CN1019680B - 功率分流无级变速传动系统 - Google Patents

功率分流无级变速传动系统

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Abstract

功率分流无级变速传动系统，具有不少于两个同一传动方向的非零有限数值的功率分流零点。这种系统大幅度地减小了分流功率，从而可以提高功率分流传动系统的效率或扩大其高效调整范围。所举示例涉及包括具有两个受调元件的调整装置的系统，包括轮系的系统，包括串联轮系的系统，由功率分流传动系统串联成的系统及分别以机械无级变速装置、液压传动装置、液力变矩器作为调速装置的系统。

Description

本发明属于按无级变速方式传递机械运动或（及）动力的系统，所说系统包括一个自由度（注1）大于1的机构，称为多自由度机构，及至少一个无级变速传动装置，该装置至少有两个传动元件与多自由度机构的不同传动件联接（注2），从而该无级变速传动装置形成了多自由度机构之外的功率通道，故这种传动系统被称为“功率分流传动系统”，而当其工作时，经由前述无级变速传动装置传递的功率则被称为分流功率。
前述无级变速传动装置的传动元件间的力学关系还对多自由度机构形成附加约束。假设所有的前述无级变速传动装置各自保持其传动件间的速比不变，则所说传动系统的自由度为1，从而，若变更某一无级变速传动系统的传动件间的速比，所说传动系统的速比（注3）亦产生相应的变化。所说系统中，凡可由其速比的变化而导致系统速比的变化的无级变速装置称为该传动系统的调速装置。多自由度机构内，与调速装置的传动件联接并受其制约的传动件称为该调速装置的受调元件。
现有的功率分流传动系统包括一个作为多自由度机构的轮系及一个调速装置。为此，可参阅“机械工程手册，电机工程手册编辑委员会”所著之《机械工程手册》第6卷，机械工业出版社1982年北京第一版之第34篇第1.7节“液压-机械分流传动”及第35篇第4章“双流液力机械传动元件”的记载。
假设所说传动系统内的一个无级变速装置单独作为系统的调速装置工作，即，其余的无级变速装置各自保持其传动件间的速比不变，该传动系统在某一速比工作时，所说调速装置的分流功率为零，则该系统的 这一速比称为所说调速装置在前述操作状态下的功率分流零点。
通常，功率分流传动系统中的分流功率与该系统所具有的功率分流零点的数量及分布有关。所说系统工作的速比与功率分流零点之差越大，则其调速装置的分流功率也越大。
传递大的分流功率需要大容量的调速装置，这使整个传动系统的成本增加，并且，由于现有常用的无级变速传动装置，例如液力变矩器，的效率较低，往往这也使整个传动系统的效率下降。
现有的功率分流传动系统由于不具有功率分流零点或不具有合适数值的功率分流零点，工作时通常不可避免产生较大的分流功率。
本发明的目的在于，减小功率分流传动系统中流经调速装置的分流功率，从而使所说传动系统在较大变速范围内保持高效率，或者，使用较小容量的调速装置就可以使所说传动系统在所需要的变速范围内有效地工作。
为了实现上述目的，本发明提出一种所说功率分流传动系统，其特征在于，包括至少一个无级变速传动装置，当其单独作为系统的调速装置时，具有至少两个功率分流零点，并且其中至少有两个相邻的功率分流零点为同一传动方向的不同非零有限数值。并且所说传动系统能够单独以所说装置调速，在所说两个功率分流零点所界定的速比区间内工作。换言之，即所说功率分流零点所界定的速比区间至少包括了该传动系统按所说调速条件工作时的速比变化范围的一部分。
由于所说传动系统作无级变速时，其分流功率的变化是连续的，因此，在两个相邻功率分流零点所界定的速比区间内，其分流功率有极值。通常，这一极值小于现有功率分流传动系统在同一调速范围内工作时分流功率的最大值。例如，对于机械损耗很小的传动系统而言，若一个属于本发明的传动系统具有一个调速装置，当其单独作为该系统的调速装置时，有两个同向的功率分流零点iq＝1.5及ib＝4.5。当该传动系统 的速比在1.5到4.5的范围内变化时，其分流功率与输入功率之比的最大值约为27%，而只有一个功率分流零点i＝4.5的功率分流传动系统在同一范围变速时，若该系统的调速装置的一个传动件与系统的主动件相联接，则其最大分流功率与输入功率之比约为67%;而若该系统的调速装置有一个传动件与系统的从动件相联接，则其最大分流功率约为输入功率的200%。
以下将结合附图列举示例对上述发明作进一步的说明。
