專利名稱：基于非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)的混合動力汽車驅(qū)動與傳動系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種混合動力車輛的驅(qū)動與傳動系統(tǒng)，具體涉及一種基于非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)的混合動力汽車驅(qū)動和傳動系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車能耗高、污染大，為達(dá)到節(jié)能與環(huán)保的目的，混合動力汽車應(yīng)運(yùn)而生，混合動力系統(tǒng)成為其核心組成部分?；旌蟿恿ο到y(tǒng)一般由一個(gè)發(fā)動機(jī)、一到兩個(gè)電機(jī)和一個(gè)動力稱合機(jī)構(gòu)組成。對于米用一個(gè)發(fā)動機(jī)和一個(gè)電機(jī)混合動力系統(tǒng),其動力稱合機(jī)構(gòu)一般基于平行軸或者同軸式方案。對于米用一個(gè)發(fā)動機(jī)和兩個(gè)電機(jī)的混合動力系統(tǒng)，其動力耦合機(jī)構(gòu)一般采用普通圓柱斜齒輪行星機(jī)構(gòu)，典型實(shí)例是豐田PRIUS混合動力轎車的 THS混合動力系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。
對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)與普通圓柱斜齒輪行星機(jī)構(gòu)均為兩自由度機(jī)構(gòu)。當(dāng)其兩個(gè)輸入(出)轉(zhuǎn)速唯一確定時(shí)，第三個(gè)轉(zhuǎn)速即可唯一確定。該機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)通過電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，使發(fā)動機(jī)在各工況下盡可能運(yùn)行在高效區(qū)，因而對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)作為混合動力汽車動力耦合機(jī)構(gòu)在理論上也是可行的。同時(shí)，相較于豐田PRIUS 圓柱斜齒輪行星機(jī)構(gòu)，以對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)為動力耦合裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易的優(yōu)點(diǎn)。但對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)兩輸出端轉(zhuǎn)矩相等，分別是輸入端轉(zhuǎn)矩的一半，這一特性限制了發(fā)動機(jī)和兩電機(jī)之間的參數(shù)匹配與優(yōu)化。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是要提供一種基于非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)的混合動力汽車驅(qū)動與傳動系統(tǒng)，既有對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、制造容易的優(yōu)點(diǎn)，又能彌補(bǔ)對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩分配相等的問題，實(shí)現(xiàn)深度混合動力汽車發(fā)動機(jī)怠速啟停、 回饋制動和發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)調(diào)節(jié)等功能，提高車輛燃油經(jīng)濟(jì)性。
為了解決以上的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)的混合動力汽車驅(qū)動與傳動系統(tǒng)，包括一發(fā)動機(jī)；從小錐齒輪軸輸入動力和向小錐齒輪軸輸出動力的第一電機(jī)；從大錐齒輪軸輸入動力和向大錐齒輪軸輸出動力的第二電機(jī)；用于發(fā)動機(jī)和兩個(gè)電機(jī)動力耦合的非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)；向兩個(gè)電機(jī)提供電能并從兩個(gè)電機(jī)接收電能的動力蓄電池；用于控制兩個(gè)電機(jī)和發(fā)動機(jī)運(yùn)行的混合動力汽車動力控制單元；以及第一逆變器、第二逆變器和制動器。
