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毕业设计（论文）中期 检 查表 填表日期 2011 年 4 月 20 日 迄今已进行 8 周剩余 8 周 学生姓名 蒋善毅 院系 汽车 与交通工程 学院 专业、班级 车辆工程 指导教师姓名 安永东 职称 副教授 从事 专业 车辆 工程 是否外聘 是 否 题目名称 电动车轮边驱动系统设计 学 生 填 写 毕业设计（论文）工作进度 已完成主要内容 待完成主要内容 1 进行文献检索查，查看相关资料，对课题的基本内容有一定 的认识和 了解 。 2 初步确定设计的总体方案，讨论确 定方案 ； 对减速器进行初步 设计和选取。 3 提交设计草稿，进行讨论，修定 。 1 详细设计驱动系统，设计非标件，绘制 装配图及零件图。 2 提交正式设计，教师审核 。 3 按照审核意见进行修改 。 4 整理所有材料，装订成册，准备答辩 。 存在问题及努力方向 1. 通过各种方案的对比确定 轮边驱动 系统的最优方案 2. 内部结构 设计 3. 零件选取 选取 学生签字： 指导教师 意 见 指导教师签字： 年 月 日 教研室 意 见 教研室主任 签字： 年 月 日 毕业设计（论文）任务书 学生姓名 蒋善毅 系部 汽车工程系 专业、班级 车辆工程 指导教师姓名 安永东 职称 副教授 从事 专业 车辆工程 是否外聘 是否 题目名称 电动车轮边驱动系统设计 一、设计（论文）目的、意义 设计一种微型电动车用的轮边减速器，是为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。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。 二、设计（论文 ）内容、技术要求（研究方法） （一）主要设计内容 行星齿轮减速器齿轮几何尺寸计算、减速器各级齿轮的校核、轴承选取及寿命计算、轴的设计、箱体设计。 （二）主要技术指标、要求 1)整车满载质量： 10002)最高车速： 60h； 3)最大爬坡度： 20； 4)0h 加速时间：不大于 8 秒； 5）车轮半径： 2756）减速比： 5 三、设计（论文）完成后应提交的成果 1、设计说明书一份， 字以上； 2、 轮边驱动系统装配图一张、减速机构装配图一张、零件图若干张 ，折合 3 张 纸。 四、 设计（论文） 进度安排 1、 进行文献检索查，查看相关资料，对课题的基本内容有一定 的认识和 了解 。完成开题报告。第 1 （ 2 月 28 日 3 月 11 日） 2、 初步确定设计的总体方案，讨论确定方案 ；对减速器进行初步设计和选取。 第 3 （ 3 月14 日 4 月 8 日） 3、 提交设计草稿，进行讨论，修定 。 第 7 周 （ 4 月 11 日 4 月 15 日） 4、详细设计液压系统，设计非标件，绘制装配图及零件图。 第 8 （ 4 月 18 日 5 月 20日） 5、 提交正式设计，教师审核 。 第 13 （ 5 月 23 日 6 月 3 日） 6、 按照审核意见进行修改 。 第 15 周 （ 6 月 6 日 6 月 10 日） 7、 整理所有材料，装订成册，准备答辩 。 第 16 周 （ 6 月 13 日 6 月 17 日） 五、主要参考资料 1 江先宝 械设计增刊， 2008， 25 2 张银保 湖北工业大学学报， 2005 年 6 月 3 汪振晓，李增辉 汽车科技 4 陈清泉，孙立清电动汽车的现状和发展趋势科技导报， 2005， 23(4)： 245 程乃士 京：机械 工 业出版社， 2007 6 陈家瑞汽车构造 (下册 ) 北京：机械 工 业出版社， 2006 7 于学华等汽车悬架设计概念的研究噪声与振动控制， 2006， (6)： 77、备注 指导教师签字： 年 月 日 教研室主任签字： 年 月 日 毕业设计（论文）开题报告 设计（论文）题目 : 电动车轮边驱动系统设计 院 系 名 称 : 汽车与交通工程学院 专 业 班 级 : 车辆工程 学 生 姓 名 : 导 师 姓 名 : 开 题 时 间 : 指导委员会 审查意见： 签字： 年 月 日 毕业设计（论文）开题报告 学生姓名 系部 汽车与交通工程学 院 专业、班级 车辆工程 07 指导教师姓名 职称 副教授 从事 专业 车辆工程 是否外聘 是 否 题目名称 电动车轮边驱动系统设计 一、 课题研究 现状、 选题 目的 和意义 随着电动汽车技术得到了不断的发展，作为电动汽车关键技术之一的电力驱动系统 (包括电气系统、变速装置和车轮 )出现了许多新的技术方案，其中，轮毂式电力驱动是一种极有发展前景的驱动形式。它直接将电动机安装在车轮轮毂中， 省略了传统的离合器、变速器、主减速器及差速器等部件，大大简化了整车结构、提高了传动效率。通过控制技术实现对电动轮的电子 差速控制，可以改善车辆驱动性能和行驶性能，且有利于整车的布置等优点。将这样的结构称为电动轮 (本文研究的问题就是以电动轮驱动技术作为背景的。 