CN113531033B - 一种具有能量回收和多方向减振功能的电动车轮 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有能量回收和多方向减振功能的电动车轮；该电动车轮包括垂向振动传递模块、摆振传递组件、振摆同步抑制模块、轮毂电机模块和车轮模块。所述的垂向振动传递模块安装在车辆主体上，其包括车轴和第一连接块。第一连接块固定在车轴上。车轴上转动连接有转动盘。所述的车轮模块安装在转动盘上。所述的轮毂电机模块包括定子、转子和中间传递盘。转子与转动盘通过中间传递盘连接。中间传递盘能够将转子的转矩传递到转动盘，且允许转子沿转动盘的径向进行跳动。所述的定子安装在转子的内侧。本发明直接在车轮内部通过机械设计，达到只用同一个减振器实现车轮多个方向的减振(车轮垂向振动和车轮摆振)。

Description

一种具有能量回收和多方向减振功能的电动车轮
技术领域
本发明属于汽车车轮减振技术领域，具体涉及一种具有能量回收和多方向减振功能的电动车轮。
背景技术
随着新能源汽车的普及，电机驱动的方式也发生了改变。如今有一部分电动汽车选择使用轮毂电机驱动。简单来说，轮毂电机就是将轮毂和驱动装置直接合并为一体的电机，即将电机、传动和制动装置都整合到轮毂中。轮毂电机使汽车构造更加简单，从而获得更好的空间利用率，同时也方便了车辆的定期维护和故障修复。它让车辆布局变得更加灵活，不再需要复杂的机械传动系统，提高了传动效率。轮毂电机达到真正意义上的直接驱动，对于车辆而言能够更好将车辆的能源利用率达到最佳的水平，同时也能够将车辆的扭矩和扭力发挥出最佳的效果，这对使用车载有限能源的电动车来讲，可以降低行驶电流，延长续行里程。
但目前市面上大部分轮毂电机直接将电机与车轮进行刚性的连接，而汽车在路面上行驶时，由于受到多种因素作用，往往会发生车轮轮胎的垂向振动及车轮摆振。车轮垂向振动指轮胎受到垂直于地面方向的振动。在无悬架减振器的情况下，车轮的垂向振动会引起车身的振动以及轮毂电机的振动，从而降低了汽车的平顺性和安全性。车轮摆振一般是指汽车在平直路面上行驶时，前轮以一定幅度和频率绕车轮主销持续振动的现象。转向轮摆振引起的振动通过转向系传递到方向盘，使得转向负荷增加，严重时会引起车辆的明显振动，加速轮胎磨损，降低零件使用寿命。车轮轮胎的垂向振动及车轮摆振都将使得汽车的乘坐舒适性、操控稳定性、驾驶安全性和燃油经济性变差，因此轮胎振动对汽车是十分有害的，在设计和生产中应尽量避免。
目前汽车上广泛应用液压减振器。但液压减振器为被动减振器，其通用性较差，阻尼工作范围小，且工作中阻尼力不可调，当摆振幅度或频率较大时，液压减振器不能有效地进行减振。并且液压减振器对密封性的要求较高，否则可能会出现漏油现象，这也会使摆振效果下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有能量回收和多方向减振功能的电动车轮，用以有效地缓解车轮的垂向振动和摆振以及车轮振动给轮毂电机带来的冲击。
本发明包括垂向振动传递模块、振摆同步抑制模块、摆振传递组件、轮毂电机模块和车轮模块。垂向振动传递模块安装在车辆主体上，其包括车轴和第一连接块。第一连接块固定在车轴上。车轴上转动连接有转动盘。所述的车轮模块安装在转动盘上。所述的轮毂电机模块包括定子、转子和中间传递盘。转子与转动盘通过中间传递盘连接。中间传递盘能够将转子的转矩传递到转动盘，且允许转子沿转动盘的径向进行跳动。所述的定子安装在转子的内侧。
