CN106884971A - 变速器输出轴 - Google Patents

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藤井雄二
格雷戈里·迈克尔·皮尔准恩
格雷戈里·丹尼尔·格莱斯基
杰夫瑞·爱德华·毛瑞尔
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Abstract

公开了一种变速器输出轴。一种变速器包括壳体、扭矩传感器和两段式输出轴组件。扭矩传感器附连到壳体，并且限定内径部分。两段式输出轴组件部分地设置在壳体内，并且包括可操作地连接到延伸穿过内径部分的轴的行星架。行星架和轴是直接连接在一起的单独的部件，并且行星架限定驻车齿轮。

Description

变速器输出轴
技术领域
本公开涉及用于机动车辆的变速器，更具体地，本公开涉及变速器的输出轴。
背景技术
许多车辆在宽的车速范围(包括前进运动和倒车运动两者)内使用。然而，某些类型的发动机仅能够在窄的车速范围内高效运转。因此，经常使用能够在多个传动比下高效传输动力的变速器。变速器传动比是输入轴转速与输出轴转速的比。当车辆处于低速时，变速器通常在高传动比下操作，使得发动机扭矩倍增以提高加速度。当车辆处于高车速时，在低传动比下操作变速器允许与安静、燃料高效的巡航相关联的发动机转速。
大多数变速器配置有变矩器或其它类型的起步装置。当车辆是静止的或运动得非常缓慢时，齿轮箱输入转速小于发动机的最小运转速度。起步装置将扭矩从发动机传递至齿轮箱输入，同时允许发动机以可接受的转速旋转。变矩器包括由发动机驱动的泵轮和驱动齿轮箱输入的涡轮。扭矩从泵轮液力地传递到涡轮。
发明内容
根据一个实施例，一种变速器包括壳体、扭矩传感器和两段式输出轴组件。扭矩传感器附连到壳体，并且限定内径部分。两段式输出轴组件被部分地设置在壳体内，并且包括可操作地连接到延伸穿过内径部分的轴的行星架。行星架和轴是直接连接在一起的单独的部件，并且行星架限定驻车齿轮。
根据另一实施例，一种变速器两段式输出轴组件包括：行星架，限定内孔和驻车齿轮；以及轴，具有设置在所述内孔内的固定端和与传动系部件可连接的自由端。行星架由第一材料形成，轴由不同于第一材料的第二材料形成。
根据本发明的一个实施例，轴由具有磁特性的钢制成，所述磁特性与扭矩传感器配合以感测所述组件的扭矩。
根据本发明的一个实施例，轴由4340钢合金制成。
根据本发明的一个实施例，内孔和轴具有产生过盈配合以连接行星架和轴的尺寸。
根据本发明的一个实施例，轴限定花键部分，内孔限定容纳花键部分的凹槽，以产生花键过盈配合。
根据本发明的一个实施例，行星架和轴配合以在内孔和轴之间的界面处限定至少一个钻孔，所述组件还包括设置在所述至少一个钻孔内的至少一个销。
根据本发明的一个实施例，所述至少一个销具有倒角的头部，以形成限定在所述销和所述钻孔的侧壁之间的凹部，其中，所述销焊接到行星架和轴，使得焊接材料设置在所述凹部中。
根据又一实施例，一种组装变速器的方法包括：提供变速器壳体；以及提供限定内孔和驻车齿轮的行星架。所述方法还包括：将变速器的输出轴的第一端插入到内孔中以产生两段式输出轴；以及将该两段式输出轴安装在壳体中。所述方法还包括：通过由连接到变速器的扭矩传感器限定的内径部分容纳轴。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：将至少一个行星齿轮安装在由行星架限定的孔中。
根据本发明的一个实施例，行星架和轴由不同的金属合金制成。
根据本发明的一个实施例，轴由4340钢合金制成。
附图说明
图1是示例性车辆的示意图。
图2是变速器的后部和分动箱的前部的截面的透视图。
图3是示例性两段式输出轴组件的透视图。
图4是沿切割线4-4切割的输出轴的截面的透视图。
图5是示出了具有带的微观结构的变速器输出轴的放大图。
图6是根据一个实施例的销连接的截面的侧视图。
图7是具有花键过盈配合的另一示例性两段式输出轴组件的前视图。
