CN110617312B - 全齿轮无级自动变速与速比主动控制*** - Google Patents

全齿轮无级自动变速与速比主动控制*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种全齿轮无级自动变速与速比主动控制***，在按比例分配转矩的差速机构和行星齿轮机构之间设置速比主动控制机构，按比例分配转矩的差速机构包括两个差速锥齿轮，两个差速锥齿轮分别和行星齿轮机构的齿圈和太阳轮相连作为行星齿轮机构的输入轴；速比主动控制机构包括速比调节电机、处于常啮合状态的速比调节主动齿轮和速比调节从动齿轮；速比调节从动齿轮与其中一个差速锥齿轮轴刚性联结，速比调节主动齿轮连接速比调节电机；行星齿轮分别与太阳轮和齿圈啮合并通过行星架向外部输出动力。速比变化范围大、传递转矩能力可满足所有机械传动要求，在整个速比变化范围内有效实现无级自动变速，还能对速比主动控制。

Description

全齿轮无级自动变速与速比主动控制***
技术领域
本发明涉及动力传动***技术领域，具体涉及一种全齿轮无级自动变速动力传动***。
技术背景
动力传动***(或称装置)是一切机械中最基础的重要组成部分，其功用是将动力源(如发动机、汽轮机、水轮机或电动机等)发出的动力传给工作机构或作业机械(如各类车辆的驱动车轮、舰船的螺旋桨、机床的主轴/刀盘、旋耕机、液压泵、压缩机、鼓风机等)。由于动力源的动力学特性(如功率、转矩等随转速的变化)往往与工作机构或作业机械的需求存在交大的差异，为此动力源与工作机构或作业机械间的动力传动装置需具有减速或变速功能，这就是众多机械中的传动装置采用减速器或变速器(传动比可变的传动装置)的原因。
目前，各类机械中在用的变速器主要有手动机械有级变速器(MT)、电控机械有级自动变速箱(AMT)、带式无级自动变速器(CVT)、液力自动变速器(AT)、双离合器自动变速器(DCT)等多种，其中：⑴手动机械有级变速器(MT)的缺点是，变速器的档位数(变速的级数)有限，最常用的是4～6档，对于档位数大于6的机械有级变速器，通常采用主、副变速器的结构。对于4～6档的机械有级变速器，不仅每一个档位间的速比有较大的级差，使得动力源不可能始终工作在高效区，且换档过程速比阶梯变化，因此其动力传动特性不够理想；对于档位数大于6的主副变速器，尽管动力源工作在高效区的机率有所增大、每一个档位间的速比级差得以减小，但不仅换档过程速比阶梯变化、动力传动特性不够理想等问题依然存在，而且由于档位数的增加，还使得换档操作更加复杂，对操作者的技术水平提出了更高的要求。⑵电控机械有级自动变速器(AMT)是手动机械有级变速器的改进版，变速传动部分和原机械手动有级变速器几乎完全相同，唯一不同的是换档操作由电控液压或电控气压执行机构来完成，原手动机械有级变速器所固有的“每一个档位间速比级差大、换档过程速比阶梯变化、动力传动特性不够理想”等缺点都同样存在，只是换档无需手动操作。正因为无论是手动机械有级变速器(MT)还是电控机械有级自动变速器(AMT)都具有上述诸多缺点，所以人们一直希望用无级变速器取代机械有级变速器。⑶带式无级自动变速器(CVT)中主从动带轮直径大小的自动调节和液力自动变速器(AT)中的液力变矩器具有无级变速的功能，但二者的共同缺点是：①速比变化范围小，常需与另一个有级机械变速器配合使用才能满足各类机械中对速比变化范围的要求；②传动效率低、能耗大；③结构复杂、制造成本高；④对于CVT还存在传递转矩能力十分有限、不能传递大转矩的缺点，因此只是在小型车辆及小型设备上得到应用。⑷近些年才发展起来的“双离合器自动变速器(DCT)”，事实上也是一种机械有级自动变速器，它和电控机械有级自动变速器(AMT)的最大不同是：它将两个机械有级变速器并联起来使用，利用两个离合器和电控液压或电控气压或电控电动换档操纵机构完成换档操作，由于用到了两个机械有级变速器，因此变速器的档位数得以增加，每一个档位间的速比级差得以减小；由于利用两个离合器配合换档，因此换档过程得以缩短，换档顿挫感有所降低。尽管如此，但由于双离合器自动变速器(DCT)也是一种机械有级变速器，因此其“每一个档位间速比有级差、换档过程速比阶梯变化、动力传动特性不够理想”的缺点仍然存在，只是上述缺点在一定程度上有所减小。此外，还由于双离合器自动变速器(DCT)的结构与工艺都比较复杂，因此制造成本高、使用环境的适应性较差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是彻底克服现有技术中各类变速器的不足，提供一种全齿轮无级自动变速与速比主动控制***，结构简单、体积小重量轻、传动效率高、速比变化范围大、传递转矩的能力可以满足所有机械传动的要求，不仅在整个速比变化范围内有效实现无级自动变速，还可以实现速比的主动控制满足各类机械传动的需要。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种全齿轮无级自动变速与速比主动控制***，其特征在于：按比例分配转矩的差速机构串联在行星齿轮机构的前端构成无级自动变速装置；在按比例分配转矩的差速机构和行星齿轮机构之间设置速比主动控制机构；按比例分配转矩的差速机构包括两个设置在动力与运动输出端的差速锥齿轮：第一差速锥齿轮和第二差速锥齿轮，第一差速锥齿轮通过空心的第一差速锥齿轮轴与行星齿轮机构的齿圈刚性相连；第二差速锥齿轮轴穿过空心的第一差速锥齿轮轴，第二差速锥齿轮通过第二差速锥齿轮轴与行星齿轮机构的太阳轮相连；
速比主动控制机构包括速比调节电机、处于常啮合状态的速比调节主动齿轮和速比调节从动齿轮；速比调节从动齿轮与第一差速锥齿轮轴刚性联结，速比调节主动齿轮安装在速比调节电机的输出轴上；
行星齿轮机构的两个输入端分别为位于中心的太阳轮和最***的齿圈，行星齿轮同时与太阳轮和齿圈啮合并通过行星架向外部输出动力。
进一步的，按比例分配转矩的差速机构包括差速器壳，无级自动变速装置输入轴在差速器壳前端与差速器壳刚性连接；差速器壳内，第一差速锥齿轮和第二差速锥齿轮均可旋转地支承在差速器壳沿着前后端或者左右方向延伸的轴孔中；第二差速锥齿轮和第一差速锥齿轮分别在前后端与行星锥齿轮啮合；第一差速锥齿轮轴的前端与第一差速锥齿轮刚性联结；第二差速锥齿轮轴前端与第二差速锥齿轮刚性联结，后端从空心的第一差速锥齿轮轴中穿过，并穿过差速器壳与太阳轮刚性相连或形成与太阳轮轴一体的结构。
进一步的，行星齿轮机构中，行星锥齿轮上开有绕行星锥齿轮轴中心线的周向环形槽，行星锥齿轮轴的一端固定安装在差速器壳上，另一端通过轴承安装在环形槽内，行星锥齿轮自转时转动中心是环形槽的中心圆弧线，即行星锥齿轮轴中心线是相对于行星锥齿轮在环形槽中的周向运动轨迹。
进一步的，当行星锥齿轮自转时，设行星锥齿轮与第二差速锥齿轮的啮合点A至行星锥齿轮轴中心线的距离为S1，行星锥齿轮与第一差速锥齿轮的啮合点B至行星锥齿轮轴中心线的距离为S2，S1和S2之比始终为设定的比例。
进一步的，按比例分配转矩的差速机构采用至少2只行星锥齿轮。
进一步的，所述的行星齿轮机构中设置至少2个行星齿轮。
进一步的，两个或两个以上所述全齿轮无级自动变速与速比主动控制***串联连接来增大全齿轮无级自动变速与速比主动控制***的速比变化范围；
