CN1052058C - 连续变速传动装置 - Google Patents

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Abstract

能进行“扭矩控制”的带与带轮式无级变速传动装置，它把操作者通过加速器踏板或其它控制元件提出的要求变成施加在变速构件上的特定力矩。在至少一个变速器带轮(3、4)及其轴(5)之间的连接装置(21、22)是扭矩敏感型的，从而在该皮带轮上产生一个为皮带轮所受扭矩大小与方向函数的轴向力。描述了几个实例，作用在变速器带轮单元的工作轴向载荷包括两部分；第1部分在带轮与带间保持牵引力。第2部分则关于所加的力矩，及使用多个带体的变速器。

Description

连续变速传动装置
本发明一般是关于连续变速传动装置(“CVT”)，特别是关于带和带轮式CVT的变速构件(“变速器”)。在这种CVT型式中，是使连续的有挠性而基本无弹性的、其通用形态为皮带或链条的带体绕过两个在相互平行相隔的轴上转动且位于相对于此二轴的共同径向平面中的皮带轮单元而构成的。带体宽度不变，每个皮带轮单元的两皮带轮共轴而它们之间的轴向间隙可变化，这样就改变了带体与该皮带轮单元间的接触半径。如果两单元中第1单元的皮带轮作轴向分离运动而减小带体的接触半径，则第2单元的皮带轮必须相互靠近以增大其接触半径，这样就可以维持带体的张力。若与此同时把第1与第2单元分别视为变速器的输入与输出元件，其传动比则下降。反过来，若第1单元的皮带轮作轴向靠近运动而第2单元的皮带轮分开，速比就会升高。当然，在整个工作期间必须在两个单元的皮带轮上施加使其靠近的轴向力，其值应在带轮/皮带之间产生足够的摩擦以便在它们中间传递所需的牵引力。典型的情况是把每个皮带轮单元的一个皮带轮固定在其轴上，同时通过轴向花键使另外的皮带轮与该轴可滑动地连接，并使皮带轮的远离皮带的表面形成于在液压缸中运动活塞的表面，该液压缸连接到具有产生所需轴向载荷的液体压力的液压源上。应该理解到，如上所述地若使每个皮带轮单元的一个皮带轮固定而另一个轴向可动，则在皮带相对于各皮带轮单元略有一点轴向移动时必然伴随某些速比变化。为了避免任何与此相反的后果，本领域熟练技术人员所公知的手段包括把两个皮带轮(固定的与可动的)轴向相反地配置在两皮带轮单元之间，使得皮带轮互相靠近的单元上的皮带轴向移动方向与皮带轮相互分开运动的另一单元中相应皮带相适应。
在这类已知的变速器中惯常的作法是操作者通过在本领域中已是公知的“速比控制”来变换传动比，就是说，对两可动皮带轮的液压控制器直径发出指令以迫使一个单元中的可动皮带轮作预定的分离运动，而另外单元的可动皮带轮作相应的预定靠拢运动，同时在两个皮带轮单元上保持足够的轴向载荷以维持皮带/皮带轮间的必要的摩擦。与之相比，在与环形滚道牵引式CVT相关技术领域中的各种最新进展已经证实了所谓“扭矩控制”的各种优点，在其中操作者借助于加速器踏板的运动或其它控制元件提出要求，或者通过驱动轴(即发动机上的扭矩负荷)或者通过从动轴上的特定输出扭矩而把特定的驱动力矩施加到变速器上。这种型式的CVT控制系统与极适于这种控制的环形滚道CVT的例子分别可见之于WO 93/21031与EP-B-0444086号专利公开中。
现在已提出不多的在带与带轮式变速器CVT中包括某些扭矩控制元件的建议。其中之一出现在向国际汽车工程大会提出的题为“速度与扭矩控制可变速比三角皮带传动的设计方程”的730003号论文中，及在1973年1月，密执安，底特律博览会上。在该建议所描述的变速器中，两皮带轮单元中的一个由于皮带轮中的一个可相对于其安装轴作螺旋运动而显示出一定的对扭矩感知能力，而另外的皮带轮单元则对扭矩不敏感而是对速度敏感。论文建议在某些特殊车辆，例如履带式雪上汽车中使用这种CVT。然而还应该指出，虽然操作者对这种车辆的控制运动无疑是直接地(通过加速器踏板)与车辆油门相关的，该论文并未包含有关两皮带轮单元的皮带轮相对运动将直接受控于操作者的控制运动或与之相关的教导，其结果是一种有限控制能力的CVT，因为对于任何输出载荷-即对输出速度与输出扭矩之积而言，在变速器的速比极限之中只有一个输入速度与输入扭矩的综合方程，仅具备有限控制能力的CVT不能适应现代路面车辆的各种要求。如该论文中所述的变速器的另外的局限是它不适用于要通过提供多于一个所谓“工况”工作而延展其工作范围的CVT种类，在其每一工况中该变速器要从其速比范围的一端运转到另一端，而这正是对于汽车实际运用的当前日益增长的需要。在这种多工况设计中，通常是在其中的一个工况中使动力通过变速器进行再循环，在此期间把变速器输出与动力输入作为两个输入端以进行再循环，而在所传递的全部功率都进行再循环的时候，在特定速比值下就达到了所谓“空档”条件，故传动无输出，相应地汽车则不动。在大多数汽车传动中实际需要这种再循环工况，例如在发动机起动并达到怠速而车辆仍然静止时，变速器需要在空档。该论文并未提及可达到空档的进行功率再循环工况的可能性，在没有司机要求的情况下，所述的变速器只是简单地寻求其速比范围中的一个极端。
