自由度离合器

阅读:618发布:2020-05-11

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1.二自由度离合器,包含传动机械与控制装置,传动机械是二自由度决定系统的行星排结构,由单排或多排行星排组成,其行星排结构方程简化后的形式是:N1-k1*N2-k2*N3=
0,1>k1>k2>0,以N3所对应的旋转构件作为被控制端,或者以N2所对应的旋转构件作为被控制端,其余两个旋转构件作为输入端、输出端,控制装置是制动器等,作用于被控制端,其特征在于:通过控制被控制端的速度来控制输入端与输出端之间的离合,可以形成二自由度二关系方离合器。
2.如权利要求1所述的二自由度离合器,当其传动机械即二自由度决定系统的多排行星排结构具有多个(多于三个)旋转构件时,通过控制被控制端控制的速度就控制了多个(多于三个)关系方之间的离合关系,即控制了一个输入方与几个(多于两个)输出方之间的离合关系,通过控制被控制端的速度来控制多关系方之间的离合,可以形成二自由度多关系方离合器。
3.如权利要求1、2所述的二自由度离合器,改进控制装置,设置与制动器并联的电磁感应电机,就可以吸收制动工作过程中的能量,在输出端设置感应电机,与被控制端设置的电磁感应电机通过控制电路连通,就构成了即时吸能回馈系统,可以使本发明离合器具有即时吸能回馈功能,也同时具有变矩功能,就形成了本发明离合器的变矩器版本。

说明书全文

自由度离合器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种行星排传动器,具体为具有二自由度决定系统行星排结构的通过制动控制的离合器。

背景技术

[0002] 为了传递及断开动系统的转矩和转速,很多动力机械都配置了离合器、变矩器。传统的离合器主要是摩擦式离合器花键机械啮合式离合器。摩擦式离合器有单片盘式、多片盘式、鼓式等,花键滑块机械啮合式离合器有爪式、花键滑块式、带同步器的花键滑块式等。传统离合器的一个特点是离合器的结合动作是零部件机械的贴合、咬合、啮合,离合器的分离动作是零部件机械的离开、分开、断开。分离动作与结合动作中设备容易碰撞、磨损,设备的额定功率不大。传统的变矩器主要是液力变矩器,依靠液力旋动实现变矩,传动效率不高,易发热,设备的额定功率不大。机械行业需要更好的离合器、变矩器。

