專利名稱：雙向匯流行星排組的分流分段式機(jī)械無級自動(dòng)變速系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械(動(dòng)力)傳動(dòng)系統(tǒng)，具體是指雙向匯流行星排組的分流分段式機(jī)械無級自動(dòng)變速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。
在機(jī)械系統(tǒng)中通常需要把動(dòng)力源的運(yùn)動(dòng)、能量及功率等通過傳動(dòng)子系統(tǒng)加以傳遞、轉(zhuǎn)換與調(diào)節(jié)，最后傳送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)以某種需要的形式輸出。通常傳動(dòng)系統(tǒng)中最重要的一環(huán)就是變速器，它的功能是改變傳動(dòng)比從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)期的規(guī)律輸出運(yùn)動(dòng)和功率；動(dòng)力源的工作特性與負(fù)載的特性動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)匹配，以保證整個(gè)機(jī)械大系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
從理論上講，機(jī)械式無級自動(dòng)變速器(CVT)具有最完美的特性，與其他有級的手動(dòng)或自動(dòng)變速器相比較，它能連續(xù)平滑地改變速比，如車用CVT因而就可使發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷始終和路面行駛阻力按選定的模式達(dá)到最佳匹配，且使發(fā)動(dòng)機(jī)一直保持在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)工況，從而帶來有害排放降低、整車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性提高、行駛平順及操縱方便等諸多好處。然而，由于各類CVT實(shí)際上都是基于摩擦傳動(dòng)的，一般具有下列的不足之處第一，機(jī)械效率低于齒輪傳動(dòng)，且一般除了在速比為1的鄰近區(qū)域?yàn)檩^高效區(qū)(效率為90％左右)之外，在其他速比區(qū)域效率還將下降，越是遠(yuǎn)離高效區(qū)則效率下降越顯著；第二，在轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速較大等情況下將出現(xiàn)摩擦傳動(dòng)副打滑、不能正常工作的現(xiàn)象，即傳遞轉(zhuǎn)矩和功率的能力有限；第三，可用的變速比范圍(即最大速比imax與最小速比imin的比值Rb)有限，往往不能滿足所要求的速比變化范圍。因而CVT一般只適合于所需功率和速比范圍不大的小排量轎車和摩托車，以及其他只需傳遞較小功率的用途或場合。
迄今為止，人們已探索及采用了一些旨在彌補(bǔ)CVT上述這些不足之處的各種方案。

圖1、圖2所示的兩種方案，見于機(jī)械工業(yè)出版社出版、阮忠唐主編的《機(jī)械無級變速器》一書，典型地代表了現(xiàn)有解決方案的一般原理。圖1中I、H分別為輸入與輸出軸，t、j、q、x分別為行星排的太陽輪、行星架、齒圈和行星輪，1、2、3、4和5為其他齒輪，CVT為撓帶式無級變速器。這類方案的共同特點(diǎn)為動(dòng)力源的功率以定軸齒輪系或行星排等分成兩雙向匯流行星排組的分流分段式機(jī)械無級自動(dòng)變速系統(tǒng)路甚至多路，CVT只傳遞分流功率中的一路，然后通過功率匯流環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)變速和傳遞功率的功能。圖1所示方案，可以擴(kuò)大速比范圍，理論上可達(dá)到Rb=0～∞甚至Rb=-∞～+∞，但系統(tǒng)內(nèi)存在較大的功率循環(huán)，通過CVT的功率流比輸入或輸出的功率還要大許多，系統(tǒng)的機(jī)械效率變得更為低下。圖2所示方案，通過適當(dāng)選擇一個(gè)或一組對應(yīng)于CVT自身速比范圍而言，沒有或只有較小內(nèi)部功率循環(huán)的行星排來匯流，可以在一定程度上達(dá)到減小CVT負(fù)荷、提高變速器系統(tǒng)傳遞功率的能力及整體效率之目的。