CN108790773A - 一种新型多模式混合动力变速器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型多模式混合动力变速器，该变速器将发动机、第一电机和/或第二电机作为动力源，并输出至输出轴，该变速器包括：单行星排：该单行星排具有两个转动自由度，包括三个转动部件，即，外齿圈、太阳轮以及分别与外齿圈和太阳轮啮合的行星轮，所述的行星轮连接有行星架；换挡元件：为一离合器，用以锁止发动机；输出轴：其上设有主减速器，并且通过一级齿轮传动。与现有技术相比，本发明具有机械复杂度低、控制难度低、多模式等优点。

Description

一种新型多模式混合动力变速器
技术领域
本发明涉及机电混合动力车辆驱动领域，尤其是涉及一种新型多模式混合动力变速器。
背景技术
机电混合动力车辆通常包括使用内燃机及一个或多个电动机/发电机。现有混合动力变速器方案基本上可以分为两个大类：在传统变速基础上附加一到两个电机构成的混合动力方案和为混合动力专门设计的混合动力方案，其中专门为混合动力车辆设计的变速器方案，从现有的发展趋势来看，主要包括了以串并联为主要驱动模式的混合动力变速器方案和以行星排为主的功率分流混合动力变速器方案。以串并联为主要驱动模式的混合动力变速器方案相对来讲结构比较简单，研发成本较低，一般齿轮之间的啮合效率较高，但对发动机工作点的调节能力有限，而功率分流的混合动力变速器则根据行星排数目以及机械点个数的不同，包括了单模，双模以及多模的功率分流混合动力变速器，其结构较为紧凑，利用行星排功率分流的优势对发动机工作点调节较为灵活有效，从而改善燃油经济性，但随着行星排个数的增加，变速器结构较为复杂。所以，现有两类专用的混合变速器都存在各自的优缺点，如何有效的结合这两类混合动力变速器方案，集成各自的优点成为本专利中所描述的新型混合动力变速器方案的最大的亮点。
申请号为CN 201110405238的中国发明专利申请，可变比例动力分流混合动力变速器，利用单个行星排和一般齿轮啮合，经过不同的连接拓扑结构和组合，可以实现不同的功率分流模式，但使用了过多的扭矩传递机构，元件的利用率相对较低，实现的模式相对有限。此外，该设计方案连接较为复杂、进而造成成本上升、控制难度增大。
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新型多模式混合动力变速器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种新型多模式混合动力变速器，该变速器将发动机、第一电机和/或第二电机作为动力源，并输出至输出轴，该变速器包括：
单行星排：该单行星排具有两个转动自由度，包括三个转动部件，即，外齿圈、太阳轮以及分别与外齿圈和太阳轮啮合的行星轮，所述的行星轮连接有行星架；
换挡元件：为一离合器，用以锁止发动机；
输出轴：其上设有主减速器，并且通过一级齿轮传动。
所述的发动机、第一电机和输出轴以一定的固定速比分别对应与单行星排的三个转动部件连接，所述的第二电机在不同的工作模式下选择性地以一定的固定速比与发动机所连接的转动部件或输出轴所连接的转动部件传动连接。
所述的行星架上连接有第一齿轮，所述的第一电机通过第一传动轴穿过第一齿轮的中心与太阳轮连接，所述的第二电机依次通过第三传动轴、第六齿轮、第二传动轴和第四齿轮与第一齿轮传动连接。
所述的行星架上连接有第一齿轮，所述的第一电机和第二电机同轴设置，所述的第二电机依次通过第三传动轴、第六齿轮、第九齿轮、第二传动轴和第四齿轮与第一齿轮传动连接，所述的第一电机通过第一传动轴依次穿过第三传动轴、第一齿轮的中心与太阳轮连接。
所述的第四齿轮中心设有与第二齿轮连接的第二传动轴，所述的第二齿轮通过第五齿轮与输出轴传动。
所述的第一电机和第二电机与动力蓄电池连接，在不同的工作模式下，第一电机和/或第二电机作为发电机对动力蓄电池进行充电或作为电动机使用动力蓄电池中的电能。
