CN102029889A - 驱动离合器分离与结合的混合动力传动机构及换档方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于并联混合动力AMT变速器的驱动离合器分离与结合的混合动力传动机构及换档方法，传动机构布置于发动机与离合器后及AMT前，包括一混合动力驱动电机和一行星齿轮组相连，行星架中间延伸有一段与离合器的分离轴承推块相配的丝杠段，行星架上设有离合器制动器；换档方法有离合器结合和分离及保持、离合器分离状态纯电机动力输出、发动机单独作为动力驱动汽车行驶或发电、电机与发动机一起作为动力源驱动车辆行驶、制动能量部分回收、换档过程控制；本发明取消了同步器，集成度相对较高，减轻变速箱质量、降低成本，提高了混合动力与AMT控制的可靠性。

Description

驱动离合器分离与结合的混合动力传动机构及换档方法

技术领域

本发明涉及一种带行星齿轮的可分离结合的机械电控自动变速器（AMT）离合器的混合动力传动机构，运用于并联混合动力AMT，属于路面运输车辆领域。

背景技术

机械电控自动变速器（AMT）已广泛应用在汽车中，这种混合动力系统能适应不同工况的行驶要求，实现汽车更高的经济性和动力性。其中，并联式混合动力系统分为单轴式和双轴式并联混合动力系统。

单轴式混合动力系统的发动机与电机布置在一条轴线上。专利ZL03241069.7公开一种混合动力发动机专用电机，位于发动机之后，转子与发动机曲轴一同旋转，虽然该结构紧凑，且电机转子在外有利于转子散热通风以及增大电机转矩，但其发动机转子必须与发动机曲轴一同运动，其缺陷是：在仅需电机单动力输出时，发动机会成为车辆行驶的阻力，因此该结构电机只能辅助发动机动力而加速汽车，限制了电机功能的发挥。专利ZL 200620058940.7公开一种并联混合动力电动车，不改变原发动机、离合器、变速器相对位置，而在变速器输出轴上加电机，该结构有利于对传动车的改造，但其缺陷是：电机位于变速器后则不利于电机转矩的发挥以及制动能量的回收。专利ZL 200920241547.5公开一种双离合器电机悬浮式同轴并联混合动力系统，是从发动机经离合器到电机，再经离合器到变速器的布置结构，该布置结构能通过不同离合器的分离与结合实现发动机动力与电机动力的组合，但其缺陷是：两个离合器会增加轴向长度与机构成本，第二离合器的分离虽然能够减少了变速器输入轴转动惯量，有利于同步换挡，但同时也丧失了电机同步调速的可能。

双轴式混合动力系统的发动机与电机不同轴，需要通过耦合机构实现动力耦合，因此结构上是单轴式相对简单。通过对单轴式混合动力系统进行改进，将驱动电机布置在发动机与离合器之后，可在单独工作时摆脱发动机阻力；将驱动电机位于变速器之前，有利于电机转矩的发挥和汽车制动能量的回收；采用单离合器结构可以通过电机调速实现换挡同步。 

对于AMT离合器执行部分，目前有气压驱动、液压驱动和电机驱动三种方式，是在原离合器分离杠杆处添加某驱动方式的离合器执行机构，从而实现离合器分离与结合的自动化。目前的AMT离合器执行模块与混合动力模块相互独立，两模块能够相互通信，但两模块分别受不同的控制器控制。因此，整车开发时，两模块作为独立机构分别开发，其传动开发成本很高。

发明内容

本发明一目的在于提出一种结构简单紧凑、功能全面、传动可靠的带行星齿轮的驱动AMT离合器分离与结合的混合动力传动机构。

本发明的另一目的是提出该混合动力传动机构具有的换档方法，混合动力系统驱动电机不仅提供车辆行驶的动力，还作为AMT离合器的执行机构，利用原有混合动力驱动电机的控制装置对离合器分离结合进行控制，实现混合动力的各种动力组合以及实现AMT离合器分离与结合。

本发明驱动离合器分离与结合的混合动力传动机构采用的技术方案是：布置于发动机与离合器之后、AMT变速器之前，包括一混合动力驱动电机和一行星齿轮组相连，驱动电机包括定子线圈和外部的永磁转子，定子线圈固接输入轴导向套，输入轴导向套与AMT变速器壳体固接且其内同轴空套有一AMT变速器输入轴；所述行星齿轮组由太阳轮、齿圈、行星轮和行星架组成，外部是齿圈，内部是太阳轮，行星轮位于齿圈与太阳轮之间；永磁转子空套在输入轴导向套上且与齿圈固成一体，太阳轮与AMT变速器输入轴同轴连接；行星架中间部分延伸有一段丝杠段，丝杠段与离合器的分离轴承推块相配，分离轴承嵌于分离轴承推块中；行星架上设有离合器制动器。

