CN104507726A - 用于车辆的驱动装置,包括该驱动装置的车辆以及控制该驱动装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于车辆的驱动装置，其中该装置(2)包括内燃机(4)的输出轴(14)，变速器(8)的输入轴(27)，包括定子(24)和转子(26)的电机(6)，包括可移动元件(18，20，22)的行星齿轮机构(10)，和在第一和第二位置之间可移动的锁定机构(38)，在第一位置，内燃机(4)的输出轴(14)和变速器(8)的输入轴(27)通过行星齿轮机构(10)而被允许以不同的速度旋转，并且在第二位置，锁定机构(38)将内燃机(4)的输出轴(14)通过行星齿轮机构(10)刚性地连接到变速器(8)的输入轴(27)。锁定机构(38)包括提供第一花键(41)的套管(40)，第一花键(41)在第一位置与行星齿轮机构(10)的第一移动部件(18，20，22)上的第二花键(43)啮合，并且在第二位置还与行星齿轮机构(10)的第二可移动部件(18，20，22)上的第三花键(45)啮合，其中第一可移动部件(18，20，22)被连接到变速器(8)的输入轴(27)，同时第二可移动部件(18，20，22)被连接到内燃机(4)的输出轴(14)。本发明还涉及包括此驱动装置的车辆以及用于控制此驱动装置的方法。

Description

用于车辆的驱动装置,包括该驱动装置的车辆以及控制该驱动装置的方法
背景技术
本发明涉及根据权利要求1所述的用于车辆的驱动装置。本发明还涉及根据权利要求13前序部分所述的包括此驱动装置的车辆以及根据权利要求14前序部分所述的用于控制该驱动装置的方法。
混合动力车可以被主发动机比如内燃机、和次发动机比如电机驱动。电机配备至少一个用于存储电能的电池和用于控制电池和电机之间电能流量的控制装备。因此电机可以基于车辆的运行状况而选择性地作为发动机或者发电机运行。当车辆被制动时，电机产生存储在电池内的电能。随后存储的电能被用于车辆的运行。
在变速器的移位过程中利用使变速器输入轴从内燃机解耦的常见离合装置包含缺点，比如离合片的加热会导致增加燃料消耗和离合片磨损。常见的离合装置也相对重并且昂贵。它还占用车辆内相对大的空间。
通过将内燃机的输出轴，电机转子和变速器输入轴与行星齿轮机构连接，常见的离合装置可以被消除。当车辆加速时，增大的扭矩将通过内燃机和电机被传送至变速器并传送至车辆驱动轮。因为内燃机和电机两者均被连接到行星齿轮机构，通过内燃机和电机传递的最大扭矩将受制于最大扭矩小于第二驱动单元的最大扭矩的这些驱动单元中的任何。在电机的最大扭矩小于内燃机的最大扭矩的情况下，电机将不能向行星齿轮机构施加充足的反作用扭矩。这样，内燃机不能将其最大扭矩传输至变速器并且不能传输至车辆的驱动轮。因此，传输至变速器的最大传输扭矩由电机的功率限制。特别地，当车辆被要求强有力的加速并且电机不能产生充足的反作用扭矩时，在电机内将以不希望的方式产生热量。
文献US-A1-2003/007812示出带有内燃机和电机的车辆的驱动系统，内燃机和电机被连接到行星齿轮机构。行星齿轮机构的行星轮载架被连接到变速器的输入轴。行星齿轮机构的行星轮载架和太阳轮可以通过套管刚性地连接，这样，电机和变速器输入轴可以作为刚性旋转单元旋转。
在车辆内，驱动装置的可用空间常常被限制。如果驱动装置包括多个部件比如内燃机，电机，变速器和行星齿轮机构，设计必须紧凑。为此，要求电机的尺寸较小，意味着电机的功率和所产生的最大扭矩被限制。
还要求包含在驱动装置中的部件具有高可信赖性和高可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于车辆的驱动装置，该驱动装置具有紧凑设计。
本发明的另一目的是提供一种用于车辆的驱动装置，该驱动装置具有高可信赖性和高可靠性。
