轻型电动物流运输车两速行星齿轮变速器设计毕业论文
2020-02-17 10:59:14
摘 要
本文基于行星齿轮机构及汽车理论相关知识，针对东风EV350这款纯电动物流运输车车型，在不改变整车参数的条件下完成了一款两速行星齿轮变速器的设计，具有一定现实意义。
全文首先根据总布置及动力系统参数的要求，确定变速器整体的设计方案。随后结合机械设计及其标准件相关规定，进行行星齿轮传动机构、执行机构及壳体的选型及设计计算。在完成结构设计的基础上对变速器中所选取的轴承进行寿命计算。最后运用CATIA进行了三维建模，并完成装配图及关键零件图的绘制。
本设计的特色在于尝试采取一体化齿圈将换挡执行机构的主动部分与内齿圈练成一体。
关键词：两速行星齿轮变速器；轻型纯电动物流车；结构设计
Abstract
Based on the theory of planetary gear mechanism and vehicle, this paper completed the design of a two-speed planetary gear transmission without changing the parameters of the EV model of DFM EV350.This design has certain practical significance.
According to the requirements of general layout and power system parameters, firstly,the overall design scheme of transmission is determined.Then based on the considerations of mechanical design，the selection and calculation of planetary gear transmission mechanism, actuator and housing are finished.With the basis of the structural design, the life of the selected bearing in the transmission is calculated.Finally,the design of the transmission finish its 3D model building with the use of CATIA, and completed the drawing of assembly and the key parts .
The feature of this design is to try to adopt an integrated gear ring to form a whole with the active part of the gear shifting actuator and the inner gear ring.
Key Words：Two speed planetary gear transmission；light electric cargo van；structure design
目 录
目 录 I
第1章 绪论 1
1.1背景与意义 1
1.2国内外研究综述 1
1.2.1自动变速器的研究 1
1.2.2变速器应用于纯电动汽车的研究 2
1.3设计内容 3
第2章 整体设计方案的选定 4
2.1车型及参数的确定 4
2.1.1车型及其配置参数 4
2.1.2车辆基本参数的计算 4
2.2变速器传动比的确定 5
2.2.1一档传动比范围 5
2.2.2二档传动比范围 6
2.2.3两档传动比的确定 7
2.3变速器的初步设计 8
2.3.1变速速器结构选择 8
2.3.2行星齿轮变速器结构的确定 8
第3章 变速器传动机构的设计计算 12
3.1齿轮基本参数的计算 12
3.1.1螺旋角及旋向的确定 12
3.1.2压力角αn,αt 的确定 12
3.1.3行星轮数CS的确定 12
3.1.4齿数的选择 12
3.1.5齿轮材料的选择 12
3.1.6模数mn的计算 13
3.1.7齿轮几何尺寸的计算： 14
3.1.8齿轮精度等级的选择 14
3.2齿轮强度的校核 15
3.2.1 A-C传动的接触强度校核 15
3.2.2 C-B传动的接触强度校核 17
3.2.3 C-B传动的弯曲强度校核 18
3.3结构设计 19
第4章 变速器执行机构的设计 21
