CN102192299A

CN102192299A - 超环面无级变速系统

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Publication number: CN102192299A
Application number: CN2010101282825A
Authority: CN
Inventors: 江从寿; 陈汉雄; 刘贻樟
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2030-03-19
Also published as: CN102192299B

Abstract

一种超环面无级变速系统，该系统由超环面无级变速装置和控制系统所组成。所述超环面无级变速装置由输入轴(11)、左边输入轮盘(12)、右边输入轮盘(17)、左边输出轮盘(14)、右边输出轮盘(16)、中间滚轮机构(13)、主动输出齿轮(15)、被动输出齿轮(18)、输出轴(19)所组成。四组中间滚轮机构同步连续改变工作角度，使得输入、输出轮盘的有效工作半径连续变化，达到平滑无级改变传动比的目的。所述超环面无级变速控制系统的电子控制器根据输入的驾驶员指令和系统本身的状态来确定最佳传动比，一旦最佳传动比确定，控制器即指使执行器实现该传动比。本发明适用于需要无级变速的类似动力变速箱系统。

Description

超环面无级变速系统

技术领域

本发明涉及无级变速系统的机械结构和控制，属动力机械技术汽车制造领域。

背景技术

无限变速的机械无级变速器，简称IVT，首先由英国的Torotrak公司开发并注册专利，只是业界一直将它视为CVT，直至2003年3月在美国底特律举行的SAE(汽车工程师学会)年会上才将它单独分类。

日本NSK等公司在上述原理基础上发展了一种被称为Half Toroidal CVT的自动变速装置，其典型结构如图1所示。

图1中轮盘(3)、(5)、(7)、(8)具有超环面的工作表面。输入轮盘(3)和(8)通过花键安装在轴1上，与输入轴一起转动。输出轮盘(5)和(7)空套在轴(1)上，可以自由转动。输出动力通过主动输出齿轮(6)和被动输出齿轮(9)传递到输出轴(10)输出。

轴向推力端面凸轮(2)空套在轴1上，输入动力通过轴向推力端面凸轮(2)输入，并带动左边及右边输入轮盘(3)、(8)转动，与此同时产生与所传递的输入扭矩成正比的轴向推力，将左边输入轮盘(3)向右推动，产生传动所需要的接触面压力。

中间滚轮机构(4)一共有四个(或者更多)。这四个中间滚轮机构的工作姿态角度可以同步连续变化(沿图纸平面顺时针或逆时针转动一定角度)，从而改变输入、输出轮盘(3)、(8)、(5)、(7)的有效工作半径，达到连续无级改变传动比的目的。

这种结构输入轮盘(3)和(8)的转动方向与输出轮盘(5)和(7)的转动方向相反，使得输出轮盘(5)和(7)相对於轴(1)的转动转速倍增，从而使得在轴(1)上支撑输出轮盘(5)和(7)的轴承将承受很高的工作转速(在汽车变速中最高达可能到20000-30000转/分)。中间滚轮机构(4)中的轴承是端面推力轴承，中间滚轮机构的工作转速最高可能达到12000转/分以上，推力轴承承受高转速的能力较差。对于能够满足上述工作条件的轴承的要求非常高，工作寿命有限。

其次，产生扭矩传递所需要的工作面接触压力通过轴向推力端面凸轮机构产生，其缺点在于：

1、这样所产生的工作面接触压力，与输入扭矩成正比。由于输入、输出轮盘(3)、(8)、(5)、(7)的工作半径以及接触角度是不断变化的，在同样输入扭矩下所需要的轴向推力并不是完全一致的。为了保证工作的可靠性，设计成对于最危险的工作状态下的安全轴向推力，势必在其他工作状态下会产生超过需要的轴向推力，造成零部件过度载荷和消耗更多的无效功率；

2、为了使轴向推力传递到所有超环面轮盘(3)、(5)、(7)、(8)的工作表面，中间滚轮机构的姿态角度回转轴(垂直于图面)应当是浮动的，这样会增加结构设计的复杂性。

公开号CN1371454公开了一种无级变速系统，它包括：一个无级变速器，其具有两个成套带轮，它们每个分别带有两个圆盘，以确定出一个V形槽，无级变速器还具有用于改变上述槽的宽度的驱动装置和一条在槽中延伸于上述成套带轮之间的传动带，以及一个连接着上述成套带轮之一的轴的正反向控制器和一个连接着上述正反向控制器的离合器，上述成套带轮、正反向控制器和离合器分别配备有一个相应的致动器。但该种无级变速系统是通过传动带与带轮的结合来改变速度。