本发明的另一目的是提供一种用于车辆的驱动装置，该驱动装置具有较低的重量。
本发明的另一目的是提供一种用于车辆的驱动装置，该驱动装置具有较低制造成本。
这些目的通过开头提及的类型的驱动装置得以实现，该驱动装置具有在权利要求1的特征部分中详细说明的特征。
这些目的还通过具有在权利要求13的特征部分中详细说明的特征的车辆得以实现，该车辆包括开头提及的类型的驱动装置。
这些目标还通过具有在权利要求14的特征部分中详细说明的特征的用于控制开头提及的类型的驱动装置的方法得以实现。
通过利用锁定机构将发动机的输出轴通过行星齿轮机构刚性地连接到变速器的输入轴，车辆所要求的加速度被取得，同时减小了电机的尺寸和功率，这产生了具有减小了尺寸的紧凑驱动装置。因此，电机可以产生的最大扭矩还可以小于内燃机可以产生的最大扭矩。用包括第一花键的套管，第一花键被设计用以与行星齿轮机构的第一和第二可移动部件上的第二和第三花键啮合，提供了根据本发明的具有紧凑设计，高可信赖性和高可靠性并且具有较低重量和较低制造成本的驱动装置。
根据本发明的一个实施例，第一可移动部件是行星轮载架，同时另一可移动部件是太阳轮。因此，在套管的第二位置，来自内燃机的动力将传递经过太阳轮，套管，行星轮载架并且传输至变速器，导致行星轮不承受任何扭矩。这意味着行星轮的尺寸可以只适于电机的扭矩而非发动机的扭矩，从而允许行星轮配置有较小的尺寸。这样，根据本发明的具有紧凑设计，较低重量和较低制造成本的驱动装置被提供。
根据又一实施例，锁定机构被装配成大体同轴心地围绕行星轮载架的环形套管。因此根据本发明的具有紧凑设计，较低重量和较低制造成本的驱动装置被提供。
根据又一实施例，环形套管提供与设置在行星轮载架上的行星轮相互作用的外围凹槽。因此，套管的重量降低，从而降低驱动装置的制造成本和重量。
根据又一实施例，套管通过动力元件在第一和第二位置之间移动，动力元件大体同轴心地围绕变速器的输入轴或者发动机输出轴。因此提供具有紧凑设计，较低重量和较低制造成本的驱动装置。
根据又一实施例，轴承被设置在套管和动力元件之间，该轴承允许套管相对于动力元件旋转。因此动力元件可以被设计为不必须旋转，意味着动力元件的设计可以简化。驱动装置的可信赖性和可靠性可以因此被提升。
根据又一实施例，至少一个弹簧被设置用于使套管从第一位置移动至第二位置。弹簧可以独立于动力元件工作或者与动力元件相互作用以移动套管。因此，动力元件的设计可以被简化并且驱动装置的可信赖性和可靠性可以被提升。弹簧尽力将套管带至第二位置以允许车辆的运行，如果动力元件失效的话。
行星齿轮机构总体上包括相对于彼此可旋转地设置的三个部件，即太阳轮，行星轮载架和环形齿轮。掌握了太阳轮和环形齿轮的齿数的知识，可以确定在操作过程中这三个部件的相对速度。根据本发明是行星齿轮机构的一部件被连接到内燃机输出轴。因此行星齿轮的该部件以对应于内燃机输出轴的速度的速度旋转。行星齿轮机构的第二部件被连接到变速器的输入轴。因此行星齿轮的该部件以与变速器输入轴相同的速度旋转。行星齿轮机构的第三部件被连接到电机的转子。因此，如果行星齿轮机构的该部件与电机的转子被直接相互连接，那么行星齿轮机构的该部件以与电机的转子相同的速度旋转。可选择地，电机可以通过具有一传动比的变速器连接到行星齿轮机构的第三元件。在这种情况下，电机和行星齿轮机构的第三元件以不同的速度旋转。电机的速度是连续可调节的。运行期间，当变速器的输入轴被给定预期速度时，控制单元利用内燃机速度的知识计算为了使变速器输入轴获得预期速度第三部件必须施用的速度。控制单元激活电机用于向第三部件提供所计算的速度以及因此变速器输入轴的预期速度。
本发明的进一步优势在下面的具体实施中出现。
附图说明
接下来，作为示例，参考附图描述本发明的优选实施例，图中：
