CN108223723B - 双输入合成调速的四挡动力总成系统 - Google Patents

双输入合成调速的四挡动力总成系统 Download PDF

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Abstract

为了解决现有车辆动力总成系统，特别是电动汽车等新能源车辆动力系统所存在的问题，本发明提供了一种高效、高性能和制造容易的双输入合成调速的四挡动力总成系统。本发明动力总成系统中的齿轮变速机构采用了无齿圈的行星齿轮机构，因此克服了行星齿轮变速机构相关组件的结构复杂与加工困难的缺陷，使得制造容易、成本低；由于多挡变速器的采用，使动力总成在整个车速范围内运行在经济的转速和扭矩范围内，增加了续航里程；采用双输入合成调速的变速方式，使得多挡变速器达到无级变速的效果。

Description

双输入合成调速的四挡动力总成系统
技术领域
本发明属于汽车传动技术领域，涉及一种双输入合成调速的四挡动力总成系统。
背景技术
目前电动汽车的动力总成主要采用“单电机+单级减速器”或者“单电机+多级变速器”的技术方案。
“单电机+单级减速器”的动力总成只能依靠减速器来减速增扭，其转速的改变完全依赖电机转速的改变。因此，就要求“单电机+单级减速器”的动力总成系统的扭矩和转速范围很宽，以适应车辆行驶的各种工况。比如：车辆在起步和爬坡时要求动力总成系统输出的扭矩较大，相应的转速较低；车辆在平直路面上行驶时要求动力总成系统输出的转速较高，相应的扭矩较小。而“单电机+单级减速器”这种型式的动力总成很难满足上述要求，往往是减速器采用了大减速比能够满足起步爬坡的大扭矩要求，却满足不了在平直路面上行驶时需要小减速比以获得高转速的要求。更为不利的是：在整个车速范围内，无法使得动力总成始终或大部分时间运行在效率高的转速和扭矩范围内，导致电能的利用率较低，无法增加电动汽车的续航里程。
要克服上述“单电机+单级减速器”的缺点，需要采用“单电机+多级变速器”的动力总成。通过多级变速器的变速功能，根据车辆不同的运行工况，选择不同的变速比，使得动力总成系统在全车速范围内始终运行在高效转速和扭矩区域内，减少了能量损耗，相应地增加了续航里程。但是，“单电机+多级变速器”型式的动力总成在挡位切换过程中，容易产生动力中断或车辆加速度突变的情况。为了提高车辆的换挡品质，采用双电机动力输入，利用两个电机的转速合成以及扭矩叠加以达到挡位切换时无级变速的效果，减少离合器的滑磨，使得动力总成系统不仅始终运转在高效区内(增加了续航里程)，而且还大大改善换挡品质(提高了车辆乘坐舒适性)和离合器的使用寿命。
现有双电机车辆动力总成系统，其齿轮变速机构采用固定轴式的普通圆柱齿轮变速器(即手动挡变速器)和行星齿轮变速器(AT自动变速器)。手动挡变速器换挡过程中有动力中断，但结构简单；行星齿轮自动变速器换挡品质好但结构复杂、成本高，如图2所示，为一种行星齿轮式变速机构示意图，该变速机构由三个行星排构成，每个行星排包括齿轮P1、行星齿轮P2、齿圈P3和行星架P4(如图1所示)，三个行星排组合在一起，通过三个离合器C1、C2、C3以及三个制动带B1、B2、B3，再加上单向离合器F的配合，可以将每个行星排的齿轮P1、齿圈P3和行星架P4分别作为主动件、被动件或者固定件，这样就可以组合成多个挡位。该类型行星齿轮变速机构的一个行星排的相关组件与另外一个行星排的相关组件的相互连接、嵌套，从而导致整个动力总成系统结构非常复杂，布置困难，给制造和维修带来极大的困难，尤其是齿圈的加工无法采用滚齿的加工方法，因此加工的效率低，精度差，成本较高。
