发明内容
本发明旨在提供一种结构紧凑、平台化应用并具有多种工作模式的混合动力传动装置。
本发明通过以下方案实现:
一种混合动力传动装置,包括小电机EM1、大电机EM2、差速器、输入轴,还包括第一单行星排PG1、第二单行星排PG2、第一制动器B1、第二制动器B2、第三制动器B3、第一减速齿轮Z1、大减速齿轮Z2和小减速齿轮Z3,第一单行星排PG1包括第一太阳轮S1、第一行星轮P1、第一行星架PC1和第一外齿圈R1,第二单行星排PG2包括第二太阳轮S2、第二行星轮P2、第二行星架PC2和第二外齿圈R2,第一单行星排PG1与第二单行星排PG2并排放置构成双排行星齿轮机构,第一单行星排的第一行星架PC1与第二单行星排的第二太阳轮S2相连接构成第一轴,第一单行星排的第一外齿圈R1与所述第二单行星排的第二行星架PC2相连接构成第二轴,第二轴作为双排行星齿轮机构的输出轴;在第二轴上安装第一减速齿轮Z1,大减速齿轮Z2与小减速齿轮Z3通过转轴相连接,第一减速齿轮Z1与大减速齿轮Z2相啮合形成第一级减速齿轮系,小减速齿轮Z3与安装在差速器壳体上的差速器主减速齿轮Z4相啮合形成第二级减速齿轮系;差速器通过整车半轴连接车轮,该传动装置的动力将由差速器输出至整车半轴驱动车轮转动;第一单行星排的第一太阳轮S1通过第三轴与小电机EM1的转子连接,第二单行星排的第二外齿圈R2通过第四轴与大电机EM2的转子连接;第一制动器B1的一端连接在第三轴上,第二制动器B2的一端连接在第四轴上,第三制动器B3的一端连接在第一轴上,第一制动器B1、第二制动器B2和第三制动器B3的另一端均固定在变速箱壳体上;第三轴和第四轴为内部中空结构,第一轴穿过第三轴和第四轴的内部,第一轴和输入轴之间设置有第一离合器C0,输入轴与第三轴之间设置有第二离合器C1,输入轴通过飞轮减振器FW与发动机的输出轴连接。
进一步地,在与性能相匹配的发动机装配时,所述发动机、小电机、双排行星齿轮机构、大电机依次同轴排列放置,第一级减速齿轮系、第二级减速齿轮系和差速器布置在小电机与双排行星齿轮机构之间,双排行星齿轮机构的动力输出通过两级减速齿轮系经差速器传递至车轮。其中发动机的扭矩转速要和大电机、小电机的转速扭矩相匹配,才能使得整个***性能最优。
根据现有技术可知,单行星排一般都包括太阳轮、行星轮、行星架和外齿圈,行星轮安装在行星架上,行星轮分别和太阳轮和外齿圈相啮合。具体至本发明中,第一单行星排PG1中各部件之间的连接关系为:第一行星轮P1安装在第一行星架PC1上,第一行星轮P1分别和第一太阳轮S1和第一外齿圈R1相啮合;第二单行星排PG2中各部件之间的连接关系为:第二行星轮P2安装在第二行星架PC2上,第二行星轮P2分别和第二太阳轮S2和第二外齿圈R2相啮合。
本发明的一种混合动力传动装置,其动力由双排行星齿轮机构的输出轴即第二轴输出经由两级减速齿轮系到差速器传递至车轮从而驱动车辆行驶。在输入轴与第一轴之间设置第一离合器C0,在输入轴和第三轴之间设置了第二离合器C1。当第一离合器C0闭合时,传动装置采用动力分流驱动模式;当第二离合器C1和第三制动器B3闭合时,发动机与小电机同轴,传动装置采用固定传动比驱动模式。在第三轴上设置第一制动器B1,在混合动力驱动模式下高车速时,小电机EM1将运行在零转速附近,工作效率差,闭合第一制动器B1锁止小电机EM1,由第一制动器B1的摩擦扭矩维持双排行星齿轮机构的扭矩平衡,从而避免小电机EM1工作在低效率区间,有利于提高传动装置的传动效率。在第四轴上设置第二制动器B2,在汽车以混合动力驱动模式行驶时,车辆需要大扭矩输出时,可闭合第二离合器C1和第二制动器B2,发动机ICE与小电机EM1同轴驱动,传动装置采用固定传动比驱动模式,第二制动器B2闭合提供了双排行星齿轮机构的扭矩平衡支点,可满足整车大扭矩输出要求。
