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CN102673368B - 可变比例功率分流混合动力变速器 - Google Patents

可变比例功率分流混合动力变速器 Download PDF

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CN102673368B
CN102673368B CN201210070101.7A CN201210070101A CN102673368B CN 102673368 B CN102673368 B CN 102673368B CN 201210070101 A CN201210070101 A CN 201210070101A CN 102673368 B CN102673368 B CN 102673368B
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Abstract

一种可变比例功率分流混合动力变速器，包括第一电动机/发电机，其具有第一转子，该第一转子被连接为与第一行星齿轮组的第一构件一起旋转。第二电动机/发电机具有第二转子，该第二转子被连接为与第行星齿轮组的第二构件一起旋转。第一行星齿轮组的第二构件被连接为与输出构件共同旋转。第二行星齿轮组的第一构件与输入构件一起旋转，第二行星齿轮组的第三构件接地连接静止构件。第一扭矩传递机构在第二行星齿轮组的第一构件和第一行星齿轮组的第三构件之间建立扭矩流。第二扭矩传递机构在第二行星齿轮组的第二构件和第一行星齿轮组的第三构件之间建立扭矩流。

Description

可变比例功率分流混合动力变速器
技术领域
本发明涉及混合动力机电变速器。
背景技术
用于车辆的混合动力传动系在不同的车辆运行条件下使用不同的动力源。机电混合动力传动系通常使用内燃机，诸如柴油或汽油发动机，以及使用一个或多个电动机/发电机。不同的运行模式，诸如，仅发动机运行模式、仅电运行模式、和电可变(electrically-variable)运行模式，通过控制发动机和电动机/发电机以及以不同组合接合制动器和/或离合器而建立。由于各种运行模式可以用于改进燃料经济性，因此它们是有利的。
发明内容
提供了一种变速器，其具有两种不同的比例，功率以所述比例在电可变运行模式中被分流。变速器包括输入构件、输出构件、和静止构件。另外，变速器具有第一和第二行星齿轮组，它们每一个具有第一构件、第二构件和第三构件。变速器的功率分流单元包括第一行星齿轮组以及第一电电动机/发电机和第二电动机/发电机。第一电动机/发电机具有第一转子和第一定子，该第一转子被连接为与第一行星齿轮组的第一构件一起旋转，该第一定子接地连接所述静止构件。第二电动机/发电机具有第二转子和第二定子，该第二转子被连接为与第一行星齿轮组的第二构件一起旋转，该第二定子接地连接所述静止构件。第一行星齿轮组的第二构件被连接为与输出构件共同旋转。变速器的比例改变单元包括第二行星齿轮组以及第一和第二扭矩传递机构。第二行星齿轮组的第一构件被连接为与输入构件的共同旋转，第二行星齿轮组的第三构件接地连接静止构件。第一扭矩传递机构可选择性地接合，以在第二行星齿轮组的第一构件和第一行星齿轮组的第三构件之间建立扭矩流。第二扭矩传递机构可选择性地接合，以在第二行星齿轮组的第二构件和第一行星齿轮组的第三构件之间建立扭矩流。第一和第二扭矩传递机构连同第二行星齿轮组由此提供输入构件和第二行星齿轮组的第三构件之间的两种不同速度比。扭矩传递机构被接合，以便建立进入变速器的功率分流单元的不同速度比，由此允许电动机/发电机的转子的速度保持在预定速度范围内，在所述预定范围，电动机/发电机足够高效。
本发明的上述特征和优势及其他特征和优势将从用于实施本发明的最佳模式的以下详细描述连同附图时显而易见。
附图说明
图1是具有输入分流式混合动力变速器的第一实施例的动力传动系的示意图；
图2是当第一扭矩传输机构被接合以建立第一功率分流运行模式时，图1的动力传动系的各部件的速度(以每分钟转速计)对车辆的速度(以每小时英里数计)的情况的示图；和
图3是当第二扭矩传输机构被接合以建立第二功率分配运行模式时，图1的动力传动系的各部件的速度(以每分钟转速计)对车辆的速度(以每小时英里数计)的情况的示图。
具体实施方式
参考附图，相同的附图标记在若干幅视图中表示相同或相似的部件。图1示出包括发动机12和混合动力变速器14的车辆的动力传动系10。变速器14具有输入构件15，发动机输出构件6通过阻尼机构20连接至该输入构件15。如此处使用的，“发动机”包括被连接用于在输入构件15处提供扭矩的任何动力源，所述输入构件15不被电源提供动力。例如，发动机12可以是内燃发动机，诸如汽油或柴油发动机。
