CN100376421C - 外接辅助动力的复合式动力系统 - Google Patents

Abstract

一种外接辅助动力的复合式动力系统，特别是一种微型内燃机与电动机的外接辅助动力的复合式动力系统。包括有第一动力单元，具有一动力装置、第一驱动轴及一输出轴。可受该驱动轴驱动旋转的第一传动机构，连接于该第一驱动轴与该输出轴之间，用以将该驱动轴的动力传递到该输出轴，该第一传动机构包括：一驱动皮带轮，具有二锥形盘；一从动皮带轮，由二锥形盘组成；一扭力凸轮与弹簧；一皮带，套合于该驱动皮带轮与从动皮带轮的锥形盘之间。一辅助动力单元，具有一电动机，该电动机具有一第二驱动轴，该第二驱动轴与该第一驱动轴相互平行。及一第二传动机构，连接于该第一驱动轴与该第二驱动轴之间，以使得该电动机的动力可以传动该第一驱动轴。

Description

外接辅助动力的复合式动力系统

技术领域

本发明属于机械动力系统，特别涉及一种复合式动力系统。

背景技术

传统的车辆皆以内燃机引擎为动力源，经传动箱将动力传至车轮，驱动车辆前进。由于内燃机引擎以燃料来产生动力，会产生有毒的废气污染空气，为了环保的目的，因此有电动车辆的发明，此种车辆不再使用内燃机引擎为动力，而是使用电池结合电动马达为动力源，即以电池的电力经电动马达转换产生机械动力，再经传动箱驱动车轮。但是电动车辆受限于电池所能储蓄的电力能量不足，使得电动车辆的行驶距离太短，不能满足大多数驾驶者的需求，因此使得其商品化推广有限，在这些背景之下，因此有复合动力车辆的发明，此种车辆将内燃机引擎与电动马达两种动力源，经由某些传动机构作巧妙的结合，产生特殊的动力输出功能，不同的传动机构将组合成不同的复合动力系统，因而产生不同的输出功能，其主要的目的是配合内燃机引擎与电动马达的特殊的扭力特性及效率特性，经由传动机构所产生的动力组合，使得合成后的动力能够让内燃机引擎与电动马达在最高效率的状态下运转，或是配合不同的使用环境，例如上坡、下坡、停车惰速、急加速等状况下，让两种动力产生最佳的组合，达到最省能源或最大出力或最低废气污染排放等效果。由于传动机构有许多种不同的型式，因此能够组合成许多种不同构造及不同功效的复合动力系统，目前大多数复合动力系统的发明都属于四轮车辆所使用，由于世界各大汽车厂在发明新的复合动力系统上竞争非常激烈，因此已有数百种不同机构组合的复合动力系统。

但是在次微小型引擎为主要动力的车辆领域中，如微小型二轮机车或微小型四轮区间车等，由于其空间窄小，而且产品的价格较低，很难设计适当的传动机构来达到复合动力系统的效果，因此全世界已有的复合动力系统很少有供应微小型车辆使用的类型；即使已知某些研究产品如日本本田公司，有些发明是针对微小型车辆应用的，但是其机构组合只能产生很小范围复合动力系统的功效。

大多数现有的复合动力系统，是将电动机直接与内燃引擎的动力输出轴相互连接，因此使得电动机与内燃引擎的动力输出轴位于相同一个轴心上。因此使得电动机与内燃引擎必须串联设置在动力输出轴上，而使得装置的体积扩大。而且由于电动机的动力直接驱动驱动轴，并未经过放大，为使电动机具有足够大的扭力以驱动车辆行进，其体积也相对较大。

此外有些复合动力系统的电动机与内燃引擎之间设置有用以连接二种动力单元的驱动机构，然而这些驱动机构的构造皆相当复杂，或者是无法达到良好的功效。

还有些复合动力系统的专利，是将引擎动力与电动机动力做为行星齿轮系的太阳齿轮与卫星齿轮的动力输入，并将车轮毂相对连接环齿轮做为动力输出，此种动力的衔接方式，由于引擎动力未经扭力转换器或类似的扭力传送机构，当引擎转速变化很大或转速不稳定时，两种动力并不能平滑的衔接，当引擎惰速时，也不能将动力传递隔断，故该类机构并不实用。

