ES2585061T3 - Caja de cambio de varias fases - Google Patents

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ES2585061T3 ES13711861.8T ES13711861T ES2585061T3 ES 2585061 T3 ES2585061 T3 ES 2585061T3 ES 13711861 T ES13711861 T ES 13711861T ES 2585061 T3 ES2585061 T3 ES 2585061T3
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Peter Ziemer
Stefan Beck
Timo Wehlen
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ZF Friedrichshafen AG
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Abstract

Caja de cambio con dos conjuntos de rueda de caja de cambio (1, 2) que comprende: - un primer conjunto de ruedas planetarias (1) con una rueda satélite interior (11), ruedas planetarias interiores (12) que engranan con la rueda satélite interior (11), una corona interior (13) que engrana con las ruedas planetarias interiores (12), una rueda satélite exterior (14) unida sin posibilidad de giro a la corona interior (13), ruedas planetarias exteriores (15) que engranan con la rueda satélite exterior (14) y una corona exterior (16) que engrana con las ruedas planetarias exteriores (15), así como un alma (17) en la que se apoyan las ruedas planetarias interiores (12) y las ruedas planetarias exteriores (15), y - un segundo conjunto de ruedas planetarias (2) con una rueda satélite (21), ruedas planetarias interiores (22) que engranan con la rueda satélite (21), ruedas planetarias exteriores (23) que engranan con las ruedas planetarias interiores (22) y una corona (24) que engrana con las ruedas planetarias exteriores (23), así como con un alma (25) en la que se apoyan las ruedas planetarias (22, 23), - pudiéndose acoplar la rueda satélite (11) del primer conjunto de ruedas planetarias (1) a través de un primer embrague (31) a un accionamiento (51), - estando unida la corona (24) del segundo conjunto de ruedas planetarias (2), sin posibilidad de giro, a la corona interior (13) y a la rueda satélite exterior (14) del primer conjunto de ruedas planetarias (1), caracterizada por que - el alma (25) del segundo conjunto de ruedas planetarias (2) se puede acoplar a través de un primer freno (41) a la caja (53), - la rueda satélite (21) del segundo conjunto de ruedas planetarias (2) se une sin posibilidad de giro al accionamiento (51), - la corona interior (13) y la rueda satélite exterior (14) del primer conjunto de ruedas planetarias (1) se puede acoplar a través de un segundo freno (42) a la caja (53), - el alma (17) del primer conjunto de ruedas planetarias (1) se puede acoplar a través de un tercer freno (43) a la caja (53), - el alma (17) del primer conjunto de ruedas planetarias (1) se puede acoplar a través de un segundo embrague (32) al accionamiento (51) y - la corona exterior (16) del primer conjunto de ruedas planetarias (1) se une sin posibilidad de giro a un árbol secundario (52).

Description

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DESCRIPCION
Caja de cambio de varias fases
La presente invencion se refiere a una caja de cambio de dos fases de estructura planetaria, especialmente para un automovil, que comprende:
- un primer conjunto de ruedas planetarias con una rueda satelite interior, ruedas planetarias interiores que engranan con la rueda satelite interior, una corona interior que engrana con las ruedas planetarias interiores, una rueda satelite exterior unida sin posibilidad de giro a la corona, ruedas planetarias exteriores que engranan con la rueda satelite exterior y una corona exterior que engrana con las ruedas planetarias exteriores, asf como un alma en la que se apoyan las ruedas planetarias interiores y las ruedas planetarias exteriores, y
- un segundo conjunto de ruedas planetarias con una rueda satelite, ruedas planetarias interiores que engranan con la rueda satelite, ruedas planetarias exteriores que engranan con las ruedas planetarias interiores y una corona que engrana con las ruedas planetarias exteriores, asf como con un alma en el que se apoyan las ruedas planetarias.
Las cajas de cambio de este tipo se emplean preferiblemente como caja de cambio automatico de automoviles, definiendose el flujo de potencia efectivo en la respectiva marcha dentro de los conjuntos de ruedas planetarias por medio de un accionamiento espedfico de los elementos de cambio. En una caja de cambio automatico, los conjuntos de ruedas planetarias se suelen conectar ademas a un elemento de arranque sometido a un efecto de deslizamiento o dotado opcionalmente de un embrague de transmision como, por ejemplo, un convertidor de par hidrodinamico o un embrague hidraulico.
