專利名稱：以非對稱式行星錐齒輪機構作為動力耦合裝置的混合動力汽車驅動和傳動系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種混合動力車輛的驅動與傳動系統，具體涉及一種以非對稱式行星錐齒輪機構作為動力耦合裝置的混合動力汽車驅動與傳動系統。
背景技術：
傳統內燃機汽車能耗高、污染大，為達到節能與環保的目的，混合動力汽車應運而生，混合動力系統成為其核心組成部分。混合動力系統一般由一個發動機、一到兩個電機和一個動力稱合機構組成。對于米用一個發動機和一個電機混合動力系統,其動力稱合機構一般基于平行軸或者同軸式方案。對于米用一個發動機和兩個電機的混合動力系統，其動力耦合機構一般采用普通圓柱斜齒輪行星機構，典型實例是豐田PRIUS混合動力轎車的 THS混合動力系統，其結構相對復雜。
對稱式行星錐齒輪機構與普通圓柱斜齒輪行星機構均為兩自由度機構。當其兩個輸入(出)轉速唯一確定時，第三個轉速即可唯一確定。該機構能夠實現通過電機轉速控制，從而實現發動機轉速調節，使發動機在各工況下盡可能運行在高效區，因而對稱式行星錐齒輪機構作為混合動力汽車動力耦合機構在理論上也是可行的。同時，相較于豐田PRIUS 圓柱斜齒輪行星機構，以對稱式行星錐齒輪機構為動力耦合裝置，具有結構簡單、制造容易的優點。但對稱式行星錐齒輪機構兩輸出端轉矩相等，分別是輸入端轉矩的一半，這一特性限制了發動機和兩電機之間的參數匹配與優化。發明內容
本發明提供了一種以非對稱式行星錐齒輪機構作為動力耦合裝置的混合動力汽車驅動和傳動系統，既有對稱式行星錐齒輪機構結構簡單、制造容易的優點，又能彌補對稱式行星錐齒輪機構轉矩分配相等的不足，解決混合動力汽車兩電機動力與發動機動力耦合問題，實現深度混合動力汽車發動機怠速啟停、回饋制動和發動機工作點調節等功能，提高車輛燃油經濟性。
為了解決以上的技術問題，本發明提供了一種以非對稱式行星錐齒輪機構作為動力耦合裝置的混合動力汽車驅動和傳動系統，包括一發動機；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；從行星齒輪機構殼體輸入動力和向行星齒輪機構殼體輸出動力的第二電機；用于發動機和兩個電機動力耦合的非對稱式行星錐齒輪機構；向兩個電機提供電能并從兩個電機接收電能的動力蓄電池；用于控制兩個電機和發動機運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構包括大錐齒輪、小錐齒輪、行星齒輪、行星齒輪軸、 非對稱式行星錐齒輪機構殼體和機構殼體主動齒輪；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構殼體，行星齒輪軸與非對稱式行星錐齒輪機構殼體固聯，每個行星齒輪軸軸頸上浮套一個圓錐行星齒輪，圓錐行星齒輪繞行星齒輪軸軸線轉動，圓錐行星齒輪同時與大錐齒輪和小錐齒輪相嚙合，非對稱式行星錐齒輪機構殼體與機構殼體主動齒輪相固連。
所述第一電機的殼體固定在車架前端，第一電機轉子通過齒輪副或直接與非對稱式行星錐齒輪機構小錐齒輪軸從動齒輪連接。
所述第二電機的殼體固定在車架后端，第二電機轉子通過齒輪副與非對稱式行星錐齒輪機構殼體從動齒輪嚙合，并與動力輸出軸連接。
所述發動機的缸體固定在車架上，發動機曲軸與非對稱式行星錐齒輪機構大錐齒輪軸連接。
所述制動盤與發動機曲軸相固聯，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動機、第一電機、第二電機、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節氣門開度結合車速判斷工況，控制發動機、第一電機和第二電機在不同工況下的運行模式。