或者在所述的行星齿轮机构中，在太阳轮之前设置减速机构来增大全齿轮无级自动变速与速比主动控制***的速比变化范围，所述减速机构为对称定轴轮系齿轮减速机构、或非对称定轴轮系齿轮减速机构、或行星齿轮减速机构中的其中一种，第二差速锥齿轮轴经减速机构减速后连接太阳轮，所述减速机构串联在太阳轮之前。
进一步的，无级自动变速装置的前端或后端串接换向机构；实现动力与运动传输的正转、反转和中断至少三种模式的切换；换向机构为离合器和同步器的组合结构、或双联多片离合器形式的换向机构、或双离合器形式的换向机构。
进一步的，采用离合器和同步器组合的换向机构时，离合器输入轴和变速器输入轴成直线设置，离合器输入轴上设置输入轴齿轮，无级变速装置输入轴的左端或前端通过轴承安装在输入轴齿轮右端的轴承座孔内；换向主动齿轮与输入轴齿轮常啮合，同时与前一组过桥齿轮也是常啮合；后一组过桥齿轮与前一组过桥齿轮同轴且均与过桥齿轮轴刚性联结，后一组过桥齿轮与换向从动齿轮常啮合，换向从动齿轮利用滚针轴承或滑动轴承空套在无级自动变速装置输入轴上，输入轴齿轮和换向从动齿轮之间装有锁环式或锁销式同步器。
离合器采用摩擦式模片弹簧离合器、摩擦式周置圆柱螺旋弹簧离合器、摩擦式中央圆锥螺旋弹簧离合器、多片干式摩擦离合器、多片湿式摩擦离合器、电磁离合器中的其中一种，离合器的操作采用电控液压、电控气压、电控电磁、电控伺服电机、电控步进电机操作方式中的一种。
进一步的，采用双联多片离合器形式的换向机构时，离合器输入轴上设置输入轴齿轮，换向从动齿轮通过滚针轴承或滑动轴承空套在无级自动变速装置输入轴上，输入轴齿轮和换向从动齿轮之间装有双联多片离合器；无级自动变速装置输入轴的左端或前端通过轴承安装在离合器输入轴齿轮右端的轴承座孔内；换向主动齿轮与输入轴齿轮常啮合，同时与过桥齿轮也是常啮合；前后两组过桥齿轮均与过桥齿轮轴刚性联结，后端的过桥齿轮与换向从动齿轮常啮合。
双联多片离合器采用干式双联多片离合器或湿式双联多片离合器；双联多片离合器的操作采用电控液压、电控气压、电控电磁操作方式中的一种。
进一步的，采用双离合器换向机构时，双离合器换向机构由双离合器和带锁止机构的行星齿轮机构组成，双离合器由前进档离合器和倒档离合器组成，前进档离合器通过空心的前进档输入轴与换向机构行星架刚性连接，倒档离合器通过从前进档输入轴中心穿过的倒档输入轴与换向机构太阳轮刚性连接，换档机构齿圈与无级自动变速装置输入轴的左端或前端刚性联结，将动力和运动传给按比例分配转矩的差速机构；在倒档输入轴和换向机构行星架上分别装有太阳轮锁止器和行星架锁止器。
双离合器采用摩擦式模片弹簧离合器、多片干式摩擦离合器、多片湿式摩擦离合器、电磁离合器中的至少一种；离合器的操作采用电控液压、电控气压、电控电磁、电控伺服电机、电控步进电机操作方式中的一种。
相对于现有技术，本发明全齿轮无级自动变速与速比主动控制***，在按比例分配转矩的差速机构和行星齿轮机构之间设置速比主动控制机构，按比例分配转矩的差速机构包括两个设置在动力与运动输出端的差速锥齿轮，两个差速锥齿轮分别和行星齿轮机构的齿圈和太阳轮相连作为行星齿轮机构的输入轴；速比主动控制机构包括速比调节电机、处于常啮合状态的速比调节主动齿轮和速比调节从动齿轮；速比调节从动齿轮与其中一个差速锥齿轮轴刚性联结，速比调节主动齿轮与速比调节电机的输出轴连接；行星齿轮同时与太阳轮和齿圈啮合并通过行星架向外部输出动力。速比变化范围大、传递转矩的能力可以满足所有机械传动的要求，不仅在整个速比变化范围内有效实现无级自动变速，还可以实现速比的主动控制，满足各类机械传动的需要。
具有如下有益效果：
(1)全齿轮无级自动变速与速比主动控制***所有传动部件都是效率极高的齿轮与轴，因此具有和机械式手动变速器一样的高效率。
(2)速比变化范围大，可以满足各类不同机械***对速比变化范围的要求。行星齿轮机构中在太阳轮之前设置减速机构来增大全齿轮无级自动变速与速比主动控制***的速比变化范围或者将两个或两个以上的本发明无极自动变速与速比主动控制***串联使用，可以得到速比变化范围为任意大小的无级自动变速与速比主动控制***。比如，在需要速比变化范围较大时，采用在太阳轮之前设置减速机构的行星齿轮机构，在显著减小齿圈径向尺寸的同时还可以增大全齿轮无级自动变速与速比主动控制***的速比变化范围。如齿圈与太阳轮的齿数比α由原来的7减小到5，无极自动变速范围却由原来的1～4增大到1.143～12，无极自动变速范围却大幅增加到了原来的近3倍。
(3)在整个速比变化范围内，可有效实现无级自动变速。
(4)不仅可以自动无级变速，而且还可以根据使用过程中的实际需要，实现速比的主动控制。
(5)传递转矩的能力强，其传递转矩的能力仅与结构尺寸的大小有关，因此其传递转矩的能力可以满足所有机械传动的要求。
(6)结构和工艺都很简单，易于制造、生产成本低、使用环境的适应性好。
(7)体积小、重量轻。
本发明“全齿轮无级自动变速与速比主动控制***”的上述诸多优点，正好可以彻底克服现有各类变速器的不足，可满足各类机械传动的需要。
附图说明
图1为本发明全齿轮无级自动变速与速比主动控制***的结构示意图。
图2为行星锥齿轮结构示意图。
图3为按比例分配转矩的差速机构结构示意图。
图4为本发明具有换向机构的全齿轮无级自动变速与速比主动控制***结构示意图。
图5为换向机构结构示意图。
图6为太阳轮输入端加减速机构的行星齿轮机构另一实施例结构示意图。
图7为前进挡状态下结构示意图(换向机构三种实施方式)。
图8为倒挡状态下结构示意图(换向机构三种实施方式)。
图9为空挡状态下结构示意图(换向机构三种实施方式)。
附图标记说明如下：
Ⅰ—按比例分配转矩的差速机构；Ⅱ—速比主动控制机构；Ⅲ—行星齿轮机构；IV—换向机构；1—无级自动变速装置输入轴；2—行星锥齿轮；3—行星锥齿轮轴；4—差速器壳；5—差速锥齿轮轴；6、7—差速锥齿轮；8—速比调节电机；9—速比调节主动齿轮；10—速比调节从动齿轮；11—太阳轮；12—齿圈；13—行星齿轮；14—动力输出轴；15—行星架；16—太阳轮轴(差速锥齿轮轴)；17—离合器输入轴；18—离合器；19—输入轴齿轮；20—过桥齿轮I；21—过桥齿轮轴；22—过桥齿轮II；23—换向从动齿轮；24—同步器；25—换向主动齿轮；26—换向主动齿轮轴；27—换向输入轴；28—双联多片离合器；29—倒档离合器；30—前进档离合器；31—前进档输入轴；32—换向机构太阳轮；33—换向机构行星轮；34—换向机构齿圈；35—换档机构行星架；36—太阳轮锁止器；37—行星架锁止器；38—倒档输入轴；39—减速器输入轴；40—齿圈；41—行星轮；42—太阳轮；43—输出轴；44—行星架；45—轴承；46—环形槽；47—环形槽中心圆弧线。
具体实施方式
根据本发明实施的全齿轮无级自动变速与速比主动控制***的具体结构见图1。全齿轮无级自动变速与速比主动控制***至少包括顺次连接的三大部分：按比例分配转矩的差速机构Ⅰ、速比主动控制机构Ⅱ、行星齿轮机构Ⅲ。
