專利名稱：高效節(jié)能機電混合無級變速器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種高效節(jié)能機電混合無級變速器，它可廣泛應(yīng)用于各種車輛和動力設(shè)備。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃機都有一定的速度和功率范圍，并在其中很小的范圍內(nèi)達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，這時或是油耗最小，或是有害排放最低，或是倆者皆然。然而，實際路況千變?nèi)f化，不但表現(xiàn)在驅(qū)動輪的速度上，同時還表現(xiàn)在驅(qū)動輪所要求的扭矩上。因此，內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速和扭矩，即內(nèi)燃機的動力狀態(tài)與驅(qū)動輪動力狀態(tài)之匹配是變速器的首要任務(wù)之一。
無級變速器，無論是機械式，液壓式，或機-電式的，都能在一定速度范圍內(nèi)提供無限個連續(xù)可選用的速比，理論上說，驅(qū)動輪的速度變化完全可通過變速器來完成。這樣，內(nèi)燃機可以近可能的工作在最佳速度范圍內(nèi)。同時無級變速器和有級變速器相比，具有調(diào)速平穩(wěn)，能充分利用內(nèi)燃機最大功率等諸多優(yōu)點，因此，無級變速器多年來一直是各國專家研究的對象。目前已推向市場的無級變速器有金屬摩擦帶式和球腔摩擦輪式兩種，其中以帶式較為普遍。
與理想要求的工作情況相比，現(xiàn)有的變速器無論是有級變的還是無級的都不能完全滿足要求的內(nèi)燃機與驅(qū)動輪之間的動力匹配。這是因為現(xiàn)有的變速器只能完成能量的傳送而不能實現(xiàn)能量的調(diào)節(jié)。變速器的輸入與輸出功率是相同的(不計變速器內(nèi)耗)。因此，這樣的變速器只能對輸入輸出的速比或輸出輸入的扭矩比進(jìn)行單項調(diào)節(jié)，而不能對二者同時進(jìn)行獨立的調(diào)節(jié)。
近年來，電機混合動力技術(shù)的誕生為實現(xiàn)內(nèi)燃機與動力輪之間動力完全匹配開拓了新的途徑。在眾多的動力總成設(shè)計案中，最具代表性的有串聯(lián)混合系統(tǒng)和并聯(lián)混合系統(tǒng)兩種。電機串聯(lián)混合系統(tǒng)中，內(nèi)燃機-發(fā)電機-電動機-軸系-驅(qū)動輪組成一條串聯(lián)的動力鏈，動力總成結(jié)構(gòu)極為簡單。其中，發(fā)電機-電動機組合可視為傳統(tǒng)意義下的變速器。當(dāng)與儲能器，如電池，電容等聯(lián)合使用時，該變速器又可作為能量調(diào)節(jié)裝置，完成對速度和扭矩的獨立調(diào)節(jié)。
電機并聯(lián)系統(tǒng)有兩條并行的獨立的動力鏈。一條由傳統(tǒng)的機械變速器組成，另一條由電機-電池系統(tǒng)組成。機械變速器負(fù)責(zé)完成對速度的調(diào)節(jié)，而電機-電池系統(tǒng)則完成對功率或扭矩的調(diào)節(jié)。為充分發(fā)揮整個系統(tǒng)的潛能，機械變速器還需采用無級變速方式。
串聯(lián)混合系統(tǒng)的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，布局靈活。但由于全部動力通過發(fā)電機和電動機，因此電機的功率要求高，體積大，重量重。同時，由于能量傳輸過程經(jīng)過兩次機-電，電-機的轉(zhuǎn)換，整個系統(tǒng)的效率較低。在并聯(lián)混合系統(tǒng)中，只有部分動力通過電機系統(tǒng)，因此，對電機的功率要求相對較低。整體系統(tǒng)的效率高。然而，此系統(tǒng)需兩套獨立的子系統(tǒng)，造價高。通常只用于弱混合系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種高效節(jié)能機電混合無級變速器，具有較高的傳動效率，能夠在較寬的范圍內(nèi)對輸出/輸入速比和動力進(jìn)行連續(xù)和獨立的調(diào)節(jié)，大大地拓寬速比的范圍，可實現(xiàn)從倒退、停止到前進(jìn)的不間斷的無級變速且無需啟動裝置，可大幅度提高整車的燃油效率，減小動力調(diào)節(jié)裝置所需的功率，結(jié)構(gòu)小巧，系統(tǒng)效率高，造價低。
該高效節(jié)能機電混合無級變速器，包括三個同軸行星輪系，兩個電機，一個控制器，兩個動力傳輸軸，和至少兩個離合器，每個行星輪系有至少三個同軸轉(zhuǎn)動步件，其特征是所述的的三個行星輪系耦合成復(fù)合行星輪系并構(gòu)成一個五枝系統(tǒng)，且每支系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速向量終點呈一條直線，該五枝系統(tǒng)的各分枝與無級變速器的電機及動力傳輸軸作如下方式的連接五枝系統(tǒng)的第一枝與第一個電機聯(lián)接，五枝系統(tǒng)的最后一枝-即第五枝與第二個電機相聯(lián)，五枝系統(tǒng)的中間一枝-即第三枝與第一個動力傳輸軸相聯(lián)，第二個動力傳輸軸則通過離合器有選擇性地與五枝系統(tǒng)的其他枝耦合，兩電機間通過控制器電氣連接并相互傳遞電能。
上述的高效節(jié)能機電混合無級變速器，其特征是第一個動力傳輸軸為輸入軸，第二個動力傳輸軸為輸出軸。
