CN113954622A - 一种两档可旋转轮毂电机四驱小车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种两档可旋转轮毂电机四驱小车，其特征主要由齿轮齿条式转向器、转向助力电机、转向齿轮组、换向传动轴、两档轮毂电机、信号处理器组成。本发明在实现正常小车换向角度同时可实现大角度换向以及横行，发明所使用的轮毂电机可实现2个前进挡，1个驻车档和1个空挡，同时本发明具有结构紧凑、换挡方式简单，传动效率高、转向自由度高等特点，对现有的电动四驱车的换向方式和传动结构提供了一种新的方案参考，具有较好的使用价值和应用前景。

Description

一种两档可旋转轮毂电机四驱小车

技术领域

本发明属于电动车轮毂电机领域，具体涉及一种两档可旋转轮毂电机四驱小车。

背景技术

随着全球能源危机逐渐严重、节能减排迫在眉睫，在能源和环保的压力下，新能源汽车 无疑成为汽车的新发展方向。目前许多国家已经计划禁售传统汽车，将推广新能源汽车。电 动汽车作为新能源汽车主力之一，目前除了高端电动车，一般电动汽车普遍都是固定齿数比， 缺少档位设计。固定齿数比虽然可以提高传动效率，但难免造成电能浪费，影响电动汽车续 航里程和影响电机寿命等。

日常生活中车辆行驶状况逐渐复杂化，针对一些特殊驾驶情况，列如倒车入库、侧方停 车等，车辆转向虽可以满足大多数情况，但需要驾驶员拥有一定的驾驶经验和技术。现有车 辆的灵活性受到车辆传统传动机构的制约，转向受到相应的制约，不能实现大角度转向。如 今得益于新型技术轮毂电机出现，可以很大程度摆脱传统车辆的传动结构，设计适配与轮毂 电机的转向结构，不仅可以增加车辆的灵活性而且可以降低车辆成本。

专利CN113147889A公布了一种转向轮，包含转向电机与轮毂电机。通过电机两端端盖的 转速来控制转子的转动。该发明通过采用悬臂式转向电机减轻轮毂电机的承重，简化了整个 动力总成的复杂程度，节省了空间。但该车采用的还是传动汽车传动结构，车辆转向不能达 到大角度转向，四个轮子如何协调控制尚未设计，同时该转向轮未考虑多档位设计。

专利CN112895885A公布了一种模块化分布式轮毂电机驱动电动汽车研究平台，包括底 盘、多个轮毂电机车轮、转向电机、悬挂支撑结构、轴距轮距调节机构、整车控制器HCU、逆 变器、电源和线束系统。该发明解决现有技术局限于某种具体结构，研究平台研发成本较高 的问题，采用了模块化的结构设计，降低了研发的成本，提高了研发的效率。但该发明针对 车辆采用四驱轮毂电机转向具体控制方法以及传动结构尚未考虑，同时该小车未增加档位设 计。

专利CN113147972A公开了一种双驱动电动三轮车，其特征是两个后轮分别由左右对称设 置的两个单边轮毂电机驱动连接。该发明两个后轮分别配置轮毂电机，驱动和能耗上可根据 需要自由选择使用双、单驱动，双驱动时动力更足；单驱动可大幅降低整车能耗，增加续航 里程。该发明是轮毂电机在三轮车上的成功应用，但该发明对两个轮毂电机的协调控制尚未 设计，也未考虑相应的档位设计。

目前的电动车轮毂电机变速器多采用只有一个变速比的单级减速齿轮传动，这难以满足 电动车复杂多变的动力需求，要么爬坡能力差、提速慢，要么即使驱动电机转速非常高，也 不能很好地兼顾驱动力和速度。轮毂电机多档位设计可以有效减少电能浪费、增加电机寿命 和车辆续航里程。车辆行驶状况逐渐复杂化，降低特殊情况驾驶车辆需要的经验和技术要求 迫在眉睫，在利用轮毂电机高度集成的优势下，改进传统车辆传动机构及换向机构，既可以 满足车辆特殊驾驶要求，同时也能提高车辆的灵活性。为此，研制两档可转向轮毂电机四驱 小车具有实际的使用价值。

