CN101122319B - 一种电力无级变速器 - Google Patents

Abstract

一种电力无级变速器，包括双机械端口电机和行星齿轮。行星齿轮的太阳轮(7)与双机械端口电机的内转子(2)固连，行星齿轮的行星架(8)与双机械端口电机的外转子(3)通过离合器相连。控制离合器的开闭完成外转子(3)与行星架(8)的连接和脱开。控制装在行星齿轮齿圈(6)和动力总成壳体(14)之间的第一制动器(9)的制动和松开，完成齿圈(6)的制动和自由运动。行星齿轮的齿圈(6)和发动机固连。控制装在行星齿轮的行星架(8)与动力总成壳体(14)之间的第二制动器(5)的制动与松开，完成行星架(8)的制动和自由运动。切换两个制动器(9、5)，开闭离合器，可使车辆在全混合动力模式和并联混合动力模式之间自由切换。

Description

一种电力无级变速器

技术领域

本发明涉及一种电力无级变速器，特别涉及用于车辆的电力无级变速器。

背景技术

双机械端口电机是一种新型的具有两个可以独立运转，独立控制的机械端口的电机。这种新型的电机在国内外很多发明专利中出现。如中国专利CN1945939《双机械端口电机及其驱动控制系统》，CN1738163《双转子混合动力复合永磁电机》，CN2865127实用新型专利《一种车辆用的具有直接传动功能的电动自动变速器》，又如国外的发明专利US2004026143，WO0034066和EP1481463等。这种电机被广泛应用在新型的混合动力总成中。行星齿轮也是一种具有两个可以独立旋转，独立控制的机械端口的机构。由于同样的原因，这种机构也被广泛的应用于混合动力总成中，如中国专利CN1181322《动力输出装置、发动机控制装置及其控制方法》(申请人：日本丰田自动车株式会社)。上述混合动力总成由于都采用了不同形式，不同布置方式的电机及其组合，并能完成和机械无级变速器相同的无级变速功能，因此都属于电力无级变速器。根据实现无级变速的核心机构的不同，可以把上述电力无级变速器分为两大类，第一类是以双机械端口电机为核心，如发明专利CN1945939，第二类是以行星齿轮为核心，这类以丰田的专利CN1181322为代表。

双机械端口电机的一种典型结构是同心布置电机定子、外转子和内转子。两个转子分别当作两个可以独立旋转、独立控制的机械端口。与发动机的典型连接方式是内转子与发动机相连，外转子与驱动桥相连。因此，内转子需要提供与发动机动力相当的负载转矩，以保证发动机匀速转动，正常输出动力。从能量角度看，内转子大多数工况充当发电机。而外转子需要提供发动机动力不足时的动力补充。外转子大多数工况充当电动机。行星齿轮的一种典型结构是太阳轮连接发电机，行星架连接发动机，齿圈连接电动机。发电机和电动机分别位于行星齿轮左右两侧，轴向布置。由于太阳轮和行星架之前存在一个升速环节，因此发动机的转速很高，而转矩很小。

目前这两类电力无级变速器都存在不同的问题。以双机械端口电机为核心的电力无级变速器由于其内转子与发动机采取直接连接的方式，其提供的转矩在数值上等于发动机转矩。同时，由于电机的体积取决于电机的转矩而非功率，因此以双机械端口电机为核心的电力无级变速器的第一个主要问题是电机内转子体积庞大。其次，双机械端口电机应用于混合动力总成时，需要在特定条件下进入到并联混合动力模式，以最大程度地降低功率转换过程中的损耗，提高系统效率。因此需要提供机械绑定两个转子的机构。同时，由于需要防止发动机反转，在这个系统中还需要一个机械锁止发动机的机构。在实用新型专利CN2865127中就给出了这种机构的一种实现方式。这种实现方式采用了两对传统的外啮合齿轮，一系列过渡盘和两个通用离合器。这些部件虽然完成了上述绑定和锁止功能，但是结构复杂，体积庞大。

