CN113389869A - 一种集齿轮-液压-菱锥为一体的多模式复合传动装置 - Google Patents

一种集齿轮-液压-菱锥为一体的多模式复合传动装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种集齿轮‑液压‑菱锥为一体的多模式复合传动装置，包括输入组件、液压传动机构、前行星齿轮机构、菱锥式无级变速传动机构、后行星齿轮机构、输出组件、离合器组件和制动器组件；所述离合器组件将输入组件的输出端分别与液压传动机构的输入端和前行星齿轮机构的输入端连接；所述离合器组件将液压传动机构的输出端分别与前行星齿轮机构和后行星齿轮机构连接；所述离合器组件将前行星齿轮机构、菱锥式无级变速传动机构、后行星齿轮机构和输出组件依次连接；所述离合器组件和制动器组件提供输入组件与输出组件之间连续的传动比。本发明可满足工程机械多工况作业要求，提高发动机功率利用率，改善燃油经济性。

Description

一种集齿轮-液压-菱锥为一体的多模式复合传动装置
技术领域
本发明涉及变速传动装置领域，特别涉及一种集齿轮-液压-菱锥为一体的多模式复合传动装置。
背景技术
近年来，随着城市的发展与重点工程建设的加快，工程机械有了更大的市场和发展空间，工程机械作业环境复杂多变，作业过程中发动机负载变化大，机械运行速度变化频繁，因此，通过变速传动装置适时地变化转速和转矩以适应实际负荷的不断变化，保证车辆的动力性和燃油经济性，对于工程机械来说十分重要。
目前应用在工程机械上的变速传动方式一般有齿轮单流传动、液压单流传动、液压-齿轮复合传动；齿轮单流传动效率高，但传动比固定，操作过程中需要频繁换挡；液压单流传动能够方便地实现无级调速，且传递转矩大，但其传动效率低；液压-齿轮复合传动是一种液压功率流和机械功率流并联的一种传动方式，兼具了齿轮传动的高效率和液压传动的大转矩，但其对变量液压泵和定量液压马达及液压系统要求高，菱锥式无级变速传动具有传动功率大、承载能力强、输出转速低的特点，也多用于工程机械，但其传动比变化范围有限。
现有技术仅涉及到单流传动装置和两种单流传动并联的复合传动装置的设计，未能完全满足工程机械不同工况下对传动装置多模式，尤其是多种复合模式的设计要求。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种集齿轮-液压-菱锥为一体的多模式复合传动装置，通过切换离合器组件和制动器组件，实现液压传动、齿轮传动、菱锥式无级变速传动、液压-齿轮复合传动、齿轮-菱锥复合传动、液压-菱锥串联复合传动、液压-菱锥并联复合传动和齿轮-液压-菱锥复合传动多种模式的切换。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种集齿轮-液压-菱锥为一体的多模式复合传动装置，包括输入组件、液压传动机构、前行星齿轮机构、菱锥式无级变速传动机构、后行星齿轮机构、输出组件、离合器组件和制动器组件；所述离合器组件将输入组件的输出端分别与液压传动机构的输入端和前行星齿轮机构的输入端连接；所述离合器组件将液压传动机构的输出端分别与前行星齿轮机构和后行星齿轮机构连接；所述离合器组件将前行星齿轮机构与菱锥式无级变速传动机构连接、将菱锥式无级变速传动机构与后行星齿轮机构连接、将后行星齿轮机构与输出组件连接；所述离合器组件和制动器组件提供输入组件与输出组件之间连续的传动比。
进一步，通过调节液压传动机构的排量比、调节菱锥式无级变速传动机构的传动比和选择性控制所述离合器组件与制动器组件的接合，提供输入组件与输出组件之间的液压传动H、齿轮传动G和菱锥式无级变速传动S中的任意一种或任意两种组合或三种组合的传动方式。
进一步，所述离合器组件包括第一离合器C1、第二离合器C2、第三离合器C3、第五离合器C5、第七离合器C7、第八离合器C8、单向离合器F和第十离合器C10；所述第一离合器C1用于选择性地将输入组件与液压传动机构输入端连接；所述第二离合器C2用于选择性地将液压传动机构输出端连接到前行星齿轮机构的齿圈以共同旋转；所述第三离合器C3用于选择性地将液压传动机构输出端连接到后行星齿轮机构的行星架以共同旋转；所述第五离合器C5用于选择性地将前行星齿轮机构的太阳轮连接到前行星齿轮机构的行星架以共同旋转；所述第七离合器C7用于选择性地将前行星齿轮机构的行星架连接到第三齿轮副以共同旋转；所述第八离合器C8用于选择性地将第四齿轮副连接到后行星齿轮机构的行星架以共同旋转；第三齿轮副通过中间轴与第四齿轮副连接；所述单向离合器F用于控制第四齿轮副连接到后行星齿轮机构行星架动力的正向传递；所述第十离合器C10用于选择性地将后行星齿轮机构的行星架连接到后行星齿轮机构的齿圈以共同旋转；通过调节液压传动机构的排量比和选择性控制第一离合器C1、第三离合器C3和第十离合器C10的接合，或通过调节液压传动机构的排量比和选择性控制第一离合器C1、第二离合器C2、第五离合器C5、第七离合器C7、第八离合器C8、单向离合器F和第十离合器C10的接合，提供输入组件和输出组件之间各自相异的液压传动H。
