电动汽车的行星传动箱设计毕业设计论文.doc

机械工程学院毕业设计（论文）题 目：电动汽车的行星传动箱设计专 业：车辆工程 班 级：113班 姓 名：宋雨来 学 号：1608110317 指导教师：董福龙 日 期：2015年5月 - 21 -目录1、电动汽车的发展以及现状分析- 1 -1.1 电动汽车发展- 1 -1.2 国内外电动汽车的发展现状分析- 1 -2、总体设计- 2 -2.1结构的确定- 2 -2.2 P-CVT 的工作原理- 2 -2.2.1行星齿轮传动简介- 2 -2.2.2P-CVT 的工作原理介绍- 3 -2.2.3理论验证- 4 -3、电动机选择- 5 -3.1 电机匹配- 5 -3.1.1整车基本参数确定- 6 -3.1.2 电机参数设计- 6 -4、传动箱的设计计算- 8 -4.1传动箱的设计计算- 8 -4.1.1行星传动箱部分的计算- 8 -4.1.2 调速电机动力传递机构设计- 14 -4.2传动箱轴、轴承等零件的设计- 15 -4.2.1 初选轴的直径- 15 -4.2.2轴的刚度验算- 16 -4.2.3 轴的强度验算- 17 -5、小结- 19 -致谢- 20 -参考文献- 21 -摘要:这次毕业设计设计了一种新的传动箱，它是由电机调速机构和行星传动系统组成。本次设计确定了选择的电机，对行星传动系统的行星齿轮和轴进行了设计，确定了他们的主要数据。这次毕业设计主要进行了行星齿轮的齿轮设计，确定了齿轮的模数、齿数、分度圆直径、齿顶高以及径向间隙系数，轴设计和选取材料的选择。关键词：电动汽车，行星齿轮传动箱，齿轮，轴，材料引言：随着经济和科学技术的不断的发展，汽车工业也渐渐成为我国支柱产业，汽车的使用已经遍布全国。1、电动汽车的发展以及现状分析1.1 电动汽车发展汽车于 19 世纪末诞生，到现在已近有 100 多年的历史，在一百多年的时间里， 汽车行业的发展非常迅速，推动了整个人类的发展，它也是一个国家科技和经济发展的标志之一1。中国汽车的发展已有50多年的历史，对我国的经济建设做出了巨大的贡献24。但是，汽车工业的快速发展，也给人类带来了很多问题，能源的消耗、环境的污染都是巨大的问题。现在大多数汽车的动力源是发动机，发动机是将燃油的热能转换成机械能，其能量转换的效率比较低，很多的能量主要被尾气、冷却消耗，这就造成了能源的浪费。我们都知道天然气和石油是不可再生资源，人类使用内燃机导致本来就不多的资源快速消耗。同时，汽车尾气的排放也是现代城市中空气的主要污染源，冰山融化、温室效应都与汽车尾气的巨大排放有着很大的关系56。面对日益减少的自然资源、越来越差的地球环境，“节能环保”已成为当代社会发展的一大主题。如今世界上不少国家都制订了严格的汽车排放法例来限制汽车的有害物质排放。改革内燃机，寻找替代能源，努力改变当前以石油为主的能源使用局面，考虑开发低污染、乃至无污染的汽车，已成为大多数国家相同的目标78。是以，不管从环保还是能源角度来看，环保节能车都有一个很大的发展前景。1.2 国内外电动汽车的发展现状分析从2008年金融危机爆发以来，世界的经济都处于下滑趋势，福田、通用、丰田 等世界汽车巨头都遭受重创。各国政府都采取了一些措施，重点支持新能源汽车的发展，特别是现任美国总统奥巴马大力推举新能源，更是将新能源电动汽车技术推向了产业腾飞的临界点9。 中国现在成为了世界上第二大能源消耗的国家，还是世界第一石油进口国10。油价的连续升高，危机近在咫尺，这么多年来，我国也发现了电动汽车的美好发展前景，并把它看做中国汽车工业赶上甚至超越世界汽车水平的机会，因此，我国也制定了许多的政策，来支持鼓励国内对电动汽车的研究。