CN105351467B - 摩擦式变矩器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种摩擦式变矩器，包括内环、大滚柱及外环，内环为输入单元，内环周侧环面上均分设有至少两个凹形槽，每个凹形槽分别对应一个大滚柱；外环为输出单元，外环套在内环外并与内环同轴布设，外环的内侧圆周面形成外环内滚道并与各滚柱配合。当转速和负载发生变化时，滚柱在离心力和内环凸轮的共同作用下实现自适应工作，最终实现摩擦式变矩器的闭锁输出、自动变速和变矩，满足不同的应用。该变矩器结构具有结构简单、传递效率高、无级变速、自适应强，具有自动闭锁功能、节能环保等优点。

Description

摩擦式变矩器
技术领域
本发明公开一种摩擦式变矩器，能够实现无级变速、自动变矩的传动***。
背景技术
目前，应用最广泛的变矩器是液力变矩器，亦称扭力转换器，安装在发动机和变速器之间，以液压油(ATF)为工作介质，起传递转矩，变矩，变速及离合的作用。它是一种以液体为工作介质的非刚性扭矩变换器，是液力传动的型式之一，应用极其广泛。液力变矩器是由泵轮、涡轮和导轮等组成，液力变矩器不仅增大了发动机的扭矩，而且还实现发动机和自动变速箱之间的柔性连接，既有效地解决了发动机的熄火问题又能够自如地实现自动换挡。
液力变矩器的主要缺点是结构复杂，成本较高，质量较大，以及由于存在液力损失，使机器的传动效率有所降低，因而机器燃料经济性和牵引效率有所降低。为了解决这个问题，有些汽车上的扭矩转换器上有一个锁止离合器来提高传动效率，但是复杂的***和昂贵的传动部件一直以来都是让维修市场和用户头疼的主要问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种摩擦式变矩器，在对摩擦、传动、材料及润滑等多***研究的基础上，通过全新的设计，改变传统的变矩器形态，简化了变矩器的结构，提高传递效率，降低成本，具有性能优越、自适应性强、无级变速、自动闭锁、绿色环保等优点。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种摩擦式变矩器，包括内环、大滚柱及外环，其中：
内环，其为输入单元，内环周侧环面上均分设有至少两个凹形槽，每个凹形槽分别对应一个大滚柱；
外环，其为输出单元，外环套在内环外并与内环同轴布设，外环的内侧圆周面形成外环内滚道并与各滚柱压切配合；
大滚柱，其设置于内、外环之间，相邻凹形槽内的大滚柱之间具有间隙，目的是每一凹形槽内的滚柱均能单独由内环输入转化传递给外环输出；
转速和负载发生变化时，各滚柱在离心力和内环的共同作用下实现自适应工作，同时通过内环与滚柱、滚柱与外环之间的机械摩擦传动，实现自动闭锁输出、自动变速和变矩。
进一步，摩擦式变矩器的内环作用在大滚柱的力传递到外环，此时，作用力发生变化，同时，力臂变长，其公式如下：
扭矩公式：T＝F·L；
其中：
T为扭矩；
F为驱动旋转的力；
L为力臂；
FX为单个滚柱与外环内滚道的切向力；
FY为单个滚柱与外环内滚道的径向力；
F离为大滚柱的离心力；
α为内环和对应的大滚柱压力角；
m为大滚柱质量；
v为大滚柱相对外环内滚道的线速度；
r为外环内滚道的半径；
摩擦式变矩器的变矩是由力臂、压力角α以及大滚柱的离心力共同决定。
进一步，摩擦式变矩器的转速达到一定速度且负载较小时，各滚柱在静摩擦的作用下内环转动和外环连接成一体，变矩器闭锁输出，内环转速n1＝外环n2；当负载继续增大到一定程度时，外环的速度n2降低，各滚柱与外环相对运动，处于打滑状态，n1>n2，此时各滚柱在内环的作用下，实现自动变速和变矩，以满足负载的要求；作用一段时间后，速度提升，负载减小，滚柱和外环之间由动摩擦自动切换为静摩擦，摩擦系数增加，内环、各滚柱和外环再次连接成一体n1＝n2，变矩器重新自动闭锁输出。