本发明的CVT也明显地有别于US-A-5217412专利说明书中所示的种类。在该说明书中多次提到，它是关于一种操作者对变速器提出特定速比要求，而扭矩的变化将不直接影响其速比。在本发明中并不直接控制速比：操作者通过加速器踏板或其它控制元件动作的大小要求在变速器某一轴或其它轴上的特定扭矩，在工作极限之内此扭矩甚至在速比变化时也能保持。与US-A-5217412的另一不同是为了有效地进行“扭矩控制”。在至少一个皮带轮单元与其轴之间需要一种能产生其大小与方向均与轴上扭矩有关的力的连接装置：在此力的作用下可改变皮带轮间的轴向间隔。在US-A-5217412，在一对皮带轮的两轴段之间只有一个扭矩敏感连接装置(件24)。当其工作时用于感知扭矩，产生不直接相关的轴向力而造成皮带轮的相对运动。
通常用于能进行“扭矩控制”的皮带式CVT  的特点是，当在皮带轮单元与其轴之间存在扭矩敏感连接装置，允许皮带轮与轴间存在运动并产生作为该扭矩的大小与方向的函数的皮带轮/轴向力，然后轴把扭矩传给皮带时，该连接装置的反作用就产生使皮带轮分开的力，而当轴从皮带接受扭矩时，相应的力就使皮带轮作相互趋近的运动。本发明的主题是使其亦区别于在US-A-5173084说明书中的皮带式CVT，该CVT在各皮带轮与其轴之间设有能感知扭矩的连接装置。在US-A-5173084中。其在皮带轮单元和它们的各自的轴之间的两个能感知扭矩的连接装置的动作是不相同的。产生于此二连接装置上的与扭矩相关的各力协同作用在两皮带轮单元上，当动力从输入轴(12)传给输出轴(14)时使它们二者作相互趋向运动，而当动力反向传递时使二者分离。正如在说明书中所清楚描述的那样；例如在第5栏第23-32行中，这样做的目的是简化液压泵和/或减小其容量。借助于该说明书中所述的CVT  不能获得扭矩控制，也没有以任何方式可能实现扭矩控制的教导，更不用说其各种长处了。还应该特别指出的是US-A-5173084中所述的扭矩敏感连接装置的工作也像在论文73003中已提及的那样，使它们不能用于多工况CVT中，在那里的某些情况下(例如在怠转时)变速器需要有多工况以形成空档。
本发明是由于领会到如何对带体/带轮式CVT进行改进使其扭矩控制达到近代汽车所要求的并且可与已述的环形滚道CVT的控制能力相匹敌的程度而做出的。
本发明由所提出的诸权利要求所确定，其内容可在说明书公开的内容中读到并包括CVT，现在参照附图，其部分附图是示意简图，以举例方式对其进行描述，其中：
图1是经已知的皮带/皮带轮或变速器各部件剖开的轴向剖视图；
图2是经本发明的变速器类似的视图，变速器与液压控制线路的各部件相连接；
图3示出采用图2中变速器的两工况CVT的某些基本构件；
图4是类似于图2的但示出另一替代的变速器；
图5为液压线路图；
图6是经采用图5线路的CVT皮带轮轴向剖视图；
图7是经另一变速器的轴向剖视图；
图8表示与图7变速器相连的液压线路；
图9与图10与图7相似，但表示的是另外一些变速器；
图11表示与图9、10中变速器相连接的液压线路；以及
图12是经另一变速器的轴向剖视图。
在整个附图的描述中，对于具有基本相似功能的零件，在上下文允许的情况下采用相同的标号。
图1示出了一个无级变速器，其中，皮带或链条1是有挠性但不可拉伸且宽度不变的，在包括皮带轮3、4和轴5的第1皮带轮单元2与包括皮带轮7、8和轴9的第2皮带轮单元6之间传递牵引力。轴5与9分别绕相互隔开而平行的轴线10、11转动。皮带轮3、7固定在它们各自的轴上，而皮带轮4则在12处与轴5成轴向花键连接，使之能在一定程度上作相对的轴向运动。皮带轮4、8分别在液压缸15、16中作活塞式的运动，各液压缸通过控制单元17与控制件18和液压动力源19相连。
假定轴5和9分别为变速器的输入件与输出件，箭头TIN、NIN、TOUT与NOUT则分别代表变速器的输入扭矩、输入速度、输出扭矩与输出速度。控制单元17工作，在油缸16中产生足以保持皮带张力的液压PT，且使油缸15中液压为PT±PR，其中PR为与踏板18的踩下量有关的增量，当其为正值时使皮带轮3、4相互靠近，传速比升高；当其为负值时则使它们分开，传速比降低。然而，由于皮带轮3、7分别固定在轴5、9上，而安装在这些轴5的皮带轮4、8只有有限的轴向运动自由度，在不存在液压的情况下任何皮带轮都不可能响应变速器所传递扭矩的变化而自动地移动以改变速比。因而按实际情况它不适合作一个、两个或多工况的CVT之用，其中要在这些工况中的至少一个工况中产生再循环。在这样的变速器中，由于该变速器对扭矩不敏感，故难以估算出对于寿命与效率来说符合皮带不打滑最低条件的最佳压力值PT。
随着来自控制器17的指令变化和PR每一变化，由于皮带轮单元2开或合时单元6相反地变化，故能通过把油缸15、16对向配置而确保皮带1的中心线20相对于轴5和9基本保持在同一径向平面内。