发明内容

针对现有电动车轮毂电机变速器的能耗高、仅存在单档位以及车辆灵活性不佳等问题， 本发明基于行星轮系特点，从实际工况考虑，设计出高低档配合、转向电机辅助大角度转向 的一种两档可转向轮毂电机四驱小车，是对现有电动车传动结构和换向结构的有益补充。

本发明为实现上述目的采用如下技术方案：

本发明一种两档可旋转轮毂电机四驱小车，其特点在于：信号采集处理模块、转向模块、 动力模块构成；所述一种两档可旋转轮毂电机四驱小车包括零件主要有方向盘、齿条位移传 感器Ⅰ、齿轮齿条式转向器、锥齿轮Ⅰ、锥齿轮Ⅱ、锥齿轮Ⅲ、转向助力电机Ⅰ、齿条位移 传感器Ⅱ、转向助力电机Ⅱ、车架、锥齿轮ⅰ、锥齿轮ⅱ、转向支架、轮毂电机、液力减震器、锥齿轮ⅲ、信号线、换向传动轴Ⅱ、离合器Ⅱ、锥齿轮ⅳ、锥齿轮ⅴ、电池、锥齿轮Ⅳ、 锥齿轮Ⅴ、换向传动轴Ⅰ、离合器Ⅰ、信号处理器、制动器B2、定子轴、轮毂、离合器C1、 内齿圈、行星轮、制动器B1、太阳轮、定子、转子、轴承。

所述信号采集处理模块包括方向盘、齿条位移传感器Ⅰ、齿轮齿条式转向器、齿条位移 传感器Ⅱ、信号线、信号处理器；所述方向盘与所述齿轮齿条式转向器通过转轴连接，所述 齿轮齿条式转向器的齿条安装在信号处理器顶部凹槽内；所述齿条位移传感器Ⅰ、齿条位移 传感器Ⅱ固定于信号处理器顶部凹槽内左右端；所述信号处理器外部接有输出信号线。

所述转向模块包括锥齿轮Ⅰ、锥齿轮Ⅱ、锥齿轮Ⅲ、转向助力电机Ⅰ、转向助力电机Ⅱ、 车架、锥齿轮ⅰ、锥齿轮ⅱ、转向支架、液力减震器、锥齿轮ⅲ、信号线、换向传动轴Ⅱ、离合器Ⅱ、锥齿轮ⅳ、锥齿轮ⅴ、电池、锥齿轮Ⅳ、锥齿轮Ⅴ、换向传动轴Ⅰ、离合器Ⅰ； 所述转向助力电机Ⅰ、转向助力电机Ⅱ分别固定于车架前端左、右侧，同时外部接有信号线， 并由电池提供电能。所述锥齿轮Ⅲ、锥齿轮ⅰ分别与转向助力电机Ⅰ、转向助力电机Ⅱ电机 轴通过键连接；所述锥齿轮Ⅱ、锥齿轮ⅱ、锥齿轮ⅴ、锥齿轮Ⅳ与前后四个转向支架上端轴 通过键连接；所述液力减震器一端固连于转向支架，另一端连与定子轴通过螺母紧固；所述 锥齿轮Ⅰ和锥齿轮Ⅴ、锥齿轮ⅲ和锥齿轮ⅳ分别与换向传动轴Ⅰ、换向传动轴Ⅱ两端通过键 连接；所述换向传动轴Ⅰ、换向传动轴Ⅱ中间安装有离合器Ⅰ、离合器Ⅱ；所述电池安装于 车架尾部。

