CN113958668B - 一种履带车辆用三模式混合动力无级变速装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种履带车辆用三模式混合动力无级变速装置，涉及混合动力传动技术领域。能够减小电机的体积和重量，同时满足履带车辆低速行驶的动力性和高速行驶的机动性。该装置包括输入轴、输出轴、第一行至第四行星排、第一离合器、第二离合器、第三离合器、第一电机和第二电机；第一齿圈连接制动器及第一离合器的主动端；第一行星架与第二行星架、第三齿圈和第二离合器的主动端均连接；第一太阳轮与第一电机的转子连接；第二齿圈与第三行星架连接；第二太阳轮与第二电机的转子及第一离合器的被动端连接；第三太阳轮与第四行星架连接；第四太阳轮与第三离合器的主动端连接；第四齿圈固定；输入轴的第二端与第三行星架传动连接。

Description

一种履带车辆用三模式混合动力无级变速装置
技术领域
本申请涉及混合动力传动技术领域，尤其涉及一种履带车辆用三模式混合动力无级变速装置。
背景技术
在节能减排的大背景下，混合动力技术发展日益成熟，由于其结合了传动燃油车和纯电动汽车的优点，将其应用于履带车辆等工况特殊的车辆，是保证安全性、可靠性前提下提高燃油经济性、改善排放并实现装备电气化的最佳选择。
履带车辆的传动系统需要宽调速范围，以满足低速困难越野路面和高速良好路面的工况的力矩需求，但是，现有的单模式机电复合传动方案对电机的功率等级要求较高，而多模式方案虽然可以充分发挥电机效能，降低对电机功率等级的要求，并实现宽调速范围，但是多个模式之间的切换过程存在动力易中断、衔接较困难等问题。
发明内容
本申请的实施例提供一种履带车辆用三模式混合动力无级变速装置，通过行星排结构实现发动机和电机功率的耦合，并通过变结构实现三种工作模式，提高电机的功率利用程度，不仅降低了两台电机的功率等级、减小了电机的体积和重量，而且确保了三个模式之间的转速连续，实现了分段连续无级变速。
为达到上述目的，本申请的实施例提供了一种履带车辆用三模式混合动力无级变速装置，包括输入轴和输出轴，所述输入轴的第一端用于与发动机连接，所述输出轴的两端均用于与转向机构连接；所述输出轴上设置有第一行星排、第二行星排、第三行星排、第四行星排、第一离合器、第二离合器、第三离合器、第一电机和第二电机；所述第一行星排包括第一齿圈、第一行星架、第一太阳轮和第一行星轮；所述第二行星排包括第二齿圈、第二行星架、第二太阳轮和第二行星轮；所述第三行星排包括第三齿圈、第三行星架、第三太阳轮和第三行星轮；所述第四行星排包括第四齿圈、第四行星架、第四太阳轮和第四行星轮；所述第一齿圈连接制动器及所述第一离合器的主动端；所述第一行星架与所述第二行星架、所述第三齿圈和所述第二离合器的主动端均连接；所述第一太阳轮与所述第一电机的转子连接；所述第二齿圈与所述第三行星架连接；所述第二太阳轮与所述第二电机的转子及所述第一离合器的被动端连接；所述第三太阳轮与所述第四行星架连接；所述第四太阳轮与第三离合器的主动端连接；所述第四齿圈固定；所述输入轴的第二端与所述第三行星架传动连接。
进一步地，还包括电机控制系统，所述电机控制系统通过电缆与所述第一电机和所述第二电机连接；所述电机控制系统能够在所述第一电机和所述第二电机的输入转速恒定的情况下，控制所述第一电机和所述第二电机的输出转速连续变化。
进一步地，所述输入轴上设有输入齿轮，所述第三行星架上设有与所述输入齿轮外啮合的第一齿轮。
进一步地，所述输入轴上设有输入齿轮，所述第三行星架上设有第一齿轮，所述第一齿轮与所述输入齿轮通过齿形链条传动连接。
进一步地，所述第一电机和所述第二电机均为具有驱动/发电工作状态的电机。
进一步地，所述第一电机和所述第二电机均为永磁驱动电机。
进一步地，所述第一行星排、所述第二行星排、所述第三行星排和所述第四行星排均为内外啮合单星排结构。
