多段功率分流无级变速器及其换段装置

技术领域

本发明涉及一种功率分流无级变速传动器，及其换段装置。

众所周知，现有的功率分流无级变速器，本文简称其为“功分变速器，”包括输入机械动力的输入件、输出机械动力的输出件、一套称为调速器的无级变速器，及一套自由度大于1的轮系，简称多度轮系。

所述调速器具有传入及传出机械功率的传动件，称为调速件。

所述多度轮系具有至少2个，在该轮系内彼此运动独立的、可以与调速件连接的传动件，称为受调件。

这里，所谓连接，是泛指具有固定速比的两个传动件之间的运动联系。被连接的传动件间的速比可以是1，例如直接固定的连接；也可以不等于1，例如齿轮与齿轮的啮合。

按照这样的结构，所述功分变速器在其无级调速状态，具有一对在用调速件及一对在用受调件。所述在用调速件分别与一个在用受调件相连接。调节所述调速器的速比，所述变速器的速比就随之变化。而所述变速器的输入功率，将同时经由多度轮系及调速器传送；最后经输出件输出。这一过程中，经由调速器所传递的功率，称为调速枝功率。

所述功分变速器在其任一在用受调件静止时，均有一个固定的速比，称为零分流速比，简称“功分零点。”显然，所述功分变速器的任一可用作受调件的传动件，均有与之对应的功分零点。

本发明涉及的功分变速器，是其中一种由中国发明专利CN103591230B所提出的传动装置。其变速范围包括至少两个相邻的速比分段，并具有下述特征：

(1)在其无级变速状态，保持其输入、输出件不变，同时其多度轮系与机架之间、以及多度轮系内部各传动件之间的连接关系也都保持不变时，其多度轮系具有至少3个可用受调件；该3个可用受调件分别对应于同一传动方向的、不同数值的3个功分零点，分别称为第一零点i

(2)其调速范围包含至少两个以所述分界零点为界的、彼此邻接的速比分段，分别称为第一分段(i

(3)该变速器的速比从一个所述分段调变到其相邻分段时，须将其一对在用受调件，切换为其相邻分段的一对在用受调件。在完成这一切换后，介于该两相邻分段间的分界零点i

为便于陈述，本文简称所述变速器为“罗氏变速器。”

背景技术

传统的无级变速器，不外乎摩擦、液压、液力、电磁四大类。每一类都各有优缺点，但一个共同的缺点就是效率不够高，甚至太低；并且，由于各自都受到某种物理限制，难以进一步提高。因此，在20世纪之初，就有人发明了功率分流无级变速传动技术。其意图是，把无级变速器和一套二自由度齿轮系结合在一起，希望能用齿轮系传送部分机械功率，从而减小调速枝功率，让整个系统的效率得以提高。但后来的实践却显示，运用这一技术，可以使无级变速器在个别速比附近取得较高的效率，却不可能在一个稍大的速比区间内保持较高的效率。

直到中国发明专利CN1019680B提出了一种功分变速器，其两个功分零点在同一传动方向，并且均为非零的有限数值。若将其两个功分零点的比值设计得足够小，就可使该变速器，在所述两个功分零点所界定的速比区间内工作时，其调速枝功率流足够地小；从而，使这种变速器能在一个速比区间内，而不是仅在个别速比附近，具有足够高的效率。

但是，功分变速器若仅有一个不够宽的高效调速范围，也是不能满足实际应用需求的。因此，又出现了多种具有若干高效速比分段，并能用这些分段拼接出一个宽大调速范围的“多段功分变速器。”

然而，已有的这类多段功分变速器，有的因为在速比跨越相邻分段的分界时，其传动件的运动速度或受力会发生突变；又或因为其分界点在两个相邻分段间的归属未定，其受调件切换过于频繁，以致不能在其分界点稳定地工作；因而，这些多段功分变速器还都未能实现在分段之间，速比的连续调变；也就都未能实现在其整个调速范围内，完全连续而平滑地变速。

后来，中国发明专利CN103591230B提出了罗氏变速器，并披露了其换段方法。按照该项发明，罗氏变速器的调速分段之间的分界点会是一个稳定的工作点；并且，若按照该专利所披露的方法进行换段操作，就能够实现其工作速比在分段之间的连续而平滑的调变。

至此，创建一种能在一个足够宽大而连续的速比范围内，完全平滑无级地调速，并保持足够高的传动效率的无级变速器，已非难事了。这是迄今为止，完全运用传统技术，达到这一目标的唯一现实途径。

