最優回轉半徑驅動輪總成的設計方法研究

摘 要：選定特定規格齒輪傳動驅動輪總成的應用環境和性能參數，研究驅動輪總成的優化設計方法，以實現驅動輪總成具有最優回轉半徑的目標。通過具體案例，展示了齒輪布局與構件整合的設計策略，為驅動輪總成的優化設計提供了新的視角。

關鍵詞：驅動輪總成；回轉半徑；齒輪傳動；優化設計

中圖分類號：TB472""" 文獻標志碼：A""" 文章編號：1671-0797（2025）02-0052-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.02.013

0""" 引言

在地面清洗、清掃以及倉儲運輸設備領域，驅動輪總成扮演著至關重要的角色，它是移動設備動力輸出的核心組件。因此，對驅動輪總成進行設計優化，不僅能夠顯著提升設備的整體性能，還能有效降低生產成本。本文將展示一套針對具體規格驅動輪總成的優化設計方案，通過齒輪布局的優化及驅動輪總成構件的整合，達到提升性能和降低成本的雙重目標。該方案旨在提供一種最優回轉半徑驅動輪總成的設計方法。

驅動輪總成設計受到電機、減速器和驅動輪結構未能相互適配的限制，導致其回轉半徑普遍超出理論最優值。這種設計上的不足迫使適配設備在結構設計時必須預留額外的空間，以適應較大的回轉半徑。該做法不僅增加了設備的整體體積，還導致了結構空間的浪費以及結構件、標準件數量的不必要增多。

目前市場主流產品選擇有刷直流電機搭配齒輪傳動，包括內齒傳動及外齒傳動，這主要是因為這種組合在成本、性能和維護方面達到了較好的平衡，有大批量穩定生產的工藝與設備。雖然隨著技術的發展，無刷直流電機和其他更高效的電機類型可能會逐漸成為主流，尤其是在對效率和維護要求較高的應用中，但立足于現有市場需求，仍然有提升產品性能的必要及空間。目前市場上使用量最大的規格是250×90（驅動輪直徑：250 mm；寬度：90 mm）；有刷直流電機配外齒傳動，包括電磁制動器，其回轉半徑在R175 mm及以上；有刷直流電機配內齒傳動時，其回轉半徑雖有所減小，但內齒傳動中，內齒圈內僅設置有主動輪，很大空間不能被有效利用，同時加工成本較高；精密內齒圈加工設備非常昂貴，受限于資金及市場需求量，大規模內齒加工企業較外齒加工企業少之又少。

本文提出了一種方案，致力于優化驅動輪總成的結構設計，通過整合電機、減速器和驅動輪之間的結構關系，實現齒輪參數和整體結構設計的優化；減小總成回轉半徑，提升總成在多樣化應用場景中的適用性和靈活性；同時減少材料的使用，實現成本效益的最大化。該方案的核心目標是開發出一套結構緊湊且經濟適用的驅動輪總成：在目標性能參數下，總成的回轉半徑不超過驅動輪自身的回轉半徑。

1""" 特性參數

選取主流產品規格250×90驅動輪總成作為研究對象。

1.1""" 工況參數

一般要求是適配設備總重量750 kg，短時無載重爬坡坡度不超過10°，平地時速6 km，爬坡時速不低于2 km（總重量不超過500 kg）；電壓可以是DC24 V、DC36 V、DC48 V；須配備駐車剎車。

以上參數轉化為驅動輪總成的輸出參數如表1所示。

暫定傳動比為26：1，則10°坡的駐車剎車扭矩須大于6.7 N·m。

碳刷、驅動輪、剎車屬磨損件；其他零部件壽命3 000 h。

1.2""" 總成最優回轉半徑

驅動輪外形尺寸如圖1所示。

驅動輪胎面直徑250 mm，寬度90 mm；工藝尺寸：2處倒圓R5 mm；幾何計算或機械制圖都可以得出驅動輪繞中心O的回轉半徑為131.49 mm，也就是驅動輪總成的最小回轉半徑為131.49 mm。所以，所有的結構件均須設計在該尺寸范圍之內。

