專(zhuān)利名稱(chēng)：機(jī)電無(wú)級(jí)變速器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所介紹的是一種無(wú)級(jí)變速器，尤其是機(jī)電混合動(dòng)力無(wú)級(jí)變速器。它可廣泛應(yīng)用于各種車(chē)輛和動(dòng)力設(shè)備。
背景技術(shù)：
概述內(nèi)燃機(jī)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(shí)或是油耗最小，或是有害排放最低，或是倆者皆然。然而，實(shí)際路況千變?nèi)f化，不但表現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)輪的速度上同時(shí)還表現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)輪所要求的扭矩上。因此，內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩，即內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力狀態(tài)與驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)力狀態(tài)之匹配是變速器的首要任務(wù)之一。
目前市場(chǎng)上的變速器主要分為有級(jí)和無(wú)級(jí)兩大類(lèi)。有級(jí)變速器又細(xì)分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種。它們大多通過(guò)齒輪系或行星輪系不同的嚙合組合來(lái)提供有限個(gè)離散的輸出輸入速比。兩相鄰速比之間驅(qū)動(dòng)輪速度的調(diào)節(jié)則依靠?jī)?nèi)燃機(jī)的速度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。
無(wú)級(jí)變速器，無(wú)論是機(jī)械式，液壓式，或機(jī)—電式的，都能在一定速度范圍內(nèi)提供無(wú)限個(gè)連續(xù)可選用的速比，理論上說(shuō)，驅(qū)動(dòng)輪的速度變化完全可通過(guò)變速器來(lái)完成。這樣，內(nèi)燃機(jī)可以盡可能的工作在最佳速度范圍內(nèi)。同時(shí)無(wú)級(jí)變速器和有級(jí)變速器相比，具有調(diào)速平穩(wěn)，能充分利用內(nèi)燃機(jī)最大功率等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，無(wú)級(jí)變速器多年來(lái)一直是各國(guó)專(zhuān)家們研究的對(duì)象。目前已推向市場(chǎng)的無(wú)級(jí)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(wú)論是有級(jí)的還是無(wú)級(jí)的都不能完全滿(mǎn)足內(nèi)燃機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪之間動(dòng)力匹配的要求。這是因?yàn)楝F(xiàn)有的變速器只能完成能量的傳送而不能實(shí)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(jì)變速器內(nèi)耗)。因此，這樣的變速器只能對(duì)輸入輸出軸的速比或者對(duì)輸出輸入軸的扭矩比進(jìn)行單項(xiàng)調(diào)節(jié)，而不能對(duì)二者同時(shí)進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)節(jié)。
近年來(lái)，機(jī)電混合動(dòng)力技術(shù)的誕生為實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力輪之間動(dòng)力理想匹配開(kāi)拓了新的途徑。在眾多的動(dòng)力總成設(shè)計(jì)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。機(jī)電串聯(lián)混合系統(tǒng)中，內(nèi)燃機(jī)—發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)—軸系—驅(qū)動(dòng)輪組成一條串聯(lián)的動(dòng)力鏈，動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單。其中，發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)組合可視為傳統(tǒng)意義下的變速器。當(dāng)與儲(chǔ)能器，如電池，電容等聯(lián)合使用時(shí)，該變速器又可作為能量調(diào)節(jié)裝置，完成對(duì)速度比和扭矩比的獨(dú)立調(diào)節(jié)。
機(jī)電并聯(lián)系統(tǒng)有兩條并行的獨(dú)立的動(dòng)力鏈。一條由傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)裝置即變速器組成，另一條由電機(jī)—電池系統(tǒng)組成。機(jī)械變速器負(fù)責(zé)完成對(duì)速度的調(diào)節(jié)，而電機(jī)—電池系統(tǒng)則完成對(duì)功率或扭矩的調(diào)節(jié)。為充分發(fā)揮整個(gè)系統(tǒng)的潛能，機(jī)械變速器還需采用無(wú)級(jí)變速的方式。
機(jī)電串聯(lián)混合系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布局靈活。但由于全部動(dòng)力通過(guò)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，因此電機(jī)的功率要求高，體積大，重量重。同時(shí)，由于能量傳輸過(guò)程經(jīng)過(guò)兩次機(jī)—電，電—機(jī)的轉(zhuǎn)換，整個(gè)系統(tǒng)的效率較低。而在機(jī)電并聯(lián)混合系統(tǒng)中，只有部分動(dòng)力通過(guò)電機(jī)系統(tǒng)，因此，對(duì)電機(jī)的功率要求相對(duì)較低。整體系統(tǒng)的效率高。然而，此系統(tǒng)需兩套獨(dú)立的子系統(tǒng)，造價(jià)高。通常只用于弱混合系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新型的無(wú)級(jí)變速器，具體說(shuō)是一種高效節(jié)能機(jī)電混合無(wú)級(jí)變速器。該變速器采用動(dòng)力分流原理，利用局部的動(dòng)力變化去控制總系統(tǒng)輸出端的動(dòng)力狀態(tài)，即輸出端的速度和扭矩。動(dòng)力分流系統(tǒng)由兩部份組成，機(jī)械傳動(dòng)裝置和動(dòng)力調(diào)節(jié)裝置?；旌蟿?dòng)力分流系統(tǒng)通常還包括儲(chǔ)能器，如電池，電容或氣液壓力罐等。機(jī)械傳動(dòng)裝置由齒輪和行星輪系組成。動(dòng)力調(diào)節(jié)裝置則有多種形式，可以是電機(jī)—電動(dòng)機(jī)組合，油泵—油馬達(dá)組合還可以用摩擦傳動(dòng)裝置等。
本發(fā)明介紹的機(jī)電混合無(wú)級(jí)變速器采用電機(jī)—電動(dòng)機(jī)組合作為動(dòng)力調(diào)節(jié)裝置。該動(dòng)力調(diào)節(jié)裝置相當(dāng)于一個(gè)局部機(jī)電串聯(lián)系統(tǒng)。由于分流系統(tǒng)僅將部分動(dòng)力分送至動(dòng)力調(diào)節(jié)裝置，因此，動(dòng)力分流有效地克服了串聯(lián)混合系統(tǒng)的缺點(diǎn)，且具較高的傳動(dòng)效率。更重要的是它能夠在較寬的范圍內(nèi)對(duì)速比(輸出/輸入)和動(dòng)力進(jìn)行連續(xù)和獨(dú)立的調(diào)節(jié)。
為了更方便，準(zhǔn)確地描述本發(fā)明技術(shù)內(nèi)容，首先介紹幾個(gè)術(shù)語(yǔ)和概念。
