CN111391575A - 一种基于非充气轮胎的电驱动车轮 - Google Patents

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CN111391575A CN202010200417.8A CN202010200417A CN111391575A CN 111391575 A CN111391575 A CN 111391575A CN 202010200417 A CN202010200417 A CN 202010200417A CN 111391575 A CN111391575 A CN 111391575A
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李耀恒
陈尧
张颖
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周广明
袁艺
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Abstract

本发明公开了一种基于非充气轮胎的电驱动车轮，包括：电动轮毂、非充气轮胎和紧固外罩；所述非充气轮胎为圆环状结构，所述电动轮毂为圆柱状结构，所述非充气轮胎同轴套装在电动轮毂的外周并与其过盈配合；所述紧固外罩为一端开口的圆筒状结构，其同轴嵌入所述非充气轮胎中，并通过紧固件与电动轮毂固连；本发明的车轮将电动轮毂和非充气轮胎结合为一体，既能够使得每个车轮都具有较好的独立驱动能力，又能够有效防止爆胎和脱胎等情况发生，同时有效减轻了簧下质量，从而有利于提高车辆的机动性、舒适性和运行可靠性。

Description

一种基于非充气轮胎的电驱动车轮
技术领域
本发明涉及车辆技术领域，具体涉及一种基于非充气轮胎的电驱动车轮。
背景技术
近20年来，随着电气化和电驱动技术的不断发展，车用电机的体积功率密度不断提高，将电机集成到轮辋内部的电驱动车轮吸引了来自国内外的密切关注和大量的研发投入。由于其车轮转矩和转速可独立精确控制，能够实现很高的机动性，并且将动力***布置在轮辋内部，节省了车内空间，有利于车辆的模块化和整体布局，因此，从民用市场到军事领域，电驱动车轮产品纷纷涌现。在民用领域，有以Protean公司为代表的外转子方案的电驱动车轮；在军事和特种车辆领域，为了提高电驱动车轮的转矩密度，减少体积和质量，大多数都采用内转子电机匹配行星减速器的技术方案。
为了摆脱爆胎的风险，提升车辆的易维护性，国内外许多轮胎厂商相继推出了基于高性能橡胶、高分子复合材料等弹性材料的非充气轮胎，大多数是基于辐板状和蜂窝状的弹性拓扑支撑结构，如米其林公司推出的Tweel和Uptis、固特异公司推出的TurfCommand等。非充气轮胎在特殊用途的车辆(如全地形车、装卸叉车等)上得到了率先应用。但这些都是基于传统内燃机驱动的车辆，且行驶速度不高，在高速电驱动车辆，尤其是高速电驱动车轮装置上，还极少见到非充气轮胎的应用。
一方面，虽然围绕电驱动车轮的研发已经取得了广泛的进展，但是目前市场上能够见到的应用于四轮以上车辆的电驱动车轮都是基于传统充气轮胎方案的。轮毂电机、减速机构等部件带来簧下质量增加的问题，会严重影响车辆行驶的平顺性和操纵稳定性，传统充气轮胎的特性很难为簧下质量的不利影响做进一步改善。更严重的是，增加的簧下质量会带来更剧烈的路面冲击振动，从而进一步提升爆胎的风险，影响车辆行驶的安全性，这也是充气轮胎所无法避免的问题。
另一方面，现有的非充气轮胎并未在中、重型特种车辆和大功率电驱动车轮的应用上开展针对性的优化设计，因此存在一些问题：
1、特种车辆的行驶工况比较苛刻，尤其是在做一些复杂的高机动动作时，车轮受到的路面垂向力、纵向力、侧向力、回正力矩等的综合作用，幅值较大且变化剧烈；传统充气轮胎通过胎内高压气体的膨胀实现轮胎与轮辋之间的紧密配合，尚且容易出现意外“脱胎”的事故，非充气轮胎则更需要专门的安装紧固装置，以实现轮胎与电驱动轮毂之间的牢固、可靠的配合，并同时便于拆卸；
