一种集成式三档电驱动系统的制作方法

本发明涉及集成式电驱动系统，特别是涉及一种可实现三个档位动力换档的电驱动系统，具体是一种具有电机调速、动力换档、电子驻车、半轴差速转动、制动能量回收等功能的电驱动系统。

背景技术：

在节能、环保、可持续发展受到世界各国共同关注的背景下，电动汽车等新能源汽车成为交通领域实现节能减排的重要途径之一。为了提高电动汽车的使用性能，通常需要提高电池、电控、电机驱动系统的性价比，而目前公认的技术瓶颈与研发重点在动力电池的性能提高与成本的降低。对于电动汽车驱动系统，由于驱动电机能在零转速下输出高扭矩、调速范围宽(高速可达到15000rpm)、峰值功率区间大，因此驱动电机直连单档变速器的构型即可以满足车辆行驶需求，这种构型的优点是结构简单、控制对象唯一、成本低，但单档变速要同时兼顾高低速性能，对电机的性能要求较高，同时在较低车速下，电机工作在效率仅为60—70％的低效率区。为了提升整车动力学性能与经济性，搭载多档变速系统是电驱动系统的发展趋势。多个档位可以调节电机的工作区间，使电机尽可能的工作在高效区域，同时在同样的整车动力学性能下(低速爬坡、加速性以及极限车速等)对驱动电机的要求更低，从而减小电机的尺寸与质量。目前的研究表明，多档变速系统相较于单档变速系统能提高整车的动力性能和续航里程，但档位数过多不能带来明显的动力性与经济性的提升，同时会导致电驱动系统集成难度大、质量与体积增加、控制系统复杂化等问题，因此目前研发的档位数多为2—4个。

对于电机—机械变速器直连的多档位变速系统，若采取电控机械式自动变速箱(amt)的构型，则会出现动力中断的现象，即系统切换档位时，首先会摘空档，利用同步器及电机主动同步等手段使接合部分转速差达到目标范围，而在接合完成之前，电机输出的动力无法传到驱动半轴。动力中断现象会对车辆加速性和乘坐舒适性带来不利的影响。将动力分两条路径交替输出的双离合自动变速器(dct)可以保有amt所固有的高效率的优点，同时避免动力中断现象的缺点，实现动力换档。但dct构型复杂度较高，且档位数同啮合齿轮对数相同，因此三档及三档以上以上的dct构型还需要额外的同步器实现档位切换，导致控制系统于换档执行机构复杂。

为了使多档位变速系统结构紧凑，目前许多电动汽车变速箱设计为行星齿轮变速的构型，对于单排行星齿轮机构，一旦确定输入件，可以通过三种路径实现动力输出——以另外两个构件单独输出动力以及两构件耦合输出动力。但目前研发的行星齿轮变速机构均采取一个构件输出另一个构件单独输出的工作方式，该情况下最多实现两个档位，且其中一个档位速比为1，不利于速比优化。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于，保持双离合变速器动力换档的优点，同时利用单排行星齿轮将动力输入分两路输出，实现三个速比不为1的档位。

为了实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种集成式三档电驱动系统，包括电子驻车系统、电机控制器mcu、箱体，设置在所述箱体内且依次驱动连接的驱动电机、变速系统、主减速器、差速器，所述电机控制器mcu与驱动电机电气连接；所述的差速器的输出端通过驱动半轴连接车轮，所述的变速系统包括行星齿轮机构、内啮合齿轮对、第一中间轴、外啮合齿轮对、第二中间轴、输出轴、两个分别检测驱动电机和输出轴转速的转速传感器、变速箱控制单元tcu及换档驱动机构，所述行星齿轮机构包括太阳轮、齿圈、行星架、若干行星轮，所述驱动电机的输出轴与太阳轮相连接，所述齿圈通过内啮合齿轮对依次连接第二中间轴、输出轴和主减速器，所述行星架通过所述第二中间轴、外啮合齿轮对依次连接输出轴和主减速器的输入端；所述的内啮合齿轮对与输出轴之间的传动部件上、所述行星架与输出轴之间的传动部件上均设置有与所述换档驱动机构控制连接的离合制动装置；所述电子驻车系统与所述主减速器控制连接；所述变速箱控制单元tcu分别与所述换档驱动机构、电子驻车系统、两转速传感器、所述电机控制器mcu电气连接。

