一种混动三行星排无级变速机构的制作方法

1.本实用新型涉及无级变速器技术领域，特别涉及一种混动三行星排无级变速机构。


背景技术：

2.随着新能源汽车的推广，我国已经成为全球最大的新能源汽车市场，混合动力汽车是指采用传统燃料的同时配以电动机或发动机来改善低速动力输出和燃油消耗的车型。
3.目前混合动力自动变速系统多为单电机配合发动机进行驱动的，有着综合效率低、能耗高、爬坡差等劣势，制约了新能源电动汽车的应用和推广。为了达到0-120公里的时速，单靠电机调速来改变车速的话，高效工作区只占了一小部分，遇到复杂路况时耗能非常大。如果长时间大扭矩工作，电机寿命等各方面均会受到影响。因此设计一款使汽车具有更强的动力性和高速巡航能力，让整车动力性和经济性更上一个台阶的混合动力系统自动变速装置是非常必要的。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是为了解决上述问题，设计了一种混动三行星排无级变速机构。
5.实现上述目的本实用新型的技术方案为一种混动三行星排无级变速机构，包括第一行星排、第二行星排和第三行星排，所述第一行星排上的第一齿圈与所述第二行星排上的第二行星架连接，所述第二行星架通过连接轴与所述第三行星排上的第三太阳轮连接，所述第一行星排上的第一行星架与所述第二行星排上的第二齿圈和所述第三行星排上的第三齿圈连接；所述第一行星架、所述第二齿圈和所述第三齿圈的连接体和壳体之间设置有单向离合器f；所述第三行星排上的第三行星架上连接有输出部件，所述第一行星排上的第一太阳轮通过第一输入轴与第一电机连接，所述第二行星排上的第二太阳轮连接的第二输入轴穿过所述第一太阳轮、所述第一输入轴和所述第一电机与第二电机连接，所述第二电机通过第二连接轴和第一连接轴连接发动机，所述第一连接轴和第二连接轴之间设置有离合器c。
6.作为对本实用新型的进一步说明，所述第一太阳轮的外齿上啮合第一行星轮，所述第一行星轮安装在所述第一行星架上，所述第一行星轮啮合在所述第一齿圈的内圈齿上；
7.所述第二太阳轮的外齿上啮合第二行星轮，所述第二行星轮安装在所述第二行星架上，所述第二行星轮啮合在所述第二齿圈的内圈齿上；
8.所述第三太阳轮的外齿上啮合第三行星轮，所述第三行星轮安装在所述第三行星架上，所述第三行星轮啮合在所述第三齿圈的内圈齿上；
9.所述第一太阳轮、所述第一输入轴和所述第一电机均为贯穿中空式结构。
10.作为对本实用新型的进一步说明，所述单向离合器f用于限制所述第一行星架、所
述第二齿圈和所述第三齿圈的转动方向，所述单向离合器f使所述第一行星架、所述第二齿圈和所述第三齿圈的转动方向仅与所述第二电机或所述发动机的转向一致。
11.本实用新型提供的混动三行星排无级变速机构，通过对第一电机和第二电机的转速的调整，或者通过对第一电机和发动机的转速的调整，以及通过第一行星排、第二行星排、第三行星排和单向离合器之间的配合，从而改变输入端和输出端之间的传动比，实现了输出端的无级变速，该机构的发动机和第二电机进行动力的分段的输入，保证了发动机的功率可以一直保持在自己的工作高效区域，降低了能耗和排放，增加了燃油经济性，进而提高了续航里程。
附图说明
12.图1是本实用新型实施例提供的混动三行星排无级变速机构示意图；
13.图2是本实用新型实施例提供的第一行星排、第二行星排和第三行星排的转速矢量图；
14.图3是本实用新型实施例提供的第一太阳轮的转速n1和第二太阳轮的转速n2的比值等于p时的转速矢量图；
15.图4是本实用新型实施例提供的第一太阳轮的转速n1和第二太阳轮的转速n2的比值小于p时的转速矢量图；
16.图5是本实用新型实施例提供的第一太阳轮的转速n1为0时的转速矢量图；
17.图6是本实用新型实施例提供的第一太阳轮的转速n1和第二太阳轮的转速n2相同时的转速矢量图；
18.图7是本实用新型实施例提供的第一太阳轮的转速n1和第二太阳轮的转速n2的比值大于p时的转速矢量图；
19.图8是本实用新型实施例提供的纯电动模式下起步阶段的转速矢量图；
20.图9是本实用新型实施例提供的纯电动模式下低速阶段的转速矢量图；
21.图10是本实用新型实施例提供的混动模式下中高速阶段的转速矢量图；
