CN1625493A - 具有增强的转矩偏差能力的变速箱 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于在机动车辆(A、B)的主动和次级驱动轮(2、4)之间有选择分配转矩的变速箱(12、90、130)，包括沿通用轴(X)分布的输入元件(30、104、132)和两个输出元件(32、34；106、108；132、134)。它还包括都围绕同一轴排列的磁性粒子离合器(38、102、138)和行星组(36、100、140)。离合器和行星组连接在一起，这样，它们提供一个直接通道，通过该通道转矩没有损耗地从输入元件传递到输出元件之一。这一安排还提供一滑动通道，通过该通道，转矩有损耗地从输入元件传递到另一个输出元件，这一通道有两个部分，一个部分通过行星组，另一部分通过离合器和行星组。离合器通道具有损耗，通过滑动通道传递的转矩部分仅取决于通过离合器的导电流。

Description

具有增强的转矩偏差能力的变速箱

技术领域

本发明一般涉及转矩分配，尤其是涉及分离转矩的变速箱，这样转矩可分配为两个输出量。

背景技术

多数四轮机动车，如私家轿车、旅行车和货车，其发动机转矩只传递给这些车辆的一组车轮。在一些车辆中，该组车轮是后轮，但在当前制造的机动车中多数是前轮。然而，一些制造商现在提供所有轮驱动车辆，并且这种类型的典型车辆其发动机转矩在所有时间都分配给其四个轮子。确实，许多轻型卡车和运动用车辆是四轮驱动，但在一种类型的车辆中只有两个轮子——通常是后轮——来驱动车辆，而剩下的两个车轮如果需要，也可配合来驱动车辆。这通常要求驾驶员来操作转换器或控制杆来使车轮在其它时候与发动机断开。相反，在所有轮驱动车中，发动机主要是一直向四个轮子传递转矩；不存在从发动机断开两组轮子中的一对或另一对的控制。

有各种机械装置在所有轮驱动车辆的前后轮之间分配发动机转矩。一些只简单地依靠前后轮之间的粘液耦合器。另一些利用各种机械装置的离合器来操作。这些机械装置可具有在前后轮之间改变转矩的能力，以向具有更好牵引力的车轮传递更多转矩。确实，一些这种装置配备有高精确控制系统，它们不仅可感觉前后轮之间的打滑，还可感觉其它操作情况，如节气门位置、变速杆位置、发动机转速等所有可以影响转矩分配的因素，为驱动情况提供最好的牵引力。

但是当主轮失去牵引力开始打滑时，典型的离合器具有适应轻微量打滑的离合器片，使用更大偏差才可推进。然而，通过离合器传递的转矩取决于几个变量，这包括离合器温度，离合器片之间的相对转速，以及离合器片之间相互挤压的力或压力。如此多变量使得难以控制这些离合器，确实需要复杂电子器件来影响控制。

发明内容

本发明着眼于变速箱，通过它在输入元件和两个输出元件之间传递转矩。该变速箱包括一个离合器和一个行星齿轮组，把转矩分离为一个直接通道和一个间接通道，间接通道同时通过离合器和行星组。

附图说明

图1是一辆机动车示意图，它具有横向安装的电动机，并与涉及本发明的变速箱联接；

图2是该变速箱的纵向剖面图；

图3是变速箱的运动学图；

图4是表示变速箱离合器传递的转矩与该离合器线圈中传导电流的关系的图；

图5是输入转矩和输出转矩与变速箱离合器转矩的关系图，该变速箱的行星组具有的比率为4；

图6是具有适于纵向安装电动机的改进变速箱的机动车的示意图；

图7是改进的变速箱的纵向剖面图；

图8是改进变速箱的运动学图；

图9是另一个改进变速箱的运动学图。

具体实施方式

现在参见附图，机动车A(图1)如客车或运动用车或货车，甚至一辆轻型卡车，具有两组轮子，就是说，两个主驱动轮2和两个次级驱动轮4。主驱动轮2位于车辆A的前部，基本沿通用横轴，而次级驱动轮4位于车辆A的后部，基本沿另一通用横轴。