然而，前述发明还没有为罗氏变速器给出简单的换段执行机构。本发明的意图就是，为罗氏变速器提供一种简单的换段装置，使其速比在跨越相邻分段的分界时，能够自动地完成换段进程，同时保持其速比调变的连续与平滑；从而使其对外表现，有如其调速范围没有分段一样。

发明内容

按照中国发明专利CN103591230B的披露，当所述罗氏变速器的工作速比需要从所述两个相邻速比分段(i

为实现前述目的，本发明的换段装置包括：一条传动轴，称为调速轴；一个滑块；以及两个齿轮，分别称为A齿轮和B齿轮；并具有离合器，和螺旋副。

所述离合器是诸如牙嵌离合器或摩擦离合器之类，众所周知的传动装置，具有彼此可以结合或分离的两个元件，称为离合元件。

所述螺旋副包括一套彼此匹配的阳螺纹和阴螺纹。

所述滑块安装在调速轴上，与调速轴之间有键连接，使该滑块相对于调速轴不能转动，却仍然可以沿其轴向移动。该滑块的一端具有所述螺旋副中的一种螺纹，另一端具有所述离合器中的一个离合元件，此外还具有止动面。

所述A齿轮和B齿轮各自可转动地安装在调速轴上。

所述A齿轮具有所述螺旋副中的另一种螺纹，还具有一个与滑块上的止动面相对的止动面。

所述螺旋副被旋入到，滑块上的止动面与A齿轮上的止动面相贴合后，A齿轮即经滑块与调速轴连接在一起转动；当滑块上的螺纹从所述螺旋副旋出后，A齿轮即与滑块脱离，而与调速轴互不相干地分别运动。

所述B齿轮具有所述离合器的另一个离合元件。当该离合元件与滑块上的离合元件结合时，所述B齿轮就经滑块与调速轴连接在一起转动；当所述离合元件彼此分离时，所述B齿轮就可与调速轴互不相干地各自运动。

在所述螺旋副旋紧时，所述离合器是分离的；在所述螺旋副旋出后，所述离合器是结合的。

本发明的变速器，即是采用上述装置进行换段的罗氏变速器。

该变速器包括输入件、输出件、一套用作调速器的无级变速器、一套自由度为2的齿轮系，简称二度轮系；及至少一套如前所述的换段装置。

所述调速器包括两个调速件，分别称为第一调速件和第二调速件，其速比可以无级地调变。

所述二度轮系具有至少3个可用受调件，分别称为第一受调件、第二受调件、第三受调件；其对应的功分零点分别为i

该变速器具有从i

所述第一调速件与第二受调件连接。

所述第二调速件与换段装置的调速轴连接；

所述换段装置的A齿轮与所述第三受调件连接；B齿轮与所述第一受调件连接。

按照上述结构，所述变速器的速比i在分段(i

由于任何功分变速器，只有其工作速比处在，其在用受调件所对应的一对功分零点所界定的速比区间内时，才不会产生循环功率，从而具有保持高效率的条件。而这种状况的功分变速器，其调速枝功率流，总是从绝对值较小的功分零点所对应的受调件，通过调速器，流向绝对值较大的功分零点所对应的受调件。故当所述罗氏变速器在速比分段(i

合理地设计所述罗氏变速器的齿轮系，可使所述变速器在其工作速比等于所述分界速比i

又，由于所述罗氏变速器，在其工作速比等于所述分界速比时，其第二调速件与受调件之间的作用力为零。故，所述罗氏变速器的，速比i跨越所述两个速比分段间的分界i

反之，若将所述变速器的速比i从分段(i

下面将结合附图，对本发明的原理与实施方式作进一步说明。

附图说明

图1是本发明的换段装置的结构简图。

图2是一种本发明的罗氏变速器的结构简图。

图3是图2所示变速器的主要传动件的转速，随该变速器速比变化的图像。

图4是一种本发明的罗氏变速器的结构简图。

图5是图4所示变速器的主要传动件的转速，随该变速器速比变化的图像。

图6是一种本发明的罗氏变速器的结构简图。

图7是图6所示变速器的主要传动件的转速，随该变速器速比变化的图像。

具体实施方式

图1展示了本发明的换段装置的主要结构。其上半视图与下半视图分别显示了该装置的不同工作状态。

如图1所示，本发明的换段装置(1)包括一条传动轴，称为调速轴(13)；一个滑块(4)；以及两个齿轮，分别称为A齿轮(2)和B齿轮(12)；并具有离合器(10)和螺旋副。

