专利名称：多功能无级变速装置的制作方法
技术领域：
本发明属于变速器技术领域，具体涉及一种多功能无级变速装置。
背景技术：
目前市场中低档车仍使用手动档变速器，也有部分中高档车使用自动变速器AT，但自动变速器AT由于液力变矩器和液压控制系统的存在，致使传递路线复杂、控制阀板制作要求精度极高，并且效率低，已不适未来汽车发展要求；虽有较先进的无级变速器CVT投入使用，但它多为以挠性金属链传递动力，实现无级变速，仍然需要液力变矩器及较为复杂的液压系统，所以依旧存在精度要求高、成本高、效率低的问题；目前市场刚刚出现的AMT虽然操作简单了，但电控系统变得十分复杂，其本质上仍然是有级变速器；目前正在研制的多种混合驱动形式中，大都需用发电机和大功率电动机，存在着能量的二次转换、效率低、控制复杂，且对蓄电池组要求极高；本发明与实用新型专利(专利号ZL200420011911.6)无级变速器相比较具有结构简单、成本低等特点。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、成本低、体积小、变速平稳、接合柔和，具有发电、电动、离合、混合驱动的多功能无级变速装置。
本发明的组成只需要一台永磁(或励磁)电机，一套行星排齿轮，及超速档、空档N、前进档D、锁车档P转换器组成，位于原车离合器变速器位置，对该车其它系统不需改变，又无影响。
组成该装置的电机工作有三种模式第一种模式是电动模式，即在给发动机点火起动时，电驱动运行时，混合驱动运行时，工作在电动模式；在给电瓶充电，或给其它用电器供电，或是在下坡刹车制动时，将其动能转变成电能时该电机工作在发电模式；在发动机驱动时，该电机工作在短路模式，即工作在发电状态下将输出端根据车速与节气门开度大小利用继电器对该电机输出端进行短接，利用短接时间长短来调整车速的，即利用电机在发电状态下对其输出端短路，产生短路电流，同时产生短路电磁扭矩而达到车速调整目的。
发动机曲轴(或轴颈)，电机，行星齿轮配合有两套方案方案一是电机的定子、转子分别与处于自由态行星齿轮的两输入端相连接，该行星齿轮的另一端为动力输出端，发动机曲轴与该电机的定子或转子相连结；包括在这种方式连接下，发动机曲轴的轴颈从该电机的中空转子轴穿过与辅助运行机构的输入端相连接。
方案一的构成是选一台永磁(或励磁)电机，其电机前端盖的前端作有凸台，凸台内开有内花键，作为连接发动机的中心引轴；凸台外沿与只能按顺时针旋转的单向超越离合器的内沿紧配合在一起；该单向超越离合器的外沿与固定板紧配合，固定板固定在机体上。电机定子线圈输出端引线滑环的一侧与固定板相连，该侧的滑环引线与控制电路相连接，滑环的另一侧引线端与该电机的定子绕组输出端相连，且该侧与定子一起旋转。电机定子绕组与前端盖和后端盖固定在一起，且与发动机一起旋转。电机转子在电机定子内自由转动，其转子输出轴的后端外沿开有斜齿与行星齿轮相啮合，即为该行星排齿轮的太阳轮，电机后端盖的后端有凸台，凸台的内沿开有斜齿与行星轮相啮合，其也是该行星排齿轮的外齿圈，且该凸台的外端面通过轴承在壳体内转动。该排行星齿轮的行星架的后端引轴的外沿有外齿，与同轴增速齿轮的前齿轮的外齿相啮合，行星架的后端引轴的内沿通过轴承与输出轴的前端配合。同轴增速齿轮的后齿轮的外齿一侧与开有外齿和内花键的前进D档齿圈的外齿相啮合，一侧与前端内侧开有内齿、后端引轴开有内花键的倒档R齿圈的前内齿相啮合；前进D档齿圈的内花键，倒档R齿圈的内花键与前端外侧开有外花键、内端开有内花键、后端开有凹槽的换档滑齿的外花键相滑接，该换档滑齿的内花键与开有外花键输出轴相滑接，换档滑齿后端的凹槽与换档拨叉相滑接。壳体与固定板共同固定在机体上。前进D档齿圈的前端配有轴承，该齿圈在该轴承内转动。
