CN105114588A - 一种等比五段式液压机械复合无级传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种等比五段式液压机械复合无级传动装置，可连续无级变速，具备良好的起步特性及高效率传动的特点。该传动装置包括液压泵及其固定轴齿轮传动机构、液压马达及其固定轴齿轮传动机构、正反汇流行星机构、行星变速机构和换段操纵元件。当液压马达通过固定轴齿轮对与正反汇流机构连接时，形成液压机械段，可以实现连续无级调速，使车辆获得最佳的动力性能和较低的燃油消耗；当液压马达通过固定轴齿轮直接与变速机构连接时形成纯液压段，用于车辆起步工况，降低滑摩起步离合器的难度，实现纯液压段的倒挡功能，减低了液压泵及液压马达的功率等级，具有较高的传动效率。

Description

一种等比五段式液压机械复合无级传动装置

技术领域

本发明涉及一种无级传动装置，具体涉及一种等比五段式液压机械复合无级传动装置，属于车辆动力传动技术领域。

背景技术

液压机械复合无级传动可实现无级调速，优化发动机工作状态，使车辆获得最佳的动力性能及燃油经济性能。等差式液压机械无级传动可利用纯液压段实现起步，起步特性好，但其输出特性为恒转矩特性，不符合车辆传动系统的输出特性。而等比式液压机械复合无级输出为分段恒转矩特性，符合车辆传动系统需求的恒功率特性输出，在车辆传动系统的应用更广泛。但等比式液压机械无级传动由于没有零速输出，需要增加起步离合器进行滑摩起步，而且起步离合器控制复杂、体积重量较大，不利于传动系统功率密度及可靠性的提高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种等比五段式液压机械复合无级传动装置，具有用于车辆无滑摩速差起步、倒挡及爬坡的纯液压段以及可连续无级变速的等比式液压机械段，具有连续无级变速和良好的起步特性及高效率传动的特点。

所述的等比五段式液压机械复合无级传动装置包括：液压泵及其齿轮传动机构、液压马达及其齿轮传动机构、正反汇流行星机构、行星变速机构、换段操纵元件、输入轴和输出轴；所述液压泵与液压马达之间通过液压油路相连。

液压泵齿轮传动机构包括：液压泵输出齿轮、过渡齿轮A和齿轮A；液压泵的动力输出端与液压泵输出齿轮相连，所述液压泵输出齿轮通过过渡齿轮A与齿轮A啮合。

液压马达齿轮传动机构包括：液压马达输出齿轮A、液压马达输出齿轮B、过渡齿轮B、齿轮B和齿轮C；液压马达的动力输出端分别与液压马达输出齿轮A和液压马达输出齿轮B同轴相连，所述液压马达输出齿轮A通过过渡齿轮B与齿轮B啮合，所述液压马达输出齿轮B与齿轮C啮合。

所述正反汇流行星机构包括：行星排K1和行星排K2；所述行星变速机构包括：行星排K3和行星排K4；所述换段操纵元件包括：离合器A、离合器B、离合器C、离合器D、制动器A和制动器B。

其整体连接关系为：所述输入轴与齿轮A同轴固接，输入轴的一端与发动机相连，另一端与行星排K1行星架相连，行星排K1行星架与行星排K2齿圈固连，行星排K1齿圈和行星排K2行星架固连，行星排K1太阳轮和行星排K3太阳轮之间通过离合器C相连；行星排K2行星架和行星排K3太阳轮之间通过离合器B相连，行星排K2太阳轮与齿轮B同轴固接；行星排K3太阳轮与齿轮C之间通过离合器A相连，行星排K3太阳轮与行星排K3齿圈之间通过离合器D相连，行星排K3齿圈与行星排K4太阳轮固接，输出轴分别与行星排K3行星架、与行星排K4齿圈固接；所述制动器A与行星排K4行星架相连，制动器B与行星排K3齿圈相连。

当所述离合器A结合，离合器B、离合器C和离合器D分离，制动器A结合，制动器B分离时，处于纯液压低速爬挡，液压马达将动力通过其齿轮传动机构传递至行星排K3，经行星排K3和行星排K4减速后输出；在该挡位下所述液压马达的转速从0调节到反向最大。

