CN101235885A - 阴阳轮平衡无级变速器 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械传动技术领域，特别是机械变速器的改进的阴阳轮平衡无级变速器，包括主动输入单元和一级从动输出单元，在主动输入单元和一级从动输出单元之间用传动带连接，其主动输入单元具有一对可以互相交错的阴轮和阳轮，阴轮和阳轮具有阴阳交错锥形面且阴轮和阳轮的锥形面互补，阴轮固定在主动输入轴上，阳轮套在主动输入轴上可以左右滑动；一级从动输出单元组成与主动输入单元相同；另外设置有同时驱动主动输入单元和一级从动输出单元中阳轮在各自轴上左右滑动的调节机构。由于阴阳轮的特殊构造其表面形成了阴阳交错互补结构，传动带附着在阴阳轮的交叉面上受力面大且受阳轮滑块斜面的抵压，传动带径向形成S形受力，增大了摩擦力，使传动带不易打滑。解决了传统CVT结构对传动带的特殊要求。

Description

阴阳轮平衡无级变速器

技术领域

本发明属于机械传动技术领域，特别是机械变速器的改进。

背景技术

由于有了内燃机，汽车才得以诞生。然而，内燃机的动力特性是低转速时功率小、扭矩低、耗油大。而大功率、大扭矩、低油耗的最佳工作状态要在中高转速范围内才能实现。内燃机的这种动力特性与汽车对动力特性的要求并不一致，甚至背离。为了使汽车顺利起步和正常行驶，必须要减变速，于是变速箱(Transmission)出现了。汽车行驶速度的变化是连续的，这就要求汽车的变速箱的速比也是连续的，于是无级变速箱(Continuously Variable Transmission简称″CVT″)出现了。目前关于无级变速有以下几种：

1.摩擦传动CVT

摩擦传动原理很简单，实现无级变速也比较方便。主要结构有：V型橡胶带式、金属带式、多盘式、钢球式、滚轮转盘式等。特征是靠摩擦力实现动力传递。

滚轮转盘式CVT是利用两个对置的内凹锥形转盘和一对滚轮组合而成。连续改变滚轮的角度，就可以连续改变传动转速比和传动扭矩比。应该说光靠内凹锥形转盘和滚轮之间的金属摩擦是极难实现330Nm大扭矩的动力传递。更不要说如此高强度的摩擦带来的材料的磨损和摩擦发热带来的能量损失。

大功率滚轮转盘式CVT的成功在于研制出一种特殊的油，这种油充满整个CVT变速箱。它具有特殊契形的分子外形，在承受极高的表面压力下分子会排列成行，从而产生巨大的抗剪切能力。滚轮和转盘就是利用两者间所形成的油膜为介质实现高扭矩的动力传递。据说，滚轮转盘式CVT比起钢带CVT和自动变速箱的传动效率高10％以上。

从V形橡胶带CVT到V型金属带CVT再到滚轮转盘式CVT，摩擦传动CVT的研究已持续了整整一个世纪，尽管摩擦传动无级变速箱的发展已经达到很高的水平，也已经装备上汽车达到了实用的水平。

但是，摩擦传动CVT实现大功率、高效率的无级变速传动是极其困难的。为产生足够的静摩擦力，避免打滑烧毁，对传动带的要求要非常高。以传输330Nm的扭矩为例：若传动半径为0.1m，静摩擦力要求3300N，金属间的摩擦系数约为0.1，对金属链的正压力必须是33000N，或者说3300公斤力，如此巨大的压力，橡胶三角带显然无法承受，金属的屈服强度一般小于100Kg/mm2，是难以承受如此巨大的压力的。只有研究出屈服强度极高的金属，才能制造出传输大功率的摩擦传动无级变速箱。另外，在如此大的压力下摩擦传动必然要消耗较多的能量。金属带式无级变速箱(VDT-CVT)汽车的油耗高说明了这一点。

2.液力传动

主要结构有液粘调速、液力变扭、油马达等。特征是以液体为介质实现动力传递。液力自动变速箱(AutomaticTransmission简称″AT″)已有60多年的历史。这种的自动变速箱(AT)，主要利用液力变扭器配合差动轮系齿轮箱实现换挡功能。传动过程中，液力变扭器中液体分子在高压，高速运动中有相当大的相对运动，造成明显的发热和功率损失。所以，传动效率低(一般80％左右)，油耗高是液力自动变速箱不可克服的缺点。而且液力变扭器对加工精度要求极高，制造工艺复杂，增加了成本。液力自动变速箱比手动变速箱要贵10000-15000元人民币，可见自动变速箱的成本要多高。