进一步地，所述的离合制动装置包括第一离合器、第二离合器、第一制动器、第二制动器，所述第一制动器与第一中间轴相连，控制齿圈处于旋转或固定约束状态，所述第一离合器一端连接第一中间轴，另一端连接输出轴；所述第二离合器一端与行星架连接，另一端与第二中间轴连接，所述第二中间轴的另一端通过所述外啮合齿轮对与所述输出轴相连接，所述第二制动器与行星架连接，控制行星架处于旋转或固定约束状态；所述输出轴连接所述主减速器输入端；所述换档驱动机构分别与第一离合器、第二离合器、第一制动器、第二制动器控制连接；

进一步地，所述的离合制动装置包括第一双边同步器、第二双边同步器、空心轴套，所述第一中间轴上常啮合所述第一双边同步器的花键毂，所述第一双边同步器两边的接合齿圈分别固连于箱体和输出轴；所述空心轴套转动地套在所述输出轴上且与外啮合齿轮对的从动轮相连接，所述空心轴套外壁连接所述第二双边同步器的花键毂，所述第二双边同步器两边的接合齿圈分别固连于所述箱体和输出轴；所述换档驱动机构分别与第一双边同步器、第二双边同步器控制连接。

进一步地，所述的电子驻车系统包括驱动连接的驻车驱动电机和驻车机械锁止机构，所述驻车驱动电机与变速箱控制单元tcu电气连接，所述驻车机械锁止机构与所述主减速器中主减速器齿轮对的主动齿锁止配合。

进一步地，所述第一中间轴与所述输出轴同轴线，所述所述第二中间轴与所述输出轴平行。

进一步地，所述的差速器为机械差速器、限滑差速器或电—液/电磁控制的多片离合器差速器。

进一步地，所述的行星齿轮机构为单排行星机构或组合式行星齿轮机构。

进一步地，所述第一离合器、第二离合器为干式、湿式或电磁离合器。

进一步地，所述所述第一离合器、第二离合器为单片或多片的离合器；第一制动器、第二制动器为单片或多片的制动器。

进一步地，所述换档驱动机构为液压驱动机构、气压驱动机构或电机驱动机构。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

(1)充分利用了单排行星变速机构的工作状态，可以实现行星架/内齿圈耦合输出(一档)、行星架单独输出(高速档位1)、内齿圈单独输出(高速档位2)，相较于一般的两档位单排行星齿轮机构增加了一个档位数。

(2)常规单排行星齿轮机构高速档速比必为1，本发明三个不同档位速比均随参数可调，有利于速比优化。

(3)采用双离合构型，能够实现无动力中断档位切换，结合单排行星齿轮机构的耦合输出状态，相较于一般的两对定轴齿轮dct增加一个档位数。

(4)除了外啮合齿轮对及中间轴，多数部件均为传递动力或锁止状态，与dct相比，空转部件少，动力传递效率高，运行噪声小。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构原理图。

