變速器和等速附件傳動的製作方法
2023-05-07 20:01:41 2
專利名稱：變速器和等速附件傳動的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種變速器和一種利用該變速器的等速傳動，更具體地，本發明涉及一種具有多個與內和外座圈滾動接觸的行星部件的有限變化速比的行星球變速器和一種用於使發動機附件基本上以等速進行工作的帶傳動的等速附件傳動。
背景技術：
汽車發動機總體上包括一定的附件，它們在發動機和汽車的工作中使用。這些附件可以包括動力轉向泵、空調壓縮機、交流發電機、機油泵、燃油泵等。這些附件總體上被纏繞的帶驅動。纏繞的帶嚙合各附件上的以及發動機曲軸上的皮帶輪。發動機曲軸提供力矩以驅動附件。
由於帶被曲軸驅動，所以它必然在汽車的加速和減速過程中受支配於發動機速度的變化。換言之，附件的工作速度直接成比例於發動機的速度。發動機速度的變化引起附件的效率差的工作，因為每個附件必須設計成在整個發動機速度範圍內滿意地工作。這必然意味著效率低於對於大部分速度範圍的最優情況。
代表性的現有技術是1990年Kumm的美國專利No.4,969,857，它公開了一種變速附件傳動機構，該傳動機構具有驅動可變直徑皮帶輪的扁平帶，其中，一個固定至可變直徑皮帶輪的固定直徑皮帶輪用於驅動其它耦聯至附件的帶。
也有代表性的現有技術是1981年McIntosh的美國專利No.4,305,488，它公開了一種汽車附件傳動組件，該組件使一個增速行星齒輪組結合於發動機驅動的承載輸入端。
Kumm的專利代表了一種對問題的特別複雜的響應，它要求在CVT皮帶輪中的多個分件，它們必須同步地工作以合適地完成任務。另外，Kumm的專利不用多肋帶工作，而多肋帶是附件傳動中的卓越的驅動器。
簡單的行星球式無級變速器期望用於減小附件傳動系統的可能的失敗模式以及用於提高壽命。
代表性的現有技術是2002年Milner的美國專利No.6,461,268B1，它公開了一種無級變速器，該類型具有與徑向內和外座圈滾動接觸的行星部件，各座圈包括兩個軸向分開的部件，帶有用於有選擇地改變一個座圈的兩個部件的軸向間隔的控制裝置。
所需要的是一種等速附件傳動，它在使用具有自鎖傳動機構的有限變化速比的行星球式變速器的同時以基本上等速驅動帶傳動附件。本發明滿足這種需要。
發明內容
本發明的首要的方面在於提供一種等速附件傳動，它在使用具有自鎖傳動機構的有限變化速比的行星球式變速器的同時以基本上等速驅動帶傳動附件。
本發明的其它方面通過對本發明的下列描述以及附圖指出或者變得顯而易見。
本發明包括一種有限變化速比的行星球式變速器和一種利用該變速器的等速附件傳動系統，該變速器包括與徑向內和外座圈滾動接觸的行星部件。該變速器在大約0.3至1.0的速比之間是可有限變化的。變速器輸入軸通過傳動帶連接至初級驅動器例如汽車發動機曲軸。該變速器包括至少一個輸出軸，該輸出軸與輸入軸同心。輸出皮帶輪固定至輸出軸。帶嚙合在輸出皮帶輪與各發動機附件之間。變速器輸出軸的第二端可以直接耦聯至安裝在變速器上的發動機附件。一個包括在內的控制系統傳感曲軸速度。一個處理器分析曲軸速度並且相應地用連接至蝸杆傳動機構的步進電動機調整速比，以無論曲軸速度如何均保持恆定的輸出速度。
下面藉助於附圖描述本發明的優選的實施形式，並且與說明書一起用於解釋本發明的原理，附圖結合於說明書中並且形成說明書的一部分。
圖1等速附件傳動系統的示意圖。
圖2變速器的橫截面圖。
圖3最大速比的座圈的局部橫截面圖。
圖4最小速比的座圈的局部橫截面圖。
圖5座圈的局部橫截面圖。
圖6行星架的局部橫截面圖。
圖7從動組件的橫截面圖。
圖8殼體和外座圈的詳圖。
圖9外座圈傳動的詳圖。
圖10變速器的橫截面圖。
圖11串聯的實施形式的透視圖。
圖12串聯的實施形式的局部透視圖。
圖13控制系統的框圖。
圖14改善的汽車性能的圖表。
圖15與曲軸速度相比的附件速度的圖表。
圖16與對於現有技術的比例地受驅動的系統的曲軸速度相比的附件速度的圖表。
圖17變速器的速比的圖表。
圖18示例的歐洲行駛循環的圖表。
具體實施例方式
本發明系統包括顯著減小從動附件的寄生能量損失的等速附件傳動(CSAD)。該系統引起顯著提高的汽車性能和操縱性能，包括汽車驅動輸出力矩和燃油經濟性的提高。
本系統包括用於帶傳動發動機附件系統中的有限變化速比的行星部件變速器，它允許在發送機並且因此曲軸速度連續變化時發動機附件以基本上等速進行工作。通過維持附件帶傳動機構在一個滿足汽車所有需要的最小速度下，即交流發電機提供所需電流並且空調提供所需冷卻的最小速度，該系統顯著減小施加在發動機上的附件力矩負載。這使得更多的輸出力矩可用於汽車推進或者降低維持汽車等速所需的節氣門量(能量)。考慮到各附件皮帶輪的直徑的不同，當最小附件從動速度低於曲軸速度時，實現最優的情況。為了顯示本發明的等速附件傳動系統的優點，汽車加速和燃油消耗描述為性能的指示元素。
圖1顯示等速附件傳動系統的總體布置。主動皮帶輪A連接到初級動力器例如汽車內燃機的曲軸。內燃機實例不作為限制，因為本發明的系統也可用於想要控制或改變相對於主動速度的從動部件速度的幾乎任何情況下。
