CN103998825A - 采用变化的可转向滚子的无限可变牵引驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于实现连续可变传动器的方法。通过一个主动构件和从动构件在彼此之间产生至少一个接触点实现了一个动力传动器。每个构件都可以是至少一个滚子以虚拟表面而压靠在一个相对构件表面上。该方法在于调整该多个表面与该滚动体之间的多个移动方向、一个转向角度和一个矫正角度，这些移动方向由该表面相对于接触点的一个第一移动向量、该滚动体的一个第二移动向量和该滚动体滚动方向的一个第三移动向量来限定。该转向角是根据所希望的传动比和在该滚子上的侧向/推力负载来改变的，同时遵循了这些接触点的变形能力。

Description

采用变化的可转向滚子的无限可变牵引驱动器

技术领域

本发明总体上涉及牵引驱动器并且更具体地涉及一种用于车辆、动力传输装置、或有可控的移动速度和可反向的移动方向的致动器的无限可变传动器。

背景技术

用于车辆的、有能力提供连续可变(CVT)或者无限可变(IVT)比率传动的牵引驱动器很久以来就已经被认为对于许多潜在应用是有利的，像那些在汽车、摩托车、休闲车辆、重型机械、农机、机器人、发电、油气行业，HVAC以及其他行业和设施中的应用。

许多(如果不是大多数的话)牵引类型的CVT或IVT在以下方面是相似的，即，它们利用滚子来接触其他旋转表面(并且具体是满足所谓的环面、半环面、锥面、球类型的和其他传动器)，其中多个滚子将动力从一个旋转本体传递给另一个旋转本体，同时滚子的旋转轴线能够偏斜或移动，从而因此提供了旋转输入件处的接触点与旋转输出件处的接触点具有与旋转本体轴线不同的距离或半径，从而因此提供一种可变的比率。

为了实现IVT模式，这样的装置会典型地采用所谓的‘动力环’构型，其中CVT输出件的单向旋转速度会被从输入件的参照速度的旋转速度中扣减去。这些构型总体上采用差动机构或行星齿轮组以便实现这样的扣减，因此由于‘动力环’系统已知的高内部损耗而减小了此类装置的总体效率。

除了在由一种所谓的‘双滚子安排’(DRA)(Okulov的WO2011113149(A1))限定的构型中，这些滚子虽然允许输入本体和输出本体以不同的速度旋转，但会遭遇到在牵引点处实质性的自旋，这减小了可供使用的牵引(在基于牵引流体的构型中)或导致这些以金属对金属或以其他材料的直接接触装置形式的配对旋转本体的过度磨损。

这些半环面传动器在滚动接触点处的自旋显著减小，但具体是由于在支持了这些滚子的并且承受了全部夹紧力的实质性部分的多个轴承中的高摩擦损耗而仍然受到相对低的效率的困扰。

因为在大多数类型的现有技术传动器中的所有滚子都是典型地被夹紧在相当刚性的表面之间，就存在着困难来在它们之间提供夹紧力的均等分配(对于在多滚子环境中的可靠牵引是必需的)。这些具有不同夹紧力的接触点会在牵引负载下所经历的滑动百分率意义上表现不同，并且如果所有点的滑动量值不协调的话，就会导致出现显著的内部力和损耗，从而减小总体效率。实践中，这一缺点致使每一对输入本体-输出本体(或一个环面传动器的每一个凹腔)的滚子数目被减至3-4个，这限制了这样的传动器的功率密度以及它们能够应对的最大扭矩。

在贸易和实践中还广为人知的是，与由于牵引点的低变形能力而使得它们的性能和可靠性有时不可预知的低自旋装置相比，高自旋牵引装置会展现更多的容差特性和更多的适应性(代价是与其以零自旋最大可供使用的值相比较的减小的牵引系数)。

从House的US专利号2,139,635；5,923,139以及Faulring等人的US专利申请2008/0081728体现了大量的采用由多个滚子驱动的球状本体的CVT构型实例。这些装置由于在操纵球状本体的过程中所具有高自旋驱动和转向的滚子而展现出低的效率和低的扭矩容量。

从大量的US专利中，即，Weiss的1,141,508；Weiss的1,146,982；Weiss的1,469,061；Weiss的1,537,515；Weiss的1,541,882；Weiss的1,728,383；Pollard的2,020,123；Hanft的2,128,088；Morgan的2,682,776；Salomon的2,959,971；3,826,157；4,487,086；Perkins的4,964,316；7,207,918；Shimazu的7,207,918以及Ferrar的7,594,870中，明了的另一种实现CVT构型的方式是，采用一个带有多个安装于其上的滚子的承载件，并且这些滚子可以在垂直于该承载件的旋转平面的方向上旋转并且与一个可旋转的球状表面处于摩擦滚动接触。在承载件的旋转平面与球体的旋转轴线之间的相对角度限定了传动比。在承载件垂直于球体的旋转轴线的位置上，传动器的比率大约为1:1。

多年来，已经披露了对这样的CVT的大量的改进。但这样的传动器的不足之处仍然是它们没有能力提供空档比率或‘啮合空档’，即，没有能力在输入件旋转时实现零输出件旋转速度，并且不足之处还是受限于球体-承载件枢转机构的几何限制而所能够实现的相对低的比率范围。这些发明的又另一个缺点是由于这些滚子并行工作但分担不同负载的不同的表现所导致的低效率。

