一种基于同步器换挡的单行星排电驱动系统的制作方法

1.本实用新型涉及汽车驱动技术领域，更具体的是，本实用新型涉及一种基于同步器换挡的单行星排电驱动系统。


背景技术：

2.随着全球环境问题日益严重，电动汽车技术发展愈加成熟。电动机具有良好的调速以及扭矩控制性能，所以电动汽车可以以电动机直驱的形式取代传统内燃机和变速箱。电动汽车的传动系统相比于传统汽车具有结构简单、成本低、噪音低等明显的优势，但如果没有变速装置，会导致动力性较差，电动汽车很难适应爬坡等需要大扭矩的工况，所以有必要对电动汽车的传动系统进行设计。
3.现有电动车用两挡变速装置有平行轴式、行星排式两种布置形式。其中，平行轴式布置一般选用同步器或啮合套等换挡执行机构，换挡执行机构小，但平行轴占用空间较大，不易布置，且换挡过程平顺性和换挡品质较差；而行星排式布置虽然结构紧凑，但由于换挡过程需要使用离合器或制动器以及整套液压系统，使传动系统过于复杂，成本较高，不便于维护。


技术实现要素：

4.本实用新型设计开发了一种基于同步器换挡的单行星排电驱动系统，将行星排、同步器集成于一体，实现电驱动系统的动力切换，通过低速档隔板，避免锥毂完全与壳体刚性连接，有效减少系统的换挡冲击，极大的降低了结构复杂程度。
5.本实用新型提供的技术方案为：
6.一种基于同步器换挡的单行星排电驱动系统，包括：
7.驱动电机，其集成有电动机和发电机功能；
8.行星排，其包括太阳轮、行星轮、行星架和行星排齿圈；
9.低速挡隔板，其固定设置在所述电驱动系统的壳体内；
10.同步器，其包括滑套、低速挡锥毂和直接挡锥毂；
11.变速器输出轴，其一端与所述行星架固定连接；
12.差速器，其与所述变速器输出轴的另一端相连接，并将动力传输至车辆的左半轴和右半轴；
13.其中，所述太阳轮与所述驱动电机的输出轴相连接，所述滑套与所述行星排齿圈相连接，所述低速挡锥毂与所述低速挡隔板相连接，所述直接挡锥毂与所述行星架相连接，所述滑套可选择性的连接所述低速挡锥毂或所述直接挡锥毂。
14.优选的是，所述壳体包括第一容纳腔和第二容纳腔；
15.其中，所述第一容纳腔和所述第二容纳腔之间设置有隔板，所述驱动电机设置在所述第一容纳腔内，所述行星排设置在所述第二容纳腔中，所述驱动电机的输出轴穿过所述隔板且可旋转的支撑在所述隔板上。
16.优选的是，所述滑套的外侧设置有第一外齿。
17.优选的是，还包括：
18.环形齿圈，其包括第二外齿和第一内齿；
19.其中，所述第二外齿与所述行星排齿圈相啮合，所述第一内齿与所述第一外齿相啮合。
20.优选的是，所述低速挡隔板上设置有通孔，所述通孔中设置有第二内齿且通过所述第二内齿与所述低速挡锥毂连接。
21.优选的是，所述同步器还包括：
22.低速挡同步环，其与所述滑套的一侧相连接，且所述低速挡同步环能够与所述低速挡锥毂相啮合；
23.直接挡同步环，其与所述滑套的另一侧相连接，且所述直接挡同步环能够与所述直接挡锥毂相啮合。
24.优选的是，还包括：
25.输出齿轮；以及
26.差速器齿轮，其设置在所述差速器的动力输入端上，且所述差速器齿轮与所述输出齿轮相啮合；
27.其中，所述变速器输出轴的一端设置在所述第二容纳腔内并与所述行星架连接，另一端延伸至所述壳体外部并与所述输出齿轮固定连接。
28.优选的是，所述驱动电机采用永磁同步电机，其包括：
29.定子，其固定设置在所述壳体内；
30.转子，其与所述驱动电机输出轴固定连接。
31.本实用新型所述的有益效果：