现在，我们国家的电动车市场主要是由电动自行车和电动三轮车组成，他们占有了最主要的市场，当然，我国已在我国的19个重点城市推广了运行清洁汽车的范例。在试点省市的公交车、出租车、工程抢险车、水泥搅拌车、街道清扫车、垃圾清运车等领域的电动化改造和充电站建设等工作也正在发展着11。与传统内燃机汽车相比，电动汽车有如下好处12： (1)、低噪声，几乎无污染； （2）、高能源效率，能源来源多样化；（3）、结构简单，使用维修方便； 因此，研究发展电动汽车，有下面几方面的好处：（1）、减缓能源的消耗；（2）、减少环境污染；（3）、减少废弃气体的排放；总之，新能源汽车的开发与应用，是时代发展的需求，是节约资源，保护环境的最关键的措施之一，也是汽车工业的一次新的技术革命，同样还是中国汽车工业可能赶超世界水平的一个突破口。2、 总体设计2.1结构的确定目前，汽车市场中主要有四种不同形式的变速器：电控机械式自动变速器（AMT）、连续可变传动比自动变速器（CVT）、电控液力机械自动变速器（AT）以及双 离合器电控机械式自动变速器（DCT）,各种自动变速器都有自己的特点。当前对电动汽车的大多数发展主要还是在蓄电池方面。对传动箱的研究还不是很多。这篇论文是按照一种行星齿轮无级传动箱（简称 P-CVT）来设计的。和普通的磨擦传动式传动箱相比，它有着以下几方面的优点：1、结构简单，生产成本低；2、质量轻，体积小，布置方便；3、传动效率高；4、传递功率大。2.2 P-CVT 的工作原理2.2.1行星齿轮传动简介在齿轮的活动过程中，假如组成该轮系的齿轮中有一个或几个齿轮的几何轴线绕着 其他齿轮的几何轴线回转，则称为行星齿轮传动。如图1所示，齿轮1（太阳轮） ，齿轮3（齿圈）和构件H（行星架）都围绕O1OH 转动，而齿轮2（行星轮）围绕其中心轴线自转，又围绕O1OH 轴线公转，其运动类型宇宙中的行星13。 图12.2.2P-CVT 的工作原理介绍这次毕业设计所依据的P-CVT传动箱是差动轮系的一种应用形式，其结构简图如图2所示。 图 2 P-CVT 结构示意图编号1234、5名称太阳轮行星轮齿圈调速电机动力传递机构编号HD1D2名称行星架主电机调速电机 表1 P-CVT 各构件对应名称 从上面的结构图可以看出，这种传动箱的构造很是简单，主要由一个行星齿轮部分和一个调速电机动力传递部分组成，行星架是输出端。其各编号构件的名称如表1所示。主电机的输入动力，在通过传动箱之后，由行星架H输出到车轮，其传动比为：，行星架H施加一个的角速度，将行星轮部分转化成一个定轴轮系，转化后的各构件的角速度如表2所示：表2 转化机构各构件对应角速度构件转化机构中的角速度原有角速度中心轮1v Hv 1齿圈3v Hv 3行星架Hv H Hv H 其中： ；;2.2.3理论验证对全部的 P-CVT系统来说，这个系统的输入、输出功率共有三个，就是太阳轮的输入功率 P1 ，行星架输出功率 PH ，齿圈输入功率 P3 ，根据能量守恒定律可得： （2.1）即： （2.2）此时，可分下面几种情况：1、 齿圈静止，即w3 = 0 ，此时，则，即 （2.3）可得： 显然成立。2、 当太阳轮与齿圈的转向相同时，太阳轮与齿圈都是输入端，行星架为输出端，则可得： （2.4）即: （2.5）可得 （2.6）显然成立。3、 齿圈转向与太阳轮相反，此时可以分为以下三种情况： （1）、，行星架和齿圈都是输出功率，太阳轮是输出功率，则有： （2.7）即： （2.8）转换得： （2.9）公式左边等于右边，成立。（2） 、太阳轮转向与齿圈转向相反，此时，若：，则，即车速为0，此种情况与第一种情况类似；（3） 、时，则转向与齿圈相同但和太阳轮的转向相反。这种状况与本变速器的设计宗旨不符合，要避免出现。