CN102265068A - 无级变速器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无级变速器，其包括主皮带轮及副皮带轮，每个皮带轮包括两个圆锥形的皮带轮轮盘，该轮盘具有径向弯曲的、在其之间限定圆周槽的轮盘表面，圆周槽分别限定出第一和第二中心线，在该槽中，环形传动皮带保持在可变的径向位置处；其中，第一皮带轮的第一轮盘和第二皮带轮的第一轮盘的相对轴向位置使得，当变速器运行在小于最大功率传动比(高速传动比)的传动比下时，第一中心线和第二中心线是失准的，其中，传动皮带能够将最大功率从主皮带轮传送至副皮带轮。

Description

无级变速器
本发明涉及无级变速器，其包括安装在驱动轴上的主皮带轮及安装在受驱动轴上的副皮带轮，每个皮带轮包括两个圆锥形的皮带轮轮盘，该轮盘具有限定圆周槽的有角度的轮盘表面，在所述圆周槽中，环形的传动皮带(待)保持在可变的径向位置处。
这种类型的变速器的设计和运行被认为是已知的，例如从EP1218654B1可知，EP1218654B1还示出了一种已知类型的环形传动皮带。该环形传动皮带一般被称为Van Doorne推送带，并且在例如专利申请第EP1221563A1号中进行了详细地描述。
US4596536中公开了这种无级变速器的另一实例。在这种已知的尤其旨在用于汽车的变速器中，通过同时改变主皮带轮和副皮带轮的V形槽的宽度使得一个皮带轮的V形槽变得更宽而另一个皮带轮的V形槽变得更窄，可调整期望的传动比。因此，在两个皮带轮中环形传动皮带的径向位置发生了改变，并且传动比随之发生了改变。环形传动皮带的位置的径向改变伴随有环形传动皮带的轴向位移。一般来说，由于变速器的几何构造和环形传动皮带的固定长度，主皮带轮中的环形传动皮带的轴向位移并不等于副皮带轮中的环形传动皮带的轴向位移。因此，环形传动皮带始终没有对准，除了在特定的传动比或一对传动比下变速器是对准的，即主皮带轮和副皮带轮的V形槽的中心线设置成一直线。
上述的美国专利还教导从变速器和环形传动皮带的负荷及寿命的角度来看，失准是不利的。在该专利的说明书中建议，通过在1∶1的传动比即中等传动比下，将主皮带轮的V形槽的中心线相对于副皮带轮的V形槽在副皮带轮的转盘方向上沿预定的距离轴向移动来限制最大发生的失准，从而使中心线的对准出现在传动比基本上位于中等传动比和变速器所提供的最大传动比(i＝imax，即低速传动比)的中间。
然而，由于这已知的皮带轮对准校正在整个变速器和独立的环形传动皮带的负荷及寿命上的影响不足，文献EP0291129A1中建议了不同的皮带轮对准校正。在该文献中，主皮带轮的中心线的轴向位移的距离为发生在所谓的“高速”传动比下的对准，即在最大功率运行过程中传动比(i)从主皮带轮转移到副皮带轮。这样做是因为，认识到运行中变速器的较大部分使用寿命处于变速器所提供的中等传动比(i＝1)和最小传动比(i＝imin，即超速传动比，传动比(i)被定义为副皮带轮中的环形传动皮带到驱动轴的径向距离与主皮带轮中的环形传动皮带到从动轴的径向距离之比)之间，该范围内的对准特别是在所述最高传动比下会产生变速器和环形传动皮带的改进的负荷特性及较长寿命。
在上述现有的变速器中，每个皮带轮包括具有直轮盘表面(即轮盘表面相对于径向方向以恒定锐角的角度延伸)的皮带轮轮盘。然而，无极变速器领域的最近发展示出了弯曲的轮盘表面的应用，例如中凸地弯曲的轮盘表面，传动皮带、更具体地为推送带被夹紧在轮盘表面之间。通常，轮盘表面在径向方向上弯曲以最小化或甚至完全排除主皮带轮和副皮带轮的轮盘表面之间形成的槽之间的失准。如果进行了适当地设计，轮盘表面的曲率能够减少失准。然而，发现了传动皮带尤其是推送带类型的传动皮带的横向元件的磨损和/或皮带轮轮盘表面的磨损成为这后一种类型的带有弯曲的轮盘表面的变速器设计的问题，并且限制了该变速器的使用寿命。
