CN100509473C - 车辆驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种车辆驱动装置。在打滑状态时或将要变成打滑状态时，通过使施加在车轮上的转矩产生脉动，使车轮的角速度(W)变动、使打滑率(S)变动，通过使打滑率(S)接近摩擦系数为最大时的打滑率来增大摩擦系数(μ)的平均值，以增大由车轮所产生的车辆推进力(F)的平均值。通过增大车辆推进力，使车辆加速，而容易抓地。另外，在抓地状态时或在高速行驶时，通过消除转矩脉动或减小转矩脉动的变动幅度，可抑制振动和噪音。这样，即使车轮发生打滑，也能立刻恢复到抓地状态。

Description

车辆驱动装置
技术领域
本发明涉及机动车等的车辆驱动装置，特别是涉及向车轮传递动力的动力传递方法和传递该动力的结构。
背景技术
在积雪路面或结冰路面那样的摩擦系数小的路面上行驶时，作为确保行驶性能的驱动方式，例如有专利文献1所公开的方式。该方式是，利用电动机驱动车轮行驶，与此同时判断车轮是否打滑，在判断为有打滑的情况下，进行所谓少许降低针对电动机的转矩指令值的处理。反复进行该处理，在打滑判断中判断为没有打滑以前，连续地降低对电动机的转矩指令值。
专利文献1：特开平8-182118号公报
但是，如上述驱动方式那样的一边进行打滑的判断，一边一点点地降低电动机转矩，直到抓地(grip)为止的方法，达到抓地为止需要一定的时间。因此，使行驶的感觉恶化，并且由于如果使轮胎持续打滑，则雪或冰融化而形成水膜，该水膜使得摩擦系数减小，由此使得车辆推进力减小，降低了爬坡性能和加速性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种即使车轮打滑，也能够立刻恢复抓地性能的车辆驱动装置。
本发明的车辆驱动装置具有能够使所产生的转矩产生脉动的动力源、或能使传递到车轮的转矩产生脉动的动力传递单元。
并且，本发明的车辆驱动装置，具有在行驶中或每次行驶时，能够变更所产生的转矩脉动的变动幅度的动力源、或能够变更传递到车轮的转矩脉动的变动幅度的动力传递单元。
并且，本发明的车辆驱动装置，为了在车轮发生了打滑时，增大施加在车轮上的转矩脉动的变动幅度，而具有打滑检测单元。
并且，本发明的车辆驱动装置，为了在车辆开始前进时，增大施加在车轮上的转矩脉动的变动幅度，而具有车辆开始前进检测单元。
并且，本发明的车辆驱动装置，在因增大了车轮的转矩脉动的变动幅度的状态而使车轮变为抓地状态之后，为了减小对车轮施加的转矩脉动的变动幅度，而具有抓地检测单元。
并且，本发明的车辆驱动装置，在因增大了车轮的转矩脉动的变动幅度的状态而使车辆或车轮超过了规定的速度后，为了减小对车轮施加的转矩脉动的变动幅度，而具有车辆速度检测单元或车轮速度检测单元。
并且，本发明的车辆驱动装置，在从增大了车轮的转矩脉动的变动幅度而经过了一定的时间之后，为了减小对车轮施加的转矩脉动的变动幅度，而具有经过时间的计算单元。
并且，本发明的车辆驱动装置，为了使驾驶者变更对车轮施加的转矩脉动的变动幅度，在驾驶席等上具有转矩脉动变更开关。
并且，本发明的车辆驱动装置，具有交流电动机作为动力源，可通过变更驱动波形来变更对车轮施加的转矩脉动的变动幅度。
并且，本发明的车辆驱动装置，具有电动机作为动力源，可通过变更电动机的流过电流的定子的数量来变更对车轮施加的转矩脉动的变动幅度。
并且，本发明的车辆驱动装置，为了使2个以上的各个电动机所具有的齿槽转矩相互加强来驱动1个输出轴，或相互抵消齿槽转矩来驱动1个输出轴，来变更对车轮施加的转矩脉动的变动幅度，因而具有2个以上的电动机的动力源、和变更相对至少1个电动机的输出轴的相位的机构。
并且，本发明的车辆驱动装置，具有能够使车轮的速度产生脉动的动力源或动力传递单元。
