CN103807394B - 内接触锥环式无级变速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种内接触锥环式无级变速器，两个锥轮与锥环之间均为内接触，接触区应力小，有利于提高其使用寿命；同时可靠性高且动力传递效率高。该无级变速器包括壳体以及位于壳体内部的输入轴、行星排、输入锥轮、锥环、输出锥轮、输出轴、差速器、输出齿轮、加载机构和变速机构。输出锥轮和输入锥轮之间通过套装在两个锥轮外的锥环传递动力。其中加载机构采用由液压部分和机械部分耦合而成的液压-机械加载机构。变速机构设置为类似轴承的结构，通过推动外圈带动锥环移动实现变速。

Description

内接触锥环式无级变速器

技术领域

本发明涉及一种无级变速装置，具体涉及一种内接触锥环式无级变速装置，属于机动车动力传动技术领域。

背景技术

目前，全球范围内的能源消耗和环境污染日益严重，而汽车在消耗能源和排放废气等方面有着重要影响。因此，全球很多汽车厂商通过不断改进和优化汽车结构，以提高汽车的经济性和动力性，减少排放。作为汽车动力传动系统核心部件的变速器更是受到人们的热切关注。在目前的汽车中，使用最多的变速器是手动变速器和自动变速器，由于这些变速器在行驶过程中需要频繁换挡，因此，发动机的工作很不稳定，在很多情况下不能使发动机工作在最佳的燃油消耗区域，不仅增加了油耗，而且造成了排放污染。然而，无级变速器能够根据需要，使发动机大多数情况下工作在高效区域，不仅节省了燃油，而且减少了排放。

现在国际上使用较多的无级变速器有链式无级变速器和带式无级变速器，这些变速器需要可变槽宽的主动轮、从动轮以及液力变矩器等机构，很多无级变速器采用体积庞大的液压加压与调速机构，虽然技术很成熟，但缺点也是很明显：由于液压系统工作需要油泵，不仅损耗了功率，而且增加的液压系统使得整个系统变得复杂，零件多，多加工要求也高，在可靠性等方面有所下降。另外，大多数无级变速器传递的功率也较小。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种内接触锥环式无级变速器，锥轮与锥环之间均为内接触，接触区应力小，有利于提高其使用寿命；同时可靠性高且动力传递效率高。

该内接触锥环式无级变速器包括：壳体以及位于壳体内部的输入轴、行星排、输入锥轮、锥环、输出锥轮、输出轴、差速器、输出齿轮、变速机构和加载机构。其连接关系为：所述输入轴的一端伸出壳体与动力输入装置相连，另一端通过行星排将动力传递给输入锥轮；所述输出锥轮的轴线与输入锥轮的轴线平行，且输入锥轮的大端与输出锥轮小端位于同侧；输出锥轮和输入锥轮之间通过锥环传递动力；输入锥轮与锥环之间、锥环与输出锥轮之间通过加载机构压紧；输出锥轮依次通过输出齿轮和差速器将动力传递给输出轴。

所述锥环套装在输出锥轮和输入锥轮外，锥环的内表面分别与输出锥轮和输入锥轮的外表面接触；定速比工况下，锥环所在平面垂直于两个锥轮的中心轴线；所述变速机构推动锥环沿两个锥轮的母线方向移动。

作为本发明的一种优选方式：所述变速机构包括外圈、液压伺服机构和滚珠；在所述锥环外同轴套装外圈，锥环外表面与外圈的内表面上分别加工有相互匹配的环形凹槽，在该环形凹槽内均匀间隔分布一圈滚珠，滚珠通过保持架实现周向定位；定速比工况下，锥环在输入锥轮的带动下转动，外圈静止不动；需要变速时，通过液压伺服机构推动外圈沿两个锥轮的母线方向移动，进而通过滚珠带动锥环沿锥轮母线方向移动。

