CN104797861B

CN104797861B - 带有定子离合器的变矩器

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Publication number: CN104797861B
Application number: CN201380053353.1A
Authority: CN
Inventors: A·R·J·纳加拉杰; T·J·梅
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2018-04-20
Anticipated expiration: 2033-10-10
Also published as: AU2013331682B2; CN104797861A; WO2014062473A1; DE112013004586T5; AU2013331682A1; US20140113767A1; US8939859B2

Abstract

变矩器包括原动机输入和配置成响应于所述原动机输入而旋转的叶轮。该变矩器进一步包括涡轮，该涡轮设置有叶轮并且配置成响应于叶轮的转动而旋转；设置有叶轮和涡轮的定子；以及定子离合器，该定子离合器配置成允许定子在第一模式下的旋转并且配置成限制定子在第二模式下的旋转。变矩器还包括定子离合器致动器，该定子离合器致动器配置成激活和去激活定子离合器以在特定操作期间将定子离合器置于第二模式下，以及将定子离合器置于第一模式下。还公开一种车辆和用于变换车辆操作的转矩的方法。

Description

带有定子离合器的变矩器

技术领域

本发明涉及具有定子离合器的变矩器以及操作具有定子离合器的变矩器的方法。更具体地，本发明涉及具有定子离合器的变矩器以及操作具有定子离合器的变矩器以提高性能的方法。

背景技术

许多车辆一般都具有原动机或内燃机、传输驱动动力以移动该车辆的传动装置以及选择性地将旋转转矩从原动机传递到传动装置的机构。在一些方法中，所述选择性地将旋转从原动机传递到传动装置的机构包括手动离合器。手动离合器是高效的。然而，手动离合器的操作需要车辆操作员付出额外的努力和附加的操作监控。例如，由于它可以降低操作员的效率，这种额外的努力和附加的操作监控可能是不太理想的。将旋转转矩从原动机传递到传动装置的另一种机构是变矩器。

变矩器通常是流体动力的流体联结器，该流体动力的流体联结器通常将旋转转矩从原动机传递至从动负载，例如传动装置。变矩器通常包括叶轮、涡轮和定子。变矩器倍增来自原动机的转矩，并且将转矩传递至传动装置。2010年8月5日授予尼桑公司的日本专利公开JP2010/169151公开一种用于自动传动装置的变矩器，该变矩器能够通过使用所希望的发动机旋转轮廓在车辆中实现燃料经济性和动力性能。用于自动传动装置的变矩器确定由比率Ns/Ne所表示的目标值。基于车辆的操作状态，该比率是基于定子的转速Ns和发动机输出轴的转速Ne，并且基于所述目标值相对于定子来控制制动转矩。然而，这样的变矩器的操作会导致较低的性能。例如，这样的变矩器的操作可导致效率降低以及工作温度升高。

相应地，需要具有改进的性能的变矩器。

发明内容

本发明在很大程度上满足以上需求，其中，在一个方面中，提供了一种方法和设备以改善性能和提高效率，并降低具有定子离合器的变矩器的操作温度。

根据一个实施例，变矩器包括：原动机输入，其配置成接收来自原动机的原动机输入转矩；叶轮，其配置成响应于原动机输入而旋转；涡轮，其设置有叶轮并配置成响应于叶轮的旋转而转动；定子，其设置有叶轮和涡轮；定子离合器，其配置成允许定子在第一模式下的旋转并且配置成限制定子在第二模式下的旋转；定子离合器致动器，其配置成激活和去激活定子离合器以在特定操作期间将定子离合器置于第一模式下，以及另外将定子离合器置于第二模式下；以及变矩器输出。

根据另一实施例，用于变换车辆操作的转矩的方法包括：接收来自原动机的原动机输入转矩，响应于原动机输入转矩来操作叶轮，响应于叶***作，使用设置有叶轮的涡轮产生转矩输出，以及在特定操作期间限制定子在第一模式下的旋转，以及允许定子在第二模式下旋转。

