CN102785564B - 一种前驱双模式四挡混合动力传动装置 - Google Patents

一种前驱双模式四挡混合动力传动装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于动力传动技术领域，涉及一种传动装置，特别涉及一种前驱双模式四挡混合动力传动装置。包括发动机、发动机输出轴、变速箱输入轴、发电机、电动机、拉维娜行星机构、换挡操纵元件、变速箱输出轴、扭转减振器、差速器、齿轮传动机构和齿形链；本发明是为了克服Prius油电混合传动装置中速、高速节油效果不明显，同时可利用拉维娜行星机构形式的四挡自动变速箱结构简单、工艺性好、中速工况油耗较低的特点，结合两者的优点，提出一种前驱双模式四挡混合动力传动装置方案，满足低速、中速和高速巡航三种工况的节能需求，适合于我国道路交通特点的混合动力传动装置。

Description

一种前驱双模式四挡混合动力传动装置
技术领域
本发明属于动力传动技术领域，涉及一种传动装置，特别涉及一种前驱双模式四挡混合动力传动装置。
背景技术
由于能源短缺以及公众环保意识的增强，新能源环保汽车日益受到重视。然而由于技术的制约，纯电动汽车或燃料电池汽车短时间内难以全面推广，混合动力汽车为目前较为理想的一种新能源环保汽车选择。
混合动力汽车与传统汽车、纯电动汽车相比，最大的差别为动力系统。油电混合为目前主流的混合动力传动装置形式，按电机与发动机的动力耦合形式分类，有串联、并联和混联形式。由于行星轮式具有多自由度和速度合成的功能，以行星排作为动力耦合核心的混联式混合动力传动装置是当今混合动力汽车动力总成发展的一种趋势。
1997年，丰田公司推出了首款油电混合动力汽车Prius，经过发展了三代，目前已成为混合动力汽车的标杆。其动力传动装置为单模式分流混联形式，采用单行星排进行动力分流，发动机功率通过行星架输入，一部分传递到输出轴上，另一部分通过发电机传递到电动机或动力电池，电动机功率再叠加在输出轴上，达到增矩的功能。通过发电机调节发动机转速和输出轴转速，实现无级传动的目的，可以使发动机一直处于高效和低排放区域。
Prius在低速或者城市工况下，利用混联式功率分流及无级传动，使发动机常工作在高效区间；怠速起步工况采用纯电动形式，发动机停止工作；从而实现了节油的目的。阿特金森循环发动机的使用，进一步减低了油耗，而且电动机的扭矩可弥补阿特金森循环发动机低速扭矩不足的特性。相比于低速城市工况，在中速或者高速巡航工况，Prius的节油效果不明显，主要为在发动机潜力相同情况下，油电混合动力传动装置没有设置机械挡，其传动效率低于机械挡变速箱。
拉维娜行星机构形式的四挡自动变速箱以其结构简单、性能可靠和经济便宜得到了广泛的应用，但由于其低速时处于液力工况，效率较低；高速巡航时，发动机转速过高；这两方面导致了低速和高速工况油耗较大。70～90km/h的中速工况，四挡自动变速箱常处于变矩器闭锁的三档直接挡或者四档超速档，发动机转速处于高效区间，油耗较低。
发明内容
本发明是为了克服Prius油电混合传动装置中速、高速节油效果不明显，同时可利用拉维娜行星机构形式的四挡自动变速箱结构简单、工艺性好、中速工况油耗较低的特点，结合两者的优点，提出一种前驱双模式四挡混合动力传动装置方案，满足低速、中速和高速巡航三种工况的节能需求，适合于我国道路交通特点的混合动力传动装置。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种前驱双模式四挡混合动力传动装置，包括发动机、发动机输出轴、变速箱输入轴、发电机、电动机、拉维娜行星机构、换挡操纵元件、变速箱输出轴、扭转减振器、差速器、齿轮传动机构和齿形链；
其中，拉维娜行星机构由齿圈、长行星轮、行星架、短行星轮、小太阳轮和大太阳轮，齿轮传动机构由齿轮a、齿轮b、主减速器齿轮和齿轮c组成，齿轮b和齿轮c在同轴上；换挡操纵元件包括离合器a、离合器b、离合器c、制动器a和制动器b；
其位置关系在于：所述离合器a、离合器b为同轴放置于发电机转子内，拉维娜行星机构布置在电动机的转子内，离合器c和制动器b位于电动机的外侧并且离合器c设置在制动器b的内部；所述制动器a位于发电机和电动机之间；
