TWI615295B

TWI615295B - 電動車車輪驅動分配系統

Info

Publication number: TWI615295B
Application number: TW106101057A
Authority: TW
Inventors: 蔡明祺; 劉彦辰; 胡家勝; 陳俊霖; 謝一民; 陳冠昕; 紀岳漢; 陳維君; 葉威德; 黃子明; 張友甄; 黃建智; 林維哲
Original assignee: 國立成功大學
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2018-02-21
Also published as: TW201825322A

Abstract

一種電動車車輪驅動分配系統包含二行星齒輪組、一主馬達、二副馬達以及二車輪。每一行星齒輪組包含一太陽齒輪、一外環齒輪、複數行星齒輪以及一行星臂，其中該些行星齒輪囓合於太陽齒輪與外環齒輪之間，行星臂的一端連接至該些行星齒輪之轉軸。主馬達連接至二行星齒輪組之太陽齒輪。二副馬達分別連接至二行星齒輪組之外環齒輪。二車輪分別連接至二行星齒輪組之行星臂的另一相對端。

Description

電動車車輪驅動分配系統

本發明是有關於一種車輛的驅動系統，特別是有關於一種電動車車輪驅動分配系統。

傳統車輛之機械式差速器左右輪動力輸出是由過彎時左右輪接受到不同的外部力矩，並藉由機械式齒輪進行被動分配。若過彎時一輪打滑，車輛動力會從打滑輪輸出，造成危險。

習知的循跡防滑系統是由剎車來控制輪胎輸出端之扭矩，但剎車的介入不能精準地控制輸出扭矩，只能讓車輛盡量遠離打滑，故循跡效果理想與否有賴於剎車力道是否施加得當。

此外，傳統的傳動系統中機械式差速器與動力輸出源中必須加入變速箱或減速齒輪，才能使動力發揮最大效益。

當車輛的動力由「燃油驅動內燃機」逐漸改為「燃油驅動內燃機加上電池驅動電動機」的混合動力，再進化為「全電池驅動電動機」。如何滿足電動車系統的需求並解決上述的問題，是目前車輛製造商急欲解決的問題。

因此，本發明之一目的是在提出一種電動車車輪驅動分配系統，藉以作為電動車驅動系統的解決方案。

根據本發明之上述目的，提出一種電動車車輪驅動分配系統，其包含二行星齒輪組、一主馬達、二副馬達以及二車輪。每一行星齒輪組包含一太陽齒輪、一外環齒輪、複數行星齒輪以及一行星臂，其中該些行星齒輪囓合於太陽齒輪與外環齒輪之間，行星臂的一端連接至該些行星齒輪之轉軸。主馬達連接至二行星齒輪組之太陽齒輪。二副馬達分別連接至二行星齒輪組之外環齒輪。二車輪分別連接至二行星齒輪組之行星臂的另一相對端。

依據本發明之一實施例，二車輪係以萬用接頭連接至二行星齒輪組之行星臂的另一相對端。

依據本發明之一實施例，電動車車輪驅動分配系統更包含一轉向連桿，其二相對端分別連接至二車輪，藉以控制轉向角度。

依據本發明之一實施例，主馬達係位於二行星齒輪組之間。

依據本發明之一實施例，該些行星齒輪的數量為四個。

依據本發明之一實施例，行星臂具有一十字型的端部藉以連接至四個行星齒輪。

依據本發明之一實施例，外環齒輪更包含一外環齒輪圓筒，該些行星齒輪囓合於太陽齒輪與外環齒輪圓筒的內緣齒之間。

依據本發明之一實施例，該些行星齒輪與太陽齒輪均位於外環齒輪圓筒內。

依據本發明之一實施例，主馬達係以一傳動軸連接至二行星齒輪組之太陽齒輪。

依據本發明之一實施例，電動車車輪驅動分配系統更包含複數軸承分別位於傳動軸與外環齒輪圓筒之間、行星臂與外環齒輪圓筒之間。

應用本發明上述之電動車車輪驅動分配系統，可達成電控式的差速器，與傳統機械式差速器相比，其左右輪輸出動力由方向盤角度命令進行主動分配，不會因為路面特殊狀況造成過彎打滑。在車輛發生打滑時，可利用輔助(副)馬達精準控制輪胎輸出端扭矩，使得車輛更容易回復到穩定狀態，並依照原本軌跡行駛。此外，利用輔助(副)馬達以及行星齒輪可以達到電控式無段變速功能，因而無須再外加變速箱。

