專利名稱：混合動力車輛的動力傳動系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及車輛的動力傳動系統(tǒng)，特別是具有主原動機和整合了飛輪的第二發(fā)動機的混合動力車輛。
背景技術(shù)：
美國機動車工程師學會(SAE)的2008年4月14-17日的技術(shù)文件2008 - 01-0083介紹了由無級變速器(CVT)組成的配置，其連接在車輛發(fā)動機和變速箱之間，設(shè)置成通過齒輪組驅(qū)動飛輪。該配置可以增加或減少由發(fā)動機提供給車輛驅(qū)動車輪的動力。飛輪能加速轉(zhuǎn)到發(fā)動機的速率，在車輛制動條件下甚至可以達到更高的速率。飛輪典型地至少部分由碳纖維組成并且在真空室里運轉(zhuǎn)以便將空氣動力學損耗減至最低?？梢蕴峁└郊拥凝X輪裝置以允許附加一些設(shè)備，如空調(diào)和由飛輪驅(qū)動的動力轉(zhuǎn)向設(shè)施。
專利文件US2008/0105475公開了一種具有車輛動力系統(tǒng)、飛輪以及連接動力系統(tǒng)和飛輪的無級變速器的機動車輛。車輛減速時，來自動力系統(tǒng)和它的相關(guān)傳動系統(tǒng)的能量被傳送至飛輪。車輛加速時，飛輪的能量被傳送到動力系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明包含車輛的動力傳動系統(tǒng)，該車輛具有第一組和第二組車輪和只驅(qū)動第一組車輪的動力源，其中，該動力傳動系統(tǒng)包括飛輪和連接第二組車輪的有著連續(xù)可變傳動比的傳動系統(tǒng)。
另一方面，本發(fā)明包含具有第一組車輪和第二組車輪、用來驅(qū)動第一組車輪的主發(fā)動機和用來驅(qū)動第二組車輪的第二發(fā)動機的車輛，其中，第二發(fā)動機包含根據(jù)本發(fā)明上述第一方面的動力傳動系統(tǒng)。主發(fā)動機可以例如為內(nèi)燃機或者電動馬達。
根據(jù)本發(fā)明的動力傳動系統(tǒng)可以輕松集成到具有前輪或后輪驅(qū)動的現(xiàn)有汽車平臺中，比如，可以為車輛提供牽引控制力提升而且動力傳動系統(tǒng)可以設(shè)置成響應(yīng)來自上述系統(tǒng)的信號來運行。
傳動系統(tǒng)可以是具有空擋的無限變速式機械無級變速器(IVT)。
在優(yōu)選實施例中，傳動系統(tǒng)是無級變速器(CVT)，動力傳動系統(tǒng)還包括位于無級變速器和飛輪之間的離合器。
借助于本發(fā)明，非車輛主發(fā)動機(例如內(nèi)燃機)直接驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)的車輪組中的能量可以存儲到飛輪中，并在之后釋放以驅(qū)動上述車輪組。操縱傳動比和離合器實現(xiàn)能量的存儲和回收控制。當改變無級變速器的傳動比使飛輪加速時，存儲能量；當改變傳動比使飛輪減速時，回收能量并將其傳送至車輪。在一個運行模式中，離合器在汽車以恒速行駛時是斷開的，在減速時閉合，使飛輪加速。
本發(fā)明優(yōu)于飛輪和主發(fā)動機驅(qū)動相同車輪組的公知配置的原因在于不用將該配置的附加組件集成到引擎艙中。因此也就不用升級引擎支架以承受額外重量和飛輪運動產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣力，不用為了創(chuàng)建傳送到飛輪和來自飛輪的驅(qū)動力(能量)的輸入/輸出路徑而去改變現(xiàn)有動力傳動系統(tǒng)。
最好有位于傳動系統(tǒng)和飛輪之間的減速器。
