專利名稱：用于緊湊型機電變速箱的花鍵式恒星齒輪及方法
技術領域：
本申請要求享有于2004年3月22日提交的美國臨時中請60/555141的優先權。
本發明涉及一種具有帶恒星齒輪的行星齒輪裝置的混合型機電變速箱。
背景技術：
小客車包括由發動機、多級變速箱以及差速傳動系統或最終傳動系統組成的傳動系。多級變速箱通過允許發動機在其扭矩范圍的數倍下運行而提高了車輛的整體工作范圍。自動的多級變速箱提高了車輛的運行性能及燃料經濟性。
三速和四速自動換擋的變速箱的好處已促使它在過去的幾十年里在有車一族中的知名度顯著提升。而且，對裝有自動變速箱的車輛的需求并未因對具有更省油動力源的車輛的需求而減少。例如，混合型(機電)車輛的使用者仍然渴望擁有安裝了自動變速箱的車輛。然而，混合型車輛在變速箱方面的裝配要求比非混合型車輛的要求更高，這是因為混合型車輛要求使用至少一個電動機來為自動變速箱提供動力。電動機的存在顯著減少了變速箱及其必需部件的可用裝配空間。因此，對設計的要求是力求在最小的可能裝配空間內安裝機電變速箱。
任何自動行星齒輪變速箱中的一個不可或缺的部分是至少一個由恒星齒輪、帶有小齒輪的行星齒輪架和齒圈組成的行星齒輪裝置。大部分自動變速箱具有多個行星齒輪裝置。通過離合器，齒圈、恒星齒輪和行星小齒輪便可輸出數個傳動比。這三種齒輪可相互嚙合而產生減速傳動其中輸出速度低于輸入速度；或者產生超速傳動其中輸出速度高于輸入速度。例如，保持齒圈靜止而讓恒星齒輪與行星齒輪架嚙合會產生減速傳動。然而，如果保持恒星齒輪靜止而讓齒圈與行星小齒輪嚙合就會產生超速傳動。最終，如果司機想要倒車，可使行星小齒輪保持靜止以支持齒輪減速，同時使旋轉方向反向。這種裝置中的齒輪是典型的螺旋狀的，它們被切成一定的角度以產生逐步的嚙合，以提供比正齒輪更平滑及安靜的運轉。
恒星齒輪及恒星齒輪軸需經過復雜的制造工藝以滿足它們各自的設計和疲勞壽命的要求。例如，恒星齒輪軸必須設計成具有適當的尺寸和材料硬度，以便承受在其最高扭矩水平下工作至少250000個扭矩周期。而且，恒星齒輪甚至需要更大的材料硬度，以滿足其腐蝕及彎曲疲勞強度的要求。如果恒星齒輪及其齒輪軸是整體式的，那么恒星齒輪所需的熱處理工藝會導致恒星齒輪軸產生嚴重的變形；需要在熱處理后通過矯直和機加工來進行補償。一種制造性更佳、因此也更經濟的設計要求在它們各自的制造工藝中使恒星齒輪與恒星齒輪軸分開，從而簡化它們的整體制造工藝，并且降低對熱處理后的矯直和機加工的要求。然而，將工作部件重新連接起來需要有連接機構如花鍵，這便要求在整體式恒星齒輪及恒星齒輪軸的裝配空間以外還要有額外的徑向裝配空間。
在由Schmidt等人于2004年9月22日提交的題為“具有四種固定傳動比的雙模式復合分離的混合型機電變速箱”的美國專利申請No.10/946915中描述了一種機電變速箱，該申請已轉讓給通用汽車公司，并且通過引用整體地結合于本文中。
發明內容
本發明提供了一種具有可制造性更佳的恒星齒輪和恒星齒輪軸的緊湊型機電變速箱。在本發明中公開了多種設計變更，包括減小行星齒輪裝置及其所含部件的直徑，以便補償在恒星齒輪及其軸之間實現花鍵連接所需的增大徑向空間。
