一种十二前进档新型电液数控行星齿轮系AT自动变速器的制作方法

本发明涉及车辆变速器领域，具体涉及一种公路与非道路车辆用多档位行星齿轮式自动变速器，特别是涉及一种用于燃油、混合动力轮式车辆的十二前进档/三倒档行星齿轮系at自动变速器。

背景技术：

1、各种各类公路(非道路)车辆均要求良好的动力性与经济性，其中传动系统是车辆的基本组成部分，变速器在传动系统中居于核心地位。为了使得车辆行驶，动力传输更加平稳便捷，无论是乘用车还是商用车对自动变速器的变速档位数量和换挡传动比范围的需求都在不断增加。

2、现有的机电液一体化式自动变速器主要包括行星排、连接件、离合器和制动器，通过控制调整离合器和制动器的通断配置，而确定不同行星齿轮组不同部件自由度形态的约束或联系而形成一个特定的速度、扭矩，进而选择组合获得多个有序的齿轮系转速比率排列即档位分布，以实现适配转换多种传动速比。

3、常用at变速箱在传动效率和换挡平稳等均衡表现上仍存在不足之处，主要表现为采用摩擦片式离合器和制动器存在转动拖曳损耗较大，且摩擦片式离合器、制动器通常具有相对较低的扭矩承载能力和较低的接合速度；换挡逻辑、执行驱动机构较为复杂，档位数量不足且传动比分布不够均匀合理的问题；特别是变速箱中不同单排齿系元件之间多有交叉传动联接与牵涉，各档变速齿比解算关系与联立方程较为复杂，车辆换挡运行过程中容易产生齿轮系内部不同行星轮组件改变运转状态而引起的关联性动力换档阻力干涉，即所谓换挡顿挫冲击、车速不平稳等现象，严重影响驾乘舒适性和燃油经济性。

4、随着自动变速器应用的快速发展，各类运输车辆的动力总成装置应更重视合理的机械功率输出与实时驱动能力最大化下兼容且兼顾相平衡的燃油优化效率问题。通过优化档位速比分布间隔充分地改善燃油经济性和排放水平，即使对于相同档位数的速比而言，变速器的可靠性、动力传输效率以及体积/重量等参数，基本上都取决于变速箱内部行星齿轮组是如何设计布置、组合使用的。因此，各类轻中重型车辆传动系的多档化，紧凑型与档位效能包线合理优化优选，成为动力总成研发升级的突出核心内容。

5、在目前市场配置的变速器结构类型及发展应用上看，单箱壳体整装中心轴流型电液控制at是通过行星齿轮机构来传递扭矩和转速，由于行星齿轮传动采用常啮合多点传动，故在传递同样力矩时可选用较小的齿轮模数，便于实现尺寸小的轻量化结构。此外，多点啮合的对称性，不仅使径向力平衡，且使运转平稳、抗冲击振动能力强、寿命长。采用上述结构，通常根据两个可选择的行星系自由度，即可改变传动比，适宜进行运动的合成与分解，容易实现自动换档传动链构造。

6、通过革新改进现有at变速箱的内部传动结构及变速换档构件，设计优化出具有更多档位且变速比更均匀的传动系，以满足不同行驶条件车辆对牵引力的需要，使动力装置尽量工作在高效有利的工况下，尽可能地优化满足车辆行驶速度驱动要求，特别是在中重型运载车辆上应用中，完全可以达到“无级变速”的等同工况功效，此为切实可行且行之有效。

7、由此可见，单箱壳体整装中心轴流型自动变速器at总体结构紧凑，承载力大、传动效率高、技术成熟、构造合理、性能均衡覆盖面大、后续研发阔展性强，仍然是一个重要且基本的定装方案；是多档位自动变速器的重要实现发展形式，应予以高度重视。

技术实现思路

1、本发明旨在针对现有at产品存在的诸如传动功率密度有限、效率损耗较大等不足及着眼于今后市场发展趋势，提供一种速比范围广且传动比均匀、结构紧凑、操作简便、性能优异、涵盖乘用及商用车、变速范围可满足轻中重型轮式车辆使用要求的十二档行星齿轮型自动变速器，以创新改进现有产品中所存在的技术适用性问题。

