CN104633041B - 一种液力行星自动变速器 - Google Patents

Abstract

本发明由液力变扭器和行星轮系组合而成；其中泵轮(1)通过离合器(3)与太阳轮(9)接合或分离；涡轮(2)通过离合器(8)与行星架(7)接合或分离；制动器(4)使太阳轮(9)停转固定；制动器(5)使行星架(7)停转固定；行星轮(6)可在行星架轴(7)上滑移，以使其除与宽齿圈输出轴(11)啮合外，还分别与前进档太阳轮(9)或倒档太阳轮(10)啮合。直接档是无级自动变速档也是变矩启步档，此时各轴差速转动。动力由输入轴至泵轮(1)、涡轮(2)、至行星架(7)，最后通过行星轮(6)使宽齿圈输出轴(11)加速转动。当输出输入轴转速比为1时，液压自动控制机构使其进入超速档；它除具有液力变扭器特性外，还有如下基本功能：1.将液力变扭器的扭矩比自动放大，且满足直接档：超速档：倒档：E_d＝at。2.使输出轴转速由零自动连续、线性增大到输入轴转速，且转速比满足：3.使输出轴转速超过输入轴转速，且转速比满足：4.变换输出轴转向，且转速比满足：

Description

一种液力行星自动变速器

技术领域

本发明涉及一种自动变速器，具体涉及一种液力行星自动变速器。

背景技术

液力行星自动变速器，是现代汽车广泛应用的一种变速器，尽管各类型变速器特性不同。但所有液力行星自动变速器的输出轴转速，在零到输入轴转速之间的加速，变化过程都是非线性，需要通过换挡来完成，这使得变速器输出轴，在上述区间的加速过程出现间断，不连续。从而对汽车的加速性，燃油经济性不利。

发明内容

为了使变速器输出轴转速，在零到输入轴转速之间的变化是线性、自动、连续，且能满足各类车辆对动力的需求。本变速器利用了液力变扭器，输入轴转速增加，或输出轴阻力矩增大瞬间，所造成的转速比减小，扭矩比则自动适应增大的特性，使液力变扭器与各轴差速转动的行星轮系等构件有机组合成独特的AT变速器。因此它除具有液力变扭器的输出特性外，还具有如下输出特性：

1)将液力变扭器的扭矩比自动放大，且扭矩比满足：

直接档：超速档：倒档：E_d＝at

2)在直接档使齿圈输出轴(11)转速由零、连续、线性自动增大到输入轴转速，且直接档转速比满足：

3)液力变扭器转速比值为1时，使宽齿圈输出轴11转速超过输入轴转速，且超速档转速比满足：

4)变换齿圈输出轴11的旋转方向，且倒档转速比满足：

式中：a为齿圈直径与太阳轮直径之比，e为液力变扭器输出输入转速比，t为液力变扭器输出输入扭矩比。

本变速器适用于小型汽车的变速传动，如配置两级液力变扭器可用于公共汽车，工程机械，坦克等重型车辆的变速传动。它结构简单，具有很好的变速简捷性，和变矩的自动适应性。其手动杆只设前进档，倒档和空档三个位置。前进档中含直接档和超速两档。直接档是启步档也是变矩档，它能在自动变化的扭矩作用下，使变速器输出轴转速由零连续，线性自动增大到输入轴转速后自动升入超速档。输出轴转速大于输入轴转速。

附图说明

图1为本变速器传动结构示意图；

图2为变速器中行星轮受力图；

图3为变速器中单级四元件液力变扭器的扭矩比、传动效率、随转速比变化特性图；

图4为选定齿圈直径与太阳轮直径比值是2.3时，变速器在直接档、超速档、倒档输出输入轴转速比、随液力变扭器转速比变化特性图；

图5为选定齿圈直径与太阳轮直径比值为2.3时，并配具有图3输出特性的液力变扭器时，变速器在直接档、倒档上输出输入轴扭矩比和直接档传动效率、随液力变扭器转速比变化特性图。

