CN105782368B - 一种转速耦合型混合动力车用电动化分动器 - Google Patents

一种转速耦合型混合动力车用电动化分动器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种转速耦合型混合动力车用电动化分动器，包括经变速器与内燃机驱动连接的第一输入轴(A)，与电机驱动连接的第二输入轴(M)，与前桥连接的第一输出轴(F)，与后桥连接的第二输出轴(R)，第一差速装置(D1)，其具有独立旋转且转矩比例关系固定的驱动构件(Act1)、第一从动构件(Pass11)及第二从动构件(Pass12)。与现有技术相比，本发明增加了车辆工作模式的数量，有效扩展了其对极端工况的适应性。

Description

一种转速耦合型混合动力车用电动化分动器
技术领域
本发明涉及一种车用动力传动装置，尤其是涉及一种转速耦合型混合动力车用电动化分动器。
背景技术
对于以内燃机作为单一动力源的传统小型四驱越野车或SUV而言，通常其动力总成主要包括：发动机，变速器，分动器及前后驱动桥等。若要基于上述车型实现并联式混合动力传动，相比于将电机与变速器进行集成(即混合动力变速器)的方案，选择将电机与分动器进行集成(即电动化分动器)具有一定的优势。首先，分动器的主要功能是实现发动机输出动力向前后驱动桥的分流，相比于变速器，其具有较为简单的结构，因此电动化分动器的开发成本更低。其次，由于电动化分动器安装在变速器的输出端，因此同一类型产品可适用于不同类型的变速器，这大大提高了其适用性。
对于单电机并联式混合动力汽车而言，依据动力耦合方式，其主要可被分为两类，即：转矩及转速耦合方式。对于前者而言，动力源的转速与车速呈固定比例关系，而动力源输出的转矩可被自由调节，其通常基于定轴齿轮传动方式实现。对于后者而言，情况正相反，动力源输出的转矩与车辆负载转矩呈固定比例关系，而动力源的转速可被自由调节，其通常基于行星齿轮传动方式实现。由于车用动力源仅能在有限区间内实现高效运行，如果能够结合上述两种动力耦合方式的优点，在转速及输出转矩两个维度上同时对其工作点进行优化，则将较大幅度地改善车辆的经济性。
假定上述电动化分动器是基于转速耦合方式实现的，由于变速器先行实现了对发动机转速的调节，因此由此实现的混合动力系统将综合具备转矩及转速耦合方式的优点，同时具备低成本模块化的特点，这便是本发明设计的初衷。
中国专利CN 102459953 B公开了一种用于四轮驱动车辆的多模式混合动力电动分动器，尽管同样是通过行星排实现发动机与电机输出动力的耦合，但是在在上述专利中，通过操纵第三模式离合器可以完全切断电机与行星排间的机械连接关系，而在本发明中，电机始终与行星排间始终存在机械连接关系。因此，上述专利与本发明间存在根本性的区别。
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增加了车辆工作模式的数量，有效扩展了其对极端工况的适应性的转速耦合型混合动力车用电动化分动器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种转速耦合型混合动力车用电动化分动器，包括
经变速器与内燃机驱动连接的第一输入轴，
与电机驱动连接的第二输入轴，
与前桥连接的第一输出轴，与后桥连接的第二输出轴，
第一差速装置，具有独立旋转且转矩比例关系固定的驱动构件、第一从动构件及第二从动构件，驱动构件与第一输入轴同步驱动连接，所述的第一从动构件与第二输入轴同步驱动连接，所述的第一输出轴和第二输出轴分别与第一从动构件及第二从动构件同步驱动连接。
所述的第一输出轴和第二输出轴通过第二差速装置与第一差速装置的第二从动构件驱动连接。
所述的第二差速装置具有独立旋转且转矩比例关系固定的驱动构件、第一从动构件及第二从动构件，所述的第一从动构件及第二从动构件分别与第一输出轴和第二输出轴直接连接，所述的驱动构件与第一差速装置的第二从动构件驱动连接。
所述的第一差速装置还带有第一同步锁止机构。第一同步锁止机构具备的第一锁止状态实现第一差速装置锁止后的整体回转或解锁后的差速运行，具备的第二锁止状态实现第一从动构件与壳体的固结锁止，进而实现第一输入轴与壳体的固结锁止。
所述的第二差速装置还带有第二同步锁止机构，用于可选地将第一从动构件到第一输出轴的动力传递路径切断或连接。
