CN101960173B - 行星变速器 - Google Patents

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Abstract

一种行星变速器(100)，包括：输入构件(13)；输出构件(19)；行星齿轮组件(13、14、15、16、17)，其机械地设置在输入构件与输出构件之间；离心式离合器(40)，其机械地设置在输入构件与输出构件之间；单向离合器(22)，其机械地设置在输入构件与输出构件之间，该单向离合器用于从零旋转速度直到第一旋转速度直接地联接输入构件与输出构件，离心式离合器用于从高于零旋转速度的第二旋转速度到超过第一旋转速度的第三旋转速度直接地联接输入构件与输出构件；以及制动器构件，其用于有选择地控制行星齿轮组件的旋转。

Description

行星变速器
技术领域
本发明涉及一种行星变速器，更具体地涉及一种具有用于有选择地直接联接输入构件与输出构件的离心式离合器和单向离合器的行星变速器。
背景技术
可切换的行星变速器用于在发动机怠速时向附属组件(诸如空调压缩机、交流发电机、转向助力油泵或任何其他种类的辅助装置)提供足够的速度，而不会引起这些组件在高的发动机转速下在规格之外超速运转，这可能造成损坏。这使得即使在减小附属组件的尺寸的情况下，也能够保证车辆电气系统、转向系统或AC系统的操作。在高的发动机转速下降低的附件速度导致较低的功率损失，以给出较高的最高性能。
本技术领域的代表是美国专利No.4827799，其公开了一种用于诸如摩托车和远程控制模型车的车辆的无级行星变速器。该变速器包括轴颈安装在输入轴的端孔内的从动轴。太阳齿轮刚性地套在从动轴上。行星齿轮承载器可旋转地套在从动轴上并用作功率输出构件。第一离心式离合器介于齿圈与输入轴之间，使得当输入轴的旋转速度提高时，齿圈与输入轴同步旋转。在承载器上可旋转地安装有一组行星齿轮，并且该组行星齿轮与齿圈和太阳齿轮啮合。第二离心式离合器包括安装在承载器上的摩擦瓦、以及刚性地套在从动轴上的轮缘离合器。单向轴承将从动轴限制成仅沿与输入轴相同的方向旋转。当输入轴以低速旋转时，通过单向轴承的限制作用固定太阳齿轮，使得承载器到输入轴的旋转速度比低。当输入轴以高速旋转时，第二离心式离合器使承载器与从动轴互相接合，使得齿圈与太阳齿轮沿相同的方向旋转，以获得承载器到输入轴的高的旋转速度比。
需要的是一种行星变速器，其具有用于有选择地直接联接输入构件与输出构件的离心式离合器和单向离合器。本发明满足该需求。
发明内容
本发明的主要方面是提供一种行星变速器，其具有用于有选择地直接联接输入构件与输出构件的离心式离合器和单向离合器。
本发明的其他方面将通过本发明以下的说明和附图来被指出或变得显而易见。
本发明包括一种行星变速器，其包括：输入构件；输出构件；行星齿轮组件，其机械地设置在输入构件与输出构件之间；离心式离合器，其机械地设置在输入构件与输出构件之间；单向离合器，其机械地设置在输入构件与输出构件之间，该单向离合器用于从零旋转速度直到第一旋转速度直接地联接输入构件与输出构件，离心式离合器用于从高于零旋转速度的第二旋转速度到超过第一旋转速度的第三旋转速度直接地联接输入构件与输出构件；以及制动器构件，其用于有选择地控制行星齿轮组件的旋转。
附图说明
并入并形成本说明书的一部分的附图示出了本发明的优选实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是变速器的剖视图。
图2是变速器的后视透视图。
图3是离心式离合器的前视透视图。
图4是离心式离合器的正视图。
图5是根据图4的5-5的截面图。
图6是滚柱离合器的横截面图。
图7是滚柱离合器的细节。
图8是示出根据发动机每分钟转数的变速器转矩的图表。
图9是分解透视图。
图10是用于变速器的控制系统的示意图。
图11是变速器与带式制动器的透视图。
具体实施方式
图1是变速器的剖视图。变速器100是安装在内燃机曲轴的端部上的紧凑单元。
变速器100包括输入构件13。输入构件13利用螺栓11连接至发动机曲轴。惯性构件12连接至输入构件13。
输入构件13还包括承载构件13a。输入构件、惯性构件12和承载构件13a连接以形成输入组件。承载构件13a是输入构件13的一部分。
围绕承载构件13a设置有多个行星齿轮14。各行星齿轮14围绕心轴15旋转。
从承载构件13a径向向外设置有齿圈16。各行星齿轮14接合齿圈16与太阳齿轮17。
齿圈16在轴承18上绕承载构件13a旋转并在轴承20上在输出构件19上旋转。
承载构件13a、行星齿轮14、心轴15、和齿圈16构成行星齿轮组件。
制动器构件带式制动器的带24接合齿圈16的表面25。带式制动器可包括本领域已知的带式制动器。例如，在美国专利No.4,881,453中公开了带式制动器，该美国专利在此以参考的方式全文并入。
太阳齿轮17设置在输出构件19上。
输出构件19包括皮带支承面21。皮带支承面可具有任何需要的轮廓，包括如所示的多肋轮廓。
在输入构件13与输出构件19之间直接设置有单向离合器22。该布置没有如现有技术教导地那样将承载器13a与曲轴(CRK)分离。
离心式离合器40压配合到输入构件13上。摩擦轮缘41接合输出构件19的内表面191。
部分27和28防止碎屑进入变速器，并且还提供结构支撑。
本发明的变速器具有两种运行模式。第一种是当带式制动器没有接合时。第二种是当带式制动器接合时。
第一运行模式
在第一运行模式中，曲轴(未示出)使输入构件13旋转，并因此使承载构件13a旋转。惯性构件12从动于输入构件13并不再进一步描述。
由于离心式离合器40没有接合并且带式制动器没有接合，所以齿圈16自由旋转。
在该模式下，单向离合器22接合，因此使输出构件19与输入构件13一致地并且以相同的速度旋转。
在用于发动机加速直到大约4300RPM的该模式中，输出构件由单向离合器22驱动。对于超过大约4300RPM的速度，离心式离合器与输出构件19接合，并且单向离合器由于滚柱(见图7)上的向心效应而脱离。
在第一运行模式中，转矩流从输入构件13、(并且对于低于～4300RPM的速度)直接通过单向离合器22然后通过输出构件19到皮带(未示出)，(而对于高于～4300RPM的速度)直接通过离心式离合器40然后通过输出构件19到皮带。
第二运行模式
在第二运行模式中，带式制动器24接合。这防止齿圈16旋转。当齿圈16锁定时，承载构件13a的旋转使各行星齿轮14围绕各自相应的心轴15旋转。各行星齿轮14的旋转使得以与输入构件13相同的旋转方向、但在具有大约2∶1比率的较高速度下驱动太阳齿轮17。由于以比输入构件13高的速度驱动太阳齿轮17和输出构件19，所以超越(override)单向离合器22并且该单向离合器22脱离。
