第一章 绪论

　　1.1 课题来源与背景

　　伴随汽车工业高速发展，全球机动车保有量迅猛增加，各类机动车所带来的环境污染、能源压力、资源枯竭等诸多问题愈发显著。为保障自然环境的平衡不致崩溃，以及能源资源的持续供给，各国政府、企业、组织与科研机构，均不惜投入大量的人力、物力、以及金钱，试图寻求解决这些问题的途径。

　　而新能源汽车，则成为石油危机下，出行交通的变革之火。以日本丰田为首的企业，数十年不遗余力地探索混动技术即是最好的证明。但无论是以丰田的Mirai为代表的氢燃料电池车，图1.1为丰田Mirai燃料电池车，还是奥迪的g-tron天然气双燃料系统，都面临极难普及的瓶颈。

　　图1.1 丰田Mirai氢燃料电池车

　　专利壁垒、技术不通用、充气设施严重匮乏以及高昂的成本，都极度限制了这些技术走进普罗大众的家庭。无法普及，就意味着它们最终只能成为少数有钱人的玩具，而在环保上的意义更是成为空谈。

　　相比之下，电动汽车与我们的距离便一下子近了许多。不管是纯电动汽车还是混动汽车，它们都拥有早已铺设好的物质基础，那就是无孔不入的电网。虽然各品牌的高速充电站仍是稀缺货，但比起加氢站，天然气站，那自然是具有压倒性优势的了。

　　不论电动汽车也好，两轮电动车也罢，相比传统的内燃机车辆，它们在高效、节能、降噪等方面都具有先天的优势。在未来国家的核电占比不断提高的前提下，其对环境保护的助力势必越来越高。相比传统的内燃机动力系统，电机驱动(燃料电池车也是电机)拥有更大的灵活性，效率也高得多。

　　1.2 轮边驱动电车的优势

　　根据电机布置和传动形式的不同，往往又可细分为中央电机驱动(全车只有一台电机)、双电机驱动(即前后轮轴各有一台电机提供动力，并可实现四驱)及四轮独立驱动(四个车轮分别配备一台独立的电机)等形式。

　　其中，四轮独立驱动以其控制简便、布局灵活、结构紧凑等优点，成为电动/混动车型发展的新方向。其显著特点在于：

　　传动结构简化，传动损耗降低、效率得以提升，同时机械布局得到优化。由于四轮都具备独立动力来源，因此传统的内燃机发动机、变速箱、分动箱、中央和前后轴差速器甚至传动轴本身都可以统统取消。此举不但大幅简化了传动系统，腾出大量的车内外空间以供利用，同时还将机械传动系的巨大重量瞬间抛离。

　　更便于精确控制。相比传统的机械传动、运动形式的转化，单纯的电机驱动显然在先天上更适合精确的电子控制。通过电子系统的协调管理，ESC有能力单独控制每个车轮的扭矩、转速及制动力，消除打滑，稳定车辆，提升主被动安全性。

　　效率的优化提升。不需要考虑热值的转化效率，极度简化的直接驱动更是将沿途的能量损耗降至最低，而各种油液(燃油、润滑油)的省去，清洁高效，也为低碳减排做出贡献。

　　电机驱动，固然拥有扭矩直接、动态线性、体积小等优势。从理论上讲，它更是可以通过改变输入电压来实现一定区间内的无级调速，因此传统意义上的多档位变速箱已经没有存在的必要。

　　但由于电动机的工作转速往往远高于车辆正常行驶所需要的轮胎转速，而低速下的扭力却不足以驱动车辆运转。所以势必需要借由减速机构来达到降速增扭的效果。而对于四轮独立的轮边电机驱动而言，体积小、重量轻的轮边减速器就成为整套传动结构中最为重要的结构组件。

　　原则上，根据工况的不同。即可选用可变齿比的减速器(如图1.2宝马I8)，也可选用固定速比的单级减速机构(如图1.3特斯拉Model S)。

　　图1.2 宝马I8(左) 图1.3特斯拉Model S(右)

