四轮驱动系统及车辆的制作方法

[0001]
本发明涉及车辆领域，更具体地涉及四轮驱动系统及包括该四轮驱动系统的车辆。


背景技术：

[0002]
目前，车辆中常用的四轮驱动系统包括分时四驱系统和适时四驱系统。分时四驱系统和适时四驱系统都可以在两轮驱动状态和四轮驱动状态之间切换，一般只有在例如车辆需要越野的适当情况下才会切换为四轮驱动状态。
[0003]
分时四驱系统需要手动切换两轮驱动状态和四轮驱动状态。在四轮驱动状态下，输出扭矩基本是以同样的大小传递到车辆的两个驱动轴。但是现有的分时四驱系统在四轮驱动状态下会产生弯道制动现象，使得车辆转向成为问题。
[0004]
适时四驱系统中的驱动状态的转换的通常实现方式包括液力耦合机构、多片离合器等各种机械结构。但是现有的适时四驱系统虽然可以通过上述各种机械机构实现在两轮驱动状态和四轮驱动状态之间的切换，但是存在响应慢、系统可靠性低、精度不够、越野能力有限等问题。


技术实现要素：

[0005]
鉴于上述现有技术的问题而做出本发明。本发明的一个发明目的在于提供一种新型的四轮驱动系统，使得其能够避免上述的分时四驱系统和适时四驱系统所固有的问题。另外，本发明的另一个发明目的在于提供包括上述四轮驱动系统的车辆。
[0006]
为了实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案。
[0007]
本发明提供了一种如下的四轮驱动系统，所述四轮驱动系统包括：
[0008]
变速器，所述变速器包括同轴配置的第一行星齿轮机构和第二行星齿轮机构，所述第一行星齿轮机构包括第一太阳轮、多个第一行星轮、第一行星轮架和第一齿圈，所述第二行星齿轮机构包括第二太阳轮、多个第二行星轮、第二行星轮架和第二齿圈，所述第一行星轮架和所述第二行星轮架彼此固定；
[0009]
发动机，所述发动机的输出轴与所述第一太阳轮的第一太阳轮轴传动联接或以同轴的方式直接连接；
[0010]
第一电机，所述第一电机的输入/输出轴与所述第二太阳轮的第二太阳轮轴传动联接或以同轴的方式直接连接；以及
[0011]
第一制动器，所述第一制动器设置于所述第二行星轮架和所述第二齿圈之间，并且所述第一制动器接合之后能够使得所述第二行星轮架和所述第二齿圈彼此锁止固定，
[0012]
其中，所述第一齿圈锁止固定或者与除了所述发动机和所述第一电机以外的附加动力源传动联接，所述第一行星轮架用于向车辆的第一驱动轴传递扭矩，所述第二齿圈用于向所述车辆的第二驱动轴传递扭矩。
[0013]
优选地，所述附加动力源为第二电机。
[0014]
更优选地，所述四轮驱动系统还包括：第二制动器，所述第二制动器接合之后能够使得所述第一太阳轮锁止固定；以及第三制动器，所述第三制动器接合之后能够使得所述第一齿圈锁止固定。
[0015]
更优选地，所述第一制动器、所述第二制动器和/或所述第三制动器为离合器。
[0016]
更优选地，所述四轮驱动系统还包括控制模块，所述控制模块能够控制所述四轮驱动系统使所述四轮驱动系统实现分时四驱模式和适时四驱模式，所述第一制动器接合使得所述第二行星轮架和所述第二齿圈彼此锁止固定，以使所述四轮驱动系统实现所述分时四驱模式，并且所述第一制动器断开使得所述第二行星轮架和所述第二齿圈解除所述锁止固定，以使所述四轮驱动系统实现所述适时四驱模式。
[0017]
