CN101363541B - 有换挡支持和故障安全性装置的变速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车的变速器(7)，包括可以不同的传动比互相耦合的驱动轴和输出轴、外壳和为了选择其中一个传动比可以调整的换挡轴，该换挡轴的一端从外壳伸出并带有至少一个操纵用于驱动轴和输出轴耦合的耦合装置的变速杆拨指(74、74′)，此外，所述变速器还包括用于调整换挡轴的致动器(3)以及用于驱动致动器(3)的控制器(5)，其中，所述换挡轴分为一个包括伸出端的外段(71)和一个带有变速杆拨指(74、74′)并可由所述致动器(3)驱动的内段(72)，它们通过含游隙的传动装置(4)彼此运动耦合，其中，该传动装置包括一个检测外段(71)相对于内段(72)偏转(48)的传感器(43)，以及控制器(5)设置用于根据偏转(48)调整致动器(3)。

Description

有换挡支持和故障安全性装置的变速器

技术领域

本发明涉及一种有自动换挡支持装置的汽车变速器。

背景技术

对于具有常用的不含换挡支持装置的机械变速器的汽车，为了接入期望的挡位，驾驶员必须在换挡杆上加一定的力，以实施换挡运动并因而换挡过程。尤其在外界温度较低时，驾驶员施加的力比平时的大，因为在这种情况下变速器的润滑油很粘稠以及变速器构件遭受更大的摩擦。尤其在换挡杆沿具有H形设计的换挡滑槽板的手动换挡装置的换挡槽换挡运动时发生这一问题，而换挡杆沿手动换挡装置的选择槽运动时则需要较小的力。为了在换挡运动方面达到更佳的操作舒适性，有多种解决方案。

当代的助力换挡系统，其中，变速器与换挡杆机械耦合，通过电致动器支持换挡过程，以便减小驾驶员为换挡必须付出的力量。这在根本上改善了操作舒适性。当电动系统发生故障时，汽车可以在施加更大的力的情况下手动换挡。

在DE102005021977A1中介绍了一种手动变速器的伺服支持装置。在那里，当检测到换挡杆运动时，电动机支持变速器内的换挡过程，从而为了实施换挡过程，除驾驶员施加在手动换挡杆上的力外，还有伺服支持装置的力作用在变速器上。然而在这种方案中存在的疑难问题是，基于变速器与换挡杆之间的机械耦合，将振动从变速器传给换挡杆，这使驾驶员感到不舒服。此外，由于振动还会在车内还引起令人不快的噪声。抑制振动的措施需要附加的结构方面的费用，以及尽管如此在行驶舒适性方面仍不能达到最佳效果。

在当代具有机械变速器的线控换挡(Shift-by-Wire)式手动换挡系统中，换挡杆通过驾驶员的操纵借助安装在换挡杆上的传感器检测，以及根据所检测到的操纵行为控制设在变速器上的电致动器，以实施在变速器内的换挡过程。以较小的力使换挡杆小有偏转就足以引发换挡过程。因为在变速器与换挡杆之间不再存在传力的机械连接，所以变速器的振动不再传入汽车客舱内。但是在这种换挡系统中电子设备可能发生故障，从而使换挡过程不再能传输给变速器并由此使汽车不再能继续行驶。

此外，以上介绍的这些技术解决方案所存在的共同问题是，变速器与换挡杆之间的伺服支持装置必须麻烦地组合在换挡系统内，从而必须在结构上专门匹配。

发明内容

因此本发明要解决的技术问题在于创造一种具有电控式换挡支持装置的变速器，它允许准确控制换挡过程、保证有高度的换挡及行驶舒适性以及在电控发生故障时维持工作能力，与此同时变速器可以方便地组合在现有的汽车中。

上述技术问题通过这样一种用于汽车的变速器来解决，它包括可以不同的传动比互相耦合的驱动轴和输出轴、外壳和为了选择其中一个传动比可以调整的换挡轴，该换挡轴的一端从外壳伸出并且该换挡轴带有至少一个操纵一个用于驱动轴和输出轴耦合的耦合装置的变速杆拨指，所述变速器还包括用于调整换挡轴的致动器以及用于驱动该致动器的控制器，按照本发明：所述换挡轴分为一个包括所述伸出端的外段和一个带有所述变速杆拨指并可由所述致动器驱动的内段，该内段和外段通过含游隙的传动装置彼此运动耦合，其中，该传动装置包括一个检测外段相对于内段偏转的传感器，以及控制器设置用于根据该偏转角调整所述致动器。

