专利名称：行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩的测量方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及动力控制技术领域，特别涉及一种行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩的测量方法和测量系统。
背景技术：
车辆动力控制因素中，发动机的扭矩为重要参数之一，一般对发动机进行控制时，需实时检测发动机的扭矩，为发动机的功率输出、动态观测等提供参考。发动机的输出轴一般与变速箱连接，通过变速箱的档位变换实现传动比的改变。发动机的扭矩测量是传动的旋转扭矩测量。目前，旋转扭矩测量方式主要有应变测量、相位差法扭矩测量和压磁式扭矩测量。
应变测量当发动机转轴受扭矩作用时轴表面会发生形变，通过应变片对形变的测量可以得到轴表面剪应力状态，进而可获得转轴上的扭矩。然而，这种方式中应变片随转轴旋转，而测量记录装置是固定的，因此，信号的传送是此种测量方法的关键。信号传递方式主要包括接触式信号传送和无线式信号传送，前者存在信号干扰大的问题，而后者存在着无法长时间持续测量、抗干扰能力差的缺点。信号传输的缺陷导致了应变测量存在抗干扰能力低的问题，测量可靠度不足。相位差法扭矩测量该检测方式主要是靠测量转轴两段相对扭转角来获取扭矩，该检测方法实现了扭矩信号的非接触传递，但存在着体积较大、不易安装、低速性能不理想的缺点。压磁式扭矩测量该检测方式利用发动机转轴受扭时材料导磁率的变化来测量扭矩，优点是可以非接触测量，使用方便，缺点是要求旋转过程不出现径向跳动，否则铁芯与转轴间隙改变，造成测量误差。由于车身测量环境存在着电磁干扰大、扭矩波动大、转速范围大等恶劣因素，以上测量方式均无法实现在不显著增加成本的情况下实现可靠地扭矩测量。有鉴于此，如何在不显著增加成本的情况下，可靠地进行发动机的扭矩测量是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的为提供一种行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩的测量方法和测量系统。该输入或输出扭矩测量方法和测量系统通过检测制动器的扭矩，获取变速箱的输入或输出扭矩，变速箱的输入扭矩即发动机的输出扭矩，即将旋转扭矩转化为静扭矩进行测量，从而在不显著增加成本的情况下，实现发动机、变速箱扭矩的可靠测量。为达到本发明的第一目的，本发明提供一种行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量方法，包括下述步骤10)检测当前的档位，根据当前档位和变速箱结构确定工作制动器，并获取工作制动器的制动扭矩；
20)获取当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系，该关系由行星齿轮的扭矩传递线路确定，扭矩传递线路由变速箱结构以及当前档位确定；30)根据当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系，以及检测的当前工作制动器的制动扭矩，计算获得输入或输出扭矩。优选地，步骤10)之前具有步骤00)根据变速箱结构，确定各档位下行星齿轮的扭矩传递线路，并根据各档位下的扭矩传递线路，预先存储各档位下工作制动器制动扭矩与输入或输出扭矩的关系；步骤20)中，自存储的各档位下工作制动器制动扭矩与输入或输出扭矩的关系中，获取与检测的当前档位对应的当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系。
优选地，步骤10)中，检测的工作制动器为带式制动器，带式制动器具有制动带、制动鼓和执行器，工作制动器扭矩测量通过下述步骤进行101)获取制动带两端的拉力；102)根据公式f = F-Ft，获得制动带的制动摩擦力f，其中，Ft为制动带上与执行器连接的一端的拉力，F为另一端的拉力；103)将制动带分为η等段，η = 1、2、3，根据公式Tb =^ifxR) = JR ^
X-I获得制动器的扭矩Tb = fR ;其中，fx为制动带与制动鼓之间第X段的摩擦力，R为制动带与制动鼓接触的圆弧线所对应的半径。优选地，步骤101中，检测执行器内的压力，根据下述公式获取制动带上与执行器
连接的一端的拉力
Γ p PA-KLFt =-；
