CN108700165A - 重型工业变速器 - Google Patents

Abstract

提供了一种重型工业变速器，该重型工业变速器可以被施用在压裂泵系统中并且具有行星齿轮组、具有简单的换挡方法、具有慢的反向驱动速度，并且该重型工业变速器在挡位中的任一挡位中不存在再循环扭矩。重型变速器具有许多挡位，并且重型变速器可以构造成不具有倒挡、不具有副轴、不具有超速挡位、具有在挡位之间的小的一致的步长比、并且具有带有高或大的减速比——比如为至少约5:1的减速比——的最低挡位。重型工业变速器可以具有四级行星装置，该四级行星装置构造成为变速器提供九(9)个挡位，该变速器仅需要两个双组换挡，其中，剩余的换挡是单组换挡。

Description

重型工业变速器

相关申请的交叉引用

本申请根据35USC§119(e)要求于2016年1月19日提交的美国临时专利申请No.62/280,219的优先权的权益，其全部内容在此明确地通过引用并入本申请中。

发明背景

技术领域

优选实施方式涉及工业变速器，并且更具体地涉及不具有换向动作或倒挡且不具有副轴的重型工业变速器。本变速器可以使用在固定应用、如同石油和天然气工业中的钻井和完成阶段内的那些固定应用——比如压裂(压裂用)泵系统用于通过水力压裂地下地层来进行井增产——中。

相关技术的讨论

水力压裂地下地层是增大孔隙率并且因此增大通过生产层的流量的常用方法，生产层为井的井眼给水并且移除了诸如石油和天然气之类的地下资源。增大通过生产层的流量对应地提高了井的生产力。

需要极大的水压例如10,000psi或更大以用于压裂地下地层。为了获得这些压力，压裂泵系统包括重型泵，重型泵由高马力发动机供以动力，其中，重型变速器将扭矩从发动机输送至相应的泵。

压裂泵系统中使用的重型变速器通常是被设计成用于其他应用的已经存在的重型机械变速器。由于这些现有的重型变速器用于对驱动压裂泵系统的泵的高马力发动机进行处理，因此现有的重型变速器被改装为用于压裂泵系统用途。

通常，这些改装的重型变速器来自于越野或其他重型车辆。重型车辆变速器往往是大而重的，并且重型车辆变速器具有副轴和添加至容置这些内部部件所需的变速器壳体的整体尺寸的其他特征。这些重型车辆变速器通常具有许多速度或挡位、比如六个或更多个挡位，并且许多挡位可能在压裂泵系统中是有益的。这是因为，尽管仅几个挡位可以用于特定压裂应用，但是其他挡位可以根据这些压裂应用所需的各种泵尺寸和井压力而用于其他压裂应用中。然而，重型车辆变速器的挡位比倾向于以不一致的步长间隔开，由此相邻的成对挡位的减速或齿轮传动比值倾向于是不同的，以提供期望的车辆运动性能要求。但是，挡位之间的不一致的步长可能使挡位中的一些挡位或者成组的连续挡位不适于将动力输送至压裂泵系统的高压泵。不一致的步长可能使得难以在保持最佳的发动机RPM的同时通过挡位变化来精细地调节泵驱动速度。不一致的步长还可能包括减速比的至少一个大的变化，这使得发动机可能不能够在克服井的井头压力的同时供以动力，由此使得齿轮变速太大而无法针对发动机进行处理。通常，重型车辆变速器还包括提供换向动作或倒挡以用于向后行进的挡位以及用于高速行进的超速挡位。然而，压裂泵系统的高压泵通常既不以换向的方式被驱动也不以比发动机速度或变速器输入速度更快的速度被驱动，这是因为以高速驱动泵可能会在装备中产生剧烈振动。

在压裂泵系统中使用的其他现有的重型变速器包括在其他固定应用中使用的重型工业变速器。尽管在压裂泵系统中已经施用了一些行星式变速器，但是在压裂泵系统中使用的许多工业变速器具有副轴构型和许多个齿轮，如同重型车辆变速器那样。用于固定应用中的重型工业变速器通常具有许多个齿轮或挡位，然而，其中，挡位比倾向于以不一致的步长间隔开。

为了提供许多挡位，重型变速器通常结合有行星齿轮组或复式行星齿轮组。行星齿轮组被控制成将动力引导通过行星齿轮组的不同部件，以提供期望的挡位的输出传动比。控制包括对离合器进行致动以限制或允许各个行星齿轮组部件——比如太阳齿轮、行星齿轮、行星支架、或齿圈——的旋转，从而建立行星齿轮组的不同的动力路径和输出转速。

复式行星齿轮组或多个行星齿轮组的控制可能需要在单个换挡事件、比如多组换挡期间致动多个离合器。多组换挡通常是同步的并且是紧密协调的，而这些同步的多组换挡可能难以控制。

对复式行星齿轮组或多个行星齿轮组进行控制通常引起行星齿轮组的被加载的部件的旋转，并且因此，在动力路径中但在挡位中的至少一些挡位中，对复式行星齿轮组或多个行星齿轮组进行控制还引起行星齿轮组的未加载的一些部件的旋转。

行星齿轮组的加载部件可以在具有较高值的至少一些挡位中经受再循环扭矩。尽管变速器输出扭矩值将是变速器输入扭矩值与特定挡位的减速比的乘积，但是内部扭矩值可以远高于变速器的输出扭矩值。这些具有较高值的内部扭矩会被传递通过加载的行星齿轮组部件中的至少一些部件而作为例如根据行星齿轮组内的特定传动比的、比输出扭矩值更高的再循环扭矩。高的再循环扭矩值会影响经受了再循环扭矩的部件的使用寿命，并且因此，要求内部部件被设计成对高的再循环扭矩值进行处理。

