CN102213297A - 管状齿轮变速器 - Google Patents

Abstract

本发明管状齿轮变速器属于变速器，至少包含两个主轴(2)，每个主轴(2)上都有与其同步旋转的一个固定齿轮(3)和包含直径不等的呈中空的管状结构的齿轮的齿轮族(4)，每个主轴(2)上只有一个齿轮参与啮合，齿轮族(4)中参与啮合的齿轮以及直径比之更小的齿轮与其主轴(2)紧固连接，各个主轴(2)上不同的齿轮参与啮合，变速器处于不同的档位。本发明管状齿轮变速器使得变速器中的齿轮具有较小的重量和体积，同时可以减少变速器的无效摩擦，降低变速器的噪音，能够以较低的制造成本实现手动变速、电动变速、自动变速一体化，可以广泛应用于各种机动车、自行车和机械设备上。

Description

管状齿轮变速器

技术领域

本发明管状齿轮变速器属于变速器。

背景技术

现行的定轴齿轮变速器内有多个传动比不同的齿轮组，齿轮组中的齿轮相互啮合，不同的齿轮组工作传递扭矩，变速器处于不同的档位，不参加工作的齿轮或者随其主轴转动，或者相对于其主轴转动，不仅增加了变速器的体积和重量，而且降低了变速器的机械效率，增加了变速器的噪音。行星齿轮变速器通过使不同的制动器处于制动状态或非制动状态来实现换档，变速器内的多个制动器占了变速器的较大部分的体积和重量，而且处于非制动状态的制动器内的摩擦片之间相互摩擦，降低了变速器的机械效率，增加了变速器的噪音。现行的链轮式自行车变速器，由于其结构特点，链轮和链条都没有封闭而暴露在外面，由于环境原因，增加了链轮和链条的磨损，也容易弄脏骑行者的衣裤，携带装有这样的变速器的折叠自行车上公共交通工具，也容易弄脏乘客的衣裤。

发明内容

本发明管状齿轮变速器的目的在于，减少变速器齿轮的重量和体积，减少变速器的无效摩擦，降低变速器的噪音。

本发明管状齿轮变速器，至少包含两个主轴(2)，各个主轴(2)支撑在变速箱壳体(1)上，采用齿轮啮合的方式传动，其特征是：每一个主轴(2)上都有一个固定在该主轴(2)上的固定齿轮(3)和包含直径不等的呈中空的管状结构的齿轮的齿轮族(4)，该齿轮族(4)中的齿轮按直径从小到大的顺序依次套在直径相对较小的齿轮上，直径最小的齿轮套在该固定齿轮(3)上，齿轮族(4)中的每一个齿轮以及对应的固定齿轮(3)都只在相同的一端有一个啮合区，利用该啮合区能够与其它主轴(2)上的对应齿轮啮合，齿轮族(4)中的每一个齿轮以及对应的固定齿轮(3)均具有特定的机械结构，彼此之间相互锁定绕其所在主轴(2)的相对旋转位移，而与其所在主轴(2)同步旋转，齿轮族(4)中的每一个齿轮在沿其所在主轴(2)的轴线方向上有两个特定的稳定位置，一个是靠近固定齿轮啮合区的位置，一个是远离固定齿轮啮合区的位置。变速器在传递扭矩时，每一个主轴(2)上只有一个齿轮与其它主轴(2)上对应的齿轮相互啮合，每一个齿轮族(4)中参与啮合的齿轮以及直径比之更小的齿轮均处于靠近固定齿轮啮合区的位置，与其所在主轴(2)紧固连接，其余直径较大的齿轮均处于远离固定齿轮啮合区的位置。通过控制齿轮族(4)中各个齿轮所处的位置，使得变速器中各个主轴(2)上不同的齿轮与其它主轴(2)上对应的齿轮相互啮合，从而使变速器实现换挡并处于不同的档位。

本发明管状齿轮变速器使得变速器中的齿轮具有较小的重量和体积，同时可以减少变速器的无效摩擦，降低变速器的噪音。本发明管状齿轮变速器能够以较低的制造成本实现手动变速、电动变速、自动变速一体化。

