CN108340765B - 一种混合动力汽车电动增速离合器 - Google Patents

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Abstract

一种混合动力汽车电动增速离合器及其控制方法，包括减速电机、丝杠螺母机构、外壳、制动卡钳、行星轮系组件，外壳为上方下圆的盘式壳体结构，在圆形区域安装行星轮系组件；太阳轮通过固定在行星架的轴上，行星齿轮固定在行星架上，行星架嵌入外齿圈，行星齿轮与太阳轮、外齿圈分别啮合；在外齿圈外部依次设有内转毂、减震器外壳，减震器外壳通过螺栓固定在外齿圈上；在减震器外壳、内转毂和外齿圈上分别对应开设四个矩形槽，且每个矩形槽内安装扭转弹簧；行星架通过穿过太阳轮的轴与发动机相连；减速电机与丝杠螺母机构相连，丝杠螺母机构通过钢线与制动卡钳相连，制动卡钳浮动安装在外壳中，制动卡钳设有两个摩擦片。本发明具有结构精简、轴向尺寸短、减少扭转振动等优点。

Description

一种混合动力汽车电动增速离合器
技术领域
发明涉及混合动力汽车技术领域，具体是一种混合动力汽车电动增速离合器及其控制方法。
背景技术
发展新能源汽车是实现节能减排和汽车产业可持续发展的必然选择。近几年，纯电动汽车和燃料电池电动汽车相关技术取得了快速发展，但由于蓄电池和燃料电池仍存在能量密度低、使用寿命短、价格高等问题,使二者的产业化进程受到了严重限制。混合动力电动汽车作为燃油汽车向纯电动汽车的过渡车型，可以将发动机和驱动电机的动力耦合，既可以利用发动机持续工作时间长,动力性好的优点,又能够发挥电机低速大扭矩、高效率、低噪声的好处。在发动机和驱动电机的共同作用下，混合动力电动汽车通过优势互补可以大幅提升整车的驱动效率并减少排放。推广混合动力电动汽车，是汽车产业在动力电池技术没有完全解决的大背景下推动新能源汽车发展的主要途径。
混合动力汽车按驱动形式可分为串联式、并联式和混联式三种。目前，同轴并联和混联已经成为混合动力汽车的主要驱动形式，这就需要占用较大的轴向空间。大的轴向长度必然会影响整车布置，对于后驱车型而言，通过调整空间布局可以适当解决，但影响整体美观和乘坐舒适性；对于前驱车型而言，驱动***要布置在两侧驱动轮中间，却存在很大的问题。很多车型采用牺牲电动机和发动机的功率或者选择更宽的车身来解决轴向空间不足的问题，导致了车型小动力不足，车型大经济性不好的矛盾。因此，整套混合动力***必须具备较紧凑的轴向尺寸。
发动机是一个复杂的机械***，受其结构和燃烧原理的限制，发动机在低转速下无法正常工作，而其高效率区也一般在1800-2500rad/min。电动机受到电磁感应特性的影响，从0转速到最高转速区间可连续工作，其高效率区间一般在3000-6000rad/min。可见，发动机与电动机工作特性不一致，高效区间也存在较大的转速差，若需发动机与电动机高效同轴工作，就需要在两者之间加入起到离合和增速效果的耦合装置，使混合动力电动汽车能够自由、流畅的切换驱动模式并将发动机和电机的高效率区间匹配一致。
随着汽车技术的发展，不同品牌混合动力汽车的使用性能以及安全性基本得到了保障，于是，乘坐舒适性就成为了市场竞争的重点，而NVH问题作为整车舒适性的重要指标，成为人们热切关注的内容。振动作为NVH的一个重要指标，也逐渐被重视起来。发动机工作时产生的激振和混合动力***模式切换时产生的冲击是混合动力汽车振动的两个重要原因，所以在混合动力***的传动总成中必须包含减震装置。