根据本发明，在打滑状态下，通过使施加在车轮上的转矩产生脉动，可增大车辆推进力。而且，由于增大了车辆推进力，可通过使车辆加速来达到容易抓地的效果。另外，在抓地状态或高速行驶时，可抑制振动和噪音。
附图说明
图1是表示应用本发明的车辆的一例的图。
图2是表示车轮与路面之间的摩擦系数和打滑率之间的关系的一例的图。
图3是表示在摩擦系数小的上坡路上使对车轮施加的转矩产生脉动时的车轮的角速度、打滑率、摩擦系数以及车轮所产生的车辆推进力的一例的图。
图4是表示在车轮的平均角速度与车辆速度与图3相同，使对车轮施加的转矩不产生脉动时的一例的图。
图5是表示变更对车轮施加的转矩脉动变动幅度的方法的一例的图。
图6是表示变更对车轮施加的转矩脉动变动幅度的方法的另一例的图。
图7是表示决定转矩脉动变动幅度的流程的一例的图。
图中：1-发动机；2-变速箱；3-发电机；4-车轮；5-电力线；6-电动机；7-后差速器(rear differential)；8-电动机控制器。
具体实施方式
图1表示应用本发明的车辆的一例。以下，对图1的车辆进行说明。发动机1所产生的动力被传递到变速箱2以及发电机3。被传递到变速箱2的动力通过左右分配，被分别传递到左右前轮4a、4b。发电机3利用从发动机1传递来的动力进行发电，通过电力线5向电动机6供给电力。电动机6利用从发电机3供给的电力而产生动力。由电动机6产生的动力被传递到后差速器7。被传递到后差速器7的动力通过左右分配而传递到后轮4c、4d。电动机控制器8根据车轮4a、4b、4c、4d的速度，利用后述的方法对电动机6进行控制。
在干燥路面那样的摩擦系数充分大的路面上，在绝大多数的情况下车轮与路面之间几乎不发生打滑(以下将这种状态称为抓地状态)在抓地的状态下被传递到各个车轮4a、4b、4c、4d的动力几乎都转换成推进车辆的力(以下称为车辆推进力)。
但是在积雪路或结冰路面那样的摩擦系数小的路面上，车轮与路面之间有时产生打滑(以下将这种状态称为打滑状态)。在打滑状态下，被传递到各个车轮4a、4b、4c、4d的动力被转换成只相当于各个车轮与路面之间最大摩擦力的车辆推进力，其余的动力被消耗在车轮的空转上。因此，在打滑状态下，爬坡性能和加速性能变差。
公知车轮与路面之间的摩擦系数μ根据打滑率S而变化。在把车轮的转动半径设为R、车轮的角速度设为W、车辆整体速度设为V时，打滑率S被表示为S＝(R×W-V)/(R×W)。图2表示车轮和路面间的摩擦系数μ、与打滑率S之间的关系的一例。
如图2所示，摩擦系数μ在某一打滑率S0时为最大，当打滑率S增大到大于S0时，多数的情况下成为大致一定的值。公知在该摩擦系数变为最大时的打滑率S0，根据车轮与路面的状态而不同，但基本是在0.1～0.2的范围内。
为了使车辆的爬坡性能和加速性能最大化，只要调整被传递到各个车轮的动力，调整各个车轮的角速度，使各个车轮的打滑率成为S0即可。但是，由于S0的值根据车轮与路面的状态而不同，所以不能得到正确的值。另外，由于车辆速度V在一般的车辆中也是以车轮速度和动力传递轴的转速为根本而进行推定的，所以在车轮打滑进行空转的状态下，多数的情况下不能推定出正确的车轮速度。
因此，本发明在打滑状态时，或将要成为打滑状态时，电动机控制器8控制电动机6，使其转矩产生脉动，使施加在后轮4c、4d上的转矩产生脉动，而使后轮4c、4d的角速度W产生变动，改变打滑率S，通过使打滑率S接近摩擦系数成为最大时的打滑率S0，来增大摩擦系数μ的平均值，由此来增大由后轮4c、4d所产生的车辆推进力F的平均值。以下，以爬坡行驶在摩擦系数小的坡道上的情况为例，来说明该现象。
图3表示在使施加在后轮4c、4d上的转矩产生脉动时的后轮4c、4d的角速度W、打滑率S、摩擦系数μ、由后轮4c、4d所产生的每个轮的车辆推进力F的一例。另外，在此例中，假定由全部车轮所产生的车辆推进力的总和与通过重力使车辆向坡道的下方返回的力基本平衡，车辆速度V大致为一定的情况。
