异形单排一档混动器的制作方法

本发明涉及一种行星排传动系统，具体为两种形式单行星排之一的，以行星架作为被控制端的混动器。

背景技术：

为了混合、分配及传递多动力源的动力，很多动力机械都配置了动力混合器系统，又称为混动器。传统混动器一般采用普通带内齿圈单行星排，在行星排的行星架与内齿圈之间传递内燃机动力，以行星排的太阳轮作为被控制端设置电机参与混合动力，在输出端设置第二电机参与混合动力。其特征是输出端与太阳轮的转矩比不大，太阳轮与输出端的转速比不大，所设置的电机需要具有较大扭矩，转速不能太高。且其行星排结构装配限制较多，装配难度较大。我们需要更好的混动器。

技术实现要素：

本发明提出传动机械为两种形式单行星排之一的，以行星架作为被控制端，并在被控制端与输出端设置电机参与动力混合的混动器。称为异形单排一档混动器。

行星排由两个中心轮(太阳轮或内齿圈)与带行星轮的行星架三个部件组成，三个部件的啮合排列关系决定行星排种类。现有行星排按行星架上行星轮层级数的单与双可分为单层星行星排、双层星行星排。设zt为太阳轮齿数，zq为内齿圈齿数，nt为太阳轮转速,nq为内齿圈转速,nj为行星架转速，定义行星排特性参数a,单层星行星排的运动特性方程为：nt+a*nq-(1+a)*nj＝0，双层星行星排的运动特性方程为：nt-a*nq-(1-a)*nj＝0。多个行星排可以组成行星排结构，其运动规律服从其行星排结构方程。行星排结构中的几个部件连接并拥有一个确定的转速，形成一个旋转构件，每一个旋转构件具有一个转速。传统观点认为，多排行星排组成的行星排结构的自由度，等于行星排结构中所有旋转构件数减去行星排数，即：行星排结构自由度＝旋转构件数-行星排数。本发明提出，二自由度决定系统的行星排结构就是行星排中两个旋转构件的转速确定后，所有旋转构件的转速被决定。二自由度决定系统的行星排结构，其行星排结构方程简化后是具有三个独立转速项的等式，其普遍形式为：+d*n1+e*n2+f*n3＝0，其中n1、n2、n3分别为行星排结构中不特定的两个转速确定的旋转构件以及它们决定的不特定第三个旋转构件的转速项，d、e、f分别为三个独立转速项的绝对值系数，可以是数值或代数式，各独立转速项绝对值系数前的各符号分别可以是正是负。“不特定”指行星排结构的任意旋转构件的转速都可以有相应的各绝对值系数与各符号来形成等式。单排行星排是二自由度决定系统，单排行星排具有三个旋转构件，就是行星排的三个部件，单排行星排结构有一个行星排结构方程，就是其行星排运动方程。

本发明混动器由传动机械与控制系统两部分组成，传动机械是二自由度决定系统的单行星排，有两种形式：单变线速行星排与单锥齿轮双层星行星排。单变线速行星排有结构形式四、结构形式五、结构形式六、结构形式七，单锥齿轮双层星行星排就是一种。相对于普通带内齿圈单行星排，这两种行星排是异形行星排，选择这两种形式之一的单排行星排作为传动机械。其行星排运动方程的基本形式是：nz-a*ny-(1-a)*nj＝0,运动方程中一般是nj转速项的系数(1-a)绝对值最小，对应的行星架j作为被控制端。其中nz、ny是行星排中两个中心轮的转速，两个中心轮z与y作为输入端与输出端，一左一右。由于变线速行星排与锥齿轮双层星行星排的特性，行星排特性参数a可以很小，可以接近于1.0。这样行星排运动方程的三个转速项中，转速项nj的系数绝对值最小，转矩最小。当a非常接近于1.0但不等于1.0时，适当选择a的值，nz转速项的系数1可以是nj转速项的系数(1-a)的绝对值的几倍或几十倍或更多倍，ny转速项的系数a也可以是nj转速项的系数(1-a)的绝对值的几倍几十倍或更多倍。因此，为控制两个中心轮之间的动力传递，行星架作为被控制端，其控制转矩只需要输入端或输出端的几分之一、几十分之一或更少。作用于行星架上的制动器与电磁感应电机装置的转矩可以非常小，可以在其中配置低转矩高速电机。当nj＝0时，两个中心轮之间的动力传递没有耗损，直接传输。其中当a<1.0时，1-a>0，nz<ny，从z传动到y是增速传动，从y传动到z是减速传动；当a>1.0时，1-a<0，nz>ny,从z传动到y是减速传动，从y传动到z是增速传动。这两种情况下nj转速方向不一样。

