本发明属于电动车辆传动系统技术领域，具体涉及基于棘爪式超越离合器的行星轮式两挡变速箱及控制方法。
背景技术：
专利申请号为2019103261167，名称为“一种行星轮式无动力中断两挡变速箱及其换挡控制方法”中提供的技术方案解决了传统amt换挡动力中断的问题，能够实现无动力中断换挡，升挡或降挡过程变速箱始终有动力输出，换挡过程的平顺性得到提高，可以实现平顺的速比切换过程能够，且行星轮式无动力中断两挡变速箱能够实现一挡前进和一挡倒退，有效解决了现有技术中采用二挡齿轮倒车速度过快及超越离合器出现卡滞现象的安全问题。
但该专利技术方案中采用的可控式超越离合器为滚柱式超越离合器，滚柱式超越离合器传递的动力有限，过大负载容易出现严重磨损，致使出现打滑失效的现象；此外，滚柱式超越离合器中滚柱的可控性较低，离合器的控制效果不佳。故，该专利技术方案中变速箱的传动性能将随之受到影响。
技术实现要素：
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明公开了基于棘爪式超越离合器的行星轮式两挡变速箱及控制方法，在实现一挡前进及倒退并能进行无动力中断换挡的基础上，还能承担较大负载，进一步提升换挡效果。结合说明书附图，本发明的技术方案如下：
基于棘爪式超越离合器的行星轮式两挡变速箱，包括：输入轴2、膜片弹簧离合器3、行星轮式传动机构、超越离合器总成和输出轴10，其中，所述行星轮式传动机构由行星架5、齿圈7、行星轮8和太阳轮9组成，膜片弹簧离合器3安装在与太阳轮9同轴固连的输入轴2上，膜片弹簧离合器3的飞轮盘38与齿圈7同轴连接，输出轴10与行星架5同轴连接；
所述超越离合器总成为棘爪式超越离合器总成6，由棘爪式超越离合器和离合器控制机构组成；
所述棘爪式超越离合器由外圈61、控制环62、正向棘爪63、反向棘爪64和内圈组成，其中，外圈61固定在变速箱壳体4上，内圈位于齿圈7外侧并与齿圈7一体设置，正向棘爪63和反向棘爪64成对地均匀设置在外圈61与内圈之间的环形空间内，正向棘爪63和反向棘爪64的棘爪根部旋转安装在外圈61上，正向棘爪63和反向棘爪64的棘爪头部方向相反设置，并与内圈外圆面上的棘爪卡槽卡接，正向棘爪63和反向棘爪64与外圈61之间均安装有折片弹簧，正向棘爪63和反向棘爪64分别通过其轴向侧面设置的棘爪控制销与控制环62上的正向控制窗622和反向控制窗623滑动连接，在控制环62的旋转控制下，正向棘爪63和反向棘爪64上下摆动，实现与内圈外圆面上的棘爪卡槽卡接或分离，进而实现齿圈7与外圈61之间双向锁止、单向锁止或双向超越。
离合器控制机构由控制电机65、传动轴66、蜗杆57、传感器68以及蜗轮69组成，其中，控制电机65与传动轴66一端同轴固连，传感器68安装在传动轴66另一端，蜗杆57同轴安装在传动轴66上并与同轴固定在控制环62外圆周上的蜗轮69相啮合，进而控制控制环62旋转。
进一步地，在所述控制环62上，正向控制窗622底部的控制面为沿控制环62旋转方向依次连续设置的正向控制窗斜面624和正向控制窗平面625，反向控制窗623底部的控制面为沿控制环62旋转方向依次连续设置的反向控制窗平面626和反向控制窗斜面627，其中，正向控制窗斜面624和反向控制斜面627均为沿着控制环2旋转方向逐渐靠近控制环62圆心位置的曲面，正向控制窗平面625和反向控制窗平面626均为与控制环62同心设置的曲面。
进一步地，所述内圈的外圆面上沿圆周方向均匀开有若干棘爪卡槽对，每组卡槽对均由两个棘爪卡槽组成，两个棘爪卡槽分别与正向棘爪63和反向棘爪64的棘爪头部相匹配，当内圈的卡槽对旋转至任意一组棘爪对处时，正向棘爪63和反向棘爪64均能够在内圈外圆面面对应的棘爪卡槽对内找到与之相匹配卡接的棘爪卡槽。
进一步地，所述外圈61的内侧壁开有若干组与正向棘爪63和反向棘爪64一一对应的棘爪安装槽对，在棘爪安装槽对中的每个棘爪安装槽内开有折片弹簧安装槽。
进一步地，所述膜片弹簧离合器3分离轴承31、膜片弹簧32、弹簧支承圈33、离合器盖34、压盘35、摩擦片36和飞轮盘38由从前至后依次设置组成；
所述飞轮盘38通过花键39与齿圈7的连接端同轴连接，摩擦片36同轴固定连接在输入轴2上，压盘35同轴设置在摩擦片36的前端，离合器盖34罩置在压盘35和摩擦片36外侧，且离合器盖34通过螺栓37同轴固定安装在飞轮盘38的前端面上，弹簧支承圈33固定在离合器盖34上，膜片弹簧32通过弹簧支撑圈33支撑安装在离合器盖34上，膜片弹簧32前端与分离轴承31接触相连，膜片弹簧32后端与压盘35接触相连。
进一步地，所述行星架5一端同轴空套在输入轴2上，行星架5另一端与输出轴10同轴固定连接；所述行星轮8空套安装在行星架5上，行星轮8一侧与太阳轮9外侧啮合，行星轮8另一侧与齿圈7内侧啮合。
基于棘爪式超越离合器的行星轮式两挡变速箱的控制方法，包括：一挡前进控制方法、二挡前进控制方法、一挡倒车控制方法和无动力中断换挡控制方法；
所述一挡前进控制方法的具体控制过程如下：