從動皮帶輪B是在此描述類型的有限變化變速器1000的輸入皮帶輪100。第一連續帶B1嚙合在皮帶輪A與B之間，因此在兩點傳動結構中使主動皮帶輪直接地耦聯到從動皮帶輪。從動皮帶輪B的速度直接隨著主動皮帶輪A的變化而變化。帶B1可以包括在本領域中已知的任何帶斷面，包括多肋的、V帶的和鋸齒形的。
變速器1000通過輸出皮帶輪101驅動多個附件皮帶輪，該輸出皮帶輪通過第二連續帶B2連接到從動附件，各從動附件包括但不限制於交流發電機ALT、水泵WP、動力轉向泵PS。其他附件即空調AC的壓縮機，顯示直接連接到變速器1000並且因此連接到變速器的輸出軸，如在發明書中其他地方描述的。在一種可選擇的布置中，空調壓縮機不需要直接連接到變速器並且可像其他附件一樣與帶B2嚙合地設置在發動機上的其他地方。
已公開的傳動布置使曲軸與各從動附件分離，允許附件的轉動速度與曲軸速度無關地由變速器改變。按這種方式使附件分離用於提高附件和發動機的效率。
帶張緊器T用於張緊帶B2，以便於力矩從變速器輸出到各附件。張緊器T也可包括減震器，該減震器包括如在本領域中已知的非對稱式減震器。
在此描述的變速機構非常緊湊並且是高效率的。這種設計完全不需要或者用於變速器潤滑或者用於其控制的加壓的液壓迴路。
有限變化速比的變速器的說明圖2顯示變速器的橫截面圖及其有利的雙輸出特性。變速器1000包括總體上已知作為無級變速器(CVT)的類型的裝置。該變速器包括與徑向內和外座圈處於滾動接觸的行星部件。每個座圈包括兩個軸向分開的部件或部分。響應於發動機速度的控制裝置用於有選擇地改變外座圈的兩個部件的軸向間隔並且因此改變與座圈處於滾動接觸的行星球部件的徑向位置。行星部件的徑向位置的變化改變了輸出比並且因此改變變速器輸出軸的轉動速度。
對施加至變速器輸入部件的力矩敏感的裝置操作以確定內座圈的兩個部件的間隔的補償變化並且因此確定變速器的速比。力矩敏感裝置也改變在行星部件與座圈之間的、垂直於它們之間的界面N交換的力。在Milner的美國專利No.6,461,268中更完整地描述了該變速器，其公開內容的全部通過引用的方式結合在此。
圖2描述的變速器有時也稱為變化器或有限變化的變速器，該變速器包括殼體5，在該殼體內可轉動地安裝一個行星架14。行星架14包括部分14a和14b。包括輸入軸11的輸入主動部件被同軸地安裝在行星架14內在軸承12和軸承13上。軸承13可包括任何在本領域中已知的合適的軸承，包括但不限制於球軸承和滾針軸承。卡環86使軸承13保持在行星架部分14b中。壓配合環12a使軸承12保持在行星架部分14a中。行星架14可轉動地安裝在殼體5內在軸承46、47上。軸承46、47可包括任何在本領域中已知的合適的軸承例如球軸承或滾針軸承。卡環85使軸承46保持在行星架部分14b上。
行星架部分14a、14b通過軸16連接在一起。軸16包括螺柱，該螺柱的一端壓配合到部分14a內。另一端配合地與部分14b接合併且也可同樣包括壓配合。
密封76、78使牽引流體保持在變速器內並且防止外部材料侵入變速器內。
部分14a的軸向圓柱形延伸部22構成變速器的兩個同軸的輸出傳動部件或軸之一。另一輸出軸102是部分14b的軸向延伸部。人們可看到輸出軸22和102以同樣的速度轉動，因為它們每個都機械地連接到行星架14。
行星架14是使力矩從輸入軸11傳遞到輸出軸和皮帶輪101的裝置。為此，行星架14進一步包括繞輸入軸11的軸線在內座圈23a、23b與外座圈26a、26b之間對稱布置的四個行星從動部件15。每個行星從動部件15可旋轉地被行星架14支撐在行星從動軸16上。每個部件15通過滾針軸承60或任何其他在本領域中已知的合適的軸承可轉動地支撐在每個軸16上。每個從動部件15可以響應於每個行星部件25的移動而沿著每個軸16進行軸向移動，見圖3。
從動部件15包括一個凹的弧形的斷面，該斷面近似為兩個在其主軸線上同軸地結合的截平的錐形形狀，見圖7。每個從動部件的錐形形狀提供一種使從動部件與球形行星部件25接合的有利方式。即弧形的凹的形狀提供在從動部件15的表面與行星部件25的表面之間接觸的兩點，因此同單點接合相比顯著降低了接合力並且從而提高了在高負荷下的耐用性。
現在轉向轉動組件，輸入軸11包括徑向內座圈，該內座圈包括兩個內座圈部件23a和23b。部件23a形成為軸11的整體部件或者也可包括壓配合到軸11上的單獨部件。部件23a和23b分別包括弧形表面27a和27b，行星部件25相應在各弧形表面上滾動。
部件23b是一個可調整的部件並且通過一個包括滾珠絲槓螺紋嚙合的螺旋式相互嚙合裝置沿著軸11可進行軸向移動，見圖3。滾珠絲槓包括配合的螺紋或螺旋通道37和38，這些螺旋通道具有配合地設置於其中的滾動元件或滾珠39，見圖10。螺旋通道37、38和滾珠39可選擇地被已知的螺紋嚙合代替，例如在部件23b上和輸入軸11上的「艾傑克斯銅錫鉛軸承合金(ajax)」或「英制梯形(acme)」的螺紋。
利用通道37、38的螺旋形的形狀，輸入軸11與部件23b在一個方向上的相對轉動會使部件23b朝部件23a軸向移動。如果在部件23b與輸入軸11之間在相反方向上相對轉動，那麼內滾道的兩個部件23a、23b發生軸向分離。
部件23b通過螺旋式相互嚙合裝置的偏移部件40保持與行星部件25連續輕微的接觸。偏移部件40包括扭轉彈簧，並且具有在部件41處與在軸11上的止擋接合的一端和與部件23b接合的另一端。彈簧40處於連續壓縮下，使得部件23b軸向沿著軸11並且在軸11上連續地受迫，導致相對的轉動運動，該轉動運動導致部件23b的相對的軸向移動，因此引起部件23b與行星部件25連續的接合。
