CN109723791A - 电磁力差速器 - Google Patents

Abstract

本发明电磁力差速器，由多个电磁力变矩器构成，所述电磁力变矩器包含传动机械与控制装置，传动机械是二自由度决定系统的行星排结构，其行星排结构方程简化后的形式是：N1‑k1*N2‑k2*N3＝0,1>k1>k2>0，以N3所对应的旋转构件作为被控制端，其余两个旋转构件作为输入端、输出端。控制装置是制动器与电磁感应电机并联装置、感应电机与控制电路等。电磁感应电机、感应电机与控制电路形成即时吸能回馈系统，可以从被控制端吸收能量即时回馈功率到输出端，形成自动变矩功能。所述多个电磁力变矩器，用于从总动力输入端向各分动力输出端传输分配动力，利用其自动变矩功能自动分配动力，也就是多个成套、平行并联、分布使用，作为差速器系统。

Description

电磁力差速器

技术领域

本发明涉及一种行星排传动器，具体为由多个电磁力变矩器构成的差速器。

背景技术

传统机动车辆采用的差速器有轮间差速器与轴间差速器这两种，轮间差速器如锥齿轮行星排差速器，在差速操作中易出现总转矩不足，性能不佳。轴间差速器如托森差速器，性能较好，但结构复杂一般只用于轴间差速器，不易推广至每一输出端驱动轮的传动路径。机动车辆需要新的差速器系统。

发明内容

本发明提出由多个电磁力变矩器构成的差速器，称为电磁力差速器。

行星排由两个中心轮(太阳轮或内齿圈)与带行星轮的行星架三个部件组成，三个部件的啮合排列关系决定行星排种类。现有行星排按行星架上行星轮层级数的单与双可分为单层星行星排、双层星行星排。设Zt为太阳轮齿数，Zq为内齿圈齿数，Nt为太阳轮转速,Nq为内齿圈转速,Nj为行星架转速，定义行星排特性参数a,单层星行星排的运动特性方程为：Nt+a*Nq-(1+a)*Nj＝0，双层星行星排的运动特性方程为：Nt-a*Nq-(1-a)*Nj＝0。多个行星排可以组成行星排结构，其运动规律服从其行星排结构方程。行星排结构中的几个部件连接并拥有一个确定的转速，形成一个旋转构件，每一个旋转构件具有一个转速。传统观点认为，多排行星排组成的行星排结构的自由度，等于行星排结构中所有旋转构件数减去行星排数，即：行星排结构自由度＝旋转构件数-行星排数。本发明提出，二自由度决定系统的行星排结构就是行星排中两个旋转构件的转速确定后，所有旋转构件的转速被决定。二自由度决定系统的行星排结构，其行星排结构方程简化后是具有三个独立转速项的等式，其普遍形式为：+d*N1+e*N2+f*N3＝0，其中N1、N2、N3分别为行星排结构中不特定的两个转速确定的旋转构件以及它们决定的不特定第三个旋转构件的转速项，d、e、f分别为三个独立转速项的绝对值系数，可以是数值或代数式，各独立转速项绝对值系数前的各符号分别可以是正是负。“不特定”指行星排结构的任意旋转构件的转速都可以有相应的各绝对值系数与各符号来形成等式。单排行星排是二自由度决定系统，单排行星排具有三个旋转构件，就是行星排的三个部件，单排行星排结构有一个行星排结构方程，就是其行星排运动方程。多排行星排结构可以具有多个行星排结构方程。

本发明所述电磁力变矩器由传动机械与控制装置两部分组成。传动机械是二自由度决定系统的行星排结构，由单排或多排行星排组成。其行星排结构方程简化后的形式是：N1-k1*N2-k2*N3＝0,1>k1>k2>0。以N3对应的旋转构件作为被控制端，其余两个旋转构件作为输入端、输出端。这种形式的被控制端转速大转矩小，可以通过控制小转矩的被控制端来控制大转矩的输入端、输出端之间的传动。控制装置是制动器与电磁感应电机并联装置、感应电机、控制电路等。制动器与电磁感应电机并联装置作用于被控制端，可以控制被控制端的转速，并可从被控制端吸收能量；感应电机作用于输出端，可以对输出端回馈能量；电磁感应电机、感应电机、控制电路形成即时吸能回馈系统，从被控制端吸收的能量不加以储存，即时回馈到输出端；控制电路可以控制调节即时吸能回馈系统。

