CN1313298C - 包括集成在车轮中的变速机构的牵引链 - Google Patents

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Abstract

一种用于汽车的牵引链，包括：轮子支撑件(K)，该支撑件承载着旋转轮毂，该轮毂设计成接纳驱动轮(W)并具有所述驱动轮的旋转轴；旋转的带齿的轮子(3)，该轮子具有与所述驱动轮相同的旋转轴，该带齿的轮子直接与轮毂啮合；包括至少两个齿轮(31和53)的装置，该装置始终与所述带齿的轮子啮合，包括电机(M)，并包括在速比之间具有空档位置的速比变化机构，该机构通过自身由电动减速单元(12)控制的叉形件来控制。该机构包括在输入轴和上述齿轮中一个之间的直接配合，并包括在输入轴和另外一个齿轮之间的至少另一个机械传动路径，其中减速比与直接配合的不同。

Description

包括集成在车轮中的变速机构的牵引链
技术领域
本发明涉及具有电力牵引的汽车。它既涉及纯粹电力机车，也涉及混合型的汽车，特别是混合系列型的汽车。
背景技术
在上面提到一些类型中，这些汽车的驱动轮仅由电机来驱动。在这种情况下，可以想象，把电力牵引电机直接集成在轮子上，而不是安装在汽车底盘上，这样使传输轴就省略了。此外，同样地，电力牵引的一个优点是转矩的恒定特征，该转矩由电机在转速的整个范围内提供。
当然，为了获得上述结构(安装在电力牵引电机上)的所有好处，就需要使轮子和电机组装在一起，这样尽可能地紧凑和轻便。具体地说，需要同样使从电机到轮子的牵引链尽可能地轻便紧凑，由于讨论的部件质量是未确定的，因此这方面就更显得重要了。
已经提到的是，电机可提供相当大的转矩，该转矩在整个转速范围内基本上是恒定的。然而，也已经公知的是，电机的体积实际上与设计输送的转矩成正比。另外，为了给轮子提供尽可能大的转矩，同时具有非常紧凑结构的电力驱动电机，就需要在电机轴和轮子轴之间安装尽可能大的总减速比。
如果在电机轴和轮子轴之间的总减速比增加，则在汽车最大速度的电机速度也增加。此时，由电机承受的机械和电应力随着转速明显地增加。如果上限设定在电机转速上，则就需要在电机和轮子之间提供总减速比的选择。这样，还需要把速比变化机构集成在轮子内，这样既可在轮子上得到较大转矩，也可使汽车获得最大速度。
这就提出了使这种速比变化机构的设计尽可能紧凑的问题，以避免得出这样的解决方案，其中该方案总体上(把电机和速比变化机构放在一起)比直接配合的电机体积又大，且又重，其尺寸设计成可在轮子轴上提供需要的最大转矩，同时提高了最终减速比。还需要设计控制系统，该系统可使从一个速比到另外速比的变化尽可能简单和迅速地发生。需要使从一个速比到另外速比变化的装置在总体上不增加传输链的重量。
发明内容
本发明提供的汽车牵引链包括：
.轮子支撑件，该支撑件承载着旋转轮毂，该轮毂设计成接纳驱动轮并具有所述驱动轮的旋转轴；
.旋转的主齿轮，该轮子具有与所述驱动轮相同的旋转轴，该主齿轮直接与轮毂啮合；
.包括至少两个齿轮的装置，该装置始终与所述带齿轮子啮合，包括用来与电机轴联接的输入轴，并包括在速比之间具有空档位置的变速机构，所述机构包括在输入轴和上述齿轮中一个之间的直接配合，所述机构在输入轴和另外一个齿轮之间包括至少一个另外的机械传动路径，其减速比与直接啮合的不同。
在具体的优选实施例中，本发明提供的速比变化机构包括爪形离合器，该离合器使得能选择一个或另外一个速比。最好是，所述机构根本没有摩擦离合器。换句话说，它只包括强制机械配合的装置。另外并且是最好是，本发明使用无电刷、同步、自动调节型的电机，利用该电机特性，该电机包括转子位置传感器。本发明只利用该电机的转子位置传感器和与速比变化机构关联的传感器组件，来确定上述轮子的转速，并产生需要的所有速比的变化。最好是，该设计最好只包括两个速比。
附图说明
本发明在附图中示出，其中：
图1示出了沿图2中C/C断面的汽车轮剖面图，其中一体形成有本发明的电力牵引链；
图2为图1中A方向的视图；
图3A、3B和3C为示出了机电传输链的局部透视图；
