CN103542058A - 具有双中间滚轮转向变径机构的摩擦式无级变速装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带有双中间滚轮的转向变径无级变速机构，包括输入轴、中间轴、主销、第一中间滚轮、第二中间滚轮和输出轴，所述第一中间滚轮和第二中间滚轮采用了一对有粘弹特性的中间滚轮，使中间滚轮产生侧偏，使中间滚轮在侧向力的作用下改变其径向位置，实现速比的调节。本发明的优点是控制高摩擦系数传动轮接触半径在低阻力、低磨损条件下进行平滑、连续的变化，结构简单，无级变速操纵轻便，提高了摩擦式无级变速器的承载能力。

Description

具有双中间滚轮转向变径机构的摩擦式无级变速装置

技术领域

本发明属于机械传动领域，具体涉及一种具有双中间滚轮转向变径机构的摩擦式无级变速装置。

背景技术

机械无级变速机构是一种传动比连续可调的机械传动装置，广泛应用于各类机械设备中，具有多种机构类型。如移动滚轮平盘式、锥盘环盘式、光轴斜盘式、滚轮平盘式、弧锥环盘式等。摩擦传动是机械无级变速器的常用机构型式，如常见的金属带式无级变速器（VDT-CVT）。摩擦传动机构利用一定正压力作用下传动件之间的摩擦力传动运动和动力，其传递摩擦力（转矩）的能力取决于传动件接触表面的摩擦系数和正压力。一定的正压力条件下，增大摩擦传动轮表面接触处的摩擦系数是提高摩擦式无级变速机构承载能力的重要途径。但现有的摩擦式无级变速机构，其传动件之间的摩擦系数若取较大值，则传动过程中改变传动轮有效摩擦接触半径实现无级变速所需克服的摩擦阻力，以及由此产生的传动件接触表面磨损都将急剧增大。所以，现有的摩擦式无级变速机构实际上都只能选择摩擦系数较小而表面耐磨损性较高的金属式摩擦传动部件（金属式传动轮或传动带），甚至还需在传动件摩擦接触处加注牵引滑润油（TractionOil），导致其承载能力受到很大限制。

因此，为了提高摩擦式无级变速器的承载能力，需要寻找能适应高摩擦系数条件的新型无级变速机构。

专利20051001111023.X提出了一种滚轮平盘式摩擦式无级变速器，其变速方式是：不改变中间滚轮位置，仅通过改变中间滚轮的偏斜角度来改变传动比，即传动比大小与偏斜角有关。但当中间滚轮偏斜时，它与主、从动轮接触处将会因接触点速度方向的不一致而在侧向产生相对速度和滑动磨损，进而影响传动效率。因此，这种变速方式也不适宜取较大的摩擦系数，其承载能力必然很低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是要提供一种结构简单，成本低，调速机构操作轻便的具有双中间滚轮转向变径机构的摩擦式无级变速装置。

为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种具有双中间滚轮转向变径机构的摩擦式无级变速装置，包括输入轴、输入轴齿轮、输入摩擦盘、中间轴、小型电机、电机座、第一中间滚轮、第一滚轮轴、第二中间滚轮、第二中间轴、主销、变径支架、输出摩擦盘和输出轴。

输入轴齿轮固接在输入轴上，两者无相对运动，输入轴与机架转动副连接，故输入轴齿轮和输入轴仅可以相同的角速度绕输入轴的轴线转动；输入摩擦盘固接在中间轴上，两者无相对运动，中间轴与机架转动副连接，故输入摩擦盘和中间轴仅可以相同的角速度绕中间轴的轴线转动；输入摩擦盘侧面加工有齿，与输入轴齿轮啮合。

第一中间滚轮、第二中间滚轮和第一滚轮轴、第二滚轮轴分别以转动副连接，第一滚轮轴、第二滚轮轴与主销之间均为移动副连接，两轮之间相互压紧，可实现摩擦传动，两轮尺寸相同，传动比为1；同时，第一中间滚轮和输入摩擦盘相互压紧，为摩擦副连接，可实现摩擦传动；第二中间滚轮和输出摩擦盘也相互压紧，为摩擦副连接，可实现摩擦传动。

