CN201434055Y - 全齿轮速度自适应无级变速器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种全齿轮速度自适应无级变速器。该全齿轮速度自适应无级变速器包括：输入轴与输出轴，以及两轴之间的齿轮机构，该齿轮机构是由两个分别运用周转轮系的扭矩分配和扭矩合成功能而对接构成的无级变速机构。本实用新型针对现有自动变速器由变矩器、周转轮系组及其离合器和制动带、液压执行***、各种传感器及微电脑控制***组成的复杂性，创新了一种运用周转轮系简化现有结构的全新技术方案，由恒功率作用实现了输出动力矩对当前阻力矩自动适应从而达到输出转速自行最大化的无级变速器。本实用新型总地涉及一种由纯齿轮机构构成的机械无级变速器。本实用新型应用广泛，比如车辆、钻床等。

Description

全齿轮速度自适应无级变速器

技术领域

本实用新型属于机械制造领域，本实用新型总地涉及一种由具有无级变速功能的子机构构成的、输出转速随负载变化而自动相应变化的全齿轮机械变速机构，确切地，当然可以构成一种全齿轮速度自适应无级变速器。

背景技术

在生产与生活的许多场合，都需要对动力机的输出进行调整后再传动到工作机，以适应工作机的各种不同的甚至动态变化的负载状况。因此，变速器就成为动力***的一个重要组成部分，其效率、适应性、成本等对整机产生较大的影响。

现实使用的变速器，可以分为有级与无级两大类。

通过各种不同轮径的组合变化，配对直接啮合传动，或借由链、带、环等传动，可实现有级变速。其本质是对负载的变化范围作分段的概括，以有级的传动比方案解决无级的负载要求。可见没有对动力机的功率充分利用。

而现实使用的无级变速器(请参见《机械无级变速器》ISBN 7-111-08743-7，周有强主编，机械工业出版社2001年6月第一版。作为已知技术，专业技术人员熟知或容易理解这些机构，为简化说明书，本实用新型说明书不再一一例举解释书中所载各种结构的原理)，结构形式多样，但除了液力耦合器及液力变矩器外，都通过接触半径的变化实现变速，并且，其中除了齿链式具有以摩擦为主的部分的“啮合”特点外，几乎都是依靠摩擦或拖动油膜来传递载荷的，因而其传动效率、使用寿命、承载能力等方面存在问题；有些无级变速器如齿链式的输入轴转速不允许太高，否则会损坏机件或降低寿命。

其中应用于车用无级变速器的具有代表性的结构形式有(请参见《汽车构造》吉林大学汽车工程系编著陈家瑞主编人民交通出版社2006年5月第五版ISBN978-7-114-05710-6，第74页至112页)：自动变速器(AT，液力变矩，分段无级，该书第74页至106页)；无级变速器(CVT，该书第106页至112页)等。这些无级变速器中，AT的核心元件为液力变矩器，结构复杂，制造工艺要求高，扭矩变化范围小，效率较低损耗较高，在某些行驶工况下，反应迟滞(该书第76至88页)；CVT的核心元件为摩擦副，造成既需要摩擦来实现传动、又不希望摩擦导致机件磨损和功率损耗的矛盾。这些技术特征成为这一类变速器的结构共生的不足。

同时，这些无级变速机构，一般都不能独立适应于负载变化范围较大的现实使用要求，而往往作为核心元件，须配合一组周转轮系作为必要的辅助机构，借由辅助机构内部通过制动、离合等达成的速度有级变化(该书第75至76页，第88页至93页)，再配合复杂的液压控制***、传感器、微电脑等(该书第93至106页)构成的对辅助机构实施控制的控制***，才能实现其现实应用。

由此可见，现实使用的无级变速器，其产生速度无级变化的核心元件、协助核心元件实现使用价值的辅助机构和对辅助机构的控制***，都存在一定的局限性。

发明内容

本实用新型的全齿轮速度自适应无级变速器，提出了一种不再局限于通过接触半径(齿数、链轮半径或摩擦半径)的变化实现传动比变化的思路，设计了由周转轮系构成的扭矩/速度分配机构与同样由周转轮系构成的扭矩/速度合成机构，对接构成具有过载保护功能的全齿轮无级变速机构作为核心元件(在本实用新型中称其为子机构)；进而对使用中可能遇到的负载作相对大小的分段，通过同时采用几个这样的子机构，经过不同的简单变速后，使每个子机构可以对不同大小的负载中对应的一种负载大小情况产生传动和过载保护，从而整体而言构成一个完整的新技术方案，实现输出速度对负载的自动变化适应。