所述非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)包括大錐齒輪、小錐齒輪、行星齒輪、行星齒輪軸、 非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)殼體和主減速器從動齒輪；大錐齒輪和小錐齒輪同軸，其軸頸分別通過軸承支承于非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)殼體，行星齒輪軸與非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)殼體固聯(lián)，每個(gè)行星齒輪軸軸頸上浮套一個(gè)圓錐行星齒輪，圓錐行星齒輪繞行星齒輪軸軸線轉(zhuǎn)動，圓錐行星齒輪同時(shí)與大錐齒輪和小錐齒輪相嚙合，非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)殼體與主減速器從動齒輪相固聯(lián)。
所述大錐齒輪軸通過齒輪副與差速器連接。
所述第一電機(jī)的殼體固定在車架前端，第一電機(jī)轉(zhuǎn)子通過齒輪副或直接與非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)大錐齒輪軸連接。
所述第二電機(jī)的殼體固定在車架后端，第二電機(jī)轉(zhuǎn)子通過齒輪副或直接與非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)小錐齒輪軸連接。第二電機(jī)轉(zhuǎn)子還與差速器通過齒輪副連接。
所述發(fā)動機(jī)的缸體固定在車架上，發(fā)動機(jī)曲軸與主減速器主動齒輪相固聯(lián)，主減速器主動齒輪與從動齒輪采用圓柱齒輪副或錐齒輪副形式嚙合。
所述制動盤與主減速器主動齒輪相固聯(lián)，制動器制動動作由混合動力汽車動力控制單元控制。
所述混合動力汽車動力控制單元與發(fā)動機(jī)、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第一逆變器、第二逆變器和動力蓄電池通過電氣連接。
所述混合動力汽車動力控制單元根據(jù)節(jié)氣門開度結(jié)合車速判斷工況，控制發(fā)動機(jī)、第一電機(jī)和第二電機(jī)在不同工況下的運(yùn)行模式。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是解決了混合動力汽車發(fā)動機(jī)和第一電機(jī)、第二電機(jī)的動力耦合問題，并實(shí)現(xiàn)了非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)兩輸出端輸出轉(zhuǎn)矩的不同，即發(fā)動機(jī)大部分轉(zhuǎn)矩通過大錐齒輪輸出，用于驅(qū)動車輛運(yùn)行，小部分轉(zhuǎn)矩通過小錐齒輪輸出，用于電機(jī)發(fā)電。通過控制第一電機(jī)可實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)的調(diào)速，使發(fā)動機(jī)運(yùn)行在高效區(qū)，提高了車輛的經(jīng)濟(jì)性；而控制第二電機(jī)可實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)矩控制，保證了車輛的動力性。車輛制動時(shí)可控制第一電機(jī)、第二電機(jī)同時(shí)回收電能，進(jìn)一步提高了車輛的經(jīng)濟(jì)性。該混合動力驅(qū)動系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單， 布置緊湊，適應(yīng)性強(qiáng)，效率高。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中標(biāo)號說明 I-大錐齒輪；3-行星齒輪；5-非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)殼體；7-小錐齒輪軸；9-主減速器主動齒輪；12-混合動力汽車動力控制單元；14-第一逆變器；16-制動器；18-第一電機(jī)；20-混合動力車輛；22-差速器；24-左車輪；2_小錐齒輪；4-主減速器從動齒輪；6-行星齒輪軸；8-大錐齒輪軸；Il-發(fā)動機(jī)；13-動力蓄電池；15-第二逆變器；17-制動盤；19-第二電機(jī)；21-非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)； 23-車輛左半軸；25-車輛右半軸；26—右車輪。
