CN103307219B - 一种电动汽车两档机械式自动变速器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种电动汽车两档机械式自动变速器，属于电动汽车传动技术领域。该变速器包括变速器控制系统、两级传动的变速传动机构和换档操纵机构；其中，换档操纵机构包括离心换档操纵机构和同步器换档机构，离心换档操纵机构为机械结构，通过齿轮传动检测车速，产生离心力并与弹簧回位力结合实现了机械式的自动变速。本发明采用两档自动变速，结合具有良好调速性能的驱动电机，降低了驱动系统对驱动电机的性能要求，提高了驱动电机效率以及整车的动力性和经济性；相比于传统的电子控制自动变速器，制造的继承性好，取消了电控操纵换档机构，而以机械换档机构代替，降低了生产成本，提高了系统稳定性。

Description

一种电动汽车两档机械式自动变速器

技术领域

本发明属于电动汽车传动技术领域，涉及一种电动汽车自动变速器，尤其涉及一种通过机械结构实现自动换档的电动汽车变速器。

背景技术

为了解决能源危机与环境污染这两大世界性的难题，电动汽车技术成为未来汽车发展的主要方向。在通常内燃机车辆的动力传动系统中，多采用多档传动的传动方式，以使汽车获得良好的动力性和燃油经济性，并有效地减少发动机排放污染。相比于内燃机，电机驱动具有低速恒扭矩，高速恒功率的机械特性，并且具有较宽的调速范围，作为汽车的动力源有着很大的优势。因此在目前的电动汽车传动系统中多采用固定速比的一档减速器，依靠电机较宽的调速范围实现车速的连续变化，如大众高尔夫电动车（E-Golf）即采用这种传动方式。这种方式结构简单，制造成本低，但是其对电机的输出要求很高，需要电机有较高的峰值转矩和很宽的转速范围。

为了更好地满足动力性与经济性的要求，电动汽车传动系统的发展逐渐趋于多档化。目前，在电动汽车多档化传动系统中，较多的以内燃机车辆的机械式自动变速器（AMT）为基础进行设计，保留离合器，使用电机作为操纵换档机构，利用电子控制进行换档。其优点在于换档策略可以通过计算机进行控制，换档精确可控；但是这种自动变速器结构比较复杂，对电子器件依赖程度较高，将导致制造成本的增加以及系统稳定性的降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不需要额外配置电动换档操纵机构而直接采用机械结构控制换档的电动汽车两档机械式自动变速器。

为了达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种电动汽车两档机械式自动变速器，包括相互连接的变速传动机构和换档操纵机构；所述变速传动机构包括与驱动电机相连的输入轴、输出轴、浮动连接于所述输入轴上的高档主动齿轮和低档主动齿轮、固定连接于所述输出轴上与所述高档主动齿轮啮合的高档从动齿轮和与所述低档主动齿轮啮合的低档从动齿轮；所述变速器还包括与驱动电机和换档操纵机构均相连的变速器控制系统；所述换档操纵机构包括均与所述变速传动机构相连的离心换档操纵机构和同步器换档机构；所述离心换档操纵机构包括离心机构旋转轴、位于所述输出轴上的离心机构主动齿轮、位于所述离心机构旋转轴上的离心机构从动齿轮和离心力轴向转换机构、与变速器壳体连接的回位机构；所述离心力轴向转换机构与所述回位机构和所述同步器换档机构均相连。

所述离心力轴向转换机构包括与所述离心机构旋转轴固定连接的固定旋转部件、与所述固定旋转部件相连的径向运动部件、活动连接于所述固定旋转部件高档侧的所述离心机构旋转轴上且与所述径向运动部件的压力角大于零的轴向运动部件；所述轴向运动部件高档侧和所述回位机构相连；优选的，所述轴向运动部件与所述径向运动部件的接触面满足所述径向运动部件与所述轴向运动部件间的压力角随着所述轴向运动部件与所述高档齿轮的距离增大而递增；进一步优选的，所述轴向运动部件与所述径向运动部件的接触面为曲面。

