【正文】 電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)等型式。以獨(dú)立輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車最大的特點(diǎn)在于： (1)使得傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化，提高傳動(dòng)效率的同時(shí)，有利于整車布置。同時(shí)，減少了傳動(dòng)系統(tǒng)占用的車內(nèi)空間，可以為其它零部件的安裝提供更多空間，有利于整車布置。這主要來自于兩方面，其一是簡(jiǎn)化的傳動(dòng)系統(tǒng)可以提高車輛的離地間隙；另一方面，采用全輪驅(qū)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)輪單獨(dú)控制的措施，可以最大限度地利用地面的附著能力。采用電動(dòng)輪技術(shù)，在同樣功率需求的情況下，可以將單個(gè)電動(dòng)機(jī)的功率分配給多個(gè)電動(dòng)機(jī)，相應(yīng)地， 對(duì)電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)零部件的要求都可以降低，便于設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。這樣減少了整車關(guān)鍵零部件種類，也有利于降低零部件制造成本。為了改善類似缺陷，有必要 尋求更好的電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)型式，來改善直接驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)輪所固有的缺點(diǎn)。經(jīng)論證，這是一個(gè)極有研究意義的課題。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著電動(dòng)汽車技術(shù)得到了不斷的發(fā)展，作為電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)之一的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) (包括電氣系統(tǒng)、變速裝置和車輪 )出現(xiàn)了許多新的技術(shù)方案，其中，輪轂式電力驅(qū)動(dòng)是一種極 有發(fā)展前景的驅(qū)動(dòng)形式。通過控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)輪的電子差速控制，可以改善車輛驅(qū)動(dòng)性能和行駛性能，且有利于整車的布置等優(yōu)點(diǎn)。本文研究的問題就是以電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為背景的。其中， 1991 年與東京電力公司共同開發(fā)的四座電動(dòng)汽車 IZA，采用 NiCd電池為動(dòng)力源，以四個(gè)額定功率為 ，峰值功率達(dá)到 25kw 的外轉(zhuǎn)子永磁輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，最高時(shí)速可達(dá) 176km/h； 2020 年，該小組又最新推出了以鋰電池為動(dòng)力源，采用 8 個(gè)大功率交流同步輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)大轎車 KAZ，該車充分利用電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置靈活的特點(diǎn)，打破傳統(tǒng)在 KAZ 轎車上安裝了 8 個(gè)車輪，大大增加了動(dòng)力，從而使該車的最高時(shí)速可以達(dá)到驚人的 311km／ h。另外，慶應(yīng)大學(xué)電動(dòng)汽車研究團(tuán)隊(duì)與 38 家同本民營(yíng)企業(yè)聯(lián)合開發(fā)了時(shí)速達(dá)到 400 km／ h 的電動(dòng)汽車 Eliica，該車 3 以充電鋰電池為能源，并對(duì) 8 個(gè)車輪配有 8 個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如 圖 所示。美國(guó)通用公司 2020 年試制的全新線控四輪驅(qū)動(dòng)燃料電池概念車 Autonomy 也是采用電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)形式的 (見 圖 )。將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外殼直接與輪轂相連，將電動(dòng)機(jī)外殼作為車輪的組成部分，并且電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外殼集成為鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)鼓，制動(dòng)蹄片直接作用在電動(dòng)機(jī)外殼上，省去制動(dòng)鼓的結(jié)構(gòu)，減輕了電動(dòng)輪系統(tǒng)的質(zhì)量．集成化設(shè)計(jì)程度相當(dāng)高 ,電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)如 圖 。 國(guó)內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)一愛英斯電動(dòng)汽車研究所研制開發(fā)的 EV961 型電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪也屬于外轉(zhuǎn)予型電動(dòng)機(jī)。