CN104024691A - 具有嵌套式离合器和行星传动输出的无级变速器 - Google Patents

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Abstract

所描述的系统和方法提供了一种全范围无级变速器(101)，该变速器具有用于从主动力源(103)和诸如液力变矩器(201)的副动力源(105)接收旋转动力的输入部(102，104)。第一行星齿轮群(402)包括第一和第二行星齿轮组(204，205)，并且用于接收旋转动力的输入部与第一行星齿轮组和第二行星齿轮组中的一组或多组连结。第二行星齿轮群(403)包括第三行星齿轮组(209)和第四行星齿轮组(210)，其中设置了具有第一和第二可选择的离合器(207，208)的嵌套式离合器组件(404)以将第一行星齿轮群与第二行星齿轮群连结。第一离合器的致动将无级变速器固定在第一速度范围，而第二离合器的致动将无级变速器固定在第二速度范围。

Description

具有嵌套式离合器和行星传动输出的无级变速器
技术领域
本专利公开文本总体上涉及用于推进的变速器系统，并且更具体地涉及具有紧凑的和高效的布局的液力平行路径变矩器(variator)变速器系统。
背景技术
尽管各类变速器系统在施工机器以及用于执行任务和传送材料的其它工业机器中已证实是实用的，但平行路径变矩器式变速器已由于其以良好的效率提供连续可调输出的能力而被广泛采用。特别地，平行路径变矩器(PPV)式变速器提供允许执行必要的任务所需的动力及范围，同时使购置和运行的成本最小化并确保可满足性能和排放标准。
在PPV式变速器的类型里，共同的设计要素通常是一个双输入系统，其中主动力源——如内燃发动机——以大体恒定的转速运转以提供一个变速器输入，而可变速源提供另一个输入。可变速源可以是电动机、液压马达等。PPV式变速器构造成提供随两个输入的特性而变的输出转速和转矩。
虽然PPV式变速器因而提供很好的运转特性，但它们却是以空间和复杂度为代价来实现的。例如，典型的PPV系统相当庞大，包含了许多副轴和外围部件，这些均对系统的成本、复杂度和覆盖范围有影响。
应理解的是，该背景技术描述由发明人为帮助读者而形成，且其既不应被看作对现有技术的说明，也不应被看作对在本领域中本身已被了解的任何所指出的问题的指示。
发明内容
总体而言，所描述的系统提供了一种具有紧凑的和高效的构型的全范围连续可调变速器。在一实施例中，提供了一种无级变速器，该无级变速器具有用于从主动力源接收旋转动力的第一输入部和从副动力源接收旋转动力的第二输入部，以及包含第一行星齿轮组和第二行星齿轮组的第一行星齿轮群。每个行星齿轮组包括太阳齿轮、齿圈和行星架。第一输入部和第二输入部与第一行星齿轮组和第二行星齿轮组中的一组或多组连结。设置有包括第三行星齿轮组和第四行星齿轮组的第二行星齿轮群。
具有第一和第二可选择的离合器的嵌套式(nested)离合器组件将第一行星齿轮群与第二行星齿轮群连结，使得第一离合器的致动和第二离合器的非致动将无级变速器固定在第一速度范围。类似地，第二离合器的致动和第一离合器的非致动将无级变速器固定在第二速度范围。
在另一实施例中，提供了一种机器动力系统，该机器动力系统具有主动力源、副动力源以及构造成从主动力源和副动力源两者接收动力的平行路径无级变速器。该平行路径无级变速器将动力接收到具有第一多个行星齿轮组的第一行星齿轮群中并且从包括第二多个行星齿轮组的第二行星齿轮群输出动力。连结(第一和第二)行星齿轮群的嵌套式离合器包括构造成在致动时使变速器处于相关的多个选定的速度范围的多个离合器。