所述固定旋转部件为中间为安装孔，四周为沿所述安装孔径向延伸的径向导向凸起的支持架；所述径向运动部件为中部带有与所述固定旋转部件的径向导向凸起间隙配合的凹槽的离心重块；所述轴向运动部件为与所述离心重块接触的调速盘；优选的，所述支持架从所述安装孔开始沿着十字型的四个方向径向延伸；所述离心重块共四块。

所述变速器控制系统包括整车控制器、与所述整车控制器和驱动电机均相连的电机控制器以及与所述整车控制器和换档操纵机构均相连的变速箱控制器；优选的，所述变速箱控制器集成于所述整车控制器中。

所述高档主动齿轮和所述低档主动齿轮具有接合齿圈；所述同步器换档机构包括接合套和位于所述输入轴上处于所述高档主动齿轮和所述低档主动齿轮之间的花键毂，所述花键毂的外圆表面具有与所述高档主动齿轮和所述低档主动齿轮的接合齿圈齿形相同的外花键；所述接合套具有与所述花键毂的外花键齿形相同的内花键；所述接合套活动连接于所述花键毂表面；优选的，所述回位机构为回位弹簧。

所述同步器换档机构还包括安装于所述接合套上的同步机构。

所述离心机构从动齿轮的半径小于所述离心机构主动齿轮的半径。

所述变速传动机构、所述同步器换档机构和所述离心换档操纵机构相互平行。

所述输出轴与所述高档从动齿轮为整体式齿轮轴；或者所述离心机构旋转轴与所述离心机构从动齿轮为整体式齿轮轴。

所述离心机构主动齿轮与所述高档从动齿轮共用同一个齿轮，且所述共用齿轮同时与所述高档主动齿轮和所述离心机构从动齿轮啮合；或者所述离心机构主动齿轮与所述低档从动齿轮共用同一个齿轮，且所述共用齿轮同时与所述低档主动齿轮和所述离心机构从动齿轮啮合。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：本发明采用两档自动变速，结合具有良好调速性能的驱动电机，降低了驱动系统对驱动电机的性能要求，提高了驱动电机效率以及整车的动力性和经济性；相比于传统的电子控制自动变速器，本发明的机械式自动变速器制造的继承性好，取消了电控操纵换档机构，而以机械换档机构代替，降低了生产成本，提高了系统稳定性。

附图说明

图1本发明实施例中电动汽车两档机械式自动变速器的结构示意图；

图2本发明实施例中离心换档操纵机构部分零件装配图；

图3本发明实施例中支持架的正三等轴测图；

图4本发明实施例中离心重块的正三等轴测图；

图5本发明实施例中调速盘的部分剖视图；

图7本发明实施例中变速器的控制原理图；

图6本发明实施例中离心换档操纵机构的结构示意图；

图8本发明实施例中变速器的换档规律示意图。

附图中1、离心机构主动齿轮；2、高档从动齿轮；3、接合套；4、低档从动齿轮；5、低档主动齿轮；6、驱动电机；7、电机控制器；8、整车控制器；9、支持架；10、离心重块；11、换档传感器；12、调速盘；13、回位弹簧；14、离心机构从动齿轮；15、离心机构旋转轴；16、花键毂；17、输入轴；18、高档主动齿轮；19、输出轴。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

为了降低对驱动电机的要求，同时使得在不需要额外配置电动换档操纵机构的基础上直接采用机械结构控制换档，减少对电子器件的依赖，本实施例的电动汽车两档机械式自动变速器的结构示意图如图1所示。

该自动变速器包括变速器控制系统、以及均与变速器控制系统相连的变速传动机构和换档操纵机构。其中换档操纵机构包括同步器换档机构和离心换档操纵机构，离心换档操纵机构与变速器控制系统和同步器换档机构相连，同步器换档机构还与变速传动机构相连。该机械式自动变速器的结构示意图如图1所示，其中换档操纵机构可通过机械方式完成自动换档操作。

