CN103802652A - 一种双星排三模式机电复合传动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双星排三模式机电复合传动装置，由三个行星排、四个操纵元件和两个电机组成；通过四个操纵元件的配合工作实现三个不同的工作模式，以及三个固定档位。
Description
技术领域
本发明涉及一种车辆的传动装置，尤其涉及一种混合动力车辆，特别是大吨位、重载混合动力车辆的三模式动力传动装置。
背景技术
混合动力车辆由于其良好的动力性和燃油经济性，应用越来越广泛。国内企业开发的混合动力车辆多采用了串联和并联的方案，然而先进的混合动力车辆大都采用混联式动力传动装置。丰田Prius获得了巨大的成功，它以行星轮系作为动力连接机构，发动机将动力输出至行星轮系的某一构件，行星轮系按固定比例将扭矩分配给发电机，电动机将电能转变为机械能，与输出轴转矩叠加后进行动力输出。由于采用了行星轮系，可以在车速变化的情况下，借助于控制发电机的发电量来调节发电机转速，从而稳定发动机转速，优化发动机工作状态；也可以扩大整套变速装置输出转速范围，从而起到类似无级变速器的作用。
丰田公司的方案比较适合应用于小型轿车，对于使用条件复杂的重型车辆、越野车辆，若实现大功率无级变速，则需要采用更大功率的发电机、电动机。如何降低发电机、电动机的功率需求，提高传动系统功率密度，降低成本，是当前大吨位、重载混合动力电动车辆需要解决的技术问题。
目前最为有效的方法是采用多模式机电复合变速装置，多模式机电复合变速装置利用电机自身“发电／电动”状态的不断转换，通过多台电机与机械变速装置的配合，可在系统输入转速不变的前提下，分段连续改变系统输出转速，实现无级变速功能。
美国通用公司提出了双模式混合动力方案(专利号：5931757)，我国专利一种用于混合动力车辆的三模式动力传动装置(专利号：ZL201110057445.X)都适用于大吨位、重载混合动力电动车辆。本发明提出的机电复合传动装置不同于上述方案，装置结构形式简洁、紧凑，易于进行工程设计。本发明的三模式机电复合传动装置经检索国内外专利，未发现有与本发明相同的结构方案。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种双星排三模式机电复合传动装置，既可用于履带车辆也可用于轮式车辆，采用两个内外啮合双星行星排和一个简单行星排通过创新的连接形式实现三模式机电复合传动装置，装置结构形式简洁、紧凑，易于进行工程设计。
本发明的目的可以通过以下途径来实现：
本方案由三个行星排、四个操纵元件和两个电动机／发电机组成，其中第一行星排和第三行星排为双星行星排，即分别具有内外两个相啮合的行星齿轮。通过四个操纵元件的配合工作实现三个不同的工作模式，此外还能实现三个固定档位。
输入动力经惰轮直齿轮传递到第一行星排的行星架。第一行星排的齿圈与第二行星排的行星架和第三行星排的太阳轮相连。第一行星排的太阳轮与第一电动机／发电机转子相连，并且通过第一离合器与第二行星排的齿圈相连。
第二行星排的齿圈除通过第一离合器与第一行星排的太阳轮和第一电动机／发电机转子相连外还与第一制动器相连。第二行星排的太阳轮与第二电动机／发电机转子相连，并且通过第二离合器与第三行星排的行星架相连。
第三行星排的行星架除通过第二离合器与第二行星排的太阳轮和第二电动机／发电机转子相连外还与第二制动器相连。第三行星排的齿圈与直驶变速系统的输出轴相连。
第一电动机／发电机、第二电动机／发电机通过导线与控制器连接，控制器通过导线与储能装置相连。储能装置可以选择化学蓄电池，也可以选择超级电容或者飞轮电池等。
所述的制动器为湿式多片制动器，所述的离合器为湿式多片离合器。
所述的第一电动机／发电机、第二电动机／发电机均为永磁同步电机，且转子均为空心轴。
