CN108382185A - 一种多轴级联机电耦合装置的组合异构综合构型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多轴级联机电耦合装置的组合异构综合构型方法，用该方法易于寻找所有可用于混合动力汽车的多轴级联机电耦合装置的相关构型，便与汽车生产厂商选用合适构型进行实际运用。该方法在所设计的原始多轴级联机电耦合装置的基础上，通过分析机构简图，充分挖掘可行方案，列举了所有可行机构形式。同时基于不改变机构基本性能的原则，充分考虑机构的使用要求，通过对不同部件进行异构化处理，对机构进行了组合式综合设计，从而提出一系列新的构型，以满足混合动力汽车对机电耦合装置高效率、重载、集成化、电气化等需求。

Description

一种多轴级联机电耦合装置的组合异构综合构型方法

技术领域

本发明涉及汽车动力传动技术领域，具体涉及一种多轴级联机电耦合装置的组合异构综合构型方法。

背景技术

混合动力汽车作为替代传统内燃机汽车的一种产品而广受关注，国外的Toyota(丰田)、Nissan(日产)、GM(通用)，Ford(福特)等公司纷纷推出了十分成熟的混合动力汽车产品，而像丰田的THS，福特的FHS，通用的AHS等混合动力传动系统都得到了广泛使用。而国内近些年虽然在混合动力传动系统研究较多，但由于国外专利的限制，成熟的产品较少，这也导致了我国混合动力汽车发展较慢。

多轴级联机电耦合装置是在双转子电机用于混合动力传动系统的基础上，通过充分挖掘双转子电机的机构特性，同时又不损失本身的电力学特性，将其巧妙并入传动系统中，通过与各种行星排的结合实现多动力源机电耦合，以使发动机长期处于高效率工作状态，使汽车运行在类理想曲线的工作状态下的一种机电耦合装置。由于其易于实现全传动系统集成化、电气化，且控制难度相对较小，因而可以在现有绝大多数车型上进行使用。

我国汽车企业相关研究部门在多种混合动力车型上多采用单一构型，缺乏对同种构型异构分析和采用，而现有机构构型拓扑方法多以平面机构构型理论研究为主，而在多种拓扑构型中特定化选型较难，不能够满足于企业研发人员的实际研究需要，从而导致同种构型异构方案较少，使得构型适用范围较窄，因而提出一种较为简单实用且便于异构选型的方案尤为重要。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种多轴级联机电耦合装置的组合异构综合构型方法，为目前我国混合动力汽车机电耦合装置存在构型较少、较为依赖国外专利技术产品等问题提供一种多轴级联机电耦合装置的组合异构综合构型设计方法，提出一系列结构简单、易于集成化、能够充分发挥双转子电机本身的机构特性、调速范围大，能够满足轻量化、高效、可靠、紧凑、适用多种车型以及批量生产等要求的多轴级联机电耦合装置。同时为其它机电耦合装置构型提供一套行之有效的、便与企业异构选型的借鉴方案。

本发明的一种多轴级联机电耦合装置的组合异构综合构型方法，包括下列步骤：

(1)简化机构，将不影响机构异构构型设计的相关部件进行筛除；

(2)部件归类划分，将可独立划分的部件进行归类区域划分；

(3)作出机构简图，通过机构简图的形式研究不同拓扑异构构型；

(4)分部件异构，对步骤(2)中划分的不同归类部件，分开进行异构化处理；

(5)组合式综合设计，将上述步骤(3)和步骤(4)的结果进行组合，然后将被简化部件添加上去，得到不同异构构型；

(6)优选，针对步骤(5)的异构构型根据实际需要进行选择。

进一步，在步骤(2)中，部件归类划分至少包括三类部件，三类部件包括依次传动配合的二级行星排、多轴级联双转子电机和三级行星排，从二级行星排的齿圈、行星架和太阳轮择其二分别与多轴级联双转子电机的内电机输入端以及外电机输入端一一对应传动连接，从三级行星排的齿圈、行星架和太阳轮择其二分别与多轴级联双转子电机的内电机输出端以及外电机输出端一一对应传动连接，获得36种传动构型。

进一步，在步骤(2)中，部件归类划分还包括第四类部件，所述第四类部件为四级差速锥齿轮行星排，所述四级差速锥齿轮行星排的输入端与三级行星排的输出端传动连接，四级差速锥齿轮行星排的两差速输入端分别与半轴传动连接。

