CN113757322A

CN113757322A - 机电磁力混动行星自动变速器

Info

Publication number: CN113757322A
Application number: CN202010527630.XA
Authority: CN
Inventors: 徐树仁
Original assignee: Dandong Zhenxing Tengxiang Hydraulic Machinery Factory
Current assignee: Dandong Zhenxing Tengxiang Hydraulic Machinery Factory
Priority date: 2020-06-07
Filing date: 2020-06-07
Publication date: 2021-12-07

Abstract

如图，本变速器是通过内能转换自动增矩的行星自动变速传动装置，它由机电磁力混动无及自动增矩系统和行星自动变速机构组合而成。其中，前排行星架24与发电机壳体11联结，由发动机和电动机5共同驱动。行星架24与前排齿圈15间的相互作用力驱动前排太阳轮13及转子3克服磁场阻力矩转动或反向转动，使发电机产生电能，通过电机5使前排齿圈15输出力矩大于发动机输出力矩，并随齿圈15及传动轴21所受阻力矩增大而自动连续减小，随其所受阻力矩减小而自动连续增大。它可作为发动机独立驱动的汽车变速器，也可作为插电式纯电动汽车变速器或机电共同驱动汽车的变速器。

Description

机电磁力混动行星自动变速器

一、技术领域

机电磁力混动行星自动变速器是通过内能转换自动增矩的行星变速装置，适用于汽车、拖拉机、工程机械、坦克、装甲车，舰船、航空器等变速传动。它可作为发动机独立驱动的汽车变速器，也可作为插电式纯电动汽车变速器或机电共同驱动汽车的变速器。

二、技术背景

混动变速传动种类繁多，目前最成功的也是结构上与本设计最相近的，是丰田THS混合动力耦合装置，它通过行星轮机构使各部件力矩保持一定比例关系，在这种结构中行星架与发动机相联，太阳轮与发电机相联，齿圈与电动机和传动轴相联，发动机的动力通过行星轮传给齿圈和太阳轮，其中约70％动力直接传递到驱动轴，另一部分驱动发电机。由此可见这种混动装置只是动力的分流耦合。由于双级行星轮机构中的太阳轮、齿圈、行星架与电动机、发电机联接方式以及动力输出输入端不同，造成增矩方式和传动模式与本设计根本不同。

三、发明内容

机电磁力混动行星自动变速器，由机电磁力混动无级自动增矩系统和行星自动变速机构组合而成。其中，发电机壳体与前排行星架联结，由发动机和电动机共同驱动旋转。前排太阳轮与发电机转子相联。前排齿圈与外行星轮啮合，因为前排行星架与前排齿圈间相互作用力，使得前排齿圈转速降低，内、外行星轮自转，驱动发电机转子克服磁场力矩转动或反向转动，进而使发电机产生了电能，并输入至电动机。当发电机输出电功率全部用于电动机输出驱动力矩时，电动机的输出力矩就随前排齿圈转速升高而自动连续减小，随前排齿圈转速的减小而自动连续增大。如此这样电动机与发动机共同驱动，使得前排齿圈输出力矩除随发动机输出力矩变化外，还随前排齿圈转速的连续增大而自动连续减小，随前排齿圈转速的连续减小而自动连续增大。

由此可见机电磁力混动无级自动增矩系统，以内能转换的方式连续自动增矩，即内力间的相互作用，使发电机产生电能，电动机输出力矩，进而与发动机共同驱动前排行星架及前排齿圈，使其输出力矩增大。此后行星变速机构自动控制前后排齿圈间的离合器和制动器，使前排齿圈输出力矩进一步增大(增矩档)或使输出传动轴转速超过发动机转速(超速档)，力矩由变速器中前排行星架输入，由后排行星架输出，最后由传动轴输出。

由于上述传动结构和工作原理上的独特性，使得它具有：发动机独立驱动、发动机和蓄电池共同驱动、蓄电池独立驱动、停车怠速发电蓄能、利用车辆下坡时惯性、重力分量发电蓄能和启动发动机等功能。

由上述功能特性可见，机电磁力混动行星自动变速器能使发动机不作无用功，而这种以储备能量急加速的增矩方式，使得车辆无论行驶工况如何，都能使发动机在最佳环保、低功耗条件下，让变速器具有满意的输出力矩，并能吸收储存车辆行进间的无用机械能，还可取代发动机曲轴上的离合器、飞轮和发动机附带的起动机和发电机。

