專利名稱：變速器及采用該變速器的車輛和自行車的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種包括馬達和差速機構的變速器，還涉及采用該變速器的一車輛和一自行車。
采用一馬達的一驅動力的一混合型車輛已經公知，其驅動系統(tǒng)的目的是降低發(fā)動機燃料消耗。已提出各種混合型車輛，例如一串列混合型、一并列混合型和采用兩個發(fā)動機和一個行星齒輪的一串列/并列混合型。具體地說，日本專利公開平7-135701公開了一種方法，其中一發(fā)動機的一驅動力被輸入一行星齒輪，并且通過由該行星齒輪的一輸出軸獲得的一驅動力來驅動一車輛，其中由一發(fā)電機控制該驅動力。在該方法中，由于發(fā)動機的部分能量用于通過發(fā)電機產生電能，并且由連接到輸出軸的馬達來輔助發(fā)動機的驅動力，因此通?？稍谝桓咝?高扭矩區(qū)域驅動發(fā)動機，并且車輛可獲得一傳動功能。日本專利公開昭49-112067和昭58-191364也公開了同樣的原理。在上述文檔中公開的該已知方法在此后被稱作“第一方法”。
如日本專利公開昭60-95238所公開，已提出一種方法，其中一發(fā)動機的一驅動力經由馬達控制的行星齒輪被傳遞給左、右驅動輪。該方法在此后被稱作“第二方法”。
如日本專利公開昭57-47054所公開，已提出一種方法，其中由幾個馬達分別驅動許多行星齒輪，并且從所述許多行星齒輪中所選擇的一個輸出一驅動力，從而在所有時候可根據車輛的操作點執(zhí)行馬達的最佳驅動。該方法在此后被稱作“第三方法”。
如文章“21世紀的可選車輛—一種新型個人運輸范例—，RobertQ.Riley，汽車工程師協(xié)會發(fā)表，400Commonwealth DriveWarrendale，PA15096-0001，U.S.A.，第149頁～第153頁”所公開的，已提出采用一無級變速傳動CVT與一行星齒輪組合的一變速器。在該方法中，由于在發(fā)動機轉動的同時可停止車輛，不用采用任何離合器，通過將無級變速傳動CVT的一變速比設定在一特定值，僅需通過控制無級變速傳動CVT的變速比就可平滑地啟動車輛。該方法在此后被稱作“第四方法”。
然而，第一方法具有一問題。由于是通過發(fā)電機產生電能并且通過馬達驅動車輛，以實現(xiàn)傳動功能，因此會出現(xiàn)電能的損失。結果，雖然總能在良好效率的一操作點驅動發(fā)動機，但相應于電能的損失，整個車輛的效率降低了。
第二方法中，行星齒輪分別設置在左、右不同的輸出軸上，其具有通過將一常用并列混合型車輛的結構向左、右車輪延伸獲得的一構造。結果，該第二方法需要用于實現(xiàn)變速操作的電能的輸入/輸出，因此該方法具有與上述同樣的問題。
第三方法具有通過延伸第一方法的構造獲得的一構造。結果，該方法在電能損失方面具有與上述同樣的問題。
第四方法具有一問題，因為發(fā)動機必須總是轉動以驅動車輛，因此在發(fā)動機驅動、包括車輛停止的一時期后，在降低每單位行駛距離的燃料消耗方面具有局限。
按照前述，提出了本發(fā)明，并且本發(fā)明的第一目的是提供可采用馬達實現(xiàn)無級變速傳動功能的一變速器，并且通過使電能的損失最小來提高變速器的效率。
本發(fā)明的第二目的是提供采用上述變速器的一車輛，該車輛可降低每單位行駛距離的燃料消耗。
本發(fā)明的第三目的是提供可降低一騎行者疲勞的一自行車。
通過提供一變速器可達到上述第一目的，該變速器包括用于將一驅動源的能量分配給許多差速機構的一機構；分別與所述許多差速機構相連的許多馬達；和用于結合從所述許多差速機構輸出的能量的一機構。
上述第一目的還可通過提供這樣的一種變速器達到，該變速器包括許多差速機構，其中每一差速機構在輸入軸與輸出軸之間旋轉數(shù)目的不同是由一馬達控制；其中所述許多差速機構的輸入軸是作為一共用軸，并且其輸出軸也是作為一共用軸。
所述許多差速機構的共用輸入軸與共用輸出軸之間的齒輪比最好設定為不同的值。這使得可提供能增大效率的一系統(tǒng)。
通過提供這樣的一種車輛可達到上述第二目的，該車輛包括用于產生驅動所述車輛的驅動能量的一發(fā)動機；第一和第二行星齒輪，其中每一行星齒輪包括一太陽齒輪、一行星元件和一齒圈；以及分別用于控制所述第一和第二行星齒輪的太陽齒輪的第一和第二馬達；其中每一所述第一和第二行星齒輪的行星元件與齒圈之一連接到由所述發(fā)動機驅動的一輸入軸上，而另一個則連接到用于驅動一車體的一輸出軸上。
該第三目的可通過提供一種自行車達到，該自行車包括第一和第二差速機構，每一差速機構采用由一騎行者驅動的輸入力，和包括車輪的輸出力；以及分別用于控制所述第一和第二差速機構的第一和第二馬達。