機(jī)動(dòng)鏈和電功鏈在機(jī)電混合分流系統(tǒng)中，由機(jī)械傳動(dòng)裝置組成的動(dòng)力傳輸通路稱(chēng)為機(jī)械動(dòng)力傳輸鏈，簡(jiǎn)稱(chēng)機(jī)動(dòng)鏈。而由發(fā)電機(jī)，電動(dòng)機(jī)組成的動(dòng)力調(diào)節(jié)裝置形成的動(dòng)力傳輸通路稱(chēng)為電氣動(dòng)力傳輸鏈，簡(jiǎn)稱(chēng)電動(dòng)鏈。機(jī)動(dòng)鏈一般傳輸效率較高，功率/重量比大。因此承擔(dān)主要的動(dòng)力傳輸任務(wù)。電動(dòng)鏈在分流系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的動(dòng)力調(diào)控作用，它直接決定分流系統(tǒng)輸出端的動(dòng)力狀態(tài)(速度、扭矩)。動(dòng)力通過(guò)電動(dòng)鏈時(shí)經(jīng)歷了由機(jī)械能到電能、由電能到機(jī)械能的兩次傳換，損耗大，電動(dòng)鏈的功率/重量比低。因此，從提高分流系統(tǒng)總效率的角度，應(yīng)盡可能的減少向電動(dòng)鏈的動(dòng)力分流。這樣不但可提高系統(tǒng)的總效率，同時(shí)還降低了系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的功率要求，從而提升整個(gè)系統(tǒng)的功率/重量比。
零點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)另外兩個(gè)重要的概念是零點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)的概念。電機(jī)(發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的通稱(chēng))的零功率點(diǎn)稱(chēng)為電機(jī)的零點(diǎn)。電機(jī)的零點(diǎn)可以是由電機(jī)的零轉(zhuǎn)速而產(chǎn)生的也可以是由電機(jī)的零扭矩而產(chǎn)生的。前者稱(chēng)為速度零點(diǎn)，后者則稱(chēng)為扭矩零點(diǎn)。電動(dòng)鏈的動(dòng)力變化調(diào)控著整個(gè)分流系統(tǒng)的動(dòng)力狀態(tài)，其中包括輸出與輸入軸之間轉(zhuǎn)速比的變化。當(dāng)電動(dòng)鏈中某一電機(jī)處于零點(diǎn)狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)的分流系統(tǒng)的輸出與輸入軸之間的轉(zhuǎn)速比稱(chēng)為系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)分為速度節(jié)點(diǎn)和扭矩節(jié)點(diǎn)，它們分別對(duì)應(yīng)于電機(jī)的速度零點(diǎn)和扭矩零點(diǎn)。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)按其所對(duì)應(yīng)的輸出輸入速比大小的遞增順序依次定義為第一，第二和第三節(jié)點(diǎn)等等。
混合動(dòng)力分流系統(tǒng)可作為普通的變速器來(lái)使用，只進(jìn)行輸出與輸入的速比調(diào)節(jié)。此時(shí)，電動(dòng)鏈與儲(chǔ)能器無(wú)能量交換。電動(dòng)鏈中發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)保持電力平衡。在這種情況下，一個(gè)電機(jī)的速度零點(diǎn)對(duì)應(yīng)于另一個(gè)電機(jī)的扭矩零點(diǎn)，它們對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的同一個(gè)節(jié)點(diǎn)。顯然，在系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)上電動(dòng)鏈中的動(dòng)力為零，全部動(dòng)力完全由機(jī)械動(dòng)力鏈傳輸。相應(yīng)地整個(gè)系統(tǒng)的效率達(dá)到最高值。
下文中將會(huì)看到，分流系統(tǒng)的速度節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸出與輸入軸之間的速比是個(gè)定值，該速比只與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有關(guān)。而扭矩節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸出輸入速比不但與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有關(guān)還與電動(dòng)鏈與儲(chǔ)能器之間能量的交換值有關(guān)。
動(dòng)力分流有三種基本形式，輸入動(dòng)力分流，輸出動(dòng)力分流和復(fù)合動(dòng)力分流。當(dāng)電動(dòng)鏈的一端與輸入軸耦合時(shí)，動(dòng)力分流啟始于(或終止于)輸入軸，該系統(tǒng)稱(chēng)為輸入動(dòng)力分流。當(dāng)電動(dòng)鏈的一端與輸出軸耦合時(shí)，動(dòng)力分流終止于(或啟始于)輸出軸，該系統(tǒng)稱(chēng)為輸出動(dòng)力分流。輸入動(dòng)力分流和輸出動(dòng)力分流系統(tǒng)可由簡(jiǎn)單行星輪系構(gòu)成，它們能提供至少一個(gè)速度節(jié)點(diǎn)和一個(gè)扭矩節(jié)點(diǎn)(兩者可能合而為一)。復(fù)合動(dòng)力分流系統(tǒng)則需由復(fù)合行星輪系構(gòu)成。電動(dòng)鏈的任何一端都不與輸入或輸出軸直接相聯(lián)。復(fù)合動(dòng)力分流系統(tǒng)能提供至少兩個(gè)速度節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)扭矩節(jié)點(diǎn)(速度節(jié)點(diǎn)可能與扭矩節(jié)點(diǎn)重合)。
動(dòng)力分流比電動(dòng)鏈所傳輸?shù)膭?dòng)力與變速器輸入軸動(dòng)力之比稱(chēng)為電力分流比或動(dòng)力分流比，以PR表示。變速器輸出軸與輸入軸的轉(zhuǎn)速比以SR表示。三種不同的分流方式對(duì)應(yīng)著PR和SR之間的三種不同的函數(shù)關(guān)系。對(duì)于輸入動(dòng)力分流系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，PR是SR的倒數(shù)函數(shù)。對(duì)輸出動(dòng)力分流系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，PR是SR的線(xiàn)性函數(shù)。而對(duì)復(fù)合動(dòng)力分流系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，PR可表述為SR的倒數(shù)函數(shù)和線(xiàn)性函數(shù)的線(xiàn)性組合。
從限制動(dòng)力分流比PR的角度看，輸入動(dòng)力分流不適合用于零速和節(jié)點(diǎn)以下的低速區(qū)。因?yàn)榈退賲^(qū)SR很小，當(dāng)SR接近零時(shí)，PR趨于無(wú)窮。相反，輸出動(dòng)力分流則非常適合零速和節(jié)點(diǎn)以低速區(qū)。此時(shí)PR總是小于1。復(fù)合動(dòng)力分流系統(tǒng)適合于其兩節(jié)點(diǎn)之間的中速區(qū)。
轉(zhuǎn)速梯圖和分枝一個(gè)簡(jiǎn)單的行星輪系有三個(gè)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)件圈輪，行星輪架和太陽(yáng)輪。它們組成一個(gè)三枝系統(tǒng)(Branch1，Branch2，Branch3)。如果將這三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)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(kāi)來(lái)，行星輪架轉(zhuǎn)速向量在中間，圈輪，太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)速向量在兩邊，即構(gòu)成所謂的轉(zhuǎn)速梯圖(圖一)。太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速向量至行星輪架轉(zhuǎn)速向量之間的距離與圈輪轉(zhuǎn)速向量至行星輪架轉(zhuǎn)速向量之間的距離之比恰為該行星輪系的特征速比(即圈輪齒數(shù)與太陽(yáng)輪齒數(shù)比K)。轉(zhuǎn)速梯圖中的每個(gè)轉(zhuǎn)速向量稱(chēng)為梯圖的一個(gè)分枝，簡(jiǎn)稱(chēng)枝(Branch)。轉(zhuǎn)速向量的終點(diǎn)始終落在一條直線(xiàn)上。這條直線(xiàn)稱(chēng)為速度梯線(xiàn)，或速度線(xiàn)。