上述的高效節(jié)能機電混合無級變速器，其特征是還包括至少二對輸出齒輪，每對輸出齒輪包括一個主動輪和一個與之嚙合的從動輪，主動輪分別與五枝系統(tǒng)的第二枝和第四枝相聯(lián)，編號為奇數(shù)的主動輪與第二枝相聯(lián)；編號為偶數(shù)的主動輪與第四枝相聯(lián)，輸出軸通過離合器按編號順序有選擇地與從動輪耦合以輸出動力，當(dāng)輸出軸與編號為奇數(shù)的從動齒輪耦合時，動力由五枝系統(tǒng)的第二枝經(jīng)相同編號的主、從輸出齒輪對傳送至輸出軸；當(dāng)輸出軸與編號為偶數(shù)的從動齒輪耦合時，動力由五枝系統(tǒng)的第四枝經(jīng)相同編號的主、從輸出齒輪對傳送至輸出軸，相鄰的兩對輸出齒輪的齒數(shù)比保持如如下關(guān)系Kout_(2n-1)Kout_(2n)=L4→5L2→5]]>Kout_(2n)Kout_(2n+1)=L2→1L4→1]]>其中L4→5為五枝系統(tǒng)的第四枝至第五枝之間的距離；L2→5為第二枝至第五枝之間的距離；L2→1為第二枝至第一枝之間的距離；L4→1為第四枝至第一枝之間的距離，Kout_()表示每一對輸出齒輪的齒數(shù)比，括號中的算式值代表輸出齒輪對的編號，其中n為大于零的正整數(shù)。
上述的高效節(jié)能機電混合無級變速器，其特征是第一個動力傳輸軸為輸出軸，第二個動力傳輸軸為輸入軸。
上述的高效節(jié)能機電混合無級變速器，其特征是該無級變速器還包括至少兩對輸入齒輪，每對輸入齒輪由一個主動輪和一個與之嚙合的從動輪組成，第一對輸入齒輪中的從動輪與五枝系統(tǒng)的第四枝相聯(lián)；第二對輸入齒輪中的從動輪與五枝系統(tǒng)的第二枝相聯(lián)，輸入軸通過離合器分別與兩對輸出齒輪中的主動輪有選擇地聯(lián)接，第一對輸入齒輪的齒數(shù)比Kin_1與第二對輸入齒輪的齒數(shù)比Kin_2保持如下的關(guān)系Kin_1Kin_2=L2→5L4→5]]>上述的高效節(jié)能機電混合無級變速器，其特征是還包括一個儲能器，該儲能器通過控制器分別與兩電機相聯(lián)，并按需求向電機提供或接受電機提供的電能。
上述的高效節(jié)能機電混合無級變速器，其特征是提供至少一個輸出動力分流速度區(qū)和至少一個復(fù)合動力分流速度區(qū)，輸出動力分流速度區(qū)與第一個復(fù)合動力分流速度區(qū)相銜接，并且銜接點為電機速度零點，并且每個復(fù)合動力分流速度區(qū)的跨度相同或相近，所說的復(fù)合動力分流速度區(qū)彼此銜接，并且銜接點為電機的速度零點。
上述的高效節(jié)能機電混合無級變速器，其特征是提供一個機電串聯(lián)系統(tǒng)，作為該無級變速器反向運行時的動力傳送方式。
上述的無級變速器，其特征是至少有一個離合器是嚙合式離合器。
上述的高效節(jié)能機電混合無級變速器，其特征是提供至少一個輸出動力分流速度區(qū)和至少兩個復(fù)合動力分流速度區(qū)，輸出動力分流速度區(qū)與第一個復(fù)合動力分流速度區(qū)相銜接，銜接點為變速器的第一速度節(jié)點；相鄰的復(fù)合動力分流速度區(qū)相銜接，銜接點為變速器的下一個速度節(jié)點。
該高效節(jié)能機電混合無級變速器采用動力分流原理，利用局部的動力變化去控制總系統(tǒng)輸出端的動力狀態(tài)，即輸出端的速度和扭矩，動力分流系統(tǒng)由兩部份組成，機械傳動裝置和動力調(diào)節(jié)裝置，動力調(diào)節(jié)裝置采用電機-電動機組合，相當(dāng)于一個局部電機串聯(lián)系統(tǒng)。由于分流系統(tǒng)僅將部分動力分送往動力調(diào)節(jié)裝置，因此，動力分流有效地克服了串聯(lián)混合系統(tǒng)的缺點，且具較高的傳動效率，更重要的是它能夠在較寬的范圍內(nèi)對速比(輸出/輸入)和動力進(jìn)行連續(xù)和獨立的調(diào)節(jié)。在速度調(diào)節(jié)方面本系統(tǒng)實現(xiàn)了從倒退、停止到前進(jìn)的不間斷的無級變速、無需通常的啟動裝置。當(dāng)變速箱的無級變速與內(nèi)燃機)控制有效的配合時，可大幅度的提高整車的燃油效率。在動力調(diào)節(jié)方面，本系統(tǒng)可通過儲能器有效的補充動力輪所需的驅(qū)動動力而無需改變對內(nèi)燃機的動力要求，從而保持內(nèi)燃機的工作狀態(tài)不受或少受路況的影響。內(nèi)燃機可始終工作在設(shè)定的最佳狀態(tài)，以提高整車的效率。同時，本系統(tǒng)還可回收制動時的動能，返送回儲能器中。所有這些舉措都大幅度地提高整體車輛的燃油效率。此外，在生產(chǎn)和制造方面都較目前自動變速器簡單，這將為低價高性能產(chǎn)品打下了良好的基礎(chǔ)。與同類混合動力分流系統(tǒng)相比，多提了兩個或更多個復(fù)合動力分流的速度區(qū)域，從而大大地拓寬了速比的范圍。同時還減小了動力調(diào)節(jié)裝置所需的功率。在輸出相同的情況下，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡潔小巧、重量輕、造價低、系統(tǒng)效率更高。
圖1是描述簡單行星輪系各同軸轉(zhuǎn)動件之間轉(zhuǎn)速的三枝系統(tǒng)轉(zhuǎn)速梯圖；圖2是由三個簡單行星輪系構(gòu)成描述各同軸轉(zhuǎn)動件轉(zhuǎn)速的五枝系統(tǒng)轉(zhuǎn)速梯圖；圖3是實施例1對應(yīng)的結(jié)構(gòu)框架示意圖；圖4是實施例1對應(yīng)的結(jié)構(gòu)框架示意圖；圖5是實施例1中復(fù)合動力分流區(qū)所對應(yīng)的五枝系統(tǒng)速度梯圖。
