毕业设计（论文）-基于UG电动汽车传动系统减速器方案优化设计（全套图纸）

摘要 环保与节能是当前全世界发展的一大主题。我国也提出建设节约型 社会的基本国策，实现这一目标的重要手段就有电动汽车。由于国家的 支持，社会的需要，电动汽车正处于发展的上升期。但是也面临着许多 难以解决的问题。电池、电机、控制系统的性能与价格问题，使得电动 汽车的发展遇到难题。本文主要介绍了电动汽车的控制系统，电动机， 汽车主减速器等电动汽车汽车核心部件的发展状况，未来电动汽车控制 系统的发展趋势，并指出了研究的重点与难点。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 汽车主减速器和差速器是汽车传动中的最核心的部件之一。它能够 将传动装置产生的发动机转矩传给驱动车轮，以实现降低速度增大扭矩。 本次设计的是有关家用轿车汽车的传动系统以及主减速器总成。并使其 具有通过性。本次设计通过对市面上各种不同形式样式的控制系统，电 机，减速器的对比后，参考实际家用轿车为原始设计参数，对比不同类 型的控制系统、电机、减速器后。确定主传动比，并对其中主要的齿轮 进行齿面接触强度和齿轮弯曲强度进行校核。对轴承的选用在满足需求 的基础上，力求结构简单，寿命长，经济实惠。对轴的设计过程中，着 重于齿轮的安置，并对其所受最大载荷的危险截面进行了强度校核。最 终设计出一种合理可靠，经济实惠的电动汽车减速器。希望能对电动汽 车发展尽绵薄之力，让世界生态环境越来越好。 关键词关键词：电动汽车，控制系统，主减速器，电机，轴承，传动比 Abstract Environmental protection and energy conservation is a major theme of the current development of the world. China also put forward the construction of a conservation oriented society, the basic national policy, to achieve this goal is an important means of electric vehicles. Due to the support of the state, the needs of the community, electric vehicles are in the development of the rising period. But there are many difficult problems to solve. Battery, motor, control system performance and price issues, making the development of electric vehicles encountered problems. This paper mainly introduces the control system of electric vehicle, motor vehicle main reducing gear for electric vehicles, such as core auto parts development, the future electric vehicle control system development trend, and points out the emphases and difficulties of the research. Automobile main reducer and differential is one of the most important parts in automobile transmission. The engine torque of the transmission device can be transmitted to the driving wheel to realize the reduction of the speed increasing torque. This design is about the cars drive system and the main reducer assembly. And make it through sex. This design through to market a variety of different forms of control system, motor, reducer after contrast, reference actual domestic car as the original design parameters, comparison of different types of control system, a motor, a speed reducer. Determine the main transmission ratio, and the main gear tooth contact strength and gear