CN1058460A - 离心式摩擦行星传动 - Google Patents

Abstract

由平摩擦轮组成的，外摩擦轮做行星运动且依靠 离心力作为与相应内摩擦轮接触摩擦的离心式摩擦 传动机构，运转平稳，有边载保护性能，能吸收冲击， 可使原动机带重负荷顺利起动，在高速传动领域其传 递功率和输出扭矩可达齿轮传动的10倍以上，具有 较高的传动效率，并可构成准无级变速器及自适应变 速器。

Description

这是关于以离心力作为正压力的摩擦式行星传动的发明，属于机械类摩擦传动技术领域。

摩擦传动具有结构简单，加工方便、传动平稳、安静、能耐受冲击，有过载保护性能等一系列优点，并可构成无级变速传动，现行摩擦传动的缺点是，磨损大，易发热，传动效率低，传动比不精确，体积也较大，这就限制了它的应用，特别是无法用于大功率连续传动。产生这些缺点的根本原因，一是现行摩擦传动常使用点接触或使用存在几何滑动的线接触，二是大摩擦力所要求的大压紧力也作用于轴承和轴等支承。

本发明的目的，在于使用没有几何滑动的线接触，以离心力为压紧力而使支承系统不受压紧力之作用，从而在保持摩擦传动固有优点的基础上，造成高传动效率的，小体积（高功率密度）的，传动比较精确的，能够大功率连续传动的摩擦传动。

高速旋转的偏心构件会产生巨大的离心力，离心式摩擦行星传动的原理见图1，使行星摩擦轮1内接触于内摩擦轮2的内径，则行星轮1上之离心力就转变为内接触摩擦的正压力。此时，曲柄3带动行星轮1以很高的角速度ω₀绕轴心O公转，行星轮1以角速度ω_γ绕行星轴承轴心O₁自转，摩擦轮2以角速度ω₂绕轴心O自转，速度关系（按图1所示方向）为

ω₀γ₂＝ω_γγ₁+ω₂γ₂

式中γ₁、γ₂分别为轮1和2的半径。在本发明中，提及的摩擦轮一般是园柱平摩擦轮，特殊场合下，可以使用几何滑动不大的其它种摩擦轮。使用平摩擦轮可以获得无几何滑动的线接触摩擦，由于内接触可以得到很小的弹性滑动;由于使行星轮之离心力与正压力平衡，故行星轴承不受正压力或离心力的负荷，因此，可以获得高传动效率，当轮的材质用金属，特别是用表面硬化铸铁、白口铸铁或淬火钢时，可以得到足够的许用接触应力，因而得到大输出力矩，当输入角速度ω₀较高时，离心力巨大，整个传动机构的体积及重量可以很小，得到大的功率密度。由于使用弹性滑动小、无几何滑动的平摩擦轮内接触摩擦，因而传动速比可以较精确和稳定。当行星摩擦轮有多个且均匀分布时，易于取得动平衡，使传动平衡，并使支承输入轴及轴出轴的轴承不受力，进一步提高传动效率。

本发明所述的离心式摩擦行星传动的基本结构之一，是图2所示的双内接触形式。外摩擦轮7、8和7′、8′分别同轴线地固连成2个相同的双联行星摩擦轮，它们以其轴伸通过行星轴承6支承在转臂5上，转臂5固连于输入轴4，保持两个双联行星摩擦轮之轴线与输入轴4之轴线平行且距离（即偏心距）相等。输入轴4通过轴承15、14支承在左外壳13和输出轴10上，与左外壳13一体的内摩擦轮12同时与外摩擦轮7、7′接触，与输出轴10一体的内摩擦轮9同时与外摩擦轮8、8′接触，输出轴10是支承于右机壳11之内的。

当输入轴4高速转动时，转臂5带动两个双联行星摩擦轮公转，外摩擦轮7、7′在离心力作用下向内摩擦轮12贴紧并产生自转，公转与自转的叠加使外摩擦轮8、8′带动内摩擦轮9做低速运转，实现了图1所示的离心式行星摩擦传动。

