CN101965466A - 连续可变的皮带驱动系统 - Google Patents

Abstract

一种连续可变皮带驱动系统用于辅件驱动系统，如冷却风扇驱动系统。使用了一种直接的电子致动机构来控制在皮带轮传输组件上的比率变化。一台整合的步进电机被用来与一个将旋转运动转换成轴向运动的行星辊式丝杠机构一起用于改变槽轮的位置并因此改变驱动比。该步进电机包括一个永磁转子构件。

Description

连续可变的皮带驱动系统

技术领域

本发明涉及连续可变皮带驱动系统，并且更具体地涉及一种具有直接电子致动的连续可变的皮带驱动系统。

背景技术

本发明涉及连续可变的皮带驱动系统，这种连续可变皮带驱动系统中最受欢迎的是连续可变变速器(CVT)系统。例如，CVT系统被用于汽车中以便允许变速器在不同的驱动比之间平滑地变换。这些CVT变速器系统典型地使用了一种液压致动系统用于定位这些槽轮并且影响驱动比的改变。当这些变速器被高度整合在车辆驱动系中时，这种致动方法对于变速器来说是有效的。然而，当将一种CVT型系统(通常被称为“连续可变皮带驱动”系统)应用于整合程度较低的应用时(如驱动冷却风扇)，整合一个液压致动系统的时间和成本常常是高不可及的。液压致动系统还典型地依赖于发动机油，这意味着当对用于发动机的油路进行设计时必须将多种装置考虑在内。

机动车辆包括一种冷却系统，以便消散由车辆动力设备(如内燃发动机)产生的热量。在典型的机动车辆中，当将热的润滑剂泵送离开发动机时，润滑系统提供了某些冷却功能。然而，用于机动车辆的这些冷却需求中的大部分是通过空气通过发动机室流动和穿过散热器来实现的。围绕动力设备流动的冷却剂从发电机中吸走热量，随后这些热量通过车辆散热器被消散。在机动车辆中，发动机室被设计用来允许周围的空气流过该室并且经过散热器。在大多数车辆中，提供了一种冷却风扇从而使穿过散热器的空气流增加。在某些车辆设置中，该风扇由独立于车辆发动机的一台电动机来驱动。对于较小的乘用车来说，这种电动机的方式可以满足用于车辆的冷却需要。然而，与乘用车不同，重型卡车和其他商用车辆典型地不能使用电动机来驱动冷却风扇。对于这种类型的典型车辆来说，冷却风扇将需要大量的来自发动机的马力以将它冷却，这转变成不合理的高的电功率需求。

范围广泛的技术可供用于将来自发动机的动力传输至这些旋转的冷却风扇上。这些技术包括开/关离合器以及粘性风扇驱动。在每一情况中，一种连续的皮带被用来将来自车辆发动机的旋转能量传输到冷却风扇或者风扇驱动系统上。CVT型系统还没有广泛应用在辅件驱动系统中。

理想的是，传输驱动组件只将该冷却风扇转动到对于维持最佳的发动机温度有必要的快速度上。对冷却风扇的速度进行控制保存了动力并且提高了发动机的整体效率。此外，该传输驱动组件应该在较低的发动机速度下比在较高的发动机速度下具有使风扇转动更快(即处于较高的皮带轮驱动比)的能力，因为对发动机来说在低速和高扭矩的运行过程中用于发动机的这些冷却要求会更大。

因此，本发明的一个目的是提供一种改进的机构用于调整用于车辆冷却系统(具体是一种辅件驱动系统)的冷却风扇的速度。本发明的另一个目的是提供一种改进的连续可变的皮带驱动系统以便用作一种辅件驱动冷却系统。

发明内容

本发明提供了一种连续可变皮带皮带轮传输系统，这种传输系统解决了CVT型系统的现有缺陷，特别是当CVT型系统与辅件驱动系统一起使用时的缺陷。这种连续可变皮带驱动系统包括一个驱动皮带轮组件以及一个从动皮带轮组件，其中在它们之间具有一个传输旋转运动的连续的皮带。这些皮带轮各自由前部槽轮和后部槽轮形成，这些槽轮限定了相反的多个圆锥形表面。这些皮带轮之间的驱动比由这些槽轮的圆锥形表面之间的V形皮带的位置所确定。

一种直接的电子致动机构被用于控制该皮带轮传输组件上的比率改变。一台被整合的步进电机被用作该机构的原动机。一种差动式行星辊式丝杠机构将来自步进电机的旋转运动转换成用于致动该槽轮位置的轴向运动。

该步进电机优选地使用一个永磁转子构件。这就消除了将电力传输到多个旋转部件上的要求。该步进电机还易于封装在该从动槽轮之后，这使得该组件的轴向长度最小化。如果失去电力，该步进电机还将转子保持在一个固定的位置中。

