最优回转半径驱动轮总成的设计方法研究

0引言

在地面清洗、清扫以及仓储运输设备领域,驱动轮总成扮演着至关重要的角色,它是移动设备动力输出的核心组件。因此,对驱动轮总成进行设计优化,不仅能够显著提升设备的整体性能,还能有效降低生产成本。本文将展示一套针对具体规格驱动轮总成的优化设计方案,通过齿轮布局的优化及驱动轮总成构件的整合,达到提升性能和降低成本的双重目标。该方案旨在提供一种最优回转半径驱动轮总成的设计方法。

驱动轮总成设计受到电机、减速器和驱动轮结构未能相互适配的限制,导致其回转半径普遍超出理论最优值。这种设计上的不足迫使适配设备在结构设计时必须预留额外的空间,以适应较大的回转半径。该做法不仅增加了设备的整体体积,还导致了结构空间的浪费以及结构件、标准件数量的不必要增多。

目前市场主流产品选择有刷直流电机搭配齿轮传动,包括内齿传动及外齿传动,这主要是因为这种组合在成本、性能和维护方面达到了较好的平衡,有大批量稳定生产的工艺与设备。虽然随着技术的发展,无刷直流电机和其他更高效的电机类型可能会逐渐成为主流,尤其是在对效率和维护要求较高的应用中,但立足于现有市场需求,仍然有提升产品性能的必要及空间。目前市场上使用量最大的规格是250×90(驱动轮直径:250 mm;宽度:90 mm);有刷直流电机配外齿传动,包括电磁制动器,其回转半径在R175 mm及以上;有刷直流电机配内齿传动时,其回转半径虽有所减小,但内齿传动中,内齿圈内仅设置有主动轮,很大空间不能被有效利用,同时加工成本较高;精密内齿圈加工设备非常昂贵,受限于资金及市场需求量,大规模内齿加工企业较外齿加工企业少之又少。

本文提出了一种方案,致力于优化驱动轮总成的结构设计,通过整合电机、减速器和驱动轮之间的结构关系,实现齿轮参数和整体结构设计的优化;减小总成回转半径,提升总成在多样化应用场景中的适用性和灵活性;同时减少材料的使用,实现成本效益的最大化。该方案的核心目标是开发出一套结构紧凑且经济适用的驱动轮总成:在目标性能参数下,总成的回转半径不超过驱动轮自身的回转半径。

1 特性参数

选取主流产品规格250×90驱动轮总成作为研究对象。

1.1 工况参数

一般要求是适配设备总重量750 kg,短时无载重爬坡坡度不超过10°,平地时速6 km,爬坡时速不低于2 km(总重量不超过500 kg);电压可以是DC24 V、 DC36 V、DC48 V;须配备驻车刹车。

以上参数转化为驱动轮总成的输出参数如表1所示。

暂定传动比为26:1,则10°坡的驻车刹车扭矩须大于6.7 N.m。

碳刷、驱动轮、刹车属磨损件;其他零部件寿命3000h。

1.2 总成最优回转半径

驱动轮外形尺寸如图1所示。

驱动轮胎面直径250mm,宽度90mm;工艺尺寸:2处倒圆R5 mm;几何计算或机械制图都可以得出驱动轮绕中心。的回转半径为131.49 mm,也就是驱动轮总成的最小回转半径为131.49 mm。所以,所有的结构件均须设计在该尺寸范围之内。

目前产品的回转半径以R175mm居多,都没有到R131.49 mm的要求。

1.3安装高度

安装高度也就是驱动轮总成的总高度为165 mm,可以根据客户需求调整,对总成回转半径的影响较小。

2优化驱动轮总成

驱动轮总成主要包括电机、减速器、驱动轮,电机直驱不在本文讨论的范围内。

2.1优化齿轮布局,整合总成构件

本文提出了一种创新的电机与减速器集成设计方案,旨在最大限度地压缩轴向空间。通过将电机和减速器设计为一个紧凑的组合体,确保所有关键构件及齿轮布局均符合R131.49 mm的回转半径要求。这种集成方法不仅优化了空间利用,还提高了结构的紧凑性。与传统的驱动轮总成结构相比,本方案展现了显著的空间效率和结构优势,为驱动轮总成的设计提供了一种新的视角及方法。

结合目前国内齿轮加工的实际状况,即外齿加工比内齿加工设备更先进,工艺更成熟,精度要求更容易实现,外齿加工的产品尺寸一致性、质量稳定性都更高,所以采用外齿传动方式。齿轮布局如图2所示。

动力轴上布置有齿轮2,将动力经双联齿轮3传递到输出齿轮4。利用转子输出端轴承及密封所需的密封件占用的轴向空间,将输出齿轮布置在齿轮2与电机主体1之间、转子输出端轴承的外围。这种外齿齿轮传动的布局是驱动轮总成优化设计的一个创新点,是齿轮布局服从结构需求的具体体现。

动力输出结构如图3所示。

输出齿轮4固定设置在轮毂5上,轮毂5内腔布置有轴承一6及轴承二7,输出齿轮4连同轮毂5一起可绕支撑体8的轴线旋转。驱动轮可拆卸地固定布置在轮毂5外围,完整地实现动力从电机传递到驱动轮。