当车辆一挡前进时，离合器执行机构控制膜片弹簧离合器3处于分离状态，与此同时，离合器控制机构中的蜗轮蜗杆传动机构驱动棘爪式超越离合器中的控制环62旋转，使正向棘爪63沿着正向控制窗622运动并保持与齿圈7外圆面卡槽相卡接，反向棘爪64沿着反向控制窗623运动并从齿圈7外圆面卡槽中脱离，此时齿圈7相对于外圈61反向旋转锁止，输入轴2在电机1的驱动下正向旋转，同轴固连在输入轴2上的太阳轮9同步正向旋转，太阳轮9带动行星轮8反向旋转，使得齿圈7产生沿轴线反向旋转的趋势，由于此时齿圈7与外圈61相对锁止，而外圈61固定在变速箱壳体4上，故此时齿圈7固定不动，行星轮8将沿着太阳轮9正向公转，进而带动行星架5正向旋转，行星架5进一步带动输出轴10同步正向旋转，最终动力经输出轴10向外输出实现一挡前进；
所述二挡前进控制方法的具体控制过程如下：
当车辆二挡前进时，离合器执行机构控制膜片弹簧离合器3处于结合状态，与此同时，离合器控制机构中的蜗轮蜗杆传动机构驱动棘爪式超越离合器中的控制环62旋转，使正向棘爪63沿着正向控制窗622运动并从齿圈7外圆面卡槽中脱离，反向棘爪64沿着反向控制窗623运动并从齿圈7外圆面卡槽中脱离，此时齿圈7相对于外圈61双向自由旋转，输入轴2在电机1的驱动下正向旋转，一方面，同轴固连在输入轴2上的太阳轮9同步正向旋转，另一方面，在膜片弹簧离合器3的结合带动下，齿圈7同样与输入轴2同步正向旋转，此时，行星轮式传动机构均沿正向旋转，行星架5带动输出轴10同步正向旋转，最终动力经输出轴10向外输出实现二挡前进；
所述一挡倒车控制方法的具体控制过程如下：
当车辆一挡倒退时，离合器执行机构控制膜片弹簧离合器3处于分离状态，与此同时，离合器控制机构中的蜗轮蜗杆传动机构驱动棘爪式超越离合器中的控制环62旋转，使正向棘爪63沿着正向控制窗622运动并保持与齿圈7外圆面卡槽相卡接，反向棘爪64沿着反向控制窗623运动并保持与齿圈7外圆面卡槽相卡接，此时齿圈7相对于外圈61双向旋转锁止，输入轴2在电机1的驱动下反向旋转，同轴固连在输入轴2上的太阳轮9同步反向旋转，太阳轮9带动行星轮8正向旋转，使得齿圈7产生沿轴线正向旋转的趋势，由于此时齿圈7与外圈61相对锁止，而外圈61固定在变速箱壳体4上，故此时齿圈7固定不动，根据行星轮式传动机构的传动特性，此时行星轮8将沿着太阳轮9反向公转，进而带动行星架5反向旋转，行星架5进一步带动输出轴10同步反向旋转，最终动力经输出轴10向外输出实现一挡倒车；
所述无动力中断换挡控制方法包括一挡升二挡控制过程和二挡降一挡控制过程；
所述一挡升二挡控制过程具体如下：
一挡升二挡时，离合器执行机构控制膜片弹簧离合器3逐渐结合，与此同时，离合器控制机构中的蜗轮蜗杆传动机构驱动棘爪式超越离合器中的控制环62旋转，使正向棘爪63沿着正向控制窗622运动，并使正向棘爪63从与齿圈7外圆周表面卡槽相卡接逐渐运动至与齿圈7外圆周表面卡槽相分离，反向棘爪64沿着反向控制窗623运动并保持与齿圈7外圆周表面卡槽相分离；在此过程中，输入轴2通过膜片弹簧离合器3向齿圈7传递的动力逐渐增大，随着结合的进行，经输入轴2输入的动力从一挡前进时的由太阳轮9传递，逐渐转移到二挡前进时的由齿圈7和太阳轮9同时传递，随着行星架5的转速逐渐升高，在行星架5的带动下行星轮8的公转速度逐渐与太阳轮9的转速相同，使得行星轮8与太阳轮9之间的啮合力降低，太阳轮9向行星轮8传递的动力降低，使得行星轮8沿其轴线的自转转速逐渐降至为零，此时棘爪式超越离合器中的正向棘爪63与反向棘爪64均从齿圈7外圆周表面卡槽中分离出来，齿圈7可相对于外圈61自由旋转，而此时整个行星轮式传动机构均沿正向旋转，故齿圈7亦正向旋转，动力经输入轴2输入后，通过膜片弹簧离合器3传递，进而经齿圈7传递到行星架5，再向输出轴10传递，最终动力经输出轴10向外输出实现一挡升二挡；
所述二挡降一挡控制过程具体如下：
二挡降一挡时，离合器执行机构控制膜片弹簧离合器3逐渐分离，与此同时，离合器控制机构中的蜗轮蜗杆传动机构驱动棘爪式超越离合器中的控制环62反向旋转，使正向棘爪63沿着正向控制窗622运动，并使正向棘爪63从与齿圈7外圆周表面卡槽相分离逐渐运动至与齿圈7外圆周表面卡槽相卡接，反向棘爪64沿着反向控制窗623运动并保持与齿圈7外圆周表面卡槽相分离，直至齿圈7相对于外圈61正向自由旋转，而反向锁止；在此过程中，输入轴2通过膜片弹簧离合器3向齿圈7传递的动力逐渐减小，行星架5的动力逐渐小于其所受到的阻力，行星架5的转速逐渐降低，经输入轴2输入的动力从二挡前进时的由行星架5向下传递，逐渐转移到一挡前进时的由太阳轮9向下传递，随着行星架5的转速逐渐降低，行星轮8开始恢复沿自身轴线的反向自转，太阳轮9与行星轮8之间的啮合力逐渐增大，动力开始从行星轮8向下传递，与此同时，齿圈7的转速逐渐降低，直至反向旋转锁止，动力经输入轴2输入后，依次经太阳轮9、行星轮8和行星架5向输出轴10传递，最终动力经输出轴10向外输出实现二挡降一挡。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明所述基于棘爪式超越离合器的行星轮式两挡变速箱中，采用棘爪式超越离合器，能够承担较大负载，实现较大动力传递；