发明内容
为了解决现有车辆动力总成系统，特别是电动汽车等新能源车辆动力系统所存在的问题，本发明提供了一种高效、高性能和制造容易的双输入合成调速的四挡动力总成系统。
本发明的技术方案是：
双输入合成调速的四挡动力总成系统，至少包括变速箱壳体、第一电机、第二电机、输入中心齿轮轴、齿轮变速机构和离合器系统；其特殊之处在于：
所述齿轮变速机构包括：设置在所述输入中心齿轮轴上的输入中心齿轮、输出中心齿轮、若干个行星齿轮总成及行星齿轮轴；所述行星齿轮总成包括输入端行星齿轮和输出端行星齿轮，输入端行星齿轮和输出端行星齿轮固连为一体，并且通过所述行星齿轮轴可旋转安装在行星架上；所述输入端行星齿轮和输出端行星齿轮分别与所述输入中心齿轮和输出中心齿轮啮合；所述输入中心齿轮、输出中心齿轮及行星架的旋转轴线重合；
所述离合器系统包括：K1离合器、K2离合器、B1离合器和B2离合器；
所述第一电机的转子通过所述K1离合器与所述输入中心齿轮轴连接或断开；所述第一电机的转子通过所述K2离合器与所述行星架连接或断开；所述行星架通过所述B2离合器与所述变速箱壳体连接或断开；
所述第二电机与所述输入中心齿轮相连，所述输入中心齿轮通过所述B1离合器与所述变速箱壳体连接或断开。
进一步地，所述第一电机和第二电机分置于所述齿轮变速机构的两侧；所述四挡动力总成系统还包括第二电机输入轴、第一输出齿轮、第二输出齿轮和输出轴；所述第二电机输入轴与输入中心齿轮轴同轴设置，第二电机输入轴的一端与输入中心齿轮轴固连，另一端与第二电机的转子固连；所述第二电机输入轴与所述输入中心齿轮相连，所述输出中心齿轮套装在所述第二电机输入轴上且可相对转动，所述第一输出齿轮也套装在所述第二电机输入轴上且可相对转动，并且与所述输出中心齿轮固连；所述第二输出齿轮固定安装在所述输出轴上，与所述第一输出齿轮啮合。
或者，所述第二电机与齿轮变速机构分置于所述第一电机的两侧；所述四挡动力总成系统还包括第二电机输入轴；所述第一电机的转子呈管状，所述第二电机输入轴穿过所述第一电机的转子中央孔与所述输入中心齿轮相连；所述输出中心齿轮可直接向外动力输出。
进一步地，所述四挡动力总成系统还包括第一输出齿轮、第二输出齿轮和输出轴；所述第一输出齿轮与所述输出中心齿轮通过输出中心齿轮轴固连为一体；所述第二输出齿轮固定安装在所述输出轴上，与所述第一输出齿轮啮合；所述输出中心齿轮的动力输出通过第一输出齿轮与第二输出齿轮转接输出。
进一步地，多个所述行星齿轮总成相对于所述行星架的旋转轴线沿圆周方向单输入三挡动力总成系统。
进一步地，所述K1离合器、K2离合器、B1离合器和B2离合器均可采用电磁式或液压式。
进一步地，所述第一电机或者第二电机用内燃机或者其他动力机械替代。
与现有技术相比，本发明的优点：
1、本发明动力总成系统中的齿轮变速机构采用了无齿圈的行星齿轮机构，因此克服了行星齿轮变速机构相关组件的结构复杂与加工困难的缺陷，使得制造容易、成本低；由于多挡变速器的采用，使动力总成在整个车速范围内运行在经济的转速和扭矩范围内，增加了续航里程；采用双输入合成调速的变速方式，使得多挡变速器达到无级变速的效果。
2、本发明多挡变速器是利用离合器系统实现换档，相对于现有采用同步器实现换挡的多挡变速器，本发明换档时顿挫小。
附图说明