从图3中可看出，打滑率S的变化与角速度W的变化相同，在打滑率S接近了S0(在此例中是0.15)时，摩擦系数μ和车辆推进力F增大。在图3中的车辆推进力F的平均值约为214N。
作为参考，图4表示在车轮的角速度W的平均值和车辆速度V与图3相同，使施加在后轮4c、4d上的转矩不产生脉动的情况的例子。从图4中可看出，由于角速度W不变化，所以打滑率S也不变化，摩擦系数μ和每个轮的车辆推进力F也是一定的。在图4中，车辆推进力F的平均值约为206N，比图3的值小。
如上所述，在打滑状态下，通过使施加在后轮上的转矩产生脉动，使后轮的角速度变动，可增加车辆推进力。而且，通过增加车辆推进力，使车辆加速，可达到容易抓地的效果。
另外，在成为抓地的状态，或成为高速行驶时等容易产生振动和噪音的状况下，也可以通过取消转矩脉动，或减小转矩脉动的变动幅度，来抑制振动和噪音。
另外，即使不增加转矩脉动的变动幅度，而能增加车轮的速度脉动的变动幅度，也可增加车辆推进力。例如，在转矩脉动为接近正弦波的波形的情况下，即使不改变振幅而增大周期，也可以使速度的振幅增大，从而获得同样的效果。
另外，图1虽然表示了利用从发动机机械传递的动力来驱动前轮，由电动机驱动后轮的车辆的示例，但本发明也可以适用于其它驱动形式的车辆。即，本发明也可以适用于由电动机驱动前轮，利用从发动机机械传递的动力来驱动后轮的车辆；由电动机驱动全部车轮的车辆；利用从发动机机械传递的动力来驱动全部车轮的车辆；和由发动机或电动机仅驱动两个前轮或两个后轮，不向其余的两个车轮传递动力的车辆等。
下面，对变更向车轮施加的转矩脉动的变动幅度的方法进行说明。
在由电动机驱动车轮的情况下，只要变更电动机的转矩脉动的变动幅度即可。为此，只要变更流过电动机转子线圈或定子线圈的电流即可。另外，也可以利用电动机的齿槽转矩(cogging torgue)。
例如，如果是直流电动机，则如图5所示，通过变更流过转子线圈的电流的变动幅度，可变更转矩脉动的变动幅度。如果增大流过转子线圈的电流的变动幅度，则转矩脉动的变动幅度变大。
另外，如果是交流电动机，则如图6所示，通过变更驱动波形，可变更转矩脉动的变动幅度。例如，如果使各相(U相、V相、W相)的驱动电压为矩形波，则与驱动电压为正弦波或与正弦波等同的PWM的情况相比，可增大转矩脉动的变动幅度。
另外，即使是直流或交流的任意电动机，也可通过变更流过电流的定子的数量来变更转矩脉动的变动幅度。在把转矩的平均值保持为相等，而增大转矩脉动的变动幅度的情况下，只要减少流过电流的定子的数量，增大流过剩余定子的电流即可。
另外，在把由2个以上的电动机所产生的动力组合在一起来驱动1个输出轴，把施加在该输出轴上的动力传递到车轮的方式的情况下，可通过变更各个电动机轴相互间的相位关系来变更转矩脉动的变动幅度。如果把各自的电动机轴配置在相应于相互加强各个电动机所具有的齿槽转矩的相位上，则转矩脉动的变动幅度增大。如果使用斜齿轮等来变更相互的电动机轴的相位关系，则可相互加强齿槽转矩或相互抵消齿槽转矩，可变更转矩脉动的变动幅度。
在利用从发动机机械传递的动力驱动车轮的情况下，只要变更发动机的转矩脉动的变动幅度即可。例如，通过变更各个汽缸的点火时间，或设定不点火的汽缸，或改变每个汽缸的燃料喷射量，可变更转矩脉动的变动幅度。
另外，即使在由发动机、电动机的任意一个驱动车轮的情况下，如果在其动力的传递路径上设置离合器(也包括自动变换器的闭锁离合器)，通过使该离合器的压合力(结合力)细微地变动，也可以增大转矩脉动的变动幅度。
另外，如果在动力传递路径上设置制动器，或使用车轮制动器，则通过细微地施加制动力，可使转矩产生脉动。