在电动轮研究与应用方面，目前国外电动轮的研究、应用主要以日本、美国为主，如日本庆应大学环境信息学部清水浩教授领导的电动汽车研究小组在过去的十几年中，一直以轮毂电机驱动的电动汽车作为理想的研发目标，至今已试制了五种不同形式的样车。其中， 1991 年与东京电力公司共同开发的四座电动汽车 用 池为动力源，以四个额定功率为 值功率达到 25外转子永磁轮毂电机驱动，最高时速可达176km/h； 2001 年，该小组又最新推出了以锂电池为动力源，采用 8 个大功率交流同步轮毂电机独立驱动的电动大轿车 车充分利用电动轮驱动系统布置灵活的特点，打破传统在 车上安装了 8 个车轮，大大增加了动力，从而使该车的最高时速可以达到惊人的 311h。 电动轮系统中采用了高转速、高性能的内转子电动机，其峰值功率可达 55大提高了 极限加速能力，使其 0 一 100速时间达到 8 秒，如 图 错误 !文档中没有指定样式的文字。 示。另外，庆应大学电动汽车研究团队与 38 家同本民营企业联合开发了时速达到 400 h 的电动汽车 车以充电锂电池为能源，并对 8 个车轮配有 8 个独立的驱动电机，如 图 错误 !文档中没有指定样式的文字。 示。日本丰田汽车公司开发的 动车，四轮独立驱动控制搭配内置于四轮内的电动马达，四轮轮边驱动技术使该车具有报高的机动性及动力 1。美国通用公司 2001 年试制的全新线控四轮驱动燃料电池概念车 是采用电动轮驱动形式的 (见 图 错误 !文档中没有指定样式的文字。 加拿大 司所设计的电动轮结构形式清晰，采用外转予永磁电动机。将电动机转子外壳直接与轮毂相连，将电动机外壳作为车轮的组成部分，并且电动机 转子外壳集成为鼓式制动器的制动鼓，制动蹄片直接作用在电动机外壳上，省去制动鼓的结构，减轻了电动轮系统的质量集成化设计程度相当高 ,电动轮结构如 图 错误 !文档中没有指定样式的文字。 示。 司研制的这个电动轮系统的永磁无刷直流电动机性能非常高，其峰值功率可咀达到 80值扭矩为 670高转速为 1385定转速为 950定工况下的平均效率可以达到 国内，哈尔滨工业大学一爱英斯电动汽车研究所研制开发的 电动汽车驱动电动轮也属于外转予型电动机。该电动机选用的是一种“多态电动机”的永磁电动机，兼有同步电动机和异步电动机的双重特性，集成盘式制动嚣，采用风净敖热系统。同济大学汽车学院试制的四轮驱动电动汽车“春晖一号”、“春晖二号一和“春晖三号 均采用四个直流无刷轮毂电动机，外置式盘式制动器。比亚迪于 2004 年在北京车展上展出 的 念车也采用了 4 个轮边电机独立驱动的模式。中国科学院北京三环通用电气公司研制的电动轿车用直流无刷轮毂电机，又称电动车轮。单个电动车轮功率为 压 264V，双后轮直接驱动。 国内，哈尔滨工业大学一爱英斯电动汽车研究所研制开发的 电动汽车驱动电动轮也属于外转予型电动机。该电动机选用的是一种“多态电动机”的永磁电动机，兼有同步电动机和异步电动机的双重特性，集成盘式制动嚣，采用风净敖热系统。同济大学汽车学院试制的四轮驱动电动汽车“春晖一号”、“春晖二号一和“春晖三号 均采用四个直流无刷轮 毂电动机，外置式盘式制动器。比亚迪于 2004 年在北京车展上展出的 念车也采用了 4 个轮边电机独立驱动的模式。中国科学院北京三环通用电气公司研制的电动轿车用直流无刷轮毂电机，又称电动车轮。单个电动车轮功率为 压 264V，双后轮直接驱动。 图 错误 !文档中没有指定样式的文字。 动汽车 图 错误 !文档中没有指定样式的文字。 动汽车 图 错误 !文档中没有指定样式的文字。 动汽车 图 错误 !文档中没有指定样式的文字。 电动轮系统 本文研究所应用的减速驱动型电动轮，需要合适的减速器作为电动轮的减速装置。原则上既可以选择可变速比齿轮减速器，也可以选择固定速比齿轮减速器。虽然可变速比齿轮减速器传动具有以下优点：应用常规驱动电动机系统可以在低档位得到较 高的启动转矩，在高档位得到较高的行驶速度，但是缺点就是体积大、质量大、成本高、可靠性低、结构复杂。实际上，现在所有电动车都采用了固定速比齿轮变速器作为减速装置。并把安装在电动轮轮毂内的定减速比减速器称为轮边减速器 (带轮边减速器电动轮电驱动系统能适应现代高性能电动汽车的运行要求。轮边减速器将动力从原动机 (此研究中即为轮毂驱动电机 )直接传递给车轮，其主要功能是降低转速、增加转矩，从而使原动机的输出动力能够满足电动轿车的行车动力需求。按照齿轮及其布置型式，轮边减速器有行星齿轮式及普通 圆柱齿轮式两种结构。这两种结构形式在工程中都已有成功应用，例如在奥地利微型越野汽车“ 断开式后驱动桥中就采用了普通圆柱齿轮式轮边 减速器；在某些双层公交汽车的驱动桥中，为了降低车厢与地板的高度，有时也采用普通圆柱齿轮式轮边减速器作为汽车的第二级减速装置；日本开发的轻型轮式电机电动汽车用的是内转子高速无刷直流电动机行星齿轮 应用了轮边减速器；“太脱拉 111R”重型汽车的贯通式中桥、法国索玛 自卸汽车、斯太尔汽车后驱动桥等 都采用了行星齿轮式轮边减速器；在电动汽车领域，在轮边减速器的应用上，主要以日本应庆大学开发研制的八轮轮边驱动电动汽车“ 为成功，为了使得电动机输出转速符合实际转速要求， 电动轮系统配置了一个传动比为 行星齿轮减速器， 图 错误 !