CN210212021U - 锥齿轮式油电混联混合动力系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种锥齿轮式油电混联混合动力系统，该系统主要包括发动机，两个电机，两个逆变器，一个动力电池，一个双向离合器，两个锁止离合器，大小锥齿轮分别作后排和前排的太阳轮，行星轮组包括三组锥齿轮，行星架通过双向离合器可以连接发动机，齿圈锥齿轮输出动力。该系统一是可以克服混连式混合动力汽车需要大电机来提供足够动力的问题；二是采用了锥齿轮传动方案，巧妙地利用了锥齿轮副相对于圆柱齿轮副可以承受更高的负载，传动更加平稳，噪声相对较低，且可以改变动力传输方向，使动力总成可以布置在前轴前方，布置起来更加灵活；三是包括纯电动驱动、电机辅助驱动、无级变速功能，使用零件通用性较高，易于实现规模产业化。

Description

锥齿轮式油电混联混合动力系统

技术领域

本实用新型涉及一种油电混合动力汽车的动力系统领域，准确地说，特别涉及一种锥齿轮式油电混联混合动力系统。

背景技术

近年来，随着环境污染与化石能源危机的加剧，汽车行业的可持续发展急需开发出具有环境友好、能量消耗少的新型能源汽车来弥补。而新能源汽车的翘楚——具有两个动力源的混合动力汽车既改善了传统燃油车的排放差，噪声大的缺点还弥补了纯电动车续航里程小，电池成本较高的不足，同时相比于燃料电池汽车，其氢气中混入其他气体极易发生爆炸，所以氢气的存储并保证其安全性将是一个难题，燃料电池汽车的应用受到限制。所以从中短阶段来看，作为过渡型的混合动力汽车将电机驱动与发动机驱动结合，既能保证车辆的续驶里程，又能节约燃油改善环境，从现阶段来看混合动力仍然是中短期内的最佳解决方案，有着非常良好的发展趋势和前景。

混合动力汽车通常分为串联式、并联式和混联式三种结构类型。混联式混合动力汽车结合了串联式和并联式的优点，是最理想的混合动力汽车结构方案。混联式混合动力关键技术之一，也就是其中的动力耦合系统电子无级变速器EVT(Electrical VariableTransmission)可以实现无级变速功能，维持发动机高效工作，可以最大限度的提高整车的经济性。

当前混联式混合动力汽车主要采用行星机构作为功率分流装置，典型的结构形式包括丰田的THS系统和通用的AHS系统。THS系统采用单行星排结构，属于输入式功率分流模式，THS系统具有的优点是结构简单，控制容易，可以实现电子无级变速(EVT)功能。但是THS系统的驱动电机与输出件齿圈相连，对其性能要求较高，为了满足良好得动力性，需选用功率等级较高的电机，这在很大程度上增大了整车成本和安装的困难程度；并且，该系统由于实质上是圆柱齿轮副，所以各个传动轴之间必须得在空间上属于平行关系，传动系统布置起来有一定的局限性。

发明内容

本实用新型提出的锥齿轮式油电混联混合动力系统，一是为了克服混连式混合动力汽车需要大电机来提供足够动力的问题，二是采用锥齿轮副传动，有着圆柱齿轮无法取代的优点，如承载高，可改变传输方向等

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案实现的：所述的锥齿轮式油电混联混合动力系统，包括该系统主要包括一台发动机，两个电机，两个逆变器，一个动力电池，一个双向离合器，两个锁止离合器，大小锥齿轮分别作后排和前排的太阳轮，包括三组锥齿轮的行星轮组以及输出齿圈。

技术方案中所述的发动机作为一个动力源输出端可以通过双向离合器与行星架输入端相连；两个逆变器的两端分别通过电缆线与两个电机和动力电池相连接，同时两个逆变器之间也需要通过电缆线连接，两个电机的定子部分固连于机架，转子部分通过锁止离合器与其临近的太阳锥齿轮的输入轴相连接；

技术方案中所述的前排的太阳轮通过滚针轴承连接在行星架的输入轴上，其与轴承外圈的配合为过盈配合，轴承内圈与行星架输入轴之间同样也是过盈配合，轴承的轴向定位一端用轴肩定位，一端用套筒定位，其中套筒与行星架输入轴之间的配合属于间隙配合，该前排太阳轮与最内端行星轮属于常啮合状态；

