CN1127632C - 机械/电动双向汇流的分段连续无级自动变速系统 - Google Patents

Abstract

本发明是指一类机械/电动双向汇流的分段连续无级自动变速系统及其设计方法。其构成要点是，在动力传动路线需布置变速器之处设置：机械/电动功率分流机构、至少由一个正向和一个反向单行星排组合而成的双向汇流行星排组总成、可实现正反向行星排(组)轮流分段工作的多段位自动换段机构及电子控制装置。该类系统传动效率高、许用载荷大，允许在不切断动力条件下平顺地自动更换工作段，具有速比在大范围内连续可调的优良传动特性。

Description

机械/电动双向汇流的分段连续无级自动变速系统

技术领域：

本发明涉及机电设备中的动力传动与自动变速系统，具体是指一类机械/电动双向汇流的分段连续无级自动变速系统及其设计方法。

背景技术：

在机电设备中通常需要把动力源的运动、作用力、能量及功率等通过传动系统加以转换、调节与传递，最后传送到执行机构以某种需要的形式输出。例如动力源通常可为电动机、内燃发动机等，其运动为转动、功率正比于其转速与转矩的乘积，执行机构的输出则可以是汽车驱动车轮的旋转运动和驱动功率以及整车的平动、牛头刨床刀头的往复运动及切削功率等等。变速器往往是传动系统中最重要的一环，其功能是改变速比，亦称传动比，在此定义为输出转速与输入转速之比，其倒数则称减速比。变速器使执行机构按预期的速度和作用力变化规律输出运动和功率、使动力源的工作特性与负载的特性动态地实现匹配，以保证整个机械大系统在各种工况下都能正常运转，甚至获得较佳或最佳的整体性能。譬如在现代车船等交通工具中，就有机械式、电传动式、液压及液力传动式等类型的变速器被采用，其中尤以机械式的因具有传动效率高、造价低、结构紧凑等特点而被广泛应用。随着人们对传动性能要求的提高，传动变速系统的结构由简单渐趋复杂，并有从单功率流传动向双或多功率流复合传动、从有级变速向无级变速方向发展的趋势。

一般而言，机械式传动虽具有传动效率高、造价低、结构紧凑等优点，但却难以获得无级自动变速的完美传动特性。即使目前存在着一些类型的机械式无级变速器(CVT)，也由于它们实际上都是基于摩擦传动的，具有传递转矩和功率的能力及效率偏低、可用的变速比范围(即系统最大速比i_max与最小速比i_min的比值R_b)相当有限等缺点，因而一般只适合于所需功率和速比范围不大的小排量轿车和摩托车，或其他只需传递较小功率的用途或场合。在以内燃机为动力源的情况下，电传动的特点几乎与机械式传动的特点正好相反：它具有易于布置、易于控制、易于获得无级自动变速的完美传动特性，传递转矩和功率的能力及变速比范围较大等优势，但是存在成本较高、体积和重量偏大、传动效率稍低等缺点。目前电传动主要在大型重载、高成本的机械系统(如载重量为数十吨的大型载运工具等)上有一些应用。

发明内容：

本发明的目的在于创设一类机械/电动双向汇流的分段连续无级自动变速系统，它综合扬弃了机械传动和电传动的优、缺点，用途较宽广、特别是能够适合常规轿车和轻、中型汽车使用条件，传动效率较高，成本较低，结构较为轻便紧凑、布置较灵活、易于控制，具有在宽变速比范围内自动无级变速的完美传动特性。

本发明的目的是通过以下措施来实现的：

机械/电动双向汇流的分段连续无级自动变速系统，包括功率分流机构、单向汇流行星排(组)、自动换段机构及电子控制装置，其特征在于：机械/电动功率分流机构、双向汇流行星排组总成和多段位自动换段机构分别设置如下：