具体实施例

鉴于变速器的复杂性，下面分别介绍：变速器的结构和传动过程，转速比、扭矩比、传动效率，液力变扭器和行星轮系的选定，及液压自动控制机构的控制过程。

一、变速器的结构和传动过程

如图1所示变速器的主要构件为：液力变扭器的泵轮1，变扭器涡轮2，太阳轮离合器3，太阳轮制动器4，行星架制动器5，行星轮6，行星架轴7，行星架离合器8，前进档太阳轮9，倒档太阳轮10，齿圈输出轴11。其中输入轴与泵轮1连接，而太阳轮9又通过离合器3与泵轮1连接旋转，或分离，以便执行直接档，超速档传动。涡轮2的轴上设有太阳轮10并随其转动，制动器4能使太阳轮9停转固定，从而完成超速档传动。制动器5能使行星架轴7停转固定，从而完成倒档传动。行星轮6可在行星架轴7上滑移，以便使行星轮6，与齿圈11啮合，与前进档太阳轮9啮合，或与倒档太阳轮10啮合，进而完成前进档，或倒档传动。离合器8，能使行星架轴7与涡轮2接合或分离，以便执行直接档，超速档，倒档和空档。

1)直接档

直接档是离合器3接合，离合器8接合，制动器4和制动器5放松，行星轮6与太阳轮9和齿圈输出轴11啮合，此时动力由输入轴传至泵轮1，至涡轮2，至离合器8，至行星架轴7，后由行星轮6，传递至齿圈输出轴11和太阳轮9。此时太阳轮9与泵轮1同转，行星轮系各轴差速转动，将液力变扭器的扭矩比放大。宽齿圈输出轴11与太阳轮9的最大转速差，能造成汽车启步时齿圈输出轴11的转速为零，随着齿圈输出轴11转速的提高也能使其与太阳轮9的转速差最小为零，即转速比最大为1。受行星轮系传动特性和齿圈输出轴与太阳轮直径之比的制约，变速器输出与输入轴转速比为零时，液力变扭器的转速比并不等于零，即变速器转速比在失速点上时，变扭器转速比不在失速点上。而变速器扭矩比则随转速比的增大，自动减小。随转速比的减小，自动增大。这相当于汽车加速，或遇行驶阻力增大减速造成输出输入轴转速差增大时，驾驶员自然会开大油门提高发动机转速，由此造成变速器输出输入轴转速比减小，也就造成液力变扭器转速比减小。扭矩比则自动增大，在增大的扭矩比作用下汽车提速。随着车速即齿圈输出轴11转速的提高，所需输出扭矩的减小，则转速比自动增大，扭矩比则随之减小。当液力变扭器的转速比大于等于0.8时，锁止离合器闭锁，直至转速比增大为1时，自动升入超速档，。如此这样在输出轴转速小于等于输入轴转速区间，在自动变化的扭矩作用下，变速器的输出轴自动，连续线性加速，最简捷最大限度的缩短了汽车启步加速时间，自动适应性的满足了汽车在各种工况下对输出扭矩的需求。从而使汽车加速性更好，燃油消耗更经济。

2)超速档

超速档是离合器3分离，太阳轮9被制动器4抱死固定，行星架轴7通过离合器8，随涡轮2转动，此时动力由泵轮1，至涡轮2，至离合器8，至行星架轴7后，通过行星轮6传递至齿圈输出轴11。根据行星轮传动特性，太阳轮9转速为零时，齿圈输出轴11的转速大于行星架轴7和输入轴的转速，为增速传动，输出扭矩略小。这样汽车在阻力较小时高速行驶，可使发动机在中低转速下运行，即减轻发动机磨损，又提高了燃油经济性。

3)倒档

倒档是离合器3接合，离合器8分离，制动器5将行星架轴7抱死固定，行星轮6滑移至右侧，与涡轮轴上的太阳轮10啮合与宽齿圈输出轴11啮合不变。此时动力由泵轮1，至涡轮2，至太阳轮10，通过行星轮6，传递至齿圈输出轴11。使宽齿圈输出轴反向减速转动。