方案二是电机的定子固定，发动机曲轴颈穿过该电机中空转子轴并与该电机的转子轴分别与处于自由态行星齿轮的两输入端相连接，该行星排的另一端为动力输出端；方案二的构成是选一台永磁(或励磁)电机，将电机轴的两端都开有外花键，把一只能顺时针旋转的离合器内面开有花键，使其与电机轴的前端外花键相配合，将单向离合器的外面与电机前端盖紧配合，把电机前端盖与电机定子和后端盖和变速箱体用螺丝固定在一起，并且共同固定在机体上。电机转子通过轴承固定在电机定子内，并且转子能在定子内自由转动，电机轴外端配有轴承镶嵌在电机转子引轴后端内，电机轴的后端开有外花键与行星架中孔内花键相配合，转子引轴外端开有斜齿与行星轮相啮合，行星排齿圈前端内斜齿与行星轮啮合，其后端引轴外侧开有斜齿与倒档齿轮一侧相啮合，其引轴后端内侧开有内花键能与滑齿前端的外花键相滑接，滑齿的内侧开有内花键，在开有外花键输出轴外面滑动，滑齿后端开有凹槽与拨叉滑接。倒档齿轮的另一侧与前端内侧开有斜齿、后端引轴内侧开有内花键的倒档齿圈的前端斜齿相滑接。输出轴前端配有轴承在行星排齿圈内转动，倒档齿圈后端通过轴承在壳体内转动。
图1 第一方案系统控制图；图2 第一方案原理图；
图3 第一方案整机结构剖面图；图4 第一方案整机外形图；图5 第一方案电机后端盖7结构示意图；图6 第一方案行星架9结构示意图；图7 第一方案同轴增速齿轮11、13结构示意图；图8 第一方案D档齿圈14结构示意图；图9 第一方案R档齿圈12结构示意图；图10 第一方案滑齿15结构示意图；图11 第一方案R档状态示意图；图12 第一方案P档状态示意图；图13 第一方案D档状态示意图；图14 第一方案N档状态示意图；图15 第一方案具有一级辅助驱动机构改进方案原理图；图16 第一方案具有二级辅助驱动机构改进方案原理图；图17 第二方案原理图；图18 第二方案具有三级辅助驱动机构改进方案原理图；图19 第二方案整机结构剖面图；图20 第二方案整机外形具体实施例方式本发明的技术方案是采用电机与行星齿轮配合工作，在动力传递过程中以发动机为主，以电机传动为辅，电机在工作中有发电模式，电动模式，发电短路模式，电机与行星排齿轮、发动机曲轴的连接方式有两套方案。
实施例一电机的定子、转子分别与处于自由态行星齿轮的两输入端相连接，该行星齿轮的另一端为动力输出端，发动机曲轴与该电机的定子或转子相连结；选一台永磁(或励磁)电机，电机前端盖1前端有凸台，凸台内开有内花键，作为连接发动机的中心引轴；凸台外沿与只能按顺时针旋转的单向超越离合器2的内沿紧配合在一起；该单向超越离合器2的外沿与固定板3紧配合，固定板3固定在机体上；电机定子线圈输出端引线滑环4的一侧与固定板3相连，该侧的滑环引线与控制电路相连接，滑环4的另一侧引线端与该电机的定子绕组输出端相连，且该侧与定子一起旋转；电机定子绕组5与前端盖1和后端盖7固定在一起且与发动机一起旋转，电机转子6在电机定子5内自由转动，其转子输出轴8的后端外侧开有斜齿与行星齿轮10相啮合，即为该行星排齿轮的太阳轮，电机后端盖7的后端有凸台，凸台的内沿开有斜齿与行星轮10相啮合，其也是该行星排齿轮的外齿圈，且该凸台外端面通过轴承在壳体17内转动；该排行星齿轮的行星架9的后端引轴的外沿有外齿，与同轴增速齿轮11、13的11齿轮的外齿相啮合，行星架9的后端引轴的内沿通过轴承与输出轴16的前端配合，齿轮11、