本發(fā)明屬于一種動力傳動系統(tǒng)中的多模式機電無級變速器裝置及其操作方法。它可廣泛應用于各種車輛和動力設備。
背景技術(shù):
為了減少燃料的消耗和排放,混合動力汽車結(jié)合了電力驅(qū)動與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(亦稱發(fā)動機)驅(qū)動兩種不同的能源驅(qū)動形式。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)達到最佳的工作狀態(tài)。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之一。
近年來,機電混合動力技術(shù)的誕生為實現(xiàn)內(nèi)燃機與動力輪之間動力理想匹配開拓了新的途徑。在眾多的動力總成設計案中,最具代表性的為豐田公司電機無級變速器,簡稱THS。THS采用了分流原理,將輸入動力分為兩路。一路經(jīng)過一個由齒輪軸系構(gòu)成的機械鏈,另一路經(jīng)過有機電組成的電力鏈。分流裝置為一個簡單的行星輪系。THS只能工作在一種分流模式下。它具有一個輸出、輸入速比節(jié)點SR;當變速器的輸出、輸入速比高于此節(jié)點時,系統(tǒng)將出現(xiàn)動力內(nèi)循環(huán),從而降低動力傳輸效率。這在很大程度上限制了變速器的有效工作速比范圍。為了使THS能夠應用在動力要求較高的車輛上,對其中電機功率提出了很高的要求。在電力驅(qū)動模式下,只有其中一臺電動機提供動力。故此,THS并不適用于高功率下的純電力驅(qū)動。插電式混合系統(tǒng)是一種要求高功率純電力驅(qū)動動的典型應用實例。它要求全程純電力驅(qū)動(AER)。車輛在電池電量被消耗到低于預定閾值前會以純電動模式運行。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
(一)要解決的技術(shù)問題
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種新型多模式機電無級變速器。它可以在至少兩種不同的分流模式下工作,有效地克服了動力內(nèi)循環(huán),具有較高的傳動效率,能夠在較寬的范圍內(nèi)對輸出、輸入速比和動力進行連續(xù)和獨立的調(diào)節(jié),從而極大地拓寬變速器的有效速比范圍。另外,它還可在兩個純電力驅(qū)動及兩個固定變速比的模式下運行。純電動模式可大大改善加速性能,而固定變速比模式則可提供最大的傳輸效率。
(二)技術(shù)方案
為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
所述新型多模式機電無級變速器,包括一個齒輪系統(tǒng),一個固定組件,一個輸入軸,一個輸出系統(tǒng),至少一個離合器,兩臺電機和電機控制器。所述齒輪系統(tǒng)還包含二個的行星輪系,各行星輪系至少有三個同軸轉(zhuǎn)動部件。
對于那些熟悉本技術(shù)的人,一個行星輪系能以一個杠桿圖的形式來描述和理解。杠桿圖中有杠桿或棒及若干枝點。杠桿圖示意性地表示了行星輪系的部件,并定義了輪系部件之間在運動與動力上的關(guān)系。杠桿圖中每個枝點對應一個分枝,分別代表了行星輪系中的一個同軸旋轉(zhuǎn)部件。枝點之間的距離取決于行星輪系齒輪部件間的齒數(shù)比。從杠桿的一端至另一端,依次稱為齒輪系統(tǒng)的第一枝點,第二枝點和第三枝點等等。行星輪系中的同軸旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)速度是由相應枝點上垂直于杠桿的矢量表示。一個多枝點杠桿圖具有兩個轉(zhuǎn)動自由度;任意兩個枝點的轉(zhuǎn)速可以完全確定該齒輪系統(tǒng)其他枝點的轉(zhuǎn)速。各枝點轉(zhuǎn)速矢量的終點始終落在一條直線上。
三枝點杠桿代表一個三軸的行星輪系,即具有三個同軸旋轉(zhuǎn)部件的三分枝齒輪組。圖1示出了三枝點杠桿圖。從左側(cè)到右側(cè)的三個枝點分別被稱為第一(KN11),第二(KN12)和第三(KN13)枝點。各枝點分別對應一個分枝,代表行星輪系的一個同軸旋轉(zhuǎn)部件。根據(jù)分枝所對應的枝點,三個分枝分別被稱為第一,第二和第三行星輪系分枝。如果以第一枝點至第二枝點之間的距離為一個度量單位,那么第二枝點至第三枝點之間的距離則為Ka個單位。在簡單行星輪系中,Ka為齒圈與太陽輪的齒數(shù)比(也稱行星輪系的特征速比)。
四枝點杠桿代表一個四軸的行星輪系,即具有四個同軸旋轉(zhuǎn)部件的四分枝齒輪組。圖2示出了四枝點杠桿圖。從左側(cè)到右側(cè)的四個枝點分別被稱為第一(KN21),第二(KN22),第三(KN23)和第四(KN24)枝點。各枝點分別對應一個分枝或行星輪系的同軸旋轉(zhuǎn)部件。根據(jù)分枝所對應的枝點,四個分枝分別被稱為第一,第二,第三和第四行星輪系分枝。如果以第三枝點至第四枝點之間的距離作為一個度量單位。那么第二枝點至第三枝點之間的距離將為Ka個單位,而第一枝點至第三枝點之間的距離則為Kb個單位。枝點,這里,Ka和Kb是四分枝行星輪系的特征齒比。
所述齒輪系統(tǒng)中,第一行星輪系由第一個三枝點杠桿表示,第二行星輪系由第二個四枝點杠桿表示。。第一杠桿的第一枝點與固定組件耦合,而第二枝點則與第二杠桿的第二枝點耦合。所述齒輪系統(tǒng)與輸入軸,輸出系統(tǒng)及第一和第二電機作如下方式的連接(參照圖3):第一杠桿的第三枝點通過至少一個離合器有選擇地連接或斷開第二電機;第二杠桿的第一枝點連接第一電機;第一及第二杠桿的第二枝點連接輸出系統(tǒng);第二杠桿的第三枝點連接輸入軸,而第四枝點則通過至少一個離合器有選擇地連接或斷開第二電機。
所述齒輪系統(tǒng)也可以由第一、第二兩個皆為三枝點的杠桿組成。第一杠桿的第一枝點與固定組件耦合,而第二枝點則與第二杠桿的第二枝點耦合。所述齒輪系統(tǒng)與輸入軸,輸出系統(tǒng)及第一和第二電機作如下方式的連接:,第一杠桿的第三枝點通過至少一個離合器有選擇地連接或斷開第二電機;第二杠桿的第一枝點連接第一電機;第一及第二杠桿的第二枝點連接輸出系統(tǒng);第二杠桿的第三枝點連接輸入軸,同時亦通過離合器有選擇地連接或斷開第二電機。
