CN115366672B - 一种双向机械超越式永磁两挡变速器及其换挡方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双向机械超越式永磁两挡变速器及其换挡方法，该离合器包括变速器壳体、驱动机构、磁场调制齿轮变速机构、变速机构连接件、换挡同步器和离合器；本发明通过单级同轴式磁场调制齿轮作为变速机构，减少了变速器摩擦能量损耗，降低运行振动与噪声；离合器将变速机构高速轴与动力输出轴可选的相连接，具有双向机械超越功能的换挡同步器与变速机构的低速轴以及输出轴相连接，离合器接合后，换挡同步器自动超越，实现了无动力中断换挡，且换挡过程平稳无冲击；采用同轴布置方法，提升了结构紧凑性，换挡机构模块化程度高，换挡操作简便。

Description

一种双向机械超越式永磁两挡变速器及其换挡方法

技术领域

本发明涉及电动汽车变速器技术领域，尤其涉及一种双向机械超越式永磁两挡变速器及其换挡方法。

背景技术

随着人类科技发展与工业水平的不断提高，因温室气体的大量排放所带来的环境问题日益突出。为降低碳排放量，实现碳中和目标，缓解化石能源的大量使用带来的生态问题，世界各国开始大力发展电动汽车。电动汽车主要由动力电池系统、驱动系统、整车控制系统组成。由于电动汽车电机具备较大的启动扭矩以及较宽的调速区间，所以现阶段电动汽车驱动系统采用单级减速器配合电动机的结构形式。然而，在单级减速器下，为了达到较高的车速，单级减速器减速比设计较小，这导致电机工作转矩较大、输出电流较高，并未达到最优工作效率，耗电较快。因此，为令电动机既可在恒转矩区间提供较高的启动、爬坡、提速转矩，也可在恒功率区间提供较高的行车速度，需要设计研发兼顾电动车经济性和动力性的两挡变速器。

随着越来越多的纯电动车的出现，人们对电动汽车的要求也不再仅仅满足于驾驶舒适性、经济性，还希望电动汽车具有和传统燃油汽车的媲美的动力性。这对电动汽车的两挡变速器的性能提出了挑战。通过检索现有相关技术得知，中国专利CN209262227公开了一种两挡变速器换挡系统。包括变速器前壳、变速器后壳、拨叉轴和拨叉。该方案中，采用拨叉换挡时需要断开动力源，导致行车过程中产生换挡顿挫，影响驾驶体验。中国专利CN112343981公开了一种纯电动汽车无动力中断两挡变速器。包括输入轴、中间轴、输出轴，依次设置于输入轴上的一挡主动齿轮、二挡主动齿轮、辅助挡主动齿轮和离合器，依次设置于中间轴上的主减速器主动齿轮、一挡从动齿轮、同步器、二挡从动齿轮和辅助挡从动齿轮，依次设置于输出轴上的主减速器从动齿轮和差速器。该方案中，采用辅助挡位以及同步器实现无动力中断换挡。但此方案，平行轴布置以及辅助挡位的设置导致减速器尺寸过大，结构复杂，同时采用同步器换挡，换挡冲击问题明显。中国专利CN110748615公开了一种两挡变速器换挡装置及其换挡方法。包括齿轮座、高速主动齿轮、高速从动齿轮、低速主动齿轮、低速从动齿轮、输入轴和输出轴、离合换挡机构以及倒挡机构。该方案实现了前进无动力中断换挡，但采用带齿滑套实现倒挡，增加了机构复杂性，存在倒挡打齿的噪声问题。中国专利CN107763153公开了一种用于电动车辆的行星齿轮型两挡变速器。包括行星齿轮系、第一离合装置、第二离合装置。该方案通过分开布置的两个离合器机构配合行星齿轮机构进行挡位切换，但是由于行星齿轮机构结构复杂，两个离合器相互配合控制难度高，换挡平顺性差，影响驾驶舒适感。中国专利CN105526318公开了一种基于两挡变速器的电驱动系统，包括驱动机构、行星齿轮系、制动器、离合器、单向超越离合器、输出轴。该方案采用离合器配合单向超越离合器进行挡位切换，实现了动力无中断切换，换挡平顺性好，但由于单向超越离合器的工作特性，导致需要使用制动器来实现倒挡，在低位挡时也需要离合器通断配合实现制动能量回收，控制难度高，离合器易磨损，影响变速箱使用寿命。中国专利CN106763619公开了一种电动汽车用两挡变速器，包括输入轴总成、中间轴总成、输出轴总成以及箱体总成。该方案中采用平行轴上放置两组齿轮的布置方案，并采用两个离合器来实现换挡，可以克服动力中断问题，但由于齿轮多、导致变速箱质量大。另外两个离合器切换存在摩擦拖拽，增加了换挡粘滞感以及能量损耗，影响车辆驾驶舒适感。

