CN109398069A - 一种集成式外转子电动轮一体化结构及装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集成式外转子电动轮一体化结构及装配方法，包括轮毂电机、减速机构、制动器、减振机构、冷却机构、轮辋等。减速机构包括一级和二级减速机构，轮毂电机转子与一级减速机构齿圈设计为一体化结构，一级减速机构的行星架与二级减速机构的太阳轮设计为一体化结构。动力由轮毂电机转子输入，经一级减速机构齿圈、行星架、二级减速机构太阳轮及行星架输出给车轮，驱动车辆运行。同时，制动器制动盘与二级减速机构行星架设计为一体化结构，随之转动，制动钳安装在外壳上。冷却机构采用飞溅冷却和油道冷却相结合的方式，完成对电机、减速机构和制动器等的全面冷却。此系统可以广泛应用于使用不同厂家/型号的各种车轮，具有较强的通用性。

Description

一种集成式外转子电动轮一体化结构及装配方法

技术领域

本发明涉及电动汽车纯电驱动动力传动系统，具体涉及一类集成式外转子电动轮一体化及装配方法。

技术背景

作为下一代‘纯电驱动’电动汽车的关键技术之一，轮毂电机驱动电动汽车因其在车辆总布置结构、底盘主动控制以及操控方便性方面的明显技术优势，受到业界的高度重视。轮毂电机驱动系统与传统车辆用集中电机驱动系统具有显著的区别，轮毂电机驱动系统需要将轮毂电机、制动器及其它连接部件等高度集成且合理布置于狭小的车轮内。因此，结构和空间上的限制，要求电动轮驱动系统的设计不仅要考虑车辆驱动/制动的要求，还要充分考虑系统的冷却和密封问题，才能保证轮毂电机驱动系统及车辆的正常的运行。

另外，电动轮驱动电动汽车将车辆的一部分质量由簧上转到了簧下，使车辆非簧载质量增加。国内外众多学者的研究成果表明：轮毂电机驱动系统非簧载质量的增加，使轮胎的动载和车身的振动加速度均方值都明显增大，对车辆的平顺性和乘坐舒适性产生不利影响。因此，在进行一体化集成设计时，还要同时兼顾电动轮驱动系统的轻量化问题。

基于此，本发明提出了一种集成式外转子电动轮一体化结构及装配方法。此一体化结构将轮毂电机、制动器、二级减速机构等进行了一体化集成设计，此电动轮系统结构同时兼顾车辆对动力性的需求、驱动系统的冷却、密封、轻量化、减振及电动轮系统的通用性问题，所设计的电动轮系统具有较高的综合性能。

发明内容

本发明提出了一种集成式外转子电动轮一体化结构及装配方法，对轮毂电机、减速机构、制动器及其它连接部件进行了一体化集成设计，此结构在有限的车轮空间内，充分考虑电动轮驱动系统的驱动、制动、减振、冷却、减振、轻量化、密封及通用性问题，设计出了一种集成度高、动力性好、质量轻、散热性好且具有较高的通用性的一体化集成电动轮系统，其中的减速机构采用二级行星减速，进一步满足电动轮驱动车辆对驱动系统低速大扭矩的性能需求。

本发明的目的通过以下方案实现：

该结构包括轮毂电机、行星减速机构、盘式制动器、减振机构、冷却结构、轮辋、轮胎等。轮毂电机主要由定子、转子及电机外壳组成；减速机构包括一级减速机构和二级减速机构，一级减速机构的动力来源于轮毂电机转子，转子转动带动转子齿圈转动，太阳轮通过键连接固定于轴上，齿圈将动力传递到行星轮，然后行星轮带动行星架转动；一级行星减速机构的行星架与二级行星减速机构的太阳轮设计为一体化结构，将动力输出给二级减速机构的太阳轮；二级减速机构太阳轮将动力传递给行星轮，然后行星轮带动行星架转动，从而将动力输出。行星架通过连接轮毂连接盘与轮辋进行连接，驱动车辆前行。制动器为盘式制动器，其中制动盘与二级减速机构的行星架设计为一体化结构，而制动钳则通过螺栓螺母安装在电机壳体上；减振机构分别安装在轮辋与电机连接处、减速机构的齿圈与电机外壳之间、支撑架与固定轴之间以及电机壳体与固定轴之间，起到一定的连接、支撑、隔震、限位的作用；冷却机构包括两种冷却方式，一种是由固定轴进油，通过二级减速机构的行星架转动的离心力甩油的飞溅冷却；另一种是通过设计的与定子线圈绕组配合的薄壁油套进油，通过冷却油套来完成对轮毂电机定子的冷却。