进一步地，所述第四齿圈固连在外部壳体上。
进一步地，所述制动器为湿式多片制动器。
进一步地，所述离合器为湿式多片离合器。
本申请具有以下有益效果：
1、本申请采用普通行星排传动机构，结构简单紧凑、传动平稳、传动效率较高。
2、本申请采用功率分流式机电复合传动，可保证发动机工作在高效区，通过调节电机实现输出转速变化。
3、本申请具有多模式传动方式，能够提高电机的功率利用程度，从而降低两台电机的功率等级，减小电机的体积和重量，同时还能够提供较宽的调速范围，满足履带车辆多工况的需求。
4、本申请在模式切换时各动力构件转速连续，可实现无动力中断切换，并减少离合器磨损，提高模式切换品质。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例履带车辆用三模式混合动力无级变速装置的结构示意图；
图2为本申请实施例履带车辆用三模式混合动力无级变速装置的工作转速图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
参照图1，本申请的实施例提供一种履带车辆用三模式混合动力无级变速装置，包括输入轴1、输出轴20、第一电机E1、第二电机E2和电机控制系统24。其中，输入轴1的第一端与发动机(图中未示)连接。输出轴20为可两端输出的输出轴，输出轴20的两端均与转向机构(图中未示)连接。
输出轴20上依次设置第一行星排P1、第二行星排P2、第三行星排P3和第四行星排P4。第一行星排P1与第二行星排P2之间设置第一离合器C1。第一行星排P1的外侧，即远离第二行星排P2的一侧设置第二离合器C2。第四行星排P4的外侧，即远离第三行星排P3的一侧设置第三离合器C3。第二离合器C2和第三离合器C3的被动端均与输出轴20固连。第一离合器C1、第二离合器C2和第三离合器C3均为湿式多片离合器。
第一行星排P1和第二离合器C2之间设置第一电机E1，第一离合器C1和第二行星排P2之间设置第二电机E2。第一电机E1和第二电机E2均为具有驱动/发电工作状态的电机，具体的，第一电机E1和第二电机E2均为永磁同步电机。第一电机E1包括第一定子21A和第一转子21B，第二电机E2包括第二定子22A和第一转子22B。
第一电机E1和第二电机E2均通过电缆连接电机控制系统24，电机控制系统24能够在第一电机E1和第二电机E2的输入转速恒定的情况下，控制第一电机E1和第二电机E2的输出转速连续变化。
第一行星排P1包括第一齿圈3、第一行星架4、第一太阳轮6和第一行星轮5；第二行星排P2包括第二齿圈7、第二行星架8、第二太阳轮10和第二行星轮9；第三行星排P3包括第三齿圈11、第三行星架12、第三太阳轮14和第三行星轮13；第四行星排P4包括第四齿圈16、第四行星架17、第四太阳轮19和第四行星轮18。第一行星排P1、第二行星排P2、第三行星排P3和第四行星排P4均为单排行星齿轮结构。
第一齿圈3连接制动器B1及第一离合器C1的主动端；第一行星架4与第二行星架8、第三齿圈11和第二离合器C2的主动端均连接；第一太阳轮6与第一转子21B连接。制动器B1为湿式多片制动器。
第二齿圈7与第三行星架12连接；第二太阳轮10与第二转子22B及第一离合器C1的被动端连接。
第三太阳轮14与第四行星架17连接；输入轴1的第二端与第三行星架12传动连接；第四太阳轮19与第三离合器C3的主动端连接；第四齿圈16固连在外部壳体(图中未示)上。
输入轴1与第三行星架12之间有多种连接方式，在一些实施例中，输入轴1上设有输入齿轮2，第三行星架12上设有与输入齿轮2外啮合的第一齿轮15。在另一些实施例中，第一齿轮15与输入齿轮2通过齿形链条传动连接。具体的连接形式可根据具体布置情况和需求进行选择，此处不做限定。