以行星齿轮为核心的电力无级变速器的发电机由于与发动机采取升速连接的方式，其提供的转矩在数值上为发动机转矩的一部分，虽然解决了以双机械端口电机为核心的电力无级变速器的发电机部分体积大的问题，但这种连接方式也导致了这种电力无级变速器的第一个主要问题：太阳轮速度过高，加工难度大。第二个明显的问题就是由于轴向布置系统中的电机，与以双机械端口电机为核心的电力无级变速器径向嵌套布置系统中的电机相比，整体结构不紧凑。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提出一种新型的电力无级变速器。这种电力无级变速器结合了双机械端口电机和行星齿轮机构。兼顾了两者的优点，同时弥补了两者的不足，具有更高的功率和转矩密度。

本发明电力无级变速器从本质上属于基于双机械端口电机的电力无级变速器，主要包括双机械端口电机和行星齿轮两大部分。

行星齿轮与双机械端口电机的连接方式是：行星齿轮的太阳轮与双机械端口电机的内转子固连；行星齿轮的行星架与双机械端口电机的外转子通过离合器相连，根据整个动力总成的运行状态，通过控制离合器的吸合和松开完成外转子与行星架的连接和脱开。

行星齿轮与动力总成其他部分的连接方式是：动力总成壳体上安装有第一制动器和第二制动器。具体位置是，行星齿轮的齿圈和动力总成壳体之间装有第一制动器，通过控制第一制动器的制动和松开完成齿圈的制动和自由运动。行星齿轮的齿圈和发动机固连。行星齿轮的行星架与动力总成壳体之间装有第二制动器，通过控制第二制动器的制动与松开完成行星架的制动和自由运动。

本发明提出的新型的电力无级变速器存在两种混合动力运行模式和一种纯电动运行模式。当第二制动器制动，离合器和第一制动器均松开时，这种电力无级变速器工作在完全混合动力模式。当第二制动器和第一制动器均松开，离合器吸合时，这种电力无级变速器工作在并联混合动力模式下。当第一制动器制动，第二制动器和离合器均松开时，发动机不出力，这种电力无级变速器工作在纯电动模式。

本发明有机组合了行星齿轮和双机械端口电机的优点。双机械端口电机的优点在于具有无级变速功能，但是缺点主要有两个：第一、内转子体积庞大；第二、只能工作在全混合动力模式下。完全混合动力模式只适合城市工况，并不适合高速路工况。丰田混合动力总成中的行星齿轮的优点在于结构紧凑，可以有机的连接系统中其他部件，构成一种无级变速器。本发明中的行星齿轮与现有技术丰田方案中的行星齿轮功能不同，只是借用其结构紧凑的特点，并非当作完成无级变速的核心部件，而是当作一种辅助机构。这种行星齿轮与双机械端口电机的有机组合，可以使得双机械端口电机具备原有方案不可能具备的特征。首先就是内转子转速升高，功率密度得到显著提升，体积减小。第二是使得原本只能工作在全混合动力模式下的双机械端口电机具备了可以工作在全混合动力模式和并联混合动力模式下。可以同时满足城市工况和高速路工况两种具有代表性的工况。使得搭载有这种电力无级变速器的车辆具有更好的道路适应性。

附图说明

图1是本发明及其在搭载车辆上的连接示意图，图中：1双机械端口电机的定子，2双机械端口电机的内转子，3双机械端口电机的外转子，4离合器的主动盘，5第二制动器，6行星齿轮的齿圈，7行星齿轮的太阳轮，8行星齿轮的行星架，9第一制动器，10第一过渡盘，11第二过渡盘，12第三过渡盘，13电刷刷架，14动力总成壳体，15输出链轮，16钢链，17发动机，18减速齿轮组合，19差速器，20驱动轮，21发动机轴，27集电环。

