CN105697702B - 无级变速器 - Google Patents

Abstract

一种无级变速器，包括：第一轴，承载第一圆盘一同转动；第二轴，承载一对第二圆盘一同转动，所述第二圆盘沿着所述第二轴相互间隔设置，所述第一轴和所述第二轴使得所述第一圆盘位于所述第二圆盘之间并与之交叠，所述第一圆盘和所述第二圆盘相对的表面倾斜；一对驱动圆环，均位于所述第一圆盘和所述第一圆盘相对两边的所述第二圆盘之间，所述驱动圆环的端表面与所述第一圆盘和所述第二圆盘的相对的表面接触，从而在所述第一轴和所述第二轴之间传输动力；以及，控制机制，驱使所述驱动圆环相对于所述第一圆盘和所述第二圆盘运动，从而改变相互间的径向位置，进而改变所述无级变速器的速率。

Description

无级变速器

技术领域

本发明涉及一种无级变速器。

背景技术

与传统的具有多个不连续的齿轮比的变速箱不同，无级变速器(continuouslyvariable transmission，CVT)可以在一个最大值和一个最小值之间连续地、无离散地变换齿轮比。

采用无级变速器使得引擎和车轮之间保持理想的配合关系，从而改善燃油效率以及加速性能。

已知的有很多种无级变速器，例如可变直径皮带轮(variable diameter pulley，VDP)、环形无极变速箱(toroidal CVT)和锥形无极变速箱(cone CVT)。

尽管现有的无级变速器的设计方案可以改善整体的动力总成的效率，但是典型地，它们本身在引擎动能的传输效率上并不如手动的齿轮箱的来得有效。进一步地，典型的现有无级变速器的体积非常大。而且，在现有设计中，必须在性能和耐用性，以及接触区域经受的接触压力之间做出权衡。

发明内容

本发明寻求可以克服现有的无级变速器设计方案中的一些或全部缺点的方案。

根据本发明的第一个方面，提供一种无级变速器，包括：第一轴，承载第一圆盘以使所述第一圆盘与所述第一轴一同转动；第二轴，承载一对第二圆盘以使所述第二圆盘与所述第二轴一同转动，其中，所述第二圆盘沿着所述第二轴相互间隔设置，所述第一轴和所述第二轴如此设置，以使得所述第一圆盘位于所述一对第二圆盘之间并与所述一对第二圆盘交叠，所述第一圆盘和所述第二圆盘相对的表面中的每一个都是倾斜的；一对驱动圆环，所述一对驱动圆环各自位于所述第一圆盘和所述第一圆盘相对两边的所述第二圆盘之间，其中，所述驱动圆环如此设置，以使其端表面与所述第一圆盘和所述第二圆盘的相对的表面接触，从而在所述第一轴和所述第二轴之间传输动力；以及，控制机制，配置为驱使所述驱动圆环相对于所述第一圆盘和所述第二圆盘运动，从而改变所述驱动圆环和所述第一圆盘及所述第二圆盘相接触的径向位置，进而改变所述无级变速器的速率。

所述第一圆盘与所述第二圆盘相互交叠，所述第一圆盘和所述第二圆盘的相对的表面可以如此倾斜，以使得所述相对的表面之间沿着所述第一轴和所述第二轴平行线方向上的最小距离实质上是恒定的。

所述第一圆盘和所述第二圆盘的相对的表面可以是圆锥形的。

所述第一圆盘和所述第二圆盘的相对的表面的倾斜角度可以设置在2°和10°之间，优选地，大概是5°。

上述微小的倾斜可以显著地减少径向上需要的预加载力。进一步地，所述圆盘和所述驱动圆环具有较大的半径，可以导致较低的接触应力，从而实现了较大的高负载扭矩。较大的接触区域也可以实现在牵引界面处的较小的转动损失，对操作效率有益。所述接触区域在径向上的延伸可以通过改变圆环表面曲率实现。进一步地，上述微小的倾斜可以使得所述无级变速器更加得紧凑。特别地，所述圆盘、驱动圆环和控制机制在轴向上的尺寸都可以比较小。所述第一圆盘、第二圆盘和驱动圆环也可以嵌套，从而减小所述无级变速器的径向延伸。

