CN102979862A - 两档式自动变速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种两档式自动变速器，电机和变速器箱体直线集成为一体，电机轴为变速器输入轴，变速器输入轴通过滚针轴承支撑在变速器输出轴轴承内或者两轴通过花键进行连接，在变速器中间轴和变速器输出轴之间设置转速转接轴；变速器输入轴直接档常啮合齿轮固定在电机轴上，变速器中间轴直接档常啮合齿轮与输入轴直接档常啮合齿轮啮合；固定在变速器输出轴上的输出轴转速转接齿轮和固定在转速转接轴上的转接轴转速转接齿轮保持常啮合；转速转接轴上设置输出轴编码器，变速器中间轴的末端安装中间轴编码器。能够解决换挡过程中动力中断的问题，换挡时间没有明显减速产生，提高换挡舒适性，同时提高了燃油经济性，降低了换挡时的油耗。

Description

两档式自动变速器

技术领域

本发明涉及机械动力传递变速装置，尤其涉及一种适用于汽车的电驱动机械式两档式自动变速装置。

背景技术

手动变速器（MT）要用手拨动变速杆才能改变变速器内的齿轮啮合位置，改变传动比，才能达到变速的目的。拨动变速杆时需要踩下离合，增加了车辆操作复杂性。机械式变速器需要人为干预，难以满足人们的要求。自动变速器（AMT ）既具有液力自动变速器自动变速的优点，又保留了原手动变速器齿轮传动的效率高、成本低、结构简单、加工方便的长处。AMT 是在现生产的机械变速器上进行改造的，保留了绝大部分原总成部件，只改变其中手动操作系统的换档杆部分，生产继承性好，改造的投入费用少，非常容易被生产厂家接受。它的缺点是换档动力中断明显，换挡时间长，这可以通过电控软件方面来得到一定弥补。在几种自动变速器中，无级变速器（CVT）的性价比最高。CVT 是由两组变速轮盘和一条传动带组成的，其比传统自动变速器结构简单，体积更小。另外，它可以自由改变传动比，从而实现全程无级变速，使汽车的车速变化平稳，没有传统变速器换挡时的顿挫感。无级变速器属于自动变速器的一种，它能克服普通自动变速器“突然换挡”、油门反应慢、油耗高等缺点。但是CVT 效率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种新的两档式自动变速器，能够解决换挡过程中动力中断的问题，换挡时间没有明显减速产生，提高换挡舒适性，保证了车辆具有良好的动力性与换挡稳定性，同时提高了燃油经济性，降低了换挡时的油耗。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种两档式自动变速器，包括电机、机械式自动变速器、置于变速器外并通过伸进箱体内的拨叉杆控制档位的液压换挡执行机构、变速器控制单元；其特征是：电机和变速器箱体直线集成为一体，电机轴同时也是变速器输入轴，变速器输入轴通过滚针轴承支撑在变速器输出轴轴承内或者两轴通过花键进行连接，在变速器中间轴和变速器输出轴之间设置转速转接轴；变速器箱体内，变速器输入轴直接档常啮合齿轮固定在电机轴上，变速器中间轴直接档常啮合齿轮与输入轴直接档常啮合齿轮啮合；固定在变速器输出轴上的输出轴转速转接齿轮和固定在转速转接轴上的转接轴转速转接齿轮保持常啮合；转速转接轴上设置输出轴编码器，变速器中间轴的末端安装中间轴编码器；变速器控制单元分别与液压换挡执行机构、电机控制器、各编码器电连接。

