CN105270205B - 一种具有两档自动变速电机驱动系统的档位切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有两档自动变速电机驱动系统及其换挡控制方法,包括单排行星机构、单排行星机构的同步器、同步器的拨叉执行机构、拨叉执行机构的驱动电机M1、太阳轮中心轴的驱动电机M2、以及控制驱动电机M1和M2的电机控制器;驱动电机M2转动带动拨叉执行机构运动,使同步器的拨叉杆左右摆动,实现同步器分别与A齿轮和B齿轮交替啮合以完成档位间的切换;单排行星机构的太阳轮与驱动电机M1的转轴相连,单排行星机构的行星架作为输出端与驱动桥相连,通过半轴将驱动电机M1的正反转力矩传递给左右车轮。拨叉执行机构与其他部件的有机结合,能精确控制驱动电机M1、M2的转速及扭矩,实现变速器一档和二档的无动力中断换挡。

Description

一种具有两档自动变速电机驱动系统的档位切换方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电动汽车(增程式/纯电动)动力驱动系统,尤其涉及一种具有两档自 动变速电机驱动系统的档位切换方法。
背景技术
[0002] 当今环境的恶化、雾霾天气的加重和石油能源的告急,使得新能源汽车越来越受 到世界各国政府的青睐。作为新能源汽车最具潜力的电动汽车,在能源的节省上和尾气的 排放上均符合绿色环保性。动力性方面,电动汽车的牵引电机与传统内燃机相比较工作范 围较宽,其低速时恒转矩和高速时恒功率的特性更能满足车辆运行的需求。
[0003] 现代电动汽车中使用的变速器大部分采用固定速比变速器,虽然采用固定减速比 的一档减速器降低了对电机峰值转矩的要求,但提高了对电机最高转速的要求。牵引电机 为了保证电动汽车高速行驶,必须长期处于高转矩、大电流的工作状态下,使得电机利用率 大大降低,浪费了大量的电池能量,从而缩短了电动汽车的续航里程。
[0004] 通过增加变速器的档位,使得电动车在起步和爬坡时拥有一个较高减速比的起步 档,降低电动车起步和爬坡时对电机转矩的要求,而在电动汽车在直路上高速行驶时,又可 以换到一个减速比较低的高速档位,降低电动汽车对电动机转速的要求。与固定挡变速器 相比,多挡变速器更加灵活,更适用于电动汽车,是以后电动汽车变速器发展的趋势。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足,提供一种结构简单操纵灵便 的一种具有两档自动变速电机驱动系统的档位切换方法。采用同步器完成离合功能,通过 电机控制器精确控制驱动电机Ml和驱动电机M2的转速与扭矩,实现变速器一档和二档的无 动力中断换挡。
[0006] 本发明通过下述技术方案实现:
[0007] 技术方案一:
[0008] 一种具有两档自动变速电机驱动系统,包括单排行星机构、同步器5、同步器5的拨 叉执行机构8、拨叉执行机构的驱动电机M2、太阳轮中心轴的驱动电机M1、以及控制驱动电 机Ml和驱动电机M2的电机控制器;所述拨叉执行机构8包括丝杠812以及围绕丝杠812旋转 的螺母811,螺母811连接驱动电机M2的转轴,丝杠812连接拨叉杆6的上端部;驱动电机M2的 转轴带动螺母811旋转,并使丝杠812沿其轴向往复移动,从而带动拨叉杆6以拨叉支点7为 中心来回摆动,实现同步器5分别与A齿轮10和B齿轮4的交替啮合,以完成档位间的切换。
[0009] 所述同步器5—侧设有能与其啮合的A齿轮10,A齿轮10与太阳轮中心轴11相连;同 步器5另一侧设有能与其啮合的B齿轮4, B齿轮4与变速箱壳体相连;
