CN105570400A - 一种基于nw型行星轮系的压力无级变速器 - Google Patents

Abstract

一种基于NW型行星轮系的压力无级变速器，所述行星轮系结构是在机架外壳中设置有旋转体，并在旋转体上固定有三根沿圆周垂直均布的行星轴，在每根行星轴上均通过轴承安装有一个由小行星轮和大行星轮构成的双联行星轮；偏心齿轮位于小行星轮和大行星轮之间，太阳轮位于三个大行星轮之间；所述压力无级变速的结构是在所述太阳轮的中心位置设置有一空心传动轴，且在空心传动轴上依次设置有液压离合器和液压马达以及传感器，并由液压马达驱动空心传动轴，液压油通过空心传动轴的空心通道输入液压离合器中传递动力，实现压力的无级变速。本发明结构简单紧凑，制造成本低，变速稳定，且传动效率高达99%。

Description

一种基于NW型行星轮系的压力无级变速器

技术领域

本发明涉及一种无级变速器，尤其是在NW型二自由度行星轮系的基础上，利用液压调速进行无级变速的无级变速结构，该无级变速结构可根据电机的输入功率、液压泵输入功率和负荷的变化主动无级变速，适用于车辆、机床等各类机械的变速传动机构。

背景技术

无级变速器装置主要分为机械式和电气式两类。电气式是目前市场上用的较多的，即通过变频来实现无级调速。但电气式无级调速存在很多难以克服的缺点：技术复杂，成本高，维护检修困难；产生谐波污染电网；输出的PWM波，造成电机、电缆的额外发热；共模电压的产生有可能会降低电机轴的寿命；给电机带来额外的噪声；电机用变频器控制后相对于直接起动能耗增加3-5%；变频调速低频时启动转矩较小，设备投入较大，应用场合有限，仅适用于调速要求精度高、调速性能较好，启动转矩较小的地方。此外，通过变频技术实现的调速也不够稳定，极易受到电机本身及外界磁场或电场的干扰，这些干扰问题主要体现在电机的运行情况上。例如电机在运行过程中突然挺停机，电机运行时快时慢，运行速度不稳定.电机停不下来，按钮不起任何作用等，这些都是变频器受到干扰情况的体现。

目前很受关注的行星齿轮无级变速器与电气式无极变速器相比，具有成本低廉、变速稳定、易于维护等优点。重庆理工大学学报2010年11月第24卷11期收录了王德伦等人的名为“电动汽车行星齿轮式无级变速器建模与仿真”的论文，该论文讲述了“一种差动式行星齿轮无级变速器”，它的主体结构是一个NGW型行星轮系，一个主电机和行星轮系的太阳轮相连作为行星轮系的一个输入动力，一个调速电机通过齿轮和行星轮系的齿圈外缘相连作为行星轮系的另一个输入动力，以行星架输出动力。工作时，通过控制主电机的速度，调节调速电机的转速来实现输出转速的连续变化。该方案虽然应用了行星轮系但其本质上并没有脱离通过调频实现电动机转速改变的框架，因此通过这种方法实现的无级变速，也就无法克服上述调频变速的固有缺陷。另外该方案所述的行星齿轮无级变速器是NGW型的，由于NGW啮合方式的行星齿轮减速器最大减速比仅为13.7，实际使用减速比不超过9，也就是说NGW啮合方式的行星齿轮无级变速器变速范围不会很宽。故该无级变速装置仅适合用于小型电动汽车，应用范围有限。

公开号为CN102661368A公开了“双联齿行星齿轮无级变速器”，其所述的行星齿轮无级变速器是以NW啮合方式的行星齿轮减速器为主体，以太阳轮为动力输入，以行星架或者内齿圈作为动力输出，在内齿圈与外壳之间或者行星架与外壳之间设置离合制动器，并在内齿圈外圈或者行星架上设有一调速齿轮，且与调速输入齿轮啮合。工作时，通过调节调速齿轮的转速来实现无级变速；至于如何调节调速齿轮专利中没有交代，如若仍通过调速电机来实现，那仍只是变频调速的另一种变形而已。