所述多模式機電無級變速器還可以包括一個中間軸。所述的中間軸起到轉(zhuǎn)動連接齒輪系統(tǒng)與輸出系統(tǒng)的作用。
所述多模式機電無級變速器還可以包括一個單向離合器,在一個方向接合,在相反方向脫離,這使得連接組件僅可以在一個方向傳輸轉(zhuǎn)矩至另一連接組件。在一般情況下,離合器和單向離合器被統(tǒng)稱為扭矩傳遞裝置。通過協(xié)調(diào)所述扭矩傳遞裝置和電機,變速器可以在多種操作模式下運行,包括第一電驅(qū)動模式,其中一個電機提供動力;第二電驅(qū)動模式,其中兩個電機協(xié)同提供更強或更高效的動力;第一混合驅(qū)動模式,發(fā)動機處于工作狀態(tài),無級變速器在低輸出-輸入速比下運行;第二混合驅(qū)動模式,發(fā)動機處于工作狀態(tài),無級變速器在較高輸出-輸入速比下運行,和至少一個固定變速比驅(qū)動模式,此時變速器的輸出-輸入速比不變。固定速比下運行對于某些特殊用途可能是理想的。
所述多模式機電無級變速器可在關(guān)閉發(fā)動機的條件下以純電力驅(qū)動方式運行,滿足所要求的純電驅(qū)動里程范圍。在純電動模式下運行時,所述至少一個離合器選擇性地將第二電機連接到第一杠桿的第三枝點,并將第二電機從第二杠桿的第四枝點上斷開。第二電機向輸出系統(tǒng)提供驅(qū)動扭矩和動力以驅(qū)動車輛。第一電動機提供扭矩來平衡發(fā)動機的反扭矩,并保持發(fā)動機在零轉(zhuǎn)速或預定的速度。當在第二杠桿的第三枝點或輸入軸配備單向離合器時,變速器可以利用第一和第二電機同時向輸出系統(tǒng)提供驅(qū)動扭矩和動力來驅(qū)動車輛,改善加速和增強動力性能。所述單向離合器可以防止發(fā)動機作反方向旋轉(zhuǎn),并提供反扭矩來平衡第一電機的驅(qū)動扭矩。這允許第一和第二電機以并行的方式為車輛提供驅(qū)動扭矩與動力。當插電式混合動力車輛需要全程電力驅(qū)動時,就可能需要這種操作模式。
在運行中,所述多模式機電無級變速器能在各運行模式之間切換。當在兩種混合運行模式之間切換時,第二電機有選擇地與第一或經(jīng)離合器與第二杠桿耦合,以組成兩種不同的動力分流系統(tǒng)構(gòu)架,實現(xiàn)不同的動力分流模式。。由于切換是同步的,所以第一杠桿第三枝點的轉(zhuǎn)速和第二杠桿第四枝點的轉(zhuǎn)速在切換時相同,并與第二電機的速度一致。為確保第一杠桿第三枝點與第二杠桿第四枝點之間的速度同步,第一杠桿的特征齒比Ks和第二杠桿的特征齒比Ka和Kb必須滿足預定的比例關(guān)系。這關(guān)系為:
在模式切換點上,第二電機的扭矩為零。因此,離合器不存在扭矩沖擊。這使得輸入軸、輸出系統(tǒng)以及兩臺電機等轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)速、扭矩連續(xù),且無動力間斷。
本發(fā)明也提供了一種用于設計,制作和操作所述多模式機電無級變速器的方法。所述方法如下:
(1)制作第一行星輪系統(tǒng);所述行星輪系統(tǒng)至少包括三個同軸旋轉(zhuǎn)部件,各部件對應于三枝點杠桿圖上的一個枝點;第一和第二枝點之間的相距為一個度量單位,第二和第三枝點之間的相距為Ks個單位長度。制作第二行星輪系;所述行星輪系至少包括四個同軸旋轉(zhuǎn)部件,各部件對應于四枝點杠桿圖上的一個枝點;第一和第三枝點之間的距離為Kb個單位長度,第二和第三枝點之間的距離為Ka個單位長度,第三和第四枝點之間的距離為一個度量單位。兩個行星輪系的齒輪齒數(shù)比設計需符合下例關(guān)系
(2)制作第一、第二兩臺電機,每臺電機的最大持續(xù)工作功率不小于PEM。
(3)設計和制作最大傳輸功率不低于Pin的輸入軸。
(4)設計和制作一個輸出系統(tǒng);所述輸出系統(tǒng)包括至少一個驅(qū)動軸。
(5)設計和制作至少一個具有不少一個嚙合工位的扭矩傳遞裝置。
(6)連接第一行星輪系的第一同軸旋轉(zhuǎn)部件到變速器的固定部件;連接第一行星輪系的第二同軸旋轉(zhuǎn)部件到第二行星輪系的第二同軸旋轉(zhuǎn)部件。
(7)連接第一電機到第二行星輪系的第一同軸旋轉(zhuǎn)部件;連接輸出系統(tǒng)到第二行星輪系的第二同軸旋轉(zhuǎn)部件;連接輸入軸到第二行星輪系的第三同軸旋轉(zhuǎn)部件,將第二電機有選擇性地分別與第一行星輪系的第三同軸旋轉(zhuǎn)部件或第二行星輪系的第四同軸旋轉(zhuǎn)部件連接。
(8)在至少兩種混合動力驅(qū)動模式下操作所述變速器;通過所述至少一個扭矩傳遞裝置有選擇地分別將第二電機連接到第一行星輪系并斷開第二行星輪系,或?qū)⒌诙姍C連接到第二行星輪系并斷開第一行星輪系;在切換點上,當行星輪系的相關(guān)部件經(jīng)扭矩傳遞裝置與第二電機連接時,其速度會自動與第二電動機同步;在切換點上,第二行星輪系第二分枝與第三分枝的轉(zhuǎn)速比為SRb。
(9)選擇第一行星輪系特征參數(shù)或特征齒數(shù)比Ks以及第二行星輪系特征參數(shù)或特征齒數(shù)比Ka,Kb使其滿足下列關(guān)系:
(三)有益效果
上述技術(shù)方案具有以下有益效果:這種新型多模式機電無級變速器降低了對電機的動力要求,變速器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊,造價低廉;它能夠?qū)崿F(xiàn)從倒退、停止到前進的不間斷的無級變速且無需啟動裝置,可大幅度地提高整車的燃油效率。
附圖說明
附圖為發(fā)明說明書的一部分:
圖1為三枝點杠桿圖,代表一個三分枝行星輪系,并描述三個同軸旋轉(zhuǎn)部件在轉(zhuǎn)速上的關(guān)系;
圖2為四枝點杠桿圖,代表一個四分枝行星輪系,并描述四個同軸旋轉(zhuǎn)部件在轉(zhuǎn)速上的關(guān)系;
圖3為本發(fā)明所述多模式機電無級變速器的優(yōu)選實施方式(實施方式1)的杠桿示意圖,變速器在第一種動力分流模式下運行;
圖4為本發(fā)明所述多模式機電無級變速器的優(yōu)選實施方式(實施方式1)的杠桿示意圖,變速器在第二種動力分流模式下運行;
圖5為本發(fā)明所述多模式機電無級變速器的優(yōu)選實施方式(實施方式1)的一個變種的杠桿示意圖,該實施方式在第二杠桿的第三枝點上帶有可選扭矩傳遞裝置;
