CN110395106A - 一种用于混合动力车辆的混合动力变速器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于混合动力车辆的混合动力变速器，包括作为外围包络件的变速器的壳体，其动力源包括发动机、第一电机、第二电机，还包括分别与发动机、第一电机和第二电机连接的变速器，所述的变速器包括单行星排机构、同步器机构、变速传动机构和差速器机构，所述的单行星排机构分别与发动机、同步器机构和第一电机固定连接，所述的变速传动机构分别与同步器机构和差速器机构活动连接，与第二电机固定连接。与现有技术相比，本发明具有集成度高、控制难度低和燃油经济性高等优点。

Description

一种用于混合动力车辆的混合动力变速器
技术领域
本发明涉及机电混合动力车辆的驱动领域，尤其是涉及一种用于混合动力车辆的混合动力变速器。
背景技术
由于传统的燃油发动机汽车导致的世界环境与能源问题加剧，以及世界各国对新能源汽车政策的调整，各大汽车公司都在积极研发节能环保汽车。混合动力系统已经成为现阶段解决汽车能耗和环境污染的可行技术方案，其核心的动力传动装置也就成为各公司研发的重点。目前在混合动力方案中大多采用多个单行星排进行串联或并联的混合动力方案，但节油效率有限。因此，整车节油效率更高、更适用于混和动力车辆的传动装置是当前的一个主要研究课题。
申请号为CN201110405238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系列平行轴齿轮啮合，可以实现不同的功率分流模式，但该设计方案机构比较复杂、制造成本较高、控制难度较大、可靠性较低。
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用于混合动力车辆的混合动力变速器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于混合动力车辆的混合动力变速器，包括作为外围包络件的变速器的壳体，其动力源包括发动机、第一电机、第二电机，该混合动力变速器包括单行星排机构、同步器机构、变速传动机构和差速器机构，所述的单行星排机构分别与发动机、同步器机构和第一电机连接，所述的变速传动机构连接第二电机，并分别与同步器机构和差速器机构活动连接；
该混合动力变速器工作时，所述的单行星排机构将动力源的动力经差速或变速后，通过同步器机构的动力转换传递至变速传动机构，所述的变速传动机构将动力传送至差速器机构，以驱动混合动力变速器运转。
进一步地，所述的单行星排机构包括内齿圈、行星轮、行星架和太阳轮，所述的内齿圈通过第一传动轴与发动机固定连接，所述的第一传动轴将发动机的动力传递至内齿圈，所述的第一传动轴上还设有与变速器的壳体固定连接的单向离合器或制动器，所述的行星轮设置于行星架上且分别与太阳轮和内齿圈啮合连接，所述的行星架通过第四传动轴与同步器机构固定连接，所述的太阳轮通过第二传动轴与第一电机的第一转子轴同轴连接，所述的第一电机通过第一转子轴传递动力。
进一步地，所述的同步器机构包括同步器和第一齿轮，所述的同步器与所述第四传动轴固定连接，所述的同步器一端与单行星排机构连接，另一端与第一齿轮连接，所述的第一齿轮同轴空套于第二传动轴上，通过第四传动轴与行星架固定连接，并且与变速传动机构连接，将单行星排机构的动力传递至变速传动机构。
进一步地，所述的第一传动轴、第二传动轴与第四传动轴同轴设置，所述的第二传动轴同轴穿过第四传动轴，所述的第四传动轴同轴穿过第一传动轴。