bending strength to check. Bearing selection on the basis of meeting the needs, and strive to simple structure, long life, economic benefits. In the design process of the shaft, the gear placement is emphasized, and the strength check of the dangerous section of the maximum load is carried out. Finally, the design of a reasonable and reliable, affordable electric vehicle reducer.We hope to contribute the development of electric vehicles, to make the world better ecological environment. Key words: electric vehicle, control system, main reducer, motor, bearing, transmission ratio 目目 录录 引言 . 1 第一章绪 论 . 1 1.1 课题研究背景 . 1 1.2 研究的意义 . 1 1.3 电动汽车发展状况 2 1.3.1 国外电动汽车的发展概况 . 3 1.3.2 我国电动汽车的研究开发 . 3 1.4 研究内容 . 4 第二章整体设计方案 . 5 2.1 驱动方式简介 . 5 2.2 电动汽车驱动系统的比较 . 5 2.3 驱动系统的确定 . 6 2.4 纯电动汽车整车参数及性能指标确定 . 7 第三章驱动电机和电池匹配 . 9 3.1 驱动电动机种类比较及选择 . 9 3.2 驱动电机型号的确定及参数 10 3.3 传动比的确定 12 3.4 蓄电池的参数匹配 . 13 第四章汽车主减速器设计 . 16 4.1 汽车主减速器概述 . 16 4.1.1 主减速器的作用 16 4.2 主减速器分类及介绍 . 17 4.2.1 按数目分类 17 4.2.2 按传动比档数分 17 4.2.3 按结构型式分 17 4.2 主减速器结构的设计 . 17 4.3.1 主减速器类型确定 18 4.3.2 主减速器主动锥齿轮的支承型式及安置方法 18 4.3.3 主减速器从动锥齿轮的支承型式及安置方法 19 第五章主减速器的基本参数选择与计算载荷的确定 . 20 5.1 齿轮计算载荷的确定 . 20 5.2 主减速器齿轮基本参数的选择 . 21 5.2.1 齿数的选择 21 5.2.2 节圆直径的选择 22 5.2.3 齿轮端面模数的选择 23 5.2.4 齿面宽的选择 23 5.2.5 双曲面齿轮的偏移距 E 值 . 23 5.2.6 齿轮螺旋方向 24 5.2.7 螺旋角 的选择 24 5.2.8 齿轮法向压力角的选择 26 5.3 螺旋锥齿轮几何尺寸计算 . 27 5.4 主减速器螺旋锥齿轮强度计算 . 29 5.4.1 计算圆周力 29 5.4.2 轮齿弯曲强度： 31 5.4.3 轮齿接触强度： 32 5.5 齿轮的材料及热处理： . 33 第六章轴承的选用 . 35 6.1 锥齿轮齿面上的作用力 . 35 6.2 齿宽中点处的圆周力 . 36 6.3 齿轮的轴向力和径向力 . 37 6.4 主减速器轴承载荷的计算 . 38 6.4.1 齿轮轴承径向载荷的计算 38 6.4.2 轴承的校核 39 6.5 本章小结 . 42 第七章轴的设计与校核 . 43 7.1 主动齿轮轴的机构设计 . 43 7.2 主动锥齿轮轴的校核 . 43 7.3 本章小结 . 46 第八章绘图 . 47 结 论 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 引言 1 引言 环境污染日益严峻，能源危机日益逼近。汽车行业正面临着极为严峻的挑战。为 了实现汽车行业的可持续发展， 以电能为主的电动汽车正逐步成为各国汽车研发的重 点。汽车的主减速器作为汽车驱动系统中非常重要的传力部件，是汽车的关键的部件 之一，也是研发的重中之重。 随着科技的发展，汽车的驱动系统结构多种多样。汽车减速器也出现许多不同种 类，主要是根据其齿轮类型、主、从动齿轮的安置方法和减速型式的不同而异。本文 进行了汽车驱动系统的整体系统构型设计，以及电动机的设计和电池匹配，在其基础 之上主要进行了主减速器的设计。主减速器设计的好坏关系到汽车的动力性、经济性 以及噪声、寿命等诸多方面。协调好各方关系以达到满足使用要求的最佳目标非常重 要。希望本设计方案能为电动汽车减速器的发展尽微薄之力。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪 论 1.1 课题研究背景课题研究背景 环保与节能是二十一世纪全世界发展的主题。自世界上第一辆汽车由德国人卡 尔本茨（18441929）于 1885 年 10 月研制成功，到今天各式各样的汽车，有 100 多年的历史，汽车已成为人们生活中不可缺少的代步工具。