本發明的優越功效在于解決了混合動力汽車發動機和第一電機、第二電機的動力耦合問題，并實現了非對稱式行星錐齒輪機構兩輸出端輸出轉矩的不同，即發動機大部分轉矩通過大錐齒輪輸出，用于驅動車輛運行，小部分轉矩通過小錐齒輪輸出，用于電機發電。通過控制第一電機實現對發動機的調速，使發動機運行在高效區，提高了車輛的經濟性。而控制第二電機可實現對驅動軸的轉矩控制，保證了車輛的動力性。車輛制動時可控制第一電機、第二電機同時回收電能，進一步提高了車輛的經濟性。該混合動力驅動系統， 結構簡單，布置緊湊，適應性強，效率高。
圖I為本發明的結構示意圖；圖中標號說明 I一大錐齒輪；3一行星齒輪；5一非對稱式行星錐齒輪機構殼體；7一小錐齒輪軸；9一小錐齒輪軸從動齒輪；11 一機構殼體主動齒輪；13 一動力蓄電池；15 一第二逆變器；17 一混合動力汽車動力控制單元；19 一制動器；21 一第一電機；23 —非對稱式行星錐齒輪機構；25 一車輛左半軸；27 一混合動力車輛；2—小錐齒輪；4一行星齒輪軸；6一大錐齒輪軸；8一小錐齒輪軸主動齒輪； 10 —第一電機內轉子；12 一機構殼體從動齒輪； 14 一第一逆變器；16 —發動機；18 —動力輸出軸；20 一制動盤；22 —第二電機；24 一差速器；26—車輛左車輪；28 一車輛右半軸；29 一車輛右車輪。
具體實施方式
請參閱附圖所示，對本發明作進一步的描述。
如圖I所示，本發明提供了一種以非對稱式行星錐齒輪機構作為動力耦合裝置的混合動力汽車驅動和傳動系統，包括一發動機16 ;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21 ；從行星齒輪機構殼體輸入動力和向行星齒輪機構殼體輸出動力的第二電機22 ;用于發動機16和第一電機21、第二電機22動力稱合的非對稱式行星錐齒輪機構23 ;向第一電機21、第二電機22提供電能并從兩個電機接收電能的動力蓄電池13 ； 用于控制第一電機21、第二電機22和發動機16運行的混合動力汽車動力控制單元P⑶17 ； 以及第一逆變器14、第二逆變器15和制動器19。
所述非對稱式行星錐齒輪機構23包括大錐齒輪I、小錐齒輪2、行星齒輪3、行星齒輪軸4、非對稱式行星錐齒輪機構殼體5和機構殼體主動齒輪11 ;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構殼體5 ;小錐齒輪2通過小錐齒輪軸7與小錐齒輪軸主動齒輪8連接，小錐齒輪2同時與行星齒輪3相嚙合；大錐齒輪I通過大錐齒輪軸6與發動機曲軸連接，大錐齒輪I同時與行星齒輪3相嚙合；行星齒輪3浮套在行星齒輪軸4上并能夠繞行星齒輪軸4軸線旋轉，行星齒輪軸4與非對稱式行星錐齒輪機構殼體5固聯,非對稱式行星錐齒輪機構殼體5與機構殼體主動齒輪11相固連。大錐齒輪I的齒數為Z1，小錐齒輪2的齒數為Z2，則當非對稱式行星錐齒輪機構受力平衡時，大錐齒輪I輸出轉矩Tl與小錐齒輪2輸出轉矩T2之比為Z1/Z2。在本實施例中Zl/Z2=2，則大錐齒輪I輸出轉矩Tl為小錐齒輪2輸出轉矩T2的兩倍，即Tl/T2=2。
發動機16的動力依次經大錐齒輪軸6和大錐齒輪I輸入至非對稱式行星錐齒輪機構23，制動盤20固定在大錐齒輪軸6上，制動器19通過制動制動盤20能夠實現對發動機16的制動。
所述第一電機21的殼體固定在車架前端，第一電機轉子10與小錐齒輪軸從動齒輪9連接，小錐齒輪軸從動齒輪9與小錐齒輪軸主動齒輪8嚙合。行星齒輪機構21動力依次經小錐齒輪2、小錐齒輪軸主動齒輪8、小錐齒輪軸從動齒輪9、第一電機內轉子10輸入至第一電機21,動力亦可沿相同路徑從第一電機21輸出至非對稱式行星錐齒輪機構23。
