毕业论文 汽车电子差速器及其方法设计控制

前 言

提到电子差速器，首先要说到电动汽车，随着汽车工业的高速发展．能源危机与环境污染等问题日趋显露，电动汽车和混合动力汽车的研发得到了广泛的重视。而电子差速作为电动汽车上应用的一项新技术，也得到了越来越多的关注和研究。

差速器对于汽车的平稳行驶和转向都起着重要的作用，当车辆行驶在转弯路面或弯道时，为了达到转向的目的．车辆转向时内外轮应当具有一定的速度差，即差速， 其目的是为了在车辆转向时使车轮线速度能与该车的轮心速度相协调，以避免因车轮拖滑或滑转而导致的功率循环不平衡或者汽车不能正常行驶的问题。当汽车转弯时，例如左转弯，圆心在左侧，在相同的时间内右侧车轮要比左侧车轮走过的轨迹要长，所以右侧车轮转的要更快一些。要达到这个效果，就得通过差速器来调节。

传统的机械差速器由行星齿轮、行星轮架（差速器壳）、半轴齿轮等零件组成。发动机的动力经传动轴进入差速器，直接驱动行星轮架，再由行星轮带动左、右两条半轴，分别驱动左、右车轮。差速器的设计要求满足：（左半轴转速）+（右半轴转速）=2×（行星轮架转速）。当汽车直行时，左、右车轮与行星轮架三者的转速相等处于平衡状态，而在汽车转弯时三者平衡状态被破坏，并通过半轴反映到半轴齿轮上，迫使行星齿轮产生自转，使外侧半轴转速加快，内侧半轴转速减慢，从而实现两边车轮转速的差异。

电子差速器则不再需要机械差速齿轮，其差速功能主要由软件来完成。它是在建立模型分析的基础上，得出各驱动轮满足的速度关系，进而通过控制器，实施电子控制。电子差速器通过控制驱动电机的转速来实现对驱动轮转速的控制，使控制精确灵活的同时降低了机械传动损耗，因此在电动汽车上有广阔的应用前景。

目前国内的电子差速器的产品还比较少，主要是理论研究，重点在于控制算法即电子差速控制策略的研究。目前的研究均建立在ACKERMANN —JEANTAND 模型的基础上，采取的控制方法有模糊控制，神经网络控制，和自适应控制等，在建模和仿真实验中均达到了比较理想的效果。研究中也存在一些问题，主要是ACKERMANN —JEANTAND 模型的局限性，该模型的分析是建立在比较理想的假设

条件的基础上的，没有考虑轮胎的影响，忽略了轮胎转弯时的离心力，没有考虑已经发生滑移、滑转的运行状态，并且只进行了静态分析，因此这些理论成果距离到真车的应用还有一段距离。今后对于电子差速的研究应该着眼于，建立更加完善的控制模型，综合考虑各种实际因素，使控制更加合理化，更加智能化。同时应该合理选择控制器，使其充分发挥控制功能的同时，降低控制能本。

本设计的主要内容包括了驱动电机的选择，减速机构的设计，硬件电路设计，和电子差速控制方法的研究。通过计算电动汽车运行所需的功率，进而查阅资料对各种电机进行对比，最终选择永磁无刷直流电机为驱动电机。由于电机的转速很高，扭矩比较小，为了使车轮获得足够大的扭矩，在电机和车轮之间设置了减速装置。该电子差速系统包括主控电路，电机驱动电路，信号反馈装置。文中对硬件电路的设计和电子差速控制方法都做了详细的阐述。

为了完成该设计，查阅了大量的资料，也吸收了很多科学、前卫的观点，使本设计得到了完善。本设计中包含机械设计的内容，体现在减速装置的设计部分，在硬件电路的设计中也包含了很多电路，电力电子，单片机等电子方面的内容，很好地体现了机与电的结合。当然设计中也存在很多漏洞和不足，该设计是建立在真车的数据基础上，由于条件的不足和缺少仿真环节，不能够清楚的知道该差速控制的控制效果。所以殷切的希望各位老师对本设计的内容、结构及疏漏错误之处给予批评、指证。

目 录

摘要 ............................................................... I Abstract .......................................... 错误！未定义书签。 第1章 绪论 ........................................................ 1 1.1为什么要发展电动汽车 ......................................... 1 1.2电动汽车的发展简史 ........................................... 2 1.3电子差速器在电动汽车上的应用 ................................. 3 第2章 电子差速器整体结构论述 ...................................... 5 2.1机械差速系统结构原理 ......................................... 5 2.2电子差速器的设计原理 ......................................... 6 第3章 驱动电机的选择 .............................................. 8 3.1电动汽车用电动机性能要求 ..................................... 8 3.2 电动汽车驱动电机参数的选择................................... 8 3.3电动汽车驱动电机性能比较 .................................... 10 3.4蓄电池的选择 ................................................ 11 第4章 减速机构设计 ............................................... 13 4.1传动比的计算 ................................................ 13 4.2齿轮的设计 .................................................. 13

4.2.1齿轮参数选择与设计 .................................... 13 4.2.2齿轮强度校核 .......................................... 16 4.2.3校核齿根弯曲强度 ...................................... 17 4.3轴的设计 .................................................... 18

