CN104141752A - 一种球啮合无级变速器 - Google Patents

Abstract

一种球啮合无级变速器，主要部件包括：主动圆盘、被动圆盘、球体，主动圆盘和被动圆盘的轴线有一定距离，两只圆盘之间成逐渐变窄的空间，球体位于该空间并且和两个圆盘接触，当主动圆盘旋转时，在摩擦力作用下，带动球体向较小的空间运动，球体对被动圆盘产生压力，该压力与被动圆盘轴线不相交，产生侧向力，推动被动圆盘旋转，由于两只圆盘与球体接触点的线速度相同，而旋转半径不同，因而转速不同，调整球体位置或两只圆盘轴线的距离，可以调节转速。本发明结构简单，成本低，调速范围大，正反转可以有不同的转速比，具有离合器功能。

Description

一种球啮合无级变速器

技术领域

一种球啮合无级变速器，属于变速器领域。

背景技术

变速器在传动系统中具有重要作用，对于汽车，由于速度、坡度、负载等在较大范围变化，需要相应地调整驱动扭矩，无级变速器可以合理匹配发动机扭矩，实现平稳加速，简化驾驶操作。

液力变矩器可实现汽车平稳加速，但其整体效率较低，长时间工作发热，机械式无级变速器更具优势，经过实际考验，从效率、成本和可靠性比较，目前产品化较多的是由钢带和椎形盘组成的无级变速器，通过调整锥型盘之间的距离，改变带槽宽度，从而改变钢带环绕半径，实现连续变速目的，这些产品的传动效率仅次于手动挡变速器，但承受扭矩有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低、功能全、变速范围大的无级变速器。

一种球啮合无级变速器，主要部件包括：主动圆盘、被动圆盘、球体，主动圆盘和被动圆盘的轴线有一定距离，两只圆盘之间形成渐变空间，球体位于该空间并且和两个圆盘接触，当主动圆盘旋转时，在摩擦力作用下，带动球体向较小的空间运动，球体对被动圆盘产生压力，该压力与被动圆盘轴线不相交，产生侧向力，推动被动圆盘旋转，由于两只圆盘与球体接触点的线速度相同，而旋转半径不同，因而有不同的转速，调整球体位置或所述两轴线的距离，可以调节转速。

可以实现较大的调速范围，仅调节球体位置时，输入输出转速比从无限大到接近于1，当对圆盘位置也进行调节时，可以实现任意转速比。

当传递单向扭矩时，具有超越离合器功能。

通过将球体移到圆盘的另一侧，或在该侧增加球体，可以传递双向扭矩，并且可以有不同的转速比。

通过将球体移出（不接触其中一个圆盘面）或移入(接触两个圆盘面)，可以实现离合器功能。

转速较高时，可以采用多只球体轮换工作，防止球体过热，提高可靠性和使用寿命。

可采用多组变速器并联工作，提高输出扭矩。

可以采用两只或多只球体同时工作，提高输出扭矩。

圆盘也可以是锥形、球形、或其它形状回转曲面，其特征是两个回转面平移或倾斜，可以形成逐渐变窄的空间。

 本发明的工作原理：两个旋转面组成逐渐变窄的空间，此空间有球体和两个面接触，当主动旋转面旋转时，在摩擦力作用下，带动球体向较窄空间运动，对被动旋转面产生压力，该压力与被动旋转面轴线不相交，产生侧向力，推动被动旋转面旋转，当传递扭矩增大，圆盘和球体压力增大，摩擦力也增大，因此不会打滑。

本发明的优点是：结构简单，成本低，调速范围大，正反转向可以有不同的转速比，同时具有离合器功能。

附图说明

图1是基本结构示意图。

图2是受力状态示意图。

图3全功能变速器实例。

图4是多级并联应用实例。

图5是球体更换装置实例。

 图6是两只球体并用示意图。

图7是锥形圆盘应用实例。

具体实施方式

下面结合附图，对发明的优选实施例进行介绍。

图1是基本结构示意图，主要部件包括：主动圆盘1，被动圆盘2，球体3，调速杆4，两只圆盘的轴线之间成楔形空间(渐变空间)，球体3位于两个圆盘之间并且和它们相接触，调速杆4可以调节球体的位置，当主动圆盘1在轴的驱动下沿图示方向旋转时，在摩擦力作用下，球体3向较小的空间运动，刚性球体对被动圆盘产生压力，此压力不平行于被动圆盘轴线，推动被动圆盘向反方向旋转，当调速杆4将球体从主动圆盘的圆心向外移动，被动圆盘转速从0开始逐渐增加，实现平稳加速过程，由于是点接触，调速杆施的阻力很小，只需要很小的力量就可以移动调速杆，这对于自行车等人工操作机械较为有利，对于汽车，为防止调速过猛，可以限制调速执行机构执行速度，或附加一阻尼机构。

图1所示结构可以传递单向力矩，当主动圆盘停止转动时，被动圆盘可以继续旋转，具有超越离合器功能，当调速杆4将球体移开（仅需不接触其中一个圆盘面），被动圆盘即处于自由状态，可以实现离合器功能，也可以从被动圆盘轴输入扭矩，主动圆盘输出扭矩，采用名称是为叙述方便。

图2是受力状态示意图，两只圆盘之间的夹角θ由球体和圆盘之间的滑动摩擦力μ确定： 

θ=2arctanμ

当两只圆盘轴线的距离为ｄ，球体接触点在主动圆盘半径ｒ处，两只圆盘接触球体点的线速度相同，主动圆盘转速ω₁和被动圆盘转速ω₂的关系为：

ω₁*ｒ=ω₂*(ｄ＋ｒ)

