CN104364109A - 双速传动装置和电动车辆 - Google Patents

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Abstract

公开了一种双速传动装置，其包括：行星齿轮系(8)，其具有太阳轮、固定的环形齿轮(8b)、至少一个行星齿轮(8c)以及行星架(8d)；双离合器(10)，其布置在所述行星齿轮系和输出旋转运动的原动机之间，所述双离合器构造成被驱动到将所述太阳轮与所述原动机运动学耦合的第一离合模式，以及将所述行星架与所述原动机运动学耦合的第二离合模式；和致动器，其构造用于选择性地驱动所述双离合器进入其第一和第二离合模式之一。还公开了一种包括这种双速传动装置的电动车辆。

Description

双速传动装置和电动车辆
技术领域
本发明涉及一种特别是用于电动车辆的改进的双速传动装置(变速器)，其以简单的构造提供了两种速比。本发明还涉及一种包括这种双速传动装置的电动车辆。
背景技术
电动车辆一般使用至少一个电动机进行推进。电动机的输出旋转和转矩经由传动装置传递到车辆的车轮。
例如，US 6513401B2公开了一种传动单元，用于车辆的电动驱动轮轴，该传动单元包括主动齿轮、从动齿轮和同时与主动齿轮和从动齿轮啮合的中间惰轮。该传动单元的速比可通过更换主动齿轮和从动齿轮以及移动惰轮的旋转轴线来改变。然而，一旦主动齿轮和从动齿轮被设置，传动单元只可提供一种固定的速比。
众所周知，电动机具有在高效率区域中运转的期望速度范围。当电动机的速度不在该期望速度范围内时，电动机的运转效率会降低。对于带有如US 6513401B2中公开的具有单一或固定速比的传动装置的电动车辆而言，在某些条件下尤其当车辆的行驶速度低时，电动机必须以低效率在低速下运转。
为了通过使电动机在高效率区域运转来提高电动机的运转效率，可以采用提供一种以上速比的传动装置。作为实例，CN 2875938Y公开了一种用于电动车辆的双速自动传动装置，该传动装置包括用于提供不同速比的两个齿轮副，能够与两个齿轮副中的任一个选择性地结合的输出轴，以及固定到输出轴并构造成利用杠杆来移位的花键毂。当车辆行驶在低速下时，传动装置被自动地切换以提供更高的速比，从而电动机以较高速度运转，这导致电动机的效率更高。
然而，具有一种以上速比的传动装置通常具有复杂的构造。例如，两个齿轮副被用在CN 2875938Y所公开的自动传动装置中。这种传动装置可以是昂贵的，或者具有大的尺寸。
因此，非常希望有可提供一种以上速比并具有简单构造的传动装置。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于电动车辆的改进的传动装置，其能以简单和容易的方式提供一种以上速比。
为了实现该目的，本发明在一个方面提供了一种双速传动装置，特别是用于电动车辆，包括：行星齿轮系，其包括可绕中心轴线旋转的太阳轮，围绕太阳轮同轴布置的固定的环形齿轮，啮合在所述太阳轮和所述环形齿轮之间的至少一个行星齿轮，以及承载所述至少一个行星齿轮并且可绕所述太阳轮的中心轴线旋转的行星架；双离合器，其布置在所述行星齿轮系和输出旋转运动的原动机之间，所述双离合器构造成被驱动到将所述太阳轮与所述原动机运动学耦合的第一离合模式，以及将所述行星架与所述原动机运动学耦合的第二离合模式；和致动器，其构造用于选择性地驱动所述双离合器进入其第一和第二离合模式之一。
根据本发明的优选实施例，所述原动机的输出轴与连接到所述行星架的输出齿轮是同轴的。
根据本发明的优选实施例，当所述双离合器处于第一离合模式时所述传动装置提供第一速比，并且当所述双离合器处于第二离合模式时所述传动装置提供第二速比，所述第二速比等于1，所述第一速比大于1。