行星齿轮组的未加载但旋转的部件在未加载的轴承上以反向驱动速度自由地旋转。一些反向驱动速度可能是非常高的。高的反向驱动速度可能使滚子轴承被略微加载，这可能会导致滚子在轴承滚道中滑移。滚子轴承的以这种方式的滑移可以会导致高速失效。

本申请的另一挑战是安装空间被限制在压裂泵系统内，该压裂泵系统通常安装在由公路用曳引车牵引的拖车上。为了帮助改装的重型变速器配装在压裂泵系统内的有限空间中，重型变速器通常被直接联接或紧密联接。

总体而言，期望的是一种适用于压裂泵系统的重型变速器，该重型变速器无论发动机速度如何允许压裂泵系统平稳地联机，并且该重型变速器具有相对小的尺寸以及坚固的结构和简单的操作。

发明内容

优选实施方式通过提供一种重型工业变速器而克服了上述缺点，该重型工业变速器可以施用在压裂泵系统中并且具有行星齿轮组、具有简单的换挡方法、具有慢的反向驱动速度，并且该重型工业变速器在挡位中的任一挡位内不存在再循环扭矩。

根据本发明的第一方面，重型变速器具有许多挡位、具有在挡位之间的小的一致的步长，并且具有带有高或大的减速比比如为至少约5:1的减速比的最低挡位。该变速器不具有倒挡、不具有副轴、不具有超速挡位，因此该变速器自身可以比其在必须容置这些附加部件的情况下所应该具有的尺寸更小。这允许重型变速器足够紧凑以允许其与变矩器一起使用在压裂泵系统应用中，并且允许在其最低挡位处的足够高的减速比以便实现相对慢的泵速度和输出流动同时使压裂泵系统联机进而减小对井地层的破坏。

根据本发明的另一方面，一种重型变速器包括变速器壳体、输入轴和输出轴，输入轴至少部分地布置在变速器壳体中，用于将动力接收到重型变速器中，输出轴至少部分地布置在变速器壳体中，用于将动力从重型变速器输送出。在变速器壳体中且在输入轴与输出轴之间布置有中心轴，并且该中心轴与输入轴和输出轴纵向地对准。四级行星装置选择性地将动力从输入轴输送至中心轴以及从中心轴输送至输出轴。

根据本发明的另一方面，四级行星装置包括具有一对前行星齿轮组的前行星部分和具有一对后行星齿轮组的后行星部分。前行星部分可以包括前组三个离合器，以建立通过所述一对前行星齿轮组的不同部件的三个不同的动力流动路径。后行星部分可以包括后组三个离合器，以建立通过所述一对后行星齿轮组的不同部件的三个不同的动力路径。离合器接合位于前行星部分和后行星部分处的太阳齿轮、行星齿轮和齿圈中的相应的部件以便接地，并且因此将对应的部件保持固定或者将各个部件锁定成彼此一致地旋转，以提供与实现变速器的各挡位的减速比或传动比相对应的不同的动力路径。

根据本发明的另一方面，对四级行星装置进行控制以提供换挡方法，在该换挡方法中，挡位改变主要是通过前行星部分中的单组换挡以及通过在前行星部分和后行星部分两者中都发生换挡的相对少的双组换挡来实现的。这可以包括对前行星部分中的三个离合器进行控制，以在任意给定的时间内启动或接合前组三个离合器中的仅单个离合器，从而针对三个离合器接合状态提供通过前行星部分的三个动力路径。关于与前行星部分中的三个离合器接合状态相对应的三个动力路径，两个动力路径可以通过前行星齿轮组提供减速并且第三个动力路径可以通过前行星齿轮组提供锁住或不减速。可以对后行星部分中的三个离合器进行控制，以在任意给定的时间内启动或接合后组三个离合器中的仅单个离合器，从而针对三个离合器接合状态提供通过后行星部分的三个动力路径。后行星部分中的每个动力路径和离合器接合状态可以在前行星部分中的连续动力路径和离合器接合状态改变期间被保持，使得后行星部分的离合器启动和停用相比于前行星部分中的离合器启动和停用发生频率较低。与后行星部分中的三个离合器接合状态相对应的三个动力路径中的两个动力路径可以通过后行星齿轮组提供减速，并且第三个动力路径可以通过后行星齿轮组提供锁住或不减速。

根据本发明的另一方面，四级行星装置包括换挡方法，在该换挡方法中，在前行星部分中的两个连续换挡事件期间，从最低挡位开始，后行星部分被保持处于具有第一后端动力路径的第一状态，其中，后行星部分中的离合器中的一个离合器在前行星部分中的两个连续换挡事件期间保持接合。两个连续的单组换挡事件发生以从第一挡位换挡至第二挡位以及从第二挡位换挡至第三挡位，在换挡中，前行星部分中的仅单个离合器被断开接合并且另一离合器被接合。双组换挡可以提供从第三挡位至第四挡位的挡位改变。在该双组换挡期间，在后行星部分中，先前接合的离合器被释放并且另一离合器被接合，以将后行星部分换挡至具有第二后端动力路径的第二状态。在用以提供第四挡位的双组换挡期间，前行星部分返回至具有第一动力路径的第一状态，该第一动力路径与第一挡位的动力路径相对应。前行星部分中的剩余两个连续的单组换挡事件被用于从第四挡位换挡至第五挡位以及从第五挡位换挡至第六挡位，而后行星齿轮组保持处于具有第二后端动力路径的第二状态。另一个双组换挡可以提供从第六挡位至第七挡位的挡位改变。在该双组换挡期间，在后行星部分中，先前接合的离合器被释放并且另一离合器被接合，以将后行星部分换挡至具有第三后端动力路径的第三状态。在用以提供第七挡位的双组换挡期间，前行星部分再次返回至具有与第一挡位的动力路径相对应的第一动力路径的第一状态。前行星部分中的剩余两个连续的单组换挡事件被用于从第七挡位换挡至第八挡位以及从第八挡位换挡至第九挡位，而后行星齿轮组保持处于具有第三后端动力路径的第三状态。

