CN107117071B - 新能源电动汽车用磁粉式两档变速器及其换挡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新能源电动汽车用磁粉式两档变速器及其控制方法，包括壳体，所述壳体内设有依次相连的第一从动齿轮、磁粉离合器、第二从动齿轮和磁粉制动器；所述壳体内还设有行星齿轮结构，所述行星齿轮结构包括行星架，所述行星架两端分别连接有两个行星轮或四个行星轮，所述行星轮之间连接有太阳轮；还包括齿圈，所述齿圈一侧与行星轮啮合，另一侧与第二从动齿轮啮合；所述行星架通过齿轮与第一从动齿轮啮合。本发明控制方法包括从低速挡换挡至高速挡的换挡模式和从高速挡换挡至低速挡的换挡模式；本发明电磁制动器与电磁离合器的工作滑差区间小，结合电磁制动器与离合器的快速相应特性，整个变速器的发热量低，可靠性高。

Description

新能源电动汽车用磁粉式两档变速器及其换挡方法
技术领域
本发明涉及新能源电动汽车用磁粉式两档变速器及其换挡方法，属于电动汽车自动换挡技术领域。
背景技术
据申请人了解，随着经济的发展，环境问题日益严峻，纯电动汽车由于其零排放的特性，近年来得到了大规模的应用。电机直驱***具有运行平稳，无动力中断的优势，但是电动汽车采用一挡速比，电机无法一直工作在高效率区间内，尤其是在低速启动和高速运行的工况下。
于是电动汽车开始采用多档变速器，使得电动汽车能够工作在高效率区间内，以两档变速器为例，现有的两档变速器多沿用传统的变速器方案，第一种变速器方案为：采用同步器和液压离合器的方案，这种变速器存在换挡冲击、离合器的可靠性较低以及体积较大的问题。第二种变速器方案为：采用电磁离合器的方案，存在的问题如下：1.离合器多在轴向方向上安装，由于电磁制动器的工作原理和端部效应，电磁制动器容易对于行星齿轮变速机构产生影响，寿命降低；2.且轴向安装的电磁离合器安装在转动部件上，不利于散热，电磁离合器往往余量较大且工作环境恶劣，导致整个变速器的寿命和可靠性下降；3.磁粉离合器属于电磁离合器的一种，而现有的采用磁粉离合器的方案中，磁粉离合器的发热主要来源于离合器的处于滑差工况下产生的滑差功率，磁粉式离合器的滑差工况一般持续时间在1s左右，且磁粉制动器的扭矩输出有一定的滞后性，扭矩输出阶跃下降响应的时间较阶跃上升响应的时间短，传统的发动机的转速响应较慢，导致换挡过程中所产生的滑差功率基本上由磁粉式磁粉离合器来承担，导致变速器的损耗较大。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提出一种新能源电动汽车用磁粉式两档变速器的换挡方法，能够有效缩短换挡时间，减少滑差工况的时间，有效的减少磁粉离合器和磁粉制动器的发热量，提高变速器的寿命和可靠性。
本发明的技术方案如下：
本发明新能源电动汽车用磁粉式两档变速器，包括壳体，所述壳体内设有依次相连的第一从动齿轮、磁粉离合器、第二从动齿轮和磁粉制动器；所述壳体内还设有行星齿轮结构，所述行星齿轮结构包括行星架，所述行星架两端分别连接有两个行星轮或四个行星轮，所述行星轮之间连接有太阳轮；还包括齿圈，所述齿圈一侧与行星轮啮合，另一侧与第二从动齿轮啮合；所述行星架通过齿轮与第一从动齿轮啮合。
进一步地，所述齿圈为双面齿轮。
进一步地，所述第一从动齿轮一侧通过轴承与壳体连接作为支撑，第一从动齿轮另一侧与磁粉离合器连接。
进一步地，所述第二从动齿轮一侧与磁粉制动器相连，磁粉制动器与壳体固定。
进一步地，当所述磁粉制动器处于工作状态时：所述磁粉离合器断开，此时两档变速器工作在行星齿轮系的工作状态，速比为：齿圈齿数/(太阳轮齿数+1)。
进一步地，当所述磁粉离合器工作时，所述磁粉制动器断开，此时两档变速器等效为直接驱动，速比为1。
本发明新能源电动汽车用磁粉式两档变速器的控制方法，包括从低速挡换挡至高速挡的换挡模式和从高速挡换挡至低速挡的换挡模式；
