（机械设计及理论专业论文）电动轮轮边减速器的优化设计研究及有限元分析.pdf

d i s s e r t a t i o ns u b m i a e df o rt h ea p p l i c a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g o p t i m i z a t i o nd e s i g no fe l e c t r i cw h e e l w h e e l s i d er e d u c e r c a n d i d a t e a n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s d e p a r t m e n t s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s p e c i a l t y s u p e r v i s o rq l i 旦m i n g s h a n d o n gu n i v e r s i t y m a y2 4 ，2 0 1 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：煮彝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 敝储弥趣翩躲日期：坦瞄斜 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 论文研究的背景及意义1 1 1 1 能源和环境交通问题l 1 1 2 电动公交的发展策略2 1 1 3 轮边驱动技术在电动公交领域内的应用2 1 1 4 课题研究目的和意义4 1 2 电动轮的发展和研究现状5 1 2 1 电动轮驱动技术的发展5 1 2 2 电动轮结构类型及特点8 1 2 - 3 电动轮发展趋势9 1 2 4 电动轮轮边减速器的研究现状及分析1 0 1 3 论文主要研究内容10 第2 章优化设计及接触问题有限元法理论基础。13 2 1 引言1 3 2 2 优化设计问题理论基础1 3 2 2 1 优化设计问题的数学模型。1 3 2 2 2 齿轮优化问题的分支定界算法一1 4 2 3 接触问题有限元法的基本概念1 6 2 3 1 概述及基本假设。1 6 2 3 2 接触面定义17 2 3 3 接触状态和判断条件18 2 4 接触问题有限元法原理2 1 2 3 1 虚位移原理2 l 2 3 2 接触条件的引入。2 2 i 山东大学硕士学位论文 2 5 接触问题算法2 2 2 6 本章小结2 5 第3 章电动轮轮边减速器齿轮优化设计2 7 3 1 引言2 7 3 2 优化设计数学模型2 7 3 2 1 优化设计变量一2 7 3 2 2 优化设计目标函数2 9 3 2 3 优化设计约束条件2 9 3 - 3 优化设计算法。3 2 3 3 1 优化设计求解步骤3 2 3 3 2 强度条件的计算3 7 3 4 本章小结4 3 第4 章优化程序的研究及软件开发4 5 4 1 引言4 5 4 2 程序编译环境概述4 5 4 2 1 程序模块4 6 4 2 2 程序模块的功能4 7 4 2 3 程序流程图一4 7 4 3 关键问题的解决4 9 4 3 1 调用设计资料一4 9 4 3 2 数据传递5 0 4 4 软件的开发5 0 4 4 1 软件输入的主界面5 0 4 4 2 参数输入模块5 l 4 4 3 结果输出界面一5 3 4 5 程序的使用和算例5 4 目录 4 5 1 计算实例5 4 4 5 2 优化结果5 5 4 5 3 计算结果分析5 5 4 6 本章小结5 8 第5 章优化结果的有限元仿真及分析。6 1 5 1 引言6 1 5 2 齿轮的参数化建模。6 1 5 2 1 建模软件环境简介。6 1 5 2 2 齿轮参数化建模6 1 5 3 齿轮有限元分析过程。6 2 5 3 1 有限元分析软件环境简介6 2 5 3 2 齿轮有限元分析过程6 2 5 4 计算结果及分析6 5 5 4 1 接触应力分析6 6 5 4 2 弯曲应力分析6 9 5 4 3 两种计算方法对比分析。7 0 5 6 本章小结7 1 总结与展望7 3 论文的主要工作和结论7 3 进一步的研究工作7 4 参考文献7 5 致谢7 5 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e l a b s t r a c ti ne n g l i s h i l l c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n d c o n t e n t s & s i g n i f i c a n c e s 。1 1 1 1e n e r g ya n de n v i r o n m e n t a lt r a f f i cp r o b l e m s 1 1 1 2e l e c t r i cb u s e sd e v e l o p m e n ts t r a t e g y 2 1 1 3 m e e ld r i v et e c h n o l o g y 2 1 1 4t h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c h 4 1 2s t a t u so f d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c h 5 1 2 1t h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c - w h e e l - d r i v e 5 1 2 2s t r u c t u r et y p ea n dc h a r a c t e r i s t i c s 8 1 2 3t h ed e v e l o p m e n tt r e n do f t h ee l e c t r i cw h e e l 9 1 2 4r e s e a r c ha n da n a l y s i s 1 0 1 3m a j o r c o n t e n t s o f s t u d y 1 0 c h a p t e r 2t h e o r e t i c a lb a s i s 1 3 2 1i n t r o d u c t i o n ：1 3 2 2h e o r e t i c a lb a s i sf o ro p t i m i z i n gt h ed e s i g n 13 2 2 1t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f o p t i m i z ed e s i g n 1 3 2 2 2t h es o l u t i o no f o p t i m i z a t i o nd e s i g n 1 4 2 3n l eb a s i cc o n c e p to f t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d 一16 2 3 1t h ed e f i n i t i o no f t h ec o n t a c ti n t e r f a c e 1 7 2 3 2c o n t a c ts t a t ea n dt h ec o n d i t i o n sf o r j u d g e 。