基于磁力传动的混合动力汽车动力系统

摘要

本发明公开了一种基于磁力传动的混合动力汽车动力系统，其包括花键轴套、发动机永磁转盘等元件，发动机永磁转盘套装在中间转盘的转轴上，发动机永磁转盘通过花键轴套与发动机连接在一起，电动机永磁转盘也套装在中间转盘的旋转轴上，电动机永磁转盘通过直齿传动齿轮、电动机齿轮与电动机连接；发动机永磁转盘和电动机永磁转盘上都装有高能永磁体，中间转盘的左右两侧装有第一铜环和第二铜环，第一高能永磁体与第一铜环形成第一磁力耦合系统，第二高能永磁体与第二铜环形成第二磁力耦合系统。本发明具有结构简单、控制精确、维护方便、可靠性高等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种动力系统，特别是涉及一种基于磁力传动的混合动力汽车动力系统。

背景技术

混合动力汽车动力系统是混合动力汽车的关键系统之一，它具有纯电动驾驶、动 力耦合和分配、制动能量回收等功能。目前在用的混合动力汽车动力系统主要有以下两 种类型：

一、行星齿轮动力系统，目前该类系统在丰田Prius混合动力轿车上普遍使用，燃 油经济性、动力性和行驶平稳性等都比较好，但其结构复杂，对零部件的加工精度要求 高，成本也高。

二、ISG（Integrated Starter and Generator，起动发电一体机）动力系统，其动力电 机集成在发动机和变速箱中间，目前在本田Insight等汽车上使用，该类系统具有结构简 单、成本低等优点，但其混合度不高，对提高燃油经济性的帮助有限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于磁力传动的混合动力汽车动力系统， 其具有结构简单、控制精确、维护方便、可靠性高等优点。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于磁力传动的混合动 力汽车动力系统，其特征在于，所述基于磁力传动的混合动力汽车动力系统包括花键轴 套、发动机永磁转盘、中间转盘、电动机永磁转盘、直齿传动齿轮、电动机齿轮、第一 高能永磁体、第二高能永磁体、第一铜环、第二铜环、电动机、发动机，发动机永磁转 盘套装在中间转盘的转轴上，发动机永磁转盘通过花键轴套与发动机连接在一起，电动 机永磁转盘也套装在中间转盘的旋转轴上，电动机永磁转盘通过直齿传动齿轮、电动机 齿轮与电动机连接；发动机永磁转盘和电动机永磁转盘上都装有高能永磁体，中间转盘 的左右两侧装有第一铜环和第二铜环，第一高能永磁体与第一铜环形成第一磁力耦合系 统，第二高能永磁体与第二铜环形成第二磁力耦合系统。

优选地，所述基于磁力传动的混合动力汽车动力系统还包括第一拨叉、第二拨叉、 拨叉轴、步进电机与步进电机控制单元，第一拨叉、第二拨叉套装在拨叉轴上，拨叉轴 与步进电机连接，拨叉轴上设有传动螺纹，步进电机与步进电机控制单元连接，步进电 机控制单元根据工况需要控制拨叉且驱动步进电机，步进电机带动拨叉轴同步旋转，拨 叉则在拨叉轴的传动螺纹作用下做直线运动，拨叉带动发动机永磁转盘和电动机永磁转 盘在中间转盘的旋转轴轴上移动，调节发动机永磁转盘和中间转盘之间的磁力间隙、电 动机永磁转盘和中间转盘之间的磁力间隙，控制传动磁力扭矩的大小。