从低速挡换挡至高速挡的换挡模式：
步骤一、确定磁粉式两挡变速器是否在执行从低速挡换挡至高速挡；
步骤二、通过电机控制器反馈的得到电机在换挡前的转速为Nmlth，断开磁粉制动器，闭合磁粉离合器，此时磁粉式两挡变速器连接电机端口的转速需要从Nmlth降低到Nmlth/低速档速比，在进行断开磁粉制动器，闭合磁粉离合器的同时，将电机的工作模式从扭矩控制模式切换到转速控制模式，同时将电机的目标转速设定为磁粉式两挡变速器连接电机端口在换挡结束后需要的电机转速；
步骤三、在转速调节完成且磁粉制动器和磁粉离合器扭矩响应完成后将电机的控制模式从转速控制模式切换回转矩控制模式，完成磁粉式两挡变速器从低速挡至高速挡的换挡；
从高速挡换挡至低速挡的换挡模式：
步骤四、确定磁粉式两挡变速器是否在执行从高速挡换挡至低速挡；
步骤五、通过电机控制器反馈的得到电机在换挡前的转速为Nmhtl，断开磁粉制动器，闭合磁粉离合器，此时磁粉式两挡变速器连接电机端口的转速需要从Nmhtl提高到Nmhtl×低速档速比，在进行闭合磁粉制动器，断开磁粉离合器的同时，将电机的工作模式从扭矩控制模式切换到转速控制模式，同时将电机的目标转速设定为磁粉式两挡变速器连接电机端口在换挡结束后需要的电机转速；
步骤六、在转速调节完成且磁粉制动器和磁粉离合器扭矩响应完成后将电机的控制模式从转速控制模式切换回转矩控制模式，完成磁粉式两挡变速器从低速挡至高速挡的换挡。
所述步骤一和步骤四中，确定磁粉式两挡变速器是否在执行从低速挡换挡至高速挡，判断方法为：满足两个条件，第一条件是判断车速是否为30-40km/h，同时转速是否为3000-4000r/m；
磁粉式两挡变速器的档位判断条件，当磁粉离合器工作，磁粉制动器不工作时，磁粉式两挡变速器处于高速档；当磁粉离合器不工作，磁粉制动器工作时，磁粉式两挡变速器处于低速档；换挡区间判断条件，判断车速是否在换挡区间车速内。
本发明的有益效果如下：
本发明采用一组行星齿轮排来实现两挡的速比，结构简单，体积小，重量轻，冗余低，可靠性高；本发明采用电磁制动器与电磁离合器代替传统的液压离合器，体积小，重量轻，且结合纯电动汽车，电机调速的优异特性，电磁制动器与电磁离合器的工作滑差区间小，结合电磁制动器与离合器的快速相应特性，整个变速器的发热量低，可靠性高；本发明采用从动齿轮来实现各个部件的锁止，空间上将电磁制动器与行星齿轮系隔离开来，延缓的电磁制动部件对于行星齿轮变速机构的影响，延长了行星齿轮系的寿命，提高了可靠性；本发明磁粉制动器直接与壳体连接，有利于制动器的散热，提高变速器的可靠性。
本发明在磁粉式两挡变速器的换挡时，由于换挡所造成的对于电机端转速的变化，从原来的由磁粉离合器和磁粉制动器来进行单独调节的方式变为由磁粉离合器来调节的同时由电机主动调速来补偿，缩短了磁粉式两挡变速器的处于换挡状态的时间，提升了换挡的平顺性，减少了磁粉制动器和磁粉离合器工作在滑差工况的时间，减小了磁粉制动器和磁粉离合器的功率损耗，降低了磁粉制动器和磁粉离合器的发热量，提高了磁粉式两挡变速器的可靠性。
本发明受益于电机的高频响，可以在磁粉离合器处于滑差工况下，对电机进行调速，提前将电机转速调节至目标转速，减少滑差工况的时间，减少磁粉制动器的发热量，同时在电机调速的过程中还可以通过电机回馈一部分的滑差功率，提高能效。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明新能源电动汽车用磁粉式两档变速器的示意图；
图2为本发明低速挡换挡至高速挡控制逻辑示意图；
图3为本发明高速挡换挡至低速挡控制逻辑示意图；
图4为本发明低速挡换挡至高速挡控制时序示意图；
图5为本发明高速挡换挡至低速挡控制时序示意图；
