生敲缸征兆时，可以自动推迟点火提前角以避免爆燃，因此采用自动控制系统的汽油机在增压后可以不降低压缩比，而继续使用原先的汽油。知识连接1.1.4发动机进气增压技术的应用（二）提升增压效果的技术为了使涡轮增压器适应发动机工况的变化，进一步提高性能，可以采用双涡管、可变涡壳通道、可变喷嘴环流通截面、增压中冷以及电动涡轮复合增压等技术。知识连接1.1.4发动机进气增压技术的应用1.双涡管在双涡管的涡轮增压系统的排气系统中，排气管道被分为两组，例如四缸发动机的点火顺序为1→3→4→2，将点火顺序相邻的两个气缸排气管道彼此分开，气缸1和气缸4共用一根排气管道，气缸2和气缸3共用另一根排气管道。图1-21双涡管的涡轮增压系统（二）提升增压效果的技术2.可变涡壳通道A/R值越小，废气通过涡轮的流速越大，涡轮迟滞越轻微，越容易在低转速下取得较高的增压值；A/R值越大，高转速时排气背压越小，排气通量越大，对功率提升的作用就越大。知识连接1.1.4发动机进气增压技术的应用图1-23可变涡壳通道的涡轮增压控制（二）提升增压效果的技术3.可变喷嘴环流通截面在可变喷嘴环流通截面的废气涡轮增压系统中，涡轮的外侧增加了可由电子系统控制角度的导流叶片，导流叶片的相对位置是固定的，但叶片角度是可以调整的，这样就形成了流通截面可变的喷油嘴。工作时废气会顺着导流叶片被送至涡轮叶片，通过调整叶片角度控制流过涡轮叶片的气体的流量和流速，从而控制涡轮的转速，知识连接1.1.4发动机进气增压技术的应用图1-24可变喷嘴环流通截面的涡轮（二）提升增压效果的技术4.增压中冷目前多数采用涡轮增压技术的发动机在进气系统中均设置增压空气冷却器来对增压空气进行冷却，这对增加充量、降低热负荷、消除爆燃均十分有利。知识连接1.1.4发动机进气增压技术的应用图1-25奔驰M270发动机进气系统（二）提升增压效果的技术5.电动涡轮复合增压电动涡轮与普通涡轮在进气端的构造基本相同，只是排气端的涡轮叶片换成了驱动电机，由一侧的驱动电机来驱动另一侧的涡轮叶片旋转，从而达到增压的目的。知识连接1.1.4发动机进气增压技术的应用图1-28电动涡轮结构（一）压缩比对发动机性能的影响发动机压缩比是指气缸总容积与燃烧室容积之比，它表示活塞由下止点运动到上止点时，气缸内气体被压缩的程度。提高压缩比，气缸内混合气压缩终了时的温度和压力随之升高，从而改善燃烧条件，减少不完全燃烧损失和传热损失；燃烧气体膨胀充分，燃料燃烧产生的热量能得到充分利用；有利于燃烧稀混合气。知识连接1.1.5可变压缩比技术的应用（二）可变压缩比的实现方案汽车发动机采用可变压缩比技术，可直接满足发动机高动力输出和低油耗的目标，其在大负荷、高转速运转时，采用低压缩比可以抑制爆震现象发生，提升发动机外特性；在小负荷、低转速运转时，采用高压缩比可以提高发动机热效率，降低油耗。要使压缩比有所变化，必须从改变燃烧室容积和工作容积方面入手，通常可归纳为以下5种方案。知识连接1.1.5可变压缩比技术的应用图1-31改变压缩比的方案（三）可变压缩比技术的优缺点分析1.可变压缩比技术的优点可变压缩比技术的优点包括提高发动机热效率；有利于降低排放；提高运行稳定性；适合于多元燃料驱动；实现发动机小排量，结构更紧凑，比质量更高。2.可变压缩比技术的缺点可变压缩比技术的缺点包括如下几点：（1）可变压缩比发动机一般结构复杂，通常需要对发动机结构进行大幅改造，增大了加工难度。（2）新增的控制及辅助机构中的可活动零部件导致了振动、摩擦损失和磨损的增加，也使发动机质量增加，大质量零部件的移动需要耗费很大能量。（3）适时准确地改变发动机压缩比需要匹配相应的高精度控制设备，而两者匹配难度较大。（4）当压缩比过高时，对燃气的密封要求也更高。（5）研发及制造成本高。知识连接1.1.5可变压缩比技术的应用（二）可变压缩比的实现方案在汽车加速和高速行驶（所需功率较大）时，发动机正常运行；而在中低速和匀速行驶（所需功率较小）时，关闭发动机部分气缸，可提高汽车燃油经济性，并在不降低发动机排量的前提下起到降低排放的效果。目前分缸断油的方式主要有3种：断油、断油并停气、断油并将废气引入不做功的气缸。知识连接1.1.6分缸断油技术的应用（一）列举先进的发动机节能技术以小组为单位，组员分工协作，参考发动机提能降耗技术谱系（图1-35），列举具有优秀节能效果的发动机，分析发动机上应用了哪些先进的材料、工艺、结构、部件或控制技术，完成任务工单。知识连接1.1.7任务实施图1-35发动机提能降耗技术谱系（二）发动机节能技术主要部件的辨识以小组为单位，组员分工协作，分析实训汽车所装配的发动机配置了哪些节能技术，辨识发动机节能技术的主要部件，完成任务工单。知识连接1.1.7任务实施任务二汽车底盘节能技术的应用任务解析汽车底盘用于将发动机输出的动力传递给驱动车轮，利用车轮与地面之间的附着力，驱动汽车行驶。发动机输出的动力必须经过底盘传动系统的相关部件，而汽车底盘传动效率直接影响汽车的动力性和经济性。汽车底盘由传动系统、行驶系统、转向系统和制动系统组成，汽车底盘哪些系统或部件对汽车的节能效果有显著影响呢？通过本任务的学习，学生应能够准确阐述汽车底盘所采用的先进节能技术及原理。本任务内容主要包括汽车传动系统与发动机的匹配、变速器的节能技术和制动能量回收技术。知识连接1.2.1汽车传动系统与发动机匹配技术的应用

由于发动机输出的转速和转矩不能直接满足汽车在所有工况下驱动轮所需的转速和转矩，因此通过改变传动系统的传动比来调节发动机的性能，将动力传至车轮以满足外界负荷与道路条件变化的需要。由此可见，汽车的动力性和经济性不仅取决于发动机，而且在很大程度上依赖于传动系统与发动机的匹配。（一）传动系统匹配节能在汽车设计过程中，当发动机的性能和汽车行驶工况确定后，合理选择传动比以进行传动系统与发动机的匹配优化，可使汽车的使用性能最大程度地发挥出来，从而改善燃油经济性。传动系统的减速增矩程度用传动比i表示，其公式为知识连接1.2.1汽车传动系统与发动机匹配技术的应用

（一）传动系统匹配节能AB线为发动机万有特性的最佳燃油消耗曲线，R区内为发动机的工作曲线，显然R区与AB线越近，发动机燃油经济性越好。当车速一定时，发动机转速可以在等功率线P上任意点工作，因此可以通过减小iD或ik使发动机在较低转速下工作，即使发动机万有特性上的工作点沿着该油门开度下的等功率曲线由下向上、由右向左移动以实现节油。例如，发动机在转速n3下工作时，离经济区较远，应使发动机切换至燃油经济性较好的转速n4。图1-36发动机与传动系统的匹配知识连接1.2.1汽车传动系统与发动机匹配技术的应用

