CN111412255B - 一种齿轮式转差无级变速器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种齿轮式转差无级变速器，包括内齿轮、第一传动轴和输入轴，内齿轮外圈通过轴承进行旋转支撑，内齿轮包括设置在内圈的圆弧齿牙，第一传动轴和输入轴在轴身上均带有与圆弧齿牙啮合的外圈齿牙，第一传动轴和输入轴中的至少一个的轴线与内齿轮轴线可以产生交错角度。无级变速器还包括第二传动轴、第三传动轴、万向联轴器和输出轴，输出轴通过轴承旋转支撑起来，第二传动轴和第三传动轴通过万向联轴器连接在一起，第二传动轴的另一端与第一传动轴的一端滑套传动连接，第三传动轴的另一端与输出轴的一端滑套传动连接。

Description

一种齿轮式转差无级变速器
技术领域
本发明涉及变速器领域，具体是一种齿轮式转差无级变速器。
背景技术
变速器是一种常用的机械设备，用来将动力传递的同时进行一定比例的速度增大或缩减。
现有技术中，变速器一般只是定比例的进行调整，在多对齿轮组的结构下，实现分级调速，例如传统的汽车变速器都是手动挡分级调速，近些年出现了带有无级变速器（CVT）的汽车，其无级变速通过金属带和斜面摩擦进行力矩传递，虽然是在结构上实现了无级变速的功能，但是，有几点问题：传递转矩的能力有待提高；变速过程带有噪声，如果零件精度不够，那么噪声会很大，而且，该变速器维护周期大大短于传动齿轮传动箱；超低速起步时，可能出现无法起步的情况。
针对现有技术的问题，行业中急需出现改良结构的金属带式的无级变速器或者其他新型结构的无级变速器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种齿轮式转差无级变速器，以解决现有技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种齿轮式转差无级变速器，包括内齿轮、第一传动轴和输入轴，内齿轮外圈通过轴承进行旋转支撑，内齿轮包括设置在内圈的圆弧齿牙，第一传动轴和输入轴在轴身上均带有与圆弧齿牙啮合的外圈齿牙，第一传动轴和输入轴中的至少一个的轴线与内齿轮轴线可以产生交错角度。
输入轴和第一传动轴只是名称上的区分，在使用时，也可以是第一传动轴作为动力输入，让内齿轮外圈或者输入轴作为动力输出，速度比值的改变通过第一传动轴和内齿轮轴线夹角的改变来完成，后续均以输入轴作为动力输入，让第一传动轴或者其后进一步连接的轴系作为动力输出为例进行分析：
由于圆弧齿牙的存在，即使第一传动轴和内齿轮轴线存在夹角θ，但仍然可以在接触处完成有效啮合，如果第一传动轴和输入轴上与内齿轮啮合的周圈齿数相同，即第一传动轴和输入轴各自与内齿轮的传动比相同，总传动比就只和θ相关。
进一步的，无级变速器还包括第二传动轴、第三传动轴、万向联轴器和输出轴，输出轴通过轴承旋转支撑起来，第二传动轴和第三传动轴通过万向联轴器连接在一起，第二传动轴的另一端与第一传动轴的一端滑套传动连接，第三传动轴的另一端与输出轴的一端滑套传动连接。
第一传动轴由于变速原理需要，其轴线是要进行旋转的，不利于输出结构上的统一设置，如果将第一传动轴直接作为输出轴，其输出位置根据转差变速需要而会进行位置更改，不利于外界进行轴系连接；第一传动轴的端部划过的是一条圆弧线，圆弧圆心在于第一传动轴转动平面上圆弧齿牙的圆心，本发明通过第二传动轴、第三传动轴将动力引至输出轴上，进行位置固定的动力输出，
实现原理是：第一传动轴的端部和第二传动轴滑动连接且进行传动，第一传动轴自转加绕圆弧齿牙圆心位置的旋转，第二传动轴和第三传动轴通过万向联轴器连接在一起，第二传动轴也是自转加摇动，但是其摇动圆心（万向联轴器处）只进行直线移动，第一传动轴的旋转运动转换为第三传动轴上的旋转运动的流程下，第三传动轴除自转外，只进行沿输出轴轴向的滑动，而输出轴只进行自转，如此设置下，输出轴远离第三传动轴的一端是位置确定的，从而方便外界进行连接。
