CN101791944A - 双行星轮系多动力耦合机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双行星轮系多动力耦合机构，其特征是设置由第一太阳轮、第一行星轮、第一行星架以及第一齿圈构成的第一行星轮系；设置由第二太阳轮、第二行星轮、第二行星架以及第二齿圈构成的第二行星轮系；内燃机输出转轴与第一行星架连接，第一电机/发电机的转动轴与第一太阳轮中心轴连接；第一齿圈与第二行星架连接，第二电机/发电机的转动轴与第二太阳轮中心轴连接；以第二齿圈通过动力输出齿轮的齿轮中心轴连接外部传动系；在第二太阳轮中心轴、第一太阳轮中心轴、第二行星架以及第一行星架上分别设置各锁止器。本发明控制难度低，可实现多种工作模式，整个系统表现为使用混合动力的无级变速器，使内燃机始终工作在最佳燃油经济区。

Description

双行星轮系多动力耦合机构

技术领域

本发明涉及应用在机动车辆上的动力输出、动力耦合装置。

背景技术

作为混合动力耦合装置，国内外有多种使用行星齿轮机构进行动力分配，而他们多数存在结构复杂，部分部件难于实现产业化制造，需要使用多个控制难度大、寿命难以保证的自动离合器。一些机构工作模式少，无法实现串联工作模式，对于汽车行驶在市区内需要频繁加减速等工况适应能力低；一些机构无法实现纯电机工作模式，不利于使用在具有大容量电池的插电式混合动力车上；一些机构没有纯内燃机工作模式，不利于汽车在高速公路上行驶。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种结构紧凑、传动部件少，所使用的零部件结构简单、系统控制难度低，易于实现批量产业化制造的双行星轮系多动力耦合机构，以其作为混合动力耦合装置用于汽车驱动，以期实现多个工作模式，使整个系统对外表现为一个可以使用混合动力的无级变速器，使内燃机始终工作在最佳燃油经济区。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明双行星轮系多动力耦合机构的结构特点是：

设置由第一太阳轮、第一行星轮、第一行星架以及第一齿圈构成的第一行星轮系；

设置由第二太阳轮、第二行星轮、第二行星架以及第二齿圈构成的第二行星轮系；

内燃机输出转轴与第一行星架连接，第一电机/发电机的转动轴与第一太阳轮中心轴连接；第一齿圈与第二行星架连接，第二电机/发电机的转动轴与第二太阳轮中心轴连接；以第二齿圈通过动力输出齿轮的齿轮中心轴连接外部传动系；

在所述第二太阳轮中心轴、第一太阳轮中心轴、第二行星架以及第一行星架上分别设置第二太阳轮中心轴锁止器、第一太阳轮中心轴锁止器、第二行星架锁止器和第一行星架锁止器。

本发明是以靠近输出端的第二行星轮系为对外功率输出端；在第一行星轮系上耦合内燃机和第一电机/发电机的动力，由第一行星轮系的齿圈将动力传递到在第二行星轮系。第二行星轮系耦合了第二电机/发电机和第一行星轮系齿圈传递过来的功率，最后通过第二行星轮系的齿圈输出动力到外部传动机构。为了优化传动比，外部传动机构可以是增速或减速机构。本发明巧妙的实现了三个动力源的耦合，并且由于每次耦合都使用了行星轮系功率分流机构，减低了控制的难度，使系统更可靠，更容易实现。

本发明是以电机/发电机和内燃机配合工作，四个锁止器分别可以锁止两个电机/发电机、内燃机及二级行星轮系之间的动力传动轴。通过四个锁止器切换的不同工作模式，以及电机/发电机和内燃机的不同工作状态组成多种工作模式，实现应对各种工况的动力输出行驶，以适应汽车在实际行驶中的各种不同功率需求。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明可以方便地实现串联、并联、混联、纯电动以及制动能量回收等五种工作模式，特别是不使用体积大、成本高、控制难度大的自动离合装置的情况下可以方便地实现多种模式之间的快速切换。

