一种基于单行星系统的机电混合发动机的制作方法

车辆装置的制造及其改造技术1.本发明属于机电混合发动机技术领域，具体涉及一种基于单行星系统的机电混合发动机。背景技术：2.目前商用车发动机匹配的风扇主要有硅油离合器风扇、电磁离合器风扇、机械风扇。同时通过发动机前端皮带轮系带动发电机工作，对整车蓄电池进行充电。在发动机后端利用飞轮与曲轴之间的传动比由带一级减速系统的起动机带动飞轮旋转，进而反拖发动机使之启动。3.硅油离合器由于其工作原理,风扇与驱动轴之间不可避免的存在滑差,因此存在较多的能量损失。同时硅油离合器风扇无法同时满足发动机在高速大负荷和低速大负荷工况下的冷却需求,即硅油离合器风扇存在低速时冷却能力不足或高速时冷却能力过强的问题。此外硅油离合器风扇还存在转速调节响应较慢的问题。4.电磁离合器风扇通常只有一挡或两挡调速，换挡冲击大、无法实现无级调速，同硅油离合器风扇相同存在低速是能力不足或高速时冷却能力过强的问题。5.机械风扇通过发动机前端皮带轮系直接与其连接，故在发动机工作过程一直跟随其转动，其主要缺点为：风扇转速无法调整、发动机无冷却需求时存在能量浪费，故目前机械风扇在商用车上应用较少。6.常规发动机需要单独的发电机对蓄电池进行充电，保证整车基本电耗，启动时需要单独的起动机倒拖发动机。且风扇、发电机、起动机的能量来源均通过发动机做功转换而来。技术实现要素：7.本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种基于单行星系统的机电混合发动机，能够实现发动机和电机输出的耦合，从而实现风扇的无极调速。8.本发明采用的技术方案是：一种基于单行星系统的机电混合发动机，其特征在于：包括发动机、电机、两档换挡机构、第一传动轴、第二传动轴、风扇、行星齿轮系和蓄电池；所述行星齿轮系包括外齿圈、太阳轮和行星齿轮架；所述第一传动轴与行星齿轮系中的行星齿轮架相连接；所述电机的输出轴通过两档换挡机构与行星齿轮系中的太阳轮相连接；所述电机的输出端与蓄电池的输入端电连接；所述发动机与行星齿轮系中的外齿圈相连接；所述第二传动轴一侧与风扇相连接，另一侧通过单向轴承或者锁止机构与第一传动轴相连接；所述发动机不包含起动机、发电机装置；当外部控制器检测到蓄电池需要充电时，启动电机的充电功能：电机将其输出轴在跟随行星齿轮架转动的过程中产生的电能输出至蓄电池；当外部控制器检测到蓄电池不需要充电时，关闭电机的充电功能。9.上述技术方案中，发动机启动时，两档换挡机构处于2挡位置；通过单向轴承或者锁止装置，使第二传动轴不跟随第一传动轴一起转动，电机通过两档换挡机构和行星齿轮系减速后，获得足够大扭矩，以此拖动发动机启动；除发动机启动工况外，整车正常行驶过程时两档换挡机构均处于1挡位置。10.上述技术方案中，发动机水温较低，无需风扇散热时，发动机带动外齿圈正转，第一传动轴跟随行星齿轮架正转；通过单向轴承或者锁止装置，使第二传动轴不跟随第一传动轴一起转动，风扇的转速为0；此时电机不锁止、不驱动，电机通过两档换挡机构的一档跟随行星齿轮系中的太阳轮空转。11.上述技术方案中，发动机水温较高，需要风扇进行散热时，发动机带动外齿圈正转，第一传动轴跟随行星齿轮架正转；单向轴承或者锁止装置脱开，使第二传动轴与第一传动轴相连；此时风扇通过第二传动轴和第一传动轴跟随行星齿轮架同步转动；同时电机施加反向扭矩，发动机通过行星齿轮系带动风扇转动。12.上述技术方案中，当发动机散热需求增加时，增加电机反向扭矩，降低太阳轮正转速度，使行星齿轮架正向转速升高，进而提高风扇转速；当发动机散热需求降低，降低电机反向扭矩，提高太阳轮正转速度，使得行星齿轮架正向转速降低，进而降低风扇转速。13.