截至 2016 年 3 月底，全 国机动车保有量达 2.83 亿辆，其中汽车 1.79 亿辆。2015 年全球汽车保有量 12.36 亿 辆左右， 新能源汽车连零头都达不到。 按平均每辆汽车年消耗 10- 15 桶石油制品计算， 汽车的石油消耗量每年达到 120- 180 亿桶，占世界石油产量的一半以上。石油资源经 过长时期的现代化大规模地开采，石油资源已日渐枯竭，按科学家预测，地球上的石 油资源如果按耳前的消耗水平，石油资源仅仅可以维持 60- 100 年。石油价格的不断 上涨已对世界经济的发展形成巨大的威胁， 人类将面临更加严峻的石油资源的危机和 挑战。据估计汽车的 2 CO排量可达 2 CO总排放量的 15%以上，另外汽车排放的：一氧 化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、二氧化硫、烟尘微粒（某些重金属化合物、铅化合 物、黑烟及油雾）、臭气（甲醛等）等有害气体危及人的生命，对人体造成严重伤害。 由于技术水平和汽车排放标准的不规范，在我国由汽车排放导致的污染更甚。因此， 开发清洁、环保、智能的电动汽车，才能是汽车行业的可持续发展，也是解决能源紧 张和环境污染的有效途径1。电动汽车的优势表现为：无污染、能源利用率高、结 构简单、噪音小、经济实惠 。 汽车主减速器是汽车中的重要传力的部件。 它能够将万向传动装置产来的发动机 转矩传给驱动车轮，以实现降速增扭。主减速器对提高汽车行驶平稳性和其通过性有 着不可或缺的作用，是汽车设计重点。 1.2 研究的意义研究的意义 1、有利于摆脱对石油资源的过度依赖，保障国家能源和经济安全； 2、有利于减少污染物和温室气体排放； 3、有利于实现中国汽车产业的跨越式发展； 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 2 4、可以带动相关产业发展，培育新的支柱产业； 5、保证汽车在给定的条件下有最佳动力性； 6、保证汽车足够的离地间隙，以满足通过性要求； 7、在各种载荷和工况下有较高的传动效率； 1.3 电动汽车发展状况电动汽车发展状况 1839 年苏格兰的罗伯特安德森给四轮马车装上了电池和电动机，将其成功改造 为世界上第一辆靠电力驱动的车辆。，比 1885 年诞生的汽车要早半个世纪。第一台 可以反复充电的电动汽车是法国人乔伍(M.Gustave Trouve)发明的2。 电动汽车历经了三次发展浪潮。 第一次浪潮：在 1899 年和 1900 年期间，电动汽车的销量要比其他类型的汽车销 量都要好。实际上，根据全美人口调查局的调查显示，1900 年，电动汽车生产量占 到美国汽车总产量的 28%份额， 所出售的电动汽车总价值超过了当年汽油和蒸汽汽车 总和。电动汽车制造商在进入上世纪 20 年代，迎来了自己的春天，电动汽车生产在 1912 年达到顶峰。当时，福特生产的燃油汽车价格要比电动汽车价格便宜很多。比 如，1912 年，一款电动敞篷车的售价高达 1750 美元，而一款燃油汽车售价仅有 650 美元。并且，当时新一代的燃油汽车获得了改进，其中包括电启动，这样使得燃油汽 车操作难度大大降低。到 1935 年，电动汽车就变得很“罕见”了。 第二次浪潮：在 1970 年，美国颁布了清洁空气法案，再加上 1973 年爆发的 第一次石油危机，燃起了人们开发燃油汽车替代品的兴趣。到 1976 年，美国国会采 取措施， 通过了电动和混合动力汽车研究开发和示范法案， 该法案由美国能源部授权， 用于支持和开发电动汽车和混合动力汽车。 第三次浪潮：2006 年，特斯拉宣布计划推出续航里程达到 200 英里的电动汽车， 这条消息轰动整个电动汽车市场。到 2011 年，特斯拉拥有了其第一款电动汽车 Roadster，其续航里程超过了 240 英里，售价超过 10 万美元。尽管特斯拉已经拥有 Model S 轿车和 Model X SUV，但在很大程度上讲，它们还属于小众化产品。特斯拉 计划在 2017 年规模化生产其面向大众市场的电动汽车 Model 3， 这款汽车续航里程超 过 200 英里，售价在 3.5 美元左右。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 3 1.3.1 国外电动汽车的发展概况国外电动汽车的发展概况 美国和日本的电动汽车研究处于世界的领先地位。 在美国大汽车销售厂商制造的 电动汽车有通用 EVI 以及 S10_Electric(皮卡)、福特突击队员 EV(皮卡)、戴姆勒一克 莱斯勒 EPIC(微型面包车)等。 戴姆勒一克莱斯勒公司开发的“新电力车四代”续驶里程 已经达到 450km。通用公司批量生产的 Impact 电动汽车采用了复合材料和轻铝合金 构件、低弹滞后橡胶、薄胎面轮胎等新材料、新技术，一次充电最大续驶里程可达 196km3。 日本汽车保有量居世界第三，石油几乎全部依靠进口。因此日本政府十分重视电 动汽车的研发。早在 20 世纪 70 年代就注意了电动车辆的研究和开发，在世界上处于 领先地位。到 2011 年 3 月前，日本是毫无疑问的电动汽车第一国，拥有世界上最大 的纯电动消费群，三菱的 iMiEV 电动车就是在此时诞生的。