CN1888475A - 机电混合电控无级变速驱动*** - Google Patents

机电混合电控无级变速驱动*** Download PDF

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CN1888475A CNA2006100288902A CN200610028890A CN1888475A CN 1888475 A CN1888475 A CN 1888475A CN A2006100288902 A CNA2006100288902 A CN A2006100288902A CN 200610028890 A CN200610028890 A CN 200610028890A CN 1888475 A CN1888475 A CN 1888475A
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    • F16H3/00—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion
    • F16H3/44—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion
    • F16H3/72—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion with a secondary drive, e.g. regulating motor, in order to vary speed continuously
    • F16H3/727—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion with a secondary drive, e.g. regulating motor, in order to vary speed continuously with at least two dynamo electric machines for creating an electric power path inside the gearing, e.g. using generator and motor for a variable power torque path

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Abstract

一种机电混合电控无级变速驱动***，属于车辆技术领域。本发明包括一个内燃机、一个扭转减振器、两个行星轮系，两个电机，两根传动轴，一个壳体和一个离合器，内燃机经过扭转减振器、第一传动轴与第一行星轮系的行星架相连，第一电机与第一行星轮系的太阳轮相连，第一行星轮系的内齿圈经过第二传动轴与第二行星轮系的行星架相连，第二电机与第二行星轮系的太阳轮相连，离合器主动盘与第一传动轴相连，从动盘与第二传动轴或第一电机的转子相连。本发明结构简单紧凑，整个***设计匹配参数少，便于设计、制造、匹配和维护。通过高性能的电机控制***和控制方法，能够实现全速区无级变速调节，高效率的齿轮传动保证了整个***的传动效率。

Description

机电混合电控无级变速驱动***
技术领域
本发明涉及的是一种车辆技术领域的驱动***，具体是一种机电混合电控无级变速驱动***。
背景技术
按照车辆驱动***的工作方式，一般将混合动力车辆归类为串联式、并联式和混联式。混联式能够同时通过串联和并联的方式传递动力，一般我们认为混联式***在对车辆整体性能的改善上是优于前两种方式的。本发明设计的驱动***就是一种混联式车辆驱动***。