进一步地，所述的变速传动机构包括第三齿轮、第四齿轮和第五齿轮，所述的第三齿轮两侧分别与第一齿轮和第四齿轮啮合连接，并且与第五齿轮通过第五传动轴同轴连接，所述的第五齿轮与差速器机构连接，所述的第四齿轮通过第三传动轴和第二转子轴与第二电机连接，所述的第二电机通过第二转子轴传递动力。
进一步地，所述的差速器机构包括差速器和第六齿轮，所述的第六齿轮与第五齿轮啮合连接，并且与差速器的壳体固定连接，将变速传动机构的动力传递至差速器。
进一步地，第一电机和第二电机分别连接动力蓄电池，该混合动力变速器通过发动机、第一电机和第二电机与动力蓄电池不同的驱动或停机状态实现多种工作模式，包括第一纯电驱动模式、第二纯电驱动模式、混合动力驱动模式、制动能量回收模式和驻车充电模式，所述的第一电机和第二电机根据混合动力变速器不同的工作模式切换电动机状态或发电机状态。
进一步地，在发电机状态下，第一电机和第二电机利用输入的动力对动力蓄电池进行充电，在电动机状态下，第一电机和第二电机使用动力蓄电池中的电能作为动力源输出动力，该状态下的动力源还包括所述的发动机。
进一步地，在第一纯电驱动模式下，所述的第二电机工作在电动状态单独驱动动力系统，所述的发动机处于停机状态；
在第二纯电驱动模式下，第一电机和第二电机工作在电动机状态共同驱动动力系统，所述的发动机处于停机状态；
在混合动力驱动模式下，发动机、第一电机和第二电机共同驱动动力系统，所述的发动机的输出功率通过单行星排机构进行功率分流，所述的第一电机切换发电机状态或电动机状态对发动机工作点进行调节；所述的第二电机切换发电机状态或电动机状态对发动机工作点进行调节；
在制动能量回收模式下，第一电机、第二电机工作在发电机状态，车辆制动时，车轮反向拖动车辆带动第一电机和第二电机对动力蓄电池进行充电，回收制动情况下车辆的动能；
在驻车充电模式下，所述的第一电机工作在发电机状态，所述的发动机驱动第一电机对动力蓄电池进行充电。
进一步地，该混合动力变速器还包括驻车机构、机械泵、电动泵和控制器，所述的驻车机构用于实现该混合动力变速器的驻车功能，所述的机械泵用于为该混合动力变速器提供液压油，所述的电动泵由油泵电机驱动并为该混合动力变速器提供液压油，所述的控制器用于控制发动机的ECU、第一电机、第二电机和油泵电机。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)结构简单：本发明的一种用于混合动力车辆的混合动力变速器的元件个数较少，有利于降低混合动力变速器机械制造成本，进一步缩小变速器的体积和重量，并且由于结构简单，变速器的整体可靠性较高；
2)控制难度低：本发明的单行星排机构中利用单向离合器或制动器与变速器的壳体连接，以实现第一电机与传动轴、转子轴的动力切换，且同步器机构中利用同步器分别与单行星排机构及变速传动机构的第一齿轮连接，可将单行星排机构的与变速传动机构的动力切换，即本发明用于动力切换的换档元件较少，控制系统的开发难度较低且可靠性较高；
3)集成度高：本发明的一种用于混合动力车辆的混合动力变速器集成了两个电机、差速机构与变速机构等，能够通过控制器控制电机以及换档元件实现变速器的模式切换功能；
4)燃油经济性高：本发明含有两种纯电驱动模式以及混合动力驱动模式、制动能量回收模式和驻车发电模式，不同的模式能够充分满足混合动力车辆在不同驱动工况的需求，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区间，从而有效保证整个混合动力系统的效率较高。
附图说明
图1为一种用于混合动力车辆的混合动力变速器的结构示意图；
图2为一种用于混合动力车辆的混合动力变速器另一种实现方式的结构示意图；
