CN105333030A - 使用离心超越离合器的混合动力车辆的驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用离心超越离合器的混合动力车辆的驱动系统，包括内燃机、第一气动马达、离合器、第二气动马达、输出组，所述输出组包括第一输入端、第二输入端和输出端，其特征在于：所述离合器为离心超越离合器，所述内燃机依次经过第一气动马达、离心超越离合器与输出组的第一输入端相连，所述第二气动马达与输出组的第二输入端相连，所述输出组的第一输入端和第二输入端共同驱动输出端，所述第一气动马达和第二气动马达通过控制阀系统和储气瓶相连。本发明的优点为：离心超越离合器的启用条件是由输出轴的转速决定，由此便可以实现自动变速系统以及混合动力车辆的驱动系统中的混合动力配置，可实现全程无级变速，提高燃料利用率。

Description

使用离心超越离合器的混合动力车辆的驱动系统

技术领域

本发明涉及使用离心超越离合器的混合动力车辆的驱动系统。

背景技术

离合器在机械传动装置技术领域具有广泛的用途，现在使用的离合器种类繁多，目前具体应用到车辆动力系统减速箱中的离合器主要是超越离合器。超越离合器是利用主、从动滚道的速度变化或旋转方向的变换实现自行离合，当主动滚道的速度与从动滚道的速度相同时，才能传递动力，否则均为相对滑动。传统的超越离合器只能由主动滚道的输入条件决定其启用或停用，而不能由从动滚道的输出状态来决定。因此利用传统的超越离合器不能实现在大范围内的多级自动变速。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种能由输出轴的转速来确定离合器的启用或停用的离心超越离合器，以及使用该离心超越离合器的自动变速系统和混合动力车辆的驱动系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种离心超越离合器，包括外套筒和中间星轴，所述中间星轴上均匀分布有外大内小的凹槽，所述凹槽内设置有离心楔块，所述离心楔块在凹槽内沿着凹槽底端转动，所述离心楔块一侧连接复位弹簧的一端，所述复位弹簧另一端固定在凹槽第一侧的中间星轴上，所述复位弹簧处于压缩状态，所述离心楔块的另一侧被所述复位弹簧压在凹槽的第二侧；所述离心楔块静止时，其顶端不接触外套筒的内表面，所述离心楔块运动的最大径向高度大于中间星轴的凹槽底端到所述外套筒的内表面的距离，所述离心超越离合器由中间星轴的转速值以及中间星轴和外套筒的转速关系来决定其启动或关闭。

作为离心超越离合器的优化，所述凹槽底端和离心楔块底端为相配合的圆弧形，且所述离心楔块底端的圆弧半径小于凹槽底端的圆弧半径。

作为离心超越离合器的优化，所述复位弹簧通过螺钉固定在中间星轴上。

一种使用如上所述的离心超越离合器的自动变速系统，包括输入轴、输出轴以及连接所述输入轴和输出轴的多组变速齿轮和离合器，其特征在于：所述离合器为离心超越离合器，所述各组变速齿轮内连接有相应的离心超越离合器，所述离心超越离合器的外套筒与对应的各组变速齿轮的输入端连接，所述离心超越离合器的中间星轴与对应的各组变速齿轮的输出端连接。

作为自动变速系统的其中一种实施方式，所述自动变速系统包括两组变速齿轮和相应的两个离心超越离合器，第一个离心超越离合器的外套筒与第一组变速齿轮的输入端连接，第一个离心超越离合器的中间星轴与第一组变速齿轮的输出端连接；第二个离心超越离合器的外套筒与第二组变速齿轮的输入端连接，第二个离心超越离合器的中间星轴与第二组变速齿轮的输出端连接。

一种使用如上所述的离心超越离合器的混合动力车辆的驱动系统，包括内燃机、第一电动机、离合器、第二电动机、输出组，所述输出组包括第一输入端、第二输入端和输出端，所述离合器为离心超越离合器，所述内燃机依次经过第一电动机、离心超越离合器与输出组的第一输入端相连，所述第二电动机与输出组的第二输入端相连，所述输出组的第一输入端和第二输入端共同驱动输出端，所述第一电动机和第二电动机通过电路控制系统和电池组相连。

