本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 電動(dòng)車輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系部名 稱 ： 汽車與交通工程學(xué)院 專業(yè)班級： 車輛工程 學(xué)生姓名： 蔣善毅 指導(dǎo)教師： 安永東 職 稱： 副教授 黑 龍 江 工 程 學(xué) 院 二一一年六月 s 011龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) I 摘 要 隨著能源危機(jī)的日益嚴(yán)重以及人們環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，研究開發(fā)清潔、節(jié)能和安 全的汽車成為汽車工業(yè)發(fā)展的方向。其中電動(dòng)汽車具有行駛過程中零排放、能源利用多元化和高效化以及方便實(shí)現(xiàn)智能等優(yōu)點(diǎn)，使之成為新型汽車研發(fā)的重點(diǎn)之一。 本文以減速型電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的優(yōu)勢為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了利于電動(dòng)汽車使用減速型電動(dòng)輪的輪邊減速裝置，對輪邊減速器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)、研究，增強(qiáng)了電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)輪在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用能力。以行星齒輪系為輪邊減速器的減速傳動(dòng)形式，在減速傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)中，引入了均載設(shè)計(jì)來提升行星齒輪傳動(dòng)的優(yōu)勢；出于減小輪邊減速器的重量及體積、節(jié)省材料的目的，對輪邊減速器的行星傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了以體積為目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；為便于制動(dòng)裝置及輪轂與輪邊減速器安裝，設(shè)計(jì)了輪轂支承件，在滿足功能的同時(shí)也減少了零件數(shù)目；輪邊減速器橋殼的巧妙設(shè)計(jì)使減速器及其輪轂支承件的安裝變得更容易、受力也更合理，為前后輪懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向拉桿及橫向穩(wěn)定桿提供了支點(diǎn)，更進(jìn)一步保證所設(shè)計(jì)的輪邊減速器能夠精確地實(shí)現(xiàn)與電動(dòng)汽車其它零部件的安裝及聯(lián)接 , 保證所設(shè)計(jì)的輪邊減速器滿足整車行駛工況要求。 關(guān)鍵詞 ： 輪邊減速器；電動(dòng)汽車；電動(dòng)輪；行星齒輪減速器；電動(dòng)機(jī) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) to of of as no of is to of in a on as of in to of is of to of In to as as to of to a is is as as of to of of in 龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 目 錄 摘要 . I . 1 章 緒論 . 1 題的來源和背景 . 3 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 4 文的研究思路與內(nèi)容 . 9 第 2 章 輪邊減速器設(shè)計(jì) . 10 動(dòng)輪的類型及選擇 . 10 邊減速器的傳動(dòng)方案 . 13 章小結(jié) . 20 第 3 章 輪邊驅(qū)動(dòng)的參數(shù)確定及關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì) . 21 動(dòng) 電機(jī)性能參數(shù)的確定 . 21 車性能要求 . 21 動(dòng)電機(jī)參數(shù)計(jì)算 (兩輪驅(qū)動(dòng) ) . 21 速器關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì) . 24 星齒輪傳動(dòng)齒數(shù)分配應(yīng)滿足的條件 . 24 輪受力分析和強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 . 26 面接觸強(qiáng)度的校核計(jì)算 . 27 他相關(guān)零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算 . 31 邊減速器的潤滑 . 35 邊減速器零部件之間的裝配關(guān)系 . 35 章小結(jié) . 36 第 4 章 行星齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) . 37 星齒輪傳動(dòng)的均載機(jī)構(gòu) . 37 星齒輪傳動(dòng)的齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 38 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 章小結(jié) . 41 結(jié)論 . 42 參考文獻(xiàn) . 43 致謝 . 41 附錄 A . 42 附錄 B . 46 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 買文檔送全套 紙，扣扣 414951605 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 緒 論 題的來源和背景 隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，全球汽車總保有量不斷增加，汽車所帶來的環(huán)境污染、能源短缺，資源枯竭等方面的問題越來越突出。為了保護(hù)人類的居住環(huán)境和保障能源供給，各國政府不惜投入大量人力、物力尋求解決這些問題的途徑。 