CN104608872A - 圆环曲面行星无级变速器及应用有该变速器的自行车 - Google Patents

Abstract

一种圆环曲面行星无级变速器，包括主动盘、从动盘、平板状的动力盘、固定轴、变位轴、第一驱动机构、第二驱动机构、导向连杆、固定内罩和外壳灯等组件，固定轴设于主动盘和从动盘的轴心线上，变位轴套设在固定轴上并能相对固定轴转动，第一驱动机构驱动主动盘转动，第二驱动机构驱动变位轴转动，导向连杆随着变位轴的转动而沿着变位轴作轴向移动并带动动力盘绕自身中轴线摆动，固定内罩用于固定动力盘，外壳固定在从动盘上并随从动盘同步转动。本发明的优点在于：整体结构较为简单、紧凑且装配较为方便，能实现运动过程中的无级变速，且变速比较大，另外，无需对自行车的车体结构进行大的改进就可以将该无级变速器装配在车体上。

Description

圆环曲面行星无级变速器及应用有该变速器的自行车

技术领域

本发明涉及一种变速器及安装有变速器的自行车，尤其是涉及一种圆环曲面行星无级变速器及应用有该变速器的自行车。

背景技术

目前，无级变速器可以分为自动化机械变速器(AMT)、可不断变速的机械式无级变速器(CVT)和可无限变速的机械式无级变速器(IVT)。早在1905年，人们就提出来一种摩擦板式变速结构，它由圆盘和滚轮构成，结构简单，但由于摩擦本身带来的能量损耗大、温度高的原因，存在传递扭矩小和材料不耐用等缺点，没有批量生产，这种变速原理构成了今天IVT的基础。IVT是一种圆环曲面变速器，它是基于数学超环面主动盘、超环面被动盘的简单配置和在两者之间运动滚子的角度连续可变，而实现无限的无级变速。圆环曲面变速器的核心是两个相对转动的转盘，其中一个当动力输入用，另一个用来输出，在两个转盘之间安置两到三个滚轮，两个转盘一般受液压驱动沿轴向夹紧以夹住滚轮，输入转盘转动时带着滚轮转动，输出转盘也跟着同步转动转。其夹紧力度一般通过电控装置根据传递扭矩的大小来调节，力是通过滚动摩擦传递，变速则通过滚轮的轴线摆动来实现。IVT由于不使用变矩器，与其它自动变速器比较，IVT具有效率高，不易打滑，油耗低，不需要工艺复杂造价昂贵的金属传动带，结构简单，成本较低等一系列优点，加上传递扭矩大，长时间运转也不会引起过度发热，不但适用于轿车上，也适用于越野车上。

现有技术中有各种变速器，如申请号为200880131268.1(申请公布号为CN102165129A)的中国发明专利申请所公开的《无级变速器》，该无级变速器包括第一定子板、第二定子板和设于第一定子板与第二定子板之间的牵引行星轮。第一定子板与主驱动轴轴线同轴设置，第一定子板具有多个径向槽缝，第二定子板与主驱动轴同轴设置，第二定子板具有多个径向槽缝，牵引行星轮具有可倾斜的旋转轴线，上述径向槽缝引导牵引行星轮的可倾斜旋转轴线，并且，第一定子板能相对第二定子板转动。由于上述槽缝是径向偏置，因而在定子板之间的相对转动导致这些牵引行星轮的偏斜，并且这种偏斜导致了使这些牵引行星轮倾斜到平衡状态的力，每个倾斜的位置构成了不同的传动比。该无级变速器的牵引行星轮为圆球形，因而只能在半球范围内进行变速，变速比范围在0.5～2之间，变速范围较小。

此外，现有安装在自行车上的变速装置大部分为档位变速装置，即通过改变链轮的大小和齿数来实现变速的目的，这种固定比率的变速传动需要等待齿轮啮合，变速过程中会产生振动，且变速系统往往不封闭而容易受污。作为改进，市场上也有不少安装有无级变速器的自行车，但其变速器安装结构较为复杂且安装较为不便，变速器的安装结构也不够合理，其具体的结构可以参考专利号为ZL 200920065740.8(授权公告号为CN201457594U)的中国实用新型专利《往复驱动式无级变速自行车》以及专利号为ZL201320535834.3(授权公告号为CN 203450309U)的中国实用新型专利《双方向往复驱动无级变速自行车》。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术现状，提供一种结构简单、紧凑且变速比范围较大的圆环曲面行星无级变速器。

