CN102562968B - 无动力中断换挡的自动变速驱动装置及其换挡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无动力中断换档的自动变速驱动装置及其换挡控制方法，该装置包括电机、输入轴、传动轴、三个离合器、二个制动器、行星排传动机构和差速器，电机E1与输入轴相连接，输入轴和传动轴通过齿轮副与行星排传动机构和差速器相连接，该换挡控制方法包括：(1)判断是否需要切换档位；(2)计算出驾驶员期望扭矩及作用在换挡元件上的扭矩；(3)控制电机E1扭矩用以抵消换档时换档元件打开时扭矩的变化，同时利用电机E1转速的变化实现档位的切换。本发明设计合理，通过电机使车辆始终处于扭矩驱动状态下并通过电机E1转速的变化驱动档位的变化，从而实现无级且无动力中断的档位切换功能，提高了工作效率，具有方法简单、安全可靠等特点。

Description

无动力中断换挡的自动变速驱动装置及其换挡控制方法

技术领域

本发明属于汽车用变速驱动控制领域，尤其是一种无动力中断换挡的自动变速驱动装置及其换挡控制方法。

背景技术

目前，汽车用变速驱动装置（下称变速器）分为手动变速器、自动变速器两大类。

手动变速器（下称MT）采用多组圆柱齿轮实现多个挡位，一组齿轮实现一个挡位，通过手动操作离合器和变速器中的拨叉，拨叉带动齿轮副的结合和分离实现挡位的切换，其存在的问题是：MT由人进行操纵，增加了驾驶员的劳动强度，换挡的驾驶性取决于驾驶员的操作，受结构上的制约，无法实现无动力中断换挡功能。

自动变速器又分为液力自动变速器（下称AT）、机械无级式（下称CVT）、自动机械式（下称AMT）、双离合器式（下称DCT）等。AT是使用液力变矩器（或液力耦合器）代替离合器，用行星齿轮变速器代替普通圆柱齿轮，变速器控制单元（下称TCU）根据当前车辆行驶工况，通过控制变速器中电磁阀动作实现挡位切换。CVT同样是使用液力变矩器（或液力耦合器）代替离合器，用主、从动轮和金属带组成传动副，TCU根据当前车辆行驶工况，通过控制主、从动轮带槽宽度的变化使金属带在主、从动轮上的工作半径连续调节，从而实现挡位切换。AMT是在传统的手动变速器上加装一套选换挡和离合器控制控制机构，TCU根据当前车辆行驶工况，自动控制离合器和选换挡机构实现挡位切换。DCT是在MT以及AMT的基础上演变而来的，使用两个离合器分别连接车辆动力源与变速传动部分的两根输入轴，变速传动部分由多组圆柱齿轮副组成，车辆行驶中，一组离合器结合，此根输入轴上的一组齿轮副进行变速传动，TCU根据当前车辆行驶工况，判断需要挡位切换时，控制另外一组离合器结合好将要切换的挡位，并开始结合离合器，原先结合的离合器打开，从而实现挡位切换。

通过对自动变速器的分析可以看出，在AT方案中，虽然液力变矩器（或液力耦合器）能够吸收传动系的振动，但在控制上无法实现无动力中断换挡；CVT可在控制上实现无动力中断换挡，但液力部件增加了能量损失，同时关键零部件掌握在少数几个厂商手中；AMT方案受结构上的制约，无法实现无动力中断换挡；DCT虽然可以缩短换挡时间，但是在换挡过程中还是有动力中断。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、方法简便、安全可靠的无动力中断换挡的自动变速驱动装置及其换挡控制方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种无动力中断换挡的自动变速驱动装置，包括电机E1、输入轴、传动轴、第一离合器C1、第二离合器C2、第三离合器C3、第一制动器B1、第二制动器B2、行星排传动机构和差速器，第一离合器C1、第二离合器C2、第三离合器C3、第一制动器B1和第二制动器B2安装在变速器壳体内，行星排传动机构由行星架、大太阳轮、小太阳轮、大太阳轮的行星轮和小太阳轮的行星轮构成，电机E1与输入轴相连接，输入轴和传动轴通过齿轮副与大太阳轮的行星轮啮合在一起，第一离合器C1用于连接输入轴与小太阳轮，第二离合器C2用于连接输入轴与大太阳轮，第三离合器C3用于连接输入轴与行星架，第一制动器B1用于连接行星架与变速器壳体以锁死行星架，第二制动器B2用于连接大太阳轮与变速器壳体以锁死大太阳轮，差速器安装在传动轴上。

