CN201970996U - 一种纵置全电式机械自动变速器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种纵置全电式机械自动变速器，包括数据和信号采集装置、变速器控制单元、选/换挡装置、离合器执行机构和机械变速器本体；所述的数据和信号采集装置包括变速器输入轴转速传感器、离合器位置传感器、选挡位置传感器、换挡位置传感器，挡位选择器等；所述变速器控制单元的信号输入端接所述的数据和信号采集装置；所述的变速器控制单元的信号输出端接所述的选/换挡装置、离合器执行机构；所述的选/换挡装置、离合器执行机构、输入轴转速传感器和控制单元安装在所述的机械变速器本体上；所述的机械变速器本体为手动纵置变速器。使用本装置，使得汽车变得操作简单，易于驾驶，有利于减少汽车排放，提高车辆的安全性、舒适性和经济性。

Description

一种纵置全电式机械自动变速器

技术领域

本实用新型属于车辆自动变速技术领域，涉及一种纵置全电式机械自动变速器，特别是指一种用于汽车动力源传递动力的变速传动装置，适用于配置手动变速器产品各种车型，也可应用于其他需要以变速方式传递动力的场合。

背景技术

手动变速器（MT）产品、液力自动变速器（AT）产品、机械自动无级变速器（CVT）和机械自动变速器（AMT）都是汽车广泛应用的变速器。

MT产品具有结构简单、传动效率高、工艺技术难度小、制造成本低、维修费用少等优点，但是MT产品使用存在着驾驶员操纵离合器与变速换挡频繁、易造成驾驶员的疲劳；同时，对于非熟练的驾驶员，易造成换挡运行工况不稳定，使汽车启动不平顺、发动机转速变化突然、易对传动系统造成冲击，难以满足人们对汽车运行舒适性的要求。

AT产品和CVT产品实现了汽车自动换挡，但是AT产品结构复杂、传动效率低、工艺技术难度大、制造成本高、维修费用多。CVT产品舒适性较好，具有无级变速功能，但传动效率相对于MT较低，但是和AT产品一样结构复杂、工艺技术难度大、制造成本高、维修费用多。

采用电液式驱动方式是国外有影响的公司开发AMT技术较普遍的思路。八十年代，第一批电控AMT 由AP Borg&Beck 公司推出，其执行机构是由油箱、电动油泵和蓄能器组成的小型液压伺服系统,被Renault 选装在Twingo、Clio 和Megane 车型中；1997 年 Saab 公司推出的Sensonic 系统由步进电机驱动液压缸来控制离合器的分离与接合；此外 Fichtel 和Sachs 、Luk 和Valeo 等欧洲离合器厂商研制摩擦式离合器的电液伺服装置。在我国，吉林工大、上海交大、重庆东方欧翔公司、北京理工大学等的AMT系统也大多采用电液方式。液力驱动机构具有能容量大操作简便易于实现安全保护具有一定的吸振与吸收冲击的能力以及便于空间布置等优点，对于利用高速开关阀控制离合器的系统，其主要缺点就是温度的变化使离合器的执行机构中液压油的粘度发生变化因而使离合器回油管路压力损失发生变化，温度降低阀出口压力增大，回油量减小，离合器的结合速度较慢导致汽车在刚开始起步时加速度较小，而且温度降低到一定的程度之后液压油的流动性大大降低；另外由于受到温度的影响，该系统在北方寒冷地带的使用有一定的限制。其次液压元件对加工的精度要求非常高，特别是高速电磁阀的加工，因而一般的厂家难以加工，所以电磁阀的造价就非常高，而且液压油容易泄漏造成环境的污染。液压式零部件生产制造复杂，成本高，控制不够精确，难以达到机械自动变速器智能控制的要求。随着电子技术的发展，因电机本身的可控性和效率高，能耗小的特点，由电动执行机构代替电液方式已经成为AMT发展的方向之一。

实用新型内容

本实用新型的所要解决的技术问题是提供一种纵置全电式机械自动变速器，该装置能实现根据车辆的各种工况自动切换挡位以及调整离合器的位置，便于驾驶者更好的掌控车辆，提高驾驶的安全性、舒适性和燃油经济性。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案为：

