CN100392289C - 无动力中断的自动换档离偶合器式变速器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种汽车传动系统的电控自动换档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防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系统进行冷却，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

无动力中断的自动换档离偶合器式变速器
技术领域
本发明涉及一种新型的无动力中断的自动换档离偶合器式变速器，是应用在汽车传动系统的电控自动换档式变速装置。
背景技术
通常在一个具有行星轮系的自动变速器中，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，能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，由于液力变矩器流体能量的损失会造成一部分扭矩和速度丧失，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，并且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，导致其传递的扭矩几乎降为零后再升到所需扭矩。这个动力中断过程延长了换档时间，对换档有冲击性，对车辆的加速造成负面影响，对乘员的舒适性不利，由于没有了液力变矩器的缓冲，对发动机和变速器的保护作用也不如行星轮系自动变速器好。
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)。这种变速器的结构原理是，发动机通过两个离合器传递动力而不必采用液力变矩器，档位分别装在各带有一个离合器的两根轴上。车辆在某一档位工作时，通过一个离合器的结合传递扭矩。在需要换档时，先挂位于另外一根传动轴上的下一档位，然后将该传动轴上另一离合器结合，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，由于这种变速器对双离合器打滑的高度依赖性，其在过渡期打滑时产生的高摩擦热会降低离合器片的可靠性及使用寿命。尤其是重载和起步情况下更为突出。所以通常还要设置除液压泵之外的一个冷却油泵对系统进行冷却。若采用干式离合器，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离合器，对离合器片材料的要求比其他类变速器的要求更高。这种自动变速器的另一缺点是，电子控制系统的复杂程度超过了上述任何一种变速器。国内的双离合器自动变速器专利(中国专利CN1415876A)与国外的略有不同，主要区别是两个离合器少打滑或不打滑，而是在换档时将一个离合器脱离的同时结合另一个离合器。它的优点是控制简单，但换档时会产生冲击，另外难以实现协调双离合器同时的脱离和结合，并且不易满足换档舒适性的要求。
发明内容
本发明提出一种新型的无动力中断的自动换档离偶合器式变速器，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系统进行冷却，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。离合器片相对打滑率的降低对提高自动变速器可靠性具有重要意义。除此之外，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1六速无动力中断的自动换档离偶合器式变速器机构简图
图2无动力中断的自动换档离偶合器式变速器一档传动路线简图
图3-1一档换二档预备期说明：变换第二双联离合器C2结合方式时，空载时挂二档。
图3-2一档换二档第一过渡期：第一双联离合器C1脱离，使液力偶合器HC带动二档传动。
图3-3一档换二档第二过渡期：第二双联离合器C2三结合，发动机E和液力偶合器HC带动二档，第一双联离合器C1复位。
图3-4一档换二档完成期：第二双联离合器C2变双结合，发动机E单独驱动二档传动，液力偶合器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6四速无动力中断的自动换档离偶合器式变速器机构简图
图7五速无动力中断的自动换档离偶合器式变速器机构简图
图8七速无动力中断的自动换档离偶合器式变速器机构简图
具体实施方式：
本发明的结构可用图1中的六速无动力中断的自动换档离偶合器式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。
六速无动力中断的自动换档离偶合器式变速器由下列元素组成：
1：第一传动轴1
2：第二传动轴2
3：第三传动轴3
C1：第一双联离合器
C2：第二双联离合器
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：第一传动轴1上的一档齿轮
Z13：第一传动轴1上的三档齿轮
Z15：第一传动轴1上的五档齿轮
Z1R：第一传动轴1上的倒档齿轮
Z22：第二传动轴2上的二档齿轮
Z24：第二传动轴2上的四档齿轮
Z26：第二传动轴2上的六档齿轮
Z31：第三传动轴3上的一档齿轮
Z32：第三传动轴3上的二档齿轮
Z33：第三传动轴3上的三档齿轮
Z34：第三传动轴3上的四档齿轮
Z35：第三传动轴3上的五档齿轮
Z36：第三传动轴3上的六档齿轮
Z3R：第三传动轴3上的倒档齿轮
Zi：用于倒档的中介齿轮