所述的振摆同步抑制模块包括直轴、直轴固定套、环形永磁体和绕组套筒组。直轴固定在定子的内侧。绕组套筒组包括第一绕组套筒和第二绕组套筒。第一绕组套筒和第二绕组套筒均套置在直轴的外侧。直轴的外侧固定有多个环形永磁体。第一绕组套筒和第二绕组套筒结构相同，均包括套筒外壳、直线电机铁芯和直线电机绕组。直线电机铁芯固定在套筒外壳的内侧，且绕置有直线电机绕组。直线电机铁芯与直轴的外侧面之间留有气隙。
所述的摆振传递组件包括滑动安装块、摆动连杆、滑转体、平动直杆、连杆、第二连接块和摆动块。平动直杆与车架滑动连接。所述连杆的一端与平动直杆的端部铰接，另一端与第二连接块的一端铰接。第二连接块与第二绕组套筒连接。滑动安装块滑动连接在第一连接块上。所述摆动连杆固定在滑动安装块上。摆动连杆上开设有滑移槽。滑转体的一端伸入滑移槽内，另一端与平动直杆固定。
作为优选，直轴的两端均固定有直轴固定套。第一绕组套筒、第二绕组套筒与对应侧的直轴固定套之间分别设置有复位弹簧。两个直轴固定套与定子的内侧面分别通过连接辐板固定连接。
作为优选，各环形永磁体沿着直轴的轴线方向依次等间隔排列。
作为优选，所述的车轮模块包括轮辐、车轴和轮胎。轮辐与转动盘固定。轮胎套置在轮辐的外侧。
作为优选，所述的中间传递盘包括基础盘、滑块和连接架。基础盘固定在转动盘上，且外侧面开设有呈十字交叉的两条滑槽。两个滑块与两条滑槽分别滑动连接。两个滑块与对应滑槽的端部之间均连接有滑槽，使得滑块移动位置后能够在弹性力的作用下复位。连接架内侧的两个不同位置与两块滑块分别转动连接。转子与连接架固定。
作为优选，所述的套筒外壳采用隔磁材料。
作为优选，所述第二绕组套筒的外侧固定有摆动块。摆动块呈圆弧形。摆动块的内凹面上开设有弧形凹槽。第二连接块远离连杆的端部伸入摆动块外凸面的弧形凹槽内。
作为优选，所述平动直杆的滑动方向平行于车轴轴线。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明在电动车轮内部设置直线电机减振器，有效地衰减了轮毂电机的振动，抑制了外部振动给轮毂电机带来的冲击，延长了轮毂电机的使用寿命。
2、本发明直接在车轮内部通过机械设计，达到只用同一个减振器实现车轮多个方向的减振(车轮垂向振动和车轮摆振)，减少了车轮外部不必要的减振系统，使汽车结构更加简洁，便于装配维修。
3、本发明设计能量回收装置，感应电流除了直接产生磁场，通过电磁效应抑制车轮振动与轮毂电机振动以外，还将产生地感应电流加以利用，向蓄电池或车用电器供电，有效地节约了能源。
4、本发明设计使得多个绕组套筒组和环形永磁体均可移动，在达到多个方向的减振目的的同时，有效地利用了直线电机减振模块内部地空间，便于实际制造装配。
附图说明
图1为本发明的垂向剖视图；
图2为本发明隐藏轮毂电机模块的立体示意图；
图3为本发明中直轴与绕组套筒组的组合剖视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、2、3所示，一种具有多方向减振系统的电动车轮，包括垂向振动传递模块、振摆同步抑制模块、摆振传递组件、轮毂电机模块和车轮模块。垂向振动传递模块安装在车辆主体上，其包括车轴3和第一连接块4。第一连接块4焊接固定在车轴3的外端。车轮模块包括轮辐1、转动盘2、车轴3和轮胎26。转动盘2通过轴承支承在车轴3上。轮辐1与转动盘2固定。轮胎26套置在轮辐1的外侧。
