CN104500691A - 一种永磁齿轮变速箱 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机械传动技术领域，涉及一种磁场调制式永磁齿轮变速箱。将端面啮合和周向内啮合两种磁场调制式永磁齿轮结合起来，在端面啮合永磁齿轮的低速轭铁盘和高速轭铁盘的内端面上设有与换向花键套配合的花键槽，操纵换向手柄移动花键套改变花键主轴的转向，周向啮合永磁齿轮组用于多档调速，操纵换挡手柄使四个内轭铁圈之一经过左花键套或右花键套连接到花键主轴上，四个外轭铁圈固定不动，组合调磁圈连到输出轴上，最终输出正反向8种调速比。

Description

一种永磁齿轮变速箱
技术领域
本发明涉及机械传动技术领域，特别是涉及一种磁场调制式永磁齿轮变速箱。
背景技术
永磁齿轮利用磁力传动，由于非接触、无摩擦，它工作免润滑，使用寿命长，且具有过载保护功能。随着高性能钕铁硼永磁材料的出现，各国学者都努力研究高转矩密度永磁齿轮。随着英国学者D.Howe提出了基于磁场调制原理的新型磁力齿轮，通过在主动轮与从动轮之间的定子调制极的调制作用,实现机械能量在磁极数不相等的转子之间的变速传递,有效提高了永磁体的利用率,转矩密度目前已接近普通机械齿轮，实现了大力矩内啮合式永磁齿轮传动。
这种磁场调制式磁性齿轮主要由三部分构成,分别是具有较少磁极对数的高速转子、具有较多磁极对数的低速转子和一个由高导磁材料和非导磁材料交错分布的调磁圈；通常将N、S极相间的永磁体分布在圆柱面上，高速转子为内转子、低速转子为外转子，调磁圈位于内转子及外转子之间，形成周向内啮合的磁场调制式永磁齿轮；如果将N、S极相间的永磁体圆周分布在一端平面内，调磁盘与高速转子及低速转子按三明治式层叠分布也可构成端面啮合的磁场调制永磁齿轮，这时调磁盘位于高速转子及低速转子之间。当低速转子、高速转子及调磁圈三部分其中一个固定不动,就可以使其它两部分按一定的速比传动。
目前国内外对于磁场调制式永磁齿轮都集中在一组磁齿轮单级调速的理论及应用上，而具有多级正反转变速功能的永磁齿轮变速箱未见报道，利用到磁场调制式永磁齿轮的高转矩密度特点，开发多级调速永磁齿轮变速箱，进而实现磁场调制式永磁齿轮产品工程化，具有十分重要的意义。为此本发明提出一种(见图1)可正反转多级调速的永磁齿轮变速箱。
发明内容
为了实现正反转多档调速的功能，本永磁齿轮变速箱利用端面啮合和周向内啮合两种磁场调制式永磁齿轮，其中端面啮合的磁场调制式永磁齿轮用于换向，周向内啮合的磁场调制式永磁齿轮用于多档调速。其工作原理如图2所示：
输入轴的转动先经过端面永磁齿轮传动部分可实现反转减速或直连，再经过四个内啮合周向永磁齿轮的一个进一步调速，实现正转、反转各4档的档位调速。在换向永磁齿轮的高速齿轮及低速齿轮的轭铁盘内端面上设有花键槽，利用操纵机构左右移动花键套筒可以切换连接到高速齿轮及低速齿轮上，由于这里的调磁盘固定不动，高速齿轮正转时，低速齿轮反向转动，连接到高速齿轮上就直接将输入轴转动输送到后级换挡调速齿轮组上，如果连接到低速齿轮上则改变转向，从而实现换向功能。
换挡永磁齿轮使用了四个周向内啮合的磁场调制式永磁齿轮，四个外轭铁圈固定在外壳上。四个内轭铁圈通过滚动轴承安装在主轴上，可相对主轴转动，每个内轭铁圈及外轭铁圈圆柱面周向分布了设定的永磁体对数，靠近换挡花键套的端面设有花键槽，在一、二档及三、四档内圈永磁齿轮之间的主轴上各装有一个花键套，利用花键套与内轭铁盘的接合选择主轴与某一个永磁齿轮内圈接合一同转动，脱开的其它三个永磁齿轮内圈空转。各档的调磁圈整合成组合调磁圈，连接到输出轴上，通过操纵机构控制三个花键套切换状态可以使变速箱输出最多8种正反向的转速。
一种永磁齿轮变速箱：
