CN101580014A - 电动汽车电机自动变速驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电动汽车电机自动变速驱动系统。电动汽车电机自动变速驱动系统，它包括电机、齿轮式变速器、蓄电池组、控制系统；其特征在于：电机的电机轴与齿轮式变速器的第一轴为同一轴；所述的电机为交流感应电机或交流永磁电机；所述的控制系统包括电机控制器、系统控制器、电池电压传感器、电池电流传感器、第一转速编码器、第二转速编码器、拔叉位置传感器组、变速器机油温度传感器、压力源压力传感器；电机控制器的电源输入端分别由第一电源导线与蓄电池组的2个输出接线端相连，电机控制器的电源输出端分别由第二电源导线与电机的电源输入端相连。本发明具有机械结构简单、控制精确、响应快速、换档平顺的特点。

Description

电动汽车电机自动变速驱动系统
技术领域
本发明涉及电动汽车电机自动变速驱动系统。
背景技术
电动汽车包括纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车。其驱动电机常采用交流感应电机和交流永磁电机。
这两种电机都可以采用变频技术，实现无级调速，因而在工业机械上一般不要求变速传动装置。即使在车速不高的低速车上一般也不需要变速传动装置，但对于车速要求高，而同时又要求爬坡能力强的车辆，这种配置则难以满足车辆的行驶要求。采用可变速比齿轮变速传动装置可以在车辆高速行驶时采用直接传动或小减速比传动，满足最高车速的行驶要求；而在车辆低速爬坡时，采用大减速比传动，可获得更大的车轮驱动转矩，提高车轮爬坡能力。
可变速比齿轮变速传动系统一般由离合器和齿轮式变速器组成。变速器换档结构型式有三种，即直齿滑动齿轮方式、啮合套方式，同步器换档方式。直齿滑动齿轮方式、啮合套方式在換档时，会造成换档或结合冲击的问题，易造成啮合齿轮损坏。而现有的同步器，都是采用摩擦原理，使啮合齿轮的工作表面产生摩擦力矩，来克服被啮合件的惯性力矩，使待啮合的齿轮升速或降速从而达到同步状态。同步器的缺点是摩擦力矩调节困难，同步时间较长，且摩擦表面易损坏，同步器使用寿命短。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单的电动汽车电机自动变速驱动系统。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：电动汽车电机自动变速驱动系统，它包括电机、齿轮式变速器、蓄电池组、控制系统；其特征在于：电机的电机轴与齿轮式变速器的第一轴为同一轴；所述的电机为交流感应电机或交流永磁电机；
所述的控制系统包括电机控制器、系统控制器、电池电压传感器、电池电流传感器、第一转速编码器、第二转速编码器、拔叉位置传感器组、变速器机油温度传感器、压力源压力传感器；电机控制器的电源输入端分别由第一电源导线与蓄电池组的2个输出接线端相连，电机控制器的电源输出端分别由第二电源导线与电机的电源输入端相连；系统控制器的第一控制信号输出端、第二控制信号输出端、第三控制信号输出端、第四控制信号输出端分别与电机控制器的第一控制信号输入端口、第二控制信号输入端口、第三控制信号输入端口、第四控制信号输入端口相连；电池电流传感器设在第一电源导线上，电池电流传感器的输出端由电流信号线与系统控制器的第一模拟输入端口相连；电池电压传感器设在2根第一电源导线上，电池电压传感器的输出端由电压信号线与系统控制器的第二模拟输入端口相连；车辆电子加速踏板的传感器由电子加速踏板信号线与系统控制器的第三模拟输入端口相连；第一转速编码器设置在电机的电机轴上，第一转速编码器的B和Z信号输出端由信号线与系统控制器的第一信号输入端相连相连；第二转速编码器设置在齿轮式变速器的第二轴上，第二转速编码器的B和Z信号输出端由信号线与系统控制器的第二信号输入端相连相连；变速器机油温度传感器设置在齿轮式变速器的变速器机体内的底部，变速器机油温度传感器的输出端由信号线与系统控制器的第三信号输入端相连；压力源压力传感器设置在压力源的输出管上，压力源压力传感器的输出端由信号线与系统控制器的第四模拟输入端口相连；拔叉位置传感器组由第一位置传感器、第二位置传感器、第三位置传感器、第四位置传感器、第五位置传感器、第六位置传感器组成，第一位置传感器、第二位置传感器、第三位置传感器分别设置在齿轮式变速器的第一操纵机构的第一芯轴的上方，第一位置传感器、第二位置传感器、第三位置传感器的输出端由信号线分别与系统控制器的第四信号输入端、第五信号输入端、第六信号输入端相连；第四位置传感器、第五位置传感器、第六位置传感器分别设置在齿轮式变速器的第二操纵机构的第二芯轴的上方，第四位置传感器、第五位置传感器、第六位置传感器的输出端由信号线分别与系统控制器的第七信号输入端、第八信号输入端、第九信号输入端相连；电磁阀组由第三电磁阀、第四电磁阀、第一电磁阀、第二电磁阀组成，系统控制器的第五控制信号输出端、第六控制信号输出端、第七控制信号输出端、第八控制信号输出端由控制信号线分别与变速器操作机构组的电磁阀组的第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀的输入端相连。
