專利名稱：：汽車油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)電動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種汽車油電混合動(dòng)力系統(tǒng)。具體地說，它是一種汽車油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)電動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
：在已有技術(shù)中，美國(guó)專利6569054公開了一種并聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)，如該專利的圖3所示，該系統(tǒng)的機(jī)電耦合機(jī)構(gòu)主要由一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)1、一個(gè)電機(jī)2、一套行星齒輪機(jī)構(gòu)21、一個(gè)電磁離合器36和一個(gè)變速箱4構(gòu)成。其中行星齒輪機(jī)構(gòu)21的太陽齒輪軸S和齒圈軸R作為力矩輸入軸，其行星架軸C作為力矩輸出軸，力矩輸入軸S、R分別與發(fā)動(dòng)機(jī)1和電機(jī)2的軸相聯(lián)，力矩輸出軸C通過變速箱4與車輪5的驅(qū)動(dòng)軸相聯(lián)。該行星齒輪機(jī)構(gòu)的作用是用于合成發(fā)動(dòng)機(jī)1和電機(jī)2輸出的驅(qū)動(dòng)扭矩來共同驅(qū)動(dòng)車輛。所述電磁離合器36接在太陽齒輪軸S和行星架軸C之間，用于機(jī)械鎖定行星齒輪機(jī)構(gòu)的三個(gè)軸，它耦合時(shí)，行星齒輪機(jī)構(gòu)的三個(gè)軸可以以一個(gè)速度轉(zhuǎn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)車輛，它分離時(shí)，行星齒輪機(jī)構(gòu)的三個(gè)軸分別以各自的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。該系統(tǒng)的兩個(gè)動(dòng)力源即發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)是并聯(lián)的，它們輸出的驅(qū)動(dòng)扭矩均可以通過機(jī)械傳動(dòng)而直接作用在車輪的驅(qū)動(dòng)軸上，因此，動(dòng)力傳遞效率高，而且只用了一個(gè)電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但該系統(tǒng)存在著一個(gè)較大的缺點(diǎn)就是在車輛行駛中不能關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，這是因?yàn)槿绻l(fā)動(dòng)機(jī)不輸出驅(qū)動(dòng)扭矩、只由電機(jī)單獨(dú)輸出驅(qū)動(dòng)扭矩時(shí)，該驅(qū)動(dòng)扭矩通過行星齒輪機(jī)構(gòu)后會(huì)傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)軸一個(gè)反向扭矩，使發(fā)動(dòng)機(jī)倒轉(zhuǎn)，這是不允許的，因此，它不具備純電驅(qū)動(dòng)功能。然而，對(duì)于一個(gè)油電全混合動(dòng)力系統(tǒng)而言，具備純電驅(qū)動(dòng)和在純電驅(qū)動(dòng)下啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)是非常重要的。如果車輛具備該功能，它就可以在爬行或低速行駛時(shí)用純電驅(qū)動(dòng)而關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，以減少油耗，而當(dāng)車輛從爬行或低速行駛轉(zhuǎn)為加速時(shí)，它又可以直接啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，迸行油電合力驅(qū)動(dòng)。這是一個(gè)非常節(jié)省燃料的工作狀態(tài)，它在城市道路上行駛時(shí)顯得尤為重要。因此，具不具備該功能也成為區(qū)分車輛是否是"油電全混合動(dòng)力汽車"的主要標(biāo)志之一。為了達(dá)到上述功能，通常的設(shè)計(jì)是要在系統(tǒng)中增加一個(gè)啟動(dòng)電機(jī)，這樣就增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性、成本、體積和重量。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對(duì)已有技術(shù)中的缺點(diǎn)，提供一種改進(jìn)的汽車油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)電動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)，使其在保證使用一個(gè)電機(jī)的前提下,具備純電驅(qū)動(dòng)和在純電驅(qū)動(dòng)下啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的功能。