CN108274989B - 基于双转子电机的转矩定向分配电动驱动桥 - Google Patents

基于双转子电机的转矩定向分配电动驱动桥 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双转子电机的转矩定向分配的电动驱动桥，包括：壳体，以及主驱动电机，其固定在壳体内的一侧，并包括空心轴式内转子；主减速器，其连接所述空心轴式内转子并固定在壳体内；双级行星轮行星排差速器，其连接所述主减速器固设在所述壳体中部，进行等速或差速输出；对转式双转子电机，其通过外壳体固定在所述壳体的另一侧，其从两侧输出大小相同方向相反的扭矩。本发明提出一种基于双转子电机的双端转矩输出特性的电动驱动桥来实现转矩定向分配功能，增加电动车极限转弯能力和机动性。

Description

基于双转子电机的转矩定向分配电动驱动桥
技术领域
本发明属于电动汽车传动技术领域，特别涉及一种基于双转子电机的轮间转矩可主动定向分配的电动驱动桥。
背景技术
近年来，随着人们生活水平的提高和技术的不断进步，人们对于汽车的品质也提出了越来越高的要求，由最初仅作为代步工具的需求逐步过渡到了对安全性、舒适性、经济性与驾驶乐趣等需求上，人们对于高性能汽车的需求也在逐年增加，因此，对于高性能汽车的研发投入也是十分必要。
电动汽车是未来交通方式适应节能减排的重要发展方向，受到了各国重视，并在近几年取得了很好的发展。中国电动汽车的发展起步于大型公交车和小型低端电动车，然而随着电子信息技术的发展，电动汽车逐步向信息化、高端化发展，促就了以特斯拉、比亚迪为代表的高性能、运动型电动汽车。因此，为了提高电动汽车的驾驶性能，发展高性能的电动汽车，带有转矩定向分配功能的电动驱动桥的应用是提高电动汽车技术水平和产品力的重要手段。
传统汽车驱动桥位于传动系统末端，主要由主减速器、差速器、半轴和驱动桥壳等组成，其中差速器是驱动桥中的重要部件。由于差速器的“差速不差扭”原理，导致发动机传递的驱动转矩只能平均分配到两侧车轮上，这样在路面附着不均等的情况下就无法很好的利用地面附着力，甚至在低附着一侧出现车轮打滑的情况，造成车辆的失稳。同时，汽车在高速转弯时，由于内侧的载荷向外侧转移，也可能造成内侧车轮达到附着极限产生滑转使汽车失稳。若驱动转矩可以在两侧车轮间任意分配，则可以充分利用每个车轮的附着极限，极大的减少上述失稳工况。另外，当两侧车轮处路面附着不均等时，驱动转矩可以由低附着一侧向高附着一侧转移，从而消除低附着一侧车轮打滑的工况。当汽车在高速转弯时，若驱动转矩由内侧车轮向外侧车轮转移，则可以防止内侧车轮滑转，并且增加整车的侧向力裕度，同时产生一个附加的横摆力矩，该力矩可以帮助推动和引导车辆转弯，提高车辆转弯机动性和极限转弯能力。
目前，该技术是以转矩定向分配差速器的形式应用于一些高端运动型轿车和SUV中，然而该技术在电动汽车上却并没有过多的应用。在早期有专利“一种带有转矩定向分配功能的双电机耦合驱动桥”(专利号CN 106965659A)公布的的转矩定向分配差速器技术往往借助在驱动桥中布置由多片电磁或液压离合器控制的行星齿轮机构来实现转矩的横向转移分配。由于离合器结合和断开时存在滑磨损失，增加了系统功耗。而且离合器锁止力矩有限，且动作存在响应滞后，这影响了转矩定向分配的执行效果和品质。另外，多组行星齿轮机构也导致系统体积和质量较高，空间布置困难。
发明内容
本发明为解决目前技术的不足，提出一种基于双转子电机的双端转矩输出特性的电动驱动桥，通过双转子电机的双端输出方向相反的扭矩来实现转矩定向分配功能，增加电动车极限转弯能力和机动性。
本发明提供的技术方案为：提供一种基于双转子电机的转矩定向分配电动驱动桥，其特征在于，包括：
