一种功率分流-合流式混合动力变速器的制作方法

本实用新型属于新能源汽车领域，具体是涉及一种功率分流-合流式混合动力变速器。

背景技术：

根据工信部发布的《节能与新能源产业发展规划(2012-2020)》，其中关于乘用车的百公里油耗，我国需在2020年全面实现低于5l的目标。然而，采用燃料作为唯一动力来源的传统汽车，已经无法满足日益严格的低油耗标准。

目前，针对降低油耗问题，各整车厂采用的方案有：1)开发纯电动汽车，其没有直接燃料消耗，没有尾气排放，但存在着续航里程低、电池成本高、充电不方便、安全性和寿命有待长期验证等问题；2)开发替代能源汽车，比如气体燃料汽车、乙醇燃料汽车、氢燃料汽车、燃料电池等，其成本高，技术尚未成熟；3)开发混合动力汽车，即内燃机和电动机共同驱动汽车，其可通过有效控制转矩和转速，使内燃机工作在最优燃油消耗区域，实现降低油耗的目标。从上可知，混合动力技术可很好地延续传统汽车动力技术，其技术门槛相对较低，且电机控制技术日臻成熟，因此各整车厂在混合动力项目上投入了较多的人力、物力。

混合动力汽车有多种实施形式，目前市场上最为多见的是并联混合动力系统和混联混合动力系统。

并联混合动力系统，它是在常规变速器的基础上增加一到两个动力电机，与内燃机并联传递动力到汽车车桥，且通常配置有充电装置，以形成插电式混合动力变速器。但是，这种并联形式的混合动力系统，需要较大能量的动力电池，造价较高，而且内燃机不能始终工作在最佳油耗区域，其节能效果尚有很大的挖掘空间。

混联混合动力系统，其以功率分流行星齿轮为主要特征，如丰田公司lexusrx400h和camry车型上配置的ths系统，其传动部分包含两个行星轮系和三对外啮合齿轮副。但是，这种混联形式的混合动力系统只具备一个档位，这样就导致汽车不能同时在低速和高速两种状态下具备相同的节能效果；同时，根据市场对丰田公司动力总成系统的反馈，该系统在高速状态下的省油效果降低，车辆动力性能较差。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本实用新型要解决的技术问题在于提供一种具备两个不同速比的功率分流-合流式混合动力变速器。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种功率分流-合流式混合动力变速器，包括第一电机、传动部分、差速器和第二电机，所述传动部分包括：

第一行星轮系，其用于输入内燃机动力，所述第一行星轮系包括第一齿圈、第一行星架、第一行星轮、第一太阳轮和第一空心轴，所述第一行星架一端与内燃机连接而另一端周向均布连接有若干个可与第一齿圈啮合传动的第一行星轮，所述第一空心轴套装在第一行星架上且一端与所述第一电机连接而另一端连接有可与第一行星轮啮合传动的第一太阳轮，所述第一齿圈上还连接有第一输入轴；

第二行星轮系，其用于输出动力，所述第二行星轮系包括第二齿圈、第二行星架、第二行星轮、第二太阳轮和第二空心轴，所述第二空心轴一端安装有可与所述差速器啮合传动的主减小齿轮而另一端与第二行星架连接，所述第二行星架上周向均布连接有若干个可与第二齿圈啮合传动的第二行星轮，所述第二空心轴内贯穿有与所述第一输入轴平行设置的第二太阳轮轴，所述第二太阳轮轴上安装有可与第二行星轮啮合传动的第二太阳轮；

制动器，其用于对所述第二太阳轮轴制动，所述制动器固定安装在变速器壳体上；

离合器，其用于动力的结合或断开，所述离合器的两端分别与第二输入轴和第二太阳轮轴连接，所述第二输入轴的另一端与所述第二电机连接；

第一齿轮副包括安装在第一输入轴上的第一齿轮和安装在输出轴上的第二齿轮；

第二齿轮副包括安装在第一输入轴上的第三齿轮和安装在第二输入轴上的第四齿轮。

更优的，所述第一行星轮和第二行星轮的数量均可设置为2～8个。

相比于现有技术，本实用新型的有益效果是：

本实用新型通过设置可驱动内燃机的第一电机，可将内燃机功率分配给第一电机和传动部分的第一行星轮系，可传递功率给传动部分或回收制动能量的第二电机，可协同工作的制动器和离合器，可将第二电机、内燃机功率进行速度耦合的第二行星轮系，这样可实现以下功能：1)具备提高燃油经济性所需要的全部功能，包括低负载下的电机独立驱动、实现速度耦合的混合驱动、制动能量回收等；2)提供两个不同的速比，使之可以分别覆盖车辆低速、高速两种状态，使车辆或动力总成系统具备优良的节油能力及优良的动力性能；3)车辆从驱动状态切换到制动状态时，不需要任何机械换挡或液压切换动作，无换挡冲击，制动敏捷，操纵性好，舒适性好。