输出最大扭矩主要影响因素是结构尺寸、球体与圆盘的滑动摩擦系数和球体承压能力等，滑动摩擦系数较大时，可以取较大的θ角，可以传递较大的扭矩，而滚动摩擦系数则应尽可能小，以提高效率，减少发热，例如，球体采用直径20mm钢球，允许压力为50000N，球体和圆盘的滑动摩擦系数取0.1（当前，有合成材料在冷却液条件下滑动摩擦系数可达0.3，具体的优选值需实验优化），设ｄ＋ｒ=0.1m，则输出最大扭矩：

M＝50000*0.1*0.1＝500Nm。

图3是全功能变速器实例，主动轴安装在可平移的滑台5上，通过机械、液压或电动机构可以驱动滑台左右移动，目的是调节两只圆盘轴线的距离，即图2中的参数d，这种调节方式可以保持较高的输出扭矩，与球体位置配合，可以实现任意调速比，甚至使被动圆盘反转，也可采用两只球体实现正反转，并且使正反转有不同的转速，例如，倒车时需要较小的速度，通过将球体移开或移入，可以实现离合器功能，为实现主动轴平移，主动轴可以通过万向节—花键轴—万向节连接，这同时也可以解决输入输出轴不平行问题，如果有需要。

 图4是多级并联应用实例（设一级包含一对工作圆面），本实例有4级并联，理论上，传递扭矩是单级的4倍，被动轴7是倾斜的，调整设计圆盘位置，可以找到有效解，使得本实例进行调速时，这些球体具有相同的运动轨迹，因此，只需使用一个调速杆且为直线运动，简化调速机构，万向节6有助于平衡轴线方向的作用力，如果单级传递扭矩为500Nm，则4级并联传递扭矩可达2000Nm，可以满足公交车和重型货车等重负载使用需求。

图5是球体更换装置实例，本发明的重点在于解决球体发热问题，球体储存环8储存有一定数量的球体，球体可以在储存环内滑动(类似于轴承)，拉杆9可以在球体储存环的开槽内滑动，在图5(a)中，当拉杆被拉出时，由于球体储存环的限制，拉杆卡槽上的球体与拉杆分离，如图5(b)所示，此时，弹性片10复位，防止球体回退，这时，释放拉杆，在弹簧11的作用下，拉杆往回运动，弹性片12对球体产生推力，当到达如图5(c)的状态时，前方的球体被推入拉杆卡槽，最终工作状态如图5(d)，此时，弹簧11仍然保持适当拉力，以使球体和圆盘面保持接触。

对于单级变速器，更换球体应选择适当时机，例如静止或低扭矩状态下，尽快完成更换动作，对于多级变速器，可以轮流进行球体更换，球体更换装置主要用于高转速情况，避免球体过热，防止球体过热方式不仅限于更换球体，可采用多种措施，例如，采用高导热率的球体和冷却液、提高球体刚度或表面硬度、降低球体和圆盘的滚动摩擦系数、改进冷却润滑液成分或性能等，球体储存环也可采用链条、盘状支架、磁力吸附等方式。

图6是两只球体并用示意图，对于两个不同心的圆，可以有两个交点，并具有相同的线速度，因此，一级变速器可以采用两只球体并用，即使用一前一后两只球体，可以提高传递扭矩，由于空间逐渐变化，图6中球体13的直径小于球体14，这种方式也利于球体更换，当需要采取球体更换方式时，可以将球体13设计得更小一点，当较大的球体14离开时，小球才受力，这样，球体13只是在球体14更换期间短时间工作，更换球体不影响变速器功能，较小球体也不会发热。

图7是锥形圆盘应用实例，基于本发明工作原理，所述圆盘面不限于平面，可以是锥形面、球形面，或其它回转曲面，采用非平面圆盘可以减小变速器体积，但调速措施没有平面圆盘灵活，对于图7的实例，也可以使用两个锥形体的外表面，即两个锥形体一正一反并排放置，球体位于两个锥形体之间。 

Claims (8)

1.一种球啮合无级变速器，主要部件包括：主动圆盘、被动圆盘、球体，其特征在于：主动圆盘和被动圆盘的轴线有一定距离，两只圆盘之间成逐渐变窄的空间，球体位于此空间并且和两个圆盘接触，当主动圆盘旋转时，在摩擦力作用下，带动球体向较小的空间运动，球体对被动圆盘产生压力，该压力与被动圆盘轴线不相交，产生侧向力，推动被动圆盘旋转，两只圆盘与球体接触点的线速度相同，而旋转半径不同，因而转速不同，调整球体位置或两只圆盘轴线的距离，可以调节转速比。

2.根据权利要求1所述的一种球啮合无级变速器，其特征在于：可以实现较大的无级调速范围，调节球体位置时，输入输出转速比可以从无限大到接近于1，当其中一个圆盘位置也可调节时，可以实现任意转速比，甚至变换转向。

3.根据权利要求1所述的一种球啮合无级变速器，其特征在于：传递单向扭矩时，具有超越离合器功能。

4.根据权利要求1所述的一种球啮合无级变速器，其特征在于：可以传递双向扭矩，正反转可以有不同的转速比。

5.根据权利要求1所述的一种球啮合无级变速器，其特征在于：通过将球体移出或移入，可以实现离合器功能。

6.根据权利要求1所述的一种球啮合无级变速器，其特征在于：可以采用多组变速器并联工作，或一组变速器采用两个或多个球体同时工作，以提高输出扭矩能力。

7.根据权利要求1所述的一种球啮合无级变速器，其特征在于：可以采用多只球体轮换工作，防止球体过热，提高可靠性和使用寿命。

8.根据权利要求1所述的一种球啮合无级变速器，其特征在于：所述圆盘面不限于平面，可以是锥形面、球形面，或其它回转曲面，两个回转面轴线通过平移或倾斜，可以形成逐渐变窄的空间。