车辆A还包括电动机6，电动机6是典型的横向安装，并与变速器8联接，变速器8可以是自动或手动类型的。电动机6和变速器8构成提供所需转矩的动力单元，以转动轮子2和4，以及驱动车轮A。确实，变速器8传递转矩给变速箱12，变速箱12分离转矩，有选择地分配一些转矩给前轮驱动轮2，余下的供给后轮驱动轮4。实际上，变速箱12通过斜齿轮组14以及位于两前轮间的差速器16与前轮2联接。变速箱12通过伞齿轮或准双曲面齿轮组18、沿车辆A纵向延展的传动轴20以及位于两个后轮4间的后桥差速器22与后轮4联接。

变速箱12(图2)具有轴30形式的输入元件和两个输出元件，一个输出元件是斜齿轮32的形式，构成齿轮组14的一部分，另一个输出元件是以轴34的形式。它还包括位于输入轴30与输出齿轮32以及输出轴34之间的行星齿轮组36。此外，变速箱12具有输入轴30与输出轴34之间的磁性粒子离合器38。转矩从输入轴30无传递损耗地传给输出齿轮32，即传送是直接的。转矩从输入轴30传递给输出轴34是通过离合器38以及行星组36，这种在一定操作条件下的传递伴有传递损耗(slippage)，前者构成直接通道，后者构成间接通道。输入轴30、输出齿轮32和轴34、行星组36和离合器38都围绕通用轴X来配置。

行星组36，包括(图2)一个中心齿轮40，一个环形齿轮42和位于中心齿轮40和环形齿轮42之间与二者连接的几个行星齿轮44。另外，行星组36包括具有心轴48的载置架46，行星齿轮44围绕心轴48旋转。中心齿轮40具有从其上轴向凸出的短轴50。

环形齿轮42通过传动法兰盘52和连接器54刚性连接到输入轴30，传动法兰盘52在输入轴30的末端，连接器54通过离合器38从传动法兰盘52延展，固定在其齿轮之一的环形齿轮42上。连接器54可采取机器螺钉的形式。输出齿轮14安装在另一个传动法兰盘56上，传动法兰盘56附着在环形齿轮42的另一端上。这样，在输入轴30和输出正齿轮32之间存在直接连接，二者一齐旋转，角速度相等。

机械地，磁性粒子离合器38位于传动法兰盘52上的连接器54和中心齿轮40的短轴50之间。这样它可在输入轴30和中心齿轮40之间传递转矩，是承受最小转矩的行星组36的元件。

磁性粒子离合器38包括(图2)锁住在输入轴30上的法兰盘52和行星齿轮组36的环形齿轮42之间的电磁体60，并紧固在两个连接器54上。结果，输入轴30、环形齿轮46和电磁体60全部作为一个单元绕X轴旋转。电磁体60具有向内指向X轴的圆柱表面62，还进一步包括线圈64，通过一组固定刷子和与电磁体60旋转的滑环68，向线圈64供给电流。

除了电磁体60和其线圈64外，离合器38具有位于电磁体60内的电枢70，包括套在行星齿轮组36的短轴50上的套筒72，套筒72通过接合花键与短轴50联结。电枢70还具有向外远离X轴、并指向电磁体60的圆柱表面62的圆柱表面74，圆柱表面62与74之间有一个小缝隙g。电枢70的末端开口处是包含抗磨轴承78的环形凹部76，轴承78支撑电枢70的电磁体60。

轴承78装在电枢70的套筒72周围，反过来，电磁体60装在轴承78周围。这样安排是使输入轴30、环形齿轮42和电磁体60作为一个单元绕X轴旋转，同理，短轴50、中心齿轮40和电枢70作为另一个单元绕X轴旋转。这两个单元可以稍微不同的角速度旋转，或以同样角速度旋转。当离合器38工作时，短轴50、中心齿轮40提供了所需的反作用转矩，以使两个单元一起旋转。

离合器38包含可磁化的含铁物质的微粒80，它们存在于缝隙g中。轴承78通过密封件82与磁性粒子80隔离。当线圈64通上电时，粒子80磁化，把电磁体60联接到电枢(armature)70，这样二者之间传递转矩，而二者之间也可发生转差。传递的转矩量仅取决于通过线圈64传导的电流量，完全独立于离合器中打滑的量或其温度。确实，当在笛卡儿坐标系中标示时，转矩与电流的关系近乎是线性的(图4)。感应器馈入反映车辆A的驱动情况的信号到微处理器，它控制供应给离合器38的线圈64的电流量。然而，电流量也可由人工操作的设备来控制，如变阻器。

