電動車輪邊驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

1、本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計 電動車輪邊驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 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： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 副教授 The Graduation Design for Bachelors DegreeDesign of Electric Wheel Drive SystemsCandidate：Specialty：Vehicle EngineeringClass： B07-11Supervisor：Associate ProfHeilongjiang Institute of Technology 摘 要隨著能源危機的日益嚴(yán)重以及人們環(huán)保意識的不斷增強，研究開發(fā)清潔、節(jié)能

2、和安全的汽車成為汽車工業(yè)發(fā)展的方向。其中電動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現(xiàn)智能等優(yōu)點，使之成為新型汽車研發(fā)的重點之一。本文以減速型電動輪驅(qū)動電動汽車的優(yōu)勢為出發(fā)點，設(shè)計了利于電動汽車使用減速型電動輪的輪邊減速裝置，對輪邊減速器的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計、研究，增強了電機內(nèi)轉(zhuǎn)子驅(qū)動型電動輪在電動汽車上的應(yīng)用能力。以行星齒輪系為輪邊減速器的減速傳動形式，在減速傳動鏈的設(shè)計中，引入了均載設(shè)計來提升行星齒輪傳動的優(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系統(tǒng)進行了以體積為目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計；為便于制動裝置及輪轂與輪邊減速器安裝，設(shè)計了輪轂支承件，在滿足

3、功能的同時也減少了零件數(shù)目；輪邊減速器橋殼的巧妙設(shè)計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)向機構(gòu)、轉(zhuǎn)向拉桿及橫向穩(wěn)定桿提供了支點，更進一步保證所設(shè)計的輪邊減速器能夠精確地實現(xiàn)與電動汽車其它零部件的安裝及聯(lián)接, 保證所設(shè)計的輪邊減速器滿足整車行駛工況要求。全套圖紙，加關(guān)鍵詞：輪邊減速器；電動汽車；電動輪；行星齒輪減速器；電動機ABSTRACTWith improving environmental protection consciousness and the serious energy crisis，to research and develop the cl

4、ear, energy-saving and safe auto become the new direction of development of automobile industry. Electric vehicle, which has much advantages, such as no emission, pluralism and high-efficient of energy utilization, and conveniently realizing intelligence erc, is about to become one of the focal poin

5、ts in researching and developing newtype automobile.The design and research takes a wheel reduction unit applied on reduced wheel-drive electric vehicle as the subjectiveResearch for the type of structure has been done in this thesis which will contribute to the application capability of reduced ele

6、ctric wheelLoad balancing structure is introduced into the drive line design of the planetary wheel reducer to fulfill the advantage of planetary transmissionIn order to decrease weight and volume as well as save to material，the researcher optimized the volume of the planetary transmissionFor easy t

7、o assemble the break system and the wheel-hub while reducing components number, a connection supporting part is designedThe most particular design is the transmission housing with pivots for assembling the upper and lower control arm，the stabilizer as well as the steering linkageOptimization of the

8、suspension, steering system and stabilizer bar has made for assembling the wheel reducer more accurate，then the optimization result feedbacks to modify the reducer design .For the purpose of guaranteeing the strength of the wheel reducer in work.Key words: Wheel Reducer；Electric Vehicle；Electric Whe

9、el；Planetary Gear Reducer；Electric Motor目 錄摘要IAbstractII第1章緒論11.1課題的來源和背景11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3本文的研究思路與內(nèi)容6第2章輪邊減速器設(shè)計72.1電動輪的類型及選擇72.2輪邊減速器的傳動方案102.3本章小結(jié)17第3章輪邊驅(qū)動的參數(shù)確定及關(guān)鍵零部件的設(shè)計183.1驅(qū)動電機性能參數(shù)的確定183.1.1整車性能要求183.1.2驅(qū)動電機參數(shù)計算(兩輪驅(qū)動)183.2減速器關(guān)鍵零部件的設(shè)計213.2.1行星齒輪傳動齒數(shù)分配應(yīng)滿足的條件213.2.2齒輪受力分析和強度設(shè)計計算233.2.3齒面接觸強度的校核計算243.2

10、.4其他相關(guān)零部件的設(shè)計計算283.3輪邊減速器的潤滑323.4輪邊減速器零部件之間的裝配關(guān)系323.5本章小結(jié)33第4章行星齒輪傳動的傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計344.1行星齒輪傳動的均載機構(gòu)344.2行星齒輪傳動的齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計354.3本章小結(jié)38結(jié)論39參考文獻(xiàn)40致謝41附錄A42附錄B46第1章 緒 論1.1 課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。而電動汽車(包括純電動汽車、混合動力電動汽車以及燃料電池汽車)，即全

11、部或部分用電能驅(qū)動電動機作為動力系統(tǒng)的汽車，具有高效、節(jié)能、低噪聲、零排放等顯著優(yōu)點，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。在這個大背景下，上海科委協(xié)同同濟大學(xué)展開了“氫能源微型汽車用輪轂電機及其驅(qū)動器的開發(fā)一項目。本論文來源于該項目中“全浮式支承結(jié)構(gòu)輪邊減速器的研制一課題。電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)布置比傳統(tǒng)燃油汽車有著更大的靈活性，由驅(qū)動電動機所在位置以及動力傳遞方式的不同，通?？梢苑譃榧袉坞姍C驅(qū)動、多電機驅(qū)動以及電動輪驅(qū)動等型式。其中獨立電動輪驅(qū)動的電動汽車由于其控制方便、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，成為電動汽車驅(qū)動型式研究的新方向。以獨立輪轂電機驅(qū)動的電動汽車最大的特點在于