圖6為本發(fā)明所述多模式機電無級變速器的優(yōu)選實施方式(實施方式1)的另一變種的杠桿示意圖;
圖7為本發(fā)明所述多模式機電無級變速器的優(yōu)選實施方式(實施方式1)的組件示意圖;
圖8為展示扭矩傳遞裝置第一嚙合工位的組件示意圖;
圖9為展示扭矩傳遞裝置第二嚙合工位的組件示意圖;
圖10為展示扭矩傳遞裝置第三嚙合工位的組件示意圖;
圖11為展示扭矩傳遞裝置第四嚙合工位的組件示意圖;
圖12為本發(fā)明所述多模式機電無級變速器的另一優(yōu)選實施方式(實施方式2)的杠桿示意圖,變速器在第一種動力分流模式下運行;
圖13為本發(fā)明所述多模式機電無級變速器的另一優(yōu)選實施方式(實施方式2)的杠桿示意圖,變速器在第二種動力分流模式下運行。
具體實施方式
本發(fā)明的各實施方式,變種和構(gòu)架皆體現(xiàn)本發(fā)明的精神。以下實施各具體例子用于說明本發(fā)明,但不用來限制本發(fā)明的范圍。下面結(jié)合附圖,進一步詳細說明本發(fā)明多模式機電無級變速器的具體實施方式,但不用來限制本發(fā)明的保護范圍。
圖1為三枝點杠桿圖,代表一個三分枝行星輪系。該輪系有圈輪,行星輪架和太陽輪三個同軸旋轉(zhuǎn)部件,而且分別被三枝點杠桿圖中的三個枝點所表示。從左至右(或從右至左),這三個枝點依次為第一枝點,第二枝點和第三枝點。第一枝點至第二枝點之間的距離為一個度量單位,第二枝點至第三枝點之間的距離為Ks個單位,Ks為齒圈與太陽輪的齒數(shù)比。三枝點杠桿由其特征參數(shù),齒數(shù)比Ks唯一確定。
圖2為四枝點杠桿圖,代表一個四分枝行星輪系。該輪系有四個同軸旋轉(zhuǎn)部件,并分別被四枝點杠桿圖中的四個枝點所表示。從左至右(或從右至左),這四個枝點依次為第一枝點,第二枝點,第三枝點和第四枝點。第一枝點至第三枝點之間的距離為Kb個單位;第二枝點至第三枝點之間的距離為Ka個單位,而第三枝點和第四枝點之間的距離為一個度量單位。Ka和Kb為四分枝輪系的特征參數(shù),亦稱為特征齒數(shù)比,也是充分唯一確定四枝點杠桿的特征參數(shù)。參數(shù)Ka和Kb的具體值以及與相應輪系關(guān)聯(lián)齒輪齒數(shù)的關(guān)系由行星輪系的實際結(jié)構(gòu)決定。
應理解的是,一個杠桿圖是一行星輪系的示意圖,其中輪系的各同軸旋轉(zhuǎn)部件由所述杠桿圖的各枝點表示。杠桿圖以圖形方式描述了同軸旋轉(zhuǎn)部件之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系。本領域中的普通技術(shù)人員將認識到,當提到一個杠桿圖上的枝點時,它相當于提到其杠桿圖代表的相應輪系同軸旋轉(zhuǎn)部件,反之亦然。本領域的普通技術(shù)人員亦將理解術(shù)語如“耦合”,“連接”和“嚙合”是被用于表示兩個或更多個機械之間用來傳遞扭矩和機械動力的固定機械連接或可旋轉(zhuǎn)嚙合(例如通過一對齒輪)。這些術(shù)語也用來表示兩個或更多個電子部件之間用來傳輸電力的電氣連接。各組件或部件之間的機械耦合或連接在圖中以實線表示。
圖3和圖4為本發(fā)明所述的多模式機電無級變速器的一個優(yōu)選實施方式(本發(fā)明的實施方式1),并以杠桿圖形式表示。所述多模式機電無級變速器由一個齒輪系統(tǒng),輸入軸(Input),輸出系統(tǒng)(Output),至少一個離合器(CL),第一固定組件(FM1),和第一和第二電機(EM1,EM2)及其相聯(lián)的驅(qū)動器和控制器(沒有顯示)構(gòu)成。所述齒輪系統(tǒng)包括由第一及第二杠桿表示的第一(PG1)及第二(PG2)行星輪系。所述第一行星輪系為一個三分枝輪系,具有第一,第二及第三同軸旋轉(zhuǎn)部件,并分別由第一杠桿的第一枝點(KN11),第二枝點(KN12)及第三枝點(KN13)所表示。所述第二行星輪系為一個四分枝輪系,具有第一,第二,第三及第四同軸旋轉(zhuǎn)部件,并分別由第二杠桿的第一,第二,第三及第四枝點(KN21,KN22,KN23,KN24)所表示。第一杠桿(PG1)第一枝點(KN11)連接第一固定組件(FM1),而第二枝點(KN12)則連接第二杠桿(PG2)第二節(jié)(KN22)。這使得第一杠桿(PG1)第二節(jié)(KN12)與第二杠桿(PG2)第二節(jié)(KN22)的轉(zhuǎn)速相同。
第一電機(EM1)包含第一轉(zhuǎn)子和第一定子。參照圖3,第一電機(EM1)的轉(zhuǎn)子直接和所述第二行星輪系(PG2)的第一枝點(KN21)耦合。輸出軸(Output)和第一輪系(PG1)第二枝點(KN12)及第二輪系(PG2)第二枝點(KN22)耦合。輸入軸(Input)和第二輪系(PG2)第三枝點(KN23)耦合。
第二電機(EM1)包含第二轉(zhuǎn)子和第二定子。第二電機(EM2)的轉(zhuǎn)子通過所述離合器(CL)有選擇地與第一輪系(PG1)第三枝點(KN13)或第二輪系(PG2)第四枝點(KN24)耦合,或與第一輪系(PG1)第三枝點(KN13)及第二輪系(PG2)第四枝點(KN24)耦合。換言之,第二電機(EM2)可以選擇性地直接以第一恒定速比與第二輪系(PG2)第四枝點(KN24)耦合,或間接地通過所述第一輪系(PG1)以第二恒定速比與第二輪系(PG2)第二枝點(KN22)耦合。
所述第一和第二電機(EM1,EM2)具有各自的電力電子驅(qū)動器,以電氣連接相互傳遞動力。所述多模式機電無級變速還可包括能量存儲裝置,如一個電池組(BT,在圖中未示出),以存儲和回收能量。所述能量存儲裝置與第一和第二電機連接,接收或傳遞動力到一個或多個電機。
當?shù)诙姍C(EM2)與第一輪系(PG1)耦合時,所述至少一個離合器(CL)將第二電機(EM2)與第一輪系(PG1)第三枝點(KN13)連接,并將第二電機(EM2)從第二輪系(PG2)第四枝點(KN24)斷開,如圖3所示。變速器在第一動力分流模式下運行。來自發(fā)動機的輸入動力被分成兩個動力鏈傳送到輸出系統(tǒng)。其中一路是純機械動力鏈(簡稱機械鏈),從輸入軸,經(jīng)第一及第二輪系(PG1,PG2)的第二枝點(KN12,KN22)到達輸出系統(tǒng)(Output)。另一路是機電動力鏈(簡稱電力鏈),從輸入軸,經(jīng)第二輪系(PG2),第一電機(EM1),第二電機(EM2),至少一個離合器(CL)及第一輪系(PG1)到達輸出系統(tǒng)(Output)。