按照本发明通过将换挡轴分为两个分段，只要它们的振幅不超过含有间隙或游隙的传动装置的游隙，便可以防止振动经由换挡轴的外段传出变速器。与此同时，在通过所述分段借助传动装置耦合的电子换挡过程中，通过传动装置彼此运动的部分和通过传感器检测到的这些部分的相互偏转，准确地仿效作用在变速器上的换挡运动并传给变速杆拨指。

所述传动装置可以设计为弹性的，以便在彼此运动的部分偏离正常位置的情况下产生一个复位力，它可使驾驶员在按已知的方式与换挡轴外段耦合的换挡杆上感觉到。

只要变速器的电动系统正常工作，在传动装置彼此运动的部分之间便不存在固定的机械连接。若在电动系统发生功能干扰或故障期间在换挡轴上作用换挡运动，则传动装置与换挡轴外段耦合的部分跟随，但与换挡轴内段耦合的部分起先并不跟踪。只有当与换挡轴外段耦合的部分碰撞在其间隙的末端时才形成力传递连接，它允许尽管如此仍将换挡运动传给变速杆拨指。由此可以保证期望的故障安全性以及即使在电控故障时仍能维持接通换挡。

按本发明的变速器可以与传统的纯机械式外部换挡组合，以便获得对于线控换挡为典型的振动脱耦和便于操作的优点。

若耦合装置可沿两个自由度运动，则间隙可以限于其中一个自由度，优选地是最强烈地与变速器振动耦合的那个自由度。对于第二个自由度可以取消通过致动器的伺服支持，以保持变速器低的成本。因此传动装置沿此自由度相宜地没有游隙。

也相宜的是，换挡轴的外段与内段沿每个含游隙的自由度就分段的运动而言彼此弹性连接。只要驾驶员没有操纵换挡杆，传动装置便处于静止位置。在驾驶员沿一个自由度方向运动换挡杆时，传动装置便从静止位置偏转出，偏转的量取决于杆运动的速度。所述弹性连接产生反力，它可以使驾驶员感觉到，而且驾驶员运动换挡杆越迅速，反力越大。因此驾驶员一方面获得变速器的一种触觉反馈的错觉，另一方面以此方式使他有可能比致动器单独能达到的更快地换挡；他换挡越快，在换挡工作中他必须承担的份额就越大。

若所述两个自由度包括平动和转动，则耦合装置可以包括换挡轴的所有为转换换挡过程所必需的运动。

在这里视变速器的结构形式而定可能比较有利的是，致动器设置用于支持换挡轴的转动，或，致动器设置用于支持换挡轴的平动。

有关改善行驶舒适性方面的其他优点源自于，致动器是包括定子和转子的电动机，其中，定子位置固定地与变速器的外壳连接，以及转子与换挡轴的内段作用连接。若转子尤其旋转固定地与内段连接，则电动机可以无需附加的耦合构件最佳地与换挡轴的内段连接。通过设在换挡轴上转子的质量，可以附加地阻尼来自变速器的振动。

按一项与之不同的设计，转子通过一变速器与换挡轴的内段连接。尤其是减速器可以实现通过电动机准确控制内段较小的旋转运动。

此外，在电控换挡过程方面有利的是，控制器包括一个PI(比例积分)调节器。因为这种调节器允许跟踪速度灵活地与偏差的大小和持续时间相匹配，所以致动器的控制能特别迅速和准确地实施。如果希望，PI调节器也可以考虑时间导数项，换句话说，它也可以涉及PID调节器。

涉及汽车驾驶员换挡舒适性的同时带来的突出优点是，变速器包括一个轮廓和一个朝该轮廓加载并可运动的顶端，其中，顶端和轮廓中的一个位置固定地与变速器连接，另一个则与换挡轴的外段运动耦合。所述轮廓规定换挡轴的外段稳定的位置。这些位置准确地模仿换挡杆的位置，例如在选择槽内或分别在从选择槽分叉的换挡槽的端部。