优选地，所述第一拨叉与轴向推力轴承之间、第二拨叉与轴向推力轴承之间都设 有间隙调整薄片环。

优选地，所述发动机永磁转盘的锥面上装有第一摩擦层。

优选地，所述电动机永磁转盘的锥面上装有第二摩擦层。

优选地，所述第一拨叉的一端或第二拨叉的一端都设有拨叉槽，拨叉槽内两侧都 装有轴向推力轴承。

优选地，所述轴向推力轴承的一侧设有挡圈，挡圈套装在发动机永磁转盘上。

优选地，所述花键轴套通过一个第二滚动轴承与发动机永磁转盘装配在一起，中 间转盘的一端上设有一个第一滚动轴承。

优选地，所述电动机齿轮与直齿传动齿轮相互啮合，在电动机永磁转盘移动时， 电动机齿轮与直齿传动齿轮也做相对轴向移动。

本发明的积极进步效果在于：一、本发明利用步进电机，调节发动机永磁转盘与 中间转盘、电动机永磁转盘与中间转盘间的磁力间隙，可以实现混合动力汽车的多种功 能，完成混合动力汽车各种工作模式的切换过程。二、基于磁力传动的混合动力汽车动 力系统采用高能永磁体与铜环进行磁力耦合，结构简单，没有附加能耗，维护方便。三、 本发明基于磁力传动的混合动力汽车动力系统采用步进电机及传动螺纹控制耦合磁力 间隙，具有较好的线性，工作模式切换流畅，实时控制效果好。四、本发明基于磁力传 动的混合动力汽车动力系统采用非接触方式传动，具有工作寿命长、噪音小、防过载性 能好等特点。

附图说明

图1是本发明基于磁力传动的混合动力汽车动力系统的总体结构示意图；

图2是本发明基于磁力传动的混合动力汽车动力系统的拨叉驱动机构示意图；

图3是本发明基于磁力传动的混合动力汽车动力系统的拨叉零件结构示意图；

图4是本发明基于磁力传动的混合动力汽车动力系统的花键轴套与发动机永磁转 盘上的内花键装配示意图。

图5是拨叉与拨叉槽装配的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1至图5所示，本发明基于磁力传动的混合动力汽车动力系统主要包括花键 轴套1、发动机永磁转盘5、中间转盘13、电动机永磁转盘8、直齿传动齿轮11、电动 机齿轮9、第一高能永磁体61、第二高能永磁体62、第一铜环71、第二铜环72、电动 机16、驱动桥17、发动机15等部件，发动机永磁转盘5套装在中间转盘13的转轴上， 发动机永磁转盘5通过花键轴套1与发动机15连接在一起，电动机永磁转盘8也套装 在中间转盘13的旋转轴上，电动机永磁转盘8通过直齿传动齿轮11、电动机齿轮9与 电动机16连接，发动机永磁转盘5与电动机永磁转盘8在第一拨叉121和第二拨叉122 操纵下都可以在中间转盘13的旋转轴上轴向移动；发动机永磁转盘5和电动机永磁转 盘8上分别装有第一高能永磁体61和第二高能永磁体62，中间转盘13的左右两侧装有 第一铜环71和第二铜环72，每个高能永磁体与相对的铜环形成磁力耦合系统。

本发明基于磁力传动的混合动力汽车动力系统还包括第一拨叉121、第二拨叉122、 拨叉轴14、步进电机18、步进电机控制单元19，第一拨叉121、第二拨叉122分别套 装在拨叉轴上，第一拨叉121、第二拨叉122和拨叉轴之间依靠传动螺纹连接，拨叉轴 与步进电机连接，步进电机与步进电机控制单元连接。图2为拨叉121的驱动示意图， 拨叉轴14上设有传动螺纹，当步进电机18带动拨叉轴转动时，第一拨叉121沿拨叉轴 14的轴线方向进行精确移动，并带动发动机永磁转盘5在中间转盘13的旋转轴上精确 移动。同理（拨叉122的驱动与拨叉121的驱动方式雷同），拨叉122则带动电动机永 磁转盘8在中间转盘13的旋转轴上精确移动。发动机永磁转盘5上装有第一高能永磁 体6，与之相对，在中间转盘13上装有第一铜环7，第一高能永磁体6与第一铜环7分 别组成第一磁力耦合系统，该第一磁力耦合强度与其磁力间隙大小直接相关。当发动机 永磁转盘5在中间转盘13的旋转轴上轴向移动时，磁力间隙增大则发动机永磁转盘5 与中间转盘13间的磁力传动扭矩减小，反之，则磁力传动扭矩会增大。根据混合动力 汽车运行工况精确控制拨叉驱动步进电机，可以精确控制磁力间隙，从而可以精确控制 磁力耦合的传递扭矩。从另一个方面说，调节该磁力耦合的磁力间隙，可以控制发动机 的负荷。拨叉轴14上设有传动螺纹，步进电机控制单元19根据工况需要控制第一拨叉 121、第二拨叉122且驱动步进电机18，步进电机18带动拨叉轴14同步旋转，第一拨 叉121、第二拨叉122则在拨叉轴14的传动螺纹作用下做直线运动，第一拨叉121、第 二拨叉122分别带动发动机永磁转盘5和电动机永磁转盘8在中间转盘13的轴上移动， 调节发动机永磁转盘5和中间转盘13之间的磁力间隙、电动机永磁转盘8和中间转盘 13之间的磁力间隙，从而控制传动磁力扭矩的大小。