其中，按比例分配转矩的差速机构Ⅰ、行星齿轮机构Ⅲ两大部分一起共同构成无级自动变速装置。按比例分配转矩的差速机构Ⅰ包括两个动力与运动输出端差速锥齿轮：第一差速锥齿轮6和第二差速锥齿轮7；第一差速锥齿轮6通过第一差速锥齿轮轴5与行星齿轮机构Ⅲ的齿圈12相连，连接方式可以是键或花键；第二差速锥齿轮7通过第二差速锥齿轮轴16与行星齿轮机构Ⅲ太阳轮11相连，连接方式可以是键或花键；第二差速锥齿轮轴16作为中心轴在按比例分配转矩的差速机构Ⅰ、速比主动控制机构Ⅱ中使用，第二差速锥齿轮轴16从空心的第一差速锥齿轮轴5中穿过(同轴心线而不同轴)，第一差速锥齿轮轴5贯穿于速比主动控制机构Ⅱ且分别延伸至按比例分配转矩的差速机构Ⅰ和行星齿轮机构Ⅲ。在无级自动变速装置的基础上加上速比主动控制机构Ⅱ形成具有速比主动控制的无级自动变速装置，如图1所示，则可实现无级自动变速和速比主动控制功能。
行星齿轮机构Ⅲ结构如下：
图1具有速比主动控制的无级自动变速装置中，行星齿轮机构Ⅲ由无级自动变速装置输入轴第二差速锥齿轮轴(或太阳轮轴)16、太阳轮11、行星架15、行星齿轮13和齿圈12组成，其中太阳轮11和齿圈12是行星齿轮机构Ⅲ的两个输入端，行星齿轮机构Ⅲ的动力由行星架15输出。太阳轮11通过键或花键与第二差速锥齿轮轴(太阳轮轴)16刚性联结，齿圈12通过键或花键与空心结构的第一差速锥齿轮轴5刚性联结。图2的实施例中设置了2只行星齿轮13。基于提高行星齿轮机构传递转矩能力的考虑，可以采用设置3只行星齿轮13、4只行星齿轮13、5只行星齿轮13或6只行星齿轮13等多种不同的结构设计。本领域技术人员可以根据传递转矩能力使用需求选用。
按比例分配转矩的差速机构Ⅰ结构如下：
如图1所示，按比例分配转矩的差速机构Ⅰ串联在行星齿轮机构Ⅲ的前端，包括按比例分配转矩的差速器壳4，差速器壳4外，无级自动变速装置输入轴1在其前端与差速器壳4刚性连接，差速器壳4内，第一差速锥齿轮6和第二差速锥齿轮7均通过轴承支承在差速器壳4的前后端延伸的轴孔中。第二差速锥齿轮7和第一差速锥齿轮6分别在前后端与行星锥齿轮2啮合。空心的第一差速锥齿轮轴5的前端通过键或花键与第一差速锥齿轮6刚性联结；第一差速锥齿轮6通过第一差速锥齿轮轴5与行星齿轮机构Ⅲ的齿圈12刚性相连。
第二差速锥齿轮轴16(太阳轮轴16)从空心的第一差速锥齿轮轴5中穿过，前端通过键或花键与第二差速锥齿轮7刚性联结，后端穿过差速器壳4并通过键或花键与太阳轮11刚性相连(太阳轮11也可以做成与太阳轮轴16一体的结构)。
如图2所示，行星锥齿轮2上开有环形槽46，行星锥齿轮轴3的一端固定安装在差速器壳4的孔中(参见图1，图2中未有显示)，另一端通过轴承45(可以是圆柱滚子轴承、滚针轴承或滑动轴承)安装在行星锥齿轮2的环形槽46内，如图2(a)所示。行星锥齿轮2自转时，其转动中心不是行星锥齿轮2的中心线，而是环形槽46的中心圆弧线47(图2(b)中点划线表示)。为了实现差速器按照设定的比例将转矩分配给第一差速锥齿轮6和第二差速锥齿轮7，当行星锥齿轮2自转时，设行星锥齿轮2与第二差速锥齿轮7的啮合点A至行星锥齿轮轴3中心线的距离S1、行星锥齿轮2与第一差速锥齿轮6的啮合点B至行星锥齿轮轴3中心线的距离S2，S1和S2之比始终为设定的比例(见图3)。基于提高差速器传递转矩能力的考虑，可以采用2只行星锥齿轮、3只行星锥齿轮、4只行星锥齿轮、5只行星锥齿轮或6只行星锥齿轮等多种不同的结构设计，本领域技术人员可以根据转矩荷载能力匹配。
速比主动控制机构结构如下：
速比主动控制机构Ⅱ由速比调节电机8、速比调节主动齿轮9和速比调节从动齿轮10组成。速比调节从动齿轮10通过键或花键与空心结构的第一差速锥齿轮轴5刚性联结，速比调节主动齿轮9通过键或花键固定安装在速比调节电机8的输出轴上，速比调节主动齿轮9和速比调节从动齿轮10处于常啮合状态。
换向机构IV结构如下：工程上，许多工作机构或作业机械在工作过程中经常需要换向运转，即有时正转、有时反转。实现其正转与反转有两种方法，即：①让动力源正向与反向运转；②在变速器上增设一换向机构。方法①只有电动机这类动力源可以实现，绝大多数其它类型的动力源都难以实现。
作为优选项，本发明全齿轮无级自动变速与速比主动控制***增设了换向机构IV。换向机构可以采用离合器+同步器的换向机构(见图5(a))或双联多片离合器的换向机构(见图5(b))或双离合器换向机构(见图5(c))等多种不同结构的方案。分别对应图4的4(a)～4(c)三种具有换向机构的全齿轮无级自动变速与速比主动控制***实施结构。4(a)为本发明具有换向机构的全齿轮无级自动变速与速比主动控制***第一种实施方式结构示意图，4(b)为本发明具有换向机构的全齿轮无级自动变速与速比主动控制***第二种实施方式结构示意图，4(c)为本发明具有换向机构的全齿轮无级自动变速与速比主动控制***第三种实施方式结构示意图。由此能方便改变运动传动方向，实现前进档和倒退档的切换。换向机构IV可以串接在无级自动变速装置的前端也可串接在无级自动变速装置的后端，其功能是实现动力与运动传输的正转、反转和中断等三种模式的切换。
具有离合器+同步器组成的换向机构的全齿轮无级自动变速与速比主动控制***实施例结构如下：
参见图4(a)和5(a)，离合器+同步器组成的换向机构IV由离合器输入轴17、离合器18、输入轴齿轮19、换向主动齿轮25、换向主动齿轮轴26、同步器24、过桥齿轮与轴(包括过桥齿轮20和22、过桥齿轮轴21)、换向从动齿轮23和变速器输入轴27等组成，如图4(a)和5(a)所示。图5(a)中左侧为输入轴齿轮19、过桥齿轮20和换向主动齿轮25三者间沿着与轴向方向垂直截面图；右侧图幅中，无级变速装置输入轴1的左端或前端通过轴承安装在输入轴齿轮19右端的轴承座孔内；换向主动齿轮26与输入轴齿轮19常啮合，同时与桥齿轮20也是常啮合；过桥齿轮20和过桥齿轮22通过键或花键与过桥齿轮轴21刚性联结，过桥齿轮22与换向从动齿轮23常啮合，换向从动齿轮23利用滚针轴承或滑动轴承空套在无级自动变速装置输入轴1上，输入轴齿轮19和换向从动齿轮23之间装有锁环式(或锁销式)同步器24。离合器+同步器组成的换向机构IV的功能和工作过程是：通过同步器24实现换向机构正转(无级自动变速装置输入轴1的转动方向与离合器输入轴17的转动方向相同)、反转(无级自动变速装置输入轴1的转动方向与离合器输入轴17的转动方向相反)及空挡的切换。当需要进行换向操作时，先将离合器18分离并将同步器24退出原来所在的档位，挂入待进档位后再将离合器18结合。同步器24处在中间位置时，换向机构终断动力的传递，即全齿轮无级自动变速与速比主动控制***处于空档；同步器24左移到最左端，换向机构正转；同步器24右移到最右端，换向机构反转。
本发明全齿轮无级自动变速与速比主动控制***中的离合器18可以采用摩擦式模片弹簧离合器、摩擦式周置圆柱螺旋弹簧离合器、摩擦式中央圆锥螺旋弹簧离合器、多片干式摩擦离合器、多片湿式摩擦离合器、电磁离合器等各种不同类型的离合器。离合器的操作可以采用电控液压、电控气压、电控电磁、电控伺服电机、电控步进电机等各种不同的操作方式。
具有双联多片离合器换向机构的全齿轮无级自动变速与速比主动控制***实施例结构如下：