同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院試制的四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車“春暉一號(hào)”、“春暉二號(hào)一和“春暉三號(hào) 均采用四個(gè)直流無刷輪轂電動(dòng)機(jī)，外置式盤式制動(dòng)器。中國(guó)科學(xué)院北京三環(huán)通用電氣公司研制的電動(dòng)轎車用直流無刷輪轂電機(jī)，又稱電動(dòng)車輪。 國(guó)內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)一愛英斯電動(dòng)汽車研究所研制開發(fā)的 EV961 型電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪也屬于外轉(zhuǎn)予型電動(dòng)機(jī)。同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院試制的四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車“春暉一號(hào)”、“春暉二號(hào)一和“春暉三號(hào) 均采用四個(gè)直流無刷輪轂電動(dòng)機(jī)，外置式盤式制動(dòng)器。中國(guó)科學(xué)院北京三環(huán)通用電氣公司研制的電動(dòng)轎車用直流無刷輪轂電機(jī)，又稱電動(dòng)車輪。 4 圖 圖 Eliica電動(dòng)汽車 圖 Eliica電動(dòng)汽車 圖 TM4一電動(dòng)輪系統(tǒng) 本文研究所應(yīng)用的減速驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)輪，需要合適 的減速器作為電動(dòng)輪的減速裝置。雖然可變 5 速比齒輪減速器傳動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)用常規(guī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可以在低檔位得到較高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在高檔位得到較高的行駛速度，但是缺點(diǎn)就是體積大、質(zhì)量大、成本高、可靠性低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。并把安裝在電動(dòng)輪輪轂內(nèi)的定減速比減速器稱為輪邊減速器 (Wheel Reducer)。輪邊減速器將動(dòng)力從原動(dòng)機(jī) (此 研究中即為輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī) )直接傳遞給車輪，其主要功能是降低轉(zhuǎn)速、增加轉(zhuǎn)矩，從而使原動(dòng)機(jī)的輸出動(dòng)力能夠滿足電動(dòng)轎車的行車動(dòng)力需求。這兩種結(jié)構(gòu)形式在工程中都已有成功應(yīng)用，例如在奧地利微型越野汽車“ Steyrpuch Haflinger的斷開式后驅(qū)動(dòng)橋中就采用了普通圓柱齒輪式輪邊減速器；在某些雙層公交汽車的驅(qū)動(dòng)橋中，為了降低車廂與地板的高度，有時(shí)也采用普通圓柱齒輪式輪邊減速器作為汽車的第二級(jí)減速裝置；日本開發(fā)的輕型輪式電機(jī)電動(dòng)汽車 Luciole，采用的是內(nèi)轉(zhuǎn)子高速無刷直流電動(dòng)機(jī)．行星齒輪 鼓式制動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，也應(yīng)用了輪邊減速器；“太脫拉111R”重型汽車的貫通式中橋、法國(guó)索瑪 MTP 型自卸汽車、斯太爾汽車后驅(qū)動(dòng)橋等都采用了行星齒輪式輪邊減速器；在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，在輪邊減速器的應(yīng)用上，主要以日本應(yīng)慶大學(xué)開發(fā)研制的八輪輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車“ KAZ”最為成功，為了使得電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速符合實(shí)際轉(zhuǎn)速要求， KAZ 的電動(dòng)輪系統(tǒng)配置了一個(gè)傳動(dòng)比為 的行星齒輪減速器， 圖 KAZ 的前、后電動(dòng)輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 ，從圖中可以看見行星減速器為傳動(dòng)主題的輪邊減速裝置。 第 2 章對(duì)適合輪邊減速器的傳動(dòng)形式作歸類 、比較各自優(yōu)缺點(diǎn)，找出適合本課題背景的傳動(dòng)形式。 第 4 章行星齒輪傳動(dòng)的齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 。其設(shè)計(jì)是將電動(dòng)機(jī)、減速器、傳動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)融為一體。近年來，隨著電動(dòng)汽車的興起．輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)又得到重視。這些突出優(yōu)點(diǎn)，使電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)成為電動(dòng)汽車發(fā)展的一個(gè)獨(dú)特方向。一些礦山、水利等大型工程所用的重型車、大型公交車等，常要求具有高的動(dòng)力性，而車速則可相對(duì)較低，因此其低 檔傳動(dòng)比就會(huì)很大，為了避免變速器、分動(dòng)器、傳動(dòng)軸等總成因需承受過大的轉(zhuǎn)矩而使尺寸及質(zhì)量過大，則應(yīng)將傳動(dòng)系的傳動(dòng)比盡可能多地分配給驅(qū)動(dòng)橋，這就導(dǎo)致了這些重型車輛驅(qū)動(dòng)橋的主減速比很大。 