圖1是表示本發(fā)明一實施例的構成圖，其用于一混合型的車輛，其中采用兩個行星齒輪來實現(xiàn)變速器的功能，每一行星齒輪具有由一馬達控制的一太陽齒輪；圖2是表示驅動圖1所示混合型車輛的一控制方法的概要流程圖；圖3是表示根據所存在的驅動狀態(tài)判斷理想的操作模式的操作點范圍的特性圖，其顯示驅動力相對于車速的關系；圖4是表示在驅動圖1所示的混合型車輛的操作模式之間的轉換方法的狀態(tài)轉換圖；圖5是表示控制圖2所示的普通模式的一方法的流程圖；圖6是表示控制圖2所示的轉換模式的一方法的流程圖；圖7(a)～7(e)是扭矩-速度特性圖，分別表示當車輛在一CVT(無級變速傳動)模式下以增大的齒輪比驅動時，能流和速度與發(fā)動機、馬達及行星齒輪的扭矩之間的關系；
圖8(a)～8(e)是扭矩-速度特性圖，分別表示當車輛在一CVT(無級變速傳動)模式下以減小的齒輪比驅動時，能流和速度與發(fā)動機、馬達及行星齒輪的扭矩之間的關系；圖9(a)～9(b)是扭矩-速度特性圖，分別表示改變發(fā)動機的操作點的方法，其中發(fā)動機用于給一電池充電和輔助由電池的能量驅動的馬達，此時車輛是在CVT模式下驅動；圖10是表示當馬達失效時所執(zhí)行的操作的一流程圖；圖11是表示混合型車輛的另一實施例的構成圖，其中齒輪的構造與圖1所示的不同；圖12是表示混合型車輛另一實施例的構成圖，所述車輛包括兩個行星齒輪，其中一個行星齒輪的輸入與輸出側之間的齒輪比與另一行星齒輪的輸入與輸出側之間的齒輪比相同；圖13是表示將本發(fā)明應用于一自行車的一實施例的構成圖；和圖14是表示將本發(fā)明應用于一自行車的另一實施例的構成圖，其中該自行車包括不采用任何鏈條的一驅動系統(tǒng)。
下面將結合圖1描述本發(fā)明的一實施例。
圖1表示這種類型的一車輛其中車體由轉動的輪胎3a和3b經一驅動軸2用一發(fā)動機1的能量驅動。作為本發(fā)明的基本構件的行星齒輪A4和B6，分別是由一太陽齒輪4s、一行星元件4p和一齒圈4r的組合，和由一太陽齒輪6s、一行星元件6p和一齒圈6r的組合構成。太陽齒輪4s和6s分別由馬達A8和B9驅動，而馬達則分別由動力轉換器10和11控制。一電池12用于供給這些馬達A8和B9所需的能量或者儲存由馬達A8和B9所產生的能量。行星齒輪元件4p和6p兩者都被固定到同一輸入軸上，從而發(fā)動機1的驅動扭矩被分配給行星齒輪A4和B6。在齒圈4r和6r的輸出側上設置具有不同齒輪比的一些齒輪。更具體地說，具有一大齒輪比的一齒輪5和具有一小齒輪比的一齒輪7分別設置在齒環(huán)4r和6r的輸出側上。這些齒輪5和7被連接到共用輸出軸上，從而由行星齒輪A4和B6輸出的輸出扭矩τva、τvb被結合為共用輸出軸上的車輛驅動扭矩τv。采用這一構造，駕駛員可根據需要來加速/減速車輛。而且，在采用動力轉換器10、11控制馬達扭矩τa、τb以及馬達A8和B9的馬達速度ωa、ωb的情況下，可通過驅動太陽齒輪4s和6s來調節(jié)車輛驅動扭矩τv和發(fā)動機速度ωe。
接著，使用圖2所示的一流程圖來描述控制圖1所示的發(fā)動機1和馬達A8、B9的一基本操作方法。在圖2所示的步驟101，輸入的是由駕駛員確定的操作指令，例如加速度計致動的量Xa、制動器致動的量Xb和表示前進、后退或中間模式的轉變信號Xc；以及車速ωv、電池12的充電狀態(tài)、各部分的溫度和車輛狀態(tài)。在步驟102，在上述輸入值的基礎上計算車輛的驅動力指令值τr。然后，在步驟103，在車輛的驅動力指令值τr和車速ωv的基礎上確定表示一理想操作方法的一基準操作模式Mref。
例如，如圖3所示，當車輛以低車速ωv行駛或者倒車時，選擇這樣的一種馬達驅動模式，其中發(fā)動機1停止并且僅由馬達A8和B9來驅動車輛。在圖3中，由陰影線表示的馬達驅動模式以外的一區(qū)域包括一第一速度模式、一第二速度模式和一CVT模式，其中在每一模式中啟動發(fā)動機1并且采用發(fā)動機1的驅動力來驅動車輛。當車速ωv為低速且需要驅動力時，選擇第一速度模式，以控制速度改變率在一相當于低齒輪比的值。當車速ωv為中等或者更大并且所需的扭矩低時，選擇可增大發(fā)動機效率的第二速度模式。當車速ωv為中等或者更大并且需要高的扭矩時，選擇可通過增加馬達的驅動扭矩來獲得一高的扭矩驅動力的CVT模式。此外，當驅動力指令值τr為負時，可能希望選擇CVT模式，以采用馬達A8和B9作為發(fā)動機來在電池12中儲存再生能量。
順便提及，圖3所示的操作模式無需固定，而可根據電池12的充電狀態(tài)或溫度適當?shù)馗淖儭Ｔ谀壳暗牟僮髂Ｊ胶透鶕鲜龇椒ǐ@得的基準操作模式Mref的基礎上確定實際的操作模式M。例如，在車輛被驅動于馬達驅動模式的狀態(tài)下，即使基準操作模式Mref變?yōu)榈谝徊僮髂Ｊ剑捎诎l(fā)動機1不能迅速地被驅動，也必須執(zhí)行啟動發(fā)動機1的一操作。此外，如果過分地啟動/停止發(fā)動機1，就會劇烈地增大燃料消耗。因此，當在從前一模式變換來的一新的操作模式下啟動或停止發(fā)動機1時，執(zhí)行用于保持該新的操作模式一定周期時間的一操作。進行上述特定操作的運算是在步驟103中執(zhí)行的，由此在目前的操作模式和基準操作模式Mref的基礎上確定操作模式M。