其连接关系在于：发动机通过发动机输出轴与扭转减振器连接，变速箱输入轴与离合器a、离合器b、离合器c的主动端连接，离合器a的被动端与小太阳轮连接，离合器b的被动端与发电机、制动器a、大太阳轮连接，行星架与离合器c的被动端、制动器b连接；电动机与齿圈、齿轮a连接，齿轮a和齿轮b啮合、齿轮c和主减速器齿轮啮合或者齿轮a通过齿形链与主减速器齿轮连接，主减速器齿轮通过差速器将动力传输到变速箱输出轴。
本发明的优点和有益效果在于：一、在四挡自动变速箱的基础上，实现4个高效机械挡，新增两台电机，并利用拉维娜机构进行功率分流，形成双模式混合动力传动。二、布置方式与四挡自动变速箱相同，新增的发电机布置在输入离合器外面，新增发电机布在拉维娜机构外面，布置简单、合理。三、取消液力变矩器，利用第一模式机电复合传动工况起步；可利用发电机调速，实现换挡。四、低速城市工况可运行于纯电工况、串联增程工况，配合阿特金森循环发动机，达到更佳的燃油经济性。五、电池能量不足的低速城市工况可运行在与Prius相同的混合驱动工况，即本方案所述的第一模式，实现无级传动，保证发动机处于最佳油耗区间。六、中速工况，利用机械挡，传动效率高，发动机也处于高效区间，达到较佳的燃油经济性。七、高速巡航工况，可工作于第二模式，进一步降低发动机转速，提供燃油经济性。八、机械三挡为直接挡，发电机、电动机与发动机组成并联式混合动力传动装置，发电机和电动机可实现辅助加速、制动能量回收以及发电的功能。九、离合器b与发电机可使发动机起停，替代了起动机的功能。十、低速高负荷时，可利用机械一挡或机械二挡行驶，并充分利用发动机制动能力。十一、第一模式和第二模式扩大了传动装置的传动比范围，有利于提高加速性和燃油经济性。
附图说明
图1为前置前驱型双模式四挡混合动力传动装置简图；
图2为前置前驱型双模式四挡混合动力传动装置简图-齿形链式；
图3为双模式四挡混合动力传动装置模式和机械档位运行工况图；
图4为各工况操作元件操纵简表；
图5为前置前驱型双模式三挡混合动力传动装置简图；
图6为双模式三挡混合动力传动装置模式和机械档位运行工况图。
其中，1-发动机；2-发动机输出轴；3-变速箱输入轴；4-发电机；5-离合器a；6-离合器b；7-制动器a；8-制动器b；9-电动机；10-齿圈；11-长行星轮；12-行星架；13-离合器c；14-短行星轮；15-小太阳轮；16-大太阳轮；17-变速箱输出轴；18-扭转减振器；19-齿轮a；20-齿轮b；21-主减速器齿轮；22-齿轮c；23-差速器；25-齿形链。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1、图2所示，本发明具体实施的技术方案是：一种前驱双模式四挡混合动力传动装置，其特征在于：包括发动机1、发动机输出轴2、变速箱输入轴3、发电机4、电动机9、拉维娜行星机构、换挡操纵元件、变速箱输出轴17、扭转减振器18、差速器23、变速箱飞轮壳24、齿轮传动机构和齿形链25；
其中，拉维娜行星机构由齿圈10、长行星轮11、行星架12、短行星轮14、小太阳轮15和大太阳轮16，齿轮传动机构由齿轮a19、齿轮b20、主减速器齿轮21和齿轮c22组成，齿轮b20和齿轮c22在同轴上；换挡操纵元件包括离合器a5、离合器b6、离合器c13、制动器a7和制动器b8；
其位置关系在于：所述离合器a5、离合器b6为同轴放置于发电机4转子内，拉维娜行星机构布置在电动机9的转子内，离合器c13和制动器b8位于电动机9的外侧并且离合器c13设置在制动器b8的内部；所述制动器a7位于发电机4和电动机9之间；
其连接关系在于：发动机1通过发动机输出轴2与扭转减振器18连接，变速箱输入轴3与离合器a5、离合器b6、离合器c13的主动端连接，离合器a5的被动端与小太阳轮15连接，离合器b6的被动端与发电机4、制动器a7、大太阳轮16连接，行星架12与离合器c13的被动端、制动器b8连接；电动机9与齿圈10、齿轮a19连接，齿轮a19和齿轮b20啮合、齿轮c22和主减速器齿轮21啮合或者齿轮a19通过齿形链25与主减速器齿轮21连接，主减速器齿轮21通过差速器23将动力传输到变速箱输出轴17。