本发明提供了一种基于单行星系统的机电混合发动机，其特征在于：包括发动机、电机、两档换挡机构、第一传动轴、第二传动轴、风扇、行星齿轮系和蓄电池；所述行星齿轮系包括外齿圈、太阳轮和行星齿轮架；所述第一传动轴与行星齿轮系中的太阳轮相连接；所述电机的输出轴通过两档换挡机构与行星齿轮系中的行星齿轮架相连接；所述电机的输出端与蓄电池的输入端电连接；所述发动机与行星齿轮系中的外齿圈相连接；所述第二传动轴一侧与风扇相连接，另一侧通过单向轴承或者锁止机构与第一传动轴相连接；所述发动机不包含起动机、发电机装置；当外部控制器检测到蓄电池需要充电时，启动电机的充电功能：电机将其输出轴在跟随行星齿轮架转动的过程中产生的电能输出至蓄电池；当外部控制器检测到蓄电池不需要充电时，关闭电机的充电功能。14.上述技术方案中，发动机启动时，两档换挡机构处于2挡位置；通过单向轴承或者锁止装置，使第二传动轴不跟随第一传动轴一起转动，电机通过两档换挡机构和行星齿轮系减速后，获得足够大扭矩，以此拖动发动机启动；除发动机启动工况外，整车正常行驶过程时两档换挡机构均处于1挡位置。15.上述技术方案中，发动机水温较低，无需风扇散热时，发动机带动外齿圈正转，第一传动轴跟随太阳轮正转；通过单向轴承或者锁止装置，使第二传动轴不跟随第一传动轴一起转动，风扇的转速为0；此时电机不锁止、不驱动，电机通过两档换挡机构的一档跟随行星齿轮系中的行星齿轮架空转。16.上述技术方案中，发动机水温较高，需要风扇进行散热时，发动机带动外齿圈正转，第一传动轴跟随行星齿轮架正转；单向轴承或者锁止装置脱开，使第二传动轴与第一传动轴相连；此时风扇通过第二传动轴和第一传动轴跟随太阳轮同步转动；同时电机施加反向扭矩，发动机通过行星齿轮系带动风扇转动。17.上述技术方案中，当发动机散热需求增加时，增加电机反向扭矩，降低行星齿轮架正转速度，使太阳轮正向转速升高，进而提高风扇转速；当发动机散热需求降低，降低电机反向扭矩，提高行星齿轮架正转速度，使得太阳轮正向转速降低，进而降低风扇转速。18.本发明提供了一种基于单行星系统的机电混合发动机，其特征在于：包括发动机、电机、两档换挡机构、第一传动轴、第二传动轴、风扇、行星齿轮系和蓄电池；所述行星齿轮系包括外齿圈、太阳轮和行星齿轮架；所述第一传动轴与行星齿轮系中的外齿圈相连接；所述电机的输出轴通过两档换挡机构与行星齿轮系中的行星齿轮架相连接；所述电机的输出端与蓄电池的输入端电连接；所述发动机与行星齿轮系中的太阳轮相连接；所述第二传动轴一侧与风扇相连接，另一侧通过单向轴承或者锁止机构与第一传动轴相连接；所述发动机不包含起动机、发电机装置；当外部控制器检测到蓄电池需要充电时，启动电机的充电功能：电机将其输出轴在跟随行星齿轮架转动的过程中产生的电能输出至蓄电池；当外部控制器检测到蓄电池不需要充电时，关闭电机的充电功能。19.上述技术方案中，发动机启动时，两档换挡机构处于2挡位置；通过单向轴承或者锁止装置，使第二传动轴不跟随第一传动轴一起转动，电机通过两档换挡机构和行星齿轮系减速后，获得足够大扭矩，以此拖动发动机启动；除发动机启动工况外，整车正常行驶过程时两档换挡机构均处于1挡位置。20.上述技术方案中，发动机水温较低，无需风扇散热时，发动机带动太阳轮正转，第一传动轴跟随外齿圈正转；通过单向轴承或者锁止装置，使第二传动轴不跟随第一传动轴一起转动，风扇的转速为0；此时电机不锁止、不驱动，电机通过两档换挡机构的一档跟随行星齿轮系中的行星齿轮架空转。21.上述技术方案中，发动机水温较高，需要风扇进行散热时，发动机带动太阳轮正转，第一传动轴跟随外齿轮正转；单向轴承或者锁止装置脱开，使第二传动轴与第一传动轴相连；此时风扇通过第二传动轴和第一传动轴跟随外齿圈同步转动；同时电机施加反向扭矩，发动机通过行星齿轮系带动风扇转动。22.上述技术方案中，当发动机散热需求增加时，增加电机反向扭矩，降低行星齿轮架正转速度，使外齿圈正向转速升高，进而提高风扇转速；当发动机散热需求降低，降低电机反向扭矩，提高行星齿轮架正转速度，使得外齿圈正向转速降低，进而降低风扇转速。23.