CN105539007A - 一种内置控制力矩陀螺的轮毂 - Google Patents

一种内置控制力矩陀螺的轮毂 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种内置控制力矩陀螺的轮毂，包括：轮辋、左轮辐、右轮辐和控制力矩陀螺，该控制力矩陀螺包括飞轮外壳端盖、飞轮、飞轮外壳以及驱动飞轮的飞轮电机，还包括控制系统，该控制系统基于DSP信号处理系统，通过传感器检测到车体或轮毂的倾斜速度和倾斜角度，为使车体保持平衡，使高速旋转的控制力矩陀螺产生力矩并通过车轴作用到车体框架上，从而迫使车体的倾斜程度得到纠正并恢复平衡状态。该轮毂能够在车身发生倾斜或者有侧翻倾向时，通过轮毂在车轴轴向对车体施加反力矩作用，从而减缓车体倾斜程度，提高了安全性。本轮毂也可以与放置在车体内的其他控制力矩陀螺配合使用，共同出力保持车体平衡。

Description

一种内置控制力矩陀螺的轮毂
技术领域
本发明涉及一种轮毂,尤其涉及一种内置控制力矩陀螺的轮毂，其属于交通工具技术领域。
背景技术
目前，交通车辆，比如汽车，摩托车或者两轮电动自行车等使用的车轮，无论是驱动轮或者被驱动轮，作为车辆的组成构件，其自身并无保持平衡的能力，当车身在发生倾斜或者有侧翻倾向时，无法及时地减缓车体倾斜程度，安全性差。
现有技术中典型的轮毂结构如文献CN102442197A所公开的，所述轮毂包括毂圈，所述的毂圈连接一个端面，端面与空心输出轴连接，空心输出轴的轴孔中设有一根整体支轴，所述的支轴上固定有电机，电机的电源线直接从电机壳伸出来，所述的电机裸露在毂圈的外面；所述的电机上固定设有变速箱体，所述的变速箱体内转动设有空心输出轴和输入轴，所述的输入轴与电机轴传动联接，所述的空心输出轴与毂圈传动联接；所述的空心输出轴上设有至少两个从动齿轮，从动齿轮可在空心输出轴上转动，所述的输入轴上对应固定有与从动齿轮啮合传动的主动齿轮，所述的输入轴和固定在该输入轴上的主动齿轮组成一个齿轮组；所述的从动齿轮设有内齿，空心输出轴上设有棘爪活动槽，棘爪轴穿过设在棘爪活动槽中的棘爪，棘爪可在棘爪活动槽中翘动，棘爪上设有作用在空心输出轴上使其一端翘起并卡在内齿上的扭簧；所述的空心输出轴的轴孔内设有可顶起棘爪翘入端的滑动件，所述的滑动件上设有导向孔，所述的支轴设在导向孔中；所述的支轴侧壁上设有导向槽，所述的导向槽中设有卡件，卡件连接在滑动件上，卡件上连接有调节杆，调节杆设置在支轴的孔内。
这种结构的轮毂只能被动地由电机驱动旋转，没有保持平衡的能力，当车体有一定倾斜角度时或将向某方向倾斜时，无法对该倾斜角度进行纠正，不能使车体恢复或者保持平衡。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供一种新型的内置控制力矩陀螺的轮毂，特别是直接应用于交通车辆(包括机动车，摩托车或者电动自行车等)领域的一种轮毂。