根据本发明的优选实施例，所述双离合器包括：用于从所述原动机接收旋转运动的输入元件；第一输出轴，所述太阳轮围绕所述第一输出轴进行安装；第二输出轴，所述行星架围绕所述第二输出轴进行安装；第一离合组件，在所述双离合器处于第一离合模式时的接合状态下，所述第一离合组件将所述输入元件与所述第一输出轴结合；以及第二离合组件，在所述双离合器处于第二离合模式时的接合状态下，所述第二离合组件将所述输入元件与所述第二输出轴结合。
根据本发明的优选实施例，所述致动器与所述第一和第二离合组件结合，以便选择性地驱动所述第一和第二离合组件中的一个进入接合状态，而保持所述第一和第二离合组件中的另一个处于脱离状态。
根据本发明的优选实施例，所述第一和第二离合组件中的每一个包括可轴向移位的可移动离合元件，以及与所述可移动离合元件相对的固定离合元件。
根据本发明的优选实施例，所述输入元件包括能够被所述致动器轴向移位的离合器壳体，所述可移动离合元件包括固定到所述离合器壳体的内部的压板，所述固定离合元件包括离合器片；其中，所述第一离合组件的离合器片由所述第一输出轴承载，所述第二离合组件的离合器片由所述第二输出轴承载；并且所述第一和第二离合组件的离合器片布置在所述第一和第二离合组件的压板之间。
根据本发明的优选实施例，所述双速传动装置还包括连接在所述致动器和所述双离合器之间的杠杆，从而所述致动器经由所述杠杆驱动所述第一和第二离合组件。
根据本发明的优选实施例，所述第二输出轴围绕所述第一输出轴延伸，并且所述第一和第二输出轴利用同轴花键联轴器彼此结合。
根据本发明的优选实施例，所述致动器包括电的、电磁的、气动或液压式线性或旋转致动器。
本发明在另一方面提供了一种电动车辆，包括：作为原动机的电动机；上面描述的双速传动装置，所述传动装置的行星齿轮系的行星架与所述车辆的至少一个车轮结合；以及控制器，其与所述电动机和所述传动装置的致动器连接，用于控制所述电动机和所述致动器的操作。
根据本发明的优选实施例，所述至少一个车轮包括一对车轮，并且所述传动装置通过差速器与这对车轮结合。
根据本发明的优选实施例，所述电动机和所述传动装置集成到单一壳体中。
本发明提供了一种高效率的车辆传动装置，其可实现两种速比，以使得在低和高车速区域都最佳地挖掘电动机性能。
此外，本发明的传动装置具有简单和紧凑的结构，这有利于降低传动装置的成本。
此外，通过本发明的传动装置，在换档时车速的变化减小，因此可以获得良好的驾驶感觉。
附图说明
通过参照附图、阅读下面的详细描述，将进一步地理解本发明，其中：
图1是根据本发明的优选实施例的电动车辆的传动系的示意图。
具体实施方式
首先，需要注意，鉴于电动机本身具有很宽的速度范围这一事实而提出本发明的传动装置。在某些情况下，如果大多数关注的目标可以被实现，则双速传动装置对于电动车辆，尤其是低价格的车辆可能就足够好了。因此，本发明针对的是用于电动车辆的双速传动装置。
根据本发明的传动装置的主要功能是使电动机能够在其高效率区域中运转。现在将参照附图对具有这种以及其它功能的双速传动装置进行说明。
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的电动车辆的传动系。示出的传动系包括电动机1，其充当用于将电转换为机械动力的电-机械能转换器。在电动车辆正常行驶期间，电动机1通过来自车载电池组的电力供电，并输出旋转运动和转矩。可选地，电动机1可以另外在电动车辆的制动操作期间充当发电机，用于将制动力转换为可被反馈到所述电池组的电。
