CN102927231B - 一种无级变速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现无级变速的方法及两种无级变速器。该方法是以介质为高频传动开关，通过机械蓄能机构实现输出转速和转矩的转换；所述介质是在电压或磁场的作用下发生固、液态转变的介质；所述机械蓄能机构由重质的蓄能飞轮和轻质的传动盘组成，介质位于蓄能飞轮和传动盘之间；当施加电压或磁场时，介质发生固化从而将蓄能飞轮与传动盘连为一体，当失去电压或磁场时，介质发生液化从而蓄能飞轮与传动盘之间无机械连接并各自进行自由转动，通过控制介质固态和液态时间比例，实现控制输出转速和转矩。实现本方法的两种无级变速器，具有调速范围宽、反应快、结构简单和输出功率稳定等优点。

Description

一种无级变速器

技术领域

本发明涉及机电一体化领域，特别涉及一种无级变速方法及无级变速器。

背景技术

无级变速器可以更好的满足电动机或发动机在最优工况下与传动系统的良好匹配。传统无级变速器主要分为液压传动、机械传动和电力传动等方式。液压传动对变速器的制造精度要求高，价格较贵，输出特性为恒转矩，滑动率较大，运转时容易发生漏油；机械传动对变速器的零部件加工及润滑要求较高，承载能力较低，抗过载及耐冲击性较差，有效调速范围小，一般适合于中、小功率传动；电力传动的变速器以交流电机式为主，在降频低速时恒转矩输出，功率降低。总体上，目前无级变速器结构复杂、工艺要求较高，局部性能有待提升。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种无级变速方法。

本发明的另一目的在于提供两种结构简单、变速范围大和输出功率稳定的无级变速器。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种无级变速方法，是以介质为高频传动开关，通过机械蓄能机构实现输出转速和转矩的转换；所述介质是在电压或磁场的作用下发生固、液态转变的介质；所述机械蓄能机构由重质的蓄能飞轮和轻质的传动盘组成，介质位于蓄能飞轮和传动盘之间；当施加电压或磁场时，介质发生固化从而将蓄能飞轮与传动盘连为一体，当失去电压或磁场时，介质发生液化从而蓄能飞轮与传动盘之间无机械连接并各自进行自由转动，通过控制介质固态和液态时间比例，实现控制输出转速和转矩。

所述介质优选电流变液、电磁变液或可控磁粉，还包括可以实现快速可控连断的其它介质。

一种无级变速器，包括按同轴串联排布的输入系统、变速传动系统和输出系统；所述输入系统包括输入轴定位轴承1、输入轴2和I级蓄能飞轮3，所述变速传动系统包括弹性机构4、传动盘5、I级介质6和II级介质7，所述输出系统包括II级蓄能飞轮8、输出轴9和输出轴定位轴承10；输入轴定位轴承1与输入轴2相嵌接，用于固定输入轴2，输入轴2与重质的I级蓄能飞轮3同轴刚性连接；I级蓄能飞轮3与传动盘5之间放置有I级介质6，传动盘5和II级蓄能飞轮8之间放置有II级介质7；所述I级介质6和II级介质7是在电压或磁场的作用下发生固、液态转变的介质，当施加电压或磁场时，I级介质6会发生固化，从而将I级蓄能飞轮3与传动盘5连为一体，当失去电压或磁场时，I级介质6会重新液化，从而I级蓄能飞轮3与传动盘5之间无机械连接，进行独立自由转动；当施加电压或磁场时，II级介质7会发生固化，从而将传动盘5与II级蓄能飞轮8连为一体，当失去电压或磁场时，II级介质7会重新液化，从而传动盘5与II级蓄能飞轮8之间无机械连接，进行独立自由转动；轻质的传动盘5的边缘连接有环状的弹性机构4，弹性机构4的外缘固定在外壳上，弹性机构4用于提供传动盘5在一定幅度内往复转动的回复力；重质的II级蓄能飞轮8与输出轴9刚性连接，输出轴定位轴承10与输出轴9相嵌接，用于固定输出轴9。

