机械系统设计作业

1. 引言
现在石油危机促使了人们对新能源的开发，其中在车辆领域，人们努力在非石油消耗用品上的探索，以至于出现很多电动汽车的产品，并且越来越成熟，这个电动客车总体布置的毕业设计将促成我对这些方面的认识更加深刻。

对以后的工作学习有帮助。

2. 设计方案的确定
目前电动汽车分为好多种，包括纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车。

纯电动汽车利用电力驱动，在使用中可实现零排放。

但迄今为止，电动汽车的关键部件蓄电池在能量密度、使用寿命和价格方面都尚未达到应有的水平，目前还只适应于生活环境要求很高、行驶里程短的街区、园区内。

因此，在目前情况下，以内燃机和电动机为动力源的混合动力电动汽车（Hybird Electric Vehicle,简称HEV）技术更具实用价值，是近期高效节能汽车发展的一个主要方向。

燃料电池电动汽车采用的电池是一种将燃料的化学能用电化学方法直接转换成电能的电化学发电器。

它的效率是内燃机的2~3倍，无污染、无噪声、排出的不是温室气体CO₂而是水。

现存的问题是价格贵，体积质量大，可靠性，环境适应性不高。

燃料电池电动汽车是新型的高效节能汽车的发展方向之一[1]。

2.1 动力系统的选择
在对比几种电动汽车的特点后，鉴于现在的实际情况，选择混合动力的电动汽车是一个不错的选择，作为一辆客车而言，续驶里程很重要，以及低的故障率的保证，因为如果在行驶途中没有能源了，不管对客车公司还是对乘客而言将是一件很棘手麻烦的事。

纯电动车因为其续驶里程短如果没电了只有等待救援的特点，还有目前纯电动汽车技术还不是很成熟。

所有在设计一辆电动客车时选择动力系统为纯电动汽车不是很合适。

当然燃料电池电动汽车有很好的发展前景，同样鉴于其技术目前不成熟的原因，价格高，相比混合动力汽车，也不是很理想的选择。

最后我们在动力方案的选定上确定混合动力汽车作为动力系统的组成[2]。

2.1.1 混合动力电动汽车的特点
以石油产品为燃料的内燃机，由于其所有的高能量密度而成为目前汽车上使用最普遍的动力源，然而汽（柴）油车的排放破坏了人类赖以生存的大气环境，加之石油又日
益匮乏，工程师们不得不开始去为汽车研发新的动力装置。

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—转矩控制特性比较灵活。

电动机在低速时具有恒转矩的特性，在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的任何一点工作。

混合动力电动汽车将电力驱动与传统的内燃机驱动相结合，充分发挥了二者的优势。

同时，它可以从根本上解决现在纯电动汽车动力性差和续驶里程短的问题。

混合动力电动汽车与纯电动汽车相比，其主要的优势是：
1)电池容量大为减少，进而可以降低整车重量，为提高动力性作出贡献。

2)由于采用辅助动力驱动，打破了纯电动汽车续驶里程的限制，其长途行驶能力可与传统的汽车相媲美。

3)在混合动力电动汽车上采用高度实时和动态的优化控制策略，优化控制的结果尽量使动力系统各部件工作在最佳状态和最高效率区域，大大限制了内燃机在恶劣工况下的高燃油消耗和大量的尾气排放，大大提高了混合动力汽车的燃油经济性。

在排放限制严格的地区，还可以关闭内燃机动力，以纯电动方式工作，成为零排放的汽车。

4)空调系统等附件有内燃机直接驱动，有充分的能源供应，保证了汽车的乘坐舒适性。

5)在控制策略的作用下，辅助动力可以向储能装置（一般为电池组）提供能量，从而保证混合动力汽车无需停车充电，因此可利用现有加油站，不需要进行专用充电设施的建设。

6)由于混合动力汽车的电池组在使用过程中是浅充浅放，可以延长电池的使用寿命。

2.1.2 混合动力电动汽车的结构
由于混合动力电动汽车的组成部件，布置方式以及控制策略不同，所以形成了各种各样大的结构形式。

根据发动机和电动机的功率比的大小，分为里程延长型、双模式型和动力辅助型；根据发动机运行模式的不同，可以分为发动机开/关模式型和发动机连续运行模式型；根据发动机和电动机是否布置在同一轴线上，分为单轴型和双轴型；根据动力源的数量以及动力系统结构型式不同，可分为串联式、并联式以及混联式。