附图说明

图1为本实用新型一种功率分流-合流式混合动力变速器应用于动力总成系统中的结构示意图；

图2为本实用新型一种功率分流-合流式混合动力变速器与内燃机、逆变器组件、混合动力变速器控制单元及动力电池配合使用的结构示意图；

图3为图2中混合动力变速器的传动部分的结构示意图；

图4为本实用新型一种功率分流-合流式混合动力变速器的工况说明简表；

图5为图4中在低档、高档混合驱动工况时的行车参数计算流程示意图；

图6为图4中在低档混合驱动工况时的功率流示意图；

图7为图4中在高档混合驱动工况时的功率流示意图；

图8为本实用新型一种功率分流-合流式混合动力变速器中液压控制部分第一种实施例的结构示意图；

图9为图2中制动器、离合器的动作顺序示意图；

图10为本实用新型一种功率分流-合流式混合动力变速器中液压控制部分第二种实施例的结构示意图；

图示说明：1-动力电池，2-动力电池控制单元，3-控制总线，4-内燃机控制单元，5-内燃机，6-混合动力变速器，61-第一电机，62-传动部分，6211-第一齿圈，6212-第一行星架，6213-第一行星轮，6214-第一太阳轮，6215-第一空心轴，6221-第二齿圈，6222-第二行星架，6223-第二行星轮，6224-第二太阳轮，6225-第二空心轴，6231-第一齿轮，6232-第二齿轮，6241-第三齿轮，6242-第四齿轮，625-制动器，626-离合器，627-主减小齿轮，628-第一输入轴，629-第二输入轴，630-第二太阳轮轴，63-差速器，64-第二电机，7-逆变器组件，71-第一逆变器，72-第二逆变器，8-混合动力变速器控制单元，9-线束，101-油箱，102-油泵，103-油泵电机，104-过滤器，105-节流器，106-压力传感器，107-离合器油缸，108-制动器油缸。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本实用新型作进一步的说明。

本实用新型提供了一种功率分流-合流式混合动力变速器，该变速器为车辆动力总成系统的组成部分，而不是动力总成系统包含在本实用新型中，同时为便于理解本实用新型的技术方案，本实施例提供了一种本实用新型应用于动力总成系统中的结构示意图(如图1所示)，该动力总成系统包括动力电池1、动力电池控制单元2、控制总线3、内燃机控制单元4、内燃机5、混合动力变速器6、逆变器组件7、混合动力变速器控制单元8、线束9和液压控制部分(图中未示意出)。其中，混合动力变速器6与内燃机5机械连接，这样可使内燃机5的扭矩和运动通过减震器(图中未示意出)传递至混合动力变速器6中。混合动力变速器控制单元8与动力电池控制单元2、内燃机控制单元4、逆变器组件7、混合动力变速器6可分别通过控制总线3电性连接；混合动力变速器6与逆变器组件7也可通过控制总线3电信连接；混合动力变速器6与动力电池1可通过线束9电气连接，这样可通过逆变器组件7将动力电池1的直流电转化为驱动混合动力变速器6所需的驱动电流，同时可通过逆变器组件7将混合动力变速器6产生的电流转化为动力电池1所需的直流电。

如图2所示为本实用新型一种功率分流-合流式混合动力变速器与内燃机、逆变器组件、混合动力变速器控制单元及动力电池的结构示意图，包括本实施例涉及的混合动力变速器6、内燃机5、逆变器组件7、混合动力变速器控制单元8和动力电池1。上述混合动力变速器6包括第一电机61、传动部分62、差速器63和第二电机64，其中第一电机61既可以在电动机状态启动内燃机5，又可以在发电机状态接受内燃机5的功率。当第一电机61接受内燃机5传递的功率时，既可以给动力电池1充电，又可以直接通过第一逆变器71和第二逆变器72驱动第二电机64，而第二电机64可以在电动机状态发出功率，并通过传动部分62和差速器63传递给车轮；此外在车辆制动时，也可以利用制动能量发电，并将其储存于动力电池1中。