一种无动力中断换挡的自动变速驱动装置的换挡控制方法，包括以下步骤：

⑴通过油门踏板信号和当前行驶工况判断是否需要切换挡位；

⑵根据油门踏板开度和当前车速计算出驾驶员期望扭矩及作用在换挡元件上的扭矩；

⑶控制电机E1扭矩用以抵消换挡时换挡元件打开时扭矩的变化，同时利用电机E1转速的变化实现挡位的切换，当达到下个期望挡位的转速时，期望挡位的换挡元件开始结合，直至换挡元件的扭矩在电机E1扭矩为零的时候与发动机扭矩和车辆扭矩达到平衡。

而且，所述步骤⑵计算驾驶员期望扭矩的方法是通过油门踏板开度、车速和扭矩组成的三维表查表得出。

而且，所述步骤⑶电机E1扭矩、电机E1转速是根据等效杠杆法计算得到。

而且，所述步骤⑶挡位切换包括以下过程：

一挡换二挡过程：控制第二制动器B2啮合，第一离合器C1啮合,动力通过输入轴分别经过第一离合器C1和第二制动器B2进行传递至齿圈，通过电机E1提供抵消反方向的力使行星架锁死大太阳轮，将大太阳轮的负转速提高至第二制动器B2，该第二制动器B2速度为0，提高齿圈的输出转速；

二挡换三挡过程：控制第一离合器C1啮合，第二离合器C2啮合，动力通过输入轴再由第一离合器C1和第二离合器C2将转速分别传递给小太阳轮和大太阳轮,通过电机E1抵消反方向的力，将大太阳轮的转速提高到第二离合器C2的转速，使大太阳轮与小太阳轮速度相同，提高齿圈的输出转速；

三挡换四挡过程：控制第一离合器C1啮合，第三离合器C3啮合，动力通过输入轴再由第一离合器C1和第三离合器C3将转速分别传递给小太阳轮和行星架，通过电机E1提高大太阳轮转速，从而提高齿圈输出转速；

四挡换五挡过程：控制第二离合器C2啮合，第三离合器C3啮合，动力通过输入轴传递给大太阳轮和行星架传递，第三离合器C3啮合，通过电机E1将大太阳轮的转速降到第二离合器C2的速度以抵消行星架的反方向转速，从而提高齿圈的转速；

五挡换六挡过程：控制第二制动器B2啮合，第三离合器C3啮合，继续通过电机E1将大太阳轮的转速降低至第二制动器B2的速度，通过小太阳轮带动行星轮带动齿圈，第三离合器C3啮合，行星架与第三离合器C3转速相同，通过电机E1提供给齿圈的转速抵消行星架的反方向转速，从而继续将齿圈的转速提高。

本发明的优点和积极效果是：

本发明设计合理，通过电机与三个离合器、两个制动器等执行元件的配合，使车辆始终处于扭矩驱动状态下，并且通过电机E1转速的变化驱动挡位的变化，从而实现无级且无动力中断的挡位切换功能，提高了工作效率，具有方法简单、安全可靠等特点。

附图说明

图1是本发明的连接示意图；

图2是电机扭矩和转速计算所依据的等效杠杆示意图；

图3是挡位与执行元件的关系示意图。

具体实施方式

以下对本发明实施例做进一步详述：

一种无动力中断换挡的自动变速驱动装置，如图1所示，包括电机E1、输入轴8、传动轴9、第一离合器C1、第二离合器C2、第三离合器C3、第一制动器B1、第二制动器B2、行星排传动机构和差速器3，行星排传动机构由行星架6、大太阳轮5、小太阳轮4、差速器3、大太阳轮的行星轮1和小太阳轮的行星轮2构成，第一离合器C1、第二离合器C2、第三离合器C3、第一制动器B1和第二制动器B2安装在变速器壳体7内。电机E1与输入轴相连接，输入轴和传动轴通过齿轮副与大太阳轮的行星轮啮合在一起，第一离合器C1用于连接输入轴与小太阳轮，第二离合器C2用于连接输入轴与大太阳轮，第三离合器C3用于连接输入轴与行星架，第一制动器B1用于连接行星架与变速器壳体，以锁死行星架，第二制动器B2用于连接大太阳轮与变速器壳体，以锁死大太阳轮，差速器安装在传动轴上。

