CN101446330A

CN101446330A - 二自由度行星齿轮无级变速器

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Publication number: CN101446330A
Application number: CNA2007101932747A
Authority: CN
Inventors: 徐强国
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-11-26
Filing date: 2007-11-26
Publication date: 2009-06-03

Abstract

二自由度行星齿轮无级变速器，是一种机械式无级变速器，是利用行星齿轮机构的两个自由度进行无级变速。该变速器主要由一个变速行星排和传动比控制机构组成。变速行星排的任何一个元件为主动件，另两个元件中的任何一个为从动件，第三个元件不输出动力；主动件与从动件的转速比就是变速器的传动比。传动比控制机构控制变速器传动比达到最大值时不再增大可以减少，达到最小值时不再减少可以增大。传动比的控制方法是：在传动比达到最大值或最小值时，用传动比控制机构单向制动主动件和从动件之外的第三个元件、或者限制行星排的某两个元件的转速比范围。

Description

二自由度行星齿轮无级变速器

技术领域

本发明是一种机械式无级变速器，是充分利用行星齿轮机构的两个自由度进行无级变速。该变速器根据输入功率和负荷的变化主动无级变速，适用于车辆、机床等各类机械的变速传动。

背景技术

现有的行星齿轮变速机构，总是要制动机构的三个基本元件中的一个，或使其运动受一定的约束，让机构只有一个自由度，以一定的传动比传递动力，结果只能做到有级变速。为了实现无级变速，要与液力变矩器配备使用，这样使得结构复杂、生产成本高、传动效率低。现有的电控机械式无级变速器，虽然传动效率稍有提高，但也需要各种传感器才能实现变速，生产成本也比较高。

发明内容

为了克服现有的自动无级变速器结构复杂、生产成本高、传动效率低的缺陷，本发明提供了二自由度行星齿轮无级变速器。该变速器充分利用行星齿轮机构的两个自由度，根据输入功率和负荷的变化主动无级变速。

一、行星齿轮变速机构的运动规律：

行星齿轮机构由太阳轮、齿圈和装有行星齿轮的行星架三个基本元件组成。有单行星排和双行星排两种基本形式。

1、单行星排

单行星排齿轮机构如图1所示，齿圈制有内齿，行星齿轮通过轮轴支撑在行星架上，太阳轮位于中心，所有行星齿轮在与太阳轮外啮合的同时与齿圈内啮合。设太阳轮、齿圈和行星架的转速分别为n₁、n₂、n₃，太阳轮和齿圈的齿数分别为z₁、z₂，齿圈和太阳轮的齿数比a＝z₂/z₁，根据力的平衡条件和能量守恒定律可以导出单行星排齿轮机构一般运动规律的特性方程式：

n₁+an₂-(a+1)n₃＝0 (1-1)

2、双行星排

双行星排齿轮机构如图2所示，行星架上装有内行星齿轮和外行星齿轮，齿圈制有内齿。内行星轮与太阳轮外啮合的同时与外行星齿轮外啮合；外行星齿轮与齿圈内啮合，太阳轮位于中心。设太阳轮、齿圈和行星架的转速分别为n₁、n₂、n₃，太阳轮和齿圈的齿数分别为z₁、z₂，齿圈和太阳轮的齿数比a＝z₂/z₁，根据力的平衡条件和能量守恒定律可以导出单行星排齿轮机构一般运动规律的特性方程式：

n₁-an₂+(a-1)n₃＝0 (1-2)

二、二自由度行星齿轮无级变速器：

根据方程式(1-1)和(1-2)可以看出，行星齿轮机构不管是单行星排还是双行星排，都具有两个自由度。在太阳轮、齿圈和行星架这三个基本元件中，给任何一个元件一定的转速，另两个元件的转速可以连续变化。

二自由度行星齿轮无级变速器就是利用行星齿轮机构的两个自由度进行变速的机械式无级变速器。该变速器由一个变速行星排和传动比控制机构组成。变速行星排的任何一个元件为主动件，另两个元件中的任何一个为从动件，第三个元件不输出动力；主动件与从动件的转速比就是变速器的传动比。传动比控制机构控制变速器传动比达到最大值时不再增大可以减少，达到最小值时不再减少可以增大。传动比的控制方法是：在传动比达到最大值或最小值时，单向制动主动件和从动件之外的第三个元件、或者限制行星排的某两个元件的转速比范围。

如不考虑摩擦等损失，根据能量守恒定律，主动件输入的功率和从动件输出的功率是大小相等的，即

M_主ω_主＝M_从ω_从 (2-1)

