CN102975607A - 以非对称式行星锥齿轮机构作为动力耦合装置的混合动力汽车驱动和传动*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种以非对称式行星锥齿轮机构作为动力耦合装置的混合动力汽车驱动和传动***，包括一发动机；从小锥齿轮轴输入动力和向小锥齿轮轴输出动力的第一电机；从行星齿轮机构壳体输入动力和向行星齿轮机构壳体输出动力的第二电机；用于发动机和两个电机动力耦合的非对称式行星锥齿轮机构；向两个电机提供电能并从两个电机接收电能的动力蓄电池；用于控制两个电机和发动机运行的混合动力汽车动力控制单元；以及第一逆变器、第二逆变器和制动器。本发明的优点是解决了混合动力汽车双动力输入单动力输出问题，实现深度混合动力汽车发动机怠速启停、回馈制动和发动机工作点调节等功能，提高了车辆燃油经济性。
Description
技术领域
本发明涉及一种混合动力车辆的驱动与传动***，具体涉及一种以非对称式行星锥齿轮机构作为动力耦合装置的混合动力汽车驱动与传动***。
背景技术
传统内燃机汽车能耗高、污染大，为达到节能与环保的目的，混合动力汽车应运而生，混合动力***成为其核心组成部分。混合动力***一般由一个发动机、一到两个电机和一个动力耦合机构组成。对于采用一个发动机和一个电机混合动力***，其动力耦合机构一般基于平行轴或者同轴式方案。对于采用一个发动机和两个电机的混合动力***，其动力耦合机构一般采用普通圆柱斜齿轮行星机构，典型实例是丰田PRIUS混合动力轿车的THS混合动力***，其结构相对复杂。
对称式行星锥齿轮机构与普通圆柱斜齿轮行星机构均为两自由度机构。当其两个输入（出）转速唯一确定时，第三个转速即可唯一确定。该机构能够实现通过电机转速控制，从而实现发动机转速调节，使发动机在各工况下尽可能运行在高效区，因而对称式行星锥齿轮机构作为混合动力汽车动力耦合机构在理论上也是可行的。同时，相较于丰田PRIUS圆柱斜齿轮行星机构，以对称式行星锥齿轮机构为动力耦合装置，具有结构简单、制造容易的优点。但对称式行星锥齿轮机构两输出端转矩相等，分别是输入端转矩的一半，这一特性限制了发动机和两电机之间的参数匹配与优化。
发明内容
本发明提供了一种以非对称式行星锥齿轮机构作为动力耦合装置的混合动力汽车驱动和传动***，既有对称式行星锥齿轮机构结构简单、制造容易的优点，又能弥补对称式行星锥齿轮机构转矩分配相等的不足，解决混合动力汽车两电机动力与发动机动力耦合问题，实现深度混合动力汽车发动机怠速启停、回馈制动和发动机工作点调节等功能，提高车辆燃油经济性。
为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种以非对称式行星锥齿轮机构作为动力耦合装置的混合动力汽车驱动和传动***，包括一发动机；从小锥齿轮轴输入动力和向小锥齿轮轴输出动力的第一电机；从行星齿轮机构壳体输入动力和向行星齿轮机构壳体输出动力的第二电机；用于发动机和两个电机动力耦合的非对称式行星锥齿轮机构；向两个电机提供电能并从两个电机接收电能的动力蓄电池；用于控制两个电机和发动机运行的混合动力汽车动力控制单元；以及第一逆变器、第二逆变器和制动器。
所述非对称式行星锥齿轮机构包括大锥齿轮、小锥齿轮、行星齿轮、行星齿轮轴、非对称式行星锥齿轮机构壳体和机构壳体主动齿轮；大锥齿轮和小锥齿轮同轴，其轴颈分别通过轴承支承于非对称式行星锥齿轮机构壳体，行星齿轮轴与非对称式行星锥齿轮机构壳体固联，每个行星齿轮轴轴颈上浮套一个圆锥行星齿轮，圆锥行星齿轮绕行星齿轮轴轴线转动，圆锥行星齿轮同时与大锥齿轮和小锥齿轮相啮合，非对称式行星锥齿轮机构壳体与机构壳体主动齿轮相固连。
