【正文】 的布置靈活，可以使電動汽車成為兩個前輪驅動、兩個后輪驅動或四輪驅動。 用于 簡易代步器的輪轂電機 設計方案 二○一三年 六 月 一、 輪轂 國內外研究現(xiàn)狀 （一） 概述 早在 20 實際 50 年代初，美國人羅伯特就發(fā)明了一種將電動機、傳動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)融為一體的輪轂裝置。與內燃機汽車和單電機集中驅動電動汽車相比，使用輪轂電機驅動系統(tǒng)的汽車具有以下幾個方面優(yōu)勢： （ 1） 動力控制由硬件連接改為軟連接形式。 （ 4） 底架結構大為簡化，使整車總布置和車身造型設計的自由度增加。電機永磁磁極與丁字繞組通電后 c形鐵軛兩個極性相反齒面等效磁極相互作用，轉子會朝某個方向旋轉。而且要求大小一致，加工工藝復雜、成本高。 （ 2）多 態(tài) 輪轂電機。 （ 3）國內代表性成果：南京航空航天大學的劉闖研究出了一款 24 極 36槽的開關磁阻輪轂電機，具有良好的 NT特性，但轉矩波動較大，額定點的效率僅為 %；天津大學的夏長亮擦用混合 SUMT 法對額定功率 135W 的直流無刷輪轂電機進行了優(yōu)化設計，使電機有效材料的成本降低了 30元；浙江大學的廖海平設計了一臺直流無刷輪 轂電機，該電機采用內轉子結構、集中繞組方案，有效縮短了端部長度，效率達到 78%；上海大學的張東設計了一款 齒槽轉矩僅占額定轉矩 4%，氣隙長度 ，功率 2021W 的輪轂電機，該電機的綜合性能較高；文獻利用能量法和傅里葉解析法，推導了內轉子式永磁同步輪轂電機齒槽轉矩的解析模型，并提出了齒槽轉矩的優(yōu)化措施。但該電機結構復雜，加工精度要求高，溫升較高，維修困難，電機軸向長度限制嚴格。同時，電子元件體積很小，控制器焊接困難，似的電機系統(tǒng)結構復雜，溫升較高，維護苦難。電機定子齒是獨立的，有利于繞線，但同時對齒的固定提出了更高要求，加工工藝復雜，成本較高。 （四 ） 應用現(xiàn)狀分析 （ 1）電動汽車 20 世紀 70 年代，由于環(huán)境和能源問題的突出，電動汽車成為各國研究的重點。日本對輪轂電機的研究起步早，其技術在 世界上處于領先水平。法國的 TM4公司設計的一體化電動輪，采用外轉子式永磁無刷直流電機，額定功率為 ，額定轉速為 950r/min，額定工況下的平均效率可以達 到 %；峰值功率可達80kW，峰值扭矩可達 670Nm，最高轉速為 1385r/min。 （ 3）其他領域 輪轂電機還廣泛應用于其他領域、如電動摩托車、電動輪椅車、電動滑板車、高爾夫球車、大型礦用自卸車。減速驅動的有點是：電機運行在高速轉速下，具有較高的比功率和效率；體積小，重量輕，通過齒輪增力后，扭矩大、爬坡性能好，能保證在汽車低速運行時獲得交大的平穩(wěn)轉矩。為了使汽車能順利起步，要求電機在低 速時能提供大的轉矩。此方法適用于平路或負載較輕的場合。但此類電機也存在一些缺點：效率不高（特別是在低速時）、功率密度一般；是一個強耦合、多變量、非線性的系統(tǒng)，需采用適量控制和直接轉矩等控制手段，控制成本較高。但其缺點也很多：轉矩存在較大的波動，振動大，噪聲大；系統(tǒng)非線性，建模困難，控制承辦高；功率密度低等。 綜合比較： （三） 調速原理 其基本原理，如右示意圖所示。 （一） 方案一 一體式輪轂電機 這一方案是我們的最初方案，由于在電磁場設計這一塊中，我們的電磁場相關知識局限，選用的軟件 ansoft Maxwell14 操作沒有熟練掌握，對設計計算具體的工作起到了很大阻力。相數(shù)多少不僅決定了電動機的各項技術的指標和，同時也影響電機的經(jīng)濟指標。目前多小型電機采用三、四相。借鑒文獻，選取 23 對磁極（ 23塊永磁體、 23 個隱極）， 51 個定子槽。 參考文獻提供 繞組方法為 Y型連接，展開圖如下： （ 4） 永磁體 結合轉子定子的大小，確定永磁體的大小， V=*10^3mm3。 （ 6） 定子 定子尺寸，考慮 外徑 與轉子的氣隙大小， 內徑與軸固定，其厚度與繞組線圈有關。 對此方案，簡圖如右邊示意圖 在構思這個方案過程中，我們了解了對一體式直接驅動的輪轂電機的構造。 整體尺寸：最大直徑 428mm，軸向長度 478mm 機械結構：電機、聯(lián)軸器、單機圓柱齒輪減速器、法蘭盤、輪轂 1．電機容量的選擇 輪胎滾動摩擦系數(shù)表 路面 滾動摩擦系數(shù) cr（新輪胎） 滾動摩擦系數(shù) cr（舊輪胎） 混凝土 雨后 瀝青 碎石 壓實地 粘土 瀝青 我們針對自平衡小車設計的輪轂電機，其工作環(huán)境路面應該為混凝土底面 考慮底面環(huán)境因素， 按較差的使用環(huán)境來計算最大功率要求 ， 所以取滾動摩擦系數(shù)為。 考慮傳動比 i 控制在 3~6 之間 ； 取電機正常工作時 力矩為 ； 傳動比為 i=； 換算得到電機要求轉速至少為 1300r/min； 電機滿足該要求 。 （ 2）按齒面接觸疲勞強度設計齒輪 由于本設計中的減速器是軟齒面的閉式齒輪傳動，齒輪承載能力主要由齒輪接觸疲勞強度決定，其設計公式為： ? ? ? ?1231 ()EHdK M uZd u?? ?? ? ① 確定載荷系數(shù) K 因為該齒輪傳動是軟齒面的齒輪，圓周速度也不大，精度也不高，而且齒輪相對軸承是對稱布置，根據(jù)電動機和載荷的性質查《機械設計學基礎》P147表 5－ 8，得 K 的范圍為 ~， 取 K＝ 。 ⅵ）計算小齒輪直徑 d1 由于 21pp??? ， 故應將 1p? 代入齒面接觸疲勞設計公式，得 ? ?2 21 331 1 189 .98 160 0 5612 1 1EHdZ K M udu?????? ? ? ?????? ? ? ??? ?????? ??= ④ 圓周速度 v 111 1 .0 5 /6 0 1 0 0 0ndv m s???? 查《機械設計學基礎》 P145 表 5－ 7， v12m/s，該齒輪傳動選用 9 級精度。 ② 模數(shù) m=1 m=d1/z1= 標準模數(shù)應大于或等于上式計算出的模數(shù)，查《機械基礎》 P311表 14－ 1，選取標準模數(shù) m=1mm。 133110 . 2 1 81 1 2 8 . 71300Pd A m mn? ? ? ? d1 由于齒輪直徑很小，和軸相近，所以做成一體為 齒輪軸 。 1 段：該段是小齒輪的 右軸端與電動機 ，該軸段直徑為 10mm，查《 機械設計基礎課程設計》，聯(lián)軸器 LT1，伸出段為 25mm 2 段： 此軸段一部分用于裝軸承蓋，一部分伸出箱體外。 5 段：：此段 為 齒輪 軸段。截面 C 在垂直面彎矩為 1 48 2 9 .1 2 4 6 9 8 .42AYM F N m m? ? ? ? ? ? ? 如圖 ⅲ） 繪制水平面彎矩圖 2 48 8 0 2 4 1 9 2 02AZM F N m m? ? ? ? ? ? ? ⅳ） 繪制合彎矩圖 221 6 9 8 .4 1 9 2 0 2 0 4 3M c N m m? ? ? ? ⅴ）繪制扭轉圖 轉矩產(chǎn)生的扭剪力按脈動循環(huán)變化，取α =， 1 0 .6 1 6 0 0 9 6 0a M N m m? ? ? ? ⅵ） 繪制當量彎矩圖 截面 C 處的當量彎矩： 2 2 21( ( ) ) 2 0 4 3 9 6 0 2 2 5 7e c cM M a M N m m? ? ? ? ? ? ⅶ )校核危險截面 C 的強度 軸上合成彎矩最大的截面在位于齒輪輪緣的 C 處， W＝ ? ?132257 5 . 5 6 00 . 1 1 6ecc M M P a M P aW?? ?? ? ? ? ?? 所以 軸強度足夠。 ② 初步計算軸的直徑 由前計算可知： P2=210W,n2=272r/min 計算軸徑公式： 2322PdAn? 其中， A 取 106。其軸孔直徑為 d1=22mm。 4 段： 此段 為軸肩，作用為軸向定位固定軸承和齒輪 ， 直徑為 d4=32mm，長度l=5mm。截面 C 在垂直面彎矩為 受力圖： 1 522 8 .7 5 7 4 7 .522c A Y LM F N m m? ? ? ? ? ? ⅲ）截面 C 在水平面上彎矩為： 2 527 9 2 0 5 422c A Z LM F N m m? ? ? ? ? ? ⅳ） 合成彎矩 為： 2 2 2 212 7 4 7 .5 2 0 5 4 2 1 8 5 .8c c cM M M N m m? ? ? ? ? ? ⅴ）轉矩產(chǎn)生的扭剪力按脈動循環(huán)變化，取α =，截面 C 處的當量彎矩： 2 2 2 212( ) 7 4 7 .5 ( 0 .6 2 0 5 4 ) 1 4 4 1c c cM M a M N m m? ? ? ? ? ? ? ? ⅵ )校核危險截面 C 的強度 軸上合成彎矩最大的截面在位于齒輪輪緣的 C 處， W＝ 131441 0 .7 [ ]0 .1 2 8ccbWW???? ?? ? ? ?? 所以軸強度足夠。 示意圖： 大軸的有限元分析見附錄二。 三維建模如下 有限元分析示意圖：（報告見附錄三） 輪轂設計與分析 我們參考普通汽車輪轂進行設計 輪轂設計二維 cad 圖 三維設計圖 整體尺寸：最大直徑 428mm，總寬 190mm 輪轂材料選擇： 輪轂除了其較強的裝飾性外，還是一個很重要的安全件，如果選擇了質量不符合要求的輪轂，表面上雖然分別不大，但可能會出現(xiàn)砂眼，造成漏氣，甚至輕微磕碰即會使輪轂碎裂造成車毀人亡的嚴重事故。 三維建模圖形如下： 法蘭盤 整體尺寸：最大直徑 140mm，總寬 18mm 螺栓選擇： 箱體的連接： M8X25 數(shù)目： 6個 法蘭盤連接： M6X25 數(shù)目： 6個 鍵的選擇： 齒輪軸：2033 ?? GB/T 1096 輸出軸：鍵1878 GB/T 1096 鍵1466 GB/T 1096 軸承的選擇： 齒輪軸：滾動軸承 6001GB