CN103423384A - 齿轮式耦合器 - Google Patents

Abstract

齿轮式耦合器，属于机械制造领域。本发明采用直接对等刚性不完全联结的两个同类型周转轮系构成齿轮式耦合器：两者的内中心轮-内中心轮、外中心轮-外中心轮、行星齿轮保持架-行星齿轮保持架这三对可外联的端口中任选两对直接刚性联结，由未联结的一对分别作为输入与输出端。本发明的齿轮式耦合器为常啮合的齿轮机构，结构简单，稳定传动时，表现为一个刚体，内部不存在相互转动；而受冲击时，内部发生相对转动，可以起到缓冲减震作用。相对于液力耦合器和液力变矩器有更好的效率和加工工艺性。取代液力变矩器有很大的优越性。

Description

齿轮式耦合器

技术领域    本发明属于机械制造领域。本发明系统地涉及一种由两个同类型周转轮系直接对等刚性不完全联结构成的机构，该机构在传递扭矩时表现柔性传动特征——比如运用于汽车技术，当输出端因车辆下坡超速时，表现出与输入端运动关系脱开的超越离合器的功能；或者相反，当油门不足而无法爬坡或车辆制停时，实现输出端逐渐停止转动、输入端自行运转的过载保护。本说明书称之为齿轮式耦合器。用以取代液力耦合器和液力变矩器有更好的效率和加工工艺性。

背景技术    就动力切换时的断开与恢复而言，车辆在行驶中对于快速平顺的技术要求最高。目前就车辆技术应用而言，所有关于换档时刻动力传递中断与恢复的技术方案中，主要有两种方案，即自动变速箱的液力变矩器及多片摩擦式离合器、制动带和手动档车辆的离合器两种方案。液力变矩器可实现动力中断与平顺恢复过程中的柔性，用以配合制动带或多片离合器的动力切断与恢复，但液力传动效率相对较差，需要内置锁止离合器又使液力柔性消失；而离合器通过操作脱开实现分离时切断动力，但它的平顺恢复需要一点操作熟练度，在城市工况等频繁操作时容易造成驾驶疲劳。这些技术对本领域普通技术人员而言，属于专业基础知识，所以本说明书不再就上述论述涉及的零部件详细图解说明。

发明内容    更重要的是，目前所有意图避开液力变矩器的自动化变速箱如自动的手动变速箱AMT、双离合器变速箱DCT(或称直接换档变速箱DSG)都采用了离合器，但离合器的使用磨损会造成自动控制的标定数据发生漂移，这对动力恢复时的平顺性有严重影响，甚至出于其恶劣冲击而进入自我保护模式而停止工作。所以液力变矩器的柔性传动很重要。但液力变矩器存在效率不高(其前身液力耦合器更差已无实用价值)、制造工艺特殊等主要不足，本发明即针对这些不足，采用两个齿轮组即两个同类型的周转轮系构成一种新型的柔性联轴节，本说明书称之为齿轮式耦合器。

较好的是，本发明采用两个直接对等刚性不完全联结的同类型周转轮系，即两个单行星排或两个双行星排周转轮系，两者的内中心轮-内中心轮、外中心轮-外中心轮、行星齿轮保持架-行星齿轮保持架这三对端口中任选两对直接对等刚性联结，由未联结的一对分别作为输入与输出端，从一个周转轮系的未联结端输入动力后，通过与之啮合的两个已联结端向另一个周转轮系的未联结端传递动力，实现动力输出。

