CN112377593A - 双级行星齿轮回流式液压机械无级传动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双级行星齿轮回流式液压机械无级传动系统，包括动力输入装置、档位变速装置、行星排组合、液压回流装置和动力输出装置，所述动力输入装置包括受发动机带动的输入轴，所述液压回流装置包括变量泵和液压定量马达，所述行星排组合包括由第一行星架、第一太阳轮、第一行星轮和第一齿圈组成的第一行星排以及由第二行星架、第二太阳轮、第二行星轮和第二齿圈组成的第二行星排。采用本发明提供的双级行星齿轮回流式液压机械无级传动系统，本双级行星齿轮回流式液压机械无级传动系统在扭矩特性和效率特性方面更具优势，同时回流传动速比变化范围更宽、变矩比更大，并且能够实现正反两向无级调速，调速范围大。

Description

双级行星齿轮回流式液压机械无级传动系统

技术领域

本发明涉及机械传动技术领域，具体涉及一种双级行星齿轮回流式液压机械无级传动系统。

背景技术

无级变速传动(CVT)是世界公认的一种理想的传动形式，它能使车辆一直工作在理想的工作区域，大大提高了车辆的经济性。与有级档位的机械传动相比，无级变速传动具有更宽的速比变化范围，使得车辆在不同工作环境的适应能力更出色。

以液压泵-马达为代表的液压无级传动因为液压元件尺寸小、重量轻以及相比其它形式的无级传动(机械摩擦式、液力、电力)有较为突出的优势，而受到广泛关注。但是，现有的以液压泵-马达为代表的液压无级传动相比有级的机械式传动，存在传动效率较低和成本较高的问题。

传统的串联式液压无级变速传动结构由发动机、液压泵-马达、档位变速装置组成。虽然这种结构能够实现无级变速，但由于系统的所有功率都通过低效率元件(液压泵-马达)，导致整体效率低，工作不理想。

目前普遍运用于工程特种车辆、农用车辆的并联式液压机械无级变速传动结构由发动机、液压泵-马达、档位变速装置和行星排组成。但是由于结构设计问题，同样也存在整体效率低，工作不理想的缺陷。

发明内容

为解决以上的技术问题，本发明提供了一种双级行星齿轮回流式液压机械无级传动系统。

其技术方案如下：

一种双级行星齿轮回流式液压机械无级传动系统，其要点在于，包括动力输入装置、档位变速装置、行星排组合、液压回流装置和动力输出装置，所述动力输入装置包括受发动机带动的输入轴，所述液压回流装置包括变量泵和液压定量马达，所述行星排组合包括由第一行星架、第一太阳轮、第一行星轮和第一齿圈组成的第一行星排以及由第二行星架、第二太阳轮、第二行星轮和第二齿圈组成的第二行星排；

当液压回流装置的排量比ε＞0时，第一行星排打开、第二行星排闭锁；所述输入轴输出功率通过第一行星架传递给第一行星轮，所述第一行星轮将其中部分功率依次通过第一齿圈和档位变速装置传递给动力输出装置，由动力输出装置向外输出，该第一行星轮将剩余部分功率依次传递给第一太阳轮、变量泵和液压定量马达后传递回输入轴，与发动机输出给输入轴的功率进行耦合，其中，所述第一行星轮传递给动力输出装置的功率大于第一行星轮传递给变量泵的功率；

当液压回流装置的排量比ε＜0时，第一行星排闭锁、第二行星排打开；所述输入轴输出功率依次通过第一行星架、第一行星轮和第二齿圈传递给第二行星轮，所述第二行星轮将其中部分功率依次通过第二行星架和档位变速装置传递给动力输出装置，由动力输出装置向外输出，该第二行星轮将剩余部分功率依次传递给第二太阳轮、变量泵和液压定量马达后传递回输入轴，与发动机输出给输入轴的功率进行耦合，其中，所述第二行星轮传递给动力输出装置的功率大于第二行星轮传递给变量泵的功率。

采用以上结构，针对车辆传动，能够实现正反两向无级调速，且调速范围大；当液压回流装置的排量比ε＞0时，第一行星排打开、第二行星排闭锁，发动机输出给输入轴的大部分输入功率经第一行星架、第一行星轮和第一齿圈传递给动力输出装置，形成机械传动路径，而小部分功率则通过第一行星轮依次传递给第一太阳轮、变量泵和液压定量马达后回流到输入轴进行动力耦合，形成液压传动回流路径；当液压回流装置的排量比ε＜0时，第一行星排闭锁、第二行星排打开，发动机输出给输入轴的大部分输入功率经第一行星架、第一行星轮、第二齿圈、第二行星轮和第二行星架传递给动力输出装置，形成机械传动路径，而小部分功率则通过第二行星轮依次传递给第二太阳轮、变量泵和液压定量马达后回流到输入轴进行动力耦合，形成液压传动回流路径；正反两向无级调速均形成两个功率传动路径，大幅降低了功率损失，同时，利用液压传动回流路径的特性使所述整个系统获得低速增扭的效果。