本发明的工作原理：

轮毂电机转子与一级行星减速机构齿圈设计为一体化结构，轮毂电机转子主动时，动力由转子流向转子齿圈，太阳轮固定在固定轴上，齿圈将动力传递给行星轮，行星轮转动将动力再传递给行星架，这样动力在一级减速机构的传递就完成了，二级减速机构的动力来源于太阳轮，本设计将二级减速机构的太阳轮和一级减速机构的行星架做成一个整体，这样二级减速机构的动力就来源于一级减速机构的输出件--行星架，太阳轮转动带动行星轮转动，齿圈固定与电机外壳上，这样行星轮转动带动行星架转动，从而完成动力输出。行星架输出的动力通过轮毂连接盘与轮辋相连，以此来驱动汽车前进。当车轮需要停止转动时，此时制动器工作，制动钳将作为制动盘的行星架的盘状机构刹住，从而中断动力输出，使车轮停止转动。电机长时间的工作会产生高温，需要对其进行冷却，冷却机构包括两种冷却方式，一种是由固定轴进油，通过二级减速机构的行星架转动的离心力甩油的飞溅冷却；另一种是通过设计的与定子线圈绕组配合的薄壁油套进油，通过冷却油套来完成对轮毂电机的冷却。在车辆行驶的过程中，难免会有来自路面的不平度激励，它们会通过轮辋传递到电机本身，影响电机的驱动特性和车辆的动力学特性，减振机构由将电机与轮毂以弹性方式相连，将非簧载质量进行等效转换的同时，通过减振机构吸收上述传递到电机的激振能量，以减少对轮毂电机的影响，不但可以更好地发挥电机的驱动性能，还可以有效的改善系统的振动特性和车轮的接地性能，提高零件的使用寿命。

相对于现有技术，本发明具有以下优点和有益效果：

1、将减速机构、轮毂电机、制动器等进行一体化集成设计，可以使整个电动轮系统结构更加紧凑，集成度高，同时减小了车辆的非簧载质量，提高了车辆的平顺性和乘坐舒适性；

2、通过除车轮外的整个动力传动系统的一体化结构设计，使其具有较强的通用性，采用不同厂家、不同型号的车轮的车辆，只需对轮毂与一体化结构进行连接件设计，即可配套使用，通用性较强。

3、二级减速机构相比于将一级减速机构来说，其减速增扭的效果更明显，可以更好的满足电动轮驱动车辆对驱动系统低速大扭矩的性能需求。

3、减振元件的设计，是电动轮新增加的非簧载质量--轮毂电机、减速机构、制动器等转化为与传统意义上的簧载质量相并联的质量系统，有效地改善了车辆的动力学特性，提高了车辆的平顺性和舒适性。

4、两种冷却方式的联合应用，使得轮毂电机、减速机构及制动器都具有较好的冷却效果，有效提高系统驱动、制动效能。

5.所设计的电动轮系统对其中的某些部件进行了一体化集成设计，如：轮毂电机转子与一级行星减速机构齿圈设计为一体化结构，一级行星减速机构的行星架与二级行星减速机构的太阳轮设计为一体化结构，制动盘与二级减速机构的行星架设计为一体化结构，使得电动轮系统结构更加紧凑的同时，有效减小了非簧载质量。