當?shù)诙姍C(EM2)與第二輪系(PG2)耦合時,所述至少一個離合器(CL)將第二電機(EM2)從第一輪系(PG1)第三枝點(KN13)斷開,然后將第二電機(EM2)與第二輪系(PG2)第四枝點(KN24)連接,如圖4所示。變速器在第二動力分流模式下運行。同樣地,來自發(fā)動機的輸入動力被分成兩個動力鏈傳送到輸出系統(tǒng)。純機械動力鏈從輸入軸,經(jīng)第二輪系(PG2)到達輸出系統(tǒng)(Output)。機電動力鏈從輸入軸,經(jīng)第二輪系(PG2)及至少一個離合器(CL),到第二電機(EM2),第一電機(EM1),然后回到第二輪系(PG2),最后到達輸出系統(tǒng)(Output)。
為了方便說明,輸出系統(tǒng)(Output)轉(zhuǎn)速與輸入軸(Input)轉(zhuǎn)速之間的比率定義為變速器的輸出-輸入速比,簡稱變速器速比,由SR表示。
實施方式1可提供一個自然速比節(jié)點SR0(即輸出系統(tǒng)為零速的變速器速比)和兩個非自然速比節(jié)點SR1和SR2。在非自然速比節(jié)點,至少一個電機為零速。自然速比節(jié)點SR0將整個速區(qū)分為前行區(qū)和逆行區(qū):高于SR0的為前行區(qū),低于SR0的為逆行區(qū)。第一速比節(jié)點SR1進一步將前行區(qū)劃分為低速區(qū)和高速區(qū):低于SR1為低速區(qū),高于SR1的為高速區(qū)。
在第一速比節(jié)點SR1上,當變速器與儲能器無凈能量交換時,第二電機EM2的扭矩為零。因此,選擇SR1作為動力分流模式切換點將有助于減小或避免變速器系統(tǒng)的扭矩沖擊。速比節(jié)點SR1以下的低速區(qū)采用輸出動力分流方式(即第一動力分流模式);SR1以上的高速區(qū),采用復合動力分流的方式(即第二動力分流模式);逆行區(qū)可采用純電力驅(qū)動。這樣,無論是機械鏈還是電力鏈,其中傳送的動力均小于輸入軸傳輸?shù)膭恿Α6嗄J綑C電無級變速器在各個速區(qū)均無動力內(nèi)循環(huán),從而有效地拓寬了變速器的有效速比的范圍。為保證在模式切換速比SR1上離合器各相關(guān)接合部件轉(zhuǎn)速同步,各行星輪系特征齒數(shù)比之間應滿足下列關(guān)系:
或
Ks=Kb (4b)
考慮到電機及相關(guān)驅(qū)動器的可能內(nèi)部功耗,和齒輪齒數(shù)的約束,變速比的實際切換點SRb可在SR1的附近。速比節(jié)點SR1以下的低速區(qū)采用輸出動力分流方式;SR1以上的中至高速區(qū),采用復合動力分流的方式;逆行區(qū)可采用純電力傳動以有效避免動力內(nèi)循環(huán)。為保證在模式切換速比SRb上離合器各相關(guān)接合部件轉(zhuǎn)速同步,各齒輪齒數(shù)比之間應滿足下列關(guān)系:
圖5為優(yōu)選實施方式的一個變種(實施方式1A),在原多模式機電無級變速器中增加了一個第二固定組件(FM2)及第二扭矩傳遞裝置。第二扭矩傳遞裝置簡單來講是一個單向離合器(OWC),有選擇性地將第二固定組件(FM2)與第二輪系(PG2)第三枝點(KN23)連接。該單向離合器防止輸入軸(Input)反向旋轉(zhuǎn),并在其中一個純電力驅(qū)動模式下,為輸入軸提供一個反扭矩以平衡作為電動機的第一電機(EM1)其產(chǎn)生的驅(qū)動扭矩。
圖6為優(yōu)選實施方式的另一個變種(實施方式1B),在上述多模式機電無級變速器中再加一個第三固定組件(FM3)及第三扭矩傳遞裝置。第三扭矩傳遞裝置為制動器(BR),有選擇地將第三固定組件(FM3)與第二輪系(PG2)第四枝點(KN24)連接或斷開。
圖7為圖5的部件示意圖,各杠桿圖中的枝點分別被相應輪系的實際部件所代替。所述多模式機電無級變速器由一個包含三個同軸旋轉(zhuǎn)部件的第一行星輪系(PG1),一個包含四個同軸旋轉(zhuǎn)部件的第二行星輪系(PG2),一個輸入軸(Input),一個輸出系統(tǒng)(Output),第一扭矩傳遞裝置或離合器(CL),第二扭矩傳遞裝置,第一固定組件(FM1),以及第一和第二電機(EM1,EM2)所組成。所述變速器還可以包含連接輸入軸(Input)和發(fā)動機輸出軸(ENG)的扭力緩沖器(DMP)以及連接第一及第二輪系和輸出系統(tǒng)(Output)的中間軸系統(tǒng)(CTS)。
所述第一輪系(PG1)包含一個太陽輪(Ss),一個圈輪(Rs)及一個支承一組行星齒輪(P)的行星輪架(CRs)。行星齒輪(P)圍繞太陽輪(Ss)布置,與太陽輪外嚙合,與圈輪(Rs)內(nèi)嚙合。太陽輪(Ss),行星輪架(CRs)及圈輪(Rs)為第一輪系(PG1)的三個同軸旋轉(zhuǎn)部件,并分別為三枝點杠桿的第一枝點(KN11),第二枝點(KN12)及第三枝點(KN13)所表示。第一輪系(PG1)的特征可以用圈輪(Rs)與太陽輪(Ss)的齒數(shù)比Ks來表征該齒數(shù)比為三枝點杠桿圖中第二與第三枝點之間的距離。
ZSs和ZRs分別是第一輪系(PG1)太陽輪(Ss)和圈輪(Rs)的齒數(shù)。
所述第二輪系為拉威尼奧(Ravigneaux)行星輪系。它包括第一太陽輪(S1),第二太陽輪(S2),圈輪(R),第一行星輪(PS),第二行星輪(PL)和承載及支承第一和第二的行星輪(PS,PL)的行星輪架(CR)。第一行星輪為短行星輪,第二行星輪為長行星輪。長行星輪(PL)分別與圈輪(R)和第一太陽輪(S1)作內(nèi)嚙合和外嚙合;短行星輪(PS)分別與長行星輪(PL)和第二太陽輪(S2)作外嚙合。第二太陽輪(S2),圈輪(R),星架(CR)及第一太陽輪(S1)為第二輪系的四個同軸旋轉(zhuǎn)部件,在杠桿圖中分別被四枝點杠桿圖的第一枝點(KN21),第二枝點(KN22),第三枝點(KN23)及第四枝點(KN24)所表示。第二行輪系的特征由該輪系的兩個特征齒數(shù)比Ka和Kb表述
ZS1,ZS2及ZR分別為第二輪系(PG2)中,第一太陽輪(S1),第二太陽輪(S2)以及圈輪(R)的齒數(shù)。在四枝點杠桿圖中,Ka和Kb分別代表第二,第三枝點之間的距離和第一,第三枝點之間的距離。