而電動(dòng)汽車 (包括純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車以及燃料電池汽車 )，即全部或部分用電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)的汽車，具有高效、節(jié)能、低噪聲、零排放等顯著優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)保和節(jié)能方面具有不可比擬的優(yōu)勢，因此它是解決上述問題的最有效途徑。 在這個(gè)大背景下，上?？莆瘏f(xié)同同濟(jì)大學(xué)展開了“氫能源微 型汽車用輪轂電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的開發(fā)一項(xiàng)目。本論文來源于該項(xiàng)目中“全浮式支承結(jié)構(gòu)輪邊減速器的研制一課題。 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置比傳統(tǒng)燃油汽車有著更大的靈活性，由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)所在位置以及動(dòng)力傳遞方式的不同，通?？梢苑譃榧袉坞姍C(jī)驅(qū)動(dòng)、多電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)等型式。其中獨(dú)立電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車由于其控制方便、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，成為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)型式研究的新方向。以獨(dú)立輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車最大的特點(diǎn)在于： 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 (1)使得傳動(dòng)系統(tǒng)簡化，提高傳動(dòng)效率的同時(shí)，有利于整車布置。電動(dòng)輪將電動(dòng)機(jī)和減速裝置直接與車輪集合在一體，可以取消 減速器、差速器甚至于取消傳動(dòng)軸，對于全輪驅(qū)動(dòng)車輛，電動(dòng)輪可以單獨(dú)控制，不必采用復(fù)雜的分動(dòng)器結(jié)構(gòu)，簡化了傳動(dòng)系統(tǒng)，提高了傳動(dòng)效率。同時(shí)，減少了傳動(dòng)系統(tǒng)占用的車內(nèi)空間，可以為其它零部件的安裝提供更多空間，有利于整車布置。 (2)提高車輛的通過性能。這主要來自于兩方面，其一是簡化的傳動(dòng)系統(tǒng)可以提高車輛的離地間隙；另一方面，采用全輪驅(qū)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)輪單獨(dú)控制的措施，可以最大限度地利用地面的附著能力。 (3)降低對電氣以及機(jī)械傳動(dòng)零部件的要求，適合傳遞大傳矩。采用電動(dòng)輪技術(shù)，在同樣功率需求的情況下，可以將單個(gè)電動(dòng)機(jī)的功率分 配給多個(gè)電動(dòng)機(jī)，相應(yīng)地，對電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)零部件的要求都可以降低，便于設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。 在己研制成功的“春暉系列電動(dòng)車上，前后輪均采用了由雙橫臂獨(dú)立懸架和外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)等構(gòu)成的具有相同結(jié)構(gòu)的懸架 電動(dòng)輪模塊，它集成了導(dǎo)向、承載、驅(qū)動(dòng)、測速和制動(dòng)等多項(xiàng)功能。這樣減少了整車關(guān)鍵零部件種類，也有利于降低零部件制造成本。但是由于外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)在使用中具有其局限性，比如汽車在起步階段需要輪轂電機(jī)提供要具備較大的轉(zhuǎn)矩，以及較寬的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)范圍，這樣就會(huì)增加電動(dòng)機(jī)的輪廓尺寸，也會(huì)使簧下質(zhì)量偏大，降低了車輛行駛平順性。 為了改善類似缺陷，有必要尋求更好的電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)型式，來改善直接驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)輪所固有的缺點(diǎn)。設(shè)想，采用減速型電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)，增加輪邊減速裝置，則可以最大限度地改善上述缺陷，并可以降低對電機(jī)性能的苛求。經(jīng)論證，這是一個(gè)極有研究意義的課題。 帶著這樣的問題，本文將設(shè)計(jì)與減速型電動(dòng)輪輪邊減速裝置，解決外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)缺陷，并對輪邊減速器的結(jié)構(gòu)、輕量化等內(nèi)容進(jìn)行分析研究。 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著電動(dòng)汽車技術(shù)得到了不斷的發(fā)展，作為電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)之一的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) (包括電氣系統(tǒng)、變速裝置和車輪 )出現(xiàn)了許多新的技術(shù)方案，其中 ，輪轂式電力驅(qū)動(dòng)是一種極有發(fā)展前景的驅(qū)動(dòng)形式。它直接將電動(dòng)機(jī)安裝在車輪輪轂中， 省略了傳統(tǒng)的離合器、變速器、主減速器及差速器等部件，大大簡化了整車結(jié)構(gòu)、提高了傳動(dòng)效率。