外座圈26包括可沿軸向分離的環形的座圈部件26a、26b。外座圈26包括部件26a，該部件具有軸向延伸的圓柱形的部分42，第二徑向外座圈部件26b在該圓柱部分內可轉動地嚙合。部件26a和部件26b通過螺旋式相互嚙合裝置可轉動地連接，這種組合包括用於可選擇地改變座圈部件的軸向間隔的裝置。即圓柱形部分42的內表面具有螺旋通道43。徑向外座圈部件26b是一個可調整的部件並且在其外圓柱表面上具有螺旋通道44。滾動嚙合的滾動元件或滾珠48設置在通道43與通道44之間，允許外座圈部件26b相對於部分42轉動。通道43、通道44和滾珠48一起形成滾珠絲槓。通道43、44具有的螺距足夠粗糙用以及時影響極端情況之間的速比變化，而改變速比的渦輪不需要過度的運動，見圖9，然而它不至於粗糙成使接觸條件簡單地迫使各座圈分開。通道43、44和滾珠48也可由螺紋嚙合代替，這種螺紋嚙合包括「艾傑克斯銅錫鉛軸承合金(ajax)」或「英制梯形(acme)」的螺紋。為影響完全的速比的變化，外座圈部件26b相對於部件26a的角運動或轉動大約是150°。
行星部件25沿座圈部件的滾動徑跡滾動。內座圈部件23a、23b和外座圈部件26a、26b的滾動徑跡分別標記為27a、27b和28a、28b，各滾動徑跡在橫截面中包括局部圓形的弧形表面，其半徑略微大於每個球形行星部件25的半徑RS。
在各行星部件25與徑跡27a、27b、28a、28b之間的半徑差引起在各部件25與各徑跡之間的理論點接合。表面27a和27b的曲率半徑可被選擇成基於部件25在速比改變期間徑向移動的速度來提供這種速比改變的期望速度。
部件25與表面27a、27b、28a、28b之間的接觸面不應太大，以避免由在兩個處於滾動接觸的元件之間的液力流體中發展的力引起的所謂的自旋損失。設置在部件23a與23b之間的通道70為在部件25與內和外座圈中循環的牽引流體提供回流路徑。
通過促動器和蝸杆傳動機構的工作，因施加壓力至行星部件25並且從而引起行星部件沿徑向朝內朝輸入軸11移動並且從而迫使兩個內座圈部件23a、23b分開，兩個外座圈部件26a、26b的軸向接近控制行星部件的徑向位置。這改變了變速器的輸出比。扭轉彈簧40保證座圈部件23b與部件25連續接合。當然，外座圈部件26a和26b也可以移動分開，因此引起行星部件沿徑向移動離開輸入軸11，因此通過力矩敏感裝置的工作允許部件23a和23b沿軸向彼此相對移動。
座圈部件26a在殼體5內的凹口內旋轉，同時沿著平行於軸線X-X的軸向方向移動以用於改變速比。軸線X-X是變速器包括輸入軸11、內和外滾道23、26、輸出軸22、102轉動的公共軸線，以及作為球形行星部件25的轉圈路徑的中心。座圈部件26b接合殼體5，因此防止部件26b相對於殼體5轉動，但是另外在部件26a轉動時允許部件26b朝部件26a或遠離部件26a軸向移動。
基於力矩敏感機構的工作，變速器也具有固有的單向離合動作。在高的減速度期間，此時構件慣性力矩足夠克服摩擦和負載力矩，正常的輸出端將成為變速器中的驅動器。這引起在內座圈23b上要被減小的夾緊力並且會存在超速情況。
殼體5在橫截面上具有稍微矩形的形狀。螺柱71使殼體側72和殼體側73與殼體5用螺母74連接，見圖8。從殼體5的外表面延伸的冷卻片CF可以用於冷卻變速器和牽引流體。
殼體5包括儲蓄器75，它接收和容納變速器用的牽引流體。牽引流體系統是未加壓的並且相反以外界壓力條件進行工作。行星架14旋轉，局部地浸沒在容納於儲蓄器75中的牽引流體中。在工作期間，牽引流體被掃入到變速器的旋轉部分中。牽引流體提供行星部件或球與座圈表面之間所需的摩擦係數。流體繞著行星部件流動並且通過間隙77和內座圈貫通間隙70出來。牽引流體也冷卻變速器。
牽引流體可以包括任何這些在本領域中已知的適用於維護的牽引流體，包括Santotrac50或Santotrac2500。每種流體是低粘度合成碳氫化合物基的牽引流體，應用在要求高薄膜強度的媒介中。這些流體可從Findett Corporation，8 Governor Drive，St.Charles，MO 63301獲得。
殼體5另外包括用於安裝至發動機的裝置，見圖11。
儘管本說明書包括面向汽車的等速附件傳動系統，但是應該理解，本發明的變速器可以應用在任何要求在主動設備與從動設備之間設置變速器的應用場合中。在這些情況下，驅動器可以直接以及通過帶和皮帶輪耦聯至變速器的輸入軸11。例如但不是限制性的，本發明的變速器可以用在汽車或摩託車動力傳動系統的應用中，例如變速器以及料漿泵、水泵、空氣和氣體壓縮機、HVAC、空氣處理設備、散料處理泵等。在各種情況下，設備通過一個初級驅動器例如電動機或內燃機驅動。變速器設置在該電動機或發動機與從動設備或動力傳動系之間。變速器的連續變化的特性允許從動設備速度的有限的和精確的速度控制。本發明的變速器提供的優點在於，與齒輪類型的變速器相比，為傳動系統的要求提供速比的最可能寬的範圍。另外，變速器的雙輸出特性允許設備的兩個零件被一個唯一的變速器驅動，同時利用一個唯一的驅動器。如果帶用變速器輸出端進行驅動，那麼從動設備的多個零件可以按不同的速度被驅動。
