基于功率分流的减速电动机轻量化设计_汪永海.pdf

机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期MECHANICAL ENGINEER基于功率分流的减速电动机轻量化设计汪永海（辰阔机电科技（上海）有限公司，上海 201101）0引言齿轮传动是机械传动中应用最广的一种传动形式，广泛应用于机床、汽车、飞机、发电、冶金、工程机械、舰船、轨道交通装备等行业中1。随着科技水平和装备制造业的快速发展，对设备轻量化的要求越来越高，特别是在汽车、工程机械等可移动设备上，设备自重减轻了，在减少原材料的消耗和降低生产成本的同时，还能够实现节能减排，改善移动设备的整体动力性能；轻量化设计日益被重视，逐渐成为未来装备制造业发展的一个重要趋势。电动机作为最常用的原动机直接与齿轮箱连接，齿轮箱输出轴带动工作负载是典型的布置形式，但常用的都是单驱动结构形式，即单台电动机与齿轮箱输入轴相连接，在这样的驱动形式中，齿轮箱内的每级齿轮传递的功率与电动机相同，因而单个齿轮零件及整个齿轮箱的体积和质量都比较大，特别是大中功率的传动系统，电动机本身的体积和质量已经相当大，再加上一个大的齿轮箱，导致整个传动系统体积和质量相当庞大，不仅制造成本高，而且安装调试也比较麻烦，特别是对于有空间限制的场合，会带来更多的麻烦；同时，集成设备上的传动系统体积过大，必然导致整个设备的体积和质量相应地增加。本文通过圆柱齿轮分流的方式，将减速机所传递的功率进行分流，用多个小电动机来替代单个大电动机输入，相应地使用多个输入轴与小电动机连接，降低单个齿轮传动的功率，减小相关零部件的大小，从而使整个传动系统的结构变得非常紧凑，达到轻量化设计的目的。1功率分流在单输入齿轮传动的结构中，每一级齿轮所传递的功率等于整个设备所传递的总功率，因而要求齿轮的模数和齿轮整体尺寸较大，这样才能保证足够的接触强度和弯曲强度；如果通过功率分流的方式，将单输入改变成四输入，则每个输入轴仅传递1/4的总功率，然后通过后续齿轮的逐级功率汇总，最后集中到输出轴上，实现输出总功率的不变；这样可以极大地减小输入齿轮等零部件的尺寸大小，从而减小整个传动系统的体积和质量。图1所示为整个齿轮传动系统的功率流向图。4个输入轴小齿轮所传递的功率汇集到第一级的2个大齿轮上，然后通过2个和第一级大齿轮同轴的第二级小齿轮将功率汇集到输出轴大齿轮，最终将总功率通过输出轴对外输出。通过对功率流向的分析，没有出现功率倒流现象，所以功率分流合理2。2系统结构本设计主要由3个部分组成：第一部分是实现减速功能的齿轮传动部分；第二部分是作为原动机的电动机组摘要：常规的齿轮传动系统的典型布置是单电动机输入形式，每级齿轮传递的功率等于总功率，因而对应的齿轮等零部件及整个齿轮箱体积和质量都比较大，对于有空间限制的场合，会带来更多的麻烦；另外，集成设备上的传动系统体积过大，必然导致整个设备的体积和质量相应地增加。该设计通过功率分流的方式，采用四驱动的方式来替代单驱动方式，减小单个齿轮传递的功率，从而减小齿轮等零部件的尺寸和质量，同时，4个小电动机仅保留定子和转子，而免去了电动机的外壳，将4套定子和转子安装在一个独立的箱体内，使整个传动系统的结构更加紧凑，达到轻量化设计的目标。关键词：功率分流；轻量化设计；齿轮传动；减速；多输入中图分类号:TH 122文献标志码:A文章编号：10022333（2023）08012903Lightweight Design of Reducer Motor Based on Power Split Technology.WANG Yonghai(ChankooMechanical and Electrical Technology(Shanghai)Co.,Ltd.,Shanghai 201101,China)Abstract:The typical arrangement of gear transmission system is single motor input,and the power transmitted by eachstage of gear is equal to the total power,so the dimension and weight of gears and other parts as well as the whole gearboxare relatively large,which will bring trouble for the space limited area;in addition,the big dimension of transmissionsystem will significantly increase the total dimension and weight of the integrated equipment that included it.In thisdesign,through the way of power split to divide the big motor into four small motors,so that can reduce the single geartransmission power,as well as the dimension of the parts.At the same time,the four small motors only retain the statorsand rotors without the motor shell,then the four stators and rotors installed in an independent motor case,which makes thewhole machine more compact,so that achieves the goal of lightweight design.Keywords:power split;lightweight design;gear transmission;deceleration;multi input129机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：MECHANICAL ENGINEER件；第三部分是进行系统控制的电气系统。