从如通过附图所展示的以及当根据所附权利要求做出解释时的本发明的以下书面说明中可以容易地看清楚本发明的这些和其他目的连同优点。

附图说明

图1是一台发动机、变速器和冷却系统的示意性表示。

图2是利用连续皮带和旋转皮带轮的一种类型的传输驱动组件的示意性表示。

图3A和图3B是根据本发明的实施方案的一种连续可变皮带驱动系统的透视图和局部截面图。

图4展示了根据本发明的实施方案的多个电枢磁极。

图5和图5A展示了根据本发明的实施方案的一台步进电机的转子。

图6展示了在本发明的实施方案中使用的一个位置控制螺母。

图7展示了在本发明的实施方案中使用的一个行星辊式丝杠构件。

具体实施方式

为了促进和理解本发明的原理的目的，现在将参见在图中所展示的这些实施方案并且将使用特定的语言对它们进行说明。尽管如此，应理解在此并不旨在限制本发明的范围。本发明包括在所展示的装置和所说明的方法中以及本发明的原理的进一步应用中的任何替代方案以及其他修改，这些将是在本发明所涉及的领域中的普通技术人员通常会想到的。

本发明涉及一种连续可变皮带驱动系统、或传输驱动组件，具体地适合在机动车辆中用于驱动辅件装置。当然，本发明的原理可以用于希望连续或无限可变速度比率的多种应用之中。

总而言之，本发明提供了一种结合了机械张力调整特征的驱动构件组件，以便在由该驱动皮带轮的这些旋转槽轮驱动的V形皮带上保持适当的张力。连续可变的变速器系统通常利用一种具有V形截面的连续皮带。该皮带被配置为接合多个相对的皮带轮槽轮的圆锥形摩擦表面。CVT系统的连续可变特征是通过改变特定皮带轮的这些槽轮之间的距离来实现的。

当这些槽轮被移动分开时，该V形皮带径向地向内移动到一个较低的旋转半径或节距处。当这些槽轮被移动到一起时，这些圆锥形表面将V形皮带径向地向外推动，这样使该皮带跨在较大的直径上。有时该典型的CVT系统被称为一种“无限可变的变速器”，因为该V带可以被定位在无限范围的半径处，该半径取决于这些圆锥形皮带轮槽轮之间的距离。当一种连续可变皮带驱动系统与一个冷却风扇一起使用时，可以使该冷却风扇的速度等同于发动机所需要的或所要求的冷却量。

在一个典型的车辆设置中，无论是在公路上还是在非公路上，该冷却风扇都是由车辆发动机来驱动。在图1所示出的一个典型的设置中，一台发动机10还被连接到一个传输驱动组件15上。组件15直接将动力提供给一个冷却风扇16，该冷却风扇被典型地定位在车辆散热器17附近。图1还描绘了被用来驱动车辆的这些车轮14的一种变速器机构12。

图2示出了用于移动多个皮带轮槽轮并且改变驱动比的一个CVT型皮带轮系统。一般而言，传输驱动组件15包括一个驱动构件组件20和一个从动构件组件22，该驱动构件组件被连接到一个旋转动力源上，如一台内燃发动机10，而该从动构件组件被连接到一个从动装置上，如与该车辆相关联的一个辅助装置。根据本发明的一个优选的用途，从动构件组件22被连接到一个冷却风扇16上从而形成发动机的冷却系统的一部分。一个连续的皮带24被连接在驱动构件组件20的皮带轮与从动构件组件22的皮带轮之间。该皮带优选地呈V形并且可以用多种已知的构造型和材料来制成。皮带24是通过与驱动构件组件的皮带轮摩擦接触而被驱动的。同样地，该从动构件组件是通过与该旋转皮带的摩擦接触而被推动的。

驱动构件组件20包括一个驱动轴26，该驱动轴可以被配置为安装到发动机10的驱动轴上或者由车辆发动机驱动的一个辅助轴或PTO(动力输出)轴上。从动构件组件22可以包括一个安装构件44，发动机冷却风扇16被连接到该安装构件上。

驱动构件组件20包括具有一个圆锥形皮带接合表面29的一个后部槽轮28、以及具有一个圆锥形皮带接合表面31的一个前部槽轮30。如本领域内众所周知的，这两个槽轮28和30结合形成了用于驱动连续皮带24的一个皮带轮。皮带的V形与相对的圆锥形表面29和31相符合，从而在驱动构件组件20的旋转过程中提供牢固的摩擦接触。

如在CVT领域按照惯例已知，该驱动构件组件可以包括一个张紧皮带的机构32。这就保持了适当的皮带张力并且确保在这两个皮带轮之间的旋转运动的充分传输。它还可以消除与松弛或磨损的皮带相关的皮带尖叫声。

