CN105128648B - 一种集成驱动电机的定轴式混合动力变速器 - Google Patents

一种集成驱动电机的定轴式混合动力变速器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种集成驱动电机的定轴式混合动力变速器，包括与内燃机驱动连接的输入轴，通过差速器与车轮保持旋转驱动连接的输出轴，若干由空套齿轮‑同步器‑固结齿轮副构成的输入轴和输出轴之间互斥的正向速比；倒档轴及由若干倒档齿轮构成的可切断的输入到输出的反向速比；集成电机及若干将其与所述输入轴、输出轴和倒档轴驱动连接的齿轮副和同步器。与现有技术相比，本发明在实现电机可变动力传递路径的同时，可以有效增加电机的轴向及径向布置空间，适合于在强混和插电式混合动力汽车中应用。

Description

一种集成驱动电机的定轴式混合动力变速器
技术领域
本发明涉及一种汽车变速器，尤其是涉及一种集成驱动电机的定轴式混合动力变速器。
背景技术
常见单电机定轴式并联混合动力汽车传动系主要包含2类，即P2及P3方案。在P2方案中，电机位于变速器输入端，以此充分利用变速器速比实现高效传动。在P3方案中，电机位于变速器输出端，以此实现车辆无动力中断换档。对于上述这2个方案而言，电机只能通过数量有限的固定路径向轮边传递动力。目前有一类较为先进的单电机定轴式并联混合动力汽车，其核心设计思想是使得电机具有可变的动力传递路径，即通过自动操纵机构使得电机可选地与变速器的输入轴、输出轴或者中间轴旋转驱动连接，其优点是使得电机能够最大限度地满足不同工况下车辆的行驶需求。
申请号为200780053755.6的中国专利公开了混合动力系统的操作方法以及具有两辅助齿轮装置的混合动力系统，其核心设计思想就是通过空套在第一动力源输入轴上的齿轮副，空套在输出轴上的齿轮副及分别位于上述两根轴上的同步器，这样一个呈H型布置的4个空套齿轮及相应的两个同步器实现灵活的功率传输路径。该发明在实施过程中有两个难点：
1)切换和控制复杂，各同步器要有效配合才能完成速比组合和路径切换；
2)相邻轴上轴向坐标相同的同步器会显著增加相邻轴的设计难度，工程实现上要解决相邻轴上并排的4个空套齿轮和两个同步器的周向尺寸控制难题。
对于动力系统前置且发动机横置的混合动力汽车而言，动力舱的空间十分有限，特别是其横向空间的尺寸在很大程度上限制了变速箱的轴向长度。随着混合动力汽车混合比的提高，电机所占空间逐步变大，为此要求动力系统能够为电机尽可能多地提供有效空间。选择电机与变速箱平行布置可以充分利用变速箱径向空间，但电机的输出动力需经过端部齿轮副和中间轴或输出轴耦合，同样对电机的轴向布置空间提出了较高要求。
中国专利CN 103786563A公开了一种混合动力车用有源传动装置，包括与发动机通过离合器旋转驱动连接的I轴，与车轮通过固定速比旋转驱动连接的Ⅱ轴，电机，与电机通过固定速比旋转驱动连接的Ⅲ轴；三端口组件，该三端口组件由两个输出元件、一个输入元件、一个切换机构组成，两个输出元件可独立自由旋转且同轴布置，分别与I轴、Ⅱ轴旋转驱动连接，输入元件与Ⅲ轴旋转驱动连接，切换机构用于实现输入元件与任一输出元件的可选驱动连接。但是该专利需要设置一个结构较为复杂三端口组件来实现电机功率耦合的路径切换，同时其输入轴与输出轴间不存在反向速比，更为关键的是相比于本发明，其电机可用的轴向布置空间较小。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种集成驱动电机的定轴式混合动力变速器，通过倒档轴同时作为电机扭矩、发动机正反扭矩、发动机反向扭矩中间传递路径等技术创新，实现了电机布置轴向及径向空间的最大化。并且轴系及档位切换逻辑简单，档位切换与模式切换完全独立，根据需要可采用两套完全独立的操纵机构实施。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种集成驱动电机的定轴式混合动力变速器，包括：