轮毂电机模块包括定子16、定子铁芯17、定子绕组18、转子19和中间传递盘20。转子19与转动盘2通过中间传递盘20连接。中间传递盘20能够实现转子19与转动盘2的转矩传递，且允许转子19沿转动盘2的径向进行跳动。具体的，中间传递盘20包括基础盘、滑块和连接架。基础盘固定在转动盘2上，且外侧面开设有呈十字交叉的两条滑槽。两个滑块与两条滑槽分别滑动连接。两个滑块与对应滑槽的端部之间均连接有滑槽，使得滑块移动位置后能够在弹性力的作用下复位。连接架内侧的两个不同位置与两块滑块分别转动连接。转子19与连接架固定。初始状态下，转子19与转动盘2同轴设置，当遇到径向振动或冲击时，利用滑块的滑动，能够使得转子19与转动盘2的相对位置发生偏移实现缓冲。若取消中间传递盘20，轮毂电机模块和车轮模块将直接连接，则轮胎受外力振动时直接将振动冲击传递给轮毂电机，这将对轮毂电机产生刚性不可逆的损害，严重降低轮毂电机的使用寿命。
定子16安装在转子19的内侧。定子16与转子19安装有固定在定子16上的定子铁芯17；定子铁芯17上绕置有定子绕组18。轮毂电机驱动车轮运动的传递过程为：轮毂电机通过位置传感器发出的信号从而控制定子绕组18的通电时间及通电顺序，从而产生旋转磁场，驱动转子19旋转，进而带动转动盘2和轮辐1旋转，最终带动车轮运动。
振摆同步抑制模块安装在第一连接块4与定子16之间，用于实现车轮的上下振动和摆振的抑制。振摆同步抑制模块包括直轴12、直轴固定套13、环形永磁体21和绕组套筒组14。绕组套筒组14包括第一绕组套筒14-1和第二绕组套筒14-2。第一绕组套筒14-1和第二绕组套筒14-2均套置在直轴12的外侧。直轴12的外侧沿自身轴线方向依次等间距固定有多个环形永磁体21。第一绕组套筒14-1和第二绕组套筒14-2结构相同，均包括套筒外壳24、直线电机铁芯25和直线电机绕组22。套筒外壳24采用隔磁材料。直线电机铁芯25由多个硅钢片叠成圆筒状，内圆周内设置多个环形槽，用于安装线圈绕组。直线电机铁芯25固定在套筒外壳24的内侧，且绕置有直线电机绕组22。直线电机铁芯25与直轴12的外侧面之间留有气隙23。当第一绕组套筒14-1或第二绕组套筒14-2沿着环形永磁体21上下滑动，此时直线电机绕组22切割磁感线产生感应电流，从而将动能转化为电能，实现减震的效果。一方面，感应电流可通过能量回收装置将切割磁感线产生的电流用于蓄电池供电；另一方面，感应电流又将形成新的磁场，与环形永磁体21的磁场抵消一部分，从而抑制了绕组套筒组14的移动。
直轴12的两端均焊接固定有直轴固定套13。第一绕组套筒14-1、第二绕组套筒14-2与对应侧的直轴固定套13之间分别设置有复位弹簧。复位弹簧的一端与第一绕组套筒14-1或第二绕组套筒14-2固定，另一端与对应的直轴固定套13固定。两个直轴固定套13与定子16的内侧面分别通过连接辐板15固定连接。
摆振传递组件包括滑动安装块5、摆动连杆6、滑转体7、平动直杆8、连杆9、第二连接块10和摆动块11。摆动块11呈圆弧形，且外凸面与第二绕组套筒14-2的外侧焊接固定。摆动块11的内凹面上开设有弧形凹槽。该弧形凹槽用于避免减摆过程的运动干涉。当前轮摆振时，车轮连同车轴一起绕主销方向摆动，而第二连接块10不随着车轮一起摆动。故设计摆动块11，其只能给第二连接块10传递垂向运动，无法传递摆动。