然而，當(dāng)兩個(gè)簡(jiǎn)單行星輪系進(jìn)行特殊耦合時(shí)亦可產(chǎn)生五個(gè)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)件，從而構(gòu)成一個(gè)五枝系統(tǒng)(Branch1至Branch5)。各轉(zhuǎn)動(dòng)件之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系可由一個(gè)如圖二所示的五枝轉(zhuǎn)速梯圖來(lái)表示。轉(zhuǎn)速梯圖，無(wú)論有多少個(gè)分枝，只有兩個(gè)自由度，給定任何兩枝的轉(zhuǎn)速向量，其余各枝的轉(zhuǎn)速向量就確定了。
在五枝轉(zhuǎn)速梯圖中，各枝所代表的轉(zhuǎn)速向量的終點(diǎn)同樣也落在一條速度直線(xiàn)上。因此，給定任何兩枝的轉(zhuǎn)速向量，就可確定其余三枝的轉(zhuǎn)速向量了。
本發(fā)明介紹的高效節(jié)能機(jī)電混合無(wú)級(jí)變速器包括兩個(gè)同軸行星輪系，兩個(gè)電機(jī)，一個(gè)控制器，兩個(gè)動(dòng)力傳輸軸，和至少兩個(gè)離合器。每個(gè)行星輪系各自包括一個(gè)圈輪、一個(gè)太陽(yáng)輪、一組行星輪、和一個(gè)行星輪架。每個(gè)行星輪系至少有三個(gè)同軸的轉(zhuǎn)動(dòng)部件。其特征是這兩個(gè)行星輪系耦合成一個(gè)五枝系統(tǒng)并與無(wú)級(jí)變速器的電機(jī)及動(dòng)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(gè)電機(jī)聯(lián)接，五枝系統(tǒng)的最后一枝即第五枝與第二個(gè)電機(jī)相聯(lián)，五枝系統(tǒng)的中間一枝即第三枝與第一個(gè)動(dòng)力傳輸軸相聯(lián)，第二個(gè)動(dòng)力傳輸軸則通過(guò)離合器有選則性地與五枝系統(tǒng)的其他枝耦合。兩電機(jī)之間通過(guò)控制器電氣聯(lián)接并相互傳遞電能。
上述高效節(jié)能機(jī)電混合無(wú)級(jí)變速器的第一個(gè)動(dòng)力傳輸軸為輸入軸。第二個(gè)動(dòng)力傳輸軸為輸出軸。該無(wú)級(jí)變速器還至少包括兩對(duì)輸出齒輪。每對(duì)輸出齒輪由一個(gè)主動(dòng)輪和一個(gè)與之嚙合的從動(dòng)輪組成。第一對(duì)輸出齒輪中的主動(dòng)輪與五枝系統(tǒng)的第一枝相聯(lián)；第二對(duì)輸出齒輪中的主動(dòng)輪與五枝系統(tǒng)的第四枝相聯(lián)。輸出軸通過(guò)離合器分別與兩對(duì)輸出齒輪中的從動(dòng)輪有選擇的聯(lián)接。第一對(duì)輸出齒輪的齒數(shù)比與第二對(duì)齒輪的齒數(shù)比保持如下的關(guān)系Kout_2Kout_1=L1→5L4→5]]>其中，L1→5為五枝系統(tǒng)的第一枝至第五枝之間的距離；L4→5為第四枝至第五枝之間的距離。Kout_1為第一對(duì)輸出齒輪的齒數(shù)比；Kout_2為第二對(duì)齒輪的齒數(shù)比。
上述高效節(jié)能機(jī)電混合無(wú)級(jí)變速器，其特征是還可包括至少三對(duì)輸出齒輪。每對(duì)輸出齒輪包括一個(gè)主動(dòng)輪和一個(gè)與之嚙合的從動(dòng)輪。主動(dòng)輪分別與五枝系統(tǒng)的第一、第二枝和第四枝相聯(lián)，編號(hào)為奇數(shù)的主動(dòng)輪與第一或第二枝相聯(lián)；編號(hào)為偶數(shù)的主動(dòng)輪與第四枝相聯(lián)。輸出軸通過(guò)離合器按編號(hào)順序有選擇地與從動(dòng)輪耦合以輸出動(dòng)力。當(dāng)輸出軸與編號(hào)為奇數(shù)的從動(dòng)齒輪耦合時(shí)，動(dòng)力由五枝系統(tǒng)的第一枝或第二枝經(jīng)相同編號(hào)的主動(dòng)和從動(dòng)輸出齒輪對(duì)傳送至輸出軸；當(dāng)輸出軸與編號(hào)為偶數(shù)的從動(dòng)齒輪耦合時(shí)，動(dòng)力由五枝系統(tǒng)的第四枝經(jīng)相同編號(hào)的主動(dòng)和從動(dòng)輸出齒輪對(duì)傳送至輸出軸。相鄰的兩對(duì)輸出齒輪的齒數(shù)比保持如如下關(guān)系Kout_2Kout_1=L1→5L4→5]]>Kout_(2n+1)Kout_(2n)=L4→1L2→1]]>Kout_(2n+2)Kout(2n+1)=L2→5L4→5]]>其中L1→5為五枝系統(tǒng)的第一枝至第五枝之間的距離；L4→5為第四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。L2→5為第二枝至第五枝之間的距離；L4→5為第四枝至第五枝之間的距離。Kout_()表示每一對(duì)輸出齒輪的齒數(shù)比。括號(hào)中的算式值代表輸出齒輪對(duì)的編號(hào)。其中n為大于零的正整數(shù)。
上述高效節(jié)能機(jī)電混合無(wú)級(jí)變速器，還可包括一個(gè)儲(chǔ)能器。該儲(chǔ)能器通過(guò)控制器與分別與兩電機(jī)相聯(lián)，并按需求向電機(jī)提供或接受電機(jī)提供的電能。
上述高效節(jié)能機(jī)電混合無(wú)級(jí)變速器，其特征是提供一個(gè)輸出動(dòng)力分流速度區(qū)和至少一個(gè)復(fù)合動(dòng)力分流的速度區(qū)。輸出動(dòng)力分流速區(qū)與復(fù)合動(dòng)力分流速區(qū)的銜接點(diǎn)為電機(jī)的速度零點(diǎn)。
上述高效節(jié)能機(jī)電混合無(wú)級(jí)變速器，其特征是提供不少于兩個(gè)復(fù)合動(dòng)力分流的速度區(qū)。復(fù)合動(dòng)力分流速區(qū)且彼此銜接，并且銜接點(diǎn)為電機(jī)的速度零點(diǎn)。每個(gè)復(fù)合動(dòng)力分流速度區(qū)的跨度相同或相近。即i＝j其中i為一復(fù)合動(dòng)力分流速度區(qū)的跨度，j為另一復(fù)合動(dòng)力分流速度區(qū)的跨度。同時(shí)，每個(gè)復(fù)合動(dòng)力分流速度區(qū)電動(dòng)鏈的最大動(dòng)力分流比PRmax相等或相近。當(dāng)電動(dòng)鏈無(wú)電力與外界交換時(shí)，各復(fù)合動(dòng)力分流速度區(qū)中，電動(dòng)鏈最大動(dòng)力分流比PRmax與速度區(qū)跨度之間保持如下的關(guān)系 同時(shí)，電機(jī)額定功率不小于電動(dòng)鏈最大動(dòng)力分流比與輸入軸額定功率的乘積。
上述高效節(jié)能機(jī)電混合無(wú)級(jí)變速器，其特征是第一行星輪系的每一個(gè)行星輪與第二行星輪系的相應(yīng)的行星輪連接，構(gòu)成行星輪對(duì)。并且，第一行星輪系的行星輪架與第二行星輪系的行星輪架相連，構(gòu)成一個(gè)公共行星輪架。第一電機(jī)與第一行星輪系的圈輪相連接；第二電機(jī)與第一行星輪系的太陽(yáng)輪相連接。第一動(dòng)力傳輸軸與公共行星輪架相連接。
上述高效節(jié)能機(jī)電混合無(wú)級(jí)變速器，其特征是包括至少兩對(duì)輸出齒輪，每對(duì)輸出齒輪包括一個(gè)主動(dòng)輪和一個(gè)從動(dòng)輪。第一對(duì)輸出齒輪的主動(dòng)輪與第一行星輪系的圈輪連接；第二對(duì)輸出齒輪的主動(dòng)輪與第二行星輪系的太陽(yáng)輪連接；兩對(duì)輸出齒輪的從動(dòng)輪通過(guò)離合器分別與第二動(dòng)力傳輸軸相耦合。第一對(duì)輸出齒輪主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的齒數(shù)比Kout_1和第二對(duì)輸出齒輪主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的齒數(shù)比Kout_2保持如下關(guān)系Kout_2Kout_1=K12-1K1(K1-K2)]]>其中K1和K2分別為第一和第二行星輪系的特征速比。