工作說明在工作中，輸入主動軸11被與皮帶輪100嚙合的帶B1驅動。輸入主動軸11的轉動引起內座圈23轉動並且用內座圈通過滾動接觸在表面27a和27b上支承行星部件25，該行星部件在外座圈26的曲面28a和28b上滾動。行星部件25通過它們與徑向內和徑向外座圈23、26的曲面27a、27b和28a、28b的接觸而相應受到約束。由於內座圈部件23a相對於軸11是位置固定的，球形部件25的所有徑向和軸向移動都通過部件23a和相對於部件23a確定。因此由每個部件25的中心跟隨的路徑描繪了一條與表面27a的弧形形狀適配的曲線。
該機構作為力矩敏感裝置進行工作，它允許補償可移動的內座圈部件23b相對於固定座圈部件23a的旋轉的和軸向的移動。力矩敏感裝置包括偏移部件40和螺旋式相互嚙合裝置37、38、39，它起作用，以反作用於由在徑向內座圈23與行星部件15之間的動力的傳遞而施加的力。力矩敏感裝置起作用不僅用於確定內座圈23的各部件的間隔並且因此裝置的速比的補償變化，而且用於改變在行星部件15與座圈之間垂直於它們之間的界面交換的力。
另外，力矩敏感的螺旋的相互嚙合的裝置反作用於直接的圓周力和具有圓周分力的軸向力。軸向力的圓周分力基本上等於和在符號上相反於由螺旋相互嚙合反作用的直接的圓周力。這使得需要施加至控制裝置以用於有選擇地改變外座圈的兩個軸向隔開的部件的軸向間隔以維持或改變變速器速比的力最小。
每個行星部件25也可旋轉地與從動部件15接合。部件25的行星運動傳送至從動部件15並且經由軸16傳送至依次連接於輸出軸22和102的行星架14。由於在變速器的速比改變期間，部件25不僅沿徑向而且沿軸向相對於軸11運動，每個從動部件15也可輕微地沿軸向在軸承60上沿平行於軸線X-X的方向運動，因此在每個部件25的運動的整個範圍內保持與每個部件25的合適的接觸。
變速器的速比改變通過徑向外座圈部件26a、26b的相對接近或分離的改變來進行影響。這由通過蝸杆傳動機構90在外座圈部件26a的一個方向或另一個方向上的轉動引起。外座圈部件26a的轉動引起要被施加至行星部件25上或大或小的力，所述力迫使各行星部件沿徑向向內朝內座圈23移動。由於兩個外座圈部件26a、26b被帶到一起，所以施加在行星部件25上的力增加。沿徑向向內的施加至內座圈23a、23b上的力迫使它們分開，這通過滾珠39在通道37、38內的操作由座圈部件23b相對於軸11的相對轉動引起。
當在有限的弧上發生相對移動以補償調整由行星部件25施加的壓力時，除微小的瞬時變化外，座圈部件23b與座圈部件23a以相同的速度轉動。更具體地，當被拉力阻礙時，軸11在期望的傳動方向上的轉動使得座圈部件23b沿軸向接近部件23a，因此在座圈與行星部件25之間的滾動接觸的任何間隙被佔據，直到由座圈部件23b和傳動軸11施加在螺旋相互嚙合上的力適配於座圈部件23b與行星部件25之間的反作用力。在該點時，不再發生座圈部件23b相對於座圈部件23a的軸向移動。
速比由座圈部件26a並且依次由行星部件25的徑向位置決定。內座圈螺紋37、38和滾珠39的作用是保持與每個行星部件25接觸點的切向(牽引)垂直的力(n/f)的比值在一定的範圍內。該比值必需足夠大，以保證不發生過多的滑動(對於局部潤滑至少n/f＝10並且對於完全的液力的潤滑直至兩倍)，但是不至於大到使垂向力N顯著大於所需要的，這會降低裝置的效率、最大轉矩和壽命。
球形行星部件25的形狀非常適合於這種作用，因為在由座圈在圖2的平面中(y向)施加的四個圓周接觸徑向「擠壓」力和垂直於圖平面(z向)的通過部件中心的驅動力的作用下，這種行星部件處於平衡中，在此無論接觸點可以在圓周上的任何位置上，y/z有相同的值。這意味著，內和外座圈y/z值對於變速器的任何速比設置是相等的。作用在內座圈23b上的扭轉彈簧40提供足夠的預載荷，以保證當力矩從零增加時總是有足夠的接觸壓力用於使力矩敏感機構起作用。
具有端部72和73的殼體5包含可變傳動單元的整體但除輸入和輸出軸以及蝸杆傳動機構外，使得整個組件非常緊湊。因此例如本發明非常適合用於等速附件傳動的變速。對於在附件帶傳動系統中的使用，從變速器1000的輸出端包括在輸出軸22上的多肋的皮帶輪。另一輸出軸102與軸22同心地相反地延伸。軸102也可以直接耦聯至附件例如空調壓縮機，見圖11。變速器、安裝託架和所附的附件的組合包括一個完整的組件，該組件可以作為一個單一的單元安裝在汽車發動機上。當然，空調壓縮機A/C僅提供為一個實例並且任何其他附件也可以同樣安裝至變速器，它們包括但不限制於動力轉向泵、交流發電機、燃油泵、機油泵、水泵以及任何其他附件。
需要注意的是，輸入和輸出部件可以有相應相反的功能，即輸入可以通過軸22接收並且輸出通過軸11傳送出去。這引起輸出力矩超過輸入力矩的增長。因此，變速器可以在任一轉動力矩傳送方向上進行工作。
在描述於圖3的座圈結構中，在部件25與內滾道23之間的滾動接觸半徑R1是相對較大的並且在部件25與外滾道26之間的的接觸半徑R3是相對較小的。在這種結構中，輸入軸11與輸出軸22、102之間的速比大約為1.0。如在說明書其他地方所述的，滾動接觸半徑由部件26a與26b的相對位置進行控制。部件26b的軸向位置通過蝸杆傳動機構90進行控制，見圖9。通過使部件26a繞軸11或者沿順時針或者沿逆時針方向局部轉動，蝸杆傳動機構90在部件26a上的動作使部件26b軸向移動。