本发明的优点是：具有较高的低速大转矩输出特性，可以满足车辆爬陡坡的需求；通过离合器制动器的操作能够实现三个不同的混合驱动模式，并且相邻两个模式间可以实现无速差动力切换，输出转速在三个工作模式下为连续线性输出；可以选择功率稍小的电机进行驱动，仍能满足车辆动力性指标的要求。
工作模式一：第一制动器和第二制动器结合，可以输出较大的转矩，满足车辆加速和爬坡的需求。
工作模式二：第一离合器和第二制动器结合，与工作模式一的最高车速相衔接，可以实现中低车速的行驶。
工作模式三：第一离合器和第二离合器结合，具有较高的输出转速，适用于中高车速行驶。
三个工作模式覆盖了车辆的所有车速范围，并满足车辆的低速爬坡需求。由于功率耦合机构的调节作用，在每一不同车速下都可以对发动机的转速进行优化匹配选择，提高车辆的燃油经济性。
此外，本发明还可以实现三个固定档位，当电机无法正常工作时，可以作为三档四自由度变速箱使用。第一离合器与第一制动器、第二制动器同时结合，实现固定档一档；第一离合器、第二离合器与第二制动器同时结合，实现固定档二档；第一离合器、第二离合器与第一制动器同时结合，实现固定档三档。固定档模式可以作为车辆在紧急工况下的备用方案，也可以用于正常驱动行驶，通过控制策略对混合驱动模式和固定档模式的切换，进一步提高传动系统的效率，获得更高的燃油经济性。
附图说明
图1是用于实施本发明方案的一种混合动力传动装置的示意图。
图2是EVT1模式功率流示意图。
图3是EVT2模式功率流示意图。
图4是EVT3模式功率流示意图。
图5是实施本发明方案的转速关系图。
具体实施方式
图1所示为用于实施例本发明的方案的一种机电复合传动装置代表性实施方式。该机电复合传动装置60由三个行星排、两个制动器和两个离合器、两个电动机／发电机组成，其中第一行星排和第三行星排为双星行星排，即，即分别具有内外两个相啮合的行星齿轮。第一电动机／发电机80的转子82与机电复合传动装置机电复合传动装置60的第一个行星排的太阳轮29相连，通过第一离合器12与机电复合传动装置机电复合传动装置60第二个行星排的齿圈31相连，并且可通过第一制动器13进行制动。机电复合传动装置机电复合传动装置第一个行星排的齿圈28与机电复合传动装置机电复合传动装置第二个行星排的行星架33相连并与机电复合传动装置第三行星排的太阳轮36相连。机电复合传动装置第二个行星排的太阳轮32与第二电动机／发电机90的转子92相连，并通过第二离合器14与机电复合传动装置第三行星排的行星架34相连并也可以通过Z第二制动器15进行制动。机电复合传动装置第三个行星排的齿圈35与动力输出轴37相连。
图2所示为该装置采用EVT1模式时直驶变速部分的功率流。此时第一制动器13与第二制动器15制动，第一离合器12与第二离合器14断开。发动机功率由机电复合传动装置第一行星排的行星架27输入，分别由机电复合传动装置第一行星排的太阳轮29和齿圈28输出。由第一行星排的太阳轮29输出的功率流入第一电动机／发电机80，此时第一电动机／发电机80充当发电机发电，并向第二电动机／发电机90提供电能。另一路由机电复合传动装置第一行星排的齿圈28输出，经过机电复合传动装置第二行星排和第三行星排，由动力输出轴37输出。与此同时第二电动机／发电机90充当电动机输出功率。该功率经过机电复合传动装置第二行星排的太阳轮32和行星架33进入机电复合传动装置第三行星排，最后由动力输出轴37输出。此模式下车辆可以输出较大的转矩，满足爬大坡的需求。
