CN102620874A - 行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩的测量方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种行星齿轮变速箱的输入扭矩测量方法和测量系统，公开的测量方法包括下述步骤：10)检测当前的档位，获取工作制动器的制动扭矩；20)获取当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系，该关系由行星齿轮的扭矩传递线路确定，扭矩传递线路由变速箱结构以及当前档位确定；30)根据获得的扭矩关系，以及检测的当前工作制动器的制动扭矩，计算获得输入或输出扭矩。该测量方法和系统通过制动器的制动扭矩能够获得变速箱的输入或输出扭矩，即将旋转扭矩测量转化为静扭矩测量，克服了现有旋转扭矩测量的缺陷，在不显著增加成本的情况下可靠地实现了输入或输出扭矩的测量，该种扭矩测量方式的应用范围也较广。

Description

行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩的测量方法和系统

技术领域

本发明涉及动力控制技术领域，特别涉及一种行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩的测量方法和测量系统。

背景技术

车辆动力控制因素中，发动机的扭矩为重要参数之一，一般对发动机进行控制时，需实时检测发动机的扭矩，为发动机的功率输出、动态观测等提供参考。发动机的输出轴一般与变速箱连接，通过变速箱的档位变换实现传动比的改变。

发动机的扭矩测量是传动的旋转扭矩测量。目前，旋转扭矩测量方式主要有应变测量、相位差法扭矩测量和压磁式扭矩测量。

应变测量：当发动机转轴受扭矩作用时轴表面会发生形变，通过应变片对形变的测量可以得到轴表面剪应力状态，进而可获得转轴上的扭矩。然而，这种方式中应变片随转轴旋转，而测量记录装置是固定的，因此，信号的传送是此种测量方法的关键。信号传递方式主要包括接触式信号传送和无线式信号传送，前者存在信号干扰大的问题，而后者存在着无法长时间持续测量、抗干扰能力差的缺点。信号传输的缺陷导致了应变测量存在抗干扰能力低的问题，测量可靠度不足。

相位差法扭矩测量：该检测方式主要是靠测量转轴两段相对扭转角来获取扭矩，该检测方法实现了扭矩信号的非接触传递，但存在着体积较大、不易安装、低速性能不理想的缺点。

压磁式扭矩测量：该检测方式利用发动机转轴受扭时材料导磁率的变化来测量扭矩，优点是可以非接触测量，使用方便，缺点是要求旋转过程不出现径向跳动，否则铁芯与转轴间隙改变，造成测量误差。

由于车身测量环境存在着电磁干扰大、扭矩波动大、转速范围大等恶劣因素，以上测量方式均无法实现在不显著增加成本的情况下实现可靠地扭矩测量。

有鉴于此，如何在不显著增加成本的情况下，可靠地进行发动机的扭矩测量是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的为提供一种行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩的测量方法和测量系统。该输入或输出扭矩测量方法和测量系统通过检测制动器的扭矩，获取变速箱的输入或输出扭矩，变速箱的输入扭矩即发动机的输出扭矩，即将旋转扭矩转化为静扭矩进行测量，从而在不显著增加成本的情况下，实现发动机、变速箱扭矩的可靠测量。

为达到本发明的第一目的，本发明提供一种行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量方法，包括下述步骤：

10)检测当前的档位，根据当前档位和变速箱结构确定工作制动器，并获取工作制动器的制动扭矩；

20)获取当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系，该关系由行星齿轮的扭矩传递线路确定，扭矩传递线路由变速箱结构以及当前档位确定；

30)根据当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系，以及检测的当前工作制动器的制动扭矩，计算获得输入或输出扭矩。

优选地，步骤10)之前具有步骤：

00)根据变速箱结构，确定各档位下行星齿轮的扭矩传递线路，并根据各档位下的扭矩传递线路，预先存储各档位下工作制动器制动扭矩与输入或输出扭矩的关系；

步骤20)中，自存储的各档位下工作制动器制动扭矩与输入或输出扭矩的关系中，获取与检测的当前档位对应的当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系。

优选地，步骤10)中，检测的工作制动器为带式制动器，带式制动器具有制动带、制动鼓和执行器，工作制动器扭矩测量通过下述步骤进行：

101)获取制动带两端的拉力；

102)根据公式f＝F-Ft，获得制动带的制动摩擦力f，其中，Ft为制动带上与执行器连接的一端的拉力，F为另一端的拉力；

103)将制动带分为n等段，n＝1、2、3，根据公式：

$T_B=\underset{x=1}{\overset{x=n}{\mathrm{\Σ}}}\left(f_{x}R\right)=\mathrm{fR},$

获得制动器的扭矩T_B＝fR；

其中，fx为制动带与制动鼓之间第x段的摩擦力，R为制动带与制动鼓接触的圆弧线所对应的半径。

优选地，步骤101中，检测执行器内的压力，根据下述公式获取制动带上与执行器连接的一端的拉力：

$\mathrm{Ft}=\frac{\mathrm{PA}-\mathrm{KL}}{\cos \mathrm{\θ}};$

其中，P为执行器内的压力、A为执行器内制动汽缸活塞的面积、L为执行器的行程、K为执行器内复位弹簧的弹性系数、θ为制动带和制动鼓接触的最后一点至制动鼓圆心的连线与竖直方向的夹角。