參照圖4，通過蝸杆傳動機構90沿相反於圖3中的方向的工作，隨著部件26a的轉動，座圈部件26b沿軸向朝部件26a移動，因此部件25被迫沿徑向朝內運動。部件25的移動通過內座圈部件23b朝部件23a的軸向接近來進行補償，該軸向接近通過扭轉彈簧40的作用支承在部件23b上產生。在這種結構中，在部件25與內座圈23之間的滾動接觸半徑R2是相對較小的並且在部件25與外座圈26之間的接觸半徑R4是相對較大的。在這種結構中，在輸入軸11與輸出軸22、102之間的速比大約為0.3。
由於內座圈部件23a不移動，部件25在表面27a上滾動並且因此隨著表面27a的輪廓。當速比從圖3改變到圖4時，每個部件25的中心大約在方向D2上移動、沿徑向朝內和同時沿軸向移動。
輸入/輸出比也從屬於輸入皮帶輪100和輸出皮帶輪101的相對直徑，因此增加本發明系統的可變化性的另一尺寸。例如輸出皮帶輪101的直徑可以適配成與其中每個附件皮帶輪的直徑相配合。系統中的每個皮帶輪的直徑的合適選擇允許對於相應的發動機曲軸速度實現每個附件的期望的轉動速度。通過變速器的有限變化的特性提高不同的皮帶輪傳動比。
圖5是軸和座圈的橫截面透視圖。示出內座圈23和外座圈26。內座圈部件23b通過繞輸入軸11在滾珠絲槓37、38、39上的轉動沿方向±D移動。外座圈部件26b同樣由於外座圈部件26a在方向R上在滾珠絲槓43、44、48上的轉動而沿方向±D移動，見圖10。流體通道77為循環牽引流體提供一條路徑以離開行星架和座圈區域並且返回到儲蓄器75。變速器的轉動軸線標記為X-X。
圖6是行星架14的局部橫截面圖。行星架14包括行星架部分14a和行星架部分14b。從動託架80對稱地繞行星架14設置。每個軸16在孔82中連接於一個託架80並且因此連接於行星架14。設置於孔81中的結合銷74用於合適地使行星架部分14a和14b對準。行星部件25在相應的空間83內滾動。空間83對稱地繞行星架14設置在從動託架80之間。卡環86在槽96中接合部分14b。輸出軸22和102從行星架部分14a和14b相應地延伸。
圖7是從動組件的橫截面圖。從動件15包括弧形的形狀，其橫截面通過兩個點對點地連接的截平的錐形進行近似。這導致基本上凹的橫截面，它有接合部件25的半徑A1和A2。半徑A1可以等於或大於半徑A2。該形狀是有利的，因為它對於每個球25和從動件15提供兩個接觸點。這帶來力矩傳遞的提高的效率和精度。它也從單點至兩點降低了負荷，但不顯著增加滾動摩擦損失。為了當速比改變時跟隨每個部件25，從動件15沿軸向在方向M上在滾針軸承60上沿著軸16可以輕微移動。滾針軸承60容納於軸16上的凸肩61、62之間。用於容納軸承60的凸肩61、62同樣可以包括在本領域已知的卡環。從動件15沿軸向在軸16上移動。
圖8是殼體和外座圈的詳圖。殼體5包括部分72、73。外座圈部件26b設有結合銷26c。結合銷26c接合殼體部分72中的孔。當外座圈部件26a被蝸杆傳動機構90轉動時，座圈部件26b可自由地沿軸向方向(關於軸線X-X)在結合銷26c上移動。當部件26a轉動時，結合銷26c限制外座圈部件26b轉動。
螺柱71和螺母74使殼體部分72和73保持在一起。冷卻片CF安裝至殼體5的外表面並且從變速器輻射出熱。
圖9是座圈傳動機構的詳圖。蝸杆傳動機構90用已知的裝置例如螺柱、螺栓或螺釘固定到殼體5上。蝸杆傳動機構90包括直流步進電動機96。作為示例而不是作為限制，合適的步進電動機由LIN Engineering公司製造，型號為4218L-01。步進電動機可見於www.linengineering.com/our products/4218.htm。本領域中已知的其它步進電動機同樣可以使用。步進電動機控制器97在本領域中同樣是已知的並且可以從LIN Engineering或其它合適的廠商獲得。
鏈輪91連接至電動機96的輸出軸。作為示例，鏈輪91包括三十個齒並且節徑為28.65mm。配合的鏈輪92固定至蝸杆主動小齒輪94。作為示例，鏈輪92具有十五個齒並且節徑為14.32mm。因此在該非限制性的示例中傳動比為2∶1。齒形帶B3設置在鏈輪91和92之間並且包括四十五個齒和3mm齒距，整個節線長135mm。
蝸杆齒輪93機加工到主動小齒輪94內。配合的蝸輪徑跡95機加工到外座圈部件26a內。示例的蝸輪蝸杆組可從W.M.Berg公司在網址www.wmberg.com下得到，物料編號為WCS-7S。例如蝸杆93包括一條單線，其節徑為12.0mm，導程為3.14159mm，導程角為4.75度，壓力角為14.5度。蝸輪95的節徑為88mm並包括八十八個齒。因此模數是1.0。螺旋角是4.75度，壓力角是14.5度以及節距為3.14159mm。蝸輪蝸杆組的中心距為50.00mm((88+12)的1/2)以及傳動比為88∶1。
在小齒輪94與殼體5中的軸承之間產生摩擦分力，即小齒輪94沿軸向接合摩擦部件，該摩擦部件包括一個在殼體5中的止推墊圈97。止推墊圈97在其與小齒輪94的接合表面上有摩擦係數。通過墊圈97與小齒輪94之間的的接合產生的摩擦力阻礙小齒輪在工作過程中的轉動，但是更具體地，當期望蝸杆並且從而外座圈保持無運動的並且從而座圈部件的軸向移動被限制時，例如這是為了穩定狀態的發動機速度並且從而穩定狀態的變速器工作條件，該摩擦力阻止小齒輪轉動。在這種穩定狀態條件下，電動機96是不工作的。用於止推墊圈97的摩擦反面是鋁製殼體5。