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第一技術(shù)方案如下它至少由一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)、一個(gè)電機(jī)、一套行星齒輪機(jī)構(gòu)和一個(gè)電機(jī)控制器構(gòu)成，所述的行星齒輪機(jī)構(gòu)至少具有三個(gè)齒輪軸，其中第一齒輪軸和第二齒輪軸作為力矩輸入軸分別與所述發(fā)動(dòng)機(jī)軸和所述電機(jī)軸相聯(lián)，其第三齒輪軸作為力矩輸出軸與變速箱的輸入軸相聯(lián)，所述離合器位于所述第一齒輪軸和所述第二齒輪軸之間，其特征是A、所述單向離合器位于所述的發(fā)動(dòng)機(jī)軸和機(jī)殼之間，用于制止所述發(fā)動(dòng)機(jī)軸的反轉(zhuǎn)；B、在所述第二齒輪軸上的慣性矩Js與第二齒輪的齒數(shù)Zs之比值不等于第一齒輪軸上的慣性矩jk與第一齒輪的齒數(shù)Zk之比的條件下，艮P:則所述的離合器是一個(gè)限力矩離合器，用于在所述第一齒輪軸和所述第二齒輪軸之間產(chǎn)生一個(gè)預(yù)先設(shè)定的有限耦合力矩Q,該有限耦合力矩Q的大小由方程(1)計(jì)算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(1)式中JR是第一齒輪軸.￡^慣性矩，er是第一齒輪軸的角加速度，Tf是發(fā)動(dòng)機(jī)軸的摩擦力矩，Tc是第三齒輪軸的驅(qū)動(dòng)扭矩，r是第一齒輪的半徑，s是第二齒輪的半徑；當(dāng)本機(jī)構(gòu)在車輛行駛中啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)而將限力矩離合器耦合時(shí)，由電機(jī)控制器控制所述的電機(jī)輸出一驅(qū)動(dòng)扭矩T,該驅(qū)動(dòng)扭矩T的大小由方程(2)計(jì)算T=2+^&—(2)式中Q為離合s^、6)的^r限耦合力矩，eR是第一齒輪軸的角加速度，Tc是第三齒輪軸的驅(qū)動(dòng)扭矩，Js是第二齒輪軸的慣性矩，r是第一齒輪的半徑，s是第二齒輪的半徑。本發(fā)明的第二技術(shù)方案如下它至少由一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)、一個(gè)電機(jī)、一套行星齒輪機(jī)構(gòu)和一個(gè)電機(jī)控制器構(gòu)成，所述的行星齒輪機(jī)構(gòu)至少具有三個(gè)齒輪軸，其中第一齒輪軸和第二齒輪軸作為力矩輸入軸分別與所述發(fā)動(dòng)機(jī)軸和所述電機(jī)軸相聯(lián)，其第三齒輪軸作為力矩輸出軸與變速箱的輸入軸相聯(lián)，所述離合器位于所述第一齒輪軸和所述第二齒輪軸之間，其特征是A、所述單向離合器位于所述的發(fā)動(dòng)機(jī)軸和機(jī)殼之間，用于制止所述發(fā)動(dòng)機(jī)軸2的反轉(zhuǎn)；B、所述第二齒輪軸上的慣性矩Js與第二齒輪的齒數(shù)Zs之比值等于第一齒輪軸上的慣性矩jb與第一齒輪的齒數(shù)Zb之比，即滿足方程了;？=本發(fā)明通過在發(fā)動(dòng)機(jī)軸上增加一個(gè)單向離合器，防止了在純電驅(qū)動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)軸的反轉(zhuǎn)，使其具備了純電驅(qū)動(dòng)功能。為了實(shí)現(xiàn)在純電驅(qū)動(dòng)下啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，必須克服離合器耦合時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)慣性矩作用在第三齒輪軸(即力矩輸出軸c)上的負(fù)沖擊扭矩。這是因?yàn)樵诩冸婒?qū)動(dòng)下啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，必須借助于離合器的耦合來使電機(jī)軸拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)軸而啟動(dòng)。由此就帶來了一個(gè)難題因?yàn)樵陔x合器耦合之前，發(fā)動(dòng)機(jī)處于靜止，其軸轉(zhuǎn)速為零，如果這時(shí)將離合器耦合，就等于行星齒輪系的三個(gè)軸要進(jìn)行一個(gè)完全非彈性的轉(zhuǎn)動(dòng)碰撞，這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)碰撞會(huì)在第三齒輪軸(即力矩輸出軸C)上產(chǎn)生負(fù)扭矩，該負(fù)扭矩是由發(fā)動(dòng)機(jī)軸的慣性矩產(chǎn)生的，這一負(fù)扭矩傳遞到車輪上時(shí)會(huì)使車輛產(chǎn)生震動(dòng)，并使乘車者感到難受，更甚者可能導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)的損壞而發(fā)生安全事故。所以，它是不能被接受的。本發(fā)明較好地消除了該負(fù)沖擊扭矩，可以使車輛行駛中啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)保持平穩(wěn)。本發(fā)明根據(jù)行星齒輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)離合器耦合時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)軸在行星架軸C上所產(chǎn)生的負(fù)扭矩可由太陽齒輪軸S和電機(jī)的慣性矩削弱或抵消。