具有雙重機械路徑和固定減速比的單模式、複合－分流式變速器的製作方法
2023-09-23 02:58:25 1
專利名稱：具有雙重機械路徑和固定減速比的單模式、複合－分流式變速器的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有雙重機械路徑的複合-分流式變速器，其中一條路徑提供減速比。
背景技術：
目前內燃機，特別是往復運動活塞式內燃機驅動大部分車輛。這種發動機相對高效、緊湊、輕量，且是低廉的機構，通過這種發動機將燃料形式的高濃縮能量轉換為可用的機械功率。典型地，內燃機被小型電動機和相對小的電存儲電池從冷狀態起動，接著迅速放置到來自驅動和附件裝置的負載下。這種發動機還能在寬範圍的速度和寬範圍的負載下工作，通常平均在其最大功率輸出的大約五分之一下工作。
車輛變速器通常將來自發動機的機械功率輸送到傳動系的其它部件，例如固定的最終傳動齒輪裝置、軸或車輪。典型的機械變速器通常通過可選地選擇5或6個不同傳動比、空檔選擇和離合器或變矩器來允許發動機工作中的一些自由度，空檔選擇允許發動機在車輛靜止的情況下操作附件，離合器或變矩器用於實現傳動比之間的平滑過度以及在發動機轉動的情況下從靜止起動車輛。變速器齒輪選擇通常允許來自發動機的功率在扭矩增加速度降低的比值下例如已知的低速傳動、在直接傳動比下、在扭矩降低速度增加的比值下例如已知的超速傳動、或者在倒檔比下輸送到傳動系的其它部件。
發電機能將來自發動機的機械功率轉化為電功率，電動機能將電功率轉化為傳動系其它部件在不同扭矩和速度下的機械功率。這種布置允許在電機的限制下發動機和傳動系其它部件之間扭矩比和速度比的連續變化，用作驅動動力源的電存儲電池加入到這種布置，形成串聯混合電動傳動系。
串聯混合動力系統允許發動機在不考慮扭矩、速度和驅動車輛所需的功率的情況下工作，因此控制發動機以改進排放和效率。這種系統允許連接發動機的電機用作電動機來起動發動機。這種系統還允許連接傳動系其它部件的電機用作發電機，通過再生制動將車輛減速產生的能量回收到電池中。串聯電驅動存在以下問題足夠將所有的發動機功率從機械形式轉化為發電機中的電形式以及從電形式轉化為驅動電動機中的機械形式的電機的重量和成本，以及這些轉化中可用能量的損失。
使用功率分流變速器實現輸入和輸出之間連續可變的扭矩比和速度比，功率分流變速器通常理解為差速齒輪組。電動可變變速器使用差速齒輪組，以便通過一對電動機/發電機發送差速齒輪組傳輸功率的一部分。其餘的功率流經另一個固定比值或者可選的選擇比值的並列路徑，該路徑是純機械和直達的。
正如熟悉本技術領域的人員公知的，差速齒輪組的一種形式包括行星齒輪組。行星齒輪裝置通常是差速齒輪傳動發明中使用的優選實施例，具有如下優勢結構緊湊，以及在行星齒輪組的所有構件之間可提供不同的扭矩比和速度比。但是，其它類型的差速齒輪組例如錐齒輪或者其它齒輪可布置為齒輪組至少一個元件的轉速總是其它兩個元件的速度的加權平均。
混合電動車輛變速器系統還包括一個或多個電能存儲裝置。典型的裝置是化學電存儲電池，除了電容和機械裝置之外，還可包括例如電驅動飛輪。電能存儲允許從變速器系統到車輛的機械輸出功率不同於從發動機到變速器系統的機械輸入功率。電池或其它裝置還允許利用變速器系統起動發動機，以及允許車輛再生制動。
車輛中的混合動力變速器可簡單地將來自發動機輸入的機械功率傳輸到最終傳動輸出。因此，由一個電動機/發電機產生的電功率平衡電損耗和由另一個電動機/發電機消耗的電功率。通過使用上述電存儲電池，由一個電動機/發電機產生的電功率可大於或者小於由另一個電動機/發電機消耗的電功率。來自電池的電功率有時允許兩個電動機/發電機都用作電動機，特別是在車輛加速時輔助發動機。兩個電動機有時都用作發電機，為電池充電，特別是在車輛再生制動時。
串聯混合動力變速器的成功替代品是兩範圍、輸入-分流和複合-分流式電動可變變速器，現在製造用於運輸巴士，美國專利5,931,757已經公開了這種電動可變變速器，該專利的
公開日為1999年8月3日，發明人為Michael Roland Schmidt，其專利權人與本申請相同，因而其全文併入此處作為參考。這種變速器使用接收來自車輛發動機功率的輸入裝置和輸送功率以驅動車輛的功率輸出裝置。第一和第二電動機/發電機連接能量存儲裝置，例如電池，以致能量存儲裝置能接收來自第一和第二電動機/發電機的能量以及將能量提供給第一和第二電動機/發電機。控制單元調節能量存儲裝置和電動機/發電機之間以及第一和第二電動機/發電機之間的功率流。「輸入-分流」指的是發動機功率輸送到變速器的輸入構件，接著通過差速齒輪組通常分流到電功率路徑(包括起作用的電動機/發電機的路徑)和機械功率路徑(不包括起作用的電動機/發電機的路徑)複合-分流指的是，除了實現輸入-分流的差速齒輪組之外，功率通過另一個差速齒輪組流到輸出構件，以致沿著分離的電路徑和機械路徑通過變速器的功率流流經該輸出差速齒輪組，在輸出構件處合併。
