CN104354583B

CN104354583B - 一种集成驱动电机的手动变速器

Info

Publication number: CN104354583B
Application number: CN201410612624.9A
Authority: CN
Inventors: 钟再敏; 余卓平; 陈辛波; 王春现; 江尚; 陈雪平
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2014-11-04
Filing date: 2014-11-04
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2034-11-04
Also published as: CN104354583A

Abstract

本发明涉及一种集成驱动电机的手动变速器，分别连接内燃机和驱动轮，包括：输入轴，通过离合器与内燃机旋转驱动连接；输出轴，与驱动轮旋转驱动连接；齿轮变速机构，设置在输入轴与输出轴之间，且配置有至少两个速比；电机，可工作于电动或发电状态；耦合机构，与所述电机、输入轴和输出轴旋转驱动连接，包括用于实现电机与输入轴或输出轴连接的自动切换器；电子控制单元，分别连接电机和自动切换器连接，根据获得的驾驶员操作传感信号和内燃机信号控制所述自动切换器实现电机转矩输出路径切换，并控制电机转矩输出大小和方向。与现有技术相比，本发明具有适用范围广、操作方便等优点。

Description

一种集成驱动电机的手动变速器

技术领域

本发明涉及汽车传动技术领域，尤其是涉及一种集成驱动电机的手动变速器。

背景技术

在传统的汽车传动技术领域主要的变速器种类中，手动变速器基于轴线固定式传动机构，传动效率高，适应车型广，制造加工方便，成本低、可靠性高，因此一直是国内车用变速器市场上的主流技术之一，与液力机械变速器(AT)和双离合器变速器(DCT)等自动变速器技术竞争发展，各有优势。

具备发动机、电动机作为动力源的车辆即为混合动力汽车。在混合动力汽车技术领域，已经提出各种动力驱动***结构形式。其中，将各类自动变速器与电机配合实现机电功率混合是混合动力汽车动力***的主要技术方案。特别地，对于基于轴线固定式变速器的机电耦合传动装置方案，如已授权的发明专利200910197054.0和申请公开的发明专利201210468223.1和201410060593.0所公示的方案，用自动操纵换挡机构来替代完成手动换挡操纵，即所谓的自动机械变速器(AMT)，再与电机集成构成机电耦合传动装置。该方案的电子控制单元通过电信号对主驱动电机控制单元、电控换挡操纵机构、同步机构操纵机构进行控制解决动力耦合和换挡过程动力中断问题。但是，基于AMT与电机集成的混合动力机电耦合传动装置方案适应车型仍有一定范围，受制于基于AT或者DCT变速器的竞争技术的制约。

而极个别基于手动变速器的混合动力汽车动力***，例如申请公开的专利201280006736.9和201280034788.7中的方案都只是将手动变速器与驱动电机简单集成，还有将电机在摩擦离合器和手动变速箱之前与发动机并联的申请公开的专利201110409270.4中的方案，都不能充分发挥二者的技术特点，效果不理想，不能得到推广应用。

如何充分保持手动变速器的基本技术特点和操作习惯，但同时又能最大限度地实现混合动力的不同工作模式，实现整车节能减排的效果，成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用范围广、操作方便的集成驱动电机的手动变速器及其应用。

一种集成驱动电机的手动变速器，分别连接内燃机和驱动轮，包括：

输入轴，通过离合器与内燃机旋转驱动连接；

输出轴，与驱动轮旋转驱动连接；

齿轮变速机构，设置在输入轴与输出轴之间，且配置有至少两个速比；所述齿轮变速机构通过一个换挡操纵手柄手动完成速比切换，并且，所述换挡操纵手柄设置有一个独立的“电动”挡位；

