双行星轮系式无级自动变速机构的制作方法
【专利摘要】双行星轮系式无级自动变速机构，包括输入和输出行星轮系，两个太阳轮装在机器壳体中心轴上，输入或输出齿轮与一个太阳轮啮合，另一个太阳轮与输出或输入齿轮啮合；第一轮系中，行星轮、侧齿圈为锥齿轮，侧齿圈、带有锥齿部的太阳轮的轴线与中心轴轴线相同，行星轮轴线与中心轴轴线相交，第一轮系侧齿圈与第二轮系行星架固接，第一轮系的行星架与第二轮系的外齿圈固定连接。本发明通过在主功率循环流之外创建一个仅受外部扭矩或转动角速度影响的内部功率循环流，通过改变内部循环流的大小进而得到适合的输出扭矩及转动角速度，能够实现自动、无极变速功能，且无需液力机制，具有较高的经济相对性和较广的实用性。
【专利说明】双行星轮系式无级自动变速机构
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及变速机构，具体涉及包括双行星轮系的无极自动变速机构。
【背景技术】
[0002]变速机构是一种在输入轴转速或扭矩不变的情况下，使输出轴获得不同的转速或扭矩传动装置，即通过变速或变矩，以满足不同工况的需要，广泛应用于各种场合。
[0003]以汽车领域为例，为了满足在起步、加速、行驶以及克服各种道路障碍灯不同行驶条件下对驱动车轮牵引力及车速不同要求的需要，在发动机和驱动桥之间通常装有变速器。随着汽车工业的发展，汽车变速器经历了非自动变速机构向自动变速器、从有级到无级的发展比如传统的带轮传动机构、齿轮传动机构等，这类变速机构的变速比单一为有级变速，但制造成本低，而且工艺较为成熟；又比如基于力矩变速的液力自动变速器(AT)，能自主实现无极变速，但是机构复杂，工艺复杂，制造成本高，且由于液力耦合器在使用过程中汽车输出的能量有一部分被转化为油温，所以经济性相对较差。除上述外目前世界上比较成熟的全自动变速器还有机械无级自动变速器(CVT)、电控机械自动变速器(AMT)，前者基于一对V形带轮、钢制皮带以及一套液压及电脑微控系统来实现无极自动变速，该变速器技术含量高，制造复杂，成本高，传动带寿命相对较短，维护成本高，且由于受到如材料性能等多方面技术上的限制，其目前主要限制在小功率汽车上使用；后者基于传统变速器以及电脑控制的自动操作机构实现有级、自动变速，虽然其易于制造且成本低，但是其换档性能较差，换挡时有顿挫感，低档时顿挫感尤其明显，另外，该变速器只能实现有级变速，而不能实现无极变速，且需引入外界干预。
【发明内容】
[0004]本 申请人:针对现有技术中的上述缺点进行改进，提供一种双行星轮系式无级自动变速机构，通过在主功率循环流之外创建一个仅受外部转动角速度或扭矩影响的内部功率循环流，通过改变内部循环流的大小进而得到适合的输出扭矩及转动角速度，其能够实现自动、无极的变速功能，且省却了现有技术中的液力机制，具有较高的经济相对性。
[0005]本发明的技术方案如下:
[0006]双行星轮系式无级自动变速机构，包括第一行星轮系、第二行星轮系，所述第一行星轮系包括第一太阳轮、与第一太阳轮啮合的第一行星轮、与第一行星轮啮合的侧齿圈，第一行星轮通过轴承装在第一行星架上，所述第二行星轮系包括第二太阳轮、与第二太阳轮外啮合的第二行星轮、与第二行星轮内啮合的外齿圈，第二行星轮通过轴承装在第二行星架上；第一太阳轮、侧齿圈、第二太阳轮及第二行星架通过轴承装在中心轴上，中心轴两端通过轴承装在机器壳体上；第一行星架通过轴承装在机器壳体上，且其轴线与中心轴的轴线相同；第一太阳轮包括与第一中间轴上的第一齿轮啮合的第一齿部、与第一行星轮啮合的第二齿部，第二齿部与侧齿圈均为锥齿轮，且二者位置相对；第一行星轮为锥齿轮，且其轴线与中心轴的轴线相交；侧齿圈与第二行星架固接；第二太阳轮与第二中间轴上的第二齿轮啮合，第一中间轴及第二中间轴均可转动地装在机器壳体上；第一行星架与外齿圈固定连接。
[0007]其进一步技术方案为:
[0008]第一行星架与外齿圈的所述固定连接部分的外周设有外齿，怠速齿轮与所述固定连接部分上的外齿啮合，怠速齿轮通过滑动轴承装在安装轴上，安装轴固定装在机器壳体上，怠速齿轮通过在安装轴上滑动与所述两套行星轮系连接或断开。