更优选地，当所述四轮驱动系统实现所述适时四驱模式时，当所述第一电机不输出扭矩时，所述四轮驱动系统能够实现两轮驱动状态，当所述第一电机输出负扭矩时，所述四轮驱动系统实现四轮驱动状态。
[0018]
更优选地，当所述四轮驱动系统实现所述适时四驱模式时，
[0019]
满足t
out1
＝t
ice
+t
mg2
+(1+i2)t
mg1
以及t
out2
＝-i2t
mg1
[0020]
其中，i2为当所述第二行星轮架锁止固定时从所述第二太阳轮到所述第二齿圈的传动比，t
ice
为所述第一太阳轮的扭矩，t
mg1
为所述第二太阳轮的扭矩，t
mg2
为所述第一齿圈的扭矩，t
out1
为所述第一行星轮架的输出扭矩，t
out2
为所述第二齿圈的输出扭矩。
[0021]
更优选地，当所述四轮驱动系统实现所述适时四驱模式时，所述四轮驱动系统能够实现功率分流驱动模式，在该功率分流驱动模式中所述第二制动器和所述第三制动器均断开。
[0022]
更优选地，当所述四轮驱动系统实现所述分时四驱模式时，所述第二行星轮架与所述第二齿圈刚性连接，所述四轮驱动系统始终实现四轮驱动状态。
[0023]
本发明还提供了一种如下的车辆，所述车辆包括以上技术方案中任意一项技术方案所述的四轮驱动系统。
[0024]
通过采用上述技术方案，本发明提供了一种新型的四轮驱动系统及包括该四轮驱动系统的车辆。该四轮驱动系统包括行星架彼此固定的两个行星齿轮机构、与第一太阳轮传动联接的发动机以及与第二太阳轮传动联接的第一电机。进一步地，第一齿圈锁止固定或者与附加动力源传动联接，第二行星轮架与第二齿圈能够通过第一制动器的接合而锁止固定，第一行星轮架用于向车辆的一个驱动轴传递扭矩且第二齿圈用于向第二驱动轴传递扭矩。
[0025]
这样，通过第一制动器的接合/断开，根据本发明的四轮驱动系统能够在适时四驱模式和分时四驱模式之间切换，从而不存在如仅具有单一四驱模式的传统的四轮驱动系统那样的固有问题。
附图说明
[0026]
图1a是示出了根据本发明的第一实施方式的四轮驱动系统的拓扑结构图；图1b是示出了图1a中的四轮驱动系统在适时四驱模式下的力矩分析杠杆图；图1c是示出了图1a中的四轮驱动系统在分时四驱模式下的力矩分析杠杆图。
[0027]
图2a是示出了根据本发明的第二实施方式的四轮驱动系统的拓扑结构图；图2b是
示出了图2a中的四轮驱动系统在适时四驱模式下的力矩分析杠杆图；图2c是示出了图2a中的四轮驱动系统在分时四驱模式下的力矩分析杠杆图。
[0028]
附图标记说明
[0029]
ice发动机mg1第一电机mg2第二电机s1第一太阳轮p1第一行星轮架pg1第一行星轮r1第一齿圈s2第二太阳轮p2第二行星轮架pg2第二行星轮r2第二齿圈b1第一制动器b2第二制动器b3第三制动器g1第一输出齿轮g2第二输出齿轮g3行星轮架输出齿轮g4输入/输出齿轮fd1第一驱动轴fd2第二驱动轴gb齿轮箱。
具体实施方式
[0030]
下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。在本发明中，“传动联接”是指两个部件之间能够传递驱动力/扭矩，如无特殊说明，表示这两个部件之间采用直接连接或者经由传统的齿轮副等已知的扭矩传动机构传递驱动力/扭矩。
[0031]
(根据本发明的第一实施方式的四轮驱动系统的结构)
[0032]
如图1a所示，根据本发明的第一实施方式的四轮驱动系统包括一个发动机ice、两个电机(即第一电机mg1和第二电机mg2)和变速器。
[0033]