4.1摩擦片与钢片的设计 21
4.1.1摩擦片与钢片有限接触区域大径D与小径d的确定 21
4.1.2制动器与离合器中摩擦副数量的确定 23
4.1.3摩擦片与钢片力的计算及接触压强校核 23
4.2回位弹簧的设计 24
4.3 O型密封圈的选择 25
第5章 变速器壳体的设计 27
第6章 轴的设计及轴承的选用与寿命计算 29
6.1轴的设计与校核 29
6.1.1轴的设计 29
6.1.2轴的校核 30
6.2轴承寿命计算 32
6.2.1轴承的选取与疲劳曲线的绘制 32
6.2.2轴承载荷分析 33
6.2.3寿命计算 35
结 论 38
参考文献 39
致 谢 41
附录A 相关零件的三维建模 42
第1章 绪论
1.1背景与意义
解决能源危机和环境危害是现在汽车领域需要面对的巨大难题。纯电动汽车相比于传统汽车有着零排放、噪声小、污染小的优势，是这问题的一个有效解决方式，大力发展电动汽车是未来发展的重要路线。
在货运物流上，高效运输和清洁环境同样是一个急需调和的问题。随着法规变严，传统车难以符合相关法规要求，而混合动力、电动等轻型货运车辆给城市货运带来了新的解决方案。以零售商、服务供应商和商人等为用户群体的轻型物流运输车具有行走路线稳定、行走里程不多的特点。因此，将纯电动与轻型商用车结合在一起，可以实现零排放，且充电上的问题容易解决，在推广上比电动乘用车更有意义[1]。
相比于过去主要集中在电池及其管理策略和驱动控制上的电动车性能优化，现在已经有越来越多的研究表明两速变速器的应用可以提高电动车整车性能。因此，两速变速器逐渐成为纯电动汽车应用与发展的趋势。
1.2国内外研究综述
1.2.1自动变速器的研究
广义的自动变速器包括基于传统液力变矩器和行星齿轮机构的传统自动变速器（Automatic Transmissions，AT）、基于手动变速器的（Automatic Mechanical Transmissions，AMT）、无级变速器（Continuously Variable Transmissions，CVT）、双离合变速器DCT以及中间轴式自动变速器AT。
关于AT国外的研究状况，早在1906年Didier发明了第一款两速行星齿轮机构的两速变速器；1925年Rieseler第一款采用液力变矩器和行星齿轮机构的AT问世。目前，超过9档的AT开始广泛应用，比如2017年福特和通用联合推出的横置9速AT开始搭载在两者旗下大部分中端车上，2017年本田量产10速AT正式推出并搭载在旗下奥德赛和新一代雅阁等车辆上。
AT在我国起步晚，发展较缓慢，且大部分主要是外资或合资企业以技术许可的形式对国外开发的成熟产品进行本土生产。但在近些年，AT的研发设计生产也达到一个小高潮。2008年哈尔滨东安动力引进日本三菱的4AT和5AT自动变速器技术。同年9月华泰引进德国ZF的4AT和6AT技术。2017年浙江万里扬与德国吉孚合作推出6AT变速箱样机[2]。
近些年来，AT往紧凑轻量化、多档位化等方向发展。
1.2.2变速器应用于纯电动汽车的研究
目前大部分纯电动汽车仍配置的是单速减速箱，但越来越多的研究开始关注多速变速箱的应用对电动汽车性能提高的作用。
在国外的研究中，关于纯电动汽车是否应该使用多档变速器、其多档变速器对汽车性能的影响、纯电动汽车配备多少档位的变速器合适等问题已有不少的成果。Aldo Sorniotti 等通过不同的换挡布局比较试验，表明采用双速变速箱系统比采用单速减速箱系统具有明显的优势，而连续变速变速箱的典型低效率特性并不能降低车辆能耗[3]。T.Hofman等人，对汽车变速器参数对纯电动汽车的影响进行研究进一步指出主减速器的传动比对纯电动汽车也有影响。主减速器的传动比越高，能耗越高[4]。Zhou Xingxing、Walker P.D.的研究团队通过实验分析表明，电动汽车使用多档变速器带来的性能改善不如发动机驱动的汽车明显，纯电动汽车只有应用两到三个传动比才能提高性能[5]。随后，该研究团队将换挡策略与齿轮传动比的优化结合在一起进行研究，从经济性角度上风险配备双速变速器的电动汽车综合性能优于只配备单速减速器的汽车[6]。Fang Y等人Simulink模型上对两速、三速和四速变速箱的应用后电动汽车效率和性能进行比较，表明档位数增加可使电机所需转矩和转速减小，并提高效率。然而，效率提高幅度取决于行驶路线，一昧增加档位数只会增加成本[7]。在此基础上，国外也有不少就两速行星齿轮变速器的设计。Shin J W等人采取典型的辛普森式结构设计了以多片式离合器作为执行机构的一款两速行星齿轮变速器，随后进行了变速器的加工，对此进行振动、噪声及功率传递效率等一系列必需实验，证明该变速器满足使用要求[8]。