[0010] 电机控制器控制驱动电机M2转动,通过其带动拨叉执行机构8运动,使同步器5的 拨叉杆6左右摆动,实现同步器5分别与A齿轮10和B齿轮4交替啮合以完成档位间的切换;
[0011] 单排行星机构的太阳轮1与驱动电机Ml的转轴相连,单排行星机构的行星架2作为 输出端与驱动桥相连,通过半轴将驱动电机Ml的正反转力矩传递给左右车轮。
[0012] 技术方案二:
[0013] 一种具有两档自动变速电机驱动系统,其特征在于:包括单排行星机构、同步器5、 同步器5的拨叉执行机构8、拨叉执行机构的驱动电机Ml、太阳轮中心轴的驱动电机M2、以及 控制驱动电机Ml和驱动电机M2的电机控制器;所述拨叉执行机构8包括一等腰三角形框架, 等腰三角形框架的底边开有边缝,拨叉杆6以对半的形式,分别设置在以边缝为界的两个底 边上,等腰三角形框架的中部设有回摆双面等基圆凸轮822,该回摆双面等基圆凸轮822连 接驱动电机M2的转轴,该回摆双面等基圆凸轮822的两个边与等腰三角形框架中部对称的 两个边滚动接触;在等腰三角形框架中部对称的两个边之间连接有用于使回摆双面等基圆 凸轮822回位的回位弹簧823;
[0014] 驱动电机M2的转轴带动回摆双面等基圆凸轮822转动,由于回摆双面等基圆凸轮 822边缘半径不同,使等腰三角形框架以顶端为支点821,使拨叉杆6来回摆动,实现同步器5 分别与A齿轮10和B齿轮4的交替啮合,以完成档位间的切换。
[0015] 所述同步器5—侧设有能与其啮合的A齿轮10,A齿轮10与太阳轮中心轴11相连;同 步器5另一侧设有能与其啮合的B齿轮4,B齿轮4与变速箱壳体相连;
[0016] 电机控制器控制驱动电机M2转动,通过其带动拨叉执行机构8运动,使同步器5的 拨叉杆6左右摆动,实现同步器5分别与A齿轮10和B齿轮4交替啮合以完成档位间的切换; [0017]单排行星机构的太阳轮1与驱动电机Ml的转轴相连,单排行星机构的行星架2作为 输出端与驱动桥相连,通过半轴将驱动电机Ml的正反转力矩传递给左右车轮。
[0018]技术方案三:
[0019]上述具有两档自动变速电机驱动系统的档位切换方法如下:
[0020] 1)车辆静止:当同步器5受到拨叉杆6驱动,处于中间位置时,此时同步器5与A齿轮 10及与B齿轮4均不啮合,即使得单排行星机构中的齿圈3、行星架2、太阳轮1均处于自由状 态;驱动电机Ml无动力输出,此时电动车辆为空挡;
[0021] 2)车辆起步:设和m、n2和113分别为太阳轮1、行星架2和齿圈3的齿数和转 速;Z壳和n壳分别为与变速箱壳体相连的B齿轮的齿数和转速;Z中和n中分别为与太阳轮中心轴 相连的A齿轮的齿数和转速为左右车轮转速;a为齿圈3与太阳轮1的齿数比;单排行星机 构特性方程式为:m+an2- (1+a) 当电动车辆由静止起步时,驱动电机Ml不 工作,n中=0,n0 = 0,为静态齿轮结合;同步器5受到拨叉杆6驱动,与连接变速箱壳体的B齿 轮啮合时,单排行星机构中的齿圈3与变速箱壳体相连,实现齿圈3锁止状态,则实现一档行 驶;
[0022] 3)—档行驶:电动车辆起步后保持一档行驶时:m = n+;n3 = 〇;n2= (Zl/Z2)ni = (Zi/Z2)n中;
