CN107387702A - 多模式无级变速器 - Google Patents

Abstract

公开了一种多模式无级变速器。无级变速器包括四个换挡元件，以建立三个向前行驶挡位和一个向后行驶挡位。所述向前行驶挡位中的两个使用再循环动力流动路径，在所述再循环动力流动路径中经由变速机构传递的动力比通过变速器传递的动力小得多。两个变速机构的带轮均围绕着相对于输入轴线偏移的轴线旋转，使得两个带轮均不被部分地淹没在变流器液体中。

Description

多模式无级变速器

技术领域

本公开涉及车用变速器的领域。更具体地，本公开涉及用于具有多个运行模式的无级变速器的齿轮传动装置。

背景技术

许多车辆在包括前进运动和倒车运动两者的宽车速范围内使用。然而，一些类型的发动机只能在窄的速度范围内高效运转。所以，通常采用能够以各种传动比高效地传输动力的变速器。当车辆处于低速时，变速器通常以高传动比运转，使得发动机扭矩倍增以提高加速度。处于高车速时，使变速器以低传动比运转允许发动机转速与安静、燃料高效的巡航关联。通常，变速器具有安装到车辆结构的壳体、由发动机曲轴驱动的输入轴以及通常经由差速器总成驱动车辆车轮的输出轴，该差速器总成在车辆转弯时允许左车轮和右车轮以稍微不同的转速旋转。

已知用于改变变速器传动比的各种方法。一些变速器具有齿轮传动元件和换挡元件的集合，其被构造为使得接合换挡元件的各种子集在输入轴和输出轴之间建立不同的动力流路径。这些不同的动力流路径在输入轴和输出轴之间以不同的传动比运行。为了从一个传动比变换到另一个传动比，一个或更多个换挡元件分离并且一个或更多个换挡元件接合，从而改变所利用的动力流路径。其他的变速器利用变速机构(variator)来改变传动比。变速机构能够以上限和下限之间的任何传动比高效地传递动力并且在传递动力的同时逐渐地改变传动比。变速机构的传动比上限和下限可能与车辆的传动比需求不匹配。鉴于此，具有变速机构的变速器还可包括齿轮传动元件和换挡元件，使得输入轴和输出轴之间的可用的传动比的范围匹配车辆需求。用于调节传动比的机构影响车辆乘员所体验到的感觉，包括发动机噪声和车辆加速。

发明内容

一种无级变速器包括输入、变速机构以及四个换挡元件。所述变速机构包括第一带轮和第二带轮，第一带轮和第二带轮围绕相对于输入的轴线偏移的轴线被支撑。四个换挡元件被构造为从所述输入到输出建立低挡动力流动路径、中挡动力流动路径、高挡动力流动路径以及倒挡动力流动路径。在所述中挡动力流动路径和所述倒挡动力流动路径中，从所述输入传递到所述输出的所有动力通过所述变速机构从第一带轮传递到第二带轮。在所述低挡动力流动路径和高挡动力流动路径中，一些动力可再循环而从第二带轮流动到第一带轮。所述变速器可包括第一齿轮，所述第一齿轮固定地结合到所述输入并与固定到第一带轮的第二齿轮啮合。所述变速器还可包括中间轴，所述中间轴被支撑以围绕第二带轮的轴线旋转并通过制动器选择性地保持不旋转。所述变速器还可包括简单行星齿轮组，所述简单行星齿轮组与第二带轮同轴并具有固定到第二带轮的太阳齿轮、可驱动地连接到所述输出的环形齿轮以及固定到所述中间轴的行星架。所述变速器还可包括第三齿轮和第四齿轮，第三齿轮和第四齿轮围绕所述输入的轴线旋转并且选择性地结合到所述输入并分别与固定地结合到所述中间轴的第五齿轮和第六齿轮啮合。