按照又一实施例，变矩器包括用于接收来自原动机装置的原动机输入转矩的装置、用于响应于用于接收原动机输入转矩的装置来操作叶轮装置的装置、用于使用设置有用于操作叶轮装置的装置的涡轮装置产生转矩输出的装置，以及用于在特定操作期间限制定子装置在第一模式下的旋转的装置以及用于允许定子装置在第二模式下旋转的装置。

附图说明

图1示出根据本发明的各方面的带有定子离合器的变矩器的示意图。

图2是图1所示的带有定子离合器的变矩器的实施例的横截面图。

图3是图2所示的带有定子离合器的变矩器的实施例的透视图。

图4是图2所示的带有定子离合器的变矩器的实施例的分解图。

图5是图1所示的带有定子离合器的变矩器的实施例的横截面图。

图6是图1所示的带有定子离合器的变矩器的实施例的横截面图。

图7是图1所示的带有定子离合器的变矩器的实施例的横截面图。

图8是图1所示的带有定子离合器的变矩器的实施例的横截面图。

图9是图1所示的带有定子离合器的变矩器的实施例的横截面图。

具体实施方式

现在将参照附图描述本发明，在这些附图中，相同的参考标号始终表示相同的零件。本发明的实施例有利地提供一种改善性能、提高效率并且降低操作温度的具有定子离合器的变矩器。最后，本发明的变矩器和定子离合器适于与车辆一起使用。

图1示出了根据本发明的各方面的带有定子离合器的变矩器。具体地，图1示出了包括原动机输入8和变矩器输出12的变矩器1。

变矩器1包括叶轮2、定子4和涡轮6。叶轮2可响应于原动机输入8而旋转。叶轮2的旋转可在变矩器1内产生流体动力流体联接并且因此使涡轮6旋转。定子4可插于叶轮2和涡轮6之间。定子4可确定地且高效地改变涡轮6和叶轮2之间的流体流。

此外，图1示出了定子离合器10，定子离合器10限制定子4在变矩器1中的移动。更具体地，当定子离合器10激活时，可以限制定子4的移动。定子离合器10可以在预定的车辆操作中激活。预定的车辆操作可以包括利用减速功能的车辆操作，例如下坡行驶和方向性转变。其它车辆操作也同样预期。在这些预定的车辆操作中的定子离合器10的激活提高了变矩器1的性能。具体地，在保持变矩器1的更高效率的同时，变矩器1的操作温度降低。

当定子离合器10没有激活时，定子4可以在变矩器1内自由转动。然而，在可选的方面中，定子4还可以包括在变矩器1内限制旋转运动的机制。在可供选择的方面中，定子4可以包括一个自由轮离合器(未示出)。该自由轮离合器可允许定子4在期望的方向上旋转，并防止定子4在相反的方向上旋转。

在一些方面中，变矩器1可以包括划分来自原动机输入8的转矩的转矩分配器98。然而，应当注意的是，转矩分配器对本文所公开的变矩器的实践来说不是必要的。在图1中所示的方面中，转矩分配器98划分叶轮2和行星轮系90之间的转矩。更具体地，原动机输入8可以被划分以产生叶轮输入转矩94和行星轮系输入转矩96。

叶轮输入转矩94可以被转移到叶轮2。叶轮2响应于叶轮输入转矩94而在变矩器1内旋转，并且流体动力地接合涡轮6以使涡轮6旋转。涡轮6旋转产生涡轮输出转矩92。然后，涡轮输出转矩92可输入到行星轮系90。

将行星轮系输入转矩96输入到行星轮系90。在行星轮系90内，涡轮输出转矩92和行星轮系输入转矩96合并，并且形成行星输出转矩88。行星输出转矩88形成变矩器输出12。这种形成的变矩器输出12可在产生之后输入到传动装置。然后，变矩器输出12可用于驱动车辆的负载、输入到车辆传动装置、操作动力输出和/或等等。

在特定方面中，行星轮系输入转矩96可用于驱动行星轮系90的太阳齿轮18。涡轮输出转矩92可用于驱动行星轮系90的齿圈16。在行星轮系90内，行星轮系输入转矩96和涡轮输出转矩92可合并，并且从行星齿轮20输出为前述行星输出转矩88。

