CN102975608A

CN102975608A - 基于非对称式行星锥齿轮机构的混合动力汽车驱动与传动***

Info

Publication number: CN102975608A
Application number: CN2012104315069A
Authority: CN
Inventors: 陈辛波; 余卓平; 宁国宝; 殷珺; 舒涛
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2013-03-20

Abstract

本发明公开一种基于非对称式行星锥齿轮机构的混合动力汽车驱动与传动***，包括发动机；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；从大锥齿轮轴输入动力和向大锥齿轮轴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，提高车辆燃油经济性。

Description

基于非对称式行星锥齿轮机构的混合动力汽车驱动与传动***

技术领域

本发明涉及一种混合动力车辆的驱动与传动***，具体涉及一种基于非对称式行星锥齿轮机构的混合动力汽车驱动和传动***。

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

本发明所要解决的技术问题是要提供一种基于非对称式行星锥齿轮机构的混合动力汽车驱动与传动***，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，本发明提供了一种基于非对称式行星锥齿轮机构的混合动力汽车驱动与传动***，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；

从大锥齿轮轴输入动力和向大锥齿轮轴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主减速器从动齿轮；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主减速器从动齿轮相固联。

所述大锥齿轮轴通过齿轮副与差速器连接。

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大锥齿轮轴连接。

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或直接与非对称式行星锥齿轮机构小锥齿轮轴连接。第二电机转子还与差速器通过齿轮副连接。

所述发动机的缸体固定在车架上，发动机曲轴与主减速器主动齿轮相固联，主减速器主动齿轮与从动齿轮采用圆柱齿轮副或锥齿轮副形式啮合。

所述制动盘与主减速器主动齿轮相固联，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。

本发明的优点是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。通过控制第一电机可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-主减速器从动齿轮；

5-非对称式行星锥齿轮机构壳体； 6-行星齿轮轴；

7-小锥齿轮轴； 8-大锥齿轮轴；

9-主减速器主动齿轮； 11-发动机；

12-混合动力汽车动力控制单元； 13-动力蓄电池；

14-第一逆变器； 15-第二逆变器；

16-制动器； 17-制动盘；

18-第一电机； 19-第二电机；

2O-混合动力车辆； 21-非对称式行星锥齿轮机构；

22-差速器； 23-车辆左半轴；

24-左车轮； 25-车辆右半轴；

26—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，本发明提供了一种基于非对称式行星锥齿轮机构的混合动力汽车驱动与传动***，包括一发动机11；

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18；

从大锥齿轮轴输入动力和向大锥齿轮轴输出动力的第二电机19；

用于发动机11与第一电机18、第二电机19动力耦合的非对称式行星锥齿轮机构21；

向第一电机18、第二电机19提供电能并从第一电机18、第二电机19接收电能的动力蓄电池13；

用于控制第一电机18、第二电机19和发动机11运行的混合动力汽车动力控制单元PCU12；以及第一逆变器14、第二逆变器15和制动器16。

所述非对称式行星锥齿轮机构21包括大锥齿轮1、小锥齿轮2、行星齿轮3、行星齿轮轴6、非对称式行星锥齿轮机构壳体5和主减速器从动齿轮4；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，行星齿轮轴6与非对称式行星锥齿轮机构壳体5固联，每个行星齿轮轴6轴颈上浮套一个圆锥行星齿轮3，圆锥行星齿轮3绕行星齿轮轴6轴线转动，圆锥行星齿轮3同时与大锥齿轮1和小锥齿轮2相啮合，非对称式行星锥齿轮机构壳体5与主减速器从动齿轮4相固联。所述大锥齿轮轴通过齿轮副与差速器连接。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。

主减速器主动齿轮9与主减速器从动齿轮4采用圆柱斜齿轮副方式啮合，发动机11的动力通过主减速器主动齿轮9传递到主减速器从动齿轮4，同时主减速器主动齿轮9与制动盘17相固联，制动器16通过制动盘17，实现对发动机11的制动。

