СТУПИЦА КОЛЕСА С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ДВИГАТЕЛЕМ
WHEEL HUB WITH ELECTRIC MOTOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее раскрытие относится к оси переднего колеса рабочего транспортного средства и, в частности, к компактному расположению электрического двигателя в конечной передаче.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Рабочие транспортные средства, такие как самоходный грейдер, могут использоваться при строительстве и техническом обслуживании для создания плоской поверхности. При прокладывании дороги, самоходный грейдер может использоваться с целью подготовки земляного полотна для создания широкой плоской поверхности для укладки на него асфальта. Самоходный грейдер может содержать две или более осей, с двигателем и кабиной, расположенными над осями в заднем конце транспортного средства, и еще одну ось, расположенную на переднем конце транспортного средства. Между передней осью и задней осью к транспортному средству прикреплен отвал.
Настоящее раскрытие не направлено исключительно на самоходный грейдер, но вместо этого может распространяться также на другие механизированные транспортные средства. Однако, с целью иллюстрации и примера, настоящее раскрытие будет сфокусировано на самоходном грейдере. Например, на фиг.1 общепринятый самоходный грейдер 100, такой как Самоходный грейдер 772G, производимый и продаваемый Deere & Company, содержит переднюю и заднюю рамы 102 и 104, соответственно, при этом передняя рама 102 опирается на пару передних колес 106, а задняя рама 104 опирается на правый и левый соединенные комплекты задних колес 108. Кабина 110 оператора установлена на наклоненной вверх и вперед задней области 112 передней рамы 102 и содержит различные органы управления для самоходного грейдера 100, расположенные таким образом, чтобы находиться в пределах досягаемости сидящего или стоящего оператора, при этом данные органы управления содержат рулевое колесо 114 и узел 116 рычага. Двигатель 118 установлен на задней раме 104 и подает энергию для всех приводных компонентов самоходного грейдера 100. Например, двигатель 118 может быть выполнен с возможностью приведения в действие трансмиссии (не показано), которая установлена для приведения в действие задних колес 108 с различными выбираемыми скоростями и в режимах либо вперед, либо назад. Гидростатическая трансмиссия помощи передним колесам (не показано) может избирательно включаться для подачи энергии на передние колеса 106 известным в данной области способом.
В переднем местоположении передней рамы 102 находится тяговая рама 120, имеющая передний конец, универсально соединенный с передней рамой 102 посредством шарового шарово-гнездового узла 122, и имеющая противоположные правую и левую задние области, подвешенные на поднятой центральной секции 124 передней рамы 102 посредством правого и левого подъемных рычажных узлов, содержащих правый и левый выдвигаемые и втягиваемые гидравлические исполнительные механизмы 126 и 128, соответственно. Между поднятой секцией 124 рамы и задним местоположением тяговой рамы 120 находится узел соединения бокового смещения, который содержит выдвигаемый и втягиваемый боковой гидравлический исполнительный механизм 130 поворота. С передней рамой 102 соединен отвал 132, который приводится в действие посредством приводного двигателя 134 круга с регулируемым рабочим объемом.
Со ссылкой на фиг.2, более подробно показана передняя ось 200 общепринятого самоходного грейдера 100. Передняя ось 200 содержит первую сторону 202 и вторую сторону 204, с которой соединены передние колеса 106. Показана часть 206 передней рамы 102, в которой каждая из первой стороны 202 и второй стороны 204 содержит узел 208 конечной передачи. В данном общепринятом грейдере, в узле 208 конечной передачи расположен гидравлический двигатель (не показано) для приведения в действие соответствующего переднего колеса. Другими словами, на первом конце 202 и втором конце 204 передней оси 200 установлен гидравлический двигатель (не показано). С каждым гидравлическим двигателем соединена проводка и пучок 218 гидравлических шлангов, который проходит через переднюю раму 102 в разных местах. Пучок 218 также прикреплен к различным частям транспортного средства.
Для достижения полноценного движения, с передней рамой 102 и литыми деталями 214 наклона соединена тяга 210 наклона. На каждом конце передней оси 200 также расположена литая деталь 212 поворота, обеспечивающая передним колесам 106 возможность поворота вокруг оси поворота. На каждом конце рядом с узлом 208 конечной передачи также предоставлен ограничитель 216. Конфигурация передней оси 200 такова, что между поверхностью земли и осью 200 обеспечен достаточный просвет для содействия производительности транспортного средства.