所述第一輪系和第二輪系同軸布置,軸向彼此相鄰。第一輪系(PG1)的圈輪(Rs)連接第一固定組件(FM1),在這一點上,第一行星輪系僅作為具有恒定速比的減速輪系。第一輪系的行星輪架(CRs)固定連接于第二輪系(PG2)的圈輪(R),兩者的轉(zhuǎn)速相同。
所述輸出系統(tǒng)包括至少一個驅(qū)動軸或一個的差速器(DIF)。第一扭矩傳遞裝置(CL)包括至少兩個嚙合工位,該扭矩傳遞裝置也可由第一和第二離合器(C1,C2)組合而成,各離合器有嚙合和分離狀態(tài)(或工位)。第一電機EM1包括第一轉(zhuǎn)子(RT1)和第一定子(ST1);第二電機EM2包括第二轉(zhuǎn)子(RT2)和第二定子(ST2)。第二扭矩傳遞裝置包括第二固定組件(FM2)和一個單向離合器(OWC)。中間軸系統(tǒng)(CTS)包括第一對嚙合齒輪(G1A,G1B)及第二對嚙合齒輪(G4A,G4B)。
所述多模式機電無級變速器通過齒輪系統(tǒng)(PG1,PG2)及動力部件(Input,Output,EM1和EM2)之間的獨特連接實現(xiàn)多模式運行。參照圖7,第一電機(EM1)的轉(zhuǎn)子(RT1)連接第二輪系(PG2)的第二太陽輪(S2)。輸出系統(tǒng)(Output)通過中間軸系統(tǒng)(CTS)的兩對嚙合齒輪(G4B,G4A和G1B,G1A)連接第一輪系(PG1)的行星輪架(CRs)和第二輪系(PG2)的圈輪(R);其中,差速器(DIF)連接中間軸系統(tǒng)(CTS)第二對嚙合齒輪的從動輪(G4B),第一輪系(PG1)行星輪架(CRs)及第二輪系(PG2)圈輪(R)連接中間軸系統(tǒng)(CTS)第一對嚙合齒輪的主動輪(G1A)。發(fā)動機(ENG)通過扭力緩沖器(DMP)驅(qū)動輸入軸(Input)。輸入軸(Input)繼而連接并驅(qū)動第二輪系的行星輪架(CR),同時與第二扭矩裝置或單向離合器(OWC)耦合。其中,單向離合器直接嚙合第二固定組件(FM2)以防止輸入軸及發(fā)動機向相反方向旋轉(zhuǎn)。第二電機(EM2)的轉(zhuǎn)子(RT2)通過第一扭矩傳遞裝置(CL)有選擇地與第一輪系(PG1)的太陽輪(Ss)或第二輪系(PG2)的第一太陽輪(S1)耦合。當?shù)诙姍C(EM2)與第一輪系(PG1)的太陽輪(Ss)耦合時,第一離合器(C1)嚙合,第二離合器(C2)分離。當?shù)诙姍C(EM2)與第二輪系(PG2)的第一太陽輪(S1)耦合時,第一離合器分離,第二離合器(C2)嚙合。由此可見,第二電機(EM2)有選擇地以第一恒定速比(1:1的速比)與第二輪系(PG2)的第一太陽輪(S1)耦合,或通過第一輪系(PG1),以第二恒定速比((Ks+1):1的速比)與第二輪系(PG2)的圈輪(R)耦合。
第一和第二扭矩傳遞裝置(CL,OWC)與第一和第二行星輪系同軸排列。也就是說,第一輪系(PG1),第二輪系(PG2),第一扭矩傳遞裝置(CL)及第二扭矩傳遞裝置(OWC)都在同一旋轉(zhuǎn)軸線上。此外,第一扭矩傳遞裝置(CL)和第一及第二輪系(PG1,PG2)同軸,并置于兩個電機(EM1,EM2)所包含的空間之間,這為降低封裝尺寸提供很大的優(yōu)勢。
所述第一扭矩傳遞裝置(CL)也可進一步與制動器(BR)和第三固定組件(FM3)集成,作一體化設計。這樣的一體化扭矩傳遞裝置包括四個嚙合工位,如圖8至11所示。所述一體化扭矩傳遞裝置(CL)由第一離合器組件(C1),第二離合器組件(C2),第三離合器組件(BR),及一個套環(huán)(SL)所組成。第一離合器組件(C1)與第一輪系(PG1)的太陽輪(Ss)固定連接,第二離合器組件(C2)與第二輪系(PG2)的第一太陽輪(S1)固定連接,而第三離合器組件(BR)則固定于第三固定組件(FM3)。套環(huán)(SL)通過一對嚙合花鍵(SPi,SPo)連接第二電機(EM2)的轉(zhuǎn)子軸(RTS)。嚙合花鍵的外花鍵(SPo)固定于轉(zhuǎn)子軸(RTS),而內(nèi)花鍵(SPi)固定于套環(huán)(SL)。在指令下,促動器(未示出)使內(nèi)花鍵(SPi)沿軸方向在外花鍵(SPo)上前后移動。
圖8為第一扭矩傳遞裝置的第一嚙合工位,其套環(huán)(SL)只與第一離合器組件(C1)嚙合。在這種情況下,轉(zhuǎn)子軸(RTS)及第二電機(EM2)轉(zhuǎn)子(RT2)被耦合到第一輪系(PG1)的太陽輪(Ss)。此時,變速器在第一動力分流模式下運行。
圖9為第一扭矩傳遞裝置的第二嚙合工位,其中的套環(huán)(SL)與第一及第二離合器組件(C1,C2)嚙合。在這種情況下,轉(zhuǎn)子軸(RTS)和第二電機(EM2)轉(zhuǎn)子(RT2)與第一輪系(PG1)的太陽輪(Ss)及第二輪系(PG2)的第一太陽輪(S1)嚙合。變速器在第一固定轉(zhuǎn)速比模式下運行。
圖10為第一扭矩傳遞裝置的第三嚙合工位,其中的套環(huán)(SL)只與第二離合器組件(C2)嚙合。在這種情況下,轉(zhuǎn)子軸(RTS)和第二電機(EM2)轉(zhuǎn)子(RT2)與第二輪系(PG2)的第一太陽輪(S1)嚙合。變速器在第二動力分流模式下運行。
圖11為第一扭矩傳遞裝置的第四嚙合工位,其中的套環(huán)(SL)與第二及第三離合器組件(C2,BR)嚙合。在這種情況下,轉(zhuǎn)子軸(RTS)、第二電機(EM2)轉(zhuǎn)子(RT2)以及第二輪系(PG2)的第一太陽輪(S1)被固定在第三固定組件(FM3)上。變速器在第二固定轉(zhuǎn)速比模式下運行。
所述第一扭矩傳遞裝置的四個嚙合工位沿軸向布置,并彼此相鄰。當使用嚙合式離合器如齒嚙合離合器或爪形離合器時,會使結(jié)構(gòu)變得非常緊湊。
下面描述本發(fā)明所述多模式機電無級變速器的操作。
無級變速器操作
1.低速比區(qū)