进一步，所述离合器组件还包括第四离合器C4，所述第四离合器C4用于选择性地将输入组件连接到前行星齿轮机构的太阳轮以共同旋转；所述制动器组件包括制动器B，所述制动器B用于选择性地将前行星齿轮机构的齿圈连接到固定件；通过控制所述第四离合器C4、第七离合器C7、第八离合器C8、单向离合器F、第十离合器C10和制动器B的接合，提供输入组件和输出组件之间的齿轮传动G。
进一步，所述离合器组件还包括第六离合器C6和第九离合器C9；所述第六离合器C6用于选择性地将前行星齿轮机构的行星架连接到菱锥式无级变速传动机构输入端以共同旋转；所述第九离合器C9用于选择性地将菱锥式无级变速传动机构输出端连接到后行星齿轮机构的太阳轮以共同旋转；通过调节菱锥式无级变速传动机构的传动比和选择性控制所述第四离合器C4、第五离合器C5、第六离合器C6、第九离合器C9和第十离合器C10的接合，提供输入组件和输出组件之间的菱锥式无级变速传动S。
进一步，通过调节液压传动机构的排量比和选择性的控制第一离合器C1、第二离合器C2、第四离合器C4、第七离合器C7、第八离合器C8、单向离合器F和第十离合器C10的接合，提供输入组件和输出组件之间的液压-齿轮复合传动HG；
通过调节菱锥式无级变速传动机构的传动比和选择性的控制第四离合器C4、第五离合器C5、第六离合器C6、第七离合器C7、第八离合器C8、单向离合器F和第九离合器C9的接合，提供输入组件和输出组件之间的齿轮-菱锥复合传动GS；
通过调节液压传动机构的排量比、调节菱锥式无级变速传动机构的传动比和选择性的控制第一离合器C1、第五离合器C5、第六离合器C6和第九离合器C9接合，通过选择性的控制第二离合器C2和第十离合器C10的接合或第三离合器C3和第四离合器C4的接合，提供输入组件和输出组件之间的各自相异的液压-菱锥串并联复合传动HS。
进一步，通过调节液压传动机构的排量比、调节菱锥式无级变速传动机构的传动比和选择性控制第一离合器C1、第二离合器C2、第四离合器C4、第六离合器C6、第九离合器C9和第十离合器C10的接合，提供输入组件和输出组件之间的液压-菱锥-齿轮复合传动HSG。
进一步，通过调节液压传动机构的排量比、调节菱锥式无级变速传动机构的传动比和选择性控制离合器与制动器组件的接合，提供“液压传动H→齿轮传动G→液压-齿轮复合传动HG→液压-菱锥-齿轮复合传动HSG”传动方式之间的无级调速切换。
进一步，通过调节菱锥式无级变速传动机构的传动比和选择性控制离合器与制动器组件的接合，提供“齿轮-菱锥复合传动GS→菱锥式无级变速传动S”传动方式之间的无级调速切换。
进一步，通过调节液压传动机构的排量比、调节菱锥式无级变速传动机构的传动比和控制离合器组件的接合，提供“液压传动H→菱锥式无级变速传动S→液压-菱锥复合传动HS”传动方式之间的无级调速切换。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的集齿轮-液压-菱锥为一体的多模式复合传动装置，通过切换离合器组件和制动器组件，实现齿轮传动、液压传动、菱锥式无级变速传动、液压-齿轮复合传动、齿轮-菱锥复合传动、液压-菱锥串联复合传动、液压-菱锥并联复合传动、齿轮-液压-菱锥复合传动多种模式的切换，可满足工程机械多工况作业要求，提高发动机功率利用率，改善燃油经济性。
2.本发明所述的集齿轮-液压-菱锥为一体的多模式复合传动装置，有效减小了换挡冲击，增大了速比调节范围；液压传动起步快、工作平稳，易于实现快速而无冲击地变速与换向，菱锥式无级变速器传动比变化过程具有连续性，在使用过程中对机构的冲击极小，且在菱锥式无级变速传动机构与后行星齿轮机构之间设置有单向离合器，可消除换挡时的降挡冲击。
3.本发明所述的集齿轮-液压-菱锥为一体的多模式复合传动装置，设置了液压-菱锥串联、液压-菱锥并联两种传动模式，液压-菱锥串联传动方式有效拓宽了调速范围，能够满足大范围非线性无级调速的要求，液压-菱锥并联传动方式提高了系统传动效率，能够满足区域内高效无级调速的要求。
附图说明
图1为本发明所述的集齿轮-液压-菱锥为一体的多模式复合传动装置结构原理图。
图2为本发明所述的液压传动H1模式功率流示意图。
图3为本发明所述的液压传动H2模式功率流示意图。
图4为本发明所述的齿轮传动G模式功率流示意图。
图5为本发明所述的菱锥式无级变速传动S模式功率流示意图。
图6为本发明所述的液压-齿轮复合传动HG功率流示意图。
图7为本发明所述的齿轮-菱锥复合传动GS功率流示意图。
图8为本发明所述的液压-菱锥串联复合传动HS1功率流示意图。
图9为本发明所述的液压-菱锥并联复合传动HS2功率流示意图。
图10为本发明所述的液压-菱锥-齿轮复合传动HSG复合传动功率流示意图。
图11为本发明所述的模式切换过程(H2→G→HG→HSG)输出转速与输入转速关系图。
图12为本发明所述的模式切换过程(GS→S)输出转速与输入转速关系图。
图13为本发明所述的模式切换过程(H1→S→HS)输出转速与输入转速关系图。
图中：