按上述技术方案，编码器均安装在变速器箱体的外部，并在两编码器的外面加装一个编码器密封罩。

按上述技术方案，电机定子置于电机转子外部，且轴向长度大于电机转子；电机定子内部，电机轴靠近电机转子的两端设置各设置一个支撑轴承；各端支撑轴承由各电机端盖固定。

按上述技术方案，所述液压换挡执行机构主要包括与变速器换挡拨叉连接的换挡指、和内部含有油路、换挡液压缸、传感器和各控制阀的阀控集成模块；液压缸活塞为悬浮式活塞环和活塞杆套接的双活塞，液压缸被双活塞分割成左右两个换挡压力密封腔；各压力密封腔通过控制油口与各自的两位三通电磁阀连接；活塞杆与换挡指固定连接；控制单元接收传感器信号端与阀控集成模块的各传感器和电气连接；控制单元对执行件发出指令端与各电磁阀以及液压源驱动电机电气连接；变速器控制单元与控制单元对执行件发出指令端和控制单元接收传感器信号端分别电气连接。

按上述技术方案，换挡执行机构的液压源部分主要由油箱、齿轮泵驱动泵体的液压源驱动电机、与泵体连接的泵送油路组成，所有低压回油通路与油箱连接；泵送油路末端设置单向阀，主油路经单向阀后一直延伸到两个两位三通电磁阀进油口，两位三通电磁阀各自通过液压缸控制油口与液压缸一端的密封腔连通；在液压缸缸体上活塞杆中心位置、偏移液压缸轴线位置处安装有角度位移传感器；主油路上设有溢流阀、蓄能器和线性压力传感器；所述的单向阀、溢流阀、压力传感器、蓄能器、液压缸、角度位移传感器、两位三通电磁阀都集成在所述阀控集成模块上。

按上述技术方案，所述两档式自动变速器通过对油门开度和车速信号进行采集，决定是否根据设定的换挡规则决定何时进行换挡；当确定需要换挡后，电机控制器控制电机转矩降低到设置的值后变速器退空档，如果TCU判定变速器未退到空档就继续发出退空档命令，直到变速器退到空档；之后，电机控制器对电机进行调速控制，若为升档过程则控制电机转速下降，同时电机发电存储到蓄电池中，若为降档过程则控制电机转速升高，此时电机处于驱动状态；换挡完成后，电磁阀断电，电机进入驱动车辆运行模式。

本发明的工作原理是：可用于纯电动汽车，也可以用于混合动力汽车；换挡执行机构可以采用电控液动方式，也可以采用电控气动方式，并且采用无同步器的结构；变速器内没有离合器；电机主轴的后端采用滚针轴承支承与二轴的轴承内或两者通过花键进行连接。通过一组转速转接齿轮将输出轴转速由转接轴输出到编码器，用来测量输出轴转速。

这种两档式电驱动自动变速器为电力驱动主动同步机械式自动变速器，结合了电子控制技术、电力驱动技术与机械传动技术。现有机械式变速器均为基于摩擦原理的被动同步，而本发明的变速器运用电机非线性PID 快速响应调速技术，完成了电驱动主动同步，从而舍弃了传统的离合器和机械式同步器。基于电驱动自动变速器平台，可以很方便的实现纯电驱动和混合动力驱动模式。将纯电动汽车动力系统的驱动电机与换档调速电机集成，则形成基于电驱动自动变速器的纯电驱动系统，该系统电机既有调速功能，又有驱动功能，可实现自动变速的纯电驱动系统；本发明的变速器和发动机和自动离合器集成则组成基于电驱动自动变速器的混合动力驱动系统，该系统通过电机参数调整可组成任意混合比的混合动力驱动，并且具备自动换档和动力耦合的功能。

档位执行机构主要为变速器上的换档气缸或液压缸，结构与传统AMT相同，通过伸进箱体内的拨叉杆来控制换档拨叉左右移动，从而实现档位变换。换档气缸或液压缸内的活塞有三个位置，分别为左极限位置、中间位置和右极限位置，当活塞移动到左极限位置时换档拨叉同时向左移动，变速器置直接档，当活塞移动到右极限位置时换档拨叉向右移动，变速器置一档，当活塞处于中间位置时，换档拨叉处于中间空档位置处。当换档拨叉处于三个不同位置时，对应的三个档位传感器发出相应的状态信号给TCU。换档气缸或液压缸上的电磁阀也和TCU相连，由TCU进行控制。

