轮毂电机和转向电机互为冗余的车轮总成及其控制方法

技术领域

本发明涉及电动轮技术领域，具体涉及一种轮毂电机和转向电机互为冗余的车轮总成。

背景技术

电动车轮总成是电动汽车的核心装置之一，电动车轮总成将轮毂电机与传动、制动、转向装置都合并为一体，简化掉了传统汽车中的变速器、离合器、传动轴、差速器等，直接将驱动力传递给车轮，使得车辆的空间利用率和传动效率大大提高。但是电动车轮总成的技术难点在于安装空间狭小，部件的安装需要耗费较大的工时，尤其是目前的电动车轮总成大多数将转向电机布置在悬架的支撑臂附近，占用了大量的安装空间，不利于电动车轮总成的集成化。

另外，现有的电动车轮总成中，车轮的转动和转向分别只由一个轮毂电机和一个转向电机驱动，如若电机出现故障，则会对驾驶员的安全带来严重的后果。而如果单纯地为轮毂电机和转向电机都增加备用电机的话，又需要很大的安装空间来进行布局，与电动车轮总成集成化、紧凑化的设计理念相悖。

发明内容

因此，针对上述问题，本发明提出一种轮毂电机和转向电机互为冗余的车轮总成，基于该车轮总成，还提出其控制方法。

本发明采用如下技术方案实现：

本发明提出轮毂电机和转向电机互为冗余的车轮总成，包括车轮、轮毂电机、转向电机、减速器和悬架系统，轮毂电机与车轮的轮毂传动连接以驱动车轮转动，转向电机通过减速器与悬架系统传动连接以驱动车轮转向，所述轮毂电机和转向电机同轴地并排设置在车轮的轮毂腔内，所述减速器是直角减速器以将转向电机输出的动力进行90度变向后传递至悬架系统。

其中，优选还包括第一电控离合装置、第二电控离合装置和第三电控离合装置，车轮的轮毂包括转轴，轮毂电机包括输出其转矩的第一电机轴，转向电机包括输出其转矩的第二电机轴，减速器包括动力输入轴，所述转轴、第一电机轴、第二电机轴和动力输入轴依次同轴设置，转轴和第一电机轴第一端通过第一电控离合装置可分离地传动连接，第一电机轴第二端和第二电机轴第一端通过第二电控离合装置可分离地传动连接，第二电机轴第二端和动力输入轴通过第三电控离合装置可分离地传动连接。

其中，优选车轮总成还包括电机壳体和制动器，所述轮毂电机和转向电机均容置在所述电机壳体内，所述制动器安装在所述电机壳体与车轮的轮毂之间。

其中，优选所述轮毂电机和转向电机的外径相当，所述电机外壳呈一圆柱形结构。

其中，优选所述减速器包括箱体，所述箱体固定安装在所述电机壳体上。

其中，优选所述悬架系统包括上摆臂、上支撑臂、下摆臂和下支撑臂，所述上摆臂和下摆臂在竖直方向上一上一下布置，所述上摆臂一端与车架固定连接，另一端与上支撑臂通过球头连接，所述上支撑臂还与电机壳体固定连接；所述下摆臂一端与车架固定连接，另一端与下支撑臂铰接且铰接轴为沿水平方向，所述下支撑臂和减速器输出轴通过轴销连接，在所述下支撑臂和减速器输出轴之间设有止推轴承。

本发明还提出轮毂电机和转向电机互为冗余的车轮总成的控制方法，采用如上所述的轮毂电机和转向电机互为冗余的车轮总成，首先判断轮毂电机和转向电机是否正常工作，若轮毂电机和转向电机均正常工作，则常闭的第一电控离合装置和第三电控离合装置保持在结合状态，常开的第二电控离合装置保持在分离状态，轮毂电机驱动车轮转动，转向电机驱动车轮转向；若轮毂电机出现故障，而转向电机正常工作，则控制常闭的第三电控离合装置切换至分离状态，常开的第二电控离合装置切换至结合状态，第一电控离合装置继续保持在结合的状态，由转向电机临时驱动车轮转动；若转向电机出现故障，而轮毂电机正常工作，则控制常闭的第一电控离合装置切换至分离状态，常开的第二电控离合装置切换至结合状态，第三电控离合装置继续保持在结合的状态，由轮毂电机临时驱动车轮转向。

其中，优选地，若轮毂电机出现故障，而转向电机正常工作，且发生故障的是后车轮时，则判断后车轮是否处在转向的状态，若车轮处在转向的状态，则先控制转向电机先驱动车轮摆正，之后控制常闭的第三电控离合装置切换至分离状态，常开的第二电控离合装置切换至结合状态，第一电控离合装置继续保持在结合的状态，由转向电机临时驱动车轮转动；若车轮不处在转向的状态，则直接控制常闭的第三电控离合装置切换至分离状态，常开的第二电控离合装置切换至结合状态，第一电控离合装置继续保持在结合的状态，由转向电机临时驱动车轮转动。

