專利名稱：液力行星差動無級自動變速器的制作方法
汽車及工程機械中的液力行星自動變速器發展到今天，使用起來已是比較完美了，但它確使得變速器的結構變得越發復雜，零件數目大量增加，制造精度極高，維修更加復雜，成本也大幅提高。為了使變速器變得簡單，并免去自動換擋過程，使輸出軸轉速和扭矩能夠連續變化，以便降低功耗，降低成本。我設計了液力行星差動無級自動變速器(簡稱無級自動變速器)。它主要由單排行星輪和液力變矩組成，其中泵輪，渦輪能差速轉動，也可以同速轉動。以達到增大或減小輸出軸轉速，減少或增大輸出力矩，變換輸出軸轉向之目的。它在前進檔的輸出轉速變化是連續無級的，且隨輸出軸所受阻力矩的變化而自動改變。因沒有換擋過程也就沒有自動換檔系統，無級自動變速器具有液力變矩器的所有功能，且扭矩比和變矩能力均比變矩器大許多，即便是倒檔的扭矩比也與進檔最大扭矩比相近。
一、無級自動變速器的基本傳動原理由圖(一)的無級自動變速器基本傳動原理圖可見，變矩器前端設有鎖止離合器1，泵輪2通過齒輪油泵3與太陽輪9連為一體，行星輪5可繞設在行星架8上的軸自轉，同時又隨行架8公轉，其內端與太陽輪9嚙合，外端與齒圈10嚙合。傳動離合器6的主動片與渦輪7連為一體，被動片與行星架連為一體，鎖止電磁閥開關12由離心機構11驅動，以便控制鎖止離合器的鎖止正時。行星架8上的制動輪外設有倒檔制動帶4，以便進行倒檔驅動。當制動帶4放松，傳動離合器6接合時，泵輪2旋轉，油泵齒輪3和太陽輪9隨其同速轉動。渦輪7和行星架8同速轉動，由于太陽輪9與行星架8存在著轉速差，使得行星輪5在隨行星架8轉動的同時又繞軸自轉，其自轉速度隨太陽輪9與行星架8的轉速差的減小而減小。而行輪5的自轉速度越小，齒圈10轉速越高，行星架8與太陽輪9的轉速差也越小。齒圈10的轉速可以是零，也可以與太陽輪9同速。同速時，行星排，變矩器成為一體轉動。當齒圈10所受陰力矩大而使其處于轉速較低或趨近于零的狀態時，泵輪2與渦輪7的轉速比最小，變矩器的扭矩比最大，而此時太陽輪9的反饋力矩也最大。在外加力矩一定的條件下，由于變矩器輸入力矩增至最大，而扭矩比又達最大值，從而造成變矩器的渦輪7和齒圈10輸出力矩最大，此時無級自動變速器的輸入輸出力矩比值可達(泵輪2作為輸入，齒圈10作為輸出)Kmx=(2Rg+Ru)Umax2(Rg+Ra)-RaUmax]]>隨著齒圈10所受到阻力矩逐漸減小，使齒圈10轉速逐漸提高。在泵輪2轉速一定的條件下，又使渦輪7，行星架8轉速逐漸提高，進而造成泵輪2，太陽輪9與渦輪7，行星架8的轉速差減小，即速比增大，太陽輪9的反饋力矩逐漸小，變矩器的扭矩比逐漸減小，這樣齒圈10輸出力矩也逐漸減小。當齒圈10與太陽輪9同速轉動，即泵輪2，渦輪7太陽輪9，行星架8，齒圈10成為一體同速轉動時，齒圈10輸出力矩最小，等于輸入力矩。這時變矩器的扭矩比為1，太陽輪9的反饋力矩沒有被變矩器放大，只是在如圖(四)的回路中往復循環。綜上所述無級自動變速器在前進檔的輸出力矩隨輸出軸所受阻力矩增大而自動增大，隨輸出軸所受阻力矩減小而自動減小。而輸出軸轉速則隨其所受阻力矩減小而自動增大，隨其所受阻力矩增大而自動減小。在輸入軸轉速一定的條件下，輸出軸轉速可由零連續增大至輸入軸轉速。當泵輪2與渦輪7的速比接近1時，離心機構11驅動電磁閥開關12，使鎖止離合器1鎖止以減少能量損失。而當泵輪2與渦輪7的速比小于1時，離心機構11，電磁閥開關12，自動回位，使鎖止離合器1脫開。當倒檔制動帶4抱緊星架8時，太陽輪9則為主動輪，因行星架8固定不動齒圈10反向減速轉動。
