电动汽车的行星传动箱设计.doc
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1、机械工程学院毕业设计(论文)题 目:电动汽车的行星传动箱设计专 业:车辆工程 班 级:113班 姓 名:宋雨来 学 号:1608110317 指导教师:董福龙 日 期:2015年5月 - 24 -目录1、电动汽车的发展以及现状分析- 1 -1.1 电动汽车发展- 1 -1.2 国内外电动汽车的发展现状分析- 1 -2、总体设计- 2 -2.1结构的确定- 2 -2.2 P-CVT 的工作原理- 2 -2.2.1行星齿轮传动简介- 2 -2.2.2P-CVT 的工作原理介绍- 3 -2.2.3理论验证- 4 -3、电动机选择- 5 -3.1 电机匹配- 5 -3.1.1整车基本参数确定- 6 -
2、3.1.2 电机参数设计- 6 -4、传动箱的设计计算- 8 -4.1传动箱的设计计算- 8 -4.1.1行星传动箱部分的计算- 8 -4.1.2 调速电机动力传递机构设计- 14 -4.2传动箱轴、轴承等零件的设计- 15 -4.2.1 初选轴的直径- 15 -4.2.2轴的刚度验算- 16 -4.2.3 轴的强度验算- 17 -5、小结- 19 -致谢- 20 -参考文献- 21 -摘要:这次毕业设计设计了一种新的传动箱,它是由电机调速机构和行星传动系统组成。本次设计确定了选择的电机,对行星传动系统的行星齿轮和轴进行了设计,确定了他们的主要数据。这次毕业设计主要进行了行星齿轮的齿轮设计,确
3、定了齿轮的模数、齿数、分度圆直径、齿顶高以及径向间隙系数,轴设计和选取材料的选择。关键词:电动汽车,行星齿轮传动箱,齿轮,轴,材料引言:随着经济和科学技术的不断的发展,汽车工业也渐渐成为我国支柱产业,汽车的使用已经遍布全国。1、电动汽车的发展以及现状分析1.1 电动汽车发展汽车于 19 世纪末诞生,到现在已近有 100 多年的历史,在一百多年的时间里, 汽车行业的发展非常迅速,推动了整个人类的发展,它也是一个国家科技和经济发展的标志之一1。中国汽车的发展已有50多年的历史,对我国的经济建设做出了巨大的贡献24。但是,汽车工业的快速发展,也给人类带来了很多问题,能源的消耗、环境的污染都是巨大的问
4、题。现在大多数汽车的动力源是发动机,发动机是将燃油的热能转换成机械能,其能量转换的效率比较低,很多的能量主要被尾气、冷却消耗,这就造成了能源的浪费。我们都知道天然气和石油是不可再生资源,人类使用内燃机导致本来就不多的资源快速消耗。同时,汽车尾气的排放也是现代城市中空气的主要污染源,冰山融化、温室效应都与汽车尾气的巨大排放有着很大的关系56。面对日益减少的自然资源、越来越差的地球环境,“节能环保”已成为当代社会发展的一大主题。如今世界上不少国家都制订了严格的汽车排放法例来限制汽车的有害物质排放。改革内燃机,寻找替代能源,努力改变当前以石油为主的能源使用局面,考虑开发低污染、乃至无污染的汽车,已成
5、为大多数国家相同的目标78。是以,不管从环保还是能源角度来看,环保节能车都有一个很大的发展前景。1.2 国内外电动汽车的发展现状分析从2008年金融危机爆发以来,世界的经济都处于下滑趋势,福田、通用、丰田 等世界汽车巨头都遭受重创。各国政府都采取了一些措施,重点支持新能源汽车的发展,特别是现任美国总统奥巴马大力推举新能源,更是将新能源电动汽车技术推向了产业腾飞的临界点9。 中国现在成为了世界上第二大能源消耗的国家,还是世界第一石油进口国10。油价的连续升高,危机近在咫尺,这么多年来,我国也发现了电动汽车的美好发展前景,并把它看做中国汽车工业赶上甚至超越世界汽车水平的机会,因此,我国也制定了许多
6、的政策,来支持鼓励国内对电动汽车的研究。现在,我们国家的电动车市场主要是由电动自行车和电动三轮车组成,他们占有了最主要的市场,当然,我国已在我国的19个重点城市推广了运行清洁汽车的范例。在试点省市的公交车、出租车、工程抢险车、水泥搅拌车、街道清扫车、垃圾清运车等领域的电动化改造和充电站建设等工作也正在发展着11。与传统内燃机汽车相比,电动汽车有如下好处12: (1)、低噪声,几乎无污染; (2)、高能源效率,能源来源多样化;(3)、结构简单,使用维修方便; 因此,研究发展电动汽车,有下面几方面的好处:(1)、减缓能源的消耗;(2)、减少环境污染;(3)、减少废弃气体的排放;总之,新能源汽车的开
