CN114514389A - 用于无级变速器的液力耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无级变速器的液力耦合器和耦合方法。该液力耦合器包括具有第一半圆环体的泵和具有第二半圆环体的涡轮。第一和第二半圆环体一起形成圆环体。第一组流体导向叶片径向设置在第一半圆环体处。第一组叶片从第一半圆环体的轮辋延伸，并且终止于靠近第一半圆环体的轮毂的区域处。第二组流体导向叶片径向设置在第二半圆环体处。第二组叶片从第二半圆环体的轮辋延伸，并且终止于靠近第二半圆环体的轮毂的区域处。液力耦合器装置被配置成解耦负耦合作用并且提供无级变速器。

Description

用于无级变速器的液力耦合器

技术领域

本发明总体上涉及一种用于无级变速器的液力耦合器和耦合方法。

背景技术

液力耦合器已被用作船舶、工业机械和汽车的动力传输耦合器。参考图1A至图1C，液力耦合器100包括两个主要部件，即泵102和涡轮104。泵102和涡轮104被配置成具有多个平叶片(118、120)的半圆环体的形状，这些平叶片(118、120)从轮毂径向延伸到半圆环体的轮辋。具有半圆环体形状的分流导引环(106、108)设置在泵102和涡轮104的轮毂和轮辋之间。分流导引环(106、108)被配置成防止流动中的湍流。壳体110包住泵102和涡轮104两者，并且填充有液压流体。壳体110通常制成为泵102的一体部件。壳体110以与泵102相同的速度旋转，而涡轮104被允许以不同的速度旋转。动力经由壳体110或泵102输入(由图2中的箭头150表示)，并且输出经由连接到输出轴114的涡轮104提供(由图2中的箭头152表示)，输出轴114具有密封件112以防止流体泄漏。耦合器100还包括保持环116和轴承122。前述布置被称为液力耦合器100，其已经与早期自动变速器中的齿轮系结合使用。

在操作期间，泵102通过来自原动机的输入而旋转，由于离心作用而向外甩出流体，使得流体在点A处从泵102离开并且在点B处立即进入涡轮，如图2所示。流体在轴向方向和切向方向上的动量试图使涡轮104以泵102的速度转动或将涡轮104耦合至泵102。流体流继续流动，同时将其动量施加到叶片118上，直到它从C点处的涡轮104出口离开轮毂周围，到达D点处的泵102入口。剩余的流体动量试图使泵102转动至涡轮104的速度，或将泵102耦合至涡轮104。涡轮104的速度总是低于泵102的速度。因此，发生在涡轮出口和泵入口之间的耦合作用与发生在泵出口和涡轮入口之间的耦合作用相反。泵-涡轮耦合被称为正耦合作用，并且涡轮-泵耦合被称为负耦合作用。动力可通过该液力耦合器传输，因为由正耦合作用产生的动量力矩总是大于由负耦合作用产生的动量力矩。

然而，上述液力耦合器100具有高滑动、低效率并且不能倍增扭矩。液力耦合器100在被变矩器取代之前，已经主要用作早期汽车中的移离装置或离合器。参考图3，公开了在恒定泵速下T_t/T_p(涡轮扭矩与泵扭矩的比率)和n_t/n_p(涡轮速度与泵速度的比率)之间的曲线图300。下标t表示涡轮或输出，下标p表示泵或输入。曲线图300显示了输出(涡轮)扭矩不能超过1，或者换句话说，扭矩不能倍增。

因此，需要一种能够使滑动最小化、提高效率并且能够使扭矩倍增的液力耦合器。

发明内容

本发明公开了一种用于无级变速器的液力耦合器和耦合方法。液力耦合器包括泵和涡轮。泵具有第一半圆环体，涡轮具有第二半圆环体。第一和第二半圆环体一起形成圆环体。第一组流体导向叶片或第一组叶片径向设置在第一半圆环体处。第一组叶片从第一半圆环体的轮辋延伸，并终止于靠近第一半圆环体的轮毂的区域。