2、发明所述基于棘爪式超越离合器的行星轮式两挡变速箱中，采用行星轮式传动结构，配合棘爪式超越离合器，无动力中断传动过程更加平顺，换挡效果得到进一步提升；
3、本发明所述基于棘爪式超越离合器的行星轮式两挡变速箱中，采用的棘爪式超越离合器能够有效较低磨损，工作过程更加精确可靠；
4、本发明所述基于棘爪式超越离合器的行星轮式两挡变速箱中，采用的棘爪式超越离合器通过控制环上的控制窗带动棘爪升降，使棘爪升降过程更加平稳且位置更加准确，放置离合器产生噪音。
4、本发明所述基于棘爪式超越离合器的行星轮式两挡变速箱中，采用蜗轮蜗杆式控制机构控制离合器的控制环转动，加大了传动比且控制更加精确，还带有自锁效应，防止控制环位置发生窜动。
附图说明
图1为本发明所述行星轮式两挡变速箱处于一挡状态时的结构简图；
图2为本发明所述行星轮式两挡变速箱处于二挡状态时的结构简图；
图3为本发明所述行星轮式两挡变速箱中，膜片弹簧离合器的结构示意图；
图4为本发明所述行星轮式两挡变速箱中，棘爪式超越离合器总成的主视图；
图5为本发明所述行星轮式两挡变速箱中，棘爪式超越离合器总成的俯视图；
图6为本发明所述行星轮式两挡变速箱中，棘爪式超越离合器的爆炸图；
图7为本发明所述行星轮式两挡变速箱中，棘爪式超越离合器的控制环结构示意图；
图8为本发明所述行星轮式两挡变速箱中，棘爪式超越离合器双向锁止状态示意图；
图9为本发明所述行星轮式两挡变速箱中，棘爪式超越离合器单向超越状态示意图；
图10为本发明所述行星轮式两挡变速箱中，棘爪式超越离合器双向超越状态示意图；
图中：
1驱动电机，2输入轴，3膜片弹簧离合器，4变速箱壳体，
5行星架，6棘爪式超越离合器总成，7齿圈，8行星轮，
9太阳轮，10输出轴；
31分离轴承，32膜片弹簧，33弹簧支撑圈，34离合器壳体
35压盘，36摩擦片，37螺栓，38飞轮盘，
39花键；
61外圈，62控制环，63正向棘爪，64反向棘爪，
65控制电机，66传动轴，67蜗杆，68传感器，
69蜗轮；
621控制环主体，622正向控制窗，623反向控制窗，624正向控制窗斜面，
625正向控制窗平面，626反向控制窗平面，627反向控制窗斜面，628蜗轮连接板。
具体实施方式
为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：
如图1所示，本发明公开了一种基于棘爪式超越离合器的行星轮式两挡变速箱，所述变速箱由输入轴2、膜片弹簧离合器3、变速箱壳体4、行星架5、棘爪式超越离合器总成6、
齿圈7、行星轮8、太阳轮9以及输出轮10组成。所述输入轴2一端与驱动电机1的输出端同轴固定连接，输入轴2另一端穿过变速箱壳体4与变速箱壳体4内的太阳轮9同轴固定连接；所述膜片弹簧离合器3同轴安装在输入轴2上，其中，膜片弹簧离合器3中的摩擦片36与输入轴2同轴固连，膜片弹簧离合器3中的飞轮盘37的连接端空套在输入轴2上，并与变速箱壳体4内的齿圈7同轴固连；所述行星架5一端同轴空套在输入轴2上，行星架5另一端与输出轴10同轴固定连接；所述行星轮8空套安装在行星架5上，行星轮8一侧与太阳轮9外侧啮合，行星轮8另一侧与齿圈7内侧啮合；所述行星架5、齿圈7、行星轮8和太阳轮9组成行星轮式传动机构；所述棘爪式超越离合器总成6中，棘爪式超越离合器的外圈固定在变速箱壳体4的内侧壁上，棘爪式超越离合器的内圈同轴设置在齿圈7的外侧壁上，并与同轴固连形成一体式结构，故棘爪式超越离合器的内圈即为齿圈7。
如图1和图3所示，所述膜片弹簧离合器3分离轴承31、膜片弹簧32、弹簧支承圈33、离合器盖34、压盘35、摩擦片36和飞轮盘38由从前至后依次设置组成。其中，飞轮盘38通过花键39与齿圈7的连接端同轴连接，摩擦片36同轴固定连接在输入轴2上，压盘35同轴设置在摩擦片36的前端，离合器盖34罩置在压盘35和摩擦片36外侧，且离合器盖34通过螺栓37同轴固定安装在飞轮盘38的前端面上，弹簧支承圈33固定在离合器盖34上，膜片弹簧32通过弹簧支撑圈33支撑安装在离合器盖34上，膜片弹簧32前端与分离轴承31接触相连，膜片弹簧32后端与压盘35接触相连。
上述膜片弹簧离合器3有两种工作状态：
1、当分离轴承31在外力的作用下沿输入轴2轴向向后移动，在分离轴承31的推压作用下，膜片弹簧32的分离指端沿输入轴2的轴向后移，使膜片弹簧32逐渐压缩，在弹簧支撑圈33的支撑作用下，膜片弹簧32的压盘端带动压盘35远离摩擦片36表面，使压盘35与摩擦片36分离，飞轮盘38与摩擦片36亦分离，摩擦片36与离合器飞轮盘38之间不传递扭矩，此时膜片弹簧离合器3处于分离状态。
2、当分离轴承31在外力的作用下沿输入轴2轴向向前移动，膜片弹簧32在恢复力的作用下沿输入轴2轴向前移，使膜片弹簧32逐渐延伸，在弹簧支撑圈33的支撑作用下，膜片弹簧32的压盘端带动压盘35将摩擦片36压紧在飞轮盘38上，使得摩擦片36与飞轮盘38之间传递扭矩，此时膜片弹簧离合器3处于结合状态。
