專利名稱：具有增強爬坡能力的可電氣式調節的變速箱的制作方法
技術領域：
本發明要求享有于2004年9月8日提交的美國臨時申請No.60/607975的優先權，該申請通過引用整體地結合于本文中。
本發明涉及一種可電氣式調節的變速箱，其具有兩個電動機/發電機、兩個行星齒輪組，以及設置用來提供增強的起動性能、加速性能和爬坡能力的五個扭矩傳遞裝置。
背景技術：
大多數車輛普遍通過內燃機尤其是那些往復式活塞型內燃機來驅動。這種內燃機相對高效、緊湊且重量輕，而且將燃料形式的高聚集能量轉化為有用機械動力的機構的成本較低。可與內燃機一起使用并且能夠減少燃料消耗與排放的新型變速箱系統可帶給公眾極大的好處。
通常來說，車輛由這樣的發動機來驅動，其被小型電動機與相對較小的蓄電池從冷態下起動，然后快速進入到可實現推進并操作輔助設備的負載狀態中。這種發動機還可在較寬速度范圍和較寬負載范圍內工作，并通常在其最大功率的約平均五分之一下工作。
車輛變速箱通常能夠將機械動力從發動機傳遞給傳動系統的其余部件，通常是固定的最終傳動機構、車軸與車輪。典型的機械式變速箱允許發動機工作中的某些自由度，這通常是通過對五個或六個不同傳動比的交替選擇、在車輛靜止時允許發動機對輔助裝置進行操作的空檔選擇，以及在發動機運轉時允許傳動比之間的平穩轉換和從靜止狀態下起動車輛的離合器或變矩器來實現的。變速箱齒輪的選擇通常允許動力以扭矩增大但速度減小的傳動比、被稱為超速傳動的扭矩減小但速度增大的傳動比或者是倒檔傳動比而從發動機傳遞給傳動系統的其余部件。
發電機可將來自發動機的機械動力轉換為電力，而電動機可將電力以不同扭矩和速度轉換回用于車輛傳動系統的其余部件的機械動力。這種裝置允許在發動機和傳動系統的其余部件之間在電機的極限范圍內進行扭矩和速度比的無級式調節。可在這種裝置內增設用作推進能源的蓄電池，以形成串聯混合型電力驅動系統。
串聯混合型系統允許發動機以與推動車輛所需的扭矩、速度和動力相對獨立的方式來工作，以使發動機可被控制而用于改善排放與效率。這種系統允許將連接到發動機上的電機作為起動發動機的電動機來工作。這種系統還允許使連接到傳動系的其余部件上的電機作為發電機來工作，其可通過再生制動而從減慢車輛的過程中將能量回收到電池內。串聯式電力驅動的缺點在于，在發電機內將所有發動機動力從機到電和在驅動電動機內從電到機的轉換所需的電機的重量和成本，以及這種轉換中的有用功的損耗。
動力分用變速箱可以使用所公知的“差動齒輪裝置”，以便在輸入和輸出之間獲得無級式調節的扭矩和速度比。可電氣式調節的變速箱可以使用差動齒輪裝置并通過一對電動機/發電機來發送其輸送動力的一部分。而其余的動力通過另一個平行的通路來傳送，該通路是固定傳動比或可選傳動比的全機械式的和直接式的。
差動齒輪裝置的一種形式是行星齒輪組。在行星齒輪組的所有零件中，行星齒輪機構以其緊湊且不同的扭矩與速度比的優勢而通常應用在差速器發明中的優選實施例中。然而，也可以不使用行星齒輪來構造本發明，這要通過在裝置中使用錐齒輪或其它齒輪來實現，其中，齒輪組中的至少一個零件的轉速一直是其它兩個零件的轉速的加權平均。