4.3.1选择轴的材料和热处理方式 .............................. 18 4.3.2最小轴径估算 .......................................... 18 4.3.3轴结构设计 ............................................ 19 4.3.4轴的强度校核 .......................................... 20 4.4联轴器的选择 ................................................ 23 4.5齿轮的润滑 .................................................. 23 4.6轴承键的选择 ................................................ 24 第5章 硬件电路设计 ............................................... 25 5.1控制器芯片介绍 .............................................. 25

5.1.1 89C51单片机芯片内部逻辑结构介绍 ...................... 25 5.1.2 89C51单片机引脚排列及功能 ........................... 27 5.1.3时钟电路的设计 ........................................ 29 5.1.4复位电路的设计 ........................................ 30 5.2 驱动电路的设计.............................................. 30

5.2.1驱动控制原理图 ........................................ 31 5.3传感器的选择和测速原理 ...................................... 32

5.3.1霍尔传感器的工作原理 .................................. 33 5.3.2霍尔传感器的测速原理 .................................. 33 5.3.3编码器的工作原理 ...................................... 34 5.3.4编码器的测速原理 ...................................... 34 5.3.5程序设计 .............................................. 35

第6章 电子差速控制方法研究 ....................................... 37 6.1电子差速模型分析 ............................................ 37 6.2 电子差速实现方式............................................ 38

6.2.1四轮转速协调控制 ...................................... 39 6.2.2 加减速运行............................................ 39 6.2.3 总体转向控制.......................................... 40

结束语 ............................................ 错误！未定义书签。

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摘 要

以四轮独立驱动电动车的研究为背景，设计了一种基于89C51的电子差速

控制系统。在分析了ACKERMANN 和JEANTAND模型以后，提出了控制方案，并画出了程序流程图和硬件电路的设计。本文包括减速机构设计、电子差速系统设计，本系统设计思路清晰，控制方法有效，为今后进一步开发电动汽车电子差速系统提供了依据。

关键词：电动汽车,电子差速,控制方法,闭环反馈

I

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第2章 电子差速器整体结构论述

2.1机械差速系统结构原理

汽车在行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓汽车转向。就轮式汽车而言，实现汽车转向的方法是，驾驶员通过一套专设的机构，使汽车转向桥上的转向轮相对汽车纵轴线偏转一定角度。

在汽车直线行驶时，往往转向轮也会受到路面侧向干扰力的作用，自动偏转而改变行驶方向。此时，驾驶员也可以利用这套机构使转向轮向相反方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向。用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，即称为汽车转向系。汽车行驶方向的改变是通过改变差动轮的偏转角来实现的。此外汽车在直线行驶时，差动轮也会受到路面的侧向干扰力，而自动偏转，改变行驶方向，驾驶员即可通过转向系来恢复汽车的行驶方向。

汽车在转弯时，内侧与外侧车轮，在同一时间内所滚动的行程是不相等的。此外，即使汽车在作直线行驶，也往往会由于左右两侧车轮在同一时间内所滚动的路面起伏程度不同，或者左右车轮气压、轮胎负荷等因素引起车轮内外径不等，也会产生车轮行程不等。若两侧车轮行程不等，但采用一根整体式驱动车轮轴，会使某一驱动车轮产生滑移或滑转。其结果不仅会使轮胎过早磨损，而且消耗燃料，会使汽车的经济性变坏，转向沉重等弊端。为了消除这些弊病，普通汽车左右驱动轮之间都装有轮间差速系统。

图2.1显示了典型的机械差速系统的结构，差速系统的行星齿轮绕各自的轴旋转，从而使两个半轴齿轮能以不同的转速旋转。

图2.1 机械差素系统结构图

汽车转弯时车轮的轨迹是弧线，这时候处于圆弧内侧的轮子和处于外侧的轮子所走过的距离是不等的，这就需要用不同的转速来弥补这个的差异，它是通过

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一个行星齿轮机构来完成的。 因此机械差速器要求满足这样一个基本的等式：左半轴转速+右半轴转速=2 ×（行星轮架转速）。当汽车直行时，左、右车轮与行星轮架三者的转速相等处于平衡状态，而在汽车转弯时三者平衡状态被破坏，并通过半轴反映到半轴齿轮上，迫使行星齿轮产生自转，使外侧半轴转速加快，内侧半轴转速减慢，从而实现两边车轮转速的差异。

2.2电子差速器的设计原理

采用电子差速的方法，不再需要机械差速齿轮，其差速功能主要由软件完成。对四个驱动轮的转速进行精确地计算，再由电子差速控制器对四个驱动电机转速进行独立控制，使每个驱动轮都能独立提供驱动力，可以按需要独立分配功率，相互之间互不干涉。图2.2为电子差速器设计原理图

[1]

图2.2 电子差速器设计原理图

总体思路：

该电子差速器系统包含四个驱动电机和一个转向电机，四个驱动电机分别驱

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动四个车轮，提供前进动力，转向电机提供转向动力。

对于行进功能，控制器发出控制信号，通过驱动器转换、放大后驱动电机工作，电动机通过减速器进行减速增扭，从而获得足够的扭矩，驱动车轮转动。然后通过编码盘，检测到电机的转速，以此作为车速的反馈信号，输入回控制器。这样就建立了车速的闭环反馈系统。

对于转向功能，同样由控制器发出控制信号后，经过驱动器转换、放大驱动转向电机动作，并通过电动机驱动蜗轮蜗杆式转向器，实现转向。编码盘通过检测电机的转过的角度，以此作为转向角的反馈信号，并反馈到控制器的输入端。这样就建立了转向角的闭环反馈系统。

