CN111697784B - 一种主动制动并回收能量的非充气车轮 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主动制动并回收能量的非充气车轮，包括内转子、曲柄转子机构、定子永磁组、外转子轭铁环、轭铁块、电机机构、胎面构件；内转子环向外表面上设有m块永磁体；曲柄转子机构包括一个中心块，中心块的周向设置有n根支杆，支杆包括第一连杆、弹簧和第二连杆；定子永磁组为n组，定子永磁组的一端能够与外转子轭铁环相互吸附，另一端能够与曲柄连杆机构的支杆相互吸附；轭铁块的数量为n块，每个轭铁块的外表面能够与定子永磁组相互吸附；外转子轭铁环外侧周上设置有弹簧片组；胎面构件的内壁与弹簧片组相连；电机机构包括双模电机和电子总成。本发明能够采集轮速、回收轮胎形变能量、避免车轮高速带来的不利影响，安全性能较好。
Description
技术领域
本发明属于车辆工程技术领域，特别涉及一种非充气车轮。
背景技术
传统充气轮胎由于自身结构的特点无法满足今后的使用要求，各种非充气轮胎应运而生，目前现有的非充气轮胎一般采用高分子材料辐板或网面等结构，虽然解决了扎胎、爆胎等情况，但是存在成本高、工作环境严苛等缺点。另外也有专利如CN201310236856.4提出用液压元件作为弹性轮辐，但存在受力集中、平顺性差、最高车速低等缺点。
磁力齿轮的调磁能力一般用于减速器中，在车轮中利用磁耦合力相吸相斥达到传动目的的这一想法，因为无接触式传动机构由超距力完成传动，可降低机械能损耗、无需润滑接触面使保养简易、抑制噪声产生、且因摩擦产生的粉尘与油污不会对超距接触产生影响，并具备防水特性。现有的研究都致力于减速器中的磁力齿轮的运用，而对车轮中利用调磁能力行成差速降速的这一想法尚未出现相关文献。
随着车辆安全性技术的快速发展，制动防抱死系统、牵引力控制系统等各种安全系统已被广泛运用于汽车上，而车辆行驶过程中各车轮的轮速信息是这些系统的重要输入参数。现有的轮速测量方案大多采用霍尔式和电磁式传感器，分别安装在每个车轮的轮毂上，通过线束向ECU提供轮速信息，轮速信息的获取成本和可靠性是不可忽视的重要方面。
轮胎的能量回收系统通过利用轮胎的形变或振动，将耗散的能量转化为可利用的能量，为用电器提供电能。现有的研究都致力于传统充气轮胎能量的回收与利用，而对非充气轮胎的能量回收技术尚未出现相关文献。
发明内容
针对上述背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种主动制动并回收能量的非充气车轮。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种主动制动并回收能量的非充气车轮，包括内转子、永磁体、曲柄转子机构、定子永磁组、轭铁块、外转子轭铁环、弹簧片组、胎面构件、电机机构；其中：
所述内转子位于车轮的中心，内转子中心处设置有转子轴，转子轴用于与驱动轴相连，内转子内部为空，用于安装曲柄转子机构；
所述永磁体为m块，设置于内转子环向外表面上，永磁体与内转子为一个整体，且相邻的永磁体的磁性相反；
所述曲柄转子机构包括一个中心块，中心块安装于内转子内，中心块的两侧分别设置第一固定板和第二固定板，第一固定板和第二固定板的外侧面中心处分别固定连接有第一曲柄和第二曲柄，第一曲柄和第二曲柄均呈Z形，所述第一曲柄和第二曲柄都包括偏心杆、连接杆和中心杆，其中，连接杆一端和偏心杆的一端垂直固定连接、另一端和中心杆的一端垂直固定连接；中心块的周向设置有n根支杆，所述支杆包括第一连杆、弹簧和第二连杆，弹簧连接与第一连杆和第二连杆之间；
