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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(jí)： 車輛工程B07-11班
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
The Graduation Design for Bachelor's Degree
Design of Electric Wheel Drive Systems
Candidate：Jiang Shanyi
Specialty：Vehicle Engineering
Class： B07-11
Supervisor：Associate Prof. An Yongdong
Heilongjiang Institute of Technology
2011-06·Harbin
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
隨著能源危機(jī)的日益嚴(yán)重以及人們環(huán)保意識(shí)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(shì)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(duì)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(lái)提升行星齒輪傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)；出于減小輪邊減速器的重量及體積、節(jié)省材料的目的，對(duì)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)
ABSTRACT
With improving environmental protection consciousness and the serious energy crisis，to research and develop the clear, 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 points in researching and developing new—type automobile.
The design and research takes a wheel reduction unit applied on reduced wheel-drive electric vehicle as the subjective．Research for the type of structure has been done in this thesis which will contribute to the application capability of reduced electric wheel．Load balancing structure is introduced into the drive line design of the planetary wheel reducer to fulfill the advantage of planetary transmission．In order to decrease weight and volume as well as save to material，the researcher optimized the volume of the planetary transmission．For easy to assemble the break system and the wheel--hub while reducing components number, a connection supporting part is designed．The most particular design is the transmission housing with pivots for assembling the upper and lower control arm，the stabilizer as well as the steering linkage．Optimization of the 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 Wheel；Planetary Gear Reducer；Electric Motor
II
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 課題的來(lái)源和背景 1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.3 本文的研究思路與內(nèi)容 6
第2章 輪邊減速器設(shè)計(jì) 7
2.1 電動(dòng)輪的類型及選擇 7
2.2 輪邊減速器的傳動(dòng)方案 10
2.3 本章小結(jié) 17
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) 18
3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能參數(shù)的確定 18
3.1.1 整車性能要求 18
3.1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)計(jì)算(兩輪驅(qū)動(dòng)) 18
3.2 減速器關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì) 21
3.2.1 行星齒輪傳動(dòng)齒數(shù)分配應(yīng)滿足的條件 21
3.2.2 齒輪受力分析和強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 23
3.2.3 齒面接觸強(qiáng)度的校核計(jì)算 24
3.2.4 其他相關(guān)零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算 28
3.3 輪邊減速器的潤(rùn)滑 32
3.4 輪邊減速器零部件之間的裝配關(guān)系 32
3.5 本章小結(jié) 33
第4章 行星齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 34
4.1 行星齒輪傳動(dòng)的均載機(jī)構(gòu) 34
4.2 行星齒輪傳動(dòng)的齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 35
4.3 本章小結(jié) 38
結(jié)論 39
參考文獻(xiàn) 40
致謝 41
附錄A 42
附錄B 46
第1章 緒 論