亦即，当两个周转轮系都是单行星排周转轮系时，有下列三种结构方式：

两者的内中心轮与内中心轮、行星齿轮保持架与行星齿轮保持架直接对等刚性联结，由各自的外中心轮分别作为输入与输出端；

或两者的外中心轮与外中心轮、行星齿轮保持架与行星齿轮保持架直接对等刚性联结，由各自的内中心轮分别作为输入与输出端；

或两者的外中心轮与外中心轮、内中心轮与内中心轮直接对等刚性联结，由各自的行星齿轮保持架分别作为输入与输出端。

而当两个周转轮系都是双行星排周转轮系时，同上有三种结构方式：

两者的内中心轮与内中心轮、行星齿轮保持架与行星齿轮保持架直接对等刚性联结，由各自的外中心轮分别作为输入与输出端；

或两者的外中心轮与外中心轮、行星齿轮保持架与行星齿轮保持架直接对等刚性联结，由各自的内中心轮分别作为输入与输出端；

或两者的外中心轮与外中心轮、内中心轮与内中心轮直接对等刚性联结，由各自的行星齿轮保持架分别作为输入与输出端。

较好的是，当轴向尺寸需要进一步缩小时，还可以将一级周转轮系在半径方向套在另一级之外，进一步缩小轴向尺寸，使整体结构类似目前常用离合器一样呈扁平盘状。这是液力变矩器无法实现的。

较好的是，本技术方案在稳定传动时，表现为一个刚体，内部不存在相互转动；而受冲击时，内部发生相对转动，可以起到缓冲减震作用。

附图说明    首先说明，本发明的说明书附图均为结构简图，省略了所有轴承、润滑方式、机体、密封件、放油口等申请人认为与说明技术方案无关的具体结构细节；采用齿轮的侧面视图，将每个齿轮的辐板简化为线段、轮齿简化为辐板两端的短线段；当齿轮空套在轴上时，以代表轴的线段穿过两平行短线段表示。

图1为未联结外中心轮的两个单行星排周转轮系构成的齿轮式耦合器结构示意图；

图2为未联结内中心轮的两个单行星排周转轮系构成的齿轮式耦合器结构示意图；

图3为未联结保持架的两个单行星排周转轮系构成的齿轮式耦合器结构示意图；

图4为未联结内中心轮的两个双行星排周转轮系构成的齿轮式耦合器结构示意图；

图5为未联结外中心轮的两个双行星排周转轮系构成的齿轮式耦合器结构示意图；

图6为未联结保持架的两个双行星排周转轮系构成的齿轮式耦合器结构示意图；

为进一步说明本发明的齿轮式耦合器的结构、效果及其优点，下面结合附图在具体实施方式中加以详细说明。

具体实施方式

如附图3所示，该图左右两部分除齿轮大小略有不同外，是对称的。本方案介绍中，假设左侧为输出侧，右侧为输入侧。其中，1为连体内中心轮(及其轴)，2为壳体(为了定位与实现内部齿轮的飞溅润滑，这个壳可以只是半个，或只是个架子)，其上带有3和12两个外中心轮(内齿圈)，4与7为同样的输出侧行星齿轮，5为输出侧周转轮系的行星齿轮保持架(简称保持架)，6为输出轴，8与11为同样的输入侧行星齿轮，9为输入轴，10为输入侧周转轮系的保持架。连体内中心轮1的左端内中心轮与外中心轮3、行星齿轮4及7、保持架5构成一个典型的周转轮系，或者齿轮12、11、8、连体内中心轮1的右端齿轮与保持架10也构成一个周转轮系。这种周转轮系的内外中心轮通过单个行星齿轮就可以传动起来，所以称为单行星排周转轮系。

单行星排周转轮系中内外中心轮与行星齿轮保持架三者的运动学关系为：

$R_e=\frac{Z_a{R}_a+Z_b{R}_b}{Z_a+Z_b},$ 其中：

R-转速，Z-齿数；a-外中心轮，b-内中心轮，e-保持架。

当转动的动力从输入轴9到达保持架10，带动行星齿轮11、8公转，将动力按齿数比传递给连体中心轮1的右端中心轮和外中心轮12，再传递到连体中心轮1的左端中心轮和外中心轮3，由此决定了通过行星齿轮4、7带动保持架5与输出轴6的转动。稳定传动中整个结构表现为刚体，这些内部齿轮间没有转动关系。

