CN111332117B - 一种混合动力系统、同步换挡机构及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合动力系统、同步换挡机构及车辆，驱动电机与行星排齿圈传动连接，行星排齿圈还传动连接驱动桥；换挡锁止机构包括固定轴、滑动套设于固定轴上的空心轴，空心轴上不同的固定位置上转动套设有前齿轮和后齿轮；空心轴处于第一位置时，发动机通过前齿轮与行星排第一端口传动接合、固定设置的锁止齿圈通过后齿轮与行星排第二端口接合；空心轴处于第二位置时，发动机通过前齿轮与行星排第一端口传动接合、发电机通过后齿轮与行星排第二端口传动接合；空心轴处于第三位置时，发动机与行星排第一端口断开、行星排第二端口与锁止齿圈及发电机断开。本发明能避免反拖发动机和离合器的拖拽损失，节省了能源和运维成本。

Description

一种混合动力系统、同步换挡机构及车辆

技术领域

本发明涉及一种混合动力系统、同步换挡机构及车辆，属于新能源汽车技术领域。

背景技术

混合动力汽车相比传统燃油汽车具有节能环保的优势，同时对比纯电动汽车又具有不受电池续航里程限制的优势。在目前环境污染和能源危机日益恶化，以及电池技术尚未取得突破的今天，混合动力成为较为完善的车辆动力解决方案。混合动力按动力的耦合方式分为串联式混合动力、并联式混合动力以及混连式混合动力。

混联式混合动力系统相对于串联混合动力系统和并联混合动力系统具有巨大的性能优势。授权公告号为CN 206884721 U的中国专利文件公开了一种三轴式行星排混合动力系统及包括该动力系统的车辆，该方案中，发动机的输出端直接与行星排输入轴连接，在发电机的动力输出端使用气动锁止离合器进行控制，实现系统高速直驱模式发电机的锁止，减少能量的损耗。

该构型中，发电机动力输出锁止机构采用的是离合器，使用离合器能够实现发电机的动力中断快速可控，满足不同工作模式下的动力输出需求，提高了系统效率。

但同时存在以下问题：一是系统中发动机无法实现动力连接的中断，在纯电动模式下，发动机随转，造成能量的损耗；二是发电机使用湿式离合器锁止，离合器分离时会造成拖拽损失，对系统能耗有不利影响。另外，离合器无法进行自动协调控制，控制结构过于繁琐，不够精简。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合动力系统及车辆，用以解决现有混连混合动力方案中，纯电驱动模式下，会拖动发动机随转造成能源浪费的问题。本发明还同时提供一种同步换挡机构，用于解决通过离合器分断动力传递路径会造成拖拽损失，离合器摩擦盘等相关部件存在较大的工作损耗，浪费了能源的同时增加了运维成本的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

本发明的一种混合动力系统，包括发动机、行星排、驱动电机、发电机和同步换挡锁止机构，所述发动机连接有接收其动力的第一齿轮，行星排的行星架同轴连接有第二齿轮，太阳轮安装有第三齿轮，行星排齿圈通过变速箱与驱动电机传动连接，发电机配置有第四齿轮，第四齿轮位于第三齿轮的径向一侧，第一、第二、第三齿轮同轴布置，同步换挡锁止机构被配置在第一、第二、第三、第四齿轮之间，包括壳体、与第一齿轮的轴平行的固定轴、安装在固定轴上的可绕固定轴转动以及移动的第一传动部分、第二传动部分以及为第二传动部分配置的锁止件，锁止件上设有锁齿；所述第一传动部分以及第二传动部分为沿固定轴联动的齿轮或齿轮组，且在固定轴上有第一、第二及第三位置，当处于第一位置时，第一齿轮与第二齿轮通过第一传动部分传动接合、第二传动部分分别与第三齿轮和锁止件啮合；处于第二位置时，第一齿轮通过第一传动部分与第二齿轮传动接合、第二传动部分同时与第三、第四齿轮啮合；处于第三位置时，第一、第二齿轮中的至少一个与第一传动部分轴向错开，第二传动部分与第三、第四齿轮中的至少一个轴向错开。

