CN1064442C - 机械式齿轮传动全自动无级变速器 - Google Patents

Abstract

本发明包括第一轴、第二轴、行星齿轮、油泵、进出油管、活阀、操控板以及连杆。第一轴上装有平台及托架，在托架末端连接一蜗杆。第一轴上套装有位于上蜗杆与下蜗杆之间的齿圈，齿圈与蜗杆的斜齿啮合连接。在齿圈上装有二个以上推杆，形成行星架，每个推杆上分别套装行星齿轮。第一轴的末端套装主动齿轮，第二轴上套装被动齿轮，它们分别与行星齿轮啮合连接。通过改变行星架或齿圈的转动速度来达到各种档位传动，以实现全自动无级变速。

Description

机械式齿轮传动全自动无级变速器

本发明涉及汽车工业，特别涉及一种汽车传动总成上的机械式齿轮传动全自动无级变速器。

在工程机械中，具有切合动力传递、起步功能的离合器装置，以及使发动机特性适应汽车动力性能的变速装置，都是动力传动装置中的重要组成部分，也是现代汽车的主要总成之一。它与发动机配合工作，保证汽车有良好的动力性能和经济性能。汽车变速器是改变速比、从而改变扭矩比的装置，它可以使发动机传动到驱动轮上的扭矩和转速扩大变化范围，以适应汽车在各种情况下行驶的需要。

汽车变速器按变速方式，分为有级变速器和无级变速器两种。一般具有若干个限定值传动比、3～5个前进档和一个倒行档的变速器，称为有级变速器。能使传动比在一定范围内连续变化的变速器，称为无级变速器。按其操纵方式，又分为手动变速器和自动变速器两种。

汽车自动变速器主要由三部分组成，即：汽车在起步和换档时必须切断或接合发动机传给传动系统动力的离合器；根据汽车行驶的条件和阻力变化改变速度比的齿轮传动装置；以及能实现自动换档操作的操纵控制系统。若汽车驾驶中离合器操作和换档操作均实现了自动化，则称为全自动变速器。若其中一项实现了自动化，则称为半自动变速器。目前自动变速器的结构分类如下：

半自动变速器

方式	起步离合器	变速元件	变速器
(1)真空式	干式单片真空式	起步兼用	平行轴常啮合式(手动)
(2)电磁式	电磁交流发电机式	起步兼用	平行轴常啮合式(手动)
(3)机械式	干式单片离心式	干式单片真空式	平行轴常啮合式(手动)
(4)液压式	干式单片液压式	起步兼用	平行轴常啮合式(手动)
(5)液力式	液力偶合器	干式单片真空式	平行轴常啮合式(手动)
(6)液力式	液力变扭器	干式单片真空式	平行轴常啮合式(手动)
(7)液力式	液力变扭器	湿式单片液压式	平行轴常啮合式(手动)

全自动变速器

方式	起步离合器	变速元件	变速器
(1)液力式	液力变扭器	多片离合器手制动器、单向离合器	行星齿轮式(自动)
(2)液力式	液力变扭器	多片单向离合器	二平行轴式(自动)
(3)电磁式	电磁交流发电机式	电磁离合器爪型离合器	三平行轴式(自动)
(4)机械式	干式单片离心式		V型皮带无级(自动)

尽管汽车自动变速方式很多，但随着科技的进步，多种使用方式逐渐被淘汰而由液力式自动变速器取代，故现今汽车上基本上都使用由液力变扭器与齿轮式变速器组成的液力机械变速器。

液力变扭器通常由可旋转的泵轮和涡轮以及导轮组成，利用液压原理，泵轮将发动机输入的动力，在无直接接触的情况下输送到涡轮。当液流流过导轮叶片时，由于受到导轮叶片的作用力，液流发生方向变化来达到变扭作用，故液力变扭器可在无离合器参与的情况下，全自动地、无级地在一定范围内变速。但由于液力变扭器存在着变扭系数不够大的问题，难以满足汽车使用要求，故由液力变扭器与齿轮式变速器组成的液力机械变速器能满足汽车行驶中因各种变化所产生的变速系数。

