【《基于50马力的增程式电动拖拉机驱动系统参数设计案例》5500字】

基于50马力的增程式电动拖拉机驱动系统参数设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u29874基于50马力的增程式电动拖拉机驱动系统参数设计案例 1224901.1增程式电动拖拉机传动原理 1196451.2轮毂电机的选型与参数设计 3248201.1.1轮毂电机类型选择 386701.1.2轮毂电机功率计算 491831.3发电机的选型与参数设计 5223541.4发动机选型与参数设计 6147261.4.1发动机类型选择 6251961.4.2发动机参数计算 6270471.5电池组选型与参数设计 7155871.5.1电池组选型 7318321.5.2电池组参数设计 8303761.6计算结果 9289581.7轮毂电机减速器设计 9192591.7.1减速器传动类型和传动简图 1139271.7.2行星轮减速器传动的配齿计算 11324741.7.3各轴的设计与运动参数计算 1490201.7.4轮毂传动行星架结构设计与计算 15本文是基于50马力的中型拖拉机的研究，独立四轮驱动在传动结构和操纵性能等方面都有独特的优势，可以简化传动系统的结构并优化整机布局，减轻整机质量，所以选择四轮驱动方案。本课题基于东方红500柴油拖拉机进行设计，其参数如表2-1所示。表2-1东方红500柴油拖拉机整机参数研究对象整机质量（kg）轴距（mm）前轮轮距（mm）后轮轮距（mm）功率（KW）东方红500柴油拖拉机195220001350130037.51.1增程式电动拖拉机传动原理增程式电动拖拉机驱动系统结构方案如下图所示。图2-1增程式电动拖拉机驱动系统结构方案增程式电动拖拉机存在三种工作模式，①纯电动模式，②增程模式，③停车充电模式。三种模式下的功率流如图2-2~图2-4所示。当动力电池电量较高时，一般高于总电量的20%时，电动拖拉机的处于纯电动模式，其动力来源为动力电池驱动电机工作，其工作功率图如图2-3所示。图2-2纯电动模式下增程式电动拖拉机功率流当动力电池的电量低于阈值时，一般为总电量的20%~30%，此时，增程式电动拖拉机中的增程器启动，柴油机-发电机直接供电给牵引电机，多余的电量为动力电池充电，其工作功率图如图2-4所示。图2-3增程模式下增程式电动拖拉机功率流当电池电量耗尽后，发电机将直接驱动轮毂电机并为动力电池充电，其工作功率图如图2-5所示 图2-4电量耗尽后增程式电动拖拉机功率流1.2轮毂电机的选型与参数设计1.1.1轮毂电机类型选择目前轮毂电机的种类可分为：直流电机、异步电机、永磁无刷直流电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。直流电机的技术最为成熟，但制造成本高。异步电机结构简单，成本低，耐用可靠，噪声低。但是其驱动电路较为复杂，成本高。永磁无刷直流电动机不再使用机械转向而是用电子转向替代，调速性能类似于直流电动机，无励磁损耗，功率效率高。永磁同步电机有着和永磁无刷直流电动机类似的结构，噪声低、功率密度高，控制方法复杂。开关磁阻电机使用凸型结构的定子转子，效率高，电流小，但会产生较大的振动。其性能比较如表2-2所示表2-2轮毂电机性能比较电动机类型直流电机感应电机永磁无刷永磁同步开关磁阻功率密度较低中等高高中等力矩转速特性中等好好好好峰值效率85%-89%90%-95%95%-94%95%-98%80%-90%可靠性不好好中等中等好成本高低高高较高综合性能差中等最好好好由表2-2可知永磁无刷直流电机在各电机中有着最好的综合性能，所以选择永磁无刷直流电机作为轮毂电机。1.1.2轮毂电机功率计算（1）轮毂电机额定功率匹配：增程式电动拖拉机驱动系统的功率要满足拖拉机在不同工况下能够工作，还要达到额定牵引力的需求，电动拖拉机在低转速下的扭矩保持不变，我们利用这一特性，计算拖拉机在耕地时牵引电机的功率，以此作为牵引电动机的额定功率P。（2-1）式中，p为轮毂电机的额定功率，kWvl为犁耕作业理论速度，km/h为电动机功率储备系数，取值1.2；η为总牵引效率。总牵引效率为：η=η1η2式中，η为轮毂电机的总效率；η1拖拉机作业土壤为壤土本文土壤比阻K为40kPa，可求得额定牵引力F范围为3520N-3840N，考虑到10%的储备牵引力，额定牵引力FTN选取3840N。