可以对在不同的负载条件下并行工作的多个滚子的这种不同表现的现象做出如下展示：

让我们绘制一条笔直道路、有两台相同的轿车并排并且对抗着强横风维持其笔直移动方向地向前移动的图片(图1)。轿车#1承受来自横风的最强侧向力并且其驾驶员必须向其左侧采取修正转向角θ1来维持在笔直的道线内的移动。轿车#2享用轿车#1所提供的对抗横风的庇护并且必须向其左侧采取较少的修正转向角θ2来维持在笔直的道线内的移动。通过这样做,两轿车都保持并行移动，并且即便它们已经联接到一起也不会在它们之间导致任何寄生力。与本发明相关的现有技术所阐述的这些系统中，不论加载条件如何所有的滚子的转向角都保持相同。显著的损耗证明了这种缺点，后面将以更多的细节展示这些损耗的缘由。图2提供了对在联接的轿车之间的寄生力是如何能够降低系统效率进行的探究。

返回到在此以上阐述的传动器，并且结合安装在承载件上的、并且预先对准在某个方向上的多个滚子，现在清楚的是除非它们的转向角是根据它们所承受的侧向负载来增大的，它们就会产生不必要的损耗。

在机器人学中存在已知的各种各样的车辆，这些车辆中利用了一种可转向的多轮，这种多轮在一个承载件上旋转并且与地面接触，并且其中的受控转向能够产生这样的车辆的全向移动(U.S.专利：Blumrich的3,789,947；5,927,423；Wada等人的5,927,423；Holmberg等人的6,491,127；以及Rohrs的6,810,976，还以及Rohrs的PCT案WO2003/091600。这些系统都没有能力为牵引驱动器、具体是为利用非接触环境通过牵引流体的薄膜来传递动力的牵引驱动器提供解决方案。这些现有技术手段没有一个是利用对以上述并行模式来工作的滚子的转向方向加以增大的，而这是优化效率所必需的。从与船只推进系统(Voith Schneider推进器；www.voithturbo.de)和某些试验性风机(立式风机)相关的现有技术还为人所熟知多种相似的系统。

因此，对于在整个比率范围上都会提供高效率的、成本有效的、紧凑的、可靠的并且可用于汽车以及其他行业的大批量应用的、改进的无限可变传动器存在着需求。

发明内容

技术问题

一般而言，对于IVT的技术问题使得设计保持复杂、必需使用齿轮组来实现零输出比率、并且受其低效率的影响(由于动力环的高损耗)而使得低功率密度、高复杂性和高成本与之相关联。另一个问题是实现无限比率所要求的齿轮产生噪声并且使得一个牵引类型传动器的作为潜在优点之一的其安静性降低。以上缺点每个都减小了这样的系统对于一个特定行业领域的可使用性。总而言之，大大延迟了滚子类型的牵引CVT和IVT进入到多种不同的市场中。

对问题的解决方案

技术解决方案

利用在本发明中采用的将滚动本体的滚动速度转换成其侧向速度的效果允许了成功地解决所有的以上问题。其对于包括线性驱动器、回转驱动器或角驱动器、以及传统的动力传动器在内的大量不同的驱动器的适应能力是通过一个单一的解决方案来实现的，这个解决方案使得一个可转向的滚子与另一个旋转或移动的本体(球面、柱面、环面、表面，等等)共同发生滚动和牵引。

发明的有利效果

有利的效果

简单：这种全功能装置具有少于13个由与滚动轴承中所采用的相似的传统材料制成的主要零件，从而因此提供了本发明低的成本和高的可制造能力。

齿轮并非必需的：不运用啮合级(像产生机械动力环所需的行星驱动器或差动驱动器)就能够实现这种零输出和无限可变比率，因而进一步降低了成本和噪声而不损失高的扭矩传递能力。

使用相同的运行原理实现完满的效果、可应用于大量不同的应用的能力：线性可变的驱动器、回转驱动器或角驱动器、行业装备动力驱动器、车辆传动器，等等。

低噪声。

高运行效率和高功率密度。

控制简单：能够对滚子转向和总体比率控制采用机械、电子－机械或液压致动器。

附图简要说明

附图说明

以下是对附图和示图的说明：

图1和图2展示了并行连接但不同地加载的多个滚动牵引转向本体的工作原理；

图3是本发明的、由一个滚子和一个表面来表现的总体原理的展示；

图4进一步展现了增大一个滚子的转向角以及其上的力的效果；

图5是本发明的一个代表，其被适配成一个滚子以圆形路径移动过一个表面；

图6展示了一个可转向的滚子沿一个球状本体轨道运行；

图7示出了一个滚子沿环面本体轨道运行；

图8呈现了一个利用根据本发明的可转向滚子的线性致动器；

图9示出了一个牵引点没有自旋和有自旋条件下的典型牵引流体曲线，并且其指明了具有相同滑动率‘δ’的牵引点的牵引差异；

图10展示了一个牵引滚子被夹紧力‘N’夹靠在表面上；

图11示出了在负载‘N’下由滚子旋转导致的侧向牵引力和来自摩擦损耗的力；

图12呈现了连接到承载件上的并且沿球体轨道运行的这个滚子的多个力和移动向量，其中承载件的旋转轴线与球体的旋转轴线相交而非平行；

图13进一步展示了来自图12绘图的俯视图并且指明了承载件的旋转平面与输出轴线之间的角‘γ’(伽马)(在此并且贯穿本说明输入件和输出件是能够互换的而不会有损本发明的精神，即，一个输出件能够作为一个输入件来工作并且以此类推)；

图14呈现了一个有多个速度向量的绘图，阐述了在输入件与输出件之间的正比率(同旋转方向)；

图14呈现了一个有多个速度向量的绘图，阐述了在输入件与输出件之间的负比率(相反旋转方向)；

图16展示了针对固定的角γ＝30°，根据所希望的比率‘n’、滚子角位置‘ω’(欧米茄)而改变的转向角‘β’(贝塔)，(未示出对于使得效率最大化所必需的增大角‘θ’)；