　　虽然相比后者，前者可以拥有更广域的调整空间以应对高低速的不同工况及扭矩需求。但此举势必极大增加复杂程度，试想一下，四个车轮分别布置四个变速箱是什么概念?轮边驱动原本带来的轻量化、结构简单、空间宽裕的优势将荡然无存。

　　事实上，目前的绝大多数电动车，都采用固定速比的单级减速器取代传统的变速箱。这种轮边减速器通常被称为Wheel Reducer，区别于过去的gearbox、transmission。其主要作用，是降低转速并放大扭矩，使电机输出的动力曲线(有的电机直接转速上万)能满足正常行车的动力需求(低速有力，驾乘平稳)。

　　按照内部齿轮的结构形式，轮边减速器大抵可以分成普通的圆柱齿轮系和行星齿轮系两种，这二者的主要区别如下图(图1.4、1.5)所示。

　　图1.4 普通一级圆柱齿轮减速器 图1.5 行星齿轮减速器

　　这两种方案，在实际工程中都已经有了成功案例，例如以奥地利斯太尔-普赫公司的哈弗林格(Haflinger)、平茨高尔(Pinzgauer)，以及奔驰的乌尼莫克(Unimog)为代表的传奇越野利器所采用的门桥式车轴，就使用了圆柱齿轮式的轮边减速器(当然这类门桥减速器的主要目的是为了提高离地间隙)。

　　图1.6 平茨高尔(左) 图1.7 乌尼莫克(右)

　　而捷克的太脱拉111R，法国索玛的MTP自卸车等都采用行星齿轮作为轮边减速机构。

　　在电动车领域，则要数日本Keio University研发的八轮轮边电驱动车“KAZ”最为成功，为使电动机的转速区间符合实际行驶的需求，它的电动轮模组配备了一套速比约为4.59的行星齿轮减速机。

　　1.3 国内外发展现状

　　二十世纪中叶，美国科学家罗博特发明了汽车电动轮毂。将电机、减速器与制动装置融为一体。1968年，通用电气公司首次在露天矿场中运输土方的大型自卸工程车上使用了这套装置，并把它起名为“电动轮”。这是第一次成功地在量产车辆上采用电动轮的结构。但由于电机等相关领域发展相对滞后，这种曾经新颖的结构逐渐被取代，遗忘。

　　随着近年来国际环保呼声的提高，一度没落的电动车(曾经爱迪生时代蓄电池车便一度普及)又再次兴起，轮毂电机重新成为许多厂商关注的焦点。这种驱动系统的布置相当灵活，由于电机被直接安装在汽车轮毂内部，传统汽车所必备的变速箱、分动箱、离合器、差速器、传动轴等都被省略，整车结构得以简化，因此大大提高了能量转换效率。同时，借助先进的ESC行车电脑，可以很轻松地对每个车轮的精确控制，实现电子差速、锁止、正反转。

　　因此无论从重量、体积，还是性能来看，电动轮比之传统动力形式都有不可比拟的优势。这也使得电动轮系驱动成为新能源汽车发展的一个独特方向。

　　而轮边减速器，作为轮边驱动的重要组成部分，其实在传统汽车领域的应用也并不罕见。例如美国著名的悍威军车(Hummvee，悍马Hummer是其民用版，如图1.8)，为了增加车辆的底盘离地间隙，改善在战场中恶劣的路面条件下的通过性，提高其极限越野能力，便采用了门式车桥(如图1.9)的轮边减速器。这种车身结构，能够使前后轴的高度远高于轮轴中心的高度。避免车桥被石块等障碍卡住。

　　图1.8 悍威军车 图1.9门式车桥结构

　　此外，这套在动力输出终端增设的减速机构，还能把变速箱传递过来的扭矩进一步放大之后再传给车轮，提供更大的驱动力，降低变速箱负载，保证车辆在极端条件下的越野能力。

　　而在新能源汽车领域，由于四轮独立电动方案的应用，轮边减速也越来越多地进入到人们的视野。如之前提到的美国人罗博特所发明的“电动轮”，所采用的减速机构，其本质上也属于轮边减速器的范畴。