上述高效節(jié)能機(jī)電混合無(wú)級(jí)變速器，其特征是包括至少三對(duì)輸出齒輪，每對(duì)輸出齒輪包括一個(gè)主動(dòng)輪和一個(gè)從動(dòng)輪。第一對(duì)輸出齒輪的主動(dòng)輪與第一行星輪系的圈輪連接；第二對(duì)輸出齒輪的主動(dòng)輪與第二行星輪系的太陽(yáng)輪連接；第三對(duì)輸出齒輪的主動(dòng)輪與第二行星輪系的圈輪連接；三對(duì)輸出齒輪的從動(dòng)輪通過(guò)離合器分別與第二動(dòng)力傳輸軸相耦合。第二對(duì)輸出齒輪主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的齒數(shù)比Kout_2和第三對(duì)輸出齒輪主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的齒數(shù)比Kout_3保持如下關(guān)系Kout_3Kout_2=K2(K1K2-1)K1-K2]]>上述高效節(jié)能機(jī)電混合無(wú)級(jí)變速器，其特征是至少有一個(gè)離合器可以是嚙合式離合器。
本發(fā)明所提供的高效節(jié)能機(jī)電混合無(wú)級(jí)變速器在速度調(diào)節(jié)方面可實(shí)現(xiàn)從倒退，停止到前進(jìn)的不間斷的無(wú)級(jí)變速，且無(wú)需通常的啟動(dòng)裝置(如離合器或液力耦合器等)。當(dāng)該變速器的無(wú)級(jí)變速功能與內(nèi)燃機(jī)控制(Enginecontrol)有效的配合時(shí)，可大幅度的提高整車(chē)的燃油效率。
在動(dòng)力(power)調(diào)節(jié)方面，本系統(tǒng)可通過(guò)儲(chǔ)能器有效地補(bǔ)充驅(qū)動(dòng)力輪所需的驅(qū)動(dòng)力而無(wú)需改變對(duì)內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力要求(Power demand)，從而保持內(nèi)燃機(jī)的工作狀態(tài)不受或少受路況的影響。內(nèi)燃機(jī)可始終工作在設(shè)定的最佳工作狀態(tài)，以提高整車(chē)的效率。同時(shí)，本系統(tǒng)還可回收制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能，返送回儲(chǔ)能器中。所有這些舉措都能大幅度地提高整體車(chē)輛的燃油效率。
最后，本發(fā)明所介紹的無(wú)級(jí)變速器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，在生產(chǎn)和制造方面都較目前自動(dòng)變速器簡(jiǎn)單。這將為低價(jià)高性能產(chǎn)品打下良好的基礎(chǔ)。
與同類(lèi)機(jī)電混合動(dòng)力分流系統(tǒng)相比，本專(zhuān)利所介紹的無(wú)級(jí)變速器提供了多個(gè)復(fù)合動(dòng)力分流的速度區(qū)域，從而大大地拓寬了速比的范圍。同時(shí)還降低了對(duì)動(dòng)力調(diào)節(jié)裝置的功率和扭矩需求。在輸出相同的情況下，本系統(tǒng)所使用的電機(jī)更小巧，系統(tǒng)效率更高，重量輕。


圖1是描述簡(jiǎn)單行星輪系各同軸轉(zhuǎn)動(dòng)件之間轉(zhuǎn)速關(guān)系的三枝系統(tǒng)轉(zhuǎn)速梯圖。
圖2是描述復(fù)合行星輪系各同軸轉(zhuǎn)動(dòng)件之間轉(zhuǎn)速關(guān)系的五枝系統(tǒng)轉(zhuǎn)速梯圖。
圖3是第一實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)框架示意圖。
圖4是第一實(shí)施方案對(duì)應(yīng)的五枝系統(tǒng)速度梯圖。
圖5是第一實(shí)施方案輸出動(dòng)力分流區(qū)所對(duì)應(yīng)的三枝系統(tǒng)速度梯6是第一實(shí)施方案輸出動(dòng)力分流第一速區(qū)等效結(jié)構(gòu)框架示意圖。
圖7是第一實(shí)施方案復(fù)合動(dòng)力分流第二速區(qū)等效結(jié)構(gòu)框架示意圖。
圖8是第一實(shí)施方案復(fù)合動(dòng)力分流第三速區(qū)等效結(jié)構(gòu)框架示意圖。
圖9是第一實(shí)施方案電動(dòng)鏈電力分流比與變速器輸出、輸入轉(zhuǎn)速比之間的關(guān)系。
圖10是第二實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)框架示意圖。
圖11是第三實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)框架示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的核心可以有多種具體的實(shí)施方案和方式。
圖3為本發(fā)明第一種實(shí)施方案(典型方案1)的示意框圖。該方案由兩個(gè)行星輪系(PG1，PG2)，兩臺(tái)電機(jī)(EM1，EM2)，一個(gè)電機(jī)控制器(CTL)及一組離合器(CL1，CL2，CL3)組成。本方案還包括一個(gè)輸入軸(SHin)一個(gè)輸出軸(SHout)和三對(duì)用于傳遞動(dòng)力的輸出齒輪(Gout1和gout1，Gout2和gout2，Gout3和gout3)。每個(gè)行星輪系分別由一個(gè)圈輪(R1或R2)，一個(gè)太陽(yáng)輪(S1或S2)，一組行星輪(P1或P2)，和一個(gè)行星輪架(C)組成。圈輪與太陽(yáng)輪同軸。行星輪位于圈輪和太陽(yáng)輪之間，與圈輪作內(nèi)嚙合，與太陽(yáng)輪作外嚙合。每臺(tái)電機(jī)則包括一個(gè)轉(zhuǎn)子(RT1或RT2)和一個(gè)定子(ST1或ST2)。每對(duì)輸出齒輪均由一個(gè)主動(dòng)輪和一個(gè)從動(dòng)輪組成，主動(dòng)輪以大寫(xiě)的英文字母G表示；從動(dòng)輪則以小寫(xiě)的英文字母g表示。
當(dāng)用于機(jī)電混合動(dòng)力車(chē)輛時(shí)，本方案中還包括一個(gè)儲(chǔ)能器(BT)，用于能量的儲(chǔ)存和回收。
具體地說(shuō)，第一個(gè)行星輪系(PG1)包括第一圈輪(R1)，第一太陽(yáng)輪(S1)，第一組行星輪(P1)和一個(gè)公用行星輪架(C)。第二個(gè)行星輪系(PG2)包括第二圈輪(R2)，第二太陽(yáng)輪(S1)，第二組行星輪(P2)和公用行星輪架(C)。第一組行星輪中的每個(gè)行星輪(P1)分別與第二組行星輪中相應(yīng)的行星輪(P2)連接，組成行星輪對(duì)。每一對(duì)行星輪中的兩個(gè)行星輪具有相同的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)角速度。各對(duì)行星輪由行星輪架(C)通過(guò)軸承支持，并盡可能均勻地分布在圈輪與太陽(yáng)輪之間的環(huán)形空間內(nèi)。這樣，第一和第二行星輪系耦合成一個(gè)五枝系統(tǒng)(見(jiàn)圖4)。第一圈輪(R1)構(gòu)成五枝系統(tǒng)的第一枝，第二圈輪(R2)構(gòu)成五枝系統(tǒng)的第二枝，公用行星架(C)構(gòu)成五枝系統(tǒng)的第三枝，第二太陽(yáng)輪(S2)構(gòu)成五枝系統(tǒng)的第四枝。第一太陽(yáng)輪(S1)構(gòu)成五枝系統(tǒng)的第五枝。如此構(gòu)成的五枝系統(tǒng)可表述為R1-R2-C-S2-S1上述五枝系統(tǒng)的各個(gè)分枝與電機(jī)以及輸入、輸出軸之間作如下連接第一個(gè)電機(jī)(EM1)通過(guò)與第一圈輪(R1)的連接，聯(lián)于五枝系統(tǒng)的第一枝。第二個(gè)電機(jī)(EM2)通過(guò)與第一太陽(yáng)輪(S1)連接，聯(lián)于五枝系統(tǒng)的第五枝，即最后的一枝。輸入軸(SHin)通過(guò)與公用行星輪架(C)的連接，接入五枝系統(tǒng)的第三枝，即中間的一枝。輸出軸〔SHout〕則根據(jù)工況需要或連接于五枝系統(tǒng)的第一枝或連接于五枝系統(tǒng)的第二枝或連接于五枝系統(tǒng)的第四枝。輸出軸(SHout)上有三個(gè)從動(dòng)齒輪(gout1，gout2和gout2)，它們分別通過(guò)三個(gè)離合器(CL1，CL2和CL3)有選擇地與輸出軸(SHout)耦合以傳遞輸出動(dòng)力。這三個(gè)從動(dòng)齒輪分別與聯(lián)于第一圈輪(R1)，第二圈輪(R2)或第二太陽(yáng)輪(S2)上的主動(dòng)齒輪(Gout1，Gout2，或Gout3)嚙合。
