CN1032973A - 电控(或液控)的差动变速器 - Google Patents

Abstract

电控(或液控)的差动变速器，属于机械传动中的 变速装置。该变速器由差动变速机构，倒挡机构、壳 体及制动轮等组成，适合于需要变换传动速比的机械 使用，特别适用于中小型汽车。该变速器的所有齿轮 为常啮合状态，它没有变速杆，换挡时不需要拨动齿 轮。它的操作采用电控或液控，也可以用机械或手工 操作。该变速器还具有结合、分离动力的功能，使用 它的机械可以不设置离合器。

Description

本发明属于机械传动中的变速装置，用于需要变换传动速比的机械，特别适用于中小型汽车、拖拉机等运输机械作变速使用。

在需要变换速比的机械中，变速器是一个重要的部件。传统的齿轮变速器，都需要用手工拨动齿轮，改变齿轮传动比，来达到变换输出转速和扭矩的目的。由于不少机械的工况是经常发生变化的，必须频繁的进行变速操作。因为要拨动齿轮，就使得现有齿轮变速器存在许多难以克服的缺点。如操纵机构复杂、操作难度大，不能远矩离操作，无法进行电控和液控等。它对驾驶员的技术要求高，操作劳动强度大。在车辆行进中换档时，主被动齿轮的切线速度要一致，变速杆的操作就必须恰当的与离合器、油门配合才能顺利进行。特别是高速挡换到低速挡，车辆在下坡时换挡，操作更为复杂，稍有不慎就发生打齿、发响、挂不上挡、脱挡等问题，甚至损坏机件，导致发生安全事故。近年来尽管对传统的变速器已作过很多改进，但上述的缺点终未得到根本的解决。

改进现有的齿轮变速器，早已引起人们的极大兴趣，并且做了许多研究和探索，提出过一些新的齿轮传动方案。如85108083号专利“双差速轮系惯性无级变速器”，提出用两组串联的差速器作为变速器，省去了拨动齿轮变速的麻烦。如株式会社小松制作所在86100093号专利中提出以行星齿轮传动系统作为车辆的变速器，以切换不同行星齿 轮组的方法，达到不用变速杆变速的目的。但是，前者因为变速范围还不能满足车辆的需要，后者结构复杂，径向尺寸大，制造较难，只能用于大吨位卡车，不能在中小车辆特别是轻型车辆上使用。

本发明的任务是设计一种不必拨动齿轮的、无变速杆的、结构较为简单、重量轻、制造成本不高、操纵方便的变速器，较为彻底的改进传统的齿轮变速箱，克服它固有的缺点，开辟一条用按钮或开关控制变速的操作方法。它既可以用电或液压控制，也可以用机械或手工操作，既可用它对现有车辆进行改造，也可用它开发性能优异的新产品。

本发明的原理是用一种新的差动传动方案，合理的组合传动机构，使所有处于常啮合状态的齿轮无需拨动就能改换传动路线，达到改变传动比的目的。

本发明的图3的方案，除变速操作变得很简单外，还具有结合和分离动力的功能，采用这种变速器的机械，可以省去离合器。

本变速器的传动原理如附图1。

输入轴（1）上开有齿轮。在行星轮架上安装着3个行星轮轴（10），每个行星轮轴上套装着齿轮（7）、（8）、（9）和（11）组成的4联齿轮，齿轮（11）和输入轴（1）齿轮、输出轴齿轮（13）同时啮合。齿轮（9）和齿轮（22）啮合。齿轮（8）和齿轮（24）啮合。齿轮（7）和齿轮（25）啮合。齿轮（9）、（8）、（7）它们各自都通过制动套（28）、（27）、（26）互相套装在一起，可以转动。各自的制动套上都安装着1个制动轮（4）、（3）、（2）。行星轮架（6）的支承套上 也安装着制动轮（5）。输出齿轮（13）套装在输出轴（17）上，输出轴上安装着滑动牙嵌（21），它可在输出轴的花键上左右移动，平时被弹簧（19）压向左端，和输出齿轮（13）结合。电磁铁活动衔铁（15）连着拨叉（11），电磁铁（16）通电时，可吸动活动衔铁带动拨叉，将活动牙嵌（21）拨向右端，与输出齿轮（13）分离，和外牙嵌（20）结合。

变速器体（23）和后盖（18）用螺钉连接为一体。输入轴（1）和4个制动轮通过轴承安装在变速器的前端。输出轴（17）通过轴承安装在后盖（18）内，通出变速器外。输入轴与输出轴在壳体内的轴端互相用轴承（12）支撑。