主销和变径支架为转动副连接，主销相对变径支架仅能够绕自身轴线转动；小型电机安装在电机座上，电机座和变径支架固接，电机输出轴和主销固接，两者轴线重合，变径支架和机架通过移动副连接。

输出摩擦盘固接在输出轴上，两者无相对运动，输出轴与机架在机构压紧后为转动副连接，故输出摩擦盘和输出轴仅可以相同的角速度绕输出轴的轴线转动。

减速传动时，动力通过输入轴输入，经由输入摩擦盘传递至第一中间滚轮、第二中间滚轮，最后由输出摩擦盘输出到输出轴；增速传动时，动力传递路径相反。

当需要调节传动比时，由小型电机同步带动所有的主销沿同一方向平稳地转过相同角度，则会相应的带动中间滚轮产生侧偏，由于侧偏角很小，小型电机不用消耗太多的功率，阻力也不大。假设此时第一中间滚轮和输入摩擦盘的接触点为p1，p1点的速度为Vp1，第一中间滚轮和输入摩擦盘之间是纯滚动，那么第一中间滚轮上p1点的速度也为Vp1，第一中间滚轮上p1点的速度可以理解为一个合速度，由两部分组成：一是p1点相对于第一中间滚轮的转动轴线的转动速度Vr1，其方向垂直于第一中间滚轮的转动轴线；二是第一中间滚轮整体的平动速度Vs1。由于导向机构的存在Vs1的方向也是确定的，且有Vp1=Vr1+Vs1，第一中间滚轮会沿着输入摩擦盘的半径方向以的速度Vs1移动，同样地，在第二中间滚轮和输出摩擦盘之间也存在着一个接触点p2，通过运动方向和矢量合成关系可得第二中间滚轮也会向着输出摩擦盘的中心以速度Vs2移动，通过分析Vs2的方向可知第一中间滚轮和第二中间滚轮的运动方向一致。当第一中间滚轮和第二中间滚轮沿着导向机构的方向运动到一个合理的位置时将电机回正，此时Vs1=Vs2=0，到达一个新的传动位置，实现传动比的变化。转向电机回正后，中间滚轮到达新的传动接触半径位置，此时电机被锁止（锁止机构可采取电磁制动方式等方式，图中未画出），以保证传动比处于稳定状态。

在本发明中，为了保证第一中间滚轮和第二中间滚轮、第一中间滚轮和输入摩擦盘、第二中间滚轮和输出摩擦盘之间的摩擦副上有足够的正压力，整个机构需要压紧，压紧力可以作用在输出摩擦盘上，方向向上，也可以作用在由输入轴、输入轴齿轮、输入摩擦盘、中间轴组成的输入总成上，方向向下。

在本发明中，为了使传动稳定和均匀受力，中间传动转向变径机构，包括输入摩擦盘、中间轴、小型电机、电机座、第一中间滚轮、第二中间滚轮、主销、变径支架，都有2套，对称分布于输出摩擦盘的两侧。只要中间转向变径机构能够对称分布于输出摩擦盘的周围，理论上可以有多套，但多套转向变径机构在执行调速时，必须是完全同步的，实现方式可以是同步控制的电机或者是机械式同步转向机构，例如可采用传动比为1的平行四边形连杆机构或同步带传动机构等（图中为同步控制的电机）来保持同步，但是因为中间滚轮的制造偏差，或者因为系统受力不均匀引起的磨损不均，机构实际运行中很难保证多套转向变径机构之间变径的完全同步，其解决方案可以是通过特定的机构从结构上来保证多套转向变径机构之间运动的完全同步，或者使用对电机进行闭环控制来修正多套转向变径机构之间运动的运动误差，多套转向变径机构的结构方案，和只有一套中间传动转向变径机构的方案，以及保证多套机构之间同步性的两种基本方法，均在本发明专利的保护范围之内。

本发明提出一种具有双中间滚轮转向变径机构的摩擦式无级变速装置，可以控制高摩擦系数传动轮接触半径在低阻力、低磨损条件下进行平滑、连续的变化，具有结构简单、无级变速操纵轻便等优点。

