汽车电子差速器及其方法设计控制.doc

前 言提到电子差速器，首先要说到电动汽车，随着汽车工业的高速发展能源危机与环境污染等问题日趋显露，电动汽车和混合动力汽车的研发得到了广泛的重视。而电子差速作为电动汽车上应用的一项新技术，也得到了越来越多的关注和研究。差速器对于汽车的平稳行驶和转向都起着重要的作用，当车辆行驶在转弯路面或弯道时，为了达到转向的目的车辆转向时内外轮应当具有一定的速度差，即差速， 其目的是为了在车辆转向时使车轮线速度能与该车的轮心速度相协调，以避免因车轮拖滑或滑转而导致的功率循环不平衡或者汽车不能正常行驶的问题。当汽车转弯时，例如左转弯，圆心在左侧，在相同的时间内右侧车轮要比左侧车轮走过的轨迹要长，所以右侧车轮转的要更快一些。要达到这个效果，就得通过差速器来调节。传统的机械差速器由行星齿轮、行星轮架（差速器壳）、半轴齿轮等零件组成。发动机的动力经传动轴进入差速器，直接驱动行星轮架，再由行星轮带动左、右两条半轴，分别驱动左、右车轮。差速器的设计要求满足：（左半轴转速）+（右半轴转速）=2（行星轮架转速）。当汽车直行时，左、右车轮与行星轮架三者的转速相等处于平衡状态，而在汽车转弯时三者平衡状态被破坏，并通过半轴反映到半轴齿轮上，迫使行星齿轮产生自转，使外侧半轴转速加快，内侧半轴转速减慢，从而实现两边车轮转速的差异。电子差速器则不再需要机械差速齿轮，其差速功能主要由软件来完成。它是在建立模型分析的基础上，得出各驱动轮满足的速度关系，进而通过控制器，实施电子控制。电子差速器通过控制驱动电机的转速来实现对驱动轮转速的控制，使控制精确灵活的同时降低了机械传动损耗，因此在电动汽车上有广阔的应用前景。目前国内的电子差速器的产品还比较少，主要是理论研究，重点在于控制算法即电子差速控制策略的研究。目前的研究均建立在ACKERMANN JEANTAND 模型的基础上，采取的控制方法有模糊控制，神经网络控制，和自适应控制等，在建模和仿真实验中均达到了比较理想的效果。研究中也存在一些问题，主要是ACKERMANN JEANTAND 模型的局限性，该模型的分析是建立在比较理想的假设条件的基础上的，没有考虑轮胎的影响，忽略了轮胎转弯时的离心力，没有考虑已经发生滑移、滑转的运行状态，并且只进行了静态分析，因此这些理论成果距离到真车的应用还有一段距离。今后对于电子差速的研究应该着眼于，建立更加完善的控制模型，综合考虑各种实际因素，使控制更加合理化，更加智能化。同时应该合理选择控制器，使其充分发挥控制功能的同时，降低控制能本。本设计的主要内容包括了驱动电机的选择，减速机构的设计，硬件电路设计，和电子差速控制方法的研究。通过计算电动汽车运行所需的功率，进而查阅资料对各种电机进行对比，最终选择永磁无刷直流电机为驱动电机。由于电机的转速很高，扭矩比较小，为了使车轮获得足够大的扭矩，在电机和车轮之间设置了减速装置。该电子差速系统包括主控电路，电机驱动电路，信号反馈装置。文中对硬件电路的设计和电子差速控制方法都做了详细的阐述。为了完成该设计，查阅了大量的资料，也吸收了很多科学、前卫的观点，使本设计得到了完善。本设计中包含机械设计的内容，体现在减速装置的设计部分，在硬件电路的设计中也包含了很多电路，电力电子，单片机等电子方面的内容，很好地体现了机与电的结合。当然设计中也存在很多漏洞和不足，该设计是建立在真车的数据基础上，由于条件的不足和缺少仿真环节，不能够清楚的知道该差速控制的控制效果。所以殷切的希望各位老师对本设计的内容、结构及疏漏错误之处给予批评、指证。