TWI495597B - Oil and electricity hybrid system - Google Patents

Description

油電混合系統

本發明係有關一種油電混合系統，特別是指一種可切換操作模式之油電混合系統，其兼具結構簡化及控制容易等優點及功效。

一般來說，全型系統具有一驅動馬達，在低速起步時獨立驅動車輛，中高速時切換成引擎與馬達相互搭配共同轉動；輕型系統則在引擎輸出軸串接一馬達/發電機做調節扭力與隨車充電用，而引擎在所有車速行駛時皆運轉，並為主要驅動來源。

而本發明兼具全型與輕型之特點，其與全型系統一樣具有一驅動馬達在低速起步時獨立驅動車輛，與輕型系統一樣在引擎輸出軸串接一馬達/發電機做調節扭力與隨車充電用，設計的目標可適合一般市售機車性能需求，進而超越輕型系統在燃油經濟效益的限制，並比一般全型系統所需更簡單的系統配置，操作控制模式和能源管理策略。

本發明之目的在於提供一種油電混合系，其兼具結構簡化及控制容易等優點及功效，超越輕型系統在燃油經濟效益的限制，並比一般全型系統所需更簡單的系統配置。

本發明解決上述問題之技術手段係提供一種油電混合系統，其包括：一殼體；一第一單向離合器，其係固定於該殼體，並具有一鎖定狀態及脫離狀態；一第二單向離合器，其係固定於該殼體，並具有一鎖定狀態及脫離狀態；一第三單向離合器，其係固定於該殼體，並具有一鎖定狀態及脫離狀態； 一引擎；一馬達/發電機，其係用以啟動該引擎，並可調節該引擎扭力及發電之功能；一馬達；一傳動機構，其係用以連動車輪轉動；一連動元件；一第一行星架組，其係具有一第一轉動軸、一第一環齒輪、一離心離合器、一第一行星架、複數第一行星齒輪及一第一太陽齒輪；該離心離合器係具有一內轉動部及一外轉動部；該第一轉動軸之一端係連結該引擎，而另一端係連接於該離心離合器之內轉動部上；該第一環齒輪係連結該第一轉動軸；該第一行星架之一端係連接該離心離合器之外轉動部，而另一端係具有一第一連動部；該第一行星架係具有複數第一樞接部，該第一行星齒輪係樞設於該第一行星架之第一樞接部上；複數第一行星齒輪係分別囓合該第一環齒輪及該第一太陽齒輪，且該第一太陽齒輪係連結該第一單向離合器；又，當該離心離合器之內轉動部轉速達到一預定值時，該內轉動部係會與該外轉動部接觸而帶動該外轉動部轉動；一第二行星架組，其係具有一第二轉動軸、一第二環齒輪、一第二行星架、複數第二行星齒輪及一第二太陽齒輪；該第二轉動軸係連結該連動機構；該第二環齒輪係連該第二轉動軸；該第二行星架係連接該第三單向離合器，並具有一第二連動部及複數第二樞接部；該第二行星齒輪係樞設於該第二樞接部上，並囓合該第二環齒輪及該第二太陽齒輪，且該第二太陽齒輪係連結該第二單向離合器及該馬達；又，該連動元件用以連動該第一連動部及該第二連動部。

本發明之上述目的與優點，不難從下述所選用實施例之詳細說明與附圖中，獲得深入瞭解。

茲以下列實施例並配合圖式詳細說明本發明於後：

如第一及第二圖所示，本發明係為一種油電混合系統，其包括：一殼體10、一第一單向離合器11、一第二單向離合器12、一第三單向離合器13、一引擎14、一馬達/發電機15、一馬達16、一傳動機構17、一連動元件18、一第一行星齒輪組20、一第一太陽齒輪26、一第二行星齒輪組40及一第二太陽齒輪45。

關於該第一單向離合器11、該第二單向離合器12及該第三單向離合器13，係固定於該殼體10，並具有一鎖定狀態及脫離狀態(第一圖中，該殼體10之部份主要是要呈現該第一單向離合器11、該第二單向離合器12、該第三單向離合器13固定於該殼體10上，故，僅以固定位置之局部形狀表示)。