随后，一场空前的地震 与海啸影响了日本的电动汽车发展， 这场灾难不仅引发了日本的经济衰退和消费信心 下降，而且使日本国内对核能发电的态度发生了变化。日本政府开始寻找既不用油也 不用电的汽车解决方案，受到政府的支持，丰田和本田汽车几乎放弃了电动汽车，转 而研发制造氢燃料电池车。 另外汽车发展的黄金地区欧洲也十分注重电动汽车发展， 法国是一个缺少石油的 国家，石油制品的价格很高，约是美国的 4 倍，法国大气的污染源主要来自汽车的排 放。因此，法国是全世界最积极研制和推广电动汽车的国家之一。英国是当今世界生 产电动汽车较先进和使用最广泛的国家，使用历史已有 50 年之久，上个世纪 80 年代 中期英国就有 12 万辆电动汽车在运行，目前全国已拥有 40 万辆电动汽车。瑞士、意 大利、瑞典、丹麦、奥地利、捷克、匈牙利等也都在开展电动汽车的研发工作 1.3.2 我国电动汽车的研究开发我国电动汽车的研究开发 我国政府也十分重视电动汽车关键技术的开发研究， 早在“八五”期间就将电动汽 车研究列入国家科技攻关计划。十五、十一五期间，国家科技部组织了全国范围的电 动汽车科技攻关，构建了“三纵三横”的技术框架，取得重大进展。习近平总书记和李 克强总理对推进电动汽车工作也有明确指示。在党中央和国务院的正确领导下，我国 电动汽车发展迅速。2014 年，产销量猛增至 8 万辆，跃居世界第二。2015 年，中国 更以产销 37 万辆遥遥领先于世界各国。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 4 1.4 研究内容研究内容 本文的主要研究内容为： 1、本文在借鉴传统汽车的设计方法和经验的基础上，设计了一种符合纯电动汽 车自身特点的动力系统构型方案。 2 通过家用轿车整车结构参数，对传动比参数、电动机参数、电池组容量参数， 减速器参数等关键参数进行匹配计算。 3、根据整车和各个部位参数，进行总体设计，对驱动电机和电池进行匹配。 4、为保证汽车有最佳的动力性和经济性，合理的结构以及必要的离地间隙，对 汽车主减速器的设计。 5、对轴承的选用，以及轴的设计与校核。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 整体设计方案 5 第二章 整体设计方案 2.1 驱动方式简介驱动方式简介 电动汽车与燃油汽车的主要区别在于电动汽车通过电动机代替发动机， 通过电池 代替油箱。电动汽车结构多种多样，虽然大多数的电动汽车的参数是从成熟的燃油汽 车中借鉴而来的，但电动汽车的结构和许多性能与技术参数有它本身的特征。其中电 力驱动技术被称为电动汽车的心脏。本章在理论上对驱动系统进行了设计，从而可满 足整车的动力性，同时降低成本并提高续驶里程。 2.2 电动汽车驱动系统的比较电动汽车驱动系统的比较 纯电动汽车电机驱动系统有多种不同的组合形式， 不同的电机驱动系统可构成不 同机构形式的电动汽车。电动汽车的驱动系统形式主要有以下几种：（1）传统机械 驱动形式、（2）机电集成化驱动形式、（3）机电一体化驱动形式、（4）轮毂电动 机驱动形式4具体见图 2- 1，各种驱动系统形式的对比分析见表 2- 1。 图 2- 1 常见驱动系统 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 整体设计方案 6 表 2- 1 常见驱动形式 2.3 驱动系统的确定驱动系统的确定 本文综合以上几种驱动方式，设计了如下驱动方式。采用前置前驱的布置形式， 将电动机、减速器相结合，使其结构紧凑，传动效率高，并采用电动机- 驱动桥的驱 动形式。本设计具有如下优势，能够在低速下获得较高的输出转矩，拥有较高的工作 结构类型 （1）传统机械驱 动模式 （2）电动机驱 动桥组合式驱动 系统 （3）电动机驱 动桥整体式驱动 系统 （4）轮毂电动机 驱动形式 结构特征 传统燃油汽车的 传动系统， 只是将 发动机换成了电 动机 在驱动电动机端 盖的输出轴处加 装减速齿轮和差 速器等，电动机、 固定速比减速器、 差速器的轴互相 平行， 一起组合成 一个驱动整体。 这种传动方案将 电动机和传动系 统集成在一起， 装 在驱动轴上 电动机装在车轮 轮毂中， 由电机驱 动车轮行驶 优点 工作简单， 有利于 轴荷的合理分配， 设计周期短， 成本 低。 可提高电动机 启动转矩， 增加低 速时的后备功率 结构紧凑， 传动效 率高，安装简单， 布置灵活等。 传动效率高， 结构 紧凑， 体积小， 质 量轻，安装方便， 抗冲击抗震能力 强。 使汽车有更好 的动力性 传动效率高， 结构 更紧凑， 汽车转向 灵活性， 能充分利 用路面附着力 缺点 结构复杂， 传动系 统零部件多， 传动 系统过于冗长， 传 动效率低， 占用空 间较大，质量大。 对电机要求高， 对 电机的调速范围 和轴承的可靠性 要求较高， 要求电 机有较高的启动 转矩， 较大的后备 功率。 对电动机要求有 大的启动转矩和 后备功率， 同时要 求控制系统具有 较高的控制精度， 和良好的可靠性。 结构复杂，成本 大，受体积限制， 电动机功率不高 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 整体设计方案 7 效率，较好的动力性和经济性，提高汽车高速行驶时的操纵稳定性。