CN1292467A - 齿轮式高匀速度无级变速器 - Google Patents

Abstract

一种齿轮式高匀速度无级变速器,属于传动机械,它主要由行星齿轮系、高匀速度数学曲线调速机构等组成。它是以近似、覆盖等柔性数学方法和运动学等基础性设定研究,首创了“双匀速摆线”函数理论,从而产生的高匀速度、线性连续、大范围刚性的无级调速机构。它不但机构简单达类似两级齿轮传动副,而且在传动刚度、机械效率、高速平稳性、输出匀速性和工艺简单度等诸方面均十分优越,它完全能满足机械工程、机床加工、交通运输、轻纺化工等领域的高要求。

Description

齿轮式高匀速度无级变速器

本属于传动机械，用于动力机械的变速。

查考国内外专利和有关书籍，同类极多，仅近七、八年的专利就达数以千计。多数为摩擦类，如宽皮带、钢球、锥轮等类型，虽也有刚性齿轮类，如：CN1045292、1056558、1066586、1068199和链条式、滑片式以及德国生产的GVSA型三相并列脉动变速器，美国生产的Lero---Max型的脉动变速器，尚有一类小机构反馈大机构的分流类如：CN1045292、1056343、1019194、1068178等均具有代表性。摩擦式缺点很多，人们一直希望有高水平的刚性类型，因此出现大量专利，但机构总是很复杂，而且在输出匀速平稳、高速振动和噪音及传动效率等诸方面均不理想，所以长期来这一研究已成为机械行业的经典大题。

本发明的目的是要用简单达类似一、二级齿轮的传动付，设计出高匀速度、大速比范围的无级调速器，使传动刚度、机械效率、高速平稳度及工艺简易性等，均不低于常见齿轮式变速箱。

经长期深层次的机构及运动学、数学等研究，发现行星机构(图5)中设行星臂(图3)OO’以定值角速度φ转动，太阳轮也以(相对于行星臂)定角速度β转动，，则两速比β／φ=C为常数值，设定C是一个范围(C_a至C_b)内的连续值，即C∈(C_a，C_b)，则可求在行星轮O’上任意点P(x，y)的轨迹。

又设OP=λr(λ为变幅系数)R、r分别为太阳、行星齿轮分度圆半径，R／r=m，t为时间，θt为行星轮O’(相对于行星臂)转角，因两轮为啮合运动所以有

∴θ=βR／r=mβ=mCφ，又∵α=π／2-(θ+φ)t=π／2-φt(mC+1)

∴X=OD=OE-DE=OE-PG=(R+r)cosφt-λr cosφt(mC+1)

Y=PD=EO’-O’G=(R+r)sinφt-λr sinφt(mC+1)即得求P点的轨迹函数： ${\{}_{Y=(R+r)\sin \mathrm{\φt}-\mathrm{\λ}r\sin \mathrm{\φt}(\mathrm{mC}+1)}^{X=(R+r)\cos \mathrm{\φt}-\mathrm{\λ}r\cos \mathrm{\φt}(\mathrm{mC}+1)}$

这是因太阳及行星两齿轮均为匀速旋转而产生的曲线函数，为了方便不妨称为“双匀速摆线”函数，又因在实际设计中R、r、λ是定值，比值C是最具有代表性参变数，也不妨又称为C曲线系，是周期性定波形曲线，周期为φt∈(0，2π／mC)。取其半周段φt∈(0，π／mC)研究可知，在可能范围内相对地缩小速比区(C_a，C_b)，去掉曲线两端，较短地取出其中间部分段来研究，将这速比区分割为差值尽可能小的等差级数，例如设C_b-C_a=H，如分10级，这级数为H／10，2H／10，3H／10，…H，再将各数代入函数，形成密集的曲线系(图4)，设它们为C₁，C₂，C₃，……C₁₀，可发现这些曲线相当长的中间段十分精确地近似，仅只是转角位置不同，中间段越短则近似度越高，只需用它们中某一条C_k旋转，就可以极其精确地逐一替代其它各曲线，也就替代了整个C∈(C_a，C_b)曲线系。如这精度范围要严格控制，则可根据速变区(C_a，C_b)等设计要求，以“双匀速曲线摆线”为基础，求出这曲线系与C_k的覆盖差率函数，并规定出这差率的近似度，再精确地确定各曲线有效中间段。这“双匀速摆线”理论的创建，使本发明“高匀速度无级变速器”结构设计有了可靠的基础。

