CN110608270A - 一种液力自动变速器 - Google Patents

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Abstract

为了解决现有一部分七挡液力自动变速器仅能实现7个前进挡，需要附加结构才能实现倒档导致整车成本增大的技术问题，本发明提供了一种液力自动变速器，通过两个离合器和四个制动器改变四个行星齿轮组中各部件的连接关系，从而实现了7个前进挡和两个倒挡，降低了整车生产成本；并且本发明输出轴部分不存在轴之间的嵌套，可以有效保证输出轴的强度。

Description

一种液力自动变速器
技术领域
本发明属于汽车技术领域，涉及一种液力自动变速器。
背景技术
现有的液力自动变速器，其动力传递都是依靠其中的行星齿轮组完成。行星齿轮组主要的结构包括太阳轮、行星架与齿圈。在液力自动变速器的传动路线设计方案中，主要也是通过改变不同行星齿轮组之间上述三个部件的连接关系加上插置在其间的换挡元件从而形成变化万千的传动路线。
现有的一部分七挡液力自动变速器，例如卡特公司的CX48，采用了四排行星轮及六个换挡元件，仅仅实现了7个前进挡，并无倒挡。虽然可以通过附加结构实现倒挡，但会增加整车的成本。
发明内容
为了解决现有一部分七挡液力自动变速器仅能实现7个前进挡，需要附加结构才能实现倒档导致整车成本增大的技术问题，本发明提供了一种液力自动变速器。
本发明的技术方案：
一种液力自动变速器，包括变速器壳体、设置在变速器壳体内的离合器组件、制动器组件、行星齿轮组件以及连接件组件；
其特殊之处在于：
所述离合器组件包括第一离合器和第二离合器；
所述制动器组件包括第一制动器～第四制动器；
所述行星齿轮组件包括设置在同一轴线上的第一行星齿轮组～第四行星齿轮组；
第一行星齿轮组包括第一太阳轮、第一行星架、第一行星轮和第一齿圈；
第二行星齿轮组包括第二太阳轮、第二行星架、第二行星轮和第二齿圈；
第三行星齿轮组包括第三太阳轮、第三行星架、第三行星轮和第三齿圈；
第四行星齿轮组包括第四太阳轮、第四行星架、第四行星轮和第四齿圈；
所述连接件组件包括第一连接元件～第七连接元件；第一连接元件为整个液力自动变速器的输入，第七连接元件为整个液力自动变速器的输出；
第一连接元件依次通过第一离合器、第四连接元件与所述第二太阳轮以及所述第三太阳轮相连；
第一连接元件依次通过第二离合器、第五连接元件与所述第二行星架相连，第二行星架同时与第三齿圈以及第四齿圈相连；
第一连接元件直接与所述第一太阳轮相连；
第一行星架依次通过第二连接元件、第一制动器与所述变速器壳体相连；
第一齿圈、第二齿圈均依次通过第三连接元件、第二制动器与所述变速器壳体相连；
第二行星架、第三齿圈和第四齿圈均通过第三制动器与所述变速器壳体相连；
第四行星架依次通过第六连接元件、第四制动器与所述变速器壳体相连；
第三行星架、第四太阳轮均与所述第七连接元件相连。
进一步地，所述第一行星齿轮组为单排双级行星齿轮组，第二行星齿轮组、第三行星齿轮组和第四行星齿轮组均为单排单级齿轮组。
进一步地，所述第一行星齿轮组中的第一行星轮至少有三组，每组有两个。
进一步地，所述第二行星齿轮组中的第二行星轮至少有三个。
进一步地，所述第三行星齿轮组中的第三行星轮至少有三个。
进一步地，所述第四行星齿轮组中的第四行星轮至少有三个。
本发明的优点：