因此设计一套适合微小型车辆使用的复合动力系统，它不仅要能装配在很小的空间中，具有低成本的构造，而且要能让内燃机引擎与电动马达两个动力源能平顺的衔接合成动力，更能让电动马达当作发电负载让引擎动力或车辆惯性动力带动发电，达成一套完整的动力辅助式复合动力系统的所有功效，这项发明的主题就成为欲发展低成本的微小型动力系统工业(如二轮机车产业)很重要的一个发展方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种最低成本的外接辅助动力的复合式动力系统，特别是指一种微型内燃机与电动机的外接辅助动力的复合式动力系统的机构。在此机构下，电动机的动力输出轴与内燃引擎的动力输出轴相互平行，且通过适当的传动机构连接，达到并联式复合动力系统的功效，这些功效包括：

1、车辆起步时，引擎停止并准备启动，电动机以马达状态正转带动引擎点火；

2、引擎正转，驱动车辆前进，电动机空转，以作为引擎的等效飞轮；

3、引擎正转，驱动车辆前进，电动机受引擎带动，而且以发电机状态运转，以产生电流回充二次电池的电力；

4、引擎正转，驱动车辆前进，电动机同时产生动力，以辅助引擎的出力；

5、车辆煞车时，引擎熄火或空转，电动机成发电负载状态，吸收车辆行进的惯性力或刹车力。

本发明的目的是这样实现的：

一种外接辅助动力的复合式动力系统，其特征在于，包括有：

第一动力单元，具有一内燃引擎、一第一驱动轴及一输出轴，该输出轴可受该驱动轴驱动旋转；

第一传动机构，连接于该第一驱动轴与该输出轴之间，用以将该驱动轴的动力传递到该输出轴，该第一传动机构包括：

一驱动皮带轮，具有二锥形盘及一离心滚轮，可控制该二锥形盘的间距；

一从动皮带轮，由二锥形盘组成；

一扭力凸轮与弹簧，用以控制该从动皮带轮的二锥形盘在不同扭力状态下的间距；

一皮带，套合于该驱动皮带轮与从动皮带轮的锥形盘之间；

一辅助动力单元，具有一电动机，该电动机具有一第二驱动轴，该第二驱动轴与该第一驱动轴相互平行；

一第二传动机构，连接于该第一驱动轴与该第二驱动轴之间，以使得该电动机的动力可以传动该第一驱动轴。其中：

该第一动力装置是一内燃引擎。

该第一动力单元的动力元件是一电动机。

该第二传动机构包括：

第一皮带轮，设置于前述第二驱动轴之上；

第二皮带轮，设置于前述第一驱动轴之上；

一驱动皮带，连接于该第一、第二皮带轮之上，用以使得该第一、第二皮带轮可以相互传动。

该从动皮带轮包括一离心离合器，该离合器包括一固定座，及一个以上的离心块及弹簧。

该电动机与一可供应电源驱动第二驱动轴的二次电池连接。

该第二皮带是一正时皮带。

该第一驱动轴设置有一讯号产生装置，用以产生一讯号以作为控制该第一动力单元点火运转的正时讯号。

该第二传动机构为一链条及两个链轮相连接，将电动机的动力传至第一驱动轴。

该第二传动机构为两个以上的齿轮相连接，将电动机的动力传至第一驱动轴。

该第一动力单元的动力经由一传动箱带动第一驱动轴旋转。

该传动箱设置有一用以启动引擎的脚踩启动装置。

该第一驱动轴设置有一用以启动引擎的脚踩启动装置。

本发明由于其第一动力单元可为任何形式的动力装置(如内燃引擎)，其辅助动力单元(电动机)同时具有启动内燃引擎的功效及具有发电机的功效，并且电动机的驱动轴与内燃引擎的驱动轴相互平行而非同轴心，因此可以通过简单的皮带驱动机构加以连接(例如使用正时皮带)而简化了传动机构的构造，且能以模组化的引擎及电动机等商品化的零组件组合成复合动力系统，同时使得电动机的扭力可以经由传动机构的放大，能够使较为小型的电动机来获得足够的扭力而可降低成本。也不需要另外设置电动启动内燃引擎所使用的起动马达以及发电机的装置，因此使得本发明的构造大幅简化，且成本降低，而使其特别适合用于二轮或轻型车辆所使用。