操作车辆A时，电动机6产生转矩，转矩通过可改变转矩的变速器8来传递，这样变速器8传递的转矩可不同于电动机6传递的转矩。变速器8传递的转矩应用于变速箱12的输入轴30。在变速箱12内，分离转矩，通过直接通道一些转矩传递给输出齿轮32，其余的通过间接通道给输出轴34。齿轮32和输出轴34之间的转矩分配仅取决于通过磁性粒子离合器38的线圈64的电流。

更特别地，传递给输出齿轮32的转矩通过变速箱12的直接通道，就是说，从输出轴30经过传动法兰盘52到连接器54到行星组36的环形齿轮42，因此通过其它传动法兰盘56到输出齿轮32。由于输出齿轮32是齿轮组14的一部分，齿轮组14通过前桥差速器16驱动前轮2，因而，直接通道的转矩传递给前轮2。连接是直接的而且没有传递损耗发生。当然，前桥差速器16可使一个前轮2以与另一个前轮2不同的速度旋转，但通过前桥差速器16的转矩传递不包括传递损耗。

传递给输出轴34的转矩通过具有两个部分的间接通道。在一个部分中，即机械部分，转矩通过传动法兰盘52和连接器54从输入轴30传递给环形齿轮42，到行星齿轮组36的行星齿轮44，近而通过载置架46到输出轴34。在其它部分，即离合器部分，在连接器54与机械部分分离，通过离合器38传递转矩，这是通过缝隙g的磁性粒子80从电磁体60到电枢70，通过短轴50再到中心齿轮40。与行星齿轮44相连的中心齿轮40也驱动它们，这样，间接通道的离合器部分的转矩与间接通道的机械部分的转矩结合，驱动载置架46，它顺序传递间接通道的转矩到输出轴34。由于输出轴34通过齿轮组18、驱动轴20和后桥差速器22连接到后轮4，在间接通道转矩传递给后轮4，在一定的操作条件下，可伴有变速箱12内的打滑。打滑可发生在离合器38内，当其发生时，行星组36的中心齿轮40可以稍不同于环形齿轮42的速度旋转。结果，载置架46的旋转速度介于中心齿轮40和环形齿轮42的速度之间。确实，在一些情况下，后轮4与前轮2相比的尺寸不同、伞齿轮的传动比、或甚至后桥差速器22的传动比可引起动力传递损耗，就是说，上述的一个或多个因素引起输出轴34以与输出齿轮32和输入轴30旋转速度的不同速度旋转。典型地，输入轴30旋转稍快于输出轴34，但明显地与输出齿轮32有相同速度。不管动力传递损耗的量，只要离合器38的电磁体60的线圈64中的电流不变，当然，输入轴30的转矩也不变，通过离合器38传递的转矩保持不变。确实，通过间接通道的离合器部分的转矩传递仅取决于线圈60的电流量。通过滑动通道(slip path)传递的转矩量也是这个道理—它仅取决于离合器38的线圈64的电流量。

在输入轴30传递给变速箱的转矩是在输出齿轮32和输出轴34之间分配，仅取决于通过线圈64的电流。输出齿轮32和输出轴34之间的相对速度或离合器38的温度等变量不影响输出齿轮32和输出轴34之间的转矩分配，对于前轮2和后轮4之间的转矩分配也同样。当然通过离合器38传递的转矩只表示通过间接通道传递的一小部分转矩。就是说，传递给输出轴34和后轮4的转矩有关的范围内，只有一小部分通过间接通道的离合器部分，更大的量通过机械部分。关系表示在齿轮32和输出轴34的输出转矩对通过行星组36的离合器38传递的转矩的笛卡儿坐标系图表曲线中，其中环形齿轮42的齿数和中心齿轮40的齿数之间的比率u是4(图5)。例如，当输入轴30的转矩达到100Nm，通过间接通道的离合器部分的转矩即离合器38的转矩是5Nm时，传递给输出齿轮32和前轮2的转矩是75Nm，同时传递给输出轴34和前轮4的转矩是25Nm。这样，只有1/5的转矩是通过离合器38的间接通道传递，因而离合器38可以较小和紧凑。