所述电机输出端的电机壳体直接与齿轮式变速器的变速器机体固定连接。
所述的齿轮式变速器为2-4个前进档的齿轮式变速器。
系统控制器由微处理器CPU224XPCN、模块EM235CN和模块EM231CN构成模块式结构。
第一转速编码器(1)、第二转速编码器(23)安装时，第二转速编码器(23)的零位信号TM0输出正时与第二接合套(27)的齿顶中心线重合，第一结合套和第二结合套的齿顶中心线重合；第一转速编码器(1)的零位信号TMX输出正时与第二轴一档齿轮接合齿圈(19)的齿根中心线重合(并保证每档齿轮结合齿圈的齿根中心线重合)，并且安装时第一转速编码器(1)、第二转速编码器(23)的零位信号输出正时重合；TM0表示第二转速编码器(23)的Z相脉冲跳变时刻，TMX表示第一转速编码器(1)的Z相脉冲跳变时刻。
本发明的有益效果是：
1、交流感应电机(或交流永磁电机)的电机轴(即输出轴)与齿轮式变速器的输入轴为同一轴，电动机与变速器的机械零部件高度集成，成为结构紧凑的整体；具有机械结构简单的特点。
2、电机输出端的电机壳体直接与齿轮式变速器的变速器机体固定连接，成为结构紧凑的整体；具有机械结构简单的特点。
3、本发明去掉了电机与齿轮式变速器之间的离合器，取消了传统变速器中的同步器，采用啮合套式换档结构；利用交流感应电机(或交流永磁电机)的精确快速调速功能，实现换档过程中的待啮合齿轮等转速、同相位控制，利用气压(或液压)操纵机构完成换档，实现系统的自动控制，本发明具有的特点：响应快速，换档时间小于1s；控制精确，转速控制到等速，相位误差小于1°；换档平顺，无任何齿轮冲击。
4、控制系统具有良好的抗干扰性能和电磁兼容性能；转速编码器较高的转速分辨率以及零位信号输出和电机的快速响应和保证了系统的高精度控制的特点保证了系统的快速响应和精确控制；电压和电流传感器对电池实时采样，保证了系统在电池的合理状态下进行换档操作；变速器各档位安装有位置传感器，实现了系统的闭环控制；换档操作机构采用气动控制，控制简单；通过对机油温度的采集，实现了电机空载最优转矩的获取；压力传感器保证了系统换档的稳定性。
5、利用编码器的输出特性和齿轮特点准确安装定位，从而获得编码器嵌套轴的相位。两个转速编码器分别实时测量电机和变速器第二轴转速和相位并反馈信号，并通过各档速比计算得到待啮合结合齿圈的转速和相位，变速器档位位置传感器实时反映变速器拨叉位置并反馈档位信号。电机在系统控制器和电机控制器作用下跟踪变速器第二轴转速和相位，快速、高精度的调节第一轴和中间轴转速，使变速器待啮合的结合齿圈和结合套的转速同步，并且相位满足要求。该系统利用电机的快速响应、高精度调速特性，转速编码器和档位位置传感器的信号反馈，根据变速器第二轴转速主动调节变速器第一轴和中间轴转速和相位，使变速器待啮合的结合齿圈和结合套等速同相，然后通过气动执行机构完成变速器的自动换档。
6、换档过程中，电机必须在不同档位下按照一定的空载最优转矩工作，保证结合转速稳定，实现换档过程平顺、无冲击；电机在不同档位下的空载最优转矩根据系统转动惯量、机油温度、液面高度、转速确定。本发明采用控制系统实现换档过程平顺、无冲击。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的控制系统原理图；
图3是本发明的系统控制器的接线图；
图4是本发明的电机和变速器的结构示意图；
图5是本发明的第一操纵机构的结构示意图；
图6是本发明的第二操纵机构的结构示意图；
图7是本发明的转速编码器输出原理图；
图8是本发明的变速器结合套和结合齿圈平面示意图；
图9是本发明的变速器结合套和结合齿圈的齿轮平面展开示意图；
图中：1-第一转速编码器，2-电机轴，3-第一支撑轴承，4-左端盖，5-电机壳体，6-电机转子，7-第二支撑轴承，8-变速器机体，9-第一轴常啮合齿轮，10-第一轴齿轮接合齿圈，11-第一花键毂，12-第一拔叉，13-第二轴三档齿轮接合齿圈，14-第二轴三档齿轮，15-第二轴二档齿轮，16-第二轴二档齿轮接合齿圈，17-第二拔叉，18-第二花键毂，19-第二轴一档齿轮接合齿圈，20-第二轴一档齿轮，21-第三支撑轴承，22-第二轴，23-第二转速编码器，24-第四支撑轴承，25-中间轴，26-中间轴一档齿轮，27-第二接合套，28-中间轴二档齿轮，29-中间轴三档齿轮，30-第一接合套，31-滚珠轴承，32-中间轴常啮合齿轮，33-第五支撑轴承，34-第一芯轴，35-第一位置传感器，36-第二位置传感器，37-第三位置传感器，38-第一弹簧挡环，39-第一弹簧，40-第一弹簧座，41-第一活塞，42-第一气压缸体，43-第一入口，44第四位置传感器，45-第五位置传感器，46-第六位置传感器，47-第二弹簧挡环，48-第二弹簧，49-第二弹簧座，50-第二活塞，51-第二气压缸体，52-第三入口，53-第三电磁阀，54-第四电磁阀，55-第四入口，56-压力源，57-第二阀座，58-第一电磁阀，59-第二电磁阀，60-第二入口，61-第一阀座，62-第二芯轴；100-系统控制器，200-电机，230-电机控制器，300-齿轮式变速器，310-变速器操作机构组，320-拔叉位置传感器组，330-变速器机油温度传感器，340-电磁阀组，400-蓄电池组，410-电池电压传感器，420-电池电流传感器，510-车辆电子加速踏板。