作为本发明的一种优选方式：所述变速机构包括伺服电机、电机支架、滑块、滚动轴承以及液压伺服机构；所述变速机构设置在锥环与输入锥轮）的接触区所在位置，具体为：伺服电机的输出轴与电机支架垂直相连，伺服电机输出轴的轴线垂直于输入锥轮的母线，所述滑块与电机支架下表面设置的滑轨配合，滑块能够在液压伺服机构的推动下在滑轨上滑动；设置在滑块下表面的四个滚动轴承对上接触区处的锥环进行轴向定位；同时所述伺服电机能够通过上述四个滚动轴承带动锥环沿垂直于锥轮母线的方向转动，液压伺服机构能够通过上述四个滚动轴承带动锥环沿两个锥轮的母线移动。

作为本发明的一种优选方式：所述加载机构包括液压部分和机械部分；其中液压部分位于输出锥轮的小端，机械部分位于输出锥轮的大端；液压部分包括空心轴及外部液压油输入装置；所述输出锥轮为中空结构，在其小端同轴安装空心轴，空心轴的一端伸出壳体与液压油输入装置相连，另一端伸入输出锥轮内部；所述输出锥轮的大端加工有阶梯状开口，该开口通过输出齿轮的齿轮轴封闭；在齿轮轴与输出锥轮相匹配的竖直端面上，沿圆周方向均匀分布有两个以上环形槽，每个环形槽内放置一个钢球，所述钢球能够在其所在的环形槽内沿圆周方向移动。

作为本发明的一种优选方式：所述锥环的内表面与输出锥轮和输入锥轮的锥面点接触。

作为本发明的一种优选方式：所述齿轮轴与输出锥轮相匹配的竖直端面上，每个环形槽的深度沿输出锥轮的转动方向逐渐减小。

作为本发明的一种优选方式：所述空心轴与输出锥轮之间、齿轮轴与输出锥轮之间通过O型圈密封。

有益效果：

（1）在该变速器中，锥环与两个锥轮间均为内接触，接触区应力小，有利于提高其使用寿命。

（2）加载机构采用由液压加载机构和机械加载机构耦合而成的液压-机械加载机构，压紧力大，保证输入锥轮、锥环及输出锥轮间能够可靠传递动力。

（3）第一种变速机构中直接通过推动静止的外圈带动锥环沿锥轮的母线方向移动，便可实现变速，结构简单，变速方便，制造成本低。第二种变速机构中，部分借助了锥环角度变化所带来的沿变速方向的切向力，使变速更省力。

附图说明

图1为本发明的结构组成示意图；

图2为加载机构的剖视图；

图3为变速机构第一种实施方式的结构示意图；

图4为变速机构第二种实施方式的结构示意图。

其中：1-输入轴，2-行星排，3-倒档制动器，4-前进挡离合器，5-输入锥轮支撑轴，6-输入锥轮支撑轴承，7-输入锥轮，8-锥环，10-输出锥轮支撑轴承，11-输出锥轮，12-输出轴，13-差速器，14-齿轮轴，15-壳体，16-密封圈，17-滚针轴承，18-空心轴，19-O型圈，20-钢球，21-轴套,22-滚珠，23-外圈，24-滑块，25-滚动轴承，26-伺服电机，27-电机支架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本实施例提供一种适用于发动机横置、前轮驱动的汽车使用的内接触锥环式无级变速器。该无级变速器的具体结构如图1所示，包括壳体15以及位于壳体15内部的输入轴1、行星排2、输入锥轮7、锥环8、输出锥轮11、输出轴12、差速器13、输出齿轮14、加载机构和变速机构。其中加载机构采用由液压部分和机械部分耦合而成的液压-机械加载机构。