第二组流体导向叶片或第二组叶片径向设置在第二半圆环体处。第二组叶片从第二半圆环体的轮辋延伸，并终止于靠近第二半圆环体的轮毂的区域。具有半圆环体形状的第一分离导引环设置在泵的轮毂和轮辋之间。具有半圆环体形状的第二分离导引环设置在涡轮的轮毂和轮辋之间。壳体包住泵和涡轮两者，并填充有液压流体。分离导引环被配置成防止流体流中的湍流。

壳体被制成泵的一体部件。壳体以与泵相同的速度旋转，同时允许涡轮以不同的速度旋转。动力经由壳体或泵输入，并且输出经由连接到输出轴的涡轮提供，输出轴具有密封件以防止流体泄漏。耦合器还包括保持环和轴承。

本发明的其它目的、特征和优点将从以下详细描述中变得清楚。然而，应当理解，详细描述和具体实例虽然指示本发明的具体实施例，但仅以示例的方式给出，因为本领域技术人员基于详细描述将清楚本发明的精神和范围内的各种变化和修改。

附图说明

图1A示例性地示出了根据本发明实施例的现有技术液力耦合器的截面图。

图1B示例性地示出了根据本发明实施例的现有技术液力耦合器的泵的透视图。

图1C示例性地示出了根据本发明实施例的现有技术液力耦合器的涡轮的透视图。

图2示例性地示出了根据本发明实施例的现有技术液力耦合器的操作机构。

图3示例性地示出了根据本发明实施例的现有技术液力耦合器的性能曲线图。

图4A示例性地示出了根据本发明实施例的用于无级变速器的液力耦合器的截面图。

图4B示例性地示出了根据本发明实施例的液力耦合器的涡轮的透视图。

图4C示例性地示出了根据本发明实施例的液力耦合器的泵的透视图。

图5示例性地示出了根据本发明实施例的液力耦合器的操作机构。

图6示例性地示出了根据本发明实施例的液力耦合器的比例模型测试台。

图7示例性地示出了根据本发明实施例的在恒定泵速下的液力耦合器的特性曲线图。

图8示例性地示出了根据本发明实施例的节气门全开时汽车发动机的扭矩-速度特性曲线图。

图9示例性地示出了根据本发明实施例的内燃机在不同节气门位置处的扭矩特性。

图10是示出根据本发明实施例的图8的全开节气门扭矩从1800rpm加载的液力耦合器的结果的曲线图。

图11是示出根据本发明实施例的从发动机扭矩曲线上的不同点加载的液力耦合器的扭矩曲线数量的曲线图。

图12是示出根据本发明实施例的加速器踏板从静止位置开始时可能路径的曲线图。

图13是示出根据本发明实施例的从静止的快速加速的曲线图。

图14是示出根据本发明实施例的加速器踏板可以经过以从特定速度加速到最高速度的可能路径的曲线图。

图15A至图15C示例性地示出了根据本发明实施例的用于泵和涡轮的叶片修整的可能程度。

具体实施方式

现在将参考附图给出本发明实施例的描述。可以预期，在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可以以其他特定形式实施。所描述的实施例在所有方面都仅被认为是说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求指示而不是由前面的描述来指示。落在权利要求的等同物的含义和范围内的所有变化都包含在权利要求的范围内。

参考图4A，本发明公开了一种用于无级变速器的液力耦合器400和耦合方法。液力耦合器400被配置成使滑动最小化，提高效率，能够倍增扭矩并提供无级变速比率的传动。液力耦合器400被配置成消除机械齿轮逐步倍增扭矩的需要。此外，本发明是一种移离装置。

参考图4A至4C，液力耦合器400包括泵406和涡轮404。泵406具有第一半圆环体，而涡轮404具有第二半圆环体。第一和第二半圆环体一起形成圆环体。第一组流体导向叶片或第一组叶片408径向设置在第一半圆环体处。第一组叶片408从第一半圆环体的轮辋延伸，并终止于靠近第一半圆环体的轮毂的区域。

第二组流体导向叶片或第二组叶片410径向设置在第二半圆环体处。第二组叶片410从第二半圆环体的轮辋延伸，并且终止于靠近第二半圆环体的轮毂的区域。具有半圆环体形状的第一分离导引环412设置在泵406的轮毂和轮辋之间。具有半圆环体形状的第二分离导引环414设置在涡轮404的轮毂和轮辋之间。壳体402包住泵406和涡轮404两者，并且填充有液压流体。分离导引环(412、414)被配置成防止流体流中的湍流。