當(dāng)輸出軸(SHout)與五枝系統(tǒng)的第一枝(R1)連接時(shí)，第一離合器(CL1)嚙合，第二，第三離合器(CL2，CL3)分離。動(dòng)力由第一圈輪(R1)經(jīng)第一對(duì)輸出齒輪(Gout1和gout1)傳送到輸出軸(SHout)。當(dāng)輸出軸(SHout)與五枝系統(tǒng)的第四枝(S2)連接時(shí)，第二離合器(CL2)嚙合，第一、第三離合器(CL1，CL3)分離。動(dòng)力由第二太陽(yáng)輪(S2)經(jīng)第二對(duì)輸出齒輪(Gout2和gout2)傳送至輸出軸(SHout)。當(dāng)輸出軸(SHout)與五枝系統(tǒng)的第二枝(R2)相聯(lián)時(shí)，第三離合器(CL3)嚙合，第一、第二離合器(CL1，CL2)分離。動(dòng)力由第二圈輪(R2)經(jīng)第三對(duì)輸出齒輪(Gout3和gout3)傳送至輸出軸(SHout)。
本實(shí)施方案可提供四個(gè)速度節(jié)點(diǎn)，其中包括一個(gè)自然速度節(jié)點(diǎn)(輸出軸為零速的速度節(jié)點(diǎn))和三個(gè)非自然速度節(jié)點(diǎn)，和四個(gè)速度區(qū)，其中三個(gè)為前行區(qū)，一個(gè)為逆行區(qū)。第一個(gè)前行區(qū)為低速區(qū)，采用的是輸出動(dòng)力分流方式。第二和第三個(gè)前行區(qū)分別為中速和高速區(qū)，均采用復(fù)合動(dòng)力分流的方式。逆行區(qū)則采用純電力傳動(dòng)。各速區(qū)銜接于速度節(jié)點(diǎn)，變速過(guò)程平穩(wěn)，連續(xù)無(wú)動(dòng)力間斷。
下面先介紹三個(gè)前行區(qū)，分別稱(chēng)為第一、第二和第三速區(qū)。
第一速區(qū)第一速區(qū)含蓋自然速度節(jié)點(diǎn)至第一速度節(jié)點(diǎn)之間的低速區(qū)。第一離合器(CL1)嚙合，使第一圈輪(R1)與輸出軸(SHout)耦合。第二、第三離合器(CL2，CL3)分離，使第二圈輪(R2)和第二太陽(yáng)輪(S2)脫離輸出軸(SHout)。動(dòng)力由第一圈輪(R1)經(jīng)第一對(duì)輸出齒輪(Gout1和gout1)傳至輸出軸(SHout)。
此時(shí)，第二行星輪系(PG2)處于空載狀態(tài)。動(dòng)力分流由第一行星輪系(PG1)單獨(dú)完成。原來(lái)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(gè)分枝分別為原五枝系統(tǒng)的第一、第三和第五枝。三枝系統(tǒng)的第一枝(R1)與第一電機(jī)(EM1)相聯(lián)；第二枝(C)與輸入軸(SHin)相聯(lián)；第三枝(S1)與第二電機(jī)(EM2)相聯(lián)。輸出軸(SHout)則耦合于第一電機(jī)所在的第一枝(R1)(如圖5所示)。第一速區(qū)采用的是輸出動(dòng)力分流的形式，其等效的動(dòng)力分流系統(tǒng)的示意框圖如圖6所示。
在車(chē)輛起動(dòng)前，第一電機(jī)(EM1)處于零轉(zhuǎn)速狀態(tài)。第二電機(jī)(EM2)處于空載運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速方向與內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)輸入軸動(dòng)方向相同。車(chē)輛起動(dòng)時(shí)，控制器發(fā)出指令，第一電機(jī)(EM1)提供啟動(dòng)扭矩。除少量?jī)?nèi)耗外，第一電機(jī)(EM1)并不消耗能量。此時(shí)，由于車(chē)輛仍處于靜止?fàn)顟B(tài)，驅(qū)動(dòng)輪尚無(wú)動(dòng)力要求，僅有扭矩要求。驅(qū)動(dòng)輪所需的啟動(dòng)扭矩完全來(lái)自第一電機(jī)(EM1)。內(nèi)燃機(jī)此時(shí)不提供任何啟動(dòng)扭矩，因此無(wú)能量(動(dòng)力)輸出。隨著電機(jī)扭矩的增加，車(chē)輛由靜到動(dòng)，向前起步。第一電機(jī)(EM1)隨之開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。而第二電機(jī)(EM2)的轉(zhuǎn)速則開(kāi)始逐漸減小以滿(mǎn)足車(chē)輛增速的需要。此時(shí)，第一電機(jī)(EM1)開(kāi)始消耗電能。這部份消耗的電能由第二電機(jī)(EM2)通過(guò)電力控制器(CTL)全部或部分提供。為平衡第二電機(jī)(EM2)的扭矩載荷，內(nèi)燃機(jī)此時(shí)提供必要的扭矩。車(chē)輛啟動(dòng)后，驅(qū)動(dòng)輪的扭矩由內(nèi)燃機(jī)和第一電機(jī)(EM1)分擔(dān)，從而使第一電機(jī)(EM1)的扭矩逐漸降低。
隨著車(chē)輛速度的提高，第一電機(jī)(EM1)的轉(zhuǎn)速不斷提高而其扭矩則不斷下降。相反，第二電機(jī)(EM2)的轉(zhuǎn)速不斷降低，直至減小到零。此時(shí)，第二電機(jī)(EM2)到達(dá)其速度零點(diǎn)。相應(yīng)地，變速器到達(dá)其第一個(gè)速度節(jié)點(diǎn)(非自然速度節(jié)點(diǎn))。如果電動(dòng)鏈中無(wú)電力的輸入或輸出，第一電機(jī)(EM1)的扭矩零點(diǎn)將與第二電機(jī)(EM2)的速度零點(diǎn)重合。電動(dòng)鏈所傳送的動(dòng)力與變速器輸入軸動(dòng)力的比值PR由以下函數(shù)表示。
PR=1-(K1K1+1)(1Kout_1)·SR]]>0≤SR≤SR1SR1=(K1+1K1)Kout_1]]>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。Kout_1為第一對(duì)輸出齒輪中主動(dòng)齒輪(Gout1)與從動(dòng)齒輪(gout1)的齒數(shù)比。SR1為第一速度節(jié)點(diǎn)。
第二速區(qū)第一速度節(jié)點(diǎn)是第一速區(qū)和第二速區(qū)的分界點(diǎn)。位于第一和第二速度節(jié)點(diǎn)之間的中速度區(qū)稱(chēng)為第二速區(qū)。在第二速區(qū)，變速器改用復(fù)合動(dòng)力分流的方式。當(dāng)變速器的速比達(dá)到第一節(jié)點(diǎn)值時(shí)，第二離合器(CL2)嚙合，使第二太陽(yáng)輪(S2)與輸出軸(SHout)耦合。緊隨第二離合器的嚙合，第一離合器(CL1)開(kāi)始分離，使第一圈輪(R1)脫離輸出軸(SHout)。動(dòng)力由第二太陽(yáng)輪(S2)經(jīng)第二對(duì)輸出齒輪(Gout1和gout1)傳至輸出軸(SHout)。
為保證第二離合器(CL2)嚙合時(shí)，從動(dòng)齒輪(gout2)與輸出軸(SHout)轉(zhuǎn)速同步，第一和第二對(duì)輸出齒輪(Gout1，gout1和Gout2，gout2)的齒數(shù)比之間應(yīng)滿(mǎn)足如下關(guān)系
Kout_2Kout_1=K12-1K1(K1-K2)]]>這個(gè)比值也是五枝系統(tǒng)第一枝至第五枝的距離與第四枝至第五枝的距離之比。
Kout_2Kout_1=L1→5L4→5]]>Kout_2為第二對(duì)輸出齒輪中主動(dòng)齒輪(Gout2)與從動(dòng)齒輪(gout2)的齒數(shù)比。
從五枝系統(tǒng)各分枝的連接情況來(lái)看，五枝系統(tǒng)的第一枝(R1)仍聯(lián)于第一電機(jī)(EM1)，第二枝(R2)處于空載狀態(tài)，第三枝(C)聯(lián)于輸入軸(SHin)，第四枝(S2)聯(lián)于輸出軸(SHout)。第五枝(S1)則聯(lián)于第二電機(jī)(EM2)。其等效的動(dòng)力分流系統(tǒng)示意框圖如圖7所示。
隨著車(chē)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(diǎn)值。第二電機(jī)(EM2)的轉(zhuǎn)速由零開(kāi)始向與內(nèi)燃機(jī)輸入軸轉(zhuǎn)向相同的方向回升。第一電機(jī)(EM1)的轉(zhuǎn)速則開(kāi)始下降。如果電動(dòng)鏈無(wú)電力輸入或輸出，第一電機(jī)(EM1)的扭矩此時(shí)應(yīng)該由零向反方向增加。此時(shí)，第一電機(jī)(EM1)起著發(fā)電機(jī)的作用，向第二電機(jī)(EM2)或系統(tǒng)提供電能。第二電機(jī)(EM2〕則起電動(dòng)機(jī)的作用，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。