具体实施方式
1.驱动系统结构
如图1、图2、图3所示，电动汽车电机自动变速驱动系统，它包括电机200、齿轮式变速器300(本实施例以4个前进档的变速器为例)、蓄电池组400、控制系统；电机的电机轴(即电机的输出轴)与齿轮式变速器的第一轴(即输入轴)为同一轴[变速器的第一轴(即输入轴)由电机轴2替代]；所述的电机为交流感应电机或交流永磁电机；
所述的控制系统包括电机控制器230、系统控制器100、电池电压传感器410、电池电流传感器420、第一转速编码器1、第二转速编码器23、拔叉位置传感器组320、变速器机油温度传感器330、压力源压力传感器350；系统控制器100由微处理器CPU224XPCN、模块EM235CN和模块EM231CN构成模块式结构，模块EM235CN位于微处理器CPU224XPCN与模块EM231CN之间(系统控制器100是模块式结构，由CPU224XPCN+EM235CN+EM231CN构成，西门子)；电机控制器230为：FRENIC5000VG7S series，日本富士电器公司；电机控制器230的电源输入端分别由第一电源导线(2根，对应2个输出接线端)与蓄电池组400的2个输出接线端相连，电机控制器230的电源输出端分别由第二电源导线与电机200的电源输入端相连；系统控制器100的CPU224XPCN的Q1.0、Q1.1、Q0.7、V1控制信号输出端分别与电机控制器230的控制信号输入FWD、REV、T/S、TA-端口相连(分别控制电机的正向驱动，反向驱动，转矩/速度模式切换和转矩大小，EM235CN的模拟输出端口V2与电机控制器230的SA端口相连，控制电机的转速大小)；电池电流传感器420设在第一电源导线上，电池电流传感器420的输出端由电流信号线与系统控制器100的EM235CN的模拟输入端口A相连；电池电压传感器410设在2根第一电源导线上，电池电压传感器410的输出端由电压信号线与系统控制器100的EM235CN的模拟输入端口B相连；车辆电子加速踏板510的传感器由电子加速踏板信号线与系统控制器100的CPU224XPCN模拟输入端口A+相连；第一转速编码器1设置在电机200的电机轴2上(也可放置在中间轴25上)，第一转速编码器1的B和Z信号输出端(图3中1B、1Z)由信号线与系统控制器100的CPU224XPCN的I0.3和I0.1信号输入端相连相连；第二转速编码器23设置在齿轮式变速器300的第二轴22上，第二转速编码器23的B和Z信号输出端(图3中23B、23Z)由信号线与系统控制器100的CPU224XPCN的I0.4和I0.2信号输入端相连相连；变速器机油温度传感器330设置在齿轮式变速器300的变速器机体内的底部，变速器机油温度传感器330的输出端由信号线与系统控制器100的EM231CN的A信号输入端相连；压力源压力传感器350设置在压力源56的输出管上，压力源压力传感器350的输出端由信号线与系统控制器100的EM235CN的模拟输入端口C相连；拔叉位置传感器组320由第一位置传感器35、第二位置传感器36、第三位置传感器37、第四位置传感器44、第五位置传感器45、第六位置传感器46组成，第一位置传感器35、第二位置传感器36、第三位置传感器37分别设置在齿轮式变速器300的第一操纵机构的第一芯轴34的上方，第一位置传感器35、第二位置传感器36、第三位置传感器37的输出端由信号线分别与系统控制器100的CPU224XPCN的I1.5、I1.4、I1.3信号输入端相连；第四位置传感器44、第五位置传感器45、第六位置传感器46分别设置在齿轮式变速器300的第二操纵机构的第二芯轴62的上方，第四位置传感器44、第五位置传感器45、第六位置传感器46的输出端由信号线分别与系统控制器100的CPU224XPCN的I1.0、I1.2、I1.1信号输入端相连；电磁阀组340由第三电磁阀53、第四电磁阀54、第一电磁阀58、第二电磁阀59组成，系统控制器100的CPU224XPCN的Q0.2、Q0.1、Q0.4、Q0.3控制信号输出端由控制信号线分别与变速器操作机构组310的电磁阀组340的第一电磁阀58、第二电磁阀59、第三电磁阀53、第四电磁阀54的输入端相连。
2.电机及齿轮式变速器结构
如图4所示，所述电机的输出端的电机壳体5直接与齿轮式变速器的变速器机体8固定连接(如螺栓连接)，省掉了电机的右端盖。所述交流感应电机(或交流永磁电机)与同类型的电机结构基本相同，电机轴2上设置有第一支撑轴承3、第二支撑轴承7，第一支撑轴承3设置在左端盖3上；不同之处在于：电机的右端盖由变速器机体8替代，第二支撑轴承7设置在变速器机体8上。