若换挡轴设置成与所述驱动轴和输出轴正交，则可获得变速器的一种特别有利的结构形式。在这种情况下尤其是，换挡轴可以作为模块有利地组合在变速器内。

按本发明的变速器的另一种设计，换挡轴也可平行于驱动轴和输出轴布置。在这种情况下，与上述设计相比，在所述传动装置中平动和转动的功能可以互换。

附图说明

由下面参见附图对实施例的说明提供本发明的其他特征和优点。其中：

图1表示按现有技术的汽车变速器的立体示图；

图2表示具有图1所示变速器的换挡系统的示意图；

图3表示具有按本发明第一种实施形式的变速器的换挡系统示意图；

图4表示组合在变速器内的传动装置的纵剖面图；

图5表示传动装置的示意横截面图；

图6表示具有按本发明另一种实施形式的变速器的换挡系统示意图；以及

图7表示图6中变速器换挡轴外段的横截面示意图。

具体实施方式

图1表示按先有技术的汽车变速器。变速器7包括驱动轴75和两根输出轴76、76′，它们互相平行排列并可按一般的方式彼此耦合，以便在变速器7内调整为不同的传动比。

换挡轴70垂直于驱动轴75和输出轴76、76′布置并带有两个变速杆拨指74、74′：换挡轴可沿其轴线移动；根据它们所占有的位置，两个变速杆拨指74、74′之一与换挡爪钩79、79′耦合，后者可以在平行于轴75、76、76′的杆80、80上移动，以便借助于在图中看不到的同步化联锁装置，将不同的齿轮旋转固定地与支承它们的输出轴76、76′耦合，并由此调整变速器的传动比。在这里，换挡轴70的轴向移动促使选择传动比，以及换挡轴70的径向旋转促使通过变速杆拨指74、74′耦合传动比。

变速器7被外壳77包围。换挡轴70的外段71从外壳77伸出。在外段71端部装一个从换挡轴70折角后伸出的杠杆状操纵机构78，它在背对变速器7的端部延续为一个外轮廓61，外轮廓61面朝变速器7有一种多重台阶的扁平状型面。

图2示意表示具有一个如图1所示按先有技术的变速器7的汽车换挡系统1。

此换挡系统1包括换挡杆21和有H形交叉的换挡槽和选择槽的换挡滑槽板22，换挡杆21通过换挡滑槽板延伸并导引换挡杆21的运动。图2表示牵引绳索20，它将换挡杆21与变速器7的操纵机构78连接起来。按照换挡杆21的自由度数量，可以设多根这种牵引绳索20，其中每一根传递换挡杆21在一个自由度内的运动。按另一项设计，这一根或另一根牵引绳索可以用杆代替。操纵机构78在换挡轴70上的连接选择为，使换挡杆21沿选择槽的运动转换为换挡轴70沿轴向的移动，以及使换挡杆21沿换挡槽的运动造成换挡轴70的旋转。

在变速器外壳77的上端通过弹簧机构可运动地固定一个顶端62，它与设在操纵机构78上的外轮廓61配合作用。由顶端62与外轮廓61的配合作用，分别在选择槽内和在换挡槽端部造成换挡杆21稳定的位置，这些可以使驾驶员感觉到并在换挡期间向驾驶员提供有关换挡杆21当时达到的位置的反馈信号。

图3示意表示具有按第一种实施形式的变速器7的换挡系统1。

与图2表示的一样，此换挡系统1包括换挡杆21和有H形交叉的换挡槽和选择槽的换挡滑槽板22。在这里，顶端62通过弹簧机构可运动地固定在换挡杆21下端，它与固定安装在变速器外壳上的外轮廓61配合作用。

换挡系统1中的变速器7有一根分为两个分段71、72的换挡轴。外段71从变速器7外壳(没有表示)伸出，并经由操纵机构78通过牵引绳索2与换挡杆21连接。外段71通过传动装置4与换挡轴内段72运动连接。

在内段72上设有一电动机作为致动器3，它包括定子31和转子32。在这里，定子31位置固定地与变速器7的外壳连接，而转子32与换挡轴的内段旋转固定连接。此外，在换挡轴的外段72上设有多个变速杆拨指74、74′。通过电动机旋转内段72，总有其中一个变速杆拨指74、74′碰靠在可在杆80上移动的换挡爪钩79、79′之一上，使之移动并因而在变速器7内接通一个传动比。

按另一项设计，转子32可以通过一个变速器(未表示)与换挡轴的内段72连接，从而将电动机的旋转借助一个传动比传给内轴段72。

传动装置4包括一个传感器43，它检测换挡轴的两分段71、72的相对旋转。变速器7的控制器5通过一进口与传感器43连接，以接收体现旋转量的测量信号，以及通过一出口与致动器3连接，从而可将根据测量信号导出的调整指令传输给致动器3。