图1为现有的一种行星齿轮变速机构中行星排的基本结构示意图；
图2现有的一种行星齿轮变速机构的结构示意图；
图3为本发明动力总成系统实施例一的结构示意图；
图4为本发明动力总成系统实施例二的结构示意图；
图5为本发明实施例一的1挡双电机工况动力传递路线示意图；
图6为本发明实施例一的1挡单电机工况动力传递路线示意图；
图7为本发明实施例一的2挡动力传递路线示意图；
图8为本发明实施例一的3挡动力传递路线示意图；
图9为本发明实施例一的4挡动力传递路线示意图；
附图标记说明：
1-第一电机，2-第二电机，3-输入中心齿轮，4-输入端行星齿轮，5-输出端行星齿轮，6-输出中心齿轮，7-第一输出齿轮，8-第二输出齿轮，9-行星架，10-B2离合器，11-第二电机输入轴，12-输入中心齿轮轴(与第一电机转子相连)，13-行星齿轮轴，14-输出轴，15-B1离合器，16-变速箱壳体，17-K1离合器，18-K2离合器，19-输出中心齿轮轴。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
实施例一：
参见图3，本实施例四挡动力总成系统包括：变速箱壳体16、输入中心齿轮轴12、第二电机输入轴11、输出轴14、齿轮变速机构、第一电机1、第二电机2以及离合器系统。第一电机1和第二电机2分别布置于齿轮变速机构的两侧。
输入中心齿轮轴12和第二电机输入轴11同轴固连设置，第二电机输入轴11的一端与输入中心齿轮轴12固连，第二电机输入轴11的另一端与第二电机2的转子固连。
齿轮变速机构包括：输入中心齿轮3、输出中心齿轮6、若干个由输入端行星齿轮4和输出端行星齿轮5固连于一体构成的行星齿轮总成、第一输出齿轮7、第二输出齿轮8以及旋转轴线与输入中心齿轮3、输出中心齿轮6旋转轴线重合的行星架9。
输入中心齿轮3固定安装在输入中心齿轮轴12上，输出中心齿轮6套装在第二电机输入轴11上，并且相对于第二电机输入轴11且可以转动；行星齿轮总成通过行星齿轮轴13可旋转安装在行星架9上，多个行星齿轮总成沿圆周布置(通常情况下为均布)，输入端行星齿轮4和输出端行星齿轮5分别与输入中心齿轮3和输出中心齿轮6啮合。
第一输出齿轮7套装在第二电机输入轴11上，相对于第二电机输入轴11可以转动，并且与输出中心齿轮6固连于一体；第二输出齿轮8固定安装在输出轴14上与第一输出齿轮7啮合；
离合器系统包括：用于将第一电机1的转子与输入中心齿轮轴12连接或断开的K1离合器17、用于将第一电机1与行星架9连接或断开的K2离合器18、用于将第二电机输入轴11与变速箱壳体16连接或断开的B1离合器15、用于将行星架9与变速箱壳体16的连接或断开B2离合器10。
上述离合器均可采用电磁式或液压式。
本实施例的工作过程：
工况一：
(一)1挡双电机工况：
第一电机1-ON，第二电机2-ON，B2离合器10-ON，B1离合器15-OFF，K1离合器17-ON，K2离合器18-OFF；此处，ON指接通电源或接合离合器，OFF指切断电源或分离离合器。
(1)动力传递路线为(参见图5中虚线所示)：
第一电机1→输入中心齿轮轴12→输入中心齿轮3→输入端行星齿轮4→输出端行星齿轮5→输出中心齿轮6→第一输出齿轮7→第二输出齿轮8→输出轴14；
第二电机2→第二电机输入轴11→输入中心齿轮3→输入端行星齿轮4→输出端行星齿轮5→输出中心齿轮6→第一输出齿轮7→第二输出齿轮8→输出轴14。
