CN108426018A - 自动换挡的多级齿轮变速器 - Google Patents

Abstract

一种自动换挡的齿轮变速器，包括主控制单元、五对圆柱齿轮组、一个输入轴7、一个输出轴8、一个直动伺服推杆和一个壳体1。直动伺服推杆是由交流伺服电机和丝杠螺母机构组合的一体化机构，通过对交流伺服电机的控制，实现与丝杠17固定连接的凸轮9沿输出轴8的轴向位置的精确定位，依靠凸轮9实现空套在输出轴8上的具有内凹孔的从动齿轮和输出轴8之间的固定连接或空套连接，凸轮9沿输出轴8的轴向位置不同，参与传动的主、从动齿轮不同，从而实现变速。在加速和减速过程中的换挡过程，完全由主控制单元自动完成，驾驶员只需控制油门踏板即可。本装置具有结构简单、紧凑，传动效率高，操作简便，具有较大的经济性和工程实用价值。

Description

自动换挡的多级齿轮变速器

技术领域

本发明属于机械自动化技术领域，具体涉及一种自动换挡的齿轮变速器，用作汽车底盘中的传动变速装置。

背景技术

变速器是汽车传动系中重要的部件之一，主要任务是传递动力，并在动力传动过程中改变传动比，以调节或变换发动机特性，同时通过变速适应不同的驾驶要求；随着人们对汽车舒适性要求越来越高，变速器的技术改进无疑是汽车技术革新的重要领域；自动变速器通常是指一种可以在车辆行驶过程中自动改变齿轮传动比的汽车变速器，从而使驾驶员不必手动换挡，简化了手动换挡的操作流程，能够为汽车提供换挡平顺、操作方便、起步平稳的功能。

目前，汽车上使用的自动变速器一般为液力自动变速器（AT）、无级变速器（CVT）和双离合变速箱（DCT）三种。现有的液力自动变速器（AT）是由液力变扭器和行星齿轮变速器组成，该自动变速器具有驾驶操作简单、运行平稳、技术成熟、研发成本较低、动力承载力大等优点，但是也存在机构复杂，质量重、修理困难和维修成本高等缺点，尤其是随着自动变速箱的挡位增多，行星齿轮机构的结构越复杂、越庞大，换挡机构越复杂越笨拙，此外加速时间较长，非常费油。无级变速器（CVT）采用锥轮组和金属链带的组合，可以实现传动比的连续改变，从而得到传动系与发动机工况的最佳匹配；该自动变速箱具有传动平稳，零部件少、重量轻、体积小等优点，尤其是能保证发动机在经济转速下连续工作和节油的效果。但是因其金属链带无法承受较大的载荷，容易打滑等缺陷，使得其动力承载有限，维护成本高。双离合自动变速器（DCT）采用了两副离合机构来进行变挡，虽然该种变速器换挡快、省油，舒适性也不错，但是该种结构的变速器结构复杂，对制造工艺的要求高，造价也高，后期的维护保养花费大，特别是该结构的散热强度和承载能力大小是一对难以解决的矛盾。

对比现有的几种常用的汽车变速器，发现不同类型的自动变速器在传动效率、承载能力、制造工艺和可靠性等方面都存在缺陷。因此，设计一种自动换挡的多级齿轮变速器，满足传动效率高、制造工艺简单、可靠性高等实际需求，具有突出的工程实用价值。

发明内容

本发明的目的提供一种自动换挡的多级齿轮变速器，通过交流伺服电机与特殊的丝杠螺母机构组合而成的直动伺服推杆，实现多级齿轮变速器的自动换挡，可以大幅度降低动力传递损耗和加工制造的难度，降低操作难度等。

