CN104884849A - 提高功率密度的可逆变速器rvt - Google Patents

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Abstract

本发明提供设计修改以提高用于诸如轿车、公共汽车、卡车、越野车辆、起重机车、伸缩臂搬运机和类似物的车辆的可逆变速器系统的功率密度。变速器也可以用在诸如风车等的系统和要求以可变速度传递动力的其他工业应用中。

Description

提高功率密度的可逆变速器RVT
技术领域
本发明涉及变速箱/变速器领域。本发明尤其提供一种用于车辆的新型可逆变速器，所述车辆例如是轿车、公共汽车、卡车、越野车、起重机车、伸缩臂搬运机和类似物。或者，所述变速箱可以用在诸如风车等的系统中以及要求以可变速度传递动力的其他工业应用中。
背景技术
专利申请PCT/EP2008/057009描述了一种可逆变速器，其包括所谓的行星变换器，克服了现有汽车变速器的限制和缺点，诸如手动变速器(MT)、自动变速器(AT)双离合器变速器(DCT)、无级变速器(CVT)和静液压传动装置(HSD)。
根据上述专利申请，可以使用在不同变速器布局中的一个或多个行星变换器的组合。行星变换器用作用于所述变速器或可逆变速器的子系统，能连续改变传动比，由轮圈、绕中心轴安装的两个或更多个行星件和太阳轮构成，以便使轮圈、中心轴和太阳轮形成与其他变速器构件的界面。行星件由具有基本圆锥形滚动表面的行星轮构成，其优选地被硬化或被涂覆以传递牵引和压缩力，借助径向和轴向轴承或衬套绕行星叉自由旋转地安装，并且所述圆锥的虚拟顶部和中心轴的轴线与行星件的铰接轴线的交点重合。行星变换器的每个行星叉都可以绕铰接连接部自由旋转，所述铰接连接部的轴线垂直于中心轴轴线并且平行于行星轮平面，并且每个行星叉和每个行星轮都设计成对于行星轴线和中心轴轴线之间的所有可用倾角都不彼此干涉。轮圈、行星件和太阳轮彼此挤压，以便使滚动表面彼此接触并且接触压力足够高以传递要求的转矩。中心轴以与挤压力和所传递的转矩相关的限定速度轴向移动，以便改变传动比，并且行星轮的基本圆锥形的滚动表面的形状以凸起方式稍微偏离该理论形状，以便优化接触压力分布。
考虑到专利申请PCT/EP2008/057009的可逆变速器包括主行星变换器和副行星变换器，主行星变换器的轮圈连接至壳体，以便使其不能转动，但可以通过挤压两个行星变换器的滚动接触的预载力而轴向移动。两个行星变换器的中心轴都组合到一个主轴中，并且可旋转地连接至变速器输入轴并且能通过沿两个方向的转向力轴向移动，而输入轴不轴向移动。主行星变换器的太阳轮连接至副行星变换器的轮圈，以便使组合的太阳轮-轮圈能绕变速器的中心轴线旋转。副行星变换器的太阳轮连接至变速器的输出轴，并且预载力的反作用力通过轴向轴承传递至壳体。
轮圈、太阳轮和行星件的相对尺寸优选地选择成适于汽车应用，意味着最高速比如此高以至于发动机能够几乎总是在其最佳效率点处提供其动力，但也意味着反向最高速比足够高，以用中等发动机速度和反向中的低噪声驱动汽车。通过使变速器的主轴运动，传动比在前进最高速比越过静止到反向最高传动比之间连续变化。
每个滚动接触上的法向力通过一个预载力产生，其从壳体作用在不转动的主轮圈上，并且反作用力在一个轴承上从副太阳轮传递至壳体。净转向力用于限定主轴的位置并且因而还限定传动比，所述净转向力通过沿两个方向中的一个方向的一个力产生并且从输入轴作用到主轴，二者以速度旋转，并且反作用力在轴承上从输入轴传递至壳体。
上述预载力由在壳体和主轮圈之间并且由单个气动或液压压力启动的一个或多个活塞和缸系统产生，或由机械预载系统产生，其中当变速器被置于零速比时，该机械系统也可以用作驻车制动器。转向压力由液压或气动活塞缸系统产生，该液压或气动活塞缸系统能沿两个方向工作，集成在输入轴和主轴中。用于产生转向压力的液压或气动压力通过活塞环或设计成密封以不同转速旋转的部件的密封件被密封在静止的壳体和旋转的输入轴之间。
上述专利申请PCT/EP2008/057009的可逆变速器还提供一种液压系统和应用软件程序，用于借助轿车、卡车或其他公路或越野车辆中的液压阀控制可逆变速器。
其中滚动接触运动的变速器内部填充有惰性气体或普通空气，以及用于冷却和润滑的飞溅流体，或具有冷却剂雾的气体，并且所述内部与用于轴承的润滑油密封开，并且与变速器外部密封开。用于行星件内的轴承或衬套的润滑流的多个选择用专利申请PCT/EP2008/057009的可逆变速器给出。
可逆变速器使用户能在轿车、卡车、公共汽车、越野车辆、割草机、风力涡轮机、伸缩臂搬运机、起重机车或需要以可变速度传递动力的任何其他工业应用中以可变速度传递动力。
但可逆变速器系统的构造还具有在功率密度方面改进的潜力：在相同外部尺寸的情况下可以传递更大功率。在相同变速器尺寸和相同牵引系数的情况下，通过在牵引轮上施加更大的法向力并且通过更接近牵引极限地使用变速器来传递更大功率。本发明公开了提供较高功率密度的若干设计修改方案。
发明内容