通過使用本質上是第一和第二扭矩傳遞裝置的離合器，有選擇地實現在第一或第二可變速比工作模式下工作。在第一模式中，通過應用第一離合器形成輸入-分流速度比範圍，變速器的輸出速度與一個電動機/發電機的速度成比例。在第二模式中，通過應用第二離合器形成複合-分流速度比範圍，變速器的輸出速度不與任一個電動機/發電機的速度成比例，但是是兩個電動機/發電機速度的代數線性組合。通過應用兩個離合器，有選擇地實現在固定變速器速度比下工作。通過釋放兩個離合器、斷開發動機和兩個電動機/發電機與變速器輸出的連接，有選擇地實現空檔模式下的變速器操作。變速器在第一工作模式下併入至少一個機械點，在第二工作模式下併入至少兩個機械點。
美國專利6,527,658
公開日為2003年3月4日，發明人為Holmes等，專利權人與本申請的專利權人相同，因而其全文併入此處作為參考，該專利公開了一種電動可變變速器，該電動可變變速器使用兩個行星齒輪組、兩個電動機/發電機和兩個離合器，以提供輸入-分流、複合-分流、空檔和倒檔工作模式。兩個行星齒輪組可以是簡單的，或者一個行星齒輪組是單獨複合的。控制單元調節能量存儲裝置和兩個電動機/發電機之間的功率流。這種變速器提供電動可變變速器(EVT)工作的兩個範圍或兩個模式，有選擇地提供輸入-分流速度比範圍和複合-分流速度比範圍。還可有選擇地實現一個固定速度比。
混合動力系統以多種方式改善車輛燃料經濟性。例如，發動機可以在怠速時、在減速和制動期間、以及在低速或者輕負荷工作期間關閉，以便消除因發動機阻力導致的效率損失。在發動機工作期間收集的制動能量(通過再生制動)或者由用作發電機的電動機之一存儲的能量在發動機關閉的這些期間可以使用。在接通發動機和電動可變模式的操作中電動機/發電機補充對發動機扭矩或功率的瞬時需求，這允許在不明顯降低車輛性能的情況下減小發動機尺寸。另外，對於給定的功率需求發動機可以在最佳經濟點或者最佳經濟點附近工作。電動機/發電機能收集制動過程中車輛的動能，該動能用於保持發動機關閉更長時間，補充發動機扭矩或功率和/或在較低發動機下工作，或者補充附件功率供給。另外，電動機/發電機在產生附件功率方面非常高效，來自電池的電功率用於可用扭矩儲備，允許在相對低的變速器速度比數值下工作。
單模式、輸入-分流系統在加速過程中要求大部分發動機功率流經電路徑，因而增加電動機功率需求，潛在地要求存儲電池和電動機/發電機之間的DC-DC變換器，以便提供足夠的電壓。另外，輸入-分流設計中的輸出電動機必須還具有高的額定扭矩；通常，為發動機扭矩的一倍或兩倍，這取決於可用齒輪比。
雙模式、複合-分流式系統通常實現寬比值範圍，但是要求離合器和模式變換，同時具有相關的旋轉損失和附件功率需求。
發明內容
提供一種單模式、複合-分流式變速器，其具有兩個機械功率路徑。一個機械功率路徑主要在低速度比下起作用，同時另一個路徑主要在高速度比下起作用。在用於高速度比的路徑中可利用減速比，降低電路徑功率需求。另外，減速比允許兩個電動機/發電機都具有相對低的扭矩設計。
具體地，本發明範圍內的電動機械變速器具有輸入構件、輸出構件、第一和第二電動機/發電機、第一和第二差速齒輪組和減速齒輪。差速齒輪組可以是行星齒輪組，每個差速齒輪組具有第一、第二和第三構件，由杆式圖中第一和第二桿的第一、第二和第三節點表示。減速齒輪可操作地(機械地)連接輸出構件，構造為提供速度比的降低。第一桿的第一節點可操作地連接輸入構件，且持續連接第二桿的第一節點，以便與第二桿的第一節點一起旋轉。第一桿的第二節點可操作地連接輸出構件，與第二桿或減速齒輪無關，即不通過第二桿或減速齒輪連接(即，減速齒輪提供的減速比對輸出構件的速度沒有影響)。第一桿的第三節點持續連接第一電動機/發電機，第二桿的第三節點持續連接第二電動機/發電機。因而提供的複合-分流式電動可變變速器具有兩個機械功率路徑第一路徑由第一桿的第一和第二節點建立，與第二桿或減速齒輪無關，以及第二路徑由第一桿的第一節點、第二桿的第一和第二節點以及減速齒輪建立。減速齒輪提供減速比，該減速比僅對第二路徑產生影響。
減速齒輪可設置為第三差速齒輪組的第一構件或第一節點，第三差速齒輪組還具有第二和第三構件，以形成具有3個節點的第三桿。在這種情況下，輸出構件和第三桿的第二節點持續連接第三桿的第二節點，第三桿的第三節點連接到固定構件。
可選地，減速齒輪預傳遞軸一起旋轉，傳遞軸與輸入構件和第一和第二電動機發電機的旋轉軸線軸向間隔。在該實施例中，第二傳遞齒輪也連接傳遞軸，以便與傳遞軸一起旋轉，第二傳遞齒輪與第二差速齒輪組的第二構件互相嚙合。
第二電動機/發動機用於提供電起動模式(當用作電動機時)和再生制動模式(當用作發電機時)。第二電動機/發動機當用作電動機時還驅動倒檔模式。
在本發明的一個方面，提供了制動器，制動器有選擇地接合，以使輸入構件連接到固定構件。在這種實施例中，制動器提供反作用扭矩，因而第一電動機/發電機可用於用作電動機以輔助電起動模式或倒檔模式下的第二電動機/發電機，或者用作發電機以輔助再生制動模式下的二電動機/發電機。
結合附圖，根據下面對實施本發明的最佳方式的詳細描述，本發明的上述特徵和優勢以及其它特徵和優勢將變得顯而易見。
