CN87107940A

CN87107940A - 无级变速装置

Info

Publication number: CN87107940A
Application number: CN87107940.2A
Authority: CN
Inventors: 喜多康雄
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1986-11-21
Filing date: 1987-11-20
Publication date: 1988-06-01
Also published as: KR920009581B1; KR880006483A; EP0272461A3; DE3786996T2; DE3786996D1; CN1015196B; EP0272461A2; US5071391A; EP0272461B1

Abstract

在液压机械式变速装置中，用同步啮合式机构实现动力断续机构的动作，该动力断续机构使高速侧及低速侧的机械式传动系统的传动端与设置在输入输出端的共同旋转件离合。

Description

本发明是关于在工业机械和车辆等各种工业领域中可广泛使用的无级变速装置。

作为应用液压泵马达的无级变速装置，所谓液压传动装置（HST）已为人们所公知。但是，这种装置虽然具有良好的无级变速性能，可是其效率不一定高、变速范围也不能满足需要。因此，人们研制了如下所述的无级变速装置（HMT），该装置通过使液压传动装置（HST）和差动齿轮机构并用及由HST和差动齿轮机构分担动力传递，从而共同发挥上述HST的无级变速性能及齿轮传动的高效率性能〔参考文献-油压工程（石原智男编、朝仓书房）、活塞泵马达的理论与实际（石原贞男、日冕公司）〕。这种无级变速装置包括：

设置第1、第2及第3输入输出端的差动齿轮机构，该机构构成了用于第1输入输出端和第2输入输出端之间的低速侧的机械式传动系统及用于第1输入输出端和第3输入输出端之间的高速侧的机械式传动系统;

无级变速机构，该机械在上述差动齿轮机械的第2输入输出端与一个液压泵马达的输入输出轴连接，同时，在上述的第3输入输出端与另一个液压泵马达的输入输出轴连接，这两个泵马达构成了可变速的液压式传动系统;

低速侧的离合器，该离合器使上述低速侧的机械式传动系统的传动端与设置了输入输出端的共同旋转件离合;

高速侧的离合器，该离合器使上述的高速侧的机械式传动系统的传动端与上述的共同旋转件离合。

这种无级变速装置可通过互反地切换上述两个离合器，选择低速状态或者高速状态。而且，作为上述离合器，目前已使用油压切换的干式或者湿式的多片离合器。

可是，这种多片离合器往往另件数量多、假积也大。因此，在切换部分采用这种形式的离合器存在着难于实现装置的总体小形化及轻量化等问题。还有，这种离合器因利用面积大的离合器片之间滑动来圆滑地切换动力的传递状态，所以切换时能量损失大。而且，这种离合器因其离合器片易摩损而存在维修费工夫的问题。

这种离合器，为了消除切换时的震动，在操作时要按时间微妙地控制高速离合器和低速离合器两者的传递扭矩（控制油压），以避免使用中发生问题。另外，因切换时分离不彻底而造成的发热、摩损及油粘度的变化，还会产生调整偏差问题。这种离合器在扭矩和速度大幅度变化的行驶条件下难以实现最佳条件。

本发明的目的在于消除上述的各种问题。

为了达到这样的目的，本发明采取下述的结构。

即，按照本发明的无级变速装置，其特征在于具有：

设置第1、第2及第3输入输出端的差动齿轮机构，该机构构成用于第1输入输出端和第2输入输出端之间的低速侧的机械式传动系统及用于第1输入输出端和第3输入输出端之间的高速侧的机械式传动系统;

无级变速机构，该机构的一个输入输出端与上述的差动齿轮机构的第2输入输出端连接，同时，其另一个输入输出端与上述的第3输入输出端连接。

低速侧的同步啮合式动力断续机构，该机构利用啮合套的嵌脱使上述低速侧的机械式传动系统的传动端与设置在输入输出端的共同旋转件离合;

高速侧的同步啮合式动力断续机构，该机构利用啮合套的嵌脱使上述的高速侧的机械式传动系统的传动端与上述共同旋转件离合;