一种无动力中断换挡的自动变速驱动装置的换挡控制方法，是通过电机E1使车辆始终在扭矩驱动状态下，并且通过电机E1转速的变化驱动挡位的变化，从而实现无级且无动力中断的挡位切换功能。该换挡控制方法包括如下步骤：

1、通过油门踏板信号和当前行驶工况判断是否需要切换挡位

在本步骤中，油门踏板信号是通过油门踏板下面的位置传感器进行采集并识别驾驶员的驾驶意图；当前行驶工况是结合当前油门开度和车辆加速度，识别车辆的行驶阻力，比如上坡或下坡或平路。

2、根据油门踏板开度和当前车速计算出驾驶员期望扭矩及作用在换挡元件上的扭矩

在本步骤中，通过油门踏板开度、车速和扭矩组成的三维表查表得出期望扭矩，再经过一系列温度、磨损量修正，结合车辆行驶状态计算出作用在换挡元件上的扭矩。

3、控制电机E1发出扭矩用以抵消换挡时换挡元件打开时扭矩的变化，同时利用电机E1转速的变化实现挡位的切换，当达到下个期望挡位的转速时，期望挡位的换挡元件开始结合，直至换挡元件的扭矩在电机E1扭矩为零的时候与发动机扭矩和车辆扭矩达到平衡。

在本步骤中，电机E1扭矩和转速根据等效杠杆法计算得出，如图2所示，图中的四条竖线分别代表了大太阳轮、小太阳轮、输出轴、行星架的转速，第二制动器B2-B1点得转速为0。各个挡位与执行元件的关系如图3所示，图中横坐标为执行元件（第一离合器C1、第二离合器C2、第三离合器C3、第一制动器B1、第二制动器B2），纵坐标为挡位（R、1、2、3、4、5、6、P），黑色部分即表示在该挡位时啮合的执行元件。该步骤的挡位切换控制过程包括：

一挡工作过程：控制第一制动器B1啮合，第一离合器C1啮合。B1速度为0，因此大太阳轮的行星轮公转速度及行星架速度都为0，第一离合器C1啮合，动力通过输入轴传递到第一离合器C1，再通过传动轴传递到小太阳轮的行星轮，从而带动齿圈，并通过差速器传递至车轮。

一挡换二挡过程：控制第二制动器B2啮合，第一离合器C1啮合。第二制动器B2速度为0，B1打开，动力通过输入轴分别经过第一离合器C1和第二制动器B2进行传递至齿圈。小太阳轮与第一离合器C1速度相同，通过电机E1提供可以抵消反方向的力使行星架锁死大太阳轮，将大太阳轮的负转速提高至第二制动器B2，该第二制动器B2速度为0，提高齿圈的输出转速。

二挡换三挡过程：控制第一离合器C1啮合，第二离合器C2啮合。动力通过输入轴再由第一离合器C1和第二离合器C2将转速分别传递给小太阳轮和大太阳轮,通过电机E1抵消反方向的力，将大太阳轮的转速提高到第二离合器C2的转速，使大太阳轮与小太阳轮速度相同，提高齿圈的输出转速。

三挡换四挡过程：控制第一离合器C1啮合，第三离合器C3啮合。动力通过输入轴再由第一离合器C1和第三离合器C3将转速分别传递给小太阳轮和行星架，通过电机E1提高大太阳轮转速从而提高齿圈输出转速。

四挡换五挡过程：控制第二离合器C2啮合，第三离合器C3啮合。动力通过输入轴传递给大太阳轮和行星架传递，第三离合器C3啮合，通过电机E1将大太阳轮的转速降到第二离合器C2的速度以抵消行星架的反方向转速，从而提高齿圈的转速。

五挡换六挡过程：控制第二制动器B2啮合，第三离合器C3啮合。继续通过电机E1将大太阳轮的转速降低至第二制动器B2的速度（即转速为0），通过小太阳轮带动行星轮带动齿圈，第三离合器C3啮合，行星架与第三离合器C3转速相同，通过电机E1提供给齿圈的转速抵消行星架的反方向转速，从而继续将齿圈的转速提高。