混合型電動車輛變速箱系統還包括一個或多個蓄電裝置。典型的裝置是化學蓄電池，但也可包括電容式或機械式裝置如電動飛輪。蓄電裝置可允許從變速箱系統到車輛的機械輸出動力不同于從發動機到變速箱系統的機械輸入動力。電池或其它裝置還可允許用變速箱系統來起動發動機，以及實現車輛的再生制動。
車輛內的可電氣式調節的變速箱可以僅傳遞從發動機輸入到最終傳動輸出的機械動力。為此，由一個電動機/發電機產生的電力可平衡電損耗和由另一個電動機/發電機所消耗的電力。車輛內的可電氣式調節的混合型變速箱系統包括蓄電池，這樣，由一個電動機/發電機產生的電力可以大于或小于另一個電動機/發電機所消耗的電力。來自電池的電力有時可以允許電動機/發電機二者都用作尤其是用來輔助發動機對車輛加速的電動機。兩個電動機有時可以用作尤其是在車輛再生制動中給電池充電的發電機。
串聯混合型變速箱的一個成功的替代品是現在生產用于公共交通汽車的雙范圍的、輸入分用和復合分用的可電氣式調節的變速箱，在與本申請共同轉讓的于1999年8月3日授權給Michael R.Schmidt的美國專利No.5931757中對其進行了介紹。這種變速箱采用輸入機構來接收來自車輛發動機的動力，并采用動力輸出機構來傳遞動力以驅動車輛。第一和第二電動機/發電機連接到能量貯存裝置如電池上，以便使該能量貯存裝置可接收來自第一和第二電動機/發電機的動力，以及向其提供動力。控制單元可調節能量貯存裝置和電動機/發電機中的動力流，以及第一和第二電動機/發電機之間的動力流。
通過使用具有第一和第二扭矩傳遞裝置性質的離合器，就可以選擇性地實現第一或第二可調節傳動比模式的工作。在第一模式中，通過應用第一離合器形成了輸入動力分用的傳動比范圍，變速箱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了復合動力分用的傳動比范圍，變速箱的輸出速度與任一個電動機/發電機的速度都不成比例，但它是兩個電動機/發電機的速度的代數式線性組合。通過應用兩個離合器，可以選擇性地實現固定變速箱傳動比下的工作。通過釋放兩個離合器并使發動機和兩個電動機/發電機與變速箱輸出分離，就可以選擇性地實現空擋模式下的變速箱操作。
雙范圍的、輸入分用和復合分用的可電氣式調節的變速箱可構造成具有兩組行星齒輪裝置或三組行星齒輪裝置。另外，一些實施例可使用三個扭矩傳遞裝置，兩個用來選擇變速箱所需的工作模式，第三個可選擇性地使變速箱與發動機脫開。在其它一些實施例中，可利用所有三個扭矩傳遞裝置來選擇所需工作模式。
與本申請共同轉讓的于2003年3月4日授權給Holmes等人的美國專利No.6527658公開了一種可電氣式調節的變速箱，其利用兩個行星齒輪組、兩個電動機/發電機和兩個離合器來提供輸入分用、復合分用、空檔和倒檔工作模式。這兩個行星齒輪組可以是單排的，或者其中一個是復合式的。電控制件可調節能量貯存裝置和兩個電動機/發電機中的動力流。這種變速箱提供了可電氣式調節的變速箱(EVT)工作的兩種范圍或模式，其可選擇地提供了輸入動力分用傳動比范圍和復合動力分用傳動比范圍。還可以可選擇地得到一個固定傳動比。
發明內容
本發明提供了一種可電氣式調節的變速箱，其具有兩個電動機/發電機、例如為行星齒輪組的兩個差動齒輪組，以及設置用來提供增強的起動性能、加速性能和爬坡能力的五個扭矩傳遞裝置，該變速箱可實現五個固定傳動比。“爬坡能力”是車輛在一定速度下爬升斜坡的能力。