(1)机械/电动功率分流机构设置有并联的机械传动分路和电传动分路，其中电传动分路中设置有发电机、电动机、控制器及电路；

(2)双向汇流行星排组总成设置有至少一个正向和一个反向单行星排；

(3)可实现正、反向行星排或行星排组轮流分段工作的多段位自动换段机构，设置有固定速比不同的两个或两个以上定轴齿轮对和一个或一个以上自动换段执行器，该机构的设计满足下列工作条件：

a、能够按各段位固定速比大小的排序依次实施段位往复变化；

b、自动控制换段的段位切换点或换段时刻，选择在电传动分路电动机的转速往复变化至其规定最大值或最小值时；

c、各段位固定速比的分配，须使得在任何相邻两段间进行段位切换的时刻：若换段执行器装在从动轴上，则该两段从动换段齿轮间的转速差趋于零；若换段执行器装在主动轴上，则该两段主动换段齿轮间的转速差趋于零。

所述的机械/电动双向汇流分段连续无级自动变速系统，其双向汇流行星排组总成具有两个备择动力输出轴，且为下列组成方式之一：

(1)由一正向单行星排和一反向单行星排组合而成；

(2)由一正向单行星排和两个及两个以上单行星排组成的反向行星排组合而成；

(3)由两个及两个以上单行星排组成的正向行星排组和一反向单行星排组合而成；

(4)由两个及两个以上单行星排组成的正向行星排组和两个及两个以上单行星排组成的反向行星排组合而成。

本发明提出的机械/电动双向汇流的分段连续无级自动变速系统，其基本思想是：来自动力源的机械功率被分流机构分成一路(或多路)机械传动功率流和一路电传动功率流；机械和电传动分路的功率再由双向汇流行星排组总成来汇流，该总成两个汇流输出轴的转速与电传动分路电动机转速的关系，分别呈单调增函数和单调减函数，即分别为正、反向汇流轴；自动换段机构则以多个不同固定速比，交替地把上述正、反向汇流轴上的功率向下游输出。为减小电传动分路的功率负荷率、提高效率，电动机转速被控制在相对狭窄的传动高效区n_min<->n_max内，如-n_D0<->0<->+n_D0或规定的其它最高、最低转速区域，作往复无级变化；同时靠适时切换具有不同固定速比的工作段来形成分多段连续的输出转速，把系统总变速比扩展至足够宽广的范围。

为此须合理构造出至少由一个正向和一个反向汇流行星排通过部分构件相联而共同组成的双向汇流行星排组总成；并在该总成两个输出轴的下游，配置具有不同固定速比的多工作段(类似于普通变速器之“档位”)的自动换段机构，使正、反向汇流行星排(或行星排组)分段地轮换输出。即若正向汇流行星排工作则反向汇流排空转，或反之亦然；且当其中一汇流行星排从具有某一固定速比的当前工作段退出而转入空转时，另一汇流行星排恰好能平顺或无冲击地衔接进入具有另一固定速比的相邻工作段，使得换段时不必中断动力传动。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明能综合扬弃机械传动与电传动的优、缺点，实用性强、适用范围宽广，理论传动效率较高，成本较低，易于布置、控制，具备无级自动变速的完美传动特性。

2本发明的自动换段机构遵循独特而合理的参数确定准则，能在不切断动力的条件下平顺、无冲击地自动换段，确保宽范围无级变速的实现。

3、本发明具有极好的市场前景，特别适合常规轿车和轻、中型汽车的使用条件，也适用于针对环保与节能而开发的内燃机/电动机混合动力驱动的汽车，并将更有利于其效能的发挥。

4、本发明的自动换段机构，若制成可在自动/手动方式中选择切换者、且选择了手动方式时(或改制成常规有级手动变速器时)，系统就转变成为某种半自动的机械/电动双向汇流的分段无级变速器。即此时系统的工作段位以某种人工方式确定和切换，但仍能在每个工作段位下实现较小范围内的无级自动变速。这样的变速器在电传动分路失效时仍能维持人工有级变速，利用这一特点可提高系统的可靠性、适应性和安全性。