上述变速器控制系统包括变速箱控制器（英文简称为TCU）、整车控制器（英文简称为VMS）和电机控制器（英文简称为MC）。变速箱控制器TCU与整车控制器VMS相连，在本实施例中集成于整车控制器VMS中，与离心换档操纵机构中的换档传感器相连，负责接收换档传感器信息，并将换档信号以及需求换档扭矩信息发送到整车控制器VMS；此外，换档信号也可由整车控制器VMS直接接收，完成换档功能，从而可以省略变速箱控制器TCU；电机控制器MC与驱动电机相连，控制驱动电机的输出；整车控制器VMS与电机控制器MC相连，向电机控制器MC发送转速及扭矩需求信息。

变速传动机构包括输入轴17、输出轴19、低档主动齿轮5、低档从动齿轮4、高档主动齿轮18和高档从动齿轮2。其中，低档主动齿轮5与高档主动齿轮18在面向花键毂16的侧面上加工有接合齿圈，空套在输入轴17上，与输入轴17浮动连接，并以输入轴17为轴线轴向转动；低档从动齿轮4与高档从动齿轮2固定在输出轴19上并与输出轴19同步转动；低档主动齿轮5与低档从动齿轮4常啮合，高档主动齿轮18与高档从动齿轮2常啮合。

同步器换档机构包括花键毂16和接合套3。花键毂16固定在输入轴17上低档主动齿轮5和高档主动齿轮18之间并与输入轴17同步转动；花键毂16的外圆表面具有外花键，该外花键与高档主动齿轮和低档主动齿轮的接合齿圈的齿形完全相同；接合套3也具有与花键毂16的外花键齿形完全相同的内花键，接合套3活动连接于花键毂16的表面，可在花键毂16上轴向滑动。

当然，也可以在同步器换档机构中加入同步机构，将同步机构安装在接合套3上，使接合套3与对应接合齿圈的转速迅速达到并保持一致（同步），同时阻止两者在达到同步之前即接合。本实施例中取消同步机构，而利用电机转矩转速的可控性实现输入轴17与待挂档主动齿轮转速接近，结构简单且成本较低。

离心换档操纵机构包括换档传感器11、离心重块10、支持架9、调速盘12、回位弹簧13、离心机构旋转轴15、离心机构主动齿轮1以及离心机构从动齿轮14。离心机构主动齿轮1固定在变速器的输出轴19上并与输出轴19同步转动，离心机构从动齿轮14固定在离心机构旋转轴15上并与离心机构旋转轴15同步转动，离心机构主动齿轮1与离心机构从动齿轮14常啮合。由于输出轴19的转速能够反映车速，因此可以通过离心机构从动齿轮14监测车速的变化；同时离心机构从动齿轮14的齿数少于离心机构主动齿轮1的齿数，因此离心机构从动齿轮14能够放大输出轴19的转速，以产生足够大的离心推力。

图2为离心换档操纵机构部分零件装配图，从中可以看出支持架9固定在离心机构旋转轴15上并与离心机构旋转轴15同步转动。图3为支持架9的正三等轴测图，支持架9的中心为安装孔，从安装孔开始沿着十字型的四个方向加工出导向凸起，用于离心重块10的运动导向。图4为离心重块10的正三等轴测图，其中部加工出与支持架9导向凸起形状相同的凹槽，与支持架9上的导向凸起间隙配合。离心重块10共四块，安装在支持架9上，与支持架9同步转动并能沿支持架9的径向方向滑动。图5为调速盘12的正三等轴测图，调速盘12的中央为安装孔，安装孔内装有铜制衬套，调速盘12通过该安装孔空套在离心机构旋转轴15上，能同时沿离心机构旋转轴15轴向移动和绕离心机构旋转轴15转动。调速盘12与离心重块10接触，离心重块10在离心力的作用下沿支持架9径向移动，推动调速盘12沿离心机构旋转轴15轴向移动。