作为混合动力车辆的驱动系统的另一种方式，所述输出组为车辆的前后车轮，前车轮与第二电动机相连，后车轮与离心超越离合器的中间星轴相连。

上述混合动力车辆的驱动系统也可用于内燃机和气动系统，包括内燃机、第一气动马达、离合器、第二气动马达、输出组，所述输出组包括第一输入端、第二输入端和输出端，所述离合器为离心超越离合器，所述内燃机依次经过第一气动马达、离心超越离合器与输出组的第一输入端相连，所述第二气动马达与输出组的第二输入端相连，所述输出组的第一输入端和第二输入端共同驱动输出端，所述第一气动马达和第二气动马达通过控制阀系统和储气瓶相连。

作为用于内燃机和气动系统的混合动力车辆的驱动系统的另一种方式，所述输出组为车辆的前后车轮，前车轮与第二气动马达相连，后车轮与离心超越离合器的中间星轴相连。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明提供的离心超越离合器，结合了离心离合器和超越离合器的特点，能实现“速度控制开关”的功能，即只有在与输出轴相连的中间星轴转速达到额定值并且与输入轴相连的外套筒的转速大于与输出轴相连的中间星轴转速时，离心超越离合器才能开启；在输出轴的转速低于额定值时，离心超越离合器处于“关”的状态。因此，该离心超越离合器的启动条件是输出轴的转速达到额定值，在此之前，无论输入轴的转速状态如何，都无法启动离合器结合，这在传统超越离合器中是不可能存在的，因为这样就无法传输动力了。也就是说，本发明提供给的离心超越离合器的启用条件是由输出轴决定，而不是由输入轴的输入条件决定。由此便可以实现所述的自动变速系统在大的变速范围内的自动变速以及混合动力车辆的驱动系统中的混合动力配置，可实现全程无级变速，提高燃料利用率，节能减排，提高了整个驱动系统的寿命。

附图说明

图1是本发明的离心超越离合器断开状态的剖面结构示意图。

图2是本发明的离心超越离合器结合状态的剖面结构示意图。

图3是本发明的自动变速系统结构示意图。

图4是本发明的混合动力车辆的驱动系统的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参见图1和图2，本发明提供的离心超越离合器，是结合了离心式离合器和楔块式超越离合器的特点，离合器的中间星轴1上均匀分布有外大内小的凹槽6，凹槽6内设置有离心楔块2，凹槽6底端和离心楔块2底端为相配合的圆弧形，且离心楔块2底端的圆弧半径小于凹槽6底端的圆弧半径，离心楔块2在凹槽6内沿着凹槽6底端转动。离心楔块2一侧连接复位弹簧3的一端，复位弹簧3的另一端由螺钉4固定在凹槽6第一侧的中间星轴1上，复位弹簧3处于压缩状态，离心楔块2的另一侧被复位弹簧3压在凹槽6的第二侧斜面上；离心楔块2静止时,其顶端不接触外套筒5的内表面。离心楔块2运动的最大径向高度大于从中间星轴1的凹槽6底端到外套筒5的内表面的距离。离心超越离合器由中间星轴1的转速值以及中间星轴1和外套筒5的转速关系来决定其启动或关闭。

在中间星轴1静止或顺时针低速旋转的情况下，离心楔块2被复位弹簧3压在凹槽6的第二侧大斜面上，此时，外套筒5和中间星轴1没有接触，处于完全分离状态，如图1所示。当中间星轴1的顺时针旋转速度达到临界值时，离心楔块2在离心力的作用下，克服复位弹簧3的压力，开始向凹槽6第一侧扩张。然而，当中间星轴1与外套筒5顺时针同向旋转，且当中间星轴1转速高于外套筒5时，因为摩擦力的方向是将离心楔块2向它原来所在的一侧也就是凹槽6的第二侧推开，所以离心楔块2和外套筒5内表面仍然不能结合，处于一种超越离合器的单向脱离工作状态。只有当中间星轴1的转速达到或超过临界值，同时外套筒5转速超过中间星轴1转速时，此时摩擦力的方向是将离心楔块2向凹槽6第一侧推动，由于离心楔块2运动的最大高度大于从中间星轴1的凹槽6底端到外套筒5的内表面的距离，因此此时离心楔块2被离心力和摩擦力锁定，处在自锁状态，离合器才能在离心力和摩擦力的共同作用下结合上，如图2所示。因此本发明所提供的离心超越离合器的开启必须同时满足两个条件：第一、和输出轴相连的中间星轴1转速达到额定值；第二、和输入轴相连的外套筒5转速大于与输出轴相连的中间星轴1的转速，才能连接。打开离心超越离合器的离心楔块2的转速临界值，可以通过调整固定螺钉4的旋紧位置，改变复位弹簧3的预紧力来实现。