cos 6 其中，P为执行器内的压力、A为执行器内制动汽缸活塞的面积、L为执行器的行程、K为执行器内复位弹簧的弹性系数、Θ为制动带和制动鼓接触的最后一点至制动鼓圆心的连线与竖直方向的夹角。优选地，步骤10中，检测的工作制动器为多片湿式制动器，具有制动鼓，工作制动器扭矩测量通过下述步骤进行111)检测变速箱壳体与制动鼓之间η处位置的压力，η = 1,2,3...；112)根据下述公式获得工作制动器的扭矩Tb = O L ；其中，Fi为检测的η处位置中第i处位置的压力、L为检测的各位置与制动鼓圆心的距离。本发明还提供一种行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量系统，包括档位检测元件，用于检测变速箱的当前档位；制动器扭矩获取装置，用于获取当前工作制动器的制动扭矩；分析单元，根据当前档位和变速箱结构确定当前工作制动器；获取当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系，该关系由行星齿轮的扭矩传递线路确定，扭矩传递线路由变速箱结构以及当前档位确定；计算单元，根据分析单元获取的当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系，以及获取的当前工作制动器的制动扭矩，计算获得输入或输出扭矩。优选地，分析单元根据变速箱结构确定各档位下行星齿轮的扭矩传递线路，并根据各档位下的扭矩传递线路，预先存储各档位下工作制动器制动扭矩与输入或输出扭矩的关系；且分析单元自存储的各档位下工作制动器制动扭矩与输入扭矩或输出扭矩的关系中，获取与检测的当前档位对应的当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系。优选地，工作制动器为带式制动器，带式制动器具有制动带、制动鼓和执行器；制动器扭矩获取装置获取制动带两端的拉力；
获取单元根据公式f = F-Ft,获得制动带的制动摩擦力f,其中,Ft为制动带上与执行器连接的一端的拉力，F为另一端的拉力；且获取单元将制动带分为η等段，η = 1、2、3，并根据公式Tb = Yj(JxR) = AI ,
X-I获得工作制动器的扭矩Tb = fR ;其中，fx为制动带与制动鼓之间第X段的摩擦力，R为制动带与制动鼓接触的圆弧线所对应的半径。优选地，制动器扭矩获取装置包括检测执行器内压力的压力传感器和检测制动带另一端拉力F的拉力传感器，获取单元根据下述公式获取制动带上与执行器连接的一端的拉力
P PA-KLFt =-；
cos 6 其中，P为执行器内的压力、A为执行器内制动汽缸活塞的面积、L为执行器的行程、K为执行器内复位弹簧的弹性系数、Θ为制动带和制动鼓接触的最后一点至制动鼓圆心的连线与竖直方向的夹角。优选地，检测的制动器为多片湿式制动器，具有制动鼓，制动器扭矩获取装置包括压力传感器和获取单元，压力传感器置于变速箱壳体和制动鼓之间，检测变速箱壳体与制动鼓之间η处位置的压力，η = 1、2、3·..；获取单元根据下述公式获得工作制动器的扭矩Tb=(^F) L；其中，Fi为检测的η处位置中第i处位置的压力、L为检测的各位置与制动鼓圆心的距离。该输入扭矩或输出扭矩的测量方法和测量系统通过检测当前档位并结合获得的当前处于工作状态的制动器的扭矩，即可计算获得变速箱的输入扭矩，即发动机的输出扭矩，同样还可以获得变速箱的输出扭矩。即通过制动器的扭矩能够获得发动机的输出扭矩，制动器扭矩的测量为静扭矩测量，对发动机输入轴直接进行扭矩测量为旋转扭矩测量，由背景技术部分描述可知，旋转扭矩测量存在信号传递误差大、成本高等缺陷，静扭矩测量则克服了现有旋转扭矩测量的缺陷，在不显著增加成本的情况下可靠地实现了发动机输出扭矩的测量。此外，该种扭矩测量方式和测量系统适用于所有安装行星齿轮变速箱的混合动力车辆、或其他机械上，应用范围较广。
图I为本发明所提供输入扭矩测量方法一种具体实施方式
的流程图；图2为辛普森式变速箱原理图；图3为图2中变速箱处于I档时的动力传递原理图；图4为图2中变速箱处于2档时的动力传递原理图；图5为图2中变速箱处于倒档时的动力传递原理图； 图6为本发明所提供输入扭矩测量系统中测量带式制动器扭矩一种具体实施方式
的结构示意图；图7为图6中带式制动器制动时的受力分析图；图8为图7中制动带与执行器连接处的受力分析图；图9为本发明所提供输入扭矩测量系统中测量多片湿式制动器扭矩一种具体实施方式
的结构示意图；图10为图9中多片湿式制动器制动时的结构示意图；图11为图9中多片湿式制动器制动壳与变速箱壳体之间设置压力传感器的结构示意图。图1-11 中Cl第一离合器、C2第二离合器、BI第一制动器、B2第二制动器、Fl单向超越离合器、11制动带、12执行器、13压力传感器、14制动带制动鼓间隙调节装置、15拉力传感器、16制动鼓、I活塞腔、2制动活塞、3回位弹簧、4摩擦片、5钢片、6制动壳、7、压力传感器、8变速箱壳体。
具体实施例方式本发明的核心为提供一种行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量方法和测量系统。该输入或输出扭矩测量方法和测量系统通过检测制动器的扭矩，获取变速箱的输入或输出扭矩，变速箱的输入扭矩即发动机的输出扭矩，即将转动扭矩转化为静扭矩进行测量，从而在不显著增加成本的情况下，实现发动机、变速箱扭矩的可靠测量。为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。需要说明的是，为便于理解和简洁描述，下述内容结合输入扭矩测量系统和测量方法进行说明，有益效果不再重复论述。输入扭矩测量系统主要包括档位检测元件、制动器扭矩获取装置、分析单元以及计算单元，工作过程如下所述。请参考图1，图I为本发明所提供输入扭矩测量方法一种具体实施方式