优选地，步骤10中，检测的工作制动器为多片湿式制动器，具有制动鼓，工作制动器扭矩测量通过下述步骤进行：

111)检测变速箱壳体与制动鼓之间n处位置的压力，n＝1、2、3...；

112)根据下述公式获得工作制动器的扭矩：

$T_B=\left({\∑}_1^n{F}_i\right)L;$

其中，Fi为检测的n处位置中第i处位置的压力、L为检测的各位置与制动鼓圆心的距离。

本发明还提供一种行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量系统，包括：

档位检测元件，用于检测变速箱的当前档位；

制动器扭矩获取装置，用于获取当前工作制动器的制动扭矩；

分析单元，根据当前档位和变速箱结构确定当前工作制动器；获取当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系，该关系由行星齿轮的扭矩传递线路确定，扭矩传递线路由变速箱结构以及当前档位确定；

计算单元，根据分析单元获取的当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系，以及获取的当前工作制动器的制动扭矩，计算获得输入或输出扭矩。

优选地，

分析单元根据变速箱结构确定各档位下行星齿轮的扭矩传递线路，并根据各档位下的扭矩传递线路，预先存储各档位下工作制动器制动扭矩与输入或输出扭矩的关系；且分析单元自存储的各档位下工作制动器制动扭矩与输入扭矩或输出扭矩的关系中，获取与检测的当前档位对应的当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系。

优选地，工作制动器为带式制动器，带式制动器具有制动带、制动鼓和执行器；制动器扭矩获取装置获取制动带两端的拉力；

获取单元根据公式f＝F-Ft，获得制动带的制动摩擦力f，其中，Ft为制动带上与执行器连接的一端的拉力，F为另一端的拉力；

且获取单元将制动带分为n等段，n＝1、2、3，并根据公式：

$T_B=\underset{x=1}{\overset{x=n}{\mathrm{\Σ}}}\left(f_{x}R\right)=\mathrm{fR},$

获得工作制动器的扭矩T_B＝fR；

其中，fx为制动带与制动鼓之间第x段的摩擦力，R为制动带与制动鼓接触的圆弧线所对应的半径。

优选地，制动器扭矩获取装置包括检测执行器内压力的压力传感器和检测制动带另一端拉力F的拉力传感器，获取单元根据下述公式获取制动带上与执行器连接的一端的拉力：

$\mathrm{Ft}=\frac{\mathrm{PA}-\mathrm{KL}}{\cos \mathrm{\θ}};$

其中，P为执行器内的压力、A为执行器内制动汽缸活塞的面积、L为执行器的行程、K为执行器内复位弹簧的弹性系数、θ为制动带和制动鼓接触的最后一点至制动鼓圆心的连线与竖直方向的夹角。

优选地，检测的制动器为多片湿式制动器，具有制动鼓，制动器扭矩获取装置包括压力传感器和获取单元，压力传感器置于变速箱壳体和制动鼓之间，检测变速箱壳体与制动鼓之间n处位置的压力，n＝1、2、3...；

获取单元根据下述公式获得工作制动器的扭矩：

$T_B=\left({\∑}_1^n{F}_i\right)L;$

其中，Fi为检测的n处位置中第i处位置的压力、L为检测的各位置与制动鼓圆心的距离。

该输入扭矩或输出扭矩的测量方法和测量系统通过检测当前档位并结合获得的当前处于工作状态的制动器的扭矩，即可计算获得变速箱的输入扭矩，即发动机的输出扭矩，同样还可以获得变速箱的输出扭矩。即通过制动器的扭矩能够获得发动机的输出扭矩，制动器扭矩的测量为静扭矩测量，对发动机输入轴直接进行扭矩测量为旋转扭矩测量，由背景技术部分描述可知，旋转扭矩测量存在信号传递误差大、成本高等缺陷，静扭矩测量则克服了现有旋转扭矩测量的缺陷，在不显著增加成本的情况下可靠地实现了发动机输出扭矩的测量。此外，该种扭矩测量方式和测量系统适用于所有安装行星齿轮变速箱的混合动力车辆、或其他机械上，应用范围较广。

