CN106864252B - 一种转向与驱动集成式轮边电驱动系统及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转向与驱动集成式轮边电驱动系统，包括：双转子电机，其包括外转子和内转子；滚珠丝杠结构，其包括相互丝杠副配合的滚珠、丝杠和螺母，所述丝杠的一端连接所述内转子的输出轴，能够在所述内转子的驱动下转动，以使所述螺母沿所述丝杠轴向移动；所述螺母的外伸端铰接转向横拉杆；减速齿轮组，其输入端连接所述外转子输出轴，输出端连接驱动半轴，还公开了一种具有转向与驱动集成式轮边电驱动系统的车辆，包括偶数个转向与驱动集成式轮边电驱动系统，本发明通过使用双转子电机及滚珠丝杠机构将转向系统与轮边驱动集成在了一起，结构大为简化，同时实现了各个车轮的独立转向和各轮独立驱动，成本降低且结构更为紧凑。

Description

一种转向与驱动集成式轮边电驱动系统及车辆

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，特别是涉及一种转向与驱动集成式轮边电驱动系统，及一种具有转向与驱动集成式轮边电驱动系统的车辆。

背景技术

传统的集中驱动式纯电动汽车，是将整车的动力源由内燃机替换为了电动机，采用由单一电机和驱动桥组成的动力总成或由单一电机、变速器和驱动桥(包括主减速器、差速器、半轴等)组成的动力总成来驱动车辆行驶，传动零件多，传动效率不高，占用空间大。

轮毂驱动或轮边驱动作为分布式驱动方式，其结构特征为将驱动电机直接安装在驱动车轮内或者驱动车轮附近，电机直接驱动车轮或者经减速机构。与传统汽车相比，省去了差速器、变速器、万向节等机械传动部件，传动效率高，结构紧凑，车身空间利用率高，同时各个轮边驱动车轮可独立控制，便于实现复杂的动力性与稳定性控制。然而，对于轮毂驱动或驱动电机布置在车轮支架的轮边驱动形式，由于驱动电机增加了簧下质量，导致汽车平顺性不佳。因而，采用布置在车架上的驱动电机轮边独立驱动形式，可以在现阶段有效解决此问题。

另外，后轮转向技术由于具备能够减小转弯半径、提高操纵稳定性的目的，目前开始得到部分车型使用。后轮转向技术一般分为三种：一种是以雪铁龙富康为代表的，利用悬架导向杆系衬套在侧向力作用下产生轻微变形实现的转向的后轮受力随动转向技术；另一种是以多轮转向越野车为代表的，利用一系列转向传动机构把驾驶员对前轮的转向操纵运动降低幅度后传递到后轮的转向梯形的机械转向梯形后轮机械操作转向技术；最后一种是，以宝马7系为代表的，利用后轮额外增加的转向电机拖拽转向横拉杆实现的后轮机电主动转向技术。前两种一旦设计完毕，其后轮转向规律无法调整，无法满足汽车高低速行驶时对后轮辅助转向规律提出的不同要求。而后轮机电主动转向技术需要额外增加一套机电系统来完成后轮转向动作，导致结构复杂、成本高昂、可靠性不高等缺点，为此限制了后轮主动转向技术的应用。

发明内容

本发明提供了一种转向与驱动集成式轮边电驱动系统，通过使用双转子电机及滚珠丝杠机构将转向系统与轮边驱动集成在了一起，结构大为简化。

本发明提供的技术方案为：

一种转向与驱动集成式轮边电驱动系统，包括：

双转子电机，其包括外转子和内转子；

滚珠丝杠结构，其包括相互丝杠副配合的滚珠、丝杠和螺母，所述丝杠的一端连接所述内转子的输出轴，能够在所述内转子的驱动下转动，以使所述螺母沿所述丝杠轴向移动；所述螺母的外伸端铰接转向横拉杆；