2、本发明设计提供了技术革新的棘爪棘轮组件与啮合套同步器换档等综合应用简洁传动形式。外环动力保持架与中心轴线双重传动变速路径及动力转矩接合架构，分布均匀的十二个前进档位能使车辆动力系统工作于高效循环区域，在保证整车变速动力性、可靠性和燃油经济性的同时，变速箱集成效率高。为动力系统总成的集成布置乃至车辆传动系统的能量升级利用都提供了更灵活丰富的实用选装方案。

3、本发明通过以下技术方案实现：

4、一种十二前进档新型电液数控行星齿轮系at自动变速器，是由箱体(1)、三个单极行星排、五个换挡离合器、一个双向制动器、四个内部传动构件、换档执行元件驱动器以及设置在变速箱两端的输入轴(2)和输出轴(4)组成。

5、三个所述单级行星排轴向排列分别为第一行星齿轮组(p1)、第二行星齿轮组(p2)和第三行星齿轮组(p3)；第一、第二实施例中行星排p1、p2均为太阳轮sun固定工装模式，第一行星排太阳轮(s1)固定于箱体前端盖，第二行星排太阳轮(s2)单独固定于一个箱体内壳定位支架上；第三行星齿轮组p3的第三行星架(c3)及第三齿圈(r3)可分别被制动器选择性地固定锁止，在前进档状态时第三齿圈(r3)总保持被锁止固定状态，双向锁止离合器即为制动器四个所述传动构件分别为第一传动构件(5)、第二传动构件(6)、第三传动构件(7)和第四传动构件(8)。

6、所述输入轴(2)穿过箱体前端盖轴承与第一行星排定装太阳轮(s1)内孔、且与第一齿圈架(r1)直接相连动力输入，所述输出轴(4)与第四传动构件(8)的保持架壳体连接完成变速器动力输出；前端输入轴一般为液力变矩器的涡轮轴，用于将发动机的动力经液力变矩器传导至变速器，输出轴后续通过差速器等将动力传输至左、右驱动轮。五个所述换挡离合器分别为第一离合器第二离合器第三离合器第四离合器和第五离合器

7、进一步的，所述第一传动构件(5)，即第一外环传动保持架，其构造形状为一个中空且两侧端面开口的圆柱体筒状结构，其壳体表面分布有纵梁及纵梁之间的等间距开放槽口缝隙或类似于一个筒状外毂式样；位于行星排p1-p2外层，且左右两侧端面支承安装套架在箱体前端盖上的基座与用于固定第二行星排太阳轮(s2)的单独圆周支架的径向台阶端面上，并两端定心定位。

8、所述第一离合器和第二离合器的环状齿圈套装在第一外环传动保持架表面各组棘爪定位槽的外周端面上，棘爪定位槽与保持架纵梁相互穿插并固定装配连接，每一组定位槽的左中右三个环形径向法兰端面间隔并包含定位二个棘爪；第一离合器和第二离合器的环状齿圈分别套装于第一组棘爪a-b定位槽和第二组棘爪c-d定位槽的法兰盘外表面，且离合器齿圈整体可沿法兰盘外缘弯折圈层横向移动以联动开阖每一组定位槽中的两个棘爪。棘爪各自对应于保持架内层行星排p1、p2不同旋转构件不同传动路径的动力输出/输入接合端面上的棘齿槽，后续使棘爪对相应棘齿槽进行选择性地同步接合闭锁并完成单级行星排p1、p2之间的动力变速传输。

9、所述第二传动构件(6),即箱体中心主轴(3)，为空芯套管轴结构，前后两端面的内孔分别与输入输出轴端面轴肩嵌套连接，其前后轴向依次分别与输入轴(2)、第二行星排齿圈架(r2)、(c2)行星架轴套及齿圈架(r2)棘齿槽动力输出端、第二传动保持架壳体轴套、第三行星架(c3)轴套连接件、第四传动构件(8)、输出轴(4)相滑动支承或固定连接。