13为同轴；齿轮13的外齿一侧与开有外齿和内花键的前进D档齿圈14的外齿相啮合，一侧与前端内沿开有内齿、后端引轴开有内花键的倒档R齿圈12的前内齿相啮合；前进D档齿圈14的内花键，倒档R齿圈12的内花键与前端外侧开有外花键、内侧开有内花键、后端开有凹槽的换档滑齿15的外花键相滑接，该换档滑齿15的内花键与开有外花键输出轴16相滑接，换档滑齿后端的凹槽与换档拨叉相滑接，壳体17与固定板3共同固定在机体上；前进D档齿圈14的前端配有轴承，该齿圈在该轴承内转动。
在这种结构配合方式下，其各种工况工作原理是1、发动机的点火起动操作杆置于P档时，电瓶电能通过控制器作用在电机上，此时该电机工作在电动模式，由控制器作用使电机转子6逆时针旋转，由于行星排行星架9被滑齿15固定，定子5则顺时针旋，带动发动机曲轴使发动机也按顺时针被动旋转，而将发动机点火启动。
2、怠速状态起动后，由控制器控制将电机输出端4开路，曲轴带动定子5和齿圈7顺时针旋转，太阳轮8带动转子6仍然逆时针旋转。由于电机定子4输出端开路，电枢中无电流，没有电磁转矩作用，转子6呈自由状态。
3、电瓶驱动电机在控制器控制下，工作在电动模式，使转子6按顺时针旋转，由于单向离合器2只能让曲轴顺时针旋转、不能逆时针旋转，将操纵杆置于D档或R档，此时电机带行星架9顺时针旋转而使车辆前行或后退。
4、混合驱动车在行驶过程中，电机工作在电动模式下，且电机在控制器作用下控制转子6顺时针旋转而带动太阳轮8按顺时针旋转，另一方面电机的定子5在发动机作用下也按顺时针旋转，将这动力作用在行星排的齿圈7上与电机转子6共用驱动行星架9而实现混合驱动。
5、发动机驱动发动机点火后带动定子5按顺时针旋转，此时转子6则逆时针旋转，此时将操作杆置于D档或R档，在控制器作用下，控制电机定子输出端4闭合，则在电机的定子线圈5内产生感应电流，产生电磁扭矩Td作用在转子6上，使转子6产生一个顺时转动一个扭矩，迫使转子6与定子5同步运行，而使转子6传给行星排太阳轮8一个顺时针扭矩，另一方面定子5作用在齿圈7上也有一个顺时针扭矩，而使该行星排的行星架9也产生一个顺时针扭矩，而将动力从行星架9上输出，使车运行；通过车速传感器和节气门位置传感器信号来控制控制器使该电机输出端4短接时间的长短、快慢来控制电机绕组5内电磁感应电流的大小，从而控制电磁扭矩作用在太阳轮8的时间长短，实现车速的自动调整；由于电机定子具有转动惯量，当有电磁扭矩产生时，会引起定子5转动角速度变化而使定子5产生并释放转动惯量扭矩Tg，与发动机输出扭矩T的和去掉电磁扭矩Td作用在行星排的外齿圈7上，此时电磁扭矩Td去掉电机转子6的因转速变化而产生转动惯量扭矩Tz后作用在行星排太阳轮8上，则此时在行星架上产生扭矩Tj应满足(Td-Tz)∶[(T+Tg)-Td]∶Tj＝1∶α∶(1+α)，α为该行星排齿圈齿数与太阳轮齿数之比。
6、发电功能与刹车制动时能量回收当电瓶的电量出现亏缺时，在发动机工作情况下，电机工作在发电模式，由控制器控制，给电瓶充电，同样在行车制动或下坡制动时，由车轮反过来驱动行星架9顺时针转动，一方面实现发动机制动，另一方面转子6在定子5内旋转，此时由控制器将转子6旋转时产生的感应电流存储到电瓶中，实现能量回收。
