淺析一種中央驅動減速輪轂的設計與實現

張引航，龔慧，陳俊杰，薛榮生

（1.西南大學人工智能學院，重慶 400715；2.重慶幼兒師范高等專科學校，重慶 404047）

電動車綠色環保、零排放，屬于可持續能源消耗，世界各國爭先發展新能源電驅動系統。目前，電動兩輪車主流采用自適應側掛式電驅動、一體式側掛電機、凸極輪轂電機、永磁同步輪轂電機等作為動力源。一體式側掛電機采用齒輪傳動，相對于輪轂電機體積小、功率密度高、效率高，同車型最大功率可高于輪轂電機等優勢，但也有重心偏置平衡性差的缺點。傳統輪轂電機的優勢在于可靠性高、成本低、技術成熟，而缺點在于效率低，起動性能差，即電流沖擊大，扭矩小，過載能力低，長期使用對電池和控制系統造成不可逆轉損害。

大量學者對電驅動系統進行了研究。瞿飛俊等給出了基于dsPIC30F6010A的電動代步車雙輪轂電機PWM波獨立驅動的控制策略與軟、硬件設計方法，提高了換向和轉速控制精度，降低了控制成本。張將等在輪轂電機應用研究中利用ADAMS仿真提出雙浮動行星齒輪內外嚙合副的均載性能要明顯優于其他浮動結構類型。張河山等利用有限元分析和樣機實驗準確驗證，并研究了極弧系數和槽開口寬度對齒槽轉矩、輸出轉矩平均值和轉矩脈動的影響。因此，本文提出一種中央驅動減速輪轂電驅動系統（以下簡稱“中央驅動減速輪轂”），采用高速永磁同步電機匹配齒輪傳動方案，相對現有技術提高功率密度、爬坡起動性能、操控性，且成本可控。該系統對于電動車技術研究發展很有必要。

1 基本參數

本文提出的中央驅動減速輪轂采用高速電機匹配大傳動比齒輪減速的頂層方案，將電機與齒輪裝置分別排布于輪轂左右兩側的布局方式，使其達到高功率密度、高扭矩和高平衡性的效果。將其應用于一款立馬牌電動摩托車，其整車性能參數見表1。

表1 整車性能參數表

本文通過KISS soft對兩級齒輪分別進行校核計算，得到第一級齒輪和第二級齒輪基本參數，見表2和表3。超載安全系數取2.5，因此最大功率取5kW，以運行時間20000小時高速滿載荷為基本條件進行動力學計算，其計算結果按傳動路線依次列表，見表4。所有齒輪齒根強度超過1.6，齒面強度超過1.0，符合齒輪設計要求。

表2 第一級齒輪基本參數

表3 第二級齒輪基本參數

表4 齒輪動力學計算結果

2 結構原理

中央驅動減速輪轂結構原理，如圖1所示。主要包括電機、齒輪變速機構和組合式輪轂三部分，轉動路線：減速機構安裝在電機（1）的電機軸（1a）上，輪轂驅動套（2）可轉動地套裝在電機（1）的電機軸（1a）上，并位于變速機構和電機（1）的轉子（1b）之間，電機軸（1a）通過變速機構將動力傳遞給輪轂驅動套（2），最終將動力傳遞給輪轂。

圖1 中央驅動減速輪轂結構原理圖

3 試驗與討論

通過工程化設計，加工得到中央驅動減速輪轂工程樣機，將該樣機裝于一款立馬牌電動摩托車，如圖2所示。該結構將電機與減速機構分布于輪轂兩側，使整機重心靠近輪轂對稱面，相對一體式側掛電機方案增加驅動系統平衡性，增加操控性能。工程樣車路試時，在同等電池和控制器情況下，發現樣車滿載時的爬坡起動性能明顯優于傳統輪轂電機對標車型。工程樣車在15°坡度上可實現滿載零起動。該樣機的齒輪傳動系統通過動力學計算校核后達到了1000km道路耐久試驗無損壞，初步驗證了齒輪設計的合理性。

圖2 中央驅動減速輪轂結構工程樣車

經過爬坡起動性能試驗和耐久試驗，初步驗證了該樣機在理論設計上與路試情況基本符合，該設計方法對基于齒輪傳動的兩輪車電驅動系統設計具有重要參考價值。該樣機試驗成功，其良好的坡度起動性能在山地丘陵地區具有極大優勢，有產業化應用推廣的可行性。在田間運輸時可發揮作用，幫助農業運輸，有綠色節能的優勢。希望將中央驅動減速輪轂進一步優化從而實現真正產業化。

4 結語

中央驅動減速輪轂采用高速電機匹配大傳動比齒輪傳動方案，適用于兩輪電動車，在爬坡能力和起動性能方面有較大提升；采用電機與齒輪分別排布于輪轂左右兩側的布局方式，達到了提高功率密度和平衡性的效果；所用齒輪傳動系統通過KISS soft進行動力學計算校核的方法可行有效，試驗驗證能滿足產業化要求。

中央驅動減速輪轂試驗研制成功有利于電動兩輪車領域多樣化發展，有望在新能源領域成為一款具有競爭力的產品。