另外，转矩脉动的变动幅度可以是在预先设定的2个以上的大小幅度间切换的方式，也可以是渐渐变更的方式。
下面，对打滑状态的检测方法进行说明。
在通过配置G传感器等，即使在打滑状态下也能够检测出车辆速度V的情况下，在车轮的角速度W与车轮的转动半径R的乘积R×W在一定程度上超过了车辆速度时，可判断为该车轮为打滑状态。关于R×W在超过了V多少时才判断为打滑状态，可考虑测定车辆速度和车轮速度等的传感器的精度和车辆转弯时的内外轮速度差来决定。
在不知道车辆速度V的情况下，可根据施加在前2轮上的转矩的合计值Tf、施加在后2轮上的转矩的合计值Tr、和各个车轮的角速度Wa、Wb、Wc、Wd的关系，来检测出打滑状态(只驱动前2轮的车辆的情况下，Tr＝0，只驱动后2轮的车辆的情况下，Tf＝0)。在把前2轮的转动半径设为Rf，把后2轮的转动半径设为Rr，把车辆总重量设为M时，在全部的车轮为抓地状态时的车辆加速度，除了下坡等施加有向前方向的力的情况，小于(Tf/Rf+Tr/Rr)/M，前轮的角加速度小于(Tf/Rf+Tr/Rr)/M/Rf，后轮的角加速度小于(Tf/Rf+Tr/Rr)/M/Rr。因此，对于前轮的情况，在角加速度在一定程度上大于(Tf/Rf+Tr/Rr)/M/Rf时，可判断为该车轮为打滑状态，对于后轮的情况，在角加速度在一定程度上大于(Tf/Rf+Tr/Rr)/M/Rr时，可判断为该后轮为打滑状态。关于车轮的角加速度超过了这些基准值多少时才判断为打滑状态，可考虑测定转矩和车轮速度等的传感器、车辆转弯时的内外轮速度差、车轮的转动半径Rf、Rr的变动、车辆总重量M的变动、以及下坡等施加有向前方向的力的情况的影响来决定。
另外，也可以在车轮的角加速度大于预先设定的阈值时判断为该车轮为打滑状态。
在由发动机或电动机只驱动前2轮或后2轮的车辆的情况下，不驱动侧的2轮只随着车辆整体的运动而旋转，几乎不发生打滑。因此，在驱动侧的车轮的角速度在一定程度上大于不驱动侧的车轮的角速度的情况下，可判断为打滑状态。关于驱动侧的车轮的角速度超过了不驱动侧的车轮的角速度多少时才能判断为打滑状态，可考虑测定车轮速度的传感器的精度、和车辆转弯时的内外轮速度差来决定。
另外，即使是驱动全部的车轮的车辆，在施加在前2轮或后2轮上的转矩大于施加在其它2轮上的转矩的情况下，在大转矩车轮的角速度在一定程度上超过小转矩的车轮的角速度时，也可判断为打滑状态。
下面，对变更转矩脉动的变动幅度的时间进行说明。
图7是决定转矩脉动的变动幅度的流程的一例。在该流程中，在步骤10的车辆开始前进之后，在步骤11中进行打滑状态的判断，如果是打滑状态，则在步骤12中进行车辆速度的判断，如果车辆小于规定的速度，则在步骤13中，对车轮施加变动幅度大的转矩脉动。如果不是打滑状态，或车辆超过了规定的速度，则在步骤14中，对车轮施加变动幅度小的转矩脉动。
另外，也可以在步骤10的车辆开始前进之后不进行步骤11和步骤12的判断，而跳到步骤13，对车轮施加变动幅度大的转矩脉动，然后进入步骤11。
另外，在步骤11中，不仅在当前的打滑状态下，而且也可以在车轮的角速度或角加速度接近了判断为打滑状态的值、将要成为打滑状态时进入步骤12。另外，也可以设置检测车轮与路面的状态的传感器，在车轮和路面湿时等摩擦系数小的情况下，形成打滑状态的可能性高时也进入步骤12。
另外，在前一周期判断为打滑状态，在步骤11进行是否转移到了抓地状态的判断时，在车轮的角速度或角加速度在一定程度上小于被判断为打滑状态时的值的情况下，也可以判断为抓地状态。通过在打滑状态的判断和抓地状态的判断中采用不同的基准，可防止打滑状态和抓地状态的反复跳跃(chattering)。
另外，在之前的周期判断为打滑状态，在步骤11中，进行是否转移到了抓地状态的判断时，也可以在抓地状态持续了规定的时间后，进入步骤14。
另外，在步骤12中，也可以取代车辆速度的判断，而判断车轮的速度。