在本发明的相应的变速器中，如图2所示，单元2的皮带轮3、4分别借助于螺旋形花键21、22可移动地安装在轴5上，其花键走向相反，但单元6的皮带轮7、8则是借助于轴向花键23、24安装在轴9上的。皮带轮3、7像活塞一样地安置在油缸25、26中，并且油缸15、25的腔室相互连通使其具有相同的液压，油缸16与26的压力亦相同。在皮带轮3、4和它们的轴5之间的螺旋啮合实际上可借助钢珠滚道来实现，标号27表示钢珠。螺旋21、22的方向必须选得与箭头NIN与NOUT所示的转动方向相合，使得在皮带轮与皮带之间所传递的任何扭矩在两者上产生与之成正比的轴向力，并且任何所加的扭矩将导致速比改变而减少该扭矩。如图1所示，用操作元件18通过液压控制单元17来实现对变速器的控制，但现在是用单独的泵30、31对皮带轮单元2与6供给液压流体来实现的。泵30通过入口32向单元2的油缸15、25供应流体，而泵31则通过入口33向单元6的油缸16与26供应流体。然后流体分别经出口34、35离开单元2、6的油缸，并经控制阀36、37到排放口38。位于阀36、37和排放口38之间也由单元17控制的另外的变阻阀39的主要功能是为各油缸中的压力设置一个“基值”PT，它能在传递牵引力的全部时间内保持皮带轮与皮带之间的足够的夹紧力。每当驱动条件是使动力从单元2传到单元6时，单元17便调节阀36，使阀37开启。于是，在油缸16、26中就建立起基本压力PT，而在单元2的油缸15、25中建立起压力PT+PC，此处PC是由操作者要求的(通过踏板18)并与按照所要求的扭矩而施加于皮带轮3、4之上的向外的轴向推力相匹配的传递扭矩的函数。如果该传动装置是在相反方向承受扭矩的，则单元17控制阀37，使阀36开启，在油缸15、25中建立基本压力PT，而在单元6的油缸16、26中建立压力PT加PC。这种对PC量值的控制意味着作用在两个皮带轮单元上的各轴向负载力是对操作者的要求直接地作出响应的，其大小可用一个对这种要求的预定函数表达。
在示于图4的本发明的变型例中，单元2的皮带轮4是安装在球螺杆22上的，其在油缸15中的工作状况和前面所述的一样，而皮带轮3则安装在与皮带轮4形成一体的轴套41的轴向花键42上。因而皮带轮3、4可一起转动，但是其相对轴向运动是受限制的，与轴5成一体的法兰44上的止推滚道43限定了该轴与皮带轮4的轴向相对位置。在单元6中皮带轮8安装在直线花键24上，其在油缸16中的运动也和前述地像活塞一样，而皮带轮7则直接与轴9成一体。在此，单球螺杆22从单元2的两皮带轮获得扭矩，因为轴向花键41从皮带轮3得到扭矩，传给皮带轮4，然后通过螺杆22传给轴5。如图1中所示，油缸15、16对向配置保证了当单元2、6中任一单元的两皮带轮移离时，另一单元的两皮带轮移近，反之亦然。这就能使皮带1的中心线20的平面基本保持不变。
在实践中还希望能避免由于工作中的某种原因而在皮带理想夹持力与油缸15、25及16、26油压之间发生任何失配，特别是在两皮带轮单元中任一个上的皮带靠近其最大或最小半径时接近该速比范围的极限更是如此。尽管在效用方面不是相同的，本发明CVT的这种特点的某些方面可与例如专利说明书GB-B-2023753，EP-B-0133330及EP-B-0444086中所描述的螺旋滚道滚动牵引式CVT的“液压端部止动”的各种特点进行比较。在图2中，出口34、35的位置与尺寸以及另外提供的孔口45、46则用于产生这种“端部止动”效果，当然还应理解到在实践中还需要有其它未示出的特性以确保这种效果有适宜的时刻与大小。在皮带轮单元2中，其出口34相对于油缸15的尺寸与位置应使得在皮带轮3、4轴向分离趋于超过预定的极限时使皮带轮4最后完全盖住孔口34，阻断两连通油缸25、15液体流出，从而使两油缸中的压力升至泵30的压力，并以此来阻止皮带轮的进一步分开。相反地，在皮带轮相互靠近超过预定值时，孔口45不被盖住。这种孔口之间的连通除了使用旁路控制阀36情况以外，是通过阀39与排放口38直接或间接相连的。这样就泄放了油缸15、25中的压力，阻止了皮带轮进一步靠近。在皮带轮单元6中，孔口35的位置与尺寸以及孔口46的设置使其起到类似的作用。
应当理解这种“液压端部止动”机构在实践中不仅可以达到防止在每一皮带轮单元中皮带轮/皮带夹紧力升至过高或降到太低的目的，还有相应地把皮带/皮带轮的接触半径保持在预定极限中的效果。为了后一目的，图2中还示出了在单元2与6的皮带轮之间绕轴5、9安装的环状的纯机械式“端部止动”，它实际防止了皮带1与任何轴接触，例如在该液压止动不能阻止皮带轮的不允许的过度分离时。在图4所示的变型例中就不需要这样的环，其中单元2的轴套41与图6中的轴9分别与皮带轮3、4与7、8同步转动。当然，还可以有许多其它形式的止动，用来防止皮带轮超出所选定极限地分离或靠近。
图3示出了双工况CVT的基本构件，其中原动机50以转速N1驱动皮带轮单元2(如图2中所示)的轴5，并通过把驱动转速降至1/2N1的定速比皮带51驱动低工况离合器52。离合器的另一半与行星轮系54的行星架53连接，其齿圈55与CVT的输出件56及高工况离合器58的一半57连接。该离合器的另一半59与行星轮系54的太阳轮60都与变速器的输出轴9连接，即连接到皮带轮7与8的共同轴上。