所述的齿轮式变速器为4档的啮合套式齿轮式变速器。
所述的齿轮式变速器包括变速器操作机构组310、变速器机体8、第一轴常啮合齿轮9、第一轴齿轮接合齿圈10、第一花键毂11、第二轴三档齿轮接合齿圈13、第二轴三档齿轮14、第二轴二档齿轮15、第二轴二档齿轮接合齿圈16、第二花键毂18、第二轴一档齿轮接合齿圈19、第二轴一档齿轮20、第三支撑轴承21、第二轴22、第四支撑轴承24、中间轴25、中间轴一档齿轮26、第二接合套27、中间轴二档齿轮28、中间轴三档齿轮29、第一接合套30、滚珠轴承31、中间轴常啮合齿轮32、第五支撑轴承33；变速器操作机构组310由第一操纵机构(如图5所示)和第二操纵机构(如图6所示)组成；电机的电机轴(也是齿轮式变速器的第一轴)2的右部位于变速器机体8内，电机的电机轴的右端部设有滚珠轴承31，第二轴22的左端部设有轴承槽，电机轴右端部上的滚珠轴承插入第二轴22左端部的轴承槽内(电机轴、第二轴能各自旋转，第二轴22通过滚珠轴承支撑在电机轴上)；第一轴常啮合齿轮9、第一轴齿轮接合齿圈10分别位于变速器机体8内，第一轴常啮合齿轮9固定设置在电机的电机轴的右部，第一轴齿轮接合齿圈10固定设置在第一轴常啮合齿轮9上；第二轴22的右部由第三支撑轴承21与变速器机体8相连，第二轴22的右端部位于变速器机体8外(第二轴为齿轮式变速器的输出轴)，第一花键毂11位于变速器机体8内，第一花键毂11固定设置在第二轴22的左端部，第一花键毂11与第一轴齿轮接合齿圈10相邻，第一接合套30通过花键与第一花键毂11相连，第一操纵机构的第一拔叉12安装在第一接合套30上；第二轴三档齿轮接合齿圈13、第二轴三档齿轮14分别位于变速器机体8内，第二轴三档齿轮14由轴承套在第二轴22上(第二轴三档齿轮14旋转时，第二轴22不旋转)，第二轴三档齿轮14位于第一花键毂11的右侧，第二轴三档齿轮接合齿圈13固定设置在第二轴三档齿轮14上，第二轴三档齿轮接合齿圈13与第一花键毂11相邻(通过第一拔叉12，可使第一接合套30滑到第一轴齿轮接合齿圈10上，使第一花键毂11与第一轴齿轮接合齿圈10相连接；也可使第一接合套30滑到第二轴三档齿轮接合齿圈13，使第一花键毂11与第二轴三档齿轮接合齿圈13相连接)；第二轴二档齿轮15、第二轴二档齿轮接合齿圈16、第二花键毂18、第二轴一档齿轮接合齿圈19、第二轴一档齿轮20分别位于变速器机体8内，第二轴二档齿轮15、第二轴一档齿轮20分别由轴承套在第二轴22上，第二花键毂18固定设置在第二轴22上，第二轴二档齿轮15位于第二轴三档齿轮14的右侧，第二花键毂18位于第二轴二档齿轮15的右侧，第二轴一档齿轮20位于第二花键毂18的右侧，第二轴二档齿轮接合齿圈16固定设置在第二轴二档齿轮15上，第二轴一档齿轮接合齿圈19固定设置在第二轴一档齿轮20上，第二轴二档齿轮接合齿圈16、第二轴一档齿轮接合齿圈19分别与第二花键毂18相邻(通过第二拔叉17，可使第二接合套27滑到第二轴二档齿轮接合齿圈16上，使第二花键毂18与第二轴二档齿轮接合齿圈16相连接；也可使第二接合套27滑到第二轴一档齿轮接合齿圈19上，使第二花键毂18与第二轴一档齿轮接合齿圈19相连接)；第二接合套27通过花键与第二花键毂18相连，第二操纵机构的第二拔叉17安装第二花键毂18上；中间轴25位于变速器机体8内，中间轴25的右端由第四支撑轴承24与变速器机体8相连，中间轴25的左端由第五支撑轴承33与变速器机体8相连；中间轴一档齿轮26、中间轴二档齿轮28、中间轴三档齿轮29、中间轴常啮合齿轮32分别位于变速器机体8内，中间轴一档齿轮26、中间轴二档齿轮28、中间轴三档齿轮29、中间轴常啮合齿轮32分别固定设置在中间轴25上，中间轴一档齿轮26与第二轴一档齿轮20相啮合，中间轴二档齿轮28与第二轴二档齿轮15相啮合，中间轴三档齿轮29与第二轴三档齿轮14相啮合，中间轴常啮合齿轮32与第一轴常啮合齿轮9相啮合；电机轴2上设有第一转速编码器1，第二轴22上设有第二转速编码器23。
各齿轮的齿数分别为：第一轴常啮合齿轮9为Z1、中间轴常啮合齿轮32为Z2，中间轴三档齿轮29为Z4，中间轴二档齿轮28为Z6，中间轴一档齿轮26为Z8，第二轴三档齿轮14为Z3，第二轴二档齿轮15为Z5，第二轴一档齿轮20为Z7。
当第一接合套30和第二接合套27均处于中间位置(图4所示位置)时，由于第二轴上的各档位齿轮均空套在第二轴上，第二轴不能被驱动，为空档。
当第二拔叉17推动第二接合套27与第二轴一档齿轮接合齿圈(第二轴一档齿轮20)啮合，则第一轴的动力可传递到第二轴，其一档传动比为
i 1 = Z 2 Z 1 · Z 7 Z 8 ;
同理，二档传动比为
i 2 = Z 2 Z 1 · Z 5 Z 6 ;
三档传动比为
i 3 = Z 2 Z 1 · Z 3 Z 4 ;
四档传动比为
i4＝1。
3.变速器操作机构组(以气动为例)