如图3所示为本实施例中传动部分的结构示意图，包括第一行星轮系、第二行星轮系、第一齿轮副、第二齿轮副、制动器625、离合器626、主减小齿轮627、第一输入轴628、第二输入轴629和第二太阳轮轴630。其中第一行星轮系包括第一齿圈6211、第一行星架6212、第一行星轮6213、第一太阳轮6214和第一空心轴6215，第二行星轮系包括第二齿圈6221、第二行星架6222、第二行星轮6223、第二太阳轮6224和第二空心轴6225，第一齿轮副包括第一齿轮6231和第二齿轮6232，第二齿轮副包括第三齿轮6241和第四齿轮6242。上述第一行星架6212一端可与内燃机5机械连接，另一端安装有3个第一行星轮6213，该第一行星轮6213可与第一齿圈6211啮合传动。第一行星架6212上还套装有第一空心轴6215，该第一空心轴6215远离第一行星轮6213的一端可与第一电机61机械连接，而另一端固定安装有第一太阳轮6214，该第一太阳轮6214可与第一行星轮6213啮合传动，由此可将内燃机5的功率输入到第一行星轮系。上述第一齿圈6211、第一齿轮6231、第三齿轮6241可以与第一输入轴628设计制造为一个整体零件，也可以由这几个零件通过焊接或直接机械组装为一体，本实施例考虑到制造工艺性等因素，采用直接机械组装方式，即在第一输入轴628上依次固定安装有第一齿圈6211、第一齿轮6231和第三齿轮6241。上述第二输入轴629上固定安装有第四齿轮6242，该第四齿轮6242可与第三齿轮6241啮合传动，同时第二输入轴629一端可与第二电机64机械连接，另一端连接有离合器626。上述第二太阳轮轴630的一端也与离合器626连接，该离合器625可由动力总成系统中的液压控制部分根据主油路压力控制其结合或分离。该第二太阳轮轴630上还安装有第二齿轮6232，该第二齿轮6232可与第一齿轮6231啮合传动。在第二太阳轮轴630的另一端还套装有第二空心轴6225，该第二空心轴6225一端可与第二行星架6222固定连接，而另一端固定安装有主减小齿轮627，该主减小齿轮627可与上述差速器63啮合传动。第二行星架6222上安装有四个第二行星轮6223，该第二行星轮6223可与固定安装在第二太阳轮轴630上的第二太阳轮6224啮合传动，同时可与第二齿圈6221啮合传动，而第二齿圈6221可与上述第二齿轮6232通过焊接或直接机械组装在一起。在第二太阳轮轴630外侧还安装有制动器625，该制动器625也可由液压控制部分根据主油路压力控制其结合或松开。

如图4所示为本实用新型一种功率分流-合流式混合动力变速器的工况说明简表，包括如下工况：1)启动冷态的内燃机工况；2)停车充电工况；3)低档纯电动驱动工况；4)倒挡工况；5)低档混合驱动工况；6)低档制动能量回收工况；7)高档纯电动驱动工况8)高档混合驱动工况；9)高档制动能量回收工况。

为更好地说明本实施例中变速器在低档、高档工况下的工作状态，现将各齿轮的转速和齿数定义如下：

其中，低档纯电动驱动的总速比为：

i1＝i0i12i43(k2+1)/k2

高档纯电动驱动的总速比为：

i2＝i0i12i43(k2+1)/(k2+i12i43)

第一行星轮系将内燃机功率进行分流，其转速关系为：

ωe*(k1+1)＝ω6+ω5*k1

第二行星轮系将内燃机功率进行合流，其转速关系为：

ω0*(k2+1)＝ω2+ω3*k2

启动冷态的内燃机工况：车辆由静止开始准备启动时，当动力电池1的电量小于某个阈值时，内燃机5可由第一电机61启动。

停车充电工况：在内燃机5启动后，可在车辆停车状态下，对动力电池1进行充电，这样就可以避免车辆启动时因电池电量不足(比如车辆长时间闲置，电池长时间自放电)所造成的不便。

低档纯电动驱动工况：在车速较低、需求功率较小时，可进入低档纯电动驱动工况。在该工况下，制动器625处于结合状态，离合器626处于分离状态，同时第二电机64启动，功率可依次经第四齿轮6242、第三齿轮6241、第一齿轮6231、第二齿轮6232、第二齿圈6221、第二行星轮6223、主减小齿轮627输出到差速器63和车轮。此时，由于各齿轮副的速比较大，第二电机64的输出扭矩放大倍数也相应更高，车辆具有较好的动力性能；同时，在同样车速下，相对于速比较小的其他变速器，本实施例中的低档纯电驱动工况中的第二电机64具有较高的转速，从而效率也较高。

倒挡工况：内燃机5处于未启动和未发电状态，而倒挡所需的功率和扭矩必须由动力电池1和第二电机64提供。由于动力电池1和第二电机64具有高效率和大扭矩特点，这样可在同等工况下，可选用能量较小的动力电池1，节约成本；同时可使变速器较长时间地提供较大的驱动扭矩，尤其适用于动力电池1的功率不能正常发挥的寒冷地区，或诸如倒车上坡、车辆进入深巷等极端工况，适用性强。

