CN101074721A - 柔性行星轮无级变速器 - Google Patents

Abstract

一种无级变速传动装置，尤其是摩擦传动副由刚柔配对并处油润滑的柔性行星轮无级变速器，一组行星轮是无心轴的菱锥体，内外夹紧于二个主动轮和二个外压圈的摩擦接触面并控制了径向和轴向工位，分布圆周上均布间隔一组销轴销套及其固连的输出轴与轴承套圈构成的简支梁式输出机构，一组碟簧加压于外压圈使压紧力与转矩增减相一致自行调整，蜗杆蜗轮及螺旋传动调速轻松省力。柔性行星轮有金属或非金属材料制造，利用压紧力作用易于变形达到各摩擦副间相关尺寸精度的一致性，实现多点传力多行星轮传动的低温升低噪声高效率高承载力和高寿命无级变速并开发大功率传动。结构简化，制造容易，性能提高，成本降低，生产和应用普及，效益显著。

Description

柔性行星轮无级变速器

1、技术领域

传动机械有主从配对传动副，以改变传动副的工作半径达到无级变速的具有主动轮、行星轮或中间滚动体、外压圈和输入与输出的传动机构，还有加压机构和调速装置，尤其是摩擦传动副采用刚柔配对并处油润滑的柔性行星轮无级变速器。

2、背景技术

通常的齿轮啮合传动副或摩擦传动副采用钢对钢硬齿面或称硬工作面，尤其是油润滑摩擦传动副采用高质量要求的淬火轴承钢点线接触传动，由于其摩擦系数在0.02～0.05左右，传动额定转矩所需的压紧力是圆周力的20～50倍，接触面上的接触应力及其形成的热载荷是限制承载能力的主因，接触工作面上的点触和疲劳剥落使整机寿命降低，并出现较高的噪声和振动。

为了降低传动副的接触应力采用多点传力的多行星轮传动，也因各个行星轮的尺寸精度一致性难以达到而出现仅部分行星轮在主动传力，另一部分精度偏差较大者未能参与传力反而成为阻矩降低了效率并产生更严重的噪声。

3、目的

本发明的目的是一种由刚柔配对的摩擦副利用柔性件在本工作中自行调整相关尺寸达到接触点、线或面相关尺寸及形位精度一致性，这种一致性不只是在制造加工中强求而是结合工作时受力而变形达到多点接触传力的柔性行星轮无级变速器。

这里的柔性是区别通常的钢对钢摩擦副那刚与刚的配对而言的，就是主从件中的一者其硬度或易于变形程度明显低于另者(刚者)，一般是多件柔者与单一刚者结合构成传动副。对于硬钢对硬钢的摩擦传动必须接触才能发生，要求精度上偏差极小，制造难度很大，即使每个行星轮尺寸无丝毫偏差却在装配时的形位误差影响也无法达到所有参与传力，也就是说单靠加工不惜工本难能凑效。但是实践发现将多数的相同的行星轮采用受力后易变形又在油润滑中摩擦系数较小而耐磨性高的材料制造或者采用结构形状及尺寸上的变化达到受一定的压力会产生所需的变形量来实现尺寸上和形位精度的一致性，从而制造高承载力、高效率、高寿命、低成本、低噪声无级变速器。

柔性行星轮可以采用金属或非金属材料制造，也可以采用工程塑料，前者做成薄壁型，后者做成实体型，更为有利的是柔性行星轮本身的柔性使刚性件保持永久性使用而提高了整机寿命，并使生产与使用成本大幅度降低。工程塑料行星轮还能够实现无声无级变速器开发更广泛应用领域。

4、实现本发明的方法

无级变速传动应用越来越广泛但也越发感到许多极待克服的难题。因为摩擦传动依赖于摩擦力的形成，通常的产品其承载力、效率和寿命比齿轮啮合传动相差很大；电力式变速其恒功率特性及调速精密度和稳定性欠佳，且许多场合不合适应用。