本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术现状，提供一种结构合理且安装无级变速器时无需对车体进行较大改动的自行车。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：该圆环曲面行星无级变速器，包括主动盘、从动盘和动力盘，所述的主动盘和从动盘相对设置且两者的相对面均为圆环曲面，所述的动力盘设于主动盘与从动盘之间，其特征在于所述的动力盘绕自身中轴线自转同时左右摆动并始终与主动盘和从动盘的圆环曲面相切，该无级变速器还包括有：

固定轴，设于所述主动盘和从动盘的轴心线上；

变位轴，套设在所述的固定轴上并能相对固定轴转动；

第一驱动机构，安装在所述的主动盘上并驱动主动盘转动；

第二驱动机构，安装在所述变位轴上并驱动变位轴转动；

导向连杆，设于主动盘和从动盘之间，所述导向连杆随着变位轴的转动而沿着变位轴的轴向移动，并同时带动所述动力盘绕其自身中轴线摆动；

固定内罩，所述的动力盘安装在该固定内罩上；以及

外壳，设于所述的主动盘、从动盘和固定内罩外，且所述外壳固定在所述的从动盘上以随从动盘同步转动。

优选地，所述变位轴的里端伸入主动盘与从动盘之间，变位轴的外端外露于所述的主动盘，在所述变位轴伸入主动盘与从动盘之间部位的外周壁上开有至少两个螺旋型的滑槽，且所述滑槽的一端靠近所述的主动盘，滑槽的另一端靠近所述的从动盘，所述的导向连杆和动力盘与所述的滑槽一一对应，且导向连杆的里端活动嵌设在对应的滑槽内，在所述动力盘的中央贯穿并固定有垂直于动力盘盘面的连接头，所述连接头的里端与对应导向连杆的外端相铰接，所述连接头的外端固定在所述的固定内罩上。这样，变位轴转动时可以带动导向连杆沿着变位轴进行轴向移动，进而带动动力盘绕自身中轴线摆动。

为了使主动盘与从动盘之间的动力传递更为均为，使变速更为稳定、可靠，所述的滑槽有四个并间隔均匀分布，且每个滑槽围绕所述的变位轴均旋转90～180度。当然，滑槽的个数也可以不为4个，滑槽的旋转角度也不局限于90～180度。

为了使导向连杆的轴向移动更为稳定，在所述变位轴伸入主动盘与从动盘之间部位的外周壁上套设有能相对变位轴轴向移动的套筒，所述导向连杆的里端固定在所述的套筒上并穿过套筒后活动嵌设在对应的滑槽内，并且，在所述套筒轴向移动至靠近主动盘或从动盘的状态下，所述的动力盘摆动至最大倾斜角度并保持与主动盘和从动盘的圆环曲面相切。采用上述套筒结构后，可以轻松带动连杆沿着轴向移动。

为了使主动盘与从动盘之间的动力传递更为稳定、可靠，在所述主动盘和从动盘的外侧设有使主动盘和从动盘的圆环曲面始终保持有与动力盘相切趋势的弹性件。在弹性件的作用下，主动盘和从动盘能始终压紧动力盘。

作为上述方案的优选，所述固定轴穿过主动盘和从动盘且两端分别外露于主动盘和从动盘，所述主动盘的外侧部具有套设在所述变位轴上并能相对变位轴转动的第一安装轴套，所述从动盘的外侧部具有套设在所述固定轴上并能相对固定轴转动的第二安装轴套，所述的弹性件为套设在所述第一安装轴套上的第一弹簧和套设在所述第二安装轴套上的第二弹簧，所述的固定内罩安装在所述的第一安装轴套上并压紧所述的第一弹簧，所述的外壳包括轴向相对拼接固定的第一外壳和第二外壳，所述第一外壳罩设在所述的固定内罩外，所述的第二外壳固定在所述的第二安装轴套上并压紧所述的第二弹簧。