综上，换挡动力中断、噪声、换挡粘滞、冲击、制动能量回收控制复杂的问题普遍存在于现有的两挡变速箱之中。另外，为克服各类问题，所带来的结构复杂性增加又降低了两挡变速箱的经济性与可靠性。因此，以相对简单可靠的结构与控制方法实现无动力中断平顺换挡、快速响应制动能量回收，并降低因变速器而带来的车辆噪声是高性能两挡变速箱所需要解决的迫切难题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种双向机械超越式永磁两挡变速器及其换挡方法，基于磁场调制原理克服现有两挡变速器在换挡时的动力中断、冲击、噪声等问题，并令整体结构更加紧凑，换挡控制更为简单。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所提出的一种双向机械超越式永磁两挡变速器，包括变速器壳体、驱动机构、磁场调制齿轮变速机构、变速机构连接件、换挡同步器和离合器；所述驱动机构、磁场调制齿轮变速机构、变速机构连接件、换挡同步器和离合器均设置在变速器壳体内部；

所述驱动机构包括驱动电机、输入轴、中间轴和输出轴；所述输入轴、中间轴和输出轴依次通过轴承与变速器壳体连接；所述输出轴与电动汽车主减速器固定连接；所述驱动电机主轴与输入轴固定连接；所述驱动电机与变速器壳体固定连接；

所述换挡同步器包括第二连接构件、普通花键轴段、第一端面棘齿盘、第二端面棘齿盘、内棘轮、内斜齿轮、螺旋花键轴段、外斜齿轮、第一复位弹簧、棘爪安装段、轴向移动构件和第二复位弹簧；所述第二连接构件与普通花键轴段同轴固定连接；所述第一端面棘齿盘通过棘齿盘上内直花键与普通花键轴段构成轴向滑动连接；所述第一端面棘齿盘沿普通花键轴段可向右滑动与第二端面棘齿盘构成单向接触连接；所述第二端面棘齿盘与内棘轮同轴固定连接；所述第二端面棘齿盘与内斜齿轮同轴固定连接；所述螺旋花键轴段与普通花键轴段同轴固定连接；所述螺旋花键轴段通过螺旋花键与外斜齿轮构成轴向旋转滑动连接；所述棘爪安装段通过螺旋花键与螺旋花键轴段构成轴向旋转滑动连接；所述第一复位弹簧与螺旋花键轴段同轴布置，其左侧与外斜齿轮右端面接触，右侧与螺旋花键轴段右侧轴肩的左端面接触；所述轴向移动构件下端与第一端面棘齿盘构成滑动连接，上端与变速器壳体构成滑动连接；所述第二复位弹簧与普通花键段同轴布置，其左侧与第二连接构件右侧接触，右侧与第一端面棘齿盘左侧端面接触；

所述棘爪安装段包括环形安装架、棘爪、惯性致动构件和拉簧；所述环形安装架与内棘轮同轴布置并可相对转动；所述环形安装架右侧与内斜齿轮左侧固定连接；所述棘爪通过中间铰链孔与安装环形安装架上的铰接柱铰接，并通过安装在环形安装架上的限位柱限制棘爪的转动范围；所述惯性致动构件通过中间铰接孔与安装在环形安装架上的另一铰接柱铰接；所述惯性制动构件右侧也设有固定于环形安装架上的限位柱；所述拉簧前端固定连接于惯性制动构件的尾端，后端与安装环形安装架上的第三个铰接柱铰接；所述棘爪的尾端与惯性致动构件的头部接触连接；

所述离合器与输出轴固定连接，并可选择性的与中间轴固定连接或断开；所述离合器与换挡同步器的内斜齿轮固定连接；

所述磁场调制齿轮变速机构同轴设置在输入轴和中间轴之间；

所述换挡同步器的普通花键轴段通过变速机构连接件与磁场调制齿轮变速机构连接。

进一步的，所述磁场调制齿轮变速机构包括具有M对磁极的内磁轮、具有N对磁极的外磁轮和调磁环；所述调磁环设置在内磁轮和外磁轮之间；所述磁极对数满足M小于N；所述外磁轮或内磁轮与变速器壳体固定连接；所述输入轴与内磁轮或外磁轮同轴固连；所述中间轴与磁场调制齿轮变速机构中与输入轴固定连接的转动构件同轴固连；所述调磁环与换挡同步器的普通花键轴段连接。

进一步的，所述磁场调制齿轮变速机构采用轴向充磁或径向充磁。

进一步的，所述磁场调制齿轮变速机构采用径向充磁；所述输入轴与外磁轮固定连接；所述内磁轮与变速器壳体固定连接。

进一步的，所述磁场调制齿轮变速机构采用轴向充磁；所述输入轴与内磁轮固定连接；所述外磁轮与变速器壳体固定连接。

一种双向机械超越式永磁两挡变速器的换挡方法，用于车辆前进速度切换与倒车，并在刹车过程中实现制动能量回收；包括以下步骤：

S1：离合器与中间轴断开连接，轴向移动构件向左动作，令第一端面棘齿盘与第二端面棘齿盘断开连接，电机正向旋转，当速度达到一定数值时，换挡同步器内惯性致动构件在惯性力作用下，尾端被甩出与限位柱接触，从而不再对棘爪进行限位，棘爪在惯性力作用下被甩出，与内棘轮接触；此时，外斜齿轮在螺旋花键推动下与内斜齿轮啮合，车辆开始前进，此时，轴向移动构件处于卸载自由状态，第一端面棘齿盘在弹簧作用下，与第二端面棘齿盘啮合；至此，车辆挂入前进1挡，变速器减速比为M+N/M或M+N/N；若在该状态下进行车辆制动，则电机停止扭矩输出，并作为发电机接收从输出端经过第二端面棘齿、第一端面棘齿以及变速器传递来的扭矩，实现制动能量回收；