其中，1、第一传动轴，2、第二传动轴，3、第三传动轴，4、第四传动轴，5、第五传动轴，G1、第一齿轮，G3、第三齿轮，G4、第四齿轮，G5、第五齿轮，G6、第六齿轮，HT、变速器，ICE、发动机，FW、扭转减振部件，FC、单向离合器，B1、制动器，C1、同步器，PG、单行星排机构，PC1、行星架，S1、太阳轮，P1、行星轮，R1、内齿圈，EM1、第一电机，EM2、第二电机，RS1、第一转子轴，RS2、第二转子轴，DIF、差速器，TG、变速传动机构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种用于混合动力车辆的混合动力变速器，包括分别与发动机ICE、第一电机EM1和第二电机EM2连接的变速器HT，变速器HT包括单行星排机构PG、同步器机构、变速传动机构TG、差速器机构和单向离合器FC，该变速器HT外设有壳体，该混合动力变速器还包括驻车机构、机械泵、电动泵和控制器。
其中，发动机ICE两端设置扭转减震部件FW，第一电机EM1配备有第一转子轴RS1，第一电机EM1通过第一转子轴RS1输出动力或输入动力，第二电机EM2配备有第二转子轴RS2，第二电机EM2通过第二转子轴RS2输出动力或输入动力。
单行星排机构PG被构造成具备差速或变速功能，并能够把发动机ICE动力和第一电机EM1动力经差速或变速后传递给变速传动机构TG；
差速器DIF具有差速功能并直接用于驱动混合动力系统；
变速传动机构TG，变速传动机构TG被构造成具备变速功能，并能够将所述单行星排机构PG的动力以预定的速比传递给差速器DIF；
单向离合器FC被构造成具备单向传递动力的功能；
同步器C1被构造成能够有选择性地使其连接的各元件保持同转速旋转状态或保持停止状态的装置；
混合动力变速器的壳体为外围包络件，并且与发动机ICE的壳体固定连接，与第一电机EM1的壳体固定连接，与第二电机EM2的壳体固定连接；
驻车机构用于实现该混合动力变速器的驻车功能；
机械泵用于为该混合动力变速器提供液压油；
电动泵由油泵电机驱动并为该混合动力变速器提供液压油；
控制器用于控制发动机ICE的ECU、第一电机EM1、第二电机EM2和油泵电机。
单行星排机构PG的输入端连接单向离合器FC后与发动机ICE固定连接，输出端与同步器机构固定连接，单行星排机构PG还与第一电机EM1固定连接。单行星排机构PG包括内齿圈R1、行星轮P1、行星架PC1和太阳轮S1，内齿圈R1通过第一传动轴1与发动机ICE固定连接，第一传动轴1将发动机ICE的动力传递至内齿圈R1，第一传动轴1上靠近内齿圈R1一侧还设置单向离合器FC。行星轮P1设置于行星架PC1上且分别与太阳轮S1和内齿圈R1啮合连接，行星架PC1通过第四传动轴4与同步器机构固定连接，太阳轮S1通过第二传动轴2和第一转子轴RS1与第一电机EM1连接，第一电机EM1通过第一转子轴RS1传递动力。单向离合器FC设置在第一传动轴1与变速器的壳体之间。
同步器机构包括同步器C1和第一齿轮G1，同步器C1固定设置于第四传动轴4上，同步器C1一端与单行星排机构PG连接，另一端与第一齿轮G1连接，第一齿轮G1同轴空套于第二传动轴2上，通过第四传动轴4与行星架PC1固定连接，并且与变速传动机构TG啮合连接，将单行星排机构PG的动力传递至变速传动机构TG。
变速传动机构TG的输入端与同步器机构连接，输出端与差速器机构连接，还与第二电机EM2固定连接。变速传动机构TG包括第三齿轮G3、第四齿轮G4和第五齿轮G5，第三齿轮G3两侧分别与第一齿轮G1和第四齿轮G4啮合连接，并且与第五齿轮G5通过第五传动轴5同轴连接，第五齿轮G5与差速器机构连接，第四齿轮G4通过第三传动轴3和第二转子轴RS2与第二电机EM2连接，第二电机EM2通过第二转子轴RS2传递动力。