电机，可工作于电动或发电状态；

耦合机构，与所述电机、输入轴和输出轴旋转驱动连接，包括用于实现电机与输入轴或输出轴连接的自动切换器；

电子控制单元，分别连接电机和自动切换器连接，根据获得的驾驶员操作传感信号和内燃机信号控制所述自动切换器实现电机转矩输出路径切换，并控制电机转矩输出大小和方向。

所述输出轴通过差速器与驱动轮连接。

所述齿轮变速机构包括多个变速传动齿轮副和相应的同步器。

所述耦合机构包括多个切换传动齿轮副和相应的同步器，用于电机转矩输出路径切换，所述切换传动齿轮副与变速传动齿轮副部分重叠或相互独立；

所述自动切换器通过切换传动齿轮副和相应的同步器控制电机与输入轴连接，或与输出轴连接，或不与任何部件连接。

所述驾驶员操作传感信号包括离合器踏板信号、制动踏板信号、加速踏板信号和换挡操纵手柄信号。

所述手动变速器还包括停车充电按钮，与电子控制单元连接。

所述手动变速器的工作模式包括：

(1)HEV-SO模式：换挡操纵手柄置于非“电动”挡位，齿轮变速机构具有确定的非空挡速比，电机与输出轴旋转驱动连接；

(2)HEV-SI模式：换挡操纵手柄置于非“电动”挡位，齿轮变速机构具有确定的非空挡速比，电机与输入轴旋转驱动连接；

(3)“电动”模式：换挡操纵手柄置于“电动”挡位，齿轮变速机构置于空挡，电机与输出轴旋转驱动连接；

(4)“停车充电”模式：换挡操纵手柄置于空挡，电机与输入轴旋转驱动连接。

一种带有所述集成驱动电机的手动变速器的车辆，该车辆包括所述手动变速器，还包括离合器踏板、制动踏板、加速踏板和换挡操纵手柄，其中，所述换挡操纵手柄设置有一个独立的“电动”挡位。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明所述的集成驱动电机的手动变速器，在硬件上对手动变速箱改动较少，可靠耐用，成本低，能适应混合动力汽车或纯电动汽车所要求的各种行驶工况；

(2)本发明所述的集成驱动电机的手动变速器，具有手动换挡效率高和混合动力工况适应性好等双重节油效果，最大限度降低整车的能耗；

(3)本发明所述的集成驱动电机的手动变速器的操纵方式，与手动换挡的传统汽车的操纵基本一样，只是增加了“电动”挡的手柄位置以及用于停车充电的充电按钮，驾驶员操作上易于接受。

附图说明

图1为本发明实施例1中变速器的结构示意图；

图2为本发明实施例2中变速器的结构示意图；

图3为本发明实施例2中变速器的局部示意图；

图4为本发明实施例3中变速器的结构示意图；

图5为本发明实施例4中变速器的结构示意图。

图中：1-输入轴III挡齿轮、2-输入轴II挡齿轮、3-输入轴I挡齿轮、4-输出轴I挡齿轮、5-差速器壳体、6-I/II挡惯性同步器、7-输出轴II挡齿轮、8-输出轴III挡齿轮、9-III/IV挡惯性同步器、10-输入轴IV挡齿轮、11-输出轴IV挡齿轮、12-输出轴V挡齿轮、13-输入轴V挡齿轮、14-V挡单边惯性同步器、15-电机至输出轴传动的从动齿轮、16-电机至输出轴传动的中间齿轮、17-电机至输入轴传动的从动齿轮、18-变速箱体、19-电机至输出轴传动的主动齿轮、20-切换电机动力的惯性同步器、21-电机至输入轴传动的主动齿轮、22-电机降速传动从动齿轮、23-电机齿轮轴、24-主减速主动齿轮、25-第一轴常啮合齿轮、26-左箱体、27-中间轴常啮合传动齿轮、28-中间轴、29-中间轴III挡齿轮、30-中间轴II挡齿轮、31-中间轴I挡齿轮、32-中间轴V挡齿轮、33-右箱体、34-电机至中间轴传动从动齿轮、35-电机至输入轴传动中间齿轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种横置式集成驱动电机的手动变速器，包括输入轴SI、输出轴SO、齿轮变速机构MT、电机MG、耦合机构SC和电子控制单元ECU，输入轴SI通过离合器CL与内燃机ICE旋转驱动连接，离合器可通过驾驶员操纵离合器踏板CP结合和分离；输出轴SO通过可选的差速器与驱动轮旋转驱动连接；齿轮变速机构MT设置至少两个以上速比，可通过换挡操纵手柄SL手动操纵切换速比；电机MG可根据控制工作于电动或发电状态；耦合机构SC与电机、输入轴和输出轴旋转驱动连接，具备自动切换机构SW实现电机输出转矩与输入轴SI或输出轴SO可控旋转驱动连接；电子控制单元ECU，根据获得的驾驶员操作传感信号(离合器踏板CP信号P3、制动踏板BP信号P2、加速踏板AP信号P1和换挡操纵手柄SL信号P4)和内燃机信号，进而控制所述自动切换机构SW实现电机转矩输出路径切换，并控制电机转矩输出大小和方向。耦合机构SC与所述齿轮变速机构MT共用一个箱体并重用部分齿轮和轴系。电子控制单元ECU还连接有充电按钮CB。

