CN101532560B - 一种非摩擦式无级变速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非摩擦式无级变速器，包括输入轴，其特征在于：在所述输入轴上设置主锥型凸轮，主锥型凸轮与设置在两侧的第一摆杆和第二摆杆构成锥型凸轮和摆杆运动机构，第一摆杆通过第一单向离合器与第一齿轮连接，第二摆杆通过第二单向离合器与第二齿轮连接，第一齿轮与第二齿轮都与输出齿轮啮合，相互之间带动转动。本发明的非摩擦式无级变速器，采用空间锥型凸轮机构，结构体积较小，获得的速比大；非摩擦传递运动和动力，可传递的功率、使用寿命等均有较大的优势。

Description

一种非摩擦式无级变速器

技术领域

本发明涉及一种动力传动领域的无级变速器，尤其是不采用摩擦式传递动力的非摩擦式无级变速器。

背景技术

无级变速器广泛应用于机械传动，目前应用较多的是各种摩擦式无级变速器，由于依靠摩擦传递，因此其功率、使用寿命等均存在较大不足。其他种类的机械式无级变速器也均存在变速范围小，速度不稳定，结构复杂，效率低等不足。如名称为“一种机械摩擦式无级变速装置”、专利号为ZL02109252.4的发明专利所公开的技术结构中，该种机械摩擦式无级变速装置，为机械加压与调速机构通过压盘、加压弹簧至复合母线摩擦副组合而成的变速结构，所述复合曲线摩擦副为定锥盘与动锥盘同轴、锥面相对、二者之间通过摩擦片或销组成的挠性闭环摩擦接触连接，其中定锥盘、动锥盘的锥面曲线为直线和曲线两段复合而成，直线段靠近锥盘轴线，所述摩擦片或销工作母线与锥盘母线为共轭的复合母线；所述机械加压与调速机构为双向三位离合器两侧对称设有行星轮系，齿轮螺母为螺母和外缘的齿轮固接的一体结构，与输入轴同轴、并与其上的丝杠相配合，通过齿轮与行星轮系传动连接，螺母与齿轮间设拉杆穿过压盘与动锥盘相连。该种机械摩擦式无级变速装置，虽然有整机效率高、可靠性高、成本低、寿命长等优点，但存在变速范围小、传递功率偏小、使用寿命较短等不足。

发明内容

本发明针对现有技术摩擦式无级变速器的上述不足，提供一种速比大、可传递的功率大、使用寿命长的非摩擦式无级变速器。

本发明的技术方案：一种非摩擦式无级变速器，包括输入轴，其特征在于：在所述输入轴上设置主锥型凸轮，主锥型凸轮与设置在两侧的第一摆杆和第二摆杆构成锥型凸轮和摆杆运动机构，第一摆杆通过第一单向离合器与第一齿轮连接，第二摆杆通过第二单向离合器与第二齿轮连接，第一齿轮与第二齿轮都与输出齿轮啮合，相互之间带动转动；主锥型凸轮沿轴线方向移动，第一摆杆和第二摆杆与主锥型凸轮的不同部位接触，第一摆杆和第二摆杆转速相应变化，使第二齿轮、第一齿轮以及输出齿轮的转速产生变化；

修正锥型凸轮设置在输入轴上，输入轴带动修正锥型凸轮转动；修正锥型凸轮与设置在其一侧的修正摆杆构成锥型凸轮和摆杆运动机构，修正摆杆通过修正单向离合器与修正锥齿轮连接；合成锥齿轮与输出齿轮连接在一起，行星架锥齿轮分别与合成锥齿轮和修正锥齿轮相啮合，将合成锥齿轮和修正锥齿轮的转动合成起来，行星架构件空套在行星架锥齿轮上，由行星架锥齿轮在空间带动转动，作为动力输出部件向外输出动力。

进一步的特征是：第一摆杆和第二摆杆的安装相位相差180度。

本发明的非摩擦式无级变速器，相对于现有技术，具有如下特点：

(1)采用空间锥型凸轮机构，结构体积较小，获得的速比大。

(2)非摩擦传递运动和动力，因此，与目前广泛应用的各种摩擦式无级变速器相比较，可传递的功率、使用寿命等均有较大的优势。

(3)输出转速波动较大，凸轮轮廓形状对此影响较大，若能从理论上推导出凸轮轮廓曲线与输出转速的量化关系，可望得到理想的匀速输出。

(4)本文设计的无级变速器结构新颖，具有进一步优化结构性能的潜力，为无级变速器的研究提供了一条新的思路。

附图说明

图1是本发明非摩擦式无级变速器结构简图；

图2是第二摆杆5转速曲线；

图3是输出齿轮10转速曲线；

图4是修正运动机构角速度输出图；

图5是修正运动后的行星架构件转速曲线。

图中1-修正锥型凸轮，2-输入轴，3-主锥型凸轮，4-第一摆杆，5-第二摆杆，6-第二齿轮，7-第二单向离合器，8-第一单向离合器，9-行星架构件，10-输出齿轮，11-第一齿轮，12-合成锥齿轮，13一行星架锥齿轮，14一修正单向离合器，15一修正锥齿轮，16一修正摆杆。

