CN105398324B - 用于机动车辆的混合动力变速箱 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于机动车辆的混合动力变速箱，属于机动车辆动力系统领域。该混合动力变速箱包括动力耦合机构、电机和变速箱，该动力耦合机构和该电机设置在该变速箱的前箱体中，该动力耦合机构设置在该电机和机动车辆的发动机之间，且动力耦合机构分别与电机、发动机和变速箱连接，以实现发动机的动力与电机的动力之间的切换和耦合，从而实现机动车辆的电动驱动模式和混合动力驱动模式。本发明提供的用于机动车辆的混合动力变速箱用独特的方法实现了机动车辆在行驶中能够快速平稳地启动发动机，且动总移植性好，可扩展多种车型，可匹配不同的变速箱，可用于插电式重度混合动力汽车和非插电式重度混合动力汽车。
Description
技术领域
本发明涉及机动车辆动力系统领域，特别涉及用于机动车辆的混合动力变速箱。
背景技术
在现有技术中，美国专利名称为一种并联式油电混合动力系统(专利公开号：US6569054)，公开了该系统的机电耦合机构主要由一个发动机、一个电机、一套行星齿轮机构、一个电磁离合器和一个变速箱构成。其中行星齿轮机构的太阳轮轴S和齿圈轴R作为力矩输入轴，其行星架轴C作为力矩输出轴，力矩输入轴S、R分别与发动机和电机的轴相连，力矩输出轴通过变速箱与车轮的驱动轴相连。该行星齿轮机构的作用是用于合成发动机和电机输出的驱动扭矩来共同驱动车辆。所述电磁离合器接在太阳齿轮轴S和行星架轴C之间，用于机械锁定行星齿轮机构的三个轴，它分离时，行星齿轮机构的三个轴分别以各自的速度转动。并联式油电混合动力系统中的两个动力源即发动机和电机是并联的，它们所输出的驱动扭矩均可以通过机械传动直接作用在车轮的驱动轴上，因此，动力传递效率高，且只用了一个电机，结构简单。
但是上述并联式油电混合动力系统存在着缺点，即车辆不能进行纯电驱动。纯电驱动时，驱动扭矩通过行星齿轮机构后会传递给发动机轴一个反向扭矩，使发动机倒转，进而损坏发动机。而纯电驱动是重度混合动力特别是插电式重度混合动力车的重要标志。同时，上述系统进行制动能量回收时，会倒拖发动机，导致制动能量回收的效率不高。
在中国专利汽车油电混合动力系统的机电动力耦合机构(专利公开号：CN101423020A)中，公开了该系统至少由一个发动机、一个电机、一个电机控制器、一个行星齿轮机构构成。其中行星齿轮机构的齿圈轴连接发动机轴，太阳轮轴连接电机轴，行星架轴连接变速箱的输入轴。该系统在齿圈和太阳轮之间设置有离合器，并在发动机轴和机壳之间设置有单向离合器。该系统可实现纯电驱动并可在行驶中启动发动机，且在专利中推导出只适用于该连接形式的减小启动发动机冲击的公式。
但该系统存在如下缺点：离合器设置在齿圈轴和太阳轮轴之间，通常这两轴之间转速差很大，而较大的转速差会显著增加离合器的设计难度。同时，该系统在制动能量回收时，会倒拖发动机，降低能量回收效率。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面，本发明提供了一种用于机动车辆的混合动力变速箱。所述技术方案如下：
本发明的一个目的是提供了一种用于机动车辆的混合动力变速箱。所述混合动力变速箱包括动力耦合机构、电机和变速箱，所述动力耦合机构和电机设置在所述变速箱的前箱体中，所述动力耦合机构设置在所述电机和所述机动车辆的发动机之间，且所述动力耦合机构分别与电机、发动机和变速箱连接，以实现发动机的动力与电机的动力之间的切换和耦合，从而实现所述机动车辆的电动驱动模式和混合动力驱动模式。
进一步地，所述动力耦合机构包括行星轮系统、制动器、离合器和单向离合器，行星轮系统分别与制动器、离合器、单向离合器和变速箱连接。
具体地，所述动力耦合机构包括行星轮系统、制动器和离合器，所述行星轮系统分别与制动器、离合器和变速箱连接，或
所述动力耦合机构包括行星轮系统、离合器和单向离合器，所述行星轮系统分别与离合器、单向离合器和变速箱连接。
