終極變速箱的制作方法
【專利摘要】終極變速箱，本發(fā)明為汽車核心技術(shù)之一，動力總成，尤其是無級變速箱領(lǐng)域，其主要發(fā)明點是解決了困擾世界一百多年的齒輪實現(xiàn)無級變速傳動的問題，齒輪實現(xiàn)無級變速傳動是舉世公認(rèn)的世界性難題，是機械傳動上的一個哥德巴赫猜想，本發(fā)明利用其獨特的行星齒輪機構(gòu)和傳統(tǒng)的液力變矩器，進行巧妙的組合，使其達(dá)到高效大功率傳動和自動適應(yīng)性的無級變速能力；在本發(fā)明中液力變矩器不再是直接的動力傳遞原件，而是輔助的或間接的動力傳遞和變速控制原件，液力變矩器的功率只需輸入軸功率的1/2.5至1/4甚至更低，所以其可以做到小型化甚至微型化，本發(fā)明是齒輪實現(xiàn)無級變速傳動的唯一方案，和現(xiàn)有技術(shù)相比是一個終極產(chǎn)品，也是汽車變速傳動的終極目標(biāo)。
【專利說明】終極變速箱
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于變速箱【技術(shù)領(lǐng)域】，實用于一切機動車輛及需要變速的設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 從汽車誕生至今已有一百多年的歷史，汽車的變速箱也己發(fā)展了一百多年，從最 初的手機變速箱，到目前已發(fā)展形成了三大變速箱系列即，手動變速箱、自動變速箱和無極 變速箱。
[0003] 自動變速箱分為三種：1、AM機械式自動變速箱；2、AT行星齒輪自動變速箱；3、DSG 雙離合變速箱。AMT機械式自動變速箱是對傳統(tǒng)手動變速箱，進行電子控制實現(xiàn)自動換檔 的變速箱，其控制過程基本是模擬駕駛員的操作，AT自動變速箱是通過液力傳動和行星齒 輪串連組合的方法，實現(xiàn)自動換檔的變速箱。DSG雙離合變速箱實際上是由兩套手動變速 箱組合在一起形成的，一個離合控制奇數(shù)檔，另一個控制偶數(shù)檔及倒檔，其特點是換檔速度 快，動力不中斷，屬于高度自動智能化的變速箱。
[0004] 無級變速箱目前技術(shù)比較成熟的是：鋼帶（金屬鏈）錐盤式CVT無級變速箱。
[0005] 發(fā)明的目的
[0006] 目前可以說我國車企完全掌握生產(chǎn)制造技術(shù)的只有手動變速箱MT，雖然MT變速 箱結(jié)構(gòu)簡單性能可靠，制造和維護成本低，且傳動效率高，但是相比自動變速箱，它操作繁 瑣，檔位切換挫明顯的劣勢是無法彌補的，更重要的一點是因其是有極的，不能時時刻刻都 發(fā)輝發(fā)動機的最高功率，所以MT變速箱節(jié)油只是相對的（只是機械傳動效率高）。
[0007] 在自動變速箱領(lǐng)域，我國80 %依靠進口，20 %是合資企業(yè)生產(chǎn)其核心技術(shù)依然是 控制在國外的廠商手中，雖然國內(nèi)的一些車企也投入巨資研發(fā)自動變速箱，但是在整體上 無法超越他人的知識產(chǎn)權(quán)。國外的技術(shù)封鎖市場對自動變速箱需求的逐年增加，這使我國 自主品牌車企只能通過購買的方式獲得自動變速箱而自身技術(shù)的缺失和國外廠商的限制。 導(dǎo)致自主品牌車企在自動變速箱的選擇上很有現(xiàn)，多數(shù)搭載的產(chǎn)品在技術(shù)上也沒太大的優(yōu) 勢。
[0008] 雖然國外的廠商在自動變速箱領(lǐng)域擁有比較先進的技術(shù)和成熟的產(chǎn)品，但是各種 自動變速箱都有各自的不可克服的缺點，AMT機械自動變速箱已有40多年的歷史，隨著AT、 CVT、DSG變速箱等技術(shù)的日益完善，這種本質(zhì)上屬于液壓自動離合器的手動變速箱，因其固 有的缺點，換檔容易產(chǎn)生"頓挫感"換檔過程中動力中斷，使得換檔過程中加速性能不好等 缺點，現(xiàn)在已很少有車型彩用。
[0009] AT自動變速箱的技術(shù)比較成熟，但由于液力變矩器和行星齒輪組直接串連，是直 接的動力傳輸元件，所以其效率偏低，而復(fù)雜的行星齒輪組以及電控模塊使其制造和維護 成本居高不下，再有就是比較費油和換檔遲緩，這些都是AT不可克服的缺點。
[0010] DSG雙離合變速箱代表了當(dāng)今世界變速箱領(lǐng)域的最先進技術(shù)，但其實際上只是高 度自動智能化的手動變速箱，因其是高度自動智能化的變速箱，所以它的電控模塊的復(fù)雜 程度是可想而知，由于是高度的自動知能化所以其成本高，故障率高是必然的，再一點它也 是有級的。CVT無極變速箱不管是鋼帶錐盤式，錐環(huán)推動式還是滾輪轉(zhuǎn)盤式等它們都無一例 外的都是采用了無極變徑的原理，而實現(xiàn)無級變徑的唯一方法就是摩擦傳動，而摩擦傳動 和傳遞功率之間是一個無發(fā)調(diào)合的矛盾關(guān)系，為了增加傳遞功率就必須增加接觸面，而為 了提高效率又力求減小接觸面，這樣一來就必須增大壓力，而金屬材料的強度是有限的，所 以如今CVT無極變速箱的功率已達(dá)極限，要想再提高功率是極其困難的，更為重要的是：雖 然無級變速傳動是最理想的效率最高的傳動方式，但現(xiàn)有的技術(shù)和產(chǎn)品因其上述固有的缺 點以及它的控制系統(tǒng)永遠(yuǎn)也不可能做到，像液力變矩器那樣的自動適應(yīng)性，所以它的效率 比手動變速箱低就是不爭的事實，只是相比AT自動變速箱要省油一些。
