CN109723812A - 二自由度多排制动变速器 - Google Patents

Abstract

本发明二自由度多排制动变速器，包括传动机械与控制系统，传动机械是二自由度决定系统的多排行星排结构。控制系统含各控制构件，控制各非嵌套可变连接(其中离不开制动可变连接)。一个或多个旋转构件作输入端，一个或多个旋转构件作输出端，其他不少于两个旋转构件可作被控制端，在每个被控制端设置制动可变连接，在多个输入端、多个输出端设置解放可变连接，通过控制两个制动可变连接等来控制输入端输出端的转速关系，可形成二关系方变速器。在旋转构件较多时，N个旋转构件作被控制端，M个旋转构件作各关系方，通过控制N个被控制端的制动可变连接等来控制M个关系方的转速关系，可形成多关系方变速器。

Description

二自由度多排制动变速器

技术领域

本发明涉及一种行星排齿轮结构变速器，具体为二自由度决定系统的多排行星排结构的通过制动可变连接换档的变速器。

背景技术

为了转换传递动力系统的转矩和转速，很多动力机械都配置了行星排变速器。传统行星排变速器缺点很多，最突出的就是档位少。新近发明的行星排变速器档位较多，但其控制系统比较复杂，为保证变速器的档位，设置了多个控制构件，多个控制构件(含其控制对象)相互之间形成了嵌套关系，需要液压控制系统来完成控制。行星排变速器需要简化控制系统。变速器不仅需要控制输入端与输出端之间的转速关系，还需要控制多个关系方之间的转速关系。机械行业需要性能更优的变速器。

发明内容

本发明提出一种二自由度决定系统的多排行星排结构的通过制动可变连接换档的变速器，还可以控制多个关系方之间的转速关系。称为二自由度多排制动变速器。

行星排由两个中心轮(太阳轮或内齿圈)与带行星轮的行星架三个部件组成，三个部件的啮合排列关系决定行星排种类。现有行星排按行星架上行星轮层级数的单与双可分为单层星行星排、双层星行星排。设Zt为太阳轮齿数，Zq为内齿圈齿数，Nt为太阳轮转速,Nq为内齿圈转速,Nj为行星架转速，定义行星排特性参数a＝Zq/Zt,单层星行星排的运动特性方程为：Nt+a*Nq-(1+a)*Nj＝0，双层星行星排的运动特性方程为：Nt-a*Nq-(1-a)*Nj＝0。多个行星排可以组成行星排结构，其运动规律服从其行星排结构方程。行星排结构中的几个部件连接并拥有一个确定的转速，形成一个旋转构件，每一个旋转构件具有一个转速。传统观点认为，多排行星排组成的行星排结构的自由度，等于行星排结构中所有旋转构件数减去行星排数，即：行星排结构自由度＝旋转构件数-行星排数。本发明提出，二自由度决定系统的行星排结构就是行星排中两个旋转构件的转速确定后，所有旋转构件的转速被决定。二自由度决定系统的行星排结构，其行星排结构方程简化后是具有三个独立转速项的等式，其普遍形式为：+d*N1+e*N2+f*N3＝0，其中N1、N2、N3分别为行星排结构中不特定的两个转速确定的旋转构件以及它们决定的不特定第三个旋转构件的转速项，d、e、f分别为三个独立转速项的绝对值系数，可以是数值或代数式，各独立转速项绝对值系数前的各符号分别可以是正是负。“不特定”指行星排结构的任意旋转构件的转速都可以有相应的各绝对值系数与各符号来形成等式。单排行星排是二自由度决定系统，单行星排具有三个旋转构件，就是行星排的三个部件，单排行星排结构有一个行星排结构方程，就是其行星排运动方程。多排行星排结构可以具有多个行星排结构方程。