本发明传动机械的两种形式的行星排，从输入端到输出端的动力传递路径上的两个中心轮始终处于啮合状态，两个中心轮位于行星排的中心，行星架位于行星排的外围。这样的结构与普通带内齿圈单行星排混动器的结构不一样，在安排输入路径、输出路径、被控制端操作空间时比较自由，电机与电路可以做成无换向器、无电刷的电机与电路，不必需要像普通带内齿圈单行星排混动器那样的套筒轴连接结构，不必需要把行星排两个部件的两根同心轴以嵌套的形式装配成套筒轴。这样就比普通带内齿圈单行星排混动器简化了结构，提高了传动效率。这样的结构还使其行星排装配方法可以与普通带内齿圈单行星排不一样。普通带内齿圈单行星排受内齿圈限制，行星架与内齿圈之间只能采用轴向装配方法。本发明传动机械这两种形式行星排的中心轮均不限制行星架及行星轮的安装，行星架及行星轮与两个中心轮之间既可以采用轴向装配方法，也可以改进采用径向装配方法，径向装配方法有利于优化行星排各部件的齿轮齿形，比如可以采用正变位齿轮，这有利于提高行星排的性能，提高混动器的性能。

本发明的控制系统是制动器与电磁感应电机并联装置、感应电机、控制电路、蓄电池与外接电源插头等。其中制动器与电磁感应电机并联装置作用于被控制端行星架，控制被控制端的转速，并可从被控制端吸收能量或输入能量；制动器提供被动转矩，电磁感应电机可提供正向、反向的被动、主动转矩。感应电机作用于输出端，可以从输出端吸收能量或输入能量；可提供正向、反向的被动、主动转矩。控制电路可控制调节控制系统。

本发明异形单排一档混动器在混合、分配与传递多个动力源(内燃机以及电动机)的动力时与普通混动器混合分配传递多动力的过程非常相似。也都具有下述功能：

启动功能：输入端为停机状态的内燃机，输出端车轮处于制动状态。这时利用蓄电池能量通过控制电路使电磁感应电机对被控制端施加转矩，主动带动被控制端旋转。由于输出端制动转速为零，被控制端的功率全部传导至输入端，可带动内燃机旋转从而启动。

怠速发电功能：内燃机启动后，输出端制动，动力从输入端传导至被控制端，带动电磁感应电机发电储能。

纯电动功能：包括电磁感应电机纯电动功能、电磁感应电机与感应电机并联纯电动功能，还包括电动倒车功能。电磁感应电机纯电动功能：输入端内燃机关机被动制动，松开输出端制动，利用蓄电池能量通过控制电路使电磁感应电机对被控制端施加转矩，主动带动被控制端旋转。由于输入端制动，被控制端的功率绝大部分传导至输出端，带动输出端转动，这样可带动车辆低速运行。由于本发明传动机械采用变线速行星排或锥齿轮双层星行星排，特性参数a可以很接近于1.0，电磁感应电机从被控制端输入的转速可以在输出端形成很低的转速，特别有利于机动车辆慢速行进。电磁感应电机与感应电机并联纯电动功能：在蓄电池能量充足的前提下，输入端制动，电磁感应电机对被控制端施加转矩，带动被控制端转动，感应电机对输出端也施加转矩，带动输出端转动，两者同时向输出端输入能量，这也是的纯电动功能。这两种纯电动功能相比，前者适于机动车辆的低速低功率行进，后者适于机动车辆的加速或高速行进。在纯电动功能模式下，在输入端制动时，调节电磁感应电机与感应电机的动力转矩方向，可以实现电动倒车功能。