当所述离合器A结合，离合器B、离合器C和离合器D分离，制动器A分离，制动器B结合时，处于纯液压起步/倒车挡，此时液压马达将动力通过其齿轮传动机构传递至行星排K3，经行星排K3减速后输出；当处于纯液压起步挡时，所述液压马达的转速从0调节到反向最大；当处于纯液压倒车挡时，所述液压马达的转速从0调节到正向。

在纯液压起步挡末，当所述液压马达的转速达到反向最大时，接合离合器B，断开离合器A，进入液压机械Ⅰ段，所述正反汇流行星机构完成液压功率和机械功率的正向汇流后，动力经行星排K3减速后输出；在液压机械Ⅰ段，所述液压马达的转速从反向最大调节到正向最大。

在液压机械Ⅰ段末，当所述液压马达的转速从反向最大调节到正向最大时，接合离合器C，断开离合器B，进入液压机械Ⅱ段，所述正反汇流行星机构实现液压功率和机械功率的反向汇流后，动力经行星排K3减速后输出，在液压机械Ⅱ段，所述液压马达的转速从正向最大调节到反向最大。

在液压机械Ⅱ段末，当所述液压马达的转速达到反向最大时，接合离合器B，结合离合器D，断开离合器C，分离制动器B，进入液压机械Ⅲ段，所述正反汇流行星机构完成液压功率和机械功率的正向汇流，行星排K3整体回转，动力经行星排K3直接输出；在液压机械Ⅲ段，所述液压马达的转速从反向最大调节到正向最大。

在液压机械Ⅲ段末，当所述液压马达转速达到正向最大时，接合离合器C，断开离合器B，进入液压机械Ⅳ段，所述正反汇流行星机构完成液压功率和机械功率的反向汇流，行星排K3整体回转，动力经行星排K3直接输出，在液压机械Ⅳ段，所述液压马达的转速从正向最大调节到反向最大。

有益效果

(1)该传动装置采用连续换段原理，形成一个液压段和四个液压机械段，其中纯液压段用于车辆的无滑摩速差起步、倒挡及爬坡，省去了传统等比式液压机械传动需要单独设置的倒档机构，可获得更紧凑的结构，有利于传动系统功率密度的提高；四个液压机械段为等比式液压机械段，利用较小的液压元件实现大功率的连续无级变速传动，液压机械段时，70％左右的功率通过机械路传递，传动装置传动效率高，使车辆获得最佳的动力性能和较低的燃油消耗。

(2)该传动装置的总体结构采用输入输出同轴布置形式，方便在车辆上布置安装及提高本传动装置的通用性。

(3)在离合器、制动器无速差时进行换段操纵，可实现纯液压段和液压机械段的连续衔接，使各离合器、制动器无速差结合。

(4)通过五段的衔接，减低了液压泵/马达的功率等级，额定功率约为发动机额定功率的27％。

附图说明

图1为本发明的等比五段式液压机械复合无级传动装置传动简图；

图2为连续各段工况下传动系统效率曲线图。

其中：1-行星排K1齿圈，2-行星排K1行星架，3-行星排K1太阳轮，4-行星排K2齿圈，5-行星排K2行星架，6-行星排K2太阳轮，7-行星排K3齿圈，8-行星排K3行星架，9-行星排K3太阳轮，10-行星排K4齿圈，11-行星排K4行星架，12-行星排K4太阳轮，13-液压泵，14-液压马达，15-液压泵输出齿轮，16-过渡齿轮A，17-齿轮A，18-液压马达输出轴，19-液压马达输出齿轮A，20-液压马达输出齿轮B，21-过渡齿轮B，22-齿轮B，23-齿轮C，24-输入轴，25-输出轴，26-离合器A，27-离合器B，28-离合器C，29-离合器D，30-制动器A，31-制动器B。

具体实施方式

下面结合附图并列举实施例，对本发明作进一步的详细描述。

本发明提供一种重载车辆或工程机械车辆用等比五段式液压机械复合无级传动装置，该传动装置利用机械功率和液压功率分流、连续换段原理，按照传动比等比的形式合理衔接五段，满足重载车辆低速大转矩和高速巡航工况的宽传动比范围需求；并可实现全程连续无级变速、机械挡等工况，具有良好起步特性与常用车速高传动效率的优点。

