CN1558125A - 离偶合器式自动变速器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种汽车传动***的电控自动换档变速装置，离偶合器式自动变速器。这种自动变速器，目的在于克服行星轮式自动变速器的低效率，克服电控机械式变速器(AMT)换档时的动力中断，克服新式双离合器自动变速器由于离合器打滑发热引起的材料和冷却方面的问题及控制复杂等方面的不足。其设计思路为，用液力偶合器和双联离合器的组合来换档，用流体摩擦来代替离合器片间的固体表面摩擦，降低离合器片的相对打滑和材料要求，从而避免消耗额外动力和使用新附加***进行冷却，同时仍保留上述三种自动变速器的动力传递的连续性，舒适性以及高效率。本发明提出的四步换档法和起步三步骤也能相对降低自动控制的复杂程度。

Description

离偶合器式自动变速器
技术领域  本发明涉及一种新型的离偶合器式自动变速器，是应用在汽车传动***的电控自动换档式变速装置。
发明背景  通常在一个具有行星轮系的自动换挡变速器中，液力变矩器是必不可少的。液力变矩器不但可以根据输入速度和功率的大小在一定范围内自动调节输出扭矩和速度，而且由于流体的缓冲，吸振和柔性连接作用，使得载荷发生突然变化时，例如换挡时，保证汽车乘员的舒适性和动力传递的连续性，同时对发动机和变速器起到保护作用。然而，由于液力变矩器也会丧失一部分扭矩和速度，引起能量的损失导致液压油温度升高，使这种自动变速器的效率较低。虽然目前国内外有在自动变速器上通过电子锁定的技术来减少这种能量损失，但由于结构和控制技术复杂及高成本的原因，不是所有的档位都能被锁定，提高效率的效果依然有限。
除了行星轮系自动变速器以外，电控机械式自动变速器(AMT)也得到了一定程度的广泛应用。这种变速器特点是一般不采用液力变矩器，从而省去了一个很大的耗能部件，使效率得到提高。它的另外一个优点是采用平行轴式轮系，从而制造装配工艺与广泛使用的手动变速器类似，与手动变速器同样易于生产。它的换挡原理与手动换挡相似，只不过是用电控方式自动实现，即分离离合器，摘空档，再选档换档，最后结合离合器。缺点是，由于离合器的从分离到结合，从而导致其传递的扭矩几乎降为零后再升到所需扭矩。这个动力中断过程必增加了换档的冲击性，对车辆的加速性能造成负面影响，对行驶的舒适性不利。
近年来国内外又有新一代的自动变速器问世，即双离合器自动变速器(德国专利19711820，美国专利5950781和美国专利6463821)。这种变速器的结构是，不采用液力变矩器，发动机通过两个离合器传递动力，档位分别装在各带有一个离合器的两根轴上。它的原理是，车辆在某一档位工作时，通过一个离合器传递扭矩。在需要换档时，先挂位于另外一根传动轴上的下一档位，然后将该传动轴上离合器结合，此时双离合器都处于结合状态。由于两个档位速比不同而发生干涉，必造成某一个离合器或两个离合器发生打滑，在此过渡期间动力并不中断，此时再将上一档的离合器脱离从而完成换档过程。双离合器自动变速器的优点是，在精确控制的情况下，既可防止由于动力中断造成的冲击，又不必采用耗能大的液力变矩器实现平稳过渡，机械传动效率很高。除此之外，它的结构与手动变速器相差也不大，机械零部件的制造装配也较易于实施。然而，由于双离合器在过渡期打滑时会产生摩擦热，高摩擦热会降低离合器片的可靠性及使用寿命。如果是湿式离合器，通常还要再设置一个冷却油泵加以冷却。如果是干式离合器，则传递扭矩受到限制且离合器的径向尺寸相对较大，以便降低离合器片上的正压力。无论是湿式还是干式，对离合器片材料的要求也比较高。这种自动变速器的另一个缺点是，电子控制***的复杂程度超过了上述任何两种变速器。国内的专利(中国专利CN1415876A)与国外的略有不同，主要区别是两个离合器不打滑，而是在换档时将一个离合器脱离同时结合另一个离合器，这样的优点是控制简单，但换档时会产生冲击。