我们是否可以看出以下几点：

(1)液力自动变速箱(AT)不是无级变速，是自动控制的有级变速，并没有满足汽车对变速箱的要求。在满足了人们希望免除了手动变速箱繁杂的换档和离合操作，使开车变得简单、省力，潇洒的同时，付出的代价是多付10％的购车钱和多付20％的油钱。(2)无级变速箱是汽车变速箱的最终归属，液力自动变速箱只不过是一种过渡产品，轰轰烈烈已是夕阳西下的征兆。

3.电磁传动

主要结构有变频调速、直流电机调速、调速电机等。这种方式的应用比较普遍。其优点是应用方便，其缺点是效率太低，系统过于复杂，成本也较高。

这种传动变速方式在汽车上也有应用，如混合动力汽车。目前，已有样车展示，但尚未规模商业运作。这种混合动力汽车的动力系配有内燃机、发电机、蓄电池、电动机。优点是当汽车的动力储备可以比较小。当汽车需要较大功率时，蓄电池可以带动电动机与内燃机共同提供动力，比如起步时或上坡时。但由于目前蓄电池的容量有限，自重又大，使用寿命有限，单纯的论百公里油耗指标，那很好。但综合费用，包括电池的使用和维修，更换，未必经济。

4.电控自动机械变速箱

电控自动机械变速箱(Automated Mechanical Transmission简称″AMT″)和(AT)一样，不是无级变速箱，是自动控制的有级变速箱。和液力自动变速箱(AT)不同的是：(AMT)是模仿人的动作，自动控制传统的排档变速箱。由于传动结构依然是齿转变速箱，所以传动效率高、传动功率大、结构简单等优点被很好的保存下来。其设计上的难点在于自动控制的参量太多，最困难的是离合器″离和合″中间过程的控制(所谓的半离挂)。虽然世界上许多国家投入了对电控自动变速箱(AMT)的研究与开发，但一直未见批量生产的报道，足见其进展的艰难。

综上所述：金属带式无级变速箱(VDT-CVT)和滚轮转盘式无级变速箱(Extroid CVT)是低效率的摩擦无级变速。进一步提高传动效率和传动功率都是极为困难的。电控自动机械变速箱(AMT)和液力自动变速箱(AT)不是无级变速，是既不满意摩擦式无级变速的低效率又找不到其它适用于汽车的无级变速方案的无奈之举。

5.齿传动无级变速箱

齿传动无级变速箱是一种全新的设计思想，目的是利用齿传动效率高、功率大的优点实现无级变速传动。传统的传动原理认为：齿数只能是正整数，无论齿数如何变化，传动比永远等于齿数比，传动比是分数，不是任意数。不可能形成连续的曲线。所以齿轮不能实现无级变速。

由背景资料可以看出，无级调速器技术从诞生到实质性的应用已过百年，至今还没有得到完全普及。究其原因：

调速锥轮锥度太大，传动带分解到轴向的有效接触面小，造成轴向摩擦力小，传动带打滑，为解决打滑问题，传动带普遍采用了活节钢质结构，用增强抗拉力来换取轴向摩擦力，随之带来传动带的结构复杂、使用寿命短、技术含量高。

为达到调速的目的，普遍采用油压驱动装置。利用调整油压大小来改变两锥轮之间的相对距离，从而使传动带在锥轮上沿轴径方向的大小发生相对移动，由于传动带的长度不变，改变油压大小就可以改变主从动锥轮的传动半径的比值大小，以此达到调速的目的。这样带来的结果是油压装置的结构复杂、且在没有油压装置的系统要实现无级变速就十分困难(如风力发电装置等)，这样使无级变速装置的普及和应用受到了限制。