S2：在电动汽车1挡行驶过程中，若速度达到升挡要求，首先轴向移动构件向左动作，令第一端面棘齿盘与第二端面棘齿盘断开连接，离合器开始与中间轴接合，换挡同步器内斜齿轮推动外斜齿轮沿着螺旋花键做分离运动，最终，离合器与中间轴固定连接，内斜齿轮与外斜齿轮断开连接，车辆升挡为2挡，变速器速比为1；此时，若进行车辆制动，则电动机停止扭矩输出，发电机接收从输出端途径离合器传递来的扭矩，实现制动能量回收；

S3：在电动汽车2挡正常行驶过程中，当车辆行驶速度下降至1挡速度阈值时，离合器与中间轴断开连接，电机转速逐渐提升至换挡同步器内棘爪、棘爪安装段与内棘轮速度相等状态，致使外斜齿在螺旋花键推动下与内斜齿啮合，轴向移动构件处于卸载自由状态，第一端面棘齿盘在弹簧作用下，与第二端面棘齿盘啮合，车辆挡位降为1挡；

S4：在电动汽车进行泊车停靠完成之后，轴向移动构件向左动作，令第一端面棘齿盘与第二端面棘齿盘断开连接，离合器与中间轴始终断开连接，换挡同步器内棘爪处于未楔合状态，此时，无论外界如何推动车辆，转矩均无法转递到电动机，电动车处于空挡状态；

S5：离合器与中间轴断开连接，轴向移动构件处于自由状态，第一端面棘齿盘在弹簧作用下，与第二端面棘齿盘啮合；电机反向旋转，车辆处于倒挡状态，变速器速比为M+N/M或M+N/N。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明利用磁场调制齿轮作为变速器变速传动机构，通过非接触式传递力矩降低了换挡冲击、减小了变速箱噪声，提高了驾驶人员舒适度。

2、本发明采用自动换挡同步器配合离合器作为换挡执行机构，实现了动力不中断换挡，提高了车辆行驶的平稳性。

3、本发明通过换挡同步器的工作模式切换，可在车辆以低速挡行驶时实现制动动力回收，控制简单，在车辆以高速挡行驶时，降低低速磁轮拖拽扭矩，能量损耗少。

4、本发明采用端面棘齿的啮合实现倒挡功能，简化了变速器结构，提高了变速器紧凑性。

5、本发明采用非接触式磁场调制齿轮，可降低动力输出端振动对传动系统的影响；运行过程无需润滑，提高了两挡变速器恶劣条件下的运行稳定性，节省了变速器维护保养开销。

附图说明

图1是本发明实施例1中两挡变速器的结构示意图；

图2是本发明实施例1中两挡变速器前进1挡工作状态的结构示意图；

图3是本发明实施例1中两挡变速器前进2挡工作状态的结构示意图；

图4是本发明实施例1中两挡变速器倒挡工作状态的结构示意图；

图5是本发明实施例1中两挡变速器空挡工作状态结构示意图；

图6是本发明实施例2中两挡变速器的结构示意图；

图7是本发明实施例2中两挡变速器前进1挡工作状态的结构示意图；

图8是本发明实施例2中两挡变速器前进2挡工作状态的结构示意图；

图9是本发明实施例2中两挡变速器倒挡工作状态的结构示意图；

图10是本发明实施例2中两挡变速器空挡工作状态的结构示意图；

图11是本发明中径向磁场调制齿轮变速机构的结构示意图；

图12是本发明中轴向磁场调制齿轮变速机构的结构示意图；

图13是本发明中换挡同步器内部的放大结构示意图；

图14是图13中棘爪安装段的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。

本发明所提出的一种双向机械超越式永磁两挡变速器，包括换挡同步器7、离合器9、变速器壳体12、驱动机构、磁场调制齿轮变速机构和变速机构连接件；所述驱动机构、磁场调制齿轮变速机构、变速机构连接件、换挡同步器7和离合器9均设置在变速器壳体12内部。

所述驱动机构包括驱动电机1、输入轴2、中间轴8和输出轴10；所述输入轴2、中间轴8和输出轴10依次通过轴承与变速器壳体12连接；所述输出轴10与电动汽车主减速器11固定连接；所述驱动电机1的主轴与输入轴2固定连接；所述驱动电机1与变速器壳体12固定连接。

如附图13和14所示，所述换挡同步器7包括第二连接构件701、普通花键轴段702、第一端面棘齿盘703、第二端面棘齿盘704、内棘轮705、内斜齿轮706、螺旋花键轴段707、外斜齿轮708、第一复位弹簧709，棘爪安装段710、轴向移动构件711和第二复位弹簧712；所述第二连接构件701与普通花键轴段702同轴固定连接；所述第一端面棘齿盘703通过棘齿盘上内直花键与普通花键轴段702构成轴向滑动连接；所述第一端面棘齿盘703沿普通花键轴段702可向右滑动与第二端面棘齿盘704构成单向接触连接；所述第二端面棘齿盘704与内棘轮705同轴固定连接；所述第二端面棘齿盘704与内斜齿轮706同轴固定连接；所述螺旋花键轴段707与普通花键轴段702同轴固定连接；所述螺旋花键轴段707通过螺旋花键与外斜齿轮708构成轴向旋转滑动连接；所述棘爪安装段710通过螺旋花键与螺旋花键轴段707构成轴向旋转滑动连接；所述第一复位弹簧709与螺旋花键轴段707同轴布置，其左侧与外斜齿轮708右端面接触，右侧与螺旋花键轴段707右侧轴肩的左端面接触；所述轴向移动构件711下端与第一端面棘齿盘703构成滑动连接，上端与变速器壳体构成滑动连接；所述第二复位弹簧712与普通花键段702同轴布置，其左侧与第二连接构件701右侧接触，右侧与第一端面棘齿盘703左侧端面接触。