发明内容

本发明的目的是针对上述专利技术的不足，揭示一种新型超环面无级变速装置，并给出了具体的控制策略。这种新型超环面无级变速装置结构如图3所示。

本发明的技术方案是，将Half Toroidal CVT的自动变速装置中的轴向推力端面凸轮结构用输入轮盘直接连接在输入轴的结构所代替，并通过控制系统精密控制滚轮机构的角度，从而实现超环面无级变速。

本发明超环面无级变速装置结构如图3所示，所述超环面无级变速装置结构由输入轴(11)、左边输入轮盘(12)、右边输入轮盘(17)、左边输出轮盘(14)、右边输出轮盘(16)、中间滚轮机构(13)、主动输出齿轮(15)、被动输出齿轮(18)、输出轴(19)所组成。

左边输入轮盘(12)和右边输入轮盘(17)通过花键固定连接在输入轴(11)上，中间滚轮机构(13)的滚轮回转轴线方向与上述结构滚轮回转轴线方向成90度。总共有四个结构相同的中间滚轮机构(13)，根据需要还可以设置四个以上偶数个结构相同的中间滚轮机构。

中间滚轮机构(13)的结构如图4所示。中间滚轮机构由双头螺杆(20)；左边螺母(21)；左边滚轮(22)；中间滚轮轴承支架(23)；滚动轴承(24)；右边滚轮(25)；端面止推轴承(26)；右边螺母(27)；蝶形弹簧(28)所组成。

左边滚轮(22)和右边滚轮(25)通过轴承(24)支撑在中间滚轮轴承支架(23)的圆柱孔内可以自由转动和轴向移动。在左右滚轮(22)和(25)的上分别固定有左边螺母(21)和右边螺母(27)，它们是通过花键固定在左边滚轮(22)和右边滚轮(25)的花键空内。双头螺杆(20)的两端具有螺旋方向相反，螺距相等的外螺纹，与左右两个螺母(21)和(27)相配合。

中间滚轮轴承支架(23)的结构如图5所示，它具有两个同轴线的耳轴(29)，耳轴(29)支撑在变速装置的壳体上，中间滚轮轴承支架(23)可以绕耳轴(29)转动，从而改变中间滚轮机构的工作姿态角度。四组(或更多组)中间滚轮机构(13)同步连续改变工作姿态角度(沿图纸平面顺时针或逆时针转动一定角度，即围绕中间滚轮轴承支架(23)的耳轴转动一定角度)，使得输入、输出轮盘(12)、(17)和(14)、(16)的有效工作半径连续变化，达到平滑无级改变传动比的目的。

这种新型超环面无级变速装置中，滚轮机构角度的变化直接影响到无级变速装置输出轴速度的变化，因此滚轮机构角度的精密控制十分重要，必须通过一套控制系统来控制滚轮机构角度变化，本发明采用的控制系统如图6所示。它是通过控制系统里的电子控制器(620)来完成。电子控制器包括单片机及数字和模拟电子电路，其功能包括信号处理、故障诊断、故障处理、最优变比决策和驱动器控制等。电子控制器根据输入的驾驶员指令和系统本身的状态来确定最佳传动比，一旦最佳传动比得到确定，控制器即指使执行器实现该传动比。在动力传动过程中，中间转盘被夹在输入轮盘和输出轮盘之间承受传递力矩的角色，滚轮机构在传动过程中要通过改变角度来实现传动机构传动比的变化，因此对于它的控制必须要通过精密的控制机构来实现。

最优变比是根据驾驶员的输入(210)、本身系统的输入(220)来确定。驾驶员的输入(210)包括油门踏板信号、刹车信号、方向盘转角信号等。本身系统的输入(220)包括输入轴转速、输出轴转速、中间转盘位置、油温、油压、滚轮位置、输入轮盘位置等。如果采用电机作为动力源驱动，电动机的转速及电流等信号也被用来作为输入来优化传动比的选择以使整个系统处于最佳状态。

本发明的控制系统采用了前馈加传统PID，另加滑模控制的电子控制器而实现驱动器对滚轮位置的准确控制和稳定运行。

滑模控制也称变结构控制，是一类特殊的非线性控制，且非线性表现为控制的不连续性，这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定，而是可以在动态过程中，根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动.由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关，这就使得滑模控制具有快速响应、对应参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点。

本发明滑模变结构控制是根据系统所期望的动态特性来设计系统的切换超平面，通过滑动模态控制器使系统状态从超平面之外向切换超平面收束。系统一旦到达切换超平面，控制作用将保证系统沿切换超平面到达系统原点。本发明控制系统采用前馈加PID控制加滑模控制，对于系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，可以达到系统结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便的效果。

