CN114940207A - 一种搭载两档轮毂电机四轮转向装置 - Google Patents

一种搭载两档轮毂电机四轮转向装置 Download PDF

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石若潼
郭涛
黄德
尹延国
吴焱明
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Abstract

本发明公开了一种搭载两档轮毂电机四轮转向装置，其特征主要由车架、主转向电机、副转向电机、锥齿轮传动机构、转向拉杆、动力电机、两双级行星轮系、两单向离合器等组成。两组双级行星轮系组成主体传动部分，通过制动器与两单向离合器的配合实现不同档位控制；主转向电机与副转向电机配合，经转向拉杆控制车轮实现任意转向，并通过转向传动离合器的通断实现车辆前轮转向与四轮转向两种转向模式。本发明所搭载的两档轮毂电机，可实现大传动比输出，结构紧凑，换挡操作简便，转向装置可实现四轮同步转向、原地掉头等，驾驶灵活性高，在一定程度上解决了现有轮毂驱动电动汽车在动力性能与转向性能方面的问题，具有较好的应用前景。

Description

一种搭载两档轮毂电机四轮转向装置
技术领域
本发明属于电动汽车驱动和转向领域，具体涉及一种搭载两档轮毂电机四轮转向装置。
背景技术
近几年，随着动力电池等新能源技术的发展以及人民环保意识的提高，新能源汽车的产量以及保有量逐年提高，电动汽车越来越受到人们的青睐。对于传统电动汽车，通常仅是将动力源更换为电动机，而其他传动装置不变，仍具有变速箱、差速器和半轴等中间传动装置，并没有很好地提升汽车的操纵、驱动和通过性能。如今，分布式驱动电动汽车逐渐发展，所谓分布式驱动电动汽车即整车配备两个及以上动力电机，通过电机间的协同控制来分别驱动对应车轮，实现转矩合理分配，提高整车驱动效率。
作为分布式驱动的理想方案，轮毂电机驱动摒弃了传统汽车的离合器、变速器、传动轴、差速器等传动部件，将动力、传动、制动装置全部整合在轮毂内，简化了电气和机械传动系统结构，提高了传动效率，同时提高了汽车空间利用率，便于动力电池的布置。传统轮毂电机一般分为内转子式(减速驱动)和外转子式(直接驱动)，内转子式由于经过行星轮系减速增扭，因此采用高速电机，转速可达到10000r/min以上，其可保持较高的功率密度，而外转子式轮毂与转子直接固联，动力与转速直接输出，无论是内转子式还是外转子式都难以满足复杂多变的路况，尤其外转子式驱动在启动或爬坡等情况时需要大电流以输出较大的扭矩，很容易损坏电池和永磁体；目前，市场上的轮毂电机大都不具备变换传动比的能力，无法满足复杂多变的路况对车辆提出的动力需求。因此，增加轮毂电机的传动档位，提高轮毂的驱动性能，对于推动轮毂驱动技术的发展和轮毂驱动电动汽车的普及具有重要意义。
此外，在国民经济发展和汽车普及的背后，出现了道路拥挤、行车难、泊车难等问题，这给汽车的操纵性和灵活性带来了更大的挑战。目前常规的车辆均采用前轮转向，并且车轮的最大转向角为30至40度，在狭小的空间很难做到掉头或泊车。因此，若能提高车辆的转向自由度，丰富车辆的转向模式，则可以在很大程度上缓解泊车难、行车难等问题。
专利CN201510080160.6公开了一种基于轮毂电机的电动汽车全方位转向系统，其特征包括中央控制系统、车架、方向盘、四个转向电机与转向齿轮齿条机构、电磁锁等；该发明所采用的四个独立转向电机可实现四轮独立转向控制，并且车轮转向角度范围扩大为-35°至 +90°；当电磁锁不带电时，车辆实现常规转向模式，而当电磁锁带电时，可通过各转向电机配合实现车辆零半径转向、横向移动等转向模式，大大提高了车辆的操作灵活性，降低了泊车难度。