[0011] 從一百年前的橡膠帶極變速到現(xiàn)在的鋼帶傳動無極變速，一百年的大回轉(zhuǎn)說明無 級變速傳動是汽車傳動的終級目標(biāo)，然而要想實現(xiàn)真正意義上的無極變速傳動（即實現(xiàn)大 功率高效率以及自動適應(yīng)性等），就必須采用純齒輪傳動的方式才能實現(xiàn)，但是純鋼性的齒 輪實現(xiàn)無極變速是一個舉世公認(rèn)的世界性難題，齒輪實現(xiàn)無級變速是機械傳動上的一個哥 德巴赫猜想，傳統(tǒng)的理論認(rèn)為，齒輪的齒數(shù)是固定的是正整數(shù)不是任意數(shù)，所以只能通過不 同大小齒輪組合的方式得到幾個固定的傳動比。一百年以來，歐美等國在這方面投入了上 百億美金而毫無進展（相對于真正意義的無級變速），而國內(nèi)的一些車企也都投入巨資研 發(fā)也毫無結(jié)果。
[0012] 盡管齒輪傳動實現(xiàn)無級變速有理論上的限制，但為了我國的汽車產(chǎn)業(yè)，為了打破 外企的壟斷和技術(shù)封鎖，提高國產(chǎn)品牌汽車在國際市場上的競爭力，使我國成為世界汽車 強國，多年以來，我一直沒有放棄努力。從理論研究到設(shè)計樣品試驗，經(jīng)過無數(shù)次的失敗，克 服了沒有資金以及生活壓力的重重困難，終于成功設(shè)計出了純齒輪傳動的無極變速箱，但 因其和現(xiàn)今世界上所有的變速箱相比有下列不可比的優(yōu)勢：
[0013] 1、在制造工藝性要求上，和手動變速箱無異，在成本上按變速性能及控制方式上 可以分為3-5種類型，分別匹配不同的車型及不同的駕駛習(xí)慣的車主；最低的和手動變速 箱相差無幾，最高端的遠(yuǎn)低于雙離合及8AT。
[0014] 2、在智能化程度上，具有自動適應(yīng)性（能根據(jù)發(fā)動機功率及車輛行駛阻力的變化 自動的無限級的改變傳動比而無需復(fù)雜的微電腦控制系統(tǒng)，而它的反應(yīng)速度幾乎是不需要 時間的所以它的智能化程度是任何現(xiàn)有變速箱都無法相比的）。
[0015] 3、在可靠性上因其結(jié)構(gòu)簡單沒有摩擦部件，沒有別外的耗功原件以極復(fù)雜的控制 系統(tǒng)，所以壽命可以和整個車輛同步。
[0016] 4、在傳動效率上，比手動變速箱稍低（指的是機械效率）實際運行效率因其有自 動適應(yīng)性能力，所以比手動變速箱至少要降低油耗15%以上。
[0017] 綜上所述本發(fā)明和現(xiàn)有的最先進的變速箱相比是一個終級產(chǎn)品，所以我給它取的 名稱是"終極變速箱"因其從該變速箱公開之后所有的研發(fā)都會圍繞在該變速箱的設(shè)計改 進上，其它所有的變速箱研發(fā)項目都將下馬。
[0018] 發(fā)明的內(nèi)容
[0019] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了全新設(shè)計的行星齒輪組（和AT自動變速箱的行星 齒輪組要簡單很多）和傳統(tǒng)的液力變矩器通過巧妙的組合，使其實現(xiàn)了高效大功率的無級 變速的目的。
[0020] 該變速箱由三部分組成，行星齒輪組部分，液力變矩器以及起連接，變速作用的齒 輪和軸及輔助部件（一端連接至行星架反作用力控制行星齒輪組的輸出太陽輪至液力變 矩器的泵輪至渦輪至行星架）行星齒輪組分為兩部分即：變速傳動行星齒輪組和行星架反 作用力控制行星齒輪組；液力變矩器在該變速箱中不再是直接的動力傳遞原件，而是和行 星齒輪組并連是輔助的或間接的動力傳遞和變速控制原件，其泵輪通過齒輪及軸或直接和 行星架反作用力控制行星齒輪組的輸出太陽輪嚙合連接，渦輪通過齒輪及軸和行星架嚙合 連接，導(dǎo)輪固定在變速箱的殼體上。整個行星架被加工成一個外齒輪或部分加工成外齒輪， 兩個行星齒輪組的行星架鋼性的連為一個整體，或共用一個行星架這樣結(jié)構(gòu)更加緊湊兩個 行星齒輪組同軸，在結(jié)構(gòu)上是串連的，而在原理上是并連的，兩個行星齒輪組在結(jié)構(gòu)上是一 模一樣的，所不同的是：變速傳動行星齒輪組是減速行星齒輪組，根據(jù)速比的設(shè)計當(dāng)行星 架轉(zhuǎn)速為零時，輸出太陽輪的轉(zhuǎn)速降致最低，而行星架反作用力控制行星齒輪組是一個增 速行星齒輪組，根據(jù)速比的設(shè)計，當(dāng)行星架轉(zhuǎn)速為零時，其輸出太陽輪的轉(zhuǎn)速升至最高。行 星架反作用力控制行星齒輪組的輸出太陽輪轉(zhuǎn)速和行星架的轉(zhuǎn)速通過液力變矩器的自動 適應(yīng)性調(diào)整，使該變速箱據(jù)有自動適應(yīng)性的高度智能化的無級變速能力。行星架反作用力 控制行星齒輪組在輸入軸的輸入端，變速傳動行星齒輪組在其后面，行星架反作用力控制 行星齒輪組的輸出太陽輪和輸入軸同軸，但和輸入軸游離，可以相對于輸入軸正反旋轉(zhuǎn)，變 速傳動行星齒輪組的輸出太陽輪也和輸入軸同軸，也和其游離也可以相對于輸入軸正反旋 轉(zhuǎn)。行星架反作用力控制行星齒輪組的輸入太陽輪和變速傳動行星齒輪組的輸入太陽輪都 鋼性的固定在輸入軸上，所以其轉(zhuǎn)速和輸入軸同步。行星架也和輸入軸同軸，也可以相對輸 入軸任意旋轉(zhuǎn)。因兩個行星齒輪組都各有輸入，輸出兩個太陽輪，所以都必須有輸入，輸出 兩個行星齒輪與之相應(yīng)的嚙合，行星齒輪之間通過行星齒輪軸鋼性的連接在一起。