毕业设计（论文）-DDZ电动快递车动力传动系统设计.doc

目录目录目录-1摘要-21绪论-31.1研究目的及意义-31.2国内外研究现状-31.3本文研究研究内容-72总体设计-82.1设计任务分析-82.2拟定传动系统方案-92.3拟定电动快递车动力系统结构及基本参数-123电动快递车动力系统详细设计-143.1电动机的选择-143.2传动比分配-173.3变速箱的设计-203.4轴的设计-223.5主减速器锥齿轮的设计-243.6十字轴万向节的强度校核-24总结-26参考文献-27全套图纸加扣全套图纸加扣30122505823012250582摘要摘要随着能源短缺及环境问题的日益突出，全球汽车工业正处于一个转型阶段，即传统的内燃机汽车逐渐朝着新能源电动快递车方面转型，这对于我国汽车工业的发展是一个全新的契机，大力发展新能源电动快递车，掌握其重要技术，就能让我国汽车企业在未来的全球竞争中占得先机，在汽车行业占据领先地位。电动快递车指全部或部分用电能驱动电动机作为动力系统的汽车，它具有高效、节能、低噪声、零排放等显著优点，在环保和节能方面具有不可比拟的优势。目前世界各国政府及汽车企业均大力投入研发电动快递车技术。目前，电动快递车的类型主要有：燃料电池电动快递车、混合动力电动快递车和纯电动快递车3种类型。纯电动快递车技术由于研发起步早，发展时间长，曾被全球汽车企业广泛看好，至1970年以来，纯电动快递车技术已逐渐完善，其制造成本也相应降低。在政府的大力扶持下，目前电动汽车发展迅速，越来越多的人开始选择接受电动快递车这种环保的出行方式。同时也被许多汽车厂家认为是未来汽车发展的方向，而且都投入了大笔资金进行研发。不过，由于充电问题的现实阻碍，一直以来还没有得到充分推广。电动快递车动力传动系统的零部件包括电机、变速器、传动轴、差速器、半轴和车轮。电机可以从静止状态开始运转，并且能在较宽速度范围内进行有效的工作。这种能力使得它可以省去离合器，而在传统内燃机汽车上则需要使用离合器。单一的传动比可以满足电机转速与车轮速度的匹配。电动快递车可以设计成不需要齿轮的形式，但是减速器的使用使电机可以在一定车速下高速运转，这种高转速低转矩的需求特性可以缩小电机的尺寸。重要词：重要词：电动车；快递车；动力传动；11绪论绪论1.11.1研究目的及意义研究目的及意义目前，我国电动快递车发展已经进入重要时期，既面临重大的发展机遇，也面临着严峻的挑战。我国电动快递车发展中还存在很多需要解决的问题，如核心技术还不具备竞争力，企业投入不足，政府的统筹协调能力还没有充分发挥等。总体上看来，我国电动快递车产业，起步较早，发展较快，但是由于传统汽车及相关产业基础相对薄弱、投入不足，差距仍然存在，中高端技术竞争压力越来越大，因此，必须加大攻坚力度，推动我国汽车产业向创新驱动转型，提高核心技术竞争力，确保我国汽车行业的可持续发展。电动快递车使用电动机作为传动系统的动力源，缓解了能源紧缺的压力，实现了人们长期以来对汽车零尾气排放的期盼，传动系统作为汽车的核心组成部分，其技术创新是电动快递车发展的重要途经。目前，关于电动快递车的研究主要集中在能量存储系统、电驱动系统和控制策略的开发研究三方面。能量存储系统相当于电动快递车的发动机，是电动快递车电动机所需电能的提供者。目前，铅酸蓄电池是使用最为广泛的，但其充电速度较慢，使用寿命短，节能环保差。随着电动快递车技术的发展，其他电池正在渐渐取代着铅酸蓄电池。目前发展的新电源有纳硫电池、锂电池、镍镉电池、飞轮电池、燃料电池等，尽管这些新电源投入应用，但是短时间内还是无法解决电动快递车电源充电缓慢，电量存储低续航里程短的问题。电动快递车整车控制策略的开发研究一直在紧锣密鼓的进行着，整车控制系统是电动快递车实现整车控制和管理的重要，是实现和提高整车控制功能和性能水平的一个重要技术确保。其核心技术主要体现在整车控制软件的架构设计、转矩控制策略以及对整车和各系统得能量管理上。尽管控制策略的开发研究一直没有间断，但是，系统开发较为复杂，进度较慢。1.21.2国内外研究现状国内外研究现状我国正式对电动快递车的研制始于1981年，当时全球对电动快递车的宣传和需求并不强烈，对电动快递车的研究也相当零散，投入很少。目前，我国电动快递车的研究、开发进入了有组织。有领导的全面发展阶段，国家在电动快递车研制开发方面也采取了积极有效的宏观引导措施。我国高度重视电动快递车技术的发展。“十五”期间，启动了“863”计划电动快递车重大科技专项，确立了“三纵三横”（三纵：混合动力汽车、电动快递车、燃料电池汽车；三横：电池、电动机、电控）的研究布局，取得了一大批电动快递车技术创新成果。