作为优选：所述第一行星架的一端输入轴连接，另一端与第一行星轮连接，所述第二齿圈的一端与第一行星轮连接，另一端与第二行星轮啮合，所述第二行星架的一端与第二行星轮连接，另一端与档位变速装置连接，所述输入轴穿过变量泵后与液压定量马达连接，所述液压定量马达与变量泵连接，所述第一太阳轮和第二太阳轮均与变量泵连接。采用以上结构，正反两向无级调速均能够稳定可靠地进行两路传动。

作为优选：所述变量泵上设置有用于输入功率的中心套，所述第一太阳轮和第二太阳轮均同步转动地连接在中心套上，所述输入轴穿过中心套后与液压定量马达连接。采用以上结构，能够保证传动稳定可靠地同时，结构更加紧凑。

作为优选：所述档位变速装置包括与第一齿圈同步转动的第一变速主动齿轮、与第一变速主动齿轮啮合的第一变速从动齿轮、与第二行星架同步转动的第二变速主动齿轮以及与第二变速主动齿轮啮合的第二变速从动齿轮，所述第一变速从动齿轮能够通过第一离合器将功率传递给动力输出装置，所述第二变速从动齿轮能够通过第二离合器将功率传递给动力输出装置。采用以上结构，档位变速装置设置在动力输出装置之前，减小了传动过程中的功率损失，提高了传动效率，同时能够通过第一离合器和第二离合器进行可靠的动力路径切换。

作为优选：所述第一变速主动齿轮与第一齿圈一体成型，所述第二变速主动齿轮与第二行星架一体成型。采用以上结构，结构强度高，稳定可靠，同时减少了零部件，降低了成本。

作为优选：所述动力输出装置包括输出轴，该输出轴能够受第一离合器或第二离合器带动。采用以上结构，稳定可靠地保证动力输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本双级行星齿轮回流式液压机械无级传动系统能够实现正反两向无级调速，且调速范围大；

2、与现有的回流式液力机械无级传动装置相比，本双级行星齿轮回流式液压机械无级传动系统在扭矩特性和效率特性方面更具优势，低速增扭的特性对于工程特种车辆、农用车辆等车型有着重要的应用价值；

3、与现有的分流传动结构进行对比，本双级行星齿轮回流式液压机械无级传动系统的回流传动速比变化范围更宽、变矩比更大(对外做功能力更强)，虽然效率与分流传动略有差距，但通过结构特点与变量泵-马达的可控性，能够减小二者的效率差，甚至使二者的效率相等。

附图说明

图1为本发明的原理简图；

图2为本发明的工作原理图；

图3为ε＞0时本发明的系统功率流传递图；

图4为ε＜0时本发明的系统功率流传递图；

图5为ε＞0时封闭行星传动的结构示意图；

图6为ε＜0时封闭行星传动的结构示意图；

图7为ε＞0时本发明的基础特性曲线；

图8为ε＜0时本发明的基础特性曲线。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图1-图6所示，一种双级行星齿轮回流式液压机械无级传动系统，其主要包括动力输入装置1、档位变速装置2、行星排组合3、液压回流装置4和动力输出装置5，动力输入装置1包括受发动机1a带动的输入轴1b，液压回流装置4包括变量泵4a和液压定量马达4b，行星排组合3包括由第一行星架3a、第一太阳轮3b、第一行星轮3c和第一齿圈3d组成的第一行星排以及由第二行星架3e、第二太阳轮3f、第二行星轮3g和第二齿圈3h组成的第二行星排。

当液压回流装置4的排量比ε＞0时，第一行星排打开、第二行星排闭锁(第一离合器2c处于结合状态，第二离合器2f处于断开状态)；输入轴1b输出功率通过第一行星架3a传递给第一行星轮3c，第一行星轮3c将其中部分功率依次通过第一齿圈3d和档位变速装置2传递给动力输出装置5，由动力输出装置5向外输出，这一传动路径形成机械传动路径；第一行星轮3c将剩余部分功率依次传递给第一太阳轮3b、变量泵4a和液压定量马达4b后传递回输入轴1b，与发动机1a输出给输入轴1b的功率进行耦合，这一传动路径液压传动回流路径。