切换机构，该机构通过将上述的啮合套可靠地推压到嵌入位置或者脱开位置，实现转换上述的动力断续机构的嵌脱状态。

作为上述的同步啮合式动力断续机构，可以是，例如，用于车辆变速器的惯性联锁方式的和固定负载方式的。

这种结构的无级变速装置，在低速状态时，差动齿轮机构的用于第1输入输出端和第2输入输出端之间的低速侧的机械式传动系统的传动端，通过低速侧的同步啮合式动力断续机构与设置在输出端或者输入端的共同旋转件连接，被输入的动力的一部分经过这个低速侧的机械式传动系统直接被输出。而剩余的动力经过由液压传动机构构成的液压传动系统传向输出端。

而在高速状态时，差动齿轮机构的用于第1输入输出端和第3输入输出端之间的高速侧的机械式传动系统的传动端，通过高速侧的同步啮合式动力断续机构，与上述的共同旋转件连接，被输入的动力的一部分经过这个高速侧的机械式传动系统直接被输出。而剩余的动力经过由液压传动机构构成的液压式传动系统传向输出端。

而由上述的低速状态向上述的高速状态的转换是按下述的方式进行的。即，只在低速侧的同步啮合式动力断续机构处于连接状态时，当高速侧的机械式传动系统的传动端的转速接近低速侧的机械式动力传动系统的传动端的转速时，应进行与高速侧的同步啮合式动力断续机构相连接的操作。

其操作过程是，首先，用切换机构以适当的力将高速侧的动力断续机构的啮合套推向嵌入方向，待机嵌合。这样一来，在动力断续机构的同步器环的作用下，在上述两个传动端的转速达到相等的瞬间，将上述的啮合套推进嵌合位置，其高速侧的同步啮合式动力断续机构就自动进入连接状态。这时，高速侧的机械式动力传动系统的传动端与共同旋转件连接。其后，为使同步啮合式动力断续机构转换成非连接状态，首先，用切换机构以适当的力将应脱开的动力断续机构的啮合套推向脱离方向，待机脱离，接着，调整上述无级变速机构的变速比，使动力断续机构传递扭矩减少。这样一来，当该动力断续机构的传递扭矩接近于零的瞬间，将啮合套推进脱离位置，这时，扭矩的传递被切断。

附图表示本发明的一个实施例。

图1是系统说明图。

图2是表示同步啮合式动力断续机构和转换机构部分的剖面图。

图3是表示同步啮合式动力断续机构的同步啮合器的布置的放大剖面图。

图4至图6是作用说明图。

图7是表示控制特性曲线的说明图。

以下，参照附图说明本发明的一个实施例。

按照本发明的无级变速装置，如图1所示，包括：

设置第1、第2及第3输入输出端1、2、3的差动齿轮机构4，该机构构成用于第1输入输出端1和第2输入输出端2之间的低速侧的机械式传动系统a及用于第1输入输出端1和第3输入输出端3之间的高速侧的机械式传动系统b;

无级变速机构12，该机构的一个液压泵马达7的输入输出轴7a（一侧的输入输出端）经过齿轮5、6与上述的差动齿轮机构4的第2输入输出端2连接，同时，另一个液压泵马达8的输入输出轴8a（另一侧的输入输出端）经过齿轮9、11与上述的第3输入输出端3连接，由这两个泵马达7、8构成可变速的液压式传动系统A、B;

低速侧的同步啮合式动力断续机构14，该机构使上述低速侧的机械式传动系统a的传动端与同步旋转件的中心毂13离合;

高速侧的同步啮合式动力断续机构15，该机构使上述的高速侧的机械式传动系统b的传动端与上述的中心毂13离合，并且，中心毂13通过齿轮16和17与输出轴18连接。

差动齿轮机构4是行星齿轮式的、在沿圆周等间距设置的多个行星齿轮21的内侧设置太阳齿轮22，并与之啮合。同时，使行星齿轮21的外侧与齿圈23啮合。而且将旋转支承上述各行星齿轮21的行星齿轮架24的中心作为上述的第1输入输出端1，在该端1上设置与动力源19连接的输入轴25。还将支承上述太阳齿轮22的轴22a的前端作为上述的第2输入输出端2，在该端2上固定安装齿轮5。再将上述齿圈23的轮毂23a的前端作为上述第3输入输出端3、在该端3上设置上述的齿轮9。于是，由上述的行星齿轮21、太阳齿轮22、齿轮5、6、28及29构成了低速侧的机械式传动系统a、最后的齿轮29的轮毂29a承担了该机械式传动系统a的传动端的作用。另一方面，由上述的行星齿轮21、齿圈23构成了上述的高速侧的机械式传动系统b，上述的齿圈23的轮毂23a承担了该机械式传动系b的传动端的作用。

