CN105697700A - 一种用电机控制机械传动调速的金属带式无级变速器及方法 - Google Patents

一种用电机控制机械传动调速的金属带式无级变速器及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用电机控制机械传动调速的金属带式无级变速器变速器包括：传动轴，其包括平行设置的主动轴和从动轴；第一丝杠轴，可旋转的固定在主动轴上；第二丝杠轴，可旋转的固定在所述从动轴上；第一调速机构，能够带动主动锥盘沿着主动轴的轴向移动；第二调速机构，其可旋转的支撑在从动活动锥盘上，同时套设第二丝杠轴并且螺纹配合；能够带动所述从动活动锥盘沿着所述从动轴的轴向移动；并采用双电机控制的机械传动方式的加压调速机构，可以减少液压元件、降低维护难度，并提高了传动效率，通过一种机械传动调速电机控制方法精确改变调速电机的转子电路电流，实现调速电机转速调节，延长电机的使用寿命，缩短响应时间和提高续航稳定性。

Description

一种用电机控制机械传动调速的金属带式无级变速器及方法
技术领域
本发明涉及汽车传动技术领域，特别涉及一种用电机控制机械传动调速的金属带式无级变速器，及一种机械传动调速电机控制方法。
背景技术
目前,通用的无级变速器调速及加压系统为电子控制液压系统,此类系统的特点是可以按照预先设定的控制策略,根据转速和扭矩的需求调速和对锥盘施加压力,但液压系统的能耗和成本较高,可靠性较低。现有机械电子控制的无级变速器多用在小功率工况中如摩托车,或微型汽车,但由于其功率较小,尚无必要对加压系统和调速系统的负载加以优化。但在大功率的应用中,如汽车,加压和调速系统过高的载荷就会大大影响系统的性能、可靠性和寿命，因此应用较少。
现有普遍应用在汽车上的无级变速器主要为金属钢带式和摆销链式无级变速器(CVT)，二者最大区别就是在挠性传动元件上，前者多为推块式金属V形带，后者为摆销链，但调速机构大体一致，都采用电子控制液压系统推动调速锥盘上的主动带轮，改变主从传动带轮的半径来进行调速。此类系统的特点是可以按照预先设定的控制策略,根据转速和扭矩的需求调速和对锥盘施加压力，但由于采用液压系统不可避免的存在液压系统的能耗高，成本高，加工、安装精度高，可靠性低的缺点，其中的各种液压阀，泵是主要的耗能元件，据有关资料统计无级变速器中的泵、液压系统和液力变矩器消耗了总输入能量的27％(根据日本10～15循环工况计算)或16.7％(按照欧洲NEDC循环工况计算)，正是这一能量损耗导致无级变速器使发动机工作在最佳状态下而节油的优势被削弱，仅取得和手动变速器(MT)相当的油耗结果，虽然效率更高的无级变速器也已逐渐面世，但是由于液压系统导致的效率损失仍旧不能忽视，且由于无级变速器的结构往往比较复杂，采用液压系统对维护要求高，无级变速器损坏往往不能修理只能整体更换。
发明内容
本发明的一个目的是设计开发了一种用电机控制机械传动调速的金属带式无级变速器，采用电机控制的机械传动方式的加压调速机构，可以减少液压元件、降低维护难度，并采用多头螺杆传动，提高了传动效率。
本发明还有一个目的是设计一种用电机控制机械传动调速的金属带式无级变速器调节方法：采用双电机交叉耦合同步控制调速机构，精准控制变速器的变速比，还可以采用单电机控制调速机构，另一调速机构自适应调速半径,实现变速器变速比输出的精确控制。
本发明还有一个目的是设计一种用电机控制机械传动调速的金属带式无级变速器调节方法，通过精确改变调速电机的转子电路电流，实现调速电机转速调节，规避了在频繁启动、启动较慢或启动过程较长的情况下，调速电机发热严重的现象，延长了调速电机使用寿命，缩短了变速器响应时间。
本发明提供的技术方案为：
一种用电机控制机械传动调速的金属带式无级变速器，包括：
主动轴，其可旋转的支撑在变速器壳体上，用于接收发动机或电机的旋转动力；
从动轴，其可旋转的支撑在变速器壳体上，用于输出旋转动力；
以及
第一丝杠轴，其内部中空，外表面设置有螺纹，并且可旋转的固定在所述主动轴上；
第二丝杠轴，其内部中空，外表面设置有螺纹，并且可旋转的固定在所述从动轴上；
第一调速机构，其可旋转的支撑在主动活动锥盘上，同时套设所述第一丝杠轴并且螺纹配合；能够带动所述主动锥盘沿着所述主动轴的轴向移动；