如图5所示，所述的第一操纵机构包括第一拔叉12、第一芯轴34、第一弹簧挡环38、第一弹簧39、第一弹簧座40、第一活塞41、第一气压缸体42、第一电磁阀58、第二电磁阀59、第一阀座61；第一阀座61的左端部设有左轴孔，第一阀座61的右端部设有右轴孔，第一气压缸体42内设有活塞腔，第一活塞41位于活塞腔内，第一气压缸体42的左端与第一阀座61的右端由螺栓固定连接(密封，设密封圈)；第一气压缸体42上设有第一入口43，第一入口43与活塞腔相通，第一入口43位于第一活塞41的右侧，第一阀座61的右端部设有第二入口60，第二入口60与活塞腔相通，第二入口60位于第一活塞41的左侧；第一阀座61的右轴孔与活塞腔相通；第一芯轴34的右端部穿过第一阀座61的右轴孔后与第一活塞41固定连接(第一芯轴34的右端部设有螺纹，穿过第一活塞41，旋上螺母)，第一弹簧挡环38、第一弹簧39、第一弹簧座40分别套在第一芯轴34的右部，第一弹簧39位于第一弹簧挡环38与第一弹簧座40之间，第一弹簧挡环38、第一弹簧39、第一弹簧座40分别位于活塞腔内；第一芯轴34的左端部穿入第一阀座61上的左端部的左轴孔中(第一活塞41移动带动第一芯轴移动)，第一拔叉12固定在第一芯轴34的中部；第一芯轴34上方分别设有第一位置传感器35、第二位置传感器36、第三位置传感器37；第一气压缸体42上的第一入口43通过第一管与压力源56(即压缩空气源)相连，第一管上设有第一电磁阀58；第一阀座61上的第二入口60通过第二管与压力源56(本实施例以气压为例，即压缩空气源)相连，第二管上设有第二电磁阀59。第一芯轴34可以在第一阀座61上滑动。
当第一活塞41的两端未受到气压作用时，也就是第一入口43(E1)、第二入口60(E2)都与大气相接，在第一弹簧39的作用下，将第一弹簧座40推向第一气压缸体42内的右限位端面(第一气压缸体42活塞腔内的左部设有限位端面)，如图5所示，此时第一拔叉12处于空档位置，第一位置传感器P1(35)发出空档信号，与此同时第二位置传感器P2(36)和第三位置传感器P3(37)输出为零。
第二操纵机构与第一操纵机构具有相同的机械结构。第二操纵机构的状态与第一操纵机构相同。
如图6所示，所述的第二操纵机构包括第二拔叉17、第二弹簧挡环47、第二弹簧48、第二弹簧座49、第二活塞50、第二气压缸体51、第三电磁阀53、第四电磁阀54、第二阀座57、第二芯轴62；第二阀座57的左端部设有左轴孔，第二阀座57的右端部设有右轴孔，第二气压缸体51内设有活塞腔，第二活塞50位于活塞腔内，第二气压缸体51的左端与第二阀座57的右端由螺栓固定连接(密封，设密封圈)；第二气压缸体51上设有第三入口52，第三入口52与活塞腔相通，第三入口52位于第二活塞50的右侧，第二阀座57的右端部设有第四入口55，第四入口55与活塞腔相通，第四入口55位于第一活塞41的左侧；第二阀座57的右轴孔与活塞腔相通；第二芯轴62的右端部穿过第二阀座57的右轴孔后与第二活塞50固定连接(第二芯轴62的右端部设有螺纹，穿过第二活塞50，旋上螺母)，第二弹簧挡环47、第二弹簧48、第二弹簧座49分别套在第二芯轴62的右部，第二弹簧48位于第二弹簧挡环47与第二弹簧座49之间，第二弹簧挡环47、第二弹簧48、第二弹簧座49分别位于活塞腔内；第二芯轴62的左端部穿入第二阀座57上的左端部的左轴孔中(第二活塞50移动带动第二芯轴62移动)，第二拔叉17固定在第二芯轴62的中部；第二芯轴62的上方分别设有第四位置传感器44、第五位置传感器45、第六位置传感器46；第二气压缸体51上的第三入口52通过第三管与压力源56(即压缩空气源)相连，第三管上设有第三电磁阀53；第二阀座57上的第四入口55通过第四管与压力源56(本实施例以气压为例，即压缩空气源)相连，第四管上设有四电磁阀54。
当需要进入一档时，第四电磁阀54开，压缩空气由第四入口F2(55)进入，第三入口52(F1)与大气相接，推动第二活塞50向右运动直到第二气压缸体51内的右限位端面(第二气压缸体51的活塞腔内的左部设有限位端面)；第二活塞50通过第二芯轴62带动第二拔叉17，第二拔叉17带动第二接合套27，使具与第二轴一档齿轮20啮合，即第二接合套27与第二轴一档齿轮接合齿圈19结合，同时第六位置传感器P6(46)发出一档信号，并且第四位置传感器P4(44)的空档信号清零，第五位置传感器P5(45)为零状态，第一位置传感器P1(35)、第二位置传感器P2(36)和第三位置传感器P3(37)输出也为零。此时第二弹簧48处在压缩状态。
当需要换档时，例如一档进二档，首先是第四电磁阀54关闭，第四入口F2(55)切換到大气，在第二弹簧48的作用下第二活塞50、第二拔叉17回到空档位置，第四位置传感器P4(44)发出空档信号，输出为1，第六位置传感器P6(46)输出为零；然后第三电磁阀53开，压缩空气由第三入口F1(52)进入，推动第二活塞50及第二弹簧座49向左移动到第二气压缸51的左限位端面，此时即第二接合套27与第二轴二档齿轮接合齿圈16结合，第二拨叉17处于二档位置，第五位置传感器P5(45)输出为1，发出二档信号，第二弹簧48处在压缩状态，与此同时第四位置传感器P4(44)和第六位置传感器P6(46)输出为零。