所述混合动力变速箱通过控制所述离合器的最大扭矩来限制所述发动机轴对所述变速箱的输入轴产生的耦合力矩的峰值。
进一步地，所述制动器的一端与所述太阳轮连接，所述制动器的另一端与所述前箱体的外壳连接，用于锁止所述发动机，
所述离合器的一端与所述行星架连接，所述离合器的另一端与所述齿圈连接，所述离合器闭合使所述行星架和所述齿圈产生耦合力矩，倾向于将所述行星轮系锁定，使所述太阳轮、所述行星架和所述齿圈同速转动，
在所述离合器耦合时，所述电机轴输出的扭矩通过所述离合器传递到所述行星架上以抵消负扭矩。
具体地，在所述发动机在起步的过程中，所述发动机起步前，所述发动机怠速并驱动所述太阳轮正向转动，所述机动车辆的车轮处于静止状态，与所述车轮连接的所述变速箱和所述行星架的转速为零，受所述行星轮系统运动学的约束，所述齿圈带动所述电机反向转动；
所述发动机起步时，所述发动机和电机分别输出扭矩，经过所述行星轮系统的耦合传递到所述行星架上，之后输出到变速箱以推动所述车轮转动，所述行星架的转速由零逐步增大；
同时所述齿圈做正方向加速，且所述齿圈的转速由负值迅速增大，变成正值，当所述齿圈和行星架的转速相同时，所述离合器闭合，所述机动车辆进入混合动力驱动模式。
具体地，在所述机动车辆为电动驱动模式起步时，所述发动机不工作，且所述电机通过所述变速箱单独驱动所述机动车辆行驶，所述电机扭矩作用在所述齿圈上，之后通过所述行星架减速作用在所述变速箱的输入轴上，受所述齿圈的齿轮的作用，所述行星轮系统中的小行星齿轮将反向扭矩作用在所述太阳轮上，倾向于使所述发动机反向转动，此时所述制动器闭合且所述单向离合器处于工作状态以防止所述发动机反转；
当所述机动车辆需要增加动力时闭合所述离合器，所述动力耦合机构通过所述太阳轮，拖动所述发动机转动并点火启动，以实现在所述电动驱动模式下启动所述发动机，从而所述机动车辆进入混合动力驱动模式。
进一步地，所述离合器通过设定传递力矩使在所述行星架与所述齿轮之间形成相应的离合器耦合力矩，
所述行星架与所述变速箱的输入轴之间通过花键连接。
具体地，所述离合器耦合力矩的表达式为：
其中，TCl表示所述离合器耦合力矩，JS表示所述太阳轮的转动惯量，TfE表示所述发动机的阻力矩，RS表示所述太阳轮的半径，RR表示所述齿圈的半径，JC表示所述机动车辆的等效转动惯量，TfV表示所述机动车辆转动阻力折算到所述变速箱的输入轴上的力矩，表示所述行星架的角加速度，表示所述发动机的角加速度。
进一步地，所述混合动力变速箱通过控制所述离合器耦合力矩和电机输出扭矩以实现所述机动车辆的电动驱动模式和混合动力驱动模式平稳切换，
所述电机的输出扭矩的表达式为：
其中，TM表示所述电机的输出扭矩，TCl表示所述离合器耦合力矩，JR表示所述齿圈的转动惯量，TfE表示所述发动机的阻力矩，RS表示所述太阳轮的半径，RR表示所述齿圈的半径，JS表示所述太阳轮的转动惯量，表示齿圈的角加速度，表示所述发动机的角加速度。
进一步地，所述单向离合器的内圈与所述太阳轮的太阳轮轴连接，所述单向离合器的外圈与所述前箱体的外壳连接用于控制所述发动机正向转动和阻止所述发动机反向转动。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
(1)本发明提供的用于机动车辆的混合动力变速箱采用独创的包括有行星轮、离合器和电机的动力耦合机构，使得工况切换快速灵活；
(2)本发明提供的用于机动车辆的混合动力变速箱用独特的方法实现了机动车辆在行驶中能够快速平稳地启动发动机；
(3)本发明提供的用于机动车辆的混合动力变速箱使用唯一电机实现驱动、助力、启动发动机、发电和再生制动等功能，可节省附加成本；
(4)本发明提供的用于机动车辆的混合动力变速箱集成了量产变速箱，能够实现大批量生产且成本低；
(5)本发明提供的用于机动车辆的混合动力变速箱结构紧凑，轴向尺寸小，从而便于布置；
(6)本发明提供的用于机动车辆的混合动力变速箱动总移植性好，可扩展多种车型，可匹配不同的变速箱，可用于插电式重度混合动力汽车(PHEV)和非插电式重度混合动力汽车(HEV)；