固定傳動比是一種工作條件，其中到變速箱中的機械動力輸入機械式地傳遞至輸出端，并且沒有動力流需要通過電動機/發電機。對于給定的最大功率而言，可選擇地實現用于接近發動機全功率工作的幾個固定傳動比的可電氣式調節的變速箱可以更小和更輕。當在發動機速度不采用電動機/發電機而接近其最優狀態的條件下工作時，固定傳動比操作還可帶來更低的燃料消耗。
本發明還提供了一種新穎的如上所述的可電氣式調節的變速箱，相對于現有已知的可電氣式調節的變速箱而言，其可以顯著降低的成本來制造。本發明可通過采用增設的離合器來提供固定傳動比并因而允許更小的電氣部件、并且通過僅采用兩個行星齒輪組來實現這種情況，兩個行星齒輪組是用于復合動力分用裝置的最小配置。
可通過下文介紹以及權利要求來實現將在下面詳細說明中清楚的本發明的這些和其它方面，以及相對于現有技術的優點。
作為大致的介紹性描述，體現了本發明構思的可電氣式調節的變速箱具有可接收來自發動機的動力的輸入件，以及可將動力傳遞給可推進車輛的驅動件的輸出件。設有第一和第二電動機/發電機以及第一和第二行星齒輪組。各行星齒輪組均具有內齒輪件和外齒輪件，外齒輪件與可旋轉地安裝于托架上的多個行星齒輪件嚙合式接合。輸入件與第一行星齒輪組的一個零件(優選為齒圈)連續式相連，輸出件與第二行星齒輪組的一個零件(優選為托架)連續式相連。一個電動機/發電機與第一行星齒輪組的另一個零件(優選為恒星齒輪)連續式相連，并且與第二行星齒輪組的一個零件(優選為齒圈)選擇性相連。第二個電動機/發電機與第二行星齒輪組的剩余零件(優選為恒星齒輪)連續式相連，并且與第一行星齒輪組的剩余零件(優選為托架)選擇性相連。
優選的是，第一行星齒輪組是復合型行星齒輪組，而第二行星齒輪組是單排行星齒輪組。
第一扭矩傳遞裝置(CB12R)可將第二齒輪組的齒圈選擇性地接地，第二扭矩傳遞裝置(C234)可將第二齒輪組的齒圈與第一行星齒輪組的恒星齒輪以及與一個電動機/發電機的轉子選擇性相連。
第三扭矩傳遞裝置(CA)可將第一齒輪組的托架選擇性地接地。
第四扭矩傳遞裝置(CB)可將第一行星齒輪組的托架與第二行星齒輪組的恒星齒輪選擇性相連。
第五扭矩傳遞裝置(C13)可將第一行星齒輪組的齒圈與第二行星齒輪組的恒星齒輪選擇性相連。
第一、第三和第五扭矩傳遞裝置優選在起動期間是接合的，使得第一和第二行星齒輪組在減速傳動下工作，以提高到輸出件的扭矩輸出。
從實施本發明的最佳方式的下述詳細介紹中并結合附圖，可以容易地清楚本發明的上述特點和優點，以及其它的特點和優點。
圖1是顯示了體現了本發明構思的可電氣式調節的變速箱的一個優選形式的示意性操縱桿圖示(1ever diagram)；圖2是局部的示意性操縱桿圖示，其僅顯示了圖1所示操縱桿圖示中的在僅用電池起動期間相接合的那些扭矩傳遞機構，以顯示扭矩增大的情況；和圖3是顯示了用于圖1中操縱桿圖示所代表的變速箱的固定傳動比操作的離合器接合的情況的表格。
具體實施例方式
于2004年7月22日提交、Holmes等人的題為“具有可選固定傳動比操作的可電氣式調節的變速箱”且共同轉讓的美國臨時申請No.60/590427公開了一種機電變速箱，該申請通過引用整體地結合于本文中。