第一传动轴1是空心轴，即装有齿轮Z1R，Z11，Z13和Z15的传动轴。装在其内的第二传动轴2是实心轴，即装有齿轮Z22，Z24和Z26的传动轴。第一传动轴1和第二传动轴2间互不约束，可独立自由转动。第一传动轴1上的齿轮，除Z15固结在第一传动轴1上外，Z1R，Z11和Z13都可自由转动。而Z22，Z24和Z26则固结在第二传动轴2上，只能随其转动。第一传动轴1上有同步装置SR和S13，第三传动轴3上也有两个同步装置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，第三传动轴3上的齿轮Z32，Z34，Z35和Z36可在轴上自由转动，Z3R，Z31和Z33则固结在第三传动轴3上。其中，Z3R与减速器和差速器RD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I(主动)和涡轮T(被动)的液力偶合器，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。泵轮I直接与发动机E相连接，而泵轮I和涡轮T则可与第一双联离合器C1和第二双联离合器C2通过离合器片分别脱离结合。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。
第一、第二双联离合器C1和C2是两个互相独立的零件。任一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T连接传动轴
2.使液力偶合器HC的泵轮I(发动机E)连接传动轴
3.同时实施上述两种连接
4.同时中断上述两种连接
上述的传动轴，对第一双联离合器C1对应的是第一传动轴1，对第二双联离合器C2对应的是第二传动轴2。第一、第二双联离合器C1和C2与泵轮I和涡轮T的不同连接，形成工作时的八种结合状态：
1.第一双联离合器C1连接泵轮I和涡轮T、第二双联离合器C2无连接
2.第一双联离合器C1仅连接涡轮T、第二双联离合器C2无连接
3.第一双联离合器C1仅连接泵轮I、第二双联离合器C2无连接
4.第一双联离合器C1仅连接泵轮I、第二双联离合器C2仅连接涡轮T
5.第一双联离合器C1无连接、第二双联离合器C2连接泵轮I和涡轮T
6.第一双联离合器C1无连接、第二双联离合器C2仅连接涡轮T
7.第一双联离合器C1无连接、第二双联离合器C2仅连接泵轮I
8.第一双联离合器C1仅连接涡轮T、第二双联离合器C2仅连接泵轮I
操纵离合器能产生上述八种不同结合状态和操纵上述同步装置的用于起步和换档的液压系统，即包括油泵和装有控制阀的阀体的系统。
本发明还包括一个动力控制模块PCM的电子控制系统，该系统能处理由位置传感器、温度传感器和速度传感器的传感器系统输入的数据，其中包括上述离合器八种不同结合状态的数据，进行分析计算和对比，作出换档决定并发出指令。
本发明的换档工作原理可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第一双联离合器C1传递到第一传动轴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与第三传动轴3固结，则发动机E的动力可经由第三传动轴3传到减速器和差速器。下面将分成四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)发出指令操纵液压系统启动拨叉(图中被省略)将同步装置S25向右拨动使齿轮Z32与第三传动轴3在空载状态下固结。然后操纵第二双联离合器C2将液力偶合器HC的涡轮与第二传动轴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。
换二档时的第一过渡期，动力控制模块(PCM)发出指令使第一双联离合器C1逐渐脱离，然后使S13脱离Z11，一档齿轮停止传动，如图3-2所示。这时的传动通过液力偶合器HC由二档齿轮Z22和Z32的啮合实现，输出开始从一档转速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)发出指令操纵液压系统使第二双联离合器C2将泵轮(发动机E)直接与第二传动轴2逐渐结合的同时，同时仍保持第二传动轴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。由于这个期间第二双联离合器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，动力控制模块(PCM)发出指令使第二双联离合器C2将泵轮I与涡轮T脱离，此时液力偶合器HC已不再起作用，如图3-4所示。发动机输出轴直接将动力传至二档齿轮Z22和Z32，二档转速得以保持。
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。除了应用上述换档过程中的离偶合器的组合外，改变同步装置的结合，可得到不同的档位。根据图1，表1列出了为获得不同的档位，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
Figure C20041001515400091
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，但第一、二双联离合器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及第一、二双联离合器C1和C2的动作描述，可归纳为以下步骤：
1.预备期：第一双联离合器C1双结合，换空载的偶数档，第二双联离合器C2双结合
Figure C20041001515400092
奇数和偶数档同时传动，HC部分承载并打滑。
2.过渡期：第一双联离合器C1脱离，第二双联离合器C2双结合
Figure C20041001515400093
偶数档通过HC传动，奇数档脱档。
3.第二过渡期：第一双联离合器C1脱离，第二双联离合器C2三结合
Figure C20041001515400094
发动E直接通过偶数档传动，HC未脱离。
4.完成期：第一双联离合器C1脱离，第二双联离合器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及第一、二双联离合器C1和C2的动作描述，可归纳为以下步骤：
1.预备期：第一双联离合器C1双结合，换空载的奇数档，第二双联离合器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：第二双联离合器C2脱离，第一双联离合器C1双结合
Figure C20041001515400102
