CN103298669A - 用于车辆的传动系 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于车辆的推进系统。燃烧式发动机（1）的输出轴（2）连接至行星齿轮机构的第一部件（9），使得二者以第一速度（n1）转动。变速箱（4）输入轴（3）连接至行星齿轮机构的第二部件（11），使得二者以第二速度（n2）转动。电机连接至行星齿轮机构的第三部件（10），使得二者以第三速度（n3）转动。推进系统包括控制单元（17），所述控制单元适于估算变速箱输入轴（3）在某些适合的运行状况下的希望速度（n2）、适于接收关于发动机输出轴（2）的速度（n1）的信息、以及适于控制电机给予所述电机给行星齿轮机构的第三部件（10）以这样的速度（n3），即所述速度与发动机输出轴（2）的速度（n1）共同作用使得变速箱输入轴（3）具有希望速度（n2）。

Description

用于车辆的传动系
技术领域
本发明涉及根据权利要求1前序部分的用于车辆的推进系统。
背景技术
混合动力车辆由可以是燃烧式发动机的主原动机和可以是电机的次原动机提供动力。电机将配备有储存电能的至少一个电池和用于调节电池与电机之间的电能流动的调节设备。这样，电机可以取决于车辆的运行状况而交替地起电动机和发电机的作用。当车辆制动时，电机产生储存在电池中的电能。储存的电能随后被用于使车辆运行。电机可以位于车辆的离合器机构和变速箱之间的一个位置。由于空间的缘故，将电机直接连接至变速箱输入轴是有利的。
在变速箱换档期间，使用常规的离合器机构使变速箱输入轴与发动机脱离连接存在一些缺点。当车辆自静止起步时，离合器机构的离合器片相对彼此滑动而发热。发热造成很大的耗油量和离合器片磨损。常规的离合器机构也相对较重且昂贵。其还占据车辆内相对大的空间。
美国专利文献US6,354,974涉及用于混合动力车辆的推进系统，所述推力系统设置有燃烧式发动机和位于发动机输出轴上的电机。目的是形成不需要使用常规离合器机构的紧凑型推进单元。常规离合器机构由行星齿轮机构和三个摩擦离合器代替。摩擦离合器能够形成车辆的各种运行状态。使用摩擦离合器引起能量损耗。
发明内容
本发明涉及用于车辆的推进系统，其能够以希望的方式改变变速箱输入轴的速度。
这个目的由权利要求1特征部分指出的特征限定的、在发明引言中提到的类型的推进系统实现。行星齿轮机构通常包括设置成相对彼此转动的三个部件，即太阳轮、行星轮承载架和齿圈。基于太阳轮齿数和齿圈齿数的信息，能够在运行期间确定三个部件的相互速度。根据本发明，行星齿轮机构的一个部件连接至燃烧式发动机输出轴。这样，行星齿轮机构的这个部件以与发动机相同的速度转动。行星齿轮机构的另一部件连接至变速箱的输入轴。因此，行星齿轮机构的这个部件以与变速箱输入轴相同的速度转动。行星齿轮机构的第三部件连接至电机转子。这样，行星齿轮机构的这个部件在其与电机彼此直接连接时以与电机相同的速度转动。替代地，电机可以藉由具有变速比的传动装置连接至行星齿轮机构的第三部件。这种情况下，电机和行星齿轮机构的第三部件可以以不同速度转动。能够无级调节电机的速度。在变速箱输入轴以希望速度转动的运行状况中，控制单元使用发动机速度的信息以计算以下速度，第三部件必须在所述速度下运转，以达到变速箱输入轴的希望速度。随后，控制单元启动电机，以将计算出的速度施加给第三部件，进而将希望速度施加给变速箱输入轴。
根据本发明的实施例，控制单元适于在变速箱换档期间估算变速箱输入轴的希望速度，齿轮能够在所述速度下以最佳方式脱离啮合和/或啮合；并且控制单元适于控制电机，使得电机给行星齿轮机构的第三部件以这样的速度，即所述速度与发动机输出轴的速度共同作用使得变速箱输入轴呈现希望速度。
在当前齿轮在变速箱中被脱离啮合时，必须在变速箱中形成无转矩状态。基于车辆速度和变速箱中当前齿轮的信息，控制单元能计算出变速箱输入轴必须转动以在变速箱中形成无转矩状态时的速度。随后，控制单元控制电机，使得电机与发动机共同作用以将计算出的速度施加给变速箱输入轴。一旦变速箱中形成无转矩状态，当前齿轮就脱离啮合。当另一齿轮在变速箱中待啮合时，控制单元使用车辆速度和其它齿轮的信息计算所述待啮合齿轮能够啮合的输入轴的速度。随后，控制单元控制电机，使得电机与发动机共同作用以将计算出的速度施加给变速箱输入轴，在这之后所述另一齿轮被啮合。
