CN109958744B - 一种脉动式无级变速器及其非圆齿轮的优化方法 - Google Patents

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Abstract

一种脉动式无级变速器及其非圆齿轮的优化方法，属于变速器技术领。它提供一种更稳定、更高效、使用寿命长的一种脉动式无级变速器及其非圆齿轮的优化方法。主动非圆齿轮与输入轴传动连接，从动非圆齿轮与两个行星轮系传动装置可拆卸同轴设置，两个曲柄摇杆机构的输入端上均转动套装有直齿齿轮一，两个直齿齿轮一之间通过传动装置传动连接，两个行星轮系传动装置中的直齿齿轮二分别与直齿齿轮三和对应的直齿齿轮一啮合连接，两个曲柄摇杆机构的输出轴一体连接。本发明基于斜齿轮齿齿条组成的曲柄摇杆机构，较CVT变速器的皮带传动机构更稳定、更高效，使用寿命更长。

Description

一种脉动式无级变速器及其非圆齿轮的优化方法
技术领域
本发明属于变速器技术领域，特别是涉及一种一种脉动式无级变速器及其非圆齿轮的优化方法。
背景技术
现阶段，汽车采用的无级变速器多为CVT，CVT变速器主要靠皮带传动改变变速器的传动比，而皮带传动存在皮带打滑、皮带磨损、使用寿命短的问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种更稳定、更高效、使用寿命长的斜齿轮齿条传动的脉动式无级变速器及其非圆齿轮的优化方法。
本发明所采取的技术方案是：一种脉动式无级变速器，包括主动非圆齿轮、传动装置、从动非圆齿轮、无极变速控制装置、两个直齿齿轮一、两个行星轮系传动装置及两个曲柄摇杆机构；所述主动非圆齿轮与输入轴传动连接，主动非圆齿轮和从动非圆齿轮啮合连接，所述从动非圆齿轮与两个行星轮系传动装置可拆卸同轴设置，所述两个曲柄摇杆机构的输入端上均转动套装有直齿齿轮一，两个直齿齿轮一之间通过传动装置传动连接，所述两个行星轮系传动装置中的直齿齿轮二分别与直齿齿轮三和对应的直齿齿轮一啮合连接，所述两个曲柄摇杆机构的输出轴一体连接，所述两个行星轮系传动装置上安装有无极变速控制装置。
无级变速器非圆齿轮的优化方法，包括以下步骤：
步骤一，主动非圆齿轮和从动非圆齿轮啮合传动时，中心距为a，主动轮节曲线为r1，转角为
Figure BDA0002026232870000024
瞬时角速度为ω1，而从动非圆齿轮的节曲线为r2，转角为
Figure BDA0002026232870000025
瞬时角速度为ω2，两齿轮在起始位置时
Figure BDA0002026232870000026
则有
Figure BDA0002026232870000021
可得到主动非圆齿轮的节曲线方程
Figure BDA0002026232870000022
由上式可得到从动非圆齿轮的节曲线方程为
Figure BDA0002026232870000023
根据两轮中心距和已知传动比函数，确定非圆齿轮的节曲线；
步骤二：以y轴正半轴的尖点为例，取两个非圆齿轮节曲线方程的两个横坐标相同的点：(x1，y1)、(x1，y’1)，(x2，y2)、(x2，y’2)，两非圆齿轮的节曲线方程在横坐标相同的点的切线互相垂直。可由二次函数y＝ax2+c，确定出分段函数的方程，也就是节曲线尖点处优化后的函数；其他三个尖点也同理。
本发明的有益效果在于：
本发明采用基于斜齿轮齿条组成的曲柄摇杆机构，较CVT变速器的皮带传动机构更稳定、更高效，使用寿命更长，由于全齿结构，可传递很大的扭矩，使整机效率高、可靠性高，工艺简单，并且制造成本明显低于CVT，斜齿轮齿条线接触传动，提高了传动精度，得到运动转化部分冲击小、噪音小、传动误差小的有益效果。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明曲柄摇杆机构结构示意图；
