CN1565882A - 车用双差动式行星无级自动变速装置 - Google Patents

Abstract

本发明的主减速机由一差动式行星轮系构成，而差动速度反馈***由另一差动式行星轮系构成，它们与单向减速***相连接，组合成车用双差动式行星无级自动变速装置。本发明利用主减速机输入、输出轴之间转速差的连续变化使差动速度反馈***中行星架的转速发生连续变化，同时利用差动速度反馈***的行星架转速的变化来控制主减速机内齿圈转速的连续变化，从而实现主减速机之传动比的全无级变化。它可根据路面状况与发动机配合实现自动无级变速变矩。本发明主要采用齿轮传动，因而结构简单，便于加工制造，维护、保养与修理都比较方便简单，大大提高了无级自动变速装置工作的可靠性，传动效率也得到提高，可有效地改善整车的动力性与燃料的经济性。

Description

车用双差动式行星无级自动变速装置

一、技术领域

本发明是车用双差动式行星无级自动变速装置，它属于车辆传动技术领域，它可以根据路面状况与发动机配合实现自动无级变速变矩，它适用于各种需要安装变速器才能行走的车辆。

二、背景技术

目前在车辆上广泛使用的变速装置有手动档(MT)、液力自动档(AT)、电控机械自动档(AMT)和机械无级自动变速器(CVT)。

MT-结构简单，工作可靠，成本低廉，操作复杂。

AT-由液力变矩器、行星齿轮和液压操纵***组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。它在主要汽车制造商生产的城市用车中的平均装车率已经达到70％。液力变矩器和行星齿轮的组合有着明显的缺点：传动比不连续，只能实现分段范围内的无级变速；液力传动的效率较低，影响了整车的动力性与燃料的经济性；增加变速器的档位数来扩大无级变速覆盖范围，就必须采用较多的执行元件来控制行星齿轮的动力传递路线，导致自动变速器零部件数量过多，结构复杂，修理困难；汽车因蓄电池缺电不能启动时，不能用推车或拖车的方法启动。如果拖运故障车，驱动轮必须脱离地面。由于AT变速***的结构十分复杂，制造精度要求较高，使得价格居高不下。

AMT-在MT的原有基础上进行改造，通过加装微机控制的自动操纵***来实现换档的自动化，实际上是由一个机器人***来完成操作离合器和选档的两个动作。它的核心技术是微机控制，电子技术及质量直接决定AMT的性能与运行质量。

CVT-采用传动带和可变槽宽的棘轮进行动力传递，当棘轮变化槽宽时，相应改变驱动轮与从动轮上传动带的接触半径进行变速，传动带一般用橡胶带、金属带和金属链等。它是一种真正的无级变速装置，具有较高的运行效率，油耗较低。由于传动带的传动功率有限，不能承受较大的载荷，只能限用于低功率和低扭矩的车型。新型金属带式无级变速器采用了最新研制的高强度宽钢带和一个高液压控制***及先进的电子控制技术，有效地提高了CVT的传动功率。但CVT***中液压装置是必不可少的，从而其制造精度和结构的复杂程度会使生产成本偏高。

到目前为止，我国汽车业所需的自动变速器(AT)全部依赖进口，金属带式无级变速器(CVT)没有装备任何车型，正处于研究阶段。

三、发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种传动效率高，结构简单，便于生产制造，便于维护修理，无需使用高精度的液压控制***和先进的电子控制技术，便可根据路面状况能与发动机进行自动匹配的无级变速装置。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是：所述的本发明是一种车用双差动式行星无级自动变速装置，其特征在于采用两个差动式行星轮系，即主减速机由一差动式行星轮系构成，而差动速度反馈***由另一差动式行星轮系构成，它们与用齿轮副和蜗轮副构成的具有单向传动特性的单向减速***相连接，组合成双差动式行星无级自动变速装置。所述的构成主减速机差动行星轮系的太阳轮、内齿圈及行星轮可以是正齿轮、锥齿轮、斜齿轮，人字齿轮，任选其一，主要是正齿轮。所述构成差动速度反馈***差动行星轮系的太阳轮、内齿圈及行星轮可以是正齿轮、锥齿轮、斜齿轮，人字齿轮，任选其一，主要是锥齿轮。它们之间连接的方法是：构成主减速机的差动式行星轮系的输入轴与太阳轮相连接，并通过一组齿轮或链条或传动带与构成差动速度反馈***的差动式行星轮系的太阳轮相连接；构成主减速机的差动式行星轮系的行星架与输出轴和车轮相连接，并通过齿轮或链条或传动带与构成差动速度反馈***的差动式行星轮系的内齿轮相连接；由齿轮副和蜗轮副构成的具有单向传动特性的单向减速***的一端与构成主减速机的差动式行星轮系的内齿轮相连接，另一端与构成差动速度反馈***的差动式行星轮系的行星架相连接。主减速机输入轴与输出轴之间转速差的变化使差动速度反馈***的行星架的转速发生变化，这一变化使得主减速机内齿圈的转速产生变化，主减速机内齿圈转速的变化会引起主减速机传动比的变化。由于上述所产生的各变化量都是连续变化的，所以主减速机的传动比的变化也是连续的，这样就构成了一个无级变速装置(Continuously Variable Transmission)。

