CN109017267A - 一种混合动力汽车变速器 - Google Patents

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Abstract

一种混合动力汽车变速器：包括飞轮减震器；发动机连接离合器；负责动力合成的行星齿轮组；以及行星齿轮组中的齿圈、行星架、太阳轮；设置在变速器的后端电机转子内，通过电机轴和输入轴控制齿圈、行星架和太阳轮之间相对运动或固定的行星排控制离合器；还包括集启动功能、驱动功能和发电功能于一体的电机；连接电机和太阳轮的电机轴；输入轴；第一输出轴及第一输出轴离合器；第二输出轴及第二输出轴离合器；单向离合器和锁止离合器以及差速器和集启动、驱动、以及发电功能于一体的电机。通过对发动机和电机以及各扭矩控制元件的控制，使汽车具备纯电机驱动、发动机驱动、混合动力驱动、汽车静止时发电、汽车行驶时发电以及能量回收等功能。

Description

一种混合动力汽车变速器
技术领域
本发明属于汽车变速器领域，特别是涉及到新能源汽车混合动力变速器。
背景技术
变速器是汽车动力传递系统上最重要的传动部件，变速器的性能直接决定了汽车的性能，决定了汽车的传动效率，决定了汽车的燃油经济性，决定了汽车的换挡平顺性和舒适性。根据国家的相关政策，未来汽车的发展方向将以混合动力汽车和纯电动汽车为主，但是由于动力电池问题，混合动力汽车将是今后汽车发展的主要方向。目前比较先进有代表性的混合动力汽车变速器技术主要有本田的i-MMD和丰田E-CVT。其混合动力汽车的油耗已经能比普通内燃机汽车降低20％－30％。国内的混合动力技术与其相比还有非常大的差距。
虽然目前国内外的混合动力变速器技术发明很多，这些发明也取得了明显的技术进步和经济效果，但其结构仍有不足之处，比如丰田的ECVT在巡航工况时2号电机需要发电来抵消一号电机做无用功的电力损耗；再比如本田的i-MMD系统中发动机只有在高速巡航时才适合直接驱动，其他工况都是驱动发电机发电，这样就有机械能转电能的损耗，电池充电的损耗，电池放电的损耗，电能转机械能的损耗。而且丰田的ECVT和本田的i-MMD都采用固定传动比，只利用电动机的大调速范围来进行无极传动，调速范围有限，同时很难保证电机在最高效率区间工作，这样对整车的动力性和经济性都有影响，丰田的ECVT的动力分流结构是一种比较经典的混合动力结构，但是其结构使其内部的行星排只具备动力分流功能，限制了变速器的整体性能。
为解决上诉问题，我公司技术人员发明了一种混合动力变速器结构。
发明内容
一种混合动力汽车变速器，包括设置在变速器与发动机间的飞轮减震器；控制发动机与变速器连接的发动机连接离合器；负责对发动机和电动机输出动力流进行合成或分解的行星齿轮组；以及行星齿轮组中的齿圈，行星架，太阳轮；设置在行星架与太阳轮间，控制齿圈、行星架和太阳轮之间相对运动或固定的行星排控制离合器；还包括集启动功能、驱动功能和发电功能于一体的电机；连接电机和太阳轮的电机轴；输入轴以及固定的设置在输入轴上的输入轴第一齿轮、输入轴第二齿轮和输入轴第三齿轮；第一输出轴和第一输出轴上固定设置的主减速器第一主动齿轮；第二输出轴和第二输出轴上固定设置的主减速器第二主动齿轮；通过滚针轴承可旋转的设置在第一输出轴上的花键毂套轴；通过滚针轴承可旋转的设置在花键毂套轴上的第一输出轴第一齿轮，通过滚针轴承可旋转的设置在第一输入轴上的第一输出轴第二齿轮；控制第一输出轴第一齿轮或第一输出轴第二齿轮与花键毂套轴间固定或旋转的爪式离合器；控制花键毂套轴与第一输出轴间固定或旋转的第一离合器；通过滚针轴承可旋转的设置在第二输出轴上的第二输出轴第一齿轮和第二输出轴第二齿轮，以及控制第二输出轴第一齿轮和第二输出轴间固定或旋转的第三离合器，和控制第二输出轴第二齿轮与第二输出轴间固定或旋转的单向离合器及锁止离合器；还包括主减速器的从动齿轮、差速器，以及电池系统和配电及电子控制系统和变速器控制系统。