CN111873784A - 一种轮组壳体组件、电动轮以及车辆 - Google Patents

一种轮组壳体组件、电动轮以及车辆 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种轮组壳体组件、电动轮以及车辆，属于电动汽车电驱动技术领域，该组件包括依次相互串联连接的轮毂壳体、轮毂传动壳体以及轮毂支撑壳体；所述轮毂壳体内设有放置轮毂电机的凹槽；所述电机凹槽内连接有一级减速器内齿圈；在轮组壳体内部远离电机凹槽的一侧圆周方向上均匀设有卡槽；在轮毂传动壳体内壁面上设有二级减速器内齿圈；所述轮毂壳体还连接用于固定在轮辋上的轮辋过渡盘。本公开的轮组壳体组件集成度高、结构紧凑，通过一体化集成设计，在单零部件上布置了多种接口，在控制成本的同时，减小了体积和重量、避免了多余连接、提升了强度和可靠性。

Description

一种轮组壳体组件、电动轮以及车辆
技术领域
本公开属于电动汽车电驱动技术领域，具体是涉及一种轮组壳体组件、电动轮以及车辆。
背景技术
这里的陈述仅提供与本公开相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
电动轮技术也被称为车轮内装电机技术，该电机也称轮毂电机，最大特点就是将动力装置、传动装置和制动装置都整合一起到轮毂内，得以将电动车辆的机械部分大为简化，相比其他驱动形式，具备传动链短、传动效率高、布置灵活等居多优势。采用电动轮技术的电动车辆在车辆总布置、动力性表现和控制等性方面的明显优势使其受到学术界和产业界的普遍关注。
针对电动汽车，尤其是大吨位，其车辆承载、动力需求和轮毂轴向和径向空间有严格限制且一般重型电动汽车指标要求最高车速不小于100km/h、纵向爬坡度不小于60％，市场现有电动轮产品，只能满足最高车速和爬坡度不小于30％的指标要求，且轴向尺寸过大。外转子轮毂电机转矩能力有限，重量大导致簧下质量增加影响车辆高速行驶性能，采用现有外转子轮毂电机无法满足车辆所需牵引特性，所以选用高速内转子电机，并在车轮与电机之间安装大减速比减速器的轮毂电机方案更适合。专利CN103328247A提出了“一种轮毂电机驱动装置”，但没有明确所用的减速机构且该装置轴向尺寸和体积都比较大；专利CN108146221B提出了一种具有一体化转向节端盖的电动轮及车辆采用大速比减速器，外置盘式制动器，采用传统轮组结构进行承载，集成度不够高，不利于体积、重量的控制及轴向尺寸的缩短。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本公开提供了一种轮组壳体结构及电动轮。
本公开至少一实施例提供了一种轮组壳体组件，该组件包括依次连接的轮毂壳体、轮毂传动壳体以及轮毂支撑壳体；
所述轮毂壳体内设有放置轮毂电机的凹槽；所述电机凹槽内连接有一级减速器内齿圈；在轮组壳体内部远离电机凹槽的一侧圆周方向上均匀设有卡槽；在轮毂传动壳体内壁面上设有二级减速器内齿圈；所述轮毂壳体还连接用于固定在轮辋上的轮辋过渡盘。
进一步，所述一级减速器内齿圈与轮毂壳体可以是分体部件，也可以是一体成型部件。
进一步，所述轮组壳体远离轮毂传动壳体方向上的一端连接转向节；所述转向节上设有电机接线盒；所述一级减速器内齿圈与转向节同轴布置。
进一步，转向节远离轮组壳体方向的一侧连接转向节支撑座；所述转向节圆周方向的边缘处设有第一主销和第二主销；转向节通过第一主销和第二主销与转向节支撑座连接；第一主销和第二主销同轴线分布；且该轴线与垂直方向之间设有倾斜角。
