CN101482162B - 正向无级变速装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械传动的一种正向无级变速装置及其方法，由无级变速装置与双矩传动装置构成，无级变速装置由齿轮差动轮系构成，或者由输入中心轴，输出中心轴以及差动元件构成，双矩传动装置由驱动轮，驱动轴，杠杆弯轴，万向传动轴承座，阻力轴，无级调速装置，被动轮构成；一定功率下，动力源扭矩在双矩传动装置相互垂直的两个轴线方向作用，一个轴线方向使得无级变速装置对外输出扭矩，另一个轴线方向通过双矩传动装置和无级变速装置与负载产生的合外力矩为零，实现匀速运行，调整双矩传动装置的传动比，可实现正向无级变速，该装置效率更高，可以有效的节省能源节省制造成本，作为一种无级变速装置，可以广泛地应用于各种机械装备。

Description

正向无级变速装置及其方法

技术领域

本发明涉及机械传动的一种正向无级变速装置及其方法

背景技术

现有技术中的摩擦无级变速器，与其它变速器或减速器一样，恒功率输入时，启动后，在加速运行的任意时刻，可以实现匀速运行，摩擦无级变速器的输入轮与被动轮之间由于存在着一对大小相等方向相反的内力矩，输入轮与被动轮之间的角动量等量转移，内力矩与输出扭矩相互对应，构成了摩擦无级变速器传动条件，输入轮与输出轮的运动是在内力矩与输出力矩反作用力矩相互作用，由于输出扭矩的反作用力矩与相对的内力矩角冲量的合为零，使得合外力为零，可以实现匀速运行；摩擦无级变速器是摩擦传动，传动效率低。

中国专利公告号CN116259A，公开日是1997年11月19日，专利号97102702.1，名称为差动齿轮传动系无级自动变速装置中公开了一种无级自动机械变速装置，它能随负载的大小实现无级与自动变速，它的运动特性是在恒功率启动下，由P＝M_d×ω_d和β_d＝(M_a-M_f)/Jd，P为输入功率，M_d为输出扭矩ω_d为输出轮的角速度，β_d为输出轮的角加速度，M_f为阻力矩，J_d为输出轮的转动惯量，因功率P保持不变，在输出轮加速过程中，ω_d速度增大，M_d减小，β_d加速度也因此减小，当输出扭矩M_d减小到等于阻力矩M_f时，即M_d＝M_f其加速度β_d＝0，则角速度ω_d达到最大值ω_m且ω_m＝P/M_d，此后输出轮作匀速运动；它的缺点是，启动后的加速度过程中，不能在任意时刻匀速运行，只有输出轮的角动量增量，只能到满功率的最大值的角速度ω_m时匀速运行，其原因就是，该种无级自动机械变速装置输出端的扭矩是通过反向增速后的输出扭矩，不能与加速过程中的Md的反作用力矩平衡，不能逆向变速，只能在输出方向单向变速，与摩擦无级变速器不同，输入轮与输出轮之间没有相互对应的一对内力矩，差动齿轮传动系无级自动变速装置只能根据负荷的大小被动作用，在实际应用中，不能满足加速过程中需要各级匀速运行的需求。

发明内容

本发明的目的是一种正向无级变速装置及其方法，由无级变速装置和双矩传动装置构成，所述的无级变速装置由齿轮差动轮系构成，或者由输入中心轴，输出中心轴以及设置在输入中心轴与输出中心轴之间的差动元件构成，所述的双矩传动装置由驱动轮，驱动轴，杠杆弯轴，万向传动轴承座，阻力轴，无级调速装置，被动轮构成，杠杆弯轴由驱动臂，中间轴，阻力臂构成，杠杆弯轴安装在与外界固定连接的万向传动轴承座上，杠杆弯轴的回转轴线通过万向传动轴承座的中心点，阻力臂通过阻力轴与被动轮安装在一起，驱动臂上设置有驱动轴，驱动轴装配在驱动臂内的作用带上，驱动臂内的作用带的中心线与驱动轮与被动轮的同轴线相交或平行，驱动轴通过驱动轮与无级调速装置连接，无级调速装置和驱动轴可在驱动臂的轴向上和驱动轮的轴向上轴向往复移动，驱动轮与安装在轴承座上的输入轴连接在一起，被动轮通过输入传动装置与无级变速装置连接在一起；所述的双矩传动装置中，设置与驱动臂和驱动轮安装在一起的驱动轴到万向传动轴承座中心点的位置不变，设置与阻力臂和被动轮安装在一起的阻力轴到万向传动轴承座的中心点的位置不变，正向无级变速装置可成为一种正向减速机；所述的无级变速装置可为差动齿轮传动系无级自动变速装置；将所述的双矩传动装置可串联设置，或者将所述的双矩传动装置可并联设置；所述的无级变速装置可并联设置，将所述的双矩传动装置通过输入传动装置与并联设置的无级变速装置连接在一起。

一种双矩传动装置，由驱动轮，驱动轴，杠杆弯轴，万向传动轴承座，阻力轴，被动轮构成，所述的杠杆弯轴由驱动臂，中间轴，阻力臂构成，或者，杠杆弯轴由中间轴构成，在万向传动轴承座上，杠杆弯轴的中间轴安装在轴承上，轴承安装在万向内叉环的中心孔上，万向内叉环径向两端的两根叉轴安装在万向内支承环的两个轴孔上，万向外叉环径向两端的两根叉轴安装在万向内支承环的两个轴孔上，万向内叉环径向两端的两根叉轴的同轴线与万向外叉环径向两端的两根叉轴的同轴线相互垂直相交，万向外叉环与外界固定联接，被动轮与安装在轴承座上的输出轴连接在一起，阻力臂通过阻力轴与被动轮安装在一起，驱动臂通过驱动轴与驱动轮安装在一起，驱动轮与安装在轴承座上的输入轴连接在一起，杠杆弯轴的回转轴线通过万向传动轴承座的中心点，并与驱动轮和被动轮的同轴线重合。