关于国内的研究，李宏标指出行星齿轮变速器传动效率高，运动平稳、抗冲击和振动的能力较强，且可大大减少空间占有率，更有市场优势车[9]。刘俊杰针对一传统微型车用的手动挡五速变速器，保留整车参数不变的条件下完成了一款用于电动汽车上能实现自动换挡的四挡AMT自动变速器的设计[10]。在越来越多研究表明纯电动汽车应用两速变速器对提高汽车性能和经济性有积极意义的背景下，国内亦有不少关于这方面的研究。在纯电动汽车技术不断走向成熟时，为了使开发过程汽车各项性能提升，岳明对比了单减速器和两速变速器的性能差别，表明两速变速器能提高续航里程[11]。周飞鲲以两档变速器作为变速器匹配原则，根据整车参数完成了纯电动汽车动力系统的参数匹配工作，利用全局优化的方法进行优化，并对整车控制策略进行了研究与开发。关于两速变速器传动比的确定，其中给出了较为系统的计算方法[12]。李中兴等人在某款单档减速器纯电动汽车上将变速器两个档位的引入作为优化目标，进行了动力性仿真。结果表明这种优化设计在降电机体积重量，的同时，有效提升了汽车的动力性[13]。何李婷等人基于行星齿轮系理论，拟定出一款两档电动汽车用2K-H行星齿轮变速器设计方案，其中执行机构中离合器用于连接输入轴和行星轮架，制动器用于制动齿圈[14]。尹鹏飞，以江淮汽车公司的一款纯电动乘用车作为参考，进行了两档自动变速器的结果分析和仿真分析。该两档自动变速器采用单排2Z-X（A）型行星齿轮结构[15]。刘政根据汽车行驶性能要求进行了行星齿轮机构两挡自动变速器的总体结构设计与三维建模。与传统设计不同的是，该款行星齿轮变速器的执行机构创新性的使用了蜗轮蜗杆式自动换挡机构，以此进行自动换挡[16]。黄旭设计了一款双联行星排结构的两档变速器，通过一锁止块带动带式制动器松紧完成直接档和高速挡的切换。此外，设计中还进行了主减速器、带式制动器及壳体等关键零部件的设计工作。最后还完成了壳体的轻量化优化[17]。
1.3设计内容
上文关于轻型纯电动物流车应用变速器的前景和相关研究现状的介绍与分析可以看出，电动汽车应用两速变速器已经成为提高整车性能的有效方案。对轻型物流车用的两速行星齿轮变速器的设计有一定的现实意义。本设计研究内容主要包括：
（1）分析各种形式的自动变速器，探讨采用行星齿轮变速器的合理性。
（2）对两速行星齿轮变速器的整体方案进行设计，进行各机构详细参数确定及结构的选择。
（3）根据设计结果对选用的轴及轴承进行校核计算。
（4）建立三维模型，完成重要零件及反映装配关系的图纸绘制。
第2章 整体设计方案的选定
2.1车型及参数的确定
2.1.1车型及其配置参数
GB9417-89规定，我国载货汽车按厂定最大总质量Ga，进行区分。Ga≤1.8t为微型货车，1.8t＜Ga≤6t为轻型货车，6t＜Ga≤14t为中型货车，14t＜Ga为重型货车。因此，电动轻型物流运输车可在Ga满足大于1.8t，小于等于6t的范围去找。东风EV350是一款电动厢式轻卡，Ga为4.495t。因此本次毕业设计选择东风EV350为设计行星齿轮变速器的车型。查阅相关资料，东风EV350纯电动厢式轻卡配置信息如表2.1所示：
表2.1 东风EV350配置参数
总质量（t） | 4.495 | 额定功率（kw） | 50 |
额定载量（t） | 1.2 | 峰值功率（kw） | 100 |
整备质量（t） | 3.1 | 额定转速 | 1000 |
车身长度（mm） | 5995 | 峰值转速 | 3500 |
车身宽度（mm） | 2240 | 额定扭矩（N·m） | 250 |
车身高度（mm） | 3090 | 峰值扭矩（N·m） | 460 |
最高车速(km/h) | 90 | 准乘人数（人） | 3 |
最大爬坡度 | 20% | 轮胎规格 | 7.00R16LT 8RP |
电机类型 | 永磁同步电机 | 轮胎数（个） | 6 |
2.1.2车辆基本参数的计算
车辆的主要参数主要包括滚动阻力系数f、空气阻力系数CD、迎风面积A、车轮滚动半径rr及整车总传动效率ηt。
滚动阻力系数f，在进行动力性分析时，可以用经验公式估算。参考《汽车理论》，通过式（2.1）良好道路轻型运输车的f估算为[18]：
f=0.0076 0.000056ua=0.0076 0.000056*90=0.01264≈0.013 （2.1）
式中：f-滚动阻力系数；
ua-为行驶车速（km/h）。
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