扭转减振器18布置在发动机1和发电机4之间，离合器a5、离合器b6布置在发电机4转子内部，制动器a7布置在发电机4和电动机9之间，拉维娜机构布置在电动机9内部，离合器c13与制动器b8同轴布置在电动机9后面。动力从发电机4和电动机9之间的齿轮a19、齿轮b20传递到主减速器21，最后经过差速器23传递到输出轴17。
如图3、图4所示，其中●表示该元件接合工作，本发明的实施例；
空挡时，发电机4、电动机9、离合器a5、离合器b6、离合器c13、制动器a7和制动器b8均不工作。
纯电动工况，电池的功率驱动电动机9工作。
串联增程工况，离合器b6接合，同时发电机4的功率驱动电动机9工作。
并联工况，离合器a5、离合器b6接合，发电机4和电动机9均可工作在发电或电动工况，实现辅助加速、制动能量回收和发电功能。
第一模式用于起步和低速城市工况，发动机1动力经过扭转减振器18，接合到离合器a5，动力输入到拉维娜行星机构的小太阳轮15，拉维娜行星机构作为分流机构，发动机功率一部分通过发电机4转化为电能驱动电动机9，另一部分功率为机械功率，传递到拉维娜行星机构齿圈10；通过发电机4的速度变化，达到输出速度的无级调节。
第二模式用于高速巡航工况，发动机1动力经过扭转减振器18，接合到离合器c13，动力输入到拉维娜行星机构的行星架12，拉维娜行星机构作为分流机构，发动机功率一部分通过发电机4转化为电能驱动电动机9，另一部分功率为机械功率，传递到拉维娜行星机构齿圈10；通过发电机4的速度变化，同样达到输出速度的无级调节。
一挡用于低速高负荷工况，发动机1动力经过扭转减振器18，接合到离合器a5和制动器b8，动力输入到拉维娜行星机构的小太阳轮15，通过拉维娜行星机构齿圈10输出。
二挡用于低速高负荷工况，发动机1动力经过扭转减振器18，接合到离合器a5和制动器a7，动力输入到拉维娜行星机构的小太阳轮15，通过拉维娜行星机构齿圈10输出。
三挡为直接挡，用于中速工况，发动机1动力经过扭转减振器18，接合到离合器a5和离合器b6，动力输入到拉维娜行星机构的小太阳轮15和大太阳轮16，通过拉维娜行星机构齿圈10输出。
四挡为超速档，用于中速或高速工况，发动机1动力经过扭转减振器18，接合到离合器a5和制动器a7，动力输入到拉维娜行星机构的行星架12，通过拉维娜行星机构齿圈10输出。
在低速时，可实现Prius油电混合动力装置的功率分流模式，称为第一模式，发动机1功率通过拉维娜机构分流，一部分直接输出，一部分进过发电机4转化为电能，电能在进过电动机9汇流输出，可实现无级传动的功率，发动机1常工作在高效区间。第一模式工作范围覆盖起步零速传动比到二挡传动比之间的区域，为低速城市工况。
中速工况60～100km/h，主要为采用机械传动，具体档位用二挡、三挡和四挡。机械传动工况传动比覆盖二挡至四挡之间。该速度范围内通常发动机1转速不高，常处于高效区间，采用机械挡传动效率高，油耗较低。
高速巡航工况式，可用机械四挡运行，当车速继续提高，超出发动机1经济区间，可利用第二模式。该模式也是机电复合传动模式，一部分功率经过发电机4传递到电动机9，并实现无级传动，该模式可进一步减小了传动装置传动比；高速行驶时，可降低发动机转速，从而提高燃油经济性，克服了传统四档自动变速箱和prius混合动力传动装置高速节油效果不明显的缺点。
在机械三挡时，发电机4、电动机9与发动机1输入轴整体回转，可作为并联式混合动力装置，发电机4与电动机9可同时进行车辆辅助加速、发电和制动能量回收，发电机4与电动机9可调节发动机1的负荷，同样满足燃油经济性要求。
在低速纯电驱动工况时，如果电池能量不足，可结合离合器b6，发动机1带动发电机4发电，驱动电动机9使车辆行驶，为串联形式，可作为增程型混合动力装置，可长期运行在低速城市频繁走停工况，提高燃油经济性，并减小电池容量。离合器6与发电机4可使发动机启动，替代了起动机的功能。
在低速高负荷的山区行驶时，可利用机械一挡或机械二挡行驶，并可以利用发动机制动效果，保证行车安全性。