2、本发明可以实现一般行星轮系无法实现的串联工作模式，在电池电量较低或路况复杂的情况下，这种工作模式能耗低，内燃机排放质量好，控制简单。

3、本发明可以工作在并联、混联、纯电动以及制动能量回收的模式下，实现两个电机/发电机的不同配合模式，两个电机/发电机同时工作或其中一个工作可以根据工作功率需求，灵活选择，从而提供更大的能量输出功率，并且可以使两个电机/发电机都尽量工作在最佳效率区。

4、本发明中的两个电机/发电机和内燃机功率的耦合都是通过行星轮系，大大降低了对控制系统的要求，降低了控制系统对电机/发电机和内燃机速度控制精度的要求，易于实现，降低了系统成本。在车速进入内燃机的燃油经济区后，可以实现纯内燃机工作模式，提高系统效率，达到节约能源的目的。

5、本发明采用单纯的两个行星轮结构以及四个轴锁止机构，其结构简单、紧凑、传动效率高、制造加工相对容易，系统可靠性高。

附图说明

图1为本发明结构示意图及停车工作模式示意。

图2为本发明启动内燃机工作模式示意图。

图3为本发明停车发电工作模式示意图。

图4为本发明串联行驶工作模式示意图。

图5为本发明纯电动工作模式I示意图。

图6为本发明纯电动工作模式II示意图。

图7为本发明纯电动工作模式III示意图。

图8为本发明行车发电工作模式I示意图。

图9为本发明行车发电工作模式II示意图。

图10为本发明行车发电工作模式III示意图。

图11为本发明纯内燃机工作模式示意图。

图12为本发明并联工作模式I示意图。

图13为本发明并联工作模式II示意图。

图14为本发明并联工作模式III示意图。

图15为本发明制动能量回收工作模式I示意图。

图16为本发明制动能量回收工作模式II示意图。

图17为本发明制动能量回收工作模式III示意图。

图中标号：1第二电机/发电机、2第二太阳轮轴锁止器、3第二太阳轮、4第二行星轮、5第二行星架锁止器、6第一电机/发电机、7第一太阳轮轴锁止器、8第一行星轮、9第一太阳轮、10第一行星架锁止器、11内燃机、12壳体、13第一齿圈、14第二齿圈。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参见图1，本实施例中的双行星轮系多动力耦合机构的结构设置为在壳体12中：

由第一太阳轮9、第一行星轮8、第一行星架以及第一齿圈13构成的第一行星轮系；

由第二太阳轮3、第二行星轮4、第二行星架以及第二齿圈14构成的第二行星轮系；

内燃机11的内燃机输出转轴与第一行星架连接，第一电机/发电机6的转动轴与第一太阳轮中心轴连接；第一齿圈13与第二行星架连接，第二电机/发电机1的转动轴与第二太阳轮中心轴连接；以第二齿圈14通过动力输出齿轮的齿轮中心轴连接外部传动系。

图1所示，在第二太阳轮中心轴、第一太阳轮中心轴、第二行星架以及第一行星架上分别设置第二太阳轮中心轴锁止器2、第一太阳轮中心轴锁止器7、第二行星架锁止器5和第一行星架锁止器10。

本实施例中的结构设置可以实现以下各种工作模式。

停车工作模式：

停止工作模式下，系统没有能量流动，处于静止状态。

启动内燃机工作模式：

当系统处于静止或纯电动行驶工作模式的时候，要想启动内燃机参与到系统工作中，需要启动内燃机到一定的速度，而后平稳地把内燃机的功率耦合到系统中。该模式下要锁止两级行星轮系之间的轴锁止器，使第一行星轮系的动作不会影响到整车的运动，与第一太阳轮相连的第一电机/发电机转动，拖动第一行星轮转动，从而带动内燃机转动到一定的速度，进而启动内燃机。

停车发电工作模式：

如果系统电池电量消耗过大，可以在停车的时候，利用停车间隙使用内燃机拖动电机/发电机发电，给电池补充必要的电量，使系统工作更稳定。

串联行驶工作模式：

若电池电量较低，在交通拥堵或车速较低的路况下，多使用串联工作模式。使用内燃机拖动第一电机/发电机发电，供给第二电机\发电机使用，由第二电机\发电机产生动力对外输出，若发电机发出的电能较多，一部分可以存储在电池中。这种工作模式下，内燃机工况稳定，可以一直工作在最佳燃油经济区，并且可以优化内燃机的排放。

