专利名称：轮毂式手自一体智能化自适应传动传感电驱动自动变速器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电动车动力及传动装置，特别涉及一种轮毂式手自一体智能化自
适应传动传感电驱动自动变速器。
背景技术：
电动车由于具有价格便宜、轻便灵活、节约能源、环保性好和行驶迅速的优点，在 城市和农村道路得到比较广泛的应用。 现有技术中，电动自行车基本上都是通过调速手柄或加速踏板直接控制电流来控 制速度，手柄或加速踏板的操作完全取决于驾驶人员的操作，常常会造成操作与车行状况 不匹配，致使电机运行不稳定，出现堵转现象。 电动车在由乘骑者在不知晓行驶阻力的情况下，仅根据经验操作控制的变速装 置，难免存在以下问题l.在启动、上坡和大负载时、由于行驶阻力增加，迫使电机转速下 降在低效率区工作，电机堵转、发热、甚至停止转动。2.由于没有机械变速器调整扭矩和速 度，只能在平原地区推广使用，不能满足山区、丘陵和重负荷条件下使用，縮小了使用范围； 3.不具备自适应的功能，不能自动检测、修正和排除驾驶员的操作错误；5.在车速变化突 然时，会使电机处于非稳态工况下运转，必然造成电机功率与行驶阻力难以匹配。
以上问题使电动车适用范围受到限制，无法满足在山区、丘陵和重负荷条件下使 用，縮小了使用范围，使电动车轻便灵活的优势无法发挥。同时，手动或脚动控制，增加了车 辆操控的复杂性，并提高驾驶人员的劳动强度。 因此，需要对电动车现有的动力及传动系统改进，部分排除驾驶人员的主观意识 对操作的影响，在复杂路段能够自动检测、修正和排除驾驶员的操作错误，能够自适应随行 驶阻力变化自动进行调整电流和车速，解决电动车通过扭矩_转速变化决定供电电流并满 足复杂条件下道路使用的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种轮毂式手自一体智能化自适应传动传感电驱动自动变 速器，部分排除驾驶人员的主观意识对操作的影响，在复杂路段能够自动检测、修正和排除 驾驶员的操作错误，能够自适应随行驶阻力变化自动进行调整电流和车速，解决电动车通 过扭矩_转速变化决定供电电流并满足复杂条件下道路使用的问题。 本发明的轮毂式手自一体智能化自适应传动传感电驱动自动变速器，包括主驱动 电机、变速箱体、变速主动轴、变速从动轴和换档鼓，所述主驱动电机的变速从动轴与变速 主动轴传动配合，变速主动轴通过档位变速齿轮副将动力输出至变速从动轴，变速从动轴 与车辆轮毂传动配合，所述换档鼓通过换档拨叉控制换档，其特征在于还包括自适应传动 装置、自动控制系统和手动换档系统；所述电机动力输出轴通过自适应传动装置与变速主 动轴传动配合； 自适应传动装置包括设置有轴向凸轮I的凸轮套和弹性元件，所述电机动力输出轴设置有轴向凸轮II，所述轴向凸轮I和轴向凸轮II相配合形成凸轮传动副；所述电机动 力输出轴外圆转动配合套有动力输出齿轮，所述凸轮套与动力输出齿轮以圆周方向固定轴 向可移动的方式配合，所述弹性元件沿与凸轮传动副形成的轴向分力相反的方向顶住凸轮 套；动力输出齿轮将动力输出至变速主动轴； 所述自动控制系统包括控制器、将信号输入控制器的位移传感器和变速从动轴转 速传感器，以及接收控制器命令信号的换档鼓驱动伺服电机；所述位移传感器用于检测凸 轮套的轴向位移，变速从动轴转速传感器用于检测变速从动轴的转速信号；换档鼓驱动伺 服电机用于驱动换档鼓完成换档动作；所述控制器输出命令至主驱动电机控制其运行状 态； 手动换档系统包括手动自动切换开关和手动换档档位开关，所述手动自动切换开
