CN101423020B - 汽车油电混合动力系统的机电动力耦合机构 - Google Patents

Abstract

本发明是一种汽车油电混合动力系统的机电动力耦合机构。它至少由一个发动机、一个电机、一个电机控制器、一个行星齿轮机构成。所述的行星齿轮机构的齿圈轴R和太阳齿轮轴S作为力矩输入轴分别与发动机轴和电机轴相联，其行星架轴作为力矩输出轴与变速箱的输入轴相联。为了实现纯电驱动和行驶中启动发动机，在发动机轴上设置了单向离合器，在太阳齿轮和齿圈之间设置了限力矩离合器，同时给出限力矩离合器耦合时的耦合力矩Q和电机输出扭矩T的计算方程，以控制启动发动机时Q和T的大小，从而消除车辆驱动轴上的负冲击扭矩，保持车辆行驶平稳。

Description

汽车油电混合动力系统的机电动力耦合机构

技术领域

本发明涉及一种汽车油电混合动力系统。具体地说，它是一种汽车油电混合动力系统的机电动力耦合机构。 

背景技术

在已有技术中，美国专利6569054公开了一种并联式油电混合动力系统，如该专利的图3所示，该系统的机电耦合机构主要由一个发动机1、一个电机2、一套行星齿轮机构21、一个电磁离合器36和一个变速箱4构成。其中行星齿轮机构21的太阳齿轮轴S和齿圈轴R作为力矩输入轴，其行星架轴C作为力矩输出轴，力矩输入轴S、R分别与发动机1和电机2的轴相联，力矩输出轴C通过变速箱4与车轮5的驱动轴相联。该行星齿轮机构的作用是用于合成发动机1和电机2输出的驱动扭矩来共同驱动车辆。所述电磁离合器36接在太阳齿轮轴S和行星架轴C之间，用于机械锁定行星齿轮机构的三个轴，它耦合时，行星齿轮机构的三个轴可以以一个速度转动来驱动车辆，它分离时，行星齿轮机构的三个轴分别以各自的速度转动。该系统的两个动力源即发动机和电机是并联的，它们输出的驱动扭矩均可以通过机械传动而直接作用在车轮的驱动轴上，因此，动力传递效率高，而且只用了一个电机，结构简单。但该系统存在着一个较大的缺点：就是在车辆行驶中不能关闭发动机，这是因为如果发动机不输出驱动扭矩、只由电机单独输出驱动扭矩时，该驱动扭矩通过行星齿轮机构后会传递给发动机轴一个反向扭矩，使发动机倒转，这是不允许的，因此，它不具备纯电驱动功能。然而，对于一个油电全混合动力系统而言，具备纯电驱动和在纯电驱动下启动发动机是非常重要的。如果车辆具备该功能，它就可以在爬行或低速行驶时用纯电驱动而关闭发动机，以减少油耗，而当车辆从爬行或低速行驶转为加速时，它又可以直接启动发动机，进行油电合力驱动。这是一 个非常节省燃料的工作状态，它在城市道路上行驶时显得尤为重要。因此，具不具备该功能也成为区分车辆是否是“油电全混合动力汽车”的主要标志之一。为了达到上述功能，通常的设计是要在系统中增加一个启动电机，这样就增加了系统的复杂性、成本、体积和重量。 

发明内容

本发明的目的是针对已有技术中的缺点，提供一种改进的汽车油电混合动力系统的机电动力耦合机构，使其在保证使用一个电机的前提下，具备纯电驱动和在纯电驱动下启动发动机的功能。 

为实现上述目的，本发明的第一技术方案如下： 

它至少由一个发动机、一个电机、一套行星齿轮机构和一个电机控制器构成，所述的行星齿轮机构至少具有三个齿轮轴，其中第一齿轮轴和第二齿轮轴作为力矩输入轴分别与所述发动机轴和所述电机轴相联，其第三齿轮轴作为力矩输出轴与变速箱的输入轴相联，所述离合器位于所述第一齿轮轴和所述第二齿轮轴之间，其特征是： 