本发明的技术方案如下：

一种自动换挡的多级齿轮变速器，包括主控制单元、五对圆柱齿轮组、一个输入轴7、一个输出轴8、一个直动伺服推杆和一个壳体1；壳体1固定连接在机架上，输入轴7和输出轴8相互平行，且分别通过轴承连接在壳体1的两端；直动伺服推杆是由一个交流伺服电机和一个丝杠螺母机构组成的伺服直驱装置，其中交流伺服电机的电机转子16固定连接在丝杠螺母机构中的螺母的外侧，与螺母成为一体，电机转子16为内螺纹通孔的空心轴形式，内螺纹就是丝杠螺母机构中的螺母，电机转子16的两端分别通过轴承支承在电机前端盖15和电机后端盖18中，电机前端盖15和电机后端盖18固定连接在有法兰圆筒形的电机壳19的两端，电机壳19的法兰固定连接在输出轴8上。

五对圆柱齿轮组包括主动齿轮组和从动齿轮组两部分，其中主动齿轮组包括一挡主动齿轮2、二挡主动齿轮3、三挡主动齿轮4、四挡主动齿轮5、五挡主动齿轮6，依次按照分度圆从小到大的顺序等间隔的布置在输入轴7，并通过键与输入轴7固定连接；从动齿轮组包括一挡从动齿轮14、二挡从动齿轮13、三挡从动齿轮12、四挡从动齿轮11、五挡从动齿轮10，依次按照分度圆从大到小的顺序等间隔的空套在输出轴8，并可相对输出轴8转动；一挡主动齿轮2与一挡从动齿轮14啮合，两齿轮的端面平齐；二挡主动齿轮3与二挡从动齿轮13啮合，两齿轮的端面平齐，三挡、四挡、五挡亦是如此。

所述的输出轴8为空心圆柱形结构，沿轴向开设有两个平行的、对称分布的长导槽；丝杠螺母机构中的丝杠17的一端为外螺纹结构，另一端端部固定有两个对称分布的凸轮9；凸轮9的位置和宽度与输出轴上的长导槽相对应，凸轮9的两侧面分别与输出轴8的长导槽的两侧面接触滑移，凸轮9的顶端高度大于输出轴8的长导槽部分的外圆半径。

所述的从动齿轮组中的各齿轮中心为圆通孔加内凹槽结构，圆通孔直径略大于输出轴8的长槽段的直径，各齿轮与输出轴之间间隙配合；从动齿轮组中各齿轮的内凹槽形状与凸轮9的外凸形状相近，凸轮9可以从从动齿轮组中各齿轮的内凹槽中滑入或滑出。

本发明提出一种自动换挡的多级齿轮变速器，所述的控制方法如下：

在发动机和传动轴位置分别设置有转速传感器，用于采集发动机转速和车速信号，自动换挡的多级齿轮变速器设置有主控制单元，主控制单元根据接收到的发动机转速与车速信号，以及手动换挡信息，通过自动控制算法，给交流伺服电机发送换挡指令，交流伺服电机带动丝杠螺母机构运动，最终实现凸轮在输出轴不同的轴向位置之间变换，实现不同挡位的从动齿轮与输出轴之间的固定连接与脱开；从而实现换挡操作。

附图说明

图1为本发明的外形图；

图2为图1中的A-A剖视图；

图3为图2中的B-B剖视图；

图4为图2中的B-B剖视图的另一工作位置图；

图5 为本发明中的丝杠和输出轴结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

如图1，图3，图4，一种自动换挡的多级齿轮变速器，包括五对圆柱齿轮组、一个输入轴7、一个输出轴8、一个直动伺服推杆和一个壳体1；壳体1固定连接在机架上，输入轴7和输出轴8相互平行，且分别通过轴承连接在壳体1的两端；直动伺服推杆是一个交流伺服电机和一个丝杠螺母机构组成的伺服直驱装置，其中交流伺服电机的电机转子16为内螺纹通孔的空心轴形式，内螺纹就是丝杠螺母机构中的螺母，电机转子16的两端分别通过轴承支承在电机前端盖15和电机后端盖18中，电机前端盖15和电机后端盖18固定连接在有法兰圆筒形的电机壳19的两端，电机壳19的法兰固定连接在输出轴8上。