12、：(1)使得傳動系統(tǒng)簡化，提高傳動效率的同時，有利于整車布置。電動輪將電動機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軸，對于全輪驅(qū)動車輛，電動輪可以單獨控制，不必采用復(fù)雜的分動器結(jié)構(gòu)，簡化了傳動系統(tǒng)，提高了傳動效率。同時，減少了傳動系統(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)動和驅(qū)動輪單獨控制的措施，可以最大限度地利用地面的附著能力。(3)降低對電氣以及機械傳動零部件的要求，適合傳遞大傳矩。采用電動輪技術(shù)，在同樣功率需求的情況下，

13、可以將單個電動機的功率分配給多個電動機，相應(yīng)地，對電機和機械傳動零部件的要求都可以降低，便于設(shè)計與生產(chǎn)。在己研制成功的“春暉系列電動車上，前后輪均采用了由雙橫臂獨立懸架和外轉(zhuǎn)子輪轂電機等構(gòu)成的具有相同結(jié)構(gòu)的懸架電動輪模塊，它集成了導(dǎo)向、承載、驅(qū)動、測速和制動等多項功能。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，這樣就會增加電動機的輪廓尺寸，也會使簧下質(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輪驅(qū)動型式，來改善直接驅(qū)動型電動輪

14、所固有的缺點。設(shè)想，采用減速型電動輪驅(qū)動，增加輪邊減速裝置，則可以最大限度地改善上述缺陷，并可以降低對電機性能的苛求。經(jīng)論證，這是一個極有研究意義的課題。帶著這樣的問題，本文將設(shè)計與減速型電動輪輪邊減速裝置，解決外轉(zhuǎn)子輪轂電機的驅(qū)動缺陷，并對輪邊減速器的結(jié)構(gòu)、輕量化等內(nèi)容進行分析研究。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著電動汽車技術(shù)得到了不斷的發(fā)展，作為電動汽車關(guān)鍵技術(shù)之一的電力驅(qū)動系統(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)動是一種極有發(fā)展前景的驅(qū)動形式。它直接將電動機安裝在車輪輪轂中， 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

15、動效率。通過控制技術(shù)實現(xiàn)對電動輪的電子差速控制，可以改善車輛驅(qū)動性能和行駛性能，且有利于整車的布置等優(yōu)點。將這樣的結(jié)構(gòu)稱為電動輪(In-wheel Motor)。本文研究的問題就是以電動輪驅(qū)動技術(shù)作為背景的。在電動輪研究與應(yīng)用方面，目前國外電動輪的研究、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)的電動汽車研究小組在過去的十幾年中，一直以輪轂電機驅(qū)動的電動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)的四座電動汽車IZA，采用Ni-Cd電池為動力源，以四個額定功率為6.8kw，峰值功率達(dá)到25kw的外轉(zhuǎn)子永磁輪轂電機驅(qū)動，最

16、高時速可達(dá)176km/h；2001年，該小組又最新推出了以鋰電池為動力源，采用8個大功率交流同步輪轂電機獨立驅(qū)動的電動大轎車KAZ，該車充分利用電動輪驅(qū)動系統(tǒng)布置靈活的特點，打破傳統(tǒng)在KAZ轎車上安裝了8個車輪，大大增加了動力，從而使該車的最高時速可以達(dá)到驚人的311kmh。KAZ的電動輪系統(tǒng)中采用了高轉(zhuǎn)速、高性能的內(nèi)轉(zhuǎn)子電動機，其峰值功率可達(dá)55kw，大大提高了KAZ的極限加速能力，使其0100km加速時間達(dá)到8秒，如Error! Reference source not found.所示。另外，慶應(yīng)大學(xué)電動汽車研究團隊與38家同本民營企業(yè)聯(lián)合開發(fā)了時速達(dá)到400 kmh的電動汽車Eliic

17、a，該車以充電鋰電池為能源，并對8個車輪配有8個獨立的驅(qū)動電機，如Error! Reference source not found.所示。日本豐田汽車公司開發(fā)的Fine-x電動車，四輪獨立驅(qū)動控制搭配內(nèi)置于四輪內(nèi)的電動馬達(dá)，四輪輪邊驅(qū)動技術(shù)使該車具有報高的機動性及動力1。美國通用公司2001年試制的全新線控四輪驅(qū)動燃料電池概念車Autonomy也是采用電動輪驅(qū)動形式的(見Error! Reference source not found.)。加拿大TM4公司所設(shè)計的電動輪結(jié)構(gòu)形式清晰，采用外轉(zhuǎn)予永磁電動機。將電動機轉(zhuǎn)子外殼直接與輪轂相連，將電動機外殼作為車輪的組成部分，并且電動機轉(zhuǎn)子外殼集成