图3是图2的侧视结构示意图；
图4是本发明行星轮系传动装置拆分结构示意图；
图5是本发明传动原理图；(图中O代表与轴转动连接，X代表与轴固定连接)
图6是本发明主动非圆齿轮和从动非圆齿轮优化后示意图；
图7是本发明主动非圆齿轮和从动非圆齿轮优化前示意图；
其中：100-主动非圆齿轮；200-输入轴；300-直齿齿轮一；400-传动装置；410-传动轴；420-传动齿轮；500-从动非圆齿轮；600-行星轮系传动装置；610-直齿齿轮二；620-行星轮机构；630-外齿圈；640-中间轴；650-套筒；700-控制轴；800-控制齿轮；900-直齿齿轮三；1000-曲柄摇杆机构；1010-支架；1011-安装槽；1012-滑槽；1020-斜齿轮齿条机构一；1030-斜齿轮齿条机构二；1040-斜齿轮齿条机构三；1050-斜齿轮齿条机构四；1060-连接轴；1070-输出轴；1080-连接板；1100-超越离合器；1200-惰轮；1300-惰轮轴。
具体实施方式
如图1～图5所示，一种脉动式无级变速器，包括主动非圆齿轮100、传动装置400、从动非圆齿轮500、无极变速控制装置、两个直齿齿轮一300、两个行星轮系传动装置600及两个曲柄摇杆机构1000；所述主动非圆齿轮100与输入轴200传动连接，主动非圆齿轮100和从动非圆齿轮500啮合连接，所述从动非圆齿轮500与两个行星轮系传动装置600可拆卸同轴设置，两个行星轮系传动装置600正反对称设置在从动非圆齿轮500后侧，所述两个曲柄摇杆机构1000的输入端上均通过轴承转动套装有直齿齿轮一300，两个直齿齿轮一300之间通过传动装置400传动连接，所述两个行星轮系传动装置600的直齿齿轮二610分别与直齿齿轮三900和对应的直齿齿轮一300啮合连接，所述两个曲柄摇杆机构1000的输出轴1070一体连接，所述两个行星轮系传动装置600上安装有无极变速控制装置。
主动非圆齿轮100和从动非圆齿轮500是根据输入输出速比设定的，目的是减少传动误差，得到稳定的传动比。
两个曲柄摇杆机构1000前后设置。
工作原理：发动机通过输入轴200带动主动非圆齿轮100转动，主动非圆齿轮100带动从动非圆齿轮500转动，从动非圆齿轮500通过中间轴640带动两个行星轮系传动装置600转动，两个行星轮系传动装置600带动对应的直齿齿轮一300和直齿齿轮三900转动，直齿齿轮一300转动通过传动装置400带动另一个直齿齿轮一300转动，两个直齿齿轮一300带动曲柄摇杆机构1000转动。
如图2、图3所示，每个所述曲柄摇杆机构1000均包括支架1010、斜齿轮齿条机构一1020、斜齿轮齿条机构二1030、斜齿轮齿条机构三1040、斜齿轮齿条机构四1050、连接轴1060及输出轴1070；所述支架1010上开设左右方向设置的安装槽1011和上下方向设置的滑槽1012，所述斜齿轮齿条机构一1020和斜齿轮齿条机构二1030上下相对错位设置且二者分别设置在支架1010的前后两侧，如图1所示，斜齿轮齿条机构一1020设置在左上方和斜齿轮齿条机构二1030设置在右下方，斜齿轮齿条机构一1020和斜齿轮齿条机构二1030均沿左右方向设置，斜齿轮齿条机构一1020的斜齿条和斜齿轮齿条机构二1030斜齿条通过穿过滑槽1012的连接轴1060固定连接，所述斜齿轮齿条机构一1020的齿轮与对应的直齿齿轮一300之间固定连接，斜齿轮齿条机构一1020的齿轮与对应直齿齿轮一300同轴设置，且斜齿轮齿条机构一1020的齿轮与该轴通过轴承转动连接，所述斜齿轮齿条机构三1040和斜齿轮齿条机构四1050上下相对错位设置且二者固定设置在支架1010的安装槽1011内，如图1所示，斜齿轮齿条机构三1040设置在左上方和斜齿轮齿条机构四1050设置在右下方，斜齿轮齿条机构三1040的斜齿轮和斜齿轮齿条机构四1050的斜齿轮与输出轴1070之间均安装有超越离合器1100。斜齿轮齿条机构三1040和斜齿轮齿条机构四1050均沿左右方向设置。斜齿轮齿条机构一1020、斜齿轮齿条机构二1030、斜齿轮齿条机构三1040的齿轮以及斜齿轮齿条机构四1050的斜齿轮斜齿条均为单边啮合。