电动机永磁转盘8上装有第二高能永磁体62，在中间转盘13上的相对处装有第二 铜环72，该第二高能永磁体与第二铜环形成第二磁力耦合系统。该第二磁力耦合系统的 强度与其磁力间隙大小直接相关。当电动机永磁转盘8在中间转盘13的旋转轴上轴向 移动时，磁力间隙增大则电动机永磁转盘8与中间转盘13间的磁力传动扭矩减小，反 之，则磁力传动扭矩会增大。根据混合动力汽车运行工况精确控制拨叉驱动步进电机， 可以精确控制磁力间隙，即可以精确控制电动机永磁转盘8与中间转盘13间磁力耦合 的传递扭矩。

发动机永磁转盘5的锥面上装有第一摩擦层41，在拨叉驱动下，发动机永磁转盘 5上的第一摩擦层41压向中间转盘13，当两者间的压力达到一定值时，发动机15与中 间转盘13可实现静摩擦力传动，此时传动效率可以提高至一，即在某些工况下提高系 统传动效率，当第一摩擦层41与中间转盘13接触并压紧，则可以实现静摩擦传动。

电动机永磁转盘8的锥面上装有第二摩擦层42，在拨叉驱动下，电动机永磁转盘 8锥面上的第二摩擦层42压向中间转盘13，当两者间的压力达到一定值时，电动机永 磁转盘8与中间转盘13可实现静摩擦力传动，此时传动效率可以提高至一。为了在某 些工况下提高系统传动效率，发动机永磁转盘与电动机永磁转盘上都装有摩擦层，当摩 擦层与中间转盘接触并压紧，则可以实现静摩擦传动。

图2所示的拨叉驱动机构中，拨叉轴14的传动螺纹可以把旋转运动转换为水平运 动，通过步进电机控制单元控制步进电机，能实现拨叉位置的精确控制。传动螺纹具有 增力作用，较小功率的步进电机就能在拨叉上形成足够大的推动力，同时传动螺纹具有 自锁作用，当采用摩擦层静摩擦力传动时，在静摩擦力达到扭矩传递要求后，步进电机 可以不再工作，节省了电能。

如图1、图3和图5所示，第一拨叉的一端或第二拨叉的一端都设有拨叉槽1222， 为了防止拨叉磨损，同时也为了减小拨叉与选转件间的摩擦，提高系统效率，拨叉槽1222 内两侧都装有轴向推力轴承3。由于拨叉在拨叉槽1222中的晃动会降低控制精度，所以 拨叉的半圆叉头1211的厚度、两个轴向推力轴承的厚度以及拨叉槽宽度三者的尺寸配 合应受到控制，可用间隙调整薄片环20调整间隙，即第一拨叉121与轴向推力轴承3 之间、第二拨叉122与轴向推力轴承3之间都设有间隙调整薄片环20。

轴向推力轴承3的一侧设有挡圈2，挡圈2主要作用是构成拨叉槽，挡圈2套装在 发动机永磁转盘5上，并通过沉头螺栓固定。花键轴套1通过一个第二滚动轴承102与 发动机永磁转盘5装配在一起。中间转盘13的一端上设有一个第一滚动轴承101，第二 滚动轴承102位于中间转盘13的另一端上。