上述的无级变速机构12通过与普通的HST一样的液压回路31同可变容量液压泵马达7、可变容量液压泵马达8串连连接，上述的液压泵马达7的输入输出轴7a通过齿轮6、5与上述的太阳齿轮22的支承轴22a连接，同时，上述的液压泵马达8的输入输出轴8a通过齿轮11、9与上述的齿圈23连接。而32是与上述的液压回路31连接的活塞泵。

低速侧的同步啮合式动力断续机构14是所谓的惯性联锁方式的。该机构14在上述的中心毂13的一端和构成上述的低速侧的机械式传动系统a的传动端的齿轮29的轮毂29a之间设置卡爪齿轮41和同步器环42。卡爪齿轮41被固定安装在上述齿轮29的轮毂29a上，在其外圆周表面上设置卡齿41a，该齿的尖端41b朝向上述中心毂13，将这个卡爪齿轮41的毂的外圆周表面加工成朝着中心毂13直径逐渐减小的圆锥离合器面41C、使上述可移动的同步器环42与这个圆锥离合器面41C嵌合。同步器环42在其外圆周表面上设置齿42a、该齿的尖端42b朝向中心毂13，在其端面加工出多个凹口42C。另一方面，在中心毂13的外圆周表面加工出花键43、该花键的有效直径和齿距与上述的卡爪齿轮41的卡齿41a及同步器环42的齿42a一样，使内圆周表面刻有花键45的啮合套44沿轴向可移动地与花键43配合。还在这个中心毂13的对着上述凹口42C的部位设置端面开口的缺口槽46、使各个缺口槽46与各个同步器47配合。同步器47的尺寸应与上述缺口槽46的轮廓、开口尺寸近似。因此，各个同步器47只能沿着中心毂13的轴向和径向移动。每个同步器47由弹簧48推向外侧，其前端插进上述的同步器环42的凹口42C中。在每个同步器47的外表面上设置凸部47a、该凸部47a与上述的啮合套44的花键45的内圆周表面上设置的浅缺口45a弹性地配合。并且，还在上述的啮合套44的外圆周表面上加工出环状槽44a、使该槽与下文叙述的切换机构61的拔叉62配合。

以下说明这个同步啮合式动力断续机构14的工作原理。

图2及图3表示空档位置，这时，设置在啮合套44的花键45上的浅缺口45a与同步器47的凸部47a配合，该同步器47的前端嵌入同步器环42的凹口42C中。以这种状态由下文叙述的低速侧切换机构61将啮合套44推向图中右方（嵌入方向），按照这样就能进行切换操作。即，当用上述的切换机构61的推力将啮合套44推向同步器环42的时候，首先，同步器47的前端与同步器环42的凹口42C的端面42d接触（见图4），然后将同步器环42推靠在卡爪齿轮41的圆锥离合器面41C上。这样，上述的同步器环42通过摩擦随着卡爪齿轮41旋转。当由这种状态进一步将上述的啮合套44推向图中的右方时，上述的同步器47的凸部47a从啮合套44内表面上的浅缺口45a滑出，这时，同步器47被啮合套44的内表面沿径向向内推压。这样，上述的同步器47进一步压靠卡爪齿轮41的圆锥离合器面41C、于是，在同步器环42和卡爪齿轮41之间产生很大的相对摩擦力。因此，上述的同步器环42相对于中心毂13处于最大的相对偏位位置。即，凹口42C的内侧面与同步器47的侧面接触（见图5），而且，在这个位置，啮合套44的花键45的尖端45b的斜面与上述的同步器环42的齿42a的尖端42b的斜面接触，这时，啮合套44被阻止向图中的右方推动。在这种状态下，当上述的卡爪齿轮41和上述的中心毂13之间的相对转速差逐渐减少时，由于卡爪齿轮41的圆锥离合器面41C作用于上述同步器环42的摩擦力也逐渐减少。因此，上述卡爪齿轮41和上述的中心毂13的旋转接近同步时，上述的摩擦力近于消除，在这一阶段，上述的啮合套44利用尖端42b、45b的斜面导向作用，将同步器环42推向因摩擦力产生的偏位方向的反方向，啮合套44前进。这时，该啮合套44的花键45与上述的卡爪齿轮41的卡齿41a进入啮合（见图6）。