在车辆的变速方面，混联式混合动力汽车需要自动变速。在混联式混合动力汽车中，有时需要内燃机单独驱动，有时需要电动机单独驱动，有时又需要两者共同驱动，因此需要一种合适的传动***进行动力的切换、合并和调整传动比，实现能量自动管理，提高整车经济性，改善车辆动力性和行驶平顺性。显然手动变速器很能满足这样的要求，必须采用自动变速器。现有的自动变速器有液力机械式自动变速器(AT)、无级变速自动变速器(CVT)和机械式自动变速器(AMT)。AT所采用的液力变矩器传动效率低下，CVT靠摩擦传动，传递的力矩有限；而AMT的离合器起步控制、动力传递平顺性控制都比较困难。此外，混联混合动力汽车还需要一个动力耦合装置将内燃机的动力和电动机的动力汇聚后传递到车轮，并且两种动力源有多种组合运行方式，混联式混合动力汽车最大的技术难题莫过于对两种动力源的协调控制。
将动力耦合装置、变速器和电动机三者有机的结合在一起，形成一种新型的变速驱动总成，可以提供解决以上问题的有效途径。
经过对现有相关技术文献进行检索，发现中国专利申请号：200410021278.3，专利名称：高效节能机电混合无级变速器。该专利技术自述为：一种高效节能机电混合无级变速器，包括三个同轴行星轮系，两个电机、一个控制器、两个动力传输轴和至少两个离合器，三个行星轮系耦合成一个五枝***，五枝***的第一枝与第一个电机联接，第五枝与第二个电机相联，第三枝与第一个动力传输轴相联，第二个动力传输轴则通过离合器有选择性地与第二枝或第四枝耦合，两电机间通过电气连接并相互传递电能。根据该专利申请的自述，它的优点是传动效率高，输出/输入速比和动力进行调节范围宽，可实现不间断的无级变速且无需启动装置，能够大幅度提高整车的燃油效率。但是，该发明也存在一些问题：(a)由于该发明大量采用离合器，并且采用了三个行星轮结构和大量传动齿轮机构，使得它在重量和体积上并不占据优势，而且使整个***在润滑、冷却和绝缘等方面的设计和制造变得复杂；(b)该***大量采用离合器，在整个***控制过程中，需要在每个速度区的节点控制不同离合器的离合状态以保证不同速度区域的传动动力切换，这样增大了控制的复杂程度，降低了可靠性和动力传动平稳性。并且在大量采用离合器传递动力的同时，***的传动效率得不到保证；(c)该***的设计匹配参数(无论是机械参数还是电气参数)都较多，使得***设计匹配复杂，限制了***的广泛适用性、可移植性和可优化能力。
发明内容
本发明针对现有技术的上述不足，提供一种机电混合电控无级变速驱动***。本发明机构只采用两个行星轮系和一个离合器，结构简单紧凑，整个***设计匹配参数少，便于设计、制造、匹配和维护。通过高性能的电机控制***和控制方法，能够实现全速区无级变速调节，高效率的齿轮传动保证了整个***的传动效率。
本发明包括内燃机、一个扭转减振器、两个行星轮系、两个电机、两根传动轴和一个壳体，每个行星轮系均由同轴的太阳轮、行星架、内齿圈和连接太阳轮和内齿圈的行星轮组成；同时该***可以根据不同的实施方案装配一个离合器。内燃机输出轴经过扭转减振器与第一传动轴相连，第一传动轴与第一行星轮系的行星架相连，第一行星轮系的太阳轮与第一电机的转子相连，第一行星轮系的内齿圈与第二传动轴相连，第二传动轴与第二行星轮系的行星架相连，第二行星轮系的太阳轮与第二电机的转子与相连，第二行星轮系的内齿圈固定在变速驱动***壳体的内壁，两个电机的定子均与壳体连接。壳体相当于一个变速箱箱体，与内燃机缸体相连。离合器可以根据需要布置在不同的位置，原则上离合器的主动盘与第一传动轴相连，离合器的从动盘可以与第二传动轴直接相连，或与第一电机的转子相连。离合器起到连接两根传动轴的作用，可将内燃机的动力直接传递给驱动轮，实现车辆巡航行驶时的高效动力传递。
所述的两根传动轴是同轴布置的，其中第一传动轴是动力输入轴，与内燃机相连；第二传动轴是动力输出轴，与驱动轮相连。