7、发与应用,是时代发展的需求,是节约资源,保护环境的最关键的措施之一,也是汽车工业的一次新的技术革命,同样还是中国汽车工业可能赶超世界水平的一个突破口。2、 总体设计2.1结构的确定目前,汽车市场中主要有四种不同形式的变速器:电控机械式自动变速器(AMT)、连续可变传动比自动变速器(CVT)、电控液力机械自动变速器(AT)以及双 离合器电控机械式自动变速器(DCT),各种自动变速器都有自己的特点。当前对电动汽车的大多数发展主要还是在蓄电池方面。对传动箱的研究还不是很多。这篇论文是按照一种行星齿轮无级传动箱(简称 P-CVT)来设计的。和普通的磨擦传动式传动箱相比,它有着以下几方面的优点:1、结构
8、简单,生产成本低;2、质量轻,体积小,布置方便;3、传动效率高;4、传递功率大。2.2 P-CVT 的工作原理2.2.1行星齿轮传动简介在齿轮的活动过程中,假如组成该轮系的齿轮中有一个或几个齿轮的几何轴线绕着 其他齿轮的几何轴线回转,则称为行星齿轮传动。如图1所示,齿轮1(太阳轮) ,齿轮3(齿圈)和构件H(行星架)都围绕O1OH 转动,而齿轮2(行星轮)围绕其中心轴线自转,又围绕O1OH 轴线公转,其运动类型宇宙中的行星13。 图12.2.2P-CVT 的工作原理介绍这次毕业设计所依据的P-CVT传动箱是差动轮系的一种应用形式,其结构简图如图2所示。 图 2 P-CVT 结构示意图编号123
9、4、5名称太阳轮行星轮齿圈调速电机动力传递机构编号HD1D2名称行星架主电机调速电机 表1 P-CVT 各构件对应名称 从上面的结构图可以看出,这种传动箱的构造很是简单,主要由一个行星齿轮部分和一个调速电机动力传递部分组成,行星架是输出端。其各编号构件的名称如表1所示。主电机的输入动力,在通过传动箱之后,由行星架H输出到车轮,其传动比为:,行星架H施加一个的角速度,将行星轮部分转化成一个定轴轮系,转化后的各构件的角速度如表2所示:表2 转化机构各构件对应角速度构件转化机构中的角速度原有角速度中心轮1v Hv 1齿圈3v Hv 3行星架Hv H Hv H 其中: ;;2.2.3理论验证对全部的
10、P-CVT系统来说,这个系统的输入、输出功率共有三个,就是太阳轮的输入功率 P1 ,行星架输出功率 PH ,齿圈输入功率 P3 ,根据能量守恒定律可得: (2.1)即: (2.2)此时,可分下面几种情况:1、 齿圈静止,即w3 = 0 ,此时,则,即 (2.3)可得: 显然成立。2、 当太阳轮与齿圈的转向相同时,太阳轮与齿圈都是输入端,行星架为输出端,则可得: (2.4)即: (2.5)可得 (2.6)显然成立。3、 齿圈转向与太阳轮相反,此时可以分为以下三种情况: (1)、,行星架和齿圈都是输出功率,太阳轮是输出功率,则有: (2.7)即: (2.8)转换得: (2.9)公式左边等于右边,成
11、立。(2) 、太阳轮转向与齿圈转向相反,此时,若:,则,即车速为0,此种情况与第一种情况类似;(3) 、时,则转向与齿圈相同但和太阳轮的转向相反。这种状况与本变速器的设计宗旨不符合,要避免出现。由上文可知,当整个行星轮系处于平衡时,其太阳轮,齿圈以及行星架所受的外部扭矩之间的比例满足式。3、电动机选择3.1 电机匹配电动机在我们平时的生活中是到处可见的,它在各个地方都扮演着非常重要的角色,大到航空航天,小到手机电脑,这些东西都在使用电动机。之前,电动机技术已非常的成熟了,所以随着环境以及能源问题的日趋严重,电动汽车被推上了历史的舞台,电动汽车的出现,对电动机的性能的要求更高14。 对电动汽车来
12、说,如果配备的电动机过重过大,会增加成本,还会降低电动机的工作效率;但是如果装备的电动机过小,就不能满足汽车的动力性,因此,需根据不同的车型进行电机匹配。下面进行的是电机匹配。3.1.1整车基本参数确定 1、 车型参数 这次毕业设计选车型的基本参数如表3所示:表3 整车参数空载整车质量 ma/满载质量 mo/迎风面积 A/滚动阻力系数 f80010001.880.015车轮滚动半径 r/m空气阻力系数CD主减传动比传动系统效率h0.2810.3353.10.92、 动力性能指标为了使性能能够最佳匹配,还需要电动机功率满足整车的动力性,满足最高车速、爬坡等性能要求。相应要求如下1518:(1)