該馬達/發電機15係用以啟動該引擎14，並可調節該引擎14扭力及發電之功能，該傳動機構17係用以連接一車輪70，並帶動該車輪70轉動。

關於該第一行星架組20，其係具有一第一轉動軸21、一第一環齒輪22、一離心離合器23、一第一行星架24、複數第一行星齒輪25及一第一太陽齒輪26；該離心離合器23係具有一內轉動部231及一外轉動部232；該第一轉動軸21之一端係連結該引擎14，而另一端係連接於該離心離合器23之內轉動部231上；該第一環齒輪22係連結該第一轉動軸21；該第一行星架24之一端係連接該離心離合器23之外轉動部232，而另一端係具有一第一連動部241；該第一行星架24係具有複數第一樞接部242，該第一行星齒輪25係樞設於該第一行星架24之第一樞接部242上；複數第一行星齒輪25係分別囓合該第一環齒輪22及該第一太陽齒輪26，且該第一太陽齒輪26係連結該第一單向離合器11；又，當該離心離合器23之內轉動部231轉速達到一預定值時，該內轉動部231係會與該外轉動部232接觸而帶動該外轉動部232轉動。

關於該第二行星架組40，其係具有一第二轉動軸41、一第二環齒輪42、一第二行星架43、複數第二行星齒輪44及一 第二太陽齒輪45；該第二轉動軸41係連結該連動機構17；該第二環齒輪42係連該第二轉動軸41；該第二行星架43係連接該第三單向離合器13，並具有一第二連動部431及複數第二樞接部432；該第二行星齒輪44係樞設於該第二樞接部432上，並囓合該第二環齒輪42及該第二太陽齒輪45，且該第二太陽齒輪45係連結該第二單向離合器12及該馬達16；又，該連動元件18用以連動該第一連動部241及該第二連動部431。

關於該連動機構17，係可為一齒輪連動機構。如第二圖所示，該連動機構17係具有一第一齒輪171、一第二齒輪172及一第三齒輪173，該第三齒輪173係具有一第一齒部172A及一第二齒部172B，且該第一齒部172A與該第二齒部172B同軸；該第一齒輪171係連結該第二轉動軸41，並囓合該第二齒輪172之第一齒部172A；該第二齒輪172之第二齒部172B係囓合該第三齒輪173；而該第三齒輪173係連結該車輪。

關於該離心離合器23之設計，其係為一般常見之技術，故不再詳述。

更詳細的說，在以機車設計為考量時，本發明係可提供低速起步模式、中速起步模式、高速無段變速模式及高速起步模式等三種操作傳動模式，其分別說明如下：低速起步模式：純由該馬達16驅動，此時該引擎14為關閉之狀態，該馬達16起步時是逆轉，該第一單向離合器11為鎖定狀態，而該第一行星齒輪組20及該第二行星齒輪組40之轉速關係係如第四A及第四B圖所示。當動力由該第一行星齒輪組20傳至該第二行星齒輪組40時，由該第三單向離合器13鎖定(該第三單向離合器13為鎖定狀態)，動力將傳至該連動機構17，再傳至該車輪70使機車正常起步。由於該第一單向離合器11及該第三單向離合器13鎖定，因此，該第二行星架43固定不動，該馬達16之動力係先驅動該第二太陽齒輪45轉動，使其連動該第二行星齒輪44轉動而帶動該第二環齒 輪42轉動，進而使連結該第二環齒輪42之第二轉動軸41轉動而帶動該連動機構17，最後帶動該車輪70而達到機車正常起步。

關於該傳動機構17之減速比係為；而該馬達16傳至該車輪70之減速比係為，其中，。

ω _M 為該馬達16之轉速；ω _F 為該傳動機構17之轉速；ω _W 為該車輪70之轉速；γ _f 為該傳動機構之減速比；γ _{P 2} 為該第二環齒輪42齒數與該第二太陽齒輪45齒數之比；Z _{r 2} 為該第二環齒輪之齒數；Z _{s 2} 為該第二太陽齒輪之齒數；如第三A及第三B圖所示，一第一曲線L1係低速起步時之第一行星齒輪組20之轉速關係曲線，一第二曲線L2係低速起步時之第二行星齒輪組40之轉速關係曲線；由該第一曲線L1可知，當該第一單向離合器11鎖定時，第一太陽齒輪之轉速(ω _{S 1} )、第一行星架之轉速(ω _{P 1} )及第一環齒輪之轉速(ω _{r 1} )皆為零(該第二行興齒輪組20及該引擎14之轉速也為零)；而該第二曲線L2可知，當該第三單向離合器13鎖定時，該第二太陽齒輪45係被該馬達16帶動而具有反轉之第二太陽齒輪之轉速(ω _{S 2} )，第二行星架之轉速(ω _{P 2} )為零(該第一行星架組20之轉速也為零)，而第二環齒輪之轉速(ω _{r 2} )則為一正轉之轉速 (帶動該連動機構17轉動)。