一种纵置全电式机械自动变速器，包括数据和信号采集装置、变速器控制单元、选/换挡装置、离合器执行机构和机械变速器本体；所述的数据和信号采集装置包括变速器输入轴转速传感器、离合器位置传感器、选挡位置传感器、换挡位置传感器、以及用于采集选挡器位置信号、加速踏板信号、制动踏板信号和通过CAN总线接收来自发动机控制单元和ABS控制单元的信号的电路；所述变速器控制单元的信号输入端接所述的数据和信号采集装置；所述的变速器控制单元的信号输出端接所述的选/换挡装置、离合器执行机构；所述的选/换挡装置、离合器执行机构、输入轴转速传感器和控制单元安装在所述的机械变速器本体上；所述的机械变速器本体为手动纵置变速器。

所述的选/换挡装置包括选挡执行机构、换挡执行机构、选换挡球头套，所述选换挡球头套套装在可沿其轴向滑动及径向转动的主轴上，在所述选换挡球头套径向的一侧设有可与变速箱换挡拨叉连接的球头，在其径向的另一侧对称设有一选换挡轨迹槽及一选换挡球头；

所述选挡执行机构包括选挡电机、涡轮、蜗杆、选挡齿轮、选挡齿条、选挡销，所述涡轮、蜗杆相互啮合，在所述蜗杆的一端设有一与选挡齿条啮合的选挡齿轮；所述选挡销一端固装在选挡齿条上，另一端卡装在设于选换挡球头套一侧的选换挡轨迹槽中；

所述换挡执行机构包括换挡电机、连杆、换挡扇形齿轮、换挡主动齿轮，所述换挡主动齿轮与换挡扇形齿轮啮合；所述连杆的一端球接在换挡扇形齿轮上，另一端与设于选换挡球头套一侧的换挡驱动球头球接。

作为改进，所述离合器执行机构的驱动电机为集成有非接触式角位移传感器的直流电机。

所述选挡电机和换挡电机为集成有非接触式角位移传感器的直流电机。

具体的，所述的离合器执行机构，包括动力机构、减速机构、补偿机构、分离摇臂、分离杆，所述动力机构为集成有角位移传感器的直流电机，所述减速机构为一扇形齿轮，所述的动力机构的输出驱动减速机构；所述补偿机构的一端与减速机构的输出球接，另一端球接分离摇臂的一端；所述分离摇臂的另一端接分离杆的一端；所述分离杆的另一端驱动离合器拨叉实现分离与接合。

作为改进，所述减速机构上设置有助力机构；所述助力机构为压缩弹簧，所述压缩弹簧一端球接在减速机构上，另一端连接在壳体上；所述补偿机构包括连杆、外套、补偿弹簧、滚珠、滚珠定位板，所述外套的一端与摇臂的一端连接，另一端为一空心套管，所述补偿弹簧设置在空心套管内，一端与空心套管的底端部接触，另一端连接有滚珠定位板，所述连杆的一端与减速机构的输出连接，另一端设有一锲型块并插装在所述空心套管中，在锲型块、空心套管内壁、滚珠定位板之间设有滚珠。

所述的变速器控制单元和发动机控制单元通过CAN总线通信，向发动机控制单元发送和接收信号；所述的变速器控制单元通过CAN总线与ABS控制单元通信，用于接收车速等信号。

本实用新型的工作原理简述于下：

车辆在行驶过程中，变速器电控单元（TCU）根据传感器实时采集的驾驶员操纵参数信息 (油门踏板、制动踏板、挡位选择器开关等)和车辆的运行状态参数信息（通过CAN总线与发动机ECU通信，了解节气门位置、发动机转速和扭矩等信号，与ABS控制单元通信来判定路面信息和车速），进行综合判断和处理，按照控制器中存储的控制规律，发出控制指令。借助于相应的执行机构(选换挡执行机构、离合器执行机构、发动机电子节气门等)，对车辆的动力传动系统(发动机、离合器、变速器)进行联合操纵，使变速器处在相应的最佳挡位，从而达到车辆的加速或减速的目的。