需要明确的是，本实用新型述及的负载变化是负载相对于动力的变化，当负载本身未变而动力变大时，即为负载相对的变小。

较好的是，本实用新型的技术方案构造简单，工作可靠。

较好的是，本实用新型具有恒功率特征，在动力功率大于阻力功率的必要前提下，根据负载的变化，自动趋向于以最大输出速度工作；即当负载相对变大(比如车辆爬坡或钻头推进过快)，输入动力无法维持此前转速时，被迫降速以实现传动，即变速过程可以以自适应的方式实现最大的可能速度；当阻力矩相对变小，转速将自动上升，因而直接表现为动力利用率高。

较好的是，当阻力矩超出设计承载范围即过载时，本实用新型具有过载保护功能，此时在其输出轴上有设计最大极限输出扭矩，但是由于过载，输出轴停止转动，动力在其内部循环，而不会导致作为动力机的内燃机熄火或电机堵转烧毁。

较好的是，既然输出速度对负载自动适应，必然有输出速度刚性这一性能参数，本技术方案构成的变速器，输出速度的刚性可以由分配机构的分配比、合成机构的合成比，以及整个齿轮***其他部分的传动比的不同设计来调整。

附图说明

首先说明，本实用新型的说明书附图均为结构简图，这些图中都省略了所有轴承、键与键槽、润滑方式、机体、密封件、放油口等等设计人认为于说明技术方案无关的结构细节；每个齿轮的辐板简化为线段、轮齿简化为辐板两端的短线段(斜的短线段表示伞齿轮)；当齿轮空套在轴上时，以代表轴的线段穿过两平行短线段表示。

图1为周转轮系的常见结构示意图，说明书将介绍其分配、合成2种功能；

图2为周转轮系在现有自动变速器中常用的一种变型结构；在现有自动变速器中往往采用几个串联成组再增加对它的控制***来辅助核心元件共同使用；

图3为利用周转轮系的分配与合成功能，对接构成一种在有限速比范围内实现无级变速的全齿轮无级变速机构的结构示意图(在本实用新型中称其为子机构)；

图4为本实用新型的无级变速器的原理示意图。

为进一步说明本实用新型的全齿轮速度自适应无级变速器的结构、效果及其优点，下面将结合附图在具体实施方式中对本实用新型加以详细说明。

具体实施方式

首先介绍周转轮系的分配、合成2种功能，以及周转轮系的变型：

如图1所示，其中，11为输入齿轮及其轴，12为保持架齿轮，其辐板作为保持架装配着行星齿轮14和16，13和15为两个中心轮及其轴。这是一个典型的周转轮系，在汽车中作为差速器使用。

第一种情况，当动力矩经零件11、12传到零件14和16，将按扭矩相等的规则向零件13和15传递，在汽车中，零件13和15分别连着左右驱动轮。可见这个轮系具有分配动力的功能。

第二种情况，当有两个独立的动力矩，从零件11和15分别传入，只要与零件13上的阻力矩一起符合简单的大小和方向关系(零件12与15这两路输入扭矩方向必须相反)，动力矩将从零件13输出。可见这个轮系具有合成动力的功能。(零件13和15是完全对称的结构，说明时可以对调，后续叙述中对这类同等地位的情况，不再说明)

如图2所示，其中，零件21、23是中心轮(分别是外齿、内齿)，零件26、22分别是它们的轴，零件24、29是同样的行星齿轮，零件25是保持架齿轮，零件28、27是输入齿轮及其轴。这是图1所示周转轮系的变型结构，这种结构方便于串联成结构紧凑的轮系组，作为对核心元件的辅助机构，再加上辅助机构的控制机构，在现有自动变速器中使用广泛。

