CN103775594A - 变速器 - Google Patents

Abstract

一种无级的机械变速器装置。将动力输入端的旋转运动，转化为往复摆动，往复摆动推动一个储能弹簧，储能弹簧的另一端推动一个单向离合装置，当往复摆动线速度超越单向离合装置速度时，单向离合装置锁止，往复摆动动力通过储能弹簧向外动力输出端输出动力。往复摆动与单向离合装置之间的储能弹簧为柔性连接，可实现无级变速，且变速比与传递的力矩可实现一定程度的自适应效果。该变速器结构简单、成本低廉、尺寸小、重量轻。

Description

变速器

技术领域

本发明涉及一种变速器装置，特别是一种无级的机械变速器装置。可应用于汽车和工程机械等领域。

背景技术

当前机械变速器包括以下两种。

1）齿轮传动式。齿轮传动式变速器只能实现有级变速，应用于自动变速时，控制结构复杂，尺寸大、重量重，成本高昂。

2）摩擦传动式。摩擦传动式可实现无级变速，但存在传递力矩小，容易打滑，传动效率低，控制结构复杂，尺寸大、重量重，成本高昂等不足。

发明内容

本发明提供一种机械变速器，该变速器结构简单、成本低廉、尺寸小、重量轻。该变速器可实现无级变速，且变速比与传递的力矩可实现一定程度的自适应效果，控制简单。

本发明实现上述目的的技术方案是：将动力输入端的旋转运动，转化为往复摆动，往复摆动推动一个储能弹簧，储能弹簧的另一端推动一个单向离合装置，当往复摆动线速度超越单向离合装置速度时，单向离合装置锁止，往复摆动的动力通过储能弹簧向动力输出端输出动力。往复摆动与单向离合装置之间的储能弹簧为柔性连接，可实现无级变速，具体实现方法如下。

变速器包含三部分核心装置：往复摆动装置、储能装置和单向离合装置。往复摆动装置为动力输入端，单向离合装置为动力输出端。往复摆动装置连接至储能装置，在其往复摆动过程中向储能装置输送动力，同时储能装置还连接至单向离合装置，将储存的动力向单向离合装置输出。

往复摆动装置包括曲轴、滑块和带滑槽的摆杆。滑块装于曲轴与摆杆的滑槽之间，滑块可以绕曲轴旋转，同时可以在摆杆的滑槽内做直线滑动。摆杆在滑块作用下，在曲轴的旋转平面上作往复摆动，摆动形式可以为直线往复摆动，也可以为圆周往复摆动。摆杆的摆动幅度由曲轴偏心确定。

单向离合装置包括内圈、外圈和介于两者之间方向可控的单向锁止机构，内圈和外圈可同轴旋转。单向锁止机构的锁止方向可以被设置为双向释放、单正向和单反向，单向锁止机构为公知技术，这里不具体展开说明。当单向锁止机构的锁止方向被设置为双向释放时，内圈与外圈可分别自由旋转，互不干涉，此时变速器不能传递动力，处于空挡状态。当单向锁止机构的锁止方向被设置为单正向时，如果内圈在正向方向上的旋转速度低于外圈，则内圈与外圈可分别旋转，互不干涉，如果内圈在正向方向上呈现超越外圈的趋势，则单向锁止机构进入锁止状态，内圈与外圈被锁止保持同步旋转，此时变速器只能正向传递动力，处于前进挡状态。当单向锁止机构的锁止方向被设置为单反向时，如果内圈在反向方向上的旋转速度低于外圈，则内圈与外圈可分别旋转，互不干涉，如果内圈在反向方向上呈现超越外圈的趋势，则单向锁止机构进入锁止状态，内圈与外圈被锁止保持同步旋转，此时变速器只能反向传递动力，处于倒挡状态。改变单向锁止机构的锁止状态，变速器可以在空挡、前进挡和倒挡之间切换挡位模式。

储能装置包括储能弹簧，储能弹簧的伸缩方向与摆杆的摆动方向一致或近似，其两端同时与摆杆上的摆杆卡口、以及内圈上的内圈卡口相抵接并被预压缩。摆杆卡口和内圈卡口互相错开，可分别在各自不同的摆动平面上摆动，互不干涉。