所存在的問題主要有，第一，這類系統(tǒng)的速比變化范圍比CVT自身的速比范變化圍還要縮小許多，影響了其可應(yīng)用性；第二，CVT負(fù)荷減小的幅度、系統(tǒng)傳遞功率能力及整體效率提高的幅度等都不夠大，相對于系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高而言，有得不償失之嫌。以一個(gè)實(shí)際鋼帶式CVT的仿真計(jì)算為例其自身的速比變化范圍為0.45～2.22，即Rb=2.22/0.45=4.9382，已適合一般轎車要求的范圍；若采取類似于圖2的方法構(gòu)成兩路甚至三路分、匯流變速器系統(tǒng)，即使對行星排傳動(dòng)方案、構(gòu)件參數(shù)等進(jìn)行全面優(yōu)化，在保證總效率比單純采用CVT有所提高的前提下，能達(dá)到的Rb最大值約為3.5，已幾乎不能滿足一般轎車的要求，此時(shí)CVT所承擔(dān)傳遞的功率隨其工作速比變化而變化，約為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出總功率的64～90％。由此可見，CVT的工作條件雖得到了改善，但設(shè)計(jì)上僅能按不同速比下負(fù)荷率的最小降幅或負(fù)載能力的最小升幅為10％作為依據(jù)，基本上還不能采用較小規(guī)格的CVT或增大系統(tǒng)的公稱承載能力，尚不足以平衡Rb減小和系統(tǒng)成本提高等造成的代價(jià)。產(chǎn)生綜上所述固有矛的主因，是現(xiàn)有各種“功率分流+CVT+行星匯流”方案的傳動(dòng)比要么正比于要么反比于CVT的傳動(dòng)比，即只有一個(gè)正向或反向的匯流行星排(組)所致。
本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，提出一種正、反雙向匯流行星排組的分流分段式機(jī)械無級自動(dòng)變速系統(tǒng)，使之既具備機(jī)械式有級變速器傳動(dòng)效率高、許用傳遞功率和速比變化范圍大等優(yōu)點(diǎn)，又保留CVT速比連續(xù)可調(diào)的特性，解決現(xiàn)有各種“功率分流+CVT+行星匯流”方案所無法回避的上述固有矛盾。
本發(fā)明的目的是通過以下措施來實(shí)現(xiàn)的雙向匯流行星排組的分流分段式機(jī)械無級自動(dòng)變速系統(tǒng)，它包括功率分流、單向匯流行星排組和機(jī)械式無級自動(dòng)變速器CVT等基本組成部分，其特征在于1、設(shè)置有由至少一個(gè)正向單行星排和至少一個(gè)反向單行星排組合而成的雙向匯流行星排組；雙向匯流行星排組的組合方式如下(1)一正向單行星排和一反向單行星排組成的雙向匯流行星排組；(2)一正向單行星排和一個(gè)以上反向單行星排組成的反向行星排組，組合而成的雙向匯流行星排組；(3)一個(gè)以上正向單行星排組成的正向行星排組和一反向單行星排，組合而成的雙向匯流行星排組；(4)一個(gè)以上正向單行星排組成的正向行星排組和一個(gè)以上反向單行星排組成的反向行星排組，組合而成的雙向匯流行星排組。
2、設(shè)置有可實(shí)現(xiàn)正向與反向行星排或行星排組輪流分段工作的多段換段機(jī)構(gòu)，該換段機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足下列條件a、換段時(shí)機(jī)即換段點(diǎn)的選擇在CVT的傳動(dòng)比icvt往復(fù)變化至其規(guī)定最大值imax或最小值imin時(shí)；b、換段機(jī)構(gòu)的各主動(dòng)/從動(dòng)齒輪對的速比的確定各齒輪對的速比之間必須滿足公式(1)所確定的關(guān)系；ik·i+max=ik+i·i-max，k=Ⅰ，Ⅲ，Ⅴ…(k為奇數(shù))(1)ik·i-min=ik+i·i+min，k=Ⅱ，Ⅳ，Ⅵ…(k為偶數(shù))式中ik為主動(dòng)/從動(dòng)齒輪對的速比；下標(biāo)k為段號，如k=Ⅰ代表第Ⅰ段、k=Ⅳ代表第Ⅳ段；則iⅣ代表第Ⅳ段主動(dòng)/從動(dòng)齒輪對的速比，等等；i+max、i+min、i-max、i-min指換段機(jī)構(gòu)上游的各機(jī)構(gòu)即功率分流機(jī)構(gòu)、匯流行星排組等在CVT速比處于其規(guī)定最大值或最小值時(shí)的總速比，其中下標(biāo)max表示CVT速比處于其規(guī)定最大值，下標(biāo)min表示CVT速比處于其規(guī)定最小值，下標(biāo)+表示對應(yīng)于正向匯流輸出時(shí)的速比，下標(biāo)-表示對應(yīng)于反向匯流輸出時(shí)的速比。