换档传感器11安装在调速盘12上，并与整车控制器VMS相连。回位弹簧13安装在变速器壳体与调速盘12的高档侧之间，调速盘12以机械方式与接合套3连接。这里离心重块10的旋转半径能随着接合套3的行程变化，这样离心机构产生的离心力不仅根据车速变化，也根据接合套行程变化。

图6所示为本实施例中离心换档操纵机构的结构示意图。从中可以看出，调速盘12与离心重块10的接触面为曲面，采用变压力角设计，使得离心重块10与调速盘12的压力角随着离心重块10的移动而变化，也就是说离心重块10与调速盘12的接触压力角随着接合套3行程的变化而变化，且变化的趋势为调速盘12越靠近低档方向，离心重块10与调速盘12之间的压力角越大。正是由于低档方向的压力角大于高档方向的压力角，保证了升档过程中挂档阶段调速盘12的离心推力大于摘档阶段的离心推力，同时降档过程中挂档阶段调速盘12的离心推力小于摘档阶段的离心推力。

图6中令m为离心重块质量，r为离心重块的旋转半径，i为输出轴与离心机构旋转轴的传动比，i_g为输出轴转速与两侧车轮平均转速的传动比，R为车轮半径，v为车速，tanθ为离心重块与调速盘压力角的正切值，k为回位弹簧刚度，x为回位弹簧的压缩长度，T为换档力，F为调速盘的离心推力，G为回位弹簧的回位力，f为换档阻力。则可得出：

在整个升档过程中上述参数需满足下式：

$T=F-G=\frac{{\mathrm{mi}}_g^2}{i^2{R}^2\tan \mathrm{\θ}}\·{\mathrm{rv}}^2-\mathrm{kx}>f$

在整个降档过程中上述参数则需满足：

$T=G-F=\mathrm{kx}-\frac{{\mathrm{mi}}_g^2}{i^2{R}^2\tan \mathrm{\θ}}\·{\mathrm{rv}}^2>f$

上述参数中m、i、R、k为常量，其余均为变量。

图1中，当车辆启动和处于较低的车速时，调速盘12由于回位弹簧13的作用推动接合套3与低档主动齿轮5的接合齿圈接合，驱动电机6输出的动力通过输入轴17带动花键毂16，花键毂16通过接合套3带动低档主动齿轮5，再带动低档从动齿轮4并通过输出轴19输出扭矩，这种状态下为大扭矩的低速档。此时由于高档主动齿轮18与输入轴17是浮动连接，而接合套3未与高档主动齿轮18连接，因此驱动电机6的扭矩不能直接通过花键毂16传递给高档主动齿轮18，而是由低档从动齿轮4带动输出轴19，高档从动齿轮2跟随输出轴19转动，而高档主动齿轮18在高档从动齿轮2的带动下绕输入轴17空转。

当车辆由低速加速到达设定的升档车速时，如图7所示，整车控制器VMS根据采集到的车速信号，通过电机控制器MC控制驱动电机6进入摘档过渡控制模式，输出轴19带动离心机构主动齿轮1，通过离心机构从动齿轮14带动离心机构旋转轴15，再带动支持架9高速旋转，离心重块10由于支持架9旋转产生离心推力F推动调速盘12，使得调速盘12克服回位弹簧13的回位力G，接合套3克服摘档阶段换档阻力f摘到空档。

当换档传感器11检测到接合套3进入空档位置时，整车控制系统VMS通过电机控制器MC控制驱动电机6进入调速模式，利用电机转矩转速的可控性调节驱动电机6的转速至输入轴17的转速接近高档主动齿轮18的转速，在调速盘12的推力F的推动下接合套3克服挂档阶段换档阻力f挂入高档与高档主动齿轮18的接合齿圈接合，完成变速器的自动升档。

