CN102235471B - 行星差动无级变速齿轮箱 - Google Patents

Abstract

行星差动无级变速齿轮箱，是采用行星齿轮机构为载体的无级变速技术。它采用分流传动的传动方式：一条为主动力传动流，由动力机通过中心轴连接行星机构的太阳齿轮输入动力行星齿轮系的行星架和输出轴连接，输出动力。另一条为调速传动流，由小功率电机通过安装在套轴上的自锁机构，锁住动力流行星机构浮动的齿圈，当小功率电机启动后，对自锁机构解锁运行，可使动力流的行星机构产生差动无级变速输出。

Description

行星差动无级变速齿轮箱

技术领域：本发明涉及机械传动变速领域，特别是一种应用渐开线行星齿轮机构的无级变速齿轮箱。

技术背景：齿轮传动是机械传动中最为理想的技术。它具有运行平稳可靠，机械效率高，承载功率大，制造工艺成熟，使用寿命长等优点，被广泛应用于汽车，机床等重要的机电产品，若要用于变速传动，只能采用外啮合的有级变速，目前汽车变速采用的自动档，实质上是有级变速，只是自动换档，它的结构复杂制造工艺困难加工成本高。齿轮传动中的行星齿轮传动比外啮合齿轮传动具有更高的机械效率，更大的承载功率，结构更紧凑，体积也更小。但是，目前行星齿轮机构还没有实现变速传动，更不能实现无级变速传动。本人经过二十多年的不断研究试验，终于实现了应用行星差动齿轮结构。实现了具有三种特性的全齿轮无级变速齿轮箱。

发明内容：新发明的行星差动无级变速齿轮箱采用四套行星齿轮机构组成，其中二套渐开线NGW的行星齿轮机构，二套是渐开线少齿差齿轮机构(也可以是摆线针轮少齿轮结构，或圆弧多齿差机构)传动方式采用先进的分流传动形式，即一条为主传动动力流，由动力机(电动机或内燃机)输出的主动力轴与行星齿轮的太阳齿轮连接，通过行星齿轮减速由行星架输出，它实际上是通过一级行星机构减速。另一条为调速流。由小功率电机或电磁转差离合器输出的调速轴，连接上述行星减速机构中浮动设置的齿圈，用于调节行星架的转速达到输出轴的变速输出。

上述浮动的行星机构的齿圈受外负载阻力的反作用力，它会自动转动，而且它具有相当大的反作用力矩，因此必须使浮动的齿圈得到可靠的控制，要使它按需要的速度旋转，齿圈调速轴之间必须有一套，高效率低速比的自锁机构类似于自锁蜗轮付的自锁机构，本人经二十多年的研究试制，终用发明了用二套渐开线少齿差行星齿轮机构和一套NGW行星齿轮结构经过合理巧妙的组合，成功地试制成同步同轴高效自锁结构，所谓同步即自锁机构输入输出转速基本同步，这样可达到很大的调速范围；所谓同轴，即所有机构都处在同一轴线内，使结构简单紧凑，运行平稳可靠，齿轮箱的体积很小，所谓高效，是组成这一自锁机构只用三套行星齿轮机构，它们是已经成熟也被广泛应用于其他各种机械，其单项效率都在98％以上，三套机构叠加其机械效率仍可达90％以上。这比齿轮传动中多级外啮合传动的机械效率要高得多。而运行也更平稳可靠，承载功率和单机体积制造成本也比多级外啮合变速要好得多。

附图说明：

图1是本发明的机构示意图。齿轮箱输出轴A和行星齿轮系的行星架B连接，太阳齿轮C通过中心轴I和动力机G连接，行星齿轮系的齿圈D处于浮动状态，它和自锁机构E的输出齿圈连接而被自锁控制。电磁轮差离合器的磁极F和调速轴H连接，转动H轴使自锁机构解锁，使浮动的行星齿轮系的齿圈D按调速需要转动。

