开题报告-无人智能车的车用轮边减速器设计与分析.docx

附件1毕业设计(论文)开题报告毕业设计(论文)开题报告题目：无人智能车的车用轮边减速器设计与分析院 (系) 机电工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2017年3月10日1.综述1.1.题目背景近年来随着汽车工业的高速发展，全球汽车总保有量不断增加，汽车所带来的环境污染、能源短缺，资源枯竭等方面的问题越来越突出。日益严重的石油危机与人们环保意识的加强，对汽车工业的发展提出了极为严峻的挑战。采用电能为驱动设备的电动汽车由于能真正实现“零排放”，而成为各国汽车研发的焦点。对微型电动汽车的车用轮边减速器进行设计，设计一种微型电动车用的轮边减速器，是为微型电动汽车的轮边驱动系统使用，工作力矩较小，但因没有主减速器而需要更大的减速比。因此提高轮边减速器的设计、制造和应用水平，对于提高机械工业整体水平具有重要意义1。现在已经有许多专家，学者及工程技术人员做了相关的研究。但是与国外先进的技术相比还是有很大差距。我国自主研发的减速器大都是中小功率的，以齿轮传动、蜗杆传动为主，并且存在产品质量不过关，功率与重量比小，或者传动比大而机械效率过低，可靠性低，使用寿命不够长，且新产品研发周期长的很多缺陷。因此，如何改进设计方法，提高设计质量是装载机行业发展的关键因素之一2。目前我国新颁布了NGH-L型(JB1799-6)、NGH-Z型(JB3722-84)、NGH-S型(JB3723-84)和NGH-L型(JB3424-84)四个行星齿轮减速器标准。并且组织了专业化成批生产，在国内进行了推广应用。自中国中国加入WTO后，我国的汽车行业迅猛发展，车用减速器也随着时代的脚步逐渐成长成熟起来。近年来轮边减速器部分也不断踊跃出很多新的很有创意的设计，虽然这些设计离最终成型使用还有些差距，但是，足见我们在创新设计上，已经迈出了一大步3。但是相比于国外先进的技术，我们还有待于进一步提高，增加自主创新的能力。目前我国所使用的的减速机主要是从德国，英国进口的，自主研发的减速机一般很少在大型矿用车上使用4。1.2.研究意义传动系统通常由变速装置、起停和换向装置、制动装置及安全保护装置等基本部分组成。变速装置是传动系统中很重要的组成部分，它的设计的好坏直接关系到传动效率，燃油消耗率，汽车的使用寿命，甚至能否启动。而轮边减速器是传动系统的最后一部分，它起到了减速增扭和改变传动方向的作用，直接将动力传输到轮胎上，因此轮边减速器的设计也至关重要。尤其是大型非公用车，由于空间限制，必须将更多的传动比分配到驱动桥上，因此轮边减速器可以大大的改善整车的结构和性能。轮边减速器作为传动系统的最后一个环节，它承担着最大的扭矩，它的强度和结构合理与否直接影响着整车的性能，因此轮边减速器的设计至关重要。轮边减速器结构简单，体积小巧，质量轻便和更换都很方便，对于提高整车的速比，减轻质量，较小燃油消耗等方面都起了很大的作用5。结合当今汽车行业发展的形势，对微型电动汽车的车用轮边减速器进行设计，设计一种微型电动车用的轮边减速器，是为微型电动汽车的轮边驱动系统使用，工作力矩较小，但因没有主减速器而需要更大的减速比。以大型车辆的轮边减速器的结构型式可以为电动汽车的轮边减速器提供参考，缩小结构尺寸，而增大减速比，满足轮边驱动系统的使用要求6。由以上的背景分析可以看出，电动轮驱动技术在电动车领域内展现了非常好的应用前景，同时也对电动轮的结构紧凑性提出了更高的要求。鉴于此，本文将结合机械优化设计理论和有限元仿真技术，对电动轮轮边减速器的结构优化设计展开研究，这些工作可以较好的提高电动轮结构的紧凑性，促进电动轮驱动技术在智能车领域内的发展7。