2、在车轮转向以及遇到颠簸和路面不平时，由于车轮主销后倾角、外倾角等因素的存在，胎面很难与地面始终保持充分平行接触。在这种情况下，充气轮胎可以通过胎内“各向同性”的高压气体的自由流动性实现胎面的充分形变，从而达到与地面之间的充分良好接触；而非充气轮胎大多通过特殊拓扑结构的弹性材料实现支撑和减震，其拓扑支撑结构的“各向异性”不利于胎面与地面之间的充分良好接触，轮胎的附着性能较差；
3、电驱动车轮中的轮毂电机和传动机构增加了簧下质量，给车辆的行驶平顺性和车轮的附着性能带来了不利影响，现有的非充气轮胎结构并未针对这一因素开展专门的考虑和优化设计。
此外，目前的大多数非充气轮胎设计，大多数只适用于特殊行驶场景下的中低速车辆(车速低于60km/h)，如单乘员的全地形车和装卸叉车等，而对于复杂路面上行驶的高速车辆(最高车速可达100km/h)，如军用战术车辆和警用防暴车辆，由于非充气轮胎在减震性能、附着性能、安装牢固性等方面的限制，尚不能完全胜任。
因此，为了实现非充气轮胎与电驱动车轮之间的充分匹配结合，以提高车辆的整体性能，并使其更适合在复杂路面和更高行驶车速下的应用，有必要设计一种基于非充气轮胎的电驱动车轮。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于非充气轮胎的电驱动车轮，既能够使得每个车轮都具有较好的独立驱动能力，又能够有效防止爆胎，同时有效减轻了簧下质量，从而有利于提高车辆的机动性、舒适性和运行可靠性。
本发明的技术方案为：一种基于非充气轮胎的电驱动车轮，包括：电动轮毂、非充气轮胎和紧固外罩；所述非充气轮胎为圆环状结构，所述电动轮毂为圆柱状结构，所述非充气轮胎同轴套装在电动轮毂的外周并与其过盈配合；所述紧固外罩为一端开口的圆筒状结构，其同轴嵌入所述非充气轮胎中，并通过紧固件与电动轮毂固连。
优选地，所述电动轮毂包括：制动卡钳、盘式制动器、高速内转子永磁同步电机、行星减速机构和轮毂外圈；
所述轮毂外圈为一端开口的圆筒状结构，其轴向设有空心的中心轴；所述高速内转子永磁同步电机通过轴承B同轴支撑在中心轴外周，作为所述电动轮毂的原动机部分；所述行星减速机构同轴安装在所述高速内转子永磁同步电机和轮毂外圈之间，用于为所述电动轮毂减速增矩；所述高速内转子永磁同步电机轴向端部的周向设置一个以上制动卡钳，所述盘式制动器一端设置在制动卡钳中，另一端与中心轴内部键连接，用于为车轮提供制动作用。
优选地，所述高速内转子永磁同步电机包括：电机壳体、电机定子、电机转子和电机输出轴；
所述电机输出轴为空心轴，通过轴承B同轴支撑在中心轴的外周；所述电机壳体为环状腔体结构，其通过轴承A107同轴支撑在电机输出轴后端的外周，行星减速机构同轴固定在电机输出轴前端的外周；电机定子和电机转子分别同轴安装在电机壳体中，其中，电机定子同轴设置在电机转子之外，电机转子同轴固定在电机输出轴的外周。
优选地，所述行星减速机构包括：太阳轮、行星齿轮、外齿圈和行星保持架；所述太阳轮同轴固定在电机输出轴前端的外周；所述外齿圈同轴固连在电机壳体前端端部；所述行星保持架沿周向均匀固定在轮毂外圈的前端的内端面上；每个行星保持架上同轴安装有行星齿轮，行星齿轮分别与太阳轮和外齿圈啮合。
优选地，所述电机壳体的后端外端面上还安装有悬架接口，用于与车体悬架相连接。
优选地，所述非充气轮胎包括：轮胎内圈、拓扑支撑主体、缓冲减震层和高耐磨胎面；
所述轮胎内圈和拓扑支撑主体均由弹性材料构成且均为环状结构，拓扑支撑主体同轴固定在轮胎内圈上；所述缓冲减震层为环形高弹性腔体，其同轴固定在拓扑支撑主体的外周；所述高耐磨胎面为环形结构，其同轴固定在缓冲减震层外周。
优选地，所述拓扑支撑主体采用沿周向均匀布置的辐板结构或蜂窝结构。
优选地，所述缓冲减震层的外壁由弹性材料构成，其内部填充有ETPU。
优选地，所述拓扑支撑主体和缓冲减震层沿径向的相对厚度可调。
优选地，所述紧固外罩包括：端面板和爪形结构；所述端面板为圆盘形结构，所述爪形结构为锯齿状的环形结构，爪形结构与端面板垂直，二者一体成型形成一端开口的圆筒状结构；所述爪形结构穿过所述拓扑支撑主体中的镂空部分后与所述电动轮毂固连。
有益效果：