进一步，所述转向节与转向节支撑总成之间设有驻车制动器；所述驻车制动器连接转向节的端面上。
进一步，所述轮毂壳体的外表面上设有与卡槽相连通的制动接口。
进一步，所述轮毂壳体的外壳上设有电机散热水道。
本公开至少一实施例还提供了一种电动轮，该电动轮包括上述任一项所述一种轮组壳体组件。
进一步地，所述轮辋过渡盘连接轮辋；所述轮辋上安装车辆轮胎。
本公开至少一实施例还一种车辆，该车辆包括上述任一项所述一种电动轮。
上述公开的实施例取得的有益效果如下：
1、本公开的轮组壳体组件集成度高、结构紧凑，通过一体化集成设计，在单零部件上布置了多种接口，在控制成本的同时，减小了体积和重量、避免了多余连接、提升了强度和可靠性。
2、本公开的轮组壳体组件在车辆驱动、制动和转向时实现了电机动力、轮毂制动器动力、转向动力、整车垂向载荷和地面对轮辋的作用力合理传递。
3、本公开的轮组壳体组件装置重量轻、集成度高、结构紧凑，传动高效，尤其适合大转矩、重载荷的采用电动轮驱动的重型车辆应用。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例提供的一种电动轮的爆炸图；
图2为图1提供的电动轮的装配示意图；
图3为图1提供的电动轮轮装配剖视图；
图4为本公开实施例提供的一体化转向节的电机及轮组壳体装配示意图；
图5(a)为图4提供的一体化转向节的电机及轮组壳体有限元应变图；
图5(b)为图4提供的一体化转向节的电机及轮组壳体有限元应力图；
图6(a)为本公开实施例提供的轮毂电机驱动力或电制动力传动路线；
图6(b)为本公开实施例提供的电动轮承载力或地面对轮辋作用力传递路线；
图6(c)为本公开实施例提供的轮毂制动器动力传递路线。
图中：1、转向节支撑总成，1.1、上主销，1.2、下主销，1.3、转向节支撑座，2、驻车制动器，3、转向节，4、轮毂电机组件，4.1、电机轴，4.2、电机定子，4.3、电机轴承，4.4、电机接线盒，5、一级行星减速器，5.1、一级太阳轮，5.2、一级行星轮，5.3、一级行星架，5.4、一级齿圈，6、轮组壳体总成，6.1、轮毂壳体，6.2、水套，6.3、散热接头，6.4、制动接口，7、湿式制动器，8、轮毂轴承，9、二级行星减速器，9.1、二级太阳轮，9.2、二级行星轮，9.3、二级行星架，10、轮毂轴承，11、轮毂传动壳体，12、轮毂支撑壳体，13、轮辋过渡盘，13.1、轮毂螺栓，13.2、车轮螺母，14、轮辋过渡盘端盖，15、充放气组件，16、轮辋。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
非特殊说明，本公开实施例中内外侧方向相对于车辆整体来说，不论是车辆左侧还是右侧电动轮，皆指沿轮轴方向靠近车辆中心一侧为内侧，远离车辆中心一侧为外侧。
本公开的电动轮可以应用于电动驱动式的各种车辆，应用于电动来给予辅助动力的情况，如燃料电池汽车或电动汽车等的四轮机动车。尤其适用于大转矩、重载荷的电动车辆。但本公开不限于两轮机动车，高尔夫球场车或是老年人或残疾人使用的三轮或四轮车，在建筑工地或运输行业中的中、重型载货商用车，以及履带车辆等。
在本公开的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