图4A、4B和4C为沿图2中4/4线的剖面图，其中示出了具有两个速比的速比变化机构的主要部件；
图5为机电传输链局部视图；
图6为在变速过程中换档拨叉的位置、牵引电机的速度和牵引电机的转矩随着时间变化的计时图。
具体实施方式
图1和2示出了嵌入有轮胎T的轮子W。该轮子安装成可在轮子支撑件K上旋转，轴XX为其旋转轴。同时还具有一个由外罩2和电力牵引电机M的定子部S所封闭的外壳1。外壳1包括上延伸件10和下延伸件11，其中两个延伸件的末端可相对于车体或底盘连接一个用于轮子W的悬挂系统，。在这里，只示出了汽车的接地系统的被称为未悬挂的部件。
与外罩2和电机M一起，外壳1限定了封闭空间。该封闭空间可容纳着一定量的用来润滑其内机械部件的油。在外壳1内部，有主齿轮3(参见图1和图3)，该轮子3围绕着轴XX旋转，该轴直接与轮子W配合。
图3A示出了与第一齿轮31啮合的主齿轮3。该第一齿轮31与辅助齿轮310同轴并固定到其上，辅助齿轮310的直径比第一齿轮31的直径大。第一齿轮31和辅助齿轮310形成了一个整体的旋转机械部件(参见图4A)。辅助齿轮310与中间齿轮6啮合。中间齿轮6使电机保持在同一方向旋转，而不管速比是多少。
此外，主齿轮3与第二齿轮53啮合。第二齿轮53与齿轮530同轴并固定到其上。齿轮530可由爪形离合器来控制(具体参见图3A和4A)。第二齿轮53和可控制齿轮530形成了单一的整体机械部件。该机械部件包括位于可控制齿轮530附近的不带齿的圆周非啮合区532(参见图4A)。该机械部件还包括光滑中间区531。可由爪形离合器控制的惰轮42嵌入在光滑中间区531中，与第二齿轮53同轴，从而该惰轮42可相对于第二齿轮53随意地旋转。
变速机构包括爪形离合器46，该爪形离合器46使速比可选。在示出的实施例中，爪形离合器46包括与可控制齿轮530和可控制惰轮42的(外)齿啮合的内齿。爪形离合器46既可与可控制惰轮42配合，提供减速比(图3A和4A)，又与可控制齿轮530配合，提供直接的啮合(图3C和4A)，否则，爪形离合器46就可移动到脱离位置，在该位置，内齿与圆周非啮合区532相对，而不与任何齿啮合(图3B和4B)。
此外，爪形离合器46包括外圆周颈状部460和凹坑461(见图5)。可以见到电机M转子的轴A末端(图4)，其中YY为轴A的旋转轴。离合器篮38固定安装到电机M的轴A上。爪形离合器46由离合器篮38对中。叉形件16径向地配合在形成于爪形离合器46上的外圆周颈状部460外面。离合器篮38包括能配合进爪形离合器46的凹坑461中的指状件380。爪形离合器46可轴向相对于离合器篮而滑动，同时可转动地固定在其中。
叉形件16由电动减速单元12来控制。位置探测器21联接到叉形件16上。爪形离合器46具有三个位置：
.爪形离合器46通过可使转速变化的中间齿轮6来移动带齿轮子的位置；爪形离合器46于是与惰轮42联接，从而通过中间齿轮6和辅助齿轮310与第一齿轮31啮合(具体参见图3A和4A)；这就是前述的另外的机械传动路径；
.与辅助齿轮530啮合从而与第二齿轮53啮合的位置(具体参见图3C和4C)；
.图3B和4B所示的中间空档位置。
第一齿轮31和第二齿轮53始终由主齿轮3来驱动。由于它们具有相同的齿，于是均以相同角速度来旋转。当第二齿轮53通过第二辅助齿轮530、爪形离合器46和离合器篮38而与电机M的转子轴A配合时，它就直接与电机M啮合。另一方面，当经由离合器篮38、爪形离合器46、惰轮42、中间齿轮6和辅助齿轮310通过第一齿轮31传输牵引转矩时，在电机M的转子轴A和第一齿轮31之间就存在了减速比，该比与辅助齿轮310上齿数和惰轮42上齿数之间的比R相对应。
再来注意在所述的另外的机械传动路径中，爪形离合器通过中间齿轮6使主齿轮3运动，中间齿轮6可使转速反向。这样，中间齿轮6就使电机保持相同的旋转方向，而不管配合的齿轮如何：直接啮合或另外的机械传动路径。作为变型(图中没有示出)，对于一个速比和其他速比，电机也可在相反旋转方向运行；在这种变型中，在所述的另外的传动路径中，没有中间齿轮来使旋转方向颠倒。