本发明所述的内置控制力矩陀螺的轮毂包括：轮辋，轮辋的左侧设置有左轮辐，轮辋的右侧设置有右轮辐，在左轮辐与右轮辐之间设置有控制力矩陀螺，该控制力矩陀螺包括飞轮外壳端盖、飞轮、飞轮外壳以及驱动飞轮的飞轮电机，飞轮外壳端盖底部设置有上轴承座，飞轮外壳内部底侧设置有下轴承座，上轴承座和下轴承座用于安装轴承以支撑飞轮；飞轮外壳的一侧设置有第一轴，飞轮外壳的另一侧设置有第二轴，第一轴比第二轴长，第一轴和第二轴的轴线位于同一条直线上；左轮辐的中心部设置有左轴孔，该左轴孔内设置有左轴承，所述的第一轴插入该左轴承中并与该左轴承耦合；所述的右轮辐的中心部设置有右轴孔，该右轴孔内设置有右轴承，所述的第二轴插入该右轴承并与该右轴承耦合；左法兰轴通过法兰面和螺栓固定安装在左轮辐的法兰面上；刹车盘片通过螺栓固定安装在左法兰轴的法兰面上，左法兰轴穿过左车架轴承的内孔，左车架轴承与左车架耦合；第一轴穿过左法兰轴的内孔并且伸出和一皮带轮或一齿轮固定连接，或者和一伺服电机直接耦合，皮带轮能够带动第一轴进行旋转伺服运动，进而带动飞轮外壳摆动；右法兰轴通过法兰面和螺栓固定安装在右轮辐的法兰面上；链轮通过螺栓固定安装在右法兰轴的法兰面上，右法兰轴穿过右车架轴承的内孔，右车架轴承与右车架耦合；所述的轮毂还包括控制系统，该控制系统基于DSP信号处理系统，通过传感器检测到车体或轮毂的倾斜速度和倾斜角度，为使车体保持平衡，则控制系统发出位置和速度控制指令给伺服驱动器，控制电机通过皮带轮带动飞轮外壳执行相应幅度和速度的摆动，使高速旋转的控制力矩陀螺产生力矩并通过车轴作用到车体框架上，从而使车体的倾斜程度得到纠正并恢复平衡状态。
所述的控制力矩陀螺为一个或多个；该控制力矩陀螺的力矩作用沿着车轴的方向或者沿着车轮前进或后退的方向。
所述的控制力矩陀螺的伺服电机位于轮毂外部；而飞轮电机，飞轮以及飞轮外壳均内置于轮毂腔内。
所述的控制力矩陀螺的伺服电机位于轮毂内部，且飞轮电机，飞轮以及飞轮外壳均内置于轮毂腔内。
所述轮毂的材质为铝合金，为分片式结构，采用2片式或3片式锻造方法加工制造；3片式锻造方法加工制造的轮毂中，所述左轮辐和右轮辐分别通过定位销和螺栓与轮辋安装固定在一起；2片式锻造方法加工制造的轮毂中，所述左轮辐或右轮辐二者其中之一通过定位销和螺栓与轮辋安装固定在一起；所述左轮辐或右轮辐二者中的另一个与轮辋形成不可拆卸的一体式结构。
驱动飞轮的飞轮电机通过法兰安装固定在飞轮外壳的底部，电机轴伸入飞轮的空心轴内采用间隙配合从而驱动飞轮旋转。
驱动飞轮的飞轮电机通过联轴器驱动飞轮。
驱动飞轮的飞轮电机采用外转子电机和飞轮集成为一体。
所述的第一轴为空心轴，第二轴为实心轴。
所述的驱动飞轮的飞轮电机的电缆线和编码器线通过第一轴向外伸出。
所述的左法兰轴为空心法兰轴，右法兰轴为实心法兰轴；或者左法兰轴和右法兰轴均为空心法兰轴。
所述的链轮用于驱动车轮旋转，刹车盘片在刹车钳作用下对车轮进行制动。
与现有技术相比，本发明所述的内置控制力矩陀螺的轮毂的有益效果在于：能够在车身发生倾斜或者有侧翻倾向时，通过轮毂在车轴轴向对车体施加反力矩作用，从而减缓车体倾斜程度，甚至使车身恢复平衡，提高了安全性，最大限度保护车内乘客人身安全。
附图说明
图1是本发明所述的内置控制力矩陀螺的轮毂的左侧各部件的相互位置示意图。
图2是本发明所述的内置控制力矩陀螺的轮毂的右侧各部件的相互位置示意图。
图3是本发明所述的内置控制力矩陀螺的轮毂的左侧轮辐分解示意图。
图4是本发明所述的内置控制力矩陀螺的轮毂的右侧轮辐分解示意图。
图5至图7是本发明所述的控制力矩陀螺的结构分解示意图。