22.图11是本实用新型实施例提供的混动模式下最高车速阶段的转速矢量图；
23.图12是本实用新型实施例提供的安全保护工况下的转速矢量图；
24.图13是本实用新型实施例提供的倒车工况下的转速矢量图；
25.图14是本实用新型实施例提供的第一电机单独驱动工况下的转速矢量图；
26.图15是本实用新型实施例提供的第二电机单独驱动工况下的转速矢量图；
27.图16是本实用新型实施例提供的发动机单独驱动工况下的转速矢量图。
28.附图标记：
29.1-第一行星排，101-第一太阳轮，102-第一行星架，103-第一齿圈， 2-第二行星排，201-第二太阳轮，202-第二行星架，203-第二齿圈，3-第三行星排，301-第三太阳轮，302-第三行星架，303-第三齿圈，4-单向离合器f，5-第一连接轴，6-离合器c，7-第二连接轴，8-第一输入轴，9
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第二输入轴，10-第三连接轴，11-输出部件。
具体实施方式
30.下面结合附图对本实用新型实施例进行具体描述，我们先来介绍一下本实用新型
实施例的具体结构。
31.参见图1，一种混动三行星排无级变速机构，包括第一行星排1、第二行星排2和第三行星排3，第一行星排1上的第一齿圈103与第二行星排2上的第二行星架202连接，第二行星架202通过连接轴与第三行星排3上的第三太阳轮301连接，第一行星排1上的第一行星架102与第二行星排2上的第二齿圈203和第三行星排3上的第三齿圈303连接；第一行星架102、第二齿圈203和第三齿圈303的连接体和壳体之间设置有单向离合器f4；第三行星排3上的第三行星架302上连接有输出部件 11，第一行星排1上的第一太阳轮101通过第一输入轴8与第一电机连接，第二行星排2上的第二太阳轮201连接的第二输入轴9穿过第一太阳轮101、第一输入轴8和第一电机与第二电机连接，第二电机通过第二连接轴7和第一连接轴5连接发动机，第一连接轴5和第二连接轴7之间设置有离合器c6。
32.参见图1，第一太阳轮101的外齿上啮合第一行星轮，第一行星轮安装在第一行星架102上，第一行星轮啮合在第一齿圈103的内圈齿上；
33.第二太阳轮201的外齿上啮合第二行星轮，第二行星轮安装在第二行星架202上，第二行星轮啮合在第二齿圈203的内圈齿上；
34.第三太阳轮301的外齿上啮合第三行星轮，第三行星轮安装在第三行星架302上，第三行星轮啮合在第三齿圈303的内圈齿上；
35.第一太阳轮101、第一输入轴8和第一电机均为贯穿中空式结构。
36.参见图1，单向离合器f4用于限制第一行星架102、第二齿圈203 和第三齿圈303的转动方向，单向离合器f4使第一行星架102、第二齿圈203和第三齿圈303的转动方向仅与第二电机或发动机的转向一致。
37.下面我们需要结合本实用新型实施例的具体结构说明一种基于混动三行星排无级变速机构的变速方法。
38.根据行星齿轮的基本原理，太阳轮、齿圈和行星架三个构件，任意两个构件的转速确定的话，另外一个构件的转速也是确定的，并且他们的转速关系根据太阳轮齿数和齿圈齿数成相应的比例关系。设定：第一太阳轮101的转速为n1，第二太阳轮201的转速为n2，第一齿圈103、第二行星架202和第三太阳轮301的转速为n3，第一行星架102、第二齿圈203和第三齿圈303的转速为n4，第三行星架302和输出部件11的转速为n5。
39.在纯电动模式下，离合器c6分离，第一电机驱动第一太阳轮101的转速为n1；第二电机驱动第二太阳轮201的转速为n2；通过控制第一太阳轮101的转速n1和第二太阳轮201的转速n2的大小、方向和增减速快慢程度，实现输出部件11的转速n5的无级连续变化。
40.在混动模式下，离合器c6接合，发动机参与工作，第二电机不参与工作，第一电机驱动第一太阳轮101的转速为n1，发动机驱动第二太阳轮201的转速为n2，第二电机的转子被发动机带动空转；维持发动机的转速n2在最高效转速区间，通过控制第一电机驱动第一太阳轮101的转速n1的大小、方向和增减速快慢程度，实现输出部件11的转速n5的无级连续变化。