的流程图。该实施例提供的行星齿轮变速箱的输入扭矩测量方法，包括下述步骤SlO :检测当前的档位，根据当前档位和变速箱结构确定工作制动器，并获取工作制动器的制动扭矩；工作制动器即处于工作状态的制动器。变速箱一般具有一个以上的制动器，在不同档位下，各制动器的工作状态不一致，此处，需要结合当前档位和变速箱的具体结构，确定当前处于工作状态的制动器以及该制动器的制动扭矩。当前档位可以由档位检测元件检测获得，比如可以由手柄控制档位，则档位检测元件可以是手柄角度传感器、手柄位移传感器等，根据角度和位移的分析得出当前档位。工作制动器的制动扭矩由扭矩获取装置获得，扭矩获取装置获取扭矩的过程具体可参见后述的实施例S20 :获取当前工作制动器的制动扭矩与输入扭矩的关系，该关系由行星齿轮的扭矩传递线路确定，扭矩传递线路由变速箱结构以及当前档位确定；变速箱包括输入轴、输出轴、行星齿轮机构，行星齿轮机构一般包括前齿圈、后齿圈、前太阳轮、后太阳轮、前行星架、后行星架等传动构件，在不同的档位下，行星齿轮机构各构件相互之间的连接关系、与输入轴和输出轴之间的连接关系，会发生一定变动，且不同型号的变速箱，构件连接关系也不一致。因此，根据变速箱的具体结构，以及在该种变速箱的特定档位下，根据行星齿轮机构各构件、输出轴、输入轴之间的连接关系，可以通过分析单元获取在该档位下，工作制动器的制动扭矩和输入扭矩之间的关系。S30 :根据当前工作制动器的制动扭矩和输入扭矩的关系，以及检测的当前工作制动器的制动扭矩，计算获得输入扭矩。由于步骤S20获得的工作制动器制动扭矩和输入扭矩的关系，可以由计算单元代入获得的制动器的制动扭矩，计算获得输入扭矩。上述实施例中，分析单元可以根据当前档位下行星齿轮机构的扭矩传递线路，确定工作制动器制动扭矩和输入扭矩的关系，再代入检测的工作制动器制动扭矩计算获得输入扭矩；分析单元也可以根据各档位下扭矩传递线路，将各档位下工作制动器制动扭矩与输入扭矩的关系预先加以存储，检测出当前档位后，查找到与当前档位对应的工作制动器制动扭矩和输入扭矩的关系即可，再代入测量的制动器制动扭矩计算获得输入扭矩。上述实施例用于测量变速箱的输入扭矩，可以想到，根据变速箱的结构和档位，同样可获得制动器制动扭矩和变速箱输出扭矩的关系，因此，变速箱的输出扭矩同样可以通过上述步骤进行测量，即可以通过上述方式获取变速箱的输入或输出扭矩，原理相同，在此不赘述。下面以广泛应用的辛普森式行星齿轮变速箱为例说明制动器扭矩和输入扭矩关系的获取方式，请参考图2，图2为辛普森式变速箱原理图。辛普森式变速箱的行星齿轮机构由两个内啮合式单排行星齿轮机构组合而成，其前后两个行星排的太阳轮连接为一体，称为前后太阳轮组件；前一个行星排的行星架和后一个行星排的齿圈连接为一体，称为前行星架和后齿圈组件；输出轴通常与前行星架和后齿圈组件连接。即该行星齿轮机构包括四个独立元件前齿圈、前后太阳轮组件、后行星架、前行星架和后齿圈组件。该行星齿轮机构中设置了五个换挡执行元件，包括第一离合器Cl、第二离合器C2、第一制动器BI、第二制动器B2、单向超速离合器F1，使得该系统具有I挡、2档和倒挡。第一离合器Cl用于连接输入轴和前后太阳轮组件，第二离合器C2用于连接输入轴和前齿圈，第一制动器BI用于固定前后太阳轮组件，第二制动器B2和单向超越离合器Fl均用于固定后行星架。上述各换挡执行元件在各挡位的工作情况如表I所示，表I为辛普森式变速箱换挡执行元件工作状态表(其中，O表示接合、制动或锁止)。表I
权利要求
1.行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量方法，其特征在于，包括下述步骤10)检测当前的档位，根据当前档位和变速箱结构确定工作制动器，并获取工作制动器的制动扭矩；20)获取当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系，该关系由行星齿轮的扭矩传递线路确定，扭矩传递线路由变速箱结构以及当前档位确定；30)根据当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系，以及检测的当前工作制动器的制动扭矩，计算获得输入或输出扭矩。
2.根据权利要求I所述的行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量方法，其特征在于，步骤10)之前具有步骤00)根据变速箱结构，确定各档位下行星齿轮的扭矩传递线路，并根据各档位下的扭矩传递线路，预先存储各档位下工作制动器制动扭矩与输入或输出扭矩的关系；步骤20)中，自存储的各档位下工作制动器制动扭矩与输入或输出扭矩的关系中，获取与检测的当前档位对应的当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系。
