CN112096802B - 一种换挡扭矩不中断的变速箱及换挡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种换挡扭矩不中断的变速箱及换挡方法，旨在解决现有AMT换挡时需要摘挡‑调速‑挂挡的过程，使得挡位处在空挡时无动力输出的技术问题。该变速箱包括变速箱壳、输入轴、中间轴、输出轴、输入齿轮、套设在输出轴上的N个挡位齿以及设置在中间轴上的N+1个中间齿轮，N为大于等于1的正整数，还包括与输入齿轮及N个挡位齿轮一一对应的N+1个换挡机构；所述换挡机构包括驱动装置、夹紧组件、摩擦片以及对偶片，多片对偶片与多片摩擦片间隔设置；驱动装置推动夹紧组件运动，从而推动摩擦片轴向运动，使得摩擦片与对偶片夹紧或脱开。本发明还提出了该变速箱的换挡方法，利用摩擦片与对偶片的滑摩状态实现换挡时扭矩不中断。

Description

一种换挡扭矩不中断的变速箱及换挡方法
技术领域
本发明涉及一种变速箱，具体涉及一种换挡扭矩不中断的变速箱及换挡方法。
背景技术
机械式自动变速箱(Automated Mechanical Transmission，AMT)是在传统的手动变速箱基础上改进而来，既有自动变速箱自动变速的优点，又保留了手动变速齿轮的传动效率高、成本低、结构简单和易制造的特点。通常，手动变速箱采用同步器结构，带同步器变速箱换挡时同步器要先从上一挡位摘回空挡，再由同步器来同步掉上一挡位和目标挡位的转速差，实现换挡。而AMT变速箱部分采用滑套结构，滑套结构换挡时也需要先回到空挡，然后必须由发动机或者电机调速，待目标挡转速和上一挡转速在一定转速差范围内时方能挂进新挡位。这种换挡时需要有摘挡-调速-挂挡的过程，挡位处在空挡时无动力输出，空挡等待的时间越长，则意味着动力中断时间越长，这种车辆行驶中的动力中断易于产生一系列的安全问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有AMT换挡时需要摘挡-调速-挂挡的过程，使得挡位处在空挡时无动力输出的技术问题，提出一种换挡扭矩不中断的变速箱及换挡方法，在保持现有双中间轴变速箱优势的基础上，能够实现换挡时扭矩不中断的效果。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种换挡扭矩不中断的变速箱，包括变速箱壳2、同轴设置的输入轴1和输出轴6、中间轴3、设置在输入轴1上的输入齿轮、套设在输出轴6上的N个挡位齿轮以及设置在中间轴3上的N+1个中间齿轮，N为大于等于1的正整数，其特殊之处在于：
还包括与输入齿轮及N个挡位齿轮一一对应的N+1个换挡机构；
所述换挡机构包括驱动装置、夹紧组件5、摩擦片8以及与摩擦片8摩擦离合的对偶片10；
所述摩擦片8同轴设置在输出轴6上；所述对偶片10同轴固定连接在相应的挡位齿轮或输入齿轮上；
所述夹紧组件5包括推杆51、支撑结构52及压盘53；
所述驱动装置设置在变速箱壳2上，并与推杆51的一端连接，用于驱动推杆51的一端往返运动；所述推杆51的另一端与连接端55铰接，所述连接端55与压盘53滑动连接；所述推杆51的中部与支撑结构52的一端铰接；所述支撑结构52的另一端与相应的挡位齿轮或输入齿轮滑动连接；
所述压盘53套设在输出轴6上，可在推杆51带动下与摩擦片8的外侧接触或分离。
进一步地，所述输入齿轮和输入轴1为一体式齿轮轴。
进一步地，所述输入轴1右侧轴端开有盲孔；所述盲孔与输出轴6之间设置有圆柱滚子轴承13。
