廣告
重型車輛電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析
2020-05-24 23:50:06· 來源：武漢理工大學(xué) 作者：余凱峰
1 前言電動(dòng)輪包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和車輪系統(tǒng)。其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置非常靈活，而且每個(gè)輪轂電機(jī)可以由單獨(dú)的電控單元來控制，實(shí)現(xiàn)每個(gè)車輪上的轉(zhuǎn)矩獨(dú)立分
1 前言
電動(dòng)輪包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和車輪系統(tǒng)。其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置非常靈活，而且每個(gè)輪轂電機(jī)可以由單獨(dú)的電控單元來控制，實(shí)現(xiàn)每個(gè)車輪上的轉(zhuǎn)矩獨(dú)立分配。
重型特種車輛質(zhì)量大，工作環(huán)境惡劣，而且目標(biāo)車輛還要求高車速。這對(duì)于電動(dòng)輪的設(shè)計(jì)要求就更加的高。目前，電動(dòng)輪研究中的關(guān)鍵問題就包括高速電動(dòng)輪的研究，電動(dòng)輪車輛簧下質(zhì)量帶來的負(fù)效應(yīng)問題，電動(dòng)輪輪內(nèi)合理結(jié)構(gòu)布局的研究和電動(dòng)輪輕量化研究。
本文結(jié)合目前電動(dòng)輪技術(shù)的關(guān)鍵問題，對(duì)重型特種車輛的電動(dòng)輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并建立三維模型，保證結(jié)構(gòu)的合理性。再對(duì)電動(dòng)輪關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析，在不同工況下計(jì)算其強(qiáng)度，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析研究，得出相應(yīng)結(jié)論。
2 電動(dòng)輪總體方案設(shè)計(jì)
電動(dòng)輪有直接驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)輪和減速驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)輪兩種類型。由于后者相比前者比功率高，適合要求負(fù)載能力大的場(chǎng)合。本文依據(jù)目標(biāo)車輛的整車參數(shù)和動(dòng)力性指標(biāo)選擇減速驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)輪。減速驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)輪包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)和減速系統(tǒng)），制動(dòng)系統(tǒng)，車輪系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)（冷卻散熱系統(tǒng)和機(jī)械連接件）。下面介紹各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。
2.1 輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)
2.1.1 輪轂電機(jī)功率的設(shè)計(jì)
根據(jù)最高車速計(jì)算整車最大功率的公式為：
式中，umax為 最高車速，取umax=120km/h；η為傳動(dòng)系數(shù)，取η=0.9；m為 整車質(zhì)量，取m=70000kg；g為重力加速度，取 g=9.8m/s2；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，取f=0.02 ；Cd為空氣阻力系數(shù)，取CD=0.65 ；A為迎風(fēng)面積，取A=9.5m2。
根據(jù)式（1）計(jì)算可得Pmax1=663.86KW。
根據(jù)爬坡性能計(jì)算整車最大功率的公式為：
式中，ui為穩(wěn)定爬坡車速，取ui =10km/h；imax為最大爬坡度，取imax=30%，則
根據(jù)式（2）計(jì)算可得Pmax2=649.07KW 。
根據(jù)加速性能計(jì)算整車最大功率的公式為：
式中，δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，電動(dòng)車取δ=1.04；um為最終車速，取um=50km/h；tm為加速時(shí)間，取tm=30s，取dt=0.1；x為 擬合系數(shù)，取x=0.5。
根據(jù)式（3）計(jì)算可得Pmax3=1159.99KW。則整車最大功率為上述三者中最大值，Pmax≈2000KW。由于目標(biāo)車輛有12個(gè)電動(dòng)輪，則單個(gè)電動(dòng)輪的輪轂電機(jī)所需最大功率Pn =Pmax/n=1200/12=100KW 。額定功率Pm為：
式中，λ為電機(jī)過載系數(shù)，取λ=2 。
根據(jù)式（4）得Pm=50km 。又因?yàn)殡姍C(jī)的額定功率首先應(yīng)滿足整車動(dòng)力性指標(biāo)中最高車速的要求，即
。則額定功率Pm=50KW。
2.1.2 輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
最高轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為：
式中，i為減速比，初步選定i=10.5；rw為輪胎半徑，參考GBT 2980-2009《工程機(jī)械輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負(fù)荷》，取rw=0.8075m。