数档通过HC传动，偶数档脱档。
3.第二过渡期：第二双联离合器C2脱离，第一双联离合器C1三结合
Figure C20041001515400103
发动机E直接通过奇数档传动，HC未脱离。
4.完成期：第二双联离合器C2脱离，第一双联离合器C1双结合
Figure C20041001515400104
发动机E直接通过奇数档传动，HC脱离。
以上说明中第一、二双联离合器C1和C2的双结合和三结合的含义如下：
双结合：使传动轴与液力偶合器HC的泵轮I(发动机E)相连，或与涡轮T相连。
三结合：使传动轴与液力偶合器HC的泵轮I(发动机E)和涡轮T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)发出指令操纵液压系统启动拨叉(图中被省略)将同步装置S13向左拨动使齿轮Z11与第一传动轴1在空载状态下固结，并使第一双联离合器C1结合。此时，一档的动力传动通过第一双联离合器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)发出指令操纵液压系统使第一双联离合器C1将泵轮(发动机E)，涡轮和第一传动轴1结合在一起。动力通过一档齿轮Z11和Z31的啮合传递，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)发出指令操纵液压系统使第一双联离合器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即可成为换倒档的过程。
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，可以将其编成计算机控制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很短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中的六速无动力中断的自动换档离偶合器式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为一种四速无动力中断的自动换档离偶合器式变速器的简图，图7为一种五速无动力中断的的自动换档离偶合器式变速器的简图，图8为一种七速无动力中断的自动换档离偶合器式变速器的简图。
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系统和繁琐的计算来获得参数从而控制整个系统，因此离偶合器式自动变速器的控制相对比较简单。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.无动力中断的自动换档离偶合器式变速器，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I和被动涡轮T，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；
两个双联离合器，第一双联离合器C1和第二双联离合器C2；每个离合器都可将第一传动轴1和第二传动轴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；
一个齿轮传动系统，该传动系统以平行传动轴方式布置，用于安装成对啮合的齿轮，其主动齿轮分别装配在第一传动轴1上，该轴为空心，和第二传动轴2上，该轴为套装在第一传动轴1内与其同心而又独立的传动轴；第一传动轴1和第二传动轴2可以分别与第一双联离合器C1和第二双联离合器C2以不同方式结合；全部被动齿轮则装配在第三传动轴3上，用于倒档的介齿轮Zi则装在另一根单独的轴上；
分别安装在第一传动轴1和第三传动轴3上的数个同步装置，它们能被拨叉拨动与齿轮和传动轴固结或分离；
操纵离合器能产生八种不同结合状态和操纵上述同步装置用于起步和换档的液压系统，即包括油泵和装有控制阀阀体的系统；
包括一个动力控制模块PCM的电子控制系统，该系统能够处理由位置传感器，温度传感器，速度传感器的传感器系统输入的数据，其中包括上述离合器八种不同结合状态的数据，进行分析计算和对比，作出换档决定并发出指令；八种工作时的不同结合状态如下：
(1)第一双联离合器C1连接泵轮I和涡轮T、第二双联离合器C2无连接；
(2)第一双联离合器C1仅连接涡轮T、第二双联离合器C2无连接；
(3)第一双联离合器C1仅连接泵轮I、第二双联离合器C2无连接；
(4)第一双联离合器C1仅连接泵轮I、第二双联离合器C2仅连接涡轮T；
(5)第一双联离合器C1无连接、第二双联离合器C2连接泵轮I和涡轮T；
(6)第一双联离合器C1无连接、第二双联离合器C2仅连接涡轮T；
(7)第一双联离合器C1无连接、第二双联离合器C2仅连接泵轮I；
(8)第一双联离合器C1仅连接涡轮T、第二双联离合器C2仅连接泵轮I。
2.权利要求1中所述无动力中断的自动换档离偶合器式变速器工作特征在于：
通过第一双联离合器C1和第二双联离合器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的同时，利用液力偶合器HC的涡轮，发动机E的输出轴及齿轮系统的第一传动轴1和第二传动轴2，通过第一双联离合器C1和第二双联离合器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中所述无动力中断的自动换档离偶合器式变速器，其特征在于，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中所述无动力中断的自动换档离偶合器式变速器，其特征在于，从空档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中所述无动力中断的自动换档离偶合器式变速器而衍生出来的不同的无动力中断的自动换档离偶合器式变速器，包括四速无动力中断的自动换档离偶合器式变速器，五速无动力中断的自动换档离偶合器式变速器及七速无动力中断的自动换档离偶合器式变速器。
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