附图说明

图1为本发明第一实施例的示意图。

件号说明：

10第一动力单元      20传动箱

21第一驱动轴        22脚踩启动装置

23信号产生装置      30第一传动机

31驱动皮带轮        32从动皮带轮

311、312锥形盘      321、322锥形盘

33V形皮带           34挡板

35离心滚轮          36扭力凸轮

37复弹簧            40输出轴

60离合器            61固定座

62离心块            63弹簧

70辅助动力单元      71电动

72第二驱动轴        73第二传动机构

74第一皮带轮        75第二皮带轮

76第二驱动皮带      77二次电池

具体实施方式

如图1所示，本发明主要包括：第一动力单元10、一传动箱20、第一传动机构30、一输出轴40；及一辅助动力单元70与第二传动机构73；其中该第一动力单元10的动力可经由该传动箱20内部，带动第一驱动轴21旋转；该第一驱动轴21与该第一传动机构30连接，而能够经由该第一传动机构30带动该输出轴40旋转，然后再经由该输出轴40输出动力，带动车辆的驱动轮，而使得车辆行进。

第一动力单元10可为任何形式的动力单元，而在图中所示的实施例为一个内燃引擎。传动箱20可为一个曲轴机构，前述第一动力单元10通过曲轴及减速齿轮组(图中未示)驱动前述第一驱动轴21旋转，然后经由第一驱动轴21传动第一传动机构30。

第一动力单元10在正常状态下以辅助动力单元70带动第一驱动轴21，然后再以第一驱动轴21带动第一动力单元10的内燃机活塞运转的方式启动，然而为防止辅助动力单元70没有电力可供运转，于传动箱20上可设置有一脚踩启动装置22，以供使用者在必要时可以人工启动第一动力单元10。

此外，该辅助动力单元70可取代发电机的功用(后述)，因此该第一动力单元10上可以省除一般内燃引擎所必须的发电机装置，然而为了要达到控制第一动力单元10运转点火的目的，本发明于传动箱20内设置有一与第一驱动轴21连接的讯号产生装置23，例如霍尔效应感测器，用以产生讯号，以作为第一动力单元10的点火装置的正时讯号。

第一传动机构30包括：一个驱动皮带轮31，装置在该第一驱动轴21之上；一个从动皮带轮32，装置在该输出轴40之上；一V形皮带33，套设在该驱动皮带轮31与从动皮带轮32之间，用以使得该从动皮带轮32可以受到该驱动皮带轮31驱动。该驱动皮带轮31由二个锥形盘311、312所组成，该锥形盘311可沿着第一驱动轴21滑动；该第一驱动轴21于该可活动的锥形盘311的外侧设置有一个挡板34，且于挡板34与锥形盘311之间设置若干个离心滚轮35，该锥形盘311上设置有若干个倾斜的滑槽，用以容纳该滚轮35，当该驱动皮带轮31转动时，该滚轮35受离心力作用，可沿着驱动皮带轮31的径向产生向外的位移，该滚轮35向外位移时，一面受到挡板34的阻挡，而另一侧则产生压力抵压于锥形盘311的滑槽，推动锥形盘311产生轴向的位移，因此使得锥形盘311与锥形盘312之间的间隙改变。

从动皮带轮32也由二锥形盘321、322组成，该锥形盘321可沿着输出轴40的轴向滑动，且于该锥形盘321与输出轴40之间设置有一个扭力凸轮36及回复弹簧37，以使得该锥形盘321在不同的扭力状态下可以沿着输出轴40的轴向位移到不同位置，因此使得锥形盘32与锥形盘322的间距改变。