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第3章 驱动电机的选择

3.1电动汽车用电动机性能要求

电动车用驱动电机通常要求能够频繁启动／停车、加速／减速，低速和爬坡时要求高转矩，高速行驶时要求低转矩，并要求变速范围大。其主要参数包括：电动机类型、额定电压、机械特性、效率、尺寸参数、可靠性和成本等。另外为电动机所配置的电子控制系统和驱动系统也会影响驱动电动机的性能。

电动汽车对驱动电机的要求：

1.高电压。在允许范围内尽量采用高电压，可减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸，特别是可降低逆变器的尺寸。

2.高转速。高转速电动机体积小、质量轻，有利于降低电动汽车的整车整备质量。

3较大的起动转矩和较大范围的调速性能。这样使电动汽车有良好的启动性能和加速性能。电动机有自动调速功能，因此可以减轻驾驶员的操纵强度，提高驾驶的舒适性，并且能达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制响应

4.效率高、损耗少，并具有制动能量回收功能。电动汽车应具有最优化的能量利用，以在车载总能量不变的情况下最大限度的增加续驶里程，再生制动回收的能量一般可达到总能量的10％-20％，这是在内燃机汽车上不能实现的。

5.可靠性好、耐温耐潮强及运行噪声低，结构简单、维修方便及价格便宜。

[5]

3.2 电动汽车驱动电机参数的选择

3.2.1电动机额定功率的选择

电动机的额定功率若选小，电机常在过载下运行，因过热而损坏，不能承受冲击负载或起动困难。额定功率若选得过大，电机常在欠载下运行，其效率及功率因数变差，综合经济效益下降。正确选择电动机功率，应考虑电动汽车最高车速、爬坡、满载加速等性能要求。

从保证汽车预期的最高车速来初步选择电动机应有的功率 ，最高车速虽然只是汽车动力性能的一个指标，但它实质也反映了汽车的加速能力和爬坡能力，

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所选择的电动机功率应不小于汽车在良好路面上以最高车速行驶时的阻力功率之和，即

A3?1?GfCDPe???3600vmax?76140vmax? (3.1)

??式中：

pe为电动机额定功率，kw；

? 为固定速比传动系统的效率；

G为整车总重量，N；

f为滚动阻力系数；

maxv为最高车速，km／h；

CA

D为空气阻力系数； 为车辆迎风面积，m2

参考现有电动汽车参数取：

??0.90，G=1.5x104N，f=0.015,Vmax=100,CD=0.30,A=2带入公式(3.1)， 计算得Pe=14.1kw

3.2.2电动机额定转速的选择

额定功率相同的电动机，额定转速高时，其体积小、重量轻、价格低、效率和功率因数较高，且可减少实际运行中整车的机械损耗，也可为控制系统提供较大的调速范围。但在汽车的行驶速度一定时，额定转速越高，则传动速比大，有可能加大减速器的速比和尺寸。因此，电动机额定转速的选择应综合考虑以上因素。现根据常规车速确定电机额定转速，根据公式

n式中：

N?i?ui?goN0.377?r （3.2）

nigN电机额定转速，r／min；

传动比； 主减速比；

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i

o

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uN常规车速，km／h；

r滚动车轮半径，m。

根据现有电动汽车技术参数取：

ig=1.333(固定速比)，

io=4.35，

uN=50，r=0.3m,带入(3.2)，得

nN=2563 r／min

3.3电动汽车驱动电机性能比较

1．直流电动机

有刷直流电动机的主要优点是控制简单、技术成熟。具有交流电机不可比拟的优良控制特性。在早期开发的电动汽车上多采用直流电动机，即使到现在，还有一些电动汽车上仍使用直流电动机来驱动。但由于存在电刷和机械换向器，不但限制了电机过载能力与速度的进一步提高，而且如果长时间运行，势必要经常维护和更换电刷和换向器。另外，由于损耗存在于转子上，使得散热困难，限制了电机转矩质量比的进一步提高。鉴于直流电动机存在以上缺陷，在新研制的电动汽车上已基本不采用直流电动机。 2．交流三相感应电动机

交流三相感应电动机是应用得最广泛的电动机。其定子和转子采用硅钢片叠压而定子之间没有相互接触的滑环、换向器等部件。结构简单，运行可靠，经久耐用。交流感应电动机的功率覆盖面很宽广，转速达到12000～15000r/min。可采用空气冷却或液体冷却方式，冷却自由度高。对环境的适应性好，井能够实现再生反馈制动。与同样功率的直流电动机相比较，效率较高，质量减轻一半左右，价格便宜，维修方便。 3．永磁无刷直流电动机

永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有刷组成的机械接触结构。加之，它采用永磁体转子，没有励磁损耗：发热的电枢绕组又装在外面的定子上，散热容易，因此，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。此外，它的转速不受机械换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转运行。永磁无刷直流电动机机系统相比具有更高的能量密度和更高的效率，在电动汽车中有着很好的应用前景。

通过系统地分析和比较后认为永磁无刷直流电动机综合性能超过其它电动

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机，有可能是当前电动汽车的最佳选择。综上该系统选用4个永磁无刷直流电动机作为驱动电机，其外观如图3.1所示：

图3.1 永磁无刷直流电机外观图

电机具体参数见表3.1。

表3.1 永磁无刷直流电机参数

型号 额定电压 额定功率 4KW 额定转速 效 率 防护等级 IP54 绝缘等级 H级 RYW048—03 36V—96V 3000r/min 91% 3.4蓄电池的选择