图8是本发明所述的轮毂本体与控制力矩陀螺安装的左侧示意图。
图9是本发明所述的轮毂本体与控制力矩陀螺安装的右侧示意图。
图10是本发明所述的轮毂内控制力矩陀螺的控制系统框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1-2所示，本发明所述的内置控制力矩陀螺的轮毂包括：轮辋1，轮辋1的左侧设置有左轮辐32，轮辋1的右侧设置有右轮辐322，在左轮辐32与右轮辐322之间设置有控制力矩陀螺9，如图5所示，控制力矩陀螺9包括飞轮外壳端盖91，飞轮92，飞轮外壳93以及驱动飞轮的飞轮电机95，飞轮外壳端盖91底部设置有上轴承座962(如图7所示)，飞轮外壳93内部底侧设置有下轴承座961(如图6所示)，上轴承座962和下轴承座961用于安装轴承以支撑飞轮92；飞轮外壳93的一侧设置有第一轴941，飞轮外壳93的另一侧设置有第二轴942，第一轴941比第二轴942长；第一轴和第二轴的轴线位于同一条直线上；如图3所示，左轮辐32的中心部设置有左轴孔31，该左轴孔31内设置有左轴承2，所述的第一轴941插入该左轴承2中并与该左轴承2耦合(如图8所示)；如图4所示，所述的右轮辐322的中心部设置有右轴孔311，该右轴孔311内设置有右轴承22，所述的第二轴942插入该右轴承22并与该右轴承22耦合(如图9所示)；左法兰轴3通过法兰面和螺栓固定安装在左轮辐32的法兰面上；刹车盘片4通过螺栓固定安装在左法兰轴3的法兰面上，左法兰轴3右侧的法兰盘两面都是法兰面，一边的法兰面和轮辐的法兰面贴合安装；另一边的法兰面用以通过螺栓安装刹车盘片。左法兰轴3穿过左车架轴承8的内孔，左车架轴承8与左车架5耦合；第一轴941穿过左法兰轴3的内孔并且伸出和一皮带轮6固定连接，皮带轮6能够带动第一轴941进行一定角度的旋转伺服运动，进而带动飞轮外壳93进行一定角度和速度的摆动(precession)；需要说明的是，在具体实现时，该伸出的第一轴941可以和一皮带轮连接；也可以与齿轮连接；也可以和一伺服电机直接耦合。上述的皮带轮或齿轮是与外部的伺服电机分别通过皮带或者齿轮耦合，从而带动飞轮外壳摆动的。本领域通常将把这个外部的伺服电机称为进动电机。在有些设计中，该进动电机也可以内置于轮毂腔内通过齿轮耦合等方式带动飞轮外壳完成摆动动作，从而和飞轮电机，飞轮以及飞轮外壳组成一个整体。
上述的旋转伺服摆动运动，具体的说，并非是360度的旋转运动，而是一定正负角度的摆动动作，如±70度的摆动动作，从而带动飞轮外壳也进行±70度的摆动动作；所以，这个伺服电机的实质是带动飞轮外壳摆动(进动)。
第二轴942仅和右轴承22耦合，并未向外伸出；右法兰轴33通过法兰面和螺栓固定安装在右轮辐322的法兰面上；链轮11通过螺栓固定安装在右法兰轴33的法兰面上，该右法兰轴33和左法兰轴3的结构是一样的，只不过该右法兰轴33的法兰面的一边通过螺栓安装链轮。右法兰轴33穿过右车架轴承88的内孔，右车架轴承88与右车架55耦合；这样，轮毂、左法兰轴3、刹车盘片4、右法兰轴33和链轮11就成为一个整体，链轮用于驱动车轮旋转，而刹车盘片在刹车钳作用下对车轮进行制动。所述的轮毂还包括控制系统，该控制系统基于DSP(digitalsignalprocessor数字信号处理器)信号处理系统，通过传感器检测到车体或轮毂的倾斜速度和倾斜角度，为使车体保持平衡，则控制系统发出位置和速度控制指令给伺服驱动器，控制伺服电机通过皮带轮带动飞轮外壳执行相应幅度和速度的摆动(进动)，由此，使高速旋转的控制力矩陀螺(飞轮系统)产生力矩(反作用力)并通过车轴作用到车体框架上，从而迫使车体的倾斜程度得到纠正并恢复平衡状态。该控制过程为一闭环控制过程，可以通过调整系统的参数从而调整系统响应。