由圖5可見，啟動(dòng)前，太陽齒輪軸S的轉(zhuǎn)速高于行星架軸C的轉(zhuǎn)速，因此，當(dāng)離合器6耦合時(shí)，太陽齒輪軸S傾向于對(duì)行星架軸C作用一正向的扭矩，該正扭矩與齒圈軸R所產(chǎn)生的反向扭矩同時(shí)產(chǎn)生,方向相反，對(duì)行星架C的作用相互抵消。如果上述的正扭矩等于負(fù)扭矩，則負(fù)扭矩就可以完全被抵消。根據(jù)這一分析，本發(fā)明用離合器耦合前、后行星齒輪機(jī)構(gòu)三個(gè)軸動(dòng)量矩守恒的原理推導(dǎo)得出如果本機(jī)構(gòu)滿足第二齒輪軸S上的慣性矩Js與第二齒輪S'的齒數(shù)Zs之比等于第一齒輪軸R上的慣性矩A與第一齒輪R'的齒數(shù)Zb之比，即Js/Zs-Jk/Zk成立，則離合器耦合時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)慣性矩在第三齒輪軸C上產(chǎn)生的負(fù)扭矩可以完全抵消。也就是說，當(dāng)本機(jī)構(gòu)滿足Js/Zs-jk/ZK,系統(tǒng)可以將離合器直接耦合啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，而不會(huì)產(chǎn)生車輛震動(dòng)。在這是本發(fā)明的第二技術(shù)方案。本發(fā)明的第一技術(shù)案是如果本機(jī)構(gòu)做不到Js/Zs-jk/ZK，則可以通過限制離合器耦合力矩的峰值和適當(dāng)增大離合器耦合時(shí)電機(jī)正向的驅(qū)動(dòng)扭矩來達(dá)到上述抵消負(fù)扭矩的目的。本發(fā)明用限力矩離合器來限制發(fā)動(dòng)機(jī)軸和電機(jī)軸耦合時(shí)的耦合力矩峰值，其目的是使所述的負(fù)扭矩被限制在一個(gè)較低的范圍之內(nèi)。同時(shí)，本發(fā)明又通過增加電機(jī)軸的正向輸出扭矩T來抵消發(fā)動(dòng)機(jī)軸的慣性矩作用在第三齒輪軸C上的剩余負(fù)扭矩。但是，由于離合器耦合時(shí)，電機(jī)軸輸出的正向扭矩一方面通過第二齒輪軸S傳遞到第三齒輪軸C上去抵消負(fù)扭矩，另一方面還通過第一齒輪軸R反向傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)軸，該力矩與電機(jī)軸通過離合器的耦合而直接拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)軸啟動(dòng)的正向扭矩相反，它會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)不能迅速啟動(dòng)，因此，電機(jī)輸出的正向扭矩不能太大，應(yīng)把握在既能抵消作用在第三齒輪軸C上的負(fù)扭矩、又能迅速啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的范圍之內(nèi)。為了達(dá)到這一目的，本發(fā)明分析了離合器耦合時(shí)行星齒輪機(jī)構(gòu)中各齒輪軸的受力情況，根據(jù)它們的動(dòng)力學(xué)平衡方程推導(dǎo)得出方程(1)、(2)，根據(jù)這兩個(gè)方程可計(jì)算出離合器耦合時(shí)其限力耦合力矩Q和電機(jī)輸出正向扭矩T的大小，通過計(jì)算可以合理給出這兩個(gè)力矩值，從而達(dá)到上述抵銷負(fù)扭矩目的。這是本發(fā)明的技術(shù)方案l。本發(fā)明較好地解決了上述難題，在不增加電機(jī)的情況下，實(shí)現(xiàn)了純電驅(qū)動(dòng)和行駛中啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的功能，使該系統(tǒng)具備了全油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的主要功能。圖l、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2、行星齒輪機(jī)構(gòu)三齒輪軸的速度圖。圖3、行星齒輪機(jī)構(gòu)三齒輪軸的力矩圖。圖4、電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛時(shí)行星齒輪機(jī)構(gòu)三軸的速度圖。圖5、電驅(qū)動(dòng)工況下啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)行星齒輪機(jī)構(gòu)三軸的速度圖。圖6、離合器耦合時(shí)行星齒輪機(jī)構(gòu)的受力和角加速度示意圖。圖7、齒圈在離合器耦合時(shí)的受力和角加速度示意圖。圖8、行星齒輪在離合器耦合時(shí)的受力示意圖。圖9、行星架軸在離合器耦合時(shí)的受力示意圖。圖IO、太陽齒輪在離合器耦合時(shí)的受力和角加速度示意圖。圖ll、滾柱式單向離合器的具體結(jié)構(gòu)示意圖。圖12、彈簧壓力、濕式多片限力矩離合器的具體結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施例方式參見圖l，它至少由一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)l、一個(gè)電機(jī)2、一個(gè)單向離合器7、一個(gè)離合器6、一套行星齒輪機(jī)構(gòu)3和一個(gè)電機(jī)控制器5構(gòu)成，所述的行星齒輪機(jī)構(gòu)3具有三個(gè)齒輪軸R、S、C，其中第一齒輪(以下簡(jiǎn)稱齒圈)軸R和第二齒輪(以下簡(jiǎn)稱太陽齒輪)軸S作為力矩輸入軸分別與發(fā)動(dòng)機(jī)1的軸和電機(jī)2的軸相聯(lián)，其第三齒輪(以下簡(jiǎn)稱行星架)軸C作為力矩輸出軸與變速箱4的輸入軸相聯(lián)，變速箱的輸出軸與車輪的驅(qū)動(dòng)軸相聯(lián)。