在本發明的一個方面中，恒星齒輪和恒星齒輪軸可在軸向上分開。恒星齒輪和齒輪軸可通過本領域內已知的多種方法連接起來。在優選實施例中，恒星齒輪和恒星齒輪軸通過設于恒星齒輪和恒星齒輪軸上的互補型花鍵連接起來。
在本發明的另一方面中，恒星齒輪軸包括在徑向上與花鍵相鄰的環圈部分。環圈部分設計成盡量減小行星齒輪裝置所需的裝配空間，同時滿足恒星齒輪軸的相應的疲勞壽命要求。
在本發明的又一方面中，恒星齒輪軸環繞著主軸，主軸的直徑設計成既能減少行星齒輪裝置所需的合成裝配空間，同時又能滿足主軸的疲勞壽命要求。
在本發明的另一方面中，齒圈件被倒角以便使在行星齒輪裝置與容納于變速箱內的電動機組件之間有充分的最小間隙，使得行星齒輪裝置能與電動機和其它變速箱部件緊密地嵌套在一起。雖然采用了倒角來實現行星齒輪裝置的更小裝配空間，然而本發明的其它方面包括有多種可減小行星齒輪裝置的徑向跨度的方法。
具體地說，本發明是一種封裝有電動機組件和可旋轉的多部件式恒星齒輪的緊湊型機電自動變速箱，其中這些部件構造成固定在一起。
更具體地說，上述自動變速箱的多部件式恒星齒輪包括行星齒輪裝置，其嵌套在電動機組件的附近并可相對于電動機組件運動。恒星齒輪件的其中之一與行星齒輪裝置中的小齒輪形成了驅動關系，另一個恒星齒輪部件是與上述恒星齒輪件形成驅動關系的軸。該恒星齒輪件以可在軸向上分開的方式連接到恒星齒輪軸上。
前述緊湊型機電變速箱的進一步的特征在于，恒星齒輪件與恒星齒輪軸之間的可在軸向上分開的連接是花鍵連接；恒星齒輪軸是中空的并包括環圈部分，齒輪軸在此處開有花鍵，環圈部分在軸向上足夠長，以支持恒星齒輪軸和恒星齒輪件之間的驅動關系。
本發明的緊湊型機電變速箱還可包括位于恒星齒輪軸的中空部分內的可旋轉的主軸。主軸與恒星齒輪軸具有各自的直徑，這些直徑不大于滿足其各自疲勞壽命要求所需的值。
前述自動變速箱包括恒星齒輪，其中齒圈與恒星齒輪的槽寬對齒寬比至少為2.60。
另外，該緊湊型機電變速箱包括行星齒輪裝置，其包括在行星齒輪裝置內處于驅動關系的齒圈；其中，齒圈被倒角成使得行星齒輪裝置可緊密地嵌套在電動機組件的附近。
本發明還涉及一種在封裝有電動機組件的自動變速箱中裝配行星齒輪裝置的方法，其包括提供各部件構造成固定在一起的可旋轉的多部件式恒星齒輪；以及在軸向上將恒星齒輪件充分地定位在一起，使行星齒輪裝置嵌套在電動機組件的附近。
最后，本發明包括一種在封裝有電動機組件的自動變速箱中裝配帶有齒圈的行星齒輪裝置的方法，其包括對位于電動機組件附近的齒圈倒角，使得行星齒輪裝置更緊密地嵌套在電動機組件的附近。
從實施本發明的最佳方式的下述詳細描述中并結合附圖，可以容易地清楚本發明的上述特征和優點以及其它的特征和優點。
圖1是本發明沿著機電變速箱的前部中心線的一側的局部截面圖。
圖2是整個變速箱沿圖1中的線2-2的徑向截面圖，顯示了本發明的行星齒輪裝置。
圖3是與圖1和圖2中所示的其它變速箱部件隔離開的恒星齒輪件和恒星齒輪軸部分的分解透視圖。