在步驟104，判斷操作模式M是否為圖3所示的普通模式或者用于將一個操作模式改變?yōu)榱硪徊僮髂Ｊ降霓D換模式。在判斷的基礎上，處理進入步驟105，在此執(zhí)行普通模式下的操作；或者進入步驟106，在此執(zhí)行轉換模式下的操作。
圖4表示操作模式M的狀態(tài)轉換的一狀態(tài)轉換圖。普通模式包括馬達驅動模式，第一速度模式、第二速度模式和CVT模式。轉換模式包括一發(fā)動機啟動模式和一鎖緊裝置B的釋放模式。一鑰匙斷開模式表示鑰匙斷開的狀態(tài)。如果鑰匙接通，鑰匙斷開模式就轉變?yōu)檐囕v啟動模式，其中各控制器轉為可控制的狀態(tài)。在完成啟動所有控制器的操作后，車輛啟動模式轉變?yōu)轳R達驅動模式，其中通過由駕駛員操作一加速器來轉動馬達A8和B9，并且車輛轉為可驅動的狀態(tài)。當車速ωv變?yōu)橐恢械人俣然蚋髸r，或者當需要一大的驅動力時，必須將馬達驅動模式轉變?yōu)榈谝凰俣饶Ｊ?、第二速度模式和CVT模式之一。此時，經過用于啟動發(fā)動機的發(fā)動機啟動模式，作為轉換模式之一的馬達驅動模式已改變?yōu)橐惶囟ǖ钠胀Ｊ?，其中采用發(fā)動機的驅動力來驅動車輛?？苫旧喜唤浫魏无D換模式的方法來執(zhí)行第一速度模式、第二速度模式和CVT模式之間的轉換；然而，在采用后述固定方式的實施例中，是采用這樣的一種方法其中通過作為轉換模式之一的鎖緊裝置B的釋放模式來將第二速度模式轉變?yōu)榱硪黄胀Ｊ?。此外，出現(xiàn)任何失誤，操作模式就轉為與該失誤有關的一失誤模式，其中執(zhí)行適于與該失誤相配的一操作。而且，當鑰匙斷開時，執(zhí)行用于安全地停止車輛的一操作。并且此后在切斷模式下停止控制。
接著，參照圖5詳細描述圖2所示的每一普通模式下的操作。為易于理解該描述，示出下列等式1～10，它們表示在圖1所示的系統(tǒng)構成中。ωe＝kpωa＋kaωv[等式2]
ωe＝kpωb＋kbωv[等式3]τe＝τea＋τeb[等式4]τv＝τva＋τvb[等式5]τea＝τa/kp＝τva/ka[等式6]τeb＝τb/kp＝τvb/kb[等式7]pe＝pea＋peb[等式8]pv＝pva＋pvb[等式9]pea＝pa＋pva[等式10]peb＝pb＋pvb在上述等式中，ωe、ωv、ωa和ωb分別表示發(fā)動機速度、車速、馬達A的速度和馬達B的速度；τe、τea、τeb、τa、τb、τv、τva和τvb分別表示發(fā)動機扭矩、行星齒輪A分享的發(fā)動機扭矩、行星齒輪B分享的發(fā)動機扭矩、馬達A的扭矩、馬達B的扭矩、車輛扭矩、行星齒輪A分享的車輛扭矩和行星齒輪B分享的車輛扭矩；并且pe、pea、peb、pa、pb、pv、pva和pvb分別表示發(fā)動機動力、行星齒輪A分享的輸入動力、行星齒輪B分享的輸入動力、馬達A的動力、馬達B的動力、車輛驅動動力、行星齒輪A分享的輸出動力和行星齒輪B分享的輸出動力；kp是一個常數(shù)，由圖1中的行星齒輪A4的齒數(shù)決定，如式1所示，當車速ωv為零時，kp是發(fā)動機速度ωe與馬達A的速度ωa之間的比，即kp＝ωe/ωa(當ωv＝0時)。此外，常數(shù)ka與kb之間的與齒輪比有關的關系由下列式子給出[式11]
ka＞kb這意味著行星齒輪A的輸入側與輸出側之間的齒輪比大于行星齒輪B的輸入側與輸出側之間的齒輪比。
如上所述，普通模式包括4個操作模式，并且在圖5所示的步驟111識別操作模式M。
在馬達驅動模式的情況下，執(zhí)行步驟112、113和114的操作。在步驟112，根據等式2，以這樣的方式控制馬達B的速度ωb，以至于發(fā)動機速度ωe變?yōu)榱?，而車速ωv保持恒定。在步驟113，通過控制馬達A的扭矩τa來控制車輛驅動扭矩τv。此時，以這樣的方式執(zhí)行扭矩控制，其中等式3中的τe＝0，根據等式4、5和6確定車輛驅動扭矩τv。
在等式11，為了滿足τv＞0的關系，通常以馬達A處于動力運行狀態(tài)和馬達B處于動力產生狀態(tài)這樣的方式來驅動車輛。當然，在步驟114，執(zhí)行用于連續(xù)地停止發(fā)動機控制的一操作。
在第一速度模式的情況下，在步驟115執(zhí)行控制馬達A的速度ωa為零的一操作和在步驟116執(zhí)行停止控制馬達B的一操作。采用這些操作，馬達A轉入一電鎖止狀態(tài)，而馬達B則轉入一自由運轉狀態(tài)，從而由發(fā)動機1來驅動在輸入側和輸出側之間具有大的齒輪比的行星齒輪A4，其中行星齒輪A4的太陽齒輪4s處于被固定的狀態(tài)。也就是說，第一速度模式的變速比等于一常用手動變速器的一低的齒輪比，因此，在第一速度模式可增大發(fā)動機扭矩τe。這樣，通過在步驟117控制發(fā)動機，車輛的驅動扭矩可被控制到一需要的值。此外，在第一速度模式，不執(zhí)行輸向/取自馬達A8和B9兩者的能量輸入/輸出，從而可使電能的損失最小。
