一种集成制动、转向及环形轮毂电机的车轮总成

1.本发明涉及电动轮技术领域，更具体的是，本发明涉及一种集成制动、转向及环形轮毂电机的车轮总成。


背景技术：

2.电动轮将驱动电机与传动制动转向装置都合并到轮毂中，简化掉了传统汽车中的变速器、离合器、传动轴、差速器等，直接将驱动力传递给车轮，使得车辆的空间利用率和传动效率大大提高。同时也带来了一些技术难点，其安装空间狭窄，制动转向布置困难；簧下质量的大幅增加，影响车辆稳定性；轮毂电机及制动盘散热困难，影响电动轮的使用寿命以及整车制动效能。
3.国外学者较早开展了利用电动轮驱动来改善集中电机驱动的电动汽车底盘结构复杂、车内空间狭小、能量利用效率不高等问题的研究，日本三菱、法国米其林及英国protean等均提出了各自的电动轮集成方案。国内的吉林大学、同济大学、天津一汽以及广汽传祺等科研机构在十多年前开始研究轮毂电机驱动技术。近几年，电动轮驱动技术已经在部分电动汽车上应用并取得了较好的效果。
4.目前国内外提出的电动轮方案中使用环形轮毂电机较少，环形轮毂电机集成于电动轮内可以极大的解决空间布置困难、散热不良及簧下质量过重的问题。针对集成制动、转向及环形轮毂电机的车轮总成进行研究有很广阔的应用前景。


技术实现要素：

5.本发明的目的是设计开发了一种集成制动、转向及环形轮毂电机的车轮总成，将轮毂电机转子与车轮的轮辋集成为一体，消除了轮毂，形成了贯通的轮毂腔，提高了电动轮的集成度，保证了车轮的跳动自由度。
6.本发明提供的技术方案为：
7.一种集成制动、转向及环形轮毂电机的车轮总成，包括：
8.轮胎；以及
9.环形轮毂电机，其与所述轮胎相连接，且所述环形轮毂电机包括转子、定子支架、定子铁芯、电机绕组和永磁体；
10.其中，所述转子与轮辋集成为一体，所述定子支架的一侧与所述转子可转动的卡合连接，且所述定子支架与所述转子之间形成密闭的电机腔和贯通的轮毂腔，所述定子铁芯、电机绕组和永磁体均设置在所述电机腔中，所述定子支架的另一侧与悬架系统相连接；
11.制动器，其轴向固定在所述轮毂腔中，用于提供车辆的机械制动力；
12.转向系统，其设置在所述轮毂腔中，且所述转向系统与定子支架和悬架系统相连接，用于提供车辆的转向力矩。
13.优选的是，所述转子为中空结构，且所述转子包括内壁和外壁，所述内壁与外壁之间设置有减震凹槽，所述转子的一侧向内延伸形成轮毂架，所述轮毂架内间隔设置有多个
制动盘吊耳，所述轮毂架与定子支架形成轮毂腔。
14.优选的是，所述定子支架包括：
15.主体，其为圆柱形结构；
16.凸缘，其设置在所述主体的一侧，
17.定子凹槽，其间隔设置在所述主体的外侧；
18.多个卡钳吊耳，其间隔设置在所述主体的内部；
19.两个转向电机吊耳，其对称设置在所述凸缘的一侧内部；
20.上延伸臂，其设置在所述凸缘的一侧；
21.下延伸臂，其与所述上延伸臂相对称的设置在所述凸缘的一侧；
22.其中，所述内壁、凸缘和主体之间形成电机腔，所述主体和轮毂架共同形成轮毂腔。
23.优选的是，所述定子铁芯周向固定在所述定子凹槽中，所述电机绕组缠绕在所述定子铁芯上，所述永磁体相对所述定子铁芯固定在所述内壁上。
24.优选的是，所述制动器包括：
25.制动盘，其与所述多个制动盘吊耳固定连接；
26.两个制动卡钳，其与所述多个卡钳吊耳相连接，所述两个制动卡钳呈80
°
设置在所述制动盘的两侧。
27.优选的是，还包括：
28.轮毂轴承，其设置在所述主体和轮毂架之间；
29.轴卡簧，其设置在所述轮毂轴承与轮毂架之间；
30.孔卡簧，其设置在所述轮毂轴承与主体之间。
31.优选的是，所述转向系统包括：
32.转向电机，其与所述两个转向电机吊耳相连接；
33.直角蜗杆减速器，其与所述转向电机的输出端相连接。
34.优选的是，还包括：
35.密封圈，其设置在所述内壁和定子支架之间。