Однако вводится новая технология для преобразования общепринятого самоходного грейдера в самоходный грейдер с электрическим приводом. Это касается не только самоходных грейдеров, но также и другие механизированные транспортные средства переделываются на электрический привод. Предыдущие попытки преобразования гидростатической системы в систему с электрическим приводом, в частности касательно самоходного грейдера, требуют переконфигурирования ступицы колеса и узла конечной передачи грейдера, чтобы вмещать электрический двигатель. Это обусловлено тем, что электрический двигатель больше по размеру (т.е., по диаметру и ширине) по сравнению с гидравлическим двигателем. Таким образом, установка электрического двигателя в общепринятый узел конечной передачи является проблематичной вследствие пространственных ограничений.
Вследствие этого существует необходимость в предоставлении компоновки ступицы колеса передней оси с измененной конфигурацией, которая содержит электрический двигатель и которая соответствует пространственным ограничениям без изменения конструкции ступицы колеса и литых деталей передней оси. Кроме того, необходимо предоставить компоновку, которая достигает полной производительности транспортного средства, включая возможность достижения необходимого поворота вокруг оси наклона и оси поворота на полный диапазон углов.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В иллюстративном варианте осуществления представленного раскрытия предоставлен узел конечной передачи для приведения в действие колеса машины. Узел конечной передачи содержит ступицу, имеющую наружную поверхность, выполненную с возможностью поддержки колеса, литую деталь цапфы, соединенную со ступицей, и подшипник, расположенный в ступице. Литая деталь цапфы по меньшей мере частично образует ось поворота, вокруг которой поворачивается колесо. Узел конечной передачи также содержит электрический двигатель, расположенный в подшипнике, при этом электрический двигатель расположен между литой деталью поворотной цапфы и ступицей.
В одном аспекте, узел конечной передачи содержит плавающее уплотнение, расположенное между литой деталью цапфы и ступицей, при этом уплотнение по меньшей мере частично окружает электрический двигатель. В еще одном аспекте узел конечной передачи содержит вал, соединенный с выходом электрического двигателя, и узел планетарной зубчатой передачи, соединенный с валом. Узел планетарной зубчатой передачи может содержать солнечную шестерню, водило и коронную шестерню, расположенные в ступице. В другом аспекте, и в отличие от общепринятых компоновок, ступица не заключает в себе поршень и узел сцепления.
В представленном варианте осуществления узел конечной передачи может содержать литую деталь наклона, соединенную с литой деталью цапфы и электрическим двигателем. Литая деталь наклона образует ось наклона, вокруг которой поворачивается колесо. Кроме того, между электрическим двигателем и литой деталью наклона может быть установлена торцевая пластина, при этом торцевая пластина образует по меньшей мере одно отверстие для доступа к электрической части двигателя. В конфигурации с компактным размещением, наружная поверхность ступицы образует первую плоскость, а торцевая пластина образует вторую плоскость, таким образом, чтобы при этом первая плоскость и вторая плоскость были, по существу, параллельны друг другу. Соответственно, ось поворота расположена параллельно и между первой и второй плоскостями. В родственном аспекте, подшипник содержит первый подшипник, отделенный промежутком от второго подшипника, при этом по меньшей мере один из первого подшипника и второго подшипника частично окружает электрический двигатель.
В еще одном варианте осуществления представленного раскрытия, предоставлен узел конечной передачи для электрического транспортного средства, при этом электрическое транспортное средство содержит по меньшей мере одно колесо. Узел конечной передачи содержит ступицу, выполненную с возможностью поддержки колеса, литую деталь цапфы, соединенную со ступицей, и литую деталь наклона, соединенную с литой деталью цапфы. Литая деталь цапфы по меньшей мере частично образует ось поворота, вокруг которой поворачивается колесо, а литая деталь наклона образует ось наклона, вокруг которой поворачивается колесо. Узел конечной передачи содержит подшипник, расположенный внутри ступицы, и электрический двигатель, соединенный с литой деталью наклона и расположенный между литой деталью цапфы и ступицей. Подшипник по меньшей мере частично окружает электрический двигатель.
В одном аспекте плавающее уплотнение расположено между литой деталью цапфы и ступицей таким образом, чтобы уплотнение по меньшей мере частично окружало электрический двигатель. В родственном аспекте между ступицей и подшипником по меньшей мере частично расположен кожух, а стопорная пластина расположена внутри ступицы и соединена с литой деталью цапфы. В данном случае кожух расположен между подшипником и стопорной пластиной. В еще одном аспекте ступица не заключает в себе поршень и узел сцепления. Однако, в другом варианте осуществления, узел конечной передачи может содержать торцевую пластину, установленную между электрическим двигателем и литой деталью наклона, при этом торцевая пластина образует по меньшей мере одно отверстие для доступа к электрической части двигателя.