附图说明：

图1为机械/电动双向汇流的分段连续无级自动变速系统的基本组成部分及工作原理图；

图2为一种机械/电动二行星排组双向汇流的分段连续无级自动变速系统的结构原理图；

图3为图2所示系统正、反向汇流速比i+、i-岁电传动速比iDe变化的规律图；

图4为图2所示系统总速比i₉₄的连续变化规律图；

图5为可用于机械/电动双向汇流的分段连续无级自动变速系统的一种三行星排双向汇流总成的传动简图。

具体实施方式：

通过如下实施例及其附图对本发明作进一步详细描述：

实施例1：

如图1所示，机械/电动双向汇流的分段连续无级自动变速系统都是由机械/电动分流机构1、双向汇流行星排组总成2和自动换段机构3等三大部分及其电子控制装置所组成。

机械/电动分流机构1是由机械传动分路和电传动分路并联而成，其中电传动分路设置有发电机G、控制器F、电动机D和电路。

图1的虚线框1即为机械/电动分流机构，来自动力源的功率从轴I’输入后，以某种方式(如由定轴齿轮Z1、Z2等)分流成两路，其中一路直接通过传动轴或其他形式，以固定的速比机械地传递到总成2的输入轴a；另一路则经由发电机G、控制器F、电路和电动机D等构成的电传动分路，在经历了“机—电—机”的功率形式转换过程并被实施调速后，传递到总成2的另一输入轴b。

双向汇流排组总成2至少由正向和反向两个行星排(组)通过部分构件相互联接而组成，与一般的二自由度及多自由度行星传动不同，它共有4个输入/输出端，即两个输入轴a、b和正向、反向汇流输出轴a’、b’，能同时合成随b轴转速n_b而变化、且正比于输入转速n_I’的两个不同的汇流输出转速n_a’、m_b’。其中n_a’从总成2的正向汇流行星排输出端引出，是n_b的增函数；而n_b’从总成2的反向汇流行星排输出端引出，是n_b的减函数。总成2通过a’、b’两个转轴与自动换段机构3相连。

自动换段机构3是由多对定轴式换段齿轮和电磁或液压作动的自动换段执行器所组成，它的工作原理是，接受换段电子控制单元根据工况给出的调控指令d，可按I<->II<->III<->IV…的段位顺序，依次、不跳段地实施从低到高、从高到低的段位往复变化，轮流地选择a’轴或b’轴之一，将其回转动力及运动以不同的速比传递给输出轴II’，继而向后续传动链输出。对应于工作段位的从低到高排列，速比也被设计成从小到大变化；但根据第I段被设计成是由正向还是反向汇流排工作的不同情况，汇流方式相应地可按“正向反向正向反向…”或“反向正向反向正向…”的排列顺序进行交替。为叙述方便，以下均假设第I段被设计成正向汇流的，即工作段位从低到高依次变化时按“正向→反向→正向→反向…”的汇流方式交替。

通常机器系统在启动阶段，如汽车起步阶段，要求有较大的减速比(按本说明书的定义，即要求有较小的速比——它是减速比的倒数)，以便获得较大的低速启动转矩。此时自动换段机构3工作在正向汇流的第I段，以最小的速比(即最大的减速比)、最大的转矩把a’轴的功率传递到输出轴II’并让b’轴空转；在此过程中，电动机D接受其自身电控单元的指令c，转速n_b从规定的最小值(如-n_D0)逐渐提高、不断靠近规定的最大正值(如+n_D0)，导致输出转速n_II’随n_b升高而不断升高。当n_b达到规定最大值(n_D0)时，自动换段机构3接受其自身电控单元的指令d，切入反向汇流的第II段工作，使a’轴空转并以次小的速比(即次大的减速比)、较小的转矩把b’轴的功率传递到输出轴II’；与此同时n_b也被控制着从规定最大正值逐渐下降，向规定最小值逼近，导致输出轴II’上的转速n_II’随n_b降低而继续不断升高。若需要的调速范围较大，还可以增设第III、第IV或更多的工作段，例如在第II段n_b达到最小值时切入正向汇流的第III段，让b’轴空转并以更大的速比(即更小的减速比)、更小的转矩把a’轴的功率传递到输出轴II’，而n_b又从最小向最大变化，使输出轴转速n_II’更进一步不断上升……。当然，若采取相反的步骤，也可使系统的速比及输出转速n_II’由高向低地连续变化、输出转矩逐段地升高。由此可见，这样使n_b逐段地往复变化、自动换段机构3的速比逐段地改变以及正、反向汇流方式逐段地轮换，就能够实现整个系统的速比及输出转速n_II’在所要求的调节范围内连续可调，且逐段近似地呈恒功率传动特性。

