专利名称：用于车辆的机械蓄能器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机械蓄能器，该机械蓄能器可以在车辆中、特别是在电动或混合动力车辆中使用。此外，本发明涉及一种具有这种机械蓄能器的车辆。
背景技术：
电动和混合动力车辆至少部分地通过电动机驱动，该电动机也可以在发电机模式中运行。在此，为了降低总能量消耗而期望的是，在制动车辆时使动能再生，也就是说回收利用动能，并且存储动能以用于后来的应用。传统地常见的是，在制动过程期间，电机以发电机模式运行，以便能将动能转换为电能并且随后存储在车辆蓄电池中。与这种电能量再生和能量存储无关地，还已经提出了具有飞轮机构的车辆，其中机械地存储了在制动时释放的动能。然而已知了，传统的再生机构至少在一些行驶-或制动情况下不能引起令人满意的能量再生和能量存储。
发明内容
因此可能存在用于能量再生的机构或配有这种机构的车辆的需求，其中，车辆的动能或由在车辆中运行的电动机所提供的能量能以有利的方式存储并且根据需要重新输出。 这种需求通过独立权利要求的内容来实现。有利的设计方案在从属权利要求中定义。根据本发明的第一方面，提出了用于车辆、特别是用于电动或混合动力车辆的机械蓄能器。蓄能器具有行星齿轮传动装置。行星齿轮传动装置的太阳轮在此与车辆的马达不能相对转动地连接。该马达在电动或混合动力车辆中是电动机，该电动机也可以以发电机的方式运行，从而不仅能将力从马达传递到太阳轮上并且也可以在相反的方向上传递。行星齿轮传动装置的外齿轮与车辆的车轮驱动机构相连接，以便旋转地驱动车辆。行星齿轮传动装置的行星齿轮通过行星齿轮连杆固定地相互连接。根据本发明，行星齿轮为了增大其飞轮质量而具有所谓的飞轮质量区域(Schwungmassenbereich),该飞轮质量区域具有比行星齿轮的、布置在太阳轮和外齿轮之间的齿轮区域更大的直径。根据本发明的第二方面，提出了一种车辆、特别是电动或混合动力车辆，该车辆配有根据本发明的机械蓄能器。下面简短地描述作为本发明的方面或其实施方式的基础的认识和构思并且描述根据本发明的实施方式的特征和优点。已经认识到，在车辆中的传统的能量再生通过转换为电能并且随后存储在车辆蓄电池中，通过车辆蓄电池的容纳能力可以限制回收利用的能量或者再生功率的最大可再生的量。制动能量特别是可以在更强烈的车辆减速时通常仅不充分地以再生的电力的形式存储在蓄电池中，这是因为将动能完全转换为电能并且随后进行存储可能导致车辆的电组件、特别是功率电子元件和蓄电池的过载。因此在硬制动时，通常制动盘中由于的附加的常规的机械制动而通过摩擦热量而消耗了一部分制动能量。利用在此提出的机械蓄能器除了电能量再生和存储的可能性之外可以实现一种可能性，将能量在车辆中也机械地、特别是以旋转能量的形式进行存储。为此车辆配有特殊设计的行星齿轮传动装置形式的附加的飞轮驱动装置。借助于飞轮应存储机械的旋转能量，该飞轮在此以行星齿轮传动装置的行星齿轮的形式提供。为了使得可存储在这些飞轮中的旋转能量最大化，行星齿轮这样设计，即该行星齿轮具有尽可能高的惯性矩并且在行星齿轮传动装置运行时尽可能快地旋转。为了使得飞轮质量或惯性矩最大化，行星齿轮具有附加的飞轮质量区域。该飞轮质量区域不能相对转动地与各个行星齿轮的齿轮区域相连接，其像在传统的行星齿轮传动装置中那样布置在太阳轮和外齿轮之间并且能通过太阳轮或外齿轮至于旋转。飞轮质量区域在此设计成围绕相应的行星齿轮的旋转轴旋转对称并且可以例如具有圆盘形状。飞轮质量区域的直径在此大于行星齿轮在齿轮区域中的直径。以这种方式可以实现，大部分包含在飞轮质量区域中的质量具有相对于旋转轴较大的间距，由此，整个行星齿轮的惯性矩显著提高并且因此在转速相同时可以将旋转能量形式的更多的动能存储在行星齿轮中。为了在行星齿轮传动装置运行期间实现行星齿轮的尽可能高的旋转速度，在太阳轮和行星齿轮之间的传动比可以至少为20:1，优选至少为30:1，并且更优选至少为50:1。