CN102808943A - 电驱动汽车集成化自动变速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电驱动汽车集成化自动变速器，利用一个单排行星齿轮、两个离合器、两个单向离合器、一个制动带、两对常啮合齿轮和电机相配合实现多个自动前进挡、空挡、倒挡，能实现电驱动、发动机驱动，以及发动机与电机混合驱动。在发动机驱动时电机是变速器一部分，能主动调节车速实现无级变速；在电驱时它又是动力源、在制动时又能回收能量、在混合驱动时根据运行情况随时将电能加入驱动系统、又可以将系统能量取出充入电瓶（动力无中断换挡、柔性动力耦合）。本发明整机结构简单、体积小、成本低、易于加工，在混合驱动工况下可以占用更小空间以给其它总成让出空间。本发明适用作混合驱动车、电动车、增程式电动车、燃油车的变速系统。

Description

电驱动汽车集成化自动变速器

技术领域

本发明涉及一种车辆变速机构，具体地说是一种电驱动汽车集成化自动变速器。 

背景技术

混合驱动汽车、电动汽车、增程式电动汽车是未来新能源汽车的发展方向。传统混合驱动变速器构成基本由两个电机和变速器构成，国外代表车型是丰田普锐斯、国内车型比亚迪F3DM ，在动力传动时通过控制两个电机发电、电动的电磁扭矩来调整输出扭矩、转速实现的，因此造成能量的二次转换而效率低下，两个电机构成结构复杂、系统庞大、控制复杂，另外由于存在变速箱问题势必加大体积、重量，带来成本高、加工难度大等一系列问题。 

发明内容

本发明要解决的技术问题，是提供一种电驱动汽车集成化自动变速器，利用一个单排行星齿轮、两个离合器、两个单向离合器、一个制动带、两对常啮合齿轮和电机相配合实现多个自动前进挡、空挡、倒挡,能实现电驱动、发动机驱动以及发动机电机混合驱动。在发动机驱动时电机是变速器一部分，能主动调节车速实现无级变速；在电驱时它又是动力源、在制动时又能回收能量、在混合驱动时根据运行情况随时将电能加入驱动系统、又可以将系统能量取出充入电瓶（动力无中断换挡、柔性动力耦合）。本发明在减少一个电机同时也减少一个控制器，通过对离合器、电机控制取消换挡装置以及变速箱，整机结构简单、体积小、成本低、易于加工，在混合驱动工况下可以占用更小空间以给其它总成让出空间。 

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是： 

一种电驱动汽车集成化自动变速器，包括永磁电机、一套行星单排齿轮、第一—第四离合器、一二挡输出对齿轮与三四挡输出对齿轮、发动机、相互平行设置的动力连接轴与二轴、启动机、主减速器，其中

第一离合器外沿与发动机飞轮M相连、内沿与动力连接轴的一端、制动盘、离合器第三离合器的一端相连；

动力连接轴的另一端经永磁电机转子的中空轴与行星齿轮外齿圈相连；

离合器第三离合器的另一端与永磁电机转子的一端相连；

永磁电机转子的另一端经中空转子轴与行星齿轮太阳轮相连；

启动机与飞轮连接；制动带作用于制动盘的外圆，锁止销设于在制动带的一端，制动带的另一端与永磁电机定子相连；永磁电机定子与发动机相连；行星齿轮的行星架输出常啮合的一二挡输出对齿轮与三四挡输出对齿轮,其中一二挡输出对齿轮经第二离合器作用于二轴上，三挡四输出对齿轮经离合器第四离合器作用于二轴上；二轴与主减速器对齿轮相连。

以上为本发明的基本结构，具有结构简单紧凑、功能多、控制元件少、体积小、效率高的特点，能够实现三种不同的驱动方式：电机单独驱动、发动机单独驱动、电机与及发动机共同驱动。本发明当发动机参与驱动时由于发动机的动力输出是经过行星齿轮间接传输到主减速器上，通过调节行星齿轮的太阳轮的转速可以调节发动机输出转速与动力系统输出转速，克服了传统发动机与动力系统通过齿轮啮合直接输出而使车速与发动机转速不能调节的缺点真正实现混合驱动使发动机输出外特性曲线能一直沿着最佳功率曲线上工作。从结构上看在换挡时只需控制第三离合器、第四离合器的结合、断开就可以实现挡位切换，取代了传统变速器在换挡过程中需要换挡机构实现自动控制、自动换挡。 