附图说明

图1为本发明所提供输入扭矩测量方法一种具体实施方式的流程图；

图2为辛普森式变速箱原理图；

图3为图2中变速箱处于1档时的动力传递原理图；

图4为图2中变速箱处于2档时的动力传递原理图；

图5为图2中变速箱处于倒档时的动力传递原理图；

图6为本发明所提供输入扭矩测量系统中测量带式制动器扭矩一种具体实施方式的结构示意图；

图7为图6中带式制动器制动时的受力分析图；

图8为图7中制动带与执行器连接处的受力分析图；

图9为本发明所提供输入扭矩测量系统中测量多片湿式制动器扭矩一种具体实施方式的结构示意图；

图10为图9中多片湿式制动器制动时的结构示意图；

图11为图9中多片湿式制动器制动壳与变速箱壳体之间设置压力传感器的结构示意图。

图1-11中：

C1第一离合器、C2第二离合器、B1第一制动器、B2第二制动器、F1单向超越离合器、11制动带、12执行器、13压力传感器、14制动带制动鼓间隙调节装置、15拉力传感器、16制动鼓、1活塞腔、2制动活塞、3回位弹簧、4摩擦片、5钢片、6制动壳、7、压力传感器、8变速箱壳体。

具体实施方式

本发明的核心为提供一种行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量方法和测量系统。该输入或输出扭矩测量方法和测量系统通过检测制动器的扭矩，获取变速箱的输入或输出扭矩，变速箱的输入扭矩即发动机的输出扭矩，即将转动扭矩转化为静扭矩进行测量，从而在不显著增加成本的情况下，实现发动机、变速箱扭矩的可靠测量。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。需要说明的是，为便于理解和简洁描述，下述内容结合输入扭矩测量系统和测量方法进行说明，有益效果不再重复论述。输入扭矩测量系统主要包括档位检测元件、制动器扭矩获取装置、分析单元以及计算单元，工作过程如下所述。

请参考图1，图1为本发明所提供输入扭矩测量方法一种具体实施方式的流程图。

该实施例提供的行星齿轮变速箱的输入扭矩测量方法，包括下述步骤：

S10：检测当前的档位，根据当前档位和变速箱结构确定工作制动器，并获取工作制动器的制动扭矩；

工作制动器即处于工作状态的制动器。变速箱一般具有一个以上的制动器，在不同档位下，各制动器的工作状态不一致，此处，需要结合当前档位和变速箱的具体结构，确定当前处于工作状态的制动器以及该制动器的制动扭矩。当前档位可以由档位检测元件检测获得，比如可以由手柄控制档位，则档位检测元件可以是手柄角度传感器、手柄位移传感器等，根据角度和位移的分析得出当前档位。工作制动器的制动扭矩由扭矩获取装置获得，扭矩获取装置获取扭矩的过程具体可参见后述的实施例。

S20：获取当前工作制动器的制动扭矩与输入扭矩的关系，该关系由行星齿轮的扭矩传递线路确定，扭矩传递线路由变速箱结构以及当前档位确定；

变速箱包括输入轴、输出轴、行星齿轮机构，行星齿轮机构一般包括前齿圈、后齿圈、前太阳轮、后太阳轮、前行星架、后行星架等传动构件，在不同的档位下，行星齿轮机构各构件相互之间的连接关系、与输入轴和输出轴之间的连接关系，会发生一定变动，且不同型号的变速箱，构件连接关系也不一致。因此，根据变速箱的具体结构，以及在该种变速箱的特定档位下，根据行星齿轮机构各构件、输出轴、输入轴之间的连接关系，可以通过分析单元获取在该档位下，工作制动器的制动扭矩和输入扭矩之间的关系。

S30：根据当前工作制动器的制动扭矩和输入扭矩的关系，以及检测的当前工作制动器的制动扭矩，计算获得输入扭矩。

由于步骤S20获得的工作制动器制动扭矩和输入扭矩的关系，可以由计算单元代入获得的制动器的制动扭矩，计算获得输入扭矩。

上述实施例中，分析单元可以根据当前档位下行星齿轮机构的扭矩传递线路，确定工作制动器制动扭矩和输入扭矩的关系，再代入检测的工作制动器制动扭矩计算获得输入扭矩；分析单元也可以根据各档位下扭矩传递线路，将各档位下工作制动器制动扭矩与输入扭矩的关系预先加以存储，检测出当前档位后，查找到与当前档位对应的工作制动器制动扭矩和输入扭矩的关系即可，再代入测量的制动器制动扭矩计算获得输入扭矩。

上述实施例用于测量变速箱的输入扭矩，可以想到，根据变速箱的结构和档位，同样可获得制动器制动扭矩和变速箱输出扭矩的关系，因此，变速箱的输出扭矩同样可以通过上述步骤进行测量，即可以通过上述方式获取变速箱的输入或输出扭矩，原理相同，在此不赘述。

