轮毂电机减速轴承单元参数优化与性能分析

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采用高转速电机是提高轮毂电机功率密度的重要途径,相应地需要配置行星齿轮减速器。然而受限于轮辋空间,行星齿轮减速器及其众多的转动副支承在车轮内部的布置非常困难。为此本文创新地提出行星齿轮减速器与轮毂轴承一体化设计的轮毂减速轴承单元的概念,即用支承轴承同时实现减速器支承和车身支承的功能,并且直接在齿圈和齿轮轴上加工轴承滚道,从而实现行星齿轮减速机构和轮毂轴承高集成度的单元化设计,可大大简化轮毂电机内部结构,具有重要的工程价值和理论意义。本文针对集成化的轮毂减速轴承单元的结构设计、参数优化、疲劳寿命、刚度性能展开了计算和仿真分析。主要研究内容如下:首先,以某款轮毂电机为例,对轮毂减速轴承单元的结构进行了设计与分析。包括行星齿轮机构传动比的分配与配齿组合计算;在行星齿轮机构尺寸的基础上,根据滚动轴承设计原理对轮毂减速轴承单元的主要结构进行了设计。其次,以轮毂减速轴承单元的行星齿轮机构的质量和体积为优化目标,采用RBF神经网络与NSGA-Ⅱ优化算法对轮毂减速轴承单元的行星齿轮机构的设计参数进行了优化设计。优化后的行星齿轮机构使得轮毂电机的质量和体积有明显的减小。然后,采用有限元方法,计算了轮毂减速轴承单元在外部载荷作用下内部的载荷分布,并得到了轮毂减速轴承单元在纯径向载荷或联合载荷作用下的载荷分布规律。基于L-P轴承寿命理论,对轮毂减速轴承单元的额定疲劳寿命进行了详细的分析计算。最后,将轮毂减速轴承单元整体作为柔性体,采用有限元分析法计算了轮毂减速轴承单元整体受载时的变形量,并通过计算齿圈法兰盘的倾斜角,用以评价轮毂减速轴承单元的整体刚度。在上述分析计算中,同时探讨了不同载荷和不同结构参数对轮毂减速轴承单元刚度和额定疲劳寿命的影响。结果表明:轴向载荷等效力矩T对轮毂减速轴承单元的载荷分布及刚度有显著影响;增大滚动体数量Z、跨距S,都可以使轮毂减速轴承单元的额定疲劳寿命越高、刚度越大;游隙u和沟曲率半径系数f的增大会造成疲劳寿命和刚度的降低;预紧量δ可以有效提高轮毂减速轴承单元的角刚度,但无游隙存在时,预紧量会使轮毂减速轴承单元的额定疲劳寿命寿命大幅降低,而有游隙存在时,适当的预紧量可以提高轮毂减速轴承单元的额定疲劳寿命;接触角α增大使得轮毂减速轴承单元的额定疲劳寿命降低,且在直线行驶状态,接触角越大,轮毂减速轴承单元的刚度越小,而在转向行驶状态,接触角越大,轮毂减速轴承单元的刚度越大。
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