一种插电式混合动力专用汽车的动力传动系统的制作方法

本发明属于专用汽车技术领域，具体涉及一种插电式混合动力专用汽车的动力传动系统。

背景技术：

专用汽车广泛应用于国民经济各个领域，对促进社会发展起着举足轻重的作用。专用汽车的动力传动系统不仅驱动车辆行驶，还驱动工作装置工作，以发挥其专用功能，其性能的优劣直接决定了汽车的动力性、经济性和可靠性，是专用汽车底盘中最重要、最核心的部分。

目前，专用汽车的动力传动系统是在传统汽车动力传动系统的基础上增加了取力器改装而成，这种动力传动系统虽然能实现专用汽车特有的功能，但由于专用汽车在行驶和作业时复杂性和特殊性，这种动力传动系统不仅增加了底盘布置的难度，而且难于保证与专用汽车复杂多变的功率需求合理匹配。除此之外，装备这种动力传动系统的专用汽车还存在油耗高、噪音大、排放品质差等一系列问题，专用车行业对经济型、节能环保型动力传动系统的需求日益凸显。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述问题，提供一种用于专用汽车的功能齐全、节能环保的插电式混合动力传动系统。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种插电式混合动力专用汽车的动力传动系统，包括发动机、行星齿轮机构、第一制动器、第一离合器、动力电池、与动力电池相连的功率器件、充电器、充电插头以及分别与功率器件电连接的发电机、第一驱动电机和第二驱动电机；行星齿轮机构包括太阳轮、行星轮、行星架和齿圈，行星架的中心固定套设于输入轴，输入轴与发动机相连；发电机与太阳轮相连；第一驱动电机与齿圈相连；第一制动器与齿圈相连，第一离合器的主动盘与行星架相连，第一离合器的从动盘与第二驱动电机的电机轴啮合，电机轴与主输出轴啮合。

优选地，所述齿圈与第六齿轮啮合，第六齿轮固定套设于第一输出轴，第一输出轴的一端与工作装置相连。

优选地，所述齿圈与第一制动器的内鼓相连，第一制动器的外鼓固设于动力总成壳体上。

优选地，所述齿圈与第一驱动电机相连，第一驱动电机与功率器件电连接。

优选地，所述太阳轮与第二制动器的内鼓相连，第二制动器的外鼓固设于动力总成壳体上。

优选地，所述输入轴的端部与第一离合器的主动盘相连，第一离合器的从动盘与中间轴相连，中间轴上固设有第一齿轮；电机轴上固设有第二齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合；主输出轴上固设有第三齿轮，第三齿轮与第二齿轮啮合。

优选地，所述主输出轴与第二离合器的主动盘相连，第二离合器的从动盘与第二输出轴的一端相连，第二输出轴的另一端与负载装置相连。

优选地，所述主输出轴上固设有第四齿轮，第四齿轮与第五齿轮啮合，第五齿轮与差速器相连，差速器与半轴相连，半轴上安装有驱动轮。

优选地，所述主输出轴还与第三离合器的主动盘相连，第三离合器的从动盘与第三输出轴的一端相连，第三输出轴上固设有第四齿轮，第四齿轮与第五齿轮啮合，第五齿轮与差速器相连，差速器与半轴相连，半轴上安装有驱动轮。

优选地，所述齿圈固设于动力总成壳体上。

本发明的有益效果是：本发明所提供的一种插电式混合动力专用汽车的动力传动系统，具有多种多样的驱动模式，能为混合动力汽车在复杂多样的工况下行驶和作业时提供相匹配的驱动模式，实现其专用功能，而且能大幅度降低油耗、减少有害气体排放。