附图说明

附图中所有图形均是根据具有两个主轴(2)的5速变速器绘制的特例示意图。

图1：两轴5速变速器的示意图；

图2：包含齿轮位置控制装置(5)、滑环(6)和电刷(7)的两轴5速变速器的示意图；

图3：主轴(2)、固定齿轮(3)、齿轮族(4)及齿轮位置控制装置(5)的组装示意图，也是图4的D-D剖视图，齿轮族(4)中直径最大的一个齿轮处于远离固定齿轮啮合区的位置，齿轮族(4)中其余直径较小的3个齿轮处于靠近固定齿轮啮合区的位置；

图4：图3的A向视图；

图5：图3中4个推拉盘(19)的A向示意图；

图6：图4的A-A剖视图；

图7：图4的B-B剖视图；

图8：拉力传递组件示意图；

图9：图8的E部放大图；

图10：选档拉线(11)与压力块(12)的组装示意图。

图中：1-变速箱壳体、2-主轴、3-固定齿轮、4-齿轮族、5-齿轮位置控制装置、6-滑环、7-电刷、8-控制线束、9-推拉柱、10-操控拉线、11-选档拉线、12-压力块、13-定位碗、14-定位盘、15-拨盘、16-限位盘、17-拨盘拉线、18-电机、19-推拉盘、20-拨柱、21-拨叉、22-压力环、23-电磁铁、24-弹簧、25-弹性元件、26-止栓、27-拨指。

具体实施方式

例一：

现在以具有两个主轴(2)的5速变速器为例讲一下具体实施方式。

变速器包含两个支撑在变速箱壳体(1)上的主轴(2)，相互位置固定，每一个主轴(2)上都有一个固定在该主轴(2)上的固定齿轮(3)和包含4个直径不等的呈中空的管状结构的齿轮的齿轮族(4)，齿轮族(4)中的每一个齿轮以及对应的固定齿轮(3)都只在相同的一端有一个啮合区，利用该啮合区能够与另一个主轴(2)上的对应齿轮啮合，齿轮族(4)中的每一个齿轮以及对应的固定齿轮(3)均具有特定的机械结构，彼此之间相互锁定绕其所在主轴(2)的相对旋转位移，而与其所在主轴(2)同步旋转，齿轮族(4)中的每一个齿轮在沿其所在主轴(2)的轴线方向上有两个特定的稳定位置，一个是靠近固定齿轮啮合区的位置，一个是远离固定齿轮啮合区的位置。变速器在传递扭矩时，每一个主轴(2)上只有一个齿轮与另一个主轴(2)上的对应齿轮相互啮合，每一个齿轮族(4)中参与啮合的齿轮以及直径比之更小的齿轮均处于靠近固定齿轮啮合区的位置，与其所在主轴(2)紧固连接，其余直径较大的齿轮均处于远离固定齿轮啮合区的位置。在每一个主轴(2)上远离固定齿轮啮合区的轴段上都设有一套齿轮位置控制装置(5)，用来控制该轴上齿轮族(4)中每一个齿轮所处的位置，使得变速器中一个主轴(2)上不同的齿轮与另一个主轴(2)上对应的齿轮相互啮合，从而使变速器实现换挡并处于不同的档位。设在管状齿轮变速器每一个主轴(2)内部的拉力传递组件在做相对旋转运动的操控拉线(10)和主轴(2)上的零部件之间建立起一一对应的拉力和位移传递关联。通过设在主轴(2)上的数个滑环(6)和与之对应的固定在变速箱壳体(1)上的电刷(7)将做相对旋转运动的控制线束(8)和主轴(2)上的导线一一对应连接起来。

