CN104633022B - 一种行星式多级变速传动方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种行星式多级变速传动方法及装置。该装置的主动圆锥齿轮与输入轴连接，主动圆锥齿轮与从动圆锥齿轮啮合；从动圆锥齿轮与圆柱齿轮固连，绕转臂旋转；端面齿轮由多个套圈端面齿轮组成，每个套圈端面齿轮都包括端面齿和直齿，端面齿设置在环形套圈的端面，直齿沿套圈端面齿轮的环形套圈外圆柱面圆周设置，每个套圈端面齿轮的端面齿与圆柱齿轮啮合，每个套圈端面齿轮的直齿选择性地与调速机构的内齿圈啮合固定；转臂与输出轴垂直正交，并固连为一体。本发明将无级式变速范围改变成几个可选择的固定转速比，实现了有级式变速器所具有的性能，整个装置结构简单，尺寸重量小，而且传动方式釆用齿式传动，传动效率高。

Description

一种行星式多级变速传动方法及装置

技术领域

本发明涉及一种动力或运动变速方法和变速装置，特别是涉及一种行星式多级变速传动方法及装置；本发明适用于机床、车辆、船等动力机械传动内的多级传动变速。

技术背景

目前，动力机械传动内的变速器由传动机构和变速机构组成。传动机构大多用普通齿轮或行星齿轮传动。按传动比的变化方可分为有级式、无级式两种。有级式变速器是指有几个可选择的固定传动比，大多采用齿轮传动，可分为齿轮轴线固定的普通齿轮变速器和行星齿轮变速器两种；无级式变速器是指传动比可在一定范围内连续变化，常见的有液力式，机械式和电力式等。有级式变速器具有变速比稳定、噪声低、传动效率高，但随着变速级数的増加，一般存在调速机构复杂、整体结构尺寸过大、成本高等问题；而无级式变速器能够克服有级式变速器的不足，但又存在传动效率不高、变速传动零件寿命不长、变速稳定性受使用周期増长而降低等问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有相关技术的不足，提供一种既有有级式变速器的优点，又有无级式变速器的特点，结构简单、尺寸重量小、变速范围较大，传动效率高的行星式多级变速传动方法及装置。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种行星式多级变速传动装置，包括输入轴、主动圆锥齿轮、圆柱齿轮、端面齿轮、输出轴、转臂和从动圆锥齿轮；主动圆锥齿轮与输入轴连接，主动圆锥齿轮与从动圆锥齿轮啮合；从动圆锥齿轮与圆柱齿轮固连，绕转臂旋转；端面齿轮由多个套圈端面齿轮组成，都为环状结构，每个套圈端面齿轮都包括端面齿和直齿，端面齿设置在环形套圈的端面，直齿沿套圈端面齿轮的环形套圈外圆柱面圆周设置，每个套圈端面齿轮的端面齿与圆柱齿轮啮合，每个套圈端面齿轮的直齿选择性地与调速机构的内齿圈啮合固定；转臂与输出轴垂直正交，并固连为一体。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述的调速机构包括变速驱动电机、驱动螺母、驱动螺杆和内齿圈；内齿圈设置在箱体中，内齿圈的内孔上设有与套圈端面齿轮的直齿尺寸同样的内齿，在内齿圈的外圆柱面上的对边位置加工有凹槽，凹槽内设有导向平键，在箱体上设有与导向平键配合的导向槽，驱动螺母通过箱体开孔伸入箱体内与内齿圈连接；驱动螺母与驱动螺杆螺纹连接，驱动螺杆与变速驱动电机相连。

所述的驱动螺杆一端与变速驱动电机相连，另一端通过第二轴承支承于螺杆支座上，变速驱动电机与螺杆支座安装在箱体上。

所述的箱体开孔装有可收缩防尘罩。

所述的多个套圈端面齿轮相互叠加，在相邻的两个套圈端面齿轮中间装有滚针轴承和钢球。

所述的输入轴为圆柱形阶梯结构，在中间部位套有第一轴承，左端穿过第一油封的内孔，右端固连有主动圆锥齿轮；输出轴为圆柱形阶梯结构，其左端通过第六轴承支承于输入轴右端孔内，中间部位套装第四轴承，第四轴承外圈支承于箱体上。