图中：1-壳体；2-第一从动齿轮；3-磁粉离合器；4-行星架；5-太阳轮；6-齿圈；7-行星轮；8-磁粉制动器；9-第二从动齿轮。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，本发明新能源电动汽车用磁粉式两档变速器，包括壳体1，所述壳体1内设有依次相连的第一从动齿轮2、磁粉离合器3、第二从动齿轮9和磁粉制动器8；所述壳体1内还设有行星齿轮结构，所述行星齿轮结构包括行星架4，所述行星架4两端连接有两个行星轮7或四个行星轮7，所述行星轮7之间连接有太阳轮5；还包括齿圈6，所述齿圈6一侧与行星轮7啮合，另一侧与第二从动齿轮9啮合；所述行星架4通过齿轮与第一从动齿轮2啮合。
本发明所述齿圈6为双面齿轮。所述第一从动齿轮2一侧通过轴承与壳体1连接作为支撑，第一从动齿轮2另一侧与磁粉离合器3连接。所述第二从动齿轮9一侧与磁粉制动器8相连，磁粉制动器8与壳体1固定。当所述磁粉制动器8处于工作状态时：所述磁粉离合器3断开，此时两档变速器工作在行星齿轮系的工作状态，速比为：齿圈齿数/(太阳轮齿数+1)。当所述磁粉离合器3工作时，所述磁粉制动器8断开，此时两档变速器等效为直接驱动，速比为1。
本发明一种电动汽车两档变速器包括壳体1，壳体1内由行星齿轮系和锁止机构构成，其中齿圈6为双面齿轮，通过从动齿轮与磁粉制动器8相连接，行星架4外侧也有齿轮，通过第一从动齿轮2与磁粉离合器3的一侧相连接，磁粉离合器3的另一侧通过从动齿轮9与齿圈6相连接。磁粉制动器8锁止，磁粉离合器3打开，两档变速箱的速比为：齿圈6齿数/太阳轮5齿数+1；磁粉制动器8打开，磁粉离合器3锁止，两档变速箱的速比为1。其中磁粉制动器8安装在变速器壳体上，有利于磁粉制动器8的散热，第一从动齿轮2非靠近离合器一端通过轴承安装在壳体上，作为支撑。
如图2-5所示，本发明新能源电动汽车用磁粉式两档变速器的控制方法，包括从低速挡换挡至高速挡的换挡模式和从高速挡换挡至低速挡的换挡模式；图4和5中，T1-换挡准备时间0.02s；T2-换挡过程，滑差工况持续时间0.3s；T3-为磁粉制动器和磁粉离合器的扭矩响应时间0.9s；
从低速挡换挡至高速挡的换挡模式：在从低速档换挡至高速挡的过程中，换挡控制逻辑如图2所示，换挡控制时序如图4所示，
步骤一、确定磁粉式两挡变速器是否在执行从低速挡换挡至高速挡；
步骤二、通过电机控制器反馈的得到电机在换挡前的转速为Nmlth，断开磁粉制动器8，闭合磁粉离合器3，此时磁粉式两挡变速器连接电机端口的转速需要从Nmlth降低到Nmlth/低速档速比，在进行断开磁粉制动器8，闭合磁粉离合器3的同时，将电机的工作模式从扭矩控制模式切换到转速控制模式，同时将电机的目标转速设定为磁粉式两挡变速器连接电机端口在换挡结束后需要的电机转速；
步骤三、在转速调节完成且磁粉制动器8和磁粉离合器3扭矩响应完成后将电机的控制模式从转速控制模式切换回转矩控制模式，完成磁粉式两挡变速器从低速挡至高速挡的换挡；
从高速挡换挡至低速挡的换挡模式：在高速挡换挡至低速挡的过程中，换挡逻辑图如图3所示，换挡控制时序如图5所示，
步骤四、确定磁粉式两挡变速器是否在执行从高速挡换挡至低速挡；
步骤五、通过电机控制器反馈的得到电机在换挡前的转速为Nmhtl，断开磁粉制动器8，闭合磁粉离合器3，此时磁粉式两挡变速器连接电机端口的转速需要从Nmhtl提高到Nmhtl×低速档速比，在进行闭合磁粉制动器8，断开磁粉离合器3的同时，将电机的工作模式从扭矩控制模式切换到转速控制模式，同时将电机的目标转速设定为磁粉式两挡变速器连接电机端口在换挡结束后需要的电机转速；
步骤六、在转速调节完成且磁粉制动器8和磁粉离合器3扭矩响应完成后将电机的控制模式从转速控制模式切换回转矩控制模式，完成磁粉式两挡变速器从低速挡至高速挡的换挡。
所述步骤一和步骤四中，确定磁粉式两挡变速器是否在执行从低速挡换挡至高速挡，判断方法为：满足两个条件，第一条件是判断车速是否为30-40km/h，同时转速是否为3000-4000r/m；