变速器14包括行星齿轮组30，其具有恒星齿轮构件32、环形齿轮构件34和承载构件36，所述承载构件36支撑小齿轮37，所述小齿轮37与恒星齿轮构件32和环形齿轮构件34啮合。承载构件36被连接用于与输入构件15共同旋转。如此处使用的，行星齿轮组30被称为第二行星齿轮组。在行星齿轮组30中，承载构件36是第一构件，恒星齿轮构件32是第二构件，环形齿轮构件34是第三构件。
变速器14具有行星齿轮组40，其具有恒星齿轮构件42、环形齿轮构件44和承载构件46，所述承载构件36支撑小齿轮47，所述小齿轮37与恒星齿轮构件42和环形齿轮构件44啮合。如此处使用的，行星齿轮组40被称为第一行星齿轮组。在行星齿轮组40中，恒星齿轮构件42是第一构件，环形齿轮构件44是第二构件，承载构件46是第三构件。
第一扭矩传递机构50可选择性地接合，以将来自输入构件15和承载构件36的扭矩以1∶1的比传输至承载构件46。第二扭矩传递机构52可选择性地接合，以将来自恒星齿轮构件32的扭矩传输至承载构件46。承载构件46的旋转速度与输入构件15和承载构件36的旋转速度之间的比取决于行星齿轮组30的齿轮齿数。
变速器14具有第一电动机/发电机60，其具有第一转子62，所述转子62具有转子毂74，该转子毂74被连接用于与恒星齿轮构件42一起旋转。定子64连接至静止构件70，该静止构件70是不旋转构件，诸如变速器14的壳体。变速器14还具有第二电动机/发电机66，其具有第二转子67，所述第二转子67被连接用于与输出构件72和环形齿轮构件44一起旋转。定子68被接地连接(grounded)静止构件70。输出构件72被连接用于与最终驱动传动装置的齿轮构件76共同旋转。最终驱动传动装置还包括齿轮78，所述齿轮78与齿轮76啮合并被连接用于与对车轮(未示出)进行驱动的轴17一起旋转。
能量存储装置(诸如电池80)通过传递导体操作地连接到定子64、68。控制器82通过功率逆变器84来控制电池80和定子64、68之间的电传输，所述功率逆变器将电池80提供的直流电转变成电动机/发电机60、66的运行所需的交流电(以及当电动机/发电机60、66操作为发电机时进行反向转变)。控制器82可以还控制扭矩传递机构50、52的接合和脱离，或分立的控制器可以用于该目的。
行星齿轮组40与电动机/发电机60、66一起称为输入分流(input-split)功率单元，或功率分流(power-split)单元，这是因为来自发动机12的提供在承载构件46处的功率在行星齿轮组40处被分开，还有通过电动机/发电机60、66提供到输出构件72或从电动机/发电机60、66接收的功率。
行星齿轮组30与扭矩传递机构50、52一起被称为比率改变单元，这是因为通过改变扭矩传递机构50或52中哪一个被接合而改变输入构件15对承载构件46(还称为输入构件对输入分流功率单元)的速度比。
动力传动系10可在多种不同运行模式中运行，取决于扭矩传递机构50、52的接合状况、发动机12的状态(即，开动或关闭)、和电动机/发电机60、66的状态(即，是否开动、关闭，和是否每一个都操作为电动机或发电机)。例如，如果两个扭矩传递机构50、52均脱离，则控制器82可以控制两个电动机/发电机60、66在第一仅电运行模式中用作电动机。来自电动机/发电机60的扭矩通过行星齿轮组40被加到来自电动机/发电机66的扭矩上，以在输出构件72处提供扭矩以及通过最终驱动传动装置、齿轮76、78将扭矩提供到轴17。
如果扭矩传递机构50、52两者均被接合，则动力传动系10还可在第二仅电运行模式中运行，以及控制器82控制两个电动机/发电机50、52用作电动机。在两个扭矩传递机构50、52被接合的情况下，发动机12和行星齿轮组30被锁止，使得它们被保持为固定并为电动机/发电机60、66提供反作用扭矩。电动机/发电机60、66在输出构件72处提供扭矩，并通过最终驱动传动装置、齿轮76、78将扭矩提供到轴17。
动力传动系10还可在两个不同到电可变运行模式中运行。第一电可变运行模式在发动机12运行时建立，扭矩传递机构50被接合，电动机/发电机60、66运行为电动机或发电机——这取决于在输出构件72和轴17处的扭矩和速度需求。在第一电可变运行模式中，来自发动机12的扭矩提供到承载构件46处，而没有通过行星齿轮组30做出的倍增或减少；即，输入构件15以与承载构件46相同的速度旋转。当扭矩在恒星齿轮构件42处被提供到第一电动机/发电机60或从其提供而来、以及在环形齿轮构件44处被提供到第二电动机/发电机66或从其提供而来时，功率通过行星齿轮组40分流。第一电可变运行模式因此是输入分流运行模式。