1.1 課題的來(lái)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(lái)的環(huán)境污染、能源短缺，資源枯竭等方面的問題越來(lái)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(guó)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(shì)，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(lái)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：
(1)使得傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)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(duì)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(jiǎn)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(lái)自于兩方面，其一是簡(jiǎn)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(duì)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(duì)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(cè)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(lái)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(duì)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(duì)輪邊減速器的結(jié)構(gòu)、輕量化等內(nèi)容進(jìn)行分析研究。
1.2 國(guó)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(jiǎn)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(duì)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(In-wheel Motor)。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。
在電動(dòng)輪研究與應(yīng)用方面，目前國(guó)外電動(dòng)輪的研究、應(yīng)用主要以日本、美國(guó)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IZA，采用Ni-Cd電池為動(dòng)力源，以四個(gè)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(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KAZ，該車充分利用電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置靈活的特點(diǎn)，打破傳統(tǒng)在KAZ轎車上安裝了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311km／h。KAZ的電動(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)55kw，大大提高了KAZ的極限加速能力，使其0—100km加速時(shí)間達(dá)到8秒，如圖 1.1所示。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(yíng)企業(yè)聯(lián)合開發(fā)了時(shí)速達(dá)到400 km／h的電動(dòng)汽車Eliica，該車以充電鋰電池為能源，并對(duì)8個(gè)車輪配有8個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如圖 1.2所示。日本豐田汽車公司開發(fā)的Fine-x電動(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(guó)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Autonomy也是采用電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)形式的(見圖 1.3)。加拿大TM4公司所設(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 1.4所示。TM4公司研制的這個(gè)電動(dòng)輪系統(tǒng)的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)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(guó)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EV96-1型電動(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(hào)”、“春暉二號(hào)一和“春暉三號(hào)"均采用四個(gè)直流無(wú)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ET概念車也采用了4個(gè)輪邊電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的模式。中國(guó)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(wú)刷輪轂電機(jī)，又稱電動(dòng)車輪。單個(gè)電動(dòng)車輪功率為7.5kW，電壓264V，雙后輪直接驅(qū)動(dòng)。
國(guó)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EV96-1型電動(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(hào)”、“春暉二號(hào)一和“春暉三號(hào)"均采用四個(gè)直流無(wú)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ET概念車也采用了4個(gè)輪邊電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的模式。中國(guó)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(wú)刷輪轂電機(jī)，又稱電動(dòng)車輪。單個(gè)電動(dòng)車輪功率為7.5kW，電壓264V，雙后輪直接驅(qū)動(dòng)。
圖 1.1KAZ電動(dòng)汽車 圖 1.2 Eliica電動(dòng)汽車
圖 1.3 Eliica電動(dòng)汽車