发明内容

[0003] 本发明提出具有二自由度决定系统行星排结构的由制动控制的离合器,称为二自由度离合器,还可形成变矩器。
[0004] 行星排由两个中心轮(太阳轮内齿圈)与带行星轮行星架三个部件组成,三个部件的啮合排列关系决定行星排种类。现有行星排按行星架上行星轮层级数的单与双可分为单层星行星排、双层星行星排。设Zt为太阳轮齿数,Zq为内齿圈齿数,Nt为太阳轮转速,Nq为内齿圈转速,Nj为行星架转速,定义行星排特性参数a,单层星行星排的运动特性方程为:Nt+a*Nq-(1+a)*Nj=0,双层星行星排的运动特性方程为:Nt-a*Nq-(1-a)*Nj=0。多个行星排可以组成行星排结构,其运动规律服从其行星排结构方程。行星排结构中的几个部件连接并拥有一个确定的转速,形成一个旋转构件,每一个旋转构件具有一个转速。传统观点认为,多排行星排组成的行星排结构的自由度,等于行星排结构中所有旋转构件数减去行星排数,即:行星排结构自由度=旋转构件数-行星排数。本发明提出,二自由度决定系统的行星排结构就是行星排中两个旋转构件的转速确定后,所有旋转构件的转速被决定。二自由度决定系统的行星排结构,其行星排结构方程简化后是具有三个独立转速项的等式,其普遍形式为:+d*N1+e*N2+f*N3=0,其中N1、N2、N3分别为行星排结构中不特定的两个转速确定的旋转构件以及它们决定的不特定第三个旋转构件的转速项,d、e、f分别为三个独立转速项的绝对值系数,可以是数值或代数式,各独立转速项绝对值系数前的各符号分别可以是正是负。“不特定”指行星排结构的任意旋转构件的转速都可以有相应的各绝对值系数与各符号来形成等式。单排行星排是二自由度决定系统,单排行星排具有三个旋转构件,就是行星排的三个部件,单排行星排结构有一个行星排结构方程,就是其行星排运动方程。多排行星排结构可以具有多个行星排结构方程。
[0005] 本发明离合器由传动机械与控制装置两部分组成。本发明的传动机械是二自由度决定系统的行星排结构,由单排或多排行星排组成。其行星排结构方程简化后的形式是:N1-k1*N2-k2*N3=0,1>k1>k2>0。输入端、输出端与被控制端的设置有两种方法,方法一:以N3对应的旋转构件作为被控制端,其余两个旋转构件作为输入端、输出端。这种形式的被控制端转速大转矩小,可以通过控制小转矩的被控制端来控制大转矩的输入端、输出端之间的离合。方法二:以N2对应的旋转构件作为被控制端,其余两个旋转构件作为输入端、输出端,以N3对应的旋转构件作为输入端时,该离合器同时作为减速器;以N3对应的旋转构件作为输出端时,该离合器同时作为增速器。本发明传动机械从输入端到输出端的动力传递路径上的各部件始终处于啮合状态,通过控制装置制动、放松被控制端来控制输入端输出端的离合,避免了传统离合器离合操作时那种部件之间相互碰撞的危害。
[0006] 本发明的控制装置是制动器,也可以在制动器中并联加入电磁感应电机,吸收转移制动工作过程中的能量
[0007] 下面分析控制装置为制动器时本发明离合器的控制过程,设输入端的转速为确定值,设输出端的负载为随转速上升而加大的被动负载,设控制装置为制动器,其对被控制端的作用为被动作用。具体控制过程描述如下:
[0008] 动力从输入端输入,控制装置先使被控制端自由,被控制端不受外加荷载作用。如果输出端没有负载,输出端也是自由的,输出端可以具有任何转速,被控制端经本发明传动机械的传导相应会具有对应的某种转速。如果输出端负载转矩较大,一般在负载作用下输出端具有的初始转速会下降最终归零,被控制端的转速会上升最终达到最大速度。在上述过程中,本发明传动机械虽然处于啮合状态,但在输入端与输出端之间没有功率传递,相当于普通离合器输入端与输出端的分离状态。我们称这是本发明离合器的分离状态。
[0009] 从输出端转速为零的状态起,制动器对被控制端施加转矩,这个转矩与输入端的转矩一起,经本发明传动机械的传导,在输出端形成相应的动力转矩。输入端的功率开始有部分传递至被控制端,被制动摩擦转矩消耗。当输出端形成的动力转矩大于输出端负载初始转矩时,输出端转速开始上升,输入端的功率有部分传递到输出端。当输出端形成的动力转矩等于随输出端转速上升而变大的负载转矩时,输出端转速恒定,被控制端的转速也相应恒定。这个状态是传动机械的一种动平衡状态。调节被控制端的转矩大小,就可以调节输出端形成的动力转矩大小,形成不同的输出端恒定转速与被控制端的恒定转速,可以实现多种动平衡状态,这是无回馈的动平衡状态。上述各状态及相互之间的过渡均是本发明传动机械的一种半联动状态,在半联动状态下,控制住被控制端的速度,就同时控制住了输出端的速度。调节被控制端的转矩,使输出端形成的动力转矩持续大于输出端负载转矩,输出端转速就会持续上升、被控制端转速会持续下降。这是传动机械从半联动状态向结合状态转化的过程,还处于半联动状态。输出端持续加速达到其最大转速,被控制端持续减速达到转速归零。这时,输入端的动力全部传递到了输出端,相当于普通离合器输入端与输出端的结合状态,我们称这是本发明离合器的结合状态。从传动机械的结合状态或半联动状态开始,消除对被控制端的转矩,使被控制端自由、不受外来荷载作用,输出端形成的动力转矩也相应消失。传动机械就转化为分离状态,本发明离合器处于分离状态。从传动机械的分离状态,经过控制被控制端形成半联动状态,最终达到传动器的结合状态,这过程是本发明离合器可以主动施加控制的离合过程。从传动机械的结合状态或者半联动状态转化为分离状态,是本发明离合器可以主动施加控制的合离过程。本发明离合器参见图1、图3、图5、图7。
