CN102897014B - 基于k-h行星齿轮机构和孔销式输出机构的混合动力驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于K-H行星齿轮机构和孔销式输出机构的混合动力驱动系统，发动机动力输入减速器，经离合器输出到K-H行星齿轮机构的转臂上，第一电机动力输入减速器，经孔销式输出机构输出到K-H行星齿轮机构的行星轮上。发动机的动力和第一电机的动力经K-H行星齿轮机构耦合后输出到齿圈输出齿轮，第二电机动力经减速器输出到输出齿轮，和齿圈输出齿轮传递的动力耦合后共同驱动车辆行驶。本发明的优点是结构简单，通过离合器和制动器的控制实现车辆不同的工作模式的选择，效率高。

Description

基于K-H行星齿轮机构和孔销式输出机构的混合动力驱动系统

技术领域

本发明涉及混合动力汽车动力传动领域，具体涉及到一种基于K-H行星齿轮机构和孔销式输出机构的混合动力驱动系统。

背景技术

随着全球石油资源的日益匮乏，混合动力汽车已经成为未来汽车发展的重要趋势。目前混合动力汽车的主要动力结构形式为串联式、并联式和混联式。由于混合动力汽车的动力源除了发动机，一般还包括发电机/电动机，因此动力传动系统较传统汽车有较大区别。

在丰田公司推出的混合动力汽车Prius上，其核心部件就是混合动力系统THS。该机构主要是采用了一个基于行星齿轮的动力分配装置将发动机、电动机以及发电机的动力实现了较好的耦合。

K-H行星齿轮机构与THS混合动力驱动系统的不同之处在于前者没有了太阳轮，取而代之的是行星轮转臂，而且通过与孔销式输出机构的配合实现了不同平行轴运动部件间的等速传动。K-H行星齿轮机构和孔销式输出机构同样能实现三个动力源的较好调节，通过第一电机的转速控制保证发动机在各种行驶工况下以经济方式运行，而第二电机的输出动力则与发动机传递至输出轴的动力叠加，以满足车辆的动力需求。相较于Prius的混合动力系统，K-H行星齿轮机构和孔销式输出机构组成的混合动力驱动系统具有结构紧凑、体积小、传动效率高等优点，通过正确的参数匹配，可以实现混合动力汽车不同动力源理想的动力耦合。但是， K-H行星齿轮机构的行星轮转臂的转速不能太高，而且孔销式输出机构中的圆柱销的载荷和转速都不能太高，这样限制了其在高速及重载工况下的使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、效率高的基于K-H行星齿轮机构和孔销式输出机构的混合动力驱动系统。

为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种基于K-H行星齿轮机构和孔销式输出机构的混合动力驱动系统，该混合动力驱动系统包括K-H行星齿轮机构和孔销式输出机构，通过K-H行星齿轮机构将混合动力驱动系统的动力源的发动机、第一电机、第二电机的动力耦合起来；发动机的输出轴与第二减速器的输入轴固联，第二减速器的输出轴与离合器的主动片固联；第一电机的输出轴与第一减速器的输入轴固联，第一减速器的输出轴与输出圆盘的轴固联；第二电机的输出轴与第三减速器的输入轴固联，第三减速器的输出轴与输出齿轮固联；输出齿轮与齿圈输出固联。

发动机的动力经第二减速器减速增扭后传递至行星轮转臂，第一电机的动力经第一减速器减速增扭后传递至输出圆盘，再经圆柱销传递至行星轮，发动机输出的动力和第一电机输出的动力经K-H行星齿轮机构耦合后输出至齿圈输出齿轮；第二电机的动力经第三减速器减速增扭后输出至输出齿轮；齿圈输出齿轮的动力和第二电机传递过来的动力在输出齿轮处叠加后，经主减速器齿轮和差速器传递至车轮。

混合动力驱动系统还包括离合器、第一制动器、第二制动器。第一制动器的运动件固联于输出圆盘的轴，制动件固联于车体。第二制动器的运动件固联于输出齿轮的轴，制动件固联于车体。离合器控制发动机的动力输入或断开至K-H行星齿轮机构，第一制动器实现对输出圆盘的轴的制动，第二制动器实现对输出齿轮的制动。离合器、第一制动器和第二制动器在电子控制单元的控制下，分别实现制动或者释放输出圆盘的轴和输出齿轮的轴，保证了不同工况下车辆各动力源不同的工作模式。