参照图2，本申请实施例可以实现三个基本的混合动力工作模式，并且模式之间各运动构件转速连续。图中的实线表示第一电机E1的转速与车速的关系，长虚线表示第二电机E2的转速与车速的关系，双实线表示输出转速与车速的关系，短虚线表示输入转速与车速的关系。
具体的，第一行星排P1、第二行星排P2、第三行星排P3、第一离合器C1以及制动器B1组成了功率耦合机构，功率耦合机构用于实现发动机与电机的动力耦合，并通过操纵第一离合器C1和制动器能够实现输入分流、复合分流两种功率分流模式的切换。
第四行星排P4的齿圈进行了固定，构成了行星变速机构，用于实现一个增速档，该增速档与耦合机构实现的异于第二模式的复合分流模式共同构成了第三模式：复合分流增速模式。三种模式切换逻辑如表1所示：
表1
模式 B1 C1 C2 C3
输入分流模式 接合 接合
复合分流模式 接合 接合
复合分流增速模式 接合 接合
输入分流模式用于低速行驶和起动工况。发动机停止时，第一电机E1工作在驱动工况，第二电机E2空转，可实现纯电驱动模式；第一电机E1停止，第二电机E2工作在驱动工况，可实现发动机的起动；发动机工作时，第一电机E1工作在驱动工况，第二电机E2工作在发电工况，实现输入分流形式的机电复合驱动。
复合分流模式用于中低速行驶，第一电机E1工作在发电工况，第二电机E2工作在驱动工况。
复合分流增速模式用于高速行驶，第一电机E1和第二电机E2均工作在驱动工况。
除上述工作模式外，本发明还可实现三个固定挡位，停车充电模式。固定挡位可用于电路系统失效时的备用驱动方案，也可用于正常驱动行驶。
综上，可将本发明实现的工作模式细分为如表2所示：
表2
Figure BDA0003344883390000061
需要履带车辆启动时，控制制动器B1、第二离合器C2均结合，发动机和第一电机E1均停止，第二电机E2处于驱动工况。来自第二电机E2的动力依次经第二太阳轮10、第二行星轮9、第二齿圈7、第一齿轮15、输入齿轮2和输入轴1传递给发动机，实现发动机的起动。
需要履带车辆低速行驶时，可以使其处于纯电驱动模式，控制制动器B1、第二离合器C2均结合，来自第一电机E1的动力依次经第一太阳轮6、第一行星架4和第二离合器C2传递给输出轴20，用于驱动车辆行驶。
需要履带车辆处于混动模式1时，控制制动器B1、第二离合器C2均结合，来自发动机的动力经输入轴1、输入齿轮2、第一齿轮15、第二齿圈7传递至第二行星架8，第二行星架8再将一部分动力经第二太阳10传递给第二电机E2用于发电，另外一部分动力经第二离合器C2传递给输出轴20用于驱动车辆行驶。来自第一电机E1的动力依次经第一太阳轮6、第一行星架4和第二离合器C2传递给输出轴20，用于驱动车辆行驶。
需要履带车辆处于固定挡1时，控制制动器B1、第一离合器C1、第二离合器C2均接合，来自发动机的动力依次经输入轴1、输入齿轮2、第一齿轮15、第二齿圈7、第二行星架8、第二离合器C2传递给输出轴20，用于驱动车辆行驶
需要履带车辆处于混动模式2时，控制第一离合器C1、第二离合器C2均接合，来自发动机的动力依次经输入轴1、输入齿轮2、第一齿轮15和第二齿圈7传递给第二行星架8，与来自第二电机E2经第二太阳10传递给第二行星架8的动力耦合，耦合动力中的一部分经第二离合器C2传递给输出轴20，用于驱动车辆行驶，另外一部分动力依次经第一行星架4和第一太阳轮6传递给第一电机E1，用于发电。
需要履带车辆处于固定挡2时，控制第一离合器C1、第二离合器C2、第三离合器C3均接合，来自发动机的动力依次经输入轴1、输入齿轮2、第一齿轮15、第二齿圈7、第二行星架8和第二离合器C2传递给输出轴20，用于驱动车辆行驶。
需要履带车辆处于混动模式3时，控制第一离合器C1、第三离合器C3均接合。来自发动机的动力依次经输入轴1、输入齿轮2、第一齿轮15、第三行星架12、第三太阳轮14、第四行星架17、第四太阳轮19和第三离合器C3传递给输出轴20，用于驱动车辆行驶。来自第一电机E1的动力经第一太阳轮6和第一行星架4传递给第二行星架8，第二行星架8将一部分动力经第二太阳轮10传递给第二电机E2用于发电，另外一部分动力依次经第二齿圈7、第三行星架12、第三太阳轮14、第四行星架17、第四太阳轮19、第三离合器C3传递给输出轴20，用于驱动车辆行驶。