如附图1所示，沿用附图3中的零件名称与序号，不同的是，由于改为两个保持架联结、两个外中心轮分别用于输入输出所以不再联结，壳体更多地表现为外中心轮的一部分，所以取消壳体2序号，同时输入输出零件也发生了变更，取消输出轴6、输入轴9，增加输出轴16与输入轴19。

这一结构的动力传递路线参考附图3的说明，只是发生了相应变更，这对普通专业人员显而易见，本说明书不再说明。

如附图2所示，沿用附图3中的零件名称与序号，不同的是，由于改为两个保持架联结、两个内中心轮分别用于输入输出所以不再联结，取消连体中心轮1序号，增加输出内中心轮21、输入内中心轮22序号。输出轴6与输入轴9不再分别联结保持架、而改为分别连接左右内中心轮21与22，考虑到功能未变，仍沿用序号。

与附图1同样，该方案的动力传递路线不再说明。

附图1、2、3中，以附图3为例，类似左右外中心轮3与12固定联结、左右内中心轮直接固定联结为1，这种地位相同的零件直接固定一体的，本说明书称之为直接对等刚性联结，叙述中有时也简称为固定联结、联结等。而从存在类似保持架5与10这样一对未联结端而言，称为不完全联结，整个机构就称为直接对等刚性不完全联结。

如附图6所示，该图左右两部分除齿轮大小略有不同外，是对称的，各自构成完整的周转轮系。其中，31、41为参与构成两侧轮系的两个外中心轮(内齿圈，在本图中已固定联结)：34、44为两侧轮系各自的内中心轮(在本图中固定联结)；32与33为一侧轮系的行星齿轮，安装在保持架35上并相互啮合；42与43为另一侧轮系的行星齿轮，安装在保持架45上并相互啮合；35、45为两侧周转轮系各自的保持架(在本图中未联结)。

以上零件序号与名称在后续附图4、5说明中也适用，不再每图说明。左右两个轮系的联结关系则在具体附图说明中加以指明。

这一结构方案的动力传递路线可参考附图3来说明：当转动的动力从一侧比如保持架35输入，通过其上安装的行星齿轮33、32带动内中心轮34与外中心轮31转动，直接带动被联结的另一侧的内中心轮44与外中心轮41，另一侧的保持架45也就转动起来输出动力。稳定传动中整个结构表现为刚体，这些内部齿轮间没有转动关系。

如附图4所示，沿用附图6的零件名称与序号，不同的是本图中两个保持架固定联结、两个外中心轮固定联结，两个内中心轮分别用于输入输出所以不再固定联结。

这一结构的动力传递路线可参考附图3与6的说明，只是发生了相应变更，这对普通专业人员显而易见，本说明书不再说明。

如附图5所示，沿用附图6的零件名称与序号，不同的是本图中两个保持架固定联结、两个内中心轮固定联结，两个外中心轮分别用于输入输出所以不再固定联结。

与附图4同样，该方案的动力传递路线不再说明。

在附图4、5、6中，以附图6为例，类似左右外中心轮31与41、左右内中心轮34与44这种地位相同的零件直接刚性联结的，本说明书称之为直接对等刚性联结，叙述中有时也简称为固定联结、联结等；而从存在类似保持架35与45这样一对未联结端而言，本说明书称为不完全联结；整个机构就称为直接对等刚性不完全联结。

附图4、5、6中，行星齿轮32、33或42、43在保持架35或45上沿圆周可以均布多对，在图中对称于内中心轮轴的下方，各图示有另外一对。有别于附图1、2、3中所示的单行星排周转轮系类型，附图4、5、6中，外中心轮31或41与内中心轮34或44间通过两个行星齿轮32与33或42与43啮合传动关系，构成另一种类型的周转轮系，本说明书依照常见名称将这种周转轮系称为双行星排周转轮系。