常态下，单向锁止机构未进入锁止状态时，其内圈在储能弹簧预压缩力作用下与摆杆保持同步摆动。当单向锁止机构进入锁止状态时，内圈与外圈保持同步旋转，而不再与摆杆的摆动同步，此时摆杆推动储能弹簧、储能弹簧推动内圈、内圈推动外圈，实现动力由往复摆动装置向单向离合装置输出，摆杆卡口与内圈卡口之间的相位差越大，储能弹簧压缩量也越大，传递的动力力矩和储存的能量也就越大；随着摆杆的摆动速度下降、摆杆卡口与内圈卡口之间的相位差越来越小，储能弹簧向内圈释放能量，直到储能弹簧逐渐恢复到预压缩长度、内圈与摆杆再次保持同步摆动为止，此时，内圈的速度已低于外圈，单向锁止机构脱离锁止，之后内圈回程摆动，而外圈继续旋转。

由上所述，摆杆在设定的单向锁止方向的线速度大于外圈线速度时，摆杆才能通过压缩储能弹簧向单向离合装置输出动力，速度差越大，输出动力力矩也越大。阻力矩变大时速度差即速比会自动降低，反之阻力矩变小时速比会自动升高，因此，该过程具有负反馈特性，变速比具有自适应效果，在一定程度上不需要额外干预调节变速比。

然而，这种自适应效果仍不能完全满足全力矩范围的需要，通过调节摆杆摆动幅度，从而调节储能弹簧最大压缩量，改变可传递的力矩大小。通过改变曲轴偏心幅度，即可实现调节摆杆摆动幅度，方案如下。

曲轴包括偏心曲柄、曲轴座、控制蜗杆。偏心曲柄安装于曲轴座上，其旋转轴心与曲轴座的旋转轴心呈偏心结构，偏心量为曲轴座偏心。

偏心曲柄上设置有曲柄销，曲柄销的轴心与偏心曲柄的旋转中心也呈偏心结构，偏心量为曲柄偏心。

曲轴座上设置有控制蜗杆，控制蜗杆与偏心曲柄为蜗杆-齿轮机构，控制蜗杆的旋转可驱动偏心曲柄绕自身旋转轴心产生偏转，偏转量为曲柄偏转角（β）。

曲轴座偏心等于曲柄偏心，曲轴偏心为曲轴座偏心与曲柄偏心和曲柄偏转角（β）的综合合成结果，曲柄偏转角（β）为0°时，曲轴偏心为0，曲柄偏转角（β）为180°时，曲轴偏心达到最大值，为曲轴座偏心的两倍。

通过控制蜗杆，可调节曲轴偏心幅度、即摆杆摆动幅度。

由于只有在摆杆线速度大于外圈时变速器才会传递动力，因此动力的传递是不连续的。为了增加动力传递平稳性，在曲轴上并列增加多套上述往复摆动装置、储能装置和单向离合装置，各套摆杆的摆动相位在一周即360°内均匀相隔，摆杆设定为直线摆动结构时，其中相位差互呈180°的两套摆杆可以合并为一体。与多套往复摆动装置相对应地，布置有各自的单向离合装置和储能装置，全部单向离合装置中的外圈可合并为一体。

综上所述，本专利区别当前公知技术最根本的新颖之处，通过储能弹簧和单向离合装置，有选择性地将摆杆的摆动传递至动力输出端，动力传递为柔性连接。其最显著的有益效果就是结构简单、成本低廉、尺寸小、重量轻，可实现无级变速，且变速比与传递的力矩可实现一定程度的自适应效果。

 

附图说明。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是第一个实施例的构造示意图。

图2是偏心量可调的曲轴构造示意图。

图3是第一个实施例的工作特性示意图。

图4是第二个实施例的构造示意图。

具体实施方式。

图1所示第一个实施例，变速器包含三部分核心装置：往复摆动装置（3）、储能装置（2）和单向离合装置（1）。往复摆动装置（3）为动力输入端，单向离合装置（1）为动力输出端。往复摆动装置（3）连接至储能装置（2），在其往复摆动过程中向储能装置（2）输送动力，同时储能装置（2）还连接至单向离合装置（1），将储存的动力向单向离合装置（1）输出。