（二）传动系统参数的合理匹配汽车动力传动的核心部分包括发动机、变速器、驱动桥、轮胎，而汽车的燃油经济性在很大程度上受总成的影响。因此在整车参数和发动机确定后，必须根据汽车的不同用途进行传动系统的优化匹配，才能得到节能的效果。1.合理选择变速器参数变速器的传动比范围、挡位数以及传动比间隔等参数与汽车的动力性、经济性有着密切的关系。不同类型的汽车，由于其使用条件不同，对整车性能要求就不同，且汽车本身的比功率不同，因此具有不同的挡位数及传动比间隔。在传动系统参数匹配中，确定变速器的传动比范围、挡位数以及传动比间隔是一项非常重要的工作。知识连接1.2.1汽车传动系统与发动机匹配技术的应用

（二）传动系统参数的合理匹配1.合理选择变速器参数（1）传动比范围与挡位数。最低挡传动比与最高挡传动比之比（传动比范围）的扩大可以明显地改善汽车的燃油经济性和动力性。传动比间隔过大会造成换挡困难，因此扩大传动比范围的最好做法是增加挡位数，例如增加一个超速挡或直接挡。就动力性而言，挡位数多，可增加发动机产生高功率的可能性，从而提高汽车的加速与爬坡能力；就燃油经济性而言，挡位数多，可增加发动机在低燃油消耗区工作的可能性，从而降低油耗。所以增加挡位数会同时改善汽车的动力性和燃油经济性。知识连接1.2.1汽车传动系统与发动机匹配技术的应用

（二）传动系统参数的合理匹配1.合理选择变速器参数（2）传动比间隔。挡位数直接影响挡位之间的传动比数值（传动比间隔）。传动比间隔过大，会造成换挡困难。一般认为传动比间隔应小于1.8。变速器确定各挡传动比一般有两种方法：等比级数分配和渐进式传动比分配。①采用等比级数分配时，传动比间隔为常数，以四挡变速器为例，各挡传动比关系为

i1=i2q=i3q2=i4q3等比级数分配传动比的优点是使发动机始终在同一转速范围内工作，因而可以从动力性和经济性角度选定最佳转速范围。但实际上，换挡不可能在瞬间完成，换挡时必然带来车速降低，由于空气阻力影响，高速区换挡车速降低量远大于低速区换挡车速降低量。因此只有较高挡间传动比小于较低挡间传动比，才能保持发动机工作的转速范围不变。

知识连接1.2.1汽车传动系统与发动机匹配技术的应用

（二）传动系统参数的合理匹配1.合理选择变速器参数（2）传动比间隔②现代轿车使用车速范围大，多采用渐进式传动比分配方法，以四挡变速器为例，各挡传动比关系为渐进式传动比分配与等比级数分配相比，高挡间的车速差明显减小，低挡变速器空隙比高挡变速器空隙大得多。

知识连接1.2.1汽车传动系统与发动机匹配技术的应用

（二）传动系统参数的合理匹配1.合理选择变速器参数（2）传动比间隔

知识连接1.2.1汽车传动系统与发动机匹配技术的应用

（二）传动系统参数的合理匹配2.合理选择驱动桥参数

选择驱动桥参数，主要就是确定主减速器的传动比。i0较大时，动力性好（加速时间短）但燃油经济性下降；i0较小时，动力性差（加速时间长）但燃油经济性得到改善。若选定2.6作为主减速器传动比，则能兼顾汽车的燃油经济性和动力性。若以动力性为主要目标，则应选用较大的i0；若以经济性为主要目标，则应选用较小的i0。知识连接1.2.1汽车传动系统与发动机匹配技术的应用

（二）传动系统参数的合理匹配3.变速器与主减速器传动比的匹配节能在初步选择变速器与主减速器参数之后，可拟定参数选用的数值范围，进一步计算、分析不同参数匹配下汽车的燃油经济性与动力性，然后综合考虑各方面因素，最终确定动力装置的参数。在不改变发动机的条件下，可利用C曲线从不同变速器中选择合适的变速器和主减速器传动比。知识连接1.2.2变速器节能技术的应用面对复杂的道路和交通状况，汽车速度要随时发生变化，变速器的作用是改变发动机传递至驱动轮的转速、转矩，使汽车发动机的最佳性能得以发挥。随着汽车智能化、自动化的发展，自动变速器被广泛采用，其实现了与发动机的最佳匹配，并通过系统的设计，使整车能根据使用要求实现自动换挡，以获得最佳的燃油经济性和动力性，同时降低发动机的排气污染。（一）自动变速器概述汽车自动变速器主要有4种类型：液力机械自动变速器（AT）、双离合变速器（DCT）、无级变速器（CVT）和电控机械式自动变速器（AMT）。知识连接1.2.2变速器节能技术的应用（一）自动变速器概述1.液力机械自动变速器目前，液力机械自动变速器的挡位数多为7~9，采用液力变矩器通过液力传动实现发动机和传动系统的弹性连接，避免了离合器频繁操作，起步平稳柔和，冲击缓和，驾驶员只需控制加速踏板与制动踏板，即可实现自动变速器的自动换挡，挡位变换快速平稳，操作简便省力，提高了行车安全性和乘坐舒适性。由于液力变矩器的液力传动存在损失，与机械传动相比其效率较低，最高效率也只有85%～90%，因此在正常行驶时油耗较高，经济性差。但通过与发动机的匹配优化，采用综合式、锁止式液力变矩器，增加挡位数等措施，可使液力机械自动变速器接近无级变速器的效率水平。知识连接1.2.2变速器节能技术的应用（一）自动变速器概述2.双离合变速器双离合变速器也称为直接换挡变速器（DSG），它综合了电控机械式自动变速器和液力机械自动变速器动力换挡的优势，具有很好的换挡品质和汽车动力性、经济性，所以目前应用非常广泛。双离合变速器有两组多片式湿式离合器，变速器挡位按奇、偶数分开布置，分别与两个离合器连接，通过离合器的切换完成换挡过程以实现动力换挡。换挡更加流畅、平稳，汽车加速性及响应特性更强，汽车乘坐舒适性更好，同时由于动力传递损失小、传动效率高，因此燃油经济性得到有效提升。知识连接1.2.2变速器节能技术的应用（一）自动变速器概述3.无级变速器通过改变双锥体上传动带或传动链半径的大小，无级变速器可以很容易地实现主动锥盘和从动锥盘半径的增大或减小，进而实现低速挡至高速挡传动比的连续变化，得到传动比与发动机工况的最佳匹配，提升整车的经济性和动力性。同时由于不存在挡位传动比的跳跃问题，因此换挡冲击减小，操纵方便性和乘坐舒适性得到改善。知识连接1.2.2变速器节能技术的应用（一）自动变速器概述4.电控机械式自动变速器与手动变速器（MT）相比，电控机械式自动变速器换挡时不需用脚去踩离合器踏板，而由电脑先根据传感器信号控制离合器分离，再控制手动箱盖上的拨叉轴做轴向移动完成换挡，最后慢抬离合器完成自动换挡。此外，两者的主要区别是电控机械式自动变速器在变速器和换挡手柄之间取消了机械连接，变速器完全实现电控。电控机械式自动变速器的优点是取消了液力变矩器，减少了维修和加工费用；取消了油冷却，减小了质量，提高了可靠性；无论驾驶员水平如何，都可实现完美换挡；辅助坡路起步功能可避免在坡路起车时倒溜；保持功能允许驾驶员控制换挡点。电控机械式自动变速器的主要缺点是换挡舒适性差，并且在换挡过程中产生动力中断，使得在换挡过程中加速性能不够好，特别是在驾驶员要求急加速的情况下。与液力机械自动变速器相比，电控机械式自动变速器的价格略低，但增加的元件使变速器的质量增加10%。知识连接1.2.2变速器节能技术的应用（二）带锁止离合器的综合式液力变矩器目前汽车上广泛采用带锁止离合器的综合式液力变矩器（简称液力变矩器），它位于自动变速器的最前端，安装在发动机的飞轮上，利用油液循环流动将发动机的动力传递至自动变速器的齿轮变速机构，并能根据汽车行驶阻力的变化，在一定范围内实现自动地、无级地减速增矩功能。它由泵轮（主动件）、涡轮（从动件）、带单向离合器的导轮（用于改变液流方向）、锁止离合器等组成知识连接1.2.2变速器节能技术的应用（二）带锁止离合器的综合式液力变矩器1.转矩放大特性循环液流vC是由涡流vA和环流vB合成的，涡流vA是指液流从泵轮流向涡轮，然后冲击导轮又回到泵轮的液流；环流vB是指沿着轴线旋转的液流。知识连接1.2.2变速器节能技术的应用（二）带锁止离合器的综合式液力变矩器2.耦合工作特性当涡轮转速增大至泵轮转速的90%时，由涡轮流出的液流正好流经导轮叶片之间，不冲击导轮叶片，即涡轮转矩与泵轮转矩相等（MW=MB），处于耦合工作状态，此时的涡轮转矩称为耦合点。若涡轮转速继续增大，则液流沿绝对速度方向冲击导轮叶片的背面，导轮转矩方向与泵轮转矩方向相反，若导轮固定不动，则液力变矩器输出转矩反而比输入转矩小。为此，绝大多数液力变矩器在导轮机构中增设了单向离合器（也称为自由轮机构）。单向离合器在液力变矩器中起单向导通的作用，即油液在冲向导轮背面时，使导轮可以沿泵轮方向转动，此时涡轮上的转矩等于泵轮转矩，即MW=MB。知识连接1.2.2变速器节能技术的应用（二）带锁止离合器的综合式液力变矩器3.锁止特性当涡轮开始转动后，随着转速的升高，传动效率急剧升高，在耦合点前达到最大值。但是由于泵轮与涡轮之间存在4%～5%的转速差，并且液力变矩器传动存在能量损失，因此耦合点后传动效率达不到100%。为了提升液力变矩器的传动效率，减少能量损失，液力变矩器加装锁止离合器。锁止离合器通过机械方式将泵轮与涡轮相连接，液力变矩器随之变为刚性机械传动，从而提高传动效率。图1-45