进一步地，所述摩擦片8通过花键设置在输出轴6上；所述对偶片10通过销子102与挡位齿轮固定连接。
进一步地，所述摩擦片8及对偶片10均为多个，且摩擦片8与对偶片10间隔设置。
进一步地，所述驱动装置为气缸4或者油缸。
进一步地，所述N等于3，所述挡位齿轮为1挡齿轮7、2挡齿轮9、3挡齿轮11，所述输入齿轮为4挡齿轮12。
进一步地，所述推杆51的另一端设置有连接端55，所述压盘53上设置有第一滑槽54；所述连接端55嵌入所述第一滑槽54内且在第一滑槽54内滑动；所述连接端55为截面是圆形或方形的弧形滑块。
进一步地，所述支撑结构52包括设置在相应的挡位齿轮或输入齿轮圆周侧面的第二滑槽101、嵌入第二滑槽101内且相对第二滑槽101运动的至少一个连接头56以及连接所述连接头56的支撑体57；所述支撑体57与推杆51的中部铰接；所述连接头56为滑动块或滚动球；所述支撑体57为支撑弧段或支撑圆环。
同时，本发明还提出上述换挡扭矩不中断的变速箱的换挡方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)正常行驶时：所在挡位的夹紧组件5处于完全夹紧状态，从输入轴1传入的动力经输入齿轮传递到中间轴3，中间轴3传递扭矩经挡位齿轮、对偶片10、摩擦片8后，再传递到输出轴6输出；
2)升挡时：减小低挡位换挡机构夹紧力，同时给高挡位换挡机构施加一定的夹紧力，使高挡位摩擦片8和对偶片10处于能传递部分扭矩且扭矩逐渐增加的滑摩状态，同时低挡位摩擦片8和对偶片10处于能传递部分扭矩且扭矩逐渐减小的未完全脱开状态，直到低挡位完全脱开，高挡位完全夹紧，完成变速箱的升挡；
3)降挡时：减小高挡位换挡机构夹紧力，同时给低挡位换挡机构施加一定的夹紧力，使高挡位摩擦片8和对偶片10处于能传递部分扭矩且扭矩逐渐减小的滑摩状态，同时低挡位摩擦片8和对偶片10处于能传递部分扭矩且扭矩逐渐增加的逐渐未完全夹紧状态，直到高挡位完全脱开，低挡位完全夹紧，完成变速箱的降挡。
本发明的有益效果是：
1)本发明提出一种换挡扭矩不中断的变速箱，特别是使用在新型商用车AMT上，在保持现有双中间轴变速箱优势的基础上，能够实现换挡时扭矩不中断，保证换挡的平顺和整车动力的持续输出。
2)本发明变速箱中，摩擦片通过花键与输出轴连成一体，对偶片通过销子与输出轴上的各挡位齿轮连成一体。当夹紧组件推动摩擦片时，从中间轴传递过来的扭矩则通过输出轴上的各挡齿轮传递到对偶片上，对偶片和摩擦片之间夹紧产生摩擦力，圆周方向的摩擦力形成扭矩，摩擦扭矩再传递到输出轴予以输出，完成扭矩传递。该扭矩传递结构简单，易于实现。
3)本发明变速箱的各换挡机构中，夹紧组件与支撑结构产生的夹紧力为挡位齿轮的内力，不会对挡位齿轮产生轴向推力，不影响档位齿轮的正常使用寿命。
4)本发明提出的换挡扭矩不中断的变速箱换挡方法，在换挡时，高挡位摩擦片和对偶片处于滑摩状态，能传递部分扭矩，保证换挡过程中传递扭矩不中断，避免了换挡时动力中断的安全问题。
附图说明
图1为本发明变速箱结构原理示意图；
图2为本发明变速箱中夹紧组件的结构原理示意图；
图3为本发明变速箱中夹紧组件的推杆与压盘连接结构示意图；
图4为本发明变速箱中夹紧组件的推杆连接端截面为圆形的弧形滑块嵌入压盘第一滑槽结构示意图，其中，(a)为嵌入后的结构示意图；(b)为以分体方式嵌入后的结构示意图；(c)为连接端在压盘平面投影示意图；
图5为本发明变速箱中夹紧组件的推杆连接端截面为方形的弧形滑块嵌入压盘第一滑槽结构示意图；