当电机具有这个功能时，在换档期间就不需要使用常规离合器机构将发动机输出轴与变速箱输入轴断开。因此节约了离合器机构以及用于使其运行的部件的成本。在本发明的装置中不会发生常规离合器机构中由离合器片相对于彼此滑动造成的能量损耗。因此，根据本发明的装置使得换档更节约能量。
根据本发明的优选实施例，控制单元适于控制电机，使得电机施加给行星齿轮机构的第三部件以这样的速度，即所述速度与发动机输出轴的速度共同作用使得在将车辆从静止设定为移动过程期间，变速箱输入轴相对于发动机输出轴的速度呈现预定比率。这个过程期间变速箱输入轴的变速比适当地变化，使得车辆以受控转矩平稳地起步。
根据本发明的优选实施例，推进系统包括离合器装置，其使发动机输出轴和变速箱输入轴在车辆运行期间可释放地连接在一起成为可能。当齿轮已经在变速箱中啮合时，控制单元以向变速箱输入轴与燃烧式发动机施加相同的速度为目的来控制电机。当此目的实现时，控制单元启动将发动机输出轴和变速箱输入轴连接在一起的离合器装置。在这个连接状态下，发动机和变速箱输入轴之间的变速比是1：1。发动机输出轴和变速箱输入轴因此作为一个单元转动。
然而，当前齿轮在随后的换档期间脱离啮合之前，必须释放离合器装置，使得允许发动机输出轴和变速箱输入轴以不同速度转动。所述离合器装置可以具有移位装置，所述移位装置设置成在发动机输出轴上沿轴向移动、并且包括适于在相互连接状态下与行星轮承载架的第二连接部分接触的第一连接部分，在相互连接状态下发动机输出轴和变速箱输入轴以相同速度转动。发动机输出轴因此能以相对简单和实用的方式连接至变速箱输入轴。
根据本发明的另一优选实施例，发动机输出轴连接至行星齿轮机构的太阳轮，变速箱输入轴连接至行星齿轮机构的行星轮承载架，并且电机转子连接至行星齿轮机构的齿圈。这表示所涉及的部件能形成紧凑结构。
然而，将发动机输出轴、变速箱输入轴和电机转子连接至行星齿轮机构的任何其它部件是可能的。有利地，太阳轮连接至发动机输出轴的周边表面，行星轮承载架连接至变速箱输入轴的周边表面，电机转子连接至发动机输出轴和变速箱输入轴。太阳轮和行星轮承载架通过花键连接件或类似连接件可以分别连接至发动机输出轴和变速箱输入轴。由此确保太阳轮将以与发动机输出轴相同的速度转动，并且行星轮承载架将以与变速箱输入轴相同的速度转动。电机转子可以牢固地附接至齿圈的外周边表面。齿圈的内周边表面通常设有齿。齿圈的外周边表面通常是光滑的且非常适合支承电机转子。因此，齿圈和电机转子构成可转动单元。替代地，电机转子可以借助传动装置连接至齿圈。
根据本发明的替代实施例，发动机输出轴、电机转子和变速箱输入轴设置成围绕共同的转动轴线转动。这种情况下发动机输出轴和变速箱输入轴被设置成共轴。电机有利地位于靠近所述轴的两个邻近的端部。至少一个行星齿轮机构部件位于电机定子和所述共同的转动轴线之间的径向空间中。在电机定子和转动轴线之间通常存在径向空间。整个行星齿轮机构优选位于这个空间内。这样，与单独的电机相比，电机和行星齿轮机构将基本上不会占据更多空间。这样的设置使得非常紧凑的构型成为可能。
根据本发明的替代实施例，控制单元适于控制电机，使得在某些适合的运行状况下，所述电机使用储存的电能向所述变速箱输入轴施加推进力，和在其它运行状况下使用变速箱输入轴的动能以恢复和储存电能。这个情况下，所述车辆是由呈现为燃烧式发动机形式的主原动机和呈现为电机形式的次原动机提供动力的混合动力车辆。电机配备有储存电能的至少一个电池和用于调节电池与电机之间的电能流动的调节设备。这样，电机不仅具有能够控制变速箱输入轴速度的功能，而且具有取决于车辆运行状况而交替地作为电动机和发电机运行的能力。
附图说明
下面结合附图以示例的方式描述本发明优选实施例，其中：
图1描绘出根据本发明的用于使车辆运行的推进系统，和