下面分析本发明所述电磁力变矩器的控制过程，设输入端的转速为确定值，设输出端的负载为随转速上升而加大的被动负载，设控制装置对被控制端的作用为被动作用。具体控制过程描述如下：

动力从输入端输入，控制装置先使被控制端自由，被控制端不受外加荷载作用。如果输出端没有负载，输出端也是自由的，输出端可以具有任何转速，被控制端经本发明传动机械的传导相应会具有对应的某种转速。如果输出端负载转矩较大，一般在负载作用下输出端具有的初始转速会下降最终归零，被控制端的转速会上升最终达到最大速度。在上述过程中，传动机械虽然处于啮合状态，但在输入端与输出端之间没有功率传递，相当于普通离合器输入端与输出端的分离状态。我们称这是电磁力变矩器的分离状态。

从输出端转速为零的状态起，制动器对被控制端施加转矩，这个转矩与输入端的转矩一起，经传动机械的传导，在输出端形成相应的动力转矩。输入端的功率开始有部分传递至被控制端，被制动摩擦转矩消耗。当输出端形成的动力转矩大于输出端负载初始转矩时，输出端转速开始上升，输入端的功率有部分传递到输出端。当输出端形成的动力转矩等于随输出端转速上升而变大的负载转矩时，输出端转速恒定，被控制端的转速也相应恒定。这个状态是传动机械的一种动平衡状态。调节被控制端的转矩大小，就可以调节输出端形成的动力转矩大小，形成不同的输出端恒定转速与被控制端的恒定转速，可以实现多种动平衡状态，这是无回馈的动平衡状态。上述各状态及相互之间的过渡均是传动机械的一种半联动状态，在半联动状态下，控制住被控制端的速度，就同时控制住了输出端的速度。调节被控制端的转矩，使输出端形成的动力转矩持续大于输出端负载转矩，输出端转速就会持续上升、被控制端转速会持续下降。这是传动机械从半联动状态向结合状态转化的过程，还处于半联动状态。输出端持续加速达到其最大转速，被控制端持续减速达到转速归零。这时，输入端的动力全部传递到了输出端，相当于普通离合器输入端与输出端的结合状态，我们称这是电磁力变矩器的结合状态。从传动机械的结合状态或半联动状态开始，消除对被控制端的转矩，使被控制端自由、不受外来荷载作用，输出端形成的动力转矩也相应消失。传动机械就转化为分离状态，在输出端负载的作用下，输出端转速下降趋向归零、被控制端转速上升趋向最大化。

如果在输出端设置感应电机，与被控制端设置的电磁感应电机通过控制电路连通，就构成了即时吸能回馈系统，从被控制端吸收的能量不加以储存即时回馈至输出端，这样可以使该电磁力变矩器具有即时吸能回馈功能，也同时具有变矩功能，就形成了本发明所述的电磁力变矩器。

本发明所述电磁力变矩器参见图1、图2。其变矩功能是基于二自由度决定系统的行星排机构中各旋转构件的互动特性：输出端转速下降，被控制端的转速会上升。在输出端堵转或低转时，被控制端转速上升，可以通过电磁感应电机发电吸收能量，通过感应电机即时回馈功率作用在输出端上。这样就形成一部分动力通过机械传动从输入端传导至输出端，另一部分动力由电磁感应电机发电吸收能量经感应电机即时回馈功率作用在输出端上作为附加功率与附加转矩。这种附加功率与附加转矩是自动变化的，输入端动力恒定时，输出端转速越低，被控制端转速越高，形成的附加转矩越大；输出端转速越高，被控制端转速越低，形成的附加转矩越小。这与液力变矩器的变矩工作状态是同样的。在输入功率恒定、输出阻力稳定时，根据即时吸能回馈系统的特性不同，输出端转速会稳定并低于其最高转速，被控制端转速会稳定在一个较低的转速并高于零，形成带吸能回馈功能的动平衡状态。这样的动平衡状态与液力变矩器的液力耦合状态是同样的。启用制动器，使被控制端转速为零，输出端转速达到最大，输入端的功率全部传递到输出端。这种使传动机械从带吸能回馈功能的动平衡状态转化为直接结合状态的过程，与带锁止离合器的液力变矩器从液力耦合状态转化为直接机械连接直通锁止状态的过程也是同样的。可见本发明所述电磁力变矩器可以实现类似于液力变矩器变矩工作状态、液力耦合状态与直通锁止状态的全部状态，具有全部变矩器功能，可作为“电磁力”变矩器，具有一定无级变速性能，可作为无级变速器。