本发明驱动离合器分离与结合的混合动力传动机构的换档方法有：A、离合器分离：解除制动器制动，控制驱动电机转速                                                

，从而控制行星架转速使分离轴承推块作直线运动推向离合器；B、离合器结合：解除制动器制动，控制驱动电机转速

的大小和方向，使分离轴承推块向所述离合器分离的相反方向运动；C、离合器分离与结合保持：控制制动器制动，使行星架转速

=0；D、离合器分离状态纯电机动力输出：离合器保持分离，制动器处于制动状态，驱动电机动力通过行星轮将动力传至太阳轮，最终输入AMT变速器输入轴；E、发动机单独作为动力驱动汽车行驶或发电：离合器保持结合，太阳轮随AMT变速器输入轴一起旋转，行星架不动，永磁转子被带动一起旋转；F、电机与发动机一起作为动力源驱动车辆行驶：离合器保持结合，制动器保持制动，发动机动力通过离合器直接传入AMT变速器输入轴，驱动电机动力通过齿圈和行星轮再传到太阳轮及AMT变速器输入轴；G、制动能量部分回收：离合器保持分离，制动器处于制动状态，AMT变速器换入最低前进挡位；H、换挡过程控制：先判断离合器状态，若离合器结合则使离合器分离并保持，若离合器分离则直接退挡并选挡；再对AMT变速器输入轴转速进行调速后换入目标挡位，最后根据当前要求的驱动方式判断是否结合离合器，根据是否发电的要求断开或接通定子线圈。

本发明的有益效果是：

1、由电机调节AMT输入轴转速，从而取消同步器，减轻变速箱质量、降低成本。

2、通过设置简单的行星机构实现混合动力传递功能，并且利用该行星机构实现AMT离合器分离与结合，省去专门的离合器执行机构，降低成本。

3、驱动、发电以及离合器的分离结合动作都是通过混合动力驱动电机完成，将混合动力部分和AMT部分从结构和控制上结合得更紧密，集成度相对较高，提高混合动力与AMT控制的可靠性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明换挡过程控制流程图；

图中：1.AMT变速器壳体；2.AMT变速器输入轴；3.输入轴导向套；4.定子线圈；5.永磁转子；6.太阳轮；7.齿圈；8.行星轮；9.行星架；10.制动器；11.分离轴承推块；12.分离轴承；13.丝杠段。

具体实施方式

参见附图1，本发明布置于发动机与离合器之后，AMT变速器之前，包括一个混合动力驱动电机和行星齿轮组相连，实现动力耦合、传递和离合器分离结合。该混合动力驱动电机是永磁电机，永磁电机包括定子线圈4和外部的永磁转子5，永磁转子5位于定子线圈4外部，可以获得较大的驱动转矩。定子线圈4固定在输入轴导向套3上。输入轴导向套3内同轴空套一个AMT变速器输入轴2。输入轴导向套3与AMT变速器壳体1固定连接成为一体，使输入轴导向套3、定子线圈4和AMT变速器壳体1一样保持固定不动。

行星齿轮组由太阳轮6、齿圈7、行星轮8和行星架9组成，行星齿轮组的外部是齿圈7，内部是太阳轮6，行星轮8位于齿圈7与太阳轮6之间，行星轮8通过行星架9保持相对位置。永磁转子5通过轴承空套在输入轴导向套3上，并且永磁转子5与行星齿轮组的齿圈7固定成一体，成为行星齿轮组的一固定连接部分。行星齿轮组中间的太阳轮6与AMT变速器输入轴2同轴，且太阳轮6通过AMT变速器输入轴2上的花键连接AMT变速器输入轴2，随AMT变速器输入轴2一起旋转。行星架9的中间部分延伸有一段丝杠段13，丝杠段13的外缘加工出一段丝杠，与离合器分离轴承推块11相配合，分离轴承12嵌入在分离轴承推块11中，与分离轴承推块11一起运动。当行星架9旋转时，带动分离轴承推块11做直线运动，进而推动离合器分离或结合，断开或结合发动机动力。行星架9上设有离合器制动器10的结构，能通过制动器10实现制动，以保持离合器分离或结合的状态。

该带行星齿轮的可分离和结合AMT离合器的混合动力传动机构能实现如下功能：混合动力驱动电机单独为车辆提供动力、加速时驱动电机与发动机一起提供动力、驱动电机不工作而使发动机单独提供动力、发动机提供动力电机发电、制动时汽车动能提供动力电机发电回收部分制动能量。本发明通过一简单的行星齿轮组，取消了现有专门的AMT离合器执行机构，使混合动力驱动电机实现离合器的分离与结合。驱动电机可用于发电，发动机动力输出时，可将部分发动机动能转化为电能；制动时可将车辆行驶的动能通过传动系和行星齿轮组反拖驱动电机转子，进而发电。在AMT换挡时，混合动力驱动电机不仅完成离合器分离结合，还可利用混合动力驱动电机调节AMT变速器输入轴2的转速，从而消除齿轮啮合时的转速差，因此可取消同步器，减轻变速箱质量，降低成本。同时，混合动力部分和AMT部分从结构和控制上结合得更紧密，集成度更较高，有利于降低混合动力车辆成本、提高混合动力与AMT控制的可靠性。