电动机1的运转由与其连接的控制器2来控制。控制器2可以是车辆ECU(电子控制单元)、车辆ECU中的子模块、与车辆ECU通信的单个控制器等。控制器2从驱动器接收包括关于对换档机构、加速踏板和其它踏板操作的信息以及其它相关信息的命令，然后控制电动机1在期望的方向上以期望的速度旋转。电动机1的速度取决于各种因素，诸如从电池组供应的电流的强度、车辆的驱动阻力等。
一对车轮3由电动机1通过双速传动装置(变速器)4进行驱动。差速器5布置在传动装置4和一对车轮3之间。在所示实施例中，差速器5是集成的锥齿轮式差速器，包括差速器壳体5a、外部输入齿轮5b、一对相对的内部中间锥齿轮5c和一对相对的内部输出锥齿轮5d，所有这些齿轮由差速器壳体5a承载。该对中间锥齿轮5c具有彼此共线并且与外部输入齿轮5b的中心轴线垂直的中心轴线，该对输出锥齿轮5d具有彼此共线并且与外部输入齿轮5b的中心轴线同轴的中心轴线，并且分别啮合在两个中间锥齿轮5c之间。每个输出锥齿轮5d与对应车轮3的驱动轴6相连。
当外部输入齿轮5b旋转时，其旋转运动同时通过差速器壳体5a、中间锥齿轮5c和输出锥齿轮5d传递给该对车轮3。输出锥齿轮5d能够相对于差速器壳体5a在相反的方向上旋转，这允许两个车轮3以不同的速度旋转。
可以认识到，该对车轮3形成电动车辆的一对驱动轮。电动车辆可以具有一对前驱动轮、一对后驱动轮，或两对前、后驱动轮。
还可以认识到，在所示实施例中，一对驱动轮由共同的电动机1通过共同的传动驱动装置4驱动；然而，在替代实施例中，一对驱动轮中的每个驱动轮由单独的电动机1通过单独的传动装置4驱动。在这种情况下，差速器5被省去。
传动装置4包括行星齿轮系8。行星齿轮系8主要包括可绕中心轴线旋转的太阳轮8a，围绕太阳轮8a同轴布置的固定环形齿轮或齿圈8b，啮合在太阳轮8a和环形齿轮8b之间的至少一个行星齿轮8c，以及承载所述至少一个行星齿轮8c并且可绕与太阳轮8a相同的中心轴线旋转的行星架8d。整个行星齿轮系8也被称为太阳行星齿圈系。需要注意，通常多于一个行星齿轮8c设置在太阳轮8a和环形齿轮8b之间，主要用于分担负载并给予更好的平衡。
电动机1的输出轴1a与太阳轮8a同轴。
输出齿轮9由行星架8d通过与行星架8d相连的旋转轴8e承载，并且与差速器5的外部输入齿轮5b啮合。旋转轴8e与太阳轮8a同轴。
行星架8d充当行星齿轮系8的输出构件。当太阳轮8a被用作行星齿轮系8的输入构件时，太阳轮8a和行星架8d之间的速比(传动比)可以利用周转轮系在两个齿轮啮合的每一点上的基本方程来建立；因此，可以写成
(ω8a-ω8d)/(ω8b-ω8d)＝-Z8b/Z8a
其中ω8a、ω8b和ω8d分别是太阳轮8a、环形齿轮8b和行星架8d的旋转速度，Z8a和Z8b是太阳轮8a和环形齿轮8b的齿数。
由于环形齿轮8b是固定的，所以ω8b＝0。
因此，太阳轮8a和行星架8d之间的速比被推导出：
ω8a/ω8d＝1+Z8b/Z8a
可以看出，太阳轮8a和行星架8d之间的速比经常大于1。
传动装置4还包括布置在电动机1和行星齿轮系8之间的双离合器10，用于使电动机1的输出轴1a和行星齿轮系8的输入构件结合/分离。双离合器10可以呈简化的干式双离合器的形式，包括：离合器壳体10a，其可在轴向上移动，离合器壳体10a与电动机1的输出轴1a结合而形成双离合器10的输入元件；相对的第一和第二压板10b和10c，以与离合器壳体10a一起可轴向移动的方式布置在离合器壳体10a的内部并且由离合器壳体10a承载；第一和第二离合器片10d和10e，其在离合器壳体10a的内部布置在第一和第二压板10b和10c之间，并且分别与第一和第二压板10b和10c相对；第一输出轴10f，其承载第一离合器片10d和太阳轮8a；以及第二输出轴10g，其承载第二离合器片10d和行星架8d。