所述第一轴和所述第二轴的功能是可以互换的。所述第一轴和所述第二轴之间相互偏离设置。这样的设置实现了所述第一圆盘在所述一对第二圆盘中的径向预加载，从而在所述驱动圆环和所述圆盘之间产生足够的牵引力。

所述驱动圆环的端表面可以具有一定的角度，从而符合所述第一圆盘和所述第二圆盘之间相对的表面的倾斜度。这样的设置实现了所述驱动圆环之间保持平行，从而简化了所述控制机制。

所述控制机制可以包括与每个所述驱动圆环连接的输入块，所述输入块驱使所述驱动圆环一致运动。

所述输入块的位置如此设置，使得所述第二轴位于所述输入块和所述第一轴之间。所述输入块由此可以将所述驱动圆环的中心拉向所述第一轴，也可以将所述驱动圆环推离所述第一轴。这样的设置使得所述控制机制的一部分可以嵌套在所述第二圆盘之间，从而减小所述无级变速器的尺寸。

所述输入块可以通过连杆与每个所述驱动圆环相连，其中每个所述连杆都是与所述输入块枢接连接的，从而使得所述驱动圆环可以相互靠近和远离。这样的设置使得所述控制机制可以接纳所述驱动圆环因其径向移动而带来的相互之间距离的改变。

所述控制机制可以配置为将所述驱动圆环的中心移出所述第一轴和所述第二轴的平面，从而产生一个转向角，所述转向角起到的作用是改变所述驱动圆环和所述第一圆盘以及所述第二圆盘相接触的径向位置。这样的设置利用所述圆盘的转动来驱使所述驱动圆环移动，从而降低了移动所述驱动圆环所需要的力的大小，进而减小了所述控制机制的尺寸、降低了成本及重量。这样的设置也可以改善效率，减少与驱动(例如，采用液压泵驱动)所述控制机制相关的衍生的损耗。

所述控制机制可以如此设置，以使得所述驱动圆环的中心移动一个弧度，所述弧度的中心在所述驱动圆环和所述第一圆盘及第二圆盘接触位置。

所述第一轴可以是输入轴，而所述第二轴可以是输出轴。

附图说明

为更好地理解本发明，并清楚地示出如何将本发明付诸实用，下面将以实施例的方式参考附图进行说明。附图包括：

图1是根据本发明实施例的无级变速器的透视图。

图2是所述无级变速器的俯视图。

图3是所述无级变速器在最低齿轮配比状态下的侧视图。

图4是所述无级变速器在最高齿轮配比状态下的侧视图。

图5是展示所述无级变速器的控制机制的仰视图。

图6展示所述控制机制的顶板。

具体实施方式

附图1和2展示了根据本发明一实施例的无级变速器(CVT)。所述无级变速器包括输入轴4。在所述输入轴4上设置有输入圆盘6。特别地，如图2所示，所述输入圆盘6的前端表面和后端表面均呈截锥形，故都沿着径向方向倾斜。由此，所述输入圆盘6的厚度从其中心开始向其径向的外边缘递减。

所述无级变速器进一步包括输出轴8。所述输出轴8上设置有一对输出圆盘10a和10b。所述输出圆盘10a和10b沿着所述输出轴8的长度方向分别间隔设置。特别地，如图2所示，所述输出圆盘10a和10b的相对的表面(即，向内相互面对的表面)呈截锥形，故都沿着径向方向倾斜。由此，所述输出圆盘10a和10b的厚度均从其中心开始向其径向的外边缘递减。

所述输入轴4和所述输出轴8可转动地安装在支撑结构12上，其中，所述输入轴4和所述输出轴8相互平行设置，但是沿着所述支撑结构12相互隔开。所述输入轴4和所述输出轴8如此设置，以使得所述输入圆盘6设置在所述输出圆盘10a和10b之间并与之相互交叠。