1、本发明通过六个换挡组件实现七个前进挡与两个倒挡这种较为高效的换挡组合，且多个挡位能够使车辆更加节油，能够使其工作在合理的区间内；并且，本发明输出轴部分不存在轴之间的嵌套，可以有效保证输出轴的强度(这一点对于输出轴尤为重要，因为输出轴要承受比输入轴高很多倍的扭矩，而嵌套结构的存在则会限制输出轴的直径，影响输出轴的强度)。
2、本发明完全由简单的行星齿轮组组合而成，使得整体的可靠性大为增加，且通过特定齿数的组合可以使其第一挡的速比非常大，这样的传动路线非常适合大吨位的商用车。
3、本发明将离合器布置在前端，在不需要变速器输出时可以断开离合器，降低变速器内部的拖曳阻力而带来的功率损失；当离合器C1、C2都断开时，即使输入轴有动力输入，也仅会带动第一行星齿轮组的第一太阳轮转动，可以有效地避免过多的转动元件发生转动而产生的摩擦磨损。
4、本发明的换挡执行机构有六个，操控的前进挡有七个，前进挡与换挡执行机构的比值为1.167，该比值在液力自动变速器的同类比值中较高。该值反映出本发明液力自动变速器的传动路线可以有效地利用现用的换挡执行机构，通过较少的换挡执行器可以实现较多的挡位，这样也可以有效地减少变速箱的轴向尺寸。
附图说明
图1为本发明液力自动变速器的行星齿轮系的原理示意图。
图2为本发明液力自动变速器的行星齿轮系的一种特定应用示例简图，图中各行星齿轮组中齿轮及齿圈标记下的数字为齿数。
图3为图1所示各挡位下传动路线扭矩传递装置的操作表，用以说明在各确定的挡位中哪些换挡组件闭合，并且给出了图2所示特定应用示例下各挡位的速比。
图4为图2所示示例性行星齿轮系传动路线的杠杆原理分析结果图。
图中：
1.第一连接元件(即输入轴)；2.第二连接元件；3.第三连接元件；4.第四连接元件；
5.第五连接元件；6.第六连接元件；7.第七连接元件(即输出轴)；
C1.第一离合器；C2.第二离合器；
B1.第一制动器；B2.第二制动器；B3.第三制动器；B4.第四制动器；
PG1.第一行星齿轮组；PG2.第二行星齿轮组；
PG3.第三行星齿轮组；PG4.第四行星齿轮组；
S1.第一太阳轮；PC1.第一行星架；P1.第一行星轮；A1.第一齿圈；
S2.第二太阳轮；PC2.第二行星架；P2.第二行星轮；A2.第二齿圈；
S3.第三太阳轮；PC3.第三行星架；P3.第三行星轮；A3.第三齿圈；
S4.第四太阳轮；PC4.第四行星架；P4.第四行星轮；A4.第四齿圈。
具体实施方式
为了更好地解释本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1、图2所示，本发明所提供的液力自动变速器有七个前进挡位与两个倒挡挡位，包括设置在同一轴线上的第一行星齿轮组PG1、第二行星齿轮组PG2、第三行星齿轮组PG3及第四行星齿轮组PG4，设置在同一轴线上的第一离合器C1、第二离合器C2，以及设置在同一轴线上的第一制动器B1、第二制动器B2、第三制动器B3及第四制动器B4。
第一行星齿轮组PG1为单排双级行星齿轮组，包括第一行星架PC1，第一太阳轮S1及第一齿圈A1，第一行星架PC1上的第一行星轮P1可以但不限于是三组，每组两个。
第二行星齿轮组PG2为单排单级行星齿轮组，包括第二太阳轮S2和第二行星架PC2，以及第二齿圈A2，第二行星架PC2上的第二行星轮P2的数量可以但不限于是三组，每组一个。
第三行星齿轮组PG3为单排单级行星齿轮组，包括第三太阳轮S3和第三行星架PC3，以及第三齿圈A3，第三行星架PC3上的第三行星轮P3的数量可以但不限于是三组，每组一个。
第四行星齿轮组PG4为单排单级行星齿轮组，包括第四太阳轮S4，第四行星架PC4，以及第四齿圈A4，第四行星架PC4上的第四行星轮P4的数量可以但不限于是三组，每组一个。