为了使主动盘和从动盘的转动更为顺滑，所述主动盘的第一安装轴套通过第一轴承安装在所述的变位轴上，所述从动盘的第二安装轴套通过第二轴承安装在所述的固定轴上。并且，第一轴承和第二轴承可以作为限制套筒进行轴向移动的限位件，当套筒移动至与第一轴承或者第二轴承相碰时便不能继续移动。

所述的第一驱动机构和第二驱动机构可以有多种不同的结构，优选地，所述变位轴的外端伸出于所述的第一安装轴套，所述的第一驱动机构包括相互啮合的主动齿轮和从动齿轮，所述从动齿轮设于所述第一外壳的外侧，且该从动齿轮安装所述的第一安装轴套上并带动主动盘同步转动，所述的第二驱动机构为设于所述从动齿轮外侧的变位盘，且该变位盘安装在所述的变位轴上并带动变位轴同步转动。上述第一驱动机构和第二驱动机构结构较为简单，且安装非常方便。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：该应用有上述无级变速器的自行车，所述无级变速器安装在自行车的后轮，自行车的后叉固定在所述无级变速器的固定轴上，自行车的后轮钢丝固定在所述无级变速器的外壳上，在自行车车体上固定有用以与所述无级变速器的固定内罩相固定的固定抓，靠近所述无级变速器的主动齿轮处设有飞轮，所述飞轮与所述主动齿轮同轴设置并与主动齿轮同步转动，所述飞轮通过链条与自行车脚踏处的链轮传动配合，在自行车上安装有变速器调节装置，所述的变速器调节装置通过控制线与所述无级变速器的变位盘相连并带动变位盘转动。采用上述结构后，可以很方便地将无级变速器安装到自行车上，安装结构非常简单、合理，而且安装后的无级变速器不会额外占用过大的地方，整个自行车的变速装置整体非常紧凑。

为了变速方便，所述的变速器调节装置安装在自行车的车把上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：该圆环曲面行星无级变速器包括主动盘、从动盘、动力盘、固定轴、变位轴、第一驱动机构、第二驱动机构、导向连杆、固定内罩和外壳等组件，整体结构较为简单、紧凑且装配较为方便，在第一驱动机构下和第二驱动机构的同时驱动下，实现运动过程中的无级变速，并且，由于动力盘能绕自身中轴线具有较大的摆动角度，相应地产生较大的变速比。另外，该无级变速器可以方便地安装到自行车上，无需对自行车的车体结构进行较大的改进就可以装配完成，从而轻松实现自行车的无级变速。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的立体分解示意图；

图3为本发明实施例中第一驱动机构和第二驱动机构的装配示意图；

图4为本发明实施例的局部结构示意图；

图5为本发明实施例中变位轴的结构示意图；

图6为本发明实施例在等速运动状态下的局部示意图；

图7为本发明实施例在加速运动状态下的局部示意图；

图8为本发明实施例在减速运动状态下的局部示意图；

图9为本发明实施例中自行车的结构示意图；

图10为图9中A部分的放大示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1至图5所示，本实施例中的无级变速器包括主动盘1、从动盘2、动力盘3、固定轴4、变位轴5、套筒10、第一弹簧91、第二弹簧92、第一轴承12、第二轴承13、第一驱动机构、第二驱动机构、导向连杆6、固定内罩7、外壳8等组件。

其中，主动盘1和从动盘2相对设置，主动盘1和从动盘2的内侧面为相对面且均为圆环曲面，动力盘3设于主动盘1与从动盘2之间，变速过程中，动力盘3绕自身中轴线自转同时左右摆动并始终与主动盘1和从动盘2的圆环曲面相切。固定轴4设于主动盘1和从动盘2的轴心线上，本实施例中，固定轴4穿过主动盘1和从动盘2且两端分别外露于主动盘1和从动盘2。变位轴5套设在固定轴4上并能相对固定轴4转动，且变位轴5的里端伸入主动盘1与从动盘2之间。本实施例中，在变位轴5伸入主动盘1与从动盘2之间部位的外周壁上开有四个间隔均匀分布并呈螺旋型的滑槽51，滑槽51的一端靠近主动盘1，滑槽51的另一端靠近从动盘2，且每个滑槽51围绕变位轴5均旋转90度。可见，本实施例滑槽的设计相当于通过传动轴方案简化而来，结构更为简单。