图2是一例机械/电动双向汇流的分段连续无级自动变速系统的具体传动方案，它主要适合于轿车、轻型车等。图2所示的虚线框部分用来替换汽车原变速器部分。其主要零部件的联接关系和功能为：

首先来看分流机构：图2中的发动机、离合器总成E的输出轴4，具有相当于图1中I’轴的功能，它固接有齿轮Z1，与Z1相啮合的齿轮Z2固接在功能相当于图1中a轴的套轴5上；轴4还通过联轴节与发电机G相连。来自发动机、离合器总成E的机械功率被分流成两路，其中一路通过轴4、齿轮对Z1/Z2传递至系统内部的套轴5，并通过和套轴5相联且与其同轴旋转的行星构件j1，直接输入到由第一和第二两行星排构成的双向汇流行星排组总成；另一路通过轴4、发电机G后转化为电功率；经由导线和DC/AC逆变及控制执行模块F与电动机D耦合；若发电机G产生的电能除驱动电动机D之外尚有富余，富余部分被模块F处理后经由导线传给蓄电池Cell储存起来备作它用。系统还设有处理在图2中用虚线箭头表示、来自反映整车工况各传感器的信号的电传动调控单元ECU1，它给出的电动机调速指令也通过控制信号线接至模块F。电动机D的枢轴经联轴节与轴6相联，它相当于图1中的轴b，可相对于套轴5转动。轴6上固接有两个作为行星排太阳轮的齿轮t1、t2，通过轴6将经调速的机械功率传输到汇流行星排组总成。接着看双向汇流行星排组总成：第一行星排由太阳轮t1、行星架j1、齿圈q1及行星齿轮x1等组成，行星排特性参数为k1；第二行星排由太阳轮t2、行星架j2、齿圈q2及行星齿轮x2等组成，行星排特性参数为k2；它们都满足一般单行星排的构件相互联接关系。此外，第一行星排的行星架j1在其左侧与轴5相联(如通过花键或平键等联接方式)并同轴旋转，在其右侧与第二行星排齿圈q2相连成为一体，构件q1通过花键或平键与反向汇流套轴7相联，套轴7相当于图2中的b’轴，其上固接有主动齿轮Z3、Z5；构件j2(通过花键或平键等)与正向汇流轴8相联，轴8相当于图2中的a’轴，可相对套轴7转动并固接有主动齿轮Z7、Z9、Z11。轴9上的从动齿轮Z4、Z6、Z8、Z12对应地与主动齿轮Z3、Z5、Z7、Z11相啮合，轴9上的从动齿轮Z10则通过一个中间齿轮(惰轮)与主动齿轮Z9相啮合，形成一个倒档。最后看自动换段机构：它是由图3的轴7、轴8和输出轴9上的多对定轴式换段齿轮Z3～Z12、电磁或液压作动的自动换段执行器r、s、t等组成的。轴9相当于图2中的输出轴II’，其上还装有电磁或液压作动的自动换段执行器(啮合套或离合器等)r、s、t，它们的动作由换段电控单元ECU2来控制(ECU2可与ECU1实施部分信息交换或共享，甚至可将两者制成一体)。r、s两个执行器有左中右三个工作位，处于左或右位时将联接其左或右侧的相应从动齿轮与轴9同轴旋转，处于中位时两侧的从动齿轮将套在轴9上空转；执行器t有中、右两个工作位，处于右位时将联接从动齿轮Z12与轴9同轴旋转，处于中位时从动齿轮Z12空转。

段位总数目和各段速比值分配的确定方法，按电传动分路中电动机工作转速范围(最高、最低转速n_Dmax和n_Dmin)选取或确定的方式不同，可以有所不同，但其基本准则是应能连续平滑或无冲击地实现换段。即当电动机转速n_D往复变化至规定最大值n_Dmax或最小值n_Dmin需换段时，应使输出轴(如本例之轴9)上对应于相关两相邻段的两个从动齿轮(如本例中III换段时的Z8和Z6、或IIIII换段时的Z6和Z12、或IIIIV换段时的Z12和Z4)，恰好能达到转速相等。现通过本实施例对此加以简要说明。