两个直齿齿轮一300转动时，带动两个斜齿轮齿条机构一1020的斜齿轮转动，此时，斜齿轮齿条机构一1020和斜齿轮齿条机构二1030的斜齿轮运动方向相同，因斜齿轮齿条机构一1020和斜齿轮齿条机构二1030的斜齿条上下错位设置，所以此时，两个斜齿条的应左右反向运动，但由于两个斜齿条相互连接，所以两个斜齿轮和两个斜齿条相互卡死，两个斜齿条只能随着各自的斜齿轮做整周回转，连接轴1060在滑槽1012内做整周回转带动支架1010左右运动，斜齿轮、斜齿条和连接轴1060、支架1010形成曲柄摇杆机构，斜齿轮中心到连接轴1060的距离就是曲柄的大小。
支架1010只保留水平方向的自由度，限制其他方向自由度，可通过机箱内部结构限制。
超越离合器1100为现有技术，
支架1010左右运动，使斜齿轮齿条机构三1040和斜齿轮齿条机构四1050的斜齿条左右移动，并在超越离合器1100的作用下，使其中一个斜齿轮绕着输出轴1070转动，该斜齿轮不带动输出轴1070转动，另一个斜齿轮带动输出轴1070转动。
每个所述曲柄摇杆机构1000均还包括两个连接板1080，所述斜齿轮齿条机构一1020的斜齿条和斜齿轮齿条机构二1030的斜齿条均通过对应的连接板1080与连接轴1060固定连接。
如图4所示，每个所述行星轮系传动装置600均包括直齿齿轮二610、行星轮机构620、外齿圈630及中间轴640；所述直齿齿轮二610、行星轮机构620、外齿圈630依次套装在中间轴640上，所述中间轴640上套装有从动非圆齿轮500。
每个行星轮机构620的行星架与中间轴640固定连接，每个行星轮机构620的太阳轮通过轴承转动套装在中间轴640上，每个行星轮机构620的齿圈与对应的外齿圈630之间通过螺栓固定连接，每个行星轮机构620的太阳轮与对应的直齿齿轮二610之间通过两个相互插接的套筒650连接。外齿圈630和直齿齿轮二610与中间轴640之间间隙连接。
从动非圆齿轮500带动中间轴640转动，中间轴640通过行星轮机构620的行星架带动行星轮机构620的行星轮和齿圈，然后带动外齿圈630和直齿齿轮二610转动，直齿齿轮二610转动带动直齿齿轮三900以及对应的直齿齿轮一300转动，
行星轮机构620为现有技术。
所述传动装置400包括传动轴410及两个传动齿轮420，所述两个传动齿轮420固定套装在传动轴410的两端，两个传动齿轮420分别与两个直齿齿轮一300啮合连接。用于保证两个直齿齿轮一300同步传动。
所述一种脉动式无级变速器还包括控制电机、控制轴700、控制齿轮800、惰轮1200及惰轮轴1300，所述惰轮1200与控制齿轮800上下啮合连接，所述控制齿轮800与控制轴700固定连接，所述控制电机的转动轴与控制轴700固定连接，所述惰轮1200通过轴承转动套装在惰轮轴1300上，惰轮1200和控制齿轮800分别与两个外齿圈630一一对应啮合连接。
控制齿轮800的作用是：通过控制齿轮800的转速，实现行星轮系的差速传动，从而改变其中一个直齿齿轮二610的转动方向，使两个直齿齿轮二610转向相反，进而改变运动转化部分直齿齿轮一300和直齿齿轮900的转动方向，使得两侧斜齿轮齿条的运动方向相反，由于单边啮合可以改变斜齿轮到连接轴1060的距离，即调节曲柄的大小，使得传动比的改变，实现无极变速。