通過控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)輪的電子差速控制，可以改善車輛驅(qū)動(dòng)性能和行駛性能，且有利于整車的布置等優(yōu)點(diǎn)。將這樣的結(jié)構(gòu)稱為電動(dòng)輪 (本文研究的問題就是以電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為背景的。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 在電動(dòng)輪研究與應(yīng)用方面，目前國外電動(dòng)輪的研究、應(yīng)用主要以日本、美國為主，如日本慶應(yīng)大學(xué)環(huán)境信息學(xué)部清水浩教授領(lǐng)導(dǎo)的電動(dòng)汽車研究小組在過去的十幾 年中，一直以輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車作為理想的研發(fā)目標(biāo)，至今已試制了五種不同形式的樣車。其中， 1991 年與東京電力公司共同開發(fā)的四座電動(dòng)汽車 用 四個(gè)額定功率為 值功率達(dá)到 25外轉(zhuǎn)子永磁輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，最高時(shí)速可達(dá) 176km/h； 2001 年，該小組又最新推出了以鋰電池為動(dòng)力源，采用 8 個(gè)大功率交流同步輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)大轎車 車充分利用電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置靈活的特點(diǎn)，打破傳統(tǒng)在 車上安裝了 8 個(gè)車輪，大大增加了動(dòng)力，從而使該車的最高時(shí)速可以達(dá)到驚人的 311h。 電動(dòng)輪系統(tǒng)中采用了高轉(zhuǎn)速、高性能的內(nèi)轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)，其峰值功率可達(dá) 55大提高了 極限加速能力，使其 0100速時(shí)間達(dá)到 8 秒，如 圖 示。另外，慶應(yīng)大學(xué)電動(dòng)汽車研究團(tuán)隊(duì)與 38 家同本民營企業(yè)聯(lián)合開發(fā)了時(shí)速達(dá)到 400 h 的電動(dòng)汽車 車以充電鋰電池為能源，并對 8 個(gè)車輪配有 8 個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如 圖 示。日本豐田汽車公司開發(fā)的 動(dòng)車，四 輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制搭配內(nèi)置于四輪內(nèi)的電動(dòng)馬達(dá)，四輪輪邊驅(qū)動(dòng)技術(shù)使該車具有報(bào)高的機(jī)動(dòng)性及動(dòng)力 1。美國通用公司 2001 年試制的全新線控四輪驅(qū)動(dòng)燃料電池概念車 是采用電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)形式的 (見 圖 加拿大 司所設(shè)計(jì)的電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)形式清晰，采用外轉(zhuǎn)予永磁電動(dòng)機(jī)。將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外殼直接與輪轂相連，將電動(dòng)機(jī)外殼作為車輪的組成部分，并且電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外殼集成為鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)鼓，制動(dòng)蹄片直接作用在電動(dòng)機(jī)外殼上，省去制動(dòng)鼓的結(jié)構(gòu)，減輕了電動(dòng)輪系統(tǒng)的質(zhì)量集成 化設(shè)計(jì)程度相當(dāng)高 ,電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)如 圖 示。 司研制的這個(gè)電動(dòng)輪系統(tǒng)的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)性能非常高，其峰值功率可咀達(dá)到80值扭矩為 670高轉(zhuǎn)速為 1385定功率為 定轉(zhuǎn)速為950定工況下的平均效率可以達(dá)到 國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)一愛英斯電動(dòng)汽車研究所研制開發(fā)的 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪也屬于外轉(zhuǎn)予型電動(dòng)機(jī)。該電動(dòng)機(jī)選用的是一種“多態(tài)電動(dòng)機(jī)”的永磁電動(dòng)機(jī)，兼有同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)的雙重特 性，集成盤式制動(dòng)囂，采用風(fēng)凈敖熱系統(tǒng)。同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院試制的四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車“春暉一號”、“春暉二號一和“春暉三號 均采用四個(gè)直流無刷輪轂電動(dòng)機(jī)，外置式盤式制動(dòng)器。比亞迪于 2004 年在北京車展上展出的 念車也采用了 4 個(gè)輪邊電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的模式。中國科學(xué)院北京三環(huán)通用電氣公司研制的電動(dòng)轎車用直流無刷輪轂電機(jī)，又稱電動(dòng)車輪。單個(gè)電動(dòng)車輪功率為 壓 264V，雙后輪直接驅(qū)動(dòng)。 國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)一愛英斯電動(dòng)汽車研究所研制開發(fā)的 電動(dòng)汽車黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪也屬于外轉(zhuǎn)予型電動(dòng)機(jī)。