四、附图说明

图1为机电磁力混动行星自动变速器传动结构示意图，其中：

1——爪齿式离合器

2——发电机输出碳刷及滑环

3——发电机永磁转子

4——电动机齿轮

5——电动机

6——齿圈离合器

7——后排行星轮

8——后排太阳轮

9——后排行星架齿轮

10——发动机曲轴联结盘

11——发电机壳体

12——发电机线圈绕组(电枢)

13——前排太阳轮

14——前排内行星轮

15——前排齿圈

16——前排外行星轮

17——后排齿圈制动器

18——后排齿圈

19——换向齿轮

20——中间轴齿

21——传动轴

22——螺杆螺联动机构

23——数控步进电机

24——前排行星架

图2为前排双级行星轮机构各构件受力图，其中：

M——发动机施加于前排行星架的力矩

M_c——前排齿圈所受力矩

T——发电机磁场力矩

M_d——电动机输出力矩

M_a——前排太阳轮所受力矩

图3为前排齿圈输出力矩等于其所受阻力矩时，前排齿圈平衡转速随其所受阻力矩变化曲线。其中，曲线1为忽略发电效率、忽略电机和齿轮功耗的变化特性。曲线2是永磁发电机的发电效率为0.8时的变化特性。

图4为变速器在增矩档和超速档上传动轴输出力矩随输出转速变化曲线。其中曲线1是增矩档变化特性。曲线2是超速档变化特性。

五、具体实施方式

1、传动结构及传动过程

如图1所示，机电磁力混动行星自动变速器，由机电磁力混动无级自动增矩系统和行星变速机构组合而成。其中，曲轴联结盘10与发动机曲轴联结，爪齿式离合器1能使发动机与铝制的发电机壳体11接合或分离。电动机5固定在变速器壳体上，电机齿轮4与发电机壳体11上面的齿轮啮合，前排行星架24与发电机壳体11联结并随发动机和电动机同转。线圈绕组12(电枢)在发电机壳体内随其同转。前排行星架24上的内、外行星轮14、16相互啮合并随前排行星架24周转。前排齿圈15与外行星轮14啮合，前排太阳轮13与内行星轮14啮合。发电机永磁转子3右端的转轴上设有花键，前排太阳轮13通过花键轴与其相联，进而使转子3能随前排太阳轮13转动，又能在数控步进电机23及螺杆螺母联动机构22驱动下沿轴向左右滑移，改变永磁转子3在发电机线圈绕组12(电枢)空腔内的长度，也就改变了磁场力矩大小。

因前排齿圈15与后排太阳轮8联结两者同转，后排行星轮 7分别与后排齿圈18和后排太阳轮8啮合，动力由此进一步放大输出，或输出转速进一步增大。中间轴齿20为定轴双联齿轮，其左端齿轮与后排行星架齿轮9常态啮合。传动轴21上设有花键，换向齿轮19可沿其左右滑移或与后排行星架齿轮9啮合(倒档)，或与中间轴右端齿轮啮合(前进档)，进而使传动轴15增速输出。

离合器6能使前排齿圈15和后排齿圈18接合或分离，制动器17能使后排齿圈18减速或停转。当离合器6分离，制动器 17将后排齿圈18抱死时，行星自动变速机构为增矩传动。当离合器6接合，制动器17放松，后排齿圈18与前排齿圈15同转时，行星自动变速机构为超速传动。碳刷架固定在变速器壳体上，滑环及碳刷2将发电机产生的电能输送至电动机5上。

油门除控制发动机输出功率，还设有力矩电机控制器，用于纯电力驱动时调控电机5的输出力矩和转速，并通过变速器控制模块TCM自动使电动机输出力矩和发动机输出力矩之和等于前排齿圈15所受阻力矩。

此外变速器还设有手动急加速控制按钮，用于车辆高速行驶急加速时，连通蓄电池与电动机5的通路，使电动机5在获得发电机输出电功率的同时，又获得蓄电池输出电功率，进而使变速器输出功率大于发动机输入功率。

变速杆除设置前进挡、空挡、倒挡位置外还设置了低速(冰雪路面)传动功能位置。

变速器工作时，发动机输出力矩和电动机5输出力矩，经发电机壳体11及前排行星架24，通过外行星轮16、前排齿圈 15、后排太阳轮8、后排行星架齿轮9、中间轴齿20、换向齿轮 19最后由传动轴21输出。

