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用于简易代步器的轮毂电机设计方案二一三年六月一、 轮毂国内外研究现状（一）概述早在20实际50年代初，美国人罗伯特就发明了一种将电动机、传动系统和制动系统融为一体的轮毂装置。该轮毂于1968年被通用电气公司应用在大型的矿用自卸车上。今年来，随着电动汽车的兴起，轮毂电机重新引起了重视。轮毂电机驱动系统的布置灵活，可以使电动汽车成为两个前轮驱动、两个后轮驱动或四轮驱动。与内燃机汽车和单电机集中驱动电动汽车相比，使用轮毂电机驱动系统的汽车具有以下几个方面优势：（1） 动力控制由硬件连接改为软连接形式。通过电子线控技术，实线各电动轮从零到最大速度的武技变速和各电动轮间的差速要求，从而省略了传统汽车所需的机械式操纵换挡装置、离合器、变速器、传动轴和机械差速器等，使驱动系统和整车结构简洁，有效可利用空间大，传动效率提高。（2） 各电动轮的驱动力直接独立可控，使其动力学控制更为灵活、方便；能合理控制各电动轮的驱动力，从而提高恶劣路面条件下的行驶性能。（3） 容易实现各电动轮的电器制动、机电复合制动和制动能量回馈。（4） 底架结构大为简化，使整车总布置和车身造型设计的自由度增加。（5） 对于两轮的代步器，使用双轮毂电机，可以进行原地转向。若采用轮毂电机驱动系统的四轮电动汽车上导入四轮转向技术，实现车辆转向行驶高性能化，可有效减小转向半径，甚至实现零转向半径，大大增加了转向灵活性。（二）国内研究现状(1)自驱动式横向磁场轮毂电机，其定子转子如下图所示。电机永磁磁极与丁字绕组通电后c形铁轭两个极性相反齿面等效磁极相互作用，转子会朝某个方向旋转。当转子转过一定角度后，适时改变绕组电流方向，就能使转子朝某一个方向持续旋转。电机具有效率高，控制性能好，绕组无端部，利用率高。但c行铁轭数量较多。而且要求大小一致，加工工艺复杂、成本高。转子由永磁与铁磁材料站结而成，对永磁体和铁磁材料加工误差比较严格，同时要求保证整个转子的轴向公差较小。另外，永磁体之间的相互作用力、永磁体与铁磁材料间的组用力以及材料受温度的影响，这些都要求转子各小块、转子与转子固定装置之间要有足够的机械强度，加工难度大，还要保证转子在定子的中间部位，防止转子在轴向和周向的振动，装配叫困难。同时电机的转矩脉动大，漏磁大，功率因素低，永磁体数量多，成本高，其应用受到了一定限制。（2）多态轮毂电机。该电机应用在哈尔滨工业大学爱英斯电动汽车研究所研制开发的ev96-1型电动汽车上，其耳钉功率为6.8kw，峰值功率达15kw，最大扭矩达到25nm，电机冷却采用风冷方式，通过电磁式的旋转器检测转子角度变化，实现电机的正确换相（构造如下图）。是一种外转子永磁驱动电机，采用双倍混合式磁路结构，具有同步电动机和感应电动机的双重特性，功率密度高，效率高，脉动小。但该电机加工工艺比较复杂，采用计算机控制，控制系统复杂，成本高。（3）国内代表性成果：南京航空航天大学的刘闯研究出了一款24极36槽的开关磁阻轮毂电机，具有良好的nt特性，但转矩波动较大，额定点的效率仅为71.8%；天津大学的夏长亮擦用混合sumt法对额定功率135w的直流无刷轮毂电机进行了优化设计，使电机有效材料的成本降低了30元；浙江大学的廖海平设计了一台直流无刷轮毂电机，该电机采用内转子结构、集中绕组方案，有效缩短了端部长度，效率达到78%；上海大学的张东设计了一款齿槽转矩仅占额定转矩4%，气隙长度0.6mm，功率2000w的轮毂电机，该电机的综合性能较高；文献利用能量法和傅里叶解析法，推导了内转子式永磁同步轮毂电机齿槽转矩的解析模型，并提出了齿槽转矩的优化措施。另外沈阳工业大学、山东大学等院校以及北京科学院三环电机、上海21所、湖北亿州电机、浙江卧龙电机等企业对轮毂电机相关也进行了深入研究。（三）国外研究现状（1）日本、美国、法国对轮毂电机的研究比较早，技术方面比较成熟。法国tm4公司设计制造的一体化轮毂电机（图如下），它是外转子永磁式电机，电机永磁体转子同时也是轮毂的一部分，将轮胎直接安装在永磁体转子上，该电机采用的是鼓式制动系统，制动鼓与电机转子设计成一体，实现了电机转子、轮毂以及制动器的高度集成，减轻了轮毂电机系统对非弹簧质量的增加量，车辆的控制性能能够得到较好的改善。但该电机结构复杂，加工精度要求高，温升较高，维修困难，电机轴向长度限制严格。（2）英国pml flightlink公司研制的轮毂电机，目前主要应用在volvo rechange c30 混动动力汽车和ford-50纯电动汽车上。