电动自行车传动系统设计

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1、课程名称 机械系统设计 课题名称 电动自行车（案例题） 目 录1 引言12 市场调研42.1 国内市场42.1 国际市场43 机械系统设计与分析63.1 动力系统结构及说明63.2传动系统结构及说明63.3 执行系统结构及说明73.4 支撑系统结构及说明83.5 操控系统结构及说明94 心得体会175 参考文献18一、 引言电动自行车以其特有的电力驱动技术、高效环保节能的控制技术、人性化的操作方法,受到用户的欢迎,正日益成为中国广大普通消费者出行的重要交通工具之一。因为它经济、实惠、便捷、实用,同时也是国家解决交通拥堵、环境污染、石油短缺的极为有效的手段。电动自行车是以蓄电池作为辅助能源,具有

2、两个车轮,能实现人力骑行、电动或电助动功能的特种助力车。它虽然具有普通自行车外表特征,但主要的是,它是在普通自行车的基础上,安装了电机、控制器、蓄电池、转把、闸把等操纵部件和显示仪表系统的、机电一体化的个人交通工具本文运用机械原理、机械设计、电工与电子技术基础、机电一体化等学科知识,结合国内有关电动自行车设计前沿知识,初步设计了电动自行车整车构造、电机的构造和厂理、控制器构造和原理、充电器构造和原理等几个部分。关键词:电动白行车、电机、控制系统、充电器二、 市场调研2.1 国内市场电动自行车是自改革开放以来具有中国特色的创新产品之一,属于绿色环保、贴近民生、拥有高度自主产权的民族产业。自第一台

3、电动自行车生产面世到现在二十余年间,电动自行车逐步发展成为国内重要的交通工具,根据工业和信息化部及中国汽车工业协会统计的数据,2018年全国交通工具产量中电动自行车排名第二,仅次于两轮脚踏自行车,成为中国交通工具制造领域产量规模较大的制造产业。2018年全国交通工具年产量比例图随着我国电动自行车行业的稳步发展,电动自行车保有量稳步上升。根据2017年3月15日国家自行车电动自行车质量监督检验中心发布的中国电动自行车质量安全白皮书及中国自行车协会,截至2018年末,我国电动自行车社会保有量已超过2.5亿辆。2009-2018年我国电动自行车保有量（单位：亿辆）我国人口超过13亿,为全球最大的交通

4、工具消费市场。人口红利为国内庞大的消费市场奠定了基础,是我国电动自行车行业从无到有,取得高速发展的重要原因。根据国家统计局的统计,截至2018年未,城镇居民家庭平均每百户电动自行车拥有量为57.5辆,较2013年增长18.5辆;农村居民家庭平均每百户电动自行车拥有量为74.8辆,较2013年增长34.5辆。庞大的人口基础、未来新增人口及二孩政策将持续为行业的未来带来良好的发展机遇。2013年-2018年中国居民家庭平均百户拥有电动自行车（单位：辆/百户）2.2 国际市场中国众多电动自行车品牌在努力发展国内市场的同时,也在积极开拓国外市场。国外电动自行车主要的作用是轻松代步及休闲健身,可在大型的

5、停车场、超市和旅游区里使用。随着世界各地的消费者对电动自行车的认识逐渐加深,电动自行车行业前景被国际市场普遍看好,在国际市场上的应用越来越广泛。我国电动自行车出口多年来连续上涨,根据中国自行车协会、中国轻工业协会发布的报告数据显示,2018年我国电动自行车出口数量为187.7万辆,出口总额为7.9亿美元(约合52.30亿元)。2010-2018年我国电动自行车出口总量及增速（单位：亿元，）以上数据及分析均来自于前瞻产业研究院发布的中国电动自行车行业市场前景预测与投资战略规划分析报告。一、二、三、 机械系统设计与分析3.1 动力系统设计及说明电动机选择3.1.1 选择电动机类型3.1.2 选择电

6、动机容量电动机所需工作功率为：；工作机所需功率为：；传动装置的总效率为：；传动滚筒 滚动轴承效率 闭式齿轮传动效率 联轴器效率 代入数值得：所需电动机功率为：略大于 即可。选用同步转速1460r/min ；4级 ；型号 Y160M-4.功率为11kW2.1.3确定电动机转速取滚筒直径1.分配传动比（1）总传动比(2)分配动装置各级传动比取两级圆柱齿轮减速器高速级传动比则低速级的传动比3.1.3 运动和动力参数计算1. 电动机轴 2. 高速轴3. 中间轴4. 低速轴5. 滚筒轴3.2 传动系统设计及说明齿轮计算3.5.2 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1按传动方案，选用斜齿圆柱齿轮传动。2绞