1-输入组件；1-1-发动机；1-2-输入轴；1-3-第四离合器C4；1-4-第一齿轮副；2-液压传动机构；2-1-液压传动输入轴；2-2-第一离合器C1；2-3-变量液压泵；2-4-定量液压马达；2-5-液压传动输出轴；2-6-第二离合器C2；2-7-第三离合器C3；3-前行星齿轮机构；3-1-前行星齿轮太阳轮；3-2-第五离合器C5；3-3-前行星齿轮行星架；3-4-前行星齿轮齿圈；3-5-制动器B；3-6-第二齿轮副；3-7-前行星齿轮机构动力输出轴；4-菱锥式无级变速传动机构；4-1-第六离合器C6；4-2-第七离合器C7；4-3-菱锥式无级变速传动机构动力输入轴；4-4-第三齿轮副；4-5-菱锥式无级变速器；4-6-中间轴；4-7-菱锥式无级变速传动机构动力输出轴；4-8-第四齿轮副；4-9-定速比传动装置输出齿轮轴；4-10-第九离合器C9；4-11-单向离合器F；4-12-第八离合器C8；5-后行星齿轮机构；5-1-第十离合器C10；5-2-后行星齿轮太阳轮；5-3-后行星齿轮行星架；5-4-后行星齿轮齿圈；5-5-第五齿轮副；6-输出组件。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明所述的集齿轮-液压-菱锥为一体的多模式复合传动装置，包括输入组件1、液压传动机构2、前行星齿轮机构3、菱锥式无级变速传动机构4、后行星齿轮机构5、输出组件6、离合器组件和制动器组件；所述离合器组件将输入组件1的输出端分别与液压传动机构2的输入端和前行星齿轮机构3的输入端连接；所述离合器组件将液压传动机构2的输出端分别与前行星齿轮机构3和后行星齿轮机构5连接；所述离合器组件将前行星齿轮机构3与菱锥式无级变速传动机构4连接、将菱锥式无级变速传动机构4与后行星齿轮机构5连接、将后行星齿轮机构5与输出组件6连接；所述离合器组件和制动器组件提供输入组件1与输出组件6之间连续的传动比。
输入组件1包括发动机1-1、输入轴1-2、第四离合器C4 1-3和第一齿轮副1-4；所述发动机1-1的输入轴1-2通过第一齿轮副1-4与液压传动机构2输入端连接。所述第四离合器C4 1-3用于选择性地将输入轴1-2连接到前行星齿轮机构3的太阳轮以共同旋转。通过接合第四离合器C4 1-3，发动机动力经输入轴1-2传递到前行星齿轮机构3。
液压传动机构2包括液压传动输入轴2-1、第一离合器C1 2-2、变量液压泵2-3、定量液压马达2-4、液压传动输出轴2-5、第二离合器C2 2-6和第三离合器C3 2-7；液压传动输入轴2-1与变量液压泵2-3连接，定量液压马达2-4与液压传动输出轴2-5连接，所述变量液压泵2-3用于驱动定量液压马达2-4，所述第一离合器C1 2-2用于选择性地将输入轴1-2与液压传动输入轴2-1连接；所述第二离合器C2 2-6用于选择性地将液压传动输出轴2-5通过第二齿轮副3-6连接到前行星齿轮齿圈3-4以共同旋转；所述第三离合器C3 2-7用于选择性地将液压传动输出轴2-5通过第五齿轮副5-5连接到后行星齿轮行星架5-3以共同旋转。
前行星齿轮机构3包括前行星齿轮太阳轮3-1、第五离合器C5 3-2、前行星齿轮行星架3-3、前行星齿轮齿圈3-4、制动器B 3-5、第二齿轮副3-6和前行星齿轮机构动力输出轴3-7；所述前行星齿轮太阳轮3-1、前行星齿轮行星架3-3和前行星齿轮齿圈3-4构成行星轮系；所述制动器B 3-5用于选择性地将前行星齿轮齿圈3-4固定；所述第五离合器C5 3-2用于选择性地将前行星齿轮太阳轮3-1连接到前行星齿轮行星架3-3以共同旋转，即将前行星齿轮机构3固连为一体；前行星齿轮机构动力输出轴3-7与前行星齿轮行星架3-3连接。
菱锥式无级变速传动机构4包括第六离合器C6 4-1、第七离合器C7 4-2、菱锥式无级变速传动机构动力输入轴4-3、第三齿轮副4-4、菱锥式无级变速器4-5、中间轴4-6、菱锥式无级变速传动机构动力输出轴4-7、第四齿轮副4-8、定速比传动装置输出齿轮轴4-9、第九离合器C9 4-10、单向离合器F 4-11和第八离合器C8 4-12；
其中第三齿轮副4-4与第四齿轮副4-8通过中间轴4-6相连接，三者共同构成菱锥式无级变速传动机构中的定速比传动装置；第四齿轮副4-8的输出齿轮通过定速比传动装置输出齿轮轴4-9空套在菱锥式无级变速传动机构动力输出轴4-7上，为防止菱锥式无级变速传动机构在挡位切换的过程中出现功率逆流的状况，在定速比传动装置输出齿轮轴4-9和后行星齿轮行星架5-3之间设置了单向离合器F 4-11，同时为了保证发动机反拖工况的实现，在定速比传动装置输出齿轮轴4-9和后行星齿轮行星架5-3之间除单向离合器F 4-11外，还并联装配了第八离合器C8 4-12；具体安装方式可以为：单向离合器F 4-11的内圈和第八离合器C84-12的主动盘通过花键固定在定速比传动装置输出齿轮轴4-9上，第八离合器C8 4-12的从动盘和单向离合器F 4-11的外圈通过连接轴套连接在一起，同时第八离合器C8 4-12的从动盘固连在后行星齿轮行星架5-3上，从而可将定速比传动机构的动力传递到后行星齿轮行星架5-3上；所述第六离合器C6 4-1用于选择性地将前行星齿轮机构动力输出轴3-7连接到菱锥式无级变速传动机构动力输入轴4-3以共同旋转；所述第七离合器C74-2用于选择性地将前行星齿轮机构动力输出轴3-7连接到第三齿轮副4-4以共同旋转；所述第九离合器C9 4-10用于选择性地将菱锥式无级变速传动机构动力输出轴4-7连接到后行星齿轮机构的太阳轮5-2以共同旋转；所述菱锥式无级变速传动机构动力输入轴4-3通过菱锥式无级变速器4-5连接到菱锥式无级变速传动机构动力输出轴4-7；所述菱锥式无级变速传动机构动力输出轴4-7通过第九离合器C9 4-10连接到后行星齿轮太阳轮5-2以共同旋转。