A、所述单向离合器位于所述的发动机轴和机壳之间，用于制止所述发动机轴的反转； 

B、在所述第二齿轮轴上的惯性矩J_S与第二齿轮的齿数Z_S之比值不等于第一齿轮轴上的惯性矩J_R与第一齿轮的齿数Z_R之比的条件下，即： 

$\frac{J_R}{Z_R}\≠\frac{J_S}{Z_S}$

则所述的离合器是一个限力矩离合器，用于在所述第一齿轮轴和所述第二齿轮轴之间产生一个预先设定的有限耦合力矩Q，该有限耦合力矩Q的大小由方程(1)计算： 

$Q=J_R\·{\mathrm{\ϵ}}_R+T_f+T_C\frac{r}{s+r}---\left(1\right)$

式中J_R是第一齿轮轴上的惯性矩，ε_R是第一齿轮轴的角加速度，T_f是发动机轴的摩擦力矩，T_C是第三齿轮轴的驱动扭矩，r是第一齿轮的半径，s是第二齿轮的半径； 

当本机构在车辆行驶中启动发动机而将限力矩离合器耦合时，由电 机控制器控制所述的电机输出一驱动扭矩T，该驱动扭矩T的大小由方程(2)计算： 

$T=Q+\frac{s}{s+r}{T}_c-J_S\frac{r}{s}{\mathrm{\ϵ}}_R---\left(2\right)$

式中Q为离合器(6)的有限耦合力矩，ε_R是第一齿轮轴的角加速度，T_C是第三齿轮轴的驱动扭矩，J_S是第二齿轮轴的惯性矩，r是第一齿轮的半径，s是第二齿轮的半径。 

本发明的第二技术方案如下： 

它至少由一个发动机、一个电机、一套行星齿轮机构和一个电机控制器构成，所述的行星齿轮机构至少具有三个齿轮轴，其中第一齿轮轴和第二齿轮轴作为力矩输入轴分别与所述发动机轴和所述电机轴相联，其第三齿轮轴作为力矩输出轴与变速箱的输入轴相联，所述离合器位于所述第一齿轮轴和所述第二齿轮轴之间，其特征是： 

A、所述单向离合器位于所述的发动机轴和机壳之间，用于制止所述发动机轴2的反转； 

B、所述第二齿轮轴上的惯性矩J_S与第二齿轮的齿数Z_S之比值等于第一齿轮轴上的惯性矩J_R与第一齿轮的齿数z_R之比，即满足方程： 

$\frac{J_R}{Z_R}=\frac{J_S}{Z_S}.$

本发明通过在发动机轴上增加一个单向离合器，防止了在纯电驱动时发动机轴的反转，使其具备了纯电驱动功能。 

为了实现在纯电驱动下启动发动机，必须克服离合器耦合时发动机惯性矩作用在第三齿轮轴(即力矩输出轴C)上的负冲击扭矩。这是因为在纯电驱动下启动发动机时，必须借助于离合器的耦合来使电机轴拖动发动机轴而启动。由此就带来了一个难题：因为在离合器耦合之前，发动机处于静止，其轴转速为零，如果这时将离合器耦合，就等于行星齿轮系的三个轴要进行一个完全非弹性的转动碰撞，这个转动碰撞会在第三齿轮轴(即力矩输出轴C)上产生负扭矩，该负扭矩是由发动机轴的惯性矩产生的，这一负扭矩传递到车轮上时会使车辆产生震动，并使乘车者感到难受，更甚者可能导致机械结构的损坏而发生安全事故。所 以，它是不能被接受的。本发明较好地消除了该负冲击扭矩，可以使车辆行驶中启动发动机时保持平稳。 