圖6是實施例1中輸出動力分流區(qū)所對應(yīng)的三枝系統(tǒng)速度梯圖。
圖7是實施例2的結(jié)構(gòu)框架示意圖。
圖8是實施例3的結(jié)構(gòu)框架示意圖。
圖9是實施例4的結(jié)構(gòu)框架示意圖。
圖10是實施例4的結(jié)構(gòu)框架示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，一個簡單的行星輪系有三個同軸轉(zhuǎn)動件(圈輪R，行星架C和太陽輪S)，它們組成一個三枝系統(tǒng)(B1-B3)。如果將這三個轉(zhuǎn)動件的轉(zhuǎn)速以垂直向量的形式表示并將它們按一定的距離比平行的排列開來，行星架轉(zhuǎn)速向量Nc在中間，圈輪、太陽掄轉(zhuǎn)速向量Nr、Ns在兩邊，即構(gòu)成所謂的轉(zhuǎn)速梯圖。太陽輪轉(zhuǎn)速向量Ns與行星架轉(zhuǎn)速向量Nc之間的距離K與圈輪轉(zhuǎn)速向量Nr與行星輪轉(zhuǎn)速向量Nc之間的距離L之比恰為該行星輪的特征速比(即圈輪R齒數(shù)與太陽輪S齒數(shù)比)。轉(zhuǎn)速梯圖中的每個轉(zhuǎn)速向量稱為梯圖的一個枝，轉(zhuǎn)速向量的終點始終落在一條直線上，這條直線稱為速度線。
由三個簡單行星輪系(PG1，PG2，PG3)構(gòu)成的復(fù)合行星輪系有五個同軸轉(zhuǎn)動件，它們組成一個五枝系統(tǒng)。各轉(zhuǎn)動件之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系可由如圖2所示的五枝轉(zhuǎn)速梯圖來表示。
在圖2中，各枝B1-B5所代表的轉(zhuǎn)速向量的終點同樣也落在一條速度直線上。因此給定任何兩枝的轉(zhuǎn)速向量，其余三枝的轉(zhuǎn)速向量也就確定了。
本無級變速器的核心可以有多種具體實施方案和方式。
實施例1如圖3、圖4所示，該無級變速器由三個行星輪系(PG1，PG2，PG3)，兩臺電機(EM1，EM2)，一個電機控制器(CTL)及一組離合器(CL1，CL2，CL3，CL4，BR1，BR2)組成。本方案還包括一個輸入軸(SHin)一個輸出軸(SHout)和若干對用于傳遞輸入、輸出動力的齒輪(Gin1，G’in1，Gout1，G’out1，Gout2，G’out2)。每個行星輪系分別由一個圈輪(R1，R2，或R3)，一個太陽輪(S1，S2，或S3)，一組行星輪(P1，P2，或P3)，和一個行星輪架(C1，C2，或C3)組成。每臺電機則包括一個轉(zhuǎn)子(RT1或RT2)和一個定子(ST1或ST2)。每對輸入齒輪和每對輸出齒輪均由一個主動輪和一個從動輪組成，主動輪以G表示；從動輪則以G’表示。
當(dāng)用于機電混合動力車輛時，該方案中還包括一個儲能器(BT)，用于電能的儲存和回收。
具體地說，第一個行星輪系(PG1)包括第一圈輪(R1)，第一太陽輪(S1)，第一組行星輪(P1)和第一行星輪架(C1)。第二個行星輪系(PG2)包括第二圈輪(R2)，第二太陽輪(S2)，第二組行星輪(P2)和第二行星輪架(C2)。第三個行星輪系(PG3)包括第三圈輪(R3)，第三太陽輪(S3)，第三組行星輪(P3)和第三行星輪架(C3)。第一太陽輪(S1)與第三太陽輪(S3)相連并通過第二個離合器(CL2)與第二圈輪(R2)有選擇地聯(lián)接構(gòu)成五枝系統(tǒng)中的第一枝。第一行星架(C1)通過第一離合器(CL1)有選擇地與第二行星架(C2)聯(lián)接構(gòu)成五枝系統(tǒng)中的第二枝。第一圈輪(R1)與第三行星架(C3)相連構(gòu)成五枝系統(tǒng)中的第三枝。第三圈輪(R3)和第二太陽輪(S2)分別構(gòu)成五枝系統(tǒng)的第四和第五枝(見圖5)。這樣構(gòu)成的五枝系統(tǒng)可表述為S1R2S3-C1C2-R1C3-R3-S2。
轉(zhuǎn)動件標(biāo)識符號下帶橫杠的表示該轉(zhuǎn)動件為可分離件，分離后可由制動離合器制動。
第一個電機(EM1)，通過與第一和第三太陽輪(S1，S3)相聯(lián)，連接于五枝系統(tǒng)的第一枝(S1R2S3)。第二個電機(EM2)，通過與第二太陽輪(S2)相聯(lián)，連接于五枝系統(tǒng)的第五枝(S2)，即最后的一枝。輸入軸(SHin)通過輸入齒輪對(Gin1和G’in1)連接于由第一圈輪(R1)和第三行星架(C3)組成的五枝系統(tǒng)的第三枝(R1C3)，即中間的一枝。輸出軸(SHout)則根據(jù)需要或連接于五枝系統(tǒng)的第二枝(C1C2)或連接于五枝系統(tǒng)的第四枝(R3)。輸出軸(SHout)上有兩個從動齒輪(G’out1和G’out2)，它們分別通過兩個離合器(CL3和CL4)與輸出軸(SHout)耦合以傳遞動力。當(dāng)輸出軸(SHout)與五枝系統(tǒng)的第二枝(C1和C2)聯(lián)接時，第三離合器(CL3)嚙合，第四離合器(CL4)分離。動力由與第一和第二行星架相聯(lián)的中軸(SHctr)經(jīng)第一對輸出齒輪(Gout1和G’out1)傳送到輸出軸(SHout)。當(dāng)輸出軸與五枝系統(tǒng)的第四枝(R3)聯(lián)接時，第三離合器(CL3)分離，第四離合器(CL4)嚙合。動力經(jīng)由第三圈輪(R3)和第二對輸出齒輪(Gout2和G’out2)傳送至輸出軸(SHout)。