图17至图19展示了围绕一个球状旋转本体的各种各样滚子承载件的构型；

图20至图22展示了在球状旋转本体内的滚子承载件的各种各样构型；

图23示出了以承载件的旋转平面与输出轴线之间的固定角度‘γ’(伽马)输入的传动器的啮合构型；

图24示出了以承载件的旋转平面与输出轴线之间的可变角度‘γ’(伽马)输入的、并且有双卡丹恒速万向节的传动器的啮合构型；

图25示出了以承载件的旋转平面与输出轴线之间的可变的角度‘γ’(伽马)输入的传动器的恒定速度联接器构型，并且利用了一个固定的和一个陷入的三脚件或球形联接器；

图26展示了允许固定或可变的角度‘γ’(伽马)的、啮合的输入件；

图27展示了根据本发明的驱动器，其利用带有多个可转向滚子的承载件为旋转本体提供了无限多的移动组合；

图28进一步阐述了一种角驱动器，其利用两个带有在相对方向上旋转的可转向滚子的承载件，并且示出了其夹紧机构；

图29至图30展示了多个变体，带有由同一承载体承载的、并且与凸形球状表面接触的单列或双列滚子；

图31至图32展示了多个变体，带有由同一承载体承载的、并且与凹形球状表面接触的单列或双列滚子；

图33以更多细节展示了一个根据图27的组件，该组件带有安装在旋转承载件上的多个可转向的滚子，并且是针对减小滚动接触(圆锥滚子)的自旋而优化的；

图34展示了一种根据优选实施例的连续可变传动器，其利用了带有冷却鳍片的旋转壳体、枢转承载件和与承载件的旋转平面大约以90°角定位的多个滚子(未示出增大转向角的器件)；

图35以比率n＝ω1/ω2＝0.5(n＝欧米茄1/欧米茄2＝0.5)呈现了一个根据图34的传动器的绘图，其提供～96％的效率；

图36呈现了与根据图35的相同的传动器，但是以比率n＝1/1的并且提供近于100％的效率。

图37描绘了滚子夹紧系统，其根据滚子支持件的角位移与由插入到滚子轴套中的一个梁来代表的坡面之间的角度‘ζ’(泽塔)来提供线性夹紧力；

图38相对于球体的曲面示出了这种梁的表面，并且指出了随角‘ζ’(泽塔)改变的距离‘a’；

图39示出了夹紧机构，多个滚子可旋转地定位在这个梁或坡面上并且在所述坡面与插入件之间；

图40展示了距离‘a’与角‘ζ’(泽塔)的线性关系；

图41至图45示出了适合于装配本发明的、并且提供了低的来自夹紧力‘N’和来自侧向力‘Ft’的摩擦损耗的各种各样的滚子安排；

图46阐述了由处在锥形路道中的球、止推轴承和一个对于进行转向所必需的枢转连杆构成的一种与可转向的滚子相关联的夹紧装置；

图47展示了提供用以与滚子转向方向的取向不相关地进行夹紧的多个夹紧球和推力‘Ft’向量；

图48示出了滚子转向和夹紧组件，其利用一个枢转连杆和致动器来进行转向；

图49提供了利用与致动器相关联的螺旋槽的转向机构的细节；

图50进一步详细描绘了作为致动器起作用的、并且提供图16中更详细地描绘的转向改变的一个斜盘。

图51示出了被偏斜的并且提供了滚子转向的同一个斜盘；

图52阐述了一种增大转向角的算法，其利用一个大角度范围致动器(例如一个斜盘)和一个小角度范围(微调)致动器串行工作(未示出控制和计算器件以及对于这一功能所必需的感知器件)；

图53提供了根据本发明的润滑系统的细节，其使用了沉到旋转球体内的旋转油环中的动态拾取管；

图54进一步详细描绘了这种拾取管，其带有紧邻这些滚子的‘底部’位置的勺形开口；

图55展示了IVT模式的传动器，其中比率是在1:1上、这些滚子是固定于大约90°并且滚子承载件正进行枢转以改变这种比率；以及另一个范围，其中多个滚子是可转向的并且承载件可以是固定的或正在枢转；

图56进一步展示了承载件与球体旋转轴线之间的枢转角(披)；

图57示出了一种车辆驱动系的安排，其中能够通过IVT将制动能量转换成一个飞轮的旋转运动并且存储以用于在加速过程中再生。

以下附图展示了本发明的有用应用，即：

图58-油井泵的可变驱动器；

图59-风力发电机的可变驱动器；

图60-小艇或船只推进系统的可变驱动器；

图61-乘用轿车的可变传动器；

图62-与交流发电机相联接的热力发动机；

图63-有可变的速度和/或可变的方向的线性驱动器；

图64-角致动器；

图65-用于人造膝关节、机器人装置或假肢的致动器；

图66-活塞发动机、压缩机、或带有可变速度和可变排量的具有直接旋转输出件的泵，以及

图67-一个实践性工作模型，其结合了与一个承载件相连的一个输入件，该承载件带有三个受控于一个斜盘的可转向滚子，并且结合了一个与球体相连的输出件。

用于实施本发明的最佳方式

最佳模式

本发明的一个方面包括一种用于实现无限可变驱动器的方法，该方法通过提供一个驱动构件和一个从动构件，该驱动构件和该从动构件中的任一者能够表现为至少一个滚子被压靠在一个相对构件的表面上，因而产生有能力传输动力的至少一个摩擦接触点，并且另外在所述接触点处产生与该滚子相切并且与所述表面相切的一个虚拟表面；第一移动方向由所述表面相对于所述接触点的移动向量V1限定，并且第二移动方向由包括所述滚子投射到所述虚拟表面上的运动向量V2的路径限定；并且第三方向是通过该滚子投射到所述虚拟表面上的滚动方向向量Vr来限定的，其中在V1与V2之间的角α与在V2与Vr之间的该转向角β是由以下等式限定的，其中针对每个滚子的修正角θ是根据在该滚子上的侧向负载/推力负载而改变的，并且遵循着对于一种给定的物理接触条件下所述牵引点的弹性/弹性-塑性/塑性变形能力：