[0023] 4)档位切换--升档:当电动车辆行驶到需要由一档切换到二档时,同步器5在右侧 释放齿圈3的固定,gpn2= (Zi/ZOmi (Zi/ZOn中,为一档行驶的转速;此时单排行星机构的 太阳轮1、行星架2和齿圈3为自由状态,此时行星架2转速n2与齿圈3转速n3达到一致;此时刻 电机控制器控制驱动电机Ml转速n中达到与齿圈3转速n3相同,即电机控制器控制驱动电机 Ml转速由原来的转速迅速变为n中1 = (Z1/Z2) n中,即可进行无冲击和无动力间断换挡;
[0024] 5)二档行驶:档位切换完成后,保持二档行驶时:ni = n2 = n3 = n中;
[0025] 6)档位切换--降档:二档行驶状态m=n中;换挡时刻,电机控制器控制驱动电机Ml 输出的转速保持原转速n中不变;换挡完成时刻,转速n3变为0,为使变速箱无冲击,根据单排 行星机构特性方程式:m+an2-(l+a)n3 = 〇,式中中,m = 0,即电机控制器控制驱动电机 Ml转速调整为n中2= (l+a)n2,即控制驱动电机Ml由二档转速n中变为(l+a)n中;
[0026] 7)回位空挡:由一档、二档回位至空挡,直接由拨叉杆6驱动同步器5回到中间位置 即可实现。
[0027]倒挡一档行驶:拨动拨叉杆6使同步器5与B齿轮4啮合,电机控制器控制驱动电机 Ml逆转,实现电动车辆的倒挡一档行驶;
[0028] 倒挡二档行驶:拨动拨叉杆6使同步器5与A齿轮10啮合,由电机控制器控制驱动电 机Ml逆转,实现电动车辆的倒挡二档行驶。
[0029]本发明相对于现有技术,具有如下的优点及效果:
[0030] 本发明通过电机控制器控制驱动电机M2实现拨叉杆的摆动,带动同步器左右移 动,使其分别与A齿轮与B齿轮之间交替啮合,实现档位之间的切换。
[0031] 本发明通过电机控制器控制驱动电机Ml的正反转矩,实现档位切换时的无动力中 断和电动车辆行驶的前进挡、倒退挡。
[0032]本发明拨叉执行机构,选择性的采用了两种结构;
[0033] 一种主要为丝杠812以及围绕丝杠812旋转的螺母811结构,螺母811连接驱动电机 M2的转轴,丝杠812连接拨叉杆6的上端部;驱动电机M2的转轴带动螺母811旋转,并使丝杠 812沿其轴向往复移动,从而带动拨叉杆6以拨叉支点7为中心来回摆动,实现同步器5分别 与A齿轮10和B齿轮4的交替啮合,以完成档位间的切换。
[0034]另一种主要为等腰三角形框架以及回摆双面等基圆凸轮结构,等腰三角形框架的 底边开有边缝,拨叉杆6以对半的形式,分别设置在以边缝为界的两个底边上,等腰三角形 框架的中部设有回摆双面等基圆凸轮822,该回摆双面等基圆凸轮822连接驱动电机M2的转 轴,该回摆双面等基圆凸轮822的两个边与等腰三角形框架中部对称的两个边滚动接触;在 等腰三角形框架中部对称的两个边之间连接有用于使回摆双面等基圆凸轮822回位的回位 弹簧823;驱动电机M2的转轴带动回摆双面等基圆凸轮822,由于回摆双面等基圆凸轮822边 缘半径不同,使等腰三角形框架以其顶端的支点821为中心来回摆动,实现同步器5分别与A 齿轮10和B齿轮4的交替啮合,以完成档位间的切换。
[0035]这两种结构拨叉执行机构,具有操控灵活舒适、结构简单紧凑、造价低廉等优点; 其不仅了克服现有机构复杂、故障率高的缺点,而且通过与电机控制器等部件的有机结合, 能精确控制驱动电机Ml和驱动电机M2的转速及扭矩,实现变速器一档和二档的无动力中断 换挡,具有积极的技术效果和市场推广应用价值。
附图说明
[0036]图1为本发明的整体结构示意图。
[0037]图2为变速箱部分功能原理图。
[0038]图3为驱动电机M2与拨叉执行机构和拨叉杆连接原理图。
[0039]图4为拨叉执行机构的一种结构示意图。