除了单独使用作为变矩器、无极变速器，本发明所述电磁力变矩器还可以多个使用。本发明所述电磁力变矩器可以多个并联使用构成差速器系统，在各路分动力输出端之间自动分配动力。也就是多个成套、平行并联、分布使用，作为差速器系统。

机动车辆在行驶过程中，由于转弯的原因、由于路面的差异、由于车辆各车轮的差异，各驱动路径的转速不会完全相同。传统机动车辆通过安装差速器系统来适应这种转速的不同，传统的轮间差速器常为锥齿轮行星排差速器。本发明所述电磁力变矩器可以多个成套、平行并联、分布使用，用于从总动力输入端向各分动力输出端传输分配动力，利用其自动变矩功能，可以自动形成各驱动路径间的速度差，自动分配动力。本发明所述电磁力变矩器可以调节成处于带吸能回馈功能的动平衡状态参与分配动力传动，多个并联用于各分动力输出端的传动路径。在这种多个并联状态下，各输出端驱动轮轴可以相对自由地改变转速，形成转速差。转速下降少转的输出端，会使该被控制端转速上升，即时吸能回馈到该输出端的转矩加大，动力更多地传导至该输出端。出现滑转多转的输出端，会使该被控制端转速下降，即时吸能回馈到该输出端的转矩减小，动力更多地传导至其他输出端。这样的效果，就相当于在每一个分动力输出端的传动路径上安装了托森差速器系统，结构比较简单，差速效果很好，不会出现锥齿轮行星排差速器那样在差速操作时总转矩不足的缺陷。如果设置被控制端制动器，各电磁力变矩器可以制动被控制端，使动力从输入端完全直接传输到输出端，提高传动效率，并形成无差速防滑功能。这就是本发明所述多个电磁力变矩器作为差速器系统的方法，多个成套、平行并联、分布使用的本发明所述电磁力变矩器即形成本发明电磁力差速器。利用多个液力变矩器分布使用、成套并联在一定程度上也可以形成差速器系统，但在各分动力输出端传动路径的转速较低时传动效果差。

本发明电磁力差速器的有益之处在于，提出了二自由度决定系统的行星排结构作为本发明所述电磁力变矩器的传动机械，提出了传动机械中被控制端、输入端、输出端的设置方法。提出了通过电磁感应电机作用于被控制端、感应电机作用于输出端形成即时吸能回馈系统的方法，提出了依靠传动机械互动、依靠即时吸能回馈系统形成电磁力变矩器的方法。本发明所述电磁力变矩器用于从总动力输入端向各分动力输出端传输分配动力，多个成套、平行并联、分布使用就形成本发明差速器。

本发明提出，只要在传动机械中采用了多个电磁力变矩器，用于从总动力输入端向各分动力输出端传输分配动力，就属于电磁力差速器，均应属于本发明的保护范围。

附图说明

图1为本发明电磁力差速器系统示意图，图中总动力输入端1，各电磁力变矩器2，各分动力输出端(各驱动轮)3。

图2为本发明电磁力差速器中的电磁力变矩器例一单排变线速行星排变矩器示意图，也是本发明实施例1示意图。图中输入端1，输出端2，被控制端3，制动器与电磁感应电机并联装置4，控制电路5、感应电机6。

图3为本发明电磁力差速器中的电磁力变矩器例二单排普通行星排变矩器示意图。图中输入端1，输出端2，被控制端3，制动器与电磁感应电机并联装置4，控制电路5、感应电机6。

