电动轮驱动-转向集成结构设计

王萌萌

（长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064）

前言

本文是以传统内燃机汽车作为研究对象，针对轮毂电机驱动型电动车存在的问题，提供集成驱动、悬架和转向功能的一体化电动轮，将轮毂电机、轮内悬架、转向电机、电机悬挂装置和轮毂装在车轮上，使车轮同时具备驱动、转向功能。

1 轮毂电机驱动汽车结构设计分析

轮毂电机驱动汽车的显著特点是将轮毂电机集成到汽车车轮的内部，通过轮毂电机直接驱动车轮运动，轮毂电机的质量与汽车的动力性息息相关。如图1所示，该种轮毂电机由电机定子、定子托架、电机转子、转子托架组成[1]。定子一般由定子铁芯、定子绕组、机座三部分组成，其中机座是用来支撑转子的，起到保护、散热的作用；转子由转子铁芯、转子绕组组成；此外，还包括端盖、轴承、风扇等部件。图2展示了一种轮毂电机驱动型电动轮的结构，其组成包括轮毂电机、轮胎、轮辋、轮毂、制动装置[2]。研究人员设计轮毂驱动电动轮汽车时，考虑到轮毂电机的散热问题，通常要将电机与轮胎隔开一段距离，如，用钢丝隔开，避免轮毂电机散热时影响轮胎正常工作、降低轮胎使用寿命。

图1 轮毂电机结构图

图2 电动轮结构图

目前，国内外还没有一款集独立驱动、转向、减振、制动系统于一体的电动轮产品，但是许多研究机构和汽车厂商都已经开始对这方面进行了相应的研制与开发[3]。就目前的资料来看，所研究的电动轮通常包含驱动、制动、减振等机构，但是并没有将转向机构集成进去。

2 电动轮驱动-转向集成结构

2.1 设计思路

针对轮毂电机驱动型电动车存在的问题，本文提供集成驱动、悬架和转向功能的一体化电动轮，将轮毂电机、轮内悬架、转向电机、电机悬挂装置和轮毂装在车轮上，使车轮同时具备驱动、转向功能。

本文研究的电动轮驱动-转向系统，包括轮毂、轮辋、轮辐、轮胎、轮毂电机、轮内悬架、转向电机等。轮胎固定于轮辋上，轮辋和轮毂通过轮辐相连，轮辐是一个圆形的罩板。该电动轮设计的显著特征之一在于，将转向电机放在轮内悬架的内部，而轮内悬架安装在圆形底板上，圆形底板与轮内支撑轴的一端相连，轮内支撑轴的另一端通过轴承与固设于轮毂中心的轮毂接头相连。该电动轮设计的第二个显著特征是，装有电机悬挂装置，轮毂电机与电机悬挂装置相连。

2.2 电动轮各部分结构设计及装配关系

根据上述设计思路，设计集成驱动、转向功能的一体化电动轮的结构，如图3所示：

（1）轮毂电机的结构，和大部分电机一样，其由电机罩壳、轮毂电机定子和轮毂电机转子组成的。电机罩壳包括内外套装的环形的外罩壳和内罩壳，轮毂电机定子安装在内罩壳的内壁上，转子安装在外罩壳的内壁上[4]。外罩壳的一端与挠性联轴盘相连，挠性联轴盘固定在轮辐上；内罩壳的外壁通过一个凸环与电机悬挂装置的环形底板相连。

图3 电动轮结构图

（2）电机悬挂装置包括环形底板、第一减振器和第一螺旋弹簧三部分。环形底板上安装有两根第一连接杆，两杆左右对称。第一连接杆的端头与第一减振器的上吊耳相连，上吊耳分别通过设于第一连接杆上的凸缘及双螺母轴向限位；第一螺旋弹簧外套于第一减振器，第一螺旋弹簧的上端与上弹簧座相连，第一螺旋弹簧的下端与下弹簧座相连。