l8 2 4p r i n c i p l eo f f i n i t ee l e m e n tm e t h o df o rc o n t a c tp r o b l e m s 2 1 2 3 1p r i n c i p l eo f v i r t u a ld i s p l a c e m e n t 。2 1 2 3 2t h ei n t r o d u c t i o no f t h ec o n t a c tc o n d i t i o n s 2 2 2 5s o l u t i o no f c o n t a c tp r o b l e m s 2 2 2 6c h a p t e rs u m m a r y 2 5 v 山东大学硕士学位论文 c h a p t e r3o p t i m i z a t i o no ft h ew h e e l - s i d er e d u c e rd e s i g n 2 7 3 1i n t r o d u c t i o n 。2 7 3 2t h eo p t i m u md e s i g nm o d e l 2 7 3 2 1o p t i m i z a t i o nv a r i a b l e s 2 7 3 2 2o b j e c t i v ef u n c t i o no f o p t i m i z a t i o n 2 9 3 2 3c o n s t r a i n tc o n d i t i o n so f o p t i m i z a t i o n 2 9 3 3o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m 3 2 3 3 2t h es i m p l i f i c a t i o no f t h eo p t i m i z a t i o np r o b l e m 3 2 3 3 3o p t i m i z a t i o ns t e p 3 2 3 3 4t h ec a l c u l a t i o no f t h es t r e n g t hc o n d i t i o n 3 7 3 4c h a p t e rs u m m a r y 4 3 c h a p t e r 4p r o g r a md e s i g na n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t 4 5 4 1i n t r o d u c t i o n 4 5 4 2a no v e r v i e wo f t h ep r o g r a mc o m p i l e de n v i r o n m e n t 4 5 4 3 1p r o g r a mm o d u l e s 错误! 未定义书签。 4 3 2t h ef u n c t i o n a l i t yo f t h ep r o g r a mm o d u l e s 4 7 4 3 3p r o g r a mf l o wc h a r t 4 7 4 4t h es o l u t i o no f k e yi s s u e s 4 9 4 4 1c a l lt h ed e s i g ni n f o r m a t i o n 4 9 4 4 2d a t at r a n s f e r 5 0 4 5s o f t w a r ed e v e l o p m e n t 5 0 4 5 1t h em a i ni n t e r f a c eo f s o r w a r ei n p u t 5 0 4 5 2p a r a m e t e ri n p u tm o d u l e ：一51 4 5 3t h er e s u l t i n go u t p u ti n t e r f a c e 5 3 4 6p r o c e d u r e sf o ru s ea n de x a m p l e s 5 4 4 6 1c a l c u l a t i o ne x a m p l e 5 4 4 6 2o p t i m i z a t i o nr e s u l t s - 5 5 4 6 3c a l c u l a t i o nr e s u l t s 5 5 c o n t e n t s 4 7c h a p t e rs u m m a r y 5 8 c h a p t e r5f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n a l y s i s 6 1 5 1i n t r o d u c t i o n 6 1 5 2p a r a m e t r i cm o d e l i n go fg e a r 6 1 5 2 1i n t r o d u c t i o nt om o d e l i n gs o f t w a r ee n v i r o n m e n t 6 1 5 2 2p a r a m e t r i cm o d e l i n go fg e a r 6 1 5 3f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sp r o c e s s 6 2 5 3 1i n t r o d u c t i o nt of i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e 6 2 5 3 2a n a l y s i sp r o c e s s 6 2 5 4r e s u l t sa n d a n a l y s i s 6 5 5 4 1c o n t a c ts t r e s sa n a l y s i s 6 6 5 6c h a p t e rs u m m a r y 7 1 s u m m a r ya n do u t l o o k 7 3 t h em a i nw o r ka n dc o n c l u s i o n s 7 ：； f u r t h e rr e s e a r c hw o r k 7 4 r e f e f e n c e s 7 5 a c k n o w l e d g e m e n t s 7 9 摘要 摘要 轮边减速型电动轮是一种新型车辆驱动技术，具有传动效率高、成本低等优 点，在电动汽车领域中呈现出了很好的应用前景。