最優(yōu)回轉(zhuǎn)半徑驅(qū)動(dòng)輪總成的設(shè)計(jì)方法研究

摘 要：選定特定規(guī)格齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪總成的應(yīng)用環(huán)境和性能參數(shù)，研究驅(qū)動(dòng)輪總成的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪總成具有最優(yōu)回轉(zhuǎn)半徑的目標(biāo)。通過具體案例，展示了齒輪布局與構(gòu)件整合的設(shè)計(jì)策略，為驅(qū)動(dòng)輪總成的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新的視角。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)輪總成；回轉(zhuǎn)半徑；齒輪傳動(dòng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TB472""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""" 文章編號(hào)：1671-0797（2025）02-0052-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.02.013

0""" 引言

在地面清洗、清掃以及倉儲(chǔ)運(yùn)輸設(shè)備領(lǐng)域，驅(qū)動(dòng)輪總成扮演著至關(guān)重要的角色，它是移動(dòng)設(shè)備動(dòng)力輸出的核心組件。因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)輪總成進(jìn)行設(shè)計(jì)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(duì)具體規(guī)格驅(qū)動(dòng)輪總成的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，通過齒輪布局的優(yōu)化及驅(qū)動(dòng)輪總成構(gòu)件的整合，達(dá)到提升性能和降低成本的雙重目標(biāo)。該方案旨在提供一種最優(yōu)回轉(zhuǎn)半徑驅(qū)動(dòng)輪總成的設(shè)計(jì)方法。

驅(qū)動(dòng)輪總成設(shè)計(jì)受到電機(jī)、減速器和驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)未能相互適配的限制，導(dǎo)致其回轉(zhuǎn)半徑普遍超出理論最優(yōu)值。這種設(shè)計(jì)上的不足迫使適配設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須預(yù)留額外的空間，以適應(yīng)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(dǎo)致了結(jié)構(gòu)空間的浪費(fèi)以及結(jié)構(gòu)件、標(biāo)準(zhǔn)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(jī)搭配齒輪傳動(dòng)，包括內(nèi)齒傳動(dòng)及外齒傳動(dòng)，這主要是因?yàn)檫@種組合在成本、性能和維護(hù)方面達(dá)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(jī)和其他更高效的電機(jī)類型可能會(huì)逐漸成為主流，尤其是在對(duì)效率和維護(hù)要求較高的應(yīng)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(dòng)輪直徑：250 mm；寬度：90 mm）；有刷直流電機(jī)配外齒傳動(dòng)，包括電磁制動(dòng)器，其回轉(zhuǎn)半徑在R175 mm及以上；有刷直流電機(jī)配內(nèi)齒傳動(dòng)時(shí)，其回轉(zhuǎn)半徑雖有所減小，但內(nèi)齒傳動(dòng)中，內(nèi)齒圈內(nèi)僅設(shè)置有主動(dòng)輪，很大空間不能被有效利用，同時(shí)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(dòng)輪總成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過整合電機(jī)、減速器和驅(qū)動(dòng)輪之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)齒輪參數(shù)和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化；減小總成回轉(zhuǎn)半徑，提升總成在多樣化應(yīng)用場景中的適用性和靈活性；同時(shí)減少材料的使用，實(shí)現(xiàn)成本效益的最大化。該方案的核心目標(biāo)是開發(fā)出一套結(jié)構(gòu)緊湊且經(jīng)濟(jì)適用的驅(qū)動(dòng)輪總成：在目標(biāo)性能參數(shù)下，總成的回轉(zhuǎn)半徑不超過驅(qū)動(dòng)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(dòng)輪總成作為研究對(duì)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(shí)無載重爬坡坡度不超過10°，平地時(shí)速6 km，爬坡時(shí)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(dòng)輪總成的輸出參數(shù)如表1所示。

暫定傳動(dòng)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(dòng)輪、剎車屬磨損件；其他零部件壽命3 000 h。