本发明具有以下有益效果：本发明将轮毂电机和转向电机同轴并排设置在车轮的轮毂腔内，有效利用了轮毂腔的内部空间，使轮毂电机和转向电机的布置十分紧凑，减小了车轮总成的空间占用。通过设置第一电控离合装置、第二电控离合装置和第三电控离合装置，在保持轮毂电机和转向电机布局紧凑的情况下轮毂电机和转向电机还能互为安全冗余备份，大幅提高了车辆驾驶的安全性。

附图说明

图1是实施例中轮毂电机和转向电机互为冗余的车轮总成的示意图；

图2实施例中轮毂电机和转向电机互为冗余的逻辑表格图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

参阅图1所示，作为本发明的优选实施例，提供一种轮毂电机和转向电机互为冗余的车轮总成，包括车轮1以及用于驱动车轮1进行转动的轮毂电机2、用于驱动车轮1进行转向的转向电机3，其中，轮毂电机2和转向电机3同轴地并排设置在车轮1的轮毂腔15内，转向电机3的输出轴与减速器5传动连接，该减速器5是直角减速器，即减速器5的输入轴和输出轴呈90度直角分布，从而减速器5不仅能够能将转向电机3输出的力矩增扭、减速，还能将转向电机3输出的动力进行90度变向后传动给悬架系统，从而实现车轮1的转向功能。本实施例将轮毂电机2和转向电机3同轴并排设置在车轮1的轮毂腔15内，有效利用了轮毂腔15的内部空间，使轮毂电机2和转向电机3的布置十分紧凑，减小了车轮总成的空间占用，有利于车轮总成的制造、装配和运输。且由于轮毂电机2和转向电机3并排设置，二者的径向空间互不干涉，轮毂电机2和转向电机3的电机定子、转子都可以以较大的直径规格来设计，能够提高轮毂电机2和转向电机3的输出转矩。本实施例中，轮毂电机2和转向电机3的外径相当，既保证轮毂电机2和转向电机3具有较大的输出转矩，两者的安装和配合也更为容易。

本实施例的车轮总成还包括第一电控离合装置16、第二电控离合装置6和第三电控离合装置7，车轮1的轮毂包括转轴101，轮毂电机2包括输出其转矩的第一电机轴201，转向电机3包括输出其转矩的第二电机轴301，减速器5包括动力输入轴501。转轴101、第一电机轴201、第二电机轴301和动力输入轴501依次同轴设置，转轴101和第一电机轴201第一端通过第一电控离合装置16可分离地传动连接(所述的可分离地传动连接，即第一电控离合装置16具有“分离”和“结合”两种状态以控制第一电机轴201和转轴101的连接状态，第一电控离合装置16能够结合以使转轴101和第一电机轴201传动连接从而传递转矩，也能够分离以解除转轴101和第一电机轴201的传动连接，下面第二电控离合装置6和第三电控离合装置7的功能类似，不再重复描述)，第一电机轴201第二端和第二电机轴301第一端通过第二电控离合装置6可分离地传动连接，第二电机轴301第二端和动力输入轴501通过第三电控离合装置7可分离地传动连接。其中，在车辆正常行驶的情况下，第一电控离合装置16和第三电控离合装置7是常闭的(即车辆正常行驶的惯常状况下，保持在结合状态)，第二电控离合装置6是常开的(即车辆正常行驶的惯常状况下，保持在分离状态)，此时转向电机3和轮毂电机2互不干涉，轮毂电机2向车轮1传动，转向电机3向减速器5传动进而向悬架系统传动，轮毂电机2和转向电机3各自完成车轮1的转动和转向的工作。但若转向电机3和轮毂电机2的其中一个电机出现突发故障，则另一个电机可以提供紧急的动力支援，暂时承担故障电机的工作，也就是转向电机3和轮毂电机2二者互为冗余。具体的：

1.若轮毂电机2故障、转向电机3正常工作，则可通过电气控制系统控制第三电控离合装置7切换至分离状态，第二电控离合装置6切换至结合状态，第一电控离合装置16则不进行切换，继续保持在结合的状态，此时第二电机轴301的动力反向传递给转轴101，由转向电机3来驱动车轮1转动；

2.若转向电机3故障、轮毂电机1正常工作，则可通过电气控制系统控制第一电控离合装置16切换至分离状态，第二电控离合装置6切换至结合状态，第三电控离合装置7则不进行切换，继续保持在结合的状态，此时第一电机轴201的动力反向传递给动力输入轴501，由轮毂电机2来驱动车轮1转向。

其中，作为一种特殊情况，如果是处在转向状态的后轮的轮毂电机2发生故障，则控制后轮的转向电机3先将后轮摆正，再通过切换电控离合装置的状态以把第二电机轴301的动力反向传递给转轴101来驱动车轮1转动，此时后车轮回正，后车轮在转向电机3的支援下依然具有前进的动力，前车轮的转向功能正常，依然可以实现车辆的转向。通过这种优选的设计，车辆转过弯后还可以继续进行直线或转弯的行驶，留给驾驶人的反应时间更长。