所述棘爪式超越离合器总成6由棘爪式超越离合器和离合器控制机构组成。
如图4和图6所示，所述棘爪式超越离合器包括：外圈61、控制环62、正向棘爪63、反向棘爪64和齿圈7(内圈)；其中，齿圈7同轴设置在外圈61内侧，正向棘爪63与反向棘爪64安装在外圈61与齿圈7之间的环形空隙内，控制环62安装在齿圈7的轴向外侧并与正向棘爪63和反向棘爪64配合连接，以控制正向棘爪63和反向棘爪64上下摆动，外圈61的轴向两端分别安装有卡簧，以实现对外圈61内的部件进行轴向限位。
如图6和图8所示，所述正向棘爪63和反向棘爪64成对地设置安装在外圈61与齿圈7之间，在本具体实施方式中，有六组正向棘爪63和反向棘爪64组成的棘爪对均匀分布在外圈61与齿圈7之间的环形空隙内，且正向棘爪63和反向棘爪64的结构完全相同。
如图8所示，正向棘爪63和反向棘爪64相对于外圈61和齿圈7的径向对称安装，使得正向棘爪63和反向棘爪64反向设置；其中，正向棘爪63与反向棘爪64的棘爪根部均安装在外圈61内侧壁上的棘爪安装槽内，正向棘爪63与反向棘爪64的棘爪头部与齿圈7外圆周闭上的棘爪卡槽配合卡接；所述正向棘爪63和反向棘爪64与外圈61的内侧壁之间均安装有折片弹簧；所述正向棘爪63和反向棘爪64的轴向外侧设置有棘爪控制销，所述棘爪控制销滑动连接在控制环62的控制窗内，通过控制窗与棘爪控制销的配合实现控制环62对正向棘爪63和反向棘爪64的摆动控制。
如图7和图8所示，所述控制环62的控制环主体621为环形板结构，控制环主体621上开有六组控制窗对，六组控制窗对分别与六组由正向棘爪63和反向棘爪64组成的棘爪对一一对应，每组控制窗对均由正向控制窗622和反向控制窗623组成，正向控制窗622与正向棘爪63的棘爪控制销配合连接，反向控制窗623与反向棘爪64的棘爪控制销配合连接；控制窗与棘爪控制销的配合连接是指：棘爪控制销插入控制窗内，与控制窗底部控制面相接处，并在与控制窗底部控制面相抵的过程中，通过控制窗底部控制面控制棘爪控制销运动，实现棘爪控制销升降，进而通过棘爪控制销控制对应的棘爪上下摆动，故，棘爪的摆动方式取决于控制窗底部控制面的设计，根据工况实际，可设计相应的控制面形状以实现不同工作模式；本具体实施方式中，如图8、图9和图10所示，控制环2相对于呈环形分布的正向棘爪63和反向棘爪64顺时针旋转，进而通过棘爪控制销控制相应的棘爪摆动，与之相对应的，所述正向棘爪63和反向棘爪64的摆动方式设计为：首先：正向棘爪5和反向棘爪6均处于对应控制窗的初始位置，即最低位；然后：正向棘爪5保持在最低位且反向棘爪6逐渐升起至最高位，此时正向棘爪5和反向棘爪6处于对应控制窗的中间位置；最后：正向棘爪63逐渐升起至最高位且反向棘爪64保持在最高位，此时正向棘爪63和反向棘爪64均处于对应控制窗的终点位置。与之相匹配的，所述控制环上的控制窗对结构如下：
如图7所示，所述控制环62的控制环主体621上开有六组控制窗对，六组控制窗对分别与六组由正向棘爪63和反向棘爪64组成的棘爪对一一对应，每组控制窗对均由正向控制窗622和反向控制窗623组成，正向控制窗622与正向棘爪63的棘爪控制销配合连接，反向控制窗623与反向棘爪64的棘爪控制销配合连接；所述正向控制窗622底部控制面包括顺时针(即与控制环62的旋转方向相同)依次设置的正向控制窗斜面624和正向控制窗平面625，正向控制窗斜面624与反向控制窗平面625连续无阻挡，其中，正向控制窗斜面624为逆时针(即与控制环2的旋转方向相反)逐渐远离控制环62圆心位置的弧面，所述正向控制窗平面625为与控制环2同心设置的弧面；所述反向控制窗623底部控制面包括顺时针(即与控制环62的旋转方向相同)依次设置的反向控制窗平面626和反向控制窗斜面627，反向控制窗平面626和反向控制窗斜面627连续无阻挡，其中，反向控制窗平面626为与控制环62同心设置的弧面，反向控制窗斜面627为逆时针(即与控制环62的旋转方向相反)逐渐远离控制环62圆心位置的弧面。所述正向控制窗斜面624与反向控制窗平面626的长度相同，正向控制窗平面625与反向控制窗斜面627的长度相同。
当正向棘爪63的棘爪控制销插装在正向控制窗622内时，所述正向棘爪63在对应安装的折片弹簧的弹力作用下，正向棘爪63的棘爪控制销始终顶压在正向控制窗622的控制面上，与之相同地，当反向棘爪64的棘爪控制销插装在反向控制窗623时，所述反向棘爪64在对应安装的折片弹簧的弹力作用下，反向棘爪64的棘爪控制销始终顶压在反向控制窗623的控制面上。
此外，在控制环62的径向外侧设有一个蜗轮连接板628，用于固定安装离合器控制机构中的蜗轮69。
上述棘爪式超越离合器有三种工作状态：
1、如图7和图8所示，当正向棘爪63位于正向控制窗622的初始位置，且反向棘爪64的棘爪控制销位于反向控制窗623的初始位置时，此时正向棘爪63和反向棘爪64的棘爪头部均处于最低位，并分别与齿圈7外圆周表面上的棘爪卡槽相卡接；由于正向棘爪63与反向棘爪64反向设置，故此时在正向棘爪63与反向棘爪64的卡接作用下，外圈61与齿圈7在顺时针和逆时针的方向上均锁止，即双向锁止，此时外圈61与齿圈7在顺时针和逆时针的方向上均可实现动力传递。