在電動(dòng)鏈無(wú)電力輸入或輸出的情況下，電動(dòng)鏈與輸入軸的動(dòng)力分流比PR為，PR=(K1-1)(K1+1)(K2-1)·SRKout_2-(K1K2-1)+(K1-K2)(K1+1)(K2-1)+K1K2(K1-K2)(K12-1)(K2-1)·Kout_2SR]]>SR1≤SR≤SR2SR2=(K1K2-1K1-1)Kout_2]]>其中K2為第二行星輪系的特征速比。SR2為第二速度節(jié)點(diǎn)。
在第一節(jié)速度節(jié)點(diǎn)SR1和第二速度節(jié)點(diǎn)SR2的幾何平均值點(diǎn)，PR取得最大值。此最大值為 其中2為第二速度節(jié)點(diǎn)與第一速度節(jié)點(diǎn)的比值，稱(chēng)為第二速區(qū)的跨度或節(jié)間距。

當(dāng)?shù)谝浑姍C(jī)(EM1)的轉(zhuǎn)速隨車(chē)輛速度的進(jìn)一步增加而下降至零時(shí)，變速器的速比到達(dá)其第二個(gè)速度節(jié)點(diǎn)。從上述PR的表達(dá)式可看出，在第二速度節(jié)點(diǎn)，電動(dòng)鏈動(dòng)力分流比為零，全部動(dòng)力由機(jī)械動(dòng)力傳輸鏈傳送。
第三速度區(qū)第二速度節(jié)點(diǎn)是第二速度區(qū)和第三速度區(qū)的分界點(diǎn)。第二節(jié)點(diǎn)以上的高速區(qū)為第三速度區(qū)。第三速度區(qū)變速器仍采用復(fù)合動(dòng)力分流的方式。與第二速度區(qū)不同的是輸出軸由原來(lái)所在的五枝系統(tǒng)的第四枝改接至五枝系統(tǒng)的第二枝。為此，在變速器的第二速度節(jié)點(diǎn)，第三離合器(CL3)嚙合，第一、第二離合器(CL1、CL2)分離。動(dòng)力由第二圈輪(R2)經(jīng)第三對(duì)輸出齒輪(Gout3和gout3)傳送至輸出軸(SHout)。其等效的動(dòng)力分流系統(tǒng)示意框圖如圖8所示。
為保證第三離合器(CL3)嚙合時(shí)，從動(dòng)齒輪(gout3)與輸出軸(SHout)轉(zhuǎn)速同步，第二和第三對(duì)輸出齒輪(Gout2，gout2，Gout3，gout3)的齒數(shù)比之間應(yīng)滿(mǎn)足如下關(guān)系Kout_3Kout_2=K2(K1K2-1)K1-K2]]>這個(gè)比值正是五枝系統(tǒng)第四枝到第一枝的距離L4→1與第二枝到第一枝的距離L2→1之比。即Kout_3Kout_2=L4→1L2→1]]>上式中Kout_3為第三對(duì)輸出齒輪主動(dòng)輪(Gout3)與從動(dòng)輪(gout3)的齒數(shù)比。
在第二速度節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)附近，第一電機(jī)(EM1)的扭矩?fù)Q向。車(chē)輛速度繼續(xù)增加時(shí)，第一電機(jī)(EM1)轉(zhuǎn)速?gòu)男麻_(kāi)始上升；而第二電機(jī)(EM2)的轉(zhuǎn)速則開(kāi)始下降，直至零點(diǎn)。此時(shí)變速器到達(dá)其第三個(gè)速度節(jié)點(diǎn)(SR3)。
在電動(dòng)鏈無(wú)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=-(K1-1)K2(K1+1)(K2-1)·SRKout_3+(K1K2-1)+(K1-K2)(K1+1)(K2-1)-(K1-K2)(K1K2-1)K2(K2-1)(K12-1)·Kout_3SR]]>SR2≤SR從上方程式中不難看出，第三速度節(jié)點(diǎn)位于SR3=(K1K2-1)Kout_3K2(K1-1)]]>同樣地，在第二速度節(jié)點(diǎn)SR2和第三速度節(jié)點(diǎn)SR3的幾何平均值點(diǎn)，PR達(dá)最大值。
其中3為第三速度節(jié)點(diǎn)與第二速度節(jié)點(diǎn)的比值，稱(chēng)為第三速度區(qū)的跨度。
兩個(gè)復(fù)合動(dòng)力分流速度區(qū)(即第二和第三速度區(qū))的總跨度為 圖9為前行速度區(qū)電動(dòng)鏈動(dòng)力分流比PR與變速器轉(zhuǎn)速比SR的關(guān)系線(xiàn)圖。
逆行區(qū)自然節(jié)點(diǎn)SR0＝0以下的速區(qū)稱(chēng)為逆行區(qū)。第一離合器(CL1)嚙合。第二和第三離合器(CL2，CL3)分離。動(dòng)力由第一圈輪(R1)經(jīng)第一對(duì)輸出齒輪(Gout1和gout1)傳送至輸出軸(SHout)。
逆行區(qū)可延用第一速區(qū)的輸出動(dòng)力分流形式。為了限制電動(dòng)鏈動(dòng)力分流比PR，避免動(dòng)力回流或動(dòng)力內(nèi)循還，逆行區(qū)還可采用純電力驅(qū)動(dòng)的方式轉(zhuǎn)遞動(dòng)力。為此，第一電機(jī)(EM1)在控制器(CTL)的控制下從儲(chǔ)能器(BT)中獲取電能，經(jīng)第一對(duì)輸出齒輪(Gout1，gout1)向輸出軸(SHout)提供扭矩和動(dòng)力。
實(shí)際上，純電力驅(qū)動(dòng)的方式也可用于前行區(qū)。
空擋和泊車(chē)第一實(shí)施方案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(shí)，變速器處于空擋狀態(tài)。泊車(chē)則可通過(guò)同時(shí)嚙合第一、第二和第三離合器(CL1，CL2和CL3)來(lái)完成。(如表一所示)。
其他工作狀態(tài)此外，第一實(shí)施方案中的變速器還可用于內(nèi)燃機(jī)的點(diǎn)火啟動(dòng)。內(nèi)燃機(jī)的點(diǎn)火啟動(dòng)可由兩臺(tái)電機(jī)中的某一個(gè)或兩個(gè)來(lái)完成。例如，當(dāng)變速器處于空擋時(shí)，兩臺(tái)電機(jī)可配合啟動(dòng)內(nèi)燃機(jī)。而當(dāng)變速器處于純電力驅(qū)動(dòng)時(shí)，可用第二電機(jī)(EM2)來(lái)啟動(dòng)內(nèi)燃機(jī)。
可見(jiàn)，當(dāng)配備儲(chǔ)能裝置時(shí)，本專(zhuān)利所介紹的變速器不但可提供機(jī)電混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)工作狀態(tài)還可以提供純電力驅(qū)動(dòng)工作狀態(tài)。并且，在機(jī)電混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)工作狀態(tài)中，兩電機(jī)之間所傳遞的動(dòng)力(電力)不需保持平衡。一個(gè)電機(jī)所轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電能可能會(huì)多于或少于另一電機(jī)所轉(zhuǎn)換消耗的電能。此時(shí)，一個(gè)電機(jī)的速度零點(diǎn)不再是另一電機(jī)的扭矩零點(diǎn)。電機(jī)扭矩零點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的變速器速比節(jié)點(diǎn)的位置發(fā)生變化，但電機(jī)速度零點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的速比節(jié)點(diǎn)位置不變。
由于當(dāng)電動(dòng)鏈與儲(chǔ)能器有能量交換時(shí)電機(jī)同時(shí)承擔(dān)速度調(diào)節(jié)和動(dòng)力調(diào)節(jié)的功能，因此，電機(jī)的額定功率應(yīng)不小于電動(dòng)鏈最大動(dòng)力分流比與輸入軸額定功率的乘積。
表一列出了變速器的工作狀態(tài)和離合器嚙合組合以及電機(jī)工作狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
表一電機(jī)、離合器工作狀態(tài)一覽表

不難看出，在各個(gè)速度區(qū)的銜接點(diǎn)進(jìn)行速區(qū)變換時(shí)，相應(yīng)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，該變速器可采用簡(jiǎn)單嚙合式離合器，而無(wú)需較為復(fù)雜的磨擦式離合器以及與之相配的液力系統(tǒng)。這樣可有效地減小變速器的內(nèi)耗。
