CN100394072C - 无级变速器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种无级变速器，包括主动带轮、从动带轮、围绕两带轮的干式环带、用于对带的松弛侧施压以产生带张力的张力调节机构、分别设置于主动和从动带轮上转换活动槽轮的行程机构、比率转换电动机、和齿轮机构，其传递电动机产生的转动作用力，同时其用于以机械方式连接两个行程机构，以使两个行程机构的活动槽轮可以实现同步及相对于固定槽轮沿轴向相对方向实现转换。齿轮机构包括：同轴安装到主动带轮上的变速输入齿轮；同轴安装到从动带轮上的变速输入齿轮；具有用于与各个带轮上的变速输入齿轮啮合的变速操作齿轮的变速操作轴；以及其中第一、第二变速操作齿轮的轴向长度分别与主动、从动带轮上的行程机构的行程长度相应。

Description

无级变速器
技术领域
本发明涉及一种无级变速器，更具体地说，涉及一种用于汽车上的V带无级变速器。
背景技术
一般地，无级变速器，例如日本专利号特开昭64-58848(1989)的专利中提出的一种无级变速器，包括一个主动带轮、一个从动带轮、一置于主动、从动带轮周缘的金属带、一个能施加与所使用的扭矩相适应的轴向力且安装在带轮中至少一个上的压力调节机构、分别安装在主动、从动带轮上用于在轴向上移动活动槽轮的行程机构(致动机构)和一个在改变传动比时操作行程机构的变速装置。
这个变速装置包括一个电动机、具有一对分别连接到主动、从动带轮行程机构上的齿轮的操作轴、一个由将电动机连到操作轴上的可反向齿轮列组成的减速机构、和一个能在发动机不运转时使发动机输出轴处于悬挂状态的电磁制动器。
然而，因为此变速器中使用的金属带与带轮之间的摩擦系数μ相当小，压力调节机构如压力调节凸轮机构，为传送扭矩有必要连到带轮中的至少一个上。压力调节机构从后面对固定的皮带轮施压使得带与带轮之间形成压力接触。然而，此通过带和活动带轮被传送到行程机构上的压力对行程机构施加大载荷。采用螺旋装置如滚珠螺旋机构作为行程机构。然而，当这样的螺旋装置在一个大的轴向力下运转时，螺旋装置就会很快磨损，结果降低了耐久性。而且，当向行程机构上施加这样一个大的轴向力时，就需要一个大的转动作用力来操作行程机构。结果，电动机尺寸加大并且电能消耗变大。甚至当减速机构的传送效率提高时，也不总能使电动机实现小型化并使其节省功率。
除了上述金属带(湿带)，还可以采用一种具有由树脂或橡胶等构成的用于与带轮接触的摩擦表面的干式带。因为金属带采用油进行润滑，带和带轮间的摩擦系数μ很小，为此，应当将压力调节机构中产生的夹紧力施加到金属带上以获得指定的传送效率。相反，不使用油润滑的干式带与带轮具有较大的摩擦系数μ，由此，不需要带轮对带施加大的夹紧力就可以得到高水平的传送效率。
发明内容
相应地，本发明的一个目的是提供一种使用干式带的无级变速器，其能够解决或防止出现上述问题。
本发明中的无级变速器包括：具有固定到主动轴上的固定槽轮和由可沿轴向移动的所述主动轴支撑的活动槽轮的主动带轮；具有固定到从动轴上的固定槽轮和由可沿轴向移动的所述从动轴支撑的活动槽轮的从动带轮；卷绕在所述主动带轮和所述从动带轮上的干式环带。张力调节装置压紧所述带的松弛端，从而产生带张力。为了改变传动比，本发明中的变速器还包括：比率转换电动机；分别设置在所述主动带轮和所述从动带轮上用于根据输入的转动作用力轴向转换所述活动槽轮的行程机构；和齿轮机构，其用于将所述电动机产生的转动作用力传送到每个带轮的行程机构上，同时使两个所述行程机构机械式连接，以使所述两个带轮的所述活动槽轮同步并相对于所述固定槽轮沿彼此相对的方向轴向转换，其中所述齿轮机构包括：同轴安装到所述主动带轮上的变速输入齿轮；同轴安装到所述从动带轮上的变速输入齿轮；具有用于与各个带轮上的所述变速输入齿轮啮合的变速操作齿轮的变速操作轴；以及其中第一、第二变速操作齿轮的轴向长度分别与主动、从动带轮上的行程机构的行程长度相应。
在本发明中，电动机的转动作用力通过齿轮机构传送到两个带轮的行程机构上以便两个带轮同步并相对于固定槽轮沿彼此相对的方向轴向转换。具体地说，两个带轮槽宽彼此向相反方向改变。电动机的转动角通过行程机构在轴向转换成为活动槽轮的移动距离，这样可以精确地将传动比控制到适当的比率。
作用在活动槽轮上的带的轴向反作用力也通过行程机构转换成转动作用力。此在一个带轮上产生的转换后的转动作用力作为反向转动作用力通过齿轮机构传送到另外的带轮上。相应地，电动机通过基于两带轮上转换后的转动作用力之差而产生的作用力驱动齿轮机构，这样具有较小转动作用力的电动机就可以使传动比发生改变。
根据本发明，带的张力不是通过向带轮上施加轴向压力产生，而是通过张力调节机构对带的松弛侧施压而获得。在干式带的情况下，带轮和带之间的摩擦系数大到通过对带松弛侧施压的张力调节机构能充分产生传送驱动扭矩所需要的带的张力。相应地，由于不会向行程机构施加过多的轴向力，本发明中的行程机构可以平滑地实现操作。电动机的转动作用力通过齿轮机构和行程机构无损失地转换成轴向力来移动活动槽轮。结果，此变速器的转换响应得到改善，从而能够在硬断开操作时实获得回到较低传动比范围的高效率。进而，基于同样原因，电动机的尺寸和电能损耗都能得到降低。