一些变量：

β＝arcsin(V1/Vr*sin(α))；(贝塔＝arcsin(V1/Vr*sin(阿尔法))

β＝90°-arccosin(V1/Vr*sin(α))；(贝塔＝90°-arccosin(V1/Vr*sin(阿尔法))。

本发明的另一个方面包括，一种无限可变传动器或可变的角致动器或线性致动器或二者，带有输入构件和输出构件，其旋转本体的表面彼此摩擦接合并且有能力相对于彼此以由所希望的传输比率确定的速度而移动，其中任一构件都能够表现为，至少一个可转向的滚子通过在所述表面之间的至少一个摩擦点来与所限定的相对表面相结合，其中：在滚动时，所述摩擦点的、如它将在相对构件的表面上画下的轨道类似于一个循环的螺旋路径，并且其中该滚子的滚动方向能够在一个移动循环的过程中在所述路径上进行变化，而与该滚子的所述滚动方向与所述表面的方向的对准相比较在其总体上与所述滚子的所述滚动方向对准之时并且在对准的这些点处从一个负角度变化到一个正角度。

在又另一个方面中，本发明包括一种牵引装置，该牵引装置带有输入构件和输出构件，其中该输入构件和该输出构件中的任一者表现为一个带有表面的本体，而另一个构件表现为至少两个可转向的滚子，通过它们的外表面与相对构件的所述表面以至少两个接合点而处于接触关系，这些接合点有能力主要通过牵引来传递动力，其中所述多个滚子是由一个承载件承载的，其中在这些接合点处对于所述表面的法线是总体上相交于一个点处的，所述承载件是可旋转的并且所述多个滚子是可转向的从而改变它们的滚动方向的，这是取决于：对从所述输入构件到所述输出构件的运动的所希望的传动比、它们在所述多个接触接合点抵靠彼此移动的相对角度、以及在牵引负载下所述多个接触接合点的变形。

在还又另一个方面中，这一发明包括一种可变的传动器，具有输入构件和输出构件，包括以摩擦和滚动来相互接触的多个旋转本体，其中至少一个本体表现为一个可转向的滚子，并且每个接触接合点都是由一个单独受控的夹紧力来加载的，并且该夹紧力取决于牵引力向量垂直于所述滚子各自的旋转方向的量值，并且其中所述夹紧力是不依赖于所述转向角地受控的。

现在参照所附说明和附图，本发明直接针对实现无限或连续可变传动器或致动器，允许与输入件相比较的以可控比率的回转、线性、角度或组合的输出件移动和/或允许移动方向的变化。本发明可以很好地适合于有这样的传动器或致动器是潜在有用的和/或有利的许多应用。这种传递任何方向的运动或旋转的能力对于大多数行业应用而言是非常有利的，包括致动器或者必需向前或倒退行驶的车辆，这包括乘用轿车、卡车、动能回收系统(例如，来自制动的能量)以及能量累积器、致动器、驱动器、传送机、泵油提升机、将往复运动转换到回转移动的驱动器，等等，另外的应用可以包括宽广范围的机器人应用、各式有关节的机械系统、人造机动肢臂和义肢、船只和休闲车辆、以及类似物。进一步以附图来阐述详细说明：

图3示出了一个单一的滚动本体1邻接并且与表面2处于牵引接合，速度向量Vs限定其移动。一个表面其自身将代表任何旋转或可移动本体的表面。向量Vr限定了滚动方向，其中向量Vr总体上是处于滚子1的旋转平面中。滚子1是由一个承载件(未示出)支持的，该承载件其自己的移动路径相对于表面2并且由向量Vc限定。在与本体1的接触点处与表面2相切的一个平面产生了一个虚拟平面3(切向表面)。

在图4中更确切地示出了多个速度向量之间的关系。在此角α(阿尔法)是在向量Vs与向量Vr之间产生的；角β(贝塔)是在向量Vc与向量Vr之间产生的。我们将这个角a称作‘转向角’。修正角θ(西塔)将限定由在图1和图2中(以轿车为实例)示出的绘图以更多的细节说明的、使得侧向转向同步所需要的对转向角的增大。因此，滚子1承受垂直于向量Vr的侧向力Fr、和对准滚动方向的相对小的摩擦力Ff，从而因此导致了合成向量力Fr’变得略微与垂直于向量Vr的方向失去对准。这种修正角，因此能够被限定成在力Fr和力Fr’的速度向量之间的角度。

在图5至图8中进一步阐述了本发明的若干使用模式。即，图5示出由一个承载件支持的、并且在表面2上绕圈运动(圆圈4)的滚子1。图6示出沿球状本体5轨道运行的滚子1，因而有能力引入所述球体5的旋转运动6或/和偏斜运动7。图7提供了一种驱动器，其中滚子1是沿环面表面9进行轨道运行，从而因此提供其受控的旋转运动10。图8展示了滚子1与柱面表面11的相对位置，提供了表面11的可控的线性运动12和旋转运动13。

