CN109606023A - 一种双电机混合动力驱动桥及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双电机混合动力驱动桥及其控制方法，所述驱动桥主要由主减速器、能分配转矩的差速器、电力驱动装置、半轴和驱动桥壳组成。本发明采用双电机，驱动电机和内燃机的驱动轴配合，输出总驱动转矩；转矩分配电机用以分配第一输出轴和第二输出轴上的转矩，转矩分配电机输出的转矩依靠附加在差速器壳外的三个锥齿轮来传递。本发明采用燃料、电力混合动力，低碳环保；本发明采用电机和锥齿轮的组合来定向分配转矩，提升了车辆在转弯工况下的安全性、稳定性和机动性。

Description

一种双电机混合动力驱动桥及其控制方法

技术领域

本发明涉及汽车传动领域，特别涉及一种集成转矩定向分配功能的双电机混合动力驱动桥及其控制方法。

背景技术

随着世界各国环境保护的措施越来越严格，混合动力车辆由于其节能、低排放等特点成为汽车研究与开发的一个重点。通常所说的混合动力汽车，一般是指油电混合动力汽车，即采用传统的内燃机(柴油机或汽油机)和电动机作为动力源，也有的发动机经过改造使用其他替代燃料，例如压缩天然气、丙烷和乙醇燃料等。混合动力汽车既有内燃机动力性好、反应快和工作时间长的优点，又有电动机无污染和低噪声的优点，达到了发动机和电动机的最佳匹配。

汽车驱动桥是位于传动系末端能改变来自变速器的转速和转矩，并将它们传递给驱动轮的机构。驱动桥一般由主减速器、差速器、车轮传动装置和驱动桥壳等组成，其中，差速器是驱动桥的一个重要部件。差速器是一种能够使左、右(或前、后)驱动轮实现以不同转速转动的机构，普通的差速器主要由左右半轴齿轮、两个行星齿轮及齿轮架组成，当汽车转弯行驶或在不平路面上行驶时，它能使左右车轮以不同转速滚动，即保证两侧驱动车轮作纯滚动运动。

当汽车转弯时，弯道外侧的车轮转速快，弯道内侧的车轮转速慢，差速器的存在使内外侧的车轮转速得到了合理分配。但是，普通差速器只能平均分配两轮的转矩，即当车辆转弯时，两侧车轮的转矩相等。为了实现车辆更好的控制，外侧驱动轮应当比内侧驱动轮输出更大的转矩，这样能使车辆转弯更加平稳，而且提升了车辆的过弯速度，提高了车辆的安全性、稳定性和机动性能。

在现有的涉及转矩分配的差速器的技术中，如专利(201510072654.X)公开了一种带有双排行星齿轮转矩定向分配机构的电动差速器，包括驱动电机、主差速器、外壳、减速行星齿轮系、耦合行星齿轮组和双行星齿轮系，可以将经过其传输的驱动转矩选择性的定向分配给两输出轴；但是其双排行星齿轮结构复杂，传动链长，占用空间大，可能会影响差速器正常工作。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明公开了一种集成转矩定向分配功能的双电机混合动力驱动桥，主要由主减速器、能分配转矩的差速器、电力驱动装置、半轴和驱动桥壳组成，采用燃料和电力的混合动力模式，定向分配半轴上的输出转矩，提升了车辆行驶的安全性、稳定性和机动性。

