CN101082365A

CN101082365A - 电力机械行星机构无级变速传动系统

Info

Publication number: CN101082365A
Application number: CN 200710034415
Authority: CN
Inventors: 周云山; 薛殿伦; 刘金刚; 黄伟; 苏建业
Original assignee: Hunan Jianglu & Rongda Vehicle Transmission Co Ltd
Current assignee: Luzhou Rongda Intelligent Transmission Co ltd
Priority date: 2007-02-12
Filing date: 2007-02-12
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2027-02-12
Also published as: CN100529466C

Abstract

本发明涉及一种电力机械行星机构无级变速传动系统，属车辆传动技术领域。该传动系统由相互啮合的齿轮(Z1)、惰轮(Z2)及齿轮(Z3)、行星机构、输入轴(1)、套轴(2)、输入轴(3)、输出轴(4)、相互啮合的齿轮(Z4)和(Z5)、电动机(5)、电动机(6)、逆变器以及蓄电池组成。本发明最大的优点是用一个比较小功率的调速电动机，就可以实现整个系统的速比连续无级变化，与目前主流的无级变速传动系统相比，其速比变化范围更大，传动效率更高。而且成本低、结构简单紧凑、传动稳定可靠、传递功率和扭矩的能力大、易于运用先进的控制策略等，在普通汽车特别是混合动力电动汽车传动系中有着广泛的运用前景。

Description

电力机械行星机构无级变速传动系统

技术领域：

本发明涉及一种电力机械行星机构无级变速传动系统，属车辆传动技术领域。

背景技术：

车辆传动系的功能是把动力源的功率传至驱动轮，并按车辆行驶的要求改变牵引力和车速。无级变速传动是车辆传动的发展趋势，被认为是最理想的传动方式，无级变速传动系统可以根据车辆路面行驶情况和发动机工作状态连续无级的改变速比(输入转速与输出转速之比)，从而使发动机始终工作在最高效的区域，实现外界条件与车辆的最佳匹配，使车辆获得最佳的行驶性能。

但是，目前汽车用主流的无级变速传动系统(如金属带式无级变速传动系统或其变形，即在金属带式基础上组合一行星齿轮系构成的无级变速传动系统、以及丰田PRIUS两自由度单行星齿轮系无级变速传动系统)，存在着以下的不足：

1)金属带式无级变速传动系统或其变形需要复杂的液压系统来实现金属带的夹紧力控制和传动系统的速比控制，而夹紧力和速比控制又存在着复杂的耦合效应。实际当中，液压系统结构复杂、效率较低，所以整个传动系统的效率也就偏低。

2)金属带式无级变速传动系统由于其自身机械结构的限制，其速比变化范围(系统最大速比与最小速比的比值)较小(大约5～6)，即使通过设置一个行星变速机构使变速比范围增大，但同时也扩大了金属带轮上承担的功率，使得整个系统的效率变的更为低下。

3)金属带式无级变速传动系统或其变形由于是基于摩擦传动的，故其传动效率较低，而且传递功率和扭矩的能力也偏低。

4)金属带式无级变速传动系统或其变形由于要制造复杂的液压系统及金属带等，故加工难度较大，需要的成本较高。

5)丰田PRIUS两自由度单行星齿轮系无级变速传动系统的总速比变化范围较小，且调速电机的功率较大。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：解决上述现有技术存在的问题，而提供一种结构简单紧凑，加工容易，成本较低，传动效率高，变速比范围大，调速电机所承担功率小的无级变速传动系统。

本发明采用的技术方案是：电力机械行星机构无级变速传动系统由相互啮合的齿轮Z1、惰轮Z2及齿轮Z3、行星机构、输入轴1、套轴2、输入轴3、输出轴4、相互啮合的齿轮Z4和Z5、电动机5、电动机6(也有发电功能)、逆变器以及蓄电池组成；其中，输入轴1和输入轴3分别接发动机输出轴和电动机5输出轴。行星机构由离合器C1、C2、C3、制动器B、双行星齿轮系K1、K2及单行星轮系K3构成。K1、K2分别包括以下几个部分：太阳轮S1、行星架H1、齿圈Q1、相互啮合的双行星轮G1(其外面的行星齿轮与齿圈Q1啮合，里面的行星齿轮与太阳轮S1啮合)和太阳轮S2、行星架H2、齿圈Q2、相互啮合的双行星齿轮G2(其外面的行星齿轮与齿圈Q2啮合，里面的行星齿轮与太阳轮S2啮合)；K3包括单行星轮G3、太阳轮S3、行星架H3、齿圈Q3四个部分。