本發(fā)明的基本構(gòu)思是，設(shè)法合理構(gòu)造至少由正向和反向兩個(gè)行星排相聯(lián)共同組成的匯流行星排組總成，并設(shè)法讓正向和反向行星排或行星排組輪流分段工作，即正向匯流排工作時(shí)反向匯流排空轉(zhuǎn)(不工作)或反之，一個(gè)行星排(組)在其當(dāng)前工作段末尾退出工作時(shí)，另一個(gè)行星排(組)及時(shí)且無沖擊地進(jìn)入下一工作段；其目的是為了能實(shí)現(xiàn)連續(xù)平滑或無沖擊地?fù)Q段、使系統(tǒng)能正常工作。與此同時(shí)，還可讓CVT縮小其速比范圍，僅局限在高效區(qū)附近工作并大大減少其功率負(fù)荷率，靠輪換工作段來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總變速比范圍的擴(kuò)大。
本發(fā)明的基本組成部分及原理如圖3所示，本發(fā)明所指的系統(tǒng)由功率分流機(jī)構(gòu)6、雙向匯流行星排組總成7和換段機(jī)構(gòu)8等三大部分組成。
來自動(dòng)力源的功率從軸Ⅰ輸入，在功率分流機(jī)構(gòu)6處以某種(如定軸齒輪等)方式分流成兩路，其中一路通過傳動(dòng)軸或齒輪等以固定的速比“直接地”傳遞到雙向匯流行星排組總成7的輸入軸a；而另一路則先傳遞到機(jī)械式無級變速器CVT，經(jīng)改變速比后，再傳遞到雙向匯流行星排組總成7的另一輸入軸b；根據(jù)需要可在功率分流機(jī)構(gòu)6中增加或不增加一個(gè)惰輪(中間齒輪)，以滿足設(shè)計(jì)上使a、b兩軸的旋轉(zhuǎn)方向相同或相反的要求。雙向匯流排組總成7至少由一個(gè)正向和一個(gè)反向行星排(組)通過構(gòu)件換聯(lián)而構(gòu)成，與一般的二自由度及多自由度行星傳動(dòng)不同的是，它具有輸入、輸出端各二個(gè)，即兩個(gè)輸入軸a、b和兩個(gè)輸出軸a’、b’，能同時(shí)合成隨CVT速比而變化的兩個(gè)不同的輸出轉(zhuǎn)速na’，nb’。其中na’從雙向匯流行星相組總成7的正向行星排輸出端引出，正比于CVT的速比icvt；而nb’從雙向匯流行星排組總成7的反向行星排輸出端引出，反比于CVT的速比icvt。雙向匯流行星排組總成7通過a’、b’兩個(gè)轉(zhuǎn)軸與換段機(jī)構(gòu)8相連。換段機(jī)構(gòu)由電子控制單元調(diào)控，工作原理與定軸式自動(dòng)變速器相似的換段機(jī)構(gòu)8可以根據(jù)工況輪流地選擇a’軸或b’軸之一工作，另一個(gè)軸空轉(zhuǎn)，將工作軸的回轉(zhuǎn)動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)以不同的速比傳遞給系統(tǒng)輸出軸Ⅱ，并向后續(xù)傳動(dòng)鏈輸出。
通常機(jī)器系統(tǒng)在啟動(dòng)階段，如汽車起步階段，要求有較大的減速比(按本發(fā)明的定義，即要求有較小的速比——它是減速比的倒數(shù))，以便獲得較大的低速啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。此時(shí)換段機(jī)構(gòu)8工作在正向匯流的第一段，以最小的速比(或最大的減速比)把a(bǔ)’軸的功率傳遞到輸出軸Ⅱ并讓b’軸空轉(zhuǎn)；在此過程中CVT在其自身電控單元控制下，速比icvt從規(guī)定的最小值逐漸提高、不斷靠近規(guī)定的最大值，導(dǎo)致輸出軸的轉(zhuǎn)矩不斷減小、轉(zhuǎn)速nⅡ不斷升高。當(dāng)icvt達(dá)到規(guī)定最大值時(shí)，換段機(jī)構(gòu)8切入反向匯流的第二段工作，使a’軸空轉(zhuǎn)并以次小的速比(或次大的減速比)把b’軸的功率傳遞到輸出軸Ⅱ；與此同時(shí)icvt也開始從規(guī)定的最大值逐漸下降，不斷向規(guī)定最小值逼近，導(dǎo)致輸出軸轉(zhuǎn)矩繼續(xù)減小、nⅡ進(jìn)一步不斷上升。