所述K-H行星齿轮机构包括行星轮转臂、行星轮和齿圈，齿圈上有内齿圈和外齿圈，齿圈通过轴承支承于行星轮转臂，齿圈相对于行星轮转臂可且仅可作绕其轴线的旋转运动，行星轮与内齿圈啮合；行星轮转臂和外齿圈同轴转动，行星轮转臂是一曲轴结构，行星轮转臂的一端通过轴承支承于行星轮上的中心孔内，行星轮转臂的另一端与离合器的从动片固联；外齿圈与齿圈输出齿轮啮合。

所述孔销式输出机构包括行星轮、圆柱销和输出圆盘；输出圆盘上均布的四个圆柱销分别对应插入行星轮上的四个圆孔中，圆柱销在圆孔中紧贴圆孔内壁作圆周运动；行星轮上四个圆孔的均布直径和输出圆盘上四个圆柱销的均布直径相等，输出圆盘轴的转动中心和行星轮自身轴线中心有偏移距，该偏移距的两倍等于行星轮圆孔直径与销轴直径之差；输出圆盘轴的转动中心与行星轮转臂的转动中心同轴线，保证输出圆盘轴的转速与行星轮的自转转速相等。

主减速器齿轮固联于差速器壳体上，与输出齿轮相啮合，差速器的输出端与车轮通过半轴固联。

本发明的优越功效在于：有效解决了混合动力汽车多个动力源的耦合问题。由于断开了驱动车轮与发动机的刚性连接，通过第一电机和第二电机的调节，保证了车辆的动力性，同时发动机工作在高效率工作区间，提高了车辆的经济性。通过离合器和制动器的工作状态选择，可以实现多种工作模式的切换。该混合动力驱动系统，结构简单，效率高，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明孔销式输出机构的示意图；

图3为图2的侧视图；

图中标号说明

1—行星轮转臂；                    2—行星轮；

3—齿圈；

301—内齿圈；                      302—外齿圈；

4—输出圆盘；                      5—圆柱销；

6—齿圈输出齿轮；                  7—输出齿轮；

8—主减速器齿轮；                  9—差速器；

10—车轮；                         11—第一电机；

12—发动机；                       13—第二电机；

14—第一减速器；                   15—第二减速器；

16—第三减速器；                   17—第一逆变器；

18—第二逆变器；                   19—蓄电池；

20—电子控制单元；                 21—离合器；

22—第一制动器；                    23—第二制动器。

具体实施方式

请参阅附图所示，对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明提供了一种基于K-H行星齿轮机构和孔销式输出机构的混合动力驱动系统，该混合动力驱动系统包括发动机12、第一电机11和第二电机13组成；动力源接入装置由第一减速器14、第二减速器15、第三减速器16、离合器21、输出圆盘4和圆柱销5组成；动力分配机构由行星轮转臂1、行星轮2和齿圈3组成；动力输出装置由齿圈输出齿轮6、输出齿轮7、主减速器齿轮8和差速器9组成；电子元件由第一逆变器 17、第二逆变器18、蓄电池19和电子控制单元20组成。

所述K-H行星齿轮机构包括行星轮转臂1、行星轮2和齿圈3。行星轮2和齿圈3啮合，行星轮转臂1和齿圈3同轴转动。行星轮转臂1为曲臂结构，其一端通过轴承支承于行星轮2的中心孔，行星轮转臂1和行星轮2可相对周向转动，另一端固联于离合器21的从动片上。内齿圈301与行星轮2啮合，外齿圈302与齿圈输出齿轮6啮合。齿圈3通过轴承支承于行星轮转臂1，二者可且仅可作绕行星轮转臂1轴线的旋转运动。其中，行星轮转臂1的转速就是行星轮2的公转角速度，输出圆盘4的轴的转速就是行星轮2的自转角速度。

所述孔销式输出机构包括行星轮2、圆柱销5和输出圆盘4。行星轮2上均布有四个圆孔，输出圆盘4上均布的四个圆柱销5分别插入行星轮上的圆孔中，圆柱销可在圆孔中周向自由转动。行星轮2上四个圆孔的均布直径和输出圆盘4上四个圆柱销5的均布直径相等，输出圆盘4的轴的转动中心和行星轮2自身轴线中心有偏移距，该偏移距的两倍等于行星轮圆孔直径与圆柱销5直径之差。输出圆盘4的轴的转动中心与行星轮转臂1的转动中心同轴线。所述孔销式输出机构可实现行星轮2和输出圆盘4的等速转动。

发动机12的动力经第二减速器15的主动齿轮传递至从动齿轮，从动齿轮的输出轴固联于离合器21的主动片上，根据具体的工况由电子控制单元20决定离合器21的工作状态，实现将发动机12的动力输入至行星轮转臂1或者将动力切断。