由上文可知，当整个行星轮系处于平衡时，其太阳轮，齿圈以及行星架所受的外部扭矩之间的比例满足式。3、电动机选择3.1 电机匹配电动机在我们平时的生活中是到处可见的，它在各个地方都扮演着非常重要的角色，大到航空航天，小到手机电脑，这些东西都在使用电动机。之前，电动机技术已非常的成熟了，所以随着环境以及能源问题的日趋严重，电动汽车被推上了历史的舞台，电动汽车的出现，对电动机的性能的要求更高14。 对电动汽车来说，如果配备的电动机过重过大，会增加成本，还会降低电动机的工作效率；但是如果装备的电动机过小，就不能满足汽车的动力性，因此，需根据不同的车型进行电机匹配。下面进行的是电机匹配。3.1.1整车基本参数确定 1、 车型参数 这次毕业设计选车型的基本参数如表3所示：表3 整车参数空载整车质量 ma/满载质量 mo/迎风面积 A/滚动阻力系数 f80010001.880.015车轮滚动半径 r/m空气阻力系数CD主减传动比传动系统效率h0.2810.3353.10.92、 动力性能指标为了使性能能够最佳匹配，还需要电动机功率满足整车的动力性，满足最高车速、爬坡等性能要求。相应要求如下1518：（1） 最高车速：；（2） 最大爬坡度：；（3） 加速时间；（4） 过载系数： 23.3.1.2 电机参数设计 在对电机进行参数设计时，主要是对额定功率、峰值功率、额定转速以及最高转速几个参数进行设计。一般来说，电动汽车的最高转速对应的是电动汽车持续工作的区域，就是额定工作状态，而加速能力及最大爬坡度则是对应的电机的瞬时工作区域，就是峰值工作状态。1、额定功率的确定汽车在行驶过程中，应满足以下关系式19： （3.1）式（3.1）称为汽车行驶动力平衡方程，其中：-坡度阻力（ N），；-滚动阻力（ N），；-风阻（ N），；P-功率，kw；M-整车质量，kg；G-重力加速度，F-摩擦系数；-爬坡度；-爬坡度；A-迎风面积，；U-车速，km/h；-旋转质量换算系数；-车轮半径,m；-传动系统效率。根据上文可知，电机的额定功率可根据最高车速进行计算，在计算过程中，可不考虑加速阻力以及坡道阻力，因此，式（3.1）可变为： （3.2）将有关参数代入上式计算得出：根据最大爬坡度计算电机的功率，即汽车行驶于坡度为 20%的道路上时，车速至少可以达到 ,，此时，式（3.1）可表示为：= （3.3）将相关参数代入上式计算可得：。由上文可取。2、 峰值功率的确定 电机的最大功率可根据额定功率来计算，其计算公式为： （3.4）式中为过载系数，取。因此，电机的峰值功率0由于本传动箱是由两个动力源输入的，因此，传动箱的输入功率由调速电机与主电机两部分组成，其计算得的额定功率与峰值功率应当是两个电机额定功率与峰值功率的总和。所以对主电机与辅助电机的功率选择如表4 所示： 表4 电机功率 主电机 辅助电机额定功率 PN （kw）峰值功率 Pmax （kw）额定功率 PN （kw）峰值功率 Pmax （kw）515515这次毕业设计选择了一种交流变频牵引电机，这种电动机在电动汽车上应用非常广泛，它具有使用效率高、转矩大、调速范围宽、使用寿命长等特点。 其主要技术参数如下：额定电压：； 额定功率：； 额定扭矩：； 最大启动扭矩：； 转速范围：；4、传动箱的设计计算4.1传动箱的设计计算从的结构简图可以看出，这次设计的传动箱主要是由一个行星齿轮机构和一调速电机动力传递机构组成，所以，本论文主要对这两个机构进行设计计算。4.1.1行星传动箱部分的计算对于行星齿轮的设计，主要根据以下几个步骤进行2021：确定特征参数行星轮个数选择配齿计算齿轮参数的设计计算齿顶高、径向间隙系数齿轮的几何尺寸。1、 确定特征参数的选择和整车动力性能有着密切关系的，因此，我们需要综合最高车速和最大跑坡度两方面进行计算匹配。