纯电动汽车设计毕业课程设计论文.doc

中国农业大学学士学位论文 目 录纯电动汽车设计毕业课程设计毕业论文目 录摘 要IAbstractII第一章 绪 论11.1.题目背景和意义11.2.国内外研究现状和发展趋势21.3.存在问题4第二章 总体方案设计52.1.蓄电池的选择52.2.电动机的选择及布置方案5第三章 电驱动性能和动力性能匹配计算103.1.驱动轮所需的功率和转速103.2.驱动电机参数确定113.3.减速比的确定123.4.动力性分析123.5.电池组参数的选择16第四章 主减速器的基本设计174.1.减速比的分配174.2.主减速器齿轮的基本设计174.2.1.轴的运动和动力参数的计算174.2.2.轴直径的初算和轴承的初步选择184.2.3.齿轮的设计和计算19第五章 主减速器的主要校核295.1.输入轴强度、轴承寿命及键的强度校核295.2.中间轴强度、轴承寿命及键的强度校核335.3.输出轴强度、轴承寿命及键的强度校核39第六章 设计总结44致 谢45附 录46驱动力-行驶阻力平衡图源程序46爬坡度曲线源程序46加速度时间计算源程序47参考文献49中国农业大学学士学位论文 第一章 绪 论第一章 绪 论 1.1. 题目背景和意义电动汽车是一种以电力为动力源, 以电控代替机械传动, 以控制电动机方式改变车速的无轨运输车辆。它孕育于19世纪30年代, 至今已历时一百余年。它在20世纪初曾一度被广泛采用, 但是, 鉴于当时的历史条件,蓄电池容量小、体积大、寿命短, 因而逐步让位于内燃机汽车。一直到20世纪70年代世界第一次能源危机出现, 才重新为人们所重视。20世纪70年代末，随着石油价格回落, 能源危机缓和, 内燃机性能不断完善, 相比之下, 电动汽车动力性差, 蓄电池寿命不高, 因而不断降温。然而到了20世纪90年代, 由于人们日益关注空气质量和温室效应所产生的影响，电动汽车的发展再次获得生机1。电动汽车经过百余年实践, 证明它具有污染少、噪声低、振动小、结构简单紧凑、易于操作维修、能综合利用能源等优点, 特别是近年来人们所从事研究的充电装置的开发和充电方法的发展和改进, 以及电控技术与电动机性能的新突破和改善, 所有这些就导致了80年代末和90年代初第二次电动汽车热的出现。近些年，汽车制造商在不断推动电动汽车技术的发展，并开始将电动汽车商业化。在世界范围内，尤其在美国、日本和欧洲，许多汽车生产商开始生产电动汽车或者涉及电动汽车领域。随着我国国民经济的快速发展，汽车工业进入迅猛发展阶段，汽车保有量的剧增给环境和能源带来了巨大的压力。为了减轻能源消耗和环境污染，国家出台的汽车排放法规和能耗标准越来越严，汽车使用成本越来越高，汽车产业的可持续发展面临新的挑战。研发一种最高车速在100km/h以上，整车性能和燃油车相仿，价位适中，操作简单，使用维修费用低廉的小型四轮纯电动汽车，可成为缓解我国能源危机和解决环境污染的重大举措。其意义主要表现在以下几个方面：1) 落实保护环境、节能减排国策 研发的小型纯电动汽车能仅为燃油汽车的1/51/4，且使用过程零污染，是中国汽车行业实现环境保护、节能减排的重要措施。2) 对国家能源战略安全将发挥重大作用 我国是石油资源相对贫乏的国家，2007年原油进口量达1.68亿吨，对外依存度过高，给国家整个经济安全带来严重不稳定因素，若有20%的家庭用车改为小型纯电动汽车，每年节省的燃油消耗是巨大的。3) 实现我国汽车工业可持续发展 纵观我国汽车工业，近几年出现了井喷式增长，汽车年产量近期有望突破1000万辆。但我们也应当看到，在传统燃油汽车领域，我国与世界发达国家的差距依然巨大，在发动机、变速箱及汽车电控等关键技术领域仍受制于人。从可持续发展和技术跨越的角度大力发展小型纯电动汽车对于提升我国汽车尤其是乘用车产业核心竞争力具有重要的战略意义。4) 可回收利用的能量多2 对电动汽车而言，很容易利用电动机反转时发电的功能回收制动或下坡时的能量，从而使汽车的续驶里程增加、经济性提高。近年新开发的电动汽车都具有下坡、制动或减速时的能量回收系统，具有能量回收系统的电动汽车的续驶里程可增加10%15%。1.2. 