目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1为什么要发展电动汽车11.2电动汽车的发展简史21.3电子差速器在电动汽车上的应用3第2章 电子差速器整体结构论述32.1机械差速系统结构原理32.2电子差速器的设计原理4第3章 驱动电机的选择5 3.1电动汽车用电动机性能要求53.2 电动汽车驱动电机参数的选择63.3电动汽车驱动电机性能比较7 3.4蓄电池的选择8第4章 减速机构设计94.1传动比的计算94.2齿轮的设计104.2.1齿轮参数选择与设计104.2.2齿轮强度校核124.2.3校核齿根弯曲强度134.3轴的设计144.3.1选择轴的材料和热处理方式144.3.2最小轴径估算154.3.3轴结构设计154.3.4轴的强度校核164.4联轴器的选择194.5齿轮的润滑194.6轴承键的选择19第5章 硬件电路设计205.1控制器芯片介绍205.1.1 89C51单片机芯片内部逻辑结构介绍205.1.2 89C51单片机引脚排列及功能225.1.3时钟电路的设计235.1.4复位电路的设计245.2 驱动电路的设计245.2.1驱动控制原理图255.3传感器的选择和测速原理265.3.1霍尔传感器的工作原理275.3.2霍尔传感器的测速原理275.3.3编码器的工作原理285.3.4编码器的测速原理285.3.5程序设计29第6章 电子差速控制方法研究296.1电子差速模型分析296.2 电子差速实现方式316.2.1四轮转速协调控制316.2.2 加减速运行326.2.3 总体转向控制32结束语33 2009届机械电子工程专业毕业设计摘 要 以四轮独立驱动电动车的研究为背景，设计了一种基于89C51的电子差速控制系统。在分析了ACKERMANN 和JEANTAND模型以后，提出了控制方案，并画出了程序流程图和硬件电路的设计。本文包括减速机构设计、电子差速系统设计，本系统设计思路清晰，控制方法有效，为今后进一步开发电动汽车电子差速系统提供了依据。关键词：电动汽车,电子差速,控制方法,闭环反馈 ABSTRACTFor the background of the study of 4 wheel drive electric vehicles, we have designed a electrical differential system based on Single-chip 89C51.According to the ACKERMANN and JEANTAND model ,we Proposed control scheme , draw process flow chart and designed the hardware circuit. In this paper, including electronic differential system design and deceleration device design. The design Program of this system is clear and the control method is effective, which provided a basis for further development of electronic differential system.Keywords: Electric vehicles, Electronic differential, Control method,Closed-loop feedback45第1章 绪 论 人类为了生活和生产的需要，1886 年发明了汽车。随着科学技术的进步与经济的发展，汽车已成为人们日常生活中一刻也离不开的代步和运输工具。汽车工业杂当代世界经济活动中发挥了巨大的作用，是当今世界最大、最重要的工业部门之一，成为世界大多数国家的支柱产业。美国家工程院评选了 20 项 20 世纪最伟大的工程技术成就，第一项是“电气化”，第二项是“汽车”。汽车工业的发展给人们造就了许多就业机会，带来了财富，促进了经济的发展。汽车缩短了人们之间的距离，促进了旅游业的发展，带来了舒适和享受，改变了人们的生活方式，提高了人们的生活质量，汽车工业已经成为改变整个社会面貌的一个重要手段。同时汽车工业的发展所带来的对石油资源需求的急剧增加和对环境严重的负面影响日益引起了人们的关注。