CN110466302B - 一种重型车辆直线旋转电机式转向馈能悬架 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车辆上的重型车辆直线旋转电机式转向馈能悬架，电机壳体同轴心地伸在油腔壳体的中心孔中，电机壳体的中间设有电机腔，直线旋转电机容纳在电机腔内，油腔壳体上设有由1个主油腔和4个副油腔组成的油腔，在油腔壳体上沿圆周方向均匀开有4个副油腔，每个副油腔上端侧壁与主油腔下端侧壁之间依次连接且连通1个径向副油腔通道、1个轴向通道和1个径向主油腔通道，电机转轴位于电机腔的正中间且向下伸出端盖外，螺旋弹簧绕在油腔壳体外侧，4个相同的副活塞杆上端向上分别一一对应地伸入在4个副油腔内部，每个副活塞杆上端各同轴心地固定连接一个副活塞，主油腔内部设有主活塞；本发明在提供直线运动时还可提供旋转运动。

Description

一种重型车辆直线旋转电机式转向馈能悬架

技术领域

本发明涉及车辆技术，是指用于安装在车辆上的馈能悬架结构，特指采用直线旋转电机且带有转向功能的馈能悬架。

背景技术

悬架与转向系统是车辆中的重要系统，悬架传递轮胎与车身之间的力与力矩，具有缓冲减震的作用，转向系统则是维持车辆正常行驶的关键系统之一。悬架系统是指车身、车架和车轮之间的一个连接结构系统，其主要起吸收汽车行驶在路面上时因地面的变化而受到的震动及冲击，转向机构的功用是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，使两侧转向轮偏转，且使转向轮偏转角按一定关系变化。现有的部分车辆由于特殊地形等使用情况，悬架与转向系统仍会存在干涉现象，例如，对于大型货车，当转向轮上下跳动时，转向节臂球销中心运动轨迹与其绕转向器垂臂下端球关节摆动轨迹不一致，引起转向车轮干涉转向。

随着能源问题的突出，利用直线电机式的馈能悬架已有使用，通过直线电机将振动转化为电能，完成能量回收。

发明内容

本发明的目的为了解决大角度转向时悬架与转向系干涉问题，简化车辆底盘结构，提出一种适用于重型车辆的直线旋转电机式转向馈能悬架，将二自由度的直线旋转电机运用到馈能悬架上，使其带有转向功能。

本发明一种重型车辆直线旋转电机式转向馈能悬架采用的技术方案是：最上端是连接板总成，连接板总成下端经电机固定板与壳体上端面固定连接，壳体由电机壳体与油腔壳体组成，电机壳体同轴心地伸在油腔壳体的中心孔中，电机壳体的中间设有电机腔，电机壳体的外侧壁与油腔壳体内侧壁之间通过壳体轴承配合连接；油腔壳体上设有由1个主油腔和4个副油腔组成的油腔，主油腔在电机腔的正下方，在油腔壳体上沿圆周方向均匀开有4个开口垂直朝下的副油腔，每个副油腔上端侧壁与主油腔的下端侧壁之间依次连接且连通1个径向副油腔通道、1个轴向通道和1个径向主油腔通道，形成油路通道，油路通道中装有液压油；油腔壳体下端面固定连接端盖，电机转轴同轴心地位于电机腔的正中间且向下伸出端盖外，电机转轴通过壳体下轴承与端盖配合连接；油腔壳体的上段外同轴心地固定套有螺旋弹簧上托板，油腔壳体的正下方侧设有弹簧下支座，螺旋弹簧绕在油腔壳体外侧且上端固定连接螺旋弹簧上托板、下端固定连接弹簧下支座；有4个相同的副活塞杆的下端固定连接弹簧下支座、上端向上分别一一对应地伸入在4个副油腔内部，在4个副油腔内部的每个副活塞杆上端各同轴心地固定连接一个副活塞，在主油腔内部设有圆环形的主活塞，主活塞同轴心固定套在活塞推环外；电机转轴在轴向上从上侧至下侧依次为电机段、滑动段及转向段，电机段位于电机壳体的电机腔内，滑动段位于油腔壳体内，转向段位于壳体下端外侧；电机段在径向上固定套接有直线旋转电机，直线旋转电机容纳在电机腔内；滑动段外部固定套接所述的活塞推环，活塞推环最下端低于主油腔的最下端；转向段的下端依次经转向连接套、转向节、半轴连接于轮毂。