发明内容

本发明要解决的具体技术问题是如何通过液压油的压力实现对基于NW型行星轮系的无级变速，其目的是克服上述变频调速缺陷，提供变速稳定、成本低廉、效率较高的一种基于NW型行星轮系的压力无级变速器。

本发明采用的技术方案如下。

一种基于NW型行星轮系的压力无级变速器，包括行星轮系结构和压力无级变速结构，其特征是：所述行星轮系结构是在机架外壳中设置有旋转体，并在旋转体上通过行星架H固定有三根沿圆周垂直均布的行星轴，在每根行星轴上均通过轴承安装有一个由小行星轮和大行星轮构成的双联行星轮，在小行星轮和大行星轮之间安装有一偏心齿轮，且偏心齿轮的轴孔是三个均匀分布的轴孔，并通过轴承分别与三根行星轴配合；太阳轮位于三个大行星轮之间；

所述压力无级变速结构是在所述太阳轮的中心位置设置有一空心传动轴，且在空心传动轴上依次设置有液压离合器和液压马达以及传感器，并由液压马达驱动空心传动轴，液压油通过空心传动轴的空心通道输入液压离合器中传递动力，实现压力无级变速；

所述压力无级变速是以内齿圈为一输入动力，液压马达通过空心传动轴带动太阳轮转动，为行星轮系提供另一动力，在内齿圈和太阳轮的共同作用下，三组均匀分布的行星轮在公转的同时又进行自传，而三根行星轴穿过偏心齿轮并通过轴承带动偏心齿轮转动，偏心齿轮带动输出齿轮输出动力，通过液压离合器调节液压马达的转速，进而改变太阳轮的转速，实现改变二自由度行星轮系的一个输入速度的无级变速。

所述液压离合器是在活塞一端设置有活塞外壳及其旋转接口和密封圈；另一端设置有离合器后盖支撑活塞，并通过六角螺钉与活塞外壳连接，构成使活塞在其内运动的封闭腔体；在活塞端头的键槽接头上套设有摩擦片，复位弹簧位于活塞端头的凹陷槽中；变量泵输出的压力油通过旋转接口进入液压离合器的内腔体，推动活塞位移挤压摩擦片改变其转速，实现改变行星轮系的一个输入速度的无级变速。

上述技术方案的实施，与现有的无级变速技术相比，其直接带来的和必然产生的优点与积极效果如下。

（1）实现了无级连续变速，变速时不需要齿轮的脱离及换挡，速比可以精确控制，且结构简单，成本低廉。

（2）采用液压技术变速，通过改变液压油的压力实现转速改变，变速性能稳定，不会受到磁场、电场等外界因素的干扰。

（3）行星轮系齿轮的啮合合理应用了内啮合并采用一齿差技术，内啮合与外啮合相比，中心距小，结构紧凑，凹齿面和突齿面接触，齿面承载能力较大，重合度大，滑动率小。

（4）在传递动力时进行功率分流。三个完全相同的行星轮均匀分布在太阳轮周围，不仅使作用于太阳轮和机架轴承中的反作用力相互平衡，有利于传动平稳和提高传动效率，而且由于三个齿轮共同分担载荷，因而每个齿轮所受的载荷就较小，相应的齿轮的模数就可减小。

（5）传动轴为空心传动轴，轴中心的通道起到充当液压管道的作用，不仅为各个部件的运动提供润滑油，而且使结构紧凑合理。此外，空心轴最大限度的利用了截面惯性矩，最大限度的节省了材料，减轻了自重。