在CVT模式的情況下，在步驟118控制馬達A的扭矩τa；在步驟119控制馬達B的速度ωb；和在步驟120通過控制發(fā)動機1來控制發(fā)動機1的動力，由此實現(xiàn)無級變速傳動的功能。此外，在后面將參照圖7～9詳細描述在CVT模式下的操作。
在第二速度模式的情況下，執(zhí)行步驟121～126的操作。首先，在步驟121判斷馬達B的速度ωb是否等于零。若否，則在步驟122執(zhí)行控制馬達B的速度ωb為零的一操作。與此同時，在步驟123停止控制馬達A，即馬達A被轉入一自由運轉狀態(tài)。采用這一控制，與第一速度模式相反，在輸入側與輸出側之間具有小的齒輪比的行星齒輪B6的太陽齒輪6s被固定，因此在第二速度模式下，變速比等于一常用手動變速器的一高的齒輪比。通過在步驟124將發(fā)動機控制成這樣的一狀態(tài)，總是在一高扭矩區(qū)域驅動發(fā)動機1。也就是說，在第二速度模式下，可高效率地操作發(fā)動機1。此時，與第一速度模式類似，不執(zhí)行輸向/取自馬達A8和B9的能量輸入/輸出，從而可以使電能的損失最小。
此外，在步驟121，如果判斷馬達B的速度ωb為零，則處理跳入步驟125，在此打開一鎖緊裝置B13，以機械地鎖止太陽齒輪6s。接著，在步驟126，停止控制馬達A8和B9。然后，處理進入上述步驟124，在此通過控制發(fā)動機來控制車輛的驅動力。采用這些操作，可以消除當馬達B9電鎖止時因當前電流造成的電能的損失，并由此進一步降低車輛的燃料消耗。在車輛由發(fā)動機1驅動的情況下，車輛在第二速度模式下驅動一長周期的時間，此時不包括加速操作，從而第二速度模式中對電能損失的防止就大大有益于降低燃料消耗。
接著，參照圖6描述用于將一普通模式轉換為另一模式的轉換模式。
轉換模式包括發(fā)動機啟動模式和鎖緊裝置B的釋放模式。在步驟131，判斷轉換模式是發(fā)動機啟動模式還是鎖緊裝置B的釋放模式。在發(fā)動機啟動模式的情況下，執(zhí)行在步驟132～135的操作，而在鎖緊裝置B的釋放模式的情況下，執(zhí)行在步驟136～139的操作。
通過發(fā)動機啟動模式，作為普通模式之一的馬達驅動模式就轉入另一普通模式，在此驅動發(fā)動機1。首先，在步驟132，控制馬達A8和B9的速度。由等式1和2給出下列等式12和13[等式12]ωv＝kp(ωa-ωb)/(ka-kb)[等式13]ωe＝kp(kaωb-kbωa)/(ka-kb)
根據等式12和13逐漸加速發(fā)動機1，同時控制車速ωv，使之保持目前(現(xiàn)有)的值。采用這一控制，可將發(fā)動機速度ωe增大到一特定的發(fā)動機啟動速度，而不會由于啟動發(fā)動機而出現(xiàn)車輛扭矩的任何變化。由等式12和13可以顯見，上述控制不依賴于車速ωv的大小，并且即使在停止狀態(tài)或者行駛狀態(tài)也可啟動發(fā)動機1。在該方法中，雖然本實施例中的車輛是無離合器型的，但可通常地啟動或停止發(fā)動機，同時防止由于啟動發(fā)動機而產生沖擊。接著，在步驟133，判斷發(fā)動機1的速度是否達到一特定的發(fā)動機啟動速度。若否，則在步驟135停止控制發(fā)動機。如果發(fā)動機速度充分地達到發(fā)動機的啟動速度，則在步驟134啟動發(fā)動機的控制，以完成從馬達驅動模式向普通模式的轉換，其中在普通模式控制發(fā)動機1的驅動。
執(zhí)行鎖緊裝置B的釋放模式來使第二速度模式轉入圖4的狀態(tài)轉換圖所示的另一模式。首先，在步驟136斷開鎖緊裝置B，以釋放太陽齒輪6s的機械鎖止狀態(tài)。在步驟137，將馬達B的速度ωb控制為零。采用該控制，可以防止由于釋放鎖緊裝置B而造成車輛驅動扭矩τv的變化。在步驟138，停止控制馬達A。并且，在步驟139，通過控制發(fā)動機來控制車輛的驅動扭矩τv。也就是說，通過執(zhí)行與第二速度模式中同樣的控制，其中釋放了鎖緊裝置B，可以防止由于操作模式的變化而出現(xiàn)沖擊。
此外，在不通過轉換模式來使兩個普通模式直接相互轉換的情況下，可以改變控制馬達的方法，并且因此，當操作模式變化時，新的模式下控制的初始值可以與前一模式下控制的相應值相匹配。這對防止因操作模式的變化而造成扭矩的變化是有效的。
接著，參照圖7和8所示的能流，詳細描述如何通過圖1所示的系統(tǒng)構成，在上述CVT模式中實現(xiàn)無級(連續(xù))變速傳動功能。在這些圖中，假定常數(shù)ka＝2，kb＝0.5。因此，第一速度模式中的齒輪比變?yōu)?，而第二速度模式中的齒輪比變?yōu)?.5。并且，下面將描述在CVT模式下，獲得在上述齒輪比之間、即0.5～2之間的中間區(qū)域內的一任意變速比的操作。