通过离心滚轮35与扭力凸轮36的控制，可使得皮带轮31、32的二个锥形盘之间的间距随着第一动力单元10的转速与车辆行进的扭力状态而产生变化，而V形皮带33的外侧表面呈与锥形盘311、312与锥形盘321、322配合的倾斜面，因此当锥形盘311、312与锥形盘321、322的间距改变时，V形皮带33套合在皮带轮31与皮带轮32的直径位置也随之改变，因此使得皮带轮31、32可以产生不同的减速比，藉以达到使得第一传动机构30产生不同的减速比，以配合内燃引擎的运转状态与车辆行进的扭力状态。

此外该变速机构30上还进一步设置有一个离合器60，此离合器60可装置于第一驱动轴21上，或装置于输出轴40上，图中所示实施例是将离合器60装置在从动皮带轮32的锥形盘322与输出轴40之间，该锥形盘322的侧面具有一个环状的摩擦面，而该离合器60包括有：一个固定座61，该固定座61与输出轴40固定结合；若干个离心块62，设置在锥形盘322的摩擦面的内侧，且一端可活动地连接于该固定座61的上；若干个弹簧63，连接于离心块62与固定座61之间。该离心块62可以于引擎达到一定转速时，受离心力作用，向外甩开，而抵压于锥形盘322的摩擦面，因此产生摩擦力，而使得输出轴40的动力可以传递到从动皮带轮32。通过该离合器60，可以控制从动皮带轮32转速低于一定值的状态下，其动力不会传递到传动皮带轮32，避免引擎在低转速状态熄火。而输出轴40的转速增加到可使离心块62与锥形盘322啮合的程度时，该输出轴40的动力才会传递到从动皮带轮32。同时在输出轴40的末端与一减速齿轮连接，将输出轴40的转速减速后传动车辆的轮毂，以驱动车辆前进。

本发明的特征在于其具有一辅助动力单元70，其中包括：一电动机71，具有第二驱动轴72，该第二驱动轴72与第一驱动轴21相互平行；第二传动机构73，连接于第一驱动轴21与第二驱动轴72之间，该第二传动机构73包括：第一皮带轮74，设置于第二驱动轴72之上；及第二皮带轮75，设置于第一驱动轴21相对于驱动皮带轮31的另外一侧；一第二驱动皮带76，与第一皮带轮74及第二皮带轮75连接，而使得第一、二皮带轮74、75可相互传动。其中该第一皮带轮74的直径小于第二皮带轮75的直径，以增加输出的扭力。

该第二传动装置73采用正时皮带驱动机构为较佳的实施例，但实际运用上，该第二传动机构73也可以为链条或二个以上的齿轮传动等其他的传动机构。

该辅助动力单元另具有一二次电池77，与电动机71连接，用以供应电动机71运转所需的电力。

相较于现有的复合动力系统，本发明的特征在于电动机71的第二驱动轴72与第一动力单元10的第一驱动轴21并未设置在相同的中心轴线上，而是相互平行，并且第一驱动轴21与第二驱动轴72之间还设置有第二传动机构73，因此使得电动机71可以装置在偏离第一驱动轴21的位置，并且可以将电动机71朝向较多的可能方向安装，而使得复合动力系统的整体宽度可以缩小。而且通过第二驱动机构73的衔接，使得设计者可以相当容易地将各种不同形式的电动机与第一动力单元10的动力相互连接，因此使得电动机71可以较大弹性地采用市面上一般的商用电动机，而且可以容易地采用不同规格的商品，而不需要特别设计特殊规格的电动机。

此外，由于第二传动机构73可以放大电动机71的扭力，因此采用较小扭力的电动机71便能够获得足够的扭力能够驱动车辆行进。同时本发明采用的第二传动机构73的构造相当简单，而且电动机71同时具有启动内燃引擎的功效，并具有发电机的功效，不需要另外设置电动启动内燃引擎所使用的起动马达以及发电机的装置，因此使得本发明的构造大幅简化，且降低成本，因此使得特别适合用于二轮车辆及轻型车辆。