纯电动汽车的最大瓶颈是电池。电动汽车对电池的要求比较高，高比能、高比功率、快速充电和具有深度放电功能、循环和使用寿命长。铅酸电池作为比较成熟的技术，虽然其比能量、比功率和能量密度都比较低，但是高的性价比及高倍率放电，成为目前唯一能大批量生成的电动汽车用电池。镍镉电池和镍氢电池虽然性能好于铅酸电池，但是其性价比不高，含重金属，用完遗弃后对环境会造成严重污染。

目前，越来越多的研究人员选用锂离子电池作为电动汽车的动力电池，因为锂离子动力电池有以下优点：工作电压高（是镍镉电池氢-镍电池的3倍）；比能量大（可达165WH/㎏，是氢镍电池的3倍）；体积小；质量轻；循环寿命长；自放电率低；无记忆效应；无污染等。磷酸铁锂电池也是一种锂电池，其比能量不到钴酸锂电池的一半，但是其安全性高，循环次数能达到2000次，放电稳定，价格便宜，成为车用动力新的选择。

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表3.2各种车用电池的性能比较

电池类型 铅酸电池 镍镉电池 镍氢电池 锂离子电池 磷酸铁锂电池 能量（W·h/kg） 功率（W/kg） 能量密度（W·h/L） 循环寿命（次） 35 55 80 120 120 130 170 225 180 90 90 94 143 360 210 500 500 1000 1200 2000 通过以上比较选择锂离子电池作为电动汽车的电源，额定电压12V，采用三组电池串联，来满足电动汽车的能量需求。

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第4章 减速机构设计

对于电机驱动控制系统，本设计采用驱动电机与减速器相连接，再带动车轮的方式，本章进行电机和车轮之间的减速器设计。

4.1传动比的计算

在第三章中已选择永磁直流无刷电机的额定转速为3000r/min,电动汽车的最高车速为100km/h,所以根据公式

v n轮? (4.1)

2?r?3.6式中：

n轮为车轮转速；

v 为车速；

r 为滚动车轮半径

已知v?100 km/h, r=0.3m,带入式(4.1)得n轮=14.7r/s 所以电机到车轮之间的传动比i为i?nn电机轮?300060=3.4,所以减速器设计为单14.7极减速器，传动比取i=4。

根据额定功率和转速确定电机额定转矩

MN?9554?pNnN =25.5Nm

N由此可得车轮的转矩为:

M=M轮?i=102Nm

4.2齿轮的设计

4.2.1齿轮参数选择与设计

圆柱齿轮传动的传递功率和速度适用范围大，功率可从小于千分之一瓦到10万千瓦，速度可从极低到 300米/秒。这种传动工作可靠，寿命长，传动效率

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高(可达0.99以上)，结构紧凑，运转维护简单。按轮齿与齿轮轴线的相对关系，圆柱齿轮传动可分为直齿圆柱齿轮传动﹑斜齿圆柱齿轮传动和人字齿圆柱齿轮传动3种。按啮合形式可分为：外啮合齿轮传动，由两个相啮合的外齿轮组成，两轮转向相反；内啮合齿轮传动，由一个内齿轮和一个外齿轮组成，两轮转向相同

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。为使设计加工简单，本设计采用直齿圆柱齿轮。

1）选择齿轮材料及精度等级

小齿轮选用40Cr调质，齿面硬度为270HBS。大齿轮选用45 钢，调质，齿面硬度195HBS；根据课本选7级精度。齿面精糙度Ra≤1.6~3.2μm。 由机械课本图9—19、图9—25查得

?Hlim1?720MPa ?550MPa ?290MPa ?210MPa

???Hlim2Flim1Flim22）齿轮的中心距

根据校核公式推导出的简化设计公式 a?483(u?1)3式中：

为中心距（mm）； aK为载荷系数可取1.2～2.0；

外啮合取正号，内啮合取负号，此处为外啮合所以取正号。 齿数比：u ?i?4取齿宽系数： ???0.4 ，载荷系数取K?1.5， 小齿轮转矩T1?25.5Nm 由所选材料可得：

KT1 a (4.2)

?u???H??2720?1?Hmin1ZNZLVRZWZX?????655MPa??H1?1.1sHmin550?1?Hmin2ZNZLVRZWZX?????500MPa??H2?1.1sHmin14

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∵???H1??????H2??故应以

?H2?500Mpa带入计算：

a?483(4?1)3取a?110mm

KT1?u???H??a2?483?5?31.5?25.5?110.4mm 20.4?4?5003）齿轮的模数

按经验公式取模数m?(0.007~0.02)a?0.77~2.2mm 取a?2mm

4）主要几何参数计算 初选??10 小齿轮齿数为：Z1?2acos?2?110?0.98??21.56取Z1=22

m(u?1)2?5大齿轮齿数为：Z2?Z1?u?22?4?88 精确计算?