本发明的一种同步换挡机构，包括同轴布置的第一、第二、第三齿轮，以及布置于第三齿轮径向一侧的第四齿轮，还包括配置于第一、第二、第三、第四齿轮之间的同步换挡锁止机构，同步换挡锁止机构包括壳体、与第一齿轮的轴平行的固定轴、安装在固定轴上的可绕固定轴转动以及移动的第一传动部分、第二传动部分以及为第二传动部分配置的锁止件，锁止件上设有锁齿；所述第一传动部分以及第二传动部分为沿固定轴联动的齿轮或齿轮组，且在固定轴上有第一、第二及第三位置，当处于第一位置时，第一齿轮与第二齿轮通过第一传动部分传动接合、第二传动部分分别与第三齿轮和锁止件啮合；处于第二位置时，第一齿轮通过第一传动部分与第二齿轮传动接合、第二传动部分同时与第三、第四齿轮啮合；处于第三位置时，第一、第二齿轮中的至少一个与第一传动部分轴向错开，第二传动部分与第三、第四齿轮中的至少一个轴向错开。

本发明的一种车辆，包括发动机、行星排、驱动电机、发电机和同步换挡锁止机构，所述发动机连接有接收其动力的第一齿轮，行星排的行星架同轴连接有第二齿轮，太阳轮安装有第三齿轮，行星排齿圈通过变速箱与驱动电机传动连接，发电机配置有第四齿轮，第四齿轮位于第三齿轮的径向一侧，第一、第二、第三齿轮同轴布置，同步换挡锁止机构被配置在第一、第二、第三、第四齿轮之间，包括壳体、与第一齿轮的轴平行的固定轴、安装在固定轴上的可绕固定轴转动以及移动的第一传动部分、第二传动部分以及为第二传动部分配置的锁止件，锁止件上设有锁齿；所述第一传动部分以及第二传动部分为沿固定轴联动的齿轮或齿轮组，且在固定轴上有第一、第二及第三位置，当处于第一位置时，第一齿轮与第二齿轮通过第一传动部分传动接合、第二传动部分分别与第三齿轮和锁止件啮合；处于第二位置时，第一齿轮通过第一传动部分与第二齿轮传动接合、第二传动部分同时与第三、第四齿轮啮合；处于第三位置时，第一、第二齿轮中的至少一个与第一传动部分轴向错开，第二传动部分与第三、第四齿轮中的至少一个轴向错开。

本发明中的换挡锁止机构中包括可轴向移动的传动部分，传动部分包括第一传动部分和第二传动部分，发动机通过第一传动部分可以和行星排第一端口例如行星架相连，行星排第二端口例如太阳轮可以通过第二传动部分连接固定设置的锁止件或传动连接发电机。第一传动部分啮合面的宽度大于连接发动机的传动轴和连接行星排行星架的传动轴的相对两个端部上分别固定设置的齿轮的宽度之和，当第一传动部分处于同时啮合发动机传动轴和行星架传动轴相对的两个端部的齿轮的位置时，第二传动部分处于同时啮合与太阳轮传动轴相连的齿轮和固定于结构部件的锁止件，此时实现发动机直接驱动；轴向移动传动部分一定距离后，因第一传动部分啮合面较宽，因此依然处于同时啮合发动机传动轴和行星架传动轴相对的两个端部的齿轮的位置，而此时第二传动部分处于同时啮合太阳轮传动轴的齿轮以及发电机传动轴上的齿轮，此时实现混合动力驱动；传动部分继续轴向移动，当第一传动部分进入自由转动的空位，即第一传动部分不再啮合发动机传动轴和行星架传动轴相对的两个端部的齿轮时，第二传动部分也进入空位，不再与其他齿轮啮合，此时实现纯电驱动。

本发明在纯电驱动工况下，行星排与发动机和发电机均断开连接，驱动电机可以通过行星排第三端口例如齿圈直接驱动车辆的驱动桥或车轮，行星排前排随转，避免反拖发动机和发电机，防止驱动能量的损失，节省了能源。同时，不同驱动模式的切换中没有离合器的锁止和分离，避免了离合器的拖拽损失，进一步节省了能源，延长了零部件的保养更换周期，降低了运维费用。且本发明中的换挡锁止机构实现了对发动机和发电机及相关行星排部件的联动控制，精简了控制系统和相关程序指令，降低故障和控制出错的可能。