其连接关系为：输入轴1的一端伸出壳体15与发动机相连，另一端与行星排2的太阳轮相连，输入锥轮7的小端通过输入锥轮支撑轴5与行星排齿圈相连，输入锥轮支撑轴5上，输入锥轮7的两端分别安装有输入锥轮支撑轴承6，从而将输入锥轮7支撑在壳体15上。输出锥轮11位于输入锥轮7下方，在输出锥轮11的小端连接加载机构的液压部分，大端与输出齿轮的齿轮轴14相连，输出锥轮11的两端通过输出锥轮支撑轴承10支撑在壳体15上。所述输出锥轮11的轴线与输入锥轮7的轴线平行，且输入锥轮7的大端与输出锥轮11小端位于壳体15的同侧，如图1所示。输出锥轮11与输入锥轮7间有间隙（在保证不接触的前提下，间隙尽量小，使结构紧凑）。输出锥轮11和输入锥轮7之间通过套装在两个锥轮外的锥环8传递动力，即输出锥轮11和输入锥轮7分别与锥环8的内表面接触；为保证有效可靠的接触，将锥轮的内圆周面加工为外凸的弧形结构，使其与输出锥轮11和输入锥轮7均为点接触。输入锥轮7与锥环8之间、锥环8与输出锥轮11之间通过加载机构实现可靠压紧。输出齿轮与差速器壳体啮合，差速器与输出轴相连，实现动力输出。稳定工况下（定速比工况），锥环8所在平面垂直于两个锥轮的轴线。锥环8所在平面在两个锥轮上得到的截面圆的周长决定了输入轴和输出轴的速比，由于锥环可以在两个锥轮上设定的范围内任意移动，从而能够提供一定范围内连续可变的速比。

本实施例中加载机构的结构如图2所示。其液压部分包括空心轴18及外部液压油输入装置；输出锥轮11为中空结构，在其小端同轴安装空心轴18，空心轴18的一端伸出壳体15与液压油输入装置相连，另一端伸入输出锥轮11内部。空心轴18与输出锥轮11之间的环形空腔内安装滚针轴承17，滚针轴承17的两端分别通过密封圈16密封。加载机构的机械部分位于输出锥轮11的大端，具体结构为：输出锥轮11的大端加工有阶梯状开口，该开口通过齿轮轴14的轴肩封闭，在齿轮轴14与输出锥轮11相匹配的竖直端面上（即垂直于输出锥轮11中心轴线的平面），沿圆周方向均匀分布有三个环形槽，每个环形槽内放置一个钢球20，钢球20能够在其所在的环形槽内沿圆周方向移动。每个环形槽的深度沿输出锥轮11的转动方向越来越浅，以逐步提高压紧力。

加载机构的工作原理为：液压油输入装置将液压油从空心轴18的中心孔内输送至由输出锥轮11的中心孔和齿轮轴14的端面形成的空腔内。由于齿轮轴14相对于壳体15的位置是固定的，液压油将推动输出锥轮11产生向右运动的趋势（即向输出锥轮11小端所在方向运动），由于锥面的存在，使得锥环8与输出锥轮11之间、输入锥轮7与锥环8之间产生压紧力，而机械部分可通过钢球20实现压紧力的自适应调整。通过加载机构保证输入锥轮7、锥环8及输出锥轮11间动力传递的可靠。另外，钢球20还具有传递运动和力的作用，即将输出锥轮11上的运动和力传递到齿轮轴14上，同时也将齿轮轴14上的运动和力反馈到输出锥轮11上。

变速机构的第一种实施方式：

变速机构配合锥环8、输入锥轮7及输出锥轮11实现变速，如图3所示，包括外圈23、滚珠22、及液压伺服机构。其结构类似于轴承：外圈23同轴套装在锥环8外，在锥环8外表面与外圈23的内表面分别加工有相互匹配的环形凹槽，在该环形凹槽内均匀间隔分布一圈滚珠22，通过保持架实现滚珠22的周向定位。稳态工况下，锥环8高速转动，带动滚珠22沿外圈23内表面公转，外圈23静止不动；变速工况下，通过液压伺服机构推动外圈23沿锥轮母线方向运动，进而通过滚珠22带动锥环8沿锥轮母线方向运动。