为了适应这个发展趋势，世界各国的政府、学术界、工业界正在加大对电动汽车开发投入的力度，加速电动汽车的商品化步伐。现在全球拥有汽车约 10 亿辆，其中 2 亿辆为商用汽车， 8 亿辆为私人轿车。目前，世界汽车的年生产能力近 6000 万辆，实际年产量约为 5000 万辆。汽车工业已成为美国、日本等工业发达国家国民经济的支柱产业，成为机械工业的核心工业。汽车工业是一个技术密集型产业，也是一个综合性工业。汽车工业的技术状况，在某种程度上代表了一个国家的工业发展生平。1.1为什么要发展电动汽车随着汽车工业的迅猛发展，特别是进入新世纪以来，汽车在给我们带来诸多便利的同时，也产生了许多问题。2000年我国进口石油7000万吨，预计2005年后将超过一亿吨，相当于科威特一年的总产量。目前世界上空气污染最严重的10个城市中7个在中国。根据国家环保中心预测2010年汽车尾气排放量将占空气污染源的64%。如果仍然采用传统的内燃机技术发展汽车工业将会给我国的能源安全与环境保护造成巨大的压力。有专家估算，在全球的石油消耗中，汽车约占50%，按现在日消费石油消费水平计算，到21世纪中叶，全球石油资源将枯竭，所以，从保护环境和节约能源出发，改进燃油汽车已经成为一个刻不容缓的课题。目前，美国、欧洲和日本的汽车公司，都在开发电动汽车。电动汽车集机电、化工各学科领域中的高新技术于一体，是汽车、电力拖动、功率电子、自动控制、化学电源、计算机、新能源、新材料等工程技术中最新成果的集成产物。电动汽车包括纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车。普通汽车被电动汽车所取代，是一种必然的发展趋势。电动汽车的优点有很多，比如对环境无污染，低噪声，热辐射少等优点，电动汽车最大的优点还在于，它的动力来源于电力系统，不仅可以是日益成熟的太阳能技术，还可以采用蓄电池形式。因此电动汽车不仅环保，而且可以利用各种形式的能源，完全迎合人类关于建设“绿色星球”的想法。最近，我国政府也提出2008年奥运会期间全部使用电动汽车的计划。因此我们研究电动汽车是很有必要的。1.2电动汽车的发展简史1834年，汤姆斯一种书桌制造了一辆电动三轮车，它由一组不可充电的干电池驱动，但只能行驶一小段的距离。四年之后 Roert 也制造了一辆用干电池驱动的汽车。1881年在法国巴黎街上出现了世界上第一辆以可充电电池为动力的电动汽车，它是法国工程师Gustave Trouve装配的以铅酸电池为动力的三轮车。1886年，Frank Sprague设计生产了有轨电车。从此，电动汽车变得流行起来，并且在车辆运输中起着重要的作用。在当时的美国，每年的销售量的4200辆汽车中有38%是电动汽车，22%是燃油汽车，40%是蒸汽汽车。那时电动汽车是金融巨头的代步工具及财富的象征，一辆电动汽车的价格相当于今天的一辆RollsRoyce。 19世纪末，许多美国、英国、法国的公司都开始生产电动汽车。最早的电动汽车制造厂是由M和S拥有的电动客车和货车公司。1986-1920年期间，Riker电动汽车公司生产了多种车型的电动汽车，其中1897年生产的Victoria是一种设计较好的车型。除了美国电动汽车制造厂外，英国的伦敦电动出租汽车公司1897年生产了15辆电动出租汽车 。而且法国的BGS公司在1899-1906年也生产了几种不同类型的商用型电动汽车，包括小汽车、货车、客车和豪华轿车。由于BGS专门为自己 的电动汽车设计制造 蓄电池，所以1900年之前，BGS的电动汽车一直保持着世界电动汽车行驶里程的最高记录，其续行驶里程约达290km。有趣的是第一辆时速超过100km的汽车是电动汽车。即“永不满足”，由一个名叫Camille Jenatzy 的比利时人驾驶，它是一辆子弹头式的电动赛车，在1899年5月创下速度为110km/h的记录。进入无马车的时代以后，电动汽车就进入了一个商业化的发展阶段，此时的电动汽车有辐条车轮、充气轮胎、舒适的弹簧椅和豪华的车内装饰。