该无级传动装置的结构简图如图1所示，包括：液压泵13及其固定轴齿轮传动机构、液压马达14及其固定轴齿轮传动机构、正反汇流行星机构、行星变速机构和换段操纵元件。

其中液压泵13为双向变量泵，液压马达14为定量马达，液压泵13与液压马达14之间通过液压油路相连，实现功率的传递。液压泵13的齿轮传动机构包括液压泵输出齿轮15、过渡齿轮A16和齿轮A17，用于调整液压泵13的转速；其中液压泵13的输出轴与液压泵输出齿轮15同轴相连，液压泵输出齿轮15通过过渡齿轮A16与齿轮A17啮合。液压马达14的齿轮传动机构包括液压马达输出齿轮A19、液压马达输出齿轮B20、过渡齿轮B21、齿轮B22和齿轮C23，用于调整液压马达14的转速。其中液压马达输出轴18分别与液压马达输出齿轮A19和液压马达输出齿轮B20同轴相连，液压马达输出齿轮A19通过过渡齿轮B21与齿轮B22啮合，液压马达输出齿轮B20与齿轮C23啮合。

正反汇流行星机构包括：行星排K1和行星排K2；行星变速机构包括：行星排K3和行星排K4，换段操纵元件包括：离合器A26、离合器B27、离合器C28、离合器D29、制动器A30和制动器B31。

其整体连接关系为：如图1所示，输入轴24与齿轮A17同轴固接，输入轴24的一端与发动机相连，另一端与行星排K1行星架2相连，行星排K1行星架2与行星排K2齿圈4固连，行星排K1齿圈1和行星排K2行星架5固连，行星排K1太阳轮3和行星排K3太阳轮9之间通过离合器C28相连。行星排K2行星架5和行星排K3太阳轮9之间通过离合器B27相连，行星排K2太阳轮6与齿轮B22同轴固接。行星排K3太阳轮9与齿轮C23之间通过离合器A26相连，行星排K3太阳轮9与行星排K3齿圈7之间通过离合器D29相连，行星排K3齿圈7与行星排K4太阳轮12固连，行星排K3行星架8、输出轴25、行星排K4齿圈10固连在一起(本实施例中所述行星排K3行星架8与行星排K4齿圈10为一体式结构，与输出轴25相连)，为方便该传动装置在车辆上的布置安装，提高其适用性、通用性，该传动装置总体结构采用输入输出同轴布置形式，即所述输出轴25与所述输入轴24同轴。所述制动器A30与行星排K4行星架11相连，制动器B31与行星排K3齿圈7相连。

该传动装置采用采用连续换段原理，形成一个纯液压段和四个液压机械段，实现高效传动和连续无级变速及起步倒档。液压马达14的功率既可以由正反汇流机构驱动车辆，也可以由变速机构直接驱动车辆。当液压马达14与正反汇流机构连接时，通过控制离合器B27、离合器C28、离合器D29和制动器B31可以实现四个液压机械段的挡位自动切换。当液压马达14与变速机构连接时，通过控制离合器A26实现纯液压段下的起步和倒挡。而当行星排K4与制动器A30结合，又可进入纯液压段的低速爬挡，克服载重车辆在困难路面，实现大转矩输出。

下面对该传动装置的各个工况挡分别进行介绍：

纯液压段包括：低速爬挡和纯液压起步/倒车挡

(1)其中低速爬挡用于大坡或高负荷行进工况，此时离合器A26结合，离合器B27分离，离合器C28分离，离合器D29分离，制动器A30结合，制动器B31分离；则齿轮C23和行星排K3太阳轮9相连，制动器A30制动行星排K4行星架11。

在该挡位下液压马达由变速机构直接驱动车辆，液压马达14的动力通过其齿轮传动机构传递到行星排K3，经过行星排K3和行星排K4减速后输出。具体为：发动机动力依次通过输入轴24、齿轮A17和过渡齿轮A16，传递到液压泵输出齿轮15，从而带动液压泵13，液压泵13驱动液压马达14。液压马达14将动力通过液压马达输出轴18和液压马达输出齿轮B20传递至齿轮C23，进而传递到行星排K3太阳轮9。则动力经行星排K3(包括行星排K3行星架8、行星排K3齿圈7)与行星排K4(包括行星排K4太阳轮14、行星排K4行星架13、行星排K4齿圈10)之间的相互耦合减速后，最终由行星排K3行星架8和行星排K4齿圈10构成的元件输出到输出轴25。在此工况下，具有较大传动比，适用于爬坡工况。在该挡位下所述液压马达14的转速从0调节到反向最大。