本发明变速器包括传动机械与控制系统，传动机械采用二自由度决定系统的多排行星排结构，以其中一个或多个旋转构件作为输入端，另一个或多个旋转构件作为输出端，其他的旋转构件可以作为被控制端，被控制端不少于两个。在每一个被控制端设置制动可变连接，在多个输入端、多个输出端设置解放可变连接，通过控制制动可变连接与解放可变连接来控制变速器换档。本发明传动机械的二自由度决定系统多排行星排结构区别于一自由度决定系统行星排结构和三自由度决定系统行星排结构，只要控制任意两个旋转构件的转速即可控制所有旋转构件的转速。由多排行星排组成的本发明传动机械，其行星排数量可以调节，行星排的种类顺序可以调节，行星排间连接可以调节，各行星排的各特性参数可以调节，各各关系方与被控制端的组合可以调节，条件就是行星排结构为二自由度决定系统。

本发明的控制系统，包含各控制构件，控制构件一般是制动器、离合器。控制构件作用于各制动可变连接或解放可变连接，与制动可变连接及解放可变连接的数量相对应，控制系统可以具有多个数量的控制构件。

传统行星排变速器每个控制构件的控制对象，有运动件与固定件的离与合，有运动件与运动件的离与合，其中同行星排轴的运动件与运动件之间离与合的控制一般超过两个。在行星排结构中，同行星排轴的运动件与运动件之间的控制超过两个，控制构件及其控制对象与其他控制构件及其控制对象就会形成形体空间上的嵌套关系。同行星排轴控制构件及其控制对象会形成封闭空间，嵌套住同行星排轴的其他控制构件及其控制对象。被嵌套的控制构件及其控制对象需要带液压控制系统的离合器来控制。所以传统行星排变速器的控制系统都带有液压控制系统，结构复杂。带液压控制系统的离合器用于控制运动件与运动件的离与合，主要提供离与合两状态离合控制，不易提供中间状态控制。要解决这种嵌套关系矛盾，超过两个的控制就要改设置为旁轴的运动件与运动件离与合的控制，就是解放可变连接的控制；或者改设置为运动件与固定件离与合的控制，就是本发明所述的制动可变连接的控制。多个制动可变连接是旋转构件运动件与行星排外固定件之间的多个可变连接，可变连接指可选择其中之一达成连接状态，制动可变连接指可选择其中之一达成制动连接状态。与解放可变连接不同，制动可变连接没有连接旁轴；与解放可变连接一样，制动可变连接也是一种非嵌套可变连接，可变连接及其连接对象不嵌套其他可变连接及其连接对象。本发明所述制动可变连接或解放可变连接的一个特性就是，可变连接(含其连接对象)之间没有嵌套关系，各控制构件(含其控制对象)与其他控制构件(含其控制对象)之间也没有嵌套关系。这是一个巨大的进步。这样，行星排变速器就不必需要采用复杂的液压控制系统，采用普通机械就可以提供离、合以及中间状态的多状态控制。控制系统大为简化。这是本发明非嵌套控制系统的优点。

设输入端的转速为确定值，设输出端的负载为随转速上升而变大的被动负载，设控制构件为制动器，控制构件对被控制端的作用为被动作用。以一个制动可变连接的操作为例，从输入端到输出端的传动的具体控制过程描述如下：