图9呈现了牵引本体中自旋作用与摩擦系数的总体展示。取决于自旋作用，相同的有负载滑动会实现摩擦点不同的牵引能力。因此，相同的牵引负载会导致多个摩擦点以不同的速率滑动，从而使之有必要使得并行工作的滚子同步(应用修正角)以便避免由于它们的未恰当对准而导致的寄生损耗。

图11指出滚子1与表面2的关系并且明确了多个力的定义，其中N是夹紧力，其作用在滚子轴上并且等于点14处的接触力；并且Ft是总体上垂直于滚动方向15作用的侧向牵引力。

图12展示了滚子1抵靠一个球状本体16而定位。承载件臂17支持滚子1以及其自己的承载件(未示出)，并且被连接到输入轴18上。滚子1以轨道平面的某些与垂直于旋转输出轴线19的、并且标示为γ(伽马)的倾斜角沿球体16轨道运行。在图13中示出了从这一组件的顶部的视图。因此，滚子1在轨道平面20中的接触点14的线性速度Vc以及在球体16的旋转平面21中同一个点的线性速度Vc产生了以上在图3和图4中示出的速度向量的熟悉的绘图，并且在图14中还示出了更多的细节。图14还示出了以上阐述的修正角西塔以及将其添加到转向角上。

在承载件轨道20的不同倾斜角γ(伽马)和输入轴18旋转速度与输出轴19旋转速度之间的不同的传动比上，以及不同的滚子1承载件的角位置ω1(欧米茄1)上，转向角β(贝塔)具有不同的值，这些值在在一个周转过程中振荡(图16)。如能够在图15中示出的这些速度向量绘图中看到的，还可容易地实现负速度。

图17至图22中进一步阐述了多个变体，示出了承载件与球体安排的更多细节。在图17中示出了一个单一的承载件带有多个绕球体轨道运行的可转向的滚子。图20中示出了同一种安排，但采用了承载件相对于球体(中空球体)的内定位。展示了两个承载件在一个方向上旋转的双承载件构型，分别为图18中的外承载件以及图21中的内承载件。示出了在相反方向上旋转的承载件：图19中是外承载件并且图22是内承载件。

在图23至图26中示出了并且自身说明了可应用来产生承载件旋转轨道的倾斜的各式器件。这些器件包括但不限于：内承载件伞齿轮驱动器(图23)、卡顿万向节驱动器(图24)、恒定速度(CV)联接器(图25)、外承载件伞齿轮驱动器(图26)。替代地，这些可转向的滚子1能够仅部分地环绕球体16，如在图27中示出的。

图28提供了适合于提供输出轴的偏斜和旋转移动的两自由度球形联接器详细安排。这种安排具体是有利于医药行业的膝关节或其他替换关节以及人造肢臂。由于需要的速度范围有限，在这种情况下滚子转向角可以在非常小的范围内变化并且像压电类型的转向致动器就变得是适合的。

另外，图29和图30由此示出了一个单一的滚子安排和一个成对的滚子安排针对“外”滚子承载件(滚子绕球体轨道运行)以滚子轮缘表面的正曲面来适配以用于最高的接触支承能力。图31和图32示出了相似的安排，但是针对“内”滚子承载件的(滚子在球体内轨道运行)。在图33中示出了根据图27所呈现的绘图运行的滚子承载件的更详细的说明。在此这些滚子1是由旋转承载件23支持的。通过提供多个枢转轴24并且具有一个承受夹紧负载的止推轴承22，每个滚子都是可转向的。这一系统能够提供球体16表面在任何方向上的旋转。

在图34中进一步阐述了带有可偏斜的滚子内承载件的实践性设计。输入轴(其也能够用作一个输出轴)25通过三脚恒速联接器27联接到这些滚子承载件26上。承载件26主轴承28是由枢转安装在用于外部安装该CVT的凸缘31的延伸部30上的枢转支持件29来支持的。借助于致动器36能够用控制连杆32使得承载件26和其枢转支持件29偏斜，从而由此提供CVT的比率改变。球状表面33是旋转本体34提供的，该旋转本体连接有输出轴并且具有多个冷却鳍片37。

针对这一简化情况多个滚子38是以固定的大约90°转向角(β(贝塔)～＝90度)定位的，提供了一个有限的实践性比率范围并且能够具有额外的用于在较小范围内补偿或修正转向角的器件。为了改变比率，枢转支持件29被如图35中所示出地偏斜，并且在图36中示出了对于1:1的传动比而言，由承载件26支持的这些滚子38的轨道是垂直于输出轴35的轴线的。在这一比率，CVT效率达到100％。

在图37中示出了单独地作用在每个滚子上的夹紧系统。在此承载件26具有多个接收滚子38的槽缝39，这些滚子带有由有坡面42和滚子43的梁41构成的轴线40，并且一个插入件44(图38)允许完成这种线性支承并且不仅为滚子38提供了旋转轴线而且还提供了夹紧系统。在作用在牵引点上的侧向力的作用下并且取决于坡面42的角度就能够产生夹紧力。坡面的轮廓可以是线性的或者是曲线的，如图37中示出的，这允许实现所希望的这种从侧向力产生夹紧力的功能并且补偿系统的非线性压缩能力。