为了描述包含有图2与3中的CVT车辆的工作状况，现在从静止状态开始依次地进行说明。操作者可以用典型的包括有标准的N、P、D和R设定值的齿轮选择杆(具有对以47示意表示的单元17的输入)。
发动机50起动，随着齿轮选择杆处于“N”或“P”离合器52与58均脱开。在选定“D”时离合器52开始接合。如果车辆不动而且变速器未处于公知技术中的“空档”(即在一定输入轴5转速情况下使输出件56为不转动的速比)速比时，由离合器52把牵引力矩加于变速器上。直到踏下加速踏板18而起动时，两控制阀37、36开启，从而使两皮带轮单元2、6无压力差。可是，如已经说明的那样，一般会由阀39而设置一个“基本”压力。
假定行星轮系54的速比为E＝2，而皮带51具有已述的固定速比1/2。在车辆不动情况下，皮带51将通过离合器52和行星轮系54试图以3/2N1的转速驱动变速器输出轴9。轴9实际是以1/2N1转动的，如果这样，就会使其自身和变速器输入轴2均加速。后者的加速力矩将通过螺旋滚道21、22产生使皮带轮单元2的两皮带轮互向趋近的轴向力，这将提高传速比。由于在皮带轮单元2与6上不存在压力差，这些力不会受到什么阻力。
如果速比发生过调，输入轴5上的力矩将反向，轴向力就会迫使皮带轮3、4分离。这样，在不进行任何外部控制的情况下该扭矩敏感型变速器就能在车辆从停车状态起步之前找到其低工况中的正确的速比，就是说在该工况中离合器52接合，离合器58脱开，动力通过变速器进行再循环。
当踩下踏板18时，控制单元17对准这一要求，并结合有关工况和当前的速比(以图示的61与62的输入方式)信息将此要求整理为输出扭矩或对发动机的扭矩载荷，为了在低工况下向前运动，变速器速比必须从3/2降至1/2。因而，动力从单元6传至单元2，而输出轴9上的皮带轮7、8必须相对地移动。它是通过控制单元打开阀36，通过增大阀37中的可变阻力而提高相互连通的油缸16、26的压力而实现的。
皮带轮7、8上的轴向载荷是由夹紧压力(由阀39产生)和扭矩控制阀37所产生的差值压力组合给出的。轴5上皮带轮3、4的轴向载荷则由同一夹紧压力(PT)和由螺旋结构产生的力给出的。由于所有皮带轮的锥面角是相等的，就会在差动(即扭矩控制)压力所产生的力与螺旋的力平衡时使变速器的速比稳定。由于来自螺旋的轴向力是变速器输入扭矩的函数，则不管扭矩控制压是通过阀36作用到皮带轮单元2上还是通过阀37作用到单元6上的该差值压力本身是该扭矩的直接函数。自然该差值压力也是由变速器瞬时速比调制的变速器“输出”扭矩的函数。
如果条件允许，该差值压力将使变速器到达其速比下限，1/2。然后单元17使低工况离合器52脱开，同时使高工况离合器58接合，变速器和行星轮系的速比就被选定，故这种变化是属于公知技术中的“同步”的一类，它不会引起输出件56转速的瞬间变化。随着离合器58接合传动进入“高工况”，操作者再压下踏板18将使变速器返回其从现在的1/2到其最大值2的整个速比范围。在此工况中，一旦从原动机50取得动力，通过压力控制阀36就确定了其扭矩载荷。
阀39在设定皮带轮和皮带间基本“夹紧力”方面的功能已然说明了。还应强调在皮带轮与皮带之间传递动力的有效力是切向力，对于由阀39确定出的使该切向力不产生打滑的轴向夹紧力部分而言它存在着上限。此上限由皮带轮与皮带间的摩擦系数决定。反之，过度的夹紧力将会降低寿命与效率。在利用扭矩控制调节CVT时，很容易算出在任何速比时的切向力，从而得出最佳夹紧力，该速比可简单地被测出，单元17在62处接收该测量的电输入信号。切向力是扭矩的函数，是用皮带与皮带轮接触半径除扭矩得到的，而接触半径本身也是速比的函数。单元17给阀39的输入信号给阀设定程序以调节油缸15、25和16、26中的液压，以此来求得该最佳力。
在图5中，泵30与32将流体送入含有活塞65、66的油缸63、64。在正常工作时，是分别借助出口67、68，管线69、70和控制阀A、B成为从这些油缸到排放口38的流体返程线的，管线69、70中的压力分别为PA、PB。设置泄放阀71以防止压力PA、PB上升超过预定值。在一种如EP-B-0444086专利说明书中所述的环形滚道牵引式扭矩控制CVT中，件号65和66与双向作用液压活塞的相对的表面相关，活塞与一个滚子的载架相连，其方向可变化以改变传动比。在皮带与皮带轮式扭矩敏感变速器中，例如在前面各图中所示的那种，油缸63、64通常是分别与变速器两皮带轮单元2、6中的每一个相连的，在本发明的此例中供给两个单元的压力是可控的，以便在一个这样的单元中产生所希望的夹紧力及与扭矩相关力的算术和，而在另外的单元中只有夹紧力。该夹紧力迫使皮带轮与皮带进行适当紧密的传动接触，并且在平衡状态下与扭矩相关的力平衡了来自扭矩敏感螺旋或类似机构的轴向力。在本发明的这个例子中，阀A与B在油缸63、64中产生的压力只与和扭矩相关的力相匹配，夹紧力则分别如下地产生。泵30、31的供液线之间通过连接到阀73的两入口上的管线72跨接，阀73只允许大于压力PA与PB时的压力进入，而阻断较小的压力。此阀的出口管线74经降压阀75分别到达平行地配置并包含活塞78、79的油缸76、77。活塞78轴向地支持一个皮带轮，并把夹紧力作用到该皮带轮上。类似地，活塞79则在另外的皮带轮上作用夹紧力，而活塞65、66、78和79之间的关系将参照图6加以说明。