“十一五”以来，中国提出“节能和电动快递车”战略，政府高度关注电动快递车的研发和产业化。20062007年，中国电动快递车产业取得了重大的发展，中国自助研制的电动、混合动力和燃料电池三类电动快递车整车产品相继问世。2008年7月11日，科技部和北京市举行了奥运电动快递车示范运行交车仪式。交车仪式上，各类车型共计595辆交付使用，为官员、运动员、教练员、媒体记者以及社会观众等提供服务。2010年上海世博会期间，也有超过1000辆电动快递车在世博场馆和周边运行。合肥工业大学首先基于整车基本参数，分析了动力性要求，确定电机的选型。然后传统电动快递车传动系统的布置形式，用两档变速器代替了固定速比减速器，设计了一种新的传动布置方案，在最后根据整车的动力性指标对传动系速比上限和下限进行了分析计算。大连交通大学李律鸣在FMPMG的理论分析基础上，设计了一种永磁厂条只是永磁齿轮代替传统变速箱的新型传动系统，运用汽车相关知识进行了传动系统设计，参考国内外最新电动快递车参数配置，提出了模型参数设计过程，利用Ansoft有限元仿真软件建立模型，并进行静态和动态仿真。利用Ansoft逐一分析了FMPMG各结构参数和转矩的关系，针对所设计方案进行参数优化。姬芬竹等人考虑到电动机低速恒转矩和高速恒功率的特性，分析了电动快递车的传动比与档位确定原则，同时提出了使用固定速比的电动快递车传动方案，通过重新设计并优化分配固定速比和主减速器速比，从而获得更好的电动快递车动力性能。王峰等人提出了双电机行星齿轮系电动快递车动力传动装置，省去了离合器，增加了车辆变速范围，减轻了汽车质量和提高汽车动力性。对其电机和传动装置的参数进行合理选择和匹配计算，在MatlabSimulink环境下进行了整车动力性能的仿真，对传动系统的参数进行了优化。重庆大学陈宗波提出了双驱电动快递车，对双驱电动快递车动力传动系统进行参数匹配与仿真研究。根据几种工作模式以及一些参数确定原则，最终确定两个电机的参数。通过对传动系速比进行优化，使电动快递车常态工况运行的速度区域落在电动快递车的高效区所对应的转速范围内，同时证明了经过改变速比，可以使电动机的工作点移向电动机经常工作的最佳效率区域内，合理的传动系速比可以改善整车的性价比。长安大学张珍提出了主电机辅以轮毂电动机的传动系统结构形式。论文中分三种运行工况对该传动系统进行了分析，第一种是通常工况，只有主电机工作；第二种工况是大负荷超负荷工况，主电机跟辅助电机同时工作，保护主电机，提高传动系统的效率；第三种工况是制动和下坡工况，主电机和辅助电机作为发电机同时工作，进行能量回收。这种主电机和轮边电机的有机结合，充分提高驱动效率的同时极大地提高了能量回收率。2008年以来，以美国、欧盟、日本为代表的国家和地区相继发布实施了新的电动快递车发展战略，更加明确了产业的发展方向，进一步加大了研发投入与政府扶持力度。日本，以产业竞争力为第一目标，全面发展混合动力、电动、燃料电池三种电动快递车，研发和产业化均走在世界前列。美国，以能源安全为主要目标，强调插电式电动快递车发展。欧盟，以二氧化碳排放法规为主要驱动力，重视发展电动快递车。世界上第一辆电动快递车是在1834年的美国诞生。美国在电动快递车技术研发和政策上一直走在世界前列。2012年汽车产业报告，美国电动快递车销售总量居世界首位。美国电动快递车联盟提出的电动快递车发展目标和行动计划，目标希望到2018年全美初步形成良好的电动快递车生态网络。2012年日本电动快递车销量位居世界第二。日本电动快递车产业化成果在全球范围内是最好的。以丰田普锐斯为代表的日本混合动力汽车，在世界低污染汽车开发销售领域已经占据了领头地位。丰田和本田汽车公司已成为当今世界燃料电池汽车市场上的重要企业。为推广电动快递车以及环保汽车，日本从2009年4月1日起实施“绿色税制”，他的适用对象包括电动快递车、混合动力汽车、清洁柴油汽车、天然气汽车以及获得认定的低排放且燃油消耗量低的车辆。法国是石油资源缺少的国家，汽油昂贵，油价约为美国的四倍，每年从国外进口大量的石油。在政府积极发展电动快递车政策的带动下，各个汽车厂商也纷纷加大投资力度，雷诺日产联盟、标致雪铁龙和日本三菱汽车公司合作，相继推出了多款环保电动快递车。德国在电动快递车方面也做出了重要贡献。宝马也是氢动力发动机车型研究的先行者。在2009年德国政府批准的500亿欧元的经济刺激计划中，很大一部分资金用于电动快递车研发、“电动快递车充电站”网络建设和可再生能源的开发。21世纪以来，国外各大汽车厂商纷纷制订了新的电动快递车发展规划。在这个“电动环保竞技场”上，包括通用、奔驰、大众、宝马、日产、本田、丰田、克莱斯勒、福特等先行者，更是争先恐后的扮演了电动快递车开发的主角。