7、车为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度（GB 10095-88）。3材料选择。由表10-1选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280 HBS，大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240 HBS，二者材料硬度差为40 HBS。4选小齿轮齿数，大齿轮齿数。取5初选螺旋角。初选螺旋角3.5.3 按齿面接触强度设计由机械设计计算公式（10-21）进行试算，即1) 确定公式内的各计算数值（1）试选载荷系数1。（2）由机械设计第八版图10-30选取区域系数。（3）由机械设计第八版图10-26查得，则。（4）计算小齿轮传递的转矩。（5）由机械设计第八版表10-7 选取齿宽系数（6）由机械设计第八版表10

8、-6查得材料的弹性影响系数（7）由机械设计第八版图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 ；大齿轮的接触疲劳强度极限。13计算应力循环次数。（9）由机械设计第八版图（10-19）取接触疲劳寿命系数; 。（10）计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，安全系数S=1，由机械设计第八版式（10-12）得（11）许用接触应力2) 计算（1）试算小齿轮分度圆直径=49.56mm（2）计算圆周速度（3）计算齿宽及模数 =2mmh=2.252.252=4.5mm49.56/4.5=11.01（4）计算纵向重合度0.318124tan=20.73（5）计算载荷系数K。已知使用系数根据v= 7.6

9、 m/s,7级精度，由机械设计第八版图10-8查得动载系数由机械设计第八版表10-4查得的值与齿轮的相同，故由机械设计第八版图 10-13查得由机械设计第八版表10-3查得.故载荷系数11.111.41.42=2.2（6）按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径，由式（10-10a）得（7）计算模数 3.5.4 按齿根弯曲强度设计由式（10-17）1) 确定计算参数（1）计算载荷系数。 =2.09（2）根据纵向重合度 ，从机械设计第八版图10-28查得螺旋角影响系数（3）计算当量齿数。（4）查齿形系数。由表10-5查得（5）查取应力校正系数。由机械设计第八版表10-5查得（6）由机械设计第八版图1

10、0-24c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 ；大齿轮的弯曲强度极限 ；（7）由机械设计第八版图10-18取弯曲疲劳寿命系数 ，；（8）计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数S1.4,由机械设计第八版式（10-12）得（9）计算大、小齿轮的 并加以比较。=由此可知大齿轮的数值大。2) 设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数大于由齿面齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，取2，已可满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度得的分度圆直径100.677mm来计算应有的齿数。于是由取 ，则 取 3.5.5 几何尺寸计算1) 计算中心距a=将中以距圆整为141mm.2) 按圆整后

11、的中心距修正螺旋角因值改变不多，故参数、等不必修正。3) 计算大、小齿轮的分度圆直径4) 计算齿轮宽度圆整后取.低速级取m=3;由 取圆整后取表 1高速级齿轮：名称代号计 算 公 式 小齿轮大齿轮模数m22压力角2020分度圆直径d=227=54=2109=218齿顶高齿根高齿全高h齿顶圆直径表 2低速级齿轮：名称代号计 算 公 式 小齿轮大齿轮模数m33压力角2020分度圆直径d=327=54=2109=218齿顶高齿根高齿全高h齿顶圆直径轴的设计3.5.6 低速轴1) 求输出轴上的功率转速和转矩 若取每级齿轮的传动的效率,则2) 求作用在齿轮上的力因已知低速级大齿轮的分度圆直径为圆周力 ,

12、径向力 及轴向力 的3) 初步确定轴的最小直径先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为45钢,调质处理.根据机械设计第八版表15-3,取 ,于是得输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径.为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应,故需同时选取联轴器型号.联轴器的计算转矩, 查表考虑到转矩变化很小,故取 ,则:按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件,查标准GB/T 5014-2003或手册,选用LX4型弹性柱销联轴器,其公称转矩为2500000 .半联轴器的孔径 ,故取 ,半联轴器长度 L=112mm ,半联轴器与轴配合的毂孔长度.4) 轴的结构设计（1）拟定轴上零件的装配方案 （2）根据轴向

13、定位的要求确定轴的各段直径和长度1)根据联轴器为了满足半联轴器的轴向定位要示求,1-2轴段右端需制出一轴肩,故取2-3段的直径 ;左端用轴端挡圈,按轴端直径取挡圈直径D=65mm.半联轴器与轴配合的毂孔长度,为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上,故1-2 段的长度应比 略短一些,现取.2)初步选择滚动轴承.因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚子轴承.参照工作要求并根据,由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 、标准精度级的单列圆锥滚子轴承30313。其尺寸为dDT=65mm140mm36mm，故 ；而。3）取安装齿轮处的轴段4-5段的直径 ；齿轮的右端与左轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为90mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取 。齿轮的左端采用轴肩定位，轴肩高度 ，故取h=6mm ，则轴环处的直径 。轴环宽度 ，取。4）轴承端盖的总宽度为20mm（由减速器及轴承端盖的结构设计而定）。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离l=30mm，故取 低速轴的相关参数：表 3功率转速转矩1-2段轴长84mm1-2段直径50mm