如图1-图2所示本公开实施例提供的一种电动轮方案，该电动轮主要包括轮毂电机4、湿式制动器7、一级行星减速器5、二级行星减速器9，驻车制动2、中央充放气15和ABS组件、轮辋过渡盘13、轮组壳体6和轮辋16，其中轮辋16上安装车辆轮胎。
具体地，所述一级行星减速器5位于轮毂电机4内部，二级行星减速器9位于所述轮毂组件内部，两轮毂轴承8和10之间。
如图3-图4所示，所述轮毂电机4外侧通过电机轴4.1、电机轴承4.3分别连接一级行星减速器齿圈5.4，再连接所述轮组壳体组件；所述轮毂电机4内侧连接转向节3，再连接所述轮组壳体组件；所述转向节3连接转向节支撑总成1，通过转向节支撑总成1连接车辆悬架摆臂。
所述一体化转向节、轮组壳体结构包括转向节3、转向节支撑总成1、转向接口17、电机接线盒4.4、制动器接口6.4，连接螺栓等。
进一步地，所述一级行星减速器5包括一级太阳轮5.1、一级行星轮5.2、一级行星架5.3和一级行星减速器齿圈5.4，所述一级行星减速器5的输入为电机轴4.1，一级行星架5.3；一级行星减速器5连接于电机轴4.1与二级太阳轮9.1之间，一级行星减速器齿圈5.4与轮毂壳体6.1固定连接，二级太阳轮9.1与一级行星架5.3通过花键连接，一级行星架5.3两端有限位垫片保证一级行星减速器5的轴向定位，使齿轮啮合实现自动轴向定位并处于一种轴向浮动状态，以保证减速行星减速器良好的啮合状态和承载能力。
进一步地，所述二级行星减速器9包括二级太阳轮9.1、二级行星轮9.2、二级行星架9.3和轮毂传动壳体11，所述二级行星减速器9的输入为一级行星架5.3；二级行星减速器9连接于轮辋过渡盘13与一级行星架5.3之间，轮毂传动壳体11与轮毂壳体6.1固定连接，二级太阳轮9.1与一级行星架5.3通过花键连接，二级行星架9.3两端有轮毂轴承8和10，保证二级行星减速器9的定位。
所以上述实施例通过的电动轮通过一级行星减速器5和二级行星减速器9的组合采用，实现了大减速比，使得高速轮毂电机和低速轮辋16之间转矩和转速匹配，轮毂电机4电磁转矩经过行星减速器5和9减速增扭后将动力传递给轮辋16，实现驱动或电制动车轮。
所述电机轴4.1是轮毂电机输出轴，所述电机轴4.1与所述一级太阳轮5.1通过花键连接。所述一级行星架5.3与二级太阳轮9.1，二级行星架9.3和轮辋过渡盘13固定连接，轮毂传动壳体11与轮毂壳体6.1固定连接，实现了扭矩和转速的传递。
所述二级行星架9.3两端有轮毂轴承8和10，二级行星架9.3和轮辋过渡盘13固定连接，轮辋过渡盘13和轮辋16固定连接，轮辋过渡盘13和轮毂壳体6.1固定连接，轮组壳体组件与转向节端盖3连接，转向节端盖3与转向节支撑总成1连接，实现了轮胎承载载荷到车辆悬架的传递。
进一步地，更优化的本实施例中的二级行星架9.3外圆有伸出的环状结构，上有花键或滑动槽，制动摩擦片可在二级行星架9.3上轴向移动和随二级行星架9.3转动；
更优化的，如图1所示，电动轮还包括驻车制动器2和湿式制动器7，所述驻车制动器2位于所述电机轴、所述轮毂壳体6.1和所述转向节支撑总成1围成空间内。驻车制动器2的壳体连接于转向节3，驻车制动器2的制动盘2.11与电机轴4.1连接。所述湿式制动器7位于所述轮毂壳体6.1、二级行星减速器9和轮毂传动壳体围成空间内，湿式制动器7由制动活塞、制动摩擦片和制动钢片组成，制动活塞位于轮毂壳体6.1内的空腔内，