圖7(a)～7(e)為表示在變速比被設定在0.5～1.0的一范圍內時，發(fā)動機、車輛及行星齒輪A和B的操作點的扭矩-速度特性圖。如圖7(a)所示，在有關發(fā)動機的操作點×的情況下，驅動車輛的一操作點○偏離在較低速度/較高扭矩側(圖中的上左側)，行星齒輪A的輸入功率(動力)Pea和行星齒輪B的輸入功率Peb被分別從發(fā)動機功率Pe分配給行星齒輪A4和B6。行星齒輪A4的輸入速度與行星齒輪B6的相同，因為它們兩者都連接在共同的輸入軸上。因此，通過將發(fā)動機扭矩τe分割成行星齒輪A分享的發(fā)動機扭矩τea和行星齒輪B分享的發(fā)動機扭矩τeb，確定了分別輸入到行星齒輪A4和B6的上述功率。此外，不是通過僅控制一個馬達，而是通過整個能量的平衡來確定功率的上述分割比。通過采用馬達A8驅動太陽齒輪4s來向行星齒輪A的從發(fā)動機輸入的功率Pea增加輸入的馬達A的功率Pa，確定圖7(b)所示的行星齒輪A的輸入側的操作點□。由于是通過增大/減小行星齒輪的速度來完成能量的輸入/輸出，附加的能量表示在圖7(b)的橫坐標上(速度方向)。如圖7(c)所示，在行星齒輪A4的輸出側，是按照齒輪比ka＝2來降低速度的，從而車速ωv變?yōu)橹祂aωv的一半，并且由行星齒輪A分享的車輛扭矩τva變?yōu)橛尚行驱X輪A分享的發(fā)動機扭矩τve的兩倍。也就是說，操作點□變換到一操作點△。
類似地，圖7(d)表示在行星齒輪B的輸入側的一操作點□的能流。通過向太陽齒輪6s作用行星齒輪B的輸入功率Peb，操作馬達B9來降低其輸出側的速度，因此，馬達B9轉入一功率產生狀態(tài)。因此，對于等于馬達B的功率pb的一值，操作點□就移動，即移到圖7(d)所示的一位置。在行星齒輪B6的輸出側，行星齒輪B6的速度按照齒輪比kb＝0.5增大，因此，正如從操作點□到圖7(e)中一操作點△的變化所示，車速ωv變成2倍，而由行星齒輪B分享的車輛扭矩τvb變?yōu)橐话?。車輛扭矩τv為由行星齒輪A分享的車輛扭矩τva和由行星齒輪B分享的車輛扭矩τvb的總和，因而在圖7(a)所示的一操作點○操作車輛。采用這一操作原則，發(fā)動機1的操作點可在一低速/高扭矩區(qū)隨速度變化。已揭示出在發(fā)動機1的操作點保持恒定的情況下，通過控制每一馬達的功率，可自由地控制車輛的操作點。而且，通過使由馬達A驅動的功率Pa的絕對值與由馬達B產生的功率Pb的絕對值相匹配，可取消對電池12的充電/再充電操作的需要，因此可使得電池的容量較小。這對于降低車輛的重量是有效的。此外，第一速度模式等于在圖7(a)～7(e)中馬達A的速度ωa為零和馬達B的扭矩τb為零的模式。也就是說，第一速度模式可以被認為是CVT模式的一種特殊情況。
圖8(a)～8(e)為表示在變速比被設定在1～2的一范圍內時，發(fā)動機、車輛和行星齒輪A及B的操作的扭矩-速度特性圖。圖8(a)表示當發(fā)動機的一操作點×隨速度變化為車輛的一操作點○時的一操作原則。當與圖7(b)和7(c)所示的情況相比時，圖8(b)和8(c)所示的行星齒輪A在輸入側和輸出側的操作點分別轉換到較高速度/較低扭矩側。馬達A8在高速下以低扭矩驅動。相反，如圖8(d)和8(e)所示，行星齒輪B在輸入側和輸出側的操作點這樣設置，以至于當分別與圖7(d)和7(e)所示的情況相比時，馬達B的速度ωb較小和馬達B的扭矩τb較大。在第二速度模式，馬達A的扭矩τa為零且馬達B的速度ωb為零，因此，通過在從第一速度模式到第二速度模式的一區(qū)域控制馬達A和B，可以獲得無級變速傳動功能。采用這一構造，由于是在一普通的低扭矩操作下執(zhí)行最小齒輪比的控制，因此可在高扭矩/高效率的操作點驅動發(fā)動機1，并且如果需要一高扭矩，模式可快速轉入CVT模式，結果可獲得一舒適的驅動特性。
圖9(a)和9(b)表示兩個例子，其中改變發(fā)動機的操作點，以如此地控制車輛，以至于實現(xiàn)一高輸出的混合型車輛，該車輛可有效地利用安裝在車輛上的電池12。圖9(a)是當圖7(a)所示的發(fā)動機的操作點×從一點×變化到一點Y時的一特性圖。當在車輛的一操作點○保持恒定的情況下控制馬達A和B時，由發(fā)動機1產生的能量變得過剩，結果馬達A的用于驅動車輛所需的功率Pa降低，并且馬達B的用于產生電能的功率Pb的絕對值增大。因此通過高效地驅動發(fā)動機1所獲得的過剩的能量就被充入電池12中。