在第二运行模式中，转矩流从输入构件13(并因此通过承载构件13a)通过行星齿轮14、通过太阳齿轮17到输出承载器19。由于单向离合器22和离心式离合器40脱离，所以不通过单向离合器22或离心式离合器40传递转矩。
图2是变速器的后视透视图。离心式离合器40设置在输入构件13与输出构件19之间。
图3是离心式离合器的前视透视图。离合器40包括可拉伸的摩擦环41和内环42。在摩擦环41与内环42之间设置有配重43和摩擦元件44。内环42包括用于定位、引导和保持配重43和元件44的引导件420。
摩擦环41包括可拉伸的弹性体材料。例如，合适的材料可包括EPDM橡胶，其在大约2％至大约4％的伸长率时具有大约30N至50N的拉伸模量，并具有大约1.5至大约3.0的摩擦系数(COF)。该材料将具有大约-45℃至大约160℃的温度性能范围。
另一合适的材料包括高温HNBR。除提供EPDM的给定的模量和COF之外，HNBR还提供耐油性并具有大约-25℃至大约+160℃的温度范围。
高温聚氨酯是第三种可用材料。聚氨酯在提供与HNBR相当的良好的耐油性和耐热性的同时，其COF范围为大约2.0至大约3.0。
图4是离心式离合器的正视图。元件44的侧面441和442包括与半径R的角偏差。配重43的侧面431和432包括与半径R的角度关系α。侧面442滑动地接合侧面431。侧面441滑动地接合侧面432。
侧面431、432、441、442的角度关系确保在配重43和元件44随离合器40旋转而径向向外运动时，配重43与元件44保持接触。
内环42包括径向突出构件420。构件421保持配重43与元件44处于正确的关系，使得转矩可从内环42传递至构件421、并通过元件44传递至摩擦环41和从摩擦环41传递至输出构件19。
作为示例而非限制，各配重43重大约17克，而各元件44重大约7克。
图5是来自图4的截面5-5。引导件420从内环42径向地突出。各配重43和元件44通过凹槽433(用于配重43)和凹槽443(用于元件44)与引导件420接合。
在操作中，由配重43和元件44各自的质量产生的离心力迫使配重43和元件44各自抵靠着摩擦环41径向向外运动。当旋转速度提高时，由配重和元件各自施加的力也增加。这增加由摩擦环41施加在输出构件19的内表面191上的法向力。摩擦力为法向力与摩擦系数的乘积。
图6是滚柱(单向)离合器的剖视图。离合器22包括内座圈220、外座圈221、轴承230和轴承231。轴承230和231为滚珠轴承。内座圈220压配合在输入构件13上。
图7是滚柱离合器的细节。离合器22包括外座圈221。外座圈221包括朝内座圈220径向延伸但不接触内座圈220的柄脚224。还包括倾斜面225。滚柱222设置在倾斜面225与内座圈220之间。弹簧构件223以预定的力压在滚柱222上。
倾斜面225在滚柱222接触内座圈的点处与相对于内座圈的切线具有微小的发散角间距。这具有在倾斜面225和内座圈的切线之间建立锐角的效果。
在操作中，倾斜面225与内座圈220的会聚性质使滚柱222锁定或“俘获”在倾斜面225与内座圈220之间，使得内座圈220和外座圈221以锁定的方式旋转。当内座圈沿相反的方向旋转时，或者当外座圈比内座圈旋转得快时，倾斜面225与内座圈的发散性质使滚柱222脱离，从而防止在内座圈与外座圈之间传递转矩。图7是表示在单向离合器22中多个这样的部件的细节。
单向离合器的最大转矩为大约200N。各滚柱的位置根据其离心力而定。
F＝mv2/r N
其中
F为离心力
m是以kg为单位的滚柱的质量
v是以米/秒为单位的切向速度
r是以米为单位的半径
N为牛顿
在预定的速度下，基于各滚柱的质量、离合器的旋转速度、和弹簧223的弹簧刚度，各滚柱开始沿倾斜面径向向外运动。这最终使各滚柱脱离内座圈，从而使内座圈脱离外座圈。这完全停止内座圈与外座圈之间的转矩传递。
图8是示出根据发动机每分钟转数的变速器转矩的图表。该图表示出如对于图7所描述地，在大约4300RPM下，单向滚柱离合器22开始脱离。同时地，离心式离合器40开始接合。在大约6000RPM下，各滚柱222完全脱离，从而使单向离合器22脱离。同时，离心式离合器40在摩擦环41与内表面191之间形成较大量的摩擦力。结果，离心式离合器能够逐渐地增大从输入构件13通过离合器40传递至输出构件19的转矩的量。
图9是分解透视图。
图10是用于变速器的控制系统的示意图。真空致动器201连接至车辆真空系统210。真空致动器还连接至本领域已知的E3控制器300。E3控制器300连接至车辆电池301。
速度传感器302向E3控制器提供发动机转速信号。可为E3控制器编程，以基于预定的发动机转速致动真空致动器201。例如，在发动机怠速时，带式制动器为“ON”，因此真空致动器为“ON”并且带24与表面25接合。这停止齿圈16的旋转。这使输出构件19以比输入构件13的速度高的速度旋转。这继而使得在发动机怠速时以合适的速度驱动附件。发动机怠速通常为～700RPM至900RPM。传动比通常在大约2∶1的范围内。
在高于～200RPM的速度处，真空致动器为“OFF”，允许齿圈16旋转。发动机转速信号来自速度传感器302。齿圈16的旋转使输出构件19以与输入构件13相同的速度旋转。然而，由于输出构件19较小的半径，所以以通常较低的速度驱动附件，从而减少通常使附件以较高的发动机转速运转所需的功率量。输出构件19的直径通常为～90mm。通过比较，曲轴皮带轮通常的直径在大约150mm至175mm的范围内。
图11是变速器与带式制动器的透视图。带式制动器200的带200接合齿圈16的表面25。带包括摩擦材料24a。
带式制动器200由真空致动器201操作。真空致动器201通过连杆202连接至带24。连杆202由导引构件203引导。导引构件203限制连杆202，使得连杆202沿其主轴A-A在大致线性方向上运动。带24在第一枢轴点204处连接至基部206。带24在连杆202的端部连接到第二枢轴点205。
连杆202的线性运动使第二枢轴点205紧密地接合表面25。在没有导引构件203的情况下，在操作期间可由表面25径向向外推第二枢轴点205，这继而可降低带式制动器的效率。
带式制动器200的基部206利用螺栓207安装至诸如发动机的安装面。
真空致动器201连接至车辆真空系统并基于发动机转速控制该真空致动器201。
尽管在此已描述了本发明的形式，但对于本领域的技术人员明显的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可在部件的结构和关系以及方法中作出变化。