本发明的有益效果是：对纯电动汽车传动系统进行改进，变速器采用两档结构，可以提高电动车的性能，降低对电机的要求，使电机更多地工作在高效率区间，延长其续驶里程。在换挡过程中，变速器控制模块对换挡执行机构进行自动控制，实现自动换挡，降低了操作人员的劳动强度；换挡过程中，变速器控制模块、整车控制模块和驱动电机控制器通过所设定的控制方法对驱动电机的工作状态进行一体化控制，对驱动电机转速进行精确控制，换挡冲击小，提高了整车换挡平顺性及乘坐舒适性。另外，电驱动自动变速器的变速部分是在传统AMT的基础上进行改进的，结构更加紧凑，成本更低，可以充分利用手动变速器的生产设备，生产继承性好，容易实现批量化。

附图说明

图1是本发明两档式自动变速器总体结构示意图；

图2为本发明的两档式自动变速器电机轴承布置图；

图3为本发明的两档式自动变速器的液压换挡执行机构原理图；

图4为本发明的两档式自动变速器换挡控制流程图。

其中各附图标记对应如下：1是电机轴（变速器输入轴），2是电机转子，3是电机壳体，4是换档气缸或液压缸，5为换档拨叉，6为变速器壳体，7为输出轴转速转接齿轮,8为变速器输出轴，9为转速传感器，10为输出轴法兰盘，11为输出轴编码器，12为转速转接轴，13为中间轴编码器，14为变速器中间轴，15为编码器密封罩，16为转接轴转速转接齿轮，17输入轴直接档常啮合齿轮，18中间轴直接档常啮合齿轮，19为电机左端盖，20为第一支撑轴承，21为电机定子，22为第二支撑轴承，23为电机右端盖（变速器左端盖），24为溢流阀，25为液压源驱动电机，26为油箱，27为液压泵，28为泵送油路，29为单向阀，30为压力传感器，31为蓄能器，32为控制单元对执行件发出指令端，33为变速器控制单元（或TCU，集成于整车控制器），34为控制单元接收传感器信号端，35为液压缸控制油路，36为角度位移传感器，37为液压缸密封端盖，38为换挡指，39为第一两位三通电磁阀，40为主油路，41为第二两位三通电磁阀。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

如图1-4所示，本发明的两档式自动变速器，包括电机、机械式自动变速器、置于变速器外并通过伸进箱体内的拨叉杆控制档位的液压换挡执行机构、和变速器控制单元；其特征是：电机和变速器集成为一体，其中电机壳体3和变速器壳体6集成为一体，电机右端盖21同时也是变速器左端盖。电机轴1同时也是变速器输入轴，输入轴直接档常啮合齿轮17固定在电机轴1上。变速器输入轴1通过滚针轴承支撑在变速器输出轴8内，这与传统变速器的输出轴前端利用滚针轴承支承在变速器输入轴的轴承座内不同。从图2可知电机定子21轴向长度比电机转子2轴向尺寸大，为了缩短电机轴向长度，将第一和第二支撑轴承20和22布置到靠近电机转子2的位置，即靠近电机内部的位置，为了配合各支撑轴承的布置，电机左端盖19和电机右端盖23的结构也做了相应的调整，对各支撑轴承进行固定。