本实施例中，轮毂电机2和转向电机3是否故障可以通过设置转速传感器来进行判断，车轮是否处在转向状态可以通过设置角度传感器来进行判断。

图2示出了转向电机3和轮毂电机2互为冗余的逻辑表格图，可配合参阅。

本实施例通过如上设置，使得轮毂电机2和转向电机3在布局结构十分紧凑的情况下还能互为安全冗余备份，即正常情况下轮毂电机2用于驱动，转向电机3用于转向，但在电机出现故障的特定工况下通过调控第一电控离合装置16、第二电控离合装置6和第三电控离合装置7可以实现轮毂电机2和转向电机3的相互协助功能，在其中一个电机出现故障时暂时性地维持车辆的运行状态，给予驾驶人充足的时间进行车况的判断、检查，大幅提高了车辆驾驶的安全性。

第一电控离合装置16、第二电控离合装置6和第三电控离合装置7在本实施例中采用汽车离合器为具体的实现方案。

本实施例中，车轮总成还包括电机壳体13和制动器4，轮毂电机2和转向电机3均容置在电机壳体13内，制动器4安装在电机壳体13与车轮1的轮毂之间，即电机壳体13与车轮1之间具有安装制动器4的安装空间。本实施例中，轮毂电机2和转向电机3的外径相当，因此电机壳体13是一个圆柱形结构，使得电机壳体13的制造以及装配更为方便。电机壳体13与车轮1的轮毂之间的安装空间既包括电机壳体13轴向上与轮毂的间隙，可用于安装制动盘、制动卡钳等，也包括电机壳体13径向上与轮毂的间隙，可用于供制动管路穿行。

减速器5是一直角锥齿轮减速器，其通过一对啮合的锥齿轮进行动力的90°变向，成本低且结构可靠。减速器5包括箱体14，该箱体14固定安装在电机壳体13上，以便于车轮总成整体的制造和安装。

悬架系统包括上摆臂8、上支撑臂9、下摆臂11和下支撑臂10，上摆臂8和下摆臂9在竖直方向上一上一下布置，上摆臂8一端与车架固定连接，另一端与上支撑臂9通过球头连接，上支撑臂9还与电机壳体固定连接；下摆臂11一端与车架固定连接，另一端与下支撑臂10铰接且铰接轴为沿水平方向，下支撑臂10和减速器5的输出轴通过轴销连接，在下支撑臂10和减速器5输出轴之间设有止推轴承12。当转向电机3发出转向力矩，经过减速器5进行减速增扭和改变方向后，通过减速器5的输出轴和下支撑臂10的销连接传递给下支撑臂10，但由于下支撑臂10无法以竖直方向为轴线转动，根据牛顿第三定律，转向力矩的反作用力矩转动车轮，达到线控转向的目的。下摆臂11和下支撑臂10沿水平方向的铰接则能够赋予车轮在竖直方向上的跳动自由度，使得车轮经过不平路面需要跳动时，具有一定的跳动余量。止推轴承12对轴向载荷的承载力好，能够防止车轮跳动时过大的载荷作用在下摆臂11和下支撑臂10上，提高结构强度。

基于上述的轮毂电机和转向电机互为冗余的车轮总成，本实施例还提出轮毂电机和转向电机互为冗余的车轮总成的控制方法，首先判断轮毂电机2和转向电机3是否正常工作，若轮毂电机2和转向电机3均正常工作，则常闭的第一电控离合装置16和第三电控离合装置7保持在结合状态，常开的第二电控离合装置6保持在分离状态，轮毂电机2驱动车轮1转动，转向电机3驱动车轮1转向；若轮毂电机2出现故障，而转向电机3正常工作，则控制常闭的第三电控离合装置7切换至分离状态，常开的第二电控离合装置6切换至结合状态，第一电控离合装置16继续保持在结合的状态，由转向电机3临时驱动车轮1转动；若转向电机3出现故障，而轮毂电机2正常工作，则控制常闭的第一电控离合装置16切换至分离状态，常开的第二电控离合装置6切换至结合状态，第三电控离合装置7继续保持在结合的状态，由轮毂电机2临时驱动车轮1转向。

其中，若轮毂电机2出现故障，而转向电机3正常工作，且发生故障的是后车轮时，则判断后车轮1是否处在转向的状态，若车轮1处在转向的状态，则先控制转向电机3先驱动车轮1摆正，之后控制常闭的第三电控离合装置7切换至分离状态，常开的第二电控离合装置6切换至结合状态，第一电控离合装置16继续保持在结合的状态，由转向电机3驱动车轮1转动。若车轮1不处在转向的状态，则直接控制常闭的第三电控离合装置7切换至分离状态，常开的第二电控离合装置6切换至结合状态，第一电控离合装置16继续保持在结合的状态，由转向电机3驱动车轮1转动。

通过如上的控制方法，使得轮毂电机2和转向电机3能互为安全冗余备份，即正常情况下轮毂电机2用于驱动，转向电机3用于转向，但在电机出现故障的特定工况下通过调控第一离合装置6和第二离合装置7可以实现轮毂电机2和转向电机3的相互协助功能，在其中一个电机出现故障时暂时性地维持车辆的运行状态，给予驾驶人充足的时间进行车况的判断、检查，大幅提高了车辆驾驶的安全性。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出的各种变化，均落入本发明的保护范围。