驱动电机通过变速机构输出动力，为纯电模式提供了更多的速比，增加了纯电模式下对不同路况、工况的适应性。

进一步的，所述第一传动部分和第二传动部分均转动装配在一个空心轴上，通过所述空心轴装配在所述固定轴上。

进一步的，所述第一传动部分为在所述固定轴上靠近第一齿轮一侧的前齿轮，第二传动部分为在所述固定轴上靠近第四齿轮一侧的后齿轮。

进一步的，所述锁止件为锁止齿圈。

附图说明

图1是本发明的一种混合动力系统示意图；

图2是本发明中同步换挡机构示意图(即图1虚线部分放大图)；

图中包括：1、发动机；2、第一齿轮；3、第二齿轮；4、第三齿轮；5、太阳轮；6、行星齿轮；7、行星架；8、行星排齿圈；9、驱动轴；10、驱动电机；11、变速箱；12、换挡锁止机构；13、锁止齿圈；14、第四齿轮；15、发电机；16、后桥；17、固定轴；18、前齿轮；19、可滑动空心轴；20、后齿轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图2所示的本发明中的同步换挡机构，包括：17、固定轴；18、前齿轮；19、可滑动空心轴；20、后齿轮；13、锁止齿圈；以及2、第一齿轮；3、第二齿轮；4、第三齿轮；14、第四齿轮。所述固定轴17的两端固定于同步换挡锁止机构的结构部件或壳体上，固定轴17上套设有可滑动空心轴19，可滑动空心轴19两端分别设有前齿轮18和后齿轮20。可滑动空心轴19可以在固定轴17上沿轴向进行两自由度的移动。同步换挡锁止机构前齿轮18和后齿轮20通过轴承设置于可滑动空心轴19上的固定位置处，即前齿轮18和后齿轮20不能相对于可滑动空心轴19进行沿轴向的移动，但可分别实现独立自由的绕轴转动。锁止齿圈13设置于同步换挡机构的外壳或固定的结构部件上。

第一齿轮、第二齿轮和第三齿轮同轴布置，前齿轮18可以同时与第一齿轮2及第二齿轮3啮合；后齿轮20可以同时与第三齿轮4及锁止齿圈13同时啮合，或者同时与第三齿轮4及第四齿轮14同时啮合。

锁止齿圈13的作用是，当与后齿轮20啮合时，通过后齿轮20锁定第三齿轮4，使之无法转动，作为其他实施例，锁止齿圈也可以是一段锁止齿条或其他与后齿轮20锁定匹配的锁止件。

作为其他实施例，前齿轮和后齿轮也可以为齿轮组，齿轮组包括两个齿轮，两个齿轮同轴设置半径相同且不能分别独立转动。

作为其他实施例，前齿轮和后齿轮可以不通过可滑动空心轴设置于固定轴上，前齿轮和后齿轮只需要固定间距且可滑动的设置于固定轴上即可。

可滑动空心轴19不能相对于固定轴17绕轴线转动，可以通过可滑动空心轴19和固定轴17上相互匹配设置的花键和键槽来实现。通过空心轴上的花键和固定轴上与花键导向匹配的键槽，仅允许空心轴在固定轴的轴向上移动，防止空心轴在固定轴上空转造成磨损以及进一步造成的能量浪费。

如图1所示的一种混合动力系统，包括：1、发动机；2、第一齿轮；3、第二齿轮；4、第三齿轮；5、太阳轮；6、行星齿轮；7、行星架；8、行星排齿圈；9、驱动轴；10、驱动电机；11、变速箱；12、换挡锁止机构；13、锁止齿圈；14、第四齿轮；15、发电机；16、后桥。发动机1输出端的第一齿轮2设置于发动机传动轴上，第一齿轮2可以通过换挡锁止机构的前齿轮18与第二齿轮3相连接，第二齿轮3设置于与行星架相连接的行星架传动轴上；第三齿轮4通过传动轴与行星排的太阳轮5相连，第三齿轮4与第四齿轮14可以通过换挡锁止机构后齿轮20相连接，第三齿轮4也可以通过换挡锁止机构后齿轮20锁定于锁止齿圈13，第四齿轮14设置于与发电机15主轴相连接的传动轴上；驱动轴9一端与行星排齿圈8相连接，另一端与后桥16相连接，后桥16为车辆的驱动桥；行星齿轮6同时与行星排齿圈8的内齿及太阳轮相啮合；行星架7设置于行星齿轮6上。驱动电机10通过变速箱11驱动连接行星排齿圈8的外齿。变速箱的形式及对应工作原理为本领域成熟的技术，本实施例及对应附图不再进行相关描述和表示。另外，变速箱11的作用是切断驱动电机10的动力传递以及为驱动电机10提供多个驱动速比，作为其他实施例，可以由离合器代替变速箱11连接驱动电机10和行星排齿圈8，仅实现分断动力；也可取消变速箱11，由驱动电机10直接通过行星排齿圈8和驱动轴9驱动车辆。

