[0001] 本发明涉及工程机械设备技术领域，具体涉及一种同轴式液压回流自动变速器及其换挡方法。

[0002] 液力机械传动系统作为一种经典传动系统，具有低速增扭、缓冲减振、外载荷自适应调节等传动特性，在交通运输、军事装备、基础设施建设等领域均获得了广泛的应用。尤其对行驶道路环境恶劣或外载荷变化剧烈的重型载运或铲掘装备，液力机械传动系统已成为其具备优良性能的重要标志。

[0003] 虽然液力机械传动系统具备极其优异的动力性能，即液力变矩器通过工作液在泵轮、涡轮与导轮组成的封闭腔体内循环流动实现功率的传递(见图1)。在作业过程中，液力变矩器能够在涡轮转速为零或较低的情况下提供远大于泵轮输入转矩的涡轮输出转矩并防止发动机熄火，可有效提升车辆越障、爬坡与起步加速性能。对行驶道路环境恶劣或外载荷变化剧烈的重型载运或铲掘装备，液力变矩器已成为其具备优良性能的重要标志。但是受液力变矩器结构形式的影响，工作液在流动过程中，不可避免的会因叶道摩擦、叶型冲击、叶道断面扩散与收缩等原因带来一系列的功率损失，导致液力变矩器传动效率最大值偏低、高效区狭窄，液力变矩器传动效率低、高效区狭窄的问题始终存在。为此，全球研究人员进行了大量的研究工作，如：通过改进液力变矩器叶片结构、改善制造工艺、添加双导轮等方法来提高液力变矩器本体效率；通过增加闭锁离合器、增加挡位等方法提高液力机械传动系统的整体效率。但是，受制造成本、结构与制造工艺复杂性、作业效果等因素的限制，液力机械传动系统的效率提升问题仍未得到显著解决，已然成为困扰液力机械传动系统得以更加广泛应用的一个世界性难题。因此，如何打破现有的结构束缚，找到一种能够替代液力机械传动系统的新型传动系统是近年来的一个新话题。

[0040] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

[0041] 经研究发现，液力变矩器通过泵轮、导轮、涡轮形成了一种功率能在内部循环传递的闭式系统。当外界负载过大，能量无法输出时，动力源输入功率能够以循环功率的形式在液力变矩器内流动、积累。液力变矩器所特有的闭式系统为循环功率的传递、积累提供了路径。因此，能够形成功率循环意味着传动系统具备能量存储功能；循环功率的存在是液力变矩器具备低速增扭特性的根本原因。

[0042] 参考图1‑图7所示，本发明以液压机械复合传动系统的回流传动模式作为主要负载作业模式，提供了一种适用于工程车辆的同轴式液压回流自动变速器，如图2所示。该变速器根据功率流的传递顺序，包括依次连接的液压机械复合传动装置及换挡调速装置。

[0043] 液压机械复合传动装置包括第一传动轴1、第一齿轮2、第二齿轮3、第二传动轴4、变排量液压元件5、定排量液压元件6、第三传动轴7、第三齿轮8、第四齿轮9、第一行星排行星架10、第一行星排太阳轮11、第一行星排齿圈12。其中，第一传动轴1为变速器的输入轴，发动机驱动轴与第一传动轴1固连；第一行星排太阳轮11、第一齿轮2固套于第一传动轴1；第二齿轮3固套于第二传动轴4，变排量液压元件5与第二传动轴4固连，第二齿轮3与第一齿轮2啮合形成啮合副i1；第三齿轮8固套于第三传传动轴7，变排量液压元件6与第三传动轴7固连；第四齿轮9固套于第一太阳轮行星架10，第三齿轮8与第四齿轮9啮合形成啮合副i2；
第一行星排齿圈12为液压机械复合传动装置的功率输出元件，功率经第一行星排齿圈12传递至换挡调速装置。

[0044] 换挡调速装置由第二行星排太阳轮13、第二太阳轮行星架14、第二行星排齿圈15、第一制动器16、第四传动轴17、第二制动器18、第三行星排太阳轮19、第三行星排行星架20、第三行星排齿圈21、第一离合器22、第一结合轮毂23、第四行星排太阳轮24、第四行星排行星架25、第四行星排齿圈26、第二离合器27、第二结合轮毂28、第五传动轴29、第三制动器30、第五齿轮31、第六齿轮32、第六传动轴33组成。其中，第一行星排齿圈12与第二行星排齿圈14固连，两者转速始终相等；第二行星排太阳轮13、第三行星排太阳轮19、第一结合轮毂
23、第四行星排齿圈26均固套于第四传动轴17；第一制动器16的转动端与第二行星排齿圈
15固连；第二制动器18的转动端与第三行星排齿圈21固连；第一离合器22的主、从动端分别与第三行星排齿圈21、第一结合轮毂23固连；第四行星排太阳轮24、第二结合轮毂28、第五齿轮31均固套于第五传动轴29；第三制动器30的转动端与第四行星排行星架25固连；第二离合器27的主、从动端分别与第四行星排行星架25、第二结合轮毂28固连；第六齿轮32固套于第六传动轴33；第五齿轮与第六齿轮相互啮合组成啮合副i3。传动过程中，功率由i3传递至第六传动轴33并最终向变速器外输出。