圖9(b)表示發(fā)動機的操作點變化、以有效地利用儲存在電池12中能量的例子。在該例子中，通過在車輛的操作點○保持恒定時降低發(fā)動機的輸出，圖8(a)所示的發(fā)動機的操作點×從一點U變化到一點V。具體地，為了使發(fā)動機的操作點×從點U變化到點V，增大馬達A的速度ωa，使馬達A的功率Pa變大，并且降低馬達B的速度ωb，使所產生的功率Pb變小。這意味著通過馬達的驅動力來相對地輔助發(fā)動機的驅動力。實際上，通過控制電池的輸入/輸出功率，使得發(fā)動機在良好的燃料消耗的一操作點下驅動，可以降低燃料消耗。
圖10是表示當兩個馬達中的任一個失效時執(zhí)行的一操作過程的流程圖。在步驟141，判斷兩個馬達中的至少一個是可被正常地控制的還是兩個都失效了。如果存在一個可正常地操作的馬達，則處理進入步驟142，而如果兩個馬達都失效了，則處理進入步驟148。在至少一個馬達可正常地控制的情況下，在步驟142判斷發(fā)動機1是否在轉動。若否，則通過執(zhí)行步驟142～145中的操作啟動發(fā)動機1，并且此后通過執(zhí)行步驟146和147中的操作、采用發(fā)動機1和可正常地控制的馬達來控制車輛的驅動。如果在步驟142判斷發(fā)動機轉動，則可執(zhí)行步驟146和147中的操作。
在步驟143，根據車速ωv來判斷車輛的行駛狀態(tài)。如果車輛未在行駛，則處理進入步驟144，在此執(zhí)行用于鎖止輪胎3a和3b的一操作，以使車輛停止。通過提供一可固定/可打開的制動裝置以及采用一控制器自動地控制該制動裝置，或者通過提供指示駕駛員車輛狀態(tài)的一報警裝置，并且允許駕駛員根據從該報警裝置輸送的指示值來判斷是否啟動制動器，可以完成該操作。在步驟145，通過增大可正常地控制的馬達的速度，發(fā)動機速度ωe增大到發(fā)動機1的啟動速度。在車輛停止時，由于車輛在步驟144被鎖止，通過反作用就防止了車輛后退。此外，在車輛行駛過程中，通過根據車速ωv增大馬達速度，可以啟動發(fā)動機1。此時，雖然通過克服啟動發(fā)動機1的力的反作用而向車輛輕微地施加了一負的扭矩，但由于車體的慣性遠大于發(fā)動機1的慣性，故驅動能力不會降低。在此方法中，當發(fā)動機速度ωe達到啟動速度時，通過控制發(fā)動機，例如通過燃料噴射控制或油門控制可驅動發(fā)動機。在步驟146通過控制可正常地驅動的馬達的速度，可將發(fā)動機1的速度ωe控制到一特定的值。此外，由于通過控制發(fā)動機可控制車輛扭矩τv，因此即使一個馬達失效，也可使車輛行駛。另外，由于根據儲存在電池12中的能量來限制輔助時間與馬達功率，因此有時通過車速ωv來限制操作方法。
在步驟141，如果判斷沒有可正常地控制的馬達，則執(zhí)行步驟148～151的操作。首先，在步驟148，確認發(fā)動機1是否在轉動。如果是，則在步驟149執(zhí)行執(zhí)行發(fā)動機控制，并且在步驟150執(zhí)行鎖緊裝置B13的開-關控制，以防止發(fā)動機1停止。在發(fā)動機1沒有停止的情況中，例如，當車速ωv為中等速度或更大時，希望打開鎖緊裝置B13來鎖止太陽齒輪6s。
如果發(fā)動機1未在轉動，就不能驅動車輛。在此情形中，在步驟151執(zhí)行打開一失效(故障)燈的操作。采用這些操作，由于即使在馬達失效的情況下仍能或多或少地驅動車輛，故可提高車輛的可靠性。
在該實施例中，通?？稍谶@樣的一區(qū)域驅動車輛，以至于電能的輸入/輸出最小并且發(fā)動機的效率最大，且因此可以大大地降低燃料消耗。而且，由于通過控制相互配合的兩個馬達，可獲得可與一無級變速傳動裝置相比的功能，因此可以實現(xiàn)能防止因傳動而出現(xiàn)的沖擊的車輛。
圖11表示混合型車輛的另一實施例，其與圖1所示的車輛的區(qū)別在于系統(tǒng)、例如齒輪的結構。在該系統(tǒng)中，用一電容器14來代替電池12。由于電容器14的單位重量的功率可大于電池12的，故可大大地降低安裝在車輛上的儲能裝置的重量。這對于降低車輛的重量是有效的，因而可進一步改善單位行駛里程的燃料消耗。此外，由于電容器的能量密度小于電池的，故電容器14的能量輸入/輸出可被控制得小于圖1所示實施例的電池12的。
該實施例與圖1所示實施例的不同點還在于其鎖緊裝置17、18和19是設置在發(fā)動機1、馬達A8和車輛驅動軸的轉動部位上；并且圖1所示的用于使在行星齒輪A4與齒輪5之間的齒輪比不同于在行星齒輪B6與齒輪7之間齒輪比的齒輪5和7被改變?yōu)辇X輪15和16。
鎖緊裝置17、18和19具有下列功能。首先，鎖緊裝置17用來停止發(fā)動機1的轉動。在不是由發(fā)動機1來驅動車輛的情況下，打開鎖緊裝置17來固定發(fā)動機1。當在這樣的狀態(tài)下執(zhí)行馬達驅動模式下的控制時，由于不需要控制馬達A8和B9的速度與其它的相匹配，以控制發(fā)動機的速度ωe為零，可通過馬達之一或者兩者來控制車輛扭矩τv。也就是說，可以大大地簡化控制馬達的方法。此外，在圖1所示的實施例中，如果兩個馬達彼此相配地控制，則一個馬達轉入驅動狀態(tài)，而另一個馬達轉入產生功率的狀態(tài)，從而輸入/輸出電能變大；然而，在該實施例中，可采用驅動車輛的最小的電能需求，從而可進一步降低電能的損失。