2、如图7和图9所示，随着控制环62顺时针旋转，正向棘爪63的棘爪控制销在控制环62的正向控制窗平面625的作用下运动，由于正向控制窗平面625与控制环62同轴设置，故正向棘爪63的棘爪控制销沿控制环62的径向无运动，故正向棘爪63始终保持在最低位(即离控制环62圆心最近的位置处)，与此同时，反向棘爪64的棘爪控制销在控制环62的反向控制窗斜面627的作用下运动，由于反向控制窗斜面627沿逆时针逐渐远离控制环62圆心，故随着控制环62顺时针旋转，反向棘爪64的棘爪控制销沿控制环62的径向逐渐远离控制环62的圆心，在反向棘爪64的棘爪控制销的带动下，反向棘爪64逐渐升起；当正向棘爪63的棘爪控制销位于正向控制窗平面206和正向控制窗斜面的交界处，即正向控制窗622中间位置时，正向棘爪63仍处于最低位，即正向棘爪63仍保持与齿圈7外圆周面上的棘爪卡槽相卡接，而此时反向棘爪64的棘爪控制销位于反向控制窗斜面627与反向控制窗平面626的交界处，即反向控制窗623中间位置时，此时反向棘爪64升至最高位(即离控制环圆心最远的位置处)，即反向棘爪64脱离齿圈7外圆周面上的棘爪卡槽；此时，齿圈7相对于外圈61沿顺时针方向锁止，而沿逆时针方向可相对自由旋转，此时齿圈7相对于外圈61顺时针旋转可传递动力，而逆时针旋转则无动力传递，即单向超越。
3、如图7和图10所示，随着控制环62顺时针旋转，正向棘爪63的棘爪控制销开始在控制环62的正向控制窗斜面624的作用下运动，由于正向控制窗斜面624沿逆时针逐渐远离控制环62圆心，故随着控制环62继续顺时针旋转，正向棘爪63的棘爪控制销沿控制环62的径向逐渐远离控制环62的圆心，在正向棘爪63的棘爪控制销的带动下，正向棘爪63逐渐升起，直至运动到正向控制窗斜面624的最左端，即正向控制窗622的终点位置，此时正向棘爪63升至最高位(即离控制环圆心最远的位置处)，此时正向棘爪63脱离齿圈7外圆周面上的棘爪卡槽；与此同时，反向棘爪64的棘爪控制销在控制环62的反向控制窗平面626的作用下运动至正向控制窗622的终点位置，由于反向控制窗平面626与控制环62同轴设置，故反向棘爪64的棘爪控制销沿控制环62的径向无运动，反向棘爪64保持在最高位，即此时正向棘爪63与反向棘爪64均脱离齿圈7外圆周面上的棘爪卡槽；此时，由于正向棘爪63与反向棘爪64均脱离齿圈7外圆周面上的棘爪卡槽，故齿圈7相对于外圈61沿顺时针和逆时针方向均可自由旋转，齿圈7与外圈61之间沿顺时针和逆时针方向均无动力传递，即双向超越。
如图4和图5所示，所述离合器控制机构由控制电机65、传动轴66、蜗杆67、传感器68和蜗轮69组成；其中，控制电机65的输出端与传动轴66的一端同轴固定连接，蜗杆67同轴固定在传动轴66的轴径上，传感器68设置安装在传动轴66的另一端，通过传感器68检测传动轴66的旋转角度，进而获得蜗杆67的旋转角度；所述蜗轮69通过蜗轮连接板28同轴安装在控制环62的径向外侧，蜗轮69与蜗杆67相啮合形成蜗轮蜗杆传动副。
在控制电机65的驱动下，蜗杆67随传动轴66同步旋转，并驱动与控制环62固定连接的蜗轮69旋转，控制环62旋转控制相应的正向棘爪63和反向棘爪64上下摆动，进而实现对棘爪式超越离合器的控制，在此过程中，传感器68检测蜗杆67的旋转角度，进而判断蜗轮69带动控制环62旋转的角度，进而判断正向棘爪63和反向棘爪64的棘爪控制销在对应控制面上的运动位置，最终实现对离合器锁止或超越的精准控制。
根据上述基于棘爪式超越离合器的行星轮式两挡变速箱的具体组成结构，本发明还公开了一种基于棘爪式超越离合器的行星轮式两挡变速箱的控制方法，包括：一挡前进控制方法、二挡前进控制方法、一挡倒车控制方法和无动力中断换挡控制方法。
一、所述一挡前进控制方法的具体控制过程如下：
当车辆一挡前进时，离合器执行机构控制膜片弹簧离合器3处于分离状态，与此同时，启动棘爪式超越离合器总成中的离合器控制机构，离合器控制机构中的蜗轮蜗杆传动机构驱动棘爪式超越离合器中的控制环62旋转，使正向棘爪63沿着正向控制窗622运动并保持与齿圈7外圆周表面卡槽相卡接，反向棘爪64沿着反向控制窗623运动并从齿圈7外圆周表面卡槽中脱离，此时，离合器控制机构停止运行，如图9所示，此时齿圈7相对于外圈61反向(即图8中顺时针方向)旋转锁止，输入轴2在电机1的驱动下正向旋转，同轴固连在输入轴2上的太阳轮9同步正向旋转，太阳轮9带动行星轮8反向旋转，使得齿圈7产生沿轴线反向旋转的趋势，由于此时齿圈7与外圈61相对锁止，而外圈61固定在变速箱壳体4上，故此时齿圈7固定不动，根据行星轮式传动机构的传动特性，此时行星轮8将沿着太阳轮9正向公转，进而带动行星架5正向旋转，行星架5进一步带动输出轴10同步正向旋转，最终动力经输出轴10向外输出实现一挡前进；