输入轴1由装有滚动轴承a2的输入端支座3支撑，与端面具有永磁齿轮的高速轭铁盘4连接，低速轭铁盘6与花键主轴9之间装有滚动轴承d48，使低速轭铁盘6相对花键主轴9自由转动。调磁盘5为圆盘结构(如图7)，采用导磁良好的软磁钢材料，其上有圆周分布的扇形孔，便于形成调制磁场。调磁盘5位于高速轭铁盘4与低速轭铁盘6之间，被固定在操纵机构支座7上不动，在高速轭铁盘4靠近调磁盘5的端面上镶嵌一周N极和S极相间的扇形永磁体46构成高速齿轮，在低速轭铁盘6靠近调磁盘5的端面上镶嵌一周N极和S极相间的扇形永磁体46构成低速齿轮，由于低速轭铁盘6上的扇形永磁体46对数多于高速轭铁盘4上的扇形永磁体46对数，使低速轭铁盘6的转向与高速轭铁盘4的转向相反，且转数低。低速轭铁盘6和高速轭铁盘4的内端面上均设有花键槽，与换向花键套8的大径花键槽配合；移动操纵换向手柄40使换向花键套8在低速轭铁盘6和高速轭铁盘4之间切换，与高速轭铁盘4直接连接时，将输入轴1转动输送到后级多档调速齿轮上，与低速轭铁盘6直接连接时，改变输出轴转向，实现换向功能。
安装在主支座12内的换挡永磁齿轮为四个周向内啮合的磁场调制式永磁齿轮，一档外轭铁圈11、二档外轭铁圈14、三档外轭铁圈16以及四档外轭铁圈18固定在主支座12的内壁上，调整圈27用于外轭铁圈的轴向定位；一档内轭铁圈13、二档内轭铁圈15、三档内轭铁圈17以及四档内轭铁圈19通过滚动轴承安装在花键主轴9上，相对花键主轴9自由转动，花键主轴9(如图5)为空心管结构，外圆柱面上有花键槽、轴用卡圈槽及换挡销孔，在其大径端设有内花键槽，以便与换向花键套8的小径花键槽配合，保证换向花键套8与花键主轴9同步转动，各滚动轴承通过轴用挡圈34和孔用挡圈49限位，花键主轴(9)的大径端通过滚动轴承c47支撑在操纵机构支座7上，花键主轴9的小径端通过滚针轴承26套装在输出轴23的内端。
组合调磁圈20采用四段圆筒笼状结构(如图6)，用导磁良好的软磁钢制成，其内外径应保证与各低速轭铁盘及高速轭铁盘上的永磁体保持气隙，其四段圆筒笼状结构的各档位的网格间距一致，各挡低速轭铁盘及高速轭铁盘上的永磁体对数以及组合调磁圈20的磁栅数目的设计以实现不同的调速比。组合调磁圈20的一端设计有定位止口及螺栓孔，通过螺栓21安装在输出轴23的法兰上，输出轴23用两个滚动轴承a22支撑在主支座12上。通盖25用于固定滚动轴承a22外圈，通盖25内的密封油毡24用于防尘。
在花键主轴9上位于一档内轭铁圈13和二档内轭铁圈15之间装有花键套b31，在花键主轴9上位于三档内轭铁圈17和四档内轭铁圈19之间装有花键套a29，各内轭铁圈的端面设有与花键套b31和花键套a29相配合的花键槽，花键套b31负责选择一档和二档，花键套a29负责选择三档和四档，当某永磁齿轮内轭铁圈与花键套结合带动花键主轴9转动时，其它三个永磁齿轮的内轭铁圈脱开空转，实现某一调速比输出。
换档手柄39的中下部装有交叉销与操纵手柄座42配合，进行前后扳动和左右扳动。前后扳动换档手柄39使其下端选择拨动的对象是一二档拨叉38或三四档拨叉36，一二档拨叉38和三四档拨叉36都由滑动销导向，只能沿花键主轴9轴线方向移动，左右扳动换档手柄39可以移动一二档拨叉36或三四档拨叉38，换挡时一二档拨叉36和三四档拨叉38分别带动一二档换挡滑环37及三四档换挡滑环35，经过销c41带动短换挡拉杆33或长换挡拉杆30，再经过销a28及销b32将换挡运动传给了花键套a29或花键套b31实现换挡。
本发明的有益效果是：由此可操纵变速箱得到8种正反向传动比，本变速箱具有使用方便、结构紧凑、运行平稳、无摩擦、免维护和过载保护等优点，可应用于交通工具及其它工业设备中。
附图说明
图1为永磁齿轮变速箱外观。
