专利名称：液力行星差动无级自动变速器的制作方法
汽车及工程机械中的液力行星自动变速器发展到今天，使用起来已是比较完美了，但它确使得变速器的结构变得越发复杂，零件数目大量增加，制造精度极高，维修更加复杂，成本也大幅提高。为了使变速器变得简单，并免去自动换挡过程，使输出轴转速和扭矩能够连续变化，以便降低功耗，降低成本。我设计了液力行星差动无级自动变速器(简称无级自动变速器)。它主要由单排行星轮和液力变矩组成，其中泵轮，涡轮能差速转动，也可以同速转动。以达到增大或减小输出轴转速，减少或增大输出力矩，变换输出轴转向之目的。它在前进档的输出转速变化是连续无级的，且随输出轴所受阻力矩的变化而自动改变。因没有换挡过程也就没有自动换档系统，无级自动变速器具有液力变矩器的所有功能，且扭矩比和变矩能力均比变矩器大许多，即便是倒档的扭矩比也与进档最大扭矩比相近。
一、无级自动变速器的基本传动原理由图(一)的无级自动变速器基本传动原理图可见，变矩器前端设有锁止离合器1，泵轮2通过齿轮油泵3与太阳轮9连为一体，行星轮5可绕设在行星架8上的轴自转，同时又随行架8公转，其内端与太阳轮9啮合，外端与齿圈10啮合。传动离合器6的主动片与涡轮7连为一体，被动片与行星架连为一体，锁止电磁阀开关12由离心机构11驱动，以便控制锁止离合器的锁止正时。行星架8上的制动轮外设有倒档制动带4，以便进行倒档驱动。当制动带4放松，传动离合器6接合时，泵轮2旋转，油泵齿轮3和太阳轮9随其同速转动。涡轮7和行星架8同速转动，由于太阳轮9与行星架8存在着转速差，使得行星轮5在随行星架8转动的同时又绕轴自转，其自转速度随太阳轮9与行星架8的转速差的减小而减小。而行轮5的自转速度越小，齿圈10转速越高，行星架8与太阳轮9的转速差也越小。齿圈10的转速可以是零，也可以与太阳轮9同速。同速时，行星排，变矩器成为一体转动。当齿圈10所受阴力矩大而使其处于转速较低或趋近于零的状态时，泵轮2与涡轮7的转速比最小，变矩器的扭矩比最大，而此时太阳轮9的反馈力矩也最大。在外加力矩一定的条件下，由于变矩器输入力矩增至最大，而扭矩比又达最大值，从而造成变矩器的涡轮7和齿圈10输出力矩最大，此时无级自动变速器的输入输出力矩比值可达(泵轮2作为输入，齿圈10作为输出)Kmx=(2Rg+Ru)Umax2(Rg+Ra)-RaUmax]]>随着齿圈10所受到阻力矩逐渐减小，使齿圈10转速逐渐提高。在泵轮2转速一定的条件下，又使涡轮7，行星架8转速逐渐提高，进而造成泵轮2，太阳轮9与涡轮7，行星架8的转速差减小，即速比增大，太阳轮9的反馈力矩逐渐小，变矩器的扭矩比逐渐减小，这样齿圈10输出力矩也逐渐减小。当齿圈10与太阳轮9同速转动，即泵轮2，涡轮7太阳轮9，行星架8，齿圈10成为一体同速转动时，齿圈10输出力矩最小，等于输入力矩。这时变矩器的扭矩比为1，太阳轮9的反馈力矩没有被变矩器放大，只是在如图(四)的回路中往复循环。综上所述无级自动变速器在前进档的输出力矩随输出轴所受阻力矩增大而自动增大，随输出轴所受阻力矩减小而自动减小。而输出轴转速则随其所受阻力矩减小而自动增大，随其所受阻力矩增大而自动减小。在输入轴转速一定的条件下，输出轴转速可由零连续增大至输入轴转速。当泵轮2与涡轮7的速比接近1时，离心机构11驱动电磁阀开关12，使锁止离合器1锁止以减少能量损失。而当泵轮2与涡轮7的速比小于1时，离心机构11，电磁阀开关12，自动回位，使锁止离合器1脱开。当倒档制动带4抱紧星架8时，太阳轮9则为主动轮，因行星架8固定不动齿圈10反向减速转动。
二、无级自动变速器的控制无级自动变速器的液压油路如图(二)所示，其中的变矩器液压油路，由变矩类型决定，本文不再赘述。但锁止离合器的销止正时则由图(一)的离心机构11驱动，电磁阀开关12控制。而选挡过程则由选档阀控制，图(三)选档阀中的滑阀可左右滑动，它有三个仃留位置即“进”、“空”、“倒”其中孔1与油泵连通，孔2为泄压孔与油池连通，孔3与制动油缸连通，孔4与离合器油缸连通。当选档阀处于图a的前进档位置时，油泵的油液经，孔1和孔4加到离合器油缸内，使离合器接合，即使涡轮与行星架连为一体。而制动油缸内的油液早已通过孔3和孔2泄压至油池内，从而使制动油缸内无油，制动带放松，此时动力由变矩器的涡轮，行星架传到齿圈输出。当选档阀处于图b的空档位置时，制动油缸和离合器油缸，均通过孔3和孔4与泄压孔2连通，从而使制动带放松，涡轮与行星架分离，整个行星排中各构件自由转动，齿圈10可静止不动。当选档阀处于图c的倒档位置时，离合器油缸通过孔4与泄压孔2连通，而制动器油缸通过孔3与孔1及油泵连通，使油液充入制动器油缸，制动带将行星架固定。由于孔3和孔4的油路上设有与泄压孔2连通的支路，而这个泄压支路上电磁阀又将其关闭。当踩下制动踏板时，电磁阀就将这个泄压支路开通，从而使离合器6分离，制动器4放松，变速器监时处于空档状态。抬起制动踏板，电磁阀又将这个泄压支路关闭，使变速器恢复原档位。
