CN100373076C - 一种无限变速方法及无限变速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无限变速方法及无限变速器，其特征在于：在变速箱体内设置一可由控制单元控制且可与传递动力之主动轮接触产生摩擦交换之动力传递轮，通过主动轮与该动力传递轮之间的线性位移产生输出扭矩，带动与动力传递轮相连之从动齿轮转动，使之输出转速比，以实现无限变速。本发明可以无级、平滑地连续变换车辆的正反变速，与英美正在研发的IVT比较，结构更为简单、优异，可降低系统的生产成本，提高性能价格比。与传统装置比较，本发明不需要离合器，扭力转换器等进行速度变换，且传动效率高，特征传动件无磨损或磨损很小，冷却散热条件好，可大幅度延长发动机和变速传动系统的寿命。

Description

一种无限变速方法及无限变速器

技术领域：

本发明涉及一种传动系统，具体涉及一种用于汽车传动系统中可实现无限变速方法及由该方法所设计的无限变速器。

背景技术：

变速系统是车辆传动的一个至关重要的组成部分。汽车在行进过程中，其行驶的速度是不断变化的，这就要求汽车的变速器的变速比要尽量多，即无级变速。在跨越了三个世纪的一百多年后的今天，汽车还没有使用上满意的无级变速箱。但是，人们始终没有放弃寻找实现理想汽车变速器的努力，各大汽车厂商对无级变速器(CVT)表现了极大的热情，极度重视CVT在汽车领域的实用化进程。

无级变速器的英文全称Continuouslv Variable Transmission，简称CVT，又称为连续变速式机械无级变速器。这种变速器与一般齿轮式自动变速器的最大区别，是它省去了复杂而又笨重的齿轮组合变速传动，而只用了两组带轮进行变速传动。通过改变驱动轮与从动齿轮传动带的接触半径进行变速。传动带一般用橡胶带、金属带、金属链等，它的优点是重量轻，体积小，零件少，与AT比较具有较高的运行效率，油耗较低。但CVT的缺点也是明显的，就是传动带很容易损坏或者打滑，不能承受较大的载荷。一种可以承受较大载荷的无级变速器已经出现，它的结构与现时的无级变速器不一样，称为无限变速式机械无级变速器，英文全称Infinitely Variable Transmission，简称IVT。这种变速器首先由英国的Torotrak公司开发并注册专利，只是业界一直将它视为CVT，直至2003年3月在美国底特律举行的SAE(汽车工程师学会)年会上才将它单独分类。

IVT变速器是早年出现过的一种无级变速器，为一种摩擦板式变速结构。它由圆盘和滚轮构成，结构简单，但由于摩擦本身带来的能量损耗大，温度高的原因，存在传递扭矩小和材料不耐用等缺点，没有批量生产。IVT与其它自动变速器最显著的差别之一是不使用变矩器，Torotrak公司开发的IVT使用了2套离合器，驱动力由一套可变速的装置传递，通过锁止离合器和行星齿轮机构而将动力传递至传动轴。IVT的核心部分由输入传动盘、输出传动盘和可变传动盘组成。两个输入传动盘分别位于两端，输出传动盘只有1个位于中间位置，可变传动盘则夹于输入传动盘和输出传动盘中间，它们之间的接触点以润滑油做介质，金属之间不接触，通过改变可变装置的角度变化而实现传动比的连续而无限的变化。但上述装置仍需要采用离合器才能使用，且通过改变角度方式而设计的装置结构复杂，制造不易，难以达到设计要求。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术缺陷，提供一种结构设计简单，可通过直线位移变化而实现传动比的连续而无限的变化之可无限变速方法及由该方法所设计的无限变速器。

本发明所提出的技术方案是：

一种无限变速方法，在变速箱体内设置一可由控制单元控制且可与传递动力之主动轮接触产生摩擦交换之动力传递轮，通过主动轮与该动力传递轮之间的相对线性位移产生输出扭矩，带动与动力传递轮相连之从动齿轮转动，使之输出转速比，以实现无限变速，主动轮与动力传递轮之间通过传递介质传递摩擦力，它们之间的摩擦交换为多点摩擦之点阵形式，传递介质为高压油注填充所形成的油层以产生摩擦交换，其特征在于：所述转速比通过输出扭矩传感器与控制单元联合调节，由输出扭矩传感器传递信号，控制单元控制高压油的压力，并向线性移位机构发出调整信号，线性移位机构带动动力传递轮再沿从动齿轮轴轴线滑移，以改变输出扭矩的大小，实现对输出齿轮转速的调整。