具體實(shí)施方式
請參閱附圖所示，對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
如圖I所示，本發(fā)明提供了一種基于非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)的混合動力汽車驅(qū)動與傳動系統(tǒng)，包括一發(fā)動機(jī)11 ;從小錐齒輪軸輸入動力和向小錐齒輪軸輸出動力的第一電機(jī)18 ；從大錐齒輪軸輸入動力和向大錐齒輪軸輸出動力的第二電機(jī)19 ；用于發(fā)動機(jī)11與第一電機(jī)18、第二電機(jī)19動力稱合的非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)21 ； 向第一電機(jī)18、第二電機(jī)19提供電能并從第一電機(jī)18、第二電機(jī)19接收電能的動力蓄電池13 ；用于控制第一電機(jī)18、第二電機(jī)19和發(fā)動機(jī)11運(yùn)行的混合動力汽車動力控制單元 P⑶12 ;以及第一逆變器14、第二逆變器15和制動器16。
所述非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)21包括大錐齒輪I、小錐齒輪2、行星齒輪3、行星齒輪軸6、非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)殼體5和主減速器從動齒輪4 ;大錐齒輪I和小錐齒輪 2同軸，其軸頸分別通過軸承支承于非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)殼體5，行星齒輪軸6與非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)殼體5固聯(lián)，每個(gè)行星齒輪軸6軸頸上浮套一個(gè)圓錐行星齒輪3，圓錐行星齒輪3繞行星齒輪軸6軸線轉(zhuǎn)動，圓錐行星齒輪3同時(shí)與大錐齒輪I和小錐齒輪2相嚙合，非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)殼體5與主減速器從動齒輪4相固聯(lián)。所述大錐齒輪軸通過齒輪副與差速器連接。大錐齒輪I的齒數(shù)為Z1，小錐齒輪2的齒數(shù)為Z2，則當(dāng)非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)受力平衡時(shí)，大錐齒輪I輸出轉(zhuǎn)矩Tl與小錐齒輪2輸出轉(zhuǎn)矩T2之比為Zl/ Z2。在本實(shí)施例中Zl/Z2=2，則大錐齒輪I輸出轉(zhuǎn)矩Tl為小錐齒輪2輸出轉(zhuǎn)矩T2的兩倍， 即 Tl/T2=2。
主減速器主動齒輪9與主減速器從動齒輪4采用圓柱斜齒輪副方式嚙合，發(fā)動機(jī) 11的動力通過主減速器主動齒輪9傳遞到主減速器從動齒輪4，同時(shí)主減速器主動齒輪9 與制動盤17相固聯(lián),制動器16通過制動盤17，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)11的制動。
第一電機(jī)18殼體固定在車架前端。第一電機(jī)18轉(zhuǎn)子與小錐齒輪軸7連接，第一電機(jī)18動力通過小錐齒輪軸7輸入至小錐齒輪2，動力亦可沿相同路徑從小錐齒輪2輸出至第一電機(jī)18。
第二電機(jī)19殼體固定在車架后端。第二電機(jī)19轉(zhuǎn)子與大錐齒輪軸8連接，動力由大錐齒輪軸8輸出，與第二電機(jī)19輸出動力疊加后，輸出至差速器22，進(jìn)而通過左半軸 23和右半軸25輸出至左車輪24和右車輪26。動力亦可沿相同路徑從左車輪24和右車輪 26輸入至第二電機(jī)19和大錐齒輪軸8。
第一電機(jī)18和第二電機(jī)19均為同步發(fā)電電動機(jī)，可被驅(qū)動作為發(fā)電機(jī)以及電動機(jī)。第一電機(jī)18和第二電機(jī)19分別通過第一逆變器14和第二逆變器15向動力蓄電池13 充電，動力蓄電池13亦可沿相同路徑對第一電機(jī)18和第二電機(jī)19放電。第一逆變器14 和第二逆變器15共用正極母線和負(fù)極母線與動力蓄電池13連接，這種連接方式允許第一電機(jī)18和第二電機(jī)19中一個(gè)電機(jī)消耗另一個(gè)電機(jī)產(chǎn)生的電能。動力蓄電池13由第一電機(jī)18和第二電機(jī)19的過量電能充電，或者放電以補(bǔ)充第一電機(jī)18和第二電機(jī)19電能的不足。當(dāng)?shù)谝浑姍C(jī)18和第二電機(jī)19產(chǎn)生和消耗的電能相等時(shí)，動力蓄電池既不充電也不放電。