（6）太阳轮能够径向浮动，使各行星轮均匀分担载荷，使传动更加平稳。

总体结构简单紧凑，制造成本低，且传动效率较高，可达0.97-0.99。此外，该变速器可按比例扩大或缩小，用于任何需要变速的机械设备上。

附图说明

图1是本发明的主体结构示意图。

图2是本发明一种实施案例的液压离合器示意结构图。

图3是本发明一种案例的空心轴结构示意图。

图4是本发明一种案例的键槽接头结构示意图。

图5是本发明一种案例的液压马达结构示意图。

图6是本发明一种案例的结构示意图。

图7是本发明太阳轮与大行星轮的位置关系图。

图中：1：内齿圈；2：行星轴；3：小行星轮；4：大行星轮；5：太阳轮；6：偏心齿轮；7：输出齿轮；8：液压离合器；9：液压马达；10：压力传感器；11：空心传动轴；12：输出轴；13：螺钉；14：带轮；15：离合器后盖；16：离合器摩擦片；17：键槽接头；18：复位弹簧；19：活塞；20：六角螺柱；21：密封圈；22：活塞外壳；23：旋转接口；24：键槽；25：齿轮槽；26：轴齿；27：轴头；28：大齿轮；29：密封圈；30：马达外壳；31：马达端盖；32：小齿轮；33：侧板；34：六角螺钉；35：滚子。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。

实施一种基于NW型行星轮系的压力无级变速器，该压力无级变速器结构包括行星轮系结构和压力无级变速结构，具体的行星轮系结构是在机架固定的外壳中设置有能够旋转的旋转体，并在旋转体上通过行星架H固定有三根沿圆周垂直均布的行星轴2，在每根行星轴2上均安装有一个小行星轮3和一个大行星轮4，大、小行星轮通过热套过盈配合成一个双联行星轮。在小行星轮3和大行星轮4之间安装有一偏心齿轮6，且偏心齿轮6的轴孔是三个均匀分布的轴孔，并通过轴承分别与三根行星轴2配合，使三根行星轴2既可以绕着偏心齿轮6的中心公转又可以在偏心孔中自由转动；太阳轮5位于三个大行星轮4之间；

该压力无级变速器的变速结构是在所述太阳轮5的中心位置安装有一空心传动轴11，且在空心传动轴11上依次设置安装有液压离合器8和液压马达9以及压力传感器10，并由液压马达9驱动空心传动轴11，液压油通过空心传动轴11的空心通道输入液压离合器8中传递动力，实现压力无级变速；

其中，该压力无级变速是以内齿圈1为一输入动力，液压马达9通过空心传动轴11带动太阳轮5转动，为行星轮系提供另一动力，在内齿圈1和太阳轮5的共同作用下，三组均匀分布的行星轮在公转的同时又进行自传，而三根行星轴2穿过偏心齿轮6并通过轴承带动偏心齿轮6转动，偏心齿轮6带动输出齿轮7输出动力，通过液压离合器8调节液压马达9的转速，进而改变太阳轮5的转速，实现改变二自由度行星轮系的一个输入速度的无级变速。

在上述的具体实施方案中，液压离合器是在活塞19一端设置有活塞外壳22及其旋转接口23和密封圈21；另一端设置有离合器后盖15支撑活塞，并通过六角螺钉20与活塞外壳23连接，构成使活塞在其内运动的封闭腔体；在活塞端头的键槽接头17上套设有摩擦片16，复位弹簧18位于活塞19端头的凹陷槽中；变量泵输出的压力油通过旋转接口23进入液压离合器8的内腔体，推动活塞19位移挤压摩擦片16改变其转速，实现改变行星轮系的一个输入速度的无级变速。

