差速组件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种差速组件，其至少具有第一传动比和第二传动比。本发明的差速组件能与自动变速器系统相整合，从而增加可实现传动比的数量。本发明还提供了一种提高发动机效率的变速切换方法。
【专利说明】差速组件
[0001]本申请要求于2012年7月16日提交的序列号为61 / 672，127的美国专利申请的优先权，该美国专利申请的公开内容以其整体引用于此作为参考。
【技术领域】
[0002]本发明提供一种差速(器)组件，其能增加可实现传动比的数量，以及增大车辆的原动机/发动机的输出轴和车桥半轴之间的总传动比范围。
【背景技术】
[0003]机动车辆的传动系构造成从车辆的原动机向车轮传递动力。传动系通常包括变速器，变速器包括为车辆提供设定数量的可实现速度(也称传动比)的传动组件。例如，六速自动变速器具有一档、二档、三档、四档、五档、六档和倒档。驱动轴(原动机的输出轴)和变速器的输出轴的转速之间的比率对于各个档/速度是不同的。
[0004]例如，一档的传动比可能为三比一(3:1)，而六档的传动比可能为零点五比一(0.5:1)。对于上述例子中的变速器来说，当车辆处于一档时发动机的输出轴(即变速器的输入轴)相对于变速器的输出轴的每次转动而言转动三次。该传动比(“低”速档)在车辆从停止起动时使用且用于较低的速度。另一方面，当上述例子中的变速器处于六档时，对于变速器的输出轴的每次转动而言，发动机的输出轴转动半圈。该传动比(“高”速档)在车辆高速行驶时使用。传动系还可包括差速器，其将转矩从变速器传递到与车轮联接的车桥。
[0005]发动机的转数和车桥半轴的转数(车轮转数)之间的比率被称为总传动比。该比率是上述的变速器传动比以及由差速器中的齿轮传动装置(例如，最终传动小齿轮和最终传动环形齿轮上的齿数)限定的最终传动比的乘积。例如，如果最终传动比为三比一(3:1)，则根据上述例子的对于一档的总传动比将为九比一(9:1)，其是三(第一传动比)与三(最终传动比)的乘积。该比率将为发动传动比，因为其用于将车辆从停止状态发动起来。
[0006]为了使发动机在节气门全开时的性能(例如，马力、转矩、燃料效率)最优化，希望使发动机在其特定的目标速度范围(例如，这样的发动机速度(每分钟转数(RPM))，其大体与峰值转矩到峰值马力附近和之间(通常已知为“功率带”)的RPM相关联)内运转。自动变速器构造成使变速器自动地变速/换档以在节气门全开运转期间将发动机速度保持在该功率带目标范围内。然而，当处于常常在车辆巡航或以小于最大速率加速时出现的“节气门部分开启”或“小节气门”条件下或处于需要小于全开节气门的其它条件下时，期望的目标发动机速度可能低于全开节气门的发动机速度以尽量提高燃料效率和驾驶员舒适性。变速的正时和顺序基于包括车速和期望性能(例如，最大加速度、最高燃料效率等)在内的多个因素，并且通常由一个或多个系统输入(例如，节气门位置、发动机速度和车速、油温等)来控制。例如，为了在以比较恒定的速度巡航时尽量提高燃料效率，通常希望将发动机速度维持在较低但仍高到足以具有充分动力以维持期望行驶速度的速度。
[0007]在所有其它因素等同的情况下，具有更多的可实现传动比和更宽的总传动比范围的变速器使得车辆能够更高效地行驶，因为更有可能维持最佳目标发动机速度。例如，特定发动机在与九速变速器配合时通常会比与四速变速器配合的相同发动机具有更高的燃料效率。具有更多的可实现速度的车辆还能更平顺地行驶，因为在轮速变化时能将发动机速度保持得更趋于恒定，从而导致比较一致的感觉。实际的设计约束(例如，对于可供附加的传动装置使用的空间的限制、不希望增加各组件的重量、不希望增加变速控制的复杂性、由于传动系中的额外摩擦引起的能量损失，等等)限制了商售变速器的速度的数量。本领域中需要在应对这些及其它设计约束的同时为车辆提供更多的传动比。