其中，所述棘爪安装段710包括环形安装架7101、棘爪7102、惯性致动构件7103和拉簧7104；所述环形安装架7101与内棘轮705同轴布置并可相对转动；所述环形安装架7101右侧与内斜齿轮706左侧固定连接；所述棘爪7102通过中间铰链孔与安装环形安装架7101上一侧的铰接柱铰接，并通过安装在环形安装架7101上的限位柱限制棘爪7102的转动范围；所述惯性致动构件7103通过中间铰接孔与安装在环形安装架上另一侧的铰接柱铰接；所述惯性制动构件7103右侧也设有固定于环形安装架7101上的限位柱；所述拉簧7104前端固定连接于惯性制动构件7103的尾端，后端与安装环形安装架7101上的第三个铰接柱铰接；所述棘爪7102的尾端与惯性致动构件7103的头部接触连接。

所述离合器9的一侧与输出轴固定连接，并可选择性的与中间轴8固定连接或断开，另一侧与换挡同步器7的内斜齿轮706固定连接；所述磁场调制齿轮变速机构同轴设置在输入轴2和中间轴8之间。

如附图11和12所示，所述磁场调制齿轮变速机构包括具有M对磁极的内磁轮3、具有N对磁极的外磁轮5和调磁环4；所述调磁环4同轴设置在内磁轮3和外磁轮5之间；所述磁极对数满足M小于N；所述外磁轮5或内磁轮3与变速器壳体12固定连接；所述输入轴2与内磁轮3或外磁轮5同轴固连；所述中间轴8与磁场调制齿轮变速机构中与输入轴2固定连接的转动构件同轴固连；所述调磁环4与换挡同步器7的普通花键轴段702连接。

所述磁场调制齿轮变速机构为轴向充磁磁场调制齿轮或径向充磁磁场调制齿轮。

所述磁场调制齿轮变速机构采用径向充磁磁场调制齿轮时，所述输入轴2与外磁轮5固定连接，所述内磁轮3与变速器壳体12固定连接。

所述磁场调制齿轮变速机构采用轴向充磁磁场调制齿轮时，所述输入轴2与内磁轮3固定连接；所述外磁轮5与变速器壳体12固定连接。

一种双向机械超越式永磁两挡变速器的换挡方法，用于车辆前进速度切换与倒车，并在刹车过程中实现制动能量回收；包括以下步骤：

S1：离合器9与中间轴8断开连接，轴向移动构件711向左动作，令第一端面棘齿盘703与第二端面棘齿盘704断开连接，驱动电机1正向旋转，当速度达到一定数值时，换挡同步器内惯性致动构件7103在惯性力作用下，尾端被甩出与限位柱接触，从而不再对棘爪7102进行限位，棘爪7102在惯性力作用下被甩出，与内棘轮705接触；此时，外斜齿轮708在螺旋花键推动下与内斜齿轮706啮合，车辆开始前进，此时，轴向移动构件711处于卸载自由状态，第一端面棘齿盘703在弹簧作用下，与第二端面棘齿盘704啮合；至此，车辆挂入前进1挡，变速器减速比为M+N/M或M+N/N；若在该状态下进行车辆制动，则驱动电机1停止扭矩输出，并作为发电机接收从输出端经过第二端面棘齿盘、第一端面棘齿盘以及变速器传递来的扭矩，实现制动能量回收；

S2：在电动汽车1挡行驶过程中，若速度达到升挡要求，首先轴向移动构件711向左动作，令第一端面棘齿盘与第二端面棘齿盘断开连接，离合器9开始与中间轴8接合，换挡同步器内斜齿轮706推动外斜齿轮708沿着螺旋花键做分离运动，最终，离合器9与中间轴8固定连接，内斜齿轮706与外斜齿轮708断开连接，车辆升挡为2挡，变速器速比为1；此时，若进行车辆制动，则驱动电机1停止扭矩输出，发电机接收从输出端途径离合器9传递来的扭矩，实现制动能量回收；

S3：在电动汽车2挡正常行驶过程中，当车辆行驶速度下降至1挡速度阈值时，离合器9与中间轴8断开连接，驱动电机1转速逐渐提升至换挡同步器内棘爪7102与内棘轮705速度相等状态，致使外斜齿轮708在螺旋花键推动下与内斜齿轮706啮合，轴向移动构件711处于卸载自由状态，第一端面棘齿盘703在弹簧作用下，与第二端面棘齿盘704啮合，车辆挡位降为1挡；