图2为永磁齿轮变速箱原理图。
图3为永磁齿轮变速箱纵向剖视图。
图4为永磁齿轮变速箱横向剖视图。
图5为花键主轴外观。
图6为组合调磁圈外观。
图7为调磁盘外观。
图中：1输入轴；2滚动轴承a；3输入端支座；4高速轭铁盘；5调磁盘；6低速轭铁盘；7操纵机构支座；8换向花键套；9花键主轴；10永磁体；11一档外轭铁圈；12主支座；13一档内轭铁圈；14二档外轭铁圈；15二档内轭铁圈；16三档外轭铁圈；17三档内轭铁圈；18四档外轭铁圈；19四档内轭铁圈；20组合调磁圈；21螺钉；22滚动轴承b；23输出轴；24密封油毡；25通盖；26滚针轴承；27调整圈；28销a；29花键套a；30长换挡拉杆；31花键套b；32销b；33短换挡拉杆；34轴用挡圈；35三四档换挡滑环；36三四档拨叉；37一二档换挡滑环；38一二档拨叉；39换挡手柄；40换向手柄；41销c；42操纵手柄座；43换向拨叉；44换向滑环；45销d；46扇形永磁体；47滚动轴承c；48滚动轴承d；49孔用挡圈。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案进一步说明本发明的具体实施方式。
本永磁齿轮变速箱可实现正反四个档位的切换，换向部分采用端面啮合永磁齿轮，换挡部分采用周向啮合圆柱形永磁齿轮，各轭铁盘、调磁盘、轭铁圈及调磁圈均采用软磁钢制成，各永磁体采用钕铁硼NdFe35，换向永磁齿轮上的永磁体采用端面充磁，换挡永磁齿轮上的永磁体采用径向充磁。各永磁齿轮的永磁体极对数及调磁圈的磁栅个数确定如下：
对于换向永磁齿轮，调磁盘固定,则传动比Gr可根据下列公式计算：
G r = p h - n s p h = - p l p h
式中：ph为高速轭铁盘4的永磁体极对数；pl为低速轭铁盘6的永磁体极对数；ns为调磁盘5磁栅个数。公式中的负号表示反转，根据经验设定端面永磁齿轮传动比为2:1，取高速轭铁盘4的磁极对数为5，那么低速轭铁盘6的磁极对数为10，调磁盘5磁栅个数为两侧轭铁圈的磁极对数之和等于15。
对于换挡永磁齿轮，其外轭铁圈为固定端，内轭铁圈为输入端，位于中间的调磁圈为输出端。则传动比为：
G r = p l + p h p h = - n s p h
式中：ph为内轭铁圈的永磁体极对数；pl为外轭铁圈的永磁体极对数；ns为调磁圈的磁栅个数。调磁圈的磁栅个数为内外轭铁圈的磁极对数之和。
现设定换挡永磁齿轮的四组齿轮传动比大约在3：1至7:1之间。
取一挡调磁环磁栅个数为27，一挡内轭铁圈的永磁体极对数为4，则一挡外轭铁圈的永磁体极对数为23,其传动比为6.75。
取二挡调磁环磁栅个数同样为27，二挡内轭铁圈的永磁体极对数为5，则二挡外轭铁圈的永磁体极对数为22，其传动比为5.4。
取三挡调磁环磁栅个数同样为27，三挡内轭铁圈的永磁体极对数为6，则三挡外轭铁圈的永磁体极对数为21，其传动比为4.5。
取四挡调磁环磁栅个数同样为27，四挡内轭铁圈的永磁体极对数为8，则四挡外轭铁圈的永磁体极对数为19，其传动比为3.375。
这样，本变速箱的8个传动比分别为3.375、4.5、5.4、6.75、-6.75、-9、-10.8和-13.5。
从图3中可以看出，传动输入轴1连接到端面永磁齿轮的高速轭铁盘4上，高速轭铁盘4右端面上镶嵌10对N、S极相间的永磁体46，低速轭铁盘6上镶嵌10对N、S极相间的永磁体，由于低速轭铁盘6与花键主轴9之间装有滚动轴承d48，使低速轭铁盘6可相对花键主轴9自由转动。调磁盘5(图7所示)位于同轴相对的高速轭铁盘4与低速轭铁盘6之间，被固定在操纵机构支座7上不动，由于低速轭铁盘6上的永磁体对数为高速轭铁盘4上的永磁体对数一倍，使得低速轭铁盘6的转数减半且反向旋转。低速轭铁盘6和高速轭铁盘4的内端面上都有花键槽，可以与换向花键套8配合，操纵换向手柄40可以带动拨叉43，经过销d45左右移动花键套8连接到高速轭铁盘4上就直接将输入轴转动输送到后级四档调速磁齿轮上，如果连接到低速轭铁盘6上则将反向减半的转速送到后级，实现换向。