其中，第一行星轮3c传递给动力输出装置5的功率大于第一行星轮3c传递给变量泵4a的功率。即大部分功率通过机械传动路径进行传递，小部分功率通过液压传动回流路径回流耦合到输入轴1b上，大幅降低了功率损失，同时，利用液压传动回流路径的特性使所述整个系统获得低速增扭的效果。

当液压回流装置4的排量比ε＜0时，第一行星排闭锁、第二行星排打开(第一离合器2c处于断开状态，第二离合器2f处于结合状态)；输入轴1b输出功率依次通过第一行星架3a、第一行星轮3c和第二齿圈3h传递给第二行星轮3g，第二行星轮3g将其中部分功率依次通过第二行星架3e和档位变速装置2传递给动力输出装置5，由动力输出装置5向外输出，这一传动路径形成机械传动路径；第二行星轮3g将剩余部分功率依次传递给第二太阳轮3f、变量泵4a和液压定量马达4b后传递回输入轴1b，与发动机1a输出给输入轴1b的功率进行耦合，这一传动路径液压传动回流路径

其中，第二行星轮3g传递给动力输出装置5的功率大于第二行星轮3g传递给变量泵4a的功率。即大部分功率通过机械传动路径进行传递，小部分功率通过液压传动回流路径回流耦合到输入轴1b上，大幅降低了功率损失，同时，利用液压传动回流路径的特性使所述整个系统获得低速增扭的效果。

请参见图2，第一行星架3a的一端输入轴1b连接，另一端与第一行星轮3c连接，第二齿圈3h的一端与第一行星轮3c连接，另一端与第二行星轮3g啮合，第二行星架3e的一端与第二行星轮3g连接，另一端与档位变速装置2连接，输入轴1b穿过变量泵4a后与液压定量马达4b连接，液压定量马达4b与变量泵4a连接，第一太阳轮3b和第二太阳轮3f均与变量泵4a连接。

变量泵4a上设置有用于输入功率的中心套4c，第一太阳轮3b和第二太阳轮3f均同步转动地连接在中心套4c上，输入轴1b穿过中心套4c后与液压定量马达4b连接，能够保证传动稳定可靠地实现液压传动回流路径，同时结构更加紧凑。

需要指出的是，能够根据实际需求灵活地布置档位变速装置2的位置；当所用车型实际工况更追求大扭矩输出做功，可将档位变速装置设置2设置在机械传动路径；当车辆更注重工作效率，可将档位变速装置2设置在动力输出装置5之前。

本实施例以档位变速装置2设置在动力输出装置5之前为例：

请参见图2，档位变速装置2包括与第一齿圈3d同步转动的第一变速主动齿轮2a、与第一变速主动齿轮2a啮合的第一变速从动齿轮2b、与第二行星架3e同步转动的第二变速主动齿轮2d以及与第二变速主动齿轮2d啮合的第二变速从动齿轮2e，第一变速从动齿轮2b能够通过第一离合器2c将功率传递给动力输出装置5，第二变速从动齿轮2e能够通过第二离合器2f将功率传递给动力输出装置5。其中，第一变速主动齿轮2a与第一齿圈3d一体成型，第二变速主动齿轮2d与第二行星架3e一体成型。动力输出装置5包括输出轴5a，输出轴5a能够受第一离合器2c或第二离合器2f带动。

以下对双级行星齿轮回流式液压机械无级传动系统的基本特性进行说明：

1、速度特性：

对于单行星排所具有的特性：

式(1)中，n_s、n_c和n_r分别表示太阳轮、行星架和齿圈的转速；k为行星排结构参数；M_s、M_r和M_c分别表示太阳轮、行星架和齿圈的转矩；P_s、P_r和P_c分别表示太阳轮、行星架和齿圈传递的功率。

当ε＞0时，闭锁第二行星排，功率经过第一行星排，则：

n_s1+k₁n_r1-(1+k₁)n_c1＝0 (2)

其中n_i＝n_c1＝n_m，n_s1＝n_p，

可得：

同理，当ε＜0时，闭锁第一行星排，功率经过第二行星排，则：

n_s2+k₂n_r2-(1+k₂)n_c2＝0 (4)

其中n_i＝n_r2＝n_m，n_s2＝n_p，

可得：

式(2)、式(3)、式(4)和式(5)中，i_sys为传动系统速比，n_i和n_o分别为输入轴1b转速和输出轴5a转速，i_bx为档位变速装置2第x挡的速比，ε为液压回流装置4的排量比，k₁为第一行星排结构参数，k₂为第二行星排结构参数，n_s1、n_c1、n_r1、n_m和n_p分别表示第一太阳轮、第一行星架、第一齿圈、液压定量马达和变量泵的转速；i_y表示液压系统速比。