附图说明

图1是本发明实施一的动力传动系统的结构示意图。

图2是本发明实施一的动力传动系统的单电机纯电动驱动模式下的动力传递路线。

图3是本发明实施一的动力传动系统的双电机纯电动驱动模式下的动力传递路线。

图4是本发明实施一的动力传动系统的纯电动驱动模式行驶过程中启动发动机时动力传递路线一。

图5是本发明实施一的动力传动系统的纯电动驱动模式行驶过程中启动发动机时动力传递路线二。

图6是本发明实施一的动力传动系统的混合驱动模式行驶时的动力传递路线一。

图7是本发明实施一的动力传动系统的混合驱动模式行驶时的动力传递路线二。

图8是本发明实施一的动力传动系统的混合驱动模式行驶时的动力传递路线三。

图9是本发明实施一的动力传动系统的混合驱动模式行驶时的动力传递路线四。

图10是本发明实施一的动力传动系统的串联驱动模式行驶时的动力传递路线一。

图11是本发明实施一的动力传动系统的串联驱动模式行驶时的动力传递路线二。

图12是本发明实施一的动力传动系统的发动机驱动模式行驶时的动力传递路线。

图13是本发明实施一的动力传动系统的制动能量回收模式运行时的动力传递路线。

图14是本发明实施二的动力传动系统的结构示意图。

图15是本发明实施三的动力传动系统的结构示意图。

图16是本发明实施四的动力传动系统的结构示意图。

图17是本发明实施五的动力传动系统的结构示意图。

图18是本发明实施六的动力传动系统的结构示意图。

图19是本发明实施七的动力传动系统的结构示意图。

附图标记说明：1、发动机；2、扭转减振器；3、输入轴；4、太阳轮；5、发电机；6、行星架；7、齿圈；8、第一制动器；9、第一驱动电机；10、第六齿轮；11、第一离合器；12、中间轴；13、第一齿轮；14、电机轴；15、第二齿轮；16、主输出轴；17、第三齿轮；18、第四齿轮；19、第五齿轮；20、差速器；21、半轴；22、驱动轮；23、动力电池；24、功率器件；25、第二驱动电机；26、润滑油泵；27、第一输出轴；28、工作装置；29、充电器、30、充电插头、31、第二制动器；32、第二离合器；33、第二输出轴；34、负载装置；35、第三离合器；36、第三输出轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

实施例一

如图1所示，本实施例提供的一种插电式混合动力专用汽车的动力传动系统，包括发动机1、输入轴3、行星齿轮机构、动力电池23、与动力电池相连的功率器件24、与功率器件24电连接的发电机5以及与功率器件24电连接的第一驱动电机9和第二驱动电机25、充电器29和充电插头30。

发动机1的输出轴上安装有扭转减振器2，扭转减振器2的输出端与输入轴3花键连接；行星齿轮机构包括太阳轮4、行星轮、行星架6和齿圈7，太阳轮4、行星轮和齿圈7依次啮合连接，行星架6的端部与行星轮相连，行星架6的中心固套设于输入轴3。

发电机5与太阳轮4相连；齿圈7与第一驱动电机9相连，第一驱动电机9与功率器件24电连接。齿圈7同时还与第六齿轮10啮合，第六齿轮10固定套设于第一输出轴27，第一输出轴27的一端与工作装置28相连。齿圈7与第一制动器8的内鼓相连，第一制动器8的外鼓固设于动力总成壳体上。

输入轴3的端部与第一离合器11的主动盘相连，第一离合器11的从动盘与中间轴12相连，中间轴12上固设有第一齿轮13；第二齿轮15固定套设于第二驱动电机25的电机轴14上，第一齿轮13与第二齿轮15啮合；主输出轴16上固设有第三齿轮17，第三齿轮17与第二齿轮15啮合。主输出轴16上安装润滑油泵26。

主输出轴16上固设有第四齿轮18，第四齿轮18与第五齿轮19啮合，第五齿轮19与差速器20相连，差速器20与半轴21相连，半轴21上安装有驱动轮22。

图2和图3是动力传动系统以纯电动驱动模式行驶时的动力传递路线，图中带箭头的粗实线表示动力传递路线。

图2是单电机纯电动驱动模式，当车辆以此模式行驶时，发动机1熄火关闭，发电机5和第一驱动电机9均不工作，第一制动器8处于分离或结合状态均可，第一离合器11分离。动力电池23输出的直流电经功率器件24转化成交流电为第二驱动电机25提供电能。第二驱动电机25输出的动力输出至第二驱动电机25的电机轴14，通过电机轴14上固连的第二齿轮15与第三齿轮17啮合将动力传递到主输出轴16上，主输出轴16上固连的第四齿轮18和第五齿轮19啮合，将动力传递至差速器20，差速器20将动力分配至半轴21，最终将动力传递至驱动轮22，将此动力传递路线称为第一动力传递路线。

图3是双电机纯电动驱动模式，图3中带箭头的粗实线表示双电机纯电动驱动模式下的动力传递路线。当车辆以此模式行驶时，除了上述第一动力传递路线以外，还存在另一条动力传递路径，此时第一制动器8处于分离状态，行星齿轮机构具有两个自由度，发电机5处于空转状态，发动机1仍然保持熄火关闭，动力电池23输出的直流电经功率器件24转化成交流电为第一驱动电机9提供电能，第一驱动电机9的输出动力通过第六齿轮10传递给第一输出轴27，第一输出轴27驱动工作装置28中的动力元件如液压泵、气压泵、空压机、马达或涵道风扇等运转，进而驱动工作装置28实现专用功能。