本发明的目的是进一步开发带有弯曲的轮盘表面的无级变速器。
本发明的另一目的是提供改进的无级变速器，其具有更长的寿命和/或更少地暴露于磨损。
根据本发明的第一方面，本发明的至少一个上述目的在一种无级变速器中得以实现，这种无级变速器包括安装在驱动轴上的主皮带轮以及安装在受驱动轴上的副皮带轮，每个皮带轮均包括具有径向弯曲的轮盘表面的两个圆锥形的皮带轮轮盘，轮盘表面在其之间限定出圆周槽，在圆周槽中，环形传动皮带被保持在可变的径向位置，主皮带轮包括固定至驱动轴的第一轮盘、以及可相对于驱动轴轴向移动的第二轮盘，第一轮盘和第二轮盘围起具有第一中心线的槽；副皮带轮包括固定至受驱动轴的第一轮盘，以及可相对于受驱动轴轴向移动的第二轮盘，两个轮盘围起具有第二中心线的槽；其中，驱动轴和受驱动轴以径向距离轴向平行地定位，其中，第一皮带轮的第一轮盘和第二皮带轮的第一轮盘的相对轴向位置使得，当变速器运行在小于最大功率传动比(高速)的传动比下时第一中心线和第二中心线是失准的，其中，传动皮带能够将最大功率从主皮带轮传送至副皮带轮，传动比被定义为副皮带轮中的环形传动皮带到驱动轴的径向距离相比于主皮带轮中的环形传动皮带到受驱动轴的径向距离。
尽管上述的现有技术教导要避免主皮带轮和副皮带轮的中心线之间的失准，以改进抗磨损性并延长传动皮带和皮带轮的使用寿命，根据本发明的本方面，在变速器的运行中和/或皮带最大化地承受负荷时，即，当变速器运行在传动比小于最大功率传动比(高速传动比)(并且大于最小传动比(超速传动比))时，在最常使用的传动比的范围内皮带轮有意地失准。变速器可例如在中等传动比下对准，即，在当主皮带轮中的环形传动皮带到驱动轴(的中心线)的径向距离和副皮带轮中的环形传动皮带到受驱动轴(的中心线)的径向距离相等时的环形传动装置的位置对准。
发明人惊奇地发现，在特定的情况下将主皮带轮和副皮带轮保持对准可导致传动皮带(更具体地是其横向元件)受到的磨损和/或皮带轮的轮盘受到的磨损增加而不是减少。这种增加的原因不是很清楚。一种可能的解释为，增加的磨损可能是由于以对准的方式运行的传动皮带的横向元件与可移动的轮盘的两个接触面以及皮带轮的固定轮盘的接触面同时或最终至少快速连续地接触引起的。传动皮带的一个或多个横向元件的位置的任意轻微地移动或转动，例如横向元件相对于传动皮带的中心的小的轴向位移和/或横向元件相对于传动皮带的径向和/或纵向(径向)方向的小转动或多或少为瞬时的，因此受到可移动的轮盘和固定的轮盘的接触面有力地校正。甚至可能发生这样的情况，即横向元件的上述移动或转动的位置没有完全被接触校正，使得当其置于槽内并且在皮带轮轮盘之间夹紧时仍处于上述失准的位置。这可引起相对大的(摩擦)力，使磨损的水平增加，尤其是在传动皮带延长使用之后。
此处应注意的是，在以传统方式设计的设有恒定的、通常为11度角的皮带轮轮盘表面以及设有恒定的、通常为11度角的皮带与变速器的横向元件的皮带轮接触面的传动皮带中，传动皮带中引起的增加的磨损可能不存在(或相当小)。在这些传统的传动皮带中，在横向元件与皮带轮轮盘表面之间存在线接触而不是点接触。在横向元件与皮带轮之间的线接触可使元件至少相对于纵向方向自动对准。