圖 1.4 TM4一電動(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(Wheel Reducer)。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“Steyr-puch Haflinger"的斷開式后驅(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(jí)減速裝置；日本開發(fā)的輕型輪式電機(jī)電動(dòng)汽車Luciole，采用的是內(nèi)轉(zhuǎn)子高速無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)．行星齒輪-鼓式制動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)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(guó)索瑪MTP型自卸汽車、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“KAZ”最為成功，為了使得電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速符合實(shí)際轉(zhuǎn)速要求，KAZ的電動(dòng)輪系統(tǒng)配置了一個(gè)傳動(dòng)比為4.588的行星齒輪減速器，圖 1.5為KAZ的前、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 1.5 KAZ電動(dòng)輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
1.3 本文的研究思路與內(nèi)容
在對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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)。
第2章 輪邊減速器設(shè)計(jì)
2.1 電動(dòng)輪的類型及選擇
在20世紀(jì)50年代，美國(guó)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(lái)，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(jiǎn)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(wú)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(jiǎn)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(duì)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(jí)(或雙級(jí))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(duì)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(lái)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“KAZ”，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4.588的行星齒輪減速器。
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 2.1所示。
(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(jiǎn)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(duì)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TM4電動(dòng)汽車、日本開發(fā)的IzA電動(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(wú)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 2.2所示。
(a) 直接驅(qū)動(dòng)型 (b) 減速驅(qū)動(dòng)型
圖 2.1電動(dòng)輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
圖 2.2“春暉二號(hào)”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／min—20000r／min之間，其目的是為了能夠獲得較高的比功率，而對(duì)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(lái)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?gòu)椈傻臐?rùn)滑以及產(chǎn)生的噪聲、振動(dòng)等問題。
總的來(lái)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(duì)優(yōu)勢(shì)，尤其是在同等行駛工況下降低對(duì)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 2.3所示：
(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 2.3 (a)所示，這種結(jié)構(gòu)可以借助萬(wàn)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 2.3 (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(duì)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。
(a) (b)
圖 2.3 電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)示意圖(M：電動(dòng)機(jī)FC：減速裝置)
綜合分析這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，尤其是在對(duì)空間的利用優(yōu)勢(shì)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(duì)于制動(dòng)裝置、承載裝置的安裝也更為有利。
2.2 輪邊減速器的傳動(dòng)方案