所述离合器(10)是众所周知的传动装置，例如牙嵌离合器或摩擦离合器；其具有两套可以结合或分离的元件(8)(9)，称为离合元件。

所述螺旋副包括一套彼此匹配的阳螺纹和阴螺纹。

所述滑块(4)安装在调速轴(13)上，有键(7)与调速轴连接，使该滑块相对于调速轴不能转动，却仍然可以沿其轴向移动。该滑块的一端具有所述螺旋副中的一种螺纹(5)，另一端具有所述离合器中的一个离合元件(8)；此外还具有止动面(6)。

所述A齿轮(2)和B齿轮(12)各自可转动地安装在调速轴(13)上；所述A齿轮(2)具有所述螺旋副中的另一种螺纹(3)，还具有一个与滑块上的止动面(6)相对的止动面。

所述螺旋副旋入到滑块(3)上的止动面(6)，与A齿轮(1)上的止动面相贴合后，A齿轮即经滑块与调速轴(13)连接在一起转动，如图1的下半视图所示。当滑块上的螺纹(5)从所述螺旋副旋出后，A齿轮(2)即与滑块(4)脱离，而与调速轴(13)分别运动。如图1的上半视图所示。

所述B齿轮(12)具有所述离合器(10)的另一个离合元件(9)；当该离合元件与滑块上的离合元件(8)结合时，B齿轮(12)就经滑块(4)与调速轴(13)连接在一起转动，如图1的下半视图所示。当所述离合元件(8)(9)彼此分离时，B齿轮(12)就可与调速轴(13)分别运动，如图1的下半视图所示。

在所述螺旋副旋紧时，所述离合器(10)是分离的；在所述螺旋副旋出后，所述离合器是闭合的。

所述调速轴(13)可与一个调速件(14)连接。

图1中，采用了一个液压换能元件的符号表示调速件(14)，但实际上，这个调速件也可以是其他类型的换能器，例如电机。本文中所提及的调速件，凡无特别注明的，均泛指所有可用无级调速器件。

为了使得滑块上的螺纹(5)从所述螺旋副旋出后，易于再次旋入，应使该螺纹(5)在旋出螺旋副后，其尾端不致与A齿轮上的螺纹(3)的端面脱离接触。技术熟练的人士能为此做出多种不同的设计。例如，使滑块上的螺纹(5)朝向A齿轮上的端面略具弹性；或如图1所示，在其调速轴与滑块间设置一套弹性元件(11)，诸如众所周知的弹簧、橡胶圈之类，利用其弹性，使滑块上的螺纹(5)从螺旋副旋出后，其尾端仍然保持与A齿轮的螺纹端面的接触。

图2示出了一种本发明的罗氏变速器。

该变速器包括输入轴(16)；输出轮(17)；传动轴(20)；一套用作调速器的无级变速器；一套图1所示的换段装置(1)；一套自由度为2的齿轮系，简称二度轮系；以及第一齿轮(19)、第二齿轮(22)和第三齿轮(23)。

所述二度轮系包括两套同轴安装的行星排，分别称为A行星排和B行星排。该等行星排分别具有各自的中心轮、行星轮、内齿圈和行星架。

所述二度轮系具有三个可用受调件。分别称为第一受调件(24)、第二受调件(18)和第三受调件(15)。

所述第一受调件(24)包括被固定地连接在一条轴上的第三齿轮(23)和B行星排的中心轮。所述第二受调件(18)包括被固定地连接在一起的A行星排的内齿圈和第二齿轮(22)。所述第三受调件(15)亦是所述罗氏变速器的输出件，包括被固定地连接在一起的A行星排的行星架、B行星排的内齿圈及输出轮(17)。

所述A行星排的中心轮及B行星排的行星架均与输入轴(16)固定地连接。

所述调速器包括第一调速件(21)和第二调速件(25)；其速比可以无级地调变。

所述第一调速件(21)与所述传动轴(20)连接，该轴上固定地装有第一齿轮(19)；该齿轮并与第二齿轮(22)啮合，从而使第一调速件(21)与所述第二受调件(18)相连接。

