CN1882795A - 无级变速传动 - Google Patents

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Abstract

一种采用系列齿轮组实现无级变速传动的动力传动系统。第一定比齿轮组(62)从马达(40)接收转矩和旋转并且第二定比齿轮组(70)向从动装置(44)提供转矩和旋转。这两个齿轮组各自采用三个齿轮元件，使得第一齿轮组以一个轴接收动力并以两个轴提供动力。第二齿轮组以两个不同的轴接收动力并以一个轴提供动力。两条传动链从第一齿轮组向第二齿轮组传递旋转和转矩，在这两个齿轮组之间，所述旋转在一个传动链上被反向(72)。对传动系统总传动比的控制通过瞬时利用动力调节一条线路(74)的转速来提供。在一种实施方式中采用液力耦合器在每条传动链上传递动力。

Description

无级变速传动
技术领域
本发明总体上涉及从马达到驱动负载的转矩和旋转马达的传动。更具体地说，本发明是关于一种从马达向交通工具例如轿车、船和机车的传动部件传递动力的方法。
背景技术
马达利用多种能量形式产生旋转形式的机械能。由马达转换的典型的能量是电能、液压能、内部化学燃料、等离子流以及其它。对于利用来自马达的旋转形式的动力的装置来说，公式1中表述了动力(每单位时间由马达做的功)、转矩(T)和转速(rpm)之间的函数关系：
1.P＝k(T×rpm)
用文字表述，动力是由马达施加的转矩(T)乘以马达转速(rpm)的函数。
发明内容
传动系统被要求在通常利用转速(rpm)测得的马达输出转速特性和驱动负载的需求之间形成匹配。通常，传动系统包含在下文被称为齿轮组的一组或多组齿轮，所述齿轮组将一个转速转化成由齿轮元件间的外形尺寸关系确定的一个不同转速。通常，这与从一个齿轮向另一个齿轮传递转矩和旋转的啮合齿轮的半径间的比率有关。传动比是描述特定齿轮组结构的转化率的单个数值。但是通常，特定齿轮组结构维持多于一个的输入转速值，就是维持马达的速度范围。但是，马达在所述维持范围的更有限的区段上操作更有效。当驱动负载需要符合要求的输入转速，而所述输入转速处于由特定齿轮组结构提供的转速容许范围之外时，将采用新的齿轮组结构。CVT(无级变速传动)不同于常规的传动系统，因为其能够提供连续的传动比范围，而不是所述比率的离散组。采用CVT的马达几乎总是能够在其最佳的转速(rpm)范围内操作，使马达运行更有效。
附图说明
图1是描述本发明的传动系统的位置的总体示意图；
图2是本发明的传动系统的传动链示意图；
图3A是本发明的CVT的示意性布局图，图中显示了能够相对于构架限定传动链第一轴的旋转的转速调节器；
图3B是本发明的CVT的示意性布局图，图中显示了能够相对于构架限定第二轴的旋转的转速调节器；
图3C是本发明的CVT的示意性布局图，图中显示了能够相对于构架限定第一和第二轴的旋转的转速调节器；
图3D是本发明的CVT的示意性布局图，图中显示了能够限定第一和第二轴相对旋转的转速调节器；
图3E是本发明的CVT的示意性布局图，图中显示了能够对从马达轴得到旋转的第一轴的转速进行调节的转速调节器；
图3F是本发明的CVT的示意性布局图，图中显示了利用外部动力源用于在传动链的分支上形成转速变化的转速调节器；
图4A是本发明的传动系统的结构示意图，图中显示了不同区段的旋转方向；
图4B是本发明的传动系统的示意图，图中显示了不同区段的旋转方向；
图5是本发明的优选实施方式的传动系统的齿轮组的示意图；
图6是在本发明的传动系统中包括两个平行的液力耦合器的实施方式的示意图；
图7是包括转速适配器的本发明优选实施方式的传动系统的示意图。
具体实施方式