18、為鼓式制動器的制動鼓，制動蹄片直接作用在電動機外殼上，省去制動鼓的結(jié)構(gòu)，減輕了電動輪系統(tǒng)的質(zhì)量集成化設(shè)計程度相當(dāng)高,電動輪結(jié)構(gòu)如Error! Reference source not found.所示。TM4公司研制的這個電動輪系統(tǒng)的永磁無刷直流電動機性能非常高，其峰值功率可咀達(dá)到80kw，峰值扭矩為670Nm最高轉(zhuǎn)速為1385rpm，額定功率為18.5kw額定轉(zhuǎn)速為950rpm，額定工況下的平均效率可以達(dá)到96.3%。國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)一愛英斯電動汽車研究所研制開發(fā)的EV96-1型電動汽車驅(qū)動電動輪也屬于外轉(zhuǎn)予型電動機。該電動機選用的是一種“多態(tài)電動機”的永磁電動機，兼有同步電動機和異步電

19、動機的雙重特性，集成盤式制動囂，采用風(fēng)凈敖熱系統(tǒng)。同濟大學(xué)汽車學(xué)院試制的四輪驅(qū)動電動汽車“春暉一號”、“春暉二號一和“春暉三號均采用四個直流無刷輪轂電動機，外置式盤式制動器。比亞迪于2004年在北京車展上展出的ET概念車也采用了4個輪邊電機獨立驅(qū)動的模式。中國科學(xué)院北京三環(huán)通用電氣公司研制的電動轎車用直流無刷輪轂電機，又稱電動車輪。單個電動車輪功率為7.5kW，電壓264V，雙后輪直接驅(qū)動。國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)一愛英斯電動汽車研究所研制開發(fā)的EV96-1型電動汽車驅(qū)動電動輪也屬于外轉(zhuǎn)予型電動機。該電動機選用的是一種“多態(tài)電動機”的永磁電動機，兼有同步電動機和異步電動機的雙重特性，集成盤式制動囂

20、，采用風(fēng)凈敖熱系統(tǒng)。同濟大學(xué)汽車學(xué)院試制的四輪驅(qū)動電動汽車“春暉一號”、“春暉二號一和“春暉三號均采用四個直流無刷輪轂電動機，外置式盤式制動器。比亞迪于2004年在北京車展上展出的ET概念車也采用了4個輪邊電機獨立驅(qū)動的模式。中國科學(xué)院北京三環(huán)通用電氣公司研制的電動轎車用直流無刷輪轂電機，又稱電動車輪。單個電動車輪功率為7.5kW，電壓264V，雙后輪直接驅(qū)動。圖 1.1KAZ電動汽車 圖 1.2 Eliica電動汽車圖 1.3 Eliica電動汽車 圖 1.4 TM4一電動輪系統(tǒng)本文研究所應(yīng)用的減速驅(qū)動型電動輪，需要合適的減速器作為電動輪的減速裝置。原則上既可以選擇可變速比齒輪減速器，也可以

21、選擇固定速比齒輪減速器。雖然可變速比齒輪減速器傳動具有以下優(yōu)點：應(yīng)用常規(guī)驅(qū)動電動機系統(tǒng)可以在低檔位得到較高的啟動轉(zhuǎn)矩，在高檔位得到較高的行駛速度，但是缺點就是體積大、質(zhì)量大、成本高、可靠性低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。實際上，現(xiàn)在所有電動車都采用了固定速比齒輪變速器作為減速裝置。并把安裝在電動輪輪轂內(nèi)的定減速比減速器稱為輪邊減速器(Wheel Reducer)。帶輪邊減速器電動輪電驅(qū)動系統(tǒng)能適應(yīng)現(xiàn)代高性能電動汽車的運行要求。輪邊減速器將動力從原動機(此研究中即為輪轂驅(qū)動電機)直接傳遞給車輪，其主要功能是降低轉(zhuǎn)速、增加轉(zhuǎn)矩，從而使原動機的輸出動力能夠滿足電動轎車的行車動力需求。按照齒輪及其布置型式，輪邊減速器有

22、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“Steyr-puch Haflinger的斷開式后驅(qū)動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)動橋中，為了降低車廂與地板的高度，有時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)的輕型輪式電機電動汽車Luciole，采用的是內(nèi)轉(zhuǎn)子高速無刷直流電動機行星齒輪-鼓式制動器的驅(qū)動系統(tǒng)，也應(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MTP型自卸汽車、斯太爾汽車后驅(qū)動橋等都采用了行星齒輪式輪邊減速器；在電動汽車領(lǐng)域，在輪邊減速器的應(yīng)用上，主要以日

23、本應(yīng)慶大學(xué)開發(fā)研制的八輪輪邊驅(qū)動電動汽車“KAZ”最為成功，為了使得電動機輸出轉(zhuǎn)速符合實際轉(zhuǎn)速要求，KAZ的電動輪系統(tǒng)配置了一個傳動比為4.588的行星齒輪減速器，Error! Reference source not found.為KAZ的前、后電動輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看見行星減速器為傳動主題的輪邊減速裝置。（a） 前輪（b） 后輪圖 1.5 KAZ電動輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.3 本文的研究思路與內(nèi)容在對電動汽車輪邊減速器的設(shè)計與研究中，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系統(tǒng)、懸架、輪轂電機等裝置的布局與設(shè)計問題，借鑒不同型式的輪邊減速器結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點及參數(shù)選擇的合理性，對