在又一实施例中，提供了一种合并动力输入以提供多范围输出动力的方法。该方法包括将第一和第二旋转动力输入连结到第一行星齿轮群中。第一行星齿轮群包括具有太阳齿轮、行星架和齿圈的第一和第二行星齿轮组。第一旋转动力输入由发动机提供且第二旋转动力输入由液力变矩器提供。第一行星齿轮群通过嵌套式离合器连结到第二行星齿轮群。第二行星齿轮群包括具有各自的太阳齿轮、行星架和齿圈的第三和第四行星齿轮组。嵌套式离合器包括第一和第二离合器，使得第一离合器的致动提供第一速度范围输出并且第二离合器的致动提供第二速度范围输出。
将从以下详细描述和附图中了解所公开的原理的更多和替代方面及特征，附图中：
附图说明
图1是所公开的原理的实施例可适用的用于基于两个输入中的每个输入的特性提供可调旋转输出的平行路径变矩器式变速器系统的系统示意图；
图2是根据所公开的原理的实施例的平行路径变矩器式变速器系统的详细示意图；
图3是示出基于根据所公开的原理的实施例的选定的输入状态构型的图2的平行路径变矩器式变速器系统的输出状态的状态图；以及
图4是根据所公开的原理的实施例的替代平行路径变矩器式变速器系统的详细示意图。
具体实施方式
本发明涉及需要变速器来将动力源与诸如车轮、履带等最终接地装置和/或另一个用动力推动的功能件或机具连结的机器。这样的机器的示例包括用于采矿、建筑、耕作、运输或本领域中已知的任何其它行业的机器。例如，该机器可以是土方机械，例如轮式装载机、挖掘机、自卸卡车、反铲装载机、自行式平地机、物料装卸机等。此外，一个或多个机具可与该机器连接以进行包括例如装载、压实、提升、擦拭的各种任务，并且可包括例如铲斗、压实器、叉式升降装置、刷子、抓斗、切割器、剪切机、铲刀、破碎器/破碎锤、螺旋钻和其它机具。在一示例性实施例中，该系统适用于例如可用于轮式装载机、履带式拖拉机或其它合适的应用环境中的无级变速器(CVT)。
总体而言，所描述的系统提供了一种利用嵌套式双范围离合器和两个共轴的行星齿轮群来在正向(前进方向)和反向(倒退方向)上都提供两个速度范围的无级变速器设计。在一实施例中，还提供了正向的第三范围。嵌套式离合器和行星传动设计在尺寸上紧凑并且消除了一些与具有多个离合器轴的副轴设计相关的空间消耗和复杂度。更小的尺寸留出了专用于其它构件例如变矩器自身(如果需要的话)和/或进料泵(charge pump)的空间。
如在以上附图简要说明中归纳的，图1是用于基于两个输入中的每个输入的特性提供可调旋转输出的平行路径变矩器式变速器系统的系统示意图。该总体概述是为了方便读者而提供的，并且其提供了所公开的原理的实施例可适用的平台。关于所示的变速器系统100，示出了平行路径可调变速器101。稍后将更详细地说明的平行路径可调变速器101接收两个动力输入以及一个或多个数据或控制输入，并提供单个动力输出。
特别地，平行路径可调变速器101从主动力源103接收第一旋转动力输入102。主动力源103可以是内燃发动机、电动机或其它旋转动力源。平行路径可调变速器101从副动力源105接收第二旋转动力输入104。如后文将更详细地说明的，副动力源105可以是液力变矩器、电动机或其它能够提供可变速旋转输入的源。
在大部分情况下，副动力源105将从主动力源103接收动力以运行。例如，当使用液力变矩器作为副动力源105时，变矩器的泵部可由主动力源103提供动力。此外，其它机器特征和功能例如电气功能和液压功能可由主动力源103根据需要例如通过发电机或泵来提供动力。电气功能可包括照明、电子处理、电扇等。液压功能可包括辅助装置或附件的切割、钻进、擦拭、提升等操作。
尽管图1所示的系统是一般化的，但提供了所描述的系统的具体实施例可实施的上下文背景。为此，图2是根据所公开的原理的实施例的平行路径变矩器式变速器系统的详细示意图。虽然包含了参考图1所述的相同总体PPV结构，但平行路径变矩器式变速器系统包括在每个功能子组合内与现有技术系统相比在功能、效率和紧凑性方面提供显著改进的特征。