第二调速机构，其可旋转的支撑在从动活动锥盘上，同时套设所述第二丝杠轴并且螺纹配合；能够带动所述从动活动锥盘沿着所述从动轴的轴向移动；
第一电机，其驱动所述第一丝杠轴旋转；
第二电机，其驱动所述第二丝杠轴旋转。
优选的是，所述第一调速机构，包括：
第一加压推缸，其为圆筒形并且一端通过轴承支撑在所述主动活动锥盘上；
第一调速螺母，其位于第一加压推缸内部，并固定在所述第一加压推缸的另一端，所述第一调速螺母的中心孔内螺纹和所述第一丝杠轴的外螺纹配合；
所述第二调速机构，包括：
第二加压推缸，其为圆筒形并且一端通过轴承支撑在所述从动活动锥盘上；
第二调速螺母，其位于第二加压推缸内部，并固定在所述第二加压推缸的另一端，所述第二调速螺母的中心孔内螺纹和所述第二丝杠轴的外螺纹配合。
优选的是，所述丝杠轴和所述调速螺母之间设置有滚珠，用于减小传动摩擦阻力。
优选的是，所述第一丝杠轴靠近所述主动活动锥盘的一端与主动活动锥盘之间设置第一压紧弹簧和/或所述第二丝杠轴靠近所述从动活动锥盘的一端与从动活动锥盘之间设置第二压紧弹簧。
优选的是，还包括减速装置，包括：
减速小齿轮，其固定连接所述电机输出轴；
减速大齿轮，其为斜齿圆柱齿轮，其与所述减速小齿轮啮合，并与蜗杆轴同轴；
蜗轮，其固定在所述丝杠轴远离所述锥盘的一端，并且与所述蜗杆啮合。
优选的是，还包括：
轮速传感器，其设置在主动固定锥盘和/或从动固定锥盘的圆周外缘附近；
导向滑轨，其分别固定在所述第一调速机构和第二调速机构的外部；
定位标尺，其分别固定在所述第一调速机构和第二调速机构的外表面，并穿过所述导向滑轨的长条形滑槽；
位移传感器，其设置在变速器壳体内侧，通过测量定位标尺的位移来测量所述活动锥盘与固定锥盘之间的距离。
优选的是，还包括：
输入轴，其和所述主动轴同轴设置，用于接收来自发动机或电机的旋转动力；
离合器，其设置在所述输入轴和主动轴之间，选择性的结合和分离。
优选的是，所述离合器为电磁离合器或液压离合器。
优选的是，还包括：单电机控制模式和双电机耦合控制模式；
所述单电机主动控制模式，所述第一电机或所述第二电机开启，另一电机关闭，实现传动比调节；
所述双电机耦合控制模式，所述第一电机和第二电机同时启动，实现传动比调节。
本发明的目的还可由一种机械传动调速电机控制方法进一步实现，，包括：
当汽车需要变速到目标vth时，通过调节第一调速电机和/或第二调速电机的转子电路电流IS实现，
其中，其为主动活动锥盘相对于主动固定锥盘之间的距离变化量或从动活动锥盘与相对于动固定锥盘的距离变化量；vr为汽车变速前行驶速度，η为蜗杆头数对应的传动效率，λ为减速输出装置的传动比；k为变速器目标变速比；US为调速电机外加直流电压，为电机常数，Rs为电动机电枢组直流电阻，KT是与调速电机结构相关的常数，φ为旋转磁场的每级磁通，t为调速电机通电时间为0.5s～3s，是转子电流的有功分量角度常数，m为丝杠轴螺距，S1主动活动锥盘与主动固定锥盘之间的距离，S2为从动活动锥盘与从动固定锥盘之间的距离。
有益效果
1、本发明的所述的一种用电机控制机械传动调速的金属带式无级变速器变速器，采用电机控制的机械传动方式的加压调速机构，可以减少液压元件、降低维护难度，并采用多头螺杆传动，提高了传动效率。
2、本发明的所述的一种用电机控制机械传动调速的金属带式无级变速器变速器，调速电机输出轴制动离合器与调速电机同轴，实现固定速比输出，防止电机堵转，延长了电机的使用寿命。
3、本发明的所述的一种用电机控制机械传动调速的金属带式无级变速器变速器，离合器动力输入轴与变速器动力输入轴同轴，实现变速器前进挡和倒挡的切换。
4、本发明所述的一种机械传动调速电机控制方法，可以采用单电机精确控制，第一或者第二调速电机工作，另一电机不工作，调速带轮由工作调速电机驱动，改变钢带的传动半径，从动带轮通过其内置压紧弹簧自动适应钢带调速半径的变化，控制简单；还可以采用双电机交叉耦合同步控制，第一第二调速电机同时工作。在单电机精确控制基础上增加了位置反馈修正补偿环节，以及轮廓控制环节，对双电机位置差进行闭环控制，本系统采用前馈控制器加交叉耦合控制器的控制方案进行控制，双电机控制是目前的主流。