电机的设计比较特殊，电机由几个可单独运行的子电机系统构成，电机运行时由各个子电机系统共同提供转矩和功率，即使有某个自动机系统损坏，也不至于整个电机停止运转。但是由于各个子电机系统都需要一个逆变器和功率器件组成的控制系统，控制系统复杂，成本高。同时，电子元件体积很小，控制器焊接困难，似的电机系统结构复杂，温升较高，维护苦难。（3）俄罗斯一位博士曾经研制了一款高转矩密度的轮毂电机，其转子结构示意图如下。该电机采用了内外双转子结构，使电机有限的空间得到了充分利用，永磁体黏贴在转子上，通过增加永磁体的体积提高了电机的性能，但同时增加了电机成本。在相同技术指标的前提下，该电机定子绕组的用铜量少，热损耗小，效率高。电机定子齿是独立的，有利于绕线，但同时对齿的固定提出了更高要求，加工工艺复杂，成本较高。（4）国外研究成果：新家皮南阳理工大学饿king-jet tseng研究了一款22极20槽的直流无刷轮毂电机，对永磁体参数、电枢磁路进行了优化，该电机具有高转速、大转矩的特点；日本三洋电机的yoshio tomigashi分析了气隙参数对轮毂电机性能的影响，并最终选定了气隙长度0.4mm的方案；韩国工业技术研究院的kyung-su kim给出来轮毂电机电磁参数计算的详细过程，该电机的特性为转矩波动1.84%，电机效率92.6%；德国的ewgenij starschich 局域matlab/simulink 对高转矩和高转速轮毂电机的性能进行了综合仿真分析；马来西亚科技大学的azira adnan以气隙磁密、反待定弄湿波形及齿槽转矩为考虑因素，综合分析了不同极槽配合的轮毂电机的性能，认为8极9槽最有方案。此外日本的雅马哈发动机、本田、美国的优尼科。德国的奔驰、boscn，应该的asghbagh等知名企业也在轮毂电机技术上做了相关研究性工作。（四）应用现状分析（1）电动汽车20世纪70年代，由于环境和能源问题的突出，电动汽车成为各国研究的重点。国外有很多研究所和公司都对轮毂电机进行了专项研究，并已经开始将其应用到十几产品中。美国通用汽车高级技术研发中心成功的将延至的轮毂电机应用到雪佛兰s-10皮卡车中。该电机给车轮增加的终了只有月15kg，却可以产生越25kw功率，产生扭矩比普通的雪佛兰s-10四缸皮卡高出60%，加速性能也有所提高。日本对轮毂电机的研究起步早，其技术在世界上处于领先水平。日本庆应义塾大学清水浩教授领导的电动汽车研究小组在过去的十几年中，研制的iza、eco、kaz等电动汽车均采用轮毂电机驱动技术。其中后轮驱动电动汽车eco采用永磁无刷直流电机，额定功率6.8kw，峰值功率可达20kw。日本的各大公司也在2003年东京汽车展上纷纷推出了自己的轮毂驱动产品。法国的tm4公司设计的一体化电动轮，采用外转子式永磁无刷直流电机，额定功率为18.5kw，额定转速为950r/min，额定工况下的平均效率可以达到96.3%；峰值功率可达80kw，峰值扭矩可达670nm，最高转速为1385r/min。（2）电动自行车目前，国内外绝大部分电动自行车都采用轮毂电机驱动方式。厂家无需对车型较大的改变即可装配，且没有传动机构，结构十分简单。日本电动自行车业十分发达，日本大部分公司都推出各自的品牌：雅马哈公司“yamaha pass”、松下“v iv i”、丰田的“lacd is”等。（3）其他领域轮毂电机还广泛应用于其他领域、如电动摩托车、电动轮椅车、电动滑板车、高尔夫球车、大型矿用自卸车。二、 轮毂电机的驱动系统（一） 驱动方式轮毂电机的驱动方式可以分为减速驱动和直接驱动两大类。在减速驱动方式如右图，电机一般在高速下运行，而且对电机的其他性能没有特殊要求，因此可以用普通的内转子电机。减速机构防止在电机和车轮之间，起减速和增加转矩的作用。减速驱动的有点是：电机运行在高速转速下，具有较高的比功率和效率；体积小，重量轻，通过齿轮增力后，扭矩大、爬坡性能好，能保证在汽车低速运行时获得交大的平稳转矩。不足之处是：难以实现液态润滑，齿轮磨损快、使用寿命短，不易散热，噪声偏大。减速驱动方式适合用于丘陵或山区，以及要求过载能力较大、旅游健身等场合。在直接驱动方式下(见图右)，电机多采用外转子。为了使汽车能顺利起步，要求电机在低速时能提供大的转矩。此外，为了使汽车能够有较好的动力性，电机需要具有较宽的调速范围。直接驱动的优点有：不需要减速机构，不但使得整个驱动结构更加简单、紧凑，轴向尺寸也减小，而且效率进一步提高，响应速度也快。