一种万向传动轴承座，由万向内叉环，万向内支承环，万向外叉环，轴承构成，所述的万向内叉环径向两端设置有两根叉轴，两根叉轴同轴线，所述的万向内支承环相互垂直的径向两端各设置有两个轴孔，其中两个孔的同轴线与另外两个孔的同轴线相互垂直相交，其相交点为万向传动轴承座的中心点，万向内叉环径向两端的两根叉轴安装在万向内支承环径向两端的两个轴孔上，所述的万向外叉环径向两端的两根叉轴安装在万向内支承环径向两端的两个轴孔上，万向内叉环两根叉轴的同轴线与万向外叉环两根叉轴的同轴线相互垂直相交，其相交点与万向传动轴承座的中心点重合，以上叉轴与轴孔之间可安装轴承，在万向内叉环的中心孔上安装有轴承，万向外叉环与外界固定联接；所述的一种万向传动轴承座可为一种带可调心轴承的轴承座。

一种正向无级变速装置的方法，由无级变速装置与双矩传动装置构成的正向无级变速装置中，当功率一定时，动力源扭矩通过驱动轮和驱动轴偏心作用在杠杆弯轴的驱动臂上，杠杆弯轴以万向传动轴承座做支点，并在其上作回转运动，在杠杆弯轴的回转轴线上，动力源扭矩通过双矩传动装置使得无级变速装置输出端产生输出扭矩，在过万向传动轴承座中心点与杠杆弯轴的回转轴线相互垂直的垂直相交线上，动力源扭矩在垂直相交线方向作用，在杠杆弯轴的驱动臂上产生一个瞬时内弯矩，瞬时内弯矩在杠杆弯轴的阻力臂输出端，由被动轴偏心作用在被动轮上，在杠杆弯轴的回转轴线上产生一个瞬时输入内扭矩，由于无级变速装置具有输出方向的单向变速传动不可逆的传动特性，输出扭矩的反作用扭矩使得瞬时输入内扭矩成立，反作用扭矩与输入内扭矩大小相等方向相反，动力源扭通过双矩传动装置和无级变速装置与负载产生的合外力矩为零，输出端的角加速度为零处于匀速运行状态，在双矩传动装置上调整动力源扭矩偏心作用在杠杆弯轴的驱动臂上的位置，改变双矩传动装置的作用半径比，杆比，使得输入内扭矩小于反作用扭矩，由于无级变速装置功率一定时，只有与负荷相应的最大角速度匀速运行的特性，无级变速装置在正加速过程中，动力源扭矩使得输出扭矩减小，也使得输出扭矩的反作用扭矩减小，当输出扭矩的反作用扭矩减小到与调整减小后的输入内扭矩大小相等时，输出端的角加速度为零，无级变速装置输出端将以增大后的输出角速度匀速运行，调整双矩传动装置的传动比，可使无级变速装置输出端在加速的正方向实现角速度不断增大的无级变速。

一种轴承差速器，由输入轴，输出轴以及设置在输入轴和输出轴之间的差动元件构成，所述的输入轴两端设置的轴承，安装在输入轴两端的轴承座上，两端的轴承座装置在一个驱动套内的两端，其中一端轴承座与输出轴固联在一体，输入轴，输出轴与驱动套同轴，驱动套内的输入轴上分布了两组结构相同的差动环组件，差动环组件两端设置有对置的输入驱动轴，输入驱动轴的轴线通过输入轴的轴线，输入驱动轴之间设置有差动环，差动环两边缘呈现的是圆柱凸轮的轮廓曲线，输入驱动轴与差动环边缘之间设置有轴承，在差动环与输入轴之间可设置复合轴承，在差动环与驱动套之间，差动环的径向两端设置有两根输出驱动轴，输出驱动轴一端固联在差动环上，一端卡配在驱动套径向两端轴向设置的导轨槽上，输出驱动轴与导轨槽之间设置有轴承，两组差动环组件的输入驱动轴之间的轴线交叉分布。

本发明比现有的摩擦无级变速器或减速器，效率更高，可以有效的节省能源节省制造成本，作为动力源扭矩向外做功的中间变速机构，可以广泛地应用在各种机械装置中，如汽车，以及各种机械装备等。

附图说明

图1是本发明的一种正向无级变速装置的主视图；

图2和图3是本发明图1的A-A和B-B向视图；

图4是一种双矩传动装置主视图；

图5是本发明的立体受力原理图；

图6是本发明的一种具体实施例的传动方式示意图；

图7是本发明的一种具体实施例的传动方式示意图；

图8是本发明的一种轴承差速器主视图；图9是图8的C-C剖视图；

图10是轴承差速器原理图；图11是本发明的一种轴承差速器主视图。

具体实施方式

正向无级变速装置是一种由双矩传动装置2，与一种无级变速装置1构成，无级变速装置1由齿轮差动轮系构成，或者由输入中心轴，输出中心轴以及设置在输入中心轴与输出中心轴之间的差动元件构成，无级变速装置只能在输出方向实现单方向变速，无级变速装置1有两种结构，一种是由齿轮差动轮系构成；一种是由轴承差速器构成。

参照图1，图2，图3，图4是本发明正向无级变速装置的具体结构，它是由双矩传动装置2与差动齿轮传动系无级自动变速装置构成的正向无级变速装置。差动齿轮传动系无级自动变速装置是一种由两组齿轮差动轮系构成的无级变速装置1，具体结构如下：

输入中心齿轮3下端连接的输入轴是无级变速装置1的输入轴，并与轴承6连接，轴承6安装在轴承座上，输入中心齿轮3与行星齿轮5啮合，行星齿轮5与双齿圈4的内齿轮46啮合；输入中心齿轮3的上端中心处设置有轴承35，轴承35与转动轴29连接，转动轴29与轴承47连接，轴承47安装在输出中心齿轮44的下端中心处；与输出中心齿轮44上端连接的输出轴是本正向无级变速装置的输出轴，并与轴承36连接，轴承36与轴承座连接；输出中心齿轮44与行星齿轮33啮合，行星齿轮33与双齿圈4的内齿轮45啮合；转动轴29上设置有转臂28，转臂28的左端设置有固定轴48，固定轴48的上端与轴承32连接，轴承32安装在行星齿轮33上，转臂28的右端设置有固定轴30，固定轴30的下端与轴承31连接，轴承31安装在行星齿轮5上；双齿圈4的上端中心处与轴承50连接，轴承50安装在输出中心齿轮上端的输出轴上，双齿圈4的下端与压盖34连接，压盖34的中心处与轴承49连接，轴承49安装在输入中心齿轮3下端输入轴上；输入中心齿轮3的输入轴与输出中心齿轮44的输出轴同轴，转臂28与输入中心齿轮3，输出中心齿轮44和双齿圈4相对转动，双齿圈4可在输入中心齿轮3的输入轴和输出中心齿轮44的输出轴上转动。