10、所述第三传动构件(7),即第二外环传动保持架；其构造形状为一个半封闭式并一侧敞开的中空筒状圆柱体结构，且壳体表面分布有纵梁及纵梁之间的等间距开放槽口缝隙，套装于中心主轴(3)外径表面，保持架壳体纵梁上分别安装有棘爪e-f以对应壳体内层p2行星排c2—r2各自单独的变速动力输出端。第三离合器的环状齿圈套装于棘爪e-f定位槽的法兰盘外表面，且离合器齿圈整体可沿法兰盘外缘弯折圈层横向移动以联动开阖定位槽中两个对应内层不同行星排传动路径的棘爪e-f。

11、第二外环传动保持架轴套连接件上套装有离合器且彼此键槽连接；在换档驱动器作用下,可沿轴套键槽轴向移动并直接与第三行星架c3前转臂外侧的接合面相互牙嵌式啮合以1体化联动。换档驱动器有多种实现方式,可以选用sva电磁遥感驱动或电/液换档驱动器通过连杆儿拨叉驱动。

12、所述第四传动构件(8)，即第四外环传动保持架,其构造形状为一个半封闭式并一侧敞开的中空筒状圆柱体结构，且壳体表面分布有纵梁及纵梁之间的等间距开放槽口缝隙，套装于中心主轴(3)外径表面，位于箱体末端且保持架壳体纵梁上套装排列着左右两排棘爪i-j，分别对应于保持架内部的单级行星排p3不同动力输出端面(r3-c3)上的棘齿槽，其中r3输出端面即为倒档动力输出端。

13、所述第五离合器为齿圈套筒状,套装于第四外环保持架上两排并列棘爪i-j的定位槽法兰盘外周弯折圈层表面，并可以横向移动以分别调控两排不同棘爪的伸缩开阖以与内层p3行星排不同构件输出端面的棘齿槽相选择性地啮合并传输变速动力。

14、进一步的，单极行星排p2行星轮为3变速内变模式，齿圈(r2)及行星架(c2)分别具有独立的动力输入端接口，可由第二离合器选择性的调节棘爪c-d进行双路动力输入；同时行星架(c2)及齿圈(r2)同样分别具有独立的输出端口，如此即实现了p2行星排“3变速”反特性连接,即s2固定,第二行星架c2、第二内齿圈r2为彼此可以经离合器调节互相逆转使用；把输入连接对象的行星架改为同行星排的内齿圈、把输出端连接对象的内齿圈改为同行星排的行星架，太阳轮仍然固定连接。这样反转连接使用的行星排在k值一定前提下,充分利用了单级行星轮系各旋转构件运动特性，形成c2输入r2输出的升速模式，或形成r2输入c2输出的降速模式；同时兼顾输入-输出之1:1等速传动。

15、3个变速比通过由直接与中心主轴(3)固定连接的r2齿圈架及行星架c2轴套连接件输出端分别完成外向输出。r2变速动力以中心主轴作为动力输出介质，等速或升速内变动力穿过固定的第二行星排太阳轮(s2)中心孔并直接输出到后续同样与中心主轴(3)固定连接的棘齿槽输出端部；c2轴套连接件输出端同样设置有传动棘齿槽，这样，继续由第三离合器调节位于第二保持架纵梁上的棘爪e-f以选择性地接合c2-r2不同变速输出以形成p1—p2全系列6个变速级，并通过第二保持架轴套连接件继续传动至后续第三行星排太阳轮(s3)；第三太阳轮(s3)通过第二保持架轴套连接件而承接p1-p2单极行星排六个输出变速，接合动力后在单极行星排p3上继续进行内变以导出更多的选择性变速动力。