本實施方案可提供四個速度節(jié)點，其中包括一個自然速度節(jié)點和三個非自然速度節(jié)點和四個速度區(qū)，其中三個為前行區(qū)，一個為逆行區(qū)。第一個前行區(qū)為低速區(qū)，采用的是輸出動力分流方式。第二和第三個前行區(qū)分別為中速和高速區(qū)，采用的均為復(fù)合動力分流的方式。逆行區(qū)則采用串聯(lián)混合傳動。各速區(qū)銜接于速度節(jié)點，平穩(wěn)，連續(xù)無動力間斷。
該無級變速器的工作狀態(tài)和離合器嚙合組合以及電機工作狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系如下表所示。
第一速區(qū)第一速區(qū)含蓋自然速度節(jié)點至第一速度節(jié)點之間的低速區(qū)。第一制動離合器(BR1)分離；第一離合器(CL1)嚙合，連接第一行星架(C1)與中軸(SHctr)。第二離合器(CL2)分離，使第二圈輪(R2)脫離第一電機(EM1)以及與之相聯(lián)的五枝系統(tǒng)的第一枝。同時，第二制動離合器(BR2)嚙合，使第二圈輪(R2)不轉(zhuǎn)動。第三離合器(CL3)分離；第四離合器(CL4)嚙合。動力由經(jīng)中軸(SHctr)、第一對輸出齒輪(Gout1和G’out1)傳至輸出軸(SHout)。
此時，第二行星輪系(PG2)蛻變?yōu)楹唵蔚臏p速器；第三行星輪系(PG3)處于空載狀態(tài)。原來的五枝系統(tǒng)蛻變?yōu)橛傻谝恍行禽喯?PG1)組成的三枝系統(tǒng)。該三枝系統(tǒng)中的三個枝分別為原五枝系統(tǒng)的前三枝，第一枝仍與第一電機(EM1)相聯(lián)；第二枝與輸出軸(SHout)相聯(lián)；第三枝與輸入軸(SHin)相聯(lián)，第二電機(EM2)通過減速器(PG2)連接于輸出軸(SHout)所在的第二枝。(如圖六所示)。
在車輛起動前，第二電機(EM2)處于零轉(zhuǎn)速狀態(tài)。第一電機(EM1)處于空載運轉(zhuǎn)狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速方向內(nèi)燃機轉(zhuǎn)動方向相反。車輛起動時，控制器發(fā)出指令，第二電機(EM2)提供起動扭矩。除少量內(nèi)耗外，第二電機(EM2)并不消耗能量。此時，由于車輛仍處于靜止?fàn)顟B(tài)，驅(qū)動輪尚無動力要求，僅有扭矩要求。驅(qū)動輪起動扭矩完全來自第二電機(EM2)。內(nèi)燃機此時不提供任何起動扭矩，因此無能量(動力)輸出。隨著電機扭矩的增加，車輛由靜到動，向前起步。第二電機(EM2)并隨之開始轉(zhuǎn)動。而第一電機(EM1)的轉(zhuǎn)速則逐漸減小。此時，第二電機(EM2)開始消耗電能。這份消耗的電能由第一電機(EM1)通過電機控制器(CTL)全部或部分提供。為平衡第一電機(EM1)的扭矩載荷，內(nèi)燃機此時提供必要的扭矩。車輛啟動后，驅(qū)動輪的扭矩由內(nèi)燃機和第二電機(EM2)分擔(dān)，從而使第二電機(EM2)的扭矩逐漸降低。
隨著車輛速度的提高，第二電機(EM2)的轉(zhuǎn)速不斷提高而其扭矩則不斷下降。相反，第一電機(EM1)的轉(zhuǎn)速不斷降低，直至減小到零。此時第一電機(EM1)到達(dá)其速度零點。相應(yīng)地，變速器到達(dá)其第一個速度節(jié)點。如果電動鏈中沒有電力的輸入或輸出，第二電機(EM2)的扭矩零點將與第一電機(EM1)的速度零點重合。電動鏈所傳送的動力與變速器輸入軸動力的比值PR由以下函數(shù)表示。
PR=1-(K1+1K1)(KinKout_1)·SR]]>0≤SR≤SR1
SR1=(K1K1+1)(Kout_1Kin)]]>其中SR為變速器輸出與輸入軸的轉(zhuǎn)速比，K1為第一行星輪系的特征速比，Kin為輸入齒輪對從動齒輪(G’in1)與主動齒輪(Gin1)的齒數(shù)比，Kout_1為第一輸出齒輪對中主動齒輪(Gout1)與從動齒輪(G’out1)的齒數(shù)比，SR1為第一速度節(jié)點。
第二速區(qū)第一速度節(jié)點是第一速區(qū)和第二速區(qū)的分界點。位于第一和第二速度節(jié)點之間的中速度區(qū)稱為第二速區(qū)。在第二速區(qū)，變速器改用復(fù)合分流的方式。當(dāng)變速器的速比達(dá)到第一節(jié)點值時，第二離合器(CL2)嚙合，連接第二圈輪(R2)與第一電機(EM1)以及所在的五枝系統(tǒng)的第一枝。此時第二圈輪(R2)和第一電機(EM1)均為零轉(zhuǎn)速，因此，第二離合器(CL2)的嚙合是在自然同步的條件下完成的。緊隨第二離合器(CL2)的嚙合，第二制動離合器(BR2)開始分離。在第二速區(qū)，第一離合器(CL1)和第一制動離合器(BR1)仍保持與第一速區(qū)相同的狀態(tài)(CL1嚙合，BR1分離)。同樣地，第三和第四離合器(CL3和CL4)亦保持與第一速區(qū)相同的狀態(tài)(CL3嚙合，CL4分離)。動力由中軸(SHctr)、經(jīng)第一對輸出齒輪(Gout1和G’out1)傳至輸出軸(SHout)。
從分枝系統(tǒng)各枝的連接情況來看，五枝系統(tǒng)的第一枝仍聯(lián)于第一電機(EM1)，第二枝聯(lián)于輸出軸(SHout)，第三枝聯(lián)于輸入軸(SHin)，第四枝處于空載狀態(tài)，第五枝則聯(lián)于第二電機(EM2)。
