電動輪驅(qū)動-轉(zhuǎn)向集成結(jié)構(gòu)設(shè)計

王萌萌

（長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

前言

本文是以傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車作為研究對象，針對輪轂電機驅(qū)動型電動車存在的問題，提供集成驅(qū)動、懸架和轉(zhuǎn)向功能的一體化電動輪，將輪轂電機、輪內(nèi)懸架、轉(zhuǎn)向電機、電機懸掛裝置和輪轂裝在車輪上，使車輪同時具備驅(qū)動、轉(zhuǎn)向功能。

1 輪轂電機驅(qū)動汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

輪轂電機驅(qū)動汽車的顯著特點是將輪轂電機集成到汽車車輪的內(nèi)部，通過輪轂電機直接驅(qū)動車輪運動，輪轂電機的質(zhì)量與汽車的動力性息息相關(guān)。如圖1所示，該種輪轂電機由電機定子、定子托架、電機轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子托架組成[1]。定子一般由定子鐵芯、定子繞組、機座三部分組成，其中機座是用來支撐轉(zhuǎn)子的，起到保護、散熱的作用；轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組組成；此外，還包括端蓋、軸承、風(fēng)扇等部件。圖2展示了一種輪轂電機驅(qū)動型電動輪的結(jié)構(gòu)，其組成包括輪轂電機、輪胎、輪輞、輪轂、制動裝置[2]。研究人員設(shè)計輪轂驅(qū)動電動輪汽車時，考慮到輪轂電機的散熱問題，通常要將電機與輪胎隔開一段距離，如，用鋼絲隔開，避免輪轂電機散熱時影響輪胎正常工作、降低輪胎使用壽命。

圖1 輪轂電機結(jié)構(gòu)圖

圖2 電動輪結(jié)構(gòu)圖

目前，國內(nèi)外還沒有一款集獨立驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、減振、制動系統(tǒng)于一體的電動輪產(chǎn)品，但是許多研究機構(gòu)和汽車廠商都已經(jīng)開始對這方面進行了相應(yīng)的研制與開發(fā)[3]。就目前的資料來看，所研究的電動輪通常包含驅(qū)動、制動、減振等機構(gòu)，但是并沒有將轉(zhuǎn)向機構(gòu)集成進去。

2 電動輪驅(qū)動-轉(zhuǎn)向集成結(jié)構(gòu)

2.1 設(shè)計思路

針對輪轂電機驅(qū)動型電動車存在的問題，本文提供集成驅(qū)動、懸架和轉(zhuǎn)向功能的一體化電動輪，將輪轂電機、輪內(nèi)懸架、轉(zhuǎn)向電機、電機懸掛裝置和輪轂裝在車輪上，使車輪同時具備驅(qū)動、轉(zhuǎn)向功能。

本文研究的電動輪驅(qū)動-轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，包括輪轂、輪輞、輪輻、輪胎、輪轂電機、輪內(nèi)懸架、轉(zhuǎn)向電機等。輪胎固定于輪輞上，輪輞和輪轂通過輪輻相連，輪輻是一個圓形的罩板。該電動輪設(shè)計的顯著特征之一在于，將轉(zhuǎn)向電機放在輪內(nèi)懸架的內(nèi)部，而輪內(nèi)懸架安裝在圓形底板上，圓形底板與輪內(nèi)支撐軸的一端相連，輪內(nèi)支撐軸的另一端通過軸承與固設(shè)于輪轂中心的輪轂接頭相連。該電動輪設(shè)計的第二個顯著特征是，裝有電機懸掛裝置，輪轂電機與電機懸掛裝置相連。

2.2 電動輪各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計及裝配關(guān)系

根據(jù)上述設(shè)計思路，設(shè)計集成驅(qū)動、轉(zhuǎn)向功能的一體化電動輪的結(jié)構(gòu)，如圖3所示：

（1）輪轂電機的結(jié)構(gòu)，和大部分電機一樣，其由電機罩殼、輪轂電機定子和輪轂電機轉(zhuǎn)子組成的。電機罩殼包括內(nèi)外套裝的環(huán)形的外罩殼和內(nèi)罩殼，輪轂電機定子安裝在內(nèi)罩殼的內(nèi)壁上，轉(zhuǎn)子安裝在外罩殼的內(nèi)壁上[4]。外罩殼的一端與撓性聯(lián)軸盤相連，撓性聯(lián)軸盤固定在輪輻上；內(nèi)罩殼的外壁通過一個凸環(huán)與電機懸掛裝置的環(huán)形底板相連。

圖3 電動輪結(jié)構(gòu)圖

（2）電機懸掛裝置包括環(huán)形底板、第一減振器和第一螺旋彈簧三部分。環(huán)形底板上安裝有兩根第一連接桿，兩桿左右對稱。第一連接桿的端頭與第一減振器的上吊耳相連，上吊耳分別通過設(shè)于第一連接桿上的凸緣及雙螺母軸向限位；第一螺旋彈簧外套于第一減振器，第一螺旋彈簧的上端與上彈簧座相連，第一螺旋彈簧的下端與下彈簧座相連。