进一步地，制动摩擦片与二级行星架9.3连接，制动钢片通过花键或滑轨与轮毂壳体6.1连接，制动钢片可在轮毂壳体6.1内轴向移动。制动磨擦片通过花键或滑动槽支撑在二级行星架9.3上，制动摩擦片可在二级行星架9.3上轴向移动和随二级行星架9.3转动；当高压液压油或气体通过制动接口6.4流经油腔或气室，其作用于活塞产生轴向推力，使得制动摩擦片与钢片压紧，产生摩擦转矩，阻碍二级行星减速器9和轮毂总成成16旋转，完成轮辋16制动功用。
轮组壳体连接于轮辋16和转向节支撑总成1之间，轮组壳体组件包括转向节3、转向节支撑总成1、轮毂壳体6.1、轮毂传动壳体11、轮毂支撑壳体12、轮辋过渡盘13、转向接口、电机接线盒4.4、连接螺栓等。
具体地，一级行星减速器齿圈5.4和轮毂壳体6.1固定连接，转向节3和轮毂壳体6.1固定连接，一级行星减速器齿圈5.4和轮毂壳体6.1可以是分体部件，也可以是一体成型部件。轮毂壳体6.1与轮毂传动壳体11固定连接，轮毂传动壳体11与轮毂支撑壳体12固定连接。
进一步地，轮毂壳体6.1外表有湿式制动器7的制动接口6.4，内部空间内有活塞安装环状空间；
进一步地，轮毂壳体6.1内有湿式制动器7的制动钢片安装卡槽，在轮毂壳体6.1内部空间呈圆周分布；
进一步地，一级行星减速器齿圈5.4位于轮毂壳体6.1内部，一级行星减速器齿圈5.4和转向节3同轴布置，并有轴承安装孔。
本实施例中的的轮毂电机4位于转向节1、一级行星减速器齿圈5.4和轮毂壳体6.1包围形成的空间。轮毂电机4为内转子高速电机，基于电磁学原理，当电机定子绕组有设计的电流通过时，电机转子和定子通过电磁作用产生预期的电磁转矩，驱动电机转子转动，带动轮毂电机转子轴转动输出动力。
所述轮毂电机4包括电机定子4.2、电机轴4.1、电机转子、电机轴承4.3和电机接线盒4.4等，轮毂壳体外壳6.1上有电机散热水道，轮毂电机4转子产生的电磁转矩，通过电机轴4.1传递给一级行星减速器5的太阳轮5.1；电机轴4.1另一端伸出转向节1，并与驻车制动器的驻车制动器ABS齿圈连接2.11，轮毂电机通过电机轴4.1、两个轴承4.3承载于转向节1、一级行星减速器齿圈5.4之间。轮组壳体组件6集成电机冷却水路，该情况下电机外壳也被称为电机水套。
所述转向节3充当电机端盖并通过转向节支撑总成1连接车辆悬架，也可直接连接车辆悬架，如图2所示，上主销和下主销分布在转向节3边缘，转向节支撑座1.3通过上主销1.1、下主销1.2与转向节3连接，上主销和下主销同轴线分布，该轴线与电动轮垂直方向保持一定倾斜角。转向节支撑总成1上有车辆悬架摆臂连接孔与车辆悬架摆臂连接，
需要说明的就是，转向节3也可通过球销直接连接车辆悬架摆臂。
进一步地，在转向节3的端面有电机接线盒4.4，同时为了减小电机轴向长度和电机轴身侧空间限制，电机接线盒4.4的出线沿电机轴向方向从该电动轮端部出线，具体地出线沿电机轴向方向从转向节3端部出线。
在转向节3与转向节支撑总成1之间有驻车制动器2，驻车制动器2的壳体2.7连接于转向节3内部端面上。
地面作用在电动轮轮辋16上的载荷由轮组壳体组件6传递到转向节3，再由转向节3边缘的上主销和下主销传递到转向节支撑座1.3，再到相应悬架摆臂，如图2所示，转向节3的边缘圆周方向厚度比中间厚，由于下主销比上主销承载大，并附转向臂转矩，所以转向节3下部材料厚度比上部过渡处材料厚；上主销孔上表面连接转向节支撑座1.3内侧，下主销孔上表面连接转向节支撑座1.3外侧，构成了从下到上的力的承载方式，转向节支撑座1.3上的孔连接车辆悬架摆臂，转向节3下表面连接转向摆臂17，悬架上、下摆臂在转向节支撑总成1两侧可以沿水平方向旋转和上下跳动，转向节3形状还结合车车轮转向和悬架跳动范围确定，保证消除运动干涉。