具体地，在本实施方式中，变速器包括以同轴的方式并排配置的两个行星齿轮机构，以及三个制动器(即第一制动器b1、第二制动器b2和第三制动器b3)。
[0034]
第一行星齿轮机构包括彼此啮合的第一太阳轮s1、多个第一行星轮pg1、第一齿圈r1以及用于保持多个第一行星轮pg1的第一行星轮架p1。第一太阳轮s1的第一太阳轮轴朝向图1a中的右侧延伸且以与发动机ice的输出轴同轴的方式与发动机ice的输出轴直接连接。上述“以同轴的方式直接连接”表示第一太阳轮轴与发动机ice的输出轴可以为同一个轴或者第一太阳轮轴与发动机ice的输出轴两者之间以同轴的方式刚性连接，在本申请中的相同表述具有同样的含义。第一行星轮架p1固定有行星轮架输出齿轮g3，该行星轮架输出齿轮g3与第一输出齿轮g1始终处于啮合状态，使得能够将来自第一行星轮架p1的扭矩传递到第一驱动轴fd1。第一齿圈r1与固定于第二电机mg2的输入/输出轴的输入/输出齿轮g4始终处于啮合状态。
[0035]
第二行星齿轮机构包括彼此啮合的第二太阳轮s2、多个第二行星轮pg2、第二齿圈r2以及用于保持多个第二行星轮pg2的第二行星轮架p2。第二太阳轮s2的第二太阳轮轴朝向图1a中的左侧延伸且以与第一电机mg1的输入/输出轴同轴的方式与第一电机mg1的输入/输出轴直接连接。第二行星轮架p2与第一行星轮架p1彼此固定。也就是说，在本实施方式中，第二行星齿轮机构与第一行星齿轮机构共用一个行星轮架。另外，为了实现具有不同径向尺寸的第二行星轮架p2和第一行星轮架p1之间的固定，可以根据需要在第二行星轮架p2和第一行星轮架p1之间设置固定连接部。第二齿圈r2与第二输出齿轮g2始终处于啮合状态，使得来自第二齿圈r2的扭矩能够传递到第二驱动轴fd2。
[0036]
另外，第一制动器b1设置在第二齿圈r2和第二行星轮架p2之间，使得在第一制动器b1接合时第二齿圈r2与第二行星轮架p2锁止固定。进一步地，第二制动器b2接合时第一太阳轮s1被锁止固定，第三制动器b3接合时第一齿圈r1被锁止固定。
[0037]
进一步地，在本实施方式中，发动机ice例如为四缸发动机并且设置于变速器的一侧(图1a中的右侧)。一方面，如上所述，发动机ice的输出轴以与第一太阳轮s1的第一太阳轮轴同轴的方式与该第一太阳轮轴直接连接；另一方面，发动机ice的输出轴经由第二制动器b2与例如变速器的壳体连接，使得当第二制动器b2接合之后发动机ice的输出轴相对于例如变速器的壳体固定，从而锁止发动机的输出轴进而使得第一太阳轮s1被锁止固定。
[0038]
在本实施方式中，相对于变速器，第一电机mg1设置在发动机ice所在侧的相反侧(图1a中的左侧)。如上所述，第一电机mg1的输入/输出轴以与第二太阳轮s2的第二太阳轮轴同轴的方式与该第二太阳轮轴直接连接,使得第一电机mg1和第二太阳轮轴之间能够双向传递驱动力/扭矩。这样，在第一电机mg1由作为储能装置的示例的电池(未示出)供给电能的情况下，第一电机mg1能够作为电动机向第二太阳轮轴传递扭矩，在第一电机mg1获得来自第二太阳轮轴的扭矩的情况下，第一电机mg1能够作为发电机向电池充电。
[0039]