所述输出圆盘10a和10b相互之间隔开的距离足够远，从而使得所述输入圆盘6和所述输出圆盘10a和10b并不接触。

在所述输入圆盘6和所述输出圆盘10a和10b之间设置有一对驱动圆环14a和14b。其中，所述驱动圆环14a和14b设置在所述输入圆盘6的相对的两侧。所述驱动圆环14a和14b围绕所述输入轴4。因此，所述驱动圆环14a如此设置，以使其轴向的端面分别与所述输入圆盘6和所述输出圆盘10a的相对的表面接触；而所述驱动圆环14b如此设置，以使其轴向的端面分别与所述输入圆盘6和所述输出圆盘10b的相对的表面接触。

如前所述，所述输入圆盘6，以及所述输出圆盘10a和10b的相对的表面都是倾斜的。所述输入圆盘6的表面和所述输出圆盘10a和10b的表面分别互补，由此，在包含所述输入轴4和所述输出轴8的平面上，所述输入圆盘6和所述输出圆盘10a和10b之间维持着恒定的间隙。上述表面的倾斜角度在2°和10°之间，优选地，大概是5°。为了使得所述驱动圆环14a和14ba的轴向的端面可以和所述输入圆盘6和所述输出圆盘10a和10b的表面呈实质上平行的状态，所述驱动圆环14a和14b也依照同样的角度进行倾斜。

如上所述，所述输入轴4和所述输出轴8可转动地安装在所述支撑结构12中。所述输入轴4以定点的方式转动，然而所述输出轴8可以沿着所述支撑结构12向着所述输入轴4滑动。所述输出轴8相对于所述输入轴4偏置，从而实现了所述输入圆盘6与所述输出圆盘对10a和10b之间径向上的预加载。需要说明的是，在所述支撑结构12允许所述输入轴4和/或所述输出轴8进行运动的范围内，所述输入轴4和所述输出轴8之间任何的相对运动，都不会使得所述径向上的预加载产生脱离。

通过所述径向上的预加载，所述驱动圆环14a和14b可以与所述输入圆盘6以及所述一对输出圆盘10a和10b实现摩擦配合。由此，所述驱动圆环14a和14b将所述输入轴4和所述输入圆盘6的转动传输给所述输出圆盘10a和10b以及所述输出轴8。

如图3和图4所示，所述驱动圆环14a和14b可以在相对于所述输入圆盘6和所述输出圆盘10a和10b的径向方向上移动。所述驱动圆环14a和14b相对于所述输入圆盘6以及所述输出圆盘10a和10b的位置就决定了所述输入圆盘6以及所述输出圆盘10a和10b的有效半径。因此，所述驱动圆环14a和14b的移动，可以用来调节所述无级变速器的齿轮比(或者，更确切地说，调节其速率)。

在图3中示出了所述无级变速器在其最低齿轮比配置下的状态。此时，所述驱动圆环14a和14b从所述输入圆盘6向远离所述输出圆盘10a和10b的方向偏置。由此，所述驱动圆环14a和14b沿着所述输入圆盘6的最小有效半径运动，该最小有效半径与所述输入轴4毗邻。另一方面，所述驱动圆环14a和14b与所述输出圆盘10a和10b相接触，接触位置在其最大有效半径处，所述最大有效半径远离所述输出轴8。

在最低齿轮比配置中，所述输出轴8的转速小于所述输入轴4的转速，但是可以提供较大的扭矩。因此，当所述无级变速器应用于汽车中时，所述最低齿轮比配置可以运用在启动加速过程或爬坡过程中。

图4示出了所述无级变速器在其最高齿轮比配置下的状态。此时，所述驱动圆环14a和14b与所述输入圆盘6对齐。因此，所述驱动圆环14a和14b沿着所述输入圆盘6的最大有效半径运动，该最大有效半径远离所述输入轴4。另一方面，所述驱动圆环14a和14b与所述输出圆盘10a和10b相接触，接触位置在其最小有效半径处，所述最小有效半径与所述输出轴8毗邻。

在最高齿轮比配置中，所述输出轴8的转速大于所述输入轴4的转速，但是提供较小的扭矩。因此，当所述无级变速器应用于汽车中时，所述最高齿轮比配置可以运用在定速巡航过程中。

