最優(yōu)回轉(zhuǎn)半徑驅(qū)動輪總成的設(shè)計方法研究

0引言

在地面清洗、清掃以及倉儲運輸設(shè)備領(lǐng)域,驅(qū)動輪總成扮演著至關(guān)重要的角色,它是移動設(shè)備動力輸出的核心組件。因此,對驅(qū)動輪總成進行設(shè)計優(yōu)化,不僅能夠顯著提升設(shè)備的整體性能,還能有效降低生產(chǎn)成本。本文將展示一套針對具體規(guī)格驅(qū)動輪總成的優(yōu)化設(shè)計方案,通過齒輪布局的優(yōu)化及驅(qū)動輪總成構(gòu)件的整合,達到提升性能和降低成本的雙重目標。該方案旨在提供一種最優(yōu)回轉(zhuǎn)半徑驅(qū)動輪總成的設(shè)計方法。

驅(qū)動輪總成設(shè)計受到電機、減速器和驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)未能相互適配的限制,導致其回轉(zhuǎn)半徑普遍超出理論最優(yōu)值。這種設(shè)計上的不足迫使適配設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須預留額外的空間,以適應較大的回轉(zhuǎn)半徑。該做法不僅增加了設(shè)備的整體體積,還導致了結(jié)構(gòu)空間的浪費以及結(jié)構(gòu)件、標準件數(shù)量的不必要增多。

目前市場主流產(chǎn)品選擇有刷直流電機搭配齒輪傳動,包括內(nèi)齒傳動及外齒傳動,這主要是因為這種組合在成本、性能和維護方面達到了較好的平衡,有大批量穩(wěn)定生產(chǎn)的工藝與設(shè)備。雖然隨著技術(shù)的發(fā)展,無刷直流電機和其他更高效的電機類型可能會逐漸成為主流,尤其是在對效率和維護要求較高的應用中,但立足于現(xiàn)有市場需求,仍然有提升產(chǎn)品性能的必要及空間。目前市場上使用量最大的規(guī)格是250×90(驅(qū)動輪直徑:250 mm;寬度:90 mm);有刷直流電機配外齒傳動,包括電磁制動器,其回轉(zhuǎn)半徑在R175 mm及以上;有刷直流電機配內(nèi)齒傳動時,其回轉(zhuǎn)半徑雖有所減小,但內(nèi)齒傳動中,內(nèi)齒圈內(nèi)僅設(shè)置有主動輪,很大空間不能被有效利用,同時加工成本較高;精密內(nèi)齒圈加工設(shè)備非常昂貴,受限于資金及市場需求量,大規(guī)模內(nèi)齒加工企業(yè)較外齒加工企業(yè)少之又少。

本文提出了一種方案,致力于優(yōu)化驅(qū)動輪總成的結(jié)構(gòu)設(shè)計,通過整合電機、減速器和驅(qū)動輪之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系,實現(xiàn)齒輪參數(shù)和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化;減小總成回轉(zhuǎn)半徑,提升總成在多樣化應用場景中的適用性和靈活性;同時減少材料的使用,實現(xiàn)成本效益的最大化。該方案的核心目標是開發(fā)出一套結(jié)構(gòu)緊湊且經(jīng)濟適用的驅(qū)動輪總成:在目標性能參數(shù)下,總成的回轉(zhuǎn)半徑不超過驅(qū)動輪自身的回轉(zhuǎn)半徑。

1 特性參數(shù)

選取主流產(chǎn)品規(guī)格250×90驅(qū)動輪總成作為研究對象。

1.1 工況參數(shù)

一般要求是適配設(shè)備總重量750 kg,短時無載重爬坡坡度不超過10°,平地時速6 km,爬坡時速不低于2 km(總重量不超過500 kg);電壓可以是DC24 V、 DC36 V、DC48 V;須配備駐車剎車。

以上參數(shù)轉(zhuǎn)化為驅(qū)動輪總成的輸出參數(shù)如表1所示。

暫定傳動比為26:1,則10°坡的駐車剎車扭矩須大于6.7 N.m。

碳刷、驅(qū)動輪、剎車屬磨損件;其他零部件壽命3000h。

1.2 總成最優(yōu)回轉(zhuǎn)半徑

驅(qū)動輪外形尺寸如圖1所示。

驅(qū)動輪胎面直徑250mm,寬度90mm;工藝尺寸:2處倒圓R5 mm;幾何計算或機械制圖都可以得出驅(qū)動輪繞中心。的回轉(zhuǎn)半徑為131.49 mm,也就是驅(qū)動輪總成的最小回轉(zhuǎn)半徑為131.49 mm。所以,所有的結(jié)構(gòu)件均須設(shè)計在該尺寸范圍之內(nèi)。

