【文章內(nèi)容簡介】 獨(dú)立研制的“春暉”系列微型電動車．該系列車均采用 4 個低速永磁無刷輪毅電機(jī)直接驅(qū)動，匹配相應(yīng)的盤式制動器，如 圖 所示。 (a) 直接驅(qū)動型 (b) 減速驅(qū)動型 圖 9 圖 “春暉二號”輪邊驅(qū)動系統(tǒng) (2)內(nèi)轉(zhuǎn)子驅(qū)動型電動輪，如 圖 (b)所示的傳動路線。它起源于礦用車的傳統(tǒng)電動輪，其運(yùn)用環(huán)境允許電動機(jī)的高速運(yùn)行．為了能夠獲得較高的比功率，通常電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速設(shè)計在 4000r／ min— 20200r／ min 之間，其目的是為了能夠獲得較高的比功率，而對電動機(jī)的其他性能沒有特殊要求，因此可采用普通的內(nèi)轉(zhuǎn)子高速電動機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)速高、有較高的比功率、質(zhì)量輕、效率高、噪聲小、成本低；不利因素主要在于因為電動機(jī)轉(zhuǎn)速高， 必須設(shè)計專 門的減速機(jī)構(gòu)來降低轉(zhuǎn)速以獲得較大的轉(zhuǎn)矩，并且要在設(shè)計中克服減速彈 簧的潤滑以及產(chǎn)生的噪聲、振動等問題。 總的來說，減速型驅(qū)動電動輪比直接驅(qū)動型電動輪具有更多的優(yōu)點(diǎn)。如前 所述，作者所在的課題組曾經(jīng)將直接驅(qū)動型電動輪多次應(yīng)用于“春暉” 系列電動汽車，即四個獨(dú)立的低速外轉(zhuǎn)子型直接驅(qū)動電動輪模塊，從在使用中所反饋的信息分析，這種驅(qū)動模式的確存在加速性能不好、電機(jī)成本高、噪聲大、振動嚴(yán)重等缺陷。為了改善這些不足，并結(jié)合減速型驅(qū)動電動輪的相對優(yōu)勢，尤其是在同等行駛工況下降低對驅(qū)動電動機(jī)的性能要求，故在新的實驗方案 中采用減速型電動輪 [15]。 通過查詢相關(guān)文獻(xiàn)，電動輪的電動機(jī)、減速裝置和車輪之間的結(jié)構(gòu)布置關(guān)系大致有如下這兩種方法，其結(jié)構(gòu)如 圖 所示： (1)電動輪與固定速比減速器制成一體，而減速器的輸出軸經(jīng)過傳動軸驅(qū)動車輪，如 圖 (a)所示，這種結(jié)構(gòu)可以借助萬向節(jié)將傳動軸傾斜布置，可以將電動機(jī)安裝在車架上，使電動機(jī)和減速裝置的質(zhì)量全部或者部分成為簧載質(zhì)量，達(dá)到減小非簧載質(zhì)量的目的，利用改善車輛的操縱性和平順性。 (2)電動機(jī)與固定速比減速裝置同軸制成一體，并在其中安裝制動器、車輪軸承等零部件，輪胎直接安裝 在減速裝置的輸出端上，如 圖 (b)所示，電動輪質(zhì)量全部是非簧載質(zhì)量。這種結(jié)構(gòu)可以提供較大的減速比，因此對電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性要求比較低，同時從電動機(jī)到車輪的動力損失較小，且增加了車廂的有用空間。目前這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。 10 (a) (b) 圖 電動輪結(jié)構(gòu)示意圖 (M：電動機(jī) FC：減速裝置 ) 綜合分析這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，尤其是在對空間的利用優(yōu)勢上，本 文 研究采用上述的第二種結(jié) 構(gòu)，同時，這樣的布置方式對于制動裝置、承載裝置的安裝也更為有利。 輪邊減速器的傳動方案 在探尋輪邊減速器結(jié)構(gòu)方案之前，首先分析對使用于微型電動汽車電動輪模塊的輪邊減速器的要求。