由前排双级行星轮机构各构件的受力特性可知，前排行星架24与前排齿圈15间的相互作用力，能造成前排齿圈15相对于前排行星架24的转速降低，内外两个行星轮14和16在周转的同时自转并产生扭矩，进而驱动前排太阳轮13及转子3克服发电机磁场力矩反向转动，发电机产生电能，经滑环及碳刷5全部输送至电动机5转换成驱动前排行星架24的力矩。如此这样前排齿圈15与前排行星架24间的相互作用力由发电机转化成电能，进而由电动机5转变成驱动前排行星架24的动力矩，使前排行星架24、齿圈15输出力矩增大。

由前排双级行星轮传动特性可知，当前排齿圈15相对前排行星架24的转速降低，则前排太阳轮13及转子3的转速就降低或反向转速升高，永磁转子3与线圈绕组12(电枢)的转速差增大，发电机产生的电能就增大，因而电动机5输出力矩就自动增大，反之就自动减小。故前排齿圈15输出力矩除随发动机输出力矩变化外，还随其转速连续减小而自动连续增大，随其转速连续增大而自动连续减小。

当离合器6使前排齿圈15和后排齿圈18分离，制动器17 将后排齿圈18抱死停转时，前排齿圈15的输出力矩被放大后随其变化，并由后排行星架齿轮9、中间轴齿20、换向轮19、传动轴21输出。如此这样满足了车辆对变速器输出力矩的需求。

当离合器6结合，制动器17放松，前排齿圈15与后排齿圈18同转速时，前排齿圈15转速被放大后随其变化变化，当前排齿圈15的转速等于发动机转速时，传动轴21的输出转速大于发动机转速。

2、输出力矩及输出转速

为建模方便，设：

前排太阳轮转速为n_a

前排行星架、发动机、电动机转速为n

前排齿圈转速为n_c

传动轴转速为n_s

前排太阳轮齿数为z₁

前排齿圈齿数为Z₂

内行星轮齿数为z₃

外行星齿轮齿数为z₄

电机齿轮与发电机壳体齿轮转速比为i_d

后排行星架齿轮与传动轴转速比为i_s

后排行星架齿轮转速为n_h

后排太阳轮转速为n_r

后排行星架齿轮输出力矩为M_h

后排太阳轮输出力矩为M_r

后排齿圈转速为n_b

传动轴输出力矩为M_s

发电机的发电效率为η

后排齿圈与后排太阳轮的齿数比为a

如图2所示发电机壳体11及前排行星架24，受发动机输出力矩M和电动机驱动力矩M_d作用，受转子3施加的磁场阻力矩T作用，转子3受线圈绕组12的正向磁场力矩T作用。前排太阳轮13受转子3的正向力矩作用，因而内行星轮14受前排太阳轮13的正向力矩M_a作用，外行星轮16受前排齿圈15的阻力M_c矩作用。由电机齿轮4与发电机壳体齿轮的齿数比，可知电机5 输入到发电机壳体11及前排行星架24上的力矩为：i_dM_d，

系统衡时，双级行星轮机构输中前排太阳轮13、前排行星架24、前排齿圈15各构件输出、输入力矩之和为零、输出、输入功率之和为零，即：

M+M_a+i_dM_d-T-M_c＝0 (1)

M_an_a+(M+i_dM_d-T)n-M_cn_c＝0 (2)

因为前排太阳轮13受发电机转子3施加的正向磁场力矩作用，故前排太阳轮13施加到内行星轮14的力矩大小等于磁场力矩，

即：M_a＝T

由此使得上述(1)、(2)两式变为：

M+i_dM_d-M_c＝0 (3)

Tn_a+(M+i_dM_d-T)n-M_cn_c＝0 (4)

(3)式表明，系统平衡或前排行星架24匀速转动时，发动机和电动机输出力矩之和等于前排齿圈15所受力矩，

由刚体转动定律可知：

M+i_dM_d-M_c＞0时前排行星架24加速转动，

M+i_dM_d-M_c＜0时前排行星架24减速转动或无法传动，

由前排双级行星轮机构传动特性：

n_aZ₁+n(Z₂-Z₁)-n_cZ₂＝0 (5)

可求得，当前排太阳轮13转速为零，即n_a＝0时

前排齿圈15的转速为：

当前排齿圈15的转速为零，即n_c＝0时

前排太阳轮13的转速为：

当前排双级行星轮系各轴差速转动时，前排太阳轮13的转速为：

若取前排齿圈15的齿数为前排太阳轮13齿数5倍，即：Z₂＝5Z₁

则有n_a＝0时，

当n_c＝0时

由此可见前排齿圈15转速为零时，前排太阳轮13反向转动且转速值最大。当前排齿圈15转速为0.8n时，前排太阳轮13变换转向，即前排齿圈15转速大于0.8n时，前排太阳轮13正转随前排齿圈15转速增大而连续增大。前排齿圈15转速小于0.8n时，前排太阳轮13反向转动，其转速绝对值，随前排齿圈15转速增大而连续减小，随前排齿圈15转速减小而连续增大。