图2为本发明实施例1中低速前进档位的功率流示意图。

图3为本发明实施例1中高速前进档位1的功率流示意图。

图4为本发明实施例1中高速前进档位2的功率流示意图。

图5为本发明实施例2的结构原理图。

图6为本发明实施例2中低速前进档位的功率流示意图。

图7为本发明实施例2中高速前进档位1的功率流示意图。

图8为本发明实施例2中高速前进档位2的功率流示意图。

图中：10-箱体；11-电机控制器mcu；12-驱动电机；13-变速箱控制单元tcu13；14-换档驱动机构；15-驻车驱动电机；16-驻车机械锁止机构；17-转速传感器；21-太阳轮；22-齿圈；23-行星架；31-第一制动器；32-第一离合器；33-第二制动器；34-第二离合器；35-第一双边同步器；36-第二双边同步器；41-内啮合齿轮对；42-第一中间轴；43-第二中间轴；44-外啮合齿轮对；45-输出轴；46-空心轴套；51-主减速器齿轮对；52-差速器；53-驱动半轴；54-车轮。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种集成式三档电驱动系统，主要通过控制单排行星齿轮机构输出部件—齿圈和行星架的状态来确定动力输出的路径。包括电子驻车系统、电机控制器mcu、箱体10，设置在所述箱体10内且依次驱动连接的驱动电机12、变速系统、主减速器、差速器52，所述电机控制器mcu11与驱动电机12电气连接；所述的差速器52的输出端通过驱动半轴53连接车轮54，动力通过差速器52分流至驱动半轴53，进而驱动车轮54。所述的变速系统包括行星齿轮机构、内啮合齿轮对41、第一中间轴42、外啮合齿轮对44、第二中间轴43、输出轴45、两个分别检测驱动电机12和输出轴45转速的转速传感器17、变速箱控制单元tcu及换档驱动机构14，所述行星齿轮机构包括太阳轮21、齿圈22、行星架23、若干行星轮，所述驱动电机12的输出轴与太阳轮21相连接，所述齿圈22通过内啮合齿轮对41依次连接第二中间轴42、输出轴45和主减速器，所述行星架23通过所述第二中间轴43、外啮合齿轮对44依次连接输出轴45和主减速器的输入端；所述的内啮合齿轮对41与输出轴45之间的传动部件上、所述行星架23与输出轴45之间的传动部件上均设置有与所述换档驱动机构14控制连接的离合制动装置；所述电子驻车系统与所述主减速器控制连接，包括驱动连接的驻车驱动电机15和驻车机械锁止机构16，所述驻车驱动电机15与变速箱控制单元tcu电气连接，所述驻车机械锁止机构16与所述主减速器中主减速器齿轮对51的主动齿锁止配合，即所述主减速器齿轮对51的主动齿轮受机械锁止机构16控制。所述变速箱控制单元tcu分别与所述换档驱动机构14、电子驻车系统、两转速传感器17、所述电机控制器mcu11电气连接。

所述的离合制动装置包括第一离合器32、第二离合器34、第一制动器31、第二制动器33，所述第一制动器31与第一中间轴42相连，控制齿圈22处于旋转或固定约束状态，所述第一离合器32一端连接第一中间轴42，另一端连接输出轴45；所述第二离合器34一端与行星架23连接，另一端与第二中间轴43连接，所述第二中间轴43的另一端通过所述外啮合齿轮对44与所述输出轴45相连接，所述第二制动器33与行星架23连接，控制行星架23处于旋转或固定约束状态；所述输出轴45连接所述主减速器输入端；所述换档驱动机构14分别与第一离合器32、第二离合器34、第一制动器31、第二制动器33控制连接。

本实施例中，驱动电机输出轴连接具有两个自由度的单排行星齿轮机构的太阳轮，行星齿轮机构的特征系数为α，太阳轮转速ni，内齿轮转速n1，行星架转速n2，输出轴转速no。齿圈通过定轴齿轮内啮合传动将动力移至与输出轴线共轴线的中间轴上，内啮合齿轮对传动比为k1，行星架侧离合器接合的情况下行星架通过定轴齿轮外啮合传动将动力转移至输出轴上，同时这对外啮合齿轮还起到将行星架旋转换向以保证输出轴在前进档位下的旋转方向一致，内啮合齿轮对传动比为k2。根据齿圈和行星架三种不同的动力传递情况，可以得到三个不同速比的前进档位。

