基于雙電機直接傳動的行星齒輪減速器設計與分析

2019-09-11 03:01:58隋麗娜袁浩鈞馬麗鳳郭輝

汽車實用技術 2019年16期

隋麗娜，袁浩鈞，馬麗鳳，郭輝

（1.上海市建筑工程學校，上海 200241；2.上海工程技術大學機械與汽車工程學院，上海 201620）

引言

隨著汽車行業的進一步產業優化與國家綠色環保的戰略發展，新能源汽車產業因其零排放的特點，而得到了大力的發展[1]。2017 年我國新能源汽車的銷量已達77 萬余量，且保持快速增長[2]。

大部分電動汽車采用電機直接傳動的方式。與傳統機械式結構相比，該傳動方式可省去傳動軸、差速器與變速器，具有制造成本更低，傳動效率更高，質量更輕等優點[3]。目前，大學生方程式賽車中已有部分電動賽車參賽，然而，大學生電動賽車中存在電機所提供的扭矩難以滿足其實際需求的缺點，因此有必要增加減速器以增加其轉矩進一步滿足其加速與快速的行駛需求。

針對上述問題，本文以微型電動方程式賽車為設計原型選用雙電機傳動系統方案，進一步優化該賽車的傳動方案。

1 某賽車傳動系統的傳動方案

本文選用的傳動方式為雙電機直接傳動式，該傳動方式可將電機的輸出動力通過減速器直接輸出到車輪，其在結構上減去了差速器，并通過電控的方式實現差速器的功效，進一步實現了結構優化。相比于單電機式傳動方案，雙電機傳動方式可使兩臺電機在功率范圍內輸出最大的扭矩，因此，其加速能力為單電機傳動方式的兩倍。雖然單電機傳動方式可以實現較強的加速能力，然而其實現前提為較大的傳動比，而較大的傳動比將進一步影響賽車的最高行駛速度。因此該方案不僅具有空間結構優化的優點，可進一步優化電池的空間及布局結構；另一方面可減少一級機械傳動，電機輸出后，經半軸直接傳遞到車輪上，進一步提高機械傳遞效率，且具有較強的加速能力，可實現較高的極速，是大學生方程式賽車傳動方案的最佳選擇。

2 減速器的結構設計

2.1 減速器的設計

電機輸出的動力具有高轉速、低扭矩的特點，因此有必要采用減速器進一步減速增扭矩，同時可進一步提高賽車行駛的平穩性、動力輸出的可靠性及安全性。本文設計的減速器的具體參數如表1 所示。

表1 減速器設計基本參數

2.2 傳動比

基于行星齒輪式減速器結構緊湊，機械傳遞效率高，運行平穩的優點，該賽車選用行星齒輪式減速器，齒輪采用不變位斜齒輪，其結構形式如圖1 所示，具體數據如表2 所示。

圖1 行星齒輪減速器齒輪系結構示意圖

根據其結構形式、參數及式（1）可算出其實際傳動比為3.577。

表2 太陽輪-行星輪系的數據匯總

2.3 傳動比的驗證

（1）行駛75m 的加速度

根據實際賽車的行駛情況可得出行駛75m 的平均時間為3.5s，計算得出加速度a 為12.25m/s2。

（2）行駛方程

設坡道阻力Fi=0，滾動阻力Ff=Gf，空氣阻力，加速阻力，根據汽車行駛方程式：Ft=Ff+Fw+Fi+Fj，即：

其中，G=2989N，f=0.01，CD=0.75，A=0.636m2，ua=150km/h，δ=1，du/dt =12.25m/s2，最后可以推算出傳動比為3.58。

當賽車的速度小于60km/h 時，電機的功率處于40kW 以下，處于峰值扭矩輸出狀態，此時，賽車具有強勁的加速能力；當其速度超過60km/h 后，電機功率到達極限，持續幾分鐘高扭矩的輸出之后，將轉換為正常狀態，輸出扭矩大幅下降。然而，由于此時驅動力依然大于阻力，賽車仍然具有一定的加速能力。由于電機與傳動部件采用硬鏈接，沒有離合器的離合功能，車輛的最高速度將受電機最高轉速的影響。該賽車所選電機的最高轉速為6000rpm，當電機到達該轉速時，賽車速度已達極限，賽車最高速度大約144km/h，超過所設定的目標135km/h，因此該傳動比符合該賽車的運行需求。