用前述公式可以分析得到，当7及7′的外半径为γ₁，12的内半径为γ₂，8及8′的外半径为γ₃，9的内半径为γ₄，当输入轴4的角速度为ω₀，输出轴10的角速度为ω₂，则有传动比

1＝ (ω₀)/(ω₂) ＝1／（1－γ₂γ₃／γ₁γ₄）

由于摩擦轮的半径可任意取定，不象齿轮那样受齿数为整数及模数不能过小的限制，故图2所示双内接触形式的传动比可以容易地达到巨大的（理论上为任意大的）数值。

本发明所述的离心式摩擦行星传动的一个重要组成部分，是使行星摩擦轮能够沿径向自由运动的径向浮动装置，它的一个基本结构，是图3所示的径向浮动滑块形式。图3是图2的一个局部的左视剖视图。12和9都是内摩擦轮，13是左机壳，15是园盘状的转臂，4是输入轴，6是行星轴承，7是外摩擦轮及其轴伸。行星轴承6的外圈固装在径向浮动滑块16上，16只可沿径向在5的相应的U形缺口内滑动，16′是16的小耳，嵌装在5的U形缺口的相应滑槽内，做行星轮系统的轴向定位用，17是弹簧，它可使行星摩擦轮在静态时亦贴靠在内摩擦轮的内壁内，以防起动时行星轮在离心力作用下撞击内摩擦轮，17也可用来增加摩擦力，双联行星摩擦轮的另一端（图2中8、8′的一端）也要使用同样的径向浮动装置，使得双联行星摩擦轮在径向浮动时，其轴线仍与中心轴线保持平行。

径向浮动装置的另一种结构，是使行星轮系统的某些装配直径故意地大于或小于与之配合的支承直径，例如使行星轮内径略大于行星轴承外径，或使行星轮轴伸外径略小于行星轴承内径，或使行星轴承外径略小于转臂支承孔内径，甚至是使用游隙大的行星轴承，这样，依靠所取得的间隙，在离心力作用下，取得行星轮径向浮动的效果。

径向浮动装置还可用其它各种方式完成，例如可用现行行星传动的均载机构的诸种方式，特别是利用非金属材料实现的弹性浮动均载方式。

径向浮动装置的设计原则之一，是使尽量多的质量与行星轮一起径向浮动，以减轻机构总重，加大摩擦力。

利用径向浮动装置可实现下列目的：使摩擦轮付在宽度上有良好的接触，使摩擦轮的磨损自动得到补偿，使各个行星轮之间有自动的，完全的均载，使传动机构能够耐受冲击，使行星轴承不受径向接触分力或离心力的作用，使得变中心距变速方式成为可能（后面将要叙及）。

本发明所述的离心式摩擦行星传动容易得到高功率密度的大功率高速传动，例如，使用图2的双内接触结构，摩擦轮材料均为淬火钢，当γ₁＝120mm，γ₂＝300mm，γ₃＝114mm，γ₄＝294mm，则减速比i＝32.7，双联行星摩擦轮4个匀布，每个总宽约200mm时，在许用接触应力范围内，输入转速为4500γ/m，湿式摩擦的输出扭矩可达7200kgm，传输功率可达1100KW;干式摩擦输出扭矩可达30000kgm，传输功率达4000KW。当调整减速比为i＝8时，湿式摩擦传输功率达4500KW，干式摩擦可达到16000KW，即使是湿式摩擦，传输功率及输出扭矩也可达到同体积的齿轮传动装置的10倍以上。

离心式摩擦行星传动特别适于输入转速高的传动，输入转速越高，体积就可越小，功率密度可越大，例如条件同上例，但γ₁＝40mm，γ₂＝100mm，双联行星轮总宽70mm，当输入转速为14000γ/m，速比为15时，湿式摩擦输出扭矩可达340kgm，传输功率达320KW，干式摩擦输出扭矩到1400kgm，传输功率到1400KW。