S4：在电动汽车进行泊车停靠完成之后，轴向移动构件711向左动作，令第一端面棘齿盘703与第二端面棘齿盘704断开连接，离合器9与中间轴8始终断开连接，换挡同步器内棘爪7102处于未楔合状态，此时，无论外界如何推动车辆，转矩均无法转递到驱动电机1，电动车处于空挡状态；

S5：离合器9与中间轴8断开连接，轴向移动构件711处于自由状态，第一端面棘齿盘在弹簧作用下，与第二端面棘齿盘啮合；驱动电机1反向旋转，车辆处于倒挡状态，变速器速比为M+N/M或M+N/N。

下面通过具体实施例对本发明作出进一步说明：

实施例1：

如附图1所示，一种双向机械超越式永磁两挡变速器，包括变速器壳体12、驱动机构、磁场调制齿轮变速机构、换挡同步器7、变速机构连接件6和离合器9；所述驱动机构、磁场调制齿轮变速机构、换挡同步器7、离合器9均设置在变速器壳体12之中。

所述驱动机构包括驱动电机1、输入轴2、中间轴8和输出轴10；所述输入轴2、中间轴8、输出轴10通过轴承依次与变速器壳体连接，输出轴10与电动汽车主减速器11固定连接，驱动电机1与输入轴2固定连接，驱动电机1与变速器壳体12固定连接。

所述磁场调制齿轮变速机构包括具有M对磁极的内磁轮3、有N对磁极的外磁轮5和调磁环4；磁极对数满足M小于N，外磁轮5与变速器壳体12固定连接；输入轴2与内磁轮3固定连接，中间轴8与内磁轮3固定连接；换挡同步器7经过第二连接构件701和变速机构连接件6与调磁环4固定连接；本实施例中，所述磁场调制齿轮变速机构为轴向充磁磁场调制齿轮。

所述换挡同步器7包括第二连接构件701、普通花键轴段702、第一端面棘齿盘703、第二端面棘齿盘704、内棘轮705、内斜齿轮706、螺旋花键轴段707、外斜齿轮708、第一复位弹簧709、棘爪安装段710、轴向移动构件711和第二复位弹簧712。

所述第二连接构件701与普通花键轴段702同轴固定连接、第一端面棘齿盘703通过棘齿盘上内直花键与普通花键轴段702构成轴向滑动连接，第一棘齿盘沿普通花键轴段702可向右滑动与第二端面棘齿盘704构成单向接触连接、第二端面棘齿盘704与内棘轮705同轴固定连接，第二端面棘齿盘704与内斜齿轮706同轴固定连接，螺旋花键轴段707与普通花键轴段702同轴固定连接，螺旋花键轴段707通过螺旋花键与外斜齿轮708构成轴向旋转滑动连接，棘爪安装段710通过螺旋花键与螺旋花键轴段707构成轴向旋转滑动连接，第一复位弹簧709与螺旋花键轴段707同轴布置，左侧与外斜齿轮708右端面接触，右侧与螺旋花键轴端右侧轴肩的左端面接触，轴向移动构件711下端与第一端面棘齿盘703上凹槽构成滑动连接，轴向移动构件711上端与变速器壳体上水平上孔构成滑动连接。第二复位弹簧712与普通花键段同轴布置，第二复位弹簧712左侧与连接构件右侧接触，第二复位弹簧712右侧与第一端面棘齿盘703右侧端面接触。

所述棘爪安装段710包括环形安装架7101、棘爪7102、惯性致动构件7103和拉簧7104；所述环形安装架7101与内棘轮705同轴布置并可相对转动；环形安装架7101右侧与内斜齿轮706左侧固定连接；棘爪7102通过中间铰链孔与安装在环形安装架7101上的第一铰接柱铰接，并通过环形安装架7101上的限位柱限制棘爪7102转动范围；惯性致动构件7103通过中间铰接孔与安装在环形安装架7101上的第二铰接柱铰接；惯性制动构件7103右侧设有固定于环形安装架7101上的限位柱；拉簧7104前端固定连接于惯性制动构件7103的尾端，后端与安装在环形安装架7101的第三铰接柱铰接；棘爪7102的尾端与7103的头部接触连接。

所述离合器9与输出轴10固定连接，离合器9可选择性的与中间轴8固定连接或断开，离合器9的左侧端面与换挡同步器7的内斜齿轮706的右侧端面固定连接。

从右向左看，主轴顺时针旋转为前进方向。

如附图2至5所示，实施例1的换挡操作方法及制动能量回收策略：

S1：离合器9与中间轴8断开连接，轴向移动构件711向左动作，令第一端面棘齿盘703与第二端面棘齿盘704断开连接，电机1正向旋转，当速度达到一定数值时，换挡同步器7内惯性制动构件7103在惯性力作用下，尾端被甩处与限位柱接触，从而不再对棘爪7102进行限位，棘爪7102在惯性力作用下被甩出，与内棘轮705接触。此时，外斜齿轮708在螺旋花键707推动下与内斜齿706啮合，车辆开始前进，此时，轴向移动构件711处于卸载自由状态，第一端面棘齿盘703在第二复位弹簧712作用下，与第二端面棘齿盘704啮合。至此，车辆挂入前进1挡，变速器减速比为M+N/M。

若在该状态下进行车辆制动，则电机1停止扭矩输出，并作为发电机1接收从输出端经过输出轴10、离合器9、换挡同步器7、变速机构连接件6、调磁环4、内磁轮3、输入轴2的回馈扭矩，实现制动能量回收。