技术方案中所述的后排的太阳轮与后排太阳轮轴的连接关系是花键连接，这里的后排太阳轮轴也可以看做是电机二的输出轴，该后排太阳轮与中间行星轮属于常啮合状态；

技术方案中所述的输出齿圈紧挨着后排的太阳轮，其通过一个深沟球轴承连接在后排太阳轮轴上，齿圈与深沟球轴承的外圈为过盈配合，深沟球轴承的内圈与后排太阳轮轴的配合也为过盈配合，该深沟球轴承的轴向定位一端用轴肩定位，一端用套筒定位，其中套筒与行星架输入轴之间的配合属于间隙配合，该前排太阳轮与最外端行星轮属于常啮合状态；

技术方案中所述的行星齿轮组结构较为复杂，它是由四组一样的锥齿轮组组成，每个锥齿轮组都有三个大小规格不同的锥齿轮组成，这三个锥齿轮，最内侧锥齿轮作为最内端行星轮连接前排的太阳轮；中部锥齿轮作为中端行星轮连接后排太阳轮；最外侧锥齿轮作为最外端行星轮连接输出齿圈；且这三个行星轮通过花键副连接，带花键的衬套和一对角接触球轴承配合连接行星架的输出轴，需要注意的是，行星架的输出轴与行星架的输入轴不是一体的，具体配合方式是，行星架的输出轴尾端通过外花键插入行星架输入轴带有内花键的槽孔内，用紧定螺钉紧固；

技术方案中所述的发动机输出轴、行星架输入轴、后排太阳轮轴以及电机二的输出轴的回转轴线共线，行星架的输出轴(4个)所在的平面与上述的回转轴线在空间上垂直，4个结构相同的行星轮的回转轴线和星架的回转轴线相平行；

技术方案中所述的各个锥齿轮都是封装在专门的齿轮箱中的，各个齿轮的润滑，可以采用飞溅润滑，润滑油须使用锥齿轮专用润滑油。

与现有技术相比本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型所述的锥齿轮式油电混联混合动力系统采用了锥齿轮传动方案，巧妙地利用了锥齿轮副相对于圆柱齿轮副可以承受更高的负载。

2.本实用新型所述的锥齿轮式油电混联混合动力系统采用了锥齿轮传动方案，巧妙地利用了锥齿轮副相对于圆柱齿轮副使传动更加平稳，噪声相对较低。

3.本实用新型所述的锥齿轮式油电混联混合动力系统采用了锥齿轮传动方案可以改变动力传输方向，使动力总成可以布置在前轴前方，布置起来更加灵活。

4.本实用新型所述的锥齿轮式油电混联混合动力系统巧妙地运用了离合器C1的双向结合性,既可以锁止行星架又可以结合发动机，使整车的各模式之间的切换更加便捷，并且相对于其他已有构型来说减少了锁止离合器与制动器的使用，是系统更加紧凑，降低成本。

5.本实用新型所述的锥齿轮式油电混联混合动力系统由于电机一靠近发动机，所以其工作环境温度受到发动机温度的影响有所上升，进而可以提高电机一的工作效率。

6.本实用新型所述的锥齿轮式油电混联混合动力系统可以实现纯电动模式，既包括纯电动汽车也包括纯电动行驶，这样一来可以消除发动机的怠速油耗，提高整车的经济性。

7.本实用新型所述的锥齿轮式油电混联混合动力系统可以实现电子无级变速(EVT)模式，通过对电机的控制，可以保证发动机工作在最佳的燃油消耗曲线附近，同样也提高了整车的经济性。

8本实用新型所述的锥齿轮式油电混联混合动力系统可以实现制动能量回收模式，通过对电同样也可提高了整车的经济性，尤其适用于跑城市道路交通。

9.本实用新型所述的锥齿轮式油电混联混合动力系统可以使在匹配整车的时候，适当的降低发动机的功率转矩要求，既可以选择相对小型号的发动机，这样一来，可以减少发动机所带来的排放污染。