所述定子永磁组为n组，其数量与曲柄转子机构的支杆数目一致，n组定子永磁组呈环状，位于曲柄转子机构的外环，n组定子永磁组与n根支杆一一对应；每组定子永磁组有三个永磁体,相邻永磁体的磁性相反，三个永磁体连接在一起，且相邻定子永磁组之间能够相互分离或吸附，吸附后能够形成一个闭合的定子永磁环，定子永磁组的一端能够与外转子轭铁环相互吸附，另一端能够与曲柄连杆机构的支杆相互吸附；
所述轭铁块的数量为n块，和曲柄连杆机构的支杆数目一致，轭铁块通过支架固定在车辆的车桥上，每个轭铁块的外表面能够与定子永磁组相互吸附，每个轭铁块在吸附面积上大于定子永磁组每组中的单个永磁体；
所述外转子轭铁环位于定子永磁组外环；
所述弹簧片组包含若干弹簧片，设置于外转子轭铁环和胎面构件之间，若干弹簧片的一端与胎面构件内壁固定、另一端和外转子轭铁环外端固定；
所述胎面构件作为车轮的最外圈；
所述电机机构安装于内转子垂向外表面上，电机机构包括双模电机和电子总成，双模电机输出轴和第二曲柄的中心杆同轴固定连接；电子总成设置在双模电机上。
进一步的，所述第一固定板和第二固定板的内侧面绕其中心都周向均匀设有n个安装孔，所述支杆的第二连杆远离和弹簧的一端设有垂直于第二连杆的第一安装柱、第二安装柱；n根支杆的第一安装柱通过深沟球轴承一一对应设置在第一固定板的n个安装孔内，n根支杆的第二安装柱通过深沟球轴承一一对应设置在第二固定板的n个安装孔内。
进一步的，所述第一连杆靠近定子永磁组的一端设有卡槽。
进一步的，所述第一固定板和第二固定板通过多根螺栓固定在中心块上，所述第一固定板和第二固定板的外侧面中心都设有固定柱，固定柱用于安装第一曲柄和第二曲柄，第一曲柄的偏心杆的另一端通过角接触球轴承和第一固定板上的固定柱相连，第二曲柄的偏心杆的另一端通过角接触球轴承和第二固定板上的固定柱相连，且第一曲柄的连接杆平行于第二曲柄的连接杆。
进一步的，所述第一固定板和第二固定板的外侧面分别设置有第一安装盘和第二安装盘，第一安装盘和第二安装盘中心设有与第一曲柄的中心杆和第二曲柄的中心杆相连的安装孔，该安装孔内设置有深沟球轴承；所述第一安装盘用于和车辆的刹车盘相连，第二安装盘用于安装电机机构。
进一步的，所述电子总成包含霍尔传感器、稳压电路、驱动电路、储能元件、中央处理器、RF射频；其中：
所述霍尔传感器分别与中央处理器、稳压电路、驱动电路连接，用于采取双模电机主轴实时的转角并发送给中央处理器；
所述稳压电路分别与霍尔传感器、驱动电路、储能元件、中央处理器连接，用于将双模电机产生的电能储存至储能元件中；
所述驱动电路分别与霍尔传感器、中央处理器、稳压电路、储能元件连接，用于驱动双模电机工作，其电能来自储能元件；
所述储能元件分别与稳压电路、驱动电路、中央处理器连接，用于储存和提供电能；
所述中央处理器用于接收实时转角并计算轮速后发送给外界，并根据外界控制指令通过驱动电路或稳压电路控制双模电机工作；
所述RF射频与中央处理器连接，用于和外界进行信息交互。
进一步的，所述弹簧为矩形螺旋弹簧，材质为碳纤维复合材料。
进一步的，所述双模电机为直流无刷电机。
进一步的，所述永磁体和定子永磁组的材质为Nd-Fe-B永磁材料。
进一步的，所述胎面构件的材质为硫化橡胶。
有益效果：本发明能够采集轮速、回收轮胎形变能量、避免车轮高速带来的不利影响，具有较好的安全性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中曲柄转子机构示意图；
图3为本发明中电子总成、双模电机及安装盘的示意图；
图4为本发明的状态1下车轮结构示意图；
图5为本发明的状态2下车轮结构示意图；