本发明提供改进的可逆变速器(RVT)，其包括如下所示的行星变换器。根据本发明的RVT在与例专利申请PCT/EP2008/057009公开的RVT相同尺寸的情况下具有较高功率密度。虽然专利申请PCT/EP2008/057009公开的原RVT承受挤压压力的设计极限高达大约10bar，但本发明提供的RVT能承受更高的挤压压力，典型地在20至150bar的范围内。
通常，用作用于无级或可逆变速器的子系统的行星变换器包括轮圈、绕中心轴安装的两个或更多个行星件和太阳轮，以便使轮圈、中心轴和太阳轮形成与其他变速器构件的界面。通常，每个行星件都包括在所述太阳轮或轮圈的运行表面上运行的行星轮和将行星件连接至所述中心轴的行星叉。
更具体地，用作用于能连续改变传动比的无级或可逆变速器的子系统的行星变换器的特征在于，其包括轮圈、绕中心轴安装的两个或更多个行星件和太阳轮，以便使每个构件，即轮圈、中心轴和太阳轮，形成与其他变速器构件的界面；
轮圈是绕中心轴线的轴对称体，具有根据等切面曲线成形的滚动表面，并且该表面优选地被硬化或被涂覆以承受牵引和压缩力；
太阳轮与轮圈基本相同，但等切面曲线的内径和外径可以与轮圈的直径不同；
行星件由具有基本圆锥形滚动表面的行星轮构成，优选地被硬化或被涂覆以传递牵引和压缩力，借助径向和轴向轴承或衬套绕行星叉自由旋转地安装，并且和所述圆锥的虚拟顶部和中心轴的轴线与行星件的铰接轴线的交点一致；
一个行星变换器的每个行星叉可以绕铰接连接部自由旋转，所述铰接连接部的轴线垂直于中心轴轴线并且平行于行星轮平面，并且每个行星叉和每个行星轮设计成对于行星轴线和中心轴轴线之间的所有可用倾角都不彼此干涉；
轮圈、行星件和太阳轮彼此挤压以便使滚动表面彼此接触，并且接触压力足够高以传递要求的转矩；
中心轴以关于挤压力和所传递的转矩限定的速度轴向地(纵向地)运动，以便改变传动比；
轮圈和太阳轮的等切面曲线都具有与从行星轮的滚动接触点到铰接轴线与中心轴轴线的交点的长度相同的长度参数L，其中L在等切面曲线等式中使用；
+/-x+c＝L*(cosα+ln|tan(α/2)|)，其中c是任意常数并且α是接触点的切线和中心轴的轴线之间的倾角；并且基本圆锥形的行星轮的滚动表面的形状从该理论上的形状以凸起的方式略微偏离，以便优化接触压力分布。
通常，可逆变速器(RVT)包括主行星变换器和副行星变换器，它们包括轮圈、绕中心轴安装的两个或更多个行星件和太阳轮，以便使轮圈、中心轴和太阳轮形成与其他变速器构件的界面。通常，每个行星件都包括在所述太阳轮或轮圈的运行表面上运行的行星轮和将行星件连接至所述中心轴的行星叉。
更具体地，可逆变速器(RVT)包括主行星变换器和副行星变换器，其特征在于：
主行星变换器的轮圈连接至壳体以便使其不旋转，而是可以通过挤压两个行星变换器的所有滚动接触的预载力而轴向移动；
两个行星变换器的中心轴组合为1主轴，并且旋转地连接至变速器输入轴并且能通过转向力沿两个方向轴向移动，而输入轴不轴向移动；
主行星变换器的太阳轮连接至副行星变换器的轮圈以便使组合的太阳轮-轮圈能绕变速器的中心轴线旋转；
并且副行星变换器的太阳轮连接至变速器的输出轴，并且预载力的反作用力在轴向轴承上传递至壳体。
在专利申请PCT/EP2008/057009中描述的变速器的功率密度概念现在已通过在牵引轮上施加更大的法向力和增加能够更接近其牵引极限使用变速器以便施加更大法向力的控制方法而得到改进，必须对原始设计进行修改或改进。下文关于变速器系统给出的所有对比和改进都被认为是关于专利申请PCT/EP2008/057009，其包含所比较的基准和原始数据。
改进涉及可逆变速器的以下构件：
转向活塞；
行星件：尤其关于行星轮、行星盖、行星件轴承，行星叉的腿；
挤压压力的控制策略；
输出轴。
首先，更大的法向力导致转向缸中的转向活塞上的更高压力。原本以输入速度旋转的RVT的转向缸现在集成在静止的壳体中，以便使活塞环从设计中取消。活塞环限制了转向缸中的压力。另外，活塞环的取消导致较少的构件，具有成本和复杂性方面的良好效果，并且减小了输入轴的惯量。
其次，当变速器的变换器必须更接近其牵引极限工作时，连接至主轴上同一点的行星轮必须具有完全相同的速比。因此行星件现在可以使用集成在行星叉中的螺旋系统进行调整，以便确保从行星轮运行表面到铰接轴线的正确轴向距离并且由此消除动力损耗和可能引起振动的不平衡性。
而且，在行星变换器或RVT中使用的行星轮必须承受更大的法向力，因此它们必须被重新设计并且现在包括双罩结构，由此减小应力和变形，获得较薄且较轻的构造，同时减小惯量。另外，具有三角形横截面的双罩提供对横向力的足够刚度。
由于同样的原因，在行星变换器或RVT中使用的行星轮已经被进一步重新设计以便使其包括行星毂和基本成形为平盘的行星盖。行星盖的外径是圆锥形的并且配合在具有相同锥角的行星毂中。通过在行星毂内旋拧行星盖而消除所有间隙。这样，在圆锥形表面上施加偏压接触应力，以便避免行星毂和行星轮的变形。行星盖的盘位于行星毂内，靠近上部行星罩由行星毂支撑的位置。这以非限制性示例的方式在图2中示出。
较大的法向力增大了施加在行星件轴承上的力。行星轮的轴承构造已通过使用锥形轴承或与仅一个径向轴承组合的轴向球形滚子轴承而得到改进，减小轴承动力损耗并且获得更紧凑且便宜的轴承设计。