还有可能允许驱动构件组件或从动构件之一或二者沿着其相关联的轴而轴向滑动。这可以用如今已知的这些常规方法中任何一种来实现。改变驱动构件组件与从动构件组件之间的皮带轮比值可以导致该皮带的中心线相对于该驱动轴而轴向地移动。这可以使皮带在这两个皮带轮之间发生偏斜并且增加皮带磨损从而增加皮带断裂的风险。允许这些皮带轮组件之一或二者轴向滑动保持了它们之间适当的对齐。

连续可变驱动组件15的一个第二部件是从动构件组件22。组件22可以通过壳体74上的一个安装凸缘38而被固定到车辆上，如固定到发动机上。从动构件组件22还通过一个后部槽轮40与一个前部槽轮42的组合来限定一个旋转皮带轮。如同对于该驱动构件组件，这两个从动槽轮40和42分别限制了圆锥形接合表面41和43。风扇安装构件44被附接到前部槽轮42上，这样这些皮带轮槽轮的旋转引起风扇安装构件44的旋转，并且进而引起被连接到安装构件44上的风扇16的旋转。

在图3至图7中示出了本发明的一个优选实施方案。组件50的连续可变比值特征是通过被整合在一个从动构件组件中的一个比值调整机构或系统52来实现的。一般来说，该调整机构调整后部槽轮54相对于前部槽轮56的位置以便增加或减少这两个槽轮之间的间隙。如以上解释的，将这两个槽轮移动到一起导致V带被迫径向地向外移动到一个较大的从动半径上。相似地，将这两个槽轮移动分开导致该皮带更深地落入该皮带轮槽中，并且因此以一个较小的从动半径运转。

一个风扇构件16或风扇构件组件被安装到前部槽轮56上，这样这些皮带轮槽轮的旋转导致该风扇构件的旋转。为此目的，在前部槽轮56的前表面上提供了多个安装孔57。

关于这一点，优选的是使调整机构52与该从动皮带轮相关联，而不是与该驱动(或传动)皮带轮相关联。然而，一个类似机构可以被整合在该驱动构件组件中，或者当希望时被整合在该驱动和从动组件两者中。

这两个槽轮54和56被安装在一个中央转轴或轴构件60上。前部槽轮56被固定地紧固到轴或转轴60上，而后部槽轮54被滑动地定位在转轴构件60上。该后部槽轮被典型地用花键连接到这个轴上。在这些图中，在转轴构件60中还示出了一个中央孔62，孔62可以被提供为用来减少组件50的重量；孔62还可以被用来协助将一个风扇构件或风扇构件组件安装到前部槽轮56上。转轴60通过一个支撑组64被旋转地安装到安装壳体38上。

图3至图7所示的实施方案具有一个原动机，该原动机包括被整合在从动槽轮组件安装壳体74中的一台步进电机70。步进电机70具有被直接附接到安装壳体74上的一个电枢72。电枢72包括一对线圈73A、73B，这对线圈可以按单极性或双极性配置来进行布线。所示的实施方案中的步进电机具有一种叠罐式(can-stack)设计，其中这些电枢磁极76和磁路径被构造为具有四个互相重叠的冲压件。该步进电机还包括一个转子构件80，该转子构件包括环圆周地被附接到一个花键转子内芯86上的交替的多个北极磁铁82和南极磁铁84。该转子组件还具有使磁回路的路径完整的一个通量环91(请见图5A)。该转子组件由一对耐磨环90在轴向上与静止壳体隔离并且被一个夹持板92紧固在位。

当该转子组件转动时，它通过一个花键界面102而将旋转运动转移到位置控制螺母构件100上。位置控制螺母构件100具有一连串的行星螺纹辊式丝杠110，这些丝杠在内部滚动并且通过多个隔离环114和多个卡扣环115而被保持在径向位置中。这些环114将这些滚柱丝杠110保持对齐。

当位置控制螺母构件100旋转时，它通过这些行星辊式丝杠构件110而沿着一个螺纹套管构件130平移。位置控制螺母构件100通过这些辊式推力轴承140而在后部槽轮54上推进并且将后部槽轮54定位从而改变驱动比。

后部槽轮54另外结合了前部引导环150A和后部引导环150B，这些引导环通过一种紧密运行的装配而与花键轴60同中心地配合以使槽轮的摆动最小化。

风扇速度是使用一种齿轮感应的霍尔效应装置(HED)160来测量的，当铁的速度感应齿轮162的这些齿经过时该霍尔效应装置感测磁场中的变化。槽轮原始位置是通过一个第二标准霍尔效应装置164和一个被附接到位置控制螺母壳体100上的小磁铁166来感测的。带有一个控制器步进电机驱动器的印刷电路板163被提供在壳体74内部的空腔165中。