安装在主支座12内的换挡永磁齿轮使用了四个周向内啮合的磁场调制式永磁齿轮，一档外轭铁圈12、二档外轭铁圈14、三档外轭铁圈16以及四档外轭铁圈18用螺钉固定在主支座12内壁上，一档内轭铁圈13、二档内轭铁圈15、三档内轭铁圈17以及四档内轭铁圈19通过滚动轴承安装在(如图5所示)花键主轴9上，可自由转动，各滚动轴承用轴用挡圈34及孔用挡圈49轴向限位，花键主轴9的大径端用滚动轴承c47支撑在操纵机构支座7上，花键主轴9的小径端用滚针轴承26套装在输出轴23的左端。
将四个调磁圈制成一体的组合调磁圈20(图6所示)通过螺栓21安装在输出轴23的法兰上，输出轴23用两个滚动轴承a22支撑在主支座12上。组合调磁圈20的内外径应保证与各低速轭铁盘及高速轭铁盘上的永磁体保持微小气隙，各挡低速轭铁盘及高速轭铁盘上的永磁体对数不同以实现不同的调速比率。
在花键主轴9上位于一档内轭铁圈13和二档内轭铁圈15之间装有花键套b31，在花键主轴9上位于三档内轭铁圈17和四档内轭铁圈19之间装有花键套a29，各内轭铁圈的端面设有与花键套b31和花键套a29相配合的花键槽，花键套b31负责选择一档和二档，花键套a29负责选择三档和四档，当某一个永磁齿轮内轭铁圈与一个花键套结合带动主轴9转动时，其它三个永磁齿轮的内轭铁圈脱开空转。
换档手柄39的中下部装有交叉销与操纵手柄座42配合，可前后和左右扳动。前后扳动换档手柄杆39可以使其下端选择拨动的对象是一二档拨叉36还是三四档拨叉38，一二档拨叉36及三四档拨叉38都由滑动销导向，只能沿花键主轴9轴线方向移动，左右扳动换档手柄39可以移动一二档拨叉36或三四档拨叉38，换挡时一二档拨叉36和三四档拨叉38分别带动一二档换挡滑环37及三四档换挡滑环35，经过销41带动短换挡拉杆33或长换挡拉杆30，再经过销a28及销b32将换挡运动传给了花键套a29或花键套b31实现换挡。

Claims (1)

1.一种永磁齿轮变速箱，其特征在于，该永磁齿轮变速箱包括输入轴(1)、滚动轴承a(2)、输入端支座(3)、高速轭铁盘(4)、调磁盘(5)、低速轭铁盘(6)、操纵机构支座(7)、换向花键套(8)、花键主轴(9)、永磁体(10)、一档外轭铁圈(11)、主支座(12)、一档内轭铁圈(13)、二档外轭铁圈(14)、二档内轭铁圈(15)、三档外轭铁圈(16)、三档内轭铁圈(17)、四档外轭铁圈(18)、四档内轭铁圈(19)、组合调磁圈(20)、螺钉(21)、滚动轴承b(22)、输出轴(23)、密封油毡(24)、通盖(25)、滚针轴承(26)、调整圈(27)、销a(28)、花键套a(29)、长换挡拉杆(30)、花键套b(31)、销b(32)、短换挡拉杆(33)、轴用挡圈(34)、三四档换挡滑环(35)、三四档拨叉(36)、一二档换挡滑环(37)、一二档拨叉(38)、换挡手柄(39)、换向手柄(40)、销c(41)、操纵手柄座(42)换向拨叉(43)、换向滑环(44)、销d(45)、扇形永磁体(46)、滚动轴承c(47)、滚动轴承d(48)和孔用挡圈(49)；