此外，此处应注意，传动皮带引起的增加的磨损在传动链中也可能不存在(或相当小)。通常，传动链没有可相对于链的其它部分轴向移动或转动的类型的横向元件。
此外，发明人还发现当传动皮带以失准的方式运行时，传动皮带和/或变速器的皮带轮受到的磨损可被认为是减少的。这可能由这样的现象引起，即，运行的传动皮带的一个或多个横向元件的任意轻微移动或转动的位置开始由与轮盘的仅一个接触表面接触的元件校正。通过这样的一侧接触，横向元件的位置将在元件与相对的接触表面接触前、以及在元件因此被稳固地夹紧在皮带轮的轮盘之间之前逐渐被校正。
在一个优选的实施方式中，变速器被设计为通过其中包括的第一皮带轮的第一轮盘和第二皮带轮的第一轮盘的相对轴向定位，所述失准，即第一中心线和第二中心线之间的位移量，在传动比从最小或超速传动比朝向最大功率传动比(高速)增加时下降。在该实施方式中，在最大功率传动比(高速)处的失准相对较小，这一方面改进了上述传动皮带的抗磨损性(wear resistance)，另一方面还增加了传动皮带的抗负荷性(load resistance)，尤其在传动皮带承载为最大时的传动比下。在一个实施方式中，第一皮带轮的第一轮盘和第二皮带轮的第一轮盘的相对轴向位置使得，当变速器运行在传动比小于1∶1的传动比(中等)时，第一中心线和第二中心线是失准的。根据该实施方式，在上述传动比下，其中传动皮带的速度及磨损水平升高的风险会相对较大，不存在变速器的对准。因此，传动皮带和/或轮盘的磨损还可进一步减少。
在一个实施方式中，第一皮带轮的第一轮盘和第二皮带轮的第一轮盘的相对轴向位置使得，第一中心线和第二中心线对于所有的传动比均为失准的，即对于最小传动比或超速传动比和最大传动比或Low(低速传动比)之间的所有可能的传动比均为失准的，其中，在最小传动比下主皮带轮中的环形传动皮带到驱动轴的径向距离为最大，而副皮带轮中的环形传动皮带到受驱动轴的径向距离为最小，但在最大传动比下主皮带轮中的环形传动皮带到驱动轴的径向距离为最小，而副皮带轮中的环形传动皮带到受驱动轴的径向距离为最大。没有传动比能使精确对准发生。即使在最大传动比(Low)下，变速器仍是失准的。因此，在该实施方式中，由传动皮带的横向元件的移动和/或转动引起的磨损的减少对于从最小传动比(超速传动比)到最大传动比(Low)变化的传动比都可实现。
在一个实施方式中，当根据本文描述的任一实施方式的变速器失准时，皮带轮的槽的中心线的相对轴向位移超过阈值。
在另一实施方式中，所述阈值约为0.05mm，或者，在又一实施方式中，所述阈值约为0.1mm。如果失准低于该阈值，则传动皮带的横向元件的移动或转动位置可能没有被足够地校正，因此，磨损水平仍可保持为相当大。然而，如果失准超过了阈值，则由于横向元件的移动或转动位置可能被更好地校正，所以存在磨损水平的明显(进一步)的降低。
在一个实施方式中，当根据本文描述的任一实施方式的变速器失准时，皮带轮的圆周槽的中心线的相对轴向位移等于或小于0.75mm。至少在所述最大功率传动比(高速)下，皮带轮的圆周槽的中心线的相对轴向位移优选地等于或小于约0.40mm。
在本发明的实施方式中，传动皮带为推送带型传动皮带并且包括横向元件，横向元件被保持以可沿驱动带的张力调整元件移动，并且至少当变速器运行时，在其侧面的位置交替地在主皮带轮和第二皮带轮的皮带轮轮盘之间将横向元件夹紧。
本发明的进一步的优势、特点和细节将在下文对优选的实施方式的说明中变得显而易见。说明中参考了附图，附图示出：
图1为根据本发明的无级变速器的图解示图，在中间位置设有对准校正C；