本田公司推出了百分之百纯电力驱动汽车，包括在1997年推出的EV+电动快递车和2009年推出的FCXClarity燃料电池汽车。奔着减少二氧化碳排放和提高代替能源使用效率的目标，本田公司利用在电力驱动系统和能源管理技术方面的专业知识，设计师设计的小型电动快递车的电力驱动系统具有卓越的能源转换效率和极佳的动态性能。2013年，本田公司为电动快递车设计了一套新的动力系统。为了获得比原有的电动快递车更好的市场竞争力，这个动力系统兼具有高功率和低损耗的特点，具备世界上最先进的能源转化效率和比同类电动快递车更卓越的动态性能。为了实现高的能源转换效率，这种动力系统还配备了新开发的电动伺服制动系统进行协同控制；为了实现高动态性能，电动马达装配了新形状的转子，动力控制单元也装配了具有高导热散热性能的部件。因为配备了三重并行模块组和一个制冷系统，电池系统虽结构紧凑，但支持大功率输出。这个创新的动力系统带来了优良的结果，汽车一次行驶里程数可以达到82英里，能源转化力达到世界先进水平29千瓦时100英里，同时，它的加速性能相当于2.0排量的汽车的性能。由Ford和GE公司联合开发的ETX轿车，把两档变速器、电动机和差速器设计成一个整体。德国的达姆施塔特技术大学把高速感应电机和两档变速器组成的驱动系统，证明了该系统可以极大改善电动快递车的性能。英国桑德兰大学通过仿真模拟对比了安装两档变速器和固定速比减速器的电动快递车，表明安装了两档变速器的电动快递车不仅可以减少能量消耗，还可以减少整个驱动链的尺寸和重量。美国印第安纳波利斯大学针对一款5档手动变速器的电动公交车，研究了在换档过程中的电机控制问题，该方案适合直接耦合集成动力系统的电动快递车。韩国汉阳大学的WootaikLee等人研究表明：合理地选择电动快递车的动力驱动系统的零部件及其有关参数，使其达到最优匹配，将对整车性能产生较大影响。法国西布列塔尼大学A.haddoun等人通过建模与仿真分析，比较了三种不同控制策略在计算整车动力性的条件下对电动快递车能耗性价比的影响，结果表明，基于空间矢量建模的直接转矩控制策略具有最好的控制效果。日本横滨大学的Kawamura主要针对动力电机的转矩特性进行了研究，着重论述了电动快递车用动力电机的启动特性和过载特性。英国谢菲尔德大学M.J.West对比分析了多能源控制总成的设计方法，并对混合动力驱动系统中的能量流动进行深入分析，提出了混合动力汽车的能量管理方法。德国瓦尔塔汽车工业公司的EberhardMeissner等对未来电动快递车动力系统的能量管理和电池监测的发展趋势进行了预测，将能量管理定义为能量回馈、能量流动、能量存储和能量消耗的综合控制，同时给出了能量管理、电池管理和电池状态监测之间的层次关系，将电池管理和电池监测归结于能量管理的范畴，延长了电池的使用寿命。美国田纳西大学Chiasson.J分析了电动快递车用各类型动力电池的充放电特性，提出了一种新的SOC估算方法，并建立SOC计算模型。通用汽车公司设计的EVI电动快递车电池管理系统除了对单体电池电压、充放电电流进行检测，还具有六路温度检测、高压保险丝熔断保护、高压回流式继电器、电量显示和低压报警等功能。美国伊利诺伊大学的SanghunChoi等提出了基于RCC的能量回收最大化的再生制动控制方法，使用该方法回收的制动能量比传统再生制动控制方法提高了20%。德克萨斯A&M大学的YiminGao等提出三种制动力分配控制策略，即：并联再生制动控制策略、理想再生制动控制策略和最大能量回收控制策略，并对所提出的再生制动控制策略进行了仿真分析。1.31.3本文研究研究内容本文研究研究内容在能量存储系统和其他技术取得有效突破之前，对电动快递车传动系统的设计与分析是提高电动快递车性能的重要手段之一。另一方面，鉴于电动快递车主要性能指标是由最高车速、加速能力、爬坡能力和续航里程等来表征的，这些指标的高低直接与其动力传动系统优劣密切相关，因此，创新设计一类基于直驱AMT的传动系统，必定可以提高动力传动系统的性能。本文的来源是山东省重点研发项目基于直驱技术的高效变速器重要技术研究与系统开发。本文是针对电动快递车电动力输出的工作特性，创新设计一类基于直驱AMT的传动系统。研究方法：1.根据汽车理论以及相关论文，完成电动机的选型工作2.根据材料力学知识，校核重要部位强度3.对电动快递车传动系统的结构进行设计，应用CATIA软件建立总体方案的三维模型，应用CAD软件可以绘制二维工程图22总体设计总体设计2.12.1设计任务分析设计任务分析针对电动快递车电动力输出的工作特性，创新设计一类基于直驱式AMT的传动系统。