所述第一电机的壳体固定在车架前端，第一电机转子通过齿轮副或直接与非对称式行星锥齿轮机构小锥齿轮轴从动齿轮连接。
所述第二电机的壳体固定在车架后端，第二电机转子通过齿轮副与非对称式行星锥齿轮机构壳体从动齿轮啮合，并与动力输出轴连接。
所述发动机的缸体固定在车架上，发动机曲轴与非对称式行星锥齿轮机构大锥齿轮轴连接。
所述制动盘与发动机曲轴相固联，制动器制动动作由混合动力汽车动力控制单元控制。
所述混合动力汽车动力控制单元与发动机、第一电机、第二电机、第一逆变器、第二逆变器和动力蓄电池通过电气连接。
所述混合动力汽车动力控制单元根据节气门开度结合车速判断工况，控制发动机、第一电机和第二电机在不同工况下的运行模式。
本发明的优越功效在于：解决了混合动力汽车发动机和第一电机、第二电机的动力耦合问题，并实现了非对称式行星锥齿轮机构两输出端输出转矩的不同，即发动机大部分转矩通过大锥齿轮输出，用于驱动车辆运行，小部分转矩通过小锥齿轮输出，用于电机发电。通过控制第一电机实现对发动机的调速，使发动机运行在高效区，提高了车辆的经济性。而控制第二电机可实现对驱动轴的转矩控制，保证了车辆的动力性。车辆制动时可控制第一电机、第二电机同时回收电能，进一步提高了车辆的经济性。该混合动力驱动***，结构简单，布置紧凑，适应性强，效率高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中标号说明
1－大锥齿轮； 2－小锥齿轮；
3－行星齿轮； 4－行星齿轮轴；
5－非对称式行星锥齿轮机构壳体； 6－大锥齿轮轴；
7－小锥齿轮轴； 8－小锥齿轮轴主动齿轮；
9－小锥齿轮轴从动齿轮； 10－第一电机内转子；
11－机构壳体主动齿轮； 12－机构壳体从动齿轮；
13－动力蓄电池； 14－第一逆变器；
15－第二逆变器； 16－发动机；
17－混合动力汽车动力控制单元； 18－动力输出轴；
19－制动器； 2O－制动盘；
21－第一电机； 22－第二电机；
23－非对称式行星锥齿轮机构； 24－差速器；
25－车辆左半轴； 26―车辆左车轮；
27－混合动力车辆； 28－车辆右半轴；
29－车辆右车轮。
具体实施方式
请参阅附图所示，对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明提供了一种以非对称式行星锥齿轮机构作为动力耦合装置的混合动力汽车驱动和传动***，包括一发动机16；从小锥齿轮轴输入动力和向小锥齿轮轴输出动力的第一电机21；从行星齿轮机构壳体输入动力和向行星齿轮机构壳体输出动力的第二电机22；用于发动机16和第一电机21、第二电机22动力耦合的非对称式行星锥齿轮机构23；向第一电机21、第二电机22提供电能并从两个电机接收电能的动力蓄电池13；用于控制第一电机21、第二电机22和发动机16运行的混合动力汽车动力控制单元PCU17；以及第一逆变器14、第二逆变器15和制动器19。
所述非对称式行星锥齿轮机构23包括大锥齿轮1、小锥齿轮2、行星齿轮3、行星齿轮轴4、非对称式行星锥齿轮机构壳体5和机构壳体主动齿轮11；大锥齿轮1和小锥齿轮2同轴，其轴颈分别通过轴承支承于非对称式行星锥齿轮机构壳体5；小锥齿轮2通过小锥齿轮轴7与小锥齿轮轴主动齿轮8连接，小锥齿轮2同时与行星齿轮3相啮合；大锥齿轮1通过大锥齿轮轴6与发动机曲轴连接，大锥齿轮1同时与行星齿轮3相啮合；行星齿轮3浮套在行星齿轮轴4上并能够绕行星齿轮轴4轴线旋转，行星齿轮轴4与非对称式行星锥齿轮机构壳体5固联，非对称式行星锥齿轮机构壳体5与机构壳体主动齿轮11相固连。大锥齿轮1的齿数为Z1，小锥齿轮2的齿数为Z2，则当非对称式行星锥齿轮机构受力平衡时，大锥齿轮1输出转矩T1与小锥齿轮2输出转矩T2之比为Z1/Z2。在本实施例中Z1/Z2=2，则大锥齿轮1输出转矩T1为小锥齿轮2输出转矩T2的两倍，即T1/T2=2。