另一机动车B(图6)同样具有前后轮2和4，它们各自通过前后差速器16和22来驱动。甚至，车辆B具有电动机6和变速器8。但是，后轮4作为主驱动轮，前轮2作为次级驱动轮，电动机6和变速器8纵向安装，而不是车辆A中的横向安装。变速器8向一个改进的在前后轮2和4之间分离转矩的变速箱90传递转矩。确实，分离后的转矩通过驱动轴92传递给后桥差速器22，驱动轴92从变速箱90延伸。剩余的转矩通过链条和链轮齿驱动器94和前部驱动轴96传递给前轮2，前部驱动轴96导向前桥差速器16。

变速箱90，同变速箱12一样具有(图7)围绕轴X组织的行星组100和离合器102，其它部分也与变速箱12内的相对应部分非常类似。同样，变速箱90具有输入轴104形式的输入元件和花键联接器106形式的输出元件和链轮齿108形式的另一输出元件。它们也围绕轴X配置。输入轴104与变速器8联接，这样变速器8传递的所有转矩经过输入轴104。联接器106位于输入轴104的末端，联接驱动轴92。链轮齿108环绕联接器106和形成链条和链轮齿驱动器94的一部分。

磁性粒子离合器102实质上与离合器38相同，离合器102所用的基准数字也与离合器38中所用的相对应。

行星组100与行星组36稍有不同，但它具有中心齿轮110、位于中心齿轮110周围的环形齿轮112、与中心齿轮110和环形齿轮112相啮合的行星齿轮114，以及随着行星齿轮114的载置架116，它提供了行星齿轮114围绕旋转的轴。

行星组100的中心齿轮110环绕输入轴104，还可相对于输入轴104旋转。它可通过法兰盘118联接到离合器102的电磁体60。这样，环形齿轮112和电磁体60一齐旋转。环形齿轮112通过另一法兰盘120联接到输入轴104和联接器106。载置架116包括一个分离壳体122，它围绕环形齿轮112和行星齿轮114以及心轴124，心轴124从壳体122伸展到行星齿轮114，并提供行星齿轮114围绕旋转的轴。链轮齿108安装在分离壳体122上。

输入轴104通过配合花键联接到离合器102的电枢70。输入轴104延伸到中心齿轮110，在此它联接到法兰盘120和联接器106时，。

同变速箱12一样，变速箱90有两个通道，一个是直接通道，另一个是具有传递损耗的间接通道，同样间接通道有两个部分，一个机械部分，另一个是离合器部分。

在车辆B的操作中，变速箱90把来自输入轴104的转矩于联接器106直接传递给驱动轴92，这是直接通道。驱动轴92与输入轴104一齐旋转，并以同样速度旋转。传递给输出链轮齿108的转矩通过机械部分和间接通道的离合器部分，它的大部分是通过机械部分。在这一部分，转矩从输入轴104经过法兰盘120送到环形齿轮112，因而通过行星齿轮114送到连接到链轮齿108的载置架116。在离合器部分，转矩从输入轴104到离合器102到的电枢70，因此通过离合器102的缝隙g的磁性粒子80送到离合器102的电磁体60。转矩从电磁体60通过法兰盘118到中心齿轮110，中心齿轮110把它传递到行星齿轮114，在此它与通过分离壳体122向链轮齿108传递的机械部分的转矩结合。输入轴104和联接器106可以比链轮齿108稍快一点的速度旋转。可适用在间接通道的离合器部分的转矩与直接和间接通道的转矩之间的同样关系，这一关系表示在行星组100(图5)的比率为4的笛卡儿坐标系中。