发明内容
本发明目的在于提供一种结构精简、轴向尺寸短、减少传动***的扭转振动、专门用于混合动力汽车发动机与驱动电机之间的连接的混合动力汽车电动增速离合器及其控制方法。
为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述混合动力汽车电动增速离合器，主要包括减速电机、丝杠螺母机构、外壳、制动卡钳、行星轮系组件，所述外壳为上方下圆的盘式壳体结构，在圆形区域安装由太阳轮、行星齿轮、行星架、外齿圈组成的行星轮系组件；太阳轮通过轴承固定在行星架的轴上，行星齿轮通过轴和轴承固定在行星架上，行星架嵌入外齿圈，行星齿轮与太阳轮、外齿圈分别啮合；在外齿圈外部依次设有内转毂、减震器外壳，减震器外壳通过螺栓固定在外齿圈上，内转毂夹在减震器外壳与外齿圈之间；在减震器外壳、内转毂和外齿圈上分别对应开设四个矩形槽，减震器外壳、内转毂和外齿圈的每个矩形槽内安装扭转弹簧；行星架通过穿过太阳轮的轴与发动机相连，发动机的动力经过行星架传入行星轮系，行星架旋转带动行星齿轮绕行星架轴心转动；减速电机的输出端与丝杠螺母机构相连，丝杠螺母机构通过钢线与制动卡钳相连，在外壳的方形区域处加工梯形凹槽，所述制动卡钳浮动安装在外壳的梯形凹槽中，制动卡钳设有两个摩擦片，且两片摩擦片设置在行星轮系的太阳轮两侧。
进一步的，所述丝杠螺母机构与钢线连接处安装拉力传感器。
进一步的，所述制动卡钳包括扇形摇臂、固定螺栓、旋转推杆、扭转弹簧、卡钳外壳、摩擦片调整螺栓、外壳安装螺丝、两个摩擦片、回位弹簧、旋转推杆、螺母、螺栓和垫片；制动卡钳外壳分为两部分，两部分通过螺栓连接；两个摩擦片为矩形，在摩擦片上部有圆形安装孔，两个摩擦片通过安装孔安装在两个固定螺栓上；回位弹簧安装在两个摩擦片之间；旋转推杆安装在制动卡钳一侧的外壳，旋转推杆内斜面和外壳的斜面接触，旋转时产生水平推力；扇形摇臂安装在旋转推杆上并通过固定螺栓和垫片进行固定；扭转弹簧安装在扇形摇臂和外壳之间，扭转弹簧一端固定在扇形摇臂的安装孔内，另一端固定在外壳的安装孔内。
进一步的，所述行星架的外形为三角形，在行星架的每个角上固定1个轴，每个轴上安装行星齿轮，行星齿轮与轴之间通过轴承相连，行星齿轮与太阳轮和外齿圈啮合。
进一步的，所述钢线置于钢线壳体中，钢线壳体通过支座固定在外壳上。
进一步的，所述制动卡钳增速离合器外壳上部有梯形凹槽，凹槽两侧有圆形通孔，制动卡钳外壳圆形通孔通过销轴与凹槽两侧圆形通孔保持同心，并且制动卡钳可以在圆柱销轴上滑动。制动卡钳外壳与凹槽内壁之间安装弹簧，通过弹簧限制制动卡钳的位移。
本发明所述的混合动力汽车电动增速离合器的控制方法，当汽车状态需要发动机工作时，整车控制器控制离合器减速电机工作，通过丝杠螺母机构、拉力传感器和钢线拉动扇形摇臂旋转，制动卡钳锁死太阳轮，拉力传感器将测得的拉力值反馈到车辆控制器，当拉力传感器数值满足制动力要求，减速电机停止旋转，此时行星轮系只有一个自由度，增速离合器处于传动状态；当汽车状态不需要发动机工作时，控制器控制减速电机工作，通过丝杠螺母结构、拉力传感器和钢线释放扇形摇臂，制动卡钳回到初始位置，当拉力传感器数值减小到预设值时，减速电机停止工作，此时行星轮系的太阳轮随发动机转动，行星轮系具有两个自由度，增速离合器处于分离状态不传递动力，此时太阳轮辐板可以代替发动机飞轮的转动惯量，保证发动机的稳定工作。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、集合了混合动力电动汽车发动机与电动机相连所必需的功能，与传统的混合动力电动汽车中每个元件单独安装相比减小了轴向所占用的尺寸。