本公开实施例通过上述力传递方式，在车辆驱动、制动和转向时实现了电机动力、制动器动力、转向动力、整车垂向载荷和地面对轮辋的作用力合理传递。
结合车辆行驶工况，采用有限元分析手段，对本发明轮组壳体组件各受力部分结构强度和刚度进行验证，如图5(a)-图5(b)所示；分析方法是在转向节3的上主销孔和下主销孔固定，选取最为恶劣的2种工况，分别是车辆地面冲击载荷，取3倍静载，以及车辆转向时侧向最大加速度0.65g，通过轮辋过渡盘13作用在转向节3上，从轮组壳体组件6和转向节3应力和应变图上可以看出，应力和应变分布较为合理，该装置在结构上满足承载要求。
车辆驱动时，依据选定的整车控制策略，整车给轮毂电机4定子绕组充电，与转子作于产生电磁转矩，通过轮毂电机轴4.4将动力传递给一级行星减速器5的太阳轮5.1和二级行星减速器9减速增扭后由二级行星架9.3将动力传递给轮辋过渡盘13和轮辋16，驱动车轮。
一、轮毂电机驱动力传递路径，如下：
见图6(a)，作用在轮辋16上的驱动力由轮毂电机4产生，电机轴4.1输出的动力经过一级行星减速器5的太阳轮5.1和二级行星减速器9减速增扭，由轮辋过渡盘13传递至轮辋16最终作用于车轮，实现轮毂电机驱动车轮转动。
二、制动力传递路径，如下：
对于电动车辆，作用在轮辋16上的行车制动力由湿式制动器7和轮毂电机4共同提供，其中湿式制动器7产生机械制动力，轮毂电机4产生电制动力。电驱动车辆高速行驶时轮辋16制动力主要由轮毂电机4的制动力提供，车辆低速行驶时的制动力由湿式制动器7和轮毂电机4两者共同提供，通过控制湿式制动器7和轮毂电机4的介入时间和强度实现机械制动力和电制动力合理高效分配，在保证车辆制动安全前提下最大回收电制动产生的电能。
车辆行车制动时，依据选定的整车控制策略，当车辆行驶速度高于某一车速时和制动踏板动作满足一定条件，首先由轮毂电机4产生电制动转矩，通过一级行星减速器5的太阳轮5.1和二级行星减速器9减速增扭，由轮辋过渡盘13传递至轮辋16，起到制动轮辋16的功用；当车辆行驶速度低压某一车速，和制动踏板动作满足一定条件，湿式制动器7和轮毂电机4都投入工作，通过一级行星减速器5的太阳轮5.1和二级行星减速器9减速增扭，由轮辋过渡盘13传递至轮辋16，起到制动轮辋16的功用，完成轮辋16的机电联合制动；当车辆速度低于某一车速或者制动踏板动作满足一定条件，电制动力撤销，仅由湿式制动器7和产生制动力作用与轮辋16，完成车辆的制动；
车辆驻车制动时，驻车制动器驻车碟簧压紧，驻车制动端齿盘2.9与驻车制动端齿盘2.10啮合，通过驻车制动器ABS齿圈2.11、电机轴4.1、一级行星减速器5的太阳轮5.1和二级行星减速器9减速增扭，由轮辋过渡盘13传递至轮辋16，起到制动轮辋16的功用，完成车辆的驻车制动。
机械制动力传递路径见6(c)：行车制动时，湿式制动器7制动摩擦片与二级行星架9.3连接，制动钢片通过花键或滑轨与轮毂壳体6.1连接，制动钢片可在轮毂壳体6.1内轴向移动，制动磨擦片通过花键或滑轨支撑在二级行星架9.3上，制动摩擦片可在二级行星架9.3上轴向移动和随二级行星架9.3转动，实现了轮毂制动器4产生机械制动力直接作用到轮毂3上并传递给车轮；