不足之处在于结 构稍复杂，但在可接受程度内。具体如图 2- 2 所示。 图 2- 2 本文驱动方式 2.4 纯电动汽车整车参数及性能指标确定纯电动汽车整车参数及性能指标确定 本文参照一般家用紧凑型纯电动轿车，对轿车传动系统进行了分析。最终确定本 文研究的轿车整车参数表 2- 2。 表 2- 2 轿车参数表 整车尺寸（mm） 4605/1765/1460 电池类型迎风面积 A（m2） 2.3 整备质量（Kg） 1500 传动效率 T 0.9 离地间歇（mm） 130 续驶里程（Km） 200 前/后轮距（mm） 1517/1493 空气阻力系数 CD 0.32 轴距（mm） 2610 电池类型 锂离子电池 驱动方式 前置前驱 滚动阻力系数 f 0.015 轮胎规格 205/55 R16 车轮滚动半径 r（m） 0.316 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 整体设计方案 8 同时，在汽车行驶过程中会行驶过不同路面，譬如：坡道行驶，农村土路等。因 此对电动汽车最大车速，最大爬坡度，加速时间和最大行驶里程等性能有具体要求。 参照诸多资料，确定了紧凑型电动轿车的动力性能指标： 1.最高车速：130KM/h； 2.最大爬坡度：30%； 3.加速时间：10； 4.蓄电池放电深度 80%，能够以速度 60Km/h 行驶 200 公里 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 驱动电机和电池匹配 9 第三章 驱动电机和电池匹配 3.1 驱动电动机种类比较及选择驱动电动机种类比较及选择 电动机的性能与电动汽车的性能密切相关，相当于燃油汽车的发动机，其重要性 可见一般。 所以， 对驱动电机的选择和参数匹配是设计电动汽车动力系统的关键之一。 驱动电机的性能必须要达到一定的要求， 才能满足汽车行驶过程中频繁的加速、 减速、 爬坡、启动、停车等不同需求。电动机转速要满足汽车从零速度到最高速度的要求， 即电动机要欧高功率比和高功率密度。 为了高性能地驱动电动汽车，驱动电机在性能上须达到一定的要求。汽车行驶的 特点是频繁地启动、加速、减速、停车等。在低速或爬坡时需要高转矩，在高速行驶 时需要低转矩。电动机的转速范围应能满足汽车从零到最高行驶速度的要求，即要求 电动机具有高的比功率和功率密度。 目前市面上用于电动汽车的电动机主要有四种：直流电动机、感应电动机、永磁同步 电动机、开关磁阻电动机。其具体对比情况见表 3- 1. 表 3- 1 电机类型 优点 缺点 应用前景 直流电机 结构简单， 具有优良的电磁转 矩控制特性 有刷，易产生电火花，引 起电磁干扰，维修困难； 价格高，体积大、重量大 初期产物， 随技 术进步， 已处于 淘汰地位 交流感应电动机 结构简单，运行可靠，经久耐 用，价格低，功率较高，调速 范围广，体积与质量适中 控制装置复杂 目前应用最广 泛的电动机 永磁 无刷 电动 机 直流电动机 控制器较简单，效率高，体积 小、质量低，所以能量密度大 价格较贵，需检测转子磁 极位置，永磁体可能发生 退磁的问题 已在特殊电动 汽车运用， 前景 好， 未来发展方 向 交流电动机 开关磁阻电动机 结构最简单，简单可靠，启动 转矩大， 可调范围广， 效率高； 控制灵活；成本低，体积小， 质量轻 转矩波动大,系统具有非 线性特性，电磁噪声大, 需要位置检测器 尚未成熟， 发展 受限 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 驱动电机和电池匹配 10 综上所述，永磁无刷直流电机具有优越的起动和调速性能、无换向器和电刷、质 量轻、体积小、能量密度大，有较高的效率、转矩惯量比、寿命久、噪音低、电子干 扰小等优点。同时直流电动机的驱动技术已经成熟、其成本较低。因此本设计方案采 用永磁无刷直流电动机。 3.2 驱动电机型号的确定及参数驱动电机型号的确定及参数 驱动电机的功率包括额定功率和最大功率。 电动汽车驱动电动机的最大功率应能 同时满足汽车对最高车速、加速度以及爬坡度三个要求。电动机最大功率越大，则后 备功率越多，加速爬坡性能越好，但同时体积质量也会相应增大，而且会使电动机不 能经常工作在功率峰值，造成功率浪费，效率降低。因此电动机功率选择要合理，应 根据电动汽车的最高车速、爬坡度和加速性三个方面来确定电动机的功率567。 （1）根据纯电动汽车的最高车速选择 在选择电动机功率时并且必须满足纯电动汽车最高车速的要求， 以保证在良好的 工况下，能以较高的车速行驶。对于主要作为城市代步工具的纯电动轿车，大多数情 况下是以中低速行驶的，因此，电动机的功率大体上应等于但不小于汽车最高速度行 驶时消耗的功率，否则会使其经常处于部分负荷下工作，导致电动机效率大大下降， 浪费蓄电池有限的电能4。 ）（ 3 maxmax 76140 u 3600 gf1 nu ACM P D T + （3- 1） 式中 M 为整车质量，f 为滚动阻力系数， D C 为空气阻力系数，A 为迎风面积（m2）， max u 为最高行驶车速（Km/h），将表 2- 2 中数据带入可得 44.32130 76140 3 . 