第二电可变运行模式在发动机12开动时建立，扭矩传递机构52被接合，电动机/发电机60、66运行为电动机或发电机——这取决于在输出构件72和轴17处的扭矩和速度需求。在第二电可变运行模式中，来自发动机12的扭矩以通过行星齿轮组30建立的传动比而被提供在承载构件46处。当扭矩在恒星齿轮构件42处被提供到第一电动机/发电机60或从其提供而来、以及在环形齿轮构件44处被提供到第二电动机/发电机66或从其提供而来时，功率通过行星齿轮组40分流。第二电可变运行模式因此是输入分流运行模式。
当传感器表明任一转子62、67的旋转速度接近预定最大旋转速度(超过该速度时，电动机/发电机60、66的效率由于增加的电力需求而降低)时，从第一电可变运行模式到第二电可变运行模式的切换可以通过从控制器82(或另外的控制器)到扭矩传递机构50、52的信号来实现。在该实施例中，行星齿轮组30的传动比是超速传动比(overdrive ratio)，使得当扭矩传递机构52接合且扭矩传递机构50不接合时，承载构件46比输入构件15旋转得快(即，速度通过行星齿轮组30倍增)。因此，变速器14可以称为可变比输入分流混合动力变速器。
相对于第一电可变运行模式，在第二电可变运行模式中扭矩被提供至承载构件时所处的传动比46增加了承载构件46的旋转速度。这允许在输出构件72的旋转速度增加时，电动机/发电机60、66以比它们在第一电可变运行模式中时更低的速度运行。图2和3示出当动力传动系10安装在通常车辆上时，发动机12、转子62、67和承载构件46的理论速度(以转数每分钟(rpm)计)对车辆速度(以英里每小时(mph)计)的情况。例如，参考图2，当第一扭矩传递机构50接合时，发动机12的速度在线100处示出，且在所示的车辆速度范围上恒定为发动机12的最优运行速度(约1100rpm)。当车辆速度为约16mph时，第一转子62的速度示出为线104，并从约5500rpm下降，随后在扭矩反向(torque reversal)之后增加。第二转子67的速度示出为线106，并从0rpm增加至约80mph下的7000rpm。承载构件46的速度表示为线102，恒定在约1100rpm，与发动机12的速度相同。转子速度的大小在约18mph之后随着车辆速度而增加。
为了减少在更高车辆速度下的必需的转子速度，当车辆速度在约30英里每小时至60英里每小时之间且可能是在40英里每小时至50英里每小时之间时(取决于行星齿轮组30、40的齿轮齿数选择)，第二扭矩传递装置52接合。如能够在图3中看到的，转子62和67的速度，分别由线204和206表示，在较高车辆速度下，在扭矩传递机构52接合时比在扭矩传递机构50结合时更低(图2中所示速度)。发动机12能够保持以它的最优运行速度运行，如由线200表示的。承载构件46的速度，由线202表示，在第二扭矩传递机构52接合时比在第一扭矩传递机构50接合时(如图2中线102所示的承载构件46的速度)更大。
输入分流运行模式对高速行驶期间到高效运行是有益的，移位其允许减少电动机速度和降低流过通过电功率路径的功率。即，所有机械功率不像串序运行模式的情况下那样通过电动机/发电机60、66转化为电功率，随后被再次转化为机械功率。
动力传动系10还可以被控制为使得电动机/发电机60能够运行为电动机，以在仅电运行期间通过接合扭矩传递机构50或扭矩传递机构52来起动发动机12。可替换地，分立的电池(未示出)，诸如12伏电池，可以用于在扭矩传递机构50、52两者均脱离的情况下使发动机12启动以及使分离的12伏启动器电动机(未示出)启动。
当第一扭矩传递机构50接合、第二扭矩传递机构未接合、发动机12开动以及电动机/发电机60、66两者均关闭时(惯性滑行)，建立从输入构件15至输出构件72的第一固定比。第一固定比是直接驱动比，因为两个行星齿轮组30、40均不活动。第一固定比对于车辆发动或低车辆速度(即，在输出构件72下的速度)是有利的。
当第二扭矩传递机构52接合、第一扭矩传递机构50未接合、发动机12开动以及电动机/发电机60、66两者均关闭时(惯性滑行)，建立从输入构件15至输出构件72的第二固定比。在该实施例中，第二固定比率是超速传动比，这是由于行星齿轮组30的齿数被选择为使得承载构件46的速度大于承载构件36和输入构件15的速度。第二固定比对于至高车辆速度(即输出构件72处的速度)的缓和是有利的。行星齿轮组30因此提供类似于双速传递情况的优势。
尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。

