基于角度齿轮传动机构的2n+2挡变速器
技术领域：
[0001] 本
发明涉及用于
机动车辆、工业传动中的变速器领域，更具体地，本发明涉及动
力传输系统中的
齿轮传动装置、
离合器、
制动器、
箱体等元部件及它们之间的相互可变动态连接的变速装置，具体涉及一种基于角度齿轮传动机构的2n+2挡变速器。背景技术：
[0002]
传动系统位于
原动机与工作机之间，传动系统可使原动机(特别是
内燃机)的输出动力特性适合于各种工况下的工作机工作需要，使工作机正常或以最优性能工作。一般原动机的最佳工作转速和
扭矩范围很小，但工作机需要的速度和克服的各种工况阻力的变化范围很大。通过变速系统类型之一的齿轮变速器，可以在原动机转速、扭矩变化范围不大的情况下，满足工作机转速和扭矩调节范围大的需求。现有的齿轮变速器主要分为普通齿轮变速器和行星齿轮变速器，由于普通齿轮变速器结构空间大、速比范围小，应用的普及程度不及行星齿轮变速器。然而在现有的行星齿轮变速器中，多采用圆柱齿轮传动，通过改变输入件、输出件和制动件的组合设置，虽然单行星排可得到7个速比，受限于结构和控制方式，一般1个行星排只能取两个速比。
[0003] 基于行星传动，为获得更多速比或多档位的技术问题，现有
专利技术公开了一系列的行星齿轮变速器布置方案，例如：CN101956792A，CN103827545A，CN106838153A，CN107208752A，CN101655142A。此外，现有文献也提出很多相关的行星齿轮变速器综合方法，例如：机械传动，2005，29(4)：19-22；机械工程师，2016(2)：1-2；矿山机械，1990(1)：28-32；机械传动，2007，31(1)：50-53。上述布置方案和综合方法无一例外的为获得2个以上的速比，均采用多个行星排
串联，多行星排串联带来的另一问题是大幅降低传动效率。对于行星齿轮变速器来说，能否以单个行星排为
基础，通过引入1个或多个传动齿轮，实现2个速比以上的变速设计方案，是设计者需要面对的技术问题。
发明人研究发现角度齿轮行星传动的并列设计能使得单行星排获得2个以上的速比。此外，简化多行星排齿轮变速器的结构、降低其轴向空间、提高其传动效率也是行星齿轮变速器亟待解决的技术问题。
[0004] 另外角度面齿轮传动具有单级
传动比大、承载能力高、不需精确安装等优点，经过国内近20年的研究，其制造技术渐趋成熟，推广其应用是发挥其潜在优势的重要举措。
锥齿轮传动以其高效成熟的加工技术获得了广泛应用，但需要很高的安装
精度是其用于变速传动中必须克服的难题，因此其轴向
位置一旦确定，就不能轻易更改，行星传动可以避免这一问题。
[0005] 针对以上圆柱齿轮单行星排可供提供速比少的设计难题，提出了基于角度齿轮传动的单行星排至少提供4个速比的并列行星排布置方案。发明内容：
[0006] 基于角度齿轮传动机构的2n+2挡变速器，包括行星排、箱体、制动器、
轴承组、
输入轴、
输出轴、离合器；
[0007] 所述行星排包括第i个行星排，所述i取1到n之间的正整数，n为≥1的正整数；
[0008] 所述第i个行星排由第i个环形齿轮、公用
行星轮、公用
太阳轮和公用
行星架组成；
[0009] 所述制动器包括第i个制动器和第n+1个制动器；
[0010] 所述轴承组包括公用行星架轴承组、公用行星轮轴承组、公用太阳轮轴承组、输入轴轴承组、输出轴轴承组；
[0011] 所述离合器包括第一离合器、第二离合器、第三离合器、第四离合器、第五离合器。