離合器6設(shè)在所述的太陽輪軸S和齒圈軸R之間，用于將行星齒輪機(jī)構(gòu)3的三個(gè)齒輪軸鎖在一起。所述的行星齒輪機(jī)構(gòu)是一個(gè)現(xiàn)有的機(jī)械機(jī)構(gòu)，根據(jù)行星齒輪機(jī)構(gòu)公知的工作原理，其三個(gè)軸的力矩輸入和輸出關(guān)系是可以互換的，例如發(fā)動(dòng)機(jī)可連接太陽輪軸、電機(jī)連接齒圈軸。該力矩輸入、輸出關(guān)系變換后，與圖l結(jié)構(gòu)所達(dá)到的技術(shù)效果是相同的,它們屬于等同結(jié)構(gòu)的替換，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明僅就圖1中的連接方式展開說明，在下面的敘述中，其它變換連接可以根據(jù)該種連接方式同理導(dǎo)出。另外，所述的離合器6也可以安裝在任意二個(gè)齒輪軸之間，均可實(shí)現(xiàn)三個(gè)齒輪軸鎖在一起的功能，本例舉出上述一種特定的連接，以便下面的推導(dǎo)。根據(jù)圖l所述的連接結(jié)構(gòu)，太陽齒輪軸轉(zhuǎn)速iis、齒圈軸轉(zhuǎn)速xiB和行星架軸轉(zhuǎn)速ric之間的速度關(guān)系可以用圖2來表示，圖中的Zs和Zk分別是太陽齒輪S和齒圈R的齒數(shù)，箭頭則分別指出了三個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的正方向。并且三個(gè)軸的速度具有如下已知方程式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(10)根據(jù)方程式(10)，當(dāng)其中任何兩個(gè)軸的速度是已知的，第三軸的轉(zhuǎn)速是確定的，并可根據(jù)方程式(10)計(jì)算得出。根據(jù)本機(jī)構(gòu)的連接關(guān)系，電機(jī)2作用在太陽齒輪軸上的扭矩Ts和發(fā)動(dòng)機(jī)1作用在齒圈軸上的扭矩TK和行星架軸輸出的扭矩Tc之間的扭矩關(guān)系可以用圖3來表示，圖中的Zs和Za分別是太陽齒輪S'和齒圈R'的齒數(shù)，箭頭則分別指出了三個(gè)軸正向扭矩的方向，并且具有如下已知方程式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(n)根據(jù)方程(ii)，當(dāng)其中任何一個(gè)軸的扭矩是已知的，則另外兩軸的扭矩是確定的，并可以用方程式(ii)計(jì)算得出。參見圖1、4,在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)、電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛的工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)1處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速為零，變速箱4設(shè)置為"驅(qū)動(dòng)"或"倒車"位置；電機(jī)軸以速度ns正向轉(zhuǎn)動(dòng)，并輸出驅(qū)動(dòng)力矩Ts到太陽齒輪軸S上;太陽齒輪S'推動(dòng)小行星齒輪C'轉(zhuǎn)動(dòng)，小行星齒輪傾向于使齒圈R'倒轉(zhuǎn)，由于齒圈軸R與發(fā)動(dòng)機(jī)軸連接，故傾向于使發(fā)動(dòng)機(jī)l倒轉(zhuǎn)，為此，本發(fā)明在所述的發(fā)動(dòng)機(jī)軸上增設(shè)一個(gè)單向離合器7,用于制止發(fā)動(dòng)機(jī)軸的反轉(zhuǎn)，同時(shí)，單向離合器7還施加一個(gè)約束反力矩Ta到齒圈軸R上，根據(jù)方程(10)和(11)，行星架軸C將輸出一個(gè)驅(qū)動(dòng)力矩r產(chǎn)R+7;-rsr^+z^/z^，其速度為"產(chǎn)/^.zyrz,z》，驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)或倒退，從而實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)功能。參見圖l、5，在電機(jī)2單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)l軸為靜止，其速度為零，行星齒輪機(jī)構(gòu)三個(gè)軸R、S、C的速度如圖5實(shí)線所示。這時(shí)，要啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)l,需將離合器6耦合；同時(shí)，電機(jī)2將施加正向扭矩到太陽齒輪軸S上。當(dāng)離合器6耦合時(shí)，電機(jī)2通過離合器6的耦合拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)軸開始正向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)達(dá)到怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)1啟動(dòng)，圖5中虛線示出啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)過程中的各軸速度。