本发明一种混合动力汽车变速器的特征在于：负责动力分流或合成的行星排设置在变速器前端的发动机连接离合器和输入轴之间，电机设置在变速器的后端，在汽车加速驱动力需求较大时，通过发动机连接离合器的结合，使负责动力分流或合成的行星排不但可以动力合成，还可以实现无级变速；在汽车急加速或爬坡驱动力需求更大时，通过发动机连接离合器和行星排控制离合器的结合，使负责动力分流或合成的行星排实现动力叠加；在汽车发动机驱动力大于行驶需求时，通过发动机连接离合器和行星排控制离合器的结合，使负责动力分流或合成的行星排实现动力分流功能，发动机以高热效率状态工作，一部分动力驱动汽车行驶，另一部分动力带动发电机发电；在汽车发电机需要启动时，发动机连接离合器和行星排控制离合器结合，使电动机带动发动机启动；通过本发明结构和上述控制方法可以用一个电机实现两台机电结构的所有功能。
本发明一种混合动力汽车变速器的特征还在于：本发明一种混合动力汽车变速器的行星排控制离合器设置在变速器的后端，集成在设置在变速器后端的电机转子内部，其中：离合器內毂与输入轴的后端连接，它通过输入轴与固定在输入轴前端的行星架连接，离合器外毂与电机轴的后端连接，它通过电机轴与固定在电机轴前端的太阳轮连接；当行星排控制离合器分离时，来自于电动机的动力通过电机轴传递到固定在电机轴前端的太阳轮上，通过行星排与作用在齿圈上的来自于发动机的动力进行动力合成，再通过与输入轴前端连接的行星架传递到输入轴上，实现变速器的动力合成功能；当行星排控制离合器结合时，来自于电动机的动力一部分通过电机轴传递到固定在电机轴前端的太阳轮上，通过行星排与作用在齿圈上的来自于发动机的动力进行动力合成，再通过与输入轴前端连接的行星架传递到输入轴上，来自于电动机的另一部分动力通过与输入轴后端连接的离合器內毂传递到输入轴上，实现变速器的动力叠加功能。
根据本发明的技术原理，也可以将行星排控制离合器的离合器外毂与输入轴的后端连接，将行星排控制离合器的离合器内毂与电机轴的后端连接，下面结合说明书附图进一步说明
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步说明。
图1是本发明的一种混合动力汽车变速器的结构示意图，本发明的一种混合动力汽车变速器，包括设置在变速器与发动机间的飞轮减震器J，控制发动机与变速器连接的发动机连接离合器K0，调整发动机和电动机的动力流的行星齿轮组X，以及行星齿轮组X中的齿圈X1，行星架X2，太阳轮X3；设置在太阳轮X3和行星架X2间，控制齿圈X1、行星架X2和太阳轮X3之间相对运动或固定的行星排控制离合器K2；还包括集启动功能、驱动功能和发电功能于一体的电机D；连接电机和太阳轮的电机轴S0；输入轴S以及固定的设置在输入轴S上的输入轴第一齿轮1、输入轴第二齿轮2和输入轴第三齿轮3；第一输出轴S1和第一输出轴S1上固定设置的主减速器第一主动齿轮10，通过滚针轴承可旋转的设置在第一输出轴S1上的花键毂套轴S3，通过滚针轴承可旋转的设置在花键毂套轴S3上的第一输出轴上的第一齿轮11，通过滚针轴承可旋转