CN1010971B - 电控(或液控)的差动变速器 - Google Patents

Abstract

电控(或液控)的差动变速器，属于机械传动中的变速装置，该变速器由差动变速机构，倒档机构、壳体及制动轮等组成，适合于需要变换传动速比的机械使用，特别适用于中小型汽车。该变速器的所有齿轮为常啮合状态，它没有变速杆，换档时不需要拨动齿轮。它的操作采用电控或液控，也可以用机械或手工操作。该变速器还具有结合，分离动力的功能，使用它的机械可以不设置离合器。

Description

本发明属于机械传动中的变速装置，用于需要变换传动速比的机械，特别适用于中小型汽车、拖拉机等运输机械作变速使用。

在需要变换速比的机械中，变速器是一个重要的部件。传统的齿轮变速器，都需要用手工拨动齿轮，改变齿轮传动比，来达支变换输出转速和扭矩的目的。由于不少机械的工况是经常发生变化的，必须频繁的进行变速操作。因为要抉动齿轮，就使得现有齿轮变速器存在许多难以克服的缺点。如操纵机构复杂、操作难度大，不能远矩离操作，无法进行电控和液控等。它对驾驶员的技术要求高，操作劳动强度大。在车辆行进中换档时，主被动齿轮的切线速度要一致，变速杆的操作就必须恰当的与离合器、油门配合才能顺利进行。特别是高速挡换到低速挡，车辆在下坡时换挡，操作吏为复杂，稍有不慎就发生打齿、以响、挂不上挡、脱挡等问题，甚至损坏机件，导致以生安全事故。近年来尽管对传统的变速器已作过很多改进，但上的述的缺点终未得到根本的解决。

改进现有的齿轮变速，早已引起人们的极大兴趣，并且做了许多研究和探索，提出过一些新的齿轮传动方案。如85108083号专利“双差速轮系惯性无级级变速器”，提出用两组串联的差速器作为变速器，省去了抉动齿轮变速的麻烦。如株式会社小松制作所在86100093号专利中提出以行星齿轮传动系统作为车辆的变速器，以切换不同行星齿轮组的方法，达到不用变速杆变速的目的。但是，前者因为变速范围还不能满足车辆的需要，后者结构复杂，径向尺寸大，制造较难，只能用于大吨位卡车，不能在中小车辆特别是轻型车辆上使用。

本发明的任务是设计一种不必拨动齿轮的、无变速杆的、结构较为简单、重量轻、制造成本不高、操纵方便的变速器，较为彻底的改进传统的齿轮变速箱，克服它固有的缺点，开辟一条用按钮或开关控制变速的操作方法。它既可以用电或液压控制，也可以用机械或手工操作，既可用它对现有车辆进行改造，也可用它开发性能优异的新产品。

本发明的原理是用一种新的差动传动方案，合理的组合传动机构，使所有处于常啮合状态的齿轮无需拨动就能改换传动路线，达到改变传动比的目的。

本发明附图3的方案，除变速操作变得很简单外，还具有结合和分离动力的功能，采用这种变速器的机械，可以省去离合器。

本变速器的传动原理如附图1。

输入轴（1）上开有齿轮。在行星轮架上安装着3个行星轮轴（10），每个行星轮轴上套装着齿轮（7）、（8）、（9）和（11）组成的4联齿轮，齿轮（11）和输入轴（1）齿轮、输出齿轮（13）同时啮合。齿轮（9）和齿轮（22）啮合。齿轮（8）和齿轮（24）啮合。齿轮（7）和齿轮（25）啮合。齿轮（22）、（24）、（25）它们各自都通过制动套（28）、（27）、（26）互相套装在一起，可以转动。各自的制动套上都安装着1个制动轮（4）、（3）、（2）。行星轮架（6）的支承套上也安装着制动轮（5）。输出齿轮（13）套装在输出轴（17）上，输出轴上安装着滑动牙嵌（21），它可在输出轴的花键上左右移动，平时被弹簧（19）压向左端，和输出齿轮（13）结合。电磁铁活动衔铁（15）连着拨叉（14）电磁铁（16）通电时，可吸动活动衔铁带动拨叉，将活动牙嵌（21）拨向右端，与输出齿轮（13）分离，和外牙嵌（20）结合。

变速器体（23）和后盖（18）用螺钉连接为一体。输入轴（1）和4个制动轮通过轴承安装在变速器的前端。输出轴（17）通过轴承安装在后盖（18）内，通出变速器外。输入轴与输出轴在壳体内的轴端互相用轴承（12）支撑。