36.优选的是，所述悬架系统包括：
37.悬架上横臂，其一端与所述上延伸臂可转动的连接，另一端与车架相连接；
38.悬架下横臂，其为半断开铰接式结构，所述悬架下横臂的一端与所述直角蜗杆减速器相连接，另一端与车架相连接；
39.钢键轴，其设置在所述直角蜗杆减速器、悬架下横臂和下延伸臂之间，
40.减震器，其设置在所述悬架上横臂和悬架下横臂之间。
41.优选的是，所述制动盘为通风制动盘。
42.本发明所述的有益效果：
43.(1)、本发明设计开发的一种集成制动、转向及环形轮毂电机的车轮总成，通过设计开发的环形轮毂电机，将制动器、转向电机单元和车轮集成在一起，具有质量小、占用空间小、集成度高以及散热效果好的优点；
44.(2)、本发明设计开发的一种集成制动、转向及环形轮毂电机的车轮总成，通过车轮轮辋与电机转子集成为一体，电机定子支架与转向系统集成为一体，并将转子和定子支
架通过创新性的构型进行轴向固定，从而实现消除轮辋、转向系统和轮毂三个构件，极大的增加了轮毂腔的空间，为其他系统模块在电动轮上的高度集成提供了基础，大幅减小了电动轮装置的质量和轴向空间占用，解决了传统电动轮簧下质量大、空间布置困难、集成度不高的问题；
45.(3)、本发明设计开发的一种集成制动、转向及环形轮毂电机的车轮总成，将制动器布置在定子支架与转子形成的空腔即轮毂腔内，减小了电动轮装置对轴向空间的占用，同时由于汽车运动时，车轮风扇效应会使轮毂腔内气流加快，大幅提高了制动盘的散热能力，改善了电动轮汽车机械制动效能，解决了传统电动轮散热效果不佳的问题；
46.(4)、本发明设计开发的一种集成制动、转向及环形轮毂电机的车轮总成，将转向电机布置在轮毂腔内，减小了线控转向装置对轴向空间的占用，使电动轮的集成度大大提高，同时本发明优化了悬架下横臂，使其为半断开式铰接悬架，提高了车轮跳动的自由度。
附图说明
47.图1为本发明所述集成制动、转向及环形轮毂电机的车轮总成的剖面结构示意图。
48.图2为本发明所述集成制动、转向及环形轮毂电机的车轮总成的半剖轴测结构示意图。
49.图3为本发明所述集成制动、转向及环形轮毂电机的车轮总成的爆炸结构示意图。
50.图4为本发明所述转子的结构示意图。
51.图5为本发明所述定子支架的结构示意图。
52.图6为本发明所述a部分的放大结构示意图。
53.图7为本发明所述钢键轴的结构示意图。
54.图8为本发明所述悬架下横臂的结构示意图。
具体实施方式
55.下面结合对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
56.如图1、图2、图3所示，本发明提供的一种集成制动、转向及环形轮毂电机的车轮总成包括：轮胎110、环形轮毂电机、制动器、转向系统和悬架系统，所述轮胎固定套设在所述环形轮毂电机的外侧，所述环形轮毂电机为外转子型电机，所述制动器和转向系统均设置在所述环形轮毂电机的内部，且所述转向系统与悬架系统相连接。
57.在本实施例中，所述轮胎110的内径为391mm，轮胎110的外径为584mm。
58.其中，所述环形轮毂电机包括：转子121、电机绕组122、定子铁芯123、永磁体124、轴卡簧141、轮毂轴承142、孔卡簧143、密封圈150、定子支架161、圆锥滚子轴承162和滚针轴承163；所述制动器包括：制动盘131和两个制动卡钳132；所述转向系统包括：转向电机171和直角蜗杆减速器172；所述悬架系统包括：钢键轴180、悬架上横臂191、悬架下横臂192、减振器193和鱼眼轴承194。
59.如图4所示，所述转子121与轮辋集成为一体，所述转子121为中空结构，且所述转子121包括内壁202和外壁，所述内壁202与外壁之间设置有减震凹槽201，防止轮辋受力变形影响电机气隙，同时也会有一定的衰减振动的作用；所述转子121的一侧向内延伸形成轮