有各种各样的滚子支持安排有能力提供低摩擦滚子旋转、对夹紧力的支承并且提供来自牵引的侧向力(推力)。在图41至图45中示出了若干个变体。例如，有能力用于任何根据本发明的构型的一个滚子38组件可以具有特殊曲面的轮缘表面38和与在轴颈50上运行的滚子或滚针46相接触的多个整合的内滚道54。对于接收推力而言，可以使用多个对称槽形成带有球的角支承45。轴50具有固定到其上的多个滚道51以用于使得这种角支承完整。

图42中示出了相同的构型但没有滚子46。在此这些支承外滚道是与滚子38本体整合的并且内滚道可以是与轴50(未示出)整合的或是作为一个分立零件连接到其上的。另外，可以采用圆锥滚子47(图43)、双曲面滚子48(针对与它们接触调整了轴50’)(图44)、一种组合式四点接触支承(总体上以53指示并且由整合有滚子的、可分开的多个内滚道和外滚道构成)(图45)、以及其他以上各项的组合。

这样的针对可转向的滚子IVT或CVT构型(要求改变转向角)而适配的滚子辈定位在旋转壳体55内部(图46)，这种滚子是由一种连接到承载件26上的或是其一部分的止推轴承55’支持的。为实现对这些滚子的独立夹紧，在多个锥形座(或球窝)57中定位了多个球56或其他形状的本体。在侧向力以任何方向施加到滚子38上的情况下，旋转壳体55中的这些锥形座57和在滚子支持件58中的相邻的座57作为坡面起作用，从而允许产生和维持夹紧力，夹紧力的值总体上是与侧向力成比例的并且是取决于这些座57的锥形表面的角度的。为了使得这些滚子38转向，可以使用连杆59，这个连杆通过一个球形联接器60枢转连接到销轴61上，该销轴连接到旋转壳体55上。这种夹紧组件在此指示为62。

图48中进一步描绘了这种转向连杆。在另一个构型中，这种旋转壳体55可以具有螺旋槽63带有可由致动器臂64操作的多个凸轮跟随件65，并且因而将凸轮的线性移动转换成壳体55的旋转运动并且引入滚子38转向角的改变。

图50和图51描绘了总体上通过一个传统的轴承67连接到枢转支持件29上的斜盘66的动作，其操作连杆59来产生这些滚子38旋转壳体55的转向振荡和改变，因而满足了以上在图16中限定的转向角要求。现在已经全面测试过的这种方法为本发明提供了一个最简单的控制机构。

所希望的控制这些滚子的转向角70的算法(见图52的绘图)是由以下各项构成的，即，粗略范围致动器68(例如机械的，像斜盘)，以及在较小范围内增大转向角、但有高的精度和在运行条件下修正转向角所需的低反应时间的微调范围致动器69。这种致动器69因此可以是从利用压电或磁致伸缩原理，还以及液压、气动，等等原理的装置范围中选定的。

根据本发明的润滑和冷却系统或是采用了传统的方法或是采用一种动态拾取方法(还见Okulov的WO 2011113149(A1))，其中旋转球体34以表面33(图53)致使油在离心力作用下集中在球体的外周处从而产生一个旋转的油环71(图54)。动态拾取管72带有面向旋转的油环的开口73使得油在压力作用下通过过滤环路72’进入过滤器74，并且然后通过返回管线75回到球体34的内凹腔中。一部分的油能够在进入环路72’之前被喷洒回到凹腔中。取决于承载件26的偏斜角极值，管开口73被定位的方式应使得其能从旋转环71中拾取所希望的部分的油。然而，在这些滚子38最紧邻其“底部”的位置处(油环71的最大油深度)，这些滚子38并不旋转(偏斜角90度，传动比1:1)并且淹没这些接触点不会降低系统的牵引和扭矩容量。

在可制造能力方面，用于内凹腔球状驱动器的组装工艺包括使用被安排为一个具有至少两个件的组件的滚子承载件，这种滚子承载件能够穿过球体的开口并且在球体内联接到一起。进一步，有可能机器加工出一个中空球体，在外表面提供一个槽口线，冷却这个零件至一个适合的低温温度，并且使得该球体断开，从而使得这两个半体能够以断开的材料的完美配对的图案所提供的高精度重新组装。

现在转到根据本发明驱动器的效率，效率随着滚子被以非常浅的角度转向而在接近于零输出比率时减小并且通过侧向滑动损耗变得显著(见图55的绘图)。然而，与传统的采用动力环的IVT相比，本构型所遭遇到的损耗是大大减少的。

可以希望的是具有两个不同的状态从而允许使得总体效率最大化：一个状态是，在跨越从负到大致1:1的比率范围内，其中承载件有固定的偏斜角但滚子的转向角是变化的；并且另一个状态是，其中滚子的转向角固定的(大约在90度)但承载件26偏斜。在这两个状态之间的过渡点因此被限定为一个所有的滚子都开始或停止(在～90度)它们的改变转向运动的点。图56中详细示出了承载件26的偏斜角。

就本发明的各式使用模式而言，以下是最大量的应用：

在图57中示出了一种采用传统的动能回收系统的轿车传动与驱动系，包括发动机或马达75，其通过离合器77连接到IVT78的输入轴上，并且进一步通过驱动系79和差速器80与车轮81相联。在制动过程中，离合器76使得发动机75脱离接合并且制动能量被给送进入飞轮82，能够使用离合器77来接合这个飞轮。飞轮82通过IVT接收旋转能量并且在制动直至其完全停止的过程中其速度能够通过在轿车减小其速度的同时改变IVT的比率来恒稳增加。然后，当轿车加速时，能够通过恰当管理IVT的比率来再次利用飞轮82的能量来加速，并且重新接合离合器76以从使用飞轮切换到使用发动机或马达。