下面以广泛应用的辛普森式行星齿轮变速箱为例说明制动器扭矩和输入扭矩关系的获取方式，请参考图2，图2为辛普森式变速箱原理图。

辛普森式变速箱的行星齿轮机构由两个内啮合式单排行星齿轮机构组合而成，其前后两个行星排的太阳轮连接为一体，称为前后太阳轮组件；前一个行星排的行星架和后一个行星排的齿圈连接为一体，称为前行星架和后齿圈组件；输出轴通常与前行星架和后齿圈组件连接。即该行星齿轮机构包括四个独立元件：前齿圈、前后太阳轮组件、后行星架、前行星架和后齿圈组件。

该行星齿轮机构中设置了五个换挡执行元件，包括第一离合器C1、第二离合器C2、第一制动器B1、第二制动器B2、单向超速离合器F1，使得该系统具有1挡、2档和倒挡。第一离合器C1用于连接输入轴和前后太阳轮组件，第二离合器C2用于连接输入轴和前齿圈，第一制动器B1用于固定前后太阳轮组件，第二制动器B2和单向超越离合器F1均用于固定后行星架。上述各换挡执行元件在各挡位的工作情况如表1所示，表1为辛普森式变速箱换挡执行元件工作状态表(其中，O表示接合、制动或锁止)。

表1

变速箱处于1挡时：可以参考图3，图3为图2中变速箱处于1档时的动力传递原理图。此时第二离合器C2接合，使输入轴和前齿圈连接；同时单向超速离合器F1处于自锁状态，后行星架被固定。发动机动力经输入轴、第二离合器C2传给前齿圈，使前齿圈朝顺时针方向旋转；在前行星排中，前行星齿轮在前齿圈的驱动下一方面顺时针方向公转，并带动前行星架朝顺时针方向转动，另一方面作顺时针方向的自转，并带动前后太阳轮组件朝逆时针方向转动；在后行星排中，后行星轮在后太阳轮的驱动下朝顺时针方向作自转时，对后行星架产生逆时针方向的力矩，而抵挡单向超越离合器F1对后行星架在逆时针方向具有锁止作用，因此后行星架固定不动，使后齿圈在后行星轮的驱动下朝顺时针方向转动。因此，在1挡时，由输入轴传给行星齿轮机构的动力是经过前后行星排同时传给前行星架和后齿圈组件，再传递至与之相连接的输出轴，从而完成动力输出过程。

假设输入轴扭矩(即输入扭矩)为T_in，转速为N_in；前行星齿轮齿圈、行星架和太阳轮上扭矩和转速分别为：T_{r_f}、N_{r_f}，T_{p_f}、N_{p_f}，T_{s_f}、N_{s_f}；后行星轮齿圈、行星架和太阳轮上扭矩和转速分别为：T_{r_r}、N_{r_r}，T_{p_r}、N_{p_r}，T_{s_r}、N_{s_r}；前后行星齿轮外齿圈与太阳轮齿数比为α；输出轴扭矩为T_out，转速为N_out。根据以上动力传递分析及行星齿轮速度、扭矩分配特点有：

N_in＝N_{r_f}

N_{s_f}＝N_{s_r}

N_{p_r}＝0

N_{p_f}＝N_{r_r}

N_out＝N_{r_r}

N_{s_f}+αN_{r_f}＝(1+α)N_{p_f}

N_{s_r}+αN_{r_r}＝(1+α)N_{p_r}

T_in＝T_{r_f}

T_{p_f}＝-(1+α)T_{s_f}

T_{r_f}＝αT_{s_f}

T_{s_f}＝-T_{s_r}

T_{p_r}＝-(1+α)T_{s_r}

T_{r_r}＝αT_{s_r}

T_out＝T_{p_f}+T_{r_r}

联立以上格式并化简得：

$\frac{T_{\mathrm{in}}}{T_{\mathrm{out}}}=-\frac{\mathrm{\α}}{1+2\mathrm{\α}}\·\·\·\left(1\right)$

$T_{p\_r}=\frac{1+\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}}{T}_{\mathrm{in}}\·\·\·\left(2\right)$