汽车对电动轮结构尺寸的要求 有限，这同时也对电动机的功率密度提出了一定的要求，在一定程度上限制了其 发展。采用结构紧凑的轮边减速器可以在较大程度上提高电动轮整体性能，对促 进电动轮驱动技术的发展有重要的意义。 论文以减速器径向尺寸和轴向尺寸最小为优化目标展开研究。综述了电动轮 驱动技术的发展概况和趋势，根据当前电动汽车及电动轮驱动技术的发展情况， 研究了适用于电动轮的轮边减速器类型，并分析了电动轮对n g w 行星齿轮减速器 的结构要求。介绍了机械优化设计和接触问题有限元法的基本概念、原理和算法。 建立了轮边减速器优化设计的数学模型，结合行星齿轮的结构特点和运动特点， 以分支定界算法为基本思想，引用定轴线齿轮传动的计算公式，构造了轮边减速 器的专用优化算法。研究了优化设计流程，并基于m 语言编制了相应的优化设计 程序，在m a t l a b 平台上开发出优化设计软件。结合算例对优化设计软件进行了分 析和验证，取得了较好的优化结果。多组的分析数据表明，经过优化设计的电动 轮轮边减速器，其中心距可以减少1 8 - - 2 6 ，轴向尺寸可减少3 0 以上，在较 大程度上减小了轮边减速器的结构尺寸。与以往将离散变量视为连续变量的优化 方法相比，该优化设计算法和步骤避免了由于圆整设计变量而带来的问题，更加 适合于包含混合变量的齿轮优化设计问题。 论文还采用有限元仿真分析的方法进一步验证了优化算法和程序，基于接触 问题有限元理论，应用三维建模软件对多组优化设计数据进行参数化建模，采用 a n s y s 有限元分析软件对齿轮接触应力和弯曲应力进行了仿真分析和计算。分析 结果表明，经过优化的齿轮参数可以满足电动轮的工作要求。 关键词电动轮；轮边减速器：优化设计；有限元分析； 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i cw h e e li san e wt y p eo fd r i v i n gt e c h n o l o g yf o rn e we n e r g yv e h i c l e s ，w i t h p o w e r ，h i g he f f i c i e n c ya n dl o wc o s t t h es p a t i a ld i m e n s i o no fe l e c t r i cw h e e l i sl i m i t e d ， a n dc o m p a c tw h e e lr e d u c e rc a n s i g n i f i c a n t l ye n h a n c et h e o v e ra l lp e r f o r m a n c eo f t h e e l e c t r i cw h e e l t h e r e f o r e ，s t u d i e so ft h e e l e c t r i cw h e e l g e a r o p t i m i z a t i o nd e s i g n a n d f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s a r e m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e f o rp r o m o t i n g t h e d e v e l o p m e n t o f e l e c t r i c w h e e l - d r i v et e c h n o l o g y t h i sp a p e rf i r s tr e v i e w e dt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c w h e e l - d r i v et e c h n o l o g y ，a n d m a k eas u m m a r yo fi t sd e v e l o p i n gt r e n d b a s e do nt h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fn e w e n e r g yv e h i c l e sa n de l e c t r i c - w h e e l - d r i v et e c h n o l o g y ，t h e w h e e l s i d er e d u c e rf o re l e c t r i c w h e e lt y p ei si n v e s t i g a t e d t h ea d v a n t a g e so ft h en g w p l a n e t a r yg e a ro fw h e e lr e d u c e r i sd e s c r i b e d ，t h es t r u c t u r a lr e q u i r e m e n t so ft h en g wp l a n e t a r yg e a rr e d u c e rf o re l e c t r i c w h e e li sa n a l y z e d ，w h e r et h eo p t i m i z a t i o no fr a d i a la n da x i a ld i m e n s i o n si se x t r e m e l y s i g n i f i c a n ti np r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h e r e f o r e ，i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c ht a r g e ta n d p r o j e c tc o n t e n ta r ec o n f i r m e du s i n gt h e o r e t i c a ls t u d ya n dc o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o n m e t h o d ，t h em a i nw o r k a n da c h i