1.2""" 總成最優(yōu)回轉(zhuǎn)半徑

驅(qū)動(dòng)輪外形尺寸如圖1所示。

驅(qū)動(dòng)輪胎面直徑250 mm，寬度90 mm；工藝尺寸：2處倒圓R5 mm；幾何計(jì)算或機(jī)械制圖都可以得出驅(qū)動(dòng)輪繞中心O的回轉(zhuǎn)半徑為131.49 mm，也就是驅(qū)動(dòng)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(jì)在該尺寸范圍之內(nèi)。

目前產(chǎn)品的回轉(zhuǎn)半徑以R175 mm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(dòng)輪總成的總高度為165 mm，可以根據(jù)客戶需求調(diào)整，對(duì)總成回轉(zhuǎn)半徑的影響較小。

2""" 優(yōu)化驅(qū)動(dòng)輪總成

驅(qū)動(dòng)輪總成主要包括電機(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)輪，電機(jī)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(jī)與減速器集成設(shè)計(jì)方案，旨在最大限度地壓縮軸向空間。通過將電機(jī)和減速器設(shè)計(jì)為一個(gè)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(dòng)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(shì)，為驅(qū)動(dòng)輪總成的設(shè)計(jì)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(shí)際狀況，即外齒加工比內(nèi)齒加工設(shè)備更先進(jìn)，工藝更成熟，精度要求更容易實(shí)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(dòng)方式。

齒輪布局如圖2所示。

動(dòng)力軸上布置有齒輪2，將動(dòng)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(jī)主體1之間、轉(zhuǎn)子輸出端軸承的外圍。這種外齒齒輪傳動(dòng)的布局是驅(qū)動(dòng)輪總成優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，是齒輪布局服從結(jié)構(gòu)需求的具體體現(xiàn)。

動(dòng)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(dòng)輪可拆卸地固定布置在輪轂5外圍，完整地實(shí)現(xiàn)動(dòng)力從電機(jī)傳遞到驅(qū)動(dòng)輪。涉及的基本構(gòu)件支撐體8是本文設(shè)計(jì)產(chǎn)品的關(guān)鍵零部件，它整合了電機(jī)、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(jī)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(jī)輸出軸通過該孔。支撐體8兼具電機(jī)機(jī)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(shí)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(dòng)比26：1，可確定兩級(jí)傳動(dòng)最為經(jīng)濟(jì)；從驅(qū)動(dòng)輪與電機(jī)同軸的結(jié)構(gòu)則可確定這兩級(jí)傳動(dòng)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(dòng)輪直徑越大；結(jié)合雙聯(lián)齒輪3的具體位置，一級(jí)傳動(dòng)比越大，雙聯(lián)齒輪3的最大外徑也越大，會(huì)影響驅(qū)動(dòng)輪總成體積。

""""""""""""""u=z2/z1""""""""""""""""""""" （1）

d=zm"""""""""""""""" （2）

da=d+2ha" （3）

式中：u為齒數(shù)比；z1、z2分別為主動(dòng)輪、從動(dòng)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(dòng)比不變，一級(jí)傳動(dòng)比越大，二級(jí)傳動(dòng)比越小。

i12=z2/z1""""""""""""""""""""""""""""""" （4）

i=i1i2""""""""""""""""""""""""""""""""""""" （5）

式中：i12為某一級(jí)傳動(dòng)比；i為減速器總傳動(dòng)比；i1、i2分別為一級(jí)、二級(jí)傳動(dòng)比。

分配傳動(dòng)比的基本原則之一是使各級(jí)傳動(dòng)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(jì)性出發(fā)，改變做法如下：不但i1=i2，而且各級(jí)傳動(dòng)的主、從動(dòng)輪模數(shù)等參數(shù)均分別保持一致；要保持各級(jí)傳動(dòng)的承載能力接近相等，可選擇不同的齒寬，二級(jí)傳動(dòng)的齒寬大于一級(jí)傳動(dòng)齒寬。