图4和5详细表示传动装置4的结构。图4中表示沿分成分段71、72的换挡轴纵轴线通过传动装置4的剖面。

传动装置4包括两个彼此绕纵轴线旋转运动的部分41、42。第一部分41与换挡轴的外段71固定连接，以及第二部分42与换挡轴的内段72固定连接。

第一部分41基本上有圆柱形的基本形状，在这里换挡轴的纵轴线也形成圆柱体轴线。在圆柱体一侧沿径向伸出一个拨动端44。在圆柱体背对拨动端44的那一侧成形两个互相平行排列的肋45。

第二部分42是空心体，它容纳第一部分41的圆柱形基体和肋45。拨动端44从空心体的缝伸出。第二拨动端46与拨动端44相邻地从空心体伸出。在这两者之间夹紧一个作为弹性元件的弹簧73。在空心体背对拨动端46那一侧，成形一个伸入其内部空腔和插入肋45之间的肋47。

图5表示沿图4中线A-A通过传动装置4的横截面示意图，其中部分41、42从拨动端44、46互相对齐的静止位置偏转一个角度48并通过偏转将弹簧73张紧。部分41、42相互的旋转运动自由度受插入在肋45之间的肋47的限制。部分41、42彼此的轴向游隙可忽略不计。所述检测偏转48的传感器43可例如是带有两个传感器的一个电容式传感器，它有肋47作为公共的第一片和分别其中一个肋45作为第二片。在这两个电容器之间的电容量差用于度量偏转48的大小。

作为弹性元件可以取代弹簧73或除它之外在肋47与相邻的肋45之间补充安装一个弹性缓冲器，它在部分41、42相互偏转的情况下变形。与之不同或作为补充，部分41、42也可以通过一个沿换挡轴70纵向延伸作为弹性元件的扭力杆连接。在各种情况下，驾驶员都能感觉到由弹性元件产生的复位力，复位力向驾驶员表明，部分42由电动机3驱动的运动落在部分41的运动后面还有多远。

若现在驾驶员在电控变速器中通过换挡杆21的运动选择某一个挡位，则所述的运动通过牵引绳索20传给换挡轴外段71并因而传给传动装置4的第一部分41。由此造成的偏转48由传感器43定量检测并传给控制器5。控制器5的PID调节器(未表示)确定此偏转48与额定值(它例如与肋47在两个肋45之间的中心位置相对应)的偏差，由此确定速度和方向并将它们作为调节量传给电动机3。电动机3通过换挡轴内段72的旋转运动导致变速杆拨指74、74′运动，这一运动准确地仿效换挡杆21的运动，因此变速杆拨指74、74′促使在变速器7内接入期望的挡位。与此同时，通过换挡轴内段72的旋转运动重新促使部分41、42的相对偏转48接近额定值。

若驾驶员没有迅速地运动换挡杆以致电动机3没有能力跟随，则在正常的工作条件下不会导致肋45与47接触。所以旋转振动不可能从换挡轴的内段72传到外段71并经由它传给换挡杆21。

换挡系统1的电气部分内可能产生干扰故障。这可以通过完全停电引起，或因为控制器5的电子控制连同电动机3对于换挡运动的反应不够迅速而引起。在这种情况下，部分41、42相互偏转得如此大，以致将它们彼此压紧，以及由驾驶员施加为驱动变速杆拨指74、74′运动所需的力，并通过牵引绳索20经由传动装置4作用在变速杆拨指74、74′上。

图6示意表示图3所示换挡系统1的改型，其中一个包括外轮廓61和顶端62的装置6，不是设在换挡杆21的区域内，而是组合在变速器7内。

为此，图7表示横向于换挡轴外段71的轴线通过所述装置6的横截面。外轮廓61与换挡轴外段71固定连接并在其部分圆周围绕换挡轴。顶端62通过弹簧机构可运动地与变速器7外壳连接。因此，换挡轴外段71的运动通过顶端62被位于其下方的外轮廓61截取。尽管驾驶员在这种布局的情况下，不能如外轮廓61与顶端62直接设在换挡杆21上那样通过外轮廓61与顶端62的互相插接十分准确地感觉到确定的制动位置，然而带来的优点是，可能需要的外轮廓61与顶端62位置的调整并因而使它们的制动位置准确地与变速器的挡位一致，可以在变速器制造时已经完成。由此简化变速器在汽车内的安装。

