CN101153650A - 具有简单构造和改善的抗变形性的摆动的转换机构 - Google Patents
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Abstract
无穷连续的作为摆动的转换机构的变速器，通过在变速器的力传导的构件中有针对性地形成弹性部来避免或减小耦合撞击，从而多个自由轮同时啮合，其中弹性部不是在法向力的高材料应力的区域内而是在具有传递负载的切向力的较低的材料应力的区域内起作用。
Description
摆动的转换机构，具有多个自由轮和一个可变的偏心轴或曲轴，其中自由轮摩擦锁合地全表面接触地锁止或形锁合地以微啮合锁止(所谓的行星自由轮)并且自由轮轴同心地围绕曲轴设置并且一个或多个主连杆支承多个其它的连杆。
摆动的转换机构经由合适的运动机构将旋转运动转换成摆动运动并且该摆动运动重新通过方向切换(richtungsgeschaltete)的耦合装置转换成旋转的输出运动。由旋转向具有基本上正弦形分布的摆动的转换在此例如通过一个具有可变的曲轴行程的曲轴和一个在后面设置的曲柄实现。在较小的曲轴行程时，掠过较小的摆动角，在较大的曲轴行程中，掠过较大的摆动角。因为驱动轴或曲柄轴的转动的输出角通过自由轮上的所有摆动角的之和确定，而摆动角又通过连杆或曲柄行程确定，所以这样的变速器可以通过曲柄行程的变化进行连续的传动比调节。如果曲柄行程减小至零，那么连杆运动消失，摆动角变成零并且传动比变成无穷大，变速器因此可以在驱动轴运转时在不分离离合器的情况下使得输出轴静止。
对于许多应用而言，这种转换机构的优点是显而易见的，即无限的传动比划分和连续的传动比调节。由于所有的构件的较小的相对运动速度，因此此外可以获得较高的效率。
这种变速器的缺点在于，即
1)输出转速原则上不均匀
2)曲轴的行程调节和构造在技术上是复杂的
3)自由轮不能承受在无穷大的传动比范围内的高力矩
4)自由轮在非常高的操作循环数时是不稳固的
第一方面：驱动轴的旋转原则上转换成正弦的或类似正弦的摆动，从而例如在12个自由轮时将曲轴的旋转转换成12个相位偏置例如各5度的的摆动，-根据所调节的曲轴行程。根据结构动力学，如上所述，自由轮转动例如3°，从而曲轴转动3°的12倍，即输出轴转动36°，传动比为10比1。由于输出元件的正弦走向，角速度也在跟随正弦函数在3°窗内摆动几个百分比。这种晃动被定义成不均匀性并且破坏变速器的运转平稳性。在自由轮的数目提高时以及通过自由轮的弹性部，晃动被减少。由于法向力提高1/my(＝20，在钢/钢时)在夹紧自由轮时在自由轮的夹紧环中出现非常高的材料应力并且因此出现高的变形，由此夹紧间隙变大，夹紧体进一步对齐，并且因此在锁止过程中产生旋转弹性。结果是，实现从一个自由轮到下一个自由轮的碰撞负载减小的负载传递，达到共同的负载承受阶段并且由此减小旋转不均匀性。问题在于，夹紧角减小，法向力急剧上升并且自由轮过载。在夹紧辊自由旋转时虽然夹紧角保持恒定，但是由此在非常高的法向力时产生滑动运动，其同样减小自由轮的使用寿命。
根据本发明因此弹性部合适地转移到不承受表面压力的区域内-连杆和自由轮的引导负载的区域，它们承受切向力，不承受法向力；-例如杠杆和行星自由轮的径向承载的转换元件。
优选弹性部不衰减地并且在一个非线性的特征曲线中这样选择，变速器的集体负载将自由轮尽可能卸载。连杆的弯曲轮廓允许在拉力或压力作用下的弹性变形和具有逐级上升的特征曲线，自由轮是一个具有逐级上升的末端止挡的弯曲承载结构(Biegetrgerkonstruktion)。
第二方面：曲柄轴在应用在内燃机上时是一个关键的构件，因为以碰撞方式提高的负载总是仅通过一个曲柄曲拐直接接收，但是总是传递到轴端部。通过曲柄臂或销的力流动在此多次三维变形并且导致轴的高负载和有限的刚度。附加地这种问题被加剧，当曲柄轴不是构成为刚性件，而是由单个地彼此运动地设置的部件制成以便使得行程可调节时。
根据本发明，因此在这种变速器的情况下不选择通常的直列式设置，而是曲柄轴仅仅具有一个曲柄销并且自由轮轴星形地围绕曲柄轴设置，从而产生在一个共同使用的曲柄销上的多个自由轮的规则设置。
为了进一步减小轴向长度并且将所有构件每循环的滑动距离的总和最小化，不是每个连杆单个地支承在曲柄销上，而是一个或多个主连杆在一个环上支承用于其它连杆的螺栓。因此产生最小的轴向扩展、最大的曲柄轴强度和减小的旋转运动，因为仅仅一个元件即主连杆在销上旋转，其它的连杆仅仅在固定螺栓中摆动。