当所述的第一差速装置的驱动构件被固定时，第一输出轴和第二输出轴之间传动比的大小为1。
所述的第一输出轴到第一从动构件的动力传递路径可被第三同步锁止机构切断或连接。
差速机构既可以用作轴间的差速，也可以用作不同动力源之间的功率耦合，在固定其中一个元件的情况下还可以用作变速机构。本发明正是组合利用上述特性来满足车辆的不同工况需求。
与现有技术相比，本发明充分利用了行星排的差速和变速能力，通过引入一个电机，同时设置相应的同步锁止机构，增加了车辆工作模式的数量，有效扩展了其对极端工况的适应性。
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3中本发明的结构示意图；
图4为实施例4中本发明的结构示意图；
图5为实施例5中本发明的结构示意图；
图6为实施例6中本发明的结构示意图。
图中，1-发动机减速主动齿轮、2-发动机减速从动齿轮、3-电机减速主动齿轮、4-电机减速从动齿轮、5-主减速主动齿轮、6-主减速从动齿轮、7-分动器壳体、8-前桥减速主动齿轮、9-前桥减速从动齿轮、10-后桥减速主动齿轮、11-后桥减速从动齿轮、12-第一齿轮、13-第二齿轮、14-第三齿轮、15-第四齿轮、16-第五齿轮、A-第一输入轴、M-第二输入轴、F-第一输出轴、R-第二输出轴、D-中间轴、SW1-第一同步锁止机构、SW2-第二同步锁止机构、SW3-第三同步锁止机构、SW4-第四同步锁止机构、D1-第一差速装置、S1-太阳轮、F1-行星轮、C1-保持架、R1-齿圈、D2-第二差速装置、C2-差速器壳体、S2-半轴齿轮、F2-行星轮、R2-半轴齿轮。
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
一种转速耦合型混合动力车用电动化分动器，其结构如图1所示，其包括5根传动轴，分别是：1)与变速器输出轴连接，用于传递发动机输出动力的第一输入轴A；2)与电机连接的电机轴M；3)用于耦合两个动力源输出动力的中间轴D；4)与前桥连接的第一输出轴F；5)与后桥连接的第二输出轴R。
第一差速装置D1为单个行星排，其包含一个太阳轮S1，一组行星轮F1，一个保持架C1及一个齿圈R1，其中太阳轮S1与中间轴D固结，保持架C1及齿圈R1均空套在中间轴D上。
第二差速装置D2为差速器，其包含一个差速器壳体C2，一组行星轮F2及半轴齿轮S2和半轴齿轮R2，二者分别与第一输出轴F及第二输出轴R连接。
保持架C1及差速器壳体C2分别与主减速主动齿轮5及主减速从动齿轮6固结，由此实现第一差速装置D1与第二差速装置D2间的动力传递路径。
发动机减速主动齿轮1及发动机减速从动齿轮2分别固结在第一输入轴A及中间轴D上，由此使得第一输入轴A通过固定速比与中间轴D，进而与太阳轮S1连接。
电机减速主动齿轮3及电机减速从动齿轮4分别固结在第二输入轴M及齿圈R1上，由此使得第二输入轴M通过固定速比与齿圈R1连接。
第一同步锁止机构SW1用于改变动力源至轮边的耦合方式，当第一同步锁止机构SW1向左侧啮合时，太阳轮S1与齿圈R1被同步锁止，进而使得第一差速装置D1被整体锁止，由此实现第一锁止状态，两个动力源以转矩耦合方式向轮边传递动力。当第一同步锁止机构SW1向右侧啮合时，太阳轮S1与分动器壳体7锁止，由此实现第二锁止状态，电机单独以固定速比向轮边传递动力。当第一同步锁止机构SW1处于空档位置时，两个动力源以转速耦合方式向轮边传递动力。
第二同步锁止机构SW2用于改变第一输出轴F与第二输出轴R的轴间差速状态，当第二同步锁止机构SW2向右侧啮合时，第二差速装置D2被整体锁止，二者同步锁止。当锁止同步机构SW2处于空档位置时，二者间可以存在转速差。
由上述分析可知，在实施例1中，第一差速装置D1的功能包括：1)实现对两个动力源输出动力的耦合；2)结合对第一同步锁止机构SW1的操纵，改变两个动力源至前/后驱动桥的传动比。假定将实施例1用于实现强混方案，由于发动机的功率通常大于电机，因此用于传递发动机动力的太阳轮S1构成了所述驱动构件，与电机连接的齿圈R1构成了所述第一从动部件，保持架C1构成了所述第二从动部件。第二差速装置D2主要用于实现第一输出轴F与第二输出轴R间的差速，因此用于传递两个动力源耦合动力的差速器壳体C2构成了所述驱动部件，分别与第一输出轴F/第二输出轴R连接的半轴齿轮S2/半轴齿轮R2构成了所述第一/二从动部件。