(1)本发明的车轮将电动轮毂和非充气轮胎结合为一体，既能够使得每个车轮都具有较好的独立驱动能力，又能够有效防止爆胎和脱胎等情况发生，同时有效减轻了簧下质量，从而有利于提高车辆的机动性、舒适性和运行可靠性。
(2)本发明车轮的电动轮毂中的高速内转子永磁同步电机能够显著提升电动轮毂的功率密度，但电机的高速化会导致其工作转速与车轮的实际工作转速不匹配，因此在高速内转子永磁同步电机的输出轴与轮毂外圈之间加入行星减速机构，能够有效平衡电机的高速化与车轮的实际工作转速不匹配的问题。
(3)本发明车轮电机壳体后端悬架接口的设置，有利于与车体悬架连接。
(4)本发明车轮的非充气轮胎采用双结构层设计，既能够与电动轮毂较好的配合，又能够有效支撑，同时在有效降低簧下质量的情况下能够有效控制减震效果。
(5)本发明的非充气轮胎中拓扑支撑主体和缓冲减震层的相对厚度可调，能够有效平衡二者的支撑功能和减震功能，同时，有利于降低簧下质量。
(6)本发明的紧固外罩中设置的爪形结构便于穿过拓扑支撑主体中的镂空部分，有利于与电动轮毂固定后进一步紧固非充气轮胎和电动轮毂。
附图说明
图1为本发明车轮的主视图。
图2为本发明车轮的局部剖视图(只剖轮胎)。
图3为本发明车轮的***图。
图4为本发明车轮的剖视图。
图5为本发明中非充气轮胎的主视图(采用辐板结构作为拓扑支撑主体)。
图6为本发明中非充气轮胎的主视图(采用蜂窝结构作为拓扑支撑主体)。
图7为本发明中非充气轮胎的剖视图。
其中，1-电动轮毂，101-电机壳体，102-制动卡钳，103-盘式制动器，104-电机定子，105-电机转子，106-电机输出轴，107-轴承A，108-太阳轮，109-行星齿轮，110-轮毂外圈，111-轴承B，112-外齿圈，113-行星保持架，114-中心轴，115-限位凸缘，116-悬架接口，2-非充气轮胎，201-轮胎内圈，202-拓扑支撑主体，203-缓冲减震层，204-高耐磨胎面，3-紧固外罩，301-端面板，302-爪形结构，4-紧固件，401-螺栓A，402-螺栓B。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：
本实施例提供了一种基于非充气轮胎的电驱动车轮，既能够使得每个车轮都具有较好的独立驱动能力，又能够有效防止爆胎，同时有效减轻了簧下质量，从而有利于提高车辆的机动性、舒适性和运行可靠性。
如图1-3所示，该车轮包括：电动轮毂1、非充气轮胎2和紧固外罩3；如图4-7所示，电动轮毂1包括：制动卡钳102、盘式制动器103、高速内转子永磁同步电机、行星减速机构和轮毂外圈110；高速内转子永磁同步电机包括：电机壳体101、电机定子104、电机转子105和电机输出轴106；行星减速机构包括：太阳轮108、行星齿轮109、外齿圈112和行星保持架113；非充气轮胎2包括：轮胎内圈201、拓扑支撑主体202、缓冲减震层203和高耐磨胎面204；紧固外罩3包括：端面板301和爪形结构302。
该车轮的连接关系为：非充气轮胎2整体为环状结构，拓扑支撑主体202和缓冲减震层203为非充气轮胎2的双结构层；其中，轮胎内圈201和拓扑支撑主体202均由弹性材料(如高强度橡胶材料)构成且均为环状结构，拓扑支撑主体202同轴固定在轮胎内圈201上，拓扑支撑主体202采用沿周向均匀布置的辐板结构或蜂窝结构，既能够起到支撑作用，又能够用于吸收来自地面的大幅度、低频率冲击；缓冲减震层203为环形腔体结构，其由弹性材料(如高强度橡胶材料)构成腔体外壁，其内部填充有大量细小的聚氨酯热塑发泡颗粒(ETPU)，形成力学特性近似于各向同性的高弹性腔体，既能够有利于吸收来自地面小幅度、高频率的震动，又能够在车轮倾斜以及遇到颠簸和路面不平等情况下通过挤压腔体变形从而使车轮与路面之间有更充分的接触和附着，缓冲减震层203同轴固定在拓扑支撑主体202的外周；高耐磨胎面204为环形结构，其同轴固定在缓冲减震层203外周；
轮毂外圈110为一端开口的圆筒状结构，轮胎内圈201过盈配合设置在轮毂外圈110的外周，轮毂外圈110一端(令其为轴向后端)设有限位凸缘，用于对轮胎内圈201轴向限位；