二、所述二挡前进控制方法的具体控制过程如下：
当车辆二挡前进时，离合器执行机构控制膜片弹簧离合器3处于结合状态，与此同时，启动棘爪式超越离合器总成中的离合器控制机构，离合器控制机构中的蜗轮蜗杆传动机构驱动棘爪式超越离合器中的控制环62旋转，使正向棘爪63沿着正向控制窗622运动并从齿圈7外圆周表面卡槽中脱离，反向棘爪64沿着反向控制窗623运动并从齿圈7外圆周表面卡槽中脱离，此时，离合器控制机构停止运行，如图10所示，此时，齿圈7相对于外圈61可双向自由旋转，输入轴2在电机1的驱动下正向旋转，一方面：同轴固连在输入轴2上的太阳轮9同步正向旋转，另一方面：在膜片弹簧离合器3的结合带动下，齿圈7同样与输入轴2同步正向旋转，故此时，由行星架5、齿圈7、行星轮8和太阳轮9组成的整个行星轮式传动机构均沿正向旋转，行星架5带动输出轴10同步正向旋转，最终动力经输出轴10向外输出实现二挡前进；
三、所述一挡倒车控制方法的具体控制过程如下：
当车辆一挡倒退时，离合器执行机构控制膜片弹簧离合器3处于分离状态，与此同时，启动棘爪式超越离合器总成中的离合器控制机构，离合器控制机构中的蜗轮蜗杆传动机构驱动棘爪式超越离合器中的控制环62旋转，使正向棘爪63沿着正向控制窗622运动并保持与齿圈7外圆周表面卡槽相卡接，反向棘爪64沿着反向控制窗623运动并保持与齿圈7外圆周表面卡槽相卡接，此时，离合器控制机构停止运行，如图8所示，此时齿圈7相对于外圈61双向旋转均锁止，输入轴2在电机1的驱动下反向旋转，同轴固连在输入轴2上的太阳轮9同步反向旋转，太阳轮9带动行星轮8正向旋转，使得齿圈7产生沿轴线正向旋转的趋势，由于此时齿圈7与外圈61相对锁止，而外圈61固定在变速箱壳体4上，故此时齿圈7固定不动，根据行星轮式传动机构的传动特性，此时行星轮8将沿着太阳轮9反向公转，进而带动行星架5反向旋转，行星架5进一步带动输出轴10同步反向旋转，最终动力经输出轴10向外输出实现一挡倒车；
四、所述无动力中断换挡控制方法包括一挡升二挡控制过程和二挡降一挡控制过程；
1、所述一挡升二挡控制过程具体如下：
一挡升二挡时，离合器执行机构控制膜片弹簧离合器3逐渐结合，与此同时，启动棘爪式超越离合器总成中的离合器控制机构，离合器控制机构中的蜗轮蜗杆传动机构驱动棘爪式超越离合器中的控制环62旋转，使正向棘爪63沿着正向控制窗622运动，并使正向棘爪63从与齿圈7外圆周表面卡槽相卡接逐渐运动至与齿圈7外圆周表面卡槽相分离，反向棘爪64沿着反向控制窗623运动并保持与齿圈7外圆周表面卡槽相分离；在此过程中，输入轴2通过膜片弹簧离合器3向齿圈7传递的动力逐渐增大，随着结合的进行，经输入轴2输入的动力从一挡前进时的由太阳轮9传递，逐渐转移到二挡前进时的由齿圈7和太阳轮9同时传递，随着行星架5的转速逐渐升高，在行星架5的带动下行星轮8的公转速度逐渐与太阳轮9的转速相同，使得行星轮8与太阳轮9之间的啮合力降低，太阳轮9向行星轮8传递的动力降低，使得行星轮8沿其轴线的自转转速逐渐降至为零，此时棘爪式超越离合器中的正向棘爪63与反向棘爪64均从齿圈7外圆周表面卡槽中分离出来，齿圈7可相对于外圈61自由旋转，而此时整个行星轮式传动机构均沿正向旋转，故齿圈7亦正向旋转，动力经输入轴2输入后，通过膜片弹簧离合器3传递，进而经齿圈7传递到行星架5再向输出轴10传递，最终动力经输出轴10向外输出实现一挡升二挡，整个升挡过程无动力中断；
2、所述二挡降一挡控制过程具体如下：
二挡降一挡时，离合器执行机构控制膜片弹簧离合器3逐渐分离，与此同时，启动棘爪式超越离合器总成中的离合器控制机构，离合器控制机构中的蜗轮蜗杆传动机构驱动棘爪式超越离合器中的控制环62反向旋转，使正向棘爪63沿着正向控制窗622运动，并使正向棘爪63从与齿圈7外圆周表面卡槽相分离逐渐运动至与齿圈7外圆周表面卡槽相卡接，反向棘爪64沿着反向控制窗623运动并保持与齿圈7外圆周表面卡槽相分离，直至齿圈7相对于外圈61正向(图中逆时针方向)自由旋转，而反向锁止；在此过程中，输入轴2通过膜片弹簧离合器3向齿圈7传递的动力逐渐减小，行星架5的动力逐渐小于其所受到的阻力，行星架5的转速逐渐降低，经输入轴2输入的动力从二挡前进时的由行星架5向下传递，逐渐转移到一挡前进时的由太阳轮9向下传递，即动力逐渐由行星架5转移至太阳轮9上，随着行星架5的转速逐渐降低，行星轮式传动机构中，行星轮8开始恢复沿自身轴线的反向自转，太阳轮9与行星轮8之间的啮合力逐渐增大，动力开始从行星轮8向下传递，与此同时，齿圈7的转速逐渐降低，直至反向旋转锁止，动力经输入轴2输入后，依次经太阳轮9、行星轮8和行星架5向输出轴10传递，最终动力经输出轴10向外输出实现一挡前进，即实现二挡降一挡的过程，整个升挡过程无动力中断。
1.基于棘爪式超越离合器的行星轮式两挡变速箱，包括：输入轴(2)、膜片弹簧离合器(3)、行星轮式传动机构、超越离合器总成和输出轴(10)，其中，所述行星轮式传动机构由行星架(5)、齿圈(7)、行星轮(8)和太阳轮(9)组成，其特征在于：