(7)本发明提供的用于机动车辆的混合动力变速箱具有包括电机、行星轮系统、离合器、制动器等的混合动力模块，从而能够实现纯电动模式和混合动力驱动模式，能够完成全部需要的功能；
(8)本发明提供的用于机动车辆的混合动力变速箱通过建立动力学方程组，推导出控制方程，基于该控制方程解决了单电机混动系统快速平稳启动发动机的难题。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的用于机动车辆的混合动力变速箱100的结构示意图；
图2是图1所示的发动机起步过程的原理示意图；
图3是图1所示的太阳轮、齿圈和行星架转速杠杆原理图；
图4是图1所示的太阳轮的太阳轮轴、齿圈的齿圈轴和行星架的行星架轴三轴的力矩示意图；
图5是图1所示的混合动力变速箱在电动驱动模式时，太阳轮、齿圈和行星架的转速示意图；
图6为离合器耦合时，行星轮系统受力及角加速度示意图；
图7为离合器耦合时，齿圈受力及角加速度示意图；
图8为离合器耦合时，行星齿轮受力及角加速度示意图；
图9为离合器耦合时，行星架受力及角加速度示意图；
图10为离合器耦合时，太阳轮受力及角加速度示意图；
其中，100用于机动车辆的混合动力变速箱，10动力耦合机构，11行星齿轮系，111太阳轮，112行星架，113齿圈，12制动器，13离合器，14单向离合器，15减震飞轮，20电机，30发动机，40变速箱。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
参见图1，其示出了根据本发明的一个实施例的用于机动车辆的混合动力变速箱100。混合动力变速箱100包括动力耦合机构10、电机20和变速箱40。具体地，动力耦合机构10和电机20设置在变速箱40的前箱体中，动力耦合机构10设置在电机20和机动车辆(未示出)的发动机30之间，且动力耦合机构10分别与电机20、发动机30和变速箱40连接，以实现发动机30的动力与电机20的动力之间的切换和耦合，从而实现机动车辆的电动驱动模式和混合动力驱动模式。
本发明的目的是针对已有技术中的缺点，提供一种改进的油电混合动力变速箱，并使之与发动机和动力电池等匹配为混合动力的机动车辆提供动力，由此机动车辆具备了纯电驱动和混合驱动模式以及该两种驱动模式相互转换的能力。当机动车辆具备纯电驱动和在纯电驱动下启动发动机的功能时，它就可以在爬行或低速行驶时用纯电驱动而关闭发动机以减少油耗；而当机动车辆从爬行或低速行驶转为加速时，它又可以直接启动发动机进行油电合力驱动。这是一个非常节省燃料的工作状态，机动车辆同时具备纯电驱动模式(即电动驱动模式)和混合动力驱动模式在城市道路上行驶时显得尤为重要。
混合动力变速箱100包括混合动力模块和变速箱40。变速箱40是指一个不包括液力变矩器或主离合器的变速箱，该变速箱40用来改变传动速比和方向。混合动力模块包括动力耦合机构10和电机20，混合动力模块位于发动机30和变速箱40之间。具体地，电机20用于向机动车辆提供纯电驱动和电动助力所需的动力以及能量再生制动所需的制动力矩，并且还具有发电和启动发动机30的功能。动力耦合机构10能够灵活地实现发动机动力和电机动力切换和耦合，使得混合动力变速箱100具有纯电驱动模式(即电机驱动模式)和混合动力驱动模式，并能实现两种模式快速平稳地切换。
混合动力模块集成了行星轮系统11、离合器13、电机20和制动器12或单向离合器14装置集成在变速箱40的前箱体中，换句话说，动力耦合机构10包括行星轮系统11、离合器13和制动器12或单向离合器14，动力耦合机构10和电机20均装配在变速箱40的前箱体中。通过对混合动力变速箱100中的制动器12和离合器13的控制，可以实现机动车辆的各种功能。