换句话说，行星齿轮可以在齿轮区域的范围中具有和太阳轮的直径相比这样小的直径，即基于布置在齿轮区域的范围中的行星齿轮齿的数量，和太阳轮上的齿的数量成比例地形成期望的传动比。基于这样高的传动比也可以在太阳轮转速低时实现行星齿轮的和与其相连接的飞轮质量区域的高转速和进而高的旋转速度。为了实现行星齿轮的高的惯性矩和进而高的蓄能器能力，在行星齿轮中，飞轮质量区域的直径可以是齿轮区域的直径的至少两倍大、优选至少三倍大和特别优选地至少五倍大。齿轮区域的直径在此很大程度上在行星齿轮传动装置内部通过在太阳轮和外齿轮之间的间距预定并且典型地在电动车辆中处于从0.5至2cm的范围中。因此，飞轮质量区域可以具有例如在I和IOcm·之间的相应较大的直径，飞轮质量区域优选地布置在固有的行星齿轮传动装置之外，也就是说，在一个平面中，该平面平行地相对于布置有太阳轮、外齿轮和行星齿轮的齿轮区域的平面错开。为了一方面实现行星齿轮上的有利的力分布和另一方面使得与行星齿轮的齿轮区域相连接的飞轮质量最大化，行星齿轮可以在两个轴向端部上具有飞轮质量区域。飞轮质量区域在此优选设计为相同的。此外，行星齿轮可以是一体的，也就是说，齿轮区域和一个或多个飞轮质量区域可以设计为一体。通过这种一体形成的设计方案，可以实现足够高的机械稳定性，以便承受住在行星齿轮和特别是其飞轮质量快速旋转时出现的力。行星齿轮可以部分地或完全地由金属制成。基于大多数金属的通常高的特殊重量，可以以这种方式在同时存在高的机械承受力的情况下实现大的飞轮质量。可能的可应用的金属例如是 16MnCr5，20MnCr5，18CrMo4。替代地或补充地，行星齿轮可以由合成纤维材料制成。特别在应用高强度的人造纤维、例如碳纤维或凯芙拉纤维时，这种合成纤维材料可以允许由此制成的行星齿轮的非常高的机械承受力。基于这种高的承受力可以实现，使得行星齿轮以非常高的转速旋转。由于在这种旋转中存储的旋转能量Erot与旋转-或角速度ω成二次幂，但是仅与惯性矩J成线性关系(EMt=72J 2)，因此也可以利用由相对较轻的合成纤维材料制成的行星齿轮，基于高的机械承受力和与之相关联的高的允许的旋转速度而存储大的旋转能量。此外，可以基于可应用的小的、但是高强度的行星齿轮将行星齿轮传动装置的结构尺寸保持较小。所提出的机械蓄能器的行星齿轮可以优选地在旋转期间在其几何结构和在允许的机械承受力方面这样设计，即在正常运行中，也就是说在行星齿轮传动装置之内出现典型的转速时，可以存储至少为1000J、优选为至少2000J的旋转能量。机械地存储这种大的能量的可能性特别是在以下情况下证实为是有利的，即电动车辆例如应该从斜坡处或者例如在路缘石上起动时加速。配有根据本发明的机械蓄能器的车辆、特别是电动或混合动力车辆可以设计用于，在制动过程期间将能量以旋转能量的形式存储在机械蓄能器的行星齿轮中，和/或在加速过程期间，为车辆提供在机械蓄能器的行星齿轮中存储的旋转能量，以便转换为动能，也就是说用于使得车辆加速。除了上面已经描述的、在制动过程中的能量再生之外，因此也可以实现例如在斜坡处起动或在剧烈加速时对电动机的辅助。这种短时间的功率提高在此也称为“助力”。在传统的电动车辆中，这种助力部分地仅能受限地实现，这是因为对于电动机的附加的功率加载需要接通的功率强烈地加热了功率电子元件并且可能导致特别是逆变器中的功率电子元件的过载。这可能部分地甚至会导致，受限的功率不足以在斜坡处起动。基于在此提出的、在机械蓄能器中的附加的能量存储，可以改进起动特性以及助力。在一种特殊的设计方案中，车辆具有两个根据本发明的机械蓄能器，其中第一蓄能器设计用于，为了存储旋转能量，使得行星齿轮在和第二机械蓄能器中相反的方向上旋转。由此可以避免，由于科里奥利力使得车辆的变向变得困难。行星齿轮的相反的旋转方向例如可以通过电动机侧的和车轮驱动装置侧的传动装置实现，用于电动机-和车轮旋转的旋转方向换向。可替换地，机械蓄能器可以这样布置在车辆中，即行星齿轮围绕垂直轴旋转。垂直轴在此理解为正交于一平面的轴，车辆在行驶时沿其运动。在车辆中的蓄能器的这种安装中，其中行星齿轮水平地布置并且能围绕垂直轴旋转，科里奥利力不会反作用于车辆的方向变化，而是可以使其稳定在其竖轴的位置上，以便因此例如防止车辆倾翻。行星齿轮传动装置的安装位置的变化可以通过车轮驱动装置侧的锥齿轮传动装置和电机的水平安装实现。借助于在此提出的机械蓄能器或配有这种蓄能器的车辆，可以实现多个优点，如下所述:
-可以改进再生程度，也就是说，制动能量的利用率也可以在更强烈的制动过程中提高。间接地可以由此提高电动车辆的活动范围。通过改进的再生减弱了待加速的车辆质量对于活动范围的影响，也就是说，提高的车辆重量的影响变小。最大的再生程度可以在此利用设置在行星齿轮上的飞轮质量区域的最大的惯性矩实现。-通过改进的再生程度也可以基于较小的制动要求延长制动盘和制动摩擦衬片的使用寿命。-借助于存储在机 械蓄能器中的旋转能量可以通过将飞轮质量接通用于电动驱动来改进特别是在斜坡上的起动。-在行驶期间可以通过将飞轮质量接通用于电动驱动实现明显的助力。-具有行星齿轮传动装置的机械蓄能器的设计方案能实现价廉且耐用的机械蓄能实施方式。-在电动机的工况点中，在考虑转矩的情况下选择转速，该工况点可以通过利用附加的机械蓄能器，经过再生进行优化。-在负载下起动时，存储在机械蓄能器中的旋转能量可以用于，避免对于电动车辆的典型的急冲。-在应用机械蓄能器用于车辆的所有四个车轮时，可以实现全轮功能。说明了，在此所描述的本发明的构思结合了机械蓄能器以及配有这种蓄能器的车辆，以及也结合了这种车辆或蓄能器的规定的功能模式。对于本领域技术人员而言在此清楚的是，能以不同的方式将单独描述的特征彼此组合，以便因此也实现本发明的其它的设计方案。
下面参照附图来描述本发明的未加以限制地设计的实施方式。附图仅是示意性的并且不是比例正确的。图1示出了根据本发明的机械蓄能器的侧视图。图2示出了根据本发明的机械蓄能器的截面图。图3示出了用于根据本发明`的机械蓄能器的行星齿轮。图4非常示意性地示出了具有根据本发明的机械蓄能器的车辆。图5至13用于说明功能方式，如其能利用根据本发明的蓄能器实施地那样。
具体实施例方式图1和图2以侧视图和截面图示出了根据本发明的机械蓄能器。在此，根据本发明的蓄能器可以在电动或混合动力车辆中使用，如它示意性地在图4中示出地那样。蓄能器I具有行星齿轮传动装置3。行星齿轮传动装置3具有中央的太阳轮5、外齿轮7和三个布置在太阳轮5和外齿轮7之间的行星齿轮9。在太阳轮5的外周上和在外齿轮7的内周上分别设有齿(在图1中未示出)，行星齿轮9的齿啮合到这些齿中，从而太阳轮5或外齿轮7的旋转引起了行星齿轮9的相应的旋转和/或运动。太阳轮5在此通过轴19与车辆13的电动机11(见图4)不能相对转动地连接。外齿轮7与轮驱动装置不能相对转动地连接以用于驱动车轮15。三个行星齿轮9通过行星齿轮连杆17刚性地相互连接。在图3中示出了行星齿轮传动装置3的行星齿轮9。行星齿轮9具有齿轮区域21,该齿轮区域如在图2中示出在行星齿轮传动装置3中布置在太阳轮5和外齿轮7之间并且通过布置在其上的齿与它们啮合。在行星齿轮9的轴向端部上分别构成了飞轮质量区域23。该飞轮质量区域实现为圆形的盘，该盘具有比齿轮区域21的直径d更大的直径D。如在图2中示出，飞轮质量区域23相对于行星齿轮传动装置3的、在其中齿轮表面彼此啮合的平面A-A处于外部，也就是说侧向偏移。在图2中，行星齿轮9的飞轮质量区域23在此以下述方式这样设计:该飞轮质量区域布置在相同的平面B-B，C-C中。然而，由此限定了飞轮质量区域23的最大可能的直径，这是因为不允许相邻的行星齿轮9的飞轮质量区域23接触。为了能实现用于飞轮质量区域23的更大的直径，布置在相邻的行星齿轮9的端部上的盘可以彼此轴向偏移地布置，从而它们由于位于其间的轴向间隙不会发生接触。以这种方式能实现具有非常大的飞轮质量区域23的行星齿轮，其在侧视图中如图1中示意性以虚线示出地那样可以重叠。