假定发动机通过定轴式变速器与第一输入轴A连接，当配备实施例1所述电动化分动器，且第二同步锁止机构SW2处于分离状态时，车辆将具备如表1所示的全时四驱模式(AWD模式)。
表1
发动机 变速器 电机 离合器 SW1 模式
运行 在档 运行 接合 第一锁止状态 转矩耦合型HEV(行驶)
运行 在档 运行 滑磨 第一锁止状态 转矩耦合型HEV(起步)
运行 在档 运行 / 空档位置 转速耦合型HEV
关机 空档 运行 接合 第一锁止状态 高档EV
关机 / 运行 接合 第二锁止状态 低档EV
运行 空档 运行 接合 空档位置 停车发电
假定半轴齿轮S2/半轴齿轮R2具有相同的节圆直径，且前/后驱动桥具有相同的主减速比及驱动轮半径，若电机不输出动力，且制动器不工作，则AWD模式下的前/后驱动桥驱动力的分配比例为1:1。
当第二同步锁止机构SW2处于接合状态时，表1所示的任何一种模式将转换为相应的分时四驱模式(4WD)模式。
特别地，以转速耦合型HEV模式为例，当车辆运动时，若电机转速方向与发动机相反，则可以使得车辆获得极低的车速；当车辆静止时，电机可以通过行星排的杠杆作用帮助发动机完成启动。
实施例2
一种转速耦合型混合动力车用电动化分动器，其结构如图2所示，与实施例1相比，其主要区别体现在电机改与保持架C1连接。
实施例3
一种转速耦合型混合动力车用电动化分动器，其结构如图3所示，与实施例1及实施例2相比，其利用第一差速装置D1同时实现了：1)对两个动力源输出动力的耦合；2)第一输出轴F与第二输出轴R间的差速，由此省去了第二差速装置D2。
发动机减速主动齿轮1及发动机减速从动齿轮2分别与第一输入轴A及保持架C1固结，由此使得发动机以固定速比与保持架C1连接。
电机减速主动齿轮3及电机减速从动齿轮4分别与第二输入轴M及中间轴D固结，同时太阳轮S1亦与中间轴D固结，由此使得电机以固定速比与太阳轮S1连接。
前桥减速主动齿轮8与中间轴D同轴布置，前桥减速从动齿轮9与第一输出轴F固结。当与中间轴D同轴布置的第三同步锁止机构SW3可选地将前桥减速主动齿轮8与太阳轮S1连接。
后桥减速主动齿轮10与齿圈R1固结，后桥减速从动齿轮11与第二输出轴R固结。
各齿轮副速比选择满足如下条件：在第一差速装置(D1)的主动构件(Act1)固定情况下，第一输出轴(F)和第二输出轴(R)之间的传动比大小为1。也就是说，由差速装置和前桥减速主动齿轮8、前桥减速从动齿轮9、后桥减速主动齿轮10、后桥减速从动齿轮11构成的齿轮副共同构成的传动链的速比满足如上约束关系。
假定发动机通过定轴式变速器与第一输入轴A连接，当配备实施例3所述电动化分动器时，车辆将具备如表2所示的工作模式。
表2
发动机 变速器 电机 SW3 SW4 模式
运行 在档 运行 分离 分离 转速耦合型后驱-HEV
运行 在档 运行 分离 接合 转速耦合型4WD-HEV
运行 在档 运行 接合 分离 转速耦合型AWD-HEV
运行 在档 运行 接合 接合 转矩耦合型4WD–HEV
关机 空档 运行 接合 分离 转矩耦合型前驱-EV
关机 空档 运行 接合 接合 转矩耦合型4WD-EV
运行 在档 运行 分离 / 停车发电
特别地，在第三同步锁止机构SW3分离的(后驱或四驱)驱动方式，起步过程中，充分利用差速装置的差速特性，可以快速结合离合器而通过调节电机转速保证发动机不熄火和实现平稳无滑磨起步控制。
假定齿圈R1的节圆直径是太阳轮S1的K倍，齿轮副前桥减速主动齿轮8/前桥减速从动齿轮9的速比是齿轮副后桥减速主动齿轮10/后桥减速从动齿轮11的K倍，且前/后驱动桥具有相同的主减速比及驱动轮半径，若电机不输出动力，且制动器不工作，则转速耦合型AWD-HEV模式下的前/后驱动桥驱动力的分配比例为1:1，且通过改变两个动力源输出转矩的大小及方向可有效改变上述分配比例。
实施例4
一种转速耦合型混合动力车用电动化分动器，其结构如图4所示，其可实现的功能与实施例3相同，二者的主要区别体现在第三同步锁止机构SW3由与中间轴D同轴布置改为与第一输出轴F同轴布置。
实施例5
一种转速耦合型混合动力车用电动化分动器，其结构如图5所示，其可实现的功能与实施例3相同，二者的主要区别体现在第一输入轴A与第二输出轴R采用同轴布置。
第一输入轴A与保持架C1固结。第二输入轴M依次通过电机减速主动齿轮3，与中间轴D固结的电机减速从动齿轮4与前桥减速惰轮12及前桥减速主动齿轮8，以固定速比与太阳轮S1连接。