纯电动工作模式I：

若电池电量较高，在交通拥堵或车速较低的路况下，多使用纯电动工作模式。以纯电驱动第二电机/发电机完成动力输出，通过第一级行星轮系的齿圈传递到第二级行星轮系的行星轮，最后通过第二级行星轮系的齿圈把动力传递出去，从而实现了纯电动工作模式。

纯电动工作模式II：

若电池电量较高，在交通拥堵或车速较低的路况下，多使用纯电动工作模式。以纯电驱动第二电机\发电机完成动力输出，第二行星轮系的行星架被轴锁止器固定了，所以动力通过第二行星轮传递到第二齿圈，通过第二齿圈把动力传递出去。从而实现了纯电动工作模式。

纯电动工作模式III：

若电池电量较高，在交通拥堵或车速较低的路况下，多使用纯电动工作模式，若纯电动模式下对功率需求较大，则可以采用双电机纯电动的工作模式。纯电驱动由两个电机/发电机共同完成动力输出，第一电机/发电机通过第一齿圈传递动力到第二行星轮，第二太阳轮由第二电机/发电机驱动，两个电机的功率通过第二行星轮系耦合后，由第二齿圈将动力传递出去，从而实现纯电动工作模式。

行车发电工作模式I：

在车辆中速行驶过程中，使用行车发电模式，优化内燃机的工况，使其工作在燃油经济区，达到节能减排的目的。一般的内燃机燃油经济区有较高的转速和较大的扭矩输出，若汽车行驶过程中的功率需求没有内燃机输出的功率大，则可以通过发电机发电，来吸收多余的能量。在此模式下内燃机带动第一级行星轮系的行星轮及其行星架转动，通过第一级行星轮系，把能量的一部分分流到第一齿圈，最后通过第二级行星轮系的第二齿圈实现对外部输出，能量的另外一部分用来带动第一级行星轮系的太阳轮转动，通过第一电机/发电机发电，存储在电池中。

行车发电工作模式II

在此模式下由轴锁止器固定第一太阳轮，内燃机带动第一级行星轮系的行星轮及其行星架转动，通过第一齿圈把能量传递到第二行星轮。通过第二级行星轮系把能量的一部分分流到第二齿圈实现对外部输出，能量的另外一部分用来带动第二级行星轮系的太阳轮转动，通过电机/发电机发电，存储在电池中。

行车发电工作模式II：

在此模式下内燃机带动第一行星架转动，通过第一行星轮系把能量的一部分用来带动第一太阳轮转动，并通过第一电机/发电机发电，存储在电池中。能量的另外一部分分流到第一齿圈，并传递到第二行星轮。此部分能量又通过第二级行星轮系实现两部分分流，一部分通过第二太阳轮带动第二电机/发电机发电，存储在电池中，另外一部分通过第二齿圈实现对外部输出。这种模式适合采用的电机/发电机功率较小的情况，单个电机/发电机不能高效率的吸收内燃机的功率。并且可以很好的切换两个电机/发电机进行工作，使他们都工作在高效率区域。

纯内燃机工作模式：

当汽车负载和速度落在内燃机燃油经济区的时候，如高速公路工况，内燃机直接对外进行功率输出，可以减少能量的转换，提高系统效率。在此工作模式下，和两个电机/发电机相连的轴锁止器都处于锁止状态，使两个电机/发电机不参与工作。内燃机转动，带动第一行星轮系的行星轮及其行星架转动，能量进而通过第一齿圈传递到第二行星轮系的第二齿圈上，实现能量的对外输出。

并联工作模式I

当内燃机处在燃油经济区时候其输出功率不能满足汽车动力需求的时候，采用电机助力的并联运行方式。内燃机转动带动第一级行星轮系的行星轮及其行星架转动，第一太阳轮在第一电机/发电机的驱动下转动，通过第一行星轮系实现两个动力的耦合，通过第一齿圈把能量传递到第二行星轮系中，由于第二太阳轮被轴锁止器固定，能量通过第二齿圈传递到外部驱动系统。