图1示意出包括根据本发明的驱动装置的车辆的侧视图，
图2示意出根据本发明的驱动装置的剖示图，其中锁定机构处于第一位置，
图3示意出根据本发明的驱动装置的剖示图，其中锁定机构处于第二位置，和
图4示意出与用于控制根据本发明的驱动装置的方法相关的流程图。
具体实施方式
图1示意出车辆1的侧视图，车辆1包括根据本发明的驱动装置2。内燃机4通过行星齿轮机构10连接到电机6和变速器8。变速器8还连接到车辆1的驱动轮12。
图2示意出根据本发明的驱动装置2的剖示图。行星齿轮机构10包括太阳轮18，环形齿轮20和行星轮载架22形式的可移动部件。根据示出的实施例，太阳轮18被连接到内燃机4的输出轴14并且形成相关单元。内燃机4的输出轴14连接到环形齿轮20或者行星轮载架22也是可能的。
电机6包括定子24和转子26。定子24被刚性地连接到车辆1并且因此不能转动。转子26连接行星齿轮机构10的环形齿轮20并且因此可以相对定子24转动。根据示出的实施例，环形齿轮20和电机6的转子26构成整体单元。将环形齿轮20和转子20构建成相互连接的独立单元也是可能的。
变速器8的输入轴27被连接到行星轮载架22，行星轮载架22包括一系列被称为行星轮28的齿轮。这些齿轮被安装在行星轮载架22上，比如通过滚轴轴承36。在示出的具体实施例中，太阳轮18也通过滚轴轴承37被安装在行星轮载架22上。行星轮28的齿30和齿32、34啮合，齿32、34分别形成在太阳轮18和环形齿轮20上。
在发动机制动的时候，驾驶员松开车辆1的油门踏板(未示出)。变速器8的输入轴27因此驱动电机6，同时内燃机4和电机6的发动机制动。电机6产生存储在车辆的电池50内的电能。此操作状况被称为再生制动。电机6从而起到发电机的作用。当电机6起发电机的作用时，电机6对来自变速器8的扭矩施加反扭矩，导致车辆1被制动，因为变速器8被连接到车辆1的驱动轮12上。
当车辆1加速时，增大的扭矩应被从内燃机4和电机6传输至变速器8并且传输到车辆1的驱动轮12。因为内燃机4和电机6两者均连接到行星齿轮机构10上，所以通过内燃机4和电机6传输的最大扭矩将受驱动单元4、6中的任一个限定，所述通过内燃机4和电机6传输的最大扭矩小于第二驱动单元4、6的最大扭矩。在电机6的最大扭矩小于内燃机4的最大扭矩的情况下，电机6将不能向行星齿轮机构10产生充足的反作用扭矩，意思是内燃机4不能向变速器8和车辆1的驱动轮12传输其最大扭矩。因此，传输至变速器8的最大扭矩由电机6的功率限定。特别地，当希望车辆1强有力地加速并且电机6不能产生充足的反作用扭矩的时候，在电机6内将以不希望的方式产生热量。
通过用穿过行星齿轮机构10的锁定机构38将内燃机4的输出轴14刚性地连接到变速器8的输入轴27，可以与电机6的尺寸和功率可能减小的情况下同时获得车辆1的预期加速度，由此产生了具有减小的尺寸的紧凑的驱动装置2。这样，电机6可产生的最大扭矩可以小于内燃机4可产生的最大扭矩。
锁定机构38在第一和第二位置之间是可移动的。在第一位置，内燃机4的输出轴14和变速器8的输入轴27通过行星齿轮机构10而被允许以不同的速度旋转。在第二位置，锁定机构38将内燃机4的输出轴14通过行星齿轮10刚性地连接到变速器8的输入轴27。
锁定机构38包括具有第一花键41的套管40，花键41在第一位置和第一可移动部件上的第二花键43啮合，所述第一可移动部件构成行星齿轮机构10的行星轮载架22，并且花键41在第二位置还和位于行星齿轮机构10的构成太阳轮18的第二可移动部件上的第三花键45啮合。如上所述，行星轮载架22被连接到变速器8的输入轴27并且太阳轮18被连接到内燃机4的输出轴14。锁定机构38被配置为大体上同轴心地围绕行星轮载架22的环形套管40。设置在套管40上的第一花键41被配置在套管40的内侧四周并且沿套管40的纵向方向延伸，该纵向方向对应于并且稍微超过设置于行星轮载架22上的第二花键43和设置在太阳轮18上的第三花键45的总长度。更适宜地，太阳轮18有凸缘51，凸缘51的外围提供用以与套管40啮合的第三花键45。在行星轮载架22外围提供的第二花键43和在凸缘51外围上提供的第三花键45优选地配置在凸缘51和行星轮载架22的整个圆周的周围。因此，当套管40的第一花键41分别与行星轮载架22和太阳轮18上的第二和第三花键43，45啮合时，形成花键接合。