图2A为根据已知技术的横向元件的实施方式的正视图；
图2B为根据图2A的两个连续横向元件的侧视图；
图3示意地示出变速器的对准误差(S)作为传动比(i)的函数的趋势，变速器根据第一实施方式被对准；
图4示意地示出变速器的对准误差(S)作为传动比(i)的函数的趋势，变速器根据第二实施方式被对准；
图5示意地示出变速器的对准误差(S)作为传动比(i)的函数的趋势，变速器根据第三实施方式被对准；
图6示意地示出变速器的对准误差(S)作为传动比(i)的函数的趋势，变速器根据第四实施方式被对准；以及
图7示意地示出变速器的对准误差(S)作为传动比(i)的函数的趋势，变速器根据第五实施方式被对准。
根据图1的无级变速器包括安装在驱动轴5上的主皮带轮1，驱动轴5例如为汽车或其它类型的机动车辆的驱动轴。主皮带轮1包括固定至轴5的第一圆锥形盘或轮盘2，以及在轴5上可轴向移动的第二圆锥形盘或轮盘3。可轴向移动的盘3与固定至轴5的板4共同形成具有封闭的圆柱腔4’的汽缸-活塞组合。变速器1还包括与受驱动轴10相关联的副皮带轮6。副皮带轮6包括固定至轴10的圆锥形盘或轮盘7以及在轴10上可轴向移动的圆锥形盘或轮盘8。盘8与固定至轴10的板9共同形成了具有封闭的圆柱腔9’的汽缸-活塞组合。
各个轮盘2-5的圆锥形轮盘成角度的表面14-17的横截面是弯曲的，更具体地是在径向方向呈中凸形。此外，轴5和轴10以预定的径向距离轴向平行设置。主皮带轮1和副皮带轮6的圆锥形盘分别围起其中设置了环形传动皮带11的槽。环形传动皮带11可以是传统的推送带。图2中示出了传统的推送带的实例。推送型传动皮带包括横向元件28和环形承载器29，横向元件可沿所述承载器自由滑动并且包括在径向方向上逐渐变窄的内部元件部分30、在径向方向上成角度的元件部分31以及摆动边缘22，元件部分31具有其上设置有凹口状突起20的前主面(front principle face)18以及具有其中设置有孔状凹陷21的后主面(back principle face)19，摆动边缘22形成所述主面18和主面19之间的过渡，使得相邻的横向元件可围绕摆动边缘22上的接触线26互相转动。从前主面18延伸的凹口状突起20可与孔状的凹陷21相互作用，以互相对准和/或放置两个相邻的横向元件28。横向元件28还设有侧面27，侧面27在运行中可夹紧在主皮带轮和副皮带轮的轮盘14-17之间并且分别与其实现摩擦接触。
无级变速器的传动比取决于副皮带轮6的槽与主皮带轮1的槽中的环形传动皮带11的径向位置之间的比率。更具体地，本文中的传动比定义为皮带与副皮带轮6的轴10的中心线之间的距离(R2)除以皮带与第一皮带轮的轴5的中心线之间的距离(R1)。
变速器的传动比可通过增加皮带轮之一的槽的宽度以及减少另一个皮带轮的槽的宽度来改变。然后，环形传动皮带11以径向方向移动到槽中，因此，传动比发生了改变。槽的加宽和收窄通常受圆柱腔4’中的液压介质的控制压力的降低或升高的影响，而在圆柱腔9’中分别通过液压介质施加较高或较低的张力压力。所述压力确保在环形传动皮带11上持续施加足够的张力。
如上所述，变速器的特定的几何构造，更具体地说，皮带轮的轮盘形状使得当环形传动皮带11在径向方向移动时发生轴向位移。通常，在主皮带轮1和副皮带轮6中的环形传动皮带的轴向位移是不同的，从而使环形传动皮带始终没有对准，除了在使变速器对准的传动比下，即主皮带轮1的槽的中心线12与副皮带轮6的槽的中心线13成一直线时的传动比。