我们知道，发电机输出电功率表达式为：

将(6)式代入此式整理得：

此式表明，系统在平衡状态下，由前排齿圈15与前排行星架24 间相互作用而使发电机产生电能，其输出的电功率大小：

(1)、与发电机磁场力矩成正比，

(2)、随前排齿圈15与前排太阳轮13的齿数比增大而增大，

(3)、随前排齿圈15转速的减小而自动连续增大，随其转速的增大而自动连续减小。

我们知道电动机功耗表达式为：

因为电机齿轮4与发电机壳体齿轮传动比为：

将(8)式代入得电动机5消耗功率与输出力矩表达式为：

当发电机输出电功率全部输入到电动机5用于驱动前排行星架24时，则有(7)式等于(9)式，即：

P＝P_d

由此得到电动机作用到行星架24上的力矩为：

此式表明，由前排齿圈15与前排行星架24间相互作用，而使电动机5作用到前排行星架24的驱动力矩，随发电机输出电功率变化。即电动机输出力矩与前排齿圈15和前排太阳轮13的齿数比有关，与发电机磁场力矩成正比，随前排齿圈15与前排行星架24的转速比减小而自动连续增大，随其转速比增大而自动连续减小，(系统平衡时行星架24转速恒定，故其转速比变化就是前排齿圈15的转速变化)。

由(10)式可知，改变发电机磁场力矩，改变前排齿圈15 的转速就能改变电动机5的输出力矩。故根据前排齿圈15与前排太阳轮13的齿数比和发电机磁场力矩的最大值，由(7)式可确定发电机最大输出电功率，由(10)式可确定电动机5最大输出力矩。

将(10)式代入(3)式得到发动机与电动机5输出力矩之和等于前排齿圈15所受阻力矩的表达式为：

由此式可确定，前排齿圈15所能承受的最大阻力矩或最大输出力矩。

由此式可知，前排齿圈15与前排太阳轮13的齿数比恒定时，机电磁力混动无级自动增矩系统，输出输入扭矩比随发电机磁场力矩增大而增大，随其减小而减小，随前排齿圈15与前排行星架24转速比的增大而连续自动减小，随其转速比的减小而连续自动增大。

由于行车工况不断变化，故前排齿圈15所受阻力矩不断变化，为了维持系统动平衡且满足(11)式，发电机磁场力矩就要随前排齿圈15所受阻力矩变化。根据系统平衡条件将(3)式代入(4)式得：

Tn_a+(M_c-T)n-M_cn_c＝0

T(n_a-n)-M_c(n_c-n)＝0

整理后得：

由行星轮系传动比可知：

因为内行星轮与外行星轮齿数相等故，Z₃＝Z₄

所以

由于力矩与齿轮齿数之比等于作用力，故此式表明，平衡时外行星轮16所受前排齿圈15的作用力大小等于内行星轮14所受前排太阳轮13的作用力，且方向相反。

因为前排齿圈15对行星轮的作用力是驱动前排太阳轮13及转子3旋转的动力，故磁场力矩是阻止前排太阳轮13反向转动的阻力。平衡时发电机转子3施加到前排太阳轮13的磁场力，与行星轮14施加到前排太阳轮13的作用力，大小相等方向相反为平衡力。

将(12)式变形为：

代入(11)式得发动机与电动机5输出力矩之和等于前排齿圈15所受阻力矩的表达式为：

由此得到前排齿圈15转速随其所受阻力矩变化规律为：

因为此式是在发动机与电动机5输出力矩之和等于前排齿圈15所受阻力矩的平衡条件下取得，故在这种平衡传动模式下前排齿圈15的转速，称做平衡转速。

因此(14式)可表述为：前排齿圈15的平衡转速，随其所受阻力矩增大而自动连续减小，随其所受阻力矩减小而连续自动增大，也可表述为：前排齿圈15的平衡转速，随发动机与电动机5输出力矩之和的增大而自动连续减小，随其减小而连续自动增大。