本发明根据行星齿轮机构的动力学分析发现：离合器耦合时，发动机轴在行星架轴C上所产生的负扭矩可由太阳齿轮轴S和电机的惯性矩削弱或抵消。由图5可见，启动前，太阳齿轮轴S的转速高于行星架轴C的转速，因此，当离合器6耦合时，太阳齿轮轴S倾向于对行星架轴C作用一正向的扭矩，该正扭矩与齿圈轴R所产生的反向扭矩同时产生，方向相反，对行星架C的作用相互抵消。如果上述的正扭矩等于负扭矩，则负扭矩就可以完全被抵消。根据这一分析，本发明用离合器耦合前、后行星齿轮机构三个轴动量矩守恒的原理推导得出：如果本机构满足第二齿轮轴S上的惯性矩J_S与第二齿轮S’的齿数Z_S之比等于第一齿轮轴R上的惯性矩J_R与第一齿轮R’的齿数Z_R之比，即J_S/Z_S＝J_R/Z_R成立，则离合器耦合时，由发动机惯性矩在第三齿轮轴C上产生的负扭矩可以完全抵消。也就是说，当本机构满足J_S/Z_S＝J_R/Z_R，系统可以将离合器直接耦合启动发动机，而不会产生车辆震动。在这是本发明的第二技术方案。 

本发明的第一技术案是：如果本机构做不到J_S/Z_S＝J_R/Z_R，则可以通过限制离合器耦合力矩的峰值和适当增大离合器耦合时电机正向的驱动扭矩来达到上述抵消负扭矩的目的。本发明用限力矩离合器来限制发动机轴和电机轴耦合时的耦合力矩峰值，其目的是使所述的负扭矩被限制在一个较低的范围之内。同时，本发明又通过增加电机轴的正向输出扭矩T来抵消发动机轴的惯性矩作用在第三齿轮轴C上的剩余负扭矩。但是，由于离合器耦合时，电机轴输出的正向扭矩一方面通过第二齿轮轴S传递到第三齿轮轴C上去抵消负扭矩，另一方面还通过第一齿轮轴R反向传递到发动机轴，该力矩与电机轴通过离合器的耦合而直接拖动发动机轴启动的正向扭矩相反，它会使发动机不能迅速启动，因此，电机输出的正向扭矩不能太大，应把握在既能抵消作用在第三齿轮轴C上的负扭矩、又能迅速启动发动机的范围之内。为了达到这一目的，本发明分析了离合器耦合时行星齿轮机构中各齿轮轴的受力情况，根据它们 的动力学平衡方程推导得出方程(1)、(2)，根据这两个方程可计算出离合器耦合时其限力耦合力矩Q和电机输出正向扭矩T的大小，通过计算可以合理给出这两个力矩值，从而达到上述抵销负扭矩目的。这是本发明的技术方案1。 