两根正向速比传动轴：包括与内燃机驱动连接的输入轴、通过差速器与车轮保持旋转驱动连接的输出轴，由若干空套齿轮-同步器-固结齿轮副构成的输入轴和输出轴之间互斥的正向速比；
倒档轴：由倒档滑动齿轮副或倒档用空套齿轮-同步器-固结齿轮副构成可切断的输入轴到输出轴的反向速比；
电机：由若干齿轮副和同步切换机构将其与输入轴、输出轴和倒档轴驱动连接；
所述的电机通过固定速比与倒档轴上的固结齿轮旋转驱动连接；
在其中一根正向速比传动轴上至少布置一正向速比空套齿轮和一正向速比固结齿轮；
所述的倒档轴上布置两个可经由模式切换同步器切断和啮合的空套齿轮，其分别与所述的正向速比传动轴上的空套齿轮和固结齿轮啮合。
优选地，输入轴上至少布置一正向速比空套齿轮和一正向速比固结齿轮。
优选地，输出轴上至少布置一正向速比空套齿轮和一正向速比固结齿轮。
优选地，倒档用的空套齿轮和同步器布置在输入轴上，倒档用的固结齿轮布置在倒档轴上，该固结齿轮将电机与倒档轴进行驱动连接。
更加优选地，倒档用的固结齿轮置于倒档轴的最外侧。
更加优选地，倒档用的固结齿轮为双联齿轮。
所述的输入轴与内燃机之间经由固定速比常啮合齿轮副相互连接。
所述的输出轴与差速器之间经由常啮合齿轮副相互连接。
所述的模式切换同步器的操作独立于其它同步器。
优选地，模式切换同步器由控制器自动操作，其它同步器为手动操作。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)轴系简单，采用倒档轴作为模式切换中间轴，仅需增加必要的惰轮轴连接电机输出轴和倒档轴即可实现有效的功率耦合和路径切换，实现了齿轴的简化，对于减少体积、降低重量均有现实的好处；
2)因为输入轴、输出轴和倒档轴在常规变速箱中均存在，故而继承性好，可最大限度地利用既有产品/技术的数据和产品积累，降低开发投入和风险，提高开发速度；
3)发动机和电机均有灵活的至轮边的功率传递路径，保留独立的机械倒档，工况适应性好；
4)因为倒档轴与电机轴向重叠，电机端部仅需布置轴向长度受控的惰轮，实现了电机轴向及径可用空间的最大化。
5)发明原理通用性好，适用于不同倒档结构，并且同时适用于横置和纵置变速器布置方案；
6)发动机到输出轴的正向/反向“速比切换同步器”与电机到输出轴的“模式切换同步器”可完全独立操作。特别地，在需要的情况下，可以保持“速比切换同步器”为由驾驶员手动操作，而“模式切换同步器”自动操作，提供更灵活的整车操作效果。
本发明具备的上述优点为其在插电式及增程式混合动力汽车中的应用提供了一定的优势。以插电式混合动力汽车为例，在电量维持模式下，通过对档位使用及动力源转矩分配进行综合优化，可以优化发动机工作区间，同时当发动机需要换档时，电机可通过输出轴向轮边持续提供动力。在电量消耗模式下，具备较大输出功率的电机可通过输入轴利用发动机档位，有效实现其与整车动力性需求的匹配。在动力电池电量不足等极端工况下，可充分利用正向速比提高同等车速下电机的工作转速，从而提高发电和回馈制动功率，为动力电池充电。
附图说明
图1为实施例1中本发明的结构示意图；
图2为实施例2中本发明的结构示意图；
图3为实施例2中本发明的轴系布置图；
图4为实施例3中本发明的结构示意图；
图5为实施例4中本发明的结构示意图；
图6为实施例5中本发明的结构示意图；
图7为实施例5中本发明的轴系布置图；
图8为实施例6中本发明的结构示意图；
图9为实施例7中本发明的结构示意图；
图10为实施例8中本发明的结构示意图。
