CN112590541A - 一种自动变速电动拖拉机轮边驱动装置、系统及方法 - Google Patents

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CN112590541A CN202011485447.4A CN202011485447A CN112590541A CN 112590541 A CN112590541 A CN 112590541A CN 202011485447 A CN202011485447 A CN 202011485447A CN 112590541 A CN112590541 A CN 112590541A
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申涛
章永年
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Abstract

本发明公开了轮边驱动技术领域的一种自动变速电动拖拉机轮边驱动装置、系统及方法，装置具有两档变速功能，能同时满足电动拖拉机在正常路面行驶时对速度的要求和耕作工况下对动力的要求。包括高速级行星齿轮机构、低速级行星齿轮机构、第一电磁离合器和第二电磁离合器；电机转子的输出端与所述高速级行星齿轮机构的第一太阳轮传动连接，所述高速级行星齿轮机构的第一行星架与所述低速级行星齿轮机构的第二太阳轮传动连接；所述第二太阳轮与多个第二行星轮分别啮合，多个所述第二行星轮分别与第二内齿圈啮合，所述第二内齿圈与输出轮毂固定连接；第一电磁离合器和第二电磁离合器用于在行驶模式和耕作模式之间进行切换。

Description

一种自动变速电动拖拉机轮边驱动装置、系统及方法
技术领域
本发明属于轮边驱动技术领域，具体涉及一种自动变速电动拖拉机轮边驱动装置、系统及方法。
背景技术
纯电动四驱汽车在不断发展，相关的技术也越发成熟，在国内也应用广泛,但是，就农业方面，纯电动四驱拖拉机，尚处于较为初始的阶段，实际产品和相关配套服务还尚未成熟，故对于纯电动四驱拖拉机的研究，具有重大的现实意义。现有的轮边驱动装置动力输出功能以正常道路行驶为主，无法满足电动拖拉机在耕作工况下对动力的要求。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种自动变速电动拖拉机轮边驱动装置、系统及方法，具有两档变速功能，能同时满足电动拖拉机在正常路面行驶时对速度的要求和耕作工况下对动力的要求。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
第一方面，提供一种电动拖拉机轮边驱动装置，包括高速级行星齿轮机构、低速级行星齿轮机构、第一电磁离合器和第二电磁离合器；电机转子的输出端与所述高速级行星齿轮机构的第一太阳轮传动连接，所述高速级行星齿轮机构的第一行星架与所述低速级行星齿轮机构的第二太阳轮传动连接；所述第二太阳轮与多个第二行星轮分别啮合，多个所述第二行星轮分别与第二内齿圈啮合，所述第二内齿圈与输出轮毂固定连接；每个所述第二行星轮通过一个第二行星轴分别与第二行星轮连接盘、第一套筒连接盘和第二套筒连接盘传动连接；所述第一电磁离合器包括固定在第一离合器固定架上的第一离合器组件，所述第一离合器组件上安装有第一主动摩擦片，与所述第一主动摩擦片相配合的第一从动摩擦片、第一蝶形弹簧和第一衔铁安装在第一离合器套筒内，所述第一离合器套筒固定在第一套筒连接盘上；所述第二电磁离合器包括固定在所述第一行星架上的第二离合器组件，所述第二离合器组件上安装有第二主动摩擦片，与所述第二主动摩擦片相配合的第二从动摩擦片、第二蝶形弹簧和第二衔铁安装在第二离合器套筒内，所述第二离合器套筒固定在所述第二套筒连接盘上。