在整个换档过程中在第一操纵机构内第一位置传感器P1(35)、第二位置传感器P2(36)和第三位置传感器P3(37)在同一时刻输出是唯一的，即同一时刻只有一个传感器有输出，其他两个传感器输出为零。第二操纵机构的位置传感器也具有相同的特性。
第一操纵机构控制三档和四档的操作，第二操纵机构控制一档与二档的操纵。
两拨叉机构通过气路互锁，当第一拨叉12工作时，第二拨叉17处于空档，反之亦然。
4.換档过程工作原理：
(1)不同档位下的空载最优转矩确定，
换档过程中，在变速器处于空档状态时，电机必须按照待结合档位的空载最优转矩工作，保证结合转速和相位稳定，这对变速器实现换档过程平顺、无冲击至关重要。
空载最优转矩主要由电机转子转动惯量矩、变速器轴和轮系转动惯量矩、机械摩擦阻力矩、变速器机油阻力矩构成。前三项可以根据系统惯量、转速确定。
变速器机油阻力矩主要与机油粘度、轴和轮系没入机油的深度和转速相关。变速器设置有机油装载深度限位装置和变速器机油温度传感器330，根据机油阻力计算方法便可确定机油在不同转速和温度下的阻力矩。
由于变速器速比差异，不同档位下的空载最优转矩是不同的，基于上述参数通过试验可以标定出系统不同档位下的空载最优转矩。
(2)待啮合齿轮速度与相位计算
本发明变速器共有4个前进档，现以以低速档进高速档为例，例如一档进二档来进行换档说明。
此时变速器处于一档工作，即第二轴一档齿轮接合齿圈19和第二接合套27结合工作。而二档工作要求第二轴二档齿轮接合齿圈16和第二接合套27结合工作，即第二接合套27要从第二轴三档齿轮接合齿圈13脱开并从中间位置过渡到与第二轴二档齿轮接合齿圈16结合的状态。具体工作过程如下
1)速度计算
CPU224XPCN分别通过I0.3和I0.4高速采集第一转速编码器1和第二转速编码器23的B相脉冲输出，由公式
Figure A20091006184400131
其中，n为测量轴转速，NP为控制器采集到的B相脉冲数，N为编码器每转B相脉冲数，tA为采样时间
可分别计算出电机转速nm(角标m代表电机)和第二轴转速n2(角标2代表第二轴)。假设换档时刻电机转速为nmt，第二轴的速度n2t，根据二档速比，有如下关系：
nmt＝n2ti2    (2)
2)相位计算
图7中，A、B分别为编码器的互差90°相位的转速脉冲输出，其中脉冲周期
T＝2π/N
(N为编码器每转A、B相脉冲数，为满足控制精度，N大于500)；
Z为编码器的零位信号输出，脉冲宽度为TM。
X1+X2＝0.5T±0.1T
并且有：X3+X4＝0.5T±0.1T
TM＝0.25T
其中，X1，X2，X3，X4为A，B两相脉冲高电平跳变时刻相位差。
根据编码器A、B、Z相的脉冲输出便可准确评估其嵌套轴的转速和相位。
图8为变速器一档对应的结合套27和结合齿圈19平面展开图，第二接合套27可右移与第二轴一档齿轮接合齿圈19啮合。TM0表示转速编码器23的Z相脉冲跳变时刻，TMX表示转速编码器1的Z相脉冲跳变时刻。
在安装编码器时按图8确定电机轴和第二轴的相位，第一转速编码器1、第二转速编码器23安装时，第二转速编码器23的零位信号TM0输出正时与第二接合套27的齿顶中心线重合，第一结合套和第二结合套的齿顶中心线重合；第一转速编码器1的零位信号TMX输出正时与第二轴一档齿轮接合齿圈19的齿根中心线重合(并保证每档齿轮结合齿圈的齿根中心线重合，即第一轴齿轮接合齿圈10、第二轴三档齿轮接合齿圈13、第二轴二档齿轮接合齿圈16、第二轴一档齿轮接合齿圈19的齿根中心线相互重合)，并且安装时第一转速编码器1、第二转速编码器23的零位信号输出正时重合。
变速器工作过程中，CPU224XPCN的I0.1端口检测转速编码器23的Z相脉冲跳变时刻TM0，并以TM0作为相位时基，CPU224XPCN的I0.2检测转速编码器1的Z相脉冲跳变时刻TMX；CPU224XPCN通过I0.3端口对转速编码器1的B相脉冲输出的高速采样，得到TM0时刻和TMX时刻之间的转速编码器1的B相脉冲输出数NBt，则可得到电机轴2和第二轴22之间的相位差为
θM＝NBtT
同时可得到结合齿圈19相对于结合套27的相位差为
θ＝θ/i2
即θ＝NBtT/i2
变速器结合套和结合齿圈为齿轮啮合结构，二者齿数相等。齿轮齿数决定了每齿对应的齿轮转角，当其齿数为NG时，根据图9可得到啮合齿轮每对齿顶+齿根对应的第二轴转角为：
TG＝2π/NG
所以，令
k＝θ/TG
如果满足k＝0，1，2，3.....NG，则说明结合齿圈19和结合套27在相位上与图7等效，否则表明结合齿圈19和结合套27在相位上有重齿情况，势必造成换档冲击和失败。所以在结合齿圈19和结合套27转速同步的基础上还必须保证相位同相，即在相位上满足k＝0，1，2，3.....NG，否则必须对电机进行相位调整。
5.換档过程控制方法(以一档进二档为例)：
当系统进入换档程序，加速踏板510控制信号被系统控制器屏蔽。系统控制器将电机控制器的控制模式由转矩控制模式Tmode切换到速度控制模式Smode，为了减小拨叉退档时的摩擦阻力，将电机的输出转矩置零，使其处于临界空转状态。