本发明的一种混合动力传动装置,采用的双电机中的小电机EM1主要起发电作用和启动发动机的功能,而大电机EM2主要起驱动作用,所采用的动力耦合装置为由第一单行星排与第二单行星排并排放置构成的双排行星齿轮机构,第一单行星排和第二单行星排之间的传动比设置不受彼此制约,结构设计更加灵活,同时单行星排的结构简单更有利于降低齿轮传动噪声。本发明通过对小电机EM1和大电机EM2的精确控制,使发动机始终处于高效率和低排放的工作状态。
本发明的一种混合动力传动装置,第一制动器B1、第二制动器B2、第三制动器B3、第一离合器C0和第二离合器C1为常见的湿式换挡元件。在汽车以纯电动模式行驶时,第一离合器C0和第二离合器C1同时打开将发动机脱离,可分别控制第一制动器B1、第二制动器B2、第三制动器B3的闭合来实现三个固定挡位的纯电动驱动模式。当闭合第二制动器B2时,小电机EM1单独驱动,可以实现第一挡位纯电动驱动模式;当闭合第三制动器B3时,小电机EM1和大电机EM2同时驱动,可以实现第二挡位纯电动驱动模式;当闭合第一制动器B1时,大电机EM2单独驱动,可以实现第三挡位纯电动驱动模式。在第一制动器B1、第二制动器B2和第三制动器B3全部都打开时,小电机EM1和大电机EM2同时输出正扭矩驱动车辆,当小电机EM1、大电机EM2的转速相等时,行星排各元件转速也相等,此时可以获得高车速而不会导致电机转速过高。
在汽车以混合动力驱动模式行驶时,第一离合器C0闭合,此时发动机ICE通过输入轴与第一轴连接,发动机以复合动力分流模式驱动,实现发动机转速与车速解耦,发动机能够持续工作在高效率区间,而且通过大电机、小电机的转速控制还可以实现整车的无级变速,即E-CVT功能,这也是动力分流***明显的方案优势。
本发明的一种混合动力传动装置,与现有技术相比,具有以下优点:
1.在汽车以纯电动模式行驶时,可实现四个挡位的纯电动驱动模式,能够满足纯电动驱动的车速和扭矩要求,同时可实现对大电机、小电机两个电机的优化控制。
2.在汽车以混合动力模式行驶时,传动装置主要采用动力分流驱动模式,同时具有两个固定传动比的混合动力驱动模式,工作模式灵活,对路况的适应性高,能够同时兼顾整车燃油经济性和动力性的使用需求。第一离合器C0采用常闭类型时,该传动装置可以很好地应用于以发动机驱动为主的深度混合动力平台;第一离合器C0采用常开类型时,可以应用于更侧重纯电动行驶能力的插电混合动力平台。该传动装置的技术方案为一个平台化的传动方案,便于开发延伸性产品,形成系列化。
实施例1
一种混合动力传动装置,如图1所示,包括小电机EM1、大电机EM2、差速器1、输入轴2、第一单行星排PG1、第二单行星排PG2、第一制动器B1、第二制动器B2、第三制动器B3、第一减速齿轮Z1、大减速齿轮Z2和小减速齿轮Z3,本实施例中的第一离合器C0、第二离合器C1为常开类型湿式离合器;第一单行星排PG1包括第一太阳轮S1、第一行星轮P1、第一行星架PC1和第一外齿圈R1,第一行星轮P1安装在第一行星架PC1上,第一行星轮P1分别和第一太阳轮S1和第一外齿圈R1相啮合;第二单行星排PG2包括第二太阳轮S2、第二行星轮P2、第二行星架PC2和第二外齿圈R2,第二行星轮P2安装在第二行星架PC2上,第二行星轮P2分别和第二太阳轮S2和第二外齿圈R2相啮合;第一单行星排PG1与第二单行星