图3中图解说明了在本发明的第一实施方式中表示失准S作为传动比(i)的函数的曲线40的实例。图3示出传动比(i)可从最小传动比或超速比，经过TOP(高速)传动比、中等传动比，变化到达最大传动比，也称为LOW(低速)传动比，其中在TOP传动比下变速器所传送的功率最大，而在中等传动比下皮带11和轴5的中心线之间的径向距离与皮带11和轴10的中心线之间的径向距离相等。线41为对准线，并且表示主皮带轮和副皮带轮完全对准(即失准S为0)的情况。图中示出这样的特定实例，即由于对准线41在TOP传动比处穿过曲线40，则变速器被配置为在TOP传动比下对准。
已经认识到，运行中的变速器的较大部分运行时间中，传动比在中间位置(i＝1)和超速位置之间，一般对应于手动变速器的第三、第四及第五齿轮。因此，鉴于上述在变速器未对准时传动皮带和/或皮带轮轮盘的减少的磨损，在图3的实施方式中，变速器被配制为在超速传动比与TOP传动比之间的传动比范围内是失准的。换句话说，对准可发生在任意的传动比下，除了当传动比在超速传动比与TOP传动比之间时。这由图3中的术语“禁止区域”(P)和“许可区域”(A)指示出。在本实施方式中存在两个许可区域(A1、A2)，一个区域位于对准线41处或位于其下方，一个区域位于对准线42的上方。变速器可例如在TOP传动比下对准，如图3所示，或者在更高的传动比下例如在中等传动比下对准，只要在传动比的禁止区域(P)中存在不对准，或者换句话说，只要对准线41不在禁止区域(P)中穿过曲线40，则对准线41可向上或向下移动。当在轴5、轴10上安装皮带轮1、皮带轮6时并且例如从中间位置开始时，为了获取需要的对准(失准)，只要在许可的区域(A1、A2)中保持线的精确对准，则技术人员可将主皮带轮1的槽的第一中心线12相对于副皮带轮6的槽的中心线13轴向移动。
在图4中示出了根据另一实施方式的对准误差(S)。在该实施方式中，第一中心线12和第二中心线13对于最小传动比(超速传动比)与最大传动比(LOW)之间的任意可能的传动比均是未对准的。图4示出了禁止区域P2和两个许可区域A3及A4。因此，在该实施方式中由于传动皮带的横向元件的位移和/或转动引起的磨损的减少对于所有传动比都是可以实现的，甚至还由此进一步延长了变速器的使用寿命。
在图5中示出了根据另一实施方式的对准误差(S)。在该实施方式中，第一中心线12和第二中心线13是未对准的，使得在超速传动比和TOP传动比之间的区域中的对准误差(S)大于预定的例如为0.05mm或0.1mm的阈值。将图3与图5进行比较，显示了图5的禁止区域P3大于图3的区域P。
在图6中示出了根据另一实施方式的对准误差(S)。在该实施方式中，第一中心线12和第二中心线13是未对准的，使得在最小比率和最大比率之间的范围内的任意传动比下的对准误差(S)均小于阈值，例如小于约0.75mm。图6示出了因此产生的禁止区域P4、P5。如果在另一实施方式中在超速传动比与TOP传动比之间的区域P(参见图3)中可能没有出现对准，则仅存在两个(而不是一个)许可区域A7和A8。
在图6和图7中也示出了根据另一实施方式的对准误差(S)。从图6中示出的实施方式开始，另外的要求可以是在最大功率(TOP)传动比处的失准应小于另外的阈值，例如小于由点线45指示的0.4。如果线45位于限制禁止区域P4的线44的上方，则许可区域仍为相同的，即A7。这样的情况在图6中被示出。如果如图7中所指示的那样线45位于线44下方，则许可区域限制为A9。
虽然参照具体的实施方式描述了本发明，应理解的是，本发明并不限制于上述实施方式，而对本文中描述的系统和方法进行的变化及修改也不背离本发明。申请的权利由所附的权利要求书来限定。