該電動(dòng)機(jī)選用的是一種 “多態(tài)電動(dòng)機(jī)”的永磁電動(dòng)機(jī)，兼有同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)的雙重特性，集成盤式制動(dòng)囂，采用風(fēng)凈敖熱系統(tǒng)。同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院試制的四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車“春暉一號”、“春暉二號一和“春暉三號 均采用四個(gè)直流無刷輪轂電動(dòng)機(jī)，外置式盤式制動(dòng)器。比亞迪于 2004 年在北京車展上展出的 念車也采用了 4 個(gè)輪邊電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的模式。中國科學(xué)院北京三環(huán)通用電氣公司研制的電動(dòng)轎車用直流無刷輪轂電機(jī)，又稱電動(dòng)車輪。單個(gè)電動(dòng)車輪功率為 壓 264V，雙后輪直接驅(qū)動(dòng)。 圖 動(dòng)汽車 圖 動(dòng)汽車 圖 動(dòng)汽車 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 圖 電動(dòng)輪系統(tǒng) 本文研究所應(yīng)用的減速驅(qū)動(dòng)型 電動(dòng)輪，需要合適的減速器作為電動(dòng)輪的減速裝置。原則上既可以選擇可變速比齒輪減速器，也可以選擇固定速比齒輪減速器。雖然可變速比齒輪減速器傳動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)用常規(guī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可以在低檔位得到較高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在高檔位得到較高的行駛速度，但是缺點(diǎn)就是體積大、質(zhì)量大、成本高、可靠性低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。實(shí)際上，現(xiàn)在所有電動(dòng)車都采用了固定速比齒輪變速器作為減速裝置。并把安裝在電動(dòng)輪輪轂內(nèi)的定減速比減速器稱為輪邊減速器 (帶輪邊減速器電動(dòng)輪電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能適應(yīng)現(xiàn)代高性能電動(dòng)汽車的運(yùn)行要求。輪邊減速器將 動(dòng)力從原動(dòng)機(jī) (此研究中即為輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī) )直接傳遞給車輪，其主要功能是降低轉(zhuǎn)速、增加轉(zhuǎn)矩，從而使原動(dòng)機(jī)的輸出動(dòng)力能夠滿足電動(dòng)轎車的行車動(dòng)力需求。按照齒輪及其布置型式，輪邊減速器有行星齒輪式及普通圓柱齒輪式兩種結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)形式在工程中都已有成功應(yīng)用，例如在奧地利微型越野汽車“ 斷開式后驅(qū)動(dòng)橋中就采用了普通圓柱齒輪式輪邊減速器；在某些雙層公交汽車的驅(qū)動(dòng)橋中，為了降低車廂與地板的高度，有時(shí)也采用普通圓柱齒輪式輪邊減速器作為汽車的第二級減速裝置；日本開發(fā)的輕型輪式電機(jī)電動(dòng) 汽車 用的是內(nèi)轉(zhuǎn)子高速無刷直流電動(dòng)機(jī)行星齒輪 應(yīng)用了輪邊減速器；“太脫拉111R”重型汽車的貫通式中橋、法國索瑪 自卸汽車、斯太爾汽車后驅(qū)動(dòng)橋等都采用了行星齒輪式輪邊減速器；在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，在輪邊減速器的應(yīng)用上，主要以日本應(yīng)慶大學(xué)開發(fā)研制的八輪輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車“ 為成功，為了使得電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速符合實(shí)際轉(zhuǎn)速要求， 電動(dòng)輪系統(tǒng)配置了一個(gè)傳動(dòng)比為 行星齒黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 輪減速器， 圖 前、后電動(dòng) 輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看見行星減速器為傳動(dòng)主題的輪邊減速裝置。 （ a） 前輪 （ b） 后輪 圖 動(dòng)輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 文的研究思路與內(nèi)容 在對電動(dòng)汽車輪邊減速器的設(shè)計(jì)與研究中，將緊密結(jié)合整車性能的要求，并考慮與輪邊減速器相匹配的制動(dòng)系統(tǒng)、懸架、輪轂電機(jī)等裝置的布局與設(shè)計(jì)問題，借鑒不同型式的輪邊減速器結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)及參數(shù)選擇的合理性，對微型電動(dòng)汽車的輪邊減速器進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。 第 2 章對適合輪邊減速器的 傳動(dòng)形式作歸類、比較各自優(yōu)缺點(diǎn)，找出適合本課題背景的傳動(dòng)形式。 第 3 章對關(guān)鍵零部件進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。 第 4 章行星齒輪傳動(dòng)的齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 第 2章 輪邊減速器設(shè)計(jì) 動(dòng)輪的類型及選擇 在 20 世紀(jì) 50 年代，美國科學(xué)家羅伯特發(fā)明了電動(dòng)汽車輪轂。