由两组齿轮差动轮系构成的无级变速装置1，其运动特性是将输入中心齿轮3的运动经被动件行星齿轮5和转臂28，与被动件内齿轮46的分解，通过双齿圈4和转臂28，由主动件内齿轮45和主动件转臂28，经行星齿轮33将运动合成到输出中心齿轮44上，经输出中心齿轮44的输出轴输出。内齿轮45通过输出中心齿轮44对输入轴中心齿轮3的输入扭矩在内齿轮46增大的扭矩，又增速反向地进行减小；由于内齿轮46的半径大于内齿轮45的半径，输入中心齿轮3经行星齿轮5与内齿轮46啮合的切向力形成的扭矩，通过输出中心齿轮44和转臂28，在内齿轮45的切向形成的切向力大于内齿轮46处的切向力；通过设计输入中心齿轮3，行星齿轮5，行星齿轮33和输出中心齿轮44的半径参数，当转臂28通过固定轴48作用在行星齿轮33的切向力小于内齿轮45处的切向力，方向与其相反时，以上输出中心齿轮44的输出轴的合成运动才能成立；该种无级变速装置1只能在输出轴方向单方向的变速传动，不能逆向变速传动；如果在该种无级变速装置1的输出端作用一个输入扭矩，该输入扭矩会大小方向不变地作用到该无级变速装置1的输入端上，这一特性也是该正向无级变速装置需要利用的一个特性。

双矩传动装置2的构成是，驱动轮25的下端输入轴是本正向无级变速装置的输入轴，并安装在轴承26上，轴承26安装在轴承座27上，与驱动轮对应的是被动轮7，被动轮7装配在输入中心齿轮3下端的输入轴上；在驱动轮25与被动轮7之间设置有万向传动轴承座37，和杠杆弯轴39，杠杆弯轴39通过中间轴10安装在与外界固定连接的万向传动轴承座37上，杠杆弯轴39的阻力臂轴8通过阻力轴9与被动轮7安装在一起，杠杆弯轴39通过驱动轴23与驱动轮25连接在一起，杠杆弯轴39的回转轴线通过万向传动轴承座37的中心点，并与驱动轮25和被动轮7的同轴线重合。

万向传动轴承座37由万向内叉环12，万向内支承环13，万向外叉环14，轴承压盖40，以及轴承11构成，万向内叉环12径向两端设置有两根叉轴19，两根叉轴19的轴线同轴并与万向内叉环12的径向线重合，两根叉轴19与万向内叉环12可成为一体或互相装配在一起；万向内支承环13相互垂直的径向两端各设置有轴孔16和42，两个轴孔16的同轴线与两个轴孔42的同轴线相互垂直相交，其相交点为万向传动轴承座37的中心点；万向外叉环14上径向两端向内设置有两根叉轴43，两根叉轴43的轴线同轴并与万向外叉环14的径向线重合，两根叉轴43与万向外叉环14连接；轴承11安装在万向内叉环12的中心孔上，由轴承压盖40固定；两根叉轴19安装在两个轴孔42上，两根叉轴43安装在两个轴孔16上，万向外叉环14与外界固定连接；为了减少摩擦和磨损提高传动效率，在叉轴19与轴孔42之间安装有轴承20，叉轴43与轴孔16之间安装有轴承15；万向内叉环12中心孔安装有轴承11，并由轴承压盖40固定连接；两根叉轴19的同轴线与两根叉轴43的同轴线相互垂直相交，其相交点与万向传动轴承座37的中心点重合，也是杠杆弯轴39的支点，驱动轮25与被动轮7的同轴线通过万向传动轴承座37的中心点；万向内支承环13是一种由两个半环组成的环，由螺栓17固定连接；万向内支承环13也可以为一体；叉轴19与轴孔42互换，或者也可以将轴孔16与叉轴43互换；万向外叉环14可为一种叉轴座的形式，一个叉轴座带有一根叉轴43，每个叉轴座可单独与外界连接，或者，两个叉轴座为一体，与外界连接，两根叉轴43的轴线同轴。

杠杆弯轴39由驱动臂轴38，阻力臂轴8，中间轴10构成，中间轴10装配在轴承11上，中间轴10的轴线与驱动轮25和被动轮7的同轴线相交，其相交点与万向传动轴承座37的中心点重合，中间轴10的上端固定装配在阻力臂轴8的下端，中间轴10的下端固定装配在驱动臂轴38的上端；驱动臂轴38径向上设置有通槽18，通槽18内设置有两条上下平行的作用带21，作用带21的中心线与驱动臂轴38的轴线相交或平行，驱动轴23径向穿过驱动臂轴38，装配在作用带21之间，驱动轴23两端装配有滑动轴承63，滑动轴承63装配在驱动轮25轴向设置的两条通槽41上，驱动轴23两端通过滑动轴承63与无级调速装置24连接在一起；无级调速装置24由调速板61，同步环52，轴54，轴承53导轴56构成，同步环52通过销轴62与滑动轴承63和驱动轴23端部连接在一起，同步环52外缘设置有凹槽，凹槽内装置有轴承53，轴承53通过轴54与调速板61连接在一起，调速板61下端两侧设置有直线轴承55，直线轴承55与导轴56装配在一起，导轴56一端与轴承座27连接，另一端与万向传动轴承座37连接，导轴56的轴线与驱动轮25和被动轮7的同轴线平行；驱动轮25的上端设置有轴承57，轴承57与稳定套58安装在一起，稳定套58与万向传动轴承座37的万向外叉环14通过螺栓60连接在一起。

