CN203254956U - 电子无级变速混合动力系统 - Google Patents

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陈辛波
钟再敏
陆承超
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Abstract

本实用新型公开一种电子无级变速混合动力系统，发动机和行星架固结，电机与太阳轮固结，输出轴与齿圈固结，动力由发动机和电机分别通过行星架和太阳轮输入，由输出轴输出，最终驱动车轮，通过调整电机的转速，实现无级变速。本实用新型的优点是通过行星齿轮机构实现无级变速，相对于金属带式无级变速器CVT采用的金属带结构更加简单，效率更高，同时由于不受金属带的限制，可传递大扭矩；相对通过液压控制活动带轮的轴向移动从而实现无级变速的方式，通过电机调速实现无级变速的响应速度更快；通过实时调整电机转速，可在实现无级变速，使发动机在满足燃油经济性或动力性要求的工况下工作。

Description

电子无级变速混合动力系统
技术领域
本实用新型属于混合动力汽车底盘与传动系统领域，具体涉及一种电子无级变速混合动力系统。
背景技术
混合动力系统是新能源汽车采用的一种形式，一般指电能和燃油作为能源的系统，即由电机和发动机共同作为动力输出单元驱动车辆，从而获得更好的燃油经济性和动力性。
无级变速指可以连续获得变速范围内任何传动比的变速系统。由于变速比的连续调节，可以使发动机工作在期望的最佳工况。常见的无级变速系统有金属带式无级变速器CVT，但是受金属带的限制，不能传递大扭矩。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于提出一种电子无级变速混合动力系统，不仅实现了电机和发动机动力的耦合，同时实现了针对发动机的无级变速。
为了解决以上技术问题，本实用新型提供了一种电子无级变速混合动力系统，发动机和行星架固结，电机与太阳轮固结，输出轴与齿圈固结，动力由发动机和电机分别通过行星架和太阳轮输入，由输出轴输出，最终驱动车轮，通过调整电机的转速，实现无级变速。
通过对所述行星齿轮的转速分析，可以得出输出轴、发动机和电机的转速关系：
Figure 370311DEST_PATH_IMAGE001
       （1）
式中，——发动机1转速
Figure 772867DEST_PATH_IMAGE003
——电机2转速
Figure DEST_PATH_IMAGE004
——输出轴4转速
Figure 102217DEST_PATH_IMAGE005
——太阳轮301齿数
Figure DEST_PATH_IMAGE006
——齿圈303齿数
通常发动机在某一节气门开度下，均有一条与之相对应的特性曲线。由该特性曲线可以得到在相应节气门开度下，该发动机燃油消耗最少和功率最大时分别对应的转速和
Figure DEST_PATH_IMAGE008
。在测得输出轴当前转速后，根据公式（1）对电机的转速进行调整，即可使发动机的转速达到
Figure 517466DEST_PATH_IMAGE007
或
Figure 838726DEST_PATH_IMAGE008
，从而满足所需燃油经济性或动力性的要求。也就是说当车速为任意值时，该系统均可通过对电机的转速调整来实现无级变速，使发动机在满足燃油经济性或动力性要求的工况下工作。
所述发动机对行星轮的作用力方向必须与电机对行星轮的作用力和输出轴对行星轮反作用力方向相反，即电机扭矩方向根据发动机扭矩方向唯一确定，否则行星齿轮将无法平衡并不断加速旋转，使得功率消耗在行星齿轮的加速上，而不是作用在整车上。
所述电机可能在两个工况下工作——发电工况产生电能及驱动工况消耗电能。电机发电工况下的负载扭矩和驱动工况下的驱动扭矩方向相同，而转速在不同工况下可能方向不同。当电机处于驱动工况，输出轴的输出功率等于发动机和电机功率之和，即；当电机处于发电工况，输出轴的输出功率等于发动机功率减去电机功率，即
Figure 593056DEST_PATH_IMAGE009
。
在所述发动机对行星轮的作用力方向与电机对行星轮的作用力和输出轴对行星轮反作用力方向相反的前提下，当汽车处于匀速工况，行星轮上所受合力必须平衡，即
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，且
Figure 641652DEST_PATH_IMAGE011
，故
Figure DEST_PATH_IMAGE012
。因此如果发动机工作在某一工况下（扭矩、转速恒定），在不同输出转速下，输出轴始终输出恒定扭矩，即此无级变速系统有输出恒扭矩的特性，与传统无级变速器的输出恒功率特性不同。
本实用新型的有益效果是：
（1）通过行星齿轮机构实现无级变速，相对于金属带式无级变速器CVT采用的金属带结构更加简单，效率更高，同时由于不受金属带的限制，可传递大扭矩；
（2）相对通过液压控制活动带轮的轴向移动从而实现无级变速的方式，通过电机调速实现无级变速的响应速度更快；
（3）通过实时调整电机转速，可在实现无级变速，使发动机在满足燃油经济性或动力性要求的工况下工作。
附图说明
图1 为本实用新型的结构示意图；
图2 为本实用新型行星轮的受力图；
图中标号说明
1—发动机；                         2—电机；
3—行星齿轮；                       4—输出轴；
301—太阳轮；                       302—行星轮；
303—齿圈；                         304—行星架；
Figure 165037DEST_PATH_IMAGE013
—发动机对行星轮的作用力；
—电机对行星轮的作用力；
Figure 657198DEST_PATH_IMAGE015
—齿圈对行星轮反作用力。
具体实施方式
下面结合附图所示，对本实用新型的具体实施例作进一步的说明。
本实用新型提供一种电子无级变速混合动力系统，该系统可以通过电机和行星齿轮实现针对发动机的无级变速。