几何体这样进行优化，即在负载拱形(Lastbogen)中的动力学作用消失，自由轮在负载拱形中切换。连杆在主连杆的环上的摆动点的切向及径向位置、连杆长度以及自由轮轴的有效杠杆长度作为自由的动力学构造参数。因为由于构造的结构不对称，主连杆的引导运动在每个从连杆中的影响是不同的，因此形成用于每个连杆的不同的几何体。因此不仅使得几何体与不均匀性的最小绝对值相协调，而是例如将传动函数的切向跳跃在负载拱形起始处和终止处这样优化，使得碰撞负载提高量和运行噪声最小。
第三方面：在静止状态下输出力矩为零，在较高的输出转速时输出力矩相对较小。在虚拟的耦合点附近，在此处静止的输出轴正好开始旋转并且输入轴上的功率输入大于变速器的摩擦功率，输出装置和因此自由轮中的力矩理论上是无穷大。
为了将变速器例如用来驱动液压泵或发动机，这种工作状态是不重要的，因为负载的功率消耗在零行程时消失并且保护自由轮防止过载。作为行驶驱动的力矩然而可以是超临界的。
根据本发明，因此所述的连杆和自由轮元件的弹性部这样选择并且这样与调整速度这样协调，使得在输出装置中出现的力矩不会超过自由轮的允许边界值。
第四方面：在运行时在较小的速度时，即在较高的传动比时，仅仅转动输出装置一圈，需要自由轮100个的换向循环(Schaltzyklen)。在汽车整个预期寿命范围内需要自由轮的108-109换向循环。传统的夹紧自由轮不能承受这样的循环数，因为它以赫兹压力的线性接触工作并且材料应力直至4-10GPa。
根据本发明上述问题的解决是通过使用：
a)根据专利申请DE10301348.2和PCT03815063.7和DE102004047802.3或PCT/EP2005/004286的借助于微啮合处于形锁合的自由轮，或
b)根据EP1003984B1的全面接触的力锁合的自由轮。
对于a)而言，根据本发明上述应用的自由轮这样构成，即
●在行星中建立弹性部，以便缓冲锁止碰撞
●在倒车运动中将行星主动脱离啮合，以便避免咔嚓噪声，其中驱动装置置于支承行星的轴上并且弹性变形(angefedert)的轴中旋转间隙首先将行星压入啮合并且而后通过齿轮几何体实现锁止。
对于b)而言，根据本发明上述应用的自由轮这样构成，即
●杠杆几何体在每个行星中产生提高的锁止力，以便确保无滑动的耦合(切向力与法向力的比例对应于摩擦对(Tribopaarung)的滑动摩擦系数)
●在优选通过定位轮廓经由弹性变形实现的负载下将杠杆几何体减小到所需要的尺寸，以便维持夹紧条件(切向力与法向力的比例对应于摩擦对的静摩擦系数)。
此外根据本发明，在一个特别构造中在夹紧块和夹紧环之间设置一个锥度，从而经由轴向弹性变形补偿在持续运行时由磨损或变形引起的可能的几何体变化。此外通过包含夹紧面的接触对的相对位置的轴向移动，可以除了自由轮作用之外控制耦合或脱耦过程，从而在相应的轴向位置在两个方向上没有力矩传递。利用具有这种构造的两个对置的自由轮，耦合或自由旋转操作中的旋转方向可以被反向，从而例如在倒车时可以控制力传递。
在另外一个方案中，变速器的壳体旋转对称地构成并且被抬起，从而为了倒车和调车，一个电动机可以使得整个壳体旋转并且使得集中传动器的齿轮或附加设置的位于自由轮轴如行星变速器的横梁(steg)上的齿轮旋转，并且输出轴上的中心齿轮承担太阳齿轮的功能。
通过这个方案可以取消自由轮的脱耦或自由旋转反向，并且然而实现了简单的倒车。此外通过齿轮的这种设置实现输出装置和电动机之间的合适的基本速比。
图1和图2示出了变速器100，其具有壳体101、输入轴102、输出轴103，调节变速器104整合在输出轴中，调节变速器被电动机105驱动并且经由双偏心轮连续地调节曲柄销106的行程，转子和主连杆107支承在所述双偏心轮上。主连杆107和从连杆108将输入轴102的转矩转换成正弦形的行程运动，其振幅由双偏心轮的可连续选择的偏心率确定并且因此由曲柄销106的行程确定。在自由轮109中在外环上的行程运动转换成摆动并且最终通过自由轮的方向切换的耦合作用转换成自由轮110的旋转，所述旋转经由齿轮111集中并且传递到输出轴103。连杆108的弯曲轮廓允许在传递转矩的拉力或压力作用下的弹性变形，从而由于每个传动机构的原则上的不均匀性引起的驱动装置的转矩碰撞(Drehmomentstβe)或自由轮的周期耦合碰撞单独地和独立地被缓冲。