双矩传动装置2的工作过程，在万向传动轴承座37上，驱动轮25通过驱动轴23偏心驱动驱动臂轴38使杠杆弯轴39回转运动，安装在轴承11上的中间轴10的轴线与杠杆弯轴39的回转轴线相交，其相交点的两边中间轴10的轴线围绕杠杆弯轴39的回转轴线转动，中间轴10带动万向内叉环12围绕两根叉轴19的同轴线任意方向来回摆动，两根叉轴19带动万向内支承环13围绕两个轴孔16的同轴线任意方向来回摆动，万向外叉环14通过两根叉轴43与两个轴孔16承载万向内支承环13，万向外叉环14固定不动；杠杆弯轴39通过万向传动轴承座37做支点，实现杠杆弯轴39围绕其回转轴线回转运动，杠杆弯轴39上的阻力臂轴8通过阻力轴9驱动被动轮7回转运动。

参照图4是双矩传动装置的一种形式，该种双矩传动装置由带可调心轴承的轴承座64，中间轴10，驱动轮25，被动轮7，驱动轴23，阻力轴9以及轴承座构成，其中一种带可调心轴承的轴承座64是万向传动轴承座37的一种形式，带可调心轴承的轴承座64由内球环65与外球环66构成，中间轴10是杠杆弯轴39的一种形式，中间轴10的上端与阻力轴9连接，阻力轴9与被动轮7连接，被动轮7与输入中心齿轮3下端的输入轴连接；中间轴10直接安装在外球环66的中心孔上，中间轴10的下端与驱动轴23连接，驱动轴23与驱动轮25连接，驱动轮25的输入轴与轴承26连接，轴承26与轴承座连接，中间轴10的轴线与驱动轮25和被动轮7的同轴线X₁-X₁相交，其相交点是带可调心轴承的轴承座64的中心，中心点两边中间轴10的轴线围绕轴线X₁-X₁转动，中间轴10带动外球环66围绕中心点任意方向回转运动，驱动轮25通过驱动轴23偏心驱动中间轴10回转运动，中间轴10上端阻力轴9驱动被动轮7回转运动。

参照图4，图5，在由双矩传动装置2与无级变速装置1构成的传动系统中，轴线X₁-X₁是杠杆弯轴39的回转轴线与无级变速装置1的轴线同轴，在杠杆弯轴39上，驱动臂轴38的作用轴线，阻力臂轴8的作用轴线与中间轴10的轴线在一个平面上，驱动轴23偏心作用在驱动臂轴38的作用轴线上，作用力为F₁，作用力F₁与轴线X₁-X₁的回转作用半径为r₁；或者，图4所示的杠杆弯轴39就是中间轴10，驱动轴23偏心作用中间轴10的轴线上，作用力为F₁，作用力F₁与轴线X₁-X₁的回转作用半径为r₁；F₁与r₁产生的扭矩为M₁，又称为动力源扭矩，输出功率为P₁，驱动轮25的回转角速度为ω₁，称为动力源扭矩角速度；与轴线X₁-X₁相互垂直相交的轴线为X₂-X₂，其相交点为万向传动轴承座37的中心点，杠杆弯轴39以万向传动轴承座37做支点，并在其上作回转运动，作用力F₁通过驱动轴23作用在杠杆弯轴39上，围绕轴线X₁-X₁回转运动的同时，作用力F₁使得杠杆弯轴39在轴线X₂-X₂方向产生一个瞬时内弯矩M，瞬时内弯矩M的瞬时角速度为ω，由于驱动轴23与杠杆弯轴39之间无相对运动，瞬时内弯矩M是由作用力F₁作用产生的

M₁＝F₁×r₁    (1-1)

M＝F₁×L₁

L₁是作用力F₁到轴线X₂-X₂的距离；

M＝M₁×L₁/r₁    (1-2)

瞬时内弯矩M的方向与扭矩M₁的方向总是相互垂直，瞬时内弯矩M的方向总是在改变，具有瞬时性，瞬时内弯矩M使得阻力臂轴8偏心作用在阻力轴9上的作用力为F₂，被动轮7与阻力轴9没有相对运动，作用力F₂作用在被动轮7上，是一个内力，由于瞬时内弯矩M的瞬时性与作用力F₂的瞬时性是对应的，作用力F₂到轴线X₂-X₂的距离为L₂；参照图4，作用力F₂围绕X₁-X₁作用半径为r₃时的扭矩为M₃，

F₂＝F₁×L₁/L₂    (1-3)

r₃/r₁＝L₂/L₁

r₃＝r₁×L₂/L₁    (1-4)

由M₃＝F₂×r₃，式(1-1)，式(1-3)，式(1-4)得：

M₃＝M₁，

M₃在r₃作用处的大小与M₁相等，M₁通过刚体杠杆弯轴39在r₃作用处的力矩大小和方向与M₃相等和相同。

将作用力F₂由r₃的作用处平移至r₂的作用处，F₂相对轴线X₁-X₁的内扭矩为M₂，内扭矩M₂与M₃的关系为

M₂/M₃＝r₂/r₃

M₂＝M₃×r₂/r₃    (1-5)