电磁阀54复位，第二拨叉17将在气阀B的作用下回复到空挡位置。一旦档位位置传感器反馈位置信号，即：P4＝1，P5＝0，P6＝0，(如果是三档换四档，对应：P1＝1，P2＝0，P3＝0)则表明变速器处于空挡位置。
控制电机以最大转矩调速至nmt，使其满足公式(2)
在电机向目标转速nmt调节过程中，第二轴转速不可避免会因外界负荷波动而出现微小变化，因此必须对其瞬时速度n2和相位进行采样。在第四电磁阀53开之前必须对电机和第二轴速度进行同步判断，即
nmt＝n2ti2    (3)
K＝0，1，2，3.....NG
一旦系统转速满足公式(3)，则降低电机输出转矩至维持该转速的空载最优转矩T2。同时置位电池阀54，第二拨叉17将在气阀B的作用下进入第二档。一旦档位位置传感器反馈位置信号，即：P4＝0，P5＝1，P6＝0，(如果是三档换四档，对应：P1＝0，P2＝1，P3＝0)则表明变速器处于第二挡位置。同时表明换档成功。
系统控制器再将电机控制器的控制模式由速度控制模式切换到转矩控制模式，速度限值调整到最大值，并将电机控制权交还给加速踏板。整个换档过程结束。
根据以上的控制和调节方法，同样可以完成其他档位的换档动作。
6.相关试验数据
试验相关参数：i1＝5，i2＝2，机油温度＝40℃
Figure A20091006184400141
所述的齿轮式变速器为2或3个前进档的齿轮式变速器时，都能实现本发明，在此，不一一列举实施例。

Claims (4)

1.电动汽车电机自动变速驱动系统，它包括电机(200)、齿轮式变速器(300)、蓄电池组(400)、控制系统；其特征在于：电机的电机轴与齿轮式变速器的第一轴为同一轴；所述的电机为交流感应电机或交流永磁电机；
所述的控制系统包括电机控制器(230)、系统控制器(100)、电池电压传感器(410)、电池电流传感器(420)、第一转速编码器(1)、第二转速编码器(23)、拔叉位置传感器组(320)、变速器机油温度传感器(330)、压力源压力传感器(350)；电机控制器(230)的电源输入端分别由第一电源导线与蓄电池组(400)的2个输出接线端相连，电机控制器(230)的电源输出端分别由第二电源导线与电机(200)的电源输入端相连；系统控制器(100)的第一控制信号输出端、第二控制信号输出端、第三控制信号输出端、第四控制信号输出端分别与电机控制器(230)的第一控制信号输入端口、第二控制信号输入端口、第三控制信号输入端口、第四控制信号输入端口相连；电池电流传感器(420)设在第一电源导线上，电池电流传感器(420)的输出端由电流信号线与系统控制器(100)的第一模拟输入端口相连；电池电压传感器(410)设在2根第一电源导线上，电池电压传感器(410)的输出端由电压信号线与系统控制器(100)的第二模拟输入端口相连；车辆电子加速踏板(510)的传感器由电子加速踏板信号线与系统控制器(100)的第三模拟输入端口相连；第一转速编码器(1)设置在电机(200)的电机轴(2)上，第一转速编码器(1)的B和Z信号输出端由信号线与系统控制器(100)的第一信号输入端相连相连；第二转速编码器(23)设置在齿轮式变速器(300)的第二轴(22)上，第二转速编码器(23)的B和Z信号输出端由信号线与系统控制器(100)的第二信号输入端相连相连；变速器机油温度传感器(330)设置在齿轮式变速器(300)的变速器机体内的底部，变速器机油温度传感器(330)的输出端由信号线与系统控制器(100)的第三信号输入端相连；压力源压力传感器(350)设置在压力源(56)的输出管上，压力源压力传感器(350)的输出端由信号线与系统控制器(100)的第四模拟输入端口相连；拔叉位置传感器组(320)由第一位置传感器(35)、第二位置传感器(36)、第三位置传感器(37)、第四位置传感器(44)、第五位置传感器(45)、第六位置传感器(46)组成，第一位置传感器(35)、第二位置传感器(36)、第三位置传感器(37)分别设置在齿轮式变速器(300)的第一操纵机构的第一芯轴(34)的上方，第一位置传感器(35)、第二位置传感器(36)、第三位置传感器(37)的输出端由信号线分别与系统控制器(100)的第四信号输入端、第五信号输入端、第六信号输入端相连；第四位置传感器(44)、第五位置传感器(45)、第六位置传感器(46)分别设置在齿轮式变速器(300)的第二操纵机构的第二芯轴(62)的上方，第四位置传感器(44)、第五位置传感器(45)、第六位置传感器(46)的输出端由信号线分别与系统控制器(100)的第七信号输入端、第八信号输入端、第九信号输入端相连；电磁阀组(340)由第三电磁阀(53)、第四电磁阀(54)、第一电磁阀(58)、第二电磁阀(59)组成，系统控制器(100)的第五控制信号输出端、第六控制信号输出端、第七控制信号输出端、第八控制信号输出端由控制信号线分别与变速器操作机构组(310)的电磁阀组(340)的第一电磁阀(58)、第二电磁阀(59)、第三电磁阀(53)、第四电磁阀(54)的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的电动汽车电机自动变速驱动系统，其特征在于：所述电机输出端的电机壳体直接与齿轮式变速器的变速器机体固定连接。