若需要的調(diào)速范圍較大，還可以設(shè)置第三、第四或更多的工作段，例如在第二段icvt達(dá)到最小值時(shí)切入正向匯流的第三段，讓b’軸空轉(zhuǎn)并以較大的速比(或較小的減速比)把a(bǔ)’軸的功率傳遞到輸出軸Ⅱ，而icvt又從最小向最大變化，導(dǎo)致輸出軸轉(zhuǎn)矩更進(jìn)一步減小、nⅡ更進(jìn)一步不斷上升……。如此使icvt逐段地往復(fù)變化、換段機(jī)構(gòu)8的速比逐段地改變以及正、反向匯流方式逐段地輪換，就可以使整個(gè)變速系統(tǒng)的速比及其輸出轉(zhuǎn)速nⅡ在所要求的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)上升。同理，也可以使整個(gè)變速系統(tǒng)的速比及其輸出轉(zhuǎn)速nⅡ在所要求的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)連續(xù)下降，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)速比的連續(xù)可調(diào)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下實(shí)質(zhì)性的優(yōu)點(diǎn)和顯著的效果(1)本發(fā)明系統(tǒng)的特性雖與作為系統(tǒng)部件的原機(jī)械式無級自動(dòng)變速器(CVT)已大不相同，但仍保留了速比連續(xù)可調(diào)的完美性，且更有利于實(shí)現(xiàn)動(dòng)力源與整機(jī)(整個(gè)機(jī)械系統(tǒng))工作特性最佳匹配的自動(dòng)變速過程。
(2)可以在保證獲得滿足工程需要的大變速比范圍的前提下，使通過CVT的分流功率大幅度下降，顯著改善CVT的工作條件，使采用具有較小功率容量的CVT可靠地傳遞較大功率得以現(xiàn)實(shí)。這就解決了現(xiàn)有“功率分流+CVT+行星匯流”方案無法同時(shí)擴(kuò)大傳遞功率的能力和變速比范圍的固有矛盾，大大提高了CVT的工程可應(yīng)用性；此外，可采用具有較小功率容量的CVT也是對降低系統(tǒng)制造成本的突出有利因素。
(3)本發(fā)明設(shè)計(jì)思想適用面寬，在本發(fā)明系統(tǒng)中，所采用的CVT可以是任何基于摩擦傳動(dòng)原理的現(xiàn)有各種機(jī)械式無級變速器，無論其結(jié)構(gòu)、參數(shù)及工作機(jī)理的細(xì)節(jié)有何不同。
(4)本發(fā)明系統(tǒng)中用于擴(kuò)大無級變速范圍的換段機(jī)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)形式上與常規(guī)有級定軸齒輪式自動(dòng)變速器有類似之處，但主要設(shè)計(jì)參數(shù)確定的準(zhǔn)則完全不同。其要點(diǎn)是，通過采用正確的方法設(shè)計(jì)各段齒輪對的齒數(shù)比(即速比)，使得在任何相鄰兩段的切換點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)相關(guān)兩段的輸出軸齒輪轉(zhuǎn)速基本相同，從而大大減少或消除換段時(shí)的沖擊負(fù)荷。能連續(xù)平滑或基本無沖擊地實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大變速比范圍的換段過程。
(5)只要雙向匯流行星排組總成的傳動(dòng)方案適當(dāng)，可以在寬廣的變速比范圍內(nèi)獲得與一般機(jī)械式有級變速器相當(dāng)、高于原CVT的傳動(dòng)效率。