首先要指出，由于油缸76与77平行地配置在阀75的下游侧，在这些油缸中就总是同一压力。因为在两皮带轮上需要传递相同的牵引力，这当然是适合的。其次，活塞78在某一方向上的任何运动都将被活塞79在另外方向上的运动基本平衡，反之亦然。这样，从油缸76移出的流体就基本上流入油缸77，反过来也一样，这也就消除了对泵30与31的由于两夹紧活塞78、79的运动而适配液流的需要。还应指出的是，两个泵中只有一个在某一时间内对夹紧活塞供液。所有这些都使得泵的功率可以小于前面各图中需要有油缸63、64来产生力矩响应与夹紧载荷情况的功率。
以较大的泵30、31的排放压力把流体直接(通过阀73)供给油缸76、77时，由活塞78、79施加的夹紧力通常是过大的。阀75提供一个大体与变速器的瞬时速比成正比的减压因子，因为夹紧力将是作用在皮带上的牵引力的函数，而牵引力本身又是力矩及皮带与皮带轮接触半径的函数，即速比量度的函数。从中得到夹紧力的该压力是只与力矩成正比的，并由瞬时速比进行修正以产生所需的夹紧力。为了在故障情况下防止液压危险地上升而保护线路，在线路69、70上设置泄放阀71以保护其扭矩响应功能，在阀73上连接类似的阀80以保护其夹紧功能。然而，为了能“失效保护”，阀75的型式应该是在例如中央控制机构发生故障的情况下返回到全开，以把全部泵压供至油缸76与78，从而保证连续地牵引。
正常工作时，控制阀A与B通常是由接收(通过61、62与47)代表车速与发动机转速、齿轮(档次)选择与其它相关参数，特别是司机通过加速踏板18所给出的输入信号的中央编程电控单元17进行调节的。在各油缸端壁上形成的隆起台阶(67a与68a)上的油缸出口67与68部位起着现有技术中公知的方式的防故障“端部止动”作用，如果活塞65超越其正常行程而靠近台阶67a，则出口阻力增大，随之油缸63中的液压增大到泄放阀80的最大设定值，故增大了对活塞进一步过冲移动的阻力。
图6示出使用图5的液压线路的CVT。该变速器包括含有皮带轮7、8的皮带轮单元6及含有皮带轮3、4的皮带轮单元2。皮带1把动力从一个皮带轮单元传至另一单元。皮带轮7固定在轴9上，在此设计中轴9由原动机50驱动，皮带轮8在24处于轴8花键连接，故在该轮与此皮带之间可以有一定的相对轴向运动，皮带轮8带有凸缘81，而且由轴9、皮带轮8、凸缘81和轴上带的圆形板82确定出一个可变容积的环形空间。在此空间中产生作用在皮带轮6上的夹紧压力，此空间与图5中所述的油缸76相对应，并通过入口83与管线84与降压阀75相连。
皮带轮单元2的皮带轮3与轴5以螺旋花键22连接。单元2的第2皮带轮4在42处与第1皮带轮3的环领突出部41花键连接，使得两皮带轮3、4可以轴向移动但不能相对转动。由固定在轴5上的法兰44支持的钢珠止推滚道43限制了皮带轮4向图6右侧的运动。如图4所示，螺旋花键22在皮带轮单元2和轴5之间提供了一个双向扭矩敏感连接；当扭矩在某一转动方向时皮带轮3、4趋于分开，当其在另一方向时，则聚拢。
阶梯环87以其内辋固定在轴5上，而其外辋则与皮带轮3上的凸缘88形成密封的滑动配合。皮带轮3上固定着较小的阶梯环89，它与轴5在90处形成密封的滑动配合。环91置于轴5上，该环的外辋与环89的内壁在92处形成密封的滑动配合。这样，轴5、皮带轮3和环87、89及91就在它们之间确定出3个可变容积的环形腔室。这些腔室在图6中用77、63与64代表，因为正是它们才是在图5中各相应特征的标记。腔室77通过入口93与管路84与减压阀75相连，并提供夹紧力。管路84在轴5中轴向地通过，就像它在轴9中那样。液体从图6中未示出的泵30、31通过孔口94、95分别进入油缸63、64，并且如图5中那样通过孔口67、68离开油缸。在图6的设计中，两油缸63、64实际上是同轴的并由固定环91隔开，环89的左侧面成为活塞65而皮带轮3的左侧面则成为活塞66。应该指出在图6中也和图5中一样地，分别在阶梯面67a、68a上形成孔口67和68，它们位于轴向地突出于相应的入口94与95之上，以便能提供在上面已予描述的端部止动作用。
在图6的实施例中，轴9可方便地驱动虚线表示的位于85处的包括液压泵30、31的泵组合。CVT的终端齿轮96与第3轴97上的齿轮96啮合，安装在轴9上的齿轮98与和轴97共轴线的齿轮98a相啮合，而安装在轴5上的齿轮99与也和轴97共轴线的齿轮99a啮合。通过给图6中的变速器提供依次工作于两种被称为“低”与“高”工况的装置而扩展其工作范围。假定轴9恒速转动，典型的低工况制式将在皮带1从最大半径到最小半径地跨越皮带轮单元6(对于单元2则跨越方向相反)的条件下进行，在此期间终端驱动轮96以反方向最大转速开始，减速至停止(在现有技术中公知地作为“空档”)，然后在前进方向上加速直至达到在皮带轮单元6上的最小半径为止。在此点上，离合器(待描述)工作在同时使低工况脱开、高工况接合状态，其速比与范围可被选成为公知技术中的不包含瞬时传速比变化的“同步变化”。在高工况期间，皮带回到在皮带轮单元6上的最大半径与单元2上的最小半径，终端驱动齿轮96不断加速至其最终的最大前进速度。