下面简单的介绍一下三类混合动力电动汽车。

参看图2.1
图2.1
a)串联式 b)并联式 c)混联式
B-蓄电池 E-内燃机 F-油箱 G-发电机
M-电动机 P-功率转换器 T-传动装置
1.串联式混合动力电动汽车：是混合动力电动汽车中结构型式最简单的一种，发动机输出的机械能通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分经过电动机和传动装置驱动车轮，另一部分则可存储到蓄电池中去，供汽车加速时或其他工况下使用。

与传统的燃油汽车相比，它是一种发动机辅助型的电动汽车，主要是为了增加汽车的行驶里程。

由于发动机与发电机之间的机械连接装置中没有离合器，因此它具有一定的灵活性。

尽管其传动结构简单，但是它需要三个驱动部分：发动机、电动机和发电机。

如果串联式混合动力电动汽车设计考虑大爬坡度和频繁急加速的情况，则为提供最大功率，对三个驱动部件的要求相应都较高。

2.并联式混合动力电动汽车：串联式混合动力电动汽车不同，并联式混合动力电动汽车采用发动机与发电机两套独立的驱动系统驱动车轮。

发动机和发电机通常采用不同的离合器驱动车轮，可采用发动机单独驱动、电力单独驱动以及发动机和电动机混合驱动三种不同的工作模式。

并联式是一种电力辅助型的燃料车，目的是为了降低排放和燃油消耗。

当发动机提供的功率大于驱动汽车所需要的功率时或者再生制动时，电动机工作在发电机状态，将多余的能量充入蓄电池。

与串联式相比，并联式只需两个驱动部件：发动机和电动机，并且，在蓄电池放电完毕前，如果要得到相同的性能，并联式比串联式混合动力电动汽车对于发动机和发电机的功率要求都要低。

3.混联式混合动力电动汽车：它在结构上综合了串联式和并联式的特点。

与串联式相比，它增加了机械动力的传递路线；与并联式相比，它增加了电能的传输路线。

因此，它兼有串联式和并联式的优点。

然而另一方面，这也造成其结构复杂、成本高的缺点。

2.1.3 混合动力电动汽车的节油原理
与传统内燃机汽车相比，其节油的主要原因在于：
1)为了满足急加速、以很高车速行驶与快速上坡对驱动的功率的要求，传统的内
燃机汽车所配备的发动机功率往往相当大。

例如，一般轿车在良好的路面以100km/h和120km/h匀速行驶时，要求发动机提供的功率大致是20KW和36KW，但其配备的发动机最大功率达114KW，这样大的功率储备主要用于大加速，高车速以及坡道等行驶工况。

因此，在一般的情况下，发动机节气门开度小，负荷率低，发动机常常工作在一个不经济的区域内，相应的燃油消耗铝率高，然而，对与混合动力电动汽车，其储能元件（如蓄电池）的补偿功率时提供电能，从而在混合动力驱动系统中可以使用小型的发动机，并可以使发动机的工作点处于高效率的最优工作区域内。

2)混合动力电动汽车可以在汽车停车等候或低速滑行等工况下关闭内燃机，节约燃油。

3)在混合动力电动汽车的电力驱动部分中，电动机能够作为发电机工作。

当汽车减速滑行或紧急制动时，可以利用发电机回收部分制动能量，转化成电能存入蓄电池，从而进一步提高汽车的燃油经济性。

3. 整车布置设计的说明
3.1 客车的相关知识的介绍
3.1.1 客车的分类
下面给客车做下简单的分类，乘坐9人以上，主要供公共服务的汽车叫客车。

按用途分类客车有城市公共客车、城乡公交车、长途客车、团体客车、游览客车、专用客车等类型。

按车身承载形式分类有非承载式车身、半承载式车身、承载式车身。

按车身结构差异分薄壳式车身、骨架式车身、复合式车身、单元式车身和嵌合式车身[3]。

客车从长度的方面来区分，从下表3.1中可以看出。

表3.1客车的分类
本设计的是轻型客车，其长度在3.5到7米之间。

3.1.2 客车的布置形式
客车的布置形式底盘包括传动系、行驶系、转向系和制动系四个部分，这个具体的就不做介绍了，下面把本课题的发动机布置形式说一下，布置形式一共有以下三种，发动机位置：前置、中置、后置
根据发动机的位置不同，客车有下列布置形式：发动机前置后桥驱动；发动机中置后桥驱动；发动机后置后桥驱动；发动机前置时，可布置在轴距外或布置在前轴上方。