32.(1)本实用新型提供的基于同步器换挡的单行星排电驱动系统，针对电动汽车用直驱电机体积庞大、性能要求高、电动汽车用机械变速器结构复杂及换挡冲击等问题，通过将永磁同步电机、行星排机构和同步器器进行合理匹配，有效解决了上述问题，使驱动系统的结构更加紧凑，便于安装，也降低了对电机的性能要求，减少了系统的复杂程度，提高了电机运行效率，增加了电动车的续驶里程。
33.(2)本实用新型提供的基于同步器换挡的单行星排电驱动系统，通过同步器滑套、同步环实现电驱动系统的动力切换，降低了换挡时同步端的转动惯量，减少了换挡力；通过设置低速档隔板，不但可以避免结合齿圈完全与壳体刚性连接，有效减少系统的换挡冲击，又取消了现有行星排换挡执行机构所用的湿式多片离合器及制动器，极大的降低了结构复杂程度，整个驱动系统更加紧凑。
34.(3)、本实用新型提供的基于同步器换挡的单行星排电驱动系统，驱动电机包括电动机和发电机两种工作模式，当整车处于制动工况时，驱动电机转换为发电机模式，能够回收制动能量，具有整车能量利用率高、能源有效利用与节约的特点。
附图说明
35.图1为本实用新型所述基于同步器换挡的单行星排电驱动系统的结构示意图。
36.图2为本实用新型所述前进1挡(低速挡)模式下的动力传递示意图。
37.图3为本实用新型所述前进2挡(直接档)模式下的动力传递示意图。
38.图4为本实用新型所述倒挡模式下的动力传递示意图。
39.图5为本实用新型所述基于同步器换挡的单行星排电驱动系统的工作流程示意图。
40.图6为本实用新型所述理想位置点的示意图。
41.图7为本实用新型所述基于同步器换挡的单行星排电驱动系统的换挡的流程示意图。
具体实施方式
42.下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
43.如图1所示，本实用新型提供的一种基于同步器换挡的单行星排电驱动系统，具体包括：1、壳体，2、转子，3、定子，4、低速挡隔板，5、低速挡锥毂，6、滑套，7、直接挡同步环、8直接挡锥毂，9、环形齿圈，10、行星排齿圈，11、行星轮，12、太阳轮，13、行星架，14、输出齿轮，15、差速器齿轮，16、差速器总成，17、右半轴，18、左半轴，19、轴承，20、变速器输出轴，21、轴承，22、低速挡同步环，23、驱动电机输出轴，24、轴承，25、轴承。
44.所述的纯电动汽车电驱动系统主要包括驱动电机和变速器部分。所述电驱动系统的壳体1包括第一容纳腔和第二容纳腔，第一容纳腔和第二容纳腔之间设置有用于分隔的隔板，所述的驱动电机设置在第一容纳腔中，所述的变速器部分设置在第二容纳腔中。
45.所述的驱动电机包括：转子2和定子3，转子2固定连接驱动电机输出轴23，定子3固定连接在壳体1的内壁上。所述的驱动电机包括电动机和发电机两种工作模式，当整车处于制动工况时，驱动电机转换为发电机模式，能够回收制动能量，具有整车能量利用率高、能源有效利用与节约的特点。
46.在本实施例中，驱动电机采用永磁同步电机。
47.所述的变速器部分包括：行星排机构和同步器总成。
48.所述的行星排机构包括：行星架13、太阳轮12、行星轮11以及行星排齿圈10。所述的同步器总成包括：低速挡锥毂5、滑套6、直接挡同步环7、直接挡锥毂8和低速挡同步环22。
49.驱动电机输出轴23的一端通过轴承25可转动的位于所述第一容纳腔中，且所述驱动电机输出轴23与转子2连接，另一端穿过所述隔板延伸至所述第二容纳腔内，并通过花键与太阳轮12相连接；并且驱动电机输出轴23通过轴承24可旋转的支撑在所述隔板上。行星轮11通过滚针轴承安装在行星架13上，太阳轮12与行星轮11相啮合；行星排齿圈10与行星轮11啮合，并且行星排齿圈10通过环形齿圈9与滑套6连接。其中，滑套6的外侧设置有第一外齿，环形齿圈9同时设有第二外齿和第一内齿，第一内齿与第一外齿始终啮合，第二外齿与行星排齿圈10始终啮合。