圖1是以杆式圖形式描述的、在本發明範圍內的電動機械變速器的示意圖； 圖2是採用棒狀圖形式的圖1變速器第一實施例的示意圖； 圖3是採用棒狀圖形式的圖1變速器第二實施例的示意圖； 圖4是採用棒狀圖形式的圖1變速器第三實施例的示意圖； 圖5是顯示在節氣門大開的加速過程中本發明範圍內的變速器各個部件的速度相對於車速的圖表； 圖6是顯示在定速巡航的過程中圖5中的部件速度相對於車速的圖表；和 圖7是描述本發明範圍內的變速器的電功率需求相對於其它類型電動機械變速器的電功率需求的圖表。
具體實施例方式參考附圖，其中相同的附圖標記表示相同的部件，圖1顯示通常用數字10表示的電動可變變速器(EVT)的一個實施例，發動機11連接該變速器。變速器10設計為接收來自發動機11的至少一部分驅動功率。發動機11具有用作變速器10的輸入構件12的輸出軸。變速器10的輸出構件14連接最終傳動單元(未顯示)，以將驅動功率輸送到車輛車輪。變速器10在圖1中由杆式圖16表示，熟悉本技術領域的人員很容易理解該圖。表示第一差速齒輪組的第一桿20包括第一節點A、第二節點B和第三節點C。第一差速齒輪組優選為行星齒輪組。節點A、B和C表示第一行星齒輪組的第一、第二和第三構件，優選為架構件、環形齒輪構件和太陽齒輪構件，但是沒有必要按照以上順序。
變速器10還包括表示第二差速齒輪組的第二桿30，其包括第一節點D、第二節點E和第三節點F。第二差速齒輪組優選為行星齒輪組。節點D、E和F表示第二行星齒輪組的第一、第二和第三構件，第一、第二和第三構件為環形齒輪構件、架構件和太陽齒輪構件，但是沒有必要按照以上順序。
變速器10還包括第三桿40，其包括第一節點G、第二節點H和第三節點I。熟悉本技術領域的人會認識到第三桿40可以表示差速齒輪組，例如行星齒輪組，或者表示平行旋轉軸上的嚙合齒輪，下文將參考圖4討論。節點G表示杆40的構件，其用作減速齒輪，當功率流入節點G且在節點H流出到輸出構件14時提供速度比的減小。速度比的減小取決於杆40表示的齒輪構件的選擇齒數。
輸入構件12還持續連接節點A。互連構件50持續連接節點B和節點H。互連構件52持續連接節點A和節點D。互連構件54持續連接節點E和節點G。輸出構件14持續連接節點H。額外的最終傳動齒輪(未顯示)連接在節點H和輸出構件14之間。
第一電動機發電機60(指定為MG1)持續連接節點C。第二電動機/發電機62(指定為MG2)持續連接節點F。電動機/發電機60、62分別連接節點C和F確定了作為EVT的變速器，即，混合動力變速器，該混合動力變速器具有連接差速齒輪組構件的電動機/發電機，以通過齒輪組建立連續可變比值。圖1未顯示的電池和控制器以與圖2-4所述相同的方式連接電動機/發電機60、62，該電池和控制器用於分別通過節點C和F有選擇地提供或接收功率。
可選扭矩傳輸機構，制動器70有選擇地將輸入構件連接到固定構件，例如變速器殼體72。因為制動器70可選，所以在圖1中以虛線顯示。節點I持續連接變速器殼體72。
第一機械功率路徑包括節點A、節點B、互連構件50和節點H。第二機械功率路徑包括節點A、節點D、節點E、節點G和節點H。
工作描述起動，前進檔模式 系統能在發動機11關閉或運行的情況下起動車輛。如果發動機11關閉，MG2 62用於通過由杆30表示的第二行星齒輪組提供的減速齒輪比和由杆40憑藉減速齒輪(節點G所示)提供的減速比起動車輛。發動機11維持零速度，MG1 60沿著相反的方向旋轉，提供反作用扭矩，以保持發動機11的零速度。如果存在制動器70，則不必由MG1 60提供反作用扭矩，MG1 60可用作電動機以幫助MG2 62提供驅動扭矩。為了起動發動機11，當電動機MG2 62提供反作用扭矩和驅動車輛的扭矩時，MG1 60減速到零速度。在該過程中，MG2 62減速，向路面提供它的慣性能。這使發動機11加速到能供給燃料的速度。一旦發動機11運行，發動機功率通過杆20表示的第一行星齒輪組和MG1 60分流，MG1 60產生功率，同時MG2 62為電動機。
驅動，前進檔模式 功率通過機械路徑和電力路徑傳輸到輸出構件14。系統在複合-分流模式下工作。只要電動機MG1 60和MG2 62具有正速度，功率流就沿著前進方向(非循環)。當電動機MG1 60速度為負值時，MG2 62用作發電機，向電動機MG1 60提供功率。對於低比值操作，MG2 62以相對高的速度旋轉。這提供了以下優勢旋轉的MG2 62中存儲的慣性能用於在補充能量(tip-in)情況下(即，當希望加速時)輔助電池功率。在這種設計下可獲得極好的瞬態響應和快速「降檔」。對於高比值操作，MG2 62的速度變成負值，功率流沿著相反(循環)方向。可選地，MG2 62保持在零速度附近，電池功率通過MG1 60提供。
通過平衡發動機11、電動機MG1 60、和電動機MG2 62的扭矩提供希望的減速度比，實現再生制動。當車速變得足夠低時，發動機11可關閉，通過作為發電機的MG2 62用作主制動的電動機/發電機以及MG1 60用作電動機提供反作用扭矩，實現進一步減速。如果存在制動器70，則簡化發動機從開到關的轉換控制，因為能以受控的滑動方式操作制動器，以便直接在發動機軸處施加扭矩，從而使發動機減速到希望的速度。同樣，MG1 60不再需要提供反作用扭矩，因而能幫助制動。