本发明的技术方案为：一种双电机混合动力驱动桥，包括主减速器、差速器、电力驱动装置和半轴，所述主减速器包括驱动轴、锥形驱动齿轮和锥形齿圈，所述驱动轴的末端与锥形驱动齿轮固连，锥形驱动齿轮与锥形齿圈啮合；所述差速器包括差速器壳、行星齿轮、太阳齿轮、锥齿轮及转矩分配电机，差速器壳与锥形齿圈固连，差速器壳上通过轴承配合行星齿轮，行星齿轮与太阳齿轮啮合，太阳齿轮嵌套在半轴上，行星齿轮的延伸轴上嵌套有第一锥齿轮、第二锥齿轮，第一锥齿轮、第二锥齿轮的一侧均与第三锥齿轮啮合，第三锥齿轮嵌套在转矩分配电机转子的一端，所述转矩分配电机转子嵌套在差速器壳外围，转矩分配电机转子与转矩分配电机通过磁场相互作用；所述电力驱动装置包括驱动电机和驱动电机转子，驱动电机转子嵌套于第二输出轴外围，且驱动电机转子一端与差速器壳端面紧固，驱动电机转子与驱动电机通过磁场相互作用；所述第一输出轴和第二输出轴构成半轴；所述行星齿轮包括第一行星齿轮和第二行星齿轮；所述太阳齿轮包括第一太阳齿轮和第二太阳齿轮；该驱动桥还包括桥壳，所述驱动轴还与固定在桥壳内部上端的轴承配合；所述差速器壳的两端与固定在桥壳内部两端的轴承配合。

一种双电机混合动力驱动桥的控制方法，该控制方法适用于车辆沿直线行驶或车辆转弯时，电控单元ECU根据车辆需求功率和电池当前电量，在燃料和电力两种动力之间作出驱动模式的选择；电控单元ECU根据车速和方向盘转角，控制分配电机输出转矩的大小，从而实现车辆在转弯工况下的左右车轮驱动力矩差动分配；所述驱动模式包括电力驱动、燃料驱动以及电力和燃料混合驱动，产生四种运行模式：充电运行、电力运行、助推运行和正常运行。

本发明的有益效果是：

本发明在普通差速器的结构基础上，在现有的驱动桥的结构基础上，加装一个驱动电机、一个分配电机和三个锥齿轮，驱动电机与内燃机配合向驱动桥输入动力，分配电机通过三个锥齿轮传递转矩，定向分配第一输出轴和第二输出轴上的输出转矩。驱动电机和分配电机的运行都由电控单元ECU实时控制：ECU根据车辆需求的功率和电池当前的电量，在燃料和电力这两种动力之间做出合适的选择；ECU根据车速和方向盘转角，控制分配电机输出的转矩大小，用以弥补普通车辆转弯时两根输出轴上的转矩无法定向分配的不足，最终实现车辆在不同运动状态下更好地行驶。采用转矩分配电机和三个锥齿轮的组合来实现转矩的定向分配，结构紧凑，传动链短，运行安全可靠；本发明中的驱动电机与内燃机一起将动力输出给两根输出轴，实现了燃料驱动和电力驱动的混合，节约能源、减少废气排放，符合可持续发展的理念，而且行驶过程中噪声小，提升了驾驶舒适性；另外弥补了普通差速器不能定向分配转矩的不足，提升了车辆的过弯速度，提高了车辆行驶时的安全性、稳定性和机动性，使车辆得到了更好的控制。本发明是在普通驱动桥的基础上改进设计而来，因此具有改造加工成本低，制造过程和工艺流程继承性好的特点，且本发明多为机械结构，便于拆装、保养和维修。

附图说明

图1为本发明所述驱动桥的结构示意图；

图2为本发明所述驱动桥的结构简图；

图3为车辆直线行驶时驱动桥的工作状态图；

图4为车辆左转时驱动桥的工作状态图；

图5为车辆右转时驱动桥的工作状态图；

图6为装有所述驱动桥车辆的控制原理图。

图中的标号具体说明如下：

1.驱动轴；2.轴承A；3.驱动桥壳；4.轴承B；5.锥形驱动齿轮；6.锥形齿圈；7.螺栓A；8.差速器壳；9.轴承C；10.螺栓B；11.驱动电机；12.轴承D；13.驱动电机转子；14.第二输出轴；15.第二锥齿轮；16.第二行星齿轮；17.轴承E；18.第二太阳齿轮；19.第一太阳齿轮；20.转矩分配电机；21.转矩分配电机转子；22.轴承F；23.轴承G；24.第一输出轴；25.第三锥齿轮；26.第一锥齿轮；27.轴承H；28.第一行星齿轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明在原有驱动桥的结构基础上，在驱动桥壳内部的两端增加两个电机：一个电机称为驱动电机，用来和内燃机一起输出总驱动转矩，此电机的转子和差速器壳相连，转矩从转子出发，依次通过差速器壳、行星齿轮、太阳齿轮，最终在第一输出轴和第二输出轴上输出；另一个电机称为转矩分配电机，具有定向分配两根输出轴上转矩的功能，转矩分配电机输出的转矩从分配电机的转子出发，依次通过锥齿轮、行星齿轮、太阳齿轮，最终在第一输出轴和第二输出轴上输出，使两根输出轴上的转矩得到分配，车辆转向不同，转矩分配的情况也不同。

