CN103883687A - 集成有低速范围的多级变速器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种集成有低速范围的多级变速器，一种变速器传动系布置包括简单的四个行星齿轮组、三个制动器和四个旋转离合器。制动器和离合器中的三个可组合地接合，以建立至少十个前进传动比和至少三个倒车传动比。最小的前进传动比和最小的倒车传动比可用于实施低速范围模式，以避免对双速分动箱的需求。

Description

集成有低速范围的多级变速器

技术领域

本公开涉及用于机动车辆的自动变速器领域。更具体地，本公开涉及动力传动变速器中齿轮、离合器的布置及它们之间的相互连接。

背景技术

一些车辆在包括前进运动和倒车运动两者的宽车速范围内使用。然而，某些类型的发动机仅能够在窄车速范围内有效运转。因此，经常采用能够在多个转速比下有效传递动力的变速器。通常，变速器具有安装到车辆结构的壳体、由发动机曲轴驱动的输入轴和驱动车轮的输出轴。通常，在发动机和变速器的输入轴之间采用诸如变矩器或启动离合器的启动装置，从而发动机能够怠速运转，而车辆和输入轴静止。此外，差速装置可将变速器的输出轴连接到车轮，以提供额外的固定转速比并允许左车轮和右车轮在车辆转弯时以略微不同的速度旋转。变速器输入轴的转速与变速器输出轴的转速的比率称为传动比。当车速较低时，变速器通常以高传动比运转，从而它使发动机扭矩倍增以提高加速度。在车速较高时，使变速器以低传动比运转，而允许与安静、节能的巡航有关的发动机转速。

某些车辆配备有分动箱，该分动箱将动力传递至前车轮和后车轮两者。一些分动箱在变速器输出轴和差速器之间提供多个分动箱比率，从而驾驶员能够选择高速范围和低速范围。针对道路运输可选择高速范围，而针对越野用途可使用低速范围以提供更高的转速比。当存在双速分动箱时，总比率是传动比与分动箱比率的乘积。在某些情况下，例如，在从道路转换到越野或者从越野转换到道路的状况下，期望在车辆行驶的同时在高速范围和低速范围之间进行切换，最好不中断传递至车轮的动力流。

发明内容

一种变速器布置可包括适于在低速范围运转模式下使用的正传动比和负传动比两者。

在一个实施例中，变速器包括输入轴和输出轴以及第一旋转元件、第二旋转元件、第三旋转元件、第四旋转元件、第五旋转元件和第六旋转元件。第一传动系布置固定地约束第一元件的转速在输入轴的转速和第二元件的转速之间。第一传动系布置可以是（例如）简单的行星齿轮组，所述行星齿轮组包括固定地结合到输入轴的太阳齿轮、作为第一元件的行星架和作为第二元件的环形齿轮。第二传动系布置固定地约束第三元件的转速在第一元件的转速和第四元件的转速之间。第二传动系布置可以是（例如）简单的行星齿轮组，所述行星齿轮组具有作为第四元件的太阳齿轮、作为第三元件的行星架和作为第一元件的环形齿轮。第三传动系布置固定地约束输出轴的转速、第三元件的转速、第五元件的转速和第六元件的转速。第三传动系布置可以是（例如）简单的两个行星齿轮组，其中，第一太阳齿轮是第三元件，第二太阳齿轮是第五元件，第一行星架和第二环形齿轮的组合是第六元件，且第一环形齿轮和第二行星架固定地结合到输出轴。作为另一示例，第三传动系布置可以是简单的两个行星齿轮组，其中，第二环形齿轮是第三元件，第一太阳齿轮和第二太阳齿轮的组合是第五元件，第一环形齿轮和第二行星架的组合是第六元件，且第一行星架固定地结合到输出轴。变速器可包括多个离合器，所述多个离合器包括分别选择性地保持第五元件、第四元件和第二元件不旋转的第一制动器、第二制动器和第三制动器。第一离合器和第二离合器可分别选择性地将第二元件和第六元件结合到输入轴。第三离合器可选择性地将第四元件结合到第六元件，且第四离合器可选择性地将第二元件结合到第三元件。当所有的七个离合器均存在时，第三制动器可用作范围离合器，所述范围离合器接合以在低速范围下使车辆起步，并且所述范围离合器分离以在高速范围下使车辆起步。范围离合器可在任一范围下再次接合，以建立超速传动比。