锁止离合器工作原理知识连接1.2.2变速器节能技术的应用（三）无级变速器无级变速技术采用金属传动带和工作直径可变的主、从动轮相配合来传递动力，实现传动比的连续改变，从而得到传动系统与发动机工况的最佳匹配，使发动机经常处在最有效的工作点下运转，目前无级变速器在小排量汽车上应用较多。多挡变速器与无级变速器的区别如下：在给定的车速下，多挡变速器只能在有限的挡位中选择，按其速比使发动机工作在某一转速下，得到不同的发动机转矩和燃油消耗率。而无级变速器可以在一个发动机转速运行区域内选择较为理想的工况，在最合适的时刻切换到最合适的挡位，得到最佳的转矩和转速组合，提高动力性；同时也可以选择最经济的挡位，使发动机工作在最低油耗的工况区域，提高燃油经济性。知识连接1.2.2变速器节能技术的应用（三）无级变速器1.无级变速器的结构及工作原理无级变速可以通过多种方式实现，包括改变主、从动轮工作半径的带、链传动，改变传动元件接触半径的摩擦传动，改变由液压泵和液压电机组成的液压电机排量的液压传动，以及前面介绍的液力变矩器等。（1）金属带式无级变速器的结构。金属带式无级变速器主要由金属带、工作轮、液压泵、起步离合器和控制系统等组成。变速系统由主、从动轮组成，主、从动轮由固定部分和可动部分组成，两部分形成V型槽，金属带在槽内与其啮合，动力由发动机飞轮经离合器依次传递到主动轮、金属带、从动轮，最后经中间减速齿轮机构和主减速器传递到驱动轮。知识连接1.2.2变速器节能技术的应用（三）无级变速器1.无级变速器的结构及工作原理（2）金属带式无级变速器的工作原理。根据汽车的行驶工况，在控制系统的调节下，依靠液压来促使主、从动轮的可动部分沿轴向移动，使金属带在主、从动轮V型槽内处在不同的工作半径上，从而使传动比变化。金属带在主、从动轮上的工作半径从最小到最大是连续变化的，因此传动比的变化也是连续的。当主动轮的工作半径小于从动轮的工作半径时，传动比大于1；反之，传动比小于1；当两者相等时，传动比等于1。知识连接1.2.2变速器节能技术的应用（三）无级变速器2.无级变速器的特点（1）经济性好。无级变速器可以在相当大的转速范围内实现无级变速，从而获得传动系统与发动机工况的最佳匹配，提高整车的燃油经济性。（2）动力性好。汽车的后备功率决定了汽车的爬坡能力和加速能力。汽车的后备功率越大，动力性越好。由于无级变速器的无级变速特性能够获得后备功率最大的传动比，因此无级变速器的动力性能明显优于机械变速器和液力机械自动变速器。（3）排放低。无级变速器的速比工作范围大，能够使发动机以最佳工况工作，从而改善了燃烧过程，减少了废气的排放量。（4）成本低。无级变速器结构简单，零部件数量比液力机械自动变速器少，在大规模生产中，无级变速器的成本比液力机械自动变速器的成本低。随着大规模生产以及系统、材料的革新，无级变速器零部件（如传动带、传动链、主动轮、从动轮和液压泵）的生产成本将降低20%～30%。知识连接1.2.2变速器节能技术的应用（四）双离合变速器1.双离合变速器概述双离合变速器中的两个离合器分别与两根输入轴相连，换挡和离合操作都是通过集成电子和液压控制元件的电子控制模块来实现的，而不再通过离合器踏板操作来实现。如图所示，离合器1通过实心轴与挡位1、3、5、7相连，离合器2通过空心轴与挡位2、4、6和R（倒挡）相连。1挡工作时，2挡已经准备好，换挡时只需控制两个离合器的分离和接合就可以实现挡位的切换，所以换挡没有延时，时间大大缩短。图1-49