減速器可以是行星齒輪配置。
減速器能夠使高速的飛輪匹配低速運轉(zhuǎn)的無級變速器。飛輪的旋轉(zhuǎn)速度越快，能量存儲得越多。
為了擴大傳動系統(tǒng)的可用傳動比(特別是無級變速器的有限變速范圍，通常為六級)，可以提供可選的齒輪組。可以采用變速箱的形式，其連接第二車輪組和傳動系統(tǒng)之間。變速箱可以有兩個或兩個以上的傳動比。
無級變速器的運轉(zhuǎn)、特別是傳動比的設(shè)置需要油壓供應(yīng)。因此，泵是必要的。機械泵由于卓越的效率而優(yōu)于電子泵。油泵最好放在傳動系統(tǒng)和第二組車輪之間以便可以被上述第二組車輪驅(qū)動。這種設(shè)置優(yōu)于由飛輪驅(qū)動的油泵，因為在某些車輛行駛條件下，飛輪轉(zhuǎn)速可能是零因而油壓也可能為零。油壓為零時無級變速器就不能改變傳動比。在期望傳動系統(tǒng)改變傳動比的情況中，當車輛停止時(車輪也因而處于靜止，不會驅(qū)動油泵)，動力傳動系統(tǒng)可以輔以油液蓄壓器來維持傳動所需的油壓供應(yīng)。
一旦車輛停駛，對飛輪的驅(qū)動也會因而停止，飛輪轉(zhuǎn)速經(jīng)過摩擦以及空氣動力的損耗會逐漸衰減。這種衰減是能源的浪費。本發(fā)明有利地提供了進一步選擇，包括能量轉(zhuǎn)換裝置，其可以利用存儲在飛輪中的旋轉(zhuǎn)能量。該裝置可以采取例如直流發(fā)電機或交流發(fā)電機或液壓泵的形式。該裝置可以是裝到飛輪軸上的獨立裝置或者是整合作為飛輪總成的一部分。
飛輪可以容納于帶有真空泵的真空室中，用于維持理想的低氣壓以使空氣動力的損耗保持在最低限度。
作為更進一步的選擇，可以在傳動系統(tǒng)和第二組車輪之間多放一個離合器。這樣做的好處是在上述車輪和飛輪之間不需要能量傳送時可以使傳動系統(tǒng)和上述車輪脫離。否則，車輪的運動不必要地驅(qū)動傳動系統(tǒng)，產(chǎn)生相關(guān)摩擦損耗。
以下結(jié)合附圖僅通過示例的方式說明本發(fā)明的一些實施例，附圖中


圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的具有動力傳動系統(tǒng)的車輛的示意性方框圖2是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的具有動力傳動系統(tǒng)的車輛的示意性方框圖。
具體實施例方式
參照圖1，車輛1裝備有通過變速箱和主減速器總成4只向第一組車輪3提供動力的內(nèi)燃機2。
第二組車輪5通過半軸6、主減速器和差速單元7連接到傳動軸8。傳動軸可以驅(qū)動飛輪9或者被其驅(qū)動。介于傳動軸8和飛輪9之間的是有著連續(xù)可變傳動比的傳動單元10。傳動單元可以是帶有空擋的無限變速式機械無級變速器(IVT)，但在本優(yōu)選實施例中，傳動單元10是無級變速器(CVT)，并且提供電動液壓離合器11以便在某些運行條件下使無級變速器IO (進而是車輪5)從飛輪9脫離。
通過由傳動軸8驅(qū)動的油泵12提供油壓給無級變速器10。
位于離合器11和飛輪9中間的行星齒輪配置13在無級變速器器10和飛輪9之間提供10: l的減速比。
電子控制模塊(ECM) 14接收來自油門踏板位置傳感器15、制動踏板位置傳感器16、傳動軸速度傳感器17和與飛輪相關(guān)的速度傳感器18的輸入信號。電子控制模塊14的輸出端連到無級變速器10和離合器11上。
無級變速器10可以是常規(guī)的設(shè)計，其傳動比可以通過電磁閥的操作以公知的方式變動。閥門(未顯示)控制油路流向。閥門的啟動在電子控制模塊(ECM) 14的控制之下。無級變速器10可以是鋼帶型變速器，通常有六級變速范圍。
