CN201346998Y - 一种由差速器实现汽车同步变速的结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及汽车自动变速换挡的一种装置。一种由差速器实现汽车同步变速的结构，包括发动机(4)、变速器(2)和一个由行星架轴和左半轴、右半轴三根轴构成的差速器(8)，所述差速器(8)的行星架轴和左半轴、右半轴三根轴中的两根分别任意与所述发动机(4)的输出轴及变速器(2)的输入轴连接，另一根轴与可以控制转速的转速控制器(6)连接，由电子控制器(7)对前述部件电连接并控制。本实用新型实现变速器(2)待结合齿轮和变速器(2)输出轴转速同步，可以平稳、顺畅地换挡，取消了离合器部件的动作，具有起步、换挡平顺的特点，传动效率高，没有离合器没有摩擦磨损，提高了发动机工作效率，节能省能。

Description

一种由差速器实现汽车同步变速的结构

(一)技术领域

本实用新型系一种汽车的同步变速换档结构，特别是涉及一种利用差速器以及电动机使手动变速器进行自动同步变速换挡的结构。

(二)背景技术

汽车发动机基本是在一个衡定转速范围内运转的，但是汽车需要在很大的范围改变速度，使其达到增扭减速、变扭变速和空挡、倒车功效，因此必须要有一个变速器，传统手动变速器的结构为，在主动轴和从动轴上分别配置了多组齿轮，在从动轴上配置了相应的活动花键套，由手动拔叉拔至需要的挡位，推动相应花键套移动，使相应的从动齿轮与输出轴花键啮合实现换挡。手动变速器传动系具有体积小、重量轻、结构简单、成本低、传动可靠、传动效率高等优点，因此普遍认为还是传统的手动变速器结构较为经济、可靠、实用。

变速器是有挡位的，即前进数挡，另有倒挡、空挡，各挡由不同齿数的齿轮配合形成不同的转速比和不同的运转方向，汽车在运行中具有较高转速，有级地更换挡位，必须在花键和花键套达到相同的转速时才能换挡，使下一挡待结合齿轮与输出轴转速同步，然后利用花键使齿轮与变速器输出轴结合，平顺地换挡使乘座人舒适，又保护齿轮不损坏花键套和花键。为了达到此目的，在发动机和变速器之间设置了离合器及同步器，即由发动机发出的动力，经离合器的分离和结合，将发动机的输出轴经变速器变速后驱动轮子。离合器一般是由主从动离合片结合传递的，在换档时必须首先踩踏离合器，切断动力，在无动力情况下用手扳动变速器手柄，进入合适的挡次，使相应的花键和花键套相互啮合，再结合离合器，动力再次输出，提供合适的传动比进行行驶。

手动变速器虽然结构简单、成本低，变速可靠，能量损耗小，但是踩踏离合器总是驾驶中的一大难关，初学者不得不化费大量时间精力学习掌握，但是还是时常会出现失误，切断和结合离合器的时机与挂挡的动作配合不好，导致或者发动机熄火，或者挂挡不平稳，造成乘坐人员前仰后翻，而且离合器还有磨损和动力损失，摩擦发热是一种易损易故障件，总之，手动变速对驾驶员劳动强度和操作技巧要求较高，且因为换挡分散驾驶员的精力，所以存在一定安全隐患。

自动变速器能够根据发动机负荷和车速等情况自动变换传动比，自动变速器操纵容易，在车辆拥挤时，可大大提高车辆行驶的安全性及可靠性，因此，目前的汽车是向着自动变速的方向发展。如今的自动变速器技术已有重大发展，但是从整体看自动变速器的传动效率与手动变速器相比仍存在近10％的差距。现有技术的自动变速装置主要包括由行星齿轮组成的自动变速器及变距器，此种结构体积大，机构复杂，重量重，能耗大，变距器发热耗能，制动片摩擦，滑移也是一种能量损失。自动变速器因为传动效率低所以燃油经济性不好。如何在传统的手动变速器基础上实现自动换档变速始终是一个令人关注感兴趣的课题。