图2示出推进系统的各个部件的速度在图1中的推进系统运行期间可以如何变化，和
图3示出图2中的部件的转矩在运行期间可以如何变化。
具体实施方式
图1描绘出使车辆运行的推进系统。这种情况下所述车辆是主要由可以是柴油机1的燃烧式发动机1提供动力的混合动力车辆。发动机1设置有输出轴2。发动机输出轴2设置成相对于输入轴3与变速箱4共轴。发动机输出轴2和变速箱输入轴3设置成围绕共同的转动轴线5转动。混合动力车辆具有壳体6，所述壳体将电机和行星齿轮机构包围在包含有发动机输出轴2的一个端部和变速箱输入轴3的一个端部在内的区域内。电机以常见方式包括定子7和转子8。定子7具有适当地固定至壳体6内侧的定子芯。所述定子芯包括定子线圈。电机在某些运行情况下适于使用存储的电能向变速箱输入轴3施加推进力，在其它运行情况下适于使用变速箱输入轴3的动能恢复并存储电能。
行星齿轮机构基本上径向地位于电机的定子7和转子8的内部。所述行星齿轮机构以常见方式包括太阳轮9、齿圈10和行星轮承载架11。行星轮承载架11支承被设置成在太阳轮的齿和齿圈10的齿之间的径向空间中转动的若干齿轮12。太阳轮9固定至发动机输出轴2的周边表面。太阳轮9和发动机输出轴2作为一个单元以第一速度n1转动。行星轮承载架11具有紧固部分11a，所述紧固部分11a通过花键连接件13固定至变速箱输入轴3的周边表面。这个连接件使得行星轮承载架11和变速箱输入轴3作为一个单元以第二速度n2转动成为可能。齿圈10具有外周边表面，转子8稳固地安装在所述外周边表面上。转子8和齿圈10构成以第三速度n3转动的可转动单元。
发动机输出轴2设置有可移动的连接装置14。所述连接装置通过花键连接件15固定至发动机输出轴2。为了与发动机输出轴2一起结合转动，这种情况下连接装置位于发动机输出轴2上并且在发动机输出轴2上可在轴向上移动。连接装置具有可与行星轮承载架11的连接部分11b进行连接的连接部分14a。示意性描绘的移位装置16适于在连接部分14a与连接部分11b不相互接合的第一位置和它们相互接合的第二位置之间移动所述连接装置。当连接部分14b处于相互接合时，发动机输出轴2和变速箱输入轴3将以相同速度转动。
电控单元17适于控制移位装置16。控制单元17也适于判定电机何时用作电动机以及何时用作发电机。为了判定这点，控制单元17能接收来自适合的运行参数的即时信息。控制单元17可以是使用为此目的的适当软件的计算机。控制单元17也控制示意性描绘出的、调节电池19和电机定子7之间的电能流动的调节设备18。在电机用作电动机时，存储的电能从电池19供给至定子7。在电机用作发电机时，电能从定子7供给至电池19。在车辆内的发动机1和变速箱4之间的空间受限的情况下，需要电机和行星齿轮机构构成紧凑单元。这种情况下，行星齿轮机构的部件9-11设置成基本上径向地位于电机定子7的内部。电机转子8、行星齿轮机构齿圈10、发动机输出轴2和变速箱输入轴3此处设置成围绕共同的转动轴线5转动。这样的情况下，电机和行星齿轮机构构成非常紧凑的单元。
图2和图3示出在车辆的不同运行状况下，对于发动机输出轴2、电机转子8及变速箱输入轴3而言，速度n和转矩M随时间t可以如何变化的示例。发动机输出轴2的速度n1和转矩M1由虚线表示，变速箱输入轴3的速度n2和转矩M2由实线表示，电机的速度n3和转矩M3由点线表示。这个示例中，太阳轮9的齿数z1和齿圈10的齿数z2之间的关系是z1/z2=0.7。
燃烧式发动机1在t=0-1期间起动。所述燃烧式发动机起初以500rpm空转。这样变速箱中没有齿轮啮合，车辆静止。为了可以啮合变速箱4中的第一齿轮，变速箱输入轴3也必须静止。变速箱输入轴3的速度n2因此必须是0rpm，以可以啮合所述第一齿轮。因此，控制单元17使用行星齿轮机构的变速比的信息作为用于计算速度n3的基础，电机需要在所述速度下驱动齿圈10，用以使变速箱输入轴3的速度n2变为0。电机此处必须使齿圈10相对于发动机输出轴2在相反的方向上以速度n3转动，此时前述齿轮速比变成-0.7×500rpm=-350rpm。控制单元17此处控制电机和齿圈10，使得它们具有-350rpm的速度n3。因此，在t=0-1期间，无转矩状态在变速箱4中占优势。发动机输出轴2、电机和变速箱输入轴3在这段期间内分别具有以基本上线性方式增长的转矩M1、M2和M3。
