淺析一種中央驅(qū)動(dòng)減速輪轂的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張引航，龔慧，陳俊杰，薛榮生

（1.西南大學(xué)人工智能學(xué)院，重慶 400715；2.重慶幼兒師范高等?？茖W(xué)校，重慶 404047）

電動(dòng)車綠色環(huán)保、零排放，屬于可持續(xù)能源消耗，世界各國(guó)爭(zhēng)先發(fā)展新能源電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。目前，電動(dòng)兩輪車主流采用自適應(yīng)側(cè)掛式電驅(qū)動(dòng)、一體式側(cè)掛電機(jī)、凸極輪轂電機(jī)、永磁同步輪轂電機(jī)等作為動(dòng)力源。一體式側(cè)掛電機(jī)采用齒輪傳動(dòng)，相對(duì)于輪轂電機(jī)體積小、功率密度高、效率高，同車型最大功率可高于輪轂電機(jī)等優(yōu)勢(shì)，但也有重心偏置平衡性差的缺點(diǎn)。傳統(tǒng)輪轂電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于可靠性高、成本低、技術(shù)成熟，而缺點(diǎn)在于效率低，起動(dòng)性能差，即電流沖擊大，扭矩小，過(guò)載能力低，長(zhǎng)期使用對(duì)電池和控制系統(tǒng)造成不可逆轉(zhuǎn)損害。

大量學(xué)者對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。瞿飛俊等給出了基于dsPIC30F6010A的電動(dòng)代步車雙輪轂電機(jī)PWM波獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的控制策略與軟、硬件設(shè)計(jì)方法，提高了換向和轉(zhuǎn)速控制精度，降低了控制成本。張將等在輪轂電機(jī)應(yīng)用研究中利用ADAMS仿真提出雙浮動(dòng)行星齒輪內(nèi)外嚙合副的均載性能要明顯優(yōu)于其他浮動(dòng)結(jié)構(gòu)類型。張河山等利用有限元分析和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確驗(yàn)證，并研究了極弧系數(shù)和槽開(kāi)口寬度對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)矩平均值和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響。因此，本文提出一種中央驅(qū)動(dòng)減速輪轂電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“中央驅(qū)動(dòng)減速輪轂”），采用高速永磁同步電機(jī)匹配齒輪傳動(dòng)方案，相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)提高功率密度、爬坡起動(dòng)性能、操控性，且成本可控。該系統(tǒng)對(duì)于電動(dòng)車技術(shù)研究發(fā)展很有必要。

1 基本參數(shù)

本文提出的中央驅(qū)動(dòng)減速輪轂采用高速電機(jī)匹配大傳動(dòng)比齒輪減速的頂層方案，將電機(jī)與齒輪裝置分別排布于輪轂左右兩側(cè)的布局方式，使其達(dá)到高功率密度、高扭矩和高平衡性的效果。將其應(yīng)用于一款立馬牌電動(dòng)摩托車，其整車性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 整車性能參數(shù)表

本文通過(guò)KISS soft對(duì)兩級(jí)齒輪分別進(jìn)行校核計(jì)算，得到第一級(jí)齒輪和第二級(jí)齒輪基本參數(shù)，見(jiàn)表2和表3。超載安全系數(shù)取2.5，因此最大功率取5kW，以運(yùn)行時(shí)間20000小時(shí)高速滿載荷為基本條件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果按傳動(dòng)路線依次列表，見(jiàn)表4。所有齒輪齒根強(qiáng)度超過(guò)1.6，齒面強(qiáng)度超過(guò)1.0，符合齒輪設(shè)計(jì)要求。

表2 第一級(jí)齒輪基本參數(shù)

表3 第二級(jí)齒輪基本參數(shù)

表4 齒輪動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果

2 結(jié)構(gòu)原理

中央驅(qū)動(dòng)減速輪轂結(jié)構(gòu)原理，如圖1所示。主要包括電機(jī)、齒輪變速機(jī)構(gòu)和組合式輪轂三部分，轉(zhuǎn)動(dòng)路線：減速機(jī)構(gòu)安裝在電機(jī)（1）的電機(jī)軸（1a）上，輪轂驅(qū)動(dòng)套（2）可轉(zhuǎn)動(dòng)地套裝在電機(jī)（1）的電機(jī)軸（1a）上，并位于變速機(jī)構(gòu)和電機(jī)（1）的轉(zhuǎn)子（1b）之間，電機(jī)軸（1a）通過(guò)變速機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞給輪轂驅(qū)動(dòng)套（2），最終將動(dòng)力傳遞給輪轂。

圖1 中央驅(qū)動(dòng)減速輪轂結(jié)構(gòu)原理圖

3 試驗(yàn)與討論

通過(guò)工程化設(shè)計(jì)，加工得到中央驅(qū)動(dòng)減速輪轂工程樣機(jī)，將該樣機(jī)裝于一款立馬牌電動(dòng)摩托車，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)將電機(jī)與減速機(jī)構(gòu)分布于輪轂兩側(cè)，使整機(jī)重心靠近輪轂對(duì)稱面，相對(duì)一體式側(cè)掛電機(jī)方案增加驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)平衡性，增加操控性能。工程樣車路試時(shí)，在同等電池和控制器情況下，發(fā)現(xiàn)樣車滿載時(shí)的爬坡起動(dòng)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)輪轂電機(jī)對(duì)標(biāo)車型。工程樣車在15°坡度上可實(shí)現(xiàn)滿載零起動(dòng)。該樣機(jī)的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)動(dòng)力學(xué)計(jì)算校核后達(dá)到了1000km道路耐久試驗(yàn)無(wú)損壞，初步驗(yàn)證了齒輪設(shè)計(jì)的合理性。

圖2 中央驅(qū)動(dòng)減速輪轂結(jié)構(gòu)工程樣車

經(jīng)過(guò)爬坡起動(dòng)性能試驗(yàn)和耐久試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了該樣機(jī)在理論設(shè)計(jì)上與路試情況基本符合，該設(shè)計(jì)方法對(duì)基于齒輪傳動(dòng)的兩輪車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。該樣機(jī)試驗(yàn)成功，其良好的坡度起動(dòng)性能在山地丘陵地區(qū)具有極大優(yōu)勢(shì)，有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用推廣的可行性。在田間運(yùn)輸時(shí)可發(fā)揮作用，幫助農(nóng)業(yè)運(yùn)輸，有綠色節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。希望將中央驅(qū)動(dòng)減速輪轂進(jìn)一步優(yōu)化從而實(shí)現(xiàn)真正產(chǎn)業(yè)化。

4 結(jié)語(yǔ)

中央驅(qū)動(dòng)減速輪轂采用高速電機(jī)匹配大傳動(dòng)比齒輪傳動(dòng)方案，適用于兩輪電動(dòng)車，在爬坡能力和起動(dòng)性能方面有較大提升；采用電機(jī)與齒輪分別排布于輪轂左右兩側(cè)的布局方式，達(dá)到了提高功率密度和平衡性的效果；所用齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)KISS soft進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算校核的方法可行有效，試驗(yàn)驗(yàn)證能滿足產(chǎn)業(yè)化要求。

中央驅(qū)動(dòng)減速輪轂試驗(yàn)研制成功有利于電動(dòng)兩輪車領(lǐng)域多樣化發(fā)展，有望在新能源領(lǐng)域成為一款具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。