CN101922534A - 电磁行星齿轮无级变速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁行星齿轮无级变速器，包括由中心轮、内齿齿圈、行星架和行星轮组成的单级行星齿轮系，单级行星齿轮系串联而成多级行星齿轮系，行星架为主传动件，中心轮为从动件，多级行星齿轮系中，下级行星架连接上级中心轮；于各单级行星齿轮系内设置吸附内齿齿圈的电磁铁，各单级行星齿轮系外设置制动各对应内齿齿圈的刹车机构；末级行星齿轮系设有倒档机构，所述倒档机构为相啮合的倒档齿轮和外齿倒档齿圈，倒档齿轮小于行星轮且与行星轮同轴连接，于行星齿轮系外设置制动外齿倒档齿圈的刹车机构。本发明可实现传动比在0～1的无级变速、或实现2的倍数传动比超速的无级变速，本发明还具备倒档功能，可广泛运用于机械行业的各个领域。

Description

电磁行星齿轮无级变速器

(一)技术领域：

本发明涉及变速系统，具体是一种电磁行星齿轮无级变速器。

(二)背景技术：

行星齿轮系由中心轮、内齿齿圈、行星架和行星轮组成，其中中心轮、内齿齿圈和行星架这三个元素中，可任选两个分别作为主动件和从动件，而使另一元件不动或其运动受一定约束，则整个轮系以一定传动比传递动力。

因此行星齿轮系或多排行星齿轮系机构所构成的轮系可以进行机械变速而广泛运用于汽车行业中。如现在的高级轿车采用的液力机械变速器由一个四元件综合式液力变矩器和可自动换挡的多档行星齿轮变速器组成，并配置相应的离合器和制动器，改变行星齿轮系中各元件的相对运动关系，以实现五档位(空挡、低速档、高速档、超高速档和倒档)操作。

液力机械变速器的总传动比为液力变矩器的变矩系数K与多档行星齿轮变速器传动比的乘积，其中变矩系数K的变化是无级的，多档行星齿轮变速器传动比的变化是有级的，二者配合工作，则使液力机械传动在几个范围内无级变速，故称为部分无级变速器。

但液力机械变速器的结构复杂，且无级变速范围有限，不能实现全程无级变速。

(三)发明内容：

本发明的目的是提供一种自身能够实现无级变速的电磁行星齿轮无级变速器。

能够实现上述目的的电磁行星齿轮无级变速器，包括由中心轮、内齿齿圈、行星架和行星轮组成的单级行星齿轮系，所不同的是将所述行星架设为主传动件，所述中心轮设为从动件，于行星齿轮系内、在行星架上设置吸附内齿齿圈的电磁铁，所述电磁铁数量与行星轮数量对应且单个电磁铁位于两相邻行星轮之间。

通电后的电磁铁的线圈绕组产生磁通，磁通经过内齿齿圈而形成磁通回路，磁通回路对内齿齿圈产生一定量的制动力矩，该制动力矩对行星轮的自转产生程度不一的制挚，但不形成对行星轮公转的制挚。

被制挚的内齿齿圈改变了行星轮的自转转速，使其与原来的自转转速之间形成速差，该速差通过行星架的公转扭力对中心轮产生推动力矩，而通过调节电磁铁的线圈绕组的电流大小，可以调节磁通回路对内齿齿圈的制动力矩大小，使得中心轮获得传动比在0～1之间的转速，也就是当行星轮处于非制动状态时，它传递给中心轮的转速为零，而随行星轮所受制动力的不断增大而增大传递给中心轮的转速。

可以将所述装配有电磁铁的多个单级行星齿轮系串联成多级行星齿轮系，在多级行星齿轮系中所述串联关系是用下级行星架连接上级中心轮；由于各单级行星齿轮系的传动比均在0～1之间，故多级行星齿轮系的总传动比也在0～1之间。当各级行星架上电磁铁的线圈不通电、行星轮处于非制动状态时，即处于空转或空档状态。

要使单级行星齿轮系的传动比提高至2倍，则需在各单级行星齿轮系外设置刹车机构，对各对应的内齿齿圈进行制动刹死，实现同步转动运行向超速运行转化，此时行星轮驱动中心轮以2倍的超速旋转；在多级行星齿轮系中，第二级行星齿轮系实现4倍的超速，第三级行星齿轮系实现8倍的超速......以此类推。

