CN100405707C - 具有增强爬坡能力的可电气式调节的变速箱 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可电气式调节的变速箱，其具有两个电动机/发电机、例如为行星齿轮组的两个差动齿轮组，以及设置用来提供增强的起动性能、加速性能和爬坡能力的五个扭矩传递装置，并且该变速箱可实现五个固定速度比。输入件与第一行星齿轮组的一个零件(优选为齿圈)连续式相连，输出件与第二行星齿轮组的一个零件(优选为托架)连续式相连。一个电动机/发电机与第一行星齿轮组的另一个零件(优选为恒星齿轮)连续式相连，也可与第二行星齿轮组的一个零件(优选为齿圈)选择性相连。第二个电动机/发电机与第二行星齿轮组的其余零件(优选为恒星齿轮)连续式相连，且可与第一行星齿轮组的其余零件(优选为托架)选择性相连。

Description

具有增强爬坡能力的可电气式调节的变速箱

技术领域

本发明要求享有于2004年9月8日提交的美国临时申请No.60/607975的优先权，该申请通过引用整体地结合于本文中。

本发明涉及一种可电气式调节的变速箱，其具有两个电动机/发电机、两个行星齿轮组，以及设置用来提供增强的起动性能、加速性能和爬坡能力的五个扭矩传递装置。

背景技术

大多数车辆普遍通过内燃机尤其是那些往复式活塞型内燃机来驱动。这种内燃机相对高效、紧凑且重量轻，而且将燃料形式的高聚集能量转化为有用机械动力的机构的成本较低。可与内燃机一起使用并且能够减少燃料消耗与排放的新型变速箱系统可带给公众极大的好处。

通常来说，车辆由这样的发动机来驱动，其被小型电动机与相对较小的蓄电池从冷态下起动，然后快速进入到可实现推进并操作辅助设备的负载状态中。这种发动机还可在较宽速度范围和较宽负载范围内工作，并通常在其最大功率的约平均五分之一下工作。

车辆变速箱通常能够将机械动力从发动机传递给传动系统的其余部件，通常是固定的最终传动机构、车轴与车轮。典型的机械式变速箱允许发动机工作中的某些自由度，这通常是通过对五个或六个不同传动比的交替选择、在车辆静止时允许发动机对辅助装置进行操作的空档选择，以及在发动机运转时允许传动比之间的平稳转换和从静止状态下起动车辆的离合器或变矩器来实现的。变速箱齿轮的选择通常允许动力以扭矩增大但速度减小的传动比、被称为超速传动的扭矩减小但速度增大的传动比或者是倒档传动比而从发动机传递给传动系统的其余部件。

发电机可将来自发动机的机械动力转换为电力，而电动机可将电力以不同扭矩和速度转换回用于车辆传动系统的其余部件的机械动力。这种装置允许在发动机和传动系统的其余部件之间在电机的极限范围内进行扭矩和速度比的无级式调节。可在这种装置内增设用作推进能源的蓄电池，以形成串联混合型电力驱动系统。

串联混合型系统允许发动机以与推动车辆所需的扭矩、速度和动力相对独立的方式来工作，以使发动机可被控制而用于改善排放与效率。这种系统允许将连接到发动机上的电机作为起动发动机的电动机来工作。这种系统还允许使连接到传动系的其余部件上的电机作为发电机来工作，其可通过再生制动而从减慢车辆的过程中将能量回收到电池内。串联式电力驱动的缺点在于，在发电机内将所有发动机动力从机到电和在驱动电动机内从电到机的转换所需的电机的重量和成本，以及这种转换中的有用功的损耗。

动力分用变速箱可以使用所公知的“差动齿轮装置”，以便在输入和输出之间获得无级式调节的扭矩和速度比。可电气式调节的变速箱可以使用差动齿轮装置并通过一对电动机/发电机来发送其输送动力的一部分。而其余的动力通过另一个平行的通路来传送，该通路是固定传动比或可选传动比的全机械式的和直接式的。

差动齿轮装置的一种形式是行星齿轮组。在行星齿轮组的所有零件中，行星齿轮机构以其紧凑且不同的扭矩与速度比的优势而通常应用在差速器发明中的优选实施例中。然而，也可以不使用行星齿轮来构造本发明，这要通过在装置中使用锥齿轮或其它齿轮来实现，其中，齿轮组中的至少一个零件的转速一直是其它两个零件的转速的加权平均。