同时参见图3，本发明提供的自动变速系统，是利用了上述的离心超越离合器。不同于现有的自动变速器，它变速的级数范围理论上可以任意增加，我们现在以两级变速为例来说明。输入轴7分别通过第一组变速齿轮11和第二组变速齿轮21连接输出轴8，所述第一组变速齿轮11内连接有第一个离心超越离合器12，所述第一个离心超越离合器12的外套筒5与第一组变速齿轮11的输入端连接，所述第一个离心超越离合器12的中间星轴1与第一组变速齿轮11的输出端连接。所述第二组变速齿轮21内连接有第二个离心超越离合器22，所述第二个离心超越离合器22的外套筒5与第二组变速齿轮21的输入端连接，所述第二个离心超越离合器22的中间星轴1与第二组变速齿轮21的输出端连接。这里假定第一组变速齿轮11的减速比为3，第二组变速齿轮21的减速比为2。第一个离心超越离合器12的接合临界转速调整为400转每分钟，第二个离心超越离合器22的接合临界转速调整为800转每分钟。下面就说明一下自动变速的过程。首先假定输出轴8转速已经达到400转每分钟，但是低于600转每分钟，那么仅有第一个离心超越离合器12的接合临界转速条件满足，当输入轴7转速超过1200转每分钟以后，则经过速比为3的第一组变速齿轮11减速后的转速将会超过输出轴8的转速，第一个离心超越离合器12接合，输入轴7把动力通过第一组变速齿轮11、第一个离心超越离合器12传递到输出轴8上，减速比为3。当输入轴7的转速达到1800转每分钟的时候，输出轴8的转速被加速到600转每分钟，此时第二个离心超越离合器22的接合临界转速条件满足，而通过速比为2的第二组变速齿轮21减速后的输入转速是900转每分钟，超过输出轴8的转速600转每分钟，从而第二个离心超越离合器22接合，输入轴7把动力通过第二组变速齿轮21和第二个离心超越离合器22传递到输出轴8上，减速比变为2。由于第二组变速齿轮21的减速比小于第一组变速齿轮11，输出轴8被更快的加速，使第一个离心超越离合器12的输出端转速大于输入端，第一个离心超越离合器12自动脱离，不会造成两组变速齿轮互相干涉的情况。如果此时减少输入动力，使输入轴7的转速降低到1200转每分钟以下，则输出轴8的转速降到600转每分钟以下，第二个离心超越离合器22脱离，当输出轴8降到400转每分钟以下，第一个离心超越离合器12接合，减速比从2变为3。另一种可能是输出轴8的负载增加，使转速降到600转每分钟以下，第二个离心超越离合器22脱离，等输出轴8的转速降到400转每分钟，第一个离心超越离合器12接合，减速比从2变为3。因此，只要适当的调整变速齿轮的减速比和离合器的临界转速，就可以实现变速比按照设定的输入输出转速关系自动变化，在输出轴8转速大幅度变化的情况下，维持输入轴7的转速范围在需要的区间内。在此基础上，添加第三组、第四组……变速齿轮，配合第三个、第四个……离合器，就能一直增加变速比的级数。

参见图4，本发明提供的混合动力车辆的驱动系统，核心部件是离心超越离合器自动变速系统，这里仅以一级系统为例，在简化机械系统的同时，也足以满足大部分动力配置的要求。如果车辆需要更大的变速范围，可以使用两级或更多级的离心超越离合器自动变速系统。混合动力车辆的驱动系统包括内燃机31、第一电动机32、离心超越离合器33、第二电动机41、输出齿轮组9，这里的电动机在不同工况下可以作为发电机使用，输出齿轮组9包括第一输入端91、第二输入端92和输出端93。内燃机31和第一电动机32主轴直接相连，第一电动机32主轴和离心超越离合器33相连，离心超越离合器33和输出齿轮组9的第一输入端91相连。而第二电动机41连接输出齿轮组9的第二输入端92，共同驱动输出齿轮组9的输出端93输出动力。两台电动机和通过电路控制系统51和电池组61相连，由电路控制系统51决定第一电动机32和第二电动机41的工作状态。如果去掉输出齿轮组9，第一电动机32和离心超越离合器33的输出端93可以分别驱动车辆的前后车轮，形成四轮驱动。