S2：在电动汽车1挡行驶过程中，若速度达到升挡要求，首先轴向移动构件711向左动作，令第一端面棘齿盘703与第二端面棘齿盘704断开连接，离合器9开始与中间轴8接合，换挡同步器7内内斜齿706推动外斜齿轮708沿着螺旋花键707做分离运动，最终，离合器9与中间轴8固定连接，内斜齿706与外斜齿轮708断开连接，车辆升挡为2挡，变速器速比为1。此时，若进行车辆制动，则电动机停止扭矩输出，发电机1接收从输出端途径输出轴10、离合器9、中间轴8、内磁轮3、输入轴2的回馈扭矩，实现制动能量回收。

S3：在电动汽车2挡正常行驶过程中，当车辆行驶速度下降至1挡速度阈值时，离合器9与中间轴8断开连接，电机1转速逐渐提升至换挡同步器7内棘爪超越离合器棘爪安装段与内棘轮速度相等状态，致使外斜齿轮708在螺旋花键轴段707推动下与内斜齿706啮合，轴向移动构件711处于卸载自由状态，第一端面棘齿盘703在第二复位弹簧712作用下，与第二端面棘齿盘704啮合。车辆挡位降为1挡。

S4：在电动汽车进行泊车停靠完成之后，轴向移动构件711向左动作，令第一端面棘齿盘703与第二端面棘齿盘704断开连接，离合器9与中间轴8始终断开连接，换挡同步器7内的内棘轮705与棘爪安装段710上的棘齿处于未楔合状态，此时，无论外界正向或者反向推动车辆，转矩均无法转递到电动机，电动车处于空挡状态。

S5：离合器9与中间轴8断开连接，轴向移动构件711处于自由状态，第一端面棘齿盘703在第二复位弹簧712作用下，与第二端面棘齿盘704啮合；电机1反向旋转，车辆处于倒挡状态，变速器速比为M+N/M。

实施例2：

如附图6所示，一种双向机械超越式永磁两挡变速器，包括变速器壳体12、驱动机构、磁场调制齿轮变速机构、换挡同步器7、连接件6、离合器9。驱动机构、磁场调制齿轮变速机构、换挡同步器7、离合器9均设置在变速器壳体12之中。

所述驱动机构包括驱动电机1、输入轴2、中间轴8、输出轴10；输入轴2、中间轴8、输出轴10通过轴承与变速器壳体连接，输出轴10与电动汽车主减速器11固定连接，驱动电机1与输入轴2固定连接，驱动电机1与变速器壳体12固定连接。

所述磁场调制齿轮变速机构包括具有M对磁极的内磁轮3、有N对磁极的外磁轮5和调磁环4；磁极对数满足M小于N，内磁轮3与变速器壳体12固定连接；输入轴2与外磁轮5固定连接，中间轴8与外磁轮5固定连接；换挡同步器7经过第二连接构件701与变速机构连接件6与调磁环4固定连接。本实施例中，所述磁场调制齿轮变速机构为径向充磁磁场调制齿轮。

所述换挡同步器7包括第二连接构件701、普通花键轴段702、第一端面棘齿盘703、第二端面棘齿盘704、内棘轮705、内斜齿轮706、螺旋花键轴段707、外斜齿轮708、第一复位弹簧709、棘爪安装段710、轴向移动构件711和第二复位弹簧712。

所述第二连接构件701与普通花键轴段702同轴固定连接。第一端面棘齿盘703通过棘齿盘上内直花键与普通花键轴段702构成轴向滑动连接，第一棘齿盘沿普通花键轴段702可向右滑动与第二端面棘齿盘704构成单向接触连接。第二端面棘齿盘704与内棘轮705同轴固定连接，第二端面棘齿盘704与内斜齿轮706同轴固定连接，螺旋花键轴段707与普通花键轴段702同轴固定连接，螺旋花键轴段707通过螺旋花键与外斜齿轮708构成轴向旋转滑动连接，棘爪安装段710通过螺旋花键与螺旋花键轴段707构成轴向旋转滑动连接，第一复位弹簧709与螺旋花键轴段707同轴布置，左侧与外斜齿轮708右端面接触，右侧与螺旋花键轴端右侧轴肩的左端面接触，轴向移动构件711下端与第一端面棘齿盘703上凹槽构成滑动连接，轴向移动构件711上端与变速器壳体上水平上孔构成滑动连接。第二复位弹簧712与普通花键段同轴布置，第二复位弹簧712左侧与连接构件右侧接触，第二复位弹簧712右侧与第一端面棘齿盘703右侧端面接触。

所述棘爪安装段710包括环形安装架7101、棘爪7102、惯性致动构件7103和拉簧7104；环形安装架7101与内棘轮705同轴布置并可相对转动。环形安装架7101右侧与内斜齿轮706左侧固定连接。棘爪7102通过中间铰链孔与环形安装架7101上的第一铰接柱铰接，并通过环形安装架7101上的限位柱限制棘爪7102转动范围。7103通过中间铰接孔与环形安装架7101上的第二铰接柱铰接。惯性制动构件右侧有固定于环形安装架7101上的限位柱。拉簧7104前端固定连接于惯性制动构件的尾端，后端与环形安装架7101的第三铰接柱铰接。棘爪7102的尾端与7103的头部接触连接。

