一种无离合器无同步器机械式自动变速箱换挡系统及方法与流程

本发明涉及车辆传动装置零部件技术领域，特别涉及一种无离合器无同步器机械式自动变速箱换挡系统及方法。

背景技术

对于电动车辆，通过在传动系统中增加多档位的变速箱，可以进一步提高车辆的动力性。同时，最大限度确保电动机工作在高效率区间，从而有效提高电动车辆的能源利用率。由于，电动机自身具有快速调速性能，因此可以不在需要传统机械式自动变速箱中的离合器与同步器，利用电机主动同步转速差的方法实现变速箱换挡。然而，采用电机主动同步变速箱同步齿圈与同步套相对位置的方法，要求对同步过程具有非常精确的控制。

因此目前急需一种新的变速箱换挡方式，既利用电机主动同步转速差的方法实现变速箱换挡，又可以保证结合时齿轮与传动轴不会带来换挡冲击。

技术实现要素：

针对背景技术中提到的问题，本发明公开了一种无离合器无同步器机械式自动变速箱换挡系统，其特征在于，包括相匹配的齿轮结合部和传动轴结合部，齿轮结合部和传动轴结合部同轴，齿轮结合部由左侧的直齿轮部和右侧的窄槽结合部一体构成，圆柱形窄槽结合部的外端面沿周向均匀分布有若干结合宽齿，传动轴结合部的一个端面外端面沿周向均匀分布有若干结合窄齿。

所述齿轮结合部和传动轴结合部上都设有与换挡执行系统相连的位置和速度传感器；换挡执行系统与换挡执行机构相连；齿轮结合部和传动轴结合部间的距离由换挡执行机构控制。

所述结合宽齿呈扇形，结合宽齿的齿宽为结合宽齿齿槽宽度的三倍，结合宽齿的齿端设有倒角，结合宽齿的齿向与轴向平行。

本发明还公开了一种无离合器无同步器机械式自动变速箱换挡方法，其特征在于，分为以下步骤：

步骤1、速度传感器接收到传动轴结合部相对齿轮结合部的相对转速ω，

步骤2、传动轴结合部向齿轮结合部靠近；

步骤3、传动轴结合部将电动机输出的转矩t减小相对转速ω，并实现齿轮结合部与传动轴结合部的转速同步；

步骤4、继续转动传动轴结合部；换挡执行机构将传动轴结合部推向齿轮结合部，使结合窄齿紧贴结合宽齿，并施加预压力；

步骤5、在预压力的基础上，换挡执行机构对传动轴结合部施加结合角加速度；当结合窄齿到达结合宽齿齿槽的瞬间，结合窄齿进入结合宽齿的齿槽中，完成换挡的齿轮结合过程。

所述步骤2中传动轴结合部向齿轮结合部靠近的方式为：使用保持相对转速ω值不变的方式，快速消除位置差。

所述步骤2结束时，传动轴结合部与齿轮结合部之间保留轴向安全间隙，以免齿轮结合部与传动轴结合部相互碰撞。

所述步骤3结束时，需保证s2＝ω2/(2α)-s1，其中s2为预计结合窄齿的停止位置相对结合宽齿的周向距离，s1为结合窄齿与结合宽齿齿槽的周向距离；α为传动轴结合部的相对角加速度。

所述步骤3的结束条件为s1≥ω2/(2α)；其中s1为结合窄齿与结合宽齿齿槽的周向距离；α为传动轴结合部的相对角加速度。

所述步骤4中转动传动轴结合部的终止条件为：结合窄齿距结合宽齿齿槽有一个结合窄齿的距离。

本发明的有益效果为：

本发明的方法中当传动轴与齿轮结合时，两者之间的转速已经接近同步，此时结合齿轮与传动轴不会带来换挡冲击。

本发明的方法对齿轮结合部与传动轴结合部转速差减小为零的最佳结合位置精度要求不高，因此可以降低齿轮与传动轴位置同步过程的控制精度。

附图说明

图1为本发明一种无离合器无同步器机械式自动变速箱换挡系统及方法实施例中齿轮结合部的斜视图；

图2为本发明实施例中传动轴结合部的斜视图；

图3为本发明实施例中齿轮结合部与传动轴结合部转速差变化的的示意图；

图4为本发明实施例中传动轴结合部相对齿轮结合部距离变化的示意图。

图中：1-齿轮结合部，1a-结合宽齿，2-传动轴结合部，2a-结合窄齿。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步阐述；

如图1和图2所示，本发明实施例中所使用的装置包括与电机相连的齿轮结合部1和与传动轴相连的传动轴结合部2两部分组成，齿轮结合部1和传动轴结合部2同轴，齿轮结合部1由左侧的直齿轮部和右侧的窄槽结合部一体构成，齿轮结合部1和传动轴结合部2间的距离由换挡执行机构控制；

