摘 要

进入21世纪以来，我国汽车产量增长迅猛，汽车成为人们日常生活中重要的交通工具。同时，汽车产业已经成为国家经济发展支柱性行业。汽车保有量的增加带来了巨大的能源消耗和突出的环境污染问题。大力发展新能源汽车是解决问题的关键。现阶段，纯电动汽车的研究尤为重要，开发高效轻便紧凑的一体化动力系统是纯电动轿车的重要研究方向，对纯电动汽车的经济性和动力性的提高有重要意义。

本文主要的内容是纯电动轿车的动力系统设计。首先结合当前汽车产业的需要和相关法规的制定，阐述了纯电动汽车一体化动力系统设计的重要性。介绍了当前电动汽车的动力系统组成和结构布局并分析其优缺点。对目前纯电动轿车使用的电机进行比较，结合整车性能要求和国内市场情况选择永磁同步电机并对其参数进行计算。然后进行电机减速器的一体化设计，参考了目前市场上特斯拉，日产聆风等纯电动轿车的设计，对减速器的结构和零件进行计算和设计。并对一体化电机和减速器在电动汽车上的工作原理及其相互关系进行分析。

本文研究结果表明：设计高效轻量的一体化动力系统是纯电动轿车的主流方向。本文中的设计能满足整车的动力性和经济性要求，永磁同步电机和减速器的配合，既能满足汽车的加速等动力性能要求，永磁同步电机的高转速也使得汽车能达到设计最高车速。

本文的特色在于：基于电动汽车理论，进一步阐述了电机加固定速比减速器的合理性，肯定了国内基于中国稀土资源的情况对乘用车用永磁同步电机的研究和使用。涉及了一款较成熟的且略有创新的一体化电机减速器系统。结合当前交通运输的环境，对纯电动轿车的发展方向提出了自己的的理解和建议。

关键词：一体化；永磁同步电机；减速器；电动汽车

Abstract

Since the beginning of the 21st century, China’s auto output has grown rapidly, and automobiles have become an important means of transportation in people’s daily lives.At the same time, the automobile industry has become a pillar industry of national economic development. The increase of car ownership brings huge energy consumption and outstanding environmental pollution. Vigorously developing new energy vehicles is the key to solving the problem. Present, pure electric vehicle research is particularly important to develop efficient and lightweight compact integrated power system is an important research direction in the pure electric cars, the improvement of the economy and power performance of pure electric vehicles have important significance.

The main content of this paper is the power system design of pure electric sedan. Firstly, the importance of the integrated power system design of pure electric vehicle is expounded in combination with the needs of the automobile industry and the enactment of relevant laws and regulations. The dynamic system composition and structure layout of electric vehicles are introduced and their advantages and disadvantages are analyzed. Compared with the electric motor used in pure electric cars, the permanent magnet synchronous motor is selected and the parameters are calculated according to the performance requirements of the vehicle and the domestic market. Then, the integrated design of motor reducer is carried out, and the design of pure electric cars such as tesla and nissan leaf in the market is taken into account, and the structure and parts of the reducer are calculated and designed. The working principle and relationship of the integrated motor and reducer in electric vehicle are analyzed.

The research results show that the integrated power system with high efficiency and light weight is the main direction of pure electric car. In this paper, the design can satisfy the requirement of the vehicle performance and fuel economy, permanent magnet synchronous motor and reducer to cooperate, can meet the power performance requirements, such as the acceleration of the high speed permanent magnet synchronous motor and the car can reach a top speed of design.

This article features: based on the theory of electric cars, further expounds the strengthening constant speed motor than the rationality of the speed reducer, affirmed the domestic passenger car based on China's rare earth resources in research and the use of permanent magnet synchronous motor. A more mature and slightly innovative integrated motor reducer system is involved. Combined with the current environment of transportation, this paper puts forward some understanding and Suggestions on the development direction of pure electric cars.