进一步地，所述高速级行星齿轮机构包括第一太阳轮，所述第一太阳轮与电机转子的输出端传动连接，多个第一行星轮分别与所述第一太阳轮和第一内齿圈啮合，所述第一内齿圈与第一内齿圈固定架固定连接；每个所述第一行星轮通过一个第一行星轮轴与第一行星架传动连接；电机定子与第一内齿圈固定架固定连接。
进一步地，所述第一离合器固定架与所述高速级行星齿轮机构的第一内齿圈固定架固定连接。
进一步地，所述第一套筒连接盘通过轴承与所述第二行星轴连接。
进一步地，所述第二套筒连接盘通过轴承与所述第二行星轴连接。
进一步地，所述第二离合器组件与所述第一行星架通过平键连接。
第二方面，提供一种电动拖拉机轮边驱动系统，包括：路况识别模块，用于获取当前路况信息；工况选择模块，用于根据路况识别模块获取的当前路况信息判断选择与之相匹配的工况信息；控制器，用于根据工况选择模块输出的工况信息控制第一方面所述的电动拖拉机轮边驱动装置中的第一电磁离合器和第二电磁离合器的工作状态。
进一步地，所述路况识别模块包括自主选择模块、手机定位模块和状态观测器；所述自主选择模块为第一优先级，所述手机定位模块和状态观测器为第二优先级；所述手机定位模块用于根据定位软件实时获取电动拖拉机在运行过程中的位置信息，并与地图数据库进行对比，输出第二路况信息；所述状态观测器用于对电动拖拉机在运行过程中轮胎所受到的纵向力和侧向力进行估算，获取所行驶路面的附着系数，进而输出第三路况信息；所述自主选择模块输出的第一路况信息、手机定位模块输出的第二路况信息和状态观测器输出的第三路况信息经耦合后作为当前路况信息。
第三方面，一种电动拖拉机轮边驱动方法，包括：获取当前路况信息；根据当前路况信息判断选择与之相匹配的工况信息；根据工况信息控制第一方面所述的电动拖拉机轮边驱动装置中的第一电磁离合器和第二电磁离合器的工作状态。
进一步地，所述当前路况信息包括：根据驾驶员的输入，获取的第一路况信息，根据定位软件实时获取电动拖拉机在运行过程中的位置信息，并与地图数据库进行对比，获取的第二路况信息；对电动拖拉机在运行过程中轮胎所受到的纵向力和侧向力进行估算，获取所行驶路面的附着系数，进而获取的第三路况信息。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
(1)本发明通过设置高速级齿轮减速机构、低速级齿轮减速机构、第一电磁离合器和第二电磁离合器，实现两档变速，在低速工作档时，行星齿轮两级减速，传动比较大，可以降低转速，获得较大转矩，适用于耕作工况；在高速工作档时，只有高速级行星齿轮减速，传动比不大，可以获得适中的转速和转矩，适用于在正常路面行驶；
(2)本发明中利用行星齿轮减速功率分流原理，使每个齿轮所承载负荷较小，相应的齿轮模数就可较小。可使结构体积小，重量轻，结构紧凑，承载能力高，有利于车辆轻量化。同时利用行星齿轮传动运动平稳、抗振和抗冲击力比较强特性，可使车辆运动可靠；
(3)本发明通过路况识别模块，采用多种方法同时获取当前路况信息；通过工况选择模块，判断选择与之相匹配的工况信息；并通过控制器发出控制第一电磁离合器、第二电磁离合器的工作状态的控制信号，实现在不同工况模式下自动切换，使电动拖拉机可以根据环境变化自动调整工作模式，合理进行能源分配利用，减少车辆磨损，自动化程度高，可控性强。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种自动变速电动拖拉机轮边驱动装置的剖面结构示意图；
图2是图1的立体结构爆炸图；
图3是图1中的第一电磁离合器的立体结构示意图；
