带六个扭矩传递机构和三个行星齿轮组的七速变速器

摘要

本发明提供了一种多速变速器，其包括三个行星齿轮组和七个扭矩传递机构，其带有各种固定的互连部件以提供七个前进速度比和一个倒档速度比。第一行星齿轮组是一种双恒星行星齿轮组，并且设计扭矩传递机构接合计划，从而在倒档速度比中，在双恒星行星齿轮组中的第二恒星齿轮部件和输入部件上获得预定的速度比，并且在第一前进速度比中，在第二恒星齿轮部件和输入部件之间获得相同大小的预定的速度比，但第二恒星齿轮部件是在与倒档速度比中相反的方向上旋转的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有三个行星齿轮组的动力变速器，这些行星齿轮组由六个扭矩传递装置控制，以提供七个前进速度比和至少一个倒档速度比。

背景技术

客车包括由发动机、多速变速器和差速或主减速器组成的动力系。多速变速器通过容许发动机在其扭矩范围内多次操作而提高了车辆的整个操作范围。变速器中可得到的前进速度比的数量确定了发动机扭矩范围重复的次数。早前的自动变速器具有两个速度范围。这严格地限制了车辆的整个速度范围，并因此需要相对较大的发动机，其可产生较宽的速度和扭矩范围。这导致发动机在巡航期间操作在某个比燃料消耗点上，而非最有效点。因此，手动换档(中间轴变速器)是最通用的。

随着三速和四速自动变速器的到来，自动换档(行星齿轮)变速器提高了汽车大众化的普及性。这些变速器改进了车辆的操作性能和燃料经济性。速度比的数量增加将减少在速度比之间的比阶大小(stepsize)，并因此通过在正常车辆加速下使操作员基本察觉不到速度比替换而改进变速器的换档质量。

目前已经提出要将前进速度比的数量提高至六个或更多个。在于1978年1月31日授予Polak的美国专利第4,070,927号；和于2002年7月23日授予Raghavan和Usoro的美国专利第6,422,969号中公开了六速变速器。

六速变速器提供了几个超越四速和五速变速器的优点，包括改进的车辆加速度和改进的燃料经济性。虽然许多货车采用具有六个或更多前进速度比的动力变速器，但是由于这些变速器的尺寸和复杂性，客车仍然制造成带有三速和四速自动变速器，以及相对较少的五速或六速装置。

在授予Raghavan，Bucknor和Usoro的美国专利第6,623,397号中公开了七速变速器。七速变速器在加速度和燃料经济性方面提供了超越六速变速器的进一步改进。然而，类似于上面论述的六速变速器，七速变速器的发展由于复杂性、尺寸和成本而被排除在外。

被归类为路面和越野两用操作的车辆，其通常包含带双速(通常一个减速比和一个直接速度比)的分动箱和用于将驱动动力传递给前轴的减速齿轮组。分动箱的接合利用一种机械接合装置，其同电子控制的变速器相比具有有限的可控性，其中扭矩传递机构通过由电子控制装置提供的信号而接合和分离。

发明内容

本发明提供了一种多速变速器，其只利用六个扭矩传递机构而取得高达七个前进速度。这种变速器具有很宽的速度比范围，其足以消除轻型卡车应用中所必要的典型的双速分动箱(transfer case)。利用本发明可减小内部构件的速度，其延长了构件寿命。通过提供大约9∶1(或甚至10∶1，其依赖于齿轮齿比选择)的速度比范围，分动箱是不必要的，其通常有较高的效率损失。由分动箱添加的速度比范围可替代由变速器以更大的精度获得。电子控制的变速器可包含车辆防抱死制动器、驾驶、轮胎侧面和滚动半径随车辆重量变化的信息，以便更精确地控制变速器，以确保在上面给定的信息下利用最有效的速度比。