隨著車輛速度的提高，變速器的速比進(jìn)一步增加，超越第一速度節(jié)點值。第一電機(EM1)的轉(zhuǎn)速由零開始向與內(nèi)燃機轉(zhuǎn)向相同的方向增加。第二電機(EM2)的轉(zhuǎn)速則開始下降。如果電動鏈無電力輸入或輸出的話，第二電機(EM2)的扭矩應(yīng)該由零向反方向增加。此時，第二電機(EM2)起著發(fā)電機的作用，向第一電機(EM1)或系統(tǒng)提供電能。第一電機(EM1)則起電動機的作用，將電能轉(zhuǎn)換成機械能。
在電動鏈無電力輸入或輸出的情況下，電動鏈與輸入軸的動力分流比PR為PR=(K1+1)(1-K1K2)KinK1(K2+1)Kout_1·SR-K1K2Kout_1(K2+1)Kin·1SR+2K1K2+K2-1K2+1]]>SR1≤SR≤SR2SR2=(K1K2K1K2-1)(Kout_1Kin)]]>其中K2為第二行星輪系的特征速比，SR2為第二速度節(jié)點。
在第一節(jié)速度節(jié)點SR1和第二速度節(jié)點SR2的幾何平均值點，PR取得最大值。此最大值為 其中2為第二速度節(jié)點與第一速度節(jié)點的比值，稱為第二速區(qū)的跨度或節(jié)間距。
當(dāng)?shù)诙姍C(EM2)的轉(zhuǎn)速隨車輛速度的進(jìn)一步增加而下降至零時，變速器的速比到達(dá)其第二個速度節(jié)點。從上述PR的表達(dá)式可看出，在第二速度節(jié)點，電動鏈動力分流為零，全部動力由機械鏈傳送。
第三速度區(qū)第二速度節(jié)點是第二速度區(qū)和第三速度區(qū)的分界點。第二節(jié)點以上高速區(qū)是第三速度區(qū)。在第三速度區(qū)變速器仍采用復(fù)合動力分流的方式。與第二速度區(qū)不同的是輸出軸由原來所在的五枝系統(tǒng)的第二枝改接至五枝系統(tǒng)的第四枝。為此，在變速器的第二速度節(jié)點處，第四離合器(CL4)嚙合，第三離合器(CL3)分離。其它離合器，包括制動離合器的嚙合則保持原狀態(tài)，與第二速區(qū)相同。動力由第三圈輪(R3)經(jīng)齒輪(Gout2和G’out2)傳送至輸出軸(SHout)。
為保證第四離合器(CL4)嚙合時，齒輪(G’out2)與輸出軸(SHout)轉(zhuǎn)速同步，輸出齒輪(Gout2)與齒輪(G’out2)的齒數(shù)比Kout_2應(yīng)滿足如下關(guān)系Kout_1Kout_2=K1K2K3-K3-K1-1K1K2K3]]>這個比值正是五枝系統(tǒng)第四枝到第五枝的距離與第二枝到第五枝的距離之比。即Kout_1Kout_2=L4→5L2→5]]>在第二速度節(jié)點或節(jié)點附近，第二電機(EM2)的扭矩?fù)Q向。車輛速度繼續(xù)增加時，第二電機(EM2)轉(zhuǎn)速從新開始上升；而第一電機(EM1)的轉(zhuǎn)速則開始下降，直至零點。此時變速器到達(dá)其第三個速度節(jié)點(SR3)。
在電動鏈無電力輸入或輸出的情況下，第三速度區(qū)的電力分流比PR為PR=(1-K1K2)K3KinK1(K2+1)Kout_2·SR-(K1K2K3-K3-K1-1)(K3+1)Kout_2K1(K2+1)K3Kin·1SR+2(K1K2K3-K3-K1-1)K1(K2+1)+1]]>SR2≤SR其中K3為第三行星輪系的特征速比。從上方程式中不難看出，第三速度節(jié)點位于SR3=(K3+1K3)(Kout_2Kin)=K1K2(K3+1)K1K2K3-K3-K1-1(Kout_1Kin)]]>同樣地，在第二速度節(jié)點SR2和第三速度節(jié)點SR3的幾何平均值點，PR達(dá)最大值。
其中3為第三速度節(jié)點于第二速度節(jié)點的比值，稱為第三速度區(qū)的跨度。
為了合理的利用電機，各速區(qū)電機的最大功率應(yīng)盡可能地相同或相近。這要求第二速度區(qū)的跨度應(yīng)盡量與第三速度區(qū)的跨度相同。即3＝2這項要求限定了三個行星輪系特征速比(K1，K2，K3)之間的關(guān)系。
K3=K12K2+1K1K2-1]]>兩個復(fù)合動力分流速度區(qū)(即第二和第三速度區(qū))的總跨度為＝23逆行區(qū)自然節(jié)點SR0＝0以下的速區(qū)稱為逆行區(qū)。為了限制電動鏈動力分流比PR，避免動力回流或動力內(nèi)循還，逆行區(qū)可采用機電串聯(lián)的方式轉(zhuǎn)遞動力。為此，第一制動離合器(BR1)嚙合，制止第一行星輪架(C1)轉(zhuǎn)動。第一離合器(CL1)分離，使第一行星輪架(C1)脫離中軸(SHctr)。第二離合器(CL2)分離，使第二圈輪(R2)脫離第一電機(EM1)以及第一和第三太陽輪(S1和S3)。同時，第二制動離合器(BR2)嚙合，固定第二圈輪(R2)。第三離合器(CL3)分離，第四離合器(CL4)嚙合。動力由中軸(SHctr)經(jīng)第一對輸出齒輪(Gout1和G’out1)傳送至輸出軸(SHout)。
逆行起動時，內(nèi)然機通過第一行星輪系PG1(此時相當(dāng)于增速器)增速后帶動第一電機(EM1)，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。第一電機產(chǎn)生的電能經(jīng)由控制器(CTL)傳送至第二電機(EM2)。第二電機(EM2)將電能又轉(zhuǎn)還為機械能，并通過第二行星輪系PG2(此時為減速器)減速，增矩后送至中軸。最后由中軸(SHctr)傳送到輸出軸(SHout)。