在另一实施例中，变速器包括变速器壳体、输入轴和输出轴以及第一旋转元件、第二旋转元件、第三旋转元件、第四旋转元件、第五旋转元件、第六旋转元件、第七旋转元件和第八旋转元件。第一传动系布置固定地约束第一元件的转速在输入轴的转速和第二元件的转速之间。第二传动系布置固定地约束第三元件的转速在第一元件的转速和第四元件的转速之间。第三传动系布置固定地约束第六元件的转速在输出轴的转速和第三元件的转速之间。第四传动系布置固定地约束第七元件的转速在第五元件的转速和第八元件的转速之间。第五元件固定地或选择性地结合到变速器壳体，第七元件固定地或选择性地结合到输出轴，且第八元件固定地或选择性地结合到第六元件。在示例性实施例中，第一制动器选择性地将第五元件结合到变速器壳体，同时第七元件固定地结合到输出轴，第八元件固定地结合到第六元件。第二制动器和第三制动器可分别选择性地将第四元件和第二元件结合到变速器壳体。第一离合器和第二离合器可分别选择性地将第二元件和第六元件结合到输入轴。第三离合器可选择性地将第四元件结合到第六元件，且第四离合器可选择性地将第二元件结合到第三元件。当所有的七个离合器均存在时，第三制动器可用作范围离合器，所述范围离合器接合以在低速范围下使车辆起步，并且所述范围离合器分离以在高速范围下使车辆起步。范围离合器可在任一范围下再次接合，以建立超速传动比。

在另一实施例中，当选择了高速范围时，车辆在倒车时使用第一负传动比起步，当选择了低速范围时，车辆在倒车时使用第二负传动比起步。当在第二负传动比下起步时，车辆可操作性地换档至第一负传动比。当在第一负传动比下时，车辆可换档至第三负传动比。当选择了高速范围时，车辆还可使用第一正传动比起步，当在换档至第一正传动比之后选择了低速范围时，车辆可在第二正传动比下起步。从第二正传动比换档至第一正传动比可包括使范围离合器分离。范围离合器可再次接合，以建立可作为超速传动比的第三正传动比。

在另一实施例中，一种变速器包括：输入轴；输出轴；变速器壳体；第一传动系布置，被构造成固定地约束第一元件以输入轴的转速和第二元件的转速之间的转速旋转；第二传动系布置，被构造成固定地约束第三元件以第一元件的转速和第四元件的转速之间的转速旋转；第三传动系布置，被构造成固定地约束第六元件以输出轴的转速和第三元件的转速之间的转速旋转；第四传动系布置，被构造成固定地约束第七元件以第五元件的转速和第八元件的转速之间的转速旋转，其中，第五元件结合到变速器壳体，第七元件结合到输出轴，第八元件结合到第六元件。

所述变速器还可包括第一制动器，所述第一制动器被构造成选择性地将第五元件结合到变速器壳体。

所述变速器还可包括：第二制动器，被构造成选择性地将第四元件结合到变速器壳体；第一离合器，被构造成选择性地将输入轴操作地结合到第二元件；第二离合器，被构造成选择性地将输入轴结合到第六元件；第三离合器，被构造成选择性地将第四元件结合到第六元件。

所述变速器还可包括第四离合器，所述第四离合器被构造成选择性地将第二元件结合到第三元件。

所述变速器还可包括第三制动器，所述第三制动器被构造成选择性地将第二元件结合到变速器壳体。

在另一实施例中，一种使车辆运转的方法，所述方法包括：响应于选择高速范围，使车辆在倒车时在第一负传动比下起步；响应于选择低速范围，使车辆在倒车时在第二负传动比下起步。