所述制動盤16與主減速器主動齒輪9相固聯(lián)，制動器16制動動作由混合動力汽車動力控制單元PCU12控制。
所述混合動力汽車動力控制單元P⑶12與發(fā)動機(jī)11、第一電機(jī)18、第二電機(jī)19、第一逆變器14、第二逆變器15和動力蓄電池13通過電氣連接。
所述混合動力汽車動力控制單元PCU12根據(jù)節(jié)氣門開度結(jié)合車速判斷工況，控制發(fā)動機(jī)11、第一電機(jī)18和第二電機(jī)19在不同工況下的運(yùn)行模式。下面選擇一種方案分析說明本混合動力汽車驅(qū)動和傳動系統(tǒng)的可行性。
發(fā)動機(jī)11高效轉(zhuǎn)速最高約為4500r/min,即應(yīng)通過控制第一電機(jī)18的轉(zhuǎn)速,維持發(fā)動機(jī)11的轉(zhuǎn)速在4500r/min附近。設(shè)計(jì)主減速器減速比il=2,即發(fā)動機(jī)11運(yùn)行在高效轉(zhuǎn)速時(shí)，非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)殼體5轉(zhuǎn)速約為2250r/min。
第二電機(jī)19的轉(zhuǎn)速范圍為0-3350r/min，通過合理設(shè)計(jì)差速器22減速比，可滿足車輛不同最高車速的使用要求。
當(dāng)非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)21受力平衡時(shí)，發(fā)動機(jī)11輸出轉(zhuǎn)矩為T，則傳遞到大錐齒輪I的轉(zhuǎn)矩為I. 34T，傳遞到小錐齒輪2的轉(zhuǎn)矩為O. 67T。行星齒輪機(jī)構(gòu)殼體5轉(zhuǎn)速 N3、大錐齒輪I轉(zhuǎn)速NI和小錐齒輪2轉(zhuǎn)速N2的關(guān)系為N1*Z1+N2*Z2=N3*(Z1+Z2)即發(fā)動機(jī)11轉(zhuǎn)速Ne、大錐齒輪I轉(zhuǎn)速NI和小錐齒輪2轉(zhuǎn)速N2的關(guān)系為 Nl*Zl+N2*Z2=Ne/iI*(Z1+Z2)考慮到純電驅(qū)動和混合動力驅(qū)動工況切換時(shí)發(fā)動機(jī)11的啟動過程，發(fā)動機(jī)11轉(zhuǎn)速范圍為0-4600r/min，第二電機(jī)19的轉(zhuǎn)速范圍為0_3350r/min，可以算得第一電機(jī)18的轉(zhuǎn)速范圍為-6700r/min-6900r/min。
由以上分析可知，第一電機(jī)18和第二電機(jī)19轉(zhuǎn)速范圍符合常規(guī)電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍合理；穩(wěn)定工況下，輸入第一電機(jī)18的轉(zhuǎn)矩大小為O. 67倍發(fā)動機(jī)11轉(zhuǎn)矩大小，輸入第二電機(jī)19的轉(zhuǎn)矩大小為I. 34倍發(fā)動機(jī)11轉(zhuǎn)矩大小。本發(fā)明能夠滿足混合動力汽車在不同工況下的使用要求。
上述實(shí)施例僅為解釋本發(fā)明的某些原理和實(shí)際應(yīng)用，而不應(yīng)理解為限制性。上述實(shí)施例在符合本發(fā)明的主要特征和精神的范圍內(nèi)可能存在很多變形例，均為本發(fā)明所保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)的混合動力汽車驅(qū)動與傳動系統(tǒng)，其特征在于包括一發(fā)動機(jī)； 從小錐齒輪軸輸入動力和向小錐齒輪軸輸出動力的第一電機(jī)； 從大錐齒輪軸輸入動力和向大錐齒輪軸輸出動力的第二電機(jī)； 用于發(fā)動機(jī)和兩個(gè)電機(jī)動力耦合的非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)； 向兩個(gè)電機(jī)提供電能并從兩個(gè)電機(jī)接收電能的動力蓄電池； 