為了平 衡域增加強度，減小軸向尺寸，行星齒輪可以設(shè)計為兩組或三組，對稱排列或互為120度角 通過行星輪軸固定在行星架上。該變速箱的液力變矩器因不是直接的動力傳遞原件，所以 其能容（即功率）只需輸入軸功率的1/2. 5至1/4甚至更低，在最大傳動比時只需幾十分 之一，所以該變速箱的液力變矩器可以做到小型化甚至微型化。為了使該變速箱的效率在 傳動比范圍內(nèi)的任意速比下都保持93%以上的傳動效率（會在90%至96之間波動），所以 需要把它分成幾個檔，最多四個檔，最少兩個檔，按操作方式的不同可以分為：MT手動式、 手自一體式，AMT式、AT式、DSG式混合式六種類型。而每種類型又都可分為高端型（四檔） 和經(jīng)濟型（兩檔）。高端型四檔的檔位分別是：四檔超速檔，傳動比在1-0. 65之間（傳動 比大于1時效率會降低）所以必須使用直接檔，以此類推，3檔或叫直接檔，傳動比在1-1. 7 之間；2檔傳動比在1. 7-2. 5之間；1檔傳動比在2. 5-5左右，兩檔型的沒有超速檔主要應(yīng) 用小排量車，1檔和2檔之間的落差會大一些因為液力變矩器的特性限制，所以其效率稍低 一些，以上的傳動比范圍只是一個參考值。該變速箱的液力變矩器根據(jù)車型及功率的不同 需要選擇不同穿透性的液力變矩器域綜合式液力變矩器或非穿透性的變矩器。以上將該變 速箱的主體核心部分做了比較詳細(xì)的介紹，該變速箱檔位、類型指的是：該變速箱的行星架 反作用力控制行星齒輪組的輸出太陽輪，和液力變矩器泵輪之間（兩者嚙合或連接）的減 速，或等速，以及渦輪與行星架之間的減速或等速齒輪的不同類型，以及控制方法的不同而 分為六種類型，下面將該變速箱的六種類型逐一說明。
[0021] 1、MT手動型：在行星架反作用力控制行星齒輪組的輸出太陽輪上設(shè)計一個減速 齒輪等速齒輪通過手動撥檔桿與液力變矩器的泵輪交替嚙合；在與渦輪連接的軸上設(shè)計一 個減速和等速齒輪，通過撥檔桿與行星架交替嚙合，再在輸出軸上設(shè)計一個倒檔，一個超速 檔空檔將根據(jù)需要而定，這是四前速的MT手動型的無級變速箱，對于經(jīng)濟型車可以取消超 速檔和一個減速檔。
[0022] 2、手自一體型：該型是針對那些追求駕駛樂趣的人士而設(shè)計的，它可以和其他五 種類型任意配合，從而實手動自動的任意切換，這就是手自一體式無級變速箱。
[0023] 3、AMT式：和AMT機械式自動變速箱一樣，所不同的是它在檔位切換時非常平順， 據(jù)有自動適應(yīng)性。
[0024] 4、AT式：所謂AT式，就是在變速傳動行星齒輪組的輸出太陽輪后面串連一個傳統(tǒng) 的單排行星齒輪組，其主要目的是提供一個倒檔，一個超速檔，一個減速檔（這個減速檔的 目的是為了縮小該變箱的變速傳動行星齒輪組傳動比范圍，使其效率更高），當(dāng)然還有一個 直接檔（在直接檔時，該單排行星齒輪組就不起作用，，該行星排的換檔時機除倒檔需手動 夕卜，其它三個檔都是自動的該行星排的換檔時機由，變速箱的行星架運行狀態(tài)提供，當(dāng)行星 架轉(zhuǎn)速接近零時降檔，轉(zhuǎn)速接近輸入軸轉(zhuǎn)速時升檔。）在液力變矩器的泵輪和行星架反作用 力控制行星齒輪組的輸出太陽輪之間；渦輪和行星架之間各串連一個小型化AT式的單排 行星齒輪組，其只需提供直接檔和降速檔，使用兩個的目的是為了增加它的傳動比范圍，因 一個行星排的所提供的最大傳動比只有3左右，而兩個的話就可以達(dá)到9左右，如果液力變 矩器在零速時的變矩系數(shù)達(dá)到6那么其可以把泵輪的力矩放大數(shù)十倍，這兩個小型化行星 排，彼此分開而單獨串連是因為：如果把它都組合在泵輪一側(cè)，因行星架反作用力控制行星 齒輪組是一個增速行星齒輪組，當(dāng)變速箱的行星架轉(zhuǎn)速為零時，它的輸出太陽輪轉(zhuǎn)速達(dá)到 最高，而該行星排會把輸出太陽輪的轉(zhuǎn)速降低9倍左右，這樣一來液力變矩器的泵輪轉(zhuǎn)速 會太低從而影響功率。而如把它都組合在渦輪一側(cè)，其結(jié)果是在同樣的狀態(tài)下液力變矩器 的泵輪轉(zhuǎn)速會太高。該兩個行星排的換檔時機通過液力變矩器導(dǎo)輪的反作用力的大小提供 信息，。或泵輪與渦輪之間的速比提供信息等。
[0025] 5、DSG雙離合型，該型其實就是把手動型的檔位或混合其它的變速方式組合在兩 個離合器上，而它的控制系統(tǒng)也是通過液力變矩器導(dǎo)輪受力大小或其它工況條件改變來提 供換檔時機。
[0026] 6、混合型：所謂混合型就綜合前幾種類型的所有優(yōu)點而去除其缺點，根據(jù)不同的 車型和功率而優(yōu)化設(shè)計的變速控制方式。
[0027] 在以上的類型中，AT型的其可以提供倒檔的傳統(tǒng)單排行星齒輪組，在其它的所有 類型中都可以使用。該變速箱也可以取消行星架反作用力控制行星齒輪組，液力變矩器的 泵輪通過齒輪及軸或直接連接在變速箱的輸入軸上，其它不變，但這樣做會使其效率降低 5% -15%。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明主附圖，液力變矩器也可以和輸入軸同軸其輸出軸，和后橋之間串 連的傳統(tǒng)單排行星齒輪組，主要目的是提供倒檔，其超速檔和減速檔是為了減小變速箱的 傳動比范圍，使其效率更高。
[0029] 圖2為本發(fā)明手動型（只是簡單示意）
[0030] 圖3為本發(fā)明的AT型（只是簡單示意）