作为本发明的一种改进，它还包括五六挡输出对齿轮，与一二挡输出对齿轮和三四挡输出对齿轮相隔设置，五六挡输出对齿轮经第五离合器作用于二轴上的。 

以上为本发明的输出有六挡前进挡的情形，前进挡增多，其工作模式中：五挡的工作过程是第四离合器切断，第五离合器结合，电机工作在发电模式下，将电机转子制动，动力由连接轴—行星架—五六挡输出对齿轮—第五离合器—主减速器；六挡是第四离合器切断、第五离合器与第三离合器均结合，由于第三离合器结合行星齿轮被锁止，此时动力传递路线是动力连接轴—外齿圈—行星架—五六挡输出对齿轮—第五离合—主减速器；其倒挡、空挡、驻车挡与一、二、三、四前进挡的工作模式与只有四挡前进挡的情形相同。 

 作为本发明的另一种改进或进一步改进，所述离合器为干式离合器、湿式离合器、片簧式离合器、电磁式离合器中的一种离合器。 

以上为离合器的常规形式，所采用的离合器不受限制。 

作为本发明的优化，所述与发动机飞轮相连的离合器，一二挡输出对齿轮作用于二轴上经由的离合器，均为单向离合器。 

将离合器优选为单向离合器，由于单向离合器不需要控制装置因此结构简化。 

本发明由于采用了上述的技术方案，所取得技术进步在于：本发明可实现电机单独驱动、发动机单独驱动、电机与及发动机共同驱动三种驱动方式，当有发动机参于驱动时，发动机的动力输出是经过行星齿轮间接传输到主减速器上，通过调节行星齿轮的太阳轮的转速，可以调节发动机输出转速与动力系统输出转速，克服了传统发动机与动力系统通过齿轮啮合直接输出而使车速与发动机转速不能调节的缺点，真正实现混合驱动，使发动机输出外特性曲线能一直沿着最佳功率曲线上工作；本发明在换挡时只需控制第三离合器、第四离合器的结合、断开就可以实现无级挡位切换，取代了传统变速器在换挡过程中需要换挡机构实现自动控制、自动换挡，不需要切断动力换挡、同时调节电机的转速、转向可减小换挡时冲击与抖动，提高乘员的乘车舒适感；简化了构件组成，缩小了变速器的体积与占用空间，操作方便。本发明适用作混合驱动车、电动车、增程式电动车、燃油车的变速系统。 

本发明下面将结合说明书附图与具体实施例作进一步详细说明。 

附图说明

图1为本发明实施例1的整体结构示意图； 

图2为本发明实施例2的整体结构示意图。

图中：G—发动机，Q—启动机，M—发动机飞轮，F1、F2—单向离合器，K—锁止销，B—制动带，E—制动盘，C1、C2、C3—离合器，Z—永磁电机转子，D—永磁电机定子，N—动力连接轴，L—中空转子轴，T—太阳轮，J—行星架，W—外齿圈，I1—一二挡输出对齿轮，X—主减速器，R—二轴，I2—三四挡输出对齿轮，I3—五六挡输出对齿轮。 

具体实施方式

实施例１

图1所示为一种电驱动汽车集成化自动变速器，有倒挡、空挡、驻车挡及四挡位的前进挡。

本实施例包括永磁电机、一套行星单排齿轮、单向离合器F1与F2、普通离合器C1与C2（可以为干式、湿式、片簧式、电磁式离合器中的任何一种）、一二挡输出对齿轮I1、三四挡输出对齿轮I2、发动机G、相互平行设置的动力连接轴N与二轴R、启动机Q、主减速器，其中： 

单向离合器F1外沿与发动机飞轮M相连、内沿与动力连接轴N的一端、制动盘E、离合器C1的一端相连；

动力连接轴N的另一端经永磁电机转子Z的中空轴L与行星齿轮外齿圈W相连；

离合器C1的另一端与永磁电机转子Z的一端相连；

永磁电机转子Z的另一端经中空转子轴L与行星齿轮的太阳轮T相连；

启动机Q与飞轮M联接；制动带B联接于制动盘E的外沿，锁止销K设于在制动带B的一端，制动带B的另一端与永磁电机定子D相连；永磁电机定子D与发动机G相连；行星齿轮的行星架J输出两对常啮合对齿轮I1、I2，其中一二挡输出对齿轮I1经单向离合器F2作用于二轴R上，三四挡输出对齿轮I2经离合器C2作用于二轴R上；二轴R与主减速器对齿轮X相连。