由式(1-1)，式(1-2)，式(1-3)，式(1-4)得：

M₂＝M₁×r₂×L₁/r₁×L₂

设 ${\stackrel{\′}{I}}_1=r_2/r_1,$

为作用半径比； ${\stackrel{\′}{I}}_2=L_1/L_2,$ 为杆比，

$M_2=M_1\×{\stackrel{\′}{I}}_1\×{\stackrel{\′}{I}}_2---(1-6)$

由式(1-6)，

的乘积为双矩传动装置2的传动比，改变r₁和r₂以及L₁和L₂，都会改变

和

。例如，改变L₁的长度，当L₁大于L₂时，L₁越大，M₂就越大，杆比

就越大；同样，改变半径r₂也会改变作用半径比。选择大小不同的作用半径比和杆比

，对应的M₂大小不同，与M₂对应的瞬时内角速度为ω₂；当作用力F₁在杠杆弯轴39上，选择不同的L₁和r₁，得到不同作用位置时，

和

都将得到改变。

在双矩传动装置2上，F₁相对轴线X₂-X₂方向，由角动量定理

${\∫}_{t_1}^{t_2}M\·\mathrm{dt}=\mathrm{Jd\ωb}-\mathrm{Ja\ωa}---(2-1)$

式(2-1)中ωa和ωb为瞬时内弯矩M的瞬时内角速度ω从ωa到ωb状态的始末瞬时内角速度；杠杆弯轴39在轴线X₂-X₂方向的转动惯量为Jg。当驱动轴23作用在不同的位置时使得L₁和r₁的大小不同，作用力F₁相对X₂-X₂轴线的作用位置不同，设作用力F₁在L₁和r₁的最大作用尺寸的扭矩为Ma，瞬时内角速度为ωa，此时作用力F₁的作用点到轴线X₂-X₂的转动惯量为Ja；改变作用力F₁的作用位置使得M由Ma变换到Mb，瞬时内角速度ω由ωa变换到ωb，由平行轴定理，杠杆弯轴39的转动惯量Jg将由Ja变换到Jb；由此，当杠杆弯轴39瞬时内弯矩M由Ma变换到Mb时，杠杆弯轴39在X₂-X₂轴线方向的转动惯量Jg和瞬时内角速度ω都将发生变化；与作用力F₁对应的作用力F₂也将发生变化，内扭矩M₂随之对应变化；由式(1-2)L₁和r₁是常数，由式(2-1)，实际上是M₁对杠杆弯轴39作用在X₂-X₂轴线的动量变化。

当作用力F₁固定在一个位置作用时，由于恒功率下，输入的动力源扭矩M₁及其角速度ω₁是常量，由式(2-1)ωa和ωb为一常量，瞬时内角速度ω速度变化率为零，M是常量，由式(1-6)得到的M₂及其瞬时内角速度ω₂也是常量。

在无级变速装置1上当输入扭矩M₁作用时，其输出端将产生一个输出扭矩M₄，对应的输出角速度为ω₄：

M₄-M_f＝J_f×β₄    (2-2)

式中M_f为阻力矩，J_f为负载的转动惯量，β₄为无级变速装置1输出端的角加速度；

对于无级变速装置1，当功率P₁恒定输入时，无级变速装置1的输出角加速度β₄在不断的减小，输出扭矩M₄也随之减小，输出角速度ω₄不断增大，无级变速装置1的输出角动量处于增量过程中；

由于无级变速装置1的运动特性，当输出扭矩M₄形成的同时，其反作用扭矩M_4f就会通过无级变速装置1将扭矩M_4f作用到无级变速装置1的输入端半径r₂的作用处，使得内扭矩M₂成立，M_4f与M₂大小相等，方向相反是一对作用与反作用扭矩。

M_4f＝-(J_f×β₄+M_f)

M₂-M_4f＝J×β₄    (2-3)

式中J为F₂相对X₁-X₁轴线，无级变速装置1在作用半径r₂处的转动惯量；

在无级变速装置1的输入端与输出端当大小相等，方向相反的一对M_4f与M₂成立时，由式(2-3)角加速度β₄为零，由式(2-2)输出扭矩M₄与阻力矩M_f大小相等，方向相反，动力源扭M₁通过双矩传动装置和无级变速装置1与负载产生的合外力矩为零，输出角速度ω₄为常量，总角动量保持不变，符合角动量守恒的条件，正向无级变速装置处于ω₄匀速运行阶段，当M_4f与M₂对应作用匀速运行时，ω₂与ω₄大小相等，方向相同。

由式(1-6)作用力F₁在杠杆弯轴39上，由L₁和r₁的最大作用尺寸到最小作用尺寸变化时，M₂也随之减小其瞬时内角速度ω₂随之增大；无级变速装置1输出端的运动特性也是随着输出扭矩M₄的减小，其角速度ω₄在增大。

正向无级变速装置正向无级变速的原因是，外载荷一定，输入功率P₁为恒功率，作用力F₁改变作用位置使得M₂由大变小时，当M₂小于M_4f时，由于恒功率的作用，无级变速装置1输出端恢复差动齿轮传动系无级自动变速装置自动无级变速的状态，角加速度β₄继续变小，输出角速度ω₄变大，M_4f变小，当M_4f减小到与M₂的大小相等时，这时角加速度β₄为零，无级变速装置1输出端将以增大后的角速度ω₄匀速运行，作用力F₁不断改变作用位置，使得M₂不断变小，就会得到不断增大的角速度ω₄的匀速运行。

以上无级变速的过程，是通过作用力F₁在杠杆弯轴39的驱动臂轴38的不同位置作用，改变内扭矩M₂与M_4f的平衡状态，实际改变无级变速装置1输出端输出角速度ω₄与角加速度β₄的是恒功率下动力源输入扭矩M₁。它是利用了差动齿轮传动系无级自动变速装置，在恒功率下负载一定时，加速过程只有动量的不断增加，在此过程中恒功率使其总是存在加速度的倾向；在无级变速装置1输入端加入双矩传动装置2，可使其在加速度过程中主动得到不同的M₂与M_4f的平衡状态，以得到不同的角速度ω₄匀速运行。正向无级变速装置可以在角加速度β₄不断减小，角速度ω₄不断增大的正方向实现无级变速。

正向无级变速装置在正向无级变速过程中，只能无级调速得到比上一级增大的角速度ω₄，如果要将角速度ω₄减小，可通过改变无级变速装置1输出端外负载的状态，或改变输入功率的方法，来影响输出扭矩M₄，以达到角速度ω₄减小的目的；不能通过改变内扭矩M₂来减小角速度ω₄，内力矩不能改变无级变速装置1的输出状态。