七速双离合变速器知识连接1.2.2变速器节能技术的应用（四）双离合变速器2.双离合变速器类型双离合变速器有湿式和干式之分。湿式与干式双离合变速器的工作原理和基本构造并没有本质上的差别，不同之处在于摩擦片的冷却方式。湿式双离合变速器的两组摩擦片浸泡在一个密封的油槽中，通过变速器油吸收热量，干式双离合变速器的摩擦片没有浸泡在密封油槽中，需要通过风冷散热。3.双离合变速器工作原理奇数挡和偶数挡分别与对应的离合器连接，一个离合器对应奇数挡，另一离合器对应偶数挡。当某挡齿轮啮合时，与其相邻的上、下两挡齿轮处于自由状态，此时由变速器控制逻辑判断下一挡位，提前将处于自由状态的目标挡齿轮进行啮合，待汽车达到最佳换挡点时，当前挡离合器分离，同时目标挡离合器接合，从而实现不中断转矩传输换挡。因此双离合变速器的换挡速度要比一般的自动变速器甚至手动变速器还快。此外，双离合变速器虽然内部复杂，但实际体积和质量并没有比手动变速器增加多少，因此配备了双离合变速器的汽车不会增加过多的负担。知识连接1.2.2变速器节能技术的应用（四）双离合变速器4.双离合变速器的优缺点（1）双离合变速器的优点①换挡快。②节能。③舒适。（2）双离合变速器的缺点①成本问题。②扭矩问题。③效率问题。知识连接1.2.3制动能量回收技术的应用制动能量回收是指汽车在制动（或减速）时将汽车的部分动能转化为电能，转化的电能储存在储能器（各种蓄电池、超级电容器和超高速飞轮）中，并加以利用。这有利于提高汽车的能量利用率、减少燃料消耗、减轻制动器的热负荷、减少磨损、提高汽车行驶安全性和使用经济性。（一）制动能量回收方法制动能量回收的方法是先将汽车制动（或减速）时的一部分机械能（动能）经再生系统转化（或转移）为其他形式的能量（如旋转动能、液压能、化学能等），并储存在储能器中，同时产生一定的负荷阻力使汽车减速制动；当汽车再次启动（或加速）时，再生系统将储存在储能器中的能量转化为汽车行驶所需的动能。根据储能机理的不同，汽车制动能量回收的方法具体有3种：飞轮储能、液压储能和电化学储能。储能器通过行星排或锥齿轮副与原机械传动构成双功率流传动，设法回收汽车制动能量，然后在汽车起步（或加速）时将其释放，从而达到节能的目的。知识连接1.2.3制动能量回收技术的应用（一）制动能量回收方法知识连接1.2.3制动能量回收技术的应用（二）制动能量回收基本原理纯电动汽车制动能量回收系统主要由整车控制器、储能系统（动力电池组）、电机控制器、驱动电机、液压系统以及传动装置等组成。整车控制器通过CAN（控制器局域网）总线向电池管理系统和电机控制器传递信号，储能系统为整个系统提供并回收能量，电机控制器控制驱动电机在驱动和发电两个模式下工作，实现汽车的正常行驶与制动。制动能量回收系统相关部件。图1-55制动能量回收相关部件知识连接1.2.3制动能量回收技术的应用（三）典型制动能量回收系统1.奔驰S400混合动力电动汽车制动能量回收奔驰S400混合动力电动汽车制动能量回收是指在汽车减速过程中回收能量，将动能转化为电能，从而对高压蓄电池充电。制动能量回收功能由制动踏板与助力器推杆之间的一段自由行程来执行，代表制动请求的踏板行程由踏板角度传感器记录，然后由再生制动系统（RBS）控制单元进行分析，据此在每次促动制动器时，踏板阻力模拟器都会产生虚拟的踏板阻力。当制动能量回收功能启用时，自由行程会随着再生制动扭矩的增加而变短，为此RBS控制单元促动相应的电磁阀，促使助力器增大液压制动器的压力，从而确保自由行程不会变短。若RBS出现故障，则踏板阻力模拟器停用，驾驶员将通过脚力产生所需的制动力，即踏板行程会比正常的行程略长。知识连接1.2.3制动能量回收技术的应用（三）典型制动能量回收系统1.奔驰S400混合动力电动汽车制动能量回收知识连接1.2.3制动能量回收技术的应用（三）典型制动能量回收系统2.丰田混合动力电动汽车的制动能量回收丰田混合动力电动汽车制动能量回收系统是由原发动机车型的液压制动器（包括液压传感器、液压阀）、电机（制动时起发电机作用）、逆变器、电控单元（包括动力蓄电池电控单元、电机电控单元和能量回收电控单元）组成。丰田混合动力电动汽车制动能量回收系统的特点是采用制动能量回收制动与液压制动的协调控制。其协调控制的原理是在不同路况和工况下确保汽车制动稳定性和安全性的同时，兼顾动力蓄电池的再生制动能力，使车轮制动扭矩与电机能量回收制动扭矩之间达到优化目标，并由整车电控单元实施集中控制。知识连接1.2.3制动能量回收技术的应用（三）典型制动能量回收系统2.丰田混合动力电动汽车的制动能量回收知识连接1.2.4任务实施（一）列举先进的底盘节能技术以小组为单位，组员分工协作，列举具有优秀节能效果的汽车底盘，分析底盘各系统中应用了哪些先进的系统、部件或控制技术来达到节能效果，完成任务工单。知识连接1.2.4任务实施（二）底盘节能技术主要部件辨识以小组为单位，组员分工协作，分析实训汽车所装配的底盘配置了哪些节能技术，完成任务工单。任务三汽车车身节能技术的应用任务解析汽车车身节能技术主要包括低风阻车身造型和汽车轻量化两方面的节能技术。空气阻力所消耗的功率与车速的立方成正比，也就是说，车速低时，空气阻力消耗功率所占比例不大；而车速高时，空气阻力则成为主要阻力。车身质量约占汽车总质量的30%，所以汽车车身的轻量化对减轻汽车质量、提高燃油经济性至关重要。通过本任务的学习，学生应能够分析车身造型的发展历史及其对空气阻力的影响，掌握降低空气阻力系数CD的措施；掌握结构优化设计、轻量化材料和先进制造工艺在汽车轻量化中的应用。知识链接车身造型设计是设计美学与空气动力学的巧妙结合，车身造型一百多年的发展历程也主要取决于汽车的空气动力学特性。相较于外观设计，空气阻力往往对汽车的燃油经济性、动力性、操纵稳定性、舒适性等具有重要影响。（一）车身造型的发展历史1.3.1低风阻车身造型技术的应用1.马车型汽车1886年，德国工程师卡尔·本茨制造出世界上第一辆汽车，从此拉开了汽车现代化的帷幕。但当时的汽车外形基本上沿用了马车的造型，汽车的零部件也沿用了马车的木质车身、车轮、钢板弹簧、制动器等，将内燃机安装在座位下，整辆车就像装上了动力的马车，因此被人们称为“无马的马车”。图1-58戴姆勒和迈巴赫制造的第一辆四轮汽车知识链接（一）车身造型的发展历史2.箱型汽车1915年，新型的福特T型车在美国上市，方方正正的车身看起来像一个大箱子，所以被称为箱型汽车，如图1-59所示。这种车身造型真正确立了完整轿车车身的概念：拥有完全封闭的驾驶舱；安装了车窗、车门，车身覆盖件使用薄钢板冲压成形；重视人体工程学，内部空间大，乘坐舒适。1.3.1低风阻车身造型技术的应用知识链接（一）车身造型的发展历史3