端面板301为圆盘形结构，爪形结构302为锯齿状的环形结构，爪形结构302与端面板301垂直，二者一体成型形成一端开口的圆筒状结构；爪形结构302穿过拓扑支撑主体202的镂空部分从非充气轮胎2的轴向前端伸出到轴向后端，使端面板301与轮毂外圈110的轴向前端端面接触，并通过螺栓B402将二者固定，实现电动轮毂1和非充气轮胎2轴向加固；爪形结构302的内径略小于轮胎内圈201的外径，二者过盈配合，有利于将轮胎内圈201压紧在轮毂外圈110上；爪形结构302伸出非充气轮胎2轴向后端的一端设有通孔，限位凸缘115上设有与其对应的螺纹孔，二者的孔轴线均与车轮径向平行，通过螺栓A401将紧固外罩3与轮毂外圈110紧固，对电动轮毂1和非充气轮胎2径向限位，使二者之间径向充分压紧且周向充分紧固，防止大负载情况下轮胎内圈201相对轮毂外圈110旋转滑动；由于电动轮毂1和非充气轮胎2之间分别进行了径向、轴向和周向的安装紧固，能够满足车辆在高速行驶和越野行驶工况下车轮的安全可靠，且车轮各个部件便于快捷拆卸，有利于更换维修和存放；
轮毂外圈110轴向设有中心轴114；电机输出轴106为空心轴，其通过轴承B111同轴支撑在中心轴114的外周；电机壳体101通过轴承A107同轴支撑在电机输出轴106后端的外周，太阳轮108同轴固定在电机输出轴106前端的外周；电机定子104和电机转子105分别同轴安装在电机壳体101中，其中，电机定子104同轴设置在电机转子105之外，永磁体和硅钢片组成的电机转子105同轴固定在电机输出轴106的外周，作为电动轮毂1的原动机部分；外齿圈112同轴固连在电机壳体101前端端部，其为不旋转固定件；行星保持架113沿周向均匀固定在轮毂外圈110的前端的内端面上，作为整个电动轮毂1的最终动力输出部分；每个行星保持架113上同轴安装有行星齿轮109，行星齿轮109分别与太阳轮108和外齿圈112啮合；电机壳体101的后端外端面上沿周向设置一个以上制动卡钳102，中心轴114为空心轴，盘式制动器103包括：制动轴和圆盘，圆盘固定在制动轴的轴向一端端部，制动轴同轴设置在中心轴114中，二者键连接，圆盘的外周设置在制动卡钳102中，当制动卡钳102在盘式制动器103上施加摩擦制动力时，能够通过轮毂外圈110在车轮上产生制动作用。
该车轮的工作原理：根据行星减速机构的各部件转速和转矩关系，若外齿圈112与太阳轮108的齿数比为k，则当外齿圈112固定时，太阳轮108的转速ωS、转矩TS与行星保持架113的转速ωC、转矩TC之间满足如下关系：ωC＝ωS/(1+k)，TC＝TS(1+k)；因此，高速内转子永磁同步电机的机械功率从太阳轮108输入，从轮毂外圈110输出，能够实现对高速内转子永磁同步电机输出的机械功率的“减速增矩”效果，有效驱动车辆行驶。
需要说明的是，上述只是以单级行星减速机构的电动轮毂1为例进行说明，在具体的实施过程中，根据电机特性和电动轮毂的特性匹配情况，电动轮毂1还可以采用串联的多级行星减速机构、复杂行星排组成的减速机构、甚至是多档位(两档以上)的变速机构；各种电动轮毂均可适用本发明所提出的非充气轮胎及其安装结构方式。
实施例2：
在实施例1的基础上，通过调整拓扑支撑主体202和缓冲减震层203沿径向的相对厚度，能够有效调整二者之间的匹配度以及非充气轮胎2的整体力学特性，从而便于进一步减轻该车轮的簧下质量及其影响。
实施例3：
在实施例1或2的基础上，电机壳体101的后端外端面上还安装有悬架接口116，用于与车体悬架连接。
实施例4：
在实施例1或2或3的基础上，根据具体的行驶路况对非充气轮胎2胎面的要求，高耐磨胎面204采用模具浇注或3D打印。
实施例5：
在实施例1或2或3或4的基础上，电机壳体101内部设置有冷却结构(如冷却水套)，用于对电机轮毂1进行冷却，防止过热。
实施例6：
在实施例1或2或3或4或5的基础上，拓扑支撑主体202的刚度大于缓冲减震层203的刚度，即拓扑支撑主体202以支撑功能为主、减震功能为辅，缓冲减震层203以减震功能为主、支撑功能为辅；
