CN107082017A - 一种基于动力耦合器的单电机混合驱动*** - Google Patents

一种基于动力耦合器的单电机混合驱动*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于动力耦合器的单电机混合驱动***，包括壳体、发动机、电机、第一离合器、第二离合器和行星轮机构；壳体上设有齿圈制动器，齿圈与行星轮啮合，行星轮与太阳轮啮合，行星轮设置在行星架上，行星架设有行星架输出转轴；发动机通过转轴第一离合器与电机连接，电机通过第二离合器与齿圈连接，发动机的转轴与太阳轮的转轴连接，发动机的转轴、电机的转轴、太阳轮的转轴和动力输出轴同轴设置；通过当双离合的设置，第一离合器设置发动机和电机支架，第二离合设置在电机和行星轮支架，使的车辆可以以简单的结构单动力运行和双动力运行的多种模式，适应车辆各种运行工况，相对现有的各种专利技术，模式多而灵活，可靠性高。

Description

一种基于动力耦合器的单电机混合驱动***
技术领域
本发明涉及一种新能源汽车动力***，特别涉及一种基于动力耦合器的单电机混合驱动***。
背景技术
为节约成本，具备纯电驱动模式的单电机混合动力***仍然是很多车型的选择。专利CN102501754A和CN103802654分别公开了一种可实现电机和发动机转矩耦合的混合动力驱动***。专利CN103273835A公开了一种基于双转子电机的混联式混合动力驱动***。专利CN103963625A公开了一种基于平行轴齿轮系变速器的混合动力驱动***。专利CN101439668A公开了一种基于行星轮系混合动力驱动***。专利CN10333212A公开了一种基于双离合器自动变速器的混合动力驱动***。
以上专利存在以下缺点
缺点1：
专利CN102501754A和CN103802654由于发动机曲轴和电机转子相连的布置，故动力耦合时二者转速一致，只能实现转矩耦合，发动机转速随车速改变，无法避开非高效区工作。
缺点2：
专利CN103273835A采用双转子电机来实现混联式驱动，其并联模式下要求双转子转速接近且离合器处于半联动状态，故只能处于瞬时或短时间工作(参见其说明书44段)。这本质上来讲，无法实现常规并联式混合动力长时间双动力驱动模式，发动机或电机的匹配功率仍然较大。
缺点3：
专利CN103963625A在传统平行轴式自动变速器上增设电机动力输入端，可适应国内制造工艺水平。然而，不可避免驱动总成尺寸大、控制难等问题，且同样无法实现发动机工作时转速与车速的解耦。
缺点4：
专利CN101439668A基于双离合器的定轴轮系自动变速器来实现混合动力多模式驱动，同样存在总成尺寸大、轮齿强度要求高、无法发动机转速与车速的解耦。
缺点5：
专利CN10333212A采用电机和发动机交错轴布置，因此增设了一组换向齿轮。此外，电机不经过行星轮系的单独电驱动时需增加一组定轴齿轮来减小电机的匹配扭矩。显然，该***结构相对复杂及提高了成本。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于动力耦合器的单电机混合驱动***，旨在解决目前无法以简单的结构实现并联式混合动力长时间运行，无法实现发动机工作时转速与车速的解耦的等问题，且在发动机坏了时就无法启动，或者在电动机坏了的情况下无法启动。为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于动力耦合器的单电机混合驱动***，包括壳体、发动机、电机、第一离合器、第二离合器和行星轮机构；所述行星轮包括齿圈、行星轮、太阳轮和行星架，所述壳体上设有齿圈制动器，所述齿圈与行星轮啮合，所述行星轮与太阳轮啮合，所述行星轮设置在行星架上，所述行星架设有行星架输出转轴；发动机通过转轴第一离合器与电机连接，所述电机通过第二离合器与齿圈连接，发动机的转轴与太阳轮的转轴连接，所述发动机的转轴、电机的转轴、太阳轮的转轴和行星架输出转轴同轴设置。
作为本发明的一种优选结构，所述发动机的转轴通过单向离合器与太阳轮的转轴连接。
作为本发明的一种优选结构，所述电机的转轴为轴套结构，所述发动机转轴贯穿电机转轴轴套与太阳轮转轴连接。
作为本发明的一种优选结构，还包括差速器，所述差速器设置在行星架输出端，所述行星架输出转轴与差速器的输入端连接，差速器的两个输出端口分别通过半轴与左右驱动轮连接。