車輛啟動前,變速器被設置為低速區(qū)操作。第二電機(EM2)通過至少一個離合器(CL)與第一輪系(PG1)耦合以獲得杠桿作用放大扭矩來驅(qū)動輸出系統(tǒng)(Output)。第一電機(EM1)處于空載運轉(zhuǎn)狀態(tài),其轉(zhuǎn)向與發(fā)動機輸出軸(Input)相反。第二電機(EM2)在此刻轉(zhuǎn)速為零。車輛啟動時,控制器傳送指令到電機驅(qū)動電路。驅(qū)動電路向第二電機(EM2)提供所需電力以產(chǎn)生驅(qū)動扭矩。產(chǎn)生的驅(qū)動扭矩經(jīng)第一輪系(PG1)放大,并傳遞到輸出系統(tǒng)(Output)。在車輛啟動的那一瞬間,除微不足道的內(nèi)部功率損失外,第二電機EM2不會將任何有效電能轉(zhuǎn)化為機械能。由于車輛仍處于停滯狀態(tài),對驅(qū)動動力沒有需求,但對驅(qū)動輪有驅(qū)動扭矩需求。啟動車輛的驅(qū)動扭矩主要來自第二電機(EM2)。發(fā)動機為車輛提供零啟動扭矩,所以發(fā)動機沒有有效動力輸出。隨電機(ME2)扭矩增加,車輛由靜止到移動,并加速前進。于是,第二電機(EM2)開始轉(zhuǎn)動,消耗電力并將其轉(zhuǎn)換成所需的機械驅(qū)動動力。同時,發(fā)動機開始向驅(qū)動輪提供驅(qū)動扭矩。相應地,第一電機(EM1)提供反扭矩以平衡發(fā)動機扭矩,此外,第一電機(EM1)轉(zhuǎn)速逐漸下降以適應增加的車速。在此過程中,第一電機(EM1)充當發(fā)電機,將機械能轉(zhuǎn)化為電能。第二電機(EM2)消耗的電力全部或部分由第一電機(EM1)通過電力電子驅(qū)動器和控制器(CTRL,未示出)提供。車輛啟動之后,驅(qū)動輪的驅(qū)動扭矩由發(fā)動機和第二電機(EM2)共同分擔,使第二電機(EM2)的扭矩減少。
由于車輛速度增加,第二電機(EM2)的轉(zhuǎn)速增加,而扭矩持續(xù)減少。相反,第一電機(EM1)轉(zhuǎn)速持續(xù)下降,直到歸零。當?shù)谝浑姍C(EM1)到達零速點時,變速器處于第一非自然速比節(jié)點SR1。如變速器與能量存儲裝置之間沒有凈電力交換,第二電機(EM2)就到達零扭矩點。也就是說,第二電機(EM2)的零扭矩點(與零扭矩相對應的速比節(jié)點)與第一電機(EM1)的零速點(與零轉(zhuǎn)速相對應的速比節(jié)點)是一致的。
2.高速比區(qū)
第一速比節(jié)點SR1標志著低速比區(qū)與高速比區(qū)之間的過渡。在運行模式切換點,第二電機(EM2)扭矩為零,而第二電機(EM2),第一輪系(PG1)第三枝點(KN13)和第二輪系(PG2)第四枝點(KN24)速度同步。這時,所述至少一個離合器(CL)將第二電機(EM2)從第一輪系(PG1)第三枝點(KN13)分離,將第二電機(EM2)與第二輪系(PG2)第四枝點(KN24)連接,使變速器在復合動力分流模式下運行。
隨著車輛速度增加,變速器速比增加并超越第一非自然速比節(jié)點SR1。第一電機(EM1)轉(zhuǎn)速由零開始,持續(xù)循輸入軸(Input)的旋轉(zhuǎn)方向提升。第二電機(EM2)轉(zhuǎn)速開始下降。如果變速器與能量存儲裝置之間沒有凈電力交換,第二電機(EM2)的扭矩應該由零開始,在量值上作反向增加。此時,第二電機(EM2)變成了發(fā)電機,為第一電機(EM1)或/及能量存儲裝置提供電能。而第一電機(EM1)充當電動機,將電能轉(zhuǎn)化為機械能。
伴隨車輛速度的進一步增加,第二電機(EM2)的轉(zhuǎn)速持續(xù)下降至零點。變速器到達其第二速比節(jié)點SR2。在此速比節(jié)點,通過機電動力鏈傳遞的動力為零;所有動力經(jīng)純機械動力鏈,由輸入軸(Input)傳遞到輸出系統(tǒng)(Output)。
在變速器的第一速比節(jié)點SR1與第二速比節(jié)點SR2之間,動力分流比為PR(即經(jīng)機電動力鏈所傳遞的動力與經(jīng)輸入軸(Input)所傳遞的總發(fā)動機動力之比),具有一個局部最大值。最大值取決于四分枝行星輪系(所述第二輪系)的特征齒數(shù)比。假如變速器的最大輸入功率為Pin,電機的最大持續(xù)額定功率為Pem,電機的最大持續(xù)額定功率與變速器的最大輸入功率的功率比可表示成PRmax=Pem/Pin。為了使電機、發(fā)動機之大小與變速器結(jié)構(gòu)之間有適當?shù)钠ヅ?,以便變速器能夠在第一和第二非自然速比?jié)點之間持續(xù)并適當?shù)剡\行,四分枝行星輪系的特征參數(shù)應滿足下列關(guān)系:
位于或在第二速比節(jié)點SR2附近,第一電機(EM1)扭矩會改變方向。隨變速器的速比持續(xù)增加,第一電機(EM1)的速度持續(xù)增加;同時,第二電機(EM2)的速度由零開始作反向增加。為避免當變速器的速比遠高于第二速比節(jié)點SR2時變速器出現(xiàn)過多的動力內(nèi)循環(huán),必要時,變速器可用制動器以制動第二輪系(PG2)的第四枝點(KN24)。
3.逆行區(qū)
自然速比節(jié)點SR0以下的區(qū)被稱為逆行區(qū)。在逆行區(qū)內(nèi),輸出動力分流模式同樣適用。所述至少一個離合器(CL)將第二電機(EM2)與第一輪系(PG1)連接,并將第二電機(EM2)從第二輪系(PG2)分離。動力由第一及第二輪系上的第二枝點(KN12,KN22)傳遞到輸出系統(tǒng)(Output)。
純電驅(qū)動操作
為限制電力鏈傳輸?shù)膭恿?功率)與輸入軸輸入功率的功率比,避免動力內(nèi)循環(huán),逆行區(qū)可采用純電力驅(qū)動模式。在純電力驅(qū)動模式下,發(fā)動機停機。在控制器(CTRL)的控制下,第二電機(EM2)將儲能器(BT)內(nèi)的電能轉(zhuǎn)化為機械能,為輸出系統(tǒng)(Output)提供驅(qū)動扭矩。第二電機(EM2)的驅(qū)動扭矩在傳遞到輸出系統(tǒng)(Output)前,首先經(jīng)過第一輪系(PG1)進行扭矩放大。
純電驅(qū)動模式同樣適用于前行區(qū)。而且,可以有多個純電力驅(qū)動模式。第一純電力驅(qū)動模式基本上與上述相同,是所述純電力驅(qū)動模式的反方向運行。在這個電動模式中,第一扭矩傳遞裝置(CL)連接第二電機(EM2)與第一輪系(PG1),并將第二電機(EM2)從第二輪系(PG2)斷開。第二電機(EM2)通過第一輪系(PG1)向車輛提供驅(qū)動力。第一輪系(PG1)為第二電機(EM2)的扭矩提供了一個Ks+1的杠桿放大系數(shù)。