三、无级自动变速器的力矩及转速分析由图(一)可知无级自动变速器在前进档的输入力矩为M，输出力矩Mb反馈力矩Ma沿如图(四)所示路径传递，由此可见这种变速器为差动反馈循环增矩式，并按下式分配(M+Ma)U＝Ma+Mb(1)式中U为变矩器的扭矩比。
因为此时行星架，为主动件，齿圈，太阳轮为被动件，故行星轮和太阳轮受力如图(五)所示，其中
Pa---太阳轮对行星轮的作用力Pb---齿圈对行星轮的作用力Pg---行星轮对太阳轮的作用力Ph---行星架对行星轮的作用力Mh---行星架的主动力矩Ra---太阳轮半径Rb---齿圈半径Rg---行星轮半径因为Pb＝Pa＝-PgPh＝Pa+Pb＝2PaMa＝PgRa＝PaRa(2)Mh＝Ph(Rg+Ra)＝2Pa(Rg+Ra) (3)Mb＝PbRb＝Pa(2Rg+Ra)(4)将(1)(2)(3)式分别相除得MbMa=2Rg+RaRa----(5)]]>MhMa=2(Rg+Ra)Ra----(6)]]>MhMb=2(Rg+Ra)2Rg+Ra----(7)]]>(5)式说明反馈力矩Ma远小于齿圈输出力矩Mb且随Mb增减而增减。
将(5)式变形为Ma=RaMb2Rg+Ra]]>并代入(1)式中得MU+RaMbU2Rg+Ra=RaMb2Rg+Ra+Mb]]>经整理后可得无级自动变速器的输入输出力矩比K为K=MbM=(2Rg+Ra)U2(Rg+Ra)-RaU----(8)]]>(8)式说明K值与行星排参数有关与变矩器的扭矩比U有关，行星排参数确定后，K值只随U值变化，当U最小等于1时，K值也最小等于1。因为K值与U值成正比，而变矩器的扭矩比U又与泵轮，涡轮的速比有关，由图(六)的变矩器工作特性，可知速比E越小，U值越大，E值越大U值越小，当E等于1时，U也等于1。在前进档，因为行星架与涡轮连为一体，泵轮与太阳轮连为一体，又由于行星排中各构件是差动的，所以容易知道各构件的转速关系为Nh=IhabNa=IhbaNb----(9)]]>式中Na--太阳轮转速Nh--行星架转速Nb--齿圈转速传动比分别为Ihab=1Iahb=11-Iabh=11-(-RbRa)=RaRb+Ra]]>Ihba=1Ibha=11-Ibah=11-(-RaRb)=RbRb+Ra]]>因此(9)式可写成Nh=NaRaRb+Ra+NbRbRb+Ra----(10)]]>当Nb趋近于零时(10)式可写成Nh=NaRaRa+Rb----(11)]]>说明行星架作为主动件的最低转速应大于等于(11)式。在太阳轮转速一定的条件下，随Nh的进一步增大，Nb则由零开始，按(10)式规律成正比的连续增大。
当Na＝Nh时一定有Na＝Nb此时泵轮、涡轮、行星排中各构件成一体同速转动。
将(10)式两端同除Na，可得变矩器速比为E=NhNa=RaRb+Ra+RbNb(Rb+Ra)Na----(12)]]>由(12)式可知当齿圈转速Nb趋近于零时可得变矩器最小速比Emim为Emim=RaRb+Ra]]>由图(六)可知Emim所对应的U值最大，由(8)式可得无级自动变速的输出输入力矩的最大比值为Kmax=(2Rg+Ra)Umax2(Rg+Ra)-RaUmax----(13)]]>当Nb＝Na时变矩器的速比最大为Emax＝1由图(六)可知U值最小为1由(8)式可得