e v e m e n t s a r ea sf o l l o w s m e c h a n i c a lo p t i m i z a t i o nd e s i g n i si n t r o d u c e da n df u n d a m e n t a lc o n c e p t ，t h e o r ya n d a l g o r i t h mo fc o n t a c tp r o b l e mi nf i n i t ee l e m e n tm e t h o da l es t u d i e d o p t i m i z a t i o nd e s i g no fn g wp l a n e t a r yg e a ri n w h e e lr e d u c e ri se s t a b l i s h e d m a t h i m a t i c a lm o d e li sb u i l ti nt h es t u d ya n dt h eo b j e c t i v ef u n c t i o n so ft h i so p t i m i z a t i o n d e s i g na r em i n i m u mc e n t e rd i s t a n c ea n dt o o t hw i d t h a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a la n d k i n e t i cc h a r a c t e r i s t i c so fp l a n e t a r yg e a r , c o n s t r a i nc o n d i t i o n so ft h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n a r ep r o v i d e da n dt h ec o m p u t a t i o n a lp r o c e d u r e so fs t r e n g t hc o n s t r a i nc o n d i t i o na r e i n t r o d u c e di nd e t a i l b a s e do r tb r a n c ha n db o u n da l g o r i t h a t , e p i c y c l i eg e a r t r a n s m i s s i o ni sd i v i d e di n t os e v e r a lp a i r so f m e s h i n gg e a r s ，w h i c hi sau s e f u lm e t h o df o r i n v e s t i g a t i n g t h ef o r m u l ao ff i x e da x i a lg e a rt r a n s m i s s i o ni sa p p l i e di nt h ec a l c u l a t i o n a b s t r a c t a n dt h es t r u c t u r a la n dk i n e t i cc h a r a c t e r i s t i c so fp l a n e t a r yg e a ri sc o n s i d e r e da sw e l l t h e o p t i m i z a t i o nd e s i g np r o c e d u r ei ss t u d i e da n dd e s c r i b e d ，w h i c hi sb a s e do nt h eo b j e c t i v e f u n c t i o n so fm i n i m u mc e n t e rd i s t a n c ea n dt o o t hw i d t h c o m p a r i n gw i t ht h ep r e v i o u s o p t i m i z a t i o nm e t h o dw h i c hc o n s i d e r e dt h ed i s c r e t ev a r i a b l ea sc o n t i n u o u sv a r i a b l e ，i n t h i sp a p e r , t h ep r o b l e mo fr o u n d i n gt h ed e s i g nv a r i a b l ei sa v o i d e d u s i n gc u r r e n t o p t i m i z a t i o nd e s i g na l g o r i t h ma n dp r o c e d u r e ，w h i c hi sm o r ea p p r o p r i a t ef o rg e a r o p t i m i z a t i o nd e s i g n 谢t l lm i x e dv a r i a b l e s a c c o r d i n gt oo p t i m i z a t i o na l g o r i t h ma n dd e s i g np r o c e d u r e ，m o d u l a rd e s i g n m e t h o di sa d o p t e dt os t u d yt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nf l o w b a s e do nt h em l a n g u a g e ，a n e wo p t i m i z a t i o nd e s i g np r o g r a mi sc o m p i l e da n dd e s c r i b e di n t h i sp a p e r i no r d e rt o d e m o n s t r a t ep r a c t i c a la p p l i c a b i l i t yo ft h eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，t h i sp a p e rg a v ef u l l c o n s i d e r a t i o nt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no fp r o j e c ta p p l i c a t i o n s t h en e wo p t i m i z a t i o n s o