本发明的优越功效在于：

1.  控制高摩擦系数传动轮接触半径在低阻力、低磨损条件下进行平滑、连续的变化，结构简单，无级变速操纵轻便；

2.  当需进行调速时，改变传动轮有效摩擦接触半径实现无级变速所需克服的摩擦阻力小，转向变径机构操作轻便，造成的磨损小；

3.  调速时不需要断开动力传输；

4.  可以实现换向的功能。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图；

图2和图3为本发明的调速原理示意图；

图中标号说明：

0－机架；

1－输入轴；                       2－输入轴齿轮；

3－输入摩擦盘；                   4－中间轴；

5－小型电机；                     6－电机座；

7－第一中间滚轮；                 8－第一滚轮轴；

9－第二滚轮轴；                   10－第二中间滚轮；

11－主销；                        12－变径支架；

13－输出摩擦盘；                  14－输出轴。

具体实施方式

请参阅附图所示，对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明提供了一种具有双中间滚轮转向变径机构的摩擦式无级变速装置，包括输入轴1、输入轴齿轮2、输入摩擦盘3、中间轴4、小型电机5、电机座6、第一中间滚轮7、第一滚轮轴8、第二滚轮轴9、第二中间滚轮10、主销11、变径支架12、输出摩擦盘13和输出轴14。

具体的运动副关系如下：

输入轴齿轮2固接在输入轴1上，两者无相对运动，输入轴1与机架0转动副连接，输入轴齿轮2和输入轴1仅可以相同的角速度绕输入轴1的轴线转动；输入摩擦盘3固接在中间轴4上，两者无相对运动，中间轴4与机架0转动副连接，输入摩擦盘3和中间轴4仅可以相同的角速度绕中间轴4的轴线转动；输入摩擦盘3侧面加工有齿，与输入轴齿轮2啮合；

第一中间滚轮7、第二中间滚轮10和第一滚轮轴8、第二滚轮轴9分别以转动副连接，第一滚轮轴8、第二滚轮轴9与主销11之间均为移动副连接，两轮之间相互压紧，可实现摩擦传动，两轮尺寸相同，传动比为1；同时，第一中间滚轮7和输入摩擦盘3相互压紧，为摩擦副连接，可实现摩擦传动；第二中间滚轮10和输出摩擦盘13也相互压紧，为摩擦副连接，可实现摩擦传动。

主销11和变径支架12为转动副连接，主销11相对变径支架12仅能够绕自身轴线转动；小型电机安装在电机座6上，电机座6和变径支架12固接在一起，电机输出轴和主销11固接，两者轴线重合，变径支架12和机架0为移动副连接。

输出摩擦盘13固接在输出轴14上，两者无相对运动，输出轴14与机架0在机构压紧后为转动副连接，故输出摩擦盘13和输出轴14仅可以相同的角速度绕输出轴14的轴线转动。

减速传动时，动力通过输入轴输入，假定输入轴1的转速为                                                ，输入轴齿轮2的齿数为

，输入摩擦盘3上加工的齿的齿数为，那么输入摩擦盘3绕中间轴4的轴线的转速为

假设第一中间滚轮7和输入摩擦盘3的接触点距离中间轴4轴线的距离为

，第二中间滚轮10和输出摩擦盘13的接触点距离输出轴14轴线的距离为

，考虑到两个中间滚轮的之间的传动比为1，假定输出轴14的转速为

，有

，且输入轴1和输出轴14的旋转方向相反，那么减速比为：

；

若我们假设输入摩擦盘3的半径为，输出摩擦盘13的半径为

，且

若另

，那么

，且有

；；

因为变径支架12和机架为移动副连接，故x是连续变化的。其中输入轴齿轮2的齿数和输入摩擦盘3上加工的齿的齿数之比为定值，而中心距之比r1/r2是连续变化的，故可以实现无级减速。且传动比的变化范围为