壳体402被制成泵406的一体部件。壳体402以与泵406相同的速度旋转，而涡轮404被允许以不同的速度旋转。动力经由壳体402或泵406输入，并且输出经由连接到输出轴420的涡轮204提供，输出轴420具有密封件422以防止流体泄漏。耦合器400还包括保持环416和轴承418。

参考图5，液力耦合器400通过壳体接收输入(由附图标记450表示)，并且通过轴(由附图标记452表示)输出。在操作期间，泵406通过来自原动机的输入而旋转，由于离心作用而使流体向外甩出，使得流体在A点处从泵406离开，并且在B点处立即进入涡轮，如图5所示。流体在轴向方向和切向方向上的动量试图以泵406的速度转动涡轮404或将涡轮404耦合到泵406。流体流继续流动，同时将其动量施加到叶片408上，直到它从E点处的涡轮404出口离开轮毂周围，到达F点处的泵406入口。

第一半圆环体和第二半圆环体都包括轮毂周围没有叶片元件的区域。如图5所示，这种修改通过让流体在E处离开涡轮404并在F处进入泵406来解耦负耦合作用。从E行进到F，流体对第二组涡轮叶片410或第一组泵叶片408没有影响，但只是在E处开始涡流运动并加速涡流速度，使得它以与任何径流泵相同的方式在F处进入泵406。利用这种配置，液力耦合器400将其自身转变成无级变速器，或者更广为人知的CVT；以非常高的扭矩比从静止状态启动，以接近1的扭矩比恒速运行，以大于1的扭矩比对突然加速做出反应或“降档”，并在滑行时表现出“发动机制动效应”。所有上述现象的发生都没有任何外部控制的帮助。

参考图6，公开了液力耦合器400的比例模型600。比例模型600包括力刻度(606，608)、液力耦合器400、涡流制动器602和电机604。比例模型600可以在测力计上以恒定的输入速度进行测试。获得一组数据并绘制成图，如图7所示。曲线图700显示了输出扭矩与输入扭矩之比(T_t/T_p)与输出速度与输入速度之比(n_t/n_p)的关系。曲线图700表示在一个恒定泵速下液力耦合器400的特性。在一个实施例中，可以从另一个泵速度获得另一个类似的曲线图，其公开了对于液力耦合器400的整个运行速度范围将有无限数量的性能曲线。图8示例性地示出了根据本发明实施例的曲线图800，其示出了节气门全开时汽车发动机的扭矩-速度特性。

图9示例性地示出了根据本发明实施例的内燃机在不同节气门位置的扭矩特性的曲线图900。在一个实施例中，可以针对每个节气门位置绘制扭矩与速度的曲线，因此无限数量的这种曲线可用于无限数量的节气门位置。

图10是示出根据本发明实施例的液力耦合器的图8的全开节气门扭矩上从1800rpm加载的结果的曲线图1000。例如，图10的曲线上的点J对应于1800rpm的发动机速度和173N-m的扭矩。如果液力耦合器400连接到发动机输出轴，则例如图7的曲线之类的曲线可以叠加在图10所示的曲线上，图10是节气门位置9处的发动机扭矩曲线。可以看出，1800rpm是n_p＝1800和n_t＝1800或n_t/n_p＝1，而T_t/T_p＝1或173N-m的输出扭矩的点。在n_t/n_p＝0.9时，输出速度变为1620rpm，并且对应于大约185N-m的输出扭矩。类似地，在n_t/n_p为0.8时，对应的速度和输出扭矩变为1440rpm和194N-m。可以通过对每个点进行类似的计算来绘制完整的性能曲线。线0-J是液力耦合器的性能曲线图。

图11是根据本发明实施例的曲线图1100，示出了从发动机扭矩曲线上的不同点加载的液力耦合器的扭矩曲线的数量。在一个节气门位置，有无限多的性能曲线可以叠加在发动机扭矩-速度曲线上。