在本实施方式中，相对于变速器，第二电机mg2设置在发动机ice所在侧的相同侧(图1a中的右侧)。如上所述，第二电机mg2的输入/输出轴经由输入/输出齿轮g4与第一齿圈r1传动联接，使得第二电机mg2和第一齿圈r1之间能够双向传递驱动力/扭矩。这样，在第二电机mg2由作为储能装置的示例的电池(未示出)供给电能的情况下，第二电机mg2能够作为电动机向第一齿圈r1传递扭矩，当第二电机mg2获得来自第一齿圈r1的扭矩的情况下，第二电机mg2能够作为发电机向电池充电。另外，第二电机mg2的输入/输出轴经由第三制动器b3与例如变速器的壳体连接，当第三制动器b3接合之后第二电机mg2的输入/输出轴相对于例如变速器的壳体固定进而使得第一齿圈r1被锁止固定。
[0040]
通过以上的说明可知，在本实施方式中，第二行星轮架p2与第二齿圈r2经由第一制动器b1连接，使得第一制动器b1接合之后第二行星轮架p2和第二齿圈r2彼此锁止固定。发动机ice的输出轴经由第二制动器b2与例如变速器的壳体连接，使得第二制动器b2接合之后能够使发动机ice的输出轴相对于例如变速器的壳体固定，进而使得第一太阳轮s1被锁止固定。第二电机mg2的输入/输出轴经由第三制动器b3与例如变速器的壳体连接，使得第三制动器b3接合之后能够使第二电机mg2的输入/输出轴相对于例如变速器的壳体固定，进而使得第一齿圈r1被锁止固定。这样，通过这三个制动器b1、b2、b3能够灵活地控制四轮驱动系统处于不同的工作模式。这三个制动器b1、b2、b3可以采用传动的制动器，也可以采用离合器等。
[0041]
以上详细地说明了根据本发明的第一实施方式的四轮驱动系统的具体结构，以下将说明该四轮驱动系统的工作模式。
[0042]
(根据本发明的第一实施方式的四轮驱动系统的工作模式)
[0043]
在图1a中示出的根据本发明的第一实施方式的四轮驱动系统还包括控制模块(未示出)，该控制模块能够通过控制第一制动器b1的接合/断开来控制该四轮驱动系统处于两种四轮驱动模式，即适时四驱模式和分时四驱模式。具体地，当第一制动器b1接合之后使得第二行星轮架p2与第二齿圈r2锁止固定时，该四轮驱动系统实现分时四驱模式；当第一制动器b1断开之后使得第二行星轮架p2与第二齿圈r2的锁止固定被解除时，该四轮驱动系统实现适时四驱模式。另外，在以上的两种四驱模式中根据不同的情况还能够实现多种子模式。
[0044]
在以下的表1中示出了两种四驱模式中三个制动器b1、b2、b3的工作状态以及两种
四驱模式下的主要子模式。
[0045]
表1
[0046][0047]
以下将结合表1说明根据本发明的四轮驱动系统的适时四驱模式。
[0048]
当根据本发明的四轮驱动系统处于适时四驱模式时，第一制动器b1断开。根据图1b中的力矩分析杠杆图，两个行星齿轮机构的行星轮架p1和p2将扭矩传递到作为主要动力输出轴的第一驱动轴fd1，对车辆进行驱动。
[0049]
如果第一驱动轴fd1的附着力充足，则第一电机mg1为随动状态不输出扭矩，所有的扭矩都通过第一驱动轴fd1输出。这时，根据本发明的四轮驱动系统处于两轮驱动状态。
[0050]
如果第一驱动轴fd1附着力不足而发生打滑，则第一驱动轴fd1转速升高，第一电机mg1将输出负扭矩对第一驱动轴fd1进行限滑，将一部分用于驱动的扭矩由第一驱动轴fd1传到第二驱动轴fd2。这时，根据本发明的四轮驱动系统处于四轮驱动状态。在该状态下，第一驱动轴fd1多余的扭矩的一部分被传递到第二驱动轴fd2进行辅助驱动，一部分则驱动第一电机mg1将能量回收到电池。
[0051]
上述的适时四驱模式适用于日常驱动，具有很好的平顺性经济性，在轮胎发生打滑的时候，也可以快速精确的响应，实现脱困。在适时四驱模式下，满足如下公式：
