未来我们还需要变速箱吗
本文中，小鹏汽车的工程师将和你一起探讨Tesla的动力结构。以2014款Model S P85为例，是什么支撑它无需换挡即可实现0-100km/h加速只用4.4s且能达到210km/h的最高时速？近期P100D正式发布，两项数据均已提升，前者更是达到了疯狂的2.7s。这种无变速器的结构是最好的吗？今年初Model 3的火爆预定场面还历历在目，据SeekingAlpha网站上一位名叫Carlson的作者推测，双电机版本的Model3车型的动力系统可能将延续Tesla&85D的动力系统，采用由两台电机配套差减的方式实现四驱。虽然动力系统的体积和质量将会更小，但整个动力系统的架构没有改变——即将上市的Model 3仍然没有变速箱。&▲&Tesla&部分车型双电机四驱动力系统Tesla为何无需变速箱电机取代内燃机成为车辆新的动力心脏。Tesla的心脏是3相4极感应电机，最高转速可达15480rpm。Tesla没有变速箱，其减速比是恒定的9.73,车速与电机转速是固定的比例：车速=电机转速/减速比×车轮半径×2Pi×60/1000因此，当电机转速达到最高转速时，车速将达到210km/h。&▲Tesla的电机和减速器在满足最高车速的前提下，动力系统的扭矩输出也是衡量车辆性能的重要指标。0-100km/h加速时间体现了Tesla&优越的低速加速性能，那么它的高速性能怎样呢？假设你是Tesla的车主，在中国高速公路上以120公里/小时的速度行驶，这个时候Tesla的电机扭矩输出为325N·m，轮上扭矩为325x9.73=3162N·m，这依然是非常强大的。&▲Tesla电机外特性传统汽车为何需要变速箱这个问题有多方面原因。首先，一般汽油发动机的最高转速能达到6000rpm-8000rpm，性能跑车能达到或超过10000rpm，远远低于Tesla应用电机的最高转速，在相同的减速比下，内燃机汽车最高车速要比电动车低。其次，内燃机在低转速时扭矩输出能力较差，需要更大的减速比来放大扭矩，这使得内燃机汽车无法通过单一固定的减速比匹配行驶所需的各种车速。最后，这一点涉及到内燃机的软肋——无法逆转且运转转速不得低于怠速转速，因此需要变速箱来辅助实现倒车、起步、静止候车等功能。&▲某内燃机外特性曲线从上图中可以看出，内燃机转速在2000rpm-3500rpm范围内相对效率较高，内燃机的高效区比较狭窄。相比之下，电机系统高效区（效率为80%）占比可以达到全工况范围内的75%以上，优势明显。因此，为了使内燃机始终保持相对较高的工作效率，一个能设定多个档位的变速箱是必不可少的。下面以Porsche 某车型为例，车辆以120公里/小时的速度行驶在高速公路上，车辆各档位对应的发动机转速如下：&此时，最经济的档位为7档，对应发动机转速为2324rpm，车辆不仅噪声和抖动都比较小，燃油经济性也最好。电动车一定不需要变速箱吗从当前市场来看，不管是先进的Tesla还是国内的自主电动汽车品牌，大部分都没有给电动汽车配变速箱，这就给大家一种电动车不需要变速箱的感觉。没有变速箱，电动汽车可以正常行驶，增加变速箱会增加整车成本。变速箱存在的意义在于可以调节电机转速和车速的比例关系，在特定车速下，使电机运行在更加高效的工作区间。了解Tesla历史的同学，肯定知道Tesla Roadster，这款车的最初的设计配置是180kW电机+60kWh电池+2档变速箱，但后来由于缺乏相关技术积累，取消了变速箱设计。但是，为了达到和取消变速箱之前相同的动力性能，电机功率增大到了240kW。为了配合更大的电机，电池也需要从60kWh增大到80kWh以提供更大的输出功率。这些改变都增加了成本和质量。保守估计，减速箱的节能为5%，对应电动车相当于多了1kWh的电量。