图1（以及图2，图3）展示一种属于上述发明的传动系统的基本构成方式。
图4示出一种包括一个轮系及一个调速装置的传动系统。图5，图6及图7分别是该传动系统用摩擦无级变速器，液力变矩器及液压传动装置作为系统的调速装置的情形。
图8及图9分别示出一种包括一个轮系及液力变矩器的传动系统。
图10示出一种包括两个被串联的传动系统的系统。
参见图1，一种功率分流传动系统，包括多自由度机构（1）及无级变速传动装置（2）、（3）。该系统的主动件是（4），从动件是（5）。各无级变速装置有传动件与多自由度机构的传动件（6），（7），（8），（9），（10），（11）联接，装置（2）及（3）各有不少于两个传动件与多自由度机构联接，从而各自成为多自由度机构（1）之外的功率传输通道。若各无级变速装置保持其各自传动件间的速比不变，则整个传动系统的自由度为1。若变更无级变速装置（2）或（3）的传动件间的速比，该传动系统的速比会产生相应的改变，装置（2）或（3）即为该传动系统的调速装置。
本发明提出一种如图1的功率分流传动系统，所说系统包括一个调速装置（2），该装置只有两个彼此独立，且均相对于主，从动件（4），（5）独立（注4）的受调元件。当（2）单独作为系统的调速装置时，在传动件 功率分流无级变速传动系统 （6）及（7）分别静止的状态，所说传动系统的速比各为i1a及i1b，i1a及i1b是同一传动方向的不同非零有限数值。显然，当元件（6）或（7）分别静止时，调整装置（2）内的功率流断流，故i1a及i1b均为调速装置（2）的功率分流零点。若所说系统的机械损耗很小，当该系统仅以（2）为调速装置在i1a及i1b所界定的速比区间内工作时，装置（2）所传送的分流功率不会大于一个极值，该极值小于现有功率分流传动系统在同一速比区间内的最大分流功率。
前述本发明提出的传动系统中，所说具有两个受调元件的调速装置可以是如（3）所示的装置。多自由度机构具有多于两个与该装置联接的传动件（8），（9），（10），（11）。但除开其中两件（9）及（10）外，在所说传动系统工作时，其余的传动件或者被制动，如（11）;或者与前述两个传动件之一联接，如（8）。很明显，在实质上，调整装置（3）的受调元件仍只有两个。
前述传动系统中的多自由度机械可包括轮系。
图2所示为一种前述发明的传动系统，其多自由度机械包括一个串联轮系。该串联轮系包括两个轮系（12）及（13）。轮系（12）及（13）之间只有一副传动件的联接（14）。
图3所示为一种前述发明的传动系统，这种传动系统包括两个被串联的功率分流传动系统（15）及（16），其中，至少有一个传动系统是前述本发明所说的传动系统。两个被串联的传动系统（15）及（16）间只有一副传动件的联结（17），如图，即一个传动系统（15）的从动件与另一传动系统（16）的主动件的联接。这种系统可被视为图1所示系统之一种，其多由度机构包括两个被串联的部分，各调速装置的传动件分别地只与其中之一的受调元件联接。
前述本发明所提出的传动系统中的调整装置（2），（3），可以是静力型无级变速传动装置，如各种机械式无级变速传动装置（包括刚性摩 擦元件式，挠带式及脉动式无级变速传动装置），液压无级变速传动装置;也可以是动力型无级变速传动装置，如液力变矩器。
作为前述传动系统的调速装置的液压无级变速装置，通常包括具有变量泵及马达的液压回路。当所说传动系统在功率分流零点工作时，所说泵与马达间的工作液流量为零。现有的液压变量马达在排量为零或接近于零时性能不良或不能工作。为了改善所说调速装置及传动系统在功率分流零点及其邻近速比工作时的性能，可以在所说调速装置回路中用“泵-马达组合”作为相当于一个变量泵或变量马达的部件。所说的“泵-马达组合”如图7中的（18），包括传动轴互相联接的一个变量泵（19）及一个马达（20）。该组合的一个液路接口与泵（19）的吸入口和马达（20）的排出口连通，而另一个液路接口与泵（19）的排出口和马达（20）的吸入口连通。这种“泵-马达组合”的排量基本等于泵（19）及马达（20）的排量差，当泵（19）与马达（20）的排量基本相等时，该组合的排量可为零，所以，马达（20）可以不在零排量或接近零排量的状态工作。
前述本发明提出的传动系统，如果具有多于一个的调速装置，则可能在某些工作状况下，所有调速装置的分流功率的总和太大。特别是，当所说传动系统以多个液力变矩器作为调速装置时，这种情况将导致该传动系统效率下降。为了减小所说传动系统在各液力变矩器内的机械损耗的总和，可以在系统的所说工况，使一部分作为调速装置的液力变矩器处于导轮浮动的状态。在这种状态，液力变矩器内的机械损耗通常较小。