[0009]所述第一中间轴为输入轴，第二中间轴为输出轴，第二中间轴通过单向离合器装在机器壳体上。
[0010]所述第一中间轴为输出轴，第二中间轴为输入轴，第一中间轴通过单向离合器装在机器壳体上。
[0011]所述固定连接的第一行星架与外齿圈为一体结构。
[0012]所述固定连接的第一齿圈与第二行星架为一体结构。
[0013]本发明的技术效果:
[0014]本发明使用两套行星轮系，两套行星轮系为输入行星轮系与输出行星轮系的关系，其中，可以使第一行星轮系为输入轮系且第一太阳轮为输入端、第二行星轮系为输出轮系且第二太阳轮为输出端，也可以使第一行星轮系为输出轮系且第一太阳轮为输出端、第二行星轮系为输入轮系且第二太阳轮为输入端，除了输入和输出的关系不相同之外，其余连接关系不变，在上述两种输入与输出连接关系形成的实施例中，侧齿圈与第二行星架固定连接，且第一行星轮系中的第一行星架与第二行星轮系中的外齿圈固定连接，使整个机构在从输入端到输出端的主功率循环流之外，还在两套行星轮系之间形成一个仅受外界转速或扭矩影响的内部功率循环流，该内部循环功率流自成一体，当所述怠速机构同所述两套行星轮系保持断开状态时，整个变速机构只有一个输出流，即由输出行星轮系输出，当所述怠速机构同所述两套行星轮系保持连接状态时，整个变加速机构有两个输出流，即从输出行星轮系输出和从所述怠速机构输出。在本发明所述的变速机构变速时，由于输入功率为已知常量，在所述两套行星轮系与所述怠速机构断开的情况下，此时，功率守恒定律中的输出功率的两个因子，即输出行星轮系输出端的扭矩和转动角速度则成反比例关系。本发明所述的变速机构在创建一个仅受外界转动角速度需求或扭矩影响的内部功率循环流的基础上，根据变速机构输出端的扭矩或转动角速度的需求状况，通过改变内部循环流的大小从而得到适合的输出扭矩或输出转动角速度，由此实现了自动变速功能；另一方面，由于变速机构在无需改变机构间联接的情况下即可满足各种转速及扭矩的需求，由此实现了无极变速功能；在输出轴上设有单向离合器，能够确保整个变速机构输出方向唯一确定。本发明相比于现有技术中的液力机制，在同样能够实现自动、无极的变速功能下，省却了液力变矩器，相比于现有技术中的机械无级自动变速器，无需额外的液压及电脑微控系统则可实现自动控制及调整，本发明相对于现有的变速器而言，能够实现真正意义上的无极和自动变速，且变速过程中无需切断动力、改变机构间的连接，且变速过程无顿挫感，简化了变速机构的结构及制作，具有较高的经济性和较广的实用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明的结构示意图。[0016]图2为图1的原理结构示意图。
[0017]图3为单个行星轮系的简易结构示意图，图中示出了单行星轮的受力情况。
[0018]图4为以两种不同油门驱动汽车并使汽车最终匀速行驶工况下汽车驱动扭矩、汽车行驶阻力矩和汽车行驶速度的关系示意图。
[0019]图5为本发明另一实施例的原理结构示意图。
[0020]其中:1、第一太阳轮；101、第一齿部；102、第二齿部；2、第一行星轮；3、侧齿圈；
4、第一行星架；5、第二太阳轮；6、第二行星轮；7、外齿圈；8、第二行星架；9、中心轴；10、机器壳体；11、第一中间轴；12、第一齿轮；13、第二中间轴；14、第二齿轮；15、单向离合器；16、怠速齿轮；17、滑动轴承；18、安装轴;100、太阳轮;200、行星轮;300、齿圈;400、主功率循环流；500、内部功率循环流。
【具体实施方式】
[0021]现对本发明采用的公式中的字母及符号作如下说明。
[0022]Pr表示输入功率，Pc表示输出功率，Mr表示输入扭矩，Wr表示输入转动角速度，Mc表示输出扭矩，Wc表示输出转动角速度，且Mr和Wr为已知常量，Pd表示通过所述怠速机构输出的功率，Mz表示中间扭矩，Wz表示中间转动角速度，Mz及Wz均为中间自由变量，
a、I^apb1均为常量系数，Ps表示变速机构内部损失的功率；