以上正向无级变速装置在加速度的正向实现的无级变速，可以适用于恒功率变加速度启动方式，也适用于匀加速额定功率启动的方式。

图1，图2和图3所示的是正向无级变速装置的一种具体装置，具体工作过程如下：

动力源扭矩通过驱动轮25和驱动轴23驱动驱动臂轴38使杠杆弯轴39在万向传动轴承座上回转运动，杠杆弯轴39上的阻力臂轴8通过阻力轴9驱动被动轮7回转运动，被动轮7带动输入中心齿轮3，使得无级变速装置1将输入中心齿轮3的运动分解合成后，通过输出中心齿轮44输出做回转运动；正向无级变速装置是通过调节作用半径比t1和杆比t2，来达到无级变速的目的，置于驱动臂轴38径向上的驱动轴23，通过作用带21带动驱动臂轴38一起转动；无级调速装置24带动驱动轴23可以上下往复移动，由于作用带21中心线与驱动臂轴38的轴线相交，驱动轴23处于驱动臂轴38的通槽18不同位置，驱动轴23通过作用带21对驱动臂轴38的作用半径不同；同时，由于驱动轴23在驱动臂轴38轴向上的不同位置，使得驱动轴23在驱动臂轴38的作用长度不同，双矩传动装置可以获得不同的作用半径比和杆比，输出中心齿轮44的输出速度和输出扭矩随之改变。

在双矩传动装置2中，设置与驱动臂轴38和驱动轮25安装在一起的驱动轴23到万向传动轴承座37中心点的位置不变，L₁为一个定值，同样设置L₂为一个定值，双矩传动装置2的传动比为一个固定传动比，由双矩传动装置2与无级变速装置1构成的正向无级变速装置成为一种有固定传动比的正向减速器。

正向无级变速装置或正向减速器是通过改变双矩传动装置2的传动比来达到无级变速或减速的目的，由于双矩传动装置2是由轴承传动实现的传动比，传动效率高，正向无级变速装置变速后的传动效率可以保持不变，相比传统的摩擦无级变速器，效率更高，与传统的只能通过改变齿轮半径来得到各种传动比的齿轮变速器相比，节省了钢材的用量。

参照图6是本发明的一种具体实施例的传动方式，本示意图中的双矩传动装置2是一种简易画法，双矩传动装置2的被动轮7，通过装配在轴承座上的轴88与伞齿轮89相互装配固定在一起，伞齿轮89与伞齿轮92相啮合，伞齿轮92与装配在轴承座上的轴90装配在一起，伞齿轮92可在轴90上轴向移动，与伞齿轮92对应的是伞齿轮91，伞齿轮91装配在轴90上，伞齿轮91可在轴90上轴向移动，轴90的两端并联装置了两套无级变速装置1，轴90两端与两个输入中心齿轮3装配在一起，伞齿轮89，伞齿轮92和伞齿轮91与轴90和轴88一起构成输入中心齿轮3的输入传动装置。

本实施例的实施，是将双矩传动装置2输出端动力源扭矩M₁和内扭矩M₂，通过伞齿轮89，伞齿轮92和伞齿轮91与轴90和轴88一起构成的输入传动装置可以将M₁和内扭矩M₂自然分配到两套无级变速装置1上，即当轴90的两端的无级变速装置1受到的外载荷出现一个大一个小时，由于力矩在同一轴上能够对应分配，M₁和内扭矩M₂会根据两端载荷各自的大小，可以自然分配到轴90的两端；利用这一特性，用于汽车的动力驱动，带动两个并行的汽车轮，是一种新型的汽车变速驱动装置，用于汽车时在正向无级变速上，汽车可以得到高效变速器传动效率，汽车减速时可以通过干预正向无级变速装置的输出扭矩来达到减速的目的，如，采取将汽车减速时产生的动能回收利用，同时影响输出扭矩，来减小输出速度；双矩传动装置2保持一个方向转动时，伞齿轮92与伞齿轮91互换，可以使两个齿轮差动轮系1的输出端实现正反两个方向的转动。

参照图7是本发明的一种具体实施例的传动方式，本示意图中的双矩传动装置2是一种简易画法，将两套双矩传动装置2并联在一起，下端的双矩传动装置2的被动轮7，与装配在轴承座上的轴93装配连接，轴93上端装配连接齿轮94，上端的双矩传动装置2的驱动轮25与装配在轴承座上的轴95装配连接，轴95下端与齿轮96装配连接，齿轮94与齿轮96相互啮合，上端的双矩传动装置2的被动轮7通过装配在轴承座上的轴97与同步带轮98相互装配在一起，轴97的上端与左面无级变速装置1的输入中心齿轮3装配连接，同步带轮98通过同步齿行带99与同步带轮100连接，同步带轮100通过装配在轴承座上的轴101与右面无级变速装置1的输入中心齿轮3相互装配连接。

本实施例的实施，两组双矩传动装置2传动比，与齿轮94与齿轮95的传动比的乘积，使得无级变速装置1的输入端可以保持动力源扭矩M₁的输入，又可以使得内扭矩M₂得到两级双矩传动装置2传动比和齿轮94与齿轮95的传动比；两组并联的无级变速装置1可以自然分配由双矩传动装置2传递过来的扭矩M₁和M₂。该实施例适用于相互平行对外做功的装置，如可以平行带动一对船舶的螺旋桨，可以是一种新型的船舶变速驱动装置。

以上两套双矩传动装置2并联在一起的连接处，可以将齿轮94和齿轮95去掉，将两组双矩传动装置2直接串联在一起，得到两组双矩传动装置2传动比的乘积。

参照图8，图9，图10，图11是无级变速装置1的一种传动结构，轴承差速器，其具体结构是：

轴承差速器1的构成是，在输入轴101的两端，下端安置有轴承102，轴承座103，上端有轴承67和轴承座68，轴承座103与轴承座68装配在驱动套69的上下两端，并由螺栓70固定联接，输出轴71与轴承座68为一体，与驱动套69联接在一起，驱动套69内的输入轴101的上下两端，安置有两组结构相同的差动环组件72，和差动环组件73；在差动环组件72上下两端有两根输入驱动轴74和75径向穿过输入轴101，输入驱动轴74的两端安置有输入驱动轴承76，输入驱动轴75的两端安置有输入驱动轴承76，输入驱动轴承77与输入驱动轴承76之间设置有一个差动环78，在差动环78与输入轴101之间，装配了一个复合轴承79，在差动环78与驱动套69之间，差动环78的径向两边设置有两根输出驱动轴80，输出驱动轴80一端装配在差动环78上，一端与输出驱动轴承81装配在一起，输出驱动轴承81卡配在驱动套69径向两边轴向设置的导轨槽82上，在导轨槽82设置有工艺孔83，以方便输出驱动轴81的安装；差动环组件73与差动环组件72相互匹配使用，结构相同，相对位置不同，差动环组件73上的差动环84，输入驱动轴承85和输入驱动轴承86，与差动环组件72的差动环78，输入驱动轴承77和76的相对位置不同；输入轴101，驱动套69和输出轴71同轴。