本实施例能够实现三种不同的驱动方式：电机单独驱动、发动机单独驱动、电机与及发动机共同驱动。具体地： 

一、电机单独驱动

电驱动时根据电机的转速、扭矩特点有两个自动前进挡，低速挡、高速挡、倒挡。其中：

将C1结合、C2离开，电机以顺时针转动形成前进挡的低速挡，将C1、C2结合电机顺时针转动形成电驱时高速挡。

倒挡的形成是，制动带B通过锁止销K的锁止而将制动盘E锁止、C2结合电机反时针转动形成倒挡。 

二、发动机单独驱动 

 发动机驱动涉及到发动机点火问题，发动机点火分静态点火和东动态点火。

静态点火：车在静止时利用启动机Q启动发动机，此时电机绕组输出端处于空闲或不工作状态。 

动态点火：车正处于电驱动运行状态，启动机Q启动发动机点火为动态点火。 

一挡起车：处于静态着火的发动机，将处于发电模式下的电机，通过控制绕组输出电流由大到小最后为零电机转速趋近于零将车起动，此时处于一挡。动力传递路线是：发动机G—飞轮M—离合器F1—动力连接轴N—外齿圈W—行星架J—一二挡输出对齿轮I1—单向离合器F2—二轴R—主减速器X，此时速比为行星齿轮速比(1+α)/α与一二挡输出对齿轮I1的变比乘积，α—行星齿轮的齿圈齿数与太阳轮齿数比值。 

二挡运行路线是：在一挡运行基础上，已具备升入二挡条件后，将C1结合，此时行星齿轮已变成一体输出，动力传递路线是发动机G—飞轮M—离合器F1—动力连接轴N—外齿圈W，另一路是动力连接轴N通过C1—永磁电机转子Z—太阳轮L，两路动力都传递给行星架J—一二挡输出对齿轮I1—离合器F2—二轴R—主减速器X，此时速比为行星齿轮速比为1与一二挡输出对齿轮I1的变比乘积。 

三挡运行路线是：在二挡运行基础上，已具备升入三挡条件后，将C1断开、C2结合进入三挡，动力传递路线是：发动机G—飞轮M—离合器F1—动力连接轴N—外齿圈W—行星架J—三四挡输出对齿轮I2—二轴R—主减速器X，此时速比为行星齿轮速比(1+α)/α与三四挡输出对齿轮I2的变比乘积。α—行星齿轮的齿圈齿数与太阳轮齿数比值。进入三挡由于一二挡输出对齿轮I1的变比要比三四挡输出对齿轮I2的变比大，造成离合器F2的内圆转速大于其外圆转速从而使离合器F2失去了势能，因此换挡顺畅。 

四挡运行路线是：在三挡运行基础上，已具备升入四挡条件后，将C1、C2都结合进入四挡，其动力传递路线是：动力传递路线是发动机G—发动机飞轮M—离合器F1—动力连接轴N—外齿圈W，另一路是动力连接轴N通过离合器C1—永磁电机转子Z—太阳轮L，两路动力都传递给行星架J—三四挡输出对齿轮I2—三四挡离合器C2—二轴R—主减速器X，此时速比为行星齿轮速比为1与三四挡输出对齿轮I2的变比乘积。 

倒挡：需要倒挡时将发动机熄火后与电驱倒挡时控制是一致的。 

怠速：C1、C2断开，电机端子断开或不工作状态即可，既发动机带动电机转子无阻力反转。 

驻车挡：需要驻车时锁止销K控制制动带B将制动盘E制动，同时C1、C2结合实现驻车。 

能量回收：由于电机是永磁电机被动旋转时可以发电，因此车在下坡或刹车制动时将制动的动能变成电能存储在电瓶中：制动时离合器C1、离合器C2结合，车拖动主减速器X—二轴R—三、四挡离合器C2—行星架J拖动电机转子Z转动实现能量回收。 

三、混合驱动 

混合驱动有两种情况：一种是起车是电驱动运行后启动发动机进行混合驱动：另一种是起车运行是以发动机运行后让电机工作电动模式下进行混合驱动。

电驱动行车后由于C1结合，F1失去势能，需要混合驱动时启动机Q启动发动机点火后，C1断开实现混合驱动；二发动机起车运行后将C1断开同时使电机工作在电动模式进入混合驱动。 

混合驱动有低速挡、高速挡两个挡位：离合器C2断开为低速挡，C2结合为高速挡，在这两个挡位中通过控制电机发电、电动工作模式和发动机配合实现无级变速。 

说明一：混合驱动时加速踏板控制发动机转速，电机根据发动机转速、输出扭矩为依据来控制电机转速使从行星架J输出动力、转速来保证发动机能一直在最佳功率曲线上工作，使发动机燃油率最低，排放最佳同时提高整个系统的动力性能。 