目前產品的回轉半徑以R175 mm居多，都沒有到R131.49 mm的要求。

1.3""" 安裝高度

安裝高度也就是驅動輪總成的總高度為165 mm，可以根據客戶需求調整，對總成回轉半徑的影響較小。

2""" 優化驅動輪總成

驅動輪總成主要包括電機、減速器、驅動輪，電機直驅不在本文討論的范圍內。

2.1""" 優化齒輪布局，整合總成構件

本文提出了一種創新的電機與減速器集成設計方案，旨在最大限度地壓縮軸向空間。通過將電機和減速器設計為一個緊湊的組合體，確保所有關鍵構件及齒輪布局均符合R131.49 mm的回轉半徑要求。這種集成方法不僅優化了空間利用，還提高了結構的緊湊性。與傳統的驅動輪總成結構相比，本方案展現了顯著的空間效率和結構優勢，為驅動輪總成的設計提供了一種新的視角及方法。

結合目前國內齒輪加工的實際狀況，即外齒加工比內齒加工設備更先進，工藝更成熟，精度要求更容易實現，外齒加工的產品尺寸一致性、質量穩定性都更高，所以采用外齒傳動方式。

齒輪布局如圖2所示。

動力軸上布置有齒輪2，將動力經雙聯齒輪3傳遞到輸出齒輪4。利用轉子輸出端軸承及密封所需的密封件占用的軸向空間，將輸出齒輪布置在齒輪2與電機主體1之間、轉子輸出端軸承的外圍。這種外齒齒輪傳動的布局是驅動輪總成優化設計的一個創新點，是齒輪布局服從結構需求的具體體現。

動力輸出結構如圖3所示。

輸出齒輪4固定設置在輪轂5上，輪轂5內腔布置有軸承一6及軸承二7，輸出齒輪4連同輪轂5一起可繞支撐體8的軸線旋轉。驅動輪可拆卸地固定布置在輪轂5外圍，完整地實現動力從電機傳遞到驅動輪。涉及的基本構件支撐體8是本文設計產品的關鍵零部件，它整合了電機、減速器及總成的相關功能。

支撐體8構件結構如圖4所示。

支撐體8設置有內腔一8-A1，容納電機磁鋼及轉子，磁鋼粘在內腔一8-A1內圓柱面上；設置有內腔二8-A2，固定轉子輸出端軸承；設置有通孔8-A3，讓電機輸出軸通過該孔。支撐體8兼具電機機殼及前端蓋的功用。

支撐體8設置有圓柱面一8-B1、圓柱面二8-B2，分別安裝軸承一6及軸承二7，即可旋轉地固定輸出齒輪4。支撐體8兼具減速箱的支撐功能。

支撐體8設置有圓柱面8-C1及平面8-C2，平面8-C2上設置有螺孔8-C3，共同作用于定位安裝減速箱體；減速箱體上同時設置有配套設備的安裝面。支撐體8兼具了總成的支撐功能。

2.2""" 確定齒輪基本參數

輸出齒輪因其布置的位置，要求直徑須足夠大，確保其中間的通孔能穿過支撐體8。按暫定傳動比26：1，可確定兩級傳動最為經濟；從驅動輪與電機同軸的結構則可確定這兩級傳動的中心距相同。

根據式（1）～（3）[1]可知：中心距及模數不變，齒數比越大，從動輪直徑越大；結合雙聯齒輪3的具體位置，一級傳動比越大，雙聯齒輪3的最大外徑也越大，會影響驅動輪總成體積。

""""""""""""""u=z2/z1""""""""""""""""""""" （1）

d=zm"""""""""""""""" （2）

da=d+2ha" （3）

式中：u為齒數比；z1、z2分別為主動輪、從動輪的齒數；d為分度圓直徑；z為齒數；m為模數；da為齒頂圓直徑；ha為齒頂高。

根據式（4）（5）[2]可知：總傳動比不變，一級傳動比越大，二級傳動比越小。

i12=z2/z1""""""""""""""""""""""""""""""" （4）

i=i1i2""""""""""""""""""""""""""""""""""""" （5）

式中：i12為某一級傳動比；i為減速器總傳動比；i1、i2分別為一級、二級傳動比。

分配傳動比的基本原則之一是使各級傳動的承載能力接近相等[2]，常規做法是i1＞i2。從齒輪加工的工藝性、經濟性出發，改變做法如下：不但i1=i2，而且各級傳動的主、從動輪模數等參數均分別保持一致；要保持各級傳動的承載能力接近相等，可選擇不同的齒寬，二級傳動的齒寬大于一級傳動齒寬。