一种典型泵油提升机应用(图58)在启动操作和根据可供用于泵送的量油对油井进行恰当管理方面获益于IVT。对于当前的应用参照了Turbo Trac USA的产品。

装备有发电机的风机能够利用一种带有根据本发明的可变的驱动器的高递升比率传动器(图59)。

小艇(图60)、乘用轿车(图61)、以及柴油或气体发动机发电机(图62)也将获益于使用根据本发明的IVT或CVT，这是由于其在宽广的扭矩、速比范围上运行以及与已知装置相比提供低成本的能力。

各式线性致动器也能采用本发明(图63)。

能够在大量的机器人和医药应用中使用根据图64的一种可偏斜的并且可旋转的联接器，包括那些涉及人造和机械化的肢臂或假肢的应用。

本发明的这种将线性运动转换成旋转运动的能力还能够用在像活塞发动机的应用中，其中往复运动活塞83(图66)是以夹紧的接触与装备有成组的可转向的变化滚子85的圆柱形表面84相联接的，以其为输出轴86提供旋转，从而由此确保不仅简单地将往复运动转换成回转运动，而且还无需任何额外的传动器就提供了一种改变输出件旋转速度或改变其方向的实践性方法。

根据本发明的原理制作了一种试验设施来评估其性能。这个实例以及以下说明都旨在是主要用于展示性的目的。

以下图片(图67)示出了本发明的工作模型的一个总体视图。输入轴86驱动了装备有3个沿球体89轨道运行的可转向的滚子88的承载件87。其斜盘90偏斜角受控于比率控制杠杆91，该比率控制杠杆通过连杆92而联接到这些滚子88的多个单体旋转壳体上。输出轴93连接到球体89上。这一系统有能力提供在从负通过零到正输出的范围内的传动比([输出件速度]:[输入速度]＝-2:1；0；1.5:1)。根据采用6个可转向的滚子和一个OD 35 mm的球体的这一几何形状的一种可工作的IVT能够在8000 RPM的输入和2000 RPM的输出下以0.96的效率传递大约4.5kW的能量。

本发明的模式

发明模式

虽然已经根据示例性实施例阐述了本发明，但本领域的普通技术人员应理解的是可以做出修改而不偏离本发明的精神。本发明不应被认为是受限于在说明书或实例中进行的对本发明的说明，而是由以下权利要求所限定。以上所阐述的对本发明的多种不同方面的修改仅是示例性的。应理解的是对于本领域的普通技术人员而言对这些展示性实施例的其他修改是容易产生的。所有的这样的修改和改变都被视为是在本发明如由所附权利要求书所限定的范围和精神内。

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行业应用性

汽车：用于动力驱动(马达到车轮)和附件装备的驱动器(风扇驱动器、HVAC系统驱动器、交流发电机驱动器)，等等的IVT或CVT。

航天：涡浆发动机驱动器、紧急发电机驱动器、致动器、等等。

工业：制浆和造纸机械驱动器、传送机驱动器、致动器，等等。

海洋：主系统推进单元和转向系统推进单元驱动器、发电机驱动器，等等。

动力产生：用于柴油和天然气发动机发电机的、用于风力发电机(低速度到高速度)的可变速度驱动器，等等。

油气行业：带有可变驱动器的压缩机、天然气液化站、油井泵，等等。

医药：人造膝和关节、肢臂；可变速度流体泵，等等。

HVAC：可变速度压缩机和膨胀机。

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序列表文字

Claims (27)

1.用于通过提供一个驱动构件和一个从动构件来实现一种无限可变驱动器或传动器方法，该驱动构件和该从动构件中的任一者能够由被压靠在一个相对构件的表面上的至少一个滚子来代表，这因而产生有能力传输动力的至少一个摩擦点或牵引接触点，并且另外产生了在所述接触点处与该滚子相切并且与所述表面相切的一个虚拟表面；第一移动方向由所述表面相对于所述接触点的第一移动向量限定，并且第二移动方向由包括所述滚子投射到所述虚拟表面上的第二移动向量的路径限定；并且第三方向是通过该滚子投射到所述虚拟表面上的第三滚动方向向量在来限定的，其中在所述第一移动向量与所述第二移动向量之间的这种移动方向角与被限定成在第二移动向量与第三移动向量之间的一个角度的这种转向角是由所述转向角和一个以加或减来应用到所述转向角上的修正角来总体上限定的，并且这些转向角和修正角是根据所希望的传动比和在该滚子上的侧向负载/推力负载针对每个滚子而改变的同时遵循着对于一种给定的物理接触条件下所述牵引接触点的弹性/弹性-塑性/塑性变形能力的：

2.如权利要求1所述，其中，每个滚子的修正角都是单独限定的。

3.如权利要求1所述，其中，所述用于实现无限可变驱动器或传动器的方法采用与所述表面接触的至少两个滚子。

4.如权利要求3所述，其中，在所述这些接触点处所述这些虚拟表面的法线总体上相交。

5.一种无限可变传动器或可变的角致动器或线性致动器或二者，具有一个输入构件和一个输出构件，其旋转本体的表面彼此摩擦接合并且有能力相对于彼此以由所希望的传输比率确定的速度而移动，其中任一构件都能够表现为，至少一个可转向的滚子通过在所述表面之间的至少一个摩擦点与所限定的相对表面相结合，其中：在滚动时，所述摩擦点的轨道(如它将在相对构件的表面上画下的)类似于一个开环环路或闭环螺旋路径，并且其中该滚子的滚动方向可以或者是保持恒定或者是在一个移动循环的过程中在所述路径上发生变化，例如在该滚子的所述滚动方向与所述表面的移动方向对准之时从相对于这两个方向对准的一个负角度变到一个正角度。