具体地说，多速变速器包括输入部件和输出部件。包含的第一行星齿轮组，其具有第一恒星齿轮部件和第二恒星齿轮部件。第一组和第二组小齿轮部件可旋转地支撑在托架部件上。第一组小齿轮部件持续地与第一恒星齿轮部件及第二组小齿轮部件相互啮合。第二组小齿轮部件也持续地与第二恒星齿轮部件相互啮合。这种行星齿轮组类型通常被称为双恒星行星类型。第二恒星齿轮部件持续地与第二行星齿轮组的第一部件互连。第二行星齿轮组以及第三行星齿轮组各具有第一部件、第二部件和第三部件，并且其间具有至少一个持续的互连部件。输出部件持续地与第三行星齿轮组的第一部件互连。输入部件持续地与第一恒星齿轮部件互连。其利用第一扭矩传递机构和第二扭矩传递机构。第一扭矩传递机构选择性地接合，以便将输入部件与托架部件连接起来。第二扭矩传递机构选择性地接合，以便将托架部件与固定部件，例如变速器外壳连接起来。第一扭矩传递机构接合，以便在第一旋转方向上，在第二恒星齿轮部件和输入部件之间建立第一预定的速度比。第二扭矩传递机构接合，以便在与第一旋转方向相反的第二旋转方向上，在第二恒星齿轮部件和输入部件之间建立基本相同的第一预定的速度比。优选使第一扭矩传递机构接合，以便在第二恒星齿轮部件和输入部件之间以变速器的倒档速度比建立正的第一预定的速度比。还优选使第二扭矩传递机构接合，以便在变速器的第一前进速度比期间的负的旋转方向上，在恒星齿轮部件和输入部件之间，建立第一预定的速度比。

优选提供第三扭矩传递机构，其可选择性地接合，以便将第一互连部件连接到固定部件上。第三扭矩传递机构以倒档速度比和第一前进速度比接合。因而，通过第一行星齿轮组的倒档动力路径还用于第一前进速度比。

在优选的实施例中，还提供了第二互连部件和第三互连部件。第二互连部件持续地将第二行星齿轮组的第三部件与第三行星齿轮组的第三部件互连起来。第三互连部件持续地将第二恒星齿轮部件与第二行星齿轮组的第一部件互连起来。

除了第一扭矩传递机构、第二扭矩传递机构和第三扭矩传递机构之外，还提供了第四扭矩传递机构、第五扭矩传递机构和第六扭矩传递机构，以取得七个前进速度比。第四扭矩传递机构可选择性地接合，以便将输入部件与第二行星齿轮组的第三部件连接起来。第五扭矩传递机构可选择性地接合，以便将输入部件与第二行星齿轮组的第二部件连接起来。第六扭矩传递机构可选择性地接合，以便将第二恒星齿轮部件(并因此将第二行星齿轮组的第一部件)与固定部件连接起来。

这种变速器的构造导致以相同的前进和倒档速度比通过第一行星齿轮组的前进和倒档路径。通过第二和第三行星齿轮组的复合比同等地获得前进和倒档时非常大的传动比。另外，如以下将进一步讨论和明白的那样，大的扭矩负荷被隔离至第二互连部件，第二互连部件将第三行星齿轮组的第三部件与第二行星齿轮组的第三部件连接起来，并且不会通过影响变速器尺寸的其它轴传递。第三行星齿轮组的第三部件优选是恒星齿轮部件，并且第二行星齿轮组的第三部件优选是环形齿轮部件。注意，第二行星齿轮组的第二部件(即，托架部件)在倒档和第一前进速度比期间是接地的(grounded)。通过将轴上大的扭矩负荷隔离至第二互连部件，在这种变速器中只有输出轴设计受到所获得的大的速度比的影响。这相对于其它带有大扭矩输出的设计极大地减小了变速器组件的直径。

从以下结合附图对实现本发明的最佳模式的详细描述中，将很容易明晰本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点。

附图说明

图1是一种动力系的示意图，其包括本发明的行星变速器的一个实施例；

图2A是描绘图1中所示的动力系的某些操作特征的真值表；和

图2B是描绘图1中所示的动力系的其它操作特性的图表。

具体实施方式

参照图纸，图1中显示了动力系10，其具有传统的发动机和扭矩变换器12、行星变速器14和传统的主减速器机构16。

行星变速器14包括持续地与发动机及扭矩变换器12相连接的输入轴17、行星齿轮装置18以及持续地与主减速器机构16相连接的输出轴19。行星齿轮装置18包括三个行星齿轮组20，40和50。

行星齿轮组20包括第一恒星齿轮部件22和第二恒星齿轮部件32。行星托架组件26包括第一组小齿轮部件27和第二组小齿轮部件28，其可旋转地安装在托架部件29上。托架部件29由托架壁25支撑。第一组小齿轮部件27与恒星齿轮部件22相互啮合，并与第二组小齿轮部件28相互啮合。第二组小齿轮部件28还与第二恒星齿轮部件32相互啮合。这类行星齿轮组20通常被称为双恒星行星类型。壁82在第一行星齿轮组和第二行星齿轮组20，40之间延伸，并可用于为各齿轮组提供润滑或支撑。