实用新型的有益效果：

本实用新型为一种纵置全电式机械自动变速器，其克服了现有的MT、AT、CVT和电液式AMT的不足，将现代电子控制技术用于机械变速器和普通的干摩擦离合器，使变速器和离合器操纵自动化，以人机工程学为基础，通过电控操纵机构实现最佳的离合器结合和变速器换挡,具体工作原理是：由变速器控制单元实时采集车速、挡位等信号，再根据这些信号来控制离合器、选挡/换挡机构和发动机，实现汽车的自动换挡；其应用实质是为汽车驾驶员配备一个换挡机械人，适用于配置MT产品的中小型轿车；其操作简单，易于驾驶，有利于提高车辆的安全性、舒适性和燃油经济性。本实用新型适用于配置MT产品各种车型。

与现有的各种变速器相比，纵置全电式机械自动变速器（AMT）既保留了传统有级机械传动系统体积小、效率高、结构简单、成本低、工作可靠、维修简便等优点，又实现了自动操纵,相比其他同类型车辆配置的自动变速器百公里油耗相对较低（其原因是效率高），易于实现产业化，具有较高的性价比，很适宜用作配置MT产品各种车型。

本实用新型体现了电子计算机控制理论、直流电动机驱动技术与机械传动结构设计的完整结合，应用了国际汽车行业电子控制技术的最新成果，综合了多种技术性能先进的机械结构，是机电一体化新产品。AMT产品技术符合我国汽车产业技术发展方向，产品主要性能与国外同类产品一致，目前国内未见同类产品定型应用，技术性能具有国内先进水平，适用于配置MT产品各种车型，产品核心技术具有自主知识产权，产业化发展前景广阔。自动挡汽车在国外汽车行业得到广泛应用，我国汽车行业自主设计开发、大批量生产的技术水平较低，手动换挡汽车仍将占生产总量的较大部分。因此，全电AMT产品市场需求会不断增长，凭借自主知识产权、技术性能、产品价格、售后服务的本土优势，产业化的AMT产品能够在国产汽车市场替代同类产品进口，也能够随着国产汽车打入国外市场实现产品出口，获得长远的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为实用新型的总体结构框图

图2为本实用新型选/换挡装置结构示意图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为图2的选/换挡槽结构示意图；

图5为本实用新型离合器执行机构传动原理图；

图6为本实用新型离合器执行机构传动部分结构示意图；

图7为附图6的A1-A1剖视图；

图8为本实用新型离合器执行机构补偿机构结构示意图；

图9为纵置全电式机械自动变速器结构图；

图10为实用新型电路连接示意图。

标号说明：图中，1--- 涡轮、2---  蜗杆、9--- 选挡齿轮、3--- 选挡齿条、4---选挡销、5---  选换挡球头套、6---  连杆、7---  换挡扇形齿轮，8---换挡主动齿轮、10--- 主轴、11--- 选换挡球头、选挡电机---14、换挡电机--- 15。

图5中：21--- 动力机构、22--- 减速机构、23--- 补偿机构、24---分离摇臂、25--- 分离杆、26---助力机构。

图6、7中：21--- 动力机构、22--- 减速机构、23--- 补偿机构、助力机构--- 26。

图8中：27--- 连杆、28--- 外套、29--- 补偿弹簧、30---- 滚珠、31--- 滚珠定位板、32--- 导向套、24--- 分离摇臂

图9中，35—离合器执行机构、36—变速器控制单元、37—机械变速器本体、38—选/换挡执行机构。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步说明。

实施例1 ：

如图1所示，一种纵置全电式机械自动变速器，其特征在于，包括数据和信号采集装置、变速器控制单元、选/换挡装置、离合器执行机构和机械变速器本体；所述的数据和信号采集装置包括变速器输入轴转速传感器、离合器位置传感器、选挡位置传感器、换挡位置传感器、以及用于采集选挡器位置信号、加速踏板信号、制动踏板信号和通过CAN总线接收来自发动机控制单元和ABS控制单元的发动机转速、车速等信号的电路；所述变速器控制单元的信号输入端接所述的数据和信号采集装置的信号；所述的变速器控制单元的信号输出端驱动所述的选/换挡装置、离合器执行机构，同时通过CAN总线向发动机控制单元发出转速/扭矩请求等信号；所述的选/换挡装置、离合器执行机构、输入轴转速传感器和控制单元安装在所述的机械变速器本体上；所述的机械变速器本体为手动纵置变速器。