实际上，对离心式摩擦行星传动的传输功率的限制是散垫条件，而不是强度问题，齿轮线速度-制造精度问题等，不过，本发明的传动可实现很高的传动效率，使发热减小，且钢摩擦轮可允许较高的工作温度，由于壳体内没什么油液不需严格密封，因此使用机壳内通风的风冷也是方便的，例如壳内输入轴上装一小风扇，机壳两端开通风孔等。

为了进一步提高功率密度，特别是在输入转速较低的情况下取得大的输出扭矩，除采用公知的增加摩擦力的诸办法外，尚可采取下列措施：

1、将钢质行星轮制成中空的，内注以比重大于7.85g/cm³的重金属，例如注铅，用来加大离心力。

2、将至少一对摩擦轮付换成齿轮付，并使行星轮系统的重心尽量靠尽保留的摩擦轮付，使离心力集中于数量较少的摩擦轮付上。

3、在离心式摩擦行星传动的输入端增加一级升速装置。

4、使内、外摩擦轮的曲率更为接近，以降低接触应力，提高输入转速的上限，一种基本结构如图4所示意的那样，行星摩擦轮18、19、18′、19′的直径均大于与之接触的内摩擦轮20、21的直径的一半，在轴向上使行星摩擦轮的宽度错开，相互插入地放置，这样得到了曲率半径差更小的内摩擦轮付，其余原理与图2的相同，双联行星摩擦轮18-18′及19-19′分别在偏心轴24、25上自转，2个偏心轴是等偏心距的，由输入轴23带动公转，22为内摩擦轮21一体的输出轴。

本发明所述的离心式摩擦行星传动可以具有很高的传动效率。设计得当制造良好的装置，在减速比i＝50的水平，传动效率可达93%～95%，为进一步提高传动效率，可采取轴向对称结构，即使行星轮由三个外摩擦轮同轴线地固连组成，两端的两个外摩擦轮分别与两个结构对称相同的固定（或可转动）内摩擦轮接触，中间的一个外摩擦轮则与可转动（或固定）的内摩擦轮接触，这样，两端的内摩擦轮施于行星轮的摩擦力与中间的内摩擦轮所施之摩擦力方向相反，绝大部分相互抵消，仅其差值作用到行星轮上，因此行星轴承所受负荷大为减轻，轴承损失大为降低而寿命增加几倍到几十倍。这个原理用于齿轮行星传动同样是可行的。这个原理的基本结构之一可参见图5的示意。由外摩擦轮26、27、28组成了三联行星摩擦轮，处于两端的26和27尺寸相同且分别与结构对称尺寸相同的固定内摩擦轮29（与机架31固连）内接触，处于三联行星轮中间的外摩擦轮28则与可转动的内摩擦轮30内接触，三联行星摩擦轮在偏心轴32上自转，偏心轴32由输入轴31带动公转。对于三联行星摩擦轮来说，由26-27传来之摩擦力同向且相等，又与由28传来之摩擦力反向，相互抵消的结果，仅其很小的差值作用于行星轴承34，三联行星摩擦轮可有多个，均匀分布。每个三联行星摩擦轮可用一只球面调心轴承34做行星轴承，如图6所示套装在行星轮内部的中部，使行星轮两边的内接触摩擦（26、27与29之间）能实现自动均载，并吸收制造误差，保持良好接触，此时偏心轴32两端与径向浮动滑块是直接固连的。与图5相应的，两端是可转动内摩擦轮，中间是固定内摩擦轮的形式也可相仿佛构成，此时用一根轴将两端的可转动内摩擦轮连起来并伸出作为输出轴，输入轴是以轴套形式套在该轴上转动，动力以锥齿轮、皮带或其它形式从侧面传送到输入轴，此处所设的轴向对称结构用于行星齿轮传动时，由于内齿轮付的齿数差会较大，为减少啮合损失，应按照本发明人的中国专利申请89104790.5号所述之设计方法设计齿轮。

为了使内接触摩擦付-特别是干式内摩擦付-磨损后，机构的传动比不改变，应使半径为γ₁的行星摩擦轮的磨损量△₁与与之相接触的半径为γ₂的内摩擦轮的磨损量△₂保持下列关系。