最后，关于在行星变换器或RVT中使用的行星件，行星叉主要由于与向前驱动相关的应力而被加载并且因此没有均匀地加载，不对称的设计比使行星叉具有对称的腿更合适。在行星叉的更紧凑且更可靠的重新设计中，腿是不相同的，载荷最高的腿较厚，而载荷最低的腿重新成形为稍薄的构件。
使变速器较靠近其牵引极限运行的目标是通过确保挤压压力不高于用于通过摩擦进行转矩传递所需的大小增大最小安全边界而实现的。这样，效率也提高了，这是因为较高的挤压压力将仅增大内部变速器损耗。
变速器控制器典型地基于速比、速比变化的速度和输入转矩(参见图7a)计算所要求的挤压压力。可以从2或3个源选取最高的而获得输入转矩信号：
·来自发动机模型的输入转矩
·从测量输出转矩重新计算的可选的输入转矩
·从微滑动和挤压压力计算的输入转矩。
微滑动本身是从对比2信号而计算的：
·从转向活塞的测量位置计算的理论上的无载荷速比
·测量的实际速比
或者(参见图7b)，变速器控制器计算基于实际输入速度、速比、速比变化的速度和输入或输出转矩而计算所要求的挤压压力。输入或输出转矩信号从1或2个源取得最高的而获得：
·来自发动机模型或描述输出转矩的模型的输入转矩，
·可选地来自测量输出转矩
还可以通过PID-控制器将微滑动保持在预定值而调节挤压压力。
微滑动本身是从对比2信号而计算的：
·从转向活塞的测量位置计算的理论上的无载荷速比
·测量的实际速比
该电子控制方法也用作对抗微滑动的电子保护。
可选地，除了该电子滑动保护之外，机械滑动保护通过将该轴分成2部分而集成在RVT的输出轴设计中：副太阳轮和输出轴。副太阳轮通过输出轴对中心并且由输出轴轴向地支撑在切向斜坡上。输出的无法预料的转矩峰值将引入挤压压力的压力峰值，即，将产生副太阳轮抵抗行星轮的轴向力峰值，由此稳定微滑动。
通过每当转矩峰值超过变速器的转矩能力时立即将发动机的燃料喷射和挤压压力都设置为零而增加最终微滑动保护。
本发明还提供以下方面：
方面1.一种行星变换器，其用作用于无级或可逆变速器的子系统，能承受典型地在20至150bar范围内但不限于此的挤压压力，其包括轮圈、绕中心轴安装的两个或更多个行星件和太阳轮，以便使轮圈、中心轴和太阳轮形成与其他变速器构件的界面，其中每个行星件都包括在所述太阳轮或轮圈的运行表面上运行的行星轮和将行星件连接至所述中心轴的行星叉，其特征在于：
a)连续或不连续的控制系统集成在每个行星件的组件中，以确保当一定的载荷施加在运行表面上时，由理论上的截头行星轮运行表面形成的圆锥的尖端与行星叉的铰接轴线精确地一致；和/或
b)行星轮由上部行星罩和下部行星罩构成，以便使上部行星罩的中性纤维基本与行星轮运行表面上的法向力的矢量一致，并且使下部行星罩的中性纤维大致位于由作用在运行表面的两个接触区域上的切向力形成的平面中；和/或
c)每个行星件都包括行星盖和行星毂，并且其中：
行星盖和行星毂组装在彼此中，而没有任何间隙或具有预载；和/或
行星盖的盘安装在上部行星罩由行星毂支撑的高度附近；和/或
-行星盖包括在接触表面与行星毂之间至少大致平坦的盘；和/或
d)作用在每个行星件上的径向力的一部分和轴向力由一个锥形轴承或一个轴向球形滚子轴承承受，其中对于轴向球形滚子轴承的倾角限定在在滚子元件的中心处，其中径向力的其余部分由一个径向轴承支撑，并且其中可选地外圈滚动表面上的法线相对于轴向载荷的倾角在20°至50°的范围内；和/或
e)行星叉的两个腿不相同。
方面2.可逆变速器能承受的挤压压力典型地在20至150bar范围内但不限于此，其包括根据方面1的主行星变换器和副行星变换器。
方面3.根据方面2的可逆变速器，还包括挤压活塞，以将所有的牵引轮压靠在彼此上，和转向活塞以控制速比，其特征在于：
a)转向活塞不与主轴一起旋转，而是相对于壳体轴向移动并且其在轴向轴承上轴向地重新定位主轴，并且用于转向活塞的液压或气动压力从壳体直接供给或排出，而没有任何诸如活塞环的动态密封；和/或
b)变速器控制器基于输入或输出转矩信号、输入速度、速比和速比变化的速度而计算作用在挤压活塞上的挤压压力，其中输入转矩信号是以下1或2输入数据中的最高的：
b1)来自包括附件的发动机模型或描述输出转矩的模型的输入转矩信号
b2)来自输出转矩检测装置(图7b)的可选的转矩信号；和/或
c)变速器还包括机械挤压压力控制和集成在太阳轮和轴向输出轴轴承之间的输出轴中的滑动保护后援装置，所述滑动保护后援装置包括沿双方向的被润滑的切向斜坡和对中心装置，以保持太阳轮轴对中心，其中斜坡角的正切对应于最大切向轴力与在轴向输出轴力的比例。
方面4.根据方面3所述的RVT，其中在选项b)中，挤压压力还通过借助PID-控制器将微滑动保持在预定值而被调节并且其中所述微滑动本身通过对比以下2信号而计算：
b3)从测量转向活塞的位置而获得的理论上的无载荷速比，或者从测量挤压活塞位置和所要求的驾驶感觉的知识而计算的无载荷速比，和
b4)测量的实际速比。