根据本发明的另一方面，在四级行星装置的前行星部分中，行星齿轮组可以通过多个连接件彼此连接。前行星部分中的行星齿轮组的齿圈可以彼此连接，并且前行星部分中的行星齿轮组的行星支架也可以彼此连接。这可以利用相对宽的共同的齿圈来实现，该共同的齿圈具有两个间隔开的内部带齿表面，所述两个间隔开的内部带齿表面限定前行星部分中的一对行星齿轮组的两个齿圈。行星支架组件可以布置成从齿圈至少部分地沿径向向外，以提供前行星部分中的行星支架之间的连接。在后行星部分中，最前的行星支架可以连接至最后的行星支架。

根据以下详细描述和附图，本发明的这些以及其他特征和优点对本领域技术人员而言将变得明显。然而，应当理解的是，指示本发明的优选实施方式的详细描述和具体示例是通过说明性而非限制性的方式给出的。在不脱离本发明的精神的情况下，可以在本发明的范围内做出许多改变和修改，并且本发明包括所有这些修改。

附图说明

附图中示出了本发明的优选的示例性实施方式，其中，贯穿各附图，相同的附图标记表示相同的零部件，并且在附图中：

图1是在钻井现场处的压裂泵系统中使用的重型变速器的示意图；

图2是从图1的重型变速器的上方和前方观察的图示视图；

图3是从图2的重型变速器的上方和后面观察的图示视图；

图4是图2的重型变速器的横截面图；

图5是图2的重型变速器的一部分的放大的横截面图；

图6是示出了图2的重型变速器的第一挡位动力路径的简化示意图；

图7是示出了图2的重型变速器的第二挡位动力路径的简化示意图；

图8是示出了图2的重型变速器的第三挡位动力路径的简化示意图；

图9是示出了图2的重型变速器的第四挡位动力路径的简化示意图；

图10是示出了图2的重型变速器的第五挡位动力路径的简化示意图；

图11是示出了图2的重型变速器的第六挡位动力路径的简化示意图；

图12是示出了图2的重型变速器的第七挡位动力路径的简化示意图；

图13是示出了图2的重型变速器的第八挡位动力路径的简化示意图；

图14是示出了图2的重型变速器的第九挡位动力路径的简化示意图；

图15是示出了图2的重型变速器的第一挡位动力路径的横截面图；

图16是示出了图2的重型变速器的第二挡位动力路径的横截面图；

图17是示出了图2的重型变速器的第三挡位动力路径的横截面图；

图18是示出了图2的重型变速器的第四挡位动力路径的横截面图；

图19是示出了图2的重型变速器的第五挡位动力路径的横截面图；

图20是示出了图2的重型变速器的第六挡位动力路径的横截面图；

图21是示出了图2的重型变速器的第七挡位动力路径的横截面图；

图22是示出了图2的重型变速器的第八挡位动力路径的横截面图；

图23是示出了图2的重型变速器的第九挡位动力路径的横截面图；以及

图24是图2的重型变速器的变型的部件布局的简化示意图。

在描述在附图中示出的本发明的优选实施方式时，为清楚起见，将采用特定术语。然而，无意于将本发明限于所选择的特定术语，并且应当理解的是，每个特定术语包括以类似方式操作从而实现类似目的的所有技术等同物。例如，通常使用词“连接”、“附接”、“联接”或与其类似术语。其不限于直接连接，而是包括通过其他元件的连接，其中，本领域技术人员认为这样的连接是等同的。

具体实施方式

参照图1，示出了在钻井现场10处的多个压裂泵(“压裂用泵”)系统8中的每个压裂泵系统中施用的重型工业变速器5。示意性地示出了钻井现场10，该钻井现场10设置成用于水力压裂(“水力压裂法”)地下地层，以使具有从井口14向下延伸的井眼12的井增产。压裂流体(“压裂液”)储存系统16构造成将压裂液18输送通过出口管线20进入到压裂泵系统8的入口管线22中。压裂现场控制系统26与压裂泵系统8中的每个压裂泵系统通信，并且压裂现场控制系统26构造成对压裂泵系统8中的每个压裂泵系统进行控制。压裂现场控制系统26包括计算机，该计算机执行多种存储的程序同时接收来自压裂泵系统8的输入并向压裂泵系统8发送命令以用于例如通过对每个压裂泵系统8的各种电子系统、机电系统和液压系统和/或其他部件进行控制而控制压裂泵系统8的启动或者选择性地使压裂泵系统8联机，进而压裂地下地层。压裂现场控制系统26可以包括可从TwinInc.获得的用于控制压裂泵系统8的TDEC-500电子控制系统。被启动且联机的压裂泵系统8在高压力——例如10,000psi或更大——下将压裂液18输送通过压裂泵系统出口管线28进入到歧管30中，该歧管30将加压的压裂液18输送通过歧管出口管线32和井口14进而流动通过井眼12进入到井中，以用于压裂地下地层。

仍然参照图1，每个压裂泵系统8均示出为安装至拖车34，拖车34可以由牵引车或牵引车辆比如曳引车36来拖曳。为了对压裂液18进行加压，每个压裂泵系统8均包括示出为发动机38的高马力发动机，该发动机38可以是能够输出至少约1,000hp(马力)——例如大约2,500hp或更大——的柴油发动机或其他内燃发动机。变矩器40将发动机38连接至示出为变速器5的重型变速器，该变速器5用于处理来自发动机38的动力。变速器5被连接以驱动示出为泵44的重型压裂泵，该泵44能够对压裂液18进行高加压，例如加压至至少约10,000psi的压力。