往复摆动装置（3）包括曲轴（5）、滑块（6）和带滑槽的摆杆（4）。滑块（6）装于曲轴（5）与摆杆（4）的滑槽之间，滑块（6）可以绕曲轴（5）旋转，同时可以在摆杆（4）的滑槽内做直线滑动。摆杆（4）在支座（7）约束下可做直线滑动，随着曲轴（5）绕旋转中心（O）旋转，摆杆（4）在滑块（6）和支座（7）共同作用下，在曲轴（5）的旋转平面上作直线往复摆动，摆动幅度由曲轴偏心（e）确定。

单向离合装置（1）包括内圈（8）、外圈（9）和介于两者之间方向可控的单向锁止机构（10），内圈（8）和外圈（9）可同轴旋转。单向锁止机构（10）的锁止方向可以被设置为双向释放、单正向和单反向，单向锁止机构（10）的锁止原理为公知技术，这里不具体展开说明。当单向锁止机构（10）的锁止方向被设置为双向释放时，内圈（8）与外圈（9）可分别自由旋转，互不干涉，此时变速器不能传递动力，处于空挡状态。当单向锁止机构（10）的锁止方向被设置为单正向时，如果内圈（8）在正向方向上的旋转速度低于外圈（9），则内圈（8）与外圈（9）可分别旋转，互不干涉，如果内圈（8）在正向方向上呈现超越外圈（9）的趋势，则单向锁止机构（10）进入锁止状态，内圈（8）与外圈（9）被锁止保持同步旋转，此时变速器只能正向传递动力，处于前进挡状态。当单向锁止机构（10）的锁止方向被设置为单反向时，如果内圈（8）在反向方向上的旋转速度低于外圈（9），则内圈（8）与外圈（9）可分别旋转，互不干涉，如果内圈（8）在反向方向上呈现超越外圈（9）的趋势，则单向锁止机构（10）进入锁止状态，内圈（8）与外圈（9）被锁止保持同步旋转，但此时变速器只能反向传递动力，处于倒挡状态。改变单向锁止机构（10）的锁止状态，变速器可以在空挡、前进挡和倒挡之间切换挡位模式。图1所示的单向锁止机构（10）的锁止方向处于单正向、即前进挡状态（D）。

储能装置（2）包括储能弹簧（11），储能弹簧（11）的伸缩方向与摆杆（4）的摆动方向一致或近似，其两端同时与摆杆（4）上的摆杆卡口（4k）、以及内圈（8）上的内圈卡口（8k）相抵接并被预压缩。摆杆卡口（4k）和内圈卡口（8k）互相错开，可分别在各自不同的摆动平面上摆动，互不干涉。

常态下，单向锁止机构（10）未进入锁止状态时，其内圈（8）在储能弹簧（11）预压缩力作用下与摆杆（4）保持同步摆动。当单向锁止机构（10）进入锁止状态时，内圈（8）与外圈（9）保持同步旋转，因而不再与摆杆（4）的摆动同步，此时摆杆（4）推动储能弹簧（11）、储能弹簧（11）推动内圈（8）、内圈（8）推动外圈（9），实现动力由往复摆动装置（3）向单向离合装置（1）输出，摆杆卡口（4k）与内圈卡口（8k）之间的相位差（X）越大，储能弹簧（11）压缩量也越大，传递的动力力矩和储存的能量也就越大；随着摆杆（4）的摆动速度下降、摆杆卡口（4k）与内圈卡口（8k）之间的相位差（X）越来越小，储能弹簧（11）向内圈（8）释放能量，直到储能弹簧（11）逐渐恢复到预压缩长度、内圈（8）与摆杆（4）再次保持同步摆动为止，此时，内圈（8）的速度已低于外圈（9），单向锁止机构（10）脱离锁止，之后内圈（8）回程摆动，而外圈（9）继续旋转。