232. 0 130 3600 0.0158 . 91500 9 . 0 1 n 3 = + ）（P（KW） （3- 2） （2）根据车辆的爬坡性能要求选择 纯电动汽车以某一车速 v （单位为 km/h） 爬上一定坡度 i 消耗的功率 Pi （单位为 kW） 为： ）（ a 3 aa v 3600 gi v 76140 v 3600 gf1 i MACM P D T + （3- 3） 式中 i 为最大爬坡度为 30%，取爬坡时车速为 va=30 Km/h 代入数据可得 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 驱动电机和电池匹配 11 ）（ ）（ KW P 16.43 30 3600 %308 . 91500 30 76140 3 . 232 . 0 30 3600 0.0158 . 91500 9 . 0 1 i 3 = + + （3- 4） （3）根据纯电动汽车的加速性能要求选择 电动汽车在 t （单位为 s） 时间内， 在水平路面上从零车速加速到 vj （单位为 km/h） 所需功率 Pj（单位为 kW）为： ）（ v dt 3600 du v 76140 v 3600 gf1 j 3 MACM P D T + （3- 5） 式中为汽车旋转质量换算系数，在汽车理论6中根据 igi0 查得=1.065， j v 为 汽车加速过程中的瞬时速度取 j v ）， dt du 为汽车加速度（m/s2），在汽车加速过程中 汽车瞬时车速公式为 x tj t vjv）（=8，式中 vj为最大车速在此取 100Km/h。X 为拟合 系数，一般取值 0.5 左右。 车辆在加速末时刻，电动机输出功率最大，因此加速过程中最大功率为： )u 15.21 )(1 6 . 3 ( 3600 1 tmtt 3 m t 2 j j AC Mgfu t dt d Mu PP D m x m tmm T + = = ）（）（ （3- 6） 式中 t d 为设计过程中的迭代步长，通常取 0.1S 即可满足。根据汽车从 0 加速到 100Km/h 用时 10S。将表 2- 2 中数据带入式 3- 6 可得 ）（KW P 20.86 )100 15.21 3 . 232 . 0 100015 . 0 8 . 91500 ) 10 1 . 010 (1 1 . 06 . 3 1001500065 . 1 ( 9 . 03600 1 3 5 . 0 2 j = + = （3- 7） 纯电动汽车驱动电动机的最大功率应能同时满足汽车对最高车速、 加速度以及爬 坡度三项动力指标。并为驱动电机提供一定后备功率，所以纯电动汽车电动机的最大 功率应满足），（ nijmax PPPp 电动机的额定功率 Pe 的计算方法， 通常取我国高速公路最高限速 120Km/h 匀速 行驶的功率为额定功率下限值89。 T 2 3600 v9 . 0 v 15.21 gfe +=）（ AC MP D （3- 8） 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 驱动电机和电池匹配 12 式中 Pe 为电动机额定功率，v=120Km/h，把数据带入式 3- 8 可得 05.24 9 . 03600 1209 . 0 120 15.21 3 . 232. 0 0.0159.81500e 2 = +=）（P （3- 9） 取整，电机的额定功率 Pe，取 25kW； Pmax 为峰值功率，取 100kW； 根据电动机的额定功率要求查询电工手册10，选择符合条件的电机，电机主要 参数如表 3- 2 所示。 表 3- 2 电动机主要参数 参数名称 符号 单位 数值 额定电压 Ue V 220 额定电流 Ie A 114 额定转矩 Te Nm 79.6 最大转矩 Tm Nm 200 额定功率 Pe KW 25 最大功率 Pm KW 100 额定转速 ne r/min 3000 最高转速 nm R/min 8000 效率 % - 93 电源电压 U V 220 质量 m Kg 120 3.3 传动比的确定传动比的确定 （1）传动比的选择首先应满足车辆最高车速的要求，由最高车速 vmax与电机的最大 转速nmax确定传动比的上限。 i0=0.377 max max v rn a ， （3- 10） 其中：nmax=8000rpm，r=O316m，umax=130kmh，则： 33. 7 130 8000316. 0377. 0 i0= （3- 12） （2）由电机的最大输出转矩 Tmax 和最高车速对应的行驶阻力 Fmax 确定速比的下 限。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 驱动电机和电池匹配 13 maxT max 0 r i T F （3- 13） 其中 NF60.80810.5885 .220 15.21 1303 . 232. 0 015. 08 . 91500 2 max =+= += ， R=0.316，Tmax=200Nm 42. 1 2009 . 0 0.31660.808 i0= （3- 14） 由上述计算可知33. 