【发明内容】
[0008]本发明提供了一种至少具有第一传动比和第二传动比的差速组件。本发明的差速组件能与自动变速器系统相整合，从而增加可实现传动比的数量。还公开了一种提高发动机效率的变速切换方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是现有技术的单速差速器构型的示意图；
[0010]图2是本发明的多速差速器的一个实施例的示意图；
[0011]图3是全轮驱动车辆的根据本发明的传动系的剖视图；
[0012]图4是图3中的传动系的行星齿轮组和差速器的局部放大剖视图；
[0013]图5是图3中的传动系的另选构造的行星齿轮组和差速器的局部放大剖视图；
[0014]图6是比较标准车辆与装备有本发明实施例的车辆的传动比和变速顺序的图表；
[0015]图7是示出标准六速车辆与装备有本发明实施例的车辆的变速顺序的图表；以及
[0016]图8是比较标准六速车辆、装备有已知的九速变速器的车辆和装备有本发明实施例的车辆的传动比范围的图表。
【具体实施方式】
[0017]本发明在这里将被描述为整合在具有自动变速器的前轮驱动或全轮驱动的车辆中。应当认识到，本发明的教导可用在具有不同的传动系构型、变速器构型和发动机构型的各种不同类型的机动车辆中。
[0018]图1是差速器10的高水平示意图。差速器10包括在这里也称为差速器壳的壳体
12。一对相对置的侧齿轮(半轴齿轮)14、16位于壳体12内。侧齿轮14、16连接到驱动车轮20、24转动的车桥半轴18、22。在差速器壳与第一和第二侧齿轮14、16之间设置有转矩传递装置26。转矩传递装置26构造成传递转矩，同时允许第一和第二侧齿轮14、16绕车桥半轴18、22的转动轴线40作差速转动。换句话说，转矩传递装置26构造成在必要时(例如，转弯时)允许车轮20、24以不同的速度转动。
[0019]在所示实施例中，转矩传递装置26包括由与壳体12 —起转动的小齿轮轴32连接的一对小齿轮28、30。壳体12的转动使横向轴32绕轴线40转动。当小齿轮轴32转动时，小齿轮驱动使车桥半轴18、22转动的侧齿轮14、16，从而引起车轮20、24转动。应当认识至IJ，转矩传递装置的许多其它实施例也是可能的。
[0020]仍参照图1，最终传动环形齿轮34被示意性地示出为连接到壳体12的外侧以驱动壳体绕轴线40转动。最终传动环形齿轮34由最终传动小齿轮36驱动，最终传动小齿轮36由变速器输出轴38驱动。使车桥半轴18、22完全转动一圈的变速器轴38的转数之间的比率已知为最终传动比。最终传动比取决于最终传动小齿轮36和最终传动环形齿轮34的构型(例如，最终传动小齿轮和最终传动环形齿轮上的齿数之间的比率)。如在具有驱动桥装置的前轮驱动车辆中的典型情况那样，变速器输出轴38平行于前车桥半轴18、22。
[0021]图2是整合到上面参照图1所述的驱动桥构型中的本发明实施例的示意图。相似的特征将用相同的附图标记表示。在所示实施例中，多速齿轮组件42可操作地安设在最终传动环形齿轮34和差速器10的壳体12之间。在所示实施例中，多速齿轮组件42是两速齿轮组，因为齿轮组件42包括对应于第一传动比的第一状态和对应于不同于第一传动比的第二传动比的第二状态(第一和第二状态在这里也称为第一齿轮/档模式和第二齿轮/档模式)。在这里第一和第二传动比也被描述为不同的第一和第二最终传动比。应当认识至IJ，在另选实施例中，也能不同地布置多速齿轮组件，其还可具有两种以上的齿轮模式。