方面5.根据方面3或4所述的RVT，其包括特征b)并且还包括在转矩超过变速器转矩能力的情况下通过只要施加过载就将挤压压力和发动机转矩立即设置成零的最终滑动保护，并且由此当所要求的挤压压力将超过设计极限时检测到过载转矩。
方面6：可逆变速器其包括主行星变换器和副行星变换器，其包括轮圈、绕中心轴安装的两个或更多个行星件和太阳轮，以便使轮圈、中心轴和太阳轮形成与其他变速器构件的界面，还包括：
具有挤压活塞的挤压缸，以将所有牵引轮都压靠在彼此上，和具有转向活塞的转向缸，以控制速比，其特征在于：
变速器控制器基于输入转矩信号、速比和变速器模型计算挤压压力，其中输入转矩信号是以下2或3输入数据中最高的：
a)来自包括附件的发动机模型的输入转矩信号，
b)来自输出转矩检测装置的可选的输入转矩信号，重新计算成考虑传动比和损耗的输入转矩，和
-c)通过实际速比及其变化、实际挤压压力和实际滑动经由变速器模型计算的输入转矩信号，通过比较以下2信号而计算：
-c1)从测量转向活塞的位置而获得的理论上的无载荷速比，和
-c2)测量的实际速比(图7a)。
方面7：根据方面6所述的变速器，其中在步骤c)中，从测量挤压活塞位置和所要求的驾驶感觉的知识而不是测量转向活塞的位置来计算无载荷速比。
方面8：根据方面6或7所述的变速器，还包括机械挤压压力控制和集成在太阳轮和轴向输出轴轴承之间的输出轴中的滑动保护后援装置，所述滑动保护包括沿双方向的被润滑的切向斜坡和对中心装置，以保持太阳轮轴对中心，其中斜坡角度的正确对应于最大切向轴力与轴向输出轴力的比例。
方面9：根据方面6至8中的任意一项所述的变速器，还包括在转矩超过变速器转矩能力的情况下通过只要施加过载就立即将挤压压力和发动机转矩设置成零而实现的最终滑动保护，其中当所要求的挤压压力将超过设计极限时检测到过载转矩。
方面10：可逆变速器，其包括主行星变换器和副行星变换器，其包括轮圈、绕中心轴安装的两个或更多个行星件和太阳轮，以便使轮圈、中心轴和太阳轮形成与其他变速器构件的界面，或根据方面6至9中的任意一项所述的RVT，
其特征在于，转向活塞不与主轴一起旋转，而是相对于壳体轴向移动并且其在轴向轴承上轴向地重新定位主轴，并且用于转向活塞的液压或气动压力从壳体直接供给或排出，而没有任何诸如活塞环的动态密封。
方面11：一种行星变换器，用作用于无级或可逆变速器的子系统，其包括轮圈、绕中心轴安装的两个或更多个行星件和太阳轮，以便使轮圈，中心轴和太阳轮形成与其他变速器构件的界面，其特征在于，连续或不连续的控制系统集成在行星件的组件中，以确保当一定载荷施加在运行表面上时，由理论上的截头行星轮运行表面形成的圆锥的尖端与行星叉的铰接轴线精确地一致。
方面12：一种行星变换器，用作用于无级或可逆变速器的子系统，其包括轮圈、绕中心轴安装的两个或更多个行星件和太阳轮，以便使轮圈、中心轴和太阳轮形成与其他变速器构件的界面，或根据方面11所述的行星变换器，其特征在于：
行星轮由上部行星罩和下部行星罩构成，以便使上部行星罩的中性纤维与行星轮运行表面上的法向力的矢量精确地一致，并且使下部行星罩的中性纤维基本位于由作用在运行表面的2接触区域上的切向力形成的平面中。
方面13：一种行星变换器，用作用于无级或可逆变速器的子系统，其包括轮圈、绕中心轴安装的两个或更多个行星件和太阳轮，以便使轮圈，中心轴和太阳轮形成与其他变速器构件的界面，或根据方面11或12所述的行星变换器，其特征在于：
行星盖和行星毂组装在彼此中，而没有间隙或具有预载，
-行星盖的盘安装在上部行星罩由行星毂支撑的高度附近，和/或
行星盖包括在接触表面与行星毂之间至少大致平坦的盘。
方面14：一种行星变换器，用作用于无级或可逆变速器的子系统，其包括轮圈、绕中心轴安装的两个或更多个行星件和太阳轮，以便使轮圈，中心轴和太阳轮形成与其他变速器构件的界面，或根据方面6至8中的任意一项所述的行星变换器，其特征在于：
作用在行星件上的轴向力和径向力主要由1锥形轴承承受，由此可选地外圈滚动表面上的法线相对于轴向载荷的倾角在从20°至50°(参见图8)的范围内，其中可选地该锥形轴承由具有明显较低支承能力的1滑动轴承或滚动轴承辅助。
方面15.一种行星变换器，用作用于无级或可逆变速器的子系统，其包括轮圈、绕中心轴安装的两个或更多个行星件和太阳轮，以便使轮圈、中心轴和太阳轮形成与其他变速器构件的界面，或根据方面11至15中的任意一项所述的行星变换器，其特征在于，行星叉的2腿是不相同的。
方面16.根据上述方面中的任意一项所述的行星变换器或RVT在乘用车、卡车、垃圾车、城市公共汽车、非公路车辆、割草机、起重机车、伸缩臂搬运机、动能回收系统(KERS)、风力涡轮机或必须以可变速度传递动力的工业应用中的用途。
上述实施例中的任意一个都可以组合在单个优选实施例中，包括所有改进。本发明因而提供具有上述实施例的所有改进的行星变换器和包括RVT和行星变换器的上述实施例的所有改进的RVT。
附图说明