發(fā)動(dòng)機(jī)軸具有一定的慣性矩，離合器6耦合前，其速度為零，耦合時(shí)，就等于行星齒輪機(jī)構(gòu)的三個(gè)軸要鎖在一起，也就是說，以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)的太陽輪軸S和行星架軸C要與發(fā)動(dòng)機(jī)靜止的軸R進(jìn)行一個(gè)完全非彈性的轉(zhuǎn)動(dòng)碰撞，這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)碰撞會(huì)在行星架軸C上產(chǎn)生負(fù)扭矩，該負(fù)扭矩是由發(fā)動(dòng)機(jī)軸的慣性矩產(chǎn)生的，這一負(fù)扭矩會(huì)使車輛產(chǎn)生震動(dòng)，這是不能被接受的。本發(fā)明解決了該問題，實(shí)現(xiàn)了純電驅(qū)動(dòng)下啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的功能。實(shí)施例l本發(fā)明者通過分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)軸在行星架軸C上所產(chǎn)生的負(fù)扭矩可由太陽齒輪軸S和電機(jī)的慣性矩削弱或抵消。由圖5可見，啟動(dòng)前，太陽齒輪軸S的轉(zhuǎn)速高于行星架軸C的轉(zhuǎn)速，因此，當(dāng)離合器6耦合時(shí)，太陽齒輪軸S傾向于對(duì)行星架軸C作用一正向的扭矩，該正扭矩與齒圈軸R所產(chǎn)生的反向扭矩同時(shí)產(chǎn)生，方向相反，對(duì)行星架C的作用相互抵消。為達(dá)到完全抵消的目的，本發(fā)明根據(jù)離合器6耦合前、后的動(dòng)量矩守恒原理，進(jìn)行了如下推導(dǎo)假設(shè)太陽齒輪軸S的速度為ns，，齒圈軸R的速度為iiR,行星架軸C的速度為no則本機(jī)構(gòu)總的動(dòng)量矩"為L(zhǎng)0=cosJs+g>rJr+ocJc(3)式中us和Js分別是太陽齒輪軸S和電機(jī)2的角速度和慣性矩，coR和JK分別是齒圈軸R和發(fā)動(dòng)機(jī)1的角速度和慣性矩；coc和A分別是行星架軸C的角速度和慣性矩。又假設(shè)本機(jī)構(gòu)滿足太陽齒輪軸S上的慣性矩Js與太陽齒輪齒數(shù)之比等于齒圈軸R上的慣性矩JR與齒圈齒數(shù)之比，艮P:JS/ZS=JR/ZR(4)將方程式(10)和(4)代入方程(3)，可得L0=sJs+orJr+(OcJc=c(Js+Jr+Jc)(5)該方程(5)是在方程(4)成立的條件下，離合器6耦合前系統(tǒng)的動(dòng)量矩。當(dāng)離合器6耦合后，行星齒輪機(jī)構(gòu)的三個(gè)軸以同樣的速度o)x轉(zhuǎn)動(dòng)，其總的動(dòng)量矩為L(zhǎng)產(chǎn)o"Js+Jr+Jc)(6)因?yàn)殡x合器6在很短的時(shí)間內(nèi)耦合并鎖定，機(jī)構(gòu)的外力矩(如摩擦力矩)對(duì)其總的動(dòng)量矩的影響很小，在此忽略不計(jì)，以便分析。根據(jù)動(dòng)量矩守恒定律，機(jī)構(gòu)總的動(dòng)量矩在耦合前、后保持不變，艮P:L(p"(7)將方程(S)和(6)代入(7)，可得L0=oc(Js+JR+Jc)=L產(chǎn)oh(Js+JR+Jc)由此可得c>i=coe(8)通過上述推導(dǎo)表明，在方程(4)滿足的條件下，行星架軸C的速度不受離合器6耦合的影響。換句話說，如果系統(tǒng)滿足Js/Zs=CTR/ZR，則離合器6耦合時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)軸的慣性矩在行星架軸c產(chǎn)生的負(fù)扭矩可完全抵銷。因此，如果本機(jī)構(gòu)能做到Js/Zs-JR/ZR，則可實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)下平穩(wěn)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的功能。實(shí)施例2但是，在現(xiàn)實(shí)中，保證上例的方程(4)完全成立是不易做到的。如果方程(4)不成立，即z尺z則當(dāng)離合器6耦合時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)軸的慣性矩將對(duì)行星架軸c產(chǎn)生負(fù)沖擊扭矩，在該種情況下，本發(fā)明采用下述兩個(gè)措施進(jìn)行解決。第一，采用限力矩離合器來限制行星齒輪機(jī)構(gòu)三軸鎖定時(shí)產(chǎn)生的沖擊扭矩的峰值，將不穩(wěn)定的沖擊扭矩變成幅值有限且可預(yù)設(shè)的、平穩(wěn)的扭矩。因?yàn)殡x合器6的耦合是引發(fā)沖擊扭矩的原因，因此，耦合力矩越大，三軸之間的沖擊扭矩就越大，由發(fā)動(dòng)機(jī)軸傳遞到行星架軸上的負(fù)沖擊扭矩也越大，因此，通過限制耦合力矩的峰值，可以將所述的負(fù)扭矩控制在一個(gè)較低的范圍之內(nèi)；同時(shí)，離合器的耦合力矩也不能太小，還需使其不失去握持力，為此，要給出一個(gè)適合的限力耦合力矩值。本發(fā)明根據(jù)離合器耦合時(shí)行星齒輪機(jī)構(gòu)中各齒輪軸的動(dòng)力學(xué)平衡方程推導(dǎo)得出方程(1):2-A'^+r,+:Tc^(l)根據(jù)方程(l)可4M得出合適的耦合力矩值。