圖4是本發明的裝配緊湊型機電變速箱的流程圖。
具體實施例方式
參考附圖即圖1到圖4，在所有圖中相同的標號表示相同或相應的部件，圖1顯示了混合型機電變速箱的截面正視圖，該變速箱封閉了位于外殼15內的電動機組件14。該變速箱還包括三個行星齒輪裝置中的兩個(10和11)、主軸12和離合器16。前行星齒輪裝置10嵌套在電動機組件14的附近，并且環繞著主軸12。前行星齒輪裝置10包括齒圈22、行星齒輪架組件24以及與恒星齒輪軸20嚙合的恒星齒輪件18。如圖2更清楚地顯示，各行星齒輪架組件24包括多個小齒輪26，其可旋轉地安裝到行星齒輪架組件24上，并設置成與恒星齒輪件18和齒圈22形成嚙合關系。
如圖2所示，恒星齒輪件18與行星齒輪架組件24的小齒輪26處于嚙合關系，并且由軸襯32和鋼套筒29(如圖1所示)支撐，而軸襯32和鋼套筒29又軸頸支撐在主軸12上。雖然恒星齒輪件18和恒星齒輪軸20通常是一個整體部件，然而在優選實施例中，恒星齒輪件和恒星齒輪軸可在軸向上分離。如圖3所示，這兩部分通過恒星齒輪軸20和恒星齒輪件18上的相容或互補型的花鍵30固定在一起。花鍵30的設置應使得恒星齒輪軸20和恒星齒輪件18處于驅動關系，這樣這兩個部件可一起旋轉。
將恒星齒輪件18和齒輪軸20分開的技術優點是可以降低這些部件的制造復雜性。恒星齒輪18的輪齒(如圖3中更清楚地顯示)要經受腐蝕及彎曲疲勞循環，為了獲得滿意的性能，其需要有洛氏硬度C60的硬度。然而，恒星齒輪軸20承受扭轉負載，其只需洛氏硬度C31就能達到滿意的性能。當這些部件是一個整體時，由于整體部件(未顯示)是不對稱的且在徑向上的壁較薄，因此恒星齒輪的輪齒所需的熱處理會導致恒星齒輪軸20過度地變形。為了校正這種變形，需要在熱處理后對整體式恒星齒輪和恒星齒輪軸進行矯直和再加工。這類構造會導致很高的廢品率，這是因為再加工并不總能充分地校正任何的過度變形或因矯直工藝所帶來的裂紋。對于可在軸向上分開的恒星齒輪18和恒星齒輪軸20(如圖3所示)來說，齒輪軸的幾何形狀可以維持其結構整體性，但僅要求更不復雜的熱處理后的機加工工藝。這就使得可對恒星齒輪軸20進行適當的熱處理，在熱處理后只需很少的傳統機加工工藝。因此，使用可分離的設計可以降低廢品率及機加工成本。
除了花鍵連接之外，本領域的普通技術人員可了解到恒星齒輪18和軸20可通過多種方式進行固定。例如，恒星齒輪件18和軸20可被夾緊或壓配在一起；這樣仍可消除了對熱處理后的機加工的需求。
此外，如圖3所示，恒星齒輪軸20以與恒星齒輪件18的花鍵形成互補的方式而形成有花鍵。恒星齒輪軸20沿著其輪圈40開有花鍵。恒星齒輪軸20的輪圈40與花鍵30相鄰。為了節約徑向空間，輪圈40設計成盡可能小，然而又足夠厚以在恒星齒輪軸20和恒星齒輪件18嚙合時支撐輪圈40所承受的扭轉負載。
參考圖2和圖3，主軸12與輪圈40相鄰。恒星齒輪軸20是中空的且環繞著主軸12。主軸12也設計成具有最小的許可直徑，以減少行星齒輪裝置10所需的裝配空間。而且，主軸12設計成還能滿足其疲勞壽命的要求。因此，主軸12的合適直徑應盡可能小，但仍能滿足其疲勞壽命的要求。