后行星齿轮机构5包括第十离合器C10 5-1、后行星齿轮太阳轮5-2；后行星齿轮行星架5-3、后行星齿轮齿圈5-4和第五齿轮副5-5；所述后行星齿轮太阳轮5-2、后行星齿轮行星架5-3和后行星齿轮齿圈5-4构成行星轮系；所述第十离合器C10 5-1用于选择性地将后行星齿轮行星架5-3连接到后行星齿轮齿圈5-4以共同旋转，即将后行星齿轮机构固连一体；所述输出组件6与后行星齿轮齿圈5-4相连接。
通过调节液压传动机构2的排量比,调节菱锥式无级变速传动机构4的传动比和选择性控制所述离合器组件与制动器组件的接合，提供输入组件1与输出组件6之间齿轮传动、液压传动、菱锥式无级变速传动、液压-齿轮复合传动、齿轮-菱锥复合传动、液压-菱锥串联复合传动、液压-菱锥并联复合传动和液压-菱锥-齿轮复合传动多种模式的切换。各个传动模式的接合元件如表1所示。具体如下：
表1模式切换元件接合状态
Figure BDA0003128904000000071
Figure BDA0003128904000000081
其中：▲代表执行元件处于接合状态，△代表执行元件处于分离状态；no(H1)为液压传动H1模式输出转速，no(H2)为液压传动H2模式输出转速，no(G)为齿轮传动G模式输出转速，no(S)为菱锥式无级变速传动S模式输出转速，no(HG)为液压-齿轮复合传动HG模式输出转速，no(GS)为齿轮-菱锥复合传动GS模式输出转速，no(HS1)为液压-菱锥串联复合传动HS1模式输出转速，no(HS2)为液压-菱锥并联复合传动HS2模式输出转速，no(HSG)为液压-菱锥-齿轮复合传动HSG模式的输出转速，nI为发动机转速，k1为前行星齿轮机构的行星齿轮特性参数，k2为后行星齿轮机构的行星齿轮特性参数，e为液压传动机构排量比，iS为菱锥式无级变速机构传动比，i1为第一齿轮副1-4的传动比，i2为第二齿轮副3-6的传动比，i3为第三齿轮副4-4的传动比，i4为第四齿轮副4-8的传动比，i5为第五齿轮副5-5的传动比。
液压传动H1传动模式如图2所示，仅接合第一离合器C1 2-2、第三离合器C3 2-7和第十离合器C10 5-1，其它离合器和制动器分离，此时输入轴1-2传递的发动机动力经第一齿轮副1-4驱动变量液压泵2-3工作，进而带动定量液压马达2-4转动，定量液压马达2-4输出的动力再经第五齿轮副5-5传递到后行星齿轮行星架5-3，此时后行星齿轮机构5固连为一体，动力从输出组件6输出。
液压传动H2传动模式如图3所示，仅接合第一离合器C1 2-2、第二离合器C2 2-6、第五离合器C5 3-2、第七离合器C7 4-2、第八离合器C8 4-12和第十离合器C10 5-1，其它离合器和制动器分离，单向离合器F 4-11的方向布置使它在这种情况下能和第八离合器C8 4-12共同传递正向扭矩，此时输入轴1-2传递的发动机动力，经第一齿轮副1-4驱动变量液压泵2-3工作，进而带动定量液压马达2-4转动，定量液压马达2-4输出的动力经第二齿轮副3-6传递到前行星齿轮齿圈3-4，此时前行星齿轮机构3固连为一体，动力再经第三齿轮副4-4、中间轴4-6和第四齿轮副4-8传递至后行星齿轮行星架5-3，此时后行星齿轮机构5固连为一体，动力从输出组件6输出。
齿轮传动G传动模式如图4所示，仅接合第四离合器C4 1-3、第七离合器C7 4-2、第八离合器C8 4-12、第十离合器C10 5-1和制动器B 3-5，其它离合器组件分离。单向离合器F4-11的方向布置使它在这种情况下能和第八离合器C8 4-12共同传递正向扭矩，此时输入轴1-2传递的发动机动力，经第四离合器C4 1-3驱动前行星齿轮太阳轮3-1，由于前行星齿轮齿圈3-4被制动器B 3-5制动，故动力由前行星齿轮行星架3-3输出至前行星齿轮机构动力输出轴3-7，再经第七离合器C7 4-2、第三齿轮副4-4、中间轴4-6、第四齿轮副4-8以及并联的第八离合器C8 4-12和单向离合器F 4-11传递到后行星齿轮行星架5-3，由于第十离合器C10 5-1接合，后行星齿轮机构5固连为一体，动力从输出组件6输出。
菱锥式无级变速传动S模式如图5所示，接合第四离合器C4 1-3、第五离合器C5 3-2、第六离合器C6 4-1、第九离合器C9 4-10和第十离合器C10 5-1，其它离合器和制动器分离。发动机动力经输入轴1-2传递到前行星齿轮机构太阳轮3-1，此时前行星齿轮机构3固连为一体，发动机动力经前行星齿轮机构3传递到菱锥式无级变速传动机构动力输入轴4-3驱动菱锥式无级变速器4-5，菱锥式无级变速器4-5通过改变菱锥与主从动轮两侧接触的工作直径以实现无级变速，菱锥式无级变速器输出的动力经菱锥式无级变速传动机构动力输出轴4-7传递到后行星齿轮太阳轮5-2，此时后行星齿轮机构5固连为一体，动力从输出组件6输出。