用于将输入转动运动转换成活动槽轮轴向运动的行程机构可包括螺旋机构如滚珠螺旋机构。在不同的滚珠螺旋机构形式中，例如，其可以由通过轴承以可转动但不能沿轴向移动的方式与活动槽轮配合的第一螺旋部件、固定到固定部件如箱体上的第二螺旋部件和设置于两螺旋部件之间的滚珠构成。这种情况下，当转动作用力输入到第一螺旋部件时，第一螺旋部件即通过转动作用沿轴向移动到第二螺旋部件，这样只有轴向运动被传送到活动槽轮上。这样，活动槽轮仅能沿轴向产生运动而不会相对固定槽轮产生扭转。
齿轮机构包括同轴安装到所述主动带轮上的变速输入齿轮；用于将所述电动机的转动作用力传送到所述主动带轮上的变速输入齿轮上的齿轮系；同轴安装到所述从动带轮上的另一变速输入齿轮；具有用于与主动轮和从动轮上的第一、第二变速输入齿轮相啮合的变速操作齿轮的变速操作轴。该变速操作轴用于将来自于所述主动带轮上的所述变速输入齿轮的转动作用力传送到所述从动带轮的所述变速输入齿轮上。
在优选实施例中，电动机的转动作用力被传送到主动带轮的变速输入齿轮上，进而通过固定在变速操作轴上的变速操作齿轮传送到从动带轮的变速输入齿轮上。这样，由于齿轮机构的轮隙或者弯曲，从动带轮比主动带轮稍微晚些运行。硬断开操作时，在机器停止前传动比应当回到较低范围。为实现上述返回到低范围的操作，主动轮的槽应当扩宽，而从动带轮的槽应当变窄。如前所述，因为主动带轮的扩宽操作略早一点开始，从动带轮就比较容易变窄。由于采用此种设置方案，与电动机的转动作用力传送到从动带轮的变速输入齿轮上，之后传递到变速操作齿轮，再到主动带轮的变速输入齿轮上，或者发动机的转动作用力分配后分别传送到主动带轮和从动带轮的变速输入齿轮上的情形相比，此优选实施例能够更快地实现返回到低传动比的操作。
在上述齿轮机构中，其包括分别与主动带轮和从动带轮啮合的第一、第二变速操作齿轮的变速操作轴，第一、第二变速操作齿轮的轴向长度分别与主动、从动带轮行程机构的行程距离相对应。而且，主动带轮和从动带轮的变速输入齿轮由树脂制成，而变速操作齿轮由金属材料制成。
在本发明中，使用一种不用油润滑的干式带。因为包绕带轮的腔体不用油润滑，所以此腔体中设置的齿轮机构也不进行润滑。这样，使用树脂齿轮作主动、从动带轮的变速输入齿轮，就有可能在进行不润滑的条件下驱动。在此例中，第一、第二变速操作齿轮也由树脂齿轮构成。然而，由于那些变速操作齿轮的作用位置根据传动比产生变化，变速操作齿轮有可能产生形变磨损。所以，第一、第二变速操作齿轮优选采用比树脂齿轮具有更高硬度的金属齿轮构成。当在齿轮机构中使用树脂齿轮时，由于树脂齿轮的弹性，从动带轮与主动带轮运动的滞后时间变长。这样，硬断开操作时即可获得回到较低传动比范围的高性能。
上述齿轮机构优选方式为由圆形和可反向齿轮如直齿轮或者斜齿轮组成的齿轮系。当在齿轮机构中采用可反向齿轮时，转动作用力以高传动比进行传送，使得即使通过使用很小型号的电动机也能够对比率转换操作作出高水平的响应。然而，在采用可反向齿轮的情况下，施加在活动槽轮上的轴向力可以用来使行程机构反向转动，进而通过齿轮机构使电动机轴反向转动。这样，当向电动机上加载电流时，传动比可能产生改变。当无级变速器包含具有高摩擦系数μ的干式带，施加在活动槽轮上的轴向力可以小到只通过电动机中磁铁产生的启动电阻(仅仅在不加载电流时产生)且不需要其它的制动装置，即可使传动比保持不变。附加地，为了安全考虑可以增加防止电动机轴反向转动的制动装置。
在上述包括分别与主动带轮和从动带轮的第一、第二变速输入齿轮啮合的变速操作轴的齿轮机构中，变速操作轴优选设置在上述带运行环内的位置上，并且与连接两带轮轴中心部分的直线S相比其与带的张紧侧更靠近一些。如果此用于传送发动机转动作用力到两带轮行程机构上的变速操作轴被设置在带运行环外的位置上，将会缩短主动、从动带轮轴间距离。然而这种情况下，固定在此轴上的齿轮将大体突向带轮的外部，结果变速器的尺寸就会较大。相反，如果变速操作轴被设置在带运行环内，带轮和齿轮设置则比较紧凑。然而，由于两带轮轴间的距离在一定程度上变长，变速器的尺寸也会有些变大。特别是，当采用张力调节装置来对带施压时，就会出现带和变速操作轴之间，或者张力调节装置和变速操作轴之间产生不需要的干涉。考虑上述问题，通过将变速操作轴设置于在带运动环内比连接两带轮轴线中心部的直线S更靠近带张紧侧的位置，就有可能缩短主动、从动带轮轴线之间的距离，同时防止变速操作轴与带或与张力调节装置之间产生干涉。