因此，变速箱装在电动汽车上是锦上添花，而不是画蛇添足。&▲&CVT变速箱一辆由内燃机作为直接动力源的汽车必须配备变速器来满足正常的使用需求，而电动汽车没有变速箱似乎也随着Tesla的日渐火热成为一件人们习以为常的事。但是，电动汽车没有变速箱背后的原因，是每一位理性的消费者和有责任感的工程师应该思考的问题。所谓存在即合理，只能说明发生的事实自有其原因，至于是否是最佳的方案，现在下定论尚早。我们可以大胆设想，在未来，也许国内变速器供应商和电动车企会在电动汽车用高速变速器上有所突破，获得超越Tesla的契机。
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专利名称汽车热力发动机的变速箱主轴与可逆电机的转子之间的连接装置的制作方法
汽车热力发动机的变速箱 主轴与可逆电机的转子之间的连接装置5本发明涉及汽车混合发动机组的热力发动机的变速箱主轴与 可逆电机的转子之间的连接装置。人们己经了解到这样的装置，其中电机的转子与一个轮毂相 10连，该轮毂与变速箱主轴同轴地安装，并且相对于承载着电机定子 的固定壳体而转动；定子和转子是同轴的，而且在定子的内周和转 子的外周之间确定了一个间隙。位于变速箱壳体一侧的主轴端部由一个浸在变速箱润滑油中 的滚动轴承转动地安装，其另一端部也是转动地安装，安装在成形 15于热力发动机的曲轴端部的一个盲孔中。主轴还通过一个离合器连接于曲轴，该离合器能够通过离合撞 块的控制而脱开，以便当换档时，或者处于原动机的电驱动模式时， 从曲轴的转动被传递到主轴这样的离合器接合状态，转换到该离合 器的脱开状态，在这一状态时，曲轴不与主轴相联结。 20 电机转子的轮毂包括一个安装在主轴上的、并且通过键槽连接而与主轴转动相连的套管。电机的转矩通过无润滑油的键槽连接而传递到变速箱主轴上， 在转子轮毂的套管和主轴之间就必须要有间隙，以保证该套管通过 键槽安装到主轴上。当处在干燥的环境下，也就是无润滑油的情况 25下，主轴连接转动时，这样的连接传动造成转子轮毂的套管与主轴 之间的微小位移，这会导致由于摩擦而在这两个元件之间的连接槽
上产生出被称为"微振磨损"的很大的磨损，最终导致键槽撞击和 键槽连接的失效。本发明的目的在于克服上述缺陷，提出一种汽车混合发动机组 S的热力发动机的变速箱主轴与可逆电机的转子之间的连接装置，其 中转子与一个轮毂相连，该轮毂与变速箱主轴同轴地安装，并且相 对于承载着电机定子的固定壳体而转动，定子和转子之间确定了一 个间隙；以及通过一个离合器，主轴能够与发动机曲轴的转动相脱 离，该离合器可以通过离合撞块的控制而脱开；该装置的特征在于， 10转子的轮毂通过一个连接件连接到主轴上，所述连接件包括啮合 在转子轮毂内部的外齿圈，以及直接安装在主轴上并且通过键槽连 接而连接于主轴的中心套管；其特征还在于，该连接件的齿圈和中 心套管各自具有圆柱形端部，这些圆柱形端部都位于与连接至转子 轮毂的键槽和连接至主轴的键槽的另一侧，并且分别通过在转子的 15轮毂中的和在主轴上的光滑配合或滑动配合而确定出它们的中心。 连接件的齿圈和中心套管的、分别在转子的轮毂中和在主轴上 确定出中心的两个端部是位于平行于主轴的同一侧。该连接件相对于转子的轮毂，以及相对于主轴是固定不动的。 一方面是通过设在齿圈上的、在转子的轮毂的一些齿的相邻端部与 20齿圈的光滑端部之间的一个凸肩，以便这些齿的端部都抵靠在齿圈 的该凸肩上；另一方面是通过主轴上的凸肩，该凸肩邻近于与中心 套管相接合的连接键槽，并且中心套管的内键齿都抵靠于该凸肩。离合撞块的控制能够作用于至少两个圆柱形推杆的端部，所述 推杆被安装成平行于主轴而滑动地引导其穿过一个壁，所述壁垂 25直于主轴并且连接于连接件的齿圈和中心套管，以便通过一个环形 撞块而弹性地移动离合器的薄板，所述环形撞块连接在诸推杆的、
