本发明涉及一种车辆动力传动装置。本发明具体涉及一种装在这样一种车辆上使用的车辆动力传动装置,这种车辆用皮带型无级变速机构将电力驱动源的转矩传动到被驱动侧,在长时间工作过程中,这种皮带因磨损而使摩擦阻力发生变化,从而引起变速特性改变,该传动装置使这种变化减至最小,因此,车辆行驶平稳,乘客感到舒适。 在由内燃机和电机驱动的车辆中,有些车辆采用皮带型无级变速机构作为自动传动机构,用于将驱动源的转矩平稳地传到被驱动侧。例如日本专利公开No.3-128789公开了一种包括皮带型无级变速机构的电力驱动车。这种无级变速机构具有横截面为梯形的环形皮带,该皮带一方面啮合在装在电机输出轴上的驱动皮带轮中,另一方面啮合在装在减速器输入轴上的被动皮带轮中。
上述横截面形状的环形皮带通过摩擦啮合将转矩从驱动皮带轮传送到被动皮带轮。长期使用,皮带轮的摩擦系数由于时效变化而发生改变。特别是在高低速度之间的中间速度特性容易发生改变。改变的中速特性降低了传动装置的质量,或使该装置的工作性能不稳定。这种不规则性常常破坏坐在使用这种传动机构的车辆上的乘客的舒适性。
因此本发明目地是提供一种车辆动力传动装置,这种装置包括皮带型无级变速机构,供装在车辆上使用,该传动装置在驱动车辆时不管皮带摩擦力的变化而保持轴输出恒定,所以可保持车上乘客的舒适。
为实现本发明,按照本发明的一个方面,提供一种车辆动力传动装置,该装置包括皮带型无级变速机构,装在车上供车辆驱动原动机使用,该传动装置提供平的特性曲线区段,该区段至少覆盖车辆原驱动电机转速对轴输出特性曲线的一部分。
在本发明的一个优选结构中,车辆动力传动装置提供高的和低的传动比并具有这样变速特性,即使得在高低传动比之间,相对于车速,车辆驱动原动机的转速基本上保持恒定。
在本发明的另一个优选结构中,车辆动力传动装置利用电机作驱动车辆的原动机。
在本发明的又一个优选结构中,由车辆动力传动装置提供的平的特性曲线区段是皮带型无极变速机构的变速特性区域或最大车速区。
因为本发明的车辆动力传动装置提供平的特性曲线区段,该区段至少覆盖驱动车辆原电机转速对轴输出特性曲线的一部分,所以该传动装置在轴输出特性曲线的平区段内可使车辆由车辆驱动原动机的恒定的轴转速输出驱动,而与皮带型无级变速机构在长期使用中皮带摩擦力的改变无关。
当皮带型无级变速机构中皮带的摩擦力在长期使用中发生变化时,采用无级变速方式的车辆驱动原动机的转速也相应发生变化。尽管转速变化,本发明也可使车辆由在车辆驱动原动机转速范围内的恒定轴输出驱动,原动机的转速以无级方式变化。
下面结合电力驱动摩托车对本发明的车辆动力传动的最佳实施例进行描述。
图1是本发明的第一实施例的横截面图。
图2是本发明的第二实施例的横截面图。
图3是供实施例用的典型的电机控制系统的电路图。
图4是本发明中典型的电机转速对轴输出的特性曲线图。
图5是说明本发明中电机驱动信号是如何构成的图。
图6是一组图,示出本发明中典型的车速对电机转速的特性曲线、车速对总的车输出的特性曲线和车速对效率的特性曲线。
图7示出本发明中典型的电机转速对驱动转矩的特性曲线。
在附图中,参考号18是电机;21是转子位置检测器;23是转速检测器;25是控制器;29是开关线路;35是驱动器;46,46a是皮带轮的皮带;53,53a是减速器;56,56a是离心离合器;A是皮带转换器。
图1和图2是结合电力驱动摩托车的实施本发明的机械结构截面图。图1是第一实施例的横截面图,其中离合器机构装在被驱动侧。图2是第二实施例的横截面图,其中离合器机构装在驱动侧。
图1中,编号10是电力驱动摩托车的驱动部分,电机外壳12用轻金属铸造形成。由定子14和转子16构成的电机18位于电机外壳12内。电机18的一个轴端部由第一盖部件20密封。第一盖部件20可转动地支撑电机18的带轴承22的转轴24。电机外壳12的另一端部支承带轴承26的转轴24。电机外壳12和第一盖部件20用螺栓28紧固。