速比导致电力牵引电机的速度实质性发生即时和较大变化。当汽车配有几个驱动轮，每个驱动轮都装有电机和本发明的齿轮箱组件时，变速可至少在汽车同一轴的轮子上同步发生。
图6中所示的计时图示出了操作的顺序。无论是速比变化的方向如何，也不管有关齿轮的顺序如何，速比变化需要消除电机转矩(区1)，把齿轮箱移动到空档位置(区2)，然后把电机转速调整到与未来要选择的速比对应的位置(区3)，从而在电机再次被控制以提供需要的转矩前，与以所述速比进行机械地配合。
图6中计时图还示出了不作为限制的实施例的最优细节。为了方便速比变化，对电机的精心控制可产生较小的速度震荡(区4)，其目的是在下一个速比的配合中有利于爪形离合器的配合。需要注意的是，转矩和速度的变化非常小：区4中示出的转矩变化仅用来使电机M转子抵抗自身惯性而加速；导致的速度变化本身非常小，尤其如此是因为速度的变化会立即被爪形离合器的配合启动所限制(接受功能性清除)。由于附图是纯粹示意性的，区4示出的转矩和速度变化不能与其他区中示出的相比。
最好是，如果驱动条件允许，则电力牵引电机的转矩应控制成恰在脱开一个速比前，且恰好在采取另一个速比后，在轮子上的转矩实质上应相同。如果要朝较大总减速比来移动(从第二减速比到第一减速比变化)，则需要刚好在速比变化进行后，主动地限制电机的转矩。转矩在比率R中实质上减少。朝较小的总减速比移动(从第一到第二变化)，则需要刚好在速比变化进行后，主动地增加电力转矩。转矩在比率R中实质上增加。此时，得到的电机转矩需要限制在值Cmax。如果需要的转矩增加导致比Cmax高的值，则最好在速比变化进行前，适当地把转矩减小到小于或等于Cmax/R值，从而使在速比变化进行后，提供的转矩不超过Cmax。
同样需要注意的是，在齿轮转换到低于总减速比的速比的过程中，当齿轮箱一处于空档位置时，电机必须尽快变化到较低速度。接下来电机必须通过电力制动，这需要能以其他某些方式来吸收电能(例如在电阻或再充电存储元件上的耗散)。
本发明能做到：
.在第一齿轮(高减速比)，从轮子上较大转矩上获益，提供了良好动态性能；
.在第二齿轮(低减速比)，得到汽车的最大设计速度；
.在某些情况下，通过提高启动转矩，设计出带有两个驱动轮的汽车来替代四轮汽车(于是可减少安装的部件，从而减少质量和成本)。
现在我们考虑发明实现的一些具体情况。下面，考虑在四轮汽车内本发明牵引链的使用，但这决不作为限制。假定这种汽车至少具有两个驱动轮，从而具有两个牵引链和两个电力牵引电机，每个电力牵引电机与每个牵引链的输入轴联接。其目的是仅仅通过使用上面提出的传感器来始终实现变换齿轮的操作；这些具体实施例的目的是避免把变速机构下游的轮速传感器掺合进来。
汽车可具有两个或四个驱动轮。汽车的总体控制由称为“CU”的中央计算单元来实现。计算单元使用本领域人员所熟知的任何适当的算法来确定适当时机来实现变速，其中算法与本发明目的无关。计算单元具有一些可供使用的信息：
来自传感器的信息：加速器踏板位置、刹车踏板位置或压力、方向盘位置、气阀位置和内燃机速度(如果汽车带有内燃机的话)；
来自牵引电子仪器的信息：电机速度、当前啮合的速比；这些信息通过CAN总线或类似总线定期更新(例如，每10毫秒)。根据这些信息，计算单元可计算每个轮子的速度。
变速通过单个电子仪器集成来实现，该电子仪器集成控制一个轴上的两个电力牵引电机和在该轴上两个轮子上的变速机构(或者在两个驱动轴的情况中，可以有两个电子仪器集成，每个集成控制着一个轴上的部件)。该电子仪器集成体从CU接收到速比变化命令，并在执行该命令后，回复确认信号。
可以再想起的是，在变化速比阶段中，需要知道要考虑的轮子的速度，同时避免使用在该轮子中的速度传感器。当速比确定后，车轮的速度就通过相应的牵引电机而给出。然而糟糕的是，在速比变化机构处于空档位置时，需要轮子的速度。在该阶段，轮子速度不能从电机速度信息中推导出。
在改变速比的操作顺序中，在移动到空档位置后，采取措施来重新调整牵引电机的旋转速度，调整到当牵引链确定了选择的速比时，与轮子速度相匹配的水平。从而甚至在速比变化阶段也需要知道轮子速度。