所述离合器9与输出轴10固定连接，离合器9可选择性的与中间轴8固定连接或断开；离合器9与换挡同步器7的外环连接。

如附图7至10所示，实施例2的换挡操作方法及制动能量回收策略：

S1：离合器9与中间轴8断开连接，轴向移动构件711向左动作，令第一端面棘齿盘703与第二端面棘齿盘704断开连接，驱动电机1正向旋转，当速度达到一定数值时，换挡同步器7内惯性制动构件7103在惯性力作用下，尾端被甩处与限位柱接触，从而不再对棘爪7102进行限位，棘爪7102在惯性力作用下被甩出，与内棘轮705接触。此时，外斜齿轮708在螺旋花键707推动下与内斜齿706啮合，车辆开始前进，此时，轴向移动构件711处于卸载自由状态，第一端面棘齿盘703在第二复位弹簧712作用下，与第二端面棘齿盘704啮合；至此，车辆挂入前进1挡，变速器减速比为M+N/N。若在该状态下进行车辆制动，则驱动电机1停止扭矩输出，并作为发电机1接收从输出端经过输出轴10、离合器9、换挡同步器7、变速机构连接件6、调磁环4、内磁轮3、输入轴2的回馈扭矩，实现制动能量回收。

S2：在电动汽车1挡行驶过程中，若速度达到升挡要求，首先轴向移动构件711向左动作，令第一端面棘齿盘703与第二端面棘齿盘704断开连接，离合器9开始与中间轴8接合，换挡同步器7内内斜齿706推动外斜齿轮708沿着螺旋花键707做分离运动，最终，离合器9与中间轴8固定连接，内斜齿706与外斜齿轮708断开连接，车辆升挡为2挡，变速器速比为1。此时，若进行车辆制动，则电动机停止扭矩输出，驱动电机1接收从输出端途径输出轴10、离合器9、中间轴8、内磁轮3、输入轴2的回馈扭矩，实现制动能量回收。

S3：在电动汽车2挡正常行驶过程中，当车辆行驶速度下降至1挡速度阈值时，离合器9与中间轴8断开连接，驱动电机1转速逐渐提升至换挡同步器7内棘爪超越离合器棘爪安装段与内棘轮速度相等状态，致使外斜齿轮708在螺旋花键707推动下与内斜齿706啮合，轴向移动构件711处于卸载自由状态，第一端面棘齿盘703在第二复位弹簧712作用下，与第二端面棘齿盘704啮合。车辆挡位降为1挡。

S4：在电动汽车进行泊车停靠完成之后，轴向移动构件711向左动作，令第一端面棘齿盘703与第二端面棘齿盘704断开连接，离合器9与中间轴8始终断开连接，换挡同步器7内的内棘轮705与棘爪安装段710上的棘齿处于未楔合状态，此时，无论外界正向或者反向推动车辆，转矩均无法转递到电动机，电动车处于空挡状态。

S5：离合器9与中间轴8断开连接，轴向移动构件711处于自由状态，第一端面棘齿盘703在第二复位弹簧712作用下，与第二端面棘齿盘704啮合；驱动电机1反向旋转，车辆处于倒挡状态，变速器速比为M+N/N。

本发明未详尽事宜为公知技术。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种双向机械超越式永磁两挡变速器，其特征在于：所述变速器包括变速器壳体、驱动机构、磁场调制齿轮变速机构、变速机构连接件、换挡同步器和离合器；所述驱动机构、磁场调制齿轮变速机构、变速机构连接件、换挡同步器和离合器均设置在变速器壳体内部；

所述驱动机构包括驱动电机、输入轴、中间轴和输出轴；所述输入轴、中间轴和输出轴依次通过轴承与变速器壳体连接；所述输出轴与电动汽车主减速器固定连接；所述驱动电机主轴与输入轴固定连接；所述驱动电机与变速器壳体固定连接；

所述换挡同步器包括第二连接构件、普通花键轴段、第一端面棘齿盘、第二端面棘齿盘、内棘轮、内斜齿轮、螺旋花键轴段、外斜齿轮、第一复位弹簧、棘爪安装段、轴向移动构件和第二复位弹簧；所述第二连接构件与普通花键轴段同轴固定连接；所述第一端面棘齿盘通过棘齿盘上内直花键与普通花键轴段构成轴向滑动连接；所述第一端面棘齿盘沿普通花键轴段可向右滑动与第二端面棘齿盘构成单向接触连接；所述第二端面棘齿盘与内棘轮同轴固定连接；所述第二端面棘齿盘与内斜齿轮同轴固定连接；所述螺旋花键轴段与普通花键轴段同轴固定连接；所述螺旋花键轴段通过螺旋花键与外斜齿轮构成轴向旋转滑动连接；所述棘爪安装段通过螺旋花键与螺旋花键轴段构成轴向旋转滑动连接；所述第一复位弹簧与螺旋花键轴段同轴布置，其左侧与外斜齿轮右端面接触，右侧与螺旋花键轴段右侧轴肩的左端面接触；所述轴向移动构件下端与第一端面棘齿盘构成滑动连接，上端与变速器壳体构成滑动连接；所述第二复位弹簧与普通花键段同轴布置，其左侧与第二连接构件右侧接触，右侧与第一端面棘齿盘左侧端面接触；