第一电机18壳体固定在车架前端。第一电机18转子与小锥齿轮轴7连接，第一电机18动力通过小锥齿轮轴7输入至小锥齿轮2，动力亦可沿相同路径从小锥齿轮2输出至第一电机18。

第二电机19壳体固定在车架后端。第二电机19转子与大锥齿轮轴8连接，动力由大锥齿轮轴8输出，与第二电机19输出动力叠加后，输出至差速器22，进而通过左半轴23和右半轴25输出至左车轮24和右车轮26。动力亦可沿相同路径从左车轮24和右车轮26输入至第二电机19和大锥齿轮轴8。

第一电机18和第二电机19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18和第二电机19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18和第二电机19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18和第二电机19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18和第二电机19的过量电能充电，或者放电以补充第一电机18和第二电机19电能的不足。当第一电机18和第二电机19产生和消耗的电能相等时，动力蓄电池既不充电也不放电。

所述制动盘16与主减速器主动齿轮9相固联，制动器16制动动作由混合动力汽车动力控制单元PCU12控制。

所述混合动力汽车动力控制单元PCU12与发动机11、第一电机18、第二电机19、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PCU12根据节气门开度结合车速判断工况，控制发动机11、第一电机18和第二电机19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11高效转速最高约为4500r/min，即应通过控制第一电机18的转速，维持发动机11的转速在4500r/min附近。设计主减速器减速比i1=2，即发动机11运行在高效转速时，非对称式行星锥齿轮机构壳体5转速约为2250r/min。

第二电机19的转速范围为0-3350r/min，通过合理设计差速器22减速比，可满足车辆不同最高车速的使用要求。

当非对称式行星锥齿轮机构21受力平衡时，发动机11输出转矩为T，则传递到大锥齿轮1的转矩为1.34T，传递到小锥齿轮2的转矩为0.67T。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)

即发动机11转速Ne、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=Ne/i1*(Z1+Z2)

考虑到纯电驱动和混合动力驱动工况切换时发动机11的启动过程，发动机11转速范围为0-4600r/min，第二电机19的转速范围为0-3350r/min，可以算得第一电机18的转速范围为-6700r/min-6900r/min。

由以上分析可知，第一电机18和第二电机19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18的转矩大小为0.67倍发动机11转矩大小，输入第二电机19的转矩大小为1.34倍发动机11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

1.一种基于非对称式行星锥齿轮机构的混合动力汽车驱动与传动***，其特征在于：包括一发动机；

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；

2.根据权利要求1所述的基于非对称式行星锥齿轮机构的混合动力汽车驱动与传动***，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主减速器从动齿轮；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主减速器从动齿轮相固联。

3.根据权利要求2所述的基于非对称式行星锥齿轮机构的混合动力汽车驱动与传动***，其特征在于：所述大锥齿轮轴通过齿轮副与差速器连接。

4.根据权利要求1所述的基于非对称式行星锥齿轮机构的混合动力汽车驱动与传动***，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大锥齿轮轴连接。

5.根据权利要求1所述的基于非对称式行星锥齿轮机构的混合动力汽车驱动与传动***，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或直接与非对称式行星锥齿轮机构小锥齿轮轴连接。

6.根据权利要求1所述的基于非对称式行星锥齿轮机构的混合动力汽车驱动与传动***，其特征在于：所述发动机的缸体固定在车架上，发动机曲轴与主减速器主动齿轮相固联，主减速器主动齿轮与从动齿轮采用圆柱齿轮副或锥齿轮副形式啮合。

7.根据权利要求1所述的基于非对称式行星锥齿轮机构的混合动力汽车驱动与传动***，其特征在于：所述制动盘与主减速器主动齿轮相固联，制动器制动动作由混合动力汽车动力控制单元控制。

8.根据权利要求7所述的基于非对称式行星锥齿轮机构的混合动力汽车驱动与传动***，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。

9.根据权利要求7所述的基于非对称式行星锥齿轮机构的混合动力汽车驱动与传动***，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。