第二電機22殼體固定在車架后端，內轉子與動力輸出軸18連接，機構殼體主動齒輪11與機構殼體從動齒輪12采用錐齒輪副方式嚙合。動力由非對稱式行星錐齒輪機構23 輸出，經非對稱式行星錐齒輪機構殼體5、機構殼體主動齒輪11、機構殼體從動齒輪12輸出至動力輸出軸18，與第二電機22輸出的動力疊加后，輸出至差速器24，進而通過左半軸25 和右半軸28輸出至左車輪26和右車輪29。動力亦可沿相同路徑從左車輪26和右車輪29 輸入至第二電機22和非對稱式行星錐齒輪機構23。
第一電機21和第二電機22均為同步發電電動機，可被驅動作為發電機以及電動機。第一電機21和第二電機22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21和第二電機22放電。第一逆變器14 和第二逆變器15共用正極母線和負極母線與動力蓄電池13連接，這種連接方式允許第一電機21和第二電機22中一個電機消耗另一個電機產生的電能。動力蓄電池13由第一電機21和第二電機22的過量電能充電，或者放電以補充第一電機21和第二電機22電能的不足。當第一電機21和第二電機22產生和消耗的電能相等時，動力蓄電池既不充電也不放電。
所述發動機16的缸體固定在車架上，發動機曲軸與非對稱式行星錐齒輪機構大錐齒輪軸6連接。
所述制動盤20與發動機16曲軸相固聯，制動器19制動動作由混合動力汽車動力控制單元PCU17控制。
所述混合動力汽車動力控制單元P⑶17與發動機16、第一電機21、第二電機22、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PCU17根據節氣門開度結合車速判斷工況，控制發動機16、第一電機21和第二電機22在不同工況下的運行模式。
下面選擇一種方案分析說明本混合動力汽車驅動和傳動系統的可行性。
發動機16高效轉速約為4500r/min，即應通過控制第一電機21的轉速，維持發動機16的轉速在4500r/min附近。設計小錐齒輪軸主動齒輪8與小錐齒輪軸從動齒輪9齒數減速比il=2，即第一電機內轉子10與小錐齒輪2轉速比為1:2。設計機構殼體主動齒輪 11和機構殼體從動齒輪12的齒數比為1:1。
當非對稱式行星錐齒輪機構23受力平衡時，發動機16輸出轉矩大小為T，則傳遞到大錐齒輪I的轉矩大小為T。小錐齒輪2提供的轉矩大小為O. 5T，則第一電機21內轉子 10的轉矩大小為T，行星齒輪機構殼體5的轉矩大小為I. 5T，即第二電機22內轉子接受的轉矩大小為I. 5T。行星齒輪機構殼體5轉速N3、大錐齒輪I轉速NI和小錐齒輪2轉速N2 的關系為N1*Z1+N2*Z2=N3*(Z1+Z2)考慮到小錐齒輪軸主動齒輪8和小錐齒輪從動齒輪9的減速比，可算得發動機16轉速 Ne、第一電機21轉速NI和第二電機22轉速N2的關系為2*Nl*Z2+Ne*Zl=N2*(Z1+Z2)考慮到純電驅動和混合動力驅動工況切換時發動機16的啟動過程，發動機16轉速范圍為0-4600r/min，第二電機22的轉速范圍為0_3350r/min，可以算得第一電機21的轉速范圍為-4600 — 5025r/min。
由以上分析可知，第一電機21和第二電機22轉速范圍符合常規電機轉速范圍，發動機轉速范圍合理；穩定工況下，輸入第一電機21的轉矩大小與發動機轉矩大小相近，輸入動力輸出軸18的轉矩大小為I. 5倍發動機16轉矩大小。本發明能夠滿足混合動力汽車在不同工況下的使用要求。
上述實施例僅為解釋本發明的某些原理和實際應用，而不應理解為限制性。上述實施例在符合本發明的主要特征和精神的范圍內可能存在很多變形例，均為本發明所保護的范圍。
權利要求