所述棘爪安装段包括环形安装架、棘爪、惯性致动构件和拉簧；所述环形安装架与内棘轮同轴布置并可相对转动；所述环形安装架右侧与内斜齿轮左侧固定连接；所述棘爪通过中间铰链孔与安装环形安装架上的铰接柱铰接，并通过安装在环形安装架上的限位柱限制棘爪的转动范围；所述惯性致动构件通过中间铰接孔与安装在环形安装架上的另一铰接柱铰接；所述惯性制动构件右侧也设有固定于环形安装架上的限位柱；所述拉簧前端固定连接于惯性制动构件的尾端，后端与安装环形安装架上的第三个铰接柱铰接；所述棘爪的尾端与惯性致动构件的头部接触连接；

所述离合器与输出轴固定连接，并可选择性的与中间轴固定连接或断开；所述离合器与换挡同步器的内斜齿轮固定连接；

所述磁场调制齿轮变速机构同轴设置在输入轴和中间轴之间；

所述换挡同步器的普通花键轴段通过变速机构连接件与磁场调制齿轮变速机构连接。

2.根据权利要求1所述的一种双向机械超越式永磁两挡变速器，其特征在于：所述磁场调制齿轮变速机构包括具有M对磁极的内磁轮、具有N对磁极的外磁轮和调磁环；所述调磁环设置在内磁轮和外磁轮之间；所述磁极对数满足M小于N；所述外磁轮或内磁轮与变速器壳体固定连接；所述输入轴与内磁轮或外磁轮同轴固连；所述中间轴与磁场调制齿轮变速机构中与输入轴固定连接的转动构件同轴固连；所述调磁环与换挡同步器的普通花键轴段连接。

3.根据权利要求2所述的一种双向机械超越式永磁两挡变速器，其特征在于：所述磁场调制齿轮变速机构采用轴向充磁或径向充磁。

4.根据权利要求3所述的一种双向机械超越式永磁两挡变速器，其特征在于：所述磁场调制齿轮变速机构采用径向充磁；所述输入轴与外磁轮固定连接；所述内磁轮与变速器壳体固定连接。

5.根据权利要求3所述的一种双向机械超越式永磁两挡变速器，其特征在于：所述磁场调制齿轮变速机构采用轴向充磁；所述输入轴与内磁轮固定连接；所述外磁轮与变速器壳体固定连接。

6.一种根据权利要求1所述的双向机械超越式永磁两挡变速器的换挡方法，用于车辆前进速度切换与倒车，并在刹车过程中实现制动能量回收；其特征在于，包括以下步骤：

S1：离合器与中间轴断开连接，轴向移动构件向左动作，令第一端面棘齿盘与第二端面棘齿盘断开连接，电机正向旋转，当速度达到一定数值时，换挡同步器内惯性致动构件在惯性力作用下，尾端被甩出与限位柱接触，从而不再对棘爪进行限位，棘爪在惯性力作用下被甩出，与内棘轮接触；此时，外斜齿轮在螺旋花键推动下与内斜齿轮啮合，车辆开始前进，此时，轴向移动构件处于卸载自由状态，第一端面棘齿盘在弹簧作用下，与第二端面棘齿盘啮合；至此，车辆挂入前进1挡，变速器减速比为M+N/M或M+N/N；若在该状态下进行车辆制动，则电机停止扭矩输出，并作为发电机接收从输出端经过第二端面棘齿、第一端面棘齿以及变速器传递来的扭矩，实现制动能量回收；

S2：在电动汽车1挡行驶过程中，若速度达到升挡要求，首先轴向移动构件向左动作，令第一端面棘齿盘与第二端面棘齿盘断开连接，离合器开始与中间轴接合，换挡同步器内斜齿轮推动外斜齿轮沿着螺旋花键做分离运动，最终，离合器与中间轴固定连接，内斜齿轮与外斜齿轮断开连接，车辆升挡为2挡，变速器速比为1；此时，若进行车辆制动，则电动机停止扭矩输出，发电机接收从输出端途径离合器传递来的扭矩，实现制动能量回收；

S3：在电动汽车2挡正常行驶过程中，当车辆行驶速度下降至1挡速度阈值时，离合器与中间轴断开连接，电机转速逐渐提升至换挡同步器内棘爪、棘爪安装段与内棘轮速度相等状态，致使外斜齿在螺旋花键推动下与内斜齿啮合，轴向移动构件处于卸载自由状态，第一端面棘齿盘在弹簧作用下，与第二端面棘齿盘啮合，车辆挡位降为1挡；

S4：在电动汽车进行泊车停靠完成之后，轴向移动构件向左动作，令第一端面棘齿盘与第二端面棘齿盘断开连接，离合器与中间轴始终断开连接，换挡同步器内棘爪处于未楔合状态，此时，无论外界如何推动车辆，转矩均无法转递到电动机，电动车处于空挡状态；

S5：离合器与中间轴断开连接，轴向移动构件处于自由状态，第一端面棘齿盘在弹簧作用下，与第二端面棘齿盘啮合；电机反向旋转，车辆处于倒挡状态，变速器速比为M+N/M或M+N/N。