一种变速器包括：输入，位于第一轴线上；变速机构，被构造为在位于第二轴线与第三轴线上的带轮之间传递动力；以及控制器。所述控制器被配置为：使用第一再循环动力流动路径来使车辆沿着向前的方向起步；从第一再循环动力流动路径换挡至第一非再循环动力流动路径；然后从第一非再循环动力流动路径换挡至第二再循环动力流动路径。这些换挡可以在不改变变速器输入与变速器输出之间的传动比的情况下执行。所述控制器还可被配置为使用第二非再循环动力流动路径来使车辆沿着倒车方向起步。

根据本发明，提供一种变速器，包括：输入，固定地结合到第一齿轮；变速机构，具有第一带轮和第二带轮；第二齿轮，与第一齿轮啮合并固定地结合到第一带轮；太阳齿轮，固定地结合到第二带轮；环形齿轮，可操作地且选择性地结合到所述太阳齿轮；第三齿轮和第四齿轮，结合到所述输入；第五齿轮和第六齿轮，结合到行星架并且分别与第三齿轮和第四齿轮啮合。

根据本发明的一个实施例，所述变速器包括多个行星齿轮，所述多个行星齿轮被支撑以相对于行星架旋转并且与太阳齿轮和环形齿轮啮合。

根据本发明的一个实施例，第三齿轮选择性地结合到所述输入，第五齿轮被固定地结合到所述行星架。

根据本发明的一个实施例，第四齿轮选择性地结合到所述输入，第六齿轮被固定地结合到所述行星架。

根据本发明的一个实施例，所述变速器还包括被配置为使所述行星架选择性地保持不旋转的制动器。

根据本发明，提供一种变速器，包括：输入，位于第一轴线上；变速机构，被构造为在位于第二轴线上的第一带轮与位于第三轴线上的第二带轮之间传递动力，其中，第二轴线和第三轴线相对于第一轴线偏移；以及控制器，被配置为：使用第一再循环动力流动路径来使车辆起步，在第一再循环动力流动路径中动力从第二带轮流动到第一带轮；从第一再循环动力流动路径换挡至第一非再循环动力流动路径，在第一非再循环动力流动路径中动力从第一带轮流动到第二带轮；从第一非再循环动力流动路径换挡至第二再循环动力流动路径，在第二再循环动力流动路径中动力从第二带轮流动到第一带轮。

根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为调节变速机构传动比，使得从第一再循环动力流动路径到第一非再循环动力流动路径的换挡不改变所述输入与所述输出之间的传动比。

根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为调节变速机构传动比，使得从第一非再循环动力流动路径到第二再循环动力流动路径的换挡不改变所述传动比。

根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为使用第二非再循环动力流动路径来使所述车辆沿着倒车方向起步，在第二非再循环动力流动路径中动力从第一带轮流动到第二带轮。

附图说明

图1是示例性的车辆动力传动系统的示意图。

图2是适合用于图1的动力传动系统中的无级变速器的示意图。

图3是图2的无级变速器的端视图。

具体实施方式

根据需要，在此公开本发明的详细实施例。然而，应理解的是，所公开的实施例仅为本发明的示例，本发明可以以各种可替代形式实施。附图不一定按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应解释为具有限制性，而仅作为用于教导本领域技术人员以各种形式利用本发明的代表性基础。

齿轮传动装置是可旋转元件和换挡元件的集合，被构造为在可旋转元件之间施加指定的转速关系。无论任何换挡元件的状态如何都施加的一些转速关系被称为固定转速关系。仅当特定的换挡元件完全接合时才施加的其他转速关系被称为选择性转速关系。在以下情况下在一序列有序的可旋转元件中存在线性转速关系：i)当该序列中的第一个和最后一个可旋转元件被约束为具有最极端的转速时，ii)当其余的可旋转元件的转速均被约束为第一个和最后一个可旋转元件的转速的加权平均值时，并且iii)当可旋转元件的转速不同时，它们的转速被约束为按所列出的顺序增大或减小时。可旋转元件的转速在元件沿一个方向旋转时为正，在可旋转元件沿相反的方向旋转时为负，在可旋转元件静止时为零。

