项目编号：? 1821?

新能源汽车无冲击高效能电磁离合器研发

Research and development of non-impact and high-efficiency electromagnetic clutch for new energy vehicles

 

项目研制单位：上海理工大学、上海纳铁福传动系统有限公司

主要研制人员：卢曦、朱卓选、宋有硕、余伟苗、王同保、邵长敬、石松、王伟

石自浩、蒋琪奎、刘斌、徐晖

主题词：电磁扭杆离合器、结构强度设计新体系、振动和冲击

一、研究内容介绍

• 背景意义

新能源汽车离合器，转速可达10000rpm以上，传统离合器很难满足要求。本项目以一种新型无冲击高效能电磁离合器为对象，研究零基础正向设计理论和方法，并通过运动学和动力学研究离合器的结合和分离过程、控制策略和控制方案，研发一种无冲击、低振动、高效能的电磁离合器，以满足新能源汽车要求。

• 关键技术

结构强度设计与材料、制造一体化匹配理论和技术，材料和制造关键参数阈值设计和匹配技术；

离合器结构的拓扑布置和关键结构的强度设计、运动学和动力学分析，以及基于运动学和动力学的离合器结合-分离控制策略，控制实现方案等。

结构强度设计和系统控制的零基础正向设计理论和技术；

• 技术路线和方法

项目整体技术思路：①结构设计-材料-制造一体化的核心匹配和耦合参数——强度；形成基于危险截面的结构强度设计-材料-制造匹配的新体系；应用新体系对离合器关键零部件进行设计-材料-制造匹配；②通过结合-分离过程的运动学-动力学分析和研究，得到了分离-结合过程中扭杆组件工作特性变化，完善结构优化、电磁线圈布置、电磁力控制要求等；③提出离合器结合-分离过程的电磁力控制策略和控制方案，对关键控制电路和元器件进行设计和选型。

• 达到的效果和技术水平

（1）提出了基于危险截面的结构强度设计新体系，首创实现了结构全场静/疲劳强度设计、材料-制造关键参数及其阈值与结构强度设计的定量匹配，从源头上为强度设计-材料-制造一体化定量匹配提供了理论和技术依据。

（2）设计出了整体结构和关键部件，并对运动干涉和关键参数进行了分析、设计和校核；提出了离合器各种沟槽的设计方法；设计出的新型离合器外径小于350mm、工作转矩300Nm、最高转速10000rpm。

（3）解决了传递300Nm、10000rpm下的传力扭杆、承载沟槽等强度设计和制造中的局部强度过度冗余问题，结合强度、振动、模态等NVH分析实现了离合器关键零件的结构优化和轻量化设计。

（4）得到了分离-结合过程中扭杆组件工作特性变化，实现了不大于200ms的结合-分离时间要求下的结构优化设计、电磁线圈布置和设计、电磁力控制要求等。

（5）建立了励磁电流与电磁吸引力的数学关系，确定励磁电流的变化规律，实现了离合器迅速、无冲击的分离-结合过程；仿真验证了离合器结合-分离控制过程并辨识出表征电磁离合器系统行为的物理参数。

• 典型图表、数据、产品图说明

图1 电磁扭杆离合器结构示意图

图2 主转盘导向槽结构

图3 结构强度设计-制造-材料关系

图4 典型的结构静强度正向设计流程

二、技术创新点

（1）项目组提出了基于危险截面的结构强度设计新体系，从源头上为强度设计-材料-制造一体化定量匹配提供了理论和技术依据；应用危险截面强度场设计新体系对离合器关键部位进行设计，提出了300Nm、10000rpm时扭杆、承载沟槽等强度设计和制造中的局部强度过渡冗余问题的解决方案；

（2）通过离合器结合-分离过程的运动学-动力学分析和仿真研究，得到了分离-结合过程中扭杆组件工作特性变化，实现了不大于200ms的结合-分离时间要求下的结构优化设计、电磁线圈布置和设计、电磁力控制要求等；

（3）初步设计了控制电路，仿真分析了离合器结合-分离控制过程，通过离合器结合和分离过程中电磁信号的变化特性，辨识出表征电磁离合器系统行为的物理参数；

 

三、与本项目相关的专利/获奖情况(注明专利名称、专利号/获奖等级)