第一盖部件20的整个开口用第一罩部件30封盖。冷却孔32通过第一罩部件30的轴线中心。冷却孔32通过在第一盖部件20上的孔34与电机外壳12的内部连通。安装转子14的转轴24的一个端部靠近轴承26装有离心冷却风扇36。在操作时由离心冷却风扇36产生的冷却空气通过孔38被送到由下面要说明的第二罩部件48形成的空腔39中。
转轴24的另一端部沿轴线装有第一固定皮带半轮40和第一移动皮带半轮42,两个皮带半轮以确定的方式被安装。当离心重块44由其离心力向外移动时,第一移动皮带半轮42的重心沿径向方向向外移动。皮带轮的皮带46具有梯形横截面,它被夹持在第一固定皮带半轮40和第一移动皮带半轮42之间,绷在其锥形表面上。以同样方式,皮带轮皮带46也啮合在第二固定皮带半轮62和第二移动皮带半轮58之间,这两个皮带半轮62,58由第二罩部件48安装在下面要说明的后轮侧上。
在被驱动侧,编号53表示减速器。减速器具有齿轮传动机构。
离心离合器56被固定连接在减速器53的输入轴54上。第二移动皮带半轮58沿轴线以可移动的方式连接到离合器56上。在这种配置中,盘簧60被插在移动皮带半轮58和离心离合器56之间。盘簧60保持将移动皮带半轮58推向第二固定皮带半轮62,后者可拆卸地与输入轴54啮合。
如图所示,离心离合器56具有离合器内部66和离合器外部68。离合器内部66和离合器外部68彼此啮合,反映将其上转矩传送到输入轴54上的当时的转速。
第二盖部件72固定连接到电机外壳12的包含减速器53的那部分。第二盖部件72的轴承74和固定在电机外壳12上的轴承76可转动地支承输入轴54。在电机外壳12内,输入齿轮78与输入轴54啮合。输入齿轮78也与大直径的中间齿轮80啮合。中间齿轮82与中间齿轮80共轴,并与输出齿轮84啮合。输出齿轮84的一端与输出轴88固定连接,该输出轴88可转动地支承电力驱动摩托车的后轮。图1中WR表示固定在后轮上的后轮胎。
图2是本发明第二实施例的横截面图。在第二实施例中,其作用完全与第一实施例中所述部件相同的那些部件用相同的参考编号表示,并省去对其详细的说明。
如图2所示,第二实施例与第一实施例不同之点是,对应离心离合器56的离心离合器56a被固定在驱动侧。在第二实施例中,离心离合器56a沿轴固定在轴承26的外边。离心离合器56a具有离合器内部66a和离合器外部68a。由离心冷却扇36的旋转产生的冷却空气通过孔38a被送到容纳离心离合器56a的空腔39a中。在后轮侧,轴承件90被固定在减速器53a的输入轴54a上。移动皮带半轮58a沿轴向以可移动的方式被连接在轴承件90上。在这种配置中,盘簧60a插在移动皮带半轮58a和轴承件90之间。盘簧60a保持将移动皮带半轮58a推向固定皮带半轮62a,后者固定连接在输入轴54a上。因此皮带轮皮带46a的一个端部被崩紧夹持在移动皮带半轮58a和固定皮带半轮62a之间。
在图2中,固定皮带半轮40、移动皮带半轮42,离心重块44和皮带轮皮带46(46a)构成皮带型无级变速机构(以下简称皮带转换器)。
在上述第一和第二实施例中摩托车的驱动部分10的操作如下:
转动图中未示出的调节杆,使电机18转动。当转动轴24转动时,其总的转矩使第一固定皮带半轮40和第一移动皮带半轮42转动。如果转速足够高,离心重块44便沿径向方向向外移动。这就使移动皮带半轮42相对于第一固定皮带半轮40向双点画线示出的方向移动。在减速器53(53a)的一侧,移动皮带半轮58(58a)则反抗盘簧60(60a)的反弹力向双点画线的方向移动。即在减速器53(53a)的一侧,移动半轮58(58a)移离第二固定皮带半轮62(62a)。
当第二固定皮带半轮62(62a)和移动皮带半轮58(58a)在皮带轮皮带46(46a)的作用下转动并同时沿轴移动时,输入轴54(54a)相应转动。随着通过输入齿轮78、中间齿轮80、中间齿轮82和输出齿轮84传动比的改变,转速降低。由输出轴88将最后的转速传送到后轮WR。因此后轮转动,并起驱动轮的作用,与未示出的前轮配合,使电力驱动摩托车向前运动。
下面说明电机18是如何运转和如何控制的。