国内外研究现状和发展趋势 1991年美国三大汽车公司签订协议，合作研究电动汽车用的先进电池，成立美国先进电池联合体USABC（United States Advanced Battery Consortium）,同年7月美国电力研究院EPRI(Electric Power Research Institute)参加了美国先进电池联合体，10月布什总统批准了2.26亿美元拨款资助此项研究。通用汽车公司与1990年在洛杉矶展出“冲击（Impact）”牌电动轿车，该车采用铅酸电池与高新技术。从此掀起了一个以高新技术为基础、得到各国政府大力支持的、世界性的电动汽车研发热潮2。截止到1998年底，全世界有9个大型汽车厂10种纯电动汽车投入小规模生产，如表1-1所示：表1-1国外10种纯电动汽车的基本情况8年份生产厂商车型1994日本大发汽车公司电动微型面包车Hi-Jet EV1995法国标致雪铁龙公司电动4座小型轿车P106.SAXO及其客货车1996美国通用汽车EV-11996日本丰田公司电动5座小型轿车RAV4EV(氢镍)1996日本丰田公司电动4座小型轿车Plus(氢镍)1996法国雷诺公司电动4座小型轿车Ctio(铬镍电池)1997美国福特公司电动2座轻型皮卡(客货车)Ramger1997美国克莱斯勒公司电动4座小型轿车Epic1997美国通用公司电动2座轻型皮卡S-101998日本日产公司电动4座轻型轿车Aitra 近些年来，致力于纯电动汽车研发活动中的企业，不仅有Heuliez、三菱、富士重工、通用这样的汽车企业，也有属于电力系统的法国电力公司、东京电力公司，以及东芝、日立、东洋电机、三洋电机、旭化成、NEC等机电跨国公司。2001年，法国电力公司和博洛尔集团（Group BOLLORE）成立了一个联合子公司BatScap，开发了采用高性能聚合金属锂蓄电池（LMP）的电动蓝色轿车（Blue car）；2005年5月，日本三菱公司推出了属于世界首创的交流电动轮轿车（第二代纯电动轿车）运动型小马（Colt）牌5人座的低中级电动轮轿车；通用在2007上海国际汽车工业博览会推出新款雪佛兰Volt概念车，采用了最新研发的E-Flex 动力推进系统。 虽然我国汽车工业相对落后，但近些年也得到了飞速的发展。国内企业从事纯电动汽车研发、少量产业化生产与试运营的有东风、天津清源、北京理工科凌、比亚迪等企业。2006年，我国第一批纯电动轿车取得了产品准入公告。东风公司是国内最早从事电动汽车研发的汽车企业之一，开发了游览车、多功能车、工业专用车和高尔夫球车等4大系列、近20个品种的纯电动车，包括东风纯电动轿车（EQ7160EV）、纯电动富康轿车（EQ7140EV）、纯电动客车（EQ6690EV）等；十五”期间，国家863计划电动汽车重大专项项目中纯电动轿车研制点之一在天津汽车。天津市电动车辆研究中心与天津一汽产品开发中心联合众多汽车技术研究中心与大学资源，组建天津清源电动车辆有限责任公司，承担863计划重点项目“XL-2纯电动轿车”研发工作，各项技术指标达到了国际先进水平，全车总重1600公斤，最高时速达到140千米/小时，续驶里程超过260千米，0千米/小时50千米/小时的加速时间6.8秒，被认为是国内水平最高又最接近产业化的电动车型；同时，北京理工大学作为整车总体单位承担了 863 电动汽车重大专项“纯电动客车项目”，作为技术依托单位承担了北京市科技奥运电动汽车特别专项“电动汽车运行示范、研究开发及产业化”等项目。已完成纯电动低地板公交车、纯电动中巴客车、纯电动旅游客车、纯电动超低地板公交车等四种车型的整车开发、型式认证和定型设计，并进行了 40 余辆的小批量试生产，各项动力性、经济性、续驶里程、噪声等指标已达到或接近国际水平；著名电池制造商比亚迪在动力电池方面的研究成果一直处于世界的前沿，该公司最新研发的车用产品的充电时间已缩短到89小时，最高续驶里程可达450500公里，最高时速可达120180公里/小时，0100公里/小时加速时间小于13秒。 图1-1丰田纯电动概念车AEV9 图1-2比亚迪e6纯电动crossover车型9 在电动汽车产品开发中，采用多电机进行车轮独立驱动相对于单电机驱动而言，简化了机械传动系统，提高了驱动效率，能够充分利用车载能量来提高续驶里程；结构紧凑，提高了空间利用率；可通过驱动轮的电子差速改善车辆的行驶性能，容易实现底盘的电子化和主动化。鉴于以上优点，车轮独立驱动已经成为国内外的一个研究热点。 