图3和图6表示一种设计，其中外轮廓61位置固定地连接以及顶端62是可运动的，按另一种设计也可以与之相反。

按变速器7的一种与至此所说明的实施形式不同的结构形式，换挡轴71、72平行于驱动轴75和一根或多根输出轴76、76′布置。在这种情况下，换挡杆21沿选择槽的运动作为旋转运动转换到换挡轴外段71上，以及换挡杆21沿换挡槽之一的运动作为轴向移动转换到换挡轴外段71上。

在这种情况下传动装置4沿轴向含有游隙，传感器设计用于检测部分41、42沿轴向的彼此偏移，以及致动器3按由传感器检测的沿轴向偏移跟踪换挡轴的内段72，以便转换换挡过程。

附图标记表

1换挡系统

20牵引绳索

21换挡杆

22换挡滑槽板

3致动器

31定子

32转子

4传动装置

41耦合在换挡轴外段上的部分

42耦合在换挡轴内段上的部分

43传感器

44(部分41上的)拨动端

45(部分41上的)肋

46(部分42上的)拨动端

47(部分42上的)肋

48偏转

5控制器

61外轮廓

62运动的顶端

7变速器

70、71、72换挡轴

73弹性连接装置

74、74′变速杆拨指

75驱动轴

76、76′输出轴

77外壳

78操纵机构

79、79′换挡爪钩

80杆

Claims (13)

1.一种汽车的变速器(7)，包括可以不同的传动比互相耦合的驱动轴(75)和输出轴(76、76′)、外壳(77)和为了选择其中一个传动比可以调整的换挡轴(70、71、72)，该换挡轴的一端从外壳伸出形成伸出端并且该换挡轴带有至少一个操纵一个用于驱动轴(75)和输出轴(76、76′)耦合的耦合装置的变速杆拨指(74、74′)，所述变速器(7)还包括用于调整换挡轴(70)的致动器(3)以及用于驱动该致动器(3)的控制器(5)，其特征为：所述换挡轴(70)分为一个包括所述伸出端的外段(71)和一个带有所述变速杆拨指(74、74′)并可由所述致动器(3)驱动的内段(72)，它们通过含游隙的传动装置(4)彼此运动耦合，其中，该传动装置(4)包括一个检测外段(71)相对于内段(72)偏转(48)的传感器(43)，以及控制器(5)设置用于根据该偏转(48)调整所述致动器(3)。

2.按照权利要求1所述的变速器，其特征为，所述传动装置(4)设计为弹性的。

3.按照权利要求1或2所述的变速器，其特征为，所述传动装置(4)按两个自由度运动，但只在一个自由度内含游隙。

4.按照权利要求3所述的变速器，其特征为，所述换挡轴的外段(71)与内段(72)沿含游隙的自由度在运动方面彼此弹性连接。

5.按照权利要求3所述的变速器，其特征为，所述两个自由度包括平动和转动。

6.按照权利要求5所述的变速器，其特征为，所述致动器设置用于支持所述换挡轴的转动。

7.按照权利要求5所述的变速器，其特征为，所述致动器设置用于支持换挡轴的平动。

8.按照权利要求6所述的变速器，其特征为，所述致动器(3)是包括定子(31)和转子(32)的电动机，其中，所述定子(31)位置固定地与所述变速器(7)的外壳连接，以及所述转子(32)与所述换挡轴的内段(72)作用连接。

9.按照权利要求8所述的变速器，其特征为，所述转子(32)通过一变速器与所述换挡轴的内段(72)连接。

10.按照权利要求1或2所述的变速器，其特征为，所述控制器(5)包括一个比例积分调节器。

11.按照权利要求1或2所述的变速器，其特征为，它包括一个轮廓(61)和一个朝该轮廓(61)加载并可运动的顶端(62)，其中，所述顶端(62)和轮廓(61)中的一个位置固定地与所述变速器连接，另一个则与所述换挡轴的外段(71)运动耦合。

12.按照权利要求1或2所述的变速器，其特征为，所述换挡轴(71、72)正交于所述驱动轴和输出轴布置。

13.按照权利要求1或2所述的变速器，其特征为，所述换挡轴(71、72)平行于所述驱动轴和输出轴布置。

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