下面就混合动力车辆的驱动系统运行的几种情况做详细说明：

当车辆静止，内燃机31启动，由第一电动机32带动内燃机31启动，此时，因为输出齿轮组9的第一输入端91转速很低，所以离心超越离合器33分离，内燃机31相当于空载启动；

当车辆低速运行，此时，输出齿轮组9的第一输入端91转速较低，离心超越离合器33仍然不能结合，无论内燃机31是在启动还是处于高速运转状态，都不会直接对输出齿轮组9的第一输入端91输出动力，而只能空载或者带动第一电动机32发电；

当车辆高速运行，内燃机31启动。此时虽然输出齿轮组9的第一输入端91转动的离心力足以将离心超越离合器33的离心楔块2打开，但是因为内燃机31主轴的转速低于输出齿轮组9的第一输入端91，所以离心超越离合器33还是在分离状态，内燃机31仍然相当于空载启动；

当车辆继续高速运行，内燃机31高速运行，并且转速还要高于输出齿轮组9的第一输入端91的转速。此时离心超越离合器33启动的两项条件都被满足，内燃机31直接通过离心超越离合器33对输出齿轮组9的第一输入端91输出动力，此时可以选择第一电动机32的状态为助力、空转或发电，根据车辆的需要而定；

当输出齿轮组9的第一输入端91低速反转，内燃机31启动或运行，此时离心力打不开离心楔块2，离心超越离合器33分离，内燃机31空载或带动第一电动机32发电；

当输出齿轮组9的第一输入端91高速反转，内燃机31启动或者运行，此时离心超越离合器33的两个条件都满足，由于内燃机31和输出齿轮组9的第一输入端91的转向相反，会对机械系统造成很大的冲击和损害，不过这种情况在车辆正常运行中不会发生。

以上的这些工作状态，对于实现混合动力车的高效率运行至关重要，下面就结合汽车的各个工作状态逐一加以说明。

工作状态一：内燃机31停车，离心超越离合器33处于分离状态，只要此时车辆为前进状态，离心超越离合器33就不会闭合，内燃机31和主动力输出是分离的。整车工作处于全电动状态，速度控制由电动机的电路控制系统51实现，第二电动机41转速完全实现电控。这主要适用于城市道路，以及电池电量充足的状态，可以减少污染，经济性也好，和普通电动汽车没有区别。

工作状态二：内燃机31启动。这一步可以通过一个由纯电动到混合动力的转化开关手动实现，也可以由电脑根据电池电量和负载情况实现。内燃机31的启动可以由第一电动机32直接带动主轴启动，在此工况下，可以实现以下多种运行方式：

方式1，低速加速过程，主要是指车辆启动加速状态，内燃机31保持最高效率的转速和扭矩运转，带动第一电动机32发电，通过电路控制系统51，协同电池组61的电能，供第二电动机41使用，输出驱动力，因为车轮转速低，离心力不足以接合离心超越离合器33，所以发动机不直接对车轮输出动力。此时，脚踩油门处于加速状态，电路控制系统51控制第一电动机32的工作状态为发电机状态，将从内燃机31的转速和力矩转化为电能，经过电路控制系统51送入电池组61储存，或者直接供第二电动机41使用。第二电动机41两端的电压则因为油门处于加速状态而增高，工作在动力输出状态，输入的力矩通过输出齿轮组9的第二输入端92，驱动主输出轴转动加速，则输出齿轮组9的第一输入端91空转。这个阶段，应该是第二电动机41工作效率最高的阶段。此时内燃机31只发电，类似于传统串联式混合动力车的输出形式。