的设置在第一输出轴S1上的第一输出轴上的第二齿轮12，以及控制第一输出轴上的第一齿轮11和第一输出轴上的第二齿轮12与花键毂套轴S3间固定或旋转的爪式离合器Z1；控制花键毂套轴S3与第一输出轴S1间固定或旋转的第一输出轴离合器K1；第二输出轴S2和第二输出轴S2上固定设置的主减速器第二主动齿轮20，通过滚针轴承可旋转的设置在第二输出轴S2上的第二输出轴第一齿轮21和第二输出轴第二齿轮22，以及控制第二输出轴第一齿轮21和第二输出轴S2间固定或旋转的第二输出轴离合器K3；控制第二输出轴第二齿轮22与第二输出轴S2间固定或旋转的单向离合器C及锁止离合器Z2；还包括主减速器的从动齿轮及差速器。本发明一种混合动力汽车变速器为集启动功能和驱动功能以及发电功能于一体的单电机结构，通过对发动机和电机D以及离合器、制动器的控制，使汽车具备纯电机驱动、发动机驱动、混合动力驱动、汽车静止时发电、汽车行驶时发电以及能量回收等功能；通过行星排的动力合成作用，可以使来自于发动机的动力经过飞轮减震器J和发动机连接离合器K0传递到齿圈X1上，来自于电机D的动力经过电机轴S0传递到太阳轮X3上，两股动力流经过行星排合成后，从行星架X2传递到输入轴S，经过第一输出轴S1或第二输出轴S2传递到车轮上进行混合动力输出，实现发动机输出功率和电动机输出功率的正向叠加。当汽车动力电池需要发动机的能量充电时，如果汽车静止时充电，控制系统通过输出端的固定将行星架X2固定，来自于发动机的动力经过飞轮减震器J、发动机连接离合器K0、齿圈X1、行星排控制离合器K2、行星架X2、太阳轮X3和电机轴S0带动电机D发电给汽车动力电池充电。如果是汽车行驶时充电时，将控制齿圈X1、行星架X2和太阳轮X3之间相对运动或固定的行星排控制离合器K2结合，来自于发动机的动力经过飞轮减震器J和发动机连接离合器K0传递到齿圈X1、行星排控制离合器K2行星架X2上后，根据需要，一部分经过输入轴S、第一输出轴S1或第二输出轴S2进行动力输出，另一部分经过太阳轮3和电机轴S0带动电机D发电给汽车动力电池充电。本发明一种混合动力汽车变速器的换挡逻辑不在沿用现有的逐挡加速逐挡切换或逐挡加速跳挡切换的方法，而是采取直接无极加速到目标车速后，再切换至相应挡位，通过汽车控制系统，可以使发动机在最大扭矩转速时，实现车速从0到100km/h的无级加速，使汽车具有极高的动力性能，还可以通过控制系统控制变速器挡位的变换使汽车的发动机和电动机都在最经济最高效工作区间工作，可以极大的提高燃油效率和纯电动驱动的续航里程，提高插电式混合动力汽车的整体性能。完美解决了换挡动力中断和换挡冲击问题，大大提高换挡平顺性。
本发明一种混合动力汽车变速器的各挡动力传递路径见下：
发动机驱动时一挡：发动机连接离合器K0和行星排控制离合器K2结合，锁止离合器Z2结合，其它离合器断开，此时由于结构特性使单向离合器C也工作，来自于发动机的动力经过飞轮减震器J→发动机连接离合器K0→齿圈X1，此时由于行星排控制离合器K2结合将行星排锁止成一体行星轮被固定，动力由齿圈X1→行星轮→行星架X2→输入轴S→输入轴第二齿轮2→第二输出轴第二齿轮22→单向离合器C→第二输出轴S2→主减速器第二主动齿轮20→主减速器从动齿轮30→差速器传递到汽车驱动轮。锁止离合器Z2结合的作用是当汽车需要制动时，能够使车轮反传给发电机发电的动力不因单向离合器C的断开而中断。