图1中，变速器控制单元（TCU）接收变速器输入轴转速传感器的转速信号、选挡器的挡位信号、加速踏板和制动踏板的开关信号，以及离合器执行机构输出的离合器位置信号，选/换挡装置输出选挡位置信号和换挡位置信号，变速器控制单元和发动机控制单元、ABS控制单元之间通过CAN总线来传递发动机转速、扭矩和车速等信号，根据这些信号，TCU判断驾驶员的操纵意图、路面信息和车辆行驶状况，操纵离合器执行机构、选/换挡装置和发动机，以达到机械变速器进行自动换挡的目的。

离合器执行机构、变速器控制单元、机械变速器本体和选换挡执行机构的位置关系如图9所示。

参见图2~4，机械式自动变速器（AMT）的选/换挡装置，包括选挡执行机构、换挡执行机构、选换挡球头套5，所述选换挡球头套5套装在可沿其轴向滑动及径向转动的主轴10上，在所述选换挡球头套5径向的一侧设有可与变速箱换挡拨叉连接的选换挡球头11，在其径向的另一侧对称设有一选换挡轨迹槽12及一选换挡球头13；

所述选挡执行机构包括选挡电机14、涡轮1、蜗杆2、选挡齿轮9、选挡齿条3、选挡销4，所述涡轮1安装在选挡电机主轴14上并与蜗杆2相互啮合，在所述蜗杆2的一端设有一与选挡齿条3啮合的选挡齿轮9；所述选挡销4一端固装在选挡齿条3上，另一端卡装在设于选换挡球头套5一侧的选换挡轨迹槽12中；

所述换挡执行机构包括换挡电机15、连杆6、换挡扇形齿轮7、换挡主动齿轮8，所述换挡主动齿轮8安装在换挡电机15主轴上并与换挡扇形齿轮7啮合； 所述连杆6的一端球接在换挡扇形齿轮7上，另一端与设于选换挡球头套5一侧的换挡驱动球头13球接。

本实用新型中，所述选挡电机14、换挡电机15为集成有非接触式角位移传感器的直流电机。

参见图5、6、7，离合器执行机构包括动力机构21、减速机构22、补偿机构23、分离摇臂24、分离杆25，助力机构26；所述动力机构21为集成有角位移传感器的直流电机，所述减速机构22为一扇形齿轮，所述的动力机构21的输出驱动减速机构22；所述补偿机构23的一端与减速机构22的输出球接，另一端球接分离摇臂24的一端；所述分离摇臂24的另一端接分离杆25的一端；所述分离杆25的另一端驱动离合器拨叉实现分离与接合。

所述减速机构22上设置有助力机构26；所述助力机构26为压缩弹簧，所述压缩弹簧一端球接在减速机构22上，另一端连接在壳体上。

参见图8，所述补偿机构23包括连杆27、外套28、补偿弹簧29、滚珠30、滚珠定位板31，所述外套28的一端与摇臂24的一端连接，另一端为一空心套管34，所述补偿弹簧29设置在空心套管34内，一端与空心套管34的底端部接触，另一端连接有滚珠定位板31，所述连杆27的一端与减速机构22的输出连接，另一端设有一锲型块33并插装在所述空心套管34中，在锲型块33、空心套管34内壁、滚珠定位板31之间设有滚珠30。

所述补偿机构23的连杆27外套装有一导向套32并一体插装在空心套管34中。

参见图1，所述变速器控制单元(TCU)工作过程简述如下：

车辆在行驶过程中，变速器控制单元（TCU）根据传感器实时采集的驾驶员操纵参数信息 (加速踏板、制动踏板、选挡器等)和车辆的运行状态参数信息（通过CAN总线与发动机ECU通信，了解节气门位置、发动机转速和扭矩等信号，与ABS控制单元通信来判定路面信息和车速），进行综合判断和处理，按照控制器中存储的控制规律，发出控制指令。同时，通过设定的规律（如两参数换挡规律等），借助于相应的执行机构(选换挡执行机构、离合器执行机构、发动机电子节气门等)，对车辆的动力传动系统(发动机、离合器、变速器)进行联合操纵，使变速器处在相应的最佳挡位，从而达到车辆的加速或减速的目的。