将参照附图仅以示例性方式说明本发明的实施例。附图中部件的命名：(1)输入轴，(2)壳体，(3)转向活塞，(4)轴向轴承，(5)主轴，(6)行星轮，(7)上部行星罩，(8)下部行星罩，(9)行星毂，(10)行星盖，(11)行星叉，(12)行星轴，(13)锁定螺杆，(14)锥形轴承，(15)径向轴承，(16)行星轮运行表面，(17)行星叉的铰接轴线，(18)上部中性纤维，(19)下部中性纤维，(20)口径部，(21)挤压活塞，(22)具有斜坡的太阳轮轴，(23)具有斜坡的输出轴，(24)切向斜坡，(25)外圈的滚动表面上的法线的倾角，(26)径向力，(27)轴向力，(28)径向和轴向力的合力，(29)合力的角度。
图1：转向活塞的示意图。
图2：行星件调整系统、行星件的形状、行星盖和行星轮轴承的示意图。
图3：不对称的具有不相同的腿的行星叉的示意图。
图4：具有口径部的行星件的调整的示意图。
图5：机械滑动保护的示意图。
图6：本发明的可逆变速器的示意图。
图7：电子滑动保护反馈环路控制系统的示意图。
图8：锥形轴承的倾角的示意图。
图9：专利申请PCT/EP2008/057009的可逆变速器的示意图。该图整体取自专利申请PCT/EP2008/057009，具有该现有专利申请中所描述的文字和数字，其由此通过参考包含于此，并且数字按该现有专利申请的术语称呼，这仅限于该图之内：(1)轮圈，(2)行星件，(3)太阳轮，(4)行星叉，(5)行星轮，(6)行星件径向轴承，(7)行星件推力轴承，(8)铰链销，(9)中心轴，(10)泄压阀，(11)输入轴，(12)主轴，(13)行星变换器，(14)壳体，(15)输入处的轴向轴承，(16)输入处的径向轴承，(17)衬套太阳轮-轮圈，(18)输出处的径向轴承，(19)输出处的轴向轴承，(20)输入衬套，(21)输出衬套，(22)油分配器，(23)活塞环，(24)唇形密封件，(25)密封管，(26)向前转向缸，(27)反向转向缸，(28)转向活塞，(29)预载力活塞，(30)预载力缸，(31)定位器销，(32)泵油叶轮，(33)用于向前转向压力(pSF prop)的减压阀，(34)用于反向转向压力(pSR prop)的减压阀，(35)用于法向压力(pN prop)的减压阀，(36)用于向前转向压力的安全截止阀，(37)用于反向转向压力的安全截止阀，(38)低压储压器，(39)高压储压器，(40)油泵，(41)液压泵开关，(42)液压供给开关，(43)液压储压器开关，(44)压力传感器，(45)转向力，(46)输出轴，(47)转矩传递装置(即，花键连接)，(48)齿圈，(49)行星齿轮，(50)行星齿轮托架，(51)太阳轮，(52)预载力，(53)转向力，标记a：主行星变换器，标记b：副行星变换器。
具体实施方式
将参照具体实施例和附图说明本发明，但本发明不限于此，而是由权利要求限定。附图尽是用于示例的目的而非限制性的。
本发明将被描述为对如图9所示的上述可逆变速器系统的修改。下述对应部件具有额外的新颖性和创造性特征。
对可逆变速器的修改
1.挤压压力控制和滑动保护
电子挤压压力控制策略
图6示出挤压活塞(21)，挤压压力作用在其上，以便将所有牵引轮都压靠在彼此上，确保通过摩擦传递转矩。施加远大于所需要的挤压压力的挤压压力仅会增大内部变速器损耗。因而重要的是变速器控制器知道转矩水平，以便使其可以借助变速器模型计算所需要的挤压压力。
在大多数驱动条件下，可以从节气门位置和传动比计算挤压压力。对于每个节气门位置，理想的发动机速度和对应的发动机转矩存储在变速器控制器的存储器中，理想的发动机速度和对应的发动机转矩还取决于发动机温度、环境空气条件和发动机的动态效果。借助给定的输入转矩和所要求的传动比以及这些值由于加速而引起的变化，所有滚动接触处的法向力都可以被计算。一旦得知这些数据，所需要的挤压压力就被计算。
在非常低的速比(速比是变速器输出速度除以其输入速度)处，该方法变得不准确。假设车辆以0.01的速比排队。变速器输出转矩的大小是15Nm。在克服损耗和驱动附件所要求的转矩以上，输入转矩因而是100分之一或0.15Nm。假设车辆沿陡峭的上坡开始驱动并且变速器输出增大到75Nm。输入转矩仅增大了0.6Nm。该较小的转矩水平增长在附件的变化的转矩水平中将不会被注意到，并且变速器控制器将不能计算最优挤压压力。
也可以通过转矩检测装置测量输出转矩改进上述前馈方法。一旦安装该检测装置，其不仅在速比处有用，而且在任意速比处也将提供更准确的转矩信息。由于崎岖道路引起的快速转矩波动也将被测量。继而通过已知速比并且通过增加从变速器模型已知的变速器损耗计算输入转矩。
在输出处的转矩尖峰，即，由道路上的障碍物引起，会在发动机速度显著下降之前并且因而在变速器控制器得知转矩增大之前引起变速器中的滑动。在没有输出转矩检测装置的情况下，发动机速度偏离到希望速度以下是检测转矩增大的唯一方式。在这种情况下，发动机速度将由于转矩尖峰而与整个车辆一起减速。对转矩尖峰作用的反应仅在之后出现，即，没有早期检测反馈信号。
为了避免上述较晚的事后判定，除了来自上述发动机模型的前馈输入转矩信号之外，反馈输入转矩信号也呈现给变速器控制器。
位置传感器测量转向活塞的位置。对于转向活塞的每个位置都可以从变速器模型计算理论上的无载荷速比。从测量的速比和理论上的无载荷速比计算真实滑动。PID控制器将调节计算的前馈挤压压力以将微滑动保持在其最优预定值(图7b)。