如果一组可旋转元件被约束为在所有工况中具有相同的转速，则这组可旋转元件彼此固定地结合。可旋转元件可通过花键连接、焊接、压装、从同一固体机加工或者其它直接连接或间接连接的方式来固定地结合。在固定结合的元件之间会出现转动位移的轻微变化(诸如由于间隙或轴柔量导致的位移)。全部彼此固定地结合的一个或更多个可旋转元件可被称为轴。

相反，每当换挡元件完全接合时换挡元件约束两个可旋转元件具有相同的速度时，这两个可旋转元件通过换挡元件选择性地结合，并且在至少一些其它的工况中这两个可旋转元件以不同的转速自由旋转。通过选择性地将可旋转元件结合到固定的壳体而保持可旋转元件不旋转的换挡元件称为制动器。将两个或更多个可旋转元件选择性地彼此结合的换挡元件称为离合器。换挡元件可以是主动控制式装置(诸如，液压或电动致动的离合器或制动器)或者可以是被动装置(诸如，单向离合器或制动器)。换挡元件可以是主动式接合装置(诸如，牙嵌式离合器(dog clutch))或能够在存在相对旋转的元件之间传递扭矩的摩擦式装置。如果两个可旋转元件固定地结合或选择性地结合，则这两个可旋转元件结合。

图1示出了前轮驱动(FWD)动力传动系统布置。发动机10将储存在液体燃料中的化学能转化为机械动力而在曲轴上施加扭矩。变速驱动桥12调节来自曲轴的机械动力，以在前车轮14和16上施加扭矩。除非设置额外的硬件，否则不驱动后车轮18和20。变速驱动桥12包括多个部件，包括起步装置22、齿轮箱24以及差速器26。即便在车辆静止时，起步装置22也允许扭矩的传递。起步装置22可以是例如变矩器或起步离合器。齿轮箱24被控制为在起步装置的输出与差速器的输入之间建立多个传动比。在理想的情况下，齿轮箱24将具有很低的寄生损失，并能够建立传动比使得发动机10以最高效的曲轴转速产生所需的动力。实际上，大部分的齿轮箱的传动比具有上限和下限。另外，许多齿轮箱仅能够在这些上限和下限之间建立数量有限的传动比。差速器26在左前车轮14和右前车轮16之间分配来自齿轮箱的动力，以在车辆转弯时在提供轻微的转速差异的同时向每个车轮提供近似相等的扭矩。

在本领域中已知多种类型的变速机构。这些类型的变速机构在以下几方面彼此不同，包括：传动比可变化的范围、扭矩传递容量、输入和输出是沿着相同方向旋转还是沿着相反方向旋转以及输入和输出是否围绕相同的轴线旋转。带式变速机构包括被支撑以分别绕两个平行的轴线旋转的两个可调节的带轮(主动带轮和从动带轮)。每个带轮均可包括分隔开可变的距离的两半锥形部分。长度和宽度相对恒定的连续的带摩擦地接合两个带轮。当带轮的两半锥形部分被推到一起时，带相对于带轮的轴线径向地向外运动。相反地，当带轮的两半锥形部分分开时，带相对于带轮的轴线径向地向内运动。带以每个带轮上的摩擦接合点的半径所决定的传动比和扭矩比将来自主动带轮的动力传递至从动带轮。由于这两个带轮沿着相同的方向旋转，所以带式变速机构是轴线变化、方向保留式变速机构。为了相对于输入增加输出的转速，主动带轮的两半锥形部分被推得更近而从动带轮的两半锥形部分被推动分开。主动带轮上的摩擦接触的半径增大而从动带轮上的摩擦接触的半径减小。

变速机构的扭矩容量是变速机构可在其下运行的最大输入扭矩。如果输入扭矩超过扭矩容量，则带会相对于带轮中的一个打滑。扭矩容量受带轮的大小、为压紧每个带轮的两半锥形部分之间的带而施加的压力以及变速机构当前的传动比的影响。特定的带式变速机构设计还具有这样的特征：其变速范围由最大减速(underdrive)传动比与最小超速(overdrive)传动比的比率测得。变速机构的设计可能需要在诸如扭矩容量、变速范围以及空间需求的各种特性之间进行权衡。