还包括七根作为连接构件的连接元件，上述第一～第四行星齿轮组的组件与连接元件相连接，并通过连接元件相互连接，共可形成七个转动元件：
第一转动元件，由第一连接元件1(即输入轴)刚性连接第一太阳轮S1构成，两者始终以相同的转速旋转，第一连接元件1被构造为接收液力变矩器扭矩和转速的构件。
第二转动元件，由第二连接元件2和第一行星架PC1连接构成，通过第一制动器B1能够选择性的连接到变速器壳体上。
第三转动元件，由第一齿圈A1及第二齿圈A2连接构成，通过第二制动器B2能够选择性连接到变速器壳体上。
第四转动元件，由第四连接元件4、第二太阳轮S2及第三太阳轮S3连接构成，第四连接元件4能够选择性的连接至第一转动元件。
第五转动元件，由第五连接元件5与第二行星架PC2、第三齿圈A3与第四齿圈A4连接构成，第五连接元件5能够选择性的连接至第一转动元件，并且通过第三制动器B3能够选择性连接到变速器壳体上。
第六转动元件，由第四行星架PC4、第六连接元件6连接构成，通过第四制动器B4能够选择性的连接到变速器壳体上。
第七转动元件，由第三行星架PC3、第四太阳轮S4及第七连接元件7(即输出轴)连接构成，第七连接元件7被构造为向外输出已转换扭矩和转速的构件。
离合器置于从上述七个转动元件中选定的转动元件之间，以便进行扭矩与转速的传递。
第一离合器C1设置在第一转动元件中的第一连接元件1与第四转动元件中的第四连接元件4之间，作为选择性的输入元件进行操作。
第二离合器C2设置在第一转动元件中的第一连接元件1与第五转动元件中的第五连接元件5之间，作为选择性的输入元件进行操作。
制动器置于从上述七个转动元件中选定的转动元件与固定件之间，用来限制其所在行星齿轮组的自由度，以便扭矩沿设定路径传递。
第一制动器B1插置在第二连接元件2与固定件之间，作为选择性的固定元件进行操作。
第二制动器B2插置在第三连接元件3与固定件之间，作为选择性的固定元件进行操作。
第三制动器B3插置在第五连接元件5与固定件之间，作为选择性的固定元件进行操作。
第四制动器B4插置在第六连接元件6与固定件之间，作为选择性的固定元件进行操作。
在第一连接元件1至第七连接元件7之中，可作为选择性的输入构件有第四连接元件4和第五连接元件5，分别通过第一离合器C1、第二离合器C2，选择性的连接到输入端的第一连接元件1。
在第一连接元件1至第七连接元件7之中，可作为选择性的固定构件有第二连接元件2、第三连接元件3、第五连接元件5和第六连接元件6，分别通过第一制动器B1、第二制动器B2、第三制动器B3及第四制动器B4，选择性的固连到固定件上。
请参考图3，图3为本发明各挡位与扭矩传递装置的操作表，用以说明在各确定的挡位中哪些换挡组件闭合。
同时，图3所示的表格中给出了按照图2所示各齿轮齿数对应的的各挡位的速比，黑点的表格区代表闭合的换挡组件，空白的表格区代表断开的换挡组件。该表格仅体现图2示例齿数情况下的数值，并且每组数值会根据齿数的改变而改变。
图4是采用传动路线分析方法——杠杆原理所分析得到的结果，其中的两条水平线分别表示为：“0”水平线代表速度为零，“1”代表速度为输入转速及其转速与第一连接元件1相同。水平线上的字符参照图2所示的各构件连接原理图中的名称，其间距为各构件间的齿数及相互间的配比关系来确定，各构件间的直线表示固定连接其的相应连接元件，这种方式为本领域的技术人员常用的速度比较方式。