△₁/△₂≈γ₁/γ₂

这可通过调整内，外摩擦轮的材质及热处理硬度来实现，使得行星摩擦轮较硬而内摩擦轮相对较软，磨损量能够符合上式的比例，此时，摩擦轮直径即使磨掉几个毫米，仍可保证速比不变，并由径向浮动装置补偿，传动性能也不变，机构的寿命可大为延长。

本发明所述的离心式摩擦行星传动也可用于升速传动，此时，前述诸种机构的输出轴成为输入轴，前述诸种机构的输入轴成为输出轴。为了在起动时建立摩擦力的正压力，应用较强的弹簧作为径向浮动装置的压力弹簧（例如图3中的17）或在输入轴与输出轴间加装超越离合器，起动时，输入轴通过超越离合器直接带动输出轴，使行星轮建立起离心力和摩擦力，摩擦力使输出轴加速运转，至转速超过输入轴转速，超越离合器断开，机构进入升速工况。

本发明所述的离心式摩擦行星传动，也可用于变速传动，对于双内接触机构（参见图2），为满足等偏心距条件，变速方式可归纳为两种，第一种是偏心距不变，同时改变γ₁、γ₂和（或）γ₃、γ₄的数值，第二种是偏心距改变，γ₁、γ₃的数值和（或）γ₂、γ₄的数值随之改变。

第一种方式的原理可参看图7，图7是局部剖视图，其基本结构和原理类同于图2的，凡不影响特征描述的部分均删去未画。由外摩擦轮35、36、37同轴线固连成的三联行星摩擦轮以其轴伸经行星轴承42、径向浮动滑块43支承于转臂44，由输入轴46带动公转。弹簧45之作用与前述图3中17的作用相同，37与和输出轴一体的可转动内摩擦轮41内接触，41支承于右机壳47之内，内摩擦轮38、39同轴线固连成双联内摩擦轮，其外园滑套于左机壳40之内，依靠键的作用可轴向滑动，但不可转动，按图7所示位置，内摩擦轮38与行星摩擦轮35内接触，当双联内摩擦轮轴向右滑，使内摩擦轮39与行星摩擦轮36内接触，则40右移与35脱离接触，此时由于γ₁、γ₂的数值改变了，虽然偏心距未变，速比i亦变化了。图7中，35-38、36-39构成两对可分离的摩擦付，因而具有2个变速速比。可分离摩擦付数量增加，变速速比数量随之增加，使用同样的原理和类似的结构，可转动内摩擦轮的一边也可设置若干对可分离摩擦付，当两边都设有可分离摩擦付，且两边的分离运动是各自独立的时候，总的变速速比数量就是两边各自的可分离摩擦付数量的乘积，对于可分离摩擦付，与上述原理相似，使外摩擦轮可轴向滑动而内摩擦轮轴向固定的形式也可完成变速功能，由于偏心距不变，所有可分离摩擦付的内、外摩擦轮半径之差应该相等，为了便于摩擦付进入接触，所有可分离摩擦付的摩擦轮的进入接触边的边缘应有较大倒角，以斜面或曲面平滑过渡，如图7中35、39的右边、36、38的左边那样，图8a中的6个外摩擦轮的左边也是如此。