參考圖1中的操縱桿圖示，改進型的可電氣式調節變速箱的一個優選實施例以標號10來大致地標示。變速箱10設計成可以接收來自發動機12的其驅動動力中的至少一部分。發動機12具有輸出軸，其也可用作瞬態扭矩緩沖器(未示出)的前置輸入件。瞬態扭矩緩沖器為本領域的技術人員所熟知，但是不管具體采用何種瞬態扭矩緩沖器，其輸出件都將用作變速箱10的輸入件18。
在所述實施例中，發動機12可以是礦物燃料發動機，例如可容易地適于提供通常在恒定的每分鐘轉數(RPM)下傳遞的可用動力輸出的柴油發動機。
不管將發動機12連接到變速箱輸入件18上的方式如何，變速箱輸入件18可操作地連接到變速箱10內的復合型行星齒輪組20上。
變速箱10使用了優選為具有行星齒輪組性質的兩個差動齒輪組。第一行星齒輪組20是一種行星齒輪組。其采用了外接于通常設計為恒星齒輪的內齒輪件24上的通常設計為齒圈的外齒輪件22。托架26可旋轉地支撐了多個行星齒輪，使得一組行星齒輪的與外齒輪件即齒圈22嚙合式地接合，而另一組行星齒輪的與第一行星齒輪組20的內齒輪件即恒星齒輪24嚙合式地接合。輸入件18緊固在第一行星齒輪組20的齒圈件22上。
第二行星齒輪組32是單排行星齒輪組，其也具有外接于通常設計為恒星齒輪的內齒輪件36上的通常設計為齒圈的外齒輪件34。多個行星齒輪同樣可旋轉地安裝在托架40上，使得各行星齒輪件可同時地和嚙合式地與第二行星齒輪組32的外齒輪件即齒圈34和內齒輪件即恒星齒輪36二者接合。
這個優選實施例10還分別結合有第一電動機/發電機46和第二電動機/發電機48。第一電動機/發電機46的定子緊固在變速箱外殼54上。第一電動機/發電機46的轉子緊固于第一行星齒輪組20的內齒輪件即恒星齒輪24上。
第二電動機/發電機48的定子也緊固于變速箱外殼54上。第二電動機/發電機48的轉子緊固于第二行星齒輪組32的恒星齒輪36上。
兩個行星齒輪組20和32以及兩個電動機/發電機46和48可同軸地定位。這種構造可確保使變速箱10的整個外殼即圓周尺寸降低。
第二行星齒輪組32的齒圈34通過具有扭矩傳遞裝置62(CB12R)性質的第一離合器機構而選擇性地接地到外殼54上。也就是說，通過與不可旋轉的外殼54的操作性連接，該接地的齒圈34便可選擇性地克服旋轉而緊固住。第二行星齒輪組32的齒圈34還可通過具有扭矩傳遞裝置64(C234)性質的第二離合器機構而選擇性地連接到第一行星齒輪組20的恒星齒輪24上。第一扭矩傳遞裝置62和第二扭矩傳遞裝置和64都可用來幫助選擇混合型變速箱10的工作模式。
第三扭矩傳遞裝置65(CA)可將托架26與變速箱外殼54選擇性相連。
第四扭矩傳遞裝置67(CB)使托架26與恒星齒輪36選擇性相連。第五扭矩傳遞裝置68(C13)使齒圈22與恒星齒輪36選擇性相連。
變速箱10的輸出驅動件70緊固于第二行星齒輪組32的托架40上，以用于傳遞動力到最終傳動機構72上。
現在回過來介紹動力源，從上面的介紹中特別是參考圖1可以清楚，變速箱10可選擇性地接收來自發動機12的動力。如同在上面參考的美國臨時申請No.60/590427中所介紹的那樣，混合型變速箱也可接收來自電力源的動力。電力源可以是一個或多個電池。在不改變本發明構思的前提下，可采用其它電力源來代替電池，例如具有提供或儲存以及分配電力的能力的燃料電池。