为了得到这两种工况，齿轮98上载置支持低工况离合器101的一半的法兰100，离合器的另一半则载置在行星轮系的行星架102上。此轮系的太阳轮103装在齿轮99a的筒状延伸部104上，此延伸部与齿轮则绕轴97可转动地安装。延伸部104也载置着高工况离合器105的一米，离合器的另一半载置在凸缘106上，凸缘在107处固定于轴97上并带有该行星轮系的齿圈108。在低工况时，离合器101、105分别接合与脱开，该行星轮系接受轴9(通过行星架102)与轴5(通过太阳轮103)的输入而驱动齿圈，然后是轴97及终端驱动齿轮96，在“同步变化”点上，离合器101、105分别脱开与接合，此后通过齿轮98、98a使轴9、97的直接连接被打开，轴97通过齿轮99、99a，凸缘104，高工况离合器105和凸缘106由轴5直接驱动。用来使离合器101、105工作的活塞与液压缸分别用110、111与112、113表示。
还应注意到，扭矩敏感的皮带轮与轴的连接(即在图6例中的件22)的动作可响应要求的变化而有效地实现使功率输出轴(本图中为5)相对于变速器的功率输入轴(9)的转速成为较低的转速，换言之，这种响应使该变速器趋于一种降低动力输出的速比。现在再指出图6实施例中某些其它的特征。第1，两离合器(101、105)和行星单元是位于来自皮带轮单元6与2的独立的轴(97)上的。这是为了构成轴向尺寸短的传动，以适于安装在发动机横向安装的车辆上。第2，在原则上该扭矩敏感连接(22)与皮带轮单元2、6中哪个相连无关重要。第3，把扭矩敏感连接22和所有的相关液压孔口与通道置于轴5之上或之内的优点是因为该轴两端不存在障碍，这使其通向液力连接比一端连接着原动机50的轴9要容易。
在图7与8的例子中，皮带1在装于轴5上的皮带轮单元2与安装在轴9上的皮带轮单元6之间传递牵引力。在此例中，轴5连接原动机50，而轴9则一般是经过未示出的各种构件(它们不属于本发明)而连接到CVT的终端输出齿轮96上，在其中变速器仅是一个部件。皮带轮单元2包括皮带轮4，在此皮带轮与轴5之间插入螺旋钢珠滚造装置22，使得皮带轮与轴能作有限的包括转动分量和轴向分量的相对运动。还把皮带轮4安装在由轴5与壳体所形成的液压缸15中作为活塞在其中运动。皮带轮单元2还包括第2皮带轮3，它在42处与第1皮带轮U上的轴套41花键连接。件42允许在部件3与41之间有相对轴向运动，但有密封以防液体通过花键流失。安装在轴5的径向法兰44上的钢珠滚道43允许皮带轮3绕轴转动，但阻止其向左的相对运动。至此图7中例子是基本与某些前面附图中例相似的。可是，在皮带轮3上还形成切去部分119，而且安装在轴套41上的径向法兰120上装有密封121、部件42、41、120、121与119相互配合而确定出第2液压缸122。
另一皮带轮单元6在输出轴9上的配置与之相似，但左、右反向，相应部件则用相同的序号表示，只是加标号“′”，例如第1、第2皮带轮为4′、3′。两钢珠滚道22、22′的走向应使得当把动力从轴5传至轴9时其钢珠滚道22的走向应产生使皮带轮在轴5分开的作用力(即使其轴向远离)，同时钢珠滚道22则趋于产生使皮带轮在轴9上靠近的作用力。如果动力传递方向反向，则各力亦反向。直线花键42与42′允许这种运动，但阻止两皮带轮之间的相对转动。
在图8和11中的控制线路中，设有泵30、31和中央控制单元17，阀A与B调节各油缸压力促使皮带轮靠近。计算出这些压力使皮带上(或链)的正常载荷既足以防止打滑又不致过大，同时使来自各滚珠螺旋的由扭矩而定的各轴向力达到代数平衡，该正常载荷基本是皮带与皮带轮之间有效摩擦系数及输入与输出扭矩之和的函数。后者可表达为被控扭矩(因而是已知的)与变速器速比(它可容易地测出)的函数。这样，就可在整个工作范围中保持最佳的正常载荷(夹紧力)。
若由于某种原因皮带轮超出其正常工作范围，则在现有技术中是公知的“液压止动”就会起作用。与图5中所示的情况相似，从两油缸15、15′引出的输出线69、70是安装在轴向突出于从泵30、31进入油缸的各自输入线的侧壁部分的台阶67a、68a之上的。当皮带轮靠近台阶67a、68a中的一个，在实际接触到该台阶之前，它阻住了出口，使各流体线路中的阻力上升，通过使油缸中的液压高过其应有值而升至由各控制阀A或B单独决定的值来阻止皮带轮进一步地运动。
在图8中清楚地示出，图7与8例中的各油缸15、122；15′、122′可把各压力源(30与31)直接连到一皮带轮单元的“大的”或“由扭矩决定的”油缸(15与15′)及另一皮带单元的“小的”或“夹紧”油缸(122′与122)。还应指出，也需要在皮带上有足够大的载荷以防止打滑，特别是当液压止动提高压力以平衡变速器中超载力矩时，为确保如此，滚珠螺旋的螺旋角必须大于由该变速器各种参数，特别是有效摩擦系数和图8情况的大小活塞面积所确定的某一数值。