下面应根据图5至13描述不同的功能方式，其中，所述的机械蓄能器或配有该机械蓄能器的电动车辆可以运行。在图5中示出了没有助力器运行和没有再生的行驶。用于太阳轮5和行星齿轮组合(Planetenradverbund) 9、17的旋转轴在此刚性地相互稱合。行星齿轮9在此不围绕其自身轴旋转。电动机11驱动了外齿轮7或与其相连接的车轮15。为了能使得用于太阳轮5和行星齿轮组合9，17的轴刚性地相互耦合，显示为太阳轮轴19的局部加厚部的传动法兰25 (见图2)通过太阳轮轴19的轴向移动而压靠到行星齿轮连杆17上。如果像图6中示出地那样，用于太阳轮5和行星齿轮组合9、13的旋转轴彼此退耦并且电机11切换到发电机运行模式中，则电机11以产生电功率的形式以及行星齿轮9以接收旋转能量的形式一起进行再生。因此提高了总的可再生的功率或者说制动功率。车辆13在第一制动阶段中被制动。在图7中示出的直到车辆停止的第二制动阶段中，电机11反向于在第一制动阶段期间的旋转方向运行。设置在行星齿轮9上的飞轮质量进一步装载了旋转能量。由于惯性质量的加速，车辆15被进一步制动。也就是说，车辆通过电机11进行制动并且制动能量存储在飞轮质量23中。在车辆停止前不久或者在紧急制动时，车辆可以通过传统的车轮制动
器停止。在车辆停止之后，如在图8中所示，车轮制动器保持激活。电机11使行星齿轮9的动能再生。也就是说，来自于两个制动阶段的总制动功率可以通过电机11在比发生的制动过程更长的时间段内被再生。因此由电池接收的电流强度被降低到如此程度，使电池不会被过载。这也适用于在制动之后，该制动还不会导致车辆停止。替代于此，电机11可以在完全制动之后并且在随后车辆停止时处于空转，如这在图9中示出，从而行星齿轮9的旋转能量保持被存储而用于随后的助力器运行。如果行星齿轮9在没有之前的再生时不应该具有旋转动能(例如在车辆启动时)，则其可以在起动之前在借助于机械的车轮制动器锁定的车轮中通过电机11置于旋转。如在图10中示出，车辆可以在起动时通过行星齿轮9的旋转能量来加速。之前空转运行的电动机11以再生的方式进行制动，车轮15置于旋转。附加地，车辆可以通过电动机11通过下述方式加速:其反向于图9中已经示出的旋转方向驱动。如在图11中示出，车辆可以通过下述方式滑行:电机11、行星齿轮9和车轮15处于空转。在这种滑行之后，车辆可以如在图12中示出地那样通过存储在飞轮质量23中的旋转能量并且例如对于助力器运行而言附加地 通过电机11来加速。如果仅行星齿轮9的动能应被用于加速，则电机11从空转开始以再生的方式进行制动。在通过电机11(助力器运行)辅助加速时，其反向于之前的空转的旋转方向被驱动。对于图13中示出的根据助力器的行车(Cruisen)，一旦太阳轮和行星齿轮组合同步旋转，则用于太阳轮5和行星齿轮组合9、13的旋转轴为了行车而刚性地相互耦合。行星齿轮9不继续围绕其自身的轴进行旋转。两个轴的耦合应该始终从达到相同的转速起实现，否则仅会在滑动的情况下通过随后置于旋转的行星齿轮9来实现通过电机11使车辆进一步加速。车辆可能在轴未耦合的情况下不充分地加速或者在斜坡上的负载情况下尽管通过电机11进行加速但仍降低速度。为了能在具有飞轮质量区域23的行星齿轮9中存储尽可能多的旋转能量，一方面其惯性矩应该尽可能高并且另一方面存在这样的可能性:使得行星齿轮9置于尽可能快的旋转。为了实现快速旋转，行星齿轮在齿轮区域21中应该具有尽可能小的直径，以便以这种方式实现在行星齿轮9和太阳轮5之间的高的传动比。要达到的传动比在此例如可以是30:1，也就是说，行星齿轮9的转速是太阳轮5的转速或车辆车轮15的转速的三十倍。另一方面，在行星齿轮9上在其轴向端部上设置的飞轮质量应该具有尽可能高的惯性、也就是说尽可能高的惯性矩。例如可以力求，在行星齿轮传动装置中存储足够的旋转能量，以便例如能够将对此充分的2000J的能量传输给IOOOkg重的车辆，以用于在高度为20cm的路缘石上起动。在下述假设的情况下:即机械蓄能器在行驶速度为50km/h时被“装载”，其中行星齿轮在传动比为30:1时随之以约12000转每分钟的转速进行旋转，并且在另一个假设的情况下:即行星齿轮连同飞轮质量区域一起由钢制成，具有20_的飞轮质量区域厚度，可以算出，飞 轮质量区域的直径应该大于72_。