50.在所述第二容纳腔内，壳体1的隔板上通过圆柱销固定有低速挡隔板4，低速挡隔板4上设置有圆柱销孔用于安装圆柱销；低速挡隔板4中心设有贯通孔及第二内齿，低速挡隔板4通过第二内齿与低速挡锥毂5连接在一起；直接挡锥毂8设有内齿圈，并通过内齿圈与行星架13上设置的外齿啮合。低速挡锥毂5和直接挡锥毂8分别设置在滑套6两侧，滑套6选择性的与低速挡锥毂5或直接挡锥毂8连接。其中，低速挡同步环22与所述滑套6的一侧相连
接；直接挡同步环7与所述滑套6的另一侧相连接；滑套6通过低速挡同步环22实现与低速挡锥毂5的连接，滑套6通过直接挡同步环7实现与直接挡锥毂8的连接。当滑套6与低速挡锥毂5连接时，相当于将行星排齿圈10与低速挡隔板4连接，行星排齿圈10被固定，此时，传动比为1 k>1(k为行星排特性参数，即行星排齿圈与太阳轮齿数比)，处于低速挡；当滑套6与直接挡锥毂8连接时，相当于将行星排齿圈10与行星架13连接，此时，传动比为1，处于直接挡。
51.变速器输出轴20的一端位于第二容纳腔中行星架13固定连接，另一端穿出壳体1与输出齿轮14固定连接；并且变速器输出轴20通过轴承19可旋转的支撑在壳体1上。
52.差速器齿轮15固定安装在差速器总成16上，并且与输出齿轮14啮合，组成差速器齿轮副，差速器总成16通过左半轴18和右半轴17输出动力。
53.所述的单行星排电驱动系统还包括：位移传感器、电机管理器和整车管理器，其中，所述位移传感器设置在所述滑套上，用于检测同步器的位移；电机管理器与所述驱动电机相连接，用于将驱动电机转换为电动机或发电机；整车管理器与所述同步器、位移传感器和电机管理器相连接。
54.所述的电驱动系统可实现空挡、两个前进挡及一个倒挡；挡位切换由滑套6与低速挡锥毂5或直接挡锥毂8连接的切换来实现。
55.所述的电驱动系统的换挡执行元件按照表1进行工作。
56.表1换挡执行元件工作模式表
57.挡位名称电机滑套空挡 中位前进1挡正转左位前进2挡正转右位倒挡反转左位
58.空挡时，滑套6位于中位，不与环低速挡锥毂5和直接挡锥毂8连接，行星排所有元件均不受约束，使得驱动电机输出轴23与变速器输出轴20断开连接，切断了动力的传递。
59.如图2所示，前进1挡时，驱动电机正转(实现整车前进的电机转动方向为正转方向)，滑套6位于左位，与低速挡锥毂5连接，此时行星排齿圈10固定。驱动电机将动力传递给驱动电机输出轴23，驱动电机输出轴23将动力传递给太阳轮12，太阳轮12将动力经行星轮传递给行星架13，行星架13将动力经变速器输出轴20传递给输出齿轮14，输出齿轮14将动力经差速器齿轮15传递给差速器总成16，差速器总成16将动力传递给右半轴17和左半轴18，实现动力输出。
60.如图3所示，前进2挡时，驱动电机正转，滑套6位于右位，与所述直接挡锥毂8连接，此时行星排齿圈10与行星架13连接，行星排传动比为1。驱动电机将动力传递给驱动电机输出轴23，驱动电机输出轴23将动力传递给太阳轮12，太阳轮12将动力经行星轮11传递给行星架13，行星架13将动力经变速器输出轴20传递给输出齿轮14，输出齿轮14将动力经差速器齿轮15传递给差速器总成16，差速器总成16将动力传递给右半轴17和左半轴18，实现动力输出。
61.当整车以前进1挡或前进2挡行驶需制动时，整车的惯性动能从驱动轮沿着传动系统传递至驱动电机，此时整车管理器(vcu)将需求制动转矩发送给电机管理器(mcu)，并将驱动电机转换为发电模式，对传动系统起到拖动作用，将整车的行驶动能转换为电能，产生
的电能暂时存储到动力电池中，用于之后电动车的驱动行驶，从而实现部分制动能量的回收利用，一定程度上增加了电动车的续驶里程，提高了经济性。