套筒10套设在变位轴5伸入主动盘1与从动盘2之间部位的外周壁上，且套筒10能相对变位轴5作轴向移动。导向连杆6和动力盘3与变位轴5上的滑槽51一一对应，即一个滑槽51对应一根导向连杆6和一个动力盘3。导向连杆6设于主动盘1与从动盘2之间并沿着主动盘1和从动盘2的径向设置，导向连杆6的里端固定在套筒10上并穿过套筒10后活动嵌设在对应的滑槽51内。在动力盘3的中央贯穿并固定有垂直于动力盘3盘面的连接头31，连接头31的里端与对应导向连杆6的外端相铰接，连接头31的外端固定在固定内罩7上，固定内罩7将动力盘3罩设其内。当变位轴5转动时可以带动套筒10和导向连杆6同步移动，进而带动动力盘3绕其自身中轴线摆动，并且，在套筒5轴向移动至靠近主动盘1或从动盘2的状态下，动力盘3摆动至最大倾斜角度并保持与主动盘1和从动盘2的圆环曲面相切。

主动盘1的外侧部具有第一安装轴套11，该第一安装轴套11套设在变位轴5上并能相对变位轴5转动，且变位轴5的外端伸出于第一安装轴套11。从动盘2的外侧部具有第二安装轴套21，该第二安装轴套21套设在固定轴4上并能相对固定轴4转动。另外，为了使主动盘1和从动盘2转动更为顺利，主动盘1的第一安装轴套11通过第一轴承12安装在变位轴5上，从动盘2的第二安装轴套21通过第二轴承13安装在固定轴4上。

第一弹簧91套设在第一安装轴套11上，第二弹簧92套设在第二安装轴套21上，固定内罩7安装在第一安装轴套11上并压紧第一弹簧91。外壳8罩设在主动盘1、从动盘2和固定内罩7外，外壳8由第一外壳81和第二外壳82轴向相对拼接固定而成，其中，第一外壳81罩设在固定内罩7外，第二外壳82固定在第二安装轴套21上并压紧第二弹簧92。这样，在第一弹簧91和第二弹簧92的作用下，使主动盘1和从动盘2的圆环曲面始终保持有与动力盘3相切。

本实施例中，第一驱动机构包括相互啮合的主动齿轮14和从动齿轮15，从动齿轮15设于第一外壳81的外侧，且该从动齿轮15安装第一安装轴套11上并带动主动盘1同步转动，第二驱动机构为设于从动齿轮15外侧的变位盘16，且该变位盘16安装在变位轴5上并带动变位轴5同步转动。当然，也可以将变位轴5设计成外端不外露于主动盘1，相应地，可以通过其他驱动件伸入主动盘1与从动盘2之间而驱动变位轴5进行转动。

该无级变速器的工作原理如下：

变速时，变位盘16驱动变位轴5正转或者反转，旋转的角度在0度～90度，随着变位轴5转动，套筒10和导向连杆6沿着变位轴5的轴向进行同步平移，由于导向连杆6的外端铰接于连接头31的里端，连接头31与动力盘3相固定且连接头31的外端固定在固定内罩7上，因而动力盘3能随着套筒10和导向连杆6的轴向平移而可以绕其自身中轴线进行匀速左右摆动。由于套筒10的移动过程是连续的，动力盘3始终与主动盘1和从动盘2的圆环曲面相切，动力盘3在主动盘1和从动盘2上具有不同的触点，也就产生不同的变速比。并且，由于动力盘3是无级别的连续摆动，从而产生连续的无级变速比。并且，通过动力盘3绕自身中轴线的自转，主动盘1的动力通过动力盘3传递到从动盘2上。主动盘1和从动盘2与动力盘3之间为圆弧接触，有利于降低接触应力和促进润滑油膜的形成，减少磨损、延产寿命，提高摩擦传动效率。另外，传统的锥盘变速器，都是在半圆内做变速，变速比大多在0.5～2之间，变速比范围较小，而本实施例的无级变速器的动力盘采用板式，突破了半圆范围，变速比较大，其变速比范围可以达到0.35～3。