本发明提供了一种直接电子致动机构用于控制在一个连续驱动的皮带驱动系统上的比值变化。驱动比是由具有一个固定安装基座的输出槽轮来控制的。此外，该电子致动系统是以一种对大多数应用来说都实用的方式进行封装的。通过使用一个被整合的步进电机作为该机构的原动机，并且因为该步进电机使用一个永磁转子，不需要将电力传输到任何旋转部件上。另外，该步进电机容易被封装在从动槽轮50之后以使该从动槽轮组件的轴向长度最小化。当失去电力时，该步进原动机还允许转子仍保持在一个固定的位置中。

本发明还具有一种有效的动力传输。该步进电机提供一种高扭矩的旋转动力源，该动力源被转变成用来启动这些槽轮的线性运动。该行星辊式丝杠机构将来自步进电机的旋转运动转换成轴向运动用于致动槽轮位置。这提供了一种有效的运动改变机构。通过该行星辊式丝杠机构，存在极少的或没有滑动摩擦，而只有滚动接触。这提供了在百分之九十级别上的效率。这个提高的效率允许将该步进电机的尺寸以及用于一个给定槽轮力比率的变化率的电流消耗最小化。其结果是，用于给定的性能要求，该致动器的成本和尺寸被最小化。

例如，根据本发明的旋转转子丝杠机构提供了与再循环式滚珠丝杠设计相比的多个显著优点。这种辊式丝杠设计在螺母与丝杠之间提供了多个接触点，与滚珠丝杠设计中的点接触相比这提供了更高的负荷承载能力。此外，这种辊式丝杠机构允许螺母超过该丝杠的末端而无不利影响，而在滚珠丝杠设计中如果螺母超过该丝杠的末端，这些滚珠则可能从螺母中掉出。

虽然结合不同实施方案说明了本发明，但应理解，本发明并不限于这些实施方案。相反，本发明覆盖可以包括在所附权利要求的精神与范围之内的所有替代方案、改进、以及等效物。

Claims (8)

1.一种可变比率驱动系统，该系统可连接在一个旋转运动源与一个从动装置之间，所述系统包括：

(a)一个驱动构件，该驱动构件具有一个第一旋转轴，该第一旋转轴可连接到该旋转运动源上用于围绕一条驱动轴线旋转；

(b)一个从动构件，该从动构件可连接到所述驱动构件上；

(c)一个皮带构件，该皮带构件被连接在所述驱动构件与所述从动构件之间并且是可操作的以便在两者之间传输旋转运动；

(d)所述从动构件包括一个第一槽轮构件和一个第二槽轮构件，每个槽轮构件具有被配置为用来与所述皮带构件摩擦接合的一个圆锥形表面，所述第一槽轮构件被连接到一个第二旋转轴上，并且所述第二槽轮构件被滑动地定位在所述第二旋转轴上；以及

(e)一个槽轮致动系统，该槽轮致动系统用于滑动地改变所述第二槽轮构件在所述第二旋转轴上的位置；

(f)所述槽轮致动系统包括一个步进电机和一个行星辊式丝杠机构。

2.如权利要求1所述的可变比率驱动系统，进一步包括被附接到所述第一槽轮构件上并且可随其旋转的一个辅件构件。

3.如权利要求2所述的可变比率驱动系统，其中所述辅件构件包括一个风扇构件。

4.如权利要求1所述的可变比率驱动系统，其中所述槽轮致动系统进一步包括一个永磁转子构件。

5.一种用于改变车辆的冷却风扇构件的驱动运动的连续可变皮带驱动系统，所述驱动系统包括：

(a)一个驱动构件组件，该驱动构件组件包括一个第一组皮带轮槽轮构件，该组皮带轮槽轮构件被可旋转地连接到车辆的一个旋转运动源上；

(b)一个从动构件组件，该从动构件组件包括被可旋转地连接到一个轴构件上的一个第二组皮带轮槽轮构件；

(c)一个皮带构件，该皮带构件将所述从动构件与驱动构件连接在一起，以便将所述第一组皮带轮槽轮构件的旋转运动传输到所述第二组皮带轮槽轮构件上；

(d)所述第二组皮带轮槽轮构件包括被附接到一个轴构件上的一个前部槽轮构件以及被滑动地定位在所述轴构件上的一个后部槽轮构件；

(e)一个风扇构件，该风扇构件被连接到所述前部槽轮构件上并且可随其旋转；以及

(f)一个致动系统，该致动系统用于改变所述后部槽轮构件在所述轴构件上的位置；

(g)所述致动系统包括一台步进电机和一个行星辊式丝杠机构。

6.如权利要求5所述的连续可变皮带驱动系统，其中所述致动系统进一步包括一个永磁转子构件。

7.一种用于改变皮带轮槽轮构件在轴构件上的位置的致动系统，所述致动系统包括一台步进电机和一个行星辊式丝杠构件。

8.如权利要求7所述的致动系统，进一步包括一个永磁转子构件。

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