В данном варианте осуществления наружная поверхность ступицы образует первую плоскость, а торцевая пластина образует вторую плоскость таким образом, чтобы первая плоскость и вторая плоскость были по существу параллельны друг другу. В данной конфигурации ось поворота расположена параллельно и между первой и второй плоскостями. Кроме того, подшипник содержит первый подшипник, отделенный промежутком от второго подшипника, при этом по меньшей мере один из первого подшипника и второго подшипника частично окружает электрический двигатель.
В другом варианте осуществления рабочая машина содержит переднюю ось, имеющую первый конец и второй конец, колесо, установленное на каждом из первого и второго концов, и узел конечной передачи, соединенный с каждым концом оси. Узел конечной передачи содержит ступицу, выполненную с возможностью поддержки колеса, литую деталь цапфы и литую деталь наклона. Литая деталь цапфы соединена со ступицей и литой деталью наклона, при этом литая деталь цапфы по меньшей мере частично образует ось поворота, вокруг которой поворачивается колесо, а литая деталь наклона образует ось наклона, вокруг которой поворачивается колесо. Узел конечной передачи также содержит первый подшипник и второй подшипник, расположенные внутри ступицы, и электрический двигатель, соединенный с литой деталью наклона и расположенный между литой деталью цапфы и ступицей. По меньшей мере один из первого подшипника и второго подшипника частично окружает электрический двигатель.
В одной форме данного варианта осуществления между литой деталью цапфы и ступицей расположено плавающее уплотнение таким образом, чтобы уплотнение по меньшей мере частично окружало электрический двигатель. В еще одной его форме узел конечной передачи не содержит узел сцепления. Кроме того, с электрическим двигателем соединена торцевая пластина. Торцевая пластина образует по меньшей мере одно отверстие для доступа к электрической части двигателя. В данной конфигурации ступица образует первую плоскость, а торцевая пластина образует вторую плоскость, при этом первая плоскость и вторая плоскость по существу параллельны друг другу. В дополнение, ось поворота расположена параллельно и между первой и второй плоскостями.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг.1 представляет собой вид сбоку общепринятого самоходного грейдера;
Фиг.2 представляет собой перспективное изображение передней оси общепринятого самоходного грейдера с фиг.1;
Фиг.3 представляет собой изображение в поперечном сечении ступицы колеса и узла конечной передачи для общепринятого самоходного грейдера;
Фиг.4 представляет собой перспективное изображение в частично разобранном виде узла конечной передачи с электрическим двигателем;
Фиг.5 представляет собой изображение в частичном поперечном сечении ступицы колеса и узла конечной передачи с фиг.4;
Фиг.6 представляет собой изображение в частично разобранном виде ступицы колеса и узла конечной передачи с фиг.5.
Для обозначения соответствующих деталей на нескольких изображениях используются соответствующие ссылочные номера.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
Варианты воплощения представленного раскрытия, описанные ниже, не предназначены быть исчерпывающими или для ограничения раскрытия точными формами в следующем подробном описании. Вместо этого, варианты осуществления выбраны и описаны таким образом, чтобы специалисты в данной области могли оценить и понять принципы и подходы представленного раскрытия.
Со ссылкой на фиг.2 и 3, общепринятый узел 208 конечной передачи может содержать узел 328 планетарной передачи, приводимый в действие гидравлическим двигателем 310. Узел 328 планетарной передачи содержит солнечную шестерню 320, водило и коронную шестерню 322 и ведомую шестерню 324. Двигатель 310 содержит вывод 318, который приводит в действие вал 316, к которому прикреплен узел 328 планетарной передачи. На фиг.3 показана часть общепринятой ступицы 300 колеса, имеющая наружную приводную ступицу 302. Как литая деталь 304 наклона, так и литая деталь 306 цапфы, показаны соединенными друг с другом и с приводной ступицей 302. Ось 308 наклона образована относительно литой детали 304 наклона, а ось 326 поворота образована относительно литой детали 306 цапфы по линии A-A, как показано на фиг.3.
Кроме гидравлического двигателя 310, общепринятая ступица 300 колеса содержит узел 312 сцепления, образованный множеством дисков сцепления и разделительных пластин. В процессе работы машины, поршень 314 входит в зацепление с узлом 312 сцепления. В общепринятой компоновке фиг.3, машина может поворачиваться вокруг оси поворота приблизительно на 90°. Для достижения данных необходимых углов поворота общепринятая ступица 302 колеса выполнена с возможностью предотвращения препятствия между литой деталью 304 наклона и литой деталью 306 цапфы. Соответственно, гидравлический двигатель 310 скомпонован в пределах ограничений компоновки, определяемых диаметральным расстоянием Dc и расстоянием Wc по ширине. Комбинация гидравлического двигателя 310, узла 312 сцепления, поршня 314, вала 316 и узла 328 планетарной передачи обеспечивает общепринятой машине возможность достижения необходимого поворота вокруг оси 308 наклона и оси 326 поворота.