具体地，该平行路径变矩器式变速器系统包括变矩器201及行星齿轮变速器202。变矩器201经由发动机输入部203从发动机(未示出)接收输入动力。发动机输入部203还向行星齿轮变速器202内的第一行星齿轮组204的行星架提供旋转动力。
第一行星齿轮组204的齿圈连结到与第一行星齿轮组204共轴的第二行星齿轮组205的行星架。此外，第二行星齿轮组205经由第二行星齿轮组205的齿圈从变矩器201接收旋转动力。第一行星齿轮组204和第二行星齿轮组205两者的太阳齿轮固定在共用轴206上。
共轴的共用轴206和第二行星齿轮组205的行星架通过包括同心地嵌套的第一离合器207和第二离合器208的共轴嵌套式离合器实现分离和接合。如下文稍后将描述的，第一离合器207和第二离合器208以互相排斥的方式来操作以分别提供第一和第二速度范围。
第一离合器207和第二离合器208的输出侧被固定在一起，并且分别与共轴的第三行星齿轮组209和共轴的第四行星齿轮组210的太阳齿轮连结。第三行星齿轮组209的齿圈与第四行星齿轮组210的行星架连结。此外，第三行星齿轮组209的行星架可经由反向制动器211制动，而第四行星齿轮组210的齿圈可经由正向制动器212制动。
与第一离合器207和第二离合器208一样，反向制动器211和正向制动器212以相互排斥的方式来操作(不同时致动)，或者在替代实施例中两个制动器可分离并且通过致动共轴的扩展范围离合器213来提供第三范围。扩展范围离合器213用于在被致动时将轴206与第四行星齿轮组210的行星架和中间齿轮214连接。中间齿轮214通过其它齿轮传动或直接连接来为最终输出轴215提供动力。
通过参考图3的状态图300，将更好地理解图2所示的变速器系统的运转。如可见的，在所示的实施例中变速器系统包括五个可选择的输入，其中包括离合器1输入301(与第一离合器207的状态对应)、离合器2输入302(与第二离合器208的状态对应)、正向制动器输入303(与正向制动器212的状态对应)、反向制动器输入304(与反向制动器211的状态对应)和扩展范围离合器输入305(与扩展范围离合器213的状态对应)。
各输入301-305的每个允许的状态组合308形成各自的合成变速器状态306。在如上所述的所示的实施例中，某些不允许的组合307由于制动器和离合器的相互排斥的性质而不可用。
因而，如可见的，在允许的状态组合308内，离合器1输入301可以接通(开)或切断(关)。当离合器1输入301和正向制动器输入303两者都接通且其它输入切断时，变速器的合成状态为正向范围1。类似地，当离合器1输入301和反向制动器输入304两者都接通且其它输入切断时，变速器的合成状态为反向范围1。
同样地，当离合器2输入302和正向制动器输入303两者都接通且其它输入切断时，变速器的合成状态为正向范围2。类似地，当离合器2输入302和反向制动器输入304两者都接通且其它输入切断时，变矩器的合成状态为反向范围2。
最后，如上所述，扩展范围离合器213提供第三正向范围。因而，当扩展范围离合器输入305接通且其余输入301-304切断时，变速器的合成状态为扩展范围。
关于不允许的组合307，这些状态包括其中正向制动器212和反向制动器211两者被同时致动的任意的输入组合，以及其中第一离合器207和第二离合器208被同时致动的任意的输入组合。最后，对于所示的构型，其中扩展范围离合器213被致动而任何其它输入活动的任意的输入组合也落入所设定的不允许的组合307的范围内。应理解的是，不完全如所示出的但仍落在所述原理的范围内的构型根据它们的精确布置结构仍可具有不同的允许和不允许的组合。
图4是根据所公开的原理的另一实施例的替代平行路径变矩器式变速器系统的详细示意图。为了描述清楚，该替代实施例的与上述实施例共有的要素在视觉感受方面已稍微弱化。