进一步，在步骤(2)中，部件归类划分还包括第四类部件，所述第四类部件为一级锥齿轮组，所述一级锥齿轮组传动设置于二级行星排与发动机之间。

本发明的有益效果是：本发明公开的一种多轴级联机电耦合装置的组合异构综合构型方法，为多轴级联机电耦合装置的同类异构产品的设计提供一套设计方法，从而得到更多可提高传动系统功率密度，易于实现全传动系统的高度集成化和电气化，适用于绝大多数混合动力汽车车型的系列构型，为汽车企业选用多轴级联机电耦合装置时提供更多方案。同时这种异构综合设计方法可供针对现有成熟构型进行异构设计，满足混合动力汽车在机电耦合装置上的重载、高性能、高度集成化等需求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的步骤图；

图2为其中一种多轴级联机电耦合装置的机构原理图；

图3为多轴级联机电耦合装置部件归类划分后的机构图；

图4为各多轴级联机电耦合装置的机构简图；

图5为多轴级联机电耦合装置归类部件异构图；

图6为多轴级联机电耦合装置的异构组合图。

具体实施方式

本实施例中的一种多轴级联机电耦合装置的组合异构综合构型方法；该方法实施的具体步骤是：

步骤1).简化机构，即将不影响机构异构构型设计的相关部件进行筛除。由于电机控制单元、导线、蓄电池、驱动桥桥壳、车轮等均不影响机构构型异构设计，故可从整体构型中去除。

步骤2).部件归类划分，即用虚线框图将可独立划分的部件进行归类区域划分，从而便与具体化异构研究。由于行星排、多轴双转子电机往往可以作为一个独立单元进行研究，因而对其进行归类划分后，有利于寻找不同组合异构构型。

步骤3).作出机构简图，即通过机构简图的形式研究不同拓扑异构构型。机构简图进一步降低了机构异构拓扑的难度，容易寻找出多种构型。多种级联机电耦合装置的机构简图由于使得双转子电机以机构形式完全接入整体机构中，因而不同于一般机电耦合装置的简图。

步骤4).分部件异构，即针对步骤2划分的不同归类部件，分开进行异构化处理。行星排的设计本身就具有多种形式，因而对其异构较为容易，而双转子电机分也可分为多种形式，但为了突出异构的独特性，本发明中主要利用行星排和双转子电机机构特性，将双转子电机以不同形式接入行星排中。

步骤5).组合式综合设计，即将上述步骤3和步骤4的结果进行组合，然后将被简化部件添加上去，得到不同异构构型。

步骤6).优选，针对步骤5的异构构型根据实际需要进行选择。由于企业实际需要未知，因而在本发明中提供几种方案供选择。

参见图2所示，其中1为发动机，2、3为一对锥齿轮的主动和从动齿轮；4为输入齿轮，5为二级行星排齿圈R1，6为二级行星排行星架C1，7为二级行星排行星轮P1，8为二级行星排太阳轮S1；9为多轴级联双转子电机内转子滑环电刷，10为导线，11、12分别是多轴级联双转子电机的内、外电机M1/G1，M2/G2控制器，13为蓄电池，14为多轴级联双转子电机定子，15为多轴级联双转子电机外转子外圈永磁体，16为多轴级联双转子电机外转子，17为多轴级联双转子电机外转子内圈永磁体，18为多轴级联双转子电机内转子；19为三级行星排齿圈R2，20为三级行星排行星轮P2，21为三级行星排太阳轮S2，22为行星架C2；23为四级差速锥齿轮行星排行星轮P3，24为四级差速锥齿轮行星排太阳轮S3，25为四级差速锥齿轮行星排太阳轮S4，26为轴承，27为驱动桥壳体，28为半轴，29为车轮；其中CL1，CL2，CL3为离合器。

参见图3，将步骤1后得到的简化机构图按照各个部件独立的功能进行归类划分，经过步骤2将简化机构图划分为a、b、c、d、e五个部件。其中a为发动机与一级锥齿轮部分，由于发动机可以以不同方式接入整个机构中，故将其归类划分。b为二级行星排，c为多轴级联双转子电机，d为三级行星排，e为四级差速锥齿轮行星排，由于它们都是独立的部件，便与单独异构设计，因而采用此类归类划分方式；而在图2中，由于多轴级联双转子电机内转子线圈滑环电刷，导线10，多轴级联双转子电机的内、外电机M1/G1，M2/G2控制器11、12，蓄电池13，轴承26，驱动桥壳体27，半轴28，车轮29等对机构异构设计没有影响，故可将它们忽略。