本发明的有益效果是：通过调整发动机与外齿圈的传动比、外齿圈与太阳轮的传动比，使得在风扇全转速范围内电机多数工况处于发电模式，避免电机频繁在发电模式和驱动模式之间跳转，减少电能的过多消耗和电机转速过零控制。本发明通过行星齿轮结构实现发动机和电机转速的耦合，结构紧凑的同时有较高的能量传递效率；该机构能在电机功率消耗较小的情况下实现风扇的无级调速；该机构通过单向轴承或锁止机构的方式实现风扇的完全脱开。本发明通过两档换挡机构在保证电机转速不至过高的前提下，满足发动机启动扭矩需求。本发明通过电机回收整车制动过程的制动能，可有效降低发动机油耗。本发明可实现取消原发动机匹配的发电机、起动机的目的，降低整机成本。本发明电机在发动机低速低负荷工况下对外输出功，以平衡发动机摩擦功，提升机械效率。附图说明24.图1为本发明具体实施例1的结构示意图；25.图2为本发明具体实施例1的电机功率曲线示意图；26.图3为本发明具体实施例1的电机转速曲线示意图；27.图4为本发明具体实施例1的电机扭矩曲线示意图；28.图5为本发明具体实施例2的结构示意图；29.图6为本发明具体实施例2的电机功率曲线示意图；30.图7为本发明具体实施例2的电机转速曲线示意图；31.图8为本发明具体实施例2的电机扭矩曲线示意图；32.图9为本发明具体实施例3的结构示意图；33.图10为本发明具体实施例3的电机功率曲线示意图；34.图11为本发明具体实施例3的电机转速曲线示意图；35.图12为本发明具体实施例3的电机扭矩曲线示意图。36.1-发动机，2-电机，3-第一传动轴，4-第二传动轴，5-单向轴承或锁止装置，6-风扇，7-行星齿轮系，8-两档换挡机构，9-换挡拨叉控制器，10-换挡拨叉，11-一档(速比为1)，12-二档(速比为2)，13-24v铅酸蓄电池。具体实施方式37.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。38.如图1所示，本发明具体实施例1提供了一种基于单行星系统的机电混合发动机，包括发动机1(不包含起动机、发电机装置)、电机2、风扇6、行星齿轮系7、第一传动轴3、第二传动轴4、两档换挡机构8、单向轴承或锁止装置5、24v铅酸蓄电池13。39.其中两档换挡机构包括：1挡11(减速比为1)、2挡12(减速比为2)、同步器、同步器控制器、输入轴、输出轴、惰轮。40.所述发动机可通过齿轮、皮带轮等传动机构与行星齿轮系中的外齿圈相连接。41.所述电机输出轴通过两档换挡机构与行星齿轮系中的太阳轮相连接，通过线束与24v铅酸蓄电池连接对其充电。42.所述第一传动轴与行星齿轮系中的行星架相连接。43.所述第二传动轴一侧与风扇相连接，另一侧通过单向轴承或者锁止机构与第一传动轴相连接。44.通过调整发动机与外齿圈的传动比、外齿圈与太阳轮的传动比，使得在风扇全转速范围内电机多数工况处于发电模式，避免电机频繁在发电模式和驱动模式之间跳转，减少电能的过多消耗和电机转速过零控制。45.发动机启动时，换挡拨叉控制器9控制换挡拨叉10使两档换挡机构8处于2挡位置、单向轴承/锁止装置5使第二传动轴4和风扇6不跟随第一传动轴3转动，此时电机2通过两档换挡机构8、行星齿轮系7减速后，获得足够大扭矩，以此拖动发动机1启动，以此达到取消原发动机匹配的起动机的目的。46.除发动机启动工况外，整车正常行驶过程时两档换挡机构8均处于1挡(减速比为1)。47.当发动机水温较低时，需要较小的散热量，此时需风扇完全脱开，实现方法为：48.发动机1通过皮带轮或其他方式带动行星系轮系7中的外齿圈正转，第一传动轴3跟随行星轮系7中的行星架正转，此时由于通过单向轴承/锁止装置5，使第二传动轴4不跟随第一传动轴一起转动，从而达到风扇6的转速为0的目的。此时电机2不锁止、不驱动，电机2通过两档换挡机构8的一档跟随行星齿轮系7中的太阳轮空转。49.当发动机水温较高，需要风扇进行散热时，此时实现方法为：50.