图2是本发明提出的新型电力无级变速器中行星齿轮部分放大图，图中：22第一摩擦片，23第二摩擦片，24第三摩擦片，25第四摩擦片，26第五摩擦片。

图3是本发明工作在全混合动力模式下的动力传递示意图。

图4是本发明工作在并联混合动力模式下的动力传递示意图。

图5是本发明工作在纯电动模式下的动力传递图。

具体实施方式

图1是本发明电力无级变速器及其在搭载平台上的连接方式示意图。本发明电力无级变速器主要包括双机械端口电机和行星齿轮两大部分。如图1所示，双机械端口电机是同心布置的三层结构，最外层是定子1，中间是外转子3，最内层是内转子2。其中，定子1和内转子2上安装有电枢绕组。内转子电流通过电刷13和集电环27从外部电源通入内转子2的电枢绕组之中。行星齿轮由行星架8、太阳轮7和齿圈6组成。太阳轮7与内转子2固连。齿圈6与发动机轴21固连。内转子2内部制成空心结构，发动机轴21从中穿过，两者之间通过轴承支撑。动力总成壳体14与行星齿轮齿圈6之间安装有第一制动器9，动力总成壳体14与行星齿轮行星架8之间安装有第二制动器5。通过控制第一制动器9和第二制动器5的制动与松开，分别完成齿圈6和行星架8的制动和自由运动。由于齿圈6与发动机轴21固连，因此第一制动器9也同时控制了发动机的转动。第二制动器上述制动器都由静止和旋转两部分组成。具体的机械结构多种多样。本发明采用的结构是一种典型的机械结构，静止部分是制动蹄，制动蹄的张开与合拢依靠液压动力或者凸轮机构。而旋转部分是制动鼓。对于上述第一制动器9，制动鼓安装在齿圈6上，对于上述第二制动器5，制动鼓安装在行星架8上。制动蹄都安装在动力总成壳体14上。制动鼓和制动蹄之间构成一对摩擦副，当制动蹄合拢时，摩擦副之间的摩擦力制动制动鼓。第一过渡盘10与行星架8固连，第二过渡盘11与太阳轮7固连，第三过渡盘12与外转子3固连。离合器主动盘4是固定在动力总成壳体14上的，上述三个过渡盘作为离合器的被动盘，当主动盘4动作时，把三个过渡盘10、11和12吸合在一起，使三个过渡盘10、11和12以相同的转速旋转。输出链轮15与外转子3固连。通过啮合在输出链轮15上的钢链16，把外转子3上的动力传递到减速齿轮组18，经由差速器19最终传递到驱动轮20，推动车辆行驶。

图2是本发明电力无级变速器中行星齿轮部分的放大图。如图2所示，在齿圈6上有第一摩擦片22，在第一过渡盘10上有第二摩擦片23和第五摩擦片26，在第二过渡盘11上有第四摩擦片25，在第三过渡盘12上有第三摩擦片24。当第一制动器9制动时，其与第一摩擦片22之间的摩擦力可以制动齿圈6，由于齿圈6通过发动机轴21与发动机17固连，因此同时也就制动了发动机17，防止发动机出现误动作。当第一制动器9松开时，其与第一摩擦片22之间的摩擦力消失，发动机17可以自由旋转。当第二制动器5制动时，其与第二摩擦片23之间的摩擦力可以制动第一过渡盘10，从而制动行星架8。当第二制动器5松开时，其与第二摩擦片23之间的摩擦力消失，行星架8可以自由旋转。当离合器主动盘4动作时，会使第三摩擦片24、第四摩擦片25和第五摩擦片26压在一起，通过他们之间的摩擦力使得三者吸合，以相同的速度旋转。离合器可以是机械离合器，也可以是电磁离合器。

图3和图4是当第一制动器、第二制动器以及离合器工作在不同的模式下，混合动力总成对应的运行状态示意图。

如图3所示，第一制动器9松开，第二制动器5制动，离合器4松开。这时，发动机17可以自由旋转，行星齿轮中行星架8固定不动。外转子3、内转子2均可以自由转动。因此动力系统总成运行在全混合动力模式下。假设齿圈6齿数为R，太阳轮齿数为S，这样，在齿圈6和太阳轮7之间，也即发动机17和内转子2之间形成了一个升速环节，升速比为k1＝R/S。与一般双机械端口电机内转子与发动机直接连接不同，这种升速连接使得内转子输出转矩只是发动机转矩的1/k。由于电机的体积与电机的转矩成正比，因此采用本发明电力无级变速器，通过升速环节连接内转子与发动机的方法，与一般电力无级变速器中，直接连接内转子和发动机的方法相比，可以获得体积更小的内转子。而且，在丰田以行星齿轮为核心的电力无级变速器中，发电机与太阳轮相连，而发动机与行星架而不是齿圈相连。因此，发电机与行星架之间的升速环节升速比为k2＝1+R/S＞k1。通过比较发现，本发明提出的连接方式使得在发动机转速相同的情况下，双机械端口电机的内转子可以获得比丰田方案的发电机较低的转速。这样本发明提出的新型电力无级变速器就兼顾了以双机械端口电机为核心的电力无级变速器结构紧凑的优点，和以行星齿轮为核心的电力无级变速器发电机体积小的优点。同时还避免了丰田以行星齿轮为核心的电力无级变速器发电机转速过高，加工制造难度大的缺点。在本发明提出的行星齿轮与双机械端口电机连接方式以外，还有另外一种连接方式。即发动机17通过发动机轴21与行星架8固连，而内转子2与齿圈6固连，两者之间形成升速比k3＝1+S/R。通过比较k2的表达式可以知道，k2＞k3，因此依然可以获得比较低的内转子转速。