[0010] 如果改进本发明的控制装置,设置与制动器并联的电磁感应电机,就可以吸收转移制动动作过程中的能量,带电磁感应电机的本发明离合器参见图4、图6。
[0011] 如果在输出端设置感应电机,与被控制端设置的电磁感应电机通过控制电路连通,就构成了即时吸能回馈系统,从被控制端吸收的能量不加以储存即时回馈至输出端,这样可以使本发明离合器具有即时吸能回馈功能,也同时具有变矩功能,就形成了本发明离合器的变矩器版本。由于可以制动被控制端来控制离合,本发明离合器的变矩器版本同样具有离合器功能。本发明离合器的变矩器版本参见图2、图8。其变矩功能是基于二自由度决定系统的行星排机构中各旋转构件的互动特性:输出端转速下降,被控制端的转速会上升。在输出端堵转或低转时,被控制端转速上升,可以通过电磁感应电机发电吸收能量,通过感应电机即时回馈功率作用在输出端上。这样就形成一部分动力通过机械传动从输入端传导至输出端,另一部分动力由电磁感应电机发电吸收能量经感应电机即时回馈功率作用在输出端上作为附加功率与附加的转矩。这种附加功率与附加转矩是自动变化的,输入端动力恒定时,输出端转速越低,被控制端转速越高,形成的附加转矩越大;输出端转速越高,被控制端转速越低,形成的附加转矩越小。这与液力变矩器的变矩工作状态是同样的。在输入功率恒定、输出阻力稳定时,根据即时吸能回馈系统的特性不同,输出端转速会稳定并低于其最高转速,被控制端转速会稳定在一个较低的转速并高于零,形成带吸能回馈功能的动平衡状态。这样的动平衡状态与液力变矩器的液力耦合状态是同样的。启用制动器,使被控制端转速为零,输出端转速达到最大,输入端的功率全部传递到输出端。这种使传动机械从带吸能回馈功能的动平衡状态转化为直接结合状态的过程,与带止离合器的液力变矩器从液力耦合状态转化为直接机械连接直通锁止状态的过程也是同样的。可见本发明离合器的变矩器版本可以实现类似于液力变矩器变矩工作状态、耦合状态与直通锁止状态的全部状态,具有全部变矩器功能,可作为“电磁力”变矩器,具有一定无级变速性能,可作为无级变速器。尤其本发明离合器的输入端、输出端与被控制端的设置为方法一时,变矩效果很好。
[0012] 除了单独使用,本发明离合器还可以多个并联使用。在中心动力源向多路分动力输出端并联分配动力的系统中作为各路分动力输出端的离合器,受控分配动力。
[0013] 本发明二自由度离合器的有益之处在于,提出了二自由度决定系统的行星排结构作为本发明传动机械,提出了传动机械中被控制端、输入端、输出端的设置方法。提出了通过制动控制被控制端来控制输入端、输出端之间的离合的方法。提出了通过电磁感应电机作用于被控制端、感应电机作用于输出端形成即时吸能回馈系统的方法,提出了依靠传动机械互动、依靠即时吸能回馈系统形成电磁力变矩器功能的方法。提出了本发明的变矩器版本。本发明离合器可以多个并联使用。
[0014] 本发明提出,只要在传动机械中采用了二自由度决定系统的行星排结构,通过控制装置对被控制端的转速施加控制从而控制输入端与输出端之间的离合,就属于二自由度离合器,本发明离合器、本发明离合器的变矩器版本均应属于本发明的保护范围。附图说明
[0015] 图1为本发明二自由度离合器的例一单排变线速行星排离合器示意图,也是本发明实施例1示意图。图中输入端1,输出端2,被控制端3,被控制端控制装置4。
[0016] 图2为本发明二自由度离合器的例二带吸能回馈系统的单排变线速行星排的本发明离合器的变矩器版本示意图。图中输入端1,输出端2,被控制端3,制动器与电磁感应电机并联装置4,控制电路5,感应电机6。
[0017] 图3为本发明二自由度离合器的例三单排普通行星排离合器示意图,也是本发明实施例2示意图。图中输入端1,输出端2,被控制端3,被控制端控制装置4。
[0018] 图4为本发明二自由度离合器的例四带电磁感应电机的单排普通行星排离合器示意图。图中输入端1,输出端2,被控制端3,制动器与电磁感应电机并联装置4,控制电路5。
[0019] 图5为本发明二自由度离合器的例五单排锥齿轮行星排离合器示意图,也是本发明实施例2示意图。图中输入端1,输出端2,被控制端3,被控制端控制装置4。
[0020] 图6为本发明二自由度离合器的例六带电磁感应电机的单排锥齿轮行星排离合器示意图。图中输入端1,输出端2,被控制端3,制动器与电磁感应电机并联装置4,控制电路5。
[0021] 图7为本发明二自由度离合器的例七多排行星排结构离合器示意图。图中输入端1,输出端2,被控制端3,被控制端控制装置4。
[0022] 图8为本发明二自由度离合器的例八带吸能回馈系统的多排行星排结构的本发明离合器的变矩器版本示意图。图中输入端1,输出端2,被控制端3,制动器与电磁感应电机并联装置4,控制电路5,感应电机6。
[0023] 各图中行星排均按行业惯例以半幅行星排齿轮结构表示,其中制动器与电磁感应电机并联装置、感应电机也可视为是半幅。制动器以一端接地的离合器形式表示。各图中行星排各部件只示意结构关系,未反映真实尺寸。