差速器机构包括差速器DIF和第六齿轮G6，第六齿轮G6与第五齿轮G5啮合连接，并且与差速器DIF的壳体固定连接，将变速传动机构TG的动力传递至差速器DIF，差速器DIF用于直接驱动混合动力系统。
其中，第一传动轴1、第二传动轴2与第四传动轴4同轴设置，第二传动轴2同轴穿过第四传动轴4，第三传动轴3以及第五传动轴5均与第一传动轴1非同轴设置，且第一传动轴1、第二传动轴2、第三传动轴3、第四传动轴4和第五传动轴5均具有实心或中空结构；在轴向上，第一电机EM1以及第二电机EM2均设置在远离发动机ICE一侧，单向离合器FC设置在靠近发动机ICE一侧，第五齿轮G5、第六齿轮G6以及差速器DIF设置在靠近发动机ICE一侧，第一齿轮G1、第三齿轮G3以及第四齿轮G4相对于第五齿轮G5均设置在远离发动机ICE一侧。
实施例2
如图2所示，为本发明一种用于混合动力车辆的混合动力变速器的另一种实现方式，与实施例1类似，但采用制动器B1代替的单向离合器FC，制动器B1被构造成能够有选择性地使其连接的运动件减速或停止或保持停止状态。
在实施例1和实施例2中，该混合动力变速器工作时，单行星排机构PG将动力源的动力经差速或变速后通过同步器机构传递至变速传动机构TG，变速传动机构TG将动力传送至差速器DIF机构，驱动混合动力系统。
第一电机EM1和第二电机EM2分别与动力蓄电池连接，第一电机EM1和第二电机EM2具有两种工作状态，包括电动机状态和发电机状态，在电动机状态下，第一电机EM1和第二电机EM2利用输入的动力对动力蓄电池进行充电，在发电机状态下，第一电机EM1和第二电机EM2使用动力蓄电池中的电能作为动力源输出动力，动力源还包括发动机ICE。
本发明一种用于混合动力车辆的混合动力变速器具有多种工作模式，包括第一纯电驱动模式、第二纯电驱动模式、混合动力驱动模式、制动能量会瘦模式和驻车充电模式，第一电机EM1和第二电机EM2根据工作模式的不同切换两种工作状态。
各模式下，第一电机EM1、第二电机EM2和发动机ICE的工作状态情况如下：
第一纯电驱动模式：第二电机EM2工作在电动机状态单独驱动动力系统，发动机ICE处于停机状态；
第二纯电驱动模式：第一电机EM1和第二电机EM2工作在电动机状态共同驱动动力系统，发动机ICE处于停机状态；
混合动力驱动模式：发动机ICE、第一电机EM1和第二电机EM2共同驱动动力系统，发动机ICE的输出功率通过单行星排机构PG进行功率分流，第一电机EM1和第二电机EM2分别切换发电机状态或电动机状态对发动机ICE工作点进行调节，保证较高动力性的同时，提高发动机ICE的工作效率；
制动能量回收模式：第一电机EM1和第二电机EM2工作在发电机状态，车辆制动时，车轮反向拖动车辆带动第一电机EM1和第二电机EM2对动力蓄电池进行充电，回收制动情况下车辆的部分动能；
驻车充电模式：第一电机EM1工作在发电机状态，所述的发动机ICE驱动第一电机EM1对动力蓄电池进行充电。
在实施例1和实施例2中，使用该混合动力变速器的车辆在各工况下的工作状态如下：
1、车辆起步：
当车辆动力蓄电池电量较高(例如：高于80％)且启动动力需求较小时，采用第一纯电驱动模式，即采用第二电机EM2单独驱动实现车辆起步；
当车辆动力蓄电池电量较高(例如：高于80％)且启动动力需求较大时，采用第二纯电驱动模式，即采用第一电机EM1与第二电机EM2共同驱动实现车辆起步；
当车辆动力蓄电池电量较低(例如：低于20％)时，采用混合动力驱动模式，即采用发动机ICE、第一电机EM1以及第二电机EM2共同驱动实现车辆起步。
2、车辆中高速运行：
当混合动力车辆通过纯电驱动模式起步且行驶一定时间后，且当动力蓄电池电量较高时(例如：高于50％)，车辆可以通过第一纯电驱动模式行驶至一定车速，然后切换至第二纯电动驱动模式，保证车辆在全速范围内纯电动行驶；