上述双行星齿轮系K1的太阳轮S1与输入轴3相连，行星架H1与套轴2相连，齿圈Q1通过离合器C2与单行星齿轮系K3的行星架H3相连；双行星齿轮系K2的太阳轮S2与单行星轮系K3的太阳轮S3相连，行星架H2通过离合器C1与双行星齿轮系K1的太阳轮S1相连，齿圈Q2与双行星齿轮系K1的行星架H1相连；单行星齿轮系K3的太阳轮S3与双行星齿轮系K2的太阳轮S2相连，齿圈Q3与制动器B相连，行星架H3既通过离合器C2与单行星齿轮系K1的齿圈Q1相连，又与输出轴4相连。

上述行星机构有三个工作段位，即I段、II段、III段。行星机构工作于I段位时，离合器C1、制动器B接合，离合器C2、C3分离；工作于II段位时，离合器C2接合，离合器C1、C3和制动器B分离；工作于III段位时，离合器C1、离合器C3接合，离合器C2和制动器B分离。

上述电动机5、电动机6(也有发电功能)、逆变器、蓄电池及其连接组成是公知的已有技术。

电力机械行星机构无级变速传动系统的工作原理是：记i_c为电动机1与发动机转速之比(电动机正转，即与发动机转向相同，则i_c为正，电动机反转，即与发动机转向相反，则i_c为负)，k为齿轮Z3与Z1的齿数比，k₁为齿圈Q1与太阳轮S1的齿数比，k₂为齿圈Q2与太阳轮S2的齿数比，k₃为齿圈Q3与太阳轮S3的齿数比，行星轮系K1、K2满足双行星齿轮系的特性方程，行星轮系K3满足单行星齿轮系的特性方程。车辆首先工作于I段，此时，离合器C1、制动器B接合，离合器C2、C3分离，由行星轮系K2、K3的特性方程可得系统的速比

i 1 = \frac{k (1 + k_{3})}{k_{2} - (k_{2} - 1) {ki}_{c}};

当车辆工作于II段时，离合器C2接合，离合器C1、C3和制动器B分离，由行星轮系K1、K3的特性方程可得系统的速比

i 2 = \frac{{kk}_{1}}{(k_{1} - 1) + {ki}_{c}};

当车辆工作于III段时，离合器C1、离合器C3接合，离合器C2和制动器B分离，由行星轮系K2、K3的特性方程可得系统的速比

i 3 = \frac{k}{k_{2} - (k_{2} - 1) {ki}_{c}} .

由上述i1、i2、i3可知，通过调节电动机1的转速，使输入轴3在规定的较窄范围内做正、反向的往复连续无级变化(即i_c在规定的正值与负值之间往复变化)，同时控制制动器与各个离合器的工作状态(接合或分离)，就可以形成系统逐段无冲击的连续无级输出，构成足够宽广的总速比变化范围。车辆的倒车行驶通过调节电动机2得以实现。

需要说明的是，为了在不切断动力的情况下以较小的驱动力实现行星机构平顺、无冲击的自动换段，行星轮系K1、K2、K3的特性参数k₁、k₂、k₃需满足以下关系：

k_{3} = \frac{2 k_{1} - 2 k_{1} k_{2} - 2}{2 - k_{1}} .

本发明与现有技术相比，有以下优点：

1)速比变化范围大。通过合理选择行星轮系K1、K2、K3的特性参数k₁、k₂、k₃，可使系统的总变速比范围达到8.5以上。

2)电动机1承担的功率小。系统工作当中，电动机与发动机传递的功率比最大为30％，也就是说，采用一个小功率的电动机，就可以实现传递3倍功率的无级变速。

3)蓄电池、逆变器的体积小。因为电动机的功率较小，所以可以减小蓄电池和逆变器的体积，提高装车性，同时减少燃油消耗。

4)传动效率高。由于采用了行星齿轮系，经合理设计可使其传动效率达到98％以上。

5)传动平稳可靠、抗冲击和振动的能力强。

6)结构紧凑，传递功率和扭矩大，承载能力高。

7)生产继承性好，开发成本低。可以充分利用目前手动或自动变速器的生产设备，具有良好的生产继承性。而且，目前对于加工、制造、安装行星轮系已不成问题。实践表明，在具有中等技术水平的工厂里也可以制造出较好的行星轮系，开发难度不大，成本较低。