鑒于微型電動轎車在動力性能上的要求以及整車布置情況，可以大致對此輪邊減速器提出如下的設(shè)計要求： (1)從技術(shù)先進(jìn)性、生產(chǎn)合理性和實用要求出發(fā)，正確地選擇性能指標(biāo) (如傳動比、傳動效率等 )、重量和主要尺寸，提出整體設(shè)計方案，并在整體方案下對各零部件設(shè)計提供參數(shù)和設(shè)計要求； (2)要求所設(shè)計的輪邊減速器結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、安全可靠性高、造型 美觀、維修方便、運(yùn)動協(xié)調(diào)等； (3)零部件布置合理，方便制動器、懸架、轉(zhuǎn)向拉桿、橫向穩(wěn)定桿等與減速器相匹配零部件的設(shè)計與安裝； (4)具有較強(qiáng)的抗沖擊和抗振動的能力，運(yùn)動較平穩(wěn) [14]。 在常見的機(jī)械傳動中，可以作為減速傳動的傳動型式有：齒輪傳動、渦輪蝸桿傳動、帶傳動、鏈傳動、液力傳動以及一些特殊的連桿機(jī)構(gòu)等。而渦輪蝸桿傳動是垂直方向的傳動，對于驅(qū)動電機(jī)的布置以及輪轂空間的利用都極為不利；從傳動效果來看，液力傳動裝置 (如液力耦合器 )是能夠?qū)崿F(xiàn)輪邊減速要求的，并且能實現(xiàn)無級變速，但是液力傳動不僅需要與動力機(jī)有 很好的匹配，同時還要配備相應(yīng)的供油、冷卻和操作控制系統(tǒng)，這使減速系統(tǒng)變得復(fù)雜，不可取。而齒輪傳動具有其傳動可靠、傳動效率高、所占空間小等優(yōu)點(diǎn)，而成為輪邊減速裝置的一種理想選擇。 齒輪傳動應(yīng)用于輪邊減速裝置，其工程實例已經(jīng)很廣泛。其中．普通圓柱齒輪式 11 輪邊減速器是由一對圓柱齒輪構(gòu)成，可以將主動齒輪置于從動齒輪的垂直上方或者將主動齒輪置于從動齒輪的垂直下方等兩種方案。第一種方案可以提高汽車的離地間隙，某些雙層公交車，為了降低汽車的質(zhì)心高度和車廂的地板高度，提高汽車的穩(wěn)定性和乘客上下車的方便性，便將圓柱齒輪減速器的 主動輪置于從動輪的下方。 普通圓柱齒輪輪邊減速器結(jié)構(gòu)型式簡單，零部件少，但是如果將其作為微型電動汽車電動輪減速裝置，其不足之處很明顯：為了保證傳動比，即使將驅(qū)動電機(jī)輸出軸端的齒輪直徑盡量減小，但是與之嚙合的齒輪的直徑仍然較大，如果將驅(qū)動電機(jī)軸置于輪轂從動齒輪上方，則會使驅(qū)動電機(jī)質(zhì)心位置升高，不利于汽車的穩(wěn)定性；相反地，如果將驅(qū)動電機(jī)軸置于輪轂從動齒輪下方，由于電動汽車車輪直徑較小，就必然會使電機(jī)的離地間隙較小很多，從而降低了汽車的通過性。這都不是理想的設(shè)計目標(biāo) [14]。 而齒輪減速傳動的另一種型式 — 行星齒輪 傳動，則很適合于如前所述的設(shè)計要求。其依據(jù)是行星齒輪傳動有如下主要特點(diǎn)： (1)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小。由于行星齒輪傳動具有功率分流和動軸線的運(yùn)動特性，而且各中心輪成共軸線式的傳動，以及合理地應(yīng)用內(nèi)嚙合。因此，可使其結(jié)構(gòu)非常緊湊。由于在中心輪的周圍均勻地分布著數(shù)個行星輪來共同分擔(dān)載荷，故使得每個齒輪受到的載荷較小，所以，可采用較小的模數(shù)。此外，在結(jié)構(gòu)上充分采用了內(nèi)嚙合承載能力大和內(nèi)齒圈本身的可容體積，從而有利于縮小其外廓尺寸，使其結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，而承載能力卻很大。一般，行星齒輪傳動的外廓尺寸和重量約為普 通齒輪傳動的 1/2— 1/6； (2)傳動比較大。只需要選擇適當(dāng)?shù)男行莻鲃拥念愋图芭潺X方案，便可以用少數(shù)幾個齒輪而得到很大的傳動比。應(yīng)該指出，即使在其傳動比很大時，仍然可保持結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕的優(yōu)點(diǎn) 。 (3)傳動效率高。由于行星齒輪傳動的對稱性，即它具有數(shù)個均勻分布的行星輪，使得作用于中心輪和轉(zhuǎn)臂軸承中的反作用力能相互平衡，從而有利于提高傳動效率。在傳動類型選擇適當(dāng)、結(jié)構(gòu)布置合理的情況下，其效率可以達(dá)到 ~。 (4)運(yùn)動平穩(wěn)、抗沖擊和震動的能力強(qiáng)，由于采用了數(shù)個相同的行星輪，均勻地分布于中心輪的周 圍，從而可使行星輪與轉(zhuǎn)臂的慣性力相互平衡。