图4和图5是动力传动系统在纯电动驱动模式行驶过程中起启动发动机的动力传递路线，图中带箭头的粗实线表示动力传递路线。推动车辆行驶的动力传递路线仍采用上述的第一动力传递路线。与此同时，还增加一条发电机5通过行星齿轮机构启动发动机的动力传递路线。根据第一制动器8所处工作状态的不同，存在两种电机启动发动机的方式，分别如图4和图5所示。

图4是纯电动驱动模式行驶过程中启动发动机时动力传递路线一。第一制动器8处于接合状态，齿圈7固定，无法通过齿圈7输出动力驱动工作装置28，此时发电机5处于电动状态，将动力传递至太阳轮4，由于齿圈7固定，行星齿轮机构只有一个自由度，相当于一个减速器，太阳轮4与行星轮相啮合，将动力传递至行星架6，行星架6带动发动机从静止开始转动。太阳轮4与行星架6之间的转速转矩关系可表示为：

上式中，ωc为行星架转速，ωs为太阳轮转速；ρ为太阳轮与齿圈齿数比；tc为行星架转矩，ts为太阳轮转矩。

图5是纯电动驱动模式行驶过程中启动发动机时动力传递路线二。第一制动器8处于分离状态，行星齿轮机构具有两个自由度，第一驱动电机9处于电动状态，可通过齿圈7输出动力驱动工作装置28，发电机5处于电动状态，利用行星齿轮机构的转速转矩特性可带动发动机1转动。此时，行星齿轮机构的三个基本构件太阳轮4、行星架6、齿圈7之间的转速转矩关系可表示为：

上式中，ωr为齿圈转速；tr为齿圈转矩。

图6、图7、图8和图9是动力传动系统以混合驱动模式行驶时的动力传递路线，图中带箭头的粗实线表示动力传递路线。当车辆以混合驱动模式行驶时，除了第二驱动电机25的动力输出至驱动轮22外，发动机1的动力也会输出至驱动轮22。根据第一制动器8、第一离合器11、发电机5以及第一驱动电机9运行状态的不同，存在四种混合驱动模式，分别如图6、图7、图8和图9所示。

在图6所示的混合驱动模式下，第一离合器11和第一制动器8均处于接合状态，发动机1的动力经输入轴3通过第一离合器11传递至中间轴12，然后通过固连在中间轴12上的第一齿轮13与电机轴14上的第二齿轮15相啮合将动力传递至电机轴14，第二驱动电机25的输出动力与发动机1的输出动力在电机轴14上进行叠加，然后通过电机轴14上的第二齿轮15与第三齿轮17啮合将动力传递到主输出轴1上，主输出轴1上的第四齿轮18和第五齿轮19啮合，将动力传递至差速器20，差速器20将动力分配至半轴21，最终将动力传递至驱动轮22。

图7所示的混合驱动模式下，第一离合器11和第一制动器8均处于接合状态，发动机1和第二驱动电机25混合驱动的动力传递路径与图6中的动力传递路径相同，但发动机1还同时通过行星齿轮机构给发电机5发电，由于齿圈7固定，发动机1的部分输出动力通过行星架6上的行星轮与太阳轮4相啮合将动力传递给发电机5的转子，发电机5处于发电状态，发电机5将发出的交流电经功率器件24转换成直流电存储在动力电池23中。

图8所示的混合驱动模式下，第一离合器11处于接合状态，第一制动器8处于分离状态，此时行星齿轮机构具有两个自由度，基本构件的转速转矩关系如公式(2)所示。发动机1的一部分动力与第二驱动电机25驱动力相叠加的动力传递路径仍与图6中所述的混合驱动动力传递路径相同。发动机1的另一部分动力传递给行星架6，并通过行星齿轮机构将此部分发动机动力进行了分流，一部分动力分配至太阳轮4，通过太阳轮4传递给发电机5进而对动力电池23充电，另一部分动力分配至齿圈7，齿圈7与第一驱动电机9的输出动力相叠加后驱动工作装置28中的动力元件如液压泵、气压泵、空压机、马达或涵道叶片等运转，进而驱动工作装置实现专用功能。

图9所示的混合驱动模式下，第一离合器11和第一制动器8均处于分离状态，此时行星齿轮机构具有两个自由度，基本构件的转速转矩关系如公式(2)所示。由于第一离合器11分离，发动机1的输出动力无法传递至驱动轮22，仅由第二驱动电机25单独驱动驱动轮22。发动机1的全部输出动力传递至行星架，并通过行星齿轮机构将发动机输出动力进行分流，一部分动力分配至太阳轮4，通过太阳轮4传递给发电机5进而对动力电池23充电，另一部分动力分配至齿圈7，齿圈7与第一驱动电机9的输出动力相叠加后驱动工作装置28中的动力元件运转，进而驱动工作装置实现专用功能。