控制构件先使被控制端自由，制动可变连接处于不连接状态，被控制端不受外加荷载作用。这时输出端也是自由的，输出端可以具有任何转速，被控制端经本发明传动机械的传导会具有对应的某种转速。如果输出端负载转矩较大，一般在负载作用下输出端具有的初始转速会下降最终归于零，被控制端的转速会上升最终达到最大速度。在上述过程中，本发明传动机械虽然处于啮合状态，但功率在输入端与输出端之间没有传递，相当于普通离合器输入端与输出端的分离状态。我们称这是传动机械的分离状态，也是本发明变速器的空档状态。从输出端转速为零的状态起，控制构件对被控制端施加转矩，与输入端的转矩一起，经传动机械的传导，在输出端会形成相应的动力转矩。输入端的功率开始有部分传递至被控制端，被制动摩擦转矩消耗。当输出端形成的动力转矩大于输出端负载初始转矩时，输出端转速开始上升，输入端的功率有部分传递到输出端。当输出端形成的动力转矩等于随输出端转速上升而加大的负载转矩时，输出端转速恒定，被控制端的转速也相应恒定。这个状态是传动机械的一种动平衡状态。调节被控制端的转矩大小，就可以调节输出端形成的动力转矩大小，形成不同的输出端恒定转速与被控制端的恒定转速，可以实现多种动平衡状态，这是无回馈的动平衡状态。上述各状态及相互之间的过渡均是本发明传动机械的一种半联动状态，也是该制动可变连接的半连接状态，在半联动状态下，控制住被控制端的速度，就同时控制住了输出端的速度。调节被控制端的转矩，使输出端形成的动力转矩持续大于输出端负载转矩，输出端转速就会持续上升、被控制端转速会持续下降。这是传动机械从半联动状态向结合状态转化的过程，还处于半联动状态。输出端持续加速达到其最大转速，被控制端持续减速达到转速归零。这时，输入端的动力全部传递到了输出端，相当于普通离合器输入端与输出端的结合状态，我们称这是本发明传动机械的一种结合状态，这对应了该制动可变连接的连接状态，对应了本发明变速器的一种档位的在档状态。从传动机械的一种结合状态开始，消除对被控制端的转矩，使被控制端自由、不受外来荷载作用，输出端形成的动力转矩也相应消失。传动机械就转化为分离状态，本发明变速器转为空档状态。

从传动机械的分离状态，经过控制一个被控制端形成半联动状态，最终达到这个制动可变连接的连接状态，即传动机械的一种结合状态，这样的过程就是本发明变速器从空档到换入一个档位的过程。从传动机械的一种结合状态或者一种半联动状态转化为分离状态，即这个制动可变连接的非连接状态，这样的过程就是本发明变速器从在一个档位到换入空挡的过程。同样，可以从传动机械的分离状态，经过控制另一个被控制端形成另一种半联动状态，最终达到另一个制动可变连接的连接状态，即传动机械的另一种结合状态，其过程就是本发明变速器从空档到换入另一个档位最终保持另一个档位的过程。本发明变速器从一个档位换到另一个档位，就是从控制一个被控制端的制动可变连接处于连接状态转向控制另一个被控制端的制动可变连接处于连接状态，就是从传动机械的一种结合状态(含其半联动状态)转化到传动机械的另一种结合状态(含其半联动状态)。如果只设置制动可变连接，本发明的传动机械具有几个被控制端，本发明变速器就可以设置几个控制构件控制几个制动可变连接，就具有几个档位。控制不同的被控制端得到的各种结合状态的传动比不同，变速器各档位的传动比就不同。如果在多个输入端、输出端设置解放可变连接与多个被控制端的制动可变连接配合，本发明变速器就可以具有更多数量的档位。

如果改进本发明的控制系统，在控制构件中加入电磁感应电机，就可以在控制被控制端的过程中主要由电磁感应电机提供控制转矩，只在被控制端转速下降至较低时才启用制动器的制动转矩。这样把原先控制构件为制动器时半联动状态下消耗于制动摩擦转矩的大部分功率通过电磁感应电机转化为电能吸收利用，就可以节能。如果再设置作用于输出端的感应电机，与电磁感应电机形成即时吸能回馈系统，本发明变速器就具有了一定的变矩器功能。本发明也可以作为离合器、作为变矩器，但结构复杂，与单行星排离合器、变矩器相比并不占优。本发明主要作为兼具离合器性能的多行星排变速器。