(1)、按最大爬坡度确定汽车在爬坡时，所需的最大扭矩为：把各相关参数代入计算可得：从上文可知，电机的最大启动扭矩为，结合式2.9可得：。（2） 、按最高车速确定因为本传动箱是一种速度复合型的机构，且选择的是两个一样的电机，所以，在计算时，可按每个电机分担一半的车速进行计算。从第三章可知，电机的最高转速为，结合式 2.8计算可得：。综合以上计算，结合行星齿轮传动设计，可选择2、行星轮个数选择在行星齿轮部分中，行星轮的个数与载荷分布不均匀的系数有关，一般而言其关系如下所示:当时，载荷分布的不均匀系数为 1.351.45；当时，载荷分布的不均匀系数为 1.41.5；当时，载荷分布的不均匀系数为 1.451.6。为了减小载荷分布不均匀系数，本传动箱选。3、 配齿计算 行星齿轮传动机构由于去结构的特殊性，因此各齿轮之间的齿数相互之间也存在一定的关系，从而保证其正常运转，其需要满足一下几个条件13：（1）（2）（3）（4）结合行星齿轮传动设计表4，选择,将,代入以上四式进行验证，满足配齿条件。4、 齿轮参数的设计计算 因为齿轮齿数已经确定，对各齿轮参数的设计计算，大多是进行模数的设计计算的，因为齿轮模数m的大小主要是由弯曲强度决定的承载能力决定的，因此，可以根据齿根弯曲强度进行模数的计算。由于本传动箱还是在初步开发的阶段，因此，齿轮的类型全部选择标准的渐开线直齿圆柱齿轮。下面主要对其模数进行设计。各齿轮的材料以及热处理方式等如表5所示：表5 各齿轮的材料及热处理方式 材料热处理加工精度太阳轮20CrMnTi渗碳淬火14003406 级行星轮内齿轮40Cr调质7802607 级在对模数进行设计的时候，是按照齿面接触强度以及齿根弯曲强度进行。按齿面接触强度进行计算，其公式为21： （4.1）其中：-算式系数；-啮合齿轮系统中小齿轮的转矩，；-使用系数；-综合系数 ；-行星轮载荷分布不均匀系数；-齿数比(+号用于外啮合，-用于内啮合)；-小齿轮齿宽系数；-极限接触疲劳强度。查得各参数的值如表6所示dA 7681.51.81.412 70.6将各参数带入式 4.1可算得:，则按齿根弯曲强度进行设计，其设计公式为: （4.2）其中：-算式系数；-综合系数；-行星轮载荷分布不均匀系数；-小齿轮齿形系数；-小齿轮齿数；-极限弯曲疲劳强度。各参数的值如表7所示 表7 已知数据 K mYFa1K FSKFpz1fd7681.51.81.4371带入式（4.2）算得：综上可取下面要对设计好的齿轮进行校核，也是从接触疲劳强度跟弯曲强度两个方面进行。按接触疲劳强度进行校核，其校核公式为21： （4.3） （4.4） （4.5）其中：-计算接触应力的基本值；-齿面接触应力；-许用翅根应力；-节点区域系数；-弹性系数；-重合度系数；-齿宽；-动载系数；-接触强度的齿向载荷分布系数；-计算接触强度的齿间载荷分配系数；-计算接触强度的行星轮间载荷分配不均匀系数；-计算接触疲劳强度的最小安全系数；-计算接触强度的寿命系数；-润滑剂系数；-速度系数；-粗糙度系数；-工作硬化系数；-接触强度计算的尺寸系数。式（4.3）,(4.4),（4.5）中各参数的值如表6所示： 表8 所查得的数据a2.5189.80.787422.51.31.411.110.951.00.950.91.11将表8中的数据代入式（4.3）（4.4）（4.5）中可得：,因此，满足接触强度要求。 按弯曲强度进行校核，其校核公式为： （4.6） （4.7） （4.8）其中：-齿根应力的基本值；-齿根应力；-许用齿根应力；-载荷作用于齿顶时的齿形系数；-载荷作用于齿顶时的应力修正系数； -计算弯曲强度的重合度系数；-计算弯曲强度的螺旋角系数；-计算弯曲强度的齿向载荷分布系数；-计算弯曲强度的齿间载荷分配系数；-计算弯曲强度的行星轮间载荷分配系数；-试验齿轮的应力修正系数；-计算弯曲强度的寿命系数；-相对齿根圆角敏感系数；-相对齿根表面状况系数；-计算弯曲强度尺寸系数； -计算弯曲强度的安全系数 。