图8是具有锥形过盈配合的又一示例性两段式输出轴组件的截面的侧视图。
具体实施方式
在此描述了本公开的实施例。然而，应理解公开的实施例仅为示例，其它实施例可以采用各种和替代的形式。附图无需按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以显示特定部件的细节。因此，在此所公开的具体结构和功能细节不应解释为限制，而仅为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域的普通技术人员将理解的，参考任一附图示出和描述的各个特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征组合以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合为典型应用提供代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可以期望用于特定应用或实施方式。
图1中示意性地示出了示例性的车辆动力传动系统10。在图1中，实线代表机械连接(比如轴或固定传动比齿轮装置)。发动机12通过燃烧燃料来产生机械动力。变速器14以适合于当前车辆需求的轴速将动力传输到差速器16，所述轴速可以比发动机12产生动力的轴速更快或更慢。差速器16以固定的最终传动比使轴速降低，并将动力传递到左驱动轮18和右驱动轮20，以允许车辆转弯时车轮之间有微小的转速差。
变速器14可包括变矩器22或其它起步装置以及齿轮箱24。变矩器22包括固定到发动机曲轴的泵轮26和固定到齿轮箱输入轴的涡轮28。当泵轮26旋转得比涡轮28更快时，扭矩从泵轮26液力地传递到涡轮28。旁通离合器30可接合以通过摩擦从泵轮26向涡轮28传递扭矩，以减少液力动力传递中固有的动力损失。齿轮箱24包括多个液压致动的换挡元件。齿轮箱24通过接合换挡元件的各种子集来建立不同的传动比。用于接合换挡元件的加压流体由变速器泵32提供。
变速器14包括多个传感器(比如速度传感器、油底壳温度传感器和换挡位置传感器)和用于优化换挡特性的控制逻辑。但是，大多数现代变速器不具有扭矩传感器。扭矩传感器能够直接测量传动轴(比如输出轴)的扭矩。轴的扭矩数据可被变速器控制单元使用以更高效地使离合器接合和分离，从而产生更平稳的换挡和更好的客户体验。
参照图2，变速器50包括限定变速器内部的变速器壳体52。至少一个行星齿轮组54设置在变速器壳体52内，并且可操作地连接在输入轴和输出轴之间，以实现输入轴和输出轴之间的传动比。行星齿轮组54可以是串联布置的一个或更多个行星齿轮组。每个行星齿轮组54可包括环形齿轮、中心齿轮、行星架和多个行星齿轮56。每个行星齿轮的轴可与行星架60可操作地连接。行星架60可包括容纳行星齿轮的轴的钻孔。行星架包括驻车齿轮(parkgear)，驻车齿轮具有沿周向布置在齿轮的外径部分上的齿。行星架60上的齿与驻车棘爪接合，以锁定变速器50，从而防止在驻车时车辆移动。行星架60限定容纳轴62的近端64的内孔。行星架60和轴62相对于彼此固定，以形成两段式输出轴组件58。轴62的一部分延伸穿过由变速器壳体52限定的端口。轴62的远端66与传动系部件连接。在示出的实施例中，传动系部件为分动箱70。在两轮驱动实施例中，轴的远端66连接到驱动轴。
变速器50还包括测量输出轴组件58的扭矩的扭矩传感器72。在一些实施例中，传感器72是用于监测轴62的扭矩的磁性扭矩传感器。在其它实施例中，传感器72是用于监测轴62的转速的转速传感器。此外，扭矩传感器72可以是用于监测输出轴62的转速和扭矩二者的磁性扭矩和转速传感器。