16、进一步的，所述双向锁止离合器为制动器为圆环齿圈形式，其环状齿圈安置套装在一个固定于箱体内壁上的第三环形固定保持架的纵梁上，固定状态的第三环形保持架纵梁上并列穿插套装有两排棘爪g-h分别对应于内层第三行星排的第三行星架(c3)前转臂和第三齿圈(r3)各自外圆端面上的棘齿槽以选择性相互接合；制动器圆环齿圈套装于并列棘爪g-h的定位槽法兰盘外周弯折圈面上并可以在定位槽外周面上横向移动以分别调控两排棘爪不同的伸缩开阖以与内层行星排(p3)不同旋转元件上的棘齿槽选择性地啮合，使齿圈对行星架(c3)或齿圈(r3)分别进行制动调节。

17、综上所述，单极行星排p3为行星架/齿圈可分别单独固定；即在第三太阳轮s3输入情形下，不仅可以得到r3固定，c3输出的正向变速齿比，且可以方便地逆转得到c3固定，r3输出的反转倒档降速齿比。还可以在制动器联动棘爪g-h空置，c3/r3无锁止情况下接合得到p3整体固定1:1等速旋转；即p3行星轮机构具有3变速功能，灵活实用。通过这种巧妙设计,本发明变速器实际可行地拥有全系列12个倒档变速比率能够简单化获得；这个集成倒车功能在很多特种车辆领域具有广泛应用前景。

18、进一步的，离合器和制动器首选为棘爪棘轮式传动离合连接构件，兼顾相应同步器，啮合套通用类型。通过弹性爪齿啮合面之间以形锁合地传动可传递更大的扭矩；使得换挡结合动作迅速准确。

19、正因为采用了1个齿圈型离合器可以同时调节两组对应不同传动路径上的棘爪棘轮接合方式，正好满足1个单排行星轮机构2个构件自由度交替输出的变速特点，具有“此起彼伏”同时通断/离合的存续特性。换档(支撑顶紧)执行动作干净简捷同步接续性好，自然地等效形成双离合同步联动通断性能；即有效解决了所谓换档过程中动力中断现象的问题，保证了车辆行驶驾乘中的动力可持续性要求。

20、进一步的，离合器型号可以考虑采用多种实现方式；如同样可以采用带有同步锥/键的形锁合式同步离合器配置，亦可满足传动效率高的特点。即同步器外环接合套筒为齿圈型环状结构并穿插套装在“外环传动保持架”的纵梁上形成嵌套支承装配。外环套筒与同步器内花键毂表面的齿槽对应接合形成支承关系，外环/内齿毂之间有“同步键/滑块”联动以在各单排行星轮系的外周旋转件表面上做横向往复移动。且内齿毂两端侧壁面上有内凹锥形同步摩擦面，与两侧行星排的旋转元件接合端面上配设的同步锥面相互对应接触形成强制摩擦同步。外环齿圈接合套筒表面上另设有环状凹槽以与驱动器推杆/拨叉等执行元器件柔性连接进行驱动导向配合。参照第一实施例离合器即为灵活选配啮合套应用范例。

21、进一步的，在相关齿圈架、行星架及传动构件驱动毂壳体上可以设计加装有扭矩减振缓冲阻尼环/垫形成柔性随动，以降低整个变速箱总成运转的转动惯量/顿挫冲击，还可以稳定发动机输出的扭矩波动，对于变速箱高效运行输出动力及驾乘舒适性大有益处。

22、进一步的，在变速箱内部设有独立联接于壳体内壁的行星轮部件，即第二行星排太阳轮(s2)机构固定支架，以保证第二行星排3个内变速比结构的确立；同时还起到了对中心主轴(3)的辅助支承定位重要功效，并具有增强箱体整体结构强度的作用，特别适用于重型车辆变速箱配置。