参照图10，轴承差速器1的工作原理，是差动环78和差动环84周长方向的平面展开图；在差动环78的上下两边为圆柱凸轮的轮廓曲线，该实例轮廓曲线，每边周长的轮廓曲线两等分，每等分的一个轮廓曲线为左右两段螺旋线，螺旋线展开后为一条有一定螺旋角的斜直线；在差动环78上，螺旋线左右两段连接处的峰段为cuw段，与其对应的另一边螺旋线左右两段连接处的谷段为evf段，输入驱动轴承76作用在趋于cuw段螺旋线的端点a处，与其对应输入驱动轴承77作用在趋于evf段螺旋线的端点b处；输入轴101与双矩传动装置2联接，双矩传动装置2输出端有一个动力源扭矩M₁和一个输入内扭矩M₂，通过输入驱动轴承76作用在差动环78螺旋线的a处，对差动环78的水平作用力为F₁，作用力F₁方向与输入轴39的角速度ω₁的方向相同，反作用力为F_1f，反作用力F_1f是输出轴71的外载荷对作用力F₁产生的反作用力；与差动环78对应的差动环84上，输入驱动轴承85作用在g点上的水平作用力为F_1a，反作用力为F_1af；输入轴101通过输入驱动轴承76和输入驱动轴承85作用在差动环78和差动环84的水平合力为F，作用力F是由动力源扭矩M₁产生的，

F＝F₁+F_1a

外载荷反作用力为Ff

F_f＝F_1f+F_1af；

为了使作用力F与反作用力Ff总是保持相互作用，差动环组件73和差动环组件72两组相互匹配，同时作用；

输入驱动轴承85作用在峰段为gnh段的端点g点上，与其对应的输入驱动轴承86作用在谷段为mxq段的端点m点上；输入驱动轴承85与输入驱动轴承86直径d相同，峰段gnh圆弧段的半径为R，圆心点为O₁，g_O1与园d的切线gs相互垂直，设

R＝d

谷段mxq圆弧段的半径为R加上输入驱动轴承85的直径d，圆心点为O2，m_O2与园d的切线mt相互垂直；

三角形mt _O2中mt切线长与三角形gs _O1中的gs切线长的关系为

mt＝2gs

设水平方向的距离ac段的投影长度，与水平方向的距离mq段相等，输入轴101的角速度为ω₁，输入轴101带动输入驱动轴承85，86，77和76一起按ω₁的方向向右转动；在差动环组件72上，输入驱动轴承76与差动环78作用，在ac段上，从a点移向c点，对应的输入驱动轴承77，在be段上，从b点移向e点；同时，在差动环组件73上，输入驱动轴承85，在gnh段，从g点移向h点，对应的输入驱动轴承86，在mx段，从m点移向x点；

当输入驱动轴承76从a点起移动到ac段的1/4位置时，输入驱动轴承86从g点移动到峰端n点，此时，F_1a为零，F等于F₁；

当输入驱动轴承76移动到ac段的中间位置时，输入驱动轴承85移动到h点，此时，F_1a为零，F等于F₁，输入驱动轴承86移动到谷底x点；

当输入驱动轴承76移动到c点时，对应的输入驱动轴承77到达e点，输入驱动轴承86从谷底x点移向q点，输入驱动轴承86对差动环84产生作用力F_1a，此时    F＝F₁+F_1a

输入轴101继续转动，以上的作用过程将不断的重复进行，这样可以保持作用力F与反作用力F_f总是相互作用。

由于作用力F与反作用力F_f的作用半径相同，该种轴承差速器1的传动比为1；

输入轴101带动输入驱动轴承85，86，77和76驱动差动环78和差动环84在输入轴101的轴向往复移动，使得驱动套69带动输出轴71输出扭矩为M₄，输出角速度为ω₄，该种轴承差速器在恒功率作用下，外载荷一定时，角加速度β₄不断减小，输出扭矩M₄不断减小，输出角速度为ω₄不断增大，角动量在此过程中一直在不断增加，直到角加速度β₄为零时，ω₄增加到最大做匀速运行；该种轴承差速器只能单向传动变速，不能逆向传动变速，这是因为驱动套69不能使驱动轴承85，86，77和76在输入轴101的轴向往复移动，只能将输出轴64的反作用扭矩传动到输入端输入轴101上。

轴承差速器是无级变速装置1的一种传动结构，输出端的输出扭矩M₄的反作用扭矩为M_4f，反作用扭矩M_4f与输入内扭矩M₂大小相等方向相反，轴承差速器1正向无级变速的过程如前述的过程；由轴承差速器1与双矩传动装置2结合可以构成正向无级变速装置。

参照图11，是轴承差速器1的另一种实施例，为了加大输入轴101的直径，减少材料的用量，在输入轴101上，设置了轴凸87，轴凸87作为输入驱动轴承85，86，77和76的安装基座，输入驱动轴承85，86，77和76卡装在差动环78和差动环84上，这样可使差动环78和差动环84，在围绕输入轴101转动，和相对输入轴101轴向往复移动的同时，保证差动环78和差动环84在径向的位置不变，可免用复合轴承79，这种结构的轴承差速器1，由于作用半径大，与上一种相比，在作用力F相同的条件下，同样的输入驱动轴承，输入的扭矩不同，这种作用半径大的轴承差速器1，可输出比较大的扭矩。

Claims (9)