进一步地，所述的直线旋转电机由电机上轴承、电机定子、旋转绕组、永磁转子、直线绕组构成，电机定子外壁与电机壳体内壁过盈配合连接，电机定子的定子槽内绕有旋转绕组与直线绕组，电机定子与电机转轴径向上通过电机上轴承配合连接；电机定子在轴向上交替排列着定子齿圈与绕组槽，一个定子齿圈包含24个定子齿，定子齿上绕有旋转绕组，直线绕组环绕在绕组槽内，永磁转子同轴心地固定套在电机段上。

更进一步地，永磁转子是由N极永磁体、S极永磁体和不导磁材料体组成的圆环形，N极永磁体、S极永磁体和不导磁材料体均为圆弧形。沿圆周方向均匀布置4个N极永磁体与沿圆周方向均匀布置的4个S极永磁体在轴向上分为轴向两层且交错布置，在径向上的N极永磁体和S极永磁体交错布置，相邻两块N极永磁体或S极永磁体之间连接不导磁材料体。

本发明采用上述技术方案后突显出的优点是：

(1)将直线旋转电机作为馈能悬架作动器，在提供直线运动时还可提供旋转运动。

(2)利用销连接将转向节与悬架系统相连，通过直线旋转电机的旋转运动完成车轮的转向运动。

(3)通过悬架完成车辆的转向操作，不需要传动的转向系统，大大简化汽车底盘结构，消除结构干涉，增大转向幅度。

(4)采用直线旋转电机配合液压结构，放大了电机输出的轴向力，增大了弹簧调节范围，尤其适用于质量较大、震动影响大的重型车辆，同时液压结构也能反向增大了电机转轴的轴向行程，增大电能回收。

附图说明

图1为本发明的总装结构示意图；

图2为图1中壳体5的装配结构放大剖面图；

图3为图2中油腔壳体53的剖面放大图；

图4为图3的仰视图；

图5为图1中电机转轴13结构及部分关联部件的装配放大图；

图6为图1中直线旋转电机的结构放大图；

图7为图6中A-A剖面放大图；

图8为图6中B-B剖面放大图；

图9为图6中永磁转子14的立体结构放大图；

图10为图1中转向节21的结构图；

图中：1.连接板总成；2.电机固定板；3.螺旋弹簧上托板；4.螺旋弹簧；5.壳体；6.油腔；7.副活塞；8.副活塞杆；9.弹簧下支座；10.电机上轴承；11.电机定子；12.旋转绕组；13.电机转轴；14.永磁转子；15.直线绕组；16.活塞推环；17.主活塞；18.壳体下轴承；19.端盖；20.转向连接套；21.转向节；22.转向连接螺栓；23.轮毂；24.轮毂轴承；25.半轴；

51.电机壳体；52.摩擦片；53.油腔壳体；54.壳体轴承；55.电机腔；61.主油腔；62.径向主油腔通道；63.轴向通道；64.径向副油腔通道；65.副油腔；

111.定子齿圈；112.绕组槽；131.电机段；132.滑动段；133.转向段；134.十字键；141.N极永磁体；142.S极永磁体；143.不导磁材料体；

211.法兰结构；212.转向壁；213.圆环结构。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括具有相同轴心线的连接板总成1、电机固定板2、螺旋弹簧上托板3、螺旋弹簧4、壳体5、弹簧下支座9、电机转轴13、活塞推环16、主活塞17、活塞推环16、主活塞17、壳体下轴承18、端盖19以及转向连接套20。其中，轴向上的最上端是连接板总成1，连接板总成1用于连接车架与悬架结构。连接板总成1下端固定连接在电机固定板2上端，电机固定板2轴向下端与壳体5轴向上端面固定连接。