膜片弹簧离合器(3)安装在与太阳轮(9)同轴固连的输入轴(2)上，膜片弹簧离合器(3)的飞轮盘(38)与齿圈(7)同轴连接，输出轴(10)与行星架(5)同轴连接；
所述超越离合器总成为棘爪式超越离合器总成(6)，由棘爪式超越离合器和离合器控制机构组成；
所述棘爪式超越离合器由外圈(61)、控制环(62)、正向棘爪(63)、反向棘爪(64)和内圈组成，其中，外圈(61)固定在变速箱壳体(4)上，内圈位于齿圈(7)外侧并与齿圈(7)一体设置，正向棘爪(63)和反向棘爪(64)成对地均匀设置在外圈(61)与内圈之间的环形空间内，正向棘爪(63)和反向棘爪(64)的棘爪根部旋转安装在外圈(61)上，正向棘爪(63)和反向棘爪(64)的棘爪头部方向相反设置，并与内圈外圆面上的棘爪卡槽卡接，正向棘爪(63)和反向棘爪(64)与外圈(61)之间均安装有折片弹簧，正向棘爪(63)和反向棘爪(64)分别通过其轴向侧面设置的棘爪控制销与控制环(62)上的正向控制窗(622)和反向控制窗(623)滑动连接，在控制环(62)的旋转控制下，正向棘爪(63)和反向棘爪(64)上下摆动，实现与内圈外圆面上的棘爪卡槽卡接或分离，进而实现齿圈(7)与外圈(61)之间双向锁止、单向锁止或双向超越；
离合器控制机构由控制电机(65)、传动轴(66)、蜗杆(57)、传感器(68)以及蜗轮(69)组成，其中，控制电机(65)与传动轴(66)一端同轴固连，传感器(68)安装在传动轴(66)另一端，蜗杆(57)同轴安装在传动轴(66)上并与同轴固定在控制环(62)外圆周上的蜗轮(69)相啮合，进而控制控制环(62)旋转。
2.如权利要求1所述基于棘爪式超越离合器的行星轮式两挡变速箱，其特征在于：
在所述控制环(62)上，正向控制窗(622)底部的控制面为沿控制环(62)旋转方向依次连续设置的正向控制窗斜面(624)和正向控制窗平面(625)，反向控制窗(623)底部的控制面为沿控制环(62)旋转方向依次连续设置的反向控制窗平面(626)和反向控制窗斜面(627)，其中，正向控制窗斜面(624)和反向控制斜面(627)均为沿着控制环(2)旋转方向逐渐靠近控制环(62)圆心位置的曲面，正向控制窗平面(625)和反向控制窗平面(626)均为与控制环(62)同心设置的曲面。
3.如权利要求1所述基于棘爪式超越离合器的行星轮式两挡变速箱，其特征在于：
所述内圈的外圆面上沿圆周方向均匀开有若干棘爪卡槽对，每组卡槽对均由两个棘爪卡槽组成，两个棘爪卡槽分别与正向棘爪(63)和反向棘爪(64)的棘爪头部相匹配，当内圈的卡槽对旋转至任意一组棘爪对处时，正向棘爪(63)和反向棘爪(64)均能够在内圈外圆面面对应的棘爪卡槽对内找到与之相匹配卡接的棘爪卡槽。
4.如权利要求1所述基于棘爪式超越离合器的行星轮式两挡变速箱，其特征在于：
所述外圈(61)的内侧壁开有若干组与正向棘爪(63)和反向棘爪(64)一一对应的棘爪安装槽对，在棘爪安装槽对中的每个棘爪安装槽内开有折片弹簧安装槽。
5.如权利要求1所述基于棘爪式超越离合器的行星轮式两挡变速箱，其特征在于：
所述膜片弹簧离合器(3)分离轴承(31)、膜片弹簧(32)、弹簧支承圈(33)、离合器盖(34)、压盘(35)、摩擦片(36)和飞轮盘(38)由从前至后依次设置组成；
所述飞轮盘(38)通过花键(39)与齿圈(7)的连接端同轴连接，摩擦片(36)同轴固定连接在输入轴(2)上，压盘(35)同轴设置在摩擦片(36)的前端，离合器盖(34)罩置在压盘(35)和摩擦片(36)外侧，且离合器盖(34)通过螺栓(37)同轴固定安装在飞轮盘(38)的前端面上，弹簧支承圈(33)固定在离合器盖(34)上，膜片弹簧(32)通过弹簧支撑圈(33)支撑安装在离合器盖(34)上，膜片弹簧(32)前端与分离轴承(31)接触相连，膜片弹簧(32)后端与压盘(35)接触相连。
6.如权利要求1所述基于棘爪式超越离合器的行星轮式两挡变速箱，其特征在于：
所述行星架(5)一端同轴空套在输入轴(2)上，行星架(5)另一端与输出轴(10)同轴固定连接；所述行星轮(8)空套安装在行星架(5)上，行星轮(8)一侧与太阳轮(9)外侧啮合，行星轮(8)另一侧与齿圈(7)内侧啮合。
7.如权利要求1所述基于棘爪式超越离合器的行星轮式两挡变速箱的控制方法，其特征在于：
包括：一挡前进控制方法、二挡前进控制方法、一挡倒车控制方法和无动力中断换挡控制方法；
所述一挡前进控制方法的具体控制过程如下：
当车辆一挡前进时，离合器执行机构控制膜片弹簧离合器(3)处于分离状态，与此同时，离合器控制机构中的蜗轮蜗杆传动机构驱动棘爪式超越离合器中的控制环(62)旋转，使正向棘爪(63)沿着正向控制窗(622)运动并保持与齿圈(7)外圆面卡槽相卡接，反向棘爪(64)沿着反向控制窗(623)运动并从齿圈(7)外圆面卡槽中脱离，此时齿圈(7)相对于外圈(61)反向旋转锁止，输入轴(2)在电机(1)的驱动下正向旋转，同轴固连在输入轴(2)上的太阳轮(9)同步正向旋转，太阳轮(9)带动行星轮(8)反向旋转，使得齿圈(7)产生沿轴线反向旋转的趋势，由于此时齿圈(7)与外圈(61)相对锁止，而外圈(61)固定在变速箱壳体(4)上，故此时齿圈(7)固定不动，行星轮(8)将沿着太阳轮(9)正向公转，进而带动行星架(5)正向旋转，行星架(5)进一步带动输出轴(10)同步正向旋转，最终动力经输出轴(10)向外输出实现一挡前进；