与离合撞块所控制作用的那端相反的另一端，从而将该薄板引导到 使得离合器脱开的位置。推杆的与薄板位移撞块的位置相反的那端连接于一个基本为 圆形的盘，所述圆盘垂直于主轴，并且具有一个同心地围绕着主轴 5的中心孔，离合控制撞块靠压在该圆盘上。离合撞块的控制能够作用在三个推杆上，这三个推杆分别穿过 连接件的横向壁上三个孔，这三个孔在圆周上均匀分布，彼此间隔120度。所述圆盘通过一些紧固螺钉固定在推杆的一端，而薄板的移动 io撞块也是通过一些紧固螺钉而固定在推杆的另一端。 离合撞块的控制装置可以是液压型的。通过下面参照附图的说明，将能够更好地理解本发明，以及更 加清楚地显现本发明的其它目的、特征、细节和优点，附图只是用15来举例地表示本发明的一个实施例，其中图l表示了本发明的、作为汽车混合发动机组一部分的可逆电 机的纵向截面图；图2是附图说明
图1中符号II所示的圆内部分的放大图； 图3是本发明的连接件的立体图。20参见附图，数字标记1表示一个安装在离合器壳体2中的可逆 电机，该离合器壳体则被固定在变速箱壳体3和汽车的热力发动机 壳体4之间。电机1作为混合发动机组的一部分，它主要包括环形定子5 25和环形转子6，所述转子沿着轴向的对称轴线X — X同轴地位于定 子5中，转子6围绕着该轴线转动地安装。
在定子5的内周和转子6的外周之间确定了一个间隙。 转子6固定安装在支撑轮毂7上，该支撑轮毂围绕着主轴，也 就是沿着X—X轴线而延伸的变速箱输入轴8，同轴地设置；如同 下面将会看到的，该支撑轮毂转动地安装在所述轴上。 s 定子5通过一些紧固螺钉9固定在离合器壳体2上，图中仅示出了其中的一个螺钉，它延伸穿过其中固定装配着定子5的外周的 一个支架或称匣体。主轴8的靠近变速箱壳体的一端通过滚动轴承11转动地安装， 以及另一端通过滑动轴承13安装在盲孔12a的非中央部位，所述 io盲孔成形在热力发动机的曲轴12的末端、或成形在构成了曲轴端 部的某一元件中。一个惯性轮14通过一些螺钉15固定到曲轴12上，该惯性轮 包括一个与曲轴12相垂直的竖直表面14a，在该表面上可以摩擦接 合至少一个由压板17控制而轴向移动的离合器摩擦盘16。该压板 15则由离合撞块18控制，以及离合器盘16由灵活性的连接件19连 接于与主轴8转动相连的轮毂20上，例如通过一些键槽。离合器压板17由薄板21来控制，后者同轴地安装于主轴8并 且由撞块18进行控制，以使得由摩擦盘16和压板17所构成的离 合器分别处于与惯性轮14接合或脱开的状态；以及，因此使得主 20轴8连接于曲轴12，或者，当换档时或原动机处于电驱动模式时， 使主轴与曲轴脱开。可变形的弹性片形式的薄板21设置在压板17 和离合器盖22之间，薄板21通过一些铆钉23固定在离合器盖22 上，这些铆钉均匀地分布在薄板21外周边附近的同一个圆周上。 根据本发明，转子6的轮毂7具有中心套管7a，它一方面在其 25外周通过滚珠轴承24相对于定子5的匣体IO转动地安装，另一方 面通过连接件25转动固定于主轴8。
连接件25包括啮合在转子6的轮毂7的中心套管7a中的外齿 圈26，以及包括与该齿圈26同轴的中心套管27，该中心套管27 直接安装在主轴8上，并且通过键槽28与该轴转动连接。齿圈26 在与其圆周齿相反的另一侧延伸出一个与主轴8同心的圆柱形端部 5 29，它的外周是光滑的，以便滑动地安装到轮毂7的套管7a的光 滑内孔部分中，所述内孔部分位于该套管7a的、具有与齿圈26相 啮合的内齿的那侧内周相反的另一侧。