下面结合附图1对本发明的传动原理进行叙述。

空挡：制动轮（2）、（3）、（4）、（5）均未加制动，处于自由状态。原动机的动力经输入轴（1）使其轴上齿轮旋转，带动齿轮（11）作反向旋转。此时输出齿轮（13）因有载荷不能跟随转动，故齿轮（11）绕输出齿轮（13）滚动，带动行星轮架（6）作反向旋转。齿轮（9）、（8）、（7）带动齿轮（22）、（24）、（25）及制动轮（2）、（3）、（4）空转。此时输出齿轮（13）为静止状态，输出轴（17）无转速输出。

第4挡（即直接传动挡）：此时将制动轮（5）制动，使行星轮架（6）处于固定状态。制动轮（2）、（3）、（4）均处在自由状态。动力经输入轴（1）齿轮，带动齿轮（11）自转。齿轮（22）、（24）、（25）被齿轮（9）、（8）、（7）带动作正向旋转。齿轮（11）带动输出齿轮（13）、输出轴（17）正向旋转。因输出齿轮（13）是与输入轴（1）齿轮齿数模数相同的，故输入转速与输出转速也是相同的。

第3挡：此时应将制动轮（4）制动，齿轮（25）处于固定状态、制动轮（2）、（3）、（5）均在自由状态。动力经输入轴（1）齿轮，带动齿轮（11）反向旋转，齿轮（7）绕齿轮（25）滚动，这时使得齿轮（11）既在作较低速度的公转，又在作较高速度的自转，这两种转速的合成使输出齿轮（13）输出轴（17）得到较第4挡低一些的正向转速。齿轮（8）、（9）带动齿轮（24）、（22）及他们的制动轮空转。制动轮（5）也由齿轮（7）带动空转。

第2挡：此时应将制动轮（3）制动，使齿轮（24）处于固定状态，制动轮（2）、（4）、（5）均在自由状态。动力经输入轴（1）齿轮，带动齿轮（11）反向旋转，齿轮（8）绕齿轮（24）滚动，使齿轮（11）作与第3挡相同公转和自转，不同的是公转要高于第3挡，自转要低于第3挡，因而输出齿轮（13）、输出轴（17）得到较第3挡低一些的正向转速。其他齿轮情况和第3挡相似。

第1挡：此时应将制动轮（2）制动，使齿轮（22）处于固定状态，制动轮（3）、（4）、（5）均处于自由状态，动力经输入轴（1）齿轮，带动齿轮（11）反向旋转，齿轮（9）绕齿轮（22）滚动，使齿轮作与第2挡相同的公转和自转，不同的是公转更高，自转更低，因而使输出齿轮（13）、输出轴（17）得到比第2挡更慢的第一挡转速。

倒挡：此时首先应使电磁铁（16）通电，吸动活动衔铁（15），带动拨叉（14）把活动牙嵌向后拉动，使输出轴（17）与输出齿轮（13）分离，与外牙嵌（20）结合。之后，在制动轮（5）处于自由状态的情况下，制动制动轮（2）或（3）或（4）其中1个。此时动力经输入轴（1）齿轮，带动齿轮（11）反向旋转，齿轮（7）或（8）或（9）便绕（25）或（24）或（22）滚动，使可得到行星轮架（6）3个不同的反转速度（请参见第3挡、2挡、1挡、不再重述）。由于外牙嵌是直接固定到行星轮架（6）上的，因而活动牙嵌（21）、输出轴（17）便可得到速度不同的三种倒挡速度。输出齿轮（13）空转。一般的车辆只需1个倒挡，可以根据需要选用一种合适的倒挡。其余只要在控制电路上不要把电磁铁（16）接入电源不用就可以了。

综上说述，只要将制动轮（2）、（3）、（4）、（5）其中任何一个处于制动状态，且制动力矩大于输出轴（17）上的阻力所反映到该制动轮的阻力矩时，在输出轴上便可得到相应的输出转速和扭矩。全部放松所有制动轮时，输出轴上无转速输出。如能将制动轮的放松状态逐步的过渡到制动状态，则输出轴上便可得到逐渐加大的扭矩和转速，这就是该变速器能够具有离合器功能的原理。

附图2和附图3是本变速器和操作机构一体化的两种结构图。

变速器的操作。

根据上述原理和基本结构，本变速器的操作就是对制动轮（2）、（3）、（4）、（5）分别的进行制动。具体的制动方法，应根据不同的机械来确定。现在提供2种供汽车使用的操作机构，见附图2和附图3。