排PG2并排放置构成双排行星齿轮机构3,第一单行星排PG1的第一行星架PC1与第二单行星排PG2的第二太阳轮S2相连接构成第一轴4,第一单行星排PG1的第一外齿圈R1与第二单行星排PG2的第二行星架PC2相连接构成第二轴5,第二轴5作为双排行星齿轮机构3的输出轴;在第二轴5上安装第一减速齿轮Z1,大减速齿轮Z2与小减速齿轮Z3通过转轴6相连接,第一减速齿轮Z1与大减速齿轮Z2相啮合形成第一级减速齿轮系7,小减速齿轮Z3与安装在差速器1壳体上的差速器主减速齿轮Z4相啮合形成第二级减速齿轮系8;差速器1通过整车半轴9连接车轮10,该传动装置的动力将由差速器输出至整车半轴驱动车轮转动;第一单行星排PG1的第一太阳轮S1通过第三轴11与小电机EM1的转子12连接,第二单行星排PG2的第二外齿圈R2通过第四轴13与大电机EM2的转子14连接;第一制动器B1的一端连接在第三轴11上,第二制动器B2的一端连接在第四轴13上,第三制动器B3的一端连接在第一轴4上,第一制动器B1、第二制动器B2和第三制动器B3的另一端均固定在变速箱壳体15上;第三轴11和第四轴13为内部中空结构,第一轴4穿过第三轴11和第四轴13的内部,第一轴4和输入轴2之间设置有第一离合器C0,输入轴2与第三轴11之间设置有第二离合器C1,输入轴2通过飞轮减振器FW与发动机ICE的输出轴连接。本实施例的传动装置与性能相匹配的发动机装配时,发动机ICE、小电机EM1、双排行星齿轮机构3、大电机EM2依次同轴排列放置,第一级减速齿轮系7、第二级减速齿轮系8和差速器1布置在小电机EM1与双排行星齿轮机构3之间。
本发明采用的动力耦合装置为由第一单行星排与第二单行星排并排放置构成的双排行星齿轮机构,发动机ICE、小电机EM1、大电机EM2三个动力源输入的转矩耦合后传递到减速齿轮,并通过差速器经整车半轴传递到车轮。车辆在实际行驶过程中,各动力源与各换挡元件(离合器、制动器)组合使用将产生多种不同的工作模式。下面将对汽车纯电动驱动和混合动力驱动下的工作过程进行描述。
纯电动驱动模式下,该传动装置可以实现四种工作模式,分别为第一挡位纯电动驱动模式EV-1、第二挡位纯电动驱动模式EV-2、第三挡位纯电动驱动模式EV-3、第四挡位纯电动驱动模式EV-4,各工作模式和换挡元件之间的控制关系如表1所示,其中〇表示打开状态,●表示闭合状态。
表1传动装置各工作模式和换挡元件之间的控制关系
工作模式 |
B1 |
B2 |
B3 |
C0 |
C1 |
EV-1 |
〇 |
● |
〇 |
〇 |
〇 |
EV-2 |
〇 |
〇 |
● |
〇 |
〇 |
EV-3 |
● |
〇 |
〇 |
〇 |
〇 |
EV-4 |
〇 |
〇 |
〇 |
〇 |
〇 |
当第二制动器B2闭合时,采用小电机EM1单独驱动车辆,该模式定义为第一挡位纯电动驱动模式EV-1,该模式为纯电动状态的大扭矩输出模式,第一挡位纯电动驱动模式的等效杠杆图如图2(a)所示,图中TEM1表示小电机EM1的扭矩,TL表示传递到第二轴上的车辆行驶阻力,图中箭头表示各轴上的扭矩,向上表示正扭矩,向下表示负扭矩。该模式下传动装置的传动比,即小电机EM1到车轮边的传动比为:
其中,iEV-1为第一挡位纯电动驱动模式下传动装置的传动比,i1为第一单行星排PG1的传动比(数值等于第一外齿圈R1与第一太阳轮S1的齿数之比,数值为负),i2为第二单行星排PG2的传动比(数值等于第二外齿圈R2与第二太阳轮S2的齿数之比,数值为负),iFD为两级减速齿轮总的减速比。例如选择行星齿轮设计常用的传动比和主减速比,即:第一单行星排PG1的传动比i1=-2.6,第二单行星排PG2的传动比i2=-1.6,两级减速齿轮总的减速比iFD=4,将数据代入上述公式中计算得到第一挡位纯电动模式下传动装置的传动比iEV-1为28,即当小电机输出扭矩为100Nm时,车轮将获得2800Nm的驱动扭矩。