减速齿轮组，其输入端连接所述外转子输出轴，输出端连接驱动半轴。

优选的是，所述双转子电机包括：

外壳，其内具有容置空间，用于布置外转子和内转子，所述内转子的通过轴承支撑在外转子内端面上；

永磁体，其设置在所述外转子内侧和外侧表面上；

定子，其固定在所述外壳内表面上；

励磁绕组，其固定在所述定子上，通以电流用以产生磁场；

电枢绕组，其安装在所述内转子上；

其中，内转子和外转子都能够实现独立自由转动。

优选的是，所述外转子包括牙嵌式相互配合的主体和端盖，所述内转子通过前后轴承支撑嵌套在所述主体和端盖形成的容置空间中，其输出端从容置空间中穿出连接所述内转子输出轴。

优选的是，所述减速齿轮组包括：

输出轴，其与所述驱动半轴铰接；

输入齿轮，其固定在所述外转子输出轴上；

输出齿轮，其套设在所述输出轴上，并与所述输入齿轮啮合。

优选的是，所述输入齿轮包括沿着轴向凸起延伸的圆环凸缘，所述圆环凸缘可旋转支撑在所述双转子电机壳体上。

优选的是，所述滚珠丝杠外圆柱面上具有半圆弧形螺旋槽，所述螺母内孔中具有与所述滚珠丝杠相同的螺旋槽，所述滚珠丝杠与所述螺母配合形成滚珠滚道。

优选的是，还包括限位端盖，其为法兰型的圆柱体，固定设置在轮边驱动装置壳体一端，所述限位端盖圆柱体部分具有矩形长槽。

优选的是，所述螺母外侧具有矩形凸耳，所述矩形凸耳能够沿所述矩形长槽滑动，并限制所述螺母转动。

一种转向与驱动集成式轮边电驱动系统，包括：

第一滚珠丝杠结构，其包括相互丝杠副配合的第一滚珠、第一丝杠和第一螺母，所述第一丝杠的一端连接所述第一内转子的输出轴，能够在所述第一内转子的驱动下转动，以使所述第一螺母沿所述丝杠轴向移动；所述第一螺母的外伸端铰接转向横拉杆；

第二滚珠丝杠结构，其包括相互丝杠副配合的第二滚珠、第二丝杠和第二螺母，所述第二丝杠的一端连接所述第二内转子的输出轴，能够在所述第二内转子的驱动下转动，以使所述第二螺母沿所述丝杠轴向移动；所述第二螺母的外伸端铰接转向横拉杆；

第一减速齿轮组，其输入端连接所述第一外转子输出轴，输出端连接左驱动半轴；

第二减速齿轮组，其设输入端连接所述第二外转子输出轴，输出端连接右驱动半轴。

一种具有转向与驱动集成式轮边电驱动系统的车辆，包括偶数个转向与驱动集成式轮边电驱动系统，所述系统分别驱动两侧的对应位置的车轮。

本发明的有益效果

1.系统集成性好。本发明所述的转向与驱动集成式轮边电驱动系统通过使用双转子电机和滚珠丝杠机构在实现传统的轮边驱动系统的驱动功能之外，同时实现了转向功能的集成。

2.节省空间、成本低。本发明所述的转向与驱动集成式轮边电驱动系统相比较传统机械式后轮转向系统省却了一系列复杂的转向传动机构；相比较后轮机电式主动转向系统，省去了执行电机，大大简化了系统结构，节约了整车可利用空间和成本。

3.布置方式多样。本发明所述的转向与驱动集成式轮边电驱动系统可根据整车布置空间和选用的驱动方式，实现单轴、双轴或多轴各轮独立转向和独立驱动的集成一体化。

4.操纵性好。本发明所述的转向与驱动集成式轮边电驱动系统与方向盘无机械连接，可根据车速及车辆状态等因素灵活调整转向系统角传动比，从根本上上解决了转向系统“轻与灵”的矛盾，大大提高了汽车的操纵性能。