所述I级介质6和II级介质7优选电流变液、电磁变液或可控磁粉，还包括可以实现快速可控连断的其它介质。

所述II级介质7可以用机械棘轮代替，机械棘轮的棘齿方向与输出轴9的转速方向相同。

所述I级蓄能飞轮3和II级蓄能飞轮8的质量重于传动盘5；I级蓄能飞轮3和II级蓄能飞轮8为圆盘状，传动盘5为轻质薄板。

所述输入系统的动力源，可以是电动机、汽油发动机、柴油发动机或蒸汽机等机械动力源。

采用电控系统来控制I级介质6和II级介质7的电压或磁场。所述电控系统包括数字处理系统、转速扭矩检测系统、电源系统、驱动电路、I级电/磁极和II级电/磁极。其中，数字处理系统可以是单片机、DSP、PLC或工控机为核心的数字处理系统，负责将采集到的输入输出轴转速、扭矩等数据运算后，输出控制I级介质6和II级介质7的电信号。转速扭矩检测系统负责将输入、输出轴上传感器采集到的扭矩和转速信息变送处理，传递给数字处理系统。电源系统为数字处理系统和驱动电路提供相应的工作电压。驱动电路将数字处理系统输出的弱电控制信号放大和波形调整，产生可以两回路驱动介质的电磁控制波形。I级电/磁极和II级电/磁极分别形成一个对级，将驱动波形施加在I级介质6和II级介质7之上，完成固液两态变化。

另一种无级变速器(同轴套筒式)，与上述第一种无级变速器的不同之处在于：II级蓄能飞轮12和传动盘13为同轴套筒结构，II级蓄能飞轮12的边缘延长形成外套筒，传动盘13的边缘延长形成内套筒，II级介质7放置于内外套筒之间；传动盘13与扭矩弹簧11的一端相连接，扭矩弹簧11的另一端固定，扭矩弹簧11为传动盘13提供往复转动方向回复力。

本发明的工作原理为：

I级介质6和II级介质7分别为独立空间，设I级介质6固态时间为t₁，II级介质7固态时间为t₂，稳态工作时，两级介质控制时间周期为T，即：

T＝t₁+t₂           (1)

控制I级介质6和II级介质7互补固态周期动作。

设弹性机构4具有足够的行程和稳定的弹性系数，并假设稳态后输入轴2角速度为ω₁，输入轴2和I级蓄能飞轮3为刚性连接，具有相同的角速度。I级蓄能飞轮3为金属圆盘，假设转动惯量足够大，当T足够小时其角速度ω₁变化忽略不计，则t₁时间内I级蓄能飞轮3通过固态I级介质6和传动盘5为弹性机构4蓄能。在t₂时间内弹性机构4的势能通过传动盘5和II级介质7向由II级蓄能飞轮8释放，输出轴9与其刚性连接，将机械能输出给负载。设II级蓄能飞轮8转动惯量足够大，当T足够小时其角速度ω₂变化忽略不计。

可以分析，稳态时，一个周期T内传动盘5平均角位移为0，否则单向位移积累与稳态矛盾，可以表达为：

${\∫}_0^T\mathrm{\ωdt}=0---\left(2\right)$

式2中ω为传动盘5角速度，当在t₁时间内为ω₁，在t₂时间内为ω₂，且方向相反，所以可得：

ω₁t₁＝ω₂t₂         (3)

忽略I级介质6和II级介质7两态变化时的损耗，视为理想材料，并忽略其他机械损耗，则输入轴2与输出轴9功率守恒，即：

M₁ω₁＝M₂ω₂         (4)

式4中M₁为输入轴2的转矩，M₂为输出轴9的转矩，由式3和式4可以推得：

$M_2=\frac{t_2}{t_1}{M}_1---\left(5\right)$

${\mathrm{\ω}}_2=\frac{t_1}{t_2}{\mathrm{\ω}}_1---\left(6\right)$

由此可见，当t₁>t₂时，输出轴9的转速ω₂>ω₁，转矩M₂<M₁；当t₁<t₂时，输出轴9的转速ω₂<ω₁，转矩M₂>M₁。输出轴9与输入轴2的转速方向相反。

可见，本发明通过控制I级介质和II级介质的固液时间比，使I级蓄能飞轮通过带弹性机构的轻质盘将机械能传递给II级蓄能飞轮，转速比由时间比决定，达到无级变速效果。通过控制机械能存储机构输入和输出时间，可保持输入系统工作在最优工况，实现控制不同输出负载转矩情况下的匹配转速。

本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：

1、本发明的原理与结构不同于目前的变速器，具有调速范围宽、反应快、结构简单和输出功率稳定等优点。

2、本发明公开的无级变速器利用电流变液或电磁变液作为高频传动连接介质，性能优于一般机械或液压传动。

3、本发明利用机械能存储机构作为能量交换部件，同时起到能量传递作用，整个系统具有较好的柔性。

附图说明

图1是本发明中一种无级变速器的结构示意图。

其中，1、输入轴定位轴承；2、输入轴；3、I级蓄能飞轮；4、弹性机构；5、传动盘；6、I级介质；7、II级介质；8、II级蓄能飞轮；9、输出轴；10、输出轴定位轴承。

图2是本发明中另一种无级变速器(同轴套筒式)的结构示意图。

其中，1、输入轴定位轴承；2、输入轴；3、I级蓄能飞轮；6、I级介质；7、II级介质；9、输出轴；10、输出轴定位轴承；11、扭矩弹簧、12、II级蓄能飞轮、13、传动盘。