由式(2)可知，当输入扭矩为T_in时，后行星架需要

的制动扭矩，该扭矩由第二制动器B2提供。通过测量获得第二制动器B2所受到的扭矩进而可计算获得输入扭矩，结合式(1)则可以进一步求出变速箱输出扭矩。

变速箱处于2挡时：可以参考图4，图4为图2中变速箱处于2档时的动力传递原理图。第二离合器C2和第一制动器B1同时工作。此时输入轴仍经第二离合器C2和前齿圈连接，同时前后太阳轮组件被第一制动器B1固定。发动机动力经输入轴传给前齿圈，使其朝顺时针方向转动。由于前太阳轮转速为0，因此，前行星轮在前齿圈的驱动下一方面朝顺时针方向作自转，另一方面朝顺时针方向作公转，同时带动前行星架及输出轴朝顺时针方向转动。此时后行星排处于自由状态，后行星轮在后齿圈的驱动下朝顺时针方向一边自转一边公转，带动后行星架朝顺时针方向公转。由此可知，2挡时发动机的动力全部经前行星排传到输出轴。根据以上动力传递分析及行星齿轮速度、扭矩分配特点有：

N_in＝N_{r_f}

N_out＝N_{p_f}

N_{s_f}＝0

N_{s_f}+αN_{r_f}＝(1+α)N_{p_f}

T_in＝T_{r_f}

T_out＝T_{p_f}

T_{r_f}＝αT_{s_f}

T_{p_f}＝-(1+α)T_{s_f}

联立以上各式化简得：

$\frac{\mathrm{Tin}}{\mathrm{Tout}}=-\frac{\mathrm{\α}}{1+2\mathrm{\α}}\·\·\·\left(3\right)$

$T_{s\_f}=\frac{T_{\mathrm{in}}}{\mathrm{\α}}\·\·\·\left(4\right)$

由式(4)可知，当输入扭矩为T_in时，前太阳轮需要

的制动扭矩，该扭矩由第一制动器B1提供。通过测量第一制动器B1的扭矩进而可得到输入扭矩，结合式(1)则可以进一步求出变速箱输出扭矩。

变速箱处于倒挡时：可以参考图5，图5为图2中变速箱处于倒档时的动力传递原理图。第一离合器C1接合，使输入轴与前后太阳轮组件连接，同时抵挡第二制动器B2产生制动，将后行星架固定。此时发动机动力经输入轴传给前后太阳轮组件，使前后太阳轮朝顺时针方向转动。由于后行星架固定不动，后行星轮在后太阳轮的驱动下朝逆时针方向转动，并带动后齿圈朝逆时针方向转动，与前行星架和后齿圈组件连接的输出轴也随之朝逆时针方向转动，从而改变传动方向。此时，前行星排中由于前齿圈可以自由转动，前行星排处于自由状态，前齿圈在前行星轮的带动下朝逆时针方向自由转动。根据以上动力传递分析及行星齿轮速度、扭矩分配特点有：

N_in＝N_{s_r}

N_out＝N_{r_r}

N_{p_r}＝0

N_{s_r}+αN_{r_r}＝(1+α)N_{p_r}

T_in＝T_{s_r}

T_out＝T_{r_r}

T_in＝T_{s_r}

T_{r_r}＝αT_{s_r}

T_{p_r}＝(1+α)T_{s_r}

联立以上各式化简得：

$\frac{T_{\mathrm{in}}}{T_{\mathrm{out}}}=\frac{1}{\mathrm{\α}}\·\·\·\left(5\right)$

T_{p_r}＝(1+α)T_in...(6)

由式(6)可知，当输入扭矩为T_in时，前太阳轮需要(1+α)T_in的制动扭矩，该扭矩由第二制动器B2提供。通过测量第二制动器B2的扭矩进而可得到输入扭矩，结合式(1)则可以进一步求出变速箱输出扭矩。

综合以上分析，可得出下述公式：

1档时， $T_{\mathrm{in}}=\frac{\mathrm{\α}}{1+\mathrm{\α}}{T}_{B2};$

2档时，T_in＝αT_B1；

倒档时： $T_{\mathrm{in}}=\frac{1}{1+\mathrm{\α}}{T}_{B2}.$

其中，T_B1为第一制动器B1的扭矩，T_B2为第二制动器B2的扭矩。此处，获得的制动器扭矩与输入扭矩的关系是针对该种类型变速箱作出的，上述内容中已提及，变速箱种类发生改变时，各档位下的扭矩传递线路可能发生改变，获得的制动器制动扭矩和输入扭矩的关系也可能发生相应的变化，针对具体的变速箱种类，可以获取对应的制动器制动扭矩和输入扭矩的关系。

由上述内容可知，通过检测当前档位并结合获得的当前处于工作状态的制动器的制动扭矩，即可计算获得变速箱的输入扭矩和输出扭矩，变速箱的输入扭矩即发动机的输出扭矩。制动器制动扭矩的测量为静扭矩测量，对发动机输入轴或变速箱输入轴、输出轴直接进行扭矩测量为旋转扭矩测量，由背景技术部分描述可知，旋转扭矩测量存在信号传递误差大、成本高等缺陷，静扭矩测量则克服了现有旋转扭矩测量的缺陷，在不显著增加成本的情况下可靠地实现了发动机输出扭矩的测量。此外，该种扭矩测量方式适用于所有安装行星齿轮变速箱的混合动力车辆、或其他机械上，应用范围较广。