5、本发明是在原有金属带式无极变速器基础上设计，具有生产继承性好的特点。
6、本发明采用四段拼装式壳体设计，每个壳体都可以单独打开，方便拆装和维修。
附图说明
图1为本发明所述一种用电机控制机械传动调速的金属带式无级变速器变速器的传动结构示意图。
图2为本发明所述第一调速机构总成结构示意图。
图3为本发明所述第一丝杠轴总成结构示意图。
图4为本发明所述第一减速装置总成结构示意图。
图5为本发明所述第一减速装置总成结构侧视图。
图6为本发明所述离合器和行星排总成结构示意图。
图7为第一调速电机输出轴制动离合器结构示意图。
图8为第二调速电机输出轴制动离合器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供的电机控制机械传动调速金属带式无级变速器包括：
主动轴1，其可旋转的通过轴承支撑在变速器壳体2上，用于接收发动机或电机的旋转动力，外部套设主动空心轴44；
从动轴38，其可旋转的通过轴承支撑在变速器壳体27上，用于输出旋转动力，外部套设从动空心轴21；以及
第一丝杠轴7，其内部中空，外表面设置有半球面滚珠滚道，并且可旋转的通过轴承支撑在主动轴1上；
第二丝杠轴22，其内部中空，外表面设置有半球面滚珠滚道，并且可旋转的通过轴承支撑在从动轴38上；其中，第一丝杠轴7和第二丝杠轴22的导程为10mm-12mm。
第一调速机构8，其可旋转的通过轴承支撑在主动活动锥盘11上，同时套设第一丝杠轴7并且通过滚珠丝杠副配合；能够带动主动锥盘11沿着主动轴1的轴向移动；
第二调速机构28，其可旋转的通过轴承支撑在从动活动锥盘31上，同时套设第二丝杠轴22并通过滚珠丝杠副配合；能够带动从动活动锥盘31沿着从动轴38的轴向移动；
第一电机4，其通过蜗轮蜗杆副驱动第一丝杠轴7旋转；
第二电机26，其通过蜗轮蜗杆副驱动第二丝杠轴22旋转。
其中，主动带轮锥盘机构包括：主动固定锥盘14，其通过花键与主动轴1连接；
主动活动锥盘11，其与主动固定锥盘14相对设置，通过滚动球键10与主动轴1连接；
从动带轮锥盘机构包括：从动固定锥盘37，其通过花键与从动轴38连接；
从动活动锥盘31，其与主动固定锥盘37相对设置通过滚动球键与从动轴38连接；
其中，主动带轮锥盘机构和从动带轮锥盘机构采用推块式金属V形带13进行传动。
如图2所示，第一调速机构8，包括：
第一加压推缸803，其为圆筒形并且一端通过轴承支撑在主动活动锥盘11上；
第一调速螺母802，其通过螺栓与第一加压推缸803连接为一整体，并在所述第一加压推缸的另一端，第一调速螺母802的中心孔内为半球面滚道和第一丝杠轴7的半球面滚道通过内循环滚珠构成滚珠丝杠副；
第二调速机构28，与第一调速机构8结构相同包括：
第二加压推缸，其为圆筒形并且一端通过轴承支撑在从动活动锥盘31上；
第二调速螺母，其通过螺栓与第二加压推缸连接为一整体，并固定在第二加压推缸的另一端，第二调速螺母的中心孔内为半球面滚道和第一丝杠轴7的半球面滚道通过内循环滚珠构成滚珠丝杠副。
如图3所示，第一丝杠轴7和第一调速螺母802之间和第二丝杠轴22和第二调速螺母之间设置有滚珠701和滚珠2101，用于减小摩擦阻力。
第一压紧弹簧9，其设置在第一丝杠轴7靠近主动活动锥盘11的一端与主动活动锥盘11之间，用于主动活动锥盘11与主动固定锥盘14之间距离的自适应调节。
第二压紧弹簧20，其设置在第二丝杠轴22靠近从动活动锥盘31的一端与从动活动锥盘31之间，用于从动活动锥盘31和从动固定锥盘37之间距离的自适应调节。
调速机构还包括：外侧轴承夹紧座804；面对面布置的角接触球轴承805，滚动球键10，第一加压推缸803与调速螺母802座体通过螺栓连接，采用面对面布置的角接触球轴承805，可以承受较强的轴向往复载荷，内侧轴承夹紧座801和外侧轴承夹紧座804，夹紧轴承外圈，分别在活动锥盘靠近和远离固定锥盘时推动轴承和拉动轴承，轴承内圈固定在活动锥盘上，靠轴承的移动带动活动锥盘延轴向移动。
如图4、图5所示，第一丝杠轴7和第一电机4之间设置有第一减速装置，包括：
第一减速小齿轮3，其固定连接第一电机4输出轴；
第一减速大齿轮5，其为斜齿圆柱齿轮，其与第一减速小齿轮3啮合，并与蜗杆6同轴安装；