f t w a r ei s d e v e l o p e du n d e rm a t l a bp l a t f o r m i no r d e rt ov e r i f y t h e o r i g i n a l o p t i m i z a t i o nd e s i g ns o f t w a r e ，e x a m p l e sa r ea p p l i e di nt h ep r o g r a m t h ea n a l y s i sr e s u l t s d e m o n s 仃m et h a tt h en e wo p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o da n dp r o g r a mh a v eg o o d o p t i m i z a t i o ne f f e c t s ，w i t hac e r t a i na m o u n to fv a l u ei ne n g i n e e r i n g 3 dm o d e l i n gs o f t w a r ei sa p p l i e dt ob u i l tt h ep a r a m e t r i cm o d e l sw i t hs e v e r a l o p t i m i z a t i o nd e s i g nd a t a ，a n dg e a rc o n t a c t i n ga n db e n d i n gs t r e s s e si so b t a i n e df r o mt h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 、) i ，i t ha n s y s a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i s i o no fs i m u l a t i o na n d a n a l y t i c a lr e s u l t s ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h eo p t i m i z a t i o na l g r i t h m ，p r o c e d u r ea n dp r o g r a mi s d e m o n s t r a t e d a n dt h eo p t i m i z a t i o ns o t f w a r es h o w sg o o dp r a c t i c a la p p l i c a b i l i t y k e y w o r d s e l e c t r i cm o t o r ；w h e e l - s i d er e d u c e r ；o p t i m a ld e s i g n ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s i l i 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 1 1 1 能源环境和交通问题 第1 章绪论 随着我国国民经济的迅速发展，人们对汽车的需求也曰益凸显。据巾国汽车 ： 业协会统计分析( 见图1 1 ) ，2 0 1 0 全年汽车销量为1 8 0 6 万辆，同比增长3 2 7 。和 世界其他囝家相比，无论是汽车销售量还是增长速度，中冈均遥遥领先。我国是 个人l j 大国，人口分布稠密。随着汽车的迅速普及，由此所带来的环境、能源和 交通等问题也将日益突出。新能源汽车在节能、环保上具有传统汽车无法比拟的 优势，成为了近年来人们研究的热点。 在我同“十二五”规划期间，作为国家节能减排的重要组成部分，新能源汽 乍被列为加快培育和发展的七大战略性新兴产业之一，将继续在资金和政策层面 给f 重，t 氧支持。在中围汽车产业的“十二五”规划巾，新能源汽车成为巾围汽车 行业今后5 年的发展重点，规划提出到2 0 1 5 中同新能源汽车的年销量达百万辆的 目标。电动汽车是世界公认的新能源汽车主流，发展电动汽车对于解决国内需求 与能源叫i 境间的矛盾问题具有重要意义。 2 0 0 0 18 0 0 16 0 0 14 0 0 1 2 0 0 10 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 1 山东大学硕士学位论文 1 1 2 电动公交的发展策略 由文献 2 3 1 可知，对于纯电动汽车，一般都存在着续驶里程不足、价格偏高、 公共配套设施欠缺等问题，在与传统汽车的竞争中仍处于劣势，这些因素都阻碍 了电动汽车的市场普及化。在我国，电动车的发展可分为三个阶段：第一阶段， 也就是电动汽车基本技术的研发和公关阶段。在这个阶段，电动汽车用户主要是 一些新能源汽车示范基地。在第二阶段，也就是在电动汽车技术有了一定发展基 础的情况下，此时电动汽车的价格还偏高，基础设施尚不完善，技术水平也尚待 发展。在这个阶段，用户群主要集中于政府、公交运输等部门。这些用户的共同 特点是对汽车价格不敏感，可受国家意志支配，将为电动车事业的早期发展提供 资源和财力。第三阶段的主要用户是私人用户，这些用户对于汽车的价格较敏感， 对新能源汽车市场还都处于观望时期【2 】。 目前，我国的电动汽车还主要处于第一和第二阶段，在第二阶段中，公共交 通工具具有以下几个特点：( 1 ) 有固定集散地，可方便建设充电站。( 2 ) 主要为城市 路况，对行驶速度要求较低。( 3 ) 有政府和公交公司的强大财力支持。鉴于以上的 特点，发展电动公共交符合我国国情和电动汽车的发展现状。 1 1 3 轮边驱动技术在电动公交领域内的应用 近年来，随着电动汽车产业的兴起，人们逐渐展开了对电动汽车驱动系统的 研究。其中，轮边驱动技术备受关注。轮边驱动技术舍弃了传统的离合器、变速 箱、传动桥等机械传动部件，将电动机、传动系、制动系等集成于轮辋内部，因 此也称作电动轮。电动轮可以使传动效率提高，节省汽车空间，减小汽车质量， 并具有更灵活的行驶驱动特性，成为了近年来的研究热点。传统的电动公交车多 数沿用了内燃机车的底盘构造，其传动系统包括了离合器、齿轮变速箱、差速器 等，这些都无法发挥电动机的优势和特点。文献 4 - 6 1 表明，与传统电动汽车相比， 采用轮边驱动系统可以使汽车传动效率提2 0 - 3 0 。如图1 2 ，电动轮最早被应 用于矿用自卸车上，随着相关技术的发展进步，电动轮的应用领域也在逐步扩大， 2 第学绪沦 订在电动轿车、电动i j 行乍l 都町以看到i 也动轮的身影。 卜 固j 徽鬣边 盂隰 鳢 裔 乜动轿， 乍辅 图1 2 电动轮的应用领域 2 0 1 0 年8 月2 5 日，一种新型