发明内容
本发明的目的是提出一种新型的离偶合器式自动变速器，用液力偶合器的无接触流体摩擦来代替离合器片间的摩擦，使离合器片的相对打滑大大降低，从而避免消耗额外的能量和使用新附加***进行冷却，保证动力传递的连续性平稳性以及高效率，同时还会降低对离合器片材料的要求。另外，本发明提出的四步换档法和起步三步骤也会相对降低自动控制的复杂程度。
附图说明    图1六速离偶合器式自动变速器机构简图
            图2离偶合器式自动变速器一档传动路线简图
            图3-1一档换二档预备期说明：空载挂二档
            图3-2一档换二档第一过渡期：HC带动二档传动
            图3-3一档换二档第二过渡期：C2三结合，E带动二档传动，HC未脱离
            图3-4一档换二档完成期：E直接驱动二档传动，HC脱离
            图4-1奇数档换偶数档离偶合器动作说明
            图4-2偶数档换奇数档离偶合器动作说明
            图5-1从低档换高档发动机和传动轴转速差变化过程
            图5-2从高档换低档发动机和传动轴转速差变化过程
            图6四速离偶合器式自动变速器机构简图
            图7五速离偶合器式自动变速器机构简图
            图8七速离偶合器式自动变速器机构简图
具体实施方式：本发明的结构可用图1中的六速离偶合器式自动变速器机构简图来说明。本发明的工作原理可用图3-1至图3-4示意的从一档换到二档的实例来详细分析。
六速离偶合器式自动变速器由下列元素组成：
1：        传动轴1
2：        传动轴2
3：        输出轴3
C1： 双联离合器
C2： 双联离合器
E：  发动机
HC： 液力偶合器
I：  液力偶合器的泵轮
RD： 减速器和差速器(图中未画出)
SR： 用于倒档的单向同步装置
S13：用于一三档的双向同步装置
S25：用于二五档的双向同步装置
S46：用于四六档的双向同步装置
T：  液力偶合器的涡轮
Z11：传动轴1上的一档齿轮
Z13：传动轴1上的二档齿轮
Z15：传动轴1上的三档齿轮
Z1R：传动轴1上的倒档齿轮
Z22：传动轴2上的四档齿轮
Z24：传动轴2上的五档齿轮
Z26：传动轴2上的六档齿轮
Z31：传动轴3上的一档齿轮
Z32：传动轴3上的二档齿轮
Z33：传动轴3上的三档齿轮
Z34：传动轴3上的四档齿轮
Z35：传动轴3上的五档齿轮
Z36：传动轴3上的六档齿轮
Z3R：传动轴3上的倒档齿轮
Zi： 用于倒档的中介齿轮
传动轴1是空心轴，即装有齿轮Z1R，Z11，Z13和Z15的传动轴。装在其内的传动轴2是实心轴，即装有齿轮Z22，Z24和Z26的传动轴。传动轴1和传动轴2互相并不约束，可独立自由转动。传动轴1上的齿轮，除Z15固结在传动轴1上之外，Z1R，Z11和Z13都可自由转动。而Z22，Z24和Z26则固结在传动轴2上，只能随轴2转动。传动轴1上有两个同步装置SR和S13，传动轴3上有也两个同步装置S25和S46，它们只是圆周方向固结在轴上的，在拨叉(在图1中被省略)的推动下可以沿着轴线平移或使齿轮固结在轴上，或使齿轮脱离轴的约束。同理，传动轴3上的齿轮Z32，Z34，Z35和Z36可在轴上自由转动，Z3R，Z31和Z33则固结在传动轴3上。其中，Z3R与减速器和差速器连接，并通过它把旋转运动传到汽车的左右车轮。