中速模式：由該馬達/發電機15啟動該引擎14，此時該第二單向離合器12為鎖定狀態，使該馬達16因而關閉。經由該引擎14之驅動，該第一行星齒輪組20及該第二行星齒輪組40之轉速關係係如第四A及第四B圖所示。當動力由該第一行星齒輪組20傳至該第二行星齒輪組40時，由該第一單向離合器11鎖定(該第一單向離合器11為鎖定狀態)，動力將傳至該連動機構17，再傳至該車輪70使機車正常起步。由於該第一單向離合器11及該第二單向離合器12鎖定，因此，該第一太陽齒輪26及該第二太陽齒輪45係固定不動；該引擎14之動力係先驅動該第第一轉動軸21轉動，使該第一環齒輪22隨之轉動，帶動該第一行星齒輪25沿該第一太陽齒輪26轉動，進而使該第一行星架24轉動；由於該第一行星架24與該第二行星架43係藉由該連動元件18來達到連動，因此，當該第一行星架24轉動後，係會連動該第二行星架43轉動而帶動該第二行星齒輪44沿該第二太陽齒輪45轉動，使該第二環齒輪42達到轉動，進而使連結該第二環齒輪42之第二轉動軸41轉動而帶動該連動機構17，最後帶動該車輪70，達到機車正常起步。

關於該引擎14傳至該車輪70之減速比係為 該引擎14傳至該連動元件18之減速比為 而該連動元件18連接該連動機構17之減速比為

ω _E 為該引擎14之轉速；ω _F 為該傳動機構17之轉速；ω _{G 1} 為該第一行星齒輪組20之轉速；ω _{G 2} 為該第二行星齒輪組40之轉速；γ _{P 1} 為該第一環齒輪22齒數與該第一太陽齒輪26齒數之比；γ _{P 2} 為該第二環齒輪42齒數與該第二太陽齒輪45齒數之比；γ _ch 為該連動元件18減速比Z _{r 1} 為該第一環齒輪22之齒數；Z _{s 1} 為該第一太陽齒輪26之齒數；如第四A及第四B圖所示，一第三曲線L3係中速起步時之第一行星齒輪組20之轉速關係曲線，一第四曲線L4係中速起步時之第二行星齒輪組40之轉速關係曲線；由該第三曲線L3可知，當該第一單向離合器11鎖定時，第一太陽齒輪之轉速(ω _{S 1} )為零，第一行星架之轉速(ω _{P 1} )呈一線性升高(帶動該第二行星架組40)，該第一環齒輪之轉速(ω _{r 1} )亦呈一線性升高(由該引擎14所帶動)；而由該第四取線L4可知，當該第二單向離合器12鎖定時，該第二太陽齒輪45係固定不動，第二太陽齒輪之轉速(ω _{S 2} )為零，第二行星架之轉速(ω _{P 2} )呈一線性升高(由該第一行星架組20帶動)，第二環齒輪之轉速(ω _{r 2} )亦呈一線性升高(帶動該連動機構17作動)。

高速無段變速模式：當車速持續增加，連帶使該第二行星齒輪組40之第二環齒輪42之轉速也同時增加；為讓該第二行星架43與該引擎14保持定常轉速而達到無段變速效果，此時，啟動該馬達16逆轉並輸出扭力，同時與該引擎14帶動車 輪70。關於該第一行星齒輪組20及該第二行星齒輪組40之轉速關係，係如第五A及第五B圖所示。

如第五A及第五B圖所示，一第五曲線L5係高速起步時之第一行星齒輪組20之轉速關係曲線，一第六曲線L6係高速起步時之第二行星齒輪組40之轉速關係曲線；由該第五曲線L5可知，第一太陽齒輪之轉速(ω _{S 1} )為零，第一行星架之轉速(ω _{P 1} )呈一線性升高(帶動該第二行星架組40)，該第一環齒輪之轉速(ω _{r 1} )亦呈一線性升高(由該引擎14所帶動)；而由該第六曲線L6可知，當該馬達16逆轉時，第二太陽齒輪之轉速(ω _{S 2} )亦為一逆轉之轉速，第二行星架之轉速(ω _{P 2} )及第二環齒輪之轉速(ω _{r 2} )皆以呈一線性升高。