进一步，所述内环与滚柱形成压力角α，压力角α为12°～40°。
进一步，外环内滚道直径D与大滚柱直径d比值D/d＝1.2～6，外环内滚道直径D与大滚柱直径d的比值D/d大小决定力臂L的长短变化。
进一步，相邻大滚柱间的间隙s>0.2mm。
进一步，相邻大滚柱之间设有一个以上的小滚柱，各小滚柱直径小于大滚柱，小滚柱位于内环凹形槽之间的内环圆周面上，小滚柱的外滚道面为外环内侧圆周面。优选的，相邻小滚柱之间及大滚柱与小滚柱的间隙s>0.2mm。
本发明具有如下优点：
(1)结构简单
摩擦式变矩器结构主体由内环、滚柱和外环组成，相比扭力变矩器中泵轮、涡轮和导轮而言，结构简单，可靠性强、成本低、绿色环保。
(2)具有自动变速、自动增矩和自动闭锁功能
1)当转速和负载发生变化时，大、小滚柱在离心力和内环凸轮的共同作用下实现自适应工作，最终实现摩擦式变矩器的闭锁输出、自动变速和变矩；
2)内环、大滚柱、小滚柱和外环的结构设计共同决定了自动变速的范围和增矩的倍数，因此，可以匹配不同的参数以满足不同应用场合的要求。
(3)传动效率高
根据能量守恒定律，输入能量除了很小一部分转化为滚柱自转的能量损失外，其余全部用来输出，因此，较液力矩器：其油温低、传动响应快，传递效率高。
本发明摩擦式变矩器结构，主要应用于汽车、工程机械、军用车辆、石油、化工、矿山、冶金机械等领域，应用非常广泛。
附图说明
图1是本发明实施例结构示意图。
图2是本发明摩擦式变矩大滚柱受力分析示意图。
图3本发明摩擦式变矩外环和内环凸轮旋转示意图。
图4是本发明仅包括大滚柱结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例：请参阅图4，一种摩擦式变矩器，包括内环1、大滚柱2及外环3，其中：
内环1，其为输入单元，内环周侧环面上均分设有至少两个凹形槽101形成内环凸轮，每个凹形槽分别对应一个大滚柱，图4中设置3个凹形槽及对应的大滚柱2；
外环3，其为输出单元，外环3套在内环1外并与内环1同轴布设，外环3的内侧圆周面形成外环内滚道并与各滚柱压切配合，这里的压切指滚柱面抵压在外环内滚道上，由于滚柱与外环均为弧形面，两者必然相切抵压；
大滚柱2，其设置于内、外环之间，相邻凹形槽内的大滚柱之间具有间隙，目的是每一凹形槽内的滚柱独立由内环1输入转化传递给外环3输出；
转速和负载发生变化时，各滚柱2在离心力和内环1的共同作用下实现自适应工作，同时通过内环1与滚柱2、滚柱2与外环3之间的机械摩擦传动，实现自动闭锁输出、自动变速和变矩。
摩擦式变矩器，内环1可以与输入轴相连形成动力输入，而外环3可以与输出法兰或其他输出部件连接，其工作与液力变矩器有着本质上的不同，它能根据负载和速度的变化，在离心力和内环凸轮的共同作用下，通过内环与大小滚柱和外环之间的机械摩擦传动，实现自动闭锁、自动变速和变矩等功能。
本发明种摩擦式变矩器结构，其包括输入轴、内环凸轮、大滚柱、小滚柱、外环及输出法兰。动力通过输入轴传输，输入轴与内环凸轮连接；负载传递至输出法兰；内环凸轮与外环同轴设置；内环凸轮和外环之间圆周放置多个大滚柱，外环与输出法兰连接。
如图1，相邻大滚柱2之间设有一个以上的小滚柱4，各小滚柱4直径小于大滚柱2，小滚柱4位于内环凹形槽之间的内环圆周面上，小滚柱的外滚道面为外环内侧圆周面，图1实施例中设置内环周侧环面上均分设有4个凹形槽101。
如图2所示，本发明摩擦式变矩器的增矩主要通过改变滚柱2作用在外环3内滚道的作用力和改变力臂来实现。内环1作用在大滚柱2的力传递到外环3，此时，作用力发生变化，同时，力臂也由L1变为L2，力臂变长。具体如下：
根据扭矩公式：T＝F·L
其中：
T为扭矩；
F为驱动旋转的力；
L为力臂；
FX为单个滚柱与外环内滚道的切向力；
FY为单个滚柱与外环内滚道的径向力；
F离为大滚柱的离心力；