现在参照图2和图3，变矩器40被容纳在转换器壳体46中，转换器壳体46在变速器壳体48的与输出端部52相反的输入端部50处连接至变速器壳体48。贮槽54连接至变速器壳体48的底部部分并且从变速器壳体48的底部部分延伸，并且贮槽54保持用于润滑的油以及保持变矩器40和变速器5的液压部件致动所用的油。变速器控制系统56对变矩器40和变速器5的部件致动进行控制。变速器控制系统56包括变速器控制器58，该变速器控制器58与压裂现场控制系统26相配合地通信并且该变速器控制器58受压裂现场控制系统26的控制。变速器控制器58包括计算机，该计算机执行各种存储的程序同时接收来自各种部件——比如变矩器螺线管组60和变速器螺线管组62——的输入并向所述各种部件发送命令，以对油流进行控制以便使各离合器接合/断开接合从而启动变矩器40的锁止离合器，并且此外以选择通过变速器5的不同的动力路径且改变变速器5的挡位，如本文中其他地方更详细地说明的。

现在参照图4，变速器5构造有提供九个挡位的四级行星装置64而不构造有换向动作或倒挡，因此输出轴72可以布置成仅沿单个方向旋转并且布置成不具有副轴。这些挡位提供了在低挡位处的更高的减速比以及在挡位之间的一致的步长。下面的表1示出了变速器5的一组示例性的九个挡位，其示出了针对挡位中的每个挡位而言的减速比。在表1中所表示的九个挡位中，第二挡位至第九挡位各自具有其前一挡位的减速比的大约80％减速的比率步长，其中，每个换挡或者挡位变化至更高挡位提供了其前一挡位的减速比的介于大约77％至大约83％之间的随后的减速比，直到在第九挡位中获得了1.00的直接驱动比或减速比为止。

表1

仍然参照图4，四级行星装置64同心地布置在变速器5的多个纵向对准的轴的外部，所述多个纵向对准的轴接收来自变矩器输出轴66的动力。变速器5的多个纵向对准的轴包括变速器输入轴68、变速器中心轴70和变速器输出轴72。变速器输入轴68、变速器中心轴70和变速器输出轴72通过四级行星装置64彼此联接，以在变速器输入轴68的转速与变速器输出轴72的转速之间建立不同挡位的减速比。

仍然参照图4，四级行星装置64包括位于变速器壳体48内的输入端部50处的前行星部分74和位于变速器壳体48内的输出端部52处的后行星部分76。前行星部分74包括示出为行星齿轮组P1、P2的一对前行星齿轮组，行星齿轮组P1、P2构造成沿着从输入轴68至中心轴70的不同的动力路径选择性地输送动力。后行星部分76包括示出为行星齿轮组P3、P4的一对后行星齿轮组，行星齿轮组P3、P4构造成沿着从中心轴70至输出轴72的不同的动力路径选择性地输送动力。

现在参照图5，行星齿轮组P1包括具有外齿的太阳齿轮82，该外齿与行星齿轮84的外齿啮合，行星齿轮84由行星支架86支承。第一组行星齿轮中的行星齿轮84的齿还与行星齿轮组P1的齿圈88的内齿啮合。行星齿轮组P2包括具有外齿的太阳齿轮92，该外齿与行星齿轮94的外齿啮合，行星齿轮94由行星支架96支承。第二组行星齿轮中的行星齿轮94的齿还与行星齿轮组P2的齿圈98的内齿啮合。行星齿轮组P3包括具有外齿的太阳齿轮102，该外齿与第三组行星齿轮中的行星齿轮104的外齿啮合，行星齿轮104由行星支架106支承。行星齿轮104的齿还与行星齿轮组P3的齿圈108的内齿啮合。行星齿轮组P4包括具有外齿的太阳齿轮112，该外齿与第四组行星齿轮中的行星齿轮114的外齿啮合，行星齿轮114由行星支架116支承。行星齿轮114的齿还与行星齿轮组P4的齿圈118的内齿啮合。

仍然参照图5，在前行星部分74处，行星齿轮组P1的行星支架86与行星齿轮组P2的行星支架96通过支架适配器鼓120彼此连接，以便始终以相同的速度旋转，从而在前行星部分74中限定了共同的行星支架组件。行星齿轮组P1的齿圈88与行星齿轮组P2的齿圈98布置在被由支架适配器鼓120限定的围封件包围的空间中。行星齿轮组P1的齿圈88与行星齿轮组P2的齿圈98通过齿圈轴环122彼此连接，以便始终一致地旋转并且因此以相同的速度旋转，从而在前行星部分74中限定了共同的齿圈。齿圈适配器凸缘124被内部地通过花键连接至输入轴68的外花键并连接至齿圈轴环122，使得行星齿轮组P1的齿圈88和行星齿轮组P2的齿圈98或者在输送动力时或者在反向驱动时始终与输入轴68一起旋转。

仍然参照图5，在后行星部分76处，行星齿轮组P4的太阳齿轮112包括太阳齿轮轴环126，该太阳齿轮轴环126被内部地通过花键连接至中心轴70。行星齿轮组P3的太阳齿轮102被内部地通过花键连接至轴环126的外花键，使得行星齿轮组P3的太阳齿轮102和行星齿轮组P4的太阳齿轮112或者在传输动力时或者在反向驱动时始终与中心轴70一起旋转。行星齿轮组P3的行星支架106通过支架/环适配器轴环128连接至行星齿轮组P4的齿圈118，以便始终以相同的速度旋转。行星齿轮组P3的齿圈108和行星齿轮组P4的齿圈118彼此分开且彼此轴向地对准，并且行星齿轮组P3的齿圈108和行星齿轮组P4的齿圈118可以以不同的速度旋转。