在图9与10的实施例中，沿用图7中所采用的序号来代表类似的构件。而在图9中，取代了仅把每个皮带轮单元中的一个皮带轮(4、4′)安装在螺旋钢珠滚道(22、22′)，而把各单元中的第2皮带轮(3、3′)也安装在(如图2中的单元2)类似的钢珠滚道(21、21′)上，每个单元的两钢珠滚道走向是相对的。进而，还取消了图7中的油缸122、122′而使每一单元的两个皮带轮外形相同，皮带轮3、3′在轴5、9上的相似的壳体中的作用有如活塞，最终油缸15与125，15′与125′是液力相通的，如126与126′所示出的。图10中的变速器与图7中的相似处最多，唯一的大差别是取消了油缸122与122′。因而使每个单元的皮带轮3与3′具有较简单的形状，但仍然在皮带轮4、4′的轴套41、41′上安装的花键42与42′上运动，而且仍然通过钢珠滚道43与43′来阻挡在相反方向上的轴向运动。在图10的实施例中，将轴向液压力作用在每一皮带轮单元上的手段是仅通过油缸15、15′而作用在皮带轮4与4′之上的。图11示出了图9与10中各实施例的液压线路中的主要构件，它和图7一样包括中央编程控制单元17、两个泵30与31、以及两个控制阀A与B。泵30与阀A处在有一个皮带轮单元的油缸15(而在图9中则是通过连接线126的油缸125)的管路中，而泵31与阀B则处在有另一皮带轮单元油缸15′(在图9中为通过连接线126′的油缸125′)的管路中。虽然为了简化在图9与10中未予示出，其油缸15与15′也可以如图11中所示地形成阶梯状端部67a与68a，以便如参照图8所描述地产生“端部止动”效应。
图12中示出了关于本发明第2方面的实施例，其中，通常较容易经济地采用如图6中所示种类的扭矩控制变速器，把多于一个的平行地安装在共同输入轴与输出轴的两皮带轮单元与皮带进行综合，使之能平衡各皮带上的力矩并能提高可施加于该变速器上的总力矩，使所传递的总牵引力增大。虽然在图6中示出的是两个皮带的变速器，但应该理解到其原理也可用于具有多于两个皮带的变速器。从下面的描述中将会看清，在图12的变速器中，其皮带轮单元在输入轴与输出轴上的安装方式是不同的：钢珠滚道装置限定在输出轴上。这样就不再有图7中的对称性了，因而，也就不再能使用图8中的与之相应的液压线路了。
在图12中，轴9如图6中那样由原动机50驱动，并通过两皮带轮单元6驱动两根皮带1。此两单元的外皮带轮7固定在轴9上，而内皮带轮8则借助于直花键24与轴啮合，从而能作有限的轴向运动。在皮带轮8与轴9之间确定出可变容积的液压缸76，并用密封环127将其密封。
皮带1与另一轴5上的皮带轮单元2啮合，轴5也和以前一样与终端驱动96相连。这些单元的外皮带轮4通过螺旋钢珠滚道22安装在轴5上，其上形成套筒状延伸部41，内皮带轮3则安装在其上的直线花键42上。通过安装在轴5上法兰44的相对表面上的球形或圆柱滚子滚道43而阻止各内皮带轮3互相靠近。各外皮带轮4固定在成形环89上，成形环在90处与轴5形成密封的滑动配合。进而还有成形环87，其内辋与轴5形成固定的密封配合，其外辋对环89的外凸缘88形成密封滑动配合。于是就在环89与87之间确定出密封的可变容的液压缸77，其中形成有入口93。环状件91以其内径形成对轴5密封，并以其外径形成对环89的内缘129的滑动密封。这样，这些构件与相邻构件就确定出可往复地变容的密封液压缸63与64，64a与63a。油缸63与63a具有在轴5上形成的流体入口94，油缸64与64a也有类似的入口95，件91上形成分别与油缸64、64a相通的出口通道68、67。
与之适配的液压线路已基本示于图5中。通过在轴5中形成的管道(未示出)，泵30通过入口94向油缸63(与63a)输送流体，泵31由入口95向油缸64(与64a)输送流体，而来自油缸的出口通道67、68则分别经控制阀A、B连至排放口38。如图8那样，但有差动编程逻辑，阀A与B由CVT的中央编程电控单元17进行调节，使得由油缸63与63a中的压力或油缸64与64a中的压力产生的合力相等，并各代表作用在皮带轮单元2中各皮带轮上总轴向端部载荷力的“扭矩相关”分量，通过阀73(选择传递压力较高者)与第3控制阀75使泵30或另一泵31也连接到油缸76与77上，以便在皮带轮6上施加适当的皮带、皮带轮夹紧力。并在皮带轮单元2上施加总轴向端部载荷的夹紧分力，应该理解到在两轴上的夹紧力是相同的，并由在相等面积油缸中的相同压力提供，由于该压力被螺旋钢珠滚道22的各力所平衡而不存在由“扭矩控制”油缸63与64及64a与63a造成的剩余力。
应该指出，在轴9中应包含一个液压通道以便通过入口83从阀75向油缸76供液，尽管在轴5中必须有许多另外的通道来向图示的许多孔口与通道供液。由于轴5的两端均实际上不存在障碍，故与一端连接到原动机50上的轴9相比容易接近液压连接，这将是其独特的优点。

Claims (23)