24、微型電動汽車的輪邊減速器進行設(shè)計與研究。第2章對適合輪邊減速器的傳動形式作歸類、比較各自優(yōu)缺點，找出適合本課題背景的傳動形式。第3章對關(guān)鍵零部件進行了研究和設(shè)計。第4章行星齒輪傳動的齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計。第2章 輪邊減速器設(shè)計2.1 電動輪的類型及選擇在20世紀(jì)50年代，美國科學(xué)家羅伯特發(fā)明了電動汽車輪轂。其設(shè)計是將電動機、減速器、傳動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)融為一體。1968年，通用電氣公司將這種電動輪轂裝置運用到大型礦用自卸車上，并取名為“電動輪”，這是第一次在汽車上采用電動輪結(jié)構(gòu)。近年來，隨著電動汽車的興起輪轂電機驅(qū)動又得到重視。輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)的布置非常靈活直接將電動機安裝在車輪輪毅中，省略了傳統(tǒng)的離合

25、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)、提高了傳動效率、同時能借助現(xiàn)代計算機控制技術(shù)直接控制各電動輪實現(xiàn)電子差速無論從體積、質(zhì)量，還是從功率、載重能力看，電動輪相較于傳統(tǒng)汽車動力傳動系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)更加簡單、緊湊，占用空間更小，更容易實現(xiàn)全輪驅(qū)動。這些突出優(yōu)點，使電動輪驅(qū)動成為電動汽車發(fā)展的一個獨特方向。而輪邊減速器，作為輪邊驅(qū)動的一個選擇裝置，在傳統(tǒng)動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，常要求具有高的動力性，而車速則可相對較低，因此其低檔傳動比就會很大，為了避免變速器、分動器、傳動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)將傳動系的

26、傳動比盡可能多地分配給驅(qū)動橋，這就導(dǎo)致了這些重型車輛驅(qū)動橋的主減速比很大。當(dāng)其值大于12時，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)動橋減速比，而且半軸、差速器及主減速器從動齒輪等零件的尺寸也可減小。對于新興的電動汽車，由于電動輪的應(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)明的電動輪，就應(yīng)用了減速裝置，其實質(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)動電動汽車“KAZ”，設(shè)計者為其電動輪系統(tǒng)配置了一個傳動比為4.588的行星齒輪減速器。按照驅(qū)動方式分類，電動輪可分為直接驅(qū)動和減

27、速驅(qū)動兩大類，兩類電動輪結(jié)構(gòu)示意圖如Error! Reference source not found.所示。(1)直接驅(qū)動型電動輪，如Error! Reference source not found.(a)所示的傳動結(jié)構(gòu)。此類電動輪多采用外轉(zhuǎn)子電動機，直接將電動機外轉(zhuǎn)子安裝在輪輞上驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動。這種結(jié)構(gòu)中電動輪質(zhì)量完全成了非簧載質(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，但是由于要求電動汽車具有較好的動力性，所以此類電動機要具備較大的轉(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，同時由于電動機工作產(chǎn)生一定的沖擊和振動， 還要求車輪輪輞和車輪支承必須堅固、可

28、靠，要求對懸架系統(tǒng)彈性元件和阻尼元件進行優(yōu)化設(shè)計，電動機輸出轉(zhuǎn)矩和功率也受到車輪尺寸的限制，系統(tǒng)成本高。因此電動機成本較高，噪聲也很大15。下面列舉了采用外轉(zhuǎn)子電動機直接驅(qū)動的一些最新實例：加拿大研制的TM4電動汽車、日本開發(fā)的IzA電動汽車都采用了此類型的電動輪：哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了外轉(zhuǎn)子電動機直接驅(qū)動電動輪：同濟大學(xué)汽車學(xué)院在20022005年相繼推出了獨立研制的“春暉”系列微型電動車該系列車均采用4個低速永磁無刷輪毅電機直接驅(qū)動，匹配相應(yīng)的盤式制動器，如圖 2.2所示。(a) 直接驅(qū)動型 (b) 減速驅(qū)動型圖 2.1電動輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖 2.2“春暉二號”輪邊驅(qū)動系統(tǒng)(2)內(nèi)轉(zhuǎn)子驅(qū)動型

29、電動輪，如Error! Reference source not found.(b)所示的傳動路線。它起源于礦用車的傳統(tǒng)電動輪，其運用環(huán)境允許電動機的高速運行為了能夠獲得較高的比功率，通常電動機的最高轉(zhuǎn)速設(shè)計在4000rmin20000rmin之間，其目的是為了能夠獲得較高的比功率，而對電動機的其他性能沒有特殊要求，因此可采用普通的內(nèi)轉(zhuǎn)子高速電動機。其優(yōu)點主要表現(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為電動機轉(zhuǎn)速高，必須設(shè)計專門的減速機構(gòu)來降低轉(zhuǎn)速以獲得較大的轉(zhuǎn)矩，并且要在設(shè)計中克服減速彈簧的潤滑以及產(chǎn)生的噪聲、振動等問題?？偟膩碚f，減速型驅(qū)動電動輪比直接