在整个升档过程中，离心操纵机构中离心重块10的旋转半径r随着接合套3的移动而增加，调速盘12由此产生的离心推力F也随着接合套3的移动而增加，实现挂档阶段换档力大于摘档阶段换档力以完成升档。然后控制驱动电机6进入挂档过渡控制模式，恢复扭矩输出。此时驱动电机6通过输入轴17带动花键毂16，再通过结合套3带动高档主动齿轮18，再带动高档从动齿轮2通过输出轴19输出转矩，这种状态下为高速档。此时由于低档主动齿轮5与输入轴17是浮动连接，而接合套3未与低档主动齿轮18连接，因此驱动电机6的扭矩不能直接通过花键毂16传递给低档主动齿轮5，而是由高档从动齿轮2带动输出轴19，低档从动齿轮4跟随输出轴19转动，而低档主动齿轮5在低档从动齿轮4的带动下绕输入轴17空转。

当车速由高速降到设定降档车速时，如图7所示，整车控制器VMS根据采集到的车速信号，通过电机控制器MC控制驱动电机6进入摘档过渡控制模式，回位弹簧13的回位力G克服离心重块10由于支持架9旋转产生并通过调速盘12传递的推力F，带动结合套3向低档方向移动，接合套3克服摘档阶段换档阻力f挂到空档。

当换档传感器11检测到接合套3进入空档位置时，控制驱动电机6进入调速模式，利用电机转矩转速的可控性调节驱动电机6转速至输入轴17的转速接近低档主动齿轮5的转速，然后接合套3在回位弹簧13的回位力G的作用下克服调速盘12的离心推力F和挂档阻力f挂入低档位置与低档主动齿轮5的接合齿圈接合，完成变速器的自动降档。

在整个降档过程中，离心操纵机构中离心重块10的旋转半径r随着接合套3的移动而减小，调速盘12由此产生的离心推力F也随着接合套3的移动而减小，可以实现挂档阶段换档力大于摘档阶段换档力。然后控制驱动电机6进入挂档过渡控制模式，恢复扭矩输出。此时驱动电机6通过输入轴17带动花键毂16，再通过接合套3带动低档主动齿轮4，再带动低档从动齿轮4通过输出轴19，实现了两档自动变速。

图8为本发明实施例中变速器的换档规律图。车辆由较低车速加速至设定升档车速时，自动变速器完成自动升档；车辆由较高车速降低至设定降档车速时，自动变速器完成自动降档。升档车速略高于降档车速。

该自动变速器的倒档通过驱动电机6的反转来实现。

上述实施例中，可在输出轴19上加工出高档从动齿轮2和低档从动齿轮4，在离心机构旋转轴15上加工出离心机构从动齿轮14，这样能减少零件数目，降低生产成本。而在所述离心换档操纵机构中，可以采用高档从动齿轮2代替离心机构主动齿轮1，高档从动齿轮2同时与高档主动齿轮18和离心机构从动齿轮14常啮合；也可以采用低档从动齿轮4代替离心机构主动齿轮1，低档从动齿轮4同时与低档主动齿轮5和离心机构从动齿轮14常啮合，从而减少零件数目，降低生产成本。

本发明采用两档自动变速，结合具有良好调速性能的驱动电机，降低了驱动系统对驱动电机的性能要求，提高了驱动电机效率以及整车的动力性和经济性；同时相比于传统的电子控制自动变速器，本发明的机械式自动变速器取消了电控操纵换档机构而以机械换档机构代替，制造的继承性好，降低了生产成本，提高了稳定性。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种电动汽车两档机械式自动变速器，包括相互连接的变速传动机构和换档操纵机构；所述变速传动机构包括与驱动电机相连的输入轴、输出轴、浮动连接于所述输入轴上的高档主动齿轮和低档主动齿轮、固定连接于所述输出轴上与所述高档主动齿轮啮合的高档从动齿轮和与所述低档主动齿轮啮合的低档从动齿轮；其特征在于：

所述变速器还包括与驱动电机和换档操纵机构均相连的变速器控制系统；所述换档操纵机构包括均与所述变速传动机构相连的离心换档操纵机构和同步器换档机构；

所述离心换档操纵机构包括离心机构旋转轴、位于所述输出轴上的离心机构主动齿轮、位于所述离心机构旋转轴上的离心机构从动齿轮和离心力轴向转换机构、与变速器壳体连接的回位机构；所述离心力轴向转换机构为将旋转产生的离心力转换为轴向力的机构；所述离心力轴向转换机构与所述回位机构和所述同步器换档机构均相连。