如图5和6所示，作为本发明的变形，将制动器b8取消，可实现双模式三档混合动力传动装置。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种前驱双模式四挡混合动力传动装置，其特征在于：包括发动机(1)、发动机输出轴(2)、变速箱输入轴(3)、发电机(4)、电动机(9)、拉维娜行星机构、换挡操纵元件、变速箱输出轴(17)、扭转减振器(18)、差速器(23)、齿轮传动机构和齿形链(25)；
其中，拉维娜行星机构由齿圈(10)、长行星轮(11)、行星架(12)、短行星轮(14)、小太阳轮(15)和大太阳轮(16)，齿轮传动机构由齿轮a(19)、齿轮b(20)、主减速器齿轮(21)和齿轮c(22)组成，齿轮b(20)和齿轮c(22)在同轴上；换挡操纵元件包括离合器a(5)、离合器b(6)、离合器c(13)、制动器a(7)和制动器b(8)；
其位置关系在于：所述离合器a(5)、离合器b(6)为同轴放置于发电机(4)转子内，拉维娜行星机构布置在电动机(9)的转子内，离合器c(13)和制动器b(8)位于电动机(9)的外侧并且离合器c(13)设置在制动器b(8)的内部；所述制动器a(7)位于发电机(4)和电动机(9)之间；
其连接关系在于：发动机(1)通过发动机输出轴(2)与扭转减振器(18)连接，变速箱输入轴(3)与离合器a(5)、离合器b(6)、离合器c(13)的主动端连接，离合器a(5)的被动端与小太阳轮(15)连接，离合器b(6)的被动端与发电机(4)、制动器a(7)、大太阳轮(16)连接，行星架(12)与离合器c(13)的被动端、制动器b(8)连接；电动机(9)与齿圈(10)、齿轮a(19)连接，齿轮a(19)和齿轮b(20)啮合、齿轮c(22)和主减速器齿轮(21)啮合或者齿轮a(19)通过齿形链(25)与主减速器齿轮(21)连接，主减速器齿轮(21)通过差速器(23)将动力传输到变速箱输出轴(17)。
2.根据权利要求1所述的一种前驱双模式四挡混合动力传动装置，其特征在于：第一模式用于起步和低速城市工况，发动机(1)动力经过扭转减振器(18)，接合到离合器a(5)，动力输入到拉维娜行星机构的小太阳轮(15)，拉维娜行星机构作为分流机构，发动机功率一部分通过发电机(4)转化为电能驱动电动机(9)，另一部分功率为机械功率，传递到拉维娜行星机构齿圈(10)；通过发电机(4)的速度变化，达到输出速度的无级调节。
3.根据权利要求1所述的一种前驱双模式四挡混合动力传动装置，其特征在于：第二模式用于高速巡航工况，发动机(1)动力经过扭转减振器(18)，接合到离合器c(13)，动力输入到拉维娜行星机构的行星架(12)，拉维娜行星机构作为分流机构，发动机功率一部分通过发电机(4)转化为电能驱动电动机(9)，另一部分功率为机械功率，传递到拉维娜行星机构齿圈(10)；通过发电机(4)的速度变化，同样达到输出速度的无级调节。
4.根据权利要求1所述的一种前驱双模式四挡混合动力传动装置，其特征在于：用于低速高负荷工况，发动机(1)动力经过扭转减振器(18)，接合到离合器a(5)和制动器b(8)，动力输入到拉维娜行星机构的小太阳轮(15)，通过拉维娜行星机构齿圈(10)输出。
5.根据权利要求1所述的一种前驱双模式四挡混合动力传动装置，其特征在于：用于低速高负荷工况，发动机(1)动力经过扭转减振器(18)，接合到离合器a(5)和制动器a(7)，动力输入到拉维娜行星机构的小太阳轮(15)，通过拉维娜行星机构齿圈(10)输出。
6.根据权利要求1所述的一种前驱双模式四挡混合动力传动装置，其特征在于：直接挡，用于中速工况，发动机(1)动力经过扭转减振器(18)，接合到离合器a(5)和离合器b(6)，动力输入到拉维娜行星机构的小太阳轮(15)和大太阳轮(16)，通过拉维娜行星机构齿圈(10)输出。
7.根据权利要求1所述的一种前驱双模式四挡混合动力传动装置，其特征在于：超速档，用于中速或高速工况，发动机(1)动力经过扭转减振器(18)，接合到离合器a(5)和制动器a(7)，动力输入到拉维娜行星机构的行星架(12)，通过拉维娜行星机构齿圈(10)输出。
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