参照图4，一种前述本发明所说的传动系统，包括一个自由度为2的轮系（21）及一个调速装置（22）。该轮系（21）包括两个行星排（23）及（24），在所说系统的无级变速状态，行星排（24）的中心轮（25）为系统的主动件，其行星架则与另一行星排（23）的内齿圈联接成一个传动件（26），并作为系统的从动件。行星排（23）的行星架（27）与行星排（24）的齿圈 （28）联成一个传动件，行星排（23）的中心轮（29）及传动件（27）作为受调元件分别与调速装置（22）的两个传动件联接。当件（27）或件（29）的转速分别为零时，调速装置（22）内的分流功率为零。在这两种状态下，该传动系统的速比均为调速装置（22）的功率分流零点。用众所周知的轮系计算法很易验证，这两个速比为同一传动方向的有限数值，且可大于1。
图5是图4所示传动系统之一种，该系统的所说调速装置是摩擦无级变速器（30）。该变速器的两个摩擦盘（31），（32）分别与轮系的受调元件联接。图4的传动系统也可用其他类型的机械式无级变速传动装置作为系统的调速装置。
图6是图4所示传动系统之一种，该系统的所说调速装置是液力变矩器，该液力变矩器具有两个分别与轮系中的受调元件联接的动叶轮（33）及（34）。
一种上述传动系统，在所说液力变矩器的导轮与机架间有单向离合器（35），当该传动系统的速比从大于1变小，件（33）与件（27）的转速随之相近时，该单向离合器松开，让导轮浮动。
一种上述传动系统，在行星排（23）的行星架（27）及行星排（24）的内齿圈（28）间有离合器（36），在件（25）及件（29）间有离合器（37），在件（29）上有制动器（38），在件（27）上有制动器（39）。该传动系统可按有级变速方式工作，其操作方法列于（表1）。该传动系统按无级变速方式工作时，离合器（36）闭合，制动器（38）及（39）松开。
图7是图4所示传动系统之一种，其调速装置是液压无级变速传动装置，所说轮系的两个受调元件分别与该装置的传动轴联接，所说传动轴分别属于该装置的变量泵（或相当于变量泵的“泵-马达组合”）及变量马达（或相当于变量马达的“泵-马达组合”）。如图7，所说液压无级变速传动装置包括具有变量泵（40）及相当于变量马达的“泵-马达组合”（18）的液压回路。变量泵（40）的传动轴与轮系中的件（29）联接; “泵-马达组合”（18）包括变量泵（19）及马达（20），泵（19）及马达（20）共用的传动轴与轮系中的件（27）联接。
参照图8，一种本发明所说的传动系统，包括轮系（41）及一个调速装置（42）。所说轮系包括内齿圈（43），行星轮（44），行星架（45）及两个中心轮（46）与（47），行星轮（44）上有两个外齿圈分别与两个所说中心轮啮合。件（43）及（45）作为受调元件分别与所说调速装置（42）的传动件联接。
一种上述系统的主动件为（46），从动件为（47），经用众所周知的轮系计算法适当选择轮系（41）的结构参数，所说传动系统的速比在受调元件（43）及（45）转速分别为零时为同一传动方向的小于1的不同非零数值。
一种上述系统的调速装置（42）为液力变矩器，该液力变矩器具有两个分别与受调元件（43）及（45）联接的动叶轮，在该液力变矩器的导轮与机架间有单向离合器（48），当所说传动系统的速比从小于1变大，件（45）与件（43）的转速随之相近时，所说单向离合器松开，让导轮浮动。
一种上述传动系统，在件（43）及（45）间有离合器（49），在件（43）及（45）上分别有制动器（50）及（51），该传动系统可按有级变速方式工作，其操作方法列于表2。该传动系统按无级变速方式工作时，离合器（49）及制动器（50）与（51）均松开。
参照图9，一种本发明所说的传动系统，包括轮系（52），该轮系包括行星排（53）及行星轮组（54）。行星排（53）包括其中心轮、行星轮、行星架及内齿圈。行星轮组（54）包括两个中心轮、两个行星轮、行星架及内齿圈。行星轮组（54）的一个行星轮（55）与中心轮（56）啮合，另一个行星轮（57）同时与另一中心轮（58）及行星轮（55）啮合。行星轮（55）及（57）同被安装在行星架（59）上。行星轮组（54）的内齿圈与行星排（53）的中心轮联成一个传动件（60）。在所说传动系统的无级变速工作状态，行星轮组（54）的行星架（59）与行星排（53）的行星架（61）联成一个传动件。行星轮组（54）的行星架（59）及中心轮（58）作为受调元件分别与该传动系统的调速 装置联接，该传动系统的主动件是件（56），从动件是行星排（53）的内齿圈（62）。用众所周知的轮系计算法即可适当选择所说轮系的结构参数，使所说传动系统在受调元件（59）及（58）转速分别为零时的速比是大于1的不同有限数值。