发动机16的动力依次经大锥齿轮轴6和大锥齿轮1输入至非对称式行星锥齿轮机构23，制动盘20固定在大锥齿轮轴6上，制动器19通过制动制动盘20能够实现对发动机16的制动。
所述第一电机21的壳体固定在车架前端，第一电机转子10与小锥齿轮轴从动齿轮9连接，小锥齿轮轴从动齿轮9与小锥齿轮轴主动齿轮8啮合。行星齿轮机构21动力依次经小锥齿轮2、小锥齿轮轴主动齿轮8、小锥齿轮轴从动齿轮9、第一电机内转子10输入至第一电机21，动力亦可沿相同路径从第一电机21输出至非对称式行星锥齿轮机构23。
第二电机22壳体固定在车架后端，内转子与动力输出轴18连接，机构壳体主动齿轮11与机构壳体从动齿轮12采用锥齿轮副方式啮合。动力由非对称式行星锥齿轮机构23输出，经非对称式行星锥齿轮机构壳体5、机构壳体主动齿轮11、机构壳体从动齿轮12输出至动力输出轴18，与第二电机22输出的动力叠加后，输出至差速器24，进而通过左半轴25和右半轴28输出至左车轮26和右车轮29。动力亦可沿相同路径从左车轮26和右车轮29输入至第二电机22和非对称式行星锥齿轮机构23。
第一电机21和第二电机22 均为同步发电电动机，可被驱动作为发电机以及电动机。第一电机21和第二电机22分别通过第一逆变器14和第二逆变器15向动力蓄电池13充电，动力蓄电池13亦可沿相同路径对第一电机21和第二电机22放电。第一逆变器14和第二逆变器15共用正极母线和负极母线与动力蓄电池13连接，这种连接方式允许第一电机21和第二电机22中一个电机消耗另一个电机产生的电能。动力蓄电池13由第一电机21和第二电机22的过量电能充电，或者放电以补充第一电机21和第二电机22电能的不足。当第一电机21和第二电机22产生和消耗的电能相等时，动力蓄电池既不充电也不放电。
所述发动机16的缸体固定在车架上，发动机曲轴与非对称式行星锥齿轮机构大锥齿轮轴6连接。
所述制动盘20与发动机16曲轴相固联，制动器19制动动作由混合动力汽车动力控制单元PCU17控制。
所述混合动力汽车动力控制单元PCU17与发动机16、第一电机21、第二电机22、第一逆变器14、第二逆变器15和动力蓄电池13通过电气连接。
所述混合动力汽车动力控制单元PCU17根据节气门开度结合车速判断工况，控制发动机16、第一电机21和第二电机22在不同工况下的运行模式。
下面选择一种方案分析说明本混合动力汽车驱动和传动***的可行性。
发动机16高效转速约为4500r/min，即应通过控制第一电机21的转速，维持发动机16的转速在4500r/min附近。设计小锥齿轮轴主动齿轮8与小锥齿轮轴从动齿轮9齿数减速比i1=2，即第一电机内转子10与小锥齿轮2转速比为1:2。设计机构壳体主动齿轮11和机构壳体从动齿轮12的齿数比为1:1。
当非对称式行星锥齿轮机构23受力平衡时，发动机16输出转矩大小为T，则传递到大锥齿轮1的转矩大小为T。小锥齿轮2提供的转矩大小为0.5T，则第一电机21内转子10的转矩大小为T，行星齿轮机构壳体5的转矩大小为1.5T，即第二电机22内转子接受的转矩大小为1.5T。行星齿轮机构壳体5转速N3、大锥齿轮1转速N1和小锥齿轮2转速N2的关系为：
N1*Z1+N2*Z2=N3*(Z1+Z2)
考虑到小锥齿轮轴主动齿轮8和小锥齿轮从动齿轮9的减速比，可算得发动机16转速Ne、第一电机21转速N1和第二电机22转速N2的关系为：
