CN113217557B - 一种摩擦结合同步锁定的离心永磁自动离合器 - Google Patents

Abstract

一种摩擦结合同步锁定的离心永磁自动离合器,包括A端，B端，以及离合机构，A端为主动端，B端为从动端，离合机构位于二者之间，与主动端连接，离合机构包括离心块，摩擦片，分离弹簧，缓冲部件，强磁储力组件，特别是具有一套同步锁定机构。本发明实现了柔性摩擦结合，刚性棘轮传动，离心自动离合，转速同步锁定的多种技术组合，具有结合转速高，分离转速低，离合转换快，转换无冲击，结合不打滑，传动不中断的优点，并且结构简单，可靠耐用，制造使用维护成本低。尤其适用于电动车驱动系统的2挡变速器。

Description

一种摩擦结合同步锁定的离心永磁自动离合器

技术领域

本发明涉及一种自动离合器，尤其是用于电动车用变速系统中自动转换传动路线的离合装置。

背景技术

单纯机械式的自动离合器是组成复杂传动系统的基础部件，它能依据力值，速度，位置等机械参数自动实现结合或断开，从而改变传动路线或机械系统的工作状态，实现动力和负载之间的匹配，其作用类似于电气系统的机械开关或电气开关部件。常见车辆用的自动变速箱就包含有多个它控或自控的离合器。用于车辆的自动离合器要求足够的功率容量，合适的转换时间，甚低的动力损耗，状态确切稳定抗扰动，结构简单可靠耐用，制造使用维护成本低。

发明内容

由于客观上这些要求是相互制约的，现有技术未能很好的满足这些要求。由于电动车的迅速发展的需要，许多集合了永磁同步电机和2档机械变速器的驱动总成被设计出来，其中用于实现变档的方法主要借鉴于汽车技术，如MT（同步器+齿形离合器+脚踏摩擦离合器）、AT（行星机构+离合器+超越离合器+伺服器+液力变矩器）、DCT（双离合器+伺服器+齿形离合器），CVT（离心离合器+楔形带连续可变传动），这些技术比较成熟。但是，现有技术或架构复杂、或制作不易，导致成本很高。另有较为简单离心自动离合器，曾用于摩托车2档变速，如本田铃木雅马哈的50 两档自动变速助力车，它们在2000转/分时自动结合，但直到3000转/分以上才能获得大于阻力矩的足够的摩擦力，如果工况落于此间转速必然打滑，传动效率是很低的。由于小排量摩托车速度范围不宽，发动机有效转速通常在3000转/分以上，问题不算突出。排量大一点的摩托车则基本未见使用这种自动变速器。现有离心摩擦离合器的不足限制了它的应用，特别是在电动车辆上的使用。

附图6说明普通离心离合器在n1转速结合，但摩擦力很小，只有转速提高到n2时，摩擦扭矩才能达到电机输出扭矩T1，在n1至n2-i之间打滑，损失的能量等于S的面积对时间的积分。

附图6还说明了已公开的专利申请2018116166132《一种转速和力矩双参数控制的永磁离心离合器》的不足。其技术方案用磁铁储能机构和力矩复位机构实现了双稳态开关特性，在n2-i转速结合，利用储存的能力保持结合，避开了离心摩擦式自动离合器由于结合或脱开过程较长而存在的一个打滑的转速区间S，减少了能量和零件的损耗。但这个方案仍有不足之处，在于离心离合器摩擦力正比于转速的平方，摩擦力随速度降低衰减很快，而电动机的扭矩特性是速度越低扭矩越大，在转速nx摩擦扭矩将不满足电机输出扭矩需要，从而限制了往低速端的变速范围。

而宽广而连续的变速能力是电动车驱动系统追求的目标。为此有必要改进现有设计，进一步提出一种在低速时能锁定结合状态防止打滑，能充分利用电机高效转速区间（n0～np，图6）的离心永磁自动离合器设计方案，解决低速时结合力不足的问题。