专利CN201910910752.4公开了一种轮毂电机分布式电驱动汽车多模式转向机构及其方法，其特征主要由转向操纵模块、前转向模块、后转向模块、车速传感器、行驶模式切换模块和控制模块等组成；该发明主要通过多对锥齿轮啮合传动与四个包含啮合齿圈的独立齿轮齿条转向机构，通过啮合齿圈的配合，实现车辆的两前轮转向模式、四轮转向模式、定点零半径转向模式、横向行驶模式等多种转向模式。但该发明采用传统人力转向机构，并且转向传动比较小，这将不利于车辆转向系统的操纵性。
申请人在2021年所申请专利CN202110488659.6公开了一种多档位可旋转轮毂动力总成，其特征主要由电动机、两行星轮系、两制动器、两电动推杆、两支撑活塞缸和轮毂组成，该发明主体传动机构由两组单级行星轮系和两制动器组成，能够实现无动力中断换挡，换挡操作简便、可靠。但该专利采用两制动器，造成轮毂电机质量大、轴向尺寸大，使得车辆簧下质量较大，不利于车辆的操作稳定性。
为解决上述车辆驾驶灵活性与动力性方面的问题，本发明采用一个主转向电机、前后两个副转向电机、锥齿轮传动机构、连杆机构等，实现车辆四轮转向与原地掉头，提高了车辆驾驶灵活性；并将两组单排双级行星轮系并联式布置，通过两单向离合器与制动器的配合实现不同档位控制，更好的满足了电动汽车在不同路况行驶的动力需求。
发明内容
考虑到目前轮毂驱动式电动汽车驱动工况单一、输出传动比小并且整车转向灵活性差等问题，本发明采用两组单排双级行星轮系组成主体传动部分，通过两个单向离合器与一个制动器的配合实现两种不同档位控制，组成轮毂动力系统；并采用主副转向电机与锥齿轮传动，实现四轮同步转向控制以及自由转向。操纵灵活、传动平稳、换档操作简便，为轮毂驱动及转向技术的改进提供了技术参考。
本发明为实现上述目的采用如下技术方案：
本发明一种搭载两档轮毂电机四轮转向装置，其特点在于：搭载两档轮毂电机四轮转向装置由转向与悬架模块、轮毂动力传动模块和制动器与双单向离合器模块构成，具体包括：轮毂动力总成、车轮支架、车架、转向座、主转向电机、前主动锥齿轮、前从动锥齿轮、左转向拉杆、上横臂、下横臂、转向架、右转向拉杆、副转向电机、转向传动轴、转向传动离合器、后主动锥齿轮轴、后轮转向制动器、后从动锥齿轮轴、电机轴、左太阳轮、左行星架、左内行星轮、左外行星轮、左齿圈、轮毂、动力电机、右齿圈、右外行星轮、右内行星轮、右行星架、右太阳轮、内单向离合器、外单向离合器、制动器。
所述转向与悬架模块包括车轮支架、车架、转向座、主转向电机、前主动锥齿轮、前从动锥齿轮、左转向拉杆、上横臂、下横臂、转向架、右转向拉杆、副转向电机、转向传动轴、转向传动离合器、后主动锥齿轮轴、后轮转向制动器、后从动锥齿轮轴；所述主转向电机安装在所述车架前端，所述前主动锥齿轮与所述主转向电机的输出轴花键连接，所述前从动锥齿轮与所述前主动锥齿轮啮合，所述转向座与所述前从动锥齿轮固联，并与所述车架形成转动副，所述副转向电机安装于所述转向座上，所述转向架与所述转向座形成转动副，并与所述副转向电机输出轴键连接，所述左转向拉杆一端与所述转向架球铰副连接，另一端与所述左侧车轮支架球铰副连接，所述右转向拉杆一端与所述转向架球铰副连接，另一端与所述右侧车轮支架球铰副连接，所述上横臂一端与所述车轮支架上端球铰副连接，另一端与所述车架形成转动副，所述下横臂一端与所述车轮支架下端球铰副连接，另一端与所述车架形成转动副；所述转向传动轴与所述前主动锥齿轮键连接，并与所述车架形成转动副，所述转向传动离合器外圈与所述转向传动轴键连接，所述转向传动离合器内圈与所述后主动锥齿轮轴键连接，所述后从动锥齿轮轴与所述后主动锥齿轮轴啮合，所述后轮转向制动器外圈与所述车架固联，所述后轮转向制动器内圈与所述后从动锥齿轮轴键连接。