第一输出轴10f限定太阳轮8a的中心轴线并且与太阳轮8a连接，例如，通过花键或键。第二输出轴10g围绕第一输出轴10f同轴地延伸，并且与行星架8d连接，例如，通过花键或键。优选地，第一和第二输出轴通过同轴花键联轴器结合。
离合器壳体10a以及第一和第二压板10b和10c能够一起轴向移动，并且第一和第二输出轴10f和10g以及第一和第二离合器片10d和10e在轴向不可移动。因此，当离合器壳体10a在任一轴向方向上移到时，第一和第二压板10b和10c中的一个朝与其相对的对应离合器片移动并与该压板建立接触，第一和第二压板10b和10c中的另一个背离与其相对的对应离合器片移动。采用这种方式，通过离合器壳体10a的双向轴向移位，电动机1的输出轴1a与行星齿轮系8的太阳轮8a或行星架8d运动学耦合起来。
当电动机1的输出轴1a与太阳轮8a结合时，电动机1的输出轴1a的旋转以第一速比(1+Z8b/Z8a)传递到输出齿轮9。另一方面，当电动机1的输出轴1a与行星架8d结合时，电动机1的输出轴1a的旋转以第二速比1传递到输出齿轮9。采用这种方式，行星齿轮系8提供了双速比。。
行星齿轮系8的第一速比由其结构，特别是由太阳轮8a和环形齿轮8b的齿数所决定。因此，通过慎重地选择太阳轮8a和环形齿轮8b的齿数或直径，可以获得期望的第一速比。
通过传动装置4传递的运动是可逆的。因此，在车辆正常向前行驶期间，电动机1正常旋转。当车辆的换档机构被放到反向位置时，电动机1将反向旋转。结果，车轮3在反方向上被驱动。
可以认识到，在所示实施例中，压板在轴向可移位而离合器片在轴向不可移位；然而，在替代实施例中，压板在轴向不可移位而离合器片在轴向可移位。还可以认识到，压板或离合器片可以替代地能够相对于彼此在与轴向不同的其它方向上移动。
进一步认识到，该对压板(或该对离合器片)能够一起移动不是必要的。换句话说，当该对压板中的一个(或该对离合器片中的一个)移动时，该对压板中的另一个(或该对离合器片中的另一个)可以保持静止。
进一步认识到，压板和离合器片可以由离合元件的其它形式来代替。
综上所述，本发明的双离合器在其更广泛的范围内包括布置在电动机1与行星齿轮系8的太阳轮8a和行星架8d之间的第一和第二离合组件。该双离合器当被激活时具有两种离合模式，即，第一离合组件被接合以使电动机1与太阳轮8a经由第一离合组件运动学耦合的第一模式，以及第二离合组件被接合以使电动机1与行星架8d经由第二离合组件运动学耦合的第二模式。
双离合器10可通过任何合适的致动器来致动。在图1所示的实施例中，用于双离合器10的致动器12呈能够输出线性运动的线性致动器的形式。致动器12与控制器2连接并且受控制器2控制。此外，该线性致动器被示出为具有用于来回地移动离合器壳体10a的活塞杆12a的气动缸或液压缸。可绕枢轴15枢转的杠杆14布置在致动器12和离合器壳体10a之间，主要用于以增大的力来致动离合器壳体10a。杠杆14在第一端与活塞杆12a的前端相连，并且在第二端与离合器壳体10a相连。
可以认识到，如果致动器12能够提供用于致动双离合器10的足够的力，则杠杆14可以被省去。
还可以认识到，作为选择，致动器12可以是能够输出线性或旋转运动的电的、电磁的、气动或液压马达、螺线管或任何其它致动器。
如上所述，双离合器10可以具有将被移动来将双离合器10放到任一激活的离合模式的其它元件。因此，致动器12在其更宽的范围内适于能够移动那些元件。通过致动器12，双离合器10被驱动到其激活的离合模式之一。双离合器10可以通过致动器12和/或单独的返回装置返回到其未激活状态。