关将手动自动切换信号输入控制器，手动换档档位开关将档位信号输入至控制器。 进一步，所述动力输出齿轮通过中间减速装置与变速器主动轴传动配合；变速器
主动轴在圆周方向固定配合设置变速器动力输入齿轮；中间减速装置包括中间轴，中间轴
上在圆周方向固定配合设置中间输入齿轮和中间输出齿轮，所述动力输出齿轮与中间输入
齿轮传动啮合，中间输出齿轮与变速器动力输入齿轮传动啮合； 进一步，所述凸轮套套在电机动力输出轴外圆，一端部与动力输出齿轮以圆周方
向固定轴向可移动的方式配合，另一端部由套在电机动力输出轴外圆的弹性元件顶住； 进一步，所述位移传感器包括霍尔元件I和与其沿轴向相对的磁钢I，所述磁钢I
固定设置在一位移磁钢座上，所述位移磁钢座以轴向可移动圆周方向固定的方式设置，所
述位移磁钢座在一回位弹性元件的作用下沿与凸轮传动副形成的轴向分力相反的方向紧
靠凸轮套；所述电机转速传感器包括霍尔元件II和与电机转子在圆周方向固定配合的电
机转速磁钢座，所述电机转速磁钢座上设置与霍尔元件II相对的磁钢II ; 进一步，所述位移磁钢座外套于电机动力输出轴，所述弹性元件位于位移磁钢座
和电机动力输出轴之间形成的空腔内，位移磁钢座外圆沿轴向设置限位槽，一限位螺钉螺
纹配合穿过变速箱体壁并伸入限位槽； 进一步，所述凸轮套与动力输出齿轮配合的端部在圆周方向均布设置至少两个沿
轴向的传动凸起，所述动力输出齿轮上与其对应设置沿轴向的传动孔，所述传动凸起一一
对应伸入传动孔使凸轮套与动力输出齿轮以圆周方向固定轴向可移动的方式配合； 进一步，所述换档鼓驱动伺服电机外壳固定设置于变速箱体，转子轴与换档鼓在
圆周方向固定配合；所述弹性元件为至少一组蝶簧，所述凸轮套外圆设置环形凸台，位移磁
钢座端面与环形凸台端面之间通过平面滚动轴承配合； 进一步，所述换档自动控制系统还包括由霍尔元件III和磁钢III构成的变速从 动轴转速传感器，所述磁钢III与霍尔元件III相对并设置在与变速从动轴在圆周方向固 定配合的从动轴转速磁钢座上； 进一步，所述凸轮套的轴向凸轮I为内圆设置的内斜齿轮结构，电机动力输出轴 的轴向凸轮II为外圆设置的外斜齿轮结构，所述凸轮套套在电机动力输出轴外圆使内斜 齿轮结构与外斜齿轮结构相啮合形成凸轮传动副； 进一步，还包括档位显示屏，所述档位显示屏接收控制器传入的档位信号。 本发明的有益效果本发明的轮毂式手自 一体智能化自适应传动传感电驱动自动变速器，采用现有技术的换挡变速器，控制器控制驱动电机的断电和通电而起到离合器的 作用；正常行驶时，控制器根据行驶阻力和驾驶员的意图自动控制驱动电机的电流，并控制 换档鼓驱动伺服电机自动加减档，使电流与档位达到最佳匹配；在阻力发生变化时，凸轮传 动副在阻力的作用下，产生分力，使凸轮套发生轴向位移，通过换算得出扭矩数值，并由转 速传感器检测到输出轴的转速数值，根据扭矩_转速变化决定换档动作和换档档位，使实 际的扭矩_转速与电流大小和档位达到最佳匹配，从而使驱动电机始终保持良好、稳态和 高效运行；由以上记载可以看出，本发明能部分排除驾驶人员的主观意识对操作的影响，在 复杂路段能够自动检测、修正甚至排除驾驶员的操作错误，能够自适应随行驶阻力变化自 动进行驱动电机电流和换档变速，解决驱动电机通过扭矩_转速变化和换档并满足复杂条 件下道路使用的问题，本发明还设置手动换档系统，根据实际情况可将自动换档切换至手 动换档系统，利用换档开关向控制器输入档位命令并控制驱动电机和换档鼓驱动伺服电机 实现手动换档。