Для преобразования самоходного грейдера или другой машины в машину с электрическим приводом необходимо установить электрический двигатель в ступицу колеса, аналогичную ступице, показанной на фиг.3, и поддерживать такую же степень поворота вокруг оси наклона и оси поворота. Однако, в отличие от гидравлического двигателя 310 с фиг.3, электрический двигатель в общем более большой и, вследствие этого, занимает большее пространство. В результате, существует несколько пространственных ограничений, которые препятствуют просто замене гидравлического двигателя электрическим двигателем. Например, одно пространственное ограничение относится к зазору между литой деталью наклона и литой деталью цапфы. Еще одно пространственное ограничение относится к параметрам ширины и диаметра ступицы колеса (т.е., когда переднее колесо установлено на ступице колеса). Это дополнительно описано ниже относительно фиг.4-6.
На фиг.4-6 показан иллюстративный вариант осуществления узла 400 конечной передачи и узла 600 ступицы колеса. Узел 400 конечной передачи может содержать приводную ступицу 402, имеющую аналогичные размер и конструкцию, как у приводной ступицы 302 с фиг.3. Приводная ступица 402 может быть расположена по существу внутри обода 512 колеса, как показано на фиг.5 и 6. Узел 400 может дополнительно содержать литую деталь 404 наклона, которая имеет C-образную конструкцию, как показано на фиг.6. Со ссылкой на фиг.5, литая деталь 404 наклона образует ось 500 наклона, посредством которой может поворачиваться переднее колесо. Узел 400 конечной передачи также может содержать корпус или литую деталь 406 цапфы. Ось 502 поворота образована относительно поворотного шкворня 514, расположенного в соединении с литой деталью 406 цапфы. Литая деталь 404 наклона и литая деталь 406 цапфы по существу аналогичны по размеру, конструкции и функциональным возможностям литой детали 304 наклона и литой детали 306 цапфы с фиг.3. Следовательно, в процессе работы машины переднее колесо, например, самоходного грейдера может поворачиваться вокруг оси 502 поворота и оси 500 наклона.
В отличие от общепринятой конструкции и схемы с фиг.3, вариант осуществления фиг.4-6 содержит электрический двигатель 408 и соответствующую связанную с ним проводку. Пример электрического двигателя 408, предусмотренный представленным раскрытием, но без ограничения, включает Электрические Двигатели Серии Remy HVH250 (например, Remy HVH250 Standard или Remy HVH250HT). Электрический двигатель 408 может содержать торцевую пластину 516, которая соединена с ней и имеет определенные отверстия, через которые могут быть доступны электрическая проводка и соединения двигателя 408. Торцевая пластина 516 выполнена с возможностью соединения двигателя 408 с литой деталью 404 наклона.
В данном варианте осуществления электрический двигатель 408 имеет более большой размер, чем гидравлический двигатель 310 общепринятой ступицы 300 колеса. В результате, размер электрического двигателя 408 слишком большой для компоновки с общепринятой ступицей 300 колеса без снижения общей производительности машины. Например, перекомпонованный узел конечной передачи не будет соответствовать пространственным ограничениям, описанным выше, являясь, таким образом, причиной того, что машина будет испытывать пониженные функциональные возможности наклона и поворота. В дополнение, могут быть проблемы с проводкой, которые возникают, так как кабели между двигателем и другими деталями транспортного средства должны будут изгибаться для множества движений поворота и наклона колеса, вызывая за счет этого проблемы в системе проводки.
Как описано выше, первое пространственное ограничение относится к возможности машины поворачиваться вокруг оси поворота и оси наклона в необходимом диапазоне движения. Необходимый диапазон движения может включать поворот вокруг обеих осей приблизительно на 90° или более. В одном неограничивающем варианте осуществления необходим поворот от -38,9° до 48,1° вокруг оси 500 наклона и оси 502 поворота. В других вариантах осуществления может быть необходим поворот вокруг обеих осей на различные углы поворота. Для достижения данного диапазона движения, литая деталь 404 наклона и литая деталь 406 цапфы не могут мешать или входить в контакт друг с другом в процессе поворота. Несмотря на то что одно возможное решение может состоять в изменении конструкции одной или обеих литой детали наклона и литой детали цапфы, но при этом будут изменяться характеристики передней оси (например, способ, которым наклоняется колесо, зазор относительно земли и нагрузка на ось). Таким образом, необходимо сохранять характеристики передней оси, не изменяя конструкцию каждой литой детали.