另一个改进的变速箱130(图9)同样具有轴132形式的单个输入元件和轴134与链轮齿136形式的两个输出元件。输入轴132和输出轴134结合，以同样速度一齐旋转。变速箱130利用本质上同离合器38相同的离合器138，但依靠行星组140，行星组140以稍不同于组36和100的运动原理操作。同轴132、134和链轮齿136一样，二者围绕轴X配置。行星组140包括两个中心齿轮142和144。尽管两个中心齿轮142、144围绕轴X旋转，但它们彼此分离，齿轮142连到输入轴132，齿轮144连到输出链轮齿136。中心齿轮142和144各自啮合行星齿轮146和148，行星齿轮146和148联接到具有心轴152的载置架150。确实，行星齿轮146和148成对配置，每一对包括单个的行星齿轮146和位于载置架150的单个心轴152外围的单个行星齿轮148。一对行星齿轮146和148接合在一起，这样它们一齐旋转，以同样角速度绕心轴152旋转。载置架150连到离合器138的电磁体60，而离合器138的电枢70连到输入轴132。齿轮142、144、146、148和载置架150构成行星组140的元件。

在变速箱130的操作中，应用在输入轴132的转矩分离成一个直接通道和一个间接通道，后者具有机械部分和离合器部分。在直接通道中，转矩直接从输入轴132传递给输出轴134，因为它们基本上相同。在间接通道的机械部分，转矩从中心齿轮142传递给行星齿轮146，以及传递给行星齿轮148，齿轮146连接在此处，然后到另一个中心齿轮144和与其连接的输出链轮齿136。在离合器部分，转矩从输入轴132传递给磁性粒子离合器138的电枢70，然后到离合器138的电磁体60。通过载置架150联接到行星齿轮146与148的电磁体60以间接部分传递转矩到载置架150和行星齿轮146和148。在这里，转矩与来自机械部分的转矩结合，被传递给中心齿轮144和与之连接的输出链轮齿136。

变速箱12可应用于车辆B，而变速箱100用于车辆A。变速箱130可应用于车辆A或B，但最好用于车辆B。其它变化是可能的，它们可应用具有不同连接的相同行星组36、100或140，甚至是不同的行星组。不管连接或行星组如何，这一装置应分离输入转矩为直接或刚性的传递通道和间接通道，间接通道具有机械部分和离合器部分。两个间接通道部分的转矩应在该通道的输出元件之前合并。行星组36、100或140不需要依靠齿轮，但可替代为依靠摩擦表面，这样成为牵引力驱动，实际上词“齿轮”也可是指牵引力驱动。离合器38、102和138的电磁体和电枢不需要是在其它元件的内部，但彼此关联地沿轴向分布。尽管优选磁性离合器38、102和131，其它类型的离合器也满足要求。例如，像湿圆片离合器的摩擦离合器，将具有电磁体离合器或磁滞离合器同样的功能。确实，通过分离为机械部分和离合器部分之间的间接通道、以及离合器与行星组的低的转矩元件联接，任何一种这些替代的离合器可小于传统变速箱中的离合器。

Claims (19)

1.一种变速箱，其特征在于，包括：

一个输入元件；

连接到所述输入元件的一第一输出元件；

一第二输出元件；

具有能够以不同角速度旋转的第一和第二离合器构件的离合器，当这些构件以不同角速度旋转时，该离合器具有在离合器构件之间传递转矩的能力，第一离合器构件连接到所述输入元件；和

一个行星齿轮组，包括围绕一个轴配置的第一、第二、第三和第四行星元件，所述第一行星元件连接到所述第二离合器构件，所述第二行星元件连接所述第一离合器构件，所述第三行星元件连接所述第二输出元件，所述第四行星元件位于所述第一和第三行星元件之间。

2.如权利要求1所述的变速箱，其特征在于，

离合器是磁性粒子离合器。

3.如权利要求2所述的变速箱，其特征在于，

离合器构件绕着配置行星组时所围绕的轴旋转。

4.如权利要求3所述的变速箱，其特征在于，

所述第一行星元件是中心齿轮，所述第二行星元件是围绕所述中心齿轮的环形齿轮，所述第四行星元件是与中心和环形齿轮连接并位于二者之间的一行星齿轮，所述第三行星元件是绕轴旋转的载置架，提供该行星齿轮围绕旋转的轴。