　　日本Keio University也为他们研发的八轮轮边驱动电车KAZ装配了一套速比为4.588的行星轮减速器。

　　图1.8 日本KAZ八轮电车

　　相比于西方一些传统的工业强国，如德国、美国、日本、奥地利、原苏联国家等，我国在这一领域的研究就远远落后了。虽说，轮边驱动模式在中国应用得并不算晚。然而直到上个世纪六七十年代，我国才开始自行探索这一领域的技术。

　　改革开放之后，我国与国外先进技术的交往日益频繁，技术水平也得以飞速提高，经过30多年的不断消化、创新，不论是理论还是应用方面，都取得了长足的进步，成果斐然，但相比西方，仍有着较大的进步空间。

　　正因为轮边减速器具有上述的优点，所以非常的适合作为四轮独立电机驱动型汽车的减速机构。而国内的很多既有方案，都有或这或那的不足，本文正是针对轮边减速器的这些方面进行改进研究的。

　　1.4 本文研究思路与内容

　　本文希望设计一台能应用于日常用小微型代步车辆的减速机构，满足一定的速度需求，能灵活地穿梭于街头巷尾。

　　在对轮边电车减速机构的设计中，将结合整车性能要求，考虑与减速模块相适应的制动、悬架、电机等元件的设计与布局问题。参考其他已有的轮边减速机构的优缺点，对轮边驱动汽车的减速器进行研究和设计。

　　第二章 轮边减速器设计

　　2.1 类型与选择

　　电动轮中的车轮、电机和减速装置之间的结构组合方式大致有如下两类：

　　1.电机与单级减速器整合，减速器输出轴经传动轴驱动车轮。这种方案可借助万向联轴器，将半轴倾斜，可将电机置于车架之上，使减速器及电机的质量全部或绝大部分被弹簧所承载，以此来减小簧下部分质量，改善行车稳定性和操纵响应性。

　　2.电机和单级减速器同轴加工成一体，并在其中安装卡钳，轴承等零件。轮胎则直接固定于减速器的输出端。这种结构，既能腾出较大且规整的车内空间，又能较好地平衡簧下跟簧载质量之间的冲突。且能够提供较大的减速比，以此来减小对电机转矩特性的依赖(可采用更小体积的电机)，而其从电机到轮端的动力损失也相对较少，传力直接。这种结构目前的应用颇为广泛。

　　由于本文要研究的并非高性能的超跑、豪华房车，而是结构简单，成本低廉，相对速度也不算太高的微型电动汽车，对于性能的要求并非主要着力点。故而，结合此二者方案之优劣，尤其是考虑到微型电车着重空间利用率的使用特点，本文决定采用后者。

　　2.2传动方案

　　在确定轮边减速器的结构方案前，应首先分析它需要满足哪些要求?鉴于其民用小型电动汽车的定位，可知其大致的性能诉求和车身布局，进而可以据此推出，其应满足如下几条设计要求：

　　要求具有合适的传动比、重量和主要尺寸。以及其他相关参数

　　(1.)要求轮边减速器能做到轻量化、结构紧凑、并方便维修、安全性高、可靠耐用，以及造型规整等。

　　(2.)要求零件的布局合理，不会同刹车碟和卡钳、悬架、减震弹簧、转向拉杆、防倾杆等造成干涉，方便配套零部件的调试组装。

　　(3.)运行平稳，具有相当的抗震和抗冲击能力。同时保证良好的防水、防尘、冷却性能。

　　在常见的传动结构中，可用作减速传动的形式大致有：齿轮传动、带传动、链传动、蜗轮蜗杆传动、液力传动，以及其他一些比较少见的特殊机构等。

　　由于蜗轮蜗杆传动的方向是一个直角，且摩擦剧烈发热量高，这对空间相对拮据的轮胎内侧是水土不服的。

　　从传动效果上讲，液力耦合器能够实现轮边减速及扭矩放大的功能(这等同于AT自动档车型变速箱的液力变矩器)，并且通过调节液流还能实现无级变速，但问题在于，液力传动系统，需要复杂的供油、冷却、控制阀和操作系统，此外还有密封上的压力。尤其是在主能量源为电池的情况下，要实现更要难于传统的内燃机系统甚多。