如图1所示，本发明一种集成转矩定向分配功能的双电机混合动力驱动桥由主减速器、分配转矩的差速器、电力驱动装置、半轴和驱动桥壳等组成。

所述主减速器主要由驱动轴1、锥形驱动齿轮5和锥形齿圈6组成，驱动轴1与轴承A2、轴承B4配合，轴承A2、轴承B4固定在桥壳3内部上端，驱动轴1的末端与锥形驱动齿轮5通过花键配合，锥形驱动齿轮5与锥形齿圈6啮合，锥形齿圈6由螺栓A7紧固于差速器壳8上；当驱动轴1转动时，转矩依次通过锥形驱动齿轮5、锥形齿圈6、螺栓A7传到差速器壳8，驱动差速器壳8旋转。

所述分配转矩的差速器由差速器壳8、第一行星齿轮28、第二行星齿轮16、第一太阳齿轮19、第二太阳齿轮18、第一锥齿轮26、第二锥齿轮15、第三锥齿轮25、转矩分配电机20和转矩分配电机转子21组成，差速器壳8与固定在桥壳3内部左右两端的轴承C9和轴承G23配合，保证了差速器壳8能在桥壳3内稳定旋转；第一太阳齿轮19和第二太阳齿轮18通过键联接分别嵌套在第一输出轴24和第二输出轴14上，第一太阳齿轮19与第一行星齿轮28啮合，第二太阳齿轮18与第二行星齿轮16啮合，第一行星齿轮28和第二行星齿轮16又分别与固定在差速器壳8上的轴承H27、轴承E17配合；在差速器壳8外部，第一锥齿轮26和第二锥齿轮15通过键联接分别嵌套在第一行星齿轮28、第二行星齿轮16的延伸轴上，第一锥齿轮26和第二锥齿轮15的一侧同时与第三锥齿轮25啮合，第三锥齿轮25通过键联接嵌套在转矩分配电机转子21的右端，转矩分配电机转子21嵌套在差速器壳8外围，并与固定在桥壳3内部左端的转矩分配电机转子轴承22(转矩分配电机转子轴承22位于轴承G23右侧)配合，转矩分配电机20固定于桥壳3内部，位于转矩分配电机转子轴承22和第三锥齿轮25之间，转矩分配电机转子21与转矩分配电机20通过磁场相互作用，转矩分配电机20可以向转矩分配电机转子21输出一定的转矩。

所述电力驱动装置主要由驱动电机11和驱动电机转子13组成，驱动电机11固定于桥壳3内部右端，驱动电机转子13嵌套于第二输出轴14外围，同时，驱动电机转子13的左端通过螺栓B10紧固于差速器壳8右端面，驱动电机转子13的右端与固定在桥壳3内侧最右端的轴承D12配合，驱动电机转子13与驱动电机11通过磁场相互作用，驱动电机11可以对驱动电机转子13输出一定的驱动转矩，驱动转子13及差速器壳8转动。

所述半轴主要由第一输出轴24和第二输出轴14组成，所述驱动桥壳即为桥壳3。

如图2所示，此为所述驱动桥的结构简图。为使工作原理表达更清晰，图2相比于图1略去了桥壳、轴承、螺栓等零件，并对部分构件进行了简化。下面在图2的基础上分别描述当车辆处于不同运动状态时，对应的驱动桥内部构件的工作状况。