2、整体结构精简，制造成本低，拆装简单，为实现高性能的混合动力***开发提供了关键硬件支持。
3、离合制动力可控，便于操作和调整。
附图说明
图1为本发明增速离合器的整体机构示意图。
图2为本发明增速离合器的三维图。
图3为本发明中的浮动卡钳安装示意图。
图4为本发明中的行星齿轮副左视***图。
图5为本发明中的行星齿轮副右视***图。
图6为本发明中的卡钳***图。
图7为本发明增速离合器的控制逻辑图。
附图标号：1-减速电机、2-拉力传感器、3-钢线外壳、4-钢线、5-扇形摇臂、6-浮动弹簧、7-制动卡钳外壳、8-调整螺栓、9-扭转减震器弹簧、10-内转毂、11-外齿圈、12-行星架、13-行星轮、14-太阳轮、15-摩擦片、16-旋转推杆、17-丝杠螺母机构、18-扭转减震器外壳、19-紧固螺栓、20-扭转弹簧、21-安装螺栓、22-回位弹簧、23-螺母、24-螺栓、25-垫片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1、2、3所示，本发明主要包括减速电机1、丝杠螺母机构17、外壳26、制动卡钳组件、行星轮系组件，所述外壳为上方下圆的盘式壳体结构，在圆形区域安装由太阳轮14、行星齿轮13、行星架12、外齿圈11组成的行星轮系组件；如图4、5所示，太阳轮通过轴承固定在行星架的轴上，行星齿轮通过轴和轴承固定在行星架上，行星架嵌入外齿圈，行星齿轮与太阳轮、外齿圈分别啮合；在外齿圈外部依次设有内转毂10、减震器外壳18，减震器外壳通过螺栓固定在外齿圈上，内转毂10夹在减震器外壳18与外齿圈11之间；在减震器外壳18、内转毂10和外齿圈11上分别对应开设四个矩形槽，减震器外壳、内转毂和外齿圈的每个矩形槽内安装扭转弹簧9，动力传输过程中，若有扭转振动或冲击，内转毂与减震器外壳和外齿圈之间会产生摩擦滑动并压缩扭转弹簧，振动和冲击会得到衰减。扭转减震器内转毂花键轴作为增速离合器输出端与电动机相连，扭转减震器外壳与行星轮系的外齿圈共同组成扭转减震器壳体。扭转减震器外壳通过螺栓固定在外齿圈上，扭转减震器外壳为碟状，中部有圆形凹槽，内转毂夹在扭转减震器壳体的圆形凹槽中。减震器外壳、外齿圈和内转毂上有四个矩形凹槽，每个矩形凹槽分别固定一个扭转弹簧，减震器在工作时通过摩擦力和扭转弹簧传递动力，并且在传递动力的过程中减缓发动机和切换模式时产生的振动和冲击。
行星架通过穿过太阳轮的轴与发动机相连，发动机的动力经过行星架传入行星轮系，行星架旋转带动行星齿轮绕行星架轴心转动；减速电机的输出端与丝杠螺母机构相连，丝杠螺母机构通过钢线4与制动卡钳相连，在外壳的方形区域处加工梯形凹槽，所述制动卡钳通过浮动弹簧6浮动安装在外壳的梯形凹槽中，使制动卡钳外壳具有固定的初始位置。制动卡钳设有两个摩擦片15，且两片摩擦片设置在行星轮系的太阳轮两侧。行星齿轮系外齿圈同时还作为扭转减震器的外壳，作用是将行星齿轮传递的动力传给扭转减震器。