当动力蓄电池电量下降至一定水平或者系统效率相对较低时(例如：低于50％)，车辆可以由第一纯电驱动模式或者第二纯电驱动模式切换至混合动力驱动模式；
在第一纯电驱动模式下切换至混合动力驱动模式的过程中，利用第一电机EM1对发动机ICE进行启动；
在第二纯电驱动模式下切换至混合动力驱动模式的过程中，第二电机EM2继续驱动车辆正常行驶，第一电机EM1拖拽发动机ICE至一定转速后，发动机ICE进行点火启动；
为减少发动机ICE启动过程中对车辆舒适性影响，此时第一电机EM1进行短暂发电以平衡发动机ICE启动过程中的爆发力矩，然后车辆混合动力驱动模式；
当车辆进入混合动力驱动模式时，发动机ICE的工作点可以被灵活调节，系统以较高的效率运行。
3、车辆驻车：
驻车时，当车辆动力蓄电池电量较低时(例如：低于60％)，发动机ICE经单行星排机构PG带动第一电机EM1对车辆动力蓄电池进行充电；
当车辆动力蓄电池电量较高时(例如：高于80％)，发动机ICE熄火。
4、车辆制动：
当车辆非紧急制动时，并且当车辆动力蓄电池电量较低时(例如：低于60％)，车轮反向拖动传动装置带动第一电机EM1以及第二电机EM2对动力蓄电池进行充电，以回收制动情况下车辆的部分动能；
否则，直接启动制动系统对车辆进行制动。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于混合动力车辆的混合动力变速器，包括作为外围包络件的变速器的壳体，其动力源包括发动机(ICE)、第一电机(EM1)、第二电机(EM2)，其特征在于，该混合动力变速器包括单行星排机构(PG)、同步器机构、变速传动机构(TG)和差速器机构，所述的单行星排机构(PG)分别与发动机(ICE)、同步器机构和第一电机(EM1)连接，所述的变速传动机构(TG)连接第二电机(EM2)，并分别与同步器机构和差速器机构活动连接；
该混合动力变速器工作时，所述的单行星排机构(PG)将动力源的动力经差速或变速后，通过同步器机构的动力转换传递至变速传动机构(TG)，所述的变速传动机构(TG)将动力传送至差速器机构，以驱动混合动力变速器运转。
2.根据权利要求1所述的一种用于混合动力车辆的混合动力变速器，其特征在于，所述的单行星排机构(PG)包括内齿圈(R1)、行星轮(P1)、行星架(PC1)和太阳轮(S1)，所述的内齿圈(R1)通过第一传动轴(1)与发动机(ICE)固定连接，所述的第一传动轴(1)将发动机(ICE)的动力传递至内齿圈(R1)，所述的第一传动轴(1)上还设有与变速器的壳体固定连接的单向离合器(FC)或制动器(B1)，所述的行星轮(P1)设置于行星架(PC1)上且分别与太阳轮(S1)和内齿圈(R1)啮合连接，所述的行星架(PC1)通过第四传动轴(4)与同步器机构固定连接，所述的太阳轮(S1)通过第二传动轴(2)与第一电机(EM1)的第一转子轴(RS1)同轴连接，所述的第一电机(EM1)通过第一转子轴(RS1)传递动力。
3.根据权利要求2所述的一种用于混合动力车辆的混合动力变速器，其特征在于，所述的同步器机构包括同步器(C1)和第一齿轮(G1)，所述的同步器(C1)与所述第四传动轴(4)固定连接，所述的同步器(C1)一端与单行星排机构(PG)连接，另一端与第一齿轮(G1)连接，所述的第一齿轮(G1)同轴空套于第二传动轴(2)上，通过第四传动轴(4)与行星架(PC1)固定连接，并且与变速传动机构(TG)连接，将单行星排机构(PG)的动力传递至变速传动机构(TG)。
