用于平衡具有集成电动机的车轮的方法
阅读说明：本技术 用于平衡具有集成电动机的车轮的方法 (Method for balancing a wheel with an integrated electric motor ) 是由 沃特·詹森 贾宁·马尔科维奇 阿里·约翰尼斯·范·德·哈姆 于 2019-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种平衡电动汽车的车轮组件的方法,其中,车轮组件包括轮内马达。车轮组件(其上装有轮胎)通过轮内马达自转,不平衡通过车轮上的传感器测量,而角度方位由方位传感器确定。然后,汽车中的控制单元确定平衡车轮所需的位置和重量。(The invention relates to a method of balancing a wheel assembly of an electric vehicle, wherein the wheel assembly comprises an in-wheel motor. The wheel assembly (with the tire mounted thereon) is spun by the in-wheel motor, the imbalance is measured by sensors on the wheel, and the angular orientation is determined by the orientation sensors. The control unit in the car then determines the position and weight required to balance the wheels.)
技术领域
本发明涉及一种用于平衡车轮组件的方法，车轮组件显示有轮辋，车轮组件包括：
安装在所述轮辋上的轮胎，
至少在平衡期间，车轮组件由平衡马达旋转，
至少在平衡期间，车轮组件与用于测量车轮组件的不平衡的不平衡传感器接触，并且至少在平衡期间，车轮组件与确定车轮组件的角度方位的方位传感器接触，
平衡包括添加和/或移除一个或多个配重，
方法包括重复执行以下步骤：
通过平衡马达使轮辋自转加快的步骤，
在通过平衡马达使车轮组件及其上安装的轮胎旋转的同时，使用不平衡传感器测量不平衡，并且使用方位传感器测量不平衡的方位的步骤，
确定不平衡在预设转速或转速范围条件下是否低于预设水平的步骤，
如果确定步骤的结果是不平衡预设转速或转速范围条件下高于预设水平，
使用来自不平衡传感器和方位传感器的数据确定和指示一个或多个配重的质量和位置的步骤，
停止车轮组件的旋转的步骤，
在指示位置向车轮组件添加或移除一个或多个平衡块的步骤，
直到确定步骤的结果是，不平衡在预设转速或转速范围条件下低于预设水平，并且车轮组件的旋转停止，其中这些步骤中的一个或多个可以显示与另一步骤在时间上有重叠。
背景技术
当轮胎安装在车轮上时，两者的组合通常不平衡。这是由于轮胎和轮辋的不对称性、轮胎气门嘴的存在等引起的。当在驾驶汽车时使用这种不平衡的车轮/轮胎组合时，会导致振动、轮胎的不均匀磨损等。因此，在更换轮胎后或在损坏(例如车轮凹陷)后，应对装有轮胎的车轮进行平衡。
传统的车轮显示有安装在车轴轮毂上的零件。车轴轮毂在节圆直径上显示了几个双头螺栓，而车轮则显示了几个相应的螺栓孔。尽管已知其他数量，但对于客车，双头螺栓的数量通常在4-6之间，而对于卡车则为10。传统的车轮还显示有用于安装轮胎的轮辋。车轮通过多个螺母安装在车轴轮毂上。