本发明的系统是机械地实现无级变速传动(CVT)的改进的动力传动装置。本发明的传动系统被用于各种马达/发动机。示意性地，在现在参照的图1中示出，通常是发动机或马达40的动力提供装置以转矩和旋转速度的形式提供传动。转矩由本发明的无级变速传动系统42传递并向驱动负载44提供转矩和旋转。本发明的系统所匹配的动力提供装置是任何内燃机、任何电动机、任何涡轮机、液力发动机以及实质上的任何旋转动力源。在驱动消耗端，本发明的系统可采用工业机器、发电机、公路车辆、拖拉机、机车、坦克和运兵船、直升飞机、船舶和实际上的任何旋转机械装置。
本发明的传动系统的主要结构特征
本发明的无级变速传动(CVT)采用两个定比齿轮组，第一齿轮组(在下文称为齿轮组A)从动力提供装置(对于所有可能的场合在下文称为马达)接收转矩和旋转，并且第二齿轮组(在下文称为齿轮组B)向旋转动力的消耗装置提供转矩和旋转。用于执行本发明的CVT的齿轮组A和B任务的适当齿轮组是具有三个齿轮元件和用于输入输出的附加轴的齿轮组，例如行星齿轮组或差速齿轮组。由Richard M.Phelan，McGraw Hill，New York编著的“机械设计基础”第二版的第17章“齿轮系”中描述了这种齿轮组的主要结构和功能特点，其内容在此引入作为参考。但是本发明的CVT可采用任何具有类似特征的其它齿轮组。
本发明的另一个主要部件是用于对由齿轮组A提供的旋转和转矩的方向进行变换的齿轮组，这将在下文详细阐述。利用另一些适应旋转速度的齿轮使由齿轮组A提供的转矩与齿轮组B中的对应齿轮匹配。
通常，本发明的传动系统的传动链通过齿轮组A被分成两条线路，使得转矩和旋转在两条平行线路上传递，并在合并齿轮组B上再次合并。在现在参照的图2中示意性地描述了本发明的传动链的布局。马达40向齿轮组A 62提供旋转和转矩，齿轮组A是一个向齿轮组70(齿轮组B)的一个输入齿轮以及向齿轮组B 70的另一个输入齿轮提供旋转和转矩的转矩/旋转分流装置。齿轮组72用作为布置在齿轮组A 62和转矩/旋转合并齿轮组B70之间的旋转反向齿轮组。通常，旋转反向齿轮组包含在本发明的CVT的总成内，而作为一个独立单元，或者与齿轮组A或B联合或者与任何其它齿轮组联合。其位置可在总成内改变以实现其作用。在一些实施方式中，本发明的附加部件是对传动链的任何一条线路或两条线路的转速瞬时施加转速调节作用的转速调节器74。在一些实施方式中，液力耦合器作为传动链每条线路的组成部分。这些实施方式在下文被称为液力耦合传动系统(FCTS)。在这些实施方式中，液力耦合器采用与马达轴相连的泵轮(impeller)。泵轮在耦合流体内产生动能，所述动能依次使也被称为转子的、且与驱动负载相连的涡轮致动。泵轮和转子都被封闭在密封壳体内，在所述密封壳体内还具有适当的流体。转子不能完全达到泵轮的转速，泵轮和转子的转速差被称为液力耦合器的滑差率。在常规稳态运行条件下的滑差率大约是1％-5％，但可以达到更高。
在液力耦合器的工作范围内，可由工作在最小滑差率下的液力耦合器传递的转矩的特征如下：
a.随着流体量的增大而增大。
b.随着转速平方的增大而增大。
c.随着滑差率的增大而增大。
本发明的FCTS系统利用以上三个原理实现无级变速传动。可在本发明的实施中采用遵循以上三个工作原理的液力耦合器或任何其它装置。
本发明的相应的齿轮组A和齿轮组B的三个输入-输出齿轮每个都遵循以下规则：任何一个齿轮的转速n是其它齿轮转速的函数，因此
1.n1＝f(n2+n3)
2.n2＝f(n1+n3)
3.n3＝f(n2+n1)
4.以上所述的每个齿轮组中特定两个齿轮的转矩之间存在以下关系：
5.T1＝KT2，其中T1和T2与齿轮组内的齿轮有关。
用文字表述，一个特定齿轮的转矩等于第二特定齿轮的转矩乘以一常数。第三齿轮在本发明中与驱动马达或驱动负载中的任何一个相连。