此外，鎖緊裝置17可被構造為一單向離合器。在采用單向離合器作為鎖緊裝置17的情況中，即使在發(fā)動機1停止期間出現(xiàn)在反轉方向轉動發(fā)動機1的一扭矩，也可通過作為鎖緊裝置17的單向離合器來自動地保持發(fā)動機1的停止狀態(tài)。這在消除需要控制鎖緊裝置17方面是有利的。
鎖緊裝置18用來鎖止馬達A8。在第一速度模式，在馬達A的速度ωa被控制為零后，打開鎖緊裝置18。然后，停止馬達A8的控制。在該方法中，即使在第一速度模式，不用采用馬達的任何電能也可驅動發(fā)動機1，這樣可進一步降低燃料消耗。
由于可以控制鎖緊裝置18以鎖止車輛，可采用一控制器自動地執(zhí)行圖10所示的在步驟143的車輛鎖止操作，從而無需給駕駛員帶來任何負擔即可在馬達失效時執(zhí)行發(fā)動機的啟動。
通過將圖1所示的齒輪5和7改變?yōu)辇X輪15和16，不僅可獲得同樣的效果，而且從行星齒輪A4和B6到驅動軸2的結構可簡化。結果，可以以一種緊湊的方式配置一傳動部分，其包括圍繞驅動軸的馬達A8和B9，因此盡管車輛在混合型的，也可在車輛的發(fā)動機室內自由地配置發(fā)動機。
如上所述，按照該實施例，可進一步增強系統(tǒng)的效率。
圖12是表示不同于圖1所示實施例的另一實施例的一構造簡圖。在該系統(tǒng)中，在行星齒輪20的輸入側與輸出側之間的一齒輪比與在行星齒輪21的輸入與輸出側之間的一齒輪比相同。在該系統(tǒng)中，沒有獲得通過改變齒輪比來建立第一速度模式和第二速度模式的效果；然而，獲得了作為一并列混合型車輛的一新的效果。也就是說，在采用電池12的能量由馬達來輔助發(fā)動機1的驅動力的情形中，當用于輔助發(fā)動機1的驅動力的驅動扭矩小時，僅可驅動馬達A8和B9中的一個，結果可在有效的操作點控制馬達；而當用于輔助發(fā)動機1的驅動力的驅動扭矩大于一個馬達的容量時，可采用兩個馬達來獲得驅動扭矩。結果，同并行混合型車輛的相關技術相比，可以使系統(tǒng)緊湊。
圖13表示將本發(fā)明的傳動裝置(變速器)應用于一自行車的一實施例。安裝在自行車的一車體22上的一變速器23用于改變一旋轉驅動力的速度，其中該旋轉驅動力是當由一騎行者致動踏板24a和24b時獲得的。旋轉驅動力如此變化，使其速度經一鏈條30傳遞給后輪的輪胎25b，由此驅動自行車前進。變速器23包括薄型馬達26和27以及由馬達26和27控制的行星齒輪28和29。類似于圖1所示的實施例，通過使行星齒輪28的輸入與輸出側之間的一齒輪比不同于行星齒輪29的輸入與輸出側之間的一齒輪比，可以實現(xiàn)一第一速度模式、第二速度模式和CVT模式。并且，采用一變速指示器(未示出)將馬達26和27控制在騎行者所希望的一變速比下，從而騎行者大多喜歡舒暢地操作車輛。按此方法，根據該實施例可提供具有舒適的驅動性能的一自行車。而且，通過在自行車上安裝儲能裝置，采用在一下坡或一平路上行駛過程中逐漸充入的能量，自行車可以以最佳變速比容易地爬上一坡路。
圖14是變速器的轉動方向從圖13所示的實施例中改變90度時的另一實施例。該實施例與圖13所示實施例的不同點在于變速器31的配置方向改變了90度并且一驅動力經取代鏈條30的一軸37傳遞給輪胎25b。踏板24a和24b的旋轉驅動力經一傘齒輪傳遞給軸36并且被輸入變速器31內。變速器31包括馬達32和33以及行星齒輪34和35，并且其具有類似于前一實施例的一傳動功能；但是，變速器的轉動方向是垂直于自行車前進方向的一橫置方向。由于隨速度變化的旋轉驅動力經軸37傳遞給輪胎25b，因此無需采用鏈條。這對于采用一簡單的結構獲得具有良好傳動效率的一自行車是有利的。在圖14所示的實施例中，由于配置在踏板之間的變速器的寬度可以小于圖13所示實施例的，故也提高了變速器在自行車上的安裝特性。按照該實施例，騎行者可以以一較輕的力蹬踩踏板來駕駛自行車。此外，通過將變速器的轉動軸配置在垂直方向，可給變速器增添一陀螺儀的效果，從而可穩(wěn)定自行車的姿勢。
在上述實施例中，變速器包括由馬達控制的兩個行星齒輪，并且已描述了采用這種變速器的混合器車輛和自行車。此外，通過采用3個或多個行星齒輪，本發(fā)明可實現(xiàn)一多級(三級或更多)變速器。在上述實施例中，描述了馬達主要控制行星齒輪的太陽齒輪的方法；但是，可改用馬達控制另一齒輪的方法。此外，例如可采用一種不對稱的構造，其中通過馬達控制一行星齒輪的太陽齒輪和通過馬達控制另一行星齒輪的行星元件。雖然采用行星齒輪作為上述實施例中的差速機構，但可由一通用的差速齒輪來代替，并且還可由靜止的一諧波齒輪來代替。此外，本發(fā)明當然不僅可應用于車輛，還可應用于船舶和鐵道車輛。