发动机后置时，可以纵置或横置在汽车后部。

(1)发动机前置后桥驱动
采用发动机前置后桥驱动布置方案的优点是：动力总成操纵机构结构简单；散热器位于汽车前部，冷却效果好；冬季在散热器罩前部蒙以保护棉被，能改善发动机的保温条件；发动机出现故障时驾驶员容易发现[7]。

此方案的主要缺点有：发动机凸起在地板表面上部，因而车厢面积利用不好，并且布置座椅时会受到发动机的限制；由于传动轴从地板下面通过，致使地板平面离地面较高，乘客上、下车不方便；传动轴长度长；发动机的噪声、气味和热量易于传人车厢内；隔绝发动机振动困难，影响乘坐舒适性；检查发动机故障必须在驾驶室内进行，降低了检修工作的舒适性；如果乘客门布置在轴距内，使车身刚度削弱；若采用前开门布置，虽然可以改善车身刚度，但会使前悬加长，同时可能使前轴超载。

(2)发动机后置后桥驱动
这种布置方案的主要优点是：能较好地隔绝发动机的噪声、气味、热量；检修发动机方便；轴荷分配合理；同时由于后桥簧上质量与簧下质量之比增大，能改善车厢后部的乘坐舒适性；当发动机横置时，车厢面积利用较好，并且布置座椅受发动机影响较少；作为城市间客车使用时，能够在地板下部和客车全宽范围内设立体积很大的行李箱。

作为市内用客车不需要行李箱，则可以降低地板高度；传动轴长度短。

此方案的主要缺点是：发动机的冷却条件不好，必须采用冷却效果强的散热器；动力总成操纵机构复杂；驾驶员不容易发现发动机故障。

(3)发动机中置后桥驱动
此方案的主要优点是：轴荷分配合理；传动轴的长度短；车厢内面积利用最好，并且座椅布置不会受发动机的限制；乘客车门能布置在前轴之前等。

此方案存在的缺点是：发动机必须用水平对置式的，且布置在地板下部，给检修发动机带来困难；驾驶员不容易发现发动机故障；发动机在热带的冷却条件和在寒带的保温条件均不好；发动机的噪声、气味、热量和振动均能传人车厢；动力总成操纵机构复杂；受发动机影响，地板平面距地面较高；在土路上行驶发动机极易被泥土弄脏。

本设计中设计的轻型客车，因为其车身长度有限，虽然目前客车的发展趋势是发动机后置，但是作为轻型客车而言，发动机后置，因为总长有限，发动机加变速箱加传动轴都要布置在后桥后面，后悬需要很长，轴距就会很短，对汽车性能影响很大，故轻型
客车通常采用前置发动机后轮驱动。