图3是两级介质的电控系统原理图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示。一种无级变速器，包括按同轴串联排布的输入系统、变速传动系统和输出系统；所述输入系统包括输入轴定位轴承1、输入轴2和I级蓄能飞轮3，所述变速传动系统包括弹性机构4、传动盘5、I级介质6和II级介质7，其中，I级介质6和II级介质7是电流变液；所述输出系统包括II级蓄能飞轮8、输出轴9和输出轴定位轴承10；输入轴定位轴承1与输入轴2相嵌接，用于固定输入轴2，输入轴2与重质的I级蓄能飞轮3同轴刚性连接；I级蓄能飞轮3与传动盘5之间放置有I级介质6，传动盘5和II级蓄能飞轮8之间放置有II级介质7；所述I级介质6和II级介质7是在电压或磁场的作用下发生固、液态转变的介质，当施加电压或磁场时，I级介质6会发生固化，从而将I级蓄能飞轮3与传动盘5连为一体，当失去电压或磁场时，I级介质6会重新液化，从而I级蓄能飞轮3与传动盘5之间无机械连接，可以进行独立自由转动；当施加电压或磁场时，II级介质7会发生固化，从而将传动盘5与II级蓄能飞轮8连为一体，当失去电压或磁场时，II级介质7会重新液化，从而传动盘5与II级蓄能飞轮8之间无机械连接，可以进行独立自由转动；轻质的传动盘5的边缘连接有环状弹性机构4，弹性机构4的外缘固定在外壳上，弹性机构4用于提供传动盘5在一定幅度内往复转动的回复力；重质的II级蓄能飞轮8与输出轴9刚性连接，输出轴定位轴承10与输出轴9相嵌接，用于固定输出轴9。所述I级蓄能飞轮3和II级蓄能飞轮8的质量重于传动盘5；I级蓄能飞轮3和II级蓄能飞轮8为圆盘状，传动盘5为轻质薄板。

介质为电流变液时，可采用图3所示电控系统来控制I级介质6和II级介质7的电压或磁场。所述电控系统包括数字处理系统、转速扭矩检测系统、电源系统、驱动电路、I级电/磁极和II级电/磁极。其中，数字处理系统可以是单片机、DSP、PLC或工控机为核心的数字处理系统，负责将采集到的输入输出轴转速、扭矩等数据运算后，输出控制I级介质6和II级介质7的电信号。转速扭矩检测系统负责将输入、输出轴上传感器采集到的扭矩和转速信息变送处理，传递给数字处理系统。电源系统为数字处理系统和驱动电路提供相应的工作电压。驱动电路将数字处理系统输出的弱电控制信号放大和波形调整，产生可以两回路驱动介质的电磁控制波形。I级电/磁极和II级电/磁极分别形成一个对级，将驱动波形施加在I级介质6和II级介质7之上，完成固液两态变化。

同时，I级蓄能飞轮3、II级蓄能飞轮8和传动盘5表面做电气绝缘处理。

机械能输入系统可工作在最优工况，此时输入轴2角速度为ω₁、转矩为M₁。当输出轴9的负载转矩为M₂时，根据式5，控制一个周期T内I级介质6固态时间t₁与II级介质7固态时间t₂的关系满足：

$\frac{t_1}{t_2}=\frac{M_1}{M_2}---\left(7\right)$

且

T＝t₁+t₂           (8)

根据式6，此时输出轴9的角速度为当M₂>M₁时，t₁<t₂且ω₂<ω₁，变速器处于减速运行；当M₂<M₁时，t₁>t₂且ω₂>ω₁，变速器处于加速运行；当当M₂＝M₁时，t₁＝t₂且ω₂＝ω₁，变速器处于等速运行。可见，通过控制t₁和t₂的时间比，可以使无级变速器工作在任意速度或转距输出，且可使机械能输入系统工作在最优工况。

实施例2

I级介质6和II级介质7是电磁变液，其它与实施例1相同。I级蓄能飞轮3、II级蓄能飞轮8和传动盘5表面做隔磁处理。

实施例3

I级介质6和II级介质7是可控磁粉，其它与实施例1相同。

实施例4

II级介质8用机械棘轮代替，机械棘轮的棘齿方向与II级蓄能飞轮8转动方向相同，其它与实施例1相同。

实施例5

如图2所示，同轴套筒式无级变速器，其中，II级蓄能飞轮12和传动盘13为同轴套筒结构，II级蓄能飞轮12的边缘延长形成外套筒，传动盘13的边缘延长形成内套筒，II级介质7放置于内外套筒之间；传动盘13与扭矩弹簧11的一端相连接，扭矩弹簧11的另一端固定，扭矩弹簧11为传动盘13提供往复转动方向回复力。其它与实施例1相同。