.流线型汽车从20世纪30年代，人们开始重视利用空气动力学来减少空气阻力系数。车身高度逐步降低到1.4m，而车宽逐步增大。1934年，美国克莱斯勒公司生产的小轿车Airflow首先采用了流线型的车身外形，如图所示。这种车型的散热器罩十分精练，颇具动感，车身俯视图呈纺锤形，可以大大降低行驶时的空气阻力，汽车的速度也因此而提高。1.3.1低风阻车身造型技术的应用知识链接（一）车身造型的发展历史4.船型汽车1949年，美国福特公司推出的V8轿车具有首创的船型车身，如图1-62所示。这种车型改变了汽车以往的造型模式，使前翼子板和发动机罩、后翼子板和行李舱罩融于一体，大灯和散热器罩也形成了一个平滑的面，车室位于汽车振动最小的中部，发动机在前部，行李箱在尾部，取消了脚踏板和单独的翼子板，扩大了内部空间，减小了汽车侧面的空气阻力。1.3.1低风阻车身造型技术的应用知识链接（一）车身造型的发展历史5.鱼型汽车从20世纪50年代开始，有些汽车车身设计得极为修长，汽车的后窗玻璃倾斜成斜背式，汽车的背部和地面的角度较小，尾部较长，这类汽车被称为鱼型汽车，如图1-63所示。其车室宽大，视野开阔，舒适性好。但是后车窗玻璃倾斜得太严重，面积增加约2倍，使强度下降，形成结构上的缺陷。汽车高速行驶时易产生很大的升力，使车轮附着力下降，并且承受横向风力时不稳定，使汽车行驶稳定性和操纵稳定性都降低。因此很多鱼型汽车在尾部安上了一只翘起的“鸭尾”，用以克服一部分升力，这便是鱼型鸭尾车型。1.3.1低风阻车身造型技术的应用知识链接（一）车身造型的发展历史6.楔形汽车楔形汽车车身整体向前下方倾斜，车身尾部像刀切一样平直，这种造型能有效地克服升力，是目前较为理想的车身造型。1963年，司蒂倍克·阿本提第一次设计了楔形汽车。1.3.1低风阻车身造型技术的应用知识链接（二）车身造型对空气阻力的影响1.空气阻力概述空气阻力是指汽车相对于空气运动时空气作用力在行驶方向形成的分力，即空气作用于车身向后的纵向分力。空气阻力Fw的计算公式为式中CD——空气阻力系数；A——汽车迎风面积，m2；Va——车速，m/s。1.3.1低风阻车身造型技术的应用知识链接（二）车身造型对空气阻力的影响1.空气阻力概述空气阻力与车速的平方成正比，而克服空气阻力所消耗的功率和燃料与车速的立方成正比，即低车速时，空气阻力消耗的功率所占比例不大，而高车速时，空气阻力将成为主要的阻力，它将增加汽车燃油消耗并影响汽车的动力性能，。汽车行驶阻力与车速的关系，如图所示。1.3.1低风阻车身造型技术的应用知识链接（二）车身造型对空气阻力的影响2.空气阻力特性按照不同的划分方式，空气阻力还可分为外部阻力和内部阻力，如图所示。1.3.1低风阻车身造型技术的应用知识链接（二）车身造型对空气阻力的影响

2.空气阻力特性外部阻力系数的计算公式为C'D=CD0+CDi式中CD0——形状阻力系数；

CDi——诱导阻力系数。计算形状阻力，要将空气黏性的所有效应计入其中；诱导阻力是升力的水平分力，它的计算基于无黏性流；车的外部阻力是由黏性效应和涡场所产生的，但是由于黏性流与涡流的相互作用，这两种影响并不能分开。1.3.1低风阻车身造型技术的应用知识链接（二）车身造型对空气阻力的影响

2.空气阻力特性（1）形状阻力。车身前部由于气流受到阻滞而产生压力，其合力压向车身尾部，而车身尾部由于气流速度降低使压力回升，其合力压向车身前部。在理想流体中两个方向的合力平衡，但由于汽车车身尾部产生涡流而破坏了压力平衡，其结果是前部阻止气流前进而产生的压力占优势，因此产生了阻力。形状阻力主要取决于汽车车身前部阻止气流前进的压力与车身尾部使压力恢复的压力差。汽车车身前部形状相同而尾部形状不同时，由于车身尾部分离区域大小不同，压力回升程度也不同。1.3.1低风阻车身造型技术的应用知识链接（二）车身造型对空气阻力的影响

2.空气阻力特性空气阻力的85%为压差阻力，其余15%为摩擦阻力。空气阻力系数和摩擦阻力系数与车尾倾角的关系如图所示。压差阻力的9%来自车身前部，而91%来自车身尾部（其值随车身长短而异）。从空气阻力的形成机理来看，它是由形状阻力和涡流阻力构成的。涡流阻力约占空气阻力40%，它明显取决于尾流结构（尾流是指运动物体后面或下游的紊乱旋涡流）。1.3.1低风阻车身造型技术的应用知识链接（二）车身造型对空气阻力的影响

2.空气阻力特性（2）诱导阻力。诱导阻力是伴随升力而产生的阻力。诱导阻力系数CDi计算公式为式中CL——升力系数；β——修正系数；λ——宽长比（总宽/总长）。1.3.1低风阻车身造型技术的应用知识链接（二）车身造型对空气阻力的影响

2.空气阻力特性（2）诱导阻力不同尾部外形的汽车尾流流态如图所示。在车身尾部气流中包含着纵向的涡流场。它是由车身顶部与车身底部的压力差所产生的，这个涡流场具有一定的动能，它等于必须克服部分阻力所做的功，这部分阻力称为诱导阻力，涡流场与汽车的总升力相关。1.3.1低风阻车身造型技术的应用知识链接（二）车身造型对空气阻力的影响