参见图4(b)和5(b)，双联多片离合器换向机构由双联多片离合器28、离合器输入轴17、输入轴齿轮19、换向主动齿轮25、换向主动齿轮轴26、过桥齿轮与轴(包括过桥齿轮20和22、过桥齿轮轴21)和换向从动齿轮23等组成，如图5(b)所示。图5(b)左侧为输入轴齿轮19、过桥齿轮20和换向主动齿轮25三者间沿着与轴向方向垂直截面图；右侧图幅中，无级自动变速装置输入轴1的左端或前端通过轴承安装在输入轴齿轮19右端的轴承座孔内；换向主动齿轮25与输入轴齿轮19常啮合，同时与过桥齿轮20也是常啮合；过桥齿轮20和过桥齿轮22通过键或花键与过桥齿轮轴21刚性联结，过桥齿轮22与换向从动齿轮23常啮合，换向从动齿轮23通过滚针轴承或滑动轴承空套在无级自动变速装置输入轴1上，输入轴齿轮19和换向从动齿轮23之间装有双联多片离合器28。双联多片离合器换向机构的功能和工作过程是：通过双联多片离合器28实现换向机构正转(无级自动变速装置输入轴1的转动方向与离合器输入轴17的转动方向相同)、反转(无级自动变速装置输入轴1的转动方向与离合器输入轴17的转动方向相反)及空挡的切换。双联多片离合器28中左侧的离合器结合、右侧的离合器分离时，换向机构正转；双联多片离合器中右侧的离合器结合、左侧的离合器分离时，换向机构反转；双联多片离合器中左、右侧的离合器都分离时，换向机构终端动力的传递，即全齿轮无级自动变速装置的空档。
本发明全齿轮无级自动变速与速比主动控制***中双联多片离合器28可以采用干式双联多片离合器或湿式双联多片离合器。双联多片离合器的操作可以采用电控液压、电控气压、电控电磁操作等不同的操作方式。
具有双离合器换向机构的全齿轮无级自动变速与速比主动控制***实施例结构如图4(c)和5(c)所示：
双离合器换向机构由双离合器和带锁止机构的行星齿轮机构组成，具体结构如下：双离合器中的前进档离合器30通过空心的前进档输入轴31与换向机构行星架35刚性连接，双离合器中的倒档离合器29通过从前进档输入轴31中心穿过的倒档输入轴38与换向机构太阳轮32刚性连接，换档机构齿圈34与无级自动变速装置输入轴1的左端或前端刚性联结，将动力和运动传给按比例分配转矩的差速机构I。为了实现前进档与倒档的自由切换，在倒档输入轴38和换向机构行星架35上分别装有太阳轮锁止器36和行星架锁止器37。双离合器换向机构的功能和工作过程是：通过双离合器29和30的交替结合与分离实现换向机构正转(无级自动变速装置输入轴1的转动方向与双离合器输入轴17的转动方向相同)、反转(无级自动变速装置输入轴1的转动方向与双离合器输入轴17的转动方向相反)及空挡的切换。若前进档离合器30结合、倒档离合器29分离，同时太阳轮锁止器6锁止、行星架锁止器37解锁，动力和运动经前进档离合器30、前进档输入轴31、换向机构行星架35、换向机构行星轮33、换档机构齿圈34传给无级自动变速装置输入轴1。无级自动变速装置输入轴1的转动方向与离合器输入轴17的方向相同，换向机构正转；若倒档离合器29结合、前进档离合器30分离，同时行星架锁止器37锁止、太阳轮锁止器6解锁，动力和运动经倒档离合器29、倒档输入轴38、换向机构太阳轮32、换向机构行星轮33、换档机构齿圈34传给无级自动变速装置输入轴1。无级自动变速装置输入轴1的转动方向与离合器输入轴17的方向相反，换向机构反转；前进档离合器和倒档离合器都分离，换向机构中断动力的传递，即全齿轮无级自动变速装置的空档。
本发明全齿轮无级自动变速与速比主动控制***中的双离合器(前进档离合器30和倒档离合器29)可以采用摩擦式膜片弹簧离合器、多片干式摩擦离合器、多片湿式摩擦离合器、电磁离合器等各种不同类型的离合器。离合器的操作可以采用电控液压、电控气压、电控电磁、电控伺服电机、电控步进电机等各种不同的操作方式。
本发明全齿轮无级自动变速原理介绍：
本发明全齿轮无级自动变速与速比主动控制***的无级自动变速原理如下：
行星齿轮机构由太阳轮、行星轮、行星架和齿圈等四大元件组成，是一种典型的二自由度机构，其中太阳轮、行星架和齿圈三个元件均既可作动力和运动的输入端也可作动力和运动的输出端。如此，行星齿轮机构就有如下三种不同的传动方案，即：①二个动力输入端、一个动力输出端；②一个动力输入端、二个动力输出端；③一个动力输入端、一个动力输出端、一个固定端。
二个动力输入端、一个动力输出端的行星齿轮机构:
只有当行星齿轮机构的三个动力和运动的输入/输出元件中的任意二个元件有确定的运动输入(包括零输入)时，另一个元件才有确定的运动输出，且此运动的输出随二个运动输入端中任何一个输入端运动的变化而变化，其原理式如下：
nT+αnQ-(1+α)nH＝0 (1)
式中：nT,nH,nQ——分别是太阳轮T、行星架H和齿圈Q的转速；
α——齿圈与太阳轮的齿数比，
Figure BDA0002201365260000091
zT,zQ——分别是太阳轮T和齿圈Q的齿数。
1、若设太阳轮和齿圈作为行星齿轮机构的两个运动输入端、行星架为行星齿轮机构的运动输出端(本发明中的行星齿轮机构Ⅲ属这种类型)，无论是太阳轮还是齿圈，其中任何一个的运动发生变化，则作为输出端行星架的运动随之发生变化。输入端有确定的运动包括如下两种情况，即：
1)二者之一的转速为零，另一个输入端的转速自由变化。此种情况下又有nQ＝0,nT和nT＝0,nQ二种不同的模式。
(1)nQ＝0,nT，将其带入式(1)
Figure BDA0002201365260000101
式中：iTH——太阳轮为运动的输入端、齿圈固定、行星架为运动的输出端的速比。
(2)nT＝0,nQ，将其带入式(1)得：
Figure BDA0002201365260000102
式中：iQH——齿圈为运动的输入端、太阳轮固定、行星架为运动的输出端的速比。
对于行星齿轮机构，齿圈的齿数ZQ必然大于太阳轮的齿数ZT，即α＞1，因此：
iTH＞iQH (4)
2)两个输入端的转速相同，均为n(nT＝nQ＝ni＝n)，此时，行星架的转速亦必然和太阳轮及齿圈的转速相等，即nH＝nQ＝nT＝n，将其带入式(1)得：
Figure BDA0002201365260000103
Figure BDA0002201365260000104
比较式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)得：①行星齿轮机构可以有三个固定的速比(又称传动比)，分别是
Figure BDA0002201365260000105
iTH＝1、iQH＝1；②由于齿圈与太阳轮的齿数比必然大于1(α＞1)，因此行星齿轮机构的最大传动比为
Figure BDA0002201365260000111
最小传动比为iTH＝1；③设行星齿轮机构的输入端为太阳轮、输出端为行星架，若齿圈的转速nQ在0和nT的范围内连续变动，则行星齿轮机构的速比随之在最大速比
Figure BDA0002201365260000112
和最小速比iTH＝1之间连续变动；设行星齿轮机构的输入端为齿圈、输出端为行星架，若太阳轮的转速nT在0和nQ的范围内连续变动，则行星齿轮机构的速比随之在
Figure BDA0002201365260000113
和最小速比iQH＝1之间连续变动。由此可见：若动力和运动由太阳轮输入、行星架输出，只要齿圈能在0和nT的范围内连续调节其转速，行星齿轮机构的速比就可在最大速比