图3所示为该装置采用EVT3模式时直驶变速部分的功率流。此时第一制动器13与第二离合器14分离，第一离合器12与第二制动器15结合。发动机功率由机电复合传动装置第一行星排的行星架27输入，由机电复合传动装置第一行星排的齿圈28输出。该路功率在机电复合传动装置第二行星排处分流。一路进入机电复合传动装置第三行星排最终由动力输出轴37输出。另一路功率流入机电复合传动装置第二行星排的行星架33，此时该功率分为两部分。一部分经机电复合传动装置第二行星排的齿圈31和第一电动机／发电机80发出的功率一同流入第一行星排的太阳轮29。另一部分经机电复合传动装置第二行星排的太阳轮32将功率输入第二电动机／发电机90，此时其作为发电机并为第一电动机／发电机80提供电能。此模式适合车辆在中低车速行驶。
图4所示为该装置采用EVT2模式时直驶变速部分的功率流。此时第一制动器13与第二制动器15分离，第一离合器12与第二离合器14结合。发动机功率由机电复合传动装置第一行星排的行星架27输入，由机电复合传动装置第一行星排的齿圈28输出。该路功率在机电复合传动装置第二行星排处分流。一路进入机电复合传动装置第三行星排最终由动力输出轴37输出。另一路功率流入机电复合传动装置第二行星排的行星架33，此时该功率分为两部分。一部分经机电复合传动装置第二行星排的齿圈31和机电复合传动装置第一行星排的太阳轮29流入机电复合传动装置第一行星排。另一部分经机电复合传动装置第二行星排的太阳轮32与第二电动机／发电机90提供的功率汇合经第二离合器14进入机电复合传动装置第三行星排，最终由动力输出轴37输出。同时第一电动机／发电机80作为发电机吸收流经机电复合传动装置第一行星排太阳轮29的功率发电，并为第二电动机／发电机90提供电能。此模式适合车辆在中高车速和最高车速行驶。
图5所示为实施本发明方案时输入构件、输出构件以及两个电机的转速图。
当然，以上所述仅是本发明的一种实施方式而已，应当指出本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种双星排三模式机电复合传动装置，由三个行星排、四个操纵元件和两个电动机／发电机组成，其特征在于：其中第一行星排和第三行星排为双星行星排；该双星排三模式机电复合传动装置通过四个操纵元件的配合工作实现三个不同的工作模式，并且相邻两个模式间可以实现无速差动力切换，输出转速在三个工作模式下为连续线性输出；此外，该双星排三模式机电复合传动装置还具有三个固定档位。
2.根据权利要求1所述的双星排三模式机电复合传动装置，其特征在于：输入动力经惰轮直齿轮传递到第一行星排的行星架；第一行星排的齿圈与第二行星排的行星架和第三行星排的太阳轮相连；第一行星排的太阳轮与第一电动机／发电机转子相连，并且通过第一离合器与第二行星排的齿圈相连；
第二行星排的齿圈除通过第一离合器与第一行星排的太阳轮和第一电动机／发电机转子相连外还与第一制动器相连；第二行星排的太阳轮与第二电动机／发电机转子相连，并且通过第二离合器与第三行星排的行星架相连；
第三行星排的行星架除通过第二离合器与第二行星排的太阳轮和第二电动机／发电机转子相连外还与第二制动器相连；第三行星排的齿圈与该双星排三模式机电复合传动装置的输出轴相连。
3.根据权利要求1或2所述的双星排三模式机电复合传动装置，其特征在于：第一电动机／发电机、第二电动机／发电机通过导线与控制器连接，控制器通过导线与储能装置相连。
4.根据权利要求1或2所述的双星排三模式机电复合传动装置，其特征在于：储能装置为化学蓄电池，或者超级电容或者飞轮电池。
5.根据权利要求1或2所述的双星排三模式机电复合传动装置，其特征在于：所述的制动器均为湿式多片制动器，所述的离合器均为湿式多片离合器。
6.根据权利要求1或2所述的双星排三模式机电复合传动装置，其特征在于：所述的第一电动机／发电机、第二电动机／发电机均为永磁同步电机，且转子均为空心轴。
7.根据权利要求1或2所述的双星排三模式机电复合传动装置，其特征在于：所述的发动机为柴油发动机。
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