[0045] 上述方案中，齿轮及行星排传动元件通过花键固套于相应传动轴。通过第一制动器、第二制动器、第三制动器可分别实现第二行星排齿圈、第三星系排齿圈的强制制动；通过第一离合器可使第二行星排、第三行星排同时闭锁，两个行星排的全部元件能够以相同的速度转动；通过第二离合器可使第四行星排闭锁，第四行星排各个元件的转速与第四传动轴相同。

[0046] 作为优选的实施方式，所述第四传动轴17为空心轴，空套于第一传动轴1。所述第五传动轴29为空心轴，空套于第一传动轴1。

[0047] 进一步的，所述第一制动器、所述第二制动器和所述第三制动器均为湿式制动器；所述第一离合器、所述第二离合器均为湿式离合器。所述变排量液压元件与所述定排量液压元件均为轴向柱塞式液压元件；变排量液压元件与定排量液压元件均具备泵/马达双作业模式；

[0048] 其中，变排量液压元件的最大控制排量不低于定排量液压元件的额定排量。为了节约成本，提高传动效率，CLHS内的变排量液压元件最大控制排量与定排量液压元件的额定排量一般相等。但在某些情况下，为了获得更大的调速范围，也可尝试选用最大控制排量略大于定排量液压元件额定排量的变排量液压元件。

[0049] 由图2可知，本发明所述同轴式液压回流自动变速器在前进/倒退方向均各有三个挡位，其换挡方法如表1所示。

[0050] 表1变速器的换挡方法

[0051]

[0052]

[0053] 第三制动器30、第二离合器27分别控制车辆的前进与后退。当第三制动器30结合时，第四行星排25的转速为0，第四行星排太阳轮(24)与第四行星排齿圈26转动方向相反；当第二离合器27结合时，第四行星排25闭锁，第四行星排行星架25与第四行星排太阳轮24的转速相同。

[0054] 当第一离合器22结合时，本发明所述变速器作业于1挡。此时，第二行星排与第三行星排同步闭锁，变速器的系统速比为

[0055]

[0056] 式中，i1、i2、i3分别为定轴齿轮i1、i2、i3的传动比，k1、k2、k3、k4分别为第一、第二、第三、第四行星排的行星排特性常数。

[0057] 当第二制动器18结合时，本发明所述变速器作业于2挡，第三行星排齿圈21固定不动，第二行星排与第三行星排行成了典型的输出耦合式并联机构。此时，换挡调速装置内功率流的传递方向如图5所示，变速器的系统速比为

[0058]

[0059] 当第一制动器16结合时，本发明所述变速器作业于3挡，第一行星排齿圈15的转速为0。此时，第一行星排齿圈15不传递功率，换挡调速装置输入功率经第一星系排行星架14、第一行星排太阳轮14、第四传动轴17直接传递至第四行星排齿圈26，变速器的系统速比为[0060]

[0061] 上述的变速器换挡方法能够提高与工程机械设备的匹配度，能够在保障低速增扭、缓冲减震、防止发动机熄火的同时，具备更高的传动效率及更宽的调速范围；各个调速段均具备可主动调控的无级变速能力，即有利于改善驾驶舒适性，又有利于提高作业效率；仅通过调整泵、马达及行星排的规格参数即可获得不同的增扭系数及各挡位的调速范围，有利于方便快捷的构建系列化产品方案。

[0062] 液压机械复合传动装置使用以齿圈为动力输出元件的两自由度差动轮系作为功率汇流元件，能够在保证输出转速、输出转矩满足要求的前提下，有效防止液压机械复合传动装置内部分齿轮转速过高的情况出现，提高系统使用寿命；减小变排量液压元件5与定排量液压元件6的额定排量需求，节约成本；改善液压机械复合传动装置与换挡调速装置的适配性，使换挡调速装置内的各行星排具备更适中的行星排特性常数，方便加工、装配。

[0063] 变排量液压元件5与定排量液压元件6组成轴向柱塞式泵‑马达闭式系统(CLHS)。在传统的液压机械复合传动系统中，为了节约成本，提高传动效率，CLHS内的变排量液压元件最大控制排量与定排量液压元件的额定排量一般相等。但在某些情况下，为了获得更大的调速范围，也可尝试选用最大控制排量略大于定排量液压元件额定排量的变排量液压元件。

[0064] CLHS的排量比ε一般定义为变排量液压元件实际排量与定排量液压元件额定排量之比，即

[0065] ε＝VV/VF＝nF/nV                     (4)