变速机构的第二种实施方式：

由于两个锥轮的特殊形状，当传递动力的锥环平面与两个锥轮中心线呈垂直状态时，锥环8能够保持当前位置不变，即变速器处于定速比工况。当锥环平面与两个锥轮中心线的角度发生变化时，下接触区会产生沿变速方向的剪切力，使其向变速方向移动；而上接触区会产生沿变速方向反向的剪切力（如图3所示，当增速时，需将锥环右移，即变速方向为右；需减速时，需将锥环左移，即变速方向为左）。要想使锥环沿着两个锥轮向变速方向移动实现变速，只需让锥环转动一定角度，然后在上接触区处推动锥环克服所产生的反向剪切力朝向变速方向移动即可，锥环下方可直接在剪切力的作用下移动。由此可减少锥环8移动所需的动力，锥环8移动时，通过对锥环8转动角度及上接触区处推力大小的控制，保证锥环上方和下方能够同步移动即可。调速完成后，再将锥环8调整至与两个锥轮中心线呈垂直状态即可。

基于上述原理，所设计的变速机构的结构如图3所示，包括伺服电机26、电机支架27、滑块24、滚动轴承25以及液压伺服机构，变速机构设置在锥环8与输入锥轮7接触区所在位置，配合输入锥轮7、锥环8及输出锥轮11实现变速功能。具体为：伺服电机26的输出轴与电机支架27垂直相连，能够带动电机支架27绕电机轴线旋转。伺服电机26输出轴的轴线垂直于输入锥轮7的母线，滑块24与电机支架27下表面设置的滑轨配合，滑块24能够在液压伺服机构的推动下在滑轨上滑动。所述滑块24的下表面的四角处各安装一个滚动轴承25，使锥环8位于左右两个滚动轴承之间，即锥环8的轴向两端面分别与对应方向上的滚动轴承25的外圈接触。锥环8能够带动滚动轴承25外圈高速旋转，滚动轴承25的内圈不动。滚动轴承用于轴向定位锥环8并可推动锥环8轴向移动，从而改变锥环8与输入锥轮7及输出锥轮11的接触区。

变速时，通过伺服电机26带动电机支架27绕电机轴线转过角度θ，电机支架27带动滑块24绕电机轴线转过角度θ；使滑块24下表面的滚动轴承25带动锥环8绕上、下接触区的连线转过一定角度。然后通过液压伺服机构推动滑块24沿电机支架27的滑轨向变速方向运动，滑块24通过与其固接的滚动轴承25在上接触区附近给锥环8施加一个沿变速方向的力，锥环8在此力以及下接触区产生的沿变速方向的剪切力的作用下，将在两个锥轮表面沿变速方向运动，改变上接触区和下接触区的位置，即改变输入锥轮7和输出锥轮11的作用半径。

该无级变速装置的功率传递过程为：当功率流从发动机输入到变速器的输入轴1时，若实现前进挡，首先结合行星排前进挡离合器4，行星排2整体回转，将功率传递到输入锥轮7上，经输入锥轮7与锥环8的接触区传递到锥环8上，而后通过锥环8与输出锥轮11的接触区传递到输出锥轮11上，再经过加载机构的机械部分，将功率传递到齿轮轴14上，最后由差速器13传递给输出轴。若实现倒档，只需松开前进挡离合器4，结合倒档制动器3，此时行星排2还具有减速增扭的功能。

进行无级变速的过程为：输入锥轮7与壳体15相对位置固定，为实现可靠压紧，输出锥轮11只能具有少量轴向位移，其与壳体15的相对位置也大致固定。因此，只能通过变速机构使锥环8沿锥轮母线方向移动，使得输入锥轮7与锥环8、锥环8与输出锥轮11的接触区位置均发生改变，即改变接触区处输入锥轮7与输出锥轮11的半径，由于输入锥轮7圆锥面上不同位置的线速度不同，从而实现变速。由于接触区处输入锥轮7、输出锥轮11的半径变化规律是相反的，即一个锥轮在接触区处半径增大，而另一个锥轮在接触区处半径减小，所以两锥轮之间能实现较大的传动范围。由于接触区处两锥轮的半径是连续变化的，因此两锥轮之间的传动比也是连续变化的，所以整个变速器的传动比也能连续变化。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.内接触锥环式无级变速器，包括：壳体(15)以及位于壳体(15)内部的输入轴(1)、行星排(2)、输入锥轮(7)、锥环(8)、输出锥轮(11)、输出轴(12)、差速器(13)、输出齿轮、变速机构和加载机构；