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。 图1为本发明结构示意图； 图2为图1A处放大图； 图3为本发明电机动力输出轴上外斜齿轮结构的轴向凸轮II结构示意图； 图4为本发明凸轮套径向截面结构示意图； 图5为动力输出齿轮结构示意图。
具体实施方式
实施例一 图1为本发明结构示意图，图2为图1A处放大图，图3为本发明电机动力输出轴 上外斜齿轮结构的轴向凸轮II结构示意图，图4为本发明凸轮套径向截面结构示意图，图5 为动力输出齿轮结构示意图，如图所示本实施例的轮毂式手自一体智能化自适应传动传 感电驱动自动变速器，包括主驱动电机1、变速箱体9、变速主动轴5、变速从动轴3和换档鼓 7，所述主驱动电机1的电机动力输出轴6与变速主动轴5传动配合，变速主动轴5通过档位 变速齿轮副将动力输出至变速从动轴3，变速从动轴3与车辆轮毂11传动配合，如图所示， 车辆轮毂11转动配合连接于平叉14尾管处；所述换档鼓7通过换档拨叉控制换档，采用现 有技术变速器的换挡及装配模式；还包括自适应传动装置、自动控制系统和手动换档系统； 所述电机动力输出轴6通过自适应传动装置与变速主动轴5传动配合；当然，根据现有技术 的常规结构，变速主动轴5、电机动力输出轴6和变速从动轴3均以可绕自身轴线转动的方 式与变速箱体9配合。 自适应传动装置包括设置有轴向凸轮I12a的凸轮套12和弹性元件13，所述电机 动力输出轴6设置有轴向凸轮II6a，所述轴向凸轮112a和轴向凸轮II6a相配合形成凸轮 传动副；所述电机动力输出轴6外圆转动配合套有动力输出齿轮IO，所述凸轮套12与动力 输出齿轮10以圆周方向固定轴向可移动的方式配合，所述弹性元件13沿与凸轮传动副形 成的轴向分力相反的方向顶住凸轮套12 ;动力输出齿轮10将动力输出至变速主动轴5 ;
所述自动控制系统包括控制器21、将信号输入控制器21的位移传感器和变速从 动轴转速传感器，以及接收控制器21命令信号的换档鼓驱动伺服电机8 ;所述位移传感器 用于检测凸轮套12的轴向位移，变速从动轴转速传感器用于检测变速从动轴3的转速信 号；换档鼓驱动伺服电机8用于驱动换档鼓7完成换档动作；所述控制器21输出命令至主 驱动电机1控制其运行状态；需要换挡时切断主驱动电机电源，进行换挡，起到离合器的作 用，换挡结束后通电继续运行。 手动换档系统包括手动自动切换开关22和手动换档档位开关23，所述手动自动 切换开关22将手动自动切换信号输入控制器21，手动换档档位开关23将档位信号输入至 控制器21 ;当驾驶人员需要通过手动换档或者自动换档系统出现机械故障时，通过手动自 动切换开关22切换，向控制器21输入手动换档命令，控制器根据程序直接接收手动换档档 位开关23的档位命令，并向主驱动电机1、换档鼓驱动伺服电机8发出相应的命令，实现手 动换档；能够满足不同情况的不同需要，保证发动机的正常运行。 