??cos(?1)?m(Z1?Z2)2?(22?88)???cos(?1)?0

2a2?110小齿轮分度圆直径

d1?mZ1?44mm cos?大齿轮分度圆直径

d2?mZ2?176mm cos?小齿轮齿顶圆半径

dda1?d1?2ha?m?44?2?2?48mm

大齿轮齿顶圆半径

a2?d2?2ha?m?176?2?2?180mm

5）齿宽计算

b??a?0.4?110?44mm

a15

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小齿轮齿宽

b?b?(5~10)?44?6?50mm

1大齿轮齿宽

b2?b?44mm

4.2.2齿轮强度校核 1）齿面接触疲劳许用应力 应力循环次数

NN9 ?60at?60?1?3000?4?365?10?2.628?n101L1L2?60an2t?60?1?884.6?4?365?10?7.749?108

由机械设计课本图9—20查得：NL1?1，NL2?1.02 由表9—3及表9—4选齿轮精度为8-7-7GB10095-1988 由图9—21得ZLRV=0.91 由图9—23得ZX=1，取ZW=1

由表9—8，失效概率低于1%，Shmin=1 许用应力

?HLiml?????H1?ZN1ZLVRZWZXs?Hmin3000?1?0.91?1?1?2730Mpa

1884?1.02?0.91?1?1?820.5Mpa

1?HLiml2?????H2?ZN2ZLVRZWZXs?Hmin2）齿面接触疲劳应力 切向力Ft?2000T12000?25.5??1159N

44d1查表9—5使用系数KA?1.5 查图9-6，动载系数KV?1.05 查图9-7，齿间载分配系数Ka?1.25 按对称布置，查图9-8，并减小5%，K?=1

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查表9-7，弹性系数ZE?181.4 查图9-12，节点区域系数ZH?2.40

查图9-13，重合度系数和螺旋角系数Z?Z?=0.76 齿面接触应力

?H?ZEZHZ?Z?3）强度校核

KAKVK?K?Ft(u?1)?384.5Mpa

bd1u??H????????H1?? ??

HH2满足齿面接触疲劳强度要求。 4.2.3校核齿根弯曲强度 1）齿根弯曲疲劳许用应力 取

YST1?YST2?2

由图9-26，弯曲疲劳强度的寿命系数YN1?YN2?1 由表9-9，齿根圆角敏感系数Y?relT1?1,Y?relt2?0.95 选择齿面粗糙度Ra=6.3 ?m 取YRrelT1?YRreT2?0.9

由图9-27，弯曲疲劳强度的尺寸系数YX1?YX2?1 选择失效概率低于1/1000，

由表9-8，最小安全系数为：SFmin1?SFmin2?1.25 许用应力：

?Flim1YN1Y?relT1YRrelT1YX1YST1????F1???

?Flim2???F2???SYY?YSFmin1N2relT2290?1?1?0.9?1?2?417.6MPa1.25?210?1?0.95?0.9?1?2?287.3MPa1.25

RrelT2YYX2ST2Fmin22）齿根弯曲疲劳应力

由图9-28，复合齿形系数YFS1?YFa1YSa1=4.03，YFS2?YFa2YSa2=3.93

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由图9-18，重合度系数和螺旋角系数

Y?Y?=0.63

?F1?

1.5?1.07?1.25?1159KAKVK?K?Ft?4.03?0.63?67.1MPaYFa1YSa1YaY??bm44?267.1?3.93?F1YFa2YSa2???65.4MPa ?F2YFa1YSa14.033）强度校核

??F1????????F1?? ??

F2F2满足齿根弯曲疲劳强度要求。 表4.1为齿轮参数表。

表4.1 齿轮参数表

齿轮 大齿轮 小齿轮 齿数 22 88 模数 2 2 传动比 4 分度圆直径 齿顶圆直径 44mm 176mm 48mm 180mm 4.3轴的设计

4.3.1选择轴的材料和热处理方式

由于减速器轴为一般用途轴，可选45钢，调质。

??B?640MPa,?S?355MPa,??1?275MPa,?155MPa,????1???60MPa

?14.3.2最小轴径估算 利用转矩强度法，根据

d?C3P(mm) (4.3) n1）对于小齿轮式中，

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P?8kw，n?3000r/min，C=126～103（查表13—2）取C=120，带入式(4.3)，

得最小轴径为

dmin?12038?16.6mm 3000经圆整，取最小轴径（即轴端直径）dmin?20mm

2）对于大齿轮式中

取齿轮传动效率为?1?0.96

P1?p???8?0.96?7.68kw，n1?13000?750r/min，取C=120，带入式(5.3)， 4得到大齿轮的最小轴径为

dmin2?12037.68?26.0mm 7504.3.3轴结构设计

轴的结构设计主要有三项内容： 各轴段径向尺寸的确定； 各轴段轴向长度的确定； 其他尺寸的确定。

根据前面计算结果，可选圆柱滚子轴承。参数见表4.2。

表4.2 齿轮参数表

轴承代号 d N205E N206E 25 30 尺寸/mm 基本额定负载/kN B 15 16 极限转速 r/min 油润滑 14000 11000 考虑到轴上零件的定