发明内容

本发明目的是克服现有各种变速器的弊端，设计一种阴阳轮无级变速器，从根本上解决CVT技术结构性的缺陷，是CVT技术结构更简单、实现更容易。

具体地说，阴阳轮无级变速器，包括主动输入单元和一级从动输出单元，在主动输入单元和一级从动输出单元之间用传动带I(5)连接，其主动输入单元具有一对可以互相交错的阴轮(18)和阳轮(19)，阴轮和阳轮具有阴阳交错锥形面且阴轮和阳轮的锥形面互补，阴轮固定在主动输入轴(11)上，阳轮套在主动输入轴(11)上可以左右滑动；一级从动输出单元具有一对可以互相交错的阴轮和阳轮，阴轮和阳轮具有阴阳交错锥形面且阴轮和阳轮的锥形面互补，阴轮固定在从动输出轴(6)上，阳轮套在从动输出轴(6)上可以左右滑动；另外设置有同时驱动主动输入单元和一级从动输出单元中阳轮的左右滑动的调节机构。

利用本发明的结构单元，可以叠加实现多级无级变速。具有两级变速的变速器结构是：在一级从动输出单元的输出轴上安装有中间单元，在主动输入单元的主动输入轴端部安装有与其同轴的二级从动输出单元，中间单元与二级从动输出单元通过传动带II(15)连接；中间单元具有一对可以互相交错的阴轮和阳轮，阴轮和阳轮具有阴阳交错锥形面且阴轮和阳轮的锥形面互补，阴轮固定在一级从动输出轴(6)上，阳轮套在一级从动输出轴上可以左右滑动；二级从动输出单元具有一对可以互相交错的阴轮和阳轮，阴轮和阳轮具有阴阳交错锥形面且阴轮和阳轮的锥形面互补，阴轮固定在二级从动输出轴(14)上，阳轮套在二级从动输出轴(14)上可以左右滑动；同时驱动主动输入单元和一级从动输出单元中阳轮在各自轴上左右滑动的调节机构与中间单元和二级从动输出单元中的阳轮连接并驱动阳轮在各自轴上左右滑动。

所述的调节机构包括一调节轴(10)、平衡连杆(12)，轴承拨叉(17)和一付平衡支架(20)及阳轮构成。调节是靠油门调节装置间接控制调节轴左右滑动来实现调速的。

本发明主动输入轴和从动输出轴表面制有均匀排布的凹凸槽构成花轴，阴轮固定在花轴外多边结构凸出体外缘，阳轮锥形顶端镶嵌在花轴的槽体内，阳轮圆口端通过锥形推力滚柱轴承(9)安装在花轴上组成移动滑块。

主动输入单元的主动输入轴与二级从动输出单元的输出轴通过轴瓦支架(16)连接，并且两轴端面之间通过球形活络节定位；二级从动输出单元中的阳轮与主动输入单元中的阳轮通过平衡轴(12)及平衡支架(20)连接定位。平衡支架(20)顶端安装在箱体滑槽中，以防止调速机构抖动，中上部安装有回位弹簧(21)用以调速器在平凡的加减速过程中使调速机构与推力轴承紧密接触。

由于本发明采用了一级或两级传动调节，利用阴阳平衡原理，中和了负载扭距力通过传动带在调节轮上所形成不同方向的力，因此既不需要特殊的驱动装置(如油压驱动)也不需要施加太大的外力对变速过程进行调节，一般利用油门调节装置间接与变速器调节机构的调接轴(10)连接来控制阳轮在轴上左右滑动实现变速。也可以利用步进直线电机进行程序调节驱动阳轮在轴上左右滑动实现变速。

本发明优点是结构采用了平衡原理，调速过程中本结构对调整轴不产生任何外作用力，因此可以不用复杂的油压装置进行驱动，利用油门调节装置间接控制就可以达到调速的目的。

本发明采用阴阳轮装置，由于阴阳轮的特殊构造其表面形成了阴阳交错互补结构，传动带附着在阴阳轮的交叉面上受力面大且受阳轮滑块斜面的抵压，传动带径向形成S形受力，增大了摩擦力，使传动带不易打滑。解决了传统CVT结构对传动带的特殊要求。