HC是只含有泵轮(主动)和涡轮(被动)的液力偶合器。泵轮与发动机E连接，而涡轮则与双联离合器C1和C2相联。发动机的动力可由液力偶合器的泵轮通过液压油的流动和压力传到涡轮上。
双联离合器C1和C2是两个互相独立的零件。任何一个离合器都可产生以下四种连接方式：
1.使液力偶合器HC的涡轮连接传动轴
2.使液力偶合器HC的泵轮(发动机E)连接传动轴
3.将上述两种连接同时实施
4.中断任何连接
上述的传动轴，对C1指的是传动轴1，对C2指的是传动轴2。
本发明的换档工作原理可以用从一档换到二档的例子来详细说明。首先，描述一档的状态。如图2所示，当变速器处于一档位置时，发动机的输出的转速和扭矩通过双联离合器C1传递到轴1，并通过同步装置S13传递到齿轮Z11。由于齿轮Z11与Z31啮合，齿轮Z31和Z3R与轴3固结，则发动机E的动力可经由轴3传到减速器和差速器。下面将分成五个步骤详细描述换档过程。为简化起见，变速器采用的一档传动比时的转速和采用二档传动比时的转速，被分别简称为一档转速和二档转速。
换二档的预备期，如图3-1所示，动力控制模块(PCM)发出指令操纵液压***启动拨叉(图中被省略)将同步装置S25向右拨动使齿轮Z32与轴3在空载状态下固结。然后操纵双联离合器C2将液力偶合器HC的涡轮与轴2相连。此时，Z11与Z31的啮合处于一档状态，而齿轮Z22和Z32的啮合则处于二档，两对齿轮的传动比不同而同时传递动力，却不会发生干涉。这是由于液力偶合器HC的泵轮和涡轮之间可以发生无接触的液体摩擦打滑的原因，输出速度仍然是一档的转速。
换二档的第一过渡期，如图3-2所示，动力控制模块(PCM)发出指令操纵液压***使双联离合器C1逐渐脱离并使同步装置S13脱离Z11，使之和一档齿轮Z11与Z31没有关系。这时传动通过液力偶合器HC和Z22和Z32的啮合实现，输出的转速开始从一档转速基础上增加并逐渐向二档转速接近。
换二档的第二过渡期，如图3-3所示，动力控制模块(PCM)发出指令操纵液压***使双联离合器C2将泵轮(发动机E)直接与轴2逐渐结合的同时，同时仍保持轴2与液力偶合器HC和涡轮的结合。动力继续通过二档齿轮Z22和Z32的啮合作传递。由于这个期间C2的逐渐结合和HC的液力传动，使输出转速从接近二档转速到最终达到二档转速。
换二档的完成期，如图3-5所示，动力控制模块(PCM)发出指令操纵液压***使双联离合器C2将泵轮(发动机E)与液力偶合器HC的涡轮脱离，此时液力偶合器HC已不再起作用，发动机输出轴直接将动力传至二档齿轮Z22和Z32，二档转速得以维持而又不必使用液力偶合器。
上述换档步骤，除了从空档到一档或倒档之外，同样适用于从某一档变换到其邻近档的情况。改变同步装置的结合，可得到不同的档位。表1表示的是为获得不同的档位，同步装置在倒档和一至六档时的位置。
               表1离偶合器式自动变速器同步装置的位置
                     同步装置名称
    档位名称     SR     S13     S25     S46
    倒档     左结合     脱离     脱离     脱离
    一档     脱离     左结合     脱离     脱离
    二档     脱离     脱离     右结合     脱离
    三档     脱离     右结合     脱离     脱离
