新能源電動汽車用磁粉式兩檔變速器及其換擋方法與流程

本發明涉及新能源電動汽車用磁粉式兩檔變速器及其換擋方法，屬于電動汽車自動換擋技術領域。

背景技術：

據申請人了解，隨著經濟的發展，環境問題日益嚴峻，純電動汽車由于其零排放的特性，近年來得到了大規模的應用。電機直驅系統具有運行平穩，無動力中斷的優勢，但是電動汽車采用一擋速比，電機無法一直工作在高效率區間內，尤其是在低速啟動和高速運行的工況下。

于是電動汽車開始采用多檔變速器，使得電動汽車能夠工作在高效率區間內，以兩檔變速器為例，現有的兩檔變速器多沿用傳統的變速器方案，第一種變速器方案為：采用同步器和液壓離合器的方案，這種變速器存在換擋沖擊、離合器的可靠性較低以及體積較大的問題。第二種變速器方案為：采用電磁離合器的方案，存在的問題如下：1.離合器多在軸向方向上安裝，由于電磁制動器的工作原理和端部效應，電磁制動器容易對于行星齒輪變速機構產生影響，壽命降低；2.且軸向安裝的電磁離合器安裝在轉動部件上，不利于散熱，電磁離合器往往余量較大且工作環境惡劣，導致整個變速器的壽命和可靠性下降；3.磁粉離合器屬于電磁離合器的一種，而現有的采用磁粉離合器的方案中，磁粉離合器的發熱主要來源于離合器的處于滑差工況下產生的滑差功率，磁粉式離合器的滑差工況一般持續時間在1s左右，且磁粉制動器的扭矩輸出有一定的滯后性，扭矩輸出階躍下降響應的時間較階躍上升響應的時間短，傳統的發動機的轉速響應較慢，導致換擋過程中所產生的滑差功率基本上由磁粉式磁粉離合器來承擔，導致變速器的損耗較大。

技術實現要素：

本發明的目的在于：針對上述現有技術存在的問題，提出一種新能源電動汽車用磁粉式兩檔變速器的換擋方法，能夠有效縮短換擋時間，減少滑差工況的時間，有效的減少磁粉離合器和磁粉制動器的發熱量，提高變速器的壽命和可靠性。

本發明的技術方案如下：

本發明新能源電動汽車用磁粉式兩檔變速器，包括殼體，所述殼體內設有依次相連的第一從動齒輪、磁粉離合器、第二從動齒輪和磁粉制動器；所述殼體內還設有行星齒輪結構，所述行星齒輪結構包括行星架，所述行星架兩端分別連接有兩個行星輪或四個行星輪，所述行星輪之間連接有太陽輪；還包括齒圈，所述齒圈一側與行星輪嚙合，另一側與第二從動齒輪嚙合；所述行星架通過齒輪與第一從動齒輪嚙合。

進一步地，所述齒圈為雙面齒輪。

進一步地，所述第一從動齒輪一側通過軸承與殼體連接作為支撐，第一從動齒輪另一側與磁粉離合器連接。

進一步地，所述第二從動齒輪一側與磁粉制動器相連，磁粉制動器與殼體固定。

進一步地，當所述磁粉制動器處于工作狀態時：所述磁粉離合器斷開，此時兩檔變速器工作在行星齒輪系的工作狀態，速比為：齒圈齒數/（太陽輪齒數+1）。

進一步地，當所述磁粉離合器工作時，所述磁粉制動器斷開，此時兩檔變速器等效為直接驅動，速比為1。

本發明新能源電動汽車用磁粉式兩檔變速器的控制方法，包括從低速擋換擋至高速擋的換擋模式和從高速擋換擋至低速擋的換擋模式；

從低速擋換擋至高速擋的換擋模式：

步驟一、確定磁粉式兩擋變速器是否在執行從低速擋換擋至高速擋；

步驟二、通過電機控制器反饋的得到電機在換擋前的轉速為nmlth，斷開磁粉制動器，閉合磁粉離合器，此時磁粉式兩擋變速器連結電機端口的轉速需要從nmlth降低到nmlth/低速檔速比，在進行斷開磁粉制動器，閉合磁粉離合器的同時，將電機的工作模式從扭矩控制模式切換到轉速控制模式，同時將電機的目標轉速設定為磁粉式兩擋變速器連結電機端口在換擋結束后需要的電機轉速；