二、無級自動變速器的控制無級自動變速器的液壓油路如圖(二)所示，其中的變矩器液壓油路，由變矩類型決定，本文不再贅述。但鎖止離合器的銷止正時則由圖(一)的離心機構11驅動，電磁閥開關12控制。而選擋過程則由選檔閥控制，圖(三)選檔閥中的滑閥可左右滑動，它有三個仃留位置即“進”、“空”、“倒”其中孔1與油泵連通，孔2為泄壓孔與油池連通，孔3與制動油缸連通，孔4與離合器油缸連通。當選檔閥處于圖a的前進檔位置時，油泵的油液經，孔1和孔4加到離合器油缸內，使離合器接合，即使渦輪與行星架連為一體。而制動油缸內的油液早已通過孔3和孔2泄壓至油池內，從而使制動油缸內無油，制動帶放松，此時動力由變矩器的渦輪，行星架傳到齒圈輸出。當選檔閥處于圖b的空檔位置時，制動油缸和離合器油缸，均通過孔3和孔4與泄壓孔2連通，從而使制動帶放松，渦輪與行星架分離，整個行星排中各構件自由轉動，齒圈10可靜止不動。當選檔閥處于圖c的倒檔位置時，離合器油缸通過孔4與泄壓孔2連通，而制動器油缸通過孔3與孔1及油泵連通，使油液充入制動器油缸，制動帶將行星架固定。由于孔3和孔4的油路上設有與泄壓孔2連通的支路，而這個泄壓支路上電磁閥又將其關閉。當踩下制動踏板時，電磁閥就將這個泄壓支路開通，從而使離合器6分離，制動器4放松，變速器監時處于空檔狀態。抬起制動踏板，電磁閥又將這個泄壓支路關閉，使變速器恢復原檔位。
三、無級自動變速器的力矩及轉速分析由圖(一)可知無級自動變速器在前進檔的輸入力矩為M，輸出力矩Mb反饋力矩Ma沿如圖(四)所示路徑傳遞，由此可見這種變速器為差動反饋循環增矩式，并按下式分配(M+Ma)U＝Ma+Mb(1)式中U為變矩器的扭矩比。
因為此時行星架，為主動件，齒圈，太陽輪為被動件，故行星輪和太陽輪受力如圖(五)所示，其中
Pa---太陽輪對行星輪的作用力Pb---齒圈對行星輪的作用力Pg---行星輪對太陽輪的作用力Ph---行星架對行星輪的作用力Mh---行星架的主動力矩Ra---太陽輪半徑Rb---齒圈半徑Rg---行星輪半徑因為Pb＝Pa＝-PgPh＝Pa+Pb＝2PaMa＝PgRa＝PaRa(2)Mh＝Ph(Rg+Ra)＝2Pa(Rg+Ra) (3)Mb＝PbRb＝Pa(2Rg+Ra)(4)將(1)(2)(3)式分別相除得MbMa=2Rg+RaRa----(5)]]>MhMa=2(Rg+Ra)Ra----(6)]]>MhMb=2(Rg+Ra)2Rg+Ra----(7)]]>(5)式說明反饋力矩Ma遠小于齒圈輸出力矩Mb且隨Mb增減而增減。