上述行程机构包括第一螺旋部件和与其互相配合的第二螺旋部件。第二螺旋部件可以通过腔体的作用回转停止，所述第一螺旋部件与所述活动槽轮通过第一轴承形成可转动连接，但轴向不可滑动。变速输入齿轮固定到所述第一螺旋部件上。行程机构还设置有第二轴承，其以可转动方式将主动或从动轴支撑到所述箱体上。第一、第二轴承设置成沿轴向相互靠近，以使当所述带轮的槽宽达到最大时，所述第一螺旋部件和所述第二螺旋部件在轴承的外部沿径向与轴承部分交叠。这种情况下，由于两个轴承和螺旋部件径向部分重合，可以根据重合的面积缩短行程机构轴向长度。因为第一、第二螺旋部件的直径比两个轴承的直径要大，这些螺旋部件螺旋啮合的距离应足够长以便即使在轴向长度缩短的情况下也能实现稳定的行程致动。
上述张力调节装置可优选包括从外部与带的松弛侧形成压力接触的张力辊；张力器臂，其一端沿径向在所述带轮中的任何一个外部的位置以摆动方式支撑在箱体上，其另一端具有连接到其上的张力辊；和用于以摆动方式沿所述张力辊压紧所述带的方向激励所述张力器臂的激励装置。张力器臂优选长度长于所述带轮的直径并且其形状沿所述带轮的外围形成曲线。另外，张力器臂优选设置成使用于支撑所述张力辊的轴的轨迹运动穿过所述主动轮和所述从动轮之间的位置。由于张力辊从外部在带的松弛侧施压以产生适当的张力，与从外部压带的情况相比，带围绕带轮的接触面积增加，从而改善传送效率。通过将张力器臂的转动支点设置于腔体上带轮径向外部的位置，并使张力器臂宽度的中心基本上在径向上对应于带轮的中心，这样，即可能在张力器臂两端支撑张力辊的中心轴，同时保持张力器臂两端不倾斜。结果，张力辊可以在良好平衡条件下与带形成接触。
本发明的其他特征将在下面对实施例的叙述中进行详细说明。
附图说明
图1示出了根据本发明第一个实施例的无级变速器的展开剖面图；
图2是图1中所示无级变速器中带轮腔的剖视图；
图3是图1中所示无级变速器中的齿轮腔的剖视图；
图4是沿图2中A-A线的剖视图；
图5是沿图2中B-B线的剖视图；
图6是图1中所示无级变速器中张力调节机构部分片断的剖视图；
图7是张力器臂的透视图；
图8是图1中所示无级变速器的结构简图；
图9示出了张力辊与带以最高传动比(最高机器速度比或者高速齿轮)传送时的接触位置；
图10示出了张力辊与带以中等传动比传送时的接触位置；
图11示出了张力辊与带以最低传动比(最低的机器速度比或者低速齿轮)传送时的接触位置；
图12示出了当只使用张力弹簧时带张力与传动比之间的关系；
图13示出了当只使用压缩弹簧时带张力与传动比之间的关系；
图14示出了当使用张力弹簧和压缩弹簧时带张力与传动比之间的关系；
图15示出了从动带轮中行程机构的展开剖面图；
图16沿图15中C-C线的剖视图。
具体实施方式
图1到图7示出了根据本发明第一个实施例中无级变速器的具体结构，图8示出了其结构简图。
这种在具有横向装置的FF系统(前置发动机前驱动)的机动车辆中的无级变速器一般包括：一通过启动离合器2由发动机输出轴1驱动的输入轴3、一副轴4、一支撑主动带轮11的主动轴10、一支撑从动带轮21的从动轴20、一围绕主动带轮11和从动带轮21转动的干式V形带15、一减速轴30、与轮子相连的输出轴32、一比率转换发动机40、一张力调节装置(张力器)50等。输入轴3、副轴4、主动轴10、从动轴20、减速轴30和输出轴32不是同轴排列而是彼此平行。
尽管本实施例中启动离合器2采用干式离合器，也可以使用湿式离合器或者液压连接形式如扭矩转换器。传动箱60通过轴承(一个腔)以可转动方式支撑输入轴3。输入轴3具有一个由轴3可转动方式支撑的前向运动齿轮3a和一个固定在轴3上的反向运动齿轮3b。同步前向转换装置5有选择地使前向齿轮3a与固定在输入轴上的离合器毂3c配合。此前向转换装置5通过拨叉7可以转换到三个位置，即向前驱动位置D，中间位置N或者反向驱动位置R。
与前向齿轮3a啮合的齿轮4a和在靠近发动机的一端与固定在主动轴10一端的齿轮10a啮合的齿轮4b，一同固定到副轴4上。通过适当选择副轴4上的齿轮4a和4b的减速比，驱动扭矩以适合于驱动带的减速比从输入轴3传到主动轴10上。
主动带轮11包括一安装在主动轴10上的固定槽轮11a、一个由主动轴10在轴向上可移动地支撑的活动槽轮11b和一个设置于活动槽轮11b后面的行程机构14。行程机构14设置于离发动机的距离比V带15较近的位置。根据本实施例，行程机构14是一个滚珠螺旋机构，其能够根据比率转换电动机40所施加的转动作用力在轴向移动活动槽轮11b。行程机构14包括一个由活动槽轮11b通过轴承12形成可转动支撑的内螺纹部件14b、一个与变速箱60固定相连的外螺纹部件14c和设置在内螺纹部件、外螺纹部件14b、14c之间的滚珠14a。变速输入齿轮14d固定在内螺纹部件14b的外围。变速输入齿轮14d为一薄形树脂齿轮，其直径大于主动带轮11的活动槽轮11b。主动轴10通过轴承13以可转动方式支撑在变速箱60上。轴承13的外圈与变速箱60和外螺纹部件14c固定在一起。