41.参见图2，根据行星齿轮的转速矢量计算方法得到第一行星排1、第二行星排2和第三行星排3的转速矢量图，如图2所示，第一齿圈103、第二行星架202和第三太阳轮301连接在一起，具有相同转速n3；第一行星架102、第二齿圈203和第三齿圈303连接在一起，具有相同转速 n4。图中线段的长短代表转速的大小，箭头方向代表转速方向，定义箭头向上为正
向，箭头向下为反向。
42.将第一行星排1、第二行星排2和第三行星排3的转速矢量图合并在一起得到图3，如图3所示，当n1、n2、n3、n4和n5中的任意两个数值确定时，另外三个数值可以通过矢量图中线段的比例关系计算得出；其中，当第一行星架102、第二齿圈203和第三齿圈303的转速n4为0时，设定第一太阳轮101的转速n1和第二太阳轮201的转速n2的比值为p。通过调节控制第一电机、第二电机和发动机的转速，使输出部件11的输出状态包括状态a、状态b、状态c、状态d和状态e。
43.参见图3，在状态a中，第一行星架102、第二齿圈203和第三齿圈 303的转速n4为0，第一电机驱动第一太阳轮101的转速为n1，转向为反向，控制离合器c6分离或接合，第二电机或发动机驱动第二太阳轮201 的转速为n2，转向为正向，此时第一太阳轮101的转速n1和第二太阳轮 201的转速n2的比值为p，使输出部件11的转速n5的转向为正向，车辆加速向前行驶，此状态下的传动比最大。
44.参见图4，在状态b中，第一行星架102、第二齿圈203和第三齿圈 303的转速n4不为0，转向为正向，第一电机驱动第一太阳轮101的转速为n1，转向为反向，控制离合器c6分离或接合，第二电机或发动机驱动第二太阳轮201的转速为n2，转向为正向，此时第一太阳轮101的转速n1和第二太阳轮201的转速n2的比值小于p，使输出部件11的转速 n5的转向为正向，车辆加速向前行驶。
45.参见图5，在状态c中，第一电机驱动第一太阳轮101的转速n1从反向转动逐渐降低为0，控制离合器c6分离或接合，第二电机或发动机驱动第二太阳轮201的转速为n2，转向为正向，使输出部件11的转速 n5增大，转向为正向，车辆加速向前行驶。
46.参见图6，在状态d中，第一电机驱动第一太阳轮101的转速n1逐渐从0增大，转向为正向，控制离合器c6分离或接合，第二电机或发动机驱动第二太阳轮201的转速为n2，转向为正向，使输出部件11的转速 n5增大，转向为正向，车辆加速向前行驶，若此状态下第一太阳轮101 的转速n1和第二太阳轮201的转速n2相同，则此时的传动比为1。
47.参见图7，在状态e中，第一电机驱动第一太阳轮101的转速为n1，转向为反向，控制离合器c6分离或接合，第二电机或发动机驱动第二太阳轮201的转速为n2，转向为正向，第一太阳轮101的转速n1和第二太阳轮201的转速n2的比值大于p，第一行星架102、第二齿圈203和第三齿圈303的转速n4的转向为反向，使输出部件11的转速n5的转向会出现反向的情况，为了防止这种情况发生，在第一行星架102、第二齿圈 203和第三齿圈303的连接体上面设置单向离合器f4，限制第一行星架 102、第二齿圈203和第三齿圈303的转速n4的转向只能为正向，不能为反向，这样就保证了输出部件11的转速n5的转向始终为正向，使车辆始终向前行驶。
48.接下来介绍本实用新型实施例中可以应对所有工况的一种优选的动力分配方案。
49.1、起步工况
50.参见图8，起步阶段采用纯电动模式，控制离合器c6分离，第一电机和第二电机同时启动加速，第一电机驱动第一太阳轮101的转速n1的转向为反向，第二电机驱动第二太阳轮201的转速n2的转向为正向，使第一太阳轮101的转速n1与第二太阳轮201的转速n2的比值等于p，使输出部件11的转速n5逐渐增大，转向为正向，车辆加速向前行驶。在该工况下，第一电机和第二电机的动力耦合在一起，减速增扭输出，并且该工况下发动机不参与工作，因
为在低速区使用发动机会有效率低、排放高的缺点，故避免了这种情况的发生，同时充分发挥了电机在低速时，扭矩大的优势。
51.2、低速工况