方案设计要遵循以下几个原则：确保电动快递车动力性的情况下，降低百公里能耗；电能的利用率尽可能最大化；重要部件强度要满足使用要求；设计结果要具有可实现性。1、整车性能技术指标A运输类电动专用车、货车动力电池系统总质量占整车整备质量比例不超过25%，作业类电动专用车、货车不超过20%。B吨百公里电耗不超过10kWh；M1、N1类使用工况法，其他暂使用40kmh等速法，其中作业类专用车检测时上装部分不工作。（1）最高车速：90kmh；（2）最大爬坡度：20%；（3）加速性能050Kmh：15s；（4）60kmh续驶里程200km（等速法）；工况法续航里程180km；电动快递车选用长安传统载货汽车底盘（SC1031GDD43）为改装主体。电动快递车是在长安底盘改装成电动可承载式底盘的基础上，加装载货物厢体而形成的一款电动快递车，该车配置5MT手动变数箱、永磁同步电动机及控制器、整车控制器、三元锂离子锂电池、高压配电和BMS管理系统、智能车载充电器、直流快充充电系统、冷却系统、真空助力制动系统、助力转向系统、车载冷暖空调以及远程监控系统等。电动机使用电机前置通过法兰固定于变速箱，变速箱固定于整车中部，控制器及车载充电器布置在车身前中部，动力锂离子电池、高压配电系统及电池管理系统布置在车体中前两侧部位，车载空调布置在车体前部，远程监控终端固定于驾驶室中控台内部，使用5MT手动变数箱2档AT自动变速箱。2.22.2拟定传动系统方案拟定传动系统方案1）方案一：单电机传动系统传动方案12M43图2.1单电机传动系统图2.1注释：1主减速器；2变速箱；3电源；4电机控制器现在最普遍的电动快递车单电机动力传动系统传动方案，其结构形式类似于内燃机汽车，它由一台电动机、变速器、电源以及电机控制器等组成。因为结构形式类似于内燃机汽车，所以结构稳定，便于在原有汽车制造平台上进行生产制造。但是单电机传动系统由于对电动机的功率需求较大，因此电机尺寸较大、质量偏重等，这方面原因很大程度上限制了电动快递车的发展。电动快递车在行驶时，存在很多种不同阶段，比如起步阶段、加速阶段、上坡阶段、匀速行驶阶段、下坡阶段、减速阶段、刹车制动阶段等，单电机传动系统很难进行电机和电动快递车动力性的匹配：如果电动快递车需要功率恒定，单电机无法同时满足电动快递车最高车速和动力性能的要求。要提高电动快递车整车的动力性能，只能通过提高电机功率，但是电机的比功率不变的，因此提高功率伴随着电机尺寸的变大，质量的上升，而且会使电压提高或者电流增大，乘车的安全性能下降，从而导致制造难度以及制造成本都上升。电机的工作特性决定了电动机只有额定转速附近运行时才能有较高的效率，如果电动机可以一直在高效率区域运行，那么电动快递车的性价比能会大大升高。但是，由于电动快递车运行时工况比较复杂，单电机传动系统很难使电动机长期的运行在电动机高效区域。电动快递车一般为了增加续航都会进行能量的回收，既在制动阶段以及下坡阶段将电动快递车的动能通过对电机倒拖转化为电能，储存在蓄电池中。理论上，要实现电能的全部回收，电机的瞬间电流会比较大，甚至远远超过电机的承受范围，因此一般情况下只能回收到20%的能量。而单电机传动系统运行在电机高效率区域外时效率很低，制动以及下坡阶段对能量的回收效率也很低，进一步降低了电动快递车的续航里程。单电机传动系统虽然制造技术成熟，但是在对电动快递车续航里程要求越来越高的今天，单电机传动系统必然会被封存在电动快递车传动系统发展的历史长河中。2）方案二：主电机+轮毂电机传动方案此传动系统由一个主电机以及两个轮毂电机、一个电机控制器、变速箱、主减速器组成。方案布置图如图2.1所示：图2.2方案一传动系统图示图2.2注释:1主电动机；2电机控制器；3蓄电池；4轮毂电动机；5变速器；6驱动桥此传动方案是由主电机驱动前轮使电动快递车向前行驶，后轮的两个轮毂电机主要为电动快递车提供后备功率以及电动快递车在减速或者下坡时回收能量。电动快递车大负荷运行时，轮毂电机可以保护主电机，并且提供后备功率；减速以及下坡工况下，三个电机同时进行能量回收，提高能量利用率。此方案评估分析：使用前轴驱动，后两轮轮毂电机辅助驱动的形式，一方面提高了电动快递车的后备功率，使驱动系统结构简单，但是同时也增加了轮毂的转动惯量使电动快递车的操控性能下降。另外轮毂电动机工作环境相对比较恶劣，容易受到温度、水、灰尘等多方面影响，因此密封方面有非常高的要求，还要考虑电机的散热问题。3）方案三：双电机双轴驱动电动快递车双电机双轴驱动电动快递车驱动系统是指电动快递车的前后桥都使用电机加驱动桥的形式组成一个驱动系统。电动机、减速器以及驱动桥组成一个整体，三部分的轴之前成平行关系，使驱动系统结构更加的紧凑。双电机双轴驱动电动快递车结构简图如图2.3所示。