总之，有2或3信号可用于挤压压力控制：
·用于前馈的来自发动机模型的输入转矩
·来自输出转矩测量装置的用于前馈的可选的输入转矩
·用于反馈的测量的滑动
2输入转矩信号的最高值用作用于模型的输入以限定挤压压力。
与使用输入转矩信号等效，变速器模型也可以使用输出转矩信号。通过传动比和内部变速器损耗的模型，可以从输入转矩计算输出转矩。
本发明的实施例在图7中示出。每当转矩尖峰在输出上出现时，变速器微滑动急剧增大，而测量的微滑动将导致挤压压力快速增大，这将使微滑动重新到达其最优值。
转向活塞行程较长，以至于难以在市场上找到足够的位置传感器。或者，位置传感器可以安装在挤压传感器上，这是因为其行程短得多。当从驾驶员的要求得知行驶方向时，在挤压活塞(21)的位置和理论上的无载荷速比之间有几何关系。
机械挤压压力控制和滑动保护
作为上述电子挤压压力控制的后援，可以增加另一具有滑动保护的机械挤压压力控制。
在副太阳轮和轴向轴承之间的变速器输出轴由于由挤压压力引起的轴向力而被加载，并且由于来自所传递的转矩的扭转而被加载。在轴的一定直径处，来自转矩的最大切向力与轴向力成比例。当转矩将超过该比例时，变速器将打滑。在本发明的实施例，集成了与转矩相关的该超过比例特征，通过将输出轴分为太阳轮轴(22)和输出轴(23)而提供机械滑动保护系统，以便使两轴都在切向斜坡(24)上配合在彼此中，如图5所示。斜坡(24)位于变速器区域中，由轴承油润滑。机械滑动保护机构是指安全机构，并且因此不经常使用。结果，不需要在斜坡之间有球或滚子用作轴承。斜坡角度的正切对应于切向力和轴向力之间的关系。斜坡(24)是沿双方向的，以便使滑动保护在前进和后退时都起作用。
由于制造的原因，更方面的是制造独立的环，其包括斜坡(24)，并且继而将该环安装在输出轴(23)内。有许多传统方式来避免具有斜坡(24)的环在输出轴(23)内转动，可以给出其中若干示例。可行的选择可以是例如用螺栓安装环，或在环的外径上设置凸轮配合在输出轴(23)的狭槽中，或使用花键连接。
当挤压压力在参照图5的本发明的实施例中对于施加的转矩而言太小，斜坡(24)将开始在彼此上滑动，并且它们将沿挤压活塞(21)的方向推动副太阳轮轴(22)。液压油将通过控制螺线管而被压出挤压缸。在该螺线管的口中，将产生流动力，以便使挤压缸内的压力即使在电子控制系统可以反应之前就增大。增大的挤压压力将克服初始滑动并且避免机械滑动保护系统的进一步分离。一旦控制器测量所要求的增大的挤压压力以及未要求的传动比变化，就得知机械滑动保护系统被启动并且挤压压力将被控制以避免微滑动。
滑行车辆滑动保护
作为本发明的实施例中提供的最终保护，每当转矩峰值超过变速器的转矩能力时，发动机的燃料喷射和挤压压力二者都立即设置为零。车辆在该保护启动的非常短的时间内将滑行。当所要求的挤压压力超过设计极限时，检测到超载情况。
包括上述滑动保护系统的本发明的实施例将不仅保护变速器不被损坏，而且其主要任务是确保以具有较低安全边界的挤压压力水平进行驱动。
2.转向活塞
参照本发明的实施例，将参照图1和图6说明转向缸系统到变速器壳体中的集成。
主轴(5)通过轴向轴承(4)或尤其通过4-点角接触球轴承轴向地移动。该轴向轴承(4)通过静止的双作用转向活塞(3)而被转向。液压压力与液压控制块直接连接。液压通道短且宽，允许具有非常低的压力降的高流量以实现快速速比变化。轴向轴承(4)经受的力和速度与专利申请PCT/EP2008/057009的设计相同，并且因此其没有被加载更多。
与专利申请PCT/EP2008/057009中所述的设计相比，本发明中的液压压力不再必须从静止的壳体传递至旋转的活塞。本发明的实施例中的活塞环因此被取消，并且因此几乎完全避免了油泄漏。变速器可以在相同速比中长时间运行，而用于液压控制块的压力在没有消耗动力的泵的情况下从储压器供给。
本发明的实施例与转向活塞系统相关的较少的构件，由此降低了组件的成本和复杂性。而且，输入轴(1)的惯量与专利申请PCT/EP2008/057009相比显著降低。
3.调整行星件
本发明的实施例一种构造，其具有从行星轮运行表面(16)到行星叉(11)的铰接轴线(17)的轴向距离的连续调整机构。该调整机构补偿由行星件的构件中的现有的和不可避免的制造公差引起的行星件之间的尺寸差异。借助调整机构，所有行星件限定相同尺寸的滚动体，这是所需要的使系统避免产生不良的传动比差异、降低的转矩能力、较低的效率和可能引起振动的不平衡性。
在图2和图4中示出具体实施方式。具有轴承、行星毂(9)和行星轮(6)的行星轴(12)在行星叉(11)旋拧到机械口径部(20)的端部终点，提供铰接轴线(17)到行星轮运行表面(16)的准确距离。调整位置可以是固定的，由此通过将锁定螺杆(13)紧固在行星叉(11)上而确保该固定。所述调整确保来自圆锥形行星轮运行表面(16)的理论上的圆锥的尖端在给定载荷下与行星叉(11)的铰接轴线(17)一致。
4.行星轮的形状