[0022]在所示实施例中，多速齿轮组件42包括:与壳体12 (差速器壳)一起绕转动轴线40转动的行星架50 ;可转动地连接到行星架50的一定数量的行星齿轮52 (行星齿轮组)；与行星齿轮52 (行星齿轮组)相互啮合的行星齿圈56 ;和与行星齿轮52 (行星齿轮组)相互啮合且沿转动轴线40轴向排布的太阳齿轮58。应当认识到，在另选实施例中，多速齿轮组件可具有不同的构型，例如包括不包含太阳齿轮和行星齿轮的构型。
[0023]所示实施例的多速齿轮组件42还包括切换/变速组件60 (例如，离合器组件)，其用于选择性地迫使行星架50相对于太阳齿轮58转动或迫使行星架50相对于太阳齿轮58固定。最终传动比在这两种不同状态下是不同的。
[0024]在所示实施例中，切换组件60构造成使得最终传动比可变而不必完全切断传向多速齿轮组件42的转矩(例如通过在自动变速器中使变速器切换到空档位置或在手动变速器中压下手动离合器以脱开发动机)。换句话说，切换组件60可以是动力切换型切换组件。在其它的另选实施例中，切换组件可要求切断传向多速齿轮组件的转矩以便从一个传动比切换到另一个传动比。
[0025]在所示实施例中，切换组件60构造成具有第一齿轮模式和第二齿轮模式。在第一齿轮模式中，太阳齿轮58被阻止绕转动轴线40转动以使得来自外齿圈56的转矩驱动行星齿轮52，这使得行星架50和差速器壳12相对于太阳齿轮58转动。换句话说，在第一齿轮模式中，太阳齿轮58经由切换组件60被固结于地而阻止其转动，使得行星齿轮52在被环形齿轮34驱动时绕太阳齿轮58回转。当行星齿轮52绕太阳齿轮58回转时，行星架50和差速器壳12绕轴线40转动。应当认识到，可使用构造成控制两个部件之间的相对转动的任意系统来使多速齿轮组件从第一齿轮模式切换到第二齿轮模式(例如，拉力带、离合器组件等)。在所示实施例中，该第一齿轮模式对应于“低速”传动比。在第一齿轮模式中，最终传动减速比是源自多速齿轮组件42的减速与源自最终传动小齿轮36和最终传动环形齿轮34的减速的乘积。例如，源自多速齿轮组件的减速可以是一点五比一(1.5:1)，而小齿轮36和最终传动环形齿轮34的减速可以是三比一(3:1)，从而得到四点五比一的总的最终传动减速(4.5:1)。
[0026]在第二齿轮模式中，太阳齿轮58与地脱开且在太阳齿轮58和行星架50之间阻止相对转动，使得来自行星齿圈56的转矩使行星齿轮52、行星架50和差速器壳12作为一个整体一起绕转动轴线40转动。换句话说，在第二齿轮模式中，通过切换组件60使太阳齿轮58与行星架50 —起转动(例如，太阳齿轮58可接合到行星架50)并与地脱开。在所示实施例中，该第二齿轮模式对应于“高速”传动比(例如，三比一(3:1)的最终传动比，其中减速仅源于最终传动小齿轮36和最终传动环形齿轮34之间的关系)。换句话说，第二齿轮模式中的多速齿轮组件导致一比一(I:1)的传动比(无减速)。
[0027]参照图3，示出了全轮驱动车辆的传动系的一部分的剖面。在所示构型中，变速器70、前差速器72、和前车桥半轴74、76的一部分整合在同一壳体78或外壳中。在该驱动桥构型中，车辆的发动机横向安装。在所示实施例中，车辆的后轮(未示出)经由向后延伸的轴80接收转矩，这导致全轮驱动。在所示实施例中，上述的多速齿轮组件42在变速器部件和差速器部件之间位于驱动桥的壳体中。多速齿轮组件可另选地在前车桥半轴74和向后延伸的轴80之间位于区域82内。
[0028]参照图4，示出了整合在驱动桥中的本发明实施例的局部剖视图。在所公开的实施例中，差速器90具有特定的紧凑构造。差速器90包括花键连接到车桥半轴18和22的侧齿轮14、16。差速器包括转矩传递装置92，转矩传递装置92包括支承在小齿轮轴98、100上的小齿轮94、96，小齿轮轴98、100伸入壳体102内并与壳体一起转动，壳体102经由轴承104、106可转动地支承在驱动桥壳体78中。紧凑的差速器构造的进一步描述可在PCT申请N0.W02013 / 036521中找到，该PCT申请以其整体引用于此作为参考。