Figure BDA0002201365260000114
和最小速比iTH＝1之间连续变化，即实现无级变速；若动力和运动由齿圈输入、行星架输出，只要太阳轮能在0和nQ的范围内连续调节其转速，行星齿轮机构的速比就可在
Figure BDA0002201365260000115
和iQH＝1之间连续变化，即同样可以实现无级变速。由于齿圈的齿数是一定大于太阳轮的齿数的，即
Figure BDA0002201365260000116
因此，太阳轮输入通过调节齿圈的转速所能达到的速比变化范围比齿圈输入通过调节太阳轮的转速所能达到的速比变化范围要大。如：若设齿圈与太阳轮的齿数比α＝4，太阳轮输入通过调节齿圈的转速所能达到的速比变化范围是iTH＝1～5(最大速比iTH＝1+α＝1+4＝5)；齿圈输入通过调节太阳轮的转速所能达到的速比变化范围是iQH＝1～1.25(最大速比
Figure BDA0002201365260000121
)。由此可见，对于同一个行星齿轮机构，太阳轮输入通过调节齿圈的转速具有速比变化范围大的显著优势。但对于各类需要动力驱动的机械***(如各类车辆的驱动车轮、舰船的螺旋桨、机床的主轴/刀盘、旋耕机、液压泵、压缩机、鼓风机等)，绝大多数情况下，其动力源不仅只有一个，而且更重要的是：各类需要动力驱动的机械***之所以需要变速传动，其原因在于动力源的动力学特性(如功率、转矩等随转速的变化)往往与工作机构或作业机械的需求存在交大的差异，需借用变速传动装置弥补其不足，即若要实现行星齿轮机构的无级变速特性就必须要有可以十分方便调节其速度的第二动力源。
2、若设太阳轮和行星架为行星齿轮机构的两个运动输入端、齿圈为行星齿轮机构的运动输出端，无论是太阳轮还是行星架，其中任何一个的运动发生变化，则作为输出端齿圈的运动随之发生变化。输入端有确定的运动同样包括如下两种情况，即：
1)二者之一的转速为零，另一个输入端的转速自由变化。此种情况下又有nH＝0,nT和nT＝0,nH二种不同的模式。
(1)nH＝0,nT，将其带入式(1)得：
Figure BDA0002201365260000122
式中：iTQ——太阳轮为运动的输入端、行星架固定、齿圈为运动的输出端的速比，
Figure BDA0002201365260000123
前面的“-”是指输出端齿圈的转速与输入端太阳轮的转速方向相反。
(2)nT＝0,nH，将其带入式(1)得：
Figure BDA0002201365260000124
式中：iHQ——行星架为运动的输入端、太阳轮固定、齿圈为运动的输出端的速比。
2)两个输入端的转速相同，均为ni(nT＝nQ＝ni＝n)，此时，行星架的转速亦必然和太阳轮及齿圈的转速相等，即nQ＝nQ＝nT＝n，将其带入式(1)得：
Figure BDA0002201365260000131
Figure BDA0002201365260000132
比较式(7)、(8)、(9)、(10)得：①行星齿轮机构可以有三个固定的速比(又称传动比)，分别是
Figure BDA0002201365260000133
iTQ＝1、iHQ＝1；②行星齿轮机构的最大传动比为
Figure BDA0002201365260000134
最小传动比为
Figure BDA0002201365260000135
③设行星齿轮机构的输入端为太阳轮、输出端为齿圈，若行星架的转速nH在0和nT的范围内连续变动，则行星齿轮机构的速比随之在最大速比
Figure BDA0002201365260000136
和iTQ＝1之间连续变动；设行星齿轮机构的输入端为行星架、输出端为齿圈，若太阳轮的转速nT在0和nH的范围内连续变动，则行星齿轮机构的速比随之在
Figure BDA0002201365260000137
和iHQ＝1之间连续变动。由此可见：若动力由太阳轮输入、齿圈输出，只要行星架能在0和nT的范围内连续调节其转速，行星齿轮机构的速比就可在最大速比
Figure BDA0002201365260000138
和iTQ＝1之间连续变动，但这种速比变化完全不符合机械传动***的要求，因为在变速的过程中速度输出端的转动方向要发生变化；若动力由行星架输入、齿圈输出，只要太阳轮能在0和nH的范围内连续调节其转速，行星齿轮机构的速比就可在
Figure BDA0002201365260000139
和iHQ＝1之间连续变动，但速比变化范围非常有限。由此可见，尽管太阳轮和行星架为行星齿轮机构的两个运动输入端、齿圈为行星齿轮机构的运动输出端的行星齿轮机构也可实现无级变速，但由于存在上述严重之不足，且若要实现其无级变速特性还必须要有可以十分方便调节其速度的第二动力源，显然这不仅无法实现也无使用价值。
一个动力输入端、二个动力输出端的行星齿轮机构
若动力由行星齿轮机构三个元件中任意一个元件(如行星架)输入，动力从另二个元件(如齿圈和太阳轮)输出，则二个动力输出端可以以各种不同的转速输出动力，这就是行星齿轮机构可以用作差速器的原理。
由前面的分析知，要想利用行星齿轮机构实现无级自动变速：①太阳轮和齿圈两个输入、行星架输出的方案具有速比变化范围大的显著优势，其最大传动比为1+α，最小传动比为1；②必须要有两个可供输入的动力。
对于需要变速传动的各类动力机械***，绝大多数情况下只有一个动力源，然而要想利用行星齿轮机构实现无级变速，必须要有两个可供输入的动力，要想解决这一问题，很容易想到差速器，但到目前为止尚没有任何一款能符合本发明要求的差速器。因为：①对于对称式行星齿轮差速器，尽管具有传动效率高的显著优点，但由于两个输出端只能输出数值相等的转矩，而由前面的分析可知，较适合用于实现无级变速的是太阳轮和齿圈两端输入、行星架输出的行星齿轮机构，此行星齿轮机构齿圈输入端的转矩应为太阳轮输入端转矩的α倍(即MQ＝αMT，α—齿圈与太阳轮的齿数比，MQ、MT—分别是齿圈和太阳轮端的输入转矩)，由于对称式行星齿轮差速器两个输出端的转矩与行星齿轮机构Ⅲ中太阳轮和齿圈两输入端的转矩完全不匹配，因此对称式行星齿轮差速器不能满足本发明的使用要求；②尽管托森差速器和螺旋齿式限滑差速器具有输出两个不相等转矩的功能，但此两种差速器都是利用增大内摩擦方法(如利用摩擦力矩大的蜗轮蜗杆或大螺旋角的螺旋齿轮)实现转矩的不等量输出，因此托森差速器和螺旋齿式限滑差速器不仅传动效率低，而且两输出端的转矩差十分有限，因此托森差速器和螺旋齿式限滑差速器同样不能满足本发明的使用要求。为了有效解决这一问题，本发明专门发明了一种按比例分配转矩的特殊差速机构Ⅰ(如图1-3所示)，将单一动力源的动力按设定的比例分成两个动力对外输出，此比例即为行星齿轮机构Ⅲ中齿圈与太阳轮的齿数比α。将按比例分配转矩的差速机构Ⅰ串联在行星齿轮机构Ⅲ的前端就构成了本发明的无级自动变速装置，其具体的无级自动变速原理如下：
1)由于按比例分配转矩的差速机构I中行星锥齿轮2不是绕固定轴线转动，而是绕如图2所环形槽中心圆弧线转动，因此行星锥齿轮2与第二差速锥齿轮7的啮合点A至行星锥齿轮轴3的距离S1和行星锥齿轮2与第一差速锥齿轮6的啮合点B至行星锥齿轮轴3的距离S2不相等。若设第二差速锥齿轮7作用在行星锥齿轮2上的啮合力为F1(A点处的啮合力)，第一差速器锥齿轮6作用在行星锥齿轮2上的啮合力为F2(B点处的啮合力)。作用在行星锥齿轮2上的力矩应平衡，即：