在恒星齒輪件18和恒星齒輪軸20軸向分開之后，對恒星齒輪件18進行調整以便更緊密地支撐主軸12。因此，恒星齒輪件18和行星小齒輪26之間的接觸點就改變了。為了補償這種狀況，應當對齒輪的輪齒進行重新設計。恒星齒輪件18和齒圈22之間的槽寬對齒寬之比決定了整個行星齒輪的傳動比，該傳動比對變速箱的整體爬坡性能起很大的作用。對于前行星齒輪裝置及中行星齒輪裝置而言，齒圈與恒星齒輪的槽寬對齒寬之比必須從2.97減至2.955，對于后行星齒輪裝置而言，槽寬對齒寬之比必須從2.94減至2.69。這個比值的變化以及前述的重新設計為支撐恒星齒輪件18和恒星齒輪軸20之間的花鍵連接提供了必要的徑向間隙。
另外還修改了齒圈22。齒圈22與行星小齒輪26處于嚙合關系。圖1顯示了齒圈22定位成嵌套在電動機外殼15的附近。齒圈22的厚度對行星齒輪裝置10的整體裝配要求也有影響。為了縮小裝置所需的空間，如圖1所示，齒圈22在標號21處沿其外徑被倒角，以使行星齒輪裝置10能緊密地裝配在電動機14的組件或電動機外殼15的附近，而不會碰撞到電動機外殼15。這是通過硬車削(或機加工)齒圈直到獲得所需的尺寸來實現的。本領域的普通技術人員可以認識到，倒角并不是減小齒圈22的徑向厚度的唯一方法。例如，可以使用多種材料來提高齒圈22的強度，使其只需要較小的直徑尺寸或厚度。或者，可以縮短齒圈22的軸向長度以避免對電動機外殼15的碰撞。
在本發明的另一方面中，小齒輪26、恒星齒輪件18和齒圈22的輪齒設計成可減小它們所需的徑向裝配空間。應對徑向齒高和其它參數進行選擇以降低它們的徑向裝配空間，同時滿足變速箱的材料強度及噪音要求。
最后，行星齒輪裝置10使用了會對裝置中的齒輪產生軸向負載的螺旋齒輪傳動。采用止推軸承31來克服恒星齒輪件18中的這種軸向負載。恒星齒輪件18需要足夠的徑向接觸長度以支撐止推軸承31的滾柱，這些滾柱的大小根據預期的推力負荷的量來制造。恒星齒輪件18的輪齒、恒星齒輪件18和齒輪軸20之間的花鍵30以及軸襯32和鋼套筒29設計成可產生必要的徑向長度。
在圖4中還提供并概述了一種裝配緊湊型機電變速箱的方法。該方法的第一步驟100是提供如在本公開中所詳述的能夠固定在一起的多部件式恒星齒輪。第二步驟110涉及軸向地定位恒星齒輪件，以使行星齒輪裝置可嵌套在電動機組件的附近。本領域的普通技術人員可以認識到，多部件式恒星齒輪的軸向定位也可視其他變速箱部件如離合器的位置而定。
雖然已經詳細地描述了實施本發明的最佳方式，然而熟悉本發明所屬領域的技術人員可以認識到屬于所附權利要求范圍內的用于實施本發明的多種備選設計和實施例。
權利要求
1.一種緊湊型機電自動變速箱，其中封裝有電動機組件并包括可旋轉的多部件式恒星齒輪，其中所述恒星齒輪的部件構造成固定在一起。
2.根據權利要求1所述的自動變速箱，其特征在于，所述多部件式恒星齒輪包括有行星齒輪裝置，其可嵌套在所述電動機組件的附近并可相對于所述電動機組件運動；其中，所述恒星齒輪件中的其中一個與所述行星齒輪裝置形成驅動關系；和所述恒星齒輪件中的另一個是與所述恒星齒輪件中的所述其中一個形成驅動關系的恒星齒輪軸；所述恒星齒輪件中的所述其中一個與所述恒星齒輪軸在軸向上可分開地相連。