根據本發(fā)明，提供了一種變速器，包括用于將一驅動源的能量分配給許多差速機構的一機構；分別與所述許多差速機構相連的許多馬達；和用于結合從所述許多差速機構輸出的能量的一機構，或者提供了這樣的一種變速器，包括許多差速機構，其中每一差速機構在輸入軸與輸出軸之間旋轉數(shù)目的不同是由一馬達控制；所述許多差速機構的輸入軸是作為一共用軸，并且其輸出軸也是作為一共用軸。具有上述構造的變速器使得可采用馬達實現(xiàn)無級變速傳動功能，并且通過使電能的損失最小來增大效率。
根據本發(fā)明，還提供了一種車輛，包括用于產生驅動車輛的驅動能量的一發(fā)動機；第一和第二行星齒輪，其中每一行星齒輪包括一太陽齒輪、一行星元件和一齒圈；以及分別用于控制第一和第二行星齒輪的太陽齒輪的第一和第二馬達；其中每一第一和第二行星齒輪的行星元件與齒圈之一連接到由發(fā)動機驅動的一輸入軸上，而另一個則連接到用于驅動一車體的一輸出軸上。具有上述構造的該車輛使得可實現(xiàn)一無級變速傳動功能，其能通過機械齒輪傳遞一驅動扭矩，除了在加速時其無需使用電能，并且通常在一高效率的操作點驅動發(fā)動機，因此可降低每單位行駛距離的燃料消耗。
根據本發(fā)明，還提供了一種自行車，包括第一和第二差速機構，每一差速機構采用由一騎行者產生的一驅動力作為輸入力，和采用用于驅動一車輪的一驅動力作為一輸出力；以及分別用于控制所述第一和第二差速機構的第一和第二馬達。具有上述構造的該自行車使得可降低在騎行自行車的過程中騎行者的疲勞。
權利要求
1.一種車輛，包括用于產生驅動所述車輛的驅動能量的一發(fā)動機；以及用于改變所述發(fā)動機轉速并且將如此變速了的旋轉驅動力傳遞給一車輪的一變速器；所述變速器包括第一和第二差速機構，每一差速機構采用由所述發(fā)動機產生的至少一個驅動力作為一輸入力和采用用于驅動所述車輪的一驅動力作為一輸出力；以及分別用于控制所述第一和第二差速機構的第一和第二馬達。
2.一種如權利要求1所述的車輛，還包括儲能裝置，用于儲存驅動所述第一和第二馬達的能量。
3.一種如權利要求2所述的車輛，其特征是所述第一差速機構的所述共用輸入軸與所述共用輸出軸之間的一齒輪比大于所述第二差速機構的所述共用輸入軸與所述共用輸出軸之間的一齒輪比。
4.一種如權利要求2所述的車輛，其特征是啟動所述發(fā)動機，通過采用所述儲能裝置的能量控制所述第一和第二馬達。
5.一種如權利要求3所述的車輛，其特征是通過控制所述第一和第二馬達以保持恒定的車速來啟動所述發(fā)動機。
6.一種如權利要求3所述的車輛，其特征是通過控制所述第一和第二馬達在所述發(fā)動機停止時驅動所述車輛。
7.一種如權利要求3所述的車輛，其特征是所述車輛具有一第一操作模式和一第二操作模式，其中在第一操作模式中當由所述發(fā)動機驅動所述車輛時，所述第一馬達被鎖止并且所述第二馬達轉入一自由運轉狀態(tài)，而在第二操作模式中當由所述發(fā)動機驅動所述車輛時，所述第一馬達轉入一自由運轉狀態(tài)。
8.一種如權利要求7所述的車輛，其特征是所述第二馬達包括固定裝置，用于機械地固定所述第二馬達。
9.一種如權利要求7所述的車輛，其特征是每一所述第一和第二馬達包括一固定裝置，用于機械地固定所述馬達。
10.一種如權利要求8或9所述的車輛，其特征是當所述車輛的操作模式轉入所述第一或第二操作模式時，所述固定裝置在電動地鎖止所述馬達后，機械地固定所述第一或第二馬達的一軸。
11.一種如權利要求3所述的車輛，其特征是當由所述發(fā)動機驅動所述車輛時，所述第一馬達轉入一功率運行狀態(tài)，并且所述第二馬達轉入一功率運行或者再生狀態(tài)。
12.一種如權利要求3所述的車輛，其特征是當由所述發(fā)動機驅動所述車輛時，所述第一馬達采用由所述第二馬達產生的能量轉入一功率運行狀態(tài)。
13.一種如權利要求1所述的車輛，其特征是當所述第一或第二馬達變得不可控制時，由所述第一和第二馬達中可控制的那一個以及所述發(fā)動機來驅動所述車輛。
14.一種如權利要求1所述的車輛，其特征是當確認所述第一或第二馬達變得不可控制時的所述車輛停止時，通過所述第一和第二馬達中可控制的那一個啟動所述發(fā)動機，并且此后通過控制所述可控制的馬達和所述發(fā)動機驅動所述車輛。
15.一種自行車，包括第一和第二差速機構，每一差速機構采用由一騎行者產生的一驅動力作為輸入力，和采用用于驅動一車輪的一驅動力作為一輸出力；以及分別用于控制所述第一和第二差速機構的第一和第二馬達。
全文摘要
本文公開了一種變速器,其包括用于將一驅動源的能量分配給許多差速機構的一機構;分別與所述許多差速機構相連的許多馬達;和用于結合從所述許多差速機構輸出的能量的一機構。
文檔編號B60K6/365GK1328934SQ0112246
公開日2002年1月2日 申請日期2001年7月5日 優(yōu)先權日1998年2月19日
發(fā)明者正木良三 申請人:株式會社日立制作所