虽然图3和图4示出了最高齿轮比和最低齿轮比配置，需要说明的是，所述驱动圆环14a和14b可以适用于上述两个极限位置之间的任何位置。因此，所述无级变速器可以连续地在最高值和最低值之间进行速率变换。所述驱动圆环14a和14b的位置可以通过适用合适的比例控制方案来实现自动控制，例如采用最优操作线(optimal operation line，OOL)追踪。这些比例控制方案为本领域技术人员所熟知，因此在此不再赘述。

图5示出了可以用来控制所述驱动圆环14a和14b的一个例子，控制机制16。所述控制机制16包括输入块18，所述输入块18上安装有一对连杆20a和20b。所述连杆20a和20b分别与所述输入块18的两端枢接。在所述连杆20a和20b的端部分别设有顶板22a和22b。

如图6所示，所述顶板22a和22b分别支撑所述驱动圆环14a和14b，该支撑方式是可转动的，分别通过多个滚筒实现。在示出的实例中，所述顶板22a和22b包括一个内滚筒24a和与所述内滚筒24a设置在不同侧的一对外滚筒24b。所述内滚筒24a和所述外滚筒24b的位置如此设置，使得它们和所述驱动圆环14a和14b的径向内外表面接触。由此，所述滚筒24可以设定所述驱动圆环14a和14b的位置，并允许所述驱动圆环14a和14b的转动。需要说明的是，所述滚筒24的位置和数量都是可以改变的，可以与上面展示和描述的配置不同。特别是，可以采用单个外滚筒24b配合一对内滚筒24a。

在实际使用中，所述输入块18的位置如此设置，使得所述输出轴8位于所述输入块18和所述输入轴4之间。所述输入块18由此可以将所述驱动圆环14a和14b(从其中心)拉向所述输入轴4，也可以将所述驱动圆环14a和14b推离所述输入轴4。所述顶板22a和22b基本上呈“C”的形状，从而可以沿着所述输入轴4延伸，并在高齿轮比配置中部分地容纳所述输出圆盘10a和10b。

所述控制机制16通过所述输入块18与促动器(actuator，未图示)相连，所述促动器驱使所述控制机制16向着所述输入轴4或远离所述输入轴4运动。从而，所述促动器可以控制所述驱动圆环14a和14b的位置，进而维持合适的速率。

尽管所述驱动圆环14a和14b维持在固定的角度上，所述驱动圆环14a和14b之间的距离是随着它们向着或远离所述输入轴4的运动而改变的。该距离上的改变可以被所述连杆20a和20b所接纳，因为所述连杆20a和20b是枢接在所述输入块18上的。具体地，当所述驱动圆环14a和14b被驱动远离所述输入轴4时，所述连杆20a和20b张开，当所述驱动圆环14a和14b被驱动靠近所述输入轴4时，所述连杆20a和20b闭拢。

在可选实施例中，所述驱动圆环14a和14b的端表面的倾斜角度可以根据所述输入圆盘6和所述输出圆盘10的表面来设置。通过这样的配置，所述驱动圆环14a和14b在径向上与所述输入轴4垂直，其相互之间平行。因此，当所述驱动圆环14a和14b相对于所述输入轴4进行移动时，其所述驱动圆环14a和14b之间的距离并不会发生改变，所以所述连杆20a和20b也就不必要枢接了。

尽管上述的控制机制16是通过一个促动器驱动其向着或远离所述输入轴4移动的，在其他实施例中，所述控制机制16的移动也可以是通过所述输入圆盘6和所述输出圆盘10的转动来驱使的。为实现这样的移动，所述控制机制16将所述驱动圆环14a和14b的中心移出所述输入轴4和所述输出轴8所在的平面。尽管所述驱动圆环14a和14b与所述输入圆盘6和所述输出圆盘10的接触点还保持在这个平面上(其中，所述输入圆盘6和所述输出圆盘10之间的距离对应于所述驱动圆环14a和14b的厚度)，它们现在有了一个径向分量，而不仅仅是正切或在各自圆周方向上相互影响的关系。因此，在所述驱动圆环14a和14b以及所述输入圆盘6和输出圆盘10之间形成了转向角(所述转向角定义为所述输入轴4和所述输出轴8所在的平面与从所述驱动圆环14a和14b的中心出发延伸到所述接触点的直线之间的夹角)。这个转向角的作用就是驱使所述驱动圆环向着或者远离所述输入轴移动。