本实施例取电动机工作转速范围±n_D0正比于发动机转速n_e而变化，即n_Dmax＝n_D0＝kn_e，n_Dmin＝-n_D0＝-kn_e，其中k为一比例常数，在本例取为1。这相当于在发动机输出轴和电动机枢轴之间设置了一个“电传动速比”i_De，其变化范围为±k(对本例为±1)。借鉴一般车用变速器确定速比范围的方法，可先确定最低段速比i_I(及倒档速比i_R)和最末段速比i_n：

1)最低段i_I及倒档i_R根据车辆起步及倒车的最大阻力确定。如对应i_I的理论车速v_min为 $v_{\min }=\frac{3600\mathrm{\&eta;}{P}_{\min }}{f_{0\max }\&CenterDot;G},\mathrm{km}/h---\left(1\right)$ 式中：G(N)为整车质量，f_0max为计入了最大坡道阻力的道路总阻力系数，η为传动系总效率，P_min(kW)为发动机和电传动所能提供牵引功率之小者。根据发动机转速n_e、车速v、车轮滚动半径r_d与传动系总速比i_∑之间的下列关系： $i_{\mathrm{\&Sigma;}}=\frac{v}{0.377r_d\&CenterDot;n_e}---\left(2\right)$ 带入v_min求出i_∑后，易得i_I＝i_∑/i₀，其i₀中是传动系的已知固定速比(如主传动速比等)。

2)传动最末段速比i_n的大小也可由理论最高车速v_max决定。设f₀为包括小坡度的良好道路阻力系数，则对应于传动所能提供最大牵引功率P_max(kW)可达到的最高车速v_max为 $v_{\max }=\frac{3600\mathrm{\&eta;}{P}_{\max }}{f_0\&CenterDot;G},\mathrm{km}/h---\left(3\right)$ 带入v_max到(2)式求出i_∑后，同样易得出最末段的理论速比为i_n＝i_∑/i₀。

若当电动机转速达最大、即n_D＝n_D0时，由动力总成输出轴(轴4)到正向汇流轴(轴8)的速比记为i_+max、到反向汇流轴(轴7)的速比记为i_-max；当电动机转速达最小或负的最大、即n_D＝-n_D0时，对应的速比记为i_+min和i_-min；下标+号表通过正向(k2)行星排汇流、-号表通过反向(k1)行星排汇流，下标max、min表电动机转速达最大、最小值。则满足下列式(4)来逐个递推确定II、III、IV…等各中间段齿轮对的速比(齿数比)i_II、i_III、i_IV…，将使“连续平滑或无冲击地实现换段”成为可能，即在换段时刻，输出轴上对应于相关两相邻段的两从动齿轮能恰好转速相等。式中下标m是段位号，例如m＝1指第I工作段，余类推。

i_m·i_+max＝i_m+1·i_-max，    m＝I，III，V…(奇数段)

                                                    (4)

i_m·i_-min＝i_m+1·i_+min，    m＝II，IV，VI…(偶数段)上式适合于象图2这类交替汇流方式之首(第I)段为正向汇流者(即按正向→反向→正向→反向…交替者)；对交替汇流方式之首段为反向汇流者，应对上式稍作如下改动

i_m·i_-min＝i_m+1·i_+min，    m＝I，III，V…(奇数段)

                                                    (4’)

i_m·i_+max＝i_m+1·i_-max，    m＝II，IV，VI…(偶数段)在合理确定i_I、i_n及行星排参数k1、k2等之后，由式(4)或(4’)即可递推确定覆盖i_I～i_n范围所需的段位数目及各段的速比。

设图2所示系统取下列参数：i₅₄＝Z4/Z5＝1，第一行星排的特性参数k₁＝2.94，第二行星排的特性参数k₂＝1+k₁＝3.94，且定i₁＝0.4529。由行星排理论，在系统输出轴9的上游，系统正向汇流(轴4至轴8)的速比可表为i₊＝i₅₄(i_De+k₂)/(1+k₂)，而系统反向汇流(轴4到轴7)的速比则表为i_＝i₅₄(1+k₁-i_De)/k₁。