6.设计过程同时全面考虑轮毂空间的布置以及动力性、制动、减振、冷却、密封、轻量化等问题，使得所设计的电动轮系统具有较好的综合效能。

附图说明

下面结合附图和实施实例对本发明做进一步说明。

图1是本发明集成式外转子电动轮一体化结构的结构原理图。

图2是本发明集成式外转子电动轮一体化结构的一体化结构原理图。

图3是本发明集成式外转子电动轮一体化结构的总体结构装配爆炸图。

图4是本发明集成式外转子电动轮一体化结构的实施例1结构原理图。

图5是本发明集成式外转子电动轮一体化结构的实施例2结构原理图。

图6是3-21太阳轮与3-18行星架的一体化结构示意图。

图7是3-19行星架结构与制动盘6-1一体化结构示意图。

图8是3-14转子齿圈一体化结构示意图。

如图所示：1-1轮胎；1-2轮辋；2-1螺纹连接件；2-2轮毂连接盘；3-1电机外壳中；3-2螺栓；3-3转子磁钢；3-4永磁体；3-5定子及线圈绕组；3-6定子支撑架；3-7电机外壳右；3-8端盖；3-9深沟球轴承；3-10螺栓；3-11固定轴；3-12橡胶垫圈；3-13太阳轮；3-14转子齿圈；3-15行星轮；3-16齿圈；3-17齿圈；3-18行星架；3-19行星架；3-20行星轮；3-21太阳轮；3-22密封圈；3-23轴用卡环；3-24橡胶垫圈；3-25键；4-1进油道；4-2进油道；4-3回油道；5减振机构；6-1制动盘；6-2制动钳。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示的集成式外转子电动轮一体化结构，主要包括轮毂电机3、减振机构5、制动器6、冷却机构4、轮毂连接机构2、轮辋1-2、轮胎1-1等。轮毂电机3主要包括定子及线圈绕组3-5、永磁体3-4、转子磁钢3-3及电机外壳组成；电机的定子及线圈绕组3-5通过定子支撑架3-6以及减振元件固定于固定轴4-1上，转子齿圈3-14与转子磁钢3-3通过减振元件5-2和螺栓3-2连接在一起，永磁体3-4胶贴在转子磁钢3-3内圈，这样转子3-3就将动力传递给了转子齿圈3-14。行星减速机构主要包括太阳轮、行星轮、齿圈、行星架，行星减速机构包括两级，一级是太阳轮3-13固定，齿圈3-16输入，行星架3-18输出；二级是齿圈3-17固定，太阳轮3-21输入，行星架3-19输出。行星架3-19输出的动力通过连接轮毂连接盘2-2将动力传递到轮辋1-2，从而驱动车辆前进。制动机构6主要包括制动盘6-1和制动钳6-2，其中制动盘由二级减速机构的行星架3-19的盘状机构代替，制动机构安装在电机壳体内部；减振机构5主要由橡胶元件组成，分别安装在轮辋1-2与电机连接处、减速机构的齿圈3-17与电机外壳3-1之间、支撑架3-6与固定轴3-11之间以及电机壳体3-7与固定轴3-11之间，起到一定的连接、支撑、隔震、限位的作用；冷却机构4的冷却方式，一种是由固定轴3-11通过进油道4-1进油，通过二级减速机构的行星架3-19转动的离心力甩油的飞溅冷却；另一种是通过设计的与定子线圈绕组3-5配合的薄壁油套进油，通过冷却油套来完成对线圈绕组的冷却。

实施例1

图4为本发明用于车辆的实施例1结构原理图。实施例1的结构和原理如下：

定子及线圈绕组3-5通过定子支撑架3-6以及减振机构，通过螺栓连接固定于固定轴3-11上，保证了定子部分保持静止；转子3-3与转子齿圈3-14之间通过减振元件5-2螺栓连接，转子齿圈3-14充当了转子3-3的支撑架，保证了转子3-3正常的工作；行星减速机构包括两级，主要结构包括太阳轮、行星轮、齿圈、行星架，一级是太阳轮3-13固定，齿圈3-16输入，行星架3-18输出，当电机工作时，转子3-3转动带动转子齿圈3-14转动，从而带动行星轮3-15转动，然后将动力传递给行星架3-18，从而完成动力输出；二级是齿圈3-17固定，太阳轮3-21输入，行星架3-19输出，二级减速机构动力来源于太阳轮3-21，而直接动力来源于一级减速机构的行星架3-18，本设计将太阳轮3-21与行星架3-19设计为一体化结构，一方面太阳轮3-21的动力直接由行星架3-19获得，另一方面使整个减速机构结构更加紧凑，节省了空间。太阳轮3-21将动力传递给行星轮3-18，行星轮3-18进而将动力传递给行星架3-19，行星架3-19输出的动力通过连接轮毂连接盘2-2将动力传递到轮辋1-2，从而驱动车辆前进。所选制动器为盘式制动器，制动器的结构主要包括制动盘6-1和制动钳6-2，其中制动盘的设计用二级减速机构的行星架3-19的盘状机构代替，而制动钳6-2则通过螺栓螺母安装在电机壳体3-1上，将制动器进行这样的设计，减少了零部件的数量，使机构简单化，提高了空间利用率；减振机构5主要由橡胶元件组成，分别安装在轮辋1-2与电机3连接处、减速机构的齿圈3-17与电机外壳3-1之间、支撑架3-6与固定轴3-11之间以及电机壳体3-7与固定轴3-11之间，起到一定的连接、支撑、隔震、限位的作用的同时减小了汽车的非簧载质量，减小了复杂路况带给轮毂电机的冲击，改善了电动轮驱动系统的动力学特性，提高了车辆行驶的稳定性，也延长了零部件的使用寿命；冷却机构包括两种冷却方式，一种是由固定轴3-11的进油道4-1进油，通过二级减速机构的行星架3-19转动的离心力作用进行飞溅冷却，这种冷却方式不光使整个减速机构进行了冷却，而且使轴承3-9，垫片3-23、电机外壳3-1及制动机构6都得到了冷却；另一种是通过设计的与定子线圈绕组3-5配合的薄壁油套进油，通过冷却油套来完成对线圈绕组的冷却，这种冷却方式主要针对线圈绕组这一块进行冷却。两种冷却方式结合，使电机及减速机构得到极大程度上的冷却，冷却效果更明显。