输入轴1由装有滚动轴承a(2)的输入端支座(3)支撑，与端面具有永磁齿轮的高速轭铁盘(4)连接，低速轭铁盘(6)与花键主轴(9)之间装有滚动轴承d(48)，使低速轭铁盘(6)相对花键主轴(9)自由转动；调磁盘(5)为圆盘结构，采用导磁良好的软磁钢材料，其上有圆周分布的扇形孔，便于形成调制磁场；调磁盘(5)位于高速轭铁盘(4)与低速轭铁盘(6)之间，被固定在操纵机构支座(7)上不动，在高速轭铁盘(4)靠近调磁盘(5)的端面上镶嵌一周N极和S极相间的扇形永磁体(46)构成高速齿轮，在低速轭铁盘(6)靠近调磁盘(5)的端面上镶嵌一周N极和S极相间的扇形永磁体(46)构成低速齿轮，由于低速轭铁盘(6)上的扇形永磁体(46)对数多于高速轭铁盘(4)上的扇形永磁体(46)对数，使低速轭铁盘(6)的转向与高速轭铁盘(4)的转向相反，且转数低；低速轭铁盘(6)和高速轭铁盘(4)的内端面上均设有花键槽，与换向花键套(8)的大径花键槽配合；移动操纵换向手柄(40)使换向花键套(8)在低速轭铁盘(6)和高速轭铁盘(4)之间切换，与高速轭铁盘(4)直接连接时，将输入轴(1)转动输送到后级多档调速齿轮上，与低速轭铁盘(6)直接连接时，改变输出轴转向，实现换向功能；
安装在主支座(12)内的换挡永磁齿轮为四个周向内啮合的磁场调制式永磁齿轮，一档外轭铁圈(11)、二档外轭铁圈(14)、三档外轭铁圈(16)以及四档外轭铁圈(18)固定在主支座(12)的内壁上，调整圈(27)用于外轭铁圈的轴向定位；一档内轭铁圈(13)、二档内轭铁圈(15)、三档内轭铁圈(17)以及四档内轭铁圈(19)通过滚动轴承安装在花键主轴(9)上，相对花键主轴(9)自由转动，花键主轴(9)为空心管结构，外圆柱面上有花键槽、轴用卡圈槽及换挡销孔，在其大径端设有内花键槽，以便与换向花键套(8)的小径花键槽配合，保证换向花键套(8)与花键主轴(9)同步转动，各滚动轴承通过轴用挡圈(34)和孔用挡圈(49)限位，花键主轴(9)的大径端通过滚动轴承c(47)支撑在操纵机构支座(7)上，花键主轴(9)的小径端通过滚针轴承(26)套装在输出轴(23)的内端；
组合调磁圈(20)采用四段圆筒笼状结构，用导磁良好的软磁钢制成，其内外径应保证与各低速轭铁盘及高速轭铁盘上的永磁体保持气隙，其四段圆筒笼状结构的各档位的网格间距一致，各挡低速轭铁盘及高速轭铁盘上的永磁体对数以及组合调磁圈(20)的磁栅数目的设计以实现不同的调速比；组合调磁圈(20)的一端设计有定位止口及螺栓孔，通过螺栓(21)安装在输出轴(23)的法兰上，输出轴(23)用两个滚动轴承a(22)支撑在主支座(12)上；通盖(25)用于固定滚动轴承a(22)外圈，通盖(25)内的密封油毡(24)用于防尘；
在花键主轴(9)上位于一档内轭铁圈(13)和二档内轭铁圈(15)之间装有花键套b(31)，在花键主轴(9)上位于三档内轭铁圈(17)和四档内轭铁圈(19)之间装有花键套a(29)，各内轭铁圈的端面设有与花键套b(31)和花键套a(29)相配合的花键槽，花键套b(31)负责选择一档和二档，花键套a(29)负责选择三档和四档，当某永磁齿轮内轭铁圈与花键套结合带动花键主轴(9)转动时，其它三个永磁齿轮的内轭铁圈脱开空转，实现某一调速比输出；
换档手柄(39)的中下部装有交叉销与操纵手柄座(42)配合，进行前后扳动和左右扳动；前后扳动换档手柄(39)使其下端选择拨动的对象是一二档拨叉(38)或三四档拨叉(36)，一二档拨叉(38)和三四档拨叉(36)都由滑动销导向，只能沿花键主轴(9)轴线方向移动，左右扳动换档手柄(39)用于移动一二档拨叉(36)或三四档拨叉(38)，换挡时一二档拨叉(36)和三四档拨叉(38)分别带动一二档换挡滑环(37)及三四档换挡滑环(35)，经过销c(41)带动短换挡拉杆(33)或长换挡拉杆(30)，再经过销a(28)及销b(32)将换挡运动传给了花键套a(29)或花键套b(31)实现换挡。
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