每一套齿轮位置控制装置都包含一个定位碗(13)、一个定位盘(14)、一个拨盘(15)、一个限位盘(16)、3个压力块(12)、与压力块(12)组装在一起的一套选档拉线(11)、一套拨盘拉线(17)、一个电机(18)，主轴(2)上齿轮族(4)中的每个齿轮都有与之对应的3个推拉柱(9)、一个推拉盘(19)、装在推拉盘(19)上的3个拨柱(20)、装在拨盘(15)上的3个拨叉(21)、一个压力环(22)、固定在定位盘(14)上的3个电磁铁(23)，在每一个拨叉(21)与拨盘(15)之间设有2个弹簧(24)，其中选档拉线(11)上装有压力块(12)的部分分为3股，在每股的适当位置各固定有一个压力块(12)。

定位碗(13)、定位盘(14)、限位盘(16)固定在其所在的主轴(2)上。

齿轮族(4)中每一个齿轮不含啮合区一端的端面上都装有3个推拉柱(9)，每一个推拉柱(9)上的适当位置都开有双面槽，通过弹性元件(25)的作用，推拉柱(9)与齿轮之间实现双向弹性连接，有利于降低对变速器零部件的尺寸精度要求，并有利于齿轮受力均衡，使得操作顺畅。

推拉盘(19)都呈环形，装在定位碗(13)、定位盘(14)之间的空间里，推拉盘(19)沿其轴线方向的位置被定位碗(13)、定位盘(14)限定，对应于每一个推拉柱(9)，在推拉盘(19)上都开有一段环形通槽，通槽的两侧内壁各有一条螺纹突起，推拉柱(9)上的双面槽卡在这两条螺纹突起上，通过推拉盘(19)通槽两侧内壁上的螺纹突起和对应的推拉柱(9)上的双面槽组成的螺纹副的作用，推拉盘(19)绕其所在主轴(2)在一定范围内做往复旋转运动，使得对应的齿轮族(4)中的齿轮沿其所在主轴(2)在靠近固定齿轮啮合区的位置和远离固定齿轮啮合区的位置之间做轴向移动。在环形推拉盘(19)的内环面和外环面上各均布数个突起，这些突起限定了推拉盘(19)之间绕其所在主轴(2)的相对旋转位移，某一推拉盘(19)绕其所在主轴(2)旋转一定角度，使与其对应的齿轮处于远离固定齿轮啮合区的位置，在这些突起的限定作用下，该推拉盘(19)外侧的所有推拉盘(19)必定处于绕其所在主轴(2)的特定角度位置，使得与该推拉盘(19)外侧的所有推拉盘(19)对应的齿轮均处于远离固定齿轮啮合区的位置，某一推拉盘(19)绕其所在主轴(2)向另一方向旋转一定角度，使与其对应的齿轮处于靠近固定齿轮啮合区的位置，在这些突起的限定作用下，该推拉盘(19)内侧的所有推拉盘(19)必定处于绕其所在主轴的特定角度位置，使得与该推拉盘(19)内侧的所有推拉盘(19)对应的齿轮均处于靠近固定齿轮啮合区的位置。对应于推拉盘(19)上的每一个拨柱(20)，在定位盘(14)上都开有一段适当大小的环形通槽，拨柱(20)在对应的通槽内移动，对应的推拉盘(19)绕其所在主轴(2)做旋转运动。