[0031] (本發(fā)明的所有類型，都是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)而進優(yōu)化組合的技術(shù)方案，在這里就不 一一列舉）。
[0032] 圖1說明
[0033] 1輸入軸；2液力變矩器；3副軸（該軸作用是連接變速箱，在泵輪一側(cè)為泵輪軸， 渦輪一側(cè)為渦輪軸是連接變速箱反作用控制行星齒輪組的輸出太陽輪--液力變矩器泵 輪--渦輪--行星架之間的橋梁作用）；4行星架；5行星架反作用力控制行星齒輪組的 輸入太陽輪；6變速傳動行星齒輪組的輸入太陽輪；7行星架同步齒輪（該齒輪與行星架鋼 性連接與輸出軸游離設(shè)計該齒輪的目的是為了減小變速箱的徑向尺寸）。8傳統(tǒng)單排行星 齒輪組（該齒輪組的控制，換檔執(zhí)行機構(gòu)運用現(xiàn)有的成熟技術(shù)，唯一的區(qū)別就是它的換檔 時機由變速箱的行星架運行狀態(tài)提供，所以在這里只是一個簡單示意圖，只是為了表明它 在該變速箱中的位置）；9輸出軸；10變速傳動行星齒輪組輸出太陽輪（該太陽輪與傳統(tǒng)單 排行星齒輪組8串連）；11變速傳動行星齒輪組的行星輪軸；12變速傳動行星齒輪組的輸 出行星輪；13變速傳動行星齒輪組的輸入行星輪；14行星架反作用力控制行星齒輪組的輸 入行星輪；15行星架反作用力控制行星齒輪組的輸出行星輪；16行星架反作用力控制行星 齒輪組的行星輪軸；17行星架反作用力控制行星齒輪組的輸出太陽輪；18與17鋼性連接 的軸套承載安裝相關(guān)的齒輪等，與泵輪嚙合或連接。
[0034] 圖2說明：
[0035] 19行星架反作用力控制行星齒輪組的輸出齒輪，19檔位齒輪（該齒輪通過單向軸 承固定在軸18上，和液力變矩器2泵輪連接嚙合，為使變速箱結(jié)構(gòu)緊湊，泵輪外殼被加工成 齒輪，其與之嚙合的齒輪半徑比為3 : 1左右）；20與19 一樣的齒輪（其區(qū)別是與軸鋼性 連接直徑比19大）；21檔位齒輪：該齒輪與泵輪軸游離通過同步器22與泵輪連接；22同步 器；23撥叉：24換檔手柄；25同步器；26檔位齒輪與渦輪軸游離；27檔位齒輪與渦輪軸游 離。
[0036] 圖3說明
[0037] 28行星架反作用力控制行星齒輪組輸出軸18上常嚙合齒輪；29與齒輪28常嚙合 傳動；30小型化的傳統(tǒng)單排行星齒輪組（串連于齒輪29與液力變矩器泵輪之間）；31小型 化傳統(tǒng)單排行星齒輪組（串連于液力變矩器2渦輪與齒輪32之間）；32與行星架4常合齒 輪。
【具體實施方式】 [0038] 及實施例
[0039] 現(xiàn)接合附圖進一步說明本發(fā)明的原理和實施例。現(xiàn)將該變速箱的變速原理，以及 該變速箱的變速傳動行星齒輪組的傳動比設(shè)計，行星架反作用力控制行星齒輪組的傳動比 設(shè)計，液力變矩器的泵輪、渦輪減速比的設(shè)計，液力變矩器在不同效率工況下，與該變速箱 的傳動效率之間的函數(shù)關(guān)系，各運轉(zhuǎn)部件之間的速比關(guān)系，接合附圖作更進一步的詳細(xì)說 明。
[0040] 為便于書寫和表達(dá)本發(fā)明的一些運轉(zhuǎn)部件及單位將用字母表示。
[0041] A表示變速傳動行星齒輪組
[0042] B表示行星架反作用力控制行星齒輪組
[0043] C4表示行星架
[0044] Z表示齒輪及齒數(shù)
[0045] η表示效率
[0046] r/min表示每分鐘轉(zhuǎn)速
[0047] i表示傳動比
[0048] 例：變速傳動行星齒輪組的輸出太陽輪10表示為（Z1(l)以此類推。
[0049] A 的最大傳動比：i = Z13 + Z6 X (Z1Q + Z12)
[0050] B的最大傳動比：因 B是增速行星齒輪組，它的輸出太陽輪17所受阻力的大 小，取決于行星架4的反作用力大小，所以其只能按其增速比來表示其特性；輸入軸 1+(Z 14 + Z5) X (Z17 + Z15)的數(shù)值就是其與輸入軸1的增速倍數(shù)。B的最小傳動比：i = Z14 + Z5X (z17 + z15)。
[0051] 該變速箱A的最大傳動比乘以單排行星齒輪組8的最大傳動比就是該變速箱的最 大傳動比。
[0052] C4的最大反作用力（C4轉(zhuǎn)速為零或接近零時）=A的最大傳動比減1。
[0053] 該變速箱傳動比等于1時或接近1時（也就A的傳動比為1)或接近1, C4的轉(zhuǎn)速 等于或接近輸入軸1轉(zhuǎn)速）
[0054] C4的最小反作用力=C4的最大反作用力+A的最大傳動比XB的最小傳動比。
[0055] 該變速箱A的傳動比設(shè)計，B的增速比設(shè)計，液力變矩器泵輪、渦輪減速比的設(shè)計， 對該變速箱的效率影響，以及各運轉(zhuǎn)部件之間的速比關(guān)系，已經(jīng)過大量的試驗取得數(shù)據(jù)并 通過計算對該變速箱匹配不同功率的車型及類型，從而得出最優(yōu)的設(shè)計方案。
[0056] 現(xiàn)例舉一下同不的傳動比設(shè)計，對該變速箱效率的影響：
[0057] 設(shè)A的最大傳動比為4
[0058] 設(shè)B的最小傳動比為0. 5,也就是相對輸出軸1，增速2倍。
[0059] 則C4的最大反作用力為4-1 = 3
[0060] C4的最小反作用力3 + 4X0. 5 = 0· 375