在传动系中设置液力传动装置，使汽车起步更加平稳，减少换档次数，使驾驶员操作简便，换档平稳，提高了乘坐舒适性。由于减少了因换档过程中所引起的车速降低，故可提高汽车平均速度。大型自卸汽车主要在矿山和大的建筑工地上使用，使用条件十分复杂，超重型汽车使用扭矩变化大，所需档位极多，若采用普通有级齿轮式变速器，频繁换档操作使驾驶员难以胜任，故都采用无级变速装置。由于液力传动具有能使汽车以极低车速行驶而不致使发动机熄火，以及车速平稳的特点，可提高在松软路面、沼泽地区的通行能力，高通行性越野汽车也采用这种装置。此外，城市用大型公共汽车，由于站距短，行人多，交通情况复杂，需要经常减速、停车、起步、加速等，也可采用液力机械装置，以减轻驾驶员的劳动强度，提高行车安全性。液力传动汽车的发动机与传动系统之间装有液力变扭器这个弹性体，能减少发动机和传动系统所承受的冲击和传动过载，可提高发动机和传动系的使用寿命。

图1表示了液力机械变速器工作过程和控制系统。液力机械变速器执行机械通常由若干个离合器组成。由各种阀体组成的液压控制系统根据需要向执行机构提供压力油，利用液压使它们在不同条件下分别起作用，从而获得齿轮式变速器的不同工作档位。从以上图表可以看出，液力机械变速器结构很复杂，制造成本很高。在液能与机械能的交换过程中，还存在传动效率损失。因此，在一般汽车上较少应用。

本发明的目的是提供一种机械式齿轮传动全自动无级变速器，它使简单的齿轮式变速器通过改进后产生刚性持续的柔和接合力，实现无级变速。

本发明的技术解决方案如下：

一种机械式齿轮转动全自动无极变速器，包括轴和套装在轴上的行星齿轮，以及油泵、进、出油管、活阀、操控板及连杆，所述轴包括第一轴和第二轴，所述行星齿轮包括行星大齿轮和行星小齿轮；所述第一轴上装有上平台和下平台，在上平台上装有左右各一对托架，在左右托架的末端连接装有一蜗杆，并由轴承固定安装在左右托架上，在下平台上也装有左右各一对托架，另一蜗杆也由轴承固定安装在左右托架的末端，所述第一轴上还套装有位于上蜗杆与下蜗杆之间的齿圈，齿圈与蜗杆以斜齿方式啮合连接，在齿圈的一个平面上装有二个以上推杆，由此形成行星架，每个推杆上分别套装行星大齿轮和行星小齿轮，所述第一轴的末端装有主动齿轮，主动齿轮与行星大齿轮啮合连接；所述第二轴上装有被动齿轮，被动齿轮位于主动齿轮的相对位置，被动齿轮与行星小齿轮啮合连接，通过改变行星架或齿圈的转动速度来达到各种档位传动，以实现全自动无级变速。

本发明将简单的齿轮式变速器通过改进后产生刚性传动及持续的柔和接合力，实现无级变速，取代了液力变扭器所起的作用，并以足够大的调速范围，兼容液力机械变速器中的齿轮变速器，简化了变速器的结构，同时在变速器上配备电子数控技术，使本发明所述的无级变速器更加完美。随着电子和数控技术的发展，电子科技已应用到自动变速器上，当今的自动变速器已能感知汽车的工作温度、速度、转弯、刹车、上下坡等情况，并据此来实现合适的变速。

下面结合附图对本发明作详细说明。

图1是现有的液力机械变速器工作过程和控制系统示意图。

图2是本发明的齿轮传动机构的主视示意图。

图3是本发明的一种机械式齿轮传动全自动无级变速器的传动及操纵控制示意图。

图4是本发明的齿轮传动机构的左视示意图。

图5是本发明的蜗杆与齿圈啮合连接的示意图。

图6是本发明的操纵控制示意图，操纵控制板为关闭状态。

图7是本发明的操纵控制示意图，操作控制板为打开状态。

图8是本发明应用到汽车发动机上的方框示意图。

参看图2至图5，一种机械式齿轮传动全自动无级变速器包括轴和套装在轴上的行星齿轮，以及柱塞式油泵12、重块13、进油管14、出油管15、活阀16、操纵控制板17及连杆18。

上述轴包括第一轴1和第二轴11。上述行星齿轮包括行星大齿轮8和行星小齿轮9。

参看图2，第一轴1上固定安装上平台201和下平台202。在上平台201上安装左右各一对托架301，在左右托架301的末端连接安装一蜗杆401，并由轴承固定安装在左右托架301上。在下平台202上也安装左右各一对托架302，另一蜗杆402也由轴承固定安装在左右托架302的末端。

第一轴上还套装一齿圈5，齿圈5位于上蜗杆401与下蜗杆402之间，齿圈5与蜗杆401、402以斜齿方式啮合连接。在齿圈5的外侧平面上安装二个或三或四个推杆6，由此形成行星架。每个推杆6上分别套装行星大齿轮8和行星小齿轮9。行星大齿轮8与行星小齿轮9可制成一体为行星齿轮19。