到1912年，美国有34000辆电动汽车注册。1899-1916年期间，B电气公司一直是美国最重要的电动汽车制造厂商之一。1901-1920年，英国伦敦电动汽车公司生产了后轮轮毂电动机式、后轮驱动、斜轮转向和充气轮胎的电动汽车1907-1938年期间，底特律电气公司生产的电动汽车不仅具有无噪声、清洁可靠的优势，而且最高时速达到40km/h。人们常说“一个人的敌人同时也是他的伙伴”，这句话用于描述电动汽车 的发展最为适合。因为电动机是电动汽车驱动的关键，同时它又帮助燃油汽车与电动汽车竞争对抗。1991年，K发明了汽车起动机，使得燃油汽车比依赖于方便驾驶的电动汽车更有吸引力，从此打破了电动汽车在市场的主导地位。到20 世纪30年代，电动汽车几乎消失。 20 世纪70年代的能源危机和石油短缺使电动汽车重新获得生机。但是石油的价格在20 世纪70 年代开始下跌，在电动汽车成为商业化产品发展起来之前，能源危机和石油短缺问题已不再严重。因而电动汽车的商业化失去了动力，电动汽车的发展显着变慢，开始走入低谷。20 世纪80 年代，由于人们日益关注空气质量问题和温室效应所产生的影响，电动汽车的发展再次获得生机。1.3电子差速器在电动汽车上的应用当车辆行驶在转弯路面或弯道时，为了达到转向的目的车辆转向时内外轮应当具有一定的速度差，即差速。其目的是为了在车辆转向时使车轮线速度能与该车的轮心速度相协调，以避免因车轮滑移或滑转而导致的功率循环不平衡或者汽车不能正常行驶的问题。电子差速(Electrical Differential，简称ED)是一种以电子控制方式使各驱动轮的行驶速度满足一定约束关系的差速方法完全采用电控方式控制各车轮的转速使其以不同速度转动，在转向的同时保证车轮不发生拖动或者滑移而是作纯滚动。该方法是实现其他复杂控制算法的基础，它直接影响到整车控制算法的实施质量。以分布式电子差速为代表的整车控制技术体现了电动汽车的控制灵活性，在安全性方面优于传统的内燃机汽车。电子差速完全摆脱了目前传统车辆主要从机械角度改进差速器的技术路线，其研究内涵相对于机械差速器有本质上的飞跃和进步 第2章 电子差速器整体结构论述2.1机械差速系统结构原理汽车在行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓汽车转向。就轮式汽车而言，实现汽车转向的方法是，驾驶员通过一套专设的机构，使汽车转向桥上的转向轮相对汽车纵轴线偏转一定角度。在汽车直线行驶时，往往转向轮也会受到路面侧向干扰力的作用，自动偏转而改变行驶方向。此时，驾驶员也可以利用这套机构使转向轮向相反方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向。用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，即称为汽车转向系。汽车行驶方向的改变是通过改变差动轮的偏转角来实现的。此外汽车在直线行驶时，差动轮也会受到路面的侧向干扰力，而自动偏转，改变行驶方向，驾驶员即可通过转向系来恢复汽车的行驶方向。汽车在转弯时，内侧与外侧车轮，在同一时间内所滚动的行程是不相等的。此外，即使汽车在作直线行驶，也往往会由于左右两侧车轮在同一时间内所滚动的路面起伏程度不同，或者左右车轮气压、轮胎负荷等因素引起车轮内外径不等，也会产生车轮行程不等。若两侧车轮行程不等，但采用一根整体式驱动车轮轴，会使某一驱动车轮产生滑移或滑转。其结果不仅会使轮胎过早磨损，而且消耗燃料，会使汽车的经济性变坏，转向沉重等弊端。为了消除这些弊病，普通汽车左右驱动轮之间都装有轮间差速系统。图2.1显示了典型的机械差速系统的结构，差速系统的行星齿轮绕各自的轴旋转，从而使两个半轴齿轮能以不同的转速旋转。 图2.1 机械差素系统结构图汽车转弯时车轮的轨迹是弧线，这时候处于圆弧内侧的轮子和处于外侧的轮子所走过的距离是不等的，这就需要用不同的转速来弥补这个的差异，它是通过一个行星齿轮机构来完成的。 