纯液压起步/倒车挡用于起步或倒挡工况，此时离合器A26结合，离合器B27分离，离合器C28分离，离合器D29分离，制动器A30分离，制动器B31结合。则齿轮C23和行星排K3太阳轮9相连，制动器B31制动行星排K3齿圈7。

在纯液压起步工况下液压马达由变速机构直接驱动车辆：液压马达14将动力通过其齿轮传动机构传递到行星排K3，经行星排K3减速后输出。具体为：发动机的动力通过依次通过输入轴24、齿轮A17和过渡齿轮A16，传递到液压泵输出齿轮15，从而带动液压泵13，液压泵13驱动液压马达14。液压马达14将动力通过液压马达输出轴18和液压马达输出齿轮B20传递至齿轮C23，进而传递到行星排K3太阳轮9。制动器B31制动行星排K3齿圈7，由于行星排K3齿圈7与行星排K4太阳轮12固连，则动力直接由行星排K3行星架8输出到输出轴25，此工况下可实现无滑摩速差起步。在该挡位下所述液压马达14的转速从0调节到反向最大。

纯液压倒挡段与纯液压段起步相类似，只是液压马达14正向转速输出，经过行星排K3，输出速度为负，可实现倒挡。

液压机械段包括：液压机械Ⅰ段、液压机械Ⅱ段、液压机械Ⅲ段和液压机械Ⅳ段。

(1)在纯液压段起步段末，当液压马达14转速达到反向最大时，接合离合器B27，断开离合器A26，进入液压机械Ⅰ段。

液压机械Ⅰ段用于低速工况，此时离合器A26分离，离合器B27结合，离合器C28分离，离合器D29分离，制动器A30分离，制动器B31结合。则行星排K2行星架5和行星排K3太阳轮9相连，制动器B31制动行星排K3齿圈7。正反汇流行星机构实现液压功率和机械功率的正向汇流，经行星排K3减速后输出。具体为：发动机的机械功率一部分通过输入轴24经行星排K1行星架2输入到行星排K2齿圈4；液压马达14输出的液压功率通过液压马达输出轴18、液压马达输出齿轮A19、过渡齿轮B21和齿轮B22传递到行星排K2太阳轮6。机械功率和液压功率在由行星排K2齿圈4、行星排K2行星架5和行星排K2太阳轮6组成的行星排K2中进行正向汇流，由于制动器B制动行星排K3齿圈7，动力最后经过行星排K3减速后从行星排K3行星架8输出到输出轴25。

在液压机械Ⅰ段，液压马达14的转速从反向最大调节到正向最大，行星排K2行星架3输出连续增大。当液压马达14转速达到正向最大时，接合离合器C28，断开离合器B27，进入液压机械Ⅱ段。

(2)液压机械Ⅱ段用于中低速工况，此时离合器A26分离，离合器B27分离，离合器C28结合，离合器D29分离，制动器A30分离，制动器B31结合。则行星排K1太阳轮3和行星排K3太阳轮9相连，制动器B31制动行星排K3齿圈7。

正反汇流行星机构实现液压功率和机械功率的反向汇流，经行星排K3减速后输出。具体为：发动机的机械功率通过输入轴24输入到行星排K1行星架2，液压马达14输出的液压功率通过液压马达输出轴18、液压马达输出齿轮A19、过渡齿轮B21、齿轮B22传递到行星排K2的太阳轮6。机械功率和液压功率在行星排K1和行星排K2进行反向汇流，由于制动器B31制动行星排K3齿圈7，动力最后经过行星排K3减速从行星排K3行星架8输出到输出轴25。在液压机械Ⅱ段，液压马达14的转速从正向最大调节到反向最大，行星排K1太阳轮3经离合器C28输出连续增大。当液压马达的14转速达到反向最大时，接合离合器B27，断开离合器C28，分离制动器B31，进入液压机械Ⅲ段。

