一种汽车动力系统主动调速换挡机构及方法与流程

1.本发明属于汽车动力系统换挡控制技术领域，具体涉及一种在汽车无离合换挡过程中的主动调速同步换挡系统及换挡方法。


背景技术：

2.采用离合器进行换挡的混合动力汽车，在低速状态下，离合器使发动机分离，采用电动机驱动车辆；在高速状态时，离合器使发动机与电动机耦合，发动机依靠离合器的摩擦力与车辆速度匹配一致，完成换挡。此过程不但增加了换挡时间，使动力中断时间长；而且离合器的液压控制系统，存在密封等可靠性问题，成本相对较高。
3.目前同步器结构在燃油汽车、混合动力汽车以及纯电汽车变速器领域内都是不可或缺的重要一环，承载着动力输入与输出的任务，实现汽车不同挡位、不同驾驶模式的顺利切换，其换挡平顺性和换挡时间的好坏直接影响到驾驶体验，甚至会对变速器可靠性以及寿命产生不可逆的影响。同步器换挡虽然简便且成本低，但是其内部的冲击力较大且调教较困难，严重影响同步器以及变速箱的可靠性。


技术实现要素：

4.针对现有技术所存在的上述不足，本发明目的是提供一种新的汽车动力系统无离合同步换挡技术，完全用同步环结构来完成动力的耦合和换挡过程。一方面使变速箱的成本大大降低、空间减小、可搭载性增强、制作工艺得以简化；另一方面为同步器系统提供一套高效、可靠的传动方案，提高汽车的动力性、经济性和舒适性。
5.一种汽车动力系统主动调速换挡机构，包括：
6.控制器，所述控制器收集车辆及路面信息、预判驾驶者换挡意图、判断换挡需求以及调节电机转速或扭矩，
7.执行机构，包括驱动电机、丝杠、第一换挡毂、螺母座、拨叉，所述驱动电机给丝杠提供转速或扭矩，螺母座内部可拆卸地安装有第一换挡毂，所述第一换挡毂设置有螺旋状沟槽与丝杠配合；第一换挡毂在丝杠转动下前后移动，所述螺母座带动拨叉移动；所述拔叉为叉状，上部与螺母座连接，下方叉部活动连接有齿套；
8.主动调速机构，包括驱动电机、丝杠、第二换挡毂、轴承、带轮，所述带轮一侧中心安装有轴承，带轮另一侧与第二换挡毂可联接与断开；丝杠可驱动第二换挡毂前后移动，带轮与结合齿之间通过部件传动，
9.第一换挡毂、第二换挡毂内设置有工作行程、空行程。
10.动作机构，包括齿套、齿毂、同步环、结合齿，所述齿毂安装在齿套内侧，同步环位于齿套、结合齿之间。
11.进一步地，所述丝杠包括独立的两段，第一段与第一换挡毂连接，第二段与第二换挡毂，两段之间安装有减速保护器。
12.进一步地，还包括导杆，所述导杆固定，导杆插接于所述拨叉，拔叉可沿导杆水平
前后移动。
13.进一步地，所述齿套外圈侧面设置有卡接沟槽，所述拨叉的叉部内侧设置有弧形凸起，所述弧形凸起嵌入所述卡接沟槽。
14.进一步地，所述螺母座与第一换挡毂过盈配合。
15.进一步地，所述第二换挡毂设置有外花键结构，所述带轮设置有内花键结构，第二换挡毂与带轮内部配合。
16.相应地，本发明提供一种汽车动力系统无离合同步换挡方法，包括以下步骤：
17.s1.获取换挡需求，
18.控制器收集发动机当前车速、车辆状态、路况、交通规则、外界环境、发动机转速，判断当前行驶档位是否适合，不适合时，发出加挡或减档需求；
19.s2.预同步换挡，
20.执行机构动作，控制器电机输出扭矩，驱动电机带动丝杠转动，此时第一换挡毂为工作行程，第二换挡毂为空行程，第一换挡毂带动螺母座、拨叉及齿套横向移动；第二换挡毂为空行程不工作，当齿套移动一定距离并与同步环结合时，同步器进入预同步阶段，
21.s3.主动调速，
22.在同步环的摩擦作用下，结合齿转速缓慢靠近齿毂转速，此时驱动电机继续给予扭矩，带动丝杠继续转动，此时第一换挡毂为空行程，第二换挡毂为工作行程，所述第二换挡毂在丝杠的推进作用下成功与带轮内径的内花键结合，第二换挡毂与带轮联接工作，从而顺利传递电机输出的扭矩至带轮，进而对结合齿调速，结合齿在电机输出的扭矩的作用下其转速实现快速突变，直至临近齿毂转速，