用于控制兩個(gè)電機(jī)和發(fā)動機(jī)運(yùn)行的混合動力汽車動力控制單元；以及第一逆變器、第二逆變器和制動器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)的混合動力汽車驅(qū)動與傳動系統(tǒng)，其特征在于所述非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)包括大錐齒輪、小錐齒輪、行星齒輪、行星齒輪軸、非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)殼體和主減速器從動齒輪；大錐齒輪和小錐齒輪同軸，其軸頸分別通過軸承支承于非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)殼體，行星齒輪軸與非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)殼體固聯(lián)，每個(gè)行星齒輪軸軸頸上浮套一個(gè)圓錐行星齒輪，圓錐行星齒輪繞行星齒輪軸軸線轉(zhuǎn)動，圓錐行星齒輪同時(shí)與大錐齒輪和小錐齒輪相嚙合，非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)殼體與主減速器從動齒輪相固聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)的混合動力汽車驅(qū)動與傳動系統(tǒng)，其特征在于所述大錐齒輪軸通過齒輪副與差速器連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)的混合動力汽車驅(qū)動與傳動系統(tǒng)，其特征在于所述第一電機(jī)的殼體固定在車架前端，第一電機(jī)轉(zhuǎn)子通過齒輪副或直接與非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)大錐齒輪軸連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)的混合動力汽車驅(qū)動與傳動系統(tǒng)，其特征在于所述第二電機(jī)的殼體固定在車架后端，第二電機(jī)轉(zhuǎn)子通過齒輪副或直接與非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)小錐齒輪軸連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)的混合動力汽車驅(qū)動與傳動系統(tǒng)，其特征在于所述發(fā)動機(jī)的缸體固定在車架上，發(fā)動機(jī)曲軸與主減速器主動齒輪相固聯(lián)，主減速器主動齒輪與從動齒輪采用圓柱齒輪副或錐齒輪副形式嚙合。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)的混合動力汽車驅(qū)動與傳動系統(tǒng)，其特征在于所述制動盤與主減速器主動齒輪相固聯(lián)，制動器制動動作由混合動力汽車動力控制單元控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)的混合動力汽車驅(qū)動與傳動系統(tǒng)，其特征在于所述混合動力汽車動力控制單元與發(fā)動機(jī)、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第一逆變器、第二逆變器和動力蓄電池通過電氣連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)的混合動力汽車驅(qū)動與傳動系統(tǒng)，其特征在于所述混合動力汽車動力控制單元根據(jù)節(jié)氣門開度結(jié)合車速判斷工況，控制發(fā)動機(jī)、第一電機(jī)和第二電機(jī)在不同工況下的運(yùn)行模式。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)的混合動力汽車驅(qū)動與傳動系統(tǒng)，包括發(fā)動機(jī)；從小錐齒輪軸輸入動力和向小錐齒輪軸輸出動力的第一電機(jī)；從大錐齒輪軸輸入動力和向大錐齒輪軸輸出動力的第二電機(jī)；用于發(fā)動機(jī)和兩個(gè)電機(jī)動力耦合的非對稱式行星錐齒輪機(jī)構(gòu)；向兩個(gè)電機(jī)提供電能并從兩個(gè)電機(jī)接收電能的動力蓄電池；用于控制兩個(gè)電機(jī)和發(fā)動機(jī)運(yùn)行的混合動力汽車動力控制單元；以及第一逆變器、第二逆變器和制動器。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是解決了混合動力汽車雙動力輸入單動力輸出問題，實(shí)現(xiàn)深度混合動力汽車發(fā)動機(jī)怠速啟停、回饋制動和發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)調(diào)節(jié)等功能，提高車輛燃油經(jīng)濟(jì)性。
文檔編號B60K6/42GK102975608SQ20121043150
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月2日
發(fā)明者陳辛波, 余卓平, 寧國寶, 殷珺, 舒濤 申請人:同濟(jì)大學(xué)