　　而齿轮传动则具备可靠性高、传力直接、效率高、占用空间小等优势，而成为轮边减速器的理想选择，而它实现的技术难度也低于液力方案。

　　如前文所言，齿轮传动用于轮边减速机构，已经有了相当长的历史。其中，由一对圆柱齿轮副组成的轮边减速器，可以调节车辆底盘的离地间隙。例如某些公交车，将减速器的主动轮置于从动轮下方，可以有效降低车辆重心和车厢内地板的高度，提升行驶稳定性，方便乘客上下进出。而越野车则反之，将主动轮置于从动轮上方，提升底盘高度和通过性。

　　作为最普遍、广泛存在的结构，圆柱齿轮减速机的结构简单，精细组件相对较少，装卸维修都非常容易。但如果作为家用车，其不足也是显而易见的。为了保证足够的传动比，主动齿轮的直径不可能太小，这么一来，整个轮边减速器的体积和尺寸就变得很大。如果主动轮在上，则会抬高整车重心，不利于行车稳定性。而反过来，就会令底盘过低，通过性又成为掣肘之患。这些显然不是我们希望看到的。

　　而换一种思路，齿轮传动的另一种形式——行星齿轮传动。则可以很方便的满足之前所述的设计要求。

　　因为其主要特点有：

　　同等条件下，体积较小、重量较轻、结构相对紧凑。行星齿轮传动由于采用内啮合模式，具有动轴线的运动特性，且各中心轮呈共轴式传动。因而使它的结构能压缩得十分紧凑。并且，由于传动的负荷被几个行星轮均匀地分担，可使单个齿轮承担的载荷较小，得益于此，齿轮模数亦可以相应减小。配合内齿圈本身的内部啮合结构，可以极大的缩小外廓尺寸，减轻重量并令结构紧凑，而承载能力却相当大。一般来说，在达到同等效果的条件下，行星式齿轮传动的尺寸和重量，只相当于普通直齿圆柱齿轮传动的六分之一到一半。

　　传动比大。只要传动类型和配齿方案适当。便可通过少而小的几个齿轮得到较大的传动比。另外，即便是在维持很大传动比的情况下，它依然拥有上述轻量化、小型化的优点。

　　传动效率高。行星架具有的中心对称性(数个行星轮均匀地围绕中央分布)，使得作用于中心轮的压力得以相互平衡，降低了轴承的负担。由于传动级数的减少，也提高了传动效率，降低传动过程中的损耗。在齿比、布局合理的情况下，它的传动效率可以高达97%-99%。

　　运行平稳，能抵抗一定程度的振动与冲击。由于多个行星轮均匀分布于中心轮周围，从而使来自个方向的惯性力相互平衡。并且由于参与啮合的齿数较多，更多的接触点，可以分散冲击，令传动平稳，抗震能力明显强于普通齿轮。

　　虽然行星齿轮传动的结构相对复杂，对材料和制造装配的需求都比较苛刻。但随着技术的不断完善以及应用范围的扩大，其生产工艺和可靠性也将不断提高。因此它的普及并不是难点。

　　综上所述，无论是从实现的传动效果来看，还是从装配加工的工艺性来看，以行星齿轮减速器作为轮边减速机构的方案，都是具有较强可行性的。

　　2.3 行星齿轮传动的种类

　　行星齿轮的传动类型五花八门，分类方式也各异。当前我们国内大抵遵循前苏联的命名习惯。按行星齿轮机构的基本构件进行分类。将中心轮的代号设为K，转臂为H，输出轴为V。则大致可分为2K-H、3K和K-H-V三种类型。此外，还有在它们基础上衍生而来的组合方式，这个姑且不提。