当确定了速比后，汽车的速度可通过结合使用下面传感器而得到确定：
.与无电刷同步电机集成一起的位置传感器；
.安装到速比变化装置上的位置传感器(直接配合中或处于减速位置的齿轮箱)。
如上所述类似即时变化，实现速比变化的时间近似为300毫秒。在第一具体实施例的变型中，如果考虑该时间，则在速比变化过程中汽车的速度就认为是常数。在速比变化过程中考虑的汽车速度因此为启动速比变化操作前的最后计算值。为了证明该近似值是可接受的，设想假定有3m/s2的适中加速度(或减速度)的实际速度变化。对于变速进行持续300ms，则发生速度变化量为3*0.3＝0.9m/s或者大约3km/h。很清楚地知道，对于适中的加速度或者减速度来说，该近似值保持有效，并假定考虑速比变化时间。
例如当从第一速比到第二速比变化时，速比变化控制系统实现下面操作：
.核对是否啮合第一齿轮；
.根据“牵引电机速度”和“啮合第一齿轮”数据来计算轮子速度；
.使电机转矩达到零；
.移动到空档位置；
.根据上述计算的轮子速度来重新调整电机速度；
.啮合第二齿轮；
.核对是否啮合第二齿轮；
.恢复电机转矩。
在下面描述的另一个具体的变化实施例中，即使上述“恒定速度”近似值无效，则提出的速比变化控制系统也是成立的。
在具有四个驱动轮的汽车的情况中，在两个轴上的速比变化可及时地偏移：首先在一个轴上速比变化，然后在另外一个轴上速比变化。在第一轴的速比变化过程中，通过计算单元根据牵引电机速度和当前在另一轴上的速比，可计算出由速比变化涉及到的轮子速度，所述另一轴上的轮子从而就起到了所谓“传感器轮子”的作用。通过CAN总线把所述轮子的速度传输到第一轴的控制电子仪器上，在该轴上带有所谓“操纵轮子”的轮子。这样重复着，变化着轴的传感器轮子和操纵轮子的角色。
获取可靠的汽车速度信息是必要的。如果在齿轮速比变化命令发布之前或在速比本身变化的过程中，计算单元探测两个传感器轮子中之一处于非正常状态(锁定或刹车)，则汽车速度信息根据在相同轴上的其他轮子计算出。如果在速比变化命令发出前，承载传感器轮子的轴上的两个轮子均处于非正常状态(锁定或刹车)，则速比变化命令不会发出，直到该状态恢复正常。如果在传感器轮子轴上的两个轮子的非正常状态(锁定或刹车)发生，同时速比变化过程在另外轴上发生，则计算单元以认为可靠的最后计算信息作为“汽车速度”数据发出。另外可能的解决方案如下：使正在进行速比变化的轮子处于空档位置，直到由传感器轮子提供的速度再次可靠。
对于带有两个驱动轮的汽车，在两个轮子的速比变化可及时偏移：例如，首先在左轮有速比变化，接着在右轮进行速比变化。在左轮(操纵轮)的速比变化过程中，汽车速度可通过牵引电子仪器根据牵引电机速度和当前右轮(传感器轮子)中的速比局部地计算出，反之亦然。
在与上述解释的类似方式中，如果在发出速比变化命令前，计算单元探测到传感器轮处于非正常状态(锁定或刹车)时，则该速比变化命令不发送，直到恢复到正常状态。如果传感器轮的非正常状态(锁定或刹车)出现，同时在另外的轮子上发生速比变化过程，则用于汽车速度的数据是可靠的最后计算值。在这里，同样另外可能的解决方案如下：使正在进行速比变化的轮处于空档位置，直到由传感器轮提供的汽车速度再次成为可靠值。
在所有情况中，如果轮子在其速比变化过程中变成锁定状态(紧急刹车)，更具体地说，当齿轮箱处于空档位置时，牵引电机和轮速不再匹配，从而以新的速比啮合。因为轮子与电机没有机械联接，所以这种状态不能被探测；在该系统中可能存在有机械故障的危险。如果速比变化过程在紧急刹车中被阻断，通过刹车压力、通过刹车踏板的减速或通过对纵向加速度的测量而进行自身探测，则这种状态可避免。
综上所述，本发明提出了控制带有至少两个驱动轮的汽车中的速比变化的方法，每个驱动轮带有上面描述的牵引链，其中在两个驱动轮的速比变化可及时偏移：在开始阶段，速比变化发生在称为“操纵”的轮子上，通过牵引电子仪器根据有关牵引电机速度和在另外轮子上即称为“传感器轮”上的当前速比来计算出汽车速度。接着，在随后的阶段，在所述的另外轮子上发生速比变化。对于在两个轴上带有至少四个驱动轮的汽车，在所述开始阶段过程中，至少一个传感器轮位于其中一个轴上，而操纵轮位于另外轴上，而在随后的阶段，“传感器”轮和“操纵”轮位置颠倒。