变矩器1的操作可包括两种操作模式：起动或正常操作，其中，定子离合器10未激活；以及当定子离合器10激活时的锁定定子模式。更具体地，在起动或正常操作期间，来自原动机输入8的动力或转矩利用变矩器36和关联的转矩倍增，其中，叶轮2转动并使转矩倍增以使涡轮6旋转。在锁定定子模式中，定子离合器10激活，从而以机械方式限制定子4的旋转，并且，在包括降低工作温度和提高效率的某些操作中，变矩器1的性能得到改善。在包括利用减速功能的车辆操作中，例如下坡行驶和方向性转变，定子离合器10激活。利用锁定子模式的车辆操作也同样预期。

此外，定子离合器10的操作和激活可以通过专用的硬件进行控制。专用硬件可以响应于多个因素来激活和去激活定子离合器10。具体地，专用硬件可以采用如图1所示的控制器24的形式。这些因素可包括以下中的一个或多个：原动机的每分钟转数(RPM)、动力、转矩、车速、车辆加速度、传动装置操作、车辆倾斜度、当前动力需要，等等。具体地，在包括利用减速功能的车辆操作中，例如下坡行驶和方向性转变，定子离合器10可以通过专用硬件激活。利用锁定定子模式的车辆操作也同样预期。

图2是图1所示的带有定子离合器的变矩器的实施例的横截面图；图3是图2所示的带有定子离合器的变矩器的实施例的透视图；以及图4是图2所示的带有定子离合器的变矩器的实施例的分解图。

如图2所示，原动机输入108可以通过变矩器100接收。具体地，原动机输入108可通过可以设置在旋转壳体178上的驱动花键126连接到变矩器1。可替代地，类似于包括变矩器1和转矩分配器98的图1的一个方面，转矩分配器可与变矩器100一起利用。如果利用变矩器，那么叶轮输入转矩194可通过可设置在旋转壳体178上的驱动花键126或类似物连接到变矩器100。

旋转壳体178将旋转转矩传递到叶轮102。叶轮102位于变矩器100内。叶轮102可设置在叶轮毂176上。同样设置在变矩器100内的是涡轮106。可将旋转转矩从叶轮102流体动力地传递到涡轮106，并因此将其传递到涡轮毂134。涡轮毂134可包括连接到输出轴112的机械连接。将涡轮毂134连接到输出轴112的机械连接可以是任何类型的机械连接。如图2所示，机械连接的形式可以是花键连接132的形式。因此，原动机输入108和\或叶轮输入转矩194使旋转壳体178旋转、使变矩器100的叶轮102旋转、使涡轮106旋转并且可以使涡轮毂134旋转，并导致转矩传递到输出轴112。

变矩器100包括定子104。定子104可以***在叶轮102和涡轮106之间。定子104可以确定地和有效地改变涡轮106和叶轮102之间的流体流动。定子104可安装在定子毂174上。定子毂174可允许定子104相对于涡轮106和叶轮102而旋转。定子毂174可以在壁结构172下沿输出轴112延伸。定子104的旋转使得定子毂174旋转。同样地，限制定子毂174的旋转将限制定子104的旋转。

此外，图2示出定子离合器110，定子离合器110在变矩器100中限制了定子104的运动。定子离合器110可以可操作地部分与定子毂174连接。此外，该定子离合器110可以通过离合器壳体170可操作地部分与壁结构172连接。相应地，定子离合器110将壁结构172与定子毂174连结以限制它们之间的运动。更具体地说，当激活定子离合器110时，限制定子毂174的运动，并相应地限制了定子104的运动。定子离合器110可以在预定的车辆操作中激活。预定的车辆操作可以包括利用减速功能的车辆操作，例如下坡行驶和方向性转变。在这些预定的车辆操作中，定子离合器110的激活改善了变矩器100的性能，具体地，变矩器1的操作温度降低。