一种无限变速器，包括动力输入轴，变速箱体和动力输出轴，所述变速箱体内设有由动力输入轴带动转动之主动轮及固定在动力输出轴上之输出齿轮，其特征在于：所述变速箱体内还设有可与主动轮接触产生摩擦力之动力传递轮，该动力传递轮与主动轮的中心线垂直，并与固定在动力输出轴上之输出齿轮相联，且由与控制器相连之线性位移机构控制作滑移；所述变速箱体内还设有可测定输出扭矩之输出扭矩传感器，与控制器电连接，可控制输出齿轮的转速。

所述主动轮端面与动力传递轮轮缘之间设有可容纳传递介质之微小空隙，主动轮与动力传递轮通过传递介质进行摩擦交换；

所述线性位移机构包括一活塞杆和活塞缸，活塞杆一端置于活塞缸缸体内，另一端端部加工有凸缘，可嵌合于动力传递轮对应开设的凹槽内；

所述主动轮与动力传递轮相切线旁设有正转高压油嘴和反转高压油嘴，传递介质为通过两喷油嘴所喷射的高压油注填充所形成的油层。

所述主动轮与动力传递轮之间的摩擦点设四个或四个以上。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过线性位移机构实现动力传递轮的移动，以实现输出齿轮的正转、空挡和反转，可以无级、平滑地连续变换车辆的正反变速，没有换档冲击，因此提高了汽车乘坐的舒适性。

2、与一般采用全高压油浸泡的无级变速或无限变速传动系统不同，本发明的高压喷油只限于轮与轮之间的动力传输点面附近，且通过油层传递动力，其传动性能不受主动轴旋转方向的影响；可以实现无转速差的同步传动，传动效率为高；由于相对运动的传动件之间存有一层完整的油膜，没有相互间的直接接触与直接摩擦，能大大地降低轮子、齿轮与高压油的摩擦及由此产生的器件磨损和能耗一热量，从而进一步提高动力的传输效率。在使用性能上，噪声小，易于维护且费用低，同时可以消除或降低动力传递系统中的冲击和动载。由于油膜的存在，特征传动件无磨损或磨损很小，可以在有转速差的状态下长期工作，加之冷却散热条件好，可大幅度延长发动机和变速传动系统的寿命。

3、通过控制单元控制喷油的压力和动力传递轮的位置，可使发动机经常处于经济转速区域内运转，也就是在较小污染排放的转速范围内工作，从而降低了排气污染，且变速时无传统换档过程中的功率间断问题，提高燃料的效益，减少发动机的磨损，延长车辆动力系统的寿命。