图2是用于机械，减速变速传动的行星齿轮机构的径向剖视图。

图3是同步同轴高效自锁机构的径向剖视图。

图4、5、6、7是同步同轴高效自锁机构的轴向剖视图。

图8是安装有偏心销轴的行星齿轮零件图。

图2、3、4、5、6、7的符号意义如下：

1、是变速齿轮箱的输出轴。

2、和输出轴连接的行星齿轮行星架。

3、安装在行星架上的行星齿轮销轴。

4、行星齿轮机构的行星齿轮。

5、行星齿轮机构的齿圈。

6、安装行星齿轮系齿圈的托架。

7、行星齿轮系的太阳齿轮。

8、自锁机构的输出齿圈。

9、安装齿圈的托架。

10、连接动力机和行星机构太阳齿轮的动力轴。

11、连接调速电磁转差离合器的调速轴。

12、自锁机构内第一套少齿差机构的行星齿轮。

13、自锁机构内第一套少齿差机构的中心偏心套。

14、安装在少齿差行星齿轮上的销轴。

15、安装自锁机构内行星齿轮系的太阳齿轮和圆盘。

16、销轴钢套。

17、安装有偏心销轴的行星齿轮。

18、自锁机构内行星齿轮系的齿圈。

19、自锁机构内行星齿轮系的行星架。

20、自锁机构内第二套少齿差机构的固定齿圈。

21、自锁机构内第二套少齿差机构的偏心行星齿轮。

22、自锁机构内第二套少具差机构的中心偏心套。

αω、少齿差机构的啮合角。

0自锁机构的圆心。

O′自锁机构的上偏心。

0″自锁机构的下偏心。

a′自锁机构的上偏心量。

a″自锁机构的下偏心量。

具体实施方法：

本技术的技术要点有三：

一、采用齿轮传动技术中最先进并经实际应用最可靠的行星差动机构为主体，加以合理巧妙的配合而成，不需要其他任何传动元件。

二、采用分流传动方式，其中一条为动力流，发动机输出轴通过一套行星差动结构减速，变速就直接输出，中间没有多余的机构，结构简单，运行可靠机构效率高。

另一条是调速流，采用一台小功率电机或电磁输差离合器调速，与主动力流不交叉重叠，能量损失少，运行可靠。

三、在主动力流和调速流之间，采用一套由三套行星差动机构组成的同步同轴高效自锁结构，以控制动力流的行星结构中浮动的齿圈，切载了二条传动流之间会产生的内部封闭功率，保证调速可靠。并可确保恒功率，恒转矩，变功率变转矩，三种调速特性。

具体实施方法：

动力机(内燃机或电动机)的输出轴和变速箱的中心轴10连接，它的另一端和行星差动行星齿轮系的中心太阳齿轮(7)连接，行星齿轮系的行星架(2)和变速齿箱的输出轴(1)连接，行星齿轮系的齿圈(5)不确定而处于浮动状态，但它和自锁结构的输出件第一套少齿差行星结构的齿圈(8)连接，而被锁住。这时差动行星齿轮结构就是一套减速结构，当调速电机起动后，自锁结构解锁运转，带动被锁住的行星齿圈转动，行星结构使差动运行，输出轴减速输出，其运动议程式如下：

NA·[ZA/(ZA+ZB)]-Nx·[ZB/(ZA+ZB)]＝NB

式中：

NA发动机输出转速

NX调速输速(被锁住的齿圈转速)

NB变速齿轮箱输出转速

ZA行星差动机构的太阳齿轮齿数

ZB行星差动机构的齿圈齿数

上式可以看出NX是零时，变速箱是一台减速箱，结构简单效率高，如调动力机的输出转速，也可实现无级变速，但其特性是恒转矩，调速范围就是动力机的调速范围。当起动调速电动机(或电磁转差离合器)后，齿圈(5)向输出轴反向运转，齿轮箱降速运行，其特性是恒功率特性，调速范围由调速电机的转速和自锁机构的输入输出速比决定。本发明的自锁机构可以是输入输出同步运行，可以使行星齿轮机构的调速范围很大，当动力机处于最高速度时，输出轴可以从最高输出转速调到零转和反转，这是目前任何一种变速技术无法做到的，这种调速范围特别有利于如车辆机床等类机械的运行需要。