式（4.6）（4.8）中各参数的值如表9所示，将表9中的数据代入式（4.6）（4.8）中可得：；因此，满足所需要的要求。表9 各查得的数据2.911.530.73711.34311.151.530.911.121.071 其余的齿轮的计算以及校核就不再做详细的书写。行星齿轮垫部分的各基本构件的主要参数如表10所示。 表10 行星轮系部分各齿轮主要参数.齿数模数个数太阳轮2031行星轮193齿圈5815、 齿顶高、径向间隙系数国家的标准规定，对于正常的标准齿轮，齿顶高系数和径向间隙系数都为h*a 1，c0.25。6、齿轮的几何尺寸分度圆1：；分度圆2：；分度圆3：；齿顶高： ；齿根高： ； ；齿全高： ；齿顶圆直径：；齿根圆直径：；基圆直径： ；齿距： ；齿槽宽：；顶隙： ；标准中心柱： ；齿宽： ，取b24mm；节圆直径：d d；传动比： ；4.1.2 调速电机动力传递机构设计 对于调速机构来说，由扭矩特性分析可知，当传动箱处于平衡状态时，太阳轮与齿圈的扭矩关系为：。因为选择的是两台一样的电机，因此，我们选择调速机构的传动比为 2.8，我们可以用一对定轴齿轮来实现这个传动比。最后通过计算得到大、小齿轮的主要参数如表11所示： 表11 大、小齿轮主要参数齿数模数个数涡轮5831大齿轮12614.2传动箱轴、轴承等零件的设计 在工作时，传动箱的轴需要承受齿轮的径向力和传递的扭矩，在使用斜齿轮传动时还要承受轴向力。为了使传动箱能够正常工作，需要轴拥有足够的强度和刚度。在设计传动箱轴时，轴刚度的大小要保证齿轮有正确的啮合条件。4.2.1 初选轴的直径轴的直径常常是根据轴所传递的转矩，初步计算最小直径，再依据轴上零件的装配、定位和固定要求这些原因由两端向中间逐一进行确定。轴各部分的长度主要是依据轴上各部分零件的轴向尺寸和轴系结构来确定的。1、C轴先设计C轴，取C=110，则：轴上有键槽，将轴的直径放大5，则 I段与输出V型带相连，选其长度，直径。 II段长度，直径。 III段长度,直径。主要是按轴承内径的确定。轴承为6305号深沟球轴承，其宽度为，内径为。 IV段上有齿轮，与轴为一体结构。齿顶圆直径，齿宽为，长度。2、B轴B轴与C轴为配合部分对称设计。 I、II段参照C轴设计。 III段长度,直径。轴承的类型为6305号深沟球轴承，其内径为，度为。 IV段的末尾上有齿轮。轴的直径，轴的长度。齿顶圆直径，长度。 V段使用滑动轴承与C轴配合，直径，长度。3、 E轴E轴中空两端设有齿轮，中空直径。I段上行齿就是太阳轮，齿顶圆的直径是，长度是。II段轴直径，长度。III段上有双联齿轮，还有着花键的配合。轴的直径，长度。双联大齿轮齿顶圆直径，长度；双联小齿轮齿顶圆直径，长度。IV段为轴肩，直径，长度。V段设计同I段，对称设计。4、F轴F轴末端有行星架。I段轴直径，长度。II段轴直径，长度。主要是按轴承内径系列确定，同样选取6306号深沟球轴承，其内径，长度。III段上有行星架，直径，长度。4.2.2轴的刚度验算 对齿轮的工作影响最大的就是轴在垂直面内产生的绕度和轴在水平面内的转角。前面的原因使齿轮中心距产生变化，改变了齿轮的正确啮合；后面的原因使齿轮歪斜，导致沿齿轮长方向的压力不均匀。 轴的绕度和转角可按材料力学有关公式计算。计算公式为：轴的全绕度为： 式中，-齿宽中间平面上的圆周力N；-齿宽中间平面上的径向力N；E-模量MPa，；I为惯性矩，对实心轴；d是轴的直径mm；a、b为齿轮上作用力距支座A、B的距离；L为支座间隔距离。 