CN101052827A - 回转进动自动变速器 - Google Patents

Abstract

一种自动变速器，它包括一个行星齿轮单元，该行星齿轮单元包括输入轴(1)、输入齿轮(2)、主行星齿轮(3)、输出齿轮(4)、输出轴(5)、曲轴变位行星齿轮(6)、旋转框架(7)和转子(8)，其中：行星齿轮轴为具有一定惯性力矩的转子(8)，故其回转与由外力产生的回转仪的进动相等，其中，产生进动的外力是作用在输出轴(5)上的负载。因此，转子(8)的回转速度随着输出负载的变化而改变，输出轴(5)的旋转速度也一样，这样使得速率随着输出负载的变化而自发改变。相应地，本发明变速器以随着负载变化而自发改变的速率而运转，不进行任何控制操作。

Description

回转进动自动变速器

技术领域

本发明涉及一种速度随负载变化而改变的自动变速器，特别涉及一种由具有回转仪的行星齿轮单元构成的自动变速器。

背景技术

自动变速器是众所周知的，尤其是在机动车辆的制造上。

液压自动变速器由于其运行平稳、便于操作、功率性能好以及其具有安全保证的优点，而成为机动车辆的一种主要的自动变速器。然而，使用液压驱动降低了其变速器的效率，并增加了成本。

电子机械式自动变速器仅使用齿轮驱动，故其效率高，且所需的成本比较低。然而，电子机械式自动变速器具有和变速杆与动力传输相结合相关的问题，且在其挠性元件上有误差。相应地，其不适于获得好的运行。

无级自动变速器或连续变速传动装置一开始认为是好的，现在处于成熟期。它们借助于电子控制系统克服了如最大转矩、噪音和可靠性等问题。然而成本问题还没有解决。

在由两个路径，即行星驱动路径和发电机—电动机驱动路径构成的双路混合动力自动变速器中，如专利号为No.US6,416,437 B2、No.US2003/0176955 A1和国际公布号为No.WO242658的专利，以及丰田汽车混合动力系统(THS)中公开的例子，行星驱动由于功率的直接转换是通过其中的齿轮进行的，故其效率高，而发电机—电动机驱动由于通过多个能量转换器转换功率，故其效率较低，且所述变速器因为其复杂的驱动过程而在结构上较为复杂，进而导致了总成本高。

在第六或第七级自动变速器中，每一级的速率范围很窄，而在最高级和最低级之间的速率范围很宽，因而借助于电子控制可以达到较快的速度改变。因此，燃料消耗低，敏感度高，增进了机动车辆的移动性和加速性。然而，同一变速器在结构上更复杂了，且需要一个复杂的控制系统，这就增加了成本。此外，使用液压转换器不会在功率转换上产生小的损失，且稳定的控制操作在变速器的特征曲线上形成很多拐点。因而，这些变速器不能认为是在机械上完美的变速器。

因此，与现有技术自动变速器相关的问题包括传动过程、可靠性、成本、控制、灵敏度和效率等。

发明内容

本发明的目的是为公知提供一个完全满足机械需要和自身使用的充分条件的齿轮类型的自动变速器，其高速操作，随着负载的变化而自发改变，而不改变齿轮(既不改变齿轮，也不改变齿轮对的结合)，其中，速率保持和输出力矩与输入力矩的比例相等。

本发明所公开的一个方面是一种由行星齿轮单元构成的自动变速器，行星齿轮单元是一个伞齿轮组件，伞齿轮组件优选具有一个行星齿轮轴，其中，行星齿轮轴是一个具有给定惯性力矩的转子，以及其中，行星齿轮轴的旋转轴垂直于其回转轴。在一个替换方案中，行星齿轮单元具有多个行星齿轮轴，该行星齿轮轴为具有给定惯性力矩的转子。

由于行星齿轮轴是具有给定惯性力矩的转子，故其用作回转仪，其回转等同于回转仪的运动，其中，产生运动的外力为施加在输出轴上的负载。因此，行星齿轮轴的回转速度随着输出负载的变化而改变，输出轴的旋转速度也一样。这使得变速器以随着输出负载的变化而自发改变的速率运转，而不进行任何改变速度的控制操作。

本发明的另一个优选实施例是一种由行星齿轮单元组成的自动变速器，该行星齿轮单元优选为一个伞齿轮组件，伞齿轮组件优选包括三个向内安装在旋转框架上的行星齿轮轴，该旋转框架位于输入和输出齿轮之间，这样，该行星齿轮轴垂直于在输入和输出轴之间延伸的轴，以及伞齿轮组件进一步优选包括三个向外设置在旋转框架上的行星齿轮轴之间的具有给定惯性力矩的转子。在一个替换方案中，该行星齿轮单元是一个环形圆柱齿轮组件或两个圆柱齿轮组件。