图1示出了轮毂内外各部件之间的相互安装位置关系，但需要注意的是图1不是最终安装的示意图。最终安装成功的情况下，比如左法兰轴3应该与左轴承2紧固靠在一起；而刹车盘片4与左法兰轴3应该紧固靠在一起。
控制力矩陀螺产生的力矩大小由如下公式决定：
τ＝Jspin×ωspin×ωprec(1)
上式(1)中，
τ是产生的力矩(Nm)；
Jspin是飞轮转动惯量(kg.m2)；
ωspin是飞轮旋转速度或者角速度(rad.s-1)；
ωprec是飞轮系统摆动(进动，Precession)角速度(rad.s-1)；
控制力矩陀螺产生的力矩大小与飞轮转速，飞轮惯量和飞轮系统摆动速率成正比。
图10所示为控制系统框图，用于控制轮毂内的力矩陀螺的摆动，从而产生力矩作用。如图10所示，车轮的倾斜角度控制系统实际为一伺服控制系统，车身倾斜控制系统会根据车体的运动状态等需要确定一个期望的车身倾斜角度，该倾斜角度也是车轮的给定倾斜角度，在车体上适当位置安装有陀螺仪传感器用以实时监测车身的倾斜角度和速率，根据检测到的倾斜速率以及角度，进行角度闭环和速率闭环控制，则控制量输出到飞轮的进动(摆动)伺服电机从而带动飞轮摆动，根据公式(1)，此时惯性飞轮系统会产生力矩作用于车身，从而纠正车身倾斜角度以达到期望的倾斜角度。
在轮毂飞轮系统(控制力矩陀螺)内，飞轮以高速固定速度旋转，而控制系统根据检测到的传感器信号以及控制原理控制伺服电机，伺服电机带动皮带轮执行伺服运动，以一定角速度旋转一定角度从而产生控制力矩，该力矩方向和轮毂的轴向一致，而该力矩通过轴承(左车架轴承8和右车架轴承88)传递到车架(左车架5和右车架55)，从而对车架的倾斜程度进行纠正，从而达到控制车体平衡的目的。
如图3和4所示，轮毂结构为分片式结构，可以为3片式或者2片式，3片式轮毂两侧的轮辐(左轮辐32和右轮辐322)分别通过定位销34和螺栓35与轮辋1安装固定在一起；如果为2片式，则有一侧轮辐和轮毂是一体的，如右侧，为不可拆卸式；左侧的左轮辐32通过定位销34和螺栓35与轮辋1安装固定在一起；当然也可以是左轮辐32和轮毂是一体的不可拆卸式结构，右轮辐322通过定位销和螺栓与轮辋1安装固定在一起；两侧轮辐中心轴处为轴孔(左轴孔31和右轴孔311)，轴孔内为轴承座，用以安装轴承(左轴承2和右轴承22)。
如图5所示，驱动飞轮的飞轮电机95通过法兰安装固定在飞轮外壳93的底部，电机轴伸入飞轮的空心轴内采用间隙配合从而驱动飞轮92旋转，也可以通过联轴器驱动飞轮。或者，采用外转子电机和飞轮集成为一体，从而安装入飞轮外壳内更加节省轮毂内空间。所述的第一轴941为空心轴，第二轴942为实心轴。所述的驱动飞轮的飞轮电机95的电缆线和编码器线通过第一轴941向外伸出。
所述的左法兰轴3为空心法兰轴，右法兰轴33为实心法兰轴。