52.参见图9，低速阶段采用纯电动模式，控制离合器c6分离，第一电机和第二电机同时工作，第一电机驱动第一太阳轮101的转速n1的转向为反向，第二电机驱动第二太阳轮201的转速n2的转向为正向，使第一太阳轮101的转速n1与第二太阳轮201的转速n2的比值等于或小于p，通过调节第一电机转速n1和第二电机转速n2的大小和加减速快慢程度，实现输出部件11的转速n5的加速或减速，转向为正向。在该工况下，第一电机和第二电机的动力耦合在一起，减速增扭输出，并且该工况下发动机不参与工作，因为在低速区使用发动机会有效率低、排放高的缺点，故避免了这种情况的发生，同时充分发挥了电机在低速时，扭矩大的优势。
53.3、中高速工况
54.参见图10，中高速阶段采用混动模式，控制离合器c6接合，第一电机和发动机工作，发动机驱动第二太阳轮201的转速n2的转向为正向，发动机的转速始终维持在高效转速附近，转向为正向，第一电机驱动第一太阳轮101的转速n1转向由反向减速到0，再由正向加速到和第二太阳轮201的转速n2相同，使输出部件11的转速n5逐渐加速，转向为正向。在该工况下，发动机的转速始终维持在高效转速附近，通过第一电机调节第一太阳轮101的转速n1的大小、方向和加减速快慢程度，就能实现输出部件11的转速n5的加速或减速，转向为正向。在该工况下第一电机和发动机的动力耦合在一起输出，由于加减速过程中发动机始终工作在高效区，所以降低了能耗和排放，增加了燃油经济性，进而提高了续航里程。
55.最高车速工况
56.参见图11，最高车速阶段采用混动模式，离合器c6接合，第一电机和发动机工作，发动机驱动第二太阳轮201的转速n2的转向为正向，发动机的转速始终维持在高效转速附近，转向为正向，通过第一电机继续对第一太阳轮101的转速n1的增加，来实现输出部件11的转速n5的继续增加，从而实现更高的车速。在该工况下，因为发动机的转速一直在高效区，只是通过第一电机来增速，所以降低了能耗和排放，增加了燃油经济性，进而提高了续航里程。
57.5、安全保护工况
58.参见图12，第一电机驱动的第一太阳轮101的转速n1的转向为反向, 第二电机或发动机驱动的第二太阳轮201的转速n2的转向为正向，如果第一太阳轮101的转速n1和第二太阳轮201的转速n2控制不准确或者控制失效，那么会出现第一太阳轮101的转速n1和第二太阳轮201的转速 n2的比值大于p，输出部件11的转速n5出现转向为反向的情况，这时车辆就会突然出现倒退行驶，极易发生严重事故，为了防止这种情况发生，在第一行星架102、第二齿圈203和第三齿圈303的连接体上面设置单向离合器f4，限制第一行星架102、第二齿圈203和第三齿圈303的转速n4的转向只能为正向，不能为反向，这样就保证了输出部件11的转速n5的转向始终为正向，使车辆只可以向前行驶。
59.6、倒车工况
60.参见图13，倒车工况类似起步工况阶段，倒车时采用纯电动模式，控制离合器c6分离，第一电机和第二电机同时启动加速，第一电机驱动第一太阳轮101的转速n1的转向为正
向，第二电机驱动第二太阳轮201 的转速n2的转向为反向，使第一太阳轮101的转速n1与第二太阳轮201 的转速n2的比值等于p，使输出部件11的转速n5逐渐增大，转向为负，车辆加速向后行驶。如果第一电机和第二电机对第一太阳轮101的转速 n1和第二太阳轮201的转速n2控制不准确或者控制失效，那么会出现第一太阳轮101的转速n1和第二太阳轮201的转速n2的比值大于p，输出部件11的转速n5出现转向为正向的情况，这时车辆会突然向前行驶，极易发生严重事故，为了防止这种情况的发生，在第一行星架102、第二齿圈203和第三齿圈303的连接体上面设置单向离合器f4，用于限制第一行星架102、第二齿圈203和第三齿圈303的转速n4的转向只能为反向，不能为正向。这样就保证了输出部件11的转速n5的转向始终为反向，使车辆只可以向后行驶。
61.7、应急工况
62.1)参见图14，当第二电机和发动机停止工作时，第一电机驱动第一太阳轮101的转速为n1，转向为反向，离合器c6为分离状态，此时第一行星架102、第二齿圈203和第三齿圈303的转速n4有反转的趋势，单向离合器f4会限制第一行星架102、第二齿圈203和第三齿圈303的反转，使第一行星架102、第二齿圈203和第三齿圈303的转速n4为0，输出部件11的转速n5的转向始终为正向，车辆可以继续向前行驶，第一电机的动力通过第一行星排1和第三行星排3进行减速增扭输出；