其连接关系为：所述输入轴(1)的一端伸出壳体(15)与动力输入装置相连，另一端通过行星排(2)将动力传递给输入锥轮(7)；所述输出锥轮(11)的轴线与输入锥轮(7)的轴线平行，且输入锥轮(7)的大端与输出锥轮(11)小端位于同侧；输出锥轮(11)和输入锥轮(7)之间通过锥环(8)传递动力；输入锥轮(7)与锥环(8)之间、锥环(8)与输出锥轮(11)之间通过加载机构压紧；输出锥轮(11)依次通过输出齿轮和差速器将动力传递给输出轴；

其特征在于，所述锥环(8)套装在输出锥轮(11)和输入锥轮(7)外，锥环(8)的内表面分别与输出锥轮(11)和输入锥轮(7)的外表面接触；定速比工况下，锥环(8)所在平面垂直于两个锥轮的中心轴线；所述变速机构推动锥环(8)沿两个锥轮的母线方向移动；

所述加载机构包括液压部分和机械部分；其中液压部分位于输出锥轮(11)的小端，机械部分位于输出锥轮(11)的大端；液压部分包括空心轴(18)及外部液压油输入装置；所述输出锥轮(11)为中空结构，在其小端同轴安装空心轴(18)，空心轴(18)的一端伸出壳体(15)与液压油输入装置相连，另一端伸入输出锥轮(11)内部；所述输出锥轮(11)的大端加工有阶梯状开口，该开口通过输出齿轮的齿轮轴(14)封闭；在齿轮轴(14)与输出锥轮(11)相匹配的竖直端面上，沿圆周方向均匀分布有两个以上环形槽，每个环形槽内放置一个钢球，所述钢球能够在其所在的环形槽内沿圆周方向移动。

2.如权利要求1所述的内接触锥环式无级变速器，其特征在于，所述变速机构包括外圈(23)、液压伺服机构和滚珠；在所述锥环(8)外同轴套装外圈(23)，锥环(8)外表面与外圈(23)的内表面上分别加工有相互匹配的环形凹槽，在该环形凹槽内均匀间隔分布一圈滚珠，滚珠通过保持架实现周向定位；定速比工况下，锥环(8)在输入锥轮(7)的带动下转动，外圈(23)静止不动；需要变速时，通过液压伺服机构推动外圈(23)沿两个锥轮的母线方向移动，进而通过滚珠带动锥环(8)沿锥轮母线方向移动。

3.如权利要求1所述的内接触锥环式无级变速器，其特征在于，所述变速机构包括伺服电机(26)、电机支架(27)、滑块(24)、滚动轴承(25)以及液压伺服机构；所述变速机构设置在锥环(8)与输入锥轮(7)的接触区所在位置，具体为：伺服电机(26)的输出轴与电机支架(27)垂直相连，伺服电机(26)输出轴的轴线垂直于输入锥轮(7)的母线，所述滑块(24)与电机支架(27)下表面设置的滑轨配合，滑块(24)能够在液压伺服机构的推动下在滑轨上滑动；设置在滑块(24)下表面的四个滚动轴承(25)对上接触区处的锥环(8)进行轴向定位；同时所述伺服电机(26)能够通过上述四个滚动轴承带动锥环(8)沿垂直于锥轮母线的方向转动，液压伺服机构能够通过上述四个滚动轴承带动锥环(8)沿两个锥轮的母线移动。

4.如权利要求1、2或3所述的内接触锥环式无级变速器，其特征在于，所述锥环(8)的内表面与输出锥轮(11)和输入锥轮(7)的锥面点接触。

5.如权利要求1所述的内接触锥环式无级变速器，其特征在于，所述齿轮轴(14)与输出锥轮(11)相匹配的竖直端面上，每个环形槽的深度沿输出锥轮(11)的转动方向逐渐减小。

6.如权利要求1所述的内接触锥环式无级变速器，其特征在于，所述空心轴(18)与输出锥轮(11)之间、齿轮轴(14)与输出锥轮(11)之间通过O型圈密封。