其缺点是：起步、顶风或者爬坡等，承载大扭矩时需要大电流，易损坏电池和永磁体；电机效率峰值区很小，负载电流超过一定值后效率急剧下降。此方法适用于平路或负载较轻的场合。（二） 电机类型对电机的性能要求有较宽的调速范围、较高的转速、足够大的启动扭矩，以及体积小、重量轻、效率高、并具有强动态制动和能量回馈等性能。目前，市场上使用的电动机主要有异步电动机、永磁无刷电动机和开关磁阻电动机、横向磁场电机等四类。（1） 异步电动机异步电机在四类电机发展历史中最为长久，其设计、制造以及控制技术都相对成熟，且具有结构简单、制造同一、费用低、高可靠性等优点，收到欧美国家的青睐。但此类电机也存在一些缺点：效率不高（特别是在低速时）、功率密度一般；是一个强耦合、多变量、非线性的系统，需采用适量控制和直接转矩等控制手段，控制成本较高。（2） 永磁无刷电动机与其他电机相比，永磁无刷电机具有功率密度高、效率高、体积小、结构简单、输出转矩大，可控性好、可靠性高、噪声低等一系列优点。其缺点是：因守永磁材料的仙子，目前最大电机功率也只有几十千瓦；其次，永磁转子的励磁无法调节，导致电机调速困难，调速范围不宽。（3） 开挂磁阻电动机开关磁阻电机是近20年才发展起来的一种新型调速电机，具有简单可靠、可在较宽转速和转矩范围内高校运行、可四象限运行、响应速度快和成本较低等优点。但其缺点也很多：转矩存在较大的波动，振动大，噪声大；系统非线性，建模困难，控制承办高；功率密度低等。（4） 横向磁场电机横向磁场电机最早是德国著名电机专家h.weh与上世纪80年代末提出，并将之使用到典礼船舶、电动汽车上。与其他电机相比，横向磁场电机的有点十分突出：实现了电路和磁路解耦，设计自由度大大提高；高转矩密度，大约是标准公用异步电机的510倍，且特别适合应用于要求低速、大转矩场合，绕组形式简单，不存在传统电机的端部，绕组利用率高；各相间相互独立；效率高；控制电路与永磁无刷电机相同，可控性能好。其缺点在：永磁体数目多，用量大，结构比较复杂，工艺要求高，电机成本高；漏磁严重；功率因素低；自定位转矩较大等。综合比较：（三） 调速原理其基本原理，如右示意图所示。通过控制器，经过功率发达，直接作用在轮毂电机上，来控制轮子的运行速度。三、 轮毂电机的机械设计方案设计要求：根据工作环境，在平坦或者有一定坡度的良好底面行驶，整体（包括负重）重量为150kg，行驶速度为20km/h，轮子与地面为滚动摩擦。允许转速偏差5%；输出功率500w以内。（一） 方案一 一体式轮毂电机这一方案是我们的最初方案，由于在电磁场设计这一块中，我们的电磁场相关知识局限，选用的软件ansoft maxwell14操作没有熟练掌握，对设计计算具体的工作起到了很大阻力。考虑到时间上、能力上的可行性问题，我们对此方案的设计仅停留在较浅层次理论认识阶段。一下使我们对一体式轮毂电机的构造认识。1.电机总体结构分析：（1） 电机相数永磁无刷直流电机的分相，可以是两相、三相、五相甚至是十二相的。相数多少不仅决定了电动机的各项技术的指标和，同时也影响电机的经济指标。在相同的体积和相同电压、电流条件下，两相电机的电路最简单，元件和开关用量最少，成本最低。但是他的转矩也最小、转矩脉动最大。相反，相数越多，产生的转矩脉动和噪声较小，但是定子电枢绕组的绕线困难，利用率低，控制系统复杂。目前多小型电机采用三、四相。为了减少电机杂散损耗，我们设想用三相绕组采用星形接法。（2） 极槽配合由于分数槽绕组电机效率高、成本低、转矩脉动小、体积小等诸多优点，在电机领域被广泛应用。电机脉动一直是制约永磁无刷电机性能提高的一个重要瓶颈，影响电机在性能要求的进一步发展。借鉴文献，选取23对磁极（23块永磁体、23个隐极），51个定子槽。（3） 电枢绕组在电机带动负载后，绕组通过一定的电流，产生足够的输出转矩。电机的绕组分类标准不同，分类页不同，根据不同的需要选择合适的绕组类型。对于永磁无刷直流电机需要满足一下基本条件：1）绕圆周排列的绕组道题通电后生成与转子磁极相同的级数；2）用较少的通材料获得最大的后转矩和反动电势；3）绝缘性好，温升低，可靠性高。参考文献提供绕组方法为y型连接，展开图如下：（4） 永磁体结合转子定子的大小，确定永磁体的大小，v=2.4*103mm3。材料在铝镍钴、铁氧体永磁材料、稀土钴永磁材料等中选取。关于气隙设计、减小磁漏，来确定永磁体的长度宽度等尺寸。（5） 转子外转子，其外径尺寸与轮毂配合，内径与定子配合，厚度结合永磁体的结构设计。