第一轴1的末端固定安装一主动齿轮7，主动齿轮7与行星大齿轮8啮合连接。

第二轴11上固定安装一被动齿轮10，被动齿轮10位于主动齿轮7的相对位置，被动齿轮10与行星小齿轮9啮合连接。

第一轴1上的上平台201、下平台202和主动齿轮7制成为一体，托架301、302固定安装在平台2上，蜗杆401、402则由轴承固定安装在托架3末端，蜗杆4可作径向旋转，这些构件构成主动件随第一轴1一起同速转动。

在齿圈5松套于第一轴1上的平台2与主动齿轮7之间，齿圈5与蜗杆4以斜齿啮合连接。齿圈5上的推杆6分别穿入一体化的行星大齿轮8与行星小齿轮9的中心孔内。每个行星大齿轮8都与主动齿轮7啮合连接，这些构件构成变速件。

被动齿轮10和第二轴11制成为一体，构成被传动件。

上述各齿轮的大小及齿数可根据变速需要来设定，以达到变速所需的扭矩变化。各齿轮之间一般是常啮。通过改变行星架或齿圈的转动速度来达到各种档位传动，以实现全自动无级变速。

参看图3，第一轴1的平台2内侧装有柱塞式油泵12，通过蜗杆4转动来带动该油泵12。油泵12进油端连接油管外层的进油管14，油泵12输出油端连接油管内层的出油管15。油管从油泵12处越过第一轴主动齿轮7、第二轴被动齿轮10的中央孔道，到达第二轴活阀16处。在第二轴11的外侧安装与活阀16连接的重块13，重块13能随第二轴11的转动速度大小产生不同的离心力来拉动活阀16的开启度，从而控制油液流量。

参看图6和图7，在油泵12一侧的油管上安装一操纵控制板17，当该操纵控制板17关闭时，油管便分成内外两层，油泵12泵出的油液只能沿着出油管15通过活阀16，再经进油管14回到油泵12进油口，此时油液必须作大循环。当操纵控制板17打开时，油管由操纵控制板17隔离成内外层油管而变成一层，形成共同腔，油泵12泵出的油液可直接到达进油口，此时油液可以作小循环。

上述构件构成控制件，能随汽车在行驶中的各种变化来调整变速器，满足汽车所需的变速系数，进而实现自动变速。

本发明的工作过程如下：

当第一轴1转动时，带动蜗杆4、油泵12、托架3、主动齿轮7同速转动，同时主动齿轮7也作用于行星大齿轮8连同行星小齿轮9，装于齿圈5上的推杆6则抵压住行星齿轮19沿第一轴1轴线旋转而不会脱离，由于齿圈5上的推杆6充当了行星齿轮19的支承点，因此齿圈5就充当了行星齿轮19的行星架。齿圈5松套于第一轴上，仅与蜗杆4以斜齿啮合，当齿圈5受到重力影响时会带动蜗杆4转动而无法固定位置，齿圈5作为游离性行星架，会因位置不同及支承作用不同，使各齿轮传动产生不同的转动方式。下面表述齿轮传动机构的三种转动方式。

1．行星架无任何支承约束。行星齿轮19作为一个刚性体，同时与主动齿轮7和被动齿轮10啮合连接，它被行星架上的推杆6框住，当第一轴1转动而作用于行星齿轮19时，因被动齿轮10是重力载体，各齿轮又因齿数不同，其动力将迫使行星齿轮19形成与第一轴1旋转方向相反的方向旋转，从而避让了主动齿轮7与行星齿轮19之间的齿数不等的情况。行星齿轮19产生的后退重力通过推杆6来使得行星架后退，由于齿圈5与蜗杆4以斜齿啮合，蜗杆4处于无重力约束状态，因此行星架后退重力可使蜗杆4作行星架后退所需要的速度转动。再由于整个传动机构不受任何约束，就无法带动第二轴11旋转，此时所有齿轮机构完全失去传动作用。

2．行星架固定。行星架从蜗杆4上脱离固定在变速器壳体上，此时与普通的齿轮有级变速器工作原理相同。第一轴1动力经主动齿轮7、行星大齿轮8、行星小齿轮9、被动齿轮10顺序传递，

3．行星架与第一轴1连动。当行星架与第一轴1连成一体时，主动齿轮7、行星齿轮19、行星架都形成连锁，行星齿轮19无法绕推杆6自转，只能与主动齿轮7同速转动，行星小齿轮9变成第一轴1的突出部分，通过与被动齿轮10啮合连接进行前推性传动，被动齿轮10只能作与第一轴1相同的旋转速度转动，此时传动比为1∶1。