本发明采用结构、形状和材料上的突破达到技术上的取代性进步。

①变速范围

变速范围是主要技术指标之一，通常机械类变速器其变速比R_b≤10，与本发明接近产品(JB/T 6950-93)行星锥盘无级变速器的R_b≤4～5。由于本发明采用既无心轴又无轴孔的形状简单的菱锥体或钢球为行星轮，在调速位移时接触点可移动至整个半径，变速比R_b≥10～20～∞，从简图a-高速工位，b-低速工位说明：行星轮无心轴其与主动轮或外压圈的接触点可以从中心点零半径移动到最外缘即半径r的顶点的全半径，这时速比 $I=\frac{r_1{r}_3}{r_1{r}_3+r_2{r}_4}=\frac{50\×26}{50\×26+1\×77}=\frac{1300}{1300+77}=\frac{1300}{1377}=0.94$ 低转速时速比 $\mathrm{II}=\frac{r_1{r}_2}{r_1{r}_2+r_3{r}_4}=\frac{50\×1}{50\×1+26\×77}=\frac{50}{2052}=0.024$ 因此变速比 $R_b=\frac{I}{\mathrm{II}}=\frac{0.94}{0.024}\≅39,$ 或者更大，直至接近无穷大。

上式说明由于行星轮无心轴调速位移达到全半径，输出转速接近零至输入转速，变速比接近无穷大，这是本发明的主要特征之一。

②承载力

如简图C所示：二个主动轮均用键与输入轴联接而传力，所有行星轮的二个侧面接触处产生摩擦力，摩擦力比通常的增大2倍。二个主动轮同时夹紧着一组行星轮并产生自转和公转，行星轮圆周分布圆上均布间隔着等数量的一组销轴和销套，销轴两端分别紧固于输出轴和轴承套圈构成近似于简支梁式输出机构；一组多件行星轮受到二个主动轮传动后同一中心截面上推动相接触的销套并销轴及其输出轴而输出转矩，所以行星轮将来自主动轮之圆周力F₁和二个外压圈形成的F₂合为推动力P在同一平面力系中产生转矩，因此无功损耗减小。

从高速区向低速区调速，行星轮作径向外移，并再度轴向推移可移动的一个外压圈将外侧碟簧组更压缩，压紧力增加，这正是向低速调时转矩按比例增大后所需的压紧力必应同步增加才能实现恒功率传动。由于碟簧作用于外压圈上达到压紧力与转矩同步增减，这又是本发明的另一特征。

③输出机构

本发明的输出机构是近似于简支梁式结构，它由一组与行星轮数相等的销轴和销套，销轴两端头分别紧配在输出轴和轴承套圈对应的轴孔中固连一体，销套与销轴动配并接受行星轮的接触而自转并公转，将转矩传到输出轴作输出。梁式结构输出机构也是本发明的特征。梁式结构强度和刚性均提高，能够让销轴直径减小，以便适应更多行星轮多点传力的大功率传动。

④柔性行星轮

一组行星轮少则三四件，多则拾多件分布在同一圆周分布圆上处于同一中心截面并形成平面力系，这是本发明高效率的主要原因。

摩擦传动必须相互接触才能产生摩擦，尤其是单一的主动轮工作面与众多的行星轮接触，其尺寸、形状、位置上的一致性是决定因素。由于绝对0偏差是难以达到的，所以行之有效的方法是采用刚柔相配的柔性行星轮传动，就是加工时允许行星轮接触尺寸精度宽松些以降低成本，同时在装配后当单一的刚性主动轮或刚性外压圈同一的工作面对于众多行星轮产生一定的压力时，众多行星轮的这个接触距离达到同一等值，既偏差大的多变形而偏差小的少变形，最终达到一致性。钢制柔性行星轮应制成薄壁型的弹性体，而工程塑料柔性行星轮利用它只需受较小的压力(碟簧压紧力范围内)就能够产生所需的变量，这些材料容易得到，许多工程塑料既可以受力变形，又能保持低摩擦系数，在油润滑时耐磨性很高，并且使刚性摩擦件保持长期耐用。适当时候更换柔性行星轮后，整机能够永久性使用。