（6） 定子定子尺寸，考虑外径与转子的气隙大小，内径与轴固定，其厚度与绕组线圈有关。（7） 其他部件端盖设计：端盖是将转矩传递给汽车轮毂的中间部件，以法兰盘的外形设计为基准，用6个六角螺钉与轮毂连接，电机前端盖要承载车重的垂直载荷，又要传递扭矩，因此强度设计较大。此外，还有一定的保护作用。轴的设计：机外转子与前后端盖固定一起，电枢的线束冲轴引出，对轴的出线孔设计要考虑运行环境等。2.方案分析对此方案，简图如右边示意图在构思这个方案过程中，我们了解了对一体式直接驱动的轮毂电机的构造。通过对永磁磁极的排布和了解、对转子和定子结构的认识、对电机特性的学习，了解到永磁无刷电机的调速性好、机械特性硬，适合作为驱动电机使用。正如之前提到，这个方案对于电磁学、电机学等专业知识要求高，方案的构思和进展就停止到此。（二） 方案二 单级圆柱齿轮减速器传动方案二设计思路：本方案的基于已经掌握熟练的直齿轮减速器设计方法，对轮毂电机工作环境做出估计运算，再计算获得传动比，确定齿轮和轴的设计，箱体的设计，最后得到和电机连接成一体的减速器，通过减小转速和增大扭矩，对轮毂实行驱动。整体尺寸：最大直径428mm，轴向长度478mm机械结构：电机、联轴器、单机圆柱齿轮减速器、法兰盘、轮毂1电机容量的选择轮胎滚动摩擦系数表路面滚动摩擦系数cr（新轮胎）滚动摩擦系数cr（旧轮胎）混凝土0.010.02雨后0.050.15沥青0.0120.022碎石0.0150.037压实地0.0350.090粘土0.0350.018沥青0.0120.022我们针对自平衡小车设计的轮毂电机，其工作环境路面应该为混凝土底面考虑底面环境因素，按较差的使用环境来计算最大功率要求，所以取滚动摩擦系数为0.075。估算小车车身及负载重150kg阻力为f=cr*m*g=150n计算 = 0.630kw两个电动机分担功率为315w计算电动机的容量：连轴器效率，= 0.99闭式圆柱齿轮传动效率，= 0.97对滚动轴承效率，= 0.99p=pw/(0.99*0.97*0.99*0.99)=335w针对该功率，我们联系了部分电机供应厂家，信息如下：厂家一：上海四宏电机有限公司型号级数相数额定电压vdc每项电阻ohms额定转速rpm额定转矩n.m最大转矩n.m额定功率w重量kg机身长mm86bldc-0018324-2200.5932000.61.82202.17786bldc-0028324-2200.2732001.23.64403.310786bldc-0038324-2200.1832001.85.46604.5137厂家二：时代超群电器科技有限公司(dt80bl系列)无刷电机型号额定功率(w)额定电压(vdc)额定转速(rpm)额定扭矩(n.m)轴径机身长(mm)极数dt80bl110-314555031045001.2141104dt80bl130-3303503630001.2141304dt80bl145-313055031030001.8141454dt80bl165-311555031015003.5141654dt80bl165-313075031030002.5141654厂家三：时代超群电器科技有限公司型号额定电压v额定功率w额定转矩n.m峰值转矩n.m额定电流a峰值电流a额定转速rpm空载转速rpm电阻极数80bl89s40-445tk0484000.81.61122450059000.12680bl89s50-445tk0485001.22.41530450059000.086根据直流永磁电机商家提供信息，我们选择电机型号为80bl130-330其性能参数如下表格：型号额定电压(v)额定功率 (w)额定转速(rpm)额定转矩（n.m)级数轴颈(mm)单价80bl130-3303635030001.24145202传动比分配轮毂直径d=400mm由于计算正常运行下的转速为n=v/(2r)=270r/min只需要满足力矩要求，驱动调速就可以达到所需的工作状态。按正常使用环境下，路面为混凝土，底面介于湿润和干燥之间时，取滚动系数为0.05；得到工作力矩为7.5nm；由于 商家并没有向我们提供该款相应的矩频特性图形；我们查阅同厂家提供的其他类似类型电机；可知峰值扭矩在3n左右。在3000r/min转速内，都能保证良好的力矩输出，而且在相对于3000转更小转速时，力矩会相应提高。考虑传动比i控制在36之间；取电机正常工作时力矩为1.6n；传动比为i=4.7；换算得到电机要求转速至少为1300r/min；电机满足该要求。