通过磁粉制动器与磁粉离合器的工作状态来判断目前的档位状态，当磁粉离合器工作，磁粉制动器不工作时，磁粉式两挡变速器处于高速档；当磁粉离合器不工作，磁粉制动器工作时，磁粉式两挡变速器处于低速档；
磁粉式两挡变速器的档位判断条件，当磁粉离合器工作，磁粉制动器不工作时，磁粉式两挡变速器处于高速档；当磁粉离合器不工作，磁粉制动器工作时，磁粉式两挡变速器处于高速档；换挡区间判断条件，判断车速是否在换挡区间车速内。
本发明采用一组行星齿轮排来实现两挡的速比，结构简单，体积小，重量轻，冗余低，可靠性高；本发明采用电磁制动器与电磁离合器代替传统的液压离合器，体积小，重量轻，且结合纯电动汽车，电机调速的优异特性，电磁制动器与电磁离合器的工作滑差区间小，结合电磁制动器与离合器的快速相应特性，整个变速器的发热量低，可靠性高；本发明采用从动齿轮来实现各个部件的锁止，空间上将电磁制动器与行星齿轮系隔离开来，延缓的电磁制动部件对于行星齿轮变速机构的影响，延长了行星齿轮系的寿命，提高了可靠性；本发明磁粉制动器直接与壳体连接，有利于制动器的散热，提高变速器的可靠性。
本发明在磁粉式两挡变速器的换挡时，由于换挡所造成的对于电机端转速的变化，从原来的由磁粉离合器和磁粉制动器来进行单独调节的方式变为由磁粉离合器来调节的同时由电机主动调速来补偿，缩短了磁粉式两挡变速器的处于换挡状态的时间，提升了换挡的平顺性，减少了磁粉制动器和磁粉离合器工作在滑差工况的时间，减小了磁粉制动器和磁粉离合器的功率损耗，降低了磁粉制动器和磁粉离合器的发热量，提高了磁粉式两挡变速器的可靠性。
本发明受益于电机的高频响，可以在磁粉离合器处于滑差工况下，对电机进行调速，提前将电机转速调节至目标转速，减少滑差工况的时间，减少磁粉制动器的发热量，同时在电机调速的过程中还可以通过电机回馈一部分的滑差功率，提高能效。
实施例二
实施例一只是单独针对两个档位之间的换挡，本实施例针对多个档位，档位为n，n大于等于3的情况。
具体从低速挡换到高速挡以及从高速挡换到低速挡依然采用和实施例一样的方法。
从低速挡换挡至高速挡的换挡模式：在从低速档换挡至高速挡的过程中，换挡控制逻辑如图2所示，换挡控制时序如图4所示，
步骤一、确定磁粉式两挡变速器是否在执行从低速挡换挡至高速挡；
步骤二、通过电机控制器反馈的得到电机在换挡前的转速为Nmlth，断开磁粉制动器8，闭合磁粉离合器3，此时磁粉式两挡变速器连接电机端口的转速需要从Nmlth降低到Nmlth/低速档速比，在进行断开磁粉制动器8，闭合磁粉离合器3的同时，将电机的工作模式从扭矩控制模式切换到转速控制模式，同时将电机的目标转速设定为磁粉式两挡变速器连接电机端口在换挡结束后需要的电机转速；
步骤三、在转速调节完成且磁粉制动器8和磁粉离合器3扭矩响应完成后将电机的控制模式从转速控制模式切换回转矩控制模式，完成磁粉式两挡变速器从低速挡至高速挡的换挡；
从高速挡换挡至低速挡的换挡模式：在高速挡换挡至低速挡的过程中，换挡逻辑图如图3所示，换挡控制时序如图5所示，
步骤四、确定磁粉式两挡变速器是否在执行从高速挡换挡至低速挡；
步骤五、通过电机控制器反馈的得到电机在换挡前的转速为Nmhtl，断开磁粉制动器8，闭合磁粉离合器3，此时磁粉式两挡变速器连接电机端口的转速需要从Nmhtl提高到Nmhtl×低速档速比，在进行闭合磁粉制动器8，断开磁粉离合器3的同时，将电机的工作模式从扭矩控制模式切换到转速控制模式，同时将电机的目标转速设定为磁粉式两挡变速器连接电机端口在换挡结束后需要的电机转速；
步骤六、在转速调节完成且磁粉制动器8和磁粉离合器3扭矩响应完成后将电机的控制模式从转速控制模式切换回转矩控制模式，完成磁粉式两挡变速器从低速挡至高速挡的换挡。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.新能源电动汽车用磁粉式两档变速器的换挡方法，其特征在于：包括从低速挡换挡至高速挡的换挡模式和从高速挡换挡至低速挡的换挡模式；从低速挡换挡至高速挡的换挡模式：
