摘 要

由于能源短缺和环境污染越来越严重，发展新能源汽车已是大势所趋。在政府政策的支持下，新能源专用汽车得到了较好的发展。环卫车作为专用车的一种，在保证城市干净清洁中发挥着不可替代的作用。

本文以一款7吨重纯电动环卫车为研究对象，设计了动力转换系统方案，对其动力传递系统关键部件进行了参数匹配和选型。具体的工作如下:

1. 对其驱动电机及动力电池进行了参数匹配与选型，以保证能满足纯电动环卫车整车的动力性和经济性要求。
2. 对不同行驶工况下该车的动力需求进行了计算，包括整车需要的功率和转矩
3. 设计了一款从变速器中间轴取力的取力器，对取力器的整体方案、齿轮、轴进行了设计。

关键词:纯电动环卫车；动力传动系统；行驶工况；电机；取力器

Abstract

Due to energy shortages and environmental pollution, the development of new energy vehicles is a general trend. With the support of government policies, new energy special vehicles have been well developed. As one of the special vehicles, sanitation vehicles play an irreplaceable role in ensuring clean and clean cities.

In this paper, a 7-ton heavy-duty electric sanitation vehicle is taken as the research object, and the power conversion system scheme is designed. The key components of the power transmission system are matched and selected. The specific work is as follows:

(1) Parameter matching and selection of the drive motor and power battery are carried out to ensure the power and economy requirements of the pure electric sanitation vehicle.

(2) Calculate the power demand of the vehicle under different driving conditions, including the power and torque required by the vehicle.

(3) A power take-off device for taking force from the intermediate shaft of the transmission was designed, and the overall scheme, gear and shaft of the power take-off were designed.

Key words: pure electric sanitation vehicle; power transmission system; driving condition; motor; power take-off

第1章 绪论

1.1选题的目的及意义

汽车作为21世纪不可替代的交通工具，为我们的生活带来了方便和快捷。但与此同时，由汽车排放带来的环境污染问题也日益严重了起来。能源短缺、环境污染已成为当今社会面临的重要难题，发展新能源汽车在当下有着重要的现实意义。纯电动汽车由于不需要用石油作为原料燃烧以驱动汽车，因此可以达到零排放，即不会产生污染环境的废气；另一方面通过使用电能代替燃油的化学能，也在一定程度上缓解了能源短缺的问题。

电动汽车发展的瓶颈之一是续驶里程短，不便于长距离运输。而纯电动环卫车由于其工作路线和工作强度的固定，使其可在短距离内运输，避开了电动汽车不便于长距离运输的缺点。另一方面，由于电动环卫车辆工作路线以及停放地点的固定，为专用充换电站的布置以及建设提供了方便。利用晚间用电低谷时的经济电能来为纯电动环卫车充电还可以进一步降低纯电动环卫车的使用成本。

目前我国使用的环卫车主要还是传统的燃油车，这类车辆普遍存在油耗较高，排放污染严重的问题。其在工作过程中虽然对城市环境作出了贡献，但也在一定程度上污染了环境。随着经济的发展，国家也越来越重视环境问题，不再愿意以青山绿水来换取金山银山，国家对环保的要求也越来越高。这既对传统燃油车的节能减排提出了更高的要求，也对新能源环卫车的发展提出了更为急切的需求。

可见，在当下发展新能源环卫车是很有前景的，开发清洁，性能优越的纯电动环卫车有重要意义。

1.2国内外研究现状

电动汽车的历史最早可追溯到1873年，第一台电动车是由英国人制造的。但由于当时驱动电机和动力电池技术的不成熟，导致其发展较为缓慢。后来随着电子电力技术的不断提升，电动汽车也取得了长足的发展。近些年来由于环境问题和能源短缺的影响，各国政府也都越来越重视发展纯电动汽车。各大汽车厂商也看到了商机，纷纷加大研究力度，希望能够在未来的市场中占有一席之地，引发了新一轮的新能源车研究热潮。