蜗轮，其固定在所述丝杠轴远离锥盘的一端，并且与蜗杆6啮合。
第二丝杠轴22和第二电机26间设置有第二减速装置，包括：
第二减速小齿轮25，其固定连接第二电机26输出轴；
第二减速大齿轮24，其为斜齿圆柱齿轮，其与第二减速小齿轮25啮合，并与蜗杆23同轴安装；
蜗轮，其固定在所述丝杠轴远离锥盘的一端，并且与蜗杆23啮合。
如图5-8所示，第一电机输出轴同轴固定一调速电机输出轴制动离合器46，调速电机输出轴制动离合器46由离合器主动轮4601；离合器摩擦片主动片4602；离合器摩擦片从动片4603；离合器缸体4604；离合器活塞回位弹簧4605；离合器活塞4606和第一电机输出轴401构成。当第一电机进行调速时，离合器摩擦片主动片4602和离合器摩擦片从动片4603分离，当需要以固定速比传动时，离合器摩擦片主动片4602和离合器摩擦片从动片4603结合，第一电机断电。
第二电机输出轴同轴固定一调速电机输出轴制动离合器47，调速电机输出轴制动离合器47由离合器主动轮4701；离合器摩擦片主动片4702；离合器摩擦片从动片4703；离合器缸体4704；离合器活塞回位弹簧4705；离合器活塞4706和第二电机输出轴2601构成。当第二电机进行调速时，离合器摩擦片主动片4702和离合器摩擦片从动片4703分离，当需要以固定速比传动时，离合器摩擦片主动片4702和离合器摩擦片从动片4703结合，第二电机断电。
在另一实施例中，还包括轮速传感器和位移传感器，其中，位移传感器包括主动位移传感器41和从动位移传感器30，,主动带轮轮速传感器12通过测定固定在主动调速锥轮机构上主动带轮转速测定盘15转速测定主动锥盘机构轮速，从动带轮轮速传感器32通过测定固定在从动调速锥轮机构上主动带轮转速测定盘40转速测定从动锥盘轮速。
第二导向滑轨29固定在第二调速机构28外部，第二调速机构28能够沿导向滑轨29滑动，第一导向滑轨42固定在第一调速机构8外部，第一调速机构8能够沿第一导向滑轨42滑动。
定位标尺，其分别固定在所述第一调速机构8和第二调速机构28的外表面，并穿过所述导向滑轨的长条形滑槽；
位移传感器，其设置在变速器壳体内侧，通过测量定位标尺的位移来测量活动锥盘与固定锥盘之间的距离。
在另一实施例中，还包括减速器，其可旋转连接从动轴38，用于将动力输出，在减速输出轴和从动轴之间还包括，中间小齿轮39，其设置在从动轴38位置，由中间大齿轮36主减速器齿轮33；中间齿轮轴34，和主减速器输入小齿轮35构成减速器，将动力减速输出到汽车轮轴。
第一调速机构8工作过程如下：
第一电机4转动，设置在第一电机4的输出轴位置的一级减速装置减速到所要的回转数，并得到较大的转矩，一级减速装置与蜗杆同轴，蜗杆驱动设置在第一丝杠轴7的一端蜗轮杆转动，蜗轮蜗杆副再次减速并增大传动转矩，第一丝杠轴7在涡轮驱动下绕自身轴线旋转，第一丝杠轴7的旋转运动通过滚珠丝杠副转化为第一调速螺母802沿第一丝杠轴7轴向移动，第一加压推缸803，与第一调速螺母802一起沿第一丝杠轴7左右移动，从而改变主动活动锥盘11和主动固定锥盘14之间的距离，当距离变小时，主动活动锥盘11和主动固定锥盘14组成的主动带轮锥盘机构传动半径变大，当距离变大时，主动活动锥盘11和主动固定锥盘14组成的主动带轮锥盘机构传动半径变小。
第二调速机构28工作过程与第一调速机构8的工作过程相同。
当主动带轮锥盘机构的传动半径变大时，对应调节从动带轮锥盘机构的传动半径变小，传动比变小，传递给汽车车轮的转矩变小；当主动带轮锥盘机构的传动半径变小时，对应调节从动带轮锥盘机构的传动半径变大，传动比变大，传递给汽车车轮的转矩变大。
如图1、6所示，行星架和前进挡离合器总成17和倒挡离合器和内齿圈总成离合器18。本发明主动轴1输入端与一前进、倒挡离合器连接，该离合器总成可以采用电磁离合器或者液压离合器，采用电磁离合器可以提高系统的传递效率。该离合器总成由一个辛普森式行星排和前进、倒挡离合器三部分构成，包括：倒挡离合器活塞缸体1801、倒挡离合器活塞1802；变速箱副壳体45；主动轴1；太阳轮16；内齿圈1803；倒挡离合器摩擦片主动片1804；倒挡离合器活塞回位弹簧1805；倒挡离合器摩擦片从动片1806；行星轮1701；前进挡离合器缸体1702；前进挡离合器活塞1703；动力输入轴1704；前进挡离合器摩擦片主动片1705；前进挡离合器摩擦片从动片1706；,行星架1708，前进挡离合器活塞回位弹簧1709；前进、倒挡离合器安装壳体19。