驅動，倒檔模式 系統能在發動機關閉或運行的情況下以倒檔模式工作。發動機11運行時的倒檔操作包括大的循環功率，同時MG1 60發電，還提供反作用扭矩，MG2 62用作電動機反方向地驅動車輛。這趨向於限制倒檔模式中輸送到道路的功率。當發動機11關閉時，使用電池功率，循環功率減少，但是仍然需要MG1 60提供反作用扭矩。制動器70的使用消除了在發動機11關閉時需要反方向的循環功率，允許MG1 60幫助驅動車輛。
這種設計相對其它EVT設計的關鍵優勢在於電功率流在寬範圍的比值內是向前(非循環)的。EVT中的電循環功率(或者功率循環)指的是機械路徑運送超過100％的輸出功率的情況。在正常向前的電功率流情況下，發動機功率被分流，一部分通過電傳輸，其餘的部分通過機械傳輸。當在較高速度比下工作時，MG2 62的速度變成負值，反轉電功率流的方向，因此機械路徑必須運送完整的輸出功率加上電功率。在這種情況下，認為電功率在系統內循環。因而，電路徑的扭矩和功率必須大於100％的輸出扭矩和功率，以便容納循環功率。
第一實施例 圖1中以杆式圖形式表示的變速器10能通過許多設計可選的實施例實現，這些實施例包括圖2和3中的棒狀圖表示的實施例，它們都是縱向設計。圖2顯示變速器100，其設計為接收來自發動機11的至少一部分驅動功率。發動機11具有用作變速器100的輸入構件12的輸出軸。變速器100的輸出構件14連接最終傳動單元(未顯示)，以將驅動功率輸送到車輛車輪。變速器100包括3個簡單的行星齒輪組。第一行星齒輪組120包括太陽齒輪構件122(指定為S1)、環形齒輪構件124(指定為R1)和架構件127，架構件127可旋轉地支撐若干行星齒輪129(指定為P1)，這些行星齒輪129與太陽齒輪構件122和環形齒輪構件124嚙合接合。
變速器100還包括第二行星齒輪組130，第二行星齒輪組130包括太陽齒輪構件132(指定為S2)、環形齒輪構件134(指定為R2)和架構件137，架構件137支撐若干行星齒輪139(指定為P2)，這些行星齒輪139與環形齒輪構件134和太陽齒輪構件132嚙合接合。
變速器100還包括第三行星齒輪組140，第三行星齒輪組140包括太陽齒輪構件142(指定為S3)、環形齒輪構件144(指定為R3)和架構件147，架構件147可旋轉地支撐若干行星齒輪149(指定為R3)，這些行星齒輪149與環形齒輪構件144和太陽齒輪構件142嚙合接合。
輸入構件12持續連接架構件127。互連構件150將環形齒輪構件124持續連接到架構件147和輸出構件14。互連構件152持續連接架構件127和環形齒輪構件134。互連構件154持續連接架構件137和環形齒輪構件144。輸出構件14持續連接架構件147。
第一電動機發電機160(指定為MG1)持續連接太陽齒輪構件122。第二電動機/發電機162(指定為MG2)持續連接太陽齒輪構件132。電池164在控制器166的控制下有選擇地向MG1 160和/或MG2 162提供功率或者接收來自MG1 160和/或MG2 162的功率。在不改變本發明概念的情況下，也可使用具有存儲電功率和分配電功率能力的其它電存儲裝置代替電池164。電池164的尺寸取決於再生需求、地域問題例如坡度和溫度、以及其它需求例如排放、動力輔助和電動範圍。
控制器166信號連通電池164，還信號連通MG1 160和MG2162。另外，控制器166與其它車輛電子部件(未顯示)通信，例如電動助力轉向和電動助力制動系統等。
控制器166響應於多種輸入信號調節電池164和電動機/發電機MG1 160、MG2 162之間的功率流量，輸入信號包括車速、駕駛員需求、電池164的充電水平和發動機11施加的功率。控制器166通過分別經由功率逆變器168和169施加適當的電壓和電流，操縱電動機/發電機160和162中的每一個用作電動機或者用作發電機。逆變器168、169調節電池164和電動機/發電機MG1 160、MG2 162之間的功率流量，以便在電池164使用的直流功率和電動機/發電機MG1 160、MG2 162使用和/或產生的交流功率之間轉換。熟悉本技術領域的人員很容易理解功率逆變器的作用。
可選扭矩傳輸機構，制動器170，有選擇地將輸入構件12連接到固定構件，例如變速器殼體172。因為制動器170可選，所以在圖2中以虛線顯示。太陽齒輪構件142持續連接變速器殼體172。
棒狀圖變速器100和圖1桿式圖之間的關係如下行星齒輪組120對應於杆20，行星齒輪組130對應於杆30，以及行星齒輪組140對應於杆40。具體地，架構件127是節點A，環形齒輪構件124是節點B，以及太陽齒輪構件122是節點C。環形齒輪構件134是節點D，架構件137是節點E，以及太陽齒輪構件132是節點F。環形齒輪構件144是節點G(減速齒輪通過齒輪組140提供固定減速比)，架構件147是節點H，以及太陽齒輪構件142是節點I。第一機械路徑包括架構件127、環形齒輪構件124、互連構件150和架構件147。第二機械路徑包括架構件127、互連構件152、環形齒輪構件134、架構件137、互連構件154、環形齒輪構件144和架構件147。第二機械路徑中實現的減速比(即，環形齒輪構件144處的速度輸入與架構件147處的速度輸出的比值)根據下面公式獲得RR2＝1+S/R其中RR2是第二機械路徑中的減速比，R是環形齒輪構件144的齒數，S是太陽齒輪構件142的齒數。