变速器采用两档结构，在变速器原有轴系的基础上加装有转速转接轴12，输入轴直接档常啮合齿轮17和中间轴直接档常啮合齿轮18为常啮合的一对齿轮，其分别固定在电机轴1和变速器中间轴14上，可分别带动这两根轴转动，则电机轴1和变速器中间轴14在动力传动过程中转速比为一固定值。变速器中间轴14的末端安装中间轴编码器13，通过编码器13测得变速器中间轴14的转速n2，根据电机轴1与变速器中间轴14的转速比值可以得到电机轴1的转速n1。由于变速器输出轴8接有负载容易引起轴向串动，若直接在变速器输出轴8上装编码器，则编码器的测量精度不高，故采用间接测量的方法。将输出轴编码器11装在转速转接轴12上。固定在变速器输出轴8上的输出轴转速转接齿轮7和固定在转速转接轴12上的转接轴转速转接齿轮16为常啮合状态，故转速转接轴12和变速器输出轴8的转速比为定值。通过输出轴编码器11可以直接测得转速转接轴12的转速，再根据变速器输出轴8和转速转接轴12的转速比得到变速器输出轴8的转速n3。通过两个编码器的安装得到了变速器输入轴即为电机轴1和变速器输出轴8的转速，方便换档时对变速箱进行调速。且两个编码器都安装在变速器的外部，为了防止变速器外部物质对编码器的影响，在两个编码器的外面加装一个编码器密封罩15将其与变速器外部进行隔离，其结构简单同时拆装也很方便。

如图1所示，置于变速器外并通过伸进箱体内的拨叉杆控制档位的液压换挡执行机构，主要包括安装在变速器壳体6的上面的换档气缸或液压缸4以及液压管路和电磁阀。液压缸活塞为悬浮式活塞环和活塞杆套接的双活塞，液压缸被双活塞分割成左右两个换挡压力密封腔。拨叉杆的一端伸入壳体内并连接换档拨叉5，换档拨叉5与液压缸4的换挡指连接，换档拨叉5左右移动，从而实现档位变换。换档气缸或液压缸4内的活塞有三个位置，分别为左极限位置、中间位置和右极限位置，当活塞移动到左极限位置时换档拨叉5同时向左移动，变速器置直接档，当活塞移动到右极限位置时换档拨叉5向右移动，变速器置一档，当活塞处于中间位置时，换档拨叉5处于中间空档位置处。当换档拨叉5处于三个不同位置时，对应的三个档位传感器发出相应的状态信号给控制单元TCU。换档气缸或液压缸4上的各电磁阀也和TCU相连，由TCU进行控制。

如图3所示为液压换挡执行机构原理图。汽车变速器的换挡执行过程分别对应液压缸中活塞左中右三个位置。在变速器的换挡工作过程中，液压缸带动连接在活塞杆上的换挡指在左中右三个位置运动，最终实现换挡过程。

如图1所示，本发明所包括的自动变速器液压换挡执行机构，通过高压油管经单向阀29连接到主油路40（也称为高压油道）；液压源部分主要由油箱26、液压泵27、驱动泵体的液压源驱动电机25、与泵体连接的泵送油路28组成，本机构中所有低压回油最终回到油箱26中；泵送油路28末端设置单向阀29，主油路40经单向阀6后一直延伸到两个两位三通电磁阀（第一两位三通电磁阀39和第二两位三通电磁阀41）的进油口，两位三通电磁阀各自通过液压缸控制油路35与液压缸4的一端的密封腔连通实现位置运动；偏移液压缸轴线位置处安装有角度位移传感器36；主油路40上设有溢流阀24、蓄能器31和线性压力传感器30；所述的单向阀29、溢流阀24、压力传感器30、蓄能器31、液压缸4、角度位移传感器36、两位三通电磁阀39和41都集成在一个阀控集成模块上；高压油路、控制油路和回油路都集成于阀控集成模块上，并成空间立体交错式布置。所述阀控集成模块上，电磁阀控制油口靠近液压缸控制油口。

控制单元接收传感器信号端34与压力传感器和角度位移传感器电气连接；控制单元对执行件发出指令端32与各两位三通电磁阀以及液压源驱动电机25电气连接；变速器控制单元33与控制单元对执行件发出指令端32和控制单元接收传感器信号端34分别电气连接。

