CN108544917A - 一种电动轮及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于电动车辆驱动的电动轮，包括轮毂电机、制动器、行星减速器、轮毂和轮辋；轮毂电机采用内转子高速电机，电机轴身端盖与行星减速器齿圈连接，电机另一侧端盖与转向节集成并与悬架摆臂连接，电机转子外侧与行星减速器连接，电机转子内侧与制动器连接，行星减速器为一级行星减速，连接于电机与轮毂之间，轮毂与轮辋辐条连接，用于传递电机和制动器的转矩，以及地面作用于轮胎的载荷。行星减速器布置在轮辋辐条与轮毂电机之间，集成了承载和减速增扭作用，地面作用于轮胎的载荷，经由轮毂分别传递给行星减速器齿圈、行星架汇集到轮毂电机外壳，轮毂电机、制动器产生的转矩由行星架传递给轮毂。该电动轮具有轴向尺寸小、重量轻、集成度高、结构紧凑，适合大转矩、中轻载荷、高速的电动车辆应用。

Description

一种电动轮及车辆
技术领域
本发明属于电动汽车的技术领域，涉及一种电动车辆电动轮，具体地，涉及一种用于电动车辆的集成的轮毂电机装置，以及具有其的车辆。
背景技术
针对吨位较大电动汽车，外转子轮毂电机转矩能力有限，重量大导致簧下质量增加影响车辆高速行驶性能，采用现有外转子电机无法满足车辆所需牵引特性，采用高速内转子电机与大变比减速器的轮毂电机方案更适合。专利CN103328247A提出了一种轮毂电机驱动装置，但没有明确所用的减速机构且该驱动装置轴向尺寸和体积都比较大。为实现大速比减速器，通常采用多级行星减速技术方案，进而导致减速器所占轴向尺寸大，电动轮各部件布置困难，这些问题严重制约了电动轮在吨位较大的电动车辆上应用。
发明内容
本发明电动轮装置包括轮毂电机、制动器、行星减速器、轮毂和轮辋，轮毂电机采用内转子高速电机，电机外侧端盖与行星减速器齿圈固定连接，电机转向节端盖与转向节集成并与悬架摆臂连接，电机转子轴一端与行星减速器太阳轮固定于一体，另一端与制动器连接，行星减速器为一级行星减速，连接于轮毂电机与轮毂之间，轮毂与轮辋辐条连接。
本发明行星减速器布置在轮辋辐条与轮毂电机之间，集成了承载和减速增扭作用，地面作用于轮胎的载荷，经由轮毂分别传递给行星减速器齿圈端部法兰和外侧行星架，通过行星减速器汇集到电机外侧端盖，轮毂电机、制动器产生的力由行星减速器太阳轮、行星轮、外侧行星架传递给轮毂。
本发明的技术目的通过以下方案实现：
轮毂电机为高速内转子电机，电机外侧端盖固定连接行星减速器齿圈，电机转子轴外侧端与行星减速器太阳轮固定于一体，内侧转向节端盖与转向节固定于一体，转向节连接悬架上下摆臂，电机转子轴内侧端连接高速制动器；行星减速器采用一级行星传动，位于轮毂内侧，包括太阳轮、行星架和齿圈，太阳轮与电机转子轴外侧成一体，行星架由外侧行星架、内侧行星架及其支撑的行星轮组成，齿圈由与行星轮啮合的齿圈部分和支撑轮毂的齿圈端部法兰部分组成，太阳轮轴通过轴承支撑在内侧行星架上，内侧行星架通过轴承支撑在电机外侧端盖上，外侧行星架通过轴承支撑在齿圈端部法兰上，并与轮毂花键连接，与行星轮啮合的齿圈部分与电机外侧端盖螺栓连接。电机转子轴电磁转矩传递给行星减速器的太阳轮，通过与之啮合的行星轮，传递到外侧行星架，由外侧行星架花键啮合传递给轮辋，以此实现电动轮的转矩传递；整车施加在悬架摆臂上的力，经过轮毂电机内侧转向节端盖、电机定子壳体，传递到电机外侧端盖，电机外侧端盖的力，主要部分由齿圈端部法兰、轮毂轴承传递到轮毂，次要部分通过电机外侧端盖轴承传递到内侧行星架，经外侧行星架花键啮合传递至轮毂，轮毂将上述两部分力经轮辋辐条传递到轮辋，以此实现电动轮的承载；地面作用于轮辋的力，依次经由轮辋辐条、轮毂，分别通过行星架和齿圈传递至电机外侧端盖，再经电机定子外壳和电机内侧端盖传递至悬架。电动轮制动力由轮毂电机转子电磁力和/或制动器机械制动力共同产生，通过电机转子轴经由太阳轮、行星架传递到轮毂、轮辋辐条和轮辋，实现车辆制动。