[0023]在单个行星轮系中，Wt表示太阳轮转动角速度，Wx表示行星架转动角速度，Wq表示齿圈转动角速度，Rt表示太阳轮节度圆半径，Rx表示行星轮节度圆半径，Rq表示齿圈节度圆半径，k表示Rq与Rt的比值，Mt表示太阳轮的扭矩，Mq表示齿圈的扭矩，Mx表示行星架的扭矩，F1为太阳轮对行星轮`的作用力，F2为齿圈对行星轮的作用力，F3为行星架对行星轮的作用力；
[0024]在所述输入与输出行星轮系中，Wt1表不第一太阳轮的转动角速度，Wx1表不第一行星架的转动角速度，Wq1表示侧齿圈的转动角速度，Wt2表示第二太阳轮的转动角速度，Wx2表示第二行星架的转动角速度，Wq2表示外齿圈的转动角速度,Mt1表示第一太阳轮的扭矩，Mx1表示第一行星架的扭矩，Mq1表示侧齿圈的扭矩，Mt2表示第二太阳轮的扭矩，Mx2表示第二行星架的扭矩，Mq2表示外齿圈的扭矩，Rt1表示第一太阳轮节度圆半径，Rx1表示第一行星轮节度圆半径，Rq1表示侧齿圈节度圆半径，Rt2表示第二太阳轮节度圆半径，Rx2表示第二行星轮节度圆半径，Rq2表示外齿圈节度圆半径，&表示Rq1与Rt1的比值，k2表示Rq2与Rt2的比值，Mf表示发动机扭矩，Mn表示汽车驱动扭矩，Wf表示发动机转动角速度，Wn表示汽车行驶速度，j、P、S、t均为常量系数，Mu表示汽车行驶阻力矩，且Mu跟随汽车行驶速度变大而变大，Ma表示加速扭矩。
[0025]下面结合附图，说明本发明的【具体实施方式】。
[0026]见图1，本发明包括第一行星轮系、第二行星轮系，所述第一行星轮系包括第一太阳轮1、与第一太阳轮I啮合的第一行星轮2、与第一行星轮2啮合的侧齿圈3，多个第一行星轮2通过轴承装在第一行星架4上，所述第二行星轮系包括第二太阳轮5、与第二太阳轮5外啮合的第二行星轮6、与第二行星轮6内啮合的外齿圈7，多个第二行星轮6通过轴承装在第二行星架8上；第一太阳轮1、侧齿圈3、第二太阳轮5及第二行星架8通过轴承装在中心轴9上，中心轴9两端通过轴承装在机器壳体10上；第一行星架4及外齿圈7均通过轴承装在机器壳体10上，且二者的轴线与中心轴9的轴线相同；第一太阳轮I包括与第一中间轴11上的第一齿轮12哨合的第一齿部101、与第一行星轮2哨合的第二齿部102,第二齿部102与侧齿圈3均为锥齿轮，且二者位置相对；第一行星轮2为锥齿轮，且其轴线与中心轴9的轴线相交；侧齿圈3与第二行星架8固接；第二太阳轮5与第二中间轴13上的第二齿轮14啮合，具体地，增加第二太阳轮5的轴向长度，即将第二太阳轮5制作成沿轴向伸出所述第二行星轮系，使所述伸出部分与第二齿轮14啮合，或者与第二太阳轮5轴向固接有一中间齿轮，使所述中间齿轮与第二齿轮14啮合，第一中间轴11及第二中间轴13均可转动地装在机器壳体10上；第一行星架4与外齿圈7固定连接，其中，第一太阳轮I的第一齿部101与第二齿部102制作为一体结构，也可以制作成相互固定连接的分体结构,侧齿圈3与第二行星架8制作为一体结构，也可以制作成相互固定连接的分体结构，外齿圈7与第一行星架4制作为一体结构，也可以制作成相互固定连接的分体结构。
[0027]进一步地，为了满足发动机低速转动时汽车临时性停车的工况要求，在第一行星架4与外齿圈7的固定连接部分的外周设有外齿，怠速齿轮16与所述固定连接部分上的外齿啮合，具体地，也可以在第一行星架4与外齿圈7之间设一个中间齿轮，该中间齿轮与第一行星架4与外齿圈7均固接，且该中间齿轮与怠速齿轮16啮合，怠速齿轮16通过滑动轴承17装在安装轴18上，安装轴18固定装在机器壳体10上，怠速齿轮16、滑动轴承17、安装轴18构成怠速机构，怠速齿轮16通过在安装轴18上滑动与所述两套行星轮系连接或断开，使所述怠速机构与所述输入、输出行星轮系连接或断开。