继续参见图1，行星轮系统11包括太阳轮111、行星架112和齿圈113。太阳轮111与发动机30的发动机轴(未示出)相连接，行星架112与变速箱40的输入轴相连接，齿圈113与电机20的电机轴相连接，齿圈113与太阳轮111通过小行星齿轮连接。具体地，如图1所示，发动机30的发动机输出端(发动机轴)连接减振飞轮15的初级齿轮，减振飞轮15的次级齿轮连接太阳轮111，从而衰减发动机30所输出的高频振动。制动器12的一端连接太阳轮111，另一端连接前箱体的壳体，其功能是锁止发动机。离合器13的两端分别与行星架112和齿圈113连接；离合器13是一个可设定传递力矩的离合器，用于在齿圈113和行星架112之间产生一个设定耦合力矩TCl(即离合器耦合力矩)。
在本发明的一个示例中，离合器13采用湿式离合器，混合动力变速箱100通过控制离合器13的分离与结合，实现行星轮系统11的变速。单向离合器14的内圈连接太阳轮111的太阳轮轴(未示出)，单向离合器14的外圈连接前箱体的壳体(未示出)，其功能是允许发动机40能够自由地正向转动，并且能够阻止发动机40反向转动。行星架112与变速箱40的输入轴通过花键连接，变速器(变速箱40)是任何一种自动变速箱，该自动变速箱40中不包括液力变矩器，但是保留了原有的前进倒挡离合器结构，以实现机动车辆前进、倒挡以及变速比的功能。由此上述混合动力变速箱100中各个部件的连接结构可以看出，整个动力总成(混合动力变速箱100)的结构非常紧凑，集成度高，有利于整车前舱布置。
下面通过详细描述混合动力变速箱100的工作原理来进一步说明混合动力变速箱100的具体结构。
结合图1和图2所示，在发动机30在起步的过程中，在发动机30起步前，发动机30怠速并驱动太阳轮111正向转动，机动车辆的车轮处于静止状态，与车轮连接的变速器(即变速箱40)和行星架112的转速为零，受行星轮系统11运动学的约束，齿圈113带动电机20反向转动；在发动机30起步时，发动机30和电机20分别输出扭矩，经过行星轮系统11的耦合传递到行星架112上，之后输出到变速箱40以推动车轮转动，行星架112的转速由零逐步增大；同时，齿圈113做正方向加速，且齿圈113的转速由负值(即反向转动)迅速增大，变成正值(即正向转动)，当齿圈113和行星架112的转速相同时，离合器13闭合，机动车辆进入进入混合动力驱动模式。
在纯电动(机动车辆为电动驱动模式)起步时，发动机30不工作，且电机20通过变速箱40单独驱动机动车辆行驶，电机扭矩作用在齿圈113上，之后通过行星架112减速(即扭矩放大)并作用在变速箱40的输入轴上，受齿圈113的齿轮的作用，行星轮系统11中的行星齿轮(未示出)将反向扭矩作用在太阳轮111上，倾向于使发动机20反向转动，而此时制动器12闭合且单向离合器14处于工作状态以防止发动机30反转；当机动车辆需要启动发动机，时闭合离合器13，动力耦合机构10通过太阳轮111，拖动发动机20转动并点火启动，以实现在纯电驱动(电动驱动模式)下启动发动机30，从而机动车辆进入混合动力驱动模式。由此通过上述原理可以看出，本发明提供的混合动力变速箱100可以实现发动机起步和纯电动起步。
行星轮系统三个轴的速度具有如下关系：
ωS·RS+ωR·RR＝ωC·(RS+RR) (1)
其中，ωS、ωR和ωC依次表示太阳轮111的太阳轮轴、齿圈113的齿圈轴和行星架112的行星架轴的转速，RS是太阳轮111的半径，RR是齿圈113的半径。
根据公式(1)，当太阳轮轴、齿圈轴和行星架轴中的任何两个轴的转速是已知时，其中第三个轴的转速就可以确定，并可以根据公式(1)计算得出。参见图3，公式(1)可以用直观的杠杆原理图来表示，图中RS是太阳轮轴的半径，RR是齿圈113的半径；三条水平线段的长度分别代表太阳轮轴转速ωS、齿圈轴转速ωR和行星架轴转速ωC，箭头则分别指出了三个轴转动的方向。
其中，行星轮系统11的三个轴的力矩存在如下关系：
TC＝TS+TR (2)
其中，TS表示太阳轮受到的扭矩，TR表示齿圈受到的扭矩，TC表示行星架受到的扭矩。
根据方程(2)和(3)，当其中任何一个轴的扭矩是已知的，则另外两轴的扭矩是确定的，并可以用方程式(2)和(3)计算得出。如图4所示，方程(2)和(3)也可以用直观的杠杆原理图来表示。在图4中RS为太阳轮111的半径，RR为齿圈113的半径，三条水平线段的长度分别代表电机作用在齿圈113的齿圈轴上的扭矩TR、发动机30作用在太阳轮111的太阳轮轴上的扭矩TS和行星架112的行星架轴所输出的扭矩TC，图4中的箭头则分别指出了上述三个轴扭矩的方向。