4.根据权利要求3所述的一种用于混合动力车辆的混合动力变速器，其特征在于，所述的第一传动轴(1)、第二传动轴(2)与第四传动轴(4)同轴设置，所述的第二传动轴(2)同轴穿过第四传动轴(4)，所述的第四传动轴(4)同轴穿过第一传动轴(1)。
5.根据权利要求4所述的一种用于混合动力车辆的混合动力变速器，其特征在于，所述的变速传动机构(TG)包括第三齿轮(G3)、第四齿轮(G4)和第五齿轮(G5)，所述的第三齿轮(G3)两侧分别与第一齿轮(G1)和第四齿轮(G4)啮合连接，并且与第五齿轮(G5)通过第五传动轴(5)同轴连接，所述的第五齿轮(G5)与差速器机构连接，所述的第四齿轮(G4)通过第三传动轴(3)和第二转子轴(RS2)与第二电机(EM2)连接，所述的第二电机(EM2)通过第二转子轴(RS2)传递动力。
6.根据权利要求5所述的一种用于混合动力车辆的混合动力变速器，其特征在于，所述的差速器机构包括差速器(DIF)和第六齿轮(G6)，所述的第六齿轮(G6)与第五齿轮(G5)啮合连接，并且与差速器(DIF)的壳体固定连接，将变速传动机构(TG)的动力传递至差速器(DIF)。
7.根据权利要求1所述的一种用于混合动力车辆的混合动力变速器，其特征在于，第一电机(EM1)和第二电机(EM2)分别连接动力蓄电池，该混合动力变速器通过发动机(ICE)、第一电机(EM1)和第二电机(EM2)与动力蓄电池不同的驱动或停机状态实现多种工作模式，包括第一纯电驱动模式、第二纯电驱动模式、混合动力驱动模式、制动能量回收模式和驻车充电模式，所述的第一电机(EM1)和第二电机(EM2)根据混合动力变速器不同的工作模式切换电动机状态或发电机状态。
8.根据权利要求7所述的一种用于混合动力车辆的混合动力变速器，其特征在于，在发电机状态下，第一电机(EM1)和第二电机(EM2)利用输入的动力对动力蓄电池进行充电，在电动机状态下，第一电机(EM1)和第二电机(EM2)使用动力蓄电池中的电能作为动力源输出动力，该状态下的动力源还包括所述的发动机(ICE)。
9.根据权利要求8所述的一种用于混合动力车辆的混合动力变速器，其特征在于，在第一纯电驱动模式下，所述的第二电机(EM2)工作在电动状态单独驱动动力系统，所述的发动机(ICE)处于停机状态；
在第二纯电驱动模式下，第一电机(EM1)和第二电机(EM2)工作在电动机状态共同驱动动力系统，所述的发动机(ICE)处于停机状态；
在混合动力驱动模式下，发动机(ICE)、第一电机(EM1)和第二电机(EM2)共同驱动动力系统，所述的发动机(ICE)的输出功率通过单行星排机构(PG)进行功率分流，所述的第一电机(EM1)切换发电机状态或电动机状态对发动机(IC(ICE)工作点进行调节；所述的第二电机(EM2)切换发电机状态或电动机状态对发动机(ICE)工作点进行调节；
在制动能量回收模式下，第一电机(EM1)、第二电机(EM2)工作在发电机状态，车辆制动时，车轮反向拖动车辆带动第一电机(EM1)和第二电机(EM2)对动力蓄电池进行充电，回收制动情况下车辆的动能；
在驻车充电模式下，所述的第一电机(EM1)工作在发电机状态，所述的发动机(ICE)驱动第一电机(EM1)对动力蓄电池进行充电。
10.根据权利要求1所述的一种用于混合动力车辆的混合动力变速器，其特征在于，该混合动力变速器还包括驻车机构、机械泵、电动泵和控制器，所述的驻车机构用于实现该混合动力变速器的驻车功能，所述的机械泵用于为该混合动力变速器提供液压油，所述的电动泵由油泵电机驱动并为该混合动力变速器提供液压油，所述的控制器用于控制发动机(ICE)的ECU、第一电机(EM1)、第二电机(EM2)和油泵电机。
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