本发明阴阳轮无级变速器，适用于摩托车、小型轿车、小型水力及风力发电等装置的转速调节。

附图说明

图1为本发明两级阴阳轮工作原理示意图。

图2为本发明一级阴阳轮工作原理示意图

图3为本发明中阴轮与花轴装配示意图。

图4为本发明中阳轮与花轴装配示意图。

图5本发明中阴阳轮工作原理示意图。

具体实施方式

阴阳轮平衡无级变速器的基本结构包括主动输入单元和一级从动输出单元，在主动输入单元和一级从动输出单元之间用传动带I5连接，其特征是主动输入单元具有一对可以互相交错的阴轮18和阳轮19，阴轮和阳轮具有阴阳交错锥形面且阴轮和阳轮的锥形面互补，阴轮固定在主动输入轴11上，阳轮套在主动输入轴11上可以左右滑动；一级从动输出单元具有一对可以互相交错的阴轮和阳轮，阴轮和阳轮具有阴阳交错锥形面且阴轮和阳轮的锥形面互补，阴轮固定在从动输出轴6上，阳轮套在从动输出轴6上可以左右滑动；另外设置有同时驱动主动输入单元和一级从动输出单元中阳轮在各自轴上左右滑动的调节机构。

图1给出了两级变速的阴阳轮无级变速器结构图。图2为一级阴阳轮变速器原理示意图。为方便下面叙述，图1、图2采用统一编号说明：(1)、(2)中间轴阴轮；(3)、(4)中间轴阳轮；(5)传动带I；(6)中间轴；(7)滚柱轴承；(8)主动及从动轴阳轮；(9)锥形推力滚柱轴承；(10)调节轴；(11)主动输入轴；(12)平衡轴；(13)主动、从动阴轮；(14)从动输出轴；(15)传动带II；(16)轴瓦支架；(17)轴承拨叉；(20)平衡支撑机架。(21)平衡回位弹簧；

本装置由阴阳轮、轴承拨叉、花轴、调节轴、平衡轴、平衡支撑机架及回位弹簧等机件构成，结构简单。其结构如图1所示：具体是由锥形推力滚柱轴承(由2只推力滚子轴承一反一正相对组装而成也可定做)和锥体阳轮通过螺栓紧固共同组成移动滑块，另一部分是固定在花轴上的锥体阴轮，阴阳轮之间安装有传动带。

变速器可根据转速调节比的要求采用一级或两级进行调节，其转速调节比每一级可达5∶1，两级调速比可达到5*5＝25倍，因每级转速比等于传动带径向移动的直径比。图1结构设置为品字结构，左下部分为主动轮组，上部为中间轮组，右下部为从动轮组。主动轴与从动轴之间采用直径15毫米滚珠相隔，径向采用轴瓦结构以确保主动从动轴之间的同心。图2为一级调速器，下半部分为主动轮组，上半部分为从动轮组。

图1采用了两级传动调节，图2采用一级传动调速。都利用阴阳平衡原理，中和了负载扭距力通过传动带在调节轮上所形成不同方向的力，因此既不需要特殊的驱动装置(如油压驱动)也不需要施加太大的外力对变速过程进行调节，一般利用油门调节装置与变速器调节轴连接即可，也可以用步进直线电机进行程序调节。调节范围最大可达25∶1左右。由于锥形阴阳轮的特殊结构，传动带摩擦力大不易打滑。

由负荷所形成的扭矩力在传动带上变为正向压力F，传动带I(1)作用在中间轮组的移动滑块上所分解为水平方向的力对中间轮组的左斜面形成向右的力(F1)，在主动轮组移动滑块的右斜面上形成向左的力(负F1)。设力的方向、向右为正、向左为负；发动机工作在某转速下调速器的一级调节比为Ki。传动带II在中间轮组的移动滑块右斜面上形成了向左的力(负F2)，传动带II在从动轴(14)的移动滑块斜面上形成了向右的力F2，(F2＝Ki*F1)在中间轴(6)上形成的合力大小等于F2与F1的和。即-Ki*F1+F1＝-F1(Ki-1)；在主动轴(11)和从动轴(14)上形成的合力为F2-F1＝KiF1-F1＝F1(Ki-1)；由于传动带I、II在中间轴上形成的合力-F1(Ki-1)；在主动轮轴和被动轮轴上形成的合力为F1(Ki-1)，其力的大小相等方向相反通过平衡支撑机架间接作用于调节轴上。因此调速器在调节过程中可以不用太大的力作用在调节轴上，就可以达到调速的的目的。

阴轮(图3)和阳轮(图4)在结构上基本上相同，阴轮固定在花轴外多边结构凸出体外缘(也可同轴铸造为一体结构)，阳轮镶嵌在花轴的槽体内随调速左右滑动，阴阳轮之间的传动带随阳轮左右移动支撑传动带做径向和轴向45度角移动(也可根据其情况采用不同角度)，从而使主从动轮传动带传动轴径的比发生相对变化，以达到调速的目的。