作为一种扩展形式，本发明可以具有一个或多个输入端、一个或多个输出端，多个(不少于两个)被控制端，在每个被控制端各设置制动可变连接，在多个输入端、多个输出端各设置解放可变连接。通过选择输入端解放可变连接、选择输出端解放可变连接，再选择制动一个被控制端制动可变连接而换入变速器的一个档位。通过松开制动可变连接而进入变速器的空档。通过选择新的输入端解放可变连接与输出端解放可变连接组合，再选择制动一个被控制端制动可变连接而换入变速器的另一个档位。每一个档位都离不开制动可变连接的控制。这样，控制多个输入端解放可变连接、控制多个输出端解放可变连接、控制多个制动可变连接，这些非嵌套可变连接配合发挥控制作用，可以形成具有较多档位的具有制动可变连接的变速器。这种类型的二自由度多排制动变速器也应属于本发明的保护范围。

作为行星排变速器，本发明可以通过优化设计，使变速器大小相邻各档位的传动比之间的比值形成等比或近似等比，即优化成为等比或近似等比变速器。以二自由度三排行星排制动可变连接变速器的例一为例，等比变速器的优化设计方法参见实施例2。

与通过控制输入端、输出端可变连接从而控制变速器换档的其他行星排变速器不同，本发明变速器不仅限于对输入端与输出端之间的转速关系换档，而且可以对多个关系方之间的转速关系换档。在传动机械的旋转构件较多时(五个或多于五个)，本发明变速器不仅可以对输入端与输出端的转速关系换档，而且可以对以多个(三个或多于三个)旋转构件作为各关系方的转速关系开展换档。通过控制N个(两个或多于两个)被控制端的制动可变连接等来控制M个(三个或多于三个)关系方之间的转速关系。这种对多个(三个或多于三个)关系方之间转速关系的换档称为多关系方变速。在传动机械的旋转构件较多时(五个或多于五个)，本发明是可以开展多关系方变速的行星排变速器，即多关系方变速器(可以是N档位M关系方变速器)。本发明变速器的传动机械是二自由度决定系统的多行星排结构，行星排数量大于2，旋转构件数量可以大于4，因此N大于等于2，M大于等于2。M等于2时，本发明变速器就是以输入端输出端为两个关系方的二关系方变速器。M大于等于3时，本发明变速器就可以作为多关系方变速器。在放松所有制动可变连接且只有一个转速输入行星排结构时，本发明变速器的各个旋转构件相互之间相当于离合器的分离状态，各旋转构件各关系方之间的转速有一定相互制约但没有确定的比值关系。本发明多关系方变速器的控制系统完全类同于本发明二关系方变速器的控制系统。通过优化设计，多关系方变速器简化成的一个档位传动器可以形成多关系方减速器或增速器。

本发明二自由度多排制动变速器的有益之处在于，提出了行星排结构方程的概念，提出了二自由度决定系统多行星排结构作为传动机械，提出了控制系统的形式，提出了通过控制各非嵌套可变连接来控制变速器的档位。本发明二自由度多排制动变速器简化了行星排变速器的控制系统。提出了多关系方变速的概念，本发明二自由度多排制动变速器可以作为二关系方变速器或多关系方变速器，简化后可以作为二关系方减速器或多关系方减速器。

本发明提出，只要在变速器的传动机械中采用了二自由度决定系统多排行星排结构，采用了不少于两个制动可变连接，通过控制各非嵌套可变连接来控制变速器的档位，就属于二自由度多排制动变速器，均应落入本发明的保护范围。

附图说明

图1为本发明二自由度两行星排制动可变连接变速器的例一，也是本发明实施例1示意图。一号行星排1，二号行星排2，一档位被控制端3，二档位被控制端4。

图2为本发明二自由度三行星排制动可变连接变速器的例一，也是本发明实施例2示意图。一号行星排1，二号行星排2，三号行星排3，一档位被控制端4，二档位被控制端5，三档位被控制端6。

图3为本发明二自由度三行星排制动可变连接多关系方变速器的例一，也是本发明实施例3示意图。一号行星排1，二号行星排2，三号行星排3，一档位被控制端4，二档位被控制端5。