上述内容中1档、2档以及倒档时，根据扭矩传递线路，还可以推导出该三种档位下转速的关系分别为：

$\frac{N_{\mathrm{in}}}{N_{\mathrm{out}}}=\frac{1+\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}},$ $\frac{N_{\mathrm{in}}}{N_{\mathrm{out}}}=\frac{1+2\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}},$ $\frac{N_{\mathrm{in}}}{N_{\mathrm{out}}}=-\mathrm{\α},$

根据N_inT_in＝N_outT_out的关系，可以检测扭矩推导是否出错，起到校正作用。

此外，较为常用的制动器包括多片湿式制动器和带式制动器两种，带式制动器、多片湿式制动器的具体结构可以分别参考图6、图9并结合现有技术理解。

请参考图6，图6为本发明所提供输入扭矩测量系统中测量带式制动器扭矩一种具体实施方式的结构示意图。

一般的带式制动器如图6所示，包括执行器12、制动带11、制动带11制动鼓16间隙调节装置14。带式制动器制动过程如下：当需要制动时，控制高压气体(或液压油)进入执行器12内，执行器12活塞在高压气体的作用下克服复位弹簧的弹力向左移动使得制动带11箍紧制动鼓16(制动鼓16与需要制动的部件相连)达到制动的目的。需要离合时，放掉执行器12内的高压气体，执行器12活塞在复位弹簧弹力的作用下向右移动，制动带11与制动鼓16脱离，实现离合。该具体实施方式在制动带11上设置拉力传感器15，制动带11的一端连接执行器12，另一端设置该拉力传感器15，并在执行器12上设置压力传感器13，则该实施例中扭矩获取装置包括拉力传感器15和压力传感器13，以及获取单元。

当制动器处于离合状态时不制动，制动扭矩为零。当制动器制动时，请参考图7，图7为图6中带式制动器制动时的受力分析图。

图7中，制动带11与制动鼓16的接触线呈圆弧状，设其半径为R，O点为拉力传感器15固定端，A点为拉力传感器15与制动带11连接点，B点为制动带11与制动鼓16接触的第一个点，C点为制动带11与制动鼓16接触的最后一个点，D点为制动带11与执行器12的连接点。在不考虑重力的情况下，制动带11主要受到三个力的作用：AB段的拉力，BC段的摩擦力和CD段的拉力，假设前述三个力的大小分别为F，f和F_t，制动带11在这三个力的作用下平衡，由力的平衡条件可知：

F＝f+F_t...(7)

其中AB段的拉力F可以由拉力传感器15检测获得。下面就F_t和f进行分析。

Ft由执行器12产生，请参考图8，图8为图7中制动带与执行器连接处的受力分析图。C点为制动带11与制动鼓16接触的最后一个点，故在几何上C点为线段CD与制动鼓16的切点，设制动鼓16圆心为Q，线段QC与竖直方向夹角为θ。由图中几何关系易知，线段CD上的力Ft与水平方向执行器12上的力Fl间夹角也为θ，由力的平衡易知：

$F_t=\frac{F_L}{\cos \mathrm{\θ}}\·\·\·\left(8\right)$

由式(8)可知，在设计时应使C点尽可能在制动鼓16的最低点，即尽可能的减小夹角θ，这时cosθ值随θ值的变化小且趋近于1，有利于减小误差。

其中F_L为气动制动器产生的制动力，其值由气动制动器内的压力P，制动汽缸活塞面积A，复位弹簧弹性系数K和执行器12的行程L决定：

F_L＝PA-KL...(9)

综合式(7)和式(8)可得：

$\mathrm{Ft}=\frac{\mathrm{PA}-\mathrm{KL}}{\cos \mathrm{\θ}}\·\·\·\left(10\right)$

其中，P由压力传感器13测量获得，A、θ、L、K为系统结构设计决定。

由式(7)和式(10)可知，制动带11与制动鼓16间的摩擦力f可以获得且其值为：

$f=F-\frac{\mathrm{PA}-\mathrm{KL}}{\cos \mathrm{\θ}}\·\·\·\left(11\right)$

将BC段n等段，n＝1、2、3，设fx为制动带11与制动鼓16间第X段的摩擦力，则有：

f₁+f₂+…+f_n-1+f_n＝f

设Tx为制动力fx产生的制动力矩，可知该段摩擦力产生的制动力矩为：

T_x＝f_x×R

则整个制动鼓16上的制动力矩为：

$T_B=\underset{x=1}{\overset{x=n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_x=\underset{x=1}{\overset{x=n}{\mathrm{\Σ}}}(f_x\×R)=\left(\underset{x=1}{\overset{x=n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_x\right)\×R=f\×R$