第二，用電機(jī)2施加正向扭矩在太陽齒輪軸s上來抵消行星架軸c受到的負(fù)扭矩，該負(fù)扭矩是采取了措施一之后所剩余的負(fù)扭矩。參見圖i，電機(jī)2輸出的正向扭矩，通過太陽齒輪軸S將部分扭矩通過小行星齒輪c，傳遞到行星架軸c，該扭矩是正向的，可以抵消作用在行星架軸c受到的負(fù)扭矩，因此，電機(jī)輸出的正向扭矩越大，被抵消的負(fù)扭矩就越多，直到全部抵消，甚至超越(即行星架c受到正向扭矩)。但是，當(dāng)電機(jī)輸出的正向扭矩通過太陽齒輪s'驅(qū)動(dòng)小行星齒輪c'轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，小行星齒輪給齒圈R'—個(gè)反向力矩，該反向力矩與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，會(huì)減小電機(jī)通過離合器6直接拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)軸啟動(dòng)的正向力矩，從而減小發(fā)動(dòng)機(jī)軸的加速度，使發(fā)動(dòng)機(jī)不能迅速啟動(dòng)。因此，電機(jī)輸出的扭矩應(yīng)控制在既能抵銷行星架軸C上的負(fù)扭矩、又能讓發(fā)動(dòng)機(jī)迅速啟動(dòng)的合適范圍內(nèi)。本發(fā)明根據(jù)離合器耦合時(shí)行星齒輪機(jī)構(gòu)中各齒輪軸的動(dòng)力學(xué)平衡方程推導(dǎo)得出如下方程(2):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>(2)根據(jù)方程(^r可以計(jì)i出電機(jī)應(yīng)輸出的一個(gè)合適力矩。上述方程(1)、(2)的推導(dǎo)如下參見圖6，圖中示出離合器耦合時(shí)行星齒輪機(jī)構(gòu)三個(gè)齒輪的受力和轉(zhuǎn)動(dòng)的加速度情況。圖中eK是齒圈軸R的角加速度，Tf是發(fā)動(dòng)機(jī)軸的摩擦力矩(負(fù)號(hào)表示實(shí)際力矩方向與箭頭方向相反)，ec是行星架軸C的角加速度，Tc是變速箱輸入軸對(duì)行星架的作用力矩(負(fù)號(hào)表示實(shí)際力矩方向與箭頭方向相反，它的反作用力矩Tc為行星架的輸出力矩；)，es是太陽齒輪軸S的角加速度，T是電機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩，Q是限力矩離合器的耦合力矩。根據(jù)圖6將行星齒輪機(jī)構(gòu)三個(gè)齒輪的受力和轉(zhuǎn)動(dòng)加速度情況進(jìn)行分解，并列出各齒輪軸動(dòng)力學(xué)平衡方程。參見圖7，齒圈R'的受力和角加速度情況如圖所示，其中Tf為發(fā)動(dòng)機(jī)軸的摩擦力矩，F(xiàn)K為小行星齒輪C'對(duì)齒圈R'的作用力，^K是齒圈軸R的角加速度，齒圈軸R上的總慣性矩為JR,Q為限力矩離合器的耦合力矩，其動(dòng)力學(xué)平衡方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>(12)式中r為齒圈R'的半徑。參見圖8，行星齒輪C'受力情況如圖所示，其中小行星齒輪C'的質(zhì)量和慣性矩較小，故忽略，F(xiàn)s為太陽齒輪S'對(duì)行星齒輪C'的作用力，F(xiàn)R為齒圈R'對(duì)小行星齒輪C'的作用力，F(xiàn)c為行星架對(duì)小行星齒輪的作用力，p為小行星齒輪的半徑。其動(dòng)力學(xué)平衡方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>(13)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>(14)參見圖9,行星架軸C受力情況如圖中所示，Tc為變速箱輸入軸對(duì)行星架軸C的作用力矩(其反作用力矩是行星架軸的輸出力矩Tc)，F(xiàn)。為小行星齒輪對(duì)行星架的作用力。其動(dòng)力學(xué)平衡方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>式中的c為行星架軸與小行星齒輪軸之間的距離，s是太陽齒輪的半徑，r是齒圈半徑。參見圖IO,太陽齒輪的受力和角加速度情況如圖中所示，es是太陽齒輪的角加速度，太陽齒輪上的慣性矩為Js，T是電機(jī)輸出的驅(qū)動(dòng)扭矩，F(xiàn)s是小行星輪C'對(duì)太陽齒輪S'的作用力。其動(dòng)力學(xué)平衡方程為=:t-g_fs(16)根據(jù)方程(io)，行星齒輪機(jī)構(gòu)三個(gè)齒輪的速度關(guān)系為對(duì)上述速度方程求導(dǎo)，可得三軸的加速度方程由于整車的質(zhì)量折合到驅(qū)動(dòng)軸上的慣性矩Jc遠(yuǎn)大于發(fā)動(dòng)機(jī)軸和電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jk和Js,相互作用時(shí)行星架軸C的角加速度s。遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)軸的角加速度，因此，e。可以忽略，即Ec^0，所以上述的加速度方程可簡(jiǎn)化為<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>實(shí)際數(shù)值計(jì)算表明，該簡(jiǎn)化引起的誤差小于2%。