下面介紹圖1的實施例的某些示例性運行模式。
車輛以穩(wěn)定的速度行駛，油門踏板上施以很輕的壓力，離合器11保持斷開，沒有來自第二組車輪5的驅(qū)動力傳送至飛輪9，所以后者會保持靜止。然而，油壓會通過由傳動軸驅(qū)動的油泵12供應(yīng)到無級變速器10。
如果駕駛員松開油門踏板或者踩踏制動踏板，就會被傳感器15、 16檢測到并傳送信號到電子控制模塊14。從傳感器17也會檢測到傳動軸的速度，電子控制模塊14輸出使離合器11閉合的控制信號并計算無級變速器需要的速率以使飛輪加速。它輸出第二個控制信號以便通過液壓控制無級變速器10使速率被設(shè)置為計算的值。
因此，能量從第二組車輪5被傳送到飛輪9而不是作為熱量消耗在車輛的制動系統(tǒng)中。傳送能量到飛輪的動作使車輛減速。
7一旦電子控制模塊(ECM) 14檢測到車輛1陷入停頓(通過監(jiān)控傳動軸速度傳感器17的輸出)，它就會把離合器11斷開，飛輪9繼續(xù)以電子控制模塊14監(jiān)測到的速度自由旋轉(zhuǎn)。這時存儲在旋轉(zhuǎn)的飛輪9中的巨大能量是其速度的函數(shù)。
在車輛1開始從靜止加速(由電子控制模塊14通過來自油門踏板位置傳感器15和傳動軸速度傳感器17的信號檢測)時，電子控制模塊14將無級變速器IO重設(shè)為一個新(計算的)值，并且逐漸閉合離合器11以便用來自飛輪9的能量驅(qū)動第二組車輪5，從而輔助發(fā)動機2推動車輛。因而飛輪9開始減速直到它所存儲的能量全部被回收(通過第二組車輪5)，最后變?yōu)殪o止。這個時候，電子控制模塊14可以斷開離合器11直到檢測到另外的減速操作。
現(xiàn)在參見圖2，本實施例包含圖1中的組件以及一些附加的組件和功能，如下所述。圖l和圖2中相同的組件在圖中的標記數(shù)字也是相同的。齒輪組19位于第二組車輪5和油泵12之間，連接傳動軸8和無級變速器10，用于增大無級變速器10傳動比的范圍。
附加的離合器20位于傳動軸8和齒輪組19中間。
油液蓄壓器21連接油泵12和無級變速器IO,用來保證為無級變速器IO提供足夠的油量供應(yīng)。
電子控制模塊14有兩個附加的控制輸出端， 一個輸出到齒輪組19，另一個輸出到附加的離合器20。
交流發(fā)電機22連接飛輪9的傳動軸，而且具有能夠連接車輛電池充電設(shè)備(未顯示)的輸出線23。
圖2的實施例能夠以與圖1中所介紹的運行方式相同的運行方式運行。此外，圖2的實施例能夠通過附加的離合器20將飛輪9 (和行星齒輪配置13)不只從車輪5上脫離，而且能從無級變速器10脫離。該附加的離合器20由電子控制模塊14電子化控制。因此，在飛輪9既適宜不存儲也不適宜釋放能量的情況下，附加的離合器20斷開。因此傳動軸8不會驅(qū)動無級變速器10 (或齒輪組19)，否則會產(chǎn)生不必要的摩擦損耗。附加的離合器20斷開時，油泵12也得不到動力供給以維持對無級變 速器的油壓從而可以設(shè)置一個傳動比為離合器11、 20的再嚙合做準備， 所以提供蓄壓器21。
在本實施例中，可選擇三種來自齒輪組19的固定的附加齒輪傳動比 (在電子控制模塊14的控制下)中的一種。