为了控制本发明的无FCTS实施方式中传动系统的总传动比，传动链的两条线路上的转速通过在传动链的至少一个线路上施加转速调节作用得到调节。转速调节器的作用通过降低或提高传动链的一条线路相对于另一条线路的转速来实现。实际上，这一作用通过采用提高转速(rpm)或降低转速(rpm)的机械装置例如齿轮组或任何转矩传递机构例如皮带传动装置来实现。制动系统可被用于降低传动链线路上的转速。
在现在参照的图3A-F中给出了在这方面存在的可能的变化的示意图。在图3A中转速调节器74对转速施加作用，特别是限制相对于固定传动系统的底盘(或构架)的旋转。在图3B中转速调节器74对传动链的另一条线路施加作用。备选地，转速调节器对传动链的两条线路都施加作用。这可以由图3C中所示的两个独立的调节器74和76或由图3D中所示的复合调节器来实现。这种复合调节器是本领域内已知的辅助无级变速传动(VCT)齿轮组例如皮带传动装置。如图3D中示意性地示出的那样，如果采用复合调节器77，则一条线路的转速相对于另一条线路的转速而变化。在图3E中这一作用通过采用辅助的VCT齿轮组来实现，该辅助的VCT齿轮组将来自齿轮组A的输入轴的转矩和旋转通过转速调节器80传递到传动线路上。
通常，为了实现转速调节作用，瞬时性地采用一些机械装置，使得整个传动系统从一种动态平衡状态转换到另一种动态平衡状态。这些装置可分成几种分类中的任何一个。调节装置包括相对于传动系统的构架调节一条线路的旋转。通常这一目的通过对从齿轮组A向齿轮组B传递转矩的轴的旋转进行摩擦限制来实现。更复杂的调节系统是一种两条线路被相对调节的系统。在第三种调节类型中，如以上在图3E中所示，包含旋转传动装置例如齿轮组或皮带的调节器被用于相对于齿轮组A的输入轴调节线路的旋转。在图3F中示意性示出的另一种备选实施方式中，转速调节器80瞬时性地采用外部动力源82调节传动链的至少一条线路的转速。
在现在参照的图4A-B中示出了本发明的CVT的各个区段的旋转方向。在图4A中齿轮组62和齿轮组70是差速齿轮组。旋转和转矩从齿轮组62传递到齿轮组70并传递到旋转反向齿轮组72。从马达40接收转矩和旋转的齿轮的转速是n1。与其它两个齿轮相关的转速的进一步的关系如下：
n1＝(n3+n2)/2，以及
n4＝-n2
对于输出转速，
n5＝(n4+n3)/2，并且对于转矩
T3＝T2且T4＝-T2。
在图4B中旋转和转矩从齿轮组62传递到齿轮组70并传递到旋转反向齿轮组72。从马达40接收转矩和旋转的齿轮的转速是n1。与其它两个齿轮相关的转速的进一步的关系如下：
n1＝(n3+n2)/2，以及
n4＝-n3
对于输出转速，
n5＝(n4+n2)/2，并且对于转矩
T3＝T2且T4＝-T3。
通常，旋转反向齿轮组可包括在本发明的CVT的总成内，该旋转反向齿轮组作为独立单元，或者与齿轮组A或B联合，或者与任何其它齿轮组联合。该旋转反向齿轮组的位置可在总成内可变化以实现其作用。
在现在参照的图5中示意性地示出了关于一种实施方式的本发明的主要机械部件。输入齿轮90提供由差速齿轮92利用的转矩和旋转。分流齿轮92通过两个输出即输出部94和输出部96提供转矩和旋转。来自输出部94的转矩和旋转传递到反向齿轮100，反向齿轮100在输入部102接收转矩和旋转并在输出部104向前传递反向的旋转和转矩。组合齿轮106在输入部108和输入部110接收转矩和旋转。转矩和旋转随后通过输出部112传递到驱动负载。由虚线118限定的旋转调节模块116包括辅助CVT，其包括带有两个皮带轮122和124以及皮带126的皮带传动装置，用于向输出部96传递旋转。在本发明的FCTS实施方式中，在现在参照的图6中示意性示出了FCTS实施方式中本发明的部件的总成。马达40向齿轮组A 62提供旋转和转矩，齿轮组A 62向两个液力耦合器提供旋转和转矩。第一液力耦合器130向齿轮组70(齿轮组B)的一个输入齿轮提供旋转和转矩，第二液力耦合器132向齿轮组B 70的另一个输入齿轮提供旋转和转矩。起旋转反向齿轮组作用的齿轮组72布置在液力耦合器66和齿轮组B 70之间。本发明的附加部件是确定液力耦合器68内流体量的流体量控制器134。在本发明的FCTS实施方式中，液力耦合器促进本发明的CVT的传动比连续变化。由工作在最下滑差率下并在规定的转速限度内的液力耦合器传递的转矩通过三个独立的条件因素而改变：