止推墊圈97可以由鋼製成。它也可以在鋼嵌件上包括一個塗層或者包膠模製的(over-molded)摩擦表面。
油脂或輕油可以用於非塗布的鋼製止推墊圈。在這種情況下，僅鋼的摩擦係數大約為0.9～1.1。在需要使摩擦係數降低到低於鋼的摩擦係數的情況下，可以使用下面的熱塑性材料(作為示例而不是限制)ArlenAE 4200(Mitsui Petrochemical)、Lubricomp 189(LNP EngineeredPlastics)。這些熱塑性材料的摩擦係數大約為0.06～1.0。油或油脂不與這些熱塑性材料一起使用。
在需要增加摩擦係數到高於鋼的摩擦係數的情況下，可以使用下面的熱塑性材料(作為示例而不是限制)Lubriloy RL(LNP EngineeredPlastics)、TEP 642(Thomson Industries)。使用這些材料的摩擦係數大約為0.14至1.20。油或油脂不與這些熱塑性材料一起使用。
任何前述的熱塑性材料可以在鋼製的止推墊圈嵌件上模製或者可以在無鋼製嵌件的情況下使用。
所述機械的和摩擦的結構使得當電動機96不工作時蝸杆傳動機構是自鎖的。由電動機96提供的力矩僅需要足夠克服墊圈97與小齒輪94之間的摩擦力以及部件25的徑向力，從而引起外座圈部件26a的轉動。一旦外座圈移動到期望的位置，並且因此實現變速器輸出比，那麼使電動機96不工作。蝸杆傳動機構的摩擦特性然後通過自鎖小齒輪的工作防止外座圈26a的進一步轉動(以及軸向移動)。
圖10是變速器的橫截面圖。也參見圖2和圖9，內滾珠絲槓包括配合的螺旋通道37、38和配合地設置在螺旋通道中的滾珠39。作為示例而非限制，該滾珠絲槓的節徑為18mm、導程為9.57mm以及滾珠直徑為2.65mm。螺旋角為9.61度。該滾珠絲槓包括三個始點。每個始點的滾珠數量為37個，總數為111個滾珠。所有滾珠的軸向長度為21.5mm。
如說明書其它地方所述的，外座圈部件26b通過在外座圈部件26a內沿方向R在滾珠絲槓43、48、49上的轉動而沿方向±D移動，見圖5。該滾珠絲槓的節徑為107mm、導程為16.01mm以及滾珠直徑為3.00mm。螺旋角為2.73度並且有四個始點。每個始點的滾珠數量為15個，滾珠的總數為60個。所有滾珠的軸向長度為8.4mm。
小齒輪94接合在殼體5中。電動機96通過本領域已知的裝置例如通過螺柱、螺栓或螺釘直接安裝在殼體上。通過牽引流體的飛濺潤滑通過行星架14的轉動來提供給兩個滾珠絲槓。
在圖11中是串聯實施形式的橫截面圖。在該示例的布置中，空調壓縮機AC直接耦聯至變速器1000。空調壓縮機的輸入離合器直接連接至輸出軸102，見圖12。在本領域已知的固定件200例如螺栓、螺柱或銷用於將空調壓縮機固定至變速器1000的殼體5。殼體部件202接收固定件200。固定件201將空調壓縮機連接至發動機缸體。固定件201包括螺柱、螺栓或螺釘或任何其它在本領域中已知的合適的固定件。
在該實施形式中，如圖10所示的防塵蓋103從變速器上除去，以允許空調壓縮機輸入離合器直接連接至軸102。
防塵蓋1001保護帶B3免於碎屑。
圖12是串聯實施形式的局部透視圖。變速器1000的主要部分在該視圖中除去，除其行星架部分14b和軸102外。行星架部分14b的軸102示出為直接連接至空調壓縮機輸入離合器ACC。空調壓縮機的工作速度相同於輸出軸102。但是空調壓縮機不必按相同於各從動部件的速度進行工作。空調壓縮機的速度是曲軸皮帶輪A和變速器輸入皮帶輪100的直徑和變速器速比的函數。因此，如圖所示直接耦聯的壓縮機的速度部分由輸入皮帶輪100的直徑決定。另一方面，示於圖1中的其它附件被輸出皮帶輪101驅動，輸出皮帶輪的直徑也可以選擇成給定期望的附件速度，該附件速度基於各附件皮帶輪的直徑不同於或相同於空調壓縮機的速度。因此，串聯的附件布置允許兩種獨立的附件速度，一種速度是輸出軸102的速度，另一種速度是皮帶輪101直徑與各個不同附件皮帶輪直徑之間的皮帶輪傳動比的函數。這為系統優化提供了寬廣的可變化性。
圖13是控制系統的方框圖。控制硬體和軟體包括步進電動機控制器微處理器98(附圖標記為A)和駐留在微處理器存儲器中的軟體。駐留在微處理器存儲器中的軟體包括比例微分PD控制圖B。也存儲在存儲器中為軟體使用的是期望的附件速度C。微處理器98從曲軸速度傳感器和附件速度傳感器接收信號。
比例微分控制執行有效且簡單的控制策略。軟體計算期望的附件速度C與實際的附件速度(通過反饋迴路獲得)之間的誤差。在期望的附件速度與實際的附件速度之間取得計算的誤差並且對其用比例常數和微分常數進行計算。如果存在期望的附件速度與實際的附件速度之間的差，那麼將一個誤差信號產生和傳送給步進電動機驅動器97，它使得步進電動機96調節變速器速比，以使附件速度更接近地適配期望的速度。如果實際的附件速度變得等於期望的附件速度，那麼就沒有誤差信號並且步進電動機不工作。如其他地方所描述的，當步進電動機不工作時，自鎖的蝸杆傳動機構和外座圈防止變速器改變速比。步進電動機可以被12V或42V的系統D驅動。