[0061] 因 B是增速行星齒輪組，所以當(dāng)A處在最大傳動比時（C4的轉(zhuǎn)速已接近0或=0 時），B的輸出太陽輪17轉(zhuǎn)速為輸入軸1轉(zhuǎn)速+0. 5 =輸入軸轉(zhuǎn)速的2倍。先計算一下傳 動比為1時傳動效率。設(shè)輸入軸轉(zhuǎn)速為l〇〇〇/min。
[0062] 因 A的傳動比為1時，C4的反作用力=0· 375，
[0063] 而B的輸出太陽輪17的扭力也=0· 375,二者平衡。
[0064] 此時液力變矩器2的泵輪直接和B的輸出太陽輪17嚙合連接，渦輪直接和C4嚙 合連接，嚙合齒比為1 : 1，此時它們的轉(zhuǎn)速都同步，但液力變矩器2沒有鎖止的情況下，它 們的轉(zhuǎn)速不可能同步，所以其效率也不可能100%。傳統(tǒng)的AT自動變速箱在液力變矩器工 況的偶合點的速比一般為〇. 85,效率也就是85%，但是該變速箱的效率為：渦輪轉(zhuǎn)速為泵 輪的85%，也就是C4的轉(zhuǎn)速只有B的輸出太陽輪17轉(zhuǎn)速的85%，設(shè)C 4的轉(zhuǎn)速為X，
[0065] 則 C4 的轉(zhuǎn)速=(2000-x) X0. 85 = X
[0066] X = 918. 91
[0067] C4 = 918. 91
[0068] 因 A的最大傳動比為4,所以其最終的速比為：
[0069] A的效率 η = [(1000-918. 91)+4+918. 91]+1000 = 0· 939(也就是效率93. 9%)
[0070] 這時行星齒輪組基本沒有相對轉(zhuǎn)動，實際上只有兩對齒輪在嚙合，因這時C4的反 作用力只有輸入軸1的（1+0.375=2.67) A所以其齒輪的傳動效率應(yīng)在99%以上，最終 2.0/ 效率為Π = 0.939X0.99 = 0.929(比AT的效率提高了 8% )，再看看在最大傳動比時該 變速箱的效率。
[0071] A = 4 C4 = 4-1 = 3設(shè)定泵輪的減速比為3,渦輪的減速比為3,這樣在液力變 矩器2在沒有變矩的情況下，B的輸出太陽輪17的扭矩被放大了 9倍，如果液力變矩器2在 零速時變矩系數(shù)達(dá)到3,那么B的輸出太陽輪的扭力將被放大27倍。
[0072] 因 C4的反作用力只有3,所以B的輸出太陽輪扭力只需3的1/27,而液力變矩器2 又會自動適應(yīng)性調(diào)整，泵輪與渦輪的扭矩比
[0073] 因 C4反作用力=3,所以其效率為：η = (3 + 27X26+1) +4 = 0· 972
[0074] 這是液力變矩器2效率為0的情況下，該變速箱的最大傳動比的效率（沒有計 算齒輪損耗），因 Α和Β在原理上是并連的，所以這時只有3對齒輪在嚙合，其效率為： 100X0. 99X0. 99X0. 99 = 0· 97X0. 972 = 0· 94,這是變速箱最大傳動比時，液力變矩器 效率為〇時效率。該變速箱在最大傳動比時B的輸出太陽輪阻力只有C4的1/27,也就是 這1/27被液力變矩器消耗掉了，輸入液力變矩器2泵輪的扭力因被減速齒輪放大了 3倍： 3 + 27X3 = 0. 333,反而比傳動比為1時小，這就需要使用具有一定穿透性的變矩器。
[0075] 再計算一下該變速箱的傳動比為2時的效率。
[0076] A = 2 C4 = 2-1 = 1(因 A傳動比為2,所以A的輸出太陽輪10轉(zhuǎn)速為500/min)
[0077] C4和B的輸出太陽輪17速比為：
[0078] C4 的轉(zhuǎn)速：（1000-x) +4+x = 500
[0079] X = 333. 333
[0080] C4 = 333. 333
[0081] B 的輸出太陽輪轉(zhuǎn)速為：2000-333. 333 = 1666. 666
[0082] C4和B的輸出太陽輪17速比為1 : 5,即C4轉(zhuǎn)1圈，太陽輪17轉(zhuǎn)5圈。
[0083] 液力變矩器2的泵輪被減速齒輪減慢3倍，而傳動比為2時行星架C4的轉(zhuǎn)速比B 的輸出太陽輪17轉(zhuǎn)速要慢5倍，所以其渦輪還需降速1. 66倍，對應(yīng)液力變矩器在該速比下 的效率為80%，因此時C4的反作用力為（2-1 = 1)1，所以其B的輸出太陽輪17的扭力為 (1 + 5 = 0· 2)0. 2,渦輪作用在行星架上的扭力被抵消了 0· 2,行星架還剩0· 8的推力+輸入 軸 1 的扭力=1.8,1.8 + 2 = 0.9。
[0084] 所以變速箱在該狀況下的效率為η = 1.8 + 2,即：90%
[0085] 下面再重新設(shè)計一下傳動比，看看效率有什么變化
[0086] A的最大傳動比設(shè)為2. 5
[0087] B的輸出太陽輪最小傳動比設(shè)為0. 333……，輸出軸1轉(zhuǎn)速還是1000/min，因 B17 的最小傳動比為〇. 3333,所以其在C4的轉(zhuǎn)速為0時（A達(dá)到最大傳動比時），B的輸出太陽 輪17轉(zhuǎn)速是輸入軸1的3倍，與之對應(yīng)的是B的輸出太陽輪17轉(zhuǎn)速每下降2, C4的轉(zhuǎn)速就 上升1，當(dāng)其下降2000與輸入軸1同步時，C4剛好上升為1000與輸入軸1同步，傳動比為 1，但是和上面一樣有損耗，不可能=1，C4和B的輸出太陽輪17的速比任為85%。
[0088] C4 的轉(zhuǎn)速 X = (3000-2x) X0. 85
[0089] C4 = 944. 444......