所述的第一电机和第一行星轮系是同轴布置的，第一电机的转子与第一行星轮系的太阳轮相连，并且内部为空，中间穿过第一传动轴；第二电机和第二行星轮系是同轴布置的，第二电机的转子与第二行星轮系的太阳轮相连，并且内部为空，中间穿过第二传动轴。
所述的两个行星轮系是同轴的，第一行星轮系的内齿圈和第二行星轮系的行星架相连，并且是通过一根传动轴连接的。第一行星轮系是一个二自由度的差动行星轮系，第一电机可以向正反两个方向任意旋转，并且转速是可控的，其转向和转速取决于内燃机的转速和车速。根据差动行星轮系各部件的转速关系，在内燃机转速(即第一行星轮系的行星架转速)一定的情况下，通过调节第一电机转子的转速(即第一行星轮系的太阳轮转速)便可以实现调节***的输出轴转速(即第二传动轴转速)。
所述的第二行星轮系是一个单自由度的简单行星轮系，相当于一个定轴齿轮传动，对第二电机起到减速和放大转矩的作用，第二电机的动力从太阳轮输入，经齿轮传动放大后由行星架输出。
所述的第二电机可以向正反两个方向任意旋转，并且输出转矩是可控的，其转矩的大小和方向取决于内燃机的工况和道路负载。通过调节第二电机的输出转矩，可以实现调节***的总输出转矩。
本发明没有专门用于反向驱动的传动装置，倒车是通过第二电机的反向驱动来实现的。
本发明中，两个电机都能够在电动机和发电机的功能之间切换，通过电机和内燃机之间的配合，可以通过多种方式调节整个***的输出功率，并调节内燃机的工作点(转速和负荷)。
本发明中，第一个行星轮系是一个差动行星轮系，在***中起到功率分流和汇流的作用，其太阳轮既可以作为功率输出部件也可以作为功率输入部件工作。来自内燃机的功率输入到第一行星轮系的行星架，通过功率分流分成两部分，一部分经第一行星轮系的太阳轮输出到第一电机，第一电机作为发电机工作吸收功率；另一部分经第一行星轮系的内齿圈输出到第二传动轴。第一电机作电动机工作时输出功率，并经太阳轮输入第一行星轮系，与内燃机的功率汇流后叠加到第一行星轮系的内齿圈输出。
本发明的工作原理是：(a)离合器分离情况：内燃机输出目标功率，第一个电机通过调速实现***的目标输出转速，第二个电机通过调节转矩实现***的目标输出转矩，整个***(包括两个电机)的运行能源最终来自与内燃机。在***的工作过程中，内燃机输出的动力通过第一传动轴输入给第一行星齿轮系的行星架，第一电机通过速度调节实现第一行星轮系的太阳轮转速，这样便确定了第一个行星轮系的内齿圈的转速，在这个过程中内燃机的输出转矩和电机的输出转矩都通过第一个行星齿轮系叠加输出到第一个行星轮系的内齿圈上，由于第一行星齿轮系内齿圈与第二传动轴刚性连接，所以第二传动轴的转速也确定；在第二传动轴上，第二电机的转矩通过第二行星轮系放大后与从第一行星轮系内齿圈传递来的转矩叠加并输出。所以，整个***的输出转速和转矩都是可以连续调节的，并且内燃机的转速和转矩均能最大限度地不受车辆行驶工况的影响。(b)离合器接合情况：离合器接合后，第一传动轴和第二传动轴被连接到一起，相互没有相对转速，内燃机的动力直接传递到第二传动轴并输出。第二电机的转矩通过第二行星齿轮系放大后在第二传动轴与来自内燃机的转矩叠加并输出。
两个电机在局部相当于一个混合动力串联***，但是相对于串联***而言该***的动力并不全部经过第一电机发电后传递给第二电机，而只是部分动力经过电机传递，并且***中存在一个实现动力直接输出的离合器，所以它比串联***的传动效率更高，更重要得是它能够在较宽的范围内无级调节***的输出速度和转矩。在动力调节方面，通过控制第一电机在发电、电动或空转模式下工作，并调节第一电机在不同工作模式的转速，可以实现调节内燃机在最佳的转速区工作；通过控制第二电机在发电、电动或空转模式下工作，并调节第二电机在不同工作模式下的输出转矩，可以实现调节内燃机在最佳的负荷工作。这样，通过协调控制内燃机、第一电机和第二电机的工作状态，就可以实现将内燃机控制在目标工作区运转，从而既能满足车辆驱动的动力性需要，又能大幅度提高车辆的燃油经济性和排放性能。
