王萌萌

（長(zhǎng)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(jī)汽車作為研究對(duì)象，針對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)車存在的問(wèn)題，提供集成驅(qū)動(dòng)、懸架和轉(zhuǎn)向功能的一體化電動(dòng)輪，將輪轂電機(jī)、輪內(nèi)懸架、轉(zhuǎn)向電機(jī)、電機(jī)懸掛裝置和輪轂裝在車輪上，使車輪同時(shí)具備驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向功能。

1 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車的顯著特點(diǎn)是將輪轂電機(jī)集成到汽車車輪的內(nèi)部，通過(guò)輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪運(yùn)動(dòng)，輪轂電機(jī)的質(zhì)量與汽車的動(dòng)力性息息相關(guān)。如圖1所示，該種輪轂電機(jī)由電機(jī)定子、定子托架、電機(jī)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(jī)座三部分組成，其中機(jī)座是用來(lái)支撐轉(zhuǎn)子的，起到保護(hù)、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(jī)驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)，其組成包括輪轂電機(jī)、輪胎、輪輞、輪轂、制動(dòng)裝置[2]。研究人員設(shè)計(jì)輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪汽車時(shí)，考慮到輪轂電機(jī)的散熱問(wèn)題，通常要將電機(jī)與輪胎隔開(kāi)一段距離，如，用鋼絲隔開(kāi)，避免輪轂電機(jī)散熱時(shí)影響輪胎正常工作、降低輪胎使用壽命。

圖1 輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)圖

目前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有一款集獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向、減振、制動(dòng)系統(tǒng)于一體的電動(dòng)輪產(chǎn)品，但是許多研究機(jī)構(gòu)和汽車廠商都已經(jīng)開(kāi)始對(duì)這方面進(jìn)行了相應(yīng)的研制與開(kāi)發(fā)[3]。就目前的資料來(lái)看，所研究的電動(dòng)輪通常包含驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、減振等機(jī)構(gòu)，但是并沒(méi)有將轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)集成進(jìn)去。

2 電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)-轉(zhuǎn)向集成結(jié)構(gòu)

2.1 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)車存在的問(wèn)題，本文提供集成驅(qū)動(dòng)、懸架和轉(zhuǎn)向功能的一體化電動(dòng)輪，將輪轂電機(jī)、輪內(nèi)懸架、轉(zhuǎn)向電機(jī)、電機(jī)懸掛裝置和輪轂裝在車輪上，使車輪同時(shí)具備驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向功能。

本文研究的電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)-轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，包括輪轂、輪輞、輪輻、輪胎、輪轂電機(jī)、輪內(nèi)懸架、轉(zhuǎn)向電機(jī)等。輪胎固定于輪輞上，輪輞和輪轂通過(guò)輪輻相連，輪輻是一個(gè)圓形的罩板。該電動(dòng)輪設(shè)計(jì)的顯著特征之一在于，將轉(zhuǎn)向電機(jī)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(guò)軸承與固設(shè)于輪轂中心的輪轂接頭相連。該電動(dòng)輪設(shè)計(jì)的第二個(gè)顯著特征是，裝有電機(jī)懸掛裝置，輪轂電機(jī)與電機(jī)懸掛裝置相連。

2.2 電動(dòng)輪各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及裝配關(guān)系

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

（1）輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)，和大部分電機(jī)一樣，其由電機(jī)罩殼、輪轂電機(jī)定子和輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)子組成的。電機(jī)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(jī)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(guò)一個(gè)凸環(huán)與電機(jī)懸掛裝置的環(huán)形底板相連。

圖3 電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)圖

（2）電機(jī)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(duì)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(guò)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(gè)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(dòng)輪連接軸的一端相連，電動(dòng)輪連接軸的另一端通過(guò)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(guò)隔板分為上下兩段腔體，上腔體內(nèi)部設(shè)有轉(zhuǎn)向電機(jī)，下腔體內(nèi)充滿工作液。減振器的上腔中，轉(zhuǎn)向電機(jī)定子安裝在上腔體內(nèi)壁上，轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)子安裝在活塞桿上。

考慮到轉(zhuǎn)向電機(jī)易受粉塵和減振器下腔工作液的污染，對(duì)電動(dòng)輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)特別注意電機(jī)的密封問(wèn)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(dòng)輪驅(qū)動(dòng)-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(dòng)-轉(zhuǎn)向集成結(jié)構(gòu)的電動(dòng)輪，其工作原理為：

輪轂電機(jī)將動(dòng)力通過(guò)撓性聯(lián)軸盤直接傳遞到輪轂，無(wú)需減速機(jī)構(gòu)，有利于降低輪轂電機(jī)的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪的輕量化。輪轂電機(jī)內(nèi)罩殼的外壁中部設(shè)有凸環(huán)，凸環(huán)用于連接電機(jī)懸掛裝置的環(huán)形底板。電機(jī)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(jī)除了起到原動(dòng)機(jī)的作用，還起到副減振器的作用，通過(guò)合理匹配電機(jī)懸掛裝置的質(zhì)量、剛度、阻尼參數(shù)，可以抑制輪轂電機(jī)和車輪跳動(dòng)量，改善汽車平順性[6]。

輪內(nèi)懸架為磁流變半主動(dòng)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(guò)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(jī)，其中，轉(zhuǎn)向電機(jī)定子安設(shè)于上腔體內(nèi)壁，轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)子安設(shè)于活塞桿上。為防止粉塵進(jìn)入轉(zhuǎn)向電機(jī)，上腔體的內(nèi)部頂端還設(shè)有防塵板。當(dāng)電動(dòng)輪轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向電機(jī)工作，轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)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(dòng)，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(guò)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(dòng)時(shí)，車輪也跟著一起繞活塞桿轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。下腔體內(nèi)充滿磁流變體作為工作液，開(kāi)有數(shù)個(gè)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(guò)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(guò)活塞桿引出電源線，通過(guò)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(shí)現(xiàn)半主動(dòng)懸架功能[7]。第二減振器的下端與電動(dòng)輪連接軸的一端相連，電動(dòng)輪連接軸的另一端通過(guò)法蘭盤與車架相連。

3 結(jié)論

驅(qū)動(dòng)--轉(zhuǎn)向一體化電動(dòng)輪具有控制簡(jiǎn)單、靈活、響應(yīng)速度快、傳動(dòng)效率高、節(jié)省空間、節(jié)能環(huán)保、開(kāi)發(fā)周期短、成本低、噪音小等眾多優(yōu)勢(shì)。本文著重解決驅(qū)動(dòng)--轉(zhuǎn)向一體化電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，具體開(kāi)展幾個(gè)方面的研巧：

（1）電動(dòng)輪集成技術(shù)研究的背景和意義；

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

（3）通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外大量有關(guān)電動(dòng)輪文獻(xiàn)的分析和研究，提出了集成驅(qū)動(dòng)-轉(zhuǎn)向系統(tǒng)于一體的電動(dòng)輪設(shè)計(jì)方案。