[0040]图5为拨叉执行机构的另一种结构示意图。
具体实施方式
[0041] 下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
[0042] 实施例1
[0043]如图1至4所示。本发明具有两档自动变速电机驱动系统,包括单排行星机构、单排 行星机构的同步器5、同步器5的拨叉执行机构8、拨叉执行机构的驱动电机Ml、太阳轮中心 轴的驱动电机M2、以及控制驱动电机Ml和驱动电机M2的电机控制器;
[0044]同步器5—侧(左侧)设有能与其啮合的A齿轮10,A齿轮10与太阳轮中心轴11相连; 同步器5另一侧(右侧)设有能与其啮合的B齿轮4,B齿轮4与变速箱壳体相连;
[0045]电机控制器控制驱动电机M2转动,通过其带动拨叉执行机构8运动,使同步器5的 拨叉杆6左右摆动,实现同步器5分别与A齿轮10和B齿轮4交替啮合以完成档位间的切换; [0046]单排行星机构的太阳轮1与驱动电机Ml的转轴相连,单排行星机构的行星架2作为 输出端与驱动桥相连,通过半轴将驱动电机Ml的正反转力矩传递给左右车轮,从而实现档 位切换时的无动力中断和电动车辆行驶的前进、倒退。
[0047] 所述拨叉执行机构8包括丝杠812以及围绕丝杠812旋转的螺母811,螺母811连接 驱动电机M2的转轴,丝杠812连接拨叉杆6的上端部;驱动电机M2的转轴带动螺母811旋转, 并使丝杠812沿其轴向往复移动,从而带动拨叉杆6以拨叉支点7为中心来回摆动,实现同步 器5分别与A齿轮10和B齿轮4的交替啮合,以完成档位(空挡、一档、二档)间的切换。
[0048]本发明具有两档自动变速电机驱动系统的档位切换方法,可通过如下步骤实现: [0049]当同步器5向右滑动与B齿轮4啮合时,齿圈3与壳体相连,为制动状态,此时单排行 星机构为齿圈3固定,太阳轮输入,行星架输出,为大传动比的一档低速挡。当同步器5向左 滑动与A齿轮啮合时,太阳轮1与齿圈3锁死,单排行星机构的太阳轮1和齿圈3结合为一体, 此时的输入输出传动比为1:1的二档高速档。
[0050] 1)车辆静止:当同步器5受到拨叉杆6驱动,处于中间(空挡)位置时,此时(锁环式) 同步器5与A齿轮10及与B齿轮4均不啮合,即使得单排行星机构中的齿圈3、行星架2、太阳轮 1均处于自由状态;驱动电机Ml的运行与否均无动力输出,此时电动车辆为空挡,驱动电机 Ml输出动力与单排行星机构断开。
[0051] 2)车辆起步:设和m、n2和n3分别为太阳轮1、行星架2和齿圈3的齿数和转 速;Z壳和n壳分别为与变速箱壳体相连的B齿轮的齿数和转速;Z中和n中分别为与太阳轮中心轴 相连的A齿轮的齿数和转速;n车为左右车轮转速;a为齿圈3与太阳轮丨的齿数比;单排行星 机构特性方程式为:m+an2- (1+a) n3 = = Z2;当电动车辆由静止起步时,驱动电机Ml 不工作,n中=0,n0 = 0,为静态齿轮结合;同步器5受到拨叉杆6驱动,与连接变速箱壳体的B 齿轮啮合时,单排行星机构中的齿圈3与变速箱壳体相连,实现齿圈3锁止状态,则实现(减 速增扭的)一档行驶;
[0052] 3)—档行驶:电动车辆起步后保持一档稳定行驶时:ni = n中;n3 = 〇;n2= (&/Z2) ni =(Z1/Z2) n中;