动力由行星架1708输入，行星架1708与太阳轮16和主动轴1可以通过前进离合器连为一个整体，太阳轮16通过键与主动轴1连接，内齿圈1803和变速箱副壳体45可以通过倒挡离合器连为一个整体。在车辆前进时，倒挡离合器分开，前进离合器接合，太阳轮16与行星架1708连接为以整体，行星排以一整体转动；当为倒挡时，前进离合器分开，倒挡离合器结合，内齿圈1803固定，动力由行星架1708输入，行星轮1701驱动太阳轮16与行星架1708反方向转动。
当在无极变速器调速器调速过程中，第一电机4和第二电机26通电，调速机构开始工作，调速电机输出轴制动离合器分离，当需要以固定速比传动时，第一电机4和第二电机26断电，同时，主动带轮调速电机输出轴46和从动带轮调速电机输出轴47与同轴安装的调速电机输出轴制动离合器结合，主动带轮调速电机输出轴46和从动带轮调速电机输出轴47不能转动，机械加压调速机构锁死，速比固定，车辆以固定速比传动。
外壳壳体组件包括：主动带轮调速电机安装壳体2，从动带轮调速电机安装壳体27和前进、倒挡离合器安装壳体19、变速箱主壳体43和变速箱副壳体45，其中所述外壳壳体均能够独立拆分。
实施以用电机控制机械传动调速的金属带式无级变速器的工作过程为例，做进一步的说明，
步骤一，主动带轮轮速传感器12通过测定固定在主动带轮锥盘机构上，主动带轮转速测定盘15转速测定主动带轮锥盘机构轮速，从动带轮轮速传感器32通过测定固定在从动带轮调速锥轮机构上主动带轮转速测定盘40转速测定从动带轮锥盘机构轮速，计算变速比并实时检测汽车的行驶速度；
步骤二，当车速与目标车速不符时，计算目标变速比，通过以下三中方式中的任一种进行调节，
单电机主动控制方式：第二电机26关闭，第一电机4通电，驱动第一丝杠轴7旋转，从而带动第一调速机构8沿轴向运动，主动固定锥盘14和主动活动锥盘11之间的距离变大或变小，金属V形带13长度固定，从动活动锥盘31通过第二压紧弹簧20自动适应金属V形带13调速半径的变化，即适应性改变从动固定锥盘37和从动活动锥盘31之间的距离，变速器以目标变速比输出；
单电机从动控制方式：第一电机4关闭，第二电机26通电，驱动第二丝杠轴22旋转，从而带动第二调速机构28沿轴向运动，从动固定锥盘37和从活动锥盘31之间的距离变大或变小，金属V形带13长度固定，主动活动锥盘11通过第一压紧弹簧9自动金属V形带13调速半径的变化，即适应性改变主动固定锥盘14和主动活动锥盘11之间的距离，变速器以目标变速比输出；
采用双电机交叉耦合同步控制时，当汽车需要增速或减速时，第一电机4和第二电机26同时开启，调速电机输出轴制动离合器分离，第一电机4的输出轴转动，设置在第一电机4的输出轴位置的一级减速装置将第一电机4的转动速度调节到所要的回转数，并得到较大的转矩，一级减速装置输出端与蜗杆同轴，驱动设置在第一丝杠轴7一端蜗轮转动，第一丝杠轴7在涡轮驱动下绕自身轴线旋转，调速螺母802沿第一丝杠轴7轴向移动，加压推缸，其一端连接活动锥盘，与调速螺母802一起沿第一丝杠轴7左右移动，从而改变主动活动锥盘11和主动固定锥盘14之间的距离，两个锥盘壁中间的凹槽形成一个V型，同理同时改变从动活动锥盘31与从动固定锥盘37的距离，发动机输出轴输出的动力首先传递到无级变速器的主动带轮锥盘机构，然后通过推块式金属V形带13传递到从动带轮锥盘机构，最后经减速器，差速器传递给车轮来驱动汽车，工作时通过第一调速机构8和第二调速机构28推动活动锥盘作轴向移动来改变主动带轮锥盘机构，从动带轮锥盘机构与推块式金属V形带13之间的传动工作半径，工作半径可以连续调节，从而达到改变传动比的目的，实现无级变速。
当需要以固定速比传动时，第一电机4和第二电机26断电，同时，主动带轮调速电机输出轴46和从动带轮调速电机输出轴47同轴安装的调速电机输出轴制动离合器结合，主动带轮调速电机输出轴46和从动带轮调速电机输出轴47不能转动，机械加压调速机构锁死，速比固定，车辆以固定速比传动。