本发明的目的是设计一种自动离合器，继承离心摩擦离合器结构简单，自动柔和的优点，但结合转速n2和分离转速n1包含更宽变速范围，更宽高效区间，参见图6。同样完全覆盖过渡区间，转换时间短，状态稳定，不怕扰动，可靠耐用，制造简单，使用维护成本低。

发明内容

一种摩擦结合同步锁定的离心永磁自动离合器,包括A端，B端，以及离合机构；A端为主动端，连接到动力源，具有底板部和连接部；B端为从动端，输出动力，具有摩擦部和连接部，主动端在内，从动端在外，离合机构位于二者之间，与主动端连接；离合机构包括离心块，摩擦片，分离弹簧，缓冲部件，强磁储力组件，特别是具有一套同步锁定机构。

上述同步锁定机构主要由棘轮、棘齿、弹簧以及限位钉组成，还可增加调整机构。棘轮与B端固定连接，棘齿与离心块连接随离心块径向移动。棘齿包括齿部、转动部和重心部，棘齿可以转动部为中心摆动有限角度，限位钉位于棘齿附近，可限制棘齿摆动角度，弹簧作用力使齿部转向棘轮一边，棘齿重心部用于感受转速和产生使齿部远离棘轮齿部的动作。棘齿对棘轮发生锁定或释放动作时刻的A端转速为锁定机构的特征转速，特征转速可由设计确定，还可设置调整机构进行微调。离合器结合状态锁定后，摩擦传动变为刚性传动。

上所述离心块是关于离合器中心对称配置于A端底板部，离心块中间有一个槽，底板上有销子，缓冲体位于槽中固定在销子上，离心块可在缓冲体上径向移动，摩擦片同离心块相连，分离弹簧与摩擦片或离心块相连，分离弹簧作用力方向应使得摩擦片向内收拢，使之与B端摩擦部分离不接触，缓冲部件位于离心块与传动件之间，用于缓冲离心块运动时的冲击。

优选的分离弹簧是拉簧，端部用螺栓旋入，旋入多少可起到微调弹簧力的作用，分离弹簧工作力值影响离合器分离转速。

所述强磁储力组件包括磁铁、极靴，用螺钉固定于A端底板部，极靴和离心块为导磁材料制成，强磁储力组件吸引离心块，使离心块与极靴的间隙δ趋于零，静态时最大吸引力Fmax大于A端和B转速同步时传递扭矩所需的摩擦压力N。Fmax和分离弹簧共同影响离合器结合转速。

所述锁定机构锁定时的特征转速应设计在离合器结合时A端与B端转速之间，因为离合器结合过程本生就是两端从转速不同到转速同步的过程，实际同步转速与离合器两端所连机构惯性大小和工况有关。

适宜的特征转速可使棘齿和棘轮无冲击啮合。简单地设置调节片于棘齿的重心部，改变调节片的位置可改变锁定机构的特征转速。

所述锁定机构的解锁转速为离合器分离转速，在此转速下，驱动机即将脱离高效运行区间，应及时断开传动或切换到低速传动档位。此转速下离心力≤分离弹簧回位力，分离时离心块收拢带动棘齿脱离棘轮。

进一步，将其用于电驱动变速箱时，还可设置一个转速传感器检测从动端转速，通过和主动端动力电机转速信号比较获得信息，改变电流，主动减速并监测是否同步，在同步后提高驱动电流实现加速。

本发明技术方案使用了柔性摩擦结合，刚性棘轮传动，离心自动离合，转速同步锁定的多种技术组合，具有加速过程自动快速结合，同步锁定结合状态，离合转换无冲击，结合后不打滑，减速时自动脱开，离合转换快，传动不中断的优点；并且结合转速高，分离转速低，变速范围大，可覆盖电机高效区间；还有结构简单，可靠耐用，制造使用维护成本低。尤其适用于电动车驱动系统的2挡变速器。