参数轴名输入功率 （w）转速(r/min)输入转矩（n.m）传动比传动效率轴0（电动机轴）22013001.610.99轴1（高速轴）21813001.64.70.99*0.97轴2（低速轴）2102727.510.99轴3（轮毂）2077.5电机三维建模图象如下：整体尺寸：总宽80mm，轴向总长192mm3减速器内传动件的设计（齿轮传动设计）（1）选择齿轮材料、热处理方法及精度等级 齿轮材料、热处理方法及齿面硬度因为载荷中有轻微振动，传动速度不高，传动尺寸无特殊要求，属于一般的齿轮传动，故两齿轮均可用软齿面齿轮。查机械基础p322表1410，小齿轮选用45号钢，调质处理，硬度260hbs；大齿轮选用45号钢，调质处理，硬度为220hbs。 精度等级初选减速器为一般齿轮传动，圆周速度不会太大，根据机械设计学基础p145表57，初选8级精度。（2）按齿面接触疲劳强度设计齿轮由于本设计中的减速器是软齿面的闭式齿轮传动，齿轮承载能力主要由齿轮接触疲劳强度决定，其设计公式为： 确定载荷系数k因为该齿轮传动是软齿面的齿轮，圆周速度也不大，精度也不高，而且齿轮相对轴承是对称布置，根据电动机和载荷的性质查机械设计学基础p147表58，得k的范围为1.41.6， 取k1.5。 小齿轮的转矩m1=1.6nm 接触疲劳许用应力 ）接触疲劳极限应力由机械设计学基础p150图530中的mq取值线，根据两齿轮的齿面硬度，查得45钢的调质处理后的极限应力为=600mpa ， =560mpa ）接触疲劳寿命系数zn 应力循环次数公式为 n=60 n jth 估算取： n1=60466.798124000=6.722108 查机械设计学基础p151图531，且允许齿轮表面有一定的点蚀 zn1=1.02 zn2=1.15) 接触疲劳强度的最小安全系数shmin查机械设计学基础p151表510，得shmin1 ）计算接触疲劳许用应力。将以上各数值代入许用接触应力计算公式得 ）齿数比因为 z2=i z1，所以z2=4.7z1）齿宽系数由于本设计的齿轮传动中的齿轮为对称布置，且为软齿面传动，查机械基础p326表1412，得到齿宽系数的范围为0.81.1。取。 ）计算小齿轮直径d1 由于，故应将代入齿面接触疲劳设计公式，得=15.3mm 圆周速度v 查机械设计学基础p145表57，v1和n2=，查机械设计学基础p156图534得， yn1=1 , yn2=1 )弯曲疲劳强度的最小安全系数sfmin 本传动要求一般的可靠性，查机械设计学基础p151表510，取sfmin1.2。）弯曲疲劳许用应力 将以上各参数代入弯曲疲劳许用应力公式得 ）齿根弯曲疲劳强度校核 因此，齿轮齿根的抗弯强度是安全的。大齿轮三维建模图象如下：4.轴的设计（1） 高速轴的设计 1）理论计算 选择轴的材料和热处理采用45钢，并经调质处理，查机械基础p369表161，得其许用弯曲应力，a=106118 初步计算轴的直径 由前计算可知：p1=220w,n1=1300r/min 其中，a取112。 d18.7mm 由于齿轮直径很小，和轴相近，所以做成一体为齿轮轴。 轴的结构设计高速轴初步确定采用齿轮轴，即将齿轮与轴制为一体。根据轴上零件的安装和固定要求，初步确定轴的结构。设有7个轴段。1段：该段是小齿轮的右轴端与电动机，该轴段直径为10mm，查机械设计基础课程设计，联轴器 lt1，伸出段为25mm2段： 此轴段一部分用于装轴承盖，一部分伸出箱体外。3段：此段装轴承， 选用深沟球轴承。查机械设计基础课程设计附录d1，此处选用的轴承代号为6001，其内径为d=12mm，外径d=28mm，宽度b=19 mm，da=24mm，da=16mm。4段与6段，轴承和齿轮的轴向固定，取d=16mm，l=5。5段：此段为齿轮轴段。取d=20mm，l=30mm。7段：此段装轴承，选用的轴承与3一致。高速轴的轴段示意图如下：三位建模图象如下 按弯矩复合强度计算a、圆周力：b、径向力： ）绘制轴受力简图）绘制垂直面弯矩图轴承支反力： 由两边对称，知截面c的弯矩也对称。截面c在垂直面弯矩为如图）绘制水平面弯矩图）绘制合弯矩图）绘制扭转图转矩产生的扭剪力按脉动循环变化，取=0.6，）绘制当量弯矩图 截面c处的当量弯矩：)校核危险截面c的强度 轴上合成弯矩最大的截面在位于齿轮轮缘的c处，w0.1d43所以 轴强度足够。2）利用ansys12.0对齿轮轴进行有限元受力分析拟合已知条件小齿轮选用45号钢，调质处理，硬度260hbs；轴采用45钢，并经调质处理，。