30、驅(qū)動型電動輪具有更多的優(yōu)點。如前所述，作者所在的課題組曾經(jīng)將直接驅(qū)動型電動輪多次應(yīng)用于“春暉”系列電動汽車，即四個獨立的低速外轉(zhuǎn)子型直接驅(qū)動電動輪模塊，從在使用中所反饋的信息分析，這種驅(qū)動模式的確存在加速性能不好、電機成本高、噪聲大、振動嚴(yán)重等缺陷。為了改善這些不足，并結(jié)合減速型驅(qū)動電動輪的相對優(yōu)勢，尤其是在同等行駛工況下降低對驅(qū)動電動機的性能要求，故在新的實驗方案中采用減速型電動輪15。通過查詢相關(guān)文獻(xiàn)，電動輪的電動機、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 2.3所示：(1)電動輪與固定速比減速器制成一體，而減速器的輸出軸經(jīng)過傳動軸驅(qū)動車輪，如圖 2.3 (a)所

31、示，這種結(jié)構(gòu)可以借助萬向節(jié)將傳動軸傾斜布置，可以將電動機安裝在車架上，使電動機和減速裝置的質(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)電動機與固定速比減速裝置同軸制成一體，并在其中安裝制動器、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 2.3 (b)所示，電動輪質(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，因此對電動機的轉(zhuǎn)矩特性要求比較低，同時從電動機到車輪的動力損失較小，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。 (a) (b)圖 2.3 電動輪結(jié)構(gòu)示意圖(M：電動機FC：減速裝置)綜合分析這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，尤其是

32、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，這樣的布置方式對于制動裝置、承載裝置的安裝也更為有利。2.2 輪邊減速器的傳動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汽車電動輪模塊的輪邊減速器的要求。鑒于微型電動轎車在動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)計要求：(1)從技術(shù)先進性、生產(chǎn)合理性和實用要求出發(fā)，正確地選擇性能指標(biāo)(如傳動比、傳動效率等)、重量和主要尺寸，提出整體設(shè)計方案，并在整體方案下對各零部件設(shè)計提供參數(shù)和設(shè)計要求；(2)要求所設(shè)計的輪邊減速器結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、安全可靠性高、造型美觀、維修方便、運動協(xié)調(diào)等；(3)零部件布

33、置合理，方便制動器、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)計與安裝；(4)具有較強的抗沖擊和抗振動的能力，運動較平穩(wěn)14。在常見的機械傳動中，可以作為減速傳動的傳動型式有：齒輪傳動、渦輪蝸桿傳動、帶傳動、鏈傳動、液力傳動以及一些特殊的連桿機構(gòu)等。而渦輪蝸桿傳動是垂直方向的傳動，對于驅(qū)動電機的布置以及輪轂空間的利用都極為不利；從傳動效果來看，液力傳動裝置(如液力耦合器)是能夠?qū)崿F(xiàn)輪邊減速要求的，并且能實現(xiàn)無級變速，但是液力傳動不僅需要與動力機有很好的匹配，同時還要配備相應(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。而齒輪傳動具有其傳動可靠、傳動效率高、所占空間小等優(yōu)點

34、，而成為輪邊減速裝置的一種理想選擇。齒輪傳動應(yīng)用于輪邊減速裝置，其工程實例已經(jīng)很廣泛。其中普通圓柱齒輪式輪邊減速器是由一對圓柱齒輪構(gòu)成，可以將主動齒輪置于從動齒輪的垂直上方或者將主動齒輪置于從動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輪置于從動輪的下方。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汽車電動輪減速裝置，其不足之處很明顯：為了保證傳動比，即使將驅(qū)動電機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)

35、動電機軸置于輪轂從動齒輪上方，則會使驅(qū)動電機質(zhì)心位置升高，不利于汽車的穩(wěn)定性；相反地，如果將驅(qū)動電機軸置于輪轂從動齒輪下方，由于電動汽車車輪直徑較小，就必然會使電機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)計目標(biāo)14。而齒輪減速傳動的另一種型式行星齒輪傳動，則很適合于如前所述的設(shè)計要求。其依據(jù)是行星齒輪傳動有如下主要特點：(1)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小。由于行星齒輪傳動具有功率分流和動軸線的運動特性，而且各中心輪成共軸線式的傳動，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)個行星輪來共同分擔(dān)載荷，故使得每個齒輪受到的載荷較小，所以，可采用較

36、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，行星齒輪傳動的外廓尺寸和重量約為普通齒輪傳動的1/21/6；(2)傳動比較大。只需要選擇適當(dāng)?shù)男行莻鲃拥念愋图芭潺X方案，便可以用少數(shù)幾個齒輪而得到很大的傳動比。應(yīng)該指出，即使在其傳動比很大時，仍然可保持結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕的優(yōu)點;(3)傳動效率高。由于行星齒輪傳動的對稱性，即它具有數(shù)個均勻分布的行星輪，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效率。在傳動類型選擇適當(dāng)、結(jié)構(gòu)布置合理的情況下，其效率可以達(dá)到0.970.99;(4)

37、運動平穩(wěn)、抗沖擊和震動的能力強，由于采用了數(shù)個相同的行星輪，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，也使參與嚙合的齒數(shù)增多，故行星齒輪傳動的運動平穩(wěn)，抵抗沖擊和震動的能力強，工作較可靠。雖然行星齒輪傳動需要優(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技術(shù)進一步深入地了解和掌握，以及對國外行星齒輪傳動技術(shù)的引進和消化吸收，從而使其傳動結(jié)構(gòu)和均載方式都不斷完善，同時生產(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。實踐表明，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構(gòu)的。從以上論述可以看出，無論是