(3)液压机械Ⅲ段用于中高速工况，此时离合器A26分离，离合器B27结合，离合器C28分离，离合器D29结合，制动器A30分离，制动器B31分离。则行星排K2行星架5和行星排K3太阳轮9相连，行星排K3太阳轮9和行星排K3齿圈7相连。

正反汇流行星机构实现液压功率和机械功率的正向汇流，行星排K3整体回转，动力由行星排K3行星架8输出。具体为：发动机的机械功率通过输入轴24输入到行星排K1行星架3，液压马达14输出的液压功率通过液压马达输出轴18、液压马达输出齿轮A19、过渡齿轮B21、齿轮B22传递到行星排K2太阳轮6。机械功率和液压功率在由行星排K2中进行正向汇流，由于离合器B27结合，动力经行星排K2行星架5传递到行星排K3太阳轮9，行星排K3整体回转，动力由行星排K3行星架8传递到输出轴25。

在液压机械Ⅲ段，液压马达14的转速从反向最大调节到正向最大，当液压马达14转速达到正向最大时，接合离合器C28，断开离合器B27，进入液压机械Ⅳ段。

(4)液压机械Ⅳ段用于高速工况，此时离合器A26分离，离合器B27分离，离合器C28结合，离合器D29结合，制动器A30分离，制动器B31分离。则行星排K1太阳轮3和行星排K3太阳轮9相连，行星排K3太阳轮9和行星排K3齿圈7相连。

正反汇流行星机构实现液压功率和机械功率的反向汇流，行星排K3整体回转，动力由行星排K3行星架8输出。具体为：发动机的机械功率通过输入轴24输入到行星排K1行星架2，液压马达14输出的液压功率通过液压马达输出轴18、液压马达输出齿轮A19、过渡齿轮B21、齿轮B22传递到行星排K2太阳轮6；机械功率和液压功率在行星排K1和行星排K2进行反向汇流，由于制动器B31分离，离合器D29闭合，行星排K3整体回转，动力由行星排K3行星架8输出到输出轴25。在液压机械Ⅳ段，液压马达14的转速从正向最大调节到反向最大，液压机械Ⅳ段行星排K1太阳轮3经离合器C28输出连续增大。

连续各段工况下传动系统效率曲线如图2所示。

上述各工况下操作元件的状态如下表所示，其中●——表示该元件接合工作。

行驶工况

分流模式

离合器A

离合器B

离合器C

离合器D

制动器A

制动器B

爬挡段

纯液压

●

●

起步段

纯液压

●

●

液压机械Ⅰ段

液压机械

●

●

液压机械Ⅱ段

液压机械

●

●

液压机械Ⅲ段

液压机械

●

●

液压机械Ⅳ段

液压机械

●

●

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种等比五段式液压机械复合无级传动装置，其特征在于，包括：液压泵(13)及其齿轮传动机构、液压马达(14)及其齿轮传动机构、正反汇流行星机构、行星变速机构、换段操纵元件、输入轴(24)和输出轴(25)；所述液压泵(13)与液压马达(14)之间通过液压油路相连；

液压泵齿轮传动机构包括：液压泵输出齿轮(15)、过渡齿轮A(16)和齿轮A(17)；液压泵(13)的动力输出端与液压泵输出齿轮(15)相连，所述液压泵输出齿轮(15)通过过渡齿轮A(16)与齿轮A(17)啮合；

液压马达齿轮传动机构包括：液压马达输出齿轮A(19)、液压马达输出齿轮B(20)、过渡齿轮B(21)、齿轮B(22)和齿轮C(23)；液压马达的动力输出端分别与液压马达输出齿轮A(19)和液压马达输出齿轮B(20)同轴相连，所述液压马达输出齿轮A(19)通过过渡齿轮B(21)与齿轮B(22)啮合，所述液压马达输出齿轮B(20)与齿轮C(23)啮合；

所述正反汇流行星机构包括：行星排K1和行星排K2；所述行星变速机构包括：行星排K3和行星排K4；所述换段操纵元件包括：离合器A(26)、离合器B(27)、离合器C(28)、离合器D(29)、制动器A(30)和制动器B(31)；