下面结合    图1对本发明的传动原理进行叙述。

空挡：制动轮（2）、（3）、（4）、（5）均未加制动，处于自由状态。原动机的动力经输入轴?）使其轴上齿轮旋转，带动齿轮（11）作反向旋转。此时输出齿轮（13）因有载荷不能跟随转动，故齿轮（11）绕输出齿轮（13）滚动，带动行星轮轴（10）反向转，行星轮架（6）作反向旋转。齿轮（9）、（8）、（7）带动齿轮（22）、（24）、（25）及制动轮（2）、（3）、（4）空转。此时输出齿轮（13）为静止状态，输出轴（17）无转速输出。

第4挡（即直接传动挡）：此时将制动轮（5）制动，使行星轮架（6）处于固定状态。制动轮（2）、（3）、（4）均处在自由状态。动力经输入轴（1）齿轮，带动齿轮（11）自转。齿轮（22）、（24）、（25）被齿轮（9）、（8）、（7）带动作正向旋转。齿轮（11）带动输出齿轮（13）、输出轴（17）正向旋转。因 输出齿轮（17）是与输入轴（1）齿轮齿数摸数相同的，故输入转速与输出转速也是相同的。

第3挡：此时应将制动轮（4）制动，齿轮（25）处于固定状态、制动轮（2）、（3）、（5）均在自由状态。动力经输入轴（1）齿轮，带动齿轮（11）反向旋转，齿轮（7）绕齿轮（25）滚动，这时使得齿轮（11）既在作较低速度的公转，又在作较高速度的自转，这两种转速的合成使输出齿轮（13）输出轴（17）得到较第4挡低一些的正向转速。齿轮（8）、（9）带动齿轮（24）、（22）及他们的制动轮空转。制动轮（5）也由齿轮（7）带动空转。

第2挡：此时应将制动轮（3）制动，使齿轮（24）处于固定状态，制动轮（2）、（4）、（5）均在自由状态。动力经输入轴（1）齿轮，带动齿轮（11）反向旋转，齿轮（8）绕齿轮（24）滚动，使齿轮（11）作与第3挡相同公转和自转，不同的是公转要高于第3挡，自转要低于第3挡，因而输出齿轮（13）、输出轴（17）得到较第3挡低一些的正向转速。其他齿轮情况和第3挡相似。

第1挡：此时应将制动轮（2）制动，使齿轮（22）处于固定状态，制动轮（3）、（4）、（5）均处于自由状态，动力经输入轴（1）齿轮，带动齿轮（11）反向旋转，齿轮（9）绕齿轮（22）滚动，使齿轮作与第2挡相同的公转和自转，不同的是公转更高，自转更低，因而使输出齿轮（13）、输出轴（17）得到比第2挡更慢的第一挡转速。

倒挡：此时首先应使电磁铁（16）通电，吸动活动衔铁（15），带动拨叉（14）把活动牙嵌向后拉动，使输出轴（17）与输出齿轮（13）分离，与外牙嵌（20）结合。 之后，在制动轮（5）处于自由状态的情况下，制动制动轮（2）或（3）或（4）其中1个。此时动力经输入轴（1）齿轮，带动齿轮（11）反向旋转，齿轮（7）或（8）或（9）便绕（25）或（24）或（22）滚动，便可得到行星轮架（6）3个不同的反转速度（请参见第3挡、2挡、1挡、不再重述）。由于外牙嵌是直接固定到行星轮架（6）上的，因而活动牙嵌（21）、输出轴（17）便可得到速度不同的三种倒挡速度。输出齿轮（13）空转。一般的车辆只需1个倒挡，可以根据需要选用一种合适的倒挡。其余只要在控制电路上不要把电磁铁（16）接入电源不用就可以了。

综上说述，只要将制动轮（2）、（3）、（4）、（5）其中任何一个处于制动状态，且制动力矩大于输出轴（17）上的阻力所反映到该制动轮的阻力矩时，在输出轴上便可得到相应的输出转速和扭矩。全部放松所有制动轮时，输出轴上无转速输出。如能将制动轮的放松状态逐步的过渡到制动状态，则输出轴上便可得到逐渐加大的扭矩和转速，这就是该变速器能够具有离合器功能的原理。

图2和    图3是本变速器和操作机构一体化的两种结构图。

变速器的操作。

根据上述原理和基本结构，本变速器的操作就是对制动轮（2）、（3）、（4）、（5）分别的进行制动。具体的制动方法，应根据不同的机械来确定。现在提供2种供汽车使用的操作机构，见    图2和    图3。