随着凸缘51和行星轮载架22的径向延伸范围加大，作用于套管40的扭矩减小，这也意味着套管40的尺寸可以做得更小。这样允许获得轻重量的精巧结构。套管40被提供有外围凹槽53，这些凹槽53被配置用于防止套管40与设置在行星轮载架22上的行星轮28发生冲突。凹槽53具有允许套管40在轴向上被移位而不会与行星齿轮28接触的轴向延伸范围。
带有在其内设置的轴向可移动的活塞61的气压缸形式的动力元件54被设置，以在第一和第二位置之间移动套管40，气压缸和轴向可移动的活塞61一起大体上同轴心地围绕变速器8的输入轴27。还可以将动力元件54设置为使其同轴心地围绕内燃机4的输出轴14。动力元件54也可以是液压缸或者线形马达。优选地，多个弹簧57被设置以使套管40从第一位置移动至第二位置。弹簧57可以独立于气压缸54操作，或者与气压缸54相互作用以移动套管40。因此，动力元件的设计可以简化并且驱动装置2的可靠性和可信任性可以被提高。如果动力元件54或者动力元件54的驱动源比如压缩空气源56失效，弹簧57尽力将套管40带动至第二位置，这样太阳轮18和行星轮载架22被连接并且经由行星齿轮机构10的动力传输是可能的，并且对车辆1的推进成为可能。即使电机6失效，当太阳轮18和行星轮载架22通过套管40连接时车辆1仍然能够被推进。在示出的具体实施例中，弹簧57被配置成螺旋弹簧，这些弹簧协作以压缩力作用于气压缸54内的活塞61的第一压力表面63上。当作用于活塞61的第二压力表面65上的气动压力减小时，活塞61被弹簧57移动。当作用于活塞61的第二压力表面65上的气动压力增大并且超出弹簧57的压缩力时，活塞61将借助于气动压力来运动。因此，是来自气动压力的力将套管40从第一位制移动至第二位置，是弹簧57的力将套管40从第二位置移动至第一位置。作为多弹簧57的备选方式，单一螺旋弹簧可以设置在汽缸内，螺旋弹簧大体同轴心地围绕变速器8的输入轴27。
作为与变速器8的输入轴27同轴心设置的汽缸54的备选，动力元件54可以是控制叉(未示出)，该控制叉被适于使套管40在第一和第二位置之间移动。
轴承67被设置在套管40和气压缸54之间，该轴承允许套管40相对汽缸54旋转。轴承67允许套管40相对汽缸54旋转，从而汽缸54能够被配置为不移动。因此，汽缸内的活塞61不相对汽缸54旋转，这意味着汽缸54和活塞61之间的密封可以简化，意味着汽缸54的设计能够被简化。根据图2中示意出的具体实施例，轴承67是径向沟型球轴承，该轴承也可以承载轴向力，这样汽缸54内的活塞61可以使套管40轴向运动。另一种类型的轴承也可以，比如推力轴承或者角接触轴承。
内燃机4的输出轴14，电机6的转子26，变速器8的输入轴27和套管40围绕着共同的旋转轴线48可旋转地设置。
套管40在第一和第二位置之间运动期间能够沿变速器8的输入轴27轴向移位。在内燃机4的输出轴14被连接到行星轮载架22的情况下，套管40在第一和第二位置之间移动期间能够沿内燃机4的输出轴14轴向移位。