在一个特定方面，定子离合器110可包括在其中设置的一个或多个摩擦片130和一个或多个分离板138。一个或多个摩擦片130可与定子104或离合器壳体170一起旋转。一个或多个分离板138可与定子104或离合器壳体170中的另一个一起旋转。当定子离合器110未被激活时，一个或多个摩擦片130和一个或多个分离板138可相对于彼此自由移动。当激活定子离合器110后，一个或多个分离板138和一个或多个摩擦片130彼此压靠在一起，使得它们不再相对于彼此自由地旋转。

通过操作离合器活塞128可激活定子离合器110。响应于来自沿着液压管路142施加的液压流体的加压源的加压液压流体的施加，可液压地激活或去激活离合器活塞128。更具体地，离合器活塞128可响应于液压管路142中的液压流体延伸或缩回。另外，离合器活塞128可以包括弹簧，该弹簧提供延伸或缩回离合器活塞128中两者任一的额外的力。在一个具体方面中，弹簧可加载以接合离合器。在这方面，如果离合器失效，定子104将在锁定配置中失效。在替代实施例中，弹簧或类似的结构可以配置成使得离合器和弹簧配置脱开。在这方面，失效的离合器部件将导致定子空转。

当定子离合器110没有激活时，定子104可以在变矩器100内自由旋转。然而，定子104还可以包括一种机制以限制变矩器100内的旋转运动。在这点上，定子104可以在一个可供选择的方面中包括自由轮离合器。该自由轮离合器可允许定子104在期望的方向上旋转，并防止定子104在相反的方向上旋转。

类似于有关图1的本发明的操作，变矩器100的操作可包括两种操作模式：起始或正常操作，其中，定子离合器110未激活；以及当激活定子离合器110时的锁定定子模式。更具体地，在起动或正常操作期间，来自原动机输入108的动力或转矩利用变矩器1和相关联的转矩倍增，其中，叶轮2旋转，定子104旋转，并使转矩倍增以使涡轮106旋转。在锁定定子模式中，激活定子离合器110从而以机械方式限制定子104的旋转，在包括降低工作温度以及提高效率的某些操作中，变矩器100的性能得到改善。在利用减速功能的车辆操作过程中，例如，下坡行驶和方向性转变，激活定子离合器110。利用锁定子模式的其他车辆操作也同样预期。

类似于关于图1的本发明的操作，定子离合器110的操作和激活可以通过专用硬件来控制。专用硬件可以响应于多个因素来激活和去激活定子离合器110。具体地，专用硬件可采取图1中所示的控制器24类似的控制器的形式。这些因素可包括以下中的一个或多个：原动机的每分钟转数、动力、转矩、车速、车辆加速度、传动装置操作、车辆倾斜度、当前动力需求，等等。具体地，在利用减速功能的车辆操作过程中，例如下坡行驶和方向性转变，通过专用硬件激活定子离合器110。

基于与根据本发明构造的定子离合器的变矩器，采用至少六个不同的配置进行普格分析(PUGH analysis)。带有定子离合器的变矩器导致动力输出温度降低了2.2℃。此外，本发明的变矩器和定子离合器提供与具有非自由轮定子的变矩器相同或类似的减速能力。

变矩器100可以进一步包括各种结构性配置来设置关于输出轴112的结构。具体地，轴承114、122可设置为邻近输出轴112和变矩器100的其它部分。更具体地，轴承122可设置在旋转壳体178和涡轮毂134和花键连接132和/或输出轴112外部之间。轴承114可以设置在输出轴112和离合器壳体170之间。

图5是带有图1所示的定子离合器的变矩器的实施方案的横截面图。具体地，图5示出的变矩器300具有旋转壳体178、叶轮102、叶轮毂176、涡轮106、涡轮毂134、定子104、定子毂174、离合器壳体170、定子离合器110以及壁结构172。这些部件中的每个部件按照上面图2的说明所描述的基本上类似的方法进行操作和设置。

此外，图5显示旋转壳体178可通过在涡轮毂134上的轴承302支承。在一个具体的方面中，轴承302可以是滚珠轴承。图5还示出了设置在叶轮毂176和壁结构172的延伸部之间的轴承304。在一个具体的方面，轴承304可以是滚珠轴承。最后，定子毂174可包括设置在其任一侧的轴承306、308。变矩器300和轴承的这种设置允许定子离合器110从外部维修，并提供良好的径向支撑。