[0012] 所述第i个星排包括两种简单行星排，两种简单行星排分别由角度齿轮传动机构组建而成，第一种简单行星排为：以面齿轮环形齿轮，公用行星架，圆柱齿轮(组)公用行星轮，面齿轮公用太阳轮组建的面齿轮行星排，第二种简单行星排为：以锥齿轮环形齿轮，公用行星架，锥齿轮组公用行星轮，锥齿轮太阳轮组建的锥齿轮行星排。
[0013] 所述箱体包括n个环形凹槽，相邻凹槽之间有径向间隔距离，在第i个环形凹槽的下方轴向固定、周向空套安装第i个环形齿轮，第i个制动器安装于第i个环形凹槽内部、箱体与第i个环形齿轮之间，第i个制动器切换第i个环形齿轮相对箱体周向固定与周向空转两种工作状态。
[0014] 所述公用行星架轴承组将公用行星架
支撑于箱体上，所述公用行星轮轴承组、公用太阳轮轴承组将公用行星轮和公用太阳轮分别支撑于公用行星架上。
[0015] 所述输入轴轴承组将输入轴一端支撑于箱体上，一端支撑于公用太阳轮上，所述输出轴轴承组将输出轴一端支撑于箱体上，一端支撑于公用太阳轮上，所述输入轴通过连
联轴器与原动机输出构件连接，所述输出轴通过连联轴器与工作机输入构件连接。
[0016] 所述公用行星架与箱体之间安装有第n+1个制动器，该制动器切换公用行星架相对箱体周向固定与周向转动两种工作状态。
[0017] 所述离合器包括内毂和外毂，结合内毂和外毂，内毂和外毂做同速转动，解离内毂和外毂，内毂和外毂做差速转动，内毂与操纵杆固联，所述第一离合器内毂操纵杆内
花键与第三离合器内毂操纵杆外花键间隙配合，外毂与第1环形齿轮完全刚性固联，所述第二离合器与第一离合器共用内毂，外毂与公用行星架完全刚性固联，所述第三离合器内毂操纵杆内花键与输入轴外花键间隙配合，外毂与公用太阳轮完全刚性固联，所述第四离合器内毂操纵杆内花键与输出轴外花键间隙配合，外毂与公用太阳轮完全刚性固联，所述第五离合器与第四离合器共用内毂，外毂与公用行星架完全刚性固联。
[0018] 所述圆柱齿轮为1个整体长圆柱齿轮，同时与n个面齿轮环形齿轮、面齿轮公用太阳轮常
啮合；
[0019] 所述圆柱齿轮组包括由空
心轴固联为一体的n+1个圆柱齿轮，第i个圆柱齿轮与第i个面齿轮环形齿轮常啮合，第n+1个圆柱齿轮与面齿轮公用太阳轮常啮合；
[0020] 所述锥齿轮组包括由空心轴固联为一体的n+1个锥齿轮，第i个锥齿轮与第i个锥齿轮环形齿轮常啮合，第n+1个锥齿轮与锥齿轮公用太阳轮常啮合；
[0021] 相互啮合的所述面齿轮和圆柱齿轮的齿形相同，所述齿形包括直齿、
螺旋齿、弧齿、人字齿，两相互啮合的所述锥齿轮的齿形相同，所述齿形包括直齿、螺旋齿、弧齿、人字齿；
[0022] 所述面齿轮环形齿轮、锥齿轮环形齿轮的轮体是环形筒状体，
轮齿分布于环形筒状体的一个端面上；
[0023] 所述环形齿轮、公用太阳轮、公用行星架、输入轴、输出轴同轴线安装，所述公用行星轮轴线垂直于输入轴轴线；
[0024] 所述公用行星架上，沿周向以相等角度间隔分布有2～8个公用行星轮安装轴。
[0025] 所述第一离合器的内毂包含上、中、下工作位置，上、下位分别与第一离合器外毂、第二离合器外毂结合，中位解离，第三离合器包括上、下工作位置，下位结合，上位解离，操纵第一、第二离合器时，必须先解离第三离合器，操纵第三离合器时，必须先解离第一、第二离合器，所述第四离合器的内毂包含上、中、下工作位置，上、下位分别与第四离合器外毂、第五离合器外毂结合，中位解离。
[0026] 与