步骤一、确定磁粉式两挡变速器是否在执行从低速挡换挡至高速挡；
步骤二、通过电机控制器反馈的得到电机在换挡前的转速为Nmlth ，断开磁粉制动器（8），闭合磁粉离合器（3），此时磁粉式两挡变速器连接电机端口的转速需要从Nmlth降低到Nmlth/低速档速比 ，在进行断开磁粉制动器（8），闭合磁粉离合器（3）的同时，将电机的工作模式从扭矩控制模式切换到转速控制模式，同时将电机的目标转速设定为磁粉式两挡变速器连接电机端口在换挡结束后需要的电机转速；
步骤三、在转速调节完成且磁粉制动器（8）和磁粉离合器（3）扭矩响应完成后将电机的控制模式从转速控制模式切换回转矩控制模式，完成磁粉式两挡变速器从低速挡至高速挡的换挡；从高速挡换挡至低速挡的换挡模式：
步骤四、确定磁粉式两挡变速器是否在执行从高速挡换挡至低速挡；
步骤五、通过电机控制器反馈的得到电机在换挡前的转速为Nmhtl ，断开磁粉制动器（8），闭合磁粉离合器（3），此时磁粉式两挡变速器连接电机端口的转速需要从Nmhtl提高到Nmhtl×低速档速比 ，在进行闭合磁粉制动器（8），断开磁粉离合器（3）的同时，将电机的工作模式从扭矩控制模式切换到转速控制模式，同时将电机的目标转速设定为磁粉式两挡变速器连接电机端口在换挡结束后需要的电机转速；
步骤六、在转速调节完成且磁粉制动器（8）和磁粉离合器（3）扭矩响应完成后将电机的控制模式从转速控制模式切换回转矩控制模式，完成磁粉式两挡变速器从低速挡至高速挡的换挡；
其中，两挡变速器包括壳体（1），所述壳体（1）内设有依次相连的第一从动齿轮（2）、磁粉离合器（3）、第二从动齿轮（9）和磁粉制动器（8）；所述壳体（1）内还设有行星齿轮结构，所述行星齿轮结构包括行星架（4），所述行星架（4）两端分别连接有两个行星轮（7）或四个行星轮（7），所述行星轮（7）之间连接有太阳轮（5）；还包括齿圈（6），所述齿圈（6）一侧与行星轮（7）啮合，另一侧与第二从动齿轮（9）啮合；所述行星架（4）通过齿轮与第一从动齿轮（2）啮合。
2.根据权利要求1所述的新能源电动汽车用磁粉式两档变速器的换挡方法，其特征在于：所述步骤一和步骤四中，确定磁粉式两挡变速器是否在执行从低速挡换挡至高速挡，所述磁粉式两挡变速器的档位判断条件，当磁粉离合器工作，磁粉制动器不工作时，磁粉式两挡变速器处于高速档；当磁粉离合器不工作，磁粉制动器工作时，磁粉式两挡变速器处于低速档；换挡区间判断条件，判断车速是否在换挡区间车速内。
3.根据权利要求1所述的新能源电动汽车用磁粉式两档变速器的换挡方法，其特征在于：所述齿圈（6）为双面齿轮。
4.根据权利要求1所述的新能源电动汽车用磁粉式两档变速器的换挡方法，其特征在于：所述第一从动齿轮（2）一侧通过轴承与壳体（1）连接作为支撑，第一从动齿轮（2）另一侧与磁粉离合器（3）连接。
5.根据权利要求1所述的新能源电动汽车用磁粉式两档变速器的换挡方法，其特征在于：所述第二从动齿轮（9）一侧与磁粉制动器（8）相连，磁粉制动器（8）与壳体（1）固定。
6.根据权利要求1所述的新能源电动汽车用磁粉式两档变速器的换挡方法，其特征在于：当所述磁 粉制动器（8）处于工作状态时：所述磁粉离合器（3）断开，此时两档变速器工作在行星齿轮系的工作状态，速比为：齿圈齿数/（太阳轮齿数+1）。
7.根据权利要求1所述的新能源电动汽车用磁粉式两档变速器的换挡方法，其特征在于：当所述磁粉离合器（3）工作时，所述磁粉制动器（8）断开，此时两档变速器等效为直接驱动，速比为1。
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