CN101204919A公开了一种由发动机和电机分别接入差速器的混合动力型结构，当需要发动机驱动时，由一组离合器和制动器分离切断电动机的输入连接，而当需要电动机驱动时，又分离切断另一组离合器和制动器分离切断发动机的输入连接，提供了一种可以实现发动机和电机混合驱动汽车的机构，该技术利用了差速器的一种特殊的功能予以配置，产生了一种相对简单的混合动力驱动汽车的结构，相对于CN1389358A的结构有很大的提高。但是此技术只是一种汽车动力的配置结构，并未涉及发动机乃至汽车的换挡调速功能，且在此结构中仍然存在离合器部件。

人们关注的手动变速器基础上实现自动换挡变速的问题仍旧没有提及和解决，因此仍然有再完善、再提高解决的必要。

(三)发明内容

本实用新型的目的是结合手动变速器和自动变速器的优点，采用一种不需要离合器的汽车换挡变速机构，提高燃油经济性和换档平顺稳定的效果。

本实用新型的目的由以下技术方案予以解决：

一种由差速器实现汽车同步变速的结构，包括发动机、变速器和一个由行星架轴和左半轴、右半轴三根轴构成的差速器，

所述差速器的行星架轴和左半轴、右半轴三根轴中的两根分别任意与所述发动机的输出轴及变速器的输入轴连接，另一根轴与可以控制转速的转速控制器连接，由电子控制器对前述部件电连接并控制。

差速器由行星架轴和左半轴、右半轴三根轴构成，差速器的结构决定了具有如此特性，即可以由两根轴作为不同的动力输入轴，一根作为动力输出轴，只要锁住一根动力输入轴使其不转，则另一根动力输入轴便会单一地将动力传递输送给一根动力输出轴。由此已经公开的现有技术CN101204919A将发动机和电动机分别作为两个不同的动力输入轴，而动力输出轴传递给汽车的传动系统，如此结构比较简单巧妙地实现了汽车油电混合动力的驱动。

同时，差速器的结构还决定了具有如下另一项特性，即当一个恒定的转速从一根轴输入从另一根轴输出，如果控制第三根轴的转速，则会改变输出轴的转速。根据此特性，本实用新型将发动机作为差速器的输入轴，差速器的输出轴直接连接变速器，由转速控制器控制第三根轴的转速即可控制差速器输出轴的转速，转速控制器根据汽车驱动轮子的转速，调整相应的转速，使得变速器下一挡的转速与驱动轮子的转速相匹配，即可实现变速器内换挡花键平稳地结合换挡，而不再需要离合器将动力脱离再换挡了。摆脱了手动变速器换挡必须依赖离合器预先切断分离动力输出的局面，这将是一个非同小可，在汽车传动系统中一项近乎革命性的改变，再也不存在手动变速器操纵中的油离配合，以及离合器本身结构中的弊端，可以以很简单的结构来实现用手动变速器来对汽车换挡变速。

本实用新型的技术方案与CN101204919A公开技术貌似结构相同，其实实质完全不同，两者均使用了电机，但目的和功效是不同的，已公开技术电机只是一种动力供给源，而本实用新型作为转速控制器所使用的电机是必须可以调速的电机，控制实现最终动力供给变速器的转速变化。其二，本实用新型必不可少的是需要具有现代计算机技术的电子控制器才能实现，由电子控制器来采集相关信息，协调、控制、指令各部件在一定时机采取一定的行动，是一种动态的控制；而已公开技术的所谓控制只是一种开关、切换的功能，甚至用普通的开关也可以实现，是一种静止的控制，即使在没有实用新型电子计算机的时代也可以应用、可以实现。再者，本实用新型不仅可以调速换挡，而且本技术还可以应用到已公开的CN101204919A混合动力的技术方案中，仅须将现有前述公开的油电混合动力结构的电机改为既具备可调整转速，又具有驱动功率的电动机即可，而这样的电动机是很方便取得的。本实用新型专利便成为既能油电混动又能自动调速换挡。且不需要离合器，大大提高了传动效率，充电方式也更为好。综上所述本实用新型与已公开的CN101204919A在本质上是完全不同的两种技术方案。