7i42 . 1 0 ，为了满足上述要求，经综合分析考虑，因电机 转速较高，转矩较小，且不适宜取整，要选择合适的传动比，故本文确定减速器的主 减速比为 i0=3.9。 3.4 蓄电池的参数匹配蓄电池的参数匹配 纯电动汽车动力电池一般为蓄电池是电动汽车的唯一动力源。 目前之所以电动汽 车发展受限，其主要就是电池技术难以突破。对于电动汽车的电池技术要求有：1 足 够高的功率密度、2 足够高的能量密度、3 足够大的安全可靠性、4 足够的循环寿命 5 能够接受的成本。在目前的电池技术下想要同时达到以上几个方面的要求很苦难，我 们要做的就是寻求五个方面的平衡。 目前，纯电动汽车使用较多的几种电池是铅酸蓄电池、镍氢金属电池、锂离子蓄 电池。本文所采用车载电池为锂离子电池，锂电池具有能量密度高，输出功率大，循 环寿命长，无污染，负载能力大，可快速充放电的优点，是目前市面上大多数电动汽 车所采用的电池。本文主要对离子电池的工作电压和能量进行匹配计算。 （1）电池组的工作电压的确定 在匹配动力电池组的工作电压时， 要求电池组的电压等级和驱动电机的电压等级 相一致，以满足驱动电机电压变化的要求。同时在电动汽车行驶过程中需要向车内的 其他设备进行供电，故而电动汽车的工作电压应大于驱动电机的额定电压。电池的电 压等级 U0 由下式确定： max0 peak 0 1000 I P U （3- 15） 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 驱动电机和电池匹配 14 式中，Ppeak为电动机峰值功率（Kw），且 Ppeak=100Kw；I0max为电池组最大放电电流 （A），且 I0max300（A），以上系数带入计算为 U0333.33V 目前市场上单体锂离子电池的额定电压为 3.6V，以及本文选择电动机额定电压 为 220V，并给予一点余量，去顶电池组为 92 个单体锂离子电池组合，因此电池组电 压等级为：U0=331.2330V。 （2）电池组容量确定 电池组容量表示的是电池荷电量的多少。电池容量是指在一定放电制度下，电池放出 的电量或是有效工作时间，是体现电池价值的最重要的参数，其可由下式计算： Uess ess1000 W C = （3- 16） 式中，C 为电池组的容量（Ah），Wess 为电池组能量（KWh）；Uess 为电池组平 均工作电压（V）。而纯电动汽车，电池组能量的大小通常由其续驶里程决定，采用 等速法对续驶里程这一性能指标进行计算，计算公式如下： Wess=Pelet=Pele（ eleV S ） （3- 17） 而 ）（ 3 eleeleele 761403600 gf r 1 V AC V M P D += （3- 18） 式中， Pele 为汽车以恒定速度行驶时所需的能量 （Kw） ； t 为汽车持续时间 （h） ； S 为汽车的持续行驶里程 （Km） ， 且取 S=200Km； Vele 为汽车的恒定行驶速度 （Km/h） , 且取 Vele=60Km/h。将实车参数带入计算得： KWP76 . 5 60 76140 3 . 232 . 0 60 3600 0.0159.81500 0.9 1 3 ele = + =）（ （3- 19） 将 Pele 值带入式 3- 17 得： h20.19 60 200 76. 5 ess =KWW （3- 18） 再将 Wess=19.20 带入 3- 13 中可得： 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 驱动电机和电池匹配 15 18.58 330 19.201000 = =C （3- 17） 考虑到电池容量应有所余量，故取 C=60Ah。 综上所述，电池组中单体电池的个数是 92 个，工作电压约为 330V，电池容量约 为 60Ah。 匹配结果本章通过对电动机选型匹配和电池的选择匹配， 最终确定如下紧凑型纯 电动轿车的主要参数表。 表 2.5 紧凑型电动轿车动力传动系匹配结果 匹配部件 参数名称 参数值 参数名称 参数值 电动机 电机类型 永磁无刷直流电机 额定扭矩（N.m） 79.6 额定功率（Kw） 25 峰值扭矩（N.m） 200 峰值功率（Kw） 100 额定电流（A） 114 额定转速 （r/min） 3000 峰值电流（A） 400 最高转速 （r/min） 8000 电机效率（%） 93 电池电压（V） 330 电机重量（Kg） 150 动力电池 电池类型 锂离子电池 工作电压（V） 330 电池容量（A.h） 60 电池个数 92 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 汽车主减速器设计 16 第四章 汽车主减速器设计 4.1 汽车主减速器概述汽车主减速器概述 4.1.1 主减速器的作用主减速器的作用 汽车主减速器是汽车传动系统中最关键的传力部件之一。 汽车正常行驶中电动机 转速通常在 3000r/min 左右，要使这么高的转速降下来就只能依靠减速器。它承 担着在汽车传动系中降低转速、增大扭矩的作用。此外主减速器还有改变动力输出方 向的作用。 主汽车主减速器最主要的作用，就是减速增扭。