近几年，国内外很多高校、科研院所和企业都陆续开展了这方面的研究，取得了一定的成果，相应的概念车也已问世。在国外，日本的庆应义塾大学、丰田、本田、日产、三菱等公司、美国通用公司、法国TM4公司、标志雪铁龙公司、德国大众奥迪公司、西门子公司、英国贝姆勒公司等等，分别开发了多种形式的车轮独立驱动汽车。在国内，同济大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学、清华大学、比亚迪汽车公司、北京三环通用电气公司、中船总公司724研究所和北京蓝天之星复合材料应用技术研究所等单位也都进行了类似电动汽车的开发。但是，由于车轮独立驱动系统结构复杂和控制策略不够完善，各国目前所开发的高速乘用车都处于概念设计阶段，真正实现产业化的主要是包括场地车和工程车在内的低速车辆。 在未来30年里，纯电动汽车和混合电动汽车都将会市场化，并且会占有各自的市场份额。纯电动汽车适合于特定的市场，如社区交通、电价便宜、使用方便的地区和零排放管制的城市；而混合电动汽车则适合于长途运输。纯电动汽车和混合电动汽车市场化的速度最终主要取决于它们各自的价格。在未来20年中燃料电池车的商业化速度也会加快，因为只有燃料电池车载续驶里程和性能方面与燃油车相媲美1。1.3. 存在问题1 41、初始成本高 目前纯电动汽车的价格一般为同级燃油汽车的25倍。当然生产规模扩大后，会有一定幅度的降低，但仍难以达到燃油汽车的水平。混合动力汽车价格明显高于同级别的燃油汽车。 为了降低电动汽车的成本，人们正在努力改善电动汽车的各个子系统，比如电动机、功率转换器，电子控制器、能量管理系统、充电器、电池以及其他辅助设施，同时对电动汽车整车系统进行综合和优化。当然，除了对电动汽车各个子系统进行改进和整车系统进行优化外，我们应该努力提高全球的电动汽车水平，集中东西方的力量共同解决有关电动车的一些问题，尤其是生产成本问题。东方一些国家如中国、印度、泰国和马来西亚能提供廉价的劳动力，而西方一些国家如美国、德国和法国能提供资金和高新的技术。因此，如果我们能综合廉价利用廉价劳动力和高新技术的优势，电动汽车的生产成本就会大大降低。2、续驶里程短 能量密度低是除混合电动汽车外的电动汽车存在的最大问题。目前实际使用的电池有铅酸电池、镍基电池、常温锂电池、金属空气电池等，常见的蓄电池比能量的范围为35110Wh/kg，而汽油的低热值为44MJ/kg，可见汽油的能量密度约为蓄电池的110340倍，即使把电动机的工作效率高于发动机这一因素考虑在内，两者之差也相当悬殊。为解决这一问题，现在各国都在积极研发一些先进的电池，并采用了其他辅助设施来改善电动汽车的续驶里程。3、必须重新建设基础设施 为了克服蓄电池充电时间长的问题，需要在停车场或车库建设类似燃油汽车加油站的快速充电站，氢燃料电池汽车则需要解决氢的来源问题和建设加氢站等设施。中国农业大学学士学位论文 第二章 总体方案设计第二章 总体方案设计纯电动汽车的组成如图2-1所示。纯电动汽车主要由三个子系统组成：电力驱动系统、能源系统和辅助系统。电力驱动子系统包括电子控制器、功率转换器、电机、机械传动装置。能源子系统包括能源及能量管理系统。辅助系统包括助力转向单元、温控单元和辅助动力供给单元等。图中，双线表示机械连接，粗线表示电气连接，细线表示控制连接。每根线上的箭头表示电能或控制信息的流向。222图 2-1纯电动汽车的基本结构2.1. 蓄电池的选择 蓄电池作为电动汽车的能量源，要求其具有高的比能量和比功率，满足车辆动力性和续驶里程的需要，还应具有与车辆使用寿命相当的循环寿命、高效率、良好的性能价格比及免维护性。可用于电动汽车的蓄电池归类为铅酸电池、镍基电池、金属空气电池、钠电池和常温锂电池等。 在众多电池中，磷酸铁锂电池由于它超常的使用寿命、安全性、大电流快速充放电、耐高温、大容量、无记忆效应和绿色环保等优点，逐渐成为动力电池的佼佼者，表2-1为磷酸铁锂动力电池性能及与其他电池性能的比较。 因此，此设计采用磷酸铁锂动力电池作为其能量源。2.2. 电动机的选择及布置方案 纯电动汽车是利用电机将电能转化为机械能来实现驱动的。电机的种类多、用途广、功率覆盖面非常大。车辆行驶的路面工况较复杂，所以作为纯电动汽车用的电机的功率必须要适应这种复杂工况的要求。