主驱动电机，其通过主减速器连接双级行星轮行星排差速器的齿圈；
其中，所述双级行星轮行星排差速器的太阳轮与第一半轴相连，所述双级行星轮行星排差速器的行星架与第二半轴相连；
对转式双转子电机，其包括同轴可相对旋转设置的外转子和内转子，所述外转子可旋转地支撑在外壳体内腔，所述内转子可旋转地支撑在所述外转子内腔；
第一输出端主动齿轮，其连接所述外转子动力输出轴；
第一输出端从动齿轮，其与所述第一输出端主动齿轮啮合传动，并且与所述第一半轴连接；
第二输出端主动齿轮，其连接所述内转子动力输出轴；
第二输出端从动齿轮，其与所述第二输出端主动齿轮啮合传动，可旋转的支撑在所述第一半轴，并且与所述双级行星轮行星排差速器的行星架连接；
其中，所述第一输出端主动齿轮和所述第一输出端从动齿轮之间的传动比与所述第二输出端主动齿轮和所述第二输出端从动齿轮之间的传动比相等。
优选的是，壳体，其套设在所述主驱动电机、所述主减速器、所述双级行星轮行星排差速器和所述对转式双转子电机的外部，所述壳体内壁与所述主驱动电机的外壳、以及对转式双转子电机的外壳固连。
优选的是，所述主驱动电机为空心轴式内转子电机。
优选的是，所述双级行星轮行星排差速器还包括：
所述齿圈，其通过两端的空心轴颈部旋转地支撑在所述壳体上；
太阳轮，其容纳在所述齿圈内，与所述第一半轴花键连接；
多对行星轮，其设置在所述太阳轮和齿圈之间，所述行星轮相互外齿合，且靠近内侧的行星轮与所述太阳轮外齿合，靠近外侧的行星轮与所述齿圈内齿合；
所述行星架，其设置在所述行星轮的两侧，所述行星架与所述第二半轴花键连接。
所述双级行星轮行星排差速器的行星排特性参数为2。
优选的是，
所述行星架第一端空心轴和所述第二半轴分别从所述齿圈两端空心轴内孔伸出。
优选的是，
所述主减速器为双排行星轮系减速器，其包括并排传动的第一行星轮系和第二行星轮系。
优选的是，
所述第一行星轮系包括：
第一太阳轮，其可旋转支撑在所述第二半轴上；
三个第一行星轮，其与所述第一太阳轮啮合；
第一行星架，其与所述双级行星轮行星排差速器的齿圈固连；
第一内齿圈，其与所述壳体固连。
优选的是，
所述第二行星轮系包括：
第二太阳轮，其可旋转支撑在所述第二半轴上，并与所述主驱动电机的动力输出轴花键连接；
三个第二行星轮，其与所述第二太阳轮啮合
第二行星架，其与所述第一太阳轮连接；
第二内齿圈，其与所述壳体固连。
优选的是，还包括：
所述第一半轴连接左侧车轮；以及
所述第二半轴穿过所述主驱动电机的空心转子轴内孔连接右侧车轮。
优选的是，
所述主驱动电机的内转子与所述第二太阳轮花键连接。
本发明所述的有益效果：1)本发明的驱动转矩可以按照控制逻辑的控制需求任意大小相等方向相反地定向的分配到后轴左右两侧车轮，既可以实现转矩从转速快一侧车轮转移至转速慢的一侧，亦可以实现转矩从转速慢一侧车轮转移至转速快的一侧车轮，在严格不改变纵向总驱动转矩的前提下，实现了左右两侧车轮转矩的任意分配；2)本发明采用双转子电机作为转矩定向分配机构的执行器，无机械摩擦损失、动作响应迅速，简化传统转矩定向分配机构的行星齿轮机构；3)系统集成度高、结构紧凑、空间占用小，简单可靠。
附图说明
图1为本发明所述的基于双转子电机的转矩定向分配电动驱动桥结构示意简图。
图2为本发明所述的基于双转子电机的转矩定向分配电动驱动桥在没有转矩分配需求时的转矩流向示意图。
图3为本发明所述的基于双转子电机的转矩定向分配电动驱动桥在驱动转矩由第一半轴向第二半轴分配时的转矩流向示意图。