现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0027] (1)第1个行星排，至少可以获得4个速比，1个增速速比、1个减速速比、1个直接速比、1个反向减速速比；
[0028] (2)第2个到第n个行星排与第1个行星排的结构相同，只是第2个到第n个环形齿轮替代第1个环形齿轮工作，每增加1个环形齿轮，分别增加1个增速速比、1个减速速比，当环形齿轮总数为n时，n≥1，有2n+2个挡位；
[0029] (3)行星排中，太阳轮、行星架、行星轮均是公用的，并且所有行星排的环形齿轮、太阳轮、行星架都是同轴线的且轴向位置相同，这种布置方式称为行星变速器的并列设计(现有行星变速器的行星排沿轴向前后排列)，轴向占用空间小；
[0030] (4)行星排中，太阳轮、行星架、行星轮均是公用的，每增加1个环形齿轮，增加2个挡位。在同样挡位数的情况下，所需传动元件少，结构布置简单、合理可靠，换挡操作简便；
[0031] (5)既可获得较高的速比、也可获得较低的速比，任意挡位的动力至多经历一个简单行星排，传动效率高。
附图说明
[0032] 图1以面齿轮为传动元件的2n+2挡变速器30第一
实施例的示意图，用了4(n＝4)个面齿轮环形齿轮，1个面齿轮公用太阳轮，8个圆柱齿轮公用行星轮，可产生10个速比，其中4个减速比，4个增速比，1个直接传动比和1个反向减速比。
[0033] 图中：1——输入轴，2、17——输入轴轴承组，3——第三离合器内毂及其操纵杆，4——第一离合器内毂及其操纵杆，5——箱体，6、11——公用行星轮轴承组，7、8——公用行星架轴承组，9——公用行星架，10、12——公用太阳轮轴承组，13——第四离合器内毂及其操纵杆，14、16——输出轴轴承组，15——输出轴，Np——圆柱齿轮公用行星轮，Ns——面齿轮公用太阳轮，Ni——第i个面齿轮环形齿轮，Hi——第i个环形凹槽，Bi——第i个制动器(i＝1，2，3，4)，B4+1——第4+1个制动器，C1、C2、C3、C4、C5——第一、二、三、四、五离合器。
[0034] 图2行星轮安装轴布置形式示意图。
[0035] 图3图1所示变速器各齿轮的推荐齿数。
[0036] 图4根据图1和图3确定的速比，以及各离合器和制动器在对应速比下的工作状态。
[0037] 图5以锥齿轮为传动元件的2n+2挡变速器50第二实施实例的示意图，用了4(n＝4)个锥齿轮环形齿轮，1个锥齿轮太阳轮，2个锥齿轮组公用行星轮，可产生10个速比，其中4个减速比，4个增速比，1个直接传动比和1个反向减速比。
[0038] 图中：31——输入轴，32、48——输入轴轴承组，33——第三离合器内毂及其操纵杆，34——第一离合器内毂及其操纵杆，35——箱体，36、42——公用行星轮轴承组，37、38——公用行星架轴承组，39——公用行星架，40、43——公用太阳轮轴承组，41——锥齿轮组公用行星轮空心轴，44——第四离合器内毂及其操纵杆，45、47——输出轴轴承组，
46——输出轴，Zp4+1第4+1个锥齿轮，Zs——锥齿轮公用太阳轮，Zpi——第i个锥齿轮，Zi——第i个锥齿轮环形齿轮，Qi——第i个环形凹槽、Pi——第i个制动器i(i＝1，2，3，4)，P4+1——第4+1个制动器，U1、U2、U3、U4、U5——第一、二、三、四、五离合器。
[0039] 图6图5所示变速器各锥齿轮的推荐齿数。