3.1.5 车内密封问题
客车车厢的密封思路密封性问题是一个系统工程问题，忽视车身内任何部位的密封, 都将导致整车密封功亏一篑。

密封主要是地板密封，地板周围与骨架密封，地板以上部分靠蒙皮与外部隔离，内饰板不起密封作用。

另外，还有侧窗、顶窗、驾驶员门、安全门、乘客门、管线孔、地板检修口及发动机罩的密封。

地板周围的密封就是沿地板一周将蒙皮、骨架、护板所有接缝堵死。

它可细分为前围、侧围和后围的密封。

这几部分的密封在交界处要闭合，形成一个密封圈。

前围密封与侧围密封可在第一立柱处闭合，侧围密封和后围密封在末立柱处闭合[8]。

文中着重讨论侧围密封。

侧围密封包括以下几个方面：驾驶员门及安全门止口的密封、乘客区地板两侧的密封及后高地板两侧的密封。

(1)乘客区地板两侧的密封在两侧围骨架上，从乘客门及驾驶员门后立柱至末立柱之间都有通长的腰围梁, 在侧封板与腰围梁接缝打胶，即可实现乘客区地板两侧的密封。

原因是张拉蒙皮与下裙部蒙皮对接缝在腰围梁上焊接，对接缝在涂装车间刮腻子后得以密封，在腰围梁与侧封板接缝处打胶后，下部灰尘就无客车技术与研究法从此处进入车内。

该部位打胶作业原来是在侧封板焊好后，在侧封板与腰围梁上平面接缝处打胶。

由于骨架上立柱遮挡，打胶不能连续，后改为焊接封板前，在腰围梁内侧面打胶，然后装焊封板，这样就没有断胶现象了。

(2)后高地板两侧的密封侧围后段后高地板两侧密封较为复杂，因为它与舱体及后围拐角的结构密切相关。

由于后舱体骨架在与地板骨架连接时，舱体前立柱将舱体和车厢断开，风和灰尘由此进入舱体封板和后高地板封板之间的空腔内，再从腰围梁以上的舱体骨架两侧缝隙进入车内。

由此可见，该结构侧围后段密封带已不在腰围梁处，而是随着舱体骨架的升高而升高。

侧围密封带从后地板前端腰梁位置沿立柱上移至窗下横梁，再沿窗下横梁至末立柱。

客车车厢的密封应在地板、骨架和蒙皮之间形成一个完整的密封圈。

值得注意的是，地板与骨架的密封带及蒙皮与骨架的密封带一定要重叠，不能错开,否则整车密封得不到保证，另外在设计结构时，合理考虑密封结构是简化密封作业、降低密封成本的最根本途径。

3.1.3 车内噪声问题
(1)产生的机理：车内噪声的产生机理车内噪声产生机理如图3.4 所示。

从声源来看, 车内噪声的来源主要有: 发动机噪声、进排气噪声、冷却风扇噪声等。

车外噪声向车内传播的具体途径主要有两个: 一是通过车身壁板及门窗上所有的孔、缝直接传入车内; 二是车外噪声声波作用于车身壁板,激发壁板振动, 并向车内辐射噪声。

从振动源来看,主要有两个方面: 发动机、底盘工作时产生的振动和路面激励产生的振动。

后者频率较低, 对激发噪声影响较小。

车身壁板主要由金属板和玻璃构成, 这些材料都具有很强的声反射性能。

在车室门窗均关闭的条件下, 上述传入车内的空气声和壁板振动辐射的固体声, 都会在密闭空间内多次反射, 相互叠加成为车内噪声[9]。

图3.4车内噪声发生机理示意图
(2)降噪措施：首先对车厢内部而言, 发动机舱内混响声场是一外部噪声源, 若能降低其噪声级必将有助于降低车内噪声。

将发动机舱设计成一个吸音室, 在发动机舱的舱壁上粘贴高吸音系数的玻璃棉, 可显著降低噪声的辐射。

对于隔墙, 尽量采用双层结构,在隔声墙骨架两侧分别覆盖厚为2 mm 和1 mm 的薄板, 中间形成50 mm 厚空气夹心层。

其次减少部件尤其是板件的振动结合实际, 主要采取以下措施:
○1顶蒙皮和侧围蒙皮采用预应力张拉工艺处理, 能有效提高蒙皮与骨架的贴合度, 避免客车在颠簸路面行驶产生鼓动噪声; 在顶蒙皮和侧围蒙皮的内侧粘贴隔声阻尼材料(如异型自粘海绵) , 使板件成为自由阻尼层结构, 减小共振。

○2大顶内饰板下坠(尤其是三合板) , 在崎岖路面上行驶容易鼓动, 为此在大顶骨架中线两侧合理布置纵梁位置, 于中线两侧固定两列螺丝或铆钉。

○3在车内安装体积较大的箱体时, 尽量提高箱体壁板的刚度。

○4在车内附件设计中尽量减少难以锁止紧固的部件(如推拉门) 。

○5在舱门止口上卡压龙骨胶条, 在舱门两边增加缓冲块, 舱门锁止紧固, 无旷动, 尽量避免产生噪声。

具体的研究方法如下，在设计中应当这样时时刻刻注意以下部件的结合和构造。

○1车窗密封严实, 减少车外噪声的传入。

○2加强车门的密闭性, 在结合缝隙处采用弹性密封胶条进行密封, 尤其是折叠门上方的密封, 无论折叠门关闭还是横向滑动都与其紧密贴合。

○3对于操纵杆、踏板等活动件, 安装橡胶护套等弹性件, 加强密封, 减少车外噪声
的直接传入。

○4对于管线过孔处, 顶置蒸发器、顶风窗等与外部相连的接触处, 防止车外噪声的直接传入[10]。

3.2 车身总体布置设计
3.2.1设计中的人机工程问题
本课题的设计应该充分考虑人机工程学，目前，车辆工程领域的人机工程问题可大致归纳为如下八个主要方面：
(1)机动车辆驾驶操纵系统人机界面的优化匹配：机动车辆驾驶操纵系统是一种有驾驶员参与的反馈控制体系，其人机界面是典型的第一类人机界面。