在另一实施例中，采用单电机精确控制时，当汽车需要减小输出转矩时，第一电机4通电，制动离合器分离，第一电机4的输出轴转动，设置在第一电机4的输出轴位置的一级减速装置将第一电机4的转动速度调节到所要的回转数，得到较大的转矩，一级减速装置输出端与蜗杆同轴，驱动设置在第一丝杠轴7一端蜗轮转动，第一丝杠轴7在涡轮驱动下绕自身轴线旋转，调速螺母802沿第一丝杠轴7轴向移动，加压推缸，其一端连接活动锥盘，与调速螺母802一起沿第一丝杠轴7移动，从而改变主动活动锥盘11和主动固定锥盘14之间的距离，使其变小，两个锥盘壁中间的凹槽形成一个V型，推块式金属V形带13的长度固定，从动活动锥盘31在金属V形带13的作用下压缩，从动活动锥盘31与从动带轮固定锥盘37的距离变大，输出速比变小；
当汽车需要增大输出转矩时，第二电机26通电，制动离合器分离，第二电机26的输出轴转动，设置在第二电机26的输出轴位置的一级减速装置将第二电机26的转动速度调节到所要的回转数，得到较大的转矩，一级减速装置输出端与蜗杆同轴，驱动设置在丝杠轴一端蜗轮转动，丝杠轴在涡轮驱动下绕自身轴线旋转，调速螺母802沿第一丝杠轴7轴向移动，加压推缸，其一端连接活动锥盘，与调速螺母802一起沿第一丝杠轴7移动，从而改变从动活动锥盘31和从动带轮固定锥盘37之间的距离，使其变小，两个锥盘壁中间的凹槽形成一个V型，推块式金属V形带13的长度固定，主动活动锥盘11在金属V形带13的作用下压缩，主动活动锥盘11与主动带轮固定锥盘14的距离变大，输出速比变大。
一种机械传动调速电机控制方法，位移传感器测得主动活动锥盘11与主动固定锥盘14之间的距离S1，从动活动锥盘31与从动固定锥盘37之间的距离S2；
当汽车需要加速到vth时，S1增大S2减小其中，
S ‾ = η λ ( v t h - v r ) S 2 - kS 1 k - ηλv t h ;
当汽车需要减速到vth′时，S1减小S2增大其中，
S ‾ ′ = η λ ( v t h ′ - v r ) S 2 - kS 1 k - ηλv t h ′ ;
其中，η为蜗杆头数对应的传动效率，λ为减速输出装置的传动比；k为目标变速比,vr为汽车变速前行驶速度,单位为m/s；
本发明蜗杆应该采用头数为2以上的蜗杆，蜗杆采用两头蜗杆、四头蜗杆、或六头蜗杆中的一种，蜗轮蜗杆传动效率与头数的关系近似可用表1表示，头数越多，效率越高，考虑加工难度，应采用4头及以上的蜗杆。
蜗杆头数 1 2 4 6
总效率η 70％ 80％ 90％ 95％
表1
S1或S2增大通过调节第一电机4或第二电机26的转子电路电流实现，
S1或S2减小时，通过调节第一电机4和/或第二电机26的转子电路电流实现，
其中，Us为调速电机外加直流电压，其单位为V；为电机常数，其单位为V·s；Rs为电动机电枢组直流电阻，其单位为Ω；KT是与调速电机结构相关的常数，φ为旋转磁场的每级磁通，其单位为Wb；t为调速电机通电时间为0.5s～3s，m为丝杠轴螺距，其单位为m，是转子电流的有功分量角度常数，其为65°～72°。
汽车调速电机一般为12V直流电机，电机的使用寿命影响变速器的使用寿命，因此如何延长电机的使用寿命，缩短响应时间和提高续航能力尤为重要，当电动机转速为零时，加上额定电压而启动瞬间的线电流称为启动电流。电机直接启动时，其启动电流很大，可达额定电流的4～7倍，是影响电动机启动性能的主要因素，启动电流大，对电动机本身和电源都有影响，使电动机启动困难，另一方面，过大的启动电流将使电动机和线路上的电能损耗增加。特别是在频繁启动、启动较慢或启动过程较长的情况下，电能损耗更大，发热严重，所以在启动时电动机时应限制其启动电流，上述调速电机控制方法可对电流进行精准控制，延长调速电机使用寿命，以缩短变速器的响应时间。
作为进一步优选，金属带式无极变速器包括单电机控制模式和双电机耦合控制模式。
采用单电机精确控制，第一电机4或者第二电机26工作，另一电机不工作，调速带轮由工作电机驱动，改变钢带的传动半径，从动带轮通过其内置压紧弹簧自动适应钢带调速半径的变化：