电机18是直流无刷电机,包括转子16、定子14、磁铁17、转子位置检测器21和转速检测器23。转子16具有4块南北极永久磁铁13N和13S,该磁铁沿固定在电机18转轴24上的定子心的外圆周交替配置。定子14具有Y形连接的定子线圈15U、15V和15W。磁铁17是北极和南极磁片,它们分别与永久磁铁13N和13S对应,它们也交替固定在转轴24的外圆周上。转子位置检测器21由三个霍尔(Hall)元件组成,其位置对着磁铁组件。用于检测电机18转速的由FG构成的转速检测器23被固定在转轴24上。
图3是实施例中使用的电机控制系统的电路图。为了对电机18进行控制,本发明提供ROM(只读存贮器)27和控制器25,ROM中贮存电机转速对轴输出特性曲线数据表(在图4中用实线画出特性曲线),控制器25具有与ROM27配合工作的微机。控制器25接收四种信号:由于电机18转动引起转子16的永久磁铁位置变化,当转子位置检测器21检测转子16的永久磁铁位置时,由转子位置检测器21输出的信号;由与加速器手柄连接的电位器输出的信号,该手柄被接到未示出的摩托车手把上;由转速检测器23输出的信号;和由A/D转换器41输出的信号,该转换器将下面要说明的电阻器43上的电压降转换成数字数据,这种电压降是由于电流流过电机18转子线圈而引起的。
在控制器25和电机18之间是开关电路29,该开关电路29包括放大控制器25输出的驱动器35。开关电路还包括串联的场效应晶体管(FET)33a和33b、33c和33d、33e和33f。这些FET并联在地线和电阻器43之间,电阻的一端与电池37连接。FET33a的源极和FET33b的漏极之间的连接点被连接到定子线圈15U;FET33c的源极和FET33d的漏极之间的连接点被连接到定子线圈15V;FET33e的源极和FET33f的漏极之间的连接点被连接到定子线圈15W。驱动器35选择性地驱动FET33a至33f,使定子线圈15U、15V和15W中的任何一个通电。
在上述设置中,从电池37流到定子线圈15U、15V和15W的电流都要流过电阻器43,以便转换成电压。电阻器43上的电压降被馈送到A/D转换器41,转换成数字数据。该数字数据然后被送到控制器25。FET33a至33f分别与二极管31a至31f并联。控制器25的功能包括转速控制和轴输出控制。
在上述构成的电机控制系统中,控制器25产生脉冲,该脉冲可以根据转子位置检测器21的输出信号开关定子线圈15U、15V和15W中任何一相。检测器21检测由电机18驱动的转子16的磁极位置。计算连接在加速器手柄上的电位器上的输出信号和转速计数器23输出信号之间的差。根据计算的差,计算PWM(脉冲宽度调制)信号的负载比。PWM信号对用于开关定子线圈15U、15V和15W任何一相电流的脉冲进行削波,削顶的脉冲由控制器25输出到相应定子线圈的驱动器35。
PWM信号的周期被调置到远短于开关定子线圈15U、15V和15W电流的脉冲宽度。图5是一个示意图,示出削顶脉冲的一个定子线圈相。在图5中,参考字母P表示开关定子线圈电流的脉冲,阴影部分表示允许电流流过的区域。
由PWM信号削顶的脉冲由驱动器35对每一相进行放大。放大的脉冲接通或断开相应的FET,以便控制电机18的转子转速,使得电位器和转速检测器23的输出信号之间的差成为零。
同时,控制器25根据转速检测器23的输出信号和由A/D转换器41转换的数字数据计算电机18的轴输出。计算是根据轴输出是以流过电机18的电流与其转速的乘积为基础进行的。
在ROM27中的电机转速对轴输出特性曲线表,是根据由转速检测器23检测的电机18的转子转速作基准。这使得对应于电机18转子转速的轴输出可以从ROM中读出。比较读出的轴输出和计算的轴输出之后,以这样的方式控制PWM信号的负载比,使得这两种输出的差变成零。PWM信号及其由此受控的负载比对脉冲P进行削波。削顶的脉冲被驱动器35放大。驱动器35的放大输出选择性地接通或关断FET33a至33f。因此,电机被驱动,其轴输入是基于电机转速对轴输出特性曲线(在满负载下),该特性曲线具有如图4所示的区段a、b、c和一个在三区段以外的区域。在区段a中,在低转速区域增加轴输出的输出转矩是常数;在区段b中,轴输出经过其峰值以后保持常数;在区段C中,轴输出仍保持常数;在三个区段以外的那个区域是高转速区域,在这一区域随着转速增加,轴输出降低。