混合型电动车辆变速箱系统还包括一个或多个蓄电装置。典型的装置是化学蓄电池，但也可包括电容式或机械式装置如电动飞轮。蓄电装置可允许从变速箱系统到车辆的机械输出动力不同于从发动机到变速箱系统的机械输入动力。电池或其它装置还可允许用变速箱系统来起动发动机，以及实现车辆的再生制动。

车辆内的可电气式调节的变速箱可以仅传递从发动机输入到最终传动输出的机械动力。为此，由一个电动机/发电机产生的电力可平衡电损耗和由另一个电动机/发电机所消耗的电力。车辆内的可电气式调节的混合型变速箱系统包括蓄电池，这样，由一个电动机/发电机产生的电力可以大于或小于另一个电动机/发电机所消耗的电力。来自电池的电力有时可以允许电动机/发电机二者都用作尤其是用来辅助发动机对车辆加速的电动机。两个电动机有时可以用作尤其是在车辆再生制动中给电池充电的发电机。

串联混合型变速箱的一个成功的替代品是现在生产用于公共交通汽车的双范围的、输入分用和复合分用的可电气式调节的变速箱，在与本申请共同转让的于1999年8月3日授权给Michael R.Schmidt的美国专利No.5931757中对其进行了介绍。这种变速箱采用输入机构来接收来自车辆发动机的动力，并采用动力输出机构来传递动力以驱动车辆。第一和第二电动机/发电机连接到能量贮存装置如电池上，以便使该能量贮存装置可接收来自第一和第二电动机/发电机的动力，以及向其提供动力。控制单元可调节能量贮存装置和电动机/发电机中的动力流，以及第一和第二电动机/发电机之间的动力流。

通过使用具有第一和第二扭矩传递装置性质的离合器，就可以选择性地实现第一或第二可调节传动比模式的工作。在第一模式中，通过应用第一离合器形成了输入动力分用的传动比范围，变速箱的输出速度与一个电动机/发电机的速度成比例。在第二模式中，通过应用第二离合器形成了复合动力分用的传动比范围，变速箱的输出速度与任一个电动机/发电机的速度都不成比例，但它是两个电动机/发电机的速度的代数式线性组合。通过应用两个离合器，可以选择性地实现固定变速箱传动比下的工作。通过释放两个离合器并使发动机和两个电动机/发电机与变速箱输出分离，就可以选择性地实现空挡模式下的变速箱操作。

双范围的、输入分用和复合分用的可电气式调节的变速箱可构造成具有两组行星齿轮装置或三组行星齿轮装置。另外，一些实施例可使用三个扭矩传递装置，两个用来选择变速箱所需的工作模式，第三个可选择性地使变速箱与发动机脱开。在其它一些实施例中，可利用所有三个扭矩传递装置来选择所需工作模式。

与本申请共同转让的于2003年3月4日授权给Holmes等人的美国专利No.6527658公开了一种可电气式调节的变速箱，其利用两个行星齿轮组、两个电动机/发电机和两个离合器来提供输入分用、复合分用、空档和倒档工作模式。这两个行星齿轮组可以是单排的，或者其中一个是复合式的。电控制件可调节能量贮存装置和两个电动机/发电机中的动力流。这种变速箱提供了可电气式调节的变速箱(EVT)工作的两种范围或模式，其可选择地提供了输入动力分用传动比范围和复合动力分用传动比范围。还可以可选择地得到一个固定传动比。

发明内容

根据本发明，提供了一种可电气式调节的变速箱，包括：可接收来自发动机的动力的输入件；输出件；第一和第二电动机/发电机；均具有第一、第二与第三零件的第一和第二差动齿轮组；所述输入件与所述第一齿轮组的所述第一零件连续式相连，所述输出件与所述第二齿轮组的所述第一零件连续式相连；所述第一电动机/发电机与所述第一齿轮组的所述第二零件连续式相连；所述第二电动机/发电机与所述第二齿轮组的所述第三零件连续式相连；第一扭矩传递装置，其将所述第二齿轮组的所述第二零件选择性地接地；第二扭矩传递装置，其将所述第二齿轮组的所述第二零件与所述第一电动机/发电机选择性相连；第三扭矩传递装置，其将所述第一齿轮组的所述第三零件选择性地接地；其特征在于，所述可电气调节的变速箱还包括：第四扭矩传递装置，其将所述第一行星齿轮组的所述第三零件与所述第二行星齿轮组的所述第三零件选择性相连；和第五扭矩传递装置，其将所述第一行星齿轮组的所述第一零件与所述第二行星齿轮组的所述第三零件选择性相连。