本实施例中，所述动力输出齿轮10通过中间减速装置与变速器主动轴5传动配 合；变速器主动轴5在圆周方向固定配合设置变速器动力输入齿轮5a ;中间减速装置包括 中间轴2，中间轴2上在圆周方向固定配合设置中间输入齿轮2a和中间输出齿轮2a，所述 动力输出齿轮10与中间输入齿轮2a传动啮合，中间输出齿轮2b与变速器动力输入齿轮5a 传动啮合；当然，根据现有技术的常规结构，中间轴2以可绕自身轴线转动的方式与变速箱 体9配合。 本实施例中，所述凸轮套12套在电机动力输出轴6外圆，一端部与动力输出齿轮 10以圆周方向固定轴向可移动的方式配合，另一端部由套在电机动力输出轴外圆的弹性元 件顶住；本结构利于安装和拆卸，并利于保持结构的稳定安装。 本实施例中，所述位移传感器包括霍尔元件117和与其沿轴向相对的磁钢118，所 述磁钢118固定设置在一位移磁钢座18a上，所述位移磁钢座18a以轴向可移动圆周方向 固定的方式设置，如图所示，位移磁钢座18a通过变速箱体9以轴向可移动圆周方向固定的 方式设置；所述位移磁钢座18a在一回位弹性元件24的作用下沿与凸轮传动副形成的轴向 分力相反的方向紧靠凸轮套12，本实施例中回位弹性元件24为一柱状弹簧；所述电机转速 传感器包括霍尔元件II15和与电机转子在圆周方向固定配合的电机转速磁钢座16a，如图 所示，电机转速磁钢座16a设置在电机动力输出轴6上并与其在圆周方向固定配合；所述电 机转速磁钢座16a上设置与霍尔元件1115相对的磁钢1116，所述磁钢1116沿圆周方向均 布设置六个，当然，数量根据需要可以是多个；霍尔元件I17和霍尔元件II15的信号输出端 连接控制器21 ;采用霍尔元件的传感器结构，检测结果准确，避免干涉；
本实施例中，所述位移磁钢座18a外套于电机动力输出轴6，所述弹性元件13位于 位移磁钢座18a和电机动力输出轴6之间形成的空腔内，位移磁钢座18a外圆沿轴向设置 限位槽， 一限位螺钉19螺纹配合穿过变速箱体9壁并伸入限位槽；所述凸轮套12与动力输 出齿轮10配合的端部在圆周方向均布设置至少两个沿轴向的传动凸起12b，所述动力输出 齿轮10上与其对应设置沿轴向的传动孔10a，所述传动凸起12b —一对应伸入传动孔10a 使凸轮套12与动力输出齿轮10以圆周方向固定轴向可移动的方式配合；本实施例中，传动 凸起12b为三个在圆周方向均布。 本实施例中，所述换档鼓驱动伺服电机8外壳固定设置于变速箱体9，转子轴与换档鼓7在圆周方向固定配合； 本实施例中，所述弹性元件13为至少一组蝶簧，本实施例根据实际情况采用两 组；所述凸轮套12外圆设置环形凸台，位移磁钢座18a端面与环形凸台端面之间通过平面 滚动轴承20配合； 本实施例中，所述换档自动控制系统还包括由霍尔元件III26和磁钢III27构成 的变速从动轴转速传感器，所述磁钢III27与霍尔元件III26相对并设置在与变速从动轴 3在圆周方向固定配合的从动轴转速磁钢座27a上；磁钢ni27沿圆周方向均布设置六个， 当然，数量根据需要可以是多个；设置变速从动轴转速传感器，使控制器21根据变速从动 轴3和电机1之间的转速决定换档档位，避免换档过程中产生的顿挫感，并避免传动齿轮副 出现损坏。 本实施例中，所述凸轮套12的轴向凸轮I12a为内圆设置的内斜齿轮结构，电机动 力输出轴6的轴向凸轮II6a为外圆设置的外斜齿轮结构，所述凸轮套12套在变速从动轴 6外圆使内斜齿轮结构与外斜齿轮结构相啮合形成凸轮传动副；采用斜齿轮结构的轴向凸 轮，可最大限度的减小啮合间隙，较精确的反应扭矩与凸轮套移动距离之间的关系，从而使 控制器的自动控制过程更为精确。 本实施例中，还包括档位显示屏25，所述档位显示屏25接收控制器21传入的档位