图6为本发明变速箱中夹紧组件的支撑结构侧视图；
图7为本发明变速箱中夹紧组件的多个连接头支撑结构安装示意图。
附图标记说明：
1-输入轴，2-变速箱壳，3-中间轴，4-气缸，5-夹紧组件，51-推杆，52-支撑结构，53-压盘，54-第一滑槽，55-连接端，56-连接头，57-支撑体，6-输出轴，7-1挡齿轮，8-摩擦片，9-2挡齿轮，10-对偶片，101-第二滑槽，102-销子，11-3挡齿轮，12-4挡齿轮，13-圆柱滚子轴承。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明提出一种新型的商用车变速箱结构，通过变更输出轴总成的结构即将现有的同步器或滑套结构变更为多片式摩擦片的结构形式，并增加夹紧组件和气缸。以4挡变速箱为例，如图1所示，变速箱包括输入轴1、变速箱壳2、中间轴3、气缸4、夹紧组件5、输出轴6、1挡齿轮7、摩擦片8、2挡齿轮9、对偶片10、3挡齿轮11、4挡齿轮12以及圆柱滚子轴承13。其中，输入轴1右侧轴端开有盲孔，输出轴6装上圆柱滚子轴承13后，再插入输入轴1的盲孔中。
本发明输出轴上各挡位齿轮经过特殊设计，可以装入对偶片10和摩擦片8，对偶片10和摩擦片8间隔设置，一个对偶片10，一个摩擦片8，这样装若干层，形成类似离合器的结构，装入的对偶片10和摩擦片8的数量依据需要传递的扭矩确定，数量越多摩擦力越大，可传递的扭矩越大。
对偶片10和摩擦片8的外侧设置夹紧组件5。如图2所示，夹紧组件5包括推杆51、支撑结构52及压盘53。
推杆51的一端与气缸4连接，其另一端为拨叉状，端头铰接两个连接端55，连接端55与压盘53的两端滑动连接。其连接结构示意如图3所示，其连接端55设置在压盘53上的第一滑槽54内，为了减小摩擦力，可将连接端55设计成球形结构或者增设端面轴承。本发明中，连接端55与第一滑槽54配合方式如图4、图5所示，连接端55可以为截面是圆形或方形的弧形滑块。图4中，(a)为嵌入后的结构示意图；(b)为压盘53采用分体方式，嵌入连接端55后，采用螺钉将压盘53紧固为一体结构；(c)为弧形滑块连接端55在压盘53平面的投影图。压盘53的另一侧与摩擦片8接触。
支撑结构52的一端与推杆51中部铰接，另一端在挡位齿轮上滑动，如图6所示，在对偶片10的连接盘侧面设有第二滑槽101，支撑结构设置在第二滑槽101的外侧。如图7所示，支撑结构52的多个连接头56可在第二滑槽101中滑动，为了减小摩擦力，可将连接头56设计成球形结构或者增设端面轴承。本发明中，连接头56可以设计为滚动球接头、也可以设置滑动块接头，支撑体57可设计为弧段或圆环形状。在其他设计中，支撑结构52的另一端也可固定在变速箱壳2上。气缸4驱动推杆51的一端移动，支撑结构52作为支点，推杆51的另一端通过杠杆原理将推力放大后通过压盘53作用在摩擦片8上。
在其它设计中作为驱动装置的气缸4也可以采用油缸代替。
摩擦片8通过花键与输出轴6连成一体，摩擦片上有内花键，输出轴上有外花键。对偶片10通过销子102与输出轴6上的各挡位齿轮连成一体。当夹紧组件5推动摩擦片8时，摩擦片8和对偶片10之间产生摩擦力，圆周方向的摩擦力形成扭矩，从中间轴3传递过来的扭矩则通过输出轴6上的各挡齿轮传到摩擦片8和对偶片10上，摩擦片8和对偶片10上的摩擦扭矩再传递到输出轴6予以输出，完成扭矩传递。