2、力矩特性：

液压传动所能传递的力矩不仅受离合器等摩擦环节的打滑限制，还受高压溢流阀所决定的最高油压的限制，即峰值压力。随着外界负载的增加，系统工作压力增大，输出轴转矩M_o增大，液压定量马达4b的输出的转矩M_m也随之增大。当液压定量马达4b输出转矩达到最大值M_mmax时，液压系统通过溢流阀卸载掉多余的压力，出现输出打滑现象。所以，回流式液压机械无级传动的最大输出转矩M_omax取决于液压马达的最大输出转矩M_mmax，通常用M_o/M_m来表示系统的力矩特性。

当ε＞0时，对第一行星排有：

M_s1:M_r1:M_c1＝1:k₁:-(1+k₁) (6)

式(6)中，M_s1、M_r1、M_c1分别表示第一太阳轮、第一行星架和第一齿圈的转矩。

输入转矩M_i与输出转矩M_o关系为：

又有：

在传动系统中，有：M_p＝M_s1，

η_y为液压回流装置4的效率，故：

同理：当ε＜0时，对第二行星排k₂有：

M_s2:M_r2:M_c2＝1:k₂:-(1+k₂) (10)

式(10)中，M_s2、M_r2、M_c2分别表示第二太阳轮、第二行星架和第二齿圈的转矩。

同样，有：M_p＝M_s2，

故：

在车辆传动中变矩系数作为力矩特性的一个重要参数指标，常用

来表示，可以更加直观的得出传动系统输入转矩与输出转矩的关系，从而很好的评价车辆传动系统对外做功的能力。

当ε＞0时，对第一行星排有：

M_s1:M_r1:M_c1＝1:k₁:-(1+k₁) (15)

式(16)中，η_bx表示档位变速装置效率。

由于：M_i+M_m+M_c1＝0； (17)

故：

同理，当ε＜0时，对第二行星排有：

M_s2:M_r2:M_c2＝1:k₂:-(1+k₂) (19)

同样由于：M_i+M_m+M_r2＝0(21)

故：

3、功率分流特性：

在传动系统中，常常用功率分流特性来体现传动路径中功率分配比重，以此调整设计，提高系统效率，一般用

来表示，P_m为马达的输出功率，P_o系统的输出功率。

当ε＞0时，对第一行星排有：

n_s1+k₁n_r1-(1+k₁)n_c1＝0 (23)

M_s1:M_r1:M_c1＝1:k₁:-(1+k₁) (24)

P_m＝P_s1·η_y＝n_s1M_s1·η_y (25)

P_o＝P_r1·η_b1＝n_r1M_r1·η_b1 (26)

故：

同理，当ε＜0时，对第二行星排有：

n_s2+k₂n_r2-(1+k₂)n_c2＝0 (28)

M_s2:M_r2:M_c2＝1:k₂:-(1+k₂) (29)

P_m＝P_s2·η_y＝n_s2M_s2·η_y (30)

P_o＝P_c2·η_b2＝n_c2M_c2·η_b2 (31)

故：

4、效率特性：

如果假设传动轴的刚性连接效率损失为0，那么在本发明的系统中需要考虑效率损失的部件有：档位变速装置2、液压回流装置4、行星排组合3。档位变速装置2一般是由齿轮啮合副构成的变速装置，可取单级外啮合副传动效率η_bx＝0.97。η_y为液压回流装置4的效率，液压元件的效率由转速、排量、压力决定，可以通过试验曲线拟合成函数的形式得出。

在传动系统中，因为的行星排的连接方式多样，传动效率的差别很大，因此不能忽略行星排在传动系统中的效率损失。回流式传动系统满足C-I封闭行星传动结构(请参见图6和图7)，所以回流式传动系统的效率计算如下：

当ε＞0时，对第一行星排，取a、b、I、C分别表示传动系统的第一太阳轮、第一行星架、输入轴和输出轴(第一齿圈)：

ψ^x表示行星架固定时，a-b-C的损失系数，根据计算ψ^x＝0.024，ψ_al、ψ_bI、η_b、η_ib1分别表示a-I路的损失系数、b-I路的损失系数、b-I路的传动效率、档位变速装置传动效率。

当ε＜0时，对第二行星排，取d、e、I、C分别表示传动系统的第二齿圈、第二太阳轮、输入轴和输出轴(第二行星架)：

同理，ψ^x表示行星架固定时，d-e-C的损失系数，ψ^x＝0.024，ψ_dl、ψ_eI、η_e、η_ib2分别表示d-I路的损失系数、e-I路的损失系数、e-I路的传动效率、档位变速装置传动效率。