为了同步转动运行向超速运行转化过程中不至于形成顿挫感，所述刹车机构为机械抱刹和电磁刹的组合，先用电磁刹进行软制动，此时行星齿轮系内的电磁铁也同时减少电流，减少制动力矩，两者同步进行制动力矩的内外转换，当平稳过渡后，再用机械抱刹进行硬制动，它传给下级的转速就是两倍的超速，此时用下级行星轮的无级调速功能仍可进行0～2倍超速的无级变速调控输出。

所述单级行星齿轮系或多级行星齿轮系具有使(最后一级)中心轮反向转动的倒档机构，所述倒档机构为相啮合的倒档齿轮和外齿倒档齿圈，倒档齿轮小于行星轮且与行星轮同轴连接，并于行星齿轮系外设置制动外齿倒档齿圈的刹车机构。

当刹车机构制动外齿倒档齿圈时，由倒档齿轮带动的行星轮转动的速度大于原有的转速，从而使中心轮获得旋转方向相反的转速而实现倒转。

对于多级行星齿轮系，所述刹车机构的设置对应于最后一级行星齿轮系。

所述制动外齿倒档齿圈的刹车机构也为机械抱刹和电磁刹的组合，倒档操作时，先用电磁刹进行由小到大的制动力矩调控，即软制动，达到缓慢渐进的起步后，再改由机械抱刹硬制动。

倒档操作还有另外一种形式，即先使各级行星齿轮系的行星轮处于非制动状态，即空转或空档状态，此时用机械抱刹对外齿倒档齿圈作硬制动，此时本级的行星齿轮系的无级变速功能不起作用，需用前级行星齿轮系对倒档转度进行无级调速。

所述给电磁铁通电的线路包括外部供电线路和内部供电线路，内部供电线路埋设于中心轮轴孔内，内部供电线路的一端通过旋转导电接触面(接头)连接外部供电线路，内部供电线路的另一端同样通过旋转导电接触面(接头)将线路引至行星架，引至行星架的线路连接电磁铁。采用旋转导电接触面作为接头很好的解决了由于中心轮和行星架相对转动而造成的供电线路难以布置的问题。

所述单级或多级行星齿轮系于车辆后桥传动轴两侧对称设置而共同构成无级变速差速器，其中两侧相对的行星架的回转中心以同轴方式连接，一侧行星架的回转外缘设置伞齿轮，该伞齿轮与车辆后桥传动轴上的伞齿轮啮合。

本发明的无级变速调控需专门的电脑控制系统，电脑控制系统根据装用机械或车辆的速度、载荷、发动机的转速、节气门开度或设定的输出转速，自动调控变速器的传动比，以达到适时的最佳传动比状态和准确的左右轮动力输出及差速动力输出。

本发明的优点：

本发明电磁行星齿轮无级变速器可以单级行星齿轮系使用或以多级行星齿轮系使用，本发明的传动和输出之间具有0～1的传动比，所以它无需配备离合器作辅助就能实现无级变速输出，本发明还可以实现2的倍数的超速传动比，无论是单级行星齿轮系还是多级行星齿轮系，本发明还具备倒档功能。因此本发明可广泛运用于机械行业的各个领域。

(四)附图说明：

图1为本发明一种实施方式的结构示意图。

图2为图1中的A-A剖示图。

图3为图1中的B-B剖示图。

图4为用本发明构成的无级变速差速器的结构示意图。

图5为图1中机械抱刹和电磁刹的组合结构示意图。

图号标识：1、中心轮；2、内齿齿圈；3、行星架；4、行星轮；5、电磁铁；6、机械抱刹；7、电磁刹；8、倒档齿轮；9、外齿倒档齿圈；10、输入轴；11、输出轴；12、机壳；13、传动轴。

(五)具体实施方式：

以两级传动方式来说明本发明电磁行星齿轮无级变速器的技术方案。

两级传动电磁行星齿轮无级变速器由两级相同行星齿轮系串联而成。其中的各行星齿轮系由中心轮1、内齿齿圈2、行星架3和三个行星轮4组成，第一级行星齿轮系的行星架3作为主传动件而连接输入轴10，第二级行星齿轮系的中心轮1作为从动件即输出轴11，第一、二级行星齿轮系之间的串联是通过第二级行星齿轮系的行星架3与第一级行星齿轮系的中心轮1同轴连接而实现，如图1所示，整个两级传动电磁行星齿轮无级变速器安装在机壳12内。