所述动力模块包括轮毂电机、电池；轮毂电机由制动器B2、定子轴、轮毂、离合器C1、 内齿圈、行星轮、制动器B1、太阳轮、定子、转子组成；所述定子固连于定子轴上；所述转子与定子轴之间通过轴承连接，转子与轮毂之间安装有离合器C1；所述行星轮固定于转子上； 所述制动器B2安装于转子外部支架上并与定子轴通过键配合周向固定；所述太阳轮与定子 轴之间装有轴承，所述制动器B1安装于太阳轮外部支架上并与定子轴通过键配合周向固定； 所述内齿圈固定于轮毂内侧。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明轮毂电机采用两档设计，通过转子直接驱动行星轮，采用双制动器对称布置负 责换挡和制动。同时采用离合器辅助制动器换挡，通过制动器和离合器的相互配合实现换挡， 本发明具有两个前进挡，考虑到电动车的频繁启动/停车实际情况，设置了空挡与驻车档，该 发明通过制动器和离合器代替繁琐的换挡机构，能够保证换挡过程齿轮始终处于啮合状态， 换挡冲击小、响应速度快，采用两个制动器横向串联形式，方便了油路的布置。充分利用轮 毂电机内部空间，结构紧凑。

2、本发明换向机构采用常见的汽车齿轮齿条式转向器，并对其做了改进，设置位移传感 器负责采集齿条位移信号，将其通过信号处理器转换成不同大小的电流信号，传递给负责转 向的助力电机，通过转向助力电机驱动锥齿轮进行换向。本发明采用的是锥齿轮传动，可实 现大角度换向以及横行，车辆灵活性高，转向简单。

3、本发明设计了一种前后轮传动轴，当不同换向角度的转向角度大小传递到负责转向的 前端锥齿轮时，传动轴上的离合器根据情况结合或分离，从而达到前后轮转向协调同步。省 去了传动汽车传统传动机构，简化车辆传动结构。

附图说明

图1为整车结构示意图。

图2为轮毂电机结构示意图。

其中：1方向盘、2齿条位移传感器Ⅰ、3齿轮齿条式转向器、4锥齿轮Ⅰ、5锥齿轮Ⅱ、 6锥齿轮Ⅲ、7转向助力电机Ⅰ、8齿条位移传感器Ⅱ、9转向助力电机Ⅱ、10车架、11锥齿 轮ⅰ、12锥齿轮ⅱ、13转向支架、14轮毂电机、15液力减震器、16锥齿轮ⅲ、17信号线、 18换向传动轴Ⅱ、19离合器Ⅱ、20锥齿轮ⅳ、21锥齿轮ⅴ、22电池、23锥齿轮Ⅳ、24锥 齿轮Ⅴ、25换向传动轴Ⅰ、26离合器Ⅰ、27信号处理器、28制动器B2、29定子轴、30轮 毂、31离合器C1、32内齿圈、33行星轮、34制动器B1、35太阳轮、36定子、37转子、38 轴承。

具体实施方式

如图1所示，本发明涉及一种两档可旋转轮毂电机四驱小车，其特征主要由齿轮齿条式 转向器3、转向助力电机Ⅰ7、转向助力电机Ⅱ9、锥齿轮Ⅰ4、锥齿轮Ⅱ5、锥齿轮Ⅲ6、锥齿轮ⅰ11、锥齿轮ⅱ12、锥齿轮16、转向支架13、轮毂电机14等组成。

方向盘1与齿轮齿条式转向器3通过转轴连接，齿轮齿条式转向器3的齿条安装在信号 处理器27顶部凹槽内，齿条位移传感器Ⅰ2、齿条位移传感器Ⅱ8固定于信号处理器27顶部 凹槽内左右端，信号处理器27外部接有输出信号线17；转向助力电机Ⅰ7、转向助力电机Ⅱ 9分别固定于车架10前端左、右侧，同时外部接有信号线17，并由电池22提供电能，锥齿 轮Ⅲ6、锥齿轮ⅰ11分别与转向助力电机Ⅰ7、转向助力电机Ⅱ9电机轴通过键连接，锥齿轮Ⅱ5、锥齿轮ⅱ12、锥齿轮ⅴ21、锥齿轮Ⅳ23与前后四个转向支架13上端轴通过键连接，液力减震器15一端固连于转向支架13，另一端连与定子轴29通过螺母紧固，锥齿轮Ⅰ4和锥 齿轮Ⅴ24、锥齿轮ⅲ16和锥齿轮ⅳ20分别与换向传动轴Ⅰ25、换向传动轴Ⅱ18两端通过键 连接，换向传动轴Ⅰ25、换向传动轴Ⅱ18中间安装有离合器Ⅰ26、离合器Ⅱ19，电池22安 装于车架10尾部；定子36固连于定子轴29上；转子37与定子轴29之间通过轴承38连接， 转子37与轮毂30之间安装有离合器C131；行星轮33固定于转子37上；制动器B228安装 于转子37外部支架上并与定子轴29通过键配合实现周向固定；太阳轮35与定子轴29之间 装有轴承38，制动器B134安装于太阳轮35外部支架上并与定子轴29通过键配合实现周向 固定；内齿圈32固定于轮毂30内侧。