在电控单元ECU的控制下，内燃机与驱动电机11相互配合，可以提供四种运行模式：充电运行、电力运行、助推运行和正常运行。当给驱动电机11供电的电池电量不足时，内燃机将产生比推进所需的转矩更大的转矩，内燃机提供的转矩与推进所需转矩的差值则用于给电池充电，将机械能转化为电能；当内燃机输出的转矩很小时，其运行的效率很低，所以此时将停止内燃机运行并转变为电力运行；当车辆需要加速并且所需的转矩大于内燃机的全负荷转矩时，驱动电机11也会开始工作，助推内燃机，从而获得更好的加速性能；其他情况只有内燃机输出转矩，驱动电机不工作，称为正常运行。

如图3所示，此为车辆沿直线行驶时驱动桥的工作原理图，黑色实线箭头表示各构件自转的方向，虚线表示驱动转矩流。当车辆沿直线正常行驶时，动力来自内燃机或者驱动电机：内燃机输出的转矩通过驱动轴1和锥形驱动齿轮5作用于差速器壳8上，使差速器壳8旋转；驱动电机11收到来自电控单元ECU的信号，驱动转子13旋转，从而带动差速器壳8旋转。差速器壳8的转动带动了第一行星齿轮28和第二行星齿轮16的公转，由于此时车辆沿直线正常行驶，第一输出轴24和第二输出轴14的转速相同，所以第一行星齿轮28和第二行星齿轮16不做自转运动。第一锥齿轮26和第二锥齿轮15也只做公转不做自转，公转转速与第一行星齿轮28和第二行星齿轮16相同。转矩分配电机20收到来自电控单元ECU的信号，驱动转矩分配电机转子21旋转，转矩分配电机转子21带动第三锥齿轮25旋转，第三锥齿轮25的运动要求与第一锥齿轮26和第二锥齿轮15同步，即啮合部位互相接触但不产生挤压力，此时转矩分配电机20不对第一行星齿轮28和第二行星齿轮16输出有效转矩，从而不发生转矩的分配。

如图4所示，此为车辆转弯时驱动桥的工作原理图，黑色实线箭头表示各构件的自转方向，黑色虚线箭头表示分配转矩的方向，虚线表示分配转矩流。当车辆转弯时，驱动轴1和驱动电机11正常输入驱动转矩。若当车辆向左侧转弯时，第一输出轴24为弯道内侧半轴，第二输出轴14为弯道外侧半轴，驱动转矩通过差速器壳8传到第一行星齿轮28和第二行星齿轮16上，此时第一行星齿轮28和第二行星齿轮16既做公转又做自转(自转方向如图4中实线箭头)，第一太阳齿轮19和第二太阳齿轮18之间产生相对运动，且第一太阳齿轮19转速慢，第二太阳齿轮18转速快，因此第一输出轴24转速慢，第二输出轴14转速快，从而实现了速度的分配。但是驱动转矩在第一输出轴24和第二输出轴14之间是平均分配，假设驱动轴1和驱动电机11输入的驱动转矩之和为T，那么第一输出轴24和第二输出轴14所受驱动转矩皆为T/2。为了让弯道外侧半轴所受的转矩大于弯道内侧半轴所受的转矩，提高车辆的行驶机动性能，此时转矩分配电机20收到来自电控单元ECU的信号，对转矩分配电机转子21输出额外的分配转矩△T，该转矩通过转矩分配电机转子21、第三锥齿轮25传到第一锥齿轮26和第二锥齿轮15上，则第一锥齿轮26和第二锥齿轮15所受的分配转矩皆为△T/2，大小相等但方向相反。两个大小为△T/2的分配转矩分别通过第一行星齿轮28和第二行星齿轮16传到第一太阳齿轮19和第二太阳齿轮18上，则此时第一太阳齿轮19受到的合转矩为：

第二太阳齿轮18受到的合转矩为：

由于第一输出轴24与第一太阳齿轮19固连，第二输出轴14与第二太阳齿轮18固连，因此第一输出轴24输出的转矩为：

第二输出轴14输出的转矩为：

所以T_O1＜T_O2，从而实现了弯道外侧车轴的转矩大于弯道内侧车轴的转矩，也就是实现了转矩的定向分配。

如图5所示，当车辆右转时，第一输出轴24为弯道外侧半轴，第二输出轴14为弯道内侧半轴。此时分配电机输出的转矩与左转时相反，仍然采用上述分析方法可以得出，此时第一输出轴24输出的转矩为：