在几乎所有出售轮胎的车库中，都可以容易地获得用于平衡安装有轮胎的传统车轮的专用机械。从授予Rothamel等人的欧洲专利申请EP0694775(A2)已知这种机器[-1-]。这种机器的工作方式如下：安装有轮胎的车轮被安装在该机器上，并通过平衡马达(通常是电动机)自转，并且该机器指示不平衡和不平衡的定向。不平衡的量被转换为要安装在某个直径(通常是轮辋直径)上的质量。以手动方式，将例如由狭窄锌块制成或由胶粘不锈钢块制成的配重以指定的定向安装在轮辋上。重复该过程，直到不平衡量在预设转速或速度范围上低于设定值为止。
注意，不平衡传感器可以例如是振动传感器、速度传感器或加速度传感器。方位传感器可以是里程表的一部分，或者可以是专用的独立传感器等。
当使用轮内马达时，这意味着该马达应安装在轮辋的直径内。这样的轮内马达例如由Elaphe Propulsion Technologies Ltd.的其M700马达已知(http://in-wheel.com/product-cateaorv/motors/)已知。这种轮内马达具有定子、转子，且通常具有制动系统(盘式制动器或鼓式制动器)。电线圈在定子上产生旋转电磁场，而转子则具有许多永磁体。旋转电磁场与永磁体之间的相互作用在转子上施加扭矩，从而导致车轮组件的旋转。轮内马达非常重，这意味着“簧下质量”(置于地面和悬架系统之间的质量)非常高，与使用传统的车轮组件(不带轮内马达)相比，需要更复杂的悬架系统和/或更重的悬架系统。轮内马达仍然具有诸如高效率的若干优点，使得这种马达成为例如在全电动汽车中使用的主要候选者。
当使用轮内马达时，转子通常延伸至轮内马达的外径。为了降低簧下质量，已知将车轮组件的轮辋直接安装在转子上，从而省去了用于将轮辋连接到车轴轮毂的所有其他零件。这种不具有将车轮连接至车轴轮毂的零件的车轮另外称为“轮辋-车轮”。轮内马达上省去的零件是用于轮辋居中的圆盘或至少辐条，以及与该圆盘或辐条相关的质量(其必须显示出对于作用在车轮组件上的静态和动态力的结构强度)。它还消除了在轮辋-车轮上的圆盘或辐条，该圆盘或辐条连接到轮辋并形成带有螺栓孔的中央部分，该圆盘或辐条还显示出对于作用在车轮组件上的静态和动态力的结构强度。取消这些显示出结构强度的零件又会导致车轮组件的所谓“簧下”质量降低。
注意，可能需要覆盖轮辋-车轮的整个直径的盖，以遮蔽轮内马达的内部免受灰尘、湿气等的影响。然而，这可能是重量较轻的盖，因为它不需要显示出对于作用在车轮组件上的静态和动态力的结构强度。
还应注意，轮辋-车轮中的轮辋可以用几个螺栓安装在转子上，或者轮辋可以与转子成一体。
当平衡这样的轮辋-车轮时会出现问题：大多数车库商店不具有配备成接受这种轮辋-车轮的平衡机。
一种解决方案是在汽车上安装适配器，轮辋安装在该适配器上，并且显示要安装在车轴轮毂上的装置(前提是轮辋未与转子成一体)。这将使轮辋-车轮可以安装在传统平衡机上。但是，这种适配器占用空间、重量等。
另一个问题是，传统平衡方法所平衡的是车轮和轮胎的组合(在具有适配器的情况下：轮辋-车轮、轮胎和适配器的组合)，而不是轮辋-车轮、轮胎和轮内马达的组合。
在SAE Int.J.Mater.Manuf.4(1):1036-1047,2011中的Lu,J.等人的“使用ABS车轮速度传感器的实时轮胎不平衡检测”(https://doi.org/10.4271/2011-01-0981)[-2-]中，描述了一种通过ABS传感器检测振动来检测行驶状态下的轮胎不平衡的方法。ABS传感器的信号被滤波并相互比较。尽管此方法可以帮助了解不平衡的程度，但该公开并未提及如何将其转换为配重的质量和方位。
发明内容
鉴于上述现有技术以及当将现有技术与具有轮辋-车轮和轮内马达的车轮组件组合时出现的问题，做出本发明。
为了解决该问题，本发明提供了一种用以克服这些问题的方法和车辆。
为此，根据本发明的方法的特征在于：
车轮组件包括轮内电动机，轮内电动机显示有定子和转子，转子连接到轮辋或与轮辋集成，