拨盘(15)装在定位盘(14)外侧的主轴(2)段上，拨盘(15)沿其所在主轴(2)的轴向位置被锁定，被允许在一定范围内绕其所在主轴(2)做往复旋转运动。拨盘拉线(17)连接在拨盘(15)上的适当位置，拨盘拉线(17)上的止栓(26)固定在定位盘(14)上的适当位置，由于定位盘(14)相对于其所在主轴(2)静止，拨盘拉线(17)通过适当的路线进入其所在主轴(2)内部，拨盘拉线(17)可以在两个方向上拉动拨盘(15)做往复转动。电机(18)安装在定位盘(14)上靠近边缘的适当位置，电机(18)的主轴上装有齿轮，该齿轮与拨盘(15)外圆边缘上的齿轮相互啮合，电机(18)的主轴正反向旋转，带动拨盘(15)在一定范围内往复转动。由于定位盘(14)相对于其所在主轴(2)静止，电机导线通过适当的路线进入其所在主轴(2)内部。对应于每一个拨柱(20)，在拨盘(15)上都设一个拨叉(21)，在拨盘(15)与每一个拨叉(21)之间设有2个弹簧(24)，通常情况下，拨叉(21)被弹簧(24)顶起，处于非工作位置，外力作用在拨叉(21)上，压缩弹簧(24)至指定位置，拨叉(21)处于工作位置。每一个拨叉(21)上有两个拨指(27)，拨指(27)有单向性，当拨柱(20)从两个拨指(27)外侧靠近拨指(27)时，拨柱(20)能转动拨指(27)而进入两个拨指(27)之间，当拨柱(20)从两个拨指(27)之间靠近拨指(27)时，拨柱(20)不能转动拨指(27)，拨柱(20)被拨指(27)推动在对应的通槽内运动，带动对应的推拉盘(19)绕其所在主轴(2)旋转。

在限位盘(16)与拨叉(21)之间，对应于每一个推拉盘(19)，均设有一个压力环(22)，这些压力环(22)相对于其所在主轴(2)不做旋转运动，只在一定范围内做轴向移动，通常情况下，压力环(22)被与之对应的处于非工作位置的拨叉(21)顶起，靠近限位盘(16)。在压力环(22)和限位盘(16)之间设有3个装在同一套选档拉线(11)上的压力块(12)，随着选档拉线(11)的运动，这3个压力块(12)在其各自所在的位置沿径向同步往复移动。3个压力块(12)在对应的选档拉线(11)作用下，向远离轴心的位置移动，处于指定位置，触动装在适当位置的开关，使得变速器进入电动或自动控制模式。3个压力块(12)在对应的选档拉线(11)作用下，处于其它位置，未触动装在适当位置的开关，变速器处于手动控制模式。这3个压力块(12)同时作用在某一个压力环(22)上，推动该压力环(22)和对应的3个拨叉(21)沿所在主轴(2)移动，压缩相应的弹簧(24)，使得与该压力环(22)对应的3个拨叉(21)处于工作位置，而该主轴(2)上的其它拨叉(21)被对应的弹簧(24)顶起，处于非工作位置。由于选档拉线(11)相对于其所在主轴(2)不做旋转运动，选档拉线(11)通过适当的路线进入该主轴(2)内部。开关导线通过适当位置进入该主轴(2)内部。与每一个压力环(22)相对应，在定位盘(14)上的适当位置，均设有3个电磁铁(23)，通常情况下，电磁铁导线断开，电磁铁(23)没有电磁力，对应的压力环(22)和拨叉(21)被对应的弹簧(24)顶起，拨叉(21)处于非工作位置。电磁铁导线通电，电磁铁(23)产生磁力，吸引对应的压力环(22)靠近电磁铁(23)，推动对应的拨叉(21)压缩对应的弹簧(24)，使得与该压力环(22)对应的拨叉(21)处于工作位置。由于定位盘(14)相对于其所在主轴(2)静止，电磁铁导线可以通过适当的路线进入该主轴(2)内部。

拉力传递组件能够在两个做相对旋转运动的部件之间实现拉力和位移的传递。拉力传递组件由两部分组成，每一部分组件都是由两个以上直径不等的管状结构组件嵌套在一起组合而成，每一部分组件绕其轴线的相对旋转位移被锁定，而在沿其轴线方向上的适当范围内可做独立相对位移，这两部分中包含数量相同的一一对应的组件，这两部分组件分别与对应的做相对旋转运动的部件相关联并随其同步旋转，这两部分中每一对一一对应的组件做相对旋转运动，独立地沿其轴线方向传递来自外界的拉力和位移。

拉力传递组件中的29、30、31、32与28相关联，33、34、35、36与主轴(2)相关联，随主轴(2)同步旋转，并相对于29、30、31、32做旋转运动，而29和33、30和34、31和35、32和36一一相对应，共组成4对，这4对彼此独立传递来自操控拉线(10)的拉力和位移。