電力源可通過傳輸導線與電子控制裝置(ECU)進行通信。ECU可通過傳輸導線與第一電動機/發電機46和第二電動機/發電機48進行通信。
圖2是局部操縱桿圖示，其僅顯示了用于圖1所示變速箱10的在僅用電池起動(在前進或倒車)期間相接合的那些扭矩傳遞裝置，以顯示扭矩增大的情況。如在1981年2月23日的題為“操縱桿模擬一種變速箱分析中的新工具”的SAE論文810102中所介紹的那樣，通常采用操縱桿圖示來表示行星齒輪裝置。
如圖2所示，在僅用電池起動時，扭矩傳遞裝置62、65和68是接合的。在該構造中，與第一行星齒輪組20相關聯的操縱桿在減速傳動模式下操作，并且使電動機/發電機46的扭矩倍增。該扭矩可由下述公式來表示T(R1)＝T(A)*(R1/S1)，其中，T(R1)是齒圈22處的扭矩，T(A)是電動機/發電機56的扭矩，而R1/S1是行星齒輪組20的齒圈/恒星齒輪的槽寬對齒寬比(tooth ratio)。該扭矩T(A)可經由扭矩傳遞裝置68傳遞到恒星齒輪36。因此，在恒星齒輪36處的總扭矩是T(S2)＝(T(A)*(R1/S1)+T(B))，其中，T(A)是電動機/發電機56的扭矩，R1/S1是行星齒輪組20的齒圈/恒星齒輪的槽寬對齒寬比，而T(B)是電動機/發電機48的扭矩。
由于與第二行星齒輪組32相關聯的操縱桿在減速傳動下工作，因此其可使恒星齒輪36的扭矩倍增。因此，輸出扭矩是T(OUT)＝(T(A)*(R1/S1)+T(B))*(1+R2/S2)，其中，T(A)是電動機/發電機56的扭矩，R1/S1是行星齒輪組20的齒圈/恒星齒輪的槽寬對齒寬比，T(B)是電動機/發電機48的扭矩，而R2/S2是行星齒輪組32的齒圈/恒星齒輪的槽寬對齒寬比。
因此，兩個操縱桿都在減速傳動模式下工作，進而可傳遞比電動機/發電機46和48的總扭矩輸入更大的輸出扭矩。這種更高值的輸出扭矩可帶來增強的起動性能、加速性能和爬坡能力。僅通過使電動機的方向換向，就可將起動方向從倒車變換到前進，反之亦然。
圖3顯示了一種表格，其顯示了用于圖1的操縱桿圖示所示的變速箱的固定傳動比操作的離合器接合的情況。例如，在第一固定傳動比中，扭矩傳遞裝置68和62是接合的，在第五固定傳動比前進檔中，扭矩傳遞裝置65、64和67是接合的。
雖然只公開了本發明的優選實施例，然而應當理解，可以容易地對本發明的概念進行對本領域技術人員來說很明顯的大量變更。因此，本發明的范圍并不局限于所顯示和介紹的細節，而是旨在包括屬于所附權利要求范圍內的各種變型和修改。
權利要求
1.一種可電氣式調節的變速箱，包括可接收來自發動機的動力的輸入件；輸出件；第一和第二電動機/發電機；均具有第一、第二與第三零件的第一和第二差動齒輪組；所述輸入件與所述第一齒輪組的所述第一零件連續式相連，所述輸出件與所述第二齒輪組的所述第一零件連續式相連；所述第一電動機/發電機與所述第一齒輪組的所述第二零件連續式相連；所述第二電動機/發電機與所述第二齒輪組的所述第三零件連續式相連；第一扭矩傳遞裝置，其將所述第二齒輪組的所述第二零件選擇性地接地；第二扭矩傳遞裝置，其將所述第二齒輪組的所述第二零件與所述第一電動機/發電機選擇性相連；第三扭矩傳遞裝置，其將所述第一齒輪組的所述第三零件選擇性地接地；第四扭矩傳遞裝置，其將所述第一行星齒輪組的所述第三零件與所述第二行星齒輪組的所述第三零件選擇性相連；和第五扭矩傳遞裝置，其將所述第一行星齒輪組的所述第一零件與所述第二行星齒輪組的所述第三零件選擇性相連。