图3示出了一个全面接触的力锁合的自由轮200，如由EP1003984B1已知；以及一个放大的细节C。转矩经由轴201和弹簧203转移到花键轴202并且作用一个切向力在行星204上，其可以在称重关节205中旋转并且因此经由一个提高力的杠杆作用将夹紧滑块206压紧在夹紧环207上并且因此传递转矩。杠杆比h1在夹紧作用开始时为h1＝u17，43/u1，当首先较高的力锁合的滑移摩擦系数产生作用时，因为花键轮廓在那儿首先贴靠，并且一旦建立接触时杠杆比减小到杠杆比h2＝u12，43/u1，以便在静摩擦的较小的摩擦系数时不构成不需要的较高的法向力。例如通过转矩或耦合碰撞而负载提高时，行星的长的径向对准的部分在与花键轴202和称重关节202的接触位置之间弹性变形并且缓冲在较小的切向力的区域内的峰值负载。通过角杠杆的基本上直角的定向，实现耦合运动，将夹紧块垂直于接触面放置，并且因此不发生滑动或滚动运动，并且因此与法向力接触对的全面接触一起有助于，在较小材料应力时可以传递较大的力。
Claims (16)
1.无穷连续的作为摆动的转换机构的变速器，其特征在于，通过在变速器的力传导的构件中有针对性地形成弹性部来避免或减小耦合撞击，从而多个自由轮同时啮合，其中弹性部不是在法向力的高材料应力的区域内而是在具有传递负载的切向力的较低的材料应力的区域内起作用。
2.无穷连续的作为摆动的转换机构的变速器，其特征在于，曲柄轴构成与可变的行程具有一个或两个曲柄销，并且自由轮轴星形地围绕曲柄轴设置，并且因此实现自由轮规则有序地承受负载。
3.无穷连续的作为摆动的转换机构的变速器，其特征在于，多个曲柄的仅仅一个或两个直接支承在曲柄销即所谓的主连杆上并且其余的连杆即所谓的从连杆旋转地自由固定在一环上的螺栓上，该环支承其它的连杆轴承并且是主连杆的一部分。
4.无穷连续的作为摆动的转换机构的变速器，其特征在于，使用由专利申请DE10301348.2和PCT03815063.7和DE102004047802.3或PCT/EP2005/004286和EP1003984B1已知的自由轮作为所谓的行星自由轮。
5.无穷连续的作为摆动的转换机构的变速器，其特征在于，微啮合的止动爪在超速操作时通过一随动器或一弹性变形的随动器脱离啮合。
6.无穷连续的作为摆动的转换机构的变速器，其特征在于，行星的杠杆几何体弹性构成，并且通过弹性变形在锁止开始时杠杆几何体产生一个切向力与法向力的比例，该比例对应于接触对的摩擦对的滑动摩擦系数，并且在锁止状态下在较高的负载时通过弹性部的附加的定位限定产生切向力与法向力的比例，该比例对应于摩擦对的静摩擦系数。
7.无穷连续的作为摆动的转换机构的变速器，其特征在于，从连杆的摆动点的位置、从连杆的长度和在自由轮上力连接的有效杠杆长度对于所有的连杆来说不是都相同的并且这样相互协调，使得传动函数的不均匀性这样被优化，使得在自由轮耦合时的碰撞负载提高量和运行噪声最小化。
8.无穷连续的作为摆动的转换机构的变速器，其特征在于，自由轮在夹紧面或者在其它位置具有一个锥度，使得通过构件的轴向弹性变形实现锥形构件的相对运动，从而通过调整可以补偿例如在持续运行时由磨损或变形引起的几何体变化。
9.如权利要求8的无穷连续的作为摆动的转换机构的变速器，其特征在于，自由轮的锥形构件可以轴向移动，以便完全解除自由轮的锁止作用。
10.如权利要求8和9的无穷连续的作为摆动的转换机构的变速器，其特征在于，具有可以轴向移动的锥形几何体的两个自由轮镜像设置并且一轴向移动使得自由轮的锁止方向反向。
11.无穷连续的作为摆动的转换机构的变速器，其特征在于，变速器的壳体基本上旋转对称地构成，并且一集中传动器优选设置在自由轮轴和输出轴上，例如电动机的作用在壳体上的转矩被传递到输出装置中并且由此可以实现在两个方向上的电驱动。
12.如权利要求11的无穷连续的作为摆动的转换机构的变速器，其特征在于，通过集中传动器和附加的自由轮在集中传动器的啮合中实现与转动方向相关联的各种传动比。
13.无穷连续的作为摆动的转换机构的变速器，其特征在于，将一电动机整合到变速器中作为助力器，以便进行复位或倒车。
14.无穷连续的作为摆动的转换机构的变速器，其特征在于，自由轮具有刮油装置，该刮油装置在超车操作中在夹紧块的附近阻止形成油楔或使之难以形成，以便确保在最小的滑行距离上锁止过程的陡峭上升。
15.无穷连续的作为摆动的转换机构的变速器，其特征在于，一轴向和/或径向可调整的回转装置使得夹紧方向和/或自由旋转方向可以反向。
16.无穷连续的作为摆动的转换机构的变速器，其特征在于，夹紧接触面上的夹紧块相对于对应轮廓具有半径差，从而首先在夹紧接触面的中心附近产生赫兹接触并且在磨合过程之后实现全面贴靠。
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