(2)输出扭矩M0＝(M1+M2)*i；
输出转速n0＝n2/i＝n1/i。
(二)1挡单电机工况:
对于启动扭矩要求比较小时可以采取此方式，以达到节电的目的；可以选择两个电机中的任一个工作，本示例是第二电机2工作:
第一电机1-OFF，第二电机2-ON，B2离合器10-ON，B1离合器15-OFF，K1离合器17-OFF，K2离合器18-OFF
(1)动力传递路线为(参见图6中虚线所示)：
第二电机2→第二电机输入轴11→输入中心齿轮3→输入端行星齿轮4→输出端行星齿轮5→输出中心齿轮6→第一输出齿轮7→第二输出齿轮8→输出轴14。
(2)输出扭矩M0＝M2*i；
输出转速n0＝n2/i。
工况二：
2挡：
第一电机1-ON，第二电机2-OFF，B2离合器10-OFF，B1离合器15-ON，K1离合器17-OFF，K2离合器18-ON；
(1)动力的传递路线为(参见图7中虚线所示)：
第一电机1→行星架9→行星齿轮轴13→输入端行星齿轮4→输出端行星齿轮5→输出中心齿轮6→第一输出齿轮7→第二输出齿轮8→输出轴14。
(2)输出扭矩
输出转速
工况三：
3挡：
第一电机1-ON，第二电机2-ON，B2离合器10-OFF，B1离合器15-OFF，K1离合器17-OFF，K2离合器18-ON；(1)动力的传递路线为(参见图8中虚线所示)：
第一电机1→行星架9→行星齿轮轴13→输入端行星齿轮4→输出端行星齿轮5→输出中心齿轮6→第一输出齿轮7→第二输出齿轮8→输出轴14。
第二电机2→第二电机输入轴11→输入中心齿轮3→输入端行星齿轮4→输出端行星齿轮5→输出中心齿轮6→第一输出齿轮7→第二输出齿轮8→输出轴14。
(2)输出扭矩：M0＝(M1+M2)；
输出转速：
两个电机扭矩关系：M1＝(i-1)*M2。
工况四：
4挡：
第一电机1-ON，第二电机2-ON，B2离合器10-OFF，B1离合器15-OFF，K1离合器17-ON，K2离合器18-ON；
(1)动力的传递路线为(参见图9中虚线所示)
第一电机1→行星架9→行星齿轮轴13→输入端行星齿轮4→输出端行星齿轮5→输出中心齿轮6→第一输出齿轮7→第二输出齿轮8→输出轴14。
第一电机1→输入中心齿轮轴12→输入中心齿轮3→输入端行星齿轮4→输出端行星齿轮5→输出中心齿轮6→第一输出齿轮7→第二输出齿轮8→输出轴14。
第二电机2→第二电机输入轴11→输入中心齿轮3→输入端行星齿轮4→输出端行星齿轮5→输出中心齿轮6→第一输出齿轮7→第二输出齿轮8→输出轴14。
(2)输出扭矩：M0＝(M1+M2)；
输出转速：n0＝n1＝n2。
上述n1、n2分别为第一电机1和第二电机2转速，M1、M2分别为第一电机1和第二电机2扭矩；i为行星架9固定不动时，输入转速与输出转速的比值；离合器OFF表示离合器分离，离合器ON表示离合器接合。
实施例二：
参见图4，本实施例与实施例一的结构基本相同，区别在于：第二电机2和第一电机1布置在齿轮变速机构的同侧，第二电机2的转子由第二电机输入轴11与输入中心齿轮轴12同轴固连；输出中心齿轮6可通过第一输出齿轮7的中心齿轮轴19直接向外动力输出，只有在需要的情况下才再经过第一输出齿轮7或第二输出齿轮8转接输出。
实施例三：
本实施例与实施例一或实施例二的结构相同，区别在于：将第一电机1或者第二电机2用内燃机或其他动力机械替代。

Claims (4)