电动轮系统装配过程的爆炸图见说明书附图3，具体装配过程如下：

1、一级减速机构的安装。将键3-25安装在固定轴3-11上，然后安装太阳轮3-13，太阳轮3-13两侧安装轴用卡环3-23,以固定太阳轮的轴向位置；然后安装深沟球轴承3-9，轴承之间安装轴用卡环3-23及橡胶垫圈3-24，然后安装行星架3-18，同时在行星架3-18上安装行星轮3-15，然后安装轴承来安装转子齿圈3-14，轴承之间同样用轴用卡环3-23及橡胶垫圈3-24来固定轴承的内圈，将端盖通过螺栓连接安装在转子齿圈3-14上，来固定轴承的外圈。

2、二级减速机构的安装。在固定轴3-11上安装轴承、轴用卡环3-23及橡胶垫圈3-24，然后安装行星架3-19，同时将行星轮3-20安装在行星架3-19上，然后安装齿圈3-17。

3、电机的安装。转子齿圈3-14安装好之后，安装转子磁钢3-3，两者之间通过橡胶垫片(减振元件5-2)螺栓连接，从而将转子磁钢3-3固定，然后在转子磁钢内部胶贴永磁体3-4，然后安装定子及线圈绕组3-5，将定子支撑架3-6通过橡胶垫圈和螺栓安装在固定轴3-11上，然后将定子及线圈绕组通过螺栓安装在定子支撑架3-6上.

4、电机壳体及制动器的安装。将电机壳体中3-1通过螺栓及橡胶垫片固定好齿圈3-17之后，然后与电机壳体3-7通过橡胶垫圈及螺栓安装到一起，然后将电机壳体3-7通过螺栓及减振元件5-1安装在固定轴上；将制动钳6-2通过螺栓安装在电机壳体3-1上，然后安装电机外壳。

5、轮毂的安装。将轮毂连接盘2-1用螺栓与行星架3-19安装在一起，然后将轮毂1-2与轮毂连接盘通过螺栓2-2装配在一起。

实施例2

实施例2的具体结构如图5所示。与实施例1不同的是：制动机构不再对行星架3-19进行制动，而是对转子齿圈3-14进行制动，其他结构及组成元件基本不变。具体结构和工作原理如下：

制动器的制动盘选择为转子齿圈3-14的盘状结构，制动钳6-2通过螺栓螺母连接在定子支撑架3-6上，当车轮需要制动时，制动钳6-2将转子齿圈的盘状结构5-1刹住，从而使转子3-3停止旋转，车辆停止前进。这种设计相比于实施例1而言是将动力来源转子3-3进行制动，从而使制动所需要的力大大减小，减轻了制动器的制动负担，也使制动器产生的热量减少，保证了制动器的制动效能，使其稳定工作。

Claims (6)