在探尋輪邊減速器結(jié)構(gòu)方案之前，首先分析對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(lái)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(wú)級(jí)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．普通圓柱齒輪式輪邊減速器是由一對(duì)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(jiǎn)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(lái)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(duì)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0.97~0.99;
(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(duì)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(duì)國(guó)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(duì)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，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(wú)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(guó)內(nèi)主要采用的是前蘇聯(lián)B.H·庫(kù)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(hào)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、3K和K—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(jiǎn)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2K-H型傳動(dòng)中不同傳遞方案的優(yōu)缺點(diǎn)，在此設(shè)計(jì)中采用NGW(即2K—H(A))型負(fù)號(hào)機(jī)構(gòu)，因?yàn)镹GW型行星齒輪傳動(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(hào)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iH<0。在微型電動(dòng)汽車上，由于結(jié)構(gòu)緊湊，因此空間對(duì)于輪邊減速器的設(shè)計(jì)是一個(gè)限制因素，也因此在此設(shè)計(jì)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)行星齒輪機(jī)構(gòu)中何為主動(dòng)件、何為從動(dòng)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(dòng)車輪
圖 2.4 單排圓柱行星齒輪式輪邊減速器的機(jī)構(gòu)方案簡(jiǎn)圖
各種單排圓柱行星齒輪傳動(dòng)，都能夠起到減速效果。但是為了體現(xiàn)減速型電動(dòng)輪的優(yōu)勢(shì)，降低對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求并充分利用電機(jī)的性能，所以其減速比不能太低，總合考慮輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、體積、質(zhì)量與電動(dòng)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(shí)也能選擇到合適的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。
現(xiàn)在從減速比入手，分析各種單排圓柱齒輪傳動(dòng)是否滿足減速比要求。所謂行星齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比，和普通齒輪機(jī)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(jī)構(gòu)角速度(或者轉(zhuǎn)速)之比。確定行星齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比時(shí)，既要確定其傳動(dòng)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(duì)于由圓柱齒輪組成的定軸輪系，它的傳動(dòng)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(duì)齒輪中的從動(dòng)輪齒數(shù)的乘積與所有各對(duì)齒輪中的主動(dòng)輪齒數(shù)的乘積之比；即定軸輪系的傳動(dòng)比計(jì)算公式為：
（2.1）
式中：
、—定軸輪系中輸入輪、輸出輪的角速，rad／s；
、—定軸輪系中輸入輪、輸出輪的轉(zhuǎn)速，r／min；
m—定軸輪系中外嚙合齒輪的對(duì)數(shù)。
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(dòng)方案簡(jiǎn)圖求其傳動(dòng)比和其基本構(gòu)件的角速度，或根據(jù)給定的傳動(dòng)比來(lái)求各輪的齒數(shù)，這就是行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的主要研究任務(wù)。在本設(shè)計(jì)中，傳動(dòng)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(dòng)汽車行使情況、輪轂電動(dòng)機(jī)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(duì)于行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比的計(jì)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(jī)構(gòu)法或相對(duì)速度法。這種傳動(dòng)比計(jì)算方法的特點(diǎn)是：根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，如果給整個(gè)行星機(jī)構(gòu)加上一個(gè)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(jī)構(gòu)中各構(gòu)件之間的相對(duì)動(dòng)關(guān)系仍然保持不變。但是，原來(lái)以角速度運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)臂H變?yōu)殪o止不動(dòng)的構(gòu)件。于是，該行星齒輪機(jī)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(duì)運(yùn)動(dòng)原理，將原來(lái)以角速度運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)臂H變?yōu)楣潭ú粍?dòng)的構(gòu)件。