相应地，双行星排周转轮系的功能表现也与单行星排周转轮系有所不同，其内/外中心轮与行星齿轮保持架三者内在的运动学关系为：

$R_e=\frac{Z_a{R}_a-Z_b{R}_b}{Z_a-Z_b},$ 其中：

R-转速，Z-齿数；a-外中心轮，b-内中心轮，e-保持架。

本说明书6个附图涉及2种类型的周转轮系、3种联结方式，共构成的6种齿轮式耦合器。每种耦合器采用的两个轮系都是同类型的：采用两个单行星排周转轮系的3种联结方式，以及采用两个双行星排周转轮系与上述3种完全相同的联结方式。两种轮系自身的功能与运动学关系完全不同，而且相对于采用两个单行星排周转轮系的3种结构，采用较复杂的两个双行星排周转轮系的3种结构也较复杂，工程意义相对较差，但总体设计思想与总成结构的功能表现是完全相同的。

当本发明的齿轮式耦合器需要进一步缩小轴向尺寸时，甚至可以将一级周转轮系在半径方向套在另一级之外，本领域技术人员可以由各附图简单变形得出其结构关系，本说明书不再附图示意和说明。

最后说明，单、双行星排两种周转轮系均有其固有的运动学关系和内部力矩关系，采用任何一种构成齿轮式耦合器时，总成的机械效率、左右两个轮系的主从动关系设定及其内部的齿数关系需要根据设计目标计算确定，输出端所受到的实时阻力与输入端通过两个联结端传来的实时动力三者之间的实时关系，决定了输出端如何实时运转。

Claims (9)

1.齿轮式耦合器，包括：

两个不完全联结的周转轮系，其特征在于，

所述两个周转轮系是同类型周转轮系，两者的内中心轮-内中心轮、外中心轮-外中心轮、行星齿轮保持架-行星齿轮保持架这三对端口中任选两对直接对等刚性联结，由未联结的一对分别作为输入与输出端。

2.如权利要求1所述的齿轮式耦合器，其特征在于，

所述两个直接对等刚性不完全联结的周转轮系都是单行星排周转轮系。

3.如权利要求1所述的齿轮式耦合器，其特征在于，

所述两个直接对等刚性不完全联结的周转轮系都是双行星排周转轮系。

4.如权利要求2所述的齿轮式耦合器，其特征在于，

所述两个单行星排周转轮系中，两者的内中心轮与内中心轮、行星齿轮保持架与行星齿轮保持架直接对等刚性联结，由各自未联结的外中心轮分别作为输入与输出端。

5.如权利要求2所述的齿轮式耦合器，其特征在于，

所述两个单行星排周转轮系中，两者的外中心轮与外中心轮、行星齿轮保持架与行星齿轮保持架直接对等刚性联结，由各自未联结的内中心轮分别作为输入与输出端。

6.如权利要求2所述的齿轮式耦合器，其特征在于，

所述两个单行星排周轮轮系中，两者的外中心轮与外中心轮、内中心轮与内中心轮直接对等刚性联结，由各自未联结的行星齿轮保持架分别作为输入与输出端。

7.如权利要求3所述的齿轮式耦合器，其特征在于，

所述两个双行星排周轮轮系中，两者的内中心轮与内中心轮、行星齿轮保持架与行星齿轮保持架直接对等刚性联结，由各自未联结的外中心轮分别作为输入与输出端。

8.如权利要求3所述的齿轮式耦合器，其特征在于，

所述两个双行星排周转轮系中，两者的外中心轮与外中心轮、行星齿轮保持架与行星齿轮保持架直接对等刚性联结，由各自未联结的内中心轮分别作为输入与输出端。

9.如权利要求3所述的齿轮式耦合器，其特征在于，

所述两个双行星排周转轮系中，两者的外中心轮与外中心轮、内中心轮与内中心轮直接对等刚性联结，由各自未联结的行星齿轮保持架分别作为输入与输出端。

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