本设备分为三种工作状态，
第一种工作状态是传动比固定状态，此时，中间轴640启动，控制齿轮800不启动，斜齿轮齿条机构一1020和斜齿轮齿条机构二1030的斜齿轮同向转动；
第二种工作状态是改变传动比状态，此时，中间轴640不启动，控制齿轮800启动，改变传动比；
第三种工作状态是正常工作实现无极变速状态，即中间轴640和控制齿轮800同时启动。
如图6、图7所示，非圆齿轮的优化方法，主动非圆齿轮100和从动非圆齿轮500啮合传动时，中心距为a，主动轮节曲线为r1，转角为
Figure BDA0002026232870000071
瞬时角速度为ω1，而从动非圆齿轮500的节曲线为r2，转角为
Figure BDA0002026232870000072
瞬时角速度为ω2，两齿轮在起始位置时
Figure BDA0002026232870000073
则有
Figure BDA0002026232870000081
可得到主动非圆齿轮的节曲线方程
Figure BDA0002026232870000082
由上式可得到从动非圆齿轮500的节曲线方程为
Figure BDA0002026232870000083
从上式可见，只要两轮中心距一定和已知传动比函数，非圆齿轮的节曲线即可被确定下。
在非圆齿轮传动中，如仅仅按照上述过程确定两节曲线的方程，可能会出现尖点，从而使非圆齿轮不能完成整周的连续转动。而要完成整周运动，就要添加一段函数形成整周运动.所以在一个整周中采用分段函数组合的非圆齿轮传动比函数。
以y轴正半轴的尖点为例，取两个非圆齿轮节曲线方程的两个横坐标相同的点：(x1，y1)、(x1，y’1)，(x2，y2)、(x2，y’2)，两非圆齿轮的节曲线方程在横坐标相同的点的切线互相垂直。可由二次函数y＝ax2+c，确定出分段函数的方程，也就是节曲线尖点处优化后的函数。其他三个尖点也同理。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种脉动式无级变速器，其特征在于：包括主动非圆齿轮(100)、传动装置(400)、从动非圆齿轮(500)、无级变速控制装置、两个直齿齿轮一(300)、两个行星轮系传动装置(600)及两个曲柄摇杆机构(1000)；所述主动非圆齿轮(100)与输入轴(200)传动连接，主动非圆齿轮(100)和从动非圆齿轮(500)啮合连接，所述从动非圆齿轮(500)与两个行星轮系传动装置(600)可拆卸同轴设置，所述两个曲柄摇杆机构(1000)的输入端上均转动套装有直齿齿轮一(300)，两个直齿齿轮一(300)之间通过传动装置(400)传动连接，所述两个行星轮系传动装置(600)中的直齿齿轮二(610)分别与直齿齿轮三(900)和对应的直齿齿轮一(300)啮合连接，所述两个曲柄摇杆机构(1000)的输出轴(1070)一体连接，所述两个行星轮系传动装置(600)上安装有无级变速控制装置，
每个所述曲柄摇杆机构(1000)均包括支架(1010)、斜齿轮齿条机构一(1020)、斜齿轮齿条机构二(1030)、斜齿轮齿条机构三(1040)、斜齿轮齿条机构四(1050)、连接轴(1060)及输出轴(1070)；所述支架(1010)上开设左右方向设置的安装槽(1011)和上下方向设置的滑槽(1012)，所述斜齿轮齿条机构一(1020)和斜齿轮齿条机构二(1030)上下相对错位设置且二者分别设置在支架(1010)的前后两侧，斜齿轮齿条机构一(1020)的斜齿条和斜齿轮齿条机构二(1030)斜齿条通过穿过滑槽(1012)的连接轴(1060)固定连接，所述斜齿轮齿条机构一(1020)的斜齿轮与对应的直齿齿轮一(300)之间固定连接，所述斜齿轮齿条机构二(1030)的斜齿轮与对应的直齿齿轮三(900)之间固定连接，所述斜齿轮齿条机构三(1040)和斜齿轮齿条机构四(1050)上下相对错位设置且二者固定设置在支架(1010)的安装槽(1011)内，斜齿轮齿条机构三(1040)的斜齿轮和斜齿轮齿条机构四(1050)的斜齿轮与输出轴(1070)之间均安装有超越离合器(1100)。