Una caja de cambio de dos fases del tipo antes mencionado, en la que un primer conjunto de ruedas planetarias comprende subfases de engranaje encajadas radialmente la una dentro de la otra y que se acopla a un segundo conjunto de ruedas planetarias de construccion tradicional, se conoce principalmente por el documento US 5,429,557 A. En el documento DE 10 2011 106 551 A1 se describe ademas una caja de cambio con las caractensticas del preambulo de la reivindicacion 1, en la que un conjunto de ruedas planetarias apiladas se acopla a dos conjuntos de ruedas planetarias de construccion tradicional.
El inconveniente de esta caja de cambio conocida consiste en el cableado de los distintos componentes, resultando el embrague de los dos conjuntos de ruedas, en comparacion complicado.
La invencion se plantea, por lo tanto, el objetivo de proponer una caja de cambio perfeccionada, pretendiendose especialmente una simplificacion del embrague entre los dos conjuntos de ruedas planetarias.
Esto objetivo se consigue con una caja de cambio de dos fases del tipo antes mencionado en la que
- la rueda satelite del primer conjunto de ruedas planetarias se puede acoplar al accionamiento a traves de un primer embrague,
- el alma del segundo conjunto de ruedas planetarias se puede acoplar a la caja a traves de un primer freno,
- la rueda satelite del segundo conjunto de ruedas planetarias se une al accionamiento sin posibilidad de giro y la corona del segundo conjunto de ruedas planetarias se une sin posibilidad de giro a la corona interior y a la rueda satelite exterior del primer conjunto de ruedas planetarias,
- la corona interior y la rueda satelite exterior del primer conjunto de ruedas planetarias se acopla a la caja a traves de un segundo freno,
- el alma del primer conjunto de ruedas planetarias se acopla a la caja a traves de un tercer freno,
- el alma del primer conjunto de ruedas planetarias se acopla al accionamiento a traves de un segundo embrague y
- la corona exterior del primer conjunto de ruedas planetarias se une a un accionamiento.
Gracias a la disposicion elegida, se consigue que los elementos del cambio, es decir, los frenos y los embragues del lado de la caja de cambio, se puedan alcanzar perfectamente desde fuera. De este modo los actuadores, por ejemplo motores electricos, valvulas hidraulicas, bombas hidraulicas y otros similares, se pueden montar cerca de los elementos de cambio, con lo que se reducen las perdidas mecanicas y/o hidraulicas y se necesita menos energfa para el accionamiento del elemento de cambio. Tambien se necesita menos energfa para mantener el elemento de cambio en su estado de funcionamiento actual, o sea, abierto o cerrado, dado que, debido a la reduccion de la longitud de los conductos, tambien disminuyen las perdidas de presion. Por otra parte es posible disponer los elementos de cambio en la caja y, por lo tanto, al menos parcialmente resistentes al giro, con lo que se pueden evitar en todo o en parte las juntas que unen un conducto fijo con uno que gira.
La disposicion dentro del espacio de los elementos de cambio perfectamente accesibles simplifica tambien la sustitucion de los embragues o frenos de discos multiples habituales de accionamiento hidraulico, por ejemplo por frenos y embragues de accionamiento electro-mecanico o electro-hidraulico que, en comparacion, se pueden controlar facilmente segun las necesidades. Por elementos de cambio bien accesibles se entienden, por una parte, frenos que unen un arbol a una caja sin posibilidad de giro, pero tambien elementos de cambio de arboles externos
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del engranaje de discos multiples, preferiblemente de arboles de transmision o arboles secundarios, a los que se puede aportar con facilidad el Kquido hidraulico necesario para el accionamiento.