所示的替代平行路径变矩器式变速器系统400包括许多与上述实施例相同的要素，包括变矩器401、具有两个共轴的行星齿轮组的第一行星群402、具有两个共轴的行星齿轮组的第二行星群403和用来选择性地联接第一行星群402和第二行星群403的与行星群共轴的嵌套式离合器404。类似地，包括了用于选择性地制动第二行星群403的元件的双制动器系统405，以提供正向和反向构型。
与所示的替代构型一致，通过与第三离合器407共轴并与其相结合地操作的输出齿轮组406提供两个输出传动比。输出齿轮组406包括第一输出齿轮408和第二输出齿轮409。第一输出齿轮408与第一反转齿轮410配对，而第二输出齿轮409与第二反转齿轮411配对。第一反转齿轮410和第二反转齿轮411安装并固定在共用轴上，并且第一反转齿轮410驱动变速器的终传动装置以提供最终输出412。
在运转中，变速器中的共有部分按照上文关于第一实施例所述的内容运行。然而，变速器在处于扩展范围构型时(即，在第三离合器407被致动时)的输出特性通过输出齿轮组406的多个传动比而修改。特别地，第一输出齿轮408与第一反转齿轮410的传动比将影响正向和反向的第一和第二范围中的终传动比。相反，在变速器处于扩展范围构型时第二输出齿轮409与第二反转齿轮的传动比将独立地确定终传动比。
这样，为根据所述的第一实施例的平行路径变矩器式变速器应用提供了紧凑的和高效的行星齿轮传动系统。对于替代实施例，提供了进一步的调整以调节前两个范围与扩展范围设置之间的差异。
工业适用性
所描述的原理适用于需要变速器来将动力源与诸如车轮、履带等的最终接地装置和/或与另一个用动力推动的功能件或机具连结的机器。这样的机器的示例包括用于采矿、建筑、耕作、运输或本领域中已知的任何其它行业的机器。例如，该机器可以是土方机械，例如轮式装载机、挖掘机、自卸卡车、反铲装载机、自行式平地机、物料装卸机等。示例性机具包括但不限于铲斗、压实器、叉式升降装置、刷子、抓斗、切割器、剪切机、铲刀、破碎器/破碎锤、螺旋钻和其它机具。
在此类应用中，所描述的原理适用于具有由许多的输入动力流和许多的变速器状态变量设定的特性的提供旋转输出的液力式或其它类型的平行路径可调变速器的操作。例如，根据所描述的原理的液力平行路径变矩器的输出是，以由通过离合器和制动器的致动选择的变速器的状态来确定的方式，旋转输入——包括来自发动机和液力变矩器的旋转输入——的组合。
特别地，可通过各种离合器和制动器的接合和分离来设定变速器的状态，以配置变速器输出的范围和方向。所述的共轴变速器系统有利地排除了对用于支持多个速度范围的多个副轴的传统要求。特别地，即使不使用副轴来改变变速器范围，所示的构型也提供完整的一组三个正向范围和两个反向范围。
应理解的是，前面的描述提供了所公开的系统和技术的有用示例。但是，可以预期本发明的其它实施方案可在细节方面不同于前面的示例。所有对本发明或其示例的说明旨在提及就这一点所述的特定示例且并非旨在更一般地关于本发明的范围加以任何限制。关于某些特征的所有区分和贬低的语言旨在表示相关特征并不是优选的，但并非将其从本发明的范围内彻底排除在外，除非另外明确地指出。

Claims (10)

1.一种无级变速器(101)，包括：
第一输入部(102)，所述第一输入部用于从主动力源(103)接收旋转动力；
第二输入部(104)，所述第二输入部用于从副动力源(105)接收旋转动力；
第一行星齿轮群(402)，所述第一行星齿轮群包含第一行星齿轮组(204)和第二行星齿轮组(205)，每个所述行星齿轮组都具有太阳齿轮、齿圈和行星架，其中所述第一输入部(102)和所述第二输入部(104)与所述第一行星齿轮组(204)和所述第二行星齿轮组(205)中的一组或多组连结；