圆柱形窄槽结合部的外端面沿周向均匀分布有若干结合宽齿1a，呈扇形的结合宽齿1a的齿宽为结合宽齿1a齿槽的宽度三倍，齿端设有倒角，齿向与轴向平行；

传动轴结合部2的一个端面外端面沿周向均匀分布有若干结合窄齿2a，结合窄齿2a的齿槽与结合宽齿1a相匹配，结合窄齿2a的齿端也设有倒角；

相匹配是指，结合窄齿2a的齿宽等于窄槽结合部的齿槽宽度，传动轴结合部2的齿槽宽度等于窄槽结合部的齿宽；

齿轮结合部1和传动轴结合部2上都设有与换挡执行系统相连的位置和速度传感器；换挡执行系统与换挡执行机构相连。

本实施例的换挡过程分为以下步骤：

步骤1、初始状态

变速箱中分离的这对齿轮结合部1和传动轴结合部2需要结合，此时，传动轴结合部2相对齿轮结合部1具有相对转速ω；

步骤2、靠近

传动轴结合部2向齿轮结合部1靠近；

在靠近时，使用保持相对转速ω值不变的方式，快速消除位置差，并使得s3＝s2；其中s3为预计结合窄齿2a停止位置与理论最佳转速同步时位置间的位置差，s2为预计结合窄齿2a停止位置相对结合宽齿1a齿槽的周向距离。

在靠近之后，传动轴结合部2与齿轮结合部1之间保留轴向安全间隙，以免齿轮结合部1与传动轴结合部2相互碰撞；

步骤3、转速同步

传动轴结合部2将电动机输出的转矩t减小相对转速ω，并实现齿轮结合部1与传动轴结合部2的转速同步；

通过速度传感器获得此时传动轴结合部2的相对角加速度α以及结合窄齿2a与结合宽齿1a齿槽的周向距离s1；当满足条件s1≥ω2/(2α)时，也就是预计结合窄齿2a将在下一次正对结合宽齿1a的齿槽时或之前，齿轮结合部1和传动轴结合部2的转速完成同步；

在转速同步后，s2＝ω2/(2α)-s1；

步骤4、预压力

继续缓慢转动传动轴结合部2直至结合窄齿2a距结合宽齿1a齿槽有一个结合窄齿2a的距离；

同时，换挡执行机构将传动轴结合部2推向齿轮结合部1，使结合窄齿2a紧贴结合宽齿1a，并施加一定预压力。

步骤5、对准与结合

在预压力的基础上，换挡执行机构对传动轴结合部2施加结合角加速度β。

在换挡执行机构推力的作用下，当结合窄齿2a到达结合宽齿1a齿槽的瞬间，结合窄齿2a进入结合宽齿1a的齿槽中，完成换挡的齿轮结合过程；

换挡执行系统通过控制电机输出力矩及作用在传动轴结合部2的预压力，以控制此时传动轴结合部2的结合角加速度β；

在本实施例中，结合角加速度β的数值不宜过大，以免造成换挡冲击。

在本实施例中，预计结合窄齿2a停止位置为当前步骤结束时，换挡执行系统中预计结合窄齿2a的停止位置。

如图3所示，在本实施例的换挡过程中，齿轮结合部1和传动轴结合部2转速差的调整过分为0至t2、t2至t3和t5三个阶段。

从0到t2时刻为步骤1至2，电动机输出转矩t减小相对转速ω。

从t2到t3时刻为步骤3至4，此时以恒定转速差运行，消除预估传动轴相对齿轮静止时刻位置与最佳同步时刻位置的位置差s2。

时刻t5为步骤5，结合窄齿2a与结合宽齿1a齿槽对齐，在换挡电机施加的预压力作用下，结合窄齿2a快速进入结合宽齿1a齿槽中，齿轮与传动轴转速差降为零。

如图4所示，在本实施例的换挡过程中，传动轴结合部2沿轴向方向相对齿轮结合部1的距离分为0至t1、t1至t4和t4至t5几个阶段。

从0到t1时刻即步骤1至2，传动轴结合部2在换挡执行机构的驱动下不断向齿轮结合部1靠近，并且与齿轮结合部1保持一段安全距离。

在t4时刻即步骤3，齿轮结合部1位置与最佳同步时刻位置相差一个齿轮结合部1凸齿。

随后进入步骤4，在换挡执行机构的驱动下，传动轴结合部2被压向齿轮结合部1，结合窄齿2a紧贴结合宽齿1a。

在t5时刻即步骤5，结合窄齿2a与结合宽齿1a齿槽对齐。t5时刻之后在换挡电机施加的预压力作用下，结合窄齿2a快速进入结合宽齿1a齿槽中，完成换挡过程。