D 52 62 CrCor脂润滑 （动） （静） 27.5 36.0 26.8 35.5 10000 8500 位、固

定及装拆，拟采用阶梯轴结构，选定轴承后，则可初步确定各段轴的直径。 1） 小齿轮轴径向尺寸的确定

根据所选轴承，此轴段（左轴颈）直径取为d1?20mm 取d2?22mm，

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为与所选轴承搭配取

d3?25mm，

为了便于小齿轮的装拆，并不损伤轴径表面与小齿轮配合的轴段直径取为

dd4?30mm，

小齿轮右侧采用轴肩定位，轴肩高度h?(0.07~0.1)d4?3.2~5，故取

5?35mm，

与左轴径一样，右支撑也选用圆柱滚子轴承N205E ，所以此轴段直径取

d?d63?25mm

2） 小齿轮轴各轴段长度 取l1?30mm，l2?25mm，

轴段3的长度略大于轴承宽度l3?22mm， 轴段4的长度极为齿轮的宽度l4?50mm，

轴肩的宽度取为l5?8mm，轴段6的长度略大于轴承宽度取为l6?20mm 3） 大齿轮轴径向尺寸确定 取值依据同上，取

D1?26mm，D2?28mm，D3?30mm，D4?35mm，D5?40mm ，D6?30mm

4） 大齿轮各轴段长度的确定

L?30mm，L12?30mm，L3?25mm，L4?44mm，L5?7mm，L6?22mm

5） 确定其他细节尺寸

轴两端倒角尺寸可取为1.5?450,轴肩过渡圆角半径取为1.5mm。 4.3.4轴的强度校核 1）计算小齿轮受力 转矩T1?2.25?104N?mm 齿轮切向力Ft?2T1d?12?25.5?1.16KN 44径向力：Fr?Fttan??1.16?tan200?0.422KN

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轴向力:F??Fttan??1.16?tan150?0.311KN 2） 计算支反力和弯矩并校核 水平面上

FAH?FRH?F2CHt?0.58KN

L?42.9KN?mm 2C点弯矩:

M?FAH?D点弯矩：MDH?FAH?30?17.4KN?mm 水平面弯矩和受力图如上图： 垂直面上

d1??110?F?2Fr2?0.27KN 支反力：FAr?110 FPr??FAr?Fr??0.27?0.422?0.152 C点弯矩：MCr?FAr?L?19.98KNmm 2 D点弯矩：MDr?FAr?30?8.1KNmm 求合成弯矩

MC? MD?MCH?MCr?46.3KN?mm

2222MDH?MDr?19.2KN?mm

C点当量弯矩：

CMM??MC2???T?2?48.8KN?mm

D点当量弯矩：

D??MD2???T??32?24.6KN?mm

所以,

dC?310?MC??010?48800?17.3mm 95dD?3

10?Md???3010?24600?13.7mm

9521

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考虑到键,所以

ddC?17.3?105%?18.2mm ?13.7?105%?14.4mm

D实际直径为20㎜,强度足够.如所选超凡直径和键连接等计算后寿命和强度均能满足,则该轴的结构设计无须修改. 大齿轮轴的强度校核 计算齿轮受力

前面计算出:转矩T2?1.02?105N?mm 齿轮切向力:

Ft=2T2d?22?102?2.10KN 176径向力:

F?F?tan??0.764KN?mm

rt轴向力:

F??Ft?tan??0.563KN?mm

计算支承反力及弯矩 水平面上

FAH?FRH?F2t?1.05KN

C点弯矩

MCH?FAH?L?72.8KN?mm 2垂直面上

d2??140?F?2Fr2?1.12KN FAr?140FPr??FAr?Fr?0.356

L?80.64KNmm 2 C点弯矩：

MCr?FAr?求合成弯矩

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MD?MDH?MDr?108.5KN?mm

C点当量弯矩：

MC22??MCC2???T?02?95.1KN?mm

所以,

d?310?MC???21.6mm

考虑到键,

所以dC?21.6?105%?22.6mm

实际直径为26㎜,强度足够.如所选超凡直径和键连接等计算后寿命和强度均能满足,则该轴的结构设计无须修改。 轴的尺寸参数见表4.3。

表4.3 轴段尺寸表

名称 d 小齿轮轴 l D 大齿 轮轴 L 轴段1 20 35 26 40 轴段2 22 21 28 24 轴段3 25 26 30 31 轴段4 30 50 35 44 轴段5 35 8 40 7 轴段6 25 20 30 22 4.4联轴器的选择

根据电机的工作条件和联轴器的载荷类别、转速等因素综合考虑，应选择选有弹性元件的挠性联轴器，以适应电动汽车冲击、振动、转矩变化较大的工况特点

[13]

。

减速器的输入端扭矩为25.5Nm,输出端扭矩为102Nm，根据扭矩的大小和减速器输入、输出端转速的大小，查机械设计手册选用型号为ML1的联轴器与电动机相连，其公称转矩为45Nm， 轴孔直径24mm，轴孔长度为52mm。选用型号为ML4的联轴器与车轮相连，其公称转矩为140 Nm，轴孔直径为42mm，轴孔长度为112mm。

4.5齿轮的润滑

因为减速器的大齿轮的齿顶圆半径远大于小齿轮的齿顶圆半径，所以大齿轮采用浸油润滑的方式，小齿轮则采用飞溅润滑的方式。大齿轮浸入油液大约1

23

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个齿高，但不小于10mm。滚动轴承的润滑由于轴的转速低且受力较小，因此轴承采用飞溅润滑。

4.6联接键的选择

初步选择A型普通平键，取高速轴联接键公称尺寸为b?h?l?6?6?28，低

速轴联接键公称尺寸为b?h?l?8?7?32。

平键联接的主要失效形式是工作面的压溃，除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。设载荷为均匀分布，可得平键联接的挤压强度条件为：

???4T??????? dhl4T25.5?4?1000??30.4MPa dhl20?6?284T102?4?1000??70.5MPa dhl26?7?32高速轴d=20mm,h=6mm,l=28mm,T=25.5Nm带入上式得