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于非充气轮胎的电驱动车轮，其特征在于，包括：电动轮毂(1)、非充气轮胎(2)和紧固外罩(3)；所述非充气轮胎(2)为圆环状结构，所述电动轮毂(1)为圆柱状结构，所述非充气轮胎(2)同轴套装在电动轮毂(1)的外周并与其过盈配合；所述紧固外罩(3)为一端开口的圆筒状结构，其同轴嵌入所述非充气轮胎(2)中，并通过紧固件(4)与电动轮毂(1)固连。
2.如权利要求1所述的基于非充气轮胎的电驱动车轮，其特征在于，所述电动轮毂(1)包括：制动卡钳(102)、盘式制动器(103)、高速内转子永磁同步电机、行星减速机构和轮毂外圈(110)；
所述轮毂外圈(110)为一端开口的圆筒状结构，其轴向设有空心的中心轴(114)；所述高速内转子永磁同步电机通过轴承B(111)同轴支撑在中心轴(114)外周，作为所述电动轮毂(1)的原动机部分；所述行星减速机构同轴安装在所述高速内转子永磁同步电机和轮毂外圈(110)之间，用于为所述电动轮毂(1)减速增矩；所述高速内转子永磁同步电机轴向端部的周向设置一个以上制动卡钳(102)，所述盘式制动器(103)一端设置在制动卡钳(102)中，另一端与中心轴(114)内部键连接，用于为车轮提供制动作用。
3.如权利要求2所述的基于非充气轮胎的电驱动车轮，其特征在于，所述高速内转子永磁同步电机包括：电机壳体(101)、电机定子(104)、电机转子(105)和电机输出轴(106)；
所述电机输出轴(106)为空心轴，通过轴承B(111)同轴支撑在中心轴(114)的外周；所述电机壳体(101)为环状腔体结构，其通过轴承A107同轴支撑在电机输出轴(106)后端的外周，行星减速机构同轴固定在电机输出轴(106)前端的外周；电机定子(104)和电机转子(105)分别同轴安装在电机壳体(101)中，其中，电机定子(104)同轴设置在电机转子(105)之外，电机转子(105)同轴固定在电机输出轴(106)的外周。
4.如权利要求3所述的基于非充气轮胎的电驱动车轮，其特征在于，所述行星减速机构包括：太阳轮(108)、行星齿轮(109)、外齿圈(112)和行星保持架(113)；所述太阳轮(108)同轴固定在电机输出轴(106)前端的外周；所述外齿圈(112)同轴固连在电机壳体(101)前端端部；所述行星保持架(113)沿周向均匀固定在轮毂外圈(110)的前端的内端面上；每个行星保持架(113)上同轴安装有行星齿轮(109)，行星齿轮(109)分别与太阳轮(108)和外齿圈(112)啮合。
5.如权利要求3所述的基于非充气轮胎的电驱动车轮，其特征在于，所述电机壳体(101)的后端外端面上还安装有悬架接口(116)，用于与车体悬架相连接。
6.如权利要求1所述的基于非充气轮胎的电驱动车轮，其特征在于，所述非充气轮胎(2)包括：轮胎内圈(201)、拓扑支撑主体(202)、缓冲减震层(203)和高耐磨胎面(204)；
所述轮胎内圈(201)和拓扑支撑主体(202)均由弹性材料构成且均为环状结构，拓扑支撑主体(202)同轴固定在轮胎内圈(201)上；所述缓冲减震层(203)为环形高弹性腔体，其同轴固定在拓扑支撑主体(202)的外周；所述高耐磨胎面(204)为环形结构，其同轴固定在缓冲减震层(203)外周。
7.如权利要求6所述的基于非充气轮胎的电驱动车轮，其特征在于，所述拓扑支撑主体(202)采用沿周向均匀布置的辐板结构或蜂窝结构。
8.如权利要求6所述的基于非充气轮胎的电驱动车轮，其特征在于，所述缓冲减震层(203)的外壁由弹性材料构成，其内部填充有ETPU。
9.如权利要求6所述的基于非充气轮胎的电驱动车轮，其特征在于，所述拓扑支撑主体(202)和缓冲减震层(203)沿径向的相对厚度可调。
10.如权利要求7所述的基于非充气轮胎的电驱动车轮，其特征在于，所述紧固外罩(3)包括：端面板(301)和爪形结构(302)；所述端面板(301)为圆盘形结构，所述爪形结构(302)为锯齿状的环形结构，爪形结构(302)与端面板(301)垂直，二者一体成型形成一端开口的圆筒状结构；所述爪形结构(302)穿过所述拓扑支撑主体(202)中的镂空部分后与所述电动轮毂(1)固连。
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