α为内环和对应的大滚柱压力角；
m为大滚柱质量；
v为大滚柱相对外环内滚道的线速度；
r为外环内滚道的半径。
根据图1和2，内环1外侧环面上设有凹形槽101形成内环凸轮，每个凹形槽分别对应一个大滚柱2。外环内滚道直径D与大滚柱直径d的比值D/d大小决定了力臂L变化倍数的大小，图2中L1表示内环凸轮凹形槽与大滚柱的接触点到圆心o的距离，L2表示外环内滚道与大滚柱的接触点到圆心o的距离，其中D/d值越大，L2/L1比值越小，力臂变化倍数小，反之则变化倍数长。力臂变化倍数小起不了增矩的作用，倍数太大虽然增矩效果明显,但无法满足转速的要求，因此，外环内滚道直径D与大滚柱直径d比值D/d＝1.2～6，大滚柱直径占外环内滚道直径的1/6～5/6，包括1/6至5/6之间的所有值，如2/6、2.5/6、3/6、3.5/6、4/6等，进而对应引起力臂变化的倍数为1.5～5.5。
同时，根据F离得，当转速一定时，旋转驱动力F变化的倍数由决定，即由内环凸轮和对应大滚柱的压力角α和摩擦系数μ决定，tan α的值必须大于摩擦系数μ，太小无法实现动态的变矩。在此前提下，压力角α越小，增矩倍数较大，反之增矩倍数则越小。假设摩擦系数μ＝0.08，当α＝10°时，当α＝30°时，根据摩擦式变矩器结构设计要求，内环凸轮和对应的大滚柱压力角α为12°～40°。
本发明摩擦式变矩器的变矩由D/d值、压力角α以及离心力共同决定，因此，可以根据负载及工况的要求，对摩擦式变矩器结构进行设计，以满足不同领域的应用。
图1中，内环通过与大滚柱摩擦传动，进而与小滚柱和外环的摩擦实现摩擦式变矩器的工作，最终实现自动变速和变矩的功能。其中，大滚柱的个数和内环凸轮凹槽的相对应，大滚柱的个数为2个及以上，当大滚柱的个数为1个时，内环凸轮难以带动大滚柱和滚柱作旋转运动，摩擦式变矩器无法正常工作。
本发明各相邻滚柱之间的最小间隙s大于0.2mm，由于加工误差和装配误差的存在，当相邻滚柱之间的间隙小于0.2mm时，摩擦力变矩器容易出现卡死损坏，因此滚柱间的间隙不能小于0.2mm，本发明相邻滚柱之间的间隙s大于0.2mm，不但指相邻小滚柱之间隙，大滚柱与小滚柱之间也适合，小滚柱是设置在两大滚柱之间并能滚动，因此，内环通过与大滚柱摩擦传动，大滚柱进而推动相邻的小滚柱，进而与小滚柱和外环的摩擦实现摩擦式变矩器的工作。
如图3所示，本发明的摩擦式变矩器的闭锁原理：当转速达到一定速度且负载较小时，大、小滚柱在静摩擦的作用下内环凸轮转动和外环连接成一体，变矩器闭锁输出，n1＝n2；当负载继续增大到一定程度时，外环的速度n2降低，各滚柱与外环相对运动，处于打滑状态，n1＞n2此时各滚柱在内环凸轮的作用下，实现自动变速和变矩，以满足负载的要求。作用一段时间后，速度提升，负载减小，大、小滚柱和外环之间由动摩擦自动切换为静摩擦，摩擦系数增加，内环凸轮、大滚柱、小滚柱和外环再次连接成一体n1＝n2，变矩器重新自动闭锁输出。
本发明公开一种摩擦式变矩器结构，其包括输入轴、内环凸轮、大滚柱、滚柱、外环及输出法兰。动力通过输入轴传输，输入轴与内环凸轮连接；负载传递至输出法兰；内环凸轮与外环同轴设置；内环凸轮和外环之间圆周放置多个大滚柱，外环与输出法兰连接。当转速和负载发生变化时，滚柱在离心力和内环凸轮的共同作用下实现自适应工作，最终实现摩擦式变矩器的闭锁输出、自动变速和变矩，满足不同的应用。该变矩器结构具有结构简单、传递效率高、无级变速、自适应强，具有自动闭锁功能、节能环保等优点。
综合上述，该变矩器结构具有结构简单、传递效率高、根据负载和速度的变化实现自动变速和自动增矩，具有自动闭锁等优点。改变传统的变矩器形态，降低成本，自适应性强，绿色环保，效果显著。
以上所记载，仅为利用本创作技术内容的实施例，任何熟悉本项技艺者运用本创作所做的修饰、变化，皆属本创作主张的专利范围，而不限于实施例所揭示者。