假设如图6所示为动力盘3摆动之前的初始状态，此时，套筒10位于中间，各动力盘3的中轴线平行与主动盘1和从动盘2的盘面，从而实现等速运动。如图7所示，套筒10位于右侧并与第一轴承(图7中未示)相碰，各动力盘3靠近主动盘1的一侧向外摆动，靠近从动盘2的一侧向内摆动，从而实现加速运动。如图8所示，套筒10位于左侧并与第二轴承(图8中未示)相碰，各动力盘3靠近主动盘1的一侧向内摆动，靠近从动盘2的一侧向外摆动，从而实现减速运动。

如图9和图10所示，本实施例中，无级变速器安装在自行车的后轮100，自行车的后叉101固定在无级变速器的固定轴4上，自行车的后轮钢丝102固定在无级变速器的外壳8上，在自行车车体上固定有用以与无级变速器的固定内罩7相固定的固定抓103，靠近无级变速器的主动齿轮14处设有飞轮104，飞轮104与主动齿轮14同轴设置并与主动齿轮14同步转动，飞轮104通过链条105与自行车脚踏处的链轮106传动配合，在自行车的车把109上安装有变速器调节装置107，该变速器调节装置107通过控制线108与无级变速器的变位盘16相连并带动变位盘16转动。

自行车变速时，使用者通过控制车把109上的变速器调节装置107来带动变位盘16转动，如上无级变速器的工作原理所述，通过变位盘16的转动带动动力盘3绕其自身中轴线进行摆动而实现无级变速；脚踏链轮106并通过链条105的传动使飞轮104转动，飞轮104通过主动齿轮14和从动齿轮15的传动，使得飞轮104输入方向和从动盘2输出转向一致，由于自行车的后轮钢丝102固定无级变速器的外壳8上，而外壳8固定在从动盘2上而与从动盘2同步转动，因而脚踏链轮106最终能将动力传递到从动盘2上。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理前提下，可以对本发明进行多种改型或改进，这些均被视为本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种圆环曲面行星无级变速器，包括主动盘(1)、从动盘(2)和动力盘(3)，所述的主动盘(1)和从动盘(2)相对设置且两者的相对面均为圆环曲面，所述的动力盘(3)设于主动盘(1)与从动盘(2)之间，其特征在于所述动力盘(3)绕自身中轴线自转同时左右摆动并始终与主动盘(1)和从动盘(2)的圆环曲面相切，该无级变速器还包括有：

固定轴(4)，设于所述主动盘(1)和从动盘(2)的轴心线上；

变位轴(5)，套设在所述的固定轴(4)上并能相对固定轴(4)转动；

第一驱动机构，安装在所述的主动盘(1)上并驱动主动盘(1)转动；

第二驱动机构，安装在所述变位轴(5)上并驱动变位轴(5)转动；

导向连杆(6)，设于主动盘(1)和从动盘(2)之间，所述导向连杆(6)随着变位轴(5)的转动而沿着变位轴(5)的轴向移动，并同时带动所述动力盘(1)绕其自身中轴线摆动；

固定内罩(7)，所述的动力盘(3)安装在该固定内罩(7)上；以及

外壳(8)，设于所述的主动盘(1)、从动盘(2)和固定内罩(7)外，且所述外壳(8)固定在所述的从动盘(2)上以随从动盘(2)同步转动。

2.根据权利要求1所述的圆环曲面行星无级变速器，其特征在于：所述变位轴(5)的里端伸入主动盘(1)与从动盘(2)之间，变位轴(5)的外端外露于所述的主动盘(1)，在所述变位轴(5)伸入主动盘(1)与从动盘(2)之间部位的外周壁上开有至少两个螺旋型的滑槽(51)，且所述滑槽(51)的一端靠近所述的主动盘(1)，滑槽(51)的另一端靠近所述的从动盘(2)，所述的导向连杆(6)和动力盘(3)与所述的滑槽(51)一一对应，且导向连杆(6)的里端活动嵌设在对应的滑槽(51)内，在所述动力盘(3)的中央贯穿并固定有垂直于动力盘(3)盘面的连接头(31)，所述连接头(31)的里端与对应导向连杆(6)的外端相铰接，所述连接头(31)的外端固定在所述的固定内罩(7)上。