第二输出轴14输出的转矩为：

所以T_O1＞T_O2，从而实现了弯道外侧车轴的转矩大于弯道内侧车轴的转矩，也就是实现了转矩的定向分配。

如图6所示，此为装有本驱动桥车辆的控制原理图。根据车辆在不同工况下所需的功率P_需以及电池的当前电量SOC，电控单元ECU发出指令，选择车辆的动力模式，EV表示电力驱动，HEV表示电力和燃料混合驱动。另一方面，根据车速和方向盘的转角，ECU调节分配电机输出转矩大小，从而对输出轴上的转矩进行定向分配，以提高车辆转弯工况下的安全性、稳定性和机动性。驱动桥各部件共同作用，实现车辆在不同运动状态下的安全行驶。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种双电机混合动力驱动桥，其特征在于，包括主减速器、差速器、电力驱动装置和半轴，所述主减速器包括驱动轴(1)、锥形驱动齿轮(5)和锥形齿圈(6)，所述驱动轴(1)的末端与锥形驱动齿轮(5)固连，锥形驱动齿轮(5)与锥形齿圈(6)啮合；所述差速器包括差速器壳(8)、行星齿轮、太阳齿轮、锥齿轮及转矩分配电机，差速器壳(8)与锥形齿圈(6)固连，差速器壳(8)上通过轴承配合行星齿轮，行星齿轮与太阳齿轮啮合，太阳齿轮嵌套在半轴上，行星齿轮的延伸轴上嵌套有第一锥齿轮(26)、第二锥齿轮(15)，第一锥齿轮(26)、第二锥齿轮(15)的一侧均与第三锥齿轮(25)啮合，第三锥齿轮(25)嵌套在转矩分配电机转子(21)的一端，所述转矩分配电机转子(21)嵌套在差速器壳(8)外围，转矩分配电机转子(21)与转矩分配电机(20)通过磁场相互作用；所述电力驱动装置包括驱动电机(11)和驱动电机转子(13)，驱动电机转子(13)嵌套于第二输出轴(14)外围，且驱动电机转子(13)一端与差速器壳(8)端面紧固，驱动电机转子(13)与驱动电机(11)通过磁场相互作用。

2.根据权利要求1所述的双电机混合动力驱动桥，其特征在于，所述第一输出轴(24)和第二输出轴(14)构成半轴。

3.根据权利要求1所述的双电机混合动力驱动桥，其特征在于，所述行星齿轮包括第一行星齿轮(28)和第二行星齿轮(16)。

4.根据权利要求1所述的双电机混合动力驱动桥，其特征在于，所述太阳齿轮包括第一太阳齿轮(19)和第二太阳齿轮(18)。

5.根据权利要求1所述的双电机混合动力驱动桥，其特征在于，该驱动桥还包括桥壳(3)，所述驱动轴(1)还与固定在桥壳(3)内部上端的轴承配合。

6.根据权利要求1或5所述的双电机混合动力驱动桥，其特征在于，所述差速器壳(8)的两端与固定在桥壳(3)内部两端的轴承配合。

7.一种根据权利要求1-6所述的双电机混合动力驱动桥的控制方法，其特征在于，该控制方法适用于车辆沿直线行驶或车辆转弯时，电控单元ECU根据车辆需求功率和电池当前电量，在燃料和电力两种动力之间作出驱动模式的选择；电控单元ECU根据车速和方向盘转角，控制分配电机输出转矩的大小，从而实现车辆在转弯工况下的左右车轮驱动力矩差动分配。

8.根据权利要求7所述的双电机混合动力驱动桥的控制方法，其特征在于，所述驱动模式包括电力驱动、燃料驱动以及电力和燃料混合驱动，产生四种运行模式：充电运行、电力运行、助推运行和正常运行。