a.随着流体量的提高而提高。
b.随着转速平方的提高而提高。
c.随着滑差率的提高而提高。
在该实施方式的一种变形中，采用泵轮-转子型液力耦合器，其功能在上文进行了描述。为了说明FCTS实施方式的功能，现在参照图6的示意图。马达40向齿轮组A 62提供旋转和转矩，齿轮组A 62向两个液力耦合器提供旋转和转矩。第一液力耦合器66向齿轮组70(齿轮组B)的一个输入齿轮提供旋转和转矩，第二液力耦合器68向齿轮组B 70的另一个输入齿轮提供旋转和转矩。起旋转反向齿轮组作用的齿轮组72布置在液力耦合器130和齿轮组B 70之间。本发明的附加的可选择部件是确定液力耦合器132内流体量的流体量控制器74。
对本发明的CVT施加控制
为了改变由本发明的无FCTS的CVT向驱动负载提供的转速，转速调节器被瞬时致动直至获得新的状态。为了使调节器致动，将控制机构用于所述调节器。该控制机构可以是与提高或降低传动链的一条线路的转速的辅助VCT齿轮组接合的致动器。通常，当一条线路的转速降低时，另一条线路提高其转速。另一个控制机构是制动系统的致动器，其降低传动链的一条线路的转速。使辅助齿轮或制动器致动的动力可以来自几个源头例如外部动力源(图3A、3B、3C、3F)，以及在传动系统的部件间传递的动力(图3E，3D)。
在FCTS实施方式中，转速调节器是流体量控制器。这在再次参照的图6中示意性地示出。液力耦合器132传递从齿轮组A 62至齿轮组B 70的旋转和转矩。流体量控制器134被用于确定本发明的CVT的总传动比及本发明的传动系统的两个液力耦合器之一、至少是液力耦合器132中的流体的有效量。改变(提高或降低)液力耦合器中的流体量直接导致液力耦合器转速的变化以及随之而来的CVT其它部件的转速的变化。
如上所述，一个或多个转速适配齿轮组包含在本发明的CVT的总成内，其既可作为与齿轮组A或B联合的独立齿轮组，也可作为与任何其它齿轮组联合的独立齿轮组。在现在参照的图7中示意性地示出了在实施本发明的传动链中采用的这种齿轮组。转速适配器140介于旋转反向齿轮组72和齿轮组A 62之间。在同一附图中示出的另一实例中，转速适配器142介于齿轮组A 62和齿轮组B 70之间。
本发明的益处
本发明的传动系统可接受任何转矩/转速(rpm)输入范围以产生任何转矩/转速(rpm)输出范围。因此在这方面所述系统在规定的工作界线内是无限的。而且，对于由马达提供的任何转矩/转速(rpm)组合来说，所述系统可输出任何其它的转矩/转速(rpm)组合。本发明的优选实施方式完全通过轴和齿轮从马达/发动机向驱动负载传递动力，因此是一种非常有效的传动系统。
采用本发明的CVT不仅可以为从动装置消耗的任何动力匹配准确的转矩/转速(rpm)组合，而且由此能够保持马达对于驱动负载所需的任何给定马达转矩或转速(rpm)而工作在最高性能下。对于内燃机，这意味着通过燃烧驱动负载所需的每单位动力的最低消耗燃料量能够获得最佳效率。此外，由于燃料的有效使用，由燃料氧化作用而释放到大气内的污染物更少。

Claims (16)

1.一种用于从马达向负载传递旋转和转矩的无级变速传动系统，包括：
●用于从马达接收转矩和旋转并用于在两个轴上传递所述转矩和旋转的第一齿轮组；
●用于在两个轴上从所述第一齿轮组接收转矩和旋转并用于向所述驱动负载传递转矩和旋转的第二齿轮组；