图4为本发明所述的基于双转子电机的转矩定向分配电动驱动桥在驱动转矩由第二半轴向第一半轴分配时的转矩流向示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供了一种基于双转子电机的转矩定向分配驱动桥，主要由转矩定向分配器2000、双级行星轮行星排差速器1300、主减速器1000和主驱动电机1001构成。如图1所示，壳体，以及主驱动电机1001，其固定在壳体内的一侧，并包括空心轴式内转子，主驱动电机1001用于输出动力；主减速器1000，其连接所述空心轴式内转子并固定在壳体内，所述主减速器1000对输出动力进行变速；
双级行星轮行星排差速器1300，其连接所述主减速器1000固设在所述壳体中部，包括伸出所述壳体分别与两侧轮胎固连的第一半轴1301和第二半轴1302，双级行星轮行星排差速器1300对变速后的输出动力通过第一半轴1301和第二半轴1302进行等速或差速输出；转矩定向分配器2000靠近轮胎内侧，设置在双级行星轮行星排差速器1300的另一侧，转矩定向分配器2000主要包括：对转式双转子电机1600，其通过外壳体1601固定在所述壳体的另一侧，包括同轴的外转子1602和内转子1603其中，所述外转子1602可旋转地支撑在所述外壳体1601内腔，所述内转子1603可旋转地支撑在所述外转子1602内腔；第一输出端齿轮传动机构1400，其连接所述外转子1602和第一半轴1301，用于传输动力；第二输出端齿轮传动机构1500，其连接所述内转子1603和双级行星轮行星排差速器1300，用于传输动力。
转矩定向分配器2000位于驱动桥左侧(亦可与主驱动电机1001和主减速器1000组成的主动力源总成调换位置，将其布置在驱动桥右侧)，主要由对转式双转子电机1600、第一输出端齿轮传动机构1400和第二输出端齿轮传动机构1500构成。
所述对转式双转子电机1600的外壳体1601固定在驱动桥壳体上，外转子1602可旋转地支撑在外壳体1601内腔，作为对转式双转子电机的第一输出端，向外输出转矩。内转子1603可旋转地支撑在外转子1602内腔，作为对转式双转子电机的第二输出端，向外输出转矩。所述对转式双转子电机1600具有的特点是，外转子1602和内转子1603输出的转矩总是大小相同，方向相反，该特点是由双转子电机为对转式双转子电机类型的特性所决定。
所述第一输出端齿轮传动机构1400由第一输出端主动齿轮1401和第一输出端从动齿轮1402构成。其中第一输出端主动齿轮1401与对转式双转子电机1600的第一输出端固定连接，可传递外转子1602输出的转矩，第一输出端从动齿轮1402与第一半轴1301花键连接。
所述第二输出端齿轮传动机构1500由第二输出端主动齿轮1501和第二输出端从动齿轮1502构成。其中第二输出端主动齿轮1501与对转式双转子电机1600的第二输出端固定连接，可传递内转子1603输出的转矩，第二输出端从动齿轮1502可旋转地支撑在第一半轴1301上，并与双级行星轮行星排差速器1300的行星架1304的第一端固定连接。
所述第一输出端齿轮传动机构1400与第二输出端齿轮传动机构1500具有相同的传动比。
所述双级行星轮行星排差速器1300，其主要由第一半轴1301、第二半轴1302、齿圈1303、行星架1304、太阳轮1305和三对共6个圆周分布的行星轮1306组成。其中太阳轮1305与第一半轴1301花键连接，行星架1304的第一端空心轴部与第二输出端从动齿轮1502花键连接，行星架1304的第二端与第二半轴1302花键连接。齿圈1303为可拆分的箱体式结构，内部容置太阳轮1305、行星架1304、行星轮1306等差速器零部件。齿圈1303采用箱体式结构可增加刚性。