下面我們定義一些計(jì)算符號(hào)。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(duì)于轉(zhuǎn)臂H的相對(duì)角速度與內(nèi)齒圈b相對(duì)于轉(zhuǎn)臂H的相對(duì)角速度之比值，即。
對(duì)于2K·H(A)型傳動(dòng)的相對(duì)傳動(dòng)比
（2.2）
式中：
P一齒圈b與中心輪a的齒數(shù)比，即，稱為2K-H(A)型的參數(shù)，一般，取P=2~8。
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(shí)，根據(jù)公式，可得型行星傳動(dòng)的傳動(dòng)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(shí)，可得行星傳動(dòng)的傳動(dòng)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(shí)，可得型行星傳動(dòng)的傳動(dòng)比：
（2.5）
考慮電動(dòng)汽車輪轂電動(dòng)機(jī)的輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩等特性與電動(dòng)汽車行使性能要求之間的關(guān)系，初將電動(dòng)汽車輪邊減速器的傳動(dòng)比設(shè)定為=5。
對(duì)于圖 2.4的結(jié)構(gòu)(c)，其傳動(dòng)比為式(2.5)所示，因?yàn)?K-H(A)型行星齒輪機(jī)構(gòu)的特征參數(shù)P一般取P=2～8。因而傳動(dòng)比=1.125—1.5，此傳動(dòng)比下，對(duì)輪轂電動(dòng)機(jī)的功率、尤其是轉(zhuǎn)矩特性要求較高，必須要求輪轂電動(dòng)機(jī)的所能提供的轉(zhuǎn)矩變化范圍很寬，方可滿足電動(dòng)車在不同工況行使時(shí)對(duì)輸入轉(zhuǎn)矩的要求，這些要求對(duì)于電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和制造都是不合理的，即減速器因傳動(dòng)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(duì)于圖 2.4 (a)和(b)所示的結(jié)構(gòu)，從傳動(dòng)比這個(gè)因素來(lái)看，兩種結(jié)構(gòu)都是可選的。但是(b)方案?jìng)鲃?dòng)比(式(2.3))是(a)方案(式(2.4))傳動(dòng)比的倍，增加傳動(dòng)比對(duì)于輪轂電動(dòng)機(jī)的性能特性有利。因?yàn)樵谶x取輪轂電動(dòng)機(jī)時(shí)，在一定范圍內(nèi)盡量選取額定轉(zhuǎn)速高的有利。電機(jī)的額定功率給定后，若額定轉(zhuǎn)速高一些，體積就會(huì)小一些，耗材(銅線和磁體)也會(huì)少一些，而效率還可以更高一些。由于電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)行使速度較低，較大的減速比更適合高轉(zhuǎn)速的電動(dòng)機(jī)。同時(shí)也能降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化寬度，從而降低對(duì)輪轂電動(dòng)機(jī)的性能要求。
以上僅是從傳動(dòng)比比較，作者在設(shè)計(jì)初期以結(jié)構(gòu)(a)為輪邊減速器的減速方案，對(duì)輪邊減速器進(jìn)行了嘗試行設(shè)計(jì)，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(dòng)形式。
將電動(dòng)機(jī)的外殼與行星架固定在一起，電動(dòng)機(jī)輸出軸通過花鍵與中心輪傳動(dòng)軸相聯(lián)接，內(nèi)齒圈、制動(dòng)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(duì)輪輞內(nèi)部的減速器零部件其保護(hù)作用。
圖 2.5輪邊減速器結(jié)構(gòu)方案一
這種結(jié)構(gòu)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)具有合適的傳動(dòng)比。作者按照電動(dòng)汽車的基本參數(shù)及要求，所設(shè)計(jì)的這套結(jié)構(gòu)具有i=4的傳動(dòng)比，對(duì)于微型電動(dòng)汽車較為合適。
(2)節(jié)省傳動(dòng)空間。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，充分利用了車輪的內(nèi)部空間，這對(duì)于電動(dòng)機(jī)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(gè)數(shù)、減輕了重量，對(duì)于減小非簧載質(zhì)量有利。
同時(shí)，本設(shè)計(jì)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(jì)方案定制輪輞。而在汽車設(shè)計(jì)中，輪輞常作為標(biāo)準(zhǔn)件選用，尤其是對(duì)單件設(shè)計(jì)而言。
(2)對(duì)輪轂的支撐剛度和強(qiáng)度要求較高。由于傳動(dòng)方式的限制，為了能為行星齒輪傳動(dòng)部分提供安裝空間，因此只能將輪輞的寬度增加。同時(shí)，固定不動(dòng)的轉(zhuǎn)臂是通過軸承與輪輻相聯(lián)接的，從而對(duì)輪輞及輪輻的支撐剛度和強(qiáng)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(dòng)裝置，因此只能在車輪外側(cè)添加輻板，這在安裝上也會(huì)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(shí)，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(diǎn)設(shè)計(jì)在行星減速器的橋殼上，這有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。
通過以上的對(duì)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(jì)。即以行星齒輪傳動(dòng)作為微型電動(dòng)汽車輪邊減速器的減速連主體，且行星傳動(dòng)系采用圖 2.4 (b)所示的中心輪為主動(dòng)件、行星輪為從動(dòng)件、齒圈固定的形式。