1.3. 轮边减速器工作原理及在制造中存在的问题1.3.1. 轮边减速器的工作原理轮边减速器主要是由太阳轮、行星轮、齿圈和行星轮架组成，一般其主动件太阳轮与半轴相连，被动件行星轮架与车轮相连，齿圈与桥壳相接，采用轮边减速器是为了提高汽车的驱动力，以满足或修正整个传动系统力的匹配。目前采用的轮边减速器，就是为满足整个传动系统匹配的需要，而增加的一套降速增扭的齿轮传动装置。从发动机经离合器、变速器和分动器把动力传递到前、后桥的主减速器，再从主减速器的输出端传递到轮边减速器及车轮，以驱动汽车行驶。在这一过程中，轮边减速器的工作原理就是把主减速器传递的转速和扭矩经过其降速增扭后，再传递到车轮，以便使车轮在地面附着力的反作用下，产生较大驱动力。从而减少了轮边减速器前面各零件的受力。如图1-1所示8图1-1 汽车轮边减速器结构原理图1-半轴套管；2-齿圈座；3-内齿圈；4-行星齿轮；5-行星架；6-行星齿轮轴7-太阳轮；8-锁紧螺母；9-螺栓；10-螺钉；11-轮毂；12-半轴；13-制动器轮边减速器7通过花键与半轴12相连接，随半轴转动。齿圈3与齿圈座2用螺钉10连接，而齿圈座2被锁紧螺母8固定在半轴套管1上不能转动。在中心齿轮7和齿圈3之间装有三个行星齿轮4，行星齿轮通过圆锥滚子轴承和6支撑在行星架5上。行星架5用螺栓9与轮毂11相连。差速器的动力从半轴12经中心齿轮7、行星齿轮4、行星架5转给轮毂而驱动车轮旋转。1.3.2. 轮边减速器在制造中存在的问题在行星齿轮传动中，如果2K-H渐开线行星齿轮传动中太阳轮与内齿圈的齿数与行星轮个数选择不合适时，行星轮之间出现偏载，且会发生齿顶干涉，造成齿轮之间无法正常啮合传动9。行星齿轮在传动过程中因齿轮承受载荷时会发生弯曲和扭转弹性变形，齿轮制造中的齿向误差，轴的平行度误差以及齿轮箱轴承座孔的误差，箱体在受力时的扭转变形，高速齿轮离心力引起的变形和热变形等，都会引起沿齿向啮合接触的不均匀，造成轮齿偏一端接触，减小齿轮的寿命。为了防止这种偏一端接触，可以进行鼓形修形或齿端修形。鼓形修形遍及整个齿宽，而齿端修形是把靠近齿端的一部分齿面修薄10。1.4. 国内外相关研究情况1.4.1. 国外研究情况在国外，日本对电动轮驱动技术的研究一直处于国际领先地位。日本庆应义塾大学清和三菱汽车公司、普利斯通公司、丰田汽车公司、木田汽车公司进行了合作研究。在近十几年中，研制了种不同型式的轮边驱动电动车样车表给出了四种具有代表的样车相关参数1112。表1-1日本庆应义塾大学研发情况研发吋间 型号 电池 电机 额定功 峰值功 最高车速率(KW) 率(KW)1991 IZA(4轮) Ni-Cd 外转子式 6.8 25 176 km/h永磁同步 1996 ECO 内转子永 6.8 20 磁直流 2001 KAZ(8轮) 锂电 交流同步 55 311 km/h 内转子 2004 Eliica(8轮) 轮毂电机 370 km/h 直接驱动除以上研究成果，2005年日本三菱公司研制出轮边驱动电动车ColtEV，它通过将制动器置于电机内部的方法来提高车轮内部空间的利用率13。驱动系统采用的是外转子永磁电机，最大功率达50kw1415。本田汽车公司开发的燃料电池车FCX采用一个80kw前轮集中电机和两后轮边驱动的组合形式16，从而提高了整车的综合性能。除了日本，其它国家也开展了电动轮驱动技术的研究。TechnologiesM4公司研制出专门用于电动汽车上的TM4体化轮边驱动系统(如图1-2)17，它采用外转子式永磁无刷直流电动机，电动机转子外壳直接与轮辋相连并集成鼓式制动器。制动蹄片可直接作用在电动机外壳上，系统质量得到减轻。