图6为电子总成的结构示意图；
图中，1-胎面构件，2-弹簧片组，3-外转子轭铁环，4-内转子上永磁体，5-定子永磁组，6-电机结构，601-双模电机，602电子总成，7-轭铁块，8-内转子，9-曲柄转子机构，901-中心块，902-第一固定板，903-第二固定板，904-第一曲柄，905-第二曲柄，906-第一连杆，907-弹簧，908-第二连杆，909-深沟球轴承，910-偏心杆，911-连接杆，912-中心杆，913-安装孔，914-第一安装柱，915-第二安装柱，916-卡槽，917-固定柱，918-角接触球轴承，919-第一安装盘，920-第二安装盘，921-螺栓，922-第一通孔，923-第二通孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1指3所示，本发明的一种主动制动并回收能量的非充气车轮包括内转子8、永磁体4、曲柄转子机构9、定子永磁组5、轭铁块7、外转子轭铁环3、弹簧片组2、胎面构件1、电机机构6；其中：
内转子8位于车轮的中心，内转子8中心处设置有转子轴，转子轴用于与驱动轴相连，内转子8的外部起支撑和旋转作用，具有一定的强度，内转子8内部为空，用于安装曲柄转子机构9。
永磁体4为m块，设置于内转子8环向外表面上，永磁体4与内转子8为一个整体，且相邻的永磁体4的磁性相反。
曲柄转子机构9包括一个中心块901，中心块901安装于内转子8内，中心块901的两侧分别设置有第一固定板902和第二固定板903，第一固定板902和第二固定板903的外侧面中心处分别固定连接有第一曲柄904和第二曲柄905，第一曲柄904和第二曲柄904均呈Z形，第一曲柄904和第二曲柄905都包括偏心杆910、连接杆911和中心杆912，其中，连接杆911一端和偏心杆910的一端垂直固定连接、另一端和中心杆912的一端垂直固定连接；中心块901的周向设置有n根支杆，支杆包括第一连杆906、弹簧907和第二连杆908，弹簧907连接与第一连杆906和第二连杆908之间；第一固定板902和第二固定板903的内侧面绕其中心都周向均匀设有n个安装孔913，安装孔913为盲孔，支杆的第二连杆908远离和弹簧907的一端设有垂直于第二连杆908的第一安装柱914、第二安装柱915；n根支杆的第一安装柱914通过深沟球轴承909一一对应设置在第一固定板902的n个安装孔内，n根支杆的第二安装柱通过深沟球轴承909一一对应设置在第二固定板903的n个安装孔内。第一连杆906靠近定子永磁组5的一端设有卡槽916，能够加强与定子永磁组的吸附力。第一固定板902和第二固定板903中开设有多个第一通孔922，中心块901上开设有多个与第一通孔922一一对应的第二通孔923，多根螺栓921依次穿过第一固定板902中心块901和第二固定板903的第一通孔和第二通孔，将第一固定板902和第二固定板903固定在中心块901上。第一固定板902和第二固定板903的外侧面中心都设有固定柱917，固定柱917用于安装第一曲柄904和第二曲柄905，第一曲柄904的偏心杆910的另一端通过角接触球轴承918和第一固定板902上的固定柱917相连，第二曲柄905的偏心杆910的另一端通过角接触球轴承918和第二固定板903上的固定柱917相连，且第一曲柄23的连接杆平行于第二曲柄21的连接杆。第一固定板902和第二固定板903的外侧面分别设置有第一安装盘919和第二安装盘920，第一安装盘919和第二安装盘920中心设有与第一曲柄904的中心杆和第二曲柄905的中心杆相连的安装孔，该安装孔内设置有深沟球轴承909。第一安装盘919用于和车辆的刹车盘相连，第二安装盘920用于安装电机机构6。