實際上，機電串聯(lián)的方式也可用于前行區(qū)。
空擋和泊車第一實施例還可提供包括空擋在內(nèi)的其他工作狀態(tài)。顯然，當(dāng)所有的離合器均處于分離狀態(tài)時，該無級變速器處于空擋狀態(tài)。此外，還有其他多種離合器工作狀態(tài)組合可使變速器處于空擋狀態(tài)(如上表所示)。
泊車則可通過同時嚙合第一離合器(CL1)和第一制動離合器(BR1)來完成。
其他工作狀態(tài)此外，第一實施方案中變速器還可用于內(nèi)燃機的點火啟動。內(nèi)燃機的點火啟動可由兩電機(EM1、EM2)中的任何一個來完成。例如，當(dāng)?shù)谝恢苿与x合器(BR1)嚙合，而其他所有離合器包括制動離合器都分離時，可利用第一電機(EM1)來啟動內(nèi)燃機。
當(dāng)配備儲能裝置時，該無級變速器還可提供機電混合動力工作狀態(tài)和純電力工作狀態(tài)。在機電混合動力工作狀態(tài)中，兩電機(EM1、EM2)之間所傳遞的動力(電力)不再保持平衡。一個電機所轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電能可能會多于或少于另一電機所轉(zhuǎn)換消耗的電能。此時，一個電機的速度零點不再是另一電機的扭矩零點。電機扭矩零點所對應(yīng)的變速器速比節(jié)點的位置發(fā)生變化，但電機速度零點所對應(yīng)的速比節(jié)點位置不變。由于此時電機同時承擔(dān)速度調(diào)節(jié)和動力調(diào)節(jié)的任務(wù)，電機的額定功率應(yīng)不小于電動鏈最大動力分流比與輸入軸額定功率的乘積。
純電力工作狀態(tài)又包括單電機工作和雙電機工作狀態(tài)。
不難看出，在各個速度區(qū)的銜接點進(jìn)行速區(qū)變換時，相應(yīng)的離合器包括制動離合器的嚙合或分離均在自然轉(zhuǎn)速同步的狀態(tài)下進(jìn)行的。因此，該無級變速器可采用簡單嚙合式離合器，而無需較為復(fù)雜的磨擦式離合器。
實施例2如圖7所示，與實施例1相比，增加了一對輸出齒輪(Gout3和Gout’3)和一個離合器(CL5)。相應(yīng)地，多增加了一個復(fù)合動力分流的速度區(qū)。換言之，該實施例能提供四個前行區(qū)和一個逆行區(qū)。這四個前行區(qū)中包括一個輸出動力分流速度區(qū)和三個復(fù)合動力分流速度區(qū)。
輸出齒輪對(Gout3，G’out3)的主動齒輪(Gout3)與中軸(SHctr)相聯(lián)，接入五枝系統(tǒng)的第二枝，從動輪(Gout’3)則通過離合器(CL5)與輸出軸(SHout)做有選擇的連接。除最后增加的復(fù)合動力分流速度區(qū)外，第二實施例其他速度區(qū)電機的工作狀態(tài)和離合器的離合情況與第一實施方案完全相同。因此，不再復(fù)述。以下僅就新增的第四速度區(qū)作必要的介紹。
第四速度區(qū)第三節(jié)點是第三和第四速度區(qū)的分界點和銜接點。第四速度區(qū)是位于第三節(jié)點以上高速區(qū)。第四速度區(qū)采用與第二速度區(qū)完全相同的復(fù)合動力分流方式，變速器重復(fù)第二速度區(qū)的工作情況。所不同的是此時五離合器(CL5)嚙合，第四和第三離合器(CL4，CL3)分離。動力由中軸(SHctr)經(jīng)第三對輸出齒輪(Gout3和G’out3)，而不是原來的第一對輸出齒輪(Gout1和G’out1)，傳送至輸出軸(SHout)。
如上所述，變速器的第三速度節(jié)點是第一電機(EM1)的速度零點。當(dāng)變速器的速比進(jìn)一步增加時第一電機(EM1)的轉(zhuǎn)速回升，扭矩?fù)Q向。因此，第一電機(EM1)改變其工作狀態(tài)，由發(fā)電機變?yōu)殡妱訖C。在第三速度零點處，第二電機(EM2)的轉(zhuǎn)速開始下降。在第三速度節(jié)點處(當(dāng)電動鏈無電力輸出或輸入時)或第三速度節(jié)點附近(當(dāng)電動鏈有電力輸入輸出時)，第二電機(EM2)到達(dá)其扭矩零點。穿過扭矩零點后，第二電機(EM2)的扭矩向反方向增加。此時，第二電機(EM2)改變工作狀態(tài)，由電動機變?yōu)榘l(fā)電機。
為保證在第三速度節(jié)點處輸出齒輪變換時(由第二對輸出齒輪向第三對輸出齒輪變換)，第二和第三從動輪轉(zhuǎn)速同步，第二輸出齒輪對的齒數(shù)比Kout_2和第三輸出齒輪對的齒數(shù)比Kout_3之間應(yīng)滿足如下關(guān)系Kout_2Kout_3=K1K3(K1+1)(K3+1)]]>這個比值正是五枝系統(tǒng)中第二枝到第一枝的距離與第四枝到第一枝的距離之比，即Kout_2Kout_3=L2→1L4→1]]>由于第四速度區(qū)重復(fù)第二速度區(qū)的工作狀態(tài)，因此在無電動鏈電力輸入或輸出的情況下，電動鏈動力分流比的計算公式與第二速度區(qū)動力分流比的計算公式相似PR=(K1+1)(1-K1K2)KinK1(K2+1)Kout_3·SR-K1K2Kout_3(K2+1)Kin·1SR+2K1K2+K2-1K2+1]]>SR3≤SR≤SR4
實施例3如圖8所示，同樣地，如果在第二實施方案的基礎(chǔ)上再增加一對輸出齒輪(Gout4和G’out4)和一個離合器(CL6)，并將輸出齒輪對的主動輪(Gout4)連接到第三圈輪(R3)所在的五枝系統(tǒng)的第四枝，從動輪(G’out4)通過離合器(CL6)有選擇地與輸出軸(SHout)相耦合。與實施例2相比，又獲得了一個復(fù)合動力分流的速度區(qū)，即第四復(fù)合動力分流速度區(qū)。按總前行速度區(qū)順序，該復(fù)合動力分流的速度區(qū)稱為第五速度區(qū)。