因此机械差速器要求满足这样一个基本的等式：左半轴转速+右半轴转速=2 （行星轮架转速）。当汽车直行时，左、右车轮与行星轮架三者的转速相等处于平衡状态，而在汽车转弯时三者平衡状态被破坏，并通过半轴反映到半轴齿轮上，迫使行星齿轮产生自转，使外侧半轴转速加快，内侧半轴转速减慢，从而实现两边车轮转速的差异。2.2电子差速器的设计原理采用电子差速的方法，不再需要机械差速齿轮，其差速功能主要由软件完成。对四个驱动轮的转速进行精确地计算，再由电子差速控制器对四个驱动电机转速进行独立控制，使每个驱动轮都能独立提供驱动力，可以按需要独立分配功率，相互之间互不干涉1。图2.2为电子差速器设计原理图 图2.2 电子差速器设计原理图总体思路：该电子差速器系统包含四个驱动电机和一个转向电机，四个驱动电机分别驱动四个车轮，提供前进动力，转向电机提供转向动力。对于行进功能，控制器发出控制信号，通过驱动器转换、放大后驱动电机工作，电动机通过减速器进行减速增扭，从而获得足够的扭矩，驱动车轮转动。然后通过编码盘，检测到电机的转速，以此作为车速的反馈信号，输入回控制器。这样就建立了车速的闭环反馈系统。对于转向功能，同样由控制器发出控制信号后，经过驱动器转换、放大驱动转向电机动作，并通过电动机驱动蜗轮蜗杆式转向器，实现转向。编码盘通过检测电机的转过的角度，以此作为转向角的反馈信号，并反馈到控制器的输入端。这样就建立了转向角的闭环反馈系统。 第3章 驱动电机的选择3.1电动汽车用电动机性能要求电动车用驱动电机通常要求能够频繁启动停车、加速减速，低速和爬坡时要求高转矩，高速行驶时要求低转矩，并要求变速范围大。其主要参数包括：电动机类型、额定电压、机械特性、效率、尺寸参数、可靠性和成本等。另外为电动机所配置的电子控制系统和驱动系统也会影响驱动电动机的性能5。电动汽车对驱动电机的要求：1.高电压。在允许范围内尽量采用高电压，可减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸，特别是可降低逆变器的尺寸。2.高转速。高转速电动机体积小、质量轻，有利于降低电动汽车的整车整备质量。3较大的起动转矩和较大范围的调速性能。这样使电动汽车有良好的启动性能和加速性能。电动机有自动调速功能，因此可以减轻驾驶员的操纵强度，提高驾驶的舒适性，并且能达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制响应4.效率高、损耗少，并具有制动能量回收功能。电动汽车应具有最优化的能量利用，以在车载总能量不变的情况下最大限度的增加续驶里程，再生制动回收的能量一般可达到总能量的10-20，这是在内燃机汽车上不能实现的。5.可靠性好、耐温耐潮强及运行噪声低，结构简单、维修方便及价格便宜。3.2 电动汽车驱动电机参数的选择3.2.1电动机额定功率的选择电动机的额定功率若选小，电机常在过载下运行，因过热而损坏，不能承受冲击负载或起动困难。额定功率若选得过大，电机常在欠载下运行，其效率及功率因数变差，综合经济效益下降。正确选择电动机功率，应考虑电动汽车最高车速、爬坡、满载加速等性能要求6。从保证汽车预期的最高车速来初步选择电动机应有的功率 ，最高车速虽然只是汽车动力性能的一个指标，但它实质也反映了汽车的加速能力和爬坡能力，所选择的电动机功率应不小于汽车在良好路面上以最高车速行驶时的阻力功率之和，即 (3.1) 式中：为电动机额定功率，kw； 为固定速比传动系统的效率；为整车总重量，N；为滚动阻力系数；为最高车速，kmh；为空气阻力系数；为车辆迎风面积，m2 参考现有电动汽车参数取：，G=1.5x104N，f=0.015,Vmax=100,CD=0.30,A=2带入公式(3.1)，计算得Pe=14.1kw3.2.2电动机额定转速的选择额定功率相同的电动机，额定转速高时，其体积小、重量轻、价格低、效率和功率因数较高，且可减少实际运行中整车的机械损耗，也可为控制系统提供较大的调速范围。