本发明中离合器处于输入为“1”的水平线的相应插置位置上，制动器处于固定的水平线“0”的相应插置位置上；速度传递线将通过起作用的制动器或离合器，速度传递线最终在输出轴即第七连接元件7上的数值即为该组扭矩传递装置操作情况下，输出的速度相对于输入速度的比值。
本发明自动变速器在各个挡位下有两个扭矩传递装置同时进行操作，下面详细描述各个实施方案情况下的本发明的行星轮系的每一个换挡速度及各构件的转速情况。
(1)前进一挡
在前进一挡时，仅闭合第一离合器C1和第四制动器B4。
第四制动器B4闭合时，第四行星架PC4连接至变速器壳体，固定不动；
第一连接元件1的速度“1”通过第一离合器C1输入第四连接元件4，第四连接元件4带动第三太阳轮S3作为速度“1”；
第六连接元件6通过第四制动器B4的连接至固定件上，其速度为0；
通过第三行星齿轮组PG3和第四行星齿轮组PG4的共同作用形成一个减小的速度传递到第七连接元件7(即输出轴)，该速度可以通过行星排太阳轮、行星架与齿圈的速度关系式n1-i0n2+(i0-1)n3＝0计算得到。
式中：n1——太阳轮转速；
n2——齿圈转速；
n3——行星架转速；
i0——齿圈的齿数与太阳轮的齿数之比；
其中，第四连接元件的速度“1”与第六连接元件6的速度“0”构成了前进一挡速度线，其与第七连接元件7的交点D1即为前进一挡速比。
(2)前进二挡
在前进二挡时，仅闭合第一离合器C1和第三制动器B3。
第一连接元件1的速度“1”通过第一离合器C1输入第四连接元件4，第四连接元件4带动第三太阳轮S3作为速度“1”；
第五连接元件5通过第三制动器B3的连接至固定件上，其速度为0；
通过第三行星齿轮组PG3的作用形成一个减小的速度传递到第七连接元件7(即输出轴)。其中，第四连接元件4的速度“1”与第五连接元件5的速度“0”构成了前进二挡速度线，其与第七连接元件7的交点D2即为前进二挡速比。
(3)前进三挡
在前进一挡时，仅闭合第一离合器C1和第二制动器B2。
第二制动器B2闭合时，第一齿圈A1、第二齿圈A2均连接至变速器壳体，固定不动；
第一连接元件1的速度“1”通过第一离合器C1的输入第四连接元件4，第四连接元件4带动第二太阳轮S2及第三太阳轮S3作为速度“1”；
第三连接元件3通过第二制动器B2连接至固定件上，其速度为0；
先通过第二行星齿轮组PG2的作用形成一个减小的速度“m”，后通过第三行星齿轮组PG3的作用形成一个速度“n”传递到第七连接元件7(即输出轴)，满足关系m<n<1。其中第四连接元件4的速度“1”与第三连接元件3的速度“0”构成了前进三挡速度线，其与第七连接元件7的交点D3即为前进三挡速比。
(4)前进四挡
在前进四挡时，仅闭合第一离合器C1和第一制动器B1。
第一制动器B1闭合时，第一行星架PC1连接至变速器壳体，固定不动；
第一连接元件1带动第一行星齿轮组PG1的第一太阳轮S1共同旋转的速度“1”通过第一离合器C1输入第四连接元件4，第四连接元件4带动第二太阳轮S2及第三太阳轮S3作为速度“1”；
第二连接元件2通过第二制动器B1连接至固定件，其速度为0；
首先，太阳轮S1的速度“1”经过第一行星齿轮组PG1的减速降为速度“a”并输出到第三连接元件3，再通过第二行星齿轮组PG2的作用形成一个速度“b”传递到第五连接元件5，速度“b”满足a<b<1，后经过第三行星齿轮组PG3的作用，输入一个速度“c”到第七连接元件7，速度“c”满足b<c<1。其中第四连接元件4的速度“1”与第三连接元件3的速度“a”构成了前进四挡速度线，其与第七连接元件7的交点D4即为前进四挡速比。
