CN101508242A

CN101508242A - 一种车用膜片弹簧离合器电控操纵装置

Info

Publication number: CN101508242A
Application number: CNA2009100475298A
Authority: CN
Inventors: 钟再敏; 王阳阳; 林霄; 许一久; 马勇; 陈辛波; 余卓平
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2009-08-19

Abstract

本发明公开一种车用膜片弹簧离合器电控操纵装置，包括依次相连的驱动电机、减速机构、非线性传动机构和离合器分离杠杆，非线性传动机构的输出过程分为惯性储能行程和工作行程，其中惯性储能行程中输入输出之传动比远大于工作行程。因为非线性传动机构的采用，在需要离合器快速分离的情况下，可以先启动电机到高速运转状态，依靠其惯性储能快速分离离合器，本发明结构简单，其仅采用一个小容量电机就可满足离合器快速分离操纵的需要。

Description

一种车用膜片弹簧离合器电控操纵装置

技术领域

本发明涉及一种车辆传动操纵装置，更具体地说，是一种适用于机械变速器(MT)的车用膜片弹簧离合器电控操纵装置，其采用惯性储能原理。

背景技术

在传统的汽车传动技术领域主要的变速器种类中，轴线固定式手动变速器(MT)传动效率高，制造加工方便，成本低、可靠性高，因此一直是国内车用变速器市场上的主流技术。但是MT在车辆操作使用过程中存在一些问题，1)在城市拥挤路况、坡道起步等特殊行驶工况下会频繁的起步、换挡，驾驶员开车时操作强度非常大；起步离合器的控制对驾驶技巧要求比较高，在紧急情况或不熟练操作情况下会造成起步熄火；2)换挡过程中，如果换档时机掌握不好会增加燃料消耗和发动机的磨损，离合器和换挡手柄之间的配合不当会造成“打齿轮”从而引起变速器的早期失效。

已知技术中有提出用自动操纵换档机构来替代完成手动换档操纵，即所谓的自动机械变速器(AMT)。该技术是在MT基础上增加自动操纵装置，代替驾驶员完成离合器和选换档的操纵，因其成本较低，维护和保养容易，效率高，利于节能减排，因此占有了一部分变速器市场。

当前市场上的AMT操纵机构样式很多，尤以液压操纵机构为主。近年来以电机为执行机构的操纵装置因为成本低，性能稳定等优点越来越得到重视。但对于离合器操纵机构，为满足离合器快速分离的功能要求，所需的执行电机功率较大，在体积、重量和空间布置上劣势明显。具体地说，离合器操作的特点是必须保证快速分离的分离速度，否则会增加离合器的磨损；而在离合器结合时速度要慢得多，以此保证离合器接合平稳。若同时考虑到离合器膜片弹簧的作用机理，离合器分离所需电机功率远大于结合所需电机功率，采用直接的电机驱动方案，必须选用较大的电机容量。

鉴于此，目前有关发明公开了采用弹簧储能等方式，辅助电机完成离合器分离和结合操纵，但这增加了系统的复杂程度。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提出一种车用膜片弹簧离合器电控操纵装置，其利用执行机构的惯性储能，确保仅采用小容量的电机就可完成离合器操纵，简单实用。

本发明具体通过以下技术方案实现：

一种车用膜片弹簧离合器电控操纵装置，包括依次相连的驱动电机、减速机构、非线性传动机构和离合器分离杠杆。所述非线性传动机构的输出过程分为惯性储能行程和工作行程；在离合器分离操作过程中，在惯性储能行程可以先启动电机到高速运转状态进行惯性储能，所储动能在随后的工作行程释放出来，辅助驱动电机实现离合器分离操纵；其中惯性储能行程中输入输出之传动比远大于工作行程。