（3）轮内悬架由第二减振器和第二螺旋弹簧两个主要部件组成。第二螺旋弹簧外套于第二减振器，第二减振器的上端与悬架连接轴的一端相连，悬架连接轴的另一端与圆形底板相连，第二减振器的下端与电动轮连接轴的一端相连，电动轮连接轴的另一端通过法兰盘与车架相连。

图4 第二减振器的剖视图

如图4所示，第二减振器为单筒式液压减振器，通过隔板分为上下两段腔体，上腔体内部设有转向电机，下腔体内充满工作液。减振器的上腔中，转向电机定子安装在上腔体内壁上，转向电机转子安装在活塞杆上。

考虑到转向电机易受粉尘和减振器下腔工作液的污染，对电动轮进行结构设计时特别注意电机的密封问题[5]：第二减振器的吊耳下方设有筒式的减振器防尘罩，其外套于第二减振器的顶部；减振器上腔体的内部顶端设有防尘板；分离上下腔的隔板上设有油封。

2.3 电动轮驱动-转向集成结构工作原理

图3和图4展示的是本论文研究的装有驱动-转向集成结构的电动轮，其工作原理为：

轮毂电机将动力通过挠性联轴盘直接传递到轮毂，无需减速机构，有利于降低轮毂电机的质量，实现电动轮的轻量化。轮毂电机内罩壳的外壁中部设有凸环，凸环用于连接电机悬挂装置的环形底板。电机悬挂装置由环形底板、第一减振器和第一螺旋弹簧三部分组成。轮毂电机除了起到原动机的作用，还起到副减振器的作用，通过合理匹配电机悬挂装置的质量、刚度、阻尼参数，可以抑制轮毂电机和车轮跳动量，改善汽车平顺性[6]。

轮内悬架为磁流变半主动悬架，由第二减振器和第二螺旋弹簧两部分组成。第二减振器为单筒式液压减振器，其上方有吊耳，吊耳的下方设有筒式的减振器防尘罩，并外套于第二减振器的顶部，其内部通过隔板分为上下两段腔体，隔板上设有油封。上腔体内部设有转向电机，其中，转向电机定子安设于上腔体内壁，转向电机转子安设于活塞杆上。为防止粉尘进入转向电机，上腔体的内部顶端还设有防尘板。当电动轮转向时，转向电机工作，转向电机转子带动活塞杆和吊耳绕活塞杆轴向旋转，悬架连接轴随之绕活塞杆轴向转动，从图2可以看出，悬架连接轴一端固定在圆形底板上，而圆形底板又通过轮内支撑轴与轮毂相连，所以车轮整体与悬架连接轴是连为一体的，当悬架连接轴绕活塞杆轴向转动时，车轮也跟着一起绕活塞杆转动，实现转向运动。下腔体内充满磁流变体作为工作液，开有数个阻尼孔的活塞设于下腔体内部，活塞的中心位置连接活塞杆的底端，活塞杆的顶端依次穿过隔板的中心孔和上腔体顶部中心孔与吊耳相连，吊耳与悬架连接轴相连，电磁线圈绕制在活塞上，通过活塞杆引出电源线，通过外源蓄电池提供不同大小的电流即可调节作为工作液的磁流变体的阻尼以改变减振器阻尼实现半主动悬架功能[7]。第二减振器的下端与电动轮连接轴的一端相连，电动轮连接轴的另一端通过法兰盘与车架相连。

3 结论

驱动--转向一体化电动轮具有控制简单、灵活、响应速度快、传动效率高、节省空间、节能环保、开发周期短、成本低、噪音小等众多优势。本文着重解决驱动--转向一体化电动轮结构设计与实现问题，具体开展几个方面的研巧：

（1）电动轮集成技术研究的背景和意义；

（2）了解国内外轮毂电机、一体化电动轮以及悬架的发展情况；

（3）通过对国内外大量有关电动轮文献的分析和研究，提出了集成驱动-转向系统于一体的电动轮设计方案。