为了将套管40从第一位置移位或移动至第二位置，内燃机4和电机6被控制以便在内燃机4的输出轴14和行星齿轮机构10之间提供无扭矩状态。为此控制器55被使用，该控制器还被适于控制电机6，用于在某些可应用的操作状况下利用所存储的电能来为变速器8的输入轴27提供原动力，并且用于在不同的操作状况下利用变速器8的输入轴27的动能来提取和存储电能。因此控制器55检测内燃机4的输出轴14、变速器8的输入轴27和电机6的转子26的速度和/或扭矩，从而控制内燃机4和电机6，使得在内燃机4的输出轴14和变速器的输入轴27之间提供无扭矩状态。当获得了无扭矩状态时，通过控制单元激活压缩空气源56，其中压缩空气源56通过线路58向气压缸54提供压缩空气，套管40被移位和移动至第二位置，以便汽缸54移动套管40。控制器55通过电导体60连接到内燃机4、变速器8、电机6和压缩空气源56。控制器55因此控制套管40的运动。为压缩空气源56配置单独的控制器也是可能的。
因此，控制器50被适于控制套管40而且还被适于确定在什么情况下电机6将作为发动机运行以及在什么情况下它将作为发电机运行。为进行此确定，控制器55可以接收来自上述的适当操作参数的当前信息。控制器55可以是带有用于此目的适当软件的计算机。控制器55还控制电池50和电机6的定子24之间的电能的流动。当电机6作为发动机运行时，存储的电能从电池50提供给定子24。当电机6作为发电机运行时，电能从定子24提供给电池50。
图3示意出其中锁定机构38处于第二位置的根据本发明的驱动装置2的剖示图。在第二位置，内燃机4的输出轴14通过穿过行星齿轮机构10的套管40和变速器8的输入轴27刚性地连接。为允许套管40此运动，控制器55首先控制住内燃机4和电机6从而在内燃机4的输出轴14和变速器的输入轴之间提供无扭矩状态，以上结合图2进行了解释。
在套管40的第二位置中，来自内燃机4的动力经过太阳轮18，套管40，和行星轮载架22并且传递至变速器8，导致行星轮28不承受任何扭矩。这意味着行星轮28的尺寸可以只适于电机6的扭矩而非内燃机4的扭矩，意味着行星轮28可以被配置成更小的尺寸。这样根据本发明的具有紧凑设计，较小重量和较低制造成本的发动机装置2被获取。
当车辆1被加速到预期速度时，汽缸54被控制，使套管40返回至第一位置。内燃机4和电机6同时被控制器55控制，从而在内燃机4的输出轴14和变速器8的输入轴27之间提供无扭矩状态。当获得无扭矩状态时套管40被移位和移动至第一位置。当套管40返回至第一位置时，车辆1可以被内燃机4和电机6两者驱动。
图4示意出与用于控制根据本发明的驱动装置2的方法的流程图。本发明的方法包括第一步a)其中，内燃机4和电机6被控制以便在内燃机4的输出轴14和变速器8的输入轴27之间提供大体无扭矩状态。
接下来的步骤b)通过锁定机构38从第一位置移动到第二位置，内燃机4的输出轴和行星齿轮机构10被刚性地相互连接，锁定机构38包括提供第一花键41的套管40，在第一位置，内燃机4的输出轴14和变速器8的输入轴27通过行星齿轮机构10而被允许以不同的速度旋转，在第二位置，套管40将内燃机4的输出轴14和变速器8的输入轴27通过行星齿轮机构10刚性地连接。
根据接下来的步骤或可选择的步骤c)套管40通过弹簧力从第一位置移动至第二位置。
上述提及的部件和特征可以在本发明内在不同的具体实施例之间结合。

Claims (15)

1.一种用于车辆的驱动装置，其中，所述装置(2)包括内燃机(4)的输出轴(14)，变速器(8)的输入轴(27)，包括定子(24)和转子(26)的电机(6)，包括可移动元件(18，20，22)的行星齿轮机构(10)，和在第一和第二位置之间可移动的锁定机构(38)，在所述第一位置，内燃机(4)的输出轴(14)和变速器(8)的输入轴(27)通过行星齿轮机构(10)而被允许以不同的速度旋转，并且在所述第二位置，锁定机构(38)通过行星齿轮机构(10)将内燃机(4)的输出轴(14)刚性地连接到变速器(8)的输入轴(27)，其特征在于，锁定机构(38)包括提供第一花键(41)的套管(40)，第一花键(41)在所述第一位置中和行星齿轮机构(10)的第一运动部件(18，20，22)上的第二花键(43)啮合，并且在所述第二位置中还和行星齿轮机构(10)的第二可移动部件(18，20，22)上的第三花键(45)啮合，其中所述第一可移动部件(18，20，22)与变速器(8)的输入轴(27)连接，所述第二可移动部件(18，20，22)与内燃机(4)的输出轴(1)连接。