行星齿轮组40包括恒星齿轮部件42、环形齿轮部件44和行星托架组件46。行星托架组件46包括多个可旋转地安装在托架部件49上的小齿轮部件47，其设置成与恒星齿轮部件42及环形齿轮部件44构成啮合关系。

行星齿轮组50包括恒星齿轮部件52、环形齿轮部件54和行星托架组件56。行星托架组件56包括多个可旋转地安装在托架部件59上的小齿轮部件57，其设置成与恒星齿轮部件52及环形齿轮部件54构成啮合关系。如权利要求中所称，行星齿轮组40是第二行星齿轮组，并且行星齿轮组50是第三行星齿轮组。

输入轴17通过鼓轮(drum)92而持续地与恒星齿轮部件22相连接，其第一中间轴94持续地互连在鼓轮92上。输出部件或轴19持续地与托架部件59相连接。第二恒星齿轮部件32通过互连部件70而持续地与恒星齿轮部件42相连接。互连部件70可以是一个构件或分开的构件。托架部件49通过互连部件72而持续地与环形齿轮部件54相连接。环形齿轮部件44通过互连部件74而持续地与恒星齿轮部件52相连接。

输入轴17可选择性地通过离合器60而连接在环形齿轮部件44上(并还通过互连部件74而连接在恒星齿轮部件52上)。离合器60在权利要求中被称为第四扭矩传递机构。最内部的轴96在离合器60和恒星齿轮部件52之间延伸，以便在离合器60接合时，传递来自输入部件17的扭矩。离合器62(其在权利要求中被称为第五扭矩传递机构)可选择性地接合，以便通过第二中间轴98而将输入轴17连接到托架部件49上。离合器64(其在权利要求中被称为第一扭矩传递机构)可选择性地接合，以便将输入轴17与托架部件29连接起来。制动器66(其在权利要求中被称为第二扭矩传递机构)可选择性地接合，以便将托架部件29连接到固定部件80例如变速器外壳上。制动器67(其在权利要求中被称为第六扭矩传递机构)可选择性地接合，以便将恒星齿轮部件32(并通过互连部件70将恒星齿轮部件42)接地至变速器外壳80上。最后，制动器68(其在权利要求中被称为第三扭矩传递机构)可选择性地接合，以便将托架部件49(并还通过互连部件72而将环形齿轮部件54)接地至变速器外壳80上。

如图2A中所示，扭矩传递机构可选择性地以两个组合的方式进行接合，以提供七个前进速度比和一个倒档速度比。扭矩传递机构60，62，64，66，67和68优选是多盘片类型的流体促动的流体传动建立装置，其通常用于行星齿轮变速器中。

利用离合器64和制动器68的接合建立倒档速度比。离合器64将输入部件17与托架部件29连接起来，并且制动器68将托架部件49及环形齿轮部件54与变速器外壳80连接起来。因为第一恒星齿轮部件22和托架部件29被迫以与输入部件17相同的速度和方向旋转，所以第一行星齿轮组的所有部件，包括第一组和第二组小齿轮部件27，28以及第二恒星齿轮部件32都以相同的速度，并且以与输入部件相同的方向旋转。恒星齿轮部件42还在与输入部件相同的方向上旋转。托架部件49和环形齿轮部件54不旋转。环形齿轮部件44以由恒星齿轮部件42的速度以及行星齿轮组40的环形齿轮/恒星齿轮的齿数比所确定的某一速度进行旋转，但旋转方向与输入部件17及恒星齿轮部件42的旋转方向相反。恒星齿轮部件52以与环形齿轮部件44相同的速度旋转。托架部件59以与输出轴19相同的速度旋转。托架部件59和因而输出轴19以某一速度旋转，该速度由恒星齿轮部件52的速度以及行星齿轮组50的环形齿轮/恒星齿轮的齿数比确定。假设在以下齿数下，第二恒星齿轮部件32对输入轴17的速度比为1.0∶第一恒星齿轮部件具有49个齿，第一组小齿轮部件各具有31个齿，第二组小齿轮部件各具有31个齿，并且第二恒星齿轮部件具有45个齿。还可利用以下齿数：恒星齿轮部件42具有31个齿，小齿轮部件47各具有18个齿，环形齿轮部件44具有67个齿，环形齿轮部件54具有67个齿，小齿轮部件57各具有20个齿，并且恒星齿轮部件52具有27个齿。这导致行星齿轮组40的环形齿轮/恒星齿轮的齿数比为2.16，并且行星齿轮组50的环形齿轮/恒星齿轮的齿数比为2.48。利用行星齿轮组40和50的环形齿轮/恒星齿轮的齿数比可确定倒档速度比的数值。