圖1、2為現(xiàn)有技術(shù)典型“功率分流+CVT+行星匯流”機(jī)械式無級自動(dòng)變速系統(tǒng)傳動(dòng)示意圖；圖3為本發(fā)明的基本組成部分及原理圖；圖4為實(shí)施例1--向匯流雙行星排組的分流分級式車用機(jī)械無級自動(dòng)變速系統(tǒng)的聯(lián)接與傳動(dòng)示意圖；圖5為實(shí)施例1的正、反向匯流排速比變化規(guī)律示意圖；圖6為實(shí)施例1的系統(tǒng)總速比連續(xù)變化規(guī)律示意圖；圖7為實(shí)施例1的系統(tǒng)總速比按段位展開的連續(xù)變化規(guī)律示意圖；圖8為iCVT收窄時(shí)的系統(tǒng)速比變化規(guī)律示意圖；圖9為雙向匯流三行星排組的聯(lián)接與傳動(dòng)示意圖；結(jié)合如下實(shí)施例及其圖4～圖9對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述實(shí)施例1在圖4所示簡圖的虛線框中，是一種雙向匯流行星排組的分流分段式機(jī)械無級自動(dòng)變速系統(tǒng)，適于轎車、輕型車的應(yīng)用。其分流、匯流、換段等機(jī)構(gòu)的聯(lián)接關(guān)系為齒輪Z1固接在發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器總成E的輸出軸9上并與齒輪Z2嚙合，齒輪Z2與套軸10固接，套軸10位于Z2左側(cè)的部分作為帶式無級變速器CVT的輸入軸。在CVT內(nèi)部，輸入軸10和輸出軸11上各自有一對與之同軸旋轉(zhuǎn)、在CVT電控單元控制下可作軸向運(yùn)動(dòng)的摩擦帶輪，兩對摩擦帶輪通過緊套在其上的撓性摩擦傳動(dòng)帶d，把軸10的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到從動(dòng)軸11，其速比可調(diào)。軸11的左端固接有主動(dòng)鏈輪L1，它通過傳動(dòng)鏈L把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給從動(dòng)鏈輪L2(其固定速比可以不等于1)，L2的鏈輪軸12套在套軸10之內(nèi)并可相對其轉(zhuǎn)動(dòng)，軸12的右側(cè)還固接了兩個(gè)作為行星排太陽輪的齒輪t1、t2。第一行星排由太陽輪t1、行星架j1、齒圈q1及行星齒輪x1等組成，第二行星排由太陽輪t2、行星架j2、齒圈q2及行星齒輪x2等組成，它們都滿足一般單行星排的構(gòu)件相互聯(lián)接關(guān)系。此外，第一行星排的行星架j1在其左側(cè)通過花鍵或平鍵與軸10相聯(lián)并同軸旋轉(zhuǎn)，在其右側(cè)與第二行星排齒圈q2相連成為一體，構(gòu)件q1通過花鍵或平鍵與套軸13相聯(lián)，套軸13上固接有齒輪Z3、Z5；構(gòu)件j2通過花鍵或平鍵與軸14相聯(lián)，軸14可相對套軸13轉(zhuǎn)動(dòng)并固接有齒輪Z7、Z9、Z11。軸15上的從動(dòng)齒輪Z4、Z6、Z8、Z12對應(yīng)地與主動(dòng)齒輪Z3、Z5、Z7、Z11相嚙合，軸15上的從動(dòng)齒輪Z10則通過一個(gè)中間齒輪(惰輪)與主動(dòng)齒輪Z9相嚙合。軸15上裝有電磁或液壓作動(dòng)的自動(dòng)換段嚙合套(或離合器)a、b、c，其動(dòng)作由換段電控單元來控制，a、b兩個(gè)嚙合套有左中右三個(gè)工作位，處于左或右位時(shí)將聯(lián)接其左或右側(cè)的相應(yīng)從動(dòng)齒輪與軸15同軸旋轉(zhuǎn)，處于中位時(shí)兩側(cè)的從動(dòng)齒輪將套在軸15上空轉(zhuǎn)；嚙合套c有中、右兩個(gè)工作位，處于右位時(shí)將聯(lián)接從動(dòng)齒輪Z12與軸15同軸旋轉(zhuǎn)，處于中位時(shí)從動(dòng)齒輪Z12空轉(zhuǎn)。
下面對圖4中所示的雙向匯流行星排組的分流分段式機(jī)械無級自動(dòng)變速系統(tǒng)工作情況作如下詳細(xì)說明首先來看分流機(jī)構(gòu)來自發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器總成E的動(dòng)力，經(jīng)軸9、齒輪對Z1/Z2傳遞至系統(tǒng)內(nèi)部的套軸10后，功率被分流成兩路。其中一路通過和套軸10相聯(lián)并與其同軸旋轉(zhuǎn)的行星構(gòu)件j1，直接輸入到由k1、k2兩行星排構(gòu)成的雙向匯流行星排組；另一路接入帶式無級變速器CVT，通過與套軸10同軸旋轉(zhuǎn)的主動(dòng)帶輪對→撓性傳動(dòng)帶d→與CVT從動(dòng)軸11同軸旋轉(zhuǎn)的從動(dòng)帶輪對，傳遞到從動(dòng)軸11。軸11的轉(zhuǎn)速n11正比于CVT速比icvt和n10’隨icvt變化而變化。軸11上的功率繼續(xù)通過鏈輪傳動(dòng)L1→L→L2到軸12，也輸入到了匯流行星排組。