7、超速档及NDPR档实现同轴增速齿轮11、13中齿轮11的半径小于齿轮13的半径，即与齿轮13啮合的D档齿圈14转速一定大于与齿轮11啮合行星架转速，实现了超速档；同理由于齿轮13与倒档R齿圈12内啮合，因此齿圈12的转速一定要小于行星架9的转速，且转向与行星架9的转向相反为逆时针，这样即实现了与前进档相反的反时针转动，又实现了减速增扭的倒档要求。至于N、D、P、R档的实现，由于滑齿15内外开有花键，且能在拨叉驱动下在输出轴16的外花键和D档齿圈14内花键和R档齿圈12的内花键上自由滑动，当滑齿15只与R档齿圈12接滑时为倒档运行，当滑齿15即与D档齿圈14、又与R档齿圈12接滑时为驻车P档，当滑齿15只与D档齿圈14接滑时为前进D档，当滑齿15在拨叉驱动下到最前端即不与D档圈14相滑接，又不与R档齿圈12相滑接，此时为N档、即空档。
实施例二电机的定子固定在机体上，由发动机飞轮末端引出的曲轴轴颈从该电机中空转子轴穿过，并且分别与该电机的转子轴作用在处于自由态行星齿轮的两输入端上，该行星齿轮的另一端为动力输出端；选一台永磁(或励磁)电机，将轴20的两端都开有外花键，把一只能顺时针旋转的单向离合器21内面开有花键，使其与轴20的前端外花键相配合，将单向离合器21的外面与电机前端盖22紧配合，把电机前端盖22与机定子23和后端盖25和变速箱体34用螺丝固定在一起，并且共同固定在机体上。电机转子24通过轴承固定在电机定子内，并且转子能在定子内自由转动。轴20外端配有轴承镶钳在电机转子引轴26后端内，轴20的后端开有外花键与行星架28中孔内花键相配合。转子引轴外端开有斜齿与行星轮27相啮合，齿圈29前端内斜齿与行星轮啮合，其引轴后端外面开有斜齿与齿轮30一侧啮合、引轴后端内面开有内花键与滑齿32的外花键相滑接，齿轮的30另一侧与前端内侧开有斜齿、后端引轴内侧开有内花键的倒档齿圈31的前端内斜齿相啮合，倒档齿圈31后端引轴内花键与滑齿32前端外花键相滑接，滑齿32的内面开有内花键在开有外花键轴33外面滑动。滑齿32后端开有凹槽与拨叉滑接，轴33前端配有轴承在齿圈29内转动，倒档齿圈31后端通过轴承在壳体34内转动；在这种结构配合方式下，其各种工况的工作原理是1、发动机点火启动将操作杆置于P档，滑齿32的前端外花键与齿圈29、齿圈31的内花键相接滑，将齿圈29锁住使其不能转动，由控制器将电池组的电能作用在处于电动模式的电机上，使电机的转子顺时针转动，带动行星架28顺时针旋转，行星架28带动曲轴顺时针旋转，将发动机点火启动。
2、怠速状态发动机启动点火后，由控制器将电机定子绕组输出端开路，曲轴带动行星架28顺时针转动，转子24在行星架28驱动下顺时针转动，电机输出端开路处于无电磁扭矩的怠速状态。
3、电瓶驱动将操作杆置于D档或R档，滑齿32的外花键与齿圈29的内花键或与齿圈31的内花键相滑接，电机工作在电动模式下，由控制器控制，使电机转子作顺时针旋转，由于单向离合器21的作用，曲轴不能反时针转动，由转子24带动行星架28顺时转动使车前进或倒退，实现电瓶驱动。
4、混合驱动汽车在行驶过程中，电机工作在电动模式下，由控制器控制，电机转子24带动太阳轮26作顺时针转动，另一方面发动机带动行星架28作顺时针转动；在太阳轮26、行星架28共同驱动齿圈29转动，实现混合驱动。
5、发动机驱动发动机点火后，将操作杆置于D档或R档，由控制器控制将处于发电模式的电机的定子输出端短接在一起，由车速传感器和节气门开度传感器来控制其短接时间长短。电机定子输出端短接时会产生感应电流，同时产生电磁扭矩Td使电机的转子顺时针转速变慢，使齿圈输出的顺时针转速加快，根据行星轮扭矩公式则有(Td-Tz)∶Tq∶(T+Tf)＝1∶α∶(1+α)α-齿圈齿数与太阳轮齿数之比Td-电磁扭矩Tq-齿圈输出扭矩T-发动机输出扭矩