定子永磁组5为n组，其数量与曲柄转子机构9的支杆数目一致，n组定子永磁组5呈环状，位于曲柄转子机构9的外环，n组定子永磁组5与n根支杆一一对应；每组定子永磁组5有三个永磁体，相邻永磁体的磁性相反，三个永磁体连接在一起，且相邻定子永磁组5之间能够相互分离或吸附，吸附后能够形成一个闭合的定子永磁环，定子永磁组5的一端能够与外转子轭铁环3相互吸附，另一端能够与曲柄连杆机构9的支杆相互吸附。
轭铁块7的数量为n块，和曲柄连杆机构9的支杆数目一致，轭铁块7通过支架固定在车辆的车桥上，每个轭铁块7的外表面能够与定子永磁组5相互吸附，每个轭铁块7在吸附面积上大于定子永磁组5每组中的单个永磁体。
外转子轭铁环3位于定子永磁组5外环。
弹簧片组2包含若干弹簧片，设置于外转子轭铁环3和胎面构件1之间，若干弹簧片的一端与胎面构件1内壁固定、另一端和外转子轭铁环3外端固定。
胎面构件1作为车轮的最外圈。
电机机构6安装于内转子8垂向外表面上，电机机构6包括双模电机601和电子总成602，双模电机601输出轴和第二曲柄904的中心杆912同轴固定连接；电子总成602设置在双模电机601上。
如图6所示，电子总成包含霍尔传感器、稳压电路、驱动电路、储能元件、中央处理器、RF射频；其中：
霍尔传感器分别与中央处理器、稳压电路、驱动电路连接，用于采取双模电机主轴实时的转角并发送给中央处理器；
稳压电路分别与霍尔传感器、驱动电路、储能元件、中央处理器连接，用于将双模电机产生的电能储存至储能元件中；
驱动电路分别与霍尔传感器、中央处理器、稳压电路、储能元件连接，用于驱动双模电机工作，其电能来自储能元件；
储能元件分别与稳压电路、驱动电路、中央处理器连接，用于储存和提供电能；
中央处理器用于接收实时转角并计算轮速后发送给外界，并根据外界控制指令通过驱动电路或稳压电路控制双模电机工作；
RF射频与中央处理器连接，用于和外界进行信息交互。
本发明中，弹簧907优选为矩形螺旋弹簧，材质为碳纤维复合材料。双模电机601优选采用直流无刷电机。永磁体4和定子永磁组5的材质优选为为Nd-Fe-B永磁材料，磁性效果更好。胎面构件1的材质优选为硫化橡胶。
本发明一种主动制动并回收能量的非充气车轮具有两种工作模式：
如图4所示，当速度低于轮胎临界速度行驶时(状态1)，曲柄转子机构顶端第一连杆与定子永磁组吸附、各组定子永磁组与外转子轭铁环相互吸附，同时曲柄转子机构的中心杆与内转子同轴固连，通过第一连杆、第二连杆及弹簧使得内转子、外转子、定子永磁组三者相连，进而让传动轴传来的速度传递到外转子、弹簧片组及胎面构件，保证了在低于轮胎临界速度行驶时，轮胎的速度就是内转子的速度，即传动轴输入来的速度，同时收集轮胎形变通过外转子与曲柄转子机构的传递带动双模电机旋转产生电能和轮胎转速信号，电子总成将电能进行稳压和存储，将轮胎转速信号进行调理并以无线通信发送给中央处理器；
如图5所示，当速度高于轮胎临界速度行驶时(状态2)，中央处理器下达信号以无线通信发送给电子总成，电子总成控制电机旋转带动曲柄转子机构运动，曲柄转子机构向内收缩拉回第二连杆，通过弹簧拉回第一连杆，通过第一连杆拉回与第一连杆吸附的定子永磁组(这里连杆上设有卡槽，增大了与定子永磁组的接触面积，进而增大相互吸附力，相互吸附力可大于定子永磁组与外转子轭铁环的相互吸附力)，随着定子永磁组的拉回将定子永磁组吸附于通过支架固定在车桥上的轭铁块(轭铁块一面通过支架固定在车桥上，另一面用于与定子永磁组下表面相互吸附)，继续收缩使得曲柄转子机构与定子永磁组分离(这里调节曲柄转子机构的力使得第一连杆与定子永磁组的吸附力小于定子永磁组与轭铁块的吸附力)，定子永磁组在拉回的过程中，每组之间可以相互吸附，最终形成定子永磁环，固定在轭铁块上(每组的三块永磁体是加工在一起的，组与组之间可以相互吸附，亦可分离)，这样内转子、外转子、定子永磁组三者分离并进行调磁功能，调磁功能使得内外转子形成差速，此时的传动比为：