（3）輪內(nèi)懸架由第二減振器和第二螺旋彈簧兩個主要部件組成。第二螺旋彈簧外套于第二減振器，第二減振器的上端與懸架連接軸的一端相連，懸架連接軸的另一端與圓形底板相連，第二減振器的下端與電動輪連接軸的一端相連，電動輪連接軸的另一端通過法蘭盤與車架相連。

圖4 第二減振器的剖視圖

如圖4所示，第二減振器為單筒式液壓減振器，通過隔板分為上下兩段腔體，上腔體內(nèi)部設(shè)有轉(zhuǎn)向電機，下腔體內(nèi)充滿工作液。減振器的上腔中，轉(zhuǎn)向電機定子安裝在上腔體內(nèi)壁上，轉(zhuǎn)向電機轉(zhuǎn)子安裝在活塞桿上。

考慮到轉(zhuǎn)向電機易受粉塵和減振器下腔工作液的污染，對電動輪進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時特別注意電機的密封問題[5]：第二減振器的吊耳下方設(shè)有筒式的減振器防塵罩，其外套于第二減振器的頂部；減振器上腔體的內(nèi)部頂端設(shè)有防塵板；分離上下腔的隔板上設(shè)有油封。

2.3 電動輪驅(qū)動-轉(zhuǎn)向集成結(jié)構(gòu)工作原理

圖3和圖4展示的是本論文研究的裝有驅(qū)動-轉(zhuǎn)向集成結(jié)構(gòu)的電動輪，其工作原理為：

輪轂電機將動力通過撓性聯(lián)軸盤直接傳遞到輪轂，無需減速機構(gòu)，有利于降低輪轂電機的質(zhì)量，實現(xiàn)電動輪的輕量化。輪轂電機內(nèi)罩殼的外壁中部設(shè)有凸環(huán)，凸環(huán)用于連接電機懸掛裝置的環(huán)形底板。電機懸掛裝置由環(huán)形底板、第一減振器和第一螺旋彈簧三部分組成。輪轂電機除了起到原動機的作用，還起到副減振器的作用，通過合理匹配電機懸掛裝置的質(zhì)量、剛度、阻尼參數(shù)，可以抑制輪轂電機和車輪跳動量，改善汽車平順性[6]。

輪內(nèi)懸架為磁流變半主動懸架，由第二減振器和第二螺旋彈簧兩部分組成。第二減振器為單筒式液壓減振器，其上方有吊耳，吊耳的下方設(shè)有筒式的減振器防塵罩，并外套于第二減振器的頂部，其內(nèi)部通過隔板分為上下兩段腔體，隔板上設(shè)有油封。上腔體內(nèi)部設(shè)有轉(zhuǎn)向電機，其中，轉(zhuǎn)向電機定子安設(shè)于上腔體內(nèi)壁，轉(zhuǎn)向電機轉(zhuǎn)子安設(shè)于活塞桿上。為防止粉塵進入轉(zhuǎn)向電機，上腔體的內(nèi)部頂端還設(shè)有防塵板。當(dāng)電動輪轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向電機工作，轉(zhuǎn)向電機轉(zhuǎn)子帶動活塞桿和吊耳繞活塞桿軸向旋轉(zhuǎn)，懸架連接軸隨之繞活塞桿軸向轉(zhuǎn)動，從圖2可以看出，懸架連接軸一端固定在圓形底板上，而圓形底板又通過輪內(nèi)支撐軸與輪轂相連，所以車輪整體與懸架連接軸是連為一體的，當(dāng)懸架連接軸繞活塞桿軸向轉(zhuǎn)動時，車輪也跟著一起繞活塞桿轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向運動。下腔體內(nèi)充滿磁流變體作為工作液，開有數(shù)個阻尼孔的活塞設(shè)于下腔體內(nèi)部，活塞的中心位置連接活塞桿的底端，活塞桿的頂端依次穿過隔板的中心孔和上腔體頂部中心孔與吊耳相連，吊耳與懸架連接軸相連，電磁線圈繞制在活塞上，通過活塞桿引出電源線，通過外源蓄電池提供不同大小的電流即可調(diào)節(jié)作為工作液的磁流變體的阻尼以改變減振器阻尼實現(xiàn)半主動懸架功能[7]。第二減振器的下端與電動輪連接軸的一端相連，電動輪連接軸的另一端通過法蘭盤與車架相連。

3 結(jié)論

驅(qū)動--轉(zhuǎn)向一體化電動輪具有控制簡單、靈活、響應(yīng)速度快、傳動效率高、節(jié)省空間、節(jié)能環(huán)保、開發(fā)周期短、成本低、噪音小等眾多優(yōu)勢。本文著重解決驅(qū)動--轉(zhuǎn)向一體化電動輪結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)問題，具體開展幾個方面的研巧：

（1）電動輪集成技術(shù)研究的背景和意義；

（2）了解國內(nèi)外輪轂電機、一體化電動輪以及懸架的發(fā)展情況；

（3）通過對國內(nèi)外大量有關(guān)電動輪文獻的分析和研究，提出了集成驅(qū)動-轉(zhuǎn)向系統(tǒng)于一體的電動輪設(shè)計方案。