Tf-飞轮转动惯量输出扭短Tz-电机转子转动惯量输出扭矩根据车速、节气门开度，由控制器控制电机定子输出端短接时间长短，来实现无级变速的。
6、发电功能与刹车制动时能量回收当电瓶的电量出现亏缺时，在发动机工作情况下，电机工作在发电模式，由控制器控制给电瓶充电，同样在行车制动或下坡制动时，由车轮反过来驱动行星架28和太阳轮26都作顺时针转动，一方面实现发动机制动，另一方面实现电磁制动，同时产生充电电流，将能量回收到电瓶中。
7、超速档及NDPR档实现。
车辆在运行中电机输出端短接在一起后，在电磁扭矩作用下转子24与定子23同步，即转子不动，此时行星架28驱动齿圈29，由公式Nt+αNq＝(1+α)NjNt＝0Nq=1+ααNj]]>Nt-太阳轮转速Nq齿圈转速Nj-行星架转速α-行星排齿数比可见由于Nj＜Nq，可实现超速档；当滑齿32在拨叉驱动下其前端外花键与齿圈31的内花键滑接，此时为R档；即与齿圈31的内花键又与齿圈29的内花键滑接此时为P档；滑齿32外花键与齿圈29内花键滑接形成前进D档；将滑齿32移到最左端，其外花键不与其它花键滑接形成N档。
综上所述是本发明的基本工作过程，为了减小电机的体积、功率、重量，改善电机在低档起车及大负荷时的工况效果，提高传递效率可以在与电机相连的行星排齿轮的前后，根据不同车型及不同要求，可适当插入一级、或二级、或三级辅助驱动行星排，这样能改善车辆一直工作在大负荷扭矩输出及急加速时响应效果，提高变速器传递效率都有明显积极效果。
权利要求
1.多功能无级变速装置是由电机、行星齿轮、控制电路、超速档和N、D、P、R档位转换器及电池组组成，其特征在于该无级变速装置仅有一台电机；在发动机驱动时，车速的调整方法是电机工作在发电模式下，控制电机绕组闭合回路电流的大小来实现的；控制电机在发电模式绕组闭合回路电流大小方式有三种方式一是控制电机励磁绕组的励磁电流的大小方式，方式二是改变串接在该电机绕组闭合回路中电抗值的大小方式，方式三是利用开关、电子开关、继电器将电机输出端短接在一起时间长短方式；发动机曲轴或轴颈，电机，行星齿轮配合有两套方案方案一是，电机的定子、转子分别与处于自由态行星齿轮的两输入端相连接，该行星齿轮的另一端为动力输出端，发动机曲轴与该电机的定子或转子相连结；包括在这种方式连接下，发动机曲轴的轴颈从该电机的中空转子轴穿过与辅助运行机构的输入端相连接；方案二是，电机的定子固定，发动机曲轴轴颈穿过该电机中空转子轴并与该电机的转子轴分别与处于自由态行星齿轮的两输入端相连接，该行星排齿轮的另一端为动力输出端；所述的方案一是电机前端盖(1)前端有凸台，凸台内开有内花键，作为连接发动机的中心引轴；凸台外沿与只能按顺时针旋转的单向超越离合器(2)的内沿紧配合在一起；该单向超越离合器(2)的外沿与固定板(3)紧配合，固定板(3)固定在机体上；电机定子线圈输出端引线滑环(4)的一侧与固定板(3)相连，该侧的滑环引线与控制电路相连接，滑环(4)的另一侧引线端与该电机的定子绕组输出端相连，且该侧与定子一起旋转；电机定子绕组(5)与该电机的定子绕组输出端相连，且该侧与定子一起旋转；电机定子绕组(5)与前端盖(1)和后端盖(7)固定在一起且与发动机一起旋转，电机转子(6)在电机定子(5)内自由转动，其转子输出轴(8)的后端外沿开有斜齿与行星齿轮(10)相啮合，即为该行星排齿轮的太阳轮，电机后端盖(7)的后端有凸台，凸台的内沿开有斜齿与行星轮(10)相啮合，其也是该行星排齿轮的外齿圈，且该凸台外端面通过轴承在壳体(17)内转动；该排行星齿轮的行星架(9)的后端引轴的外沿有外齿，与同