其性能要求有:较大的起动转矩来保证纯电动汽车的良好的起动和加速性表2-1磷酸铁锂动力电池性能及与其他电池性能的比较能;较宽的恒功率范围，保证纯电动汽车具有高速行驶的能力，电机的过载系数应达到2-3倍;较大范围的调速功能，在低速时具有较大的转矩，在高速时具有高功率，能够根据驾驶员对加速踏板的控制，随即地调整纯电动汽车的行驶速度和相应的驱动力;电机的外形尺寸要求尽可能小，质量尽可能轻:电机的可靠性好，耐温和耐潮性能强，能够在较恶劣的环境下长期工作，运行时噪音低，维修方便。2.2.1. 电动机的选择驱动电机的性能直接决定着驱动系统性能。目前纯电动汽车普遍采用的电机主要有直流电机、感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机四种，总的发展趋势是由通用电机向专用电机发展，由直流电机向交流电机发展。通过对纯电动汽车驱动系统的效率进行比较，直流电机的传动效率最低，感应电机的传动效率较高，永磁同步电机的传动效率为最高。采用数字评分的方法来比较上述几种电机的性能，主要对电机的六个方面的性能加以评价，每个性能的得分为1-5分，表2-2给出了比较结果。表2-2各种驱动电机性能比较直流电动机感应电动机永磁无刷电动机开关磁阻电动机功率密度2.53.553.5功率2.53.553.5可控制性5443可靠性3545成熟性5544成本4534综合22262523由表2-2可知，永磁无刷电机和感应电动机的综合性能较好。虽然感应电动机具有体积较小、成本较低、调速范围宽、响应快等优点，但是由于永磁无刷电动机没有传统电动机的电刷和换向器，因此永磁无刷电动机几乎可与感应电动机竞争媲美，而且具有如下优点：1) 由于电动机由高能永磁材料励磁，对于给定的输出功率，它的质量和体积能够大大减小，使得功率密度提高；2) 由于转子无绕组，无铜损，其效率高于感应电动机；3) 电动机发热主要集中在定子上，易于采取措施散热；4) 永磁励磁不受制造缺陷、过热或机械损坏的限制，因而可靠性较高；5) 转子电磁时间常数小，动态性能好。综上所述，此设计初步选用永磁无刷电动机。在永磁无刷电动机中，由于永磁同步电机(PMSM)在效率、功率密度和低速转矩方面的突出优点使它非常适合应用于多电机独立驱动，故初步定为永磁同步电机。2.2.2. 电动机的布置方案在电动汽车中，一种是采用单个电动机驱动车轮，另一种是采用多个电动机一起单独驱动每一个车轮。单电机结构的优点是：由于只用一个电动机，它能最大限度的减小型相应的体积、质量及成本。而多电机结构能减小单个电机的电流和功率的额定值，并能均衡电动机的尺寸和质量。单电机和双电机结构的比较如表2-3所示。表2-3单电机和双电机结构的比较单电机结构双电机结构成本较低较高体积笨重分散质量集中分散效率较低较高差速方式机械式电子式因此，本设计采用双电机独立驱动方案。2.2.3. 电动机的减速装置通常对于电动汽车的减速装置分为固定速比和可变速比变速传功两种，它们的优缺点如下表2-4所示。表2-4固定速比与可变速比变速传动的比较固定速比可变速比电动机额定值较高较低逆变器额定值较高较低成本较低较高体积较小较大质量较低较高效率较高较低可靠性较高较低 由表2-4可知，固定速比变速器性能优良，是可变速比变速器不能比拟的，实际上，现在几乎所有的电动汽车都采用固定速定齿轮减速器。 因此，此设计也采用固定速定齿轮减速器。2.2.4. 电驱动的结构形式 双电机独立驱动，且电机轴与驱动轴相互平行的电驱动系统的结构方案主要有如下几种形式：1) 双电机整体驱动桥式，如图2-2所示。2) 直接驱动式电动轮，如图2-3所示。3) 带轮边减速器式电动轮，如图2-4所示。图2-2双电机整体驱动桥式图2-3直接驱动式电动轮图2-4带轮边减速器式电动轮 上述三种方案各具优缺点，由于此车桥的设计只对匹配车型进行小范围的改动，电驱动车桥性能和基型轿车驱动车桥保持兼容性（传动轴及车轮部分基本不变），所以选择第一种方案。 