???低速轴d=26mm,h=7mm,l=32mm,T=102Nm带入上式得

???查表得知

????110M?a ???所以

?????????，键满足要求。

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第5章 硬件电路设计

硬件电路由主控芯片，电机驱动电路，反馈电路三大部分组成，图5.1为电路原理图。

图5.1 电路原理图

5.1控制器芯片介绍

电子差速的控制部分，采用我们比较熟悉和常用的单片机来实现，选择89C51作为主控芯片。

5.1.1 89C51单片机芯片内部逻辑结构介绍

89C51单片机是由中央处理器(CPU)、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、串行接口、并行I/O接口、定时/计数器、中断系统等几大单元，以及数据总线、地址总线和控制总线组成的如图5.2所示

[12]

。89C51单片机的内部结构框架示意图

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图5.2 89C51系列单片机内部结构框图

单片机的性能都反应在单片机所物有的结构和资源上。这里首先介绍89C51单片机基本结构的主要组成部分。 1.中央处理器(CPU)

中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件。89C51单片机是8们数据宽度的处理器，它能处理8们二进制数据或代码。CPU主要由算术逻辑部件、控制器和专用寄存器三部分电路组成。它负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 2 .程序存储器(ROM)

89C51单片机共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序、原始数据或表格。由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。 3 .数据存储器(RAM)

89C51单片机内部有128处8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的。专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据。所以，用户能使用的RAM只有128个。这些单元可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。

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4 .定时/计数器

89C51有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数。它也可以产生中断，从而控制程序转向。 5 .并行输入输出(I/O)口

单片机需要和外部设备进行通信，以便于处理外部的输入法和将运算结果反馈到外部设备。89C51共有4组8位I/O口(P0、P1、P2和P3)，用于对数据的读入和输出。 6 .全双工串行口

89C51内置一个全双工串行通信口，用于与其他设备间的串行数据传送。该串行口既可以用做异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 7 .中断系统

89C51具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断。这些功能可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。 8 .时钟电路

89C51内置最高频率达12MHz的时钟电路，可以外置振荡晶振和电容，便可以产生整个单片机运行的脉冲时序。设计人员也可以采用外部的时钟源作为工作时钟。

由上可见，89C51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，它是单片机技术上的突破，也是MCS-51单片机在设计上的精美之处[12]。 5.1.2 89C51单片机引脚排列及功能

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图5.3给给出了89C51的芯片引脚结构。

图5.3 89C51的芯片引脚结构 89C51的内部资源为：

8位CPU，4KB掩膜ROM程序存储器。 128字节内部RAM数据存储器。 2个16位的定时/计数器。 1个双工的异步串行口。

5个中断源、两级中断优先级的中断控制器

时钟电路，外接晶振和电容可产生1.2MHz~12MHz的时钟频率。 89C51各引脚的功能见表5.1

表5.1 89C51引脚功能

引脚号 1~8 39~32 21~28 10~17 40 20 引脚名 P1.0~P1.7 P0.0~P0.7 P2.0~P2.7 P3.0~P3.7 VCC VSS 功能 8位准双向I/O口 双向8位三态I/O口 8位准双向I/O口 8位准双向I/O口 接+5V电源 接地 28

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19 18 9 30 29 31 XTAL1 XTAL2 RESET ALE PSEN EA/VPP 接外部晶体的一个引脚 接外部晶体的另一个引脚 复位信号输入端 为地址锁存信号 程序存储器允许输出控制器 内/外程序存储器选择控制器 5.1.3时钟电路的设计

单片机内部是基于数字逻辑电路来运行的。这些数字逻辑电路需要量在一个统一的时钟步调下运行。振荡器和时钟电路用于产生单片机正常工作时所需要的时钟信号。89C51单片机采用CMOS工艺，内部包含一个振荡器，可以用于CPU的时钟源；也允许采用外部振荡器，由外部振荡器产生的时钟信号来供CPU运行使用[12]。

本设计采用内部时钟模式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1引脚和XTAL2引脚上连接一个晶体振荡器或者陶瓷振荡器，并接两个电容后接地即可，如图5.3所示。使用时，对于电容的选择在一定的要求。

XTAL130pF12MHzXTAL230pF 80C51GND 图5.4 时钟模式电路图

当外接晶体振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=30±10pF； 当外接陶瓷振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=40±10pF。

在设计电路时，应该注意尽量保证外接的振荡器和电容尽可能靠近单片机的XTAL1和XTAL2引脚，这样可以减少寄生电容的影响，使振荡器能够稳定可靠地为单片机CPU提供时钟信号。

本设计采外接晶体振荡器和电容组成的并联谐振回路。选择频率为12MHz振荡晶体。两个电容的大小均为30pF。

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5.1.4复位电路的设计

单片机的复位是很重要的，复位操作可以完成单片面的初始化，也可合外于死机状态下的单片机重新开始运行。

单片机复位原理是，在时钟电路开始工作后，在单单片机的RES引脚施加24个时钟振荡脉冲(即两个机器周期)以上的高电平，单片机便可以实现复位。在复位期间，单片机的ALE引脚和PSEN引脚均输出高电平。当RST引脚从高电平跳变为低电平后，单彼岸机便从0000H单元开始执行程序。