轴增速齿轮(11)、(13)的(11)齿轮的外齿相啮合，行星架(9)的后端引轴的内沿通过轴承与输出轴(16)的前端配合，齿轮(11)、(13)为同轴；齿轮(13)的外齿一侧与开有外齿和内花键的前进D档齿圈(14)的外齿相啮合，一侧与前端内沿开有内齿、后端引轴开有内花键的倒档R齿圈(12)的前内齿相啮合；前进D档齿圈(14)的内花键、倒档R齿圈(12)的内花键与前端外开有外花键、内开有内花键、后端开有凹槽的换档滑齿(15)的外花键相滑接，该换档滑齿(15)的内花键与开有外花键输出轴(16)相滑接，换档滑齿后端的凹槽与换档拨叉相滑接，壳体(17)与固定板(3)共同固定在机体上；前进D档齿圈(14)的前端配有轴承，该齿圈在该轴承内转动；所述的方案二是选一台永磁或励磁电机，将轴(20)的两端都开有外花键，将一只能顺时针旋转的单向离合器(21)内侧开有花键，使其与轴(20)的前端外花键相配合，将单向离合器(21)的外侧与电机前端盖(22)紧配合，把电机前端盖(22)与机定子(23)和后端盖(25)和变速箱体(34)用螺丝固定在一起，并且共同固定在机体上，电机转子(24)通过轴承与电机定子配合，并且转子能在定子内自由转动，轴(20)外端配有轴承镶钳在电机转子引轴(26)后端内，轴(20)的后端开有外花键与行星架(28)中孔内花键相配合，转子引轴外端开有斜齿与行星轮(27)相啮合，齿圈(29)前端内斜齿与行星轮(27)啮合，其引轴后端外侧开有斜齿与齿轮(30)啮合，引轴后端内侧开有内花键与滑齿(32)的前端外花键相滑接，滑齿(32)与前端外花键还与前端内侧开有斜齿并与齿轮(30)啮合、后端引轴内侧开有内花键的倒档齿圈(31)的后端引轴内花键滑接，滑齿(32)的内侧开有内花键在开有外花键轴(33)外面滑动，滑齿(32)后端开有凹槽与拨叉滑接，轴(33)前端配有轴承在齿圈(29)内转动，倒档齿圈(31)的后端通过轴承在壳体(34)内转动。
2.根据权利要求1所述的多功能无级变速装置，其特征是在与电机相连的行星排齿轮的前后插入一级、或二级、或三级辅助驱动行星排机构。
3.根据权利要求1所述的多功能无级变速装置，其特征在于方案一的超速档形成是由半径不同的同轴齿轮(11)、(13)的转速相同而使齿圈(14)的转速大于行星架(9)的转速。
4.根据权利要求1所述的多功能无级变速装置，其特征在于方案一的倒档R、锁车档P、前进档D、空档N的形成是由滑齿(15)的外花键与齿圈(12)、(14)的内花键在不同位置相滑接形成。
5.根据权利要求1所述的多功能无级变速装置，其特征在于方案二的倒档R、锁车档P、前进档D、空档N的形成是由滑齿(32)的外花键与齿圈(31)、(29)的内花键在不同位置相滑接形成。
全文摘要
多功能无级变速装置，属于变速器领域，具体涉及一种多功能无级变速装置，采用一台电机与行星齿轮组配合工作，通过控制电机在发电状态下的电流，利用所产生的电磁转矩随车速变化的特性及其对行星齿轮组运动状态的影响，实现无级变速；同时，可在正常运行时向蓄电池充电及在制动状态下实现能量回收；此外，本装置还可以使电机工作在电动状态下，实现启动、电驱动、混合驱动；因此在不改变原车其他系统机件位置与性能的前提下，可以取代发电机、起动机、飞轮；取得体积小、成本低、传递效率高、节能环保、结构简单、操作方便的积极效果。
文档编号F16H59/04GK1924398SQ20051001710
公开日2007年3月7日 申请日期2005年9月2日 优先权日2005年9月2日
发明者颜广博 申请人:颜广博