信号；手动操作时，为驾驶者提供档位信息并为操作提供依据。
本发明动力传递路线 主驱动电机1 —电机动力输出轴6 —轴向凸轮II6a—轴向凸轮I12a—凸轮套 12 —动力输出齿轮10 —输出； 动力传递路线同时还经过下列路线轴向凸轮II6a —轴向凸轮112a —轴向分力 —凸轮套12 —压縮弹性元件13 ; 由以上传递路径可以看出，行驶阻力越大，由轴向凸轮II和轴向凸轮I所产生的 轴向分力就越大，弹性元件的被压縮量就越大，由位移传感器所测得的并传到控制器(ECU) 的位移量就越大，控制器根据位移量计算出行驶阻力对变速从动轴扭矩的要求，并根据变 速从动轴转速传感器的转速数据，合理匹配扭矩_转速数值，对主驱动电机和换档鼓驱动 电机发出适当的换档指令。 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技 术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本 发明的权利要求范围当中。
权利要求
一种轮毂式手自一体智能化自适应传动传感电驱动自动变速器，包括主驱动电机、变速箱体、变速主动轴、变速从动轴和换档鼓，所述主驱动电机的变速从动轴与变速主动轴传动配合，变速主动轴通过档位变速齿轮副将动力输出至变速从动轴，变速从动轴与车辆轮毂传动配合，所述换档鼓通过换档拨叉控制换档，其特征在于还包括自适应传动装置、自动控制系统和手动换档系统；所述电机动力输出轴通过自适应传动装置与变速主动轴传动配合；自适应传动装置包括设置有轴向凸轮I的凸轮套和弹性元件，所述电机动力输出轴设置有轴向凸轮II，所述轴向凸轮I和轴向凸轮II相配合形成凸轮传动副；所述电机动力输出轴外圆转动配合套有动力输出齿轮，所述凸轮套与动力输出齿轮以圆周方向固定轴向可移动的方式配合，所述弹性元件沿与凸轮传动副形成的轴向分力相反的方向顶住凸轮套；动力输出齿轮将动力输出至变速主动轴；所述自动控制系统包括控制器、将信号输入控制器的位移传感器和电机转速传感器，以及接收控制器命令信号的换档鼓驱动伺服电机；所述位移传感器用于检测凸轮套的轴向位移，电机转速传感器用于检测电机的转速信号；换档鼓驱动伺服电机用于驱动换档鼓完成换档动作；所述控制器输出命令至主驱动电机控制其运行状态；手动换档系统包括手动自动切换开关和手动换档档位开关，所述手动自动切换开关将手动自动切换信号输入控制器，手动换档档位开关将档位信号输入至控制器。
2. 根据权利要求1所述的轮毂式手自一体智能化自适应传动传感电驱动自动变速器，其特征在于所述动力输出齿轮通过中间减速装置与变速器主动轴传动配合；变速器主动轴在圆周方向固定配合设置变速器动力输入齿轮；中间减速装置包括中间轴，中间轴上在圆周方向固定配合设置中间输入齿轮和中间输出齿轮，所述动力输出齿轮与中间输入齿轮传动啮合，中间输出齿轮与变速器动力输入齿轮传动啮合。
3. 根据权利要求2所述的轮毂式手自一体智能化自适应传动传感电驱动自动变速器，其特征在于所述凸轮套套在电机动力输出轴外圆，一端部与动力输出齿轮以圆周方向固定轴向可移动的方式配合，另一端部由套在电机动力输出轴外圆的弹性元件顶住。