从上述说明可以看出，由于在换挡过程中，电机E1介入使车辆始终在扭矩驱动状态下，并且，通过电机E1转速的变化驱动挡位的变化，从而实现无级的、无动力中断的挡位切换。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种无动力中断换挡的自动变速驱动装置，其特征在于：包括电机E1、输入轴、传动轴、第一离合器C1、第二离合器C2、第三离合器C3、第一制动器B1、第二制动器B2、行星排传动机构和差速器，第一离合器C1、第二离合器C2、第三离合器C3、第一制动器B1和第二制动器B2安装在变速器壳体内，行星排传动机构由行星架、大太阳轮、小太阳轮、大太阳轮的行星轮和小太阳轮的行星轮构成，电机E1与输入轴相连接，输入轴和传动轴通过齿轮副与大太阳轮的行星轮啮合在一起，第一离合器C1用于连接输入轴与小太阳轮，第二离合器C2用于连接输入轴与大太阳轮，第三离合器C3用于连接输入轴与行星架，第一制动器B1用于连接行星架与变速器壳体以锁死行星架，第二制动器B2用于连接大太阳轮与变速器壳体以锁死大太阳轮，差速器安装在传动轴上。

2.一种用于权利要求1所述的无动力中断换挡的自动变速驱动装置的换挡控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

⑴通过油门踏板信号和当前行驶工况判断是否需要切换挡位；

⑵根据油门踏板开度和当前车速计算出驾驶员期望扭矩及作用在换挡元件上的扭矩；

⑶控制电机E1扭矩用以抵消换挡时换挡元件打开时扭矩的变化，同时利用电机E1转速的变化实现挡位的切换，当达到下个期望挡位的转速时，期望挡位的换挡元件开始结合，直至换挡元件的扭矩在电机E1扭矩为零的时候与发动机扭矩和车辆扭矩达到平衡。

3.根据权利要求2所述的换挡控制方法，其特征在于：所述步骤⑵计算驾驶员期望扭矩的方法是通过油门踏板开度、车速和扭矩组成的三维表查表得出。

4.根据权利要求2所述的换挡控制方法，其特征在于：所述步骤⑶电机E1扭矩、电机E1转速是根据等效杠杆法计算得到。

5.根据权利要求2所述的换挡控制方法，其特征在于：所述步骤⑶挡位切换包括以下过程：

一挡换二挡过程：控制第二制动器B2啮合，第一离合器C1啮合,动力通过输入轴分别经过第一离合器C1和第二制动器B2进行传递至齿圈，通过电机E1提供抵消反方向的力使行星架锁死大太阳轮，将大太阳轮的负转速提高至第二制动器B2，该第二制动器B2速度为0，提高齿圈的输出转速；

二挡换三挡过程：控制第一离合器C1啮合，第二离合器C2啮合，动力通过输入轴再由第一离合器C1和第二离合器C2将转速分别传递给小太阳轮和大太阳轮,通过电机E1抵消反方向的力，将大太阳轮的转速提高到第二离合器C2的转速，使大太阳轮与小太阳轮速度相同，提高齿圈的输出转速；

三挡换四挡过程：控制第一离合器C1啮合，第三离合器C3啮合，动力通过输入轴再由第一离合器C1和第三离合器C3将转速分别传递给小太阳轮和行星架，通过电机E1提高大太阳轮转速，从而提高齿圈输出转速；

四挡换五挡过程：控制第二离合器C2啮合，第三离合器C3啮合，动力通过输入轴传递给大太阳轮和行星架传递，第三离合器C3啮合，通过电机E1将大太阳轮的转速降到第二离合器C2的速度以抵消行星架的反方向转速，从而提高齿圈的转速；

五挡换六挡过程：控制第二制动器B2啮合，第三离合器C3啮合，继续通过电机E1将大太阳轮的转速降低至第二制动器B2的速度，通过小太阳轮带动行星轮带动齿圈，第三离合器C3啮合，行星架与第三离合器C3转速相同，通过电机E1提供给齿圈的转速抵消行星架的反方向转速，从而继续将齿圈的转速提高。

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