本发明通过第一动力单元10及电动机71组合，可利用控制器和一般控制器常用的元件如车速感测器，转速感测器，油门控制器等装置，即能对二个动力元分别作控制，以达到最大范围的复合动力系统的功效，今对整个装置的控制逻辑与机构运作原理说明如下：

1、车辆起步时：

只要电池的电力足够时，车辆没有起步则引擎不点火，当车辆要起步时，控制器由驾驶者操纵的油门位置，得到起步的信号，立即将电动机以马达的形态运转，带动引擎点火启动，并立即将引擎转速带上来，配合油门位置，将电动机的马达动力与引擎的动力合并，经由引擎的曲轴输出至传动箱，驱动车辆；由于电动机的电机主轴与引擎的曲轴保持同步转动，因此两个动力能够自然合并，不会因速度差异而冲击。车辆同时受到两个动力驱动，马力大，因为能很快加速到所要的车速。

2、车辆正常巡行：

当车辆由起步加速到驾驶所需的车速，或加速超过某一车速，或引擎转速提高到某一转速，依照不同的控制策略，可以决定要使用那一种车况条件，并由油门位置、车速感测器、转速感测器(电动机的转速即代表引擎的转速)得知车况，当车况达到设定的条件时，控制器立即将电动机的马达动力逐步降低，同时引擎的动力逐步提升，最后电动机被切换成空转状态，车辆完全以引擎的动力驱动，由于引擎的工作转速够快，能保持在最佳效率区运转。

3、车辆行进中发电：

若车辆在行前中，控制器探知电池的电量不足，控制器立即将电动机切换成发电机状态，同时提高引擎的马力输出，以维持车速不变；电动机的发电负载经由控制器控制，发出电量充入电池。

4、车辆行进中急加速或上坡加速：

若车辆巡行中，驾驶想要急加速，或遇到上坡而急摧油门，控制器将立即将电动机切换成马达状态，并将马达动力并入引擎的动力中输出，加速驱动车辆，如此可避免引擎因为过度负载而落入低效率高污染排气的工作范围；同时让车辆能以更安静的状况有更大的扭力马力输出，而大幅提升驾控性能。

5、车辆行进中停车：

车辆因为任何原因停车，如红灯或路阻塞车严重时，引擎立即熄火停止连转；如此可减少停车时，因引擎惰转排放的废气量及燃料消耗。当车辆要起步行进时，控制器立即将电动机以马达形态运转，带动引擎点火启动，并立即加速将引擎转速提高，利用马达动力及引擎动力双动力合并驱动车辆。

6、高速行进中刹车：

车辆高速行进中刹车，控制器立即将引擎熄火停止供应燃料油，同时将电动机切换成发电机状态，以发电负载代替刹车力吸收车辆的惯性力，发电充入电池；若电池已充饱，发电机的负载将降低，则要以机械刹车吸收车辆惯性力；若刹车行动中止，电动机立即切换为马达状态带动引擎点火启动，或直接以车辆的惯性车速带动引擎点火启动。

7、低速刹车：

车辆低速时，若其传动箱有限制引擎最低转速输出隔断引擎动力的功能，例如V形皮带变速机构或离心离合器动力元件，则低速时，车辆惯性力不能传递到引擎，此时必须以机械刹车吸收车辆惯性力，但控制器仍然将引擎熄火停止供燃油，以降低污染排放，如果传动箱不能限制引擎的最低转速，则此时的刹车控制策略和高速行进中的刹车控制策略一样。

8、电池电量不足时车辆起步：

当电池电量不足，无法以电力带动电动机，此时必须以人力启动引擎点火，一般使用脚踩或手卷启动机构带动引擎，此时电动机保持空转状态；当引擎点火运转之后，车辆完全以引擎动力带动加速，当车速达到一定值时，引擎的动力足够同时驱动车辆及用来发电，此时控制器将电动机切换为发电机发电，充入电池；当电池电量低于某一设定值时，车辆于行进中停车或刹车时，引擎均不熄火，而保持惰转，以免车辆无法再以电力启动。