第二种变速方式的原理如图8a所述，图8a是将与所述特征无关的零件均予移去的局部剖面图，外摩擦轮48、49、50、48′、49′、50′同轴线地固连成6联行星摩擦轮，51是以轴承52与可转动内摩擦轮53连在一起的不可转动内摩擦轮，压缩弹簧55置于553与壳体54之间，51-53是可轴向滑动的，如水平箭头所示，在55弹簧力作用下左移，在外推力作用下右移，如垂直箭头所示，6联行星摩擦轮是可沿径向移动的，在离心力作用下上移，在内摩擦轮右移的推压下下移，因而偏心距随之改变，相应地要求径向浮动装置有较大的滑动行程。图8a所示位置为52与49接触、53与49′接触，机构有一个确定的速比，当51-53左移，使52与48接触，53与48′接触，在离心力作用下，6联行星摩擦轮上滑与内摩擦轮贴紧，机构获得另一个速比;当51-53右移，推压6联行星摩擦轮下滑，并使51与50接触，53与50′接触，机构获得第三种速比，若机构在不可转动内摩擦轮的一边和可转动内摩擦轮的一边各有K对可分离摩擦付，则机构的变速速比数为K，对于可分离摩擦付，与上述原理相似，使外摩擦轮可轴向滑动而内摩擦轮轴向固定的形式也可完成变速功能，在图8a的结构基础上，再加上图7所示的双联或多联内摩擦轮（可转动的以及不可转动的），与可径向滑动的多联行星摩擦轮配合，可得到数目更多的变速速比和宽广的变速范围。

由于本发明所述的离心式摩擦行星变速传动可以容易地获得很大的变速速比数目及宽广的变速范围，并可在运转中平滑轻易地变速，因此可利用它构成“准无级变速器”，获得更广的应用范围，如用于汽车的传动系统，要构成用于汽车的“准无级变速器”，除变速速比数目要很多以外，还要能够根据负荷自动换挡，取得恒功率输入特性。为此，可使用原理图8b所示的自动换挡机构，外园柱斜齿轮56与内园柱斜齿轮57啮合（二者齿数相同时就成为齿轮联轴器），二者是可相对轴向滑动的，斜齿轮啮合时产生轴向力，轴向力（在图8b中）推动齿轮56右滑，而压缩弹簧61则推56向左滑，如左边水平箭头所示，与齿轮57固连的轴64以其轴颈63经滑动轴承衬套60支承于机架62，64带动56旋转，并传递56传来之轴向力。64可与前述变速机构的可转动内摩轮一体，也可通过轴承将轴向力直接传递到可轴向滑动但不可转动的内摩擦轮上（如图7中之38-39、图8b中之51）。当负荷增大时，啮合的斜齿轮付56～57产生更大的与负荷正比的轴向力，经64轴推动前述变速机构的内摩擦轮轴向移动，使变速机构速比增大，输出转速降低，当负荷减小时，斜齿轮付啮合轴向力减弱，弹簧61径轴64推动前述变速机构的内摩擦轮向另一个方向轴向移动，使变速机构速比减小，输出转速升高，从而构成具有恒功率输入特性的准无级变速器，轴58与斜齿轮57固连，经轴承59支承于机架62内。当然，外斜齿轮轴向固定，内斜齿轮可轴向滑动也可起上述作用，改变内、外摩擦轮的半径，可使变速器的输出轴反转，从而可使变速器具有倒档;设置一个可自由自转，不与其它元件固连的内（或外）摩擦轮，该轮进入摩擦接触时，可使变速器处于空挡位置，各挡位置的定位机构可用公知技术解决，这里不叙述，图8b所示机构用于汽车时，把外齿轮制成凸顶齿的，可兼用来代替一只万向节。

使用本发明所述的准无级变速器，可兼括现行液力变扭器变速平滑具自适应性，能吸收冲击延长传动系统寿命的优点，及现行齿轮变速箱体积小、结构简单、传动效率高的优点。并有着可过载保护-保护发动机不熄火、噪声低，可带负荷启动发动机等独具的优点。

本发明所述的离心式摩擦行星传动，除具已述诸优点外，还具有良好的起动性能，由于摩擦力是随转速升高离心力加大而逐渐建立的，兼具液力偶合器的性能，因而原动机在起动时不承受负荷，可使原动机-如电动机获得良好的重负荷起动特性。总起来看，在高速动力传动领域，本发明所述的离心式摩擦行星传动，可望取代齿轮传动。

Claims (10)

1、一种离心式摩擦行星传动机构，具有至少一个内摩擦轮2，至少一个外摩擦轮1，至少一个转臂3，其特征是，在转臂约束下，外摩擦轮1绕内摩擦轮2的轴心0公转，绕自身轴心自转，并在离心力作用下与内摩擦轮2贴紧摩擦接触，所述摩擦轮皆为园柱平摩擦轮。