内燃动力功能：包括被控制端锁止，动力全部传递到输出端的离合器传动模式；还包括输入端动力主要传递到输出端，少部分传递到被控制端用于电磁感应电机发电，所发电能通过感应电机即时回馈到输出端的变矩器传动模式。离合器传动模式以制动器制动被控制端，动力从内燃机输入端直接传递至输出端，传动效率高。变矩器传动模式使得混动器具有一定的变矩器功能、具有一定无级变速的性能。混动器的变矩功能是基于二自由度决定系统的行星排机构中各旋转构件的互动特性：输出端转速下降，被控制端的转速会上升。在输出端堵转或低转时，被控制端转速上升，可以通过电磁感应电机发电吸收能量，通过感应电机即时回馈功率作用在输出端上。这样就形成一部分动力通过机械传动从输入端传导至输出端，另一部分动力由电磁感应电机发电吸收能量经感应电机即时回馈功率作用在输出端上作为附加功率与附加转矩。这种附加功率与附加转矩是自动变化的，输入端动力恒定时，输出端转速越低，被控制端转速越高，形成的附加转矩越大；输出端转速越高，被控制端转速越低，形成的附加转矩越小。这与液力变矩器的变矩工作状态是同样的。因为电磁感应电机从被控制端吸收能量与感应电机向输出端回馈功率可以形成即时吸能回馈系统，具有即时吸能回馈系统的混动器，在输入功率恒定、输出阻力稳定时，根据即时吸能回馈系统的特性不同，输出端转速会稳定并低于其最高转速，被控制端转速会稳定在一个较低的转速并高于零，形成带吸能回馈功能的动平衡状态。这样的动平衡状态与液力变矩器的液力耦合状态是同样的。启用制动器，使被控制端转速为零，输出端转速达到最大，输入端的功率全部传递到输出端。这种使传动机械从带吸能回馈功能的动平衡状态转化为直接结合状态的过程，与带锁止离合器的液力变矩器从液力耦合状态转化为直接机械连接直通锁止状态的过程也是同样的。可见本发明混动器可以实现类似于液力变矩器变矩工作状态、液力耦合状态与直通锁止状态的全部状态，具有全部变矩器功能，可作为“电磁力”变矩器，具有一定无级变速性能，可作为无级变速器。本发明混动器具有蓄电池，可以形成吸收能量异时回馈的功能。

混动器的变矩器功能、无级变速范围和性能取决于即时吸能回馈系统的性能，根本上也取决于输出端转速项系数与被控制端转速项系数的(绝对值)比值。传统以普通带内齿圈单行星排为传动机械的混动器的这个比值范围比较小，一般不小于0.25不大于7.5。本发明混动器传动机械的两种单行星排形式决定了本发明混动器的这个比值范围很大，比值可以极大，大到几十成百，有些情况下可以上千，比值也可以很小，小到0.19。这样本发明混动器可以设计成具有更强变矩器功能、具有更大无级变速范围和性能的传动系统。

内燃兼发电功能：内燃机从输入端输入较大的功率，部分传导至输出端带动机动车辆行进，部分经本发明传动机械传导至被控制端带动电磁感应电机发电；必要时还可以同时在输出端通过感应电机发电。

联合动力功能：含内燃机与电磁感应电机联合动力功能，含内燃机与电磁感应电机、感应电机的联合动力功能。前者，内燃机从输入端输入动力，电磁感应电机从被控制端输入动力，形成联合动力。后者，以感应电机为主，电磁感应电机与感应电机同时输入动力，与内燃机一起向系统输入动力。

吸能制动功能：包括电磁感应电机吸能制动功能、电磁感应电机与感应电机并联吸能制动功能。

本发明异形单排一档混动器的有益之处在于：一，采用了新的两种形式之一的单行星排结构作为传动机械，被控制端是行星架，行星架位于行星排的外围，不必需要套筒轴，优化了混动器的结构。二，新形式的单行星排结构可以采用径向装配方法，利于优化齿轮齿形，提高性能。三，新形式的单行星排结构可以具有更大的输出端转速项与被控制端转速项的系数(绝对值)比值的范围，扩大了选择作用于被控制端的电磁感应电机的选择范围，可以选用低转矩高速电机；可以具有更强的变矩器功能、更大的无级变速范围和性能。

本发明提出，只要在传动机械中采用了单行星排，采用了单变线速行星排与单锥齿轮双层星行星排这两种形式之一作为传动机械，以行星架作为被控制端，以两个中心轮作为输入端与输出端。传动机械提供了混动条件，控制系统提供了混动控制，就属于异形单排一档混动器，均应落入本发明的保护范围。

附图说明

图1为本发明异形单排一档混动器的传动机械形式一单变线速行星排混动器示意图，也是本发明实施例1示意图。图中输入端1，输出端2，被控制端3，制动器与电磁感应电机并联装置4，控制电路5，感应电机6，蓄电池7。