[0040] 图7根据图5和图6确定的速比，以及各离合器和制动器在对应速比下的工作状态。
[0041] 图8 2n+2挡变速器(30，50)串联的第三实施例所能获得的速比列表。
[0043] 图10所用的直齿锥齿轮传动机构。
具体实施方式
[0044] 为让本发明的目的、特征和优点能明显易懂，下文以较佳实施实例，并结合附图，作详细说明。
[0045] 下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
[0046] 本发明的2n+2挡变速器需要应用角度传动，为清楚表述，角度传动的实例如图9、10所示，图9所示为人字齿面齿轮传动，其中圆柱齿轮与面齿轮的轴线夹角可在0°～180°范围内取值，但夹角取90°最佳，图10所示为直齿锥齿轮传动机构。圆柱齿轮、面齿轮、锥齿轮是构成本发明中的角度行星排的基本元件，它们的轮齿可以是直齿、弧齿、螺旋齿或人字齿等形式，显然这些元件需要通过轴、轴承进行支撑。
[0047] 根据本发明的第一实施实例的面齿轮行星排2n+2＝2×4+2＝10挡变速器30如图1所示。
[0048] 第i个行星排由第i个面齿轮环形齿轮Ni(i＝1，2，3，4)、圆柱齿轮公用行星轮Np、面齿轮公用太阳轮Ns和公用行星架9组成；
[0049] 制动器包括第1、2、3、4个制动器B1、B2、B3、B4、和第5个制动器B5；
[0050] 轴承组包括公用行星架轴承组7、8，圆柱齿轮公用行星轮轴承组6、11，公用太阳轮轴承组10、12，输入轴轴承组2、17，输出轴轴承组14、16；
[0051] 离合器包括第一、第二、第三、第四、第五离合器C1、C2、C3、C4、C5。
[0052] 行星排均是以面齿轮环形齿轮N1、N2、N3、N4，公用行星架9，圆柱齿轮公用行星轮Np，面齿轮公用太阳Ns轮组建的面齿轮行星排。
[0053] 箱体5包括4个环形凹槽，相邻凹槽之间的径向间隔距离决定于相邻面齿轮环形齿轮的齿数差，在第i个环形凹槽Hi的下方轴向固定、周向空套安装第i个面齿轮环形齿轮Ni，第i个制动器Bi安装于第i个环形凹槽Hi内部、箱体5与第i个环形齿轮Ni之间，第i个制动器Bi切换第i个环形齿轮Ni相对箱体5周向固定与周向空转两种工作状态，(i＝1，2，3，4)。
[0054] 公用行星架轴承组7、8将公用行星架支撑于箱体5上，公用行星轮轴承组6、11和公用太阳轮轴承组10、12将公用行星轮Np和公用太阳轮Ns分别支撑于公用行星架9上。
[0055] 输入轴轴承组2、17将输入轴1一端支撑于箱体5上，一端支撑于公用太阳轮Ns上，输出轴轴承组14、16将输出轴一端支撑于箱体5上，一端支撑于公用太阳轮Ns上，输入轴1通过连联轴器与原动机输出构件连接，输出轴15通过连联轴器与工作机输入构件连接。
[0056] 公用行星架9与箱体5之间安装有第5个制动器B5，制动器B5切换公用行星架9相对箱体5周向固定与周向转动两种工作状态。
[0057] 离合器包括内毂和外毂，结合内毂和外毂，内毂和外毂做同速转动，解离内毂和外毂，内毂和外毂做差速转动，内毂与操纵杆固联，第一离合器C1内毂操纵杆4内花键与第三离合器C3内毂操纵杆3外花键间隙配合，外毂与第1环形齿轮N1完全刚性固联，第二离合器C2与第一离合器C1共用内毂4，外毂与公用行星架9完全刚性固联，第三离合器C3内毂操纵杆3内花键与输入轴1外花键间隙配合，外毂与公用太阳轮Ns完全刚性固联，第四离合器C4内毂操纵杆13内花键与输出轴15外花键间隙配合，外毂与公用太阳轮Ns完全刚性固联，第五离合器C5与第四离合器C4共用内毂13，外毂与公用行星架9完全刚性固联。