本发明所述非线性传动机构可置于驱动电机和减速机构之间。

本发明中如果惯性储能不能满足后续工作行程需要，必要时也可以在驱动电机上附加额外的旋转质量，增加惯性储能容量。

本发明中所述非线性传动机构可以用凸轮、连杆机构、带有空行程的等比传动机构构成。

由于采用以上技术方案，本发明利用执行机构的惯性储能，在离合器分离操作过程中，在惯性储能行程可以先启动电机到高速运转状态进行惯性储能，所储动能在随后的工作行程释放出来，辅助驱动电机实现离合器分离操纵，即能确保本发明仅采用小容量的电机就可完成离合器操纵，简单实用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：

图1是本发明结构示意图。图中：

1、驱动电机；2、减速机构；3、非线性传动机构；4、离合器分离杠杆；5、离合器膜片弹簧。

图2是非线性传动机构的输入输出传动特性图。图中：

S表示该非线性传动机构的输出；

θ表示该非线性传动机构的输入；

tp段对应惯性储能行程；

Δt段对应工作行程；

ΔS为工作行程对应输出。

图3a是离合器膜片弹簧的特性曲线，图3b是离合器膜片弹簧的储能曲线。图中：

F弹簧的弹性力；

S弹簧的压缩行程；

V为完全分离离合器所需要克服的膜片弹簧弹性势能；

T为电机达到某一转速后具有的惯性储能；

Vm为快速分离时需要电机补偿所做的功。

图4是电机额定点优化设计曲线。图中：

为工作行程离合器分离平均速度；

为电机的平均输出功率；

为电机惯性储能行程平均输出功率；

(Pm^*，

)分别为电机额定功率和传动机构储能行程终了时刻输出速度。

具体实施方式

如图1所示，一种车用膜片弹簧离合器电控操纵装置，包括依次相连的驱动电机1、减速机构2、非线性传动机构3和离合器分离杠杆4。非线性传动机构3输入θ和输出S具有类似图2的非线性对应关系，其输出S分为惯性储能行程tp和工作行程Δt，在离合器分离操作过程中，在惯性储能行程tp可以先启动电机到高速运转状态进行惯性储能，所储动能在随后的工作行程Δt释放出来，辅助驱动电机实现离合器分离操纵，其中惯性储能行程tp中输入θ和输出S之传动比远大于工作行程Δt，极端情况下，惯性储能行程tp中输入θ和输出S之传动比甚至可以是无穷大，此时输入侧的运动输入不能传递到输出侧。

利用上述特性，可以做到在惯性储能行程tp中，驱动电机1的旋转运动经过非线性传动机构3引起的离合器分离杠杆4的运动被限制在离合器的空行程内，即不引起离合器膜片弹簧5的压缩，因此在传动机构的输出侧没有阻力。这样，驱动电机1可以利用该空载行程区间将转速提高到足够高，从而储存旋转动能T，并且T＝Jω²/2，即和电机转动惯量J、旋转角速度ω的平方成正比。

在工作行程开始时刻后，非线性传动机构输入输出之间的传动比显著减小，其输出引起离合器膜片弹簧5压缩，并逐渐分离。在离合器膜片弹簧5受压缩变形引起的阻力作用下，惯性储能行程tp中储存在驱动电机侧的动能T释放出来并转化为弹簧的弹性势能V，同时驱动电机也持续工作输出功率为Pm。这样弹性势能的增加同时由动能T释放和电机功率Pm构成，在工作行程终了时刻(tp+Δt)满足如下关系式：

V = T + V_{m} = T + {&Integral;}_{p}^{tp + Δt} P_{m} dt .

根据上述基本能量转化情况，进一步参照图3a膜片弹簧的特性曲线和图3b储能曲线，其中F为弹簧的弹性力，S为弹簧的压缩行程，可以得到如下系列方程：

电机工作行程输出能量为：

Vm = V - T = \overset{&OverBar;}{P_{m}} \times Δt;

工作行程中位移与时间的关系为：

ΔS = Δt \cdot \overset{&OverBar;}{v_{0}} .