    四档     脱离     脱离     脱离     左结合
    五档     脱离     脱离     左结合     脱离
    六档     脱离     脱离     脱离     右结合
这里需要特别指出的是，从奇数档换到偶数档与从偶数档换到奇数档原理相同，但C1和C2的离合顺序略有不同，其区别可以用图4-1和图4-2说明。
图4-1是从奇数档换到偶数档时，液力偶合器HC及双联离合器C1和C2的动作描述，可归纳为以下步骤：
1.预备期：C1双结合，换空载的偶数档，C2双结合奇数和偶数档同时传动，HC部分承载并打滑
2.过渡期：C1脱离，C2双结合偶数档通过HC传动，奇数档脱档
3.第二过渡期：C1脱离，C2三结合发动E直接通过偶数档传动，HC未脱离
4.完成期：C1脱离，C2双结合发动机E直接通过偶数档传动，HC脱离
图3-1至图3-4对从一档换到二档的说明仅是图4-1的一个特例。
图4-2表示的是从偶数档换到奇数档时，液力偶合器HC及双联离合器C1和C2的动作描述，可归纳为以下步骤：
1.预备期：C1双结合，换空载的奇数档，C2双结合奇数和偶数档同时传动，HC部分承载并打滑
2.第一过渡期：C2脱离，C1双结合奇数档通过HC传动，偶数档脱档
3.第二过渡期：C2脱离，C1三结合发动机E直接通过奇数档传动，HC未脱离
4.完成期：C2脱离，C1双结合发动机E直接通过奇数档传动，HC脱离以上说明中的双结合和三结合的含义如下：
双结合：传动轴或与液力偶合器HC的泵轮(发动机E)相连，或与HC的涡轮相连
三结合：传动轴与液力偶合器HC的泵轮(发动机E)和涡轮相连
而起步阶段的一档或倒档，即从图1所示意的空档换到一档或倒档，其换档过程是四步换档而不需要上述的第一过渡期，其余过程则类似。下面以一档为例说明。
一档的预备期，如图1所示，动力控制模块(PCM)发出指令操纵液压***启动拨叉(图中被省略)将同步装置S13向左拨动使齿轮Z11与轴1在空载状态下固结并使双联离合器C1结合。此时，一档的动力传动通过双联离合器C1，液力偶合器HC，齿轮Z11和Z31到减速器和差速器输出。液力偶合器的缓冲作用使转速逐渐从零向一档转速过渡。
一档的过渡期，动力控制模块(PCM)发出指令操纵液压***使双联离合器C1将泵轮(发动机E)，涡轮和轴1结合在一起。动力通过一档齿轮Z11和Z31的啮合作传递，使输出转速从接近一档转速到最终达到一档转速。
一档的完成期，动力控制模块(PCM)发出指令操纵液压***使双联离合器C1使泵轮(发动机E)与液力偶合器HC脱离，此时泵轮(发动机E)直接将动力传至一档齿轮Z11和Z31，此时液力偶合器HC已不参与传动，一档的动力传递仅靠齿轮完成。
倒档的换档过程与上述过程类似，其描述可将上述中的一档，S13，Z11和Z31分别换成倒档，SR，Z1R和Zi即可成为倒档描述。
上述换档步骤的详细描述，可分别称之为四步换档法和起步三步骤，可以将其写成计算机语言固化到集成线路上作成标准子模块，作为离偶合器式自动变速器的电子控制元件。
由于以上离偶合器的一系列相继动作，使得换档时的速度和扭矩得以平稳过渡，液力偶合器的流体吸振和缓冲作用大大降低了换档的冲击，从而保护发动机和变速器。与双离合器式自动变速器不同，离偶合器式自动变速器主要用液力偶合器的无接触流体摩擦来代替离合器片间的摩擦来实现平稳过渡。这种柔和的换档过程将使变速器的输出速度在不到一秒的时间内变化得非常和缓，使人难以感觉得到，从而达到舒适性的要求。图5-1表示的是从低档到高档的过渡过程，图5-2则表示的是从高档到低档的过渡过程。