本发明较好地解决了上述难题，在不增加电机的情况下，实现了纯电驱动和行驶中启动发动机的功能，使该系统具备了全油电混合动力系统的主要功能。 

附图说明

图1、本发明的结构示意图。 

图2、行星齿轮机构三齿轮轴的速度图。 

图3、行星齿轮机构三齿轮轴的力矩图。 

图4、电机单独驱动车辆时行星齿轮机构三轴的速度图。 

图5、电驱动工况下启动发动机时行星齿轮机构三轴的速度图。 

图6、离合器耦合时行星齿轮机构的受力和角加速度示意图。 

图7、齿圈在离合器耦合时的受力和角加速度示意图。 

图8、行星齿轮在离合器耦合时的受力示意图。 

图9、行星架轴在离合器耦合时的受力示意图。 

图10、太阳齿轮在离合器耦合时的受力和角加速度示意图。 

图11、滚柱式单向离合器的具体结构示意图。 

图12、弹簧压力、湿式多片限力矩离合器的具体结构示意图。 

具体实施方式

参见图1，它至少由一个发动机1、一个电机2、一个单向离合器7、一个离合器6、一套行星齿轮机构3和一个电机控制器5构成，所述的行星齿轮机构3具有三个齿轮轴R、S、C，其中第一齿轮(以下简称齿圈)轴R和第二齿轮(以下简称太阳齿轮)轴S作为力矩输入轴分别与发动机1的轴和电机2的轴相联，其第三齿轮(以下简称行星架)轴C作为力矩输出轴与变速箱4的输入轴相联，变速箱的输出轴与车轮的驱动轴相联。离合器6设在所述的太阳轮轴S和齿圈轴R之间，用于将行星齿轮机构3的三个齿轮轴锁在一起。所述的行星齿轮机构是一个现有的机 械机构，根据行星齿轮机构公知的工作原理，其三个轴的力矩输入和输出关系是可以互换的，例如发动机可连接太阳轮轴、电机连接齿圈轴。该力矩输入、输出关系变换后，与图1结构所达到的技术效果是相同的，它们属于等同结构的替换，均属于本发明的保护范围。因此，本发明仅就图1中的连接方式展开说明，在下面的叙述中，其它变换连接可以根据该种连接方式同理导出。另外，所述的离合器6也可以安装在任意二个齿轮轴之间，均可实现三个齿轮轴锁在一起的功能，本例举出上述一种特定的连接，以便下面的推导。 

根据图1所述的连接结构，太阳齿轮轴转速n_S、齿圈轴转速n_R和行星架轴转速n_C之间的速度关系可以用图2来表示，图中的Z_S和Z_R分别是太阳齿轮S和齿圈R的齿数，箭头则分别指出了三个轴转动的正方向。并且三个轴的速度具有如下已知方程式： 

n_S·Z_S+n_R·Z_R＝n_C·(Z_S+Z_R)      (10) 

根据方程式(10)，当其中任何两个轴的速度是已知的，第三轴的转速是确定的，并可根据方程式(10)计算得出。 

根据本机构的连接关系，电机2作用在太阳齿轮轴上的扭矩T_S和发动机1作用在齿圈轴上的扭矩T_R和行星架轴输出的扭矩T_c之间的扭矩关系可以用图3来表示，图中的Z_S和Z_R分别是太阳齿轮S’和齿圈R’的齿数，箭头则分别指出了三个轴正向扭矩的方向，并且具有如下已知方程式： 

T_C＝T_S+T_R

$\frac{T_S}{Z_S}=\frac{T_R}{Z_R}---\left(11\right)$

根据方程(11)，当其中任何一个轴的扭矩是已知的，则另外两轴的扭矩是确定的，并可以用方程式(11)计算得出。 

参见图1、4，在发动机停机、电机单独驱动车辆的工况下，发动机1处于关机状态，其转速为零，变速箱4设置为“驱动”或“倒车”位置；电机轴以速度n_S正向转动，并输出驱动力矩T_S到太阳齿轮轴S上；太阳齿轮S’推动小行星齿轮C’转动，小行星齿轮倾向于使齿圈R’倒 转，由于齿圈轴R与发动机轴连接，故倾向于使发动机1倒转，为此，本发明在所述的发动机轴上增设一个单向离合器7，用于制止发动机轴的反转，同时，单向离合器7还施加一个约束反力矩T_R到齿圈轴R上，根据方程(10)和(11)，行星架轴C将输出一个驱动力矩T_C＝T_S+T_r＝T_S·(Z_S+Z_r)/Z_S，其速度为n_C＝n_s.Z_S/(Z_S+Z_r)，驱动车辆前进或倒退，从而实现纯电驱动功能。 

参见图1、5，在电机2单独驱动车辆时，发动机1轴为静止，其速度为零，行星齿轮机构三个轴R、S、C的速度如图5实线所示。这时，要启动发动机1，需将离合器6耦合；同时，电机2将施加正向扭矩到太阳齿轮轴S上。当离合器6耦合时，电机2通过离合器6的耦合拖动发动机轴开始正向转动，当达到怠速时，发动机1启动，图5中虚线示出启动发动机过程中的各轴速度。发动机轴具有一定的惯性矩，离合器6耦合前，其速度为零，耦合时，就等于行星齿轮机构的三个轴要锁在一起，也就是说，以不同转速转动的太阳轮轴S和行星架轴C要与发动机静止的轴R进行一个完全非弹性的转动碰撞，这个转动碰撞会在行星架轴C上产生负扭矩，该负扭矩是由发动机轴的惯性矩产生的，这一负扭矩会使车辆产生震动，这是不能被接受的。 