F1S1＝F2S2
则：
Figure BDA0002201365260000151
若设行星锥齿轮2作用在第二差速锥齿轮7上的啮合力为F1′，行星锥齿轮2作用在第一差速锥齿轮6上的啮合力为F2′，根据作用力与反作用力原理，则有：
F1′＝F1，F2′＝F2
由于第一差速锥齿轮6和第二差速锥齿轮7的齿数和模数均相等，第一差速锥齿轮6和第二差速锥齿轮7的分度圆直径必然相等。若设第一差速锥齿轮6和第二差速锥齿轮7的分度圆直径为R，则差速锥齿轮6和7输出的转矩M6和M7分别为：
Figure BDA0002201365260000152
M7＝RF1′＝RF1 (13)
比较式(12)和(13)得：
Figure BDA0002201365260000153
若
Figure BDA0002201365260000154
正好等于行星齿轮机构Ⅲ中齿圈与太阳轮的齿数比α，如此便可正好满足行星齿轮机构Ⅲ中齿圈的转矩MQ是太阳轮转矩MTα倍的要求，即：
MQ＝αMT (15)
如此，在按比例分配转矩的差速机构Ⅰ和行星齿轮机构Ⅲ之间便可实现转矩的平衡，即完全满足转矩的有效传递关系。
若设按比例分配转矩的差速机构Ⅰ的输入转速为ni＝n，行星齿轮机构Ⅲ中齿圈与太阳轮的齿数比
Figure BDA0002201365260000155
第一差速锥齿轮6和第二差速锥齿轮7的转速分别为n6和n7，行星齿轮机构Ⅲ中的齿圈和太阳轮的转速分别为nQ和nT，由于第一差速锥齿轮6和第二差速锥齿轮7通过各自的轴分别与行星齿轮机构Ⅲ中的齿圈12和太阳轮11刚性联结，即：
nQ＝n6 (16)
nT＝n7 (17)
由差速器的原理知，差速机构的输入转速ni与第一差速锥齿轮6和第二差速锥齿轮7两个差速锥齿轮输出的转速始终满足如下关系式：
n6+n7＝2ni (18)
式中：ni——差速器输入转速，ni＝n；
n6、n7——分别是第一差速锥齿轮6和第二差速锥齿轮7的转速。
当n6＝0时，由式(17)、(18)、(19)得：
nQ＝n6＝0
nT＝n7＝2n
将nQ＝0、nT＝2n、α＝7代入式(1)便可计算出无级自动变速装置的输出转速nH：
2n+α×0-(1+α)nH＝0
Figure BDA0002201365260000161
无级自动变速装置的最大速比(又称传动比)imax为：
Figure BDA0002201365260000162
当n6＝n时，由式(16)、(17)、(18)得：
nQ＝n6＝n
nT＝n7＝n
将nQ＝n、nT＝n、α＝7代入式(1)便可计算出无级自动变速装置的输出转速nH：
n+7×n-(1+7)nH＝0
nH＝n
无级自动变速装置的最小速比imin为：
Figure BDA0002201365260000171
由前面的计算可以看出，若齿圈12的转速在0～n间连续变化，则无级自动变速装置的速比可在4～1之间无级自动变化，即可以实现无级自动变速。
在机动车辆(汽车、拖拉机、坦克、可行走的工程机械的总称)领域，将变速器减速比(又称传动比)为1的档位称为直接档，为了提高机动车辆的燃料经济性，很多机动车辆的变速器设置有超速档(减速比小于1的档)。本发明全齿轮无极自动变速与速比主动控制***无需对***结构作任何改变便不仅可以实现任何减速比的超速档，而且在整个速比变化范围(从速比最小的超速档到最大速比)都可以实现无级自动变速，其具体实施方法是：提高速比调节电机8的转速，使之通过速比调节主、从动齿轮9和10传到行星齿轮机构Ⅲ齿圈12上的转速nQ大于太阳轮11的转速nT(即nQ＞nT)就可得到所需的超速档减速比。还是以前面述及α＝7的例子为例，若设差速器输入转速ni＝n、nQ＝n6＝1.5n、nT＝n7代入式(18)计算得nT＝0.5n。设此状态下行星架的转速为nH0.5、无极自动变速装置的减速比i0.5，将相关参数代入式(1)计算得nH0.5＝1.375n、
Figure BDA0002201365260000172
若设nQ＝1.2n，可计算得到nH0.5＝1.15n，i0.5＝0.8696。计算结果表明，只要连续调节速比调节电机的转速，同样可在超速档范围实现无级自动变速。
由行星齿轮机构的原理式nT+αnQ-(1+α)nH＝0知，当齿圈12的转速nQ＝0、太阳轮的转速nT＝n时，行星齿轮机构的减速比最大，其值为imax＝1+α。但对于本发明全齿轮无级自动变速与速比主动控制***，由于在行星齿轮机构Ⅲ的前端或左端串联的是按比例分配转矩的差速机构Ⅰ，当nQ＝0时，太阳轮11的转速nT≠n，而是nT＝2n。
将nQ＝0,nT＝2n代入(1)式得本发明全齿轮无级自动变速与速比主动控制***的实际最大速比
Figure BDA0002201365260000181
本发明全齿轮无级自动变速与速比主动控制***的实际最大速比ib max只有行星齿轮机构最大速比imax的1/2。
由前述的示例知，当行星齿轮机构Ⅲ中齿圈12与太阳轮11的齿数比
Figure BDA0002201365260000182
时，本发明全齿轮无级自动变速与速比主动控制***的实际最大速比ib max＝4。若要想获得更大的速比变化范围，尽管可以通过继续增大齿圈与太阳轮的齿数比α来获得，但α的增大必然带来行星齿轮机构径向尺寸的增大，即本发明全齿轮无级自动变速与速比主动控制***的速比变化范围受齿圈与太阳轮齿数比α的限制，为了突破速比变化范围受α的限制，有效获得所需更大的速比变化范围，可以采用如下两个有效方法，即：①将二个或多个本发明无极自动变速与速比主动控制***串联使用，如此可以得到速比变化范围为任意大小的无级自动变速与速比主动控制***；②采用如图6所示本发明中专门为其发明的径向尺寸较小的太阳轮输入端加减速机构的行星齿轮机构替代图1-图5中的行星齿轮机构Ⅲ。
减速机构V可以是如图6所示对称结构的定轴轮系齿轮减速机构或非对称定轴轮系齿轮减速机构或行星齿轮减速机构。传给行星齿轮机构的两路动力分别传给齿圈40和由输入轴39经减速机构V减速后传给太阳轮42，动力经过刚性连接在行星架44上的输出轴43输出。若用此太阳轮输入端加减速机构的行星齿轮机构代替本发明全齿轮无级自动变速与速比主动控制***中的行星齿轮机构Ⅲ，设减速机构V的减速比为iV、齿圈与太阳轮的齿数比为α、无级自动变速装置输入轴1的转速为ni＝n，若齿圈的转速nQ＝0，则太阳轮的转速
Figure BDA0002201365260000183
将前述参数代入(1)式得行星架输出转速
Figure BDA0002201365260000191
最大速比ibV max为：
Figure BDA0002201365260000192
若齿圈的转速nQ＝n，则太阳轮的转速
Figure BDA0002201365260000193
将其代入(1)式得行星架输出转速
Figure BDA0002201365260000194
最小速比ibV min为：
Figure BDA0002201365260000195