1.一种带与带轮式连续变速传动装置(CVT)，它包括由司机或其它操作人员操纵(通过踏板18)的控制装置(17)及速比变换部件(“变速器”)，变速器包括至少一个与两个皮带轮单元(2、6)驱动接触的带件(1)，皮带轮单元具有平行相间的转动轴线并基本上有共同的径向平面，其中每个皮带轮单元包括轴装置(5、9)和安装在其上的两皮带轮(3、4；7、8)，皮带轮间的轴向间隔是可改变的，藉以改变带与皮带轮单元之间的接触半径变化，从而改变传动比，其中还有在至少一个皮带轮单元与其轴装置之间的扭矩敏感连接装置(21、22)，它能使轴向单元/轴装置产生作为皮带单元正在传递的扭矩的大小与方向的函数的力，而且其中加载装置(30、15、25、36、39；31、16、26、37、39)伴随加载力作用于皮带轮单元上以推动它们的皮带轮，其特征在于：扭矩敏感连接装置包括动力传输连接装置，并且皮带轮被配置在各皮带轮单元(2、6)的相应轴装置(5、9)上，输入到上述变速器的动力通过上述轴装置(5或9)之一并结合上述扭矩敏感连接装置使在上述一个轴装置(5或9)上的上述皮带轮单元(2或6)的皮带轮(3、4或7、8)的轴向间隔相对于在另外轴装置(9或5)上的相应皮带轮单元(6或2)的皮带轮(7、8或3、4)的轴向间隔增大。
2.如权利要求1中所述的连续变速传动装置，其特征在于，扭矩敏感连接装置允许在皮带轮和轴装置之间有包括轴向与转动分量的相对运动。
3.如权利要求1中所述的连续变速传动装置，其特征在于，扭矩敏感连接装置包括通常是按螺旋轨迹形成的部件。
4.如权利要求1中所述的连续变速传动装置，其特征在于，扭矩敏感连接装置为滚珠螺旋式。
5.如权利要求1中所述的连续变速传动装置，其特征在于，皮带轮单元的两皮带轮的连接使它们能一起转动但能够有限的相对轴向运动。
6.如权利要求1中所述的连续变速传动装置，其特征在于，皮带轮单元的两皮带轮的安装使其可相对于它们的轴装置既有轴向的也有转动的扭矩响应运动，并互成镜形地实现这种运动，从而能在不改变该带件轴向位置的情况下使它们与带状件的接触半径发生变化。
7.如权利要求1中所述的连续变速传动装置，其特征在于，加载力是液压产生的。
8.如权利要求1中所述的连续变速传动装置，其特征在于，包括对超出预定极限的皮带轮单元的两皮带轮的轴向靠近或离开作出响应的装置，通过分别增大或减小其所产生的轴向载荷而平衡这种靠近或分离。
9.如权利要求1中所述的连续变速传动装置，其特征在于，包括防止带件自皮带轮单元的内径脱开的机械装置，使皮带轮不致轴向分开过大。
10.如权利要求9中所述的连续变速传动装置，其特征在于，该机械装置的形状为位于皮带轮之间可转动地安装在该皮带轮单元的轴装置之上的环状件。
11.如权利要求1中所述的连续变速传动装置，其特征在于，带件为皮带。
12.如权利要求1中所述的连续变速传动装置，其特征在于，带件呈链条形式。
13.如权利要求1中所述的连续变速传动装置，其特征在于，适于逆转的工况至少为两个，且至少其中之一动力通过变速器进行再循环，成为“空挡”速比。
14.如权利要求1中所述的连续变速传动装置，其特征在于，加载力包括与皮带轮/带的反作用(“夹紧”)及皮带轮单元的扭矩分别相关的第1与第2分量。
15.如权利要求14中所述的连续变速传动装置，其特征在于，加载力第2分量的大小是操纵者要求的函数。
16.如权利要求15中所述的连续变速传动装置，其特征在于，加载力的第1分量的大小也是操纵者要求的函数。
17.如权利要求14中所述的连续变速传动装置，其特征在于，当轴向单元/轴装置力等于加载力的第2分量并在加载力的相反方向作用在皮带轮单元上时，该变速器速比达到平衡值。
18.如权利要求7中所述的连续变速传动装置，其特征在于，至少产生部分加载力的装置与至少两个皮带轮单元连接，以使它们压力相等，并且使其中一个内的液流量的升或降与另外一个内的相应的降或升相一致。
19.如权利要求1中所述的连续变速传动装置，其特征在于，包括与变速器的一根轴相连的原动机，并且可把任何扭矩敏感连接装置封闭在变速器第2轴内。
20.如权利要求19中所述的连续变速传动装置，其特征在于，施加于变速器第2轴上任何皮带轮单元上的加载力是由安装在该轴上的液压装置产生的，而且与这些装置相连的流体管道是在该轴上的轴装置内形成并在该轴装置中从它们相应的装置向两个轴线方向延伸的。
21.如权利要求13中所述的连续变速传动装置，其特征在于，包括能使该连续变速传动装置工作于多于一种“工况”的从动轴、齿轮和离合器装置，其中从动轴可由变速器转动轴中的一个所取代，而齿轮与离合装置则与该从动轴同轴地安装。
22.如权利要求1中所述的连续变速传动装置，其特征在于，以多于1条的皮带在两轴间传递牵引力，并设置平衡各皮带的扭矩的装置。
23.如权利要求14中所述的连续变速传动装置，其特征在于，使用各自的动力源来产生对两变速器轴上的皮带轮单元的加载力，第1动力源给配装在变速器第1轴上的至少一个单元提供第1分量并给配装在变速器第2轴上的至少一个单元提供第2分量，对于第2动力源则正相反。
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Granted publication date: 20000503

Termination date: 20101209