本发明解决了该问题，实现了纯电驱动下启动发动机的功能。 

实施例1 

本发明者通过分析发现，发动机轴在行星架轴C上所产生的负扭矩可由太阳齿轮轴S和电机的惯性矩削弱或抵消。由图5可见，启动前，太阳齿轮轴S的转速高于行星架轴C的转速，因此，当离合器6耦合时，太阳齿轮轴S倾向于对行星架轴C作用一正向的扭矩，该正扭矩与齿圈轴R所产生的反向扭矩同时产生，方向相反，对行星架C的作用相互抵消。为达到完全抵消的目的，本发明根据离合器6耦合前、后的动量矩守恒原理，进行了如下推导： 

假设太阳齿轮轴S的速度为n_S，，齿圈轴R的速度为n_R，行星架轴C的速度为n_C，则本机构总的动量矩L₀为： 

L₀＝ω_SJ_S+ω_RJ_R+ω_CJ_C      (3)

式中ω_S和J_S分别是太阳齿轮轴S和电机2的角速度和惯性矩，ω_R和J_R分别是齿圈轴R和发动机1的角速度和惯性矩；ω_C和J_c分别是行星架轴C的角速度和惯性矩。 

又假设本机构满足：太阳齿轮轴S上的惯性矩J_S与太阳齿轮齿数之比等于齿圈轴R上的惯性矩J_R与齿圈齿数之比，即： 

J_S/Z_S＝J_R/Z_R                       (4) 

将方程式(10)和(4)代入方程(3)，可得： 

L₀＝ω_SJ_S+ω_RJ_R+ω_CJ_C＝ω_C(J_S+J_R+J_C)   (5) 

该方程(5)是在方程(4)成立的条件下，离合器6耦合前系统的动量矩。 

当离合器6耦合后，行星齿轮机构的三个轴以同样的速度ω₁转动，其总的动量矩为： 

L₁＝ω₁(J_S+J_R+J_C)                   (6) 

因为离合器6在很短的时间内耦合并锁定，机构的外力矩(如：摩擦力矩)对其总的动量矩的影响很小，在此忽略不计，以便分析。根据动量矩守恒定律，机构总的动量矩在耦合前、后保持不变，即： 

L₀＝L₁                            (7) 

将方程(5)和(6)代入(7)，可得： 

L₀＝ω_C(J_S+J_R+J_C)＝L₁＝ω₁(J_S+J_R+J_C) 

由此可得： 

ω₁＝ω_C                           (8) 

通过上述推导表明，在方程(4)满足的条件下，行星架轴C的速度不受离合器6耦合的影响。换句话说，如果系统满足J_S/Z_S＝J_R/Z_R，则离合器6耦合时，由发动机轴的惯性矩在行星架轴c产生的负扭矩可完全抵销。因此，如果本机构能做到J_S/Z_S＝J_R/Z_R，则可实现纯电驱动下平稳启动发动机的功能。

实施例2 

但是，在现实中，保证上例的方程(4)完全成立是不易做到的。如果方程(4)不成立，即 

$\frac{J_R}{Z_R}\≠\frac{J_S}{Z_S}$

则当离合器6耦合时，发动机轴的惯性矩将对行星架轴c产生负冲击扭矩，在该种情况下，本发明采用下述两个措施进行解决。 

第一，采用限力矩离合器来限制行星齿轮机构三轴锁定时产生的冲击扭矩的峰值，将不稳定的冲击扭矩变成幅值有限且可预设的、平稳的扭矩。因为离合器6的耦合是引发冲击扭矩的原因，因此，耦合力矩越大，三轴之间的冲击扭矩就越大，由发动机轴传递到行星架轴上的负冲击扭矩也越大，因此，通过限制耦合力矩的峰值，可以将所述的负扭矩控制在一个较低的范围之内；同时，离合器的耦合力矩也不能太小，还需使其不失去握持力，为此，要给出一个适合的限力耦合力矩值。本发明根据离合器耦合时行星齿轮机构中各齿轮轴的动力学平衡方程推导得出方程(1)： 