[0053] 4)档位切换一升档:当电动车辆行驶到(一定车速)需要由一档切换到二档时,同 步器5在右侧释放齿圈3的固定,由于假设换挡时刻的车速保持不变,即n2= (&/Z2) m = (Zi/ Z2)n中,为一档行驶的转速;此时单排行星机构的太阳轮丨、行星架2和齿圈3为自由状态,此 时行星架2转速n2与齿圈3转速m达到一致,电机控制器控制驱动电机Ml转速由原来的转速 迅速变为n中中,即可进行无冲击和无动力间断换挡。同步器5受到拨叉杆6驱动, 并与A齿轮啮合时,齿圈3与太阳轮中心轴11相连,齿圈3与太阳轮1锁止,实现二档高速档。 [OOM] 5)二档行驶:档位切换完成后,保持二档(稳定)行驶时:m=n2=n3=n中;
[0055] 6)档位切换--降档:由于假设换挡时车速保持不变,即二档(稳定)行驶状态如二 n中;换挡时刻,电机控制器控制驱动电机M1输出的转速保持原转速n中不变;换挡完成时刻, 转速n3变为0,为使变速箱无冲击,根据单排行星机构特性方程式:m+an2- (l+c〇 n3 = 〇,式中 n2 = n中,n;B = 0,即电机控制器控制驱动电机Ml转速调整为肿2= (1+a) n2,即控制驱动电机Ml 由二档(稳定)转速n中变为(1+a) n中;
[0056] 7)回位空挡:由一档、二档回位至空挡,直接由拨叉杆6驱动同步器5回到中间位置 即可实现;
[0057] 8)倒挡行驶步骤如下:
[0058]倒挡一档行驶:拨动拨叉杆6使同步器5与B齿轮啮合,电机控制器控制驱动电机Ml 逆转,实现电动车辆的倒挡一档行驶; t〇〇59]倒挡二档行驶:拨动拨叉杆6使同步器5与A齿轮啮合,由电机控制器控制驱动电机 Ml逆转,实现电动车辆的倒挡二档行驶。
[0060] 实施例2
[0061]如图5所示。本实施例除下述特征外,其他特征与实施例1相同。
[0062]所述拨叉执行机构8包括一等腰三角形框架,等腰三角形框架的底边开有边缝,拨 叉杆6以对半的形式,分别设置在以边缝为界的两个底边上,等腰三角形框架的中部设有回 摆双面等基圆凸轮822,该回摆双面等基圆凸轮822连接驱动电机M2的转轴,该回摆双面等 基圆凸轮822的两个边与等腰三角形框架中部对称的两个边滚动接触;在等腰三角形框架 中部对称的两个边之间连接有用于使回摆双面等基圆凸轮822回位的回位弹簧823;
[0063] 驱动电机M2的转轴带动回摆双面等基圆凸轮822转动,由于回摆双面等基圆凸轮 822边缘半径不同,使等腰三角形框架以顶端为支点821,使拨叉杆6来回摆动,实现同步器5 分别与A齿轮10和B齿轮4的交替啮合,以完成档位(空挡、一档、二档)间的切换。
[0064] 如上所述,便可较好地实现本发明。
[0065]本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他任何未背离本发明的精神实质 与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的 保护范围之内。

Claims (2)

1. 一种具有两档自动变速电机驱动系统的档位切换方法,所述具有两档自动变速电机 驱动系统包括:单排行星机构、同步器(5)、同步器⑸的拨叉执行机构⑻、拨叉执行机构的 驱动电机M2、太阳轮中心轴的驱动电机Ml、以及控制驱动电机M1和驱动电机M2的电机控制 器;所述拨叉执行机构⑻包括丝杠(812)以及围绕丝杠(812)旋转的螺母(811),螺母(811) 连接驱动电机M2的转轴,丝杠(S12)连接拨叉杆⑹的上端部;驱动电机M2的转轴带动螺母 (811)旋转,并使丝杠(812)沿其轴向往复移动,从而带动拨叉杆⑹以拨叉支点⑺为中心 来回摆动,实现同步器(5)分别与A齿轮(10)和B齿轮⑷的交替啮合,以完成档位间的切换; 