平衡马达是轮内电动机，
转子至少在平衡期间可自由旋转，
不平衡传感器被永久性安装在定子上，并且
方位传感器被永久性安装在车轮组件上。
通过使用作为平衡马达的轮内马达以及内置的不平衡传感器和方位传感器，可以在安装有轮胎的轮辋安装在汽车上的状态下进行所有平衡。这意味着所要平衡的是轮胎和车轮组件(包括轮内马达)的组合，这是优于常规方法的优点。
在本发明的方法的实施例中，不平衡传感器(5)是选自振动传感器、加速度传感器和速度传感器的组中的传感器。
在本发明的方法的另一个实施例中，车轮组件还包括选自盘式制动器和鼓式制动器的组中的制动系统。
在使用电动机的车辆中，通常在制动时使用电制动来回收动能。但是，从法律上讲，要求多个车轮配备有制动系统：该制动系统在车辆不运动时也起制动器的作用，例如传统鼓式制动器或传统盘式制动器。对于客车，应具有这种传统制动系统的车轮数量至少为四个。由于这通常是客车具有的车轮数量，因此所有车轮都在电制动系统上都需要传统制动系统。
在本发明的方法的又一个实施例中，方位传感器是从用于驱动轮内马达的电信号中得出角度方位的传感器。
在本发明方法的再一个实施例中，轮内马达是选自轴向磁通永磁马达、径向磁通永磁马达，磁阻马达和电感马达的轮内马达
在本发明的一个方面，一种配备有车轮组件的电动汽车，该车轮组件包括轮内电动机，该轮内电动机显示有转子和定子，
其特征在于：
车轮组件包括不平衡传感器和用于确定车轮组件的角度方位的方位传感器，
车辆配备有控制单元(CU)，该CU被配备用以给轮内马达供电，并处理来自不平衡传感器和方位传感器的数据，并且车辆配备有用以向用户提供信息的显示器，
该CU被编程以执行以下步骤：
使轮内马达自转加快的步骤，
在通过轮内马达使车轮组件旋转时，使用不平衡传感器测量不平衡，并且使用方位传感器测量不平衡的方位的步骤，
使用来自不平衡传感器和方位传感器的数据确定并显示一个或多个配重的质量和位置，或者指示不平衡在预设转速或转速范围条件下低于预设水平的步骤，
使用来自不平衡传感器和方位传感器的数据进行质量处理，
停止车轮组件的旋转的步骤，
在根据本发明的车辆的实施例中，不平衡传感器是选自振动传感器、加速度传感器和速度传感器的组中的传感器。
在根据本发明的车辆的另一实施例中，车轮组件还包括选自盘式制动器和鼓式制动器的组中的制动系统。
在根据本发明的车辆的又一个实施例中，方位传感器从用于驱动轮内马达的电信号中得出角度信息。
在根据本发明的车辆的再一个实施例中，轮内马达是选自轴向磁通永磁马达、径向磁通永磁马达、磁阻马达和电感马达中的轮内马达。
附图说明
现在使用附图阐明本发明，其中相同的附图标记指示相应的特征。为此：
图1示意性地示出了其上安装有轮胎的传统车轮的横截面，
图2示意性地示出了轴向磁通永磁机的横截面，
图3示意性地示出了具有轮辋-车轮的轮内马达的横截面，
图4示意性地示出了传统平衡方法的流程图，以及
图5示意性地示出了根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
图1示意性地示出了其上安装有轮胎的传统车轮的横截面。图1示意性地示出了传统车轮100的横截面，该车轮显示有轮辋102，轮胎103安装在轮辋上。例如，这种车轮用在具有中央马达(诸如内燃机)的汽车中，以及用在配备有燃烧机和中央电动机的大多数混合动力汽车中。车轮通过多个螺母104-i安装在车辆上，这些螺母被栓接在从车轴轮毂106挤出的对应双头螺栓105-i上。尽管已知其他数量的双头螺栓和螺母，但双头螺栓且因此螺母的数量对于客车在四至六变化，而对于卡车通常等于十。
车轮可以是圆盘轮，其显示为有多个通风孔的板，或者可以是辐条轮，其中轮辋经由多个辐条连接到车轮中心。