В дополнение, второе ограничение относится к общей ширине и диаметру ступицы колеса. Со ссылкой на фиг.3, проиллюстрированы необходимый диаметр, Dc, и ширина, Wc. Диаметр Dc связан с максимальным размером, посредством которого компактно компонуют узел конечной передачи, а ширина Wc связана с максимальной шириной, занимаемой узлом конечной передачи. В установке электрического двигателя 408 в узел 400 конечной передачи с фиг.4-6, отсутствует узел сцепления, который требуется в общепринятом узле 300 с фиг.3. В частности, конструкция электрического двигателя 408 не требует узла сцепления, который необходим для конструкции общепринятого гидравлического двигателя.
Узел 400 конечной передачи также может содержать первый подшипник 412 и второй подшипник 416, расположенные между литой деталью 406 цапфы и ступицей 402. Между первым подшипником 412 и вторым подшипником 416 по меньшей мере частично расположен элемент 414 кожуха, а стопорное кольцо 418 может располагать первый подшипник 412, второй подшипник 416 и элемент 414 кожуха между литой деталью 406 цапфы и ступицей 402. Стопорная пластина 420 может быть соединена с литой деталью 406 цапфы таким образом, чтобы между литой деталью 406 цапфы и стопорной пластиной 420 располагались первый и второй подшипники (см. фиг.5). Узел 400 конечной передачи может дополнительно содержать металлическое торцевое уплотнение или плавающее кольцевое уплотнение 410, как показано на фиг.4 и 5.
Удаление узла сцепления и уплотнение 410 с подобранным по необходимости размером, первый подшипник 412 и второй подшипник 416 обеспечивают возможность расположения электрического двигателя 408 ближе к приводной ступице 402 (т.е., дальше в узел конечной передачи) по сравнению с гидравлическим двигателем. Это дополнительно проиллюстрировано на фиг.3, при этом ось 326 поворота расположена за пределами размера по ширине, Wc, по сравнению с осью 502 поворота с фиг.5, которая расположена в пределах размера по ширине, W. В результате, электрический двигатель 408 может быть скомпонован в узле 400 конечной передачи и установлен в пределах необходимого ограничения ширины, W, и диаметрального ограничения, D. Ограничение ширины, W, определено между приводной ступицей или ступицей 402 колеса и торцевой пластиной 516 двигателя 408. Диаметральное ограничение, D, определено как внутренний диаметр ступицы 402. По меньшей мере в одном варианте осуществления D≤Dc, а W≤Wc. В еще одном варианте осуществления D приблизительно такое же, как Dc, а W приблизительно такое же, как Wc. В варианте осуществления, в котором D<Dc или W<Wc, в узле 400 конечной передачи создается дополнительное пространство для размещения электрического двигателя с повышенной мощностью, способного создавать больший крутящий момент. Вследствие этого, вариант осуществления с фиг.4-6 может иметь гибкую компоновку для достижения необходимого выходного крутящего момента.
Со ссылкой на фиг.5 и 6, электрический двигатель 408 может содержать выход 518 двигателя, который соединен с выходным валом 504. Узел планетарной передачи может приводиться в действие выходным валом 504. В частности, узел планетарной передачи может содержать солнечную шестерню 506, водило и ведущую шестерню 508, и коронную шестерню 510. В одном аспекте узел планетарной передачи такой же, как узел 328 планетарной передачи с фиг.3, т.е. солнечная шестерня 506 такая же, как солнечная шестерня 320, водило 508 такое же, как водило 322, а коронная шестерня 510 такая же, как коронная шестерня 324. В другом аспекте узел планетарной передачи может отличаться от узла 328 планетарной передачи (например, в показателях зубьев шестерни, передаточного числа, функциональных возможностей и т.д.), но все-таки сохранять такой же размер (например, ширину, диаметр и т.д.).
Несмотря на то что выше были описаны иллюстративные варианты осуществления, включающие принципы представленного раскрытия, представленное раскрытие не ограничено описанными вариантами осуществления. Вместо этого, данная заявка предполагает охват любых вариантов, применений или приспособлений раскрытия с использованием его общих принципов. Кроме того, данная заявка предполагает охват таких отклонений от представленного раскрытия, которые попадают в пределы известной или общепринятой практики в области, к которой относится данное раскрытие, и которые попадают в пределы ограничений приложенной формулы изобретения.