所述轮毂动力传动模块主要有两组单排双级行星轮系组成；所述电机轴与所述动力电机定子固联，所述左太阳轮与所述动力电机转子左端固联，所述左行星架与所述左内行星轮和左外行星轮分别形成转动副，所述左内行星轮与所述左太阳轮外啮合，同时与所述左外行星轮外啮合，所述左外行星轮与所述左齿圈内啮合；所述右太阳轮与所述动力电机转子右端固联，所述右行星架与所述右内行星轮和右外行星轮分别形成转动副，所述右内行星轮与所述右太阳轮外啮合，同时与所述右外行星轮外啮合，所述右外行星轮与所述右齿圈内啮合，所述右齿圈与所述轮毂固联。
所述制动器与双单向离合器模块包括内单向离合器、外单向离合器、制动器；所述内单向离合器外圈与所述左行星架键连接，所述内单向离合器内圈与所述电机轴键连接，所述外单向离合器外圈与所述轮毂键连接，所述外单向离合器内圈与所述左齿圈键连接；所述制动器外圈与所述电机轴键连接，所述制动器内圈与所述右行星架固联。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明转向装置采用一个主转向电机、两个副转向电机、锥齿轮传动机构、前后转向执行机构、转向传动离合器和制动器等，转向操纵精准、可靠；可以通过主转向电机与两副转向电机配合，经转向拉杆控制车轮实现任意转向，并通过控制转向传动离合器的通断实现车辆传统前轮转向、四轮同步转向和原地掉头等多种转向模式。
2、本发明搭载的轮毂电机采用一个电机、一个制动器、两个单向离合器、两个单排双级行星轮系布局，具有结构紧凑、安装简便、换挡响应速度快等优点，并且相比于双制动器多档轮毂电机，簧下质量和轴向尺寸较小。本发明采用了两楔块式单向离合器，只需控制制动器摩擦片的结合与分离，即可实现两档固定传动比输出，能够满足爬坡或起步等多种动力需求，可产生较大传动比和输出扭矩，传动平稳噪声小。该轮毂电机还可以实现在动力不中断的情况下进行换挡操作，换挡平稳、齿轮间冲击与磨损小，有利于延长齿轮寿命。
3、本发明中转向电机均选用蜗轮蜗杆减速电机，具有反向自锁效果，能够防止车轮由于受到路面的横向力而使被动偏转，有利于车辆行驶稳定性。
附图说明
图1为本发明转向装置结构示意图；
图2为本发明转向模式图；
图3为本发明轮毂动力总成结构简图；
图4为本发明轮毂动力传递路线图；
其中：1轮毂动力总成、2车轮支架、3车架、4转向座、5主转向电机、6前主动锥齿轮、7前从动锥齿轮、8左转向拉杆、9上横臂、10下横臂、11转向架、12右转向拉杆、13副转向电机、14转向传动轴、15转向传动离合器、16后主动锥齿轮轴、17后轮转向制动器、18 后从动锥齿轮轴、19电机轴、20左太阳轮、21左行星架、22左内行星轮、23左外行星轮、 24左齿圈、25轮毂、26动力电机、27右齿圈、28右外行星轮、29右内行星轮、30右行星架、31右太阳轮、C1内单向离合器、C2外单向离合器、B1制动器。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明一种搭载两档轮毂电机四轮转向装置作进一步说明。