毂架，所述轮毂架内间隔设置有多个制动盘吊耳203。
60.在本实施例中，所述制动盘吊耳203的数量为5个。
61.如图5所示，为定子支架161的轴测图，所述定子支架包括：主体216、凸缘217、定子凹槽215、多个卡钳吊耳212、两个转向电机吊耳213、上延伸臂211和下延伸臂214，其中，主体216为圆柱形中空结构；凸缘217设置在所述主体216的一侧，定子凹槽215间隔设置在所述主体216的外侧，用于固定定子铁芯123；多个卡钳吊耳212间隔设置在所述主体216的内部；两个转向电机吊耳213对称设置在所述凸缘217的一侧内部；上延伸臂211设置在所述凸缘217的一侧；下延伸臂214与所述上延伸臂211相对称的设置在所述凸缘217的一侧；所述内壁202、凸缘217和主体216之间形成电机腔，所述主体216和轮毂架共同形成轮毂腔，上延伸臂211开有通孔，用于与悬架上横臂191配合；下延伸臂214安装滚针轴承163，用于与悬架下横臂192配合；轮毂腔内的制动卡钳吊耳212用于固定制动器，转向电机吊耳213用于固定转向系统。
62.如图1所示，所述定子支架161充当了所述环形轮毂电机的电机壳，所述转子121的轮毂架通过轮毂轴承142可旋转地支撑在主体216的另一侧内部，形成贯通的轮毂腔；在所述内壁202和定子支架161之间设置有密封圈150，电机腔通过密封圈150和轮毂轴承142保证密封，在电机腔的内部布置有若干定子铁芯123、电机绕组122和永磁体124，其中，定子铁芯123圆周固定在定子支架161外侧的定子凹槽215上，定子铁芯123上绕有电机绕组122，永磁体124圆周固定在转子内壁202；轮毂腔中布置有两个制动卡钳132和一个制动盘131，其中，两个制动卡钳132通过螺栓与定子支架161上的制动卡钳吊耳212固定连接，所述两个制动卡钳132呈80
°
设置在所述制动盘131的两侧；制动盘131外沿与制动盘吊耳203通过铆钉连接，实现轴向定位；轮毂轴承142的内侧设置有轴卡簧141，轴卡簧141卡在转子121的卡簧凹槽中；轮毂轴承142的外侧设置有孔卡簧143，孔卡簧143卡在定子支架161轮毂腔内壁的凹槽中，实现了轮毂轴承142的轴向定位和预紧。
63.如图6所示，为轮毂轴承固定局部放大图，在安装时，将定子支架161作为整个电动轮总成的装配基体，首先将定子铁芯123和电机绕组122固定于定子支架161，制动盘131通过铆钉与转子121连接，密封圈150和永磁体124固定在转子121上；在固定轮毂轴承142时，先将轮毂轴承142压入定子支架161内壁，用孔卡簧143卡在定子支架161内壁的凹槽中，然后将转子121的轮毂腔内壁压入轮毂轴承142中，将轴卡簧141卡在转子121的凹槽中，可以通过调整轮毂轴承142内外两侧的卡簧厚度或数量实现轮毂轴承142预紧的调整。
64.在本实施例中，所述制动盘131为通风制动盘。
65.根据伯努利方程：
66.p+q＝h；
67.式中，p为静压，q为动压，h为常量。
68.即动压和静压之和为常量。
69.当汽车运动时，车轮外侧气流流速变快，即动压变大，静压减小，贯通的轮毂腔内的气流会因压差向外流出，且流出速度会随车速呈正比，所以将制动盘布置在贯通的轮毂腔内会极大的利用车轮的风扇效应增加制动盘的散热水平，同时也会提高轮毂电机的散热水平，提高机械制动效能；
70.所述转向电机171和直角蜗杆减速器172通过螺栓连接，两者共同固定在定子支架
161轮毂腔内的转向电机吊耳213上，直角蜗杆减速器172与所述转向电机171的输出端相连接，将转向系统集成于电动轮中，可以极大的缩减线控转向车辆轮边模块的轴向尺寸，便于整车轮距的优化；钢键轴180设置在所述直角蜗杆减速器172、悬架下横臂192和下延伸臂214之间，钢键轴180与直角蜗杆减速器172、悬架下横臂192、下延伸臂214三者通过螺母固定。