进一步的，无级变速器还包括转角结构，转角结构连接在第一传动轴上，转角结构用于改变第一传动轴和内齿轮的轴线夹角；
转角结构包括配角杆、连杆和调心球轴承和安装座，配角杆的中间部位可旋转地安装在安装座上，配角杆的旋转轴线与内齿轮轴线垂直，配角杆两端铰接连杆，两个连杆的另一端设置调心球轴承箍套第一传动轴，配角杆、连杆以及两个调心球轴承之间的第一传动轴长度部分构成平行四边形结构。由于第一传动轴需要与内齿轮啮合，所以平行四边形所在平面上，配角杆的旋转轴心与圆弧齿牙的连线应当是与连杆平行的。
第一传动轴需要相应的角度旋转，才能进行速度比的调整，而角度调整的同时，其旋转支撑也应相应地进行位置改变，以使结构完整，本发明通过连杆建立四边形结构，配角杆的旋转可以转化到第一传动轴上，角度改变的传递过程，第一传动轴仍然能够通过两个调心球轴承进行旋转支撑，左侧和右侧的第一传动轴分别以两个调速角进行变速。
作为优化，第一传动轴和第二传动轴的滑套传动连接为滑动式花键连接，第三传动轴和输出轴的滑套传动连接为滑动式花键连接。花键结构是一种可靠的传动结构，而且可以方便地进行滑动操作，当然，也可以使用单键结构进行替代，不过传动的稳定性上可抗速度冲击的性能会稍微降低。
第三传动轴还通过直线轴承进行沿其轴向的滑动支撑。原先输出轴已经具备了沿其轴向的轴承支撑，但是，第三传动轴尚未进行轴向支撑，在此情况下，如果载荷较大，第二传动轴通过万向联轴器传递过来的旋转运动会有较大的与其轴向成夹角的分力，会影响第三传动轴在输出轴端部的滑移，破坏传动稳定性，所以，通过直线轴承支撑第三传动轴，为其营造良好的轴向滑动环境。
进一步的，配角杆的旋转驱动带有自锁结构。配角杆的角度直接影响最终的速度比，所以，如果配角杆的角度发生振动偏移，那么就会影响整个***的运行，所以，在配角杆相应角度旋转驱动处，还应当设置角度锁死结构，防止角度调节过后，运行过程中发生角度改变。
作为优化，配角杆的旋转驱动为涡轮蜗杆结构，配角杆与涡轮固定，作为调节配角杆角度驱动的旋转动力加载在蜗杆上。涡轮蜗杆结构是可靠的机械式自锁结构，可以用来保证角度驱动动力的单向传递，只能通过蜗杆进行配角杆角度改变，蜗杆旋转动力撤除后，配角杆无法因为振动而发生角度变化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过带夹角的齿形啮合完成传动过程，速度配比上依据夹角大小可以无级变化，旋转通过输入轴输入本变速器，驱动内齿轮进行旋转，内齿轮和第一传动轴的轴线夹角产生速度比例变化，通过配角杆进行第一传动杆的角度调整，在一定的范围内具有无级调速特性，配合传统齿轮箱的分级调速，可以在很大范围上获得无级变速能力，第一传动轴的旋转依次通过第二传动轴、万向联轴器、第三传动轴、输出轴传递出去，输出轴输出位置保持不变，便于外界进行轴系连接。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明内齿轮、第一传动轴、输入轴的啮合原理示意图；
图2为本发明内齿轮、第一传动轴啮合后的立体示意图；
图3为本发明传动结构速度分析图；
图4为本发明完整结构示意图。
图中：1-内齿轮、11-圆弧齿牙、2-第一传动轴、31-配角杆、32-连杆、33-调心球轴承、34-安装座、41-第二传动轴、42-第三传动轴、43-万向联轴器、44-直线轴承、5-输出轴、6-输入轴、9-花键结构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种齿轮式转差无级变速器，包括内齿轮1、第一传动轴2和输入轴6，内齿轮1外圈通过轴承进行旋转支撑，内齿轮1包括设置在内圈的圆弧齿牙11，第一传动轴2和输入轴6在轴身上均带有与圆弧齿牙11啮合的外圈齿牙，第一传动轴2和输入轴6中的至少一个的轴线与内齿轮1轴线可以产生交错角度。