第一级行星齿轮系内的行星架3上设有三个轴向U型电磁铁5，各电磁铁5位于两两相邻的行星轮4之间，电磁铁5的U型口接近内齿齿圈2外侧向下的环状裙部，通电后的电磁铁5所产生的磁通量经过内齿齿圈2的裙部而形成磁通回路，对内齿齿圈2的转动产生制动力矩；于第一级行星齿轮系外的机壳12上设置对内齿齿圈2制动的机械抱刹6和电磁刹7，如图1、图2、图5所示。

第二级行星齿轮系的行星轮4为一双联齿轮，即在正常行星轮4外同轴连接一尺寸小于行星轮4的倒档齿轮8，倒档齿轮8配置有外齿倒档齿圈9；内齿齿圈2向倒档齿轮8延伸至倒档齿轮8端面并径向收缩，收缩量应使内齿齿圈2的无齿内圈与倒档齿轮8不相接触，第二级行星齿轮系内的行星架3上设有三个径向U型电磁铁5，各电磁铁5位于两两相邻的行星轮4之间且处于内齿齿圈2的无齿内圈之下，三个电磁铁5的U型口接近内齿齿圈2的无齿内圈，通电后的电磁铁5所产生的磁通量经过内齿齿圈2的无齿内圈而形成磁通回路，对内齿齿圈2的转动产生制动力矩；外齿倒档齿圈9的外侧环状裙部向上至内齿齿圈2的无齿内圈顶部再横置成为外齿倒档齿圈9的制动面，于第二级行星齿轮系外的机壳12上设置对内齿齿圈2制动的机械抱刹6和电磁刹7，于第二级行星齿轮系外的机壳12上设置对外齿倒档齿圈9的制动面制动的机械抱刹6和电磁刹7，如图1、图3、图5所示。

第一、二级行星齿轮系的电磁铁5由行星齿轮系的内部供电线路供电，两路内部供电线路设于第二级行星齿轮系的中心轮1的输出轴11轴孔内，两路内部供电线路的一端分别通过旋转导电接触面(接头)与行星齿轮系外的两路外部供电线路连接，两路内部供电线路一端到达第二级行星齿轮系的中心轮1，一路内部供电线路通过旋转导电接触面(接头)引出一路线路通至第二级行星齿轮系的行星架3，引出三个端头后分别与三个电磁铁5连接，另一路内部供电线路通过旋转导电接触面(接头)引出一路线路进入第一级行星齿轮系的中心轮1，该路线路通过旋转导电接触面(接头)再引出一路线路通至第一级行星齿轮系的行星架3，引出三个端头后分别与三个电磁铁5连接，各级的电磁铁5的出线均接地搭铁；所述旋转导电接触面(接头)采用空腔中填充导电液的形式，在保证通电的前提下还保证旋转导电接触面之间的润滑性和耐磨性，如图1、图2、图3所示。

所述两级传动电磁行星齿轮无级变速器的具体应用及操作：

1、当装用机械起步和重载荷时，对第一和第二级行星齿轮系的电磁铁5同时通以0～30％的小电流，对第一和第二级行星齿轮系的内齿齿圈2形成小的制动力矩，使两级的行星轮4形成小的速差，从而使第二级行星齿轮系的中心轮1获得低转速大扭矩。

2、当装用机械获得前进惯性和转速即负荷变小时，稍微加大两级电磁铁5的电流即加大对两级内齿齿圈2的制动力矩，使得两级行星轮4形成较大速差，从而使第二级行星齿轮系的中心轮1获得较高的转速，直至达到与发动机的输入轴10转速同步。

3、若要获得超速，则在上述第2点操作的情况下，用机械抱刹6或电磁刹7对两级的内齿齿圈2制动，使第二级行星齿轮系的中心轮1获得2～4倍于发动机输入轴10的转速。

本发明可根据实际用途，演变为不同的形式：

1、如装用机械需0～1(同步)传动比的无级变速，本发明可由单级行星齿轮系构成，它适合于对需恒定转速的机械进行准确快速的调速，如调控发电机组和大型风扇的恒定转速以及特别适合于对航空涡扇发动机和燃汽轮机的低压压气机轴进行调速，以杜绝喘振发生。