所述集成式三档电驱动系统的信息传递和控制部分包括驱动电机12、变速箱控制单元tcu13、电机控制器mcu11、换档驱动机构14、驻车驱动电机15、驻车机械锁止机构16与用于测量输出轴和输出轴转速的两个转速传感器17，电机控制器mcu11需要采集变速箱控制单元tcu13的状态及两转速传感器17的信息，变速箱控制单元13需要采集换档驱动机构14、驻车驱动电机15及转速传感器17的信息。通过控制模块与机械传动模块的协调工作，所述集成式三档电驱动系统可以实现7种不同的工作状态，如表1所示。

表1实施例1集成式电驱动系统工作状态

^*倒档时电机反转，动力系统处于低速档位；

^*制动回馈时一般让动力系统处于高速档位以保证发电效率，表中以高速档位2为例。

具体工作模式如下：

(1)空档：变速箱控制单元tcu13根据驾驶员或系统发送的空档指令，将控制信号发送至换档驱动机构14，控制制动器、第一制动器31、第二制动器33、第一离合器32、第二离合器34都处于分离状态，行星齿轮机构处于自由状态，动力不再传递至输出轴45。

(2)低速档：车辆起步等工况下，变速箱控制单元tcu13控制换档驱动机构14使第一制动器31、第二制动器33分离，第一离合器32、第二离合器34接合，此时齿圈22和行星架23均有动力输出，单排行星齿轮变为封闭传动机构，动力经齿圈22与行星架23分流后在输出轴45汇合，系统功率流为：

传动系统的特征方程为：

ni+αn1＝(1+α)n2

no＝n1/k1＝-n2/k2

可得低速档位传动比为：

i1＝ni/no＝-[(k1+k2)α+k2]

功率流如图2所示。

(3)高速档1：两个高速档位速比的大小关系由α、k1、k2间的关系决定，本实施例不做对比，以表1内容为例进行说明。一档切换到高速档1为例变速箱控制单元tcu13依据转速传感器17的信号和驾驶需求适时切换到高速档1，在这个过程中，换档驱动机构14使第一离合器32分离，与此同时第一制动器31接合，使齿圈22的动力输出流断开的同时行星齿轮机构具有太阳轮输入—行星架输出的确定运动形式，因此换档过程中实现无动力中断。

此时的传动比可以看作太阳轮输出/行星架输出的行星齿轮机构与定轴齿轮组合二级变速，传动比为：

ih1＝ni/no＝-k2(α+1)

功率流如图3示，具体的功率流为：太阳轮21—行星架23—第二离合器34—第二中间轴43—外啮合齿轮对44—输出轴45。

(4)高速档2：变速箱控制单元tcu13依据转速传感器17的信号和驾驶需求适时将切换到高速档2，以高速档1切换到高速档2为例，换档驱动机构14使第一离合器32接合，第二离合器34分离，以保证动力传递路径变为经由齿圈22输出，与此同时第一制动器31分离，第二制动器33接合，使行星齿轮机构具有太阳轮输入—齿圈输出的确定运动形式，因此换档过程中实现无动力中断。

功率流如图4示，动力仅经由齿圈22传至输出轴45，具体的功率流为：太阳轮21—齿圈22—内啮合齿轮对41—第一中间轴42—第一离合器32—输出轴45。

此时的传动比可以看作太阳轮输出/齿圈输出的行星齿轮机构与定轴齿轮组合二级变速，传动比为：

ih2＝ni/no＝-k1α。

(5)倒档：变速箱控制单元tcu13、换档驱动机构14、第一制动器31、第二制动器33、第一离合器32、第二离合器34的工作状态同低速档相同，电机控制器mcu11根据实际需求控制驱动电机12反转。

(6)电子驻车：当车辆静止需要锁止变速箱时，变速箱控制单元tcu13控制驻车驱动电机15带动驻车机械锁止结构16将输出轴45上的主减速器齿轮对51的主动齿轮锁止，实现电子驻车功能。