附图2是用电控棘轮控制的变速器。在2个支点轴（29）上，共套装着4个由电磁铁控制的棘轮（31）。当电磁铁通电时，电磁铁拉动拉杆（34），把棘轮爪卡入制动轮的凹槽（30），使其制动轮固定，输出轴（17）上便有相应的转速输出。当电磁铁断电时，棘轮在弹簧（33）的作用下，把棘轮爪退出凹槽，制动轮恢复自由状态，输出轴无转速输出。这种方案完全采用电控，结构简单可靠，体积也较小，除控制电路外，无需其他的 附属设施。由于制动的自由到固定是突变的，需要在变速器前设置离合器，避免车辆起步和换挡时发生冲击。这种结构主要用于对现有车辆的改造，利用现有离合器较为方便的使用本变速器。

附图3的变速器是液压控制的，倒挡可用电控，也可用液控。该控制机构为液压制动离合器。三个支点轴（45）上固定着3个固定压盘（44）和4个活动压盘（43），它们之间安装着制动磨擦片（35），通过花键连接于制动轮（2）、（3）、（4）及（5）上。2组液控压紧缸由底板（40）、内缸（39）、外缸（37）、环状活塞（38）及密封垫片（41）等组成。液压油通过4个接头（46）通向环状活塞和密封垫片的后面，推动环状活塞（38）及活动压盘（43），压紧制动磨擦片（35）。液压油切断后，靠3个回位弹簧（36）把活动压盘和环状活塞拉回原位，恢复制动磨擦片的放松状态。这种控制机构每挡都可在无冲击下进行换挡，除起步时需要和操纵机构配合外，其余各种挡位和停车均不需要与任何机构配合。因而完全可以省去离合器，输入轴（1）直接与发动机连结。操作时只需按动电钮就可随意换挡，操作变得十分简单，这在高速车和舒适性要求较高的车辆上，它的优越性是能充分显示的。还有其它的许多控制方法，如机械制动控制，机械控制和手工控制等，本变速器均可根据具体要求和使用条件而确定控制方法。在现有技术中这些都是不难解决的，故不再多加叙述。

关于扩大本变速器应用范围的问题。

附图1、附图2和附图3只提供了原理及2种操作机构的具体结构，但实际应用中还远远不止该图所限制的范围。现将主要的变型和扩大应用介绍如下：

1.可以增加或减少变速器的挡位。在实施中如需多于或少于4个前进挡位，可以根据需要采用增加或减少齿轮（7）、（8）、（9）和齿轮（25）、（24）、（22）数量的方法，根据转速需要设计他们的传动比，即可得到要求的前进和倒车挡位。

2.可以扩大变速的范围。如需输出转速高于输入转速时，可按附图4的方法，将输出齿轮（13）设计得小于输入轴（1）齿轮，并把齿轮（11）改为只与输入轴（1）齿轮啮合，另外增加齿轮（47）与输出齿轮（13）啮合，便可得到高于输入转速的输出转速。

3.在不需要倒挡时，可以把输出齿轮（13）直接固定到输出轴（17）上，省去倒挡机构的所有另件;在只需要倒挡并需变速时，可以按附图5的方法改进传动方案。使得结构更为简单，轴向长度更为缩短。

实施例：

现以BJ-130汽车为例，说明具体的实施方案，见附图2和附图3。

BJ-130汽车发动机最高转速为4000转/分，原设计传动比为：1挡6.09，2挡3.09，3挡1.78，4挡1，倒挡4.95。

1.实施方案的齿轮齿数是：输入轴（1）齿轮和输出齿轮（13）均为15齿，齿轮（11）为25齿，齿轮（9）为18齿，齿轮（22）为21齿，齿轮（8）为16齿，齿轮（24）为24齿，齿轮（7）为12齿，齿轮（25）为27齿。

2.经上述齿轮组，得到如下的传动比：

式中，n-发动机最高转速转/分

Z₂₂-齿轮（22）的齿数（其余各注脚含义相同，下略）

式中，n₁-输出转速转/分

倒挡利用前进第3挡时行星轮架（6）的反转转速。

倒挡传动比略小于原设计要求，倒车速度比原设计快一些，参照其它小型车，不会影响使用，故可以采用。

3.控制机构可以采用附图2或附图3任选一种。用于改造原车时推荐采用附图2的结构，用于开发新产品时，推荐采用附图3的结构。

Claims (9)