W11‧‧‧輪胎

W12‧‧‧輪框

W21‧‧‧輪胎

W22‧‧‧輪框

N11‧‧‧太陽齒輪

N12‧‧‧外環齒輪

N13‧‧‧行星臂

N14‧‧‧行星齒輪

N15‧‧‧齒輪

N16‧‧‧軸承

N17‧‧‧外環齒輪圓筒

N18‧‧‧行星臂

N21‧‧‧太陽齒輪

N22‧‧‧外環齒輪

N23‧‧‧行星臂

N24‧‧‧行星齒輪

N25‧‧‧齒輪

M1‧‧‧主馬達

M2‧‧‧副馬達

M3‧‧‧副馬達

T1‧‧‧萬向接頭

T2‧‧‧萬向接頭

T3‧‧‧傳動軸

T4‧‧‧轉向連桿

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：[圖11係繪示根據本發明之一實施例所述之電動車車輪驅動分配系統的示意圖；[圖2]係繪示根據本發明之一實施例所述之行星齒輪組的立體圖； [圖3]係繪示[圖2]之行星齒輪組的爆炸圖；[圖4]係繪示[圖2]之行星齒輪組的側視圖；[圖5]係繪示沿[圖4]之剖面線5-5的剖面圖；以及[圖6]係繪示根據本發明之另一實施例所述之行星齒輪組的內部側視圖。

為解決此上述問題，本發明提供一種電動車車輪驅動分配系統，其包含三組馬達以及兩組行星齒輪組。將主馬達動力藉由傳動軸接於左右兩行星齒輪組之太陽齒輪端，並利用左右輔助(副)馬達接於左右行星齒輪組之環齒輪端，進而調控行星臂端轉速與扭矩。因此，控制左右輔助(副)馬達調控輸出轉速及扭矩，即可達到電控式無段變速、電控式差速器、循跡防滑、車身穩定及車輛增程等功能。

請參照[圖1]，其繪示根據本發明之一實施例所述之電動車車輪驅動分配系統的示意圖。本發明之電動車車輪驅動分配系統包含並行排列的二車輪(由輪胎(W11、W21)及輪框(W12、W22)所構成)。輪框(W12、W22)與萬向接頭(T1、T2)、轉向連桿(T4)之端部相接，並藉由轉向連桿(T4)控制轉向角度。萬向接頭(T1、T2)的另一端與行星齒輪組相接。

行星齒輪組包含一太陽齒輪(N11、N21)、一外環齒輪(N12、N22)、複數行星齒輪(N14、N24)以及一行星臂(N13、N23)。外環齒輪(N12、N22)內部設置數個與其嚙合的行星齒輪(N14、N24)，各個行星齒輪(N14、N24)以行星臂(N13、N23)樞設，且在多個行星齒輪(N14、N24)中設置一與其嚙合的太陽齒輪(N11、N21)。

主要動力源之主馬達(M1)所具有的轉子心軸上設置一傳動軸(T3)，傳動軸(T3)兩端分別與太陽齒輪(N11、N21)心軸固結一起，且主馬達(M1)位於左右二行星齒輪組之間。二輔助調控的副馬達(M2、M3)所具有的轉子心軸分別與齒輪(N15、N25)心軸固結一起，齒輪(N15、N25)亦與外環齒輪(N12、N22)嚙合。每一行星臂(N13、N23)之一端供多個行星齒輪(N14、N24)樞設，另一相對端與萬向接頭(T1、T2)連結在一起。

前述系統以左右二行星齒輪組之行星臂(N13、N23)作為輸出端，透過萬向接頭(T1、T2)分別連接至左右兩輪。主馬達(M1)透過連結至左右二行星齒輪組之太陽齒輪(N11、N21)，提供電動車之主要驅動力。另二副馬達(M2、M3)分別連接至左右二行星齒輪組之外環齒輪(N12、N22)，提供電動車之輔助動力。行星齒輪組結合由太陽齒輪(N11、N21)所傳遞之主動力及外環齒輪(N12、N22)端馬達提供之輔助動力，於行星臂(N13、N23)端輸出混合後之動力至其連結的萬向接頭及左右輪，實現電動車轉速及力矩調控，使左右兩輪具有無段連續變轉速的機制，達到前進、倒車，轉向追跡及穩定性控制等功能。當左右兩輪具有轉向角度時，主馬達(M1)維持固定轉速，透過兩組外環齒輪端的副馬達(M2、M3)進行獨立轉速、力矩控制，達到車輛具有轉向循跡及穩定的功能，使左右兩車輪操作於不同轉速，達到左右兩輪差速的功能，電動車即可依照使用者欲轉向的角度，進行轉彎和迴轉等操作。此外，本發明之前述系統亦具有故障保護的機制，即當主馬達(M1)發生故障無法繼續提供電動車主要動力源時，仍可藉由兩組副馬達(M2、M3)維持電動車的行進或轉向的功能，確保使用者於駕駛電動車時的安全性；另一方面，當傳動系統中的副馬達(M2、M3)發生故障無法提供車輛輔助動力時，仍可透過提供主要動力的主馬達(M1)維持車輛基本行駛功能，避免駕駛途中車輛拋錨的情況。

前述系統透過連接於車輪的行星齒輪傳動模組，便可依使用者需求，獨立控制左右兩輪的轉速或扭矩輸出。輸出端行星臂的轉速可由太陽齒輪輸入的主要驅動扭矩、外環齒輪端輸入的輔助驅動扭矩及行星臂的負載扭矩的線性組合而得出，其關係式如下：ω _c=G _cr T _r+G _cs T _s+G _cc T _c