步驟三、在轉速調節完成且磁粉制動器和磁粉離合器扭矩響應完成后將電機的控制模式從轉速控制模式切換回轉矩控制模式，完成磁粉式兩擋變速器從低速擋至高速擋的換擋；

從高速擋換擋至低速擋的換擋模式：

步驟四、確定磁粉式兩擋變速器是否在執行從高速擋換擋至低速擋；

步驟五、通過電機控制器反饋的得到電機在換擋前的轉速為nmhtl，斷開磁粉制動器，閉合磁粉離合器，此時磁粉式兩擋變速器連結電機端口的轉速需要從nmhtl提高到nmhtl×低速檔速比，在進行閉合磁粉制動器，斷開磁粉離合器的同時，將電機的工作模式從扭矩控制模式切換到轉速控制模式，同時將電機的目標轉速設定為磁粉式兩擋變速器連結電機端口在換擋結束后需要的電機轉速；

步驟六、在轉速調節完成且磁粉制動器和磁粉離合器扭矩響應完成后將電機的控制模式從轉速控制模式切換回轉矩控制模式，完成磁粉式兩擋變速器從低速擋至高速擋的換擋。

所述步驟一和步驟四中，確定磁粉式兩擋變速器是否在執行從低速擋換擋至高速擋，判斷方法為：滿足兩個條件，第一條件是判斷車速是否為30-40km/h，同時轉速是否為3000-4000r/m；

磁粉式兩擋變速器的檔位判斷條件，當磁粉離合器工作，磁粉制動器不工作時，磁粉式兩擋變速器處于高速檔；當磁粉離合器不工作，磁粉制動器工作時，磁粉式兩擋變速器處于高速檔；換擋區間判斷條件，判斷車速是否在換擋區間車速內。

本發明的有益效果如下：

本發明采用一組行星齒輪排來實現兩擋的速比，結構簡單，體積小，重量輕，冗余低，可靠性高；本發明采用電磁制動器與電磁離合器代替傳統的液壓離合器，體積小，重量輕，且結合純電動汽車，電機調速的優異特性，電磁制動器與電磁離合器的工作滑差區間小，結合電磁制動器與離合器的快速相應特性，整個變速器的發熱量低，可靠性高；本發明采用從動齒輪來實現各個部件的鎖止，空間上將電磁制動器與行星齒輪系隔離開來，延緩的電磁制動部件對于行星齒輪變速機構的影響，延長了行星齒輪系的壽命，提高了可靠性；本發明磁粉制動器直接與殼體連接，有利于制動器的散熱，提高變速器的可靠性。

本發明在磁粉式兩擋變速器的換擋時，由于換擋所造成的對于電機端轉速的變化，從原來的由磁粉離合器和磁粉制動器來進行單獨調節的方式變為由磁粉離合器來調節的同時由電機主動調速來補償，縮短了磁粉式兩擋變速器的處于換擋狀態的時間，提升了換擋的平順性，減少了磁粉制動器和磁粉離合器工作在滑差工況的時間，減小了磁粉制動器和磁粉離合器的功率損耗，降低了磁粉制動器和磁粉離合器的發熱量，提高了磁粉式兩擋變速器的可靠性。

本發明受益于電機的高頻響，可以在磁粉離合器處于滑差工況下，對電機進行調速，提前將電機轉速調節至目標轉速，減少滑差工況的時間，減少磁粉制動器的發熱量，同時在電機調速的過程中還可以通過電機回饋一部分的滑差功率，提高能效。

附圖說明

下面結合附圖對本發明作進一步的說明。

圖1為本發明新能源電動汽車用磁粉式兩檔變速器的示意圖；

圖2為本發明低速擋換擋至高速擋控制邏輯示意圖；

圖3為本發明高速擋換擋至低速擋控制邏輯示意圖；

圖4為本發明低速擋換擋至高速擋控制時序示意圖；

圖5為本發明高速擋換擋至低速擋控制時序示意圖；

圖中：1-殼體；2-第一從動齒輪；3-磁粉離合器；4-行星架；5-太陽輪；6-齒圈；7-行星輪；8-磁粉制動器；9-第二從動齒輪。

具體實施方式

實施例一

如圖1所示，本發明新能源電動汽車用磁粉式兩檔變速器，包括殼體1，所述殼體1內設有依次相連的第一從動齒輪2、磁粉離合器3、第二從動齒輪9和磁粉制動器8；所述殼體1內還設有行星齒輪結構，所述行星齒輪結構包括行星架4，所述行星架4兩端連接有兩個行星輪7或四個行星輪7，所述行星輪7之間連接有太陽輪5；還包括齒圈6，所述齒圈6一側與行星輪7嚙合，另一側與第二從動齒輪9嚙合；所述行星架4通過齒輪與第一從動齒輪2嚙合。