63.2)参见图15，当第一电机和发动机停止工作时，第二电机驱动第二太阳轮201的转速为n2，转向为正向，离合器c6为分离状态，此时第一行星架102、第二齿圈203和第三齿圈303的转速n4有反转的趋势，单向离合器f4会限制第一行星架102、第二齿圈203和第三齿圈303的反转，使第一行星架102、第二齿圈203和第三齿圈303的转速n4为0，输出部件11的转速n5的转向始终为正向，车辆可以继续向前行驶，第二电机的动力通过第二行星排2和第三行星排3进行减速增扭输出；
64.3)参见图16，当第一电机和第二电机停止工作时，发动机驱动第二太阳轮201的转速为n2，转向为正向，离合器c6为接合状态，此时第一行星架102、第二齿圈203和第三齿圈303的转速n4有反转的趋势，单向离合器f4会限制第一行星架102、第二齿圈203和第三齿圈303的反转，使第一行星架102、第二齿圈203和第三齿圈303的转速n4为0，输出部件11的转速n5的转向始终为正向，车辆可以继续向前行驶，发动机的动力通过第二行星排2和第三行星排3进行减速增扭输出。
65.8、能量回收工况
66.在车辆行驶过程中，当车辆进行制动时，第一电机在车辆惯性速度下拖动工作，此时第一电机作为发电机使用，将回收能量转化为电能储存到电池里。
67.本实用新型实施例提供的混动三行星排无级变速机构，具有如下优点：
68.1、本实用新型实施例的混动三行星排无级变速机构，调速过程中无动力中断，并且运行安静平稳，用户在用车时，会有更好的用车体验感，在感官上可以极大地满足客户需求，为本产品的推广和使用奠定了非常好的基础。
69.2、本实用新型实施例的混动三行星排无级变速机构可以实现输出端从低速到高速均具有大扭矩，通过输出大的扭矩实现车辆在驾驶时，拥有快速加速起步的能力，并且大扭矩在车辆爬坡时可以攀爬更大的坡度，大扭矩也可以满足更多人的用车需求，使本产品的受众面更大。
70.3、本实用新型实施例的混动三行星排无级变速机构可以实现输出转速的无级连续变化，输入端驱动件可以长时间工作在高效区间内，提高了工作效率，在能源的使用方面可以做到更加节省的效果，在节能方面可以做出更多的贡献。
71.4、本实用新型实施例第一电机和第二电机的动力耦合在一起驱动车辆行驶，或第一电机和发动机的动力耦合在一起驱动车辆行驶，当第一电机、第二电机和发动机中的任意一个或两个发生故障时，另外一个或两个还可驱动车辆行驶，大大增加了车辆使用的可靠性，保证了车主在使用汽车时，即使一个或两个驱动件发生故障，车主还可以依靠剩下的一个或两个驱动件驱动车辆，并及时将车辆开往维修地点，避免了叫拖车事件的发生，更好的照顾了车主的用车体验。
72.5、本实用新型实施例的混动三行星排无级变速机构具有高效的传动率，在相同的工况下，可以挑选功率更低和转速更低的电机作为驱动件，相对于大功率的电池，小功率的电池可以更好的预防电池过热情况的发生，通过本实用新型实施例间接提升了电池的使用安全性。
73.6、本实用新型实施例的混动三行星排无级变速机构采用的是三行星排传动，加大了传动比，使扭矩得到了进一步的增大，可以应用在载重更大的货车、渣土车、客车等重型大车上，进一步拓宽了本实用新型实施例的适用范围。
74.7、本实用新型实施例的混动三行星排无级变速机构在车辆达到中高车速工况时，由发动机接替第二电机进行动力的传输，保证了发动机的功率可以一直保持在自己的工作高效区域，降低了能耗和排放，增加了燃油经济性，进而提高了续航里程。
75.8、本实用新型实施例的混动三行星排无级变速机构在车辆行驶过程中，当车辆进行制动时，第一电机在车辆惯性速度下拖动工作，此时第一电机作为发电机使用，将回收能量转化为电能储存到电池里，提升了能量的利用率。
76.上述技术方案仅体现了本实用新型技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本实用新型的原理，属于本实用新型的保护范围之内。