通过拉力传递组件将进入该主轴(2)内部的拨盘拉线(17)和选档拉线(11)与操控拉线(10)一一对应地连接起来，建立起对应的拉力和位移传递关联。通过设在该主轴(2)上适当位置的数个滑环(6)和与之对应的固定在变速箱壳体(1)上的电刷(7)将进入该主轴(2)内部的电磁铁导线、开关导线和电机导线与控制线束(8)中的导线一一对应连接起来。

变速器在每次变速时，首先切断动力源的扭矩输入，接着将各个主轴(2)上指定的参与啮合的齿轮的所有外圈的齿轮定位在远离固定齿轮啮合区的位置，然后将各个主轴(2)上齿轮族(4)中的其余齿轮定位在靠近固定齿轮啮合区的位置，使得两个主轴(2)上指定的参与啮合的齿轮相互啮合，最后恢复动力源的扭矩输入，变速器完成一次变速。

通过对操控拉线(10)的控制，可以对变速器实行手动变速，通过操控拉线(10)使变速器进入电动或自动控制模式后，通过对控制线束(8)中各个导线中的电信号的采集和控制，可以对变速器实行电动变速或自动变速。

手动变速过程：首先切断动力源的扭矩输入，接着通过操控拉线(10)拉动各个主轴(2)上的选档拉线(11)，将压力块(12)移动至各个主轴(2)上与指定的参与啮合的齿轮的外圈相邻的齿轮相对应的压力环(22)所在的位置，压力块(12)推动该压力环(22)和对应的3个拨叉(21)轴向移动，压缩相应的弹簧(24)，使对应的3个拨叉(21)处于工作位置，其它拨叉(21)处于非工作位置，再通过操控拉线(10)拉动各个主轴(2)上的拨盘拉线(17)，带动拨盘(15)和拨盘(15)上的拨叉(21)运动，将各个主轴(2)上指定的参与啮合的齿轮的所有外圈的齿轮定位在远离固定齿轮啮合区的位置；然后通过操控拉线(10)拉动各个主轴(2)上的选档拉线(11)，将压力块(12)移动至各个主轴(2)上与指定的参与啮合的齿轮对应的压力环(22)所在的位置，推动该压力环(22)和对应的3个拨叉(21)轴向移动，压缩相应的弹簧(24)，使对应的3个拨叉(21)处于工作位置，其它拨叉(21)处于非工作位置，再通过操控拉线(10)拉动各个主轴(2)上的拨盘拉线(17)，带动拨盘(15)和拨盘(15)上的拨叉(21)向相反方向运动，将各个主轴(2)上齿轮族(4)中的其余齿轮定位在靠近固定齿轮啮合区的位置，使得两个主轴(2)上指定的参与啮合的齿轮相互啮合，最后恢复动力源的扭矩输入，变速器完成一次变速。

电动变速过程：首先切断动力源的扭矩输入，接着利用控制线束(8)将各个主轴(2)上与指定的参与啮合的齿轮的外圈相邻的齿轮相对应的电磁铁导线通电，使对应的电磁铁(23)产生磁力，吸引对应的压力环(22)，推动对应的3个拨叉(21)沿轴线移动，压缩相应的弹簧(24)，使对应的3个拨叉(21)处于工作位置，其它拨叉(21)处于非工作位置，再通过控制线束(8)使电机导线通电，电机(18)向指定方向旋转，带动拨盘(15)和拨盘(15)上的拨叉(21)运动，将各个主轴(2)上指定的参与啮合的齿轮的所有外圈的齿轮定位在远离固定齿轮啮合区的位置；然后利用控制线束(8)将各个主轴(2)上与指定的参与啮合的齿轮相对应的电磁铁导线通电，使对应的电磁铁(23)产生磁力，吸引对应的压力环(22)，推动对应的3个拨叉(21)沿轴线移动，压缩相应的弹簧(24)，使对应的3个拨叉(21)处于工作位置，其它拨叉(21)处于非工作位置，再通过控制线束(8)使电机导线通电，电机(18)向相反方向旋转，带动拨盘(15)和拨盘(15)上的拨叉(21)运动，将各个主轴(2)上齿轮族(4)中的其余齿轮定位在靠近固定齿轮啮合区的位置，使得两个主轴(2)上指定的参与啮合的齿轮相互啮合，最后恢复动力源的扭矩输入，变速器完成一次变速。