文档中没有指定样式的文字。 前、后电动轮系统的结构图，从图中可以看见行星减速器为传动主题的轮边减速装置。 （ a） 前轮 （ b） 后轮 图 错误 !文档中没有指定样式的文字。 动轮系统结构图 设计一种微型电动车用的轮边减速器，是为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。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。 二、设计（论文） 的基本内容 、 拟解决的主要问题 （一）主要设计内容 行星齿轮减速器齿轮几何尺寸计算、减速器各级齿轮的校核、轴承选取及寿命计算、轴的设计、箱体设计。 第 2 章 轮边减速器设计 动轮的类型及选择 边减速器 的传动方案 第 3 章 轮边驱动的参数确定及关键零部件的设计 动电机性能参数的确定 速器关键零部件的设计 边减速器的润滑 边减速器零部件之间的装配关系 第 4 章 行星齿轮传动的传动结构的设计 星齿轮传动的均载机构 星齿轮传动的齿轮结构设计 三、技术路线（研究方法） 调查研究 数据计算、分析、处理 轮边驱动系统工作要求、主要技术指标的分析 轮边驱动系统结构设计、行星齿轮设计 轮边减速器进行优化分析 确定最终设计结果 四、进度安排 1、 进行文献检索查，查看相关资料，对课题的基本内容有一定 的认识和 了解 。完成开题报告。 第1 （ 2 月 28 日 3 月 11 日） 2、 初步确定设计的总体方案，讨论确定方案 ；对减速器进行初步设计和选取。 第 3 （ 3 月 14日 4 月 8 日） 3、 提交设计草稿，进行讨论，修定 。 第 7 周 （ 4 月 11 日 4 月 15 日） 4、详细设计液压系统，设计非标件，绘制装配图及零件图。 第 8 （ 4 月 18 日 5 月 20 日） 5、 提交正式设计，教师审核 。 第 13 （ 5 月 23 日 6 月 3 日） 6、 按照审核意见进行修改 。 第 15 周 （ 6 月 6 日 6 月 10 日） 7、 整理所有材料，装订成册，准备答辩 。 第 16 周 （ 6 月 13 日 6 月 17 日） 五、 参考文献 1 宋佑川，金国栋电动轮的类型与特点城市公路交通， 2004 4 2 饶振刚行星齿轮传动设计北京：化学工业出版社， 2003 9 3刘维信汽车设计 (第 1 版 )北京：清华大学出版社。 2007 4饶振纲行星传动机构设计 (第二版 )北京：国防：工业出版社， 1994 5 6 5孙恒，陈佐模机械原理 (第六版 )北京：高等教育出版社， 2002 6成大龙机械设计手册 (第三版，第二卷 )北京：化学工业出版社， 1999 7程乃士 京：机械工业出版社， 2007 8余志生汽车理论北京：机械工业出版社， 2000 9陈家瑞汽车构造 (下册 )北京：机械工业出版社， 2006 10 胡骅，宋慧电动汽车北京，人民交通出版社， 2000 11 濮良贵，纪明刚机械设计 (第七版 )北京：高等教育出版社， 2002 12 王望予汽车设计 (第 3 版 )北京：机械工业出版社， 2000 13 998 六、备注 指导教师意见： 签字： 年 月 日 黑龙江工程学院本科生毕业设计 I 本科学生毕业设计 电动车轮边驱动系统设计 系部名 称 ： 汽车与交通工程学院 专业班级： 车辆工程 学生姓名： 指导教师： 职 称： 副教授 黑 龙 江 工 程 学 院 二一一年六月 黑龙江工程学院本科生毕业设计 要 随着能源危机的日益严重以及人们环保意识的不断增强，研究开发清洁、节能和安全的汽车成为汽车工业发展的方向。 其中电动汽车具有行驶过程中零排放、能源利用多元化和高效化以及方便实现智能等优点，使之成为新型汽车研发的重点之一。 本文以减速型电动轮驱动电动汽车的优势为出发点，设计了利于电动汽车使用减速型电动轮的轮边减速装置，对轮边减速器的结构进行了设计、研究，增强了电机内转子驱动型电动轮在电动汽车上的应用能力。以行星齿轮系为轮边减速器的减速传动形式，在减速传动链的设计中，引入了均载设计来提升行星齿轮传动的优势；出于减小轮边减速器的重量及体积、节省材料的目的，对轮边减速器的行星传动系统进行了以体积为目标的优化设计；为便于制 动装置及轮毂与轮边减速器安装，设计了轮毂支承件，在满足功能的同时也减少了零件数目；轮边减速器桥壳的巧妙设计使减速器及其轮毂支承件的安装变得更容易、受力也更合理，为前后轮悬架导向机构、转向拉杆及横向稳定杆提供了支点，更进一步保证所设计的轮边减速器能够精确地实现与电动汽车其它零部件的安装及联接 , 保证所设计的轮边减速器满足整车行驶工况要求。 