本发明的同步换挡锁止机构的工作原理为，如图1及图2所示，换挡锁止机构12的可滑动空心轴19的位置可沿固定轴17轴向即图中左右调节；前齿轮18和后齿轮20通过轴承与可滑动空心轴19连接，与可滑动空心轴19相对位置固定，但可随可滑动空心轴19一起左右移动并各自独立转动。当换挡锁止机构12的可滑动空心轴19及前齿轮18和后齿轮20在位置①时，前齿轮18同时与第一齿轮2和第二齿轮3啮合，实现第一齿轮2和第二齿轮3即发动机1和行星架7的齿轮传动连接；同时后齿轮20同时与第三齿轮4及锁止齿圈13啮合，第三齿轮4锁定于锁止齿圈13上，即锁定了行星排的太阳轮5，同时发电机15断开动力连接。换挡锁止机构12的可滑动空心轴19及前齿轮18和后齿轮20在位置②时，前齿轮18仍然同时与第一齿轮2和第二齿轮3啮合，实现第一齿轮2和第二齿轮3即发动机1和行星架7的齿轮传动连接；此时后齿轮20同时与第三齿轮4和第四齿轮14啮合，实现第三齿轮4和第四齿轮14即太阳轮5和发电机15的齿轮传动连接。换挡锁止机构12的可滑动空心轴19及前齿轮18和后齿轮20在位置③时，前齿轮18不再与第一齿轮2和第二齿轮3同时啮合，第一齿轮2和第二齿轮3即发动机1和行星架7断开连接；后齿轮20也不再与第三齿轮4、锁止齿圈13及第四齿轮14啮合，使太阳轮5能够自由转动，同时发电机15断开连接。

第一齿轮2、第二齿轮3、第三齿轮4、锁止齿圈13及第四齿轮14以及同步换挡锁止机构12中的可滑动空心轴19、前齿轮18和后齿轮20的位置，尺寸等参数应当满足并实现上述位置①、②、③处的工作原理。可滑动空心轴19的中间部位与拨叉连接，拨叉在换挡电机的驱动下实现可滑动空心轴19及前齿轮18、后齿轮20沿固定轴17的轴向移动，并能够停止固定工作在位置①、②、③处。

具体工作模式包括：

纯电工作模式：纯电动工作模式下，动力由驱动电机10提供，当同步换挡锁止机构12的工作部件(包括可滑动空心轴19及其上安装的前齿轮18、后齿轮20，下同)处于位置③时，发动机1和发电机15均与行星排断开连接，驱动电机10通过行星排齿圈8直接驱动驱动轴9及后桥16等下游动力装置，行星排太阳轮、行星轮及齿圈各自随转，实现电机纯电驱动。

混合动力模式：混合动力模式下，动力由发动机1和驱动电机10共同提供，发电机由发动机1提供动力进行发电，此时换挡锁止机构12的工作部件处于②位置，发动机1与行星排行星架7连接，发电机15与行星排太阳轮5连接，实现发动机1和驱动电机10通过行星排输出动力，从而实现混合动力驱动。同时，发电机15通过行星排太阳轮5获得动力输入，可以实现发电或动能回收等功能。

发动机直驱模式：发动机1直驱工作模式下，驱动力由发动机1提供，此时换挡锁止机构12处于①位置，发动机1与行星排行星架7连接，行星排太阳轮5锁止，发电机15的连接断开。如果可能的话，此时驱动电机10输出端连接的变速箱11可置于空挡，防止反拖驱动电机10，从而实现发动机1的直驱。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

(1)利用同步器换挡锁止机构的结构形式，解决了现有技术中纯电动模式下发动机随转造成能量损失的问题。

(2)利用同步器换挡锁止机构的结构形式，避免了现有技术中因使用湿式离合器会造成拖拽和摩擦能量损失的问题。

(3)利用同步器换挡锁止机构的结构形式，实现了发动机和发电机动力连接和中断的协调控制，简化了锁止机构。

本发明的一种车辆，车辆采用了本发明的混合动力系统，本发明的混合动力系统已在上面做出了详细的介绍，在此不再赘述。

Claims (12)

1.一种混合动力系统，其特征在于，包括发动机、行星排、驱动电机、发电机和同步换挡锁止机构，所述发动机连接有接收其动力的第一齿轮，行星排的行星架同轴连接有第二齿轮，太阳轮安装有第三齿轮，行星排齿圈通过变速箱与驱动电机传动连接，发电机配置有第四齿轮，第四齿轮位于第三齿轮的径向一侧，第一、第二、第三齿轮同轴布置，同步换挡锁止机构被配置在第一、第二、第三、第四齿轮之间，包括壳体、与第一齿轮的轴平行的固定轴、安装在固定轴上的可绕固定轴转动以及移动的第一传动部分、第二传动部分以及为第二传动部分配置的锁止件，锁止件上设有锁齿；所述第一传动部分以及第二传动部分为沿固定轴联动的齿轮或齿轮组，且在固定轴上有第一、第二及第三位置，当处于第一位置时，第一齿轮与第二齿轮通过第一传动部分传动接合、第二传动部分分别与第三齿轮和锁止件啮合；处于第二位置时，第一齿轮通过第一传动部分与第二齿轮传动接合、第二传动部分同时与第三、第四齿轮啮合；处于第三位置时，第一、第二齿轮中的至少一个与第一传动部分轴向错开，第二传动部分与第三、第四齿轮中的至少一个轴向错开。