第二行星齿轮群(403)，所述第二行星齿轮群包含第三行星齿轮组(209)和第四行星齿轮组(210)，每个所述行星齿轮组都具有太阳齿轮、齿圈和行星架；以及
嵌套式离合器(404)组件，所述嵌套式离合器组件将所述第一行星齿轮群(402)与所述第二行星齿轮群连结，所述嵌套式离合器(404)组件具有第一和第二可选择的离合器，其中所述第一离合器(207)的致动和所述第二离合器(208)的非致动将所述无级变速器(101)固定在第一速度范围内，并且所述第二离合器(208)的致动和所述第一离合器(207)的非致动将所述无级变速器(101)固定在第二速度范围内。
2.根据权利要求1所述的无级变速器(101)，还包括与所述第二行星齿轮群相关的第一制动器和第二制动器，其中所述第一制动器的致动和所述第二制动器的非致动使所述无级变速器(101)处于正向模式并且所述第二制动器的致动和所述第一制动器的非致动使所述无级变速器(101)处于反向模式。
3.根据权利要求2所述的无级变速器(101)，还包括第三可选择的离合器，其中所述第三可选择的离合器的致动使所述无级变速器(101)处于第三正向范围。
4.根据权利要求1所述的无级变速器(101)，其中，所述主动力源(103)包括内燃发动机。
5.根据权利要求1所述的无级变速器(101)，其中，所述副动力源(105)包括液力变矩器(201)。
6.根据权利要求1所述的无级变速器(101)，其中，所述第一可选择的离合器将每个所述第一和第二行星齿轮组的太阳齿轮与每个所述第三和第四行星齿轮组的太阳齿轮连结，并且其中所述第二可选择的离合器将所述第二行星齿轮组(205)的行星架与每个所述第三和第四行星齿轮组的太阳齿轮连结。
7.根据权利要求3所述的无级变速器(101)，其中，所述变速器包括向最终输出(412)齿轮提供动力的中间齿轮(214)，其中所述中间齿轮(214)在所述第一和第二速度范围内由所述第四行星齿轮组(210)的行星架驱动并且在所述第三速度范围内由所述第一和第二行星齿轮组的太阳齿轮驱动。
8.根据权利要求3所述的无级变速器(101)，其中，所述变速器包括最终输出(412)齿轮组，所述最终输出齿轮组包括第一输出齿轮(408)和第二输出齿轮(409)，所述第一和第二输出齿轮与在共用输出轴(206)上的第一和第二反转齿轮配对，在所述第一和第二速度范围内所述第一输出齿轮(408)驱动所述第一反转齿轮(410)和所述共用输出轴(206)，并且在所述第三速度范围内所述第二输出齿轮(409)驱动所述第二反转齿轮(411)和所述共用输出轴(206)。
9.一种用于操作如前述权利要求中任一项所述的无级变速器(101)的方法，包括：
将第一和第二旋转动力输入连结到第一行星齿轮群(402)，所述第一旋转动力输入(301)来自发动机且所述第二旋转动力输入(301)来自液力变矩器(201)，所述第一行星齿轮群(402)包括第一和第二行星齿轮组，每个所述行星齿轮组都具有太阳齿轮、行星架和齿圈；以及
通过嵌套式离合器(404)将所述第一行星齿轮群(402)与第二行星齿轮群连结，所述第二行星齿轮群包括第三和第四行星齿轮组，每个所述行星齿轮组都具有太阳齿轮、行星架和齿圈，所述嵌套式离合器(404)包括第一和第二离合器，使得所述第一离合器(207)的致动提供第一速度范围输出并且所述第二离合器(208)的致动提供第二速度范围输出。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括致动第一制动器(211)而不致动第二制动器(212)以使所述变速器处于正向模式，以及致动所述第二制动器(212)而不致动所述第一制动器(211)以使所述变速器处于反向模式。
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