关键词 ： 轮边减速器；电动汽车；电动轮；行星齿轮减速器；电动机 黑龙江工程学院本科生毕业设计 to of of as no of is to of in a on as of in to of is of to of In to as as to of to a is is as as of to of of in 龙江工程学院本科生毕业设计 目 录 摘要 . . 1 章 绪论 . 1 题的来源和背景 . 1 内外研究现状 . 2 文的研究思路与内容 . 6 第 2 章 轮边减速器设计 . 7 动轮的类型及选择 . 7 边减速 器的传动方案 . 10 章小结 . 17 第 3 章 轮边驱动的参数确定及关键零部件的设计 . 18 动电机性能参数的确定 . 18 车性能要求 . 18 动电机参数计算 (两轮驱动 ) . 18 速器关键零部件的设计 . 21 星齿轮传动齿数分配应满足的条件 . 21 轮受力分析和强度设计计算 . 23 面接触强度的校核计算 . 24 他相关零部件的设计计算 . 28 边减速器的润滑 . 32 边减速器零部件之间的装配关系 . 32 章小结 . 33 第 4 章 行星齿轮传动的传动结构的设计 . 34 星齿轮传动的均载机构 . 34 星齿轮传动的齿轮结构设计 . 35 黑龙江工程学院本科生毕业设计 章小结 . 38 结论 . 39 参考文献 . 40 致谢 . 41 附录 A . 错误 !未定义书签。 附录 B . 46 黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 第 1章 绪 论 题的来源和背景 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。为了保护人类的居住环境和保障能源供给，各国政府不惜投入大量人力、物力寻求解决这些问题的途径。 而电动汽车 (包括纯电动汽车、混合动力电动汽车以及燃料电池汽车 )，即全部或部分用电能驱动电动机作为动力系统的汽车，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，因此它是解决上述问题的最有效途径。 在这个大背景下，上海科委协同同济大学展开了“氢能源微型汽车用轮毂电机及其驱动器的开发一项目。本论文来源于该项目中“全浮式支承结构轮边减速器的 研制一课题。 电动汽车驱动系统布置比传统燃油汽车有着更大的灵活性，由驱动电动机所在位置以及动力传递方式的不同，通常可以分为集中单电机驱动、多电机驱动以及电动轮驱动等型式。其中独立电动轮驱动的电动汽车由于其控制方便、结构紧凑等优点，成为电动汽车驱动型式研究的新方向。以独立轮毂电机驱动的电动汽车最大的特点在于： (1)使得传动系统简化，提高传动效率的同时，有利于整车布置。电动轮将电动机和减速装置直接与车轮集合在一体，可以取消减速器、差速器甚至于取消传动轴，对于全轮驱动车辆，电动轮可以单独控制，不必采用复杂的分动 器结构，简化了传动系统，提高了传动效率。同时，减少了传动系统占用的车内空间，可以为其它零部件的安装提供更多空间，有利于整车布置。 (2)提高车辆的通过性能。这主要来自于两方面，其一是简化的传动系统可以提高车辆的离地间隙；另一方面，采用全轮驱动和驱动轮单独控制的措施，可以最大限度地利用地面的附着能力。 (3)降低对电气以及机械传动零部件的要求，适合传递大传矩。采用电动轮技术，在同样功率需求的情况下，可以将单个电动机的功率分配给多个电动机，相应地，对电机和机械传动零部件的要求都可以降低，便于设计与生产。 在己研 制成功的“春晖系列电动车上，前后轮均采用了由双横臂独立悬架和外黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 转子轮毂电机等构成的具有相同结构的悬架 电动轮模块，它集成了导向、承载、驱动、测速和制动等多项功能。这样减少了整车关键零部件种类，也有利于降低零部件制造成本。但是由于外转子轮毂电机在使用中具有其局限性，比如汽车在起步阶段需要轮毂电机提供要具备较大的转矩，以及较宽的转速和转矩的调节范围，这样就会增加电动机的轮廓尺寸，也会使簧下质量偏大，降低了车辆行驶平顺性。为了改善类似缺陷，有必要寻求更好的电动轮驱动型式，来改善直接驱动型电动轮所固有的缺点。设 想，采用减速型电动轮驱动，增加轮边减速装置，则可以最大限度地改善上述缺陷，并可以降低对电机性能的苛求。经论证，这是一个极有研究意义的课题。 带着这样的问题，本文将设计与减速型电动轮轮边减速装置，解决外转子轮毂电机的驱动缺陷，并对轮边减速器的结构、轻量化等内容进行分析研究。 内外研究现状 随着电动汽车技术得到了不断的发展，作为电动汽车关键技术之一的电力驱动系统 (包括电气系统、变速装置和车轮 )出现了许多新的技术方案，其中，轮毂式电力驱动是一种极有发展前景的驱动形式。它直接将电动机安装在车轮轮毂中， 省略了传 统的离合器、变速器、主减速器及差速器等部件，大大简化了整车结构、提高了传动效率。