本发明的基础特性曲线如图7和图8所示。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双级行星齿轮回流式液压机械无级传动系统，其特征在于：包括动力输入装置(1)、档位变速装置(2)、行星排组合(3)、液压回流装置(4)和动力输出装置(5)，所述动力输入装置(1)包括受发动机(1a)带动的输入轴(1b)，所述液压回流装置(4)包括变量泵(4a)和液压定量马达(4b)，所述行星排组合(3)包括由第一行星架(3a)、第一太阳轮(3b)、第一行星轮(3c)和第一齿圈(3d)组成的第一行星排以及由第二行星架(3e)、第二太阳轮(3f)、第二行星轮(3g)和第二齿圈(3h)组成的第二行星排；

当液压回流装置(4)的排量比ε＞0时，第一行星排打开、第二行星排闭锁；所述输入轴(1b)输出功率通过第一行星架(3a)传递给第一行星轮(3c)，所述第一行星轮(3c)将其中部分功率依次通过第一齿圈(3d)和档位变速装置(2)传递给动力输出装置(5)，由动力输出装置(5)向外输出，该第一行星轮(3c)将剩余部分功率依次传递给第一太阳轮(3b)、变量泵(4a)和液压定量马达(4b)后传递回输入轴(1b)，与发动机(1a)输出给输入轴(1b)的功率进行耦合，其中，所述第一行星轮(3c)传递给动力输出装置(5)的功率大于第一行星轮(3c)传递给变量泵(4a)的功率；

当液压回流装置(4)的排量比ε＜0时，第一行星排闭锁、第二行星排打开；所述输入轴(1b)输出功率依次通过第一行星架(3a)、第一行星轮(3c)和第二齿圈(3h)传递给第二行星轮(3g)，所述第二行星轮(3g)将其中部分功率依次通过第二行星架(3e)和档位变速装置(2)传递给动力输出装置(5)，由动力输出装置(5)向外输出，该第二行星轮(3g)将剩余部分功率依次传递给第二太阳轮(3f)、变量泵(4a)和液压定量马达(4b)后传递回输入轴(1b)，与发动机(1a)输出给输入轴(1b)的功率进行耦合，其中，所述第二行星轮(3g)传递给动力输出装置(5)的功率大于第二行星轮(3g)传递给变量泵(4a)的功率。

2.根据权利要求1所述的双级行星齿轮回流式液压机械无级传动系统，其特征在于：所述第一行星架(3a)的一端输入轴(1b)连接，另一端与第一行星轮(3c)连接，所述第二齿圈(3h)的一端与第一行星轮(3c)连接，另一端与第二行星轮(3g)啮合，所述第二行星架(3e)的一端与第二行星轮(3g)连接，另一端与档位变速装置(2)连接，所述输入轴(1b)穿过变量泵(4a)后与液压定量马达(4b)连接，所述液压定量马达(4b)与变量泵(4a)连接，所述第一太阳轮(3b)和第二太阳轮(3f)均与变量泵(4a)连接。

3.根据权利要求2所述的双级行星齿轮回流式液压机械无级传动系统，其特征在于：所述变量泵(4a)上设置有用于输入功率的中心套(4c)，所述第一太阳轮(3b)和第二太阳轮(3f)均同步转动地连接在中心套(4c)上，所述输入轴(1b)穿过中心套(4c)后与液压定量马达(4b)连接。

4.根据权利要求1所述的双级行星齿轮回流式液压机械无级传动系统，其特征在于：所述档位变速装置(2)包括与第一齿圈(3d)同步转动的第一变速主动齿轮(2a)、与第一变速主动齿轮(2a)啮合的第一变速从动齿轮(2b)、与第二行星架(3e)同步转动的第二变速主动齿轮(2d)以及与第二变速主动齿轮(2d)啮合的第二变速从动齿轮(2e)，所述第一变速从动齿轮(2b)能够通过第一离合器(2c)将功率传递给动力输出装置(5)，所述第二变速从动齿轮(2e)能够通过第二离合器(2f)将功率传递给动力输出装置(5)。

5.根据权利要求4所述的双级行星齿轮回流式液压机械无级传动系统，其特征在于：所述第一变速主动齿轮(2a)与第一齿圈(3d)一体成型，所述第二变速主动齿轮(2d)与第二行星架(3e)一体成型。

6.根据权利要求4所述的双级行星齿轮回流式液压机械无级传动系统，其特征在于：所述动力输出装置(5)包括输出轴(5a)，该输出轴(5a)能够受第一离合器(2c)或第二离合器(2f)带动。

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