前桥减速从动齿轮9与前桥减速惰轮12啮合，第三同步锁止机构SW3可选地使得第一输出轴F与前桥减速从动齿轮9连接。第二输出轴R与齿圈R1固结。
在转矩耦合型AWD-HEV模式下，由于太阳轮S1依次通过前桥减速主动齿轮8/前桥减速惰轮12/前桥减速从动齿轮9与第一输出轴F连接，且齿圈R1与第二输出轴R连接，因此太阳轮S1，齿圈R1及保持架C1的旋向相同，由此降低了传动系的损耗，扩大了发动机的转速工作范围。
为实现4WD-HEV模式，实施例4专门设置了第二齿轮13/第三齿轮14及第四同步锁止机构SW4，其中第二齿轮13空套在第二输出轴R上，而第三齿轮14则固结在中间轴D上。当第三同步锁止机构SW3/SW4同时接合时，第一输出轴F依次通过前桥减速从动齿轮9/第一齿轮12/第三齿轮14/第二齿轮13以1:1的传动比与第二输出轴R连接。若前/后驱动桥具有相同的主减速比及驱动轮半径，则在4WD-HEV模式下，前/后驱动轮均不易出现严重的磨损。
实施例6
一种转速耦合型混合动力车用电动化分动器，其结构如图6所示，其可实现的功能与实施例5相同，二者的主要区别体现在4WD-HEV模式的实现方式上。
为实现4WD-HEV模式，实施例5专门设置了第四齿轮15/第五齿轮16及第四同步锁止机构SW4，其中第四齿轮15固结在第一输入轴A上，而第五齿轮16则空套在中间轴D上。当第四同步锁止机构SW4接合时，太阳轮S1与保持架C1通过固定速比连接。进一步地，当第三同步锁止机构SW3/SW4同时接合时，第一输出轴F将以1:1的传动比与第二输出轴R连接。

Claims (7)

1.一种转速耦合型混合动力车用电动化分动器，包括
经变速器与内燃机驱动连接的第一输入轴(A)，
与电机驱动连接的第二输入轴(M)，
与前桥连接的第一输出轴(F)，与后桥连接的第二输出轴(R)，
第一差速装置(D1)，其具有独立旋转且转矩比例关系固定的驱动构件(Act1)、第一从动构件(Pass11)及第二从动构件(Pass12)，
其特征在于，
所述的驱动构件(Act1)与第一输入轴(A)同步驱动连接，所述的第一从动构件(Pass11)与第二输入轴(M)同步驱动连接，所述的第一输出轴(F)和第二输出轴(R)分别与第一从动构件(Pass11)及第二从动构件(Pass12)同步驱动连接，所述的第一输出轴(F)和第二输出轴(R)还通过第二差速装置(D2)与第一差速装置(D1)的第二从动构件(Pass12)驱动连接。
2.根据权利要求1所述的一种转速耦合型混合动力车用电动化分动器，其特征在于，所述的第二差速装置(D2)具有独立旋转且转矩比例关系固定的驱动构件(Act2)、第一从动构件(Pass21)及第二从动构件(Pass22)，所述的第一从动构件(Pass21)及第二从动构件(Pass22)分别与第一输出轴(F)和第二输出轴(R)直接连接，所述的驱动构件(Act2)与第一差速装置(D1)的第二从动构件(Pass12)驱动连接。
3.根据权利要求1所述的一种转速耦合型混合动力车用电动化分动器，其特征在于，所述的第一差速装置(D1)还带有第一同步锁止机构(SW1)。
4.根据权利要求3所述的一种转速耦合型混合动力车用电动化分动器，其特征在于，所述的第一同步锁止机构(SW1)具备的第一锁止状态实现第一差速装置(D1)锁止后的整体回转或解锁后的差速运行，具备的第二锁止状态实现第一从动构件(Pass11)与壳体的固结锁止，进而实现第一输入轴(A)与壳体(7)的固结锁止。
5.根据权利要求1所述的一种转速耦合型混合动力车用电动化分动器，其特征在于，所述的第二差速装置(D2)还带有第二同步锁止机构(SW2)，用于可选地将第一从动构件(Pass21)到第一输出轴(F)的动力传递路径切断或连接。
6.根据权利要求1所述的一种转速耦合型混合动力车用电动化分动器，其特征在于，当所述的第一差速装置(D1)的驱动构件(Act1)被固定时，第一输出轴(F)和第二输出轴(R)之间传动比的大小为1。
7.根据权利要求1所述的一种转速耦合型混合动力车用电动化分动器，其特征在于，所述的第一输出轴(F)到第一从动构件(Pass11)的动力传递路径可被第三同步锁止机构(SW3)切断或连接。
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