所述方法还可包括：从第二负传动比换档至第一负传动比。

所述方法还可包括：从第一负传动比换档至第三负传动比。

所述方法还可包括：响应于选择高速范围，在第一正传动比下使车辆起步；响应于选择低速范围，在第二正传动比下使车辆起步，然后换档至第一正传动比。

在低速范围下使车辆起步可包括：接合范围离合器，并且从第二正传动比换档可包括：使范围离合器分离。

所述方法还可包括：接合范围离合器，以换高档至第三正传动比。

第三正传动比可以是超速传动比。

附图说明

图1是第一变速器传动系布置的示意图；

图2是第二变速器传动系布置的示意图；

图3是示出图1和图2的传动系布置中每个离合器状态的离合器应用图表；

图4是与图1和图2的传动系布置对应的杠杆（lever）图表。

具体实施方式

在此描述本公开的实施例。然而，应该理解，公开的实施例仅仅是示例，且其它实施例可采用各种和可选的形式。附图不一定按照比例绘制；可夸大或最小化一些特征，以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能性细节不应该被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域的技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的各种特征可与在一个或更多个其它附图中示出的特征相组合，以产生未被明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合为典型应用提供代表性实施例。然而，对于特定应用或实施方式，可期望与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改。

一种传动系布置是旋转元件和离合器的集合，并被构造成在元件之间施加特定的转速关系。无论任意离合器的状态如何，都能施加被称为固定转速关系的某些转速关系。被称为选择性转速关系的其它转速关系仅当特定的离合器完全接合时才能被施加。离散传动比式变速器选择性地在输入轴和输出轴之间施加被称为传动比的多个转速比。

某些旋转元件可彼此结合，这种结合可以是固定地结合或选择性地结合。如果一组元件被约束成在所有运转条件下均作为一个单元而进行旋转，那么该组元件彼此固定地结合。元件可通过花键连接、焊接、压配合、对普通固体进行加工或其他方法而固定地结合。在固定结合的元件之间会发生旋转位移的轻微变化，诸如由于花键间隙或轴柔性（compliance）所导致的位移。相反，每当离合器完全接合时，该离合器将两个元件约束成作为一个单元旋转，此时这两个元件便通过该离合器选择性地结合，而在至少一些其它运转条件下两个元件以不同的转速自由旋转。离合器包括诸如液压致动离合器或电致动离合器的主动控制装置和诸如单向离合器的被动装置。通过选择性地将元件连接到壳体而保持该元件不旋转的离合器可称为制动器。

可通过精确协调一个离合器的接合与另一离合器的分离而在不中断从输入轴流向输出轴的动力的情况下执行转速比之间的切换。在转换期间，这些离合器中的一个或两个离合器必须在以不同转速旋转的元件之间传递扭矩。在这种状况下，通过离合器来吸热和散热。当所涉及的两个转速比的比率（称为步长）越高时，所吸收的能量的量越大。有时，提供具有足够大的能量吸收能力的离合器，会限定离合器尺寸并会增大当离合器分离时所产生的寄生阻力值。此外，难以在非常大的步长下执行切换，而不会在输出轴处产生对于车辆乘客而言不舒服的较大扭矩扰动。

典型的双速分动箱具有超过2:1的步长。为了使与分动箱相关的寄生阻力最小化，分动箱通常被构造成使得仅当车辆静止时才能进行低速范围和高速范围之间的切换。如果要在车辆行驶的同时允许高低速范围切换，则可能必须通过将变速器置空档同时切换分动箱来中断动力流。