实施例：参见图1和图2，一种搭载两档轮毂电机四轮转向装置主要由车轮支架2、车架 3、转向座4、主转向电机5、前主动锥齿轮6、前从动锥齿轮7、左转向拉杆8、上横臂9、下横臂10、转向架11、右转向拉杆12、副转向电机13、转向传动轴14、转向传动离合器15、后主动锥齿轮轴16、后轮转向制动器17、后从动锥齿轮轴18、动力电机26、两组单排双级行星轮系、内单向离合器C1、外单向离合器C2、制动器B1等组成。
对于转向与悬架模块，主转向电机5安装在车架3前端，前主动锥齿轮6与主转向电机 5输出轴花键连接，前从动锥齿轮7与前主动锥齿轮6啮合，转向座4与前从动锥齿轮7固联，其上安装有副转向电机13，并与转向架11通过轴承形成转动副，左右转向拉杆8和12 分别一端与转向架11球铰副连接，一端与左右车轮支架2球铰副连接；转向传动轴14通过轴承安装在车架3上，通过与前主动锥齿轮6键连接，将转向动力传至后轮转向机构，转向传动离合器15外圈与转向传动轴14键连接，内圈与后主动锥齿轮轴16键连接，用来控制转向动力是否传入后轮转向机构，后从动锥齿轮轴18与后主动锥齿轮轴16啮合，后轮转向制动器17外圈与车架3固联，内圈与从动锥齿轮轴18键连接。
对于轮毂动力传动模块，一方面，动力电机26的转子左端与左太阳轮20固联，将动力直接传给左太阳轮20；左太阳轮20与左内行星轮22外啮合，左内行星轮22又与左外行星轮23外啮合，其中左内行星轮22、左外行星轮23分别与左行星架21通过轴承形成转动副，之后左外行星轮23与左齿圈24内啮合，将动力以一定传动比进行输出；另一方面，动力电机26的转子右端与右太阳轮31固联，将动力直接传给右太阳轮31；右太阳轮31与右内行星轮29外啮合，右内行星轮29又与右外行星轮28外啮合，其中右内行星轮29、右外行星轮28分别与右行星架30通过轴承形成转动副，之后右外行星轮28与右齿圈27内啮合，右齿圈27与轮毂25固联，将动力以一定传动比进行输出。此外，对于制动器与双单向离合器模块，内单向离合器C1外圈与左行星架21键连接，内单向离合器C1内圈与电机轴19键连接，外单向离合器C2外圈与轮毂键连接，外单向离合器C2内圈与左齿圈24键连接；制动器 B1外圈与电机轴19键连接，制动器B1内圈与右行星架30固联；其中，内单向离合器C1与外单向离合器C2安装方向相同，即均正装或均反装。
本发明的具体工作原理说明如下：
1、车辆各转向模式原理
如图1，在本发明转向与悬架模块中，转向动力主要由主转向电机5和前后副转向电机 13提供。主转向电机5通过锥齿轮传动机构可同时为前后轮转向提供动力，而副转向电机13 为前轮或后轮的独立转向动力源，配合主转向电机5工作，并通过转向执行机构(转向架11、左右转向拉杆8和12、车轮支架2)控制车轮转向，实现传统前轮转向、四轮同步转向和原地掉头几种转向模式，具体如下：
(1)传统前轮转向
如图1，在传统前轮转向模式中，转向传动离合器15摩擦片保持分离，当汽车ECU接收到方向盘的转角信号时，控制主转向电机5进行相应的转动，副转向电机13不供电；此时副转向电机13的蜗轮蜗杆减速器反向自锁，因此，转向架11只随着转向座4沿竖直轴线转动，拉动着左转向拉杆8、右转向拉杆12，随之拉动车轮支架2和轮毂动力总成1绕着由上横臂9和下横臂10的形成的主销轴线转动，从而实现前轮转向。
(2)四轮同步转向
如图1和图2a，在进行四轮同步转向时，转向传动离合器15摩擦片需保持结合，当汽车ECU接收到方向盘的转角信号时，控制主转向电机5进行相应的转动，副转向电机13不供电；此时，副转向电机13的蜗轮蜗杆减速器反向自锁，因此，转向架11只随着转向座4 沿竖直轴线转动，拉动着左转向拉杆8、右转向拉杆12，随之拉动车轮支架2和轮毂动力总成1绕着由上横臂9和下横臂10的形成的主销轴线转动，实现前轮转向；与此同时，转向动力经转向传动轴14、转向传动离合器15传递给后轮转向机构，转向原理与前轮一致，最终实现后轮与前轮同步转向。