2.空气阻力特性（2）诱导阻力在大多数情况下，为一个给定的汽车改型时，可以发现空气阻力和升力的关系密切，即在改型过程中，减小空气阻力的措施也同时产生减小升力的效果，当然也有升力反而增大的情况。改变车尾倾角对空气阻力系数CD和后轴升力系数CLR的影响，如图所示。1.3.1低风阻车身造型技术的应用知识链接（三）降低空气阻力系数的措施1.改善轿车前部形状通过改变轿车前部形状，我们能找到空气阻力系数CD最小时的前部形状，如图所示。车体头部圆角化可防止气流分离，从而降低空气阻力系数CD，如图1-71所示。改变前窗倾角和圆弧转角对空气阻力系数的影响如图所示，选定前窗倾角Φ=65°、圆弧转角为25.5°时效果最佳。1.3.1低风阻车身造型技术的应用知识链接（三）降低空气阻力系数的措施2.改变后窗倾角和车顶拱度改变后窗倾角β，对空气阻力系数CD的影响，如图所示，由图可知，β=30°时，空气阻力系数CD最大。1.3.1低风阻车身造型技术的应用知识链接（三）降低空气阻力系数的措施2.改变后窗倾角和车顶拱度轿车车身顶盖拱曲为ar与lr之比，它与空气阻力系数CD之间的关系，如图所示。车顶拱曲越小，空气阻力系数越低。1.3.1低风阻车身造型技术的应用知识链接（三）降低空气阻力系数的措施3.正确选择离地间隙4种车型离地间隙e对空气阻力系数CD和升力系数CL的影响，如图所示。大众公司的van离地间隙e=280mm，空气阻力系数CD和升力系数CL均较小，设计离地间隙时应综合考虑多方面因素。1.3.1低风阻车身造型技术的应用知识链接（三）降低空气阻力系数的措施4.装置扰流板和导流板轿车尾部装置扰流板，当板高Z为40～80mm时，空气阻力系数CD和升力系数CL均较小；当板高Z为60mm时，空气阻力系数CD可达到最小值，如图1所示。箱式载货汽车常常在驾驶室顶部装置导流板，可使空气阻力系数CD减少3%～6%。1.3.1低风阻车身造型技术的应用知识链接（三）降低空气阻力系数的措施5.优化发动机舱内空气流场发动机冷却系统的作用是将受热部件吸收的热量及时散发出去，保证发动机在所有工况下都保持在适当的温度范围内。冷却系统的散热器和冷却风扇都位于发动机舱的前端进气格栅尾部，直接影响汽车前部空气流场的分布，如图所示。1.3.1低风阻车身造型技术的应用知识链接（三）降低空气阻力系数的措施5.优化发动机舱内空气流场在汽车行驶过程中，除了外部阻力外，还会产生内部阻力，其中主要是流经冷却系统的阻力。它们是气流在进、出整个冷却系统时产生冲击能量损失、气流流经散热器和发动机时的压力损失，以及与汽车车身上环流相互作用（尤其是与前轮的相互作用）的损耗。冷却气流流经发动机舱各部位的形式如图所示。1.3.1低风阻车身造型技术的应用知识链接（三）降低空气阻力系数的措施5.优化发动机舱内空气流场不同形式气流流经冷却系统后对汽车空气阻力系数CD的影响见表。如果冷却气流只从下部无障碍流过，那么空气阻力系数CD会比前部封闭、没有冷却气流流过时增加12%。1.3.1低风阻车身造型技术的应用知识链接（四）车身造型设计的发展趋势为达到节能减排的要求，我们应对汽车的造型进行更合理的优化设计。目前世界上较为普遍的改善汽车造型的空气动力学主要方法主要如下：（1）车身造型进一步强调空气动力化。（2）发动机的布置形式有所调整。（3）设置前、后扰流板等空气动力学附加装置，改善气流的流动状况。（4）乘员舱仍需处于前、后轮之间，地板要尽量低，以获得较大的室内空间及开阔的视野，保证乘员的舒适和安全。车轮仍是橡胶轮胎，布置在接近车身的4个边角处。（5）优化车身外形，减少车身表面的凹凸面和凸起物，如门拉手平滑化、隐藏化，窗玻璃、门玻璃尽可能采用外偏置技术与边框平齐，泄水槽隐蔽化，后视镜设计成流线型，以降低空气阻力。1.3.1低风阻车身造型技术的应用知识链接（一）汽车轻量化技术概述1.汽车轻量化的概念汽车轻量化是指在保证汽车的强度和安全性前提下，尽可能减少汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。汽车轻量化的技术内涵是指采用现代设计方法和有效技术手段对汽车产品进行优化设计，或在确保汽车综合性能指标的前提下使用新材料，降低汽车产品本身质量，达到减重、降耗、环保、安全的综合目标。2.汽车轻量化技术的分类汽车轻量化技术可以分为车身结构优化设计、轻量化材料的应用和先进制造工艺3个主要方面，其中车身结构优化设计是前提，轻量化材料的应用是手段，先进制造工艺是保障，三者之间相互联系、相互影响。车身结构优化设计包括汽车结构的尺寸优化、形状优化、形貌优化、拓扑优化、应用变截面薄板以及多学科设计优化等；轻量化材料的应用包括使用结构更轻的高强度钢、铝合金、镁合金、碳纤维复合材料、泡沫合金板、蜂窝夹芯复合板等对传统普通钢结构进行代替；先进制造工艺包括激光拼焊板、液压成形、热冲压成形、轻量化连接等工艺。1.3.2汽车轻量化技术的应用知识链接（二）车身结构优化设计根据设计变量及优化问题类型的不同，汽车结构轻量化可分为尺寸优化、形状优化、形貌优化、拓扑优化、应用变截面薄板等。1.尺寸优化在尺寸优化过程中，往往根据质量、强度等优化目标对板厚、梁截面及截面惯性矩等尺寸进行优化，使应力分布均匀化，而且尺寸优化一般以汽车零部件的形状尺寸为变量，以满足各种工况下的刚度、强度、振动和吸能性等。2.形状优化形状优化即通过适当改变制件的外形使车身结构更加均匀地受力，其主要措施是对汽车结构整体或局部进行形状优化，从而使材料能够发挥出最大的潜力，一般利用有限元分析来避免应力峰值，使应力分布尽可能均匀。1.3.2汽车轻量化技术的应用知识链接（二）车身结构优化设计3.形貌优化形貌优化作为形状优化的高级形式，是一种形状最佳化的方法。在板形结构中寻找最优化的加强筋、凹凸结构的形状、位置和数量布置方案，用于设计薄壁结构的强化压痕，使结构在质量减小的同时满足强度、振动频率等要求，如图所示。1.3.2汽车轻量化技术的应用图1-81