4、与传统装置比较不需要用离合器，扭力转换器及倒档机构等进行速度变换，减少了档位设置，变速箱的结构大为简化。

5、通过输出扭矩传感器与控制单元的配合可实现优化工作条件，与英美正在研发的IVT比较，结构更为简单、优异，可降低系统的生产成本，提高性能价格比。

6、由于IVT的无级变速特性，使车辆能获得后备功率最大的传动比，因而动力性明显优于其它类型变速器。

7、当车辆制动或减速时，本发明装置可在控制单元作用下控制高压喷油带动的动力传输而提高车辆的制动性能和减速性能。

8、变速传输功能强大，可满足汽车和各种机动车辆的变速和功能传输的要求。

9、可形成一种新型的无限变速传动操作方式。

附图说明：

图1为本发明装置的正转变速状态主视图；

图2为本发明装置的正转变速状态左视图；

图3为本发明装置的空挡状态主视图；

图4为本发明装置的空挡状态左视图；

图5为本发明装置的反转变速状态主视图；

图6为本发明装置的反转变速状态左视图；

图7为本发明控制单元工作过程。

图中：

1—动力输入轴      2-主动轮          3-主动轮轴

4—方向调配轮      5-动力传递轮      6-从动齿轮轴

7-从动齿轮         8-输出齿轮        9-动力输出轴

10-输出扭矩传感器  11-调配轮轴       12-线性移位机构

12.1-活塞杆       12.2-活塞缸        13-正转高压喷油嘴

14-正转高压油注   15-反转高压喷油嘴  16-反转高压油注

17-变速箱体        18-控制单元

具体实施方式：

本发明提出了一种可实现传动比的连续而无限变化的新的方法，它是在变速箱体内设置一动力传递轮，该传递轮与从动齿轮相连，可使两者固定在同一转动轴上，由控制单元控制动力传递轮作轴向滑移，在动力传递轮作移动的过程中，其轮缘可与传递动力之主动轮端面触点通过传递介质接触，产生摩擦力，由于两者中心轴线相互垂直，因此，当动力传递轮中心垂面与主动轮中心线具有一定的距离时，会相对其中心线产生一定的扭矩，从而使主动轮带动动力传递轮转动，同时带动与动力传递轮相连之从动齿轮转动，使之输出转速比，从而实现无限变速。

本发明主动轮与动力传递轮之间的传递介质采用高压油注填充所形成的油层，进行动力的摩擦交换，这种方式可减少主动轮和动力传递轮与高压油层的摩擦和能量的损耗，节约能源。

为保证摩擦交换的可靠性，本发明主动轮与动力传递轮之间的摩擦交换为摩擦点阵交换，即使主动轮与动力传递轮之间多点接触。

为实现汽车的无限变速，所输出的扭矩调节可通过输出扭矩传感器实现，通过输出扭矩传感器与控制单元相接，由输出扭矩传感器传递信号，使控制单元控制高压油输出压力，以调节主动轮与动力传递轮之间的摩擦力大小，并向线性移位机构发出调整信号，线性移位机构带动动力传递轮在沿从动齿轮轴轴线滑移，从而改变了输出扭矩的大小，实现对输出齿轮转速的调整。

图1～图6展示了依据本发明方法所设计的一个具体实施例。

如图所示，本发明装置包括动力输入轴1，变速箱体17，动力输出轴9，所述变速箱体17内设有由动力输入轴1带动转动之主动轮2及固定在动力输出轴9上之输出齿轮8，其特征在于：在变速箱体17内，于主动轮2与从动齿轮7之间，还设有一动力传递轮5，该动力传递轮5通过线性位移机构12与控制单元18相连，与从动齿轮7一起固定在从动齿轮轴6上，可由线性位移机构12带动沿其轴向作向左或向右的移动。如图1、图3、图5所示，该动力传递轮5轴心线与主动轮2轴心线垂直，其轮缘之最边缘点可与主动轮2之顶端面某点位置通过传递介质相接触，使之产生摩擦力，当该点与主动轮2轴心具有一定距离时，会产生一摩擦力矩，使其作绕其自身轴心线的转动，从而带动从动齿轮7转动。

为了保证摩擦力的可靠实现，本发明主动轮2成组设置，可使动力传递轮5与主动轮2相接触的点为四个，形成一摩擦点阵，其中与动力输入轴1相接的为主动轮2.1，其余分别为2.2、2.3、2.4，各轮通过四个方向调配轮4相互连接成整体，方向调配轮4通过调配轮轴11固定在变速箱箱体17上。

在主动轮2与动力传递轮5之间设有微小的空隙，该空隙旁边设有正向高压喷油嘴13和反向高压喷油嘴15，可成对设置，也可以通过调节开关由一个喷油嘴同时实现正向和反向的喷射。正向高压喷油嘴13和反向高压喷油嘴15与高压油泵相连，两油嘴喷出口位于主动轮2与动力传递轮5之间切线位置，亦可根据主动轮2的布置设置4个，分别喷出正转高压油注14和反转高压油注16，使主动轮2与动力传递轮5之间形成一由高压喷油注填充所形成的油层，可填充两者之间的空隙，充当主动轮2与动力传递轮5传递介质，利用油膜的剪切作用来传递动力，使之形成摩擦交换。