在图1中示意性示出了变速器的示例。变速器利用四个简单的行星齿轮组20、30、40和50。简单的行星齿轮组是传动系布置的一种类型。行星架22绕中心轴旋转，并支撑一组行星齿轮24，从而行星齿轮相对于行星架旋转。行星齿轮上的外轮齿与太阳齿轮26上的外轮齿和环形齿轮28上的内轮齿啮合。太阳齿轮和环形齿轮被支撑以绕与行星架所绕的轴相同的轴旋转。简单的行星齿轮组施加固定的转速关系，其中，行星架的转速在太阳齿轮的转速和环形齿轮的转速之间（这种关系被限定成包括行星架、太阳齿轮和环形齿轮这三者均以相同转速旋转的状况）。更具体地，行星架的转速是太阳齿轮的转速和环形齿轮的转速的加权平均值，加权系数通过每个齿轮上的齿数而确定。类似的转速关系通过其他已知类型的固定传动系布置来施加。例如，双小齿轮行星齿轮组将环形齿轮的转速约束为太阳齿轮的转速和行星架的转速之间的加权平均值。在表1中列出了针对图1中每个行星齿轮组的建议齿数比。

表1

环形齿轮28/太阳齿轮26	1.750
		环形齿轮38/太阳齿轮36	2.200
环形齿轮48/太阳齿轮46	1.480
		环形齿轮58/太阳齿轮56	2.700

输入轴10固定地结合到太阳齿轮26。输出轴12固定地结合到环形齿轮48和行星架52。行星架22固定地结合到环形齿轮38，行星架32固定地结合到太阳齿轮46，行星架42固定地结合到环形齿轮58。输入轴10通过离合器62选择性地结合到环形齿轮28，并通过离合器68选择性地结合到行星架42。注意，接合离合器62具有迫使行星齿轮组20的所有组件作为一个单元旋转的效果。这种效果能够通过将行星架22选择性地结合到太阳齿轮26或环形齿轮28的离合器而可选地实现。环形齿轮28通过离合器60选择性地结合到行星架32和太阳齿轮46的组合，并通过制动器66被选择性地保持不旋转。太阳齿轮36通过离合器72选择性地结合到行星架42和环形齿轮58的组合，并通过制动器64被选择性地保持不旋转。最后，太阳齿轮56通过制动器70被选择性地保持不旋转。

在图2中示出了变速器的另一示例。输入轴10固定地结合到太阳齿轮26。输出轴12固定地结合到行星架82。行星架22固定地结合到环形齿轮38，行星架32固定地结合到环形齿轮98，环形齿轮88固定地结合到行星架92。输入轴10通过离合器62选择性地结合到环形齿轮28，并通过离合器68选择性地结合到环形齿轮88和行星架92的组合。环形齿轮28通过离合器60选择性地结合到行星架32和环形齿轮98的组合，并通过制动器66被选择性地保持不旋转。太阳齿轮36通过离合器72选择性地结合到环形齿轮88和行星架92的组合，并通过制动器64被选择性地保持不旋转。最后，太阳齿轮86和96通过制动器70被选择性地保持不旋转。在表2中列出了针对图2中每个行星齿轮组的建议齿数比。

表2

环形齿轮28/太阳齿轮26	1.750
		环形齿轮38/太阳齿轮36	2.200
环形齿轮88/太阳齿轮86	2.500
		环形齿轮98/太阳齿轮96	2.700

离合器和制动器可以是液压致动的多片式离合器或者通过控制器而主动接合和分离的其他类型的离合器。制动器66可以是均选择性地将环形齿轮28结合到变速器壳体14的可控离合器和被动单向离合器的组合。这种组合可通过控制器而主动接合或者作为单向离合器阻止环形齿轮28反向旋转的结果而接合。因为不要求主动控制部分传递尽可能多的扭矩，所以可期望利用这种组合来提高换档质量并降低寄生损失。