Ademas de esta caractenstica, el engranaje de discos multiples presenta al mismo tiempo un buen grado de rendimiento de dentado, solicitaciones reducidas de los componentes, pares especialmente bajos de los conjuntos de ruedas planetarias y elementos de cambio, numeros de revoluciones absolutos y relativos bajos, asf como una construccion sencilla. Este ultimo aspecto permite realizar el engranaje de discos multiples con un peso y un coste reducidos. En especial se reduce extraordinariamente la longitud del engranaje presentado. Por este motivo, el engranaje de discos multiples se realiza preferiblemente como accionamiento de construccion frontal-transversal. Gracias a la longitud reducida, el engranaje se puede emplear especialmente para accionamientos hforidos (por ejemplo motor de combustion y motor electrico). Finalmente el engranaje de discos multiples permite ademas una buena serie de transmision, es decir, un escalonamiento muy util de las marchas.
En conjunto, la caja de cambios citada comprende dos conjuntos de ruedas planetarias, dos embragues y tres frenos. Mediante el accionamiento de respectivamente dos de estos elementos de cambio /frenos y/o embragues, se pueden conectar seis marchas hacia delante y una marcha atras.
Como elemento de arranque pueden servir un convertidor de par hidrodinamico, un embrague hidrodinamico, un embrague de arranque adicional, un embrague o freno de arranque integrado y/o un motor electrico adicional.
La posicion geometrica (orden de sucesion) de los distintos conjuntos de ruedas y elementos de cambios se puede elegir libremente, siempre que lo permita la capacidad de union de los elementos. De este modo los distintos elementos se pueden desplazar discrecionalmente en su posicion.
Otras variantes ventajosas del cambio de marchas resultan de las subreivindicaciones asf como de la descripcion en combinacion con las figuras. Para una mejor comprension de la invencion, esta se explica mas detalladamente a la vista de las figuras. Sendas representaciones esquematicas, fuertemente simplificadas, muestran en la
Figura 1 una primera variante representada de forma esquematica de una caja de cambios segun la invencion y en la
Figura 2 una seccion transversal de una caja de cambios segun la invencion.
Como introduccion se hace constar que las piezas iguales descritas en las diferentes variantes de realizacion llevan la misma referencia o la misma definicion de componente, pudiendose trasladar las revelaciones contenidas en toda la descripcion, en su sentido, a piezas iguales con la misma referencia o la misma definicion de componente. Las indicaciones de posicion elegidas en la descripcion como, por ejemplo, arriba, abajo, lateral, etc. se refieren ademas a la figura descrita y representada directamente, por lo que en caso de una variacion de la posicion se tienen que transferir a la nueva posicion. Las caractensticas individuales o las combinaciones de caractensticas de los distintos ejemplos de realizacion mostrados y descritos tambien pueden constituir por sf solas soluciones independientes, inventivas o segun la invencion.
La figura 1 muestra una primera variante representada esquematicamente de una caja de cambios segun la invencion con dos conjuntos de ruedas planetarias.
El primer conjunto de ruedas planetarias comprende una rueda satelite interior 11, ruedas planetarias interiores 12 que engranan con la rueda satelite interior 11, una corona interior 13 que engrana con las ruedas planetarias interiores 12, una rueda satelite exterior 14 unida sin posibilidad de giro a la corona interior 13, ruedas planetarias exteriores 15 que engranan con la rueda satelite exterior 14 y una corona exterior 16 que engrana con las ruedas planetarias exteriores 15, asf como un alma 17 en la que se apoyan las ruedas planetarias interiores 12 y las ruedas planetarias exteriores 15.
En este ejemplo, el segundo conjunto de ruedas planetarias 2 se ha configurado como conjunto de ruedas Plus. El mismo comprende, por lo tanto, una rueda satelite 21, ruedas planetarias interiores 22 que engranan con la rueda satelite 21, ruedas planetarias exteriores 23 que engranan con las ruedas planetarias interiores 22, y que engranan con la corona 24, asf como un alma 25 en la que se apoyan las ruedas planetarias 22, 23. Gracias a la forma de construccion elegida se consigue ventajosamente un numero de revoluciones en comparacion reducido de las ruedas planetarias 22 y 23 del segundo conjunto de ruedas planetarias.