利用离合器66和制动器68的接合可建立第一前进速度比。离合器66将托架部件29接地(ground)至变速器外壳80上，并且制动器68将托架部件49及环形齿轮部件54接地至变速器外壳80上。恒星齿轮部件22以与输入轴17相同的速度和相同的方向进行旋转。第一组小齿轮部件27以相反方向旋转。第二组小齿轮部件28与第一组小齿轮部件27啮合，并且在相反方向上获得驱动，该方向是与输入部件17相同的方向。第二组小齿轮部件28在与输入部件17相反的方向上驱动第二恒星齿轮部件32。对于上面论述的样本齿轮计数，第二恒星齿轮部件32的速度对输入部件17的速度比为-1.09，但是对于不同的齿轮计数，其可设置为-1.0，以产生相等的前进和倒档比。恒星齿轮部件42还在与输入轴17相反的方向上，但以与恒星齿轮部件32相同的速度旋转。托架部件49和环形齿轮部件54不旋转。环形齿轮部件44以与恒星齿轮部件52相同的速度旋转。环形齿轮部件44以某一速度旋转，该速度由恒星齿轮部件的速度以及行星齿轮组40的环形齿轮/恒星齿轮的齿数比来确定。托架部件59以与输出轴19相同的速度旋转。托架部件59以某一速度旋转，该速度由恒星齿轮部件52的速度以及行星齿轮组50的环形齿轮/恒星齿轮的齿数比来确定。利用行星齿轮组20，40和50的环形齿轮/恒星齿轮的齿数比可确定第一前进速度比的数值。

利用离合器60和制动器68的接合可建立第二前进速度比。离合器60将环形齿轮部件44(并通过互连部件74将恒星齿轮部件52)连接到输入轴17上。制动器68将托架部件49(并通过互连部件72将环形齿轮部件54)连接到固定外壳80上。恒星齿轮部件22在与输入轴17相同的方向上旋转，并在相反方向上驱动小齿轮部件27。小齿轮部件27则在与输入轴17相同的方向上驱动小齿轮部件28。恒星齿轮部件32在与输入部件相反的方向上受到17环形齿轮部件44的驱动；因此恒星齿轮部件32也在与输入部件17相反的方向上旋转。环形齿轮部件44和恒星齿轮部件52以与输入轴17相同的速度旋转。托架部件59以与输出轴19相同的速度旋转。托架部件59和因而输出轴19以某一速度旋转，该速度由环形齿轮部件54的速度、恒星齿轮部件52的速度以及行星齿轮组50的环形齿轮/恒星齿轮的齿数比来确定。由行星齿轮组50的环形齿轮/恒星齿轮的齿数比可确定第二前进速度比的数值。

利用离合器60和制动器66的接合可建立第三前进速度比。离合器60将输入部件17连接到环形齿轮部件44及恒星齿轮部件52上，并且制动器66将托架部件29连接到固定外壳80上。第一恒星齿轮部件22以与输入轴17相同的速度和相同的方向进行旋转。恒星齿轮部件22在相反方向上驱动第一组小齿轮27，其则在与输入轴17相同的方向上驱动第二组小齿轮28。第二恒星齿轮部件32在与输入轴17相反的方向上受到驱动，并因此，恒星齿轮部件42也在与输入轴17相反的方向上，并以与恒星齿轮部件32相同的速度进行旋转。环形齿轮部件44和恒星齿轮部件52以与输入轴17相同的速度旋转。托架部件49以与环形齿轮部件54相同的速度旋转，该速度由行星齿轮组40的齿数和恒星齿轮部件42及环形齿轮部件44的速度来确定。托架部件59以与输出轴19相同的速度旋转。托架部件59和因而输出轴19以某一速度旋转，该速度由环形齿轮部件54的速度、恒星齿轮部件52的速度以及行星齿轮组50的环形齿轮/恒星齿轮的齿数比来确定。利用行星齿轮组20的齿数以及行星齿轮组40和50的环形齿轮/恒星齿轮的齿数比可确定第三前进速度比的数值。

利用离合器60和制动器67的接合可建立第四前进速度比。离合器60将环形齿轮部件44(并因而通过互连部件74将恒星齿轮部件52)连接到输入轴17上。制动器67将恒星齿轮部件32及42连接到变速器外壳80上。恒星齿轮部件32和42并不旋转。环形齿轮部件44(和恒星齿轮部件52经由互连部件74)以与输入轴17相同的速度旋转。托架部件49以与环形齿轮部件54相同的速度旋转。托架部件59以与输出轴19相同的速度旋转。托架部件59和因而输出轴19以某一速度旋转，该速度由环形齿轮部件54的速度、恒星齿轮部件52的速度以及行星齿轮组50的环形齿轮/恒星齿轮的齿数比来确定。利用行星齿轮组50的环形齿轮/恒星齿轮的齿数比可确定第四前进速度比的数值。