这样根据(14)式可绘制如图3中第1条双曲线，即前排齿圈15的平衡转速随其所受阻力矩或输出力矩变化特性曲线。

从中不难看出这条双曲线与汽车动力学所述的发动机、变速器理想牵引力特性曲线吻合。

将(14)式变形后得：

可见机电磁力混动无级自动增矩系统在平衡模式下传动效率最高，而电动机增矩传动，使输出、输入扭矩比增大，只是系统内能相互转换的结果。

由刚体转动定律可知：

当

时若前排太阳轮13反向转动则其转速绝对值减小，若正向转动则其转速增大。由双级行星轮机构传动特性可知，此时前排齿圈15加速转动，直至达到新的平衡。

将

代入(11)式得：

由此可见在这种传动模式下，无论前排齿圈所受阻力矩如何其输出转速都大于平衡转速，发动机与电动机5输出力矩之和小于前排齿圈15所受阻力矩，若使两者相等、系统平衡，就需要蓄电池向电动机5输出电能，使其输出力矩进一步增大。因此就形成了发动机与蓄电池共同驱动模式。但因蓄电池容量关系，这种混合驱动模式下的特高加速性能，一般适于用车辆高速行驶时短暂的急加速。

当

时若前排太阳轮13反向转动则其转速绝对值增大，若正向转动则其转速减小，由双级行星轮机构传动特性可知，此时前排齿圈15减速转动，直至达到新的平衡。

将

代入(11)式得：

由此式可见，在这种传动模式下，无论前排齿圈15所受阻力矩大小如何，其输出转速都小于平衡转速，发动机与电动机5 输出力矩之和大于前排齿圈15所受阻力矩，此时若使发动机与电动机5的输出力矩之和等于前排齿圈15所受阻力矩，则需减小电动机5的输出力矩，即减小输入电功率，结果是发电机输出电功率有剩余，可充入蓄电池。这种低转速传动、蓄能的传动模式，适用于车辆在冰雪路面行驶，也可用于行车时充电。

机电磁力混动无级自动增矩系统的上述三种传动模式都是基于改变发电机磁场力矩与前排齿圈15的比例关系为前提，故变速器工作时总有控制模块TCM自动通过磁场力矩调控机构，即通过步进电机23、螺杆螺母联动机构22驱动转子3左右滑移，以改变其在线圈绕组12空腔内的长度，使磁场力矩大小随前排齿圈15所受阻力矩变化，以使其满足：

综上所述，在机电磁力混动无级自动增矩系统中，前排齿圈 15的输出力矩，随发动机和电动机5的输出力矩变化，发动机独立驱动时，电动机5的输出力矩由发电机提供，其输出输入扭矩比，随发电机输出电功率变化，发电机输出电功率随磁场力矩和前排齿圈15的输出转速变化，而前排齿圈15输出转速则随其所受阻力矩变化，而这些增大或减小的变化，都是内能相互转换的结果。

而发电机磁场力矩则由自动调控机构按平衡传动、低速传动蓄能、和急加速传动三种模式控制。

上述讨论结果忽略了发电机的发电效率，忽略了电动机、齿轮功耗，事实上永磁发电机的发电效率只有百分之八十左右，励磁式发电机则发电效率更低。

考虑发电效率，则(7)式变为：

(10)式变为：

由(13)式可得机电磁力混动无级自动增矩系统，在平衡传动模式下的表达式为：

进而求得前排齿圈15的平衡转速随其所受阻力矩变化的表达式为：

当发电效率为：η＝0.8时

由此式可知，前排齿圈15所受最小阻力矩等于M时，其平衡转速为发动机转速。前排齿圈15所受最大阻力矩或最大输出力矩等于5M时，其平衡转速为零。据此可绘制如图3中的第2 条前排齿圈15的平衡转速，随其所受阻力矩或输出力矩变化双曲线，

从中可见机电磁力混动无级自动增矩系统的最大输出输入扭矩比，取决于发电效率和最大(额定)输出电功率。提高发电效率、增大最高磁场力矩，可增大系统最大扭矩比。

因机电磁力混动无级自动增矩系统中的前排齿圈15最大输出力矩不算高，当Z₂＝5Z₁时，其最大输出力矩只有5M，很难满足车辆对变速器输出力矩的需求，而其最高输出转速为发动机转速，还不能保证发动机总在较低转速下运行，因而也就无法保证发动机低功耗、环保排放的要求。

为此这种变速器在前排齿圈15的后面设置了两档行星自动变速机构，使前排齿圈输出力矩进一步增大，输出转速超过发动机转速。

由图2可见，后排太阳轮8与前排齿圈15联结，则有：

n_c＝n_r

M_c＝M_r

动力由后排行星架齿轮9输出，当前后两齿圈间离合器6分离，制动器17将后排齿圈抱死时，进入增矩档时。由行星轮机构传动特性：n_a-(1+a)n_h+an_b＝0 (16)