结合图1和图5所示，在发动机30停机且电机20单独驱动机动车辆的工况下，发动机20处于停机状态，发动机30的转速为零，变速箱40设置为“驱动”或“倒车”位置；电机20的电机轴以转度ωR正向转动，并输出驱动力矩TR到齿圈轴上(电机输出方向为图中的箭头方向)；齿圈113推动行星齿轮转动，此时行星齿轮倾向于使太阳轮111倒转。这是由于太阳轮轴与发动机轴连接，故行星齿轮倾向于使发动机30倒转。针对上述问题，本发明的混合动力变速箱100在发动机轴设置一个制动器12或者单向离合器14，用于防止发动机轴的反转，从而实现纯电驱动功能。
根据公式(3)可得：
将公式(4)代入公式(2)可得：
当ωS＝0时，根据公式(1)可得：
其中，TC表示行星架112所输出的驱动力矩，ωC表示行星架112的转速。
但为了实现在纯电驱动(即电动驱动模式)下平稳启动发动机30，必须克服离合器13耦合时发动机30的惯性矩作用在行星架112上的负冲击扭矩。这是因为在纯电驱动下启动发动机时，必须借助于离合器13的耦合来使行星架112的行星架轴拖动发动机轴而启动。而且由于混合动力汽车经常需要从纯电动驱动模式(EV)模式切换到混合动力驱动模式(HEV)，也就是在车辆行驶中通过纯电动驱动模式启动发动机，该过程可以通过接合离合器13，以锁止行星轮系，并由太阳轮轴拖动发动机轴转动，这种启动发动机方法是非常简洁的。由此，带来了一个难题：由于在离合器13耦合之前，发动机30处于静止，其发动机轴转速为零，如果在这时将离合器13耦合，就等于行星齿轮系11的三个轴(即太阳轮轴、齿圈轴和行星架轴)要进行一个完全非弹性的转动碰撞，这个转动碰撞会在行星架112上产生冲击扭矩，该冲击扭矩是发动机轴的惯性矩产生的，当该冲击扭矩传递到车轮上时会使机动车辆产生震动，并使乘车者感到难受，更甚者可能导致机械结构的损坏而发生安全事故，由此，该冲击扭矩是不能被接受的。
为避免启动发动机过程中产生过大的冲击，本发明建立了太阳轮111、小行星齿轮、行星架112和齿圈113的动力学方程，并由此推导出离合器耦合力矩TCl、电机扭矩TM分别与发动机30、变速箱40所受扭矩和惯性矩的关系，并在此基础上，提出具体方法以实现机动车辆在行驶中快速、平稳地启动发动机30。
如图7所示，对齿圈113的分析后，获得齿圈动力学方程为：
其中，FR为行星齿轮对齿圈113的作用力的切向分量，是齿圈113的角加速度，JR为齿圈113上的总惯性矩，TM为电机驱动扭矩，TCl为限力矩的离合器耦合力矩，RR为齿圈113的半径。
在行星轮系统11中，行星齿轮的质量和惯性矩较小，故忽略不计。如图8所示，在行星轮系统11中对行星齿轮受力分析为：
FR·p＝FS·p (8)
FC＝FS+FR (9)
由公式(8)可得：
F＝FS＝FR (10)
将公式(10)代入公式(9)中，可得：
FC＝2FS＝2FR (11)
其中，FS为太阳轮111对行星齿轮的作用力的切向分量，FR为行星齿轮对齿圈113的作用力的切向分量，FC为行星架112对行星齿轮轴的作用力，p为行星齿轮的半径。
如图9所示，对行星架轴的受力分析后，获得行星架轴的动力学方程：
由方程(11)和(12)可得：
其中，JC为行星架轴的惯性矩，TfV为整车阻力矩对行星架作用力矩，TCl为限力矩的离合器耦合力矩，RR为齿圈113的半径，RS是太阳轮111的半径。
如图10所示，对太阳轮111分析后，获得太阳轮111的动力学方程为：
其中，是太阳轮111的角加速度，JS为太阳轮111上的惯性矩，FS为小行星齿轮对太阳轮的作用力。
如图6所示，在下所示的公式(1)中，行星轮系统三个齿轮的速度关系为：
ωS·RS+ωR·RR＝ωC·(RS+RR)
对上述速度方程求导，可得三轴的加速度方程为：
根据上述行星齿轮机构三个齿轮的受力分析和三个齿轮轴加速度方程的推导，可得到方程(1-1)、(7)、(13)和(14)如下所示：