其中ωh为内转子的线速度，ωl为外转子的线速度，n为定子永磁组上永磁体的个数，m为内转子上永磁体的个数。进而降低车轮的行驶速度，避免车轮高速带来的一系列负面影响。
当车轮速度降至临界速度以内，中央处理器下达信号以无线通信发送给电子总成，电子总成控制电机旋转带动曲柄转子机构运动，曲柄转子机构推动连杆使第一连杆与定子永磁组吸附，继续推动使定子永磁组脱离轭铁块，最终与外转子轭铁环相互吸附，回到状态1。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种主动制动并回收能量的非充气车轮，其特征在于：包括内转子（8）、第一永磁体（4）、曲柄转子机构（9）、定子永磁组（5）、轭铁块（7）、外转子轭铁环（3）、弹簧片组（2）、胎面构件（1）、电机机构（6）；其中：
所述内转子（8）位于车轮的中心，内转子（8）中心处设置有转子轴，转子轴用于与驱动轴相连，内转子（8）内部为空，用于安装曲柄转子机构（9）；
所述第一永磁体（4）为m块，设置于内转子（8）环向外表面上，第一永磁体（4）与内转子（8）为一个整体，且相邻的第一永磁体（4）的磁性相反；
所述曲柄转子机构（9）包括一个中心块（901），中心块（901）安装于内转子（8）内，中心块（901）的两侧分别设置有第一固定板（902）和第二固定板（903），第一固定板（902）和第二固定板（903）的外侧面中心处分别固定连接有第一曲柄（904）和第二曲柄（905），第一曲柄（904）和第二曲柄（904）均呈Z形，所述第一曲柄（904）和第二曲柄（905）都包括偏心杆（910）、连接杆（911）和中心杆（912），其中，连接杆（911）一端和偏心杆（910）的一端垂直固定连接、另一端和中心杆（912）的一端垂直固定连接；中心块（901）的周向设置有n根支杆，所述支杆包括第一连杆（906）、弹簧（907）和第二连杆（908），弹簧（907）连接与第一连杆（906）和第二连杆（908）之间；
所述定子永磁组（5）为n组，其数量与曲柄转子机构（9）的支杆数目一致，n组定子永磁组（5）呈环状，位于曲柄转子机构（9）的外环，n组定子永磁组（5）与n根支杆一一对应；每组定子永磁组（5）有三个第二永磁体，相邻第二永磁体的磁性相反，三个第二永磁体连接在一起，且相邻定子永磁组（5）之间能够相互分离或吸附，吸附后能够形成一个闭合的定子永磁环，定子永磁组（5）的一端能够与外转子轭铁环（3）相互吸附，另一端能够与曲柄连杆机构（9）的支杆相互吸附；
所述轭铁块（7）的数量为n块，和曲柄连杆机构（9）的支杆数目一致，轭铁块（7）通过支架固定在车辆的车桥上，每个轭铁块（7）的外表面能够与定子永磁组（5）相互吸附，每个轭铁块（7）在吸附面积上大于定子永磁组（5）每组中的单个第二永磁体；
所述外转子轭铁环（3）位于定子永磁组（5）外环；
所述弹簧片组（2）包含若干弹簧片，设置于外转子轭铁环（3）和胎面构件（1）之间，若干弹簧片的一端与胎面构件（1）内壁固定、另一端和外转子轭铁环（3）外端固定；
所述胎面构件（1）作为车轮的最外圈；
所述电机机构（6）安装于内转子（8）垂向外表面上，电机机构（6）包括双模电机（601）和电子总成（602），双模电机（601）输出轴和第二曲柄（904）的中心杆（912）同轴固定连接；电子总成（602）设置在双模电机（601）上。