图4是图1中的第二电磁离合器的立体结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种自动变速电动拖拉机轮边驱动系统的控制流程图；
图6是图5中的路况识别模块的工作流程图；
图7是图6中的状态观测器采用的单轮动力学模型；
图8是图6中的状态观测器采用的二自由度车辆运动模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
如图1、图2所示，一种电动拖拉机轮边驱动装置，包括高速级行星齿轮机构、低速级行星齿轮机构、第一电磁离合器和第二电磁离合器；电机转子2的输出端与高速级行星齿轮机构的第一太阳轮3通过平键传动连接，高速级行星齿轮机构的第一行星架7与低速级行星齿轮机构的第二太阳轮8通过平键传动连接；第二太阳轮8与多个第二行星轮9分别啮合，多个第二行星轮9分别与第二内齿圈10啮合，第二内齿圈10上打有螺钉孔，第二内齿圈10通过螺钉与输出轮毂14固定连接，第二行星轮9的数量视具体减速要求确定；每个第二行星轮9通过一个第二行星轴11分别与第二行星轮连接盘13、第一套筒连接盘23和第二套筒连接盘30传动连接，第二行星轴11上装有挡圈，第二行星轴11通过挡圈与第二行星轮连接盘13连接；第一电磁离合器包括固定在第一离合器固定架16上的第一离合器组件17，第一离合器组件17上安装有第一主动摩擦片18，与第一主动摩擦片相配合的第一从动摩擦片19、第一蝶形弹簧20和第一衔铁21安装在第一离合器套筒22内，第一离合器套筒22固定在第一套筒连接盘23上；第二电磁离合器包括固定在第一行星架7上的第二离合器组件24，第二离合器组件24上安装有第二主动摩擦片25，与第二主动摩擦片相配合的第二从动摩擦片26、第二蝶形弹簧27和第二衔铁28安装在第二离合器套筒29内，第二离合器套筒29通过螺钉固定在第二套筒连接盘30上。
高速级行星齿轮机构包括第一太阳轮3，第一太阳轮3与电机转子2的输出端通过平键传动连接，多个第一行星轮4分别与第一太阳轮3和第一内齿圈5啮合，第一内齿圈5与第一内齿圈固定架15固定连接，第一行星轮4的数量视具体减速要求确定；每个第一行星轮4通过一个第一行星轮轴6与第一行星架7传动连接，第一行星轴6上装有挡环，第一行星架7通过挡环与第一行星轴6连接；电机定子1与第一内齿圈固定架15固定连接。第一离合器固定架16与高速级行星齿轮机构的第一内齿圈固定架15固定连接。
第一内齿圈5外面钻有螺钉孔，第一内齿圈固定架15通过螺钉与第一内齿圈5向固定；第一内齿圈固定架15侧面有螺栓孔，电机定子1通过螺栓固定在第一内齿圈固定架15上。第一行星架7上设有键槽，分别通过平键与第二太阳轮8和第二离合器组件24传动连接，第二离合器组件24上安装有第二主动摩擦片25，第二离合器组件24和第二主动摩擦片25随第一行星架7同步转动。
第一套筒连接盘23通过轴承安装在第二行星轴11上。第二套筒连接盘30通过轴承与第二行星轴11连接。第二行星轴11加工有挡环槽，通过挡环限制轴承和第二套筒连接盘30的轴向移动。第一离合器套筒22底部钻有孔，通过螺钉固定在第一套筒连接盘23上。第二离合器套筒29底部钻有孔，通过螺钉固定在第二套筒连接盘30上。
两档切换原理：
中速行驶档：第一内齿圈5通过第一内齿圈固定架15固定不转。换挡时，第二电磁离合器通电，位于第二离合器组件24内的第二电磁铁对第二衔铁28产生磁引力，将第二主动摩擦片25与第二从动摩擦片26结合，进而将第一行星架7与第二行星轮9连为一体，第一电磁离合器断电不工作，第一主动摩擦片18与第一从动摩擦片19之间由于第一蝶形弹簧20的作用存在空隙。动力由第一太阳轮3最终传至输出轮毂14，此过程减速一次，传动比不大，可获得中等转速和转矩，适用于拖拉机于正常道路上中速行驶；