由上所述，摆杆（4）在设定的单向锁止方向的线速度大于外圈（9）线速度时，摆杆（4）才能通过压缩储能弹簧（11）向单向离合装置（1）输出动力，速度差越大，输出动力力矩也越大。阻力矩变大时速度差即速比会自动降低，反之阻力矩变小时速比会自动升高，因此，该过程具有负反馈特性，变速比具有自适应效果，在一定程度上不需要额外干预调节变速比。

由于只有在摆杆（4）线速度大于外圈（9）时变速器才会传递动力，因此动力的传递是不连续的。为了增加动力传递平稳性，在本实施例中，在曲轴（5）上并列设置了四套上述的往复摆动装置（3）、储能装置（2）和单向离合装置（1），四套摆杆（4）的摆动相位在一周即360°内均匀相隔，其中相位差互呈180°的两套摆杆（4）可以合并为一体，即四套摆杆（4）合并为互相垂直的两组。与四套往复摆动装置（3）相对应地，布置有各自的储能装置（2）和单向离合装置（1），全部单向离合装置（1）中的外圈（9）可合并为一体。

图2所示为一种偏心量可调的曲轴。曲轴包括偏心曲柄（12）、曲轴座（14）、控制蜗杆（15）。偏心曲柄（12）安装于曲轴座（14）上，其旋转轴心（Oc）与曲轴座（14）的旋转轴心（O）呈偏心结构，偏心量为曲轴座偏心（ec）。

偏心曲柄（12）上设置有曲柄销（13），曲柄销（13）的轴心（Op）与偏心曲柄（12）的旋转中心（Oc）也呈偏心结构，偏心量为曲柄偏心（ep）。

曲轴座（14）上设置有控制蜗杆（15），控制蜗杆（15）与偏心曲柄（12）为蜗杆-齿轮啮合结构，控制蜗杆（15）的旋转可驱动偏心曲柄（12）绕自身旋转轴心（Oc）产生偏转，偏转量为曲柄偏转角（β）。

曲轴座偏心（ec）等于曲柄偏心（ep），曲轴偏心（e）为曲轴座偏心（ec）与曲柄偏心（ep）和曲柄偏转角（β）的综合合成结果，曲柄偏转角（β）为0°时，曲轴偏心（e）为0，曲柄偏转角（β）为180°时，曲轴偏心（e）达到最大值，为曲轴座偏心（ec）的两倍。

通过控制蜗杆（15），可调节曲轴偏心（e）幅度、即摆杆（4）摆动幅度。

驱动控制蜗杆（15）的方法可以是液压式，也可以是机械齿轮式，这里不作具体说明。

图3所示为第一个实施例的工作特性示意图，下面结合图1展开说明。

示意图横坐标为曲轴（5）转角CrS（°），纵坐标为摆杆（4）、内圈（8）和外圈（9）折算到同一半径切线方向上的线速度（V）。

图3（a）以前进挡为例，绘制了一套摆杆（4）、内圈（8）和外圈（9）速度特性。摆杆线速度（Vs）呈正弦特性，考虑到输出端相对较大的转动惯量，外圈线速度（Vo）可被近似视为等速。内圈（8）被设置为单正向锁止，当摆杆线速度（Vs）低于外圈线速度（Vo）时，内圈线速度（Vi）等于摆杆线速度（Vs），当摆杆线速度（Vs）高于外圈线速度（Vo）时，内圈线速度（Vi）等于外圈线速度（Vo），内圈线速度（Vi）如图中粗虚线所示，其数值等于被外圈线速度（Vo）限幅削波后的摆杆线速度（Vs）。

摆杆线速度（Vs）高于外圈线速度（Vo）时，储能弹簧（11）才能传递动力，传递的动力如图中阴影（S）所示，阴影（S）面积越大，传递的动力力矩也越大。

图3（b）所示为当输出端速度变化后的效果，此处以速度减小为例，显示出阴影（S）面积增大，说明传递的动力力矩也相应地增大了，力矩增大将有利于提高输出端速度，因此，该过程具有负反馈特性，变速具有自适应效果。