Key words :integration；permanent magnet synchronous motor；reducer；electric vehicle

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文主要内容 3

1.4 本章小结 3

第2章 驱动电机参数匹配 4

2.1 纯电动汽车结构及原理 4

2.2 纯电动汽车动力传动系统结构设计及要求 4

2.3 动力传动系统结构方案 5

2.4 驱动电机的分类与选型计算 7

2.5 驱动电机功率和最高转速的计算 8

2.6 计算电机的额定转速和额定转矩 10

2.7 确定最终减速比 10

第3章 减速器结构设计 12

3.1 减速器类型及特点 12

3.2 计算各轴转矩 12

3.3 各轴轴径初算和轴承选择 12

3.4 轴承的选择 13

3.5 齿轮参数的设计与计算 13

3.6 高速级齿轮设计计算 13

3.7 低速级齿轮设计计算 15

第4章 主要零件的CATIA建模 19

4.1 输入轴的建模 19

4.2 中间轴的建模 19

4.3 永磁同步电机的建模 20

4.4 差速器的建模 20

第5章 全文总结与展望 22

5.1 全文总结 22

5.2 展望 22

参考文献 24

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景

随着我国汽车产业的高速发展，汽车保有量增长迅猛。汽车尤其是传统内燃机车，在给人们生活带来交通方便的同时，也带来了巨大的化石能源消耗和严重的环境污染。由于人们生活水平的提高，民众对于健康生活和舒适环境的要求越来越高。为了满足人们对美好生活的追求，各国政府制定了越来越严格的排放法规。我国在不断提高排放标准的同时，严格限制了汽车企业的排放总量。

当前国际上正在考虑燃油车逐步退出市场的计划，我国也一样在结合国情和我国汽车行业的竞争力，公共交通配置等方面启动了相关研究。控制汽车油耗是减少排放二氧化碳的主要手段之一，各国政府面临的降油耗压力巨大，2015～2020年，中、欧、日、美油耗需要下降27.5%、26.9%、16.9%、10.4%。这时，高效、环保、噪声小、结构简单紧凑、易于控制的电动汽车以其巨大的优势重新得到了人们的重视。我国是石油进口大国，在实现中国梦的伟大历史进程中，能源消耗是我国面临的重大挑战。除了要增加能源进口渠道和开发新能源，对石油的巨大依赖也要想方设法降低，因为能源是一个国家的发展命脉，这也是为什么会有节能减排的国家战略。

电动汽车不同于内燃机汽车，内燃机的工作特性变化剧烈，低速时发动机转矩小，需要大传动比的传动系统提升转矩来满足内燃机低转速时起步和加速性能要求。又因为内燃机最高转速通常不超过6000转，因而汽车在高速行驶时，传动系统需要较小的传动比来使汽车达到最高车速。内燃机另一个缺陷是经济工况范围较小，需要变速器的调节使之工作在经济范围内。因此相同等级的轿车，内燃机的最大功率通常是纯电动的2到3倍。而电动机在低转速时即可输出较大转矩，同时电机转速可以轻易达到9000转，特斯拉model s 车型甚至达到了14000转，所以电机的工作特性决定了其既不需要大传动比增加起步转矩，也不需要小传动比达到最高车速，而且电机效率都在90%以上，永磁同步电机甚至达到97以上。因此纯电动轿车在节能和轻量化方面具有突出的优势。而在进一步发展中，电机减速器一体化则成为重要的发展方向。一体化电机减速器除了在结构上更加紧凑外，在控制方面也能带来提升，由于电机的输出转矩与转速可迅速精确控制，因此可省略离合器直接由花键连接，对二者进行一体化控制不仅是控制系统的需求，更是电动汽车技术的未来发展方向^{[1][2][3][4][5]}。本文正是基于这一方向进行了研究。

1.2 国内外研究现状

一体化的结构和控制是电动汽车动力传动的主要发展方向，国外关于一体化电机减速器起步较早，相关研究也比较领先。。奥地利戴姆勒公司对基于异步电机的单减速传动机构和两挡减速传动机构进行了对比，并设计了一种集成式的电驱动系统，对电机、两挡变速器、电子控制单元和充电系统等进行集成设计而实现同步换挡。德国采埃孚公司针对小型乘用车市场开发了一款中央集成驱动系统，采用高速电机和单速两步传动系统使系统更加轻量化，提高系统能源利用效率。福特汽车公司开发一种三相异步电机和两挡变速器集成的动力系统，电机与变速器同轴连接，通过对电机的调控完成变速箱两种传动比的切换^[6][7][8][9]。