汽车后围板形貌优化效果知识链接（二）车身结构优化设计4.拓扑优化拓扑优化也称为结构布局优化，是对指定设计空间的材料分布进行分析，通过拓扑算法自动得到最佳的结构形式和最优的动力传递路径，以提高材料的利用率，达到优化性能和减重的效果，如图所示。它被广泛认为是一种最具有应用价值的优化方法。1.3.2汽车轻量化技术的应用图1-82汽车零部件拓扑优化设计知识链接（二）车身结构优化设计5.应用变截面薄板用于制造车身的变截面薄板分为两种，一种是激光拼焊板（TWB），另一种是通过柔性轧制生产工艺得到的连续变截面板（TRB）。激光拼焊板是根据车身的强度和刚度设计要求，采用激光焊接技术把不同厚度、不同表面镀层甚至不同原材料的金属薄板焊接在一起，然后再进行冲压。冲压时可以根据车身各个部位的实际受力和变形的大小，预先为某个部件定制一块理想的拼接板料，从而达到节省材料、减小质量且提高车身零部件性能的目的。连续变截面板是通过柔性轧制工艺而获得的连续变截面薄板。柔性轧制类似于传统轧制方法中的纵轧工艺，但其最大不同是在轧制过程中，轧辊的间距可以实时地调整和变化，从而使轧制出的薄板在沿着轧制方向上具有预先定制的变截面形状。在柔性轧制过程中，可以通过计算机对轧机的实时控制来自动而连续地调整轧辊的间距，从而实现由等厚度板卷到连续变截面板卷的轧制。1.3.2汽车轻量化技术的应用知识链接（三）轻量化材料的应用目前汽车行业轻量化材料主要有高强度钢、铝合金、镁合金、碳纤维复合材料、泡沫合金板、蜂窝夹芯复合板等，部分材料的特性见表。1.3.2汽车轻量化技术的应用知识链接（三）轻量化材料的应用1.高强度钢通常将屈服强度为210～550MPa的钢称为高强度钢，也将抗拉强度为340～780MPa的钢定义为高强度钢。高强度钢是现阶段实现汽车轻量化的首选材料。高强度钢具有较高的结构强度和抗疲劳强度、优越的碰撞吸能性，且冲压成形性、焊接性和可涂装性均表现优良。高强度钢与铝合金、镁合金和碳纤维复合材料相比，具有以下优点：原材料价格低，经济性好；性能优越，能保证零件的刚性；可以直接利用现有的成形、焊接、涂装和总装生产线，大大节约设备投资成本。高强度钢与普通碳钢相比具有如下特点：成形性能好；烘烤硬化性能好；能量吸收率较高；疲劳强度高，疲劳寿命长；防撞和抗凹性能好。1.3.2汽车轻量化技术的应用知识链接（三）轻量化材料的应用2.铝合金铝合金在汽车轻量化应用中成效显著。铝合金的密度低，约为钢铁的1/3，具有工艺性好、吸收冲击性能好、耐腐蚀、易回收利用等特点，可通过铸、锻、冲压工艺加工制造各类汽车零件，是目前实现整车轻量化的首选材料，主要应用于白车身覆盖件、防撞梁、水箱框架、机器盖、悬挂的摆臂、副车架等。3.镁合金镁合金密度约为铝合金密度的2/3，镁合金材料耐凹陷性好、机械加工性好、吸振性好、导热性好、尺寸稳定性好且易于回收，其在汽车各部件减重效果可达45%，更适于作为轻量化材料。镁的储藏量丰富，但受限于制造工艺及技术工艺。汽车上广泛使用的镁合金铸件大致分为两类，一类是非结构镁合金铸件，这类铸件不能承受巨大的冲击；另一类是结构镁合金铸件，这类铸件能承受特定的载荷，且须满足一定的抗冲击要求。1.3.2汽车轻量化技术的应用知识链接（三）轻量化材料的应用4.碳纤维复合材料碳纤维复合材料是一种很有前途的汽车轻量化材料。碳纤维复合材料具有质量小、强度高、耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、导电导热性好、抗冲击能力强、耐久性好、舒适性好等优点，碳纤维复合材料的密度不到钢铁的1/4，抗拉强度却是钢铁的7～9倍，抗拉弹性也高于钢铁，在2000℃以上的高温惰性环境中，是唯一强度不降低的物质。在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐腐蚀性非常好。其外形柔软，可加工成各种织物，从使用的角度看，碳纤维复合材料不存在腐蚀生锈的情况，比普通金属耐用。5.泡沫合金板泡沫合金板由粉末合金制成，其特点是密度（0.4～0.7g/cm3）小，弹性好，当受力压缩变形后，可凭自身的弹性恢复原状。泡沫合金板种类繁多，除了泡沫铝合金板外，还有泡沫锌合金板、泡沫锡合金板、泡沫钢板、泡沫镁合金板等，可根据不同的需要进行选择。1.3.2汽车轻量化技术的应用知识链接（三）轻量化材料的应用6.蜂窝夹芯复合板蜂窝夹芯复合板由两层薄面板中间夹一层厚而极轻的蜂窝组成。根据夹芯材料不同，蜂窝可分为纸蜂窝、玻璃布蜂窝、玻璃纤维增强树脂蜂窝、铝蜂窝；面板材料有玻璃钢、塑料、铝板和钢板等，铝蜂窝夹芯复合板的样品，如图所示。蜂窝夹芯复合板具有轻质、比强度和比刚度高、抗震、隔热、隔音和阻燃等特点1.3.2汽车轻量化技术的应用图1-84铝蜂窝夹芯复合板图1-83泡沫镁合金板知识链接（四）先进制造工艺在汽车轻量化设计中，材料是基础，结构是结果，而制造工艺是材料与结构之间的纽带，只有先进的制造工艺才能满足材料和结构的发展变化。三者相互协调、缺一不可。目前主流的工艺技术为激光拼焊板、液压成形、热冲压成形以及轻量化连接等。1.3.2汽车轻量化技术的应用1.激光拼焊板激光拼焊板可将不同材质、不同厚度、不同强度和不同表面镀层的板坯拼合起来，然后再进行整体压型。根据车身各部位实际受力和变形大小，预先定制理想厚度拼接板，达到节省材料、减小质量且提高车身零部件性能、汽车结已在汽车领域应用成熟，用于制造车门内板、加强板、立柱、底板和轮罩等部件，如图所示。知识链接（四）先进制造工艺2.液压成形液压成形是用液体高压代替刚性的凸模或凹模，对金属坯料进行成形加工，得到整体化复杂变截面构件的一种先进制造技术。按金属坯料的不同，液压成形可以分为3种：板材液压成形、壳体液压成形和管材液压成形。管材液压成形是先把要成形的管材坯料放在密闭的模具中，再把高压液体引入管材内腔，增加压力（通常100～400MPa，最高达1000MPa），使管材在常温下发生塑性变形，并最终与模具型腔内壁贴合，得到形状与精度均符合技术要求的中空零件。管材液压成形工艺步骤如图所示。目前使用液压成形生产的汽车零部件主要有T型接头、排放系统、发动机支架、后桥及其部件和各种结构件。1.3.2汽车轻量化技术的应用知识链接（四）先进制造工艺3.热冲压成形热冲压成形是将高强度钢板加热至奥氏体状态（900℃以上），然后快速转移到模具中进行冲压成形，保压淬火一段时间，以获得均匀马氏体组织。处理后得到的制件是屈服强度在1000MPa以上的超高强度钢零件。经热冲压成形的零部件精度高、成形质量好、回弹性小，应用在车身上，车身刚度可有效提高30%，因具备高延展性、高抗拉性、高强度，故在汽车发生碰撞时它能够有效地保护车内人员的安全。4.轻量化连接目前轻量化连接技术有多种形式，如高强度钢的电阻点焊、铝—钢的异种电阻点焊、搅拌摩擦焊、胶接技术、机械连接技术等。应用该技术具有提高汽车强度、降低汽车疲劳强度和延长汽车使用寿命等效果。1.3.2汽车轻量化技术的应用知识链接（五）我国汽车轻量化技术发展方向1.在结构优化设计方面汽车结构的尺寸优化、形状优化和拓扑优化已逐步发展成熟并得到广泛应用，但汽车结构的多学科、多目标优化设计方法和离散杆系结构的拓扑优化方法，还有待进一步研究和完善。2.在轻量化材料的应用方面变形镁合金、新型塑料和纤维增强复合材料具有较大的应用潜力。由于单一材料难以完全满足汽车结构的轻量化要求，因此研究多种材料的混合结构设计理论、方法和工艺，不同部位采用不同的材料，充分发挥各种材料的优势，可以实现选材与零部件功能的最优组合。3.在工艺研究方面激光拼焊板、液压成形将得到更为广泛的应用，热冲压成形和变截面薄板的研究和应用也将得到进一步发展。4.在零部件的轻量化方面汽车轻量化技术多以车身结构为主要研究对象，而汽车零部件的总质量约占整备质量的3/4，具有很大的轻量化潜力。1.3.2汽车轻量化技术的应用知识链接以小组为单位，组员分工合作，查找资料，列举两款在车身造型设计和车身轻量化设计方面比较优秀的量产车型。分析其车身造型特点，并分析其通过采用哪些结构优化设计方法、哪些轻量化材料、哪些先进制造工艺来减小车身质量，完成任务工单。1.3.3

任务实施感谢大家观看汽车节能与新能源技术应用目

录项目一

汽车节能技术的应用任务1

汽车发动机节能技术的应用任务2

汽车底盘节能技术的应用任务3

汽车车身节能技术的应用项目二

汽车新能源技术的应用任务1动力电池及管理系统技术的应用任务2

电机驱动系统技术的应用任务3

新能源汽车维护技术的应用项目二

汽车新能源技术的应用教学目标知识目标能力目标素质目标1.能够分析和阐述新能源汽车的类型、结构及原理。2.能够比较不同类型动力电池的结构、原理及性能指标。3.能够准确阐述动力电池管理系统及辅助元器件组成及功用。4.能够比较不同类型驱动电机的结构、原理及性能指标。5.能够准确阐述电机控制器的功能及原理。1.能够规范地对新能源汽车进行高压安全防护。2.能够规范地对高压系统进行上、下电操作。3.能够规范地对高压部件进行绝缘性能检测。4.能够规范地对动力电池和驱动电机进行检测。5.能够规范地对新能源汽车进行使用和维护。1.养成吃苦耐劳、勇于开拓的奋斗精神。2.养成严谨细致、精益求精的敬业精神。3.树立安全意识、责任意识、节能环保意识。4.树立民族自信心、自豪感。项目二