第二純電力驅(qū)動模式要求第一、第二兩個電機聯(lián)合作業(yè),為急加速或爬陡坡提供更強勁的動力。類似于第一純電力驅(qū)動模式,第一扭矩傳遞裝置(CL)連接第二電機(EM2)與第一輪系(PG1),并將第二電機(EM2)從第二輪系(PG2)斷開。部分的動力是由第一電機(EM1)經(jīng)第二輪系(PG2)提供。參照圖5至7,單向離合器(OWC)防止輸入軸(Input)作與發(fā)動機正常轉(zhuǎn)動方向相反的旋轉(zhuǎn)。因此可提供反扭矩去平衡第一電機(EM1)的驅(qū)動扭矩。第二輪系(PG2)為第一電機(EM1)的扭矩提供了一個Kb/Ka的杠桿放大系數(shù)。另一部分的動力是由第二電機(EM2)經(jīng)第一輪系(PG1)提供。第一輪系(PG1)為第二電機(EM2)的扭矩提供了一個Ks+1的杠桿放大系數(shù)。
空擋和泊車
所述多模式機電無級變速器能提供更多實用和有用的功能,包括空擋和泊車。當所述至少一個離合器(CL)與第一和第二輪系分離,及第一電機(EM1)被關(guān)閉或處于怠機狀態(tài),變速器就處于空擋。另外,當?shù)谝患暗诙姍C(EM1,EM2)同被關(guān)閉或處于怠機狀態(tài),變速器也是處于空擋。
泊車可由所將述至少一個離合器(CL)與第一和第二輪系嚙合,且同時嚙合制動器(BR)來實現(xiàn)。此外,泊車還可以通過安裝在變速器中的傳統(tǒng)駐車桿系統(tǒng)(PBR,沒有顯示)來實現(xiàn)。
固定速比操作
本發(fā)明的多模式機電無級變速器能在固定輸出-輸入速比下運行。提供固定速比運行模式是為了滿足特殊應用的需求,如拖掛和爬坡加速。固定速比操作情況如下表列。
上述第一和第二固定速比實際上是變速器的第一和第二非自然速比節(jié)點。前面的章節(jié)已描述了如何實現(xiàn)在相鄰固定速比點之間區(qū)域進行平穩(wěn)和連續(xù)變速運行的方式。因此,可以實現(xiàn)在第一和第二固定速比點之間進行切換時,無動力中斷。此外,在各固定速比點上,一個或兩個電機(EM1,EM2)可用作電動機或發(fā)電機,為并聯(lián)油電混合動力系統(tǒng)提供動力輔助或回饋制動功能。這增強了車輛系統(tǒng)的動力和性能。
扭矩傳遞裝置可以是任何類型的機械,液力機械,或電磁離合器,制動器或離合器和制動器的組合。因為扭矩傳遞裝置的嚙合與分離在自然同步情況(即所有相關(guān)部件的轉(zhuǎn)速基本上是相同的)下實現(xiàn),只需要便用簡單的離合器,如嚙合式合離合器或爪形離合器,無需便用更復雜和昂貴的摩擦式離合器。這消除了濕式摩擦離合器通常所需的液壓系統(tǒng),從而有效地降低了變速器內(nèi)部功率損耗。
其他操作狀態(tài)
實施方式1及其變種(實施方式1A,實施方式1B)還有啟動發(fā)動機的功能。啟動發(fā)動機可由兩臺電機中的一個獨立完成,或由兩臺電機協(xié)作完成。例如,當變速器處于空擋,發(fā)動機可被兩個電機協(xié)作啟動。而當變速器處于純電力驅(qū)動操作模式,發(fā)動機可由第一電機(EM1)啟動。
當儲能器(BT)與多模式機電無級變速器結(jié)合使用時,無級變速器不但可提供變速功能,還可以提供動力調(diào)節(jié)功能,實現(xiàn)所謂的混合動力驅(qū)動。在機電混合動力驅(qū)動工作狀態(tài)中,兩臺電機之間所傳遞的動力(電力)不需保持平衡。一臺電機產(chǎn)生的電能可能會多于或少于另一臺電機所消耗的電能。此時,一臺電機的速度零點不再對應另一臺電機的扭矩零點。電機扭矩零點所對應的變速器速比的位置會隨兩臺電機之間所傳遞的動力不平衡發(fā)生變化,但電機速度零點所對應的變速器速比節(jié)點位置不變,不受兩臺電機之間所傳遞的動力不平衡所影響。
當變速器電力鏈與儲能器之間有凈電力交換時,電機需履行速比調(diào)節(jié)和動力調(diào)節(jié)兩項職責。所以,電機的功率比不可低于最大功率分流比與變速器輸入軸額定功率的積。
圖12為本發(fā)明所述多模式機電無級變速器另一優(yōu)選實施方式(實施方式2)的杠桿示意圖。參照圖12,所述多模式機電無級變速器由一個齒輪系統(tǒng)構(gòu)成,該齒輪系統(tǒng)包括由第一及第二杠桿表示的第一(PG1)及第二(PG2)行星輪系,輸入軸(Input),輸出系統(tǒng)(Output),至少一個離合器(CL),第一固定組件(FM1),和第一、第二電機(EM1,EM2)及其相聯(lián)的驅(qū)動器和控制器(沒有顯示)。所述第一行星輪系為三分枝輪系,具有第一,第二及第三同軸旋轉(zhuǎn)部件,分別以第一杠桿的第一枝點(KN11),第二枝點(KN12)及第三枝點(KN13)表示。第一杠桿由其特征參數(shù),即相應的第一輪系特征齒數(shù)比KS1唯一確定。所述第二行星輪系亦為三分枝輪系,具有第一,第二及第三同軸旋轉(zhuǎn)部件,分別以第二杠桿的第一枝點(KN21),第二枝點(KN22)及第三枝點(KN23)所表示。第二杠桿由其特征參數(shù),即相應第二輪系特征齒數(shù)比KS2唯一確定。第一杠桿(PG1)第一枝點(KN11)連接第一固定組件(FM1),第二枝點(KN12)連接第二杠桿(PG2)第二節(jié)(KN22)。這使得第一杠桿(PG1)第二節(jié)(KN12)與第二杠桿(PG2)第二節(jié)(KN22)的轉(zhuǎn)速相同。
第一電機(EM1)包含第一轉(zhuǎn)子和第一定子。第一電機(EM1)的轉(zhuǎn)子直接與所述第二行星輪系(PG2)的第一枝點(KN21)耦合。輸出軸(Output)與第一輪系(PG1)第二枝點(KN12)及第二輪系(PG2)第二枝點(KN22)耦合。輸入軸(Input)和第二輪系(PG2)第三枝點(KN23)耦合。
第二電機(EM1)包含第二轉(zhuǎn)子和第二定子。第二電機(EM2)的轉(zhuǎn)子通過所述離合器(CL)有選擇地與第一輪系(PG1)第三枝點(KN13)或第二輪系(PG2)第三枝點(KN23)耦合,或同時與第一輪系(PG1)第三枝點(KN13)及第二輪系(PG2)第三枝點(KN23)耦合。換言之,第二電機(EM2)選擇性地直接以第一恒定速比(1:1比例)與第二輪系第三枝點(KN23)耦合,或間接地通過所述第一輪系(PG1)以第二恒定速比與第二輪系第二枝點(KN22)耦合,這里,第一恒定速度比不同于第二恒定速度比。