平动直杆8与车架27上的滑槽构成滑动副。平动直杆8的滑动方向平行于车轴轴线。连杆9的一端与平动直杆8的端部铰接，另一端与第二连接块10的一端铰接。第二连接块10的另一端伸入摆动块11外凸面的弧形凹槽内。滑动安装块5与第一连接块4外侧的滑槽构成沿竖直方向滑动的滑动副。摆动连杆6的一端与滑动安装块5固定。摆动连杆6上开设有滑移槽。滑转体7的一端伸入滑移槽内，另一端与平动直杆8固定。当第一连接块4随车轮发生摆振时，将带动摆动连杆6转动，从而带动滑转体7沿平动直杆8的轴向发生移动，平动直杆8的轴向移动带动第二绕组套筒14-2的上下移动，从而达到反向抑制摆振的效果。滑动安装块5的作用是确保车轴3与摆动连杆6两者绕主销方向一起摆动，在垂直方向可相对滑动。
本发明的工作原理具体如下：
当汽车正常行驶时，轮毂电机驱动车轮运动的传递过程为：轮毂电机通过位置传感器发出的信号从而控制定子绕组18的通电时间及通电顺序，从而产生旋转磁场，驱动转子19旋转，动力传递至中间传递盘20，带动了转动盘2绕车轴3的旋转，进而使得轮辐1绕车轴3的旋转，最终带动车轮运动。
当汽车轮胎受到垂向振动时，振动通过垂向振动传递模块传递至直线电机减振器。具体工作过程如下：车轴3将振动传递给与之焊接的第一连接块4，迫使第一连接块4上下振动，从而使得第一绕组套筒14-1沿着直轴12上环形永磁体21的外部上下移动。此时套筒14-1内部的直线电机绕组22切割磁感线产生感应电流。一方面，感应电流可通过能量回收装置将切割磁感线产生电流的绕组一端引出，与整流器连接后向蓄电池或车上用电装置供电；另一方面，感应电流又将形成新的磁场，与环形永磁体21的磁场抵消一部分，从而抑制了第一绕组套筒14-1的移动，最终抑制了车轴3的垂向振动。
轮毂电机运行时垂向会有微小振动，振动通过连接辐板15传递至直轴固定套13，使直轴12上分布的环形永磁体21上下运动，形成运动磁场，此时直线电机绕组22切割磁感线产生感应电流，感应电流又将形成新的磁场，与环形永磁体21的磁场抵消一部分，抑制了直轴12的移动，使轮毂电机的垂向振动快速得到抑制，延长了轮毂电机的使用寿命。
当车轮和车轴绕主销方向的摆振时，摆动连杆6在滑动安装块5的带动下也绕着主销方向摆动，于是带动滑转体7在凹槽内滑转；滑转体7带动平动直杆8做直线运动，进一步通过连杆9和第二连接块10带动第二绕组套筒14-2沿着环形永磁体21上下滑动，此时直线电机绕组22切割磁感线产生感应电流。一方面，感应电流可通过能量回收装置将切割磁感线产生的电流用于蓄电池供电；另一方面，感应电流又将形成新的磁场，与环形永磁体21的磁场抵消一部分，从而抑制了第二绕组套筒14-2的移动，从而抑制了摆动连杆6的摆振，最终抑制了车轮的摆振。需要说明的是，摆动块11焊接在绕组套筒组外部，内设一弧形凹槽以解决减摆过程的运动干涉。当前轮摆振时，车轮连同车轴一起绕主销方向摆动，而滑转体7、平动直杆8、连杆9、第二连接块10受车架约束，不随着车轮一起摆动。故设计摆动块11，目的是让第二连接块10正常给绕组套筒组14传递垂向运动，反之绕组套筒组14无法传递摆动给第二连接块10。

Claims (7)

1.一种具有能量回收和多方向减振功能的电动车轮，包括轮毂电机模块和车轮模块；其特征在于：还包括垂向振动传递模块、摆振传递组件和振摆同步抑制模块；所述的垂向振动传递模块安装在车辆主体上，其包括车轴（3）和第一连接块（4）；第一连接块（4）固定在车轴（3）上；车轴（3）上转动连接有转动盘（2）；所述的车轮模块安装在转动盘（2）上；所述的轮毂电机模块包括定子（16）、转子（19）和中间传递盘（20）；转子（19）与转动盘（2）通过中间传递盘（20）连接；中间传递盘（20）能够将转子（19）的转矩传递到转动盘（2），且允许转子（19）沿转动盘（2）的径向进行跳动；所述的定子（16）安装在转子（19）的内侧；