系統性能的說明使用汽車仿真軟體，例如Gamma Technologies，Inc.公司的GT-DriveTM，可以量化本發明的等速附件傳動CSAD系統的益處。下面示例性的討論涉及Ford FocusTM的性能仿真，它帶有2.0升的發動機和五速手動變速器。
變速器效率的圖表如下示出 效率以％為單位，速度以RPM為單位，力矩以N/m為單位。
使用本發明系統的汽車的顯著提高的加速性能示於圖14中。圖14描述了在兩個示例的附件速度之間的汽車加速性能差別。曲線B描述了使用現有技術的異步的帶傳動系統ABDS的現有技術發動機的性能。在現有技術的系統中，附件傳動速度直接成比例於發動機曲軸的速度，因為附件通過一條單一的帶直接耦聯至曲軸。通過比較，如果採用本發明的系統變速器輸出皮帶輪101以大約885RPM的等速進行工作(曲線A)，那麼在0至60MPH加速時間中實現了大約4.0秒的改進。885RPM是發動機怠速，此時交流發電機產生其額定電流的大約70％。如果附件以2000RPM的等速進行工作(曲線C)，即交流發電機產生其大約100％的額定電流的最小速度時，過去的0至60MPH時間的改進僅略少於大約4.0秒。在任何一種情況下(A或C)，使附件以等於或小於發動機曲軸速度的等速進行工作會由於向驅動軸提供附加的力矩而顯著提高汽車性能，所述附加力矩否則用於驅動附件。
圖15是一幅圖表，它顯示儘管發動機速度隨著變速器換擋而連續變化，但是通過使用本發明的等速附件傳動系統使附件速度基本上保持等速。也就是說，對於實質上兩種發動機工作條件即包括超出怠速的速度和在怠速下的發動機速度，軸22和102的速度在曲軸的工作速度範圍內基本上是恆定的。動力轉向泵PS、空調AC的壓縮機、交流發電機ALT和水泵(WP)對於這兩種工作條件全都基本上以等速進行工作，儘管交流發電機速度相對高於其它附件的速度。在圖15中描述的速度僅作為傳動部件的相對工作特性的示例，而不是限制系統的附件速度。
將本發明系統於現有技術對比，圖16示出具有連接至曲軸的固定傳動比附件傳動連接的現有技術系統的速度行為。附件的速度B、C、D直接成比例於曲軸的速度A，因為附件傳動機構通過帶直接耦聯至曲軸。現有技術的工作形式是效率差的，因為每個附件必須能夠在由曲軸提供的寬的速度範圍內滿意地工作。
圖17描述變速器的示例的速比變化，用以保持附件傳動機構的等速行為。
對於其它附件速度，示出示例性的燃油效率的改進
百分比值顯示空調AC和交流發電機ALT處於工作中的時間百分比。例如可以看到，對於以1400RPM的城市循環，空調為100％和交流發電機為100％，以MPG為單位的百分比增長大約為11％。類似地對於高速公路循環，百分比增長大約為11％。
所述分析也在一輛5.3升的SUV發動機上進行，結果如下
下面的表1描述對於示於圖18中的歐洲行駛循環對於2.0升的發動機的燃油經濟性的期望的改進。表1考慮了變速器的力矩傳遞效率，其估計為大約90％。但是，變速器的效率僅需要大約為85％，以便如果附件速度控制在大約2000RPM時實現估計的燃油節約。交流發電機以大約5000RPM+的速度連續工作以實現最大效率。該系統可以忍受低的傳動效率(小於85％)，如果附件速度設置為大約850RPM的話。本發明系統相對於現有技術系統的改進示於表2中。
表1在歐洲循環上對於不同的等速附件傳動效率的燃油經濟性
表2等速附件傳動系統相對於現有的固定傳動比系統的改進
另外在等速傳動下，例如在高速公路上經驗性的明顯的燃油節約也同樣可以實現。這示於表3中，其中本發明的等速附件傳動變速器的效率假設為大約85％。當然，隨著效率發生變化，等速下的燃油節約也發生變化。
表3汽車等速下的燃油節約
由於附件以基本上等速被驅動，附件例如空調壓縮機和交流發電機可被設計成在選定的等速下最有效率的，而不是設計成在整個發動機曲軸速度範圍內都有好的性能。另外，液壓動力轉向單元的寄生損失可以用相對於現有技術的本發明系統通過在低速下工作來最小化。
儘管本發明的形式已經描述於此，但是對於本領域技術人員顯而易見的是，在部件的結構和關係方面可以有一些變化，而不脫離本發明的構思和範圍。
權利要求
1.一種等速附件傳動系統，包括變速器，該變速器包括輸入和輸出傳動部件、徑向內和外座圈、與所述徑向內和外座圈滾動接觸的行星部件，所述內座圈和所述外座圈各包括兩個軸向分開的、連接成一起轉動的並可相對軸向移動的部件；該變速器還包括裝置，該裝置用於有選擇地改變其中一個所述座圈的所述兩個軸向分開的部件的軸向間隔並且從而改變與所述兩個部件滾動接觸的行星部件的徑向位置，該裝置包括一個調整部件和一個與所述調整部件相互連接的螺旋式相互嚙合裝置，使得所述調整部件的相對轉動運動引起該調整部件的相對軸向移動；該變速器還包括對施加在變速器的兩個傳動部件之間的力矩敏感的力矩敏感裝置，所述力矩敏感裝置起作用不僅確定另一座圈的各部件的間隔的補償變化並且從而確定變速器速比，而且改變在行星部件與各座圈之間垂直於它們之間的界面交換的力；與自鎖傳動機構嚙合的主動電動機，該自鎖傳動機構包括與所述調整部件接合的蝸杆傳動機構和與所述蝸杆傳動機構接合的摩擦部件，當主動電動機未得電時，該自鎖傳動機構防止所述調整部件的轉動運動；連接驅動器與輸入傳動部件的第一連續部件；直接連接至輸出傳動部件的第一端上的第一附件；和被嚙合於輸出傳動部件的第二連續部件驅動的第二附件。