其設(shè)計(jì)是將電動(dòng)機(jī)、減速器、傳動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)融為一體。 1968 年，通用電氣公司將這種電動(dòng)輪轂裝置運(yùn)用到大型礦用自卸車上，并取名為“電動(dòng)輪”，這是第一次在汽車上采用電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)。近年來，隨著電動(dòng)汽車的興起輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)又得到重視。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的布置非常靈活直接將電動(dòng)機(jī)安裝在車 輪輪毅中，省略了傳統(tǒng)的離合器、變速箱、主減速器及差速器等部件，因而簡化整車結(jié)構(gòu)、提高了傳動(dòng)效率、同時(shí)能借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)直接控制各電動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)電子差速無論從體積、質(zhì)量，還是從功率、載重能力看，電動(dòng)輪相較于傳統(tǒng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)更加簡單、緊湊，占用空間更小，更容易實(shí)現(xiàn)全輪驅(qū)動(dòng)。這些突出優(yōu)點(diǎn)，使電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)成為電動(dòng)汽車發(fā)展的一個(gè)獨(dú)特方向。 而輪邊減速器，作為輪邊驅(qū)動(dòng)的一個(gè)選擇裝置，在傳統(tǒng)動(dòng)力汽車上已獲得了較多的應(yīng)用。一些礦山、水利等大型工程所用的重型車、大型公交車等，常要求具有高的動(dòng)力性，而車速則可相對 較低，因此其低檔傳動(dòng)比就會(huì)很大，為了避免變速器、分動(dòng)器、傳動(dòng)軸等總成因需承受過大的轉(zhuǎn)矩而使尺寸及質(zhì)量過大，則應(yīng)將傳動(dòng)系的傳動(dòng)比盡可能多地分配給驅(qū)動(dòng)橋，這就導(dǎo)致了這些重型車輛驅(qū)動(dòng)橋的主減速比很大。當(dāng)其值大于 12 時(shí)，則需要采用單級 (或雙級 )主減速器附加輪邊減速器的結(jié)構(gòu)型式，不僅使驅(qū)動(dòng)橋中間部分主減速器的輪廓尺寸減小，加大了離地問隙，并可得到大的驅(qū)動(dòng)橋減速比，而且半軸、差速器及主減速器從動(dòng)齒輪等零件的尺寸也可減小。 對于新興的電動(dòng)汽車，由于電動(dòng)輪的應(yīng)用，輪邊減速器也得到越來越多的應(yīng)用。前文曾提到過的羅伯特發(fā)明的電 動(dòng)輪，就應(yīng)用了減速裝置，其實(shí)質(zhì)也屬于輪邊減速器；日本應(yīng)慶大學(xué)開發(fā)研制的八輪輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車“ 設(shè)計(jì)者為其電動(dòng)輪系統(tǒng)配置了一個(gè)傳動(dòng)比為 行星齒輪減速器。 按照驅(qū)動(dòng)方式分類，電動(dòng)輪可分為直接驅(qū)動(dòng)和減速驅(qū)動(dòng)兩大類，兩類電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)示意圖如 圖 示。 (1)直接驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)輪，如 圖 2.1(a)所示的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。此類電動(dòng)輪多采用外轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)，直接將電動(dòng)機(jī)外轉(zhuǎn)子安裝在輪輞上驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)中電動(dòng) 輪質(zhì)量完全黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 成了非簧載質(zhì)量，且不需要減速裝置，結(jié)構(gòu)相應(yīng)地也較簡單，軸向尺寸小，效率較高，但是由于要求電動(dòng)汽車具有較好的動(dòng)力性，所以此類電動(dòng)機(jī)要具備較大的轉(zhuǎn)矩供汽車在起步階段需要，以及較寬的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)范圍，同時(shí)由于電動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)生一定的沖擊和振動(dòng)， 還要求車輪輪輞和車輪支承必須堅(jiān)固、可靠，要求對懸架系統(tǒng)彈性元件和阻尼元件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和功率也受到車輪尺寸的限制，系統(tǒng)成本高。因此電動(dòng)機(jī)成本較高，噪聲也很大 15。 下面列舉了采用外轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的一些最新實(shí)例：加拿大研制的 動(dòng)汽車、日 本開發(fā)的 動(dòng)汽車都采用了此類型的電動(dòng)輪：哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了外轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪：同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院在 2002 2005 年相繼推出了獨(dú)立研制的“春暉”系列微型電動(dòng)車該系列車均采用 4 個(gè)低速永磁無刷輪毅電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，匹配相應(yīng)的盤式制動(dòng)器，如圖 示。 (a) 直接驅(qū)動(dòng)型 (b) 減速驅(qū)動(dòng)型 圖 動(dòng)輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 圖 暉二號”輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) (2)內(nèi)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)輪，如 圖 2.1(b)所示的傳動(dòng)路線。它起源于礦用車的傳統(tǒng)電動(dòng)輪，其運(yùn)用環(huán)境允許電動(dòng)機(jī)的高速運(yùn)行為了能夠獲得較高的比功率，通常電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)在 4000r 20000r 間，其目的是為了能夠獲得較高的比功率，而對電動(dòng)機(jī)的其他性能沒有特殊要求，因此可采用普通的內(nèi)轉(zhuǎn)子高速電動(dòng)機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)速高、有較高的比功率、質(zhì)量輕、效率高、噪聲小、成本低；不利因素主要在于因?yàn)殡妱?dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速高，必須設(shè)計(jì)專門的減速機(jī)構(gòu)來降低轉(zhuǎn)速以獲得較大的轉(zhuǎn)矩，并且要在設(shè)計(jì)中克服減速彈簧的潤滑以及產(chǎn)生的噪聲、振動(dòng)等問題。 總的來說，減速型驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪比直接驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)輪具有更多的優(yōu)點(diǎn)。如前所述，作者所在的課題組曾經(jīng)將直接驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)輪多次應(yīng)用于“春暉”系列電動(dòng)汽車，即四個(gè)獨(dú)立的低速外轉(zhuǎn)子型直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪模塊，從在使用中所反饋的信息分析，這種驅(qū)動(dòng)模式的確存在加速性能不好、電機(jī)成本高、噪聲大、振動(dòng)嚴(yán)重等缺陷。為了改善這些不足，并結(jié)合減速型驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪的相對優(yōu)勢，尤其是在同等行駛工況下降低對驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的性能要求，故在新的 實(shí)驗(yàn)方案中采用減速型電動(dòng)輪 15。 通過查詢相關(guān)文獻(xiàn)，電動(dòng)輪的電動(dòng)機(jī)、減速裝置和車輪之間的結(jié)構(gòu)布置關(guān)系大致有如下這兩種方法，其結(jié)構(gòu)如圖 示： (1)電動(dòng)輪與固定速比減速器制成一體，而減速器的輸出軸經(jīng)過傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)車輪，如圖 a)所示，這種結(jié)構(gòu)可以借助萬向節(jié)將傳動(dòng)軸傾斜布置，可以將電動(dòng)機(jī)安裝在車架上，使電動(dòng)機(jī)和減速裝置的質(zhì)量全部或者部分成為簧載質(zhì)量，達(dá)到減小非簧載質(zhì)量的目的，利用改善車輛的操縱性和平順性。 (2)電動(dòng)機(jī)與固定速比減速裝置同軸制成一體，并在其中安裝制動(dòng)器、車輪軸承等零部件，輪胎 直接安裝在減速裝置的輸出端上，如圖 b)所示，電動(dòng)輪質(zhì)量全部是非簧載質(zhì)量。這種結(jié)構(gòu)可以提供較大的減速比，因此對電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性要求比較低，同時(shí)從電動(dòng)機(jī)到車輪的動(dòng)力損失較小，且增加了車廂的有用空間。目前這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 (a) (b) 圖 動(dòng)輪結(jié)構(gòu)示意圖 (M：電動(dòng)機(jī) 速裝置 ) 綜合分析這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，尤其是在對空間的利用優(yōu)勢上，本文研究采用上述的 第二種結(jié)構(gòu)，同時(shí)，這樣的布置方式對于制動(dòng)裝置、承載裝置的安裝也更為有利。 邊減速器的傳動(dòng)方案 在探尋輪邊減速器結(jié)構(gòu)方案之前，首先分析對使用于微型電動(dòng)汽車電動(dòng)輪模塊的輪邊減速器的要求。鑒于微型電動(dòng)轎車在動(dòng)力性能上的要求以及整車布置情況，可以大致對此輪邊減速器提出如下的設(shè)計(jì)要求： (1)從技術(shù)先進(jìn)性、生產(chǎn)合理性和實(shí)用要求出發(fā)，正確地選擇性能指標(biāo) (如傳動(dòng)比、傳動(dòng)效率等 )、重量和主要尺寸，提出整體設(shè)計(jì)方案，并在整體方案下對各零部件設(shè)計(jì)提供參數(shù)和設(shè)計(jì)要求； (2)要求所設(shè)計(jì)的輪邊減速器結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、安全可靠性 高、造型美觀、維修方便、運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)等； (3)零部件布置合理，方便制動(dòng)器、懸架、轉(zhuǎn)向拉桿、橫向穩(wěn)定桿等與減速器相匹配零部件的設(shè)計(jì)與安裝； (4)具有較強(qiáng)的抗沖擊和抗振動(dòng)的能力，運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn) 14。 在常見的機(jī)械傳動(dòng)中，可以作為減速傳動(dòng)的傳動(dòng)型式有：齒輪傳動(dòng)、渦輪蝸桿傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、液力傳動(dòng)以及一些特殊的連桿機(jī)構(gòu)等。