五对圆柱齿轮组包括主动齿轮组和从动齿轮组两部分，其中主动齿轮组包括一挡主动齿轮2、二挡主动齿轮3、三挡主动齿轮4、四挡主动齿轮5、五挡主动齿轮6，依次按照分度圆从小到大的顺序等间隔的布置在输入轴7，并通过键与输入轴7固定连接；从动齿轮组包括一挡从动齿轮14、二挡从动齿轮13、三挡从动齿轮12、四挡从动齿轮11、五挡从动齿轮10，依次按照分度圆从大到小的顺序等间隔的空套在输出轴8，并可相对输出轴8转动；一挡主动齿轮2与一挡从动齿轮14啮合，两齿轮的端面平齐；二挡主动齿轮3与二挡从动齿轮13啮合，两齿轮的端面平齐，三挡、四挡、五挡亦是如此。

如图2，从动齿轮组中的各齿轮中心为圆通孔加内凹槽结构，圆通孔直径略大于输出轴8的长槽段的直径，各齿轮与输出轴之间间隙配合；从动齿轮组中各齿轮的内凹槽形状与凸轮9的外凸形状相近，凸轮9可以从从动齿轮组中各齿轮的内凹槽中滑入或滑出。

如图5,输出轴8为空心圆柱形结构，沿轴向开设有两个平行的、对称分布的长导槽；丝杠螺母机构中的丝杠17的一端为外螺纹结构，另一端端部固定有两个对称分布的凸轮9；凸轮9的位置和宽度与输出轴上的长导槽相对应，凸轮9的两侧面分别与输出轴8的长导槽的两侧面接触滑移，凸轮9的顶端高度大于输出轴8的长导槽部分的外圆半径。

汽车未启动时或处于空挡时，与丝杠17固定连接的凸轮9与从动齿轮14有一确定位置，为丝杠17的初始位置，为保证及时换挡，凸轮9与各从动齿轮的距离相同，每组齿轮间的距离略大于丝杠外凸轮9的轴向厚度；主控制单元接收到的换挡信号，控制交流伺服电机19带动螺母16转动，进而丝杠17轴向进给或倒退，当丝杠外凸轮9与从动齿轮内凹槽接合时，从动齿轮与输出轴8周向固定且达到与主动齿轮啮合传动的目的。

伺服直驱换挡的自动变速器的工作原理：

通过交流伺服电机和丝杠螺母机构的一体化组合机构，实现与丝杠固定连接的凸轮沿输出轴位置的精确控制，依靠凸轮实现空套在输出轴上的具有内凹槽从动齿轮与输出轴之间的固定连接或空套连接，凸轮沿输出轴的轴向位置不同，参与传动的主、从动齿轮的不同，本变速器的传动比不同。凸轮沿输出轴的轴向位置确定由主控制单元根据发动机的转速、转矩信号，车轮的转速、转矩信号和手动挡位信息，统一自动判断，期间只需驾驶员操纵油门踏板实现汽车的加速和减速，具体挡位确定无需人员干预。

伺服直驱换挡的自动变速器的具体工作过程：

汽车未启动时或处于空挡时，凸轮9处在壳体1与一挡从动齿轮14之间，输入轴7在发动机或电动机的拖动下转动，而输出轴8不转。

当手动挂挡时，交流伺服电机工作，丝杠螺母机构中的丝杠17随着电机转子16的转动沿着输出轴8的轴向滑移，凸轮9向右移动至一挡从动齿轮14的内部，此时发动机或电动机的动力经过输入轴7、一挡主动齿轮2、一挡从动齿轮14、凸轮9、输出轴8，从输出轴8输出。

当发动机加速时，中央处理器收集到的发动机的转速、转矩信号和车轮的转速、转矩信号和手动挡位信号，驱动交流伺服电机转动，电机转子16的转动带动丝杠17沿着输出轴8的轴向滑移，凸轮9向右移动由一挡从动齿轮14心部脱出之后，迅速滑入二挡从动齿轮13的心部，发动机或电动机的动力经过输入轴7、二挡主动齿轮3、二挡从动齿轮13、凸轮9、输出轴8，从输出轴8输出，实现增速换挡过程；发动机再加速，便可顺次换入三挡、四挡和五挡。