23.s4.换挡完成，
24.电机继续输出扭矩，驱动电机带动丝杠转动，此时第一换挡毂为工作行程，第二换挡毂为工作行程，第二换挡毂为与带轮联接，第一换挡毂在丝杠的作用下推动螺母座继续移动，直至齿套与结合齿结合，同时第二换挡毂在丝杠及保护单元的作用退出带轮。
25.本发明的有益效果：
26.本发明所述的汽车动力系统主动调速换挡机构及方法，在换挡时避免采用离合器，在降低成本的同时，减少动力中断时间；通过主动调速控制策略，在降低成本的同时，提高了同步器换挡平顺性，并且减小了换挡冲击力对同步器的影响，保证了同步器的可靠性及寿命。
附图说明
27.图1为本发明所述的汽车动力系统主动调速换挡机构的正视示意图；
28.图2为本发明所述的汽车动力系统主动调速换挡机构的立体示意图；
29.图3为本发明所述的的齿毂、齿套、同步环、结合齿的装配爆炸示意图；
30.图4为第一换挡毂、第二换挡毂内部结构示意图；
31.图5为同步环换挡过程中无主动调速模块结合齿转速、齿毂转速和齿套位移的仿真示意图；
32.图6为同步环换挡过程中有主动调速模块结合齿转速、齿毂转速和齿套位移的仿真示意图。
33.图中：1、控制器；2、驱动电机；3、丝杠；4、螺母座；5、第一换挡毂；6、减速保护器；7、第二换挡毂；8、带轮；9、轴承；10、传动带；11、拨叉；12、导杆；13、齿毂；14、齿套；15、同步环；16、结合齿，17、工作行程；18、空行程。
具体实施方式
34.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
35.如图1、2所示，一种汽车动力系统主动调速换挡机构，包括控制器1、执行机构、主动调速机构、动作机构，
36.所述控制器1收集车辆及路面信息、预判驾驶者换挡意图、判断换挡需求以及调节电机转速或扭矩。
37.所述执行机构包括驱动电机2、丝杠3、第一换挡毂5、螺母座4、拨叉11，所述驱动电机2给丝杠3提供转速或扭矩，螺母座4内部可拆卸地安装有第一换挡毂5，所述第一换挡毂5设置有螺旋状沟槽与丝杠3配合。第一换挡毂5在丝杠3转动下前后移动，所述螺母座4带动拨叉11移动；所述拔叉为叉状，上部与螺母座4连接，下方叉部活动连接有齿套14；
38.所述主动调速机构包括驱动电机2、丝杠3、第二换挡毂7、轴承9、带轮8、传动带10，所述带轮8一侧中心安装有轴承9，带轮8另一侧与第二换挡毂7可联接与断开，丝杠3可驱动第二换挡毂7前后移动。带轮8与结合齿16之间可通过传动带10传动，此时带轮8与结合齿16分别设置有沟槽；带轮8与结合齿16之间可通过链条传动，此时带轮8与结合齿16为链轮；带轮8与结合齿16之间也可直接采用齿轮啮合的方式。
39.第一换挡毂5、第二换挡毂7内设置有工作行程17、空行程18。
40.如图2、3所示，所述动作机构包括齿套14、齿毂13、同步环15、结合齿16，所述齿毂13安装在齿套14内侧，同步环15位于齿套14、结合齿16之间。
41.在其中一个实例中，所述丝杠3包括独立的两段，第一段与第一换挡毂5连接，第二段与第二换挡毂7，两段之间安装有减速保护器6。
42.在其中一个实例中，还包括导杆12，所述导杆12固定，导杆12插接于所述拨叉11，拔叉可沿导杆12水平前后移动。
43.在其中一个实例中，所述齿套14外圈侧面设置有卡接沟槽，所述拨叉11的叉部内侧设置有弧形凸起，所述弧形凸起嵌入所述卡接沟槽。
44.在其中一个实例中，所述螺母座4与第一换挡毂5过盈配合。
45.在其中一个实例中，所述第二换挡毂7设置有外花键结构，所述带轮8设置有内花键结构，第二换挡毂7与带轮8内部配合。
46.相应地，本发明提供一种汽车动力系统无离合同步换挡方法，包括以下步骤：
47.s1.获取换挡需求，