而渦輪蝸桿傳動(dòng)是垂直方向的傳動(dòng)，對于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的布置以及輪轂空間的利用都極為不利；從傳動(dòng)效果來看，液力傳動(dòng)裝置 (如液力耦合器 )是能夠?qū)崿F(xiàn)輪邊減速要求的，并且能實(shí)現(xiàn)無級變速，但是液力傳動(dòng)不僅需要與 動(dòng)力機(jī)有很好的匹配，同時(shí)還要配備相應(yīng)的供油、冷卻和操作控制系統(tǒng)，這使減速系統(tǒng)變得復(fù)雜，不可取。而齒輪傳動(dòng)具有其傳動(dòng)可靠、傳動(dòng)效率高、所占空間小等優(yōu)點(diǎn)，而成為輪邊減速裝置的一種理想選擇。 齒輪傳動(dòng)應(yīng)用于輪邊減速裝置，其工程實(shí)例已經(jīng)很廣泛。其中普通圓柱齒輪式黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 輪邊減速器是由一對圓柱齒輪構(gòu)成，可以將主動(dòng)齒輪置于從動(dòng)齒輪的垂直上方或者將主動(dòng)齒輪置于從動(dòng)齒輪的垂直下方等兩種方案。第一種方案可以提高汽車的離地間隙，某些雙層公交車，為了降低汽車的質(zhì)心高度和車廂的地板高度，提高汽車的穩(wěn)定性和乘客上下車的方便性，便將圓柱齒輪 減速器的主動(dòng)輪置于從動(dòng)輪的下方。 普通圓柱齒輪輪邊減速器結(jié)構(gòu)型式簡單，零部件少，但是如果將其作為微型電動(dòng)汽車電動(dòng)輪減速裝置，其不足之處很明顯：為了保證傳動(dòng)比，即使將驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸端的齒輪直徑盡量減小，但是與之嚙合的齒輪的直徑仍然較大，如果將驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸置于輪轂從動(dòng)齒輪上方，則會(huì)使驅(qū)動(dòng)電機(jī)質(zhì)心位置升高，不利于汽車的穩(wěn)定性；相反地，如果將驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸置于輪轂從動(dòng)齒輪下方，由于電動(dòng)汽車車輪直徑較小，就必然會(huì)使電機(jī)的離地間隙較小很多，從而降低了汽車的通過性。這都不是理想的設(shè)計(jì)目標(biāo) 14。 而齒輪減速傳動(dòng)的另一種型式 行星齒輪傳動(dòng)，則很適合于如前所述的設(shè)計(jì)要求。其依據(jù)是行星齒輪傳動(dòng)有如下主要特點(diǎn)： (1)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小。由于行星齒輪傳動(dòng)具有功率分流和動(dòng)軸線的運(yùn)動(dòng)特性，而且各中心輪成共軸線式的傳動(dòng)，以及合理地應(yīng)用內(nèi)嚙合。因此，可使其結(jié)構(gòu)非常緊湊。由于在中心輪的周圍均勻地分布著數(shù)個(gè)行星輪來共同分擔(dān)載荷，故使得每個(gè)齒輪受到的載荷較小，所以，可采用較小的模數(shù)。此外，在結(jié)構(gòu)上充分采用了內(nèi)嚙合承載能力大和內(nèi)齒圈本身的可容體積，從而有利于縮小其外廓尺寸，使其結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，而承載能力卻很大。一般，行星齒輪傳動(dòng)的外廓尺寸和重 量約為普通齒輪傳動(dòng)的 1/2 1/6； (2)傳動(dòng)比較大。只需要選擇適當(dāng)?shù)男行莻鲃?dòng)的類型及配齒方案，便可以用少數(shù)幾個(gè)齒輪而得到很大的傳動(dòng)比。應(yīng)該指出，即使在其傳動(dòng)比很大時(shí)，仍然可保持結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕的優(yōu)點(diǎn) ; (3)傳動(dòng)效率高。由于行星齒輪傳動(dòng)的對稱性，即它具有數(shù)個(gè)均勻分布的行星輪，使得作用于中心輪和轉(zhuǎn)臂軸承中的反作用力能相互平衡，從而有利于提高傳動(dòng)效率。在傳動(dòng)類型選擇適當(dāng)、結(jié)構(gòu)布置合理的情況下，其效率可以達(dá)到 (4)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、抗沖擊和震動(dòng)的能力強(qiáng)，由于采用了數(shù)個(gè)相同的行星輪，均勻地分布于中 心輪的周圍，從而可使行星輪與轉(zhuǎn)臂的慣性力相互平衡。同時(shí)，也使參與嚙合的齒數(shù)增多，故行星齒輪傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，抵抗沖擊和震動(dòng)的能力強(qiáng)，工作較可靠。 雖然行星齒輪傳動(dòng)需要優(yōu)質(zhì)材料、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造和安裝也較困難。但是隨著人們對行星齒輪傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)一步深入地了解和掌握，以及對國外行星齒輪傳動(dòng)技術(shù)的引進(jìn)和消化吸收，從而使其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和均載方式都不斷完善，同時(shí)生產(chǎn)工藝水平也不斷提高。因此，對于它的制造安裝問題，目前已不再視為一件困難的事情。實(shí)踐表明，黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 在具有中等技術(shù)水平的工廠也是完全可以制造出比較好的行星齒輪機(jī)構(gòu)的。 從以上論 述可以看出，無論是從傳動(dòng)型式上，還是從制造加工的可操作性上，行星齒輪作為此減速驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)輪的減速器都是可行的。因此輪邊減速器采用行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。 行星齒輪傳動(dòng)的類型很多，分類方法也不少。國內(nèi)主要采用的是前蘇聯(lián) 的略夫采夫提出的按照行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本構(gòu)件分類的方式。