该变速器通过不同的连接方式实现不同的工作模式，具体包括：
纯电动模式：由第二电机供能或由第一电机和第二电机共同供能，且发动机处于静止状态；
输入功率分流混合动力模式：由发动机、第一电机和第二电机共同供能，此模式下，发动机的输出功率在输入端通过单行星排进行分流，第一电机和第二电机分别作为发电机或者电动机对发动机工作点进行调节；
驻车充电模式：由发动机作为供能，第一电机或者第二电机吸收发动机相应的能量，此模式适用于动力蓄电池电量较低(低于25％)的情况，第一电机作为发电机，吸收发动机输出功率，并对动力蓄电池进行充电，完成驻车充电。
所述的纯电动模式包括：
第二电机纯电动模式：此模式下第二电机处于驱动模式，只有第二电机纯电动驱动车辆行驶，用以适应车辆纯电动起步以及在中低车速(低于50km/h)纯电动行驶的情况；
第一和第二电机纯电动模式：此模式下第一电机和第二电机均处于驱动模式，两个电机同时纯电动驱动车辆行驶，用以适应车辆在较高负载情况下(坡道坡度大于10％)的纯电动起步以及在中高车速纯电动行驶的情况。
不同的工作模式之间进行切换，在纯电动模式与输入功率分流混合动力模式之间进行模式切换时，同步换档元件的主从端转速差。
在输入功率分流混合动力模式下存在一个机械点，此时，动力蓄电池输入或者输出的电功率均为0，发动机的全部功率均经过机械路径传递到输出轴的工作点。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、机械复杂度低：本发明的新型混合动力变速器方案，变速器元件按个数较少，只包含单个行星齿轮组，一定数目的一般齿轮，单个单向离合器实现，整个混合动力变速器各个档位或者模式下，传动路线较为简单，齿轮间啮合效率较高，有利于降低混合动力变速器机械制造和应用成本，进一步缩小变速器的体积和重量。
二、控制难度低：本发明在所有的档位或者模式下，都不需要或者对换档元件进行操作，在不同的模式切换过程中，模式切换前后换档元件的主从端转速差可实现自然同步，不存在换档冲击和动力中断等问题，和传统的压合式离合器相比，同步速度较快，平顺性较好，从结构上降低了变速器控制及切换的难度。
三、多模式：本发明含有纯电动、功率分流混合动力驱动模式，不同的模式能够充分满足不同驱动工况需求，能够对发动机工作点进行灵活的调节，保证其工作在其效率较高的工作点，从而有效保证系统效率，且不存在类似于串联式混合动力系统的二次能量转换的问题。
附图说明
图1是本发明提供的新型混合动力变速器的第一种实施方式结构图。
图2是本发明提供的新型混合动力变速器的第二种实施方式结构图。
图3是本发明提供的新型混合动力变速器的第三种实施方式结构图。
图4是本发明提供的新型混合动力变速器的第四种实施方式结构图。
图5是本发明提供的新型混合动力变速器的第五种实施方式结构图。
图6是本发明提供的新型混合动力变速器的第六种实施方式结构图。
图7是本发明提供的新型混合动力变速器的第七种实施方式结构图。
图8是本发明提供的新型混合动力变速器的第八种实施方式结构图。
图9是本发明提供的新型混合动力变速器的第九种实施方式结构图。
图10是本发明提供的新型混合动力变速器的第十种实施方式结构图。
图中标记说明：
1、发动机，2、第一电机，3、第二电机，4、太阳轮，5、行星轮，6、外齿圈，7、行星架，8、第一齿轮，11、变速器壳体，12、第四齿轮，13、第六齿轮，17、第二齿轮，18、第五齿轮，19、第一传动轴，20、第二传动轴，21、第三传动轴，22、输出轴，23、单向离合器，25、第七齿轮，26、第八齿轮，27、第五传动轴，28、第九齿轮，29、第十齿轮，30、第十一齿轮，31、第六传动轴。
具体实施方式
针对上述新型混动动力变速器的特点和优势，将通过以下具体实施例进行具体说明和描述。下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的仅仅是本发明的一部分优选实施例，而不是全部实施例。本技术领域内技术人员易于基于队发明原理作出很多改变，因此本发明并非固定于所显示和描述的细节，而是意图包含在权利要求书范围内的所有变化和修改。