通过控制技术实现对电动轮的电子差速控制，可以改善车辆驱动性能和行驶性能，且有利于整车的布置等优点。将这样的结构称为电动轮 (本文研究的问题就是以电动轮驱动技术作为背景的。 在电动轮研究与应用方面，目前国外电动轮的研究、应用主要以日本、美国为主，如日本庆应大学环境信息学部清水浩教授领导的电动汽车研究小组在过去的十几年中，一直以轮毂电机驱动的电动汽车作为理想的研发目标，至今已试制了五种不同形式的样车。其 中， 1991 年与东京电力公司共同开发的四座电动汽车 用 四个额定功率为 值功率达到 25外转子永磁轮毂电机驱动，最高时速可达 176km/h； 2001 年，该小组又最新推出了以锂电池为动力源，采用 8 个大功率交流同步轮毂电机独立驱动的电动大轿车 车充分利用电动轮驱动系统布置灵活的特点，打破传统在 车上安装了 8 个车轮，大大增加了动力，从而使该车的最高时速可以达到惊人的 311h。 电动轮系统中采用了高转速、高性能的内转子电动机，其峰值功率可达 55大提高了 极限加速能力，使其 0 100速时间达到 8 秒，如 图 示。另外，庆应大学电动汽车研究团队与 38 家同本民营企业联合开发了时速达到 400 h 的电动汽车 车黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 以充电锂电池为能源，并对 8 个车轮配有 8 个独立的驱动电机，如 图 示。日本丰田汽车公司开发的 动车，四轮独立驱动控制搭配内置于四轮内的电动马达，四轮轮边驱动技术使该车具有报高的机动性及动力 1。美国通用公司 2001 年试制的全新线控四轮驱动燃料电池概念车 是采用电动轮驱动形式的 (见 图 加拿大 司所设计的电动轮结构形式清晰，采用外转予永磁电动机。将电动机转子外壳直接与轮毂相连，将电动机外壳作为车轮的组成部分，并且电动机转子外壳集成为鼓式制动器的制动鼓，制动蹄片直接作用在电动机外壳上，省去制动鼓的结构，减轻了电动轮系统的质量集成化设计程度相当高 ,电动轮结构如 图 示。 司研制的这个电动轮系统的永磁无刷直流电动机性能非常高，其峰值功率可咀达到80值扭矩为 670高转速为 1385定功率为 定转速为950定工况下的平均效率可以达到 国内，哈尔滨工业大学一爱英斯电动汽车研究所研制开发的 电动汽车驱动电动轮也属于外转予型电动机。该电动机选用的是一种“多态电动机”的永磁电动机，兼有同步电动机和异步电动机的双重特性，集成盘式制动嚣，采用风净敖热系统。同济大学汽车学院试制的四轮驱动电动汽车“春晖一号” 、“春晖二号一和“春晖三号 均采用四个直流无刷轮毂电动机，外置式盘式制动器。比亚迪于 2004 年在北京车展上展出的 念车也采用了 4 个轮边电机独立驱动的模式。中国科学院北京三环通用电气公司研制的电动轿车用直流无刷轮毂电机，又称电动车轮。单个电动车轮功率为 压 264V，双后轮直接驱动。 国内，哈尔滨工业大学一爱英斯电动汽车研究所研制开发的 电动汽车驱动电动轮也属于外转予型电动机。该电动机选用的是一种“多态电动机”的永磁电动机，兼有同步电动机和异步电动机的双重特性，集成盘式制动嚣，采用风 净敖热系统。同济大学汽车学院试制的四轮驱动电动汽车“春晖一号”、“春晖二号一和“春晖三号 均采用四个直流无刷轮毂电动机，外置式盘式制动器。比亚迪于 2004 年在北京车展上展出的 念车也采用了 4 个轮边电机独立驱动的模式。中国科学院北京三环通用电气公司研制的电动轿车用直流无刷轮毂电机，又称电动车轮。单个电动车轮功率为 压 264V，双后轮直接驱动。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 图 动汽车 图 动汽车 图 动汽车 图 电动轮系统 本文研究所应用的减速驱动型电动轮，需要合适的减速器作为电动轮的减速装置。原则上既可以选择可变速比齿轮减速器，也可以 选择固定速比齿轮减速器。虽然可变黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 速比齿轮减速器传动具有以下优点：应用常规驱动电动机系统可以在低档位得到较高的启动转矩，在高档位得到较高的行驶速度，但是缺点就是体积大、质量大、成本高、可靠性低、结构复杂。实际上，现在所有电动车都采用了固定速比齿轮变速器作为减速装置。并把安装在电动轮轮毂内的定减速比减速器称为轮边减速器 (带轮边减速器电动轮电驱动系统能适应现代高性能电动汽车的运行要求。轮边减速器将动力从原动机 (此研究中即为轮毂驱动电机 )直接传递给车轮，其主要功能是降低转速、增加转矩， 从而使原动机的输出动力能够满足电动轿车的行车动力需求。按照齿轮及其布置型式，轮边减速器有行星齿轮式及普通圆柱齿轮式两种结构。