一种上述传动系统，其调速装置（63）是液力变矩器，该液力变矩器具有两个分别与受调元件（59）及（58）联接的动叶轮。在该液力变矩器的导轮与机架间有单向离合器（64），当所说传动系统的速比从大于1变小，件（59）与件（58）的转速趋于相近时，所说单向离合器松开，让导轮浮动。
一种上述传动系统，在件（58），（60）及（61）上分别设有制动器（65），（66），（67），在件（59）与（61）间有离合器（68），在件（62）与（61）间有离合器（69）。该传动系统按无级变速方式工作，其操作方法列于表3。该传动系统按无级变速方式工作时，离合器（68）闭合，其余离合器及制动器均松开。
参照图10，一种本发明所说的传动系统，包括两个调速装置及自由度为3的轮系。实际上，该传动系统是将图8所示传动系统（70）与图9所示传动系统（71）串联而成的传动系统。为对照方便，除了个别指明的元件外，图10中各元件编号沿用图8及图9中各对应元件的编号。
按图10所示，所说传动系统是将传动系统（70）的从动件（47）与传动系统（71）的主动件（56）联接成一个传动件（72）而成。所说系统的轮系亦为图8及图9所示系统的轮系串联成的轮系，而其调速装置即液力变矩器（42）与（63）。
为了避免在某些工况下，两个液力变矩器的功率损耗总和过大，图10所示传动系统在件（72）及主动件（46）间设有单向离合器（73），在件（72）及从动件（62）间设有单向离合器（74），以使件（72），总是与主、从动件中速度较快的一个联接。当该传动系统的速比大于1时，单向离合器（73）结合，如前所述，液力变矩器（42）的单向离合器（48）松开，故液 力变矩器（42）即保持导轮浮动的状态，所说传动系统以液力变矩器（63）调速;当所说传动系统的速比小于1时，单向离合器（74）结合，液力变矩器（63）的单向离合器（64）松开并让其导轮保持浮动的状态，所说传动系统以液力变矩器（42）调速。
一种所说传动系统中的系统（70）与系统（71）各自具有图8及图9所示传动系统中的全部离合器与制动器，该传动系统可按有级变速方式工作，其一种操作方法示于表4。当该传动系统按无级变速方式工作时，离合器（68）闭合，其余制动器与离合器松开。
附表[注5]：
表1
档号    1    2    3    -1
36    36    36    39
操作    39    38    37    37
表2
档号    1    2    3
操作    49    50    51
表3
档号    1    2    3    4    -1
68    68    68    68    67
操作    67    66    65    69    65
表4
档号    1    2    3    4    5    6
68    68    68    68    68    68
操作    67    67    67    66    66    66
49    50    51    49    50    51
档号    7    8    9    -1    -2    -3
68    68    68    67    67    67
操作    69    69    69    65    65    65
49    50    51    49    50    51
附注：
注1）本案说明书及权利要求书内所谓传动系统的自由度系指其机架固定状态的自由度。
注2）本案说明书及权利要求书内所谓某传动件与另一传动件联接，是指所说的两个传动件间有固定的相对速比，例如轴与轴的固结及轮与轮的耦合。
注3）本案说明书及权利要求书内所谓某传动系统的速比是指该系统的主动件相对于从动件的速比，即，
i12＝n1/n2
i12-所说系统的速比
n1-主动件的运动指标，例如角位移或转速
n2-从动件的运动指标，与n1同单位