$Q=J_R\·{\mathrm{\ϵ}}_R+T_f+T_C\frac{r}{s+r}---\left(1\right)$

根据方程(1)可计算得出合适的耦合力矩值。 

第二，用电机2施加正向扭矩在太阳齿轮轴S上来抵消行星架轴C受到的负扭矩，该负扭矩是采取了措施一之后所剩余的负扭矩。参见图1，电机2输出的正向扭矩，通过太阳齿轮轴S将部分扭矩通过小行星齿轮C’传递到行星架轴C，该扭矩是正向的，可以抵消作用在行星架轴C受到的负扭矩，因此，电机输出的正向扭矩越大，被抵消的负扭矩就越多，直到全部抵消，甚至超越(即行星架C受到正向扭矩)。但是，当电机输出的正向扭矩通过太阳齿轮S’驱动小行星齿轮C’转动时，小行星齿轮给齿圈R’一个反向力矩，该反向力矩与发动机转动方向相反，会减小电机通过离合器6直接拖动发动机轴启动的正向力矩，从而减小发动机轴的加速度，使发动机不能迅速启动。因此，电机输出的扭矩应控制在既能抵销行星架轴C上的负扭矩、又能让发动机迅速启动的合适范围内。本发明根据离合器耦合时行星齿轮机构中各齿轮轴的动力学平衡方程推导得出如下方程(2)： 

$T=Q+\frac{s}{s+r}{T}_c-J_S\frac{r}{s}{\mathrm{\ϵ}}_R---\left(2\right)$

根据方程(2)可以计算出电机应输出的一个合适力矩。 

上述方程(1)、(2)的推导如下： 

参见图6，图中示出离合器耦合时行星齿轮机构三个齿轮的受力和转动的加速度情况。图中ε_R是齿圈轴R的角加速度，T_f是发动机轴的摩擦力矩(负号表示实际力矩方向与箭头方向相反)，ε_C是行星架轴C的角加速度，T_C是变速箱输入轴对行星架的作用力矩(负号表示实际力矩方向与箭头方向相反，它的反作用力矩T_C为行星架的输出力矩；)，ε_S是太阳齿轮轴S的角加速度，T是电机的驱动扭矩，Q是限力矩离合器的耦合力矩。根据图6将行星齿轮机构三个齿轮的受力和转动加速度情况进行分解，并列出各齿轮轴动力学平衡方程。 

参见图7，齿圈R’的受力和角加速度情况如图所示，其中T_f为发动机轴的摩擦力矩，F_R为小行星齿轮C’对齿圈R’的作用力，ε_R是齿圈轴R的角加速度，齿圈轴R上的惯性矩为J_R，Q为限力矩离合器的耦合力矩，其动力学平衡方程为： 

J_R·ε_R＝Q-T_f-F_R·r    (12) 

式中r为齿圈R’的半径。 

参见图8，行星齿轮C’受力情况如图所示，其中小行星齿轮C’的质量和惯性矩较小，故忽略，F_S为太阳齿轮S’对行星齿轮C’的作用力，F_R为齿圈R’对小行星齿轮C’的作用力，F_C为行星架对小行星齿轮的作用力，p为小行星齿轮的半径。其动力学平衡方程为： 

F_R·p＝F_S·p     (13) 

F_C＝F_R+F_S        (14) 

参见图9，行星架轴C受力情况如图中所示，T_C为变速箱输入轴对行星架轴C的作用力矩(其反作用力矩是行星架轴的输出力矩T_C)，F_c为小行星齿轮对行星架的作用力。其动力学平衡方程为： 

F_C·c＝T_C $c=\frac{s+r}{2}$

$F_C\·\frac{s+r}{2}=T_C---\left(15\right)$

式中的c为行星架轴与小行星齿轮轴之间的距离，s是太阳齿轮的半径，r是齿圈半径。 

参见图10，太阳齿轮的受力和角加速度情况如图中所示，ε_S是太阳齿轮的角加速度，太阳齿轮轴上的惯性矩为Js，T是电机输出的驱动扭矩，Fs是小行星轮C’对太阳齿轮S’的作用力。其动力学平衡方程为： 