图12是示出根据本发明实施例的加速器踏板在从静止位置开始时可能路径的曲线图1200。曲线图1200示出了当液力耦合器400的输出连接到4.5的最终传动比和600mm的轮胎直径时，以km/h为单位的道路速度、以rpm为单位的发动机速度、以rpm为单位的液力耦合器400输出速度、以N-m为单位的发动机扭矩、以N-m为单位的液力耦合器400输出扭矩和节气门位置之间的关系。

在一个实施例中，在起动期间，在静止(v＝0)时，发动机在节气门位置1以800rpm运行，液力耦合器400在点K产生220N-m的输出扭矩，但是由于车轮制动器接通而滑动。在释放制动器同时保持节气门稳定时，车辆沿KL移动并且进一步移动到M,并且达到23km/h的最大速度。驾驶员可以通过将加速器踏板按压到节气门位置3而更快地起动，在节气门位置3，起动扭矩在点N为400N-m，并且如果节气门保持在位置3，则汽车将沿NP加速，并且然后加速到Q，在Q处的最终速度为47km/h。为了达到47km/h的目标，根据图13，驾驶员可以将踏板按压到底到节气门位置9，从点R开始并且当达到点S时，松开踏板直到其达到节气门位置3，以在点Q结束。驾驶员可以将加速器踏板保持在底部上，直到在点Z达到115km/h的最高速度。在恒定速度运行时，驾驶员不改变节气门位置。图13是示出根据本发明实施例的从静止开始的快速加速的曲线图1300。

图14是示出根据本发明实施例的加速器踏板能够经过以从特定速度加速到最高速度的可能路径的曲线图1400。在加速期间，从Q开始，驾驶员快速踏在踏板上以到达节气门位置9的点T，并且将其保持在那里直到在Z处达到115km/h的最高速度。有许多可能的逐渐加速到最高速度的加速方式，即跟随QUZ或者甚至经由QYZ逐渐地加速。在减速期间，当以一定速度运行时，驾驶员抬离加速器踏板，发动机速度下降，同时轮速减慢一点，涡轮比泵旋转得快，然后泵转动到涡轮并且涡轮转动到泵，发生发动机制动。

图15A至图15C示例性地示出了根据本发明实施例的泵406和涡轮404的叶片修整(1500、1525、1550)的可能程度。图15A显示了130度的泵和涡轮叶片的总修整角，在泵406上为65度，在涡轮404上为65度。增加如图15B中的总角度以更好的效率返回，因为工作流体具有足够的距离来调整其路径，但是这导致机器的尺寸更大，因为扭矩容量取决于泵叶片的推进面积，以及涡轮叶片的反作用面积。如图15C所示，泵叶片和涡轮叶片的修整角度可以不同，这导致加速度和发动机制动特性不同于对称修整。叶片的数量也是影响性能的因素。太少的叶片给出低转矩容量，但是太多的叶片降低了效率。

有利地，本发明使滑动最小化，提高效率，能够倍增扭矩，提供无级变速比率的传动，并且消除了机械齿轮逐步倍增扭矩的需要。本发明主要用于汽车应用。本发明用于在陆地、海洋和空中可行的交通工具中。本发明还可以用于需要旋转机器的非常高的起动扭矩的任何工业工厂中。本发明也非常适合于由于其径向叶片配置而能够反转其旋转方向的原动机。

前面的描述包括本发明的说明性实施例。因此，已经描述了本发明的示例性实施例，本领域技术人员应该注意到，所公开的内容仅仅是示例性的，并且在本发明的范围内可以进行各种其他替换、调整和修改。仅仅以特定顺序列出或编号方法的步骤并不构成对该方法的步骤顺序的任何限制。受益于前面描述中给出的教导，本发明所属领域的技术人员将会想到本发明的许多修改和其他实施例。尽管这里可能使用了特定的术语，但是它们仅用于一般性和描述性的意义，而不是为了限制的目的。因此，本发明不限于这里所示的具体实施例。虽然以上是对本发明优选实施例的完整描述，但是可以使用各种替换、修改和等同物。因此，以上描述和实施例不应被视为限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (12)