液压齿轮复合传动HG传动模式如图6所示，仅接合第一离合器C1 2-2、第二离合器C22-6、第四离合器C4 1-3、第七离合器C7 4-2、第八离合器C8 4-12和第十离合器C10 5-1，其它离合器和制动器分离。单向离合器F 4-11的方向布置使它在这种情况下能和第八离合器C84-12共同传递正向扭矩，此时输入轴1-2传递的发动机动力分两路传递：一路直达前行星齿轮太阳轮3-1；一路经第一齿轮副1-4传递到液压传动输入轴2-1驱动变量液压泵2-3，进而带动定量液压马达2-4转动，定量液压马达2-4输出的动力经液压传动输出轴2-5、第二齿轮副3-6传递至前行星齿轮齿圈3-4，两路动力在前行星齿轮行星架3-3处汇流，再经前行星齿轮机构动力输出轴3-7、第三齿轮副4-4、中间轴4-6、第四齿轮副4-8传递至后行星齿轮行星架5-3处，此时后行星齿轮机构5固连为一体，动力从输出组件6输出。
齿轮-菱锥复合传动GS传动模式如图7所示，仅接合第四离合器C4 1-3、第五离合器C5 3-2、第六离合器C6 4-1、第七离合器C7 4-2、第八离合器C8 4-12和第九离合器C9 4-10，其它离合器和制动器分离。单向离合器F 4-11的方向布置使它在这种情况下能和第八离合器C8 4-12共同传递正向扭矩，此时前行星齿轮机构3固连为一体，输入轴1-2传递的发动机动力经前行星齿轮机构3后分为两路：一路经前行星齿轮机构动力输出轴3-7、第三齿轮副4-4、中间轴4-6、第四齿轮副4-8传递至后行星齿轮行星架5-3；另一路经菱锥式无级变速传动机构动力输入轴4-3驱动菱锥式无级变速器4-5，菱锥式无级变速器4-5通过改变菱锥与主从动轮两侧接触的工作直径以实现无级变速，菱锥式无级变速器输出的动力经菱锥式无级变速传动机构动力输出轴4-7传递到后行星齿轮太阳轮5-2；两路动力在后行星齿轮齿圈5-4处汇流，经输出组件6输出。
液压-菱锥串联HS1传动模式如图8所示，仅接合第一离合器C1 2-2、第二离合器C22-6、第五离合器C5 3-2、第六离合器C6 4-1、第九离合器C9 4-10和第十离合器C10 5-1，其它离合器和制动器分离，此时输入轴1-2传递的发动机动力经第一齿轮副1-4传递到液压传动输入轴2-1驱动变量液压泵2-3，进而带动定量液压马达2-4转动，定量液压马达2-4输出的动力经液压传动输出轴2-5、第二齿轮副3-6传递至前行星齿轮齿圈3-4，此时前行星齿轮机构固连为一体，动力经菱锥式无级变速传动机构动力输入轴4-3驱动菱锥式无级变速器4-5，菱锥式无级变速器4-5通过改变菱锥与主从动轮两侧接触的工作直径以实现无级变速，菱锥式无级变速器输出的动力经菱锥式无级变速传动机构动力输出轴4-7传递到后行星齿轮太阳轮5-2，此时后行星齿轮机构5固连为一体，动力从输出组件6输出。
液压-菱锥并联HS2传动模式如图9所示，仅接合第一离合器C1 2-2、第三离合器C32-7、第四离合器C4 1-3、第五离合器C5 3-2、第六离合器C6 4-1和第九离合器C9 4-10，其它离合器和制动器分离。此时输入轴1-2传递的发动机动力分为两路，一路经第一齿轮副1-4传递到液压传动输入轴2-1驱动变量液压泵2-3，进而带动定量液压马达2-4转动，定量液压马达2-4输出的动力经液压传动输出轴2-5、第五齿轮副5-5传递至后行星齿轮行星架5-3；另一路经固连为一体的前行星齿轮机构3传递至菱锥式无级变速传动机构动力输入轴4-3，菱锥式无级变速传动机构动力输入轴4-3驱动菱锥式无级变速器4-5，锥式无级变速器4-5通过改变菱锥与主从动轮两侧接触的工作直径以实现无级变速，菱锥式无级变速器输出的动力经菱锥式无级变速传动机构动力输出轴4-7传递到后行星齿轮太阳轮5-2；两路动力在后行星齿轮齿圈5-4处汇流，经输出组件6输出。
液压-菱锥-齿轮复合传动HSG模式如图10所示，仅接合第一离合器C1 2-2、第二离合器C2 2-6、第四离合器C4 1-3、第六离合器C6 4-1、第九离合器C9 4-10和第十离合器C105-1，其它离合器和制动器分离，此时输入轴1-2传递的发动机动力分两路传递：一路直达前行星齿轮太阳轮3-1；另一路经第一齿轮副1-4传递到液压传动输入轴2-1驱动变量液压泵2-3，进而带动定量液压马达2-4转动，定量液压马达2-4输出的动力经液压传动输出轴2-5、第二齿轮副3-6传递至前行星齿轮齿圈3-4，两路动力在前行星齿轮行星架3-3处汇流，后经菱锥式无级变速传动机构动力输入轴4-3驱动菱锥式无级变速器4-5，菱锥式无级变速器4-5通过改变菱锥与主从动轮两侧接触的工作直径以实现无级变速，菱锥式无级变速器输出的动力经菱锥式无级变速传动机构动力输出轴4-7传递到后行星齿轮太阳轮5-2，此时后行星齿轮机构5固连为一体，动力从输出组件6输出。