图6是带有图1中所示的定子离合器的变矩器的实施方案的横截面图。具体地，图6示出的变矩器400具有旋转壳体178、叶轮102、叶轮毂176、涡轮106、涡轮毂134、定子104、定子毂174、离合器壳体170、定子离合器110，以及壁结构172。这些部件中的每个部件按照上面图2的说明所描述的基本上类似的方法进行操作和设置。

此外，图6示出设置在旋转壳体178和涡轮毂134之间的轴承402。在一个具体的方面，该轴承402可以是推力轴承。图6进一步示出了设置在定子毂174的一部分的任一侧的轴承404、406。在一个具体方面中，轴承404、406可以是推力轴承。最后，定子毂174可包括设置在其任一侧的轴承306、308。变矩器400和轴承的这种设置使得定子离合器110容易在外部维修。此外，推力轴承配置刚性地承受推力负荷。

图7是带有图1中所示的定子离合器的变矩器的实施方案的横截面图。具体地，图7示出的变矩器500具有旋转壳体178、叶轮102、叶轮毂176、涡轮106、涡轮毂134、定子104、定子毂174、离合器壳体170、定子离合器110和壁结构172。这些部件中的每个部件按照上面图2的说明所描述的基本上类似的方法进行操作和设置。

此外，图7示出了设置在旋转壳体178和涡轮毂134之间的轴承502。在一个具体的方面，该轴承402可以是推力轴承。图7还示出了设置在叶轮毂176和壁结构172的延伸部之间的轴承504。另外，变矩器500可包括设置在离合器壳体170和输出轴112之间的轴承506。这样的配置成其中的部件提供了径向支撑。

图8是带有图1中所示的定子离合器的变矩器的实施方案的横截面图，图8示出的变矩器600具有旋转壳体178、叶轮102、叶轮毂176、涡轮106、涡轮毂134、定子104、定子毂174、离合器壳体170、定子离合器110，以及壁结构172。最后，定子毂174可包括设置在其任一侧的轴承306、308。这些部件中的每个部件按照上面图2的说明所描述的基本上类似的方法进行操作和设置。

此外，图8示出了设置在输出轴112与离合器壳体170之间的轴承602。在一个具体方面中，轴承602可以是滚珠轴承。变矩器600还可以包括设置在涡轮毂134的任一侧的轴承604、606。另外，轴承604可以接触旋转壳体178。在一个具体的方面中，轴承604、606可以是推力轴承。最后，定子毂174可包括设置在其任一侧的轴承306、308。变矩器600的这种设置相对于其他的配置产生较短的轴向长度。

图9是带有图1中所示的定子离合器的变矩器的实施方案的横截面图。具体地，图9示出的变矩器700具有旋转壳体178、叶轮102、叶轮毂176、涡轮106、涡轮毂134、定子104、定子毂174、离合器壳体170、定子离合器110，以及壁结构172。这些部件中的每个部件按照上面图2的说明所描述的基本上类似的方法进行操作和设置。

此外，图9示出了设置在叶轮毂176和壁结构172的延伸部之间的轴承702。在一个具体方面，轴承702可以是滚珠轴承。变矩器700进一步包括设置在涡轮毂134和旋转壳体178之间的轴承704。在一个具体方面中，轴承704可以是推力轴承。最后，定子毂174可包括设置在其任一侧的轴承306、308。变矩器700的设置允许定子离合器110能够更容易地从外部维修，并且另外这种设置提供了径向支撑。