实施例1：
如图1和表1所示，图1为本发明提供的功率分流式混合动力变速器的第一种实施方式，包括
单行星排和5个一般齿轮：单行星排包括外齿圈6、太阳轮4以及分别与外齿圈6和太阳轮4啮合的行星轮5及行星架7；5个一般齿轮，包含了第一齿轮8，第二齿轮17，第四齿轮12，第五齿轮18和第六齿轮13，其中单行星排太阳轮4及第一齿轮8分别固定及空套在第一传动轴19上，第二齿轮17，第四齿轮12分别固定及空套第二传动轴20上，其中第二齿轮17，第四齿轮12可以固结，作为一体的双固连齿轮，第六齿轮13固定于第三传动轴21上，第五齿轮18固定于输出轴(第四传动轴)22上。单行星排中的行星架7和第一齿轮8通过轴直接相连，第一齿轮8和第四齿轮12相互啮合，第四齿轮12和第六齿轮13相互啮合，第二齿轮17和第五齿轮18相互啮合，作为一级主减速器，输出轴(第四传动轴)22作为混合动力变速器的输出端；发动机1：发动机1和与单行星排外齿圈6连接，单向离合器23连接单行星排外齿圈6和变速器壳体11；第一电机2：与第一传动轴19连接；第二电机3：与第三传动轴21连接。
表1工作模式及其对应工作模式表
工作模式 单向离合器
单电机纯电动驱动模式
双电机纯电动驱动子模式 处于锁止状态
输入功率分流混合动力模式 处于不锁止状态
驻车充电模式 处于不锁止状态
本实施例中，新型的混合动力变速器在不同的行驶工况下，可以采用不同的工作模式，如表1所示，包括：纯电动模式：由第二电机供能3或由第一电机2和第二电机3共同供能；输入功率分流混合动力模式：由发动机1、第一电机2和第二电机3共同供能。
针对起步过程：
在车辆电池SOC较高(例如：高于60％)的情况下，当车辆处于静止状态，此时车辆可以采用单电机纯电动子模式进行纯电动起步，由第二电机3单独驱动车辆纯电动行驶；当车辆动力需求较大时，单电机纯电动子模式不能提供所需动力时，或者当采用单电机纯电动子模式系统效率相对较低时，可以采用双电机纯电动子模式，在此过程中单向离合器将发动机1和变速器壳体11锁止，发动机1不会被拖动。当然，如果移除单向离合器23，则不存在换档元件，但此时只存在单电机纯电动子模式，或者在双电机纯电动子模式中发动机1将会处于拖拽状态。
在车辆电池SOC较低(例如：低于25％)的情况下，当车辆处于静止状态，此时车辆可以通过输入功率分流混合动力模式进行起步。在该模式下，单向离合器23处于不被锁止状态，发动机的输出功率通过单行星排进行分流，第一电机2和第二电机3分别作为发电机或者电动机对发动机1工作点进行调节，保证较高的起步动力性的同时，提高发动机的燃油消耗率；
针对中高速混合动力运行过程：
当车辆通过纯电动模式起步且行驶一定时间后，当电池SOC较高，车辆可以通过单电机纯电动行驶至一定车速，然后切换至双电机纯电动驱动模式，保证车辆在全速范围内纯电动行驶。当电池SOC值下降至一定水平或者系统效率相对较低时，车辆可以由单电机纯电动子模式或者双电机纯电动子模式切换至输入功率分流混合动力模式：
针对单电机纯电动子模式切换至输入功率分流混合动力模式，利用第一电机2对发动机进行启动。
针对纯电动子模式切换至输入功率分流混合动力模式，首先单向离合器23处于不锁止状态，第二电机3用于驱动车辆正常行驶，此时利用第一电机2拖拽发动机至一定的转速后，发动机1进行喷油点火启动。为减少发动机启动时刻爆发的力矩对车辆舒适性影响，此时需要第一电机进行短暂发电对发动机启动瞬间的爆发力矩进行平衡，然后车辆进入输入功率分流混合动力模式。
当车辆进入输入功率分流混合动力模式，发动机工作点可以被灵活调节，系统以较高的效率运行。
实施例2，针对图2第二种实施方式：
将第一种实施例中的单向离合器23直接更换为普通离合器23，此时实现的功能和第一种实施例一致，在此不再赘述。但普通离合器23需要进行主动控制，其实现的模式如表2所示。