传动比被定义为输入转速除以输出转速。扭矩比被定义为输出扭矩除以输入扭矩。对于效率为100％的变速机构而言，传动比等于扭矩比。实际上，变速机构具有一些寄生损失。这些寄生损失包括带和带轮之间的打滑以及带和带轮上的阻力。如果变速机构的一些部件在流体槽中操作，那么带和带轮上的阻力会高得多。

图2示出了无级变速齿轮箱24的第一实施例。齿轮箱24被构造为将来自被固定到起步装置的输出的输入轴30的动力传递到被固定到差速器的输入的输出齿轮32。齿轮箱24使用中间轴齿轮传动装置、行星齿轮传动装置、换挡元件以及带式变速机构的组合。带式变速机构包括带轮34、带轮36以及带38。轴40被支撑在与输入轴30的轴线平行且相对于输入轴30的轴线偏移的轴线上。齿轮42固定地结合到输入轴30并与固定地结合到轴40的齿轮44啮合。带轮34固定地结合到轴40。这样的齿轮传动装置约束带轮34以与输入轴30的转速成比例的转速沿着与输入轴30相反的方向旋转。

轴46和轴48被支撑在与输入轴30和轴40的轴线平行且相对于输入轴30和轴40的轴线偏移的轴线上。轴48是中空的轴，轴46延伸通过轴48。轴46固定地结合到带轮36，使得轴46以通过变速机构传动比(variator ratio)确定的传动比沿着与轴40相同的方向旋转。齿轮50通过离合器52选择性地结合到输入轴30并与被固定地结合到中空的轴48的齿轮54啮合。当离合器52完全地接合时，中空的轴48被约束为以由齿轮50和齿轮54的齿数确定的传动比沿着与输入轴30相反的方向旋转。齿轮56通过离合器58选择性地结合到输入轴30并与被固定地结合到中空的轴48的齿轮60啮合。当离合器58完全地接合时，中空的轴48被约束为以由齿轮56和齿轮60的齿数确定的传动比沿着与输入轴30相反的方向旋转。轴48通过制动器62选择性地保持不旋转。

齿轮箱24包括简单行星齿轮组，该行星齿轮组包括固定地结合到轴46的太阳齿轮64、环形齿轮66、固定地结合到中空的轴48的行星架68以及一组行星齿轮70。环形齿轮66固定地结合到与输出齿轮32啮合的齿轮72。行星齿轮组在轴46、轴48以及齿轮72之间施加固定的线性转速关系。离合器74将太阳齿轮64选择性地直接结合到环形齿轮66。当离合器74完全地接合时，太阳齿轮64、行星架68、环形齿轮66被约束为以相同的转速旋转。可通过将行星架68选择性地直接结合到太阳齿轮64或环形齿轮66的离合器来获得与使全部的三个行星齿轮元件可操作性地且选择性地彼此结合相同的效果。

表1

齿轮42/齿轮44	1.00
		齿轮50/齿轮54	0.50
齿轮56/齿轮60	2.00
		齿轮66/齿轮64	3.00
带轮34/带轮36	0.50到2.00

在空挡时，所有换挡元件52、58、62以及74均分离。带轮34以与输入轴30相同的转速旋转，但方向与输入轴30相反。由于在输入轴30与输出齿轮72之间未建立动力流动路径，所以传递的扭矩微乎其微。因此，如果起步装置为变矩器，则输入轴30将以接近发动机转速的转速旋转。仅在带轮旋转时才可调节带式变速机构的变速机构传动比。为了在低挡模式下准备向前的车辆起步，变速机构传动比被设置成大约为1.00，然后接合离合器52。当离合器52接合且输出齿轮72静止时，齿轮箱24的所有可旋转元件均被停止。变矩器上的传动比使扭矩被传递至输入轴30。在此情况下，齿轮箱24在输出齿轮72处将扭矩增大至大约3.00倍。