行星齿轮系的行星架花键套与发动机相连，行星架花键轴套通过轴承与外壳相连，行星架外形为三角形，在每个角上固定1个轴，每个轴上安装行星齿轮，行星齿轮与轴之间通过轴承相连，行星齿轮同时与太阳轮和外齿圈啮合。当太阳轮固定时，行星齿轮通过与太阳轮啮合将行星架传递的动力传递到外齿圈，并在此过程中进行了增速。行星齿轮系的太阳轮做了特殊的改进，在普通齿轮上增加了辐板，辐板置于制动卡钳两个摩擦片之间，作为离合器的摩擦片，以便制动太阳轮，在制动过程中，其中一侧摩擦片所受的压力大于另一侧时，制动卡钳壳体会克服定位弹簧的弹力朝合力的方向移动，直至制动卡钳两摩擦片受力均匀。当太阳轮未被制动卡钳锁死，发动机传递的动力会经过太阳轮的自由转动释放掉，不会将动力传递到外齿圈输出；太阳轮被锁死后，行星齿轮将动力传递至外齿圈，根据行星齿轮动力传递特性，外齿圈的转速会大于行星架，此时行星轮系实现增速功能。
如图6所示，所述制动卡钳装置，包括扇形摇臂固定螺栓，扇形摇臂，扭转弹簧，外壳，调整螺丝，外壳安装螺丝，摩擦片，回位弹簧，旋转推杆，螺母，螺栓和垫片。制动卡钳外壳分为两部分，两部分通过螺栓连接；摩擦片为矩形，在摩擦片上部有圆形安装孔，两个摩擦片通过安装孔安装在两个固定螺栓上；回位弹簧安装在两个摩擦片之间，使摩擦片在不受外力的情况下，分布在两侧；旋转推杆安装在制动卡钳一侧的外壳，旋转推杆内斜面和外壳的斜面接触，旋转时产生水平推力；扇形摇臂安装在旋转推杆上，并通过固定螺栓和垫片固定；扭转弹簧安装在扇形摇臂和外壳之间，扭转弹簧一端固定在扇形摇臂的安装孔内，另一端固定在外壳的安装孔内。当制动卡钳工作时，电机通过钢丝拉动扇形摇臂旋转，扇形摇臂带动推杆旋转，旋转推杆与壳体相互作用产生水平推力，推动摩擦片克服回位弹簧的推力产生轴向移动，从而夹紧太阳轮辐板，限制太阳轮转动，此时为离合器闭合状态；当制动卡钳不工作时，扇形摇臂和摩擦片在回位弹簧和扭转弹簧的弹力下回到初始位置。
增速离合器制动卡钳置于外壳顶部梯形凹槽中，制动卡钳外壳通过圆柱销轴与壳体相连，销轴上的定位弹簧使其不能在销轴上自由滑动。制动卡钳的两个摩擦片通过销轴固定在制动卡钳外壳中，使其能沿销轴方向滑动，两摩擦片之间安装回位弹簧，使摩擦片分别置于两侧并限制摩擦片的自由滑动。外壳的一侧装有旋转推杆，旋转推杆一端为扁圆形，与扇形摇臂配合相连，中部有楔形斜面与制动卡钳外壳内部的圆形斜面接合，当旋转推杆转动时产生轴向的推力，旋转推杆另一端为圆柱形，端面与摩擦片背面的圆形凹槽接合相连；外壳的另一侧安装有调整螺栓，通过转动螺栓调整此侧摩擦片的基准位置；扇形摇臂的扇形角度为120°，圆心有扁圆形孔，圆周上有倒梯形凹槽作为钢丝的导向槽，在凹槽的一端装有固定螺栓用来固定钢丝。
减速电机固定在外壳的侧面，减速电机的输出端与丝杠螺母机构相连，通过丝杠螺母机构将转动变为直线运动。丝杠螺母的输出端与拉力传感器相连，拉力传感器的另一端通过钢丝与扇形摇臂相连。钢丝置于专用的壳体中，钢丝壳体通过支座固定在壳体上。当减速电机接收到锁紧信号后开始转动，带动丝杠螺母机构转动；丝杠螺母机构将转动变成直线运动，拉动拉力传感器，拉力传感器拉动钢丝带动卡钳扇形摇臂旋转，扇形摇臂带动旋转推杆转动，旋转推杆推动摩擦片夹紧太阳轮辐板。因卡钳摇臂采用的扇形摇臂，所以在锁紧过程，电机的拉力与卡钳的加紧力呈线性关系，用拉力传感器检测钢丝的拉力，即卡钳的制动力，当拉力达到目标值，控制器让电机停止工作；当卡钳摩擦片磨损后可以旋转调节螺栓补偿磨损，卡钳采用浮动安装，通过浮动弹簧来保证卡钳壳体安装位置，制动时可通过轻微的浮动来使卡钳制的两个摩擦片均匀受力。