9、停车时发电：

在特殊的状况下，可设计切换开关，以人为更换控制系统，使引擎于停车时仍保留惰速运转，并使电动机保持发电机状态，以离合器方式或架空车辆的方式，让引擎动力不会传至地面，则可以人为加油提高引擎转速来发电，供应特别时候车辆的需求，这种功能仍能由本发明轻易完成。

经由上述的多种复合动力系统的可能运作方式，使得本发明可以适合各种车辆行驶的状况，作出最佳的动力变化，而达到节省能源，降低空气污染排放，起步及加速时驾控性能佳，行进中停车及低速时安静且不冒废气等效益，再加上本发明的结构简单，能够使用成熟的商品化零件，作模组化的组合，而且四轮车不需倒档机构的设计，故成本能大幅降低，商品化的可能性增加；而且能适用于二轮车辆及四轮车辆，实用性高，故比现有的各种复合动力系统而言，本发明具有极大的优越性。

Claims (13)

1.一种外接辅助动力的复合式动力系统，其特征在于，包括有：

第一动力单元，具有一动力元件、第一驱动轴及一输出轴，该输出轴可受该驱动轴驱动旋转；

第一传动机构，连接于该第一驱动轴与该输出轴之间，用以将该驱动轴的动力传递到该输出轴，该第一传动机构包括：

一驱动皮带轮，具有二锥形盘及一离心滚轮，可控制该二锥形盘的间距；

一从动皮带轮，由二锥形盘组成；

一扭力凸轮与弹簧，用以控制该从动皮带轮的二锥形盘在不同扭力状态下的间距；

一皮带，套合于该驱动皮带轮与从动皮带轮的锥形盘之间；

一辅助动力单元，具有一电动机，该电动机具有一第二驱动轴，该第二驱动轴与该第一驱动轴相互平行；

一第二传动机构，连接于该第一驱动轴与该第二驱动轴之间，以使得该电动机的动力可以传动该第一驱动轴。

2.如权利要求1所述外接辅助动力的复合式动力系统，其特征在于，该第一动力单元的动力元件是一内燃引擎。

3.如权利要求1所述外接辅助动力的复合式动力系统，其特征在于，该第一动力单元的动力元件是一电动机。

4.如权利要求1所述外接辅助动力的复合式动力系统，其特征在于，该第二传动机构包括：

第一皮带轮，设置于前述第二驱动轴之上；

第二皮带轮，设置于前述第一驱动轴之上；

一第二驱动皮带，连接于该第一、第二皮带轮之上，用以使得该第一、第二皮带轮可以相互传动。

5.如权利要求1所述外接辅助动力的复合式动力系统，其特征在于，该从动皮带轮包括一离心离合器，该离合器包括一固定座，及一个以上的离心块及弹簧。

6.如权利要求1所述外接辅助动力的复合式动力系统，其特征在于，该电动机与一可供应电源驱动第二驱动轴的二次电池连接。

7.如权利要求4所述外接辅助动力的复合式动力系统，其特征在于，该第二驱动皮带是一正时皮带。

8.如权利要求1所述外接辅助动力的复合式动力系统，其特征在于，该第一驱动轴设置有一讯号产生装置，用以产生一讯号以作为控制该第一动力单元点火运转的正时讯号。

9.如权利要求1所述外接辅助动力的复合式动力系统，其特征在于，该第二传动机构为一链条及两个链轮相连接，将电动机的动力传至第一驱动轴。

10.如权利要求1所述外接辅助动力的复合式动力系统，其特征在于，该第二传动机构为两个以上的齿轮相连接，将电动机的动力传至第一驱动轴。

11.如权利要求1所述外接辅助动力的复合式动力系统，其特征在于，该第一动力单元的动力经由一传动箱带动第一驱动轴旋转。

12.如权利要求1所述外接辅助动力的复合式动力系统，其特征在于，该传动箱设置有一用以启动引擎的脚踩启动装置。

13.如权利要求1所述外接辅助动力的复合式动力系统，其特征在于，该第一驱动轴设置有一用以启动引擎的脚踩启动装置。

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