4. 根据权利要求3所述的轮毂式手自一体智能化自适应传动传感电驱动自动变速器，其特征在于所述位移传感器包括霍尔元件I和与其沿轴向相对的磁钢I，所述磁钢I固定设置在一位移磁钢座上，所述位移磁钢座以轴向可移动圆周方向固定的方式设置，所述位移磁钢座在一回位弹性元件的作用下沿与凸轮传动副形成的轴向分力相反的方向紧靠凸轮套；所述电机转速传感器包括霍尔元件II和与电机转子在圆周方向固定配合的电机转速磁钢座，所述电机转速磁钢座上设置与霍尔元件II相对的磁钢II。
5. 根据权利要求4所述的轮毂式手自一体智能化自适应传动传感电驱动自动变速器，其特征在于所述位移磁钢座外套于电机动力输出轴，所述弹性元件位于位移磁钢座和电机动力输出轴之间形成的空腔内，位移磁钢座外圆沿轴向设置限位槽，一限位螺钉螺纹配合穿过变速箱体壁并伸入限位槽。
6. 根据权利要求5所述的轮毂式手自一体智能化自适应传动传感电驱动自动变速器，其特征在于所述凸轮套与动力输出齿轮配合的端部在圆周方向均布设置至少两个沿轴向的传动凸起，所述动力输出齿轮上与其对应设置沿轴向的传动孔，所述传动凸起一一对应伸入传动孔使凸轮套与动力输出齿轮以圆周方向固定轴向可移动的方式配合。
7. 根据权利要求6所述的轮毂式手自一体智能化自适应传动传感电驱动自动变速器，其特征在于所述换档鼓驱动伺服电机外壳固定设置于变速箱体，转子轴与换档鼓在圆周方向固定配合；所述弹性元件为至少一组蝶簧，所述凸轮套外圆设置环形凸台，位移磁钢座端面与环形凸台端面之间通过平面滚动轴承配合。
8. 根据权利要求7所述的轮毂式手自一体智能化自适应传动传感电驱动自动变速器，其特征在于所述换档自动控制系统还包括由霍尔元件III和磁钢III构成的变速从动轴转速传感器，所述磁钢III与霍尔元件III相对并设置在与变速从动轴在圆周方向固定配合的从动轴转速磁钢座上。
9. 根据权利要求8所述的轮毂式手自一体智能化自适应传动传感电驱动自动变速器，其特征在于所述凸轮套的轴向凸轮I为内圆设置的内斜齿轮结构，电机动力输出轴的轴向凸轮II为外圆设置的外斜齿轮结构，所述凸轮套套在电机动力输出轴外圆使内斜齿轮结构与外斜齿轮结构相啮合形成凸轮传动副。
10. 根据权利要求9所述的轮毂式手自一体智能化自适应传动传感电驱动自动变速器，其特征在于还包括档位显示屏，所述档位显示屏接收控制器传入的档位信号。
全文摘要
本发明公开了一种轮毂式手自一体智能化自适应传动传感电驱动自动变速器，包括主驱动电机、变速箱体、变速主动轴、变速从动轴和换档鼓，还包括自适应传动装置、自动控制系统和手动换档系统；本发明在车辆正常行驶时，控制器根据行驶阻力和驾驶员的意图自动控制控制换档鼓驱动伺服电机自动加减档，使电流与档位达到最佳匹配；在阻力发生变化时，根据扭矩-转速变化决定换档动作和换档档位，使实际的扭矩-转速与电流大小和档位达到最佳匹配，从而使驱动电机始终保持良好、稳态和高效运行；本发明还可根据实际情况可将自动换档切换至手动换档系统，利用换档开关向控制器输入档位命令并控制驱动电机和换档鼓驱动伺服电机实现手动换档。
文档编号F16H37/12GK101792006SQ20101012153
公开日2010年8月4日 申请日期2010年3月10日 优先权日2010年3月10日
发明者周黔, 林毓培, 薛荣生 申请人:西南大学