3.根据权利要求I或2所述的行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量方法，其特征在于，步骤10)中，检测的工作制动器为带式制动器，带式制动器具有制动带、制动鼓和执行器，工作制动器扭矩测量通过下述步骤进行101)获取制动带两端的拉力；102)根据公式f= F-Ft，获得制动带的制动摩擦力f，其中，Ft为制动带上与执行器连接的一端的拉力，F为另一端的拉力；103)将制动带分为η等段，η= 1、2、3，根据公式
4.根据权利要求3所述的行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量方法，其特征在于，步骤101中，检测执行器内的压力，根据下述公式获取制动带上与执行器连接的一端的拉力
5.根据权利要求I或2所述的行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量方法，其特征在于，步骤10中，检测的工作制动器为多片湿式制动器，具有制动鼓，工作制动器扭矩测量通过下述步骤进行111)检测变速箱壳体与制动鼓之间η处位置的压力，η= 1,2,3...；112)根据下述公式获得工作制动器的扭矩
6.行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量系统，其特征在于，包括档位检测元件，用于检测变速箱的当前档位；制动器扭矩获取装置，用于获取当前工作制动器的制动扭矩；分析单元，根据当前档位和变速箱结构确定当前工作制动器；获取当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系，该关系由行星齿轮的扭矩传递线路确定，扭矩传递线路由变速箱结构以及当前档位确定；计算单元，根据分析单元获取的当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系，以及获取的当前工作制动器的制动扭矩，计算获得输入或输出扭矩。
7.根据权利要求6所述的行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量系统，其特征在于，分析单元根据变速箱结构确定各档位下行星齿轮的扭矩传递线路，并根据各档位下的扭矩传递线路，预先存储各档位下工作制动器制动扭矩与输入或输出扭矩的关系；且分析单元自存储的各档位下工作制动器制动扭矩与输入扭矩或输出扭矩的关系中，获取与检测的当前档位对应的当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系。
8.根据权利要求6或7所述的行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量系统，其特征在于，工作制动器为带式制动器，带式制动器具有制动带、制动鼓和执行器；制动器扭矩获取装置获取制动带两端的拉力；获取单元根据公式f = F-Ft，获得制动带的制动摩擦力f，其中，Ft为制动带上与执行器连接的一端的拉力，F为另一端的拉力；且获取单元将制动带分为η等段，η = 1、2、3，并根据公式
9.根据权利要求8所述的行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量系统，其特征在于，制动器扭矩获取装置包括检测执行器内压力的压力传感器和检测制动带另一端拉力F的拉力传感器，获取单元根据下述公式获取制动带上与执行器连接的一端的拉力
10.根据权利要求6或7所述的行星齿轮变速箱的输入或输出扭矩测量系统，其特征在于，检测的制动器为多片湿式制动器，具有制动鼓，制动器扭矩获取装置包括压力传感器和获取单元，压力传感器置于变速箱壳体和制动鼓之间，检测变速箱壳体与制动鼓之间η处似直的压力，η = 1-,2-,3...；获取单元根据下述公式获得工作制动器的扭矩
全文摘要
本发明公开一种行星齿轮变速箱的输入扭矩测量方法和测量系统，公开的测量方法包括下述步骤10)检测当前的档位，获取工作制动器的制动扭矩；20)获取当前工作制动器的制动扭矩与输入或输出扭矩的关系，该关系由行星齿轮的扭矩传递线路确定，扭矩传递线路由变速箱结构以及当前档位确定；30)根据获得的扭矩关系，以及检测的当前工作制动器的制动扭矩，计算获得输入或输出扭矩。该测量方法和系统通过制动器的制动扭矩能够获得变速箱的输入或输出扭矩，即将旋转扭矩测量转化为静扭矩测量，克服了现有旋转扭矩测量的缺陷，在不显著增加成本的情况下可靠地实现了输入或输出扭矩的测量，该种扭矩测量方式的应用范围也较广。
文档编号G01L3/00GK102620874SQ20121010140
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月9日 优先权日2012年4月9日
发明者孙强, 王宏宇, 韩尔樑 申请人:潍柴动力股份有限公司