變速器100與上述變速器10一樣工作，以實現起動模式、前進檔驅動模式、倒檔驅動模式和再生制動。
第二實施例 體現圖1桿式圖16的圖3的棒狀圖類似於圖2的棒狀圖，除了改變減速齒輪連接以得到更高的減速比。圖3顯示變速器200，其設計為接收來自發動機11的至少一部分驅動功率。發動機11具有用作變速器200的輸入構件12的輸出軸。變速器200的輸出構件14連接最終傳動單元(未顯示)，以將驅動功率輸送到車輛車輪。變速器200包括3個簡單的行星齒輪組。第一行星齒輪組220包括太陽齒輪構件222(指定為S1)、環形齒輪構件224(指定為R1)和架構件227，架構件227可旋轉地支撐若干行星齒輪229(指定為P1)，這些行星齒輪229與太陽齒輪構件222和環形齒輪構件224嚙合接合。
變速器200還包括第二行星齒輪組230，第二行星齒輪組230包括太陽齒輪構件232(指定為S2)、環形齒輪構件234(指定為R2)和架構件237，架構件237支撐若干行星齒輪239(指定為P2)，這些行星齒輪239與環形齒輪構件234和太陽齒輪構件232嚙合接合。
變速器200還包括第三行星齒輪組240，第三行星齒輪組240包括太陽齒輪構件242(指定為S3)、環形齒輪構件244(指定為R3)和架構件247，架構件247可旋轉地支撐若干行星齒輪249(指定為R3)，這些行星齒輪249與環形齒輪構件244和太陽齒輪構件242嚙合接合。
輸入構件12持續連接架構件227。互連構件250將環形齒輪構件224持續連接到架構件247和輸出構件14。互連構件252持續連接架構件227和環形齒輪構件234。互連構件254持續連接架構件237和太陽齒輪構件242。輸出構件14持續連接架構件247。
第一電動機發電機260(指定為MG1)持續連接太陽齒輪構件222。第二電動機/發電機262(指定為MG2)持續連接太陽齒輪構件232。電池264在控制器266的控制下有選擇地向MG1 260和/或MG2 262提供功率或者接收來自MG1 260和/或MG2 262的功率。在不改變本發明概念的情況下，也可使用具有存儲電功率和分配電功率能力的其它電存儲裝置代替電池264。電池264的尺寸取決於再生需求、地域問題例如坡度和溫度、以及其它需求例如排放、動力輔助和電動範圍。
控制器266信號連通電池264，還信號連通MG1 260和MG2262。另外，控制器266與其它車輛電子部件(未顯示)通信，例如電動助力轉向和電動助力制動系統等。
控制器266響應於多種輸入信號調節電池264和電動機/發電機MG1 260、MG2 262之間的功率流量，輸入信號包括車速、駕駛員需求、電池264的充電水平和發動機11施加的功率。控制器266通過分別經由功率逆變器268和269施加適當的電壓和電流，操縱電動機/發電機260和262中的每一個用作電動機或者用作發電機。逆變器268、269調節電池264和電動機/發電機MG1 260、MG2 262之間的功率流量，以便在電池264使用的直流功率和電動機/發電機MG1 260、MG2 262使用和/或產生的交流功率之間轉換。熟悉本技術領域的人員很容易理解功率逆變器的作用。
可選扭矩傳輸機構，制動器270，有選擇地將輸入構件12連接到固定構件，例如變速器殼體272。因為制動器270可選，所以在圖3中以虛線顯示。環形齒輪構件244持續連接變速器殼體272。
棒狀圖變速器200和圖1桿式圖之間的關係如下行星齒輪組220對應於杆20，行星齒輪組230對應於杆30，以及行星齒輪組240對應於杆40。具體地，架構件227是節點A，環形齒輪構件224是節點B，以及太陽齒輪構件222是節點C。環形齒輪構件234是節點D，架構件237是節點E，以及太陽齒輪構件232是節點F。太陽齒輪構件242是節點G(減速齒輪通過齒輪組240提供固定減速比)，架構件247是節點H，以及環形齒輪構件242是節點I。第一機械路徑包括架構件227、環形齒輪構件224、互連構件250和架構件247。第二機械路徑包括架構件227、互連構件252、環形齒輪構件234、架構件237、互連構件254、太陽齒輪構件244、行星齒輪249和架構件247。第二機械路徑中實現的減速比(即，太陽齒輪構件242處的速度輸入與架構件247處的速度輸出的比值)根據下面公式獲得RR2＝1+R/S其中RR2是第二機械路徑中的減速比，R是環形齒輪構件244的齒數，S是太陽齒輪構件242的齒數。
因為環形齒輪構件齒數與太陽齒輪構件齒數的比值(R/S)大於太陽齒輪構件齒數與環形齒輪構件齒數的比值(S/R)，所以圖3變速器200的第二機械路徑實現的減速比總是大於圖2變速器100的第二機械路徑實現的減速比。變速器200與上述變速器10一樣工作，以實現起動模式、前進檔驅動模式、倒檔驅動模式和再生制動。