如圖4所示，本實(shí)施例中的雙向匯流行星排組，通過選用兩個(gè)具有高傳動(dòng)效率的現(xiàn)有單向(一個(gè)正向、另一個(gè)反向)匯流、內(nèi)外嚙合齒圈式的單行星排進(jìn)行換聯(lián)而構(gòu)成。第一行星排的直接輸入來自套軸10并接入行星架j1；而經(jīng)CVT調(diào)速后的另一輸入通過軸12接入太陽輪t1，合流功率通過齒圈q1→套軸13→齒輪Z5或Z3輸出。第一行星排的傳動(dòng)比i13，10=n13／n10與icvt成反比，是反向匯流的，承擔(dān)第Ⅱ、Ⅳ段的變速與功率傳遞任務(wù)。第二個(gè)行星排的直接輸入也來自套軸10，通過第一排的j1傳遞到與之相聯(lián)的齒圈q2；而經(jīng)CVT調(diào)速后的另一輸入通過軸12接入太陽輪t2，合流功率通過行星架j2—軸14-齒輪Z7或Z11輸出。第二行星排的速比i14，10=n14／n10與icvt成正比，是正向匯流的，承擔(dān)第Ⅰ、Ⅲ段的變速與功率傳遞任務(wù)，此外它還通過固接在軸14上的齒輪Z9等提供一個(gè)倒檔，形成倒車的功能。
該系統(tǒng)的換段機(jī)構(gòu)由軸13、軸14和輸出軸15上的多對定軸齒輪Z3～Z12、電磁(或液壓)作動(dòng)的自動(dòng)換段嚙合套(或離合器)a、b、c等組成，具有四個(gè)前進(jìn)工作段和一個(gè)倒檔。各段對應(yīng)的工作齒輪對的齒數(shù)比或速比為第Ⅰ段iⅠ=Z7/Z8、第Ⅱ段iⅡ=Z5/Z6、第Ⅲ段iⅢ=Z11/Z12、第Ⅳ段iⅣ=Z3/Z4，倒檔由Z9/惰輪/Z10實(shí)現(xiàn)，iR=Z9/Z10。三個(gè)換段嚙合套均裝在輸出軸15上，其動(dòng)作由換段電控單元來控制，當(dāng)其中一個(gè)嚙合套處于左或右工作位使其左或右側(cè)的相應(yīng)從動(dòng)齒輪與軸15固接同軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，其余的嚙合套則處于中位，使其兩側(cè)對應(yīng)的從動(dòng)齒輪空套在軸15上空轉(zhuǎn)。各段工作齒輪對的速比確定遵循下列準(zhǔn)則1)iI及iR根據(jù)低速啟動(dòng)及倒車的實(shí)際設(shè)計(jì)工況確定；2)當(dāng)CVT的傳動(dòng)比icvt往復(fù)變化至規(guī)定最大值imax或最小值imin時(shí)，即達(dá)到了需要由電控單元來控制換段的換段點(diǎn)。為了能實(shí)現(xiàn)連續(xù)平滑或無沖擊地?fù)Q段，此時(shí)輸出軸15上對應(yīng)于相關(guān)兩相鄰段的兩個(gè)從動(dòng)齒輪，如圖4所示Ⅰ—Ⅱ段的Z8和Z6、或Ⅱ—Ⅲ段的Z6和Z12、或Ⅲ—Ⅳ段的Z12和Z4應(yīng)恰好達(dá)到轉(zhuǎn)速相等。
記icvt=imax時(shí)圖4所示系統(tǒng)從軸9到軸14的速比為i+max，從軸9到軸13的速比為i-max，記icvt=imin時(shí)從軸9到軸14的速比為i+min，從軸9到軸13的速比為i-min，下標(biāo)中的+號表示通過第二行星排正向匯流、一號表示通過第一行星排反向匯流。則遵循準(zhǔn)則2)實(shí)際上就是要使換段機(jī)構(gòu)各對齒輪的速比之間滿足公式(1)；利用公式(1)即可順序逐個(gè)計(jì)算確定各段對應(yīng)工作齒輪對的齒數(shù)比(速比)iⅡ、iⅢiⅣ…。
如圖4所示系統(tǒng)若取下列參數(shù)CVT速比的下、上限規(guī)定值為imin=0.45和imax=1/0.45=2.222，鏈輪速比為0.7，記ic=0.7×icvt，記i21=Z1/Z2，第一行星排的特性參數(shù)k1=3.3，第二行星排的特性參數(shù)k2=1.75。此時(shí)可推出軸9到軸14的速比為i+=i10，9(ic+k2)/(1+k2)，在規(guī)定的變速比范圍內(nèi)CVT所承擔(dān)的功率占總功率的比例為15.3～47％；軸9到軸13的速比為i_=i10，9(1+k1-ic)／k1，CVT所占功率比相應(yīng)為8～56％?？梢娫撓到y(tǒng)已具備采用較小規(guī)格的CVT或使系統(tǒng)承載能力大幅提高的可行性，此外，其平均效率至少比圖2所示現(xiàn)有解決方案提高5％以上。