第二电机通过第二行星轮系的减速和转矩放大后经第二传动轴输出动力驱动车辆，而在车辆滑行、减速和制动工况时，第二电机可用作发电机来制动车辆，将车辆的动能转换成电能存入蓄电池，因而该***具备制动能量回收的功能。由于发电机与驱动轴之间只有固定齿轮传动，因而传动效率高，能量回收率也高，从而可以进一步提高车辆的燃油经济性。
相对于现有技术而言，本发明的优点在于：(a)只使用了两个行星齿轮机构和一个离合器，通过巧妙的机械结构联接设计，与两个电机相连，实现了内燃机与电机的功率分流和汇流，使***同时具有无级变速和电力驱动的功能，结构简单紧凑，整个***设计匹配参数少，便于设计、制造、匹配和维护；(b)整个***实现了全速度区域的无级变速控制，***在停车、行车和倒车过程中动力切换平稳；(c)***的应用范围广，通过改变设计参数，同样的结构可适用于轿车、皮卡、SUV等轻型车辆，也可适用于卡车、公交客车、旅游客车等重型车辆；(d)***的传动效率高，在车辆巡航行驶时可通过接合离合器实现内燃机动力到驱动轮的直接传递，可大幅度提高车辆的燃油经济性。
附图说明
图1是本发明第一实施方案的机电混合电控无级变速驱动***结构示意图。
图2是本发明第二实施方案的机电混合电控无级变速驱动***结构示意图。
图3是动力分流机构采用的动力分配行星齿轮的结构。
图4是离合器分离时整个驱动***中旋转部件转速服从的杠杆原理关系。
图5是第一实施方案的离合器控制液压管路正剖面示意图。
图6是第一实施方案的离合器控制液压管路A-A横剖面示意图。
具体实施方式
根据离合器的不同布置位置，可以有不同的实施方案。图1和图2为本发明的两种具体实施方案例。图1和图2中相同元件由相同的参考标号和字符表示。
在图1所示的第一实施方案中，该机电混合电控无级变速驱动***由内燃机1，扭转减振器2，壳体3，第一个电机4，第二个电机10，第一根传动轴15，第二根传动轴16，第一个行星齿轮系17，离合器9，第二个行星齿轮系18组成。其中，第一行星轮系17由同轴的太阳轮7、行星架8、内齿圈5和若干连接太阳轮和内齿圈的行星轮6组成，第二行星轮系18由同轴的太阳轮13、行星架14、内齿圈11和若干连接太阳轮和内齿圈的行星轮12组成。
除行星轮6和行星轮12外，图中标识的所有旋转部件均同轴转动。第一个行星齿轮系17是一个差动行星轮系，第二个行星齿轮系18的内齿圈固定在壳体3上。在该实施方案中，离合器9被布置在第一个行星齿轮系17内部，离合器9的主从动盘则被分别固定在第一根传动轴15和第二根传动16的一端，在***布置上这两端相互接近。在离合器9分离时，***以无级变速驱动的功能运行；离合器9闭合时，来自内燃机1的动力依次经过“扭转减振器2-第一根传动轴15-离合器9-第二根传动轴16”输出。
在图2所示的第二实施方案中，与第一实施方案唯一的不同在于离合器的布置位置。在第二实施方案中，离合器9被安装在第一个行星轮系17外部靠近内燃机的一侧，离合器9的主动盘与第一传动轴15相连，从动盘与第一电机4的转子连接。在离合器9分离时，***以无级变速驱动的功能运行；离合器9闭合时，第一行星轮系17的太阳轮7和行星架8被固联在一起，起到一个联轴器的作用，联接第一传动轴15和第二传动轴16，来自内燃机1的动力依次经过“扭转减振器2-第一根传动轴15-第一行星轮系17-第二根传动轴16”输出。