图10和图11是动力传动系统以串联驱动模式行驶的动力传递路线。当车辆以串联驱动模式行驶时，第一离合器11处于分离状态，仅由第二驱动电机25的动力输出至驱动轮22，而发动机1的输出动力全部用于给动力电池23充电。根据第一制动器8工作状态的不同，有两种充电方式，如图10和图11所示。

图10是串联驱动模式行驶时的动力传递路线一。第一制动器8处于接合状态，齿圈7固定，行星齿轮机构只有一个自由度，相当于一个增速器，发动机1的输出动力传递至行星架6，通过行星架6上的行星轮与太阳轮4相啮合将动力传递给发电机5的转子，发电机5处于发电状态，发电机5将发出的交流电经功率器件24转换成直流电储存在动力电池23中。

图11是串联驱动模式行驶时的动力传递路线二。第一制动器8处于分离状态，行星齿轮机构具有两个自由度，其基本构件的转速转矩关系如公式(2)所示。发动机1的全部动力传递给行星架6，并通过行星齿轮机构将发动机动力进行分流，一部分动力分配至太阳轮4，通过太阳轮4传递给发电机5进而对动力电池23充电；另一部分动力分配至齿圈7，此时，根据工作装置28运行状态的不同，齿圈7的输出动力有两种分配方式。当工作装置28不工作，齿圈7的输出动力全部用于带动第一驱动电机9发电，将发出的电能储存在动力电池23中；当工作装置28工作时，齿圈7的输出动力的一部分动力用于带动第一驱动电机9发电，另一部分动力用于驱动工作装置28中的动力元件运转，进而驱动工作装置实现专用功能。

图12是动力传动系统的发动机驱动模式行驶时的动力传递路线。该驱动模式与传统的发动机驱动方式一样，在此驱动模式下，第一离合器11接合，第一制动器8既可处于接合状态，也可处于分离状态，发电机5、第一驱动电机9、第二驱动电机25以及工作装置28均不工作，只有发动机1的输出动力经过第一离合器11，并通过三对平行齿轮啮合后传递至驱动轮22，驱动车辆行驶。

图13是动力传动系统的制动能量回收模式运行时的动力传递路线。此模式一般在车辆减速时使用。在图13中，车辆的动能通过驱动轮22转换成阻力矩，半轴21将阻力矩传递至差速器20，差速器将阻力矩合成后传递至第五齿轮19，第五齿轮19与主输出轴16上的第四齿轮18啮合，将阻力矩传递至主输出轴16，主输出轴16上的第三齿轮17与电机轴14上的第二齿轮15相啮合，将阻力矩传递至电机轴14上。电机轴14将阻力矩传递至第二驱动电机25的转子上。此时，第二驱动电机25处于发电状态，将阻力矩抵消，并将产生的交流电能通过功率器件24转换成直流电并储存至动力电池23中。在车辆减速制动过程中，如果第一离合器11处于接合状态，发电机5空转，除了第二驱动电机25制动和机械制动以外，还可通过发动机反拖进行制动。如果离合器11处于分离状态，车辆的动能仅能通过第二驱动电机25制动和机械制动装置来抵消，可回收更多的动能。另外，当第一离合器11处于分离状态时，可根据工作装置28的运行状态以及动力电池23的荷电状态的不同，第一离合器11主动盘一侧的发动机1、发电机5、第一驱动电机9以及第一制动器8不同运行状态进行组合，具有多种运行方式，其中，有效的动力传递路线分别如图2、图3、图6、图9、图10、图11中所示。

表1列出了上述六种行驶模式下，发动机、三个驱动电机、第一离合器和第一制动器的运行状态，从表1中可知，通过发动机、三个驱动电机、第一离合器和第一制动器不同运行状态的组合，总共可形成16种有效的工作模式，能为专用汽车在复杂多样的工况下行驶和作业时提供相匹配的工作模式，在实现其专用功能的同时，大幅度降低油耗、减少有害气体排放。

表1不同行驶模式下部件的运行状态

e：发动机运行；×：发动机熄火。m：电机处于电动状态；g：电机处于发电状态；×：电机既不电动，也不发电；●：接合；○：分离。

实施例二

图14是本实施的动力传动系统的结构示意图。本实施例中在实施例一中动力传动系统的基础上取消了第一驱动电机9，其余部分完全相同，本实施例中动力传动系统的工作模式总共有11种，其动力传递路线分别如图2、图4、图6、图7、图10、图12、图13所示，各模式下所对应的发动机、驱动电机、第一离合器和第一制动器运行状态如表1中的序号①、④、⑤、⑥、⑨、和所示。