低速工作档：第一内齿圈5通过第一内齿圈固定架15固定不转。换挡时，第一电磁离合器通电，位于第一离合器组件17内的第一电磁铁对第一衔铁21产生磁引力，从而将第一主动摩擦片18与第一从动摩擦片19结合。第二电磁离合器断电不工作，第二主动摩擦片25与第二从动摩擦片26之间由于第二蝶形弹簧27的作用存在空隙。此过程减速两次，传动比较大，可获得较低转速和较大转矩，适用于拖拉机于田间耕作工况下正常工作。
本实施例通过设置高速级齿轮减速机构、低速级齿轮减速机构、第一电磁离合器和第二电磁离合器，实现两档变速，在低速工作档时，行星齿轮两级减速，传动比较大，可以降低转速，获得较大转矩，适用于耕作工况；在高速工作档时，只有高速级行星齿轮减速，传动比不大，可以获得适中的转速和转矩，适用于在正常路面行驶；本实施例利用行星齿轮减速功率分流原理，使每个齿轮所承载负荷较小，相应的齿轮模数就可较小。可使结构体积小，重量轻，结构紧凑，承载能力高，有利于车辆轻量化。同时利用行星齿轮传动运动平稳、抗振和抗冲击力比较强特性，可使车辆运动可靠。
实施例二：
基于实施例一所述的电动拖拉机轮边驱动装置，本实施例提供一种电动拖拉机轮边驱动系统，如图3所示，包括：路况识别模块，用于获取当前路况信息；工况选择模块，用于根据路况识别模块获取的当前路况信息判断选择与之相匹配的工况信息；控制器，用于根据工况选择模块输出的工况信息控制实施例一的电动拖拉机轮边驱动装置中的第一电磁离合器和第二电磁离合器的工作状态。
如图4所示，路况识别模块包括自主选择模块、手机定位模块和状态观测器；自主选择模块为第一优先级，手机定位模块和状态观测器为第二优先级；手机定位模块用于根据定位软件实时获取电动拖拉机在运行过程中的位置信息，并与地图数据库进行对比，输出第二路况信息；状态观测器用于对电动拖拉机在运行过程中轮胎所受到的纵向力和侧向力进行估算，获取所行驶路面的附着系数，进而输出第三路况信息；自主选择模块输出的第一路况信息、手机定位模块输出的第二路况信息和状态观测器输出的第三路况信息经耦合后作为当前路况信息。
状态观测器主要是通过轮胎纵向力和侧向力估算所行驶路面的附着系数。当路面估算附着系数大于ε时，判定路面为耕地，小于或等于ε时，判定为行驶路面。ε数值的大小由多次试验确定，不同地区，不同地质，ε数值大小有所不同。附着系数估算方法设计如下：
轮胎纵向力估算路面附着系数。建立整车的单轮运动模型，如图5所示：
Figure BDA0002839214670000081
其中，ω表示车轮角速度，R表示车轮滚动半径，Tm表示作用在车轮上的驱制动力矩，μx表示当前轮胎对地面的利用附着系数，Fs表示车轮受到的垂向载荷，Iw表示车轮的转动惯量，λ表示车轮滑动率，v0表示车轮中心处的纵向速度，Fx表示路面作用在轮胎接地区域的纵向力。
Figure BDA0002839214670000091
其中，
Figure BDA0002839214670000092
示轮胎纵向力的估计，
Figure BDA0002839214670000093
表示基于路面附着系数估计值和滑动率计算的利用附着系数，K表示纵向力估计器增益，
Figure BDA0002839214670000094
表示根据当前的纵向力和滑动率通过数值计算的方法在轮胎模型描述的曲线上计算得到的路面峰值附着系数，θx表示当前路面的真实峰值附着系数，
Figure BDA0002839214670000095
为纵向激励下路面峰值附着系数的估计值，γ表示路面附着系数估计器增益，y为计算过程中的中间变量。
轮胎侧向力估算路面附着系数。为描述车辆的侧向运动，建立二自由度车辆运动模型，如图6所示；忽略车辆俯仰、侧倾运动自由度，整车的前后车轮的侧偏角可以表示为：