其具体结构为：
轮毂电机为内转子高速电机，包括电机定子、电机转子轴、电机定子壳体、电机外侧端盖和电机内侧转向节端盖，电机转子轴一端与行星减速器太阳轮成一体并支撑在行星减速器内侧行星架上，另一端支撑在电机内侧转向节端盖上并通过花键与制动器的制动盘连接，轮毂电机产生的电磁转矩，通过电机转子轴传递给行星减速器的太阳轮，电机内侧转向节端盖连接车辆悬架摆臂，电机定子壳体布置在电机外侧端盖和电机内侧转向节端盖之间，与电机外侧端盖通过螺栓或者焊接连接，与转向节端盖通过螺栓连接，电机内侧转向节端盖包含上转向节和下转向节，用于连接悬架上下两个摆臂，下转向节还连接电动轮转向臂。
行星减速器为一级大变比减速传动，包括太阳轮、行星架和齿圈，行星架包括外侧行星架、内侧行星架和行星轮，齿圈包括用于行星轮啮合的齿圈部分和用于支撑轮毂的齿圈端部法兰部分，太阳轮轴通过轴承支撑在内侧行星架上，内侧行星架通过轴承支撑在电机外侧端盖上，外侧行星架输出轴采用花键与轮毂连接并通过轴承支撑在齿圈端部法兰内圈，齿圈端部法兰外圈通过轴承支撑轮毂，与行星轮啮合的齿圈部分与电机外侧端盖螺栓连接。
轮毂与轮辋辐条螺栓连接，与行星减速器行星架输出轴花键连接，通过轮毂轴承支撑在齿圈端部法兰上，轮毂轴承优选为圆锥滚子轴承，布置方式在轮辋中心线外侧；轮辋辐条与轮辋螺栓连接。
轮毂制动器采用高转速制动器，优选为气动全盘式弹子制动器，制动器的制动盘采用花键连接在轮毂电机转子轴，制动器的壳体连接轮毂电机转向节端盖法兰，优选采用螺栓连接。
作用在轮辋上的驱动力由轮毂电机产生，电机转子轴输出的动力经过行星减速器的太阳轮，经过行星减速器的减速增扭，由行星架输出轴传递至轮毂，经轮辋辐条传递到轮辋，最终作用于车轮。
作用在轮辋上的制动力由制动器和/或轮毂电机共同提供，其中制动器产生机械制动力直接作用到轮毂电机转子轴，与轮毂电机产生电制动力形成合力，经过行星减速器太阳轮、行星轮和行星架、轮毂、轮辋辐条传递到车轮。车辆高速行驶时轮辋制动力主要由轮毂电机电制动力提供，车辆低速行驶时由两者共同提供，通过控制轮毂制动器和轮毂电机的介入时间和强度实现机械制动力和电制动力合理高效分配，在保证车辆制动安全前提下最大回收电制动产生的电能。
本方案的有益效果是：
通过合理设计，采用一级大变比行星减速和高速制动技术，实现了轮毂、减速器、轮毂电机、制动器和悬架转向节的集成布置，大幅减小了电动轮轮轴向尺寸，并实现了电机动力、制动器动力、整车垂向载荷和地面对轮辋的作用力合理传递和承载，提高了传动部件可靠性、减小了电动轮重量，提高了传动效率。
附图说明
图1为本发明所述装置的结构示意图；
图2为本发明所述装置的装配示意图；
图中：1-轮辋，2-轮辋辐条，3-轮毂，4-轮毂轴承，5-行星架轴承，61-外侧行星架，62-内侧行星架，7-太阳轮，81-齿圈端部法兰，82-齿圈啮合端，9-行星轮，10-电机外侧端盖，11-电机转子轴外侧轴承，12-电机外侧端盖轴承，131-电机定子壳体，132-电机定子，141-电机转子，142-电机转子轴，151-电机转向节端盖，152-上转向节，153-下转向节，16-电机转子轴内侧轴承，171-制动盘，172-摩擦片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
非特殊说明本发明中内外侧相对于车辆整体来说，不论是车辆左侧还是右侧，皆指沿车轮轴方向靠近驾驶室一侧为内侧，远离驾驶室一侧为外侧。
本发明的电动轮可以应用于电动驱动式的各种车辆，应用于电动来给予辅助动力的情况，如燃料电池汽车或电动汽车等的四轮机动车。尤其适用于大转矩、重载荷的电动车辆。但本发明不限于两轮机动车、高尔夫球场车或是老年人或残疾人使用的三轮或四轮车，在建筑工地或运输行业中的中、重型载货商用车，以及履带车辆等。