3.根據權利要求2所述的緊湊型機電變速箱，其特征在于，所述恒星齒輪件中的所述其中一個與所述恒星齒輪軸的在軸向上可分開的連接是花鍵連接；所述恒星齒輪軸是中空的并包括環圈部分，所述恒星齒輪軸在此處開有花鍵，所述環圈部分在軸向上足夠大，以支持所述恒星齒輪件中的所述其中一個與所述恒星齒輪軸之間的驅動關系。
4.根據權利要求3所述的緊湊型機電變速箱，其特征在于，所述變速箱包括位于所述恒星齒輪軸的中空內部中的可旋轉的主軸，所述主軸與所述恒星齒輪軸有各自的直徑，這些直徑均不大于滿足其各自疲勞壽命要求所需的值。
5.根據權利要求4所述的自動變速箱，其特征在于，所述齒圈與所述恒星齒輪件中的所述其中一個的槽寬對齒寬之比至少為2.60。
6.根據權利要求2所述的緊湊型機電變速箱，其特征在于，所述行星齒輪裝置包括齒圈；所述齒圈與所述行星齒輪裝置形成驅動關系；所述齒圈被倒角，以使所述行星齒輪裝置可緊密地嵌套在所述電動機組件的附近。
7.一種在具有電動機組件的自動變速箱內裝配行星齒輪裝置的方法，包括提供可旋轉的多部件式恒星齒輪，其中所述恒星齒輪的部件構造成固定在一起；和在軸向上將恒星齒輪的部件定位在一起，從而使所述行星齒輪裝置可緊密地嵌套在所述電動機組件的附近。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述行星齒輪裝置具有齒圈，所述方法還包括對相鄰于所述電動機組件的所述齒圈倒角，從而使所述行星齒輪裝置更緊密地嵌套在所述電動機組件的附近。
9.一種緊湊型機電自動變速箱，其中封裝有電動機組件并包括可旋轉的多部件式恒星齒輪，其中所述恒星齒輪的部件構造成固定在一起；其中，所述多部件式恒星齒輪包括有行星齒輪裝置，其可嵌套在所述電動機組件的附近并可相對于所述電動機組件運動；其中，所述恒星齒輪件中的其中一個與所述行星齒輪裝置形成驅動關系；和所述恒星齒輪件中的另一個是與所述恒星齒輪件中的所述其中一個形成驅動關系的恒星齒輪軸；和所述恒星齒輪件的所述其中一個與所述恒星齒輪軸在軸向上可分開地相連。
全文摘要
本發明涉及一種可提供能縮短制造時間并節約材料成本的恒星齒輪件和恒星齒輪軸。本發明還涉及緊湊型機電變速箱的裝配，這是因為其涉及到重新設計行星齒輪裝置以補償恒星齒輪件和恒星齒輪軸的新設計。公開了多種設計修改以減小行星齒輪裝置及其所含部件的直徑。例如，對齒圈倒角以留出額外的間隙，使得當恒星齒輪具有可分開的恒星齒輪件時，行星齒輪裝置和電動機組件可以更加緊湊。除了裝配方面的考慮，材料成本、疲勞壽命要求和相關變速箱部件的可制造性在恒星齒輪件和恒星齒輪軸的重新設計中均為主要的關注點。
文檔編號F16H55/17GK1734132SQ20051006376
公開日2006年2月15日 申請日期2005年3月22日 優先權日2004年3月22日
發明者G·W·坎普夫 申請人:通用汽車公司