5.可与差动助力转向协同配合，实现转向节能。本发明所述的转向与驱动集成式轮边电驱动系统由于集成了轮边独立驱动和转向系统，可以利用左右轮驱动力差值产生间接地差动助力转向力矩，降低了其双转子电机内转子用于转向的输出功率，实现转向节能。

附图说明

图1为本发明所述的一种转向与驱动集成式轮边电驱动系统俯视结构组成简图。

图2为本发明所述的一种转向与驱动集成式轮边电驱动系统的滚珠丝杠机构全剖视图。

图3为本发明所述的一种转向与驱动集成式轮边电驱动系统的滚珠丝杠机构丝杠的轴测视图。

图4为本发明所述的一种转向与驱动集成式轮边电驱动系统的滚珠丝杠机构螺母的轴测视图。

图5为本发明所述的一种转向与驱动集成式轮边电驱动系统的双转子电机的外转子爆炸轴测视图。

图6为本发明所述的一种转向与驱动集成式轮边电驱动系统的输入齿轮的轴测视图。

图7为本发明所述的一种转向与驱动集成式轮边电驱动系统的限位端盖的轴测视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明所述的转向与驱动集成式轮边电驱动系统包括：双转子电机100，滚珠丝杠机构200，横拉杆300，转向节400，车轮500，内万向节411，内半轴410，外万向节421，外半轴420，限位端盖610和轮边驱动装置壳体600。

双转子电机100包括内转子110、外转子120、永磁体130、电枢绕组140、定子150、双转子电机外壳160、定子励磁绕组180。内转子110空套在外转子120内部。其内转子110上安装有电枢绕组140，内转子110输出轴端加工有外花键，输出轴端根部加工有定位轴肩，用以安装内转子110上支撑轴承，内转子另一端加工有轴肩用以安装内转子110下支撑轴承，内转子110的上下支撑轴承支撑在外转子内端面上。外转子120内侧和外侧表面都分别贴有永磁体130，定子150固定至双转子电机外壳160上，同时定子150上安装有定子励磁绕组180。内转子110和外转子120都可以实现单独转动和单独控制。

如图5所示，为配合双转子电机内转子110的安装，双转子电机外转子120设计为剖分式的结构，即可分为主体121和端盖122两部分，主体121和端盖122采用牙嵌式配合。双转子电机外转子主体121内外表面均贴有永磁体130。双转子电机外转子主体121前端中心为一个内径稍大一些的轴承孔和内径小一些的光孔组成的阶梯通孔，轴承孔用来安装双转子电机内转子110的上支承轴承，光孔用以通过双转子电机内转子110输出轴端,且不会对内转子110输出轴端产生运动干涉。双转子电机外转子端盖122底部内侧加工有轴承沉孔，用于安装双转子电机内转子110下支撑轴承，同时，外转子端盖122外部中心加工有阶梯轴，用以安装双转子电机外转子120的下支撑轴承。同时双转子电机外转子主体121输出轴端加工有外花键，用于与输入齿轮710进行花键连接，同时外转子主体121输出轴端根部加工有轴肩，用以安装双转子电机外转子120上支撑轴承。外转子120的上下支撑轴承支撑在双转子电机外壳上。同时，为保证双转子电机外转子主体121和双转子电机外转子端盖122配合时可靠定心，双转子电机外转子主体121与外转子端盖122配合处加工有六个圆弧梯形凹槽齿，凹槽齿在径向近圆心端尺寸小于远圆心端，凹槽齿的齿跟平面加工有圆环弧状小凹槽；双转子电机外转子端盖122与双转子电机外转子主体121六个圆弧梯形凹槽对应处加工有六个圆弧梯形凸起齿，凸起齿在径向近圆心端尺寸小于远圆心端，圆弧梯形凸起齿的齿顶平面加工有对应于主体圆弧梯形凹槽齿齿跟的小凹槽的圆环弧状凸起，圆弧梯形凸起和圆弧梯形凹槽基本尺寸相同，属于小间隙配合。双转子电机外转子主体121和外转子端盖122组合成双转子电机外转子120时，主体121圆弧梯形凹槽齿和对应的端盖122圆弧梯形凸起齿的V形侧壁配合，起到两者定心的作用，且利用各自齿根的小凹槽和齿定圆环弧状凸起两两对应间隙配合，起到辅助径向限位和轴向定位的作用。