本发明与现有技术比较的有益效果是，本发明新型超环面无级变速装置克服了Half Toroidal CVT的自动变速装置中产生扭矩传递所需要的工作面接触压力是通过轴向推力端面凸轮机构的缺点，采用输入轮盘直接连接在输入轴的结构，并通过控制系统精确控制滚轮机构角度，从而实现无级变速并获得传动机构的最佳传动比，使传动系统处于最佳工作状态。

本发明适用于需要无级变速的类似动力变速箱系统。

附图说明

图1是Hailf Toroidal CVT结构示意图

其中：(1)轴；(2)轴向推力端面凸轮；(3)左边输入轮盘；(4)中间滚轮机构；(5)左边输出轮盘；(6)主动输出齿轮；(7)、右边输出轮盘；(8)右边输入轮盘；(9)被动输出齿轮；(10)输出轴。

图2为超环面无级变速控制系统及执行机构框图

其中：(210)为驾驶员输入信号总线；(220)为系统信号输入总线；(230)为通讯总线；(240)为超环面无级变速系统控制器；(250)为控制器驱动总线；(260)为超环面无级变速系统的超环面无级变速机械装置；(270)为超环面无级变速机械装置的反馈总线。

图3为本发明的新型超环面无级变速结构原理图

其中(11)输入轴；(12)左边输入轮盘；(13)中间滚轮机构；(14)左边输出轮盘；(15)主动输出齿轮；(16)右边输出轮盘；(17)右边输入轮盘；(18)被动输出齿轮；(19)输出轴。

图4为中间滚轮机构(13)结构图

其中(20)双头螺杆；(21)左边螺母；(22)左边滚轮；(23)中间滚轮轴承支架；(24)滚动轴承；(25)右边滚轮；(26)端面止推轴承；(27)右边螺母；(28)蝶形弹簧；

图5为中间滚轮轴承支架(23)

其中：(29)耳轴；

图6为控制框图

其中：(610)为电源供给；(240)为电子控制器；(630)为动力执行装置；(260)为新型超环面无级变速装置；(650)为动力执行装置的驱动器。

具体实施方式

本发明新型超环面无级变速装置实施方式如图3所示。

来自发动机或电动机的力矩带动输入轮盘(12)的回转运动，传递到左边滚轮(22)上，左边滚轮(22)的扭矩又是通过双头螺杆传递到右边滚轮(25)上，在左右滚轮(22)和(25)之间扭矩传递的同时，通过双头螺杆(20)的作用产生轴向推力，将左右两个滚轮(22)和(25)推向两边，使得左右滚轮(22)和(25)与输入、输出轮盘(12)和(14)的工作表面相互紧贴，合理设计双头螺杆的螺距，使之自动产生传动所需要的接触压力。蝶形弹簧(28)的作用也是将左右两个滚轮(22)和(25)推向两边，使之与输入轮盘(12)、输出轮盘(14)的工作表面产生初始的接触压力。端面推力轴承(26)，是用来减轻左右两边滚轮(22)和(25)之间相对转动的摩擦阻力。

输出轮盘(14)和(16)，与主动输出齿轮(15)连成一体，空套在输入轴(11)上可以自由转动。主动输出齿轮(15)与被动输出齿轮(18)相啮合，将输出扭矩传递到输出轴(19)。

这种结构使得输入轮盘(12)、(17)与输出轮盘(14)、(16)的转动方向相同，从而输出轮盘(14)和(16)及主动输出齿轮(15)相对于输入轴(11)转动转速等于输入轴(11)转速与输出轮盘(14)和(16)的转速之差，相对转速大大降低，从而降低了对轴承的要求，延长了轴承的寿命，降低了无效功率的损失。

滚轮机构的工作轴承(24)是径向回转轴承，可以承受更大的径向负荷和回转速度。

由于中间滚轮机构(13)在中间滚轮支架(23)的圆柱孔内沿轴线方向可以自由移动，使得中间滚轮支架(23)的耳轴位置可以固定不变(不需要浮动)，就能满足所有工作表面均有理想的接触压力。正确设计双头螺杆20的左右螺旋螺距，以保证接触压力始终与中间滚轮(22)和(25)之间所传递的扭矩成正比，并符合传动所需要接触压力大小。由于中间滚轮(22)和(25)的工作半径和接触角度是固定不变的(相对于中间滚轮回转轴线)，即所产生的推力与所需要的工作面接触压力始终是相吻合的，不会产生过度压力的现象，结构更加简单。