本发明提供的一种可电气式调节的变速箱，其具有两个电动机/发电机、例如为行星齿轮组的两个差动齿轮组，以及设置用来提供增强的起动性能、加速性能和爬坡能力的五个扭矩传递装置，该变速箱可实现五个固定传动比。“爬坡能力”是车辆在一定速度下爬升斜坡的能力。

固定传动比是一种工作条件，其中到变速箱中的机械动力输入机械式地传递至输出端，并且没有动力流需要通过电动机/发电机。对于给定的最大功率而言，可选择地实现用于接近发动机全功率工作的几个固定传动比的可电气式调节的变速箱可以更小和更轻。当在发动机速度不采用电动机/发电机而接近其最优状态的条件下工作时，固定传动比操作还可带来更低的燃料消耗。

本发明还提供了一种新颖的如上所述的可电气式调节的变速箱，相对于现有已知的可电气式调节的变速箱而言，其可以显著降低的成本来制造。本发明可通过采用增设的离合器来提供固定传动比并因而允许更小的电气部件、并且通过仅采用两个行星齿轮组来实现这种情况，两个行星齿轮组是用于复合动力分用装置的最小配置。

可通过下文介绍以及权利要求来实现将在下面详细说明中清楚的本发明的这些和其它方面，以及相对于现有技术的优点。

作为大致的介绍性描述，体现了本发明构思的可电气式调节的变速箱具有可接收来自发动机的动力的输入件，以及可将动力传递给可推进车辆的驱动件的输出件。设有第一和第二电动机/发电机以及第一和第二行星齿轮组。各行星齿轮组均具有内齿轮件和外齿轮件，外齿轮件与可旋转地安装于托架上的多个行星齿轮件啮合式接合。输入件与第一行星齿轮组的一个零件(优选为齿圈)连续式相连，输出件与第二行星齿轮组的一个零件(优选为托架)连续式相连。一个电动机/发电机与第一行星齿轮组的另一个零件(优选为恒星齿轮)连续式相连，并且与第二行星齿轮组的一个零件(优选为齿圈)选择性相连。第二个电动机/发电机与第二行星齿轮组的剩余零件(优选为恒星齿轮)连续式相连，并且与第一行星齿轮组的剩余零件(优选为托架)选择性相连。

优选的是，第一行星齿轮组是复合型行星齿轮组，而第二行星齿轮组是单排行星齿轮组。

第一扭矩传递装置(CB12R)可将第二齿轮组的齿圈选择性地接地，第二扭矩传递装置(C234)可将第二齿轮组的齿圈与第一行星齿轮组的恒星齿轮以及与一个电动机/发电机的转子选择性相连。

第三扭矩传递装置(CA)可将第一齿轮组的托架选择性地接地。

第四扭矩传递装置(CB)可将第一行星齿轮组的托架与第二行星齿轮组的恒星齿轮选择性相连。

第五扭矩传递装置(C13)可将第一行星齿轮组的齿圈与第二行星齿轮组的恒星齿轮选择性相连。

第一、第三和第五扭矩传递装置优选在起动期间是接合的，使得第一和第二行星齿轮组在减速传动下工作，以提高到输出件的扭矩输出。

从实施本发明的最佳方式的下述详细介绍中并结合附图，可以容易地清楚本发明的上述特点和优点，以及其它的特点和优点。

附图说明

图1是显示了体现了本发明构思的可电气式调节的变速箱的一个优选形式的示意性操纵杆图示(lever diagram)；

图2是局部的示意性操纵杆图示，其仅显示了图1所示操纵杆图示中的在仅用电池起动期间相接合的那些扭矩传递机构，以显示扭矩增大的情况；和

图3是显示了用于图1中操纵杆图示所代表的变速箱的固定传动比操作的离合器接合的情况的表格。

具体实施方式

于2004年7月22日提交、Holmes等人的题为“具有可选固定传动比操作的可电气式调节的变速箱”且共同转让的美国临时申请No.60/590427公开了一种机电变速箱，该申请通过引用整体地结合于本文中。