Figure BDA0002839214670000096
其中，δ表示前轮转角,lf和lr分别表示中心到质心的距离，vx表示车辆质心处的纵向车速，β表示车辆的质心侧偏角，αf和αr分别表示前，后车轮的侧偏角，表示车身的横摆角速度。
基于车轮回正力矩估计，设计路面附着系数估计算法：
Figure BDA0002839214670000097
其中，α表示车轮侧偏角，δw表示方向盘转角，is表示助力电机到主销处的力矩转动比，是一个随转角的函数；im表示转向盘到主销处的力矩转动比，也是一个关于转向盘转角的函数；Mm表示施加在转向盘的力矩；Ms表示助力电机力矩，A和B表示拟合参数；Mk表示拟合的总的回正力矩；
Figure BDA0002839214670000101
表示根据车轮垂向载荷和侧偏角计算得到的回正力矩估计值；
Figure BDA0002839214670000102
表示车辆的侧向加速度估计值，ay表示车辆的侧向加速度实际值；k1和k2表示估计器增益；
Figure BDA0002839214670000103
表示侧向力激励下路面峰值附着系数估计值。
在路况识别模块中，逻辑值1和0，分别表示耕作和行驶路况。自主选择模块输出逻辑值1或0，手机定位模块输出逻辑值1或0，状态观测器输出逻辑值1或0，耦合后输出结果如表1所示：
表1路况识别模块的输出逻辑值
Figure BDA0002839214670000104
工况选择模块起判断作用。其在接受路况识别模块传来的信号后，按照一定的规则来确定相关路况。其中111,110,101,100，011表示输出耕作路况，010,001,000表示输出行驶路况。
控制器主要功能是接受工况选择模块传来的信号，通过控制两个电磁离合器的通断电，来实现该装置的自动变速，以此使车辆适应不同路况。
本实施例通过路况识别模块，采用多种方法同时获取当前路况信息；通过工况选择模块，判断选择与之相匹配的工况信息；并通过控制器发出控制第一电磁离合器、第二电磁离合器的工作状态的控制信号，实现在不同工况模式下自动切换，使电动拖拉机可以根据环境变化自动调整工作模式，合理进行能源分配利用，减少车辆磨损，自动化程度高，可控性强。
实施例三：
基于实施例一所述的电动拖拉机轮边驱动装置和实施例二所述的电动拖拉机轮边驱动系统，本实施例提供一种电动拖拉机轮边驱动方法，包括：获取当前路况信息；根据当前路况信息判断选择与之相匹配的工况信息；根据工况信息控制实施例一所述的电动拖拉机轮边驱动装置中的第一电磁离合器和第二电磁离合器的工作状态。所述当前路况信息包括：根据驾驶员的输入，获取的第一路况信息，根据定位软件实时获取电动拖拉机在运行过程中的位置信息，并与地图数据库进行对比，获取的第二路况信息；对电动拖拉机在运行过程中轮胎所受到的纵向力和侧向力进行估算，获取所行驶路面的附着系数，进而获取的第三路况信息。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电动拖拉机轮边驱动装置，其特征是，包括高速级行星齿轮机构、低速级行星齿轮机构、第一电磁离合器和第二电磁离合器；电机转子（2）的输出端与所述高速级行星齿轮机构的第一太阳轮（3）传动连接，所述高速级行星齿轮机构的第一行星架（7）与所述低速级行星齿轮机构的第二太阳轮（8）传动连接；所述第二太阳轮（8）与多个第二行星轮（9）分别啮合，多个所述第二行星轮（9）分别与第二内齿圈（10）啮合，所述第二内齿圈（10）与输出轮毂（14）固定连接；每个所述第二行星轮（9）通过一个第二行星轴（11）分别与第二行星轮连接盘（13）、第一套筒连接盘（23）和第二套筒连接盘（30）传动连接；