圖5給出了在上述參數(shù)下i14，10=i+／i10，9、i13，10=i_／i10，9隨icvt變化的規(guī)律，據(jù)此按式(1)并設(shè)已確定iⅠ=0.2909及i10，9=1，還可求出換段機(jī)構(gòu)各段對應(yīng)工作齒輪對的速比iⅡ、iⅢ、iⅣ，從而求出系統(tǒng)各段總速比隨icvt變化的規(guī)律如圖6所示。圖7則把圖6按段位展開，清楚地表明該系統(tǒng)總速比是隨段位呈近似雙曲線規(guī)律連續(xù)變化的。在上述參數(shù)下的總速比變化區(qū)域?yàn)?.2109～1.1335，即變速范圍Rb≈5.375，足以覆蓋一般轎車的使用要求范圍。此外根據(jù)需要還可改變i10，9的值來調(diào)整總變速比的覆蓋區(qū)域，但Rb不變。
至此再將整個(gè)系統(tǒng)的工作過程參照圖4所表達(dá)的原理綜述如下當(dāng)車輛需起步前進(jìn)時(shí)，CVT速比icvt被控制在規(guī)定最小(最大減速比)值imin，換段電控系統(tǒng)令嚙合套b向左動(dòng)作，使齒輪Z8與輸出軸15固接可同軸旋轉(zhuǎn)，嚙合套a和c居中位，齒輪Z4、Z6、Z10和Z12均繞軸15空轉(zhuǎn)，系統(tǒng)進(jìn)入第Ⅰ段工作狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)分流，一部分從軸10→j1→q2→j2的路線、另一部分經(jīng)CVT調(diào)速后從軸12→t2→j2的路線在第二行星排輸出軸14匯合，再通過第Ⅰ段的工作齒輪對以速比iⅠ=Z7／Z8把動(dòng)力傳遞到軸15向下游輸出，驅(qū)使車輛起步。此后，CVT的電控調(diào)速器和系統(tǒng)的換段電控系統(tǒng)按一定的邏輯協(xié)同工作，根據(jù)各傳感器所反映出的當(dāng)前工況(如反映司機(jī)意圖的油門開度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速及加速度，…等)，使icvt在imin和imax之間不斷往復(fù)變化，并適時(shí)地使嚙合套a、b、c動(dòng)作而處于左、中、右位，按Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ或Ⅳ→Ⅲ→Ⅱ→Ⅰ的順序，讓第一、第二行星排通過各段對應(yīng)齒輪對(Z3／Z4、Z5／Z6、Z7／Z8、Z11／Z12等)輪流進(jìn)入或退出工作狀態(tài)而交替匯流輸出，系統(tǒng)總變速比(i15，10或i15，9)成為在圖7所示曲線上作連續(xù)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)動(dòng)點(diǎn)，從而使車速增減、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速作相應(yīng)變化，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)速比與整車工況的最佳匹配、保證整車的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
實(shí)施例2在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，為使CVT局限在更高效的區(qū)域工作并使其承擔(dān)傳遞的功率所占比例進(jìn)一步下降，可以適當(dāng)收窄icvt的規(guī)定上下限范圍，這時(shí)需重新配算iⅠ～iⅣ，Rb也會(huì)有所下降。例如，在上例中若改取icvt=0.5～2，則系統(tǒng)速比變化規(guī)律如圖8所示，速比變化范圍縮小至Rb≈4.23，對應(yīng)的CVT功率分擔(dān)率在正向匯流時(shí)為16.67～44.44％，在反向匯流時(shí)為8.86～48.33％。若嫌Rb不夠大，增加1～2個(gè)段位即可。
實(shí)施例3如圖9所示，是一例由三個(gè)行星排構(gòu)成的雙向匯流排組總成，它替代了圖4中的由兩個(gè)行星排構(gòu)成的雙向匯流排組總成；其特點(diǎn)是在正向和反向匯流時(shí)均有兩個(gè)行星排復(fù)合參與工作。能使CVT上分擔(dān)的功率流更小，但因匯流排輸出端的變速比范圍也更小了，需要在換段機(jī)構(gòu)中設(shè)置較多的段位來擴(kuò)大總的變速比范圍。本雙向匯流行星排組包括K1、K2和K3三個(gè)行星排，其中軸10、12、13、14均與圖4中的同名并一一對應(yīng)。經(jīng)過簡單的分析不難得知，K2和K3兩個(gè)排構(gòu)成了復(fù)合的正向匯流排，從軸14輸出；K1和K2兩個(gè)排構(gòu)成了復(fù)合的反向匯流排，從軸13輸出。它的工作原理及其它機(jī)構(gòu)描述同實(shí)施例1。