示意图：分析报告见附录一。（2）低速轴的设计1）理论计算 选择轴的材料和热处理采用45钢，并经调质处理，查机械基础p369表161，得其许用弯曲应力，a=106118。 初步计算轴的直径由前计算可知：p2=210w,n2=272r/min计算轴径公式：其中，a取106。 考虑到有一个键槽，将该轴径加大5%，则 为保证轴受力和轴承选取，设置轴d=25mm 轴的结构设计根据轴上零件得安装和固定要求，并考虑配合高速轴的结构，初步确定低速轴的结构。设有6个轴段。1段：与法兰盘连接。其轴孔直径为d1=22mm。 2段：与端盖接触取直径为d2=24mm。此轴段一部分长度用于装轴承盖，一部分伸出箱体外。3段：与轴承配合，轴承选取代号6005，内径d=25mm，外径d=47mm，宽度b=12mm，da=42mm，da=32mm。4段：此段为轴肩，作用为轴向定位固定轴承和齿轮，直径为d4=32mm，长度l=5mm。5段：轴颈与齿轮配合，通过键连接。取直接d5=28mm6段：此段装轴承和轴套，选用的轴承与右边的轴承一致，轴套内径d6=25mm，外径为轴向固定尺寸d6=32mm，轴套轴向长度为l=5mm。低速轴的轴段示意图如下：三维建模图象如下 按弯矩复合强度计算a、圆周力：b、径向力：）求支反力fax、fby、faz、fbz)由两边对称，知截面c的弯矩也对称。截面c在垂直面弯矩为受力图：）截面c在水平面上弯矩为：）合成弯矩为：）转矩产生的扭剪力按脉动循环变化，取=0.6，截面c处的当量弯矩：)校核危险截面c的强度 轴上合成弯矩最大的截面在位于齿轮轮缘的c处，w0.1d53所以轴强度足够。2）利用ansys12.0对低速轴进行有限元受力分析拟合大齿轮选用45号钢，调质处理，硬度为220hbs。轴采用45钢，并经调质处理。示意图：大轴的有限元分析见附录二。4.箱体的设计箱体的功能为为轴、齿轮提供支撑和保护，密封等功能。由于线速度小于2m/s，所以选用只润滑。材料选用铸铁。三维建模如下有限元分析示意图：（报告见附录三）5.轮毂的设计 轮毂设计与分析我们参考普通汽车轮毂进行设计轮毂设计二维cad图三维设计图整体尺寸：最大直径428mm，总宽190mm轮毂材料选择：轮毂除了其较强的装饰性外，还是一个很重要的安全件，如果选择了质量不符合要求的轮毂，表面上虽然分别不大，但可能会出现砂眼，造成漏气，甚至轻微磕碰即会使轮毂碎裂造成车毁人亡的严重事故。所以我们在选择铝合金轮毂的时候，且莫贪便宜，一定要认准品牌，找准正规生产厂家生产的产品，以免造成不必要的损失。首先我们选择铝合金轮毂其主要特点安全性好舒适度高节省油耗造型美观对轮毂进行有有限元分析（见附录四）发现铝轮毂的刚度不够，所以决定采用碳钢材料。6.法兰盘的设计通过法兰盘作为中间传动部件，将输出轴和轮毂连接，在法兰盘上有6个螺栓，与轮毂连接；法兰盘的法兰部分通过键与输出轴连接。三维建模图形如下：法兰盘整体尺寸：最大直径140mm，总宽18mm7.其他零件螺栓选择：箱体的连接： m8x25 数目：6个法兰盘连接： m6x25 数目：6个键的选择：齿轮轴： gb/t 1096输出轴：键 gb/t 1096键 gb/t 1096轴承的选择：齿轮轴：滚动轴承6001gb/t 276-1994 2个输出轴：滚动轴承6005gb/t 276-1994 2个端盖：凸缘式端盖8.减速器装配总图单极圆柱齿轮减速器整体尺寸：总长204mm，总高183mm，总宽84mm所包含的零件：齿轮轴（键gb/t 1096+滚动轴承6001gb/t 276-1994+凸缘式端盖），输出轴(大齿轮+键gb/t 1096+键gb/t 1096+滚动轴承6005gb/t 276-1994+凸缘式端盖）,箱体9.方案分析本方案的设计优点：机械结构全部我们自己设计，可以得到理想的传动比；直齿轮减速器的结构简单，装配简单；步进电机的选择，可控方便，成本低廉；设计过程中熟悉软件，并不断修改，从中获得了很大的启示，进行了很多思考。本方案设计缺点：本方案设计缺点很明显，在于结构由我们设计，其实用性不够，而且对于电机的安装和悬挂很不方便；结构占空间较大。 （三） 方案三 行星减速器的轮毂电机方案分析：如下图为该方案的简图。以行星轮减速器代替方案二中的直齿轮减速箱，其他机构基本不变。1电机容量的选择电机的选用沿用方案二中的电机。2行星减速器的选择根据方案二中的计算，选用的行星减速器的传动比应满足i在46之间。