3.根据权利要求2所述的圆环曲面行星无级变速器，其特征在于：所述的滑槽(51)有四个并间隔均匀分布，且每个滑槽(51)围绕所述的变位轴(5)均旋转90～180度。

4.根据权利要求2所述的圆环曲面行星无级变速器，其特征在于：在所述变位轴(5)伸入主动盘(1)与从动盘(2)之间部位的外周壁上套设有能相对变位轴轴向移动的套筒(10)，所述导向连杆(6)的里端固定在所述的套筒(10)上并穿过套筒(10)后活动嵌设在对应的滑槽(51)内，并且，在所述套筒(5)轴向移动至靠近主动盘(1)或从动盘(2)的状态下，所述的动力盘(3)摆动至最大倾斜角度并保持与主动盘(1)和从动盘(2)的圆环曲面相切。

5.根据权利要求1所述的圆环曲面行星无级变速器，其特征在于：在所述主动盘(1)和从动盘(2)的外侧设有使主动盘(1)和从动盘(2)的圆环曲面始终保持有与动力盘(3)相切趋势的弹性件。

6.根据权利要求5所述的圆环曲面行星无级变速器，其特征在于：所述固定轴(4)穿过主动盘(1)和从动盘(2)且两端分别外露于主动盘(1)和从动盘(2)，所述主动盘(1)的外侧部具有套设在所述变位轴(5)上并能相对变位轴(5)转动的第一安装轴套(11)，所述从动盘(2)的外侧部具有套设在所述固定轴(4)上并能相对固定轴(4)转动的第二安装轴套(21)，所述的弹性件为套设在所述第一安装轴套(11)上的第一弹簧(91)和套设在所述第二安装轴套(21)上的第二弹簧(92)，所述的固定内罩(7)安装在所述的第一安装轴套(11)上并压紧所述的第一弹簧(91)，所述的外壳(8)包括轴向相对拼接固定的第一外壳(81)和第二外壳(82)，所述第一外壳(81)罩设在所述的固定内罩(7)外，所述的第二外壳(82)固定在所述的第二安装轴套(21)上并压紧所述的第二弹簧(92)。

7.根据权利要求6所述的圆环曲面行星无级变速器，其特征在于：所述主动盘(1)的第一安装轴套(11)通过第一轴承(12)安装在所述的变位轴(5)上，所述从动盘(2)的第二安装轴套(21)通过第二轴承(13)安装在所述的固定轴(4)上。

8.根据权利要求6所述的圆环曲面行星无级变速器，其特征在于：所述变位轴(5)的外端伸出于所述的第一安装轴套(11)，所述的第一驱动机构包括相互啮合的主动齿轮(14)和从动齿轮(15)，所述从动齿轮(15)设于所述第一外壳(81)的外侧，且该从动齿轮(15)安装所述的第一安装轴套(11)上并带动主动盘(1)同步转动，所述的第二驱动机构为设于所述从动齿轮(15)外侧的变位盘(16)，且该变位盘(16)安装在所述的变位轴(5)上并带动变位轴(5)同步转动。

9.一种应用有权利要求8所述无级变速器的自行车，其特征在于：所述无级变速器安装在自行车的后轮(100)，自行车的后叉(101)固定在所述无级变速器的固定轴(4)上，自行车的后轮钢丝(102)固定在所述无级变速器的外壳(8)上，在自行车车体上固定有用以与所述无级变速器的固定内罩(7)相固定的固定抓(103)，靠近所述无级变速器的主动齿轮(14)处设有飞轮(104)，所述飞轮(104)与所述主动齿轮(14)同轴设置并与主动齿轮(14)同步转动，所述飞轮(104)通过链条(105)与自行车脚踏处的链轮(106)传动配合，在自行车上安装有变速器调节装置(107)，所述的变速器调节装置(107)通过控制线(108)与所述无级变速器的变位盘(16)相连并带动变位盘(16)转动。

10.根据权利要求9所述的自行车，其特征在于：所述的变速器调节装置(107)安装在自行车的车把(109)上。