发动机驱动时二挡：发动机连接离合器K0和行星排控制离合器K2以及第一输出轴离合器K1结合，爪式离合器Z1与第一输出轴第二齿轮12结合，其它离合器断开，来自于发动机的动力经过飞轮减震器J→发动机连接离合器K0→齿圈X1，此时由于行星排控制离合器K2结合将行星排锁止成一体行星轮被固定，动力由齿圈X1→行星轮→行星架X2→输入轴S→输入轴第三齿轮3→第一输出轴第二齿轮12→爪式离合器Z1→花键毂套轴S3→第一输出轴离合器K1→第一输出轴S1→主减速器第一主动齿轮10→主减速器从动齿轮30→差速器传递到汽车驱动轮。
发动机驱动时三挡：发动机连接离合器K0和行星排控制离合器K2以及第二输出轴离合器K3结合，其它离合器断开，来自于发动机的动力经过飞轮减震器J→发动机连接离合器K0→齿圈X1，此时由于行星排控制离合器K2结合将行星排锁止成一体行星轮被固定，动力由齿圈X1→行星轮→行星架X2→输入轴S→输入轴第一齿轮1→第二输出轴第一齿轮21→第二输出轴离合器K3→第二输出轴S2→第二输出轴主减速器主动齿轮20→主减速器从动齿轮30→差速器传递到汽车驱动轮。
发动机驱动时四挡：参发动机连接离合器K0和行星排控制离合器K2以及第一输出轴离合器K1结合，爪式离合器Z1与第一输出轴第一齿轮11结合，其它离合器断开，来自于发动机的动力经过飞轮减震器J→发动机连接离合器K0→齿圈X1，此时由于行星排控制离合器K2结合将行星排锁止成一体行星轮被固定，动力由齿圈X1→行星轮→行星架X2→输入轴S→输入轴第一齿轮1→第一输出轴第一齿轮11→爪式离合器Z1→花键毂套轴S3→第一输出轴离合器K1→第一输出轴S1→主减速器第一主动齿轮10→主减速器从动齿轮30→差速器传递到汽车驱动轮。
倒挡：行星排控制离合器K2结合，锁止离合器Z2结合，其它离合器断开，此时由于电机轴后端和输入轴后端被锁止成一体，来自于电动机的动力经过电机轴S0→行星排控制离合器K2→输入轴S→输入轴第二齿轮2→第二输出轴第二齿轮22→锁止离合器Z2→第二输出轴S2→第二输出轴主减速器主动齿轮20→主减速器从动齿轮30→差速器传递到汽车驱动轮。
电动机驱动时一挡：行星排控制离合器K2结合，锁止离合器Z2结合，其它离合器断开，此时由于结构特性使单向离合器C也工作，电机轴后端和输入轴后端被锁止成一体，来自于电动机D的动力经过电机轴S0→行星排控制离合器K2→输入轴S→输入轴第二齿轮2→第二输出轴第二齿轮22→单向离合器C→第二输出轴S2→主减速器第二主动齿轮20→主减速器从动齿轮30→差速器传递到汽车驱动轮。锁止离合器Z2结合的作用是当汽车需要制动时，能够使车轮反传给发电机发电的动力不因单向离合器C的断开而中断。
电动机驱动时二挡：行星排控制离合器K2结合，第一输出轴离合器K1结合，爪式离合器Z1与第一输出轴第二齿轮12结合，其它离合器断开，此时电机轴后端和输入轴后端被锁止成一体，来自于电动机D的动力经过电机轴S0→行星排控制离合器K2→输入轴S→输入轴第三齿轮3→第一输出轴第二齿轮12→爪式离合器Z1→花键毂套轴S3→第一输出轴离合器K1→第一输出轴S1→主减速器第一主动齿轮10→主减速器从动齿轮30→差速器传递到汽车驱动轮。
本发明一种混合动力汽车变速器中的纯电机驱动、发动机驱动、混合动力驱动、汽车静止时发电、汽车行驶时发电以及能量回收等功能的实现控制及动力传递路径见下：
1、纯电机驱动工况：纯电机驱动工况分运动(山地)模式和经济(平地)模式两种，当运动(山地)模式启动时(汽车启动加速阶段车速0—30km/h)，先以电动机驱动工况下的一挡驱动，当汽车达到一定的速度时，控制系统根据行车数据切换至相应的挡位。