2.根据权利要求1所述的一种脉动式无级变速器，其特征在于：每个所述曲柄摇杆机构(1000)均还包括两个连接板(1080)，所述斜齿轮齿条机构一(1020)的斜齿条和斜齿轮齿条机构二(1030)的斜齿条均通过对应的连接板(1080)与连接轴(1060)固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种脉动式无级变速器，其特征在于：每个所述行星轮系传动装置(600)均包括直齿齿轮二(610)、行星轮机构(620)、外齿圈(630)及中间轴(640)；所述直齿齿轮二(610)、行星轮机构(620)、外齿圈(630)依次套装在中间轴(640)上，所述中间轴(640)上套装有从动非圆齿轮(500)。
4.根据权利要求3所述的一种脉动式无级变速器，其特征在于：每个行星轮机构(620)的行星架与中间轴(640)固定连接，每个行星轮机构(620)的太阳轮转动套装在中间轴(640)上，每个行星轮机构(620)的齿圈与对应的外齿圈(630)之间固定连接，每个行星轮机构(620)的太阳轮与对应的直齿齿轮二(610)之间通过两个相互插接的套筒(650)连接。
5.根据权利要求1所述的一种脉动式无级变速器，其特征在于：所述传动装置(400)包括传动轴(410)及两个传动齿轮(420)，所述两个传动齿轮(420)固定套装在传动轴(410)的两端，两个传动齿轮(420)分别与两个直齿齿轮一(300)啮合连接。
6.根据权利要求3或4所述的一种脉动式无级变速器，其特征在于：所述无级变速控制装置包括控制电机、控制轴(700)、控制齿轮(800)、惰轮(1200)及惰轮轴(1300)，所述惰轮(1200)与控制齿轮(800)上下啮合连接，所述控制齿轮(800)与控制轴(700)固定连接，所述控制电机的转动轴与控制轴(700)固定连接，所述惰轮(1200)转动套装在惰轮轴(1300)上，惰轮(1200)和控制齿轮(800)分别与两个外齿圈(630)一一对应啮合连接。
7.根据权利要求1所述的脉动式无级变速器，其特征在于：所述的非圆齿轮的优化方法，包括以下步骤：
步骤一，主动非圆齿轮(100)和从动非圆齿轮(500)啮合传动时，中心距为a，主动轮节曲线为r1，转角为
Figure FDA0003083004060000031
瞬时角速度为ω1，而从动非圆齿轮(500)的节曲线为r2，转角为
Figure FDA0003083004060000032
瞬时角速度为ω2，两齿轮在起始位置时
Figure FDA0003083004060000033
则有
Figure FDA0003083004060000034
可得到主动非圆齿轮的节曲线方程
Figure FDA0003083004060000035
由上式可得到从动非圆齿轮(500)的节曲线方程为
Figure FDA0003083004060000036
根据两轮中心距和已知传动比函数，确定非圆齿轮的节曲线；
步骤二：以y轴正半轴的尖点为例，取两个非圆齿轮节曲线方程的两个横坐标相同的点：(x1，y1)、(x1，y’1)，(x2，y2)、(x2，y’2)，两非圆齿轮的节曲线方程在横坐标相同的点的切线互相垂直，可由二次函数y＝ax2+c，确定出分段函数的方程，也就是节曲线尖点处优化后的函数；其他三个尖点也同理。
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