这个设计中，由于中间轴上常啮合齿轮上的力最大，所以需求计算中间轴上常啮合齿轮处的刚度和强度。传动箱轴向尺寸，取，则 将、分别代入以上四式可得到轴的刚度。由此可知，均满足设计要求。4.2.3 轴的强度验算 在齿轮上的轴向力和径向力，让轴在垂直面内变形，但是圆周力导致轴在水平面内变形。在得到支点水平面和的垂直面内的支反力和之后，计算弯矩、。轴在弯矩和转矩同时作用下，其应力为： 式中，d是轴的直径mm，花键取内径；W为抗弯截面系数。在低挡工作时，。传动箱轴采用与齿轮相同的材料制造。 支点A的水平平面内和垂直平面内支反力为则：由此，可得故符合设计要求。5、小结这次毕业设计是对电动汽车的一种新的无级传动箱进行了设计，从理论分析到零部件的设计查找了很多资料，让我知道了原来4年来我在书本上还有很多东西没有学到，充分的补充了自己的不足，特别是在零部件计算时，齿轮的模数，齿轮强度的计算以及校核是我完全没有想到比我想象中的难太多了。还有就是对电动机的选择，这是自己在写论文是的一大难点。总之，在写论文的过程中我学到了很多：（1） 、PCVT的结构以及工作原理，这是在上课时时了解不多的内容，它是一种双动力式的无级传动箱。（2） 、PCVT 它与一般的传动箱不同，不能直接做到减速增扭、增速减扭的效果，只能通过增加输入功率或者减小输入功率来增加或者降低输出转速；。（3） 、PCVT传动箱结合匹配的电动机使用可以满足汽车的动力需求，同时可以尽量使主电机工作于高效区。还有，在完成装配图、零件图时，在同学的帮助下，我更深的掌握了CAD软件的应用。致谢这次毕业设计能够顺利完成，首先要感谢我尊敬的导师董福龙老师，论文从选题、开展思路以及研究方法等等直到论文完成，他都给了我至关重要的帮助。此外，他的职业态度、高尚情操以及对待学生无微不至的关怀等等，都让我记忆犹新，同样也是我人生的榜样，这一切的一切将使我受益终身。在此，我衷心的感谢他，能成为您的学生，我真的感到万分荣幸。 同时，我还要感谢韩嘉麒、王宏光同学，感谢他们一直在默默关心以及帮助我，非常感谢你们，也衷心的祝福你们身体健康、工作顺利。参考文献1 余志生.汽车理论M.机械工业出版社，2011。2 姬芬竹，高峰，周荣.纯电动汽车传动系参数匹配的研究J.汽车科技，2005,6:2224。3 白中浩，曹立波，王耀南.基于 CVT 的混合动力汽车建模与仿真.计算机仿真G，2007,（6);235238。4 杜发荣，吴志新.电动汽车传动系统参数设计和续驶里程研究.农业机械学报J，2006,37（11),911。5 杨锟，贾爱萍.电动汽车用电机的发展概况.节能论坛G，2007（5）：1013。6 舒红，秦大同，杨为.混合动力汽车动力传动系统参数设计.农业机械学报G，2002,33（1）：1922。7 陈伟.电动汽车的动力学建模与仿真：硕士学位论文.吉林：吉林大学J，2003。8 唐鹏，孙骏.电动汽车动力性能的建模与仿真.交通与计算机G，2007,25（1）：100103。9 杜爱民，宋俊杰，娄光.混合动力汽车用行星齿轮结构参数优化及应用.同济大学学报J，2010,38（11) 03107。10 王刚.燃料电池电动汽车动力系统匹配及仿真研究：硕士学位论文.武汉，武汉理工大学G，2008。11 肖平.混合动力电动汽车整车匹配与电机控制系统研究. 硕士学位论文.安徽，安徽农业大学G，2007。12 古艳春，殷承良，张建武.并联混合动力汽车控制系统设计及控制策略研究.高技术通讯J，2007,17（2）：163170。13 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