通过同时控制中间4个滚轮机构(13)的角度就可无级地改变输入轴和输出轴之间的传动比。为简化系统和降低成本，只用一个动力执行器来同时驱动所有的滚轮机构的角度。所有的滚轮机构都由一个同步机构将它们连在一起，所以每个滚轮机构所旋转的角度是一致的。如图6所示的动力执行器(630)可以用电动机，也可以用液压泵。当用电动机动力执行器时，控制电动机的旋转方向及速度即可改变滚轮机构(13)的角度从而达到改变传动比的目的。当用液压装置时，通过电池阀控制液压泵的运动方向和速度同样可改变滚轮机构(13)的角度从而达到改变传动比的目的。

滚轮机构角度的精密控制是通过控制系统的电子控制器(620)来完成。电子控制器包括信号处理、故障诊断、故障处理、最优变比决策和驱动器控制等主要部分。电子控制器根据输入的驾驶员指令和系统本身的状态来确定最佳传动比。一旦最佳传动比得到确定，控制器即指使执行器实现该传动比。在动力传动过程中，中间转盘被夹在输入轮盘和输出轮盘之间承受传递力矩的角色，为了驱动器控制准确和稳定，本发明采用前馈加传统PID，另加滑模控制而得到了很好的效果。

最优变比的决策是根据驾驶员的输入(210)、本身系统的输入(220)来确定。驾驶员的输入(210)包括油门踏板信号、刹车信号、方向盘转角信号等。本身系统的输入(220)包括输入轴转速、输出轴转速、中间转盘位置，如果采用电机作为动力源驱动，电动机的转速及电流等信号也被用来作为输入来优化传动比的选择以使整个系统处于最佳状态。

Claims

1.一种超环面无级变速系统，其特征在于，所述系统由超环面无级变速装置和控制该装置滚轮机构角度变化的控制系统所组成。

2.根据权利要求1所述的超环面无级变速系统，其特征在于，所述超环面无级变速装置由输入轴(11)、左边输入轮盘(12)、右边输入轮盘(17)、左边输出轮盘(14)、右边输出轮盘(16)、中间滚轮机构(13)、主动输出齿轮(15)、被动输出齿轮(18)、输出轴(19)所组成；

所述装置左边输入轮盘(12)和右边输入轮盘(17)通过花键固定连接在输入轴(11)上；中间滚轮机构(13)的滚轮回转轴线方向与上述结构滚轮回转轴线方向成90度；所述装置共有四个结构相同的中间滚轮机构(13)。

3.根据权利要求1所述的超环面无级变速系统，其特征在于，所述超环面无级变速控制系统的电子控制器根据输入的驾驶员指令和系统本身的状态来确定最佳传动比，一旦最佳传动比得到确定，控制器即指使执行器实现该传动比。

4.根据权利要求1所述的超环面无级变速系统，其特征在于，所述驾驶员的输入(210)包括油门踏板信号、刹车信号、方向盘转角信号等；本身系统的输入(220)包括输入轴转速、输出轴转速、中间转盘位置、如果采用电机作为动力源驱动，电动机的转速及电流等信号也被用来作为输入来优化传动比的选择以使整个系统处于最佳状态。

5.根据权利要求2所述的超环面无级变速系统，其特征在于，所述中间滚轮机构(12)由双头螺杆(20)、左边螺母(21)、左边滚轮(22)、中间滚轮轴承支架(23)、滚动轴承(24)、右边滚轮(25)、端面止推轴承(26)、右边螺母(27)和蝶形弹簧(28)所组成；左边滚轮(22)和右边滚轮(25)通过轴承(24)支撑在中间滚轮轴承支架(23)的圆柱孔内可以自由转动和轴向移动；在左右滚轮(22)和(25)的上分别固定有左边螺母(21)和右边螺母(27)，它们是通过花键固定在左边滚轮(22)和右边滚轮(25)的花键空内；双头螺杆(20)的两端具有螺旋方向相反，螺距相等的外螺纹，与左右两个螺母(21)和(27)相配合；中间滚轮轴承支架(23)可以绕耳轴(29)转动，从而改变中间滚轮机构的工作姿态角度；四组中间滚轮机构(13)同步连续改变工作姿态角度，使得输入、输出轮盘(12)、(17)和(14)、(16)的有效工作半径连续变化，达到平滑无级改变传动比。

6.根据权利要求1所述的超环面无级变速系统，其特征包含了一个采用了前馈加传统PID，另加滑模控制的电子控制器而实现驱动器对滚轮位置的准确控制和稳定运行。