但在汽车的行驶速度一定时，额定转速越高，则传动速比大，有可能加大减速器的速比和尺寸。因此，电动机额定转速的选择应综合考虑以上因素。现根据常规车速确定电机额定转速，根据公式 （3.2）式中：电机额定转速，rmin；传动比；主减速比；常规车速，kmh；滚动车轮半径，m。根据现有电动汽车技术参数取：=1.333(固定速比)，=4.35，=50，=0.3m,带入(3.2)，得=2563 rmin 3.3电动汽车驱动电机性能比较 1直流电动机有刷直流电动机的主要优点是控制简单、技术成熟。具有交流电机不可比拟的优良控制特性。在早期开发的电动汽车上多采用直流电动机，即使到现在，还有一些电动汽车上仍使用直流电动机来驱动。但由于存在电刷和机械换向器，不但限制了电机过载能力与速度的进一步提高，而且如果长时间运行，势必要经常维护和更换电刷和换向器。另外，由于损耗存在于转子上，使得散热困难，限制了电机转矩质量比的进一步提高。鉴于直流电动机存在以上缺陷，在新研制的电动汽车上已基本不采用直流电动机。2交流三相感应电动机 交流三相感应电动机是应用得最广泛的电动机。其定子和转子采用硅钢片叠压而定子之间没有相互接触的滑环、换向器等部件。结构简单，运行可靠，经久耐用。交流感应电动机的功率覆盖面很宽广，转速达到1200015000r/min。可采用空气冷却或液体冷却方式，冷却自由度高。对环境的适应性好，井能够实现再生反馈制动。与同样功率的直流电动机相比较，效率较高，质量减轻一半左右，价格便宜，维修方便。3永磁无刷直流电动机永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有刷组成的机械接触结构。加之，它采用永磁体转子，没有励磁损耗：发热的电枢绕组又装在外面的定子上，散热容易，因此，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。此外，它的转速不受机械换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转运行。永磁无刷直流电动机机系统相比具有更高的能量密度和更高的效率，在电动汽车中有着很好的应用前景。通过系统地分析和比较后认为永磁无刷直流电动机综合性能超过其它电动机，有可能是当前电动汽车的最佳选择。综上该系统选用4个永磁无刷直流电动机作为驱动电机，其外观如图3.1所示：图3.1 永磁无刷直流电机外观图电机具体参数见表3.1。表3.1 永磁无刷直流电机参数型号额定电压额定功率额定转速效 率防护等级绝缘等级RYW0480336V96V4KW3000r/min91%IP54H级3.4蓄电池的选择 纯电动汽车的最大瓶颈是电池。电动汽车对电池的要求比较高，高比能、高比功率、快速充电和具有深度放电功能、循环和使用寿命长。铅酸电池作为比较成熟的技术，虽然其比能量、比功率和能量密度都比较低，但是高的性价比及高倍率放电，成为目前唯一能大批量生成的电动汽车用电池。镍镉电池和镍氢电池虽然性能好于铅酸电池，但是其性价比不高，含重金属，用完遗弃后对环境会造成严重污染。目前，越来越多的研究人员选用锂离子电池作为电动汽车的动力电池，因为锂离子动力电池有以下优点：工作电压高（是镍镉电池氢-镍电池的3倍）；比能量大（可达165WH/，是氢镍电池的3倍）；体积小；质量轻；循环寿命长；自放电率低；无记忆效应；无污染等。磷酸铁锂电池也是一种锂电池，其比能量不到钴酸锂电池的一半，但是其安全性高，循环次数能达到2000次，放电稳定，价格便宜，成为车用动力新的选择。表3.2各种车用电池的性能比较电池类型能量（Wh/kg）功率（W/kg）能量密度（Wh/L）循环寿命（次）铅酸电池3513090500镍镉电池5517094500镍氢电池802251431000锂离子电池1201803601200磷酸铁锂电池120902102000通过以上比较选择锂离子电池作为电动汽车的电源，额定电压12V，采用三组电池串联，来满足电动汽车的能量需求。 