En la caja de cambios segun la figura 1
- la rueda satelite 11 del primer conjunto de ruedas planetarias 1 se puede acoplar a traves de un primer embrague 31 a un accionamiento 51,
- el alma 25 del segundo conjunto de ruedas planetarias 2 se puede acoplar a traves de un primer freno 41 a la caja 53,
- la rueda satelite 21 del segundo conjunto de ruedas planetarias 2 se une sin posibilidad de giro al accionamiento 51 y la corona 24 del segundo conjunto de ruedas planetarias 2 se una sin posibilidad de giro a la corona interior 13 y a la rueda satelite exterior 14 del primer conjunto de ruedas planetarias 1,
- la corona interior 13 y la rueda satelite exterior 14 del primer conjunto de ruedas planetarias 1 se pueden acoplar a traves de un segundo freno 42 a la caja 53,
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- el alma 17 del primer conjunto de ruedas planetarias 1 se puede acoplar a traves de un tercer freno 43 a la caja 53,
- el alma 17 del primer conjunto de ruedas planetarias 1 se puede acoplar a traves de un segundo embrague 32 al accionamiento 51 y
- la corona exterior 16 del primer conjunto de ruedas planetarias 1 se une sin posibilidad de giro a un arbol secundario 52.
En la figura 1 se representa ademas un cojinete 54 dispuesto entre el primer conjunto de ruedas planetarias 1 y el segundo conjunto de ruedas planetarias 2, un estator 55, con un motor electrico, unido sin posibilidad de giro a la caja 53 de la caja de cambios, un rotor 56 del mencionado motor electrico unido sin posibilidad de giro al accionamiento 51, asf como un amortiguador de vibraciones opcional 57, conectado al sistema de propulsion. Finalmente se preve ademas un tercer embrague 33 para aprovechar el motor electrico 55, 56 o un motor de combustion (no representado) unido al amortiguador de vibraciones 57 opcionalmente para la generacion de un movimiento. Como es logico, el embrague 33 se puede suprimir si por el lado del accionamiento solo se preve el motor electrico 55, 56. Generalmente el embrague 33 tambien se puede suprimir al utilizar un motor de combustion, como se explicara mas adelante.
Mediante el accionamiento de los elementos indicados se pueden poner las siguientes marchas:
- una primera marcha por medio del primer embrague 31 y del tercer freno 43,
- una segunda marcha por medio del primer embrague 31 y del segundo freno 42,
- una tercera marcha por medio del primer embrague 31 y del primer freno 41,
- una cuarta marcha por medio del primer embrague 31 y del segundo embrague 32,
- una quinta marcha por medio del segundo embrague 32 y del primer freno 41,
- una sexta marcha por medio del segundo embrague 32 y del segundo freno 42 y
- una marcha atras por medio del primer freno 41 y del tercer freno 43, encontrandose los respectivos elementos no indicados desactivados o abiertos.
En una variante de realizacion especialmente preferida de la caja de cambios la relacion de transmision es la siguiente:
- en el primer conjunto de ruedas planetarias 1, entre la rueda satelite interior 11 y la corona interior 12, igual a - 2,5 y
- en el primer conjunto de ruedas planetarias 1, entre la rueda satelite exterior 11 y la corona exterior 12, igual a -1,46 y
- en el segundo conjunto de ruedas planetarias 2, entre la rueda satelite 41 y la corona 42, igual a + 2,5.
De esta manera se obtiene un escalonamiento especialmente ventajoso de las marchas.
Todos los elementos de cambio pueden actuar en principio accionados por friccion o en union positiva. Sin embargo, resulta ventajoso que el tercer freno 43 representado en este ejemplo se realice en forma de freno de garras y que el primer embrague 31 y el primer freno 41 se realicen como elementos de cambio por friccion. En este sentido tambien es ventajoso que el primer embrague 31 y el primer freno 41 se configuren como elementos de arranque. De este modo no se producen perdidas por friccion en el tercer freno 43. Al mismo tiempo se puede suprimir un elemento de arranque en forma de un embrague especial 33, normalmente utilizado. Por consiguiente, la caja de cambios es especialmente corta. En relacion con las posiciones de cambio antes enumeradas, el primer embrague 31 se emplea como elemento de arranque en la 1a marcha y el primer freno 41 como elemento de arranque en la marcha atras. Ventajosamente, el factor de apoyo (relacion entre el par de embrague o par de frenado y el par de entrada de la caja de cambios) del primer embrague 31 en esta disposicion de los engranajes es igual a 1 y el factor de apoyo del primer freno 41 incluso < 1.