本发明可以实现换挡时传递扭矩不中断，具体方式是：当从低挡升入高挡时，在减小低挡位夹紧组件5的夹紧力的同时，适当的给高挡位的夹紧组件5施加一定的夹紧力，此时，输出轴6的转速和低挡位齿轮转速一致，高挡位齿轮转速高于输出轴6转速，通过给高挡位摩擦片8施加夹紧力，高挡位摩擦片8和对偶片10处于滑摩状态，能传递部分扭矩，而低挡位摩擦片8和对偶片10没有完全脱开，也能传递部分扭矩，这样可以保证两者传递的扭矩合力在换挡的过程中保持不变，低挡位传递扭矩在减小的同时，高挡位扭矩逐渐增加，直到低挡位完全脱开，高挡位完全夹紧，完成升挡过程。
本发明变速箱的工作过程如下：
1)正常行驶时扭矩传递过程为：从输入轴1传入的动力，经4挡齿轮12传递到两中间轴3，其中，4挡齿轮12与输入轴1为一体式齿轮轴，1挡齿轮7、2挡齿轮9、3挡齿轮11空套在输出轴6上，对偶片10通过销子102和各挡齿轮固连，摩擦片8通过花键与输出轴6连在一起。传递到中间轴3的扭矩减半，即每个中间轴3只传递一半的输入轴1扭矩，扭矩对称传递。由于正常行驶时，所在挡位的夹紧组件5处于完全夹紧状态，此时从中间轴传递来扭矩经各挡位齿轮、对偶片10、摩擦片8再传递到输出轴予以输出。摩擦片8和和对偶片10能传递的扭矩跟摩擦片摩擦系数、摩擦片受到的压力、摩擦片数和摩擦片有效摩擦直径有关。
2)当输入轴1的转速达到电机或者发动机的升挡转速开始升挡时，在减小低挡位夹紧组件5的夹紧力的同时，适当的给高挡位的夹紧组件5施加一定的夹紧力，此时，输出轴6的转速和低挡位齿轮转速一致，高挡位齿轮转速高于输出轴转速，通过夹紧组件5给高挡位摩擦片8施加夹紧力，高挡位摩擦片8和对偶片10处于滑摩状态，能传递部分扭矩，而低挡位摩擦片8和对偶片10没有完全脱开，也能传递部分扭矩，这样可以保证两者传递的扭矩合力在换挡的过程中保持不变，低挡位传递扭矩在减小的同时，高挡位扭矩逐渐增加，直到低挡位完全脱开，高挡位完全夹紧，完成升挡过程。
3)当输入轴1的转速达到电机或者发动机的降挡转速开始降挡时，减小高挡位夹紧组件5的夹紧力，使摩擦片8和对偶片10产生滑摩现象，但是由于没有完全松开，还能继续传递扭矩，传递扭矩的大小取决于此时的夹紧力。由于存在滑摩，电机或发动机转速得以快速升高，待升高到低挡位目标转速时，慢慢夹紧低挡位对应的摩擦片8和对偶片10，此时低挡位和高挡位同时传递扭矩，然后逐渐松开高挡位夹紧组件5而夹紧低挡位，这样就完成了降挡过程。
本发明不限于4挡变速箱。在其它设计中，也可将多片式摩擦片设置在两中间轴各挡位齿轮处。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并非对本发明技术方案的限制，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (10)

1.一种换挡扭矩不中断的变速箱，包括变速箱壳(2)、同轴设置的输入轴(1)和输出轴(6)、中间轴(3)、设置在输入轴(1)上的输入齿轮、套设在输出轴(6)上的N个挡位齿轮以及设置在中间轴(3)上的N+1个中间齿轮，N为大于等于1的正整数，其特征在于：
还包括与输入齿轮及N个挡位齿轮一一对应的N+1个换挡机构；
所述换挡机构包括驱动装置、夹紧组件(5)、摩擦片(8)以及与摩擦片(8)摩擦离合的对偶片(10)；
所述摩擦片(8)同轴设置在输出轴(6)上；所述对偶片(10)同轴固定连接在相应的挡位齿轮或输入齿轮上；
所述夹紧组件(5)包括推杆(51)、支撑结构(52)及压盘(53)；