如图1和2所示，控制力矩陀螺(飞轮系统)安装集成在轮毂内腔内，安装方法为，飞轮外壳93两边的轴(第一轴941和第二轴942)分别通过左轴承2及右轴承22和轮毂耦合，这样飞轮外壳的摆动(进动)和轮毂的旋转互不干涉。
本发明所述的轮毂结构有别于普通的车轮，尤其有别于普通的两轮车(如摩托车或电动自行车)的车轮结构。本发明的轮毂结构为两侧均有轮辐的结构设计，两侧轮辐均有车轮轴孔设计，而两侧轮辐所围成的轮毂腔内空间用于安装控制力矩陀螺，安装了控制力矩陀螺的轮毂组成了一个整体的轮毂，轮毂外圈外缘尺寸和结构形状设计符合国家标准，以便安装商业轮胎。在有些设计中，摆动电机，飞轮电机，飞轮以及飞轮外壳，这些部件均内置于轮毂腔内。
该轮毂材质为铝合金，当然也可为其他材质；目前流行的是铝合金轮毂，有很多优点，如强度高，重量轻等。可采用2片式或3片式锻造方法加工制造，组装后成为一个整体轮毂。
控制力矩陀螺主要组成为惯性飞轮系统，由飞轮、飞轮外壳、飞轮电机和外壳轴等组成。飞轮固定安装在封闭的飞轮外壳内，高速电机带动飞轮恒速旋转；飞轮外壳两侧有轴伸出，两侧轴通过轴承和轮毂两侧轴孔耦合，其中一侧轴伸出轮毂且与皮带轮固定耦合，以便通过皮带轮由伺服电机驱动从而带动飞轮外壳摆动(进动)。集成了力矩陀螺的轮毂系统必须在控制系统的控制作用下才能产生需要的力矩，从而通过轴传输该力矩到车身，对车身产生作用。
本发明把控制力矩陀螺内置安装在特殊结构的轮毂内，通过控制陀螺力矩的大小，从而在轮毂轴向产生力矩作用，该力矩通过轮毂轴作用于车体，从而对车体产生力矩作用；这样，当车体有一定倾斜角度时或将向某个方向倾斜时，控制系统可根据车体当前的倾斜角度和速度控制轮毂内的控制力矩陀螺产生反作用力，纠正该倾斜角度，从而使车体恢复或者保持平衡。
因此，安装了该轮毂的车辆，如两轮车，具备一定的保持车体平衡的能力，在车身发生一定程度倾斜时，在控制系统的作用下依靠调整轮毂内的控制力矩陀螺的摆动(进动)速度和角度，可以给车身及时施加一个反作用力，在该反作用力下，车身倾斜被及时纠正，恢复平衡(如直立)状态。
另外需要说明的是，本发明要保护的技术方案的实质是在轮毂内设置安装了控制力矩陀螺，只要是在轮毂内安装了控制力矩陀螺，不管其实现方式如何；也不管是设置了几个控制力矩陀螺(如2个)；也不管是其设置的控制力矩陀螺的力矩作用是沿着车轴的(如本发明的上述实施例，是保持车体的平衡)还是沿着车轮前进或后退方向的，均落入本发明的保护范围。
以上显示和描述了本发明的主要特征及本发明的优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (12)

1.一种内置控制力矩陀螺的轮毂，其特征在于，所述轮毂包括轮辋，轮辋的左侧设置有左轮辐，轮辋的右侧设置有右轮辐，在左轮辐与右轮辐之间设置有控制力矩陀螺，该控制力矩陀螺包括飞轮外壳端盖、飞轮、飞轮外壳以及驱动飞轮的飞轮电机，飞轮外壳端盖底部设置有上轴承座，飞轮外壳内部底侧设置有下轴承座，上轴承座和下轴承座用于安装轴承以支撑飞轮；飞轮外壳的一侧设置有第一轴，飞轮外壳的另一侧设置有第二轴，第一轴比第二轴长，第一轴和第二轴的轴线位于同一条直线上；左轮辐的中心部设置有左轴孔，该左轴孔内设置有左轴承，所述