本發明所述齒圈6為雙面齒輪。所述第一從動齒輪2一側通過軸承與殼體1連接作為支撐，第一從動齒輪2另一側與磁粉離合器3連接。所述第二從動齒輪9一側與磁粉制動器8相連，磁粉制動器8與殼體1固定。當所述磁粉制動器8處于工作狀態時：所述磁粉離合器3斷開，此時兩檔變速器工作在行星齒輪系的工作狀態，速比為：齒圈齒數/（太陽輪齒數+1）。當所述磁粉離合器3工作時，所述磁粉制動器8斷開，此時兩檔變速器等效為直接驅動，速比為1。

本發明一種電動汽車兩檔變速器包括殼體1，殼體1內由行星齒輪系和鎖止機構構成，其中齒圈6為雙面齒輪，通過從動齒輪與磁粉制動器8相連接，行星架4外側也有齒輪，通過第一從動齒輪2與磁粉離合器3的一側相連接，磁粉離合器3的另一側通過從動齒輪9與齒圈6相連接。磁粉制動器8鎖止，磁粉離合器3打開，兩檔變速箱的速比為：齒圈6齒數/太陽輪5齒數+1；磁粉制動器8打開，磁粉離合器3鎖止，兩檔變速箱的速比為1。其中磁粉制動器8安裝在變速器殼體上，有利于磁粉制動器8的散熱，第一從動齒輪2非靠近離合器一端通過軸承安裝在殼體上，作為支撐。

如圖2-5所示，本發明新能源電動汽車用磁粉式兩檔變速器的控制方法，包括從低速擋換擋至高速擋的換擋模式和從高速擋換擋至低速擋的換擋模式；圖4和5中，t1-換擋準備時間0.02s；t2-換擋過程，滑差工況持續時間0.3s；t3-為磁粉制動器和磁粉離合器的扭矩響應時間0.9s；

從低速擋換擋至高速擋的換擋模式：在從低速檔換擋至高速擋的過程中，換擋控制邏輯如圖2所示，換擋控制時序如圖4所示，

步驟一、確定磁粉式兩擋變速器是否在執行從低速擋換擋至高速擋；

步驟二、通過電機控制器反饋的得到電機在換擋前的轉速為nmlth，斷開磁粉制動器8，閉合磁粉離合器3，此時磁粉式兩擋變速器連結電機端口的轉速需要從nmlth降低到nmlth/低速檔速比，在進行斷開磁粉制動器8，閉合磁粉離合器3的同時，將電機的工作模式從扭矩控制模式切換到轉速控制模式，同時將電機的目標轉速設定為磁粉式兩擋變速器連結電機端口在換擋結束后需要的電機轉速；

步驟三、在轉速調節完成且磁粉制動器8和磁粉離合器3扭矩響應完成后將電機的控制模式從轉速控制模式切換回轉矩控制模式，完成磁粉式兩擋變速器從低速擋至高速擋的換擋；

從高速擋換擋至低速擋的換擋模式：在高速擋換擋至低速擋的過程中，換擋邏輯圖如圖3所示，換擋控制時序如圖5所示，

步驟四、確定磁粉式兩擋變速器是否在執行從高速擋換擋至低速擋；

步驟五、通過電機控制器反饋的得到電機在換擋前的轉速為nmhtl，斷開磁粉制動器8，閉合磁粉離合器3，此時磁粉式兩擋變速器連結電機端口的轉速需要從nmhtl提高到nmhtl×低速檔速比，在進行閉合磁粉制動器8，斷開磁粉離合器3的同時，將電機的工作模式從扭矩控制模式切換到轉速控制模式，同時將電機的目標轉速設定為磁粉式兩擋變速器連結電機端口在換擋結束后需要的電機轉速；

步驟六、在轉速調節完成且磁粉制動器8和磁粉離合器3扭矩響應完成后將電機的控制模式從轉速控制模式切換回轉矩控制模式，完成磁粉式兩擋變速器從低速擋至高速擋的換擋。

所述步驟一和步驟四中，確定磁粉式兩擋變速器是否在執行從低速擋換擋至高速擋，判斷方法為：滿足兩個條件，第一條件是判斷車速是否為30-40km/h，同時轉速是否為3000-4000r/m；

通過磁粉制動器與磁粉離合器的工作狀態來判斷目前的檔位狀態，當磁粉離合器工作，磁粉制動器不工作時，磁粉式兩擋變速器處于高速檔；當磁粉離合器不工作，磁粉制動器工作時，磁粉式兩擋變速器處于低速檔；