如图7所示，本发明所述的一种混合动力汽车电动增速离合器的控制方法，当汽车状态需要发动机工作时，整车控制器控制离合器减速电机工作，通过丝杠螺母机构、拉力传感器和钢线拉动扇形摇臂旋转，制动卡钳锁死太阳轮，拉力传感器将测得的拉力值反馈到车辆控制器，当拉力传感器数值满足制动力要求，减速电机停止旋转，此时行星轮系只有一个自由度，增速离合器处于传动状态；当汽车状态不需要发动机工作时，控制器控制减速电机工作，通过丝杠螺母结构、拉力传感器和钢线释放扇形摇臂，制动卡钳回到初始位置，当拉力传感器数值减小到预设值时，减速电机停止工作，此时行星轮系的太阳轮随发动机转动，行星轮系具有两个自由度，增速离合器处于分离状态不传递动力，此时太阳轮辐板可以代替发动机飞轮的转动惯量，保证发动机的稳定工作。
以上所述的实施实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种混合动力汽车电动增速离合器，主要包括减速电机、丝杠螺母机构、外壳、制动卡钳、行星轮系组件，其特征在于：所述外壳为上方下圆的盘式壳体结构，在圆形区域安装由太阳轮、行星齿轮、行星架、外齿圈组成的行星轮系组件；太阳轮通过轴承固定在行星架的轴上，行星齿轮通过轴和轴承固定在行星架上，行星架嵌入外齿圈，行星齿轮与太阳轮、外齿圈分别啮合；在外齿圈外部依次设有内转毂、减震器外壳，减震器外壳通过螺栓固定在外齿圈上，内转毂夹在减震器外壳与外齿圈之间；在减震器外壳、内转毂和外齿圈上分别对应开设四个矩形槽，减震器外壳、内转毂和外齿圈的每个矩形槽内安装扭转弹簧；行星架通过穿过太阳轮的轴与发动机相连，发动机的动力经过行星架传入行星轮系，行星架旋转带动行星齿轮绕行星架轴心转动；减速电机的输出端与丝杠螺母机构相连，丝杠螺母机构通过钢线与制动卡钳相连，在外壳的方形区域处加工梯形凹槽，所述制动卡钳浮动安装在外壳的梯形凹槽中，制动卡钳设有两个摩擦片，且两片摩擦片设置在行星轮系的太阳轮两侧。
2.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车电动增速离合器，其特征在于：所述丝杠螺母机构与钢线连接处安装拉力传感器。
3.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车电动增速离合器，其特征在于：所述行星架的外形为三角形，在行星架的每个角上固定一个轴，每个轴上安装行星齿轮，行星齿轮与轴之间通过轴承相连，行星齿轮与太阳轮和外齿圈啮合。
4.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车电动增速离合器，其特征在于：所述钢线置于钢线壳体中，钢线壳体通过支座固定在外壳上。
5.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车电动增速离合器，其特征在于：所述外壳上部有梯形凹槽，凹槽两侧有圆形通孔，制动卡钳外壳圆形通孔通过销轴与凹槽两侧圆形通孔保持同心，且制动卡钳可以在圆柱销轴上滑动；制动卡钳外壳与凹槽内壁之间安装弹簧，通过弹簧限制制动卡钳的位移。
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