仍然参照图5，四级行星装置64具有各种离合器，这些离合器被变速器控制系统56(图2和图3)控制以提供变速器5的九个挡位，比如通过控制油流来使离合器接合/断开接合以选择通过前行星部分74的行星齿轮组P1、P2和通过后行星部分76的行星齿轮组P3、P4的不同的动力路径。在前行星部分74处，作为前离合器组的三个离合器被示出为离合器C1、C2、C3。在后行星部分76处，作为后离合器组的三个离合器被示出为离合器C4、C5、C6。离合器C1、C2、C3、C4、C5、C6可以是平衡离合器或固定离合器并且都被示出为活塞致动的多盘离合器，所述活塞致动的多盘离合器包括具有相应的内齿或内舌片以及外齿或外舌片的相互交错的离合器盘和摩擦盘，离合器盘和摩擦盘接合对应的部件，以便接合并选择性地将部件相对于其他部件锁定或者断开接合并允许对应部件之间的自由旋转。

仍然参照图5，在前行星部分74处，离合器C1构造成选择性地使行星齿轮组P1的太阳齿轮82接地。行星齿轮组P1的太阳齿轮82包括轴环130，轴环130被外部地通过花键连接至离合器背板132的内花键。离合器背板132具有上外端部134，该上外端部134连接至离合器C1，使得接合离合器C1进而通过使离合器背板132和太阳齿轮82相对于变速器壳体48停止旋转而使太阳齿轮82接地。离合器C2构造成选择性地将行星齿轮组P1的太阳齿轮82相对于输入轴68锁定。离合器背板132具有中间部段136，该中间部段136连接至离合器C2，使得接合离合器C2进而使太阳齿轮82通过输入轴锁定轴环138锁定成与输入轴68一致地旋转，输入轴锁定轴环138被内部地花键连接至输入轴68的外花键并且输入轴锁定轴环138连接至离合器C2。接合离合器C2以使太阳齿轮82锁定成与输入轴68一致地旋转将使前行星部分74锁住，因此行星齿轮组P1、P2的部件中的所有部件作为一个单元旋转，其中，行星齿轮84与其支架86一同行进而非绕其自身的轴线旋转，行星齿轮94与其支架86一同行进而非绕其自身的轴线旋转。这在离合器C2被接合时在通过前行星部分74没有减速的情况下提供了1:1的传动比。离合器C3构造成选择性地使行星齿轮组P2的太阳齿轮92接地。行星齿轮组P2的太阳齿轮92被内部地通过花键连接至接地凸缘140的内部部段的外花键。接合离合器C3将通过使接地凸缘140和太阳齿轮92相对于变速器壳体48停止旋转而使太阳齿轮92接地。

仍然参照图5，在后行星部分76处，离合器C4构造成选择性地将行星齿轮组P3的支架106锁定成与中心轴70一致地旋转。这是通过太阳齿轮轴环142来实现的，该太阳齿轮轴环142从行星齿轮组P3的太阳齿轮102延伸并且连接至离合器C4，离合器C4也连接至行星齿轮组P3的支架106。接合离合器C4以通过行星齿轮组P3的太阳齿轮102和行星齿轮组P4的太阳齿轮轴环126而将支架106锁定成与中心轴70一起旋转导致了行星齿轮组P3、P4的部件中的所有部件作为一个单元旋转，其中，行星齿轮104与其支架106一同行进而非绕其自身的轴线旋转，行星齿轮114与其支架116一同行进而非绕其自身的轴线旋转。这在离合器C4被接合时使后行星部分76锁住，并且这在通过后行星部分76没有减速的情况下提供了1:1的传动比。离合器C5构造成选择性地使行星齿轮组P3的齿圈108接地。齿圈108的外表面连接至离合器C5，使得接合离合器C5将通过使齿圈108相对于变速器壳体48停止旋转而使齿圈108接地。离合器C6构造成选择性地使行星齿轮组P4的齿圈118和行星齿轮组P3的行星支架106接地。齿圈118的外表面连接至离合器C6，使得接合离合器C6将通过使齿圈118相对于变速器壳体48停止旋转以及还使支架106停止旋转而使齿圈118和支架106接地，支架106通过支架/环适配器轴环128连接至齿圈118。

为了选择变速器5的九个挡位中的每个挡位，变速器控制系统56控制四级行星装置64，以使前行星部分74的离合器C1、C2、C3中的单个离合器以及后行星部分76的离合器C4、C5、C6中的单个离合器接合。变速器控制系统56执行主要使用单组换挡事件以使多组换挡事件最小化的换挡方法。在每个单组换挡事件期间，变速器控制系统56改变离合器C1、C2、C3、C4、C5、C6中的离合器的接合状况或状态，以断开接合离合器C1、C2、C3、C4、C5、C6中的一个先前接合的离合器并且接合离合器C1、C2、C3、C4、C5、C6中的一个新接合的离合器。

现在参照图6至图23，示出了针对不同挡位的通过变速器5的动力路径，所述不同挡位提供了上面表1中的减速比，所述动力路径是通过四级行星装置64的各个离合器C1、C2、C3、C4、C5、C6的选择性接合和断开接合而建立的。如本文中的其他地方更详细说明的，用以改变挡位的超过一半的换挡事件是通过单组换挡事件的方式来实现的，单组换挡事件在此示出为在变速器5的换挡方法中所使用的六个单组换挡事件。单组换挡事件对应于从第一挡位变至第二挡位、从第二挡位变至第三挡位、从第四挡位变至第五挡位、从第五挡位变至第六挡位、从第七挡位变至第八挡位、从第八挡位变至第九挡位。在变速器5的换挡方法中使用了两个双组换挡事件。所述双组换挡事件对应于从第三挡位变至第四挡位以及从第六挡位变至第七挡位。

仍然总体上参照图6至图23，在图6至图14中示出了动力路径的简化示意图或符号图。在图6至图14中，以黑色实线示出了动力路径，该动力路径是由下述路径限定的：扭矩沿着该路径被传递通过四级行星装置64的相应部件以将变速器输入轴68的旋转转变为变速器输出轴72的旋转。以长虚线示出了旋转但不传递扭矩的被反向驱动的部件。以短虚线示出了被保持固定的接地部件。在图15至图23中，动力路径由被松散点画的部件示出。保持固定的接地部件以紧密点画的方式示出。