以下具体描述在AMT换挡时，混合动力驱动电机是如何完成离合器的分离与结合的工作过程：

一、离合器分离

如附图1所示，欲分离离合器，只需解除制动器10制动，行星齿轮组中的太阳轮6、齿圈7、行星架9三者的转速关系为，

为太阳轮6转速、

齿圈7转速、

为行星架9转速、为齿圈7与太阳轮6的齿数比。根据太阳轮6转速

信号，控制驱动电机转速，也即齿圈7转速

，则能达到控制行星架9转速的目的。行星架9转速

的方向与大小决定了离合器分离轴承推块11的直线速度方向与大小。此时为了分离离合器，则要求控制行星架9转速

使分离轴承推块11直线运动推向离合器膜片弹簧，分离离合器。对于500公斤最大分离力，分离行程14mm、要求分离时间小于1s的离合器，驱动离合器分离所需功率不大于100W。因此作为离合器执行机构的混合动力驱动电机，要求对其设计功率影响不大，通过行星齿轮组的功率分流能满足100W的需求。而丝杠段13的传动能将较小的驱动转矩转化成离合器分离轴承推块11的推力，因此500公斤力虽大，但其所需驱动转矩不大，混合动力驱动电机通过行星齿轮组的转矩分流也能满足要求。

二、离合器结合

与离合器分离原理相同，解除离合器制动器10制动，控制驱动电机转速

，进而最终实现离合器分离轴承推块11的直线运动方向与速度的控制。与离合器分离不同的是，此时要求控制驱动电机转速

的方向，使离合器分离轴承推块11向相反方向运动，并控制驱动电机转速的大小，达到对行星架9转速

的大小控制，进而控制分离轴承推块11反向运动的速度，也即离合器结合的速度。

三、离合器分离与结合保持

以下情况需要离合器保持分离：驱动电机单动力输出，从发动机单动力输出或发动机与驱动电机混合动力输出到驱动电机单动力输出，有发动机参与动力输出下的换挡过程。除以上情况，离合器保持结合状态，将发动机动力输出。运行无论离合器处于分离还是结合状态，只需控制制动器10制动，使行星架9转速

=0，则分离轴承推块11能够保持轴向位置，也即保持离合器分离或结合状态。

四、离合器分离状态纯电机动力输出

要求离合器已保持分离，制动器10处于制动状态。在制动器10制动情况下，驱动电机动力通过固定不动的行星轮8将动力传至太阳轮6，最终输入AMT变速器输入轴2。太阳轮6与驱动电机转速（齿圈7转速）的关系为

。因此控制驱动电机转速，能够获得相应大小与方向的太阳轮转速

。此时电机作为动力源以纯电动的方式驱动车辆行驶。设计时匹配齿圈7与太阳轮6齿数比，可获得更好的电机驱动效果。

五、发动机单独作为动力驱动汽车行驶或发电

要求离合器保持结合。若原本为驱动电机单动力输出（离合器分离），则需先解除制动器10制动，控制驱动电机速度，使离合器结合，然后再制动制动器10，使离合器结合保持；若原本为驱动电机与发动机混合动力输出（离合器已经保持结合状态），则只需给驱动电机断电。离合器结合状态时，发动机动力可直接传入AMT变速器输入轴2，进而驱动车辆行驶。太阳轮6随输入轴2一起旋转，行星架9不动，驱动电机的永磁转子5被带着一起旋转，因此太阳轮6与齿圈7转速关系是

。

由于永磁转子5会有旋转动力，因此会产生旋转磁场。若此时将旋转磁场产生的电能存储，则发动机做功不仅用来驱动车辆行驶，还用于将发动机动能以电能的形式存储。若不要求发电，则断开线圈，此时定子线圈4只产生电动势而无电流，从而不会产生对发动机的电磁阻力。发动机输出能量全部克服道路阻力。

六、电机与发动机一起作为动力源驱动车辆行驶

要求离合器保持结合，制动器10保持制动。驱动电机与发动机同时做正功。发动机动力通过结合的离合器直接传入AMT变速器输入轴2，驱动电机动力通过齿圈7和行星轮8再传到太阳轮6，也即将动力传入AMT变速器输入轴2。因此通过行星齿轮组实现了驱动电机和发动机的动力耦合。