所述的输出轴的左端开有圆柱孔，转臂为圆柱形阶梯结构并穿过该圆柱孔，转臂两端圴为台阶结构，长台阶面上套有第五轴承，轴承外圈上安装圆柱齿轮，在圆柱齿轮的台阶面上通过键连接有从动圆锥齿轮，分隔套装在从动圆锥齿轮和圆柱齿轮之间。

相邻的两个套圈端面齿轮中间设有向心推力球轴承。

应用上述装置的行星式多级变速传动方法：动力经输入轴输入，经主动圆锥齿轮传到从动圆锥齿轮，从动圆锥齿轮带动圆柱齿轮转动，圆柱齿轮选择性与端面齿轮中一个啮合；端面齿轮静止不动，转臂与输出轴固联，转臂带动输出轴转动；设输入轴的转速为N1，输出轴的转速为N5，主动圆锥齿轮的齿数为Z2，从动圆锥齿轮的齿数为Z7，圆柱齿轮的分圆半径为A，端面齿轮与圆柱齿轮的接触点为P，被选择啮合的端面齿轮接触点P距输出轴的距离为B；控制被选择啮合的端面齿轮固定不动，端面齿轮与圆柱齿轮的接触点P点为圆柱齿轮的速度瞬心，输入输出转速比N1/N5＝1+Z7/Z2*B/A；主动圆锥齿轮的齿数和从动圆锥齿轮的齿数取定后，Z7/Z2为常数；圆柱齿轮的分圆半径A确定后为常数；被选择啮合的端面齿轮接触点P距输出轴的距离B通过调速机构选择不同的端面齿轮中一个确定，实现变速。

如图1所示为本发明的行星式多级传动变速方法原理图；行星式多级变速传动装置包括输入轴1、主动圆锥齿轮2、圆柱齿轮3、端面齿轮4、输出轴5、转臂6和从动圆锥齿轮7；主动圆锥齿轮2与输入轴1连在一起，随输入轴一起转动，并与从动圆锥齿轮7啮合传递运动和动力；从动圆锥齿轮7与圆柱齿轮3连为一体，并绕转臂6旋转；端面齿轮4为多个，端面齿轮4为环状结构，多个端面齿轮4选择性与圆柱齿轮3啮合，而且，被选择啮合(传递动力和运动)的端面齿轮4固定不动，其它的端面齿轮4可自由转动；转臂6与输出轴5垂直正交，并固连为一体。

设输入轴1的转速为N1，输出轴5的转速为N5，主动圆锥齿轮2的齿数为Z2，从动圆锥齿轮7的齿数为Z7，圆柱齿轮3的分圆半径为A，端面齿轮4与圆柱齿轮3的接触点为P，被选择啮合的端面齿轮接触点P(一般设计为齿宽中点)距输出轴5的距离为B，由于该端面齿轮4固定不动，即圆柱齿轮3上P点应为圆柱齿轮3的速度瞬心，根据相对速度原理可以得到输入输出转速比：(被选择啮合的端面齿轮距输出轴5的距离B是分别不同的，通过改变B的大小来改变速度)

N1/N5＝1+Z7/Z2*B/A

由上述公式可以看出，本发明传动机构的变速比N1/N5与齿数比Z7/Z2、距离比B/A有关。

一般主动圆锥齿轮2的齿数Z2，从动圆锥齿轮7的齿数Z7取定后，就不能改变了，其比值Z7/Z2就为一常数。

同样，选定圆柱齿轮3的模数、齿数后，其分圆半径A也为一常数。从图1可以看出，改变接触点P的位置，即改变B值的大小可以改变输入输出转速比N1/N5的大小。

本发明所提出的变速方法和原理就是通过选定Z7/Z2比值，来设定变速区段，通过改变B值的大小来改变输入输出转速比N1/N5的大小，实现变速范围的调整。为了更加清晰表述本发明的变速方法和原理，表1给出了一个计算模式。