注4）本案说明书及权利要求书内所谓多自由度机构的某元件相对于某元件独立，是指该多自由度机构在孤立状态（机架仍须固定）将所说两个元件之一固定，另一所说元件仍可自由活动。
注5）各附表内仅列出各操作状态下需要闭合的离合器及制动器，至于松开的离合器及制动器，以及单向离合器则不予列出。各标以负号的档号表示倒档。

Claims (8)

1、一种功率分流传动系统，用于在其工作速比范围内按无级变速方式传递机械动力，包括一个主动件、从动件、可用作调速装置的无级变速传动装置及联接所说主动件、从动件与各无级变速传动装置的多自由度机构，该机构包括与各无级变速传动装置的传动件相联接的受调元件，至少有一个无级变速传动装置的传动件分别地与两个相互独立的受调元件联接，所说传动系统的特征是，当其仅以所说无级变速传动装置作为调速装置时，在其两个受调元件分别静止的状态，所说传动系统的速比是同一传动方向的两个不同的非零有限数值，并且由所说两个速比所界定的速比区间至少包括所说该传动系统的工作速比范围的一部分。
2、按照权利要求1所说的传动系统，其特征是，所说调速装置是液压无级变速传动装置，该装置包括一个排量可变的‘泵-马达’组合，所说组合包括传动轴互相联接的一个变量泵及一个马达，该组合的一个液路接口与所说变量泵的吸入口及所说马达的排出口连通，该组合的另一个液路接口与所说变量泵的排出口及所说马达的吸入口连通。
3、按照权利要求1所说的传动系统，其特征是，所说多自由度机构包括一个行星轮系，所说轮系包括两个行星排，每一行星排均具有内齿圈、中心轮、行星轮及行星架，在该系统的无级变速状态，第二个所说行星排（24）的中心轮（25）与该系统的主动件联接，其行星架则与第一个行星排（23）的内齿圈联接成一个传动件（26），并与该系统的从动件联接，第一个行星排（23）的行星架（27）与第二个行星排（24）的内齿圈（28）联接成一个传动件，该传动件与第一个行星排的中心轮（29）同作为受调元件分别与所说调速装置的传动件联接。
4、按照权利要求1所说的传动系统，其特征是，所说多自由度机构包括一个行星轮系，该轮系包括内齿圈（43），行星轮（44），行星架（45）及两个中心轮（46）（47），所说行星轮（44）上有两个外齿圈分别与所说两个中心轮啮合，所说内齿圈（43）及行星架（45）作为受调元件分别与所说调速装置的传动件联接，所说两个中心轮（46）（47）分别与该系统的主动件与从动件联接。
5、按照权利要求1所说的传动系统，其特征是，所说多自由度机构包括一个行星轮系，该行星轮系包括一个行星排（53）及一个行星轮组（54），所说行星排包括其中心轮，行星轮、行星架及内齿圈，所说行星轮组包括两个中心轮，两个行星轮，行星架及内齿圈，行星轮组（54）的第一个行星轮（55）与其第一中心轮（56）啮合，该行星轮组的第二个行星轮（57）同时与其第二个中心轮（58）及其第一个行星轮（55）啮合，该行星轮组的两个行星轮同被安装于其行星架上，行星轮组的内齿圈与行星排的中心轮联接成一个传动件（60），在所说传动系统的无级变速状态，行星轮组的行星架（59）与行星排的行星架（61）联成一个传动件，行星轮组的行星架（59）及其第二个中心轮（58）作为受调元件分别与所说调速装置的传动件联接，行星轮组的所说第一个中心轮（56）与所说系统的主动件联接，行星排的内齿圈（62）与所说系统的从动件联接。
6、按照权利要求1所说的传动系统，其特征是，包括两个被串联的功率分流传动系统，即其中第一个系统的从动件与第二个所说传动系统的主动件联接，所说被串联的系统中，至少有一个系统包括一个调速装置，该装置的传动件分别与两个相互独立的受调元件联接，当该装置单独作为所说系统的调速装置时，在所说两个受调元件分别静止的状态，所说系统的速比是两个同一传动方向的不同的非零有限数值，并且由所说两个数值界定的速比区间至少包括所说系统的工作速比范围的一部分。
7、按照权利要求6所说的传动系统，其特征是，所说第一个被串联的系统的速比可小于1，所说第二个被串联的系统的速比可大于1。
8、按照权利要求7所说的传动系统，其特征是，所说第一个被串联的系统的主、从动件间有单向离合器，该单向离合器在该系统的速比小于1时松开，所说第二个传动系统的主、从动件间有单向离合器，该单向离合器在该系统的速比大于1时松开。
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