這種結(jié)構(gòu)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)具有合適的傳動(dòng)比。作者按照電動(dòng)汽車的基本參數(shù)及要求，所設(shè)計(jì)的這套結(jié)構(gòu)具有i=4的傳動(dòng)比，對(duì)于微型電動(dòng)汽車較為合適。
(2)節(jié)省傳動(dòng)空間。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，充分利用了車輪的內(nèi)部空間，這對(duì)于電動(dòng)機(jī)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(gè)數(shù)、減輕了重量，對(duì)于減小非簧載質(zhì)量有利。
同時(shí)，本設(shè)計(jì)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(jì)方案定制輪輞。而在汽車設(shè)計(jì)中，輪輞常作為標(biāo)準(zhǔn)件選用，尤其是對(duì)單件設(shè)計(jì)而言。
(2)對(duì)輪轂的支撐剛度和強(qiáng)度要求較高。由于傳動(dòng)方式的限制，為了能為行星齒輪傳動(dòng)部分提供安裝空間，因此只能將輪輞的寬度增加。同時(shí)，固定不動(dòng)的轉(zhuǎn)臂是通過軸承與輪輻相聯(lián)接的，從而對(duì)輪輞及輪輻的支撐剛度和強(qiáng)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(dòng)裝置，因此只能在車輪外側(cè)添加輻板，這在安裝上也會(huì)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(shí)，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(diǎn)設(shè)計(jì)在行星減速器的橋殼上，這有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。
通過以上的對(duì)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(jì)。即以行星齒輪傳動(dòng)作為微型電動(dòng)汽車輪邊減速器的減速連主體，且行星傳動(dòng)系采用圖 2.4 (b)所示的中心輪為主動(dòng)件、行星輪為從動(dòng)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(dòng)形式，在方案對(duì)比論證中找到了合理的設(shè)計(jì)方案。
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)
3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能參數(shù)的確定
3.1.1 整車性能要求
微型電動(dòng)車的原始性能參數(shù)：
1)整車滿載質(zhì)量：1000kg
2)最高車速： 60km／h
3)最大爬坡度：20％
4)0一30km／h加速時(shí)間：不大于8秒
5）車輪半徑R：275mra
6）減速比i：·5
3.1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)計(jì)算(兩輪驅(qū)動(dòng))
(1)按最大爬坡度要求估算電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩
以l0km／h的時(shí)速爬20％的最大坡度時(shí)，電機(jī)應(yīng)滿足如下轉(zhuǎn)矩要求：
（3.1）
式中R代表輪胎半徑，F(xiàn)代表計(jì)算所得阻力。
克服阻力所需要的功率：
（3.2）
取Mmax=60Nm。此時(shí)單個(gè)電機(jī)需提供大于5960.5／2=2980W的功率。
(2)電機(jī)額定功率估算
設(shè)汽車以V(km／h)的時(shí)速行駛作為電機(jī)額定工況，地面滾動(dòng)阻力：
，又因電機(jī)內(nèi)阻隨著轉(zhuǎn)速的提高而增大，所以滾動(dòng)阻力要比此計(jì)算值大，計(jì)算后取取值250N，則滾動(dòng)阻力為：
（3.3）
設(shè)V=30 km／h，
輪轂電機(jī)扭矩：
（3.4）
克服阻力所需要的功率：
（3.5）
輪轂電機(jī)額定功率：
Po=2366．67／2=1183．34W。為保證安全性留有余量，取額定功率：Po=1500W。電動(dòng)汽車正常工況下的車速為30km／h。額定轉(zhuǎn)矩Mo=P／w=1500／30=50Nm。故電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為。
（3）按汽車加速性要求估算電機(jī)峰值功率
設(shè)汽車在秒內(nèi)，啟動(dòng)加速到時(shí)速 (km／h)，則其加速慣性力為
（N） （3.6）
加速期間的行駛總阻力為
（N） （3.7）
行駛所需的功率需求為
（W） （3.8）
電機(jī)轉(zhuǎn)矩為
（Nm） （3.9）
電機(jī)功率為
（W） （3.10）
設(shè)秒， 則
(N) （3.11）
（W） （3.12）
故電機(jī)峰值功率應(yīng)大于5523.5W，可取。
（4）最高車速下的電機(jī)功率校驗(yàn)
設(shè)最高車速為，則此時(shí)的風(fēng)阻為
（3.13）
地面滾動(dòng)阻力，，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，內(nèi)阻增大，所以滾動(dòng)阻力要比此計(jì)算值大，取與額定功率計(jì)算中相同的值。
總阻力為：
（3.14）
輪邊力矩：
M=F／2×0．275 （3.15）
輪邊所需總功率為：
（3.16）
輪轂電機(jī)功率：
（3.17）
設(shè)=60km／h。
此時(shí)，=386N，M=53Nm，P=6433／2=3216W<5600w。
(5)120V輪轂電機(jī)綜合性能指標(biāo)確定
最后，我們列出了電機(jī)所需的參數(shù)，如表3.1所示。
表3.1 20V微型電動(dòng)場(chǎng)館車用內(nèi)轉(zhuǎn)子—減速型輪轂電機(jī)特性參數(shù)
名 稱
單個(gè)電機(jī)
2個(gè)電機(jī)總功率
電機(jī)額定功率(kw)
1.5
3.0
電機(jī)峰值功率(kw)
5.6
11.2
電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩(Nm)
10
電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩(Nm)
60
電機(jī)額定轉(zhuǎn)速(rpm)
1450（30km/h）
初定減速比5
電機(jī)最高轉(zhuǎn)速(rpm)
2900(60 km/h)
初定減速比5