J_S·ε_S＝T-Q-F_S·s    (16) 

根据方程(10)，行星齿轮机构三个齿轮的速度关系为 

n_S·s+n_R·r＝n_C·(s+r) 

对上述速度方程求导，可得三轴的加速度方程： 

ε_S·s+ε_R·r＝ε_C·(r+s) 

由于整车的质量折合到驱动轴上的惯性矩J_C远大于发动机轴和电机轴的转动惯量J_R和J_S，相互作用时行星架轴C的角加速度ε_c远远小于发动机和电机轴的角加速度，因此，ε_c可以忽略，即ε_c≈0，所以上述的加速度方程可简化为： 

ε_R·r＝-ε_S·s(17) 

实际数值计算表明，该简化引起的误差小于2％。 

根据上述行星齿轮机构三个齿轮的受力分析和三个齿轮轴加速度方程的推导，可以得到上述的(12)～(17)六个方程： 

J_R·ε_R＝Q-T_f-F_R·r(12) 

F_R·p＝F_S·p       (13) 

F_C＝F_R+F_S          (14) 

$F_C\·\frac{s+r}{2}=T_C$ (15) 

J_S·ε_S＝T-Q-F_S·s (16) 

ε_R·r＝-ε_S·s    (17) 

由(13)式可得： 

F_R＝F_s    (13)′ 

由(13)’、(14)可得： 

F_c＝F_s+F_R＝2F_R＝2F_s               (14)′

由(13)′、(14)′和(15)式可得： 

F_R＝F_S＝F_C/2＝T_C/(s+r)          (18) 

将(18)代入(12)即得方程(1)： 

$Q=J_R\·{\mathrm{\ϵ}}_R+T_f+T_C\frac{r}{s+r}---\left(1\right)$

将(18)和(17)式代入(16)即得方程(2)： 

$T=Q+\frac{s}{s+r}{T}_c-J_S\frac{r}{s}{\mathrm{\ϵ}}_R---\left(2\right)$

所述方程(1)、(2)中的J_R和T_f是发动机的参数，r和s是行星齿轮机构的参数，J_s是电机参数，当本机构设计好后，它们都是已知参数。式中的T_c是变速箱输入轴作用在行星架上的力矩，与行星架轴输出的驱动力矩T_c互为反作用力矩，为保证在启动发动机时不产生制动效应，必须保证Tc≥0，由于偶合力矩Q和电机力矩T在实际中会有一定波动和变化，故会影响Tc的实际值可能偏离其设计值，为避免实际Tc值为负值，其设计值必须选取大于零的正值。但是，根据方程(1)和(2)，Tc增大将导致偶合力矩Q和电机扭矩T增大，从而增加限力矩离合器产生摩擦热量和磨损，同时，还需要增大电机和电池的容量，因此，Tc不能选取得太大。选取时，可以采用试值的方法，即先取一个Tc>0的值，再计算出一个偶合力矩Q和电机力矩T值，然后根据转速计算离合器产生的摩擦热量和电机的可用力矩；如果不能满足要求或不理想，则调整Tc设计值，重复上述计算，直到确定较理想的Tc值为止。式中ε_R是发动机的角加速度，当它达到一定值时，发动机才能在要求的时间内达到平稳启动的转速，因此，ε_R可以根据要求进行设定，例如：要求发动机在0.4秒内从0零转速(转/分))达到800转/分，其角加速度ε_R＝Δω/Δt＝(800＊2π/60)/0.4＝209.3弧度/秒²，因此，可以直接设定ε_R＝210.0弧度/秒²。 

以上参数确定后，即可计算出Q和T的具体值，根据该Q值来确定限力矩离合器的耦合力矩大小，根据T值确定限力矩离合器耦合时电机2输出力矩的大小，该力矩大小由电机控制器5控制。 