3.根据权利要求1所述的电动汽车电机自动变速驱动系统，其特征在于：所述的齿轮式变速器为2-4个前进档的齿轮式变速器。
4.根据权利要求1所述的电动汽车电机自动变速驱动系统，其特征在于：所述的齿轮式变速器包括变速器操作机构组(310)、变速器机体(8)、第一轴常啮合齿轮(9)、第一轴齿轮接合齿圈(10)、第一花键毂(11)、第二轴三档齿轮接合齿圈(13)、第二轴三档齿轮(14)、第二轴二档齿轮(15)、第二轴二档齿轮接合齿圈(16)、第二花键毂(18)、第二轴一档齿轮接合齿圈(19)、第二轴一档齿轮(20)、第三支撑轴承(21)、第二轴(22)、第四支撑轴承(24)、中间轴(25)、中间轴一档齿轮(26)、第二接合套(27)、中间轴二档齿轮(28)、中间轴三档齿轮(29)、第一接合套(30)、滚珠轴承(31)、中间轴常啮合齿轮(32)、第五支撑轴承(33)；变速器操作机构组(310)由第一操纵机构和第二操纵机构组成；电机的电机轴(2)的右部位于变速器机体(8)内，电机的电机轴的右端部设有滚珠轴承(31)，第二轴(22)的左端部设有轴承槽，电机轴右端部上的滚珠轴承插入第二轴(22)左端部的轴承槽内；第一轴常啮合齿轮(9)、第一轴齿轮接合齿圈(10)分别位于变速器机体(8)内，第一轴常啮合齿轮(9)固定设置在电机的电机轴的右部，第一轴齿轮接合齿圈(10)固定设置在第一轴常啮合齿轮(9)上；第二轴(22)的右部由第三支撑轴承(21)与变速器机体(8)相连，第二轴(22)的右端部位于变速器机体(8)外，第一花键毂(11)位于变速器机体(8)内，第一花键毂(11)固定设置在第二轴(22)的左端部，第一花键毂(11)与第一轴齿轮接合齿圈(10)相邻，第一接合套(30)通过花键与第一花键毂(11)相连，第一操纵机构的第一拔叉(12)安装在第一接合套(30)上；第二轴三档齿轮接合齿圈(13)、第二轴三档齿轮(14)分别位于变速器机体(8)内，第二轴三档齿轮(14)由轴承套在第二轴(22)上，第二轴三档齿轮(14)位于第一花键毂(11)的右侧，第二轴三档齿轮接合齿圈(13)固定设置在第二轴三档齿轮(14)上，第二轴三档齿轮接合齿圈(13)与第一花键毂(11)相邻；第二轴二档齿轮(15)、第二轴二档齿轮接合齿圈(16)、第二花键毂(18)、第二轴一档齿轮接合齿圈(19)、第二轴一档齿轮(20)分别位于变速器机体(8)内，第二轴二档齿轮(15)、第二轴一档齿轮(20)分别由轴承套在第二轴(22)上，第二花键毂(18)固定设置在第二轴(22)上，第二轴二档齿轮(15)位于第二轴三档齿轮(14)的右侧，第二花键毂(18)位于第二轴二档齿轮(15)的右侧，第二轴一档齿轮(20)位于第二花键毂(18)的右侧，第二轴二档齿轮接合齿圈(16)固定设置在第二轴二档齿轮(15)上，第二轴一档齿轮接合齿圈(19)固定设置在第二轴一档齿轮(20)上，第二轴二档齿轮接合齿圈(16)、第二轴一档齿轮接合齿圈(19)分别与第二花键毂(18)相邻；第二接合套(27)通过花键与第二花键毂(18)相连，第二操纵机构的第二拔叉(17)安装第二花键毂(18)上；中间轴(25)位于变速器机体(8)内，中间轴(25)的右端由第四支撑轴承(24)与变速器机体(8)相连，中间轴(25)的左端由第五支撑轴承(33)与变速器机体(8)相连；中间轴一档齿轮(26)、中间轴二档齿轮(28)、中间轴三档齿轮(29)、中间轴常啮合齿轮(32)分别位于变速器机体(8)内，中间轴一档齿轮(26)、中间轴二档齿轮(28)、中间轴三档齿轮(29)、中间轴常啮合齿轮(32)分别固定设置在中间轴(25)上，中间轴一档齿轮(26)与第二轴一档齿轮(20)相啮合，中间轴二档齿轮(28)与第二轴二档齿轮(15)相啮合，中间轴三档齿轮(29)与第二轴三档齿轮(14)相啮合，中间轴常啮合齿轮(32)与第一轴常啮合齿轮(9)相啮合。5.根据权利要求1所述的电动汽车电机自动变速驱动系统，其特征在于：第一转速编码器(1)、第二转速编码器(23)安装时，第二转速编码器(23)的零位信号TMO输出正时与第二接合套(27)的齿顶中心线重合，第一结合套和第二结合套的齿顶中心线重合；第一转速编码器(1)的零位信号TMX输出正时与第二轴一档齿轮接合齿圈(19)的齿根中心线重合，第一轴齿轮接合齿圈(10)、第二轴三档齿轮接合齿圈(13)、第二轴二档齿轮接合齿圈(16)、第二轴一档齿轮接合齿圈(19)的齿根中心线相互重合，并且安装时第一转速编码器(1)、第二转速编码器(23)的零位信号输出正时重合；TMO表示第二转速编码器(23)的Z相脉冲跳变时刻，TMX表示第一转速编码器(1)的Z相脉冲跳变时刻。
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