注意，传统的车轮不需要具有制动系统，因为制动可以在传动系中的另一位置进行。在大多数情况下，制动系统放置在(可旋转的)车轴轮毂上。
图2示意性地示出了轴向磁通永磁马达(AFPMM)的横截面。图2示意性地示出了AFPMM 200。例如从欧洲专利公开EP3245718A1中已知这种AFPMM。这种机器显示出固定轴线202，定子204绕固定轴线202延伸，并且转子206可绕固定轴线202旋转。定子和转子通过轴承208-1和208-2安装在彼此上，轴承208-1和208-2必须承受沿着轴线204的以及垂直于轴线204的力。在定子中，安装有一系列的电磁体212-i。这些电磁体被线圈214-i磁化(激励)。电磁体的极靴由例如晶粒取向硅铁的层叠堆叠制成。选择晶粒取向硅铁是基于其磁性特性。需要层叠，是因为沿轴线方向定向的线圈磁场的频率是约1kHz。例如镍铁(镍铁)的巨大极靴会由于涡流而表现出损耗。转子206显示有多个永磁体210-j。(变化的)电磁体212-i和永磁体210-j的吸引和排斥导致转子相对于定子的转矩。
注意，电磁体的数量不等于(两倍于)永磁体的数量。
尽管定子被示为从轴线延伸到电磁体的块状盘，但不必须如此：定子可以局部减小厚度或配备孔，或者有利地，定子的一部分是非金属的以避免在永磁体附近产生涡流。已知将电磁体嵌入例如尼龙制成的环中，该环具有切口，电磁体固定在切口中。可以用胶水或树脂实现固定。
已知用于该马达(AFPMM)的许多替代方案，并且已知其他的马达类型(例如，径向磁通永磁马达、磁阻马达等)，所有这些对于本发明都是同样可行的。
图3示意性示出了具有轮辋-车轮的轮内马达的横截面。图3可以认为是从图2派生而来的。它示意性地显示了具有轮辋-车轮的如图2所示的轮内马达的横截面。轮辋-车轮被减少到多个双头螺栓302，轮辋304用螺栓306栓接在其上。轮胎103安装在轮辋上。使用传统平衡机无法平衡该轮辋，因为螺栓的螺距和数量与将传统车轮安装在车轴轮毂上的螺栓的螺距和数量(见图1)大不相同。
一种解决方案是为每辆汽车配备适配器。但是，这将总是意味着汽车的额外质量和空间，并且将要平衡的是轮内马达、轮辋-车轮和适配器的组合，而不是轮内马达、轮辋-车轮和轮胎的组合。
由于不能在传动系中的其他位置进行制动，因此制动盘308通过多个螺栓310安装在转子206上。制动爪(未示出)可以安装在定子上。
应当指出，尽管可以将两者整合在一起，但此处显示的轮辋可与转子分离。然而，这将使更换轮胎变得更困难，并且可能意味着仅为了更换轮胎而拆卸车轮和轮内马达。
图4示意性地示出了传统平衡方法的流程图。使用传统平衡机的这种技术是众所周知的，并且几乎其中每个修理或更换轮胎的车库都具有这种平衡机。该平衡机至少具有用以使车轮自转加快以及自转减慢的马达(在大多数情况下为电动机)、不平衡传感器、方位传感器以及用于根据这些传感器的信号以及手动输入状态(特别是，在其上安装配重的半径)进行确定的处理器。
在步骤400，将轮胎103安装在车轮100(的轮辋102)上。注意，这是通常输入，但是有时跳过该步骤，这对于本发明不是必需的。轮胎可以是新轮胎、修理过的轮胎或回收的轮胎。也可能是用具有其他橡胶化合物(用于不同温度范围)或具有其他轮廓的轮胎来更换轮胎。
在步骤402，将其上安装有轮胎的车轮安装在传统平衡机上。这是众所周知的技术，不需要进一步说明。
在步骤404，使车轮自转加快，直到其以预设转速旋转。首先，转速是较低的，以避免车轮的危险振动，该危险振动可能使车轮和平衡机之间的安装架过载，从而导致危险情况。通常，转速会逐步增加，每一步增加后都要进行测量，以确定情况是否超出安全应对范围。
在步骤406，测量不平衡。应当指出，如前所述，如果转速和不平衡的组合低于某些值，则通常会增加步骤404的转速。