所述同步器(5) —侧设有能与其嗤合的A齿轮(10),A齿轮(10)与太阳轮中心轴(11)相 连;同步器⑸另一侧设有能与其啮合的B齿轮(4),B齿轮(4)与变速箱壳体相连; 电机控制器控制驱动电机M2转动,通过其带动拨叉执行机构(8)运动,使同步器(5)的 拨叉杆⑹左右摆动,实现同步器⑸分别与A齿轮(10)和B齿轮⑷交替啮合以完成档位间 的切换; 单排行星机构的太阳轮(1)与驱动电机Ml的转轴相连,单排行星机构的行星架(2)作为 输出端与驱动桥相连,通过半轴将驱动电机Ml的正反转力矩传递给左右车轮; 其特征在于:所述档位切换方法包括如下步骤: 1) 车辆静止:当同步器⑸受到拨叉杆(6)驱动,处于中间位置时,此时同步器(5)与A齿 轮(10)及与B齿轮⑷均不啮合,即使得单排行星机构中的齿圈(3)、行星架(2)、太阳轮(1) 均处于自由状态;驱动电机Ml无动力输出,此时电动车辆为空挡; 2) 车辆起步:设和m、ndPn3分别为太阳轮(1)、行星架⑵和齿圈⑶的齿数和 转速;為和11壳分别为与变速箱壳体相连的B齿轮的齿数和转速;Z中和分别为与太阳轮中心 轴相连的A齿轮的齿数和转速;n车为左右车轮转速;a为齿圈(3)与太阳轮(1)的齿数比;单排 行星机构特性方程式为:m+an2- (1+a) n3=〇和Zi+Z3 = Z2;当电动车辆由静止起步时,驱动电 机Ml不工作,n中=〇,n3 = 〇,为静态齿轮结合;同步器(5)受到拨叉杆(6)驱动,与连接变速箱 壳体的B齿轮啮合时,单排行星机构中的齿圈(3)与变速箱壳体相连,实现齿圈(3)锁止状 态,则实现一档行驶; 3) —档行驶:电动车辆起步后保持一档行驶时:m=n中;n3 = 0;n2= (Z1/Z2) m= (Z1/Z2) n中; 4) 档位切换--升档:当电动车辆行驶到需要由一档切换到二档时,同步器(5)在右侧释 放齿圈(3)的固定,g卩n2= (Zi/Z2)m= (Zi/Z2)n中,为一档行驶的转速;此时单排行星机构的 太阳轮(1)、行星架(2)和齿圈⑶为自由状态,此时行星架⑵转速m与齿圈⑶转速n3达到 一致;此时刻电机控制器控制驱动电机Ml转速n中达到与齿圈(3)转速n3相同,即电机控制器 fe制驱动电机Ml转速由原来的转速迅速变为n中i= (Z1/Z2) n中,即可进行无冲击和无动力间 断换挡; 5) 二档行驶:档位切换完成后,保持二档行驶时:ni=n2=n3=n中; 6) 档位切换一降档:二档行驶状态n2 = n中;换挡时刻,电机控制器控制驱动电机Ml输出 的转速保持原转速n中不变;换挡完成时刻,转速m变为0,为使变速箱无冲击,根据单排行星 机构特性方程式:ni+an2- (1+a) n3 = 0,式中n2 = n中,m = 〇,即电机控制器控制驱动电机Ml转 速调整为n中2= (1+a) n2,即控制驱动电机Ml由二档转速n中变为(1+a) n中; 7) 回位空挡:由一档、二档回位至空挡,直接由拨叉杆(6)驱动同步器(5)回到中间位置 即可实现。
2.根据权利要求1所述具有两档自动变速电机驱动系统的档位切换方法,其特征在于: 还包括倒挡行驶步骤; ’ 倒挡一档行驶:拨动拨叉杆(6)使同步器(5)与B齿轮(4)啮合,电机控制器控制驱动电 机Ml逆转,实现电动车辆的倒挡一档行驶; 倒挡二档行驶:拨动拨叉杆⑹使同步器⑸与A齿轮(1〇)啮合,由电机控制器控制驱动 电机Ml逆转,实现电动车辆的倒挡二档行驶。
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