作为一个减速比优选例，若设减速机构V的减速比为iV＝4、齿圈与太阳轮的齿数比为α＝5，将其分别带入式(19)和式(20)得：
Figure BDA0002201365260000196
Figure BDA0002201365260000197
尽管齿圈与太阳轮的齿数比α由原来的7减小到5，但本发明全齿轮无级自动变速与速比主动控制***的无极自动变速范围却由原来的1～4增大到1.143～12。本发明的径向尺寸大幅减小的同时，无极自动变速范围却大幅增加到了原来的近3倍。
当动力源的动力接入本发明全齿轮无级自动变速与速比主动控制***的无级自动变速装置输入轴1时，由于此前机械***处于静止状态，且与本发明全齿轮无级自动变速与速比主动控制***输出轴14相连的工作机构或作业机械(如各类车辆的驱动车轮、舰船的螺旋桨、机床的主轴/刀盘、旋耕机、液压泵、压缩机、鼓风机等)由静止到运动过程中的阻力比较大，因此行星齿轮机构Ⅰ中的齿圈12仍处于静止状态，此时全齿轮无级自动变速器装置的速比(传动比)最大，十分有利于工作机构或作业机械的启动运行；随着动力源输出动力和转速的增加，齿圈12开始转动，全齿轮无级自动变速装置的速比(传动比)随着齿圈12转动速度的变化而变化，即开始自动变速。由于齿圈12的转速一定是连续变化不可能跳跃式变化，因此本明发全齿轮无级自动变速装置的速比(传动比)必然自动连续无级变化，即无级自动变速。若工作机构或作业机械的阻力不变、动力源输出的动力增大(或减小)，本发明全齿轮无级自动变速装置的速比随之减小(或增大)，即当阻力不变输入的动力增大(或减小)时，全齿轮无级自动变速装置的速比随着动力的增大(或减小)而减小(或增大)，工作机构或作业机械的转速同步上升(或下降)，达到良好的加速(或减速)效果；若动力源输出的动力不变、工作机构或作业机械的阻力增大(或减小)，本发明全齿轮无级自动变速装置的速比随之增大(或减小)，全齿轮无级自动变速装置正好输出更大(或更小)的转矩，以克服工作机构或作业机械增大(或减小)的阻力。
速比主动控制：为了超越全齿轮无极自动变速装置固有的自动变速规律，以便更好地满足实际使用的要求，本发明在按比例分配转矩的差速机构I与行星齿轮机构Ⅲ之间连接第一差速锥齿轮6和齿圈12的空心轴5上加装了速比主动控制机构Ⅱ。由于按比例分配转矩的差速机构I中的动力输出端第一差速锥齿轮6与行星齿轮机构Ⅲ中的齿圈12及按比例分配转矩的差速机构I中的另一动力输出端第二差速锥齿轮7与行星齿轮机构Ⅲ中的太阳轮之间始终处于动态平衡状态。从理论上讲，要想改变二者其中之一的运动十分简单，仅需给其中之一一个运动输入就可以任意调节其运动速度，且由于改变二者中任意一个的运动其速比便自动跟随发生变化，为此，为了实现对其速比主动控制，并获得大的速比变化范围，在第一差速锥齿轮6和齿圈12的连接轴第一差速锥齿轮轴5处增设了由速比调节电机8、速比调节主动齿轮9、速比调节从动齿轮10组成的速比主动控制机构Ⅱ。根据实际需要调节速比调节电机8的转速就可以实现按需在最大速比和最小速比间无级自动变速。
全齿轮无级自动变速与速比主动控制***的工作过程：将如图5所示的换向机构与图1所示的具有速比主动控制的无级自动变速装置串联连起来便构成了具有无级自动变速和正转、反转、空档自由切换功能的本发明全齿轮无级自动变速与速比主动控制***，参照图4。工程上，变速器的正转常将其称为前进档；变速器的反转常将其称为倒档；中断动力传动称为空档。换向机构与无级自动变速装置串联连接可以有如下两种连接方式，即：将换向机构串在无级自动变速装置的前端(或称输入端)或将换向机构串在无级自动变速装置的后端(或称输出端)。换向机构串在无级自动变速装置的前端(或称输入端)可以达到良好的减重效果，在此仅以换向机构串在无级自动变速装置前端(或称输入端)的结构方案为例，结合图7-9，介绍本发明全齿轮无级自动变速与速比主动控制***前进档、倒档和空档的切换过程与原理。
采用离合器+同步器换向机构的全齿轮无级自动变速与速比主动控制***：
前进档：
将变速操纵杆置于D档位置，全齿轮无级自动变速与速比主动控制***的控制***执行如下操作：离合器18分离，同步器24移至最左端，使同步器啮合套与输入轴齿轮19右侧的啮合齿相啮合(见图7(a))，离合器18结合，动力和运动经离合器18传给换向输入轴27→同步器24→无级自动变速装置输入轴1→差速器壳4→行星锥齿轮轴3→行星锥齿轮2→差速锥齿轮6和7→齿圈12和太阳轮11(动力与运动经按比例分配转矩的差速机构I将其分成两路分别由差速锥齿轮6和7传给行星齿轮机构Ⅲ的齿圈12和太阳轮11)→行星架15→无级自动变速装置输出轴14。若需要按照实际使用要求进行自动变速(调节速比)，则启动速比主动控制***的速比调节电机8，按照所需要求调节速比调节电机8的转速便可实现速比的主动控制。
倒档：
将变速操纵杆置于R档位置，全齿轮无级自动变速与速比主动控制***的控制***执行如下操作：速比调节电机8静止不转动，离合器18分离，同步器24移至最右端，使同步器啮合套与换向从动齿轮23左侧的啮合齿相啮合(见图8(a))，离合器18结合，动力和运动经离合器18传给换向输入轴27→输入轴齿轮19→换向主动齿轮25→过桥齿轮20→过桥齿轮轴21→过桥齿轮22→换向从动齿轮23→同步器24→无级自动变速装置输入轴1→差速器壳4→行星锥齿轮轴3→行星锥齿轮2→差速锥齿轮6和7→齿圈12和太阳轮11(动力与运动经按比例分配转矩的差速机构将其分成两路分别由差速锥齿轮6和7传给行星齿轮机构Ⅲ的齿圈12和太阳轮11)→行星架15→无级自动变速装置输出轴14。
空挡：
将变速操纵杆置于N档位置，离合器24分离，同步器24拨到中间位置(图9(a)所示的位置)，离合器24结合。
采用双联多片离合器换向机构的全齿轮无级自动变速与速比主动控制***；
前进档：
将变速操纵杆置于D档位置，全齿轮无级自动变速与速比主动控制***的控制***执行如下操作：双联多片离合器28左侧的离合器结合、右侧的离合器分离，输入轴齿轮19经由双联多片离合器28与无级自动变速装置输入轴1固联(见图7(b))，动力和运动经离合器输入轴17传给双联多片离合器28→无级自动变速装置输入轴1→差速器壳4→行星锥齿轮轴3→行星锥齿轮2→差速锥齿轮6和7→齿圈12和太阳轮11(动力与运动经按比例分配转矩的差速机构将其分成两路分别由差速锥齿轮6和7传给行星齿轮机构III的齿圈12和太阳轮11)→行星架15→无级自动变速装置输出轴14。若需要按照实际使用要求进行自动变速(调节速比)，则启动速比主动控制***的速比调节电机8，按照所需要求调节速比调节电机8的转速便可实现便速比的主动控制。
倒档：
将变速操纵杆置于R档位置，全齿轮无级自动变速与速比主动控制***的控制***执行如下操作：速比调节电机静止不转动，双联多片离合器28右侧的离合器结合、左侧的离合器分离，换向从动齿轮23经由双联多片离合器28与无级自动变速装置输入轴1固联(见图8(b))，动力和运动经离合器输入轴17传给换向主动齿轮25→过桥齿轮20→过桥齿轮轴21→过桥齿轮22→换向从动齿轮23→离合器28→无级自动变速装置输入轴1→差速器壳4→行星锥齿轮轴3→行星锥齿轮2→差速锥齿轮6和7→齿圈12和太阳轮11(动力与运动经按比例分配转矩的差速机构将其分成两路分别由差速锥齿轮6和7传给行星齿轮机构Ⅲ的齿圈12和太阳轮11)→行星架15→无级自动变速装置输出轴14。