并联工作模式II：

当内燃机处在燃油经济区时候其输出功率不能满足汽车动力需求的时候，采用电机助力的并联运行方式。内燃机转动带动第一行星轮系的行星轮及其行星架转动，第一太阳轮被轴锁止器固定，因此能量通过第一齿圈传递到第二行星轮系中。第二太阳轮被第二电机/发电机驱动，通过第二行星轮系耦合了第二电机/发电机的功率和由第一行星轮系传递过来内燃机的功率。最后能量通过第二齿圈传递到外部驱动系统。

并联工作模式III：

当内燃机处在燃油经济区时候其输出功率不能满足汽车动力需求的时候，采用电机助力的并联运行方式。内燃机转动带动第一行星轮系的行星轮及其行星架转动，第一太阳轮在电机/发电机的驱动下转动，通过第一行星轮系实现两个动力的耦合，通过第一齿圈把能量传递到第二行星轮系的行星轮中。第二太阳轮被第二电机/发电机驱动，通过第二行星轮系耦合第二电机/发电机的能量和第一级行星轮系传来的能量，最后耦合过的能量通过第二齿圈传递到外部驱动系统。两级行星轮系耦合了三个动力源，实现了大功率输出。由于所有的功率耦合都是通过行星轮系完成，降低了对控制精度的要求。

制动能量回收工作模式I：

当汽车需要减速的时候，通过发电机进行发电，完成能量的回收，减少能量无谓的浪费。此工作模式下汽车的动能通过第二行星轮系的齿圈传递到第二行星轮，而后传递到第一齿圈。能量通过第一行星轮系的行星轮传递到第一太阳轮，第一太阳轮拖动第一电机/发电机转动进行发电，所发的电能存储在电池中。完成能量回收。

制动能量回收工作模式II：

当汽车需要减速的时候，通过发电机进行发电，完成能量的回收，减少能量无谓的浪费。此工作模式下汽车的动能通过第二齿圈传递到第二行星轮，而后传递到第二太阳轮，由第二太阳轮拖动第二电机/发电机转动进行发电，所发的电能存储在电池中。完成能量回收。

制动能量回收工作模式III：

当汽车需要减速的时候，通过发电机进行发电，完成能量的回收，减少能量无谓的浪费。此工作模式下汽车的动能通过第二齿圈传递到第二行星轮，此处能量开始分流，一部分能量传递到第二太阳轮，由第二太阳轮拖动第二电机/发电机转动进行发电，所发的电能存储在电池中。另外一部分能量传递到第一齿圈，通过第一行星轮系的行星轮传递到第一太阳轮，由第一太阳轮拖动第一电机/发电机转动进行发电，所发的电能存储在电池中。共通过两个发电机完成能量回收。这种方式有利于汽车在高速时的能量回收工况，两个电机可以实现更大的能量回功率，同时由于两个电机/发电机处在不同的传动链上，传动比不同，通过切换不同的电机参与或同时参与发电，使两个电机都工作在高效率区间，回收更多的能量。

图2所示，系统处于启动内燃机工作模式。第一太阳轮轴锁止器7放松，第二行星架锁止器5锁止，第一电机/发电机6转动，能量传递到第一行星轮8上，第一行星轮8及其行星架拖动内燃机11转动，启动内燃机11。

图3所示，系统处于停车发电工作模式。内燃机11带动第一行星轮8及其行星架转动，第二行星架锁止器5锁止，从而固定了第一齿圈13，因此第一行星轮8及其行星架转动产生的能量全部传递到了第一太阳轮9，带动第一电机/发电机6转动，进行发电，并通过通过充电系统为电池充电。