其中：ω _c：行星臂轉速

T _c：行星臂轉矩

T _s：太陽齒輪轉矩

T _r：外環齒輪轉矩

G _cr：外環齒輪輸入轉矩至行星臂轉速之轉移函數

G _cs：太陽齒輪輸入轉矩至行星臂轉速之轉移函數

G _cc：行星臂負載轉矩到行星臂轉速之轉移函數

因此，當G_CR、G_CS、G_CC為已知系統轉移函數、T_S為已知輸入轉矩、T_C為可測量或估測狀況下，藉由外環齒輪端連接的調控副馬達(M2、M3)所提供的扭矩T_R，便可改變輸出端行星臂的轉速，使車輪達到轉速控制。

此外，當轉向機構作動時，轉向內徑輪速度慢於外輪速度，亦即轉向外徑輪速度快於轉向內徑輪速度，連接至左右輪的兩組行星齒輪組需獨立調控車輪轉速。若連接至太陽齒輪的主動力源馬達轉速固定，即太陽齒輪端轉速固定，藉由行星齒輪轉速比關係，控制連接至環齒輪的調控馬達轉速，使輸出端的行星臂達到轉向所需的轉速值，轉向內、外徑輪便具有轉速差，達到轉向目的。前述的行星齒輪轉速比關係如下：

其中：R _c：行星臂之半徑

R _s：太陽齒輪之半徑

R _r：外環齒輪之半徑

ω _c：行星臂之轉速

ω _s：太陽齒輪之轉速

ω _r：外環輪之轉速

當前述R_S、R_C、R_R、W_S為定值時，由行星齒輪轉速比關係可得出，增加外環齒輪轉速W_R，可使行星臂轉速W_C隨之增加；相對的，減少外環齒輪轉速W_R，行星臂轉速W_C亦隨之下降。系統可依前述關係控制行星臂的輸出轉速。

請同時參照[圖2~5]，[圖2]係繪示根據本發明之一實施例所述之行星齒輪組的立體圖；[圖3]係繪示[圖2]之行星齒輪組的爆炸圖；[圖4]係繪示[圖2]之行星齒輪組的側視圖；[圖5]係繪示沿[圖4]之剖面線5-5的剖面圖。

[圖2~5]係[圖1]之左行星齒輪組之實施例，右行星齒輪組亦可為相同設計。前述行星齒輪組之外環齒輪係由外環齒輪(N12)與外環齒輪圓筒(N17)所構成。行星齒輪組之太陽齒輪端可藉傳動軸(T3)連接至前述的主馬達(例如[圖1]之主馬達M1)，另一端為行星臂(N13)，連接至前述的萬向接頭(例如[圖1]之萬向接頭T1、T2)。

在本實施例中，行星齒輪(N14)的數量為4個，但不以此為限，可依實際需求增、減行星齒輪的數量。當行星齒輪組組合時(即[圖2]之狀態)，行星齒輪(N14)與太陽齒輪(N11)均位於外環齒輪圓筒(N17)內，且行星齒輪(N14)囓合於太陽齒輪(N11)與外環齒輪圓筒(N17)的內緣齒之間(參照[圖5])。太陽齒輪(N11)外接傳動軸(T3)，而4個行星齒輪(N14)分別樞設於行星臂(N13)之一端上的4個轉軸上。

此外，為了使行星齒輪(N14)與太陽齒輪(N11)能穩固的運轉於外環齒輪圓筒(N17)內，可增加複數個軸承(N16)分別位於傳動軸(T3)與外環齒輪圓筒(N17)的內壁之間、行星臂(N13)與外環齒輪圓筒(N17) 的內壁之間，藉以減少齒輪囓合的受力。

請參照[圖6]，其繪示根據本發明之另一實施例所述之行星齒輪組的內部側視圖。此實施例係繪示不同於前述行星臂(N13)的行星臂(N18)。行星臂(N18)有一十字型的端部藉以連接(樞接)至4個行星齒輪N14。系統設計者可依實際需求選擇所需的行星臂結構。

前述為本發明電動車車輪驅動分配系統之驅動配置的核心理念，當然也可附加齒輪組、離合器、煞車裝置等元件作為附屬之變速及轉彎功能的變化型。齒輪可為多個齒輪所組合成減速齒輪箱，也可用齒條皮帶、皮帶或齒輪箱來取代嚙合形式。

綜合以上，使用本發明上述之電動車車輪驅動分配系統，可達成電控式的差速器，與傳統機械式差速器相比，其左右輪輸出動力由方向盤角度命令進行主動分配，不會因為路面特殊狀況造成過彎打滑。在車輛發生打滑時，可利用輔助(副)馬達精準控制輪胎輸出端扭矩，使得車輛更容易回復到穩定狀態，並依照原本軌跡行駛。此外，利用輔助(副)馬達以及行星齒輪可以達到電控式無段變速功能，因而無須再外加變速箱。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。