表1

序号	Z2	Z7	A	B	N1/N5	序号	Z2	Z7	A	B	N1/N5
												1	30	30	25	50	3	7	40	20	25	50	2
2	30	30	25	60	3.4	8	40	20	25	60	2.2
												3	30	30	25	70	3.8	9	40	20	25	70	2.4
4	30	30	25	80	4.2	10	40	20	25	80	2.6
												5	30	30	25	90	4.6	11	40	20	25	90	2.8
6	30	30	25	100	5	12	40	20	25	100	3

从表1中可以看出，当齿数比Z7/Z2由1变成0.5时，N1/N5由3-5变成了2-3，变速区段改变了；同样，当Z7/Z2给定时，N1/N5值随着B值的变化而变化。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)本发明是通过改变端面齿轮与圆柱齿轮的接触点为P的位置，即改变端面齿轮距输出轴5的距离B值的大小来改变输入输出转速比N1/N5的大小，转速比可在一定范围内连续变化，具有无级式变速器的调速原理和范围；但考虑到承载能力的需要，本发明将端面齿轮上接触点P设计为有一定宽度的齿面，如将端面齿轮上与圆柱齿轮接触区设计成五个套圈端面齿轮，其接触点P设计为有一定宽度的端面齿，这样就将无级式变速范围改变成几个可选择的固定转速比，实现了有级式变速器所具有的性能。

2)本发明通过将端面齿轮上不同位置的接触点P设计为有一定宽度的齿面，各个齿面所在的零件釆用套圈端面齿轮式结构，就将无级式变速范围改变成多个可选择的固定转速比，结构简单，尺寸重量小。

3)本发明可通过増大圆柱齿轮的高度，即端面齿轮与圆柱齿轮的接触点P的接触范围(增加变速范围)，就可以増加端面齿轮上有一定宽度的齿面个数，也就是増加套圈端面齿轮个数，这样将无级式变速范围改变成更多个可选择的固定传动比，而且传动方式釆用齿式传动，其传动效率高。

附图说明

图1为行星式多级传动变速方法原理图；

图2为实施图1行星式多级变速传动装置的结构示意图；

图3为图2的P-P剖面图；

图4为图2中的套圈端面齿轮结构示意图；

图5为实施例2的行星式多级变速传动装置的结构示意图。

具体实施方式

为更好理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

实施例1

如图2、3所示，行星式多级变速传动装置，包括输入轴10、第一轴承11、第一油封12、输入轴端盖13、主动圆锥齿轮14、箱体端盖15、箱体16、变速驱动电机17、驱动螺母18、驱动螺杆19、孔用弹性挡圈20、螺杆支座21、第二轴承22、可收缩防尘罩23、内齿圈24、端面齿轮25、第二孔用弹性挡圈26、第三轴承27、支承套28、输出轴端盖29、输出轴30、第二油封31、第四轴承32、钢球33、滚针轴承34、圆螺母35、垫圈36、第五轴承37、圆柱齿轮38、分隔套39、从动圆锥齿轮40、转臂41、第六轴承42、轴用弹性挡圈43、导向平键44、支撑块45、第七轴承46、第一级套圈端面齿轮47、第二级套圈端面齿轮48、第三级套圈端面齿轮49、第四级套圈端面齿轮50和第五级套圈端面齿轮51。