目前產(chǎn)品的回轉(zhuǎn)半徑以R175mm居多,都沒有到R131.49 mm的要求。

1.3安裝高度

安裝高度也就是驅(qū)動輪總成的總高度為165 mm,可以根據(jù)客戶需求調(diào)整,對總成回轉(zhuǎn)半徑的影響較小。

2優(yōu)化驅(qū)動輪總成

驅(qū)動輪總成主要包括電機、減速器、驅(qū)動輪,電機直驅(qū)不在本文討論的范圍內(nèi)。

2.1優(yōu)化齒輪布局,整合總成構(gòu)件

本文提出了一種創(chuàng)新的電機與減速器集成設(shè)計方案,旨在最大限度地壓縮軸向空間。通過將電機和減速器設(shè)計為一個緊湊的組合體,確保所有關(guān)鍵構(gòu)件及齒輪布局均符合R131.49 mm的回轉(zhuǎn)半徑要求。這種集成方法不僅優(yōu)化了空間利用,還提高了結(jié)構(gòu)的緊湊性。與傳統(tǒng)的驅(qū)動輪總成結(jié)構(gòu)相比,本方案展現(xiàn)了顯著的空間效率和結(jié)構(gòu)優(yōu)勢,為驅(qū)動輪總成的設(shè)計提供了一種新的視角及方法。

結(jié)合目前國內(nèi)齒輪加工的實際狀況,即外齒加工比內(nèi)齒加工設(shè)備更先進,工藝更成熟,精度要求更容易實現(xiàn),外齒加工的產(chǎn)品尺寸一致性、質(zhì)量穩(wěn)定性都更高,所以采用外齒傳動方式。齒輪布局如圖2所示。

動力軸上布置有齒輪2,將動力經(jīng)雙聯(lián)齒輪3傳遞到輸出齒輪4。利用轉(zhuǎn)子輸出端軸承及密封所需的密封件占用的軸向空間,將輸出齒輪布置在齒輪2與電機主體1之間、轉(zhuǎn)子輸出端軸承的外圍。這種外齒齒輪傳動的布局是驅(qū)動輪總成優(yōu)化設(shè)計的一個創(chuàng)新點,是齒輪布局服從結(jié)構(gòu)需求的具體體現(xiàn)。

動力輸出結(jié)構(gòu)如圖3所示。

輸出齒輪4固定設(shè)置在輪轂5上,輪轂5內(nèi)腔布置有軸承一6及軸承二7,輸出齒輪4連同輪轂5一起可繞支撐體8的軸線旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動輪可拆卸地固定布置在輪轂5外圍,完整地實現(xiàn)動力從電機傳遞到驅(qū)動輪。

涉及的基本構(gòu)件支撐體8是本文設(shè)計產(chǎn)品的關(guān)鍵零部件,它整合了電機、減速器及總成的相關(guān)功能。

支撐體8構(gòu)件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

支撐體8設(shè)置有內(nèi)腔一8—A1,容納電機磁鋼及轉(zhuǎn)子,磁鋼粘在內(nèi)腔一8—A1內(nèi)圓柱面上;設(shè)置有內(nèi)腔二8—A2,固定轉(zhuǎn)子輸出端軸承;設(shè)置有通孔8—A3,讓電機輸出軸通過該孔。支撐體8兼具電機機殼及前端蓋的功用。

支撐體8設(shè)置有圓柱面一8—B1、圓柱面二8—B2,分別安裝軸承一6及軸承二7,即可旋轉(zhuǎn)地固定輸出齒輪4。支撐體8兼具減速箱的支撐功能。

支撐體8設(shè)置有圓柱面8—C1及平面8—C2,平面8—C2上設(shè)置有螺孔8—C3,共同作用于定位安裝減速箱體;減速箱體上同時設(shè)置有配套設(shè)備的安裝面。支撐體8兼具了總成的支撐功能。

2.2確定齒輪基本參數(shù)

輸出齒輪因其布置的位置,要求直徑須足夠大,確保其中間的通孔能穿過支撐體8。按暫定傳動比26:1,可確定兩級傳動最為經(jīng)濟;從驅(qū)動輪與電機同軸的結(jié)構(gòu)則可確定這兩級傳動的中心距相同。

根據(jù)式(1)~(3)^[1]可知:中心距及模數(shù)不變,齒數(shù)比越大,從動輪直徑越大;結(jié)合雙聯(lián)齒輪3的具體位置,一級傳動比越大,雙聯(lián)齒輪3的最大外徑也越大,會影響驅(qū)動輪總成體積。

式中:u為齒數(shù)比;z1、z2分別為主動輪、從動輪的齒數(shù);d為分度圓直徑;z為齒數(shù);m為模數(shù);da為齒頂圓直徑;ha為齒頂高。