2.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，所述第一传动部分和第二传动部分均转动装配在一个空心轴上，通过所述空心轴装配在所述固定轴上。

3.根据权利要求1或2所述的混合动力系统，其特征在于，所述第一传动部分为在所述固定轴上靠近第一齿轮一侧的前齿轮，第二传动部分为在所述固定轴上靠近第四齿轮一侧的后齿轮。

4.根据权利要求1或2所述的混合动力系统，其特征在于，所述锁止件为锁止齿圈。

5.一种同步换挡机构，其特征在于，包括同轴布置的第一、第二、第三齿轮，以及布置于第三齿轮径向一侧的第四齿轮，还包括配置于第一、第二、第三、第四齿轮之间的同步换挡锁止机构，同步换挡锁止机构包括壳体、与第一齿轮的轴平行的固定轴、安装在固定轴上的可绕固定轴转动以及移动的第一传动部分、第二传动部分以及为第二传动部分配置的锁止件，锁止件上设有锁齿；所述第一传动部分以及第二传动部分为沿固定轴联动的齿轮或齿轮组，且在固定轴上有第一、第二及第三位置，当处于第一位置时，第一齿轮与第二齿轮通过第一传动部分传动接合、第二传动部分分别与第三齿轮和锁止件啮合；处于第二位置时，第一齿轮通过第一传动部分与第二齿轮传动接合、第二传动部分同时与第三、第四齿轮啮合；处于第三位置时，第一、第二齿轮中的至少一个与第一传动部分轴向错开，第二传动部分与第三、第四齿轮中的至少一个轴向错开。

6.根据权利要求5所述的同步换挡机构，其特征在于，所述第一传动部分和第二传动部分均转动装配在一个空心轴上，通过所述空心轴装配在所述固定轴上。

7.根据权利要求5或6所述的同步换挡机构，其特征在于，所述第一传动部分为在所述固定轴上靠近第一齿轮一侧的前齿轮，第二传动部分为在所述固定轴上靠近第四齿轮一侧的后齿轮。

8.根据权利要求5或6所述的同步换挡机构，其特征在于，所述锁止件为锁止齿圈。

9.一种车辆，其特征在于，包括发动机、行星排、驱动电机、发电机和同步换挡锁止机构，所述发动机连接有接收其动力的第一齿轮，行星排的行星架同轴连接有第二齿轮，太阳轮安装有第三齿轮，行星排齿圈通过变速箱与驱动电机传动连接，发电机配置有第四齿轮，第四齿轮位于第三齿轮的径向一侧，第一、第二、第三齿轮同轴布置，同步换挡锁止机构被配置在第一、第二、第三、第四齿轮之间，包括壳体、与第一齿轮的轴平行的固定轴、安装在固定轴上的可绕固定轴转动以及移动的第一传动部分、第二传动部分以及为第二传动部分配置的锁止件，锁止件上设有锁齿；所述第一传动部分以及第二传动部分为沿固定轴联动的齿轮或齿轮组，且在固定轴上有第一、第二及第三位置，当处于第一位置时，第一齿轮与第二齿轮通过第一传动部分传动接合、第二传动部分分别与第三齿轮和锁止件啮合；处于第二位置时，第一齿轮通过第一传动部分与第二齿轮传动接合、第二传动部分同时与第三、第四齿轮啮合；处于第三位置时，第一、第二齿轮中的至少一个与第一传动部分轴向错开，第二传动部分与第三、第四齿轮中的至少一个轴向错开。

10.根据权利要求9所述的车辆，其特征在于，所述第一传动部分和第二传动部分均转动装配在一个空心轴上，通过所述空心轴装配在所述固定轴上。

11.根据权利要求9或10所述的车辆，其特征在于，所述第一传动部分为在所述固定轴上靠近第一齿轮一侧的前齿轮，第二传动部分为在所述固定轴上靠近第四齿轮一侧的后齿轮。

12.根据权利要求9或10所述的车辆，其特征在于，所述锁止件为锁止齿圈。