具体实施方式

[0024] 实施例1:本发明二自由度离合器的例一,单排变线速行星排离合器,也是本发明实施例1。该传动机械为变线速行星排的结构形式六行星排:输入端为左侧中心轮z齿数为Zz转速Nz,输出端为右侧中心轮y齿数为Zy转速Ny,被控制端为带变线速行星轮的行星架j转速Nj。控制装置为制动器。参见图1。设变线速行星轮的右侧一套齿轮齿数为Xy,左侧另一套齿轮齿数为Xz,则定义该变线速行星排的特性参数为a,a=(Zy*Xz)/(Zz*Xy),该变线速行星排服从行星排结构方程Nz-a*Ny-(1-a)*Nj=0。这种形式的变线速行星排的特性参数a可以取较小的值,可以接近于1.0。当行星排特性参数a的值接近1.0时,运动方程中Nj转速项的系数绝对值最小,行星架的转矩最小。通过控制转矩小的被控制端行星架,就可以控制转矩很大的输入端与输出端之间的传动,a的具体取值可根据实际需要确定。控制装置的具体参数可根据实际需要确定。而且被控制端行星架位于该变线速行星排的外围,方便控制装置的操作,也利于散热
[0025] 实施例2:本发明二自由度离合器的例三,单排普通行星排离合器,也是本发明实施例2。该传动机械为普通单层星行星排:输入端为内齿圈q齿数为Zq转速Nq,输出端为行星架j转速Nj,被控制端为太阳轮t齿数为Zt转速Nt。控制装置为制动器。参见图3。定义该普通行星排的特性参数为a,a=Zq/Zt,该行星排服从行星排结构方程Nj-1/(1+a)*Nt-a/(1+a)*Nq=0。这种形式的普通行星排的特性参数a的值,一般大于1.3,小于6.3。运动方程中Nt转速项的系数绝对值最小,太阳轮的转矩最小。通过控制转矩较小的被控制端太阳轮,就可以控制转矩较大的输入端与输出端之间的传动,a的具体取值可根据实际需要确定。控制装置的各种参数性能可根据实际需要调节。
[0026] 实施例3:本发明二自由度离合器的例五,单排锥齿轮双层星行星排离合器,也是本发明实施例3。该传动机械为锥齿轮双层星行星排:输入端为左侧中心轮z齿数为Zz转速Nz,输出端为右侧中心轮y齿数为Zy转速Ny,被控制端为带两层星行星轮的行星架j转速Nj。控制装置为制动器。参见图5。定义该锥齿轮行星排的特性参数为a,a=Zy/Zz,该锥齿轮双层星行星排服从运动方程Nz-a*Ny-(1-a)*Nj=0。这种形式的锥齿轮行星排的特性参数a也可以取较小的值,可以接近于1.0。当行星排特性参数a的值接近1.0时,运动方程中Nj转速项的系数绝对值最小,行星架的转矩最小。通过控制转矩小的被控制端行星架,就可以控制转矩很大的输入端与输出端之间的传动,a的具体取值可根据实际需要确定。控制装置的具体参数可根据实际需要确定。而且这个被控制端行星架位于该锥齿轮行星排的外围,方便控制装置的操作,也利于散热。
[0027] 实施例4:本发明二自由度离合器的例七,多排行星排结构离合器,也是本发明实施例4。该传动机械为两排行星排结构,两个行星排都是单层星行星排。行星排间连接为Nj1=Nj2,Nt1=Nt2。输入端为一号行星排内齿圈q1转速Nq1,输出端为二号行星排行星架j2转速Nj2,被控制端为二号行星排内齿圈q2转速Nq2。控制装置为制动器。参见图7。该两排行星排结构服从行星排结构方程Nq1-a2/a1*Nq2-(a1-a2)/a1*Nj2=0。这种离合器的输入端输出端被控制端的设置方法为方法二,离合器同时也作为减速器。这种传动机械如果以一号行星排内齿圈q1为输入端,二号行星排内齿圈q2为输出端,二号行星排行星架j2为被控制端,当(a1-a2)/a1的值较小时,就形成输入端输出端被控制端的设置方法为方法一的离合器。
[0028] 二自由度多排行星排结构的离合器,当其具有多个(多于三个)旋转构件时,通过控制被控制端控制的离合关系不仅是控制了输入端与输出端之间的离合关系,而且可以是控制了多个(多于三个)关系方之间的离合关系,即控制了一个输入方与几个(多于两个)输出方之间的离合关系,这样就形成多关系方离合器。例如本实施例在控制而二号行星排内齿圈q2时,实际就控制了一号行星排内齿圈q1、二号行星排行星架j2、二号行星排太阳轮t2三个关系方的离合关系。制动q2时,Nq1=(a1-a2)/a1*Nj2且Nq1=(1+a2)(a1-a2)/a1*Nt2,q1、j2、t2之间的转速关系是确定的,相当于多关系方的结合状态。放松q2时,q1、j2、t2之间的转速关系是不确定的,相当于多关系方的分离状态。这样就形成了多关系方离合器,在这里是三关系方离合器。
[0029] 多关系方离合器也应属于本发明的保护范围。
[0030] 上述各实施例仅为本发明的部分实施方式,所述二自由度离合器可以是离合器、可以形成变矩器。
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