2、如装用机械只需0～2倍的无级变速时，它适合运用于普通机床小范围的无级调速。

3、如装用机械需0～4倍以上增速的无级变速时，则在两级行星齿轮系的基础上串联第三级(甚至多级)行星齿轮系即可实现，如在风力发电机组和超高速精密机床等方面的运用。

4、如装用机械为中低速的车辆，无需超速行驶和运行时，如农用柴油车、工程机械等，可将第一级行星齿轮系去掉，只保留第二级行星齿轮系。当使用倒档时，可先用电磁刹7对外齿倒档齿圈9进行软制动以利于车辆的缓慢起步，起步后改换机械抱刹6对外齿倒档齿圈9强制制动，作正常的倒档运行。

5、如将本发明与差速器功能结合，可形成无级变速差速器，如图4所示，其发动机的动力连接传动轴13，传动轴13两侧对称布置单级或多级行星齿轮系，传动轴13上的伞齿轮与一侧单级或多级行星齿轮系的行星架3回转外缘的伞齿轮啮合，两侧相对的单级或多级行星齿轮系的行星架3的回转中心之间同轴连接。在这种结构中，发动机的输入动力分别由左右两侧的行星齿轮系输出，通过调控两侧的行星齿轮系的转速差，从而形成兼具无级变速功能的差速器。将该技术用于四驱汽车上，可使轮胎获得良好的抓地性能，并能起到中央差速器的作用，其能适时均衡给四轮分配动力和差速，使车辆具有优良的越野性能。

如将所述无级变速差速器应用在履带式推土机上，可简化其变速传动及差速机构，节省变速传动机构的空间结构，减轻车辆重量，极大提高机辆的转向灵活性和操控能力，使其具备优良的越野机动性能，降低操作的工作强度。

Claims (8)

1.电磁行星齿轮无级变速器，包括由中心轮(1)、内齿齿圈(2)、行星架(3)和行星轮(4)组成的单级行星齿轮系或各单级行星齿轮系串联而成的多级行星齿轮系，其特征在于：所述各单级行星齿轮系中，行星架(3)为主传动件，所述中心轮(1)为从动件；所述多级行星齿轮系中，下级行星架(3)连接上级中心轮(1)；于各单级行星齿轮系内、在行星架(3)上设置通电后吸附内齿齿圈(2)的电磁铁(5)，所述电磁铁(5)数量与行星轮(4)数量对应且单个电磁铁(5)位于两相邻行星轮(4)之间。

2.根据权利要求1所述的电磁行星齿轮无级变速器，其特征在于：于各单级行星齿轮系外设置制动各对应内齿齿圈(2)的刹车机构。

3.根据权利要求2所述的电磁行星齿轮无级变速器，其特征在于：所述刹车机构为机械抱刹(6)和电磁刹(7)的组合。

4.根据权利要求1～3中任意一种所述的电磁行星齿轮无级变速器，其特征在于：所述单级或多级行星齿轮系设有倒档机构，所述倒档机构为相啮合的倒档齿轮(8)和外齿倒档齿圈(9)，倒档齿轮(8)小于行星轮(4)且与行星轮(4)同轴连接而构成双联齿轮，并于行星齿轮系外设置制动外齿倒档齿圈(9)的刹车机构。

5.根据权利要求4所述的电磁行星齿轮无级变速器，其特征在于：所述多级行星齿轮系中，倒档机构的设置对应于最后一级行星齿轮系。

6.根据权利要求4所述的电磁行星齿轮无级变速器，其特征在于：所述制动外齿倒档齿圈(9)的刹车机构为机械抱刹(6)和电磁刹(7)的组合。

7.根据权利要求1～3中任意一种所述的电磁行星齿轮无级变速器，其特征在于：所述对电磁铁(5)通电的线路从行星齿轮系外进入，经中心轮(1)轴孔通至行星架(3)连接电磁铁(5)，中心轮(1)内部线路两端分别用旋转导电接触面作为接头与外部线路和通至行星架(3)的线路接通。

8.根据权利要求1所述的电磁行星齿轮无级变速器，其特征在于：所述单级或多级行星齿轮系于传动轴(13)两侧对称设置而形成无级变速差速器，两侧相对的行星架(3)的回转中心以同轴方式连接，一侧行星架(3)的回转外缘设置伞齿轮，该伞齿轮与传动轴(13)上的伞齿轮啮合。

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