图2为本发明异形单排一档混动器的传动机械形式二单锥齿轮双层星行星排混动器，也是本发明实施例2示意图。图中输入端1，输出端2，被控制端3，制动器与电磁感应电机并联装置4，控制电路5，感应电机6，蓄电池7。

各图中行星排均按行业惯例以半幅行星排齿轮结构表示，制动器与电磁感应电机并联装置、感应电机也可视为是半幅。外接电源插头省略未画出。各图中行星排各部件只示意结构关系，未反映真实尺寸。

具体实施方式

实施例1：本发明异形单排一档混动器的传动机械形式一单变线速行星排混动器，也是本发明实施例1。参见图1。传动机械中的行星排为单变线速行星排(在本实施例是单变线速行星排结构形式六，还可是其他三种结构形式)：输入端为左侧中心轮z齿数为zz转速nz，输出端为右侧中心轮y圈齿数为zy转速ny，被控制端为带变线速行星轮的行星架j转速nj。控制系统为制动器与电磁感应电机并联装置、感应电机、控制电路、蓄电池与外接电源插头等。设变线速行星轮的右侧一套齿轮齿数为xy，左侧另一套齿轮齿数为xz，定义该变线速行星排的特性参数为a，a＝(zy*xz)/(zz*xy)，该变线速行星排服从运动方程nz-a*ny-(1-a)*nj＝0。这种形式的变线速行星排的特性参数a可以接近于1.0。当行星排特性参数a的值接近1.0时，运动方程中nj转速项的系数绝对值最小，行星架的转矩最小。例如，作为对比的普通带内齿圈单行星排的a取值在1.33与6.3之间，输出端转速与被控制端太阳轮转速比值的绝对值一般小于7.3。设本实施例混动器从输入端到输出端的传动为减速传动，当a取值在0.666667与1.5之间时，输出端转速与行星架转速比值1/(1-a)或a/(1-a)的绝对值大于3，当a取值在0.95与1.0526315之间时，输出端转速与行星架转速的比值1/(1-a)或a/(1-a)的绝对值大于20。本实施例的行星架被控制端，可以设置低转矩高速电机。通过控制小转矩的被控制端行星架，就可以控制输入端与输出端之间的转矩很大的传动。a的具体取值可根据实际需要确定。控制系统各种参数性能可根据实际需要调节。

本实施例以变线速行星排的结构形式六作为传动机械，结构最简单。具有同类型行星排运动方程的变线速行星排还有结构形式四、结构形式五与结构形式七，均属于本发明所述单变线速行星排，可作为异形单排一档混动器的传动机械。

实施例2：本发明异形单排一档混动器的传动机械形式二单锥齿轮双层星行星排混动器，也是本发明实施例2。参见图2。传动机械中的行星排为单锥齿轮双层星行星排：输入端为左侧中心轮z齿数为zz转速nz，输出端为右侧中心轮y齿数为zy转速ny，被控制端为带双层星行星轮的行星架j转速nj。控制系统为制动器与电磁感应电机并联装置、感应电机、控制电路、蓄电池与外接电源插头等。定义该锥齿轮双层星行星排的特性参数为a，a＝zy/zz，该锥齿轮双层星行星排服从运动方程nz-a*ny-(1-a)*nj＝0。其行星排特性参数a可以接近于1.0。当行星排特性参数a的值接近1.0时，运动方程中nj转速项的系数绝对值最小，行星架的转矩最小。设本实施例混动器传动为减速传动，当a取值在0.666667与1.5之间时，输出端转速与行星架转速比值1/(1-a)或a/(1-a)的绝对值大于3，当a取值在0.95与1.0526315之间时，输出端转速与行星架转速的比值1/(1-a)或a/(1-a)的绝对值大于20，当a取值在0.99与1.010101之间时，输出端转速项与行星架转速项系数的(绝对值)比值大于100。本实施例的行星架被控制端，可以设置低转矩高速电机。通过控制小转矩的被控制端行星架，就可以控制输入端与输出端之间的转矩很大的传动。a的具体取值可根据实际需要确定。控制系统各种参数性能可根据实际需要调节。

上述各实施例仅为本发明的部分实施方式，所述异形单排一档混动器可作离合器、可作变矩器，可作无级变速器，可作混动器。