(2)机动车辆的行车安全性及车内乘员的人体保护技术：机动车辆的撞车、翻车事故是行车安全事故的主要形态，频繁撞车、翻车事故严重地威胁着人们生命和财产安全。

(3)机动车辆乘员的乘坐舒适性：机动车辆驾驶员和乘员的乘坐舒适性，主要取决于座椅与人体界面能否为人提供舒适而稳定的坐姿、驾驶员（或乘员）—座椅—车辆系统能否有效地隔绝或衰减来自路面不平度的激励而产生的振动以使驾驶员（或乘员）所承受的全身振动负荷低于规定的限值、驾驶员（或乘员）—座椅—驾驶室系统的几何位置关系能否为驾驶员提供良好的视野和相对于各种操纵机构与显示装置的舒适位置。

(4)机动车辆的噪声控制：机动车辆噪声控制的目的是保证车内驾驶员和乘员的耳旁噪声满足人的听力保护标准，车外噪声满足动态环境噪声允许标准。

(5)机动车辆车内小气候环境的宜人化控制：对车内小气候环境的宜人化控制的具体标准也因机动车辆的类型、使用条件和运行环境的不同而异。

小气候环境宜人化的科学依据则是人的热舒适性评价标准。

(6)机动车辆驾驶员的驾驶适宜性：驾驶员是引起事故的主要因素，人不仅年龄和性别不同，而且在生理和心理方面也存在着较大的个体差异。

并不是所有的人都适宜从事驾驶工作和都具备与驾驶工作相适应的生理和心理素质。

(7)机动车辆的道路交通适宜性：应当从用户（主要是驾驶员）的角度出发评价车辆对道路交通条件的是适应性，用以指导车辆的设计和交通设施的调整，使它们协调一致。

(8)人—车—路系统的综合优化：国外已经提出“人—车—路一体化设计”的概念，也已有成果公布，主要成果来自美国和德国。

综合运用人机工程学、汽车工程学、交通
工程学、计算机仿真技术、图形图象技术和数据库技术的基本理论，吸收国内外最新的研究成果，提出一种科学的、以“驾驶员—汽车—道路一体化设计概念”为指导的、基于计算机仿真技术的评价指标，研究驾驶员—汽车—道路交通环境系统的综合优化方法，将是摆在人机工程、车辆工程、交通工程学领域的科技工作者面前的共同课题[11]。

3.2 轴距的选择与设计
轴距的设计是很重要的，它对车辆各部分的载荷影响很大的，轴距L对整备质量、汽车总长、最小转弯直径、传动轴长度、纵向通过半径有影响。

当轴距短时，上述各指标减小。

此外，轴距还对轴荷分配有影响。

轴距过短会使车厢(箱)长度不足或后悬过长；上坡或制动时轴荷转移过大，汽车制动性和操纵稳定性变坏；车身纵向角振动增大，对平顺性不利；万向节传动轴的夹角增大。

原则上轿车的级别越高，装载量或载客量多的货车或客车轴距取得长。

对机动性要求高的汽车轴距宜取短些。

为满足市场需要，工厂在标准轴距货车基础上，生产出短轴距和长铀距的变型车。

不同轴距变型车的轴距变化推荐在0.4～0.6m的范围内来确定为宜。

一般轴距的确定跟选用的客车底盘有关，本设计选取其中的EQ6590KS1-119底盘作为设计底盘。

该地盘的轴距是3300mm。

加上前悬后悬后，总体尺寸在7米以内，符合轻型客车的尺寸要求。

确定完轴距后，前悬和后悬也是要确定的，客车的前悬尺寸对汽车通过性、碰撞安全性、上下车等有影响，后悬尺寸对汽车通过性、汽车追尾时的安全性等有影响。

客车的后悬长度不得超过轴距的65%，绝对值不大于3500㎜，本设计中后悬的长度不能超过4095㎜，在此设计的前悬是2500㎜，后悬的长度选择为3000㎜.
总体布置完后，就是对车厢内的部件选择性的进行设计和计算，我们重点设计的是驾驶员座椅和乘客座椅，以及车内内饰设计、仪表板设计、侧窗设计、及各个部件之间的距离的设计等。

3.3 整车的动力系统与底盘的说明
因为本设计的是电动轻型客车，所以在设计动力系统与底盘时，必须将电动汽车与客车结合起来考虑。

下由于本设计的是混联式混合动力电动客车，首先需要电动机，发电机，发动机各一台，关于混合动力的好处前文已提及，这里就不在论述，但要指出的是因为选择了混联式混合动力的动力系统，所以在发动机的选择上，我们可以选择小功率的发动机，这样有利于全车的重量的减轻，同时不存在功率的浪费，提高燃油经济性。