一旦车辆开始行驶，输入轴30便将以输出齿轮72的3.00倍的转速旋转。建立再循环动力流动模式。从齿轮54流动到行星架68中的动力由位于输出齿轮72(经由环形齿轮66)与带轮36(经由太阳齿轮64)之间的行星齿轮组进行分配。流动到带轮36中的动力经由带式变速机构传递并通过齿轮42添加到输入动力。当车辆加速时，控制器逐渐地将变速机构传动比从1.00变化到2.00，从而将齿轮箱24的传动比从3.00变化为2.00。一旦变速机构传动比为2.00，带轮36和太阳齿轮64便以输入轴30的0.50倍的转速旋转。齿轮50和齿轮54使行星架68也以输入轴30的0.50倍的转速旋转。然后，行星齿轮组使环形齿轮66和输出齿轮72以输入轴的0.50倍的转速旋转。

为了进一步地减小传动比，齿轮箱24被换挡至中挡模式。在中挡模式中，离合器74接合而离合器52松开。当传动比为低挡模式中的2.00时，整个离合器74上的转速差为零。在该状态下，可以在离合器52分离之前使离合器74接合，而不造成打结(tie-up)状况。一旦离合器74接合而所有其他的换挡元件分离，便建立了中挡模式而全部的动力流经变速机构。在中挡模式中，齿轮箱传动比等于变速机构传动比。在中挡模式中，变速器的传动比可在2.00与0.50之间进行调节。

当在中挡模式中达到0.50的传动比时，变速器可换挡至高挡模式，以提供更多的超速传动。为了换挡至高挡模式，将变速机构传动比设置为0.50，接合离合器58，然后松开离合器74。在高挡模式下，与低挡模式一样，建立再循环动力流动路径。随着变速机构传动比从0.50被调节到2.00，变速器传动比从0.50变化至0.33。

为了准备车辆倒车起步，将变速机构传动比设置为2.00，然后接合制动器62。在倒挡中，全部的动力流经变速机构。变速机构将扭矩增大至2.00倍而行星齿轮箱将扭矩增大至3.00倍，以将总的扭矩增大至6.00倍。当车辆加速时，调节变速机构传动比以避免发动机转速过高。

这样的齿轮箱布置提供了几个优点。首先，在变速机构传动比的范围相对窄的情况下，宽范围的变速器传动比是可能的。对于表1的齿数，在变速机构的传动比跨度仅为4.00时变速器的传动比跨度为7.50。这允许变速机构设计者强化诸如扭矩容量和封装的属性，同时仍然为车辆性能和燃料经济性提供必需的跨度。另外，在低挡和高挡模式中，通过变速机构传递的扭矩是齿轮箱输入扭矩的一部分(fraction)。因此，在这些模式中，齿轮箱扭矩容量比单纯的CVT的扭矩容量高得多。

齿数比和变速机构参数仅是建议性的，可修改这些齿数比和变数机构参数，以改变变速器的特性。例如，可调节齿数比以使得这些运行模式的变速器传动比范围略有重叠。当期望的变速器传动比处于重叠区域中时，控制器可选择能提供较高效率的那个模式，可选择具有更优扭矩容量的模式，或者可尽可能久地保持处于当前模式以减少换挡次数。虽然上面描述了传动比不变的换挡，但是可使用当前在阶梯传动比变速器中利用的控制策略来实现具有传动比变化的换挡。可选地，可选择齿数以使得各种范围不交叉，以增大总的跨度。在那种情况下，将执行具有一定传动比变化的换挡。

如果用于中挡模式和高挡模式的传动比范围至少具有一定的交叉，那么离合器74和离合器58不必一定是摩擦离合器。如果利用变速机构使离合器在接合之前同步，则可使用牙嵌式离合器。比摩擦离合器相比，牙嵌式离合器需要更少的封装空间并在打开时产生更少的寄生损失。

图3示出了齿轮箱24的端视图。齿轮箱和差速器被封装在壳体中。流体80被容纳于壳体的底部。在运行时，泵从壳体的底部汲取流体并将其分配至齿轮箱的各个部件用于润滑。此外，一些流体被增压并被输送至换挡元件，以使换挡元件接合。增压流体还被供应至每个带轮的一侧，以保持带上的压紧压力，从而防止打滑。在润滑流体流经各个部件之后，润滑流体通过重力而流回到壳体的底部。各轴的轴线的布置使带40以及带轮34和36的大部分保持在流体槽之外。这减少了寄生阻力。