1.双输入合成调速的四挡动力总成系统，至少包括变速箱壳体(16)、第一电机(1)、第二电机(2)、输入中心齿轮轴(12)、齿轮变速机构和离合器系统；其特征在于：
所述齿轮变速机构包括：设置在所述输入中心齿轮轴(12)上的输入中心齿轮(3)、输出中心齿轮(6)、若干个行星齿轮总成及行星齿轮轴(13)；所述行星齿轮总成包括输入端行星齿轮(4)和输出端行星齿轮(5)，输入端行星齿轮(4)和输出端行星齿轮(5)固连为一体，并且通过所述行星齿轮轴(13)可旋转安装在行星架(9)上；所述输入端行星齿轮(4)和输出端行星齿轮(5)分别与所述输入中心齿轮(3)和输出中心齿轮(6)啮合；所述输入中心齿轮(3)、输出中心齿轮(6)及行星架(9)的旋转轴线重合；
所述离合器系统包括：K1离合器(17)、K2离合器(18)、B1离合器(15)和B2离合器(10)；
所述第一电机(1)的转子通过所述K1离合器(17)与所述输入中心齿轮轴(12)连接或断开；所述第一电机(1)的转子通过所述K2离合器(18)与所述行星架(9)连接或断开；所述行星架(9)通过所述B2离合器(10)与所述变速箱壳体(16)连接或断开；
所述第二电机(2)与所述输入中心齿轮(3)相连，所述输入中心齿轮(3)通过所述B1离合器(15)与所述变速箱壳体(16)连接或断开；
所述第一电机(1)和第二电机(2)分置于所述齿轮变速机构的两侧；所述四挡动力总成系统还包括第二电机输入轴(11)、第一输出齿轮(7)、第二输出齿轮(8)和输出轴(14)；所述第二电机输入轴(11)与输入中心齿轮轴(12)同轴设置，第二电机输入轴(11)的一端与输入中心齿轮轴(12)固连，另一端与第二电机(2)的转子固连；所述第二电机输入轴(11)与所述输入中心齿轮(3)相连，所述输出中心齿轮(6)套装在所述第二电机输入轴(11)上且可相对转动，所述第一输出齿轮(7)也套装在所述第二电机输入轴(11)上且可相对转动，并且与所述输出中心齿轮(6)固连；所述第二输出齿轮(8)固定安装在所述输出轴(14)上，与所述第一输出齿轮(7)啮合；
所述第二电机(2)与齿轮变速机构分置于所述第一电机(1)的两侧；所述四挡动力总成系统还包括第二电机输入轴(11)；所述第一电机(1)的转子呈管状，所述第二电机输入轴(11)穿过所述第一电机(1)的转子中央孔与所述输入中心齿轮(3)相连；所述输出中心齿轮(6)可直接向外动力输出；
所述四挡动力总成系统还包括第一输出齿轮(7)、第二输出齿轮(8)和输出轴(14)；所述第一输出齿轮(7)与所述输出中心齿轮(6)通过输出中心齿轮轴(19)固连为一体；所述第二输出齿轮(8)固定安装在所述输出轴(14)上，与所述第一输出齿轮(7)啮合；所述输出中心齿轮(6)的动力输出通过第一输出齿轮(7)与第二输出齿轮(8)转接输出。
2.根据权利要求1所述的双输入合成调速的四挡动力总成系统，其特征在于：多个所述行星齿轮总成相对于所述行星架(9)的旋转轴线沿圆周方向单输入三挡动力总成系统。
3.根据权利要求1或2所述的双输入合成调速的四挡动力总成系统，其特征在于：所述K1离合器(17)、K2离合器(18)、B1离合器(15)和B2离合器(10)均可采用电磁式或液压式。
4.根据权利要求3所述的双输入合成调速的四挡动力总成系统，其特征在于：所述第一电机(1)或者第二电机(2)用内燃机替代。
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