對(duì)于新興的電動(dòng)汽車，由于電動(dòng)輪的應(yīng)用，輪邊減速器也得到越來越多的應(yīng)用。 按照驅(qū)動(dòng)方式分類，電動(dòng)輪可分為直接驅(qū)動(dòng)和減速驅(qū)動(dòng)兩大類，兩類電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)示意圖如 圖 。此類電動(dòng)輪多采用外轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)，直接將電動(dòng)機(jī)外轉(zhuǎn)子安裝在輪輞上驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。因此電動(dòng)機(jī)成本較高，噪聲也很大 [15]。 (a) 直接驅(qū)動(dòng)型 (b) 減速驅(qū)動(dòng)型 圖 9 圖 “春暉二號(hào)”輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) (2)內(nèi)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)輪，如 圖 (b)所示的傳動(dòng)路線。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?yàn)殡妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高， 必須設(shè)計(jì)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(jì)中克服減速?gòu)?簧的潤(rùn)滑以及產(chǎn)生的噪聲、振動(dòng)等問題。如前 所述，作者所在的課題組曾經(jīng)將直接驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)輪多次應(yīng)用于“春暉” 系列電動(dòng)汽車，即四個(gè)獨(dú)立的低速外轉(zhuǎn)子型直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪模塊，從在使用中所反饋的信息分析，這種驅(qū)動(dòng)模式的確存在加速性能不好、電機(jī)成本高、噪聲大、振動(dòng)嚴(yán)重等缺陷。 通過查詢相關(guān)文獻(xiàn)，電動(dòng)輪的電動(dòng)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(dòng)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(dòng)軸驅(qū)動(dòng)車輪，如 圖 (a)所示，這種結(jié)構(gòu)可以借助萬向節(jié)將傳動(dòng)軸傾斜布置，可以將電動(dòng)機(jī)安裝在車架上，使電動(dòng)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。這種結(jié)構(gòu)可以提供較大的減速比，因此對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性要求比較低，同時(shí)從電動(dòng)機(jī)到車輪的動(dòng)力損失較小，且增加了車廂的有用空間。 10 (a) (b) 圖 電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)示意圖 (M：電動(dòng)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(duì)空間的利用優(yōu)勢(shì)上，本 文 研究采用上述的第二種結(jié) 構(gòu)，同時(shí)，這樣的布置方式對(duì)于制動(dòng)裝置、承載裝置的安裝也更為有利。鑒于微型電動(dòng)轎車在動(dòng)力性能上的要求以及整車布置情況，可以大致對(duì)此輪邊減速器提出如下的設(shè)計(jì)要求： (1)從技術(shù)先進(jìn)性、生產(chǎn)合理性和實(shí)用要求出發(fā)，正確地選擇性能指標(biāo) (如傳動(dòng)比、傳動(dòng)效率等 )、重量和主要尺寸，提出整體設(shè)計(jì)方案，并在整體方案下對(duì)各零部件設(shè)計(jì)提供參數(shù)和設(shè)計(jì)要求； (2)要求所設(shè)計(jì)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(dòng)協(xié)調(diào)等； (3)零部件布置合理，方便制動(dòng)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(jì)與安裝； (4)具有較強(qiáng)的抗沖擊和抗振動(dòng)的能力，運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn) [14]。而渦輪蝸桿傳動(dòng)是垂直方向的傳動(dòng)，對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的布置以及輪轂空間的利用都極為不利；從傳動(dòng)效果來看，液力傳動(dòng)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(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，但是液力傳動(dòng)不僅需要與動(dòng)力機(jī)有 很好的匹配，同時(shí)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。 齒輪傳動(dòng)應(yīng)用于輪邊減速裝置，其工程實(shí)例已經(jīng)很廣泛。