需要履带车辆处于固定挡3时，控制制动器B1、第一离合器C1、第三离合器C3均接合，来自发动机的动力依次经输入轴1、输入齿轮2、第一齿轮15、第三行星架12、第三太阳轮14、第四行星架17、第四太阳轮19、第三离合器C3传递给输出轴20，用于驱动车辆行驶。
需要履带车辆处于停车充电模式时，控制制动器B1、第二离合器C2接合，来自发动机的动力依次经输入轴1、输入齿轮2、第一齿轮15、第二齿圈7、第二行星轮9和第二太阳轮10传递给第二电机E2，用于发电。
此外，理论上各个模式均可实现制动能量回收，具体实施方案因应用场景而异。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种履带车辆用三模式混合动力无级变速装置，其特征在于，包括输入轴和输出轴，所述输入轴的第一端用于与发动机连接，所述输出轴的两端均用于与转向机构连接；
所述输出轴上设置有第一行星排、第二行星排、第三行星排、第四行星排、第一离合器、第二离合器、第三离合器、第一电机和第二电机；
所述第一行星排包括第一齿圈、第一行星架、第一太阳轮和第一行星轮；所述第二行星排包括第二齿圈、第二行星架、第二太阳轮和第二行星轮；所述第三行星排包括第三齿圈、第三行星架、第三太阳轮和第三行星轮；所述第四行星排包括第四齿圈、第四行星架、第四太阳轮和第四行星轮；
所述第一齿圈连接制动器及所述第一离合器的主动端；所述第一行星架与所述第二行星架、所述第三齿圈和所述第二离合器的主动端均连接；所述第一太阳轮与所述第一电机的转子连接；
所述第二齿圈与所述第三行星架连接；所述第二太阳轮与所述第二电机的转子及所述第一离合器的被动端连接；
所述第三太阳轮与所述第四行星架连接；所述第四太阳轮与第三离合器的主动端连接；所述第四齿圈固定；
所述输入轴的第二端与所述第三行星架传动连接。
2.根据权利要求1所述的履带车辆用三模式混合动力无级变速装置，其特征在于，还包括电机控制系统，所述电机控制系统通过电缆与所述第一电机和所述第二电机连接；所述电机控制系统能够在所述第一电机和所述第二电机的输入转速恒定的情况下，控制所述第一电机和所述第二电机的输出转速连续变化。
3.根据权利要求1所述的履带车辆用三模式混合动力无级变速装置，其特征在于，所述输入轴上设有输入齿轮，所述第三行星架上设有与所述输入齿轮外啮合的第一齿轮。
4.根据权利要求1所述的履带车辆用三模式混合动力无级变速装置，其特征在于，所述输入轴上设有输入齿轮，所述第三行星架上设有第一齿轮，所述第一齿轮与所述输入齿轮通过齿形链条传动连接。
5.根据权利要求1所述的履带车辆用三模式混合动力无级变速装置，其特征在于，所述第一电机和所述第二电机均为具有驱动/发电工作状态的电机。
6.根据权利要求5所述的履带车辆用三模式混合动力无级变速装置，其特征在于，所述第一电机和所述第二电机均为永磁同步电机。
7.根据权利要求6所述的履带车辆用三模式混合动力无级变速装置，其特征在于，所述第一行星排、所述第二行星排、所述第三行星排和所述第四行星排均为内外啮合单星排结构。
8.根据权利要求1所述的履带车辆用三模式混合动力无级变速装置，其特征在于，所述第四齿圈固连在外部壳体上。
9.根据权利要求1所述的履带车辆用三模式混合动力无级变速装置，其特征在于，所述制动器为湿式多片制动器。
10.根据权利要求1~9任一所述的履带车辆用三模式混合动力无级变速装置，其特征在于，所述离合器为湿式多片离合器。
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