对照现有技术本发明的有益效果是：本发明采用全机械传动，利用主减速机输入轴与输出轴之间转速差的连续变化使差动速度反馈***的行星架的转速发生连续变化，同时利用差动速度反馈***的行星架转速的变化来控制主减速机内齿圈转速的连续变化，从而实现主减速机之传动比的全无级自动变速变矩。本发明主要采用齿轮传动，因而结构简单，便于加工制造，大大提高了无级自动变速装置工作的可靠性，并使传动效率远远高于液力传动和带传动，传递功率也得到大大提高，可有效地改善整车的动力性与燃料的经济性。由于采用了传统的机械传动使得维护、保养与修理都比较方便简单。

四、附图说明

图1为本发明的机构示意图。

五、具体实施方式

结合附图1对本发明实施例予以说明：所述的车用双差动式行星无级自动变速装置是采用两个差动式行星轮系，即主减速机由一差动行星轮系构成，差动速度反馈***由另一差动行星轮系构成，它们与用齿轮副及蜗轮副构成的具有单向传动特性的单向减速***相连接，组合成双差动式行星无级自动变速装置。构成主减速机的差动行星轮系的太阳轮4、内齿圈5、行星轮6及行星架3均为正齿轮，构成差动速度反馈***的差动行星轮系的太阳轮16、内齿轮19、行星轮18及行星架17可以是锥齿轮、正齿轮、斜齿轮，任选其一，主要是锥齿轮。它们之间是通过下述方法相连接的：构成主减速机的差动行星轮系的太阳轮4连接于输入轴12，并经过齿轮9、10、11与构成差动速度反馈***的差动行星轮系的太阳轮16相连接，其内齿圈5由齿轮7、8与单向减速***的蜗轮副13相连接，也可以用金属链条或同步带相连接，任择其一，主要选用齿轮连接，其行星架3接输出轴1，并通过齿轮2、20与构成差动速度反馈***的差动行星轮系的内齿轮19相连接，亦可用金属链条或同步带连接，主要是用齿轮连接，构成差动减速反馈***的差动行星轮系的行星架17通过锥齿轮14、15与蜗轮副13相连接。

为了进一步说明本发明，在此对其工作原理予以叙述：在行星传动中，它的主要构件有太阳轮a、内齿轮b、行星轮c及行星架x。在行星传动的型式中固定不同的构件可得到不同的传动方案：当x固定时，称之为定轴轮系，当a或b固定时称之为行星轮系，如果a、b、c及x皆不固定则称之为差动轮系。设a为主动，定轴轮系的传动比为

$i=\frac{n_a}{n_b}=-\frac{Z_b}{Z_a}----\left(1\right)$

n_a-太阳轮转速

n_b-内齿轮(圈)转速

Z_a-太阳轮齿数

Z_b-内齿轮(圈)齿数

i-定轴轮系的传动比

假设给定整个传动以-n_x的转速，于是可得到行星架固定(相当于定轴轮系)的“转化机构”，此转化机构的传动比为

i_ab ^x-转化机构的传动比

n_x-行星架转速

①i的脚注：右上角代表固定件；右下角第一个字母代表主动件，第二个字母代表从动件。

转化机构的传动比，当从动件与主动件转向相同时为正值，转向相反时为负值。由于在传动***中的太阳轮a和内齿轮b的齿数Z_a、Z_b是给定的，所以式(1)、(2)中的 为一常数C(C≥1)，可以求出太阳轮4与行星架3之间的传动比：