在步骤408，确定不平衡是否在规格要求内。如果不平衡在规格要求内，则不需要进一步平衡，并且下一步是步骤416，否则该方法继续进行步骤410。
在步骤410，将所测量的不平衡转换为配重的质量以及必须设置在某个半径(通常是轮辋半径)上的角度位置，并且显示此信息以便机械师选择重物并通过例如压接或粘合来附接该重物。
在步骤412，车轮自转减慢，以便可以进行操作。
在步骤414，添加具有如平衡机显示的质量和定向的配重。通常，然后返回步骤404来检查平衡。
在步骤416，在确定不平衡处于预设极限内之后达到此步骤，车轮停止。
在步骤418，将车轮从平衡机上取下。
然后在步骤420，将车轮安装在汽车上。现在检查平衡，但要注意瑕疵。
注意，在该示意性过程中，步骤被描绘为单独的步骤。但是，这些步骤可以重叠地和/或同时地执行。例如，步骤410和步骤412可以很好地同时执行。还应注意，步骤404-412和步骤416由平衡机(作为其一部分的控制单元)执行。
图5示意性地示出了根据本发明的方法的流程图。
在图5中，示出了根据本发明的方法的示意性流程图。可以认为图5源自图4。
在步骤500，类似于步骤400，将轮胎安装在轮辋-车轮上。
在步骤502，类似于步骤402，将安装有轮胎的轮辋-车轮安装在轮内马达的转子上。
在步骤504，类似于步骤404，通过轮内马达使轮辋-车轮自转加快。要注意的是，为了使其成为可能，车轮必须脱离“地面”并且可以自由旋转。
在步骤506，类似于步骤406，使用来自不平衡传感器312的数据来测量不平衡。这可以是振动传感器、加速度传感器或速度传感器。不平衡传感器的信号必须与角度位置相关，因此也需要用以确定角度方位的方位传感器。例如，这可以是磁传感器，其中包括磁体的一部分安装在转子上，而另一部分安装在定子上，或者反之。替代地，角度方位可以从用以驱动轮内马达的电信号中得出(或由其产生)。
在步骤508，类似于步骤408，确定不平衡是否在规格要求内。如果不平衡在规格要求内，则不需要进一步平衡，并且下一步骤是步骤516，否则该过程继续步骤510。
在步骤510，类似于步骤410，所测量的不平衡被转换为质量和角度位置并被显示。
在步骤512，类似于步骤412，车轮自转减慢，以便可以进行操作。
在步骤514，类似于步骤414，添加具有如由平衡机显示的质量和定向的配重。然后，通常返回到步骤404来检查平衡。要注意的是，重物不必要放置(压接，胶粘)在轮辋上，而是也可以采用例如将重物(诸如具有预定质量的螺钉)拧紧在转子中的形式。为此，转子可以在不同半径处配备有多个螺孔。
在步骤516，类似于步骤416，车轮停止，并且该方法结束。
注意，除了步骤514之外，步骤504-516优选由车辆中的控制单元(CU)执行，该CU配备用以给轮内马达供电，并且处理来自不平衡传感器和方位传感器的数据，并且基于从传感器得出的数据得出不平衡状态。
尽管相对于实施例说明了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以做出许多其他可能的修改和变化。因此，可以预期，本发明的权利要求覆盖了落入本发明真实范围内的这些修改和变型。尤其是，可以改变本发明的程序步骤的顺序和可能的时间重叠，而不背离本发明的范围。
引用文献
[-1-]Rothamel等人的欧洲专利申请EP0694775(A2)
[-2-]SAE Int.J.Mater.Manuf.4(1):1036-1047,2011,Lu,J.、Filev,D.和Johnson,L的“使用ABS车轮速度传感器的实时轮胎不平衡检测(Real-time TireImbalance Detection Using ABS Wheel Speed Sensors)”，https://doi.org/10.4271/ 2011-01-0981