2*N1*Z2+Ne*Z1=N2*(Z1+Z2)
考虑到纯电驱动和混合动力驱动工况切换时发动机16的启动过程，发动机16转速范围为0-4600r/min，第二电机22的转速范围为0-3350r/min，可以算得第一电机21的转速范围为-4600－5025r/min。
由以上分析可知，第一电机21和第二电机22转速范围符合常规电机转速范围，发动机转速范围合理；稳定工况下，输入第一电机21的转矩大小与发动机转矩大小相近，输入动力输出轴18的转矩大小为1.5倍发动机16转矩大小。本发明能够满足混合动力汽车在不同工况下的使用要求。
上述实施例仅为解释本发明的某些原理和实际应用，而不应理解为限制性。上述实施例在符合本发明的主要特征和精神的范围内可能存在很多变形例，均为本发明所保护的范围。
Claims (8)
1.一种以非对称式行星锥齿轮机构作为动力耦合装置的混合动力汽车驱动和传动***，其特征在于：包括一发动机；
从小锥齿轮轴输入动力和向小锥齿轮轴输出动力的第一电机；
从行星齿轮机构壳体输入动力和向行星齿轮机构壳体输出动力的第二电机；
用于发动机和两个电机动力耦合的非对称式行星锥齿轮机构；
向两个电机提供电能并从两个电机接收电能的动力蓄电池；
用于控制两个电机和发动机运行的混合动力汽车动力控制单元；以及第一逆变器、第二逆变器和制动器。
2.根据权利要求1所述的以非对称式行星锥齿轮机构作为动力耦合装置的混合动力汽车驱动和传动***，其特征在于：所述非对称式行星锥齿轮机构包括大锥齿轮、小锥齿轮、行星齿轮、行星齿轮轴、非对称式行星锥齿轮机构壳体和机构壳体主动齿轮；大锥齿轮和小锥齿轮同轴，其轴颈分别通过轴承支承于非对称式行星锥齿轮机构壳体，行星齿轮轴与非对称式行星锥齿轮机构壳体固联，每个行星齿轮轴轴颈上浮套一个圆锥行星齿轮，圆锥行星齿轮绕行星齿轮轴轴线转动，圆锥行星齿轮同时与大锥齿轮和小锥齿轮相啮合，非对称式行星锥齿轮机构壳体与机构壳体主动齿轮相固连。
3.根据权利要求1所述的以非对称式行星锥齿轮机构作为动力耦合装置的混合动力汽车驱动和传动***，其特征在于：所述第一电机的壳体固定在车架前端，第一电机转子通过齿轮副或直接与非对称式行星锥齿轮机构小锥齿轮轴从动齿轮连接。
4.根据权利要求1所述的以非对称式行星锥齿轮机构作为动力耦合装置的混合动力汽车驱动和传动***，其特征在于：所述第二电机的壳体固定在车架后端，第二电机转子通过齿轮副与非对称式行星锥齿轮机构壳体从动齿轮啮合，并与动力输出轴连接。
5.根据权利要求1所述的以非对称式行星锥齿轮机构作为动力耦合装置的混合动力汽车驱动和传动***，其特征在于：所述发动机的缸体固定在车架上，发动机曲轴与非对称式行星锥齿轮机构大锥齿轮轴连接。
6.根据权利要求1所述的以非对称式行星锥齿轮机构作为动力耦合装置的混合动力汽车驱动和传动***，其特征在于：所述制动盘与发动机曲轴相固联，制动器制动动作由混合动力汽车动力控制单元控制。
7.根据权利要求1所述的以非对称式行星锥齿轮机构作为动力耦合装置的混合动力汽车驱动和传动***，其特征在于：所述混合动力汽车动力控制单元与发动机、第一电机、第二电机、第一逆变器、第二逆变器和动力蓄电池通过电气连接。
8.根据权利要求1所述的以非对称式行星锥齿轮机构作为动力耦合装置的混合动力汽车驱动和传动***，其特征在于：所述混合动力汽车动力控制单元根据节气门开度结合车速判断工况，控制发动机、第一电机和第二电机在不同工况下的运行模式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130320 |