本实施例中，齿轮变速机构MT的变速传动齿轮副与耦合机构SC的切换传动齿轮副相互独立。设置在输入轴SI与输出轴SO之间的变速传动齿轮副包括I挡齿轮副(由I挡主动齿轮3与I挡从动齿轮4构成)、II挡齿轮副(由II挡主动齿轮2与II挡从动齿轮7构成)、III挡齿轮副(由III挡主动齿轮1与III挡从动齿轮8构成)、IV挡齿轮副(由IV挡主动齿轮10与IV挡从动齿轮11构成)和V挡齿轮副(由V挡主动齿轮13与V挡从动齿轮12构成)。驾驶员通过操纵换档操纵手柄SL，控制I/II挡惯性同步器6、III/IV挡惯性同步器9以及V挡惯性同步器14的位置，分别构成输入轴SI到输出轴SO之间的五条不同速比动力传递路径，实际构成五个挡位，进而通过差速器壳体5内的主减速主动齿轮、主减速从动齿轮、差速器以及半轴将发动机输出动力传递至驱动轮。

为了可选地构成电机MG连接至输入轴SI或输出轴SO的两条不同速比的动力传递路径，实施例特别设置了电机中间轴AM，其上固结有齿轮22以及空套有齿轮19和21。通过自动切换机构SW操纵惯性同步器20，可使电机MG通过齿轮21和17组成的齿轮副与输入轴SI连接，或者通过齿轮19、16以及15组成的两级齿轮副与输出轴SO连接。

实施例1中换挡操纵手柄SL设置“电动”挡位E的一种方式如附图1中所示，其中a～e代表内燃机的挡位，R代表倒车挡，上述挡位均与传统手动变速车辆定义和功能一致。E为本发明增加的“电动”挡位，与前述各挡位互斥。

基于上述实施例技术方案，车辆可选工作模式可结合表1进一步阐述。

表1

本实施例中，自动切换机构SW控制电机与变速箱输入轴或输出轴连接或不与任何部件连接，其实际工作时具体步骤如下：

(1)电子控制单元ECU发出切换电机输出模式的指令；

(2)电机输出转矩置零；

(3)自动切换机构SW将电机与变速箱分离；

(4)自动切换机构SW将电机与变速箱的连接方式切换至目标模式；

(5)恢复电机转矩的输出。

上述切换具备两方面基本作用：

(1)充分利用变速箱输入轴与输出轴之间的既有速比，实现电机到轮边速比的调整；

(2)在瞬态切换过程，自动切断和恢复电机功率传输路径。该作用结合ECU配合驾驶员完成的一个完整的混合动力模式换挡过程加以解释。

本实施例中，电子控制单元ECU对自动切换机构及电机进行控制，实现手动换挡过程，具体步骤如下：

(1)当车辆处于行驶状态时，ECU检测换挡操纵手柄SL位置或/和离合器踏板CP信号以及电机连接自动切换机构的位置信号；

(2)离合器分离，SL进行换挡操作，ECU识别出换挡动作；

(3)ECU控制电机输出扭矩为0，若此时电机与输入轴相连，则还需控制自动切换机构切断该连接；

(4)SL完成摘挡动作并开始选挡与挂挡；

(5)ECU判断出目标挡位，并根据MT各挡位传动比控制电机的输出转速达到目标挡位时所需要的转速；

(6)SL完成挂挡动作，ECU将电机输出转矩置零，并根据ECU从通信总线获得的车速信号将电机连接切换至相应模式；

(7)离合器结合，车辆在新的挡位下行驶，ECU恢复电机的转矩输出。

实施例2

如图2所示，本实施例为横置方案，工作模式及操纵方法与上述实施例1相同，但其MT的五挡齿轮副12和13同时也是SC中MG与SO之间的传动齿轮副，即MT的变速机构与SC共用12和13组成的齿轮副。

考虑将本实施例2安装到一混合动力车辆上，并设定如下参数：

整备质量为m＝1500kg，车轮半径为r＝0.29m的轿车上，并为其配备一台最大功率为P_{e_max}＝70kW，最高转速为n_{e_max}＝6000rpm，最大转矩为T_{e_max}＝130Nm的直列四缸汽油机以及一台额定功率为P_m＝30kW，峰值功率为P_{m_max}＝60kW，同步转速为n_s＝6000rpm，最高转速为n_{m_max}＝9000rpm，最大转矩为T_{m_max}＝95.5Nm的永磁同步电机作为两个动力源，并且按照如下目标速比设计变速器各个齿轮的齿数以及轴系的分布：一挡速比：i₁＝2.94，二挡速比：i₂＝2.17，三挡速比：i₃＝1.6，四挡速比：i₄＝1.18，五挡速比：i₅＝0.87，主减速比：i_m＝4.32。纯电动行驶最高车速设计为V_{ev_max}＝120km/h。