同時，也使參與嚙合的齒數(shù)增多，故行星齒輪傳動的運(yùn)動平穩(wěn)，抵抗沖擊和震動的能力強(qiáng)，工作較可靠。 雖然行星齒輪傳動需要優(yōu)質(zhì)材料、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造和安裝也較困難。但是隨著人們對行星齒輪傳動技術(shù)進(jìn)一步深入地了解和掌握，以及對國外行星齒輪傳動技術(shù)的引進(jìn)和消化吸收，從而使其傳動結(jié)構(gòu)和均載方式都不斷完善，同時生產(chǎn)工藝水平也不斷提高。因此，對于它的制造安裝問題，目前已不再視為一件困難的事情。實踐表明， 12 在具有中等技術(shù)水平的工廠也是完全可以制造出比較好的行星齒輪機(jī)構(gòu)的。 從以上論述可以看 出，無論是從傳動型式上，還是從制造加工的可操作性上，行星齒輪作為此減速驅(qū)動型電動輪的減速器都是可行的。因此輪邊減速器采用行星齒輪傳動結(jié)構(gòu)。 行星齒輪傳動的類型很多，分類方法也不少。國內(nèi)主要采用的是前蘇聯(lián) 庫的略夫采夫提出的按照行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)的基本構(gòu)件分類的方式。把行星齒輪傳動的基本代號設(shè)為： K— 中心輪， H— 轉(zhuǎn)臂， v— 輸出軸。行星齒輪的分類有： 2K— H、 3K和 K— H— V 三種基本形式，而其他結(jié)構(gòu)型式的行星齒輪傳動大都是以上三種結(jié)構(gòu)的演化型式或組合形式。 同時， 2K— H 型行星齒輪結(jié)構(gòu)具有制造簡單、安裝方 便、外形尺寸小，重量輕、傳動效率高等特點(diǎn)，雖然 3K 及 K— H— V 型也有傳動比大、效率高等特點(diǎn)，但考慮到外形尺寸、重量以及制造的難易程度等因素，在此設(shè)計中選擇 2K— H 型行星齒輪結(jié)構(gòu)作為輪邊減速器的傳動形式。再綜合考慮 2KH 型傳動中不同傳遞方案的優(yōu)缺點(diǎn)，在此設(shè)計中采用 NGW(即 2K— H(A))型負(fù)號機(jī)構(gòu)，因為 NGW 型行星齒輪傳動除具有一切 2K— H 型行星齒輪傳動的特點(diǎn)，并且傳動比不受限制、不受工作制度和使用功率的限制。所謂 2K— H 負(fù)號機(jī)構(gòu)，即指當(dāng)轉(zhuǎn)臂固定時，行星齒輪的中心輪與外齒圈的轉(zhuǎn)向相反，或者表示為轉(zhuǎn)臂固定時 的傳動比 iH0。在微型電動汽車上，由于結(jié)構(gòu)緊湊，因此空間對于輪邊減速器的設(shè)計是一個限制因素，也因此在此設(shè)計中選擇單排圓柱行星齒輪減速器是較理想的型式。 單排圓柱行星齒輪減速器有如 圖 的 三種結(jié)構(gòu)方案。該分類方式主要是依據(jù)行星齒輪機(jī)構(gòu)中何為主動件、何為從動件和以及何為固定件。 (a) (b) (c) 。 。 。 。 。 殼 。 圖 單排圓柱行星齒輪式輪邊減速器的機(jī)構(gòu)方案簡圖 13 各種單排圓柱行星齒輪傳動，都能夠起到減速效果。但是為了體現(xiàn)減速型電動輪的優(yōu)勢，降低對驅(qū)動電機(jī)的要求并充分利用電機(jī)的性能，所以其減速比不能太低，總合考慮輪轂驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速、體積、質(zhì)量與電動汽車行使速度的關(guān)系，如將減速比選定在 i =46 左右，則是比較合理的，在滿足汽車行駛要求的同時也能選擇到合適的驅(qū)動電動機(jī)。 現(xiàn)在從減速比入手，分析各種單排圓柱齒輪傳動是否 滿足減速比要求。所謂行星齒輪機(jī)構(gòu)的傳動比，和普通齒輪機(jī)構(gòu)一樣，是指該輪系中輸入構(gòu)件的角速度 (或轉(zhuǎn)速 )與輸出機(jī)構(gòu)角速度 (或者轉(zhuǎn)速 )之比。確定行星齒輪機(jī)構(gòu)的傳動比時，既要確定其傳動比的大小，又要確定輸入構(gòu)件和輸出構(gòu)件之間的轉(zhuǎn)向關(guān)系，即兩構(gòu)件的回轉(zhuǎn)方向是相同還是相反。 