具体实施方式

图中，本发明非摩擦式无级变速器，包括输入轴2，输入轴2与动力装置的动力输出轴相连接，将动力装置产生的动力(扭矩)输送到输入轴2上；在输入轴2上设置主锥型凸轮3，主锥型凸轮3与设置在两侧的第一摆杆4和第二摆杆5构成锥型凸轮和摆杆运动机构，第一摆杆4通过第一单向离合器8与第一齿轮11连接，第二摆杆5通过第二单向离合器7与第二齿轮6连接，第一齿轮11与第二齿轮6都与输出齿轮10啮合，相互之间带动转动；在输入轴2带动主锥型凸轮3转动时，主锥型凸轮3将带动与之接触的第一摆杆4和第二摆杆5，第一摆杆4通过第一单向离合器8带动第一齿轮11转动，第二摆杆5通过第二单向离合器7通过第二单向离合器7带动第二齿轮6转动，通过输入轴2的转动带动第一齿轮11或第二齿轮6的转动，第一齿轮11或第二齿轮6转动时，都能带动输出齿轮10转动。将第一摆杆4和第二摆杆5的往复摆动，转化成的第一齿轮11或第二齿轮6单向顺时针转动。

第一摆杆4和第二摆杆5的安装相位相差180度，当齿轮6转动时候，齿轮11静止，反之亦然。这样安装的另一个作用是两摆杆的加速度方向相反，可以相互抵消，减低运动的冲击和振动。

图中，输入轴2逆时针转动，带动其上的主锥型凸轮3转动，第一摆杆4和第二摆杆5双向摆动，经过第一、第二单向离合器7和8，带动第二齿轮6和第一齿轮11单向顺时针转动。第二齿轮6和第一齿轮11都能带动输出齿轮10转动；这样，输出齿轮10将获得逆时针不间断转动，由于齿轮10、6、11的外啮合关系，输出齿轮10的不间断转动反作用于齿轮6和齿轮11，使得它们本该静止的时段也运动起来，因此，最终结果是齿轮6、10、11均做单向不间断转动。由于锥型凸轮3推程和回程采用等速运动规律，因此，齿轮10将获得匀速、单向不间断转动。

本发明实现无级变速的原理，是利用空间锥型凸轮3沿轴线方向(输入轴2的轴线)移动，第一摆杆4和第二摆杆5的摆杆轴与锥型凸轮3的不同部位接触，当锥型凸轮3转速一定，第一摆杆4和第二摆杆5位于锥型凸轮3的大端时，相同时间内摆动升程角度大，摆杆转速就快，相反，摆杆位于锥型凸轮的小端时，摆杆转速就慢。相应地，第二齿轮6、第一齿轮11以及输出齿轮10的转速就产生变化，达到非摩擦式无级变速的作用。

采用SolidWorks2009的运动分析插件SolidWorks Motion进行运动仿真，仿真三维模型如图1，摆杆5转速曲线如图2，可见较好地仿真了推程和回程的等速运动规律。输出齿轮10转速曲线如图3，可见速度有较大波动，等速段效果不理想，原因有两个：一是由于摆杆推程和回程的两个起始阶段速度快速改变，将使得齿轮10的运动为变速——单向匀速——变速运动；二是单向离合器设置的3D接触碰撞影响了单向匀速仿真效果。

由于上述输出齿轮10的速度有较大波动，本发明设计了附加的修正运动结构和运动合成机构对上述输出齿轮10的速度波动进行修正。

修正运动机构组成如图1：修正锥型凸轮1，修正摆杆16，修正锥齿轮15和修正单向离合器14；修正锥型凸轮1设置在输入轴2上，输入轴2带动修正锥型凸轮1转动；修正锥型凸轮1与设置在其一侧的修正摆杆16构成锥型凸轮和摆杆运动机构，修正摆杆16通过修正单向离合器14与修正锥齿轮15连接；在输入轴2带动修正锥型凸轮1转动时，修正锥型凸轮1将带动与之接触的修正摆杆16，修正摆杆16通过修正单向离合器14带动修正锥齿轮15；将修正摆杆16的往复摆动，转化成修正锥齿轮15的单向逆时针转动。