图6和图15示出了通过处于第一挡位的变速器5的动力路径。在第一挡位中，在前行星部分74中，离合器C3被接合，这使行星齿轮组P2的太阳齿轮92接地。动力从输入轴68流动通过齿圈适配器凸缘124和行星齿轮组P2的齿圈98，行星齿轮组P2的齿圈98使行星齿轮94旋转进而驱动支架86、96旋转，这将动力从支架96输送出以将动力输送至中心轴70并使中心轴70旋转。如在图6中示出的，太阳齿轮82、行星齿轮84、行星支架86、齿圈88、以及支架96的位于行星齿轮94上游的部分被反向驱动以旋转，而未见动力或者未传递变速器5的传动扭矩。再参照

图6和图15，动力通过中心轴70进入后行星部分76。在后行星部分76中，离合器C5保持断开接合，并且太阳齿轮102、行星齿轮104和齿圈108被反向驱动以旋转，而未见动力或者未传递变速器5的传动扭矩。离合器C6被接合，这使行星齿轮组P4的齿圈118和行星齿轮组P3的行星支架106接地。动力从中心轴79流动通过行星齿轮组P4上的太阳齿轮112，太阳齿轮112使行星齿轮114旋转进而驱动支架116旋转，这将动力从支架116输送出以将动力输送至输出轴72并使输出轴72旋转。

图7和图16示出了在将变速器5从第一挡位换挡至第二挡位的单组换挡事件之后通过处于第二挡位的变速器5的动力路径。在第二挡位中，在前行星部分74中，离合器C1被接合，这使行星齿轮组P1的太阳齿轮82接地。动力从输入轴68流动通过齿圈适配器凸缘124和行星齿轮组P1的齿圈88，行星齿轮组P1的齿圈88使行星齿轮84旋转进而驱动支架86、96旋转，这将动力从支架96输送出，以将动力输送至中心轴70并使中心轴70旋转。如在图7中示出的，行星齿轮组P2的太阳齿轮92、行星齿轮94和齿圈98被反向驱动以旋转，而未见动力或者未传递变速器5的传动扭矩。再次参照图7和图16，在后行星部分76中，离合器C6保持接合，并且动力沿着与如上面参照图6和图15所描述的在变速器5处于第一挡位时的动力流动路径相同的动力流动路径流动通过后行星部分76。

图8和图17示出了在将变速器5从第二挡位换挡至第三挡位的单组换挡事件之后通过处于第三挡位的变速器5的动力路径。在第三挡位中，在前行星部分74中，离合器C2被接合，这使行星齿轮组P1的太阳齿轮82锁定以与输入轴68一致地旋转。这使前行星部分74锁住，使得行星齿轮组P1、P2的部件中的所有部件作为一个单元旋转，其中，行星齿轮84不绕其自身的轴线旋转，行星齿轮94不绕其自身的轴线旋转。动力从输入轴68流动通过太阳齿轮82和齿圈适配器凸缘124、通过支架86、96、并且从支架96流出至中心轴70而没有减速，并且因此在前行星部分74处传动比为1:1，这使中心轴70以与输入轴68相同的速度旋转。如在图8中示出的，行星齿轮组P2的太阳齿轮92、行星齿轮94和齿圈98被反向驱动以旋转，而未见动力或者未传递变速器5的传动扭矩。再次参照图8和图17，在后行星部分76中，离合器C6保持接合，并且动力沿着与如上面参照图6和图15所描述的在变速器5处于第一挡位时的动力路径相同的动力路径流动通过后行星部分76。

图9和图18示出了在将变速器5从第三挡位换挡至第四挡位的作为多组换挡事件的双组换挡之后通过处于第四挡位的变速器5的动力路径。在第四挡位中，在前行星部分74中，离合器C3被再次接合，并且动力沿着与如上面参照图6和图15所描述的在变速器5处于第一挡位时的动力路径相同的动力路径流动通过前行星部分74。在后行星部分76中，离合器C5被接合，这使行星齿轮组P3的齿圈108接地。动力从中心轴70流动通过行星齿轮组P3的太阳齿轮102以及流动通过行星齿轮组P4的太阳齿轮112，太阳齿轮102使行星齿轮104旋转进而驱动支架106旋转，太阳齿轮112使行星齿轮114旋转进而驱动齿圈118旋转，这将动力从支架116输送出以将动力输送至输出轴72并使输出轴72旋转。

图10和图19示出了在将变速器5从第四挡位换挡至第五挡位的单组换挡事件之后通过处于第五挡位的变速器5的动力路径。在第五挡位中，在前行星部分74中，离合器C1被再次接合，并且动力沿着与如上面参照图7和图16所描述的在变速器5处于第二挡位时的动力路径相同的动力路径流动通过前行星部分74。在后行星部分76中，离合器C5保持接合，并且动力沿着与如上面参照图9和图18所描述的在变速器5处于第四挡位时的动力路径相同的动力路径流动通过后行星部分76。

图11和图20示出了在将变速器5从第五挡位换挡至第六挡位的单组换挡事件之后通过处于第六挡位的变速器5的动力路径。在第六挡位中，在前行星部分74中，离合器C2被再次接合以使前行星部分74锁住而没有减速，并且动力沿着与如上面参照图8和图17所描述的在变速器5处于第三挡位时的动力路径相同的动力路径流动通过前行星部分74。在后行星部分76中，离合器C5保持接合，并且动力沿着与如上面参照图9和图18所描述的在变速器5处于第四挡位时的动力路径相同的动力路径流动通过后行星部分76。