根據(jù)上述行星齒輪機(jī)構(gòu)三個(gè)齒輪的受力分析和三個(gè)齒輪軸加速度方程的推導(dǎo)，可以得到上述的(12)(17)六個(gè)方程<image>imageseeoriginaldocumentpage14</image>由(13)'、(14)'和(15)式可得FR=FS=FC/2=TC/(s+r)(18)將(18)代入(12)即得方程(1):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>(i)將(18)和(17)式代/+("16)即得方程(2):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>(2)所述方程(1;+:(2)^中的A和Tf是發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)，r和s是行星齒輪機(jī)構(gòu)的參數(shù)，Js是電機(jī)參數(shù)，當(dāng)本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)好后，它們都是己知參數(shù)。式中的Tc是變速箱輸入軸作用在行星架上的力矩，與行星架軸輸出的驅(qū)動(dòng)力矩Tc互為反作用力矩，為保證在啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)不產(chǎn)生制動(dòng)效應(yīng)，必須保證Tc》0，由于偶合力矩Q和電機(jī)力矩T在實(shí)際中會(huì)有一定波動(dòng)和變化，故會(huì)影響Tc的實(shí)際值可能偏離其設(shè)計(jì)值，為避免實(shí)際Tc值為負(fù)值，其設(shè)計(jì)值必須選取大于零的正值。但是，根據(jù)方程(1)和(2),Tc增大將導(dǎo)致偶合力矩Q和電機(jī)扭矩T增大，從而增加限力矩離合器產(chǎn)生摩擦熱量和磨損，同時(shí)，還需要增大電機(jī)和電池的容量，因此，Tc不能選取得太大。選取時(shí)，可以采用試值的方法，即先取一個(gè)TOO的值，再計(jì)算出一個(gè)偶合力矩Q和電機(jī)力矩T值，然后根據(jù)轉(zhuǎn)速計(jì)算離合器產(chǎn)生的摩擦熱量和電機(jī)的可用力矩；如果不能滿足要求或不理想，則調(diào)整Tc設(shè)計(jì)值，重復(fù)上述計(jì)算，直到確定較理想的Tc值為止。式中&是發(fā)動(dòng)機(jī)的角加速度，當(dāng)它達(dá)到一定值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)才能在要求的時(shí)間內(nèi)達(dá)到平穩(wěn)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速，因此，SR可以根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)定，例如要求發(fā)動(dòng)機(jī)在0.4秒內(nèi)從0零轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分))達(dá)到800轉(zhuǎn)/分，其角加速度Sr-Aco/At-(800*211/60)/0.4-209.3弧度/秒2,因此，可以直接設(shè)定&-210.0弧度/秒2。以上參數(shù)確定后，即可計(jì)算出Q和T的具體值，根據(jù)該Q值來確定限力矩離合器的耦合力矩大小，根據(jù)T值確定限力矩離合器耦合時(shí)電機(jī)2輸出力矩的大小，該力矩大小由電機(jī)控制器5控制。計(jì)算舉例已知Tf-35牛誦米，Js=0.02公斤-米2,JR=0.145公斤-米2,ZR=78,Zs=30,設(shè)e^210弧度/秒2,Tc=15牛-米貝廿Q-72.67牛-米；T-64.53牛-米圖1中的單向離合器7可以采用多種現(xiàn)有的單向離合器結(jié)構(gòu)。本例采用如圖11所示的滾柱式單向離合器，它的內(nèi)軸7-1與發(fā)動(dòng)機(jī)軸相聯(lián)，其外軸7-2固定在機(jī)殼上。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)軸7-l隨轉(zhuǎn)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，被滾柱7-3卡住而不能轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1中的限力矩離合器6也可以采用多種現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)。本例采用如圖12所示的彈簧壓力、濕式多片離合器。它的輸入軸6-1與發(fā)動(dòng)機(jī)軸相聯(lián)，它的輸出軸6-2與電機(jī)軸相聯(lián)，在輸入軸和輸出軸上分別固聯(lián)一個(gè)轉(zhuǎn)盤架6-3、6-4,交錯(cuò)疊放的摩擦片6-5和隔離片6-6分別通過轉(zhuǎn)盤架上的花鍵將各自的扭矩傳遞到轉(zhuǎn)盤架6-36-4上；它還設(shè)有一個(gè)彈簧推盤6-7和作動(dòng)器6-8。分離時(shí)，作動(dòng)器6-8拉住彈簧推盤6-7，使摩擦片與隔離片分離；耦合時(shí)，作動(dòng)器釋放彈簧推盤，彈簧推盤將摩擦片和隔離片壓在一起，相互產(chǎn)生摩擦力矩，從而實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞。可傳遞的扭矩量值與彈簧的壓力成正比，預(yù)先設(shè)置好彈簧壓力，就可以設(shè)置離合器的最大扭矩。當(dāng)輸入扭矩超過最大扭矩時(shí)，摩擦片和隔離片就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，離合器仍然傳遞預(yù)先設(shè)定的扭矩，起到限制傳遞力矩大小的作用。