七、制动能量部分回收

当需要汽车制动能量部分回收时，离合器保持分离，制动器10处于制动状态保持离合器分离，AMT变速器换入最低前进挡位，则可使该车速下制动时AMT变速器输入轴2转速最大，AMT变速器输入轴2通过太阳轮6，行星轮8，带动齿圈7（永磁转子5）转动时的转速也最大。将该动能通过电机转化为电能所获得的能量也越大。该过程能回收部分制动能量。

八、换挡过程控制

该换挡过程控制和以上各控制不同，以上各控制都是一种状态的控制，而换挡过程控制是对换挡的过程进行控制。其控制流程见附图2，当AMT的控制器接收到换挡指令后，换挡开始，首先判断现在离合器的分离和结合状态，若离合器结合则可根据上述离合器分离和离合器分离与结合保持的方法来实现离合器的分离并保持。若离合器已经分离，则直接退挡并选挡。接下来就是AMT变速器输入轴2转速调速阶段：由于目标挡位结合套与结合端存在转速差，因此此时通过对驱动电机转速进行调节，即对AMT变速器输入轴2进行转速调节，与离合器分离状态纯电机动力输出方法中的驱动电机单动力输出原理相同，太阳轮6与电机转速（齿圈7转速）的关系为

，调节齿圈7转速

能够改变太阳轮6转速

的大小，而

的大小直接决定结合套与结合端的转速差，因此通过驱动电机调速使目标挡位结合套与结合端转速同步。当AMT变速器输入轴2转速调节完成，则换入目标挡位。然后根据当前要求的驱动方式：纯电机动力输出、纯发动机动力输出或发动机电机混合动力输出，判断是否结合离合器，若是纯电机动力输出，则离合器继续保持分离，同时驱动电机定子线圈4通电转子输出动力；若是纯发动机动力输出，则离合器结合，同时根据是否发电的要求，断开或接通定子线圈4；若是发动机、电机混合动力输出，则离合器结合，电机定子线圈4通电，永磁转子5输出动力。

Claims (2)

1.一种驱动离合器分离与结合的混合动力传动机构，布置于发动机与离合器之后、AMT变速器之前，其特征是：包括一混合动力驱动电机和一行星齿轮组相连，所述驱动电机包括定子线圈（4）和外部的永磁转子（5），定子线圈（4）固接输入轴导向套（3），输入轴导向套（3）与AMT变速器壳体（1）固接且其内同轴空套有一AMT变速器输入轴（2）；所述行星齿轮组由太阳轮（6）、齿圈（7）、行星轮（8）和行星架（9）组成，外部是齿圈（7），内部是太阳轮（6），行星轮（8）位于齿圈（7）与太阳轮（6）之间；永磁转子（5）空套在输入轴导向套（3）上且与齿圈（7）固成一体，太阳轮（6）与AMT变速器输入轴（2）同轴连接；行星架（9）中间部分延伸有一段丝杠段（13），丝杠段（13）与离合器的分离轴承推块（11）相配，分离轴承（12）嵌于分离轴承推块（11）中；行星架（9）上设有离合器制动器（10）。

2.一种驱动离合器分离与结合的混合动力传动机构的换档方法，其特征是：

A、离合器分离：解除制动器（10）制动，控制驱动电机转速                                                

，从而控制行星架（9）转速使分离轴承推块（11）作直线运动推向离合器；

B、离合器结合：解除制动器（10）制动，控制驱动电机转速

的大小和方向，使分离轴承推块（11）向所述离合器分离的相反方向运动；

C、离合器分离与结合保持：控制制动器（10）制动，使行星架（9）转速

=0；

D、离合器分离状态纯电机动力输出：离合器保持分离，制动器（10）处于制动状态，驱动电机动力通过行星轮（8）将动力传至太阳轮（6），最终输入AMT变速器输入轴（2）； 

E、发动机单独作为动力驱动汽车行驶或发电：离合器保持结合，太阳轮（6）随AMT变速器输入轴（2）一起旋转，行星架（9）不动，永磁转子（5）被带动一起旋转；

F、电机与发动机一起作为动力源驱动车辆行驶：离合器保持结合，制动器（10）保持制动，发动机动力通过离合器直接传入AMT变速器输入轴（2），驱动电机动力通过齿圈（7）和行星轮（8）再传到太阳轮（6）及AMT变速器输入轴（2）； 

G、制动能量部分回收：离合器保持分离，制动器（10）处于制动状态，AMT变速器换入最低前进挡位；

H、换挡过程控制：先判断离合器状态，若离合器结合则使离合器分离并保持，若离合器分离则直接退挡并选挡；再对AMT变速器输入轴（2）转速进行调速后换入目标挡位，最后根据当前要求的驱动方式判断是否结合离合器，根据是否发电的要求断开或接通定子线圈（4）。

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