如图4所示，第一制动器9松开，第二制动器5松开，离合器4吸合。这时，发动机17可以自由旋转。由于离合器4吸合，三个过渡盘被连成一体，与三个过渡盘分别连成一体的发动机、内转子和外转子也以相同的速度旋转。此时，内转子不通电，发动机动力直接通过行星齿轮传递到外转子输出。整个动力系统总成工作在并联混合动力模式下。

本发明电力无级变速器可以通过切换第一、第二两个制动器以及离合器的打开和关闭，在全混合动力模式和并联混合动力模式之间自由切换。全混合动力模式适合于频繁起停的城市工况，而并联混合动力模式适合于高车速，急加速的高速公路工况。因此，这种自由切换使得新型电力无级变速器可以适应不同的车辆工况，使得车辆在任何工况下都有优异的动力性和出色的燃油经济性。

在图-5中，第一制动器9闭合，第二制动器5松开，离合器4也松开。这时，发动机17被制动器9约束，不能转动。而双内外转子均可以自由转动。此时双机械端口电机的定子通电，以纯电动方式驱动车辆。同时还可以根据需要决定内转子是否通电，来补充动力的不足。

Claims (5)

1.一种电力无级变速器，其特征在于主要包括双机械端口电机和行星齿轮；行星齿轮的太阳轮(7)与双机械端口电机的内转子(2)固连；行星齿轮的行星架(8)与双机械端口电机的外转子(3)通过离合器相连，通过控制离合器的吸合和松开完成外转子(3)与行星架(8)的连接和脱开；行星齿轮的齿圈(6)和发动机轴(21)固连，行星齿轮的齿圈(6)和动力总成壳体(14)之间装有第一制动器(9)，通过控制第一制动器(9)的制动和松开完成齿圈(6)的制动和自由运动，并控制发动机；行星齿轮的行星架(8)与动力总成壳体(14)之间装有第二制动器(5)，通过控制第二制动器(5)的制动与松开完成行星架(8)的制动和自由运动；输出链轮(15)与外转子(3)固连。

2.根据权利要求1所述的电力无级变速器，其特征在于所述的离合器的第一过渡盘(10)与行星架(8)固连，第二过渡盘(11)与太阳轮(7)固连，第三过渡盘(12)与外转子(3)固连；离合器主动盘(4)固定在动力总成壳体(14)上，主动盘(4)动作时，把所述三个过渡盘(10、11、12)吸合在一起，使所述三个过渡盘(10、11、12)以相同的转速旋转；输出链轮(15)通过啮合在输出链轮(15)上的钢链(16)，把外转子(3)上的动力传递到减速齿轮组(18)，经由差速器(19)最终传递到驱动轮(20)，推动车辆行驶。

3.根据权利要求2所述的电力无级变速器，其特征在于所述的行星齿轮齿圈(6)上有第一摩擦片(22)，在第一过渡盘(10)上有第二摩擦片(23)和第五摩擦片(26)，在第二过渡盘(11)上有第四摩擦片(25)，在第三过渡盘(12)上有第三摩擦片(24)。

4.根据权利要求1所述的电力无级变速器，其特征在于所述的双机械端口电机内转子(2)内部为空心结构，发动机轴(21)从中穿过，内转子(2)和发动机轴(21)之间通过轴承支撑。

5.根据权利要求1所述的电力无级变速器，其特征在于通过切换第一制动器(9)、第二制动器(5)以及离合器的打开和关闭，在完全混合动力模式和并联混合动力模式之间自由切换。

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