式中M_主M_从分别为主动件和从动件的转矩，ω_主ω_从分别为主动件和从动件的角速度。

若以转速代替角速度，则式(2-1)可写成

M_主n_主＝M_从n_从 (2-2)

式中n_主n_从分别为主动件和从动件的转速。

由式(2-2)可得

n_从＝M_主n_主/M_从 (2-3)

由式(2-3)可以看出从动件的转速与主动件转速和转矩的乘积成正比，与从动件的转矩成反比。而主动件转速和转矩的乘积与输入功率相一致，从动件的输出转矩和负荷相一致，即二自由度行星齿轮无级变速器能够根据输入功率和负荷的变化主动无级变速。

传动比控制方法主要有以下几种：

(1)、用单向离合器单向锁止主动件和从动件以外的第三元件；

(2)、用单向离合器控制行星排某一个元件的转速不能超越另一元件；

(3)、用一个控制传动比的辅助行星排，该行星排的某两个元件分别与变速行星排的两个元件联接或制成一体，用单向离合器单向锁止该行星排的第三个元件。

(4)、用一个控制传动比的辅助行星排，该行星排的某一个元件的转速由用单向离合器控制不能超越变速行星排的某一个元件；

(5)、用一个控制传动比的辅助行星排，该行星排的某一个元件的转速由用单向离合器控制不能被变速行星排的某一个元件超越。

二自由度行星齿轮无级变速器的有益效果是：结构紧凑、传动可靠、变速范围宽(可根据需要设计)、操作简单、变速平稳、加速性能好，根据输入功率与负荷的变化主动无级变速。

附图说明

图1是单行星排的结构简图。

图2是双行星排的结构简图。

图3是二自由度行星齿轮无级变速器的第一个实施例的结构简图。

图4是二自由度行星齿轮无级变速器的第二个实施例的结构简图。

图5是二自由度行星齿轮无级变速器的第三个实施例的结构简图，指定为摘要附图。

图6是二自由度行星齿轮无级变速器的第四个实施例的结构简图。

图1中：1 太阳轮，2 齿圈，3 行星架，4 行星齿轮。

图2中：5 太阳轮，6 齿圈，7 行星架，8 外行星齿轮，9 内行星齿轮.

图3中：10 输入轴，11 控制最小传动比的单向离合器，12 太阳轮，13 行星架，14 行星轮，15 齿圈，16 控制最大传动比的单向离合器，17 输出轴。

图4中：19 输出轴，20 控制最大传动比的单向离合器，21 变速行星排太阳轮，22 变速行星排行星架，23 变速行星排行星轮，24 变速行星排齿圈，25 辅助行星排齿圈，26 辅助行星排行星轮，27 辅助行星排行星架，28 辅助行星排太阳轮，29 控制最小传动比的单向离合器，30 输入轴。

图5中：34 输入轴，35 辅助行星排太阳轮，36 辅助行星排行星架，37 辅助行星排行星轮，38 辅助行星排齿圈，39 控制最大传动比的单向离合器，40 控制最小传动比的单向离合器，41 变速行星排齿圈，42变速行星排行星轮，43 变速行星排行星架，44 变速行星排太阳轮，45 输出轴。

图6中：50 输入轴，51 控制最小传动比的单向离合器，52 辅助行星排太阳轮，53 辅助行星排行星架，54 辅助行星排行星轮，55 辅助行星排齿圈，56 变速行星排齿圈，57 变速行星排行星轮，58变速行星排行星架，59 变速行星排太阳轮，60 控制最大传动比的单向离合器，61 输出轴。

具体实施方案

实现本发明的优选方式是：用一个单行星排作变速行星排，用一个单行星排作辅助行星排，装配在同一条轴线上；变速行星排的太阳轮为主动件，变速行星排的行星架或齿圈为从动件；用单向离合器控制主动件与从动件的转速比达到最大值时不再增大可以减少，达到最小值时不再减少可以增大。

在图3中，变速行星排太阳轮(12)为主动件，安装在输入轴(10)上，行星架(13)作为从动件与输出(17)连在一起，控制最小传动比的单向离合器(11)控制行星架(13)的转速不超越太阳轮(12)，控制最大传动比的单向离合器(16)控制齿圈(15)不反转。该变速器最小传动比等于1，最大传动比等于齿圈与太阳轮的齿数比。