图中，1-电机、2-电机减速主动齿轮、3-电机惰轮、4-5档主动齿轮、5-5档同步器、6-倒档主动齿轮、7-5档从动齿轮、8-4档从动齿轮、9-3档从动齿轮、10-电机动力耦合齿轮、11-电机输出轴齿轮、12-模式切换同步器、13-2档从动齿轮、14-电机输入轴齿轮、15-1/2档同步器、16-1档从动齿轮、17-驱动轴、18-差速器、19-主减速器从动齿轮、20-主减速器主动齿轮、21-1档主动齿轮、22-2档主动齿轮、23-3档主动齿轮、24-3/4档同步器、25-4档主动齿轮、26-倒档从动齿轮、27-倒档滑动齿轮、28-倒档同步器、29-5/倒档同步器、30-发动机减速从动齿轮、31-发动机减速主动齿轮、32-倒档空套齿轮、33-独立倒档从动齿轮、A-输入轴、B-输出轴、C-倒档轴、D-电机惰轮轴、M-电机轴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
集成驱动电机的定轴式混合动力变速器，其结构如图1所示，其包括5根传动轴，分别是：与电机转子固结的电机轴M，电机惰轮轴D，用于传递发动机输出动力的输入轴A，与车轮保持旋转驱动连接的输出轴B及用于实现输入到输出反向速比的倒档轴C，及两根驱动轴17，上述7根轴采用平行布置的方式，倒档轴C先与输出轴B耦合，通过倒档滑动齿轮27实现反向速比。
输入轴A与输出轴B之间总共有5个前进档速比，其中1档主动齿轮21、2档主动齿轮22、及5档从动齿轮7、4档从动齿轮8、3档从动齿轮9分别与输入轴A及输出轴B固结，3档主动齿轮23、4档主动齿轮25、5档主动齿轮4及1档从动齿轮16、2档从动齿轮13分别空套在输入轴A及输出轴B上，其中1/2档及3/4档间的切换分别由1/2档同步器15及3/4档同步器24实现，5档的切换由5档同步器5实现。
电机1输出的动力依次经由与电机轴M固结的电机减速主动齿轮2，与电机惰轮轴D固结的电机惰轮3及与倒档轴C固结的电机动力耦合齿轮10传递至倒档轴C。电机输入轴齿轮14与电机输出轴齿轮11空套在倒档轴C上，前者与2档从动齿轮13啮合，后者与4档从动齿轮8啮合。当倒档轴C上的模式切换同步器12将电机输出轴齿轮11与倒档轴C旋转驱动连接时，电机1输出的动力便可传递至输出轴B。若变速器并未处于2档，那么当模式切换同步器12将电机输入轴齿轮14与倒档轴C旋转驱动连接时，电机1输出的动力便可传递至输入轴A。
倒档主动齿轮6固结在输入轴A上，且位于1档主动齿轮21和2档主动齿轮22之间。倒档滑动齿轮27空套在倒档轴C上，且可沿其轴向方向移动。倒档从动齿轮26与1/2档同步器15的接合套固结。通过适当操纵倒档滑动齿轮27可使倒档主动齿轮6与倒档从动齿轮26啮合，进而实现输入到输出的反向速比，即机械倒档。当然，在任何一条电机动力传递路径下，电机1通过反向旋转同样可以实现倒档功能，可将其称之为电倒档。
通过分别固结在输出轴B及差速器18上的主减速器主动齿轮20及主减速器从动齿轮19，动力源输出的动力可进一步传递至驱动轴，进而传递至轮边。
实施例1中的同步器既可全部由自动执行机构来操纵，也可部分地通过手动方式来操纵，例如：1/2档同步器15，3/4档同步器24及5档同步器5可通过手动方式来操纵，而模式切换同步器12可通过自动执行机构来操纵。这样一来，在利用混合动力汽车技术实现节能减排优势的同时，手动变速器独有的驾驶乐趣同样得到了保留。
在实施例1远离发动机的一侧，电机1右端面与变速器壳体右端面间仅仅需要容纳下一排齿轮，这在很大程度上增加了电机1的轴向布置空间。
实施例2
集成驱动电机的定轴式混合动力变速器，其结构如图2所示，与实施例1相比，其主要区别体现在机械倒档的实现方式。在实施例2中，倒档主动齿轮6空套在输入轴A上，其与电机动力耦合齿轮10啮合。5/倒档间的切换由5/倒档同步器29实现。当5/倒档同步器29及模式切换同步器12分别将倒档主动齿轮6及电机输出轴齿轮11与输入轴A及倒档轴C旋转驱动连接时，发动机输出的动力经倒档主动齿轮6，电机动力耦合齿轮10，电机输出轴齿轮11及4档从动齿轮8传递至输出轴B，进而实现输入到输出的反向速比，即机械倒档。不同模式及档位下，实施例2的操纵方式及速比如表2所示。
表2实施例2的操纵方式及速比
实施例2的轴系布置如图3所示，通过增加电机惰轮3的直径可以尽可能多地为电机1争取径向布置空间。