其中，第一油封12装在输入轴端盖13中心孔内，输入轴端盖13通过螺钉固连于箱体端盖15上，输入轴10为圆柱形阶梯结构，在中间部位套有第一轴承11，左端穿过第一油封12的内孔，右端固连有主动圆锥齿轮14；第一轴承11外圈装在箱体端盖15内孔中，其右端顶在箱体端盖15的内孔台阶上，左端由输入轴端盖13压住；箱体端盖15通过螺钉固连于箱体16的左端环形孔内；输出轴30也为圆柱形阶梯结构，其左端通过第六轴承42支承于输入轴10右端孔内，中间部位套装第四轴承32，第四轴承32外圈支承于箱体16上；第二油封31装在输出轴端盖29内，输出轴端盖29通过螺钉固连于箱体16上，其左端压住第四轴承32；在输出轴30的左端开有圆柱孔，转臂41为圆柱形阶梯结构并穿过该孔，利用其上的台阶面与轴用弹性挡圈43，实现在输出轴30的圆柱孔上轴向固定；转臂41两端圴为台阶结构，长台阶面上套有第五轴承37(两个大小不一样的轴承)，轴承外圈上安装圆柱齿轮38，在圆柱齿轮38的台阶面上通过键连接有从动圆锥齿轮40，分隔套39装在它们之间，通过改变分隔套39的长度可调整从动圆锥齿轮40相对圆柱齿轮38齿轮端面的距离；圆柱齿轮的分圆半径是在齿轮上选定的模数和压力角都是标准值的圆称为分度圆，为齿轮的模数与齿数的乘积再除以2。在转臂41两端的短台阶面上加工出螺纹，其上安装圆螺母35，圆螺母35通过垫圈36将第五轴承37轴向固定；端面齿轮25由第一级套圈端面齿轮47、第二级套圈端面齿轮48、第三级套圈端面齿轮49、第四级套圈端面齿轮50和第五级套圈端面齿轮51组成，如图4所示，每个套圈端面齿轮都包括端面齿59和直齿60，端面齿59设置在套圈端面齿轮的环形套圈的端面，直齿60沿环形套圈的外圆柱面圆周设置，每个套圈端面齿轮的端面齿59与圆柱齿轮38啮合；优选各个套圈端面齿轮的直齿的尺寸(模数、齿数、压力角)圴一样；将各个套圈端面齿轮相互叠加，并在中间装有滚针轴承34和钢球33，保证各套圈端面齿轮能够相对转动；支承套28为中间带台阶的套类零件，从两端装入第三轴承27后，装入第一级套圈端面齿轮47的内孔中，用第二孔用弹性挡圈26限位；再将装好的组件通过支承套28装至箱体16右边中间位置的台阶上，并用螺栓将支承套28与箱体16固连在一起；第二级套圈端面齿轮48，第三级套圈端面齿轮49，第四级套圈端面齿轮50，第五级套圈端面齿轮51依次从左边安装；为了防止变速过程中内齿圈24推动套圈端面齿轮沿轴向移动造成对转臂41的影响，将固定在支撑块45上的第七轴承46顶在第五级套圈端面齿轮52上，支撑块45用螺栓固定在箱体16上；内齿圈24设置在箱体16上，内齿圈24的内孔上设有与套圈端面齿轮外圆柱面上加工的直齿尺寸(模数、齿数、压力角)一样的内齿(也可以釆用其它齿式形式)，可以分别套在各个套圈端面齿轮的直齿上，在内齿圈24外圆柱面上的对边位置加工出凹槽(如图3所示)，并固连导向平键44，相应地在箱体16上加工出与导向平键44配合的导向槽，实现内齿圈24通过导向平键44能够沿箱体16的导向槽移动，但不能转动；驱动螺母18通过螺钉与内齿圈24固连在一起，驱动螺母18与驱动螺杆19连接，驱动螺杆19一端与变速驱动电机17相连，另一端通过第二轴承22支承于螺杆支座21上，第二轴承22用第一孔用弹性挡圈20轴向限位，变速驱动电机17与螺杆支座21安装在箱体16上；为了防尘，在箱体16上为驱动螺母18移动开有的孔处装有可收缩防尘罩23；变速时，变速驱动电机17驱动螺杆19旋转，驱动螺母18带动内齿圈24左右移动，依次套住第一级套圈端面齿轮47，第二级套圈端面齿轮48，第三级套圈端面齿轮49，第四级套圈端面齿轮50，第五级套圈端面齿轮51上的直齿轮，即依次制动各个端面齿轮，从而改变图1中B值的大小，实现调速功能。