1.一种液力耦合器装置，包括：

具有第一半圆环体的泵；

具有第二半圆环体的涡轮，其中所述第一半圆环体和第二半圆环体一起形成圆环体；

径向设置在所述第一半圆环体处的第一组流体导向叶片，其中所述第一组叶片从所述第一半圆环体的轮辋延伸，并且终止于靠近所述第一半圆环体的轮毂的区域处，和

径向设置在所述第二半圆环体处的第二组流体导向叶片，其中所述第二组叶片从所述第二半圆环体的轮辋延伸，并且终止于靠近所述第二半圆环体的轮毂的区域处。

2.根据权利要求1所述的液力耦合器装置，还包括具有半圆环体形状的第一分离导引环，所述第一分离导引环设置在所述第一半圆环体的轮毂和轮辋之间。

3.根据权利要求1所述的液力耦合器装置，还包括具有半圆环体形状的第二分离导引环，所述第二分离导引环设置在所述第二半圆环体的轮毂和轮辋之间。

4.根据权利要求1所述的液力耦合器装置，还包括壳体，所述壳体包住泵和涡轮并填充有液压流体。

5.根据权利要求1所述的液力耦合器装置，其中所述第一分离导引环和所述第二分离导引环被配置成防止所述流体流动中的湍流。

6.根据权利要求1所述的液力耦合器装置，其中所述第一组流体导向叶片包括所述轮毂周围没有叶片元件的区域。

7.根据权利要求1所述的液力耦合器装置，其中所述第二组流体导向叶片包括所述轮毂周围没有叶片元件的区域。

8.根据权利要求1所述的液力耦合器装置，所述液力耦合器装置被配置成解耦负耦合作用，并提供无级变速器。

9.一种液力耦合方法，包括以下步骤：

提供液力耦合器，包括，

具有第一半圆环体的泵；

具有第二半圆环体的涡轮，其中所述第一半圆环体和第二半圆环体一起形成圆环体；

径向设置在所述第一半圆环体处的第一组流体导向叶片，其中所述第一组叶片从所述第一半圆环体的轮辋延伸，并且终止于靠近所述第一半圆环体的轮毂的区域处，和

径向设置在所述第二半圆环体处的第二组流体导向叶片，其中所述第二组叶片从所述第二半圆环体的轮辋延伸，并且终止于靠近所述第二半圆环体的轮毂的区域处，

通过来自原动机的输入使所述泵旋转；

经由所述第一组流体导向叶片将流体从所述泵甩出到所述涡轮；

在将流体动量施加到所述第二组流体导向叶片上时，将所述涡轮旋转至所述泵的速度，从而提供第一正耦合作用；和

将流体从所述涡轮流出到泵，而不影响具有涡旋运动的所述第一组流体导向叶片和所述第二组流体导向叶片，并且加速涡旋速度，从而提供第二正耦合作用，其中所述第一正耦合作用和所述第二正耦合作用使得能够倍增扭矩并且提供无级变速器。

10.根据权利要求9所述的流体耦合方法，其中，所述第一组流体导向叶片和所述第二组流体导向叶片包括所述轮毂周围没有叶片元件的区域。

11.一种液力耦合器装置，包括：

具有第一半圆环体的泵；

具有第二半圆环体的涡轮，其中所述第一半圆环体和第二半圆环体一起形成圆环体；

径向设置在所述第一半圆环体处的第一组流体导向叶片，其中所述第一组叶片从所述第一半圆环体的轮辋延伸，并且终止于靠近所述第一半圆环体的轮毂的区域处，并且其中所述第一组流体导向叶片包括围绕所述轮毂没有叶片元件的区域，该区域将流体接收到所述泵中，和

径向设置在所述第二半圆环体处的第二组流体导向叶片，其中所述第二组叶片从所述第二半圆环体的轮辋延伸，并且终止于靠近所述第二半圆环体的轮毂的区域处，并且其中所述第二组流体导向叶片包括所述轮毂周围没有叶片元件的区域，该区域使流体从涡轮离开到泵中。

12.根据权利要求11所述的液力耦合器装置，还包括壳体，所述壳体包住泵和涡轮并且填充有液压流体。

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