此时单向轴承/锁止装置5脱开，使得第二传动轴4与第一传动轴3相连，实现风扇6跟随行星架同步转动，同时电机2施加负扭矩，至此实现发动机1通过行星齿轮系7带动风扇6转动的目的。51.当发动机散热需求增加，也即风扇转速需提高时，增加电机2负扭矩，降低行星齿轮系7中太阳轮转速，此时行星架正向转速升高，进而提高风扇6转速；当发动机散热需求降低，也即风扇转速需降低时，降低电机2反向扭矩，提高行星齿轮系7中太阳轮速度，此时行星齿轮架正向转速降低，进而风扇6转速降低。电机在外特性扭矩范围内可实现无级变速，从而达到风扇6无级调速的目的。52.与此同时，电机调速过程产生的负扭矩即发电扭矩，由图2～图4所示，在风扇工作状态电机大多数工况处于发电状态，且发电功率与常规发动机匹配的电机功率相当，仅少数工况电机处于驱动状态，不会过多消耗电池电量；当风扇无需工作、且整车蓄电池电量不足时，电机仅做发电机使用。此外，电机在多数工况转速较高、电机扭矩值较低，可有效实现电机重量小、功率密度高、成本低的目的。除此之外，电机也回收车辆制动过程中的制动能，实现发电功能，达到取消原发动机匹配的发电机的目的。53.此外，电机2在发动机低速低负荷时对外输出功，以平衡发动机摩擦功，可有效提高机械效率。54.如图5所示，本发明具体实施例2提供了一种基于单行星系统的机电混合发动机，包括发动机1(不包含起动机、发电机装置)、电机2、风扇6、行星齿轮系7、第一传动轴3、第二传动轴4、两档换挡机构8、单向轴承或锁止装置5、24v铅酸蓄电池13。55.其中两档换挡机构包括：1挡(减速比为1)、2挡(减速比为2)、同步器、同步器控制器、输入轴、输出轴、惰轮。56.所述发动机可通过齿轮、皮带轮等传动机构与行星齿轮系中的外齿圈相连接。57.所述电机输出轴通过两档换挡机构与行星齿轮系中的行星架相连接，通过线束与24v铅酸蓄电池连接对其充电。58.所述第一传动轴与行星齿轮系中的太阳轮相连接。59.所述第二传动轴一侧与风扇相连接，另一侧通过单向轴承或者锁止机构与第一传动轴相连接。60.通过调整发动机与外齿圈的传动比、外齿圈与太阳轮的传动比，使得在风扇全转速范围内电机多数工况处于发电模式，避免电机频繁在发电模式和驱动模式之间跳转，减少电能的过多消耗和电机转速过零控制。61.发动机启动时，换挡拨叉控制器9控制换挡拨叉10使两档换挡机构8处于2挡位置、单向轴承/锁止装置5使第二传动轴4和风扇6不跟随第一传动轴3转动，此时电机2通过两档换挡机构8、行星齿轮系7减速后，获得足够大扭矩，以此拖动发动机1启动，以此达到取消原发动机匹配的起动机的目的。62.除发动机启动工况外，整车正常行驶过程时两档换挡机构8均处于1挡(减速比为1)。63.当发动机水温较低时，需要较小的散热量，此时需风扇完全脱开，实现方法为：64.发动机1通过皮带轮或其他方式带动行星系轮系7中的外齿圈正转，第一传动轴3跟随行星轮系7中的太阳轮正转，此时由于通过单向轴承/锁止装置5，使第二传动轴4不跟随第一传动轴一起转动，从而达到风扇6的转速为0的目的。此时电机2不锁止、不驱动，电机2通过两档换挡机构8的一档跟随行星齿轮系7中的行星架空转。65.当发动机水温较高，需要风扇进行散热时，此时实现方法为：66.此时单向轴承/锁止装置5脱开，使得第二传动轴4与第一传动轴3相连，实现风扇6跟随太阳轮同步转动，同时电机2施加反向扭矩，至此实现发动机1通过行星齿轮系7带动风扇6转动的目的。67.当发动机散热需求增加，也即风扇转速需提高时，提高电机2负扭矩，降低行星齿轮系7中行星架转速，此时太阳轮正向转速升高，进而提高风扇6转速；当发动机散热需求降低，降低电机2负扭矩，提高行星齿轮系7中行星架转速，此时太阳轮正向转速降低，进而风扇6转速降低。电机在外特性扭矩范围内可实现无级变速，从而达到风扇6无级调速的目的。68.与此同时，电机调速过程产生的负扭矩即发电扭矩，由图6～图8所示，在风扇工作状态电机大多数工况处于发电状态，且发电功率与常规发动机匹配的电机功率相当，仅少数工况电机处于驱动状态，不会过多消耗电池电量；当风扇无需工作、且整车蓄电池电量不足时，电机做发电机使用。