高速模式：該第二單向離合器12仍為鎖定狀態，該馬達16因而關閉，而該引擎14持續驅動，但轉速提高至一預定值，使該離心離合器23之內轉動部231與該外轉動部232接觸而帶動該外轉動部232轉動，且該第一單向離合器11脫離鎖定狀態，使該第一環齒輪22、該第一行星架24及該第一太陽齒輪26同步轉動，進而使該第一行星齒輪組20處於直接傳動狀態；關於該第一行星齒輪組20及該第二行星齒輪組40之轉速關係，係如第六A及第六B圖所示。當動力由該第一行星齒輪組20傳至該第二行星齒輪組40時，動力將傳至該連動機構17，再傳至該車輪70使機車正常起步。由於該第二單向離合器12鎖定，因此，該第二太陽齒輪45係固定不動；該引擎14之動力係先驅動該第一轉動軸21轉動，且其速度超過一預定值，使該離心離合器23之內轉動部231與該外轉動部232接觸而連動，進而同時帶動該第一環齒輪22、該第一行星架24及該第一太陽齒輪25轉動；該第一行星架24轉動後連動該第二行星架43轉動，進而連動該第二行星齒輪44、該第二環齒輪42，使第二轉動軸41轉動而帶動該連動機構17，最後帶動該車輪70，達到機車正常起步。

關於該引擎14傳至該車輪70之減速比係為 而該引擎14傳至該連動元件18之減速比為(因該離心離合器23作用，為直接傳動，故其值為1)。

ω _E 為該引擎14之轉速；ω _{G 1} 為該第一行星齒輪組20之轉速；ω _{G 2} 為該第二行星齒輪組40之轉速；γ _ch 為該連動元件18減速比；如第六A及第六B圖所示，一第七曲線L7係高速起步時之第一行星齒輪組20之轉速關係曲線，一第八曲線L8係高速起步時之第二行星齒輪組40之轉速關係曲線；由該第七曲線L7可知，由於該離心離合器23之內轉動部231與該外轉動部232接觸而連動，進而同時帶動該第一環齒輪22、該第一行星架24及該第一太陽齒輪25轉動，使該第一太陽齒輪之轉速(ω _{S 1} )、第一行星架之轉速(ω _{P 1} ，帶動該第二行星架組40)、該第一環齒輪之轉速(ω _{r 1} ，由該引擎14所帶動)皆為相同轉速；而由該第八曲線L8可知，當該第二單向離合器12鎖定時，該第二太陽齒輪45係固定不動，第二太陽齒輪之轉速(ω _{S 2} )為零，第二行星架之轉速(ω _{P 2} )呈一線性升高(由該第一行星架組20帶動)，第二環齒輪之轉速(ω _{r 2} )亦呈一線性升高(帶動該連動機構17作動)。

藉由控制該馬達16、該引擎14之開關以及該離心離合器23之離心控制，即可達到各種操作模式之切換，簡化系統動力控制方式，以達到最大的燃油經濟效益和有效地減少排氣污染。

綜上所述，本發明之優點及功效可歸納為：

[1]結構簡化。本發明利用比一般高量級系統更簡單之系 統配置，達到高量級系統之性能，故，具有結構簡單之優點。

[2]控制容易。本發明具有超越中量級系統在燃油經濟效益的限制，比一般高量級系統更簡單的系統配置，藉由控制該馬達16、該引擎14之開關以及該離心離合器23之離心控制，即可達到各種操作模式之切換，簡化系統動力控制方式，故，具有控制容易之優點。