將(5)式變形為Ma=RaMb2Rg+Ra]]>并代入(1)式中得MU+RaMbU2Rg+Ra=RaMb2Rg+Ra+Mb]]>經整理后可得無級自動變速器的輸入輸出力矩比K為K=MbM=(2Rg+Ra)U2(Rg+Ra)-RaU----(8)]]>(8)式說明K值與行星排參數有關與變矩器的扭矩比U有關，行星排參數確定后，K值只隨U值變化，當U最小等于1時，K值也最小等于1。因為K值與U值成正比，而變矩器的扭矩比U又與泵輪，渦輪的速比有關，由圖(六)的變矩器工作特性，可知速比E越小，U值越大，E值越大U值越小，當E等于1時，U也等于1。在前進檔，因為行星架與渦輪連為一體，泵輪與太陽輪連為一體，又由于行星排中各構件是差動的，所以容易知道各構件的轉速關系為Nh=IhabNa=IhbaNb----(9)]]>式中Na--太陽輪轉速Nh--行星架轉速Nb--齒圈轉速傳動比分別為Ihab=1Iahb=11-Iabh=11-(-RbRa)=RaRb+Ra]]>Ihba=1Ibha=11-Ibah=11-(-RaRb)=RbRb+Ra]]>因此(9)式可寫成Nh=NaRaRb+Ra+NbRbRb+Ra----(10)]]>當Nb趨近于零時(10)式可寫成Nh=NaRaRa+Rb----(11)]]>說明行星架作為主動件的最低轉速應大于等于(11)式。在太陽輪轉速一定的條件下，隨Nh的進一步增大，Nb則由零開始，按(10)式規律成正比的連續增大。
當Na＝Nh時一定有Na＝Nb此時泵輪、渦輪、行星排中各構件成一體同速轉動。
將(10)式兩端同除Na，可得變矩器速比為E=NhNa=RaRb+Ra+RbNb(Rb+Ra)Na----(12)]]>由(12)式可知當齒圈轉速Nb趨近于零時可得變矩器最小速比Emim為Emim=RaRb+Ra]]>由圖(六)可知Emim所對應的U值最大，由(8)式可得無級自動變速的輸出輸入力矩的最大比值為Kmax=(2Rg+Ra)Umax2(Rg+Ra)-RaUmax----(13)]]>當Nb＝Na時變矩器的速比最大為Emax＝1由圖(六)可知U值最小為1由(8)式可得
Kmim＝1當Nh＝0時(10)式可寫成NaNb=-RbRa----(14)]]>此時太陽輪為主動件齒圈則按(14)式規律反向減速轉動。其輸出輸入力矩比為Kd=MbMa=RbRa=2Rg+RaRa----(15)]]>如果無級自動變速器行星排中的Ra＝25Rg＝30Rb＝85并配單級四元件(阿里森)變矩器時可得齒圈轉數趨近于零時的泵輪、渦輪最小速比為Emim=RaRb+Ra=2585+25≈0.227]]>由圖(六)的變矩器工作特性可知其對應的最大扭矩比為Umax≈2.5由(13)式可得無級自動變速器在前進檔的最大輸入輸出力矩比為Kmax=(2Rg+Ra)Umax2(Rg+Ra)-RaUmax=2.5(2×30+25)2(30+25)-25×2.5=4.47]]>由(15)式可得倒檔輸入輸出力矩比力Kd=RbRa=8525=3.4]]>在設計中盡可能將變將器的最大輸入輸出矩比取的大一此。這樣可以使加速性能變的更好，同時后橋的減速比可取的小一點，這樣會使發動機在輸出最大轉速的70％-80％甚至更低時汽車已是正常高速行駛了，只有在超速對發動機輸出轉速才能達到最大值，以提高燃油經濟性，并使輸出功率足夠。