本发明的工作原理说明如下：

转向信号传递如表1所示。

表1信号处理器工作表

转向	位移传感器信号大小	转向助力电机转速大小
			左转	传感器Ⅰ大于传感器Ⅱ	电机Ⅰ大于电机Ⅱ
右转	传感器Ⅰ小于传感器Ⅱ	电机Ⅰ小于电机Ⅱ

轮毂电机各个档位的执行元件如表2所示。

表2换档执行元件工作表

档位名称	制动器B1	制动器B2	离合器C1
				前进一档	●	○	○
前进二档	○	○	●
				空档	○	○	○
驻车档	○	●	○

注：表中“●”表示结合，“○”表示分离；

后轮转向控制如表3所示。

换向角度	离合器Ⅰ	离合器Ⅱ
			正常角度	○	○
大角度	●	●

注：表中“●”表示结合，“○”表示分离；

结合图1、2及表1、2、3，转向步骤及各档传递路线说明如下：

1.左转

如图1所示，驾驶员通过操作方向盘向左旋转相应的角度，齿轮齿条式转向器接收到来自 方向盘的转矩，齿条在信号处理器顶部凹槽内向右移动相应距离，信号处理器顶部凹槽内两 端固定的齿条位移传感器Ⅰ、齿条位移传感器Ⅱ分别采集传感器距离齿条位移后的距离大小， 交由信号处理器处理位移信号，左转时齿条位移传感器Ⅰ应大于齿条位移传感器Ⅱ，此时信 号处理器通过信号线将不同大小的电信号传递给转向助力电机Ⅰ、转向助力电机Ⅱ，接收到 电信号的转向助力电机开始工作，左转时转向助力电机Ⅰ转速应大于转向助力电机Ⅱ，此时 由锥齿轮Ⅲ与锥齿轮ⅰ分别带动锥齿轮Ⅱ与锥齿轮ⅱ转动，由于转向支架与锥齿轮Ⅱ、锥齿 轮ⅱ固定连接，锥齿轮Ⅱ、锥齿轮ⅱ转动等同于轮毂电机定子轴偏转相应的角度，当左转向 是正常大小转向角度时，换向传动轴Ⅰ、换向传动轴Ⅱ中间的离合器Ⅰ、离合器Ⅱ处于分离 状态，锥齿轮Ⅰ、锥齿轮ⅲ转矩无法传递给锥齿轮Ⅴ、锥齿轮ⅳ，此时与锥齿轮Ⅳ、锥齿轮 ⅴ固定连接的转向支架无法转动，此时车辆仅有前轮两个转向支架偏转，车辆正常左转向； 当左转向是大角度转向角度时，换向传动轴Ⅰ、换向传动轴Ⅱ中间的离合器Ⅰ、离合器Ⅱ处 于结合状态，锥齿轮Ⅰ、锥齿轮ⅲ的转矩传递给锥齿轮Ⅴ、锥齿轮ⅳ，此时与锥齿轮Ⅳ、锥 齿轮ⅴ固定连接的转向支架转动，轮毂电机定子轴偏转相应的角度，此时车辆前后四个转向 支架均偏转，车辆实现大角度左转向。