38、從傳動型式上，還是從制造加工的可操作性上，行星齒輪作為此減速驅(qū)動型電動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結(jié)構(gòu)。行星齒輪傳動的類型很多，分類方法也不少。國內(nèi)主要采用的是前蘇聯(lián)B.H庫的略夫采夫提出的按照行星齒輪傳動機構(gòu)的基本構(gòu)件分類的方式。把行星齒輪傳動的基本代號設(shè)為：K中心輪，H轉(zhuǎn)臂，v輸出軸。行星齒輪的分類有：2KH、3K和KHV三種基本形式，而其他結(jié)構(gòu)型式的行星齒輪傳動大都是以上三種結(jié)構(gòu)的演化型式或組合形式。同時，2KH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、傳動效率高等特點，雖然3K及KHV型也有傳動比大、效率高等特點，但考慮到外形尺寸、重量以及制造的

39、難易程度等因素，在此設(shè)計中選擇2KH型行星齒輪結(jié)構(gòu)作為輪邊減速器的傳動形式。再綜合考慮2K-H型傳動中不同傳遞方案的優(yōu)缺點，在此設(shè)計中采用NGW(即2KH(A)型負(fù)號機構(gòu)，因為NGW型行星齒輪傳動除具有一切2KH型行星齒輪傳動的特點，并且傳動比不受限制、不受工作制度和使用功率的限制。所謂2KH負(fù)號機構(gòu)，即指當(dāng)轉(zhuǎn)臂固定時，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)臂固定時的傳動比iH0。在微型電動汽車上，由于結(jié)構(gòu)緊湊，因此空間對于輪邊減速器的設(shè)計是一個限制因素，也因此在此設(shè)計中選擇單排圓柱行星齒輪減速器是較理想的型式。單排圓柱行星齒輪減速器有如圖 2.4的三種結(jié)構(gòu)方案。該分類方式主要是依據(jù)

40、行星齒輪機構(gòu)中何為主動件、何為從動件和以及何為固定件。 (a) (b) (c)1.中心輪; 2.齒圈; 3.轉(zhuǎn)臂; 4.行星輪; 5.半軸; 6.橋殼; 7.驅(qū)動車輪圖 2.4 單排圓柱行星齒輪式輪邊減速器的機構(gòu)方案簡圖各種單排圓柱行星齒輪傳動，都能夠起到減速效果。但是為了體現(xiàn)減速型電動輪的優(yōu)勢，降低對驅(qū)動電機的要求并充分利用電機的性能，所以其減速比不能太低，總合考慮輪轂驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速、體積、質(zhì)量與電動汽車行使速度的關(guān)系，如將減速比選定在=4-6左右，則是比較合理的，在滿足汽車行駛要求的同時也能選擇到合適的驅(qū)動電動機?，F(xiàn)在從減速比入手，分析各種單排圓柱齒輪傳動是否滿足減速比要求。所謂行星齒輪機

41、構(gòu)的傳動比，和普通齒輪機構(gòu)一樣，是指該輪系中輸入構(gòu)件的角速度(或轉(zhuǎn)速)與輸出機構(gòu)角速度(或者轉(zhuǎn)速)之比。確定行星齒輪機構(gòu)的傳動比時，既要確定其傳動比的大小，又要確定輸入構(gòu)件和輸出構(gòu)件之間的轉(zhuǎn)向關(guān)系，即兩構(gòu)件的回轉(zhuǎn)方向是相同還是相反。對于由圓柱齒輪組成的定軸輪系，它的傳動比等于其輸入齒輪的角速度(或轉(zhuǎn)速)與輸出齒輪的角速度(或轉(zhuǎn)速)之比，且等于其輸入、輸出齒輪之間所有各對齒輪中的從動輪齒數(shù)的乘積與所有各對齒輪中的主動輪齒數(shù)的乘積之比；即定軸輪系的傳動比計算公式為： （2.1）式中：、定軸輪系中輸入輪、輸出輪的角速，rads；、定軸輪系中輸入輪、輸出輪的轉(zhuǎn)速，rmin；m定軸輪系中外嚙合齒輪的對數(shù)

42、。由上式可以看出，如果的為正值，則表示輸出輪B與輸入輪A的回轉(zhuǎn)方向相同；如果為負(fù)值，則表示輸出輪B與輸入輪A的回轉(zhuǎn)方向相反。根據(jù)傳動方案簡圖求其傳動比和其基本構(gòu)件的角速度，或根據(jù)給定的傳動比來求各輪的齒數(shù)，這就是行星傳動機構(gòu)運動學(xué)的主要研究任務(wù)。在本設(shè)計中，傳動比的設(shè)定考慮了以下因素：行星齒輪減速裝置的配齒原理、電動汽車行使情況、輪轂電動機的特性參數(shù)、輪邊減速器的體積最小目標(biāo)下的優(yōu)化等。對于行星傳動機構(gòu)傳動比的計算方法，通常有兩大類：(1)由轉(zhuǎn)臂固定法和力矩法等組成的分析法；(2)由速度圖解法和矢量法等組成的圖解法。在本文中采用應(yīng)用較方便的轉(zhuǎn)臂固定法。轉(zhuǎn)臂固定法又稱為轉(zhuǎn)化機構(gòu)法或相對速度法。這