附图说明：

图1是说明本实用新型所述的锥齿轮式油电混联混合动力系统结构组成与工作原理示意简图；

图2是说明本实用新型所述的锥齿轮式油电混联混合动力系统结构中关键部件，锥齿轮式行星轮组的结构装配图；

图3是本实用新型所述的锥齿轮式油电混联混合动力系统在纯电动模式下的驱动力传递路线示意图；

图4是本实用新型所述的锥齿轮式油电混联混合动力系统在双电机驱动模式下的驱动力传递路线示意图；

图5是本实用新型所述的锥齿轮式油电混联混合动力系统在启动发动机起步模式下的驱动力传递路线示意图；

图6是本实用新型所述的锥齿轮式油电混联混合动力系统在EVT模式电机一发电时的驱动力传递路线示意图；

图7是本实用新型所述的锥齿轮式油电混联混合动力系统在EVT模式电机一助力时的驱动力传递路线示意图；

图8是本实用新型所述的锥齿轮式油电混联混合动力系统在再生制动模式的驱动力传递路线示意图；

图9是本实用新型所述的发动机工作map图。

图中：1.发动机，2.双向离合器，3.逆变器一，4.电机一，5.动力电池，6.逆变器二，7.电机二，8.行星架总成，9.锁止离合器C3,10.输出齿圈，11.主减速器，12.右排太阳轮，13.行星轮一， 14.行星轮二，15.行星轮三，16.左排太阳轮，17.锁止离合器C2,18.车轮，19.行星架输入轴，20. 滚针轴承，21.左排太阳轮，22.最内端行星轮，23.套筒一，24.中间行星轮，25.套筒二，26.最外端行星轮，27.套筒三，28.行星架输出轴，29.角接触球轴承一，30.带外花键的衬套，31.输出齿圈， 32.右排太阳轮，33.角接触球轴承二，34.深沟球轴承，35.轴套四，36.右排太阳轮输入轴，37.挡圈,38. 垫片，39.螺栓，40.卡簧，41.挡圈，42推力轴承一，43推力轴承二。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作详细的描述：

本实用新型的目的是提供一种新型油电混联式混合动力系统，即提供一种锥齿轮式油电混联混合动力系统，以实现混联式混合动力系统的电子无级变速功能，控制发动机工作在最佳燃油经济区，提高整车燃油经济性，实现低排放，克服混连式混合动力汽车需要大电机来提供足够动力的问题；并且采用了锥齿轮传动方案，巧妙地利用了锥齿轮副相对于圆柱齿轮副可以承受更高的负载，传动更加平稳，噪声相对较低，且可以改变动力传输方向，使动力总成可以布置在前轴前方，布置起来更加灵活。三是其驱动模式包括纯电动驱动、电机辅助驱动、无级变速功能，可以很好地满足各种工况要求。

参阅图1，本实用新型所述的锥齿轮式油电混联混合动力系统的整体布置主要由发动机(1)，双向离合器(2)，逆变器一(3)，电机一(4)，动力电池(5)，逆变器二(6)，电机二(7)，行星架总成(8)，锁止离合器C3(9)，输出齿圈(10)，主减速器(11)，后排太阳轮(12)，最内端行星轮(13)，中端行星轮(14)，最外端行星轮三(15)，前排太阳轮(16)，锁止离合器C2(17),车轮(18)以及相应的电缆线和各部件的输入输出轴组成。

其中，发动机(1)、一号电机(4)、二号电机(7)、逆变器(6)和动力电池(5)都可以选用已有产品，具体选型需结合厂家整车基本参数和设计要求。

以下重点介绍该发明构型的机械结构：

本实用新型所述的前排太阳轮(16)选用锥齿轮，该太阳轮的轴前端由锁止离合器C2(17)来控制其与电机一的输出轴连接与否，该锁止离合器可以选用电磁伺服，其中电线可以内嵌于电机的输出轴中，这里的轴均为空心轴，一来考虑总成的轻量化，二来考虑电缆线的布置和轴承，锥齿轮等物件的润滑；

细节方面可以参阅图2，该前排太阳轮(21)坐落在行星架输入轴(19)上，但是这两个零件要实现相对独立的转动，考虑到尺寸，布置等因素，考虑选用滚针轴承(20)来保证此功能，如图所示，该行星架输入轴(19)为左边细，右边粗的阶梯轴，装配时，由于滚针轴承(20)的内圈与轴(19)为过盈配合，所以装配式可以考虑对轴承内圈进行油浴加热；由于锥齿轮啮合时需要调节啮合时的预紧力，因为如果锥齿轮的轴向位置不合适，预紧力过小的话，传动时会带来较大的振动和噪声，严重影响传动的平稳性，所以本实用新型考虑使用垫片进行调节，即垫片放在该前排太阳轮的轴向定位左边，增加垫片预紧力便会增加，减少垫片则预紧力便会减少，垫片的数目视具体情况而定，关于该前排太阳轮(21)的右端轴向定位则如图2所示，靠一个推力轴承二(43)，推力轴承的右侧则靠在轴肩上，该结构保证了该锥齿轮可以独立于行星架出入轴(19)独立转动；