由教材及經(jīng)驗(yàn)可知，主動(dòng)輪的齒數(shù)應(yīng)盡量選擇如11、13、17等質(zhì)數(shù)，傳動(dòng)比盡量取無理數(shù)；優(yōu)化設(shè)計(jì)法則，選擇每級(jí)的主動(dòng)輪齒數(shù)為13，從動(dòng)輪齒數(shù)為67；根據(jù)式（4）（5）得到總傳動(dòng)比為26.56，符合目標(biāo)傳動(dòng)比。

確定了各級(jí)齒輪的齒數(shù)，就可以根據(jù)電機(jī)的輸出功率和驅(qū)動(dòng)輪體積要求計(jì)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(jì)算過程可參考相關(guān)計(jì)算軟件，在此不做贅述。

2.3""" 可選配置及驅(qū)動(dòng)輪

在驅(qū)動(dòng)輪總成的可選配置中，電磁制動(dòng)器（即剎車）是一個(gè)關(guān)鍵組件。在電機(jī)占用較大軸向空間的條件下，為了適應(yīng)電機(jī)的緊湊布局，電磁制動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)軸。通過綜合考慮設(shè)計(jì)的設(shè)備重量、預(yù)期的爬坡坡度以及實(shí)際傳動(dòng)比，計(jì)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(dòng)器，以確保滿足可靠駐車的需求。此外，考慮到驅(qū)動(dòng)輪作為磨損件的特性，采用可更換的設(shè)計(jì)，將其固定設(shè)置在輪轂的外圍，從而便于未來的維護(hù)和更換。

驅(qū)動(dòng)輪應(yīng)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(dòng)在本領(lǐng)域的優(yōu)劣分析

在現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)輪總成設(shè)計(jì)中，齒輪布局的選擇對(duì)于性能和成本有著顯著的影響。本文將對(duì)內(nèi)齒傳動(dòng)和外齒傳動(dòng)兩種常見的齒輪布局方式進(jìn)行比較分析，以揭示它們各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

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

外齒傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)：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(duì)比

當(dāng)前市場上的主流驅(qū)動(dòng)輪總成主要采用兩種齒輪傳動(dòng)方式：內(nèi)齒傳動(dòng)和外齒傳動(dòng)。這些傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)輪總成設(shè)計(jì)的最小回轉(zhuǎn)半徑R131.49 mm。通過對(duì)比可以明顯看出，本文介紹的驅(qū)動(dòng)輪總成在設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了更緊湊的回轉(zhuǎn)半徑，這一改進(jìn)不僅提升了空間利用率，還有助于提高設(shè)備的機(jī)動(dòng)性和靈活性。這種優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于需要在有限空間內(nèi)操作的地面清洗清掃及倉儲(chǔ)運(yùn)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(shí)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(shí)現(xiàn)了研究的核心目標(biāo)。具體而言，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案大幅減小了回轉(zhuǎn)半徑，不僅提高了驅(qū)動(dòng)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(kuò)展了驅(qū)動(dòng)輪總成對(duì)適配設(shè)備的適用范圍，從而增強(qiáng)了其在多樣化應(yīng)用場景中的適用性和靈活性。總之，這種優(yōu)化設(shè)計(jì)策略為驅(qū)動(dòng)輪總成的性能提升和成本效益優(yōu)化提供了一條切實(shí)可行的路徑。本文展示的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為設(shè)計(jì)具有最優(yōu)回轉(zhuǎn)半徑的驅(qū)動(dòng)輪總成提供了一種高效的方法。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 齒輪手冊(cè)編委會(huì).齒輪手冊(cè)[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械手冊(cè)（新版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

收稿日期：2024-09-06

作者簡介：程勇玖（1969—），男，安徽人，工程師，主要從事齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)工作。