此外，电机在多数工况转速较高、电机扭矩较低，可有效实现电机重量小、功率密度高、成本低的目的。除此之外，电机也回收车辆制动过程中的制动能，实现发电功能，达到取消原发动机匹配的发电机的目的。69.此外，电机2在发动机低速低负荷时对外输出功，以平衡发动机摩擦功，可有效提高机械效率。70.如图9所示，本发明具体实施例3提供了一种基于单行星系统的机电混合发动机，包括发动机1(不包含起动机、发电机装置)、电机2、风扇6、行星齿轮系7、第一传动轴3、第二传动轴4、两档换挡机构8、单向轴承或锁止装置5、24v铅酸蓄电池13。71.其中两档换挡机构包括：1挡(减速比为1)、2挡(减速比为2)、同步器、同步器控制器、输入轴、输出轴、惰轮。72.所述发动机可通过齿轮、皮带轮等传动机构与行星齿轮系中的太阳轮相连接。73.所述电机输出轴通过两档换挡机构与行星齿轮系中的行星架相连接，通过线束与24v铅酸蓄电池连接对其充电。74.所述第一传动轴与行星齿轮系中的外齿圈相连接。75.所述第二传动轴一侧与风扇相连接，另一侧通过单向轴承或者锁止机构与第一传动轴相连接。76.通过调整发动机与外齿圈的传动比、外齿圈与太阳轮的传动比，使得在风扇全转速范围内电机多数工况处于发电模式，避免电机频繁在发电模式和驱动模式之间跳转，减少电能的过多消耗和电机转速过零控制。77.发动机启动时，换挡拨叉控制器9控制换挡拨叉10使两档换挡机构8处于2挡位置、单向轴承/锁止装置5使第二传动轴4和风扇6不跟随第一传动轴3转动，此时电机2通过两档换挡机构8、行星齿轮系7减速后，获得足够大扭矩，以此拖动发动机1启动，以此达到取消原发动机匹配的起动机的目的。78.除发动机启动工况外，整车正常行驶过程时两档换挡机构8均处于1挡(减速比为1)。79.当发动机水温较低时，需要较小的散热量，此时需风扇完全脱开，实现方法为：80.发动机1通过皮带轮或其他方式带动行星系轮系7中的太阳轮正转，第一传动轴3跟随行星轮系7中的外齿圈正转，此时由于通过单向轴承/锁止装置5，使第二传动轴4不跟随第一传动轴一起转动，从而达到风扇6的转速为0的目的。此时电机2不锁止、不驱动，电机2通过两档换挡机构8的一档跟随行星齿轮系7中的行星架空转。81.当发动机水温较高，需要风扇进行散热时，此时实现方法为：82.此时单向轴承/锁止装置5脱开，使得第二传动轴4与第一传动轴3相连，实现风扇6跟随外齿圈同步转动，同时电机2施加负扭矩，至此实现发动机1通过行星齿轮系7带动风扇6转动的目的。83.当发动机散热需求增加，也即风扇转速需提高时，提高电机2负扭矩，降低行星齿轮系7中行星架转速，此时外齿圈正向转速升高，进而提高风扇6转速；当发动机散热需求降低，降低电机2负扭矩，提高行星齿轮系7中行星架转速，此时外齿圈正向转速降低，进而风扇6转速降低。电机在外特性扭矩范围内可实现无级变速，从而达到风扇6无级调速的目的。84.与此同时，电机调速过程产生的负扭矩即发电扭矩，由图10～图12所示，在风扇工作状态电机大多数工况处于发电状态，且发电功率与常规发动机匹配的电机功率相当，仅少数工况电机处于驱动状态，不会过多消耗电池电量；当风扇无需工作、且整车蓄电池电量不足时，电机做发电机使用。此外，电机在多数工况转速较高、电机扭矩值较低，可有效实现电机重量小、功率密度高、成本低的目的。除此之外，电机也回收车辆制动过程中的制动能，实现发电功能，达到取消原发动机匹配的发电机的目的。85.此外，电机2在发动机低速低负荷时对外输出功，以平衡发动机摩擦功，可有效提高机械效率。86.本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。









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