在换档过程中，控制器2协调地控制电动机1和致动器12。当控制器接收到换档命令或确定自动地启动速比转变时，控制器控制电动机1的转矩，以输出空转转矩。然后，致动器12驱动双离合器10从它当前的离合模式脱离。控制器2确定电动机1的新速度，并给电动机1发送命令。在电动机1达到新速度之后，致动器12驱动双离合器10进入下一个离合模式。
如上所述，该电动机具有在高效率区域中运转的期望速度范围。当电动机的速度不在该期望速度范围内尤其低于该期望速度范围时，电动机的运转效率会降低。根据本发明，当电动车辆在低速下行驶时，例如，在车辆起动或电动车辆在拥堵道路上行驶之后的加速阶段期间，控制器2控制致动器12来驱动双离合器10进入其第一离合模式，使得电动机1与太阳轮8a运动学耦合并通过由行星齿轮系8形成的太阳行星齿圈系在第一速比(1+Z8b/Z8a)下驱动车轮3。由于第一速比总是大于1，所以电动机可以在低车速区域中以高效率在高速下运转。
当车辆在高速下行驶时，控制器2控制致动器12来驱动双离合器10进入其第二离合模式，使得电动机1与行星架8d运动学耦合并在第二速比1下经由行星架8d直接驱动车轮3。因此，电动机也在高车速区域中以高效率在高速下运转。
作为本发明的另一个优点，可以减小换档过程中的震颤。具体而言，用于电动车辆的传动装置的现有方案主要用来使内燃机车辆的传统传动装置适合于电动车辆，包括手动传动装置、CVT(连续可变传动装置)、双离合器传动装置等等。然而，手动传动装置相对简单，但是在换档期间会遭受震颤。CVT和双离合器传动装置在换档期间没有明显震颤，但是比较昂贵和复杂。根据本发明，从电动机传递到双离合器的每个离合组件的转矩能够被控制成使得在换档期间传动装置的换档不会产生大的震颤。因此，利用本发明的行星齿轮系与双离合器协同作用的传动装置，在换档期间将电动机转矩和速度控制相组合，驾驶舒适性可以得到改善。在这一点上，需要注意，为了使换档期间的震颤最小，换档期间的电动机转矩必须被慎重地控制。
作为本发明的另一优点，本发明的传动装置具有简单的结构，因此其成本可以降低。现有技术中的传动装置具有复杂的机械结构和控制系统，这会导致高成本。利用主要通过行星齿轮系与双离合器和简单的致动器形成的传动装置的简化结构，可以显著降低传动装置的成本。
此外，行星齿轮系具有较低的重量和较小的惯性，并且比具有相同速比的对应齿轮副更小。因此，本发明的传动装置比具有齿轮副的传统传动装置更紧凑。本发明的电动机和传动装置可以被集成到单一壳体中。
此外，行星齿轮系的对称性为本发明的传动装置提供了抑制噪音及振动的更好特性。
此外，从电动机的输出轴到行星齿轮系的输出轴的传动系具有同轴结构，从而可以方便地将本发明的传动装置用在前驱动、后驱动以及四轮驱动系统中。
模拟实验表明，通过使用本发明的具有双速构造的传动装置，在总成本或包装体积没有任何显著增加的情况下，电池能量消耗可以相对于工业标准“新欧洲驾驶循环(New European Drive Cycle)”减少5-10％。此外，本发明的传动装置在延长电池寿命以及为大大缩小传动系和电池组的尺寸提供潜力方面是有利的。适当选择的速比允许电动机在更多的驱动周期中保持在高效的运转区中。
如上所述，本发明的双速传动装置当用在电动车辆中时特别有利。然而，可以认识到，双速传动装置也可以应用于具有输出旋转运动的任何类型的原动机的其它车辆或设备。
虽然对某些实施例进行了说明，但是这些实施例仅仅是以举例的方式提出的，并不旨在限制本发明的范围。所附权利要求及其等同物旨在涵盖落入本发明的范围和精髓之内的所有修改、替换和变化。

Claims (13)

1.一种双速传动装置，特别是用于电动车辆，包括：