扭矩传感器72包括限定内径部分(孔)78的外壳74。扭矩传感器72附连到壳体52，使得轴62延伸穿过孔78。在示出的实施例中，扭矩传感器72螺栓连接到变速器壳体52的后部。扭矩传感器72包括相对于旋转的轴62静止的一个或更多个感测元件76。感测元件76可以是诸如磁通门传感器的磁通量感测元件(这些也被称为磁致弹性元件)。轴62包括设置在传感器72的内径部分78内的感测区域。感测区域是轴上的具有恒定直径和受控硬度的光滑表面区域。感测区域是围绕轴62周向延伸的磁化区域。轴62可由优选地具有马氏体结构的高镍含量的钢(例如，4340钢合金)制成，以便使轴磁化。轴62被硬化以实现永久磁化。轴62在外壳74内的旋转产生由传感器72感测的磁通量，以便确定轴62的转速和/或扭矩。
通常，变速器的输出轴组件是具有一体形成的行星架和轴的一体式部件。输出轴通常通过将单个坯料加工成行星架部分和轴部分而制成。因为行星架的外径(OD)比轴的OD大得多(例如，7英寸)，所以为了形成轴必须从坯料加工去除大量的材料。为了使扭矩传感器运行，必须磁化轴的至少一部分。为了实现这一点，轴由具有高镍含量的钢(例如，4340钢合金)形成。
参照图5，测试和实验表明：用具有高镍含量的钢加工一体式输出轴组件在轴的感测区域118内产生不令人满意的外表面。图5示出了变速器输出轴的外表面80的高度放大图片。该图片示出了在加工坯料的大部分以形成轴之后，成品外表面80包含有带82。带是指合金含量不一致的区域。带产生不一致的硬度，这导致差的扭矩传感器性能。带的问题朝向坯料中心比外表面附近更普遍。所述带是形成合金钢的生产工艺中的固有限制。通过测试和实验确定，由与成品轴OD更紧密匹配的坯料加工轴产生明显较少的带，并且具有满足与扭矩传感器一起使用的外表面。例如，将2.375英寸OD的坯料加工到1.5625英寸OD的成品轴产生明显较少的带和适合的金属性能。但是，由于行星架比轴大得多，因此行星架不能由与轴相同的坯料加工。因此，本公开提出一种用于具有扭矩传感器的变速器的两段式输出轴组件。
参照图3和图4，示例性两段式输出轴组件100包括行星架102和轴104。行星架102限定内孔106和OD部分108。OD部分108包括具有齿110的驻车齿轮109，当挡位选择器处于驻车挡时，驻车齿轮109的齿110与变速器的驻车棘爪接合。行星架102还限定多个孔112，每个孔容纳其中一个行星齿轮的轴。轴104包括容纳在内孔106内的固定端114和可连接到传动系部件(例如分动箱或驱动轴，这取决于车辆是两轮驱动还是四轮驱动)的自由端116。轴104限定感测区域118，当轴安装在变速器上时，感测区域118设置在扭矩传感器内。
行星架102和轴104可通过轴104的外表面120和内孔106的内表面119之间的过盈配合而彼此固定。为了加强过盈配合，内孔106和/或轴104可包括增加连接强度的特征。在示出的实施例中，六个销124在外表面120和内表面119之间的界面处被插入到连接处。根据变速器的扭矩要求，其它实施例可包括更多或更少的销。销124被容纳在钻孔122中，钻孔122中的每一个通过行星架102和轴104的配合被部分地限定。销124可被过盈配合到钻孔122中。在一些实施例中，销124也可焊接到组件100。
参照图6，在一个示例性实施例中，销124包括倒角边缘126，倒角边缘126与钻孔122配合以产生凹部128。凹部为额外的焊接材料129提供区域，这防止销的轴向移动。
返回参照图4和图5，行星架102和轴104是由两个不同的坯料机加工的单独的部件。如上所述，由大得足以成为行星架齿轮的坯料加工轴产生不令人满意的扭矩传感器性能。例如，行星架102可由7.5英寸的坯料加工而成，而轴可由2.5英寸的坯料加工而成。行星架102和轴104可由不同的材料制成。轴104需要可磁化钢(诸如具有高镍含量的合金)，而行星架齿轮可由任何类型的高强度钢制成。在一个实施例中，行星架102由1050钢合金制成，而轴104由非常适于产生永磁体的4340钢合金制成。
图7示出了另一两段式输出轴组件130。除了包括花键过盈配合，组件130与图4所示的实施例类似。行星架齿轮134的内孔132限定多个凹槽136。轴138的一部分限定多个花键140。当轴138安装到内孔132中时，花键140容纳在凹槽136内。花键和凹槽配合以增加连接的强度。