我们与部分减速器商家进行沟通，有如下商家有适合的行星轮减速器：上海玖柒精密机械有限公司lt系列行星轮减速器；上海匡城传动机械有限公司d系列行星轮减速器；上海寅通减速机有限公司pl40精密行星齿轮减速机。对比选择pl40行星齿轮减速器。3.其他改动部件输入端 键gb/t 1096输出端 键gb/t 10964.整体三维图像整体尺寸：最大直径428mm，轴向长度400mm机械结构：电机、行星齿轮减速器、法兰盘、轮毂5.方案分析本方案的特点在于使用行星轮减速器相对于直齿轮减速器有很大的优点，在于同轴、可以选用的传动比范围大，占用空间小，结构紧凑。 由于对于行星轮减速器的掌握知识不是很熟练，自己设计的时间不够充裕。但在通过商家购买成品，可以减小设计的周期，该减速器单价在500元，大批量订购可以得到优惠，成本价格可以接受。四、 轮毂电机控制系统设计（一）控制芯片选择1.芯片类型的选择轮毂电机的控制管理系统是整个系统运行的智能核心，其作用是根据各种传感信息，合理控制其余子系统的工作，以获得良好的动、静态运行性能和效率。在目前，电子电路产品的控制芯片主要分为为两大类，dsp控制与单片机控制，在芯片选择初期，我们小组对单片机和dsp芯片控制进行了相关资料的查询，并做了一定的性能对比，最终选择了性能更优异，性价比更高的dsp控制芯片。以下为我们小组所查询到的有关dsp和单片机性能的具体比较，作为选择dsp芯片的佐证：1).单片机的特点 所谓单片机就是在一块芯片上集成了cpu、ram、rom(eprom或eeprom)、时钟、定时/计数器、多种功能的串行和并行i/o口。如intel公司的8031系列等。除了以上基本功能外，有的还集成有a/d、d/a，如intel公司的8098系列。概括起来说，单片机具有如下特点： 具有位处理能力，强调控制和事务处理功能。 价格低廉。如低档单片机价格只有人民币几元钱。 开发环境完备，开发工具齐全，应用资料众多。 后备人才充足。国内大多数高校都开设了单片机课程和单片机实验。 2).dsp器件的特点 与单片机相比，dsp器件具有较高的集成度。dsp具有更快的cpu，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和fifo缓冲器。提供高速、同步串口和标准异步串口。有的片内集成了a/d和采样/保持电路，可提供pwm输出。dsp器件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使dsp器件具有高速的数据运算能力。dsp器件比16位单片机单指令执行时间快810倍，完成一次乘加运算快1630倍。dsp器件还提供了高度专业化的指令集，提高了fft快速傅里叶变换和滤波器的运算速度。此外，dsp器件提供jtag接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便，开发工具可实现全空间透明仿真，不占用用户任何资源。软件配有汇编/链接c编译器、c源码调试器。 目前国内推广应用最为广泛的dsp器件是美国德州仪器(ti)公司生产的tms320系列。dsp开发系统的国产化工作已经完成，国产开发系统的价格至少比进口价格低一半，有的如tms320c2xx开发系统只有进口开发系统价格的1/5，这大大刺激了dsp器件的应用。目前，已有不少高校计划建立dsp实验室，ti公司和北京闻亭公司都已制订了高校支持计划，将带动国内dsp器件的应用和推广。 3) .dsp器件大规模推广指日可待 通过上述比较，我们可得出结论：dsp器件是一种具有高速运算能力的单片机 从应用角度看：dsp器件是运算密集型的，而单片机是事务密集型的，dsp器件可以取代单片机，单片机却不能取代dsp。dsp器件价格大幅度下滑，直逼单片机。dsp器件广泛使用了jtag硬件仿真，比单片机更易于硬件调试。国产化的dsp开发系统为更多用户采用dsp器件提供了可能性。dsp取代单片机的技术和价格的市场条件已经成熟,大规模推广指日可待。 dsp器件的典型应用 随着dsp性能不断改善，用dsp器件来作实时处理已成为当今和未来技术发展的一个新热点。 ti公司最新推出的tms320c2xx系列具有良好的性能价格比，基本可以取代16位单片机。其中tms320c203单片价格不到人民币100元，芯片内置544字的高速sram。外部可寻址64k字程序/数据及i/o，指令周期在25ns50ns之间，实时性处理比16位单片机快2倍以上，可取代一般的单片机。