这种独特的驱动系统可以有效解决空间布置难题，适合装备独立悬架的汽车，减少传统汽车的电动化改型的难度；车桥采用断开式结构，驱动系统结构采用双电机相向布置型式，双减速器成为大单一总成，结构紧凑；在具备双电机独立驱动优点的同时，电机和减速器固定到车架（身）上，全部变为簧载质量，避免了轮毂电动机驱动所带来的缺陷，有利于改善车辆的动力学性能；采用二级减速器，能有效减小传动部件尺寸，方便整车布置，且可以选用高速电机，降低电机成本和质量，并提高系统可靠性；可以比较方便的在减速器中加入防滑装置，提高车辆在复杂路面的通过性，并可减少双电机协调控制的复杂程度；容易扩展为四轮驱动，充分发挥车轮的路面附着能力。图2-5车桥总体方案示意图综上所述，最终方案如图2-5所示，采用两台永磁同步电机作为动力源，依靠两套减速齿轮组分别进行减速，用短半轴驱动车轮旋转，以高能量锂离子动力电池作为电源。采用中间齿轮减速器，在获得较大的减速比的同时缩小传动系统尺寸，可以为电机和半轴的合理布置提供足够的空间，也有利于提高最小离地间隙。该系统非常适合作为前轮驱动装置，对于电动车辆而言，转弯时采用前轮驱动比后轮动力系统驱动效率可以提高20%以上，能够充分利用电动车辆的车载能量，提高续驶里程，节约成本30；此外，还可以利用传统内燃机车辆的车身结构，在对传统前置前驱内燃机车辆进行改装时，原则上只要移除现有驱动系统，用所设计的系统进行替换即可。由于电动机和减速器安装在发动机舱内，使其全部变为簧载质量，有利于改善车辆的操纵性和平顺性，方便整体布置和车身造型设计，降低开发成本。中国农业大学学士学位论文 第三章 电驱动性能和动力性能匹配计算第三章 电驱动性能和动力性能匹配计算电动车辆驱动系统参数匹配不仅要根据给定的车型、预期性能和目标工况，而且要根据基本的控制策略，在保证整车动力性的前提下，以经济性为主要目标进行优化计算31。目前，由于适用于电动汽车的电机种类较少，所以，应首先确定驱动轮应提供的功率、转矩和转速，再进行电机的选取，根据电机转速特性确定减速器的减速比，最后进行电池组参数的选择。表3-1是电驱动性能和动力性能匹配计算的参数选择。表3-1基本参数参数数值整车质量m / kg1100车轮滚动半径0.283风阻系数0.33滚动阻力系数0.015旋转质量换算系数1.03迎风面积A/m21.95传动系统机械效率0.9412电动机及其控制器效率0.90蓄电池的平均放电效率0.953.1. 驱动轮所需的功率和转速从保证车辆预期的最高车速来确定需求功率 (3- 1)式中，驱动轮应提供的最大功率；车辆最高速度；整车质量； 重力加速度，取9.8；滚动阻力系数；空气阻力系数；迎风面积。驱动轮应提供的最大功率要满足车辆起动、加速、最高车速、最大爬坡度的综合要求。当时则取每个驱动轮所需的最大功率为16kW，相应转速为驱动轮应提供的转矩可以由应提供的功率和转速求得。3.2. 驱动电机参数确定由上可知，电机的最大功率为16kW。电动机的最大转矩为 (3- 2)结合现在试验车中所装的电动机技术参数并考虑最高车速对应的电动机转速为其最高转速的90%95%。初步确定电动机的基本技术指标,如表3-2所示。表3-2电动机的基本技术指标最大转矩90额定转矩30峰值功率16额定功率8最高转速6300额定转速2550电动机功率特性曲线，见图3-1。图3-1电动机功率特性曲线电动机转矩特性曲线，见图3-2。图3-2电动机转矩特性曲线3.3. 减速比的确定由公式得(3- 3)电机最大转矩还要满足地面附着条件的要求，即 (3- 4) 式中，为地面附着系数，取。3.4. 动力性分析驱动力： (3- 5)行驶速度： (3- 6)行驶阻力计算如下：滚动阻力： (3- 7)空气阻力： (3- 8)爬坡度： (3- 9)加速度： (3- 10)1) 驱动力行驶阻力平衡图，见图3-3。图3-3驱动力行驶阻力平衡图结论：由图可知，最高车速为138.67km/h。2) 爬坡度曲线，见图3-4。图3-4爬坡度曲线结论：由图可知，最大爬坡度为25.31%。3) 加速时间计算及加速度倒数曲线，见图3-5a、图3-5b、图3-5c。图3-5a加速度倒数曲线图3-5b 0-1700r/min时加速度倒数曲线图3-5c 1700-6000r/min时加速度倒数曲线结论：050km/h的加速时间为5.9916s；5080km/h的加速时间为6.7037s。电动汽车在平均车速下，克服行驶阻力的单位里程消耗的能量为： (3- 11)则 续驶里程; (3- 12)式中，电动机及其控制器效率；蓄电池的平均放电效率；F汽车匀速行驶情况下总的驱动力。