如图11所示，通过调节液压传动机构2的排量比，调节菱锥式无级变速传动机构4的传动比和选择性控制所述离合器组件与制动器组件的接合，提供“液压传动H2→齿轮传动G→液压-齿轮复合传动HG→液压-菱锥-齿轮HSG”传动方式之间的无级调速切换。采用液压模式H2起步，输出转速随液压传动机构排量比e的增大线性增大，当e＝-1时，液压传动H2模式达到负向最大值，当e＝1时，液压传动H2模式达到正向最大值；当满足e∈[n0(H2)＝n0(G)]时，此时可同步切换到齿轮传动G模式，齿轮传动G模式为定传动比传动；当满足e∈[n0(G)＝n0(HG)]时，可以同步切换到液压-齿轮复合传动HG模式，当满足e∈[n0(HG)＝n0(HSG)]且e∈[0，1]、iS在所确定传动比范围内时，可以同步切换到液压-菱锥-齿轮HSG模式。
如图12所示，通过调节菱锥式无级变速传动机构4的传动比，选择性控制所述离合器组件和制动器组件的接合，提供“齿轮-菱锥复合传动GS→菱锥式无级变速传动S”传动方式之间的无级调速切换。采用齿轮-菱锥复合传动GS模式起步，当菱锥式无级变速器传动比iS从最小值变化到最大值时，no(GS)非线性增加；当no(GS)＝no(G)且iS在所确定传动比范围内时，齿轮-菱锥复合传动GS模式可同步切换到齿轮传动G模式，处于齿轮传动G模式时为定传动比；当菱锥式无级变速器传动比满足iS∈[no(GS)＝no(S)]时，齿轮-菱锥复合传动GS模式可同步切换到菱锥式无级变速传动S模式，当菱锥式无级变速器传动比iS从最大值变化到最小值时，no(S)非线性地增加；液压传动机构排量比e不影响该模式切换过程传动装置传动比的变化，传动装置仅通过改变iS在所确定传动比范围内无级变速。
如图13所示，通过调节液压传动机构2的排量比，调节菱锥式无级变速传动机构4的传动比和选择性控制所述离合器组件的接合，提供“液压传动H1→菱锥式无级变速传动S→液压-菱锥复合传动HS”传动方式之间的无级调速切换。采用模式H1起步，输出转速随液压传动机构排量比e的增加线性增大，当e＝1时，液压传动H1模式达到正向最大值；当同时满足e·iS∈[no(H1)＝no(S)]，且e∈[0，1]、iS在所确定传动比范围内时，液压传动H1模式可同步切换到菱锥式无级变速传动S模式，当菱锥式无级变速器传动比iS从最大值变化到最小值时，no(S)非线性地增加；当同时满足e·iS∈[no(S)＝no(HS1)]，且e∈[0，1]、iS在所确定传动比范围内时，菱锥式无级变速传动S模式可同步切换到液压-菱锥复合传动HS1模式；当同时满足e·iS∈[no(S)＝no(HS2)]，且e∈[0，1]、iS在所确定传动比范围内时，菱锥式无级变速传动S模式可同步切换到液压-菱锥复合传动HS2模式，切换的位置不同，导致液压-菱锥复合传动HS1模式输出值不同，但输出转速随液压传动机构排量比e的减小而线性减小。
实施例举例说明：
主要参数为：i1i2＝1，i3i4＝1.25，i1i5＝1，k1＝1.5，k2＝2.5，iS∈[0.357，1.6]。
模式切换过程一：液压传动H2→齿轮传动G→液压-齿轮复合传动HG→液压-菱锥-齿轮HSG；
液压传动H2输出-输入转速关系为：
Figure BDA0003128904000000111
齿轮传动G输出-输入转速关系为：
Figure BDA0003128904000000112
液压-齿轮复合传动HG输出-输入转速关系为：
Figure BDA0003128904000000121
液压-菱锥-齿轮传动HSG输出-输入转速关系为：
Figure BDA0003128904000000122
如图11所示，采用液压传动模式H2起步，输出转速随液压传动机构排量比e的增大线性增大，当e＝-1时，H2模式达到负向最大值-0.8nI，当e＝1时，液压传动H模式达到正向最大值0.8nI；当e＝0.4时，液压传动模式H2可同步切换到齿轮传动G模式，此时齿轮传动为定传动比；齿轮传动G模式也可以同步切换到液压-齿轮复合传动HG模式，此时输出转速随e的增大而线性增大，当e＝1时，达到正向最大值0.8nI，此时液压-齿轮复合传动HG模式可同步切换到液压-菱锥-齿轮HSG模式，当iS从1.6变化到0.357时，no(HSG)非线性地增加，传动装置通过改变e和iS在[0，2.80]nI范围内无级变速。
模式切换过程二：齿轮-菱锥复合传动GS→菱锥式无级变速传动S
齿轮传动G输出-输入转速关系为：
Figure BDA0003128904000000123
菱锥式无级变速传动S输出-输入转速关系为：
Figure BDA0003128904000000124
菱锥复合传动GS输出-输入转速关系为：
Figure BDA0003128904000000125
如图12所示，采用齿轮-菱锥复合传动GS模式起步，当菱锥式无级变速器传动比iS从0.357变化到1.6时，no(GS)非线性地从0增加到0.87nI；当菱锥式无级变速器传动比iS＝0.5时，齿轮-菱锥复合传动GS模式可同步切换到齿轮传动G模式，齿轮传动G模式为定传动比传动；当菱锥式无级变速器传动比iS＝1.25时，齿轮-菱锥复合传动GS模式可同步切换到菱锥式无级变速传动S模式，此模式中当iS从1.6变化到0.357时，nO(S)非线性地从0.625nI增加到2.80nI，液压传动机构排量比e不影响该模式切换过程传动装置传动比的变化，传动装置仅通过改变iS在[0，2.80]nI范围内无级变速。