如图2所示，壳体5为回转体结构，由电机壳体51与油腔壳体53两部分组成，电机壳体51与油腔壳体53的轴心线重合。油腔壳体53是台阶状的回转体，电机壳体51是圆筒状。油腔壳体53的中心开有与电机壳体51相配合的中心孔，电机壳体51同轴心地伸在油腔壳体53的中心孔中。电机壳体51的中间设有电机腔55。电机壳体51的外侧壁与油腔壳体53的中心台阶孔内侧壁之间通过壳体轴承54配合连接，并且电机壳体51和油腔壳体53两者在轴向接触面间垫有摩擦片52。

如图2、3、4所示，在油腔壳体53上设有油腔6，油腔6由1个主油腔61和4个副油腔65组成。主油腔61为圆环管道结构，位于油腔壳体53的中心，主油腔61轴线与壳体5轴线重合，在电机腔55的正下方。在油腔壳体53上沿圆周方向均匀开有4个副油腔65，4个副油腔65的开口都垂直朝下，都为圆柱管道。4个副油腔65位于主油腔61的径向外侧，每个副油腔65上端侧壁与主油腔61的下端侧壁之间依次连接1个径向副油腔通道64、1个轴向通道63和1个径向主油腔通道62，使每个副油腔65均与主油腔61连通。4个径向主油腔通道62、轴向通道63、径向副油腔通道64都为圆柱管道结构。每个径向主油腔通道62、轴向通道63、径向副油腔通道64、副油腔65位于同一径向位置。4个径向主油腔通道62、4个轴向通道63、4个副油腔通道64以及4个副油腔65每隔90度均匀环绕在主油腔61四周。

油腔壳体53下端面通过螺纹同轴固定连接端盖19。电机转轴13同轴心地位于电机腔55的正中间，并且一直向下伸出端盖19外。电机转轴13的中间段上套有壳体下轴承18，通过壳体下轴承18与端盖19配合连接。

在油腔壳体53的上段外同轴心地套有螺旋弹簧上托板3，螺旋弹簧上托板3在电机固定板2的正下方，螺旋弹簧上托板3内壁与油腔壳体53外壁径向固定连接。在油腔壳体53的正下方侧设有弹簧下支座9。螺旋弹簧上托板3以及弹簧下支座9都为回转体结构，回转中心与壳体5重合。螺旋弹簧4绕在油腔壳体53外侧，并且螺旋弹簧4上端固定连接螺旋弹簧上托板3，下端固定连接弹簧下支座9。

有4个相同的副活塞杆8的下端通过螺纹固定连接在弹簧下支座9上，4个副活塞杆8上端向上分别一一对应地伸入在4个副油腔65内部。在4个副油腔65内部，每个副活塞杆8上端各同轴心地固定连接一个副活塞7。在主油腔61内部设有圆环形的主活塞17，主活塞17同轴心固定套在活塞推环16外。

这样，在主活塞17和副活塞7之间是由主油腔61、径向主油腔通道62、轴向通道63、径向副油腔通道64、副油腔65形成的油路通道，在油路通道中装有液压油。主活塞17的径向横截面积为k₁，4个副活塞7的径向横截面积的总和为k₂，两者之比构成液压放大系数K＝k₁/k₂，K取值一般为0.2至0.5之间。

如图5所示，电机转轴13与壳体5的轴心线重合，电机转轴13在轴向上可分为3段，轴向上从上侧至下侧依次为电机段131、滑动段132及转向段133，电机段131位于壳体5的电机壳体51的电机腔55内，滑动段132位于油腔壳体53内，转向段133位于壳体5下端外侧。

如图1、5所示，电机转轴13的电机段131在径向上固定套接有直线旋转电机，直线旋转电机容纳在电机腔55内。电机转轴13的滑动段132外部在径向上固定套接圆柱形的活塞推环16，活塞推环16内径与滑动段132外径相等，活塞推环16外圈径向固定连接主活塞17，活塞推环16外圈直径与主油腔61的内径相等，活塞推环16的外圈起到封油作用。活塞推环16在轴向上的最下端在运动过程中始终低于主油腔61的最下端。转向段133的下端径向固定连接有十字键134。