其中为工作行程离合器分离平均速度，电机的平均输出功率进一步表述为：

\overset{&OverBar;}{P_{m}} = \frac{V - \frac{1}{2} J ω^{2}}{ΔS} \cdot \overset{&OverBar;}{v_{0}}

同时，由图2和前面分析可得在惯性储能阶段，电机平均输出功率为

\overset{\overset{&OverBar;}{&OverBar;}}{P_{m}} = \frac{1}{2 t_{p}} J ω^{2} .

分别作出

和

的曲线如图4中电机额定点优化设计曲线所示，两条曲线的交点(Pm^*，)即设计驱动电机和传动机构的重要参数：电机额定功率和传动机构储能行程终了时刻输出速度。根据该设计原则选取的(Pm^*，可以保证电机功率最优化。

非线性传动机构1应置于驱动电机1之后，离合器分离杠杆4之前，其与驱动电机1和离合器分离杠杆4的连接可根据需要增加减速机构2实现减速增扭，非线性传动机构1可置于驱动电机和减速机构之间。

如果惯性储能不能满足后续工作行程需要，必要时也可以在驱动电机上附加额外的旋转质量，增加惯性储能容量。

原理上讲，能提供如图2所示的运动传递函数的非线性传动机构，如具有特定轮廓曲线的凸轮机构、连杆机构等均可以实现本方明的功能要求。

特定情况下，带有空行程的等比传动机构也可以实现本方明的功能要求。比如对于采用柔性拉锁的离合器分离装置，合理设置电机和减速机构，使离合器在自然状态下，拉索处于松弛状态，当电机工作在惯性储能阶段，拉索由松弛到张紧，但始终保持离合器完全分离；直到拉索张紧，储能阶段结束进入工作行程。这也是一种可行的实现实例。

按照汽车设计要求，在规定的踏板力和行程的允许范围内，司机分离离合器所作的功V一般不大于30焦，而且对于离合器分离要求应该迅速、彻底，一般分离时间设计为0.1s左右。在如此短的时间内爆发如此大的能量对电机来说要求比较高。但是假设电机储能转速为1500转/分(ω＝157rad/s)，转动惯量J＝2×10^-3kg·m²，则

T = \frac{1}{2} J w^{2} 0.5 \times J \times {(\frac{1500}{60} \times 2 π)}^{2} = 25

焦耳

总共30焦的分离功中如果由电机高速运转的惯性储能T可以提供25焦，那在分离过程中电机补偿所做的功为5焦。那么，

P = \frac{5 J}{0.1 s} = 50 w

即仅需要选择一个50w的小容量电机就可以满足要求。显见，工作行程离合器分离过程中驱动电机提供的功率因为惯性储能T的引入可以减小，如果设计合理，驱动电机的功率可以明显降低。

本发明中的实施例仅对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域内技术人员可以想到的其他实质上的替代，均在本发明保护的范围内。

Claims

1、一种车用膜片弹簧离合器电控操纵装置，其特征在于：包括依次相连的驱动电机、减速机构、非线性传动机构和离合器分离杠杆；所述非线性传动机构的输出过程分为惯性储能行程和工作行程；在离合器分离操作过程中，在惯性储能行程可以先启动电机到高速运转状态进行惯性储能，所储动能在随后的工作行程释放出来，辅助驱动电机实现离合器分离操纵；其中惯性储能行程中输入输出之传动比远大于工作行程。

2、根据权利要求1所述的一种车用膜片弹簧离合器电控操纵装置，其特征在于：所述非线性传动机构可置于驱动电机和减速机构之间。

3、根据权利要求1或2所述的一种车用膜片弹簧离合器电控操纵装置，其特征在于：在驱动电机上可附加旋转质量。

4、根据权利要求3所述的一种车用膜片弹簧离合器电控操纵装置，其特征在于：所述非线性传动机构可以用凸轮、连杆机构、带有空行程的等比传动机构构成。