其中齿轮传动部分和电动机组件安装在各自的箱体内部，然后再组装成一个整体主机，电气系统是一个独立环节，与主机分离，可以实现远程控制。2.1齿轮传动部分齿轮传动部分采用两级平行齿轮传动结构（如图2），第一级输入包含4个相同小齿轮轴，第一级大齿轮包括2个相同的大齿轮，每2个小齿轮同时与大齿轮相啮合，对称啮合于大齿轮的顶部与底部，由此可以实现4个轴的输入功率平均汇集到2个大齿轮上；第二级小齿轮与第一级大齿轮同轴，2个第二级小齿轮对称啮合于第二级大齿轮水平两侧，并将第一级大齿轮传递过来的功率传递到大齿轮上，实现功率的汇总，最终通过输出轴对外传递。2.2电动机组件齿轮传动部分的4个输入轴分别由4个电动机驱动，但本设计中所用的电动机也是不同于工业中常用的标准电动机（如图3），本设计方案仅保留了电动机的定子和转子，没有电动机外壳及风扇等部件，4个电动机的定子和转子集成安装在一个电动机箱体内，箱体内部有冷却通道，冷却水从底部的冷却液进口进入箱体内部，吸收电动机所散发的热量，并从顶部的冷却液出口排除，达到散热的功能。另外，通常对于采用变频调速的电动机，当工作频率低于工频时，电动机需要额外的独立风扇进行散热，以解决自带风扇散热能力不足的状况，而本设计所采用的水冷方式刚好可以解决这个问题，不需要散热风扇，不仅可以减小电动机的外形尺寸，而且采用循环水冷却系统，与常规的风冷却系统相比，冷却效率更高3。2.3电气系统本设计所包含的4个输入电动机虽然是同时提供输入，但由于4个电动机力学特性不完全相同，需要解决4个电动机输入转速同步和功率平衡的问题，因此通过4个小变频器来驱动4个电动机，不仅可以解决转速同步和功率平衡问题，而且可以根据实际负载的大小来决定几台电动机参与实际工作，能更好地实现节能减排的效果。图4所示的电气系统中，每个转子端部安装1个编码器，用于测量每个电动机的实际转速，并反馈到电气控制柜内的PLC，以实现转速的控制，功率平衡的反馈通过控制柜内的功率变送器来实现。3连接设计4个电动机与4个齿轮输入轴的连接通过锥面胀紧来实现，不仅可以免去常规的联轴器部件，而且结构紧凑，自对中性好，在装配时不需要进行额外的对中工作。如图5所示，齿轮输入轴一端设计成外圆锥形并带内螺纹孔，电动机转子一端设计成内圆锥孔，并且转子轴内部钻通孔，在装配时，将齿轮输入轴的外圆锥面插入到电动机转子的内圆锥面内，拉紧螺栓从转子轴内孔尾部插入，拧入输入轴的内螺纹孔，将内外锥面压紧，从而满足转矩传输的需求。3.1锥面胀紧计算41）传递载荷T所需的最小结合压强pfmin=2TK/（dmlf）。式中：dm为结合平均直径；K为安全系数；lf为结合长度；为结合面摩擦因数。2）传递载荷T所需的最小直径有效过盈量emin=eamin+eimin。内锥面最小直径变化eamin=pfmindmCa/Ea，其中，Ca=（1+q2a）/（1q2a）+a。式中：Ea为内锥面材料弹性模量；a为内锥面材料泊松比；qa为内锥面轴直径比。外锥面最小直径变化eimin=pfmindmCi/Ei，其中，Ci=（1+q2i）/（1q2i）+i。式中：Ei为外锥面材料弹性模量；vi为外锥面材料泊松比；qi为外锥面轴直径比。图1功率流向输入齿轮输入齿轮输入齿轮输入齿轮第一级大齿轮第一级大齿轮第二级小齿轮第二级小齿轮输出齿轮1.输入齿轮轴 2.第一级大齿轮 3.第二级小齿轮 4.第二级大齿轮 5.输出轴 6.齿轮箱体图2齿轮传动部分236453211.电动机转子 2.电动机定子 3.电动机箱体 4.冷却液进口 5.冷却液出口图3电动机组件425131.编码器 2.控制电缆 3.电气控制柜图4电气系统231PLC 模块变频器 1变频器 2变频器 4变频器 31.输入齿轮轴外锥面 2.电动机转子轴内锥面 3.拉紧螺栓图5胀紧连接213130机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期MECHANICAL ENGINEER（上接第128页）4李晓东.铝合金薄板MIG焊焊接变形仿真预测的工程应用J.焊接学报,2014,35(2):105-107.5王良涛.基于形状精度的车门焊接仿真分析研究D.长沙:湖大大学,2014:57.6AYGUL M.Fatigue Analysis of Welded Structures Using theFinite Element Method D.Gothenburg,Sweden:ChalmersUniversity of Technology,2012.7佚名.ESI发布2009版焊接模拟方案J.国防制造技术,2009(6):72.8杜坤,高海洲,周景,等.轿车车门焊接精度调试方法研究J.合肥工业大学学报(自然科学版),2009,32(增刊1):112-114,119.9吴言高,李午申,邹宏军,等.焊接数值模拟技术发展现状J.焊接学报,2002,23(3):89-92.10YAGHI A H,HYDE T H,BEECKER A A,et al.Residual StressSimulation in Welded Section of P91 PipesJ.Journal ofMaterials Processing Technology,2005,167(2/3):480-487.11丁林,周永涛,李明喜.T型接头激光焊接的温度场和应力场的数值模拟J.安徽工业大学学学报,2007,24(4):384-388.12张建,周训谦.基于Simufact的Q345焊接热循环主要参数研究J.电焊机,2015,45(9):167-170.13高耀东,何建霞