48.控制器1收集发动机当前车速、车辆状态、路况、交通规则、外界环境、发动机转速，判断当前行驶档位是否适合，不适合时，发出加挡或减档需求；
49.s2.预同步换挡，
50.执行机构动作，控制器1电机输出扭矩，驱动电机2带动丝杠3转动，此时第一换挡毂5为工作行程17，第二换挡毂7为空行程18，第一换挡毂5带动螺母座4、拨叉11及齿套14横
向移动；第二换挡毂7为空行程18不工作，当齿套14移动一定距离并与同步环15结合时，同步器进入预同步阶段，
51.s3.主动调速，
52.在同步环15的摩擦作用下，结合齿16转速缓慢靠近齿毂13转速，此时驱动电机2继续给予扭矩，带动丝杠3继续转动，此时第一换挡毂5为空行程18，第二换挡毂7为工作行程17，所述第二换挡毂7在丝杠3的推进作用下成功与带轮8内径的内花键结合，第二换挡毂7与带轮8联接工作，从而顺利传递电机输出的扭矩至带轮8，进而对结合齿16调速，结合齿16在电机输出的扭矩的作用下其转速实现快速突变，直至临近齿毂13转速，
53.s4.换挡完成，
54.电机继续输出扭矩，驱动电机2带动丝杠3转动，此时第一换挡毂5为工作行程17，第二换挡毂7为工作行程17，第二换挡毂7为与带轮8联接，第一换挡毂5在丝杠3的作用下推动螺母座4继续移动，直至齿套14与结合齿16结合，同时第二换挡毂7在丝杠3及保护单元的作用退出带轮8。
55.本发明的工作原理：
56.控制器1主要功能有：根据外界信息(如当前车速、车辆状态、路况、交通规则、外界环境、发动机转速等)判定是否有换挡需求、根据同步器换挡过程控制电机提供适当的转速或扭矩；所述驱动电机2一方面通过丝杠3、第一换挡毂5、螺母座4及拨叉11在导杆12的行程下为同步器的齿套14提供横向平移的动力，另一方面通过主动调速模块包括丝杠3、减速保护器6、第二换挡毂7、带轮8及传动带10为结合齿16调节转速，所示驱动电机2可以控制速度或扭矩。
57.所述第一换挡毂5与第二换挡毂7内部结构如图4所示，其均存在工作行程17和空行程18，换挡过程中工作需要进行第一换挡毂5和第二换挡毂7的工作行程17及空行程18的配合及调换，从而保证在电机动力不间断的情况下实现动力分流。所述第二换挡毂7外围有外花键结构，可与带轮8内花键结合，所述第一换挡毂5无花键结构，与螺母座4的配合方式主要为过盈配合，所述带轮8内径有能与第二换挡毂7配合的花键结构，所述带轮8内径还有轴承9，配合方式为过盈配合。所述带轮8与第二换挡毂7不结合的时候在结合齿16和传动带10的作用下通过轴承9转动，所述带轮8与第二换挡毂7结合的时候由驱动电机2端传递扭矩经过丝杠3、减速保护器6、第二换挡毂7、带轮8及传动带10至结合齿16。
58.当第二换挡毂7为工作行程，且与带轮8联接的瞬间，结合齿16会对丝杠3以及驱动电机2产生瞬时扭矩，因此在丝杠3上设置所述减速保护器6，其主要结构为变速结构或其他结构，功能是避免带轮8的瞬时冲击对丝杠3以及驱动电机2的损害。
59.如图5所示，若无对结合齿16的主动调速模块：由图中可以看到，结合齿16转速曲线仅在同步环15和结合齿16的摩擦作用下下降缓慢，预同步时间较长，导致换挡时间较长。
60.如图6所示，若加入对结合齿16的主动调速模块：由图中可以看到，结合齿16转速曲线依靠电机的扭矩以及同步环15和结合齿16的摩擦双作用下下降迅速，预同步时间急剧变短，导致换挡时间明显更快，换挡过程更加紧凑，并且可以实现冲击力的有效控制。
61.同样地，当输入端转速大于输出端转速时，有无主动调速模块的差距与上实施例类似。
62.综上所述，本发明在同步器换挡时添加了主动调速模块，减少了换挡时间并实现
了冲击力的可控性。
63.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。