2.根据权利要求1所述的主动制动并回收能量的非充气车轮，其特征在于：所述第一固定板（902）和第二固定板（903）的内侧面绕其中心都周向均匀设有n个安装孔（913），所述支杆的第二连杆（908）远离和弹簧（907）的一端设有垂直于第二连杆（908）的第一安装柱（914）、第二安装柱（915）； n根支杆的第一安装柱（914）通过深沟球轴承（909）一一对应设置在第一固定板（902）的n个安装孔内，n根支杆的第二安装柱通过深沟球轴承（909）一一对应设置在第二固定板（903）的n个安装孔内。
3.根据权利要求1或2所述的主动制动并回收能量的非充气车轮，其特征在于：所述第一连杆（906）靠近定子永磁组（5）的一端设有卡槽（916）。
4.根据权利要求1所述的主动制动并回收能量的非充气车轮，其特征在于：所述第一固定板（902）和第二固定板（903）通过多根螺栓（921）固定在中心块（901）上，所述第一固定板（902）和第二固定板（903）的外侧面中心都设有固定柱（917），固定柱（917）用于安装第一曲柄（904）和第二曲柄（905），第一曲柄（904）的偏心杆（910）的另一端通过角接触球轴承（918）和第一固定板（902）上的固定柱（917）相连，第二曲柄（905）的偏心杆（910）的另一端通过角接触球轴承（918）和第二固定板（903）上的固定柱（917）相连，且第一曲柄（23）的连接杆平行于第二曲柄（21）的连接杆。
5.根据权利要求1所述的主动制动并回收能量的非充气车轮，其特征在于：所述第一固定板（902）和第二固定板（903）的外侧面分别设置有第一安装盘（919）和第二安装盘（920），第一安装盘（919）和第二安装盘（920）中心设有与第一曲柄（904）的中心杆和第二曲柄（905）的中心杆相连的安装孔，该安装孔内设置有深沟球轴承（909）；所述第一安装盘(919)用于和车辆的刹车盘相连，第二安装盘（920）用于安装电机机构（6）。
6.根据权利要求1所述的主动制动并回收能量的非充气车轮，其特征在于：所述电子总成包含霍尔传感器、稳压电路、驱动电路、储能元件、中央处理器、RF射频；其中：
所述霍尔传感器分别与中央处理器、稳压电路、驱动电路连接，用于采取双模电机主轴实时的转角并发送给中央处理器；
所述稳压电路分别与霍尔传感器、驱动电路、储能元件、中央处理器连接，用于将双模电机产生的电能储存至储能元件中；
所述驱动电路分别与霍尔传感器、中央处理器、稳压电路、储能元件连接，用于驱动双模电机工作，其电能来自储能元件；
所述储能元件分别与稳压电路、驱动电路、中央处理器连接，用于储存和提供电能；
所述中央处理器用于接收实时转角并计算轮速后发送给外界，并根据外界控制指令通过驱动电路或稳压电路控制双模电机工作；
所述RF射频与中央处理器连接，用于和外界进行信息交互。
7.根据权利要求1所述的主动制动并回收能量的非充气车轮，其特征在于：所述弹簧（907）为矩形螺旋弹簧，材质为碳纤维复合材料。
8.根据权利要求1所述的主动制动并回收能量的非充气车轮，其特征在于：所述双模电机（601）为直流无刷电机。
9.根据权利要求1所述的主动制动并回收能量的非充气车轮，其特征在于：所述第一永磁体（4）和定子永磁组（5）的材质为Nd-Fe-B永磁材料。
10.根据权利要求1所述的主动制动并回收能量的非充气车轮，其特征在于：所述胎面构件（1）的材质为硫化橡胶。
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