第四速度區(qū)與第五速度區(qū)的分界點我第四速度節(jié)點。第四速度節(jié)點的位置在SR4=K1K2K1K2-1(Kout_3Kin)]]>第四速度區(qū)向第五速度區(qū)過渡時，第六離合器(CL6)嚙合，第五離合器(CL5)分離。在第五速度區(qū)，該無級變速器重復(fù)第三速度區(qū)的工作狀態(tài)。為保證第四速度區(qū)向第五速度區(qū)過渡時，從動齒輪(G’out4)與輸出軸(SHout)同步，第四輸出齒輪對的齒數(shù)比與第三輸出齒輪對的齒數(shù)比滿足如下關(guān)系Kout_3Kout_4=L4→5L2→5]]>采用類似的方法可不斷地增加新的速度區(qū)，從而衍生出新的實施方案。這里不再復(fù)述。它們都屬于本發(fā)明的含蓋范圍。
歸納起來，上述個實施方案的基本特點是創(chuàng)造一個五枝系統(tǒng)，并將五枝系統(tǒng)的個枝與輸入軸(SHin_)、輸出軸(SHout_)和兩個電機(EM1、EM2)作如下連接第一電機(EM1)聯(lián)第一枝；第二電機(EM2)聯(lián)最后的一枝(第五枝)；輸入軸(SHin)聯(lián)中間的一枝(第三枝)；輸出軸(SHout)則根據(jù)情況選擇性地聯(lián)接緊鄰中枝兩邊的第二枝或第四枝。
實際上，可對上述設(shè)計思想進(jìn)一步衍生。固定輸出軸(SHout)于五枝系統(tǒng)的中枝，而交替連接輸入軸(SHin)至第二枝或第四枝亦能起到相似的變換速度區(qū)的效果。
實施例4如圖9、10所示，該方案包括三個簡單行星輪系(PG1，PG2和PG3)，兩個電機(EM1和EM2)，一個輸入軸(SHin)，一個輸出軸(SHout)，四個離合器(CL1，CL2，CL10和CL11)，兩個制動離合器(BR1，BR2)和兩對輸入齒輪(Gin1，G’in1和Gin2，G’in2)。
每個行星輪系有三個同軸轉(zhuǎn)動件，即圈輪(R1，R2或R3)，太陽輪(S1，S2或S3)和行星架(C1，C2或C3)。三個行星輪系可按要求組成如下的五枝系統(tǒng)S1R2-R3-C1C2C3-R1-S2S3第一枝由第一太陽輪(S1)和第二圈輪(R2)連接構(gòu)成。第二枝由第三圈輪(R3)構(gòu)成。第三枝由第一第二和第三行星架(C1，C2和C3)連接構(gòu)成。第四枝由第一圈輪(R1)構(gòu)成。第五枝由第二太陽輪(S2)和第三太陽輪(S3)連接構(gòu)成。代表各轉(zhuǎn)動件的符號下的橫杠表示該轉(zhuǎn)動件可與其他轉(zhuǎn)動件分離并能通過制動離合器制動。
第一電機(EM1)與第一太陽輪(S1)永久連接并通過它接入五枝系統(tǒng)的第一枝。第二電機(EM2)與第二和第三太陽輪(S2，S3)永久連接并通過它們接入五枝系統(tǒng)的第五枝。輸出軸(SHout)與第二和第三行星架(C2，C3)永久相聯(lián)并通過它們接入五枝系統(tǒng)的第三枝。輸入軸(SHin)則根據(jù)情況或與第一圈輪(R1)相耦合，聯(lián)入五枝系統(tǒng)的第四枝或與第三圈輪(R3)相耦合，聯(lián)入五枝系統(tǒng)的第二枝。
該實施方案與實施例1相同，提供三個前行速度區(qū)和一個逆行速度區(qū)。在逆行區(qū)和第一、第二個前行速度區(qū)中，電機(EM1，EM2)以及離合器(CL1，CL2，BR1，BR2)的工作狀態(tài)與第一實施方案完全相同，這里不予復(fù)述。在逆行區(qū)和前兩個速度區(qū)，離合器(CL10)嚙合，離合器(CL11)分離。動力由輸入軸(SHin)經(jīng)第一對輸入齒輪(Gin1和G’in1)送入第一圈輪(R1)。
在第三前行速度區(qū)，離合器(CL11)嚙合，離合器(CL11)分離，動力由輸入軸(SHin)經(jīng)第二對輸入齒輪(Gin2和G’in2)送入第三圈輪(R3)。第二速度區(qū)和第三速度區(qū)的銜接點為變速器的速度節(jié)點，即第二電機(EM2)的速度零點。此時，輸入齒輪(Gin2)由輸入軸(SHin)同步。
第一對輸入齒輪從動輪的齒數(shù)與主動輪的齒數(shù)比Kin_1與第二對輸入齒輪的從動輪與主動輪的齒數(shù)比Kin_2之間應(yīng)滿足如下關(guān)系Kin_1Kin_2=L2→5L4→5=K1K2(K3+1)K3(K1K2-1)]]>同樣地，可以以第四實施方案為基礎(chǔ)，采用增加輸入齒輪對的方式來增加復(fù)合動力分流的速度區(qū)。
權(quán)利要求
1.一種高效節(jié)能機電混合無級變速器，包括三個同軸行星輪系，兩個電機，一個控制器，兩個動力傳輸軸，和至少兩個離合器，每個行星輪系有至少三個同軸轉(zhuǎn)動步件，其特征是所述的的三個行星輪系耦合成復(fù)合行星輪系并構(gòu)成一個五枝系統(tǒng)，且每支系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速向量終點呈一條直線，該五枝系統(tǒng)的各分枝與無級變速器的電機及動力傳輸軸作如下方式的連接五枝系統(tǒng)的第一枝與第一個電機聯(lián)接，五枝系統(tǒng)的最后一枝-即第五枝與第二個電機相聯(lián)，五枝系統(tǒng)的中間一枝-即第三枝與第一個動力傳輸軸相聯(lián)，第二個動力傳輸軸則通過離合器有選擇性地與五枝系統(tǒng)的其他枝耦合，兩電機間通過控制器電氣連接并相互傳遞