[0029]图4在结构上示出了上面参照图2和3进行了功能性描述的多个相同的特征。图4示出最终传动环形齿轮34、行星齿圈56、行星齿轮52和行星架50的实施例。包括离合器/制动器的切换组件可位于空间110和112中，这些空间由于差速器的特定紧凑构造和多速齿轮组件42的齿轮传动装置构型是可用的。
[0030]参照图5，示出了图4中公开的构型的另选实施例。图5中示出的多个部件与图4中示出的那些相同，因此不再参照图5作进一步讨论。在图5中，多速齿轮组件42的齿轮传动装置进一步移离差速器90，从而在齿轮组(行星齿轮、太阳齿轮和行星架)的左侧形成较小的空间，在齿轮组的右侧形成较大的空间。在所示实施例中，切换组件(例如，离合器组件、拉力带等)可位于空间110和112内，这些空间由于差速器的紧凑构造和多速齿轮组件42的齿轮传动装置构型是可用的。
[0031]参照图6，示出了比较标准车辆和装备有本发明实施例的车辆的传动比的图表。在所示实施例中，用于比较的基线是六速轿车(例如，Vff Passat (大众帕萨特))。提供了对应于一档至六档的传动比。为每个档/速度提供了两个比率，“主”比率和“总”比率。被称为“主”比率的第一个比率表示变速器的输入轴(发动机的输出轴)与变速器的输出轴之间的比率。例如，对于一档的“主”比率为4.04比I,对于六档的“主”比率为0.67比I。被称为“总”比率的第二个比率表示变速器的输入轴(发动机的输出轴)与驱动车轮转动的车桥半轴之间的比率。所述两个比率之差是由于源自与差速器相关的齿轮传动装置(例如，最终传动小齿轮、最终传动环形齿轮)的最终传动比导致的。例如，对于一档的“总”比率为15.63比1，对于六档的“总”比率为2.59比I。由于各比率是逐级的，所以变速顺序从一档升至六档和从六档降回一档一般是顺次的。
[0032]相比而言，根据本发明的差速组件具有不止一个的最终传动比。例如，在图6所示的实施例中，在五档的总传动比可以是四点五比一(4.5:1)或三比一(3.0:1)。四点五比一(4.5:1)的比率是在行星架50相对于太阳齿轮58转动(例如，太阳齿轮58被接合于地/被制动)时出现的。三比一(3:1)的比率是在行星齿轮50与太阳齿轮58 —起转动(例如，太阳齿轮被接合于行星架)时出现的。当行星齿轮50与太阳齿轮58—起转动时，最终传动减速比仅源于最终传动小齿轮和最终传动环形齿轮构型，因为多速齿轮组件所特定的齿轮传动装置导致I比I的比率且变速器不引起减速(即，主比率为一比一(1:1))。
[0033]仍参照图6，示出了采用本发明原理的轿车的传动装置的重新构型。如上所述，在所示实施例中，提供了对应于第一齿轮模式和第二齿轮模式的两组总传动比。根据所示实施例，当切换组件60处于第一齿轮模式时，一档具有22.5比I的总比率，六档具有2.25比I的总比率。当切换组件60处于第二齿轮模式时，一档具有15.0比I的总比率，六档具有1.5比I的总比率。
[0034]参照图6和7两者，根据该示例性实施例，第一齿轮模式用于变速器中从一档至三档的前三次变速，导致以下比率:22.5:1，然后17.1:1，然后13.5:1。然后多速齿轮组件切换至第二齿轮模式，而主变速器切换回二档，从而导致以下比率:11.4:1，然后9:1，然后
6.6: I,然后3:1,最后1.5:1。在所不实施例中，存在十二个总的可实现比率，其中使用了八个。实际上，本发明将六速变速器转换成了十二速变速器，其中有八个速度用于通常的行驶。装备有本发明的车辆与标准六速的15.63比I的发动比率相比具有理想的22.50比I的发动比率。这可改善从停止状态的加速。其还具有理想的1.50比I的高速(超速档)比率，相比之下，与标准六速变速器相关的高速比率为较低的2.59比I。这能改善公路高速(highway speed)下的燃料效率(较低的发动机速度)。