最后說明一下，上述各例均只設(shè)置了一個(gè)倒檔，它也具備了在較小變速比范圍內(nèi)無級變速的能力。若要擴(kuò)大倒檔的無級變速范圍，可以按需要使換段機(jī)構(gòu)具備若干倒檔段，其原理與上述前進(jìn)段的設(shè)置完全相同。
權(quán)利要求
1.雙向匯流行星排組的分流分段式機(jī)械無級自動(dòng)變速系統(tǒng)，它包括功率分流機(jī)構(gòu)、單向匯流行星排組和機(jī)械式無級自動(dòng)變速器CVT，其特征在于(1)設(shè)置有由至少一個(gè)正向單行星排和至少一個(gè)反向單行星排組合而成的雙向匯流行星排組；(2)設(shè)置有可實(shí)現(xiàn)正向與反向行星排或行星排組輪流分段工作的多段換段機(jī)構(gòu)，該換段機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足下列條件a、換段時(shí)機(jī)即換段點(diǎn)的選擇在CVT的速比icvt往復(fù)變化至其規(guī)定最大值imax或最小值imin時(shí)；b、換段機(jī)構(gòu)的各主動(dòng)/從動(dòng)齒輪對的速比的確定各齒輪對的速比之間必須滿足公式(1)所確定的關(guān)系；ik·i+max=ik+i·i-max，K=Ⅰ，Ⅲ，Ⅴ…(k為奇數(shù))(1)ik·i-min=ik+i·i+min，k=Ⅱ，Ⅳ，Ⅵ…(k為偶數(shù))式中ik為主動(dòng)/從動(dòng)齒輪對的速比，下標(biāo)k為段號，i+max、i+min、i-max、i-min指換段機(jī)構(gòu)上游的各機(jī)構(gòu)在CVT速比處于規(guī)定最大值或最小值時(shí)的總速比，其中下標(biāo)max表示CVT速比處于其規(guī)定最大值，下標(biāo)min表示CVT速比處于其規(guī)定最小值，下標(biāo)+表示對應(yīng)于正向匯流輸出時(shí)的速比，下標(biāo)-表示對應(yīng)于反向匯流輸出時(shí)的速比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向匯流行星排組的分流分段式機(jī)械無級自動(dòng)變速系統(tǒng)，其特征在于雙向匯流行星排組的組合方式如下(1)一正向單行星排和一反向單行星排組成的雙向匯流行星排組；(2)一正向單行星排和一個(gè)以上反向單行星排組成的反向行星排組，組合而成的雙向匯流行星排組；(3)一個(gè)以上正向單行星排組成的正向行星排組和一反向單行星排，組合而成的雙向匯流行星排組；(4)一個(gè)以上正向單行星排組成的正向行星排組和一個(gè)以上反向單行星排組成的反向匯流行星排組，組合而成的雙向匯流行星排組。
全文摘要
本發(fā)明涉及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng),具體是指雙向匯流行星排組的分流分段式機(jī)械無級自動(dòng)變速系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)要點(diǎn)是對機(jī)械式無級變速器CVT增設(shè)下列機(jī)構(gòu):(1)功率分流機(jī)構(gòu);(2)由至少一個(gè)正向和一個(gè)反向單行星排組合而成的雙向匯流行星排組;(3)可實(shí)現(xiàn)正、反向行星排(組)輪流分段工作的多段換段機(jī)構(gòu)。本法能連續(xù)平滑或無沖擊的換段,既具傳動(dòng)效率高、許用傳遞功率和速比變化范圍大的特點(diǎn),又保留CVT速比連續(xù)可調(diào)的完美特性,適用范圍廣。
文檔編號F16H37/06GK1283758SQ00117320
公開日2001年2月14日 申請日期2000年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月9日
發(fā)明者黃向東, 遲永濱, 俞明, 朱剛 申請人:華南理工大學(xué)