在图4中虚线代表不用上述削波控制时电机18实际上的电机转速对轴输出特性曲线。
电机18的转子转速被传送到皮带转换器A(即皮带型无级变速机构)。然后皮带转换器A通过减速器53(53a)驱动后轮WR。
皮带转换器A被调置到图6(a)中虚线所示的特性曲线,特性曲线是皮带轮皮带46(46a)的摩擦力还得减小的起始状态下车辆速度对电机转速的特性曲线。按照由此建立的特性曲线,皮带转换器A工作如下:当电机18的转子16的转速达到预定的转速时,离心离合器56(56a)啮合。基于皮带转换器A的低减速比,车辆速度的增加与电机18的转子转速(的增加)保持一致。低减速比是其间绕着皮带轮皮带46(46a)的驱动皮带轮和被驱动皮带轮的半径之比。如图所示,速度改变开始于靠近产生最大效率的转速的预定转速处。速度改变以无级方式继续,确立的转速保持不变,直到与高减速比相当的车速。然后,车速沿高减速比曲线增加。
应当注意到,图4中电机转速对轴输出特性曲线的区段b被如此确立,使得由皮带转换器A以无级方式改变的转速将落在图6中车速对电机转速特性曲线的区段b内。区段b被称为变速特性区域,在该区域中,变速特性发生在最低和最高减速比之间。
一般说来,在使用皮带转换器A时,皮带轮皮带46(46a)与第一固定皮带半轮4b和第一移动皮带半轮42之间的摩擦力,以及皮带轮皮带46(46a)与固定皮带半轮62(62a)和移动皮带半轮58(58a)之间的摩擦力,随着使用时间的增长将会降低。即使电机18的转子转速保持常数,后轮WR的转数也会降低。这就使得车辆不可能在恒定的速度下行驶。另外,提高电机18的转速一般导致轴输出的降低,结果也是使得车辆不能按相同的轴输出行驶。
相反,按照本发明的实施例,提供了至少覆盖电机18转子转速的整个跨度一部分的恒定输出区段(即在变速特性区内),当车辆例如爬坡时,转子转速是有效的。恒定轴输出区段的例子是图4所示的电机转速对轴输出特性曲线的区段b。当皮带转换器A中驱动皮带轮、被驱动皮带轮和皮带轮皮带46(46a)之间的摩擦力降低时,车速与电机转速的关系发生了变化,其变化是从图6(a)虚线表示的车速对电机转速特性曲线改变到同一图中用实线表示的特征曲线。但是在图6(a)实线所示的车速对电机转速特性曲线的区段b内,后轮WR仍然由恒定的轴输出驱动。
因为在图6(a)中的车速对电机转速特性曲线的区段b内。加速行驶的车辆由恒定的轴输出驱动,所以在驱动皮带轮、被驱动皮带轮和皮带轮皮带46(46a)之间的摩擦力相对于初始值的减少所产生的影响被降至最小,这种摩擦力的减少是由于时效变化和(或)大批量生产中的不均匀性造成的。这样便将对车辆动力特性的任何有害影响减至最小。因为轴输出在区段b内保持常数,所以在驱动、被驱动皮带轮和皮带轮皮带46(46a)之间的摩擦力的降低很难影响车辆的爬坡能力。
在最佳实施例中,在图4所示的电机转速对轴输出特性曲线中的超过区段b的接近最大转速的区域(即区段c内),皮带转换器A的减速比基本不随着驱动皮带轮、被驱动皮带轮和皮带轮皮带46(46a)之间摩擦力的减小而改变。如图4所示,区段c是就电机转速对轴输出特征曲线而言,轴输出保持恒定的区域。这就使得车辆可以以最大速度行驶,尽管驱动、被驱动皮带轮和皮带轮皮带46(46a)之间的摩擦力会减小。同时还可以使车辆保持在最大速度,而不管由于在被驱动皮带轮和后轮WR之间的构成减速器53(53a)的齿轮件的磨损而产生的动力损失如何。在这种意义上,区段c被称作最大车速区域。这个区域就是在最高减速比的变速特性曲线内达到最大车速的区域。
图6(a)中的车速对电机转速特性曲线的区段c对应于图4中的电机转速对轴输出特性曲线的区段c。