输入轴6和第一传动轴2只是名称上的区分，在使用图1时的基础结构时，也可以是第一传动轴2作为动力输入，让内齿轮1外圈或者输入轴6作为动力输出，速度比值的改变通过第一传动轴2和内齿轮1轴线夹角的改变来完成，后续均以输入轴6作为动力输入，让第一传动轴2或者其后进一步连接的轴系作为动力输出为例进行分析：
如图2、3所示，由于圆弧齿牙11的存在，即使第一传动轴2和内齿轮1轴线存在夹角θ，但仍然可以在接触处完成有效啮合，输入轴6上输入角速度为w0的动力，然后根据其与内齿轮1完整平行轴线的啮合过程，设传动比为p1，则内齿轮1的角速度为w0*p1，完整的内齿轮1在与第一传动轴2垂直平面上的投影速度w2=w1*cosθ=w0*p1*cosθ，设内齿轮1与第一传动轴2通过标准平行轴线传动的传动比为p2，则：
w3=w2/p2=w1*cosθ/p2= w0*p1*cosθ/p2，
如果第一传动轴2和输入轴6上与内齿轮1啮合的周圈齿数相同，即p1=p2，那么w3=w0*cosθ，改变此θ大小，总传动比w3/w0即可相应改变，而且，此改变可以随θ的改变而连续改变。
如图4所示，无级变速器还包括第二传动轴41、第三传动轴42、万向联轴器43和输出轴5，输出轴5通过轴承旋转支撑起来，第二传动轴41和第三传动轴42通过万向联轴器43连接在一起，第二传动轴41的另一端与第一传动轴2的一端滑套传动连接，第三传动轴42的另一端与输出轴5的一端滑套传动连接。
第一传动轴2由于变速原理需要，其轴线是要进行旋转的，不利于输出结构上的统一设置，如果将第一传动轴2直接作为输出轴，其输出位置根据转差变速需要而会进行位置更改，不利于外界进行轴系连接；第一传动轴2的端部划过的是一条圆弧线，圆弧圆心在于第一传动轴2转动平面上圆弧齿牙11的圆心，本发明通过第二传动轴41、第三传动轴42将动力引至输出轴5上，进行位置固定的动力输出，
实现原理是：第一传动轴2的端部和第二传动轴41滑动连接且进行传动，第一传动轴2自转加绕圆弧齿牙11圆心位置的旋转，第二传动轴41和第三传动轴42通过万向联轴器43连接在一起，第二传动轴41也是自转加摇动，但是其摇动圆心（万向联轴器43处）只进行直线移动，第一传动轴2的旋转运动转换为第三传动轴42上的旋转运动的流程下，第三传动轴42除自转外，只进行沿输出轴5轴向的滑动，而输出轴5只进行自转，如此设置下，输出轴5远离第三传动轴42的一端是位置确定的，从而方便外界进行连接。
如图4所示，无级变速器还包括转角结构，转角结构连接在第一传动轴2上，转角结构用于改变第一传动轴2和内齿轮1的轴线夹角；
转角结构包括配角杆31、连杆32和调心球轴承33和安装座34，配角杆31的中间部位可旋转地安装在安装座34上，配角杆31的旋转轴线与内齿轮1轴线垂直，配角杆31两端铰接连杆32，两个连杆32的另一端设置调心球轴承33箍套第一传动轴2，配角杆31、连杆32以及两个调心球轴承33之间的第一传动轴2长度部分构成平行四边形结构。由于第一传动轴2需要与内齿轮1啮合，所以平行四边形所在平面上，配角杆31的旋转轴心与圆弧齿牙的连线应当是与连杆32平行的，反应在图4上即是水平状态。
第一传动轴2需要相应的角度旋转，才能进行速度比的调整，而角度调整的同时，其旋转支撑也应相应地进行位置改变，以使结构完整，本发明通过连杆32建立四边形结构，配角杆31的旋转可以转化到第一传动轴2上，角度改变的传递过程，第一传动轴2仍然能够通过两个调心球轴承33进行旋转支撑，如图4所示，左侧和右侧的第一传动轴2分别以两个调速角（A、B）进行变速。角度B大于A，所以，第一传动轴2与第二传动轴41的滑套连接更深，而第三传动轴42与输出轴5的滑套连接更浅。
第一传动轴2和第二传动轴41的滑套传动连接为滑动式花键连接，第三传动轴42和输出轴5的滑套传动连接为滑动式花键连接。花键结构是一种可靠的传动结构，而且可以方便地进行滑动操作，当然，也可以使用单键结构进行替代，不过传动的稳定性上可抗速度冲击的性能会稍微降低。