空档：
将变速操纵杆置于N档位置，双联多片离合器36分离(见图9(b))。
采用双离合器换向机构的全齿轮无级自动变速与速比主动控制***：
前进档
将变速操纵杆置于D档位置，全齿轮无级自动变速与速比主动控制***的控制***执行如下操作：双离合器中前进档离合器29结合、倒档离合器30分离、太阳轮锁止器36解锁、齿圈锁止器37锁止(见图7(c))，动力和运动经由离合器输入轴17传给前进档离合器29→前进档输入轴31→换向机构太阳轮32→换向机构行星轮34→换档机构行星架35→无级自动变速装置输入轴1→差速器壳4→行星锥齿轮轴3→行星锥齿轮2→差速锥齿轮6和7→齿圈12和太阳轮11(动力与运动经按比例分配转矩的差速机构将其分成两路分别由差速锥齿轮6和7传给行星齿轮机构Ⅲ的齿圈12和太阳轮11)→行星架15→无级自动变速装置输出轴14。若需要按照实际使用要求进行自动变速(调节速比)，则启动速比主动控制***的速比调节电机8，按照所需要求调节速比调节电机8的转速便可实现便速比的主动控制。
倒档：
将变速操纵杆置于R档位置，全齿轮无级自动变速与速比主动控制***的控制***执行如下操作：速比调节电机8静止不转动，双离合器中倒档离合器30结合、前进档离合器29分离、齿圈锁止器37解锁、太阳轮锁止器36锁止(见图8(b))，动力和运动经由离合器输入轴17传给倒档离合器29→倒档输入轴38→换向机构齿圈33→换向机构行星轮34→换档机构行星架35→无级自动变速装置输入轴1→差速器壳4→行星锥齿轮轴3→行星锥齿轮2→差速锥齿轮6和7→齿圈12和太阳轮11(动力与运动经按比例分配转矩的差速机构将其分成两路分别由差速锥齿轮6和7传给行星齿轮机构Ⅲ的齿圈12和太阳轮11)→行星架15→无级自动变速装置输出轴14。
空档：
将变速操纵杆置于N档位置，双离合器中的前进档离合器29和倒档离合器30都分离(见图9(c))。

Claims (8)

1.一种全齿轮无级自动变速与速比主动控制***，其特征在于：按比例分配转矩的差速机构串联在行星齿轮机构的前端构成无级自动变速装置；在按比例分配转矩的差速机构和行星齿轮机构之间设置速比主动控制机构，按比例分配转矩的差速机构包括两个设置在动力与运动输出端的差速锥齿轮：第一差速锥齿轮和第二差速锥齿轮；第一差速锥齿轮通过空心的第一差速锥齿轮轴与行星齿轮机构的齿圈刚性相连；第二差速锥齿轮轴穿过空心的第一差速锥齿轮轴，第二差速锥齿轮通过第二差速锥齿轮轴与行星齿轮机构的太阳轮相连；当行星锥齿轮自转时，设行星锥齿轮与第二差速锥齿轮的啮合点A至行星锥齿轮轴中心线的距离为S1、行星锥齿轮与第一差速锥齿轮的啮合点B至行星锥齿轮轴中心线的距离为S2，S1和S2之比始终为设定的比例；
行星锥齿轮上开有绕行星锥齿轮轴中心线的周向环形槽，行星锥齿轮轴的一端固定安装在差速器壳上，另一端通过轴承安装在环形槽内，行星锥齿轮自转时转动中心是环形槽的中心圆弧线，即行星锥齿轮轴中心线是相对于行星锥齿轮在环形槽中的周向运动轨迹；
速比主动控制机构包括速比调节电机、处于常啮合状态的速比调节主动齿轮和速比调节从动齿轮；速比调节从动齿轮与第一差速锥齿轮轴刚性联结，速比调节主动齿轮安装在速比调节电机的输出轴上；
行星齿轮机构的两个输入端分别为位于中心的太阳轮和最***的齿圈，行星齿轮同时与太阳轮和齿圈啮合并通过行星架向外部输出动力。
2.根据权利要求1所述的全齿轮无级自动变速与速比主动控制***，其特征在于：按比例分配转矩的差速机构包括差速器壳，无级自动变速装置输入轴在差速器壳前端与差速器壳刚性连接；差速器壳内，第一差速锥齿轮和第二差速锥齿轮均可旋转地支承在差速器壳沿着前后端或者左右方向延伸的轴孔中；第二差速锥齿轮和第一差速锥齿轮分别在前后端与行星锥齿轮啮合；第一差速锥齿轮轴的前端与第一差速锥齿轮刚性联结；第二差速锥齿轮轴前端与第二差速锥齿轮刚性联结，后端从空心的第一差速锥齿轮轴中穿过，并穿过差速器壳与太阳轮刚性相连或形成与太阳轮轴一体的结构。
3.根据权利要求2所述的全齿轮无级自动变速与速比主动控制***，其特征在于：按比例分配转矩的差速机构采用至少2只行星锥齿轮。
4.根据权利要求1所述的全齿轮无级自动变速与速比主动控制***，其特征在于：所述的行星齿轮机构中设置至少2个行星齿轮。
5.根据权利要求1～4任一项所述的全齿轮无级自动变速与速比主动控制***，其特征在于：两个或两个以上所述的全齿轮无级自动变速与速比主动控制***串联连接。
6.根据权利要求1～4任一项所述的全齿轮无级自动变速与速比主动控制***，其特征在于：全齿轮无级自动变速与速比主动控制***中，在行星齿轮机构中的太阳轮之前设置减速机构来增大全齿轮无级自动变速与速比主动控制***的速比变化范围；所述减速机构为对称定轴轮系齿轮减速机构、或非对称定轴轮系齿轮减速机构、或行星齿轮减速机构中的其中一种，第二差速锥齿轮轴经减速机构减速后连接太阳轮，所述减速机构串联在太阳轮之前。
7.根据权利要求1～4任一项所述的全齿轮无级自动变速与速比主动控制***，其特征在于：无级自动变速装置的前端或后端串接换向机构；实现动力与运动传输的正转、反转和中断至少三种模式的切换；换向机构为离合器和同步器组合结构的换向机构、或双联多片离合器形式的换向机构、或双离合器形式的换向机构。
8.根据权利要求7所述的全齿轮无级自动变速与速比主动控制***，其特征在于：采用离合器和同步器组合结构的换向机构时，离合器输入轴和变速器输入轴成直线设置，离合器输入轴上设置输入轴齿轮，无级变速装置输入轴的左端或前端通过轴承安装在输入轴齿轮右端的轴承座孔内；换向主动齿轮与输入轴齿轮常啮合，同时与前一组过桥齿轮也是常啮合；后一组过桥齿轮与前一组过桥齿轮同轴且均与过桥齿轮轴刚性联结，后一组过桥齿轮与换向从动齿轮常啮合，换向从动齿轮利用滚针轴承或滑动轴承空套在无级自动变速装置输入轴上，输入轴齿轮和换向从动齿轮之间装有锁环式或锁销式同步器；
采用双联多片离合器形式的换向机构时，离合器输入轴上设置输入轴齿轮，换向从动齿轮通过滚针轴承或滑动轴承空套在无级自动变速装置输入轴上，输入轴齿轮和换向从动齿轮之间装有双联多片离合器；无级自动变速装置输入轴的左端或前端通过轴承安装在离合器输入轴齿轮右端的轴承座孔内；换向主动齿轮与输入轴齿轮常啮合，同时与过桥齿轮也是常啮合；前后两组过桥齿轮均与过桥齿轮轴刚性联结，后端的过桥齿轮与换向从动齿轮常啮合；
采用双离合器换向机构时，双离合器换向机构由双离合器和带锁止机构的行星齿轮机构组成，双离合器由前进档离合器和倒档离合器组成，前进档离合器通过空心的前进档输入轴与换向机构行星架刚性连接，倒档离合器通过从前进档输入轴中心穿过的倒档输入轴与换向机构太阳轮刚性连接，换档机构齿圈与无级自动变速装置输入轴的左端或前端刚性联结，将动力和运动传给按比例分配转矩的差速机构；在倒档输入轴和换向机构行星架上分别装有太阳轮锁止器和行星架锁止器。
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