其工作过程如图1所示：图中状态为怠速状态。如果需要加速可通过加油装置间接控制调整轴(10)向右移动，带动平衡支撑机架(20)轴承拨叉(17)和紧固在一起的阳轮(3)(4)(8)等向右一起滑动，传动带I(5)上端(中间轴上)随阳轮(3)向右滑动传动带向下做45度角移动，传动带I(5)下端(主动轴上)随阳轮(8)向右滑动传动带向上做45度角移动。同时传动带II(15)上端(中间轴上)随阳轮(4)向右滑动传动带向上做45度角移动，传动带2(15)下端(从动轴上)随阳轮向右滑动传动带向下做45度角移动。这样输入轴的转速通过传动带I(5)和传动带II(15)两级调整到达输出轴(14)，使输出轴(14)的转速得到两级调速。反之、亦然。

Claims (7)

1、阴阳轮平衡无级变速器，包括主动输入单元和一级从动输出单元，在主动输入单元和一级从动输出单元之间用传动带I(5)连接，其特征是主动输入单元具有一对可以互相交错的阴轮(18)和阳轮(19)，阴轮和阳轮具有阴阳交错锥形面且阴轮和阳轮的锥形面互补，阴轮固定在主动输入轴(11)上，阳轮套在主动输入轴(11)上可以左右滑动；一级从动输出单元具有一对可以互相交错的阴轮和阳轮，阴轮和阳轮具有阴阳交错锥形面且阴轮和阳轮的锥形面互补，阴轮固定在从动输出轴(6)上，阳轮套在从动输出轴(6)上可以左右滑动；另外设置有同时驱动主动输入单元和一级从动输出单元中阳轮在各自花轴上左右滑动的调节机构。

2、根据权利要求1所述的阴阳轮平衡无级变速器，其特征是在一级从动输出单元的输出轴上安装有中间单元，在主动输入单元的主动输入轴端部安装有与其同轴的二级从动输出单元，中间单元与二级从动输出单元通过传动带II(15)连接；中间单元具有一对可以互相交错的阴轮和阳轮，阴轮和阳轮具有阴阳交错锥形面且阴轮和阳轮的锥形面互补，阴轮固定在一级从动输出轴(6)上，阳轮套在一级从动输出轴上可以左右滑动；二级从动输出单元具有一对可以互相交错的阴轮和阳轮，阴轮和阳轮具有阴阳交错锥形面且阴轮和阳轮的锥形面互补，阴轮固定在二级从动输出轴(14)上，阳轮套在二级从动输出轴(14)上可以左右滑动；同时驱动主动输入单元和一级从动输出单元中阳轮在各自轴上左右滑动的调节机构与中间单元和二级从动输出单元中的阳轮连接并驱动阳轮在各自轴上左右滑动。

3、根据权利要求1或2所述的阴阳轮平衡无级变速器，其特征是所述的调节机构包括调节轴(10)，平衡支撑件(20)，一个轴承拨叉(17)一端固定在调节轴(10)上，另外一端分别与主动输入轴和从动输出轴上平衡支撑件(20)通过推力轴(9)与阳轮连接。

4、根据权利要求1或2所述的阴阳轮平衡无级变速器，其特征是主动输入轴和从动输出轴表面制有均匀排布的凹凸槽构成花轴，阴轮固定在花轴外多边结构凸出体外缘，阳轮锥形顶端镶嵌在花轴的槽体内，阳轮圆口端通过锥形推力滚柱轴承(9)安装在花轴上组成移动滑块。

5、根据权利要求2所述的阴阳轮平衡无级变速器，其特征是主动输入单元的主动输入轴与二级从动输出单元的输出轴通过轴瓦支架(16)连接，并且两轴端面之间通过球形活络节定位；二级从动输出单元中的阳轮与主动输入单元中的阳轮通过平衡轴(12)及平衡支撑件(20)连接定位。

6、根据权利要求1或2所述的阴阳轮平衡无级变速器，其特征是利用油门调节装置与变速器调节机构连接驱动阳轮在轴上左右滑动实现变速。

7、根据权利要求1或2所述的阴阳轮平衡无级变速器，其特征是利用步进直线电机进行程序调节驱动阳轮在轴上左右滑动实现变速。

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