2.如權利要求1的系統，其特徵在於所述另一座圈是徑向內座圈，並且該徑向內座圈的一個部件通過第二螺旋式相互嚙合裝置支承在軸上，並且用於確定徑向內座圈的兩個部件的相對間隔的力矩敏感裝置包括一個偏移部件和第二螺旋式相互嚙合裝置，並且所述第二螺旋式相互嚙合裝置起作用，以反作用於由徑向內座圈與行星部件之間的傳動力的傳遞引起的力。
3.如權利要求2的系統，其特徵在於所述第二螺旋式相互嚙合裝置反作用於直接的圓周力和有圓周分力的軸向力，並且所述軸向力的所述圓周分力基本上等於並且在符號上相反於所述由第二螺旋式相互嚙合裝置反作用的直接的圓周力，以使得需要施加到所述控制裝置上的力最小，所述力用於有選擇地改變所述內座圈的所述兩個軸向間隔的部件的軸向間隔以維持或改變所述變速器速比。
4.如權利要求2的系統，其特徵在於所述第二螺旋式相互嚙合裝置包括被滾動元件相互嚙合的螺紋。
5.如權利要求1的系統，其特徵在於所述行星部件是基本上球形的並且在行星運動時的行星部件與所述輸入傳動部件及輸出傳動部件之一之間的力傳遞經由從動部件進行影響，每個從動部件包括凹的形狀。
6.如權利要求1的系統，其特徵在於所述力矩敏感裝置包括所述另一座圈的所述兩個軸向分開的、可相對移動的部件，所述部件中的至少一個本身可沿軸向在兩個方向上從中心位置移動並且可以被止擋裝置接合，因此允許旋轉動力在力矩傳遞的兩個相反的方向之一上從變速器的輸入傳動部件傳遞至輸出傳動部件。
7.如權利要求6的系統，其特徵在於所述力矩敏感裝置的所述可相對移動的座圈部件通過螺旋嚙合與輸入傳動部件相互連接，每個所述可移動座圈部件的所述螺旋嚙合是相同旋向的，因此當一個座圈部件的軸向移動被約束時，旋轉動力被傳遞。
8.如權利要求1的系統，其特徵在於所述螺旋式相互嚙合裝置包括被滾動元件相互嚙合的螺紋。
9.如權利要求1的系統，其特徵在於所述輸出裝置包括同軸的雙輸出部件。
10.如權利要求1的系統，其特徵在於所述主動電動機包括步進電動機。
11.操作帶傳動附件系統的方法，包括如下步驟用第一連續部件將力矩從主動部件傳遞至行星球變速器輸入端；使行星球變速器輸入端與行星球變速器輸出端同軸地對準；通過第二連續部件將力矩從行星球變速器輸出端傳遞至從動附件；根據主動部件轉動速度選擇行星球變速器的速比，因此在主動部件轉動速度範圍內使從動附件在基本上最大效率點處基本上以等速進行工作；和當主動部件速度恆定時，摩擦鎖止行星球變速器的速比。
12.如權利要求11的方法，還包括將從動部件直接連接至行星球變速器第二輸出端的步驟。
13.如權利要求11的方法，還包括用張緊器使第二連續部件張緊的步驟。
14.如權利要求13的方法，還包括對第二連續部件的振動進行衰減的步驟。
15.如權利要求11的方法，還包括用張緊部件使第一連續傳動部件張緊的步驟。
16.如權利要求11的方法，還包括對第一連續部件的振動進行衰減的步驟。
17.如權利要求11的方法，還包括用於從動附件超速情況的單向離合作用的步驟。
18.如權利要求11的方法，還包括步驟計算期望的附件速度與實際的附件速度之間的誤差以及調整速比直到不產生明顯的誤差信號。
19.變速器，它包括輸入和輸出傳動部件；徑向內和外座圈；與所述徑向內和外座圈滾動接觸的行星部件，所述內座圈和所述外座圈分別包括兩個軸向分開的、連接成一起轉動的並且可相對軸向移動的部件；用於有選擇地改變其中一個所述座圈的所述兩個軸向分開的部件的軸向間隔並且從而改變與所述兩個部件滾動接觸的行星部件的徑向位置的裝置，該裝置包括一個調整部件和一個與所述調整部件相互連接的螺旋式相互嚙合裝置，使得所述調整部件的相對轉動運動引起該調整部件的相對軸向移動；自鎖傳動機構，它包括主動電機和與所述調整部件接合的蝸杆傳動機構以及與所述蝸杆傳動機構接合的具有摩擦係數的止推墊圈，當主動電動機未得電時，該自鎖傳動機構防止所述調整部件的轉動運動；對施加在變速器的兩個傳動部件之間的力矩敏感的力矩敏感裝置，所述力矩敏感裝置包括偏移部件和第二螺旋相互嚙合部件，所述第二螺旋式相互嚙合裝置起作用，以反作用於由徑向內座圈與行星部件之間的傳動力的傳遞引起的力，所述力矩敏感裝置起作用不僅確定另一座圈的各部件的間隔的補償變化並且從而確定裝置的變速器速比，而且改變在行星部件與各座圈之間垂直於它們之間的界面交換的力。
20.如權利要求19的變速器，其特徵在於所述行星部件是基本上球形的並且在行星運動時的行星部件與所述輸入傳動部件及輸出傳動部件之一之間的力傳遞經由從動部件進行影響，每個從動部件包括基本上凹的弧形的形狀。
21.如權利要求19的變速器，其特徵在於所述輸出裝置包括同軸的雙輸出部件。
全文摘要
本發明涉及一種有限變化速比的行星球變速器以及一種利用該變速器的等速附件傳動系統，該變速器包括與可移動的內座圈(23)和外座圈(26)滾動接觸的行星部件(15)。該變速器在大約0.3至1.0的速比之間是可有限變化的。變速器輸入軸(11)通過傳動帶(B1)連接至初級驅動器例如汽車發動機曲軸。該變速器包括至少一個輸出軸(22)，該輸出軸與輸入軸(11)同心。一個處理器分析曲軸速度並且相應地用連接至蝸杆傳動機構(90)的步進電動機(96)調整速比，以無論曲軸速度如何均保持恆定的輸出速度。
文檔編號F16H61/66GK1918406SQ200480041826
公開日2007年2月21日 申請日期2004年8月2日 優先權日2004年2月18日
發明者I·阿里, A·塞科 申請人:蓋茨公司