所述变速器为手动变速器结构。

所述转速控制器为阻尼控制电机或液力可控阻尼元件或电磁可控阻尼元件或制动器。采用阻尼控制电机，既可以调节转速控制汽车变速器的同步换挡又能阻尼发电，采用其它方式可向下调节转速实现变速器同步换挡和阻尼驱动。

进一步，所述转速控制器为同步电机和阻尼电机或与驱动电机和/或启动电机和/或发电机合并为一个电机。在以上的技术方案中，采用不同的电机可以分别达到，或者同时达到平稳换挡、控制转速、充电、驱动汽车用，以上功能的电机可以由一个电机来实现。

进一步，所述转速控制器为同步电机和阻尼电机或与驱动电机和/或启动电机和/或发电机分别由转轴经齿轮、链条或皮带传动方式并联。在实际应用中具有以上功能的电机以并联连接，由电子控制器随需要选择并联中的诸多电机其中何者与差速器连接、工作实现功效。

所述变速器由换挡器推动变速器中的花键移动挡位。变速器移挡动作的结构。

进一步，所述换挡器为电磁推杆或液压推杆式。或由以上两种方式推行换挡器换挡。

进一步，所述换挡器由电子控制器连接控制。由电子控制器采集相关部件、传感器的信息，按程序指令换挡器工作动作。

进一步，所述电子控制器由手动选择挡位。本实用新型还提供了可由手动选择电子控制器换档的挡位进行换挡。

在所述转速控制器和差速器之间设置制动片。当档位在最高挡或固定挡时，或控制轴转速低到一个设定值时，锁死制动片可进一步提高传动效率或者可使用制动装置直接控制阻尼即控制差速器控制轴的转速。根据需要可选择是否采用制动片结构。

在所述变速器的输入轴和输出轴上设置转速传感器。为了实现自动换挡，需要采集由传感器采集的信息。

在各部件之间分别由齿轮、链条或皮带减速机构连接。发动机的高转速须由以上减速机构进行减速传递。

本实用新型的有益效果：

本实用新型将发动机作为差速器的输入轴，差速器的输出轴直接连接变速器，由转速控制器控制第三根轴的转速即可控制差速器输出轴的转速，转速控制器根据汽车驱动轮子的转速，调整相应的转速，实现变速器待结合齿轮和变速器输出轴转速同步的目的，可以平稳、顺畅地换挡。

本实用新型取消了离合器、变矩器部件的动作，具有起步、换档平顺的特点，换档无须离合自动同步传动效率高，没有离合器也就没有摩擦磨损，提高了发动机工作效率，节能省能。并且无离合器踏板，不会因为油离配合不当而熄火产生不必要的麻烦，甚至事故。结合了自动变速器和手动变速器各自的优点，去掉各自的缺点，是一种理想的自动变速装置。

在本实用新型中，必须依靠电子控制器采集相关部件的信息，经与预设程序中数据的比较，再指令转速控制器的转速和相关部件的动作实现了自动平稳换挡调速。一个传统、简单的差速器部件，在现代的电子技术配合下，以及本实用新型巧妙地将它们结合在一起，创造了一个完全新颖的独特结构，产生了一个意想不到的优异效果。

本技术方案结构简单，重量轻，传动效率高、成本低。

(四)附图说明

图1为本实用新型一种由差速器实现汽车同步变速的结构主要工作部件的连接配置示意图。

图中，1是轮子，2是变速器，3是转速传感器，4是发动机，5是制动片，6是转速控制器，7是电子控制器，8是差速器，9是换挡器，10是转速传感器，11是主减速器。

(五)具体实施方法

以下结合附图进一步详细说明本实用新型的结构。

一种由差速器实现汽车同步变速的结构，包括发动机4、变速器2和一个由行星架轴和左半轴、右半轴三根轴构成的差速器8，

所述差速器8的行星架轴和左半轴、右半轴三根轴中的两根分别任意与所述发动机4的输出轴及变速器2的输入轴连接，另一根轴与可以控制转速的转速控制器6连接，由电子控制器7对前述部件电连接并控制。