例如，所述输入轴沿逆时针方向转动，在所述平面下方的驱动圆环14a和14b的移动会驱使所述驱动圆环14a和14b从如图3所示的最低齿轮比配置向着如图4所示的最高齿轮比配置移动。另一方面，在所述平面上方的驱动圆环14a和14b的移动会驱使所述驱动圆环14a和14b从所述最高齿轮比配置向着所述最低齿轮比配置移动。当然，所述驱动圆环14a和14b也可以回到所述平面，从而防止在所述驱动圆环14a和14b已经到达预设位置时还发生进一步的径向运动。所述驱动圆环14a和14b偏离所述输入轴4和所述输出轴8所在平面的程度也是可控的，从而决定速率的变化率。所述驱动圆环14a和14b的运动可以是闭环控制的，闭环控制可以通过影响所述驱动圆环14a和14b在所述平面的上方和下方的微小移动，将所述驱动圆环14a和14b维持在预想的位置上。

这样的设置可以减少在速率变换时所需要施加的力，从而使速率变换变得更加容易。特别地，这样的设置并不需要复杂的促动器来提供直接作用于所述顶板22a和22b的较大的作用力。可以通过使用伺服系统来影响运用圆盘转动动量的比例，从而控制所述转向运动。

为防止所述驱动圆环14a和14b自行脱离所述平面的运动造成的速率变化，所述控制机制16可以如此设置，以使得所述驱动圆环14a和14b的中心顺着一个中心在所述接触点的圆弧进行运动。可以通过沿着所述接触点设置枢接结构实现。

本发明提供的所述无级变速器改善了负载能力。在部件表面上的负载直接关系到可以传输的扭矩。本发明通过相接触的表面加载了很高的负载，并桥联这些负载，从而使得只有一小部分负载需要其他部件的作用(比如，通过轴承载)。传统的无级变速器设计需要输入输出部件之间维持较大的预加载。与之相反，本发明采用具有很小的倾斜角度(大概在2°到10°之间)的表面，以显著地减少预加载力，并由此减少了对衍生的能量的需求(例如，在控制机制中耗费的能量)。进一步地，由于所述圆盘和驱动圆环的半径较大，减少了在牵引界面上的旋转损失。

此外，本发明的无级变速器与现有设计相比更加紧凑。特别地，因为所述输入圆盘和输出圆盘以及所述驱动圆环都在径向方向上嵌套设置，这样的组合方式十分紧凑，而且能维持两个轴之间较近的连接。进一步地，所述圆盘、驱动圆环和控制机制在轴向上非常浅。

本发明的无级变速器具有十分低的赫兹接触应力，而且可以支持很大的负载。这是因为所述驱动圆环面向所述圆盘的表面是平的，而所述圆盘的表面具有一个主要的、连续的(无限的)曲率。所述曲率的大小取决于接触点的半径r以及锥形表面的角度Y，即:

Rad1＝r/Sin Y

例如，Y等于6°，则Rad1大概等于10r。

驱动圆环和圆盘之间接触的表面等同于一个直径为20r的圆柱体与一个平面相接触的表面，因此面积较大，可以支持牵引力而所需的很高的负载。

尽管上面描述的输入圆盘6和输出圆盘10是截锥形的，需要说明的是，它们的表面也可以在径向上弯曲。进一步地，所述输入和输出圆盘不需要在厚度上逐渐减小，只要其运行平面(即，其母线)相对于圆盘的径向(与所述输入、输出轴的轴向相垂直)倾斜。

尽管上面描述的控制机制16具有输入块18，而且所述输入块18的位置如此设置，以使所述输出轴8位于所述输入块18和所述输出轴4之间，但是所述输入块18也可以位于所述输入轴4的另一边。这样的设置就排除了将所述顶板22a和22b设置为C形的需要，因为它们不再需要容纳所述输出圆盘10a和10b。