参见图4,其为整体机构的36种机构简图。其中E表示发动机，R1、C1、S1分别表示二级行星排的齿圈、行星架、太阳轮，R2、C2、S2分别表示三级行星排的齿圈、行星架、太阳轮，CL1、CL2、CL3分别为三个离合器，由于在原机构图中，动力分别经过外转子和内转子，而外电机由外转子外圈永磁体和定子构成，内电机由外转子内圈永磁体和内转子构成，因而此处多轴级联双转子电机的外电机和内电机可分别由OUT、IN表示。分析机构简图可知，发动机要从二级行星排的齿圈、行星架、太阳轮R1、C1、S1其中之一输入，要从三级行星排的齿圈、行星架、太阳轮R2、C2、S2之一输出，故外接接法共有3×3＝9种且由于行星排为三自由度构件，因而二级行星排、内、外电机三级行星排三者之间的接法共有2×2＝4种，故一共有9×4＝36种接法。其中a1-a4表示发动机从二级行星排齿圈R1接入，二级行星排行星架C1与外电机OUT相接可以与三级行星排齿圈R2或太阳轮S2相接，二级行星排太阳轮S1与内电机IN相接可以与三级行星排太阳轮S2或齿圈R2分别相接，且动力从三级行星排行星架C2输出的四种形式；b1-b4表示发动机从二级行星排齿圈R1接入，二级行星排行星架C1与外电机OUT相接可以与三级行星排行星架C2或太阳轮S2相接，二级行星排太阳轮S1与内电机IN相接可以与三级行星排太阳轮S2或行星架C2分别相接，动力从三级行星排齿圈R2输出的四种形式；c1-c4表示发动机从二级行星排齿圈R1接入，二级行星排行星架C1与外电机OUT相接可以与三级行星排齿圈R2或行星架C2相接，二级行星排太阳轮S1与内电机IN相接可以与三级行星排行星架C2或齿圈R2分别相接，动力从三级行星太阳轮S2输出的四种形式；d1-d4表示发动机从二级行星排行星架C1接入，二级行星排齿圈R1与外电机OUT相接可以与三级行星排齿圈R2或太阳轮S2相接，二级行星排太阳轮S1与内电机IN相接可以与三级行星排太阳轮S2或齿圈R2分别相接，动力从三级行星排行星架C2输出的四种形式；e1-e4表示发动机从二级行星排行星架C1接入，二级行星排齿圈R1与外电机OUT相接可以与三级行星排齿圈R2或行星架C2相接，二级行星排太阳轮S1与内电机IN相接可以与三级行星排行星架C2或齿圈R2分别相接，动力从三级行星太阳轮S2输出的四种形式；f1-f4表示发动机从二级行星排行星架C1接入，二级行星排齿圈R1与外电机OUT相接可以与三级行星排行星架C2或太阳轮S2相接，二级行星排太阳轮S1与内电机IN相接可以与三级行星排太阳轮S2或行星架C2分别相接，动力从三级行星排齿圈R2输出的四种形式；g1-g4表示发动机从二级行星排太阳轮S1接入，二级行星排齿圈R1与外电机OUT相接可以与三级行星排齿圈R2或行星架C2相接，二级行星排行星架C1与内电机IN相接可以与三级行星排行星架C2或齿圈R2分别相接，动力从三级行星太阳轮S2输出的四种形式；h1-h4表示发动机从二级行星排太阳轮S1接入，二级行星排齿圈R1与外电机OUT相接可以与三级行星排齿圈R2或太阳轮S2相接，二级行星排行星架C1与内电机IN相接可以与三级行星排太阳轮S2或齿圈R2分别相接，动力从三级行星排行星架C2输出的四种形式；i1-i4表示发动机从二级行星排太阳轮S1接入，二级行星排齿圈R1与外电机OUT相接可以与三级行星排行星架C2或太阳轮S2相接，二级行星排行星架C1与内电机IN相接可以与三级行星排太阳轮S2或行星架C2分别相接，动力从三级行星排齿圈R2输出的四种形式。