根據(jù)式(4)(5)^[2]可知:總傳動比不變,一級傳動比越大,二級傳動比越小。

式中:i₁₂為某一級傳動比;i為減速器總傳動比;i₁、i₂分別為一級、二級傳動比。

分配傳動比的基本原則之一是使各級傳動的承載能力接近相等^[2],常規(guī)做法是i₁>i2。從齒輪加工的工藝性、經(jīng)濟性出發(fā),改變做法如下:不但i₁=i₂,而且各級傳動的主、從動輪模數(shù)等參數(shù)均分別保持一致;要保持各級傳動的承載能力接近相等,可選擇不同的齒寬,二級傳動的齒寬大于一級傳動齒寬。

由教材及經(jīng)驗可知,主動輪的齒數(shù)應盡量選擇如11、13、17等質(zhì)數(shù),傳動比盡量取無理數(shù);優(yōu)化設(shè)計法則,選擇每級的主動輪齒數(shù)為13,從動輪齒數(shù)為67;根據(jù)式(4)(5)得到總傳動比為26.56,符合目標傳動比。

確定了各級齒輪的齒數(shù),就可以根據(jù)電機的輸出功率和驅(qū)動輪體積要求計算齒輪的相關(guān)參數(shù)。這里提供一組齒輪基本參數(shù):中心距A=63.088 mm,法向模數(shù)Mn=1.5,齒數(shù)z1=13、z2=67,齒高系數(shù)采用常規(guī)選擇。具體計算過程可參考相關(guān)計算軟件,在此不做贅述。

2.3 可選配置及驅(qū)動輪

在驅(qū)動輪總成的可選配置中,電磁制動器(即剎車)是一個關(guān)鍵組件。在電機占用較大軸向空間的條件下,為了適應電機的緊湊布局,電磁制動器被巧妙地配置在減速器端,但其作用力仍然有效直接傳遞至電機轉(zhuǎn)軸。通過綜合考慮設(shè)計的設(shè)備重量、預期的爬坡坡度以及實際傳動比,計算得出所需的駐車力矩必須超過6.6 N.m。因此,選擇一款常規(guī)的8.0 N.m電磁制動器,以確保滿足可靠駐車的需求。此外,考慮到驅(qū)動輪作為磨損件的特性,采用可更換的設(shè)計,將其固定設(shè)置在輪轂的外圍,從而便于未來的維護和更換。

驅(qū)動輪應布置在總成軸向中間位置,以獲得總成的最小回轉(zhuǎn)半徑。

3 內(nèi)、外齒傳動在本領(lǐng)域的優(yōu)劣分析

在現(xiàn)有的驅(qū)動輪總成設(shè)計中,齒輪布局的選擇對于性能和成本有著顯著的影響。本文將對內(nèi)齒傳動和外齒傳動兩種常見的齒輪布局方式進行比較分析,以揭示它們各自的優(yōu)勢和劣勢。

內(nèi)齒傳動的優(yōu)勢:結(jié)構(gòu)簡單,內(nèi)齒圈可以直接更換固定設(shè)置驅(qū)動輪。

外齒傳動的優(yōu)勢:加工手段多樣,精度較高;減少了減速器內(nèi)部未被利用的空間,提高了空間利用率;通常具有較低的生產(chǎn)成本。

4 案例對比

當前市場上的主流驅(qū)動輪總成主要采用兩種齒輪傳動方式:內(nèi)齒傳動和外齒傳動。這些傳統(tǒng)設(shè)計的最小回轉(zhuǎn)半徑分別為R155 mm、R175 mm,這些數(shù)值均顯著大于本文提出的驅(qū)動輪總成設(shè)計的最小回轉(zhuǎn)半徑R131.49 mm。通過對比可以明顯看出,本文介紹的驅(qū)動輪總成在設(shè)計上實現(xiàn)了更緊湊的回轉(zhuǎn)半徑,這一改進不僅提升了空間利用率,還有助于提高設(shè)備的機動性和靈活性。這種優(yōu)化設(shè)計對于需要在有限空間內(nèi)操作的地面清洗清掃及倉儲運輸設(shè)備尤為重要,它能夠顯著減少設(shè)備的整體尺寸,同時保持甚至提升性能。

5 結(jié)束語

本文提出的方案通過精心調(diào)整齒輪布局、整合總成構(gòu)件,成功實現(xiàn)了研究的核心目標。具體而言,優(yōu)化后的設(shè)計方案大幅減小了回轉(zhuǎn)半徑,不僅提高了驅(qū)動輪總成的空間效率,還為降低制造成本提供了可能。此外,通過精確匹配齒輪參數(shù),擴展了驅(qū)動輪總成對適配設(shè)備的適用范圍,從而增強了其在多樣化應用場景中的適用性和靈活性?？傊?這種優(yōu)化設(shè)計策略為驅(qū)動輪總成的性能提升和成本效益優(yōu)化提供了一條切實可行的路徑。本文展示的優(yōu)化設(shè)計方案,為設(shè)計具有最優(yōu)回轉(zhuǎn)半徑的驅(qū)動輪總成提供了一種高效的方法。

[參考文獻]

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2025年第2期第13篇