[0058] 面齿轮行星排中的圆柱齿轮Np为1个整体长圆柱齿轮，同时与4个面齿轮环形齿轮N1、N2、N3、N4和面齿轮太阳轮Ns常啮合；
[0059] 面齿轮环形齿轮和公用太阳轮N1、N2、N3、N4、Ns，圆柱齿轮Np的齿形是人字齿，如图9所示；
[0060] 面齿轮环形齿轮N1、N2、N3、N4的轮体是环形筒状体，轮齿分布于环形筒状体的一个端面上；
[0061] 面齿轮环形齿轮N1、N2、N3、N4，面齿轮公用太阳轮Ns、公用行星架9、输入轴1、输出轴15同轴线安装，圆柱齿轮公用行星轮Np的轴线垂直于输入轴1的轴线；
[0062] 公用行星架上9，沿周向以相等角度间隔β＝360°/K分布有K＝8个圆柱齿轮公用行星轮安装轴，如图2所示。基于功率分流传动原理，理想条件下，每个行星轮传递的功率为总功率的1/8，可大幅提高承载能力。
[0063] 第一离合器C1的内毂包含上、中、下工作位置，上、下位分别与第一离合器外毂、第二离合器C2外毂结合，中位解离，第三离合器C3包括上、下工作位置，下位结合，上位解离，操纵第一和第二离合器C1、C2时，先解离第三离合器C3，操纵第三离合器时C3，先解离第一、第二离合器C1、C2，第四离合器C4的内毂包含上、中、下工作位置，上、下位分别与第四离合器外毂、第五离合器C5外毂结合，中位解离。
[0064] 上述第一实施例中，由于第三离合器C3内毂操纵杆3内花键与输入轴1外花键间隙配合，因此第三离合器C3内毂随输入轴1转动且可沿输入轴1轴向滑动，由于第一离合器C1内毂操纵杆4内花键与第三离合器C3内毂操纵杆3外花键间隙配合，因此第一离合器C1内毂随第三离合器C3内毂操纵杆3转动且可沿第三离合器内毂操纵杆3做轴向滑动，第四离合器C4内毂操纵杆13内花键与输出轴15外花键间隙配合，因此输出轴15随第四离合器C4内毂转动且第四离合器C4内毂操纵杆13能在输出轴15上做轴向滑动。
[0065] 上述第一实施例中，由第1个行星排可以获得的4个挡位及动力传递路线为：
[0066] 1挡，输入轴1——第三离合器C3内毂及外毂——面齿轮太阳轮Ns——圆柱齿轮公用行星轮Np(第1制动器B1制动第1个面齿轮环形齿轮N1)——公用行星架9——第五离合器C5外毂及内毂——输出轴15；
[0067] 5挡，输入轴1——第三离合器C3内毂及外毂——面齿轮太阳轮Ns——第四离合器C4外毂及内毂——输出轴15；
[0068] 9挡，输入轴1——第二离合器C2内毂及外毂——公用行星架9——圆柱齿轮公用行星轮Np(第1制动器B1制动第1个面齿轮环形齿轮N1)——面齿轮公用太阳轮Ns——第四离合器C4外毂及内毂——输出轴15；
[0069] 10挡(减速倒挡)，输入轴1——第一离合器C1内毂及外毂——第1个面齿轮环形齿轮N1——圆柱齿轮公用行星轮Np(第5制动器B5制动公用行星架9)——面齿轮太阳轮Ns——第四离合器C4外毂及内毂——输出轴15。
[0070] 上述第一实施例中，第2个行星排可以获得的2个挡位及动力传递路线为：
[0071] 2挡，输入轴1——第三离合器C3内毂及外毂——面齿轮太阳轮Ns——圆柱齿轮公用行星轮Np(第2制动器B2制动第2个面齿轮环形齿轮N2)——公用行星架9——第五离合器C5外毂及内毂——输出轴15；