第4章 减速机构设计对于电机驱动控制系统，本设计采用驱动电机与减速器相连接，再带动车轮的方式，本章进行电机和车轮之间的减速器设计。4.1传动比的计算在第三章中已选择永磁直流无刷电机的额定转速为3000r/min,电动汽车的最高车速为100km/h,所以根据公式 (4.1)式中：为车轮转速； 为车速； 为滚动车轮半径已知 km/h, =0.3m,带入式(4.1)得=14.7r/s所以电机到车轮之间的传动比为=3.4,所以减速器设计为单极减速器，传动比取=4。根据额定功率和转速确定电机额定转矩 =25.5Nm由此可得车轮的转矩为:=102Nm4.2齿轮的设计4.2.1齿轮参数选择与设计圆柱齿轮传动的传递功率和速度适用范围大，功率可从小于千分之一瓦到10万千瓦，速度可从极低到 300米/秒。这种传动工作可靠，寿命长，传动效率高(可达0.99以上)，结构紧凑，运转维护简单。按轮齿与齿轮轴线的相对关系，圆柱齿轮传动可分为直齿圆柱齿轮传动斜齿圆柱齿轮传动和人字齿圆柱齿轮传动3种。按啮合形式可分为：外啮合齿轮传动，由两个相啮合的外齿轮组成，两轮转向相反；内啮合齿轮传动，由一个内齿轮和一个外齿轮组成，两轮转向相同11。为使设计加工简单，本设计采用直齿圆柱齿轮。1）选择齿轮材料及精度等级小齿轮选用40Cr调质，齿面硬度为270HBS。大齿轮选用45 钢，调质，齿面硬度195HBS；根据课本选7级精度。齿面精糙度Ra1.63.2m。由机械课本图919、图925查得 2）齿轮的中心距根据校核公式推导出的简化设计公式 (4.2)式中： 为中心距（mm）；K为载荷系数可取1.22.0；外啮合取正号，内啮合取负号，此处为外啮合所以取正号。齿数比： 取齿宽系数： ，载荷系数取，小齿轮转矩Nm由所选材料可得：故应以带入计算：取3）齿轮的模数按经验公式取模数取4）主要几何参数计算初选小齿轮齿数为：取=22大齿轮齿数为：精确计算小齿轮分度圆直径大齿轮分度圆直径小齿轮齿顶圆半径大齿轮齿顶圆半径5）齿宽计算小齿轮齿宽大齿轮齿宽4.2.2齿轮强度校核1）齿面接触疲劳许用应力应力循环次数由机械设计课本图920查得：，由表93及表94选齿轮精度为8-7-7GB10095-1988由图921得ZLRV=0.91由图923得ZX=1，取ZW=1由表98，失效概率低于1%，Shmin=1许用应力2）齿面接触疲劳应力切向力查表95使用系数查图9-6，动载系数查图9-7，齿间载分配系数按对称布置，查图9-8，并减小5%，=1查表9-7，弹性系数查图9-12，节点区域系数查图9-13，重合度系数和螺旋角系数=0.76齿面接触应力3）强度校核满足齿面接触疲劳强度要求。4.2.3校核齿根弯曲强度1）齿根弯曲疲劳许用应力取由图9-26，弯曲疲劳强度的寿命系数由表9-9，齿根圆角敏感系数 选择齿面粗糙度=6.3 取 由图9-27，弯曲疲劳强度的尺寸系数选择失效概率低于1/1000， 由表9-8，最小安全系数为： 许用应力： 2）齿根弯曲疲劳应力由图9-28，复合齿形系数=4.03，=3.93由图9-18，重合度系数和螺旋角系数=0.633）强度校核满足齿根弯曲疲劳强度要求。表4.1为齿轮参数表。表4.1 齿轮参数表齿轮齿数模数传动比分度圆直径齿顶圆直径大齿轮222444mm48mm小齿轮882176mm180mm4.3轴的设计4.3.1选择轴的材料和热处理方式由于减速器轴为一般用途轴，可选45钢，调质。 4.3.2最小轴径估算利用转矩强度法，根据 (4.3)1）对于小齿轮式中，C=126103（查表132）取C=120，带入式(4.3)，得最小轴径为经圆整，取最小轴径（即轴端直径）2）对于大齿轮式中取齿轮传动效率为，取C=120，带入式(5.3)，得到大齿轮的最小轴径为 4.3.3轴结构设计轴的结构设计主要有三项内容：各轴段径向尺寸的确定；各轴段轴向长度的确定；其他尺寸的确定。根据前面计算结果，可选圆柱滚子轴承。参数见表4.2。