由方程(14)可得：
由方程(13)可得：
由方程(15)和(16)得：
由方程(7)得：
由方程(15)和(18)得：
公式(17)和(19)分别为离合器耦合力矩和电机的输出扭矩的表达式。也就是说，有限耦合力矩(离合器耦合力矩)TCl的大小由公式(17)计算获得，有限耦合力矩(离合器耦合力矩)TCl的表达式为：
其中，TCl是离合器耦合力矩，JS是太阳轮111的转动惯量即发动机30的转动惯量；TfE是发动机30的阻力矩；RS是太阳轮111的半径；RR是齿圈111的半径；当混合动力变速箱100设计完成之后，RS和RR都是已知参数；JC和TfV分别是整车等效转动惯量和整车转动阻力折算到所述变速箱输入轴上的力矩，JC和TfV可以通过整车(机动车辆)当前速比计算得出；是发动机30的角加速度，当达到一定值时，发动机30才能在规定的时间内达到平稳启动的转速，因此是根据要求进行设定的；为行星架112的角加速度即启动发动机30的过程中整车(机动车辆)的加速度。
在启动发动机30的过程中如果说明整车处于加速状态；如果说明整车处于匀速状态；如果说明整车处于减速状态。而在启动发动机30的过程中整车处于减速状态这是不可接受的，因此，需要要求故可以根据实际工况选择或者的合适数值。之后根据公式(17)中的数值即可确定离合器耦合力矩TCl的数值。
当混合动力变速箱100在机动车辆行驶中启动发动机30而将限力矩离合器13耦合时，由电机20的控制器控制电机20输出一驱动扭矩TM，该驱动扭矩(即电机的输出扭矩)TM的大小由公式(19)计算获得，TM的表达式为：
其中，TM表示电机20的输出扭矩，TCl是离合器耦合力矩，TfE是发动机30的阻力矩，RS表示太阳轮111的半径，RR表示齿圈113的半径，JR是齿圈113的转动惯量即电机20的转动惯量，当混合动力变速箱100设计好之后，它们都是已知参数，是齿圈113的角加速度，表示发动机30的角加速度，可以根据和的值及公式(1-1)求得：
其中，为行星架112的加速度，是齿圈113的角加速度，表示发动机30的角加速度，RS表示太阳轮111的半径，RR表示齿圈113的半径。
要使得发动机30启动、加速过程平稳，就要保证行星架112角加速度在一定的范围。若小于零，则车辆出现减速，一般是不可接受的；若等于启动前的加速度值，则车辆完全没有受到启动过程的影响，是完美的启动；实际上，取一个介于零加速度和启动前的加速度之间的某个值，即可满足要求。
发动机30角加速度可根据启动发动机30所需时间计算得出。角加速度越大，启动发动机30时间越短，但会影响启动发动机30平顺性；角加速度越小，启动发动机30时间越长。根据行星轮系统的固有关系，齿圈113角加速度可由和求得。
式(17)(19)中，JC、JS、JR、TfV、TfE可由机动车辆状态求得；RR、RS由设计决定，为定值。至此，已获得以上(17)(19)二式的全部参数，可求得离合器13的耦合力矩和电机20的输出扭矩。按照求得的离合器耦合力矩和电机输出扭矩来设定，能够快速、平稳地启动发动机30。
本发明的混合动力变速箱100通过控制离合器13的耦合扭矩TCL来限制电机20扭矩TM和发动机30阻力矩TfE对变速箱40输入轴产生的扭矩峰值。
在离合器13耦合时，电机20输出的扭矩TM通过离合器13传递到行星架112上驱动车辆行驶，同时也传递到发动机轴上，启动发动机30。
本发明的混合动力变速箱100用控制离合器13的最大扭矩来限制发动机30的发动机轴对变速箱40的输入轴产生的耦合力矩的峰值，其目的是使发动机30的惯性矩在变速箱40的输入轴的负扭矩被限制在一个较低的范围之内。同时，本发明混合动力变速箱100又通过增加电机20的电机轴的输出扭矩TM来抵消发动机轴的惯性矩作用在行星架112上的剩余负扭矩。