第三實施例 圖4是本發明範圍內電動機械變速器300的另一個實施例。變速器300具有橫向設計，使用帶有傳遞齒輪的傳遞軸，傳遞齒輪包括減速齒輪，以提供第二機械功率路徑中的減速比。因而，圖1的第三桿40被下述傳遞軸和傳遞齒輪代替。
變速器300設計為接收來自發動機11的至少一部分驅動功率。發動機11具有用作變速器300的輸入構件12的輸出軸。變速器300的輸出構件14連接最終傳動單元(未顯示)，以將驅動功率輸送到車輛車輪。變速器300包括2個簡單的行星齒輪組。第一行星齒輪組320包括太陽齒輪構件322(指定為S1)、環形齒輪構件324(指定為R1)和架構件327，架構件327可旋轉地支撐若干行星齒輪329(指定為P1)，這些行星齒輪329與太陽齒輪構件322和環形齒輪構件324嚙合接合。
變速器300還包括第二行星齒輪組330，第二行星齒輪組330包括太陽齒輪構件332(指定為S2)、環形齒輪構件334(指定為R2)和架構件337，架構件337支撐若干行星齒輪339(指定為P2)，這些行星齒輪339與環形齒輪構件334和太陽齒輪構件332嚙合接合。
變速器300還包括具有減速傳遞齒輪382的傳遞軸380，傳遞齒輪382連接傳遞軸380，以便與傳遞軸380一起旋轉。減速傳遞齒輪382與架構件337互相嚙合，以便與架構件337一起旋轉。架構件337在其外圓周上形成有齒，這些齒與帶齒的減速傳遞齒輪382互相嚙合。可選地，與架構件337同軸的、帶有外齒的額外齒輪安裝在架構件337的端部，以致額外齒輪與減速傳遞齒輪382互相嚙合。第二傳遞齒輪384也連接傳遞軸380，以便與傳遞軸380一起旋轉。第二傳遞齒輪384與環形齒輪構件324互相嚙合，環形齒輪構件324在其外圓周上形成有齒。可選地，與環形齒輪構件324同軸的額外齒輪可安裝在環形齒輪構件324附近，在這種情況下額外齒輪與第二傳遞齒輪384互相嚙合。最終傳動齒輪組386包括齒輪388，齒輪388連接傳遞軸380，以便與傳遞軸380一起旋轉。最終傳動齒輪組386還包括齒輪389，齒輪389與齒輪388互相嚙合，連接輸出構件14，以便與輸出構件14一起旋轉。
輸入構件12持續連接架構件327。互連構件352持續連接架構件327和環形齒輪構件334。輸出構件14通過傳遞齒輪384、傳遞軸380和最終傳動齒輪組386可操作地連接環形齒輪構件324。
第一電動機發電機360(指定為MG1)持續連接太陽齒輪構件322。第二電動機/發電機362(指定為MG2)持續連接太陽齒輪構件332。電池364在控制器366的控制下有選擇地向MG1 360和/或MG2 362提供功率或者接收來自MG1 360和/或MG2 362的功率。在不改變本發明概念的情況下，也可使用具有存儲電功率和分配電功率能力的其它電存儲裝置代替電池364。電池364的尺寸取決於再生需求、地域問題例如坡度和溫度、以及其它需求例如排放、動力輔助和電動範圍。
控制器366信號連通電池364，與MG1 360和MG2 362通信。另外，控制器366與其它車輛電子部件(未顯示)通信，例如電動助力轉向和電動助力制動系統等。
控制器366響應於多種輸入信號調節電池364和電動機/發電機MG1 360、MG2 362之間的功率流量，輸入信號包括車速、駕駛員需求、電池364的充電水平和發動機11施加的功率。控制器366通過分別經由功率逆變器368和369施加適當的電壓和電流，操縱電動機/發電機360和362中的每一個用作電動機或者用作發電機。逆變器368、369調節電池364和電動機/發電機MG1 360、MG2 362之間的功率流量，以便在電池364使用的直流功率和電動機/發電機MG1 360、MG2 362使用和/或產生的交流功率之間轉換。熟悉本技術領域的人員很容易理解功率逆變器的作用。
棒狀圖變速器300和圖1桿式圖之間的關係如下行星齒輪組320對應於杆20，行星齒輪組330對應於杆30，以及傳遞齒輪382、384對應於杆40，如下所述。具體地，架構件327是節點A，環形齒輪構件324是節點B，以及太陽齒輪構件322是節點C。環形齒輪構件334是節點D，架構件337是節點E，以及太陽齒輪構件332是節點F。熟悉本技術領域的人員會認識到帶有外齒的架構件337與減速傳遞齒輪382的互相嚙合由杆40表示，同時減速傳遞齒輪382表示節點G。杆40的減速比由互相嚙合的架構件337和減速傳遞齒輪382替代實現。傳遞齒輪384是節點H。互相嚙合的齒輪(架構件337和減速傳遞齒輪382，或者環形齒輪構件324和傳遞齒輪384)安裝在平行旋轉軸上的事實由接地的節點I表示。在輸出構件14以與環形齒輪構件324相同的方向旋轉的情況下，傳遞齒輪嚙合對324與384以及388與389一起實現最終傳動減速。在輸出構件14以與架構件337相同的方向旋轉的情況下，第二傳遞齒輪嚙合對337與382以及388與389一起實現最終傳動減速。因為保持關係(齒輪382的齒數)/(架337的齒數)＞(齒輪332的齒數)/(環384的齒數)，所以從架337到輸出構件14的減速比會大於從環324到輸出構件14的減速比。熟悉本技術領域的人員會認識到((齒輪382的齒數)/(架337的齒數))/((齒輪384的齒數)/(環324的齒數))的比值等於杆40表示的減速齒輪的比值。熟悉本技術領域的人員還認識到(齒輪384的齒數)/(環324的齒數)*(齒輪389的齒數)/(齒輪388的齒數)等於最終傳動比。