在齿轮传动机构应用中，行星架处于松套在第一轴1上游离性无固定状态。当第一轴1上主动齿轮7作用于行星齿轮19时，行星齿轮19为避让两边齿轮齿数不同而后退，使得行星架也后退，由于齿圈5与蜗杆4之间以斜齿啮合，在蜗杆4无重力约束的情况下会使蜗杆4转动来回避齿圈5重力。如能制约蜗杆4慢于齿圈5的转动速度，就能使第一轴1带动齿圈5作部分或全部跟动。因此蜗杆4的转动速度等于行星架的前进速度，行星架的前进速度等于传动速度和传动比的大小。

自动控制件的重力制约与齿轮传动的配合关系。蜗杆4的重力制约是靠与蜗杆4连动的柱塞式油泵12产生液压重力制约蜗杆4转速。液压重力的大小是靠第二轴11旋转通过重块产生离心力来控制活阀16的开启度大小，从而设定油液流量的大小，完成自动变速。油泵12泵出的油液在管道内流动，可分为下列三种情况。

1．操纵控制板17打开，液流作小循环得不到约束，油泵12不能产生液压，因而也不能产生重力，此时油泵12不能对蜗杆4产生减速约束，蜗杆4也不能对行星架产生约束，整个齿轮传动机构将不起作用。

2．液流通过出油管15流过活阀16后，经进油管14回到油泵12作大循环，活阀16对液流作限量通过，油液在管道内产生液压使油泵12须有一定功率转动，油泵12重力使蜗杆4产生重力变成慢速转动，蜗杆4转动慢于行星架旋转速度，而迫使行星架作与第一轴1旋转速度相应的旋转速度，进行慢速跟动，整个齿轮传动机构因受到相应制约而变为差速传动。

3．装于第二轴11上的重块13因第二轴11转速加快，所产生的离心力就加大，使得活阀16完全关闭，油泵12和蜗杆4则因液压太大而不能转动，由此使蜗杆4与第一轴1连锁，蜗杆4与齿圈5就失去传动连锁，于是行星架、行星齿轮则与第一轴1连锁。主动齿轮7无法对连锁于第一轴1是的行星齿轮19进行传动，行星齿轮19无法自转进行差速传动，但对被动齿轮10可进行推动性传动，此时齿轮传动机构因连锁第一轴1和第二轴11而进行同速转动。

离合器替代功能。将油道上的操纵控制板17关闭，液流进行大循环，油泵12因油压逐渐上升至事先设定的大循环液压状态，需有若干秒时间达到应用重力，故第一轴1通过油泵12约束蜗杆4慢转来约束齿圈5从反转逐渐至与固定在变速器壳体上的相同状态，因为齿圈5充当行星架有一时间过程。由于齿轮传动机构的传动比在事先就设定好而无法改变，但是齿轮传动机构在齿圈5的作用下，以刚体形式将第一轴1扭矩柔和地从小渐增至全部，并以最大设定传动比传递给第二轴11。该过程原理与离合器工作原理相同，故汽车无须离合器参与也能一样起动。

本发明安装在汽车上具有下列使用功能：

空档。操纵控制板打开，液流作小循环，油泵因液流无油压而不能约束蜗杆慢转，第一轴主动齿轮旋转并作用于行星齿轮，行星齿轮因啮合两边齿轮的齿数不同而产生避让进而反转，行星齿轮重力齿圈对蜗杆进行冲击，蜗杆无制约，可进行空档所需的转动。此时整个齿轮传动机构失去制约，汽车处在空档怠速状态。