Claims (10)

1.无级变速器，包括：
安装在驱动轴(5)上的主皮带轮(1)以及安装在受驱动轴(10)上的副皮带轮(6)，每个所述皮带轮包括具有径向弯曲的轮盘表面(14-17)的两个圆锥形的皮带轮轮盘(2，3；7，8)，所述轮盘表面(14-17)在其之间限定出圆周槽，在所述圆周槽中，环形传动皮带(11)被保持在可变的径向位置；
所述主皮带轮(1)包括固定至所述驱动轴的第一轮盘(2)以及能相对于所述驱动轴轴向移动的第二轮盘(3)，所述第一轮盘和所述第二轮盘围起具有第一中心线(12)的槽；
所述副皮带轮(6)包括固定至所述受驱动轴的第一轮盘(7)以及能相对于所述受驱动轴轴向移动的第二轮盘(8)，所述两个轮盘围起具有第二中心线(13)的弯曲的槽；
其中，所述驱动轴(5)和所述受驱动轴(10)以径向距离轴向平行地定位；
其中，所述第一皮带轮(1)的所述第一轮盘和所述第二皮带轮(6)的所述第一轮盘的相对轴向位置使得，当所述变速器以小于最大功率传动比(高速传动比)的传动比运行时，所述第一中心线和所述第二中心线是失准的，其中，所述传动皮带(11)能够将最大功率从所述主皮带轮(1)传送至所述副皮带轮(6)，所述传动比(i)被定义为所述副皮带轮中的所述环形传动皮带(11)到所述驱动轴的径向距离与所述主皮带轮中的所述环形驱动皮带到所述受驱动轴的径向距离之比。
2.如权利要求1所述的变速器，其中，所述第一皮带轮(1)的所述第一轮盘(2)和所述第二皮带轮(6)的所述第一轮盘(7)的相对轴向位置使得，所述第一中心线和所述第二中心线对于所有传动比均为失准的。
3.如权利要求1或2所述的变速器，其中，所述第一皮带轮的所述第一轮盘(2)和所述第二皮带轮的所述第一轮盘(7)的相对轴向位置使得，当所述传动比从最小值朝向最大功率传动比(高速传动比)增大时失准减小。
4.如前述权利要求中任一项所述的变速器，其中，当根据权利要求1至3中任一项所述的变速器失准时，所述第一和第二皮带轮的所述圆周槽的所述中心线的相对轴向位移超过阈值。
5.如前述权利要求中任一项所述的变速器，其中，所述第一皮带轮的所述第一轮盘和所述第二皮带轮的所述第一轮盘的相对轴向位置使得，当所述变速器运行在传动比落入超速传动比值与所述最大功率传动比值(高速传动比)之间的传动比范围中时，所述第一中心线和所述第二中心线对于一个以上的阈值是失准的。
6.如权利要求4或5所述的变速器，其中，所述阈值约为0.05mm，优选地约为0.1mm。
7.如前述权利要求中任一项所述的变速器，其中，当根据权利要求1至6中任一项所述的变速器失准时，所述第一和第二皮带轮的所述圆周槽的所述中心线(12、13)的所述相对轴向位移等于或小于约0.75mm。
8.如权利要求7所述的变速器，其中，至少在所述最大功率传动比(高速传动比)下所述相对轴向位移等于或小于0.40mm。
9.如前述权利要求中任一项所述的变速器，其中，固定的以及能在所述驱动轴上移动的轮盘的轴向定位与其在所述受驱动轴上的定位相反。
10.如前述权利要求中任一项所述的变速器，其中，所述环形传动皮带(11)包括横向元件(28)，所述横向元件被保持以使其能沿驱动皮带的张力调整元件移动，并且至少当所述变速器运行时，在所述变速器侧面的位置所述横向元件被交替地夹持在所述主皮带轮(1)的皮带轮轮盘和所述第二皮带轮(6)的皮带轮轮盘之间。
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