62.如图4所示，倒挡时，驱动电机反转(实现整车前进的电机转动方向为正转方向)，滑套6位于左位，与低速挡锥毂5连接，此时行星排齿圈10固定。驱动电机将动力传递给驱动电机输出轴23，驱动电机输出轴23将动力传递给太阳轮12，太阳轮12将动力经行星轮传递给行星架13，行星架13将动力经变速器输出轴20传递给输出齿轮14，输出齿轮14将动力经差速器齿轮15传递给差速器总成16，差速器总成16将动力传递给右半轴17和左半轴18，实现动力输出。
63.如图5所示，本实用新型提供的一种基于同步器换挡的单行星排电驱动系统的工作流程包括如下步骤：
64.步骤一、使驱动电机降扭，清除驱动电机转矩至零，同步器位于中位，对驱动电机调速使其转速达到目标转速，再次对驱动电机降扭使其转矩至零；
65.步骤二、若为挂挡时，确定目标挡位，当同步器的位移大于或等于稳态在挡点时，挂挡成功，否则挂挡失败重新挂挡；
66.若为摘挡时，确定当前挡位，当同步器的位移在稳态空挡范围时，摘挡成功，否则摘挡失败重新摘挡；
67.如图6所示，同步器的理想位置点具体包括：1挡(低速挡)理想位置点和2挡(直接挡)理想位置点，其中，所述1挡理想位置点为负向稳态在挡点p1、负向同步点s1和负向临界点n1，所述2挡理想位置点为正向稳态在挡点p2、正向同步点s2和正向临界点n2，同步器移动至1挡或者2挡即为负向稳态在挡点p1和正向稳态在挡点p2，将驱动电机维持在特定转速，限定其扭矩，缓慢向正向(负向)移动所述同步器，将电机转速下降点确定为所述正向同步点s2(负向同步点s1)；将所述正向同步点s2和所述负向同步点s1取平均值，得到所述零点n0，在零点n0正负两向设置有临界点n2和n1，n2～n1为稳态空挡范围；
68.如图7所示，步骤二具体包括：
69.若为挂挡且目标挡位为1挡时：
70.当δ≤p1时，则所述同步器与所述低速挡锥毂相啮合，1挡挂挡成功；
71.当p1＜δ＜s1时，则所述同步器与所述低速挡锥毂未啮合，1挡挂挡失败，摘挡至稳态空挡范围后调节驱动电机的转速达到目标转速后重新挂挡；
72.当s1≤δ≤n1时，则所述同步器与所述低速挡锥毂未啮合，1挡挂挡失败，需要重新挂挡；
73.若为挂挡时且目标挡位为2挡时：
74.当δ≥p2时，则所述同步器与所述直接挡锥毂相啮合，2挡挂挡成功；
75.当s2＜δ＜p2时，则所述同步器与所述直接挡锥毂未啮合，2挡挂挡失败，摘挡至稳态空挡范围后调节驱动电机的转速达到目标转速后重新挂挡；
76.当n2≤δ≤s2时，则所述同步器与所述直接挡锥毂未啮合，2挡挂挡失败，需要重新挂挡；
77.若为摘挡且当前挡位为2挡时：
78.当n2＜δ时，则2挡摘挡失败，继续摘挡；
79.当n1＜δ＜n2时，则2挡摘挡成功；
80.当δ＜n1时，则2挡摘挡失败，需要对1挡摘挡；
81.若为摘挡且当前挡位为1挡时：
82.当δ＜n1时，则1挡摘挡失败，继续摘挡；
83.当n1＜δ＜n2时，则1挡摘挡成功；
84.当n2＜δ时，则1挡摘挡失败，需要对2挡摘挡；
85.其中，p1为负向稳态在挡点，s1为负向同步点，n1为负向临界点，n2为正向临界点，s2为正向同步点，p2为正向稳态在挡点，δ为同步器位移。
86.步骤三、恢复驱动电机的目标转矩。
87.本实用新型提供的基于同步器换挡的单行星排电驱动系统，在挂挡、摘挡时，能够比较同步器实际位置信息与理想位置点，更加准确高效地执行同步器动作，缩短同步器动作时间，减少同步器动作失败的概率。
88.尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。