图2.3双电机双轴驱动电动快递车结构简图该传动系统使用两台小功率的电动机分别对前轴和后轴进行驱动。使用两个小功率的电动机比使用单个功率值为两个小功率电机功率之和的电动机驱动车辆，可以在相同的车辆负荷下，提高单个小电动机的负荷率，进而提高电动车的工作效率，减少电动快递车的电能消耗，提高了电动快递车整车的续航里程。使用双轴驱动的形式，可以充分利用整辆电动快递车的重力产生附着力，提高电动快递车的整车附着利用率，能充分发挥电动快递车整车的驱动潜力，提高车辆的动力性。前后双轴同时进行再生制动，缩短电动快递车的制动距离，提高能量的回收率。双电机双轴驱动可以提高电动快递车的能量利用率，增加电动快递车的续航里程，使性价比上升。双电机双轴可以提高电动快递车整车动力性，使电动快递车操控性能上升，增强驾驶质感。经过分析对比，确定了双轴双电机的驱动系统方案，但与方案三不同的是后轴为主电机驱动轴，动力从电动机发出后，经过直驱式两档AMT变速箱，然后到减速器及驱动轴再到后车轮；前轴为辅助电机，直接通过电机控制器控制，经减速装置和驱动轴驱动前轮。本文设计研究的电动快递车传动系统简图如图2.4所示。图2.4电动快递车传动系统简图此种驱动方案具有以下优点：在电机总功率和不变的情况下，提高了单个电机负载，使电机的效率上升，使电机可以尽可能的工作在电机高效工作区域。直驱式两档式AMT变速箱可以提高主电机的工作平顺性，充分发挥电机性能。双轴驱动可以充分利用电动快递车整车产生的重力附着力，提高了整车的附着利用率，使电动快递车充分发挥自己的驱动潜力，提高了电动快递车的整车动力性能。2.32.3拟定电动快递车动力系统结构及基本参数拟定电动快递车动力系统结构及基本参数本文设计的基于直驱AMT的传动系统结构如图2.1所示，此电动快递车传动系统主要由两个电机，一个电机控制器，电池组和直驱AMT变速箱组成。其中主电机负责后轮驱动，辅助电机负责能量回收，以及为电动快递车提供后备功率。主副电机电机均使用小功率电机，通常行驶工况下，由主电机向后轮供电，驱动后轮使电动快递车向前行驶；当电动快递车起步及加速运行时，电池组分别向主电机和辅助电机供电，通过电动机控制器控制2个电机同时运行向车辆提供所需功率。电动快递车在制动、下坡等需要减速的情况下，主辅电机均参与能量的回收，从而实现四个车轮同时进行能量回收。差速器差速器M前进方向MAMT电源控制器图2.1电动快递车动力传动系统简图永磁同步电机具有高效率、高密度、结构简单且可靠性能高的特点，所以电动机选用永磁同步电机。变速器使用两档直驱式AMT自动变速箱，充分发挥电动快递车电动力输出的工作特性，使电动快递车的动力输出更加平顺。本论文以一款电动快递车的整车参数及技术要求进行整车参数匹配设计，具体参数见下表2.1所示。表2.1电动快递车主要技术参数基本技术参数技术指标整车质量kg迎风面积m3最大爬坡度%车轮滚动半径m最高车速kmh风阻系数传动效率滚动阻力系数质量转换系数0100kmh加速时间s15311.98300.3081000.350.910.0141.0410差速器差速器M前进方向MAMT电源控制器33电动快递车动力系统详细设计电动快递车动力系统详细设计3.13.1电动机的选择电动机的选择首先确定电动快递车的整车参数和动力性能设计要求后，然后对动力传动系统进行匹配计算，对电动机、动力电池、布置方式进行选型和设计。电动快递车整车性能是否能满足设计要求取决于驱动系统的动力参数匹配是否合理。电动快递车整车参数匹配的任务是在满足动力性能要求的基础上合理的选择驱动系统各部件的参数，以期最大可能的提高整车行驶性价比。电动快递车电动机通过电机控制器将动力电池的电能转化为驱动汽车行驶的机械能，是电动快递车行驶的动力源。电动快递车电动机的选型必须满足整车动力性能设计指标，需要确定的参数有：额定功率、峰值功率、额定转速以及最高工作转速。图2.2电动机输出特性研究表明电机具有如图2.2所示的低速等转矩和高速恒功率的机械特性，因此，电动机的工作区域就分为恒转矩区域和恒功率区域，以额定转速为分界点，以下是恒转矩区域，以下是恒功率区域。电动机的峰值工作特性使电机具有一定的过载能力，完全可以确保电动快递车起步、爬坡及加速等短时极限行驶工况，但是电动机不可以长期工作在峰值功率附近，长期在峰值功率附近运行会导致电机出现故障，也会对电机的使用寿命造成很大影响。（1）电动机的额定功率电动机长期工作于某工况的能力由额定功率来衡量。设计电动快递车运行工况时，为了能够使电动快递车以最高车速长期行驶，往往需要以电动快递车最高车速确定电动机的额定功率。通常情况下，电动快递车的最高车速对应电动快递车最高档，该双电动机传动系统在最高车速时，只有主电机工作，因此用电动快递车的最高车速计算主电机的额定功率。