本发明并不受在此描述的实施例所限，并可做出不脱离本发明保护范围的修改和适用。

Claims (14)

1.一种无级变速器，包括：

第一轴，承载第一圆盘以使所述第一圆盘与所述第一轴一同转动；

第二轴，承载一对第二圆盘以使所述第二圆盘与所述第二轴一同转动，其中，所述第二圆盘沿着所述第二轴相互间隔设置，所述第一轴和所述第二轴如此设置，以使得所述第一圆盘位于所述一对第二圆盘之间并与所述一对第二圆盘交叠，所述第一圆盘和所述第二圆盘相对的表面中的每一个都是倾斜的；所述第一圆盘与所述第二圆盘相交叠，所述第一圆盘和所述第二圆盘的相对的表面的倾斜方式使得所述相对的表面之间沿着与所述第一轴和所述第二轴平行的方向上的最小距离实质上是恒定的；

一对驱动圆环，所述驱动圆环分别位于所述第一圆盘和所述第一圆盘相对两边的所述一对第二圆盘之间，其中，所述驱动圆环如此设置，以使其轴向的端表面与所述第一圆盘和所述第二圆盘的相对的表面接触，从而在所述第一轴和所述第二轴之间传输动力；以及

控制机制，配置为驱使所述驱动圆环相对于所述第一圆盘和所述第二圆盘运动，从而改变所述驱动圆环和所述第一圆盘及所述第二圆盘相接触的径向位置，进而改变所述无级变速器的速率。

2.如权利要求1所述的无级变速器，其特征在于，所述第一圆盘和所述第二圆盘的相对的表面是圆锥形的。

3.如权利要求1所述的无级变速器，其特征在于，所述第一圆盘和所述第二圆盘的相对的表面的倾斜角度设置在2°和10°之间。

4.如权利要求3所述的无级变速器，其特征在于，所述第一圆盘和所述第二圆盘的相对的表面的倾斜角度是5°。

5.如权利要求1至4中任一项所述的无级变速器，其特征在于，所述第一轴和所述第二轴的功能互换。

6.如权利要求5所述的无级变速器，其特征在于，所述第一轴和所述第二轴之间相互偏离设置。

7.如权利要求1至4中任一项所述的无级变速器，其特征在于，所述驱动圆环的轴向的端表面具有的角度与所述第一圆盘和所述第二圆盘之间相对的表面的倾斜度相适应。

8.如权利要求1至4中任一项所述的无级变速器，其特征在于，所述控制机制包括与每个所述驱动圆环连接的输入块。

9.如权利要求8所述的无级变速器，其特征在于，所述输入块的位置如此设置，使得所述第二轴位于所述输入块和所述第二轴之间。

10.如权利要求8所述的无级变速器，其特征在于，所述输入块通过连杆与每个所述驱动圆环相连，其中每个所述连杆都与所述输入块枢接连接，从而使得所述驱动圆环可以相互靠近和远离。

11.如权利要求1至4中任一项所述的无级变速器，其特征在于，所述控制机制配置为将所述驱动圆环的中心移出所述第一轴和所述第二轴所在的平面，从而产生一个转向角，所述转向角起到的作用是改变所述驱动圆环和所述第一圆盘以及所述第二圆盘相接触的径向位置；

其中， 所述转向角为所述第一轴和所述第二轴所在的平面与从所述驱动圆环的中心出发延伸到接触点的直线之间的夹角；所述接触点为所述驱动圆环与所述第一圆盘和所述一对第二圆盘的接触点。

12.如权利要求1至4中任一项所述的无级变速器，其特征在于，所述控制机制如此设置，以使得所述驱动圆环的中心移动一个弧度，所述弧度的中心在所述驱动圆环和所述第一圆盘及第二圆盘接触位置。

13.如权利要求1至4中任一项所述的无级变速器，其特征在于，所述第一轴是输入轴，而所述第二轴是输出轴。

14.一种汽车，包括如前述权利要求中任一项所述无级变速器。