附图说明

图1，本发明的离心永磁自动离合器一个实施例的剖视图，离合器结合前。

图2，本发明的离心永磁自动离合器一个实施例的正视图，离合器结合锁定后状态，分离弹簧拉长，间隙δ较大，棘齿与棘轮啮合。

图3，本发明的离心永磁自动离合器一个实施例的正视图，离合器分离回位后状态，分离弹簧缩短，离心块收回，与磁极间隙δ为零，棘齿与棘轮脱离，棘齿被缓冲体5限位。

图1～2中标号：1 A端 ，1.1连接部A，1.2底板部，2 B端，2.1摩擦部，2.2连接部B，3强磁储力组件，3.1极靴，3.2磁铁，4螺钉， 5缓冲体，6销子，7缓冲腔， 8棘轮， 9 限位钉a，10棘齿， 11齿部，12转动部 13重心部，13.1调整片，13.2调整螺钉，14限位钉b，15弹簧，16螺栓，17分离弹簧，18离心块，19摩擦片。

图4，本发明用于电驱动2挡变速传动的技术方案。图例中标号： 20驱动电机，21主动轴，21a低速档主动齿，22离合器总成， 23速度传感器， 24高速档主动齿，25高速档从动齿，26低速档从动齿，27单向器轴承，28中间轴，28a中间轴齿部，29盘齿，30差速器。

图5，离合器工作过程的特性图。

图6是用于2档变速传动系统时，本发明的离合器特性同现有技术的特性比较。图中虚实线为电机的转速-扭矩特性，点画线C1为离心力贡献的结合扭矩曲线，双点划线C2为加上磁力转换后的结合扭矩曲线，E为同步锁定转速，位于n2-i和nx之间，实线C3为锁定后刚性转动曲线段，同电机扭矩曲线重合。简单摩擦离合器在转速n1开始结合，在n2-i才完成结合可满足电机扭矩值T1，彻底分离转速也是n1，n1～n2-i转速区间结合力矩小于电机力矩，发生打滑，产生功率损耗S；现有技术2018116166132在n2-i结合，结合时扭矩为T3，分离时转速为nx，扭矩为T2不打滑，变速范围较小；本发明结合时转速为n2-i扭矩为T3，分离时转速为n1，扭矩为T3，同步后为刚性传动，结合力矩始终大于等于电机扭矩，无打滑，比现有技术可获得更宽的变速范围。

具体实施例

本例为本发明具体构成的方式之一，用于对本发明进一步说明，参见图2。本例A端为主动端，连接动力输入端，B端为从动端，连接到负载端。本例在A端和B端之间对称设置了两组离合机构。也可以设置3组或更多。

A端由1.2底板和1.1连接部A组成，底板上有销子6，缓冲部件是一缓冲体5，缓冲体5与销子6相连，缓冲体用弹性阻尼材料制成。离心块18上设有滑槽7，与缓冲体配合，可径向移动，同时传递扭矩。离心块外圆弧面与摩察片19连接。分离弹簧17是拉簧，用连接螺栓16连接于两组离心块之间，连接螺栓可以调节弹簧特性，微调弹簧拉力K，影响离合转速， 弹簧拉力K主要决定分离转速n1。

强磁储力组件3位于离心块6之间，强磁储力组件包括强磁体3.2和极靴3.1，极靴分为N极和S极各一片，磁铁3.2位于N磁极和S磁极之间，螺钉4将强磁储力组件连接到A端的底板1.2上。磁极与离心块端面配合并吸引离心块B，吸合时间隙为零。磁极和离心块用具有良好的导磁性能的材料制成。磁性储能机构将结合转速提高到n2，n2>n1，仅当离心块的离心力大于复位弹簧拉力加上磁性拉力之和时，离心块才能向外移动，离合器实现结合。离合转速的设计公式如下：

n2=(（K+M)/（0.105m*r）)^0.5

n1=(K/（0.105m*r）)^0.5

M=（B/5000）^2*S

K=-k* x

其中： n2是结合转速，n1是分离转速，K是弹簧拉力，M是强磁储力组件的磁性拉力；m是离心组件的质量，r是离心组件的等效质心半径， B是气隙磁通密度，单位Gs，S是气隙面积单，位是cm^2；k是弹簧刚度，力的单位是牛顿（N），扭矩单位是牛顿米（Nm），n是转速，单位是（转/分）。