在离合器13耦合时，电机20的电机轴输出的扭矩一方面通过离合器13传递到行星架112上去抵消负扭矩，这样有利于启动过程平稳；另一方面通过齿圈113和太阳轮111对发动机轴产生反向扭矩，从而不利于快速启动。因此，电机20输出的扭矩不能太大，应把握在既能抵消作用在行星架112上的负扭矩，又能迅速启动发动机30的范围之内。为了达到这一目的，本发明分析了在离合器13耦合时行星齿轮机构(即行星齿轮系11)中各齿轮轴的受力情况，根据它们的动力学平衡方程推导得出方程(17)和(19)，并根据这两个方程计算出离合器耦合时其限力耦合力矩(即离合器耦合力矩)TCl和电机输出扭矩TM的大小，由此采用本发明推导出的公式(17)和(19)进行计算就可以合理给出上述两个力矩值，从而达到快速平稳启动发动机的目的。
下面通过具体示例对本发明的用于机动车辆的混合动力变速箱在离合器耦合时其限力耦合力矩(即离合器耦合力矩)TCl和电机输出扭矩TM的大小的计算方法进行进一步说明。
例一：整车50Km/h匀速EV(即电机驱动模式)行驶，整车和系统参数：JS＝0.1313kg·m2，RR＝0.07155m，RS＝0.0397m，JR＝0.0367kg·m2，TfE＝20Nm；车重1690Kg，车轮半径0.307m。车辆EV模式行驶，车速50Km/h、速比5.141，整车惯性力折算到变速箱输入轴的转动惯量JC＝6.06kg·m2，整车阻力折算到变速箱输入轴的扭矩TfV＝8.01Nm。是根据需求的发动机启动时间设定的。例如：本实例发动机在0.3s内由0rpm加速至怠速转速800rpm，则 为行星架112的加速度，且启动发动机过程中满足≧0的要求。
A.当取时，
a1根据公式(1)，可得：
a2根据公式(17)，可得：
a3根据公式(19)，可得：
综上所述，当以50km/h纯电动行驶时，设定离合器传递力矩为167Nm且设定电机驱动扭矩为59Nm时，可实现在0.3s内启动发动机，并且整车的加速度为0，即纯电动行驶过程中平稳启动发动机。
B.当时，
b1.根据公式(1)，可得：
b2.根据公式(17)，可得：
b3.根据公式(19)，可得：
综上所述，当纯电动行驶时，控制离合器传递力矩为179Nm且电机力矩为71Nm时，可实现在0.3s内启动发动机，并且行星架的角加速度为2rad/s2即整车具有0.119m/s2的加速度。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
(1)本发明提供的用于机动车辆的混合动力变速箱采用独创的包括有行星轮、离合器和电机的动力耦合机构，使得工况切换快速灵活；
(2)本发明提供的用于机动车辆的混合动力变速箱用独特的方法实现了机动车辆在行驶中能够快速平稳地启动发动机；
(3)本发明提供的用于机动车辆的混合动力变速箱使用唯一电机实现驱动、助力、启动发动机、发电和再生制动等功能，可节省附加成本；
(4)本发明提供的用于机动车辆的混合动力变速箱集成了量产变速箱，能够实现大批量生产且成本低；
(5)本发明提供的用于机动车辆的混合动力变速箱结构紧凑，轴向尺寸小，从而便于布置；
(6)本发明提供的用于机动车辆的混合动力变速箱动总移植性好，可扩展多种车型，可匹配不同的变速箱，可用于插电式重度混合动力汽车(PHEV)和非插电式重度混合动力汽车(HEV)；
(7)本发明提供的用于机动车辆的混合动力变速箱具有包括电机、行星轮系、离合器、制动器等的混合动力模块，从而能够实现纯电动模式和混合驱动模式，能够完成全部需要的功能；
(8)本发明提供的用于机动车辆的混合动力变速箱通过建立动力学方程组，推导出控制方程，基于该控制方程解决了单电机混动系统快速平稳启动发动机的难题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于机动车辆的混合动力变速箱，其特征在于，
所述混合动力变速箱包括动力耦合机构、电机和变速箱，所述动力耦合机构和电机设置在所述变速箱的前箱体中，所述动力耦合机构设置在所述电机和所述机动车辆的发动机之间，且所述动力耦合机构分别与电机、发动机和变速箱连接，以实现发动机的动力与电机的动力之间的切换和耦合，从而实现所述机动车辆的电动驱动模式和混合动力驱动模式；