花键轴套1与发动机永磁转盘5上的内花键嵌套在一起同轴转动，以传递扭矩（见 图4）。由于工作时发动机永磁转盘5会在轴向移动，故花键轴套1与发动机永磁转盘5 之间的花键配合面51也可以相互轴向滑动。为了防止结合的花键配合滑脱，该轴向滑 动的最大长度必须超过发动机永磁转盘5可移动距离。为了提高耐磨性，花键轴套1与 发动机永磁转盘5的花键配合面硬度应达到HRC（洛氏硬度）50以上。

电动机齿轮9与直齿传动齿轮11相互啮合，在电动机永磁转盘8移动时，电动机 齿轮9与直齿传动齿轮11也做相对轴向移动。

本发明实施方式可以用混合动力汽车的四种工作模式来说明：

（1）纯电动行驶模式：动力来源为电动机，此时电动机动力经过电动机齿轮9、 直齿传动齿轮11到达电动机永磁转盘8，步进电机驱动第一拨叉121把电动机永磁转盘 8推向中间转盘13，逐步增强电动机永磁转盘8与中间转盘13间的磁力耦合，此时电 动机永磁转盘8上的高能永磁体与中间转盘13上相对的铜环形成耦合，动力由电动机 永磁转盘8传递到中间转盘13上，驱动汽车行驶。若拨叉把电动机永磁转盘8上的第 二摩擦层压到中间转盘13上，即电动机永磁转盘8与中间转盘13间的磁间隙减到最小， 并形成足够大的压力，开始静摩擦力传动，即电动机永磁转盘9与中间转盘13同步转 动，传动比为一，此时汽车可以纯电动行驶模式下的最高车速。

（2）动力耦合模式：电动机永磁转盘8与中间转盘13建立磁力耦合，电动机动 力通过该磁力耦合传递到中间转盘13上。同时拨叉驱动步进电机驱动拨叉把发动机永 磁转盘5与中间转盘13间的磁力间隙推到最大，切断发动机永磁转盘5与中间转盘13 间的磁力耦合，发动机无负荷起动，同时拨叉驱动步进电机驱动拨叉，把电动机永磁转 盘9与中间转盘13间的磁力间隙推到最大，无负荷起动电动机，然后逐渐减小电动机 永磁转盘9与中间转盘13之间的磁力间隙、发动机永磁转盘5与中间转盘13之间的磁 力间隙，实现发动机与电动机同时向中间转盘13耦合动力，并传输到驱动桥上。发动 机和电动机向驱动桥提供动力的比例可以通过改变两处磁力间隙的大小来调整。

（3）动力分配模式：发动机工作，发动机永磁转盘5与中间转盘13磁力耦合， 把动力传递到中间转盘13上，但动力并没有全部传递到驱动桥上。此时发动机动力一 部分驱动汽车行驶，另一部分驱动发电机发电。此时发动机永磁转盘5与中间转盘13 磁力耦合，把发动机动力全部传递到中间转盘13上。电动机永磁转盘8与中间转盘13 间也有磁力耦合，此时电动机转换成发电机，也从中间转盘13上得到动力并转换成电 力。调节电动机永磁转盘8与中间转盘13之间的磁力间隙，可以调节发动机动力的分 配比例。

（4）制动模式：此时汽车处于制动状态，需要把汽车的动能尽可能多地转换成电 能储存起来。汽车制动时，汽车的动能使得驱动桥及中间转盘13高速转动，发动机永 磁转盘5与中间转盘13间的磁间隙被推到最大，拨叉驱动电动机永磁转盘8缩小与中 间转盘13的磁力间隙，建立磁力耦合，此时电动机转换成发电机，并从中间转盘13上 吸收旋转动能，再把动能转换为电能储存到蓄电池内，实现制动能量回收。如果制动时 发动机工作，且制动意愿强烈，需要发动机反拖制动，则只要把发动机永磁转盘5与中 间转盘13间的磁力间隙调小，建立磁力耦合，就可以实现发动机反拖制动。

本发明具有结构简单、控制精确、维护方便、可靠性高等优点。控制精确主要通过两个 步进电机实现，步进电机可以实现很好的转速控制，控制两个步进电机就可以控制整个 混合动力汽车动力系统，所以说控制很精确。由于结构简单，动力传递主要依靠磁力传 动和静摩擦力传动，几乎没有磨损，所以可靠性高。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细 说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明， 凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。