●用于使与所述第一齿轮组的一个轴相关的旋转的旋转方向反向的一个旋转反向齿轮组，以及
●用于调节所述第一齿轮组的至少一个轴的转速的至少一个装置。
2.如权利要求1所述的用于从马达向负载传递旋转和转矩的无级变速传动系统，其特征在于，在用于从所述第一齿轮组向所述第二齿轮组传递旋转和转矩的每个所述轴上采用液力耦合器。
3.如权利要求2所述的用于从马达向负载传递旋转和转矩的无级变速传动系统，其特征在于，一流体量控制器确定所述至少一个液力耦合器内的流体量以调节所述轴的转速。
4.如权利要求1所述的用于从马达向负载传递旋转和转矩的无级变速传动系统，其特征在于，附加齿轮组装置布置在所述第一齿轮组和所述第二齿轮组之间以使所述第一齿轮组的转速与所述第二齿轮组适配。
5.如权利要求1所述的用于从马达向负载传递旋转和转矩的无级变速传动系统，其特征在于，所述用于调节转速的装置应用在所述第一齿轮组的一个输出轴上。
6.如权利要求1所述的用于从马达向负载传递旋转和转矩的无级变速传动系统，其特征在于，所述用于调节转速的装置应用在所述第一齿轮组的两个输出轴上。
7.如权利要求1所述的用于从马达向负载传递旋转和转矩的无级变速传动系统，其特征在于，所述负载是交通工具。
8.如权利要求1所述的用于从马达向载荷传递旋转和转矩的无级变速传动系统，其特征在于，所述驱动负载是工业机器。
9.一种用于通过瞬时性地调节同一第一齿轮组的不同齿轮的转速来改变动力传动系统的总传动比的方法，其中，第二齿轮组的两个不同齿轮分别从所述第一齿轮组以及从旋转反向齿轮组接收旋转和转矩，并且其中，驱动负载从所述第二齿轮组接收转矩和旋转。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过采用来自所述第一齿轮组的一个输出部的转矩来调节所述第一齿轮组的另一个输出部的转速来实现所述瞬时调节。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过采用来自所述第一齿轮组的输入轴的转矩来调节所述第一齿轮组的输出部的转速来实现所述瞬时调节。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过摩擦减小所述第一齿轮组的一个齿轮相对于所述传动系统的构架的转速来实施所述转速调节。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一齿轮组的两个输出齿轮的转速相对于所述传动系统的构件均被瞬时地调节。
14.如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过采用来自外部动力源的转矩来调节所述齿轮组的至少一个输出部的转速来实现所述瞬时调节。
15.一种用于连续改变由动力传动系统向驱动负载提供的转速和转矩的方法，其特征在于在两个液力耦合器中的至少一个内的流体量，其中，所述两个液力耦合器从同一第一齿轮组的不同齿轮接收旋转和转矩，并且第二齿轮组的两个不同齿轮从所述液力耦合器接收旋转和转矩，其中，驱动负载从所述第二齿轮组接收转矩和旋转，其中，在将旋转传递到所述第二齿轮组之前采用旋转反向齿轮组使旋转方向反向。
16.如权利要求15所述的用于连续改变动力传动系统的总传动比的方法，该方法是通过控制两个液力耦合器中至少一个内的流体量实施，其中，所述两个液力耦合器从同一第一齿轮组的不同齿轮接收旋转和转矩，并且其中，第二齿轮组的两个不同齿轮从所述液力耦合器接收旋转和转矩，其中，驱动负载从所述第二齿轮组接收转矩和旋转，并且其中，在所述第二齿轮组以一个齿轮接收旋转和转矩之前实现旋转反向。
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