从动带轮21包括一固定在从动轴20上的固定槽轮21a、一个由轴向上可移动的从动轴20支撑的活动槽轮21b和一个设置在活动槽轮21b后面的行程机构22。行程机构22被设置在越过V带15的与发动机相对方向的一侧。与主动带轮11的行程机构14相似，采用滚珠螺旋机构的行程机构22包括一个由活动槽轮21b通过轴承22a形成可转动支撑的内螺纹部件22b、一个与变速箱60固定相连的外螺纹部件22c和设置在螺纹部件之间的滚珠。变速输入齿轮22d固定于内螺纹部件22b的外围。变速输入齿轮22d也为一薄形树脂齿轮，其直径大于主动带轮21上的活动槽轮21b。
现在参考图15和图16对行程机构22的具体结构进行说明。因为行程机构14的结构与致动器22的结构对称，对其它结构在此不再赘述。
如上所述，致动器22包括第一轴承18、内螺纹部件22b、外螺纹部件22c、变速齿轮(输入齿轮)22d和排列于内螺纹部件、外螺纹部件22b、22c之间多个滚珠22a。轴承18的内圈18b固定地安装在活动槽轮21b上，内螺纹部件22b和变速输入齿轮22d通过具有槽状截面的支架17固定到外圈18a上。具体地说，外圈18a固定在支架17内圈17a的内表面上，变速输入齿轮22d安装到支架17外圈17b的外表面上，内螺纹部件22b安装到支架17外圈17b的内表面上。外螺纹部件22c轴向的端部插入由内螺纹部件22b和支架17内圈17a的外表面所围绕的圆形空间23中。
另外，用于以可转动方式支撑从动轴20的第二轴承19设置在变速箱60和从动轴(带轮轴)20之间。轴承19的内圈19a装配到从动轴20上，与外螺纹部件22c另一端配合的外圈19b固定地装入到传动箱60内的轴承固定部64上。特别的是，此外螺纹部件22c的另外一端如图16所示以共圆的方式含有多个突出的限位块(比如三个限位块)22c1，轴承固定部64具有凹入部65以与这些限位块22c1相连。其结果是，从动轴20，同样也是特轮轴，由变速箱60通过轴承19形成稳定支撑，外螺纹部件22c通过变速箱60稳定地回转停止。
如上所述，行程机构22中的内螺纹部件22b和外螺纹部件22c安装在轴承18和19的外围，这样当螺纹部件22b和22c啮合到最深位置时(当带轮槽宽最大时)，在轴承径向的内螺纹部件22b和外螺纹部件22c部分与轴承18和19轴向交叠。相应地，行程机构22在轴向上的最小长度G可以对应于轴承18和19与螺纹部件22b和22c在轴向部分重合的面积的长度进行缩短。
进一步说，由于采用槽形支架17，变速输入齿轮22d可以安装到固定在轴承18的外圈的支架17上，使得变速输入齿轮22d可以被稳固地支撑住，从而减少其磨损。而且，因为内螺纹部件22b安装到支架17外圈17b的内表面上，可以使内螺纹部件22b免于倾斜，结果是行程机构能够更稳定地实现致动。
在变速箱60的轴承固定部分64外围整体形成的环绕壁面66总保持与内螺纹部件22d的外表面交叠。其结果是，外螺纹部件22c的线槽总被环绕壁面66覆盖，从而能够保持清洁免受灰尘。内螺纹部件22b通过槽形支架17安装到外圈18a上，这样在活动槽轮端圆形空间23的端部被关闭，从而使线槽能保持清洁免受灰尘。
在与从动带轮21相比靠近发动机的一端以可转动方式支承于从动轴20上的反向齿轮24与固定在输入轴3上的反向运动齿轮3b相啮合。反向变速装置25有选择地使齿轮24与固定在从动轴20上的离合器毂26相配合。用于转换上述前向转换装置5的拨叉7也与反向转换装置25相连。这样，通过操作拨叉7，转换装置5和25可以同时进行转换。更具体地说，当拨叉7转到如图8所示右边位置时，前向转换装置5将离合器毂3c与前向齿轮3a连接起来，而反向转换装置25与反向齿轮24分离，使得变速器的转换位置处于D范围内。当拨叉7转到中间位置时，转换装置5和25均与前向齿轮3a和反向齿轮24分别分离，使得变速器的转换位置处于N范围内。当拨叉7转到如图8所示左边位置时，反向转换装置25将离合器毂26与反向齿轮3b连接起来，而前向转换装置5与前向齿轮3a分离，使得变速器的转换位置处于R范围内。采用此种方案，因为只有一个拨叉7能同时操作转换装置5和25，所以不会出现反向转换装置25处在R位置，而前向转换装置5同时处在D位置的情况。
在从动轴20的比较靠近发动机的一端整体形成的减速齿轮27与固定在减速轴30上的齿轮30a啮合。此外，在减速轴30上整体形成的齿轮30b与差动齿轮单元31上的减速轴30相啮合，以此来驱动连到置于差动齿轮单元31的输出轴32上的汽车轮子。
上述输入轴3的前向齿轮3a和反向齿轮3b、前向转换装置5、副轴4上的齿轮4a、4b、主动轴10上的齿轮10a、从动轴20上的反向齿轮24、反向转换装置25、减速齿轮27、减速轴30上的齿轮30a、30b以及差动齿轮单元31都设置在齿轮腔体61内，其形成在变速箱60内靠近发动机的一侧。此腔体61采用油进行润滑。相反，带轮11和从动带轮21安装在变速箱60的带轮腔62内，其与齿轮腔体61通过分隔壁面63实现分离。带轮腔62为非润滑空间。
下面将对具有上述结构的无级变速器向前驱动和反向驱动时的能量流动情况进行说明。