所述变速器2为手动变速器结构。

所述转速控制器6为阻尼控制电机或液力可控阻尼元件或电磁可控阻尼元件或制动器。

进一步，所述转速控制器6为同步电机和阻尼电机或与驱动电机和/或启动电机和/或发电机合并为一个电机。

进一步，所述转速控制器6为同步电机和阻尼电机或与驱动电机和/或启动电机和/或发电机分别由转轴经齿轮、链条或皮带传动方式并联。

所述变速器2由换挡器9推动变速器2中的花键移动挡位。

进一步，所述换挡器9为电磁推杆或液压推杆式。

进一步，所述换挡器9由电子控制器7连接控制。

进一步，所述电子控制器7由手动选择挡位。本实用新型还提供了可由手动选择电子控制器换挡的挡位进行换挡。

在所述转速控制器6和差速器8之间设置制动片5。

在所述变速器2的输入轴和输出轴上设置转速传感器3、10。

在各部件之间分别由齿轮、链条或皮带减速机构连接。

差速器8的结构主要由行星齿轮轴和左、右半轴组成，差速器允许左、右半轴以不同的转速旋转，在本实用新型的技术方案中，将普通的差速器结构组合应用于主减速器、变速器、转速控制器之间，产生了一个如下完全意想不到的作用和效果，其工作动作过程细述如下：

进档怠速：首先发动引擎，控制电机处于无阻尼或发电状态有相对但较小阻尼，由于差速器的输出轴与驱动轮保持连接所以负担所有车辆起步行驶阻力，因此阻尼相对非常大所以发动机的怠速全部被差速器转移到控制电机上，车辆可自由滑行但无主动的驱动力，发动机保持怠速工况。

自动控制变速：汽车在正常运行和加减速过程中，踩下油门踏板，控制电机阻尼力随发动机4输出功率曲线按一定曲线增加。控制电机的阻尼力大小可以由控制电机直接自励获得并通过控制电阻而改变，也可通过改变它作为发电机的发电量来改变，并通过减速齿轮来增矩，通过得知的控制电机最大阻尼扭矩来设计齿轮比的大小从而得到可以控制差速器8的控制轴的相应力矩对控制轴进行控制，这样可以减小控制电机体积、功率、负担，车速到达一定程度挡位从原来挡切出。

进行换挡同步时可以采用精确计算和模糊对两种方法：

精确计算法：通过变速器2输出端转速传感器10得知变速器2输出轴转速；通过预先在电脑中设定的变速箱2各档齿轮比计算出下一档齿轮要与变速器2输出轴转速同步，变速器2输入轴需要的转速，再通过发动机4现在转速，差速器8内外齿轮比计算出控制电机所需要的转速，并使控制电机到达该转速，使变速器2输入轴达到该同步转速，此时下一挡结合齿轮的转速与变速器2输出轴转速同步，然后结合花键，进入下一挡。

模糊对比法：通过转速传感器3检测变速器输入轴转速并计算出下一挡待结合齿轮转速，通过转速传感器10检测变速器输出轴现在转速，改变控制电机转速，直至转速传感器10检测到变速器输出轴与下一挡待结合齿轮转速相同，并保持。即使变速器输出轴与下一挡待结合齿轮同步，结合花键，进入下一挡。

当挡位在最高挡或固定挡时，或控制轴转速低到一个设定值时，锁死制动片5来进一步提高传动效率或者可使用制动装置直接控制阻尼即控制差速器控制轴的转速。根据需要可选择是否采用制动片结构。

同时，本实用新型在油电混合动力中控制变速的工作方式为，驱动电机把汽车驱动到一定车速时或动力不够时，驱动电机开始阻尼发电，发动机启动，汽车切换成发动机驱动模式，在发动机4驱动模式下控制电机通过发电来产生阻尼力控制驱动力分配并发电，其余与自动档模式下控制方法一样，在电池电力不足无法起步或支持低速运行时，启动方法与自动挡模式一样，阻尼电机发电充电。