$\frac{n_a-n_x}{n_b-n_x}=-C$ 导出 $n_x=\frac{n_a+{\mathrm{Cn}}_b}{1+C}$

$i_{\mathrm{ax}}=\frac{n_a}{n_x}=\frac{n_a}{\frac{n_a+{\mathrm{Cn}}_b}{1+C}}=\frac{n_a(C+1)}{n_a+{\mathrm{Cn}}_b}\&lsqb;-\frac{n_a}{C}<n_b\&le;n_a\&rsqb;----\left(3\right)$

从式(3)可以看出，如果n_a不变，n_b的变化会引起i_ax的变化。所谓无级变速器就是可以连续改变传动比的变速装置。如果能使n_b在某一范围内连续变化，那么i_ax便随之在某一范围内连续变化，从而获得一个传动比可以连续变化的无级变速***。

根据汽车行走的基本特性，在起步(加速)时车轮所需的是大扭矩，对变速器的要求是提供大传动比而输出(低速)大扭矩，而在匀速行驶时则需要变速器提供小传动比和输出(高速)较小的扭矩。也可以说在车轮角加速度增加时变速器要增大传动比，而随角加速度的减小变速器的传动比随之减小。

根据图1，发动机的动力经离合器、换向器及输入轴12以n_a的转速传递给主减速机的太阳轮4，同时经过齿轮9、10、11传递给差动速度反馈***中的太阳轮16，并使太阳轮16的转速n_a′与n_a同速同向旋转。假设汽车在起步的瞬时车轮转速近似为零，也就是说主减速机的行星架3的转速n_x为零，此时差动速度反馈***的内齿轮19的转速n_b′也为零。当n_b′＝0时，根据式(2)可以计算出差动速度反馈***中行星架17的转速n_x′，n_x′＝0.5n_a′＝0.5n_a(当太阳轮齿数与内齿轮齿数相等时)，n_x′通过总传动比为-i_j的单向减速***反馈给主减速机的内齿轮5，使5获得一个n_b＝-i_jn_x′的转速，主减速机的太阳轮4以n_a的转速驱动主减速机行星架3转动(车轮开始转动)，使主减速机行星架3的转速n_x开始逐渐增加，并通过反馈齿轮2、20(或其他形式的传动机构)驱动差动速度反馈***的内齿轮19，即内齿轮19的转速为n_b′随主减速机行星架3(亦可视为车轮)的转速n_x的增加而增加，但方向相反。设反馈齿轮(或其他形式的传动机构)的总传动比为-i_f，那么内齿轮19的转速n_b′＝-i_fn_x。而内齿轮19转速n_b′的变化会反馈给速度反馈***，并使得差动速度反馈***的行星架17的转速n_x′产生变化。根据转化机构的计算公式(2)可以得出n_x′与n_b′之间的关系

$\frac{n_a^{\&prime;}-n_x^{\&prime;}}{n_b^{\&prime;}-n_x^{\&prime;}}=-\frac{Z_b^{\&prime;}}{Z_a^{\&prime;}}$

由于差动速度反馈***中差动轮系的 $\frac{Z_b^{\&prime;}}{Z_a^{\&prime;}}=1$

                  n_x′＝0.5(n_a′+n_b′)    (4)且n_a′与n_b′转向相反  n_x′＝0.5(n_a′-n_b′)    (5)

∵ $n_x^{\&prime;}=-\frac{n_b}{i_j}=0.5(n_a^{\&prime;}+n_b^{\&prime;}),$ n_a′＝n_a，n_b′＝-i_fn_x代入(4)  ∴n_b＝-0.5i_j(n_a-i_fn_x)                (6)

将式(6)代入(3)

$i_{\mathrm{ax}}=\frac{n_a(C+1)}{n_a+C[-0.5i_j(n_a-i_f{n}_x\left)\right]}$

$=\frac{n_a(C+1)}{n_a-0.5{\mathrm{Ci}}_j{n}_a+0.5{\mathrm{Ci}}_j{i}_f{n}_x}----\left(7\right)$

将式(7)分子、分母同除以n_a得到

$i_{\mathrm{ax}}=\frac{C+1}{1-0.5{\mathrm{Ci}}_j+0.5{\mathrm{Ci}}_j{i}_f\frac{n_x}{n_a}}----\left(8\right)$

如果差动速度反馈内齿轮19的转速n_b′随主减速机行星架3的转速n_x，(可视为车轮转速)不断升高，则差动速度反馈***行星架17的转速n_x′便随之降低，从式(5)中得出：当n_b′＝n_a′的时候n_x′等于零，当n_b′＞n_a′时n_x′将反转。