向前驱动时，操纵拨叉7来转换前向转换装置5到前向位置D。从启动离合器2输入到输入轴3的发动机能量通过前向齿轮3a、副轴4、主动轴10、主动带轮11、V形带15、从动带轮21、从动轴20、减速轴30和差动齿轮单元31传送到输出轴32。反向驱动时，操纵拨叉7来转换反向转换装置25到反向位置R。从启动离合器2输入到输入轴3的发动机能量通过反向3b和24、从动轴20、减速轴30和差动齿轮单元31传送到输出轴32上。即反向驱动时，发动机能量不经过V形带15传送。
此方案中设置向带15的松弛侧施压的张力器50来产生下述带张力。反向驱动时，因为沿反方向驱动带15，带的松弛侧和张紧侧可以互相代替。结果，张力器50会不利地压到张紧面从而给带15上施加过量载荷。然而根据本实施例，因为驱动扭矩只在向前驱动时传送到带15上，反向驱动并不传送，张力器50总向V带15的松弛侧端施压。这样，就能减少带15的负荷，进而改善带的耐久性。
现在将对本实施例中无级变速器的比率变换机构进行说明。
比率转换电动机40处于变速箱60的外部，特别是位于主动带轮11的斜上方。电动机40为一具有制动装置41的伺服电动机。电动机40具有一个置于第一变速操作轴45的一端与减速齿轮45a相配合的输出齿轮42。第一变速操作轴45安装成穿过变速箱60的内壁，与输出齿轮42一同处在带轮腔62中。设置于第一变速操作轴45另一端的齿轮45b，为一具有轴向长度对应于主动带轮11的活动槽轮11b的行程长度的正齿轮或者斜齿轮。齿轮45b与主动带轮11上的变速输入齿轮14d相啮合。第一变速操作轴45、齿轮45a、45b均由金属材料制成。当转动轴45的齿轮45b转动时，变速输入齿轮14d相应地产生转动使得活动槽轮11b能在滚珠螺旋机构14(行程机构)的作用下产生轴向移动。也就是说，主动带轮11的槽宽(围绕主动带轮的带的运动直径)可以产生连续变化。
主动带轮11的变速输入齿轮14d还与设置成穿过变速箱60内壁的第二变速操作轴46(惰轮轴)的第一变速操作齿轮46a(惰轮)啮合。而且，第二变速操作轴46的第一变速操作齿轮46b(惰轮)还与从动带轮21的变速输入齿轮22d相啮合。这些变速操作齿轮46a、46b也是正齿轮或者斜齿轮，与第一变速操作轴45的齿轮45b相似，其轴向长度与活动槽轮11b、21b的行程距离相应。轴46及齿轮46a、46b均由金属材料制成。如图2所示，第二变速操作轴46设置于主动带轮11和从动带轮21之间，且位于带15运动环的内部。特别说明的是，第二变速操作轴46位于比连接主动带轮11和从动带轮21轴心的直线S更靠近带15张紧端的位置(见图2)。通过使第二变速操作轴46偏离连接主动带轮11和从动带轮21轴心的直线S，可以缩短两带轮的轴间距。而且，下述张力调整器50从外部向带15的松弛侧施压，可以防止带15的向内弯曲部分与第二变速操作轴46之间产生干涉。因为与传动比有关的带15张紧侧的位置几乎不改变，这样可以防止带的张紧侧与轴46之间产生干涉。进一步地说，由于采用这种设置方案，相对于第二变速操作轴46设置在带15运动环路之外的情况相比，变速操作齿轮46a、46b可以实现小型化。
从比率转换电动机40中输出的转动作用力通过第一变速操作轴45、主动带轮11的变速输入齿轮14d和第二变速操作轴46传送到从动带轮21的变速输入齿轮22d。这样，主动带轮11的活动槽轮11a和从动带轮21的活动槽轮21a可以同步轴向变速以彼此相对地改变两带轮的槽宽(带沿两带轮的运动直径)。
如上所述，因为设置了将从比率转换电动机40中输出的转动作用力传递到行程机构14和22上，即用于机械方式连接主动带轮11的行程机构14、22和从动带轮21的齿轮机构(42、45a、45b、14d、46a、46b和22d)，就可以通过机械方式确定活动槽轮的位置即传动比。这样，仅仅通过控制比率转换电动机40，即可以精确地改变传动比。而且，此传动比不受温度等的影响。
在上述齿轮机构所包含的齿轮中，只有变速输入齿轮14d、22d由树脂材料制成。因为树脂齿轮14d、22d可以不经摩擦来驱动，就有可能将齿轮机构设置在不用油润滑的带轮腔62中。另外，在由树脂制成的变速输入齿轮14d、22d的弹性作用下，从动带轮21使槽变窄的动作与主动带轮11的使槽变宽的动作会迟延，为此硬断开操作下可以获得回到传动比较低范围的高性能。相反，配合位置根据传动比不同而不同的变速操作齿轮46a、46b和第一变速操作齿轮45的齿轮45b，由金属材料制成以防止产生偏差磨损。
由于齿轮机构(42、45a、45b、14d、46b、22d)由具有高传动效率的圆形或者可反向齿轮组成，例如正齿轮或者斜齿轮，齿轮机构可能在由带张力引起的活动槽轮上产生的反作用力下产生转动，这样当不向比率转换电动机40上提供电流时，传动比将产生不期望的改变。然而，由于带15使用干式带，当没有电流时，来自活动槽轮的反作用力很小，使得电动机40中磁铁的启动阻力足够使齿轮系停止转动。在上述实施例中，为了安全起见，设置制动装置41以当不向比率转换电动机40上施加电流时使输出齿轮42停止转动。然而，此制动装置41也可以省略。
下面对向带V带15提供张力的装置即张力器50进行说明。