以上介绍了周转轮系的分配、合成2种功能，以及周转轮系的变型结构。接着，针对现有的实现转速无级变化的核心元件的不足，提出一种全新思路的齿轮式无级变速机构：

如图3所示，借用图1的基本结构(零件名称和编号也全部借用)，增加了分配节前/后输出齿轮41/47，合成节前/后输入齿轮42/45，输出轴及其中心轮43，中心轮49，行星齿轮44和48，换向齿轮46。合成节前输入齿轮42的辐板作为保持架装配着行星齿轮44和48。

当动力从零件11输入，经零件12，14、16，13、15分配到零件41和47，传递到零件42和45(如前述，其中一路经零件46转换方向)，再传递到零件44、48和49，最后合成到零件43输出。这就是一个完整的由两个周转轮系对接构成的齿轮式无级变速机构。

必须重点指出的是，周转轮系有其内在的力矩关系，正是这一力矩关系，要求根据具体结构设计适当的齿轮速度比；并且，当输出轴43所承受的阻力矩逐渐变化到足够大时，其转速就逐渐下降到停止。由于过大阻力矩的存在，此时虽然输出轴43上有最大动力矩，输出轴43也只有转动的趋势，动力在机构内部运转，整个机构表现为过载保护。此时逐渐加大零件11上的输入动力，输出轴43才能逐渐自行克服阻力而恢复转动直至设计最高转速。这就是一个完整的齿轮式无级变速机构，并且输出随负载的变化而自动变化。在汽车技术中，该机构可以单独用来取代液力耦合器，也可以取代离合器。

最后，采用上述齿轮式无级变速机构(在本实用新型中称其为子机构)，进一步如下提出一种完全由齿轮构成的速度自适应无级变速器：

如图4所示，其中，矩形框501和506即为图3所示的子机构(为简化附图以矩形框表示)；零件504为输入轴，零件503为输入齿轮；零件509为输出轴，零件510是输出齿轮；零件502、505、507和512是传动齿轮；零件508和511为过渡齿轮，通过过渡齿轮和与它啮合的齿轮的齿数变化，实现不同的速比，从而使子机构501和506对不同大小的负载产生传动和过载保护。因此，当负载相对于动力变化时，动力可以单独从子机构501或506或同时从501和506输出，构成了本实用新型的全齿轮速度自适应无级变速器。

实际上，根据实际需要，子机构501和506可以同时运用多个，以将负载按大小细分，有利于对输入功率的利用率，从而提高本技术方案的机械效率。

值得指出的是，首先，实际使用时采用图2所示的变形结构，可以使整个变速器结构紧凑；另外，我们所称的图3所示的齿轮式无级变速子机构的过载保护，是指输入端正常转动时，输出端速度降低或停止，当假设无级变速子机构501使输出齿轮510进入相对高速状态，会导致齿轮507相对超速，此时子机构506表现为超越离合器的功能状态；最后，齿轮机构的倒挡和空挡设置太过简单，本说明书不再述及。

经过前后5年多的理论探讨和3轮模型试验后，本设计人通过以上论述，对本实用新型的目的、结构和效果作了详细说明，本技术领域中的技术人员应当认识到，上述图例仅仅是用来说明的，而不能作为对本实用新型的限制。因此，产品设计时可以在本实用新型的实质精神范围内进行变型和参数调整，这些改变都将落在本实用新型的权利要求书所要求的范围之内。

Claims (5)

1.全齿轮速度自适应无级变速器，包括：

输入轴与输出轴，以及两轴之间的齿轮机构，其特征在于，

该齿轮机构是由两个分别运用周转轮系的扭矩分配和扭矩合成功能而对接构成的无级变速机构。

2.如权利要求1所述的全齿轮速度自适应无级变速器，其特征在于，

在无级变速机构中的扭矩分配机构，动力从行星齿轮保持架输入，分配后从两个中心轮向扭矩合成机构传动；以及，在无级变速机构中的扭矩合成机构，动力从行星齿轮保持架及一个中心轮输入，由另一个中心轮输出。

3.如权利要求2所述的全齿轮速度自适应无级变速器，其特征在于：

在无级变速机构中的扭矩合成机构，两路输入扭矩的方向必须相反。

4.如权利要求2所述的全齿轮速度自适应无级变速器，其特征在于：

这样的无级变速机构同时使用多个。

5.如权利要求2所述的全齿轮速度自适应无级变速器，其特征在于：

这样的无级变速机构使用一个。

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