作为本发明的一种优选结构，所述行星架输出转轴通过轴承设置在壳体上。
有益效果：通过双离合的设置，第一离合器设置发动机和电机支架，第二离合设置在电机和行星轮支架，使的车辆可以以简单的结构实现单动力运行和双动力运行的多种模式，且能够实现长时间的并联式混合动力长时间双动力驱动；实现发动机工作时转速与车速的解耦的等问题，并且能够在发动机或者电动机有一个是坏的情况下可以启动，开往修车厂；适应车辆各种运行工况，相对现有的各种专利技术，模式多而灵活，并且构型并不复杂，可靠性高。
附图说明
图1为本发明一种基于动力耦合器的单电机混合驱动***简图；
图2发动机的万有特性图。
标号说明：
101.发动机；
102.电机；
103.轴套；
104.轴承；
201.第一离合器；
202.第二离合器；
203.单项离合器；
300.行星轮机构；
301.齿圈；
302.太阳轮；
303.行星轮；
304.行星架；
305.制动器；
306.行星架输出转轴；
401.壳体。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
请一并参照图1，如图所示可知，本发明一种基于动力耦合器的单电机混合驱动***，其特征在于：包括壳体401、发动机101、电机102、第一离合器201、第二离合器202和行星轮机构300；所述行星轮包括齿圈301、行星轮303、太阳轮302和行星架304，所述壳体401上设有齿圈制动器305，所述齿圈与行星轮啮合，所述行星轮与太阳轮啮合，所述行星轮设置在行星架上，所述行星架设有行星架输出转轴306。所述行星架输出转轴通过轴承104设置在壳体上；发动机通过转轴第一离合器与电机连接，所述电机通过第二离合器与齿圈连接，第一离合器主要用于转矩耦合，第二离合主要用于转速耦合，所述发动机的转轴通过单向离合器203与太阳轮的转轴连接，所述发动机的转轴、电机的转轴、太阳轮的转轴和行星架输出转轴同轴设置。
本发明的一种优选实施例所述电机的转轴为轴套结构，所述发动机转轴贯穿电机转轴轴套103与太阳轮转轴连接。
本发明的一种优选实施例还包括差速器，所述差速器设置在行星架输出端，所述行星架输出转轴与差速器的输入端连接，差速器的两个输出端口分别通过半轴与左右驱动轮连接。
在另一种实施例基于动力耦合器的单电机混合驱动***，其包括上述所述的一种基于动力耦合器的单电机混合驱动***，其工作模式包括：怠速发电、电机低速单驱、发动机低速单驱、电机中速单驱、发动机中速单驱、中速双驱动、高速双驱动；
怠速发电：发动机开启，电机待机，第二离合器分离，第一离合器结合，制动器释放；发动机通过转轴带动太阳轮转动；发动机和电机转速相同，齿圈自由旋转，发动机通过电机发电；
电机低速单驱：发动机关闭，电机开启，第二离合器分离，第一离合器结合，制动器制动使齿圈固定；齿圈不动，太阳轮随电机转动，带动行星架转动，输出传动比为i＝1+k，其中i为输出传动比，k为齿圈齿数与太阳轮齿数之比，车辆纯电动低速驱动；
发动机低速单驱：发动机开启，电机待机，第二离合器分离，第一离合器分离，制动器制动；齿圈不动，太阳轮随发动机转动，带动行星架转动，输出传动比为i＝1+k，车辆纯发动机低速驱动；
电机中速单驱：发动机关闭，电机开启，第二离合器结合，第一离合器结合，制动器释放；齿圈转动，太阳轮随电机转动，齿圈和太阳轮带动行星架转动，其传动比为i＝1，车辆中速下纯电驱动；
发动机中速单驱：发动机开启，电机待机，第二离合器结合，第一离合器结合，制动器释放；齿圈转动，太阳轮随发动机转动，齿圈和太阳轮带动行星架转动，其传动比为i＝1，车辆中速下纯发动机驱动；
中速双驱动：发动机开启，电机开启，第二离合器结合，第一离合器结合，制动器释放；在第二离合器和第一离合器作用下行星轮系传动比为1，电机转矩和发动机转矩叠后经行星轮系对外输出，车辆为大扭矩中速双驱动；
高速双驱动：发动机开启，电机开启，第二离合器结合，第一离合器分离，制动器释放；电机带动齿圈旋转，发动机带动太阳轮旋转，齿圈和太阳轮带动行星架转动，电机转矩和发动机转矩叠加于行星架后对外输出，车辆为高速双驱动。
在另一种具体实施例中其工作原理和工作模式如下：