的第一轴插入该左轴承中并与该左轴承耦合；所述的右轮辐的中心部设置有右轴孔，该右轴孔内设置有右轴承，所述的第二轴插入该右轴承并与该右轴承耦合；左法兰轴通过法兰面和螺栓固定安装在左轮辐的法兰面上；刹车盘片通过螺栓固定安装在左法兰轴的法兰面上，左法兰轴穿过左车架轴承的内孔，左车架轴承与左车架耦合；第一轴穿过左法兰轴的内孔并且伸出和一皮带轮或一齿轮固定连接，或者和一伺服电机直接耦合，皮带轮能够带动第一轴进行旋转伺服运动，进而带动飞轮外壳摆动；右法兰轴通过法兰面和螺栓固定安装在右轮辐的法兰面上；链轮通过螺栓固定安装在右法兰轴的法兰面上，右法兰轴穿过右车架轴承的内孔，右车架轴承与右车架耦合；所述的轮毂还包括控制系统，该控制系统基于DSP信号处理系统，通过传感器检测到车体或轮毂的倾斜速度和倾斜角度，为使车体保持平衡，则控制系统发出位置和速度控制指令给伺服驱动器，控制电机通过皮带轮带动飞轮外壳执行相应幅度和速度的摆动，使高速旋转的控制力矩陀螺产生力矩并通过车轴作用到车体框架上，从而使车体的倾斜程度得到纠正并恢复平衡状态。
2.根据权利要求1所述的内置控制力矩陀螺的轮毂，其特征在于，所述的控制力矩陀螺为一个或多个；该控制力矩陀螺的力矩作用沿着车轴的方向或者沿着车轮前进或后退的方向。
3.根据权利要求1所述的内置控制力矩陀螺的轮毂，其特征在于，所述的控制力矩陀螺的伺服电机位于轮毂外部；而飞轮电机，飞轮以及飞轮外壳均内置于轮毂腔内。
4.根据权利要求1所述的内置控制力矩陀螺的轮毂，其特征在于，所述的控制力矩陀螺的伺服电机位于轮毂内部，且飞轮电机，飞轮以及飞轮外壳均内置于轮毂腔内。
5.根据权利要求2所述的内置控制力矩陀螺的轮毂，其特征在于，所述轮毂的材质为铝合金，为分片式结构，采用2片式或3片式锻造方法加工制造；3片式锻造方法加工制造的轮毂中，所述左轮辐和右轮辐分别通过定位销和螺栓与轮辋安装固定在一起；2片式锻造方法加工制造的轮毂中，所述左轮辐或右轮辐二者其中之一通过定位销和螺栓与轮辋安装固定在一起；所述左轮辐或右轮辐二者中的另一个与轮辋形成不可拆卸的一体式结构。
6.根据权利要求5所述的内置控制力矩陀螺的轮毂，其特征在于，驱动飞轮的飞轮电机通过法兰安装固定在飞轮外壳的底部，电机轴伸入飞轮的空心轴内采用间隙配合从而驱动飞轮旋转。
7.根据权利要求5所述的内置控制力矩陀螺的轮毂，其特征在于，驱动飞轮的飞轮电机通过联轴器驱动飞轮。
8.根据权利要求5所述的内置控制力矩陀螺的轮毂，其特征在于，驱动飞轮的飞轮电机采用外转子电机和飞轮集成为一体。
9.根据权利要求6所述的内置控制力矩陀螺的轮毂，其特征在于，所述的第一轴为空心轴，第二轴为实心轴。
10.根据权利要求9所述的内置控制力矩陀螺的轮毂，其特征在于，所述的驱动飞轮的飞轮电机的电缆线和编码器线通过第一轴向外伸出。
11.根据权利要求10所述的内置控制力矩陀螺的轮毂，其特征在于，所述的左法兰轴为空心法兰轴，右法兰轴为实心法兰轴；或者左法兰轴和右法兰轴均为空心法兰轴。
12.根据权利要求11所述的内置控制力矩陀螺的轮毂，其特征在于，所述的链轮用于驱动车轮旋转，刹车盘片在刹车钳作用下对车轮进行制动。
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