根据以上原理，图1中的六速离偶合器式自动变速器可以演变为多种形式，以适用于不同的应用场合。图6为一种四速离偶合器式自动变速器的简图，图7为一种五速离偶合器式自动变速器的简图，图8为一种七速离偶合器式自动变速器的简图。
综上所述，由于利用了液力偶合器无接触的流体摩擦，离合器片的摩擦大大减少，即降低了摩擦热，防止了离合器片的过渡磨损与胶合失效，并保持了动力传动的不中断和换档的舒适性。离合器片的材料要求也因此随之降低，有利于提高零件的可靠性和保持低成本。由于液力偶合器是液力传动，具有自适应特性，并不需要像双离合器式自动变速器那样复杂的传感器***和繁琐的计算来获得参数从而控制整个***，因此离偶合器式自动变速器的控制比较简单。值得特别指出的是，本发明采用的液力偶合器仅仅只在换档时才被使用，换档后的动力传动不必通过它进行，因而传动的高效率得到了保证。这和国内外普遍采用的效率较低的带液力变矩器的自动变速器有根本的区别。

Claims (5)

1.离偶合器式自动变速器，一种应用于汽车传动***的六档自动变速装置，该装置包括：一个液力偶合器HC。该液力偶合器具有主动泵轮和被动涡轮，它使用兼有液压油，冷却液，摩擦副润滑功能的自动变速器油为介质。用于辅助换档，其有效的使用可降低离合器片表面摩擦和磨损，防止由于摩擦使离合器片过热产生的胶合失效，保证换档的动力连续性和舒适性。
两个双联离合器C1和C2。每个离合器都可将和传动轴1和2与上述液力偶合器的涡轮连接，也可与泵轮连接，并且也能够将三元件，即泵轮，涡轮和传动轴，全部连接或全部断开。
一个齿轮的传动***。该传动***以平行传动轴方式布置，用于安装成对啮合的齿轮，其主动齿轮按分别装配在传动轴1上，该轴为空心，和传动轴2上，该轴为套装在传动轴1内与其同心而又独立的传动轴。全部被动齿轮则装配在传动轴3上，用于倒档的介齿轮Zi则装在另一根单独的轴上。
分别安装在传动轴1和传动轴3上的数个同步装置。该同步装置的目的是用于换档，它们能被拨叉拨动与齿轮和传动轴固结或分离。
操纵离合器和上述同步装置的液压***，即包括油泵，阀芯，阀体，控制阀，弹簧及密封件等的***；
包括一个动力控制模块PCM的电子控制***。该***能够处理由位置传感器，温度传感器，速度传感器等传感器***输入的数据，进行分析计算和对比，作出换档决定并发出指令。
2.权利要求1中所述***零部件功能以及由于各种连接方式所提供的功能，包括
通过两个双联离合器C1和C2将液力偶合器HC与不同传动轴的连接，使两对具有不同传动比的齿轮啮合而不发生干涉；
通过液力偶合器HC的无接触液体摩擦来代替离合器片间的摩擦，以便降低离合器片表面的摩擦和磨损；
利用液力偶合器HC的涡轮，发动机E的输出轴及齿轮***的传动轴1和传动轴2，通过双联离合器C1和C2的双结合，三结合以及不结合，来实现换档过渡，防止动力中断及避免冲击；
利用权利要求1中所述同步装置的不同位置组合，来实现不同档位的变换。
3.用权利要求1中所述***，从任何一档到其邻近档的换档方法(除从空档到一档或倒档之外)，即四步换档法，其四个步骤包括预备期，第一过渡期，第二过渡期和完成期。
4.应用权利要求1中所述***，从空档换到一档或倒档的起步方法，即起步三步骤，其三个步骤包括预备期，过渡期和完成期。
5.由权利要求1所述***而衍生出来的不同形式的***，包括四速离偶合器式自动变速器，五速离偶合器式自动变速器及七速离偶合器式自动变速器。
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