1.本发明公开一种集成式外转子电动轮一体化结构及装配方法，该结构主要包括：轮毂电机、行星减速机构、盘式制动器、减振机构、冷却机构、轮辋、轮胎、外壳等。所述轮毂电机为外转子内定子结构。所述减速机构包括一级减速机构和二级减速机构。所述轮毂电机转子与一级行星减速机构齿圈设计为一体化结构，一级行星减速机构太阳轮通过键连接固定于轴上，轮毂电机动力经一级行星减速机构齿圈、行星轮，传递给一级行星减速机构行星架；所述一级行星减速机构的行星架与二级行星减速机构的太阳轮设计为一体化结构，二级行星减速机构的齿圈通过橡胶垫片减小外来冲击给内部减速机构或电机带来的影响，用螺栓固定于电机外壳上，由一级行星减速机构传递出来的动力直接进入二级行星减速机构太阳轮、行星轮，由二级行星机构的行星架输出。二级行星减速机构的行星架通过连接轮毂连接盘与轮辋进行连接，驱动车辆运行。所属制动器为盘式制动器，其中的制动盘与二级减速机构的行星架设计为一体化结构，并随之转动，而制动钳则通过螺栓螺母安装在电机壳体上。减振机构主要由弹性元件组成，分别安装在轮辋与电机连接处、减速机构的齿圈与电机外壳之间、支撑架与固定轴之间以及电机壳体与固定轴之间，起到一定的连接、支撑、隔震、限位的作用的同时减小了汽车的非簧载质量，减小了复杂路况带给轮毂电机的冲击，改善了电动轮驱动系统的动力学特性，提高了车辆行驶的稳定性，也延长了零部件的使用寿命。冷却机构包括两种冷却方式，一种是由固定轴进油，通过二级减速机构的行星架转动的离心力作用而形成的对减速机构和制动器的飞溅冷却；另一种是通过设计的通过定子薄壁油套进油，通过冷却油套来完成对轮毂电机的冷却。两种冷却方式结合，使轮毂电机、减速机构及制动器均可以得到一定程度上的冷却，冷却效果更明显。所述电动轮驱动系统结构的整个结构为一体化结构，所述轮毂电机、行星减速机构、盘式制动器、减振机构、冷却机构等均集成布置于由外壳形成的密封结构内，整个结构装配完成之后，可以直接通过与轮辋和汽车底盘进行连接使用，一体化结构的设计使电动轮系统的装配及拆卸更方便，通用性更加广泛。

电动轮系统具体装配过程：

(1)一级减速机构的安装。将键3-25安装在固定轴3-11上，然后安装太阳轮3-13，太阳轮3-13两侧安装轴用卡环3-23,以固定太阳轮的轴向位置；然后安装深沟球轴承3-9，轴承之间安装轴用卡环3-23及橡胶垫圈3-24，然后安装行星架3-18，同时在行星架3-18上安装行星轮3-15，然后安装轴承来安装转子齿圈3-14，轴承之间同样用轴用卡环3-23及橡胶垫圈3-24来固定轴承的内圈，将端盖通过螺栓连接安装在转子齿圈3-14上，来固定轴承的外圈。

(2)二级减速机构的安装。在固定轴3-11上安装轴承、轴用卡环3-23及橡胶垫圈3-24，然后安装行星架3-19，同时将行星轮3-20安装在行星架3-19上，然后安装齿圈3-17。

(3)电机的安装。转子齿圈3-14安装好之后，安装转子磁钢3-3，两者之间通过橡胶垫片螺栓连接，从而将转子磁钢3-3固定，然后在转子磁钢内部胶贴永磁体3-4，然后安装定子及线圈绕组3-5，将定子支撑架3-6通过橡胶垫圈和螺栓安装在固定轴3-11上，然后将定子及线圈绕组通过螺栓安装在定子支撑架3-6上。

(4)电机壳体及制动器的安装。将电机壳体中3-1通过螺栓及橡胶垫片固定好齿圈3-17之后，然后与电机壳体3-7通过橡胶垫圈及螺栓安装到一起，然后将电机壳体3-7通过螺栓及减振元件5-1安装在固定轴上；将制动钳6-2通过螺栓安装在电机壳体3-1上，然后安装电机外壳。

(5)轮毂的安装。将轮毂连接盘2-1用螺栓与行星架3-19安装在一起，然后将轮毂1-2与轮毂连接盘通过螺栓2-2装配在一起。

2.根据权利要求1所述的一种集成式外转子电动轮一体化结构及装配方法，其特征在于：所述电机的类型可以是永磁同步、永磁直流、交流感应等励磁方式的电机。

3.根据权利要求1所述的一种集成式外转子电动轮一体化结构及装配方法，其特征在于：所述制动器可以是盘式制动器，也可以是鼓式制动器，可以是湿式制动器，也可以是干式制动器，可以是多片式，也可以是单片式，可以是电磁式，也可以是液压式。

4.根据权利要求1所述的一种集成式外转子电动轮一体化结构及装配方法，其特征在于：所述的二级减速结构可以是行星机构，也可以是定轴齿轮减速机构，可以是单行星排结构，也可以是多行星排结构。

5.根据权利要求1所述的一种集成式外转子电动轮一体化结构及装配方法，其特征在于：所述的二级减速结构的连接方式，可以是一级行星减速机构的行星架与二级行星减速机构的太阳轮，也可以是一级减速机构的行星架、齿圈或太阳轮与二级减速机构的行星架、齿圈或太阳轮的任意部件相连接。

6.根据权利要求1所述的一种内转子电动轮一体化集成结构及装配方法，其特征在于：所述冷却机构薄壁油套的油路可以是并联式、螺旋式、轴向式等结构。