当电动机转速为时，汽车达到经济转速, ,汽车以此速度匀速行驶时，续驶里程为(3- 13)3.5. 电池组参数的选择已知：整车电压： 单位质量容量：单位里程消耗：要求：续驶里程：则，电池充满后的总能量为(3- 14)取 能量源的容量为(3- 15)电池重量为(3- 16)中国农业大学学士学位论文 第四章 主减速器的基本设计第四章 主减速器的基本设计.本章所需查找的图表和参数均出自文献17。4.1. 减速比的分配如图4-1所示的二级圆柱齿轮减速器的传动比最优分配模型18。总传动比为，设齿轮分度圆直径依次为，且。图4-1二级圆柱齿轮减速器的传动比最优分配模型 中心距： (4- 1)并给定条件，这在结构中常常这样选定，而强度由模数和齿宽来调整。因，,则： (4- 2)因，故： (4- 3)当时，A取得最小值，减速器结构最为紧凑。但在实际设计齿轮的过程中不可能恰好相等，故可将二者设计的近可能相近。因此，此处可使 4.2. 主减速器齿轮的基本设计17 20 21 224.2.1. 轴的运动和动力参数的计算1. 各轴转速(4- 4) (4- 5) (4- 6)式中，为电动机转速。2. 各轴输入功率 (4- 7) (4- 8)(4- 9)式中，轴承传动效率，取； 齿轮啮合传动效率，取。3. 各轴输入转矩 (4- 10) (4- 11) (4- 12)4.2.2. 轴直径的初算和轴承的初步选择1、轴径的初步选择初选轴的材料为40Cr。1) 第一轴： (4- 13)由于此轴同一截面上开有一个键槽，轴径应加大3%，则：考虑到与电机输出轴的配合情况，圆整得：2) 第二轴： (4- 14)由于此轴同一截面上开有两个键槽，轴径应加大7%，则：圆整得：3) 第三轴： (4- 15)由于此轴同一截面上开有一个键槽，轴径应加大3%，则：圆整得：2、初选轴承初定选用圆锥滚子轴承。第一、二、三轴所用圆锥滚子轴承型号分别为30206、30206和30207。4.2.3. 齿轮的设计和计算17减速器要求结构紧凑，故采用硬齿面齿轮传动；由于短时双向运转，轮齿弯曲疲劳极限应力应乘以0.9。（一） 高速级齿轮设计计算1.选齿轮材料、热处理方法并确定许用应力参考表4-1初选材料 小齿轮：17CrNiMo6，渗碳淬火，齿面硬度5462HRC； 大齿轮：17CrNiMo6，渗碳淬火，齿面硬度5462HRC。 根据小齿轮齿面硬度58HRC，大齿轮齿面硬度58HRC，按图4-6ME曲线查得齿面接触疲劳极限应力如下：。根据图4-7ME曲线查得轮齿弯曲疲劳极限应力如下：根据图4-8a查得接触寿命系数为：根据图4-8b查得弯曲寿命系数为：其中： (4- 16)(4- 17)再查4-3，取安全系数如下：，于是 (4- 18) (4- 19) (4- 20) (4- 21)2.分析失效、确定设计准则 由于要设计的齿轮传动是封闭在减速器箱体内的，属闭式传动，且为硬齿面齿轮，最大可能的失效是齿根疲劳折断；也可发发生齿面疲劳。因此，本齿轮传动可按轮齿的弯曲疲劳承载能力进行设计，确定主要参数，再验算齿面接触疲劳承载能力。3.按轮齿的弯曲疲劳承载能力计算齿轮主要参数设计式为： (4- 22)确定计算载荷小齿轮转矩 (4- 23) (4- 24)查表4-7初选，考虑本齿轮传动是斜齿圆柱齿轮传动，电动机驱动，载荷有轻微冲击，轴承相对齿轮不对称布置。取载荷系数K=1.4查齿宽系数查表4-11，硬齿面取初选，则(4- 25)(4- 26)查图4-16，得两轮复合齿形系数为由于，将齿轮1参数代入计算，于是由表4-10取标准模数，则 (4- 27)取中心距则 （4- 28）4.选择齿轮精度等级(4-29)齿轮圆周速度(4-30)查表4-9，并考虑该齿轮传动用途，选择6级精度。5.精确计算计算载荷查表4-4， ；查图4-9，；齿轮传动啮合宽度(4- 31)取 (4- 32)查表4-6，查表4-5，=0.31，减速器轴刚度较大，=1.02；(4- 33)6.验算轮齿接触疲劳承载能力(4- 34)区域系数查图4-13，标准齿轮；弹性系数查表4-8，；因为小齿轮的许用齿面接触疲劳应力值较小，故将代入，于是结论：齿面接触疲劳强度足够。7.验算齿轮弯曲疲劳承载能力(4- 35)(4- 36)查图4-19，得=0.79结论：轮齿弯曲疲劳承载能力足够。8.齿轮传动几何尺寸计算见图4-1。