如上所述，通过比率转换电动机40可以改变带轮11、21的槽宽(带沿带轮的运动直径)。带15可能由于传送扭矩的作用在带轮11和带轮21上滑动。为了防止产生滑动，如图2和图4-7所示，可以设置向带15提供张力的张力器50。张力器50包括张力辊51，其通过连接件52由张力器臂53形成可转动支撑。具体地说，连接件52具有铰链52a，其形成于连接件52的端部并在张力器臂53的前端部形成可转动支撑。连接件52的另一端52b稳固地固定通过轴承51b以可转动方式支撑于张力辊51的中心轴51a的两端。
如图2所示，张力器臂53的转动支点53a位于主动带轮11径向外部(特别是上部)附近。长度比主动带轮11直径要长的张力器臂53沿主动带轮11的外围弯曲。张力器臂53设置成使用于支撑张力辊的铰链52a沿弧形轨迹运动，其通过主动带轮11和从动带轮21之间并且其中心与转动支点53a相应。
如上所述，张力器臂53的转动支点53a位于主动带轮11的径向外部位置，张力器臂53宽度的中心基本上与主动带轮11的轴向中心位置对正。另外，张力器臂53通过连接件52支撑张力辊51的中心轴51a的两端。由于采用这些设置，可能在不发生倾斜的情况下中心轴51a构成支撑，并防止张力辊51与带15产生不均衡地接触。
因为张力器臂53沿带轮11的外围弯曲，其并不会与主动带轮11产生干涉。还有，因为张力器臂53比主动带轮11的直径要长，而且铰链52a支撑张力辊的轨迹通过主动带轮11和从动带轮21之间，所以可以减少张力辊51与带轮11或21中任一产生干涉的可能性。具体地说，因为随着使用过程V带15拉长或磨损，张力辊51与带15的接触位置相对于初始接触位置变化很大。然而，由于用于支撑张力辊的铰链52a的轨迹通过主动带轮11和从动带轮21之间，张力辊51可运动到使其与带轮11或21产生干涉的可能性最小的位置。即便是当使用连接件52时，由于可以减少连接件52和张力器臂53之间的角度并可以使连接件52长度缩短，通过连接件52也可以使张力器臂53对张力辊51形成安全支撑。
变速箱60的张力器臂53上与主动带轮11相对的位置设置有用于将冷却空气送进带轮腔62的空气进口67。具体地说，空气进口67形成在变速箱60前表面(正对主动带轮11前部的位置)的上部位置。另一方面，空气出口68设置于主动带轮21径向外部并且超过从动带轮21上与空气进口67相反的位置。具体地说，空气出口68形成于变速箱60后表面的下部位置。
如图4所示，在张力器臂53上与空气进口67相对的位置设置冷空气通过的孔53d。从空气进口67中进入的冷空气的一部分通过张力器臂53的孔53d到达主动带轮11与带15接触的位置，并直接到达张力辊51与带15接触的位置。这样，主动带轮11和带15被冷却。而且，由于位置原因而比较难冷却的张力辊51可以得到有效地冷却。冷却空气的剩余部分旁路通过张力器臂53，流经带轮腔62以对带15进行冷却。在从动带轮21的活动槽轮21b后部设置有产生气流的散热片21c，产生的气流从空气进口67流向空气出口68。机器速度较高时带15被加热到最热，从动带轮21比主动带轮11转动得更快。这样，置于从动带轮21上的散热片21c能够有效地产生从空气进口67流向空气出口68的空气流。采用这种方式，大量的流动空气可以通过带轮腔62来提高冷却效果。
如图7所示，两个销53b和53c从张力器臂53前端的边侧突出。张力弹簧54的一端钩住销53b，引导压缩弹簧57的扩展导向器56的一端与销53c形成可转动配合。张力弹簧54从主动带轮11的固定槽轮11a的后部延伸通过主动轴10和从动轴20之间的空间，使得其一端钩住固定到变速箱60上与张力器臂53相对位置的轴55上。这种设置下，张力弹簧54的拉力使张力辊51从外向内对带15的松弛侧施压以转动推动臂53。通过从外向内对带15施压，可以产生合适的带张力，从而增加带15沿带轮11、21的接触面积，进而提高传送效率。
扩展导向器56用于引导压缩弹簧57的另外一端与变速箱60上的轴58形成可转动配合。压缩弹簧57与扩展导向器56装配以使其只能沿展开方向由扩展导向器56进行引导，从而使得压缩弹簧57和导向器56围绕轴58转动时不会产生变形或弯折。
下面将参考图9和图14对根据传动比使张力弹簧54和压缩弹簧57引起张力辊51对带施加压力的操作进行说明。
图9、图10和图11分别示出了带轮单元在以最高传动比、中等传动比、最低传动比传送的运动机构。图12、图13和图14分别示出了只使用张力弹簧54、只使用压缩弹簧57、同时使用弹簧54、57时带张力的变化。
如图9和图11所示，带15的长度在最大和最小传动比下几乎没有余量。因此张力辊51引起的带15的变形量小到使张力辊51几乎不会下降到带轮11、21之间。另一方面，在中等传动比时，如图10所示带15的长度具有余量。所以带15引起的带15的变形量大到使张力辊51会在带轮11、21之间下降到很深。