图4所示，系统处于串联行驶工作模式。串联行驶过程中所需要的能源来自电池和第一电机/发电机6。内燃机11带动第一行星轮架转动，第二行星架锁止器5处于锁止模式，从而固定了第一齿圈13，因此第一行星轮8及其行星架转动产生的能量全部传递到了第一太阳轮9，带动电机/发电机6转动，进行发电，并通过充电系统为电池充电或直接通过能量分配电路供给第二电机/发电机1使用，用以驱动汽车行驶。第二电机/发电机1作为电动机，消耗电池或第一电机/发电机6产生的能量，产生驱动力通过第二太阳轮3传递到第二行星轮4，由于第二行星锁止器5处于锁止状态，能量全部通过第二行星轮4传递到第二齿圈14上，进而输出到外部传动系统。在串联工作模式下，内燃机11的工况是固定的，外部工况的变化由第二电机/发电机1来适应，内燃机11总可以工作在最佳燃油经济区，从而实现了较低的能量消耗。

图5所示，系统处于纯电动工作模式I。此模式下第一电机/发电机6带动第一太阳轮9转动，由于第一行星架锁止器10处于锁止状态，能量传递到第一齿圈13，而后传递到第二行星轮4，由于第二太阳轮轴锁止器2锁止，能量通过第二齿圈14传递到外部传动系统。

图6所示，系统处于纯电动工作模式II。第一电机/发电机1带动第一太阳轮3转动，由于第二行星架锁止器5锁止，能量通过第二齿圈14传递到外部传动系统。

图7所示，系统处于纯电动工作模式III。第一电机/发电机6带动第一太阳轮9转动，由于第一行星架锁止器10锁止，能量传递到第一齿圈13，而后传递到第二行星轮4。第二电机/发电机1带动第二太阳轮3转动，第二行星轮系中耦合了第一行星轮系传递到第二行星轮4的能量，通过第二齿圈14传递到外部传动系统。当功率需求较大，可以在此模式下获得较高的速度。

图8所示，系统处于行车发电工作模式I。内燃机11转动，带动第一行星轮8及其行星架转动，由于第二行星架锁止器5和第一太阳轮轴锁止器7都放松，因此第一行星轮8及其行星架带动太阳轮9和第一齿圈13转动，通过第一电机/发电机6的速度，达到调节第一齿圈13的转速目的，从而完成能量分流。由于第二太阳轮轴锁止器2锁止，由第一齿圈13传递过来的能量直接带动第二行星轮4及其行星架转动，把能量传递到第二齿圈14，进而传递到外部传动系统。

图9所示，系统处于行车发电工作模式II。内燃机11转动，带动第一行星轮8及其行星架转动，由于第一太阳轮轴锁止器7锁止，第一行星轮8及其行星架带动第一齿圈13转动，把能量传递到第二行星轮系。由于第二太阳轮轴锁止器2放松，由第一齿圈13传递过来的能量带动第二行星轮4及其行星架转动，把能量传递到第二太阳轮3和第二齿圈14，通过调节第二电机/发电机1的转速来调节第二齿圈14的转速，完成能量分流。最后通过第二齿圈14把能量传递到外部传动系统。

图10所示，系统处于行车发电工作模式III。内燃机11转动，带动第一行星轮8及其行星架转动，由于第二行星架锁止器5和第一太阳轮轴锁止器7都放松，因此第一行星轮8及其行星架带动第一太阳轮9和第一齿圈13转动，通过调节第一电机/发电机6的速度，调节第一齿圈13的转速，从而完成能量分流的作用，控制传递到第二行星轮系的能量比例。由于第二太阳轮轴锁止器2放松，由第一齿圈13传递过来的能量带动第二行星轮4及其行星架转动，把能量传递到第二太阳轮3和第二齿圈14，通过调节第二电机/发电机1的转速调节第二齿圈14的转速，完成进一步的能量分流，把较少的能量传递到外部传动系统。

图11所示，系统处于纯内燃机工作模式。第二太阳轮轴锁止器2和第一太阳轮轴锁止器7都锁止，两个电机/发电机不参与工作。内燃机11转动，带动第一行星轮8及其行星架转动，能量通过第一齿圈13传递到第二行星轮4及其行星架，进而传递到第二齿圈14，实现能量的对外输出。

图12所示，系统处于并联工作模式I。第二太阳轮轴锁止器2锁止，其它各轴锁止器均放松。内燃机11带动第一行星轮8及其行星架转动，第一电机/发电机6带动第一太阳轮9转动，通过第一行星轮机构进行能量耦合，耦合的能量通过第一齿圈13传递到第二行星轮系，调节第一电机/发电机6的转速，来调节对第二级功率输出的大小。由于第二太阳轮轴锁止器2的锁止，能量通过第二行星轮4传递到第二齿圈14，最后通过第二齿圈14把能量传递到外部传动系统。