这两种结构形式在工程中都已有成功应用，例如在奥地利微型越野汽车“ 断开式后驱动桥中就采用了普通圆柱齿轮式轮边减速器；在某些双层公交汽车的驱动桥中，为了降低车厢与地板的高度，有时也采用普通圆柱齿轮式轮边减速器作为汽车的第二级减速装置；日本开发的轻型轮式电机电动汽车 用的是内转子高速无刷直流电动机行星齿轮 应用了轮边减速器；“太脱拉111R”重型汽车的贯通式中桥、法国索玛 自卸汽车、斯太尔汽车后驱动桥等都采用了行星齿轮式轮边减速器；在电动汽车领域，在轮边减速器的应用上，主要以日本应庆大学开发研制的八轮轮边驱动电动汽车“ 为成功，为了使得电动机输出转速符合实际转速要求， 电动轮系统配置了一个传动比为 行星齿轮减速器， 图 前、后电动轮系统的结构图，从图中可以看见行星减速器为传动主题的轮边减速装置。 （ a） 前轮 黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 （ b） 后轮 图 动轮系统结构图 文的研究思路与内容 在对电动汽车轮边减速器的设计与研究中，将紧密结合整车性能的要求，并考虑与轮边减速器相匹配的制动系统、悬架、轮毂电机等装置的布局与设计问题，借鉴不同型式的轮边减速器结构上的优点及参数选择的合理性，对微型电动汽车的轮边减速器进行设计与研究。 第 2 章对适合轮边减速器的传动形式作归类、比较各自优缺点，找出适合本课题背景的传动形式。 第 3 章对关键零部件进行了 研究和设计。 第 4 章行星齿轮传动的齿轮结构设计。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 第 2章 轮边减速器设计 动轮的类型及选择 在 20 世纪 50 年代，美国科学家罗伯特发明了电动汽车轮毂。其设计是将电动机、减速器、传动系统和制动系统融为一体。 1968 年，通用电气公司将这种电动轮毂装置运用到大型矿用自卸车上，并取名为“电动轮”，这是第一次在汽车上采用电动轮结构。近年来，随着电动汽车的兴起轮毂电机驱动又得到重视。轮毂电机驱动系统的布置非常灵活直接将电动机安装在车轮轮毅中，省略了传统的离合器、变速箱、主减速器及差速器等部件，因而简化整车结构、提高了传 动效率、同时能借助现代计算机控制技术直接控制各电动轮实现电子差速无论从体积、质量，还是从功率、载重能力看，电动轮相较于传统汽车动力传动系统其结构更加简单、紧凑，占用空间更小，更容易实现全轮驱动。这些突出优点，使电动轮驱动成为电动汽车发展的一个独特方向。 而轮边减速器，作为轮边驱动的一个选择装置，在传统动力汽车上已获得了较多的应用。一些矿山、水利等大型工程所用的重型车、大型公交车等，常要求具有高的动力性，而车速则可相对较低，因此其低档传动比就会很大，为了避免变速器、分动器、传动轴等总成因需承受过大的转矩而 使尺寸及质量过大，则应将传动系的传动比尽可能多地分配给驱动桥，这就导致了这些重型车辆驱动桥的主减速比很大。当其值大于 12 时，则需要采用单级 (或双级 )主减速器附加轮边减速器的结构型式，不仅使驱动桥中间部分主减速器的轮廓尺寸减小，加大了离地问隙，并可得到大的驱动桥减速比，而且半轴、差速器及主减速器从动齿轮等零件的尺寸也可减小。 对于新兴的电动汽车，由于电动轮的应用，轮边减速器也得到越来越多的应用。前文曾提到过的罗伯特发明的电动轮，就应用了减速装置，其实质也属于轮边减速器；日本应庆大学开发研制的八轮轮边驱动电动汽 车“ 设计者为其电动轮系统配置了一个传动比为 行星齿轮减速器。 按照驱动方式分类，电动轮可分为直接驱动和减速驱动两大类，两类电动轮结构示意图如 图 示。 (1)直接驱动型电动轮，如 图 2.1(a)所示的传动结构。此类电动轮多采用外转子电动机，直接将电动机外转子安装在轮辋上驱动车轮转动。这种结构中电动轮质量完全黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 成了非簧载质量，且不需要减速装置，结构相应地也较简单，轴向尺寸小，效率较高，但 是由于要求电动汽车具有较好的动力性，所以此类电动机要具备较大的转矩供汽车在起步阶段需要，以及较宽的转速和转矩的调节范围，同时由于电动机工作产生一定的冲击和振动， 还要求车轮轮辋和车轮支承必须坚固、可靠，要求对悬架系统弹性元件和阻尼元件进行优化设计，电动机输出转矩和功率也受到车轮尺寸的限制，系统成本高。因此电动机成本较高，噪声也很大 15。 下面列举了采用外转子电动机直接驱动的一些最新实例：加拿大研制的 动汽车、日本开发的 动汽车都采用了此类型的电动轮：哈尔滨工业大学研制了外转子电动机直接驱动电 动轮：同济大学汽车学院在 2002 2005 年相继推出了独立研制的“春晖”系列微型电动车该系列车均采用 4 个低速永磁无刷轮毅电机直接驱动，匹配相应的盘式制动器，如图 示。 (a) 直接驱动型 (b) 减速驱动型 图 动轮系统结构示意图 黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 图 晖二号”轮边驱动系统 (2)内转子驱动型电动轮，如 图 2.1(b)所示的传动路线。