可知当后排齿圈18转速为零，即n_b＝0时，则后排行星架齿轮9的输出转速为：

设传动轴21或换挡齿轮19与后排行星架齿轮9的转速比为：

将(17)式代入此式传动轴21在增矩档上输出转速为：

同理，此时后排行星架齿轮9的输出力矩为：

M_h＝(1+a)M_r＝(1+a)M_c (19)

因后排行星架齿轮9与传动轴21的扭矩比为：

将(19)式代入此式得传动轴21在增矩档上输出力矩为：

当前后两齿圈间的离合器6接合，制动器17放松则行星变速机构进入超速档。此时后排行星架齿轮9的输出转速、输出力矩与前排齿圈相等，即：n_h＝n_c

M_h＝M_c

故传动轴21在超速档上的输出转速为：

n_s＝i_sn_h＝i_sn_c (21)

同理因为：

可得传动轴21在超速档上输出力矩为：

若取后排齿圈18的齿数与后排太阳轮8的齿数比值为1.8时，

即：a＝1.8

则由(18)式可得，传动轴21在增矩档上输出转速为：

此式表明，传动轴21在增矩当上的输出转速是前排齿圈15转速的0.5倍，且随其变化。当齿圈15转速为发动机转速n时，传动轴21输出转速为：n_s＝0.5n_c＝0.5n

当，n_c＝0.5n时n_s＝0.5*0.5n＝0.25n

当，n_c＝0时n_s＝0

同理由(20)式可得，传动轴21在增矩档上输出力矩为：

此式表明，传动轴21在增矩档上输出力矩是前排齿圈15输出力矩的2倍，且随其变化，由此式可知：

当M_c＝M时M_s＝2M

当M_c＝3M时M_s＝6M

当M_c＝5M时M_s＝10M

由此可绘制如图4中第1条曲线，也就是传动轴21在增矩档上输出转速，随输出力矩或所受阻力矩增大而自动连续减小，随输出力矩或所受阻力矩减小而自动连续增大的变化曲线。

当前后齿圈间离合器6接合，制动器17放松时，进入超速档，后排行星架齿轮9与前排齿圈15为一体同转。故传动轴21 与后排行星架齿轮9的转速比，就是传动轴21与前排齿圈15的转速比。因此在超速档上传动轴21输出转速为：

n_s＝i_sn_h＝1.4n_c (25)

此式表明，在超速档上传动轴21的输出转速是前排齿圈15输出转速的1.4倍，且随其变化，由此式可知：

当n_c＝n时n_s＝1.4n

当n_c＝0.5n时n_s＝0.7n

当n_c＝0时n_s＝0

同理在超速档上传动轴21的输出力矩为：

此式表明在超速档上传动轴21的输出力矩是前排齿圈15输出力矩的0.714倍，且随其变化，由此式可知：

当M_c＝M时M_s＝0.714M

当M_c＝3M时M_s＝2.142M

当M_c＝5M时M_s＝3.57M

由此可绘制如图4中第2条曲线，也就是传动轴21在超速档上输出转速，随输出力矩或所受阻力矩增大而自动连续减小，随输出力矩或所受阻力矩减小而自动连续增大的变化曲线。

不难看出，图4中两条曲线构成的变速器牵引特性，与理想牵引特性比较接近。

综上所述，变速器中机电磁力混动无级增矩系统，在发电机磁场力矩调控机构作用下，具有三种传动模式；

(1)、平衡传动模式，这种模式传动效率最高，故它是自动、常态传动模式。

(2)、低速传动、蓄能的传动模式，用于冰雪路面传动或行车时向蓄电池充电。

(3)、急加速传动模式，用于车辆高速行驶时急加速，这种以储备能量提高车辆加速性、机动性的方式，可确保发动机低排放、 -低功耗。

无论哪种传动模式都是：行星变速机构在增矩档上，将前排齿圈15的输出力矩增大后随其变化。在超速档上，将前排齿圈15 的输出转速增大后随其变化，直至传动轴21输出转速超过发动机转速。

这样当传动轴21输出转速大于0.7n时，机电磁力混动行星自动变速器，自动进入超速档，其输出、输入轴转速比变化范围为：0——1.4

当传动轴21输出转速小于0.7n时，机电磁力混动行星自动变速器，自动进入增矩档，如此使其输出、输入轴扭矩比变化范围为：0.714——10

3、发动机独立驱动

发动机独立驱动时前排行星架24，获得发动机输出功率和发电机输出功率，即：(M+i_dM_d)n

此时油门踏板只调控发动机输出功率，电动机5将发电机输出电功率转化为驱动力矩，前排行星架24以转速n获得发动机和电动机5的输出力矩。变速器控制模块TCM根据设置于传动轴 21上传感器发出的转速和阻力矩信号，自动调控发电机磁场力矩大小，使：