涉及的基本构件支撑体8是本文设计产品的关键零部件,它整合了电机、减速器及总成的相关功能。

支撑体8构件结构如图4所示。

支撑体8设置有内腔一8—A1,容纳电机磁钢及转子,磁钢粘在内腔一8—A1内圆柱面上;设置有内腔二8—A2,固定转子输出端轴承;设置有通孔8—A3,让电机输出轴通过该孔。支撑体8兼具电机机壳及前端盖的功用。

支撑体8设置有圆柱面一8—B1、圆柱面二8—B2,分别安装轴承一6及轴承二7,即可旋转地固定输出齿轮4。支撑体8兼具减速箱的支撑功能。

支撑体8设置有圆柱面8—C1及平面8—C2,平面8—C2上设置有螺孔8—C3,共同作用于定位安装减速箱体;减速箱体上同时设置有配套设备的安装面。支撑体8兼具了总成的支撑功能。

2.2确定齿轮基本参数

输出齿轮因其布置的位置,要求直径须足够大,确保其中间的通孔能穿过支撑体8。按暂定传动比26:1,可确定两级传动最为经济;从驱动轮与电机同轴的结构则可确定这两级传动的中心距相同。

根据式(1)~(3)^[1]可知:中心距及模数不变,齿数比越大,从动轮直径越大;结合双联齿轮3的具体位置,一级传动比越大,双联齿轮3的最大外径也越大,会影响驱动轮总成体积。

式中:u为齿数比;z1、z2分别为主动轮、从动轮的齿数;d为分度圆直径;z为齿数;m为模数;da为齿顶圆直径;ha为齿顶高。

根据式(4)(5)^[2]可知:总传动比不变,一级传动比越大,二级传动比越小。

式中:i₁₂为某一级传动比;i为减速器总传动比;i₁、i₂分别为一级、二级传动比。

分配传动比的基本原则之一是使各级传动的承载能力接近相等^[2],常规做法是i₁>i2。从齿轮加工的工艺性、经济性出发,改变做法如下:不但i₁=i₂,而且各级传动的主、从动轮模数等参数均分别保持一致;要保持各级传动的承载能力接近相等,可选择不同的齿宽,二级传动的齿宽大于一级传动齿宽。

由教材及经验可知,主动轮的齿数应尽量选择如11、13、17等质数,传动比尽量取无理数;优化设计法则,选择每级的主动轮齿数为13,从动轮齿数为67;根据式(4)(5)得到总传动比为26.56,符合目标传动比。

确定了各级齿轮的齿数,就可以根据电机的输出功率和驱动轮体积要求计算齿轮的相关参数。这里提供一组齿轮基本参数:中心距A=63.088 mm,法向模数Mn=1.5,齿数z1=13、z2=67,齿高系数采用常规选择。具体计算过程可参考相关计算软件,在此不做赘述。

2.3 可选配置及驱动轮

在驱动轮总成的可选配置中,电磁制动器(即刹车)是一个关键组件。在电机占用较大轴向空间的条件下,为了适应电机的紧凑布局,电磁制动器被巧妙地配置在减速器端,但其作用力仍然有效直接传递至电机转轴。通过综合考虑设计的设备重量、预期的爬坡坡度以及实际传动比,计算得出所需的驻车力矩必须超过6.6 N.m。因此,选择一款常规的8.0 N.m电磁制动器,以确保满足可靠驻车的需求。此外,考虑到驱动轮作为磨损件的特性,采用可更换的设计,将其固定设置在轮毂的外围,从而便于未来的维护和更换。

驱动轮应布置在总成轴向中间位置,以获得总成的最小回转半径。

3 内、外齿传动在本领域的优劣分析

在现有的驱动轮总成设计中,齿轮布局的选择对于性能和成本有着显著的影响。本文将对内齿传动和外齿传动两种常见的齿轮布局方式进行比较分析,以揭示它们各自的优势和劣势。

内齿传动的优势:结构简单,内齿圈可以直接更换固定设置驱动轮。

外齿传动的优势:加工手段多样,精度较高;减少了减速器内部未被利用的空间,提高了空间利用率;通常具有较低的生产成本。

4 案例对比

当前市场上的主流驱动轮总成主要采用两种齿轮传动方式:内齿传动和外齿传动。这些传统设计的最小回转半径分别为R155 mm、R175 mm,这些数值均显著大于本文提出的驱动轮总成设计的最小回转半径R131.49 mm。通过对比可以明显看出,本文介绍的驱动轮总成在设计上实现了更紧凑的回转半径,这一改进不仅提升了空间利用率,还有助于提高设备的机动性和灵活性。这种优化设计对于需要在有限空间内操作的地面清洗清扫及仓储运输设备尤为重要,它能够显著减少设备的整体尺寸,同时保持甚至提升性能。

5 结束语

本文提出的方案通过精心调整齿轮布局、整合总成构件,成功实现了研究的核心目标。具体而言,优化后的设计方案大幅减小了回转半径,不仅提高了驱动轮总成的空间效率,还为降低制造成本提供了可能。此外,通过精确匹配齿轮参数,扩展了驱动轮总成对适配设备的适用范围,从而增强了其在多样化应用场景中的适用性和灵活性。总之,这种优化设计策略为驱动轮总成的性能提升和成本效益优化提供了一条切实可行的路径。本文展示的优化设计方案,为设计具有最优回转半径的驱动轮总成提供了一种高效的方法。

[参考文献]

[1]齿轮手册编委会.齿轮手册[M].2版.北京:机械工业出版社,2000.

[2]机械设计手册编委会.机械手册(新版)[M].北京:机械工业出版社,2004.

2025年第2期第13篇