它起源于矿用车的传统电动轮，其运用环境允许电动机的高速运行为了能够获得较高的比功率，通常电动机的最高转速设计在 4000r 20000r 间，其目的是为了能够获得较高的比功率，而对电动机的其他性能没有特殊要求，因此可采用普通的内转子高速电动机。其优点主要表现在转速高、有较高的比功率、质量轻、效率高、噪声小、成本低；不利因素主要在于因为电动机转速高，必须设计专门的减速机构来降低转速以获得较大的转矩，并且要在设计中克服减速弹簧的润 滑以及产生的噪声、振动等问题。 总的来说，减速型驱动电动轮比直接驱动型电动轮具有更多的优点。如前所述，作者所在的课题组曾经将直接驱动型电动轮多次应用于“春晖”系列电动汽车，即四个独立的低速外转子型直接驱动电动轮模块，从在使用中所反馈的信息分析，这种驱动模式的确存在加速性能不好、电机成本高、噪声大、振动严重等缺陷。为了改善这些不足，并结合减速型驱动电动轮的相对优势，尤其是在同等行驶工况下降低对驱动电动机的性能要求，故在新的实验方案中采用减速型电动轮 15。 通过查询相关文献，电动轮的电动机、减速装置和车轮之 间的结构布置关系大致有如下这两种方法，其结构如图 示： (1)电动轮与固定速比减速器制成一体，而减速器的输出轴经过传动轴驱动车轮，如图 a)所示，这种结构可以借助万向节将传动轴倾斜布置，可以将电动机安装在车架上，使电动机和减速装置的质量全部或者部分成为簧载质量，达到减小非簧载质量的目的，利用改善车辆的操纵性和平顺性。 (2)电动机与固定速比减速装置同轴制成一体，并在其中安装制动器、车轮轴承等零部件，轮胎直接安装在减速装置的输出端上，如图 b)所示，电动轮质量全部是非簧载质量。这种 结构可以提供较大的减速比，因此对电动机的转矩特性要求比较低，同时从电动机到车轮的动力损失较小，且增加了车厢的有用空间。目前这种结构应用最为广泛。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 (a) (b) 图 动轮结构示意图 (M：电动机 速装置 ) 综合分析这两种结构的优缺点，尤其是在对空间的利用优势上，本文研究采用上述的第二种结构，同时，这样的布置方式对于制动装置、承载装置的安装也更为有利。 边减速器的 传动方案 在探寻轮边减速器结构方案之前，首先分析对使用于微型电动汽车电动轮模块的轮边减速器的要求。鉴于微型电动轿车在动力性能上的要求以及整车布置情况，可以大致对此轮边减速器提出如下的设计要求： (1)从技术先进性、生产合理性和实用要求出发，正确地选择性能指标 (如传动比、传动效率等 )、重量和主要尺寸，提出整体设计方案，并在整体方案下对各零部件设计提供参数和设计要求； (2)要求所设计的轮边减速器结构紧凑、重量轻、安全可靠性高、造型美观、维修方便、运动协调等； (3)零部件布置合理，方便制动器、悬架、转向拉杆、 横向稳定杆等与减速器相匹配零部件的设计与安装； (4)具有较强的抗冲击和抗振动的能力，运动较平稳 14。 在常见的机械传动中，可以作为减速传动的传动型式有：齿轮传动、涡轮蜗杆传动、带传动、链传动、液力传动以及一些特殊的连杆机构等。而涡轮蜗杆传动是垂直方向的传动，对于驱动电机的布置以及轮毂空间的利用都极为不利；从传动效果来看，液力传动装置 (如液力耦合器 )是能够实现轮边减速要求的，并且能实现无级变速，但是液力传动不仅需要与动力机有很好的匹配，同时还要配备相应的供油、冷却和操作控制系统，这使减速系统变得复杂，不 可取。而齿轮传动具有其传动可靠、传动效率高、所占空间小等优点，而成为轮边减速装置的一种理想选择。 齿轮传动应用于轮边减速装置，其工程实例已经很广泛。其中普通圆柱齿轮式黑龙江工程学院本科生毕业设计 11 轮边减速器是由一对圆柱齿轮构成，可以将主动齿轮置于从动齿轮的垂直上方或者将主动齿轮置于从动齿轮的垂直下方等两种方案。第一种方案可以提高汽车的离地间隙，某些双层公交车，为了降低汽车的质心高度和车厢的地板高度，提高汽车的稳定性和乘客上下车的方便性，便将圆柱齿轮减速器的主动轮置于从动轮的下方。 普通圆柱齿轮轮边减速器结构型式简单，零部件少，但是如果 将其作为微型电动汽车电动轮减速装置，其不足之处很明显：为了保证传动比，即使将驱动电机输出轴端的齿轮直径尽量减小，但是与之啮合的齿轮的直径仍然较大，如果将驱动电机轴置于轮毂从动齿轮上方，则会使驱动电机质心位置升高，不利于汽车的稳定性；相反地，如果将驱动电机轴置于轮毂从动齿轮下方，由于电动汽车车轮直径较小，就必然会使电机的离地间隙较小很多，从而降低了汽车的通过性。这都不是理想的设计目标 14。 而齿轮减速传动的另一种型式 行星齿轮传动，则很适合于如前所述的设计要求。其依据是行星齿轮传动有如下主要特点： (1)结构紧凑、重量轻、体积小。由于行星齿轮传动具有功率分流和动轴线的运动特性，而且各中心轮成共轴线式的传动，以及合理地应用内啮合。因此，可使其结构非常紧凑。由于在中心轮的周围均匀地分布着数个行星轮来共同分担载荷，故使得每个齿轮受到的载荷较小，所以，可采用较小的模数。