[0090] 因 A的最大傳動比為2· 5,所以其效率為η = [(1000-944. 444) +2. 5+944. 444] + 1000 = 0.9666,即效率 96. 66%。
[0091] A最大傳動比時的效率：設(shè)泵輪、渦輪的減速比同上，零速變矩系數(shù)也同上則：C4 的最大反作用力為：2· 5-1 = 1. 5
[0092] n = (1. 5 + 27Χ26)+1 + 2· 5 = 0· 9777
[0093] 由此可以看出該變速的Α的最大傳動比越小，Β的增速比越大，增速倍數(shù)在2-4之 間比較合適，該變速箱的效率越高，在某些工況下甚至高于齒輪的效率，如果液力變矩器零 速變矩系數(shù)能達(dá)到6,則該變速箱的效率在某些工況下幾乎可以達(dá)到98%以上（不算齒輪 的損耗），如果變速箱的最大傳動比設(shè)定為5,則其和傳統(tǒng)AT單排行星齒輪組8配合后，則 各自的傳動比為=2.236,這樣該變速箱的效率大大提高。該變速箱具有自動適應(yīng)性的 變速能力，是因為車輛行駛的阻力在變速箱傳動比范圍內(nèi)的任意一點上，行星架4都有與 之對應(yīng)的阻力和轉(zhuǎn)速，而行星架4的轉(zhuǎn)速和阻力通過液力變矩器2的自動適應(yīng)性調(diào)整，始終 保持和發(fā)動機的最佳匹配。
[0094] 下面再具體析介紹一下圖2和圖3的兩個實施例。
[0095] 圖2介紹：
[0096] 圖2是該變速箱的手動型，其原理是：把整個傳動比范圍，分成幾個無級變速段通 過手動；使其達(dá)到與發(fā)動機的完美匹配。
[0097] 例如：在汽車的行駛阻力為1時，傳動比也為1，發(fā)動機轉(zhuǎn)速恒定的情況下，這時行 星架4，AB兩個齒輪組可以看成是一個整體與輸入軸1同步旋轉(zhuǎn)，直接輸出動力，齒輪20與 齒輪21嚙合（該兩個齒輪齒比一致），齒輪21與同步器22連接，從而使變矩器2的泵輪 與軸18的轉(zhuǎn)速同步，因齒輪19安裝在單向軸承上，所以這時它可以自由旋轉(zhuǎn)。變矩器2的 渦輪通過同步器25連接齒輪27,齒輪27與齒輪7嚙合，齒輪27與齒輪7齒比一致（齒輪 7為行星架4的同步齒輪，它與輸出軸游離與行星架4鋼性連接，設(shè)計該齒輪的目的在于減 小變速箱的尺寸，當(dāng)然也可以不要），這就是傳動比為1時齒輪的嚙合狀態(tài)（當(dāng)然液力變扭 器沒有鎖止的情況下傳動效率為95%左右）。當(dāng)汽車的行駛阻力持續(xù)增大到一定值，S卩：變 矩器2的泵輪與渦輪的速比達(dá)到3 : 1時，為了提高效率，通過手柄24撥叉23使同步器22 與齒輪21分離，使其自由旋轉(zhuǎn)，這時齒輪19與變矩器泵輪殼嚙合，其齒比為1 : 3,即泵輪 殼的齒數(shù)是齒輪19的3倍，這樣渦輪的扭矩在變矩器沒有變矩的情況下，就被放大了 3倍， 汽車行駛的阻力繼續(xù)增大，當(dāng)齒輪19與齒輪27的速比達(dá)到9 : 1時，S卩：齒輪19的速轉(zhuǎn)是 齒輪27的9倍。這時通過手柄24把同步器25與齒輪27分開，使其自由旋轉(zhuǎn)，再把同步器 25與齒輪26嚙合，因齒輪26的齒數(shù)是行星架4的1/3,所以現(xiàn)在，在變矩器沒有變矩的情 況下，作用在行星架4的推力被放大了 9倍，汽車的阻力進一步增大，直到達(dá)到其最大傳動 比時，這時行星架4的轉(zhuǎn)速為零，變矩器2的渦輪轉(zhuǎn)速也為零，但其扭力被放大了數(shù)十倍，也 就是這數(shù)十分之一的被損耗掉了。如果把變速傳動行星齒輪組的最大傳動比設(shè)為力，那 么與該變速箱輸出軸與后橋之間串連的傳統(tǒng)單排行星齒輪組8的最大傳動比也相應(yīng)的設(shè) 為,這樣其總的最大傳動比就是5,如果齒輪組8的超速檔為0. 65,則該變速箱的傳動比 范圍達(dá)到（5 + 0. 65)7. 69,當(dāng)然傳動比可以根據(jù)需要而設(shè)計，當(dāng)汽車的阻力達(dá)到變速傳動行 星齒輪組的最大傳動比時，傳感器檢測到行星架4的轉(zhuǎn)速很慢或靠近0時，對齒輪組8發(fā)出 降檔指令，這樣變動傳動行星齒輪組在齒輪組8的傳動比范圍內(nèi)又重復(fù)同樣的無極變速過 程。
[0098] 傳統(tǒng)單排行星齒輪組8的控制鎖止換檔執(zhí)行機構(gòu)都是利用現(xiàn)有的成熟技術(shù)（提供 換檔時機的信息由行星架4的運行狀況提供，行星架4轉(zhuǎn)速接近0或等于0或小于0時降 檔，轉(zhuǎn)速和輸入軸1接近時升檔），所以在圖上只是為表明其位置的簡單示意圖，其細(xì)節(jié)沒 必要一一畫出。液力變矩器也是一樣的表明位置的示意圖，其泵輪、渦輪、導(dǎo)輪等的細(xì)節(jié)也 沒有畫出。在該變速箱中變矩器2的導(dǎo)輪還有一個輔助作用就是根據(jù)所其所受反作用力的 大小為自動型的提供換檔時機信息，當(dāng)導(dǎo)輪的反作用力為〇時升檔，渦輪與泵輪的速比達(dá) 到0. 33左右或根據(jù)導(dǎo)輪的反作用力達(dá)到某值時降檔。