国内外对于电动汽车的研究热度很高，而且研究成果也很多，但这仅仅限于乘用车，对纯电动专用汽车的研究则比乘用车少很多。实际行驶工况对电动汽车动力性与经济性有着很大的影响，但现在的研究普遍将行驶工况划分为美国城市驱动工况、日本驱动工况、欧洲行驶测试等工况，这种划分比较适合乘用车，但对专用车而言并无意义。对于专用车，研究其正常作业时的工况，特殊情况下作业时的工况(比如爬坡），不作业正常行驶时的工况才有意义。

1.2.1国外研究现状

美国是世界上最早研究电动汽车的国家之一，其电动汽车的技术也在世界上处于领先地位。为了降低对石油的依赖以及出于能源安全的考虑，美国政府制定了相应的战略措施以发展电动汽车。美国有电动汽车行业的巨头公司——特斯拉，其在电动汽车及其零部件领域有着很大的影响。特斯拉在2008年推出了他们的首款纯电动汽车——Roadster，其后又推出了ModelS和ModelX，这几款车发布时都引起了不小的轰动。

欧洲国家普遍对汽车排放的要求较高，近些年它们的法律法规对二氧化碳排放的限制也越来越严格。相应的，欧洲对发展电动汽车也就比较重视。欧盟曾拨14.3亿欧元用于支持电动汽车的研究。英法德等国都出台了政策以支持电动汽车的研究与发展。

日本在电动汽车领域也有着很重要的地位，它是世界上电动汽车行业发展最迅速和成熟的国家。日本的日产、三菱、本田、丰田等公司都推出了不少电动汽车车型。其中日产公司研发的LEAF车型取得了很大的成功，被认为是一款经典的纯电动汽车。

1.2.2国内研究现状

我国汽车工业起步较晚，直到1956年，新中国才有了第一辆汽车——“解放”牌汽车。电动汽车的发展则要更晚不少，20世纪80年代才得到一些实质性的发展。2001年，国家863计划确定了我国电动汽车“三纵三横”的研发格局。

近些年来，国家也出台了不少政策来扶持电动汽车的发展，这既包括对电动汽车厂商给予补助，也包括给购买电动汽车产品的民众以优惠和补贴。电动汽车的销量也保持持续增长的态势。

经过多年的研究与发展，我国的电动汽车研发能力以有了很大的提高，虽然整体水平仍和国外有不小的差距，但在某些领域的技术水平已与国外相差不大，甚至已处于领先地位。

1.3本章小结

本章对选题的意义进行了阐述，并对国内外电动汽车的发展历史与研究现状进行了介绍。

第2章 行驶工况对电机效率的影响综述

2.1电动机的外特性

电动汽车与传统燃油车的最大区别便是其动力来源不同，传统燃油车通过燃烧输进汽缸内的燃料而发出动力，纯电动汽车则是靠将电能转换为机械能来驱动车子行驶。电动机与内燃机相比，具有清洁、安静、效率高的特点，同时它的转速--转矩控制特性也比较灵活。电动机在低速时具有恒转矩的特性，高速时具有恒功率的特性，可以在转速--转矩特性曲线下区域内的任何一点工作。电动机和发动机的外特性分别如图2.1，图2.2所示。

图2.1 发动机外特性曲线

图2.2 驱动电机的外特性曲线

由图2.2可以看出，电动机一共有两个工作区间，一个是电机转速从0增加到的恒转矩区域。在此区间内，电机转速在不断增加，但电机的转矩却是保持峰值转矩不变的。这个工作区间是和车辆起步或者加速工况是相对应的。显然，电机峰值转矩越大则车辆的后备功率越大，也就是车辆的动力性能越好。当电机转速增大到以上时，电机的转矩开始下降，但电机的功率却保持不变，即此工作区间为恒功率区间。此工作区间是同车辆高速运行的工况相对应的。

2.2行驶工况对电机效率的影响

电机的外特性主要影响车辆的动力性，而电机的效率特性则和车辆的经济性有很大关系。为了改善电动汽车的经济性能，既需要电机峰值效率较高，又需要电机的高效工作区间较宽，以应对经常变化的行驶工况。电机的效率区间如图2.3所示。