其峰值功率可达到80kw，最高转速为1385r/min18。图1-2 TM4 电动轮的三维图和剖面图标致、雪铁龙汽车公司也在进行轮边驱动电动车的开发，研制的4轮轮边驱动电动车quark，采用电机与车轮轮辋一体化设计，单个车轮最大驱动力矩达到102.2Nm，048km/h的加速时间为6.5s19。1.4.2. 国内研究情况1990年，清华大学申报了半轴结构式高速有刷电动机轮毂的发明专利，成为世界上最早将电动轮传动结构用在电动自行车上的单位20，如图1-2所示的就是该电动轮的结构示意图。但相比之下，我国对电动汽车电动轮研究的则比较少。图1-3 电动自行车的电动轮毂1999年，哈尔滨工业大学和哈尔滨大电动机研究所联合开发出轮式驱动系统，并进行了整车试验。该车单台电动机的额定功率是1.5kw，最大车速为20km/h，图1-3所示的是该电动轮的装车实体图21。图1-4 哈工大研制的电动轮和装车实体图此外，同济大学研制的“春晖二号”燃料电池汽车以及“春晖三号”燃料及锂电混合动力汽车也是采用电动轮驱动系统(如图1-5)22。由深圳比亚迪公司自主研发的电动轮边驱动概念车ET，其单个永磁同步轮毂电机功率可达2.5kw。图1-5 春晖三号我国研制汽车轮边减速器始于20世纪70年代中期，由于各种原因，至今发展不快，只有几个厂家从事生产，技术水平只相当国外20世纪80年代末的水平，数量和质量也远远满足不了国内运输业发展的需要。进入21世纪以来，我国经济形势发生了很大的变化。公路运输得到了很快的发展，为了降低运输成本，缓解铁路压力，促使了汽车的运输能力和载货量逐渐加大。因此，重型汽车轮边减速器在我国的应用前景十分广阔。自从我国加入WTO之后，减速器行业面临极大的压力与挑战，为了应对这一严峻形势，一方面要引进更多更好的国外产品与相关技术，另一方面必须迅速发展民族工业。国外的汽车减速器应用得比较好，技术也比较先进，但价格比较高。一般情况是：国外的整机的价格是国内价格的23倍，而易损件、备件的价格却是58倍，因此，发展我国的轮边减速器产品是非常必要的23。2. 本课题研究的主要内容和采用的研究方案、研究方法2.1. 课题研究内容1.调查资料，根据国内外车用轮边减速器的研究现状，依据课题提出的设计要求，制定出车用轮边减速器设计的总体结构设计方案。2.根据车用轮边减速器的总体方案进行结构设计，进行装配条件和传动效率计算、结构设计、几何和强度校核计算。3.对整体结构用pro/E进行运动仿真和有限元分析。4.根据计算结果，确定车用轮边减速器各构件的各项基本参数，完善整个车用轮边减速器的设计，绘制二维CAD图。2.2. 研究方案及对比，研究内容2.2.1. 研究方案及对比轮边减速器广泛应用在大型工程用重型车辆和大型公交车上，这些车辆在运行时需要的扭矩比较大，对车辆的速度要求不高。通常所用的轮边减速器型式为行星齿轮和星型齿轮传动，这两种齿轮系统在结构上利用均匀分布在回转中心圆上的多个齿轮来分担载荷，形成功率分流，所以整个系统的承载能力强，同时体积小，并且内齿轮在啮合中具有大的重合度，保证了系统的平稳运行，内齿轮在满足传动比的条件下可以使齿轮结构尺寸减小，有利于其它零部件的布置及抗冲击振动能力强，在很多领域广泛应用，行星和星型齿轮传动有如下主要特点：(1)结构紧凑、重量轻、体积小；(2)传动比较大；(3)传动效率高；(4)运动平稳、抗冲击和震动能力强。表1-1列出了常用行星齿轮传动的型式及其特点24。表1-1 常用行星齿轮传动的传动型式与特点传动形式性能参数特点传动比i效率最大功率/kwi=1.1313.70.970.9不限效率高，体积小，重量轻，结构简单，制造方便，传递功率范围大，轴向尺寸小，可用于各种工作条件，在机械传动中应用最广。