　　在其中，2K-H结构具有外形尺寸紧凑、轻便、传动效率高等优点，并且制造简单，便于装配。虽然相对来说不如3K及K-H-V型的传动比大，但考虑到尺寸重量和制造成本等因素，还是决定采用2K-H行星齿轮作为轮边减速器的传动形式。

　　再具体到2K-H型中不同子方案的优缺点，在此设计中决定使用2K-H(A)型机构(即NGW)。因为NGW行星齿轮除了具备上述2K-H行星齿轮传动的优点之外，还拥有不受传动比和使用功率的限制等突出特点。

　　所谓的2K-H负号机构，是指当转臂固定时，行星齿轮的外齿圈和中心轮转向相反，或表示为此时的传动比iH<0。

　　在小型电车上，由于空间不足，因此空间对于减速机构的设计而言是主要的限制因素，尤其需要紧凑的结构。也正因为如此，在设计中选择了单排圆柱行星齿轮作为减速器形式。

　　单排圆柱行星齿轮减速机大体有如下三种类型。划分依据主要来自整体结构中的主动件、从动件和固定件的不同。

　　图2.1 单排圆柱行星齿轮减速机构方案简图

　　1.中心轮;2.齿圈;3.转臂;4.行星轮;5.半轴;6.桥壳;7.驱动车轮。

以上三种传动方案都可达到减速效果。但为了发挥轮边驱动系统的优势，降低对驱动电机性能的要求，并充分利用电机性能。故而减速器的速比不宜太低，综合考虑四台电机的体积、重量、扭矩、转速，以及与车辆行驶特性的关系。则将减速比的范围缩小到=4-6左右，是比较合理的。在满足日常行驶的前提下也比较容易找到合适的驱动电机。

　　从减速比分析不同类型圆柱单排齿轮传动能否满足需求。行星齿轮的传动比与普通齿轮机构相同，是指该轮系中输入端的转速与输出端的转速之比值。分析行星轮系之传动比时，不仅须考虑其数值大小，还要考虑输入端与输入端，二者之间的转向关系(同向或是反向)。

　　对于定轴轮系(由普通圆柱齿轮副构成)，其速比即输入齿轮跟输出齿轮的转速比值。且又等于各组相互啮合齿轮中，所有从动齿轮齿数乘积与所有主动齿轮齿数乘积之比，其公式如下：

　　式中：

、为定轴轮系中输入同输出两端之角速度，rad/s;

、为定轴轮系中输入同输出两端之转速，r/min;

　　M为定轴轮系中有几对外啮合齿轮。

由上式可以看出，若值是正的，则代表输出轮B同输入轮A之回转方向一致;若值为负，则输出轮B同输入轮A便转向相反。

　　行星传动机构运动学的研究方向，即根据已知的传动比求各齿轮参数，或通过传动方案的简图来计算基本构件的转速以及传动比。在本次设计中，传动比的设置考虑已经考虑了以下因素：电动车辆的行驶状况，轮边电机的参数特性，行星齿轮机构的配齿原理，以及轻量化和小型化等。

　　关于行星齿轮传动比的计算方式通常有两类。一是图解法，由矢量法和速度图解等组成;二是由固定转臂法同力矩法等组成的综合分析。本文中采用相对比较方便的后者。

固定转臂法又称相对速度法或转化机构法。其特点是根据相对运动原理，若给整个机构施加一个与转臂角速度()等大反向的公共角速度(-)，则星星机构中各构件间相对运动关系维持不变，但原本以角速度运动的转臂变成不动件。如此，该行星轮系便等价于定轴轮系。此方法之关键在于，根据相对运动原理，将原本以运动的转臂H静止，变成固定件。