采用工作塑料柔性行星轮时，配对的刚性元件其摩擦工作面必须是圆滑光洁避免锐角接触。软(柔)硬(刚)结合运行就会缓和，并有效降低噪声和振动。

⑤圆弧曲线回转体接触(摩擦)工作面

本发明的主动轮和外压圈的接触工作面(摩擦副间的传动接触点、线、面)均与柔性行星轮相互点接触纯滚动，由于主动轮及外压圈的接触面在调速时并不变动所以磨损快，如果是过窄的工作曲线还会造成接触应力集中过高使行星轮锥面局部磨损过快，为了避免上述结果，本发明的主动轮和外压圈的圆弧工作面有过渡及延伸曲面，以便减小触点应力集中，这不仅使椭圆形接触面积增大降低平均接触应力，还缓和了行星轮工作表面的损坏而获得高寿命。摩擦副的圆弧圆滑摩擦接触面且设置过渡和延伸曲面带(段)起到维护作用，这又是本发明的细节特征。

⑥调速控制机构

采用蜗杆蜗轮传动并将蜗轮轴孔做成螺旋副结构，螺旋传动使一个主动轮相对于另一主动轮作轴向分合进退移动，产生夹紧与推动行星轮作径向外移，或者退开让行星轮在碟簧作用力下作径向内移，这样输出转速同步变动达到无级调速。蜗杆蜗轮调速轻松省力并能自锁与限位，由于操作力较小更能适应电动遥控。蜗杆蜗轮及螺旋副调速控制以及碟簧加压于外压圈上压紧力与转矩所需自成正比增减又是本发明的辅助特征。

5、实质性的进步

本发明采用既无心轴又无轴孔的外形简单的菱锥体或者钢球为行星轮将输出转速达到接近零转速直至接近输入转速，变速比提高到接近无穷大，这是重大突破性的特征。

本发明采用二个主动轮及二个外压圈与一组行星轮产生的摩擦力及其转矩作用于同一中心截面上形成平面力系，大幅度提高效率。

本发明采用圆弧曲线点接触以及过渡曲线(面)与延伸曲线(面)组合工作面大幅度提高使用寿命。

本发明采用柔性行星轮实现刚柔配对达到多点传力多行星轮传动，大幅度提高承载力和整机寿命同时实现低温升低噪声。

本发明的柔性行星轮可采用金属材料制成薄壁型或者采用工程塑料等非金属材料，制造容易生产和使用成本降低，开发了新的应用领域。

6、实施例和附图

以下依据附图详细说明本发明的具体细节

附图1是柔性行星轮无级变速器的结构原理图。

附图2是柔性行星轮无级变速器的同一中心截面上作用力传递原理图。

附图3是柔性行星轮无级变速器的简支梁式输出机构原理图。

附图4是柔性行星轮无级变速器金属材料行星轮薄壁型形状和组合结构图。

附图5是柔性行星轮无级变速器工程塑料材料行星轮形状及楔角角度参数。

图1中，1输入轴、2螺旋副、3蜗轮、4蜗杆、5轴承套圈、6移动主动轮、7固定外压圈、8行星轮、9销套、10销轴、11固定主动轮、12移动外压圈、13碟簧组、14轴承、15输出轴、5′轴承。

由输入轴1输入转矩，主动轮6和11与输入轴1键联接并同时夹紧一组行星轮8，在行星轮8分布圆周上均布间隔着一组销套9和销轴10，销轴10两端分别与输出轴15及轴承套圈5紧配固连于一刚性整体，两端均支承在轴承14、5¹上，当二个主动轮6和11带动行星轮8自转，由于二个外压圈7和12不作转动就使一组行星轮8发生公转运动，这时行星轮8与销套9外圆相接触并将转矩传递即推动着销套与销轴以及输出机构输出作功。

调速时手轮或者微电机转动蜗杆4并带动蜗轮3，由于蜗轮轴孔做成螺旋副就使螺旋副2作轴向移动，并通过推力轴承使移动主动轮6作相对于另一固定主动轮11的分合与进退，然后迫使一组行星轮8作径向或者径向轴向并有的移动，它与其他摩擦副间的触点工作半径大小变动，输出转速升降，由于行星轮8径向外移，转速降低，这时的行星轮8推开可移动的外压圈12使外侧的碟簧组13再度压缩压紧力增大这正是低转速升高了的较大转矩所需的较大的压紧力，达到压紧力与转矩始终成正比自行增减实现恒功率传动。向高转速调时则相反，压紧力减小发热损耗减少所以效率高寿命长。从附图1可见，与柔性行星轮8配对的二个主动轮6、11及二个外压圈7、12的工作面是圆弧曲面并有较大的过渡或延伸曲线(面)并与既无心轴又无轴孔的行星轮8作全半径的径向位移，二个主动轮和二个外压圈的摩擦工作面在触点上下设有一段较宽过渡与延伸带(面)，起到与行星轮圆滑接触，防止损坏。