表4-1低速级齿轮的基本几何尺寸名称计算公式小齿轮大齿轮法向模数/mm2.52.5法向压力角螺旋角分度圆直径d/mm=47.86=104.14齿顶高/mm=2.5=2.5齿根高/mm =3.125 =3.125齿全高h/mm=5.625=5.625齿顶圆直/mm齿根圆直径/mm顶隙c/mm标准中心距a/mm节圆直径dmm传动比i（二） 低速级齿轮设计计算1.选齿轮材料、热处理方法并确定许用应力参考表4-1初选材料 小齿轮：17CrNiMo6，渗碳淬火，齿面硬度5462HRC； 大齿轮：17CrNiMo6，渗碳淬火，齿面硬度5462HRC。 根据小齿轮齿面硬度58HRC，大齿轮齿面硬度58HRC，按图4-6ME曲线查得齿面接触疲劳极限应力如下：。根据图4-7ME曲线查得轮齿弯曲疲劳极限应力如下：根据图4-8a查得接触寿命系数为：根据图4-8b查得弯曲寿命系数为：其中：(4- 37） (4- 38）再查4-3，取安全系数如下：，于是 (4- 39) (4- 40) (4- 41) (4- 42)2.分析失效、确定设计准则 由于要设计的齿轮传动是封闭在减速器箱体内的，属闭式传动，且为硬齿面齿轮，最大可能的失效是齿根疲劳折断；也可发发生齿面疲劳。因此，本齿轮传动可按轮齿的弯曲疲劳承载能力进行设计，确定主要参数，再验算齿面接触疲劳承载能力。3.按轮齿的弯曲疲劳承载能力计算齿轮主要参数设计式为(4- 43)确定计算载荷小齿轮转矩 (4- 44) (4- 45)查表4-7初选，考虑本齿轮传动是斜齿圆柱齿轮传动，电动机驱动，载荷有轻微冲击，轴承相对齿轮不对称布置。取载荷系数K=1.4查齿宽系数查表4-11，硬齿面取初选，则(4- 46)(4- 47)查图4-16，得两轮复合齿形系数为由于，将齿轮3参数代入计算，于是由表4-10取标准模数，则(4- 48)取中心距则 (4- 49)4.选择齿轮精度等级(4- 50)齿轮圆周速度(4- 51)查表4-9，并考虑该齿轮传动用途，选择7级精度。5.精确计算计算载荷查表4-4， ；查图4-9，；齿轮传动啮合宽度(4- 52)取 (4- 53)查表4-6，查表4-5，=0.475，减速器轴刚度较大，=1.02；6.验算轮齿接触疲劳承载能力(4- 54)区域系数查图4-13，标准齿轮；弹性系数查表4-8，；因为小齿轮的许用齿面接触疲劳应力值较小，故将代入，于是结论：齿面接触疲劳强度足够。7.验算齿轮弯曲疲劳承载能力(4-55)(4- 56)查图4-19，得=0.74 结论：轮齿弯曲疲劳承载能力足够。8.齿轮传动几何尺寸计算，见表4-2表4-2高速级齿轮的基本几何尺寸名称计算公式小齿轮大齿轮法向模数/mm2.52.5法向压力角螺旋角分度圆直径d/mm=53.83=116.16齿顶高/mm=2.5=2.5齿根高/mm =3.125 =3.125齿全高h/mm =5.625 =5.625齿顶圆直/mm齿根圆直径/mm顶隙c/mm名称计算公式小齿轮大齿轮标准中心距a/mm节圆直径dmm传动比i中国农业大学学士学位论文 第五章 主减速器的主要校核第五章 主减速器的主要校核175.1. 输入轴强度、轴承寿命及键的强度校核1. 输入轴强度输入轴的结构如图5-1所示。图5-1小齿轮轴的结构图(1) 计算齿轮受力转矩 (5- 1)圆周力 (5- 2)径向力 (5- 3)轴向力 (5- 4)(2)计算轴承支反力水平面(5- 5) (5- 6)水平面轴承受力如图5-2所示。图5-2轴承水平面受力图垂直面 (5- 7)(5- 8)垂直面轴承受力如图5-3所示。图5-3轴承垂直面受力图(3)画出水平面弯矩图和垂直面弯矩图齿轮中间剖面左侧水平弯矩为 (5- 9)齿轮中间剖面右侧水平弯矩为 (5- 10)水平面弯矩图见图5-4。图5-4水平面弯矩图齿轮中间剖面处的垂直弯矩为 (5- 11)垂直面弯矩图见图5-5。(4)按下式合成弯矩 (5- 12)齿轮中间剖面左侧弯矩图5-5垂直面弯矩图齿轮中间剖面右侧弯矩合成弯矩图，如图5-6所示。图5-6合成弯矩图(5)画出轴的转矩T图 (5- 13)转矩T图，如图5-7所示。图5-7转矩T图(6)按下式求当量弯矩并画当量弯矩图(5- 14)在这里，取，。由当量弯矩图，见图5-8，可知，在齿轮中间剖面左侧的当量弯矩为 图5-8当量弯矩图(7)选择轴的材料，确定许用应力。