(3)原地掉头
如图1和图2b，在进行原地掉头转向时，转向传动离合器15摩擦片需保持结合，当汽车ECU接收到方向盘的转角信号时，控制主转向电机5进行相应的转动，同时，控制前后副转向电机13也进行一定角度的转动；此时，转向架11既沿水平轴线转动一定角度，又随着转向座4沿竖直轴线转动，拉动着左转向拉杆8、右转向拉杆12，随之拉动车轮支架2和轮毂动力总成1绕着由上横臂9和下横臂10的形成的主销轴线转动，使两前轮同时向车辆中间偏转；与此同时，转向动力经转向传动轴14、转向传动离合器15传递给后轮转向机构，转向原理与前轮一致，使得两后轮也同时向车辆中间偏转。最终形成图2b中的转向形式，此时转动中心在车架3的形心处，若控制左侧两车轮与右侧两车轮转向相反，即可实现车辆的原地掉头行驶。
2、多档位输出工作原理
根据目前电动汽车行驶动力和时速需求，并满足在车辆起步或特殊路况时大传动比大扭矩的需求，设计的齿数如表1所示：
表1齿轮齿数表
Figure BDA0003606470270000061
如附图3所示，本实施例一种搭载两档轮毂电机四轮转向装置的换挡执行元件使用了两个单向离合器与一个制动器。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
Figure BDA0003606470270000062
Figure BDA0003606470270000071
注：表中“●”表示结合，“○”表示分离；
结合图3、图4及表2，各档传递路线说明如下：
(1)空挡(N档)
如图4所示，在车辆行驶中，若使制动器B1的内外圈摩擦片保持分离，且动力电机停止供电时，内外离合器将均属于分离状态，车辆空挡滑行，进入空挡状态。
(2)前进一档(D1档)
如图4所示，当制动器B1的内外圈摩擦片保持分离时，在动力电机的驱动下，内外单向离合器均保持结合状态。此时左行星轮系变为定轴轮系，动力从电动机26左端传给左太阳轮 20，然后经过左内行星轮22、左外行星轮23，到达左齿圈24，之后动力由处于结合状态的外单向离合器C2传给轮毂25，以传动比4.43进行动力输出，其传动路线为图4中的Ⅰ。
(3)前进二档(D2档)
如图4所示，车辆在经一档行驶一定时间后，使制动器B1的内外圈摩擦片保持结合，此时由于二档传动比较小，输出速度较高，因此实现了单向离合器的“超越”，内外单向离合器均由结合状态变为分离状态。此时右行星轮轮系变为定轴轮系，动力从电动机26右端传给右太阳轮31，然后经过右内行星轮29、右外行星轮28，达到右齿圈27，之后动力由轮毂25进行输出，以传动比3.04进行动力输出，其传动路线为图4中的Ⅱ。

Claims (4)

1.一种搭载两档轮毂电机四轮转向装置，其特征在于搭载两档轮毂电机四轮转向装置由转向与悬架模块、轮毂动力传动模块和制动器与双单向离合器模块构成，具体包括：轮毂动力总成(1)、车轮支架(2)、车架(3)、转向座(4)、主转向电机(5)、前主动锥齿轮(6)、前从动锥齿轮(7)、左转向拉杆(8)、上横臂(9)、下横臂(10)、转向架(11)、右转向拉杆(12)、副转向电机(13)、转向传动轴(14)、转向传动离合器(15)、后主动锥齿轮轴(16)、后轮转向制动器(17)、后从动锥齿轮轴(18)、电机轴(19)、左太阳轮(20)、左行星架(21)、左内行星轮(22)、左外行星轮(23)、左齿圈(24)、轮毂(25)、动力电机(26)、右齿圈(27)、右外行星轮(28)、右内行星轮(29)、右行星架(30)、右太阳轮(31)、内单向离合器(C1)、外单向离合器(C2)、制动器(B1)。