虽然上文描述了示例性实施例，但是并非意味着这些实施例描述了本发明的所有可能形式。更确切地，说明书中所使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。此外，可组合各种实施的实施例的特征以形成本发明的进一步的实施例。

Claims (12)

1.一种变速器，包括：

输入，位于第一轴线上；

变速机构，被构造为在位于第二轴线上的第一带轮与位于第三轴线上的第二带轮之间传递动力，其中，第二轴线和第三轴线相对于第一轴线偏移；

第一换挡元件、第二换挡元件、第三换挡元件以及第四换挡元件，被构造为从输入到输出分别建立低挡动力流动路径、中挡动力流动路径、高挡动力流动路径以及倒挡动力流动路径。

2.如权利要求1所述的变速器，其中，在中挡动力流动路径和倒挡动力流动路径中从输入传递到输出的所有动力通过变速机构从第一带轮传递到第二带轮。

3.如权利要求2所述的变速器，其中，低挡动力流动路径和高挡动力流动路径是再循环动力流动路径，在所述再循环动力流动路径中，在动力从输入传递到输出的同时动力通过变速机构从第二带轮传递到第一带轮。

4.如权利要求1所述的变速器，还包括：

第一齿轮，固定地结合到输入；

第二齿轮，与第一齿轮啮合并且固定地结合到第一带轮。

5.如权利要求4所述的变速器，还包括中间轴，所述中间轴被支撑以围绕第三轴线旋转，并且通过第四换挡元件而选择性地保持不旋转。

6.如权利要求5所述的变速器，还包括：

行星齿轮组，具有固定地结合到第二带轮的第一行星齿轮元件、固定地可驱动地连接到输出的第二行星齿轮元件以及固定地结合到中间轴的第三行星齿轮元件；

其中，第二换挡元件选择性地将第一行星齿轮元件、第二行星齿轮元件以及第三行星齿轮元件中的两者彼此结合。

7.如权利要求6所述的变速器，其中，行星齿轮组是具有作为第一行星齿轮元件的太阳齿轮、作为第二行星齿轮元件的环形齿轮以及作为第三行星齿轮元件的行星架的简单行星齿轮组。

8.如权利要求6所述的变速器，还包括：

第三齿轮和第四齿轮，结合到输入；

第五齿轮和第六齿轮，分别与第三齿轮和第四齿轮啮合并结合到中间轴。

9.如权利要求8所述的变速器，其中：

第三齿轮通过第一换挡元件选择性地结合到输入；

第五齿轮被固定地结合到中间轴。

10.如权利要求9所述的变速器，其中：

第四齿轮通过第三换挡元件选择性地结合到输入；

第六齿轮被固定地结合到中间轴。

11.一种变速器，包括：

输入，固定地结合到第一齿轮；

变速机构，具有第一带轮和第二带轮；

第二齿轮，与第一齿轮啮合并固定地结合到第一带轮；

太阳齿轮，固定地结合到第二带轮；

环形齿轮，可操作地且选择性地结合到太阳齿轮；

第三齿轮和第四齿轮，结合到输入；

第五齿轮和第六齿轮，结合到行星架并且分别与第三齿轮和第四齿轮啮合。

12.一种变速器，包括：

输入，位于第一轴线上；

变速机构，被构造为在位于第二轴线上的第一带轮与位于第三轴线上的第二带轮之间传递动力，其中，第二轴线和第三轴线相对于第一轴线偏移；

控制器，被配置为：

使用第一再循环动力流动路径来使车辆起步，在所述第一再循环动力流动路径中，动力从第二带轮流动到第一带轮；

从第一再循环动力流动路径换挡至第一非再循环动力流动路径，在所述第一非再循环动力流动路径中，动力从第一带轮流动到第二带轮；

从第一非再循环动力流动路径换挡至第二再循环动力流动路径，在所述第二再循环动力流动路径中，动力从第二带轮流动到第一带轮。