方式2，中速运转状态，主要是车辆正常在城市道路行驶，此时，车轮转速达到临界值，要设定这个速度略低于内燃机31的最佳效率转速。如果内燃机31的输出转速超过了输出齿轮组9的第一输入端91的转速，达到最佳效率转速时，因为离心力达到所需临界值，离心超越离合器33自动接合，内燃机31的功率和转速作用于输出齿轮组9的第一输入端91，和第二电动机41共同驱动输出轴。此时，内燃机31和第二电动机41协同作用，都能保持较高的效率和合理的扭矩。

方式3，高速运转状态，用于车辆在高速公路上的行驶。此时，离心超越离合器33仍然接合，内燃机31的全部功率都直接通过输出齿轮组9的第一输入端91输出，此时，维持车辆速度的能量主要是抵消风阻和磨阻，一般都会小于内燃机31的功率，所以可以通过电路控制系统51调整第二电动机41的工作状态为发电机状态，从输出齿轮组9上将一部分能量回收到电池组61上。第一电动机32的工作状态可以根据需要调节，需要加大输出时就在电动机状态工作，需要回收能量时就在发电机状态工作。

方式4，减速状态，适用于车辆遇到红灯或者下坡，或需要刹车的时候，要把车速减下来。此时，可以用电路控制系统51同时改变第一电动机32和第二电动机41的电压，让它们都作为发电机工作，第一电动机32将大部分的内燃机31的能量转化为电能，而第二电动机41则从输出齿轮组9上将车辆的动能转化为电能，从而达到能量回收的目的，同时也要配合传统刹车，确保安全。当车速降到一定阶段，离心超越离合器33自动断开。如果停车时间较长，而电池组61也接近充满时，可以直接关闭内燃机31，节省燃料消耗。

方式5，倒车状态，此时不管内燃机31的工作状态如何，由于车轮转速较低，输出齿轮组9的第一输入端91的离心力远小于临界值，离心超越离合器33断开，输出齿轮组9的第一输入端91空转，可以控制第二电动机41反向旋转，实现倒车功能。

使用离心超越离合器自动变速系统实现混合动力配置的优势有：

1.大大降低了机械系统的复杂程度，整个取代了结构复杂，故障率高的变速器系统；

2.配合电动机系统，可以实现全程无级变速，而内燃机31的转速只需要在最优化的效率范围内稍作调整，因为电动机的电控系统比较容易实现调速，降低了变速系统的控制难度；

3.内燃机31可以始终保持在最高效率和最佳转速范围内，提高了燃料利用率，也延长了内燃机31的使用寿命；

4.可以对动力系统的能量进行优化分配，能回收本来要消耗的能量，所以降低了能量的浪费，节能减排；

5.和普通单一内燃机31动力系统相比，可以充分利用相对清洁高效的电能，减少了污染，降低了使用成本，和电动机动力系统相比，内燃机31的嵌入，大大增加了动力系统的可持续工作时间。

当然，以上这种变速方式同样可以用于内燃机和气动系统，用第一气动马达和第二气动马达取代第一电动机32和第二电动机41，用控制阀系统、储气瓶取代电路控制系统51和电池组61，采用相同的控制策略即可。除了具有油电混合动力系统的优点，该油气混合动力系统还具有自己的优势，因为气压马达单位功率高，可以做的很小很轻，启动力矩大，有利于提高加速能力，不怕过载，安全性上也更好，不用考虑散热。储气罐相对于电池，污染更小，使用成本更低。

可见，上述运用了离心超越离合器的自动变速系统以及混合动力车辆的驱动系统正是由于离心超越离合器特有的由输出轴控制离合器的开启和关闭功能，即由输出轴的转速达到额定值才能使离合器开启，从而才得以实现在大范围内的无级变速。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种使用离心超越离合器的混合动力车辆的驱动系统，包括内燃机、第一气动马达、离合器、第二气动马达、输出组，所述输出组包括第一输入端、第二输入端和输出端，其特征在于：所述离合器为离心超越离合器，所述内燃机依次经过第一气动马达、离心超越离合器与输出组的第一输入端相连，所述第二气动马达与输出组的第二输入端相连，所述输出组的第一输入端和第二输入端共同驱动输出端，所述第一气动马达和第二气动马达通过控制阀系统和储气瓶相连。

2.如权利要求1所述的混合动力车辆的驱动系统，其特征在于：所述输出组为车辆的前后车轮，前车轮与第二气动马达相连，后车轮与离心超越离合器的中间星轴相连。