所述换段装置(1)包括调速轴(13)、具有螺纹的A齿轮(2)，和具有离合元件的B齿轮(12)。

所述调速轴(13)与所述第二调速件(25)连接；所述A齿轮(2)与输出轮(17)啮合；所述B齿轮(12)与第三齿轮(23)啮合。从而，通过该换段装置，所述第二调速件(25)既可能与第一受调件(24)连接，也可能与第三受调件(15)连接。

按照上述结构，调变该两个调速件(21)(25)间的速比，就可以调变所述罗氏变速器的速比。该变速器主要传动件的转速，随其速比而变的图像如图3所示。

其横坐标为所述变速器速比i的倒数。其纵坐标为第x号传动件的转速对输入件转速之比；亦可视为以输入轴的转速为单位的，各传动件的速度数值。即

i

i

其中，

i—所述变速器的速比

i

i

i

图3中，各条曲线上括弧内的数字，是该曲线所属传动件在图2中的相应序号。

可以看到，图2中各传动件在图3内的速度曲线都是直线；且所述A与B行星排的中心轮、内齿圈及行星架的速度线，都交汇于图3平面上的(1，1)点。还可以看到，所述变速器的三个可用受调件(24)(18)(15)的速度线分别与横坐标相交，其交点数值的倒数i

所述变速器从i

当所述变速器的速比在(i

若适当选择图2中换段装置的A齿轮(2)与输出轮(17)间的速比，以及B齿轮(12)与第三齿轮(23)间的速比，还可使图3中A齿轮(2)及B齿轮(12)的速度线相交于过i

反之，若调变调速器的速比，将所述变速器的速比i从分段(i

当所述变速器在功分零点i

因此，所述罗氏变速器的速比i，跨越所述两个调速分段间的分界i

一种罗氏变速器，其所述调速器是液压无级变速器，适合用于拖拉机的变速传动。

在工程实际中，由于齿轮的齿数只可为正整数等原因，常常不能做到：使所述罗氏变速器在其相邻分段的分界速比i

图4示出了又一种本发明的罗氏变速器。

该变速器包括输入轴(29)；输出轴(36)；一套用作调速器的无级变速器；一套二自由度齿轮系，简称二度轮系；一套换段装置(1)。

所述调速器包括两个调速件，分别称为第一调速件(30)和第二调速件(32)，其速比可以无级调变。

所述换段装置(1)如图1所示，包括调速轴(13)、具有螺纹的A齿轮(2)，和具有离合元件的B齿轮(12)。

所述二度轮系包括两套同轴安装的行星排，分别称为C行星排和D行星排，以及第一齿轮(35)、第二齿轮(37)。所述行星排分别具有各自的中心轮、行星轮、行星架和内齿圈。所述行星排的轴线亦称为二度轮系的轴线。

所述二度轮系具有三个可用受调件。分别称为第一受调件(34)、第二受调件(31)和第三受调件，即输出轴(36)。

所述第一受调件(34)包括被固定地连接在一起的第一齿轮(35)和D行星排的中心轮。

所述第二受调件(31)包括被固定地连接在一起的D行星排的内齿圈和C行星排的中心轮。

所述第三受调件，包括输出轴(36)，及被固定地安装在该轴(36)上的C行星排的行星架与D行星排的行星架，以及第二齿轮(37)。

所述C行星排的内齿圈(27)与输入轴(29)固定地连接。

所述第一调速件(30)与第二受调件(31)连接。

所述第二调速件(32)与调速轴(13)连接。

所述A齿轮(2)与第二齿轮(37)啮合；所述B齿轮(12)与第一齿轮(35)啮合；从而，通过该换段装置(1)，所述第二调速件(32)既可能与第一受调件(34)连接，也可能与第三受调件(36)连接。

一种适合用于汽车传动的罗氏变速器，其两个调速件(30)(32)是同轴线地安装在二度轮系的轴线上的，既可电动又可发电的电机；并具有第三齿轮(26)和第四齿轮(33)。

其第一调速件(30)与其第二受调件(31)直接地固定连接。

其第二调速件(32)上装有第四齿轮(33)。其调速轴(13)上装有第一齿伦(26)，该齿伦与所述第四齿轮(33)啮合，使调速轴(13)与第二调速件(32)相连接。

按照上述结构，图4所示变速器的主要传动元件的转速，随该变速器的速比而变的图像如图5所示。

图5中各条曲线上括弧内的数字，是该曲线所属传动件在图4中的相应序号。

可以看到，图4所示变速器的三个可用受调件(34)(31)(36)的速度线分别与横坐标相交，其交点的倒数，分别是所述可用受调件各自对应的功分零点i

适当选择图4中的换段装置的A齿轮(2)与第二齿轮(37)间的速比，以及B齿轮(12)与第一齿轮(35)间的速比，可使所述罗氏变速器的A齿轮(2)及B齿轮(12)的速度线相交于图5中，过i