整个油路为闭环控制，低压油箱26的油经过由电机25驱动的液压泵27形成高压油，高压油经单向阀29进入主油路40，单向阀29的作用是防止高压油回流，保证液压机构的效率。主油路40上设有溢流阀24、蓄能器31和线性压力传感器30，蓄能器31有存储能量和减小脉动和压力冲击的作用，提高整车舒适性；线性压力传感器30用以检测主油道中的压力变化，为保证换挡的可靠性，主油道的工作压力不低于某一下限值，当传感器反馈工作压力不足时， TCU发出运转指令给电机25，电机驱动齿轮泵补充主油道的油压；考虑到阀体、阀等机械部件的强度和变速器所需求的换挡力，另外考虑到液压泵工作方式和整车节能，设定主油道的工作压力不高于某一上限值，当传感器反馈工作压力达到此上限值时， TCU发出停止工作的信号给电机25，可以实现液压泵间歇式工作，避免齿轮泵长时间处于高速工作状态，提高系统工作寿命；溢流阀24的主要作用就是确保整个液压执行机构处于安全工作状态下。

当两个电磁阀同时打开，由于左右两个密封腔内都充满液压油且压力相等，活塞杆处于液压缸中间位置，对应变速器处于空挡位置；当左边的第二两位三通电磁阀41断电，右边的第一两位三通电磁阀39通电时，左边油缸密封腔处于低压状态，右边油缸密封腔处于高压状态，由于压差存在，活塞杆带动换挡指38左移，完成左进挡过程；如果在右边第一两位三通电磁阀39通电不断的情况下，左边第二两位三通电磁阀41由断电状态（变速器处于进挡状态）转为通电状态时，由于左边浮动活塞环和活塞杆总作用面积大于右边活塞杆作用面积，在相同工作压力下，活塞杆带动换挡指38右移至中间平衡位置，即完成一次退档过程，同样右边进挡也是如此，这样自动变速器就可以实现直接换挡。

本发明专利的变速器控制单元TCU是整个液压执行机构的最高控制单元，另外TCU还与整车控制器之间和驾驶员发出的指令实现通讯，用以自动切换挡位，从而实现机械变速器自动换挡过程。

图4为本发明两档式自动变速器换挡控制流程图。具体步骤为：通过对油门开度和车速信号进行采集，按照设定的换挡规则控制换挡。所述换挡规则可以采取任何合适的控制规律，根据车辆不同的运行状态标定最佳换挡转速，当电机转速达到设定的最佳换挡转速范围内时，则执行挂档动作，若没有达到最佳换挡转速范围则继续调速直至到达换挡转速要求。

当检测到车辆处于换挡点且将换挡时，电机控制器控制电机转矩降低到设置的值，同时两个两位三通电磁阀39和41同时通电，左右两个密封腔内都充满液压油且压力相等，活塞杆带动换挡指38运动到液压缸中间位置，从而带动换挡拨叉5退至空档位置。此时TCU判定变速器未退到空档就继续发出退空档命令，直到变速器退到空档后才关闭两电磁阀39和41。

之后，电机控制器对电机进行调速控制，通过中间轴编码器13间接测得电机轴1的转速，输出轴编码器11间接测得变速器输出轴8的转速。若为升档过程则控制电机转速下降的同时控制其发电，所发电存储到蓄电池中，当电机轴1和变速器输出轴8间的转速差满足设定的最佳换挡转速范围时，便可进行挂挡，此时第一两位三通电磁阀39通电，液压油经液压缸控制油路35进入液压缸内，在油压的作用下活塞杆带动换挡指38左移到左极限位置，换挡拨叉5随换挡指38左移，变速器挂上直接档；若为降档过程则控制电机转速升高，且处于驱动状态，当电机轴1和变速器输出轴8间的转速差满足设定的最佳换挡转速范围时，便可进行挂挡，此时第二两位三通电磁阀41通电，液压油进入液压缸内，在油压的作用下活塞杆带动换挡指38右移到右极限位置，换挡拨叉5随换挡指38右移，变速器挂上一档。