在上述的具体实施方案中，在机架外壳中设置有旋转体，并在旋转体上固定有三根沿圆周垂直均布的行星轴2，随机架旋转体一起转动，各行星轴2上装配一组能在行星轴2上转动的双联行星齿轮，三根行星轴2共同穿过位于大行星轮4和小行星轮3中间的偏心齿轮6，通过轴承与偏心齿轮6配合安装，使偏心齿轮6在三根行星轴2上转动；一个太阳轮装在行星架的中心，并与各双联齿行星齿轮中的大齿轮啮合；一个内齿圈装在行星架的外表面且与各双联行星齿轮的小齿轮啮合；上述是NW啮合方式的双联行星齿轮变速装置，该装置结构简单且传动效率高，可达到0.97-0.99。要使该装置成为无级变速装置，只需让太阳轮和行星轮以及内齿圈中的一个或两个为主动轮，另两个或一个为从动轮，本发明中采用内齿圈和太阳轮为主动轮，行星轴为输出装置。由轮系知识可知太阳轮5、行星轴2和齿圈1的转速关系为：，故，，其中，k为行星轮系的特征参数，其值为，为行星轴2公转的速度。所以，确定内齿圈1和太阳轮5的转速，就可以确定行星轴2的公转速度，如果固定齿圈1的速度，调节太阳轮5的转速，行星轴2公转的转速也会相应改变，这就是本无级变速器的基本原理。要实现行星轴2的转速连续变化，关键是如何让太阳轮5的转速变化。如附图3所示，变量泵输出的压力油通过旋转接口23进入腔体，推动附图3中的活塞19向右运动，挤压摩擦片16，增大摩擦片间的摩擦力，因为，故传动轴11的扭矩随之增大，又，其中μ为摩擦片间的摩擦系数，F为离合器摩擦片受到液压油的压力，S为活塞的面积，r为离合器摩擦片的半径，P为功率。因为μ、S、r、P为定值，所以转速随之降低，同时压力传感器10会随着液压油压力的变化发送信号改变液压回路的压力和流量，液压马达也会由此调整转速，适应空心传动轴11的转速，从而达到调节太阳轮5的转速的目的。当压力油的压力减小时，活塞19在复位弹簧18的作用下，开始向左运动，减小对摩擦片的挤压，减小摩擦片间的摩擦力，使空心传动轴11的扭矩逐渐减小，所以转速随之增加。

因为，即，又电机的转速恒定，所以当空心传动轴11的转速发生变化时，行星轴2公转的速度会出现两种情况，即输出轴12的输出转速会出现以下两种情况。

第一、内齿圈1的转向和太阳轮5的转向相同，即内齿圈1的转向和液压马达的转向相同，此时输出速度较高，压力无级变速器处于高速调速状态，且输出轴12的转向与内齿圈1相反。随着压力油推动活塞19向右运动，空心传动轴11的转速逐渐降低，太阳轮5的转速也逐渐降低，因为内齿圈1的转速不变，且方向与太阳轮5相同，所以行星轴2的公转速度逐渐降低，即输出速度逐渐降低；随着压力油压力的减小，活塞19在复位弹簧18的作用下开始减小对摩擦片16的挤压，摩擦片16间的摩擦力也就开始减小，空心传动轴11受到的扭矩随之减小，空心传动轴11的转速也会相应增加，行星轴2的公转速度也会随之增加，即输出转速开始逐渐增加。

第二、内齿圈1的转向和太阳轮5的转向相反，即内齿圈1的转向和液压马达的转向相反，此时输出速度较低。可分为以下三种情况：

（1）太阳轮5的转速n₅小于n₁/k时，输出轴12的转向和内齿圈1相反，且输出速度随液压马达的加速而减小，减速而增大。即随着压力油推动活塞19向右运动，行星轴2的转速逐渐增大；随着压力油的压力减小时，复位弹簧18逐渐减小活塞19对摩擦片16的挤压力，空心传动轴11的转速开始增加，太阳轮5的转速随之增加，行星轴2的公转速度也就逐渐降低。