参考图1中的操纵杆图示，改进型的可电气式调节变速箱的一个优选实施例以标号10来大致地标示。变速箱10设计成可以接收来自发动机12的其驱动动力中的至少一部分。发动机12具有输出轴，其也可用作瞬态扭矩缓冲器(未示出)的前置输入件。瞬态扭矩缓冲器为本领域的技术人员所熟知，但是不管具体采用何种瞬态扭矩缓冲器，其输出件都将用作变速箱10的输入件18。

在所述实施例中，发动机12可以是矿物燃料发动机，例如可容易地适于提供通常在恒定的每分钟转数(RPM)下传递的可用动力输出的柴油发动机。

不管将发动机12连接到变速箱输入件18上的方式如何，变速箱输入件18可操作地连接到变速箱10内的复合型行星齿轮组20上。

变速箱10使用了优选为具有行星齿轮组性质的两个差动齿轮组。第一行星齿轮组20是一种行星齿轮组。其采用了外接于通常设计为恒星齿轮的内齿轮件24上的通常设计为齿圈的外齿轮件22。托架26可旋转地支撑了多个行星齿轮，使得一组行星齿轮的与外齿轮件即齿圈22啮合式地接合，而另一组行星齿轮的与第一行星齿轮组20的内齿轮件即恒星齿轮24啮合式地接合。输入件18紧固在第一行星齿轮组20的齿圈件22上。

第二行星齿轮组32是单排行星齿轮组，其也具有外接于通常设计为恒星齿轮的内齿轮件36上的通常设计为齿圈的外齿轮件34。多个行星齿轮同样可旋转地安装在托架40上，使得各行星齿轮件可同时地和啮合式地与第二行星齿轮组32的外齿轮件即齿圈34和内齿轮件即恒星齿轮36二者接合。

这个优选实施例10还分别结合有第一电动机/发电机46和第二电动机/发电机48。第一电动机/发电机46的定子紧固在变速箱外壳54上。第一电动机/发电机46的转子紧固于第一行星齿轮组20的内齿轮件即恒星齿轮24上。

第二电动机/发电机48的定子也紧固于变速箱外壳54上。第二电动机/发电机48的转子紧固于第二行星齿轮组32的恒星齿轮36上。

两个行星齿轮组20和32以及两个电动机/发电机46和48可同轴地定位。这种构造可确保使变速箱10的整个外壳即圆周尺寸降低。

第二行星齿轮组32的齿圈34通过具有扭矩传递装置62(CB12R)性质的第一离合器机构而选择性地接地到外壳54上。也就是说，通过与不可旋转的外壳54的操作性连接，该接地的齿圈34便可选择性地克服旋转而紧固住。第二行星齿轮组32的齿圈34还可通过具有扭矩传递装置64(C234)性质的第二离合器机构而选择性地连接到第一行星齿轮组20的恒星齿轮24上。第一扭矩传递装置62和第二扭矩传递装置和64都可用来帮助选择混合型变速箱10的工作模式。

第三扭矩传递装置65(CA)可将托架26与变速箱外壳54选择性相连。

第四扭矩传递装置67(CB)使托架26与恒星齿轮36选择性相连。第五扭矩传递装置68(C13)使齿圈22与恒星齿轮36选择性相连。

变速箱10的输出驱动件70紧固于第二行星齿轮组32的托架40上，以用于传递动力到最终传动机构72上。

现在回过来介绍动力源，从上面的介绍中特别是参考图1可以清楚，变速箱10可选择性地接收来自发动机12的动力。如同在上面参考的美国临时申请No.60/590427中所介绍的那样，混合型变速箱也可接收来自电力源的动力。电力源可以是一个或多个电池。在不改变本发明构思的前提下，可采用其它电力源来代替电池，例如具有提供或储存以及分配电力的能力的燃料电池。

电力源可通过传输导线与电子控制装置(ECU)进行通信。ECU可通过传输导线与第一电动机/发电机46和第二电动机/发电机48进行通信。

图2是局部操纵杆图示，其仅显示了用于图1所示变速箱10的在仅用电池起动(在前进或倒车)期间相接合的那些扭矩传递装置，以显示扭矩增大的情况。如在1981年2月23日的题为“操纵杆模拟：一种变速箱分析中的新工具”的SAE论文810102中所介绍的那样，通常采用操纵杆图示来表示行星齿轮装置。