對于由圓柱齒輪組成的定軸輪系，它的傳動比等于其輸入齒輪的角速度 (或轉(zhuǎn)速 )與輸出齒輪的角速度 (或轉(zhuǎn)速 )之比，且等于其輸入、輸出齒輪之間所有各對齒輪中的從動輪齒數(shù)的乘積與所有各對齒輪中的主動輪齒數(shù)的乘積之比；即定軸輪系的傳動比計算公式為： ? ? 所有主動輪齒數(shù)的乘積所有從動輪齒數(shù)的乘積mBABAAB nni 1???? ?? （ ） 式中： A? 、 B? — 定軸輪系中輸入輪、輸出輪的角速， rad／ s； An 、 Bn — 定軸輪系中輸入輪、輸出輪的轉(zhuǎn)速， r／ min； m— 定軸輪系中外嚙合齒輪的對數(shù)。 由上式可以看出 ，如果 ABi 的為正值，則表示輸出輪 B 與輸入輪 A 的回轉(zhuǎn)方向相同；如果 ABi 為負(fù)值，則表示輸出輪 B 與輸入輪 A 的回轉(zhuǎn)方向相反。 根據(jù)傳動方案簡圖求其傳動比和其基本構(gòu)件的角速度，或根據(jù)給定的傳動比來求各輪的齒數(shù)，這就是行星傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)的主要研究任務(wù)。在本設(shè)計中，傳動比的設(shè)定考慮了以下因素：行星齒輪減速裝置的配齒原理、電動汽車行使情況、輪轂電動機(jī)的特性參數(shù)、輪邊減速器的體積最小目標(biāo)下的優(yōu)化等。 對于行星傳動機(jī)構(gòu)傳動比的計算方法，通常有兩 大類： (1)由轉(zhuǎn)臂固定法和力矩法等組成的分析法； (2)由速度圖解法和矢量法等組成的圖解法。在本文中采用應(yīng)用較方便的轉(zhuǎn)臂固定法。 14 轉(zhuǎn)臂固定法又稱為轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)法或相對速度法。這種傳動比計算方法的特點(diǎn)是：根據(jù)相對運(yùn)動原理，如果給整個行星機(jī)構(gòu)加上一個與轉(zhuǎn)臂日的角速度 ( H? )大小相等、方向相反的公共角速度 (一 H? )，則行星機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件之間的相對動關(guān)系仍然保持不變。但是，原來以角速度 H? 運(yùn)動的轉(zhuǎn)臂 H 變?yōu)殪o止不動的構(gòu)件。于是，該行星齒輪機(jī)構(gòu)便轉(zhuǎn)化為一般的定軸輪系情況。這種方法的關(guān)鍵在于根據(jù)相對運(yùn)動原理，將原來以角速度 H? 運(yùn)動的轉(zhuǎn)臂 H 變?yōu)楣潭ú粍拥臉?gòu)件。 下面我們定義一些計算符號。設(shè)定中心輪為 a，行星輪為 g，內(nèi)齒圈為 b，轉(zhuǎn)臂為H， Habi 表示中心輪 a 相對于轉(zhuǎn)臂 H 的相對角速度與內(nèi)齒圈 b 相對于轉(zhuǎn)臂 H 的相對角速度之比值，即HbHaHabi ?? ?? ??? 。 對于 2K H(A)型傳動的相對傳動比 pZZi abHb HaHab ??????? ?? ?? （ ） 式中： P 一齒圈 b 與中心輪 a 的齒數(shù)比，即abZZp? ，稱為 2KH(A)型的參數(shù)，一般，取P=2~8。 同理有bHbabaHi ?? ?? ??? 將上兩式相加可得： 1?? HabbaH ii 所以當(dāng)內(nèi)齒圈固定，即 b? =0，中心輪 a 輸入，轉(zhuǎn)臂 H 輸出時，根據(jù)公式 1?? HabbaH ii ，可得 baHA 型行星傳動的傳動比 baHi 為： pZZii abHabbaH ?????? 111 （ ） 同理，當(dāng)轉(zhuǎn)臂固定，即 H? =0，中心輪 a 輸入，內(nèi)齒圈 b 輸出時，可得 baHA 行星傳動的傳動比為： 15 pZZabH ?? （ ） 當(dāng)中心輪固定，即 0?a? ，內(nèi)齒圈 b 輸入，轉(zhuǎn)臂 H 輸出時，可得 abHA 型行星傳動的傳動比 abHi ： piabH 11?? （ ） 考慮電動汽車輪轂電動機(jī)的輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩等特性與電動汽車行使性能要求之