如图2-4所示，滚珠丝杠机构200由滚珠210、丝杠220、螺母230组成，滚珠丝杠机构200的作用是通过滚珠丝杠机构的特殊作用将双转子电机内转子110的旋转运动转换为螺母的直线运动。其中丝杠220外圆柱面上加工近似半圆弧形螺旋槽，同时，在丝杠220的输入一端端面加工有内花键槽，用以与双转子电机内转子110输出端通过花键连接。滚珠丝杠机构螺母230为圆筒状结构，螺母230内孔中加工有与丝杠220对应相同的近似半圆弧形螺旋槽。丝杠220外圆柱面上的近似半圆弧形螺旋槽与螺母230内孔壁面上的近似半圆弧形螺旋槽配合形成滚珠210的滚道。螺母230内孔的最底端加工有直径稍小一些的内圆柱面，变径处作为丝杠220和螺母相对位置的限位面。另外，如图2所示，螺母230内孔的最低端边沿开有一个轴向的小通气孔，以避免丝杠220和螺母230相对移动时产生气阻导致移动困难。同时，螺母230中还有滚珠的循环通道，通道入口和出口分别在半圆螺旋槽的靠近起点处及终点处，滚珠循环通道使滚珠210能在轨道中循环滚动，实现将丝杠220的转动运动转化为螺母230沿丝杠220的直线运动。滚珠丝杠机构的螺母230外壁还加工两个矩形凸耳，矩形凸耳与限位端盖610圆柱体部分开的矩形长槽配合，限制其旋转运动。另外限位端盖610矩形长槽的长度限制了螺母230的轴向最大距离。同时，滚珠丝杠机构螺母230未开孔的另一端加工有矩形块凸缘，同时矩形块凸缘中心加工有安装球头销的螺纹通孔，用于安装连接横拉杆300的球头销。

在另一实施例中，本发明所述的一种转向与驱动集成式轮边电驱动系统的减速器作用为对双转子电机输出转矩减速增扭并平移输出轴线至轮轴处。减速器级数和传动形式可依据双转子电机与整车的匹配关系和布置关系调整。即还可采用多级圆柱齿轮传动或单级带传动或单级链传动。需要说明的是，采用与本发明示例不同的减速器形式，不构成有别于本发明内容的新结构。

如图1所示，以单级圆柱斜齿轮传动为例，所述的减速器包括输入齿轮710、输出齿轮720和输出轴730。输入齿轮710、输出齿轮720、输出轴730布置在轮边驱动装置壳体600内。输入齿轮710和输出齿轮720外啮合，输出齿轮720和输出轴730花键连接。

如图6所示，所述的输入齿轮710为一个类似轮毂的普通圆柱斜齿齿轮，由一段花键孔和光孔组成的通孔贯穿其整个齿轮和轮毂的中心，光孔的内径大于花键孔。输入齿轮710与双转子电机外转子120的输出轴通过花键连接，实现动力的传输。输入齿轮710一端通过双转子电机外转子120的输出轴上加工的放置轴承的轴肩限位，另一端通过卡环620限位。

其中，所述的输出齿轮720为普通圆柱斜齿齿轮，输出齿轮720的齿数大于输入齿轮710的齿数，可实现减速增矩。输出齿轮720通过花键安装在输出轴730上。

如图7所示，所述的限位端盖610为一个法兰型的圆环柱体，其一端的法兰面上圆周开设有6个通孔，用以通过螺栓将限位端盖610固定在轮边驱动装置壳体600上；其轮毂部分伸入轮边驱动装置壳体600内。限位端盖610的中心为一圆形通孔，滚珠丝杠机构螺母230的外圆柱面从孔内穿过，限位端盖610另一端从头延轴向向法兰端面开设有两条矩形槽，用以和滚珠丝杠机构的螺母230外壁的两个矩形凸耳配合限制螺母230的转动，并利用矩形槽的长度限制螺母230最大轴向移动量。参阅图1，所述的内万向节411和外万向节421都为等角速万向节。所述的输出轴730的输出端和内半轴410的内端通过内万向节411连接，内半轴410的外端和外半轴420的内端通过外万向节421连接起来。