Claims (10)

1.一种变速器，包括：
输入构件；
输出构件；
静止构件；
第一和第二行星齿轮组，每一组具有第一构件、第二构件和第三构件；
功率分流单元，包括第一行星齿轮组并具有：
第一电动机/发电机，具有第一转子和第一定子，该第一转子被连接为与第一行星齿轮组的第一构件一起旋转，该第一定子接地连接至所述静止构件；
第二电动机/发电机，具有第二转子和第二定子，该第二转子被连接为与第一行星齿轮组的第二构件一起旋转，该第二定子接地连接所述静止构件；其中，第一行星齿轮组的第二构件被连接为与输出构件共同旋转；
比例改变单元，包括第二行星齿轮组并具有：
第一扭矩传递机构，可选择性地接合，以在第二行星齿轮组的第一构件和第一行星齿轮组的第三构件之间建立扭矩流；
第二扭矩传递机构，可选择性地接合，以在第二行星齿轮组的第二构件和第一行星齿轮组的第三构件之间建立扭矩流；第一和第二扭矩传递机构由此提供输入构件和第一行星齿轮组的第三构件之间的两种不同速度比；其中，第二行星齿轮组的第一构件被连接为与输入构件共同旋转；且其中，第二行星齿轮组的第三构件接地连接静止构件。
2.如权利要求1所述的变速器，其中，当第一扭矩传递机构接合时，变速器能在第一输入分流运行模式中运行；且其中，当第二扭矩传递机构接合时，变速器能在第二功率分流运行模式中运行。
3.如权利要求2所述的变速器，其中，当第二电动机/发电机运行为电动机以及扭矩传递机构均没有接合时，变速器能在第一仅电运行模式中运行；且其中，当第一和第二电动机/发电机运行为电动机以及两个扭矩传递机构均接合时，变速器能在第二仅电运行模式中运行。
4.如权利要求1所述的变速器，其中，第一行星齿轮组的第一构件是恒星齿轮构件，第一行星齿轮组的第二构件是环形齿轮构件，第一行星齿轮组的第三构件是承载构件，所述承载构件支撑小齿轮，所述小齿轮与恒星齿轮构件和环形齿轮构件啮合。
5.如权利要求1所述的变速器，其中，第二行星齿轮组的第一构件是承载构件，第二行星齿轮组的第二构件是恒星齿轮构件，第二行星齿轮组的第三构件是环形齿轮构件；其中，所述承载构件支撑小齿轮，所述小齿轮与恒星齿轮构件和环形齿轮构件啮合。
6.如权利要求1所述的变速器，其中，第一行星齿轮组的第一构件是恒星齿轮构件，第一行星齿轮组的第二构件是环形齿轮构件，第一行星齿轮组的第三构件是承载构件，所述承载构件支撑小齿轮，所述小齿轮与恒星齿轮构件和环形齿轮构件啮合；且
其中，第二行星齿轮组的第一构件是承载构件，第二行星齿轮组的第二构件是恒星齿轮构件，第二行星齿轮组的第三构件是环形齿轮构件；其中，所述承载构件支撑小齿轮，所述小齿轮与恒星齿轮构件和环形齿轮构件啮合。
7.如权利要求1所述的变速器，其中，每一个扭矩传递机构以各自不同的预定运行条件接合，所述运行条件被选择为使得第一和第二转子的速度保持在预定速度范围内。
8.如权利要求1所述的变速器，与具有经由阻尼器而连接为与输入构件一起旋转的可旋转发动机输出构件的发动机结合；其中，第一和第二扭矩传递机构两者均脱离以将发动机从变速器断开连接，以及第一和第二电动机/发电机运行为电动机以建立至少一个仅电运行模式。
9.如权利要求1所述的变速器，与具有被连接为与输入构件一起旋转的可旋转发动机输出构件的发动机结合；其中，第一和第二扭矩传递机构两者均被接合以锁定第二行星齿轮组以及由此防止发动机输出构件的旋转，第一和第二电动机/发电机运行为电动机以建立仅电运行模式。
10.如权利要求1所述的变速器，与具有可运行为向第二行星齿轮组提供动力的可旋转发动机输出构件的发动机结合；
其中，第一扭矩传递机构被接合，以建立第一电可变运行模式，同时发动机开动以及电动机/发电机用作电动机或发电机；且
其中，第二扭矩传递机构被接合，以建立第二电可变运行模式，同时发动机开动以及电动机/发电机用作电动机或发电机；第一和第二电可变运行模式由此是具有不同传动比的功率分流运行模式，所述传动比建立在输入构件和第一行星齿轮组的第三构件之间。
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