[0072] 8挡，输入轴1——第二离合器C2内毂及外毂——公用行星架9——圆柱齿轮公用行星轮Np(第2制动器B2制动第2个面齿轮环形齿轮N2)——面齿轮公用太阳轮Ns——第四离合器C4外毂及内毂——输出轴15；
[0073] 上述第一实施例中，第3、4个行星排的2个挡位及动力传递路线类似于第2个行星排，主要调换行星排的输入输出，以面齿轮公用太阳轮Ns作为输入以公用行星架9作为输出获得减速挡，以公用行星架9输入以面齿轮公用太阳轮输出获得增速挡。
[0074] 上述第一实施例中，在初始状态，所有制动器不制动，所有离合器解离，变速器处于空挡状态，图4示出了离合器、制动器结合与制动顺序与各挡位的关系，其中图3示出了各齿轮的齿数。
[0075] 根据本发明的第二实施实例的锥齿轮行星排2n+2＝2×4+2＝10挡变速器如图5所示。
[0076] 第1、2、3、4个行星排，分别由第1、2、3、4个锥齿轮环形齿轮Z1、Z2、Z3、Z4，锥齿轮Zp1、Zp2、Zp3、Zp4、Zp5组公用行星轮，锥齿轮公用太阳轮Zs和公用行星架39组建，其中各锥齿轮的齿形是直齿，如图10所示。
[0077] 锥齿轮组行星轮由空心轴41将5个锥齿轮Zp1、Zp2、Zp3、Zp4、Zp5固联为一体，其中第i个锥齿轮Zpi与第i个锥齿轮环形齿轮Zi常啮合(i＝1，2，3，4)，第5个锥齿轮Zp5与锥齿轮公用太阳轮Zs常啮合。
[0078] 由于行星轮组中的各锥齿轮Zp1、Zp2、Zp3、Zp4、Zp5相互独立，因此它们的模数、齿数可取不同值，但组成各行星排的锥齿轮环形齿轮Z1、Z2、Z3、Z4及与其分别啮合的锥齿轮行星轮Zp1、Zp2、Zp3、Zp4的模数必须相等，锥齿轮公用太阳轮Zs及与其啮合的锥齿轮行星轮Zp5的模数亦必须相等，由此，相邻凹槽之间的径向间隔距离决定于相邻锥齿轮环形齿轮的齿数差和模数差。
[0079] 第二实施例中的制动器、离合器的数量、安装与操纵方式以及未加说明的其它布置与第一实施例中的相类同，两实施例中的行星排、挡位及其动力传递路线也是类同的，此处不再详述。
[0080] 上述第二实施例中，在初始状态，所有制动器不制动，所有离合器解离，变速器处于空挡状态，图6示出了各齿轮的齿数，图7示出了离合器、制动器结合与制动顺序与各挡位的关系。
[0081] 根据本发明的第三实施例为并列行星排串联减速器布置方案，将图1变速器30输出轴15通过联轴器与图5变速器50的输入轴31连接，基于第一、第二实施例的参数，第三实施例所能获得的不同速比如图8所示。该表包括了75个不同速比，删除比较接近的速比(×)，依然可获得60个速比，其中49个正向速比，13个反向速比。
[0082] 本发明的目的在于提出了基于角度传动的并列行星排变速传动方案，第1行星排至少可以获得4个速比，每引入1个环形齿轮即引入1个行星排，并增加2个挡位。减少了传动元件的使用和简化了变速器的结构，缩短了动力传递路径，提高了传动效率。通过更改设计参数和基于该方案进行行星排的并列、串联组合，具体实施方式不变，满足不同工作机的速比要求，更多的实施例不胜枚举。
[0083] 根据专利法的规定，以上较佳实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，所属技术领域的技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行
修改或同等替换，这些未脱离本发明范围的任何修改或同等替换均在
权利要求保护范围之内。