如图1、6所示，所述的直线旋转电机由电机上轴承10、电机定子11、旋转绕组12、永磁转子14、直线绕组15构成。电机定子11外壁与电机壳体51内壁过盈配合连接，电机定子11的定子槽内绕有旋转绕组12与直线绕组15，旋转绕组12与直线绕组15均为三相绕组。电机定子11与电机转轴13径向上通过电机上轴承10配合连接。

如图7、8所示，电机定子11在轴向上交替排列着定子齿圈111与绕组槽112两部分，一个定子齿圈111包含24个定子齿，且定子齿上绕有旋转绕组12。直线绕组15环绕在绕组槽112内。

如图9所示，永磁转子14同轴心地固定套在电机转轴13的电机段131上。永磁转子14是由N极永磁体141、S极永磁体142和不导磁材料体143组成的圆环形，N极永磁体141、S极永磁体142和不导磁材料体143均为圆弧形。沿圆周方向均匀布置4个N极永磁体141与沿圆周方向均匀布置的4个S极永磁体142在轴向上分为轴向两层，轴向交错布置，并且在径向上的N极永磁体141和S极永磁体142也交错布置。相邻两块N极永磁体141或S极永磁体142之间用不导磁材料体143连接。

如图1、5所示，电机转抽13的转向段133下端同轴地固定连接转向连接套20，转向连接套20的下端固定连接与转向节21上端，转向节21的中心位置开有十字槽，与电机转轴113的转向段133上的十字键134相配合，并且转向节21、转向连接套20、弹簧下支座9三者通过转向连接螺栓22在轴向上固定连接，使电机转轴13能带动转向连接套20作旋转运动。

如图1和图10所示，转向节21由轴向上端的法兰结构211、下端的圆环结构213以及连接法兰结构211和圆环结构213的转向壁212连接组成。转向节21通过其上端的法兰结构211与转向连接套20、弹簧下支座9通过转向连接螺栓22固定连接。

圆环结构213的中心套有半轴25，半轴25通过轮毂轴承24与圆环结构213配合连接。轮毂23与轮毂轴承24的内圈过盈配合连接，轮毂23与半轴25通过螺栓同轴心地固定连接。

本发明工作时，作为悬架与普通馈能悬架功能相似，包含减振功能与馈能功能，具体是：

减振功能：在路况较差的情况下，直线旋转电机中的直线绕组15通电，致使电机转轴13输出轴向力并进行轴向运动，带动活塞推环16推动或拉动主活塞17作轴向运动，主活塞17便推动或拉动油腔6中的液压油，带动副活塞7轴向运动，副活塞7将力传递至弹簧下支座9。根据帕斯卡原理，弹簧下支座9受到的力为电机输出轴向力的1/K倍。弹簧下支座9在轴向运动时，带动螺旋弹簧4轴向运动，如此调节螺旋弹簧4的刚度，实现减振作用。

馈能功能：路面的振动依次通过转向节21、转向连接套20、下弹簧支座9、副活塞杆8传递至副活塞7，同样根据帕斯卡原理，主活塞17受到的振动位移为原始振动的1/K倍，带动电机转轴13进行1/k倍的轴向运动，电机转轴13被带动使得直线绕组15切割磁感线发电，实施能量回收。

本发明除了传统悬架功能外还具有转向功能，具体是：电机转轴13在旋转绕组12励磁下转动，通过转向端的十字键134带动转向连接套20转动，转向连接套20由于通过转向螺栓22与转向节21及弹簧下支座9相连接，其会将旋转运动传递至弹簧下支座9以及转向节21。弹簧下支座9通过4个副活塞杆8带动油腔壳体53做同步旋转，由于壳体轴承52的作用，电机壳体51则不会旋转；而转向节21则直接带动半轴25及轮毂23旋转，完成转向。

Claims (4)