权利要求
1.用于车辆(13)的机械蓄能器(I)，其中，所述蓄能器具有:行星齿轮传动装置(3);其中，所述行星齿轮传动装置的太阳轮(5)与所述车辆的马达(11)相连接； 其中，所述行星齿轮传动装置的外齿轮(7)与所述车辆的车轮驱动机构相连接；并且 其中，行星齿轮(9 )通过行星齿轮连杆(17)相互连接；其特征在于，所述行星齿轮为了增大其飞轮质量而具有飞轮质量区域(23)，所述飞轮质量区域与所述行星齿轮的、布置在所述太阳轮和所述外齿轮之间的齿轮区域(21)相比具有更大的直径。
2.根据权利要求1所述的机械蓄能器，其中，在所述太阳轮和所述行星齿轮之间的传动比至少为20:1。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的机械蓄能器，其中，在所述行星齿轮中，所述飞轮质量区域的直径(D)是所述齿轮区域的直径(d)的至少两倍大。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的机械蓄能器，其中，所述行星齿轮在两个轴向端部上具有所述飞轮质量区域。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的机械蓄能器，其中，所述行星齿轮是一体的。
6.根据权利要求1至5中 任一项所述的机械蓄能器，其中，所述行星齿轮由金属制成。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的机械蓄能器，其中，所述行星齿轮由合成纤维材料制成。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的机械蓄能器，其中，所述行星齿轮设计用于，存储至少1000J的旋转能量。
9.具有根据权利要求1至8中任一项所述的机械蓄能器(I)的车辆(13)。
10.根 据权利要求9所述的车辆，其中，所述车辆设计用于，在制动过程期间将能量以旋转能量的形式存储在所述机械蓄能器(I)的行星齿轮(9)中，和/或在加速过程期间，为所述车辆提供在所述机械蓄能器的所述行星齿轮中存储的旋转能量，以转换为动能。
11.根据权利要求9或10中任一项所述的车辆，还具有根据权利要求1至8中任一项所述的第二机械蓄能器，所述第二机械蓄能器设计用于，为了存储旋转能量，使得所述行星齿轮在与所述第一机械蓄能器中相反的方向上进行旋转。
12.根据权利要求9或10中任一项所述的车辆，其中，所述机械蓄能器以下述方式布置在车辆中，即所述行星齿轮围绕垂直轴旋转。
全文摘要
提出了一种机械蓄能器(1)和一种具有这种蓄能器的电动或混合动力车辆。蓄能器(1)具有行星齿轮传动装置(3)。行星齿轮传动装置的太阳轮(5)与车辆的电动机相连接。行星齿轮传动装置(3)的外齿轮(7)与车辆的车轮驱动机构相连接。行星齿轮(9)通过行星齿轮连杆(17)刚性地相互连接。根据本发明，行星齿轮(9)为了增大其飞轮质量而具有所谓的飞轮质量区域(23)，该飞轮质量区域具有比布置在太阳轮(5)和外齿轮(7)之间的齿轮区域(21)更大的直径。基于该飞轮质量区域(23)，可以借助于行星齿轮传动装置(3)将大量的旋转能量存储在旋转的行星齿轮(3)中。这种动能存储可以改进电动车辆的再生程度或起动特性。
文档编号B60K6/30GK103249584SQ201180060754
公开日2013年8月14日 申请日期2011年10月20日 优先权日2010年12月17日
发明者J.海泽, A.蒂芬巴赫, T.施奈德特恩斯 申请人:罗伯特·博世有限公司