43、種傳動比計算方法的特點是：根據(jù)相對運動原理，如果給整個行星機構(gòu)加上一個與轉(zhuǎn)臂日的角速度()大小相等、方向相反的公共角速度(一)，則行星機構(gòu)中各構(gòu)件之間的相對動關(guān)系仍然保持不變。但是，原來以角速度運動的轉(zhuǎn)臂H變?yōu)殪o止不動的構(gòu)件。于是，該行星齒輪機構(gòu)便轉(zhuǎn)化為一般的定軸輪系情況。這種方法的關(guān)鍵在于根據(jù)相對運動原理，將原來以角速度運動的轉(zhuǎn)臂H變?yōu)楣潭ú粍拥臉?gòu)件。下面我們定義一些計算符號。設(shè)定中心輪為a，行星輪為g，內(nèi)齒圈為b，轉(zhuǎn)臂為H，表示中心輪a相對于轉(zhuǎn)臂H的相對角速度與內(nèi)齒圈b相對于轉(zhuǎn)臂H的相對角速度之比值，即。對于2KH(A)型傳動的相對傳動比 （2.2）式中：P一齒圈b與中心輪a的齒數(shù)比，即，

44、稱為2K-H(A)型的參數(shù)，一般，取P=28。同理有 將上兩式相加可得： 所以當(dāng)內(nèi)齒圈固定，即=0，中心輪a輸入，轉(zhuǎn)臂H輸出時，根據(jù)公式，可得型行星傳動的傳動比為： （2.3）同理，當(dāng)轉(zhuǎn)臂固定，即=0，中心輪a輸入，內(nèi)齒圈b輸出時，可得行星傳動的傳動比為： （2.4）當(dāng)中心輪固定，即，內(nèi)齒圈b輸入，轉(zhuǎn)臂H輸出時，可得型行星傳動的傳動比： （2.5）考慮電動汽車輪轂電動機的輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩等特性與電動汽車行使性能要求之間的關(guān)系，初將電動汽車輪邊減速器的傳動比設(shè)定為=5。對于圖 2.4的結(jié)構(gòu)(c)，其傳動比為式(2.5)所示，因為2K-H(A)型行星齒輪機構(gòu)的特征參數(shù)P一般取P=28。因而傳動比

45、=1.1251.5，此傳動比下，對輪轂電動機的功率、尤其是轉(zhuǎn)矩特性要求較高，必須要求輪轂電動機的所能提供的轉(zhuǎn)矩變化范圍很寬，方可滿足電動車在不同工況行使時對輸入轉(zhuǎn)矩的要求，這些要求對于電動機的設(shè)計和制造都是不合理的，即減速器因傳動比過小起不到減速器應(yīng)有的效果。因此在此擯棄圖 2.4 (C)所示的結(jié)構(gòu)。對于圖 2.4 (a)和(b)所示的結(jié)構(gòu)，從傳動比這個因素來看，兩種結(jié)構(gòu)都是可選的。但是(b)方案傳動比(式(2.3)是(a)方案(式(2.4)傳動比的倍，增加傳動比對于輪轂電動機的性能特性有利。因為在選取輪轂電動機時，在一定范圍內(nèi)盡量選取額定轉(zhuǎn)速高的有利。電機的額定功率給定后，若額定轉(zhuǎn)速高一些，

46、體積就會小一些，耗材(銅線和磁體)也會少一些，而效率還可以更高一些。由于電動汽車的設(shè)計行使速度較低，較大的減速比更適合高轉(zhuǎn)速的電動機。同時也能降低電動機的轉(zhuǎn)矩變化寬度，從而降低對輪轂電動機的性能要求。以上僅是從傳動比比較，作者在設(shè)計初期以結(jié)構(gòu)(a)為輪邊減速器的減速方案，對輪邊減速器進行了嘗試行設(shè)計，即采用中心輪輸入、行星架固定、內(nèi)齒圈輸出的行星齒輪傳動形式。將電動機的外殼與行星架固定在一起，電動機輸出軸通過花鍵與中心輪傳動軸相聯(lián)接，內(nèi)齒圈、制動盤通過螺栓與輪轂上的隔板相固結(jié)，其截面如圖 2.5輪輞外側(cè)裝配弧形板，對輪輞內(nèi)部的減速器零部件其保護作用。圖 2.5輪邊減速器結(jié)構(gòu)方案一這種結(jié)構(gòu)方案具

47、有如下優(yōu)點：(1)具有合適的傳動比。作者按照電動汽車的基本參數(shù)及要求，所設(shè)計的這套結(jié)構(gòu)具有i=4的傳動比，對于微型電動汽車較為合適。(2)節(jié)省傳動空間。結(jié)構(gòu)簡單，充分利用了車輪的內(nèi)部空間，這對于電動機以及懸架的布置空間有利。(3)重量降低。由于省去了行星減速器橋殼，減少了零部件個數(shù)、減輕了重量，對于減小非簧載質(zhì)量有利。同時，本設(shè)計方案中也存在一些不足之處：(1)輪輞需要定制。由于輪邊減速器與輪輞的特殊聯(lián)接形式，因此需要按照此設(shè)計方案定制輪輞。而在汽車設(shè)計中，輪輞常作為標(biāo)準(zhǔn)件選用，尤其是對單件設(shè)計而言。(2)對輪轂的支撐剛度和強度要求較高。由于傳動方式的限制，為了能為行星齒輪傳動部分提供安裝空間