1.一种重型车辆直线旋转电机式转向馈能悬架，最上端是连接板总成（1），连接板总成（1）下端经电机固定板（2）与壳体（5）上端面固定连接，其特征是：壳体（5）由电机壳体（51）与油腔壳体（53）组成，电机壳体（51）同轴心地伸在油腔壳体（53）的中心孔中，电机壳体（51）的中间设有电机腔（55），电机壳体（51）的外侧壁与油腔壳体（53）内侧壁之间通过壳体轴承（54）配合连接；油腔壳体（53）上设有由1个主油腔（61）和4个副油腔（65）组成的油腔（6），主油腔（61）在电机腔（55）的正下方，在油腔壳体（53）上沿圆周方向均匀开有4个开口垂直朝下的副油腔（65），每个副油腔（65）上端侧壁与主油腔（61）的下端侧壁之间依次连接且连通1个径向副油腔通道（64）、1个轴向通道（63）和1个径向主油腔通道（62），形成油路通道，油路通道中装有液压油；油腔壳体（53）下端面固定连接端盖（19），电机转轴（13）同轴心地位于电机腔（55）的正中间且向下伸出端盖（19）外，电机转轴（13）通过壳体下轴承（18）与端盖（19）配合连接；油腔壳体（53）的上段外同轴心地固定套有螺旋弹簧上托板（3），油腔壳体（53）的正下方侧设有弹簧下支座（9），螺旋弹簧（4）绕在油腔壳体（53）外侧且上端固定连接螺旋弹簧上托板（3）、下端固定连接弹簧下支座（9）；有4个相同的副活塞杆（8）的下端固定连接弹簧下支座（9）、上端向上分别一一对应地伸入在4个副油腔（65）内部，在4个副油腔（65）内部的每个副活塞杆（8）上端各同轴心地固定连接一个副活塞（7），在主油腔（61）内部设有圆环形的主活塞（17），主活塞（17）同轴心固定套在活塞推环（16）外；电机转轴（13）在轴向上从上侧至下侧依次为电机段（131）、滑动段（132）及转向段（133），电机段（131）位于电机壳体（51）的电机腔（55）内，滑动段（132）位于油腔壳体（53）内，转向段（133）位于壳体（5）下端外侧；电机段（131）在径向上固定套接有直线旋转电机，直线旋转电机容纳在电机腔（55）内；滑动段（132）外部固定套接所述的活塞推环（16），活塞推环（16）最下端低于主油腔（61）的最下端；转向段（133）的下端依次经转向连接套（20）、转向节（21）、半轴（25）连接于轮毂（23）；

所述的直线旋转电机由电机上轴承（10）、电机定子（11）、旋转绕组（12）、永磁转子（14）、直线绕组（15）构成，电机定子（11）外壁与电机壳体（51）内壁过盈配合，电机定子（11）的定子槽内绕有旋转绕组（12）与直线绕组（15），电机定子（11）与电机转轴（13）径向上通过电机上轴承（10）配合连接；电机定子（11）轴向上交替排列着定子齿圈（111）与绕组槽（112），一个定子齿圈（111）包含24个定子齿，定子齿上绕有旋转绕组（12），直线绕组（15）环绕在绕组槽（112）内，永磁转子（14）同轴心固定套在电机段（131）上；

永磁转子（14）是由N极永磁体（141）、S极永磁体（142）和不导磁材料体（143）组成的圆环形，N极永磁体（141）、S极永磁体（142）和不导磁材料体（143）均为圆弧形，沿圆周方向均匀布置4个N极永磁体（141）与沿圆周方向均匀布置的4个S极永磁体（142）在轴向上分为轴向两层且交错布置，在径向上的N极永磁体（141）和S极永磁体（142）交错布置，相邻两块N极永磁体（141）或S极永磁体（142）之间连接不导磁材料体（143）。

2.根据权利要求1所述的一种重型车辆直线旋转电机式转向馈能悬架，其特征是：每个径向主油腔通道（62）、轴向通道（63）、径向副油腔通道（64）、副油腔（65）位于同一径向位置。

3.根据权利要求1所述的一种重型车辆直线旋转电机式转向馈能悬架，其特征是：主活塞（17）的径向横截面积为k₁，4个副活塞（7）的径向横截面积的总和为k₂，两者之比构成液压放大系数K=k₁/k₂，K取值为0.2至0.5之间。

4.根据权利要求1所述的一种重型车辆直线旋转电机式转向馈能悬架，其特征是：转向段（133）的下端径向固定连接有十字键（134）和转向连接套（20），转向节（21）的中心位置开有与十字键（134）相配合的十字槽，转向节（21）、转向连接套（20）和弹簧下支座（9）在轴向上固定连接。

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