在主减速机太阳轮转速n_a保持不变的情况下，即发动机转速保持不变的情况下，差动速度反馈***行星架17的转速n_x′的变化通过单向减速***传递给主减速机的内齿轮5，内齿轮5的转速n_b的变化会使主减速机的传动比i_ax产生变化，根据式(3)内齿轮5的转速n_b受主减速机行星架3(车轮)转速的约束可以在正转和反转之间产生连续的变化，可以分三个阶段分析：

1、n_b为负值时，|n_b|增加使i_ax增加，当C·n_b由趋近n_a时，i_ax→∞，当C·|n_b|大于n_a时，i_ax为负值将导致n_x反转(这种情况是不允许发生的)，由于在主减速机与差动速度反馈***之间是联动机构，并可以根据需要设置i_f与i_fk的值来确定主减速机传动比i_ax的最大值，使得C·|n_b|≥n_a的情况不会发生。

2、n_b＝0时，主减速机传动比i_ax＝C+1。

3、n_b为正值时，转速n_b越高则主减速机传动比i_ax越小。

在车辆行走的过程中，根据路面不同的状况，发动机的工作状况也会相应需要改变和调整，主要是调整发动机的转速来改变它的输出功率和输出扭矩，发动机的输出转速即为本无级自动变速机构的主减速机的太阳轮4的转速n_a。由公式(8)可以得到本无级自动变速装置的传动比i_ax与主减速机行星架3的转速n_x(车轮的转速)和太阳轮4的转速n_a(发动机的转速)三者之间相互的变化关系：

1 、当n_a突然增加的时候，由于n_x不会突变，i_ax会随之增加，使无级自动变速装置的输出扭矩增大，车辆可获得较大地加速度。

2、当n_a增加到一定值不再继续增加的时候，n_x将随车辆速率的增加而不断增加，而i_ax会随之减小，使无级自动变速机构的输出扭矩逐渐减小，直至发动机输出扭矩与车辆阻力传递给无级自动变速装置的阻力矩相平衡，以保持车辆的匀速行驶。

3、当n_a突然减小的时候，由于n_x不会突变，i_ax会随之减小，车轮将通过无级自动变速装置反向驱动发动机，发动机的阻力会阻止车轮的转动使车辆减速。

由于主减速机的行星架3在驱动车轮行走时要输出扭矩T_x，与此同时主减速机的内齿轮5将会受到一个与T_x方向相反的扭矩T_b，为了不使T_b对差动速度反馈***产生影响，在单向减速***中设置了一具有单向传动特性的蜗轮蜗杆副13，利用这种特性可以阻止T_b反向驱动差动速度反馈***，而只能让来自差动速度反馈***的运动传递给主减速机的内齿轮5以控制和调节主减速机的传动比。

根据上述的工作原理，利用车轮和发动机的转速变化来自动调整各种工况下无级自动变速装置所需的不同传动比，从而实现车辆的无级自动变速功能。

Claims (4)

1、一种车用双差动式行星无级自动变速装置，其特征在于：采用两个差动式行星轮系，即主减速机由一差动式行星轮系构成，而差动速度反馈***由另一差动式行星轮系构成，它们与用齿轮副和蜗轮副构成的具有单向传动特性的单向减速***相连接，组合成双差动式行星无级自动变速装置。

2、根据权利要求1所述的车用双差动式行星无级自动变速装置，其特征在于：它们之间连接的方法是：构成主减速机的差动式行星轮系的输入轴(12)与太阳轮(4)相连接，并通过一组齿轮或链条或传动带与构成差动速度反馈***的差动式行星轮系的太阳轮(16)相连接，构成主减速机的差动式行星轮系的行星架(3)与输出轴(1)和车轮相连接，并通过齿轮或链条或传动带与构成差动速度反馈***的差动式行星轮系的内齿轮(19)相连接；由齿轮副和蜗轮副构成的具有单向传动特性的单向减速***的一端与构成主减速机的差动式行星轮系的内齿轮(5)相连接，另一端与构成差动速度反馈***的差动式行星轮系的行星架(17)相连接。

3、根据权利要求1所述的车用双差动式行星无级自动变速装置，其特征在于：构成主减速机差动行星轮系的太阳轮(4)、内齿圈(5)及行星轮(6)可以是正齿轮、锥齿轮、斜齿轮、人字齿轮，任选其一。

4、根据权利要求1所述的车用双差动式行星无级自动变速装置，其特征在于：构成差动速度反馈***的差动行星轮系的太阳轮(16)、内齿圈(19)及行星轮(18)可以是正齿轮、锥齿轮、斜齿轮、人字齿轮，任选其一。