单级传动比范围较小，二级和三级传动均广泛应用。i=150效率高，径向尺寸比NGW型小，传动比范围较NGW型大，可用于各种工作条件。但双联行星齿轮制造、安装较复杂。i=1.2整千|i|=1.25时,效率可达0.70.9，|i|5以后，随|i|增加陡降20传动比范围大，但外形尺寸及重量较大，效率很低，制造困难，一般不用于动力传动。由于行星齿轮减速装置具有结构紧凑，减速比较大等优点，是电动轮轮边减速器的理想选择。其中NGH型具有效率高、体积小、结构简单、制造安装方便、传递功率大、轴向尺寸较小等优点，在电动轮轮边减速器应用的比较广泛，前面所述的所有带减速驱动内转子型电动轮绝大多数采用了NGH型行星轮。由前面的分析可以知道，对应用于智能车领域的电动轮，NGH型行星轮传动也具有较好的应用前景。因此，本文的主要研究对象也将集中于NGH型行星齿轮25。如图2-1：图2-1NGH行星齿轮简图根据电动轮结构设计的不同，对NGH行星齿轮的尺寸要求也不同。本文总结了两种常见的电动轮结构形式。第一种将行星轮置于电机内部的结构，它希望行星轮的径向尺寸越小越好。第二种是将行星轮置于电动机输出端的结构，它希望行星轮的轴向尺寸越小越好。鉴于以上分析，本文的研究优化的对象将主要集中在型行星轮径向尺寸优化和轴向尺寸优化两个方面26。2.2.2. 研究内容围绕本文的主要研究目的，即提高电动轮结构的紧凑性，本文的主要研究内容包括：(1)接触分问题有限元法的理论研究，由于齿轮哨合属于非线性接触问题。较常规的线性问题要复杂，通过相关的理论研究为接下来的工作鉴定理论基础。(2)建立轮边减速器优化设计的数学模型，确定优化问题的算法。能否准确的建立数学模型，关系到优化结果的精确性，也是开展后续工作的重要一步。由于齿轮传动的优化问题属于混合离散变量问题，目前缺少通用有效的优化算法。只有针对行星齿轮的特点，建立专用的算法才具有实用性。所以，研究优化算法也成为了重要的前期工作。(3)优化设计程序的设计和开发，在齿轮轮优化问题中，参数众多，约束条件既包括线性的也色括非线性的。通过简单的计算难以得出结果，所以，合理的开发优化设计程序如经决定数学模型能否得以充分实现。(4)轮边减速器的参数化建模和有限元接触分析，对轮边减速器进行数化建模是为进一步的接触分析而准备，而后通过有限元接触分析来验证优化结果的实用和准确性。3 课题研究的重点及难点3.1. 课题研究的重点考虑制造误差和弹性变形对噪声、动载荷的影响，在设计轮齿时可以对齿形加以修正，以补偿齿轮在全工况下多种原因造成的畸变的齿向，实现齿宽均匀受载，提高齿轮承载能力及减小啮合噪声。设计齿向可以是修正的圆柱螺旋线或其它修形曲线，在对齿形设计之前，首先应计算出齿轮的端面重合度。在仅有一对轮齿啮合时，不应该进行修缘，这是因为如果对单齿啮合的齿轮进行修形，不但不能改善齿轮的啮合受力平衡，而且会恶化其受力，增加整个传动系统的噪声，当我们通过计算齿轮的端面重合度时要尽量准确，因为重合度的差别会造成修缘点位置的不同，所以在实际设计过程中，我们要根据设计情况，制造精度，制造成本以及其实际用途来对轮齿进行修形。齿轮可以是一对齿轮和齿顶修缘，也可以是单个齿轮齿顶和齿根同时修缘，与之相配的齿轮不修形27。