每个转子具有一个适于使之通过安装在输入轴上的辅助齿轮相对于旋转框架旋转的转子齿轮。如果输入轴以一定速度旋转，那么转子借助于辅助齿轮旋转，因而，防止旋转框架由于回转力矩而旋转。因此，功率通过输入齿轮和行星齿轮传送至输出齿轮。如果输出齿轮所承受的负载通过行星齿轮轴作用于旋转框架上，那么旋转轴旋转，进而转子进动。相应地，旋转框架的旋转速度依照输出负载的变化而改变，变速器以随着输出负载的变化而自发改变的速率而运转。

附图说明

图1是本发明自动变速器的操作和结构示意图，其中，行星齿轮单元为一个具有一个行星齿轮轴的伞齿轮组件，行星齿轮轴为一个转子。

图2是行星齿轮在输入力矩与输出力矩所产生的瞬时旋转中心的力矩之间的平衡示意图。

图3是本发明自动变速器的操作和结构示意图，其中，行星齿轮单元为一个具有多个行星齿轮轴的滑动支承的伞齿轮组件，行星齿轮轴为转子。

图4是本发明自动变速器的操作和结构示意图，其中，行星齿轮单元为一个具有多个行星齿轮轴的滚动支承的伞齿轮组件，行星齿轮轴为转子。

图5是本发明自动变速器的操作和结构示意图，其中，行星齿轮单元为一个具有分别固定在旋转框架上的多个行星齿轮轴和多个转子的伞齿轮组件。

图6是本发明自动变速器的操作和结构示意图，其中，行星齿轮单元为一个具有分别固定在旋转框架上的多个行星齿轮轴和多个转子的环状圆柱齿轮组件。

图7是本发明自动变速器的操作和结构示意图，其中，行星齿轮单元为两个具有分别固定在旋转框架上的多个行星齿轮轴和多个转子的圆柱齿轮组件。

图8是本发明的性能曲线图。

图9是用于机动车辆的本发明自动变速器的示意图，图中示出了组合状态下的结构。

具体实施方式

图1示出了本发明的一个实施例。

该变速器由一个行星齿轮单元组成，该行星齿轮单元优选具有四个伞齿轮和一个行星齿轮轴，该行星齿轮轴为具有给定惯性力矩的转子。在一个替换方案中，行星齿轮单元具有多个行星齿轮轴，该行星齿轮轴为具有给定惯性力矩的转子(图3和图4)。

参阅图1，安装在输入轴1上的输入齿轮2沿着同一轴线和安装在输出轴5上的输出齿轮4对置放置，用作行星齿轮轴的转子8垂直于同一轴线定位在两齿轮之间。转子8具有一个主行星齿轮3和一个曲轴变位行星齿轮6，其在两端优选通过轴承，如安装在万向接头轴上的回转仪，来支承于旋转框架内。主行星齿轮3通过销不可移动地安装在转子8上，以实现两个作用：从输入齿轮2向输出齿轮4传送功率，以及使转子8旋转。曲轴变位行星齿轮6通过轴承可移动地安装在转子8上，仅起一个作用：从输入齿轮2向输出齿轮4传送功率。

在进动中，转子8的进动中心位于沿其旋转轴的中心处(图1中在点O)，这样，一对旋转轴向力(进动产生的离心力)彼此平衡。如果输入轴1以一定速度旋转，输出轴5上没有负载，那么，转子8旋转，而不沿其轴线绕中心回转。当保持输入轴1旋转时，如果向输出轴5施加负载，转子8回转，负载的逐渐增加使回转速度相应地增加。这意味着，以一定速度旋转的转子8通过运用外力进动。也就是说，转子8的回转是一个像回转仪一样的自身进动，其由外力产生，即施加在以一定速度旋转的转子8的输出负载产生。

进动速度(回转角速度)可由公式(1)表示：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{re}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{pre}}=\frac{F_{\mathrm{out}}\·R}{J\·{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ro}}}=\frac{M_{\mathrm{out}}}{J\·{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ro}}}---\left(1\right)$

其中，ω_re-转子的回转角速度

ω_pre-转子的进动角速度

ω_ro-转子的固有角速度(转动角速度)

J-转子的惯性力矩

F_out-转子由于输出负载所承受的力

R-从负载力矩的作用点到进动中心的垂直距离

M_out-作用在输出轴上的负载力矩

从公式(1)可以得出，在变速器中，转子8的回转是一个自身的进动，其取决于输出负载。图2是输入齿轮、输出齿轮和行星齿轮的示意图，为方便起见，它们在一个平面展开示出。在图2中的点O’处，