另外,在图4的电机转速对轴输出特性曲线中由于具有恒定轴输出的区段b和c,因此在这些区段在驱动、被驱动皮带轮和皮带轮皮带46(46a)之间的摩擦力的减小很难影响图6(b)所示的车速对总的车输出特性曲线。(在此图中,虚线表示摩擦力没有减小的初始状态,实线表示摩擦力已经减小的状态。这一说明也适用于图7。)
如果在马达转速对轴输出特性曲线中没有提供恒定轴输出区段,如图4虚线所示的情况,则在驱动、被驱动皮带轮和皮带轮皮带46(46a)之间摩擦力的减小便显著影响车速对总的车输出特性曲线,如图6(c)所示。当提供如图4所示的恒定轴输出的区段b和c时,在驱动皮带轮、被驱动皮带轮和皮带轮皮带46(46a)之间的摩擦力的减小很难影响车速对效率的特性曲线,如图6(d)所示。
在离心离合器56(56a)中,时效变化引起离合器内部66(66a)和离合器外部68(68a)之间的摩擦力减小。这种减小导致离合器容量从图7虚线表示的在起始摩擦力时的容量g下降到由实线表示的容量f。但是,在离合器容量g到离合器容量f之间的区域内时,电机18的转矩保持恒定,如图7的电机转速对驱动转矩特性曲线中的实线e所示,恒定转矩区域对应于图4中电机转速对轴输出特性曲线的区段a。这就使离心离合器56(56a)可以以固定的转矩被驱动,而不管摩擦力是在其初始值还是已经长期使用而降低。因此,离心离合器56(56a)保证了恒定转矩传动。这样,转矩保持恒定,车辆的爬坡性能不会受到有害影响。
图7的电机转速对驱动转矩特性曲线的区段a对应于图4的电机转速对轴输出特性曲线的区段a。
在图4的电机转速对轴输出特性曲线的转矩区段d中,转矩超出恒定转矩区段a中的转矩。该转矩区段d与图7的电机转速对驱动转矩特性曲线的区段d对应。结果,车辆可以在比恒定转矩区段a的转矩大的转矩情况下以有力的方式起动。
通常,用内燃机作驱动源的皮带转换器相对于内燃机的输出轴转速不可能使内燃机的输出转矩恒定。另外,这种类型的皮带转换器也容易发生转速变化。为此,这种常规的皮带转换器已经把离心离合器56(56a)包括进去了,在离合器中,离合器内部66(66a)和离合器外部68(68a)典型地在约3000转/分彼此啮合。这就意味着在3000转/分阈值以下,动力传动容易发生不均匀性。
相反,在本发明的第二实施例中,相对于其转速,电机18的输出转矩保持恒定,如图4所示的电机转速对轴输出特性曲线的区段a内的输出转矩。由于转速没有什么波动,所以离心离合器56可以在低至例如500转/分的转速啮合。如上所述,离合器啮合转速的差异不会妨碍电机18在低转速时产生恒定转矩。
在第二实施例中,离心离合器56a与皮带转换器A分开,固定在电机18的一侧。这种配置在离心离合器脱开处于不工作状态时连接到电机18上的负载,比离心离合器56a和皮带转换器A的相对位置倒换时的配置小。另外,上述配置降低了离心离合器56a啮合转速,而与皮带转换器A所用的转换比无关。
因为在皮带转换器A中驱动皮带轮转动得比被驱动轮快,所以离心离合器可以作成小直径的。这个特征的优点是离合器(56a)较小和较轻。因为离心离合器56a直接由电机18驱动,所以提高了离合器的啮合转速。这是使离心离合器可以作得比以前更小、更轻的另一个因素。结果,本发明所用的电机18消耗的功率比先有技术的装置要小。
如上所述,本发明的车辆动力传动装置包括一个皮带型无级变速机构,该装置供装在车上的车辆驱动原动机使用。该装置提供了平的特性曲线区段,该区段至少覆盖车辆原驱动电机的电机转速对轴输出特性曲线的一部分。在平的轴输出特性曲线的区段内,本发明的装置可使车辆由恒定的轴输出驱动,而与皮带型无级变速机构中摩擦力的时效变化无关。其结果便是,皮带型无级变速机构中皮带摩擦力的变化不会对变速动力传动特性产生什么不好的影响。本发明主要的优点是,和新造车辆的初始状态相比,已经长期使用的车辆,其动力传动特性不会有什么变坏。
本发明另外一个优点是,即使在皮带型无级变速机构中皮带的摩擦力的时效变化改变了其速度以无级方式变化的车辆驱动原动机的转速,车辆仍然可以在原动机转速的范围内用恒定的轴输出驱动。
本发明又一优点是,如果用电机作车辆驱动原动机,则很容易得到对于转速的平的轴输出特性曲线的区段。