工业实用性

本发明作为具有定子离合器的变矩器普遍适用于许多类型的非公路车辆，诸如例如与诸如采矿、建筑、农业、运输等工业相关的机器。例如，车辆可以是运土机器，例如履带式拖拉机、履带式装载机、轮式装载机、挖掘机、自动倾卸卡车、反铲挖土机、自动平地机、材料输送器等。另外，一个或多个器具可连接到车辆，所述车辆可用于多种任务，包括例如刷涂、压实、平地面、提升、装载、翻耕、疏土，并且车辆包括例如螺旋钻、刀片、粉碎机/锤、刷子、铲斗、压实器、切割器、叉式提升装置、平地机钻头和钻头、抓斗、犁板、松土机、松土耙、剪切机、扫雪机、挡雪翼板等。车辆包括原动机和传动装置，连同本文公开的变矩器。

此外，根据本发明的许多实施例，本文所述的方法旨在与专用硬件实现一起操作，所述专用硬件实现包括但不限于个人电脑(PC)、个人数字助理(PDA)、半导体、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列、云计算装置以及配置成实现本文描述的方法的其它硬件装置。

还应该注意到，硬件实现可包括可选地被存储在有形的存储介质上的软件实现，所述有形的存储介质例如磁介质(例如磁盘或磁带)、磁光或光学介质(诸如磁盘)或固态介质(诸如记忆卡片或其他程序包)，所述固态介质容纳一个或多个只读(非易失性)存储器、随机存取存储器或其他可重写(易失性)存储器。附到电子邮件或其他自包含信息文档或者文档集的数字文件被认为是等同于有形的存储介质的分布式介质。因此，本发明被认为包括有形的存储介质或分布式介质，如上面列出的且包括本领域公知的等同物和将来出现的介质，在这些介质中存储有软件实现。

本发明的许多特征和优点根据详细的说明书显而易见，并且因此希望由所附的权利要求书覆盖落入本发明的真实精神和范围内的所有这样的本发明的特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到多种改进和变型，所以不希望将本发明限制到所示和所述的确切构造和操作，因此，所有适当的修改和等同物可以被认为落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种变矩器(1、100)，包括：

原动机输入(8、108)，其配置成接收来自原动机的原动机输入转矩；

叶轮(2、102)，其配置成响应于所述原动机输入而旋转；

涡轮(6、106)，其设置有所述叶轮(2、102)并且配置成响应于所述叶轮的转动而旋转；

定子(4、104)，其设置有所述叶轮和所述涡轮；

定子离合器(10、110)，其配置成允许所述定子在第一模式下的旋转并且配置成限制所述定子在第二模式下的旋转；

定子离合器致动器(128、148)，其配置成在包括利用减速功能的特定操作期间、在第一模式下激活并限制所述定子旋转，该定子离合器致动器还配置成在第二模式下去激活并允许所述定子旋转；以及

变矩器输出(12、112)。

2.根据权利要求1所述的变矩器(1、100)，其中，所述包括利用减速功能的特定操作包括在下坡行驶过程中利用减速功能以及在方向转换过程中利用减速功能。

3.根据权利要求1所述的变矩器(1、100)，其中，所述定子离合器致动器包括以下中的至少一个：控制器、定子离合器活塞，以及液压致动源。

4.根据权利要求1所述的变矩器(1、100)，其中，所述定子离合器包括至少一个摩擦盘(130)和至少一个分离盘(138)。

5.根据权利要求1所述的变矩器(1、100)，其中，所述定子(104)包括定子毂(174)，并且所述定子离合器(110)接合所述定子毂(174)。

6.根据权利要求1所述的变矩器(1、100)，还包括：

转矩分配器(98)，其配置成接收所述原动机输入(8、108)并且将原动机输入转矩分成至少一个行星轮系输入转矩(96)和另一个转矩；和

行星齿轮***(90)，其配置成接收所述行星轮系输入转矩，所述行星齿轮***(90)包括以下中的至少一个：太阳齿轮(18)、行星齿轮(20)、齿圈(16)，以及行星齿轮架(124)。

7.根据权利要求1所述的变矩器(1、100)，进一步包括支承至少所述叶轮(102)、所述定子(104)、所述涡轮(106)，以及所述定子离合器(110)的轴承(114、122、302、304、306、402、404、406、502、504、506、602、604、606、702、704)。

8.一种车辆，包括原动机、传动装置，以及根据权利要求1所述的变矩器(1、100)。