图4为本发明电磁力差速器中的电磁力变矩器例三多排二自由度决定系统的行星排结构变矩器示意图。图中输入端1，输出端2，被控制端3，制动器与电磁感应电机并联装置4，控制电路5、感应电机6。

各图中行星排均按行业惯例以半幅行星排齿轮结构表示，其中制动器与电磁感应电机并联装置、感应电机也可视为是半幅。制动器以一端接地的离合器形式表示。各图中行星排各部件只示意结构关系，未反映真实尺寸。

具体实施方式

实施例1：本发明电磁力差速器的例一，单排变线速行星排电磁力变矩器，也是本发明实施例1。该传动机械为变线速行星排的结构形式六行星排：输入端为左侧中心轮z齿数为Zz转速Nz，输出端为右侧中心轮y齿数为Zy转速Ny，被控制端为带变线速行星轮的行星架j转速Nj。控制装置为制动器与电磁感应电机并联装置、感应电机与控制电路等。参见图2。设变线速行星轮的右侧一套齿轮齿数为Xy，左侧另一套齿轮齿数为Xz，则定义该变线速行星排的特性参数为a，a＝(Zy*Xz)/(Zz*Xy)，该变线速行星排服从行星排结构方程Nz-a*Ny-(1-a)*Nj＝0。这种形式的变线速行星排的特性参数a可以取较小的值，可以接近于1.0。当行星排特性参数a的值接近1.0时，运动方程中Nj转速项的系数绝对值最小，行星架的转矩最小。通过控制转矩小的被控制端行星架，就可以控制转矩很大的输入端与输出端之间的传动。当输出端堵转某个角度时，被控制端会多转1/(1-a)个角度，多转的转速形成能量，通过电磁感应电机发电吸收，以电磁力形式即时回馈到输出端的能量增加，形成的附加转矩加大。当输出端滑转多转某个角度时，被控制端会少转1/(1-a)个角度，使电磁感应电机发电吸收的能量减少，以电磁力形式即时回馈到输出端的能量减少，形成的附加转矩减小。这就是本实施例电磁力变矩器的变矩过程。与此类似，图3、图4展示了另外两种电磁力变矩器的例二与例三。

以四个上述电磁力变矩器用于从总动力输入端向四个分动力输出端传输分配动力。利用其自动变矩功能，可以自动形成各驱动轮之间的速度差，自动分配动力。电磁力变矩器多个并联用于各分动力输出端驱动轮的传动路径，参见图1。转速下降少转的输出端驱动轮，会使该电磁力变矩器的被控制端转速上升，即时吸能回馈到该输出端的转矩加大，动力更多地传导至该驱动轮。出现滑转多转的输出端驱动轮，会使被该控制端转速下降，即时吸能回馈到该输出端的转矩减小，动力更少地传导至该驱动轮。这样的效果，就相当于在四个驱动轮的传动路径上安装了托森差速器系统，结构比较简单，差速效果很好，不会出现锥齿轮行星排差速器那样在差速操作时总转矩不足的缺陷。这就是本实施例四个电磁力变矩器作为差速器系统的方法。a的具体取值可根据实际需要确定。控制装置的具体参数可根据实际需要确定。

上述各实施例仅为本发明的部分实施方式。

Claims (2)

1.电磁力差速器，由多个电磁力变矩器构成，所述电磁力变矩器包含传动机械与控制装置，传动机械是二自由度决定系统的行星排结构，由单排或多排行星排组成，其行星排结构方程简化后的形式是：N1-k1*N2-k2*N3＝0,1>k1>k2>0，以N3所对应的旋转构件作为被控制端，其余两个旋转构件作为输入端、输出端，控制装置是制动器与电磁感应电机并联装置、感应电机与控制电路等，制动器与电磁感应电机并联装置作用于被控制端，感应电机作用于输出端，它们与控制电路形成即时吸能回馈系统，依靠传动机械互动、依靠即时吸能回馈系统可以从被控制端吸收能量即时回馈功率到输出端，形成自动变矩功能。

2.如权利要求1所述的电磁力差速器，所述电磁力变矩器可以多个并联使用构成差速器系统，用于从总动力输入端向各分动力输出端传输分配动力，利用其自动变矩功能自动分配动力，也就是多个成套、平行并联、分布使用，作为差速器系统。