当第三制动器B3闭合时,采用小电机EM1和大电机EM2同时驱动,小电机EM1负转速输出负扭矩,大电机EM2正转速输出正扭矩,该模式定义为第二挡位纯电动驱动模式EV-2,第二挡位纯电动驱动模式的等效杠杆图如图2(b)所示,图中TEM1表示小电机EM1的扭矩,TEM2表示大电机EM2的扭矩,TL表示传递到第二轴上的车辆行驶阻力,图中箭头表示各轴上的扭矩,向上表示正扭矩,向下表示负扭矩。该挡位下小电机EM1和大电机EM2到轮边的传动比分别为:
iEV-2_EM1=-i1*iFD
其中,iEV-2_EM1为第二挡位纯电动驱动模式下小电机EM1的传动比,iEV-2_EM2为第二挡位纯电动驱动模式下大电机EM2的传动比,i1为第一单行星排PG1的传动比(数值等于第一外齿圈R1与第一太阳轮S1的齿数之比,数值为负),i2为第二单行星排PG2的传动比(数值等于第二外齿圈R2与第二太阳轮S2的齿数之比,数值为负),iFD为两级减速齿轮总的减速比。
当第一制动器B1闭合时,采用大电机EM2单独驱动,该模式定义为第三挡位纯电动驱动模式EV-3,该模式可以获得较高的车速。第三挡位纯电动驱动模式的等效杠杆图如图2(c)所示,图中TEM2表示大电机EM2的扭矩,TL表示传递到第二轴上的车辆行驶阻力,图中箭头表示各轴上的扭矩,向上表示正扭矩,向下表示负扭矩。该挡位下传动装置的传动比,即大电机EM2到轮边的传动比为:
其中,iEV-3_EM2为第三挡位纯电动驱动模式下传动装置的传动比,i1为第一单行星排PG1的传动比(数值等于第一外齿圈R1与第一太阳轮S1的齿数之比,数值为负),i2为第二单行星排PG2的传动比(数值等于第二外齿圈R2与第二太阳轮S2的齿数之比,数值为负),iFD为两级减速齿轮总的减速比。
随着车速进一步增加,在上述各挡位下小电机EM1、大电机EM2两个电机的转速都有可能过高,此时第一制动器B1、第二制动器B2和第三制动器B3全部为打开状态,采用小电机EM1和大电机EM2同时驱动,该模式定义为第四挡位纯电驱动模式EV-4,第四挡位纯电动驱动模式的等效杠杆图如图2(d)所示,图中TEM1表示小电机EM1的扭矩,TEM2表示大电机EM2的扭矩,TL表示传递到第二轴上的车辆行驶阻力,图中箭头表示各轴上的扭矩,向上表示正扭矩,向下表示负扭矩。该模式下轮边获得驱动扭矩为:
TwheelEV-4=(TEM1+TEM2)*iFD
其中,TwheelEV‐4为第四挡位纯电动驱动模式下轮边获得驱动扭矩,TEM1为小电机EM1的扭矩,TEM2为大电机EM2的扭矩,iFD为两级减速齿轮总的减速比。当小电机EM1、大电机EM2转速相等时,各行星齿轮元件转速也相等,此时车辆可获得最高车速而不会导致小电机EM1、大电机EM2两个电机自身转速过高。
在纯电动倒车时,采用第一挡位纯电动驱动模式EV-1,控制小电机EM1负转速输出负扭矩,纯电动倒车模式的等效杠杆图如图3所示,图中TEM1表示小电机EM1的扭矩,TL表示传递到第二轴上的车辆行驶阻力,图中箭头表示各轴上的扭矩,向上表示正扭矩,向下表示负扭矩。
混合动力驱动模式下,该传动装置可以实现四种工作模式,分别为第一挡位混合动力驱动模式HEV-1、第二挡位混合动力驱动模式HEV-2、第三挡位混合动力驱动模式HEV-3、混合动力倒车模式,各工作模式和换挡元件之间的控制关系如表2所示,其中〇表示打开状态,●表示闭合状态。