Kmim＝1当Nh＝0时(10)式可写成NaNb=-RbRa----(14)]]>此时太阳轮为主动件齿圈则按(14)式规律反向减速转动。其输出输入力矩比为Kd=MbMa=RbRa=2Rg+RaRa----(15)]]>如果无级自动变速器行星排中的Ra＝25Rg＝30Rb＝85并配单级四元件(阿里森)变矩器时可得齿圈转数趋近于零时的泵轮、涡轮最小速比为Emim=RaRb+Ra=2585+25≈0.227]]>由图(六)的变矩器工作特性可知其对应的最大扭矩比为Umax≈2.5由(13)式可得无级自动变速器在前进档的最大输入输出力矩比为Kmax=(2Rg+Ra)Umax2(Rg+Ra)-RaUmax=2.5(2×30+25)2(30+25)-25×2.5=4.47]]>由(15)式可得倒档输入输出力矩比力Kd=RbRa=8525=3.4]]>在设计中尽可能将变将器的最大输入输出矩比取的大一此。这样可以使加速性能变的更好，同时后桥的减速比可取的小一点，这样会使发动机在输出最大转速的70％-80％甚至更低时汽车已是正常高速行驶了，只有在超速对发动机输出转速才能达到最大值，以提高燃油经济性，并使输出功率足够。
四、无级自动变速器的工作效率作为无级自动变速器因无换档过程，而使工作效率提高是显而易见的。因它是由变矩器和行星排组合而成，如果忽略油泵功耗和轴承阻力等。这种变速器的总效率主要为变矩器效率与行星排效率之积。由图(六)可知变矩器效率随速比增大而提高。当速比为1时效率为1最大。而行星排的传动效率则由下式确定ηz=1-|Na-Nh(Iabh-1)Nh||----(16)]]>由(16)式可知太阳轮转速Na与行星架转速Nh的差越小，ηz越大。当Na等于Nh时即行星排中各构件成为一个整体同速转动时，ηz等于1。此时变矩器中的泵轮与涡轮也同速转动，无能量损失。行星排中各齿轮间无相对转动，因此无啮合损失。事实上做为车用变速器只有在汽车频繁起步或爬坡阻力较大，输出转速较低时变矩器中的泵轮，涡轮和行星排中各构件才会出现差速转动。大部分时间都是在速比较大或速比为1的范围内工作。
五、无级自动变速器的构造如图(七)所示，在变矩器前端设有锁止离合器1，涡轮2通过轴上的花键与离合器主动片9联接，被动片则与行星架8联接，当离合器接合时涡轮2的扭矩可传至行星架8乃至齿圈14，行星轮7随行星架8转动，又可绕轴自转。齿圈14与行星轮7啮合，太阳轮13也与行星轮7啮合。太阳轮轴通过花键与油泵4中的一个齿轮联接，泵轮轴通过花键与油泵4中的另一个齿轮联接，油泵4中的两个付齿通过带键槽的付轴联为一体，由此造成泵轮3的扭矩通过油泵齿轮传至太阳轮的13，太阳轮13反馈扭矩也可通过油泵齿轮传至泵轮3上。同时又做为油泵将油液送至变矩器和液压控制油路中。太阳轮13，行星轮7，齿圈14可以同速转动也可差速转动，5为制动油缸，6为制动带，9为离合器片，10为离合器活塞。造档阀15固定于变速箱壳上并分别与油泵，离合器，制动器，油路连通，以便控制离合器和制动器。离心结构12驱动锁止电磁阀开关11以控制锁止离合器的油路，使锁止接合或分离。传动离合器油缸与行星架8连为一体，随其转动。ATF集滤器16与油泵4连通。散热器在变速箱体外。
权利要求
如图(七)液力行星差动无级自动变速器主要由液力变矩器和单排星轮组成。泵轮3，涡轮2和太阳轮13，行星轮7，行星架8，齿圈14能差速转动，也可同速转动，以达到连续改变输出轴转速，增大输出力矩之目的。选档阀15分别与油泵4，传动离合器9，制动器6的油缸油路连通，以使变速器能处于“进”、“空”、或倒档状态，这种无级自动变速器的主要技术特征是1、本变速器的传动系统是由液力变矩器和单排行星轮组合而成。
2.本变速器总是以液力变矩器的泵轮3为变速器的动力输入端，以齿圈14为变速器的动力输出端。
3.本变速器中太阳轮13通过油泵4中的齿轮与泵轮3连为一体，两者总是同速转动。
4.本变速器中涡轮2通过花键轴和传动离合器9将行星架8与其接合，同速转动或分离，将此路动力切断。
5.本变速器在前进档，即输入轴与输出轴同向转动时，行星排中的行星架8始终是动力输入件，齿圈14始终是动力输出件，太阳轮13将获得的动力反馈到变速器的输入端。
6.本变速器的输出轴转速是连续变化，且输入输出力矩的比值为
全文摘要
如图(七)液力行星差动无级自动变速器主要由液力变矩器和单排行星轮组成，其中太阳轮13，行星轮7，齿圈14和泵轮3，涡轮2能差速转动也可同速转动。它的输入输出力矩的比值为
文档编号F16H47/08GK1168954SQ9710169
公开日1997年12月31日 申请日期1997年3月29日 优先权日1997年3月29日
发明者徐树仁 申请人:徐树仁