[0035]在一些实施例中，从一档升档至最高档与从最高档降回一档经历不同的传动比。例如，升档可如上所述经历以下比率:22.5:1,17.1:1,13.5:1,11.4:1,9.0:1,6.6:1,
3.0:1 和 1.5:1。降档可例如经历以下比率:1.5:1,3.0:1，6.6:1，9.0:1，11.4:1 和 15.0:
I。这种降档可能是希望的，因为其在车辆停止之前不需要差速器构型从第二齿轮模式切换为第一齿轮模式。这可例如在车辆减速转弯且然后速度回升而不会停下来时使用。在这种情况下，17.1:1和22.5:1的低比率可能不需要或像15.0:1那样理想，15.0:1是差速器在第二齿轮模式下的“一档”。当应用该顺序时，即使主变速器只具有六速，车辆也能有效地经历九个可实现比率。应当认识到，许多其它变速顺序也是可能的。例如，不同的变速顺序可与不同的行驶模式(运动模式、经济模式、越野模式、岩石爬行模式、雪地和冰面模式等)相关。例如，在雪地和冰面模式中为了避免车轮打滑，可能希望在第二齿轮模式中以15:1的比率而不是在第一齿轮模式中可获得的22.5:1的比率从停止状态发动，或者，可能希望在第一齿轮模式中从导致17.1:1的比率的“二档”从停止状态发动。此外，在另选实施例中，多速齿轮组件可主要在高速范围改善性能而不是如图7所示的那样主要在低速改善发动。换句话说，在另选实施例中，在普通的(stock)齿轮传动装置和根据本发明的齿轮传动装置之间在六档的差异与图7所示在一档的普通的齿轮传动装置和根据本发明的齿轮传动装置之间的差异相比是一样大或更大的。
[0036]图8示出了本发明可产生改善的(增大的)比率范围。在标准六速构型中，低比率为15.63，高比率为2.59，从而范围约为6 (15.63除以2.59)。对于已知的九速变速器，预期的范围为9.7。如该例子中所示，通过采用本发明，低比率为22.5，高比率为1.5，从而范围约为15(22.5除以1.5)。增大的比率范围导致更平顺的驾乘(改善的变速质量)。还能够使车辆更高效地行驶，因为能更好地维持目标发动机速度。例如，在燃料经济模式下，即使车辆在以高路面速度行驶时，也能将发动机速度保持在低速，而对于运动模式，能在各种不同的地面速度下将发动机速度维持在功率带(较高的RPM)内。
[0037]以上的描述、例子和数据提供了对本发明组成的制造和使用的完整说明。由于可不脱离本发明的精神和范围地作出本发明的许多实施例，本发明存在于后面所附的权利要求中。
【权利要求】
1.一种驱动桥，包括: 壳体； 在壳体内的自动变速器； 在壳体内的多速差速器，多速差速器包括: 由自动变速器的输出轴驱动的多速齿轮组件，多速差速器至少包括第一最终传动比和第二最终传动比； 切换组件，切换组件构造成即使在经由变速器输出轴传递转矩时也选择性地改变多速齿轮组件的最终传动比；和 控制系统，控制系统构造成在 来自变速器输出轴的转矩传递到车轮时致动切换组件以改变最终传动比。
2.如权利要求1所述的驱动桥，其中，控制系统在相对于自动变速器的齿轮传动的不同点致动切换组件以改变最终传动比。
3.如权利要求1所述的驱动桥，其中，控制系统部分地基于是车辆在加速还是车辆在减速而在相对于自动变速器的齿轮传动的不同点致动切换组件。
4.如权利要求1所述的驱动桥，其中，控制系统部分地基于车辆是在从停止状态加速还是在从车辆运动的状态加速而在相对于自动变速器的齿轮传动的不同点致动切换组件。
5.如权利要求1所述的驱动桥，其中，控制系统部分地基于由操作者选择的驱动模式而在相对于自动变速器的齿轮传动的不同点致动切换组件。