连接到变速箱中的张力弹簧54中的支点55位于带15上与臂53相反的位置。因此，张力弹簧54的弹簧力在张力辊51向内对带15施压的方向上产生作用(P方向)。如图12所示，张力弹簧54以中等传动比引起的带张力大大小于以最高传动比和最低传动比传送的情况。
另一方面，压缩弹簧57位于连接变速箱60上的支轴58和张力器臂53的转动支轴53a的直线L附近。在高和低传动比下，压缩弹簧57与臂53的配合点53c位于直线L上正对带15的位置，而在中等传动比下，其位置比直线L更靠近带15。这样，压缩弹簧57的弹簧力在高和低传动比时沿使张力辊51与带15分离的方向上产生作用(M方向)，而其在中等传动比时沿使张力辊51向内对带15施压的方向(方向P)上产生作用。换句话说，如图13所示，压缩弹簧57引起的带张力在中等传动比下在增加侧起作用，而在高和低传动比下在减小侧起作用。其结果是，如图14所示，由于对张力弹簧54和压缩弹簧57引起的带张力被加总，在高或低传动比和中等传动比之间带张力的差别减小，从而可以得到需要的张力特性。例如，当在中等传动比下加总后的带张力设置为最小的必要值(例如700牛顿)以防止带15在滑轮上产生滑动，当高或低传动比下加总后的带张力可被控制在950牛顿至1000牛顿之间来防止达到过量水平。这样，既能够防止此带产生滑动又能够提高其耐久性。
本发明并不限于上面提到的实施例。
尽管在上述实施例中，行程机构由滚珠螺旋机构构成，其也可以由普通螺旋机构构成，其外螺旋机构与内螺纹的螺旋机构直接相互啮合。
尽管上述实施例中，在张力器装置50中采用张力弹簧54和压缩弹簧57以对V形带15的松弛侧施压，也可以使用致动器如电动机或液压缸作为弹簧的附加或者替代以可转动方式激励张力器臂53压紧带15。这种情况下，通过控制致动器可以将带张力控制在任意水平。使用电动机作为致动器时，张力器臂53可在其前端形成齿条，电动机可具有一个小齿轮来驱动此齿条。使用液压缸作为致动器时，气缸活塞与张力器臂53相连以可转动方式向臂施加激励作用。然而，这种情况下，液压缸可优选设置于变速箱外部。
在上述的实施例中，比率转换电动机40的转动作用力传送到连接到主动带轮11行程结构上的变速输入齿轮14d，进而从变速输入齿轮14d传送到通过固定在变速操作轴46上的变速操作齿轮46a、46b连接到从动带轮21行程结构上的变速输入齿轮22d。相反，电动机40的转动作用力可首先传送到从动带轮的变速输入齿轮22d上，之后传传递到变速操作齿轮46a、46b，进一步传送到主动带轮的变速输入齿轮14d。另外，电动机40的转动作用力可首先传送到变速操作轴46，这样其分别从轴46的变速操作齿轮46a、46b传送到主动、从动带轮11、21的变速输入齿轮14d、22d上。
根据本发明，如上所述在使用干式带的无级变速器中，比率变换电动机中产生的转动作用力通过齿轮机构传送到两带轮的行程机构上来同步驱动行程机构。因此可以精确和稳定控制传动比。
而且，因为不是由滑轮的压紧力而是由压带松弛端的张力调节机构产生带张力，不会向行程结构上施加过量载荷。这种条件下，行程机构的耐久性得到改善，通过齿轮机构和行程机构有效地将比率转换电动机上产生的转动作用力转换成活动槽轮上的轴向位移。这样，传动比的转换响应得到改善，比率转换电动机的尺寸减小和并且其电能消耗降低。

Claims (13)

1.一种无级变速器，包括：
具有固定到主动轴(10)上的固定槽轮(11a)和由所述主动轴(10)支撑的可沿轴向移动的活动槽轮(11b)的主动带轮(11)；
具有固定到从动轴(20)上的固定槽轮(21a)和由所述从动轴(20)支撑的可沿轴向移动的活动槽轮(21b)的从动带轮(21)；
卷绕在所述主动带轮(11)和所述从动带轮(21)上的干式环带；
对所述带(15)的松弛侧施压以产生带张力的张力调节装置(50)；
比率转换电动机(40)；
分别设置在所述主动带轮(11)和所述从动带轮(21)上根据输入的转动作用力轴向转换所述活动槽轮(11b，21b)的行程机构(14，22)；和
齿轮机构(42，45，45a，45b，14d，46，46a，46b，22d)，其用于将所述电动机(40)产生的转动作用力传送到每个带轮的行程机构(14，22)上，同时使两个所述行程机构(14，22)机械式连接，以使所述带轮的所述活动槽轮(11b，21b)同步并相对于所述固定槽轮(11a，21a)沿彼此相对方向轴向转换，
其中所述齿轮机构(42，45，45a，45b，14d，46，46a，46b，22d)包括：
同轴安装到所述主动带轮(11)上的变速输入齿轮(14d)；
同轴安装到所述从动带轮(21)上的变速输入齿轮(22d)；
具有用于与各个带轮上的所述变速输入齿轮(14d，22d)啮合的变速操作齿轮(46a，46b)的变速操作轴(46)；以及
所述变速操作齿轮(46a，46b)由分别与两带轮各自变速输入齿轮(14d，22d)啮合的第一、第二变速操作齿轮(46a，46b)组成，
其中第一、第二变速操作齿轮(46a，46b)的轴向长度分别与主动、从动带轮上的行程机构(14，22)的行程长度相应。