在图4中，变速行星排太阳轮(21)作为主动件和辅助行星排太阳轮(28)安装在输入轴(30)上，辅助行星排齿圈(25)和变速行星排齿圈(24)制成一体，变速行星排行星架(22)作为从动件和输出轴(19)制成一体，控制最大传动比的单向离合器(20)控制齿圈不反转，控制最小传动比的单向离合器(29)控制辅助行星排行星架(27)的转速不超越太阳轮。

在图5中，变速行星排太阳轮(44)作为主动件和辅助行星排太阳轮(35)安装在输入轴(34)上，变速行星排行星架(43)作为从动件与输出轴(45)制成一体，辅助行星排行星架(36)固定在变速器机壳，控制最小传动比的单向离合器(40)控制变速行星排行星架(43)的转速不超越输入轴(34)，控制最大传动比的单向离合器(39)控制辅助行星排齿圈(38)的转速不超越变速行星排齿圈(41)。该变速器最小传动比等于1，该变速器最大传动比i_大＝(a₁·a₂+a₂)/(a₂-a₁)，式中a₁为变速行星排齿圈与太阳轮的齿数比，a₂为辅助行星排齿圈与太阳轮的齿数比，要求a₂大于a₁。

在图6中，变速行星排太阳轮(59)作为主动件安装在输入轴(50)上，变速行星排行星架(58)作为从动件与输出轴(61)制成一体且与辅助行星排行星架(53)连成一体，辅助行星排齿圈(55)和变速行星排齿圈(56)连成一体，辅助行星排太阳轮(52)的转速不受输入轴(50)控制，控制最小传动比的单向离合器(51)控制辅助行星排太阳轮(52)不反转，控制最大传动比的单向离合器(60)控制齿圈不反转。

Claims

1、二自由度行星齿轮无级变速器。该变速器是机械式无级变速器，是利用行星齿轮机构的两个自由度进行无级变速。其特征是：用一个变速行星排以两个自由度传递动力，用传动比控制机构控制变速器的传动比。变速行星排的任何一个元件为主动件，另两个元件中的任何一个为从动件，第三个元件不输出动力；主动件与从动件的转速比就是变速器的传动比。传动比控制机构控制变速器传动比达到最大值时不再增大可以减少，达到最小值时不再减少可以增大。传动比的控制方法是：在传动比达到最大值或最小值时，用传动比控制机构单向制动主动件和从动件之外的第三个元件，或者用传动比控制机构限制行星排的某两个元件的转速比范围。

2、权利要求1所示的单向单制式二自由度行星齿轮无级变速器。其特征是：用一个变速行星排以两个自由度传递动力，用传动比控制机构控制变速器的最大传动比。变速行星排的任何一个元件为主动件，另两个元件中的任何一个为从动件，第三个元件不输出动力；主动件与从动件的转速比就是变速器的传动比。传动比控制机构控制变速器传动比达到最大值时不再增大可以减少，。传动比的控制方法是：在传动比达到最大值时，用传动比控制机构单向制动主动件和从动件之外的第三个元件，或者用传动比控制机构限制主动件与从动件的最大转速比。

3、权利要求1所示的双向单制式二自由度行星齿轮无级变速器。其特征是：用一个变速行星排以两个自由度传递动力，用两个传动比控制机构分别控制变速器正转和反转的最大传动比。变速行星排的任何一个元件为主动件，另两个元件中的任何一个为从动件，第三个元件不输出动力；主动件与从动件的转速比就是变速器的传动比。一个传动比控制机构在主动件正转的情况下控制变速器的传动比达到最大值时不再增大可以减小，主动件反转时不工作；一个传动比控制机构在主动件反转的情况下控制变速器的传动比达到最大值时不再增大可以减小，主动件正转时不工作。两个传动比控制机构控制从动件的转向与主动件的转向相一致。

4、权利要求1所示的双向双制式二自由度行星齿轮无级变速器双向双制式行星齿轮无级变速器。其特征是：用一个变速行星排以两个自由度传递动力，用两个传动比控制机构分别控制变速器正转和反转的传动比。变速行星排的任何一个元件为主动件，另两个元件中的任何一个为从动件，第三个元件不输出动力；主动件与从动件的转速比就是变速器的传动比。一个传动比控制机构在主动件正转的情况下控制变速器的传动比达到最大值时不再增大可以减小，达到最小值时不再减少可以增大，主动件反转时不工作；一个传动比控制机构在主动件反转的情况下控制变速器的传动比达到最大值时不再增大可以减小，达到最小值时不再减少可以增大，主动件正转时不工作。两个传动比控制机构控制从动件的转向与主动件的转向相一致。