犁耕作业时理论作业速度vl5km/h，计算得拖拉机的总牵引效率0.65，轮毂电机功率储备系数β1.2，计算出的额定牵引3.8kN，计算得轮毂电机额定功率满足：pe7.25kW（2-3）(2)轮毂电机额定转矩匹配在计算额定牵引力Ft时,会已拖拉机在最常见的工况工作时所需的牵引阻力来计算。综合考虑拖拉机在复杂工况下及配套的农用机械性能变化所产生的阻抗力的变化，在设计过程中，应增加牵引力10%~20%的动力储备。在农田作业中，耕地工况为电动拖拉负载最大的作业工况。表达式如下式(2-4)式中，i0为主减传动比；由后文可知主减传动比06q0.39m，额定转速选择2200r/min左右，最高转速选择6000r/min以下的低速电机。综上所述，本文选择的深圳太兆智控品牌的永磁无刷轮毂电机参数匹配结果如表2-3所示。表2-3轮毂电机匹配结果额定功率最大功率额定电压额定转矩额定转速最高转速（kw）（kW）（V）（Nm）（r/min）（r/min）8201443224003800轮毂电机三维图如下所示：图2-5轮毂电机示意图1.3发电机的选型与参数设计发电机按种类可以分成直流发电机与交流发电机，两者各有特点。交流发电机虽然成本低但是效率很高，所有有着广泛应用。交流发电机又可以细分为异步发电机和同步发电机，同步发电机更稳定效率更高因此选用三相交流同步发电机。发电机的作用是将发动机产生机械能全部转化为电能。在电池组电量耗尽时发电机就会启动为其充电；不光如此，发电机还负责向拖拉机内的电子器件供电，因此需为发电机增加10%-20%的储备功率。pe≥（1.1-1.2）P式中ηmηg发电机三维图如下所示：图2-6发电机示意图1.4发动机选型与参数设计1.4.1发动机类型选择能够利用能转并将其转化为机械能的装置被称为发动机，也叫做热机。热机的工作原理是利用工质的状态改变来实现不同能量的相互转换。在工作与生活中最常见的发动机是汽油机和柴油机，两者的区别就在于使用的燃料不同，顾名思义，汽油机使用汽油作为燃料，而柴油机使用柴油作为燃料。汽油机缸体内通过火花塞放电，点燃汽油做工，称为点燃式内燃机；而柴油机利用气缸中的炽热空气的超高压力点燃喷入的柴油，所以被称为压燃式内燃机。人们将汽油机和柴油机统称为发动机。生产一台成功的增程式电动拖拉机，首先要选择好动力，目前国内36.8~40.5kw的拖拉机柴油机还是老结构，性能一般，但是新开发的车型批量不大，没有经过市场的检验，一直没有得到用户的认可，在这种情况下，我们决定采用东方红YT3A2Z-15柴油拖拉机。1.4.2发动机参数计算发动机功率的选择对增程式电动汽车动力系统的设计至关重要。发动机功率按下式计算：Pe=PW式中PWVS——发动机单缸排量（mn——发动机转速（r/min）i——气缸数目Π——冲程数由上式计算得，Pe=36kW。发动机具体参数如下。表2-4发动机参数发动机型号东方红YT3A2Z-15发动机型式4冲程、直列、水冷、4缸、正时系统链轮传动转速（r/min）1500功率（KW）36外形尺寸长X宽X高（mm）580X630X660重量（Kg）180图2-7发动机示意图1.5电池组选型与参数设计1.5.1电池组选型动力电池是电驱动系统的储能装置，它向电动机提供电能以满足电动机的运行性能要求，并需要尽可能延长充满电时的电池寿命，目前有蓄电池、燃料电池、空气电池等，虽然后面几种电源都具有良好的性能，但其发展阶段，技术不成熟，性能不稳定，所以一般采用技术比较完善、性能稳定的蓄电池作为电源，本研究以蓄电池作为电动拖拉机的能源动力电池的种类繁多。目前，主要有适用于电动拖拉机的有铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池和镍镉电池。铅酸蓄电池。铅酸蓄电池具有成熟的制造工艺，其产品质量非常好，具有功率容量较高、性能稳定、工艺可靠、制造成本低等优点，但其自身重量和体积较大，提高了整机质量，电动拖拉机增加了能量损耗，且比能量低，使用寿命短。锂离子电池。锂离子电池是电动拖拉机的动力来源之一，生产历史较短。但锂电池具有体积小、节省电动拖拉机整体布局空间、使用寿命长等优点，其使用寿命是铅酸电池的3~4倍，可循环使用1800~2000次，但发热量大，成本高，初期需要更多的资金投入。镍-氢电池。其主要优点为充放电性能好，能量密度高，使用寿命长，无污染，可靠性好等，但由于生产研究初期成本高，未能大规模生产和推广。镍镉电池。镍镉电池具有比能量高、比功率大、快速充电性能好、长期贮存能力好、维护方便等特点。但其初始成本高，单体电池电压低，材料中的镉会引起人类致癌和环境污染。综合来看锂电池性能最好，污染小，所以选择锂电池用作动力电池。