齿圈1303可通过两端的空心轴颈部旋转地支撑驱动桥壳体上，行星架1304第一端空心轴和第二半轴1302分别从齿圈两端空心轴内孔伸出并可旋转支撑在齿圈1303上。第一半轴1301从行星架1304的第一端空心轴部伸出与左轮相连，第二半轴1302从齿圈1303一端中心孔伸出与右轮相连，三对共6个圆周均布的行星轮1306的中心全部空套支撑在行星架1304上，一方面可以随着行星架1304的自转围绕第一半轴1301和第二半轴1302的共同轴线公转，另一方面亦可围绕穿过其中心孔的与行星架1304过盈固连的轴(称为行星轮轴)自转。位置接近的每对两个行星轮1306相互外啮合，且靠近内侧的行星轮1306与太阳轮1305外啮合，同时靠近外侧的行星轮1306与齿圈1303内啮合。行星架1304为开窗式整体箱体结构，内部容置太阳轮1305和6个成对互相啮合的行星轮1306。通过从行星架1304上拆卸穿过各个行星轮1306中心孔的行星轮轴，可将从行星架1304开窗部位放入的6个行星轮1306和太阳轮1305取出。采用整体箱体结构可增加支撑多个行星轮1306的行星架1304的刚性。需要说明的是，为保证双级行星轮行星排差速器1300等分主驱动电机1001传递而来的转矩到两边车轮，其行星排特性参数的值必须为2。
主减速器1000位于驱动桥的右侧，主要由第一行星轮系1100和第二行星轮系1200构成。所述第一行星轮系1100包括内齿圈1101、三个圆周均布的行星轮1102、太阳轮1103和行星架1104。其中齿圈1101固定在驱动桥壳体上，太阳轮1103可旋转地支撑在第二半轴1302上，并与第二行星轮系1200的行星架1204固连为一体，行星架1104与双级行星轮行星排差速器1300的齿圈1303固定连接。所述第二行星轮系1200包括内齿圈1201、三个圆周均布的行星轮1202、太阳轮1203和行星架1204。其中齿圈1201固定在驱动桥壳体上，太阳轮1203可旋转地支撑在第二半轴1302上，并与主驱动电机1001的空心内转子轴花键连接。
主驱动电机1001位于主减速器1000的右侧，其是一个空心轴式内转子电机，连接右侧车轮的第二半轴1302从其空心转子轴内孔穿出。空心轴式内转子与第二行星轮系1200的太阳轮1203花键连接，主驱动电机1001可通过太阳轮1203将驱动转矩传递至主减速器1000，并作用到齿圈1303上，最终等分到第一半轴1301和第二半轴1302上，驱动汽车行驶。所述主驱动电机1001的内转子可旋转的支撑在第二半轴1302上，其定子及其壳体与驱动桥壳体固定连接。
优选的是，主减速器1000可由单排行星轮系、多排行星轮系或其它形式的减速机构形成。
本发明所述的带有转矩定向分配功能的电动四驱系统工作原理如下：
以图1所示的基于双转子电机的转矩定向分配电动驱动桥的实施例结构简图为例，说明工作原理。
当汽车工作在正常直线行驶工况，没有转矩分配需求时，对转式双转子电机1600中没有控制信号，双转子电机不起动，其第一输出端与第二输出端均不输出转矩，此时汽车仅由主驱动电机1001驱动，主驱动电机1001输出的转矩经过主减速器1000转矩增加作用到齿圈1303上，由于双级行星轮行星排差速器1300等分转矩的原理，作用到齿圈1303上的转矩等分到第一半轴1301和第二半轴1302上，驱动汽车行驶。此时，由于汽车直线行驶，左右两侧车轮转速相同，因此第一半轴1301和第二半轴1302的转速相同。又由于第一输出端从动齿轮1402与第一半轴1301花键连接，所以第一输出端从动齿轮1402与第一半轴1301转速相同。又由于第二输出端从动齿轮1502与行星架1303的第一端固定连接，行星架1303的第二端又与第二半轴1302固定连接，因此第二输出端从动齿轮1502与第二半轴1302转速相同，所以第一输出端从动齿轮1402与第二输出端从动齿轮1502转速相同。又因为第一输出端齿轮传动机构1400与第二输出端齿轮传动机构1500具有相同的传动比，因此第一输出端主动齿轮1401与第二输出端主动齿轮1501转速相同，即对转式双转子1600的外转子1602与内转子1603的转速相同，对转式双转子电机1600并不起动、随动空转，第一输出端与第二输出端均不输出转矩。转矩分配流如图2所示。