对于不同的国家，修形的方式也不相同，有的国家对轮齿采用鼓形修形，有的国家对轮齿采用端面修形，对于修形量也不尽相同，有的给出修形区间，有的给出修形曲线，有的给出修形表格，有的通过计算得出理论量等，一般修形我们根据相关的理论知识，再加上厂家在实际生产中的经验来确定修形方式和修形量，对于通过理论计算获得的修形量应把它和实际的实验结果加以比较，也就是说，计算出来的修形量应在一定区间之内，在实际啮合中，从动轮和主动轮应分开考虑，有齿轮啮合传动的知识可知，主动轮与从动轮啮合的方向不一样，主动轮从根部啮入，齿顶啮出，从动轮正好相反，实际中主动齿轮的基节一般大于被动齿轮的基节，以防止在啮合过程中出现脱节，造成轮齿间的严重冲击，为了减小偏载，使齿轮受力均匀，论文分别对太阳轮和齿圈进行修形，使二者都予加强。首先采用的方法是对太阳轮进行修形，太阳轮传递动力时，由于不可避免的制造和安装误差、齿轮轮齿的弹性变形、扭转变形及热变形，一般对中心轮进行鼓形修行，此修行量可以补偿齿轮制造误差和齿轮在载荷作用下的各种弹性变形28。由于行星轮和齿圈啮合时，齿圈接触变形相对比较小，如果对齿圈进行鼓形修形，齿圈的鼓形量不能被全部吸收，虽修形比未修形的强度要好，但由于没有达到全长接触，不能最大限度地发挥齿轮的承载能力，不能被吸收的鼓形量恶化齿轮传动的平稳性，提高了齿轮的噪声和振动，因此对齿圈进行齿端修形。因为行星轮与太阳轮和齿圈同时啮合，当对太阳轮和齿圈进行修形后，轮边减速器在啮合过程中，可以满足工作平稳，受力均匀的传动要求，所以不对行星轮轮齿进行修形29。3.1. 课题研究的难点轮边减速器齿轮传动系统除了要求结构紧凑外，还要求运行平稳，使用寿命长，普通齿轮副都存在啮入冲击致使轮齿动态载荷增大的问题。由于轮边减速器是安装在轮毂内部，空间非常小，同时轮边减速器传递的功率非常大，所以安装布置空间小和传递功率大的矛盾非常突出。在现代齿轮制造技术中，对于重要的齿轮传动都要求进行修形，以此来减小啮合冲击和动载荷，提高齿轮的疲劳寿命。但是齿轮修形量目前都是采用经验方法在一个数据区间内选取，随意性大，得到的数据不够可靠。4. 完成本课题的工作方案及进度计划4.1. 工作方案由之前方案特点，论文选用NGW-Z型减速器，根据在该行星机构中何谓主动件、何为从动件和固定件，NGW-Z轮边减速器有三种结构方案30，如图3-1：图4-1 行星传动机构简图a-太阳轮；b-行星轮；g-内齿圈；H-行星架根据汽车的传动特点，减速器的位置布置和合理的离地间隙，将采用图3-1a的结构方案。4.2.设计的基本要求及进度安排第1周第3周：查阅资料，完成基础知识的积累和开题报告。 第4周第7周：车用轮边减速器总体方案和结构设计。 第7周第10周：车用轮边减速器的工作原理描述、功能实现和计算。第11周第14周：绘制减速器的二维CAD图。 第15周第16周：总结论文，完成毕业论文。 参考文献1郭春林,甄子健,武力等.电动汽车发展前景与关键因素分析J.汽车工程.2012,(09):852-8582江先宝,微型电动汽车用轮边驱动系统的设计与研究D,同济大学20093金灵.试论我国电动汽车的市场开发策略J.汽车工业研究.2009, (9): 9114曾蓓.电动汽车动力驱动系统初探J.工程技术.2010,(14):1065赵英.我国新能源汽车的发展趋势及问题J.中国科技投资.2010,(5): 2426.6陈勇,张建荣,张大明.电动轮技术在电动汽车中的应用及发展趋势J.机械设计与制造.2006,(10): 169一1717张展.齿轮减速器现状及发展趋势J,水利电力机械 2001,28刘惟信.汽车设计M,清华人学出版社 2001.9宋佑川,金国栋电动轮的类型与特点J.城一市公共交通.200410李明.风电增速箱斜齿轮齿向修形研究D,大连理工大学 200811工玲珑,黄妙华,轮毂式电动汽车驱动系统发展综述J学术论坛.2007,(1):3612Hiroshi Shimizu, 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