各图中行星排均按行业惯例以半幅行星排齿轮结构表示，输入端、输出端以箭头示意。各图中行星排各部件只示意结构关系，未反映真实尺寸。

具体实施方式

实施例1：本发明二自由度两行星排制动可变连接变速器的例一，该变速器传动机械二自由度两排行星排结构的连接关系为转速Nt1＝转速Nt2,转速Nj1＝转速Nj2，参见图1。输入端为一号行星排太阳轮t1，被控制端为一号行星排内齿圈q1与二号行星排内齿圈q2，输出端为二号行星排行星架j2。两个行星排均是单层星行星排。解出这种行星排结构方程，可知该变速器在制动被控制端q1的制动可变连接时一档位传动比式子为1+a1,制动被控制端q2的制动可变连接时二档位传动比式子为1+a2。使关系方程(1+a1)/(1+a2)＝k1＝2.0成立,即一档位传动比是二档位传动比的2.0倍。根据需要，本发明的其他行星排数量、其他行星排种类顺序组合、其他行星排间连接组合、其他输入端输出端被控制端组合的变速器也可以应用类似关系方程或方程组形成其他等比值的等比变速器或等比带倒档变速器。这个关系方程或方程组的每一个等比值有无数组解，一号行星排特性参数、二号行星排特性参数有无数组组合可以作为解。任取一组解值a1＝5.0、a2＝2.0代入各传动比式子，得到一档位传动比值为6.0、二档位传动比值为3.0的两档位变速器。即一号行星排太阳轮齿数为40、行星轮齿数为80、内齿圈齿数为200，二号行星排太阳轮齿数为100、行星轮齿数为50、内齿圈齿数为200。该变速器采用相互关系为非嵌套关系的两套制动器来控制换档。

实施例2：本发明二自由度三行星排制动可变连接变速器的例一，该变速器传动机械二自由度三排行星排结构的连接关系为Nj1＝Nt2,Nq1＝Nj2＝Nt3,Nq2＝Nj3，参见图2。输入端为一号行星排太阳轮t1，被控制端为一号行星排行星架j1、内齿圈q1与二号行星排内齿圈q2，输出端为三号行星排内齿圈q3。一号行星排、二号行星排、三号行星排均为单层星行星排。解出这种行星排结构方程，可知该变速器在制动被控制端j1的制动可变连接时三档位传动比式子为-a1*a2*a3/(1+a3+a2*a3),制动被控制端q1的制动可变连接时二档位传动比式子为-(1+a1)*a2*a3/(1+a3)，制动被控制端q2的制动可变连接时一档位传动比式子为-(1+a2+a1*a2)*a3，传动比式子中的负号代表输出端转速与输入端转速方向相反。使关系方程或方程组(1+a2+a1*a2)(1+a3)/(1+a1)/a2＝(1+a1)(1+a3+a2*a3)/a1/(1+a3)＝k2成立,则变速器三个档位的相邻档位传动比的比值为等比，等比值为k2。这个关系方程或方程组的每一个等比值有无数组解，一号行星排特性参数、二号行星排特性参数、三号行星排特性参数有无数组组合可以作为解。根据需要，本发明的其他行星排数量、其他行星排种类顺序组合、其他行星排间连接组合、其他输入端输出端被控制端组合的变速器也可以应用类似关系方程或方程组形成其他等比值的等比变速器或等比带倒档变速器。任取关系方程或方程组的一组解值a1＝a2＝a3＝1.5代入各传动比式子，即一号行星排、二号行星排、三号行星排均是太阳轮齿数为100、行星轮齿数为25、内齿圈齿数为150的单层星行星排，得到三档位传动比值为-0.710526，二档位传动比值为-2.25，一档位传动比值为-7.125的三档变速器，相邻档位传动比之间的比值为等比，等比值k2＝3.166667。该变速器采用相互关系为非嵌套关系的三套制动器来控制换档。

实施例2附加说明：本实施例中三个被控制端可以只保留两个(不少于两个)被控制端及其制动可变连接，把减下来的旋转构件设置成输入端(或输出端)，并在两个输入端(或两个输出端)各设置解放可变连接加以控制。这样，两个解放可变连接与两个制动可变连接配合发挥控制作用，可以形成具有四个档位的二自由度多排制动变速器。