圖10所示的為本發(fā)明的第二實(shí)施方案。與實(shí)施方案一相比，第二實(shí)施方案多增加了一對(duì)輸出齒輪和一個(gè)離合器，即第四對(duì)輸出齒輪(Gout4和gout4)和第四離合器(CL4)。相應(yīng)地，第二實(shí)施方案多增加了一個(gè)復(fù)合動(dòng)力分流的速度區(qū)。換言之，第二方案能提供四個(gè)前行區(qū)和一個(gè)逆行區(qū)。這四個(gè)前行區(qū)中包括一個(gè)輸出動(dòng)力分流速度區(qū)和三個(gè)復(fù)合動(dòng)力分流速度區(qū)。
第四對(duì)輸出齒輪的主動(dòng)齒輪(Gout4)與第二太陽(yáng)輪(S2)相聯(lián)，接入五枝系統(tǒng)的第四枝，從動(dòng)輪(gout4)則通過(guò)第四離合器(CL4)與輸出軸(SHout)作有選擇的連接。除新增加的復(fù)合動(dòng)力分流速度區(qū)，即第四速區(qū)外，第二方實(shí)施方案其他速度區(qū)電機(jī)的工作狀態(tài)和離合器的離合情況與第一實(shí)施方案完全相同。因此，不再?gòu)?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(diǎn)是第三和第四速度區(qū)的分界點(diǎn)和銜接點(diǎn)。第四速度區(qū)是位于第三節(jié)點(diǎn)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(dòng)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(shí)第四離合器(CL4)嚙合，第一、第二和第三離合器(CL1，CL2，CL3)分離。動(dòng)力由第二太陽(yáng)輪(S2)經(jīng)第四對(duì)輸出齒輪(Gout4和gout4)，傳送至輸出軸(SHout)。
如上所述，變速器的第三速度節(jié)點(diǎn)是第二電機(jī)(EM2)的速度零點(diǎn)。當(dāng)變速器的速比進(jìn)一步增加時(shí)，第二電機(jī)(EM2)的轉(zhuǎn)速回升，扭矩?fù)Q向。因此，第二電機(jī)(EM2)改變其工作狀態(tài)，由發(fā)電機(jī)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)。在第三速度零點(diǎn)處，第一電機(jī)(EM1)的轉(zhuǎn)速開(kāi)始下降。并且，在第三速度節(jié)點(diǎn)處(當(dāng)電動(dòng)鏈無(wú)電力輸出或輸入時(shí))或第三速度節(jié)點(diǎn)附近(當(dāng)電動(dòng)鏈有電力輸入輸出時(shí))，第一電機(jī)到達(dá)其扭矩零點(diǎn)。穿過(guò)扭矩零點(diǎn)后，第一電機(jī)(EM1)的扭矩向反方向增加。此時(shí)，第一電機(jī)(EM1)改變工作狀態(tài)，由電動(dòng)機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)。
為保證在第三速度節(jié)點(diǎn)處輸出齒輪變換時(shí)(由第三對(duì)輸出齒輪向第四對(duì)輸出齒輪變換)，第三和第四從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速同步，第三對(duì)輸出齒輪的主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的齒數(shù)比Kout_3和第四對(duì)輸出齒輪的主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的齒數(shù)比Kout_4之間應(yīng)滿(mǎn)足如下關(guān)系Kout_4Kout_3=K1K2-1K2(K1-K2)]]>這個(gè)比值正是五枝系統(tǒng)中第二枝到第五枝的距離與第四枝到第五枝的距離之比，即Kout_4Kout_3=L2→5L4→5]]>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，在電動(dòng)鏈無(wú)電力輸入或輸出的情況下，電動(dòng)鏈動(dòng)力分流比的計(jì)算公式與第二速度區(qū)動(dòng)力分流比的計(jì)算公式相似PR=(K1-1)(K1+1)(K2-1)·SRKout_4-(K1K2-1)+(K1-K2)(K1+1)(K2-1)+(K1K2-1)(K1-K2)(K12-1)(K2-1)·Kout_4SR]]>SR3≤SR同樣地，如果在第二實(shí)施方案的基礎(chǔ)上再增加一對(duì)，即第五對(duì)輸出齒輪(Gout5和gout5)和一個(gè)離合器(CL5)，并將第五對(duì)輸出齒輪的主動(dòng)輪(Gout5)連接到第二圈輪(R2)所在的五枝系統(tǒng)的第二枝，從動(dòng)輪(gout5)通過(guò)離合器(CL5)有選擇地與輸出軸(SHout)相耦合，即可衍生出本發(fā)明的第三實(shí)施方案(圖11)。與第二實(shí)施方案相比，第三實(shí)施方案又獲得了一個(gè)復(fù)合動(dòng)力分流的速度區(qū)，即第五速區(qū)。
第四速度區(qū)與第五速度區(qū)的分界點(diǎn)為第四速度節(jié)點(diǎn)。第四速度節(jié)點(diǎn)的位置在SR4=(K1K2-1K1-1)Kout_4]]>第四速度區(qū)向第五速度區(qū)過(guò)渡時(shí)，第五離合器(CL5)嚙合，第一至第四離合器(CL1，CL2，CL3，CL4)分離。在第五速度區(qū)，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(guò)渡時(shí)，從動(dòng)齒輪(gout5)與輸出軸(SHout)同步，第五對(duì)輸出齒輪的齒數(shù)比Kout_5與第四對(duì)輸出齒輪的齒數(shù)比Kout_4滿(mǎn)足如下關(guān)系Kout_5Kout_4=L4→1L2→1]]>采用類(lèi)似的方法可不斷地增加新的速度區(qū)，從而衍生出新的實(shí)施方案。這里不再?gòu)?fù)述。它們都屬于本發(fā)明的含蓋范圍。
歸納起來(lái)，上述各實(shí)施方案的基本特征是構(gòu)造一個(gè)五枝系統(tǒng)，并將五枝系統(tǒng)的各分枝與輸入軸、輸出軸和兩個(gè)電機(jī)作如下連接第一電機(jī)聯(lián)第一枝；第二電機(jī)聯(lián)最后的一枝(第五枝)；輸入軸聯(lián)中間的一枝(第三枝)；輸出軸則根據(jù)情況選擇性地聯(lián)接第一枝、第二枝或第四枝。
實(shí)際上，可對(duì)上述設(shè)計(jì)思想進(jìn)一步衍生。固定輸出軸于五枝系統(tǒng)的中枝，而交替連接輸入軸至第二枝或第四枝亦能起到相似的變換速度區(qū)的效果。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)級(jí)變速器，包括兩個(gè)同軸行星輪系，兩個(gè)電機(jī)，一個(gè)控制器，兩個(gè)動(dòng)力傳輸軸，和至少兩個(gè)離合器。每個(gè)行星輪系各自包括一個(gè)圈輪、一個(gè)太陽(yáng)輪、一組行星輪、和一個(gè)行星輪架。每個(gè)行星輪系至少有三個(gè)同軸的轉(zhuǎn)動(dòng)部件。其特征是這兩個(gè)行星輪系耦合成一個(gè)五枝系統(tǒng)并與無(wú)級(jí)變速器的電機(jī)及動(dòng)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(gè)電機(jī)聯(lián)接，五枝系統(tǒng)的最后一枝即第五枝與第二個(gè)電機(jī)相聯(lián)，五枝系統(tǒng)的中間一枝即第三枝與第一個(gè)動(dòng)力傳輸軸相聯(lián)，第二個(gè)動(dòng)力傳輸軸則通過(guò)離合器有選則性地與五枝系統(tǒng)的其他枝耦合。兩電機(jī)之間通過(guò)控制器電氣聯(lián)接并相互傳遞電能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)級(jí)變速器，其特征是第一個(gè)動(dòng)力傳輸軸為輸入軸。第二個(gè)動(dòng)力傳輸軸為輸出軸。該無(wú)級(jí)變速器還至少包括兩對(duì)輸出齒輪。每對(duì)輸出齒輪由一個(gè)主動(dòng)輪和一個(gè)與之嚙合的從動(dòng)輪組成。第一對(duì)輸出齒輪中的主動(dòng)輪與五枝系統(tǒng)的第一枝相聯(lián)；第二對(duì)輸出齒輪中的主動(dòng)輪與五枝系統(tǒng)的第四枝相聯(lián)。輸出軸通過(guò)離合器分別與兩對(duì)輸出齒輪中的從動(dòng)輪有選擇的聯(lián)接。第一對(duì)輸出齒輪的齒數(shù)比與第二對(duì)齒輪的齒數(shù)比保持如下的關(guān)系Kout_2Kout_1=L1→5L4→5]]>Kout_1為第一對(duì)其中，L1→5為五枝系統(tǒng)的第一枝至第五枝之間的距離；L4→5為第四枝至第五枝之間的距離輸出齒輪的齒數(shù)比；Kout_2為第二對(duì)齒輪的齒數(shù)比。