当汽车正常差速转弯时，左右两侧车轮驱动转矩相同，无需转矩分配，因此，对转式双转子电机1600没有控制信号，双转子电机不起动，其第一输出端与第二输出端均不输出转矩，主驱动电机1001输出的转矩经过主减速器1000转矩增加作用到齿圈1303上，再等分到第一半轴1301和第二半轴1302上，驱动汽车行驶。转矩分配流同样如图2所示。
当汽车工作在驱动转矩由第一半轴1301向第二半轴1302分配时的工况时，若设定汽车向前行驶时车轮的旋转方向为正方向，反之为负方向。此时对转式双转子电机1600接受到控制信号起动，开始对外输出转矩。若对转式双转子电机1600的第一输出端输出转矩为T0(T0为正值)，由于为外啮合减速增扭传动，该转矩通过第一输出端齿轮传动机构1400，输入进第一半轴1301的转矩为-i1T0，其中i1为第一输出端齿轮传动机构1400的传动比。由对转式双转子电机的输出转矩特点可知，当第一输出端输出的转矩为T0时，第二输出端输出的转矩为-T0，该转矩通过第二输出端齿轮传动机构1500，输入行星架1304的转矩为i1T0，由于行星架1304的第二端与第二半轴1302固定连接，对转式双转子电机1600的第二输出端输入进第二半轴1302的转矩即为i1T0，其中第二输出端齿轮传动机构1500与第一输出端齿轮传动机构1400具有相同的传动比i1。因此，第一半轴1301得到的转矩为第一输出端齿轮传动机构1400输入的转矩-i1T0，第二半轴1302得到的转矩为第二输出端齿轮传动机构1500输入的转矩i1T0。即第一半轴1301的转矩减少i1T0，第二半轴1302的转矩增加i1T0，在总驱动转矩维持不变的情况下，实现了驱动转矩由第一半轴1301向第二半轴1302的分配，驱动转矩分配量为i1T0。转矩分配流如图3所示。
当汽车工作在驱动转矩由第二半轴1302向第一半轴1301分配时的工况时，若设定汽车向前行驶时车轮的旋转方向为正方向，反之为负方向。同理可得，此时对转式双转子电机1600接受到控制信号起动，开始对外输出转矩。若对转式双转子电机1600的第一输出端输出转矩为-T0(T0为正值)，由于为外啮合减速增扭传动，该转矩通过第一输出端齿轮传动机构1400，输入进第一半轴1301的转矩为i1T0，其中i1为第一输出端齿轮传动机构1400的传动比。由对转式双转子电机的输出转矩特点可知，当第一输出端输出的转矩为-T0时，第二输出端输出的转矩为T0，该转矩通过第二输出端齿轮传动机构1500，输入行星架1304的转矩为-i1T0，由于行星架1304的第二端与第二半轴1302固定连接，对转式双转子电机1600的第二输出端输入进第二半轴1302的转矩即为-i1T0，其中第二输出端齿轮传动机构1500与第一输出端齿轮传动机构1400具有相同的传动比i1。因此，第一半轴1301得到的转矩为第一输出端齿轮传动机构1400输入的转矩i1T0，第二半轴1302得到的转矩为第二输出端齿轮传动机构1500输入的转矩-i1T0。即第一半轴1301的转矩增加i1T0，第二半轴1302的转矩减少i1T0，在总驱动转矩维持不变的情况下，实现了驱动转矩由第二半轴1302向第一半轴1301的分配，驱动转矩分配量为i1T0。转矩分配流如图4所示。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种基于双转子电机的转矩定向分配电动驱动桥，其特征在于，包括：