附图2是柔性行星轮无级变速器的行星轮分布圆中心截面上所形成的平面力系原理图，行星轮8公转后推动销套9并销轴10，使销轴固连的输出机构运转。低速时推力与转矩力臂的作用角接近垂直，所以有效力矩大，效率高。

附图3是柔性行星轮无级变速器的输出机构结构图，由输出轴15并销轴10与轴承套圈5连成刚性整体，销套9与销轴10动配合。输出机构近似于简支梁式并支承于轴承14和5¹上，强度和刚性好，运转的惯矩得到利用提高了效率。

附图4是柔性行星轮无级变速器金属材料和非金属材料组合的薄壁型行星轮结构及形状图，菱锥状圆锥体的行星轮中间切除并注以工程塑料，薄壁金属既保持高硬度高耐磨性，并能够在一定的压紧力作用时发生微量变形达到调节尺寸精度到一致性。注以塑料是使其运动时噪声降低。

附图5是柔性行星轮无级变速器工程塑料制造的零件图，一般其半楔角α＝6°～10°为最佳。工程塑料制造柔性行星轮成本低且实现特轻噪声，并与圆弧圆滑刚性摩擦副配对使用时其寿命也较高，并且提高变速范围，压紧力也可以适当减小使温升更低，效益明显。

附图6-a是二个主动轮1、1′和二个外压圈2、2′在高转速工位夹紧一组行星轮的工作原理示意图。附图6-b是二个主动轮1、1′和二个外压圈2、2′在低转速工位夹紧一组行星轮的工作原理示意图。附图6-c是二个主动轮1、1′和二个外压圈2、2′夹紧一组行星轮时其摩擦力转化为平面力系使行星轮8与导轮9销轴10接触传动的工作原理示意图。在图6-c中左边是轴向视图，右边是中心截面上的传力示意图。

Claims (7)

1、一种无级变速传动装置，具有主动轮、行星轮和外压圈的传动机构，还有加压机构和调速装置，尤其是传动副由刚柔相配的柔性行星轮无级变速器，其特征是柔性行星轮是既无心轴又无轴孔的菱锥体、二个主动轮和二个外压圈的圆弧曲线回转体的接触工作面及其过渡或延伸面、简支梁式输出机构及其同一中心截面上分布着一组行星轮并与销轴和销套均布间隔、蜗杆蜗轮并螺旋副调速装置，还有碟簧加压在移动的外压圈上压紧力与转矩增减相一致。

2、根据权利要求1所述的柔性行星轮无级变速器，其特征是柔性行星轮有金属材料制成薄壁型以硬钢与工程塑料相组合，或者采用非金属材料整体制造。

3、根据权利要求1所述的柔性行星轮无级变速器，其特征是一组行星轮是既无心轴又无轴孔的菱锥体，在径向内外受到二个主动轮和二个外压圈夹紧，分布圆周上有一组销轴销套及其输出轴、轴承套圈构成简支梁式输出机构。

4、根据权利要求1所述的柔性行星轮无级变速器，其特征是二个主动轮和二个外压圈的接触(摩擦)工作面是圆弧圆滑曲线回转面并有过渡和延伸带。

5、根据权利要求1所述的柔性行星轮无级变速器，其特征是碟簧加压在移动外压圈上压紧力与转矩同步增减相一致。

6、根据权利要求1所述的柔性行星轮无级变速器，其特征是蜗杆蜗轮及其螺旋传动调速装置。

7、根据权利要求1、2、3、4、5、6所述的柔性行星轮无级变速器，其特征是柔性行星轮受一定的压紧力作用易于产生变形达到传动副相关尺寸和形位精度的一致性。

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