二、变速器输出输入轴的转速比和扭矩比

1)直接档

设：液力变扭器转速比为e

液力变扭器输出输入扭矩比为t

输入轴，泵轮转速为n₁

齿圈输出轴转速为n₂

行星架轴转速为n₃

太阳轮直径为d₁

齿圈直径为d₂

行星架轴旋转直径为d₃

齿圈与太阳轮直径之比为a

由于直接档是太阳轮9，通过离合器3，与泵轮1连接，行星架7通过离合器8与涡轮2连接，行星架轴7为主动件，宽齿圈输出轴11为从动件，根据行星轮系传动特性：

n₁+an₂-(1+a)n₃＝0

当汽车启步时，宽齿圈输出轴转速为零，变速器在失速点上，即n₂＝0故由(1)式得，此时液力变扭器的转速比为：

由此式可知汽车启步，齿圈输出轴转速为零时，液力变扭器转速比大于零，其数值取决于所选a值。从而缩短了转速比增大至1所耗时间，使输出轴转速比的变化率，大于变扭器转速比的变化率。

将n₃＝en₁1代入(1)式有：

n₁+an₂-(1+a)en₁＝o

整理后得变速器在直接档输出输入轴转速比i_z为：

由(3)式可知变速器输出，输入轴转速比，随液力变扭器转速比增大，而增大，当，e＝1时，i_z＝1。而时i_z＝0即齿圈输出轴转速为零时，液力变扭器转速比大于零。

在上述传动中行星架轴7是主动件，则行星轮6，受力如图2所示，设：行星轮6受行星架轴7作用力为p₃，

行星轮6受齿圈输出轴11作用力为p₂，行星轮6受太阳轮9作用力为p₁，在瞬间平衡匀速转动条件下有：p₁＝p₂、p₃＝2p₁＝2p₂

设：太阳轮9获得行星轮6作用扭矩为M₁

齿圈11获得行星轮6作用扭矩为M₂

行星架轴7获得涡轮2的扭矩为M₃

泵轮1获得输入轴扭矩为M

因为太阳轮9，获扭矩M₁可通过离合器3作用于泵轮1上，且与扭矩M同转向，故此时泵轮1获扭矩为两者之和，即M+M₁。

根据液力变扭器扭矩比定义则有：

Mt＝M₃-M₁t

由力矩定义有：

用M₁式除以M₂式有：

将p₁＝p₂代入整理得：

用M₃式除以M₂式有：

将p₃＝2p₂代入整理得：

设：行星轮直径为d_x，则有：

d₃＝d₁+d_x

整理后有：

将整理后的d₃式代入上式进一步得到：

将M₃式和M₁式代入液力变扭器定义式有：

因宽齿圈11直径与太阳轮9直径之比为将其代入上式有：

由此得变速器在直接档、输出输入轴扭矩比E_Z为：

式中E_z值随t值增大，而增大。由液力变扭器特性曲线图可知，t值随转速比e值减小，而增大。因此E_Z值也就随e值减小，而增大。反之随e值增大而减小。鉴于在直接档上变速器输出输入扭矩比值大于等于1，齿圈输出轴转速为零时，液力变扭器转速比最小值为：大于零。

以此对应的t值，为变量通过上式求得E_Z值，乃是直接档启步时的最大扭矩值，这对汽车启步加速十分有利。

2)超速档

超速档是离合器3分离，太阳轮9被制动器4抱死，固定的传动方式。行星架轴7，涡轮2为主动件，齿圈输出轴11为被动件，根据行星轮系传动特性：

n₁+an₂-(1+a)n₃＝0

当太阳轮9转速，n₁＝0时有：

因为涡轮2通过离合器8，与行星架7连接，故液力变扭器转速比为：

将n₃＝en₁代入上式整理后得，变速器在超速档输出输入轴转速比i_c为：

由此可见变速器在超速档输出轴转速，大于等于输入轴转速。

在超速档上行星轮6受力不变，只是太阳轮9固定后，其所获扭矩与泵轮1无关，此时泵轮只受扭矩M作用。

因此液力变扭器扭矩比为：

M₃＝Mt

将和代入上式整理后得，变速器在超速档输出输入扭矩比E_C为：

由此可见在变速器输出轴转速大于输入轴转速，即在超速档上输出输入扭矩比值小于1。

3)倒档

倒档是离合器8分离，行星架轴7被制动器5抱死固定，此时涡轮轴上的太阳轮10为主动件，齿圈输出轴11为被动件。由于太阳轮10与涡轮2连接，故根据液力变扭器转速比定义，此时太阳轮10转速为；en₁，据此行星轮系特性方程可表述为：