在t=1时，第一齿轮在变速箱4中啮合。在t=1-4期间，车辆通过燃烧式发动机和电机加速。控制单元17此处计算电机的速度n3要如何变化以能够帮助燃烧式发动机以希望的方式使车辆加速。燃烧式发动机速度n1此处以基本上线性方式从500rpm增加至1000rpm。控制单元17也使电机速度n3以基本上线性方式从350rpm增加至1000rpm，即增加至与燃烧式发动机速度相等。这个期间燃烧式发动机的转矩M1和电机的转矩M3基本上相等。燃烧式发动机的速度n1此处通过具有可变变速比的行星齿轮机构转变为变速箱输入轴3的速度n2，这使得车辆以受控的转矩M2平稳地起步。
在t=4时，变速箱输入轴3将已经达到与燃烧式发动机输出轴的速度n1相等的速度n2。控制单元17此处启动移位装置16使连接装置14移动至连接部分14a、11b进入相互接合的连接位置。在t=4-7期间，燃烧式发动机满足变速箱输入轴3基本上整个运行的需要，进而满足车辆的需要。电机的转矩M3此处下降至0，但是电机以与发动机输出轴2和变速箱输入轴3相等的速度n3转动。在t=5-7期间，车辆的速度增加，引起所述部件的速度n1、n2、n3的相应增加。
在t=7时，需要变速箱4中的高速齿轮被啮合。控制单元17启动移位装置16，使得连接装置14移动至脱离连接位置。发动机输出轴2和变速箱输入轴3之间的连接停止。控制单元17此处计算速度n2，变速箱输入轴3需要在所述速度下运转，以借助车辆速度和当前变速箱4中的啮合齿轮实现变速箱4中的无转矩状态。随后，控制单元17计算速度n3，电机需要在所述速度下运转，以使得在发动机主导速度n1下变速箱输入轴3呈现计算出的速度n2。控制单元17以计算出的速度n3启动电机，使得变速箱中形成无转矩状态，因此所述齿轮被脱离啮合。所有转矩M1、M2和M3此处都是0。
在当前齿轮已经脱离连接时，另一齿轮被啮合。控制单元17此处计算希望速度n2，变速箱输入轴3需要在所述速度下运转，以在所述另一齿轮被啮合时在变速箱4中形成无转矩状态。随后，控制单元17计算速度n3，电机需要在所述速度下运转，以使得在发动机主导速度n1下变速箱输入轴3呈现计算出的速度n2。控制单元17以计算出的速度n3启动电机，而使所述另一齿轮被啮合。这在t=9时发生。在t=9-11期间，车辆由分别具有基本上相等的转矩M1和M3的燃烧式发动机和电机提供动力。控制单元17以保持变速箱输入轴3的速度n2=1000rpm为目的控制电机的速度n3，与此同时所述发动机的速度n1从1200rpm降至1000rpm。
在t=11时，燃烧式发动机将具有与变速箱输入轴3的速度n2相等的速度n1。控制单元17启动移位装置16，使连接装置14移动至所述连接位置。在t=11-12期间，燃烧式发动机逐渐变成推动车辆的主要动力。在t=12时，驾驶员释放加速器踏板。随后，变速箱输入轴3驱动电机，而同时所述发动机制动。电机此处产生储存在电池19中的电能。在t=15时，发动机速度n1将降至空转500rpm。电机的速度n3和变速箱输入轴的速度n2持续下降，直到曲线在t=17时停止。
在变速箱中的当前齿轮待被脱离连接或另一齿轮待被啮合时，本发明的构型借助电机在变速箱4中形成无转矩状态。这表示在换档期间不需要使用离合器机构使所述燃烧式发动机与变速箱4脱离连接。因此可以省掉具有相关控制设备的常规离合器机构。当车辆在起步过程期间和另一齿轮被啮合时，不需要使用滑动离合器片给发动机和变速箱输入轴3以相同的速度。结果，与使用常规的离合器机构时相比，换档和起步过程显著地更节能。这种情况下，控制单元17借助电机改变发动机和变速箱输入轴3之间的变速比，直到发动机和变速箱输入轴呈现相同的速度。因此能够以受控转矩实现平稳起步。
本发明绝不限制于附图涉及的具体实施例，而是在权利要求的范围内可以自由改变。例如，具有变速比的传动装置可以位于转子8和齿圈10之间，因而所述转子和所述齿圈不需要以相同速度转动。