2.根據權利要求1所述的可電氣式調節的變速箱，其特征在于，所述第一和第二差動齒輪組是行星齒輪組，所述第一齒輪組的所述第一、第二和第三零件分別包括齒圈、恒星齒輪和托架，而所述第二齒輪組的第一、第二和第三零件分別包括托架、齒圈和恒星齒輪。
3.根據權利要求2所述的可電氣式調節的變速箱，其特征在于，所述第一行星齒輪組是復合型行星齒輪組，而所述第二行星齒輪組是單排行星齒輪組。
4.根據權利要求3所述的可電氣式調節的變速箱，其特征在于，在起動期間所述第一、第三和第五扭矩傳遞裝置是接合的，使得所述第一和第二行星齒輪組在減速傳動下工作，以提高到所述輸出件的扭矩輸出。
5.一種可電氣式調節的變速箱，包括可接收來自發動機的動力的輸入件；輸出件；第一和第二電動機/發電機；具有齒圈、托架和恒星齒輪的第一復合型行星齒輪組；具有齒圈、托架和恒星齒輪的第二單排行星齒輪組；所述輸入件與所述第一齒輪組的所述齒圈連續式相連，所述輸出件與所述第二齒輪組的所述托架連續式相連；所述第一電動機/發電機與所述第一齒輪組的所述恒星齒輪連續式相連；所述第二電動機/發電機與所述第二齒輪組的所述恒星齒輪連續式相連；第一扭矩傳遞裝置，其將所述第二齒輪組的所述齒圈選擇性地接地；第二扭矩傳遞裝置，其將所述第二齒輪組的所述齒圈與所述第一行星齒輪組的所述恒星齒輪選擇性相連；第三扭矩傳遞裝置，其將所述第一齒輪組的所述托架選擇性地接地；第四扭矩傳遞裝置，其將所述第一行星齒輪組的所述托架與所述第二行星齒輪組的所述恒星齒輪選擇性相連；和第五扭矩傳遞裝置，其將所述第一行星齒輪組的所述齒圈與所述第二行星齒輪組的所述恒星齒輪選擇性相連。
6.根據權利要求5所述的可電氣式調節的變速箱，其特征在于，在起動期間所述第一、第三和第五扭矩傳遞裝置是接合的，使得所述第一和第二齒輪組在減速傳動下工作，以提高到所述輸出件的扭矩輸出。
全文摘要
本發明提供了一種可電氣式調節的變速箱，其具有兩個電動機/發電機、例如為行星齒輪組的兩個差動齒輪組，以及設置用來提供增強的起動性能、加速性能和爬坡能力的五個扭矩傳遞裝置，并且該變速箱可實現五個固定速度比。輸入件與第一行星齒輪組的一個零件(優選為齒圈)連續式相連，輸出件與第二行星齒輪組的一個零件(優選為托架)連續式相連。一個電動機/發電機與第一行星齒輪組的另一個零件(優選為恒星齒輪)連續式相連，也可與第二行星齒輪組的一個零件(優選為齒圈)選擇性相連。第二個電動機/發電機與第二行星齒輪組的其余零件(優選為恒星齒輪)連續式相連，且可與第一行星齒輪組的其余零件(優選為托架)選擇性相連。
文檔編號F16H3/087GK1756046SQ200510103698
公開日2006年4月5日 申請日期2005年9月8日 優先權日2004年9月8日
發明者T·辛, H·索烏爾, J·D·亨德里克森 申請人:通用汽車公司