所述二挡前进控制方法的具体控制过程如下：
当车辆二挡前进时，离合器执行机构控制膜片弹簧离合器(3)处于结合状态，与此同时，离合器控制机构中的蜗轮蜗杆传动机构驱动棘爪式超越离合器中的控制环(62)旋转，使正向棘爪(63)沿着正向控制窗(622)运动并从齿圈(7)外圆面卡槽中脱离，反向棘爪(64)沿着反向控制窗(623)运动并从齿圈(7)外圆面卡槽中脱离，此时齿圈(7)相对于外圈(61)双向自由旋转，输入轴(2)在电机(1)的驱动下正向旋转，一方面，同轴固连在输入轴(2)上的太阳轮(9)同步正向旋转，另一方面，在膜片弹簧离合器(3)的结合带动下，齿圈(7)同样与输入轴(2)同步正向旋转，此时，行星轮式传动机构均沿正向旋转，行星架(5)带动输出轴(10)同步正向旋转，最终动力经输出轴(10)向外输出实现二挡前进；
所述一挡倒车控制方法的具体控制过程如下：
当车辆一挡倒退时，离合器执行机构控制膜片弹簧离合器(3)处于分离状态，与此同时，离合器控制机构中的蜗轮蜗杆传动机构驱动棘爪式超越离合器中的控制环(62)旋转，使正向棘爪(63)沿着正向控制窗(622)运动并保持与齿圈(7)外圆面卡槽相卡接，反向棘爪(64)沿着反向控制窗(623)运动并保持与齿圈(7)外圆面卡槽相卡接，此时齿圈(7)相对于外圈(61)双向旋转锁止，输入轴(2)在电机(1)的驱动下反向旋转，同轴固连在输入轴(2)上的太阳轮(9)同步反向旋转，太阳轮(9)带动行星轮(8)正向旋转，使得齿圈(7)产生沿轴线正向旋转的趋势，由于此时齿圈(7)与外圈(61)相对锁止，而外圈(61)固定在变速箱壳体(4)上，故此时齿圈(7)固定不动，根据行星轮式传动机构的传动特性，此时行星轮(8)将沿着太阳轮(9)反向公转，进而带动行星架(5)反向旋转，行星架(5)进一步带动输出轴(10)同步反向旋转，最终动力经输出轴(10)向外输出实现一挡倒车；
所述无动力中断换挡控制方法包括一挡升二挡控制过程和二挡降一挡控制过程；
所述一挡升二挡控制过程具体如下：
一挡升二挡时，离合器执行机构控制膜片弹簧离合器(3)逐渐结合，与此同时，离合器控制机构中的蜗轮蜗杆传动机构驱动棘爪式超越离合器中的控制环(62)旋转，使正向棘爪(63)沿着正向控制窗(622)运动，并使正向棘爪(63)从与齿圈(7)外圆周表面卡槽相卡接逐渐运动至与齿圈(7)外圆周表面卡槽相分离，反向棘爪(64)沿着反向控制窗(623)运动并保持与齿圈(7)外圆周表面卡槽相分离；在此过程中，输入轴(2)通过膜片弹簧离合器(3)向齿圈(7)传递的动力逐渐增大，随着结合的进行，经输入轴(2)输入的动力从一挡前进时的由太阳轮(9)传递，逐渐转移到二挡前进时的由齿圈(7)和太阳轮(9)同时传递，随着行星架(5)的转速逐渐升高，在行星架(5)的带动下行星轮(8)的公转速度逐渐与太阳轮(9)的转速相同，使得行星轮(8)与太阳轮(9)之间的啮合力降低，太阳轮(9)向行星轮(8)传递的动力降低，使得行星轮(8)沿其轴线的自转转速逐渐降至为零，此时棘爪式超越离合器中的正向棘爪(63)与反向棘爪(64)均从齿圈(7)外圆周表面卡槽中分离出来，齿圈(7)可相对于外圈(61)自由旋转，而此时整个行星轮式传动机构均沿正向旋转，故齿圈(7)亦正向旋转，动力经输入轴(2)输入后，通过膜片弹簧离合器(3)传递，进而经齿圈(7)传递到行星架(5)，再向输出轴(10)传递，最终动力经输出轴(10)向外输出实现一挡升二挡；
所述二挡降一挡控制过程具体如下：
二挡降一挡时，离合器执行机构控制膜片弹簧离合器(3)逐渐分离，与此同时，离合器控制机构中的蜗轮蜗杆传动机构驱动棘爪式超越离合器中的控制环(62)反向旋转，使正向棘爪(63)沿着正向控制窗(622)运动，并使正向棘爪(63)从与齿圈(7)外圆周表面卡槽相分离逐渐运动至与齿圈(7)外圆周表面卡槽相卡接，反向棘爪(64)沿着反向控制窗(623)运动并保持与齿圈(7)外圆周表面卡槽相分离，直至齿圈(7)相对于外圈(61)正向自由旋转，而反向锁止；在此过程中，输入轴(2)通过膜片弹簧离合器(3)向齿圈(7)传递的动力逐渐减小，行星架(5)的动力逐渐小于其所受到的阻力，行星架(5)的转速逐渐降低，经输入轴(2)输入的动力从二挡前进时的由行星架(5)向下传递，逐渐转移到一挡前进时的由太阳轮(9)向下传递，随着行星架(5)的转速逐渐降低，行星轮(8)开始恢复沿自身轴线的反向自转，太阳轮(9)与行星轮(8)之间的啮合力逐渐增大，动力开始从行星轮(8)向下传递，与此同时，齿圈(7)的转速逐渐降低，直至反向旋转锁止，动力经输入轴(2)输入后，依次经太阳轮(9)、行星轮(8)和行星架(5)向输出轴(10)传递，最终动力经输出轴(10)向外输出实现二挡降一挡。
技术总结