Claims (8)

1.一种用于车辆的推进系统，包括燃烧式发动机（1）输出轴（2）、变速箱（4）输入轴（3）、包括定子（7）和转子（8）的电机、以及包括太阳轮（9）、齿圈（10）和行星轮承载架（11）的行星齿轮机构，所述发动机输出轴（2）连接至所述行星齿轮机构的组成部件中的第一部件（9），以使所述发动机输出轴和所述第一部件作为一个单元以第一速度（n1）转动；所述变速箱输入轴（3）连接至所述行星齿轮机构的组成部件中的第二部件（11），以使所述变速箱输入轴和所述第二部件作为一个单元以第二速度（n2）转动；所述电机的转子（8）连接至所述行星齿轮机构的组成部件中的第三部件（10），以使所述第三部件（10）以第三速度（n3）转动，其特征在于：所述推进系统包括控制单元（17），所述控制单元适于估算所述变速箱输入轴（3）在某些适合的运行状况下的希望速度（n2）、适于接收关于所述发动机输出轴（2）的速度（n1）的信息、以及适于控制所述电机以使得所述电机给予所述行星齿轮机构的第三部件（10）以这样的速度（n3），即所述速度与所述发动机输出轴（2）的速度（n1）共同作用，使得所述变速箱输入轴（3）呈现所述的希望速度（n2）；所述发动机输出轴（2）、所述电机的转子（8）、以及所述变速箱输入轴（3）设置成围绕共同转动轴线（5）转动，并且所述行星齿轮机构的各个部件（9-11）中的至少一个位于所述电机的定子（7）和所述共同转动轴线（5）之间的径向空间中。
2.根据权利要求1所述的推进系统，其特征在于，所述控制单元（17）适于在变速箱换档期间估算使得齿轮能够以最佳方式被脱离啮合和/或被啮合的所述变速箱输入轴（3）的希望速度（n2），并且控制所述电机，使得所述电机给予所述行星齿轮机构的第三部件（10）以这样的速度（n3），即所述速度与所述发动机输出轴（2）的速度（n1）共同作用，使得所述变速箱输入轴（3）呈现希望速度（n2）。
3.根据权利要求1或2所述的推进系统，其特征在于，所述控制单元（17）适于在车辆起步期间引起所述电机给予所述行星齿轮机构的第三部件（10）以这样的速度，即所述速度与所述发动机输出轴（2）的速度（n1）共同作用，使得所述变速箱输入轴（3）相对于所述发动机输出轴（2）的速度（n1）以预定的变速比呈现希望速度（n2）。
4.根据前述权利要求中任一项所述的推进系统，其特征在于，所述推进系统包括在车辆运行期间能够将所述发动机输出轴（2）和所述变速箱输入轴（3）可释放地连接在一起的离合器装置（14）。
5.根据前述权利要求中任一项所述的推进系统，其特征在于，所述发动机输出轴（2）连接至所述行星齿轮机构的太阳轮（9），所述齿轮输入轴（3）连接至所述行星齿轮机构的行星轮承载架（11），所述电机的转子（8）连接至所述行星齿轮机构的齿圈（10）。
6.根据权利要求4和5所述的推进系统，其特征在于，所述离合器装置具有设置成用于在所述发动机输出轴（2）的轴向上移动的移位装置（14），并且所述移位装置（14）具有适于在相互连接状态下与所述行星轮承载架（11）的第二连接部分（11b）相接触的第一连接部分（14a），在所述相互连接状态下，所述发动机输出轴（2）和所述变速箱输入轴（3）以相同的速度（n1，n2）转动。
7.根据权利要求5或6所述的推进系统，其特征在于，所述太阳轮（9）连接至所述发动机输出轴（2）的周边表面，所述行星轮承载架（11）具有与所述变速箱输入轴（3）的周边表面相连接的紧固部分（16），并且所述电机的转子（8）连接至所述齿圈（10）的周边表面。
8.根据前述权利要求中任一项所述的推进系统，其特征在于，所述控制单元（17）适于控制所述电机，使得在某些适合的运行状况下，所述电机使用储存的电能向所述变速箱输入轴（3）施加推进力，以及在其它运行状况下，所述电机使用所述变速箱输入轴（3）的动能以恢复和储存电能。
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