2.如权利要求1所述的无级变速器，其特征在于所述齿轮机构(42，45，45a，45b，14d，46，46a，46b，22d)包括：
用于将所述电动机(40)的转动作用力传送到所述主动带轮上的变速输入齿轮(14d)的齿轮系(42，45，45a，45b)；
变速操作轴(46)，其具有用于与所述变速输入齿轮(14d，22d)啮合的变速操作齿轮(46a，46b)以将来自所述主动带轮上的所述变速输入齿轮(14d)的转动作用力传送到所述从动带轮的所述变速输入齿轮(22d)上。
3.如权利要求1所述的无级变速器，其特征在于：
所述变速操作轴(46)被设置于所述带(15)的运转环的内部，而且与连接所述主动带轮(11)和所述从动带轮(21)的轴中心的直线(S)相比，其与所述带(15)的张紧一侧更近一些。
4.如权利要求2或3所述的无级变速器，其特征在于：
主动、从动带轮上的所述行程机构上的所述变速输入齿轮(14d，22d)由树脂制成，而第一、第二变速操作齿轮(46a，46b)由金属材料制成。
5.如权利要求1所述的无级变速器，其特征在于所述齿轮机构(42，45，45a，45b，14d，46，46a，46b，22d)由可反向齿轮组成。
6.如权利要求1所述的无级变速器，其特征在于：
各个所述行程机构(14，22)包括彼此配合的第一螺旋部件(14b，22b)和第二螺旋部件(14c，22c)；
所述第二螺旋部件(14c，22c)通过箱体(60)作用回转停止；
所述第一螺旋部件(14b，22b)与所述活动槽轮(11b，21b)通过第一轴承(12，18)形成可转动连接，但相对于所述活动槽轮轴向不可移动；和
其中所述变速输入齿轮(14d，22d)固定到所述第一螺旋部件(14b，22b)上。
7.如权利要求6所述的无级变速器，其特征在于：
还设置有用于将所述主动轴或从动轴以可转动方式支撑到所述箱体上的第二轴承(13，19)；和
其中第一、第二轴承(12，13，18，19)设置成沿轴向相互靠近，以使当所述带轮(11，21)的槽宽达到最大时，所述第一螺旋部件(14b，22b)和所述第二螺旋部件(14c，22c)在轴承(12，13，18，19)的沿径向外部分别与第二、第一轴承部分交叠。
8.如权利要求6或7所述的无级变速器，其特征在于：
所述第一螺旋部件(14b，22b)为在其内壁具有螺纹槽的内螺旋部件；
所述第二螺旋部件(14c，22c)为在其外壁具有螺纹槽的外螺旋部件；
所述变速输入齿轮(14d，22d)和所述内螺旋部件(14b，22b)通过支架(17)固定到所述第一轴承(18)的外圈上；和
其中所述内螺旋部件(14b，22b)和所述支架(17)形成圆形空间(23)以使所述外螺旋部件(14c，22c)部分插入所述圆形空间中。
9.如权利要求6或7所述的无级变速器，其特征在于：
所述各个行程机构(14，22)为具有置于所述第一螺旋部件(14b，22b)和所述第二螺旋部件(14c，22c)之间的多个滚珠(14a，22a)的滚珠螺旋机构。
10.如权利要求1-3中任何一项所述的无级变速器，其特征在于所述张力调节装置(50)包括：
从外部与带的松弛侧形成压力接触的张力辊(51)；
张力器臂(53)，其一端沿径向在所述带轮中的任何一个外部的位置以摆动方式支撑在箱体(60)上，其另一端具有连接到其上的张力辊(51)：和
用于以摆动方式沿所述张力辊(51)压紧所述带的方向激励所述张力器臂(53)的激励装置；和
其中，其长度长于所述带轮(11，21)的直径并其形状沿所述带轮的外围形成曲线的张力器臂(53)设置成用于支撑所述张力辊的装置沿弧形轨迹运动，所述弧形轨迹穿过所述主动轮和所述从动轮之间的位置并且其中心对应于所述张力器臂(53)的转动支点(53a)。
11.如权利要求10所述的无级变速器，其特征在于所述张力调节装置还包括：
一端以可转动方式与所述张力器臂(53)的另一端相连接，并且其另一端具有以可转动方式连接到其上的所述张力辊(51)的连接件(52)。
12.如权利要求10所述的无级变速器，其特征在于：
以摆动方式沿所述张力辊(51)压紧所述带的方向激励所述张力器臂(53)的激励装置为张力弹簧，其一端在比其所述另一端更接近的位置钩住所述张力器臂(53)，并且其另一端延伸通过主动带轮和从动带轮的轴之间的空间以钩住位于与所述张力器臂(53)相对的腔体部分(55)。
13.如权利要求1-3中任何一项所述的无级变速器，其特征在于：包围所述主动带轮(11)和所述从动带轮(21)的所述箱体(60)在靠近所述主动带轮的位置设置有空气进口(67)和在靠近所述从动带轮位置设置有空气出口(68)，这样从空气进口(67)进入的空气沿所述主动带轮向所述张力调节机构(50)与所述带(15)接触的位置的转动方向流动，之后沿从动带轮的转动方向流动，进而从所述空气出口(68)中排放出去。
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