第一機械路徑包括架構件327、環形齒輪構件324、傳遞齒輪384、傳遞軸380和最終傳動齒輪組386。第二機械路徑包括架構件327、互連構件352、環形齒輪構件334、架構件337、減速傳遞齒輪382、傳遞軸380和最終傳動齒輪組386。第二機械路徑中實現的減速比(即，架構件337處的速度輸入與傳遞軸380處的速度輸出的比值)取決於帶有外齒的架構件337的齒數和減速傳遞齒輪382的齒數。變速器300與上述變速器10一樣工作，以實現起動模式、前進檔驅動模式、倒檔驅動模式和再生制動。
對於圖4，示意性齒數比為R1/S1＝3；R2/S2＝3；傳遞齒輪384/R1＝1，傳遞齒輪382/架構件337＝2，最終傳動齒輪組386＝3。假定這些比值，圖5顯示在節氣門大開的加速過程中電動機和發動機速度，圖6顯示在定速巡航過程中電動機和發動機速度。圖7顯示與具有相同比值的雙模式變速器相比，具有這些齒輪比的變速器300的電路徑功率。
具體地，圖5的曲線顯示在節氣門大開的加速過程中相對於車速的輸入速度490(輸入構件12的速度)、輸出速度491(輸出構件14的速度)、MG1速度492(MG1 360的速度)和MG2速度493(MG2 362的速度)。
圖6的曲線顯示在定速巡航過程中相對於車速的輸入速度590(輸入構件12的速度)、輸出速度591(輸出構件14的速度)、MG1速度592(MG1 360的速度)和MG2速度593(MG2 362的速度)。
圖7的曲線顯示當在零電池功率下工作時，在一定範圍的變速器齒輪比內相對於發動機功率的電路徑功率(即，電動機/發電機MG1 360和MG2 362提供的功率佔發動機11提供的功率的百分數)。變速器齒輪比是輸入構件12的速度與輸出構件14的速度的比值。單模式、寬比值、複合-分流式變速器300的相對電路徑功率由曲線694表示。典型的雙模式、輸入-分流、複合-分流式電動可變變速器的相對電路徑功率由曲線695和696指示。曲線695表示第一模式(其中功率流為輸入-分流布置)，曲線696表示第二模式(其中功率流為複合-分流布置)。因而，假定線697的垂直邊界線指示希望的比值範圍(比值範圍為5.4)，典型的雙模式變速器要求電路徑功率必須為發動機功率的42％(參見點699)。單模式、寬比值、複合-分流式變速器300要求電路徑功率必須為發動機功率的33％(參見點698)。因此，圖7闡述變速器300(或者本發明範圍內的任何單模式、寬比值、複合-分流式變速器)允許降低電動機功率需求，以及相關地降低電動機尺寸和電池電壓需求。
儘管已經詳細描述了實施本發明的最佳方式，但是熟悉本發明所涉及技術領域的人員會認識到在後附權利要求書的範圍內用於實踐本發明的各種可選設計和實施例。
權利要求
1.一種電動機械變速器，包括輸入構件；輸出構件；第一和第二電動機/發電機；第一和第二差速齒輪組，每個差速齒輪組具有第一、第二和第三構件，第一和第二差速齒輪組分別由杆式圖中的第一桿和第二桿表示，每個所述杆具有對應於所述第一、第二和第三構件的第一、第二和第三節點；減速齒輪，其可操作地連接所述輸出構件，構造為提供速度比的降低；其中所述第一桿的所述第一節點可操作地連接所述輸入構件，且持續連接所述第二桿的所述第一節點，以便與所述第二桿的所述第一節點一起旋轉；其中所述第一桿的所述第二節點可操作地連接所述輸出構件，同時不通過所述第二桿或所述減速齒輪連接；其中所述第二桿的所述第二節點持續連接所述減速齒輪，以便與所述減速齒輪一起旋轉；和其中所述第一桿的所述第三節點持續連接所述第一電動機/發電機，所述第二桿的所述第三節點持續連接所述第二電動機/發電機，因而變速器的特徵在於單模式、複合-分流式電動可變變速器，在所述輸入構件和所述輸出構件之間具有兩個機械功率路徑，所述減速比僅在一個所述機械功率路徑中起作用。
2.如權利要求1所述的電動機械變速器，其特徵在於，所述第一機械路徑包括所述第一桿的所述第一和第二節點，不包括所述第二桿或所述減速構件；以及其中所述第二機械路徑包括所述第一桿的所述第一節點，所述第二桿的所述第一和第二節點、和所述減速齒輪。
3.如權利要求1所述的電動機械變速器，還包括制動器，其有選擇地使所述輸入構件連接到固定構件，從而為所述第一電動機/發電機提供反作用扭矩。
4.如權利要求1所述的電動機械變速器，其特徵在於，所述減速齒輪是第三差速齒輪組的第一構件，第三差速齒輪組還具有第二構件和第三構件，可由具有對應的第一、第二和第三節點的第三桿表示；其中所述輸出構件和所述第一桿的所述第二節點都持續連接所述第三桿的所述第二節點；以及其中所述第三桿的所述第三節點連接到固定構件。
5.如權利要求1所述的電動機械變速器，還包括傳遞軸；其中所述減速齒輪連接所述傳遞軸，以便與所述傳遞軸一起旋轉；和第二傳遞齒輪，其連接所述傳遞軸，以便與所述傳遞軸一起旋轉，第二傳遞齒輪與所述第二差速齒輪組的所述第二構件互相嚙合。