如此这样就使机电磁力混动无级自动增矩系统在平衡模式下传动，行星自动变速机构则根据传感器发出的前排齿圈15转速和所受阻力矩信号，使其自动进入增矩档或超速档。

当发电机磁场力矩调控机构使，

时，机电磁力混动无级自动增矩系统进入，低速传动、蓄能模式。同理行星自动变速机构则根据传感器发出的传动轴21转速和所受阻力矩信号，使其自动进入增矩档或超速档。

4、发动机与蓄电池共同驱动

发动机与蓄电池共同驱动就是在超速档上使：

的急加速传动模式，此时除发动机与发电机输出驱动功率外，还通过急加速按钮，使蓄电池输出电功率，使电动机5、前排行星架24及前排齿圈15输出力矩更大，以满足因前排齿圈急加速所需输出力矩。

5、纯电力驱动

纯电力驱动就是发动机关闭，蓄电池独立输出电功率，电动机5将其转化为驱动力矩，此时爪齿式离合器1分离。变速器的传动模式与发动机独立驱动模式相同，油门踏板上的力矩电机控制器，调控蓄电池的输出电功率，即调控变速器输出力矩驱动力矩和转速。

6、停车怠速发电蓄能

车辆临时停车、发动机怠速运转时，传动轴21转速为零，则前排齿圈15转速为零，由前排双级行星轮机构传动特性可知，此时太阳轮13的反向转速值最大，当：Z₂＝5Z₁时n_a＝-4n 此时发电机输出并充入蓄电池的电功率为：

由此可见此时，发电机输出并充入蓄电池的电功率比较可观。

7、利用车辆下坡时重力分量和滑行时惯性力发电蓄能

下坡时发动机关闭，车辆的重力分量和滑行时的惯性力使传动轴21及前排齿圈15成为主动旋转构件，因发动机停转使发电机壳体11及前排行星架24转速为零，由(5)式可知，当前排行星架24转速为零时，有前排双级行星轮传动特性可知：前排太阳轮13与前排齿圈15同转向，其转速为：

因为发电机磁场力矩为：

此时发电机输出功率为：

将上述两式代入此式得到发电机输入到蓄电池的电功率为：

因此时前排齿圈15所受驱动力矩特大且转速高，故发电机输出电功率十分可观。

8、用变速器启动发动机

因为发动机通过爪齿式离合器1与发电机壳体11联接，电动机齿轮4与发电机壳体齿轮啮合。当换向齿轮19挂空档，或离合器6分离时，电动机5就可通过发电机壳体11、爪齿式离合器1驱动曲轴，启动发动机了，因此变速器可取代起动机。

9、可取代车辆附属的飞轮、离合器、发电机

因为发电机壳体3转动惯量大，所以变速器也可取代发动机曲轴上的飞轮。

因为发动机与变速器间无冲击传动，所以这种变速器也可取代飞轮上的磨片式离合器。

因为具有停车发电蓄能，低速传动蓄能，重力分量、惯性力发电蓄能，使蓄电池能量充足，所以这种变速器可取代发动机所附带的发电机。

Claims

1.机电磁力混动行星自动变速器是内能相互转换增矩的自动变速传动装置，可作为发动机独立驱动的汽车变速器，机电共同驱动汽车的变速器，也可作为插电式纯电动汽车变速器，

它由爪齿式离合器(1)、碳刷架(2)、发电机永磁转子(3)、驱动电机(5)、离合器(6)、电机齿轮(4)、发电机壳体(11)、前排行星架(24)、前排齿圈(15)、外行星轮(16)、前排太阳轮(13)、内行星轮(14)、发电机线圈绕组(电枢)(12)、数控步进电机(23)、螺杆螺母联动机构(22)、后排太阳轮(8)，后排齿圈(18)、制动器(17)、后排行星轮(7)、后排行星架齿轮(9)、中间轴齿(20)、换向齿轮(19)和传动轴(21)等构件组成了机电磁力混动无级自动增矩系统和行星自动变速机构，由此构成了具有如下结构特征和传动特征的机电磁力混动行星自动变速器。