[0028]本发明中的两套行星轮系为输入行星轮系与输出行星轮系的关系，输入行星轮系与变速机构的输入端转动连接，输出行星轮系与变速机构的输出端转动连接，本发明所述的变速机构包括两个实 施例，即两套行星轮系均可以作为输入行星轮系或者输出行星轮系，而其他连接关系不变，图2为本发明的一种实施例，即第一行星轮系为输入轮系且第一太阳轮I为输入端、第二行星轮系为输出轮系且第二太阳轮5为输出端，具体地，第一中间轴11为输入轴，第二中间轴13为输出轴，第二中间轴13通过单向离合器15装在机器壳体10上；图5为本发明的另一实施例，即第一行星轮系为输出轮系且第一太阳轮I为输出端、第二输出轮系为输入轮系且第二太阳轮5为输入端，具体地，第一中间轴11为输出轴，第二中间轴13为输入轴，第一中间轴11通过单向离合器15装在机器壳体10上。
[0029]以所述输入、输出行星轮系与所述怠速机构断开进行说明，本发明所述的变速机构满足以下三个条件:
[0030]①Mr=aMc+bMz
[0031]②WrsaiWc+t^Wz
[0032]③Mr*Wr=Mc*Wc
[0033]上述③式是由功率守恒定律得出，从理论上而言，输入功率与输出功率之间还存在一个变速机构内部损耗功率Ps，功率损耗Ps主要来自于齿轮轴同机器壳体之间和内部的摩擦，基于目前生产工艺，这种摩擦因子可以控制得很小，并且在使用过程中中间轮系的转动角速度并不会出现远大于输入转动角速度的情况，因此由摩擦产生的功率损耗Ps很小，将其忽略与否并不会改变最终结果，由此得到上述③式；在所述输入、输出行星轮系与所述怠速机构处于连接状态时，输入功率有一部分经所述怠速机构输出，即此时，上述③式表述为下式:[0034]
【权利要求】
1.双行星轮系式无级自动变速机构，包括第一行星轮系、第二行星轮系，其特征在于:所述第一行星轮系包括第一太阳轮(I)、与第一太阳轮(I)啮合的第一行星轮(2)、与第一行星轮(2)啮合的侧齿圈(3)，第一行星轮(2)通过轴承装在第一行星架(4)上，所述第二行星轮系包括第二太阳轮(5)、与第二太阳轮(5)外啮合的第二行星轮(6)、与第二行星轮(6)内啮合的外齿圈(7)，第二行星轮(6)通过轴承装在第二行星架(8)上；第一太阳轮(I)、侧齿圈(3)、第二太阳轮(5)及第二行星架(8)通过轴承装在中心轴(9)上，中心轴(9)两端通过轴承装在机器壳体(10)上；第一行星架(4)通过轴承装在机器壳体(10)上，且其轴线与中心轴(9)的轴线相同；第一太阳轮(I)包括与第一中间轴(11)上的第一齿轮(12)啮合的第一齿部(101)、与第一行星轮(2)啮合的第二齿部(102)，第二齿部(102)与侧齿圈(3)均为锥齿轮，且二者位置相对；第一行星轮(2)为锥齿轮，且其轴线与中心轴(9)的轴线相交；侧齿圈(3)与第二行星架(8)固接；第二太阳轮(5)与第二中间轴(13)上的第二齿轮(14)啮合，第一中间轴(11)及第二中间轴(13)均可转动地装在机器壳体(10)上；第一行星架(4)与外齿圈(7)固定连接。
2.按权利要求1所述的双行星轮系式无级自动变速机构，其特征在于:第一行星架(4)与外齿圈(7)的所述固定连接部分的外周设有外齿，怠速齿轮(16)与所述固定连接部分上的外齿啮合，怠速齿轮(16)通过滑动轴承(17)装在安装轴(18)上，安装轴(18)固定装在机器壳体(10)上，怠速齿轮(16)通过在安装轴(18)上滑动与所述两套行星轮系连接或断开。
3.按权利要求1所述的双行星轮系式无级自动变速机构，其特征在于:所述第一中间轴(11)为输入轴，第二中间轴(13)为输出轴，第二中间轴(13)通过单向离合器(15)装在机器壳体(10)上。
4.按权利要求1所述的双行星轮系式无级自动变速机构，其特征在于:所述第一中间轴(11)为输出轴，第二中间轴(13)为输入轴，第一中间轴(11)通过单向离合器(15)装在机器壳体(10)上。
5.按权利要求1所述的双行星轮系式无级自动变速机构，其特征在于:所述固定连接的第一行星架(4)与侧齿圈(7)为一体结构。
6.按权利要求1所述的双行星轮系式无级自动变速机构，其特征在于:所述固定连接的第一齿圈(3)与第二行星架(8)为一体结构。
【文档编号】F16H3/76GK103511567SQ201310499568
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年10月22日 优先权日:2013年10月22日
【发明者】徐攀 申请人:徐攀