发动机的输出功率是一定的，当 通过主减速器将传动速度降下来，便可以能获得比较高的输出扭矩，从而得到较大的 驱动力。此外，汽车主减速器还有改变动力输出方向、实现左右车轮差速或中后桥的 差速功能。电动机的输出是一个绕纵轴转动的力矩，而车轮必须绕车辆的横轴转动， 这就需要有一个装置来改变动力的传输方向。 主减速器的传动比都是总传动比的一个 因子。有了这个传动比，可以有效的降低对电动机的要求，这样设计的好处是可以有 效减小传动系统的尺寸，使车辆的总布置更加合理。11 4.1.2 主减速器要求主减速器要求 驱动桥中主减速器设计应满足如下基本要求： 1.所选择的主减速比要保证汽车既有最佳的动力性和经济性。 2.保证有必要的离地间隙，齿轮其它传动件工作平稳，噪音小，合理的布置尺寸。 3.在各种转速和载荷下具有高的传动效率。 4.在保证足够的强度、刚度条件下，应力求质量小，减少不平路面的冲击载荷，提高 汽车的行驶平顺性； 5.结构简单，加工工艺性好，制造容易，维修调整方便。 6.与悬架的导向机构运动协调； 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 汽车主减速器设计 17 4.2 主减速器分类及介绍主减速器分类及介绍 4.2.1 按数目分类按数目分类 按照减速传动的齿轮副的数目分类，可分为单级式主减速器和双级式主减速器。 (1)单级主减速器 单级减速器就是一个主动椎齿轮(俗称角齿)，和一个从动伞齿轮(俗称盆角齿)，主动 椎齿轮与传动轴相连，从动伞齿轮贴在其右侧，啮合点向下转动，与车轮前进方向一 致。主动锥齿轮直径小，从动伞齿轮直径大，以达到减速的功能。一半多应用于小、 中型车。 (2) 双级主减速器 当主减速器传动比较大时，为保证汽车具有足够的离地间隙，则需采用双级主减 速器。双级减速器多了一个中间过渡齿轮，主动椎齿轮左侧与中间齿轮的伞齿部分啮 合，伞齿轮同轴有一个小直径的齿轮，小齿轮与从动齿轮啮合。这样主动锥齿轮与从 动锥齿轮转向相反，有两级减速过程。 双级减速由于使车桥体积增大，现在主要用 于中、重型汽车，以及低速高扭矩的工程机械方面。 4.2.2 按传动比档数分按传动比档数分 按主减速器传动比档数分，可分为单速式与双速式两种。目前，国内汽车基本都 采用了传动比固定的单速式主减速器。在双速式主减速器上，设有供选择的两个传动 比，这种主减速器实际上又起到了变速器的作用。 4.2.3 按结构型式分按结构型式分 按减速齿轮副结构型式分， 可分为圆柱齿轮式、 圆锥齿轮和准双曲面齿轮等型式。 在发动机横向布置汽车的驱动桥上，主减速器往往采用简单的斜齿园柱齿轮;在 发动机纵向布置汽车的驱动桥上，主减速器往往采用圆锥齿轮和准双曲面齿轮等型 式。目前汽车的主减速器，大多采用螺旋锥齿轮和双曲面齿轮。准双曲面齿轮工作平 稳性更好，弯曲强度和接触强度更高。当主动齿轮轴线向下偏移时，可以降低传动轴 的位置，从而有利于降低车身及整车重心高度，提高汽车的行驶稳定性。但是双曲面 齿轮沿齿长的纵向滑动会使摩擦损失增加，降低传动效率而且它的压力和摩擦功较 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 汽车主减速器设计 18 大，可能导致油膜破坏和齿面烧结咬死，抗胶合能力较低。必须选用可改善油膜强度 和带有防刮伤添加剂的双曲面齿轮油来润滑。 4.3主减速器结构的设计主减速器结构的设计 4.3.1 主减速器类型确定主减速器类型确定 综合以上对比介绍， 结合本设计方案主减速比 i0=3.9 本设计方案采用单级单式双 曲面齿轮主减速器。以使得主减速器达到体积小，质量轻，结构简单，布置合理的特 点。 4.3.2 主减速器主动锥齿轮的支承型式及安置方法主减速器主动锥齿轮的支承型式及安置方法 主减速器主动齿轮的支承型式及安置方法，对其支承刚度影响很大，这是齿轮能 否正确啮合、良好的工作并具有较高使用寿命的重要因素之一。 目前汽车主减速器主动锥齿轮的支承型式有以下两种： 1 悬臂式 齿轮以其轮齿大端一侧的轴颈悬臂式地支承于一对轴承上。为了增强支承刚度， 应使两轴承支承中心间的距离齿轮齿面宽中点的悬臂长度大两倍以上， 同时比齿轮节 圆直径的 70%还大， 并使齿轮轴径大于等于悬臂长。 当采用一对圆锥滚子轴承支承时， 为了减小悬臂长度和增大支承间的距离，应使两轴承圆锥滚子的小端朝内，而大端朝 外，以缩短跨距，从而增加支承刚度。 2 跨置式 齿轮前、后两端的轴颈均以轴承支承，又称骑马式。跨置式支承使支承刚度大为 增加，大大减小齿轮在载荷作用下的变形，约为悬臂式支承的 130 以下。而主动锥 齿轮后轴承的径向负荷比悬臂式的要减小至 7 1 5 1 。齿轮承载能力较悬臂式可提高 10%左右。 作为装载质量为 2t 以上的汽车，其减速器主动锥齿轮都采用跨置式支承。但是 跨置式支承增加了导向轴承支座，使主减速器结构变复杂，成本提高。轿车和装载质 量小于 2t 的货车，常采用结构简单、成本低、质量小的悬臂式结构。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 汽车主减速器设计 19 4.3.3 主减速器从动锥齿轮的支承型式及安置方法主减速器从动锥齿轮的支承型式及安置方法 主减速器从动锥齿轮的支承刚度依轴承