关于小型电机驱动机构设计的研究

10.16638/ki.1671-7988.2017.14.018

关于小型电机驱动机构设计的研究

文俊，祁稳，宁垒，孔庆乐

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽合肥230601）

摘要：文章研究了在特定的电机性能下，如何设计驱动机构方案。重点分析几种常见传动形式的特性和优缺点，以及根据负载情况、空间布置和性能指标，如何寻找最优解决方案。

关键词：电机应用；小型驱动机构

中图分类号：U462.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)14-51-05

Research on the design of small motor actuators

Wen jun, Qi Wen, Ning Lei, Kong Qingle

( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Abstract: This paper studied how to design electrical motor driving device by the specific motor’s characteristics. And how to make the optimized solution on the premise of load condition, spatial layout, and performance index.

Keywords: electrical motor application; diminutive driving device

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)14-51-05

引言

随着汽车功能的多样化，同时消费者对于车辆操纵的简便性和舒适性要求也越来越严苛，传统以机械为主的各操纵系统因为布置空间受限、操作舒适性差等原因正逐步被电力驱动系统所取代。

有别于传统机械结构，电驱动系统在驾驶者和执行器之间通过电路就可实现连接，布置灵活并且占用空间小，无需驾驶人提供动力，驾乘感受好，同时可实现智能辅助和精确控制。

伴随近些年电机行业的快速发展，电机性能的提升和小型化，在今后的汽车发展进程中，电力辅助系统将得到更广泛的应用。

本文即是以某汽车变速箱锁止装置的电驱动机构设计为例，介绍小型电机驱动该机构的部分设计思路和要点。

1 设计目标

本文研究的为变速箱锁止装置的电动执行机构，通过转化来至控制系统的电能为旋转运动，驱动锁止装置实现功能。因为需要布置在整车内，同时需满足锁止装置负载和响应时间要求，故初步定义设计目标如下：

1）尺寸要求：长≤130mm，宽≤120mm，高≤80mm；

2）最大输出扭矩≥15Nm；

3）工作行程：15°

4）响应时间：≤200mS；

由上述目标可计算得，机构输出端的功率需达到20W才能满足要求。

2 负载情况和电机

作为变速箱锁止装置，其负载随整车在道路上的附着状态存在较大差异，如图1所示。

图1A 大负载工况（1%概率）

作者简介：文俊，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。

文俊等：关于小型电机驱动机构设计的研究52 2017年第14期

图1B 中等负载工况（5%概率）

图1C 小负载工况(94%概率)

图1

出于空间尺寸和成本要求，选定某型直流有刷电机，转速、扭矩和功率性能如下：

图2 某小型直流有刷电机特性曲线

上图显示，电机的转速和输出扭矩呈反比关系，即高转速下，输出扭矩小，高扭矩下，输出转速低。在校核机构输出扭矩和转速时，需要考虑电机该“扭矩-转速”关系。

3 方案设计

小型机构的硬件系统设计特点在于，除了输入、负载和空间要求外，对于结构形式的限制并不明确。所以在方案的选择上发挥空间较大，这既是优点也是缺点。优点在于，相较大型动力总成机构，结构形式选择的面更广；缺点在于选择各种结构形式的时候，需要对该结构的特性了解清楚，找到最佳解决方案。以下就机构的设计优化过程做详细说明，同时对于各方案的优缺点做部分研究。

3.1 平行轴式齿轮传动机构

作为机械行业最普遍和具代表性的齿轮传动形式，其特点在于传动平稳、效率高、结构布置和加工工艺简单；缺点在于不能改变动力的空间走向，速比的改变仅依靠增大或减小齿轮直径来实现，调节范围有限。

多级齿轮传动机构设计，首要设定机构总速比和级数。

机构的最大输出扭矩目标为≥15Nm，电机的最大输出扭矩为180Nmm，考虑到机构限值和减少零件数量，初定为三级齿轮传动形式，单级传动效率95%。依据上述条件，机构总速比i=100即可满足输出扭矩要求。

根据图2特性曲线可知，该设计（i=100）下，电机工作在最大输出扭矩区间。在该区间内，电机输出转速590rpm （@160Nmm），导致机构在15Nm负载下运转15°的总时间为1680mS，远超过200mS的系统响应时间目标。这是因为机构的总速比虽然满足输出扭矩的要求，但电机工作在高扭低速区，输出转速过低，电机的总功率也非常小（不足10W），如图所示。

图3 电机工作区域（i=100）

故在机构的方案设计上，需要综合考虑开发目标和电机的实际性能，让电机工作在最高输出功率附近，同时满足机构输出扭矩和转速的目标。

不难看出，结合电机性能，满足输出扭矩的前提下，以降低系统响应时间为目的，机构的总速比有一个最佳值。i ∈（190,210）时，电机工作在最大输出功率附近，系统响应时间t≈185mS。如果继续增大速比，机构的输出扭矩持续增加，但输出转速降低，响应时间反而增加。

图4 电机工作区域（i=190~210）

受限于机构外形尺寸、零件数量要求，以及齿轮副速比范围的限值，三级齿轮副传动要做到总速比i∈（190,200）显然是不经济的，意味着单级齿轮副的速比需要达到5.85以上。

当总速比i=150时，总响应时间t=200mS，处于达标的临界点。暂定三级齿轮副速比相等，则单级速比i1=i2=i3=5.3，机构初步布置如下图所示：

图5 平行轴式齿轮传动方案