为了将前述主运动机构与修正运动机构产生的转速曲线合并起来，采用运动合成机构(差速器)来实现。运动合成机构包括行星架构件9、合成锥齿轮12、行星架锥齿轮13和修正锥齿轮15，合成锥齿轮12与输出齿轮10连接在一起，或制造为一体，行星架锥齿轮13分别与合成锥齿轮12和修正锥齿轮15相啮合，将合成锥齿轮12和修正锥齿轮15的转动合成起来，行星架构件9作为行星轮系的构成部件，行星架构件9空套在行星架锥齿轮13上，由行星架锥齿轮13在三维空间带动行星架构件9转动而输出动力，行星架构件9输出的动力是输出齿轮10与修正锥齿轮15的动力的合成。

修正锥型凸轮1的运动规律应和主运动机构的角速度曲线互补，设计成在基圆上添加对称的两条接近等速运动规律的曲线，运动模拟后，修正摆杆16的往复摆动，经过修正单向离合器14的作用，形成修正锥齿轮15的单向逆时针转动，如图4，对比图3可见，基本与主运动机构角速度曲线互补。

运动合成机构机构原来：根据轮系传动比计算理论，差速器行星架构件9角速度为：

ω₉＝(ω₁₂+ω₁₅)/2

其中，ω₁₂为固联在一起的输出齿轮10和合成锥齿轮12的角速度，ω₁₅为修正锥齿轮15角速度。该公式说明，主运动机构与修正运动机构的角速度可以相加得到总的输出，仿真模拟输出构件9，即总角速度输出曲线如图5。由图5可见，主运动机构的运动性能得到了较大改善，说明采用的方法是恰当的。但是，速度并非理想的等速直线，速度有波动。

锥型凸轮机构3：基园半径100mm，滚子半径15，摆杆长度200mm，凸轮回转中心距离摆杆转动中心距离280mm，升程角和回程角均为180°，升程运动规律和回程运动规律均为等速运动，凸轮转速600度/秒。在凸轮的大端，摆杆升程为30°，小端摆杆升程角10°。锥型凸轮长为200mm，大端和小端的基圆相同。

锥型凸轮机构1：凸轮1是为了修正凸轮3的速度波动设计的，升程和回程的凸轮轮廓曲线接近等速运动，其形状根据仿真实验结果调整，得到最佳的接近匀速的输出效果。其他参数与凸轮3相同。

当锥型凸轮1、3沿轴线移动，使得摆杆4、5、16与小端接触，此时摆杆的摆动幅度最低，获得的输出角速度最小，用仿真结果Excel格式数据输出计算，0.2秒后稳定运行状态下的平均速度为9375.68/864＝10.85度/秒。速比达到600/10.85＝57.14；当摆杆与大端接触时，速比达到600/44.19＝13.58，而一般的金属带式无级变速器减速比只能达到2.61，可见速比值较大，并且，增加锥型凸轮的锥度，还可以使得速比进一步增大。

Claims (3)

1.一种非摩擦式无级变速器，包括输入轴(2)，其特征在于：在所述输入轴(2)上设置主锥型凸轮(3)，主锥型凸轮(3)与设置在两侧的第一摆杆(4)和第二摆杆(5)构成锥型凸轮和摆杆运动机构，第一摆杆(4)通过第一单向离合器(8)与第一齿轮(11)连接，第二摆杆(5)通过第二单向离合器(7)与第二齿轮(6)连接，第一齿轮(11)与第二齿轮(6)都与输出齿轮(10)啮合，相互之间带动转动；

主锥型凸轮(3)沿轴线方向移动时，第一摆杆(4)和第二摆杆(5)与主锥型凸轮(3)的不同部位接触，第一摆杆(4)和第二摆杆(5)转速相应变化，使第二齿轮(6)、第一齿轮(11)以及输出齿轮(10)的转速产生变化；

修正锥型凸轮(1)设置在输入轴(2)上，输入轴(2)带动修正锥型凸轮(1)转动；修正锥型凸轮(1)与设置在其一侧的修正摆杆(16)构成锥型凸轮和摆杆运动机构，修正摆杆(16)通过修正单向离合器(14)与修正锥齿轮(15)连接；合成锥齿轮(12)与输出齿轮(10)连接在一起，行星架锥齿轮(13)分别与合成锥齿轮(12)和修正锥齿轮(15)相啮合，将合成锥齿轮(12)和修正锥齿轮(15)的转动合成起来，行星架构件(9)空套在行星架锥齿轮(13)上，由行星架锥齿轮(13)在三维空间带动行星架构件(9)转动而输出动力。

2.根据权利要求1所述的非摩擦式无级变速器，其特征在于：第一摆杆(4)和第二摆杆(5)的安装相位相差180度。

3.根据权利要求1或2所述的非摩擦式无级变速器，其特征在于：主锥型凸轮(3)推程和回程采用等速运动。

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