附图2中所示输入轴与输出轴的中心距为d_IO＝75mm，输入轴与电机中间轴的中心距为d_1M＝105mm，电机轴与电机中间轴的中心距为d_mM＝85mm，输入轴与电机轴的中心距为d_Im＝180mm。

附图3所示为电机到输入、输出轴的局部结构图。纯电动行驶时电机到车轮处的传动比为：

i_EV＝i_m1i_m3i₅i_m

则纯电动最高车速为：

计算得：

i_m1i_m3＝2.18

本发明实施例2中所有齿轮的模数均为M，则：

d_IM＝(z₄+z₆)M/2

d_IO＝(z₆+z₇)M/2

可得：

因此：

i_m1＝3.53

本发明实施例2设计电机与输入轴连接时，其最高转速正好对应发动机最高转速，则：

可得：

假设路面滚动阻力系数为μ＝0.015，则纯电动行驶下的最高爬坡度为：

对于本实施例中所述混合动力汽车的操纵方式表述如下：

(1)车辆起步：如需HEV模式起步，其操纵方式与传统手动挡汽车一样；如需电动模式起步，则将换档操纵手柄挂入E挡，然后踩油门踏板直接起步。

(2)倒车：本实施例中无机械倒挡，而是通过控制电机反转实现倒车功能。因此，倒车属于电动模式。在手柄挂入倒挡之前，需要先挂入E挡，再挂入倒车挡，踩油门倒车。

(3)行驶过程中HEV切换至电动模式：先退挡，然后直接挂至E挡，同时控制器会关闭发动机。若此时车速高于120km/h，电机不会立即与变速箱输出轴连接，只有当车速低于120km/h时，控制器才会将电机接入输出轴。

(4)HEV模式下停车：松开油门踏板，退挡，踩制动踏板，停车。

(5)行驶过程中电动模式切换至HEV模式：不踩制动踏板，操纵换挡杆从E挡退至空挡，此时控制器控制发动机启动，同时脱开电机连接，进入HEV模式下换挡操纵，与驾驶手动挡汽车换挡操纵方法相同。

(6)电动模式下停车：松开油门踏板，踩制动踏板至停车，钥匙旋至ACC或OFF挡。

(7)停车充电：若汽车处于HEV行驶状态，先停车，不关闭发动机，挂空挡，按下充电按钮；若汽车处于电动行驶状态，停车挂空挡，按下充电按钮；若汽车处于停止状态，保证处于空挡，启动发动机，按下充电按钮。

实施例3

如图4所示，本实施例的手动变速器为纵置方案，包括中间轴28，其中齿轮变速机构MT与SC共用第五挡传动齿轮副。其余同实施例2。

实施例4

如图5所示，本实施例的手动变速器为纵置方案，包括中间轴28，其中齿轮变速机构MT与SC的齿轮副与相互独立。其余同实施例3。

Claims

1.一种集成驱动电机的手动变速器，分别连接内燃机和驱动轮，包括：

输入轴，通过离合器与内燃机旋转驱动连接；

输出轴，与驱动轮旋转驱动连接；

电机，可工作于电动或发电状态；

其特征在于，还包括：

2.根据权利要求1所述的一种集成驱动电机的手动变速器，其特征在于，所述输出轴通过差速器与驱动轮连接。

3.根据权利要求1所述的一种集成驱动电机的手动变速器，其特征在于，所述齿轮变速机构包括多个变速传动齿轮副和相应的同步器。

4.根据权利要求3所述的一种集成驱动电机的手动变速器，其特征在于，所述耦合机构包括多个切换传动齿轮副和相应的同步器，用于电机转矩输出路径切换，所述切换传动齿轮副与变速传动齿轮副部分重叠或相互独立；

5.根据权利要求1所述的一种集成驱动电机的手动变速器，其特征在于，所述驾驶员操作传感信号包括离合器踏板信号、制动踏板信号、加速踏板信号和换挡操纵手柄信号。

6.根据权利要求5所述的一种集成驱动电机的手动变速器，其特征在于，所述手动变速器还包括停车充电按钮，与电子控制单元连接。

7.根据权利要求6所述的一种集成驱动电机的手动变速器，其特征在于，所述手动变速器的工作模式包括：

8.一种带有权利要求1-7任一所述的集成驱动电机的手动变速器的车辆，其特征在于，该车辆包括所述手动变速器，还包括离合器踏板、制动踏板、加速踏板和换挡操纵手柄，其中，所述换挡操纵手柄设置有一个独立的“电动”挡位。