图3给出在上述参数下i₊＝i₈₄、i_-＝i₇₄随i_De变化的规律。按式(4)得各段速比i_I＝i_II＝0.4529、i_III＝i_IV＝1.3723，即I和II、III和IV段的换段齿轮对可制成互换件，降低成本。系统总速比i₉₄随i_De变化的关系如图4(a)所示；图4(b)则把图4(a)按段位展开，清楚地显示系统总速比随段位近似按满足恒功率特性的双曲线规律连续变化。在上述参数下的系统总速比变化区域为0.2695～2.4745，变速范围R_b≈9.182，足以覆盖一般轿车或轻型车的使用要求范围。此外可根据需要改变i₅₄的值来调整总变速比的覆盖区域，但R_b不变。对本例还可推得，在电传动变速比i_De＝±1范围内，电传动分路所传递功率占系统传递总功率的比例，对正、反向汇流均在20～0～34％内变化。可见采用较小规格(约为总功率1/3)的电传动分路，就能对系统传递的较大功率实施无级调速。这对系统的紧凑化、轻量化及降低对结构强度的要求都十分有利。

若为使电动机局限在更高效的区域工作并使其承担传递的功率所占比例进一步下降，可以适当收窄i_De的规定上下限范围，这时需重新配算i_I～i_IV，R_b也会有所下降。若嫌R_b不够大，增加1～2个段位即可。

实施例2

如图5所示是一例由三个行星排构成的双向汇流排组总成，它可替代图2所示方案中只具有两个行星排者。图5是其联接与传动简图，包括k3、k4和k5三个行星排，其中轴5、6、7、8与图2中的同名者一一对应。经简单分析可知，正向和反向汇流时均有两个行星排同时参与工作：k4和k5两个排构成了复合的正向汇流排，从轴8输出；k3和k4两个排构成了复合的反向汇流排，从轴7输出。这种双向汇流排组总成的主要特点，是能使电传动分路上分担的功率流更小，但汇流排输出端的变速比范围也会小一些，必要时可在换段机构中设置较多的段位来扩大总的变速比范围。其它部分均与实施例1相同。

Claims (2)

1、机械/电动双向汇流的分段连续无级自动变速系统，包括功率分流机构、单向汇流行星排(组)、自动换段机构及电子控制装置，其特征在于：机械/电动功率分流机构、双向汇流行星排组总成和多段位自动换段机构分别设置如下：

(1)机械/电动功率分流机构设置有并联的机械传动分路和电传动分路，其中电传动分路中设置有发电机、电动机、控制器及电路；

(2)双向汇流行星排组总成设置有至少一个正向和一个反向单行星排；

(3)可实现正、反向行星排或行星排组轮流分段工作的多段位自动换段机构，设置有固定速比不同的两个或两个以上定轴齿轮对和一个或一个以上自动换段执行器，该机构的设计满足下列工作条件：

a、能够按各段位固定速比大小的排序依次实施段位往复变化；

b、自动控制换段的段位切换点或换段时刻，选择在电传动分路电动机的转速往复变化至其规定最大值或最小值时；

c、各段位固定速比的分配，须使得在任何相邻两段间进行段位切换的时刻：若换段执行器装在从动轴上，则该两段从动换段齿轮间的转速差趋于零；若换段执行器装在主动轴上，则该两段主动换段齿轮间的转速差趋于零。

2、根据权利要求1所述的机械/电动双向汇流的分段连续无级自动变速系统，其特征在于：双向汇流行星排组总成具有两个备择动力输出轴，且为下列组成方式之一：

(1)由一正向单行星排和一反向单行星排组合而成；

(2)由一正向单行星排和两个及两个以上单行星排组成的反向行星排组合而成；

(3)由两个及两个以上单行星排组成的正向行星排组和一反向单行星排组合而成；

(4)由两个及两个以上单行星排组成的正向行星排组和两个及两个以上单行星排组成的反向行星排组合而成。

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