所述第一电磁离合器包括固定在第一离合器固定架（16）上的第一离合器组件（17），所述第一离合器组件（17）上安装有第一主动摩擦片（18），与所述第一主动摩擦片相配合的第一从动摩擦片（19）、第一蝶形弹簧（20）和第一衔铁（21）安装在第一离合器套筒（22）内，所述第一离合器套筒（22）固定在第一套筒连接盘（23）上；
所述第二电磁离合器包括固定在所述第一行星架（7）上的第二离合器组件（24），所述第二离合器组件（24）上安装有第二主动摩擦片（25），与所述第二主动摩擦片相配合的第二从动摩擦片（26）、第二蝶形弹簧（27）和第二衔铁（28）安装在第二离合器套筒（29）内，所述第二离合器套筒（29）固定在所述第二套筒连接盘（30）上。
2.根据权利要求1所述的电动拖拉机轮边驱动装置，其特征是，所述高速级行星齿轮机构包括第一太阳轮（3），所述第一太阳轮（3）与电机转子（2）的输出端传动连接，多个第一行星轮（4）分别与所述第一太阳轮（3）和第一内齿圈（5）啮合，所述第一内齿圈（5）与第一内齿圈固定架（15）固定连接；每个所述第一行星轮（4）通过一个第一行星轮轴（6）与第一行星架（7）传动连接；电机定子（1）与第一内齿圈固定架（15）固定连接。
3.根据权利要求1所述的电动拖拉机轮边驱动装置，其特征是，所述第一离合器固定架（16）与所述高速级行星齿轮机构的第一内齿圈固定架（15）固定连接。
4.根据权利要求1所述的电动拖拉机轮边驱动装置，其特征是，所述第一套筒连接盘（23）通过轴承与所述第二行星轴（11）连接。
5.根据权利要求1所述的电动拖拉机轮边驱动装置，其特征是，所述第二套筒连接盘（30）通过轴承与所述第二行星轴（11）连接。
6.根据权利要求1所述的电动拖拉机轮边驱动装置，其特征是，所述第二离合器组件（24）与所述第一行星架（7）通过平键连接。
7.一种电动拖拉机轮边驱动系统，其特征是，包括：
路况识别模块，用于获取当前路况信息；
工况选择模块，用于根据路况识别模块获取的当前路况信息判断选择与之相匹配的工况信息；
控制器，用于根据工况选择模块输出的工况信息控制权利要求1~6任一项所述的电动拖拉机轮边驱动装置中的第一电磁离合器和第二电磁离合器的工作状态。
8.根据权利要求7所述的电动拖拉机轮边驱动系统，其特征是，所述路况识别模块包括自主选择模块、手机定位模块和状态观测器；所述自主选择模块为第一优先级，所述手机定位模块和状态观测器为第二优先级；
所述手机定位模块用于根据定位软件实时获取电动拖拉机在运行过程中的位置信息，并与地图数据库进行对比，输出第二路况信息；
所述状态观测器用于对电动拖拉机在运行过程中轮胎所受到的纵向力和侧向力进行估算，获取所行驶路面的附着系数，进而输出第三路况信息；
所述自主选择模块输出的第一路况信息、手机定位模块输出的第二路况信息和状态观测器输出的第三路况信息经耦合后作为当前路况信息。
9.一种电动拖拉机轮边驱动方法，其特征是，包括：
获取当前路况信息；
根据当前路况信息判断选择与之相匹配的工况信息；
根据工况信息控制权利要求1~6任一项所述的电动拖拉机轮边驱动装置中的第一电磁离合器和第二电磁离合器的工作状态。
10.根据权利要求9所述的电动拖拉机轮边驱动系统，其特征是，所述当前路况信息包括：
根据驾驶员的输入，获取的第一路况信息，
根据定位软件实时获取电动拖拉机在运行过程中的位置信息，并与地图数据库进行对比，获取的第二路况信息；
对电动拖拉机在运行过程中轮胎所受到的纵向力和侧向力进行估算，获取所行驶路面的附着系数，进而获取的第三路况信息。
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