所述第一和第二電機(EM1,EM2)具有各自的驅(qū)動器或電力電子驅(qū)動電路。它們以電氣方式連接到能量存儲裝置,如一個電池組(BT,在圖中未示出),以接收或傳送能量到能量存儲裝置。
當?shù)诙姍C(EM2)與第一輪系(PG1)耦合,所述至少一個離合器(CL)將第二電機(EM2)與第一輪系(PG1)第三枝點(KN13)連接,并將第二電機(EM2)從第二輪系(PG2)第三枝點(KN23)斷開,如圖12所示。變速器在第一動力分流模式下運行。來自發(fā)動機的輸入動力被分成兩路經(jīng)兩個動力鏈傳送到輸出系統(tǒng)。其中一路是純機械動力鏈,從輸入軸,經(jīng)第一及第二輪系(PG1,PG2)的第二枝點(KN12,KN22)到達輸出系統(tǒng)(Output)。另一路是機電動力鏈,從輸入軸,經(jīng)第二輪系(PG2),第一電機(EM1),第二電機(EM2),至少一個離合器(CL)及第一輪系(PG1)到達輸出系統(tǒng)(Output)。
當?shù)诙姍C(EM2)與第二輪系(PG2)耦合,所述至少一個離合器(CL)將第二電機(EM2)從第一輪系(PG1)第三枝點(KN13)斷開,然后將第二電機(EM2)與第二輪系(PG2)第三枝點(KN23)連接,如圖13所示。變速器在另一種動力分流模式下運行。同樣地,來自發(fā)動機的輸入動力被分成兩路經(jīng)兩個動力鏈傳送到輸出系統(tǒng)(Output)。純機械動力鏈從輸入軸(Input),經(jīng)第二輪系(PG2)到達輸出系統(tǒng)(Output);機電動力鏈從輸入軸(Input),經(jīng)第二輪系(PG2),至少一個離合器(CL),第二電機(EM1),第一電機(EM2)回到第二輪系(PG2),最后到達輸出系統(tǒng)(Output)。
第二實施方式(實施方式2)可提供一個自然速比節(jié)點SR0,即使輸出系統(tǒng)速度為零的速比節(jié)點,和一個非自然速比節(jié)點SR1。在非自然速比節(jié)點上,至少一個電機轉(zhuǎn)速為零。自然速比節(jié)點SR0將整個速區(qū)分為前行區(qū)和逆行區(qū)。高于自然速比節(jié)點的為前行區(qū);低于自然速比節(jié)點的為逆行區(qū)。第一非自然速比節(jié)點SR1,也簡稱為第一速比點,進一步將前行區(qū)劃分為低速區(qū)和高速區(qū)。低于第一速比節(jié)點SR1為低速區(qū),高于第一速比點SR1的為高速區(qū)。
在第一速比節(jié)點SR1上,假如變速器與儲能器無凈能量交換時,第二電機(EM2)的扭矩為零。因此,選擇SR1作為動力分流模式切換點將有助于減小或避免變速器系統(tǒng)的扭矩沖擊。速比節(jié)點SR1以下的低速區(qū)采用輸出動力分流方式。SR1以上的高速區(qū),采用輸入動力分流的方式。逆行區(qū)可采用純電力驅(qū)動。這樣,無論是機械鏈還是電力鏈,其中傳送的動力均小于輸入軸傳輸?shù)捷敵鱿到y(tǒng)的動力。多模式變速器在各個速區(qū)均無動力內(nèi)循環(huán),從而有效地拓寬了變速器的有效速比的范圍。為保證在模式切換速比SR1上離合器(CL)各相關(guān)部件轉(zhuǎn)速同步,各輪系特征齒數(shù)比之間應滿足下列關(guān)系:
KS1=KS2 (9)
考慮到電機及相關(guān)驅(qū)動器的可能內(nèi)部功耗,和齒輪齒數(shù)的約束,速比的實際切換點SRb可在SR1的附近。為保證在模式切換速比SRb上離合器各相關(guān)部件轉(zhuǎn)速同步,各輪系齒數(shù)比之間應滿足下列關(guān)系:
所有實施方式和其變種的一個基本特征為:第一電機(EM1),輸入軸(Input)及輸出系統(tǒng)(Output)各自以恒定的速比分別與第二輪系(PG2)的一個不同枝點耦合。所有實施方式和其變種的另一個基本特征為:第一輪系(PG1)中有一個枝點耦合變速器的一個固定組件(FM1)。此外,所有實施方式和其變種還有一個基本特征,那就是:第二電機(EM2)有選擇性地分別以第一恒定速比連接第二輪系(PG2)的一個枝點或以第二恒定速比連接第二輪系(PG2)的另一個枝點。還有,所有實施方式和變種的再另一個基本特征為:第二電機(EM2)有選擇地分別連接第一輪系(PG1)和第二輪系(PG2)。
不難看出,本發(fā)明所述的變速器能夠在多個模式下運行。其中,包括兩個動力分流模式及兩個固定速比模式。這些運行模式可簡單地由將第二電機(EM2)有選擇地耦合變速器的不同部件或/和組件來實現(xiàn)。
設計和制造本發(fā)明所述多模式電機無級變速器的基本步驟包括:構(gòu)建一個具有至少三分枝的行星輪系;設計和制造一個輸入軸,一個輸出系統(tǒng),第一電機及第二電機;分別將行星輪系的至少三個分枝連接到第一電機,輸出系統(tǒng)和輸入軸;有選擇地將第二電機以第一恒定速比連接至所述行星輪系的一個分枝和以第二恒定速比連接至所述輪系的另一分枝。
當以四分枝行星輪系組建齒輪系統(tǒng)時,為了使組建出來的齒輪系統(tǒng)具有實用性,能夠用于構(gòu)造多模式電機無級變速器并滿足所需功能特性要求,必須對四分枝行星輪系特征參數(shù)進行約束。上文中不等式(8)給出了基于電機動力(功率)匹配考慮的約束條件。實用中,建議在進行四分枝輪系設計和參數(shù)選取時,保證其特征參數(shù)滿足:
另外,從限制電機轉(zhuǎn)速的角度出發(fā),特別是在高速區(qū),建議
Kb≤2 (12)
應該說明的是,本發(fā)明說明書中所述的電機為電動機和發(fā)電機的統(tǒng)稱,它可以是電動機也可以是發(fā)電機。
工業(yè)實用性
上述實施例中的各零部件都可以由常規(guī)的工業(yè)制造方法獲得,從而經(jīng)組裝得到多模式機電無級變速器。該變速器可以在至少兩種不同的分流模式下工作,有效地克服了動力內(nèi)循環(huán),具有較高的傳動效率,能夠在較寬的范圍內(nèi)對輸出-輸入速比和動力進行連續(xù)和獨立的調(diào)節(jié),從而極大地拓寬了變速器的有效速比范圍。這種新型多模式機電無級變速器降低了對電機的動力要求,變速器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊,造價低廉;它們能夠?qū)崿F(xiàn)從倒退、停止到前進的不間斷的無級變速且無需啟動裝置,可大幅度地提高整車的燃油效率。