所述变速器从i

当所述变速器的速比i在(i

当所述变速器的速比i从分段(i

反之，若调变调速器，将所述变速器的速比i从分段(i

所述罗氏变速器在其分段(i

图6示出了又一种本发明的罗氏变速器。

该变速器包括输入轴(38)；输出轴(52)；一套用作调速器的无级变速器；两套图1所示的换段装置，分别称为第一换段装置(1a)和第二换段装置(1

所述调速器包括第一调速件(39)和第二调速件(44)，其速比可以无级调变。

所述第一换段装置(1a)具有调速轴(40)，带螺纹的A齿轮(42)，及带离合元件的B齿轮(43)。

所述第二换段装置(1

所述二度轮系包括同轴安装的一套行星排(E)及一套众所周知的拉维娜(Ravigneaux)轮组(F)，以及第一齿轮(46)、第二齿轮(50)、第三齿轮(59)、第四齿轮(60)、第五齿轮(63)。

所述行星排(E)具有中心轮、行星轮、行星架和内齿圈。所述拉维娜轮组(F)具有内齿圈(49)、小中心轮(53)、大中心轮(54)、行星架(48，)以及长行星轮和短行星轮。

所述二度轮系具有四个可用受调件。分别称为第一受调件(61)、第二受调件(47)、第三受调件(62)，以及第四受调件(51)。

所述第一受调件(61)包括所述拉维娜轮组(F)的大中心轮(54)，和与其固定连接的，所述行星排(E)的中心轮，以及第四齿轮(60)。

所述第二受调件(47)包括所述拉维娜轮组(F)的小中心轮(53)，和与其固定连接的第一齿轮(46)。

所述第三受调件(62)包括所述行星排(E)的内齿圈，及与其固定连接的第五齿轮(63)。

所述第一受调件(61)上的第四齿轮(60)与第一换段装置(1a)的B齿轮(43)啮合。

所述第二受调件(47)上的第一齿轮(46)与所述第三齿轮(59)啮合。所述第三齿轮(59)还与第二换段装置(1

所述第四受调件(51)，包括输出轴(52)，及与其固定连接的所述拉维娜轮组(F)的内齿圈(49)，以及第二齿轮(50)。

所述第三受调件(62)上的第五齿轮(63)与所述第一换段装置(1

所述第一换段装置(1a)的调速轴(40)与所述第一调速件(39)连接。

所述第二换段装置(1

一种适合用于汽车传动的罗氏变速器，其调速器的两个调速件(39)(44)是既可电动又可发电的电机，并与所述二度轮系同轴安装，如图6所示。

其第一调速件(39)上装有第六齿轮(64)。

其第一换段装置的调速轴(40)上装有第七齿伦(41)，该齿伦与所述第六齿轮(64)啮合，使该调速轴(40)与第一调速件(39)相连接。

其第二调速件(44)上装有第八齿轮(45)。

其第二换段装置的调速轴(57)上装有第九齿伦(58)，该齿伦与所述第八齿轮(45)啮合，使该调速轴(57)与第二调速件(44)相连接。

按照上述结构，图6所示罗氏变速器主要传动件的速度图像如图7所示。其中各条曲线上括弧内的数字，是该曲线所属传动件在图6中的相应序号。

可以看到，图6所示变速器的四个可用受调件(61)(47)(62)(51)的速度线分别与横坐标相交，其交点的倒数，分别是所述可用受调件各自对应的功分零点i

适当选择第一换段装置(1a)的A齿轮(42)与第五齿轮(63)间的速比，以及其B齿轮(43)与第四齿轮(60)间的速比，使A齿轮(42)及B齿轮(43)的速度线相交于图7中，过i

适当选择第二换段装置(1

所述变速器从i

当所述变速器的速比i在(i

当所述变速器的速比i从分段(i

当所述变速器的速比i从分段(i

反之，若调变调速器的速比，将所述变速器的速比i从分段(i

由于所述罗氏变速器在其任何相邻分段之间的换段进程中，其离合动作所涉及的元件，不仅相互作用力为零，且相对速度也都近乎于零。故该变速器在其从速比i