一种基于行星传动的液压式混合动力车辆传动系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机械传动和液压传动的混合动力传动技术，具体涉及一种基于行星传 动的液压式混合动力车辆传动系统。
【背景技术】
[0002] 目前的液压式混合动力系统，包括发动机和液压动力系统，液压动力系统以液压 储能器作为储能元件，以液压栗/马达作为动力元件。由于液压动力系统具有功率密度大、 制动能量回收率高、安全可靠、成本低、节能环保等优点，在公交车、工程机械等重型车辆中 应用广泛。
[0003] 目前的传动系统多采用串联式工作模式，即发动机通过液压栗将能量存储后，通 过马达输出动能，但其能量的转化效率较低且所需的发动机、液压栗等峰值功率可能较高。
[0004] 混联式的混合动力传动系统类型目前主要包括基于行星传动的功率耦合机构及 基于离合器的串并联式机构。行星齿轮结构相比于单轴或多轴式的串并联结构，具有体积 小，承载能力强，工作稳定等特点，特别是其可以实现结构紧凑的大功率传动，被广泛的应 用。同时，行星传动可以通过调节发动机的转速并使其与输出的车轮转速解耦，保证发动机 可以工作在最优工作区域中，实现了无级变速(CVT)，且无需变速器，提高了燃油经济性。
[0005] 基于行星传动的混联式混合动力系统，从最初的丰田普锐斯至今，其结构设计方 式不断更新，效率及动力性不断提升的同时，综合油耗也在逐渐减小。基于行星齿轮机构的 结构设计，被大量投入生产应用，相应的针对不同车型的结构选型方法也被广泛研究。根据 不同部件的位置关系，行星齿轮结构又可以分为输入型结构、输出型结构以及复合型结构。 其中输入型结构中电机或马达与输出轴直接或间接相连，输出型结构中电机或马达与发动 机直接或间接相连，复合型结构中则部件互相都没有连接。已经有研究证明，在低速大功率 需求工况中输入型结构效率更高，而高速巡航工况下复合型结构的综合效率较高。根据上 述特点，改进后的行星齿轮系结构可通过制动器或者离合器实现多工作模式，保证全过程 执行效率。
[0006] 目前的大部分研究都集中在具有单输出的基于行星齿轮结构的轮式车辆传动系 统中，也就是说传动系统通过一个输出轴输出需求扭矩，如丰田普锐斯。也有研究人员开始 进行具有前、后轴双输出的(All-wheel Drive，AWD)的行星齿轮结构的研究，但并没有建立 具有双输出的行星齿轮结构的系统方法设计研究，相关研究也刚刚起步。
[0007] 具有双输出的基于行星传动的混联式结构，如果需要双输出的转矩进行分别单独 控制，并且使系统具有无极变速的性能，至少需要具有三个自由度，其设计难度相比于单输 出系统有所增加。如果能够通过设计具有双输出的行星齿轮结构，并且具有三个自由度，同 时实现驱动前、后输出轴和调节发动机工作点，将在提升系统效率的同时使得结构更加紧 凑，集成化程度更高，通过参数设计的方法改变行星齿轮自身的结构参数也能够实现性能 的较大提升。
【发明内容】
[0008] 为了实现具有双输出、三自由度的控制，本发明提出了一种具有三级行星齿轮结 构的混合动力车辆传动系统，该系统可以通过发动机、液压栗/马达、蓄能器及两个输出轴 与行星齿轮系的连接，实现混合动力车辆的动力源耦合，同时可以实现分别控制前、后输出 轴的驱动功能，并且通过模式切换，实现了较高的传动效率。
[0009] 为了实现上述的具有双输出三自由度行星传动的液压式混合动力车辆传动系统 的设计，本发明采用的技术方案为：
[0010] -种基于行星传动的液压式混合动力车辆传动系统，其特征在于:它包括蓄能器， 液压栗/马达，发动机，前、后输出轴，行星齿轮机构，第一、第二离合器，制动器;所述液压 栗/马达有三组，包括第一组液压栗/马达、第二组液压栗/马达、第三组液压栗/马达，所述 行星齿轮机构有三排，包括第一排行星齿轮机构、第二排行星齿轮机构、第三排行星齿轮机 构；其中，所述发动机的输出轴与第一排行星齿轮机构的齿圈传动连接，第一组液压栗/马 达的输出轴与第一排行星齿轮机构的行星架传动连接，第二组液压栗/马达的输出轴与第 一排行星齿轮机构的太阳轮传动连接，第一排行星齿轮机构的行星架与第二排行星齿轮机 构的齿圈传动连接，第三组液压栗/马达的输出轴与第二排行星齿轮机构的太阳轮传动连 接，前输出轴和后输出轴中的一个与第二排行星齿轮机构的行星架传动连接，第二排行星 齿轮机构的齿圈与第三排行星齿轮机构的行星架通过第一离合器传动连接，第二排行星齿 轮机构的太阳轮与第三排行星齿轮机构的太阳轮传动连接，第三排行星齿轮机构的齿圈与 后输出轴和前输出轴中的另一个传动连接，第三排行星齿轮机构的行星架与制动器通过第 二离合器传动连接。