主驱动电机，其通过主减速器连接双级行星轮行星排差速器的齿圈；
其中，所述双级行星轮行星排差速器的太阳轮与第一半轴相连，所述双级行星轮行星排差速器的行星架与第二半轴相连；
对转式双转子电机，其包括同轴可相对旋转设置的外转子和内转子，所述外转子可旋转地支撑在外壳体内腔，所述内转子可旋转地支撑在所述外转子内腔；
第一输出端主动齿轮，其连接所述外转子动力输出轴；
第一输出端从动齿轮，其与所述第一输出端主动齿轮啮合传动，并且与所述第一半轴连接；
第二输出端主动齿轮，其连接所述内转子动力输出轴；
第二输出端从动齿轮，其与所述第二输出端主动齿轮啮合传动，可旋转的支撑在所述第一半轴，并且与所述双级行星轮行星排差速器的行星架连接；
其中，所述第一输出端主动齿轮和所述第一输出端从动齿轮之间的传动比与所述第二输出端主动齿轮和所述第二输出端从动齿轮之间的传动比相等。
2.根据权利要求1所述的基于双转子电机的转矩定向分配电动驱动桥，其特征在于，还包括：
壳体，其套设在所述主驱动电机、所述主减速器、所述双级行星轮行星排差速器和所述对转式双转子电机的外部，所述壳体内壁与所述主驱动电机的外壳、以及对转式双转子电机的外壳固连。
3.根据权利要求1所述的基于双转子电机的转矩定向分配电动驱动桥，其特征在于，所述主驱动电机为空心轴式内转子电机。
4.根据权利要求2所述的基于双转子电机的转矩定向分配电动驱动桥，其特征在于，所述双级行星轮行星排差速器还包括：
所述齿圈，其通过两端的空心轴颈部旋转地支撑在所述壳体上；
太阳轮，其容纳在所述齿圈内，与所述第一半轴花键连接；
多对行星轮，其设置在所述太阳轮和齿圈之间，所述行星轮相互外齿合，且靠近内侧的行星轮与所述太阳轮外齿合，靠近外侧的行星轮与所述齿圈内齿合；
所述行星架，其设置在所述行星轮的两侧，所述行星架与所述第二半轴花键连接；
所述双级行星轮行星排差速器的行星排特性参数为2。
5.根据权利要求2所述的基于双转子电机的转矩定向分配电动驱动桥，其特征在于，
所述行星架第一端空心轴和所述第二半轴分别从所述齿圈两端空心轴内孔伸出。
6.根据权利要求5所述的基于双转子电机的转矩定向分配电动驱动桥，其特征在于，
所述主减速器为双排行星轮系减速器，其包括并排传动的第一行星轮系和第二行星轮系。
7.根据权利要求6所述的基于双转子电机的转矩定向分配电动驱动桥，其特征在于，
所述第一行星轮系包括：
第一太阳轮，其可旋转支撑在所述第二半轴上；
三个第一行星轮，其与所述第一太阳轮啮合；
第一行星架，其与所述双级行星轮行星排差速器的齿圈固连；
第一内齿圈，其与所述壳体固连。
8.根据权利要求7所述的基于双转子电机的转矩定向分配电动驱动桥，其特征在于，
所述第二行星轮系包括：
第二太阳轮，其可旋转支撑在所述第二半轴上，并与所述主驱动电机的动力输出轴花键连接；
三个第二行星轮，其与所述第二太阳轮啮合
第二行星架，其与所述第一太阳轮连接；
第二内齿圈，其与所述壳体固连。
9.根据权利要求3所述的基于双转子电机的转矩定向分配电动驱动桥，其特征在于，还包括：
所述第一半轴连接左侧车轮；以及
所述第二半轴穿过所述主驱动电机的空心转子轴内孔连接右侧车轮。
10.根据权利要求8所述的基于双转子电机的转矩定向分配电动驱动桥，其特征在于，
所述主驱动电机的内转子与所述第二太阳轮花键连接。
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