由教材及經驗可知，主動輪的齒數應盡量選擇如11、13、17等質數，傳動比盡量取無理數；優化設計法則，選擇每級的主動輪齒數為13，從動輪齒數為67；根據式（4）（5）得到總傳動比為26.56，符合目標傳動比。

確定了各級齒輪的齒數，就可以根據電機的輸出功率和驅動輪體積要求計算齒輪的相關參數。這里提供一組齒輪基本參數：中心距A=63.088 mm，法向模數Mn=1.5，齒數z1=13、z2=67，齒高系數采用常規選擇。具體計算過程可參考相關計算軟件，在此不做贅述。

2.3""" 可選配置及驅動輪

在驅動輪總成的可選配置中，電磁制動器（即剎車）是一個關鍵組件。在電機占用較大軸向空間的條件下，為了適應電機的緊湊布局，電磁制動器被巧妙地配置在減速器端，但其作用力仍然有效直接傳遞至電機轉軸。通過綜合考慮設計的設備重量、預期的爬坡坡度以及實際傳動比，計算得出所需的駐車力矩必須超過6.6 N·m。因此，選擇一款常規的8.0 N·m電磁制動器，以確保滿足可靠駐車的需求。此外，考慮到驅動輪作為磨損件的特性，采用可更換的設計，將其固定設置在輪轂的外圍，從而便于未來的維護和更換。

驅動輪應布置在總成軸向中間位置，以獲得總成的最小回轉半徑。

3""" 內、外齒傳動在本領域的優劣分析

在現有的驅動輪總成設計中，齒輪布局的選擇對于性能和成本有著顯著的影響。本文將對內齒傳動和外齒傳動兩種常見的齒輪布局方式進行比較分析，以揭示它們各自的優勢和劣勢。

內齒傳動的優勢：結構簡單，內齒圈可以直接更換固定設置驅動輪。

外齒傳動的優勢：加工手段多樣，精度較高；減少了減速器內部未被利用的空間，提高了空間利用率；通常具有較低的生產成本。

4""" 案例對比

當前市場上的主流驅動輪總成主要采用兩種齒輪傳動方式：內齒傳動和外齒傳動。這些傳統設計的最小回轉半徑分別為R155 mm、R175 mm，這些數值均顯著大于本文提出的驅動輪總成設計的最小回轉半徑R131.49 mm。通過對比可以明顯看出，本文介紹的驅動輪總成在設計上實現了更緊湊的回轉半徑，這一改進不僅提升了空間利用率，還有助于提高設備的機動性和靈活性。這種優化設計對于需要在有限空間內操作的地面清洗清掃及倉儲運輸設備尤為重要，它能夠顯著減少設備的整體尺寸，同時保持甚至提升性能。

5""" 結束語

本文提出的方案通過精心調整齒輪布局、整合總成構件，成功實現了研究的核心目標。具體而言，優化后的設計方案大幅減小了回轉半徑，不僅提高了驅動輪總成的空間效率，還為降低制造成本提供了可能。此外，通過精確匹配齒輪參數，擴展了驅動輪總成對適配設備的適用范圍，從而增強了其在多樣化應用場景中的適用性和靈活性。總之，這種優化設計策略為驅動輪總成的性能提升和成本效益優化提供了一條切實可行的路徑。本文展示的優化設計方案，為設計具有最優回轉半徑的驅動輪總成提供了一種高效的方法。

[參考文獻]

[1] 齒輪手冊編委會.齒輪手冊[M].2版.北京：機械工業出版社，2000.

[2] 機械設計手冊編委會.機械手冊（新版）[M].北京：機械工業出版社，2004.

收稿日期：2024-09-06

作者簡介：程勇玖（1969—），男，安徽人，工程師，主要從事齒輪傳動結構及其應用設備的設計開發工作。