如图2所示，在仅用电池起动时，扭矩传递装置62、65和68是接合的。在该构造中，与第一行星齿轮组20相关联的操纵杆在减速传动模式下操作，并且使电动机/发电机46的扭矩倍增。该扭矩可由下述公式来表示：T(R1)＝T(A)*(R1/S1)，其中，T(R1)是齿圈22处的扭矩，T(A)是电动机/发电机拭46的扭矩，而R1/S1是行星齿轮组20的齿圈/恒星齿轮的槽宽对齿宽比(tooth ratio)。该扭矩T(A)可经由扭矩传递装置68传递到恒星齿轮36。因此，在恒星齿轮36处的总扭矩是T(S2)＝(T(A)*(R1/S1)+T(B))，其中，T(A)是电动机/发电机46的扭矩，R1/S1是行星齿轮组20的齿圈/恒星齿轮的槽宽对齿宽比，而T(B)是电动机/发电机48的扭矩。

由于与第二行星齿轮组32相关联的操纵杆在减速传动下工作，因此其可使恒星齿轮36的扭矩倍增。因此，输出扭矩是：T(OUT)＝(T(A)*(R1/S1)+T(B))*(1+R2/S2)，其中，T(A)是电动机/发电机46的扭矩，R1/S1是行星齿轮组20的齿圈/恒星齿轮的槽宽对齿宽比，T(B)是电动机/发电机48的扭矩，而R2/S2是行星齿轮组32的齿圈/恒星齿轮的槽宽对齿宽比。

因此，两个操纵杆都在减速传动模式下工作，进而可传递比电动机/发电机46和48的总扭矩输入更大的输出扭矩。这种更高值的输出扭矩可带来增强的起动性能、加速性能和爬坡能力。仅通过使电动机的方向换向，就可将起动方向从倒车变换到前进，反之亦然。

图3显示了一种表格，其显示了用于图1的操纵杆图示所示的变速箱的固定传动比操作的离合器接合的情况。例如，在第一固定传动比中，扭矩传递装置68和62是接合的，在第五固定传动比前进档中，扭矩传递装置65、64和67是接合的。

虽然只公开了本发明的优选实施例，然而应当理解，可以容易地对本发明的概念进行对本领域技术人员来说很明显的大量变更。因此，本发明的范围并不局限于所显示和介绍的细节，而是旨在包括属于所附权利要求范围内的各种变型和修改。

Claims (4)

1.一种可电气式调节的变速箱，包括：

可接收来自发动机的动力的输入件；

输出件；

第一和第二电动机/发电机；

均具有第一、第二与第三零件的第一和第二差动齿轮组；

所述输入件与所述第一齿轮组的所述第一零件连续式相连，所述输出件与所述第二齿轮组的所述第一零件连续式相连；

所述第一电动机/发电机与所述第一齿轮组的所述第二零件连续式相连；

所述第二电动机/发电机与所述第二齿轮组的所述第三零件连续式相连；

第一扭矩传递装置，其将所述第二齿轮组的所述第二零件选择性地接地；

第二扭矩传递装置，其将所述第二齿轮组的所述第二零件与所述第一电动机/发电机选择性相连；

第三扭矩传递装置，其将所述第一齿轮组的所述第三零件选择性地接地；

其特征在于，所述可电气调节的变速箱还包括：

第四扭矩传递装置，其将所述第一行星齿轮组的所述第三零件与所述第二行星齿轮组的所述第三零件选择性相连；和

第五扭矩传递装置，其将所述第一行星齿轮组的所述第一零件与所述第二行星齿轮组的所述第三零件选择性相连。

2.根据权利要求1所述的可电气式调节的变速箱，其特征在于，所述第一和第二差动齿轮组是行星齿轮组，所述第一齿轮组的所述第一、第二和第三零件分别是齿圈、恒星齿轮和托架，而所述第二齿轮组的第一、第二和第三零件分别是托架、齿圈和恒星齿轮。

3.根据权利要求2所述的可电气式调节的变速箱，其特征在于，所述第一行星齿轮组是复合型行星齿轮组，而所述第二行星齿轮组是单排行星齿轮组。

4.根据权利要求3所述的可电气式调节的变速箱，其特征在于，在起动期间所述第一、第三和第五扭矩传递装置是接合的，使得所述第一和第二行星齿轮组在减速传动下工作，以提高到所述输出件的扭矩输出。

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