[0052]
t
out1
＝t
ice
+t
mg2
+(1+i2)t
mg1
以及t
out2
＝-i2t
mg1
[0053]
其中，i2为当第二行星轮架p2锁止固定时从第二太阳轮s2到第二齿圈r2的传动比，t
ice
为第一太阳轮s1的扭矩，t
mg1
为第二太阳轮s2的扭矩，t
mg2
为第一齿圈r1的扭矩，t
out1
为第一行星轮架p1的输出扭矩，t
out2
为第二齿圈r2的输出扭矩。
[0054]
进一步地，将根据表1说明当根据本发明的四轮驱动系统处于适时四驱模式时的子模式。
[0055]
当根据本发明的四轮驱动系统处于适时四驱模式，并且第二制动器b2接合且第三制动器b3断开时，该四轮驱动系统能够实现纯电机驱动模式。此时，发动机ice的输出轴与
第一太阳轮s1均被锁止固定。当第二电机mg2单独工作时，根据本发明的四轮驱动系统能够处于两轮驱动状态；当第一电机mg1和第二电机mg2同时工作时，根据本发明的四轮驱动系统能够处于四轮驱动状态。
[0056]
当根据本发明的四轮驱动系统处于适时四驱模式，并且第二制动器b2断开且第三制动器b3接合时，该四轮驱动系统能够实现纯发动机驱动模式。此时，第二电机mg2的输入/输出轴和第一齿圈r1均被锁止固定。发动机ice工作，根据本发明的四轮驱动系统能够处于两轮驱动状态。
[0057]
当根据本发明的四轮驱动系统处于适时四驱模式，并且第二制动器b2和第三制动器b3均断开时，该四轮驱动系统能够实现功率分流模式。此时，发动机ice工作在最佳工况下，第一电机mg1工作以输出负扭矩，第二电机mg2根据第一驱动轴fd1和第二驱动轴fd2之间的扭矩分配等条件调节其输出扭矩，根据本发明的四轮驱动系统能够处于四轮驱动状态。
[0058]
以下将结合表1说明根据本发明的四轮驱动系统的分时四驱模式。
[0059]
当根据本发明的四轮驱动系统处于分时四驱模式时，第一制动器b1接合。根据图1c中的力矩分析杠杆图，扭矩会平均分配到第一驱动轴fd1和第二驱动轴fd2。一旦第一驱动轴fd1和第二驱动轴fd2中的一者附着力下降，扭矩会转移到附着力高的另一者。在此模式下，车辆具很强的越野脱困能力。
[0060]
进一步地，将根据表1说明当根据本发明的四轮驱动系统处于分时四驱模式时的子模式。
[0061]
当根据本发明的四轮驱动系统处于分时四驱模式，并且第二制动器b2接合且第三制动器b3断开时，该四轮驱动系统能够实现纯电机驱动模式。此时，发动机ice的输出轴与第一太阳轮s1均被锁止固定。第一电机mg1和/或第二电机mg2工作，根据本发明的四轮驱动系统能够处于四轮驱动状态。
[0062]
当根据本发明的四轮驱动系统处于分时四驱模式，并且第二制动器b2断开且第三制动器b3接合时，该四轮驱动系统能够实现纯发动机驱动模式。此时，第二电机mg2的输入/输出轴和第一齿圈r1均被锁止固定。发动机ice工作，根据本发明的四轮驱动系统能够处于四轮驱动状态。
[0063]
当根据本发明的四轮驱动系统处于分时四驱模式，并且第二制动器b2和第三制动器b3均断开时，该四轮驱动系统能够实现并联混动驱动模式。此时，发动机ice工作，第一电机mg1和/或第二电机mg2工作，各驱动源分别通过各自的传递路径向各驱动轴传递扭矩，根据本发明的四轮驱动系统能够处于四轮驱动状态。
[0064]
以上说明了根据本发明的第一实施方式的四轮驱动系统的结构以及工作模式，以下将说明根据本发明的第二实施方式的四轮驱动系统的结构以及工作模式。