结合式(11)则有：

$T_B=(F-\frac{\mathrm{PA}-\mathrm{KL}}{\cos \left(\mathrm{\θ}\right)})\×R$

其中，T_B为制动器的扭矩，带式制动器作为第一制动器B1时，则T_B＝T_B1，带式制动器为第二制动器B2时，则T_B＝T_B2。则获取单元可以根据拉力传感器15和压力传感器13检测的数值，以及上述公式获取工作制动器的扭矩。

上述方案通过设置压力传感器13和拉力传感器15即可计算获得带式制动器的扭矩，则在仅设置两传感器的基础上，即实现了制动器扭矩的测量，结构简单，易于操作，精度也较高。当然，该实施例中，也可以直接检测制动带11上直接与执行器12连接的一端的拉力，即CD段的拉力F_t也可以直接由拉力传感器测得，无需通过压力传感器13检测并计算。

请参考图9，图9为本发明所提供输入扭矩测量系统中测量多片湿式制动器扭矩一种具体实施方式的结构示意图，图10为图9中多片湿式制动器制动时的结构示意图。

多片湿式制动器一般包括制动器活塞腔1、制动活塞2、回位弹簧3、摩擦片4、钢片5及制动壳6组成。钢片5通过外花键齿安装在固定于变速箱壳体8上的制动鼓内花键齿圈中，或直接安装在变速箱壳体8上的内花键齿圈中，摩擦片4则通过内花键齿和制动壳6上的外花键齿连接。当制动器不工作时，钢片5和摩擦片4之间没有压力，制动壳6可以自由旋转，如图9所示；当制动器工作时，液压油进入制动鼓内的液压缸中，油压作用在制动活塞2上，推动制动活塞2将制动器摩擦片4和钢片5紧压在一起，如图10所示，使得与摩擦片4联接的构件起制动约束的作用，与行星排某一基本构件连接的制动壳6就被固定住而不能旋转。

该实施例中，在变速箱壳体8与制动鼓的键槽中加装压力传感器7，即将压力传感器7设于制动鼓与变速箱壳体8之间，可以根据传递扭矩的大小及压力传感器7的量程决定压力传感器7的安装个数。请参考图11，图11为图9中多片湿式制动器制动鼓与变速箱壳体之间设置压力传感器的结构示意图，该实施例中仅设置四个压力传感器7，该实施例中的扭矩获取装置仅包括压力传感器7和获取单元。

假设共设置n(n＝1、2、3...)个压力传感器7，各压力传感器7测量值分别为F₁、F₂...F_n，，压力传感器7至制动鼓圆心距离为L，则制动器的制动扭矩为：

$T_B=\left({\∑}_1^n{F}_i\right)\×L;$

其中，Fi为第i个压力传感器检测的压力，即检测的n处位置中第i处位置处的压力。

以图11为例，T_B＝(F1+F2+F3+F4)L。

其中，T_B为制动器的扭矩，多片湿式制动器作为第一制动器B1时，则T_B＝T_B1，多片湿式制动器为第二制动器B2时，则T_B＝T_B2。则获取单元可以根据各压力传感器7检测的数值，以及上述公式获取工作制动器的扭矩。

该方案通过设置压力传感器7即可计算获得多片湿式制动器的扭矩，从而实现了制动器扭矩的测量，与上述带式制动器的实施例类似，具有结构简单、易于操作、精度高等优点。

以上对本发明所提供的一种基于行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量方法和测量系统均进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

10)检测当前的档位，根据当前档位和变速箱结构确定工作制动器，并获取工作制动器的制动扭矩；

20)获取当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系，该关系由行星齿轮的扭矩传递线路确定，扭矩传递线路由变速箱结构以及当前档位确定；

30)根据当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系，以及检测的当前工作制动器的制动扭矩，计算获得输入或输出扭矩。

2.根据权利要求1所述的行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量方法，其特征在于，步骤10)之前具有步骤：

00)根据变速箱结构，确定各档位下行星齿轮的扭矩传递线路，并根据各档位下的扭矩传递线路，预先存储各档位下工作制动器制动扭矩与输入或输出扭矩的关系；

步骤20)中，自存储的各档位下工作制动器制动扭矩与输入或输出扭矩的关系中，获取与检测的当前档位对应的当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系。

3.根据权利要求1或2所述的行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量方法，其特征在于，步骤10)中，检测的工作制动器为带式制动器，带式制动器具有制动带、制动鼓和执行器，工作制动器扭矩测量通过下述步骤进行：