如图3中所示，三个离合器相组合地接合，而在输入轴10和输出轴12之间建立了多个前进转速比和倒车转速比。X指示离合器接合以建立转速比。在不利用双速分动箱的情况下，变速器提供了高速范围运转和低速范围运转两者。当驾驶员选择行驶（前进）档和高速范围时，变速器通过使离合器60以及制动器64和70接合而在第一档下准备车辆起步。至第二档的换档可通过使离合器60逐渐分离同时使离合器62逐渐接合而完成。至第三档的换档可通过使制动器64逐渐分离同时使离合器60再次逐渐接合而完成。如图3中所示，通过接合的离合器的可选组合能够在第二档和第三档之间得到两个传动比。可在某些情况下利用这些附加的传动比。从第三档至第四档的换档可通过使离合器62逐渐分离同时使离合器68逐渐接合而完成。至第五档的换档可通过使制动器70逐渐分离同时使离合器62再次逐渐接合而完成。至第六档的换档可通过使离合器60逐渐分离同时使制动器64再次逐渐接合而完成。至第七档的换档可通过使离合器62逐渐分离同时使离合器60再次逐渐接合而完成。如图3中所示，可在某些情况下利用第六档和第七档之间的附加传动比。从第七档至第八档的换档可通过使离合器60逐渐分离同时使制动器66逐渐接合而完成。最后，至第九档的换档可通过使制动器64逐渐分离同时使离合器60再次逐渐接合而完成。第六传动比、第七传动比、第八传动比和第九传动比是输出轴相对于输入轴旋转地更快的超速传动比。

当驾驶员选择行驶（前进）档和低速范围时，变速器通过接合制动器64、66和70而准备车辆起步。如果制动器66被实施作为被动单向离合器和主动控制离合器的组合，那么变速器将在不进行主动接合的情况下将动力从发动机传递至车轮。然而，如果期望沿相反方向传输动力，诸如用于发动机制动，那么必须主动控制制动器66。至第一档的换档可通过使制动器66逐渐分离同时使离合器60逐渐接合而完成。如果制动器66包括单向离合器，则该单向离合器将在离合器60接合时被动分离，以消除主动控制分离的需求。至其余前进档的其他换档可如上面针对高速范围所描述的那样而完成。如图3中所示，如果期望的话，可利用低速档和第一档之间的附加传动比，以按照两步的方式来执行这种换档。

当驾驶员选择倒车档和高速范围时，变速器通过接合离合器60、72和制动器64来准备倒车起步。可选地，至更高的倒车传动比的换档可通过使离合器60逐渐分离同时使离合器62逐渐接合而完成。当驾驶员选择倒车档和低速范围时，变速器通过接合离合器72和制动器64和66来准备倒车起步。可选地，至高速范围的倒车传动比的换档可如上面针对低速档至第一档的换档所描述的那样而完成。

图4以杠杆图表的形式描述了图1和图2的变速器。根据绕同一轴旋转并且其转速具有固定线性关系的齿轮元件的相对转速，沿杠杆示出了这些齿轮元件。在杠杆的端点处示出了具有最极限转速的两个元件。在中间点处示出了其余元件。第一旋转元件至第六旋转元件均对应于一个或更多个行星齿轮元件。齿轮组20和30与三节点杠杆100和102直接对应，此时，太阳齿轮位于一个端点处、环形齿轮位于相对端点处、行星架位于中间点处。具体地，第一元件与行星架22和环形齿轮38对应，第二元件与环形齿轮28对应，第三元件与行星架32对应，第四元件与太阳齿轮36对应。四节点杠杆104与图1的齿轮组40和50对应，此时，第三元件与太阳齿轮46对应、第五元件与太阳齿轮56对应、第六元件与行星架42和环形齿轮58对应。四节点杠杆104还与图2的齿轮组80和90对应，此时，第三元件与环形齿轮98对应、第五元件与太阳齿轮86和太阳齿轮96对应、第六元件与行星架92和环形齿轮88对应。在不会影响变速器转速比的情况下，能够施加具有适当加权系数的预设的固定转速关系的任何四元件传动系布置均可替代图1的齿轮组40和50或图2的齿轮组80和90。两个行星齿轮组（两个元件均固定连接到其他两个元件）的任何组合均能形成四元件固定传动系布置。某些固定传动系布置在装配、效率和行星齿轮转速方面将优选于其他布置。

虽然上面描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了权利要求所包括的所有可能的形式。在说明书中所使用的词语是描述性词语而非限定，应该理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可进行各种改变。如上所述，可组合多个实施例的特征以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步实施例。虽然多个实施例可能已被描述为提供优点或在一个或更多个期望特性方面优于其它实施例或现有技术的实施方式，但是本领域普通技术人员认识到，根据具体的应用和实施方式，可以折衷一个或更多个特征或特性以实现期望的整个系统属性。这些属性可包括但不限于：成本、强度、耐用性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维修性、重量、可制造性、装配的便利性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面比其它实施例或现有技术实施方式更不被期望的实施例并不在本公开的范围之外并且可能期望用于特定应用。