说明书附图图1、2是总图。图3是“双匀速摆线”生成基础图。图4是λ=1，R／r=1，速比c=0．4，0．6，0．8……“双匀速摆线”曲线系，图5、6分别是外行星系及调速机构总成。图7、8分别为调速机构和外行星系各零件分解。图9为机架零件分解。图10为内行星系式无级变速器总成。

本发明是由(图1、2)外行星系齿轮系2、单向传动机构3、高匀速度数学曲线调速机构1和机架4组成。外行星齿轮系由(图5、8)由太阳轴5、行星臂6、太阳齿轮7、行星齿轮8组成。太阳齿轮中心有孔并套装于太阳轴上，两者紧固并位于轮系中心。行星臂是带有长套的圆盘，长套孔用轴承装配于太阳轴，套周用轴承装于机架中心孔后又伸出机架作动力轴；盘周固定多个行星轴10，各轴用轴承安装着行星轮8。行星齿轮上有单向传动机构3，这机构是将常用钢珠(柱)式单向传动机构的外套圈上设置耳孔板成为偏心板9，耳孔上固定偏心轴11，轴上松配着滚套12而组成；两者之间也可设置滚珠、滚柱等轴承。这钢球(柱)式单向传动机构也可以用棘爪单向传动机构来代替。外行星轮系也可以改用内圆齿轮组成的新的内行星系来替代(图10)，只要将这新行星臂39的中心孔与太阳轴紧固，又将太阳齿轮改换成与各行星齿轮相内啮合的内圆齿轮38为新的太阳齿轮，它的中心设有长套40，套孔用轴承安装于太阳轴，套周用轴承安装于机架孔，这内行星系的其它机构与外行星系无级变速器相同。高匀速度数学曲线调速机构(图6、7)由n组(n=2，3，4，……，图中以n=2为例)，每组为1件的曲线板14、板轴13、轨链20、杆钉17、连杆18和整机仅为一件的轨板15、调轮19、调轮法兰28、架板25、示速盘29、调柄30、定把31、架板法兰32、盖板34等组成。曲线板截面为宽槽，它的转动中心板轴13位于槽前端中心孔上，其尾端内侧有链孔16和杆钉17，曲线板槽的中心线是以上所叙的“双匀速摆线”函数曲线。