授权的国内发明专利：

1. 杨亚林, 余伟苗, 朱卓选. 两档输出的电磁离合器及其控制方法, 发明专利: ZL201910204510.3, 申请日: 2019.03.18. 授权公告日: 2020.10.09.
2. 朱卓选, 卢诚.电磁驱动双离合器，发明专利:ZL201810505476.9, 申请日期：2018.05.24. 授权公告日: 2020.10.09.
3. 朱卓选, 黄兴福. 电磁扭矩离合器, 发明专利:ZL201710959986.9申请日期：2017.10.16. 授权公告日: 2019.05.17
4. 卢曦, 石松, 朱卓选. 电磁扭杆离合器离合盘的工作沟槽结构及设计方法, 专利号: ZL201910560361.4, 申请日期: 2019.06.26, 授权公告日: 2019.9.3
5. 卢曦, 朱卓选, 石松. 电磁扭杆离合器离合盘的防干涉削角结构及设计方法, 专利号: ZL201910560344.0, 申请日期: 2019.06.26. 授权公告日: 2020.08.04
6. 卢曦. 基于强度场的结构静强度设计方法, 申请号/专利号: 201910623564.3, 申请日: 2019-07-11 授权公告日：2020.11.24

申请的国内发明专利：

1. 卢曦, 朱卓选, 石松. 电磁扭杆离合器主转盘上载荷传递导向槽结构及设计方法, 申请号/专利号: 201910560355.9, 申请日期: 2019.06.26
2. 卢曦. 基于强度场的结构疲劳强度设计方法, 申请号/专利号: 201910623543.1, 申请日期: 2019.07.11
3. 卢曦, 刘汉光, 田磊, 黄嘉炜, 王宏. 结构热处理-硬度分布的定量匹配设计方法, 申请号/专利号: 201910623537.6, 申请日期: 2019.07.11
4. 卢曦, 王宏, 黄嘉炜, 刘汉光, 田磊. 基于静强度的结构全场轻量化定量评价方法, 申请号/专利号: 201910623661.2, 申请日期: 2019.07.11
5. 卢曦, 刘汉光, 田磊, 王宏, 黄嘉炜. 结构冷作强化-残余压应力分布的定量匹配设计方法, 申请号/专利号: 201910623530.4, 申请日期: 2019.07.11
6. 卢曦, 黄嘉炜, 王宏, 刘汉光, 田磊. 基于疲劳强度的结构全场轻量化水平定量评价方法, 申请号/专利号: 2019106235395, 申请日期: 2019.07.11

申请的国际（美国）发明专利：

1. Xi LU. Structure fatigue strength design method based on strength field. PCT/CN2020/079154, 2020-7-23.
2. Xi LU. Structural static strength design method based on strength field. PCT/CN2020/079174, 2020-7-23.
3. Xi LU, Hanguang Liu, Lei Tian, Jiawei Huang, Hong Wang. Quantitative matching design method for structure heat treatment-hardness distribution, PCT/CN2020/079198, 2020-7-23.
4. Xi LU, Hanguang Liu, Lei Tian, Jiawei Huang, Hong Wang. Method of Structural Cold Working-Residual Compressive Stress Distribution Quantitative Matching Design. PCT/CN2020/101070, 2020-11-27.2020-11-27.
5. Xi LU, Jiawei Huang, Hong Wang, Hanguang Liu, Lei Tian Method for quantitatively evaluating whole-field lightweight level of structure based on fatigue strength. PCT/CN2020/101043, 2020-11-27.项目创新的提出了基于危险截面的结构强度设计新体系直接应用在离合器关键部位的设计上，解决了300Nm、10000rpm时扭杆、承载沟槽等强度设计和制造中的局部强度过度冗余问题，从源头上实现了扭杆强度设计-材料-制造一体化定量匹配。项目成果为上海纳铁福传动系统有限公司独立自主进行其它类似结构设计、控制系统设计以及材料和制造工艺匹配提供了理论和技术基础，提高了公司的设计、制造技术水品和自主研发能力，培养了一批工程技术骨干人员。
6. 基于离合器结构具体结构特征、运动学和动力学等研发出的300Nm、10000rpm下的电磁离合器产品可以潜在应用到上海纳铁福传动系统有限公司的某款新能源汽车上，该新能源汽车电机工作扭矩240Nm，转速13000rpm，变速箱传动比10.008:1。

四、成果应用及经济效益预测

项目创新的提出了基于危险截面的结构强度设计新体系直接应用在离合器关键部位的设计上，解决了300Nm、10000rpm时扭杆、承载沟槽等强度设计和制造中的局部强度过度冗余问题，从源头上实现了扭杆强度设计-材料-制造一体化定量匹配。

基于离合器结构具体结构特征、运动学和动力学等研发出的300Nm、10000rpm下的电磁离合器产品可以潜在应用到上海纳铁福传动系统有限公司的某款新能源汽车上，该新能源汽车电机工作扭矩240Nm，转速13000rpm，变速箱传动比10.008:1。

项目成果为上海纳铁福传动系统有限公司独立自主进行其它类似结构设计、控制系统设计以及材料和制造工艺匹配提供了理论和技术基础，提高了公司的设计、制造技术水品和自主研发能力，培养了一批工程技术骨干人员。