2.根据权利要求1所述的电动汽车两档机械式自动变速器，其特征在于：所述离心力轴向转换机构包括与所述离心机构旋转轴固定连接的固定旋转部件、与所述固定旋转部件相连的径向运动部件、活动连接于固定旋转部件高档侧的所述离心机构旋转轴上且与所述径向运动部件的压力角大于零的轴向运动部件；轴向运动部件高档侧和所述回位机构相连。

3.根据权利要求2所述的电动汽车两档机械式自动变速器，其特征在于：所述轴向运动部件与所述径向运动部件的接触面满足所述径向运动部件与所述轴向运动部件间的压力角随着所述轴向运动部件与高档齿轮的距离增大而递增。

4.根据权利要求3所述的电动汽车两档机械式自动变速器，其特征在于：所述轴向运动部件与所述径向运动部件的接触面为曲面。

5.根据权利要求2所述的电动汽车两档机械式自动变速器，其特征在于：所述固定旋转部件为中间为安装孔、四周为沿所述安装孔径向延伸的径向导向凸起的支持架；所述径向运动部件为中部带有与所述固定旋转部件的径向导向凸起间隙配合的凹槽的离心重块；所述轴向运动部件为与所述离心重块接触的调速盘。

6.根据权利要求5所述的电动汽车两档机械式自动变速器，其特征在于：所述支持架从所述安装孔开始沿着十字型的四个方向径向延伸；所述离心重块共四块。

7.根据权利要求1所述的电动汽车两档机械式自动变速器，其特征在于：所述变速器控制系统包括整车控制器、与所述整车控制器和驱动电机均相连的电机控制器以及与所述整车控制器和所述换档操纵机构均相连的变速箱控制器。

8.根据权利要求7所述的电动汽车两档机械式自动变速器，其特征在于：所述变速箱控制器集成于所述整车控制器中。

9.根据权利要求1所述的电动汽车两档机械式自动变速器，其特征在于：所述高档主动齿轮和所述低档主动齿轮具有接合齿圈；所述同步器换档机构包括接合套和位于所述输入轴上处于所述高档主动齿轮和所述低档主动齿轮之间的花键毂，所述花键毂的外圆表面具有与所述高档主动齿轮和所述低档主动齿轮的接合齿圈齿形相同的外花键；所述接合套具有与所述花键毂的外花键齿形相同的内花键；所述接合套活动连接于所述花键毂表面。

10.根据权利要求1所述的电动汽车两档机械式自动变速器，其特征在于：所述回位机构为回位弹簧。

11.根据权利要求9所述的电动汽车两档机械式自动变速器，其特征在于：所述同步器换档机构还包括安装于所述接合套上的同步机构。

12.根据权利要求1所述的电动汽车两档机械式自动变速器，其特征在于：所述离心机构从动齿轮的齿数少于所述离心机构主动齿轮的齿数。

13.根据权利要求1所述的电动汽车两档机械式自动变速器，其特征在于：所述变速传动机构、所述同步器换档机构和所述离心换档操纵机构相互平行。

14.根据权利要求1所述的电动汽车两档机械式自动变速器，其特征在于：所述输出轴与所述高档从动齿轮为整体式齿轮轴；或者所述输出轴与所述低档从动齿轮为整体式齿轮轴；或者所述离心机构旋转轴与所述离心机构从动齿轮为整体式齿轮轴。

15.根据权利要求1所述的电动汽车两档机械式自动变速器，其特征在于：所述离心机构主动齿轮与所述高档从动齿轮共用同一个齿轮，且所述共用齿轮同时与所述高档主动齿轮和所述离心机构从动齿轮啮合；或者所述离心机构主动齿轮与所述低档从动齿轮共用同一个齿轮，且所述共用齿轮同时与所述低档主动齿轮和所述离心机构从动齿轮啮合。