作为一种优选，速比调节还可以采用如下方式。主动锥盘的目标轴向位置根据目标速比已在TransmissionControlUnit(TCU)中事先定义，包括主动带轮和从动带轮的轴向目标位置。当TCU确定目标速比时相应的确定了主动锥盘的目标轴向位置，目标轴向位置信号与当前主动锥盘位置信号构成反馈调节系统；
当前主动锥盘位置由直线位移传感器测得，当反馈信号与输入的主动锥盘目标轴向位置做数学运算，其运算结果输入到位置调节模块；
位置调节模块采用模糊控制，位置调节模块根据运算结果判断输出调速电机的目标转速，目标转速信号与当前调速电机转速信号构成反馈调节系统，当前调速电机转速信号由转速传感器测得，当前调速电机转速与调速电机目标转速做数学运算，二者运算结果输入到速度调节模块；
速度调节模块采用PID控制，速度调节模块输出控制电压信号并经晶闸管整流模块处理输出调节后的控制电压信号，直流调速电机接受控制电压信号输出相应转速和转角控制机械调速机构眼滚珠丝杠的轴向进行移动，进而调节主动锥盘的轴向位置。
作为一种优选，还可以采用双电机交叉耦合同步控制，第一电机和第二电机同时工作。在单电机精确控制基础上增加了位置反馈修正补偿环节，以及轮廓控制环节，对双电机位置差进行闭环控制。本系统采用前馈控制器加交叉耦合控制器的控制方案进行控制。
首先，TCU内置目标速比表，并根据目标速比表输出对主动带轮和从动带轮主动锥盘的目标位置的控制信号，预先将主从动带轮不同速比下主动锥盘位置关系做成以主从动锥盘位置为x、y轴的运动轮廓关系曲线并输入位置反馈修正模块的运算模块中。
然后，位置反馈修正模块接收输入晶闸管整流模块的控制信号经交叉耦合算法计算模块处理，其输出信号分别输入主从动带轮的轮廓控制模块，由轮廓控制模块输出正反馈信号，前馈控制模块根据目标轴向位置输入正反馈信号，以上正反馈信号与晶闸管模块的输出信号构成对调速电机的控制信号，共同控制主从动带轮的轴向位置，其余模块计算过程同单电机精确控制。
作为一种优选，用电机控制机械传动调速的金属带式无级变速器结构参数推算如下：
本发明设计采用由导程Ph＝10mm的丝杠轴和调速机构组成滚珠丝杠副，其可承受静载荷上限为C0a＝141.1KN，滚珠丝杠副的安全系数fs取值范围为1.2-2，这里取最小值fsmin＝1.2，则滚轴丝杠副的容许轴向负荷，
F a m a x = C 0 a f s min = 141.1 1.2 = 117.58 K N
作用在主动带轮锥盘机构与从动带轮锥盘机构上的轴向负荷Fγ一般为10KN～40KN，容许轴向负荷Famax远远大于40KN，因此选用滚珠丝杠副满足设计需求。
作用在主动带轮锥盘机构与从动带轮锥盘机构上的轴向负荷为最大值时，需要加载在丝杠上的扭矩可用下式近似计算，
T = F γ m a x · P h 2 π η = 4 × 10 4 × 10 × 10 - 3 2 × π × 0.9 = 70.7355 N · m
Fγ作用在主动带轮锥盘机构与从动带轮锥盘机构上的轴向负荷Fγmax＝40KN，其中η为蜗杆传动效率，取中间值为90％。
需要加载在蜗杆上的扭矩T1可用下式计算，
T 1 = T i 2 η 1 = 6.2876 N · m
其中i2为蜗轮蜗杆副传动比，取值i2＝12.5:1，η1为蜗轮蜗杆副传动效率，这里取值90％。
经过一级减速装置后，调速电机应该输出的扭矩TD可用下式计算，
T D = T 1 i 1 η 0 = 3.208 N · m
一级减速装置传动比i1＝2:1，η0为一级减速装置传动效率，这里取为98％，
调速电机每个脉冲滚珠丝杠移动的距离可用下式计算，滚珠丝杠导程为10mm，调速丝杠每转一圈，调速螺母移动10mm，如取步进电机步距角为1.5度，则总传动比为
i＝i1·i2＝25:1
每个脉冲丝杠移动距离，
L = 1.5 × 10 25 × 360 = 0.0017 m m
调速电机最大使用转速取为1800r/min，则需要的调速电机功率，
P = T D × 1800 9550 = 0.608 k W
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种用电机控制机械传动调速的金属带式无级变速器，其特征在于，包括：
主动轴，其可旋转的支撑在变速器壳体上，用于接收发动机或电机的旋转动力；