汽车新能源技术的应用任务一动力电池及管理系统技术的应用动力电池是新能源汽车的能量储存装置，也是制约新能源汽车发展的关键因素。作为一名汽车检测与维修技术人员，我们应对动力电池有全面的了解，应知道动力电池日常和周期性检查各包括哪些内容，应知道如何检测动力电池的绝缘性能。通过本任务的学习，学生应能够准确分析和阐述不同类型动力电池的结构、原理及特点，准确分析动力电池管理系统及辅助元器件的功用，掌握电气事故的危害及急救措施，正确使用专业绝缘防护用具、绝缘工具和检测设备，掌握防护和检查动力电池的方法，并能够规范地对动力电池进行绝缘性能的检测。任务解析（一）动力电池的功用动力电池的功用是接收和储存由非车载充电装置、车载充电机、发电机、制动能量回收装置所提供的电能，并为驱动电机和其他用电设备提供电能。纯电动汽车和混合动力电动汽车动力电池充电路径如图所示。知识连接2.1.1动力电池的功用与系统组成（一）动力电池的功用纯电动汽车的动力电池体积较大，一般位于汽车底部前、后车桥及两侧纵梁之间，具有降低汽车重心和提高汽车操纵稳定性的特点，但存在碰撞安全性的问题。大众MEB平台纯电动车型动力电池安装位置如图所示。混合动力电动汽车的动力电池个体较小，可安装在行李箱和后排座椅的下方或两者之间，丰田THS混合动力车型动力电池安装位置如图所示。知识连接2.1.1

动力电池的功用与系统组成图2-2大众MEB平台纯电动车型动力电池布置图2-3丰田THS混动车型动力电池布置（二）动力电池系统组成动力电池系统主要由动力电池模组、电池管理系统（BMS）、辅助元器件、冷却系统、动力电池箱等部分组成，如图所示。知识连接2.1.1动力电池的功用与系统组成图2-4

动力电池系统组成（二）动力电池系统组成1.动力电池模组目前电动汽车多数使用二次电池。二次电池是指放电后可用充电的方法使活性物质复原而能再次放电，且可多次循环使用的一类电池。这类电池实际上是一个化学能量储存装置，用直流电为电池充电，电能以化学能的形式储存在电池中，放电时化学能再转化为电能。（1）电池的基本概念。我们平时所说的电池是一个统称，而电芯、电池模组、电池包在电池应用中各有所指。最小的单元就是电芯，一组电芯可以组成一个电池模组，而几个电池模组则可以组成一个电池包。知识连接2.1.1动力电池的功用与系统组成（二）动力电池系统组成1.动力电池模组电芯也称为电池单体，是构成动力电池的最小单元，是直接实现电能与化学能相互转化的基本装置。电芯一般由电极、隔膜、电解质及外壳等构成。当一定数量的电芯按照某种串、并联的方式连接，并被同一个外壳框架封装在一起，通过统一的边界与外部进行联系时，就组成了一个电池模组，如图2-6所示。由电池管理系统和热管理系统共同管理的数个电池模组，经包装、装配后形成的整体称为电池包。知识连接2.1.1动力电池的功用与系统组成

图2-5电池不同阶段（二）动力电池系统组成1.动力电池模组（2）电池的结构形式。动力电池模组是由几个到数百个电芯经串、并联所组成的组合体。目前应用于电动汽车的电芯的形状主要有圆柱体、立方体及软包装3种。圆柱体电芯采用成熟的卷绕工艺，自动化程度高，产品品质稳定，成本较低。立方体电芯通常是指铝壳或钢壳立方体电芯，在国内普及率很高，因为立方体电芯的结构较为简单，不像圆柱体电芯采用强度较高的不锈钢作为壳体及具有防爆安全阀等附件，所以整体质量较小，相对能量密度较大。立方体电芯采用卷绕和叠片两种不同的工艺。软包装电芯相较于圆柱体电芯和立方体电芯来说，质量更小，理论能量密度更大，对放置空间及位置要求较低。外壳采用铝塑膜材质，而铝塑膜外壳生产技术复杂，目前基本完全依赖进口，并且软包装电芯制造工艺的成熟度较低，在国内电动车上基本没有得到应用。知识连接2.1.1动力电池的功用与系统组成（二）动力电池系统组成1.动力电池模组（3）电池组合方式。电池模块构成电池组的方式有串联、并联和混联（同时采用串联和并联）。混联一般采用先并联后串联的方式，此种方式可靠性远大于先串联后并联的方式。电芯的额定电压一般都比较低，往往不能满足负载额定电压的要求，这就需要将多个电芯串联起来使用，称为串联电池组，串联电池组可提供更高的工作电压。电芯的输出电流是一定的，往往不能满足负载额定电流的要求，这就需要将多个电芯并联起来使用，称为并联电池组，并联电池组可提高电池的容量。4个1.5V的电芯分别并联和串联的连接方式如图所示。知识连接2.1.1动力电池的功用与系统组成图2-8电芯并联和串联（二）动力电池系统组成2.电池管理系统及辅助元器件电池管理系统对蓄电池组进行安全监控和有效管理，从而提高电池的安全性和使用效率，延长使用寿命，增加续航里程，是动力电池系统中至关重要的核心部件。3.冷却系统动力电池是电动汽车的动力能源，温度直接影响动力电池的安全、寿命、功能、性能等。动力电池在15～45℃处于最佳状态，高温会明显加速电池的老化，在120～150℃则会引发电池热失控，影响电池的安全性和可靠性。低温环境会影响动力电池的充放电性能。电池组内的温度差异会形成局部热区，导致性能过快衰减。因此通过冷却系统对动力电池进行冷却或预热，保持动力电池处于良好的工作温度，以改善运行效率并延长使用寿命。根据冷却介质的不同，动力电池冷却系统可以分为水冷式、直冷式和风冷式。知识连接2.1.1动力电池的功用与系统组成（二）动力电池系统组成3.冷却系统（1）普通水冷式。普通水冷式动力电池冷却系统使冷却液在动力电池内部的冷却液管道中流动，吸收动力电池产生的热量，从而降低动力电池的温度，如图所示。普通水冷式技术比较成熟，已获得广泛应用。普通水冷式由于其换热系数高，热容量大，冷却速度快，且水冷系统布置形式灵活（可在电池模块间设置冷却通道，或在电池底部采用冷却板），因此一般用于整备质量大、动力性强、续航里程长且容量大的动力电池的汽车上。知识连接2.1.1动力电池的功用与系统组成（二）动力电池系统组成3.冷却系统（2）空调制冷剂循环冷却式。空调制冷剂循环冷却式是在普通水冷式基础上，使动力电池冷却系统与空调系统制冷剂循环回路进行热交换，实现散热效果可以调节，例如比亚迪e5动力电池冷却系统采用的就是空调制冷剂循环冷却式。知识连接2.1.1动力电池的功用与系统组成（二）动力电池系统组成3.冷却系统（3）直冷式。直冷式是利用制冷剂蒸发吸热的原理，在整车或电池系统中建立空调系统，将空调系统的蒸发器安装在电池系统中，制冷剂在蒸发器中蒸发并快速、高效地将电池系统的热量带走，从而完成对电池系统的冷却作业。直冷式动力电池冷却