3.據(jù)權(quán)利要求2所述的無(wú)級(jí)變速器，其特征是包括至少三對(duì)輸出齒輪。每對(duì)輸出齒輪包括一個(gè)主動(dòng)輪和一個(gè)與之嚙合的從動(dòng)輪。主動(dòng)輪分別與五枝系統(tǒng)的第一、第二枝和第四枝相聯(lián)，編號(hào)為奇數(shù)的主動(dòng)輪與第一或第二枝相聯(lián)；編號(hào)為偶數(shù)的主動(dòng)輪與第四枝相聯(lián)。輸出軸通過(guò)離合器按編號(hào)順序有選擇地與從動(dòng)輪耦合以輸出動(dòng)力。當(dāng)輸出軸與編號(hào)為奇數(shù)的從動(dòng)齒輪耦合時(shí)，動(dòng)力由五枝系統(tǒng)的第一枝或第二枝經(jīng)相同編號(hào)的主動(dòng)和從動(dòng)輸出齒輪對(duì)傳送至輸出軸；當(dāng)輸出軸與編號(hào)為偶數(shù)的從動(dòng)齒輪耦合時(shí)，動(dòng)力由五枝系統(tǒng)的第四枝經(jīng)相同編號(hào)的主動(dòng)和從動(dòng)輸出齒輪對(duì)傳送至輸出軸。相鄰的兩對(duì)輸出齒輪的齒數(shù)比保持如如下關(guān)系Kout_2Kout_1=L1→5L4→5]]>Kout_(2n+1)Kout_(2n)=L4→1L2→1]]>Kout_(2n+2)Kout_(2n+1)=L2→5L4→5]]>其中L1→5為五枝系統(tǒng)的第一枝至第五枝之間的距離；L4→5為第四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。L2→5為第二枝至第五枝之間的距離；L4→5為第四枝至第五枝之間的距離。Kout_()表示每一對(duì)輸出齒輪的齒數(shù)比。括號(hào)中的算式值代表輸出齒輪對(duì)的編號(hào)。其中n為大于零的正整數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)級(jí)變速器，它還包括一個(gè)儲(chǔ)能器。該儲(chǔ)能器通過(guò)控制器與分別與兩電機(jī)相聯(lián)，并按需求向電機(jī)提供或接受電機(jī)提供的電能。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)級(jí)變速器，其特征是提供一個(gè)輸出動(dòng)力分流速度區(qū)和至少一個(gè)復(fù)合動(dòng)力分流的速度區(qū)。輸出動(dòng)力分流速區(qū)與復(fù)合動(dòng)力分流速區(qū)的銜接點(diǎn)為電機(jī)的速度零點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)級(jí)變速器，其特征是提供不少于兩個(gè)復(fù)合動(dòng)力分流的速度區(qū)。復(fù)合動(dòng)力分流速區(qū)且彼此銜接，并且銜接點(diǎn)為電機(jī)的速度零點(diǎn)。每個(gè)復(fù)合動(dòng)力分流速度區(qū)的跨度相同或相近。即i＝j其中i為一復(fù)合動(dòng)力分流速度區(qū)的跨度，j為另一復(fù)合動(dòng)力分流速度區(qū)的跨度。同時(shí)，每個(gè)復(fù)合動(dòng)力分流速度區(qū)電動(dòng)鏈的最大動(dòng)力分流比PRmax相等或相近。當(dāng)電動(dòng)鏈無(wú)電力與外界交換時(shí)，各復(fù)合動(dòng)力分流速度區(qū)中，電動(dòng)鏈最大動(dòng)力分流比PRmax與速度區(qū)跨度之間保持如下的關(guān)系 同時(shí)，電機(jī)額定功率不小于電動(dòng)鏈最大動(dòng)力分流比與輸入軸額定功率的乘積。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無(wú)級(jí)變速器，其特征是第一行星輪系的每一個(gè)行星輪與第二行星輪系的相應(yīng)的行星輪連接，構(gòu)成行星輪對(duì)。并且，第一行星輪系的行星輪架與第二行星輪系的行星輪架相連，構(gòu)成一個(gè)公共行星輪架。第一電機(jī)與第一行星輪系的圈輪相連接；第二電機(jī)與第一行星輪系的太陽(yáng)輪相連接。第一動(dòng)力傳輸軸與公共行星輪架相連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的無(wú)級(jí)變速器，其特征是包括至少兩對(duì)輸出齒輪，每對(duì)輸出齒輪包括一個(gè)主動(dòng)輪和一個(gè)從動(dòng)輪。第一對(duì)輸出齒輪的主動(dòng)輪與第一行星輪系的圈輪連接；第二對(duì)輸出齒輪的主動(dòng)輪與第二行星輪系的太陽(yáng)輪連接；兩對(duì)輸出齒輪的從動(dòng)輪通過(guò)離合器分別與第二動(dòng)力傳輸軸相耦合。第一對(duì)輸出齒輪主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的齒數(shù)比Kout_1和第二對(duì)輸出齒輪主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的齒數(shù)比Kout_2保持如下關(guān)系Kout_2Kout_1=K12-1K1(K1-K2)]]>其中K1和K2分別為第一和第二行星輪系的特征速比。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的無(wú)級(jí)變速器，其特征是包括至少三對(duì)輸出齒輪，每對(duì)輸出齒輪包括一個(gè)主動(dòng)輪和一個(gè)從動(dòng)輪。第一對(duì)輸出齒輪的主動(dòng)輪與第一行星輪系的圈輪連接；第二對(duì)輸出齒輪的主動(dòng)輪與第二行星輪系的太陽(yáng)輪連接；第三對(duì)輸出齒輪的主動(dòng)輪與第二行星輪系的圈輪連接；三對(duì)輸出齒輪的從動(dòng)輪通過(guò)離合器分別與第二動(dòng)力傳輸軸相耦合。第二對(duì)輸出齒輪主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的齒數(shù)比Kout_2和第三對(duì)輸出齒輪主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的齒數(shù)比Kout_3保持如下關(guān)系Kout_3Kout_2=K2(K1K2-1)K1-K2]]>
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)級(jí)變速器，其特征是至少有一個(gè)離合器是嚙合式離合器。
全文摘要
一種機(jī)電混合動(dòng)力無(wú)級(jí)變速器。該變速器采用動(dòng)力分流原理，利用分流后的局部動(dòng)力變化去控制總系統(tǒng)輸出端的速度、扭矩及動(dòng)力狀態(tài)。該無(wú)級(jí)變速器由機(jī)械和電氣兩部分組成。機(jī)械部分包括一個(gè)復(fù)合行星輪系，兩個(gè)動(dòng)力傳輸軸和若干對(duì)輸出齒輪。電氣部分包括兩個(gè)電機(jī)和一個(gè)控制器，通常還包括儲(chǔ)能器，如電池等。復(fù)合行星輪系構(gòu)成一個(gè)五枝系統(tǒng)，其第一和第五枝分別與兩個(gè)電機(jī)相聯(lián)，第三枝與某一動(dòng)力傳輸軸相聯(lián)。另一動(dòng)力傳輸軸則有選擇地與第一、第二和第四枝交替相聯(lián)。該無(wú)級(jí)變速器有多個(gè)不同動(dòng)力分流形式的工作狀態(tài)。每種工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)速度區(qū)。該無(wú)級(jí)變速器提供一個(gè)輸出動(dòng)力分流速度區(qū)和若干個(gè)復(fù)合動(dòng)力分流的速度區(qū)。
文檔編號(hào)F16H63/02GK1696545SQ20041003891
公開(kāi)日2005年11月16日 申請(qǐng)日期2004年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月10日
發(fā)明者江兵, 艾曉嵐 申請(qǐng)人:薛忠和