電能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效節(jié)能機電混合無級變速器，其特征是第一個動力傳輸軸為輸入軸，第二個動力傳輸軸為輸出軸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高效節(jié)能機電混合無級變速器，其特征是還包括至少二對輸出齒輪，每對輸出齒輪包括一個主動輪和一個與之嚙合的從動輪，主動輪分別與五枝系統(tǒng)的第二枝和第四枝相聯(lián)，編號為奇數(shù)的主動輪與第二枝相聯(lián)；編號為偶數(shù)的主動輪與第四枝相聯(lián)，輸出軸通過離合器按編號順序有選擇地與從動輪耦合以輸出動力，當(dāng)輸出軸與編號為奇數(shù)的從動齒輪耦合時，動力由五枝系統(tǒng)的第二枝經(jīng)相同編號的主、從輸出齒輪對傳送至輸出軸；當(dāng)輸出軸與編號為偶數(shù)的從動齒輪耦合時，動力由五枝系統(tǒng)的第四枝經(jīng)相同編號的主、從輸出齒輪對傳送至輸出軸，相鄰的兩對輸出齒輪的齒數(shù)比保持如如下關(guān)系Kout_(2n-1)Kout_(2n)=L4→5L2→5]]>Kout_(2n)Kout_(2n+1)=L2→1L4→1]]>其中L4→5為五枝系統(tǒng)的第四枝至第五枝之間的距離；L2→5為第二枝至第五枝之間的距離；L2→1為第二枝至第一枝之間的距離；L4→1為第四枝至第一枝之間的距離，Kout_( )表示每一對輸出齒輪的齒數(shù)比，括號中的算式值代表輸出齒輪對的編號，其中n為大于零的正整數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效節(jié)能機電混合無級變速器，其特征是第一個動力傳輸軸為輸出軸，第二個動力傳輸軸為輸入軸。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高效節(jié)能機電混合無級變速器，其特征是該無級變速器還包括至少兩對輸入齒輪，每對輸入齒輪由一個主動輪和一個與之嚙合的從動輪組成，第一對輸入齒輪中的從動輪與五枝系統(tǒng)的第四枝相聯(lián)；第二對輸入齒輪中的從動輪與五枝系統(tǒng)的第二枝相聯(lián)，輸入軸通過離合器分別與兩對輸出齒輪中的主動輪有選擇地聯(lián)接，第一對輸入齒輪的齒數(shù)比Kin_1與第二對輸入齒輪的齒數(shù)比Kin_2保持如下的關(guān)系Kin_1Kin_2=L2→5L4→5]]>
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效節(jié)能機電混合無級變速器，其特征是還包括一個儲能器，該儲能器通過控制器分別與兩電機相聯(lián)，并按需求向電機提供或接受電機提供的電能。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效節(jié)能機電混合無級變速器，其特征是提供至少一個輸出動力分流速度區(qū)和至少一個復(fù)合動力分流速度區(qū)，輸出動力分流速度區(qū)與第一個復(fù)合動力分流速度區(qū)相銜接，并且銜接點為電機速度零點，并且每個復(fù)合動力分流速度區(qū)的跨度相同或相近，所說的復(fù)合動力分流速度區(qū)彼此銜接，并且銜接點為電機的速度零點。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效節(jié)能機電混合無級變速器，其特征是提供一個機電串聯(lián)系統(tǒng)，作為該無級變速器反向運行時的動力傳送方式。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效節(jié)能機電混合無級變速器，其特征是至少有一個離合器是嚙合式離合器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效節(jié)能機電混合無級變速器，其特征是提供至少一個輸出動力分流速度區(qū)和至少兩個復(fù)合動力分流速度區(qū)，輸出動力分流速度區(qū)與第一個復(fù)合動力分流速度區(qū)相銜接，銜接點為變速器的第一速度節(jié)點；相鄰的復(fù)合動力分流速度區(qū)相銜接，銜接點為變速器的下一個速度節(jié)點。
全文摘要
一種高效節(jié)能機電混合無級變速器，包括三個同軸行星輪系，兩個電機、一個控制器、兩個動力傳輸軸和至少兩個離合器，每個行星輪系由至少三個同軸轉(zhuǎn)動步件構(gòu)成，三個行星輪系耦合成一個五枝系統(tǒng)，五枝系統(tǒng)的第一枝與第一個電機聯(lián)接，第五枝與第二個電機相聯(lián)，第三枝與第一個動力傳輸軸相聯(lián)，第二個動力傳輸軸則通過離合器有選擇性地與五枝系統(tǒng)的第二枝或第四枝耦合，兩電機間通過控制器電氣連接并相互傳遞電能。優(yōu)點是傳動效率高，能夠在較寬的范圍內(nèi)對輸出/輸入速比和動力進(jìn)行調(diào)節(jié)，大大地拓寬速比的范圍，可實現(xiàn)從倒退、停止到前進(jìn)的不間斷的無級變速且無需啟動裝置，大幅度提高整車的燃油效率，減小動力調(diào)節(jié)裝置所需的功率，且結(jié)構(gòu)小巧、造價低。
文檔編號F16H3/76GK1563743SQ200410021278
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月8日
發(fā)明者江兵, 薛蕊, 薛忠和 申請人:薛忠和