tms320f206除了具有tms320c203的功能外，内置32k字零等待快闪存储器，可满足单片设计的要求，能最大限度减少用户板的体积。tms320f240的指令、dsp核与tms320c203、f206完全兼容，内置8k/16k字快闪存储器，增加了两路10位a/d，每路采样频率可达166khz，提供9路独立的pwm输出，内置sci和spi接口，内置can总线接口。这些大大增强了tms320x240的处理能力，在电机控制领域显示了强大的生命力。它是一个典型的tms320f240的用户系统，它实现如下功能： 3相pwm输出/3相电流测量/按键控制、液晶显示/rs232通信,a/d、d/a接口,62k字零等待sram,扩展的输入、输出及双向i/o口/jtag接口 结论 dsp技术的不断完善，各种dsp器件的不断推出，将为实时数字信号处理的应用创造前所未有的广阔空间。单片机用户在硬件和软件方面的设计经验可使他们很容易从单片机升级到dsp。2.芯片选择及其性能介绍tms320lf2407a是dsp(简称dsp2407)控制器24x系列的新成员，即电机数字化控制的升级产品，它采用高性能静态cmos技术，使得供电电压降到3.3v，减小了控制器的功耗，处理性能更好(30 mips)，几种先进外设被集成到该芯片内。以下为其具体参数：封装类型:lqfp 工作温度最低:-40c工作温度最高:125c dsp类型:定点mmac:40 器件标号:320存储器容量, ram:5kb 封装类型:剥式工作温度范围:-40c to +125c接口类型:can, sci, spi 电源电压 最大:3.6v电源电压 最小:3v 系列:tms320芯片标号:320lf2407 表面安装器件:表面安装逻辑功能号:320lf2407 针脚数:100频率:40mhz图1 为tms320lf2407a 内部基本结构框图， 该器件采用先进的哈佛结构，流水线作业，在30 mhz 的内部时钟频率下，指令周期仅33 ns。由于其内部具有硬件乘法器，一个周期内即可完成1616 的算法，仅需33 ns。该器件内部具有时钟锁相环电路，可通过软件编程设置内部所需高频。tms320lf2407a 内部存储器中包含dram 和sram 两大类。其中，dram 分为3 个ram 块b0、b1、b2，容量依次为256 字、256 字、32 字。这些ram 都允许在1 个指令周期内访问2 次，因此数据处理能力显著增加。同时，b0 块还可通过程序配置为数据存储器或程序存储器区。若配置为程序存储器区则可在上电时将浮点算法子程序或数据表由外部慢速eprom装入该空间区， 以缓解高速处理器与慢速外设间的矛盾，从而提高控制系统的动态性。tms320lf2407a 内置采样保持的10 位精度、高速a/d 转换器，转换时间最短为500 ns。通过以上描述，我们对于该芯片有了比较充分的认识和理解，也正是因为它的优异性能我们小组最终选择了tms320lf2407a作为轮毂电机的控制芯片。同时，对于该芯片我们也在淘宝，阿里旺旺上进行了相关调研，其价格在30至50元间不等，属可承受的价格范围内。（二）控制系统电路设计在选定芯片后，我们所需要做的就是对其控制电路进行设计规划，在此处，我们最终选定的软件是altium 09 summer，在电路搭建初期，我们本选择multisim进行电路模拟仿真，但其库中芯片种类过少，而且不可自行构造，故作罢。以下为设计的各部分电路原理图：1. tms320lf2407a芯片主电路2. dac转换电路电路中,dac是指da转换电路,也就是把数字信号转换成模拟信号输出的电路3. p1-4电路4. power电源电路5. rs-232通讯接口电路个人计算机上的通讯接口之一，由电子工业协会(electronic industries association，eia) 所制定的异步传输标准接口。通常 rs-232 接口以9个引脚 (db-9) 或是25个引脚 (db-25) 的型态出现6. sram存储元电路7. led驱动电路led驱动电路的主要功能是将交流电压转换为恒流电源，并同时完成与led的电压和电流的匹配。它的另一个任务是使led的负载电流能够在各种因素的影响下都能控制在预先设计的水平上。8. 在完成电路结构原理图的模拟仿真后，通过altium，我们将所有电路整合到了同一电路板上，并进一步进行了对于pcb板子的封装，以下为截图3d视角：（三）控制系统程序编制 图2 闭环调速控制系统框图图2为在轮毂电机系统中的闭环调速控制系统原