Claims (6)

1.一种行星变速器，包括：
输入构件；
输出构件；
行星齿轮组件，其机械地设置在所述输入构件与输出构件之间；
离心式离合器，其机械地设置在所述输入构件与输出构件之间；
单向离合器，其机械地设置在所述输入构件与输出构件之间；
所述单向离合器用于从零旋转速度直到第一旋转速度直接地联接所述输入构件与所述输出构件；
所述离心式离合器用于从高于零旋转速度的第二旋转速度到超过所述第一旋转速度的第三旋转速度直接地联接所述输入构件与所述输出构件；以及
制动器构件，其用于有选择地控制所述行星齿轮组件的旋转，
其中，所述行星齿轮组件包括齿圈，所述齿圈可由所述制动器构件停止。
2.根据权利要求1所述的行星变速器，还包括设置在所述输出构件上的太阳齿轮。
3.根据权利要求1所述的行星变速器，其中，所述离心式离合器包括：
第一质量块和第二质量块，各质量块可从旋转轴线径向向外运动；
摩擦构件，其包括可拉伸的材料并具有环形形状；以及
当所述离心式离合器旋转时，所述第一质量块和所述第二质量块径向向外推压所述摩擦构件。
4.根据权利要求1所述的行星变速器，还包括固定地连接至所述输入构件的惯性构件。
5.根据权利要求1所述的行星变速器，其中，所述制动器构件包括带式制动器。
6.根据权利要求5所述的行星变速器，其中，所述带式制动器是真空致动的。
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