[0066] 式中，nV、nF分别表示变排量液压元件与定排量液压元件转速，rpm；VV、VF分别表示变排量液压元件与定排量液压元件的排量，cm3/r。

[0067] 当ε∈[0,i1i2/(1+k)]时，液压机械复合传动系统在回流传动模式下作业。此时，液压回流传动装置内齿轮、行星排的转速/转矩传递关系及功率传递方向如图3所示。发动机输入功率经第一传动轴1→第一行星排太阳轮11→第四齿轮9→第三齿轮8→第三传动轴7→定排量液压元件6→变排量液压元件5→第二传动轴4→第二齿轮3→第一齿轮2→第一传动轴1在液压回流传动装置内传递，形成循环功率。当第一行星排齿圈12因负载过大而停止转动时，动力源输入的功率依旧能够以回流功率的形式存储于液压回流传动装置内部，并积累升高，直至系统满足转矩要求或CLHS达到压力上限，实现低速增扭。

[0068] 当ε∈[‑1,0]时,液压机械复合传动系统在分流传动模式下作业，液压回流传动装置内齿轮、行星排的转速/转矩传递关系及功率传递方向如图4所示。此时，液压回流传动装置内的液压路与机械路双向并联传递功率，系统内不存在功率循环。因此，在变速器的实际作业过程中，液压回流传动装置在分流传动模式下仅适用于工程机械的非主要作业工况。

[0069] 根据液压回流传动装置内功率流的传递特点，由啮合功率法可计算得到液机械复合传动系统的传动效率为

[0070]

[0071] 式中，ηHMCS为液压回流传动装置的传动效率；ηg为定轴齿轮传动效率，ηg＝0.98；I为第一传动轴1；r1为第一行星排齿圈12；p1为第一行星排行星架10；s1为第一行星排太阳轮11；iab表示元件a与元件b的转速之比； 为元件a、元件b相对于元件c的转速之比；ηP‑M为CLHS总传动效率，由台架测试数据实际拟合得到CLHS的效率模型为

[0072]

[0073] 式中，ΔP为CLHS的作业压差；A为CLHS的效率拟合系数。

[0074]

[0075] 将式(6)带入式(5)可计算得到液压机械复合传动系统的效率特性曲线，如图5、图6所示。需要说明的是，主要作业压力区间内，ΔP＝270bar时，CLHS的传动效率最高；ΔP＝
350bar时，CLHS的传动效率最低。

[0076] 由图5、图6可知，在主要作业压力区间内，液压机械复合传动系统具备更加良好的效率特性，有效弥补了液力变矩器传动效率低、高效区狭窄的缺陷。

[0077] 由图1可知，本发明所述同轴式液压回流自动变速器的效率特性可以表示为[0078] ηPHAT＝ηHMCSηmn                        (7)

[0079] 式中，ηPHAT为同轴式液压回流自动变速器的传动效率；ηmn为机械式有级变速箱的传动效率。I挡时，第二行星排与第三行星排均闭锁，不存在功率损耗，ηm1＝ηi3＝0.98；II挡时，第三行星排齿圈21固定不动，机械有级变速箱内的功率流传递状态如图7所示。第二行星排与第三行星排组成了并联的分流传递路径。此时，换挡调速装置的效率为[0080]

[0081] 式中，it3‑q1表示为第三行星排太阳轮19与第一行星排齿圈12的转速之比； 表示为第一行星排齿圈12与第三行星排太阳轮19相对于第二行星排太阳轮13的转速之比；表示为第一行星排齿圈12与第二行星排行星架14相对于第二行星排太阳轮13的转速之比；iq1‑t3表示为第一星系排齿圈12与第三行星排太阳轮19的转速之比。由计算可知，当行星排特性常数k∈[1.5,4]时，ηm2≈0.96。

[0082] III挡时，PG2的齿圈固定不动，功率仅由PG2的行星架传递至齿轮，ηm＝0.98ηi3＝0.96。

[0083] 由图3可知，回流传动模式下，液压机械复合传动系统所具备的功率传递关系可以表示为

[0084] |Pe|+|Pp1|ηgηP‑M＝|Ps1|                       (9)

[0085] 式中，Pe为动力源输入功率，kW；Pp1为第一行星排行星架10的输出功率，kW；Ps1为第一行星排太阳轮11输入功率，kW。

[0086] 由行星齿轮设计理论可知，当第一行星排为内外啮合单行星排时，第一行星排行星架与第一行星排太阳轮的功率传递关系为

[0087]

[0088] 将式(10)带入式(9)可对液压机械复合传动系统的低速增扭系数K进行求解。

[0089]

[0090] 式中，Te为变速器的输入转矩，N；Tr1为第一行星排齿圈12的输出转矩，N。

[0091] 受装配空间限制，在车辆传动系统中，单级外啮合齿轮的传动比一般不大于2.8，不小于0.6。因此，i1、i2与k1之间的数值关系可以表示为

[0092]

[0093] 当ε∈[‑1,1]、ΔP∈[0，350]时，式(6)所示CLHS效率模型能够达到的最大效率约为83.7％。由此，可计算得到液压机械复合传动系统的最大增扭系数如表2所示。

[0094] 表2液压机械复合传动系统的最大增扭系数

[0095]  k1＝1.5 k1＝2 k1＝3 k1＝4
最大增扭系数 7.65 10.2 15.29 20.39

[0096] 由表2可知，液压机械复合传动系统的最大增扭系数不低于7.65，远超过一般液力变矩器的最大增扭系数，能够满足一般工程车辆的动力性要求。

[0097] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。