2、权利要求1所述的机构，其特征是，至少一对外摩擦轮7和8同轴线地固连成一个行星摩擦轮，可自转并在转臂5带动下公转，其中一个外摩擦轮7与一个固定内摩擦轮12内接触，另一个外摩擦轮8与一个可转动内摩擦轮9内接触。

3、权利要求2所述的机构，其特征是，至少一对作行星运动的外摩擦轮18、18′的直径分别大于与之接触的内摩擦轮20、21的半径。

4、权利要求1所述的机构，其特征是，至少三个外摩擦轮26、27、28同轴线固连而成一个行星摩擦轮，处于两端的2个外摩擦轮26、27分别与两个结构对称相同的固定（或可转动）内摩擦轮29接触，中间的外摩擦轮28则与可以转动（或固定）的内摩擦轮30接触，使得行星摩擦轮所受摩擦力因大部分相互抵消而使得行星轴承负荷大为降低，一般情况下，每个行星摩擦轮只用一只球面调心轴承34做行星轴承，套装于行星轮内部的中部。

5、权利要求1所述的机构，其特征是，还具有用于支承行星轮，并使行星轮能够沿径向浮动的径向浮动装置，可由能在转臂5的U形缺口内沿径向滑动的滑块16及置于滑块与转臂之间的压缩弹簧17构成，行星轮系统通过行星轴承6支承于滑块16上，也可由用于齿轮行星传动的均载机构特别是弹性均载机构构成，还可由行星轮支承系统中有意设置的较大的间隙构成。

6、权利要求1所述的机构，其特征是，具有至少二对通过轴向移动其中一个摩擦轮来分离或接合的可分离摩擦付，其分离和接合引起机构传动速比的变化，无论其分离或接合，由2个或2个以上外摩擦轮同轴线地固连而成的行星摩擦轮的轴线到公转轴线的距离即偏心距不变。

7、权利要求1所述的机构，其特征是，具有至少2对可分离摩擦付，通过同时轴向移动其2个内摩擦轮51、53或同时轴向移动其两个外摩擦轮来同时分离或接合这2对可分离摩擦付，其分离和接合引起机构传动速比的变化，并引起由2个或2个以上外摩擦轮同轴线地固连而成的行星摩擦轮的轴线到公转轴线的距离即偏心距的变化。

8、权利要求6和7所述的变速机构，其特征是，还带有一个产生大小与负荷正比的轴向力的斜齿轮付56、57、并有一个弹簧61，产生与上述轴向力方向相反的轴向力，所述轴向力经转轴传递到所述变速机构的可分离摩擦付的可轴向移动摩擦轮上，使得负荷的改变引起可分离摩擦付的分离或接合，导致变速机构传动速比的自动改变，并且，变速机构可分离摩擦付的摩擦轮进入接触边的边缘应有由倒角、斜面或曲面构成的平滑过渡面。

9、权利要求1和2、3、4、5、6、7所述的机构，其特征是，还可以带有用于机壳内通风的内部风扇及机壳两端的通风孔，行星轮中可含有至少一个齿轮并与相应齿轮啮合构成的行星齿轮啮合付，机构的前面可以增加一级升速装置，钢质行星轮可制成中空的，内注以比重大于7.85克/立方厘米的重金属-如铅，可以调整材质及热处理工艺，使得行星摩擦轮比与之接触的内摩擦轮硬，使二者磨损量之比近似等于二者半径之比，可以带有连接输入轴与输出轴的超越离合器，使机构能用于升速传动，可以通过设置一个可自由转动，不与其它元件固连的摩擦轮，使机构具有空挡，可以改变可分离摩擦付的半径尺寸使机构具有倒挡。

10、一个行星齿轮传动机构，其结构与前述权利要求4所述机构的结构相似，其特征是，将所有摩擦轮付换成适合的齿轮付。

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