3.2 減速器關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)
3.2.1 行星齒輪傳動(dòng)齒數(shù)分配應(yīng)滿足的條件
(1)傳動(dòng)比條件
在行星齒輪傳動(dòng)過程中，各齒輪齒數(shù)的選擇必須確保實(shí)現(xiàn)所給定傳動(dòng)比ip的大小，對(duì)于2K-H(NGW)型：
（3.18）
（3.19）
式中：
—相對(duì)于太陽(yáng)輪b，以太陽(yáng)輪a為輸入，行星架x為輸出時(shí)系統(tǒng)的傳動(dòng)比。
(2)鄰接條件
在設(shè)計(jì)行星齒輪傳動(dòng)時(shí)，為了進(jìn)行功率分流，而提高其承載能力，同時(shí)為了減少其結(jié)構(gòu)尺寸，使其結(jié)構(gòu)緊湊，經(jīng)常在太陽(yáng)輪a和行星架內(nèi)齒輪b之間均勻的、對(duì)稱的布置幾個(gè)行星輪c。為了使各行星輪不產(chǎn)生碰撞，必須保證它們齒頂之間在其連心線上有一定的問隙，即兩相鄰行星輪的頂圓半徑之和應(yīng)小于其中心距LC[17]。即：
（3.20）
式中：
,—分別為行星齒輪C齒頂圓半徑和直徑。
—行星齒輪的個(gè)數(shù)。
—相鄰兩個(gè)行星齒輪中心之間的距離。
—a，c 齒輪嚙合副的中心距。
本減速器選取=3。
(3) 同心條件：保證中心輪和行星架軸線重合條件下的正確嚙合，為此幾對(duì)嚙合齒輪間的中心距必須相等。
(4) 安裝條件
在行星齒輪傳動(dòng)中，如果僅有一個(gè)行星輪，即np=1，只要滿足上述同心條件就能保證裝配。為了提高承載能力，大多采用幾個(gè)行星輪。同時(shí)，為了使嚙合時(shí)的徑向力相互抵消，通常，將行星輪均勻的分布在行星傳動(dòng)的中心圓上。
所以，對(duì)于具有np>1的行星齒輪傳動(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(duì)于本論文中的2Z-X(A)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+zb)應(yīng)為行星輪數(shù)np的倍數(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??；并且又能減少金屬的切削量，節(jié)省材料，降低N-v成本。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：
=19，=29，=77。
故而，傳動(dòng)比=5.05263。
3.2.2 齒輪受力分析和強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算
小齒輪選擇材料為40Gr(調(diào)質(zhì))，硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))，硬度為240HBS。
工作壽命6×300×8×60×1450=1.2x109次
電機(jī)輸出軸額定扭矩為：
To=10Nm
電機(jī)輸出軸最大扭矩為：
Tmax=60Nm
中心輪每個(gè)功率分流上所承受的轉(zhuǎn)矩為
=3.33N·m
按齒面接觸強(qiáng)度初算小齒輪分度圓直徑d1
（3.21）
式中：
Kd一算式系數(shù)，對(duì)于鋼對(duì)鋼配對(duì)的齒輪副，直齒輪傳動(dòng)Kd=768。
KA一使用系數(shù)，由文獻(xiàn)[17]結(jié)合實(shí)際工況，表6—7查得KA=1.5。
一綜合系數(shù)，由文獻(xiàn)[17]，表6—5查得=2.2。
一計(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7-9查得=1.45。
—齒寬系數(shù)，由文獻(xiàn)[18]，表10—7查得=0.6。
u—齒數(shù)比，即=1.47。
一試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度，由文獻(xiàn)[17]，表6—13查得700MPa．
其中a輪選擇45 Gr(調(diào)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:
d1=34.55mm
結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要，我們?nèi)1=38mm。
(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：
（3.22）
式中：
Km一算式系數(shù)，由文獻(xiàn)[17]對(duì)于直齒輪傳動(dòng)，km=1.2l。
KA一使用系數(shù)，由文獻(xiàn)[33]，表6—7查得KA=1.5。
KFp一計(jì)算彎曲強(qiáng)度的行星輪間載荷分布不均勻系數(shù)：
KFp=1+1.5(KHp-1)=1.675
KFE一綜合系數(shù)，由文獻(xiàn)[17]，表6—5查得KFE=1.9。
YFa1一小齒輪齒型系數(shù)，由文獻(xiàn)[18]，表10—5查得YFa1=2.85。
一齒寬系數(shù)，由文獻(xiàn)[18]，表10—7查得=0.6。
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中較小的，得=300MPa。
計(jì)算得：m=1.1。
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)=2。
3.2.3 齒面接觸強(qiáng)度的校核計(jì)算
(1)齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核計(jì)算
（3.23）
（3.24）
式中：
一使用系數(shù)，由文獻(xiàn)[17]，表6—7查得=1.5。
一動(dòng)載系數(shù)，由文獻(xiàn)[17]，表6—6查得=1.2。
一計(jì)算接觸強(qiáng)度的齒向載荷分布系數(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 =1。
一計(jì)算接觸強(qiáng)度的齒間載荷分配系數(shù)，由文獻(xiàn)[17]，表6—9查得=1.0。
一計(jì)算接觸強(qiáng)度的行星輪間載荷分配不均勻系數(shù)，由文獻(xiàn)[17]，可取。
一小齒輪分度圓直徑。
Ft一端面內(nèi)分度圓上的名義切向力。
b一工作齒寬，b=·d=22.8mm。
u-齒數(shù)比，即u==1.47。
ZH一節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，由文獻(xiàn)[17]，公式6—61算得ZH=2.5。
ZE一彈性系數(shù)，由文獻(xiàn)[17]，表6—10查得，ZE=189.8。
Zr一重合度系數(shù)，由由文獻(xiàn)[17]，式6—63計(jì)算得Zr=1.15。
一螺旋角系數(shù)，對(duì)于直齒輪，=1。
計(jì)算得：
317.89Mpa
512.12Mpa
許用接觸應(yīng)力
（3.25