Claims (10)

1.一种变速器包括：

输入轴；

输出轴；

第一传动系布置，被构造成固定地约束第一元件以输入轴的转速和第二元件的转速之间的转速旋转；

第二传动系布置，被构造成固定地约束第三元件以第一元件的转速和第四元件的转速之间的转速旋转；

第三传动系布置，被构造成固定地约束输出轴以第五元件的转速和第六元件的转速之间的转速旋转，并固定地约束第六元件以输出轴的转速和第三元件的转速之间的转速旋转。

2.根据权利要求1所述的变速器，所述变速器还包括：

第一制动器，被构造成选择性地保持第五元件不旋转；

第二制动器，被构造成选择性地保持第四元件不旋转；

第一离合器，被构造成选择性地将输入轴操作性地结合到第二元件；

第二离合器，被构造成选择性地将输入轴结合到第六元件；

第三离合器，被构造成选择性地将第四元件结合到第六元件。

3.根据权利要求2所述的变速器，其中，第二元件被结合到第三元件。

4.根据权利要求3所述的变速器，所述变速器还包括第四离合器，所述第四离合器被构造成选择性地将第二元件结合到第三元件。

5.根据权利要求4所述的变速器，所述变速器还包括第三制动器，所述第三制动器被构造成选择性地保持第二元件不旋转。

6.根据权利要求3所述的变速器，所述变速器还包括第三制动器，所述第三制动器被构造成选择性地保持第二元件不旋转。

7.根据权利要求1所述的变速器，其中，第一传动系布置包括简单的行星齿轮组，所述行星齿轮组具有固定地结合到输入轴的太阳齿轮、作为第一元件的行星架、作为第二元件的环形齿轮以及多个行星齿轮，所述多个行星齿轮被支撑以相对于行星架旋转并与太阳齿轮和环形齿轮均持续啮合。

8.根据权利要求1所述的变速器，其中，第二传动系布置包括简单的行星齿轮组，所述行星齿轮组具有作为第四元件的太阳齿轮、作为第三元件的行星架、作为第一元件的环形齿轮以及多个行星齿轮，所述多个行星齿轮被支撑以相对于行星架旋转并与太阳齿轮和环形齿轮持续啮合。

9.根据权利要求1所述的变速器，其中，第三传动系布置包括：

简单的第一行星齿轮组，具有作为第三元件的第一太阳齿轮、作为第六元件的第一行星架、固定结合到输出轴的第一环形齿轮以及多个第一行星齿轮，所述多个第一行星齿轮被支撑以相对于第一行星架旋转并与第一太阳齿轮和第一环形齿轮均持续啮合；

简单的第二行星齿轮组，具有作为第五元件的第二太阳齿轮、固定地结合到输出轴的第二行星架、固定结合到第一行星架的第二环形齿轮以及多个第二行星齿轮，所述多个第二行星齿轮被支撑以相对于第二行星架旋转并与第二太阳齿轮和第二环形齿轮均持续啮合。

10.根据权利要求1所述的变速器，其中，第三传动系布置包括：

简单的第一行星齿轮组，具有作为第五元件的第一太阳齿轮、固定地结合到输出轴的第一行星架、作为第六元件的第一环形齿轮以及多个第一行星齿轮，所述多个第一行星齿轮被支撑以相对于第一行星架旋转并与第一太阳齿轮和第一环形齿轮均持续啮合；

简单的第二行星齿轮组，具有固定地结合到第一太阳齿轮的第二太阳齿轮、固定地结合到第一环形齿轮的第二行星架、作为第三元件的第二环形齿轮以及多个第二行星齿轮，所述多个第二行星齿轮被支撑以相对于第二行星架旋转并与第二太阳齿轮和第二环形齿轮均持续啮合。

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