Claims (10)

1.一种摩擦式变矩器，其特征在于包括内环、大滚柱及外环，其中：
内环，其为输入单元，内环周侧环面上均分设有至少两个凹形槽，每个凹形槽分别对应一个大滚柱；
外环，其为输出单元，外环套在内环外并与内环同轴布设，外环的内侧圆周面形成外环内滚道并与各滚柱压切配合；
大滚柱，其设置于内、外环之间，相邻凹形槽内的大滚柱之间具有间隙；
转速和负载发生变化时，各滚柱在离心力和内环的共同作用下实现自适应工作，同时通过内环与滚柱、滚柱与外环之间的机械摩擦传动，实现自动闭锁输出、自动变速和变矩；
摩擦式变矩器的内环作用在大滚柱的力传递到外环，此时，作用力发生变化，同时，力臂变长，其公式如下：
扭矩公式：T＝F·L；
其中：
T为扭矩；
F为驱动旋转的力；
L为力臂；
FX为单个滚柱与外环内滚道的切向力；
FY为单个滚柱与外环内滚道的径向力；
F离为大滚柱的离心力；
α为内环和对应的大滚柱压力角；
m为大滚柱质量；
v为大滚柱相对外环内滚道的线速度；
r为外环内滚道的半径；
μ摩擦系数；
摩擦式变矩器的变矩是由力臂、压力角α以及大滚柱的离心力共同决定；
摩擦式变矩器的转速达到一定速度且负载较小时，各滚柱在静摩擦的作用下内环转动和外环连接成一体，变矩器闭锁输出，内环转速n1＝外环n2；当负载继续增大到一定程度时，外环的速度n2降低，各滚柱与外环相对运动，处于打滑状态，n1>n2，此时各滚柱在内环的作用下，实现自动变速和变矩，以满足负载的要求；作用一段时间后，速度提升，负载减小，滚柱和外环之间由动摩擦自动切换为静摩擦，摩擦系数增加，内环、各滚柱和外环再次连接成一体n1＝n2，变矩器重新自动闭锁输出。
2.根据权利要求1所述的摩擦式变矩器，其特征在于：所述内环与大滚柱形成压力角α，压力角α为12°～40°。
3.根据权利要求1或2所述的摩擦式变矩器，其特征在于：外环内滚道直径D与大滚柱直径d比值D/d＝2.4～6，外环内滚道直径D与大滚柱直径d的比值D/d大小决定力臂L的长短变化。
4.根据权利要求1或2所述的摩擦式变矩器，其特征在于：相邻大滚柱的间隙s>0.2mm。
5.根据权利要求3所述的摩擦式变矩器，其特征在于：相邻大滚柱的间隙s>0.2mm。
6.根据权利要求1或2或5所述的摩擦式变矩器，其特征在于：相邻大滚柱之间设有一个以上的小滚柱，各小滚柱直径小于大滚柱，小滚柱位于内环凹形槽之间的内环圆周面上，小滚柱的外滚道面为外环内侧圆周面。
7.根据权利要求3所述的摩擦式变矩器，其特征在于：相邻大滚柱之间设有一个以上的小滚柱，各小滚柱直径小于大滚柱，小滚柱位于内环凹形槽之间的内环圆周面上，小滚柱的外滚道面为外环内侧圆周面。
8.根据权利要求4所述的摩擦式变矩器，其特征在于：相邻大滚柱之间设有一个以上的小滚柱，各小滚柱直径小于大滚柱，小滚柱位于内环凹形槽之间的内环圆周面上，小滚柱的外滚道面为外环内侧圆周面。
9.根据权利要求6所述的摩擦式变矩器，其特征在于：相邻小滚柱之间及大滚柱与小滚柱的间隙s>0.2mm。
10.根据权利要求7或8所述的摩擦式变矩器，其特征在于：相邻小滚柱之间及大滚柱与小滚柱的间隙s>0.2mm。
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Applicant before: Chuan Fu Technology (Xiamen) Co., Ltd.

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Effective date of registration: 20180726

Address after: 361000 Fujian Xiamen torch high tech Zone (Xiangan) Industrial Zone Xiangan No. 3701 North Road 6

Applicant after: Chuan Fu Technology (Xiamen) Co., Ltd.

Address before: 243000 Room 102, 1188 Jinshan Road, Ma'anshan economic and Technological Development Zone, Ma'anshan, Anhui, 102

Applicant before: Ma'anshan Chuan Fu intelligent friction fulcrum Industry Research Institute Co.

GR01 Patent grant
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