电动车电动式AMT机械执行机构总成设计.doc
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1、鲁东大学本科毕业设计电动车电动式AMT机械执行机构总成设计摘 要:AMT系统中广泛采用的液压驱动机构存在着结构复杂、制造精度要求高、成本高等问题,针对这些问题本文利用电动机作为驱动元件设计了用于纯电动汽车的电动式AMT操纵系统。设计过程中,采用了新型的丝杠螺母副的直线运动方案,提高了系统的紧凑性,同时增加入了直线轴承来减少丝杠的变形和两个位移传感器来检测螺母的移动位移,保证了控制的精确性。本文主要是对丝杠的选择,并根据其尺寸对丝杠螺母和机构总成的整体尺寸进行设计改进。用三维软件UG生成零件图和装配图的过程,并最终制造出实物。关键词: AMT;滚珠丝杠;直线轴承;位移传感器;UG;装配图;实物D
2、esign of Electric Cars Electrical AMT Manipulating SystemAbstract: The hydraulic drive mechanism that used widely in AMT system has many problems such as complex structure, high cost. To solve these problems, an electrical manipulating system used in electrical vehicle was designed adopting the moto
3、r as driven part. In the design process, a new silk staves of the line of the sports programmes nut, and improve the system of the compact, also increased in line bearings to reduce the bar deformations of silk and two displacement sensors to detect the nut moves displacement to ensure the control o
4、f accuracy. this article mainly to an option according to its size and attached to poles nut and institutions of the overall size of a design improvement. use the software to create a three-dimensional UG parts and assembly drawing process, and finally made a firmKey Words: AMT; Ball Screw; Line Bea
5、ring; Displacement sensors; UG; Assembly drawing; IN 1 引言1.1 设计背景目前,纯电动车的动力系统主要有以下两大类方案1-9:一是保留原有的内燃机汽车中的变速器,将内燃机发动机换成电动机即可;二是取消变速器,将电机直接连在差速器上驱动车轮或者使用轮毂电机直接驱动车轮。采用第二种方案可以简化整车系统的结构,降低整车的成本,实现汽车的无级变速,但是它对技术要求很高,尤其是电池的设计方面。因为,采用这种结构,车辆在起步、急加速、爬坡过程中完全依赖蓄电池大电流供电,迫使电动机堵转甚至停转,降低了整车的动力性。其次,虽然各种用于电动车的驱动电动机与
6、内燃机发动机相比有更宽的调速范围,但它们与内燃机发动机一样也有一定的高效范围,当电动机工作在高效区外的时候,其效率会严重下降,增加了电能的消耗,降低了车辆的经济性。因此,在目前的电机技术前提下,还是需要在纯电动汽车动力系统中加入变速器的。现有具有变速器的纯电动汽车基本上都采用传统的手动变速器,换档时机靠驾驶员凭经验来判断,换档时机选择不恰当,非但不能提高车辆的动力性和经济性,反而可能是其恶化。对于新型的纯电动汽车而言,多数驾驶员都不具备熟练掌握其性能的能力,因此大多数纯电动汽车电动机都不能实现最佳的经济性。此外,换档操作,尤其是在城区道路行驶时的频繁换档会增加驾驶员的劳动强度,使其容易疲劳,造