实施例3：类似实施例2的传动机械的这类行星排结构具有五个或多个旋转构件，这样的行星排结构可以形成多关系方变速器，本发明的实施例3即是一例。实施例3多关系方变速器传动机械的行星排结构与实施例2传动机械的行星排结构相同。选择j1与q1作为被控制端，各设置制动可变连接；选择t1、j3与q3三个旋转构件作为三个关系方。在制动被控制端j1的制动可变连接时，t1、j3与q3三个关系方之间的转速关系就被锁定为1.0比-(1+a2)/(a1*a2)比-(1+a3+a2*a3)/(a1*a2*a3)，这组比值就算该多关系方变速器的二档位转速比值。在制动被控制端q1的制动可变连接时，t1、j3与q3三个关系方之间的转速关系就被锁定为1.0比-1/(1+a1)/a2比-(1+a3)/(1+a1)/a2/a3，这组比值就算该多关系方变速器的一档位转速比值。例如，当a1＝a2＝a3＝3.0时，该多关系方变速器的二档位各关系方t1、j3与q3的转速比值为1.0比-0.444444比-0.481481，一档位各关系方转速比值为1.0比-0.083333比-0.111111。

多关系方变速器的行星排数量可以选择，行星排种类顺序可以选择，行星排间连接可以选择，各多关系方与被控制端的组合可以选择，各行星排特性参数可以选择。变速器可以有多种具体形式，具有多种档位，各档位转速比值多种多样。在本实施例中，通过选择控制两个被控制端的制动可变连接，就可以控制三个关系方之间的转速关系，实现两档位三关系方变速器的换档。经过省略设计，多关系方变速器可以省减至只有一个档位，通过制动不变连接控制输入端与多个输出端之间的转速关系，成为一个档位的二自由度多行星排制动不变连接多关系方变速器，其实是减速或增速传动器。一个档位的传动器，通过调节行星排数量、行星排种类顺序、行星排间连接、各多关系方被控制端的组合与各行星排特性参数，可以成为具有所需要的转速关系的多关系方减速器或增速器。

上述各实施例仅为本发明的部分实施方式，所述二自由度多排制动变速器可以作为具有离合器功能的变速器，可以作为二关系方变速器，在旋转构件较多时可以作为多关系方变速器，还可以是多关系方减速器或增速器，可以是传动机械的局部。

Claims (3)

1.二自由度多排制动变速器，包括传动机械与控制系统，传动机械由多排行星排构成，控制系统包含控制各非嵌套可变连接的控制构件，通过控制构件控制各非嵌套可变连接(其中离不开制动可变连接)来控制变速器的档位，其特征在于：制动可变连接与解放可变连接都是非嵌套可变连接，可变连接及其连接对象不嵌套其他可变连接及其连接对象，控制构件(含其控制对象)与其他控制构件(含其控制对象)相互之间为非嵌套关系，即任一控制构件(含其控制对象)均未嵌套其他任何控制构件(含其控制对象)。

2.如权利要求1所述的二自由度多排制动变速器，其特征在于：该变速器的传动机械是二自由度决定系统的多排行星排结构，以传动机械的一个或多个旋转构件作为输入端，另一个或多个旋转构件作为输出端，其他不少于两个旋转构件作为被控制端，在每一个被控制端设置制动可变连接，在多个输入端、多个输出端设置解放可变连接，通过控制各制动可变连接与解放可变连接来控制输入端与输出端的转速关系，可以形成二关系方变速器。

3.如权利要求1所述的二自由度多排制动变速器，其特征还在于：其传动机械的旋转构件较多时(五个或多于五个)，以N个(两个或多于两个)旋转构件作被控制端，以M个(三个或多于三个)旋转构件作各关系方，通过控制N个(两个或多于两个)被控制端的制动可变连接等来控制M个(三个或多于三个)关系方的转速关系，可以形成多关系方变速器。