在实际应用中，采用外部复位电路来进行单片机复位一般在RST引脚保持10ms以上的高电平，保证单片机能够可靠地复位。在本设计中采用手动上电位复位电路，这样可以人工复位单片机系统。在本电路中，选取的电阻大小分别为220Ω和1KΩ，选用22μF电容，电路结构如图3.4所示。除了系统上电的时候可以给RES引脚一个短暂的高电平信号外，当按下按键开关的时候，VCC通过一个电阻连接到RST引脚，给RST一个高电平；按键松开的时候，RST引脚恢复为低电平，复位完成。如图5.4所示为手动上电复位电路

VCC按键开关220ΩRST22μF1KΩ80C51GND 图5.5 手动上电复位电路

5.2 驱动电路的设计

对于普及的直流无刷电机，大多采用三相桥式逆变电路驱动，其结构如图5.5所示。

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图5.6 无刷直流电机的结构

图5.5中底部的3个电感为电机线圈的简单等效模型，6只功率MOSFET作为开关器件使用，组成三相桥式结构。如果将他们按照一定的组合方式和频率进行开关，即能驱动三相无刷直流电机转动。功率MOSFET的导通顺序如图5.5所示，由图可知，系统采用三相六拍制单极控制，电动机每转一周都要经过六次换相，每一相都有一个上管和一个下管为导通状态，但同一对上下管不能同时导通，否则相当于电源短路。这六相分别为：Q1 Q6，Q3 Q6，Q3 Q2，Q5 Q2，Q5 Q4，Q1 Q4。在每相中，电流根据导通的功率MOSFET不同，按不同方向流经电机的不同线圈，由此产生持续的旋转磁势，推动电机的转子转动。 5.2.1驱动控制原理图

本文设计的直流无刷电机驱动电路，采用自举法驱动高压侧开关管，全部采用分立元件，其中一对上下功率MOSFET的驱动电路如图5.6所示，其余两对开关管的驱动电路与之完全相同。

对于Q2管，不需要浮置栅，驱动方法比较简单。当N2基极的L_PWM为低电平时，N2不导通，N1和P1导通，使得Q2的栅极被15V电源直接驱动，Q2导通。当L_PWM为高电平时，N2导通，N1,P1关断，Q2栅极电位被拉到地，Q2关断。 对于Q1管，需要栅极浮置驱动，原理如下。当N3基极的H_PWM信号为低电平时，N3和P2都不导通，此时Q1是关断的，而Q2互补导通。15V电源电压经D1向自举电容C1充电，使得C1两端电压为15V减去D1的管压降，大概为14V。当H_PWM信号为高电平时，N3和P2相继导通，自举电容C1两端的电压通过P2加到Q1的栅极上，浮置于源极之上，电压差为14V左右，保证Q1饱和导通，此时Q2必须是互补关断的，否则将造成桥臂导通，使电源短路。当H_PWM信号再次转为低电平时，P3导通，使Q1的栅极电容迅速放电，及时关断Q1。其中H_PWM和

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5.3传感器的选择和测速原理

总体控制电路原理图 如图5.8所示。

图5.8 总控制电路原理图

L_PWM分别为驱动上下开关管的5V数字逻辑PWM信号。

图5.7 电机驱动控制原理图

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来实现转速测控，并且充分利用了单片机的内部资源，有很高的性价比。

力强等特点。霍尔传感器的输出信号经信号调理后，通过单片机对连续脉冲记数

本测速系统采用集成霍尔传感器敏感速率信号，具有频率响应快、抗干扰能

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5.3.1霍尔传感器的工作原理

给置于磁场中导体或半导体通入电流，若电流垂直于磁场，则在与磁场和

电流都垂直的方向上会出现一个电位差，这种现象称为霍尔效应。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔元件，利用集成电路 ￡艺将霍尔元件与测量电路集成在一起制成的器件，称为集成霍尔传感器。集成霍尔传感器可分为线性型和开关型两大类。开关型霍尔传感器将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC 门等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新回到高阻态，输出高电平。线性型霍尔传感器将霍尔元件和恒流源、线性放大器等做在一个芯片上．其输出特性是线性变化的。由于其输出电压较高、使用非常方便，因而得到广泛的应用。 5.3.2霍尔传感器的测速原理

转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法（测频法）、T法（测周期法）和MPT法（频率周期法），该系统采用了M法（测频法）。由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系：

60n? 式5.1

PT式中：

n为电机转速;P为电机转一圈的脉冲数;T为输出方波信号周期 根据式5.1即可计算出直流电机的转速。

本系统采用单片机C8051作为主控制器，使用霍尔传感器测量电机的转速，通过7079最终在LED上显示测试结果。此外，还可以根据需要调整控制电机的转速，硬件组成由图5.9所示。

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图5.9 测速系统硬件组成框图

控制器89C51主要完成转速脉冲的采集、16为定时计数器计数定时、运算

比较，片内集成的12位DAC0控制转速，并且通过7279显示接口芯片实现数码显示等多项功能。 5.3.3编码器的工作原理

光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，这是目前应用最多的传感器。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅的线数决定。其原理示意图如图5.10所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90o的两路脉冲信号。

图5.10 编码器

5.3.4编码器的测速原理

编码器的测速原理：编码器每旋转一周，就会输出特定数目的脉冲。在单位时间内记录读取到的编码器输出的脉冲数，即可知道旋转编码器转动的圈数，知道电机与车轮之间的传递那个比，即可求轮胎的转动速度。因为轮胎周长一定，所有可以求得在单位时间内汽车行驶的路程，再通过计算即可得到汽车的速度，如果单位时间足够小，则可以近似认为该速度为瞬时速度。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jw0g.html