如图1所示，本实用新型包括发动机1、电机2、行星齿轮3、太阳轮301、行星轮302、齿圈303、行星架304和输出轴4。发动机1和行星架304固结，电机2与太阳轮301固结，输出轴4与齿圈303固结。动力由发动机1和电机2分别通过行星架304和太阳轮301输入，由输出轴4输出，最终驱动车轮。
通过对所述行星齿轮3的转速分析，可以得出输出轴4、发动机1和电机2的转速关系，转速以图1从左向右看逆时针方向为正：
Figure 633245DEST_PATH_IMAGE001
           （1）
式中，
Figure 986997DEST_PATH_IMAGE002
——发动机1转速
——电机2转速
Figure 965634DEST_PATH_IMAGE004
——输出轴4转速
Figure 756872DEST_PATH_IMAGE005
——太阳轮301齿数
Figure 835687DEST_PATH_IMAGE006
——齿圈303齿数
通常发动机1在某一节气门开度下，均有一条与之相对应的特性曲线。由该特性曲线可以得到在相应节气门开度下，该发动机燃油消耗最少和功率最大时分别对应的转速
Figure 333664DEST_PATH_IMAGE007
和。在测得输出轴4当前转速后，根据公式（1）对电机2的转速进行调整，即可使发动机1的转速达到或
Figure 332864DEST_PATH_IMAGE008
，从而满足所需燃油经济性或动力性的要求。也就是说当车速为任意值时，该系统均可通过对电机2的转速调整来实现无级变速，使发动机在满足燃油经济性或动力性要求的工况下工作。
如图2所示，所述发动机1对行星轮302的作用力方向必须与电机2对行星轮302的作用力和输出轴4对行星轮302反作用力方向相反，即电机扭矩方向根据发动机扭矩方向唯一确定，否则行星齿轮3将无法平衡并不断加速旋转，使得功率消耗在行星齿轮3的加速上，而不是作用在整车上。
所述电机2可能在两个工况下工作——发电工况产生电能及驱动工况消耗电能。电机2发电工况下的负载扭矩和驱动工况下的驱动扭矩方向相同，而转速在不同工况下可能方向不同。当电机2处于驱动工况，输出轴4的输出功率等于发动机1和电机2功率之和，即
Figure DEST_PATH_IMAGE016
；当电机2处于发电工况，输出轴4的输出功率等于发动机1功率减去电机2功率，即
Figure 685348DEST_PATH_IMAGE017
。
假设发动机1在某一节气门开度下工作，根据所需的燃油经济性或动力性要求其转速需控制在
Figure 440946DEST_PATH_IMAGE002
，根据公式（1）可计算出电机所需的转速。计算出
Figure 299497DEST_PATH_IMAGE003
可能大于0也可能小于0，即可能为逆时针方向，也可能为顺时针方向。而由前所述，电机转矩方向必须为某一确定方向（逆时针或顺时针），因此如果所需的电机转速和电机扭矩方向相同，那么电机处于驱动工况，输出轴4的输出功率等于发动机1和电机2功率之和，即
Figure 834384DEST_PATH_IMAGE016
；如果所需的电机转速和电机扭矩方向相反，则电机2处于发电工况，输出轴4的输出功率等于发动机1功率减去电机2功率，即
Figure 682254DEST_PATH_IMAGE009
。
在所述发动机1对行星轮302的作用力方向与电机2对行星轮302的作用力和输出轴4对行星轮302反作用力方向相反的前提下，当汽车处于匀速工况，行星轮302上所受合力必须平衡，即，且
Figure 919069DEST_PATH_IMAGE011
，故。因此如果发动机1工作在某一工况下（扭矩、转速恒定），在不同输出转速下，输出轴4始终输出恒定扭矩，即此无级变速系统有输出恒扭矩的特性，与传统无级变速器的输出恒功率特性不同。
假设当汽车处于匀速工况时，发动机1在某一节气门开度下输出转矩、转速分别为
Figure 532770DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 817121DEST_PATH_IMAGE002
，由前所述，可以通过调节电机2转速使
Figure 229648DEST_PATH_IMAGE019
、保持恒定，由此对应作用在行星轮302的作用力为也保持恒定；此时电机2输出转矩、转速分别为、
Figure 504269DEST_PATH_IMAGE003
，对应作用在行星轮302的作用力为
Figure 404091DEST_PATH_IMAGE014
。为了使行星轮302平衡，如图2所示，必须满足
Figure 970202DEST_PATH_IMAGE010
，且
Figure 320805DEST_PATH_IMAGE021
，因此
Figure 946959DEST_PATH_IMAGE012
，而
Figure 334078DEST_PATH_IMAGE013
保持恒定，因此
Figure 500617DEST_PATH_IMAGE015
也保持恒定，即输出轴4始终输出恒定扭矩。

Claims (2)

1.一种电子无级变速混合动力系统，其特征在于：发动机和行星架固结，电机与太阳轮固结，输出轴与齿圈固结，动力由发动机和电机分别通过行星架和太阳轮输入，由输出轴输出，最终驱动车轮，通过调整电机的转速，实现无级变速。
2.根据权利要求1所述的电子无级变速混合动力系统，其特征在于：所述发动机工作在任一工况下，在不同输出转速下，输出轴始终输出恒定的扭矩。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105697667A (zh) * 2016-03-22 2016-06-22 西北工业大学 一种锥齿轮行星机构无级变速传动装置
CN110259897A (zh) * 2019-07-12 2019-09-20 大连嘉宏至伟新技术开发有限公司 速度跟随无级变速器
CN112253702A (zh) * 2020-09-11 2021-01-22 张欣 一种无级变速机构
CN115009001A (zh) * 2022-04-29 2022-09-06 东风商用车有限公司 一种商用车用单行星多电机混联无级变速传动装置

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