模式切换过程三：液压传动H1→菱锥式无级变速传动S→液压-菱锥复合传动HS
液压传动H1输出-输入转速关系为：
Figure BDA0003128904000000126
菱锥式无级变速传动S输出-输入转速关系为：
Figure BDA0003128904000000131
液压-菱锥串联复合传动HS1输出-输入转速关系为：
Figure BDA0003128904000000132
液压-菱锥并联复合传动HS2输出-输入转速关系为：
Figure BDA0003128904000000133
如图13所示，采用模式H1起步，输出转速随液压传动机构排量比e的增加线性增大，当e＝1时，H模式达到正向最大值1.0nI；当同时满足e·iS＝1.0，且e∈[0，1]，且iS∈[0.357，1.6]三条件时，H模式既可同步切换到S模式，也可以同步切换到HS2模式。同步切换到S模式时，当iS从1.6变化到0.357，no(S)非线性地从0.625nI增加到2.80nI；当满足e＝1时，S模式可同步切换到HS1模式，当满足e·iS＝1.0，且e∈[0，1]、iS∈[0.357，1.6]三条件时，S模式可同步切换到HS2模式，切换的位置不同，导致液压-菱锥串联或并联复合传动模式输出值不同，但输出转速随液压传动机构排量比e的减小而线性减小。
菱锥式无级变速器多采用加压装置以保证传动件不受过大的压紧力，从而提高传动效率与寿命，其传动效率一般保持在85％-93％之间，液压元件的比功率大，但传动效率偏低，通常在80％-90％之间，若取菱锥式无级变速器传动效率为90％，液压元件的总效率为80％，当采用菱锥-液压串联HS1模式时，系统传动效率＝90％×80％＝72％，当采用菱锥-液压并联HS2模式时，设两路的输入功率相同，则系统的传动效率＝0.5×90％+0.5×80％＝85％，与液压-菱锥串联传动HS1相比，其效率提高了13％，设9/10的输入功率从菱锥路通过，1/10的输入功率从液压路通过，则系统传动效率＝0.9×90％+0.1×80％＝89％，与液压-菱锥串联传动HS1相比，其效率提高了17％，故此模式能够有效提升系统的传动效率，但其调速范围有限，输出转速no(HS2)在正向调速区间[0，1.12]nI内变化，适用于区域内高效无级调速，而液压-菱锥串联传动HS1虽然传动效率偏低，但其调速范围宽，输出转速no(HS1)在[0，2.80]nI范围内变化，适用于大范围非线性无级调速。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集齿轮-液压-菱锥为一体的多模式复合传动装置，其特征在于，包括输入组件(1)、液压传动机构(2)、前行星齿轮机构(3)、菱锥式无级变速传动机构(4)、后行星齿轮机构(5)、输出组件(6)、离合器组件和制动器组件；所述离合器组件将输入组件(1)的输出端分别与液压传动机构(2)的输入端和前行星齿轮机构(3)的输入端连接；所述离合器组件将液压传动机构(2)的输出端分别与前行星齿轮机构(3)和后行星齿轮机构(5)连接；所述离合器组件将前行星齿轮机构(3)与菱锥式无级变速传动机构(4)连接、将菱锥式无级变速传动机构(4)与后行星齿轮机构(5)连接、将后行星齿轮机构(5)与输出组件(6)连接；所述离合器组件和制动器组件提供输入组件(1)与输出组件(6)之间连续的传动比。
2.根据权利要求1所述的集齿轮-液压-菱锥为一体的多模式复合传动装置，其特征在于，通过调节液压传动机构(2)的排量比、调节菱锥式无级变速传动机构(4)的传动比和选择性控制所述离合器组件与制动器组件的接合，提供输入组件(1)与输出组件(6)之间的液压传动H、齿轮传动G和菱锥式无级变速传动S中的任意一种或任意两种组合或三种组合的传动方式。
3.根据权利要求2所述的集齿轮-液压-菱锥为一体的多模式复合传动装置，其特征在于，所述离合器组件包括第一离合器C1(2-2)、第二离合器C2(2-6)、第三离合器C3(2-7)、第五离合器C5(3-2)、第七离合器C7(4-2)、第八离合器C8(4-12)、单向离合器F(4-11)和第十离合器C10(5-1)；所述第一离合器C1(2-2)用于选择性地将输入组件(1)与液压传动机构(2)输入端连接；所述第二离合器C2(2-6)用于选择性地将液压传动机构(2)输出端连接到前行星齿轮机构(3)的齿圈以共同旋转；所述第三离合器C3(2-7)用于选择性地将液压传动机构(2)输出端连接到后行星齿轮机构(5)的行星架以共同旋转；所述第五离合器C5(3-2)用于选择性地将前行星齿轮机构(3)的太阳轮连接到前行星齿轮机构(3)的行星架以共同旋转；所述第七离合器C7(4-2)用于选择性地将前行星齿轮机构(3)的行星架连接到第三齿轮副(4-4)以共同旋转；所述第八离合器C8(4-12)用于选择性地将第四齿轮副(4-8)连接到后行星齿轮机构(5)的行星架以共同旋转；第三齿轮副(4-4)与第四齿轮副(4