71.轮毂腔在布置转向电机171和盘式制动器后，在不干涉的情况下仍有空间余量，制动管路可以穿过轮毂腔与制动卡钳132连接。
72.悬架上横臂191一端与所述上延伸臂211可转动的连接，另一端与车架相连接；悬架下横臂192为半断开铰接式结构，所述悬架下横臂192的一端与所述直角蜗杆减速器172相连接，另一端与车架相连接；悬架上横臂191中嵌入鱼眼轴承194，悬架下横臂192嵌入圆锥滚子轴承162，使其与下延伸臂214可以自由转动。
73.如图7所示，为钢键轴180的轴测图，其中第一螺母221用来固定直角蜗杆减速器172，第二螺母222和第三螺母223用来共同固定悬架下横臂192和定子支架下延伸臂214；此外，还设置有第一键224传递来自直角蜗杆减速器172的转向力矩，第二键225将转向力矩传递给悬架下横臂192，两者均为独立的零件。
74.如图8所示，为悬架下横臂192的轴测图，其为半断开铰接式，其中下横臂键槽231与钢键轴180的第二键225配合，铰链232可以增加悬架下横臂192的跳动自由度，通孔233用于和车架硬点相连接，减震器193的下端固定于悬架下横臂192的支撑臂234上。
75.下面结合附图对本发明工作方式作详细描述：
76.如图1所示，本发明所述的集成制动、转向及环形轮毂电机的车轮总成整体上是将传统电动轮的车轮轮辋和环形轮毂电机的转子121集成为一体、将定子支架161和转向系统集成为一体，并将盘式制动器集成到环形轮毂电机的轮毂腔中：
77.在驱动时，定子支架161为固定件，永磁体124受到电机绕组122和定子铁芯123形成的磁场作用力，带动转子121同步转动，转子121与车轮轮辋为一体，将驱动力矩传递给轮胎110，驱动汽车行驶；
78.制动时，一方面，通过环形轮毂电机驱动逆过程产生电机制动力，另一方面，轮毂腔内的制动管路中高压制动液进入制动卡钳132，推动制动片紧贴制动盘131，产生机械制动力，制动盘131产生的制动器制动力经转子121传递给轮胎110，电机制动力经永磁体124产生经过转子121传递给轮胎110，两者共同作用在轮胎处产生地面制动力；
79.转向时，转向电机171接收到转向角度信号，发出转向力矩，经过直角蜗杆减速器172进行减速增扭和改变方向后，通过第一键224传递给钢键轴180，再经由第二键225和下横臂键槽231传递给悬架下横臂192，由于悬架下横臂192并没有转动自由度，根据牛顿第三定律，转向力矩的反作用力矩转动车轮，达到线控转向的目标，进行汽车转向运动；
80.车轮跳动时，由于转向力矩传递过程均为硬连接，为使车轮具有跳到自由度，需对传统悬架的下横臂进行改进，当车轮经过不平路面需要跳动时，悬架上横臂191通过鱼眼轴承194可以正常跳动，悬架下横臂192存在铰链232也具备跳动自由度进行正常跳动。
81.本发明设计开发的一种集成制动、转向及环形轮毂电机的车轮总成，通过设计开发环形轮毂电机，将制动器、转向系统和车轮集成在一起，具有质量小、占用空间小、集成度高以及散热效果好的优点；同时通过车轮轮辋与电机转子集成为一体，电机定子支架与转
向系统集成为一体，并将转子和定子支架通过创新性的构型进行轴向固定，从而实现消除轮辋、转向节和轮毂三个构件，极大的增加了轮毂腔的空间，大幅减小了电动轮装置的质量和轴向空间占用；将制动器布置在定子支架与转子形成的空腔即轮毂腔内，减小了电动轮装置对轴向空间的占用，同时由于汽车运动时，车轮风扇效应会使轮毂腔内气流加快，大幅提高了制动盘的散热能力，改善了电动轮汽车机械制动效能；而将转向电机布置在轮毂腔内，减小了线控转向装置对轴向空间的占用，使电动轮的集成度大大提高，同时本发明优化了悬架下横臂，使其为半断开式铰接悬架，具有车轮跳动的自由度。
82.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。