其整体连接关系为：所述输入轴(24)与齿轮A(17)同轴固接，输入轴(24)的一端与发动机相连，另一端与行星排K1行星架(2)相连，行星排K1行星架(2)与行星排K2齿圈(4)固连，行星排K1齿圈(1)和行星排K2行星架(5)固连，行星排K1太阳轮(3)和行星排K3太阳轮(9)之间通过离合器C(28)相连；行星排K2行星架(5)和行星排K3太阳轮(9)之间通过离合器B(27)相连，行星排K2太阳轮(6)与齿轮B(22)同轴固接；行星排K3太阳轮(9)与齿轮C(23)之间通过离合器A(26)相连，行星排K3太阳轮(9)与行星排K3齿圈(7)之间通过离合器D(29)相连，行星排K3齿圈(7)与行星排K4太阳轮(12)固接，输出轴(25)分别与行星排K3行星架(8)、与行星排K4齿圈(10)固接；所述制动器A(30)与行星排K4行星架(11)相连，制动器B(31)与行星排K3齿圈(7)相连。

2.如权利要求1所述的等比五段式液压机械复合无级传动装置，其特征在于，所述输出轴(25)与所述输入轴(24)同轴布置。

3.如权利要求1或2所述的等比五段式液压机械复合无级传动装置，其特征在于，当所述离合器A(26)结合，离合器B(27)、离合器C(28)和离合器D(29)分离，制动器A(30)结合，制动器B(31)分离时，处于纯液压低速爬挡，液压马达(14)将动力通过其齿轮传动机构传递至行星排K3，经行星排K3和行星排K4减速后输出；在该挡位下所述液压马达(14)的转速从0调节到反向最大。

4.如权利要求1或2所述的等比五段式液压机械复合无级传动装置，其特征在于，当所述离合器A(26)结合，离合器B(27)、离合器C(28)和离合器D(29)分离，制动器A(30)分离，制动器B(31)结合时，处于纯液压起步/倒车挡，此时液压马达(14)将动力通过其齿轮传动机构传递至行星排K3，经行星排K3减速后输出；当处于纯液压起步挡时，所述液压马达(14)的转速从0调节到反向最大；当处于纯液压倒车挡时，所述液压马达(14)的转速从0调节到正向。

5.如权利要求4所述的等比五段式液压机械复合无级传动装置，其特征在于，在纯液压起步挡末，当所述液压马达(14)的转速达到反向最大时，接合离合器B(27)，断开离合器A(26)，进入液压机械Ⅰ段，所述正反汇流行星机构完成液压功率和机械功率的正向汇流后，动力经行星排K3减速后输出；在液压机械Ⅰ段，所述液压马达(14)的转速从反向最大调节到正向最大。

6.如权利要求5所述的等比五段式液压机械复合无级传动装置，其特征在于，在液压机械Ⅰ段末，当所述液压马达(14)的转速从反向最大调节到正向最大时，接合离合器C(28)，断开离合器B(27)，进入液压机械Ⅱ段，所述正反汇流行星机构实现液压功率和机械功率的反向汇流后，动力经行星排K3减速后输出，在液压机械Ⅱ段，所述液压马达(14)的转速从正向最大调节到反向最大。

7.如权利要求6所述的等比五段式液压机械复合无级传动装置，其特征在于，在液压机械Ⅱ段末，当所述液压马达的(14)转速达到反向最大时，接合离合器B(27)，结合离合器D(29)，断开离合器C(28)，分离制动器B(31)，进入液压机械Ⅲ段，所述正反汇流行星机构完成液压功率和机械功率的正向汇流，行星排K3整体回转，动力经行星排K3直接输出；在液压机械Ⅲ段，所述液压马达(14)的转速从反向最大调节到正向最大。

8.如权利要求7所述的等比五段式液压机械复合无级传动装置，其特征在于，在液压机械Ⅲ段末，当所述液压马达(14)转速达到正向最大时，接合离合器C(28)，断开离合器B(27)，进入液压机械Ⅳ段，所述正反汇流行星机构完成液压功率和机械功率的反向汇流，行星排K3整体回转，动力经行星排K3直接输出，在液压机械Ⅳ段，所述液压马达(14)的转速从正向最大调节到反向最大。