四、無級自動變速器的工作效率作為無級自動變速器因無換檔過程，而使工作效率提高是顯而易見的。因它是由變矩器和行星排組合而成，如果忽略油泵功耗和軸承阻力等。這種變速器的總效率主要為變矩器效率與行星排效率之積。由圖(六)可知變矩器效率隨速比增大而提高。當速比為1時效率為1最大。而行星排的傳動效率則由下式確定ηz=1-|Na-Nh(Iabh-1)Nh||----(16)]]>由(16)式可知太陽輪轉速Na與行星架轉速Nh的差越小，ηz越大。當Na等于Nh時即行星排中各構件成為一個整體同速轉動時，ηz等于1。此時變矩器中的泵輪與渦輪也同速轉動，無能量損失。行星排中各齒輪間無相對轉動，因此無嚙合損失。事實上做為車用變速器只有在汽車頻繁起步或爬坡阻力較大，輸出轉速較低時變矩器中的泵輪，渦輪和行星排中各構件才會出現差速轉動。大部分時間都是在速比較大或速比為1的范圍內工作。
五、無級自動變速器的構造如圖(七)所示，在變矩器前端設有鎖止離合器1，渦輪2通過軸上的花鍵與離合器主動片9聯接，被動片則與行星架8聯接，當離合器接合時渦輪2的扭矩可傳至行星架8乃至齒圈14，行星輪7隨行星架8轉動，又可繞軸自轉。齒圈14與行星輪7嚙合，太陽輪13也與行星輪7嚙合。太陽輪軸通過花鍵與油泵4中的一個齒輪聯接，泵輪軸通過花鍵與油泵4中的另一個齒輪聯接，油泵4中的兩個付齒通過帶鍵槽的付軸聯為一體，由此造成泵輪3的扭矩通過油泵齒輪傳至太陽輪的13，太陽輪13反饋扭矩也可通過油泵齒輪傳至泵輪3上。同時又做為油泵將油液送至變矩器和液壓控制油路中。太陽輪13，行星輪7，齒圈14可以同速轉動也可差速轉動，5為制動油缸，6為制動帶，9為離合器片，10為離合器活塞。造檔閥15固定于變速箱殼上并分別與油泵，離合器，制動器，油路連通，以便控制離合器和制動器。離心結構12驅動鎖止電磁閥開關11以控制鎖止離合器的油路，使鎖止接合或分離。傳動離合器油缸與行星架8連為一體，隨其轉動。ATF集濾器16與油泵4連通。散熱器在變速箱體外。
權利要求
如圖(七)液力行星差動無級自動變速器主要由液力變矩器和單排星輪組成。泵輪3，渦輪2和太陽輪13，行星輪7，行星架8，齒圈14能差速轉動，也可同速轉動，以達到連續改變輸出軸轉速，增大輸出力矩之目的。選檔閥15分別與油泵4，傳動離合器9，制動器6的油缸油路連通，以使變速器能處于“進”、“空”、或倒檔狀態，這種無級自動變速器的主要技術特征是1、本變速器的傳動系統是由液力變矩器和單排行星輪組合而成。
2.本變速器總是以液力變矩器的泵輪3為變速器的動力輸入端，以齒圈14為變速器的動力輸出端。
3.本變速器中太陽輪13通過油泵4中的齒輪與泵輪3連為一體，兩者總是同速轉動。
4.本變速器中渦輪2通過花鍵軸和傳動離合器9將行星架8與其接合，同速轉動或分離，將此路動力切斷。
5.本變速器在前進檔，即輸入軸與輸出軸同向轉動時，行星排中的行星架8始終是動力輸入件，齒圈14始終是動力輸出件，太陽輪13將獲得的動力反饋到變速器的輸入端。
6.本變速器的輸出軸轉速是連續變化，且輸入輸出力矩的比值為
全文摘要
如圖(七)液力行星差動無級自動變速器主要由液力變矩器和單排行星輪組成，其中太陽輪13，行星輪7，齒圈14和泵輪3，渦輪2能差速轉動也可同速轉動。它的輸入輸出力矩的比值為
文檔編號F16H47/08GK1168954SQ9710169
公開日1997年12月31日 申請日期1997年3月29日 優先權日1997年3月29日
發明者徐樹仁 申請人:徐樹仁