如图4所示，第三传动轴42还通过直线轴承44进行沿其轴向的滑动支撑。原先输出轴5已经具备了沿其轴向的轴承支撑，但是，第三传动轴42尚未进行轴向支撑，在此情况下，如果载荷较大，第二传动轴41通过万向联轴器43传递过来的旋转运动会有较大的与其轴向成夹角的分力，会影响第三传动轴42在输出轴5端部的滑移，破坏传动稳定性，所以，通过直线轴承44支撑第三传动轴42，为其营造良好的轴向滑动环境。
配角杆31的旋转驱动带有自锁结构。配角杆31的角度直接影响最终的速度比，所以，如果配角杆31的角度发生振动偏移，那么就会影响整个***的运行，所以，在配角杆31相应角度旋转驱动处，还应当设置角度锁死结构，防止角度调节过后，运行过程中发生角度改变。
配角杆31的旋转驱动为涡轮蜗杆结构，配角杆31与涡轮固定，作为调节配角杆31角度驱动的旋转动力加载在蜗杆上。涡轮蜗杆结构是可靠的机械式自锁结构，可以用来保证角度驱动动力的单向传递，只能通过蜗杆进行配角杆31角度改变，蜗杆旋转动力撤除后，配角杆31无法因为振动而发生角度变化。
本装置的主要运行过程是：旋转通过输入轴输入本变速器，驱动内齿轮1进行旋转，内齿轮1和第一传动轴2的轴线夹角产生速度比例变化，通过配角杆31进行第一传动杆2的角度调整，在一定的范围内具有无级调速特性，夹角θ过大时，第一传动轴2和内齿轮1的啮合可能有效啮合程度受到影响，发生振动冲击的概率增大，所以，依据圆弧齿牙11的制造精度和修齿后进行相应运行测试，确定一个稳定可靠的调节范围，本变速器结合传统齿轮箱的分级调速，可以在很大范围上获得无级变速能力，第一传动轴2的旋转依次通过第二传动轴41、万向联轴器43、第三传动轴42、输出轴5传递出去，输出轴5输出位置保持不变，便于外界进行轴系连接。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (1)

1.一种齿轮式转差无级变速器，其特征在于：所述无级变速器包括内齿轮(1)、第一传动轴(2)和输入轴(6)，所述内齿轮(1)外圈通过轴承进行旋转支撑，内齿轮(1)包括设置在内圈的圆弧齿牙(11)，所述第一传动轴(2)和输入轴(6)在轴身上均带有与圆弧齿牙(11)啮合的外圈齿牙，所述第一传动轴(2)和输入轴(6)中的至少一个的轴线与内齿轮(1)轴线可以产生交错角度，所述无级变速器还包括第二传动轴(41)、第三传动轴(42)、万向联轴器(43)和输出轴(5)，所述输出轴(5)通过轴承旋转支撑起来，所述第二传动轴(41)和第三传动轴(42)通过万向联轴器(43)连接在一起，所述第二传动轴(41)的另一端与第一传动轴(2)的一端滑套传动连接，所述第三传动轴(42)的另一端与输出轴(5)的一端滑套传动连接，所述无级变速器还包括转角结构，所述转角结构连接在第一传动轴(2)上，转角结构用于改变第一传动轴(2)和内齿轮(1)的轴线夹角；所述转角结构包括配角杆(31)、连杆(32)和调心球轴承(33)和安装座(34)，所述配角杆(31)的中间部位可旋转地安装在安装座(34)上，所述配角杆(31)的旋转轴线与内齿轮(1)轴线垂直，所述配角杆(31)两端铰接连杆(32)，两个所述连杆(32)的另一端设置调心球轴承(33)箍套第一传动轴(2)，所述配角杆(31)、连杆(32)以及两个调心球轴承(33)之间的第一传动轴(2)长度部分构成平行四边形结构，所述第一传动轴(2)和第二传动轴(41)的滑套传动连接为滑动式花键连接，所述第三传动轴(42)和输出轴(5)的滑套传动连接为滑动式花键连接，所述第三传动轴(42)还通过直线轴承(44)进行沿其轴向的滑动支撑，所述配角杆(31)的旋转驱动带有自锁结构，所述配角杆(31)的旋转驱动为蜗轮 蜗杆结构，配角杆(31)与蜗轮 固定，作为调节配角杆(31)角度驱动的旋转动力加载在蜗杆上。
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