飛輪混合動力的主要優(yōu)點是可以在飛輪和車輛車輪之間傳送大量的 動力。路面行駛的汽車在制動過程中能夠進行很高的動力轉(zhuǎn)換，混合動力 系統(tǒng)效能的關(guān)鍵是盡可能多的獲取通常被浪費掉的能源。這可以通過細致 匹配飛輪的轉(zhuǎn)速和車輛的速度做到。高速飛輪的轉(zhuǎn)速大概范圍在0到 60000RPM或更高之間變化，而車輛的速度范圍在0到160KPH變化。實 際的運行環(huán)境存在兩種極端，第一種是飛輪轉(zhuǎn)速為零而車輛速度達到最 高，第二種是飛輪轉(zhuǎn)速達到最快而車輛速度為零。為了理想地適應(yīng)這些極 端條件，需要使用無限變速式機械無級變速器或者用無級變速器傳動系統(tǒng) 10來連接離合器。然而,無級變速器通常只有有限的六級傳動比變動范圍。 即便使用專門挑選的附加的齒輪傳動比設(shè)置，這個變動范圍也不足以覆蓋 飛輪和車輛速度的整個運行范圍。因此，齒輪組的傳動比都針對某些特定 目標做優(yōu)化，比如在確定的驅(qū)動周期最大限度的節(jié)省燃料消耗。
在本實施例中，使用無級變速器的六級傳動比范圍，齒輪組的傳動比 是l: 1， 6的90%和36的卯％。這允許在每個齒輪選擇之間為性能的優(yōu) 化有10%的重疊。
齒輪的選擇由電子控制模塊以傳統(tǒng)的方式通過電子化控制。
如果車輛長時間不用，比如在周末，在停駛時仍然有大量的能量存儲 在飛輪9中，可以使用交流發(fā)電機22來利用這些能量。否則，飛輪9的 轉(zhuǎn)速會逐漸衰減到零，其能量會永久損失。在這種情況下，交流發(fā)電機22 被激活。(這例如可以通過駕駛員操縱的開關(guān)(未顯示)做到)。配置交流 發(fā)電機22以把飛輪的機械能量轉(zhuǎn)換為能給車輛蓄電池(未顯示)充電的 電流。
在可選設(shè)備中，電子控制模塊14能學習駕駛員的使用模式，當預(yù)測到車輛將被擱置較長時間時，會控制交流發(fā)電機22的激活。
在圖2的可選配置中，油泵12位于三速齒輪組和附加離合器20之間。
在另一實施例中，軸速度傳感器(未顯示)放置在無級變速器10的 任一側(cè)(即無級變速器10和油泵12之間或無級變速器10和離合器11之 間)。軸速度傳感器的輸出端和電子控制模塊14相連。它們幫助電子控制 模塊14選擇最佳的無級變速器傳動比(根據(jù)車輛的現(xiàn)行運行條件)，允許 電子控制模塊14為飛輪9和車輪5之間驅(qū)動的平穩(wěn)過渡控制離合器11和 12的滑移。
在另一可選配置中，離合器11和行星齒輪13被調(diào)換。這種配置減少 了連接到飛輪9的摩擦損耗。然而，離合器11需要能夠以飛輪的速度運 行，并應(yīng)對實質(zhì)上更小的扭矩。
飛輪運行可以作為牽引控制的一種方式使用，比如可通過把它的控制 和車載穩(wěn)定控制程序集成到一起。在裝有常用牽引和/或穩(wěn)定控制系統(tǒng)的車 輛中，通過自動減少發(fā)動機扭矩需求和/或通過防抱死制動系統(tǒng)對一個或更 多車輪施加制動力來控制車輪滑行。
本發(fā)明允許向并非由發(fā)動機直接驅(qū)動的車輪組提供反向或者正向扭 矩的附加選擇。所以當離合器11閉合并且無級變速器的傳動比被調(diào)整以 便飛輪速度提高時，飛輪9從車輪組5中獲得能量，從而在該組車輪5上 產(chǎn)生制動力(負力矩)。反之，當離合器ll閉合并且無級變速器的傳動比 被調(diào)整以便使飛輪9速度降低時，能量被傳送到車輪5，從而提供正向扭 矩。
因此，在另一實施例中，電子控制模塊14設(shè)置成與車輛的牽引控制模 塊(未顯示)通信，使飛輪響應(yīng)來自牽引控制模塊的指令信號以存儲或釋 放能量。
10
權(quán)利要求
1.一種用于車輛的動力傳動系統(tǒng)，該車輛具有第一和第二組車輪和只驅(qū)動第一組車輪的動力源，其中，動力傳動系統(tǒng)包括飛輪和連接到第二組車輪的有持續(xù)可變傳動比的傳動系統(tǒng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力傳動系統(tǒng)，其特征在于，傳動系統(tǒng)是有 空檔的無限變速式機械無級變速器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力傳動系統(tǒng)，其特征在于，傳動系統(tǒng)是無 級變速器，而且傳動系統(tǒng)還包括位于無級變速器和飛輪之間的離合器。
4. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的動力傳動系統(tǒng)，其特征在于，還包括 位于傳動系統(tǒng)和飛輪之間的減速器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的動力傳動系統(tǒng)，其特征在于，減速器是行星 齒輪配置。
6. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的動力傳動系統(tǒng)，其特征在于，還包括 用來連接在第二組車輪和傳動系統(tǒng)之間的變速箱。
7. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的動力傳動系統(tǒng)，其特征在于，還包括 為傳動系統(tǒng)供油的機械油泵，該油泵位于傳動系統(tǒng)和第二組齒輪之間。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的動力傳動系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于在 車輛靜止時為傳動系統(tǒng)維持油壓供應(yīng)的蓄壓器。
9. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的動力傳動系統(tǒng)，其特征在于，還包括 和飛輪關(guān)聯(lián)的能量轉(zhuǎn)換裝置。
10. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的動力傳動系統(tǒng)，其特征在于，還包 括位于傳動系統(tǒng)和第二組車輪之間的離合器。
11. 一種車輛，具有第一組車輪和第二組車輪、用來驅(qū)動第一組車輪 的主發(fā)動機和用來驅(qū)動第二組車輪的第二發(fā)動機，其特征在于，第二發(fā)動 機由根據(jù)上述任一權(quán)利要求的動力傳動系統(tǒng)組成。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的車輛，其特征在于，該車輛具有牽引控制系統(tǒng)，動力傳動系統(tǒng)設(shè)置成響應(yīng)來自上述牽引控制系統(tǒng)的信號運行。
13. 實質(zhì)上類似于以上參照附圖所述的動力傳動系統(tǒng)。
14. 實質(zhì)上類似于以上參照附圖所述的車輛。
全文摘要
一種混合動力車輛的動力傳動系統(tǒng)，該混合動力車輛具有連接到一組車輪(3)作為主發(fā)動機的內(nèi)燃機(2)，連接到第二組車輪(5)作為從屬發(fā)動機的飛輪(9)。飛輪(9)中能量的存儲和釋放由無級變速器(10)和離合器(11)控制。該配置能夠比較容易地將機械混合動力納入現(xiàn)有的前輪驅(qū)動車輛平臺中。
文檔編號B60W10/10GK101665081SQ200910168079
公開日2010年3月10日 申請日期2009年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月4日
發(fā)明者杜納特·安德里亞斯·約瑟芬·吉斯, 蒂莫西·詹姆斯·鮑曼 申請人:福特全球技術(shù)公司