[0099] 圖3介紹
[0100]圖3是該變速箱的AT型，其原理是把手動型的齒輪換檔機構(gòu)換成了兩個傳統(tǒng)單排 行星齒輪組。每個單排行星齒輪組只需提供兩個檔，即：減速檔和直接檔，當(dāng)然其換檔時機 也由變矩器2的導(dǎo)輪提供。兩個小型化的傳統(tǒng)單排行星齒輪組的鎖止控制原件也是使用現(xiàn) 有技術(shù)，所以在圖上只是簡單示意其位置關(guān)系。
[0101] 齒輪28與齒輪29嚙合，齒輪組30串連于齒輪29與變矩器2的泵輪之間，齒輪組 31串連于渦輪與齒輪32之間，齒輪32與齒輪7常合。
[0102] 以上的手動型和AT型兩個技術(shù)方案僅供參考，其實際應(yīng)根據(jù)不同的車型及消費 群體在6種類型中任意搭配或單獨使用。該變速箱還有一個簡化型，就是取消行星架反作 用力，控制行星齒輪組，液力變矩器2的泵輪通過齒輪及軸或直接固定在輸入軸1上，渦輪 通過齒輪及軸依然和行星架4嚙合，其它不變。但這樣會使其效率降低很多（經(jīng)過試驗驗 證），其原理就不細(xì)說了。
[0103] 該變速箱經(jīng)過試驗測試及理論分析計算，表明，其性能特征為：變速傳動行星齒輪 組的最大傳動比越小，行星架反作用力控制行星齒輪組的增速比越大，整個傳動比范圍內(nèi) 的檔位越多，其效率越高，最理想也是最合理的設(shè)計為：變速傳動行星齒輪組的最大傳動比 在2-4之間，再配合齒輪組8,其最大傳動比將達(dá)到4-8足夠了，行星架反作用力控制齒輪組 的最大增速比在2-4之間，其檔位數(shù)最多4個前進檔己足夠了。
[0104] 最后來計算一下，6檔手動變速箱的實際運行效率。
[0105] 檔位傳動比 各檔最低效率 平均效率 1 4.15 2.37+4.15=0.571 (0.571+100%) +2=0.786 2 2.37 1.56+2.37=0.658 (0.658+100%) +2=0.829 3 1.56 1.15 + 1.56=0.737 (0.737+100%) +2=0.869 4 1.15 0.86+1.15=0.749 (0.749+100%) +2=0.875 5 0.86 0.69+0.86=0.802 (0.802+100%) +2=0.901 6 0.69
[0106] 總的平均效率 η = (0· 876+0. 829+0. 869+0. 875+0. 901)+5
[0107] = 85. 2%
[0108] 以上的計算可以看出效率最高的手動變速箱的實際運行效率是偏低的，平均只有 85. 2% (齒輪的損耗不計），為什么會是這種結(jié)果呢，現(xiàn)以1檔為例說明一下：在汽車的行 駛阻力剛好最大傳動比時，這時的效率為100%，在阻力比2檔傳動比稍大時，但比1檔的傳 動比小很多，這時如果用2檔，則動力不夠，只能用1檔，但又浪費了很多功率，所以這時效 率最低。由此可見，就是目前最省油的手動變速箱運行效率至少比本發(fā)明低8 %以上，而就 是一流的駕駛員也不可能時時刻刻都能把握最佳換擋時機，所以其效率還要降低5%以上。
[0109] 本發(fā)明是齒輪實現(xiàn)無級變速傳動的唯一方案，也是終級方案，它的出現(xiàn)在變速箱 發(fā)展史上是一個重大突破，在不久的將來，它將會徹底淘汰所有類型的摩擦傳動CVT無級 變速箱和AT自動變速箱，以及雙離合等變速箱。如果把該變速箱應(yīng)用在工程機械上，將會 使其燃油經(jīng)濟性最少提高40%。該發(fā)明是一個世界級的巨大市場，該市場我們中國人已搶 灘成功。
【權(quán)利要求】
1. 一種齒輪轉(zhuǎn)動無級變速箱，其特征在于，該變速箱由變速傳動行星齒輪組，行星架反 作用力控制行星齒輪組，液力變矩器（2)及其輔助部件組成，變速傳動行星齒輪組由，和輸 入軸⑴鋼性連接的輸入太陽輪（6)，和輸入軸⑴游離或斷開的輸出太陽輪（10)，與輸入 太陽輪（6)嚙合的行星輪（13)，與輸出太陽輪（10)嚙合的行星輪（12)，行星輪（13)與行 星輪（12)都鋼性的連接在行星輪軸（11)上，行星輪軸（11)按裝在行星架（4)上，齒輪（7) 與輸出軸游離與行星架（4)鋼性連接，行星架（4)部分或全部被加工成一個外齒輪，行星架 反作用力控制行星齒輪組由：與輸入軸（1)鋼性連接的輸入太陽輪（5)，與輸入軸（1)游離 的輸出太陽輪（17)及與（17)連接的套筒（18)，與輸入太陽輪（5)嚙合的行星輪（14)，與 輸出太陽輪（17)嚙合的行星輪（15)，（17)、（15)兩個行星輪鋼性固定在行星輪軸（16)上， 行星輪軸（16)按裝在行星架（4)上，行星架（4)與輸入軸（1)同軸，兩個行星齒輪組可以共 用一個行星架也可以彼此獨立使用各自的行星架，但它們的行星架必須鋼性連接或嚙合同 步轉(zhuǎn)動。