Claims (16)

1.一种汽车的牵引链，其特征在于它包括：
·轮子支撑件(K)，该支撑件承载着旋转轮毂，该轮毂设计成接纳驱动轮(W)并具有所述驱动轮的旋转轴；
·旋转的主齿轮(3)，该轮子具有与所述驱动轮相同的旋转轴，该主齿轮直接与轮毂啮合；
·包括至少两个齿轮(31和53)的装置，该装置始终与所述主齿轮啮合，包括用来与电机轴联接的输入轴，并包括在速比之间具有空档位置的速比变化机构，所述机构包括在输入轴和所述两个齿轮中的一个之间的直接配合，所述机构还包括在输入轴和所述两个齿轮中的另一个之间的至少另一个机械传动路径，其中减速比与直接配合的不同。
2.根据权利要求1所述的牵引链，其特征在于，速比变化机构包括爪形离合器(46)，该离合器使一个或另外一个速比可选。
3.根据权利要求1所述的牵引链，其特征在于，在所述另一个机械传动路径中，爪形离合器(46)通过可使转速颠倒的中间齿轮来使主齿轮运动。
4.根据权利要求1所述的牵引链，其特征在于，在所述另一个机械传动路径中，爪形离合器(46)可在没有任何中间齿轮的情况下直接使主齿轮运动。
5.根据权利要求1所述的牵引链，其特征在于，它没有摩擦离合器。
6.根据权利要求1所述的牵引链，其特征在于，它只有两个速比。
7.根据权利要求1所述的牵引链，其特征在于，它包括电机(M)，所述电机为同步、自身调节型的电机，该电机包括至少一个用于控制电机的集成的转子位置传感器。
8.根据权利要求7所述的牵引链，其特征在于，用于确定轮子转速的仅有的传感器为所述集成在电机内的位置传感器和与速比变化机构关联的传感器集合体。
9.控制汽车内速比变化的方法，其中该汽车具有至少两个驱动轮，每个驱动轮配有权利要求7或8所述的牵引链，其特征在于：在两个驱动轮上速比变化可及时得到偏移：在开始阶段，速比变化发生在被称为“操纵”轮的轮子上，根据有关牵引电机速度和当前在另外被称为“传感器轮子”的轮子上配合的速比，汽车速度可通过牵引电子仪器计算出，然后在随后的阶段中，速比变化发生在所述另外轮子上。
10.根据权利要求9所述的控制速比变化的方法，用于在两个轴上具有至少四个驱动轮的汽车，其特征在于：在开始阶段，至少一个传感器轮子位于一个轴上，而操纵轮子位于另一轴上，并且，在随后阶段，“传感器”和“操纵”轮子的位置颠倒。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于：速比变化过程在刹车比预定阈值更猛烈时发生阻断。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：在速比变化过程中，探测传感器轮子的锁定或刹车，并且，，采用被认为可靠的计算出的最后值作为“汽车速度”信息。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：在速比变化过程中，传感器轮子的锁定或刹车被探测，同时操纵轮子保持在空档位置，直到传感器轮子速度返回到可靠值。
14.根据权利要求10所述的方法，该方法在一个轴上采用两个传感器轮子，其特征在于：在速比变化过程中，探测一个传感器轮子的锁定或刹车，根据在传感器轴上另外轮子来计算出速度信息。
15.根据权利要求10所述的方法，该方法在一个轴上采用两个传感器轮子，其特征在于：在速比变化过程中，探测两个传感器轮子的锁定或刹车，并且，采用被认为可靠的计算出的最后值作为“汽车速度”信息。
16.根据权利要求10所述的方法，该方法在一个轴上采用两个传感器轮子，其特征在于：在速比变化过程中，探测两个传感器轮子的锁定或刹车，同时操纵轮子保持在空档位置，直到传感器轮子速度返回到可靠值。
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