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(dòng)輪置于從動(dòng)輪的下方。這都不是理想的設(shè)計(jì)目標(biāo) [14]。其依據(jù)是行星齒輪傳動(dòng)有如下主要特點(diǎn)： (1)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小。因此，可使其結(jié)構(gòu)非常緊湊。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。只需要選擇適當(dāng)?shù)男行莻鲃?dòng)的類型及配齒方案，便可以用少數(shù)幾個(gè)齒輪而得到很大的傳動(dòng)比。 (3)傳動(dòng)效率高。在傳動(dòng)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 ~。同時(shí)，也使參與嚙合的齒數(shù)增多，故行星齒輪傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，抵抗沖擊和震動(dòng)的能力強(qiáng)，工作較可靠。但是隨著人們對(duì)行星齒輪傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)一步深入地了解和掌握，以及對(duì)國(guó)外行星齒輪傳動(dòng)技術(shù)的引進(jìn)和消化吸收，從而使其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和均載方式都不斷完善，同時(shí)生產(chǎn)工藝水平也不斷提高。實(shí)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。因此輪邊減速器采用行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)主要采用的是前蘇聯(lián) 把行星齒輪傳動(dòng)的基本代號(hào)設(shè)為： K— 中心輪， H— 轉(zhuǎn)臂， v— 輸出軸。 同時(shí)， 2K— H 型行星齒輪結(jié)構(gòu)具有制造簡(jiǎn)單、安裝方 便、外形尺寸小，重量輕、傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)，雖然 3K 及 K— H— V 型也有傳動(dòng)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(jì)中選擇 2K— H 型行星齒輪結(jié)構(gòu)作為輪邊減速器的傳動(dòng)形式。所謂 2K— H 負(fù)號(hào)機(jī)構(gòu)，即指當(dāng)轉(zhuǎn)臂固定時(shí)，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(shí) 的傳動(dòng)比 iH0。 單排圓柱行星齒輪減速器有如 圖 的 三種結(jié)構(gòu)方案。 (a) (b) (c) 。 。 。 圖 單排圓柱行星齒輪式輪邊減速器的機(jī)構(gòu)方案簡(jiǎn)圖 13 各種單排圓柱行星齒輪傳動(dòng)，都能夠起到減速效果。 現(xiàn)在從減速比入手，分析各種單排圓柱齒輪傳動(dòng)是否 滿足減速比要求。確定行星齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比時(shí)，既要確定其傳動(dòng)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。 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。在本設(shè)計(jì)中，傳動(dòng)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(dòng)汽車行使情況、輪轂電動(dòng)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。在本文中采用應(yīng)用較方便的轉(zhuǎn)臂固定法。這種傳動(dòng)比計(jì)算方法的特點(diǎn)是：根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，如果給整個(gè)行星機(jī)構(gòu)加上一個(gè)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(duì)動(dòng)關(guān)系仍然保持不變。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。 下面我們定義一些計(jì)算符號(hào)。 對(duì)于 2K 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(shí)，根據(jù)公式 1?? HabbaH ii ，可得 baHA 型行星傳動(dòng)的傳動(dòng)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(shí)，可得 baHA 行星傳動(dòng)的傳動(dòng)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(shí)，可得 abHA 型行星傳動(dòng)的傳動(dòng)比 abHi ： piabH 11?? （ ） 考慮電動(dòng)汽車輪轂電動(dòng)機(jī)的輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩等特性與電動(dòng)汽車行使性能要求之間的關(guān)系，初將電動(dòng)汽車輪邊減速器的傳動(dòng)比設(shè)定為 pi =5。因而傳動(dòng)比piabH 11??=— ，此傳動(dòng)比下，對(duì)輪轂電動(dòng)機(jī)的功率、尤其是轉(zhuǎn)矩特性要求較高，必須要求輪轂電動(dòng)機(jī)的所能提供的轉(zhuǎn)矩變化范圍很寬，方可滿足電