磁粉式兩擋變速器的檔位判斷條件，當磁粉離合器工作，磁粉制動器不工作時，磁粉式兩擋變速器處于高速檔；當磁粉離合器不工作，磁粉制動器工作時，磁粉式兩擋變速器處于高速檔；換擋區間判斷條件，判斷車速是否在換擋區間車速內。

本發明采用一組行星齒輪排來實現兩擋的速比，結構簡單，體積小，重量輕，冗余低，可靠性高；本發明采用電磁制動器與電磁離合器代替傳統的液壓離合器，體積小，重量輕，且結合純電動汽車，電機調速的優異特性，電磁制動器與電磁離合器的工作滑差區間小，結合電磁制動器與離合器的快速相應特性，整個變速器的發熱量低，可靠性高；本發明采用從動齒輪來實現各個部件的鎖止，空間上將電磁制動器與行星齒輪系隔離開來，延緩的電磁制動部件對于行星齒輪變速機構的影響，延長了行星齒輪系的壽命，提高了可靠性；本發明磁粉制動器直接與殼體連接，有利于制動器的散熱，提高變速器的可靠性。

本發明在磁粉式兩擋變速器的換擋時，由于換擋所造成的對于電機端轉速的變化，從原來的由磁粉離合器和磁粉制動器來進行單獨調節的方式變為由磁粉離合器來調節的同時由電機主動調速來補償，縮短了磁粉式兩擋變速器的處于換擋狀態的時間，提升了換擋的平順性，減少了磁粉制動器和磁粉離合器工作在滑差工況的時間，減小了磁粉制動器和磁粉離合器的功率損耗，降低了磁粉制動器和磁粉離合器的發熱量，提高了磁粉式兩擋變速器的可靠性。

本發明受益于電機的高頻響，可以在磁粉離合器處于滑差工況下，對電機進行調速，提前將電機轉速調節至目標轉速，減少滑差工況的時間，減少磁粉制動器的發熱量，同時在電機調速的過程中還可以通過電機回饋一部分的滑差功率，提高能效。

實施例二

實施例一只是單獨針對兩個檔位之間的換擋，本實施例針對多個檔位，檔位為n，n大于等于3的情況。

具體從低速擋換到高速擋以及從高速擋換到低速擋依然采用和實施例一樣的方法。

從低速擋換擋至高速擋的換擋模式：在從低速檔換擋至高速擋的過程中，換擋控制邏輯如圖2所示，換擋控制時序如圖4所示，

步驟一、確定磁粉式兩擋變速器是否在執行從低速擋換擋至高速擋；

步驟二、通過電機控制器反饋的得到電機在換擋前的轉速為nmlth，斷開磁粉制動器8，閉合磁粉離合器3，此時磁粉式兩擋變速器連結電機端口的轉速需要從nmlth降低到nmlth/低速檔速比，在進行斷開磁粉制動器8，閉合磁粉離合器3的同時，將電機的工作模式從扭矩控制模式切換到轉速控制模式，同時將電機的目標轉速設定為磁粉式兩擋變速器連結電機端口在換擋結束后需要的電機轉速；

步驟三、在轉速調節完成且磁粉制動器8和磁粉離合器3扭矩響應完成后將電機的控制模式從轉速控制模式切換回轉矩控制模式，完成磁粉式兩擋變速器從低速擋至高速擋的換擋；

從高速擋換擋至低速擋的換擋模式：在高速擋換擋至低速擋的過程中，換擋邏輯圖如圖3所示，換擋控制時序如圖5所示，

步驟四、確定磁粉式兩擋變速器是否在執行從高速擋換擋至低速擋；

步驟五、通過電機控制器反饋的得到電機在換擋前的轉速為nmhtl，斷開磁粉制動器8，閉合磁粉離合器3，此時磁粉式兩擋變速器連結電機端口的轉速需要從nmhtl提高到nmhtl×低速檔速比，在進行閉合磁粉制動器8，斷開磁粉離合器3的同時，將電機的工作模式從扭矩控制模式切換到轉速控制模式，同時將電機的目標轉速設定為磁粉式兩擋變速器連結電機端口在換擋結束后需要的電機轉速；

步驟六、在轉速調節完成且磁粉制動器8和磁粉離合器3扭矩響應完成后將電機的控制模式從轉速控制模式切換回轉矩控制模式，完成磁粉式兩擋變速器從低速擋至高速擋的換擋。

除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護范圍。