C在(C_a，C_b)内取实际使用中用最需要的调速比值，或中值(C_a+C_b)／2，或根据精度而定。轨板15是中心有n组弧形边孔的圆板，每组由回边23和限位边24两条组成；回边是曲线板槽外侧尾端面沿板轴旋转的轨迹圆面，限位边与曲线板外侧转动的外极限位置相同；轨链20是多链片短节距链条，前端固定于链孔16，后端固定于调轮外周；轨链也可以是外形尺寸与它相同的有织物夹层的橡胶、聚胺脂等柔性带条来代替。架板25是周边有孔并紧固于轨板螺孔21的圆板，它中心有孔装配于调轮19外圆成转配，孔周附近有被轨链部分嵌入的等宽弧槽26；弧槽的前段外侧边是曲线板槽内侧边尾端面沿板轴旋转的轨迹圆面，后段里侧与架板中心孔的边相切后又成平行。这样，轨链前段外侧与回边24构成了一条以板轴为中心的圆弧回槽，它沟通了相邻曲线板“双匀速摆线”形中心槽，便组成多曲线波形的360°整圆周期回路，造成滚套在槽内调速运动中的周期循环；调轮19是中心有孔的槽轮，槽内插有调钉22，中心孔内用轴承装于太阳轴；连杆18是两端有孔的弧板，两孔安装于杆钉17和调钉；调轮法兰28是带盘的轴套，盘周装在架板孔内成配转，盘侧紧固于调轮，轴套孔套装在太阳轴上成转配，套周有花键。架板法兰32也是带盘的轴套，盘侧与架板紧固，轴套外端伸出机架作动力轴，轴套中部有宽方孔33，轴套孔外端用轴承装配于太阳轴，里端转配地装配于调轮法兰的轴套外周。调柄30是带有螺孔耳板的轴套，轴套孔有花键与调轮法兰轴套外圆的花键相滑配，这轴套的外圆装配于宽方孔部的中心孔内成松转配合；示速盘为板状，上部刻有速度标，下端有孔紧配于架板法兰轴套根周部；定把31头部有螺纹，装配于调柄螺孔内，它可在示速盘不同刻度处锁定，拧松定把并转动调柄，就可在宽方孔较大空隙里左右转动，调柄套的花键孔就带动调轮法兰28，又带动调轮19转动，连杆18便推拉着曲线板14沿板轴13转动，曲线板中心线在转动中便能在(C_a，C_b)内与“双匀速摆线”系各条曲线逐一精确地重合，相对地锁死定把与示速盘各位置，便可固定这些重合关系。转动行星架套伸出机架部分，滚套12便在曲线板的槽内受控作“双匀速摆线曲线”的运动，通过单向传动机构、行星齿轮、太阳轮等作用，太阳轴就能在可调范围(C_a，C_b)内由小到大逐一输出定速比C(即匀速运动)的转速来。滚套转出某一曲线板槽后又会通过轨链和回边形成的回槽走进另一个曲线板槽，这样不断地循环运动，完成了连续无级匀速调速。机架(图9)由机盖35、机盒36、底板37组成；机盒成桶形，桶口有多个螺孔，桶底有中心孔并用轴承安装着架板法兰32的轴套，桶周边连着平板状作安装用的底板37，机盖是周边有孔固定于机盒口的圆板，它中心有孔并用轴承安装着行星架轴套。太阳轴5、行星臂6的轴套、架板法兰32的轴套均可外伸，形成三件动力轴，将其中一件与机架固定，剩下二件后，则其中一件可作动力输出轴，另一件便可作为动力输入轴；三伸出轴之一件如作输入(或输出)轴，则其它两件可协同作速度和(或差)的定值速度输出(或输入)轴；因多个行星轮的滚套分置于几个曲线板槽内，在单向传动机构的“取高速舍低速值”的功能作用下，使曲线板中心的“双匀速摆线”槽仅只有极短的中部“高匀速段”起速度输出作用，因此输入匀速时输出速度将应极为匀速的。

因成功地运用了近似、覆盖等柔性数学方法和运动学基础性设定的研究，首创了“双匀速摆线”函数理论，从而产生的高匀速度、线性连续、大范围刚性的无级调速机构，因此不但结构简单达类似两级齿轮传动付，而且在传动刚度、机械效率、高速平稳性、输出匀速度、制造工艺性等诸方面均十分优越，它完全能满足机械工程、机床加工、交通运输、轻纺化工等一切领域的高要求。

Claims (7)

1．一种齿轮式高匀速度无级变速器，其特征在于：它由外行星齿轮系2、单向传动机构3、高匀速度数学曲线调速机构1和机架4组成；外行星齿轮系由太阳轴5、行星臂6、太阳齿轮7、行星齿轮8组成；太阳齿轮中心有孔并套装于太阳轴上，两者紧固并位于轮系中心；行星臂是带长套的圆盘，套孔用轴承装配于太阳轴，套周用轴承装于机架中心孔，盘周固定多个行星轴10，各轴用轴承安装着行星轮8；行星齿轮上有单向传动机构3，这机构是将常用钢珠(柱)式单向传动机构的外套圈上设置耳孔成偏心板9，耳孔上固定偏心轴11，轴上松配着滚套12而组成；高匀速度数学曲线调速机构由n组(n=2．3．4．……)每组为1件的曲线板14、板轴13、轨链20、杆钉17、连杆18和整机仅一件的轨板15、调轮19、调轮法兰28、架板25、示速盘29、调柄30、定把31、架板法兰32等组成；曲线板的截面为等宽槽，它的转动中心板轴13位于槽前端中心孔上，其尾端内侧有链孔16和杆钉17，曲线板槽的中心是特定的“双匀速摆线”函数曲线：