当经济(平地)模式启动时(汽车启动加速阶段车速0—115km/h)，先以电动机驱动工况下的二挡驱动，当汽车达到一定的速度时，控制系统根据行车数据切换挡位。
2、发动机启动工况：发动机启动工况有两种，一种是汽车静止时启动，这种工况时，发动机连接离合器K0和爪式离合器Z2结合，汽车制动系统工作，其他离合器全部断开，此时在汽车制动系统作用下，行星架被固定，电机D反向启动带动太阳轮3反向旋转通过行星轮和行星架2使齿圈正向旋转，通过发动机连接离合器K1扭转减振器J带动发动机正向启动。
发动机另一种启动工况是电机D驱动汽车行驶的工况下需要发电或车速进入到适合发动机工作的区间时启动发动机，在这种工况时，电机D除了以电动机低速挡工作外的任何挡位时，只要增加电机D的扭矩，同时将发动机连接离合器K1结合就可以在不影响汽车行驶的情况下启动发动机。
3、发动机驱动工况：发动机驱动工况有两种，第一种是汽车静止开始驱动，第二种是先由电机D驱动使汽车进入发动机经济工作区间后改为发动机驱动，第一种时，控制系统控制汽车先以发动机驱动工况下的一挡驱动，当汽车达到一定的速度时，控制系统根据行车数据切换至相应的挡位。第二种时，电机D以中速挡驱动汽车加速至一定速度后，增加电机D的扭矩，同时将发动机连接离合器K1结合，在不影响汽车行驶的情况下启动发动机，然后由发动机驱动根据驾驶员的驾驶意图进行加速或匀速行驶。
4、混合驱动工况：当发动机驱动汽车需要换挡时或上坡以及急加速需要电动机同时驱动时，电机D可以随时介入与发动机一起进行混合动力驱动，在发动机驱动工况下汽车换挡时，先将行星排控制离合器K2分离，同时调整电机D的输出转速和输出扭矩，实现混合动力的无极变速，此过程发动机与电机D的转速不同，但都在做功，两者功率相加之和就是输出功率。当发动机驱动汽车匀速行驶工况需要混合驱动时，只需控制系统将电机D变为动力输出状态进行扭矩输出即可，此过程发动机与电机D的转速相同，同时做功，两者功率相加之和就是输出功率。当电机D驱动汽车匀速行驶工况需要混合驱动时，只需控制系统将电机扭矩相应提高同时将离合器K1结合启动发动机一起驱动即可进行混合动力驱动。
5、发电工况：插电式混合动力汽车最大特点就是当电池电量不足时可以用外部充电设施充电，当没有外部充电设施时可随时由发动机带动发电机发电。发电工况有两种，一种是汽车静止时发电，即汽车静止时启动发动机后，立即将电机D由启动电机工况变成发电工况即可，此时由于行星架被制动系统固定，发动机带动齿圈X1旋转，通过行星轮使太阳轮X3带动电机D反向旋转发电；另一种发电工况是汽车在行驶中发电，在发动机驱动的工况下，除换挡的情况外，在任何挡位行驶时控制系统都可以随时将电机D调整为发电状态，使发动机在驱动汽车行驶的同时带动电机D发电。
6、制动能回收：当汽车需要进行制动减速时断开发动机连接离合器K0，使输出系统只与电机D连接，同时控制系统使电机D进入发电状态，这样就将减速的能量变成了电能存入到了汽车电池里，实现了能量回收功能。
图2是本发明的一个实施例的结构示意图，本实施例是在原结构的基础上的一个变化方案，是将行星排控制离合器的离合器外毂改为与输入轴的后端连接，将行星排控制离合器的离合器内毂改为与电机轴的后端连接，其他不变，其控制效果与实现功能均与原结构方案相同。
上述实施例只是用以对本发明的说明，并非是对本发明的限制，根据本发明的结构原理还可做出很多挡位的很多的混合动力变速器方案，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、更改添加或替换也应属于本发明保护范围。