-8)连接；所述单向离合器F(4-11)用于控制第四齿轮副连接到后行星齿轮机构(5)行星架动力的正向传递；所述第十离合器C10(5-1)用于选择性地将后行星齿轮机构(5)的行星架连接到后行星齿轮机构(5)的齿圈以共同旋转；通过调节液压传动机构(2)的排量比和选择性控制第一离合器C1(2-2)、第三离合器C3(2-7)和第十离合器C10(5-1)的接合，或通过调节液压传动机构(2)的排量比和选择性控制第一离合器C1(2-2)、第二离合器C2(2-6)、第五离合器C5(3-2)、第七离合器C7(4-2)、第八离合器C8(4-12)、单向离合器F(4-11)和第十离合器C10(5-1)的接合，提供输入组件(1)和输出组件(6)之间各自相异的液压传动H。
4.根据权利要求3所述的集齿轮-液压-菱锥为一体的多模式复合传动装置，其特征在于，所述离合器组件还包括第四离合器C4(1-3)，所述第四离合器C4(1-3)用于选择性地将输入组件(1)连接到前行星齿轮机构(3)的太阳轮以共同旋转；所述制动器组件包括制动器B(3-5)，所述制动器B(3-5)用于选择性地将前行星齿轮机构(3)的齿圈连接到固定件；通过控制所述第四离合器C4(1-3)、第七离合器C7(4-2)、第八离合器C8(4-12)、单向离合器F(4-11)、第十离合器C10(5-1)和制动器B(3-5)的接合，提供输入组件(1)和输出组件(6)之间的齿轮传动G。
5.根据权利要求4所述的集齿轮-液压-菱锥为一体的多模式复合传动装置，其特征在于，所述离合器组件还包括第六离合器C6(4-1)和第九离合器C9(4-10)；所述第六离合器C6(4-1)用于选择性地将前行星齿轮机构(3)的行星架连接到菱锥式无级变速传动机构(4)输入端以共同旋转；所述第九离合器C9(4-10)用于选择性地将菱锥式无级变速传动机构(4)输出端连接到后行星齿轮机构(5)的太阳轮以共同旋转；通过调节菱锥式无级变速传动机构(4)的传动比和选择性控制所述第四离合器C4(1-3)、第五离合器C5(3-2)、第六离合器C6(4-1)、第九离合器C9(4-10)和第十离合器C10(5-1)的接合，提供输入组件(1)和输出组件(6)之间的菱锥式无级变速传动S。
6.根据权利要求5所述的集齿轮-液压-菱锥为一体的多模式复合传动装置，其特征在于，通过调节液压传动机构(2)的排量比和选择性的控制第一离合器C1(2-2)、第二离合器C2(2-6)、第四离合器C4(1-3)、第七离合器C7(4-2)、第八离合器C8(4-12)、单向离合器F(4-11)和第十离合器C10(5-1)的接合，提供输入组件(1)和输出组件(6)之间的液压-齿轮复合传动HG；
通过调节菱锥式无级变速传动机构(4)的传动比和选择性的控制第四离合器C4(1-3)、第五离合器C5(3-2)、第六离合器C6(4-1)、第七离合器C7(4-2)、第八离合器C8(4-12)、单向离合器F(4-11)和第九离合器C9(4-10)的接合，提供输入组件(1)和输出组件(6)之间的齿轮-菱锥复合传动GS；
通过调节液压传动机构(2)的排量比、调节菱锥式无级变速传动机构(4)的传动比和选择性的控制第一离合器C1(2-2)、第五离合器C5(3-2)、第六离合器C6(4-1)和第九离合器C9(4-10)接合，通过选择性的控制第二离合器C2(2-6)和第十离合器C10(5-1)的接合或第三离合器C3(2-7)和第四离合器C4(1-3)的接合，提供输入组件(1)和输出组件(6)之间的各自相异的液压-菱锥串并联复合传动HS。
7.根据权利要求5所述的集齿轮-液压-菱锥为一体的多模式复合传动装置，其特征在于，通过调节液压传动机构(2)的排量比、调节菱锥式无级变速传动机构(4)的传动比和选择性控制第一离合器C1(2-2)、第二离合器C2(2-6)、第四离合器C4(1-3)、第六离合器C6(4-1)、第九离合器C9(4-10)和第十离合器C10(5-1)的接合，提供输入组件(1)和输出组件(6)之间的液压-菱锥-齿轮复合传动HSG。
8.根据权利要求5所述的集齿轮-液压-菱锥为一体的多模式复合传动装置，其特征在于，通过调节液压传动机构(2)的排量比、调节菱锥式无级变速传动机构(4)的传动比和选择性控制离合器与制动器组件的接合，提供“液压传动H→齿轮传动G→液压-齿轮复合传动HG→液压-菱锥-齿轮复合传动HSG”传动方式之间的无级调速切换。
9.根据权利要求5所述的集齿轮-液压-菱锥为一体的多模式复合传动装置，其特征在于，通过调节菱锥式无级变速传动机构(4)的传动比和选择性控制离合器与制动器组件的接合，提供“齿轮-菱锥复合传动GS→菱锥式无级变速传动S”传动方式之间的无级调速切换。
10.根据权利要求5所述的集齿轮-液压-菱锥为一体的多模式复合传动装置，其特征在于，通过调节液压传动机构(2)的排量比、调节菱锥式无级变速传动机构(4)的传动比和控制离合器组件的接合，提供“液压传动H→菱锥式无级变速传动S→液压-菱锥复合传动HS”传动方式之间的无级调速切换。
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