此外，在结构上充分采用了内啮合承载能力大和内齿圈本身的可容体积，从而有利于缩小其外廓尺寸，使其结构紧凑、重量轻，而承载能力却很大。一般，行星齿轮传动的外廓尺寸和重量约为普通齿轮传动的 1/2 1/6； (2)传动比较大。只需要选择适当的行星传动的类型及 配齿方案，便可以用少数几个齿轮而得到很大的传动比。应该指出，即使在其传动比很大时，仍然可保持结构紧凑、重量轻的优点 ; (3)传动效率高。由于行星齿轮传动的对称性，即它具有数个均匀分布的行星轮，使得作用于中心轮和转臂轴承中的反作用力能相互平衡，从而有利于提高传动效率。在传动类型选择适当、结构布置合理的情况下，其效率可以达到 (4)运动平稳、抗冲击和震动的能力强，由于采用了数个相同的行星轮，均匀地分布于中心轮的周围，从而可使行星轮与转臂的惯性力相互平衡。同时，也使参与啮合的齿数增多，故行星齿 轮传动的运动平稳，抵抗冲击和震动的能力强，工作较可靠。 虽然行星齿轮传动需要优质材料、结构复杂、制造和安装也较困难。但是随着人们对行星齿轮传动技术进一步深入地了解和掌握，以及对国外行星齿轮传动技术的引进和消化吸收，从而使其传动结构和均载方式都不断完善，同时生产工艺水平也不断提高。因此，对于它的制造安装问题，目前已不再视为一件困难的事情。实践表明，黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 在具有中等技术水平的工厂也是完全可以制造出比较好的行星齿轮机构的。 从以上论述可以看出，无论是从传动型式上，还是从制造加工的可操作性上，行星齿轮作为此减速驱动型电动 轮的减速器都是可行的。因此轮边减速器采用行星齿轮传动结构。 行星齿轮传动的类型很多，分类方法也不少。国内主要采用的是前苏联 的略夫采夫提出的按照行星齿轮传动机构的基本构件分类的方式。把行星齿轮传动的基本代号设为： K 中心轮， H 转臂， v 输出轴。行星齿轮的分类有： 2K H、 3 H V 三种基本形式，而其他结构型式的行星齿轮传动大都是以上三种结构的演化型式或组合形式。 同时， 2K H 型行星齿轮结构具有制造简单、安装方便、外形尺寸小，重量轻、传动效率高等特点，虽然 3K 及 K H V 型也有传动比大、效 率高等特点，但考虑到外形尺寸、重量以及制造的难易程度等因素，在此设计中选择 2K H 型行星齿轮结构作为轮边减速器的传动形式。再综合考虑 2传动中不同传递方案的优缺点，在此设计中采用 2K H(A)型负号机构，因为 行星齿轮传动除具有一切 2K H 型行星齿轮传动的特点，并且传动比不受限制、不受工作制度和使用功率的限制。所谓 2K H 负号机构，即指当转臂固定时，行星齿轮的中心轮与外齿圈的转向相反，或者表示为转臂固定时的传动比 行星齿轮传动，除了应满足同心条件和邻接条件外，其余各轮的齿数还必须满足安装条件，对于本论文中的 2)型行星齿轮传动而言，其安装条件为：两中心轮 a 和 b 的齿数和 (za+为行星轮数 倍数。综合考虑上述情况，当中心距一定时，齿数取多，则重合度增大，改善了传动的平稳性。同时，齿数多则模数小、齿项圆直径小，可使滑动比减小，因此磨损小、胶合的危险性也小；并且又能减少金属的切削量，节省材料，降低 本。但是齿数增多则模数减少，轮齿的抗 弯强度降低，因此，在满足抗弯强度的条件下，宜取较多的齿数。 根据上述条件，根据文献 33，本文确定的各个数据如下： 9，9，7。 故而，传动比 黑龙江工程学院本科生毕业设计 23 轮受力分析和强度设计计算 小齿轮选择材料为 40质 )，硬度为 280齿轮材料为 45 钢 (调质 )，硬度为 240 工作寿命 6 300 8 60 1450= 电机输出轴额定扭矩为： 0机输出轴最大扭矩为： 0心轮每个功率分流上所承受的转矩为 1 =m 按齿面接触强度初算小齿轮分度圆直径 d1 2 （ 式中： 算式系数，对于钢对钢配对的齿轮副，直齿轮 传动 68。 使用系数，由文献 17结合实际工况，表 6 7 查得 综合系数，由文献 17，表 6 5 查得 计算齿轮强度的行星轮载荷分布不均匀系数，由文献 17， ,图 7得 d 齿宽系数，由文献 18，表 10 7 查得d= u 齿数比，即= 一试验齿轮的接触疲劳强度，由文献 17，表 6 13 查得 700 其中 a 轮选择 45 质 )， c 轮选择 45 钢 (调质 )。且齿轮材料和热处理均达到中等要求。 计算得 : 龙江工程学院本科生毕业设计 24 结合系统结构需要，我们取 8 (2)按齿根弯曲强度初算齿轮的模数 m 齿轮模数 m 的初算公式 为： 3l i z （ 式中： 算式系数，由文献 17对于直齿轮传动， 使用系数，由文献 33，表 6 7 查得 计算弯曲强度的行星轮间载荷分布不均匀系数： +综合系数，由文献 17，表 6 5 查得 小齿 轮齿型系数，由文献 18，表 10 5 查得 d一齿宽系数，由文献 18，表 10 7 查得d= 一试验齿轮的弯曲疲劳强度，由文献 17表 6 28，结合 和 2较小的，得 =300 计算得： m=