1.5.2电池组参数设计电池组负责直接驱动轮毂电机工作所以其功率应满足轮毂电机最大功率需求：pb≥p通过计算，电机在50km/h的速度下匀速行驶，所消耗的平均功率为：P=Pf+Pw=2kW(2-6)则进行电池选择如下：采用万向15Ah单体电池10并112串，组成150Ah360V的动力电池组，单体基本参数如下：表2-5动力电池参数型号WX12I3215(FC2P1)形状长方形，单头出极耳产品尺寸7.5X136X229mm电池包能量48Wh产品重量W0.45kg体积比能量205Wh/L重量比能量105Wh/kg工作温度范围充电0°C~45°C放电-20°C〜60°C储存温度范围-10°C〜45°C放电倍率最大持续放电电流工作电压范围1.0V〜3.6V最大充电电流范围最大持续充电电流15A最大放电电流3C循环寿命3000电池组三维图如下所示：图2-8电池组示意图1.6计算结果拖拉机处于犁耕工况下时土壤比阻为40kPa，耕深25cm，滚动阻力系数0.08，附着系数0.6，犁铧宽度为30cm犁铧数为3，工作速度为7.5km/h。应用以上参数进行计算可得各部件参数。表2-6各部件参数计算结果驱动部件参数数值发动机额定功率（kW）额定转速（r/min）361500发电机额定功率（kW）额定转速（r/min）301500轮毂电机额定功率（kW）额定转速（r/min）82400锂电池组额定容量（Ah）数目（个）151121.7轮毂电机减速器设计在现如今的工业领域内，中国针对齿轮传动的分类依旧学习了苏联的分类方法，那就是依据齿轮的不同传动方式和齿轮在传动过程中基本部件的不同来分类。太阳轮、行星架和输出轴是行星齿轮在传动过程中最主要的三个基本部件，其对应的编码为K、H、V。行星齿轮的系统可以分为2K-H、3K和K-H-V三种类型，它们是依据在工作时的输入与输出轴不同进行分类的。对于上述三种类型的行星系统，第一种行星系统的齿轮结构制造相对简单，而且尺寸也很紧凑。最重要的一点是，传动形式传动效率高。与后两种行星齿轮传动系统相比，虽然满足了传动比大、效率高的优点，但在工程上难以制造，尺寸不够紧凑。NGW行星齿轮是齿轮系的另一种传动方式，与上述传动方式相比，具有2K-H的所有优点，而且传动比不会限制它的传动，最重要的是不再受使用动力的限制。轮毂电机轮减速器总成由太阳轮，行星轮，齿圈和行星架四部分组成，太阳轮处于中心的位置，行星轮就绕着太阳轮转动，齿圈与太阳轮是同轴的，行星架与行星轮相连接。一般来说电动机的轴与太阳轮的轴是相互连接在一起的。行星架一般是作为输出轴直接与车轮轴链接在一起，齿圈和车轮的轮毂连为一体。而行星轮被看作成输入轴。如图2-9所示：图2-9减速器结构图减速器安装在轮毂电机和驱动轮之间，主要是用来减速增矩，使轮毂电机的转速调整到适用于拖拉机作业的速度范围内，同时为拖拉机的工作提供较大扭矩。减速比由轮毂电机的额定转速和拖拉机的工作速度确定，计算公式为:i=3Π∗n∗r25v式中n为轮毂电机转速r/minr为轮胎半径mv为工作速度km/h计算得：前轮减速比8后轮减速比101.7.1减速器传动类型和传动简图参照上面所阐述的标准：结构合理以及传动比给定。基于所有行星轮传动类型具有的工作特征以及传动比能够看出其具有紧凑的结构，传动比同给定要求之间是完全符合的。具体的传动简图可以参照图2-10的内容：1-行星轮2-太阳轮3-行星轴4-行星架5-太阳轴6-电机轴接口图2-10行星传动的传动简图1.7.2行星轮减速器传动的配齿计算下面采用计算法来确定各轮齿数：p=zbz（一般P取3—8，在满足的条件下为减小行星传动的径向尺寸中心轮a和行星轮c的尺寸应尽可能地小。）zb取za=19则zb=3.64X19=76.88，圆整后取根据同心条件可以求得行星轮的齿数：zc=zb−z圆整后取zc所以，行星轮传动的各轮齿数分别为za=19，zb=通过对标准直齿圆柱齿轮进行了解，其基础的参数数值为五个：模数，齿数，压力角，顶隙系数以及齿顶高系数，将基本参数确定之后，齿轮几何尺寸以及齿形都均得到确定。当前确定的为：za=19，zb=对齿轮进行计算设计分度圆直径：（2-10）（2-11）（2-12）齿顶高：外啮合副（2-13）内啮合副（2-14）（2-15）齿根高：（2-16）全齿高：（2-17）轮轮轮齿顶圆直径：轮（2-18）轮（2-19）轮（2-20）齿根圆直径：轮（2-21）轮（2-22）轮（2-23）基圆直径：轮（2-24）轮轮中心距：副（2-25）副（2-26）齿顶圆压力角：a轮（2-27）b轮（2-28）c轮