图12和图21示出了在将变速器5从第六挡位换挡至第七挡位的作为多组换挡事件的双组换挡之后通过处于第七挡位的变速器5的动力路径。在第七挡位中，在前行星部分74中，离合器C3被再次接合，并且动力沿着与如上面参照图6和图15所描述的在变速器5处于第一挡位时的动力路径相同的动力路径流动通过前行星部分74。在后行星部分76中，离合器C4被接合，这使行星齿轮组P3的支架106锁定以与中心轴70一致地旋转。这使后行星部分76锁住，使得行星齿轮组P3、P4的部件中的所有部件作为一个单元旋转，其中，行星齿轮104不绕其自身的轴线旋转，行星齿轮114不绕其自身的轴线旋转。动力从中心轴70流动通过支架106、太阳齿轮112、齿圈118、并且从支架116流出至输出轴72而没有减速，并且因此在后行星部分76处传动比为1:1，这使输出轴72以与中心轴70相同的速度旋转。

图13和图22示出了在将变速器5从第七挡位换挡至第八挡位的单组换挡事件之后通过处于第八挡位的变速器5的动力路径。在第八挡位中，在前行星部分74中，离合器C1被再次接合，并且动力沿着与如上面参照图7和图16所描述的在变速器5处于第二挡位时的动力路径相同的动力路径流动通过前行星部分74。在后行星部分76中，离合器C4保持接合以使后行星部分76锁住而没有减速，并且动力沿着与如上面参照图12和图21所描述的在变速器5处于第七挡位时的动力路径相同的动力路径流动通过后行星部分76。

图14和图22示出了在将变速器5从第八挡位换挡至第九挡位的单组换挡事件之后通过处于第九挡位的变速器5的动力路径。在第九挡位中，在前行星部分74中，离合器C2被再次接合以使前行星部分74锁住而没有减速，并且动力沿着与如上面参照图8和图17所描述的在变速器5处于第三挡位时的动力路径相同的动力路径流动通过前行星部分74。在后行星部分76中，离合器C4保持接合以使后行星部分76锁住而没有减速，并且动力沿着与如上面参照图12和图21所描述的在变速器5处于第七挡位时的动力路径相同的动力路径流动通过后行星部分76。这在没有减速的情况下提供了如上面表1中所示出的在变速器5处于第九挡位时的总体上1:1的传动比。

现在参照图24，该符号图示意性地示出了四级行星装置64，四级行星装置64具有与图5至图23中所示出的后行星部分76相同的后行星部分76，其中，与图5至图23中的前行星部分74相比，图24示出了前行星部分74的变型。在图24中所示出的前行星部分74中，行星齿轮组P1的行星支架86连接至行星齿轮组P2的齿圈98。行星齿轮组P1的齿圈88连接至行星齿轮组P2的行星支架96。在该装置中，通过接合离合器C3以使行星齿轮组P2的太阳齿轮92接地来获得最大或最高的减速。这提供了下述动力路径和输出速度：在该动力路径中，动力从输入轴68驱动到行星齿轮组P2的齿圈98中且输出通过行星齿轮组P2的行星支架96，该输出速度是使中心轴70以比输入轴68的输入速度小的速度旋转的速度。接合离合器C2将使行星齿轮组P1的太阳齿轮82锁定成与输入轴68一致地旋转，这可以包括将太阳齿轮82锁定至行星齿轮组P1的行星支架86从而使前行星部分74锁住。当前行星部分74被锁住时，前行星部分74中的所有部件以相同的速度旋转，其中，行星齿轮84与其支架86一同行进而非绕其自身的轴线旋转，行星齿轮94与其支架96一同行进而非绕其自身的轴线旋转，从而在没有减速的情况下提供了1:1的传动比。接合离合器C1将使行星齿轮组P1的太阳齿轮82接地。这提供了下述动力路径：在该动力路径中，动力从输入轴68驱动到行星齿轮组P1的行星支架86中并且以比输入速度大的速度输出通过行星齿轮组P1的齿圈88，这使中心轴70以比输入轴68的输入速度更快的速度旋转。

虽然上述公开了实施本发明的发明人所想到的最佳模式，但是本发明的实践不限于此。显然，在不脱离本发明基本构思的精神和范围的情况下，可以对本发明的特征做出各种添加、修改和重新排列。

Claims (20)

1.一种重型变速器，包括：

变速器壳体；

输入轴，所述输入轴至少部分地布置在所述变速器壳体中，用于将动力接收到所述重型变速器中；

输出轴，所述输出轴至少部分地布置在所述变速器壳体中，用于将动力从所述重型变速器输送出；

中心轴，所述中心轴布置在所述变速器壳体中且布置在所述输入轴与所述输出轴之间并与所述输入轴和所述输出轴纵向地对准；以及

四级行星装置，所述四级行星装置选择性地将动力从所述输入轴输送至所述中心轴以及从所述中心轴输送至所述输出轴。

2.根据权利要求1所述的重型变速器，其中，所述四级行星装置还包括具有一对前行星齿轮组的前行星部分和具有一对后行星齿轮组的后行星部分，所述一对前行星齿轮组构造成选择性地将动力从所述输入轴输送至所述中心轴，所述一对后行星齿轮组构造成选择性地将动力从所述中心轴输送至所述输出轴。

3.根据权利要求2所述的重型变速器，其中，所述一对后行星齿轮组包括轴环，所述轴环将所述一对后行星齿轮组中的一个后行星齿轮组的行星支架连接至所述一对后行星齿轮组中的另一后行星齿轮组的齿圈。

4.根据权利要求2所述的重型变速器，其中，所述一对前行星齿轮组包括共同的齿圈，所述共同的齿圈具有两个间隔开的内部带齿表面，所述两个间隔开的内部带齿表面由所述一对行星齿轮组中的两组行星齿轮啮合。

5.根据权利要求4所述的重型变速器，其中，所述共同的齿圈包括齿圈轴环和一对齿圈，所述一对齿圈提供所述一对前行星齿轮组的所述两个间隔开的内部带齿表面，所述齿圈轴环将所述一对齿圈彼此连接以便彼此一致地旋转。