2.右转

如图1所示，驾驶员通过操作方向盘向右旋转相应的角度，齿轮齿条式转向器接收到来自 方向盘的转矩，齿条在信号处理器顶部凹槽内向左移动相应距离，信号处理器顶部凹槽内两 端固定的齿条位移传感器Ⅰ、齿条位移传感器Ⅱ分别采集传感器距离齿条位移后的距离大小， 交由信号处理器处理位移信号，右转时齿条位移传感器Ⅰ应小于齿条位移传感器Ⅱ，此时信 号处理器通过信号线将不同大小的电信号传递给转向助力电机Ⅰ、转向助力电机Ⅱ，接收到 电信号的转向助力电机开始工作，右转时转向助力电机Ⅰ转速应小于转向助力电机Ⅱ，此时 由锥齿轮Ⅲ与锥齿轮ⅰ分别带动锥齿轮Ⅱ与锥齿轮ⅱ转动，由于转向支架与锥齿轮Ⅱ、锥齿 轮ⅱ固定连接，锥齿轮Ⅱ、锥齿轮ⅱ转动等同于轮毂电机定子轴偏转相应的角度，当右转向 是正常大小转向角度时，换向传动轴Ⅰ、换向传动轴Ⅱ中间的离合器Ⅰ、离合器Ⅱ处于分离 状态，锥齿轮Ⅰ、锥齿轮ⅲ转矩无法传递给锥齿轮Ⅴ、锥齿轮ⅳ，此时与锥齿轮Ⅳ、锥齿轮 ⅴ固定连接的转向支架无法转动，此时车辆仅有前轮两个转向支架偏转，车辆正常右转向； 当右转向是大角度转向角度时，换向传动轴Ⅰ、换向传动轴Ⅱ中间的离合器Ⅰ、离合器Ⅱ处 于结合状态，锥齿轮Ⅰ、锥齿轮ⅲ的转矩传递给锥齿轮Ⅴ、锥齿轮ⅳ，此时与锥齿轮Ⅳ、锥 齿轮ⅴ固定连接的转向支架转动，轮毂电机定子轴偏转相应的角度，此时车辆前后四个转向 支架均偏转，车辆实现大角度右转向。

3.前进一档

如图2所示，转子37转动，行星轮33转动，此时太阳轮35和内齿圈32均是自由转动，无法 传递动力，制动器B1制动时，此时太阳轮35无法自由转动。太阳轮35、行星轮33、内齿圈32 组成行星轮系，行星轮33作为输入，内齿圈32作为输出；此时制动器B2、离合器C1处于分离 状态。

4.前进二档

如图2所示，转子37转动，行星轮33转动，此时太阳轮35和内齿圈32均是自由转动，无法 传递动力，离合器C1结合时，此时轮毂30转动。转子37作为输入，轮毂30作为输出；此时制 动器B1、制动器B2处于分离状态。

5.空挡

如图2所示，当制动器B1、离合器C1同时分离，制动器B2分离；此时车辆依靠惯性行驶 或静止不动。

6.驻车档

如图2所示，当车辆停止需要驻车，制动器B2保持接合，转子37停止工作，转子37不能 旋转，不能把动力传给轮毂30，从而以保证车轮无法转动。

换档过程

一档换二档，通过换档控制单元将制动器B1分离，离合器C1接合，形成一个新的动力 传递路线，且转子37仍然作为输入动力，实现新的动力传递路线转换。

二档换一档，通过换档控制单元将离合器C1分离，制动器B1接合，形成一个轮系运动， 且转子37仍然作为输入动力，实现新的动力传递路线转换。

Claims (4)

1.一种两档可旋转轮毂电机四驱小车，其特征在于信号采集处理模块、转向模块、动力模块构成；所述一种两档可旋转轮毂电机四驱小车包括零件主要有方向盘(1)、齿条位移传感器Ⅰ(2)、齿轮齿条式转向器(3)、锥齿轮Ⅰ(4)、锥齿轮Ⅱ(5)、锥齿轮Ⅲ(6)、转向助力电机Ⅰ(7)、齿条位移传感器Ⅱ(8)、转向助力电机Ⅱ(9)、车架(10)、锥齿轮ⅰ(11)、锥齿轮ⅱ(12)、转向支架(13)、轮毂电机(14)、液力减震器(15)、锥齿轮ⅲ(16)、信号线(17)、换向传动轴Ⅱ(18)、离合器Ⅱ(19)、锥齿轮ⅳ(20)、锥齿轮ⅴ(21)、电池(22)、锥齿轮Ⅳ(23)、锥齿轮Ⅴ(24)、换向传动轴Ⅰ(25)、离合器Ⅰ(26)、信号处理器(27)、制动器B2(28)、定子轴(29)、轮毂(30)、离合器C1(31)、内齿圈(32)、行星轮(33)、制动器B1(34)、太阳轮(35)、定子(36)、转子(37)、轴承(38)。