23、进一步的，根据实际用途可灵活调节匹配高速档位数量，或者说低速档位数量及最低档位1st档的起步减速比。在3个od高速档位设置下，太阳轮s1固定，前端动力输入轴与第一行星架(c1)直接相连动力输入，形成齿圈r1升速输出模式。在1od高速档(轮式)重载车辆变速设置构造中,输入轴直接驱动第一太阳轮(s1)，行星排p1为齿圈r1固定，行星架c1降速输出的基本内变速模式；如此即可构造出覆盖范围更广的十二档变速级差分布间隔比率，大大提升增强了该型变速器的变速承载与适配能力，一档低速传动比可以达到16—18；为各种重型运输车辆提供了一种优越简便的增强版传动系选择。

24、进一步的，本变速箱设计结构中有多种灵活布局方式，可以满足车辆(带档)滑行区段的发电机能量回收功能。可以考虑在工装可行范围内，变速箱单元内尾段尝试融入动能回收发电增效功能系统，更多地利用好箱体内固定箱梁构件以形成定子线圈绕组与旋转磁钢片环绕形成传动保持架壳体转子与行星轮单向超速机构适配模型，利用棘轮棘爪传动离合器单向超越过载保护的特点进行实时工况进行灵活匹配，进行相关能量回收拓展，充分发挥并提升车辆节能效率。

25、本发明的有益功效成果：

26、1.本发明设计充分利用了行星轮机构结构紧凑且换挡元器件多设置于行星排外围，呈周向分层循环嵌套布局。单箱体轮廓整体轴向尺寸小，适合于发动机横置前驱及纵置后驱等各种车辆结构布局。用较少的三个单极行星排、五个离合器和一个制动器，优化组合出各单排行星轮系二自由度机构变速方案，满足车辆行驶性能需求的变速比均匀、强度更高、效率更好的十二档行星齿轮系自动变速器。

27、2.创新采用了单行星排2自由度“逆变”结构而产生3变速比行星齿轮系。且构造为升速，等速，降速等比顺序变速单元；并与其它行星排,尤其是第三行星排同样具有3变速比(倒档)优势组合配套形成档位非常丰富的具有等变速传动比特点的新变速比率排列。仅用3个单极行星排、5个离合器和1个制动器，依托3变速比单级行星轮齿系结构，优化组合出满足车辆行驶性能需求的工装紧凑、强度更高、效率更好的行星齿轮系自动变速机构。特别适用于重装轮式(工程)车辆的性能提升。

28、3.基本型构造仅利用3个单极行星齿轮系承担动力传动路线图谱，相较于其它10～12档位自动变速器设计方案的4～5个复合行星轮机构或多齿轮副平行轴形式，及7～9个离合器制动器构件,结构非常简洁紧凑。档位设置均匀合理，一档减速最大传动比可以根据配置灵活达到16～18；充分提高各型整车动力性能，增速挡传动比亦可进一步提高轻载燃油经济性。

29、4.本发明中创新性地首选棘爪棘齿离合器传动配合方式作为变速动力传输与换档变速方式实现的主体手段。由3个弹簧驱动力矩及自然产生的旋转离心力汇流促使各个棘爪齿顶部下旋倾转与行星排构件表面的棘齿槽高速接合，闭锁性好,扭矩传动力强且完全模块化集成。换档离合齿圈套筒位于各传动机构元件的最外围,力学结构好且自身载荷小；换档调控执行路径行程短,轻盈便捷；具有明确的结构简明增效实用性与技术优越性。

30、同时整体结构中亦可综合利用，兼顾适配端面牙嵌式，周径啮合套式及同步器离合器，形成了最佳传动路径组合，保证了力学支承性与传动效率的良好阔展。

31、5.变速比谱系灵活多样，可以设置为具有八个减速档位、一个平档,三个od超速档位或者九个减速档位、一个平档,两个od档位及至十个减速档位、一个等速平档,1个od超速档模式(此模式更有利于重载轮式车辆灵活确定车型传动系驱动桥主减速器差动/主减速比)，档位设置均匀合理。同时可以根据实时驾乘而方便地简化为10档short-cut逻辑模式进行智能‘跳档’超越传动操作,利用多档位变速比均衡的优势基础,灵活“跳挡”变速使得换挡执行过程更为迅捷，充分提升车辆的行驶性能。