图2是用电控棘轮控制的变速器。在2个支点轴（29）上，共 套装着4个由电磁铁控制和棘轮（31）。当电磁铁通电时，电磁铁拉动拉杆（34），把棘轮爪卡入制动轮的凹槽（30），使其制动轮固定，输出轴（17）上便有相应的转速输出。当电磁铁断电时，棘轮在弹簧（33）的作用下，把棘轮爪退出凹槽，制动轮恢复自由状态，输出轴无转速输出。这种方案完全采用电控，结构简单可靠，体积也较小，除控制电路外，无需其他的附属设施。由于制动的自由到固定是突变的，需要在变速器前设置离合器，避免车辆起步和换挡时发生冲击。这种结构主要用于对现有车辆的改造，利用现有离合器较为方便的使用本变速器。

图3的变速器是液压控制的，倒挡可用电控，也可用液控。该控制机构为液压制动离合器。三个支点轴（45）上固定着3个固定压盘（44）和4个活动压盘（43），它们之间安装着制动磨擦片（35），通过花键连接于制动轮（2）、（3）、（4）及（5）上。2组液控压紧缸由底板（40）、内缸（39）、外缸（37）、环状活塞（38）及密封垫片（41）等组成。液压油通过4个接头（46）把液压油通向环状活塞和密封垫片的后面，推动环状活塞（38）及活动压盘（43），压紧制动磨擦片（35）。液压油切断后，靠3个回位弹簧（36）把活动压盘和环状活塞拉回原位，恢复制动磨擦片的放松状态。这种控制机构每挡都可在无冲击下进行换挡，除起步时需要和操纵机构配合外，其余各种挡位和停车均不需要与任何机构配合。因而完全可以省去离合器，输入轴（1）直接与发动机连结。操作时只需按动电钮就可随意换挡，操作变得十分简单，这在高速车和舒 适性要求较高的车辆上，它的优越性是能充分显示的。还有其它的许多控制方法，如机械制动控制，机械控制和手工控制等，本变速器均可根据具体要求和使用条件而确定控制方法。在现有技术中这些都是不难解决的，故不再多加叙述。

关于扩大本变速器应用范围的问题。

图1、    图2和    图3只提供了原理及2种操作机构的具体结构，但实际应用中还远远不止该图所限制的范围。现将主要的变型和扩大应用介绍如下：

1.可以增加或减少变速器的挡位。在实施中如需多于或少于4个前进挡位，可以根据需要采用增加或减少齿轮（7）、（8）、（9）和齿轮（25）、（24）、（22）数量的方法，根据转速需要设计他们的传动比，即可得到要求的前进和倒车挡位。

2.可以扩大变速的范围。如需输出转速高于输入转速时，可按    图4的方法，将输出齿轮（13）设计得小于输入轴（1）齿轮，并把齿轮（11）改为只与输入轴（1）齿轮啮合，另外增加齿轮（47）与输出齿轮（13）啮合，便可得到高于转速的输出转速。

3.在不需要倒挡时，可以把输出齿轮（13）直接固定到输出轴（17）上，省去倒挡机构的所有另件;在只需要倒挡并需变速时，可以按    图5的方法改进传动方案。使得结构更为简单，轴向长度更为缩短。

实施例：

现以BJ-130汽车为例，说明具体的实施方案，见    图2和    图3。

BJ-130汽车发动机最高转速为4000转/分，原设计传动比为：1挡6.09，2挡3.09，3挡1.78，4挡1，倒挡4.95。

1.实施方案的齿轮齿数是：输入轴（1）齿轮和输出齿轮（13）均为15齿，齿轮（11）为25齿，齿轮（9）为18齿，齿轮（22）为21齿，齿轮（8）为16齿，齿轮（24）为24齿，齿轮（7）为12齿，齿轮（25）为27齿。

2.经上述齿轮组，得到如下的传动比：

${\mathrm{1挡\; i}}_1=\frac{n}{\frac{n}{(\frac{Z_{\mathrm{22}}}{Z_9})}}=\frac{\mathrm{4000}}{\mathrm{4000\; -}\frac{\mathrm{4000}}{(\frac{\mathrm{21}}{\mathrm{18}})}}\mathrm{\approx 6.88}$

式中，n-发动机最高转速    转/分

Z₂₂-齿轮（22）的齿数（其余各注脚含义相同，下略）

${\mathrm{2挡\; i}}_2=\frac{n}{\mathrm{n-}\frac{n}{(\frac{Z_{\mathrm{24}}}{Z_8})}}=\frac{\mathrm{4000}}{\mathrm{4000-}\frac{}{(\frac{\mathrm{24}}{\mathrm{16}})}}\mathrm{\approx 3}$

${\mathrm{3挡\; i}}_3=\frac{n}{\mathrm{n-}\frac{n}{(\frac{Z_{\mathrm{25}}}{Z_7})}}=\frac{\mathrm{4000}}{\mathrm{4000-}\frac{\mathrm{4000}}{(\frac{\mathrm{27}}{\mathrm{12}})}}\mathrm{\approx 1.8}$