接着说明高速侧的同步啮合式动力断续机构15的工作原理。

该机构15在上述的中心毂13的另一端和上述高速侧的机械式传动系统b的传动端安装的齿圈23的毂23a之间设置卡爪齿轮51和同步器环52。卡爪齿轮51被固定安装在齿圈23的轮毂23a上，在其外圆周表面上设置卡齿51a，该齿的尖端51b朝向上述的中心毂13。将这卡爪齿轮51的毂的外圆周表面加工成朝着中心毂直径逐渐减小的圆锥离合器面51C，使上述可移动的同步器环52与这个圆锥离合器面51C嵌合。同步器环52在其外圆周表面上设置齿52a、该齿的尖端52b朝向中心毂13，在端面加工出多个凹口52C。另一方面，在中心毂13的外圆周表面加工出花键53、该花键的有效直径和齿距与上述卡爪齿轮51的卡齿51a及同步器环52的齿52a一样，使内圆周表面刻有花键55的啮合套54沿轴向可移动地与花键53配合。还在这中心毂13的对着上述的凹口52C的部位设置端面开口的缺口槽56、使各个缺口槽56与各个同步器57配合。同步器57的尺寸应与上述缺口槽56的轮廓、开口尺寸近似。因此，各个同步器57只能沿着中心毂13的轴向和径向移动。每个同步器57由弹簧58推向外侧，其前端插进上述的同步器环52的凹口52C中。每个同步器57的表面上设置凸部57a、该凸部57a与上述的啮合套54的花键55的内圆周表面上设置的浅缺口55a弹性地配合。并且，在上述的啮合套54的外圆周表面上加工出环状槽54a、使该槽与下文叙述的切换机构71的拔叉72配合。

这个高速用的同步啮合式动力断续机构15与下文叙述的高速侧的切换机构靠接，和上述低速用的同步啮合式动力断续机构起同样的作用，也操纵动力的断续。

以下说明上述两套切换机构61、71的构成。

首先，低速侧的切换机构61包括：

拔叉62、该拔叉的前端与低速侧的同步啮合式动力断续机构14的啮合套44配合;

可进退滑动的轴63，该轴保持拔叉62的基部，并可沿着与上述的啮合套44的轴线平行的方向滑动;

弹簧64，该弹簧将滑动轴63压向图中的左方（脱开方向）;

油压缸65、该油压缸使上述的滑动轴63压向图中的右方（嵌入方向）。油压缸65是在支承上述的滑动轴63的孔壁89上加工出比该滑动轴63的直径大的油缸内径66，在这个油缸内径66的内圆周面上可滑动地嵌合着与上述的滑动轴63形成一体的活塞67，通过电磁阀69可选择地使由油缸内径66形成的压力室68与油箱91或者恒压油压源92接通。

其次，高速侧的切换机构71包括：

拔叉72，该拔叉的前端与高速侧的同步啮合式动力断续机构15的啮合套54配合;

可进退滑动的轴73、该轴保持拔叉72的基部，并可沿着与上述的啮合套54的轴平行的方向滑动;

弹簧74，该弹簧将滑动轴73压向图中的右方（脱开方向）;

油压缸75、该油压缸使上述的滑动轴73压向图中的左方（嵌入方向）。油压缸75是在支承上述的滑动轴73的孔壁90上加工出比滑动轴73的直径大的油缸内径76、在这个油缸内径76的内圆周面上可滑动嵌合与上述的滑动轴73形成一体的活塞77，通过电磁阀79可选择地使油缸内径76内形成的压力室78与油箱91或者恒压油压源92接通。

而81、82是设置在上述的滑动轴63、73的端部的磁铁。83、85是舌簧接点开关，用来敏感磁铁81、82的接近，以此检测切换的脱开位置。84、86也是舌簧接点开关，同样用来敏感磁铁81、82的接近，以此检测切换的嵌入位置。