行星式多级变速传动装置主要由4大部分组成，分别为输入部分、变速传动部分、调速机构部分和输出部分。其中输入轴10和主动圆锥齿轮14构成输入部分；从动圆锥齿轮40、圆柱齿轮38和端面齿轮25构成变速传动部分；变速驱动电机17、驱动螺母18、驱动螺杆19和内齿圈24构成调速机构部分；转臂41和输出轴30构成输出部分。主动圆锥齿轮14与从动圆锥齿轮40啮合；从动圆锥齿轮40与圆柱齿轮38固联，安装在转臂41上，并可绕转臂41旋转，转臂41与输出轴30垂直正交连接，并驱动输出轴30旋转，从动圆锥齿轮40既绕转臂41自转，又随转臂41绕输出轴30公转，即为行星齿轮，由主动圆锥齿轮14、从动圆锥齿轮40、圆柱齿轮38、转臂41与端面齿轮25构成了一个行星传动机构；端面齿轮25由第一级套圈端面齿轮47、第二级套圈端面齿轮48、第三级套圈端面齿轮49、第四级套圈端面齿轮50和第五级套圈端面齿轮51组成，如图4所示，每个套圈端面齿轮都包括端面齿59及在环形套圈的外圆柱面上的直齿60，每个套圈端面齿轮的端面齿59与圆柱齿轮38啮合，当第一级套圈端面齿轮47、第二级套圈端面齿轮48、第三级套圈端面齿轮49、第四级套圈端面齿轮50和第五级套圈端面齿轮51中某个固定时(通过将该套圈端面齿轮上的直齿60与内齿圈24啮合，因内齿圈24是不能旋转的，就实现了该套圈端面齿轮静止不动)，该套圈端面齿轮就与圆柱齿轮38形成图1所示接触位置关系，而其它套圈端面齿轮只是随着圆柱齿轮38空转；通过选择第一级套圈端面齿轮47、第二级套圈端面齿轮48、第三级套圈端面齿轮49、第四级套圈端面齿轮50和第五级套圈端面齿轮51中一个变成静止状态，即实现不同的变速比。

换挡过程中，因变速时工作的套圈端面齿轮静止不动，而非工作的套圈端面齿轮只是随着圆柱齿轮38空转，非工作的套圈端面齿轮旋转速度不高，通过传感器测量出转臂41的位置，只要非工作的套圈端面齿轮上的外圆柱面上的直齿60与工作的套圈端面齿轮上的直齿处在同一方向时，变速驱动电机17动作，驱动螺杆19，驱动螺杆19带动驱动螺母18，驱动螺母18带动内齿圈24移动到相邻套圈端面齿轮的直齿轮上，使相邻套圈端面齿轮上的端面齿59变成静止状态，实现变速。

本实施例中，理论上可以设计无限多个套圈端面齿轮，只需将图4中的端面齿59设计成很小的宽度即可，但考虑到承载能力，图2中设计成第一级套圈端面齿轮47、第二级套圈端面齿轮48、第三级套圈端面齿轮49、第四级套圈端面齿轮50和第五级套圈端面齿轮51，每个套圈端面齿轮端部加工有端面齿59，为了消除圆柱齿轮38和端面齿轮25的啮合干涉现象，将端面齿沿齿向加工成鼓形。设最小的第一级套圈端面齿轮47的端面齿数Za为：

Za＝2Ba/M

式中：Ba为环形套圈47的端面齿轮节圆上接触点P距输出轴30的距离；M为圆柱齿轮38的模数。

考虑对称要求，式中Za需取从动圆锥齿轮40的个数的倍数。

计算第二级套圈端面齿轮48、第三级套圈端面齿轮49、第四级套圈端面齿轮50和第五级套圈端面齿轮51的端面齿数Zb，只需将第二级套圈端面齿轮48的端面齿轮节圆上的接触点距输出轴30的距离代入上式中的Ba即可求出，依此类推即可求出第三级套圈端面齿轮49、第四级套圈端面齿轮50和第五级套圈端面齿轮51三个环形套圈的端面齿数Zc、Zd和Ze，为了调速机构及控制设计方便，Za、Zb、Zc、Zd、Ze的齿数圴应取行星轮(从动圆锥齿轮40的个数)数的倍数，并且两两之间的齿数差相等。