所述动力传递轮5的移动是通过线性位移机构12实现的，它包括一活塞杆12.1和活塞缸12.2，活塞杆12.1一端置于活塞缸12.2缸体内，另一端端部加工有凸缘，可嵌合于动力传递轮5对应开设的凹槽内。线性移位机构12与控制单元18相连，当控制单元18控制高压油泵向活塞缸12.2之无杆腔注入高压油时，可推动活塞杆12.1向如图所示之左向移动；而当控制单元18控制高压油泵向活塞缸12.2之有杆腔注入高压油时，可推动活塞杆12.1向如图所示之右向移动。活塞杆12.1移动的位置和距离决定了动力输出轴9的转向及转速比。

所述控制单元18与输出转矩传感器10电连接，输出转矩传感器10位于输出齿轮8旁边位置，可感应输出齿轮8之转矩，控制单元18根据输出转矩10所发出的信号，可调节高压油泵出口压力，以调节主动轮2与动力传递轮5之间的摩擦力大小，同时向线性移位机构12发出调整信号，线性移位机构12带动动力传递轮5在沿从动齿轮轴6轴线滑移，从而改变了输出扭矩的大小，实现对输出齿轮8转速的调整。

控制单元18的设计应具有以下主要功能：

1.自适应功能：在运行过程中，能自动识别车辆所行驶的各种不同路面及工况所需的扭矩，从而采取相应的优化调整。

2.抗干扰功能：软件能够排除汽车工况、道路、气候等各种因素的干扰，通过滤波、补偿等措施，使软件稳定工作。

3.自诊断功能：软件能自动识别传感器、高压油泵、控制器等各种故障并报警。

本发明的工作过程：

正转变速：如图1、图2所示，动力从动力输入轴1输入后，与马达连接的主动轮2.1，通过主动轮方向调配轮4，将动力分配给另外三个主动轮2.2、2.3、2.4，动力传递轮5处于+r位置，正转高压喷油嘴13将喷射出高压油，形成正转高压油注14，并填充于动力传递轮5与各主动轮2的空隙中，使各主动轮2与动力传递轮5产生摩擦力，动力发生传递，动力传递轮5正向转动，从而带动从动齿轮7转动，通过从动齿轮7与输出齿轮8的啮合，可将动力传递给输出齿轮8，动力输出轴9输出动力。此时变速器输出的变速比为：r·X/(R·Y)(式中r为动力传递轮5轮缘与主动轮2接触点距主动轮2中心线距离，即表示动力输出齿轮5处在+r位置；x表述从动齿轮7齿数；R表示动力传递轮5半径；y表示输出齿轮8齿数)。这时，输出扭矩传感器10将感应到的输出扭矩信号发送到控制单元(ECU)18，由控制单元18控制相对应的喷油压力，并向线性移位机构12发出调整信号，线性移位机构12的带动动力传递轮5在沿从动齿轮轴6轴线滑移，从而得到理想的+r值。

空档：如图3、图4所示，当动力传递轮5处于主动轮2轴心位置时，r＝0时，这时输入的力矩为零，动力不发生传递，因此输出齿轮8输出比为零。

反转变速：如图5、图6所示，动力从动力输入轴1输入后，与马达连接的主动轮2.1通过主动轮方向调配轮4将动力分配给另外三个主动轮2.2、2.3、2.4，动力传递轮5处于—r位置，反转高压喷油嘴15将喷射出高压油，形成反转高压油注16，并填充于动力传递轮5与各主动轮2的空隙中，使各主动轮2与动力传递轮5产生摩擦力，动力发生传递，动力传递轮5反向转动，从而带动从动齿轮7反向转动，通过从动齿轮7与输出齿轮8的啮合，可将动力传递给输出齿轮8，动力输出轴9输出动力。此时变速器输出的变速比为：-r·X/(R·Y)(式中r为动力传递轮5轮缘与主动轮2接触点距主动轮2中心线距离，即表示动力输出齿轮5处在-r位置；x表述从动齿轮7齿数；R表示动力传递轮5半径；y表示输出齿轮8齿数)。这时，输出扭矩传感器10将感应到的输出扭矩信号发送到控制单元(ECU)18，由控制单元18控制相对应的喷油压力，并向线性移位机构12发出调整信号，线性移位机构12的带动动力传递轮5在沿从动齿轮轴6轴线滑移，从而得到理想的—r值。