en₁+an₂-(1+a)n₃＝0

当，n₃＝0时，有变速器倒档输出输入轴转速比i_d为：

因为倒档时泵轮只受扭矩M作用，根据液力变扭器扭矩比定义，太阳轮10获涡轮2施加的扭矩为：Mt。由力矩定义有：

两式相除有：

将p₁＝p₂和代入整理后得变速器倒档扭矩比E_d为：

三、传动效率

设变速器输出功率N_C等于输出扭矩M₂与输出转速n₂之积。即N_C＝M₂n₂

输入功率N_R等于输入扭矩M与输入转速n₁之积，即N_R＝Mn₁，而传动效率k则等于输出功率与输入功率之比，即：

由此可得：直接档传动效率K_Z为：

超速档传动效率K_C为：K_C＝i_cE_C＝et

倒档传动效率K_d为：K_d＝i_dE_d＝et

四、液力变扭器和行星轮的选定

本变速器是将液力变扭器的扭矩比放大后，完成变速，换向传动。所以选液力变扭器的扭矩比越大，越好。如选用两级液力变扭器则可用于坦克等，重负荷车辆的变速传动。在行星轮系中，宽齿圈值径与太阳轮直径之比a值的选定，除充分满足汽车对输出扭矩的需求外，应尽量满足如下条件：

1)倒档传动比，

2)超速档传动比，

3)前进档太阳轮与倒档太阳轮直径相等。

车辆性能不同对a值要求不同，根据所选变扭器和上述条件a值选在2到3之间较为合适，在选定齿圈与太阳轮直径之比为a＝2.3。液力变扭器为单级四元件，具有如附图3所示的液力变扭器扭矩比、传动效率随转速比变化特性。根据如下公式：

可求a＝2.3时，各e值对应下的，变速器在直接档，超速档，倒档上输出输入轴的转速

比i_z，i_c，i_d值。列表如下：

由上表可绘制出如图4所示的直接档，超速档，倒档转速比随液力变扭器转速比变化的特性线。同理根据如图3所示液力变扭器扭矩比随转速比变化的特性线和如下公式：

E_d＝at

K_C＝i_cE_C＝et

K_d＝i_dE_d＝et

可求a＝2.3时，各e值对应下的变速器在直接档，超速档，倒档的扭矩比E_z，E_C，E_d和传率K_Z，K_C，K_d值。

列表如下：

根据上表，可绘制如图5所示的直接档，超速档，倒档扭矩比和传动效率，随液力变扭器转速比变化的特性曲线。

由图4可见，变速器转速比，随液力变扭器转速比的增大而线性增大，两者成正比，且变速器转速比的变化率，要比液力变扭器转速比的变化率大的多，这样汽车提速快。当a＝2.3在直接档上汽车启步，宽齿圈输出轴转速为零时，液力变扭器最低转速比为0.3此后变速器输出输入轴转速比，随液力变扭器转速比的增大而连续，线性自动增大至1时。自动升入超速档，然后变速器输出输入轴转速比则由1增大至1.44。这对提高小型汽车的车速，降低油耗非常有利。

由图5可见超速档传动效率高，但扭矩比小。直接档传动效率略低，但扭矩比大，汽车启步时液力变扭器转速比为0.3，而此时变速器扭矩比最大E_Z为4.6。虽然此时传动效率为0，但效率曲线在低效区很陡。在大扭矩比作用下，液力变扭器的转速比略为增大，就会进入高效区。因此变速器在低效率的启步区工作是短暂的，随着转速比增大，传动效率会迅速提高。倒档最大扭矩比大，能满足倒档对输出扭矩的需求。超速档对扭矩因素考量比较小，在液力变扭器转速比大于等于0.8，车速足够大时升入超速档的一定时刻内，锁止离合器闭锁，从而使得超速档的扭矩比和传动效率变化特性，对本变速器无影响。

五、液压自动控制机构的控制过程

本变速器的手动杆，只有前进档，倒档和空档三个位置，负责行星轮6的滑移，确保其与宽齿圈11和太阳轮9，或太阳轮10啮合，或介于两者之间。

在前进档上行星轮6与太阳轮9和宽齿圈输出轴11啮合，在输出轴转速小于等于输入轴转速条件下，液压执行机构无动作，此时离合器3接合，离合器8接合，制动器4和制动器5处于放松状态，为直接档。