6.如權利要求1所述的電動機械變速器，其特徵在於，用作電動機的所述第二電動機/發電機通過所述第二差速齒輪組和所述減速齒輪提供電起動模式。
7.如權利要求6所述的電動機械變速器，還包括制動器，其有選擇地接合，以使所述輸入構件連接到固定構件，從而為所述第一電動機/發電機提供反作用扭矩；其中當所述制動器接合時，在所述電起動模式下，所述第一電動機/發電機用作電動機，以提供驅動扭矩來輔助所述第二電動機/發電機。
8.如權利要求1所述的電動機械變速器，其特徵在於，用作發電機的所述第二電動機/發電機通過所述第二差速齒輪組和所述減速齒輪降低所述輸出構件的速度來提供再生制動。
9.如權利要求8所述的電動機械變速器，還包括制動器，其有選擇地接合，以使所述輸入構件連接到固定構件，從而為所述第一電動機/發電機提供反作用扭矩；其中當所述制動器接合時，在再生制動情況下，所述第一電動機/發電機用作發電機，以輔助所述第二電動機/發電機。
10.如權利要求1所述的電動機械變速器，其特徵在於，所述第二電動機/發電機用作電動機，以提供倒檔模式。
11.如權利要求10所述的電動機械變速器，還包括制動器，其有選擇地接合，以使所述輸入構件連接到固定構件，從而為所述第一電動機/發電機提供反作用扭矩；其中當所述制動器接合時，在提供所述倒檔模式的情況下，所述第一電動機/發電機用作電動機，以輔助所述第二電動機/發電機。
12.一種電動機械變速器，包括輸入構件；輸出構件；第一和第二電動機/發電機；第一、第二和第三差速齒輪組，每個差速齒輪組具有第一、第二和第三構件；固定構件；其中所述第一差速齒輪組的所述第一構件可操作地連接所述輸入構件，且持續連接所述第二差速齒輪組的所述第一構件，以便與所述第二差速齒輪組的所述第一構件一起旋轉；其中所述第一差速齒輪組的所述第二構件持續連接所述第三差速齒輪組的所述第二構件；其中所述輸出構件持續連接所述第三差速齒輪組的所述第二構件，其中所述第三差速齒輪組的所述第三構件連接到所述固定構件，因而所述第一差速齒輪組的所述第一和第二構件以及所述第三差速齒輪組的所述第二構件限定從所述輸入構件到所述輸出構件的第一機械路徑；其中所述第二差速齒輪組的所述第二構件持續連接所述第三差速齒輪組的所述第一構件，以便與所述第三差速齒輪組的所述第一構件一起旋轉，其中所述第三差速齒輪組構造為提供減速比，該減速比降低從所述第二差速齒輪組的所述第二構件到所述第三差速齒輪組的所述第二構件的速度，因而所述第一差速齒輪組的所述第一構件、所述第二差速齒輪組的所述第一和第二構件、所述第三差速齒輪組的所述第一構件限定所述輸入構件和所述輸出構件之間的第二機械路徑；和其中所述第一差速齒輪組的所述第三構件持續連接所述第一電動機/發電機，所述第二差速齒輪組的所述第三構件持續連接所述第二電動機/發電機；因而變速器的特徵在於單模式、複合-分流式電動可變變速器，具有所述第一和第二機械功率路徑，所述減速比僅在一個所述機械功率路徑中起作用。
13.如權利要求12所述的電動機械變速器，其特徵在於，所述第一、第二和第三差速齒輪組是簡單的行星齒輪組，每個差速齒輪組具有太陽齒輪構件、環形齒輪構件和架構件，架構件可旋轉地支撐一組行星齒輪，行星齒輪與太陽齒輪構件和環形齒輪構件互相嚙合。
14.如權利要求12所述的電動機械變速器，還包括制動器，其有選擇地接合，以使所述輸入構件連接到固定構件，從而為所述第一電動機/發電機提供反作用扭矩。
15.一種單模式、複合-分流式電動機械變速器包括兩個電動機/發電機和兩個行星齒輪組，具有第一和第二機械功率路徑，所述第一機械功率路徑在低速度比下起作用，所述第二機械功率路徑在高速度比下起作用，所述變速器包括可用減速齒輪，因而使所述第二電動機/發電機具有相對低的扭矩需求。
16.如權利要求15所述的電動機械變速器，其特徵在於，所述行星齒輪組每個具有第一、第二和第三構件，所述變速器還包括輸出構件，其中所述減速齒輪可操作地連接所述輸出構件，構造為提供速度比的降低；傳遞軸，其中所述減速齒輪連接所述傳遞軸，以便與傳遞軸一起旋轉；和第二傳遞齒輪，其連接所述傳遞軸，以便與傳遞軸一起旋轉，第二傳遞齒輪與所述第二行星齒輪組的所述第二構件互相嚙合。
17.如權利要求15所述的電動機械變速器，還包括輸出構件；固定構件；其中所述減速齒輪是第三行星齒輪組的第一構件，第三行星齒輪組還具有第二構件和第三構件；其中所述輸出構件和所述第二行星齒輪組的一個所述構件都持續連接所述第三行星齒輪組的所述第二構件，以便與所述第三行星齒輪組的所述第二構件一起旋轉；其中所述第三行星齒輪組的所述第三構件連接到所述固定構件。
全文摘要
提供一種單模式、複合－分流式變速器，其具有兩個機械功率路徑。一個機械功率路徑主要在低速度比下起作用，同時另一個路徑主要在高速度比下起作用。在用於高速度比的路徑中可利用減速比，降低電路徑功率需求。另外，減速比允許兩個電動機/發電機都具有相對低的扭矩設計。
文檔編號F16H61/32GK101070904SQ20071010289
公開日2007年11月14日 申請日期2007年5月11日 優先權日2006年5月11日
發明者B·M·康倫 申請人:通用汽車環球科技運作公司