图3（c）所示为当调节曲轴偏心（e）幅度变化、即摆杆（4）摆幅变化后的效果，此处以曲轴偏心（e）幅度增大、即摆杆（4）摆幅增大为例，显示出阴影（S）面积增大，说明传递的动力力矩也相应地增大了。因此，调节曲轴偏心（e）幅度变化，可实现更大范围的动力力矩传输。

从图3（a）、3（b）和3（c）中都可以看出，动力的传递是断续的。

图3（d）所示，为增加动力传递的平顺性，增加往复摆动装置（3）、储能装置（2）和单向离合装置（1）的套数至共四套后的效果。四套摆杆（4）的摆杆线速度（Vs1，Vs2，Vs3，Vs4）相位在一周即360°内均匀相隔。如图所示，阴影（S）总面积增加，可以传递的最大合力矩变大，同时动力传递更加平顺。

图3（f）所示为起步特性。起步时，外圈线速度（Vo）为零，曲轴偏心（e）幅度从零逐步增大，阴影（S）面积亦从零逐渐增加，可以实现平稳起步。

图4所示为第二个实施例。与第一个实施例根本不同之处在于，摆杆（4）的往复摆动形式为圆周往复摆动，具体主要不同之处有：摆杆（4）与内圈（8）、外圈（9）同轴旋转，摆杆（4）与曲轴（5）旋转中心（O）不同轴；储能弹簧（11）可从采用弧形弹簧，伸缩方向为圆周切向；变速器由均布的三组摆杆（4）、与之对应的储能装置（2）和单向离合装置（1）组成；三组摆杆（4）分别由各自的曲轴（5）驱动，三组曲轴（5）均通过各自齿轮（16）由太阳轮（17）驱动并相互保持同步。

Claims (6)

1.一种变速器，其特征是：

包含三部分核心装置：往复摆动装置（3）、储能装置（2）和单向离合装置（1）；

往复摆动装置（3）为动力输入端，单向离合装置（1）为动力输出端；

往复摆动装置（3）连接至储能装置（2），在其往复摆动过程中向储能装置（2）输送动力，同时储能装置（2）还连接至单向离合装置（1），将储存的动力向单向离合装置（1）输出。

2.权利要求1所述的变速器，其特征是：

所述往复摆动装置（3）包括曲轴（5）、滑块（6）和带滑槽的摆杆（4）；

滑块（6）装于曲轴（5）与摆杆（4）的滑槽之间，滑块（6）可以绕曲轴（5）旋转，同时可以在摆杆（4）的滑槽内做直线滑动；

摆杆（4）在滑块（6）作用下，在曲轴（5）的旋转平面上作往复摆动，摆动形式可以为直线往复摆动，也可以为圆周往复摆动；摆杆（4）摆动幅度由曲轴偏心（e）确定。

3.权利要求1所述的变速器，其特征是：

所述单向离合装置（1）包括内圈（8）、外圈（9）和介于两者之间方向可控的单向锁止机构（10）；内圈（8）和外圈（9）可同轴旋转；

单向锁止机构（10）的锁止方向可以被设置为双向释放、单正向和单反向；

当单向锁止机构（10）的锁止方向被设置为双向释放时，内圈（8）与外圈（9）可分别自由旋转，互不干涉，此时变速器不能传递动力，处于空挡状态；

当单向锁止机构（10）的锁止方向被设置为单正向时，如果内圈（8）在正向方向上的旋转速度低于外圈（9），则内圈（8）与外圈（9）可分别旋转，互不干涉，如果内圈（8）在正向方向上呈现超越外圈（9）的趋势，则单向锁止机构（10）进入锁止状态，内圈（8）与外圈（9）被锁止保持同步旋转，此时变速器只能正向传递动力，处于前进挡状态；