7、成交通事故隐患。1.2 自动变速器分类及分析目前,车辆系统中广泛采用的自动变速器主要有四种类型6。第一种是液力变矩器+行星齿轮减速器式(AT),它采用液力传动形式,具有无级连续变速和变矩的能力,对外部负载有良好的自动调节和适应性能,可以使车辆起步平稳,并提高乘坐舒适性和驾驶方便性;但是它传动效率不高、经济性差,结构复杂、造价高。第二种是机械无级自动变速器(CVT),这种变速器采用传动比可连续变化的钢带进行传动,可实现真正意义上的无级变速;但它也存在传动效率低,传递最大功率低等优点。第三种是电动机械式自动变速器(AMT),这种变速器是在传统固定轴式变速器和干式离合器的基础上,通过电控执行机构控制
8、离合器的分离与接合、变速箱选换档操作以及发动机油门的调节,来实现起步、换档的自动控制的,具有传动效率高、结构简单等优点。第四种是双离合器使自动变速器(DCT、DSG),它是在AMT自动变速器的基础上发展起来的,通过采用两套传动系来保证换档过程中没有动力中断,减小换档冲击,提高舒适性。虽然以上四种类型的自动变速器国内都有研究,但是AT、CVT、DCT三种类型自动变速器的整机以及零部件结构都很复杂,国内的研究基本上都停留在实验室阶段。此外,由于纯电动汽车采用电动机驱动,与内燃机相比具有更好的低速性能和控制性能,因此,AMT式自动变速器是最适合于纯电动汽车的自动变速器类型。AMT式自动变速器根据其操
9、纵系统驱动形式可分为气动操纵式、液压操纵式和电动操纵式三种类型12。其中,气动操纵式主要用在具有高压气源的重型汽车中;液压操纵式所需的液压阀等核心组件国内缺乏相关产品,使得国内研发的该类产品单机价格高于整机进口价格,缺乏市场竞争力;电动操纵行式采用电机作为驱动元件,生产制造相对容易,目前国内已经市场化的具有自主知识产权的自动变速器只有电动式电控机械式自动变速器一种类型。基于以上几点,本文对ATM的机械总成进行了设计论证,通过电脑采集汽车在行驶过程的车速、油门等相关信息,进而控制选挡和换挡电机的工作来实现汽车的自动换挡,提高电动汽车的动力性和经济性,降低驾驶员的劳动强度,提高行驶安全性。2 总体
10、结构方案设计纯电动汽车与普通汽车不同,电动机的低速性能和控制性能较好,因此不需要离合器,所以电动车AMT操纵不需要对离合器进行操纵,只要有选档和换档操纵系统即可。选档和换档操作都是直线运动,本设计是采用电机驱动滚珠丝杠带动螺母来实现选档和换挡拉杆的前后移动。并安装有位移传感器时时检测拉杆的位移,实现控制的精确性。 总体机构图如下:直流电机图13 详细设计内容3.1 设计参数设计系数:使用条件:一般 选档:行程25mm、力F1:100N、速度250mm/s 、电动机3000r/min。 换档:行程25mm、力F2:300N、速度250mm/s 、电动机3000r/min。电动机电压均为12V。3
11、.2 滚珠丝杠副的选择及其计算3.2.1 滚珠丝杠的优点 (1)传动效率高 一般滚珠丝杠副的传动效率达85%98%,为滑动丝杠副的34倍。(2)运动平稳 滚动摩擦系数接近常数,启动与工作时的摩擦力矩差别很小。启动时无冲击,低速时无爬行。(3)能够预紧 预紧后可消除间隙产生过盈,提高接触刚度和传动精度。同时增加的摩擦力矩不大。(4)工作寿命长 滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度(HRC5862)、高精度,具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杠副的410倍以上。(5)定位精度和重复定位精度高 由于滚珠丝杠副摩擦小、升温小、无爬行、无间隙,通过预紧进行预拉伸的补偿热膨胀。因此可达到较高的定位
12、精度和重复定位精度。(6)同步性好 用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的运动部件,可得到较好的同步运动。(7)可靠性高 润滑密封装置结构简单,维修方便。所以在选择丝杠时,对运动有一定的精度要求时,我们根据滚珠丝杠的优点,优先选择滚珠丝杠。3.2.2 滚珠丝杠副的选择(1)初步处理定义已知量:载荷分别为F1:100N对应第一根丝杠,F2: 300N对应第二根丝杠。执行机构选档换档所用的时间都是:T=25/250=0.1s 电动机转速是:n=3000rpm。 最大行程 =2选档行程=50mm滚珠丝杠副可分为定位用P型及传动用T型两种。P型用于精确定位且能根据旋转角度和导程间接测量行程的滚珠丝杠