[0011] 进一步地，在所述发动机与所述行星齿轮机构之间、所述液压栗/马达与所述行星 齿轮机构之间、所述前、后输出轴与所述行星齿轮机构之间，任一组连接结构中接有减速机 构;所述行星齿轮机构中齿圈与太阳轮的齿数比，发动机的转矩，液压栗/马达的转动惯量、 力矩和角加速度，都根据车辆需求输出的功率联合匹配。
[0012] 进一步地，所述传动系统的动力学方程为：
[0013]设R1、R2、R3、S1、S 2、S3分别为所述第一、第二、第三排行星齿轮机构的齿圈半径及太 阳轮半径，！。!「、!^^分别为发动机膚输出轴士输出轴及各组液压栗/马达的转动惯量， 忽略行星排自身转动惯量，Teng、Tf+cmt、T r_cmt、Tpm分别为发动机、前输出轴、后输出轴及各组 液压栗/马达的力矩，成每^^分别为发动机^输出轴^输出轴及 各组液压栗/马达的角加速度，F 1、F2、F3分别为第一、第二、第三排行星齿轮机构的内力，则： [0014]在低速大转矩模式下，第一离合器断开，第二离合器闭合，其动力学方程为：
[0018] 进一步地，当其中一组所述液压栗/马达的转速为0时，对应于该组所述液压栗/马 达的输入、输出传动比为0.5~1时，适合高速巡航工况;对应于该组所述液压栗/马达的输 入、输出传动比为1.5~4时，适合低速启动工况。
[0019] 进一步地，当车辆处于倒挡行驶时，所述第一离合器断开，第二离合器闭合，此时 所述发动机处于工作或不工作状态均可，通过调节第一组液压栗/马达和第三组液压栗/马 达的转速及转矩实现倒退功能。
[0020] 进一步地，当车辆处于液压驱动行驶工况中，在低速和高速两个模式下，分别根据 行驶需求的功率，调节第一组液压栗/马达和第三组液压栗/马达的转速及转矩，第二组液 压栗/马达只进行转速调节，以维持所述发动机不工作或在允许转速内空转即可。
[0021] 进一步地，当车辆处于制动能量回收时，在低速和高速两个模式下，分别根据两个 前、后输出轴中的制动功率，调节第一组液压栗/马达、第二组液压栗/马达和第三组液压 栗/马达的转速及转矩，同时使发动机停止工作，并将回收的液压能储存于所述蓄能器中。 [0022]本发明的优点可以概括如下：
[0023] 1.本发明通过三排行星齿轮系实现了基于行星传动的具有双输出功能的液压式 混合动力传动系统，该系统可以分别控制前、后输出轴，实现车辆更优秀的操控性能和动力 性能。
[0024] 2.本发明是一款新型的液压混合动力驱动系统，可实现双工作模式切换，两个模 式分别适用于低速启动爬坡及高速巡航工况，使整个动力系统的效率大大提升。
[0025] 3.本发明通过设置一个发动机、三个液压栗/马达和两个输出轴，具有三个自由 度，可以在分别控制两个输出轴的同时，控制发动机的工作点，使得发动机始终工作在最佳 的效率区域。
[0026] 4.本发明通过行星传动结构实现了混联式驱动工作模式，可以大大提高系统的传 动效率，可根据不同的工况通过对发动机及液压栗/马达协调控制，实现混联式驱动。
[0027] 5.本发明充分利用液压栗/马达的功能，三个液压栗/马达除可以调节发动机工作 点，完成驱动过程外，在制动中也可以实现制动能量的回收。
[0028] 6.本发明传动系统结构无需设置倒挡，可以直接通过控制液压栗/马达，实现倒退 功能。
[0029] 7.本发明可以直接通过控制两个液压栗/马达启动发动机，或实现利用液压能驱 动车辆的模式。
[0030] 8.本发明结构布置紧凑，集成性高，整体传动系统体积小，整车结构布置容易。
[0031] 总之，本发明采用三排行星齿轮的结构，可以减小对发动机、液压栗/马达的功率 需求，降低对部件的转速转矩要求，减小了系统的加工和制造难度。系统结构通过利用离合 器一对液压栗/马达与第三级星齿轮排的行星架相互连接进行控制，以及利用离合器二和 制动器对第三级星齿轮排的行星架进行锁止控制，得到两个操作模式，提高了系统的整