以上僅是藉由較佳實施例詳細說明本發明，對於該實施例所做的任何簡單修改與變化，皆不脫離本發明之精神與範圍。

由以上詳細說明，可使熟知本項技藝者明瞭本發明的確可達成前述目的，實已符合專利法之規定，爰提出發明專利申請。

10‧‧‧殼體

11‧‧‧第一單向離合器

12‧‧‧第二單向離合器

13‧‧‧第三單向離合器

14‧‧‧引擎

15‧‧‧馬達/發電機

16‧‧‧馬達

17‧‧‧傳動機構

18‧‧‧連動元件

20‧‧‧第一行星架組

21‧‧‧第一轉動軸

22‧‧‧第一環齒輪

23‧‧‧離心離合器

231‧‧‧內轉動部

232‧‧‧外轉動部

24‧‧‧第一行星架

241‧‧‧第一連動部

242‧‧‧第一樞接部

25‧‧‧第一行星齒輪

26‧‧‧第一太陽齒輪

40‧‧‧第二行星架組

41‧‧‧第二轉動軸

42‧‧‧第二環齒輪

43‧‧‧第二行星架

431‧‧‧第二連動部

432‧‧‧第二樞接部

44‧‧‧第二行星齒輪

45‧‧‧第二太陽齒輪

L1‧‧‧第一曲線

L2‧‧‧第二曲線

L3‧‧‧第三曲線

L4‧‧‧第四曲線

L5‧‧‧第五曲線

L6‧‧‧第六曲線

L7‧‧‧第七曲線

L8‧‧‧第八曲線

第一圖係本發明之油電混合系統之外觀示意圖

第二圖係本發明之油電混合系統之示意圖

第三A圖係本發明之低速起步時之第一行星齒輪組轉速關係示意圖

第三B圖係本發明之低速起步時之第二行星齒輪組轉速關係示意圖

第四A圖係本發明之中速模式時之第一行星齒輪組轉速關係示意圖

第四B圖係本發明之中速模式時之第二行星齒輪組轉速關係示意圖

第五A圖係本發明之高速無段變速模式之第一行星齒輪組轉速關係示意圖

第五B圖係本發明之高速無段變速模式時之第二行星齒輪組轉速關係示意圖

第六A圖係本發明之高速模式時之第一行星齒輪組轉速關係示意圖

第六B圖係本發明之高速模式時之第二行星齒輪組轉速關係示意圖

10‧‧‧殼體

11‧‧‧第一單向離合器

12‧‧‧第二單向離合器

13‧‧‧第三單向離合器

14‧‧‧引擎

15‧‧‧馬達/發電機

16‧‧‧馬達

17‧‧‧傳動機構

18‧‧‧連動元件

20‧‧‧第一行星架組

21‧‧‧第一轉動軸

22‧‧‧第一環齒輪

23‧‧‧離心離合器

231‧‧‧內轉動部

232‧‧‧外轉動部

24‧‧‧第一行星架

241‧‧‧第一連動部

242‧‧‧第一樞接部

25‧‧‧第一行星齒輪

26‧‧‧第一太陽齒輪

40‧‧‧第二行星架組

41‧‧‧第二轉動軸

42‧‧‧第二環齒輪

43‧‧‧第二行星架

431‧‧‧第二連動部

432‧‧‧第二樞接部

44‧‧‧第二行星齒輪

45‧‧‧第二太陽齒輪

Claims (2)

1. 一種油電混合系統，其包括：一殼體；一第一單向離合器，其係固定於該殼體，並具有一鎖定狀態及脫離狀態；一第二單向離合器，其係固定於該殼體，並具有一鎖定狀態及脫離狀態；一第三單向離合器，其係固定於該殼體，並具有一鎖定狀態及脫離狀態；一引擎；一馬達/發電機，其係用以啟動該引擎，並可調節該引擎扭力及發電之功能；一馬達；一傳動機構，其係用以連動車輪轉動；一連動元件；一第一行星架組，其係具有一第一轉動軸、一第一環齒輪、一離心離合器、一第一行星架、複數第一行星齒輪及一第一太陽齒輪；該離心離合器係具有一內轉動部及一外轉動部；該第一轉動軸之一端係連結該引擎，而另一端係連接於該離心離合器之內轉動部上；該第一環齒輪係連結該第一轉動軸；該第一行星架之一端係連接該離心離合器之外轉動部，而另一端係具有一第一連動部；該第一行星架係具有複數第一樞接部，該第一行星齒輪係樞設於該第一行星架之第一樞接部上；複數第一行星齒輪係分別囓合該第一環齒輪及該第一太陽齒輪，且該第一太陽齒輪係連結該第一單向離合器；又，當該離心離合器之內轉動部轉速達到一預定值時，該內轉動部係會與該外轉動部接觸而帶動該外轉動部轉動；一第二行星架組，其係具有一第二轉動軸、一第二環齒輪、一第二行星架、複數第二行星齒輪及一第二太陽齒輪； 該第二轉動軸係連結該連動機構；該第二環齒輪係連該第二轉動軸；該第二行星架係連接該第三單向離合器，並具有一第二連動部及複數第二樞接部；該第二行星齒輪係樞設於該第二樞接部上，並囓合該第二環齒輪及該第二太陽齒輪，且該第二太陽齒輪係連結該第二單向離合器及該馬達；又，該連動元件用以連動該第一連動部及該第二連動部。
2. 如申請專利範圍第1項所述之油電混合系統，其中，該連動機構係具有一第一齒輪、一第二齒輪及一第三齒輪，該第三齒輪係具有一第一齒部及一第二齒部，且該第一齒部與該第二齒部同軸；該第一齒輪係連結該第二轉動軸，並囓合該第二齒輪之第一齒部；該第二齒輪之第二齒部係囓合該第三齒輪；而該第三齒輪係連結該車輪。