该驱动***主要由发动机Engine(以下缩写为E)和电机Motor(以下缩写为M)提供驱动力，电机转子和发动机曲轴之间布置第一离合器CT(以下缩写为CT)，主要用于转矩耦合；电机转子和齿圈R之间布置第二离合器CS(以下缩写为CS)，主要用于转速耦合；齿圈R上设置一个制动器B(以下缩写为B)，发动机曲轴通过单向离合器CD(以下缩写为CD)与太阳轮相连，动力只能从发动机单向传递向太阳轮轴，行星架与动力输出轴相连，经主减速器和差速器到差速器。该驱动***可实现多种驱动模式满足车辆高效运行，参表1分析各种驱动模式如下：
表1
表中：G表示电机发电状态、M电机表示驱动状态、W表示发动机工作状态、×表示非工作状态、√表示工作状态。其中CD不工作时会出现CD将发动机的转轴扭力输出至太阳轮，CD工作状态则指太阳轮的转动不能带动发动机的转动。
(1)怠速发电：此时CS分离，CT结合，B释放，CD将发动机动力传递到太阳轮轴。发动机和电机转速相同，而齿圈自由旋转，即ne＝nm及nC＝0。发动机可工作在高效转速和扭矩点并通过电机发电。该模式适用于车辆动力电源剩余电量不足且车辆怠速下实现快速高效充电。发动机高效率如图2万有特性图所示，对于不同的发动机均有类似特征。最省油的工作区在图2中245区域，具有一定宽度的转矩和转速区间。
(2)M低速单驱：此时CS分离，CT结合，B制动，CD使太阳轮轴动力无法传递到发动机。齿圈固定下行星轮系的作用如同“减速器”，其传动比为i＝1+k(k为齿圈齿数与太阳轮齿数之比)，即nC＝(1/(1+K))nm，TC＝(1+k)Tm。动力传递路线为：M→CT→太阳轮→行星架→动力输出轴→驱动桥。该模式适用于电量充足时车辆低速下纯电驱动，由于关闭发动机实现零排放。
(3)E低速单驱：此时CS分离，CT分离，B制动，CD将发动机动力传递到太阳轮轴。该模式动力传递路线为：E→太阳轮→行星架→动力输出轴→驱动桥。由于传动比为1+k，即nC＝(1/(1+k))ne，TC＝(1+k)Te，可满足纯发动机低速驱动。该模式适用于电机故障时避免拖车。
(4)M中速单驱：此时CS结合，CT结合，B释放，CD使太阳轮轴动力无法传递到发动机。由于太阳轮和齿圈齿圈在CS和CT作用下相当于固连一起，行星轮系的作用如同“传动轴”，其传动比为i＝1，即nC＝nm。动力传递路线为：M→行星轮系→行星架→动力输出轴→驱动桥。该模式适用于电量充足时车辆中速下纯电驱动，由于关闭发动机实现零排放。
(5)E中速单驱：此时CS结合，CT结合，B释放，CD将发动机动力传递到太阳轮轴。类似模式4，动力传递路线为：E→行星轮系→行星架C→动力输出轴→驱动桥。该模式适用于电量不足时车辆中速下纯发动机驱动。
(6)低速转矩耦合：此时CS分离，CT结合，B制动，CD将发动机动力传递到太阳轮轴。在CT作用下电机转矩和发动机转矩叠加于太阳轮，并经行星轮系减速增扭后对外输出，即TC＝(1+k)(Te+Tm)。动力传递路线为：E+M→太阳轮→行星轮系→行星架C→动力输出轴→驱动桥。该模式适用于车辆低速爬坡或急加速等大扭矩需求工况。
(7)中速转矩耦合：此时CS结合，CT结合，B释放，CD将发动机动力传递到太阳轮轴。在CS和CT作用下行星轮系传动比为1，电机转矩和发动机转矩叠后经行星轮系对外输出，即nC＝nm＝ne，TC＝Te+Tm。动力传递路线为：E+M→行星轮系→行星架C→动力输出轴→驱动桥。该模式适用于车辆中速下大扭矩需求工况。
(8)高速转速耦合：此时CS结合，CT分离，B释放，CD将发动机动力传递到太阳轮轴。电机带动齿圈旋转，发动机带动太阳轮旋转，行星架的转速由齿圈转速和太阳轮转速确定，即nC＝(1/(1+k))ne+(k/(1+k))nm。电机转矩和发动机转矩叠加于行星架后对外输出。动力传递路线为：(M→齿圈)+(E→太阳轮)→行星架→动力输出轴→驱动桥。该模式适用于车辆高速重载工况，利用电机的调速，可使发动机转速在不同车速下均工作于高效区。
(9)高速行车发电：此时CS结合，CT分离，B释放。行星轮系工作状态类似模式8，不同的是发动机的动力经行星轮系一部分驱动汽车运行，一部分经电机给电源充电。动力传递路线为：E→太阳轮→(行星架→输出)+(电机→齿圈回电)。该模式适用于车辆高速轻载工况，可使发动机处于高效区运转并同时回收一部分能量。该模式与模式8不同的地方在于电机工作在发电状态，而模式8中电机工作在驱动状态。
(10)制动回收：当车辆制动时，根据车辆不同车速状态，CS、CT、B对应动作，参表1后三种。而电机工作于发电状态，发动机不输出动力，实现动力回收。