[0065]
(根据本发明的第二实施方式的四轮驱动系统的结构和工作模式)
[0066]
根据本发明的第二实施方式的四轮驱动系统的基本结构与根据本发明的第一实施方式的四轮驱动系统的基本结构大致相同，以下仅对两者之间的不同之处进行说明。如图2a所示，在根据本发明的第二实施方式的四轮驱动系统中，发动机ice经由例如传统的变速箱的齿轮箱gb与第一太阳轮s1传动联接，相比第一实施方式省略了第二电机mg2、第二制动器b2和第三制动器b3，并且将第一齿圈r1与例如变速器的壳体锁止固定。
[0067]
基于第一制动器b1的接合/断开，根据本发明的第二实施方式的四轮驱动系统同样能够实现如第一实施方式中类似的适时四驱模式(第一制动器b1断开)和分时四驱模式(第一制动器b1接合)，图2b和图2c分别示出了在适时四驱模式下和分时四驱模式下的力矩杠杆分析图。由于与第一实施方式类似，因此在这里就不对本实施方式的四驱驱动系统的适时四驱模式和分时四驱模式的具体情况进行详细说明了。
[0068]
通过采用根据本发明的第二实施方式的四轮驱动系统，能够容易地将本发明的技术构思与传动车辆相接合。
[0069]
以上内容对本发明的具体实施方式进行了详细地的阐述，但是还需要说明以下几点。
[0070]
i.根据本发明的四轮驱动系统具有如下的主要特点：
[0071]
基于包括两个并排的行星齿轮机构的混合动力系统设计了能够实现适时四驱模式的四轮驱动系统，通过混合动力系统的扭矩分配策略实现了适时四驱模式，进一步将功率分流模式与适时四驱模式相结合；
[0072]
根据本发明的四轮驱动系统可以通过制动器的接合/断开使驱动模式在分时四驱模式以及适时四驱模式之间切换；
[0073]
根据本发明的四轮驱动系统通过一个调速电机(上述实施方式中的第一电机)配合行星齿轮机构，使得能够在两个驱动轴之间进行扭矩分配，建立了一套通过电机实现(不同于传统机械控制实现)的四轮驱动系统；以及
[0074]
调速电机不仅实现两个驱动轴之间的扭矩分配功能，同时兼备发动机工作点调节功能以及发电机的功能，可以积极响应不同的需求工况。
[0075]
ii.通过采用根据本发明的四轮驱动系统，还能够实现如下的有益效果：
[0076]
根据本发明的四轮驱动系统完全基于功率分流式的混合动力系统开发，无需添加额外的复杂机械结构，结构简单；
[0077]
根据本发明的四轮驱动系统可以根据需求在适时四驱模式与分时四驱模式之间切换，以应对不同路况需求，利用了两种驱动模式的优点进行互补；
[0078]
根据本发明的四轮驱动系统使用电机扭矩控制实现在两个驱动轴之间的扭矩分配功能，因此相比传统机械控制具有响应更快、精度更高、控制更简单等优势，同时也不存在传统适时四轮驱动系统容易失效的缺陷；
[0079]
当根据本发明的四轮驱动系统处于适时四驱模式时，理论上可以将超过50％的扭矩传到非主驱动轴；以及
[0080]
根据本发明的四轮驱动系统基于混合动力系统开发，但是经过调整同样可以应用于传统动力车辆。
[0081]
iii.在本发明中所涉及的公式中，t
mg1
是指与第一电机mg1相连的第二太阳轮s2的扭矩而不是第一电机mg1的扭矩，这是因为第一电机mg1的扭矩和转速与第二太阳轮s2的扭矩存在差别，这种差别是由第一电机mg1输入/输出轴和第二太阳轮s2的第二太阳轮轴连接结构中可能存在的同轴连接器等产生传动比的结构所产生的结果。同理，其它参数具有类似的情况。