本实施例的动力传动系统相较于实施例一的动力传动系统，所具有的工作模式较原始方案有所减少，但减少了一个驱动电机，有利于降低成本以及便于动力传动系统在汽车底盘中的布置。

实施例三

图15是本实施的动力传动系统的结构示意图。本实施例中在实施例一中动力传动系统的基础上取消了第一驱动电机9和第一制动器8，并将齿圈7与动力总成壳体固定，同时取消了第六齿轮10、第一输出轴27和工作装置28。行星齿轮机构只有一个自由度，相当于一个固定速比的减速器或增速器。图15的方案适用于作为乘用车和商用车的混合动力驱动装置，其有效的工作模式总共9种，其动力传递路线分别如图2、图4、图6、图7、图10、图12、图13所示，各模式下所对应的发动机、驱动电机、第一离合器和第一制动器运行状态如表1中的序号①、④、⑤、⑥、⑨、和所示。

本实施例的动力传动系统相较于实施例一的动力传动系统，所具有的工作模式较原始方案有所减少，但减少了一个驱动电机，有利于降低成本以及便于动力传动系统在汽车底盘中的布置。

实施例四

图16是本实施的动力传动系统的结构示意图。本实施例中在实施例一中动力传动系统的基础上增加了一个与太阳轮4相连的第二制动器31，并取消了第一制动器8。太阳轮4与第二制动器31的内鼓相连，第二制动器31的外鼓固设于动力总成壳体上。

本实施例中的动力传动系统具有16种工作模式，各工作模式下所对应的发动机、三个驱动电机、第一离合器和第二制动器的运行状态如表2所示。

表2不同行驶模式下部件的运行状态

e：发动机运行；×：发动机熄火。m：电机处于电动状态；g：电机处于发电状态；×：电机既不电动，也不发电；●：接合；○：分离。

实施例五

图17是本实施的动力传动系统的结构示意图。图17是本实施的动力传动系统的结构示意图。本实施例中在实施例一中动力传动系统的基础上增加了一个与太阳轮4相连的第二制动器31，太阳轮4与第二制动器31的内鼓相连，第二制动器31的外鼓固设于动力总成壳体上。本实施例中的动力传动系统所具有的工作模式更多，包括了表1和表2中所有可行的工作模式。

实施例六

图18是本实施的动力传动系统的结构示意图。本实施例中在实施例一中动力传动系统的基础上增加了第二离合器32，主输出轴16与第二离合器32的主动盘相连，第二离合器32的从动盘与第二输出轴33的一端相连，第二输出轴33的另一端与负载装置34相连。当车辆在道路行上驶时，第二离合器32分离，经主输出轴16输出的动力传递至驱动轮22。当车辆在停止时，第二离合器32接合，主输出轴16输出的大部分动力通过第二离合器32传递至第二输出轴33，驱动负载装置34，主输出轴16的较少部分动力驱动半轴21空转。

本实施的动力传动系统有效工作模式总共16种，其动力传递路径分别如图2至图13所示，各种模式下所对应的发动机、三个驱动电机、第一离合器和第一制动器的运行状态如表1所示。

实施例七

图19是本实施的动力传动系统的结构示意图。本实施例的动力传动系统与实施例一中动力传动系统的区别在于，主输出轴16的端部并联安装了两个离合器：第二离合器32和第三离合器35。

主输出轴16与第二离合器32的主动盘相连，第二离合器32的从动盘与第二输出轴33的一端相连，第二输出轴33的另一端与负载装置34相连。主输出轴16还与第三离合器35的主动盘相连，第三离合器35的从动盘与第三输出轴36的一端相连，第三输出轴36上固设有第四齿轮18，第四齿轮18与第五齿轮19啮合，第五齿轮19与差速器20相连，差速器20与半轴21相连，半轴21上安装有驱动轮22。第三离合器35用于中断或连接主输出轴16与驱动轮22的动力传递。

当车辆在道路行上驶时，第二离合器32分离，第三离合器35接合，主输出轴16的输出动力传递至驱动轮22。当车辆静止时，第二离合器32接合，第三离合器35分离，主输出轴16输出的全部动力通过第二离合器32传递至第二输出轴33，驱动负载装置34旋转。

本实施的动力传动系统有效工作模式总共16种，其动力传递路径分别如图2至图13所示，各种模式下所对应的发动机、三个驱动电机、第一离合器和第一制动器的运行状态如表1所示。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。