根據(jù)式（5）可得最高轉(zhuǎn)速nmax=4138.91rpm。額定轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下：式中，β為電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)，取β=2 。根據(jù)公式（6）得額定轉(zhuǎn)速nm=2069.46rpm 。由于是根據(jù)加速性能得到的整車最大功率，則整車最大轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式如下：
根據(jù)式（7）計(jì)算得電動(dòng)輪內(nèi)每個(gè)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：
由式（8）得輪轂電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩
2.1.3 輪轂電機(jī)的選型
永磁同步電機(jī)具有較高的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，能提高較大的動(dòng)力。根據(jù)上述求得的電機(jī)參數(shù)，本文選澤了一款斯洛文尼亞永磁同步電機(jī)EMRAX268。參數(shù)如下表1所示。
表1 電機(jī)性能參數(shù)表
2.2 減速系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.2.1 減速器方案設(shè)計(jì)
為了使電動(dòng)輪集成度高，質(zhì)量更小，而且在有限的輪內(nèi)空間下，本文選擇NGW型行星齒輪減速器。這種類型的減速器在滿足結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量小的前提下還能夠提供較大的傳動(dòng)比，能滿足目標(biāo)車輛的需要。
本文設(shè)計(jì)的行星齒輪減速器由太陽輪輸入，行星架輸出，齒圈固定。分為兩級(jí)，由兩個(gè)行星齒輪系配合而成。電動(dòng)機(jī)的輸出動(dòng)力通過行星齒輪減速器來減速增扭，然后將增大后的扭矩通過行星架傳遞給輪轂，由輪轂帶動(dòng)車輪運(yùn)動(dòng)。
2.2.2 減速器參數(shù)設(shè)計(jì)
齒輪都采用標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，壓力角為20°，選用7級(jí)精度。材料采用40Cr，硬度為280HBS，行星輪材料選擇42CrMo，硬度為240HBS。由于總傳動(dòng)比 ，采用3×3.5的傳動(dòng)比布置形式，然后進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。
為了使材料充分利用，本文按齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度來設(shè)計(jì)行星齒輪參數(shù)。齒面接觸疲勞強(qiáng)度與齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式分別如下：
式（9）中，dt 為太陽輪的分度圓直徑；KHt為過載系數(shù)，取KHt=1.3 ；T1為輸入轉(zhuǎn)矩，取T=2.5×105N×mm ；Æd為齒寬系數(shù)，取Æd=1.2；1 ZH為區(qū)域系數(shù)，取ZH=2.5；ZE為彈性影響系數(shù)，取ZE=189.8MPa1/2；Zε為解除疲勞強(qiáng)度用重合度系數(shù)，取Zε=0.866；[σH]為接觸疲勞許用應(yīng)力，取太陽輪和行星輪的接觸疲勞許用應(yīng)力中較小值得[σH]=523MPa；u為傳動(dòng)比。式（10）中，mt為齒輪模數(shù)；KFt為載荷系數(shù)，取KFt=1.3；Yε為彎曲疲勞強(qiáng)度用重合系數(shù)，取Yε=0.678；Z1為太陽輪齒數(shù)；[σF]為許用彎曲應(yīng)力，YFa為齒形系數(shù)，YSa為應(yīng)力校正系數(shù)，取太陽輪和行星輪的比值的較大值可得YFaYSa/[σF]=0.0163 。
根據(jù)上式計(jì)算出行星齒輪系中太陽輪的分度圓直徑和模數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出其他參數(shù)如表2所示。
表2 行星齒輪減速器參數(shù)表
2.3 制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.3.1 制動(dòng)器方案設(shè)計(jì)
本電動(dòng)輪采用盤式制動(dòng)器。在一般情況下取輪轂直徑的70%到79%之間。目標(biāo)車輛的輪轂直徑為25英寸，所以選取制動(dòng)盤直徑D為480mm。制動(dòng)盤厚度一般在 20～50mm，本文取制動(dòng)盤厚度為h=36mm。制動(dòng)盤的材料采用HT250灰鑄鐵，制動(dòng)鉗的材料采用QT400球墨鑄鐵，摩擦材料采用粉末冶金。
2.3.2 制動(dòng)力矩計(jì)算
式中，f為摩擦因數(shù)，取f=0.5；F0為單側(cè)制動(dòng)片對(duì)制動(dòng)盤的壓緊力，根據(jù)制動(dòng)活塞計(jì)算得F0=173180.3N；R為制動(dòng)半徑，取平均半徑R=220mm。
根據(jù)式（11）得Tμ=38099.66N×mm。
目標(biāo)車輛所需制動(dòng)力矩計(jì)算公式如下：
假設(shè)襯塊的摩擦表面與制動(dòng)盤接觸良好，各處的單位壓力分布均勻，則制動(dòng)器的制動(dòng)力矩如下公式：
式中，Gk為車輪負(fù)重，有Gk=57166.7N；jk為車輛制動(dòng)減速度，取jk=0.8g；rk為車輪的半徑，取rk=0.8m。
根據(jù)式（12）得Mk=36584.6
點(diǎn)贊 0 反對(duì) 0 舉報(bào) 0
收藏 1
評(píng)論 0 分享 70
廣告 編輯推薦
最新資訊
-
“汽車爬坡試驗(yàn)方法”將有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)
2026-03-03 12:44
-
十年耐久監(jiān)管時(shí)代：電池系統(tǒng)開發(fā)策略將如何
2026-03-03 12:44
-
聯(lián)合國(guó)法規(guī)R59對(duì)機(jī)動(dòng)車備用消聲系統(tǒng)的工程
2026-03-03 12:08
-
聯(lián)合國(guó)法規(guī)R58對(duì)后下部防護(hù)裝置的工程化約
2026-03-03 12:07
-
聯(lián)合國(guó)法規(guī)R57對(duì)摩托車前照燈配光性能的工
2026-03-03 12:07