说明二：关于行星齿轮的α值和一二挡输出对齿轮I1、三四挡输出对齿轮I2变比值根据车型而定。 

说明三：两对齿轮组能产生四个挡位，原理在于和两对齿轮相连的行星架J能产生两个挡位，通过控制太阳轮T行星架J产生两个挡位： 

（一）控制太阳轮T使其转速为零属于一个挡位——n1+αn2=（1+α）n3，

上式中n1为太阳轮T转速，n2为齿圈W转速，n3为行星架J的转速，α为行星齿轮变比，当n1=0即太阳轮T转速为零时，αn2=（1+α）n3，变比i=n2/n3=1+α/α。 

这个过程是通过控制电机转子Z工作在发电模式或将电机端子短路利用其电磁扭矩将转子制动为零而产生一个速比。 

（二）另一个速比是通过离合器C1的结合将电机转子T 和动力连接轴N结合在一起也就是将太阳轮T、齿圈W连在一起由上述公式此时变比i=1， 因此通过控制太阳轮T的转速在行星架J上产生两个挡位：一个速比为（1+α）/α；另一个速比为1。 

再通过C2的结合与断开在I1、I2形成四个挡位。 

实施例2

图2所示为一种电驱动汽车集成化自动变速器，包括倒挡、空挡、驻车挡以及六挡的前进挡。

本实施例在结构上与实施例1的区别只在于：它还包括五六挡输出对齿轮I3，与一二挡输出对齿轮I1，三四挡输出对齿轮I2相隔设置，五六挡输出齿轮I3经离合器C3作用于二轴R上的。 

本实施例的工作模式中：五挡的工作过程是C2切断，C3结合，电机工作在发电模式下，将电机转子Z制动，动力由连接轴N—行星架J—五六挡输出对齿轮I3—离合器C3—主减速器X，此时速比i5=i3×（1+α）/α，其中i3为五六挡输出对齿轮I3的变比，α为行星齿轮外齿圈W与太阳轮间的齿数比；六挡是C2切断、C3与C1均结合由于C1结合将行星齿轮锁止而一体输出，此时该行星齿轮变比i=1，动力传递路线是动力连接轴N—外齿圈W—行星架J—五、六挡对齿轮I3—离合器C3—主减速器X，此时变比i= i3，即变比i6=1×i3=i3  

本实施例倒挡、空挡、驻车挡与一、二、三、四前进挡的工作模式与实施例一中的情形相同。

离合器C3为干式离合器、湿式离合器、片簧式离合器、电磁式离合器中的一种离合器。 

Claims (4)

1.一种电驱动汽车集成化自动变速器，其特征在于：它包括永磁电机、一套行星单排齿轮、四离合器（F1、F2、C1与C2）、一二挡输出对齿轮与三四挡输出对齿轮（I1与I2）、发动机（G）、相互平行设置的动力连接轴（N）与二轴（R）、启动机（Q）、主减速器（X），其中

离合器（F1）外沿与发动机飞轮（M）相连、内沿与动力连接轴（N）的一端、制动盘（E）、离合器（C1）的一端相连；

动力连接轴（N）的另一端经永磁电机转子（Z）的中空轴（L）与行星齿轮的外齿圈（W）相连；

离合器（C1）的另一端与永磁电机转子（Z）的一端相连；

永磁电机转子（Z）的另一端经中空转子轴（L）与行星齿轮的太阳轮（T）相连；

启动机（Q）与飞轮（M）联接；制动带（B）的内面作用于制动盘（E）的外圆，锁止销（K）设在制动带（B）的一端，制动带（B）的另一端与永磁电机定子（D）相连；永磁电机定子（D）与发动机（G）相连；行星齿轮的行星架（J）输出两对常啮合对齿轮（I1、I2），其中一二挡输出对齿轮（I1）经离合器（F2）作用于二轴（R）上，三四输出对齿轮（I2）经离合器（C2）作用于二轴（R）上；二轴（R）与主减速器对齿轮（X）相连。

2.根据权利要求1所述的电驱动汽车集成化自动变速器，其特征在于：它还包括五六输出对齿轮（I3），与一二挡输出对齿轮（I1）和三四挡输出对齿轮（I2）相隔设置，五六挡输出对齿轮（I3）经离合器（C3）作用于二轴（R）上的。

3.根据权利要求1—3中任一项所述的电驱动汽车集成化自动变速器，其特征在于：所述离合器（F1、F2、C1、 C2、C3）为干式离合器、湿式离合器、片簧式离合器、电磁式离合器中的一种。

4.根据权利要求1或2中所述的电驱动汽车集成化自动变速器，其特征在于：所述与发动机飞轮（M）相连的离合器（F1）、一二挡输出对齿轮（I1）作用于二轴（R）上经由的离合器（F2），均为单向离合器。

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