2.根据权利要求1所述一种搭载两档轮毂电机四轮转向装置，其特征在于所述转向与悬架模块包括车轮支架(2)、车架(3)、转向座(4)、主转向电机(5)、前主动锥齿轮(6)、前从动锥齿轮(7)、左转向拉杆(8)、上横臂(9)、下横臂(10)、转向架(11)、右转向拉杆(12)、副转向电机(13)、转向传动轴(14)、转向传动离合器(15)、后主动锥齿轮轴(16)、后轮转向制动器(17)、后从动锥齿轮轴(18)；所述主转向电机(5)安装在所述车架(3)前端，所述前主动锥齿轮(6)与所述主转向电机(5)的输出轴花键连接，所述前从动锥齿轮(7)与所述前主动锥齿轮(6)啮合，所述转向座(4)与所述前从动锥齿轮(7)固联，并与所述车架(3)形成转动副，所述副转向电机(13)安装于所述转向座(4)上，所述转向架(11)与所述转向座(4)形成转动副，并与所述副转向电机(13)输出轴键连接，所述左转向拉杆(8)一端与所述转向架(11)球铰副连接，另一端与所述左侧车轮支架(2)球铰副连接，所述右转向拉杆(12)一端与所述转向架(11)球铰副连接，另一端与所述右侧车轮支架(2)球铰副连接，所述上横臂(9)一端与所述车轮支架(2)上端球铰副连接，另一端与所述车架(3)形成转动副，所述下横臂(10)一端与所述车轮支架(2)下端球铰副连接，另一端与所述车架(3)形成转动副；所述转向传动轴(14)与所述前主动锥齿轮(6)键连接，并与所述车架(3)形成转动副，所述转向传动离合器(15)外圈与所述转向传动轴(14)键连接，所述转向传动离合器(15)内圈与所述后主动锥齿轮轴(16)键连接，所述后从动锥齿轮轴(18)与所述后主动锥齿轮轴(16)啮合，所述后轮转向制动器(17)外圈与所述车架(3)固联，所述后轮转向制动器(17)内圈与所述后从动锥齿轮轴(18)键连接。
3.根据权利要求1所述一种搭载两档轮毂电机四轮转向装置，其特征在于所述轮毂动力传动模块主要由两组单排双级行星轮系组成；所述电机轴(19)与所述动力电机(26)定子固联，所述左太阳轮(20)与所述动力电机(26)转子左端固联，所述左行星架(21)与所述左内行星轮(22)和左外行星轮(23)分别形成转动副，所述左内行星轮(22)与所述左太阳轮(20)外啮合，同时与所述左外行星轮(23)外啮合，所述左外行星轮(23)与所述左齿圈(24)内啮合；所述右太阳轮(31)与所述动力电机(26)转子右端固联，所述右行星架(30)与所述右内行星轮(29)和右外行星轮(28)分别形成转动副，所述右内行星轮(29)与所述右太阳轮(31)外啮合，同时与所述右外行星轮(28)外啮合，所述右外行星轮(28)与所述右齿圈(27)内啮合，所述右齿圈(27)与所述轮毂(25)固联。
4.根据权利要求1所述一种搭载两档轮毂电机四轮转向装置，其特征在于所述制动器与双单向离合器模块包括内单向离合器(C1)、外单向离合器(C2)、制动器(B1)；所述内单向离合器(C1)外圈与所述左行星架(21)键连接，所述内单向离合器(C1)内圈与所述电机轴(19)键连接，所述外单向离合器(C2)外圈与所述轮毂(25)键连接，所述外单向离合器(C2)内圈与所述左齿圈(24)键连接；所述制动器(B1)外圈与所述电机轴(19)键连接，所述制动器(B1)内圈与所述右行星架(30)固联。
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