当液力变扭器转速比大于0.8时，锁止离合器闭锁，当变速器输出轴与输入轴转速相等时，传感器发出升档信号。液压执行机构，控制油缸，使离合器3分离，制动器4将太阳轮9抱死固定，变速器升入超速档。

当发动机转速小于设定数值时，锁止离合器，解除闭锁，传感器发出减档信号。液压执行机构，解除控制，使离合器3接合，制动器4放松，变速器回到直接档。

倒档则是手动杆使行星轮6，在行星架轴7上滑移，离开太阳轮9，与太阳轮10啮合，液压执行机构，控制油缸，使离合器8分离，制动器5将行星架轴7抱死固定，进入倒档传动状态。

空档则是手动杆使行星轮6滑移至太阳轮9和太阳轮10之间，使齿圈输出轴不能获得动力，变速器无法传动。

Claims (1)

1.一种液力行星自动变速器，其由泵轮(1)、涡轮(2)、太阳轮离合器(3)、太阳轮制动器(4)、行星架制动器(5)、行星轮(6)、行星架轴(7)、行星架离合器(8)、前进档太阳轮(9)、倒档太阳轮(10)、和齿圈输出轴(11)组合而成，其中；

泵轮(1)和涡轮(2)构成液力变扭器，且泵轮(1)与输入轴连接；行星轮(6)、行星架轴(7)、前进档太阳轮(9)、倒档太阳轮(10)和齿圈输出轴(11)构成行星轮系，行星轮(6)设置在行星架轴(7)，行星轮(6)通过手动杆能在行星架轴(7)上滑移，以便使其除与齿圈输出轴(11)上的齿圈啮合外，还分别与前进档太阳轮(9)或倒档太阳轮(10)啮合，或介于两者之间无法传动；

在泵轮(1)与前进档太阳轮(9)之间，设太阳轮离合器(3)，从而使前进档太阳轮(9)能与泵轮(1)接合或分离；

在前进档太阳轮(9)上设太阳轮制动器(4)，以使其停转、固定；

在行星架轴(7)上设行星架制动器(5)，以便使其停转、固定；

在涡轮(2)的传动轴与行星架(7)间设离合器(8)，从而使行星架(7)能与涡轮(2)接合或分离；

倒档太阳轮(10)设在涡轮传动轴上，以使倒档输出扭矩更大；

该变速器具有前进档和倒档；其中，前进档中含直接档和超速档；手动杆在前进位置，行星轮(6)与前进档太阳轮(9)和齿圈输出轴(11)上的齿圈啮合；起步自动为直接档，其是无级自动变速档、变矩档；此时泵轮(1)通过太阳轮离合器(3)与前进档太阳轮(9)联接，涡轮(2)经传动轴通过行星架离合器(8)与行星架轴(7)联接，各轴差速转动，使齿圈输出轴(11)转速在零至输入轴转速之间连续自动变化，当各轴间无差速转动，转速比为1时，液压自动控制机构则使太阳轮离合器(3)分离，太阳轮制动器(4)将前进档太阳轮(9)抱死停转，从而自动升入超速档，当发动机功率不足，使输入轴转速降至设定值时，液压自动控制机构使其降回直接档；

手动杆在倒档位置，行星轮(6)与倒档太阳轮(10)和宽齿圈输出轴(11)上的齿圈啮合，行星架离合器(8)分离，行星架制动器(5)将行星架轴(7)抱死停转，使齿圈输出轴(11)反转；

该变速器除具有液力变扭器的输出特性外，还具有如下特性：1)将液力变扭器的扭矩比自动放大，且扭矩比满足：

直接档：超速档：倒档：E_d＝at；2)在直接档使齿圈输出轴(11)转速由零、连续、线性自动增大到输入轴转速，且转速比满足：

3)液力变扭器转速比值为1时，使齿圈输出轴(11)转速超过输入轴转速，且转速比满足：

4)变换齿圈输出轴(11)的旋转方向，且转速比满足：

式中：a为齿圈直径与太阳轮直径之比，e为液力变扭器输出输入转速比，t为液力变扭器输出输入扭矩比。