同样地，连接件25的套管27也具有与键槽28所在位置相反 的另一侧的圆柱形端部30，其光滑的内周被滑动地安装在主轴8的 10光滑外周的相应部分上，该部分位于主轴上与径向向外键槽所在位 置相反的另一侧。优选地， 一方面套管7a的内孔部分与齿圈26的圆柱形端部29 之间的配合，另一方面由圆柱形端部30所确定的内孔与主轴8的 相应的光滑部分之间的配合，都是H7 — g6公差级的配合。 15 连接件25的齿圈26和中央套管27，它们的两个端部29， 30都位于平行于主轴8的同一侧。连接件25相对于转子6的轮毂7的套管7a，以及相对于主轴 8是固定不动的。 一方面是通过设在齿圈26上的、在齿圈26的圆 柱形端部29以及轮毂7的套管7a的一些内齿的相邻端部之间的一 20个凸肩31，使得连接件25保持其在套管7a中的安装位置时，所述 这些齿的端部都抵靠在该凸肩31上；另一方面是通过主轴8上的 凸肩32，该凸肩邻近于与中心套管27相接合的连接键槽，并且中 心套管27的内键齿33都抵靠于该凸肩32上。其安装过程按如下步骤进行 25 —将主轴8装在变速箱壳体中；一将套管25套到主轴8上，直到抵靠住凸肩32;一然后，将电机的套管7套到套管25上，直到抵靠住凸肩31。 当一方面在齿圈26的圆柱形端部29和转子6的轮毂7的套管 7a之间，另一方面在圆柱形端部30和主轴8之间实现滑动配合时，还实现了这些元件之间除了传递扭矩的功能之外的相互对中功能， 5因而消除了齿圈26与轮毂7的套管7a之间、以及中心套管27与 主轴8之间的微小的径向位移，因此，这也消除了这些零件的键槽 和齿的磨损问题。离合撞块18的控制装置其本身是已知的，例如是液压型的， 它被固定在离合器壳体2中靠近变速箱壳体的一侧，也就是说，与 io离合器相反的一侧；它还能够作用于至少两个圆柱形推杆34的端 部，所述推杆被安装成平行于主轴8滑动地引导其穿过壁35;所 述壁35垂直于主轴8而延伸，并且连接于连接件25的齿圈26和 中心套管27，因而使得该连接件成为一个整体。最好设置三个滑杆34，它们分别被滑动地引导穿过壁35上的、 15均匀圆周分布彼此间隔120度的三个孔36。推杆34包括在离合撞块18的控制所作用的那端的相反的一 端上，有一个环形撞块37，它抵靠在薄板21的限定了自身中心孔 的那个边缘的附近，所述薄板21围绕着连接件25的中心套管27 同轴地设置。撞块37安装成与主轴8同心，并且在中心套管27上 20滑动接触，这样就保证了在撞块37的接合和脱开运动时对它的移 动引导。环形撞块37固定在推杆34的相应的端部上，例如通过一些紧 固螺钉38;以及也通过一些紧固螺钉41， 一个同心地围绕着主轴8 的带有中心孔40的圆盘39被固定在推杆34的相反的另一端上。 25
圆盘39垂直于主轴8的纵向轴线而延伸。图2的上半部分表示了推杆34和环形撞块37处于使得离合器 机构接合的位置；而图2的下半部分表示了离合撞块18的控制装 置已经启动，以驱使推杆34和环形撞块37移动到使得离合器机构 脱开的位置。因此，连接件25 —方面能够通过键槽和齿这些连接元件而保 5证将电机1的扭矩传递到主轴8，另一方面还能够保证对这些推杆 的引导，并且通过位于这些推杆两端的两个撞块保证离合器机构的 接合和脱开功能。
1.一种汽车混合发动机组的热力发动机的变速箱主轴(8)与可逆电机(1)的转子(6)之间的连接装置，其中转子(6)与一个轮毂(7)相连，该轮毂与变速箱主轴(8)同轴地安装，并且相对于承载着电机(1)的定子(5)的固定壳体(10)而转动，定子和转子(6)之间确定了一个间隙；以及通过一个离合器，主轴(8)能够与发动机曲轴(12)的转动相脱离，该离合器可以通过离合撞块(18)的控制而脱开；其特征在于，转子(6)的轮毂(7)通过一个连接件(25)而连接到主轴(8)上，所述连接件包括啮合在转子(6)的轮毂(7)内部的外齿圈(26)，以及直接安装在主轴(8)上并且通过键槽连接(28)而连接于主轴(8)的中心套管(27)；以及，该连接件(25)的齿圈(26)和中心套管(27)各自具有圆柱形端部(29，30)，这些圆柱形端部都位于与连接至转子(6)的轮毂(7)的键槽和连接至主轴(8)的键槽相反的另一侧，并且分别通过在转子(6)的轮毂(7)中的和在主轴(8)上的光滑配合或滑动配合而确定出它们的中心。
2. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，连接件(25)的齿 圈(26)和中心套管(27)的、分别在转子(6)的轮毂(7)中和20在主轴(8)上确定出中心的两个端部(29， 30)是位于平行于主 轴(8)的同一侧。
3. 如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，该连接件(25) 相对于转子(6)的轮毂(7)，以及相对于主轴(8)是固定不动 的。这一方面是通过设在齿圈(26)上的、在转子(6)的轮毂(7)25的一些齿的相邻端部与齿圈(26)的光滑端部(29)之间的一个凸 肩(31)，以便这些齿的端部都抵靠在齿圈(26)的该凸肩(31) 上；另一方面是通过主轴(8)上的凸肩(32)，该凸肩邻近于与 中心套管(27)相接合的连接键槽，并且中心套管(27)的内键齿 (33)都抵靠于该凸肩。
4. 如前面任一项权利要求所述的装置，其特征在于，离合撞块 s (18)的控制能够作用于至少两个圆柱形推杆(34)的端部，所述推杆被安装成平行于主轴(8)而滑动地引导其穿过一个壁(35)， 所述壁垂直于主轴并且连接于连接件(25)的齿圈(26)和中心套 管(27)，以便通过一个环形撞块(37)而弹性地移动离合器的薄 板(21)，所述环形撞块连接在诸推杆(34)的、与离合撞块(18) 10所控制作用的那端相反的另一端，从而将该薄板(21)引导到使得 离合器脱开的位置。
5. 如权利要求4所述的装置，其特征在于，推杆(34)的与薄 板(21)的位移撞块(37)位置相反的那端连接于一个基本为圆形的 盘(39)，所述圆盘垂直于主轴(8)，并且具有一个同心地围绕着is主轴的中心孔(40)，离合控制撞块(18)靠压在该圆盘(39)上。
6. 如权利要求4或5所述的装置，其特征在于，离合撞块(18) 的控制能够作用在三个推杆(34)上，这三个推杆分别穿过连接件(25) 的横向壁(35)上的均匀圆周分布彼此间隔120度的三个孔(36)。
7. 如权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述圆盘(39) 20通过一些紧固螺钉(41)固定在推杆(34)的一端，而薄板(21)的移动撞块(37)通过一些紧固螺钉(38)而固定在推杆(34)的口 i山另一顺。
8. 如前面任一项权利要求所述的装置，其特征在于，离合撞块 (18)的控制装置是液压型的。
本发明涉及一种汽车混合发动机组的热力发动机的变速箱主轴与可逆电机的转子之间的连接装置，其特征在于，转子(6)的轮毂(7)通过一个连接件(25)而连接到主轴(8)上，所述连接件包括啮合在轮毂(7)内部的外齿圈(26)，以及通过键槽连接(28)而连接于主轴(8)的中心套管(27)；而且，该连接件(25)的齿圈(26)和中心套管(27)各自具有端部(29，30)，这些端部分别通过在转子的轮毂(7)中的和在主轴(8)上的滑动配合而确定出它们的中心。本发明适用于汽车工业。
文档编号B60K6/48GKSQ
公开日日 申请日期日 优先权日日
发明者A·波米耶, T·布图 申请人:标致·雪铁龙汽车公司}