实施例3
集成驱动电机的定轴式混合动力变速器，其结构如图4所示，与实施例2相比，其主要区别体现在机械倒档的实现方式。在实施例3中，5/倒档的切换不再通过同一个同步器实现。倒档主动齿轮6与输入轴A固结，倒档同步器28可将与倒档主动齿轮6啮合的倒档空套齿轮32与倒档轴C旋转驱动连接。
实施例4
集成驱动电机的定轴式混合动力变速器，其结构如图5所示，其结构与实施例1大致相同，不同之处在于，倒档轴C上的旋转元件先与输入轴A上的旋转元件啮合。
实施例5
集成驱动电机的定轴式混合动力变速器，其结构如图6所示，其结构与实施例2大致相同，不同之处在于，倒档轴C上的旋转元件先与输入轴A上的旋转元件啮合。实施例5的轴系布置图如图7所示，由于电机1输出的动力先传递至输入轴A上的旋转元件，因此将电机1布置在差速器上方同样体现了对变速箱径向空间的充分利用。
实施例6
集成驱动电机的定轴式混合动力变速器，其结构如图8示，其结构与实施例3大致相同，不同之处在于，倒档轴C上的旋转元件先与输入轴A上的旋转元件啮合。
实施例7
集成驱动电机的定轴式混合动力变速器，其结构如图9示，其结构与实施例2大致相同，不同之处在于，发动机输出的动力经发动机减速主动齿轮31与发动机减速从动齿轮30组成的齿轮副后传递至输入轴A。
实施例8
集成驱动电机的定轴式混合动力变速器，其结构如图10示，其结构与实施例5大致相同，不同之处在于，发动机输出的动力经发动机减速主动齿轮31与发动机减速从动齿轮30组成的齿轮副后传递至输入轴A。

Claims (9)

1.一种集成驱动电机的定轴式混合动力变速器，包括：
两根正向速比传动轴：包括与内燃机驱动连接的输入轴、通过差速器与车轮保持旋转驱动连接的输出轴，由若干空套齿轮-同步器-固结齿轮副构成的输入轴和输出轴之间互斥的正向速比；
倒档轴：由倒档滑动齿轮副或倒档用空套齿轮-同步器-固结齿轮副构成可切断的输入轴到输出轴的反向速比；
电机：由若干齿轮副和同步切换机构将其与输入轴、输出轴和倒档轴驱动连接；
其特征在于，
所述的电机通过固定速比与倒档轴上的固结齿轮旋转驱动连接；
在其中一根正向速比传动轴上至少布置一正向速比空套齿轮和一正向速比固结齿轮；
所述的倒档轴上布置两个可经由模式切换同步器切断和啮合的空套齿轮，其分别与所述的正向速比传动轴上的空套齿轮和固结齿轮啮合；
倒档用空套齿轮和同步器布置在输入轴上，倒档用的固结齿轮布置在倒档轴上，该固结齿轮同时用于建立电机与倒档轴的驱动连接。
2.根据权利要求1所述的一种集成驱动电机的定轴式混合动力变速器，其特征在于，所述的输入轴上至少布置一正向速比空套齿轮和一正向速比固结齿轮。
3.根据权利要求1所述的一种集成驱动电机的定轴式混合动力变速器，其特征在于，所述的输出轴上至少布置一正向速比空套齿轮和一正向速比固结齿轮。
4.根据权利要求1所述的一种集成驱动电机的定轴式混合动力变速器，其特征在于，倒档用的固结齿轮置于倒档轴的最外侧。
5.根据权利要求1所述的一种集成驱动电机的定轴式混合动力变速器，其特征在于，倒档用的固结齿轮为双联齿轮。
6.根据权利要求1或2所述的一种集成驱动电机的定轴式混合动力变速器，其特征在于，所述的输入轴与内燃机之间经由固定速比常啮合齿轮副相互连接。
7.根据权利要求1或3所述的一种集成驱动电机的定轴式混合动力变速器，其特征在于，所述的输出轴与差速器之间经由常啮合齿轮副相互连接。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的一种集成驱动电机的定轴式混合动力变速器，其特征在于，所述的模式切换同步器的操作独立于其它同步器。
9.根据权利要求8所述的一种集成驱动电机的定轴式混合动力变速器，其特征在于，所述的模式切换同步器由控制器自动操作，其它同步器为手动操作。
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