从动轴，其可旋转的支撑在变速器壳体上，用于输出旋转动力；
以及
第一丝杠轴，其内部中空，外表面设置有螺纹，并且可旋转的固定在所述主动轴上；
第二丝杠轴，其内部中空，外表面设置有螺纹，并且可旋转的固定在所述从动轴上；
第一调速机构，其可旋转的支撑在主动活动锥盘上，同时套设所述第一丝杠轴并且螺纹配合；能够带动所述主动锥盘沿着所述主动轴的轴向移动；
第二调速机构，其可旋转的支撑在从动活动锥盘上，同时套设所述第二丝杠轴并且螺纹配合；能够带动所述从动活动锥盘沿着所述从动轴的轴向移动；
第一电机，其驱动所述第一丝杠轴旋转；
第二电机，其驱动所述第二丝杠轴旋转。
2.根据权利要求1所述用电机控制机械传动调速的金属带式无级变速器，其特征在于，所述第一调速机构，包括：
第一加压推缸，其为圆筒形并且一端通过轴承支撑在所述主动活动锥盘上；
第一调速螺母，其位于第一加压推缸内部，并固定在所述第一加压推缸的另一端，所述第一调速螺母的中心孔内螺纹和所述第一丝杠轴的外螺纹配合；
所述第二调速机构，包括：
第二加压推缸，其为圆筒形并且一端通过轴承支撑在所述从动活动锥盘上；
第二调速螺母，其位于第二加压推缸内部，并固定在所述第二加压推缸的另一端，所述第二调速螺母的中心孔内螺纹和所述第二丝杠轴的外螺纹配合。
3.根据权利要求2所述用电机控制机械传动调速的金属带式无级变速器，其特征在于，所述丝杠轴和所述调速螺母之间设置有滚珠，用于减小传动摩擦阻力。
4.根据权利要求1或2所述用电机控制机械传动调速的金属带式无级变速器，其特征在于，所述第一丝杠轴靠近所述主动活动锥盘的一端与主动活动锥盘之间设置第一压紧弹簧和/或所述第二丝杠轴靠近所述从动活动锥盘的一端与从动活动锥盘之间设置第二压紧弹簧。
5.根据权利要求4所述用电机控制机械传动调速的金属带式无级变速器，其特征在于，还包括减速装置，包括：
减速小齿轮，其固定连接所述电机输出轴；
减速大齿轮，其为斜齿圆柱齿轮，其与所述减速小齿轮啮合，并与蜗杆轴同轴；
蜗轮，其固定在所述丝杠轴远离所述锥盘的一端，并且与所述蜗杆啮合。
6.根据权利要求1所述用电机控制机械传动调速的金属带式无级变速器，其特征在于，还包括：
轮速传感器，其设置在主动固定锥盘和/或从动固定锥盘的圆周外缘附近；
导向滑轨，其分别固定在所述第一调速机构和第二调速机构的外部；
定位标尺，其分别固定在所述第一调速机构和第二调速机构的外表面，并穿过所述导向滑轨的长条形滑槽；
位移传感器，其设置在变速器壳体内侧，通过测量定位标尺的位移来测量所述活动锥盘与固定锥盘之间的距离。
7.根据权利要求1或2所述用电机控制机械传动调速的金属带式无级变速器，其特征在于，还包括：
输入轴，其和所述主动轴同轴设置，用于接收来自发动机或电机的旋转动力；
离合器，其设置在所述输入轴和主动轴之间，选择性的结合和分离。
8.根据权利要求7所述用电机控制机械传动调速的金属带式无级变速器，其特征在于，所述离合器为电磁离合器或液压离合器。
9.根据权利要求1或2所述用电机控制机械传动调速的金属带式无级变速器，其特征在于，还包括：单电机控制模式和双电机耦合控制模式；
所述单电机主动控制模式，所述第一电机或所述第二电机开启，另一电机关闭，实现传动比调节；
所述双电机耦合控制模式，所述第一电机和第二电机同时启动，实现传动比调节。
10.一种金属带式无级变速器调速电机控制方法，其特征在于，包括：
当需要变速到目标速度vth时，通过调节第一调速电机和/或第二调速电机的转子电路电流IS实现，
其中，其为主动活动锥盘相对于主动固定锥盘之间的距离变化量或从动活动锥盘与相对于从动固定锥盘的距离变化量；vr为汽车变速前行驶速度，η为蜗杆头数对应的传动效率，λ为减速输出装置的传动比；k为变速器目标变速比；US为调速电机外加直流电压，为电机常数，Rs为电动机电枢组直流电阻，KT是与调速电机结构相关的常数，φ为旋转磁场的每级磁通，t为调速电机通电时间为0.5s～3s，是转子电流的有功分量角度常数，m为丝杠轴螺距，S1主动活动锥盘与主动固定锥盘之间的距离，S2为从动活动锥盘与从动固定锥盘之间的距离。
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