在本发明的实施例中，行星轮设计成使其抵抗在与轮圈和太阳轮的接触区域中产生的高法向力，以便传递牵引力并且独立于由所述接触区域中的牵引而引起的所传递的切向力。法向力的值取决于变速器的尺寸和所传递的转矩，但对于所示示例它们可以到达例如大约30kN。牵引力与法向力的关系由系统的摩擦系数限定。法向力越大，可传递的转矩就越大。
如参照图2所述，本发明的实施例具有行星轮(6)，其包括双罩，即，上部行星罩(7)和下部行星罩(8)。上部行星罩(7)仅被由法向力产生的压缩应力加载，而不被弯曲应力加载，而下部行星罩(8)仅被由切向力引起的压缩应力和拉伸应力加载。结果，借助行星轮双罩，应力和变形减小，得到与图9所示的专利申请PCT/EP2008/057009的行星轮相比较薄且较轻的构造。由于该质量减小，同时也减小了惯量。
包括具有双罩的行星轮的本发明的实施例消除了行星轮中的弯曲应力。参照图2细节A，法向力的矢量与上部行星罩(7)的上部中性纤维(18)一致，而切向力的矢量处于与下部行星罩(8)的下部中性纤维(19)相同的平面中。
如图2细节A所示，上部行星罩(7)和下部行星罩(8)形成三角形横截面，提供对横向力的足够的刚度，所述横向力与接触区域相切并且在图2所示的横截面的平面中，在快速速比变化时变得较大。作为示例，在车辆加速期间，速比例如以低于0.5Hz的速度变化，横向力仍可忽略(与大约20kN的法向力相比，10至500N)，但在强制降挡期间，横向力力会增大到大约1000N并且速比因此会以高达5Hz的速度变化。
借助大量强度计算考虑了例如离心力和回转力矩的设计最优化通过相对于接触区域重新定位上部或下部行星罩关于所述原理会实现上部中性纤维(18)和下部中性纤维(19)的较小错位。
5.行星盖
如图2所示，本发明的实施例具有行星盖(10)的行星件，该行星盖安装在行星毂(9)中而没有任何间隙，以便避免行星毂(9)和行星轮(6)的变形。在没有行星盖(10)的情况下，将由于通过上部行星罩(7)传递至行星毂(9)的上部轮缘的法向力而使行星毂(9)的圆形边缘变形为椭圆形。
行星盖(10)大致设计为具有圆锥形边缘的平盘。作用在行星盖(10)的侧面上的径向力不产生任何弯曲应力，获得最小的变形。行星盖(10)的平面安装在上部行星罩(7)在行星毂(9)内的支撑平面附近。
图2示出根据本发明的实施例行星盖(10)可以如何在没有间隙的情况下安装在行星毂(9)内。行星盖(10)的外边缘侧壁是圆锥形的并且配合在具有相同圆锥角的行星毂(9)内。由于行星盖(10)旋拧在行星毂(9)内，因此消除了所有间隙和可能的相对运动。因此，在圆锥形表面上施加偏压接触应力。用于在没有间隙的情况下安装行星盖(10)的可替代方法是例如公知的压配合，例如从将齿轮安装在轴上可知。
行星盖(10)的最终形状可以从平盘设计稍微偏离，以便补偿由离心力产生的额外应力。
由于行星盖(10)仅由压缩力加载，因此可以选择用于行星盖(10)的构造的诸如铝的轻质材料，同时仍保持所要求的刚度。
6.行星轮轴承
较大的轴向力作用在行星件的轴承上。而且，这些轴承也由于径向力而被加载。如专利申请PCT/EP2008/057009所述，如图9所示的径向轴承经受径向载荷。可以应用更简单且更高效的轴承装置来应对行星轮的特定载荷。
由于牵引轮的摩擦系数，径向力与轴向力之比不能超过特定极限。本发明的实施例利用该特性，在行星件中提供紧凑的轴承构造，其中单个锥形轴承(14)承受轴向载荷(27)和径向载荷的一部分(26)。在操作中，变速器或行星变换器总是由轴向力(27)加载。径向载荷的其余部分由额外的径向轴承(15)承受，如图2所示。
锥形轴承(14)的外圈的倾角典型地制成使其更有效地支撑合力。图8a和8b示意性地示出作用在轴承的外圈上的轴向力和径向力的合力(28)。轴承外圈的滚动表面上的法线由点划线表示。
在图8中由(25)表示的法线相对于轴向载荷(27)的倾角选择成比在标准轴承中小得多，但该角必须保持大于合力对轴向载荷(27)的角度(28)，在图8中由角(29)表示。根据设计和摩擦系数，由角(29)表示的合力相对轴向载荷(27)的角度(28)从不超过10°至25°。标准锥形轴承的法向相对轴向载荷的倾角典型地大于60°，但对于本发明，由(25)表示的法向相对轴向载荷(27)的倾角可以在20°和50°之间旋转。这样，轴承尺寸可以减小，并且锥形轴承保持稳定。
轴向球形滚子轴承的几何形状与具有小倾角的锥形滚子轴承类似，并且它们可以作为标准件销售。它们可以代替锥形轴承。
包括设有锥形轴承(14)和径向轴承(15)的上述轴承构造的本发明的实施例与专利申请PCT/EP2008/057009的轴承设计相比，实现了更紧凑且更便宜的轴承设计。对构件硬度和准确度的要求较宽松，这是因为滚针或滚子不再直接在构件上运行。
7.行星叉的腿
在许多变速器应用中，大多数驱动是向前的。因此，行星叉的材料的寿命主要由在向前驱动期间的应力来决定。在向前的所有速比处，行星叉中的弯曲力矩出现在同一方向上。结果，行星叉的一个腿将比行星叉的另一个腿承受更多载荷。