若设中心轮为a，转臂为H，内齿圈为b，行星轮为g，为a相对H的角速度与b相对于H的角速度之比，即：

。

　　对NGW型传动的相对传动比：

　　其中P为b与a的齿数比，即：

，一般取P=2~8。

同理 。

　　上述两式相加，可得：

。

故，当内齿圈固定，即=0， 中心轮为输入端，转臂为输出端时，由公式，可得型行星传动的传动比为：

。

同理，当转臂固定(=0，a输入，b输出)时，可得行星传动的速比为：。

当中心轮固定(，b输入，H输出)时，型行星传动的传动比。

考虑到轮边电机的输出功率、转速转矩等参数与车辆行驶特性间的关系，暂且将轮边减速器的速比设为=5。

对于单排圆柱行星齿轮减速器之结构三，其传动比如所示，因为NGW型行星齿轮结构的特征参数P一般取2至8。因此传动比=1.125-1.5。此传动比过小，对轮边电机的功率，尤其是扭矩要求甚高。这就导致了轮边电机所需要提供的转矩变化范围必须有很大的区间，才能满足车辆在日常行驶的不同工况下对动力的诉求。而这无疑会极大的增加成本和技术难度，对于一台以民用为主的小型电动汽车来说，显然是不合理的。既然减速器因速比过小而起不到足够的减速效果，那么结构三显然第一个被抛弃了。

而对于结构一和结构二，单从传动比这个要素来看，二者都可列入选择范围。但方案二的传动比是方案一的传动比的倍。更大的传动比对轮边电机的性能可以有更大的容忍余地。

　　在条件允许的范围内，选择电机时应倾向于选择转速额定较高的型号。

　　这是由于在电机之额定功率维持不变的情况下，若选择额定转速较高的型号，则体积反而缩小，铜线与磁体减少也会减轻重量，且效率还会更高一些。由于汽车车轮的末端转速一般较低，有较大的减速比作为前提，不但可以选用高转速的电机;同时也能收缩电机的转矩变化幅度，从而降低对电机性能的需求压力。

　　上面所述，仅仅是传动比方面的比较，笔者在研究过程当中，也曾以结构一作为备选方案而进行设计尝试:采用行星架固定，中心轮输入，内齿圈输出的行星齿轮传动模式。

　　把电机外壳与行星架整合到一块，电机输出轴经由花键连接中心轮，内齿圈和刹车盘则通过螺栓联结轮毂，其截面如下图所示。

　　图2.2 轮边减速器结构方案一

　　此结构的优点在于：

　　(1.)传动比适中。按车辆行驶的基本参数和要求，这种结构具有传动比i=4，对于小型电动汽车来说是比较合适的。

　　(2.)节省空间。它的结构并不复杂，故而充分利用了车轮内侧的空间，这对于悬架系统和电机的布置有正面作用。

　　(3.)重量轻。省去独立的减速器桥壳之后，零件个数大为减少，同时减轻了重量，对于整体轻量化有一定的助益。

　　但不足之处同样很明显：

　　(1.)轮圈需要特别定制。由于轮圈与内部结构的特殊连接方式，需要作为专用零件定做，这显然不符合轮圈易损件的定位，一旦损坏，车主很难更换，成本更加高昂。

　　(2.)对轮毂、轮辐的强度、刚度要求甚高。由于轮圈内部零件众多、结构复杂，为了容纳它们，则轮圈的宽度就要做得很宽。而固定的转臂又通过轴承与轮辐连接，这么一来，对轮辐与轮圈的强度刚度的要求就比较高了。

　　(3.)由于轮圈内存在传动机构，密封防水问题就比较棘手。假若将车轮部分密封，则散热又成了问题，这也会进一步增加结构的复杂程度，并不可取。

　　而结构二，在满足减速要求的同时，支承状况较之结构一要更为合理。轮辐通过轴承，连接在减速器的桥壳上，将卡钳和悬架的支点置于行星减速器桥壳之上。这种方式可简化结构。

　　通过上述对比，可以得出结论：结构二比起结构一更加优越。即内齿圈固定，以中心轮为主动件，行星轮为从动件的方案。