实施例2

图5为实施例2的行星式多级变速传动装置的结构示意图。如图5所示，相对于实施例1(图2)，该实施例是去掉图2中第二级套圈端面齿轮48和第四级套圈端面齿轮50，支撑块45、第七轴承46，将钢球33、滚针轴承34，换成向心推力球轴承64而成。该结构为三档输出速度，减少了支撑块45、第七轴承46的安装难度，并且在变速过程中内齿圈24从一个套圈端面齿轮移动到另一个套圈端面齿轮时有一个空档位，能够改善变速换档的平顺性。

本发明通过改变各个齿轮的齿数就能实现不同的变速比要求，同样也可通过不同的方式(如利用液压、气动所施加的摩擦力)使套圈端面齿轮依次固定(变成静止状态)，实现不同的变速比。所以利用本发明所提出的方法有很多的实施例。

Claims (8)

1.一种行星式多级变速传动装置，其特征在于，包括输入轴、主动圆锥齿轮、圆柱齿轮、端面齿轮、输出轴、转臂和从动圆锥齿轮；主动圆锥齿轮与输入轴连接，主动圆锥齿轮与从动圆锥齿轮啮合；从动圆锥齿轮与圆柱齿轮固连，绕转臂旋转；端面齿轮由多个套圈端面齿轮组成，都为环状结构，每个套圈端面齿轮都包括端面齿和直齿，端面齿设置在环形套圈的端面，直齿沿套圈端面齿轮的环形套圈外圆柱面圆周设置，每个套圈端面齿轮的端面齿与圆柱齿轮啮合，每个套圈端面齿轮的直齿选择性地与调速机构的内齿圈啮合固定；转臂与输出轴垂直正交，并固连为一体。

2.根据权利要求1所述的行星式多级变速传动装置，其特征在于，所述的调速机构包括变速驱动电机、驱动螺母、驱动螺杆和内齿圈；内齿圈设置在箱体中，内齿圈的内孔上设有与套圈端面齿轮的直齿尺寸同样的内齿，在内齿圈的外圆柱面上的对边位置加工有凹槽，凹槽内设有导向平键，在箱体上设有与导向平键配合的导向槽，驱动螺母通过箱体开孔伸入箱体内与内齿圈连接；驱动螺母与驱动螺杆螺纹连接，驱动螺杆与变速驱动电机相连。

3.根据权利要求2所述的行星式多级变速传动装置，其特征在于，所述的驱动螺杆一端与变速驱动电机相连，另一端通过第二轴承支承于螺杆支座上，变速驱动电机与螺杆支座安装在箱体上。

4.根据权利要求2所述的行星式多级变速传动装置，其特征在于，所述的箱体开孔装有可收缩防尘罩。

5.根据权利要求1所述的行星式多级变速传动装置，其特征在于，所述的多个套圈端面齿轮相互叠加，在相邻的两个套圈端面齿轮中间装有滚针轴承和钢球。

6.根据权利要求2所述的行星式多级变速传动装置，其特征在于，所述的输入轴为圆柱形阶梯结构，在中间部位套有第一轴承，左端穿过第一油封的内孔，右端固连有主动圆锥齿轮；输出轴为圆柱形阶梯结构，其左端通过第六轴承支承于输入轴右端孔内，中间部位套装第四轴承，第四轴承外圈支承于箱体上。

7.根据权利要求2所述的行星式多级变速传动装置，其特征在于，所述的输出轴的左端开有圆柱孔，转臂为圆柱形阶梯结构并穿过该圆柱孔，转臂两端圴为台阶结构，长台阶面上套有第五轴承，轴承外圈上安装圆柱齿轮，在圆柱齿轮的台阶面上通过键连接有从动圆锥齿轮，分隔套装在从动圆锥齿轮和圆柱齿轮之间。

8.根据权利要求2所述的行星式多级变速传动装置，其特征在于，相邻的两个套圈端面齿轮中间设有向心推力球轴承。