13、副, T型是用于传递的滚珠丝杠副,位移精度不是很高。所以我们选用:P类丝杠副(2)由已知初步算出导程Ph 行程25mm,时间是用了0.1s力的大小在两个垂直方向分别是: F1=100N、F2=300N。则速度是:V=即得:V=250mm/sPh=5mm在上式中V为滚珠丝杠副的最大移动速度(mm/s);n为滚珠丝杠副的最大相对速度(r/min)。所以要选则的丝杠的最小导程是5mm。(3)当量载荷Fm 此可以视为周期性变化,载荷按下式计算: F1=(2+)=100NF2=(2+)=300N这里定F1为选则档位时所用的力;F2为换档时所用的力。(4)当量转速 当转速在和之间变化时,=(+)=3000
14、r/min(5)额定动载荷Cam 因为此种情况是没有预加载和的,所以只须求:= 根据条件查机械设计实用手册表5.2-17至表5.2-20选得:=3000r/min=10000=0.8=1.2=1上式中Lh为预期工作寿命(h);fa为精度系数;fc为可靠性系数;fw为载荷性系数;Fm为最大轴向载荷(N)。F1:=100N时:=代入数据得:=1.82KNF2:=300N时:=代入数据得:=5.5KN(6)估算滚珠丝杠的底径d2m我们首先估算滚珠丝杠允许最大轴向变形m:重复定位精度:= (1/31/4)定位精度: (1/41/5)取m与m中较小的值为m,因为精度不高,这里选取m=1/3。=L=100
15、=1/3a=0.039上式中a为支撑方式系数。当一端固定,另一端自由或游动时为0.078;两端固定或是铰支时取0.039。L为滚珠丝杠两轴承支点间的距离,常取:L=行程+(1014)Ph在这里由于特殊的实际情况丝杠是运动的支撑点不但是变化的而且有三个支撑部份,L取100mm。=100N时:=0.039=6.75 mm=300N时:=0.039=11.7mm(7)确定滚珠丝杠副规格代号根据机械设计实用手册表5.2-12我们选取内循环滚珠丝杠,反向器为浮动式,其基本参数如下:F1方向上:16053,丝杠的底径d2:12.9mm;螺母长度L:83;额定载荷:动载Ca:7.4KN、静载Coa:16.5
16、KN;刚度R:400(N/m);反向器为浮动式。 其中d2=12.9mmd2m=6.75mm,Ca=7.4KNCam=1.82KN。得出符合要求。F2方向上:16053,丝杠的底径d2:12.9mm;螺母长度L:83;额定载荷:动载Ca:7.4KN、静载Coa:16.5KN;刚度R:400(N/m);反向器为浮动式。 其中d2=12.9mmd2m =11.7mm,Ca =7.4KNCam =5.5KN。得出符合要求。(8)计算预紧力Fp当最大轴向工作载荷Fmax能确定时=33.33N=100N(9)计算行程补偿值C C=11.8tlulu=行程 +(814)PhC=11.8290=2.124m
17、式中t为温度变化值,23; lu为滚珠丝杠副有效行程(mm)。(10)预拉伸力FtFt=1.95t=1.95212.9Ft=50.31N上式中t为温度变化值,取23度;d2为丝杠螺纹底径。3.3 轴承的选择3.3.1 滚动轴承的选择选择滚动轴承的类型与多种因素有关,通常根据以下因素:(1)允许空间(2)载荷大小和方向例如既有径向又有轴向的联合载荷一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承;径向载荷大,轴向载荷小,可选用深沟球轴承和内外圈都有挡边的圆柱滚子轴承。(3)轴承工作转速 要根据机械设计手册和实际经验确定。(4)旋转精度 (5)轴承的刚性(6)轴向游动轴承配置通常是一端固定,一端游动,以适应轴的
18、热胀冷缩。(7)摩擦力矩需要低摩擦力矩的机械,应尽量采用球轴承。(8)安装与拆卸等角接触球轴承是深沟球轴承的变换轴承,优点是:1、结构简单;2、极限转速比较高;3、摩擦力矩比较小;4、可同时承受径向和轴向载荷;5、同样的外型尺寸比深沟球轴承动、静载荷容量大;6、旋转精度高、噪音小。基于上述优点,角接触球轴承是高速、高精度、低噪音精密轴承首选的轴承。我们在考虑这里是主要受轴向载荷的情况,所以优先选角接触球轴承:公称接触角是15。动载荷:上式中ft为温度系数;Lh为预期寿命;P为当量动载荷;n为轴承工作转速为寿命指数球轴承取=3。因为工作温度低于120,所以选ft=1.00。由以上已知寿命为100
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