（2）太阳轮5的转速n₅等于n₁/k时，此时输出速度为零。

（3）太阳轮5的转速n₅大于n₁/k时，输出轴12的转向和内齿圈1相同，且输出速度随液压马达的增速而增加，减速而减小。

在上述的具体实施方案中，本发明采用液压技术，轮系运转稳定可靠，有效地解决了背景技术中所述的调速时极易受到磁场和电场等外界条件干扰的缺陷，且液压传动和行星齿轮结合，传动的力矩大，效率高，成本低廉，维护方便，可按比例扩大或缩小应用到多种类型的发动机上，有效解决了仅适合应用在轻型和小型的电动汽车领域的不足。此外，太阳轮5没有固定的径向定位，而是依靠3个沿圆周均布的大行星轮啮合自动定心，在受力不平衡的条件下能够径向浮动，以使各行星齿轮均匀分担载荷，变速时不需要齿轮的脱离及换挡，实现了无级连续变速，而且速比可以精确控制，变速性能稳定，不会受到磁场、电场等外界因素的干扰。同时本变速装置还具有中心距小，结构紧凑，凹齿面和突齿面接触，齿面承载能力大，重合度大，滑动率小等特点。

如附图1和附图7所示，三个完全相同的行星轮均匀分布在太阳轮周围，不仅使作用于太阳轮和机架轴承中的反作用力相互平衡，有利于传动平稳和提高传动效率，而且由于三个齿轮共同分担载荷，因而每个齿轮所受的载荷就较小，相应的齿轮的模数就可减小。

如附图3所示，传动轴11为空心传动轴，轴中心的通道起到充当液压管道的作用，不仅为各个部件的运动提供润滑油，而且使结构紧凑合理。此外，空心轴最大限度的利用了截面惯性矩，最大限度的节省了材料，减轻了自重。此外，太阳轮能够径向浮动，使各行星轮均匀分担载荷，传动更加平稳，整体结构更加简单紧凑，进一步降低了制造成本，提高了传动效率，其传动效率高达0.97-0.99，本发明变速器可按比例扩大或者缩小，用于任何需要变速的机械设备上，特别是汽车制造。

具体实施例1

具体实施一种基于NW型行星轮系的压力无级变速器，其中的各零部件分别采用金属和橡胶材料制作的标准件，熟练技工可按附图6所示的一种案例装配生产。其连接顺序从左向右依次为带轮14、机架、齿圈1、三个均匀分布的小行星轮3、偏心齿轮6、输出齿轮7、三个均匀分布的大行星轮4、行星轴2、太阳轮5、输出轴12、液压离合器8、液压马达9、压力传感器10和空心传动轴11。其中的机架由固定的外壳和里面可以旋转的旋转体构成，在旋转体上固定有三根沿圆周垂直均布的行星轴2，它们可以随旋转体一起旋转，三个小行星轮3和大行星轮4通过热套配合成一个双联行星轮，并通过轴承安装在行星轴2上。偏心齿轮6具有三个沿圆周均匀分布的偏心孔，三根行星轴2分别穿过偏心齿轮6的三个偏心孔，并通过轴承与偏心齿轮6连接，这样三根行星轴2既可以在偏心齿轮6中自传又可以随着行星轮一起公转。太阳轮5位于三个大行星轮4之间，并在太阳轮5的中心位置设置有一空心传动轴11，且在空心传动轴11上依次设置有液压离合器8和液压马达9及压力传感器10。

如附图2所示，液压离合器是在活塞19一端设置有活塞外壳22，并通过密封圈21将活塞19和外壳22密封良好；另一端设置有离合器后盖15支撑活塞19，通过六角螺钉20与活塞外壳22连接，构成使活塞19在其内运动的封闭腔体，并在活塞外壳22上留有一个旋转接口23，使压力油可以通过旋转接口23进入腔体内。在活塞端头的键槽接头17上套设有多个摩擦片16，复位弹簧18位于活塞端头的凹陷槽中。

如附图4所示，键槽接头17内部通过齿轮和空心传动轴11配合，外部被离合器摩擦片16套住，起到支撑离合器摩擦片的作用，键槽中的孔和空心传动轴中心通道相通，既充当液压回路的一部分，又起到润滑作用。