离合器复位状态如图3，弹簧预加张力作用值K等于分离转速n1时的离心力F1；弹簧和磁力的合力等于（K+Fm）决定结合转速n2。只要转速小于n2，则离心力F2＜（K+Fm），离心组件收拢，磁极7与离心块之间气隙δ为零，气隙磁密B最大，Fm最大，摩擦片5与B端内圆面不接触，离合器处于脱开状态。

状态锁定机构的特征转速为n3，设定n3＜n2且n3＞n1。设传动比为i，i＞1，为减速从动。

以下说明离合过程，参见图5和图6。

传动开始：A端转速是B端的i倍 ，转速比为i，例如i=2。如果A端转速升高，离心力增大，当A端转速升高并在t1时刻达到n3时，棘齿重心部13所受离心力产生的转矩大于弹簧15的转矩，棘齿10受到逆时针转矩将停靠到限位钉a处，这样设计是为了保证下一步结合过程中离心块外移时棘齿的齿部接触不到棘轮8。

离合器结合：当A端转速继续升高并在t2时刻使A端达到结合转速n2时，离心力F2大于弹簧拉力K和磁力Fm之和（K+Fm），离心块18包括摩擦片19向外移动，由于移动距离Δx小，可忽略弹簧力的增加值，但磁力变化非常大，几乎减小到零，摩擦压力值N=K+M。

离合器同步：离合器结合后，A端和B端将很快在t3时刻同步。同步转速高于结合前B端的转速且低于结合前A端的转速（近似认为离合器系统总能量没变），同步后，传动比变为1，离合器将处于稳定结合状态，转动件B可直达输入端最高转速（如t4时刻）。

离合器锁定：因为状态锁定机构的特征转速n3＜n2，同步过程中或同步运行过程中只要转速低于n3，弹簧15的力大于离心力，棘齿将在同步状态下顺时针转动，齿部离开限位钉a进入棘轮齿中，锁定后的同步转速范围为n1到最高转速，这也是动力（比如电动机）高效工作范围。由于离合器由摩擦传动变为棘轮+棘齿的刚性传动，即使摩擦力继续减小也不会打滑。

离合器分离：当负载进一步加重，转速在t5时刻下降到n1以下时，离心力将小于分离弹簧17的拉力，弹簧力使离心块收缩回位，摩擦片与摩擦部2.1脱离，由于离心块回位将带动棘齿脱离棘轮，导致离合器完全脱开，动力传递中断，改由其它路线减速传动，以获得大的扭矩。传动路径切换为低速档后，传动比变为i ，A端端的驱动机（电机）工作点将提高，重新回到效率较高的运行区间。

图3给出了为这种自锁离合器用于2档变速器的一个实例，用于电动车变速驱动。驱动电机20同主动轴21相连，主动轴上有花键部21a和齿部21b，花键部同离合器A端的连接部1.1的内花键耦合，齿部同低速挡从动齿26相啮合，低速挡从动齿通过单向器轴承27同中间轴28相连，中间轴有齿部28a与差速器上的齿盘29啮合输出低速扭矩；离合器的B端的连接部设有齿轮部即高速档主动齿24，它与高速挡从动齿25啮合，25同中间轴28固定连接输出高速动力， 23速度传感器，用于检测B端的转速，以便将转速电信号同电机转速信号进行计算、比较和处理，用于系统控制。

车辆起步和低速时需要大的扭矩，离合器不结合，动力传动路线为：20电机→21主动轴→26低速档从动齿→27单向器轴承→28中间轴，→29盘齿→30差速器。低速挡传动比大，输出扭矩大。

起步后，阻力扭矩减小，电机转速速度上升，当达到或超过升档转速n2时，离合器22开始结合，同时依据传感器23的信号可主动让电机减速，使A端转速向B端迅速接近，由于电机转子惯量相对于车辆惯量小很多，据动量定理可以认为B端端转速变化不大，A端端速度便下降到接近B端的转速了，于是A、B很快同步，棘齿与棘轮啮合，动力传动路线切换为主动轴→离合器22→高速档主动齿24→高速档从动齿25→中间轴28→中间轴齿部28a→，29盘齿→30差速器，高速挡传动比小，输出高速。