如果把动力机和调速电机同时调速，可以获得既调动力机的输出功率，又调变速箱的输出转速、转矩。需知汽车在转载低速行驶时，它的功率消耗是很小的，本技术完全可以合理配置汽车在低速和变速行驶时的动力消耗，达到最大的节能效果。

变速齿轮箱的自锁机构如图3所示。它由二套渐开线行星少齿差机构和一套渐开线行星机构连接组成。其中只有第二套行星少齿差机构的齿圈是固定在机座上的。其他机件通过互相连接，每个机件均处于差动运行状态。

第一套少齿差行星齿轮的齿圈(8)是自锁机构的输出件，它和行星差动齿轮机构的齿圈(5)连接，因此外负载的反作用力通过齿圈(8)作用在自锁机构上与齿圈(8)啮合的行星齿轮(12)和中心偏心套(13)上，从附图4可以看出，如外负载的反作用力的方向是逆时针方向，那么通过少齿差齿圈(8)和行星齿轮(12)的啮合角ZW作用在中心偏心套上的反作用力矩也是逆时针方向的。外负载的反作用力由行星齿轮(12)上的销轴(14)传给安装有中心太阳齿轮的圆盘(15)，它的旋转方向也是逆时针方向的，这个力再通过中心太阳齿轮(15)传给与之啮合的六个行星齿轮(17)，因为是外啮合，六个行星齿轮的旋转方向是顺时针方向的了。与六个行星齿轮啮合的行星齿轮齿圈(18)不固定，它除了规范六个行星齿轮(17)的旋转同步性外，对六个行星齿轮的转速转矩不发生任何作用。六个行星齿轮(17)分别固接有六个锁轴，因此六个行星齿轮(17)把外负载的反作用力通过锁轴传给第二套少齿行星齿轮机构的行星齿轮(21)，它的旋转方向是顺时针方向的，因为六个行星齿轮(17)是同时按各自的旋转中心O′旋转，所以作用在行星齿轮(21)上的力是均匀分布在行星齿轮(17)上的，其作用方向如图6、7所示，因此这六个作用力对第二套少齿差行星齿轮机构的中心偏心套的力矩方向是顺时针方向的。如图2所示，二套少齿差行星机构的中心偏套(13)、(22)都安装在同一中心套轴(11)上的，它们所受到的力矩方向一个逆时针方向，另一个是顺时针方向，其力矩大小基本上相等，所以得到了力的平衡而自锁。

上述二套少齿差行星齿机构的中心偏心套受到外负载的反力作用而产生了二个方向相反的力矩而平衡自锁，但是因为二套少齿差行星机构的输出件不同，第一套是齿圈，第二套是行星轮，它们输出的旋转方向也是相反的，二套机构的输出转速叠加后，其输出转速基本是零转，是不能用来调速的。

本发明的核心关键是连接二套少齿差行星机构的行星机构，它的齿圈(18)是不固定在机座上的，可以任意浮动，但六个行星齿轮(17)每个都固接一个偏心销轴，销轴的另一端插入第二套少齿差行星机构的行星齿轮(21)的相应的孔内，并安装有滚针轴承。六个行星齿轮(18)和中心太阳齿轮盘(15)实际上一种外啮合的齿轮传动，二套的齿数比就是整套自锁机构的传动比。如果二者齿数相等，自锁机构就是输入输出同步运行，这就取得了最大的调速范围。它的巧妙之处在于一套外啮合齿轮借助二套少齿差行星机构达到力的的平衡自锁，起动调速电机(或电磁转差离合器)使自锁机构的输入套轴(11)旋转，第二套少齿差机构的行星齿轮作平等四边形运动(不计它的转速)，使插在行星齿轮孔内的六支偏心销轴(23)围绕各自的圆心顺时针方向旋转，也就带动了六个行星齿轮(17)顺时针方向旋转，并带动中心太阳齿轮盘以1∶1的转速逆时针方向旋转。中心太阳齿轮盘(15)又通过销轴(14)带动第一套少齿差行星齿轮*机构的行星齿轮(12)同步旋转，这个逆时针方向旋转和行星差动机构浮动的齿圈(5)的旋转方向是一致的，所以不必耗费调速电机的功能，使被锁住的齿圈(5)解锁调速运行。