6.根据权利要求4所述的重型变速器，其中，所述一对后行星齿轮组包括能够以不同的速度旋转的一对间隔开的轴向对准的齿圈。

7.根据权利要求2所述的重型变速器，其中，所述一对前行星齿轮组包括对应的一对成组的行星齿轮并且还包括共同的行星支架组件，所述共同的行星支架组件承载所述一对成组的行星齿轮。

8.根据权利要求7所述的重型变速器，其中，所述共同的行星支架组件包括支架适配器鼓，所述支架适配器鼓支承所述一对成组的行星齿轮。

9.根据权利要求8所述的重型变速器，其中，所述一对前行星齿轮组包括一对齿圈，并且对所述一对成组的行星齿轮进行支承的所述支架适配器鼓提供了包围所述一对齿圈的围封件。

10.根据权利要求2所述的重型变速器，还包括前离合器组、后离合器组和变速器控制系统，其中，所述前离合器组布置在所述前行星部分中，所述后离合器组布置在所述后行星部分中，所述变速器控制系统构造成控制所述前离合器组和所述后离合器组以选择通过所述行星齿轮组的不同的动力路径。

11.根据权利要求10所述的重型变速器，其中，所述前离合器组包括第一离合器，所述第一离合器在所述一对前行星齿轮组的第一太阳齿轮与所述变速器壳体之间延伸，以选择性地防止或允许所述一对前行星齿轮组的所述第一太阳齿轮相对于所述变速器壳体旋转。

12.根据权利要求11所述的重型变速器，其中，所述前离合器组包括第二离合器，所述第二离合器在所述一对前行星齿轮组的所述第一太阳齿轮与所述输入轴之间延伸，以选择性地将所述一对前行星齿轮组的所述第一太阳齿轮锁定成与所述输入轴一致地旋转。

13.根据权利要求10所述的重型变速器，其中，所述前离合器组包括第三离合器，所述第三离合器在所述一对前行星齿轮组的第二太阳齿轮与所述变速器壳体之间延伸，以选择性地防止或允许所述第二太阳齿轮相对于所述变速器壳体旋转。

14.根据权利要求10所述的重型变速器，其中，所述后离合器组包括第一离合器，所述第一离合器在所述一对后行星齿轮组的第一行星支架与所述中心轴之间延伸，以选择性地将所述一对后行星齿轮组的所述第一行星支架锁定成与所述中心轴一致地旋转。

15.根据权利要求14所述的重型变速器，其中，所述后离合器组包括第二离合器，所述第二离合器在所述一对后行星齿轮组的第一齿圈与所述变速器壳体之间延伸，以选择性地防止或允许所述一对后行星齿轮组的所述第一齿圈相对于所述变速器壳体旋转。

16.根据权利要求15所述的重型变速器，其中，所述后离合器组包括第三离合器，所述第三离合器在所述一对后行星齿轮组的第二齿圈与所述变速器壳体之间延伸，以选择性地防止或允许所述一对后行星齿轮组的所述第二齿圈相对于所述变速器壳体旋转。

17.一种重型变速器，包括：

变速器壳体；

输入轴，所述输入轴至少部分地布置在所述变速器壳体中，用于将动力接收到所述重型变速器中；

输出轴，所述输出轴至少部分地布置在所述变速器壳体中，用于将动力从所述重型变速器输出；

四级行星装置，所述四级行星装置选择性地将动力从所述输入轴输送至所述输出轴，所述四级行星装置包括：

具有一对前行星齿轮组的前行星部分，所述一对前行星齿轮组构造成选择性地接收来自所述输入轴的动力；

前离合器组，所述前离合器组布置在所述前行星部分中并且构造成建立通过所述一对前行星齿轮组的多个动力路径；

具有一对后行星齿轮组的后行星部分，所述一对后行星齿轮组构造成选择性地将动力输送至所述输出轴；

后离合器组，所述后离合器组布置在所述后行星部分中并且构造成建立通过所述一对后行星齿轮组的多个动力路径；以及

变速器控制系统，所述变速器控制系统以可操作的方式连接至所述前离合器组和所述后离合器组，以通过在用以改变所述变速器的挡位的换挡事件期间对应地使所述前离合器组和所述后离合器组的所述离合器中的离合器接合或断开接合来选择通过所述前离合器组和所述后离合器组的所述多个动力路径中的动力路径，

其中，所述四级行星装置构造成使得用以改变所述变速器的挡位的换挡事件中的超过一半的换挡事件是通过单组换挡事件来实现的，在所述单组换挡事件期间，所述前离合器组和所述后离合器组的所述离合器中的单个先前接合的离合器被断开接合，并且所述前离合器组和所述后离合器组的所述离合器中的单个先前断开接合的离合器被接合。

18.根据权利要求17所述的重型变速器，还包括：

中心轴，所述中心轴布置在所述变速器壳体中且布置在所述输入轴与所述输出轴之间并与所述输入轴和所述输出轴纵向地对准，

其中，所述四级行星装置构造成使所述输出轴沿单个方向旋转，并且其中，所述前行星部分构造成选择性地将动力从所述输入轴输送至所述中心轴，并且所述后行星部分构造成选择性地将动力从所述中心轴输送至所述输出轴。

19.根据权利要求18所述的重型变速器，其中，所述一对前行星齿轮组还包括：

共同的齿圈，所述共同的齿圈具有两个间隔开的内部带齿表面，所述两个间隔开的内部带齿表面由所述一对行星齿轮组的两组行星齿轮啮合；以及

共同的行星支架组件，所述共同的行星支架组件承载所述两组行星齿轮。

20.根据权利要求19所述的重型变速器，其中，所述共同的行星支架组件包括支架适配器鼓，所述支架适配器鼓支承所述两组行星齿轮并且提供包围所述共同的齿圈的围封件。