轴材料选用17CrNiMo6， 。(8)校核轴的强度。取B截面作为危险截面，B截面的强度条件 (5- 15)结论：按弯扭合成强度校核齿轮轴的强度足够安全。2. 轴承的选择和寿命计算在轴的设计的同时，已经选择了轴承的类型为圆锥滚子轴承，轴承的型号为30205。查机械设计手册，其基本额定载荷Cr=43.2kN,Y=1.6,e=0.37。(1)计算轴承的径向载荷。 (5- 16) (5- 17)(2)计算轴承的轴向载荷 (5- 18) (5- 19)因为,所以，右端轴承压紧，左端轴承放松(5- 20)(5- 21)(3)计算当量载荷因；，由机械设计手册查得：由 (5- 22)得 ，所以只需校核右端轴承的寿命。(4)求右端轴承的寿命。有轻微冲击，取，。当电动机转速为6000r/min，车辆以138.3km/h的车速行驶时，右端轴承的寿命为(5- 23)当电动机转速为1700r/min，车辆以39.2km/h的车速行驶时，右端轴承的寿命为(5- 24)结论：所选轴承满足使用要求。3. 键连接的选择和强度计算由于渐开线花键联接以齿侧定心，有利于齿间均载，因而承载能力较大，故此处采用渐开线花键传递动力。内花键 静花键连接的主要失效形式为工作面压溃，强度计算需要计算挤压应力，计算中假设应力在工作面上均匀分布，合力作用在平均直径处，强度条件为：(5- 25)式中，花键连接传递的扭矩；载荷分布不均匀系数，取0.70.8；花键齿数；花键平均直径，；花键工作长度；花键齿侧工作高度，,为花键齿倒角；为许用挤压应力。则结论：花键的强度可以满足使用要求。5.2. 中间轴强度、轴承寿命及键的强度校核中间轴结构，如图5-9所示。图5-9中间轴结构图1. 中间轴强度(1) 计算齿轮受力转矩 (5- 26)圆周力 (5- 27) (5- 28)径向力 (5- 29) (5- 30)轴向力 (5- 31) (5- 32)(2)计算轴承支反力水平面 (5- 33)(5- 34)水平面受力如图5-10所示。图5-10轴承水平面受力图垂直面(5- 35) (5- 36)垂直面受力如图5-11所示。(3)画出水平面弯矩图和垂直面弯矩图齿轮中间剖面左侧水平弯矩为 (5- 37)图5-11轴承垂直面受力图 (5- 38)齿轮中间剖面右侧水平弯矩为 (5- 39) (5- 40)水平弯矩图如图5-12所示。齿轮中间剖面处的垂直弯矩为(5- 41)(5- 42)(5- 43)(5- 44)图5-12水平面弯矩图垂直弯矩图如图5-13所示。图5-13垂直面弯矩图(4)按下式合成弯矩(5- 45)齿轮中间剖面左侧弯矩(5- 46)(5- 47)齿轮中间剖面右侧弯矩(5- 48)(5- 49)合成弯矩图如图5-14所示。(5)画当量弯矩图由于T=0,所以当量弯矩图同合成弯矩图，见图5-14。 (6)选择轴的材料，确定许用应力。轴材料选用40Cr调质， 。(7)校核轴的强度。取B、C截面作为危险截面，B、C截面的强度条件(5- 50)图5-14合成弯矩图(5- 51)结论：按弯扭合成强度校核齿轮轴的强度足够安全2. 轴承的选择和寿命计算在轴的设计的同时，已经选择了轴承的类型为圆锥滚子轴承，轴承的型号为30206。查机械设计手册，其基本额定载荷Cr=43.2KN,Y=1.6,e=0.37。(1)计算轴承的径向载荷(5- 52)(5- 53)(2)计算轴承的轴向载荷 (5- 54)(5- 55)(3)计算当量载荷因为,所以，右端轴承压紧，左端轴承放松(5- 56)(5- 57)因；，由机械设计手册查得：由 (5- 58)得 (4)求右端轴承的寿命。有轻微冲击，取，。右端轴承的寿命为，所以只需校核右端轴承的寿命。当电动机转速为6000r/min，车辆以138.3km/h的车速行驶时，右端轴承的寿命为(5- 59)当电动机转速为1700r/min，车辆以39.2km/h的车速行驶时，右端轴承的寿命为(5- 60) 结论：所选轴承满足使用要求。3. 键连接的选择和强度计算1) 齿轮2平键连接的选择和强度计算键 GB/T1096-1979(5- 61)式中，许用挤压应力；强度较弱零件的许用挤压应力；键连接所传递的扭矩；轴直径；键的工作长度；强度较弱零件的工作高度。2) 齿轮3平键连接的选择和强度计算键 GB