图2.3 电机效率区间

驱动电机的一般工作方式为恒转矩起动,达到额定功率后转为恒功率运行。同样功率的电机,如果额定转速不同,则对应的额定转矩不同。转矩曲线不同,动力特性不同。普通工业用电机的工作点一般比较固定，通常在其额定转速附近， 因此只要其额定点的工作效率较高即可。 车用电机则和普通工业用电机的运行条件有很大的差别，因为车辆在行驶的过程中要不断根据路况的变化来改变车辆的行驶状况，车辆要频繁的起步、加速、制动，这必然会导致驱动电机的工作转速和工作转矩不停的变化，而且是在其全工作区间内变化，这就需要电机在较宽的工作转速和转矩范围内都有较高的效率，才能保证车辆整体的经济性满足设计要求。

2.3本章小结

本章主要的工作内容是对驱动电机的外特性以及效率特性进行了研究，并分析了行驶工况对电机效率的影响。通过电机的外特性曲线图和效率特性曲线图分析了电机对车辆动力性能和经济性能的影响。

第3章 动力转换系统方案设计

3.1驱动电机系统

驱动电机系统是纯电动汽车中非常重要的一个子系统，负责将动力电池的电能转换为机械能，而后才能通过变速器，传动轴等传动装置传递给驱动轮以驱动汽车行驶。

3.1.1驱动电机的选型

驱动电机是驱动电机系统中的核心部件，其性能表现对驱动电机系统有着很大的影响，进一步会对整车的动力性能和经济性能产生影响。对于纯电动汽车而言，常选用的电机有有刷直流电机、交流感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。

1. 有刷直流电机的调速较为方便，调速比较平滑，而且调速的范围也比较广。它也能承受负载的频繁变化，过载能力比较强。但是这种电机的体积和质量无法做的比较小，使其无法在车上得到良好的应用。
2. 交流感应电机也称为三相异步电机，其结构较为简单，制造容易，工作可靠，价格便宜，因而在很多纯电动汽车上都采用了这种电机。但是这种电机运行温度较高，对冷却要求比较严格。
3. 永磁同步电机的功率密度较大，能输出更大的转矩和更高的转速，运行的效率也非常高，在电动汽车上得到了广泛的应用。这种电机的缺点时在一些情况下有可能会发生导磁能力降低的现象，严重时导磁能力会完全消失，即发生了磁退现象。
4. 开关磁阻电机结构坚固，调速区间大。它比较适用于高速运行以及能够频繁启停，但是其噪声和振动较大。

将上述各种类型电机主要性能指标进行统计对比如表3.1所示

表3.1四种电机性能比较

通过对这四种电机的性能进行比较，可以发现永磁同步电机更适合用作纯电动汽车上的驱动电机，因此此次设计选定永磁同步电机来作为驱动电机。

3.1.2驱动电机参数匹配

1. 峰值功率

驱动电机的峰值功率越高，意味着车辆的后备功率越大，纯电动汽车的动力性也就越好，加速和爬坡能力也就越强。但驱动电机的峰值功率也不应选择的过大，电机峰值功率过大，会导致电动汽车的后备功率过大，电机不能工作在高效区间内，使整车的经济性能下降。通常汽车的动力性主要由三方面的指标来评定，即汽车的最高车速，加速时间以及最大爬坡度。为了满足纯电动汽车整车动力性的要求，驱动电机的峰值功率可由式（3.1）来计算

（3.1）

式中，P_v是根据纯电动汽车最高车速设计指标求得的功率；P_t为根据纯电动汽车加速时间设计指标求得的功率；P_α是根据纯电动汽车最大爬坡度设计指标求得的功率。本文选定的纯电动环卫车整车基本参数见表3.2。

表3.2 纯电动环卫车整车基本参数

1. 最高车速

汽车的最高车速是指在水平良好的路面（混凝土或沥青）上汽车能达到的最高行驶车速，是评价纯电动汽车动力性的重要指标。汽车功率平衡方程式为