图8示出了又一两段式输出轴组件150的一部分。该组件包括限定内孔154和肩部156的行星架152。该组件还包括限定OD部分的轴158。行星架152的内孔154被设计成容纳轴158的一端。行星架和轴可通过锥形过盈配合162组装在一起。在示出的实施例中，内孔154限定从肩部156延伸到行星架152的外侧的倾斜表面164。轴158限定锥形(例如，截头圆锥形)部分166，锥形部分166容纳在内孔154内并与倾斜表面164接合。倾斜表面164和锥形部分166具有使得轴158必须压配合到行星架中的尺寸。轴-行星架界面168处的力足以将扭矩从行星架传递到轴，而在轴和行星架之间不发生打滑。销170可设置在肩部156和轴158中，以防止行星架152相对于轴158运动。
在其它实施例中，行星架的内孔可以是方形的，并且轴的外表面的一部分可以是方形的，以增加连接的强度。或者，齿轮中的轴之间的连接可以是键合的。
虽然上文描述了示例性实施例，但并不意味着这些实施例描述了权利要求包含的所有可能的形式。说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，应该理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下能够进行各种变化。如前所述，各个实施例的特征可组合以形成本发明的可能没有被明确描述或示出的进一步的实施例。虽然各个实施例可能已被描述为提供优点或者在一个或更多个期望特性方面优于其它实施例或现有技术实施方式，但是本领域的普通技术人员认识到，根据具体应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷以实现期望的整体系统属性。这些属性可包括但是不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、可销售性、外观、封装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易组装性等。这样，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术实施方式合意的实施例不在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定应用。

Claims (10)

1.一种变速器，包括：
壳体；
扭矩传感器，附连到壳体，并限定内径部分；以及
两段式输出轴组件，部分地设置在壳体内，并包括可操作地连接到延伸穿过所述内径部分的轴的行星架，其中，行星架和所述轴是直接连接在一起的单独的部件，行星架限定驻车齿轮。
2.根据权利要求1所述的变速器，其中，行星架限定容纳所述轴的内孔。
3.根据权利要求2所述的变速器，其中，所述轴限定外表面，其中，所述外表面和所述内孔具有使得在行星架和所述轴之间产生过盈配合的尺寸。
4.根据权利要求2所述的变速器，其中，行星架和所述轴配合以限定至少一个钻孔，其中，销被容纳在所述钻孔内以防止行星架和所述轴之间的相对运动。
5.根据权利要求4所述的变速器，其中，销具有倒角的头部，以形成限定在销和所述钻孔的侧壁之间的凹部，其中，销焊接到行星架和所述轴，使得焊接材料设置在所述凹部中。
6.根据权利要求2所述的变速器，其中，所述轴的一部分限定花键，内孔限定容纳花键的凹槽，以产生花键过盈配合。
7.根据权利要求1所述的变速器，其中，行星架由第一材料形成，所述轴由不同于第一材料的第二材料形成。
8.根据权利要求7所述的变速器，其中，所述轴由4340钢合金形成。
9.一种变速器两段式输出轴组件，包括：
行星架，限定内孔和驻车齿轮；和
轴，具有设置在所述内孔内的固定端和能够与传动系部件连接的自由端，其中，行星架由第一材料形成，轴由不同于第一材料的第二材料形成。
10.根据权利要求9所述的变速器两段式输出轴组件，其中，轴还包括扭矩感测区域，所述扭矩感测区域被构造为被容纳于连接到变速器的扭矩传感器内。
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