(5)前进五挡
在前进五挡时，仅闭合第一离合器C1及第二离合器C2。
第一连接元件1的速度“1”通过第一离合器C1输入第四连接元件4，第四连接元件4带动第三太阳轮S3作为速度“1”；
第一连接元件1的速度“1”通过第二离合器C2输入第五连接元件5，第五连接元件5带动第三齿圈A3作为速度“1”；在第三行星齿轮组PG3的作用下，第三行星架PC3输出速度“1”至第七连接元件，输出轴的速度也为“1”。
(6)前进六挡
在前进六挡时，仅闭合第二离合器C2和第一制动器B1。
第一制动器B1闭合时，第一行星架PC1与变速器壳体连接，固定不动；
第一连接元件1带动第一行星齿轮组PG1的第一太阳轮S1共同旋转的速度“1”通过第一离合器C2输入第五连接元件5，第五连接元件5带动第二行星齿轮组PC2及第三齿圈A3作为速度“1”；
第二连接元件2通过第一制动器B1连接至固定件，其速度为0；
首先，太阳轮S1的速度“1”经过第一行星齿轮组PG1的减速降为速度“a”并输出到第三连接元件3，通过第二行星齿轮组PG2的作用形成一个速度“d”传递到第四连接元件4，速度“d”满足a<1<d，后经过第三行星齿轮组PG3的作用，输入一个速度“e”到第七连接元件7，速度“e”满足a<1<e<d。其中第五连接元件5的速度“1”与第三连接元件3的速度“a”构成了前进六挡速度线，其与第连接元件7的交点D6即为前进六挡速比。
(7)前进七挡
在前进七挡时，仅闭合第二离合器C2和第二制动器B2。
第二制动器B2闭合时，第一齿圈A1、第二齿圈A2均连接至变速器壳体，固定不动；
第一连接元件1以速度“1”通过第一离合器C2的操作输入第五连接元件5，第五连接元件5带动第二行星齿轮组PC2及第三齿圈A3作为速度“1”；
第三连接元件3通过第二制动器B2连接至固定件，其速度为0；
首先，通过第二行星齿轮组PG2的作用形成一个增加的速度“f”传递到第四连接元件4，速度“f”满足1<f，后经过第三行星齿轮组PG3的作用，输入一个速度“g”到第七连接元件7，速度“g”满足1<g<f。其中第五连接元件5的速度“1”与第三连接元件3的速度“0”构成了前进七挡速度线，其与第七连接元件7的交点D7即为前进七挡速比。
(8)第一倒挡
在第一倒挡时，仅闭合第一制动器B1及第四制动器B4。
第四制动器B4闭合时，第四行星架PC4连接至变速器壳体，固定不动；
第二连接元件2通过第一制动器B1连接至固定件，其速度为0；
第六连接元件6通过第四制动器B4连接至固定件，其速度为0；
第一连接元件1带动第一行星齿轮组PG1的第一太阳轮S1以速度“1”旋转，通过第一行星齿轮组PG1的作用输出一个减少的速度至第三连接元件3；通过第二行星齿轮组PG2、第三行星齿轮组PG3及第四行星齿轮组PG4的共同作用输出一个反向的转速。其中第三连接元件3的速度与第六连接元件的速度“0”构成了第一倒挡的速度线，其与第七连接元件7的交点R1即为第一倒挡的速比。
(9)第二倒挡
在第二倒挡时，仅闭合第一制动器B1及第三制动器B3。
第三制动器B3闭合时，第五连接件5、第二行星架PC2、第三齿圈A3和第四齿圈A4均与变速器壳体相接，固定不动；
第二连接元件2通过第一制动器B1连接至固定件，其速度为0；
第五连接元件5通过第三制动器B3连接至固定件，其速度为0；
第一连接元件1带动第一行星齿轮组PG1的第一太阳轮S1以速度“1”旋转，通过第一行星齿轮组PG1的作用输出一个减小的速度至第三连接元件3；通过第二行星齿轮组PG2的作用输出一个反向的速度至第四连接元件4；在第三行星齿轮组PG3的作用之下，输出一个速度至第七连接元件7。其中第三连接元件3的速度与第五连接元件的速度“0”构成了第二倒挡的速度线，其与第七连接元件7的交点R2即为第二倒挡的速比。