1.一种正向无级变速装置由无级变速装置和双矩传动装置构成，其特征在于，所述的无级变速装置由齿轮差动轮系构成，或者由输入中心轴，输出中心轴以及设置在输入中心轴与输出中心轴之间的差动元件构成，所述的双矩传动装置由驱动轮，驱动轴，杠杆弯轴，万向传动轴承座，阻力轴，无级调速装置，被动轮构成，杠杆弯轴由驱动臂，中间轴，阻力臂构成；万向传动轴承座由万向内叉环，万向内支承环，万向外叉环，轴承构成；杠杆弯轴安装在与外界固定连接的万向传动轴承座上，杠杆弯轴的回转轴线通过万向传动轴承座的中心点，阻力臂通过阻力轴与被动轮安装在一起，驱动臂上设置有驱动轴，驱动轴装配在驱动臂内的作用带上，驱动臂内的作用带的中心线与驱动轮与被动轮的同轴线相交或平行，驱动轴通过驱动轮与无级调速装置连接，无级调速装置和驱动轴可在驱动臂的轴向上和驱动轮的轴向上轴向往复移动，驱动轮与安装在轴承座上的输入轴连接在一起，被动轮通过输入传动装置与无级变速装置连接在一起。

2.根据权利要求1所述的一种正向无级变速装置，其特征在于，所述的双矩传动装置中，设置与驱动臂和驱动轮安装在一起的驱动轴到万向传动轴承座中心点的位置不变，设置与阻力臂和被动轮安装在一起的阻力轴到万向传动轴承座的中心点的位置不变，正向无级变速装置可成为一种正向减速机。

3.根据权利要求1所述的一种正向无级变速装置，其特征在于，所述的无级变速装置可为差动齿轮传动系无级自动变速装置。

4.根据权利要求1所述的一种正向无级变速装置，其特征在于，将所述的双矩传动装置可串联设置，或者将所述的双矩传动装置可并联设置。

5.根据权利要求1所述的一种正向无级变速装置，其特征在于，所述的无级变速装置可并联设置，将所述的双矩传动装置通过输入传动装置与并联设置的无级变速装置连接在一起。

6.根据权利要求1所述的一种正向无级变速装置，其特征在于，所述的万向传动轴承座，其万向内叉环径向两端设置有两根叉轴，两根叉轴同轴线，所述的万向内支承环相互垂直的径向两端各设置有两个轴孔，其中两个孔的同轴线与另外两个孔的同轴线相互垂直相交，其相交点为万向传动轴承座的中心点，万向内叉环径向两端的两根叉轴安装在万向内支承环径向两端的两个轴孔上，所述的万向外叉环径向两端的两根叉轴安装在万向内支承环径向两端的两个轴孔上，万向内叉环两根叉轴的同轴线与万向外叉环两根叉轴的同轴线相互垂直相交，其相交点与万向传动轴承座的中心点重合，以上叉轴与轴孔之间可安装轴承，在万向内叉环的中心孔上安装有轴承，万向外叉环与外界固定联接。

7.根据权利要求1所述的一种正向无级变速装置，其特征在于，所述的万向传动轴承座可为一种带可调心轴承的轴承座。

8.根据权利要求1所述的一种正向无级变速装置，其特征在于，所述的无级变速装置，其输入中心轴两端设置的轴承安装在输入中心轴两端的轴承座上，两端的轴承座装置在一个驱动套内的两端，其中一端轴承座与输出中心轴固联在一体，输入中心轴，输出中心轴与驱动套同轴，驱动套内的输入中心轴上分布了两组结构相同的差动环组件，差动环组件两端设置有对置的输入驱动轴，输入驱动轴的轴线通过输入中心轴的轴线，输入驱动轴之间设置有差动环，差动环两边缘呈现的是圆柱凸轮的轮廓曲线，输入驱动轴与差动环边缘之间设置有轴承，在差动环与输入中心轴之间可设置复合轴承，在差动环与驱动套之间，差动环的径向两端设置有两根输出驱动轴，输出驱动轴一端固联在差动环上，一端卡配在驱动套径向两端轴向设置的导轨槽上，输出驱动轴与导轨槽之间设置有轴承，两组差动环组件的输入驱动轴之间的轴线交叉分布。

9.一种正向无级变速装置的方法，其特征在于，由无级变速装置与双矩传动装置构成的正向无级变速装置中，当功率一定时，动力源扭矩通过驱动轮和驱动轴偏心作用在杠杆弯轴的驱动臂上，杠杆弯轴以万向传动轴承座做支点，并在其上作回转运动，在杠杆弯轴的回转轴线上，动力源扭矩通过双矩传动装置使得无级变速装置输出端产生输出扭矩，在过万向传动轴承座中心点与杠杆弯轴的回转轴线相互垂直的垂直相交线上，动力源扭矩在垂直相交线方向作用，在杠杆弯轴的驱动臂上产生一个瞬时内弯矩，瞬时内弯矩在杠杆弯轴的阻力臂输出端，由被动轴偏心作用在被动轮上，在杠杆弯轴的回转轴线上产生一个瞬时输入内扭矩，无级变速装置具有输出方向的单向变速传动不可逆的传动特性，输出扭矩的反作用扭矩使得瞬时输入内扭矩成立，反作用扭矩与输入内扭矩大小相等方向相反，动力源扭矩通过双矩传动装置和无级变速装置与负载产生的合外力矩为零，输出端的角加速度为零处于匀速运行状态，在双矩传动装置上调整动力源扭矩偏心作用在杠杆弯轴的驱动臂上的位置，改变双矩传动装置的作用半径比，杆比，使得输入内扭矩小于输出扭矩的反作用扭矩，无级变速装置在功率一定时，只有与负荷相应的最大角速度匀速运行的特性，无级变速装置在正加速过程中，动力源扭矩使得输出扭矩减小，也使得输出扭矩的反作用扭矩减小，当输出扭矩的反作用扭矩减小到与调整减小后的输入内扭矩大小相等时，输出端的角加速度为零，无级变速装置输出端将以增大后的输出角速度匀速运行，调整双矩传动装置的传动比，可使无级变速装置输出端在加速的正方向实现角速度不断增大的无级变速。

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