如图3所示，本发明使用了一个差动行星齿轮系作为动力分流机构。图中ω5、ω7、ω8分别表示第一个行星齿轮系17的内齿圈5、太阳轮7和行星架8的转速；T5、T7、T8分别表示第一个行星齿轮系17的内齿圈5、太阳轮7和行星架8的转矩。来自内燃机1的部分动力通过“行星架8-行星轮6-内齿圈5”输出，部分动力则通过“行星架8-行星轮6-太阳轮7”输出到第一个电机4并被第一个电机4吸收，同时通过调节与太阳轮7连接的电机4的转子转速实现目标输出转矩。第二个行星齿轮系18与第一个行星齿轮系结构类似，区别在于第二个行星齿轮系18的内齿圈11与壳体3固定在一起，即相对于车体内齿圈171转速为零，这样第二个行星齿轮系18的作用是放大第二个电机10的转矩，该转矩与来自第一个行星齿轮系17的转矩相加，调节第二个电机10的输出转矩可以实现整个***的目标输出转矩。在***需要大功率输出的时候，第一个电机4也可以利用来自储能器的能量输出动力到第一个行星系17的太阳轮7，这样第一个行星齿轮系17可以作为一个动力汇流机构将来自内燃机1和第一个电机4的动力汇流后通过内齿圈5输出。
如图4所示，一个行星轮系至少有三个同轴转动部件内齿圈、行星架和太阳轮。根据行星齿轮动力学特性，两个行星齿轮系的部件转速存在线性关系，按照杠杆原理绘制各个部件的转速梯图，它们的转速向量的终点始终落在一条直线(速度线)上。图中ρ17(ρ17＜1)、ρ18(ρ18＜1)分别代表第一个行星齿轮系17和第二个行星齿轮系18的特征值，也就是每个行星齿轮系太阳轮齿数与内齿圈齿数的比值。由于第二个行星齿轮系18的内齿圈11固定在壳体3上，所以内齿圈11的转速始终为零。
如图5所示，采用实施方案一时，由于整个离合器布置在行星齿轮系17的内部，导致无法通过直接的机械方式或电控方式控制离合器的执行机构。鉴于上述考虑，离合器采用液压控制方式，液压油通过一条在传动轴内部的油路从外部进入行星齿轮系17内部。考虑到第二根传动轴16的运转速度较第一根传动轴15低，该进入行星齿轮系17的油路布置在第二根传动轴16的中心线上且油路走向与传动轴平行。由于传动轴一直处于运动状态，导致油路的进油口和出油口也是在旋转的，所以油口需要密封在旋转轴承内部。
如图5所示，图4中的油路的进油口采用“+”字结构。即在垂直第二根传动轴16中心线方向加工两个通孔，该通孔通过中心线且相互垂直。出油口可以采用类似的结构。
通过调节内燃机1、第一个电机4和第二个电机10的运行状态，可以实现不同的运行工况，总体来说，根据功率流的方向，该驱动***存在表1中的20种工况。
                             表1  驱动***工况表
  工况编号   内燃机1   第二电机10   离合器9   第一电机4
  工作模式   转向   工作模式   转向
  1   +   + + - 根据内燃机以及输出转速的要求调节电机4转速。当ω7＞0时作发电机吸收功；当ω7＜0时作电动机输出功。
  2   +   -   -
  3   +   ○   -
  4   ○   +   +   -
  5   ○   -   -
  6   ○   ○   -
  7   +   +   +   +   +   -
  8   +   +   +   ○
  9   +   +   +   -   +
  10   +   -   +   +   -
  11   +   -   +   ○
  12   +   -   +   -   +
  13   ○   +   +   +   -
  14   ○   +   +   ○
  15   ○   +   +   -   +
  16   ○   -   +   +   -
  17   ○   -   +   ○
  18   ○   -   +   -   +
  19   ○   +  -   -   ○
  20   +   ○   -   -   +
说明：(1)内燃机：+表示工作，○表示关机；
(2)电机工作模式：+表示作电动机工作输出功，-表示作发电机工作吸收功，○表示不工作或空转；
(3)电机转向：+表示正向，-表示反向；电机转向在与车辆前进方向相同时为正，反之为反向；