图中87是用于检测低速侧的机械式传动系统a的传动端的旋转速度的测速器。88是用于检测高速侧的机械式传动系统b的传动端的旋转速度的测速器。

以下说明这种无级变速装置的全部工作原理。

在低速状态时，啮合套44保持在嵌入位置、低速用的同步啮合式动力断续机构14处于接合状态、而啮合套54保持在脱开位置、高速用的同步啮合式动力断续机构15处于分离状态，通过用于上述差动齿轮机构4的第1输入输出端1和第2输入输出端2之间的低速侧的机械式传动系统a，输入端和输出端接通，这时，输入的动力的一部分经过这个机械式传动系统a直接传递到输出轴18。象图7表示的那样，上述液压泵马达7起马达作用，上述的液压泵马达8起泵作用。即，上述差动齿轮机构4的第3输入输出端3的旋转力通过在上述两个泵马达7、8之间构成的液压式传动系统A传递到上述的输出轴18。并且，在这个低速状态中，上述的液压泵马达8的泵容量增加，当其容量达到最大之后，上述的液压泵马达7的容量则逐渐减少、与上述的输入轴25的旋转速度相反，上述的输出轴18的旋转速度逐渐增大。换句话讲，在上述的液压泵马达8的容量为零时，由于差动齿轮机构4的第3输入输出端3接近空转状态，所以与该差动齿轮机构4的第2输入输出端2接合的输出轴18接近停转。而且，随着上述的液压泵马达8的容量增加，上述的第3输入输出端3的旋转速度相对地减少，而第2输入输出端2的旋转速度相对地增大起来。

并且，在与上述的低速侧的机械式传动系统a的传动端接合的卡爪齿轮41的速度和与高速侧的机械式传动系统b的传动端接合的卡爪齿轮51的速度接近相等时，实现象下文叙述那样的切换动作，向高速状态转换。

在高速状态时，在上述的差动齿轮机构4的第1输入输出端1和第3输入输出端3之间构成机械式传动系统b，输入的动力的一部分经过这个机械式传动系统b直接传递到输出轴18。这时，象图7表示的那样，上述的液压泵马达7起泵作用，而上述的液压泵马达8起马达作用。即，上述差动齿轮机构4的第2输入输出端2的旋转力经过在上述的液压泵马达7和上述的液压泵马达8之间构成的液压传动系统B，传递到上述的输出轴18。并且，在这个高速状态中，上述的液压泵马达7的泵容量逐渐增大，当其容量达到最大之后，液压泵马达8的马达容量逐渐减少，与上述的输入轴25的旋转速度相反，上述的输出轴18的旋转速度逐渐增大。

以下说明由低速状态向高速状态转换时的操作。

在电磁阀69处于励磁位置Ⅰ使滑动轴63保持在嵌入位置时，电磁阀79处于非励磁位置Ⅱ，滑动轴73保持在脱开位置。这时，低速侧的同步啮合式动力断续机构14处于接合状态，高速侧的同步啮合式动力断续机构15处于分离状态。在这种低速状态中，低速侧的卡爪齿轮41的旋转速度R₁接近高速侧的卡爪齿轮51的旋转速度R₂、当用测速器87、88测出其差值小于规定值R₀时，电磁阀79转换至励磁位置Ⅰ、油压缸75的压力室78中进入压力油，啮合套54被推向嵌入方向（图中的左方），待机嵌合。然后，进行上述的同样操作，当上述的高速侧的卡爪齿轮51的转速与同低速侧的卡爪齿轮41一起旋转的中心毂13同步时，高速侧的啮合套54的内花键55与高速侧的卡爪齿轮51的齿51a进入啮合。即，高速侧的同步啮合式动力断续机构15进入接合状态。这种状态由舌簧接点开关86的接合可以检测出来。而且，当由舌簧接点开关84、86测出上述两动力断续机构14、15双方同时处于接合状态之后，将电磁阀69转换至非励磁位置Ⅱ，使油压减少，从而使啮合套44在弹簧64的推力作用下推向脱开方向（图中的左方），待机脱开。在这种状态中，液压泵马达7的排量向增大方向补偿。结果，使啮合套44和卡爪齿轮41之间的传递扭矩减少，在其值接近零的瞬间，弹簧的推力大于啮合套44和卡爪齿轮41之间的啮合力。因此，啮合套44向脱开方向（图中的左方）移动，则低速侧的同步啮合式动力断续机构14进入脱离状态。由此象图3所表示的那样，只有高速侧的同步啮合式动力断续机构15进入接合状态，即，进入高速状态。而且，这种状态可由舌簧接点开关83的接合检测出来。