根据汽车理论所学知识，由汽车的功率平衡方程，可以求得满足汽车长期以最高车速行驶的额定功率：2maxmax21()360021.151000.351.98100(15319.80.014)36000.9121.1516.4dNCAUPmgfUKW其中，PN为电机额定功率，KW；为传动效率，取0.91；m为整车质量，kg；f为滚动阻力系数；A为电动快递车迎风面积，m2Cd风阻系数；Umax为最高车速。g为重力加速度，取9.8kgms2。（2）电动机的峰值功率电动机的峰值功率越高电动快递车的后备功率越大。为了满足整车爬坡、急加速等大功率短时工况需求，根据爬坡及加速等动力性能要求计算电动机峰值功率。根据最大爬坡度的需求进行分析，电动快递车以VN=30kmh的速度在最大坡度imax=30%的坡上行驶。此时所需求的功率为：max122maxmax2(cossin)21.153600(15319.80.014cos(arctan0.3)15319.8sin(arctan0.3)0.351.983030)21.1536000.9141.6iDNNPPPCAVVmgfmgKW根据百公里加速时间t050kmh的需求进行分析，电动快递车加速过程中需要较大的后备功率，其瞬时车速可以根据经验公式得：xmmtvvt其中，vm为电动快递车的末速度；tm为电动快递车的加速时间；x为拟合系数，一般取0.5左右。汽车在从零加速到50kmh的过程中，不仅要克服加速阻力、空气阻力。其中，空气阻力会随电动快递车速度成二次方增长，因此，选取加速末尾时刻进行设计计算：222(1)21.153.636000.351.9850(15319.80.01421.151.04153150100.2501)3.60.21036000.9171.3xDmmmmtmCAVmvttvPmgfttKW根据前述计算，为了满足电动快递车动力性的要求，必须确保电动机的额定功率大于PN，峰值功率大于maxPimax，Pt。单电机的功率也不适宜太大，功率过大会造成电机实际质量的增加，一方面，这样不符合现在汽车轻量化设计的理念，另一方面会增加整车的制造成本，不能达到预期的经济收益。而且电机功率过大，会使电动快递车无法充分利用电机的高效区，在电动快递车的行进过程中，会更大的更迅速的消耗蓄电池的电量导致电动快递车续航里程下降。（3）电动机的额定转速以及最高工作转速目前，电动快递车的行驶工况一般为市区工况，大部分市区道路限速60kmh，因此，常规车速假设为UN=60kmh，以此数值计算电机的额定功率：00.377gNNiiUnr其中，nN表示电机的额定转速，rmin；ig表示传动比；i0表示主减速比；UN表示常规车速，kmh；r表示车轮滚动半径，m。电机的制作工艺、制作成本以及传动系统各个部件的设计和成本都取决于电动机的最高工作转速。电动机一般分为普通电机和高速电机。普通电机的转速在6000rmin以下，电动客车上的应用较多。高速电机的转速在6000rmin以上，应用范围广，更适合电动轿车使用。因此，本文设计的电动快递车传动系统使用6000rmin以上的高速永磁同步电机。电机扩大恒功率区系数是驱动电动机的最高转速比上额定转速的值。试验表明，值一般取24之间。（4）电动机匹配结果根据前述匹配计算和分析，总结现有产品规格，本系统选用的永磁同步电机具体参数如下。主电机参数技术参数项参数指标额定转速rpm3000转速范围rpm08500额定功率kw18.5峰值功率kw50额定转矩Nm123峰值转矩Nm280辅电机参数额定功率kw7.5峰值功率kw253.23.2传动比分配传动比分配车辆的使用条件和性能要求决定了电动快递车传动系统的档位数，从理论上来讲，增加档位数可使电动快递车电动机尽可能的工作在高效区，使电动快递车的能耗降低，增加续航里程。同时，可以使整车的加速爬坡的动力性能得到提高。虽然增加电动快递车的档位数可以提高整车的动力性和性价比。但是，增加档位数会使变速器的机械结构更加复杂，控制难度更高，进一步增加了制造的成本。本传动系统使用两档自动变速器技术方案，该方案能够使电动快递车电动机有更好的机械输出特性。一档时，传动比大，电动机低速大转矩的特性使电动快递车能够更好的完成起步、爬坡、急加速工况需求；二档时，传动比小，电动机高速时输出的大功率可以确保电动快递车的最高车速需求。同时，变速箱传动逼得设计尽可能的使电动机日常工作点在电机的高效区内，满足电动快递车动力性的同时，确保能耗最低。在确定变速箱不同档位传动比时，首先根据不同档位传动比要满足的电动快递车行驶工况，并利用所学动力学方程，确定不同档位传动比的合理设计范围。