本实用新型所述的后排太阳轮(33)同样选用锥齿轮，调节预紧力的方式与轴向定位方式与前排太阳轮一样，但是需要区别于前排太阳轮的是：尺寸上比前排太阳轮(21)大，因为它要和中端行星轮(24) 处于常啮合状态，需要区别于前排太阳轮的是：该后排太阳轮与右排太阳轮输入轴(36)的旋转处于同步状态，保证此功能的技术手段是，将后排太阳轮(33)和其输入轴(36)之间采用渐开线花键连接，其左侧的轴向定位靠挡圈一(37)来固定，挡圈一(37)由螺栓(39)和垫片(38)紧固在后排太阳轮输入轴(36) 上，随其一起旋转；

本实用新型所述的其行星架以及行星轮组的具体结构可以参阅图2，首先最外端行星轮(26)，中端行星轮(24)，最内端行星轮(22)的回转轴线应垂直于上述的前排太阳轮(21)和后排太阳轮(33)的回转轴线，并且这三个行星轮要证其输出自转转速相同，旋转状态应独立于行星架的输出轴(28),解决三个行星自转轮转速相同的技术手段是，这三个行星轮通过渐开线花键连接的方式连接到一个带外花键的衬套(30)上，所以通过衬套这个第四方零件的介与，保证了各行星轮与衬套的转速相同，从而保证了各个行星轮的自转转速相同，这里需要注意的是，该带外花键的衬套的抗扭强度必须足够；

解决三个行星轮旋转状态可以独立于行星架的输出轴(28)的技术手段是，该带花键的衬套(30)通过一对正向安装的角接触球轴承(29)和(33)实现，即角接触球轴承的外圈与衬套过盈配合，内圈与行星架的输出轴(28)轴颈过盈配合，轴承的轴向定位一端靠轴肩，另一端靠一个推力轴承定位；再看行星轮的轴向定位方式，最外端行星轮的外侧靠推力轴承定位，内侧靠套筒(25)定位，中端锥齿轮两侧均由定位套筒定位，分别是(25)和(23)，最内端行星轮的定位方式为内侧推力轴承，外侧定位套筒(23)；

行星架输出轴上的推力轴承的定位方式均为一一侧顶着行星轮锥齿轮，另外一侧靠卡簧加挡圈的方式定位；

整车状态模式分析

一、起步状态

1，纯电动起步模式

参阅附图1和附图3，当车的需求功率不大，电池的电量充裕时由车载动力电池提供电能，电机二输出扭矩，发动机和电机一处于关闭状态，整车控制器(VCU)根据驾驶员踏板信号确定相应的目标转矩，此时离合器C1和机架相连接，行星架输入轴锁死，离合器C2处于断开状态，前行星排与后行星排直接断绝动力传输，离合器C3处于锁止状态，要保证电机二的输出轴和后排太阳轮的输入轴相连接，驱动力传递路线参阅附图3，驱动车辆的全部能量都来自动力电池，再由电机二将电能转换为机械能经减速器输出给车轮。

2，启动发动机起步模式

参阅附图1和附图5，当车的需求功率较大，电池的电量较低时发动机的启动由电机一实现，启动发动机后，为了保证启动平稳，动力性良好，可以适当地根据需求和电池电量利用MG2补偿转矩输出。此时离合器C1和发动机的输出轴相连接，保证发动机的输出轴与行星架的输入轴相连接，离合器C2 处于锁止状态，保证可以有一部分能量通过电机一机械能转换为电能，前行星排与后行星排直接断绝动力传输，离合器C3的状态随负载的变化而定当负载较大，电池电量不是特别低时离合器C3锁止，电机二处于助力状态，驱动力传递路线参阅附图5，驱动车辆的大部分能量都来自发动机，电机一处于发电状态。

二、前进状态

1，单电机驱动纯电动模式

2，该模式与纯电动起步动力传输路径一样，故不作赘述。

3，双电机驱动纯电动模式

参阅附图1和附图4，发动机不工作，电机MG1和电机MG2同时驱动工作。此时离合器C1和机架相连接，保证行星架的输入轴处于锁死状态，离合器C2处于锁止状态，保证电机一的输出轴可以和前排太阳轮相连接，离合器C3处于锁止状态，驱动力传递路线参阅附图4，驱动车辆的全部能量都来自动力电池，再由两个电机将电能转换为机械能经减速器输出给车轮。