当由高速状态向低速状态转换时，其过程与上述的情况正好相反。即，首先，将电磁阀69转换至励磁位置Ⅰ，啮合套44推向嵌入方向（图中的右方），待机嵌入。于是，在啮合套44和大爪齿轮41之间的转速一致的瞬间，将啮合套44推进嵌合位置，则低速侧的同步啮合式动力断续机构14进入接合状态。同时，舌簧接点开关84接合。由舌簧接点开关84、86测检出动力断续机构14、15双方同时处于接合状态之后，电磁阀79转换至非励磁位置待机。而且，液压泵马达8的容量向减少方向修正。结果，啮合套54和卡爪齿轮51之间的扭矩减少，当其值接近零的瞬间，由弹簧74的推力使啮合套54推向脱开方向（图中的右方），高速侧的同步啮合式动力断续机构15进入脱离状态。而且，这种状态可由舌簧接点开关85的接合测检出来。

这样就可以进行低速状态和高速状态之间的转换操作。

由于这种装置在切换部分采用了远比多片离合器另件少，且结构简单的同步啮合式动力断续机构14、15，所以装置的总体可实现小形轻量化。还有，同步啮合式动力断续机构14、15与多片离合器相比，其另件的磨损少、维修容易。并且，不需象多片离合器那样，进行各片之间边滑动边接合的微妙操作。可利用向所需要的方向推移啮合套的简单的切换机构61、71可靠地进行状态转换。同时，还可以有效地控制转换时的能量损失。

并且，由于同步啮合式动力断续机构14、15与上述的切换机构61、71配合，当测检出中心毂13和各传动系统的传动端23a、29a之间的旋转速度接近时，使上述的切换机构61、71动作，使啮合套44、54推向所需要的方向，从而能可靠地进行状态转换。因此，在只使用卡爪离合器的情况下，不必通过高精度地控制液压泵马达的容量而在中心毂和各传动系统的传动端之间的转速完全相等的瞬间进行转换操作。可以用精度比较低的便宜的测速器进行所希望的转换控制。

在本发明中，同步啮合式动力断续机构的构成不限于上述的形式，也可以采用固定负载形式的等，在不脱离本发明的构思的范围内可做各种变化。差动齿轮机构也不限于上述那样的行星齿轮形式。无级变速机构也不限于上述实施例那样的HST方式，例如，也可以是牵引传动式的和带式的。

另外，在上述的实施例中，所说的匹配在输入端的差动齿轮机构的输入分配方式，在本发明中，也同样适用于输出分配。

按照上述那样构成的本发明可取得下述的效果：

因为不需要过多的摩擦片，所以不仅能实现小形轻量化，而且维修容易;

不必进行半离合的控制，不必使用精度高的控制装置，可以圆滑协调地进行状态转换。因此用不着调试，也不用进行因油粘度等的变化引起的各种调整;

由于同步啮合式动力断续机构与同该机构的特性匹配的切换机构配合，因此，不必使用精度高的测速器，可以可靠地进行状态转换，在扭矩和速度变化很大的行驶条件下，可以进行没有震动的理想的切换操作。

Claims

无级变速装置，其特征在于具有：

设置第1、第2及第3输入输出端的差动齿轮机构，该机构构成用于第1输入输出端和第2输入输出端之间的低速侧的机械式传动系统及用于第1输入输出端和第3输入输出端之间的高速侧的机械式传动系统；

无级变速机构，该机构的一个输入输出端与上述的差动齿轮机构的第2输入输出端连接，同时，其另一输入输出端与上述的第3输入输出端连接；

低速侧的同步啮合式动力断续机构，该机构利用啮合套的嵌脱，使上述低速侧的机械式传动系统的传动端与设置在输入输出端的共同旋转件离合；

高速侧的同步啮合式动力断续机构，该机构利用啮合套的嵌脱，使上述高速侧的机械式传动系统的传动端与上述的共同旋转件离合；

切换机构，该机构利用将上述的啮合套可靠地推压到嵌入位置或者脱开位置，实现转换上述的动力断续机构的嵌脱状态。