4挡 i₄= (n)/(n₁) = 4000/4000 = 1

式中，n₁-输出转速 转/分

倒挡利用前进第3挡时行星轮架（6）的反转转速。

i倒 = (Z₁₁)/(Z₁) · (Z₂₅)/(Z₇) = 25/15 × 27/12 ≈3.76

倒挡传动比略小于原设计要求，倒车速度比原设计快一些，参照其它小型车，不会影响使用，故可以采用。

3.控制机构可以采用    图2或    图3任选一种。用于改造原车时推荐采用    图2的结构，用于开发新产品时，推荐采用    图3的结构。

勘误表

Claims (10)

1、一种电控(或液控)的差动变速器，该变速器的特征在于：输入轴(1)上开有齿轮和输出轴(17)由轴承(12)支撑于同一中心线上。制动轮(2)、(3)和(4)通过制动套(28)、(27)、(26)与齿轮(22)、(24)和(25)分别固接，并互相套装在一起，再套装在输入轴(1)上；制动轮(5)和行星轮架(6)固接，并套装在制动套(26)上；行星轮架(6)上，固装有3个行星轮轴(10)；每个行星轮轴上套装有由齿轮(7)、(8)、(9)和(11)组成一体结构的4联齿轮，齿轮(7)与齿轮(25)啮合，齿轮(8)与齿轮(24)啮合，齿轮(9)与齿轮(22)啮合，齿轮(11)与输入轴(1)齿轮及输出齿轮(13)同时啮合；输出轴(17)上套装输出齿轮(13)，并开有花键齿，花键套(21)套装在输出轴上，由拨叉(11)所拨动，被弹簧(19)压向左端与输出齿轮(13)的外花键联接；行星轮架(6)上固接内花键(20)；后盖(18)上安装电磁铁(16)，活动衔铁(15)与拨叉(11)连接；行星轮架(6)、输出轴(17)通过轴承安装在壳体(23)和后盖(18)组成的箱体内。

2、根据权利要求1所述的变速器，其特征在于所述输入轴（1）和输出轴（17）、输出齿轮（13）、齿轮（22）、（24）、（25）、行星轮架（6）的中心线位于同一直线上，齿轮（22）、（24）、（25）可以多于或少于3个。

3、根据权利要求1所述的变速器，其特征在于所述各行星轮轴（10）的中心线在行星轮架（6）上分布的位置是在同一园周上;行星轮轴（10）和行星轮组的组数可以多于或少于3个;每鲂行锹肿榭捎沙萋郑?）、（8）、（9）组合而成，也可为一体结构，齿轮（7）、（8）、（9）和（11）可以多于或少于4个。

4、根据权利要求1所述的变速器，其特征在于由所述输入轴（1）齿轮、齿轮（11）、输出齿轮（13）所组成的差动轮系，齿轮（11）可以自转和围绕输入轴（1）、输出轴（17）园心公转，速度和方向可由输入轴（1）、行星轮架（6）及齿轮（7）、（8）、（9）的转速方向所改变。

5、根据权利要求1所述的变速器，其特征在于由所述输出齿轮（13），输出轴（17），花键套（21）、内花键（20）所组成的倒档机构，由电磁铁（16），活动衔铁（15）或者由液压缸的活塞驱动拨叉（11）所拨动。

6、根据权利要求1或4所述的变速器，其特征在于所述输入轴（1）齿轮，输出齿轮（13）的齿数可以不相等，齿轮（11）可以由2个齿数不同的齿轮所组成。

7、根据权利要求1所述的变速器，其特征在于所述的制动轮（2）、（3）、（4）和（5），可以用内涨式制动器，外抱式制动器，端面盘式制动器、干式或湿式制动离合器控制，也可用其他的电、液、机械或手工控制。

8、根据权利要求1或7所述的变速器，其特征在于所述制动轮（2）、（3）、（4）和（5），可用由制动磨擦片（35）、固定压盘（44）、活动压盘（43）及液控压紧缸组成的液压制动离合器控制;液控压紧缸由底板（40）、外缸（39）、内缸（37）、环状活塞（38）、密封垫片（41）和接头（46）等所组成。

9、根据权利要求1或7所述的变速器，其特征在于所述制动轮（2）、（3）、（4）和（5）可以通过制动轮凹槽（30）、拉杆（34）、销（32），由电磁铁或液压缸活塞所控制。

10、根据权利要求1所述的变速器，其特征在于可以将行星轮（6）与输出轴（17）固接，增加齿轮（48），省去输出齿轮（13）和全部倒档机构，由输出轴（17）输出与输入方向相反的转速。

Images