48、，因此只能將輪輞的寬度增加。同時，固定不動的轉(zhuǎn)臂是通過軸承與輪輻相聯(lián)接的，從而對輪輞及輪輻的支撐剛度和強度要求較高。(3)輪側(cè)弧形板安裝困難。為了密封行星齒輪傳動裝置，因此只能在車輪外側(cè)添加輻板，這在安裝上也會產(chǎn)生較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。而結(jié)構(gòu)(b)在滿足減速要求的同時，其支承情況也較方案(a)合理，輪輻固連橋殼通過軸承支撐在行星減速器的橋殼上，將卡鉗和懸架的支點設(shè)計在行星減速器的橋殼上，這有利于簡化結(jié)構(gòu)。通過以上的對比，得出的結(jié)論是：結(jié)構(gòu)圖 2.4 (b)更適合于本文的結(jié)構(gòu)設(shè)計。即以行星齒輪傳動作為微型電動汽車輪邊減速器的減速連主體，且行星傳動系采用圖 2.4 (b)所示的中心輪為主動件、行星輪為從動

49、件、齒圈固定的形式。這種結(jié)構(gòu)方案具有如下優(yōu)點：(1)具有合適的傳動比。作者按照電動汽車的基本參數(shù)及要求，所設(shè)計的這套結(jié)構(gòu)具有i=4的傳動比，對于微型電動汽車較為合適。(2)節(jié)省傳動空間。結(jié)構(gòu)簡單，充分利用了車輪的內(nèi)部空間，這對于電動機以及懸架的布置空間有利。(3)重量降低。由于省去了行星減速器橋殼，減少了零部件個數(shù)、減輕了重量，對于減小非簧載質(zhì)量有利。同時，本設(shè)計方案中也存在一些不足之處：(1)輪輞需要定制。由于輪邊減速器與輪輞的特殊聯(lián)接形式，因此需要按照此設(shè)計方案定制輪輞。而在汽車設(shè)計中，輪輞常作為標(biāo)準(zhǔn)件選用，尤其是對單件設(shè)計而言。(2)對輪轂的支撐剛度和強度要求較高。由于傳動方式的限制，為

50、了能為行星齒輪傳動部分提供安裝空間，因此只能將輪輞的寬度增加。同時，固定不動的轉(zhuǎn)臂是通過軸承與輪輻相聯(lián)接的，從而對輪輞及輪輻的支撐剛度和強度要求較高。(3)輪側(cè)弧形板安裝困難。為了密封行星齒輪傳動裝置，因此只能在車輪外側(cè)添加輻板，這在安裝上也會產(chǎn)生較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。而結(jié)構(gòu)(b)在滿足減速要求的同時，其支承情況也較方案(a)合理，輪輻固連橋殼通過軸承支撐在行星減速器的橋殼上，將卡鉗和懸架的支點設(shè)計在行星減速器的橋殼上，這有利于簡化結(jié)構(gòu)。通過以上的對比，得出的結(jié)論是：結(jié)構(gòu)圖 2.4 (b)更適合于本文的結(jié)構(gòu)設(shè)計。即以行星齒輪傳動作為微型電動汽車輪邊減速器的減速連主體，且行星傳動系采用圖 2.4 (b)

51、所示的中心輪為主動件、行星輪為從動件、齒圈固定的形式。2.3 本章小結(jié)本章主要完成的內(nèi)容是歸類并比較了適用于輪邊減速器的傳動形式，在方案對比論證中找到了合理的設(shè)計方案。第3章 輪邊驅(qū)動的參數(shù)確定及關(guān)鍵零部件的設(shè)計3.1 驅(qū)動電機性能參數(shù)的確定3.1.1 整車性能要求微型電動車的原始性能參數(shù)：1)整車滿載質(zhì)量：1000kg2)最高車速： 60kmh3)最大爬坡度：204)0一30kmh加速時間：不大于8秒5）車輪半徑R：275mra6）減速比i：53.1.2 驅(qū)動電機參數(shù)計算(兩輪驅(qū)動)(1)按最大爬坡度要求估算電機峰值轉(zhuǎn)矩以l0kmh的時速爬20的最大坡度時，電機應(yīng)滿足如下轉(zhuǎn)矩要求： （3.1

52、）式中R代表輪胎半徑，F(xiàn)代表計算所得阻力?？朔枇λ枰墓β剩?（3.2）取Mmax=60Nm。此時單個電機需提供大于5960.52=2980W的功率。(2)電機額定功率估算設(shè)汽車以V(kmh)的時速行駛作為電機額定工況，地面滾動阻力：，又因電機內(nèi)阻隨著轉(zhuǎn)速的提高而增大，所以滾動阻力要比此計算值大，計算后取取值250N，則滾動阻力為： （3.3）設(shè)V=30 kmh，輪轂電機扭矩： （3.4）克服阻力所需要的功率： （3.5）輪轂電機額定功率：Po=2366672=118334W。為保證安全性留有余量，取額定功率：Po=1500W。電動汽車正常工況下的車速為30kmh。額定轉(zhuǎn)矩Mo=Pw=150030=50Nm。故電機額定轉(zhuǎn)矩為。（3）按汽車加速性要求估算電