13、最高车速:;(2) 最大爬坡度:;(3) 加速时间;(4) 过载系数: 23.3.1.2 电机参数设计 在对电机进行参数设计时,主要是对额定功率、峰值功率、额定转速以及最高转速几个参数进行设计。一般来说,电动汽车的最高转速对应的是电动汽车持续工作的区域,就是额定工作状态,而加速能力及最大爬坡度则是对应的电机的瞬时工作区域,就是峰值工作状态。1、额定功率的确定汽车在行驶过程中,应满足以下关系式19: (3.1)式(3.1)称为汽车行驶动力平衡方程,其中:-坡度阻力( N),;-滚动阻力( N),;-风阻( N),;P-功率,kw;M-整车质量,kg;G-重力加速度,F-摩擦系数;-爬坡度;-爬坡
14、度;A-迎风面积,;U-车速,km/h;-旋转质量换算系数;-车轮半径,m;-传动系统效率。根据上文可知,电机的额定功率可根据最高车速进行计算,在计算过程中,可不考虑加速阻力以及坡道阻力,因此,式(3.1)可变为: (3.2)将有关参数代入上式计算得出:根据最大爬坡度计算电机的功率,即汽车行驶于坡度为 20%的道路上时,车速至少可以达到 ,,此时,式(3.1)可表示为:= (3.3)将相关参数代入上式计算可得:。由上文可取。2、 峰值功率的确定 电机的最大功率可根据额定功率来计算,其计算公式为: (3.4)式中为过载系数,取。因此,电机的峰值功率0由于本传动箱是由两个动力源输入的,因此,传动箱
15、的输入功率由调速电机与主电机两部分组成,其计算得的额定功率与峰值功率应当是两个电机额定功率与峰值功率的总和。所以对主电机与辅助电机的功率选择如表4 所示: 表4 电机功率 主电机 辅助电机额定功率 PN (kw)峰值功率 Pmax (kw)额定功率 PN (kw)峰值功率 Pmax (kw)515515这次毕业设计选择了一种交流变频牵引电机,这种电动机在电动汽车上应用非常广泛,它具有使用效率高、转矩大、调速范围宽、使用寿命长等特点。 其主要技术参数如下:额定电压:; 额定功率:; 额定扭矩:; 最大启动扭矩:; 转速范围:;4、传动箱的设计计算4.1传动箱的设计计算从的结构简图可以看出,这次设
16、计的传动箱主要是由一个行星齿轮机构和一调速电机动力传递机构组成,所以,本论文主要对这两个机构进行设计计算。4.1.1行星传动箱部分的计算对于行星齿轮的设计,主要根据以下几个步骤进行2021:确定特征参数行星轮个数选择配齿计算齿轮参数的设计计算齿顶高、径向间隙系数齿轮的几何尺寸。1、 确定特征参数的选择和整车动力性能有着密切关系的,因此,我们需要综合最高车速和最大跑坡度两方面进行计算匹配。(1)、按最大爬坡度确定汽车在爬坡时,所需的最大扭矩为:把各相关参数代入计算可得:从上文可知,电机的最大启动扭矩为,结合式2.9可得:。(2) 、按最高车速确定因为本传动箱是一种速度复合型的机构,且选择的是两个
17、一样的电机,所以,在计算时,可按每个电机分担一半的车速进行计算。从第三章可知,电机的最高转速为,结合式 2.8计算可得:。综合以上计算,结合行星齿轮传动设计,可选择2、行星轮个数选择在行星齿轮部分中,行星轮的个数与载荷分布不均匀的系数有关,一般而言其关系如下所示:当时,载荷分布的不均匀系数为 1.351.45;当时,载荷分布的不均匀系数为 1.41.5;当时,载荷分布的不均匀系数为 1.451.6。为了减小载荷分布不均匀系数,本传动箱选。3、 配齿计算 行星齿轮传动机构由于去结构的特殊性,因此各齿轮之间的齿数相互之间也存在一定的关系,从而保证其正常运转,其需要满足一下几个条件13:(1)(2)
18、(3)(4)结合行星齿轮传动设计表4,选择,将,代入以上四式进行验证,满足配齿条件。4、 齿轮参数的设计计算 因为齿轮齿数已经确定,对各齿轮参数的设计计算,大多是进行模数的设计计算的,因为齿轮模数m的大小主要是由弯曲强度决定的承载能力决定的,因此,可以根据齿根弯曲强度进行模数的计算。由于本传动箱还是在初步开发的阶段,因此,齿轮的类型全部选择标准的渐开线直齿圆柱齿轮。下面主要对其模数进行设计。各齿轮的材料以及热处理方式等如表5所示:表5 各齿轮的材料及热处理方式 材料热处理加工精度太阳轮20CrMnTi渗碳淬火14003406 级行星轮内齿轮40Cr调质7802607 级在对模数进行设计的时候,
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