附图说明：

图1为电力机械行星机构无级变速传动系统的总成示意图。

图2为行星机构的总成示意图。

具体实施方式：

如附图1所示，电力机械行星机构无级变速传动系统由相互啮合的齿轮Z1、惰轮Z2及齿轮Z3、行星机构、输入轴1、套轴2、输入轴3、输出轴4、相互啮合的齿轮Z4和Z5、电动机5、电动机6(也有发电功能)、逆变器以及蓄电池组成。其中，套轴2和输入轴3是同心的，输入轴1和输入轴3分别接发动机输出轴和电动机5输出轴。如附图2所示，行星机构由离合器C1、C2、C3、制动器B、双行星齿轮系K1、K2及单行星轮系K3构成。K1、K2分别包括以下几个部分：太阳轮S1、行星架H1、齿圈Q1、相互啮合的双行星轮G1(其外面的行星齿轮与齿圈Q1啮合，里面的行星齿轮与太阳轮S1啮合)和太阳轮S2、行星架H2、齿圈Q2、相互啮合的双行星齿轮G2(其外面的行星齿轮与齿圈Q2啮合，里面的行星齿轮与太阳轮S2啮合)；K3包括单行星轮G3、太阳轮S3、行星架H3、齿圈Q3四个部分。其中，双行星齿轮系K1的太阳轮S1与输入轴3相连，行星架H1与套轴2相连，齿圈Q1通过离合器C2与单行星齿轮系K3的行星架H3相连；双行星齿轮系K2的太阳轮S2与单行星轮系K3的太阳轮S3相连，行星架H2通过离合器C1与双行星齿轮系K1的太阳轮S1相连，齿圈Q2与双行星齿轮系K1的行星架H1相连；单行星齿轮系K3的太阳轮S3与双行星齿轮系K2的太阳轮S2相连，齿圈Q3与制动器B相连，行星架H3既通过离合器C2与单行星齿轮系K1的齿圈Q1相连，又与输出轴4相连。系统工作时，靠控制制动器和各个离合器的工作状态(接合或分离)，使行星机构平顺、无冲击的自动换段，从而形成系统的逐段连续无级输出，构成足够宽广的总速比变化范围。车辆的倒车行驶通过调节电动机6得以实现。

本发明的整个工作过程是：

行星机构在离合器C1、制动器B接合，离合器C2、C3分离的情况下，首先工作于第I段，i_c开始从+1向-1连续变化，工作段I开始把最大的速比、最大的转矩传递到输出轴4，此时，齿圈Q1自由空转；当i_c变化到-1时，使离合器C2接合，离合器C1、C3和制动器B分离，行星机构工作于第II段，同时，i_c开始从-1向+1变化，工作段II开始把次大的速比、次大的转矩传递到输出轴4，此时，太阳轮S2、行星架H2、齿圈Q2、太阳轮S3、齿圈Q2自由空转；当i_c变化到+1时，使离合器C1和离合器C3接合，离合器C2和制动器B分离，行星机构工作于第III段，同时，i_c开始从+1向-1变化，工作段III开始把较小的速比、较小的转矩传递到输出轴6，此时，齿圈Q1自由空转。如此，使i_c反复变化，同时不跳段、无冲击地切换制动器和各离合器的工作状态(接合或分离)，就实现了系统总速比分段连续无级的变化。车辆的倒车行驶通过调节电动机6得以实现。

需要指出的是，若适当收窄i_c的上下限范围，会使电动机1工作在更高效的区域中工作，而且可以进一步降低其功率。

Claims

1、一种电力机械行星机构无级变速传动系统，其特征在于由相互啮合的齿轮(Z1)、惰轮(Z2)及齿轮(Z3)、行星机构、输入轴(1)、套轴(2)、输入轴(3)、输出轴(4)、相互啮合的齿轮(Z4)和(Z5)、电动机(5)、电动机(6)、逆变器以及蓄电池连接组成。

2、根据权利要求1所述的电力机械行星机构无级变速传动系统，其特征在于，行星机构由离合器(C1、C2、C3)、制动器(B)、双行星齿轮系(K1、K2)以及单行星轮系(K3)构成，双行星齿轮系(K1、K2)分别包括以下几个部分：太阳轮(S1)、行星架(H1)、齿圈(Q1)、相互啮合的双行星轮(G1)、太阳轮(S2)、行星架(H2)、齿圈(Q2)、相互啮合的双行星齿轮(G2)；单行星齿轮系(K3)包括单行星轮(G3)、太阳轮(S3)、行星架(H3)、齿圈(Q3)；双行星齿轮(G1)外面的行星齿轮与齿圈(Q1)啮合，里面的行星齿轮与太阳轮(S1)啮合；双行星齿轮(G2)外面的行星齿轮与齿圈(Q2)啮合，里面的行星齿轮与太阳轮(S2)啮合。

3、根据权利要求2所述的电力机械行星机构无级变速传动系统，其特征在于，双行星齿轮系(K1)的太阳轮(S1)与输入轴(3)相连，行星架(H1)与套轴(2)相连，齿圈(Q1)通过离合器(C2)与单行星齿轮系(K3)的行星架(H3)相连；双行星齿轮系(K2)的太阳轮(S2)与单行星轮系(K3)的太阳轮(S3)相连，行星架(H2)通过离合器(C1)与双行星齿轮系(K1)的太阳轮(S1)相连，齿圈(Q2)与双行星齿轮系(K1)的行星架(H1)相连；单行星齿轮系(K3)的太阳轮(S3)与双行星齿轮系(K2)的太阳轮(S2)相连，齿圈(Q3)与制动器(B)相连，行星架(H3)既通过离合器(C2)与单行星齿轮系(K1)的齿圈(Q1)相连，又与输出轴(4)相连。