当发动机减速时，中央处理器根据收集到的发动机的转速、转矩信号和车轮的转速、转矩信号和手动挡位信号，向交流伺服电机的驱动控制器发出控制信号，交流伺服电机反向转动，电机转子16反向带动丝杠17沿着输出轴8的轴线由五挡从动齿轮10的心部脱出之后，迅速滑入四挡从动齿轮11的心部，发动机或电动机的动力经过输入轴7、四挡主动齿轮5、四挡从动齿轮11、凸轮9、输出轴8之后，从输出轴8输出，实现降速换挡过程；发动机再减速，便可顺次换入三挡、二挡和一挡，最后进入空挡位。

伺服直驱换挡的自动变速器在加速和减速过程中的换挡过程，完全主控制单元自动完成，驾驶员在此期间只需控制油门踏板即可。

Claims (4)

1.一种自动换挡的多级齿轮变速器，其特征包括主控制单元、五对圆柱齿轮组、一个输入轴（7）、一个输出轴（8）、一个直动伺服推杆和一个壳体（1）；壳体（1）固定连接在机架上，输入轴（7）和输出轴（8）相互平行，且分别通过轴承连接在壳体（1）的两端；直动伺服推杆是一个交流伺服电机和一个丝杠螺母机构组成的伺服直驱装置，其中交流伺服电机的电机转子(16)固定连接在丝杠螺母机构中的螺母的外侧，与螺母成为一体，电机转子（16）为内螺纹通孔的空心轴形式，内螺纹就是丝杠螺母机构中的螺母，电机转子(16)的两端分别通过轴承支承在电机前端盖(15)和电机后端盖(18)中，电机前端盖(15)和电机后端盖(18)固定连接在有法兰圆筒形的电机壳(19)的两端，电机壳(19)的法兰固定连接在输出轴(8)上。

2.根据权利要求1所述的一种自动换挡的多级齿轮变速器，其特征在于：五对圆柱齿轮组包括主动齿轮组和从动齿轮组两部分，其中主动齿轮组包括一挡主动齿轮（2）、二挡主动齿轮（3）、三挡主动齿轮（4）、四挡主动齿轮（5）、五挡主动齿轮（6），依次按照分度圆从小到大的顺序等间隔的布置在输入轴（7），并通过键与输入轴（7）固定连接；从动齿轮组包括一挡从动齿轮（14）、二挡从动齿轮（13）、三挡从动齿轮（12）、四挡从动齿轮（11）、五挡从动齿轮（10），依次按照分度圆从大到小的顺序等间隔的空套在输出轴（8），并可相对输出轴（8）转动；一挡主动齿轮（2）与一挡从动齿轮（14）啮合，两齿轮的端面平齐；二挡主动齿轮（3）与二挡从动齿轮（13）啮合，两齿轮的端面平齐，三挡、四挡、五挡亦是如此。

3.根据权利要求1所述的一种自动换挡的多级齿轮变速器，其特征在于：输出轴（8）为空心圆柱形结构，沿轴向开设有两个平行的、对称分布的长导槽；丝杠螺母机构中的丝杠（17）的一端为外螺纹结构，另一端端部固定有两个对称分布的凸轮（9）；凸轮（9）的位置和宽度与输出轴上的长导槽相对应，凸轮(9)的两侧面分别与输出轴(8)的长导槽的两侧面接触滑移，凸轮(9)的顶端高度大于输出轴（8）的长导槽部分的外圆半径。

4.根据权利要求1所述的一种自动换挡的多级齿轮变速器，其特征在于：从动齿轮组中的各齿轮中心为圆通孔加内凹槽结构，圆通孔直径略大于输出轴（8）的长槽段的直径，各齿轮与输出轴之间间隙配合；从动齿轮组中各齿轮的内凹槽形状与凸轮（9）的外凸形状相近，凸轮（9）可以从从动齿轮组中各齿轮的内凹槽中滑入或滑出。