所述AMT车辆的换挡过程简述如下：

1）车辆起步过程

如图1所示，首先变速器控制单元（TCU）检测车辆状况，判断TCU是否工作正常；接着，TCU接收到换挡信号时，发出PWM控制信号至离合器执行机构电机，通过离合器执行机构，迅速分离离合器；通过离合器位置传感器来判断离合器是否分离彻底，然后TCU发出PWM控制信号至选/换挡装置的选挡电机，使变速器处于相应的选挡位置；当接收到选挡位置传感器信号确认选挡位置到达后，TCU发出PWM控制信号至选/换挡装置的换挡电机，对变速器进行换挡动作，根据换挡电机上的位置传感器来判断当前的挡位位置；最后，TCU根据所检测车辆的负载条件、道路条件、气候条件、车辆磨损状况和驾驶员意图等诸多因素， TCU发出PWM控制信号来控制离合器执行机构电机的转速和位置，并同时通过CAN总线向发动机控制单元(ECU)发出扭矩/转速请求命令（主要是用来降低离合器结合时的车辆冲击和离合器的磨损，提高换挡品质）；通过上述过程来控制离合器的接合量和接合速度，以达到车辆起步的目的。

2）车辆自动升/挡过程

车辆在行驶过程中，变速器控制单元（TCU）根据所检测车辆的负载条件、道路条件、气候条件、车辆磨损状况和驾驶员意图等诸多因素，来判断此时应换入的目标挡位（升挡或降挡）；当换挡条件成立， TCU向离合器执行机构的电机发出PWM控制信号，将离合器分离，再向选/换挡装置的选挡和换挡电机发出PWM控制信号，将目标挡位接合，再向离合器执行机构的电机发出PWM控制信号，并同时通过CAN总线向发动机控制单元(ECU)发出扭矩/转速请求命令，通过上述过程来控制离合器的接合量和接合速度，将离合器接合，完成目标挡位换挡的整个过程。

3）本实用新型操作方式与AT产品一样， 例如选挡器的挡位可设定为： R — 倒挡；N — 空挡；D — 自动前进挡；M — 手动前进挡；+ — 手动升挡；- — 手动降挡。也具备和AT产品同样的功能。其功能简述如下：

1.状态显示：点火开关置于ON位置时，显示窗口用一位数字或一个字母显示挡位,如：1、2、3、4、5、R、N、D、M等，出现故障时用字母显示故障码。

2.自动爬行：汽车起步时，换挡手柄置于D、R或M，解除制动后不踩节气门踏板汽车能够自动行驶。

3.熄火保护：汽车行驶时，换挡手柄置于D、R或M，发动机转速低于设定值后离合器自动分离，发动机转速高于设定值后离合器自动结合。

4.自动升挡：汽车向前行驶时，换挡手柄置于D，随着车速渐降增加，变速器自动按由低到高的顺序变换挡位。

5.自动降挡：向前汽车行驶时，换挡手柄置于D，随着车速逐渐降低，变速器自动按由高到低的顺序变换挡位，最低降至一挡。

6.制动降挡：汽车向前行驶时，换挡手柄置于D，踩制动踏板使车速低于设定值后变速器撤出原有挡位，同时换入适应行驶工况的挡位。

7.手动升挡：汽车向前行驶时，换挡手柄置于M, 变速器处于手动换挡模式，向 + 拨动换挡手柄一次变速器升高一个挡位，连续拨动换挡手柄二次变速器升高二个挡位。

8.手动降挡：汽车向前行驶时，换挡手柄置于M, 变速器处于手动换挡模式，向 - 拨动换挡手柄一次变速器降低一个挡位，连续拨动换挡手柄二次变速器降低二个挡位。若未及时降挡使所在挡位不适于汽车行驶工况，则转为自动降挡。