实施例6

该无级变速器可用在发电机系统，变速原理与实施例1相同，过程与其相反，可根据机械动能输入情况为发电机提供合适的转速或转矩。

Claims (6)

1.一种无级变速器，其特征在于：包括按同轴串联排布的输入系统、变速传动系统和输出系统；所述输入系统包括输入轴定位轴承、输入轴和I级蓄能飞轮，所述变速传动系统包括弹性机构、传动盘、I级介质和II级介质，所述输出系统包括II级蓄能飞轮、输出轴和输出轴定位轴承；输入轴定位轴承与输入轴相嵌接，用于固定输入轴，输入轴与重质的I级蓄能飞轮同轴刚性连接；I级蓄能飞轮与传动盘之间放置有I级介质，传动盘和II级蓄能飞轮之间放置有II级介质；所述I级介质和II级介质是在电压或磁场的作用下发生固、液态转变的介质，当施加电压或磁场时，I级介质会发生固化，从而将I级蓄能飞轮与传动盘连为一体，当失去电压或磁场时，I级介质会重新液化，从而I级蓄能飞轮与传动盘之间无机械连接，进行独立自由转动；当施加电压或磁场时，II级介质会发生固化，从而将传动盘与II级蓄能飞轮连为一体，当失去电压或磁场时，II级介质会重新液化，从而传动盘与II级蓄能飞轮之间无机械连接，进行独立自由转动；轻质的传动盘的边缘连接有环状的弹性机构，弹性机构的外缘固定在外壳上，弹性机构用于提供传动盘在一定幅度内往复转动的回复力；重质的II级蓄能飞轮与输出轴刚性连接，输出轴定位轴承与输出轴相嵌接，用于固定输出轴。

2.一种无级变速器，其特征在于：包括按同轴串联排布的输入系统、变速传动系统和输出系统；所述输入系统包括输入轴定位轴承、输入轴和I级蓄能飞轮，所述变速传动系统包括弹性机构、传动盘、I级介质和II级介质，所述输出系统包括II级蓄能飞轮、输出轴和输出轴定位轴承；输入轴定位轴承与输入轴相嵌接，用于固定输入轴，输入轴与重质的I级蓄能飞轮同轴刚性连接；I级蓄能飞轮与传动盘之间放置有I级介质；II级蓄能飞轮和传动盘为同轴套筒结构，II级蓄能飞轮的边缘延长形成外套筒，传动盘的边缘延长形成内套筒，II级介质放置于内外套筒之间；传动盘与扭矩弹簧的一端相连接，扭矩弹簧的另一端固定，扭矩弹簧为传动盘提供往复转动方向回复力；所述I级介质和II级介质是在电压或磁场的作用下发生固、液态转变的介质，当施加电压或磁场时，I级介质会发生固化，从而将I级蓄能飞轮与传动盘连为一体，当失去电压或磁场时，I级介质会重新液化，从而I级蓄能飞轮与传动盘之间无机械连接，进行独立自由转动；当施加电压或磁场时，II级介质会发生固化，从而将传动盘与II级蓄能飞轮连为一体，当失去电压或磁场时，II级介质会重新液化，从而传动盘与II级蓄能飞轮之间无机械连接，进行独立自由转动；重质的II级蓄能飞轮与输出轴刚性连接，输出轴定位轴承与输出轴相嵌接，用于固定输出轴。

3.根据权利要求1或2所述的无级变速器，其特征在于：所述I级介质和II级介质是电流变液、电磁变液或可控磁粉。

4.根据权利要求1所述的无级变速器，其特征在于：所述II级介质用机械棘轮代替，机械棘轮的棘齿方向与输出轴的转速方向相同。

5.根据权利要求1或2所述的无级变速器，其特征在于：采用电控系统来控制I级介质和II级介质的电压或磁场；所述电控系统包括数字处理系统、转速扭矩检测系统、电源系统、驱动电路、I级电/磁极和II级电/磁极。

6.根据权利要求5所述的无级变速器，其特征在于：所述数字处理系统是单片机、DSP、PLC或工控机为核心的数字处理系统，负责将采集到的输入输出轴转速、扭矩数据运算后，输出控制I级介质和II级介质的电信号；转速扭矩检测系统负责将输入、输出轴上传感器采集到的扭矩和转速信息变送处理，传递给数字处理系统；电源系统为数字处理系统和驱动电路提供相应的工作电压；驱动电路将数字处理系统输出的弱电控制信号放大和波形调整，产生可以两回路驱动介质的电磁控制波形；I级介质和II级介质分别形成一个对级，将驱动波形施加在I级介质和II级介质之上，完成固液两态变化。