；

可以发现，本机构在一定范围内可实现换向功能。

当动力从输出端输入时，该机构可以实现无级增速；

下面结合附图2详细阐述调速原理：

当要变化传动比时，假设由小型电机5同步带动两侧的主销沿轴线逆时针平稳地转过一个

角度，那么会相应的带动中间滚轮7、10转动，结果的俯视图如图2所示（假设主销11离两轮平面足够近），第一中间滚轮7在输入摩擦盘3的下方，故以虚线表示：

假设第一中间滚轮7和输入摩擦盘3的接触点为p1，输入摩擦盘3依照图示方向转动，则p1点的速度为Vp1，假设第一中间滚轮7和输入摩擦盘3之间是纯滚动，那么第一中间滚轮7上p1点的速度也为Vp1，第一中间滚轮7上p1点的速度可以理解为一个合速度，是由两部分组成的，一是p1点相对于第一中间滚轮7的转动轴线的转动速度Vr1，方向垂直于第一中间滚轮7的转动轴线，二是第一中间滚轮7整体的平动速度Vs1，由于导向机构的存在Vs1的方向也是确定的，且有Vp1=Vr1+V1s这样的矢量关系式，由图2中不难看出第一中间滚轮7会向着输入摩擦盘3的中心以一个Vs1的速度移动，同样地，在动中间滚轮10和输出摩擦盘13之间也存在着一个接触点p2，在图3中依照图示的运动方向和矢量合成关系不难看出第二中间滚轮10也会向着输出摩擦盘13的中心以一个Vs2的速度移动，上下的运动是一致的。当上下中间滚轮沿着导向机构的方向运动到一个合理的位置时将电机回正，使得

为零，那么此时的Vs1=Vs2=0，到达一个新的传动位置，实现传动比的变化。转向电机回正后，中间滚轮到达新的传动接触半径位置，此时电机被锁止（锁止机构可采取电磁制动方式等方式，图中未画出），以保证传动比处于稳定状态。

Claims (5)

1.一种带有双中间滚轮的转向变径无级变速机构，包括输入轴、中间轴、主销、第一中间滚轮、第二中间滚轮和输出轴，其特征在于：所述第一中间滚轮和第二中间滚轮采用了一对有粘弹特性的中间滚轮，使中间滚轮产生侧偏，使中间滚轮在侧向力的作用下改变其径向位置，实现速比的调节。

2.根据权利要求1所述的一种带有双中间滚轮的转向变径无级变速机构，其特征在于：所述输入轴上固接有输入轴齿轮，两者无相对运动，输入轴与机架转动副连接，输入轴齿轮和输入轴仅以相同的角速度绕输入轴的轴线转动；输入摩擦盘固接在中间轴上，两者无相对运动，中间轴与机架转动副连接，故输入摩擦盘和中间轴仅以相同的角速度绕中间轴的轴线转动；输入摩擦盘侧面加工有齿，与输入轴齿轮啮合。

3.根据权利要求1所述的一种带有双中间滚轮的转向变径无级变速机构，其特征在于：所述第一中间滚轮、第二中间滚轮和第一滚轮轴、第二滚轮轴分别以转动副连接，第一滚轮轴、第二滚轮轴与主销之间均为移动副连接，两轮之间相互压紧，实现摩擦传动，两轮尺寸相同，传动比为1；所述第一中间滚轮和输入摩擦盘相互压紧，为摩擦副连接，实现摩擦传动；第二中间滚轮和输出摩擦盘也相互压紧，为摩擦副连接，实现摩擦传动。

4.根据权利要求1所述的一种带有双中间滚轮的转向变径无级变速机构，其特征在于：所述主销和变径支架为转动副连接，主销相对变径支架仅绕自身轴线转动；变径支架与电机座固接，电机座上安装有小型电机，电机输出轴和主销固接，两者轴线重合，变径支架和机架通过移动副连接。

5.根据权利要求1所述的一种带有双中间滚轮的转向变径无级变速机构，其特征在于：所述输出轴上固接有输出摩擦盘，两者无相对运动，输出轴与机架在机构压紧后为转动副连接，故输出摩擦盘和输出轴仅以相同的角速度绕输出轴的轴线转动。

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