另外，在之前的周期判断为车辆或车轮小于规定的速度，在步骤12中进行车辆或车轮是否超过了规定的速度的判断时，也可以在超过了规定的速度的状态持续了规定的时间后，进入步骤14。
另外，也可以在从转矩脉动的变动幅度小的状态转移到步骤13的转矩脉动的变动幅度大的状态后的规定的时间内，不进入步骤14，并且，也可以在从转矩脉动的变动幅度大的状态转移到步骤14的转矩脉动的变动幅度小的状态后的规定的时间内，不进入步骤13。这样可防止打滑状态与抓地状态之间的反复跳跃。
另外，也可以省略步骤12，只在步骤11中决定转矩脉动的变动幅度的大小。另外也可以省略步骤11，只在步骤12中决定转矩脉动的变动幅度的大小。
另外，也可以在增大了转矩脉动的变动幅度而经过了一定的时间之后，减小转矩脉动的变动幅度。
另外，也可以在驾驶席等上设置开关，使驾驶者能够变更转矩脉动的变动幅度。
另外，在通过增大转矩脉动来增大可产生的转矩的最大值的情况下，也可以在驶出泥坑等需要瞬时转矩时，增大转矩脉动。通过增大转矩脉动来增大可产生的转矩的最大值的的情况是指，例如，对于交流电动机的驱动波形采用了矩形波的情况；在将由2个以上电动机所产生的动力组合在一起而驱动1个输出轴的方式中，把各个电动机轴配置在使各个电动机所具有的齿槽转矩能够相互加强的相位上的情况；变更了各个汽缸的点火时间的情况以及变更了各个汽缸的燃料喷射量的情况等。
如上所述，根据本发明，在打滑状态下，可增大车辆推进力。而且，通过增大车辆推进力，可通过使车辆加速而达到容易变成抓地状态的效果。另外，在抓地状态或高速行驶时，可抑制振动和噪音。

Claims (9)

1.一种车辆驱动装置，具有动力源和将动力源所产生的动力传递到车轮的动力传递单元，其特征在于，在所述车轮发生了打滑时，增大所述车轮的转矩脉动的变动幅度。
2.一种车辆驱动装置，具有动力源和将动力源所产生的动力传递到车轮的动力传递单元，其特征在于，在车辆开始前进时，增大所述车轮的转矩脉动的变动幅度。
3.根据权利要求1或2所述的车辆驱动装置，其特征在于，在因增大了所述车轮的转矩脉动的变动幅度的状态而使所述车轮变为抓地状态之后，减小对所述车轮施加的转矩脉动的变动幅度。
4.根据权利要求1或2所述的车辆驱动装置，其特征在于，在因增大了所述车轮的转矩脉动的变动幅度的状态而使车辆或所述车轮超过了规定的速度后，减小对所述车轮施加的转矩脉动的变动幅度。
5.根据权利要求1或2所述的车辆驱动装置，其特征在于，在从增大了所述车轮的转矩脉动的变动幅度后经过了一定的时间之后，减小对所述车轮施加的转矩脉动的变动幅度。
6.根据权利要求1或2所述的车辆驱动装置，其特征在于，具有转矩脉动变更开关，对应该开关的操作，来变更对所述车轮施加的转矩脉动的变动幅度。
7.根据权利要求1或2所述的车辆驱动装置，其特征在于，具有交流电动机作为所述动力源，通过变更所述交流电动机的驱动波形来变更对所述车轮施加的转矩脉动的变动幅度。
8.根据权利要求1或2所述的车辆驱动装置，其特征在于，具有电动机作为所述动力源，通过变更所述电动机的流过电流的定子的数量来变更对所述车轮施加的转矩脉动的变动幅度。
9.根据权利要求1或2所述的车辆驱动装置，其特征在于，具有2个以上的电动机作为所述动力源，并且作为所述动力传递单元而具有把由2个以上的所述电动机所产生的动力组合在一起来驱动1个输出轴、并把施加在该输出轴上的动力传递到所述车轮的机构，通过变更至少一个所述电动机的电动机轴相对所述输出轴的相位，使各个所述电动机所具有的齿槽转矩相互加强来驱动所述输出轴，或者使所述齿槽转矩相互抵消来驱动所述输出轴，由此来变更对所述车轮施加的转矩脉动的变动幅度。
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