此外，本实用新型可作为手动控制变速，与自动挡模式基本一样，只是换挡的时机和选择的挡位不再由电子控制器7自动控制选择，而是由驾驶员通过手动控制开关控制选择。

再者，本实用新型还可在“手自一体化”中控制变速，与自动挡模式基本一样，只是多了选择开关，换挡时机和挡位选择可以由驾驶员通过手动开关来选择是由电子控制器7自动控制选择，还是由驾驶员手动选择。

关于转速控制器的说明：如前所述，本实用新型的转速控制器可以采用对输出轴以机械、电磁、液压方式产生阻尼控制转速，实现本实用新型对汽车驱动速度的改变调整，另外，作为常用的转速控制器可以采用电机，对于电机，根据不同的需要可以选用同步电机和阻尼电机或与驱动电机和/或启动电机和/或发电机，各种不同电机全体或者部分合并为一个电机，或者可以将全体或者部分电机通过转轴经齿轮、链条或皮带传动方式并联整合在一个电机中，总之，以不同的组合可以实现不同的作用：①作为控制电机，用来使变速器换挡同步，无级分配动力到变速器输入轴；②作为发动机的启动电机；③作为直驱电机，不供油，发动机不工作；④作为发电机，在行驶时控制转速电机产生阻尼就发电，换言之，电动机的发电产生了阻尼，发出的电能储存于蓄电池。

关于电子控制器：在使用的自动同步方法即中，通过传感器采集信号、计算。通过改变转速控制器转速达到变速器待结合齿轮和变速器输出轴转速同步，指令换挡器9推动变速器2中的花键移动挡位。

Claims (12)

1.一种由差速器实现汽车同步变速的结构，包括发动机(4)、变速器(2)和一个由行星架轴和左半轴、右半轴三根轴构成的差速器(8)；

其特征在于：

所述差速器(8)的行星架轴和左半轴、右半轴三根轴中的两根分别任意与所述发动机(4)的输出轴及变速器(2)的输入轴连接，另一根轴与可以控制转速的转速控制器(6)连接，由电子控制器(7)对前述部件电连接并控制。

2.根据权利要求1所述汽车同步变速的结构，其特征在于所述变速器(2)为手动变速器结构。

3.根据权利要求1所述汽车同步变速的结构，其特征在于所述转速控制器(6)为阻尼控制电机或液力可控阻尼元件或电磁可控阻尼元件或制动器。

4.根据权利要求1或3所述汽车同步变速的结构，其特征在于所述转速控制器(6)为同步电机和阻尼电机或与驱动电机和/或启动电机和/或发电机合并为一个电机。

5.根据权利要求4所述汽车同步变速的结构，其特征在于所述转速控制器(6)为同步电机和阻尼电机或与驱动电机和/或启动电机和/或发电机分别由转轴经齿轮、链条或皮带传动方式并联。

6.根据权利要求1所述汽车同步变速的结构，其特征在于所述变速器(2)由换挡器(9)推动变速器(2)中的花键移动档位。

7.根据权利要求6所述汽车同步变速的结构，其特征在于所述换挡器(9)为电磁推杆或液压推杆式。

8.根据权利要求7所述汽车同步变速的结构，其特征在于所述换挡器(9)由电子控制器(7)连接控制。

9.根据权利要求1或8所述汽车同步变速的结构，其特征在于所述电子控制器(7)由手动选择挡位。

10.根据权利要求1所述汽车同步变速的结构，其特征在于在所述转速控制器(6)和差速器(8)之间设置制动片(5)。

11.根据权利要求1所述汽车同步变速的结构，其特征在于在所述变速器(2)的输入轴和输出轴上设置转速传感器(3、10)。

12.根据权利要求1所述汽车同步变速的结构，其特征在于在各部件之间分别由齿轮、链条或皮带减速机构连接。

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