本论文用ig1和ig2分别表示AMT变速箱一档和二档的传动比，iF表示主减速器传动比，用i1=ig1iF表示一档时传动系统的总传动比，用i2=ig2iF表示二档时传动系统的总传动比。查阅资料，单级齿轮的最大传动比不应该大于4，因此，主减速器传动比iF选定为3.8下面分别对i1和i2进行匹配计算。计算i1范围大传动比i1必须满足电动快递车最大爬坡度的要求，并且电动快递车运行时驱动转矩不可以大于地面附着力的极限值。i1需要满足的电动快递车最大爬坡度21maxmaxmaxcossin21.15DNiTCAVmgfmgR通过上式计算可得：i17.34B）i1需要确保电动快递车运行时驱动转矩不可以大于地面附着力的极限值1maxiTGR其中，表示路面附着系数，取值范围是：干燥的水泥路面，=0.71.0，潮湿水泥路面，=0.40.6，刚开始下雨时路面：=0.30.4，在这里取=0.8。经过计算可得：i113.90如前所述，i1取值的合理范围是：7.3413.90计算i2范围小传动比i2需要满足电动快递车最高车速以及电动快递车在以最高车速行驶过程中驱动力不小于行驶阻力。A）i2必须满足电动快递车的最高车速因为i2需要满足电动快递车的最高车速，所以下面的式子成立，maxmax2nviR其中，nmax电动机的最高转速，取8500rmin，R表示车轮的滚动半径，m.则：i28.49B）i2满足电动快递车在以最高车速行驶时驱动力不小于行驶阻力C）max22max21.15nDiTCAVmgfR其中，Tnmax=电机额定功率电机最高工作转速则：i25.44如前所述，i2合理的取值范围是：5.448.49首先确定了本论文设计的基于直驱式AMT的传动系统结构形式和设计原理，之后根据该电动选用的整车参数以及它的各项性能指标，完成了电动机的选型，对该传动系统的传动比范围进行了确定，通过分析和查阅相关数据，该AMT变速箱一档传动比选用ig1=3.09，二档的传动比选用ig2=1.83主减速器传动比选用iF=3.8。3.33.3变速箱的设计变速箱的设计本次设计的基于直驱AMT变速箱的电动快递车的传动系统主要包括电动机、AMT变速箱、万向传动装置、驱动桥等。下面首先对主要部分的参数进行确定，然后在CATIA中完成各部分三维模型的绘制。使用直驱AMT变速箱，使用的是中间轴式结构，第二轴和中间轴的距离是变速器的中心距A，中心距是变速箱的一个基本参数，一方面，它的数值对变速器的外形尺寸、体积、重量等都产生很大的影响。另一方面，它也影响着传动齿轮的接触强度。中心距越大，齿轮的接触应力就越小，齿轮的寿命就越长。中心距不能过小，如果中心距过小，会导致变速箱的长度增加，因此导致轴的刚度下降，另一方面受一档小齿轮齿数不能过小的限制，中心距也应该选大一些。中间轴式变速器中心距的确定初步确定中心距A时，可以用下面的经验公式计算3max1AeggAKTi其中，A表示变速器中心距，mm；KA表示中心距系数，乘用车：KA=8.99.3；Temax表示电动机的最大转矩（Nm）；ig1表示变速器一档是的传动比；g表示变速器传动效率，这里取96%。根据前文所选电机参数，以及传动比求得：85A根据汽车设计所学知识，查表后初步选定齿轮模数取3。然后根据变速器的档位数、传动比和传动方案进行各档齿轮齿数比的分配。需要注意的是，各档齿轮齿数比应该尽量不要取整数，以最大可能的确保齿面磨损均匀。下图为两档变速器传动方案。图3.1两档AMT变速器传动方案一档传动比的确定一档传动比为52161gzzizz首先求z1和z2的齿数，再求z5和z6传动比。齿数和2coshnAzm计算后取zh为整数，zh=57。在确定齿数和后，进行大小齿数的分配。查阅资料，因一档传动比为3.08，因此中间轴上一档齿轮的齿数可在z6=1517之间选用，取z6=16，则z5=41。则值取为22。中心距的修改在计算齿数和的过程中，由于取整的原因，中心距的大小发生了变化，此时，A=85.5。接下来以修改后的中心距作为各档齿轮齿数分配的依据。常啮合齿轮齿数的确定根据之前计算可知：26115zzizz1257zz则z1=26，z2=31。4.二档齿轮齿数的确定3457zz求得：z3=35，z4=22。