该电动轮装置由轮毂电机、制动器、行星减速器、轮毂、轮辋组成。
轮毂电机由电机转子(141)、电机转子轴(142)、电机定子(132)和电机定子壳体(131)、电机外侧端盖(10)和电机转向节端盖(151)、上转向节(152)和下转向节(153)组成；电机转子轴(142)一端与行星减速器太阳轮(7)成一体或固定连接并通过轮毂电机转子轴外侧轴承(11)支撑在行星减速器内侧行星架(62)上，另一端通过电机转子轴内侧轴承(16)支撑在电机转向节端盖(151))上并通过花键与制动器的制动盘(171)连接；电机定子壳体(131)布置在电机外侧端盖(10)和电机转向节端盖(151)之间，电机定子壳体(131)与电机外侧端盖通过螺栓或者焊接连接，与转向节端盖通过螺栓连接，电机转向节端盖还包含上转向节(152)和下转向节(153)，用于连接悬架上下两个摆臂。基于电磁学原理，当电机定子(132)绕组有设定电流通过时，电机转子和定子通过电磁作用产生预期的电磁转矩，驱动电机转子(141)转动，带动电机转子轴(142)输出动力。
制动器采用高转速制动器，优选为气动全盘式弹子制动器，制动力主要由旋转的制动盘(171)和固定的制动摩擦片(172)相互作用产生，其中旋转的制动盘(171)与电机转子轴(142)通过键连接且可轴向移动，优先为渐开线花键，摩擦片可水平滑动地支撑在电机转向节端盖(151)上；当需要制动时，摩擦片在外部轴向力作用下压紧制动盘，两者产生摩擦转矩，阻止电机转子轴旋转，完成制动功能；当不需要制动时，摩擦片在回位机构，如回位弹簧，作用下与制动盘松开并保持一定间隙，解除电机转子轴制动。
如图1和2所示，行星减速器为一级行星减速器，其由行星架、齿圈和太阳轮组成，其中行星架包括外侧行星架(61)、内侧行星架(62)和行星轮(9)，齿圈含齿圈啮合端(82)和齿圈端部法兰(81)结构。该结构中，太阳轮(7)与电机转子轴(142)一端一体化加工或固定连接，太阳轮与行星轮(9)啮合作旋转运动；行星轮(9)布置在太阳轮和齿圈之间，行星轮(9)通过行星轮轴承支撑在外侧行星架(61)和内侧行星架(62)连接的圆柱体上，电机转子轴通过电机转子轴外侧轴承(11)支撑在行星减速器的内侧行星架(62)上，内侧行星架(62)通过电机外侧端盖轴承(12)支撑在电机外侧端盖(10)上；外侧行星架(61)输出轴采用花键与轮毂固定连接；齿圈啮合端(82)与电机外侧端盖(10)通过螺栓固定连接，齿圈端部法兰(81)的内圈采用行星架轴承(5)支撑外侧行星架的输出轴，齿圈端部法兰(81)的外圈采用轮毂轴承(4)支撑轮毂，进而支撑轮辋。设定太阳轮、行星轮和齿圈的齿数分别为Z1、Z2和Z3，根据行星轮系工作原理，作用在轮毂电机转子轴上的电磁转矩和制动器转矩之和，以接近倍数放大后由外侧行星架(61)输出轴传递给轮毂，对应作用在电机转子轴上的转速以接近倍数缩小后由外侧行星架(61)输出轴传递给轮毂，完成电机转子轴动力减速增扭作用。
轮辋中心线落在轮毂轴承和电机外侧端盖轴承之间；轮毂(3)与轮辋辐条(2)螺栓连接，与外侧行星架的输出轴花键连接，通过轮毂轴承(4)支撑在齿圈端部法兰上，轮毂轴承优选为圆锥滚子轴承，轮毂轴承布置在轮辋中心线的外侧；轮辋辐条(2)与轮辋(1)螺栓连接。
车辆驱动时，依据选定的整车控制策略，给轮毂电机定子绕组充电，电机定子与转子作于产生电磁转矩，通过-电机转子轴(142)将动力传递给行星减速器太阳轮，经过行星减速器减速增扭后，由外侧行星架(61)将动力传递给轮毂和轮辋，驱动车轮。
在上述具体结构和控制方式下，整车施加在悬架摆臂上的力，经过电机内侧的电机转向节端盖、电机定子壳体，传递到电机外侧端盖，电机外侧端盖的力通过行星架和齿圈分流后再汇流入轮毂，具体地主要部分由电机外侧端盖轴承、齿圈端部法兰、轮毂轴承依次传递到轮毂，次要部分通过电机外侧端盖轴承传递到内侧行星架，经外侧行星架传递至轮毂，轮毂将上述两部分力经轮辋辐条传递到轮辋，以此实现电动轮的承载。