6.如权利要求1所述的驱动桥，其中，控制系统构造成在自动变速器在第一最终传动比下经历了自动变速器的至少一个传动比之后致动切换组件以改变为第二最终传动比。
7.如权利要求6所述的驱动桥，其中，控制系统构造成在自动变速器在第一最终传动比下经历了自动变速器的至少两个传动比之后致动切换组件以改变为第二最终传动比。
8.如权利要求1所述的驱动桥，其中，自动变速器输出轴驱动最终传动小齿轮转动，最终传动小齿轮驱动最终传动环形齿轮，最终传动环形齿轮驱动多速齿轮组件。
9.如权利要求1所述的驱动桥，其中，切换组件包括离合器组件，多速齿轮组件包括至少一个太阳齿轮和多个行星齿轮。
10.一种对如权利要求1所述的驱动桥进行变速切换的方法，包括: 根据预定参数在第一最终传动比和第二最终传动比之间自动选择， 其中，第一最终传动比用于从停止状态发动车辆，第二最终传动比用于在公路高速行驶期间使燃料效率最优化， 其中，第一和第二最终传动比的选择是自动的。
11.如权利要求10所述的方法，其中，预定参数包括关于使用者选择的驱动模式的信肩、O
12.如权利要求10所述的方法，其中，预定参数包括关于当前车速、过去车速和当前发动机速度的信息。
13.如权利要求10所述的方法，其中，选择第一最终传动比包括使行星齿轮相对于太阳齿轮转动，选择第二最终传动比的步骤包括使太阳齿轮与行星齿轮一起转动。
14.如权利要求1所述的驱动桥，还包括: 其中，多速差速器包括绕转动轴线转动的差速器壳；其中，多速差速器包括转矩传递装置，转矩传递装置包括第一和第二侧齿轮，第一和第二侧齿轮分别限定有沿转动轴线对准的第一和第二输出轴开口，转矩传递装置构造成在差速器壳与第一和第二侧齿轮之间传递转矩，同时使得第一和第二侧齿轮能够绕转动轴线产生差速转动； 其中，多速齿轮组件包括: 绕转动轴线与差速器壳一起转动的行星架； 可转动地连接到行星架的行星齿轮组； 驱动行星齿轮组的外齿圈，行星齿轮组使行星架和差速器壳绕转动轴线转动； 与行星齿轮组相互啮合的太阳齿轮，太阳齿轮沿转动轴线同轴对准；并且 其中，切换组件能在第一和第二齿轮模式下操作，其中当切换组件处于第一齿轮模式时，太阳齿轮被阻止绕转动轴线转动以使得来自外齿圈的转矩驱动行星齿轮组，而行星齿轮组使行星架和差速器壳相对于太阳齿轮转动，并且其中当切换组件处于第二齿轮模式时，太阳齿轮被阻止相对于行星架和差速器壳转动以使得来自外齿圈的转矩使行星齿轮组、行星架和差速器壳作为一个单元绕转动轴线一起转动。
15.如权利要求14所述的多速差速器装置，其中，切换组件包括离合器组件，离合器组件构造成控制太阳齿轮和行星架之间的相对转动。
16.如权利要求14所述的多速差速器装置，其中，切换组件包括离合器组件，离合器组件构造成控制太阳齿轮是否转动。
17.如权利要求14所述的多速差速器装置，其中，转矩传递装置包括支承在相应的小齿轮轴上的小齿轮，小齿轮轴伸入差速器壳并与差速器壳一起转动。
18.如权利要求14所述的多速差速器装置，其中，差速器是开式差速器。
19.如权利要求14所述的多速差速器装置，其中，差速器是限滑式差速器。
20.如权利要求14所述的多速差速器装置，其中，差速器是锁止式差速器。
【文档编号】F16H48/08GK103542062SQ201310374317
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年7月16日 优先权日:2012年7月16日
【发明者】T·A·杰尼斯, G·L·希特沃勒, R·库库卡, G·F·拉杜尔舒, D·S·弗雷泽, R·J·凯尔, A·P·哈曼, R·M·阿恩斯帕格, P·J·麦克米伦, J·G·卡伦 申请人:伊顿公司