(4)离合器：+表示离合器接合，-表示离合器分离。
根据离合器9的开合状态可以分为：
A.离合器9分离工况1-6，19-12；
B.离合器9闭合工况7-18。
根据动力源以及车辆工作状态可以分为：
A.纯电动驱动工况13-19，4-6；
B.混合驱动工况1-3，7-12；
C.电动倒车工况19；
D.驻车充电工况20。
其中工况1-6离合器分离的情况下，行星齿轮17为二自由度的差动齿轮，此时行星齿轮17起到功率分流并实现目标转矩和转速输出的作用，第一个电机4用来调节17各个机构之间的速度关系，第二个电机10用来调节输出力矩。工况7-18是在离合器接合的情况下，内燃机1、第一个电机4和第二个电机10互相配合实现的工况，这种情况下车速与内燃机速度成线性关系，用于车辆巡航行驶工况。工况19在离合器9分离情况下依靠第二个电机10反转实现倒车功能。工况20是在离合器9分离状态下的驻车充电工况。

Claims (8)

1.一种机电混合电控无级变速驱动***，包括：内燃机(1)、一个扭转减振器(2)、两个行星轮系(17、18)，两个电机(4、10)，两根传动轴(15、16)和一个壳体(3)，每个行星轮系均由同轴的太阳轮、行星架、内齿圈和若干连接太阳轮和内齿圈的行星轮组成，其特征在于：内燃机(1)的输出轴经过扭转减振器(2)与第一传动轴(15)相连，第一传动轴(15)与第一行星轮系(17)的行星架(8)相连，第一行星轮系(17)的太阳轮(7)与第一电机(4)的转子相连，第一行星轮系(17)的内齿圈(5)与第二传动轴(16)相连，第二传动轴(16)与第二行星轮系(18)的行星架(14)相连，第二行星轮系(18)的太阳轮(13)与第二电机(10)的转子与相连，第二行星轮系(18)的内齿圈(11)固定在变速驱动***壳体(3)的内壁，两个电机(4、10)的定子均与壳体(3)连接，壳体(3)是一个变速箱箱体，与内燃机(1)的缸体相连。
2.根据权利要求1所述的机电混合电控无级变速驱动***，其特征在于，还设有一个离合器(9)，离合器(9)的主动盘与第一传动轴(15)相连，离合器(9)的从动盘与第二传动轴(16)相连，或者与第一电机(4)的转子相连。
3.根据权利要求1或2所述的机电混合电控无级变速驱动***，其特征在于，两根传动轴(15、16)是同轴布置的，其中第一传动轴(15)是动力输入轴，与内燃机(1)相连，第二传动轴(16)是动力输出轴，与驱动轮相连。
4.根据权利要求1所述的机电混合电控无级变速驱动***，其特征在于，所述的第一电机(4)和第一行星轮系(17)是同轴布置的，电机(4)的转子与行星轮系(17)的太阳轮(7)相连，并且内部为空，中间穿过第一传动轴(15)；第二电机(10)和第二行星轮系(18)是同轴布置的，电机(10)的转子与行星轮系(18)的太阳轮(13)相连，并且内部为空，中间穿过第二传动轴(16)。
5.根据权利要求1所述的机电混合电控无级变速驱动***，其特征在于，所述的第一行星轮系(17)是一个二自由度的差动行星轮系，第一电机(4)能向正反两个方向任意旋转，并且转速是可控的，其转向和转速取决于内燃机(1)的转速和车速。
6.根据权利要求1所述的机电混合电控无级变速驱动***，其特征在于，所述的第二行星轮系(18)是一个单自由度的简单行星轮系，电机(10)的动力从太阳轮(13)输入，经齿轮传动放大后由行星架(14)输出。
7.根据权利要求1所述的机电混合电控无级变速驱动***，其特征在于，所述的第二电机(10)能向正反两个方向任意旋转，并且输出转矩是可控的，其转矩的大小和方向取决于内燃机(1)的工况和道路负载。
8.根据权利要求1所述的机电混合电控无级变速驱动***，其特征在于，所述的第二电机(10)，通过其反向驱动实现倒车。
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