利用离合器60和62的接合可建立第五前进速度比。离合器60将环形齿轮部件44及恒星齿轮部件52与输入部件17连接起来，并且离合器62将托架部件49及环形齿轮部件54与输入部件17连接起来。因为托架部件49和环形齿轮部件44以输入部件17的速度旋转，所以整个行星齿轮组40以输入部件17的速度旋转。类似地，因为恒星齿轮部件52和环形齿轮部件54以输入部件17的速度旋转，所以整个行星齿轮组50以输入部件17的速度旋转。因此，输出部件19以输入部件17的速度旋转，使得第五前进速度比的数值为一。

利用离合器62和制动器67的接合可建立第六前进速度比。离合器62将托架部件49及环形齿轮部件54与输入轴17连接起来，并且制动器67将恒星齿轮部件32及42与变速器外壳80连接起来。恒星齿轮部件32和42并不旋转。托架部件49和环形齿轮部件54以与输入轴17相同的速度旋转。这样环形齿轮部件44以由行星齿轮组40的环形齿轮/恒星齿轮齿数比所确定的速度进行旋转。环形齿轮部件44以与恒星齿轮部件52相同的速度旋转。托架部件59以与输出轴19相同的速度旋转。托架部件59和因而输出轴19以某一速度旋转，该速度由环形齿轮部件54的速度、恒星齿轮部件52的速度以及行星齿轮组50的环形齿轮/恒星齿轮的齿数比来确定。利用行星齿轮组40和50的环形齿轮/恒星齿轮的齿数比可确定第六前进速度比的数值。

利用离合器62和制动器66的接合可建立第七前进速度比。离合器62将托架部件49及环形齿轮部件54与输入轴17连接起来，并且制动器66将托架部件29与变速器外壳80连接起来。如上面关于第一速度比值所述，恒星齿轮部件32以与输入轴17相反的方向旋转。托架部件49和环形齿轮部件54以与输入轴17相同的速度旋转。环形齿轮部件44以与恒星齿轮部件52相同的速度旋转，该速度由行星齿轮组40的环形齿轮/恒星齿轮的齿数比、托架部件49的输入速度以及恒星齿轮部件32的速度来确定，托架部件49的输入速度由离合器62确定，恒星齿轮部件32的速度由行星齿轮组20的环形齿轮/恒星齿轮的齿数比确定。托架部件59以与输出轴19相同的速度旋转。托架部件59和因而输出轴19以某一速度旋转，该速度由环形齿轮部件54的速度、恒星齿轮部件52的速度以及行星齿轮组50的环形齿轮/恒星齿轮的齿数比来确定。利用行星齿轮组20，40和50的环形齿轮/恒星齿轮的齿数比可确定第七前进速度比的数值。

如上所述，在图2A的真值表中显示了用于扭矩传递机构的接合一览表。这个真值表还提供了速度比的一个示例，这些速度比可利用上面论述中作为示例而给出的齿数和环形齿轮/恒星齿轮的齿数比而得到。另外，图2B的图表描述了利用给定的样本齿数和齿数比而获得的比阶(ratio step)。例如，在第一前进速度比和第二前进速度比之间的阶比(step ratio)是1.98，而在倒档比和第一前进速度比之间的阶比为-1.09。应该注意，单阶(step)和双阶前进比互换具有单跃迁变化。

图1的变速器14提供了一种通过双恒星第一行星齿轮组20而用于在第二恒星齿轮部件32和输入部件17之间取得相等数量的速度比的独特机构，但在变速器倒档速度比(输出部件19对输入部件17的速度比)上与变速器第一前进速度比(输出部件19对输入部件17的速度比)上方向相反。从图2A的真值表中所显示的速度比中可看出，变速器14提供了一种具有大速度比的渐进方案。用于倒档和第一前进速度的变速器速度比在数值上非常接近，但在方向上彼此相反。倒档和变速器第一前进速度比分别是非常大的速度比，为-7.52和6.91。这对于拖曳应用是很有用的。另外，与8.86的宽速度比范围一起提供了相对较均匀地间隔开的比阶。

虽然已经详细介绍了用于实现本发明的最佳模式，但是与本发明相关领域的技术人员应该懂得在附属权利要求的范围内，可制作各种备选设计和实施例来实践本发明。