整套自锁机构调速功能消耗主要是组成自锁机构的二套少齿差机构和一套行星机构的摩擦阻力矩和为克服这种阻力矩需要调速电机消耗功率输出。自锁机构组成的三套行星机构的机械效率都在98％左右，所以上述自锁机构在最大调速转速时(即变速箱输出接近0转/分)的功率损失只有动力机输出功率的20％以内。这是目前任何一种有级、无级变速技术都不可能达到的最佳技术。

本发明组成无级变速齿轮箱的四套行星差动齿轮的所有齿轮啮合位置，在任何变速阶段都不改变啮合位置，也不用任何操作手柄，这一方面使所有齿轮经过运行磨合、配合更加精密，平稳，噪声也更小，而需要变速时只需改变动力机和调速电机的转速就可以了，这不仅可以用手调控制器，也完全可以自动调控，为今后向汽车全自动行驶提供了最佳的变速技术。

本发明的自锁机构也是本人另外二个发明专利申请恒功率无级变速三相交流异步电动机和半重力矩安全自锁起重机的最佳配合。也可以作为典型机构和其他需要自锁控制的机电产品配套。

Claims (2)

1.一种行星差动无级变速齿轮箱，由四套行星差动机构组成，其中二套是渐开线NGW行星齿轮机构，另外二套是渐开线少齿差行星机构或摆线针轮少齿差机构或圆弧多齿差机构；

传动方式采用分流传动形式，其中一条为主传动动力流，第一套渐开线NGW行星齿轮机构的太阳齿轮用中心轴和动力机输出的主动轴连接；

第一套渐开线NGW行星齿轮机构的行星架和变速齿轮箱的输出轴连接；

另一条为调速流，由一台小功率调速用电机或电磁转差离合器的输出轴连接第一套渐开线NGW行星齿轮机构的齿圈，用以锁住或转动第一套渐开线NGW行星齿轮机构浮动设置的齿圈达到输出轴的变速输出；

所述第一套渐开线NGW行星齿轮机构的齿圈与输出轴之间设有一套低速比的同步同轴自锁机构，所述自锁机构由第二套渐开线NGW行星齿轮机构和两套渐开线少齿差行星机构或摆线针轮少齿差机构或圆弧多齿差机构组成；

第一套渐开线NGW行星齿轮机构的齿圈是浮动设置的，和自锁机构的输出件连接，受自锁机构的控制，固定或转动，达到各种特性的调速需要；

自锁机构由一台小功率调速用电机或电磁转差离合器带动空心套轴以控制自锁机构的自锁或解锁转动，以实现各种特性的无极变速输出之目的。

2.根据权利要求1所述的行星差动无级变速齿轮箱，其特征在于：所述自锁机构由第二套渐开线NGW行星齿轮机构和两套渐开线少齿差行星机构组成；

其中第一套渐开线少齿差行星机构的齿圈作为自锁机构的输出件，第一套渐开线少齿差行星机构的齿轮和第二套渐开线NGW行星齿轮机构的中心太阳齿轮连接，第二套渐开线NGW行星齿轮机构有6个行星齿轮，安装在中心太阳齿轮的圆盘上并和中心太阳齿轮啮合；

第二套渐开线NGW行星齿轮机构的6个行星齿轮上固定有6支偏心销轴，所述偏心销轴插入第二套渐开线少齿差行星机构的行星齿轮的相应孔内。