ω_re·b＝ω_pla，ro·(r-b)

其中，O’是行星齿轮的瞬时旋转中心。

重新整理上述关系式，

$\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{re}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{pla},\mathrm{ro}}}=\frac{r}{b}-1---\left(2\right)$

参照公式(2)，行星齿轮的瞬时旋转中心依据行星齿轮轴的回转速度的改变而在位置上发生变化。在如图2所示的变速器中，输入力矩和输出力矩所产生的对于行星齿轮的瞬时旋转中心的力矩通常相平衡。

F_in·a＝F_out·b    ……(3)

将上述公式两边乘以ω_pla，ab(行星齿轮的绝对角速度)

F_in·a·ω_pla，ab＝F_out·b·ω_pla，ab

由于在齿轮的啮合点A和B处相对彼此没有滑动，

a·ω_pla，ab＝υ_in ，b·ω_pla，ab＝υ_out

因此，可以获得下面的公式

F_in·υ_in＝F_out·υ_out

其中

υ_in＝R·ω_in，υ_out＝R·ω_out

因此，公式(3)变为：

M_in·ω_in＝M_out·ω_out    ……(4)

由公式(4)可以得到下面的公式：

$\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}}}=\frac{M_{\mathrm{out}}}{M_{\mathrm{in}}}$

相应地，速率为 $i=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}}}=\frac{M_{\mathrm{out}}}{M_{\mathrm{in}}}$

如上所述，变速器具有如下特征：在操作中，速率随着输出负载的变化而连续改变，且通常等于输出力矩和输入力矩的比率。转子8的进动轴线垂直于其固有的旋转轴，故转子8的进动产生一对离心力，其原点在进动中心。

如图1所示，转子8的进动中心位于沿其旋转轴的中心，结果，转子8的进动产生一对离心力，在一条直线上大小相等，方向相反，故彼此平衡，转子8的进动还产生一个回转力矩，使其固有旋转轴朝着其进动轴线倾斜。因而，转子8需要抵抗回转力矩的支承来进动，因而如图1所示，由旋转框架7支承。在一个替换方案中，转子优选由轴承(见图4)滑动支承，且优选由导辊9、支承球10和支承辊11(见图3)滚动支承，以抵抗进动产生的离心力和回转力矩。

在进动中，转子8承受着使其固有旋转轴朝着其进动轴线倾斜的回转力矩，和一对沿着固有旋转轴产生的离心力，所有这些力和进动轴线方向垂直。因此，在进动过程中不作功，没有能量损失，进动过程只是传送功率的力场的势能变化。从这点上讲，从效率的角度考虑，这里的功率传送和传统的齿轮驱动一样。此外，进动是非惯性运动，因而具有一个负载改变的精确同步，这增强了变速器的灵敏度，并为机动车辆提供了最好的可移动性和加速性。

图5是本发明的另一个优选实施例。

该变速器由行星齿轮单元组成，该行星齿轮单元包括一个输入齿轮2、一个输出齿轮5和优选的三个行星齿轮3，所有的行星齿轮优选为伞齿轮，以及进一步优选包括三个具有给定惯性力矩的转子12。在一个替换方案中，行星齿轮单元是一个环形圆柱齿轮组件或两个圆柱齿轮组件(图6和图7)。

输入齿轮2共轴对着输出齿轮5，三个行星齿轮轴优选为等周向间距的安装在位于输入齿轮2和输出齿轮5之间的旋转框架9上，这样，行星齿轮轴垂直于在输入轴1和输出轴6之间延伸的轴线。在旋转框架9上，优选在行星齿轮轴之间等周向间距的向外设置三个转子12。每个转子12具有一个通过安装在输入轴1的辅助齿轮7来相对于旋转框架9适应回转的转子齿轮8。如果输入轴1以给定的速度旋转，那么，转子12借助于辅助齿轮7旋转，因而，旋转框架9不被回转力矩所旋转。结果，功率通过输入齿轮2和行星齿轮3传送到输出齿轮5上。如果将输出齿轮5所承受的负载通过行星齿轮轴施加在旋转框架9上，那么旋转框架9旋转起来，进而转子12开始进动。相应地，旋转框架9的旋转速度随着负载的变化而改变，该实施例还以随着负载的变化而自发改变的速率运作。此外，由于转子12的进动中心O如图5所示的放置，故在进动中，转子12受到离心力和回转力矩，优选由转子推力轴承11支承以抵抗离心力，优选由旋转框架推力轴承10支承以抵抗回转力矩。