图13所示，系统处于并联工作模式II。第一太阳轮轴锁止器7锁止，其它各轴锁止器均为放松。内燃机11转动，带动第一行星轮8及其行星架转动，由于第一太阳轮轴锁止器7锁止，因此第一行星轮8及其行星架带动第一齿圈13转动，把能量传递到第二行星轮系。第二电机/发电机1带动第二太阳轮3转动，其能量和由第一齿圈13传递过来的能量通过第二行星轮耦合，能量传递到第二齿圈14，调节第二电机/发电机1的转速以调节第二齿圈14的转速，完成能量耦合。最后通过第二齿圈14把能量传递到外部传动系统。

图14所示，系统处于并联工作模式III。所有轴锁止器均放松。内燃机11带动第一行星轮8及其行星架转动，第一电机/发电机6带动第一太阳轮9转动，通过第一行星轮系进行能量耦合，耦合的能量通过第一齿圈13传递到第二行星轮系，调节第一电机/发电机6的转速，以调节对第二级功率输出的大小。第二电机/发电机1带动第二太阳轮3转动，其能量和由第一齿圈13传递过来的能量通过第二行星轮耦合，并将耦合能量传递到第二齿圈14，调节第二电机/发电机1转速来调节第二齿圈14的转速，完成能量耦合。最后通过第二齿圈14把能量传递到外部传动系统。最终完成三个动力单元的能量耦合。

图15所示，系统处于制动能量回收工作模式I。第二太阳轮轴锁紧器2和第一行星架锁紧器10锁止，汽车的动能通过第二齿圈14传递到第二行星轮4，而后传递到第一齿圈13。由于第一行星架锁止器10的锁止，能量通过第一行星轮8及其行星架传递到第一太阳轮9，由第一太阳轮9拖动第一电机/发电机6转动进行发电，所发的电能存储在电池中。

图16所示，系统处于制动能量回收工作模式II。第二行星架锁止器5锁止，汽车的动能通过第二齿圈14传递到第二行星轮4，而后传递到第二太阳轮3上，由第二太阳轮拖动第二电机/发电机1转动进行发电，所发的电能存储在电池中。

图17所示，系统处于制动能量回收工作模式III。第一行星架锁止器10锁止，汽车的动能通过第二齿圈14传递到第二行星轮4，在此处实现功率分流。一部分功率传递到第二太阳轮3，由第二太阳轮3拖动第二电机/发电机1转动进行发电，所发的电能存储在电池中。另一部分能量传递到第一齿圈13，能量通过第一行星轮8及其行星架传递到第一太阳轮9，由第一太阳轮9拖动第一电机/发电机6转动进行发电，所发的电能存储在电池中。这种方式有利于汽车在高速时的能量回收工况，两个电机可以实现更大的能量回功率，同时由于两个电机/发电机处在不同的传动链上，传动比不同，通过切换不同的电机参与或同时参与发电，使两个电机都工作在高效率区间，回收更多的能量。

Claims (1)

1.双行星轮系多动力耦合机构的结构特点是：

设置由第一太阳轮、第一行星轮、第一行星架以及第一齿圈构成的第一行星轮系；

设置由第二太阳轮、第二行星轮、第二行星架以及第二齿圈构成的第二行星轮系；

内燃机输出转轴与第一行星架连接，第一电机/发电机(6)的转动轴与第一太阳轮中心轴连接；第一齿圈与第二行星架连接，第二电机/发电机(1)的转动轴与第二太阳轮中心轴连接；以第二齿圈通过动力输出齿轮的齿轮中心轴连接外部传动系；

在所述第二太阳轮中心轴、第一太阳轮中心轴、第二行星架以及第一行星架上分别设置第二太阳轮中心轴锁止器(2)、第一太阳轮中心轴锁止器(7)、第二行星架锁止器(5)和第一行星架锁止器(10)。

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