9.自动调整：离合器执行机构刚性安装好以后，自动调整因零件磨损引起的离合器分离指位置变化，满足TCU控制单元操纵离合器以便换挡。

10.智能控制：传感器实时采集汽车运行参数，电控单元（ECU）据此判定汽车运行工况并优化调整自动操纵系统运行参数。

11. 故障检测：自动变速器操纵系统发生故障时，电控单元自动判别故障类型并编写故障码储存备查，同时在显示窗口显示故障码。

12.该自动变速器的其他扩展功能,如雪地操纵模式、动力型和经济型操纵模式等都在控制软件设计中有技术接口，可设计附加按钮来设定变速器的换挡模式。

Claims (7)

1.一种纵置全电式机械自动变速器，其特征在于，包括数据和信号采集装置、变速器控制单元、选/换挡装置、离合器执行机构和机械变速器本体；所述的数据和信号采集装置包括变速器输入轴转速传感器、离合器位置传感器、选挡位置传感器、换挡位置传感器、以及用于采集选挡器位置信号、加速踏板信号、制动踏板信号和通过CAN总线接收来自发动机控制单元和ABS控制单元的信号的电路；所述变速器控制单元的信号输入端接所述的数据和信号采集装置；所述的变速器控制单元的信号输出端接所述的选/换挡装置、离合器执行机构；所述的选/换挡装置、离合器执行机构、输入轴转速传感器和控制单元安装在所述的机械变速器本体上；所述的机械变速器本体为手动纵置变速器。

2.根据权利要求1所述的纵置全电式机械自动变速器，其特征在于，所述的选/换挡装置包括选挡执行机构、换挡执行机构、选换挡球头套，所述选换挡球头套套装在可沿其轴向滑动及径向转动的主轴上，在所述选换挡球头套径向的一侧设有可与变速箱换挡拨叉连接的球头，在其径向的另一侧对称设有一选换挡轨迹槽及一选换挡球头；

 所述选挡执行机构包括选挡电机、涡轮、蜗杆、选挡齿轮、选挡齿条、选挡销，所述涡轮、蜗杆相互啮合，在所述蜗杆的一端设有一与选挡齿条啮合的选挡齿轮；所述选挡销一端固装在选挡齿条上，另一端卡装在设于选换挡球头套一侧的选换挡轨迹槽中；

所述换挡执行机构包括换挡电机、连杆、换挡扇形齿轮、换挡主动齿轮，所述换挡主动齿轮与换挡扇形齿轮啮合；所述连杆的一端球接在换挡扇形齿轮上，另一端与设于选换挡球头套一侧的换挡驱动球头球接。

3.根据权利要求2所述的纵置全电式机械自动变速器，其特征在于，所述选挡电机和换挡电机为集成有非接触式角位移传感器的直流电机。

4.根据权利要求1所述的纵置全电式机械自动变速器，其特征在于，所述的离合器执行机构，包括动力机构、减速机构、补偿机构、分离摇臂、分离杆，所述动力机构为集成有角位移传感器的直流电机，所述减速机构为一扇形齿轮，所述的动力机构的输出驱动减速机构；所述补偿机构的一端与减速机构的输出球接，另一端球接分离摇臂的一端；所述分离摇臂的另一端接分离杆的一端；所述分离杆的另一端驱动离合器拨叉实现分离与接合。

5.根据权利要求4所述的纵置全电式机械自动变速器，其特征在于，所述减速机构上设置有助力机构；所述助力机构为压缩弹簧，所述压缩弹簧一端接在减速机构上，另一端连接在壳体上；所述补偿机构包括连杆、外套、补偿弹簧、滚珠、滚珠定位板，所述外套的一端与摇臂的一端连接，另一端为一空心套管，所述补偿弹簧设置在空心套管内，一端与空心套管的底端部接触，另一端连接有滚珠定位板，所述连杆的一端与减速机构的输出连接，另一端设有一锲型块并插装在所述空心套管中，在锲型块、空心套管内壁、滚珠定位板之间设有滚珠。

6.根据权利要求4所述的纵置全电式机械自动变速器，其特征在于，所述离合器执行机构的驱动电机为集成有非接触式角位移传感器的直流电机。

7.根据权利要求1所述的全电式机械自动变速器，其特征在于，所述的变速器控制单元和发动机控制单元通过CAN总线通信；所述的变速器控制单元通过CAN总线与ABS控制单元通信。

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