101)获取制动带两端的拉力；

102)根据公式f＝F-Ft，获得制动带的制动摩擦力f，其中，Ft为制动带上与执行器连接的一端的拉力，F为另一端的拉力；

103)将制动带分为n等段，n＝1、2、3，根据公式：

$T_B=\underset{x=1}{\overset{x=n}{\mathrm{\Σ}}}\left(f_{x}R\right)=\mathrm{fR},$

获得制动器的扭矩T_B＝fR；

其中，fx为制动带与制动鼓之间第x段的摩擦力，R为制动带与制动鼓接触的圆弧线所对应的半径。

4.根据权利要求3所述的行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量方法，其特征在于，步骤101中，检测执行器内的压力，根据下述公式获取制动带上与执行器连接的一端的拉力：

$\mathrm{Ft}=\frac{\mathrm{PA}-\mathrm{KL}}{\cos \mathrm{\θ}};$

其中，P为执行器内的压力、A为执行器内制动汽缸活塞的面积、L为执行器的行程、K为执行器内复位弹簧的弹性系数、θ为制动带和制动鼓接触的最后一点至制动鼓圆心的连线与竖直方向的夹角。

5.根据权利要求1或2所述的行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量方法，其特征在于，步骤10中，检测的工作制动器为多片湿式制动器，具有制动鼓，工作制动器扭矩测量通过下述步骤进行：

111)检测变速箱壳体与制动鼓之间n处位置的压力，n＝1、2、3...；

112)根据下述公式获得工作制动器的扭矩：

$T_B=\left({\∑}_1^n{F}_i\right)L;$

其中，Fi为检测的n处位置中第i处位置的压力、L为检测的各位置与制动鼓圆心的距离。

6.行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量系统，其特征在于，包括：

档位检测元件，用于检测变速箱的当前档位；

制动器扭矩获取装置，用于获取当前工作制动器的制动扭矩；

分析单元，根据当前档位和变速箱结构确定当前工作制动器；获取当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系，该关系由行星齿轮的扭矩传递线路确定，扭矩传递线路由变速箱结构以及当前档位确定；

计算单元，根据分析单元获取的当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系，以及获取的当前工作制动器的制动扭矩，计算获得输入或输出扭矩。

7.根据权利要求6所述的行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量系统，其特征在于，

分析单元根据变速箱结构确定各档位下行星齿轮的扭矩传递线路，并根据各档位下的扭矩传递线路，预先存储各档位下工作制动器制动扭矩与输入或输出扭矩的关系；且分析单元自存储的各档位下工作制动器制动扭矩与输入扭矩或输出扭矩的关系中，获取与检测的当前档位对应的当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系。

8.根据权利要求6或7所述的行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量系统，其特征在于，工作制动器为带式制动器，带式制动器具有制动带、制动鼓和执行器；制动器扭矩获取装置获取制动带两端的拉力；

获取单元根据公式f＝F-Ft，获得制动带的制动摩擦力f，其中，Ft为制动带上与执行器连接的一端的拉力，F为另一端的拉力；

且获取单元将制动带分为n等段，n＝1、2、3，并根据公式：

$T_B=\underset{x=1}{\overset{x=n}{\mathrm{\Σ}}}\left(f_{x}R\right)=\mathrm{fR},$

获得工作制动器的扭矩T_B＝fR；

其中，fx为制动带与制动鼓之间第x段的摩擦力，R为制动带与制动鼓接触的圆弧线所对应的半径。

9.根据权利要求8所述的行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量系统，其特征在于，制动器扭矩获取装置包括检测执行器内压力的压力传感器和检测制动带另一端拉力F的拉力传感器，获取单元根据下述公式获取制动带上与执行器连接的一端的拉力：

$\mathrm{Ft}=\frac{\mathrm{PA}-\mathrm{KL}}{\cos \mathrm{\θ}};$

其中，P为执行器内的压力、A为执行器内制动汽缸活塞的面积、L为执行器的行程、K为执行器内复位弹簧的弹性系数、θ为制动带和制动鼓接触的最后一点至制动鼓圆心的连线与竖直方向的夹角。

10.根据权利要求6或7所述的行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量系统，其特征在于，检测的制动器为多片湿式制动器，具有制动鼓，制动器扭矩获取装置包括压力传感器和获取单元，压力传感器置于变速箱壳体和制动鼓之间，检测变速箱壳体与制动鼓之间n处位置的压力，n＝1、2、3...；

获取单元根据下述公式获得工作制动器的扭矩：

$T_B=\left({\∑}_1^n{F}_i\right)L;$

其中，Fi为检测的n处位置中第i处位置的压力、L为检测的各位置与制动鼓圆心的距离。

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