计算举例： 

已知：T_f＝35牛-米，J_S＝0.02公斤-米²，J_R＝0.145公斤-米²， Z_R＝78，Z_S＝30， 

设：ε_R＝210弧度/秒²，T_C＝15牛-米 

则：Q＝72.67牛-米；T＝64.53牛-米 

图1中的单向离合器7可以采用多种现有的单向离合器结构。本例采用如图11所示的滚柱式单向离合器，它的内轴7-1与发动机轴相联，其外轴7-2固定在机壳上。当发动机轴顺时针转动时，内轴7-1随转，当发动机轴逆时针转动时，被滚柱7-3卡住而不能转动。 

图1中的限力矩离合器6也可以采用多种现有的结构。本例采用如图12所示的弹簧压力、湿式多片离合器。它的输入轴6-1与发动机轴相联，它的输出轴6-2与电机轴相联，在输入轴和输出轴上分别固联一个转盘架6-3、6-4，交错叠放的摩擦片6-5和隔离片6-6分别通过转盘架上的花键将各自的扭矩传递到转盘架6-3、6-4上；它还设有一个弹簧推盘6-7和作动器6-8。分离时，作动器6-8拉住弹簧推盘6-7，使摩擦片与隔离片分离；耦合时，作动器释放弹簧推盘，弹簧推盘将摩擦片和隔离片压在一起，相互产生摩擦力矩，从而实现扭矩传递。可传递的扭矩量值与弹簧的压力成正比，预先设置好弹簧压力，就可以设置离合器的最大扭矩。当输入扭矩超过最大扭矩时，摩擦片和隔离片就会产生相对滑动，离合器仍然传递预先设定的扭矩，起到限制传递力矩大小的作用。

Claims (1)

1.一种汽车油电混合动力系统的机电动力耦合机构，它至少由一个发动机(1)、一个电机(2)、一套行星齿轮机构(3)和一个电机控制器(5)构成，所述的行星齿轮机构(3)至少具有三个齿轮轴(R、S、C)，其中第一齿轮轴(R)和第二齿轮轴(S)作为力矩输入轴分别与所述发动机(1)的轴和所述电机(2)的轴相联，其第三齿轮轴(C)作为力矩输出轴与变速箱(4)的输入轴相联，离合器(6)位于所述第一齿轮轴(R)和所述第二齿轮轴(S)之间，其特征是：

A、单向离合器(7)位于所述发动机轴和机壳之间，用于制止所述发动机轴的反转；

B、在所述第二齿轮轴(S)上的惯性矩J_S与第二齿轮(S’)的齿数Z_S之比值不等于第一齿轮轴(R)上的惯性矩J_R与第一齿轮(R’)的齿数Z_R之比的条件下，即：

$\frac{J_R}{Z_R}\≠\frac{J_S}{Z_S}$

则所述的离合器(6)是一个限力矩离合器，用于在所述第一齿轮轴(R)和所述第二齿轮轴(S)之间产生一个预先设定的有限耦合力矩Q，该有限耦合力矩Q的大小由方程(1)计算：

$Q=J_R\·{\mathrm{\ϵ}}_R+T_f+T_C\frac{r}{s+r}---\left(1\right)$

式中J_R是第一齿轮轴(R)上的惯性矩，ε_R是第一齿轮轴(R)的角加速度，T_f是发动机轴的摩擦力矩，T_C是第三齿轮轴(C)的驱动扭矩，r是第一齿轮(R’)的半径，s是第二齿轮(S’)的半径；

当机电动力耦合机构在车辆行驶中启动发动机而将限力矩离合器(6)耦合时，由电机控制器(5)控制所述的电机(2)输出一驱动扭矩T，该驱动扭矩T的大小由方程(2)计算：

$T=Q+\frac{s}{s+r}{T}_C-J_S\frac{r}{s}{\mathrm{\ϵ}}_R---\left(2\right)$

式中Q为离合器(6)的有限耦合力矩，ε_R是第一齿轮轴(R)的角加速度，T_C是第三齿轮轴(C)的驱动扭矩，J_S是第二齿轮轴(S)的惯性矩，r是第一齿轮(R’)的半径，s是第二齿轮(S’)的半径。

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