自动变速是指在特制微电脑的控制下，根据实际情况，按照电动变速的步骤对变速器实施变速。

通过手动变速、电动变速、自动变速都可以控制变速器中各个齿轮族(4)中每个齿轮所处的位置，使得变速器中各个主轴(2)上不同的齿轮与其它主轴(2)上对应的齿轮相互啮合，从而使变速器实现换挡并处于不同的档位。

例二：

将两个例一所述的变速器串联起来，组成另一个25档的变速器。

本发明管状齿轮变速器可以广泛应用于各种机动车和机械设备上，应用于自行车上亦具有显著的优点。

Claims (6)

1.本发明管状齿轮变速器，至少包含两个主轴(2)，各个主轴(2)支撑在变速箱壳体(1)上，采用齿轮啮合的方式传动，其特征是：每一个主轴(2)上都有一个固定在该主轴(2)上的固定齿轮(3)和包含直径不等的呈中空的管状结构的齿轮的齿轮族(4)，该齿轮族(4)中的齿轮按直径从小到大的顺序依次套在直径相对较小的齿轮上，直径最小的齿轮套在该固定齿轮(3)上，齿轮族(4)中的每一个齿轮以及对应的固定齿轮(3)都只在相同的一端有一个啮合区，齿轮族(4)中的每一个齿轮以及对应的固定齿轮(3)彼此之间相互锁定绕其所在主轴(2)的相对旋转位移，齿轮族(4)中的每一个齿轮在沿其所在主轴(2)的轴线方向上有两个特定的稳定位置。

2.根据权利要求1所述的管状齿轮变速器，其特征是：变速器中每一个主轴(2)上只有一个齿轮与其它主轴(2)上对应的齿轮相互啮合，变速器中各个主轴(2)上不同的齿轮与其它主轴(2)上对应的齿轮相互啮合，变速器处于不同的档位。

3.根据权利要求1所述的管状齿轮变速器，其特征是：变速器在每次变速时，先将各个主轴(2)上指定的参与啮合的齿轮的所有外圈的齿轮定位在远离固定齿轮啮合区的位置，然后将各个主轴(2)上齿轮族(4)中的其余齿轮定位在靠近固定齿轮啮合区的位置。

4.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的管状齿轮变速器，配有齿轮位置控制装置(5)，其特征是：齿轮位置控制装置(5)中的推拉柱(9)与齿轮族(4)中的齿轮之间双向弹性连接。

5.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的管状齿轮变速器，配有齿轮位置控制装置(5)，其特征是：齿轮位置控制装置(5)中的推拉盘(19)绕其所在主轴(2)在一定范围内的旋转运动，通过螺纹副的作用转化为对应的齿轮族(4)中的齿轮沿其所在主轴(2)的轴向移动。

6.设在权利要求1所述的管状齿轮变速器的主轴(2)内部的拉力传递组件，在做相对旋转运动的操控拉线(10)和主轴(2)上的零部件之间建立起一一对应的拉力和位移传递关联，其特征是：拉力传递组件由两部分组成，每一部分组件都是由两个以上直径不等的管状结构组件嵌套在一起组合而成，每一部分组件绕其轴线的相对旋转位移被锁定，而在沿其轴线方向上的适当范围内可做独立相对位移，这两部分中包含数量相同的一一对应的组件，这两部分组件分别与对应的做相对旋转运动的部件相关联并随其同步旋转，这两部分中每一对一一对应的组件做相对旋转运动，独立地沿其轴线方向传递来自外界的拉力和位移。

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