上文所列举的各挡速度线显示在图4中，各挡速度线与过各构件名称的竖直线的交点即为该构件在该挡位情况下的转速情况。
这里需要说明的是，图2仅示例性的给出了图1所示变速器的一种特定的构造，各构件下面的数字代表该构件在该特定条件下的齿数，这些特定齿数不作为本发明的限定条件。

Claims (6)

1.一种液力自动变速器，包括变速器壳体、设置在变速器壳体内的离合器组件、制动器组件、行星齿轮组件以及连接件组件；
其特征在于：
所述离合器组件包括第一离合器(C1)和第二离合器(C2)；
所述制动器组件包括第一制动器(B1)～第四制动器(B4)；
所述行星齿轮组件包括设置在同一轴线上的第一行星齿轮组(PG1)～第四行星齿轮组(PG4)；
第一行星齿轮组(PG1)包括第一太阳轮(S1)、第一行星架(PC1)、第一行星轮(P1)和第一齿圈(A1)；
第二行星齿轮组(PG2)包括第二太阳轮(S2)、第二行星架(PC2)、第二行星轮(P2)和第二齿圈(A2)；
第三行星齿轮组(PG3)包括第三太阳轮(S3)、第三行星架(PC3)、第三行星轮(P3)和第三齿圈(A3)；
第四行星齿轮组(PG4)包括第四太阳轮(S4)、第四行星架(PC4)、第四行星轮(P4)和第四齿圈(A4)；
所述连接件组件包括第一连接元件(1)～第七连接元件(7)；第一连接元件(1)为整个液力自动变速器的输入，第七连接元件(7)为整个液力自动变速器的输出；
第一连接元件(1)依次通过第一离合器(C1)、第四连接元件(4)与所述第二太阳轮(S2)以及所述第三太阳轮(S3)相连；
第一连接元件(1)依次通过第二离合器(C2)、第五连接元件(5)与所述第二行星架(PC2)相连，第二行星架(PC2)同时与第三齿圈(A3)以及第四齿圈(A4)相连；
第一连接元件(1)直接与所述第一太阳轮(S1)相连；
第一行星架(PC1)依次通过第二连接元件(2)、第一制动器(B1)与所述变速器壳体相连；
第一齿圈(A1)、第二齿圈(A2)均依次通过第三连接元件(3)、第二制动器(B2)与所述变速器壳体相连；
第二行星架(PC2)、第三齿圈(A3)和第四齿圈(A4)均通过第三制动器(B3)与所述变速器壳体相连；
第四行星架(PC4)依次通过第六连接元件(6)、第四制动器(B4)与所述变速器壳体相连；
第三行星架(PC3)、第四太阳轮(S4)均与所述第七连接元件(7)相连。
2.根据权利要求1所述的液力自动变速器，其特征在于：所述第一行星齿轮组(PG1)为单排双级行星齿轮组，第二行星齿轮组(PG2)、第三行星齿轮组(PG3)和第四行星齿轮组(PG4)均为单排单级齿轮组。
3.根据权利要求2所述的液力自动变速器，其特征在于：所述第一行星齿轮组(PG1)中的第一行星轮(P1)至少有三组，每组有两个。
4.根据权利要求3所述的液力自动变速器，其特征在于：
所述第二行星齿轮组(PG2)中的第二行星轮(P2)至少有三个。
5.根据权利要求4所述的液力自动变速器，其特征在于：
所述第三行星齿轮组(PG3)中的第三行星轮(P3)至少有三个。
6.根据权利要求5所述的液力自动变速器，其特征在于：
所述第四行星齿轮组(PG4)中的第四行星轮(P4)至少有三个。
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