2.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述第一可移动部件是行星轮载架(22)并且第二可移动部件是太阳轮(18)。
3.根据权利要求2所述的驱动装置，其特征在于，所述锁定机构(38)被配置成大体同轴心地围绕行星轮载架(22)的环形套管(40)。
4.根据权利要求3所述的驱动装置，其特征在于，所述环形套管(40)提供与设置在行星轮载架(22)上的行星轮(28)相互作用的外围凹槽(53)。
5.根据任一前述权利要求所述的驱动装置，其特征在于，所述锁定机构(38)在第一和第二位置之间运动的过程中能够沿变速器(8)的输入轴(27)或者内燃机(4)的输出轴(14)轴向地移位。
6.根据任一前述权利要求所述的驱动装置，其特征在于，动力元件(54)被设置以使套管(40)在第一和第二位置之间移动。
7.根据权利要求6所述的驱动装置，其特征在于，所述动力元件(54)大体同轴心地围绕变速器(8)的输入轴(27)或者内燃机(4)的输出轴(14)。
8.根据权利要求6或7中任一所述的驱动装置，其特征在于，轴承(67)被设置在套管(40)和动力元件(54)之间，该轴承允许套管(40)相对于动力元件(54)旋转。
9.根据权利要求6-8所述的驱动装置，其特征在于，所述动力元件(54)是气压缸。
10.根据任一前述权利要求所述的驱动装置，其特征在于，至少一个弹簧(57)被设置以使套管(40)从第一位置移动至第二位置。
11.根据任一前述权利要求所述的驱动装置，其特征在于，所述内燃机(4)的输出轴(14)，电机(6)的转子(26)，变速器(8)的输入轴(27)和套管(40)围绕共同的旋转轴线(48)可转动地设置。
12.根据任一前述权利要求所述的驱动装置，其特征在于，控制器(55)被配置用于控制所述电机(6)，使其在某些可适用的操作状况中利用所存储的电能为变速器(8)的输入轴(27)提供原动力并且在不同的操作状况中利用变速器(8)的输入轴(27)的动能来提取和存储电能。
13.一种车辆(1)，其特征在于，所述车辆包括根据权利要求1-12中任一所述的驱动装置(2)。
14.一种控制驱动装置的方法，所述驱动装置包括内燃机(4)的输出轴(14)，变速器(8)的输入轴(27)，包括定子(24)和转子(26)的电机(6)，和包括可移动元件(18，20，22)的行星齿轮机构(10)，其特征在于如下步骤：
a)控制内燃机(4)和电机(6)，从而在内燃机(4)的输出轴(14)和变速器(8)的输入轴(27)之间提供基本无扭矩状态；
b)通过使锁定机构(38)从第一位置移动到第二位置，将内燃机(4)的输出轴(14)和行星齿轮机构(10)相互刚性地连接，所述锁定机构(38)包括提供第一花键(41)的套管(40)，在所述第一位置，内燃机(4)的输出轴(14)和变速器(8)的输入轴(27)通过行星齿轮机构(10)而被允许以不同的速度旋转，在所述第二位置，套管(40)穿过行星齿轮(10)而将内燃机(4)的输出轴(14)和变速器(8)的输入轴(27)刚性地连接。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于步骤(c)，其包括借助于弹簧力使套管(4)从第一位置移动至第二位置。
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