所述的振摆同步抑制模块包括直轴（12）、直轴固定套（13）、环形永磁体（21）和绕组套筒组（14）；直轴（12）固定在定子（16）的内侧；绕组套筒组（14）包括第一绕组套筒（14-1）和第二绕组套筒（14-2）；第一绕组套筒（14-1）和第二绕组套筒（14-2）均套置在直轴（12）的外侧；直轴（12）的外侧固定有多个环形永磁体（21）；第一绕组套筒（14-1）和第二绕组套筒（14-2）结构相同，均包括套筒外壳（24）、直线电机铁芯（25）和直线电机绕组（22）；直线电机铁芯（25）固定在套筒外壳（24）的内侧，且绕置有直线电机绕组（22）；直线电机铁芯（25）与直轴（12）的外侧面之间留有气隙（23）；
所述的摆振传递组件包括滑动安装块（5）、摆动连杆（6）、滑转体（7）、平动直杆（8）、连杆（9）、第二连接块（10）和摆动块（11）；平动直杆（8）与车架（27）滑动连接；所述连杆（9）的一端与平动直杆（8）的端部铰接，另一端与第二连接块（10）的一端铰接；第二绕组套筒（14-2）的外侧固定有摆动块（11）；摆动块（11）呈圆弧形；摆动块（11）的内凹面上开设有弧形凹槽；第二连接块（10）远离连杆（9）的端部伸入摆动块（11）内凹面的弧形凹槽内；滑动安装块（5）滑动连接在第一连接块（4）上；所述摆动连杆（6）固定在滑动安装块（5）上；摆动连杆（6）上开设有滑移槽；滑转体（7）的一端伸入滑移槽内，另一端与平动直杆（8）固定。
2.根据权利要求1所述的一种具有能量回收和多方向减振功能的电动车轮，其特征在于：直轴（12）的两端均固定有直轴固定套（13）；第一绕组套筒（14-1）、第二绕组套筒（14-2）与对应侧的直轴固定套（13）之间分别设置有复位弹簧；两个直轴固定套（13）与定子（16）的内侧面分别通过连接辐板（15）固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种具有能量回收和多方向减振功能的电动车轮，其特征在于：各环形永磁体（21）沿着直轴（12）的轴线方向依次等间隔排列。
4.根据权利要求1所述的一种具有能量回收和多方向减振功能的电动车轮，其特征在于：所述的车轮模块包括轮辐（1）、车轴（3）和轮胎（26）；轮辐（1）与转动盘（2）固定；轮胎（26）套置在轮辐（1）的外侧。
5.根据权利要求1所述的一种具有能量回收和多方向减振功能的电动车轮，其特征在于：所述的中间传递盘（20）包括基础盘、滑块和连接架；基础盘固定在转动盘（2）上，且外侧面开设有呈十字交叉的两条滑槽；两个滑块与两条滑槽分别滑动连接；两个滑块与对应滑槽的端部之间均连接有弹性件，使得滑块移动位置后能够在弹性力的作用下复位；连接架内侧的两个不同位置与两块滑块分别转动连接；转子（19）与连接架固定。
6.根据权利要求1所述的一种具有能量回收和多方向减振功能的电动车轮，其特征在于：所述的套筒外壳（24）采用隔磁材料。
7.根据权利要求1所述的一种具有能量回收和多方向减振功能的电动车轮，其特征在于：所述平动直杆（8）的滑动方向平行于车轴轴线。
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