表4.2 齿轮参数表轴承代号 尺寸/mm基本额定负载/kN极限转速r/mindDBCr（动）Cor（静）脂润滑油润滑N205E25521527.526.81000014000N206E30621636.035.5850011000考虑到轴上零件的定位、固定及装拆，拟采用阶梯轴结构，选定轴承后，则可初步确定各段轴的直径。1） 小齿轮轴径向尺寸的确定根据所选轴承，此轴段（左轴颈）直径取为取，为与所选轴承搭配取，为了便于小齿轮的装拆，并不损伤轴径表面与小齿轮配合的轴段直径取为，小齿轮右侧采用轴肩定位，轴肩高度，故取，与左轴径一样，右支撑也选用圆柱滚子轴承N205E ，所以此轴段直径取 2） 小齿轮轴各轴段长度取，轴段3的长度略大于轴承宽度，轴段4的长度极为齿轮的宽度，轴肩的宽度取为，轴段6的长度略大于轴承宽度取为3） 大齿轮轴径向尺寸确定取值依据同上，取， ，4） 大齿轮各轴段长度的确定，5） 确定其他细节尺寸轴两端倒角尺寸可取为,轴肩过渡圆角半径取为1.5mm。4.3.4轴的强度校核1）计算小齿轮受力转矩齿轮切向力径向力：轴向力:2） 计算支反力和弯矩并校核水平面上C点弯矩: D点弯矩：水平面弯矩和受力图如上图：垂直面上支反力： C点弯矩： D点弯矩： 求合成弯矩 C点当量弯矩： D点当量弯矩： 所以, 考虑到键,所以实际直径为20,强度足够.如所选超凡直径和键连接等计算后寿命和强度均能满足,则该轴的结构设计无须修改.大齿轮轴的强度校核计算齿轮受力前面计算出:转矩齿轮切向力:径向力:轴向力: 计算支承反力及弯矩水平面上C点弯矩垂直面上 C点弯矩： 求合成弯矩 C点当量弯矩： 所以, 考虑到键,所以实际直径为26,强度足够.如所选超凡直径和键连接等计算后寿命和强度均能满足,则该轴的结构设计无须修改。轴的尺寸参数见表4.3。表4.3 轴段尺寸表名称轴段1轴段2轴段3轴段4轴段5轴段6小齿轮轴d202225303525l35212650820大齿轮轴D262830354030L402431447224.4联轴器的选择根据电机的工作条件和联轴器的载荷类别、转速等因素综合考虑，应选择选有弹性元件的挠性联轴器，以适应电动汽车冲击、振动、转矩变化较大的工况特点13。减速器的输入端扭矩为25.5Nm,输出端扭矩为102Nm，根据扭矩的大小和减速器输入、输出端转速的大小，查机械设计手册选用型号为ML1的联轴器与电动机相连，其公称转矩为45Nm， 轴孔直径24mm，轴孔长度为52mm。选用型号为ML4的联轴器与车轮相连，其公称转矩为140 Nm，轴孔直径为42mm，轴孔长度为112mm。4.5齿轮的润滑因为减速器的大齿轮的齿顶圆半径远大于小齿轮的齿顶圆半径，所以大齿轮采用浸油润滑的方式，小齿轮则采用飞溅润滑的方式。大齿轮浸入油液大约1个齿高，但不小于10mm。滚动轴承的润滑由于轴的转速低且受力较小，因此轴承采用飞溅润滑。4.6联接键的选择初步选择A型普通平键，取高速轴联接键公称尺寸为，低速轴联接键公称尺寸为。平键联接的主要失效形式是工作面的压溃，除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。设载荷为均匀分布，可得平键联接的挤压强度条件为：高速轴d=20mm,h=6mm,l=28mm,T=25.5Nm带入上式得低速轴d=26mm,h=7mm,l=32mm,T=102Nm带入上式得查表得知所以，键满足要求。第5章 硬件电路设计硬件电路由主控芯片，电机驱动电路，反馈电路三大部分组成，图5.1为电路原理图。图5.1 电路原理图5.1控制器芯片介绍电子差速的控制部分，采用我们比较熟悉和常用的单片机来实现，选择89C51作为主控芯片。5.1.1 89C51单片机芯片内部逻辑结构介绍89C51单片机是由中央处理器(CPU)、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、串行接口、并行I/O接口、定时/计数器、中断系统等几大单元，以及数据总线、地址总线和控制总线组成的12