1.一種以非對稱式行星錐齒輪機構作為動力耦合裝置的混合動力汽車驅動和傳動系統，其特征在于包括一發動機； 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； 從行星齒輪機構殼體輸入動力和向行星齒輪機構殼體輸出動力的第二電機； 用于發動機和兩個電機動力耦合的非對稱式行星錐齒輪機構； 向兩個電機提供電能并從兩個電機接收電能的動力蓄電池； 用于控制兩個電機和發動機運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.根據權利要求I所述的以非對稱式行星錐齒輪機構作為動力耦合裝置的混合動力汽車驅動和傳動系統，其特征在于所述非對稱式行星錐齒輪機構包括大錐齒輪、小錐齒輪、行星齒輪、行星齒輪軸、非對稱式行星錐齒輪機構殼體和機構殼體主動齒輪；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構殼體，行星齒輪軸與非對稱式行星錐齒輪機構殼體固聯，每個行星齒輪軸軸頸上浮套一個圓錐行星齒輪，圓錐行星齒輪繞行星齒輪軸軸線轉動，圓錐行星齒輪同時與大錐齒輪和小錐齒輪相嚙合，非對稱式行星錐齒輪機構殼體與機構殼體主動齒輪相固連。
3.根據權利要求I所述的以非對稱式行星錐齒輪機構作為動力耦合裝置的混合動力汽車驅動和傳動系統，其特征在于所述第一電機的殼體固定在車架前端，第一電機轉子通過齒輪副或直接與非對稱式行星錐齒輪機構小錐齒輪軸從動齒輪連接。
4.根據權利要求I所述的以非對稱式行星錐齒輪機構作為動力耦合裝置的混合動力汽車驅動和傳動系統，其特征在于所述第二電機的殼體固定在車架后端，第二電機轉子通過齒輪副與非對稱式行星錐齒輪機構殼體從動齒輪嚙合，并與動力輸出軸連接。
5.根據權利要求I所述的以非對稱式行星錐齒輪機構作為動力耦合裝置的混合動力汽車驅動和傳動系統，其特征在于所述發動機的缸體固定在車架上，發動機曲軸與非對稱式行星錐齒輪機構大錐齒輪軸連接。
6.根據權利要求I所述的以非對稱式行星錐齒輪機構作為動力耦合裝置的混合動力汽車驅動和傳動系統，其特征在于所述制動盤與發動機曲軸相固聯，制動器制動動作由混合動力汽車動力控制單元控制。
7.根據權利要求I所述的以非對稱式行星錐齒輪機構作為動力耦合裝置的混合動力汽車驅動和傳動系統，其特征在于所述混合動力汽車動力控制單元與發動機、第一電機、第二電機、第一逆變器、第二逆變器和動力蓄電池通過電氣連接。
8.根據權利要求I所述的以非對稱式行星錐齒輪機構作為動力耦合裝置的混合動力汽車驅動和傳動系統，其特征在于所述混合動力汽車動力控制單元根據節氣門開度結合車速判斷工況，控制發動機、第一電機和第二電機在不同工況下的運行模式。
全文摘要
本發明公開一種以非對稱式行星錐齒輪機構作為動力耦合裝置的混合動力汽車驅動和傳動系統，包括一發動機；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；從行星齒輪機構殼體輸入動力和向行星齒輪機構殼體輸出動力的第二電機；用于發動機和兩個電機動力耦合的非對稱式行星錐齒輪機構；向兩個電機提供電能并從兩個電機接收電能的動力蓄電池；用于控制兩個電機和發動機運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。本發明的優點是解決了混合動力汽車雙動力輸入單動力輸出問題，實現深度混合動力汽車發動機怠速啟停、回饋制動和發動機工作點調節等功能，提高了車輛燃油經濟性。
文檔編號B60K6/36GK102975607SQ201210431460
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月2日 優先權日2012年11月2日
發明者陳辛波, 余卓平, 寧國寶, 殷珺, 舒濤 申請人:同濟大學