行星齿轮系，其包括可绕中心轴线旋转的太阳轮，围绕太阳轮同轴布置的固定的环形齿轮，啮合在所述太阳轮和所述环形齿轮之间的至少一个行星齿轮，以及承载所述至少一个行星齿轮并且可绕所述太阳轮的中心轴线旋转的行星架；
双离合器，其布置在所述行星齿轮系和输出旋转运动的原动机之间，所述双离合器构造成被驱动到将所述太阳轮与所述原动机运动学耦合的第一离合模式，以及将所述行星架与所述原动机运动学耦合的第二离合模式；和
致动器，其构造用于选择性地驱动所述双离合器进入其第一和第二离合模式之一。
2.根据权利要求1所述的双速传动装置，其中，所述原动机的输出轴与连接到所述行星架的输出齿轮是同轴的。
3.根据权利要求1或2所述的双速传动装置，其中，当所述双离合器处于第一离合模式时所述传动装置提供第一速比，并且当所述双离合器处于第二离合模式时所述传动装置提供第二速比，所述第二速比等于1，所述第一速比大于1。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的双速传动装置，其中，所述双离合器包括：用于从所述原动机接收旋转运动的输入元件；第一输出轴，所述太阳轮围绕所述第一输出轴进行安装；第二输出轴，所述行星架围绕所述第二输出轴进行安装；第一离合组件，在所述双离合器处于第一离合模式时的接合状态下，所述第一离合组件将所述输入元件与所述第一输出轴结合；以及第二离合组件，在所述双离合器处于第二离合模式时的接合状态下，所述第二离合组件将所述输入元件与所述第二输出轴结合。
5.根据权利要求4所述的双速传动装置，其中，所述致动器与所述第一和第二离合组件结合，以便选择性地驱动所述第一和第二离合组件中的一个进入接合状态，而保持所述第一和第二离合组件中的另一个处于脱离状态。
6.根据权利要求5所述的双速传动装置，其中，所述第一和第二离合组件中的每一个包括可轴向移位的可移动离合元件，以及与所述可移动离合元件相对的固定离合元件。
7.根据权利要求6所述的双速传动装置，其中，所述输入元件包括能够被所述致动器轴向移位的离合器壳体，所述可移动离合元件包括固定到所述离合器壳体的内部的压板，所述固定离合元件包括离合器片；
所述第一离合组件的离合器片由所述第一输出轴承载，所述第二离合组件的离合器片由所述第二输出轴承载；并且
所述第一和第二离合组件的离合器片布置在所述第一和第二离合组件的压板之间。
8.根据权利要求7所述的双速传动装置，还包括连接在所述致动器和所述双离合器之间的杠杆，从而所述致动器经由所述杠杆驱动所述第一和第二离合组件。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的双速传动装置，其中，所述第二输出轴围绕所述第一输出轴延伸，并且所述第一和第二输出轴利用同轴花键联轴器彼此结合。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的双速传动装置，其中，所述致动器包括电的、电磁的、气动或液压式线性或旋转致动器。
11.一种电动车辆，包括：
作为原动机的电动机；
根据权利要求1至10中任一项所述的双速传动装置，所述传动装置的行星齿轮系的行星架与所述车辆的至少一个车轮结合；以及
控制器，其与所述电动机和所述传动装置的致动器连接，用于控制所述电动机和所述致动器的操作。
12.根据权利要求11所述的电动车辆，其中，所述至少一个车轮包括一对车轮，并且所述传动装置通过差速器与这对车轮结合。
13.根据权利要求11或12所述的电动车辆，其中，所述电动机和所述传动装置集成到单一壳体中。
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