23214gzzizz齿轮接触应力校核123456输入轴输出轴一档齿轮接触应力校核：已知：；NmmTg310241.1620223nmaMP5102.1E；mmZZAdh28.1225741852251；mmZZAdh72.745716852226；mmmKbnc65.2222cos37cosNdTFg2.9721228.1221016.241223111.127222cos1972.2cos1NFF8.722cos20sin19.535cossin22zzrp08.2022cos20sin50.465cossin22bbrp由牛顿第三定律可知，作用在主动齿轮和从动齿轮的两作用力是一样的，故只需要计算一个接触应力即可：a51467.4MP08.2018.7165.22101.22127.10.41811418.0bzjppbFE经过计算结果与现有数据对比两个档位的齿轮接触应力均满足设计要求，合格。根据前述计算参数，参考标准件对照表，依次确定各个齿轮的齿数和模数。3.43.4轴的设计轴的设计该变速箱使用中间轴式布置结构，而且前述算出中心距A=85.5，因此，中间轴以及第二轴的中间部分直径为d0.45A。对于中间轴dL=0.160.18，对于第二轴，dL0.180.21，其中d表示轴的最大直径，L表示轴的支承间距。3maxeDKT第一轴花键部分的直径D可以按照下列式子进行初选：其中，K为经验系数，K=4.04.6；Temax表示电动机的最大转矩。有前述公式及经验计算可得：中间轴中部直径为d2=38。第一轴花键部分直径为D=30。参考相关论文，初步取壳体的总长度为324mm，中间轴支承距离取316mm，则根据相关数据第二轴支承距离为268mm。AMT变速箱在工作时，由于齿轮啮合以及动力的传动，变速箱的轴受到转矩和弯矩。这就需要变速箱轴的刚度和强度必须满足要求，如果轴的刚度不能满足要求将导致轴发生弯曲变形，进而，导致齿轮不能正确的啮合，对于行车安全以及驾乘感受造成很大的影响。校验轴的刚度变速箱轴在垂直平面内发生的挠度以及水平面内产生的转角对齿轮的工作产生的影响最大。挠度会改变齿轮的中心距，使齿轮不能正确的啮合；轴产生的转角会导致齿轮之间相互歪斜，使延齿长的压力分布不均匀。上文初步确定了各轴的直径，长度等尺寸，现在对轴的强度和刚度进行验算。想要求变速箱输入轴的支点反作用力，必须从中间轴的支点反力入手，先求出钟建中的支点反力。这里需要注意的是随着档位的不同，齿轮受的切向力、径向力和轴向力都会发生变化，而且档位不同力到支点的长度也会发生变化，所以应该对各个档位都进行验算。在进行验算时，可以把轴看做是铰接支撑的梁。作用在输入轴上的转矩应取Temax。材料力学里面有关于计算轴的挠度和转角的公式，在进行计算的时候，只计算轴上有齿轮的位置的挠度和转角。输入轴常啮合齿轮副，离支撑点的距离较近，负荷小，一般情况下挠度较小，因此可以不计算。轴在垂直面内的挠度是fc，在水平面内的挠度为fs，转角位，用下面的公式进行计算1()3FabbaEIL2213cFabfFIL2223sFabfEIL其中，F1表示轮齿宽中间平面上的径向力，N；F2表示齿轮齿宽中间平面上的切向力，N；E是弹性模量，E=2.1105MPa；I为惯性矩，mm4，对于实心轴，I=d464d表示轴的直径，mm；花键处均按直径计算；a、b为齿轮上的作用力距离A、B支座的距离，mm；L表示支座间的距离，mm。因此次设计的主要目的是设计基于AMT的电动快递车传动系统，所以不在这里对变速箱各轴的具体参数进行计算校核。1.校验轴的强度变速箱的轴主要作用是进行力的传递，在这里按许用切应力进行简单的计算校核。639.55100.2TTTTPnWd其中，WT表示轴的抗扭截面系数，mm3；P为轴的传递效率，kWn为轴的转速，rmin；C跟轴选用的材料有关。6339.55100.2TPPdCnnn取峰值转速时，变速箱轴的转速，C取125。则8.8dmm当轴上有键槽时，应该加大轴的直径，单键直径增加3%，双键直径增加7%。3.53.5主减速器锥齿轮的设计主减速器锥齿轮的设计主减速器锥齿轮的主要参数包含主动锥齿轮齿数Z1、从动锥齿轮齿数Z2、从动齿轮大端分度圆的直径D2、端面模数ms、中点螺旋角、法向压力角等。选择主动锥齿轮和从动锥齿轮的齿数时必须考虑以下的条件：为了使齿轮磨合均匀，两个齿轮的齿数之间尽量避免存在公约数；主动锥齿轮和从动锥齿轮的齿数和应该大于40，尽可能的得到理想的齿面重合度以及较高的轮齿弯曲强度；为了使两个齿轮啮合好、噪音小并且具有较高的疲劳强度，对于乘用车，主动锥齿轮齿数一般大于9主减速比较大时，主动锥齿轮的齿数应该尽量小一些，以此来尽可能的获得满意的整车最小离地间隙。汽车上大部分的差速器都使用对称锥齿轮式差速器，对称锥齿轮式差速器结构比较简单、重量较轻的优点，所以被广泛使用。对称锥齿轮式差速器又分为普通锥齿轮式差速器、强制锁止式差速器以及摩擦片式差速器。本设计使用普通锥齿轮式差速器。它结构简单、工作状态安全可靠，一般使用条件的汽车驱动桥大部分都会使用这种普通锥齿轮式差速器。3.63.6十字轴