張引航，龔慧，陳俊杰，薛榮生

（1.西南大學(xué)人工智能學(xué)院，重慶 400715；2.重慶幼兒師范高等?？茖W(xué)校，重慶 404047）

電動車綠色環(huán)保、零排放，屬于可持續(xù)能源消耗，世界各國爭先發(fā)展新能源電驅(qū)動系統(tǒng)。目前，電動兩輪車主流采用自適應(yīng)側(cè)掛式電驅(qū)動、一體式側(cè)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(cè)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(yōu)勢，但也有重心偏置平衡性差的缺點。傳統(tǒng)輪轂電機的優(yōu)勢在于可靠性高、成本低、技術(shù)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(tǒng)造成不可逆轉(zhuǎn)損害。

大量學(xué)者對電驅(qū)動系統(tǒng)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(qū)動的控制策略與軟、硬件設(shè)計方法，提高了換向和轉(zhuǎn)速控制精度，降低了控制成本。張將等在輪轂電機應(yīng)用研究中利用ADAMS仿真提出雙浮動行星齒輪內(nèi)外嚙合副的均載性能要明顯優(yōu)于其他浮動結(jié)構(gòu)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(shù)和槽開口寬度對齒槽轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)矩平均值和轉(zhuǎn)矩脈動的影響。因此，本文提出一種中央驅(qū)動減速輪轂電驅(qū)動系統(tǒng)（以下簡稱“中央驅(qū)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(xiàn)有技術(shù)提高功率密度、爬坡起動性能、操控性，且成本可控。該系統(tǒng)對于電動車技術(shù)研究發(fā)展很有必要。

1 基本參數(shù)

本文提出的中央驅(qū)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(cè)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(yīng)用于一款立馬牌電動摩托車，其整車性能參數(shù)見表1。

表1 整車性能參數(shù)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(shù)，見表2和表3。超載安全系數(shù)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(xué)計算，其計算結(jié)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(shè)計要求。

表2 第一級齒輪基本參數(shù)

表3 第二級齒輪基本參數(shù)

表4 齒輪動力學(xué)計算結(jié)果

2 結(jié)構(gòu)原理

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

圖1 中央驅(qū)動減速輪轂結(jié)構(gòu)原理圖

3 試驗與討論

通過工程化設(shè)計，加工得到中央驅(qū)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(jié)構(gòu)將電機與減速機構(gòu)分布于輪轂兩側(cè)，使整機重心靠近輪轂對稱面，相對一體式側(cè)掛電機方案增加驅(qū)動系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)樣車滿載時的爬坡起動性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)輪轂電機對標(biāo)車型。工程樣車在15°坡度上可實現(xiàn)滿載零起動。該樣機的齒輪傳動系統(tǒng)通過動力學(xué)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(shè)計的合理性。

圖2 中央驅(qū)動減速輪轂結(jié)構(gòu)工程樣車

經(jīng)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(shè)計上與路試情況基本符合，該設(shè)計方法對基于齒輪傳動的兩輪車電驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)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(qū)具有極大優(yōu)勢，有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用推廣的可行性。在田間運輸時可發(fā)揮作用，幫助農(nóng)業(yè)運輸，有綠色節(jié)能的優(yōu)勢。希望將中央驅(qū)動減速輪轂進一步優(yōu)化從而實現(xiàn)真正產(chǎn)業(yè)化。

4 結(jié)語

中央驅(qū)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(cè)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(tǒng)通過KISS soft進行動力學(xué)計算校核的方法可行有效，試驗驗證能滿足產(chǎn)業(yè)化要求。

中央驅(qū)動減速輪轂試驗研制成功有利于電動兩輪車領(lǐng)域多樣化發(fā)展，有望在新能源領(lǐng)域成為一款具有競爭力的產(chǎn)品。