所述驱动装置设置在变速箱壳(2)上，并与推杆(51)的一端连接，用于驱动推杆(51)的一端往返运动；所述推杆(51)的另一端与连接端(55)铰接，所述连接端(55)与压盘(53)滑动连接；所述推杆(51)的中部与支撑结构(52)的一端铰接；所述支撑结构(52)的另一端与相应的挡位齿轮或输入齿轮滑动连接；
所述压盘(53)套设在输出轴(6)上，可在推杆(51)带动下与摩擦片(8)的外侧接触或分离。
2.根据权利要求1所述一种换挡扭矩不中断的变速箱，其特征在于：所述输入齿轮和输入轴(1)为一体式齿轮轴。
3.根据权利要求2所述一种换挡扭矩不中断的变速箱，其特征在于：所述输入轴(1)右侧轴端开有盲孔；所述盲孔与输出轴(6)之间设置有圆柱滚子轴承(13)。
4.根据权利要求3所述一种换挡扭矩不中断的变速箱，其特征在于：所述摩擦片(8)通过花键设置在输出轴(6)上；所述对偶片(10)通过销子(102)与挡位齿轮固定连接。
5.根据权利要求1至4任一所述一种换挡扭矩不中断的变速箱，其特征在于：所述摩擦片(8)及对偶片(10)均为多个，且摩擦片(8)与对偶片(10)间隔设置。
6.根据权利要求5所述一种换挡扭矩不中断的变速箱，其特征在于：所述驱动装置为气缸(4)或者油缸。
7.根据权利要求6所述一种换挡扭矩不中断的变速箱，其特征在于：所述N等于3，所述挡位齿轮为1挡齿轮(7)、2挡齿轮(9)、3挡齿轮(11)，所述输入齿轮为4挡齿轮(12)。
8.根据权利要求7所述一种换挡扭矩不中断的变速箱，其特征在于：所述压盘(53)上设置有第一滑槽(54)；所述连接端(55)嵌入所述第一滑槽(54)内且在第一滑槽(54)内滑动；所述连接端(55)为截面是圆形或方形的弧形滑块。
9.根据权利要求8所述一种换挡扭矩不中断的变速箱，其特征在于：所述支撑结构(52)包括设置在相应的挡位齿轮或输入齿轮圆周侧面的第二滑槽(101)、嵌入第二滑槽(101)内且相对第二滑槽(101)运动的至少一个连接头(56)以及连接所述连接头(56)的支撑体(57)；
所述支撑体(57)与推杆(51)的中部铰接；
所述连接头(56)为滑动块或滚动球；所述支撑体(57)为支撑弧段或支撑圆环。
10.一种换挡扭矩不中断的变速箱换挡方法，采用权利要求1至9任一所述换挡扭矩不中断的变速箱结构，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、正常行驶时：所在挡位的夹紧组件(5)处于完全夹紧状态，从输入轴(1)传入的动力经输入齿轮传递到中间轴(3)，中间轴(3)传递扭矩经挡位齿轮、对偶片(10)、摩擦片(8)后，再传递到输出轴(6)输出；
步骤2、升挡时：减小低挡位换挡机构夹紧力，同时给高挡位换挡机构施加一定的夹紧力，使高挡位摩擦片(8)和对偶片(10)处于能传递部分扭矩且扭矩逐渐增加的滑摩状态，同时低挡位摩擦片(8)和对偶片(10)处于能传递部分扭矩且扭矩逐渐减小的未完全脱开状态，直到低挡位完全脱开，高挡位完全夹紧，完成变速箱的升挡；
步骤3、降挡时：减小高挡位换挡机构夹紧力，同时给低挡位换挡机构施加一定的夹紧力，使高挡位摩擦片(8)和对偶片(10)处于能传递部分扭矩且扭矩逐渐减小的滑摩状态，同时低挡位摩擦片(8)和对偶片(10)处于能传递部分扭矩且扭矩逐渐增加的逐渐未完全夹紧状态，直到高挡位完全脱开，低挡位完全夹紧，完成变速箱的降挡。
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