表2传动装置各工作模式和换挡元件之间的控制关系
工作模式 |
B1 |
B2 |
B3 |
C0 |
C1 |
HEV-1 |
〇 |
● |
〇 |
〇 |
● |
HEV-2 |
〇 |
〇 |
〇 |
● |
〇 |
HEV-3 |
● |
〇 |
〇 |
● |
〇 |
混合动力倒车模式 |
〇 |
〇 |
● |
〇 |
● |
在第一挡位混合动力驱动模式HEV-1时,第二制动器B2和第二离合器C1闭合,此时发动机ICE与小电机EM1同轴驱动,实现大扭矩输出,第一挡位混合动力驱动模式的等效杠杆图如图4(a)所示,图中TEM1表示小电机EM1的扭矩,TICE表示发动机ICE的扭矩,TL表示传递到第二轴上的车辆行驶阻力,图中箭头表示各轴上的扭矩,向上表示正扭矩,向下表示负扭矩。该模式的固定传动比与第一挡位纯电动驱动模式EV-1的固定传动比相同,采用第一挡位纯电动驱动模式的扭矩计算时的传动比数值,当发动机ICE和小电机EM1共同输出150Nm时,车轮可以获得的驱动扭矩为4200Nm。
当第二制动器B2打开时,大电机EM2参与工作,此时定义为第二挡位混合动力驱动模式HEV-2即动力分流模式。该模式作为整个传动装置主要的混合动力驱动模式,能够实现整车无级变速E-CVT功能,第二挡位混合动力驱动模式的等效杠杆图如图4(b)所示,图中TEM1表示小电机EM1的扭矩,TEM2表示大电机EM2的扭矩,TICE表示发动机ICE的扭矩,TL表示传递到第二轴上的车辆行驶阻力,图中箭头表示各轴上的扭矩,向上表示正扭矩,向下表示负扭矩。此模式为无级变速模式,没有固定传动比。当车辆出现滑行和制动能量回收时,第一离合器C0打开将发动机ICE断开以更有效地回收制动能量。该模式也可以用于倒车工况。
当车辆车速较高时,小电机EM1会运行在零转速附近,此时小电机效率很差,控制第一制动器B1闭合将小电机EM1锁止,有利于提高该工况下传动装置的传动效率。该固定传动比模式定义为第三挡位混合动力驱动模式HEV-3,第三挡位混合动力驱动模式HEV-3的等效杠杆图如图4(c)所示,图中TEM2表示大电机EM2的扭矩,TICE表示发动机ICE的扭矩,TL表示传递到第二轴上的车辆行驶阻力,图中箭头表示各轴上的扭矩,向上表示正扭矩,向下表示负扭矩。该模式下轮边获得的扭矩包括来自发动机ICE和大电机EM2两者扭矩之和,如下式所示:
其中,TwheelHEV‐3为第三挡位混合动力驱动模式下轮边获得驱动扭矩,TICE为发动机ICE的扭矩,TEM2为大电机EM2的扭矩,i1为第一单行星排PG1的传动比(数值等于第一外齿圈R1与第一太阳轮S1的齿数之比,数值为负),i2为第二单行星排PG2的传动比(数值等于第二外齿圈R2与第二太阳轮S2的齿数之比,数值为负),iFD为两级减速齿轮总的减速比。
车辆倒车时优先选择纯电动倒车模式,当电池电量低时采用混合动力倒车模式,此时闭合第三制动器B3和第二离合器C1,混合动力倒车模式的等效杠杆图如图5所示。此时轮边获得的驱动扭矩为:
TwheelHEV-reverse=(TICE+TEM1)*(-i1)*iFD
其中,TwheelHEV‐reverse为混合动力倒车模式下轮边获得驱动扭矩,TICE为发动机ICE的扭矩,TEM1为小电机EM1的扭矩,i1为第一单行星排PG1的传动比(数值等于第一外齿圈R1与第一太阳轮S1的齿数之比,数值为负),iFD为两级减速齿轮总的减速比。