由于齿轮26转速低于中间轴28的转速，超越离合器不满足偶合条件，于是解偶，26以低于28的速度空转。此后车辆将锁定高速挡运行。如前所述，如果负重爬坡，车辆减速，离合器将在电机即将脱离高效运行区间时分离，变为低速挡运行，电机回到高速区间。

Claims (7)

1.一种摩擦结合同步锁定的离心永磁自动离合器,包括传动件A，传动件B，以及离合机构，传动件A与动力输入端相连，所述的传动件B与动力输出端相连，离合机构同传动件（A，B）之一相连，并同步转动；

离合机构包括离心块，摩擦片，分离弹簧，强磁储力组件、缓冲部件，其特征在于还有一个同步锁定机构；

所述同步锁定机构由棘轮、棘齿、弹簧以及限位钉各零件组成，棘轮与传动件之一固定连接，棘齿与离心块连接，棘齿包括齿部、转动部和重心部，以转动部为中心，棘齿可摆动有限角度，限位钉位于棘齿附近，可限制棘齿摆动角度，弹簧作用力使齿部转向棘轮一边，棘齿重心部用于感受转速和产生使齿部远离棘轮齿部的动作，棘齿锁定或释放棘轮时离心块的转速为锁定机构的特征转速，特征转速可调整。

2.如权利要求1所述一种摩擦结合同步锁定的离心永磁自动离合器, 其特征在于所述离心块是关于离合器中心对称配置于A端底板部，底板上有销子，缓冲体位于槽中固定在销子上，离心块中间有一个槽，与缓冲体相嵌，离心块可在缓冲体上径向移动，缓冲体用于缓冲离心块运动时的冲击；摩擦片同离心块相连，分离弹簧与摩擦片或离心块相连，分离弹簧作用力方向应使得摩擦片向内收拢，与B端摩擦部分离不接触。

3.如权利要求1所述一种摩擦结合同步锁定的离心永磁自动离合器, 其特征在于所述强磁储力组件包括磁铁、极靴，用螺钉固定于A端底板部，极靴和离心块为导磁材料制成，强磁储力组件吸引离心块，使离心块与极靴的间隙δ趋于零，静态时最大吸引力Fmax大于A端和B转速同步时传递扭矩所需的摩擦压力N，Fmax和分离弹簧共同影响离合器结合转速。

4.如权利要求1所述一种摩擦结合同步锁定的离心永磁自动离合器, 其特征在于所述同步锁定机构的特征转速设计在离合器结合时A端与B端转速值之间，同步转速低于结合时离合器A端转速且高于B端转速，实际同步转速值与离合器两端所连机构的惯性大小和工况有关，设置调节机构精确调整特征转速可使棘齿和棘轮无冲击啮合且传动不间断。

5.如权利要求1所述一种摩擦结合同步锁定的离心永磁自动离合器, 其特征在于特征转速的调节机构包括调节片和固定螺钉，位于棘齿的重心部，改变调节片的位置可改变锁定机构的特征转速。

6.如权利要求1所述一种摩擦结合同步锁定的离心永磁自动离合器, 其特征在于所述锁定机构的解锁条件设定为充分低于同步转速的一个转速，在此转速下，驱动机即将脱离高效运行区间，应及时切换到低速传动档位；此转速为离合器分离转速，此转速下离心力≤分离弹簧回位力，分离时离心块收拢同时带动棘齿脱离棘轮。

7.如权利要求1所述一种摩擦结合同步锁定的离心永磁自动离合器, 其特征在于将其用于电驱动变速箱时，设置一个转速传感器检测B端转速，与A端所连动力电机的转速信号进行处理，控制电流变化，主动减速并监测是否同步，在同步后转速的基础上进一步实施超越加速，获得更佳效果。

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