地面作用于轮辋的力，依次经由轮辋辐条、轮毂，通过行星架和齿圈分流后，经电机外侧端盖汇流后，再经电机定子外壳和电机内侧端盖传递至悬架。通过行星架和齿圈分流具体为一部分依次经轮毂轴承、齿圈端部法兰至电机外侧端盖轴承，另一部分依次经外侧行星架、内侧行星架至电机外侧端盖轴承。
电动轮制动力由轮毂电机转子电磁力和/或制动器机械制动力共同产生，通过电机转子轴经由太阳轮、行星架传递到轮毂、轮辋辐条和轮辋，实现车辆制动。
本发明通过结构合理布置，在车辆驱动、制动时实现了电机动力、轮毂制动器动力、转向动力、整车垂向载荷和地面对轮辋的作用力集中传递；并在电动轮力合理传递基础上，采用了一级大变比行星减速技术大幅减小了部件轴向尺寸，提高了传动部件可靠性、减小了电动轮重量，提高了传动效率，适合大转矩、中轻载荷、高速的电动车辆应用。

Claims (10)

1.一种电动轮，
包括轮毂电机、行星减速器、制动器、电机外侧端盖和轮毂；
所述行星减速器的输入为太阳轮，输出为行星架，行星减速器还包括齿圈；
所述轮毂电机的电机转子轴外侧端与所述行星减速器的太阳轮连接；
其特征在于：
行星架包括内侧行星架和外侧行星架；
整车施加在悬架的力传递至电机外侧端盖，所述力的主要部分通过齿圈、传递到轮毂，所述力的次要部分传递到内侧行星架，经外侧行星架传递至轮毂，轮毂将上述的两部分汇合后传递到轮辋，以此实现电动轮的承载。
2.如权利要求1所述的电动轮，其特征在于：
所述齿圈外侧设置齿圈端部法兰；轮毂通过轮毂轴承支撑在齿圈端部法兰上；
整车施加在悬架的力传递至电机外侧端盖，所述力的主要部分通过齿圈端部法兰、轮毂轴承传递到轮毂，所述力的次要部分通过电机外侧端盖轴承传递到内侧行星架，经外侧行星架传递至轮毂，轮毂将上述分的两部分汇合后经轮辋辐条传递到轮辋。
3.如权利要求1所述的电动轮，其特征在于：
地面作用于轮辋的力传递至轮毂；
地面传递至轮毂的力中的一部分通过外侧行星架、内侧行星架、传递至电机外侧端盖；地面传递至轮毂的力中的另一部分通过齿圈传递至电机外侧端盖；
再经电机外侧端盖传递至悬架。
4.如权利要求1所述的电动轮，其特征在于：
地面作用于轮辋的力经由轮辋辐条传递至轮毂；
地面传递至轮毂的力中的一部分通过外侧行星架、内侧行星架、电机外侧端盖轴承传递至电机外侧端盖；地面传递至轮毂的力中的另一部分依次通过轮毂轴承、齿圈传递至电机外侧端盖；
再依次经电机外侧端盖、电机外壳和电机内侧端盖传递至悬架。
5.如权利要求1所述的电动轮，其特征在于：
电动轮的动力传递特征在于：轮毂电机转矩由电机转子轴传递给行星减速器的太阳轮，由行星架传递给轮辋。
6.如权利要求1所述的电动轮，其特征在于：所述电动轮制动力由轮毂电机转子电磁力和/或制动器机械制动力共同产生，通过电机转子轴经由太阳轮、行星架传递到轮毂、轮辋辐条和轮辋，实现车辆制动。
7.如权利要求1至6任一项所述的电动轮，其特征在于：还包括制动器，所述制动器位于所述轮毂电机内侧，其制动盘与所述电机转子轴内侧端连接。
8.如权利要求1至6任一项所述的电动轮，其特征在于：太阳轮轴支撑在内侧行星架上，内侧行星架支撑在电机外侧端盖上。
9.如权利要求1、3至6任一项所述的电动轮，其特征在于：齿圈包括用于行星轮啮合的齿圈部分和用于支撑轮毂的齿圈端部法兰，外侧行星架输出轴与轮毂固定连接，并支撑在齿圈端部法兰内圈，齿圈端部法兰外圈支撑轮毂，所述齿圈部分与电机外侧端盖固定连接。
10.一种车辆，其特征在于：包括权利要求1-9任一项所述的电动轮。
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