Claims (3)

1.一种混合动力汽车变速器，包括设置在变速器与发动机间的飞轮减震器；控制发动机与变速器连接的发动机连接离合器；负责对发动机和电动机输出动力流进行合成或分解的行星齿轮组；以及行星齿轮组中的齿圈，行星架，太阳轮；设置在行星架与太阳轮间，控制齿圈、行星架和太阳轮之间相对运动或固定的行星排控制离合器；还包括集启动功能、驱动功能和发电功能于一体的电机；连接电机和太阳轮的电机轴；输入轴以及固定的设置在输入轴上的输入轴第一齿轮、输入轴第二齿轮和输入轴第三齿轮；第一输出轴和第一输出轴上固定设置的主减速器第一主动齿轮；第二输出轴和第二输出轴上固定设置的主减速器第二主动齿轮；通过滚针轴承可旋转的设置在第一输出轴上的花键毂套轴；通过滚针轴承可旋转的设置在花键毂套轴上的第一输出轴第一齿轮，通过滚针轴承可旋转的设置在第一输入轴上的第一输出轴第二齿轮；控制第一输出轴第一齿轮以及第一输出轴第二齿轮与花键毂套轴间固定或旋转的爪式离合器；控制花键毂套轴与第一输出轴间固定或旋转的第一离合器；通过滚针轴承可旋转的设置在第二输出轴上的第二输出轴第一齿轮和第二输出轴第二齿轮，以及控制第二输出轴第一齿轮和第二输出轴间固定或旋转的第三离合器，和控制第二输出轴第二齿轮与第二输出轴间固定或旋转的单向离合器及锁止离合器；还包括主减速器的从动齿轮、差速器，以及电池系统和配电及电子控制系统和变速器控制系统；本发明一种混合动力汽车变速器的特征在于：负责动力分流或合成的行星排设置在变速器前端的发动机连接离合器和输入轴之间，电机设置在变速器的后端，在汽车加速驱动力需求较大时，通过发动机连接离合器的结合，使负责动力分流或合成的行星排不但可以动力合成，还可以实现无级变速；在汽车急加速或爬坡驱动力需求更大时，通过发动机连接离合器和行星排控制离合器的结合，使负责动力分流或合成的行星排实现动力叠加；在汽车发动机驱动力大于行驶需求时，通过发动机连接离合器和行星排控制离合器的结合，使负责动力分流或合成的行星排实现动力分流功能，发动机以高热效率状态工作，一部分动力驱动汽车行驶，另外一部分动力带动发电机发电；在汽车发电机需要启动时，发动机连接离合器和行星排控制离合器的结合，使电动机带动发动机启动；通过本发明结构和上述控制方法可以用一个电机实现两台机电结构的所有功能。
2.根据权利要求1所述一种混合动力汽车变速器，其特征在于：本发明一种混合动力汽车变速器的行星排控制离合器设置在变速器的后端，集成在设置在变速器后端的电机转子内部，其中：离合器內毂与输入轴的后端连接，它通过输入轴与固定在输入轴前端的行星架连接，离合器外毂与电机轴的后端连接，它通过电机轴与固定在电机轴前端的太阳轮连接。
3.一种混合动力汽车变速器，包括设置在变速器与发动机间的飞轮减震器；控制发动机与变速器连接的发动机连接离合器；负责对发动机和电动机输出动力流进行合成或分解的行星齿轮组；以及行星齿轮组中的齿圈，行星架，太阳轮；设置在行星架与太阳轮间，控制齿圈、行星架和太阳轮之间相对运动或固定的行星排控制离合器；其特征在于：本发明一种混合动力汽车变速器的行星排控制离合器设置在变速器的后端，集成在设置在变速器后端的电机转子内部，其中：行星排控制离合器的离合器外毂与输入轴的后端连接，行星排控制离合器的离合器内毂与电机轴的后端连接。
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