工作时，以电机带动带轮14运动，带轮14通过螺钉13和内齿圈1固定在一起，带动内齿圈1运动，为行星轮系提供一个动力，使无级变速装置运转，与此同时，变量液压泵输出压力油带动液压马达9运动，如附图5所示，液压马达为齿轮马达，28为大齿轮，29为密封圈，30为马达外壳，31为马达端盖，32为小齿轮，33为侧板，34为六角螺钉，35为滚子。其中，大齿轮28与传动轴11配合，马达在吸油和排油过程中带动齿轮转动，齿轮带动传动轴11运动，传动轴11带动与其配合的太阳轮5运动，为行星轮系提供另一个动力，在内齿圈1和太阳轮5的共同作用下，三组均匀分布的大、小行星轮开始在自传的同时公转，带动偏心齿轮6运动，偏心齿轮6又带动齿轮7和输出轴12运动。

根据机械设计手册知，的范围为1到50，本案例中取为较佳传动比6，即k=-1/5，偏心齿轮6和输出齿轮7的齿数比为2，带轮的输入转速n₁=750r/min，液压马达的转速范围为0~3800r/min，则根据输入转速、液压马达转速和行星轴之间的关系以及偏心齿轮6和输出齿轮之间的关系可知，最终输出轴可实现-26r/min~3774r/min范围的调速。

Claims (2)

1.一种基于NW型行星轮系的压力无级变速器，包括行星轮系结构和压力无级变速结构，其特征是：所述行星轮系结构是在机架外壳中设置有旋转体，并在旋转体上通过行星架H固定有三根沿圆周垂直均布的行星轴（2），在每根行星轴（2）上均通过轴承安装有一个由小行星轮（3）和大行星轮（4）构成的双联行星轮，并在小行星轮（3）和大行星轮（4）之间安装有一偏心齿轮（6），且偏心齿轮（6）的轴孔是三个均匀分布的轴孔，通过轴承分别与三根行星轴（2）配合；太阳轮（5）位于三个大行星轮（4）之间；

所述压力无级变速结构是在所述太阳轮（5）的中心位置设置有一空心传动轴（11），且在空心传动轴（11）上依次设置有液压离合器（8）和液压马达（9）以及压力传感器（10），并由液压马达（9）驱动空心传动轴（11），液压油通过空心传动轴（11）的空心通道输入液压离合器（8）中传递动力，实现压力无级变速；

所述压力无级变速是以内齿圈（1）为一输入动力，液压马达（9）通过空心传动轴（11）带动太阳轮（5）转动，为行星轮系提供另一动力，在内齿圈（1）和太阳轮（5）的共同作用下，三组均匀分布的行星轮在公转的同时又进行自传，而三根行星轴（2）穿过偏心齿轮（6）并通过轴承带动偏心齿轮（6）转动，偏心齿轮（6）带动输出齿轮（7）输出动力，通过液压离合器（8）调节液压马达（9）的转速，进而改变太阳轮（5）的转速，实现改变二自由度行星轮系的一个输入速度的无级变速。

2.根据权利要求1所述的基于NW型行星轮系的压力无级变速器，其特征是：所述液压离合器是在活塞（19）一端设置有活塞外壳（22）及其旋转接口（23）和密封圈（21）；另一端设置有离合器后盖（15）支撑活塞，并通过六角螺钉（20）与活塞外壳（22）连接，构成使活塞在其内运动的封闭腔体；在活塞端头的键槽接头（17）上套设有摩擦片（16），复位弹簧（18）位于活塞（19）端头的凹陷槽中；变量泵输出的压力油通过旋转接口（23）进入液压离合器（8）的内腔体，推动活塞（19）位移挤压摩擦片（16）改变其转速，实现改变行星轮系的一个输入速度的无级变速。