4，EVT模式

参阅附图1、附图6和附图7，发动机的输出功率一部分经过行星排，由机械路径输入到减速器，进而输出至车轮，另一部分的输出功率由电机一通过机械能转换为电能经过逆变器充至动力电池中，动力电池再输出能量经过逆变器输送至电机二，电机二将电能转变为机械能进而驱动整车，当动力电池电量冗余且需求功率较大时，电机二也可以参与助力；在此模式下。此时离合器C1和发动机的输出轴相连接，保证发动机的输出轴与行星架的输入轴相连接，离合器C2处于锁止状态，保证电机一的输出轴可以和前排太阳轮相连接，离合器C3处于锁止状态，电机二处于输出功率状态，驱动力传递路线参阅附图6和附图7，驱动车辆的一般都来自发动机，动力电池起中介作用，但是当需求功率大时，动力电池也可以额外输出电功率。

在此模式下，由于发动机和路载的解耦，可以通过调节两个电机的转速转矩使发动机工作在其最优工作曲线附近，具体情况可以参阅图9。

三、制动能量回收状态

参阅附图1和附图8当驾驶员踩下制动踏板时，若非紧急制动，即电机MG2所提供的制动力满足需求时，制动力则全部由电机二提供，所回收的能量存储在动力电池中；若为紧急制动，即电机二所能提供的最大制动力不能满足需求时，则由传统制动辅助提供，由电机二制动的能量可以储存到动力电池中，另一部分由机械制动器制动的能量以热能的形式耗散到空气中。

Claims (3)

1.一种锥齿轮式油电混联混合动力系统，包括发动机（1）、逆变器一（3）、电机一（4）、电机二（7），其特征在于，包括双向离合器（2）、锁止离合器C3（9）和锁止离合器C2（17）、前排锥齿轮（16）作前排太阳轮、由三组不同大小锥齿轮，分别是内端锥齿轮（13）、中端锥齿轮（14）、最外端锥齿轮（15）组成的锥齿轮组作行星轮、后排锥齿轮（12）作后排太阳轮、锥齿轮圈（10）作为输出齿圈；

所述的发动机（1）作为一个动力源输出端可以通过双向离合器（2）与行星架总成（8）相连；逆变器一（3）的一端和电机一（4）用导线相连，另一端与动力电池（5）相连，逆变器二（6）一端与电机二（7）用导线相连，另一端与动力电池（5）相连；

所述的电机一（4）定子部分固连于机架；转子部分通过锁止离合器C2（17）与前排锥齿轮（16）的转轴相连接；所述的电机二（7）定子部分固连于机架；转子部分通过锁止离合器C3（9）与后排锥齿轮（12）的转轴相连接；

所述的双向离合器有两个连接状态，状态一为发动机（1）与行星架总成（8）相连，状态二为行星架总成（8）与机架相连；锁止离合器C2（17）有两个连接状态，状态一为电机一（4）的输出端可以与前排锥齿轮（16）结合，状态二为断开；锁止离合器C3（9）有两个连接状态，状态一为电机二（7）的输出端与后排锥齿轮（12）结合，状态二为断开；

所述的锥齿轮组包括三组大小不同的锥齿轮，分别是内端锥齿轮（13）、中端锥齿轮（14）、最外端锥齿轮（15）组成，三个锥齿轮通过花键连在一个空心套筒上，空心套筒通过轴承套在行星架的后端轴上，保证该空心套筒既可以自转又不影响行星架带动其公转；所述的前排锥齿轮（16）与行星锥齿轮组中的内端锥齿轮（13）啮合，后排锥齿轮（12）与行星锥齿轮组中的中端锥齿轮（14）啮合，锥齿轮圈（10）连接输出齿圈与行星锥齿轮组中的最外端锥齿轮（15）啮合，另一端可以通过齿轮副的传动形式的连接将动力传输到主减速器（11）上进而通过半轴驱动车轮。

2.根据权利要求1所述的锥齿轮式油电混联混合动力系统，其特征是，所述的内端锥齿轮（13）、中端锥齿轮（14）、最外端锥齿轮（15）的个数分别都为3个～４个，在圆周方向等分排列。

3.按照权利要求1所述的锥齿轮式油电混联混合动力系统，其特征是，所述的双向离合器（2）可由拨叉拨动，其根部用花键连接行星架的输入轴，拨叉杆可以用液压驱动；锁止离合器C3（9）和锁止离合器C2（17）为电磁离合器，两电机的动力输出轴为空心轴，其内部通有控制锁止离合器的电线。

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