如图1所示，所述的轮边驱动装置壳体600中内安装有双转子电机100、和减速器。轮边驱动装置壳体600具有为输入齿轮710和输出齿轮720以及输出轴730提供支撑以及齿轮润滑的作用，同时轮边驱动装置壳体600将双转子电机100实现固定，并为双转子电机的冷却提供腔体。同时，轮边驱动装置壳体600布置在车架上，通过悬架支撑，为簧上质量。

如图1、2所示，各部件其连接关系为：轮边驱动装置壳体600固定至车身上，双转子电机外转子120的输出轴端通过花键与输入齿轮710紧密连接，输入齿轮710与输出齿轮720相啮合，输出齿轮720通过花键副固定至输出轴730上。输出轴730的输出端与内半轴410内端通过内万向节411连接，内半轴410的另一端与外半轴420的内端通过外万向节421相连接，外半轴420的外端加工有凸缘，凸缘上加工有均布的通孔，同时车轮500的轮毂上加工有与外半轴420凸缘相对应的通孔，则外半轴420与车轮500的轮毂通过螺栓及螺母实现固定。双转子电机的内转子110的输出轴端通过花键与滚珠丝杠机构的丝杠220连接，同时，滚珠丝杠机构200与双转子电机内转子110的输出轴端从输入齿轮710中心和双转子电机外转子120的输出轴端中心通孔穿过，同时滚珠丝杠机构的螺母230能正常在中心通孔中沿滚珠丝杠机构的丝杠220正常直线运动，滚珠丝杠机构的丝杠220和双转子电机的内转子110的输出轴端能在中心通孔中正常转动，无运动干涉。滚珠丝杠机构的螺母230通过球铰链与横拉杆300一端相连，横拉杆另一端通过球铰链与转向节400的转向节臂相连，转向节臂与转向节400为一体结构，转向节400通过轮毂轴承支撑在车轮500上。

本发明包含至少两套转向与驱动集成式轮边电驱动系统，分别驱动两侧车轮运动及转向。

本发明所述的转向与驱动集成式轮边电驱动系统具体的工作过程和工作原理为：

本发明所述的一种转向与驱动集成式轮边电驱动系统应用于汽车后轴时，需要在汽车后轴左右都安装本发明所述的转向与驱动集成式轮边电驱动系统，左右两端的轮边电驱动系统结构完全一致，此时即为独立转向与独立驱动集成式轮边电驱动后桥；本发明在需要时也可以应用于前轮，此时即为独立转向与独立驱动集成式轮边电驱动前桥，例如对于无转向操纵装置的智能电动车辆；同时本发明也可用于四轮或多轴驱动车辆，布置形式灵活多样，但无论哪种形式，只要采用本发明所述的转向与驱动集成式轮边电驱动系统即在本发明的保护范围之内。这里以常用的后桥左右轮装配本发明所述的转向与驱动集成式轮边电驱动系统的汽车为例，左边轮边电驱动系统中的双转子电机的外转子120接收到整车控制器传来的驱动力矩指令，双转子电机外转子120开始转动并输出动力，输出动力至输入齿轮710，经过输入齿轮710和输出齿轮720的啮合传递的减速增矩作用后，动力传输到了输出轴上，动力再经由输出轴730、内万向节411、内半轴410、外万向节421及外半轴420传递至车轮500，驱动车轮行驶。当汽车需要转向时，双转子电机内转子110接收到转向系统控制器传来的控制指令，双转子电机内转子110受控转动，内转子110通过花键带动滚珠丝杠机构的丝杠220转动，通过滚珠丝杠机构中滚珠的作用，将丝杠220的旋转运动转换为了滚珠丝杠机构螺母230的轴向直线移动，滚珠丝杠机构螺母230通过球铰链拉动连接的横拉杆300运动，横拉杆300再通过球铰链拉动连接的转向节400运动，使转向节绕车轮主销产生转动。同理，控制右边轮边电驱动系统中的双转子电机的内转子受控转动，同样可以控制右边车轮转过相同或不同的角度，即实现了汽车的后轮线控转向功能。