所述动力耦合机构包括行星轮系统、制动器和离合器，所述行星轮系统分别与制动器、离合器和变速箱连接，或
所述动力耦合机构包括行星轮系统、离合器和单向离合器，所述行星轮系统分别与离合器、单向离合器和变速箱连接；
所述行星轮系统包括太阳轮、行星架和齿圈；
所述离合器耦合力矩的表达式为：
其中，TCl表示所述离合器耦合力矩，JS表示太阳轮的转动惯量，TfE表示所述发动机的阻力矩，RS表示所述太阳轮的半径，RR表示齿圈的半径，JC表示所述机动车辆的等效转动惯量，TfV表示所述机动车辆转动阻力折算到所述变速箱的输入轴上的力矩，表示所述行星架的角加速度，表示所述发动机的角加速度；
所述混合动力变速箱通过控制所述离合器耦合力矩和电机输出正向扭矩以实现所述机动车辆的电动驱动模式和混合动力驱动模式平稳切换，
所述电机的输出扭矩的表达式为：
其中，TM表示所述电机的输出扭矩，TC1表示所述离合器耦合力矩，JR表示所述齿圈的转动惯量，TfE表示所述发动机的阻力矩，RS表示所述太阳轮的半径，RR表示所述齿圈的半径，JS表示所述太阳轮的转动惯量，表示齿圈的角加速度，表示所述发动机的角加速度。
2.根据权利要求1所述的用于机动车辆的混合动力变速箱，其特征在于，
所述太阳轮与发动机的发动机轴相连接，所述行星架与变速箱的输入轴相连接，所述齿圈与电机的电机轴相连接，
所述混合动力变速箱通过控制所述离合器的最大扭矩来限制所述发动机轴对所述变速箱的输入轴产生的耦合力矩的峰值。
3.根据权利要求2所述的用于机动车辆的混合动力变速箱，其特征在于，
所述制动器或单向离合器的一端与所述太阳轮连接，相应地所述制动器或者离合器的另一端与所述前箱体的外壳连接，用于锁止所述发动机，
所述离合器的一端与所述行星架连接，所述离合器的另一端与所述齿圈连接，所述离合器闭合使所述行星架和所述齿圈产生耦合力矩，将所述行星轮系锁定，使所述太阳轮、所述行星架和所述齿圈同速转动，
在所述离合器耦合时，所述电机轴输出的正向扭矩通过所述离合器传递到所述行星架上以抵消负扭矩。
4.根据权利要求3所述的用于机动车辆的混合动力变速箱，其特征在于，
在所述发动机在起步的过程中，所述发动机起步前，所述发动机怠速并驱动所述太阳轮正向转动，所述机动车辆的车轮处于静止状态，与所述车轮连接的所述变速箱和所述行星架的转速为零，受所述行星轮系统运动学的约束，所述齿圈带动所述电机反向转动；
所述发动机起步时，所述发动机和电机分别输出正向扭矩，经过所述行星轮系统的耦合传递到所述行星架上，之后输出到变速箱以推动所述车轮转动，所述行星架的转速由零逐步增大；
同时所述齿圈做正方向加速，且所述齿圈的转速由负值迅速增大，变成正值，当所述齿圈和行星架的转速相同时，所述离合器闭合，所述机动车辆进入混合动力驱动模式。
5.根据权利要求4所述的用于机动车辆的混合动力变速箱，其特征在于，
在所述机动车辆为电动驱动模式起步时，所述发动机不工作，且所述电机通过所述变速箱单独驱动所述机动车辆行驶，所述电机扭矩作用在所述齿圈上，之后通过所述行星架减速作用在所述变速箱的输入轴上，受所述齿圈的齿轮的作用，所述行星轮系统中的小行星齿轮将反向扭矩作用在所述太阳轮上，使所述发动机反向转动，此时所述制动器闭合且所述单向离合器处于工作状态以防止所述发动机反转；
当所述机动车辆需要增加动力时闭合所述离合器，所述动力耦合机构通过所述太阳轮，拖动所述发动机转动并点火启动，以实现在所述电动驱动模式下启动所述发动机，从而所述机动车辆进入混合动力驱动模式。
6.根据权利要求5所述的用于机动车辆的混合动力变速箱，其特征在于，
所述离合器通过设定传递力矩使在所述行星架与所述齿轮之间形成相应的离合器耦合力矩，
所述行星架与所述变速箱的输入轴之间通过花键连接。
7.根据权利要求2所述的用于机动车辆的混合动力变速箱，其特征在于，
所述单向离合器的内圈与所述太阳轮的太阳轮轴连接，所述单向离合器的外圈与所述前箱体的外壳连接用于控制所述发动机正向转动和阻止所述发动机反向转动。
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