表2工作模式及其对应工作模式表
工作模式 普通离合器
单电机纯电动驱动模式 分开
双电机纯电动驱动子模式 分开
输入功率分流混合动力模式 关闭
驻车充电模式 关闭
实施例3，针对图3第三种实施方式：
在第一实施例的基础上，增加第七齿轮25，第八齿轮26以及第五传动轴27，形成第三种实施例。此时第六齿轮25直接固连与第一传动轴19。第七齿轮26直接固连与第五传动轴27。第七齿轮25和第八齿轮26处于内啮合或者外啮合状态(图中为内啮合)。第五传动轴27直接和第一电机2相连。
此时该实施例实现的功能和第一种实施例一致，在此不再赘述，但是可以有效提高第一电机2的最高转速限制，实现更高的纯电动最高车速以及有效降低第一电机2的最大转矩需求，从而减小第一电机2的尺寸。
实施例4，针对图4第四种实施方式：
此实施例在第一种实施例的基础上，将原本的第四齿轮12和第六齿轮13的外啮合，更改为内啮合方式。此时，该实施例实现的功能和第一种实施例一致，在此不再赘述。但通过内啮合的方式可以进一步整个变速器的尺寸，使得整个结构更加紧凑。
实施例5，针对图5第五种实施方式：
在一种实施例的基础上增加第九齿轮28并固结于第二传动轴20上，此时第二电机3仍旧与第三传动轴21连接，第六齿轮13固结于第三传动轴21上，第六齿轮13和第九齿轮28外或者内啮合(图示为外啮合)。与一种实施例相比，增加了一个一般的齿轮，实现的功能完全一致。
实施例6，针对图6第六种实施方式：
在一种实施例的基础上增加第九齿轮28并固结于第二传动轴20上，此时第二电机3仍旧与第三传动轴21连接，第六齿轮13固结于第三传动轴21上，第三传动轴21为空心轴，空套于第一传动轴19上，第六齿轮13和第九齿轮28外或者内啮合(图示为外啮合)，第一电机2和第二电机3同轴布置。其实现的功能和第一实施例保持一致，在此不再赘述。
实施例7，针对图7第七种实施方式：
在第六种实施例的基础上，去除第二齿轮17，此时第五齿轮18直接和第四齿轮12啮合，第四齿轮12保持不变，固结于第二传动轴20上。其实现的功能和第六实施例或者第一实施例保持一致。
实施例8，针对图8所述的第八种实施方式：
在第一种实施例的基础上，去除原有的第二齿轮17，相应增加第九齿轮28并固结于第二传动轴20上，第六齿轮13和第九齿轮28外或者内啮合(图示为外啮合)，第二电机3仍旧与第三传动轴21连接，第六齿轮13固结于第三传动轴21上，第五齿轮18直接和第四齿轮12啮合，第四齿轮12保持不变，固结于第二传动轴20上。其实现的功能和第一实施例保持一致。
实施例9，针对图9所述的第九种实施方式：
在第一种实施例的基础上，增加第十齿轮29，第十一齿轮30，以及第六传动轴31。此时发动机1与第十一齿轮30连接，通过单向离合器或者普通制动器23，可以锁止发动机1，第十齿轮29和第十一齿轮30相啮合，第十齿轮29固结于第六传动轴31上并与单行星齿轮的齿圈6连接。其实现的功能和第一实施例保持一致。
实施例10，针对图10所述的第十种实施方式：
在第九种实施例的基础上，将原有的单向离合器或者普通制动器23位置进行改变，此时该单向离合器或者普通制动器23位于第六传动轴31，同样可以锁止发动机。其实现的功能和第一实施例保持一致。
针对此新型多模式混合动力变速器，所描述的仅仅是本发明的一部分优选实施例，而不是全部实施例，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。包括3和单行星齿轮行星架7之间的利用一般齿轮的速比关系利用另外一个行星齿轮进行实现，得到的功能等同的双行星齿轮排变速器方案，或者不同实施例的有效组合，或者将其中部分齿轮的外啮合形式变换成内啮合形式，或者在发动机1之后增加扭转减震器元件，或者改变齿轮的排列位置，或者将两个单独固连在轴上的齿轮变成一体的固连齿轮等，但本质连接一致等形成的混合动力变速器。

Claims (10)