Tambien sena posible, por ejemplo, que el tercer freno 43 se realizara como elemento de cambio por friccion y el primer embrague 31 como embrague de garras. En este sentido, tambien supone una ventaja que el tercer freno 43 se realizara como elemento de arranque. De este modo no se producen perdidas por friccion en el primer embrague 31. Al mismo tiempo tambien se puede suprimir un elemento de arranque en forma de un embrague especial 33 normalmente utilizado. Por consiguiente, la caja de cambios es tambien en este caso especialmente corta.
En los dos casos antes citados y, como es natural, el empleo de embragues de garra o de frenos de garra no es obligatorio. En su lugar se pueden utilizar igualmente elemento de cambio por friccion sometidos a pocas cargas termicas.
La figura 2 muestra una seccion de una caja de cambios correspondiente a la forma de realizacion representada esquematicamente en la figura 1.
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En este ejemplo se preve por el lado del arbol secundario otra etapa de cambio de engranaje recto. En la figura 2 se puede ver el primer engranaje recto 58 accionado a traves de la corona exterior 16 del primer conjunto de ruedas 1, que engrana con el segundo engranaje recto 59 y se apoya en el cojinete 54. Con este forma de construccion de la caja de cambios se consigue especialmente la ventaja de que, gracias al apoyo del primer engranaje recto 58, tambien se asegura axialmente la corona exterior 16 del primer conjunto de ruedas 1. Con la construccion elegida se pueden asegurar ademas axialmente, sin un gran esfuerzo estructural, la corona 13 combinada con la rueda satelite exterior 14 del primer conjunto de ruedas 1 y la corona 24 del segundo conjunto de ruedas 2.
Resulta especialmente favorable que las conexiones 60 para el suministro externo de aceite al engranaje, tal como se representa en la figura 2, se configuren exclusivamente por medio de uno o varios orificios 61 dispuestos en el arbol de accionamiento 51 y conducidos hacia el lado de accionamiento y por medio de uno o varios orificios 62 conducidos hacia el lado del arbol secundario. La conduccion del aceite a presion, lubricante y/o refrigerante se puede llevar a cabo, por ejemplo, a traves de uno o varios orificios 61 conducidos hacia el lado de accionamiento asf como por uno o varios orificios longitudinales 62 en el arbol de accionamiento 51. De este modo se puede renunciar a perforaciones radiales por el lado opuesto al accionamiento, tal como se utilizan normalmente. Por lo tanto, tambien se puede reducir aun mas la longitud de la caja de cambios.
Lista de referencias
1 Primer conjunto de ruedas planetarias
2 Segundo conjunto de ruedas planetarias
11 Rueda satelite interior del primer conjunto de ruedas planetarias
12 Ruedas planetarias interiores del primer conjunto de ruedas planetarias
13 Corona interior del primer conjunto de ruedas planetarias
14 Rueda satelite exterior del primer conjunto de ruedas planetarias
15 Ruedas planetarias exteriores del primer conjunto de ruedas planetarias
16 Corona exterior del primer conjunto de ruedas planetarias
17 Alma del primer conjunto de ruedas planetarias
21 Rueda satelite del segundo conjunto de ruedas planetarias
22 Ruedas planetarias interiores del segundo conjunto de ruedas planetarias
23 Ruedas planetarias exteriores del segundo conjunto de ruedas planetarias
24 Corona del segundo conjunto de ruedas planetarias
25 Alma del segundo conjunto de ruedas planetarias
31 Primer embrague
32 Segundo embrague
33 Tercer embrague
41 Primer freno
42 Segundo freno
43 Tercer freno
51 Accionamiento/arbol de accionamiento
52 Arbol secundario
53 Caja
54 Cojinete
55 Estator del motor electrico
56 Rotor del motor electrico
57 Amortiguador de vibraciones
58 Primera rueda satelite
59 Segunda rueda satelite
60 Conexiones para el suministro de aceite
61 Orificio de aceite
62 Orificio de aceite

Claims (8)

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    REIVINDICACIONES
    1. Caja de cambio con dos conjuntos de rueda de caja de cambio (1, 2) que comprende:
    - un primer conjunto de ruedas planetarias (1) con una rueda satelite interior (11), ruedas planetarias interiores (12) que engranan con la rueda satelite interior (11), una corona interior (13) que engrana con las ruedas planetarias interiores (12), una rueda satelite exterior (14) unida sin posibilidad de giro a la corona interior (13), ruedas planetarias exteriores (15) que engranan con la rueda satelite exterior (14) y una corona exterior (16) que engrana con las ruedas planetarias exteriores (15), asf como un alma (17) en la que se apoyan las ruedas planetarias interiores (12) y las ruedas planetarias exteriores (15), y
    - un segundo conjunto de ruedas planetarias (2) con una rueda satelite (21), ruedas planetarias interiores (22) que engranan con la rueda satelite (21), ruedas planetarias exteriores (23) que engranan con las ruedas planetarias interiores (22) y una corona (24) que engrana con las ruedas planetarias exteriores (23), asf como con un alma (25) en la que se apoyan las ruedas planetarias (22, 23),
    - pudiendose acoplar la rueda satelite (11) del primer conjunto de ruedas planetarias (1) a traves de un primer embrague (31) a un accionamiento (51),
    - estando unida la corona (24) del segundo conjunto de ruedas planetarias (2), sin posibilidad de giro, a la corona interior (13) y a la rueda satelite exterior (14) del primer conjunto de ruedas planetarias (1), caracterizada por que
    - el alma (25) del segundo conjunto de ruedas planetarias (2) se puede acoplar a traves de un primer freno (41) a la caja (53),
    - la rueda satelite (21) del segundo conjunto de ruedas planetarias (2) se une sin posibilidad de giro al accionamiento (51),
    - la corona interior (13) y la rueda satelite exterior (14) del primer conjunto de ruedas planetarias (1) se puede acoplar a traves de un segundo freno (42) a la caja (53),
    - el alma (17) del primer conjunto de ruedas planetarias (1) se puede acoplar a traves de un tercer freno (43) a la caja (53),
    - el alma (17) del primer conjunto de ruedas planetarias (1) se puede acoplar a traves de un segundo embrague (32) al accionamiento (51) y
    - la corona exterior (16) del primer conjunto de ruedas planetarias (1) se une sin posibilidad de giro a un arbol secundario (52).
  2. 2. Caja de cambio segun la reivindicacion 1, caracterizada por que las siguientes marchas se pueden poner
    activando los elementos indicados:
    - una primera marcha por medio del primer embrague (31) y del tercer freno (43),
    - una segunda marcha por medio del primer embrague (31) y del segundo freno (42),
    - una tercera marcha por medio del primer embrague (31) y del primer freno (41),
    - una cuarta marcha por medio del primer embrague (31) y del segundo embrague (32),
    - una quinta marcha por medio del segundo embrague (32) y del primer freno (41),
    - una sexta marcha por medio del segundo embrague (32) y del segundo freno (42) y
    - una marcha atras por medio del primer freno (41) y del tercer freno (43),
    encontrandose los respectivos elementos no indicados desactivados o abiertos.
  3. 3. Caja de cambio segun una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizada por que por el lado del arbol segundario se preve una etapa de cambio de engranaje recto (58, 59).
  4. 4. Caja de cambio segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por que el tercer freno (43) se realiza como freno de garras y el primer embrague (31) y el primer freno (41) se realizan como elementos de cambio por friccion.
  5. 5. Caja de cambio segun la reivindicacion 4, caracterizada por que el primer embrague (31) y el primer freno (41) se configuran como elementos de arranque.
  6. 6. Caja de cambio segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por que el tercer freno (43) se realiza como elemento de cambio por friccion y el primer embrague (31) se configura como embrague de garras.
  7. 7. Caja de cambio segun la reivindicacion 6, caracterizada por que el tercer freno (43) se configura como elemento de arranque.
  8. 8. Caja de cambio segun una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por que las conexiones (60) para un suministro de aceite exterior a la caja de cambios estan formadas exclusivamente por uno o varios orificios (61) dispuestos en el arbol de accionamiento (51) y conducidos hacia el lado de accionamiento y por uno o varios orificios (62) conducidos hacia el lado del arbol secundario.
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