当汽车发动机损坏时，则选用M低速单驱启动，然后后期切换到M中速单驱，开车至汽修厂进行维修；当汽车电动机损坏时，则选用E低速单驱启动，然后后期切换到E中速单驱，开车至汽修厂进行维修。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效形状或结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于动力耦合器的单电机混合驱动***，其特征在于：包括壳体、发动机、电机、第一离合器、第二离合器和行星轮机构；所述行星轮包括齿圈、行星轮、太阳轮和行星架，所述壳体上设有齿圈制动器，所述齿圈与行星轮啮合，所述行星轮与太阳轮啮合，所述行星轮设置在行星架上，所述行星架设有行星架输出转轴；发动机通过转轴第一离合器与电机连接，所述电机通过第二离合器与齿圈连接，发动机的转轴与太阳轮的转轴连接，所述发动机的转轴、电机的转轴、太阳轮的转轴和行星架输出转轴同轴设置。
2.根据权利要求1所述的基于动力耦合器的单电机混合驱动***，其特征在于：所述发动机的转轴通过单向离合器与太阳轮的转轴连接。
3.根据权利要求1所述的基于动力耦合器的单电机混合驱动***，其特征在于：所述电机的转轴为轴套结构，所述发动机转轴贯穿电机转轴轴套与太阳轮转轴连接。
4.根据权利要求1所述的基于动力耦合器的单电机混合驱动***，其特征在于：还包括差速器，所述差速器设置在行星架输出端，所述行星架输出转轴与差速器的输入端连接，所述差速器的两个输出端口分别通过半轴与左右驱动轮连接。
5.根据权利要求1所述的基于动力耦合器的单电机混合驱动***，其特征在于：所述行星架输出转轴通过轴承设置在壳体上。
6.一种基于动力耦合器的单电机混合驱动***，其特征在于：包括壳体、发动机、电机、第一离合器、第二离合器和行星轮机构；所述行星轮包括齿圈、行星轮、太阳轮和行星架，所述壳体上设有齿圈制动器，所述齿圈与行星轮啮合，所述行星轮与太阳轮啮合，所述行星轮设置在行星架上，所述行星架设有行星架输出转轴；发动机通过转轴第一离合器与电机连接，所述电机通过第二离合器与齿圈连接，发动机的转轴与太阳轮的转轴连接，所述发动机的转轴、电机的转轴、太阳轮的转轴和行星架输出转轴同轴设置；
所述发动机的转轴通过单项离合器与太阳轮的转轴连接；
所述电机的转轴为轴套结构，所述发动机转轴贯穿电机转轴轴套与太阳轮转轴连接；
还包括差速器，所述差速器设置在行星架输出端，所述行星架输出转轴与差速器的输入端连接，所述差速器的两个输出端口分别通过半轴与左右驱动轮连接；
所述单电机混合驱动***，其工作模式包括：怠速发电、电机低速单驱、发动机低速单驱、电机中速单驱、发动机中速单驱、中速双驱动、高速双驱动；
怠速发电：发动机开启，电机待机，第二离合器分离，第一离合器结合，制动器释放；发动机通过转轴带动太阳轮转动；发动机和电机转速相同，齿圈自由旋转，发动机通过电机发电；
电机低速单驱：发动机关闭，电机开启，第二离合器分离，第一离合器结合，制动器制动使齿圈固定；齿圈不动，太阳轮随电机转动，带动行星架转动，输出传动比为i＝1+k，其中i为输出传动比，k为齿圈齿数与太阳轮齿数之比，车辆纯电动低速驱动；
发动机低速单驱：发动机开启，电机待机，第二离合器分离，第一离合器分离，制动器制动；齿圈不动，太阳轮随发动机转动，带动行星架转动，输出传动比为i＝1+k，车辆纯发动机低速驱动；
电机中速单驱：发动机关闭，电机开启，第二离合器结合，第一离合器结合，制动器释放；齿圈转动，太阳轮随电机转动，齿圈和太阳轮带动行星架转动，其传动比为i＝1，车辆中速下纯电驱动；
发动机中速单驱：发动机开启，电机待机，第二离合器结合，第一离合器结合，制动器释放；齿圈转动，太阳轮随发动机转动，齿圈和太阳轮带动行星架转动，其传动比为i＝1，车辆中速下纯发动机驱动；
中速双驱动：发动机开启，电机开启，第二离合器结合，第一离合器结合，制动器释放；在第二离合器和第一离合器作用下行星轮系传动比为1，电机转矩和发动机转矩叠后经行星轮系对外输出，车辆为大扭矩中速双驱动；
高速双驱动：发动机开启，电机开启，第二离合器结合，第一离合器分离，制动器释放；电机带动齿圈旋转，发动机带动太阳轮旋转，齿圈和太阳轮带动行星架转动，电机转矩和发动机转矩叠加于行星架后对外输出，车辆为高速双驱动。
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