第一电机11的输出轴与第一减速器14的主动齿轮轴固联，动力经主动齿轮传递至从动齿轮，从动齿轮轴固联于输出圆盘4的轴。同时，第一制动器22的运动件固联于输出圆盘4的轴，制动件固联于车体。第一制动器22可控制行星轮2的工作方式。

第二电机13的输出轴与第三减速器16的主动齿轮轴固联，动力经主动齿轮传递至从动齿轮，从动齿轮轴与输出齿轮7同轴固联，同时轴上还固联齿圈输出齿轮6。第二制动器23的运动件固联于输出齿轮7的轴，制动件固联于车体。第二制动器可制动输出齿轮7。

第一电机11和第二电机13为即可作为发电机也可作为电动机工作的发电电动机。第一电机11和第二电机13分别通过第一逆变器17和第二逆变器18向蓄电池19充电或接受蓄电池19释放的电能。第一逆变器17和第二逆变器18共用正极母线和负极母线与蓄电池19连接，这样可以使得第一电机11和第二电机13中一个电机消耗另一个电机产生电能，避免了蓄电池19的过度充电或放电。

所述K-H行星齿轮机构的行星轮转臂1、行星轮2和外齿圈3的转速N1、N2和N3满足如下的关系式：

所述K-H行星齿轮机构的行星轮转臂1、行星轮2和外齿圈3的转矩T1、T2、T3满足如下的关系式：

                  T1:T2:T3= 1:Z2/(Z3-Z2):—Z3/(Z3-Z2)；

其中：Z3—内齿圈的齿数；Z2—行星轮的齿数。

上式中所求的各动力部件的转矩是在稳态工况下，实际车辆运行过程中各动力部件的运行状况是随着车辆行驶工况不断瞬时变化的，在上式求得的转矩上还要进行适当修正，以保证转矩输出命令的精准性和实时性。

以如下齿轮参数分析该K-H行星齿轮机构的运动参数：

内齿圈301齿数Z3=25，行星轮2齿数Z2=15，外齿圈302与齿圈输出齿轮6传动比为1，发动机输入转矩T，发动机转速Ne=3000rpm，第二电机转速Nm=0～6500rpm，第一减速器14的减速比i1=3，第二减速器15的减速比i3=2，第三减速器16的减速比i2=2.5。

从该表中可看出，通过取合理的齿轮参数和减速器的速比，可使发动机稳定工作在经济的转速范围，第一电机和第二电机的转速工作在合理的范围。在低速行驶时，第一电机以发电机状态工作，将机械能转换成电能储存到蓄电池中；在高速行驶时，第一电机以电动机状态工作，将蓄电池中的电能输出供车辆驱动的动力需求。第二电机则根据该新型混合动力机构的输出转矩与车辆行驶阻力矩之间的差值来决定其以电动机还是发电机状态工作。

以上构造的混合动力汽车在不同工况下有不同的工作模式，下面对其工作模式进行说明：

1、  启动发动机模式。离合器21结合，第一制动器22释放，第二制动器23锁止。第一电机11以电动机状态工作，带动发动机12启动。蓄电池19向第一电机11供电，第一电机11的动力依次经过第一减速器14、输出圆盘4、行星轮2、行星轮转臂1、离合器21、第二减速器15传递至发动机12，带动发动机12启动；

2、  纯电动工作模式。当车辆需求动力较小且蓄电池SOC水平较高时，离合器21分离，第一制动器22锁止，第二制动器23释放。蓄电池19向第二电机13供电，第二电机13的动力依次经过第三减速器16、输出齿轮7、主减速器齿轮8，进而通过差速器9输出至车轮10；

3、  发动机单独工作模式。当蓄电此SOC水平较低时，离合器21结合，第一制动器22释放，第二制动器23释放。若车辆的需求动力较大，发动机12以外特性曲线工作，以满足车辆此时的动力性需求；若车辆的需求动力较小，发动机12以经济特性曲线工作。发动机12的动力依次经过第二减速器15、离合器21、行星轮转臂1、行星轮2、齿圈3、齿圈输出齿轮6、输出齿轮7、主减速器齿轮8，进而通过差速器9输出至车轮10。另外，还有一部分发动机12动力经第二减速器15、离合器21、行星轮转臂1、行星轮2、输出圆盘4、第一减速器14传递至第一电机11，然后经由第一电机11转换成电能充入蓄电池19中；