把行星齒輪傳動(dòng)的基本代號設(shè)為： K 中心輪， H 轉(zhuǎn)臂， v 輸出軸。行星齒輪的分類有： 2K H、 3 H V 三種基本形式，而其他結(jié)構(gòu)型式的行星齒輪傳動(dòng)大都是以上三種結(jié)構(gòu)的演化型式或組合形式。 同時(shí)， 2K H 型行星齒輪結(jié)構(gòu)具有制造簡單 、安裝方便、外形尺寸小，重量輕、傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)，雖然 3K 及 K H V 型也有傳動(dòng)比大、效率高等特點(diǎn)，但考慮到外形尺寸、重量以及制造的難易程度等因素，在此設(shè)計(jì)中選擇 2K H 型行星齒輪結(jié)構(gòu)作為輪邊減速器的傳動(dòng)形式。再綜合考慮 2傳動(dòng)中不同傳遞方案的優(yōu)缺點(diǎn)，在此設(shè)計(jì)中采用 2K H(A)型負(fù)號機(jī)構(gòu)，因?yàn)?行星齒輪傳動(dòng)除具有一切 2K H 型行星齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)，并且傳動(dòng)比不受限制、不受工作制度和使用功率的限制。所謂 2K H 負(fù)號機(jī)構(gòu)，即指當(dāng)轉(zhuǎn)臂固定時(shí)，行星齒輪的中心輪與外齒圈的轉(zhuǎn)向相反，或者表示為轉(zhuǎn) 臂固定時(shí)的傳動(dòng)比 行星齒輪傳動(dòng)，除了應(yīng)滿足同心條件和鄰接條件外，其余各輪的齒數(shù)還必須滿足安裝條件，對于本論文中的 2)型行星齒輪傳動(dòng)而言，其安裝條件為：兩中心輪 a 和 b 的齒數(shù)和 (za+為行星輪數(shù) 倍數(shù)。綜合考慮上述情況，當(dāng)中心距一定時(shí)，齒數(shù)取多，則重合度增大，改善了傳動(dòng)的平穩(wěn)性。同時(shí)，齒數(shù)多則模數(shù)小、齒項(xiàng)圓直徑小，可使滑動(dòng)比減小，因此磨損小、膠合的危險(xiǎn)性也 小；并且又能減少金屬的切削量，節(jié)省材料，降低 本。但是齒數(shù)增多則模數(shù)減少，輪齒的抗彎強(qiáng)度降低，因此，在滿足抗彎強(qiáng)度的條件下，宜取較多的齒數(shù)。 根據(jù)上述條件，根據(jù)文獻(xiàn) 33，本文確定的各個(gè)數(shù)據(jù)如下： 9，9，7。 故而，傳動(dòng)比 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 輪受力分析和強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 小齒輪選擇材料為 40質(zhì) )，硬度為 280齒輪材料為 45 鋼 (調(diào)質(zhì) )，硬度為 240 工作壽命 6 300 8 60 1450= 電機(jī)輸出軸額定扭矩為： 0機(jī)輸出軸最大扭矩為： 0心輪每個(gè)功率分流上所承受的轉(zhuǎn)矩為 1 =m 按齒面接觸強(qiáng)度初算小齒輪分度圓直徑 d1 2l i （ 式中： 算式系數(shù)，對于鋼對鋼配對的齒輪副，直齒輪傳動(dòng) 68。 使用系數(shù)，由文獻(xiàn) 17結(jié)合實(shí)際工況，表 6 7 查得 綜合系數(shù)，由文獻(xiàn) 17，表 6 5 查得 計(jì)算齒輪強(qiáng)度的行星輪載荷分布不均勻系數(shù)，由文獻(xiàn) 17， ,圖 7得 d 齒寬系數(shù)，由文獻(xiàn) 18，表 10 7 查得d= u 齒數(shù)比，即 一試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度，由文獻(xiàn) 17，表 6 13 查得 700 其中 a 輪選擇 45 質(zhì) )， c 輪選擇 45 鋼 (調(diào)質(zhì) )。且齒輪材料和熱處理均達(dá)到中等要求。 計(jì)算得 : 龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需 要，我們?nèi)?8 (2)按齒根彎曲強(qiáng)度初算齒輪的模數(shù) m 齒輪模數(shù) m 的初算公式為： 3l i z （ 式中： 算式系數(shù)，由文獻(xiàn) 17對于直齒輪傳動(dòng)， 使用系數(shù)，由文獻(xiàn) 33，表 6 7 查得 計(jì)算彎曲強(qiáng)度的行星輪間載荷分布不均勻系數(shù)： +綜合系數(shù)，由文獻(xiàn) 17，表 6 5 查得 小齒輪齒型系數(shù)，由文獻(xiàn) 18，表 10 5 查得 d一齒寬系數(shù)，由文獻(xiàn) 18，表 10 7 查得d= 一試驗(yàn)齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度，由文獻(xiàn) 17表 6 28，結(jié)合 和 2較小的，得 =300 計(jì)算得： m= 考慮到汽車行駛的不同工況，為了使其具有足夠的彎曲疲勞極限以及合適的接觸疲勞強(qiáng)度，我們?nèi)?m=2。 面接觸強(qiáng)度的校核計(jì)算 (1)齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核計(jì)算 01 （ （ 式中： 使用系數(shù)，由文獻(xiàn) 17，表 6 7 查得 文獻(xiàn) 17，表 6 6 查得 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 布系數(shù)，由于本設(shè)計(jì)中的內(nèi)齒輪寬度與行星輪分度圓直徑的比值小于 l，故。 文獻(xiàn) 17，表 6 9 查得 文獻(xiàn) 17， 1d 一小齒輪分度圓直 徑。 端面內(nèi)分度圓上的名義切向力。 75200 0b 一工作齒寬， b= d= u= 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，由文獻(xiàn) 17，公式 6 61 算得 彈性系數(shù)，由文獻(xiàn) 17，表 6 10 查得， 重合度系數(shù)，由由文獻(xiàn) 17，式 6 63 計(jì)算得 系數(shù)，對于直齒輪，Z=1。 計(jì)算得： 0H H 用接觸應(yīng)力m i nl i m （ 式中： 一試 驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限，由文獻(xiàn) 17，表 6 13 查得 =700 計(jì)算接