(7)制动回馈：车辆减速或刹车时，电机控制器mcu11控制驱动电机12处于发电机工作模式，同时变速箱控制单元tcu13通过换档驱动机构14使变速系统处于高速档2时各离合器、制动器组合状态，实现高效制动能量回收。

此外，本实施例通过在电驱动系统箱体内集成驻车驱动电机15与驻车机械锁止机构16，依据变速箱控制单元tcu13的指令对主减速器主动齿轮机械锁止实现电子驻车的功能，驱动模块、变速模块还与差速器模块共用箱体实现集成化设计。

所述的差速器为机械差速器、限滑差速器或电—液/电磁控制的多片离合器差速器。所述的行星齿轮机构为单排行星机构。所述第一离合器32、第二离合器34为干式、湿式或电磁离合器。所述所述第一离合器32、第二离合器34为单片或多片的离合器；第一制动器31、第二制动器33为单片或多片的制动器。所述换档驱动机构为液压驱动机构、气压驱动机构或电机驱动机构。

实施例2

如图5所示，本实施例与实施例1不同的是：将两个离合器、两个制动器更换为两个双边同步器，其中一个双边同步器实现实施例1中第一制动器31、第一离合器32的功能，控制齿圈22被锁止或者传递动力，另一个双边同步器实现实施例1中第二制动器33、第二离合器34的功能，控制行星架23被锁止或者传递动力。

具体地，所述的离合制动装置包括第一双边同步器35、第二双边同步器36、空心轴套46，所述第一中间轴42上常啮合所述第一双边同步器35的花键毂，所述第一双边同步器35两边的接合齿圈分别固连于箱体10和输出轴45，实现中间轴42固连约束或传递动力至输出轴45；所述空心轴套46转动地套在所述输出轴45上且与外啮合齿轮对44的从动轮相连接，行星架23通过外啮合齿轮对44将动力传至空心轴套46，所述空心轴套43外壁连接所述第二双边同步器36的花键毂，所述第二双边同步器36两边的接合齿圈分别固连于所述箱体10和输出轴45，通过第二双边同步器36接合套滑向箱体10或输出轴45接合齿圈实现空心轴套46固连约束或传递动力至输出轴45。所述换档驱动机构14分别与第一双边同步器35、第二双边同步器36控制连接。本实施例中其他机械传递动力流与实施例相同，此处不做赘述。

本实施例中，变速箱控制单元tcu13根据信息输入和驾驶需求控制换档驱动机构14对第一双边同步器35、第二双边同步器36的机械动作，通过第一双边同步器35、第二双边同步器36的结合套不同位置组合可以得到三个前进档位，三个不同前进档位及空档时各同步器工作状态如表2所示。其他功能如倒档、电子驻车制动、制动回馈模式以及三个档位速比同实施例1相同，此处不做赘述。

表2实施例2三个前进档位对应同步器结合状态

低速档系统功率流为：

功率流如图6示。

高低档1功率流为：

太阳轮21-行星架23—外啮合齿轮对44-空心轴套46-第二双边同步器36-输出轴45，如图7示。

高低档2功率流为：

太阳轮21-齿圈22—内啮合齿轮对41—第一中间轴42—第一双边同步器35-输出轴45，如图8示。

本发明主要用作纯电动汽车或混合动力汽车的集成式电驱动桥，可实现驱动电机调速、动力换档、电子驻车、半轴差速转动、制动能量回收等功能。通过离合器可以实现齿圈、行星架与输出轴的机械连接与分离，通过制动器可以控制行星机构齿圈、行星架元件的运动。该电驱动系统通过离合器和制动器的配合使用可以确定驱动电机到半轴的动力传递路径，可由单排行星机构实现三个前进档位。该电驱动系统还可以通过tcu及执行机构使变速箱输出锁止，实现电子驻车功能。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。