權(quán)利要求1、一種汽車油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)電動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)，它至少由一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)(1)、一個(gè)電機(jī)(2)、一套行星齒輪機(jī)構(gòu)(3)和一個(gè)電機(jī)控制器(5)構(gòu)成，所述的行星齒輪機(jī)構(gòu)(3)至少具有三個(gè)齒輪軸(R、S、C)，其中第一齒輪軸(R)和第二齒輪軸(S)作為力矩輸入軸分別與所述發(fā)動(dòng)機(jī)(1)軸和所述電機(jī)(2)軸相聯(lián)，其第三齒輪軸(C)作為力矩輸出軸與變速箱(4)的輸入軸相聯(lián)，所述離合器(6)位于所述第一齒輪軸(R)和所述第二齒輪軸(S)之間，其特征是A、所述單向離合器(7)位于所述的發(fā)動(dòng)機(jī)軸和機(jī)殼之間，用于制止所述發(fā)動(dòng)機(jī)軸的反轉(zhuǎn)；B、在所述第二齒輪軸(S)上的慣性矩JS與第二齒輪(S’)的齒數(shù)ZS之比值不等于第一齒輪軸(R)上的慣性矩JR與第一齒輪(R’)的齒數(shù)ZR之比的條件下，即則所述的離合器(6)是一個(gè)限力矩離合器，用于在所述第一齒輪軸(R)和所述第二齒輪軸(S)之間產(chǎn)生一個(gè)預(yù)先設(shè)定的有限耦合力矩Q，該有限耦合力矩Q的大小由方程(1)計(jì)算式中JR是第一齒輪軸(R)上的慣性矩，εR是第一齒輪軸(R)的角加速度，Tf是發(fā)動(dòng)機(jī)軸的摩擦力矩，TC是第三齒輪軸(C)的驅(qū)動(dòng)扭矩，r是第一齒輪(R’)的半徑，s是第二齒輪(S’)的半徑；當(dāng)本機(jī)構(gòu)在車輛行駛中啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)而將限力矩離合器(6)耦合時(shí)，由電機(jī)控制器(5)控制所述的電機(jī)(2)輸出一驅(qū)動(dòng)扭矩T，該驅(qū)動(dòng)扭矩T的大小由方程(2)計(jì)算式中Q為離合器(6)的有限耦合力矩，εR是第一齒輪軸(R)的角加速度，TC是第三齒輪軸(C)的驅(qū)動(dòng)扭矩，JS是第二齒輪軸(S)的慣性矩，r是第一齒輪(R’)的半徑，s是第二齒輪(S’)的半徑。2、一種汽車油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)電動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)，它至少由一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)(1)、一個(gè)電機(jī)(2)、一套行星齒輪機(jī)構(gòu)(3)和一個(gè)電機(jī)控制器(5)構(gòu)成，所述的行星齒輪機(jī)構(gòu)(3)至少具有三個(gè)齒輪軸(R、S、C)，其中第一齒輪軸(R)和第二齒輪軸(S)作為力矩輸入軸分別與所述發(fā)動(dòng)機(jī)(1)軸和所述電機(jī)(2)軸相聯(lián)，其第三齒輪軸(C)作為力矩輸出軸與變速箱(4)的輸入軸相聯(lián)，所述離合器(6)位于所述第一齒輪軸(R)和所述第二齒輪軸(S)之間，其特征是A、所述單向離合器(7)位于所述的發(fā)動(dòng)機(jī)軸和機(jī)殼之間，用于制止所述發(fā)動(dòng)機(jī)軸2的反轉(zhuǎn)；B、所述第二齒輪軸(S)上的慣性矩Js與第二齒輪(S')的齒數(shù)Zs之比值等于第一齒輪軸(R)上的慣性矩jk與第一齒輪(R')的齒數(shù)Zk之比，即滿足方程^=#。全文摘要本發(fā)明是一種汽車油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)電動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)。它至少由一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)、一個(gè)電機(jī)、一個(gè)電機(jī)控制器、一個(gè)行星齒輪機(jī)構(gòu)成。所述的行星齒輪機(jī)構(gòu)的齒圈軸R和太陽齒輪軸S作為力矩輸入軸分別與發(fā)動(dòng)機(jī)軸和電機(jī)軸相聯(lián)，其行星架軸作為力矩輸出軸與變速箱的輸入軸相聯(lián)。為了實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)和行駛中啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)軸上設(shè)置了單向離合器，在太陽齒輪和齒圈之間設(shè)置了限力矩離合器，同時(shí)給出限力矩離合器耦合時(shí)的耦合力矩Q和電機(jī)輸出扭矩T的計(jì)算方程，以控制啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)Q和T的大小，從而消除車輛驅(qū)動(dòng)軸上的負(fù)沖擊扭矩，保持車輛行駛平穩(wěn)。文檔編號(hào)B60W10/08GK101423020SQ20081018414公開日2009年5月6日申請(qǐng)日期2008年12月9日優(yōu)先權(quán)日2008年12月9日發(fā)明者段志輝,章玲玲申請(qǐng)人:段志輝