主动式车轮系统理论分析与仿真

论文摘要

随着全球汽车保有量的不断上升，能源消耗、环境污染问题日益凸显，汽车的可持续发展面临着越来越严峻的形势，电动车是解决上述问题的有效途径，得到了越来越广泛的研究与发展。动力源是电动汽车研究的关键部分，因此，主动式车轮被提出来：主动式车轮是一种将发动机、传动系统和制动系统融为一体的车轮装置。主动式车轮的设计研究主要包括以下内容：首先，通过对电动汽车的性能分析，引入行星轮系作为电动车动力系统的主要组件，选择合适的传动方案，建立机构动力学模型，并通过具体数据计算输入输出的力与速度的大小，选择电机并确定电机的参数。其次，利用ADAMS软件对主动式车轮进行建模，前处理，分析计算，通过改变太阳轮与行星齿轮的齿数，得出较好的适用于主动式车轮系统的行星齿轮系统；通过研究太阳轮和行星架的单独工作状态，确定双自由度的行星系统是优于单自由度系统的；通过对整个主动式车轮系统施加载荷，研究其电机的输出扭矩情况。然后，利用ANSYS有限元分析软件对行星架进行静力学和模态分析，选择出制造行星架的最佳材料，并验证了行星架的设计结构在外载荷作用下满足强度要求和使用性能要求。通过对行星架变转速的研究行星架固有频率随着转速增大的变化趋势；分析了太阳轮、行星轮和内齿轮的固有频率及对应振型，确定零件在运行过程中电机的振动不会对其他零件造成共振。最后利用拓扑优化对行星架进行优化设计，在满足使用强度的情况下使零件的质量最轻。对优化后的行星架进行重设计和有限元校核，确保其满足使用要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.1.1 课题研究背景
• 1.1.2 课题研究意义
• 1.2 主动式车轮概述
• 1.2.1 电动汽车的几种驱动方式
• 1.2.2 主动式车轮简介
• 1.2.3 主动式车轮的驱动方式
• 1.3 主动式车轮技术研究概况
• 1.3.1 国外研究概况
• 1.3.2 国内研究概况
• 1.4 主动式车轮研究的关键点
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 主动式车轮理论分析与初步设计
• 2.1 电动汽车的设计要求
• 2.1.1 电动汽车设计参数
• 2.1.2 电动汽车的行驶阻力与牵引力计算
• 2.2 一般汽车发动机特性
• 2.3 主动式车轮原理与方案选择
• 2.3.1 主动式车轮基本原理与结构
• 2.3.2 传动方案的选择
• 2.4 主动式车轮的三种驱动模式
• 2.4.1 单电机低速驱动模式
• 2.4.2 双电机高速驱动模式
• 2.4.3 再生制动减速模式
• 2.5 主动式车轮运行参数计算
• 2.6 电机的选择
• 2.7 本章小结
• 第3章 主动式车轮的 ADAMS 仿真研究
• 3.1 机械动力学软件 ADAMS 简介
• 3.1.1 ADAMS 软件简介
• 3.1.2 ADAMS/VIEW 仿真模块介绍
• 3.1.3 ADAMS/POSTPROCESSOR 后处理模块介绍
• 3.2 主动式车轮建模
• 3.2.1 主动式车轮结构分析
• 3.2.2 主动式车轮变齿数分析方法
• 3.3 ADAMS 仿真前处理
• 3.3.1 三维模型的建立与导入
• 3.3.2 模型的材料属性
• 3.3.3 ADAMS 模型构件约束的添加
• 3.3.4 添加驱动与驱动函数的编写
• 3.4 行星轮系变齿数参数分析
• 3.4.1 太阳轮齿数为 30 的仿真与分析
• 3.4.2 太阳轮齿数为 34 的仿真与分析
• 3.4.3 太阳轮齿数为 38 的仿真与分析
• 3.4.4 行星轮系变齿数参数分析结论
• 3.5 太阳轮和行星轮分别运动的情况仿真
• 3.5.1 系统中太阳轮单独运行
• 3.5.2 系统中行星架单独运行
• 3.6 主动式车轮系统施加外载荷情况仿真
• 3.7 本章小结
• 第4章 主动式车轮主要零件力学分析
• 4.1 有限元法概述与方法简介
• 4.1.1 有限元法概述
• 4.1.2 有限元法的基本思想
• 4.1.3 有限元法的基本思路
• 4.1.4 有限元软件 ANSYS 简介
• 4.2 行星架的静力学分析
• 4.2.1 行星架的受力分析
• 4.2.2 行星架的多种材料选择
• 4.2.3 材料为 45 钢的行星架静力有限元分析
• 4.2.4 材料为 6063 铝合金的行星架静力有限元分析
• 4.2.5 材料为 7075T6 铝合金的行星架静力有限元分析
• 4.2.6 三种材料静力分析总结
• 4.3 行星架的模态仿真分析
• 4.3.1 振动与模态
• 4.3.2 行星架在外载荷下模态仿真
• 4.3.3 三种不同材料的行星架模态仿真
• 4.3.4 6063 铝合金的模态与振型
• 4.3.5 高速旋转下的行星架模态
• 4.4 其他零件模态分析
• 4.4.1 太阳轮模态分析
• 4.4.2 行星轮模态分析
• 4.4.3 内齿轮模态分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 主动式车轮行星架的拓扑优化与再分析
• 5.1 优化软件概述与方法简介
• 5.1.1 HyperWorks 软件介绍
• 5.1.2 软件 OptiStruct 概述
• 5.1.3 优化设计数学模型
• 5.1.4 OptiStruct 迭代算法
• 5.1.5 拓扑优化法
• 5.2 以最大位移为约束的行星架拓扑优化
• 5.2.1 拓扑优化前处理
• 5.2.2 结果分析与后处理
• 5.3 有应力约束的行星架拓扑优化
• 5.3.1 拓扑优化前处理
• 5.3.2 结果分析与后处理
• 5.4 基于优化结果的再设计
• 5.5 优化设计的行星架力学与模态分析
• 5.5.1 优化设计的行星架静力学分析
• 5.5.2 优化设计的行星架模态分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