在行星变换器的设计中，必须避免行星叉之间的干涉以及行星叉和轮圈和太阳轮之间的干涉。对于专利申请PCT/EP2008/057009中的行星变换器设计所述的具有对称的腿的行星叉没有高效利用可用空间，使得叉的强度没有在空间限制内最优化。通过引入如下文所述的包括两个不同腿的新的不对称设计，行星变换器能在所述应用条件下传递更大转矩。
如图3所示，通过将载荷最高的腿调整为较厚的构件而将载荷最低的腿重新设计成稍薄的构件，本发明的实施例提供行星叉(11)的可靠且紧凑的设计。行星叉(11)中的对称不再保留。可传递的转矩由此增大，而总尺寸保持相同。
应用领域
该变速器设计用于乘用车，但该应用可以扩展至：
·卡车：其中需要具有高效率的许多高、低传动比。垃圾车将不再磨损其离合器并且更高效地驱动。
·城市公共汽车将更高效地驱动，这是因为频繁的起步没有滑动离合器或滑动变矩器。不需要使发动机加速以起动公共汽车，这是因为发动机转矩由于在地速的无限转矩放大而非常低。
·非公路
·其中爬行速度和低速下的高效率非常重要的应用，诸如大型割草机
·起重机车，其需要在两个驱动方向上的平稳低速操纵能力和较快的反向(与向前2挡相比)
·如伸缩臂搬运机的机器，其中必须能独立于变化的地面阻力而控制低速
·动能回收系统(称为KERS)可以在飞轮和发动机之间传递动力而没有任何滑动构件。同时车辆也由RVT驱动。
·风力涡轮机，其中变速器"输出"连接至非常低速旋转的推进器并且"输入"驱动发电机。
·必须以可变速度传递动力的其他工业应用。

Claims (6)

1.一种行星变换器，其用作用于无级或可逆变速器的子系统，能承受典型地在20至150bar但不限于此的挤压压力，包括轮圈、绕中心轴安装的两个或更多个行星件和太阳轮，以便使轮圈、中心轴和太阳轮形成与其他变速器构件的界面，其中每个行星件包括在所述太阳轮或轮圈的运行表面上运行的行星轮和将行星件连接至所述中心轴的行星叉，其特征在于：
a)在每个行星件的组件中设有连续或不连续的控制系统，以确保当特定载荷施加在运行表面上时，由理论上的截头行星轮运行表面形成的圆锥的尖端与行星叉的铰接轴线精确地一致；并且/或者
b)行星轮包括上部行星罩和下部行星罩，以便使上部行星罩的中性纤维大致与行星轮运行表面上的法向力矢量一致，并且以便使下部行星罩的中性纤维大致位于由作用在运行表面的两个接触区域上的切向力形成的平面中；并且/或者
c)每个行星件包括行星盖和行星毂，并且其中：
所述行星盖和所述行星毂组装在彼此中而没有任何间隙或具有预载；并且/或者
行星盖的盘安装在上部行星罩由行星毂支撑的高度附近；并且/或者
行星盖在与行星毂的接触表面之间至少包括大部分平坦的盘；并且/或者
d)作用在每个行星件上的轴向力和径向力的一部分由一个锥形轴承或一个轴向球形滚子轴承承受，其中在滚子元件的中心处限定用于轴向球形滚子轴承的倾角，其中径向力的其余部分由一个径向轴承支撑，并且其中可选地，外圈滚动表面上的法线相对于轴向载荷的倾角在20°至50°的范围内；并且/或者
e)行星叉的两个腿是不同的。
2.一种可逆变速器，其能承受典型地在20至150bar范围内但不限于此的挤压压力，包括根据权利要求1所述的主行星变换器和副行星变换器。
3.根据权利要求2所述的可逆变速器，还包括用于将所有牵引轮压靠在彼此上的挤压活塞和用于控制传动比的转向活塞，其特征在于：
a)所述转向活塞不与主轴一起旋转，而是相对于壳体轴向移动，并且其使主轴在轴向轴承上轴向地重新定位，并且用于转向活塞的液压或气动压力直接从壳体供给或排出而没有任何诸如活塞环的动态密封；并且/或者
b)变速器控制器基于输入或输出转矩信号、输入速度、速比和速比变化的速度计算作用在挤压活塞上的挤压压力，其中输入转矩信号是以下1或2输入数据中最高的：
b1)输入转矩信号，其来自包括附件的发动机模型，或来自描述输出转矩的模型；
b2)可选的转矩信号，其来自输出转矩检测装置；并且/或者
c)所述变速器还包括在太阳轮和轴向输出轴轴承之间设置在输出轴中的机械挤压压力控制和滑动保护后援装置，所述滑动保护后援装置包括沿双方向的被润滑的切向斜坡和对中心装置以将太阳轮轴保持在中心，其中斜坡角度的正切对应于最大切向轴力与轴向输出轴力的比例。
4.根据权利要求3所述的RVT，其中在选项b)中，挤压压力还通过借助PID-控制器将微滑动保持在预定值而被调节，并且其中所述微滑动本身通过比较以下2信号而计算：
b3)通过测量转向活塞的位置而获得的理论上的无载荷速比，或通过测量挤压活塞位置和所要求的驾驶感觉的知识而计算出的无载荷速比，和
b4)所测量的实际速比。
5.根据权利要求3或4所述的RVT，包括特征b)并且还包括通过只要施加过载就立即将挤压压力和发动机转矩设置成零而在转矩超过变速器转矩能力的情况下的最终滑动保护，并且由此当所要求的挤压压力将超过设计极限时检测到过载转矩。
6.根据上述权利要求中的任意一项的行星变换器或RVT在乘用车、卡车、垃圾车、城市公共汽车、非公路车辆、割草机、起重机车、伸缩臂搬运机、动能回收系统(KERS)、风力涡轮机或必须以可变速度传递动力的工业应用中的用途。
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