1.一种新型多模式混合动力变速器，其特征在于，该变速器将发动机(1)、第一电机(2)和/或第二电机(3)作为动力源，并输出至输出轴(22)，该变速器包括：
单行星排：该单行星排具有两个转动自由度，包括三个转动部件，即，外齿圈(6)、太阳轮(4)以及分别与外齿圈(6)和太阳轮(4)啮合的行星轮(5)，所述的行星轮(5)连接有行星架(7)；
换挡元件：为一离合器，用以锁止发动机(1)；
输出轴(22)：其上设有主减速器，并且通过一级齿轮传动。
2.根据权利要求1所述的一种新型多模式混合动力变速器，其特征在于，所述的发动机(1)、第一电机(2)和输出轴(22)以一定的固定速比分别对应与单行星排的三个转动部件连接，所述的第二电机(3)在不同的工作模式下选择性地以一定的固定速比与发动机(1)所连接的转动部件或输出轴(22)所连接的转动部件传动连接。
3.根据权利要求2所述的一种新型多模式混合动力变速器，其特征在于，所述的行星架(7)上连接有第一齿轮(8)，所述的第一电机(2)通过第一传动轴(19)穿过第一齿轮(8)的中心与太阳轮(4)连接，所述的第二电机(3)依次通过第三传动轴(21)、第六齿轮(13)、第二传动轴(20)和第四齿轮(12)与第一齿轮(8)传动连接。
4.根据权利要求2所述的一种新型多模式混合动力变速器，其特征在于，所述的行星架(7)上连接有第一齿轮(8)，所述的第一电机(2)和第二电机(3)同轴设置，所述的第二电机(3)依次通过第三传动轴(21)、第六齿轮(13)、第九齿轮(28)、第二传动轴(20)和第四齿轮(12)与第一齿轮(8)传动连接，所述的第一电机(2)通过第一传动轴(19)依次穿过第三传动轴(21)、第一齿轮(8)的中心与太阳轮(4)连接。
5.根据权利要求3或4所述的一种新型多模式混合动力变速器，其特征在于，所述的第四齿轮(12)中心设有与第二齿轮(17)连接的第二传动轴(20)，所述的第二齿轮(17)通过第五齿轮(18)与输出轴(22)传动。
6.根据权利要求2所述的一种新型多模式混合动力变速器，其特征在于，所述的第一电机(2)和第二电机(3)与动力蓄电池连接，在不同的工作模式下，第一电机(2)和/或第二电机(3)作为发电机对动力蓄电池进行充电或作为电动机使用动力蓄电池中的电能。
7.根据权利要求6所述的一种新型多模式混合动力变速器，其特征在于，该变速器通过不同的连接方式实现不同的工作模式，具体包括：
纯电动模式：由第二电机供能或由第一电机和第二电机共同供能，且发动机处于静止状态；
输入功率分流混合动力模式：由发动机、第一电机和第二电机共同供能，此模式下，发动机的输出功率在输入端通过单行星排进行分流，第一电机和第二电机分别作为发电机或者电动机对发动机工作点进行调节；
驻车充电模式：由发动机作为供能，第一电机或者第二电机吸收发动机相应的能量，此模式适用于动力蓄电池电量较低的情况，第一电机作为发电机，吸收发动机输出功率，并对动力蓄电池进行充电，完成驻车充电。
8.根据权利要求7所述的一种新型多模式混合动力变速器，其特征在于，所述的纯电动模式包括：
第二电机纯电动模式：此模式下第二电机处于驱动模式，只有第二电机纯电动驱动车辆行驶，用以适应车辆纯电动起步以及在中低车速纯电动行驶的情况；
第一和第二电机纯电动模式：此模式下第一电机和第二电机均处于驱动模式，两个电机同时纯电动驱动车辆行驶，用以适应车辆在较高负载情况下的纯电动起步以及在中高车速纯电动行驶的情况。
9.根据权利要求7所述的一种新型多模式混合动力变速器，其特征在于，不同的工作模式之间进行切换，在纯电动模式与输入功率分流混合动力模式之间进行模式切换时，同步换档元件的主从端转速差。
10.根据权利要求7所述的一种新型多模式混合动力变速器，其特征在于，在输入功率分流混合动力模式下存在一个机械点，此时，动力蓄电池输入或者输出的电功率均为0，发动机的全部功率均经过机械路径传递到输出轴的工作点。
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