32、6.本发明自动变速器结构中总计6个换挡离合器采取有序地围绕各单行星排前后分置,周向嵌套装配，布局上更有利于简化设计各离合器对应的sva/液压驱动器操纵元件管线的力位调节形式。邻近档位升降时，通过ecu/tcu动力数据实时交换可以做到换挡时机准确迅捷，控制动作简单有序，并且可以增进自动变速器中的整体重量平衡,减少变速器轴向长度，使得箱体内外的动/静载荷更均匀。

33、7.本发明结构中所有离合器和制动器与输入输出轴同轴布置，径向安装结构合理，调整操作方便，机构在每个档位传动状态下都保持五个换挡元件在同时接合工作，空转损耗小传动利用效率高，同时可根据实际用途需求做出简易工装调整以形成输出/输入轴非同轴线布置方案。

34、8.本发明换挡离合器元件、安装工位多套装行星轮机构及传动构件外表面上，由于离合器安放在外围一侧，离合器的径向有效力矩半径增大，传递相同的扭矩所需要的结构压力降低，从而可以降低离合器棘爪的整体载荷，动力性好提升了传动效能。且消除了多片摩擦片式离合器空转时冗余旋转造成的摩擦阻力损耗，这同样适用于同步器换档或牙嵌式滑动啮合套类型，功能简便实用。

35、9.本发明设计中在变速箱内部专门设置了独立的联接于壳体内壁的(第二单排)行星轮机构固定支架，该环形径向固定支架尺寸紧凑，便于安装定位，不仅保证了行星排单极内变结构的确立，同时还起到了对中心主轴的支承定位效用，并具有增强箱体整体结构强度的作用，特别适用于重型车辆变速箱配置。亦可以考虑以此固定支架截面为箱体轴线基准，将变速箱体分为前后二个可分离可对接组装的部分，此固定支架则亦可成为一个箱体外廓联接定位的夹层隔板，更有利于简化生产装配流程。

36、10.运用了system engineering工程优化理论及简单行星齿轮机构常啮合开放式运转模型，结合棘爪棘轮锁合式离合器换档，承载效率高且变速箱整体运转拖曳摩擦损耗小，实现了更加突出的经济适用性。一个显著特点即：在保证单级行星排都达到内变预设变速比前提下，设置了多个行星排构件的输入/输出扭矩传递接口，同时放宽静不稳定性。亦即允许，在一些具体档位工作状态下,变速箱内一些行星排机构存在且持续可接受的不参与实际传动或者不承载扭矩的冗余空转现象，并最大限度地利用上这种空转构件的惯性能(如内部通风)，这样在整体行星轮系传动配置充分润滑情况下并未增加行星排无效的拖曳扭矩或流动性功耗，反而有助于优化结构力学诸元并提高变速器整体的运行稳定性及传动效率。

37、11.本发明的自动变速器由独立运行的单排行星轮机构组成，三个单排行星齿轮机构均相对独立地变速运转，可组合形成十二个合理分布的传动挡位，且各档工作时由各个单排行星齿轮机构依次顺序传递变速动力，相互之间为简单串行结构顺序:输入始终承接上一级单排输出，输出被直接传动至下一级变速元件，动力传递路线简单明确。该自动变速器具有结构力学形态好、能耗小成本低、简单紧凑执行元件少、换挡时执行元件动作距离短,尤其不会产生各齿系间换档运动干涉牵扯；性能稳定可靠。

38、12.本发明可以根据各传动部件轴流工装嵌套特点创新尝试采用复合型“保持架”构件单元以完成基本能量回收增效发电形式。即在箱体后端盖增设定子线圈绕组与相应的第四保持架壳体配合，利用磁通转子进行电磁感应即动能发电。充分发挥车辆中低速(下坡)带档滑行时，第三固定保持架棘爪棘齿离合器1具备的单向超越过载保护功能，综合利用第四传动保持架与第三行星排组件的转速，形成分组动能回收发电增效模块以充分提升内燃机动力系统能效。