汽车低速档至高速档的运作。当驾驶员把选档手柄推向前进时，与选档手柄作用力相关的油道操纵控制板关闭，油泵泵出的油液在管道内因受到制约而使油压逐渐上升，受到作用的行星齿轮由反转至不动，由于传动机构的带离合器功能的动力传递，使汽车逐渐起步至最大变扭系数的车速前行。装于第二轴上的重块设计为第二轴旋转离心力，由于汽车在到达最大变扭系数的车速之前不拉动活阀，故不影响汽车起步。当汽车起步完毕，重块因第二轴旋转速度而以离心力拉动活阀，活阀开启度减小，进由减小液流循环，其通过流量也随之减小，使油泵和蜗杆转动速度减慢。蜗杆转动速度减慢带动了作为行星架的齿圈，从不动开始向前移动，行星齿轮也跟着前移，行星齿轮的前移造成行星齿轮自转的减少，同时产生部分行星齿轮、行星架与第一轴连锁作用。行星齿轮处于自转状态产生变扭传动，又产生自转减少部分的连锁，造成对被动齿轮进行1∶1推动传动，合成动力传动。由于连锁传递的加入，使整个变速器的变速扭矩减少。这时车速加快，对第二轴而言，转速进一步加快，又产生新一轮的作用。这种情况在发动机保持不变的情况下会周而复始地发生，使行星齿轮自转变扭传动渐渐减少，而连锁部分1∶1推力传动渐渐增大，直至第二轴转动速度极其快速，重块因离心力作用拉动活阀完全关闭，液流便无法流动，油泵和蜗杆也不能转动，齿圈和蜗杆失去传动而形成连锁，行星架、行星齿轮都与第一轴连锁，行星齿轮失去自转只能对被动齿轮进行完全同速的传动，故此时第一轴和第二轴作同样速度转动。齿轮传动机构变扭系数计算公式为：

上下坡。当汽车走向上坡路段时，汽车因地面阻力增大造成第二轴转速逐渐减慢，装于第二轴上的重块因离心力作用减小而对活阀拉力减小，活阀开启度增大，行星齿轮自转增加，变扭系数也增加，从而适应上坡路段产生的加大阻力。当汽车下坡时，第二轴转速越转快，所产生离心力极大，重块由于离心力作用使得活阀关闭，造成齿轮传动机构连锁，并以第一轴、第二轴的同速转动来作用于发动机，故本齿轮传动机构无法在下坡时制动汽车。

本发明所述的机械式齿轮传动全自动无极变速器与液力机械式变速器相比，具有如下优点：

1．节省了大量构造，降低了制造成本。由于齿轮式无级变速器能以极大的变扭系数进行无级变速，故省却了执行系统、油压控制系统及辅助阀体，可大幅度降低制造成本，并可大量应用于各种普通车辆。

2．兼容了离合器功能。无需在汽车上设置离合器，不但节约成本，而且能降低驾驶员的劳动强度。

3．达到了目前无法达到的无断传动。由于齿轮式无级变速器无须换档，变速器始终处于负载工作状态，能根据汽车各种情况来自动变扭，发动机动力始终能对传动轴动力传递。

4．提高了传动效率。液力变扭器动力传递方式是机械能-液能-机械能形式，在转换过程中损失了传动效率。齿轮式无级变速器将发动机动力以机械能形式传递给传动轴，传动效率损失较少。

5．提高了汽车动力性和燃料经济性。在汽车设计传动过程中，变速器档位越多，对发动机工作的动力性和燃料经济性越有利。现今汽车上使用的变速器都有一定的档位数，设计档位越多越复杂，操纵难度大，制造成本高。本齿轮式无级变速器无论如何车速都处在所需要相匹配的工作情况下，故能达到无限多的档位。

6．调速范围极大。在齿轮式无级变速器中齿轮能根据变速范围来设计齿轮大小，故所有车辆都能使用。

7．降低了变速自重和减少了体积，载货量得到增加。本发明应用在汽车上可减少许多不需要的构造，可使汽车相应增加载重量。

Claims (2)

1．一种机械式齿轮传动全自动无级变速器，它包括轴和套装在轴上的行星齿轮，以及油泵、进、出油管、活阀、操控板及连杆，其特征在于，所述轴包括第一轴和第二轴，所述行星齿轮包括行星大齿轮和行星小齿轮；所述第一轴上装有上平台和下平台，在上平台上装有左右各一对托架，在左右托架的末端连接装有一蜗杆，并由轴承固定安装在左右托架上，在下平台上也装有左右各一对托架，另一蜗杆也由轴承固定安装在左右托架的末端，所述第一轴上还套装有位于上蜗杆与下蜗杆之间的齿圈，齿圈与蜗杆以斜齿方式啮合连接，在齿圈的一个平面上装有二个以上推杆，由此形成行星架，每个推杆上分别套装行星大齿轮和行星小齿轮，所述第一轴的末端装有主动齿轮，主动齿轮与行星大齿轮啮合连接；所述第二轴上装有被动齿轮，被动齿轮位于主动齿轮的相对位置，被动齿轮与行星小齿轮啮合连接，通过改变行星架或齿圈的转动速度来达到各种档位传动，以实现全自动无级变速。

2．根据权利要求1所述的机械式齿轮传动全自动无级变速器，其特征在于，所述行星大齿轮与行星小齿轮制成一体为行星齿轮。

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