驻车制动时，通过驻车制动器ABS齿圈2.11、电机轴4.1、一级行星减速器5的太阳轮5.1和二级行星减速器9，由轮辋过渡盘13传递至轮辋16，起到制动轮辋16的功用，并传递给车轮；
电制动力传递路径见图6(a)：其与驱动力传递路径相同，轮毂电机4产生电制动力依次经过电机轴4.1、一级行星减速器5的太阳轮5.1和二级行星减速器9减速增扭，由轮辋过渡盘13传递至轮辋16，最终作用于车轮。
三、整车垂向载荷、电动轮的承载力传递路径见图6(b)，如下：
整车施加在悬架的力，依次经过悬架摆臂、转向节3、轮组壳体组件6、轮毂传动壳体11、轮毂支撑壳体12进行分流，通过轮毂轴承8和轮毂轴承10再汇聚至二级行星架9.3和轮辋过渡盘13，最终传递至轮辋16，以此实现电动轮的承载力传递。
由行星架传递动力并且共同承载上述整车垂向载荷，缩短了电动轮的轴向尺寸，本方案适用于重型电动车辆。
四、地面作用于轮辋16的力传递路径参图6(b)，如下：
地面作用于轮辋16的力，经由轮辋过渡盘13传递至二级行星架9.3进行分流，通过轮毂轴承8和轮毂轴承10再汇聚至轮毂传动壳体11、轮毂支撑壳体12、轮组壳体组件6，经转向节3、悬架摆臂传递至悬架。
本发明在车辆驱动、制动和转向时实现了电机动力、制动器动力、转向动力、整车垂向载荷和地面对轮辋的作用力合理传递；并在电动轮力合理传递基础上，采用了二级行星减速技术、湿式制动技术，大幅减小了部件轴向尺寸，提高了传动部件可靠性、减小了电动轮重量，提高了传动效率，特别适合于重型电动车辆。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种轮组壳体组件，其特征在于，包括依次连接的轮毂壳体、轮毂传动壳体以及轮毂支撑壳体；
所述轮毂壳体内设有放置轮毂电机的凹槽；所述电机凹槽内连接有一级减速器内齿圈；在轮组壳体内部远离电机凹槽的一侧圆周方向上均匀设有卡槽；在轮毂传动壳体内壁面上设有二级减速器内齿圈；所述轮毂壳体还连接用于固定在轮辋上的轮辋过渡盘。
2.如权利要求1所述的一种所述轮组壳体，其特征在于，所述一级减速器内齿圈与轮毂壳体可以是分体部件，也可以是一体成型部件。
3.如权利要求1所述的一种所述轮组壳体上，其特征在于，所述轮组壳体远离轮毂传动壳体方向上的一端连接转向节；所述转向节上设有电机接线盒；所述一级减速器内齿圈与转向节同轴布置。
4.如权利要求3所述的一种所述轮组壳体，其特征在于，转向节远离轮组壳体方向的一侧连接转向节支撑座；所述转向节圆周方向的边缘处设有第一主销和第二主销；转向节通过第一主销和第二主销与转向节支撑座连接；第一主销和第二主销同轴线分布；且该轴线与垂直方向之间设有倾斜角。
5.如权利要求1所述的一种所述轮组壳体，其特征在于，所述转向节与转向节支撑总成之间设有驻车制动器；所述驻车制动器连接转向节的端面上。
6.如权利要求1所述的一种所述轮组壳体，其特征在于，所述轮毂壳体的外表面上设有与卡槽相连通的制动接口。
7.如权利要求1所述的一种所述轮组壳体，其特征在于，所述轮毂壳体的外壳上设有电机散热水道。
8.一种电动轮，其特征在于，包括上述权利要求1-7任一项所述一种轮组壳体组件。
9.如权利要求8所述一种电动轮，其特征在于，所述轮辋过渡盘连接轮辋；所述轮辋上安装车辆轮胎。
10.一种车辆，其特征在于，包括权利要求8-9任一项所述一种电动轮。
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