2.根据权利要求1所述，其结构特征在于：

1)发电机壳体(11)与前排行星架(24)联结，并通过爪齿式离合器(1)与发动机相联，电机(5)固定于变速器壳体上，通过电机齿轮(4)与发电机壳体(11)上的齿轮啮合，发动机和电动机(5)共同驱动发电机壳体(11)和前排行星架(24)，

2)发电机转子(3)右端的转轴上设有花键，前排太阳轮(13)通过花键轴与其配合，使转子(3)随前排太阳轮(13)转动又可沿轴向左右滑移，

3)后排行星架齿轮(9)与定轴双联中间轴(20)左端齿轮常态啮合，传动轴(21)上设有花键，换向齿轮(19)可沿其轴向左右滑移传动，使其能与后排行星架齿轮(9)啮合或与中间轴(20)右端的齿轮啮合，

4)前排齿圈(15)与后排太阳轮(8)联结，两者同转，前排行星(24)为发动机和电动机(5)驱动力矩的输入端，后排行星架齿轮(9)为变矩后的力矩输出端，最后经中间轴齿(20)、换向齿轮(19)，由传动轴(21)输出，

5)数控步进电机(23)和螺杆螺母联动机构(22)，调控并驱动发电机转子(3)在旋转中沿轴向左右滑移，

6)在后排齿圈(18)上设制动器(17)，以便使其减速停转，以便增大后排行星架齿轮(9)的输出力矩，

7)在前排齿圈(15)与后排齿圈(18)间设离合器(6)，以便将两者接合或分离，

8)在变速器壳体(11)上设碳刷架(2)，滑环随发电机壳体(11)转动，以便将发电机产生的电能传输到电动机(5)或蓄电池上。

3.根据权利要求1所述，其传动特征在于，以前排行星架(24)与前排齿圈(15)间的相互作用力，通过外行星轮(16)、内行星轮(14)和前排太阳轮(13)，使发电机转子(3)克服磁场阻力矩转动或反向转动，进而使发电机产生电能，并通过电机(5)增矩，使前排齿圈(15)输出力矩大于发动机输出力矩。

4.根据权利要求1所述，其控制特征在于，以改变发电机永磁转子(3)在线圈绕组(4)空腔内长度的方式改变磁通量，进而改变永磁发电机磁场力矩大小，或以改变发电机励磁电流的方式改变磁场力矩大小，使机电磁力混动无级自动增矩系统在如下三种模式下传动，且无论系统中的发电机为永磁式还是励磁式均满足：

1)、在平衡传动模式下磁场力矩：

2)、在低速传动、蓄能模式下磁场力矩：

3)、在急加速传动模式下磁场力矩：

。

5.根据权利要求1所述，其特传动征在于，在常态的平衡传动模式下，前排齿圈(15)的输出转速为自动适应性变化，即随其所受阻力矩或输出力矩增大而自动连续减小，随其减小而自动连续增大，且前排齿圈(15)输出转速满足：

。

6.根据权利要求1所述，其变速特征在于，离合器(6)将前排齿圈(15)和后排齿圈(18)分离，制动器(17)将后排齿圈抱死停转时，传动轴(21)在增矩档，输出力矩和输出转速满足：

离合器(6)将前排齿圈(15)和后排齿圈(18)接合成为一体，制动器(17)放松时，传动轴(21)在超速档，输出力矩和输出转速满足：

。

7.根据权利要求1所述，其发电特征在于，停车怠速发电时，传动轴(21)停转，造成前排齿圈(15)转速为零，前排太阳轮(13)及发电机永磁转子(3)反向转动(转速为-n_a)，此时发电机输出并存储于蓄电池中的电功率为：

。

8.根据权利要求1所述，其发电特征在于，利用车辆下坡行驶时的重力分量或惯性力发电时，因发动机熄火停转，故前排行星架(24)和发电机壳体(11)转速为零，前排齿圈(15)在传动轴(21)作用下成为主动件，使前排太阳轮(13)随其同向转动，此时发电机输出并存储于蓄电池中的电功率为：

式中：M——发动机输出力矩

n——发动机、电动机(5)、前排行星架(24)转速

n_a——前排太阳轮(13)转速

n_c——前排齿圈(15)转速

M_c——前排齿圈(15)所受力矩

Z₁——前排太阳轮(13)齿数

Z₂——前排齿圈(15)齿数

η——发电机的发电效率

M_s——传动轴输出力矩

n_s——传动轴输出转速

i_s——传动轴与后排行星架齿轮转速比

a——后排齿圈与后排太阳轮齿数比

T——发电机磁场力矩

P——发电机输出电功率。