高档纯电动驱动工况：在车速较高、需求功率不大时，将进入高档纯电动驱动工况。在该工况下，制动器625处于松开状态，离合器626处于结合状态，同时第二电机64启动，功率可在第四齿轮6242处分流为两路，其中一路可依次经第三齿轮6241、第一齿轮6231、第二齿轮6232传递至第二齿圈6221，另外一路可通过离合器626直接传递至第二太阳轮6242，两路功率最终在第二行星轮系中合流，并由主减小齿轮627输出到差速器63和车轮。此时，由于功率的分流及合流作用，这样可以使第二电机64避免工作在转速过高、效率较低的区域。

在需求功率较大或电池能量较低时，将进入低档或高档混合驱动工况，此时两种混合驱动工况及具体行车参数的选择，需以需求功率、车速为主要依据，并以最小内燃机燃油消耗为目标进行计算和选择，行车参数选择具体如图5所示。应当说明的是，这些行车参数的计算可以在软件设计和标定工作中离线完成，不会影响车辆对负载变化的响应速度，另外图5所示仅仅是行车参数算法中的一种。

低档混合驱动工况(其功率流如图6所示)：制动器625处于结合状态，离合器626处于分离状态，内燃机5发出功率输入到第一行星轮系，第一行星轮系将功率进行分流，一部分功率输出到第一电机61，使第一电机61工作在发电状态，将内燃机5的机械能最终转化为电能输入到动力电池1中或用于直接驱动第二电机64；另一部分功率可通过第一齿圈6211传递至第一齿轮6231，此时可与来自第二电机64的运动进行扭矩耦合，最终通过第二行星轮系输出至差速器63和车轮。

高档混合驱动工况(其功率流如图7所示)：制动器625处于松开状态，离合器626处于结合状态，内燃机5发出功率输入到第一行星轮系，第一行星轮系将功率进行分流，一部分功率输出到第一电机61，使第一电机61工作在发电状态，将内燃机5的机械能最终转化为电能输入到动力电池1中或用于直接驱动第二电机64；另一部分功率可通过第一齿圈6211、第一齿轮6231、第二齿轮6232传递至第二齿圈6221，同时可通过第三齿轮6241传递至第四齿轮6242，此时可与来自第二电机64的运动进行扭矩耦合，并直接通过离合器626、第二太阳轮轴630传递至第二太阳轮6224，两路功率最终在第二行星轮系中进行合流，并由主减小齿轮627输出到差速器63和车轮。当然，上述功率传递路径中既可以由第四齿轮6242传递给第三齿轮6241，也可以由第三齿轮6241传递到第四齿轮6242，其取决于变速器的扭矩分配策略。

低档、高档制动能量回收工况：从驱动状态进入制动状态，可由第二电机64进行能量回收。在车辆从高速状态降低到某个阈值时，控制系统作用并使车辆进入低速状态，此时由于具有两组不同的速比，这样就可以优化制动工况下的能量效率，使第二电机64可以在更低的车速下有效发电，并储存到动力电池1中。同时，在两种制动能量回收工况下，制动开始时都不需要机械换挡或液压件动作，从而有较好的驾驶感觉。

以上各种低档工况与高档工况之间的切换，均是由液压控制部分控制离合器和制动器的工作状态，换挡过程没有动力中断，第二电机64从驱动状态到发电状态之间的切换，只涉及第二电机64自身控制参数的调节，即不需要进行机械切换，这样就不会产生换挡冲击，使工况间的切换更加灵活敏捷，驾驶感觉更加良好；同时工况间的切换时机、切换动作的快慢、切换过程转矩的控制等操作参数，均可由变速器的标定确定。

另外，在本实用新型中还提供了一种液压控制部分的结构示意图，具体如图8所示。该液压控制部分包括油箱101、油泵102、油泵电机103、过滤器104、节流器105、压力传感器106、离合器油缸107和制动器油缸108，其中离合器油缸107和制动器油缸108分别与离合器626和制动器625连接并控制其工作状态，使制动器625处于常闭状态，离合器626处于常开状态，即变速器的低档状态；同时离合器油缸107和制动器油缸108共用一套油泵102和油泵电机103，这样可降低制造成本。当然，也可采用两套油泵102和油泵电机103来分别控制离合器油缸107和制动器油缸108(具体如图10所示)，这样虽然制作成本会增加，但是可以分别控制离合器626和制动器625的工作状态，使之更灵活。

如图9所示为制动器和离合器的动作顺序示意图，由图可知，当主油路压力升高时，制动器625会先松开，然后离合器626逐步结合，变速器逐步进入高档工况，这样可避免离合器626传递动力到第二太阳轮6224时，第二太阳轮6224仍然处于全部或部分制动状态，导致制动器625或离合器626产生非正常滑磨的不利动作；而当主油路压力降低时，离合器626会先分离，然后制动器625逐步结合，这样可避免离合器626仍然传递动力到第二太阳轮6224，使第二太阳轮6224仍然处于全部或部分制动状态，导致制动器625或离合器626产生非正常滑磨的不利动作。

以上所述仅表达了本实用新型的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。