6.如权利要求5所述，其中，所述可转向的滚子具有一个可绕其轴线旋转的承载件，该轴线总体上与该相对构件的旋转本体的对称轴线相交。

7.如权利要求6所述，其中，所述承载件的旋转轴线平行于该相对构件的对称轴线的线性移动的方向。

8.一种带有输入构件和输出构件的牵引驱动器，其中，该输入构件和该输出构件中的任一者表现为一个带有表面的本体，而另一个构件表现为至少两个可转向的滚子，通过它们的外表面与相对构件的所述表面以至少两个接合点而处于接触关系，这些接合点有能力主要通过牵引来传递动力，其中所述多个滚子是由一个承载件支持的，其中在所述两个接合点处对于所述表面的法线是总体上相交于一个点处的，所述承载件是可旋转的并且所述多个滚子是可转向从而改变它们的滚动方向的，这是取决于：对从所述输入构件到所述输出构件的运动的所希望的传动比、它们在所述多个接触接合点抵靠彼此移动的相对角度、以及在牵引负载下所述多个接触接合点的变形。

9.如权利要求5或8所述，其中，所述多个可转向的滚子能够或是具有固定的转向方向，例如与该滚子的移动方向相比大约为90°，或是转向方向能够变化。

10.如权利要求5或8所述，其中，所述滚子的旋转轴线和与该接触点相切的直线总体上相交于如在与所述接触点相切的虚拟平面中看到的、该接触点所画下的所述路径的曲率半径中心。

11.如权利要求5或8所述，其中，这些构件之一是一个旋转本体并且另一个构件是线性移动本体，具体是往复运动本体并且更具体的是一个发动机或压缩机或泵的一个活塞。

12.如权利要求5或8所述，其中，这些构件之一是一个旋转本体并且另一个构件是一个偏斜运动本体。

13.如权利要求5或8所述，其中，这些构件之一是一个旋转本体并且另一个构件是一个偏斜与旋转运动本体，具体是适合于在机器人应用或人造肢臂或假肢中使用的。

14.如权利要求1、5或8所述，其中，所述滚子具有一个转向杠杆，该转向杠杆由连接到一个斜盘上的一个连杆致动，该斜盘是与用于控制所述输入与输出之间的比率的系统相联接的。

15.如权利要求5、8或14所述，其中，所述可转向的滚子具有一个另外的转向角调整器件，该另外的转向角调整器件由以下各项中的至少一项致动：压电致动器、磁致伸缩致动器、电磁致动器、气动致动器或液压致动器。

16.如权利要求8所述，其中，所述承载件是由一个双卡顿万向节或其他适合的恒定速度联接器来驱动的。

17.一种可变的传动器，具有输入构件和输出构件，包括以摩擦和滚动来相互接触的多个旋转本体，其中至少一个本体表现为一个可转向的滚子，并且每个接触接合点都是由一个单独受控的夹紧力来加载的，并且该夹紧力取决于牵引力向量垂直于所述滚子各自的旋转方向的量值，并且其中所述夹紧力是不依赖于所述转向角地受控的。

18.如权利要求17所述，其中，所述夹紧力进一步取决于对于给定的运行条件的摩擦接触牵引性能。

19.一种可变的传动器，具有输入构件和输出构件，包括以摩擦和滚动来相互接触的多个旋转本体，其中至少一个本体表现为一个可转向的滚子，并且每个接触接合点都是由一个夹紧力来加载的，该夹紧力取决于牵引力向量垂直于所述滚子各自的旋转方向的量值，并且所述摩擦接触含有牵引流体。

20.如权利要求19所述，其中，所述牵引流体是非油基的，从而允许材料对材料的所述摩擦接触和滚动接触。

21.如权利要求20所述，其中，所述流体主要具有表面清洁和/或热传递功能以及辅助牵引功能。

22.一种可变的传动器，具有输入构件和输出构件，包括以摩擦和滚动来相互接触的多个旋转本体，其中至少一个本体表现为一个可转向的滚子，并且每个接触的接合点都是由一个夹紧力来加载的，该夹紧力取决于牵引力向量垂直于所述滚子各自的旋转方向的量值，其中所述多个构件的表面中的至少一个表面是主要由铬构成的。

23.一种可变的传动器，具有输入构件和输出构件，包括以摩擦和滚动来相互接触的多个旋转本体，其中至少一个本体表现为一个可转向的滚子，并且每个接触接合点都是由一个单独受控的夹紧力来加载的，并且该夹紧力取决于牵引力向量垂直于所述滚子各自的旋转方向的量值，所述传动器进一步包括感知器件、一个处理器以及用于计算和执行所述夹紧力和/或所述滚子的转向的执行器件。

24.一种可变比率机械传输器件，具有第一构件，该第一构件带有沿一个路径轨道运行的旋转本体，以及第二本体，该第二本体带有的表面与所述第一构件处于摩擦和夹紧的可旋转的接触，转向系统在所述第一旋转本体绕所述路径移动的过程中控制其滚动方向，其中所述第一旋转本体承载着一种基本上垂直于其旋转平面的侧向负载，并且其中在所述第一构件与第二构件之间的该夹紧力基本上是与所述侧向力成比例的。

25.如权利要求24所述，其中，所述转向系统的受控是与所述负载、所述旋转本体在该路径上的位置、以及所希望的所述第一构件与第二构件之间的传输比率相关的。

26.如权利要求24所述，其中，所有的滚子的转向轴线总体上相交于一个点。

27.如权利要求26所述，其中，相交点处于第二本体内。