5.如权利要求4所述的变速箱，其特征在于，

所述第一和第二离合器构件是同中心的，所述第一离合器构件围绕所述第二离合器构件。

6.如权利要求4所述的变速箱，其特征在于，

所述离合器构件是同中心的，所述第二离合器构件围绕所述第一离合器构件。

7.如权利要求3所述的变速箱，其特征在于，

所述第二行星元件是中心齿轮，所述第三行星元件是另一个中心齿轮，所述第四行星元件是与两个中心齿轮啮合的组合行星齿轮，所述第一行星元件是绕轴旋转的载置架，提供所述组合行星齿轮围绕旋转的轴。

8.如权利要求3所述的变速箱，其特征在于，

所述输出和输入元件绕轴旋转，所述输出元件之一围绕另一输出元件。

9.如权利要求3所述的变速箱，其特征在于，

所述离合器构件之一联接所述行星组的所述中心齿轮，这样所述离合器构件和所述中心齿轮一齐并以相同速度旋转。

10.一种变速箱，其特征在于，

包括：一个输入元件，第一和第二输出元件，一个离合器和全部相连的行星组，这样，存在一直接通道，通过该直接通道，转矩在所述输入元件和所述第一输出元件之间传递，所述输入元件和所述第一输出元件之间的角速度没有变化，存在一间接通道，通过存在的间接通道，转矩从所述输入元件向所述第二输出元件传递，通过所述间接通道传递的转矩的量取决于通过所述离合器传递的所述转矩。

11.如权利要求10所述的变速箱，其特征在于，

间接通道包括机械部分，其中转矩仅通过所述行星组从所述输入元件传到所述第二输出元件；以及离合器部分，其中转矩同时通过所述离合器与所述行星组从所述输入元件传到所述第二输出元件。

12.如权利要求11所述的变速箱，其特征在于，

所述行星组包括一个中心齿轮，围绕所述中心齿轮的环形齿轮，与中心和环形齿轮连接并位于二者之间的一行星齿轮，以及提供该行星齿轮围绕旋转的轴的一载置架；其中经过间接通道的离合器部分传递的所述转矩通过所述中心齿轮传递。

13.如权利要求10所述的变速箱，其特征在于，

所述离合器是具有一电线圈的磁性粒子离合器；通过间接通道传递的转矩的量取决于通过线圈的转矩。

14.一种变速箱，其特征在于，包括：

一输入元件；

一第一输出元件；

一第二输出元件；

具有沿一个轴排列的第一和第二离合器构件的离合器；和

沿同一轴组织的一行星齿轮组，包括：连接所述第一离合器构件的一中心齿轮，连接所述第二离合器构件和所述输入元件的一环形齿轮，与所述中心和环形齿轮连接并位于二者之间的行星齿轮，以及提供该行星齿轮围绕旋转的轴并与第二输出元件连接的一载置架  。

15.如权利要求14所述的变速箱，其特征在于，

所述第二离合器构件围绕所述第一离合器构件；其中所述输入和输出元件绕轴旋转；其中所述一输出元件围绕所述第二输出元件。

16.如权利要求14所述的变速箱，其特征在于，

所述第一离合器构件围绕所述第二离合器构件；其中所述输入和输出元件绕所述轴旋转；其中所述第二输出元件围绕所述第一输出元件。

17.如权利要求14所述的变速箱，其特征在于，

所述离合器是磁性粒子离合器。

18.一种变速箱，用于具有主驱动轮和次级驱动轮和传递转矩的动力单元的机动车中，分配通过所述动力单元传递给所述主要和次级驱动轮的所述转矩的变速箱，所述变速箱包括：

连接所述动力单元的一输入元件；

连接所述输入元件和所述主驱动轮的一第一输出元件；

连接所述次级驱动轮的一第二输出元件；

具有能够以不同角速度旋转的第一和第二离合器构件的一离合器，该离合器具有在所述离合器构件之间传递转矩的能力，所述第一离合器构件连接到所述输入元件；和

一个行星齿轮组，包括围绕一轴配置的第一、第二、第三和第四行星元件，所述第一行星元件连接所述第二离合器构件，所述第二行星元件连接所述输入单元，所述第三行星元件连接所述第二输出元件，所述第四行星元件位于第一和第三行星元件之间。

19.如权利要求18所述的变速箱，其特征在于，

所述离合器是磁性粒子离合器。

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