换挡完成后，电磁阀断电，电机进入驱动车辆运行模式。

Claims (6)

1.一种两档式自动变速器，包括电机、机械式自动变速器、置于变速器外并通过伸进箱体内的拨叉杆控制档位的液压换挡执行机构、变速器控制单元；其特征是：电机和变速器箱体直线集成为一体，电机轴同时也是变速器输入轴，变速器输入轴通过滚针轴承支撑在变速器输出轴轴承内或者两轴通过花键进行连接，在变速器中间轴和变速器输出轴之间设置转速转接轴；变速器箱体内，变速器输入轴直接档常啮合齿轮固定在电机轴上，变速器中间轴直接档常啮合齿轮与输入轴直接档常啮合齿轮啮合；固定在变速器输出轴上的输出轴转速转接齿轮和固定在转速转接轴上的转接轴转速转接齿轮保持常啮合；转速转接轴上设置输出轴编码器，变速器中间轴的末端安装中间轴编码器；变速器控制单元分别与液压换挡执行机构、电机控制器、各编码器电连接。

2.如权利要求1所述的两档式自动变速器，其特征是：编码器均安装在变速器箱体的外部，并在两编码器的外面加装一个编码器密封罩。

3.如权利要求1或2所述的两档式自动变速器，其特征是：电机定子置于电机转子外部，且轴向长度大于电机转子；电机定子内部，电机轴靠近电机转子的两端设置各设置一个支撑轴承；各端支撑轴承由各电机端盖固定。

4.如权利要求3所述的两档式自动变速器，其特征是：所述液压换挡执行机构主要包括与变速器换挡拨叉连接的换挡指、和内部含有油路、换挡液压缸、传感器和各控制阀的阀控集成模块；液压缸活塞为悬浮式活塞环和活塞杆套接的双活塞，液压缸被双活塞分割成左右两个换挡压力密封腔；各压力密封腔通过控制油口与各自的两位三通电磁阀连接；活塞杆与换挡指固定连接；控制单元接收传感器信号端与阀控集成模块的各传感器和电气连接；控制单元对执行件发出指令端与各电磁阀以及液压源驱动电机电气连接；变速器控制单元与控制单元对执行件发出指令端和控制单元接收传感器信号端分别电气连接。

5.如权利要求4所述的两档式自动变速器，其特征是：换挡执行机构的液压源部分主要由油箱、齿轮泵驱动泵体的液压源驱动电机、与泵体连接的泵送油路组成，所有低压回油通路与油箱连接；泵送油路末端设置单向阀，主油路经单向阀后一直延伸到两个两位三通电磁阀进油口，两位三通电磁阀各自通过液压缸控制油口与液压缸一端的密封腔连通；在液压缸缸体上活塞杆中心位置、偏移液压缸轴线位置处安装有角度位移传感器；主油路上设有溢流阀、蓄能器和线性压力传感器；所述的单向阀、溢流阀、压力传感器、蓄能器、液压缸、角度位移传感器、两位三通电磁阀都集成在所述阀控集成模块上。

6.如权利要求1或2或4或5所述的两档式自动变速器，其特征是：所述两档式自动变速器通过对油门开度和车速信号进行采集，决定是否根据设定的换挡规则决定何时进行换挡；当确定需要换挡后，电机控制器控制电机转矩降低到设置的值后变速器退空档，如果TCU判定变速器未退到空档就继续发出退空档命令，直到变速器退到空档；之后，电机控制器对电机进行调速控制，若为升档过程则控制电机转速下降，同时电机发电存储到蓄电池中，若为降档过程则控制电机转速升高，此时电机处于驱动状态；换挡完成后，电磁阀断电，电机进入驱动车辆运行模式。

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