4、  混合动力工作模式。当蓄电池SOC水平较高且车辆的需求动力较大时，离合器21结合，第一制动器22释放，第二制动器23释放。若蓄电池19和发动机12经济工作状态的输出动力和满足整车的动力需求，发动机12以经济特性曲线工作；若蓄电池19和发动机12经济工作状态的输出动力和不能满足整车的动力需求，发动机12以外特性曲线工作。发动机12动力依次经过第二减速器15、离合器21、行星轮转臂1、行星轮2、齿圈3、齿圈输出齿轮6传递至输出齿轮7，同时第二电机13的动力经第三减速器16传递至输出齿轮7，叠加后的动力经主减速器齿轮8、差速器9输出至车轮10。另外，还有一部分发动机12动力经第二减速器15、离合器21、行星轮转臂1、行星轮2、输出圆盘4、第一减速器14传递至第一电机11，然后经由第一电机11转换成电能充入蓄电池19；

再生制动工作模式。当车辆减速或制动且蓄电池SOC水平较低时，离合器21分离，第一制动器22锁止，第二制动器23释放。车辆的制动能量依次经过差速器9、主减速器齿轮8、输出齿轮7、第三减速器16传递至第二电机13，第二电机13以发电机状态工作，将制动能量转换成电能充入蓄电池19。随着制动强度的增大，传统的机械制动装置视制动需要介入制动过程。

Claims (4)

1.一种基于K-H行星齿轮机构和孔销式输出机构的混合动力驱动系统，其特征在于：该混合动力驱动系统包括K-H行星齿轮机构和孔销式输出机构，通过K-H行星齿轮机构将混合动力驱动系统的动力源的发动机、第一电机、第二电机的动力耦合起来；发动机的输出轴与第二减速器的输入轴固联，第二减速器的输出轴与离合器的主动片固联，即发动机的动力经第二减速器减速增扭后通过离合器传递至行星轮转臂；第一电机的输出轴与第一减速器的输入轴固联，第一减速器的输出轴与输出圆盘的轴固联，即第一电机的动力经第一减速器减速增扭后传递至输出圆盘，再经圆柱销传递至行星轮；这样，所述发动机输出的动力和所述第一电机输出的动力分别传递给所述K-H行星齿轮机构的行星轮转臂和行星轮，经K-H行星齿轮机构耦合后由齿圈输出齿轮输出；第二电机的输出轴与第三减速器的输入轴固联，第三减速器的输出轴与输出齿轮齿轮固联，第三减速器的输出齿轮与所述齿圈输出齿轮固联，即第二电机的动力经第三减速器减速增扭后由所述输出齿轮输出，该第二电机传递过来的动力与所述齿圈输出齿轮的输出动力在输出齿轮处叠加后，再经主减速器齿轮和差速器传递至车轮。

2.根据权利要求1所述的基于K-H行星齿轮机构和孔销式输出机构的混合动力驱动系统，其特征在于：混合动力驱动系统还包括离合器、第一制动器、第二制动器；离合器控制发动机的动力输入或断开至K-H行星齿轮机构，第一制动器实现对输出圆盘的轴的制动，第二制动器实现对输出齿轮的制动；离合器、第一制动器、第二制动器的工作模式在电子控制单元的控制下可切换。

3.根据权利要求1所述的基于K-H行星齿轮机构和孔销式输出机构的混合动力驱动系统，其特征在于：所述K-H行星齿轮机构包括行星轮转臂、行星轮和齿圈，齿圈上有内齿圈和外齿圈，齿圈通过轴承支承于行星轮转臂，齿圈相对于行星轮转臂可且仅可作绕其轴线的旋转运动，行星轮与内齿圈啮合；行星轮转臂的一端通过轴承支承于行星轮上的中心孔内，行星轮转臂的另一端与离合器的从动片固联；外齿圈与齿圈输出齿轮啮合。

4.根据权利要求1所述的基于K-H行星齿轮机构和孔销式输出机构的混合动力驱动系统，其特征在于：所述孔销式输出机构包括行星轮、圆柱销和输出圆盘；输出圆盘上均布的四个圆柱销分别对应插入行星轮上的四个圆孔中，圆柱销在圆孔中紧贴圆孔内壁作圆周运动；行星轮上四个圆孔的均布直径和输出圆盘上四个圆柱销的均布直径相等，输出圆盘轴的转动中心和行星轮自身轴线中心有偏移距，该偏移距的两倍等于行星轮圆孔直径与销轴直径之差；输出圆盘轴的转动中心与行星轮转臂的转动中心同轴线，保证输出圆盘轴的转速与行星轮的自转转速相等。