参见图5，其中5.1为图3部件a的变形，1a、CL4为新增的锥齿轮和离合器，发动机动力可以通过离合器CL1和CL4分别或同时输出，增加了更多模式；5.2、5.3、5.7为图3中部件c的变形，5.2采用了定子在内、外转子之间的形式，进一步提高双转子电机空间利用率。5.3是在传统3Z型行星齿轮上进行的变形，其中外转子3c是一个特殊齿轮，其左半边是作为外转子与定子和内转子形成电机，而右半边则是齿轮，这样子可以直接将外转子上的力通过右半边齿轮传递出去，为双转子电机的设计提供了一个思路。5.7则是在5.3的基础上取消太阳轮7c，而直接输出。其中1b、2b、3b、4b、5b分别为多轴双转子电机的外转子、定子外圈永磁体，定子、定子内圈永磁体、内转子，1c、2c、3c、4c、5c、6c、7c分别为多轴双转子电机的定子、外转子外圈永磁体、外转子、外转子内圈永磁体、内转子、三级行星排齿圈、三级行星排太阳轮、行星架，1g、2g、3g、4g、5g、6g、7g分别为多轴双转子电机的定子、外转子外圈永磁体、外转子、外转子内圈永磁体、内转子、三级行星排齿圈、行星架；图5.4则是图3中部件b的变形，其中1d、2d、3d分别为二级行星排齿圈、行星轮、太阳轮；图5.5、5.6是图3中部件d的变形，其中1e、2e、3e分别为三级行星排齿圈、行星轮、太阳轮，1f、2f、3f分别为三级行星排行星轮、行星架、太阳轮；图5.8、5.9、5.10是图4中36种简图中针对部件b和d的不同接法变形，此处仅表示其中三种，其中1h、2h、3h分别为三级行星排齿圈、行星架、太阳轮，1i、2i、3i、4i分别为三级行星排行星轮、齿圈、行星架、太阳轮，1j、2j、3j、4j分别为二级行星排行星轮、齿圈、行星架、太阳轮。

参见图6,在得到如图3的机构简图以及图5部件异构图的基础上，对其进行组合式设计，选择其中六种较有代表性的构型6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6作为最终异构构型。但是需要注意，在企业实际选型时需要根据实际需要和外部构件参数进一步详细考虑优选，其中供优选参数包括整体尺寸、传动比、混合度、负载能力等。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种多轴级联机电耦合装置的组合异构综合构型方法，其特征在于：包括下列步骤：

(1)简化机构，将不影响机构异构构型设计的相关部件进行筛除；

(2)部件归类划分，将可独立划分的部件进行归类区域划分；

(3)作出机构简图，通过机构简图的形式研究不同拓扑异构构型；

(4)分部件异构，对步骤(2)中划分的不同归类部件，分开进行异构化处理；

(5)组合式综合设计，将上述步骤(3)和步骤(4)的结果进行组合，然后将被简化部件添加上去，得到不同异构构型；

(6)优选，针对步骤(5)的异构构型根据实际需要进行选择。

2.根据权利要求1所述的一种多轴级联机电耦合装置的组合异构综合构型方法，其特征在于：在步骤(2)中，部件归类划分至少包括三类部件，三类部件包括依次传动配合的二级行星排、多轴级联双转子电机和三级行星排，从二级行星排的齿圈、行星架和太阳轮择其二分别与多轴级联双转子电机的内电机输入端以及外电机输入端一一对应传动连接，从三级行星排的齿圈、行星架和太阳轮择其二分别与多轴级联双转子电机的内电机输出端以及外电机输出端一一对应传动连接，获得36种传动构型。

3.根据权利要求2所述的一种多轴级联机电耦合装置的组合异构综合构型方法，其特征在于：在步骤(2)中，部件归类划分还包括第四类部件，所述第四类部件为四级差速锥齿轮行星排，所述四级差速锥齿轮行星排的输入端与三级行星排的输出端传动连接，四级差速锥齿轮行星排的两差速输入端分别与半轴传动连接。

4.根据权利要求2所述的一种多轴级联机电耦合装置的组合异构综合构型方法，其特征在于：在步骤(2)中，部件归类划分还包括第四类部件，所述第四类部件为一级锥齿轮组，所述一级锥齿轮组传动设置于二级行星排与发动机之间。