1、一种电控(或液控)的差动变速器，该变速器的特征在于：在由变速器体(23)和后盖(18)所组成的变速器壳体内的同一轴线上，一端通过轴承安装着行星轮架(6)、输入轴(1)和若干个制动套，另一端通过轴承安装着输出轴(17)，输入轴和输出轴内端用轴承互相支撑，输出轴(17)上套装着输出齿轮(13)，每个制动套的内端固装着1个不同齿数的齿轮，外端固装着1个制动轮；在行星轮架(6)的同一圆周上，通过3个行星轮轴(10)，套装着3个相同的由若干个齿数不同的齿轮组成的多联齿轮，其中的齿轮(7)、(8)、(9)(根据变速档位数的需要可以增加或减少)分别和制动套上的齿轮(25)、(24)、(22)(根据变速档位数的需要也可同时增加或减少)相啮合，齿轮(11)同时和输入轴(1)齿轮、输出齿轮(13)相啮合；输出轴(17)上安装着活动牙嵌(21)，它可在输出轴的花键上左右移动，平时被弹簧(19)压向左端，和输出齿轮(13)结合；行星轮架(6)上固接外牙嵌(20)，后盖(18)上安装电磁铁(16)，活动衔铁(15)连着拨叉(14)，电磁铁通电时，可以吸动活动衔铁(15)，带动拨叉(14)，将活动牙嵌(21)与输出齿轮(13)分离，和外牙嵌(20)相结合；相对于行星轮架(6)上的制动轮和若干个制动套上的制动轮，每个制动轮安装着一套制动机构。

2、根据权利要求1所述的变速器，其特征在于所述输入轴（1）齿轮、输出齿轮（13）的齿数可以不相等，齿轮（11）可以由两个齿数不同的齿轮所组成。

3、根据权利要求1所述的变速器，其特征在于所述制动机构，可在制动轮上开制动凹槽（30），在变速器体（23）左面安装着支点轴（29），支点轴上套装棘轮（31），棘轮和壳体之间安装弹簧（33），棘轮由销（32）连接拉杆（34），拉杆由电磁铁所驱动。

4、根据权利要求1所述的变速器，其特征在于所述制动机构，可用下述的液压制动离合器实现：制动轮上开有外花键，在制动轮上安装制动磨擦片（35），在变速器体（23）左面，安装着支点轴（45），支点轴上固装固定压盘（44），套装活动压盘（43），固定压盘与活动压盘之间安装制动摩擦片（35），相邻两个活动压盘之间安装弹簧（36）和液控压紧缸，由液控压紧缸压紧或放松活动压盘（43）。

5、根据权利要求4所述的变速器，其特征在于所述液压制动离合器的液控压紧缸是：在固装于支点轴（45）的底板（40）上，固装内缸（39）、外缸（37），在内缸和外缸之间安装环状活塞（38），在环状活塞和底板之间安装密封垫片（41），底板（40）上安装接头（46），液压油通过接头通向环状活塞和密封垫片的后面，推动环状活塞（38），得到压紧活动压盘（43）、制动磨擦片（35）的压力。

6、一种能输出与输入轴旋转方向相反的电控（或液控）的差动变速器，它的特征在于：在由变速器体（23）和后盖（18）所组成的变速器壳体内的同一轴线上，一端通过轴承安装着输入轴（1）和若干个制动轮，另一端通过轴承安装着输出轴（17）及其固定到它上面的行星轮架（6），输入轴和输出轴的内端用轴承互相支撑，每个制动套的内端固装着一个齿数不同的齿轮，外端固装着一个制动轮;行星轮架（6）上的同一圆周上，通过3个行星轮轴（10），套装着3个相同的由若干个齿数不同的齿轮组成为一体的多联齿轮，其中的齿轮（7）、（8）、（9）（根据变速档位数的需要可以增加或减少）分别和制动套上的齿轮（25）、（24）、（22）（根据变速档位数的需要也可同时增加或减少）相啮合，齿轮（11）同时和齿轮（48）、输入轴（1）齿轮相啮合;相对于制动套上的制动轮，每个制动轮安装着1套制动机构。

7、根据权利要求6所述的变速器，其特征在于所述制动机构，可在制动轮上开制动凹槽（30），在变速器体（23）左面安装支点轴（29），支点轴上套装棘轮（31），棘轮和壳体之间安装弹簧（33），棘轮由销（32）连接拉杆（34），拉杆由电磁铁所驱动。

8、根据权利要求6所述的变速器，其特征在于所述制动机构，可用下述的液压制动离合器实现：制动轮上开有外花键，在制动轮上安装制动磨擦片（35），在变速器体（23）左面，安装支点轴（45），支点轴上固装固定压盘（44），套装活动压盘（43），固定压盘与活动压盘之间安装制动磨擦片（35），相邻两个活动压盘之间安装弹簧（36）和液控压紧缸，由液控压紧缸压紧或放松活动压盘（43）。

9、根据权利要求8所述的变速器，其特征在于所述液压制动离合器的液控压紧缸是：在固装于支点轴（45）的底板（40）上，固装内缸（39）、外缸（37），在内缸和外缸之间安装环状活塞（38），在环状活塞和底板之间安装密封垫片（41），底板（40）上安装接头（46），液压油通过接头通向环状活塞和密封垫片的后面，推动环状活塞（38），得到压紧活动压盘（43）、制动磨擦片（35）的压力。

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