当单向锁止机构（10）的锁止方向被设置为单反向时，如果内圈（8）在反向方向上的旋转速度低于外圈（9），则内圈（8）与外圈（9）可分别旋转，互不干涉，如果内圈（8）在反向方向上呈现超越外圈（9）的趋势，则单向锁止机构（10）进入锁止状态，内圈（8）与外圈（9）被锁止保持同步旋转，此时变速器只能反向传递动力，处于倒挡状态；

改变单向锁止机构（10）的锁止状态，变速器可在空挡、前进挡和倒挡之间切换挡位模式。

4.权利要求1至3所述的变速器，其特征是：

所述储能装置（2）包括储能弹簧（11），储能弹簧（11）的伸缩方向与所述摆杆（4）的摆动方向一致或近似，其两端同时与摆杆（4）上的摆杆卡口（4k）、以及所述内圈（8）上的内圈卡口（8k）相抵接并被预压缩；

摆杆卡口（4k）和内圈卡口（8k）互相错开，可分别在各自不同的摆动平面上摆动，互不干涉；

常态下，所述单向锁止机构（10）未进入锁止状态时，内圈（8）在储能弹簧（11）预压缩力作用下与摆杆（4）保持同步摆动；

当单向锁止机构（10）进入锁止状态时，内圈（8）与外圈（9）保持同步旋转，而不再与摆杆（4）的摆动同步，此时摆杆（4）推动储能弹簧（11）、储能弹簧（11）推动内圈（8）、内圈（8）推动外圈（9），实现动力由所述往复摆动装置（3）向所述单向离合装置（1）输出，摆杆卡口（4k）与内圈卡口（8k）之间的相位差（X）越大，储能弹簧（11）压缩量也越大，传递的动力力矩和储存的能量也就越大；

随着摆杆（4）的摆动速度下降、摆杆卡口（4k）与内圈卡口（8k）之间的相位差（X）越来越小，储能弹簧（11）向内圈（8）释放能量，直到储能弹簧（11）逐渐恢复到预压缩长度、内圈（8）与摆杆（4）再次保持同步摆动为止，此时，内圈（8）的速度已低于外圈（9），单向锁止机构（10）脱离锁止，之后内圈（8）回程摆动，而外圈（9）继续旋转。

5.权利要求2所述的变速器，其特征是：

所述曲轴（5）包括偏心曲柄（12）、曲轴座（14）、控制蜗杆（15）；

偏心曲柄（12）安装于曲轴座（14）上，其旋转轴心（Oc）与曲轴座（14）的旋转轴心（O）呈偏心结构，偏心量为曲轴座偏心（ec）；

偏心曲柄（12）上设置有曲柄销（13），曲柄销（13）的轴心（Op）与偏心曲柄（12）的旋转中心（Oc）也呈偏心结构，偏心量为曲柄偏心（ep）；

曲轴座（14）上设置有控制蜗杆（15），控制蜗杆（15）与偏心曲柄（12）为蜗杆-齿轮机构，控制蜗杆（15）的旋转可驱动偏心曲柄（12）绕自身旋转轴心（Oc）产生偏转，偏转量为曲柄偏转角（β）；

曲轴座偏心（ec）等于曲柄偏心（ep），曲轴偏心（e）为曲轴座偏心（ec）与曲柄偏心（ep）和曲柄偏转角（β）的综合合成结果，曲柄偏转角（β）为0°时，曲轴偏心（e）为0，曲柄偏转角（β）为180°时，曲轴偏心（e）达到最大值，为曲轴座偏心（ec）的两倍；

通过控制蜗杆（15），可调节曲轴偏心（e）幅度、即摆杆（4）摆动幅度。

6.权利要求4所述的变速器，其特征是：

在所述曲轴（5）上并列增加多套所述往复摆动装置（3）、储能装置（2）和单向离合装置（1），各套摆杆（4）的摆动相位在一周即360°内均匀相隔；

摆杆（4）设定为直线摆动结构时，其中相位差互呈180°的两套摆杆（4）可以合并为一体；

与多套往复摆动装置（3）相对应地，布置有各自的储能装置（2）和单向离合装置（1），全部单向离合装置（1）中的外圈（9）可合并为一体。

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