2.根据权利要求1所述一种两档可旋转轮毂电机四驱小车，其特征在于所述信号采集处理模块包括方向盘(1)、齿条位移传感器Ⅰ(2)、齿轮齿条式转向器(3)、齿条位移传感器Ⅱ(8)、信号线(17)、信号处理器(27)；所述方向盘(1)与所述齿轮齿条式转向器(3)通过转轴连接，所述齿轮齿条式转向器(3)的齿条安装在信号处理器(27)顶部凹槽内；所述齿条位移传感器Ⅰ(2)、齿条位移传感器Ⅱ(8)固定于信号处理器(27)顶部凹槽内左右端；所述信号处理器(27)外部接有输出信号线(17)。

3.根据权利要求1所述一种两档可旋转轮毂电机四驱小车，其特征在于所述转向模块包括锥齿轮Ⅰ(4)、锥齿轮Ⅱ(5)、锥齿轮Ⅲ(6)、转向助力电机Ⅰ(7)、转向助力电机Ⅱ(9)、车架(10)、锥齿轮ⅰ(11)、锥齿轮ⅱ(12)、转向支架(13)、液力减震器(15)、锥齿轮ⅲ(16)、信号线(17)、换向传动轴Ⅱ(18)、离合器Ⅱ(19)、锥齿轮ⅳ(20)、锥齿轮ⅴ(21)、电池(22)、锥齿轮Ⅳ(23)、锥齿轮Ⅴ(24)、换向传动轴Ⅰ(25)、离合器Ⅰ(26)；所述转向助力电机Ⅰ(7)、转向助力电机Ⅱ(9)分别固定于车架(10)前端左、右侧，同时外部接有信号线(17)，并由电池(22)提供电能。所述锥齿轮Ⅲ(6)、锥齿轮ⅰ(11)分别与转向助力电机Ⅰ(7)、转向助力电机Ⅱ(9)电机轴通过键连接；所述锥齿轮Ⅱ(5)、锥齿轮ⅱ(12)、锥齿轮ⅴ(21)、锥齿轮Ⅳ(23)与前后四个转向支架(13)上端轴通过键连接；所述液力减震器(15)一端固连于转向支架(13)，另一端连与定子轴(29)通过螺母紧固；所述锥齿轮Ⅰ(4)和锥齿轮Ⅴ(24)、锥齿轮ⅲ(16)和锥齿轮ⅳ(20)分别与换向传动轴Ⅰ(25)、换向传动轴Ⅱ(18)两端通过键连接；所述换向传动轴Ⅰ(25)、换向传动轴Ⅱ(18)中间安装有离合器Ⅰ(26)、离合器Ⅱ(19)；所述电池(22)安装于车架(10)尾部。

4.根据权利要求1所述一种两档可旋转轮毂电机四驱小车，其特征在于所述动力模块包括轮毂电机(14)、电池(22)；轮毂电机(14)由制动器B2(28)、定子轴(29)、轮毂(30)、离合器C1(31)、内齿圈(32)、行星轮(33)、制动器B1(34)、太阳轮(35)、定子(36)、转子(37)组成；所述定子(36)固连于定子轴(29)上；所述转子(37)与定子轴(29)之间通过轴承(38)连接，转子(37)与轮毂(30)之间安装有离合器C1(31)；所述行星轮(33)固定于转子(37)上；所述制动器B2(28)安装于转子(37)外部支架上并与定子轴(29)通过键配合周向固定；所述太阳轮(35)与定子轴(29)之间装有轴承(38)，所述制动器B1(34)安装于太阳轮(35)外部支架上并与定子轴(29)通过键配合周向固定；所述内齿圈(32)固定于轮毂(30)内侧。

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