本发明由控制单元18控制动力传递轮5位置(控制输出比)，正转高压喷油嘴13和反转高压喷油嘴15的启闭，以及喷油的压力。控制单元18通过检测动力传递轮5位置和输出扭矩传感器10的信号，综合运转状况，计算、决定优化的工作条件。

图7展示了本发明控制单元工作过程。

当汽车点火后，控制单元18上电，处于工作状态，开启随车的高压油泵并同时进行无限变速器功能自检。若发现异常情况时，报警电路会发出报警信号，并进入后备工作程序，保证车辆基本行驶功能。若自检正常，则依据驾驶员的操作意向进入正常工作状态。

进入正常工作程序后，控制单元18检测汽车车速、发动机转速及工作温度、节气门位置、歧管真空度、扭矩传感器、档位位置、制动信号等输入信号进行多参数综合运算处理，根据驾驶需求、最佳经济性、最佳动力性、最佳排放量等控制指标，发出控制信号驱动动力传递轮5的线性移位机构12动作并通过高压油泵控制正、反转高压喷油嘴13、15进行相应动作，使本发明无限变速器、发动机在不同油门开度和各种行驶环境下都能处于最佳工作状态。

本发明控制单元18可成为一个独立单元只为无限变速器本身服务，也可以与车辆中的发动机ECU或整车的ECU结合在一起，可优化整车的工作效率。

Claims (6)

1.一种无限变速方法，在变速箱体内设置一可由控制单元控制且可与传递动力之主动轮接触产生摩擦交换之动力传递轮，通过主动轮与该动力传递轮之间的相对线性位移产生输出扭矩，带动与动力传递轮相连之从动齿轮转动，使之输出转速比，以实现无限变速，主动轮与动力传递轮之间通过传递介质传递摩擦力，它们之间的摩擦交换为多点摩擦之点阵形式，传递介质为高压油注填充所形成的油层以产生摩擦交换，其特征在于：所述转速比通过输出扭矩传感器与控制单元联合调节，由输出扭矩传感器传递信号，控制单元控制高压油的压力，并向线性移位机构发出调整信号，线性移位机构带动动力传递轮再沿从动齿轮轴轴线滑移，以改变输出扭矩的大小，实现对输出齿轮转速的调整。

2.一种无限变速器，包括动力输入轴(1)，变速箱体(17)和动力输出轴(9)，所述变速箱体(17)内设有由动力输入轴(1)带动转动之主动轮(2)及固定在动力输出轴(9)上之输出齿轮(8)，其特征在于：所述变速箱体(17)内还设有可与主动轮(2)接触产生摩擦力之动力传递轮(5)，该动力传递轮(5)与主动轮(2)的中心线垂直，并与固定在动力输出轴(9)上之输出齿轮(8)相联，且由与控制器(18)相连之线性位移机构(12)控制作滑移；所述变速箱体(17)内还设有可测定输出扭矩之输出扭矩传感器(10)，与控制器(18)电连接。

3.根据权利要求2所述的无限变速器，其特征在于主动轮(2)端面与动力传递轮(5)轮缘之间设有可容纳传递介质之微小空隙，主动轮(2)与动力传递轮(5)通过传递介质进行摩擦交换。

4.根据权利要求2所述的无限变速器，其特征在于所述线性位移机构(12)包括一活塞杆(12.1)和活塞缸(12.2)，活塞杆(12.1)一端置于活塞缸(12.2)缸体内，另一端端部加工有凸缘，可嵌合于动力传递轮(5)对应开设的凹槽内。

5.根据权利要求3所述的无限变速器，其特征在于所述主动轮(2)与动力传递轮(5)相切线旁设有正转高压油嘴(13)和反转高压油嘴(15)，传递介质为通过两喷油嘴所喷射的高压油注填充所形成的油层。

6.根据权利要求2或3所述的无限变速器，其特征在于所述主动轮(2)与动力传递轮(5)之间的摩擦点设四个或四个以上。

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