速比C在(C_a，C_b)内取使用中最需要的调速比值，或取中值(C_a+C_b)／2，或根据精度而定；轨板15是中心有n组弧形边孔的圆板，每组由回边23和限位边24两条组成；回边是曲线板槽外侧边尾端面沿板轴旋转的轨迹圆面，限位边的形状与曲线板转动外侧面的外极限位置相同；轨链20是多链片短节距链条，它前端固定于链孔16上，后端周定于调轮外周；架板25是周边有孔紧固于轨板螺孔21的圆板，它有中心孔装配与调轮19外圆成转配，孔周附近有被轨链底部嵌入的等宽弧槽26；弧槽前段的外侧边是曲线板槽内侧边尾端面旋转的轨迹圆面；轨链前端外侧与回边24构成的圆弧回槽，沟通了相邻曲线板中心槽，便组成多曲线波形的360°整圆周期回路槽；调轮19是有中心孔的槽轮，槽内插有调钉22，中心孔用轴承装配于太阳轴；连杆18是两端有孔的弧形板，两孔分别装配于杆钉17和调钉；调轮法兰28是带盘的轴套，盘周装在与架板孔内成转配，盘侧紧固于调轮，轴套孔套装在太阳轴上成转配，套周有花键；架板法兰32也是带盘的轴套，盘侧与架板紧周，轴套中部有宽方孔33，轴套孔的外端用轴承装于太阳轴，里端转配地装于调轮法兰的轴套外周；调柄30是带有螺孔耳板的轴套，这轴套孔有花键与调轮法兰轴套外圆的花键相滑配，这轴套的外圆装配于宽方孔部的中心孔内成松转配合；示速盘为板状，上部刻有速度标，下端有孔紧配于架板法兰盘的轴套根周部；定把31头部有螺纹，装配于调柄螺孔内；机架由机盖35、机盒36、底板37组成；机盒成桶形，桶口有多个螺孔，桶底有中心孔并用轴承安装着架板法兰的轴套，桶边连着平板状的底板37，机盖是周边有孔并固定于机盒口的圆板，它中心有孔并用轴承安装着行星架轴套。

2．权利要求1所述的一种齿轮式高匀速度无级变速器，其特征在于：外行星齿轮系也可以是改用内圆齿轮组成的新的内行星齿轮系来代替，只要将新的行星臂39的中心孔与太阳轴紧固，又将中心部太阳齿轮改换为与各行星齿轮相内啮合的内圆齿轮38，成为新的太阳齿轮，这齿轮中心有轴套40，套孔用轴承安装着太阳轴，套周用轴承安装于机架孔，这套又伸出机架作动力轴，其它结构与外行星系相同。

3．权利要求1所述的一种齿轮式高匀速度无级变速器，其特征在于：偏心轴11与滚套12之间也可以设置滚珠、滚柱等轴承。

4．权利要求1所述的一种齿轮式高匀速度无级变速器，其特征在于：行星臂6的轴套、太阳轴5、架板法兰32的轴套均可外伸，形成三件动力轴，将其中一件与机架固定，剩下二件后，则其中一件可作动力输出轴，另一件便可作成为动力输入轴。

5．权利要求1所述的一种齿轮式高匀速度无级变速器，其特征在于：行星臂轴套、太阳轴和架板法兰轴套三伸出轴之一件如作输入(或输出)轴，则其它两件可协同作速度和(或差)的定值输出(或输入)轴。

6．权利要求1所述的一种齿轮式高匀速度无级变速器，其特征在于：轨链也可以用外形尺寸与它相同的有织物夹层的聚胺脂、橡胶等柔性带条来代替。

7．权利要求1所述的一种齿轮式高匀速度无级变速器，其特征在于：其钢球(柱)式单向传动机构也可以用棘爪式单向传动机构等来代替。

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