為了平衡或增加強度，與兩個齒輪組的輸入輸出太陽輪嚙合的行星輪可以增加若 干組，行星架反作用力控制行星齒輪組必須是個增速行星齒輪組，變速傳動行星齒輪組必 須是由個減速行星齒輪組，該變速箱的行星齒輪組與液力變矩器（2)的組合特征是：液力 變矩器（2)與兩個行星齒輪組并連，或在結(jié)構(gòu)上可以串連但在原理上必須并連，液力變矩 器不再是直接的動力傳遞原件，而是輔助的或間接的動力傳遞和變速控制原件，其最大的 特征是：液力變矩（2)器的泵輪必須與行星架反作用力控制行星齒輪組的輸出太陽輪（17) 或軸套（18)，通過齒輪或齒輪組嚙合連接或直接連接，渦輪必須通過渦輪軸及齒輪與行星 架（4)嚙合，液力變矩器運用現(xiàn)有的成熟技術(shù)，需要做的只是把它小型化，所以在附圖中只 是簡單示意，其泵輪、導(dǎo)輪、渦輪、殼體等細(xì)節(jié)都未畫出，其原理是變矩器的渦輪根據(jù)車輛行 駛阻力的不斷變化，從而自動適應(yīng)性的調(diào)整行星架（4)的轉(zhuǎn)速和扭矩大小。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種齒輪轉(zhuǎn)動無級變速箱，其特征在于：在該變速箱的變速 傳動行星齒輪組的輸出太陽輪（10)后面再串連一個傳統(tǒng)的單排行星齒輪組（8)它的結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng)利用現(xiàn)有的成熟技術(shù)，所以在附圖中只是簡單示意，表明其在變速箱的位置，該齒 輪組（8)的作用是提供一個倒當(dāng)，一個超速檔，一個減速檔，使該變速箱效率更高，變速范 圍更寬，齒輪組（8)的換檔時機信息由，行星架（4)的運行狀態(tài)提供，即行星架（4)的轉(zhuǎn)速 等于零或接近零時降檔，和輸入軸（1)的轉(zhuǎn)速接近時升檔，其倒檔需手動。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種齒輪轉(zhuǎn)動無級變速箱，其特征在于：為了使該變速箱在 整個傳動比范圍內(nèi)的效率保持在93%以上，需要把它分成幾個級，按照操作方式的不同可 以分6種類型，分別是：1、MT手動型；2、AMT電控手動型；3、手自一體型；4、AT型；5、DSG 雙離合型；6、混合型，混合型就是綜合其它與幾種類型的優(yōu)點而設(shè)計的，以上的幾種類型 的結(jié)構(gòu)控制執(zhí)行機構(gòu)都可運用現(xiàn)有的成熟技術(shù)而擇優(yōu)，換檔時機信息由液力變矩器（2)的 導(dǎo)輪，泵輪與渦輪之間的速比提供信息，導(dǎo)輪的反作用力為零即液力變矩器達(dá)到偶合點時 升檔，當(dāng)導(dǎo)輪的反作用力相對于泵輪達(dá)到一定值時或泵輪與渦輪的速比達(dá)到一定值時降檔 以上的幾種類型的所有設(shè)計布置，都是在該變速箱的反作用控制行星齒輪組的輸出太陽輪 (17)與液力變矩器（2)的泵輪之間，液力變矩器（2)的渦輪與行星架⑷之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種齒輪轉(zhuǎn)動無級變速箱，其特征在于該變速箱可以去掉行 星架反作用力控制行星齒輪組，即去掉太陽輪（5) (17)以及相應(yīng)的行星輪（14) (15)及行星 輪軸（16)，液力變矩器可以直接串連在輸入軸（1)上，其泵輪直接與輸入軸（1)鋼性連接， 導(dǎo)輪固定在殼體上，渦輪必須同樣的通過軸及齒輪與行星架（4)嚙合，如果串連不合理變 矩器（2)也可以與齒輪組并連，其泵輪通過齒輪與輸入軸（1)嚙合，其它不變，這樣雖然使 結(jié)構(gòu)簡單了一些，但會使效率降低5% -10%左右。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種齒輪傳動無級變速箱，其最大特征在于：該變速箱的液 務(wù)變矩器（2)不再是直接的動力傳遞原件，而是輔助的或間接的動力傳遞和變速控制原 件，必須和變速傳動行星齒輪組并連，其泵輪必須和行星架反作用力控制行星齒輪組的輸 出太陽輪（17)，通過軸或齒輪連接或嚙合，渦輪必須和變速傳動行星齒輪組的行星架（4) 通過軸及齒輪嚙合，變速傳動行星齒輪組和行星架反作用力控制行星齒輪組的行星架必須 剛性連接，或共用一個行星架或嚙合同步轉(zhuǎn)動。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種齒輪傳動無級變速箱，其特征在于：該變速箱的變速原 理是獨一無二的一個終級方案，但在結(jié)構(gòu)上可根據(jù)不同的車型及類型做適量的改動，例如 為使其徑向尺寸更小，可以把兩個齒輪組的行星架分開，使用直徑比行星架小的齒輪把它 們連接起來等。
【文檔編號】F16H47/08GK104121347SQ201410286082
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】周慶華 申請人:周慶華