一种具有转向与驱动集成式轮边电驱动系统的车辆，包括偶数个转向与驱动集成式轮边电驱动系统，转向与驱动集成式轮边电驱动系统分别驱动两侧的对应位置的车轮。

本发明所述的转向与驱动集成式轮边电驱动系统由于集成了轮边独立驱动和转向系统，可以利用左右轮驱动力差值产生间接地差动助力转向力矩，降低了其双转子电机内转子用于转向的输出功率，实现转向节能。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种转向与驱动集成式轮边电驱动系统，其特征在于，包括：

双转子电机，具体包括，

外转子；

内转子；

外壳，其内具有容置空间，用于布置外转子和内转子，所述内转子的通过轴承支撑在外转子内端面上；

永磁体，其设置在所述外转子内侧和外侧表面上；

定子，其固定在所述外壳内表面上；

励磁绕组，其固定在所述定子上，通以电流用以产生磁场；

电枢绕组，其安装在所述内转子上；

其中，所述内转子和所述外转子都能够实现独立自由转动；

滚珠丝杠结构，其包括相互丝杠副配合的滚珠、丝杠和螺母，所述丝杠的一端连接所述内转子的输出轴，能够在所述内转子的驱动下转动，以使所述螺母沿所述丝杠轴向移动；所述螺母的外伸端铰接转向横拉杆；

减速齿轮组，其输入端连接所述外转子输出轴，输出端连接驱动半轴；

轮边驱动装置壳体，其布置在车架上，其内部安装有所述双转子电机和所述减速齿轮组，实现所述双转子电机的固定和冷却，以及为所述减速齿轮组提供支撑和润滑；

限位端盖，其为法兰型的圆柱体，固定设置在所述轮边驱动装置壳体一端，所述限位端盖圆柱体部分具有矩形长槽；

所述螺母外侧具有矩形凸耳，所述矩形凸耳能够沿所述矩形长槽滑动，并限制所述螺母转动。

2.根据权利要求1所述的转向与驱动集成式轮边电驱动系统，其特征在于，所述外转子包括牙嵌式相互配合的主体和端盖，所述内转子通过前后轴承支撑嵌套在所述主体和端盖形成的容置空间中，其输出端从容置空间中穿出连接所述内转子输出轴。

3.根据权利要求1所述的转向与驱动集成式轮边电驱动系统，其特征在于，所述减速齿轮组包括：

输出轴，其与所述驱动半轴铰接；

输入齿轮，其固定在所述外转子输出轴上；

输出齿轮，其套设在所述输出轴上，并与所述输入齿轮啮合。

4.根据权利要求根据权利要求3所述的转向与驱动集成式轮边电驱动系统，其特征在于，所述输入齿轮包括沿着轴向凸起延伸的圆环凸缘，所述圆环凸缘可旋转支撑在所述双转子电机壳体上。

5.根据权利要求1所述的转向与驱动集成式轮边电驱动系统，其特征在于，所述丝杠外圆柱面上具有半圆弧形螺旋槽，所述螺母内孔中具有与所述丝杠相同的螺旋槽，所述丝杠与所述螺母配合形成滚珠滚道。

6.一种具有转向与驱动集成式轮边电驱动系统的车辆，其特征在于，包括偶数个如权利要求1所述的转向与驱动集成式轮边电驱动系统，所述系统分别驱动两侧的对应位置的车轮，实现了各个车轮的独立转向和各轮独立驱动。