图8是本发明变速器的特性图。曲线A是力矩和负载相比较的图表。B是发动机的扭矩的图表，C是在发动机给定速度的传动力矩的图表，以及D是以给定速度施加在发动机上的负载力矩。坐标是力矩轴，横坐标是发动机的旋转数目轴。

图9是用于机动车辆的回转进动自动变速器。

部分I是向前/向后/中间转换部分，它包括传动轴1、直接连接的花键轴2、内齿轮3、输入棘爪离合器4、直接转换行星齿轮5、行星齿轮旋转框架6、方向转换器7、方向转换中心齿轮8和输入轴9。

部分II是速度变化部分，它包括输入齿轮10、行星齿轮11、转子12、旋转框架13、内部旋转框架14、输出齿轮15和输出轴16。

部分III是直接连接部分，它包括输出棘爪离合器17、连接簧片18、极限力矩自动离合器19、螺杆组合部件20和主动轴21。

在部分I中，从传动轴1发出的功率通过直接连接的花键轴2和输入棘爪离合器4传送到输入轴9上。方向转换器7将方向转换为向前/向后/中间。部分I中的旋转数目大于部分II中的旋转数目。

在部分II中，功率通过输入齿轮10传送到输出齿轮15上，速度随着负载的变化而改变。

在部分III中，当输出轴16的旋转速度低于发动机的旋转速度时，功率通过输出棘爪离合器17传送到主动轴21上，当输出轴16的旋转速度高于发动机的旋转速度时，输入棘爪离合器4和输出棘爪离合器17借助于螺杆组合部件20相脱离，功率通过直接连接的花键轴2直接传送到主动轴21上。如果负载力矩超过前述极限，那么，极限力矩自动离合器19开始起作用，进而，输入棘爪离合器4和输出棘爪离合器17相啮合，这样，功率通过部分II。

在配备回转进动自动变速器的机动车辆中，可仅通过气动踏板和刹车踏板来实现驾驶者的意图。

Claims (11)

1、一种回转进动自动变速器，其包括一个行星齿轮单元，其中：行星齿轮轴通过向其施加一定的惯性力矩而用作回转仪，功率可被传送；行星齿轮轴的回转为由输出负载引起的自身的进动，速度随着输出负载的变化而自发改变。

2、如权利要求1所述的回转进动自动变速器，其中：该行星齿轮单元是一个具有一个行星齿轮轴的伞齿轮组件，其中在操作时，行星齿轮轴的进动中心位于沿其轴线的中心处。

3、如权利要求1所述的回转进动自动变速器，其中：该行星齿轮单元是一个具有多个行星齿轮轴的伞齿轮组件，其中在操作时，行星齿轮轴的进动中心位于沿在输入和输出轴之间延伸的轴线的一个点上。

4、如权利要求3所述的回转进动自动变速器，其中：该行星齿轮轴通过推力轴承和径向轴承滑动支承，以抵抗离心力和回转力矩。

5、如权利要求3所述的回转进动自动变速器，其中：该行星齿轮轴通过支承球和支承辊滚动支承，以抵抗离心力和回转力矩。

6、一种回转进动自动变速器，它由一个行星齿轮单元组成，该行星齿轮单元包括分别安装在旋转框架上的多个行星齿轮轴和多个具有给定惯性力矩的转子，其中：转子可以相对于旋转框架旋转，从而使旋转框架不旋转，当转子旋转时可用作回转仪，这样，功率被传送出去；以及，如果旋转框架通过输出负载旋转，那么转子开始进动，速度随着输出负载的变化而自发改变。

7、如权利要求6所述的回转进动自动变速器，其中：该行星齿轮单元是一个伞齿轮组件。

8、如权利要求6所述的回转进动自动变速器，其中：该行星齿轮单元是一个环形圆柱齿轮组件。

9、如权利要求6所述的回转进动自动变速器，其中：该行星齿轮单元包括两个圆柱齿轮组件。

10、如权利要求3至9中任一项所述的回转进动自动变速器，其中：具有一个自动的极限力矩离合器，如果输出负载低于前述极限，那么变速器的前轴和后轴连接起来，从而，整个变速器变成一个轴，且形成一个直接的连接驱动，如果输出负载超过前述极限，那么连接的轴相脱离，从而转子开始进动，速率随着输出负载的变化而自发改变。

11、一种实现功率传送和随着负载的改变自发变化速度的方法，该方法使用依据说明书所提供的原动机和所需的传动机制所设计的行星齿轮单元，以及使用具有依据同一行星齿轮单元计算出的给定惯性力矩的回转仪的进动。

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