CN1070594C - 一种带负荷齿轮传动离心摩擦变速方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种带负荷齿轮传动离心摩擦变速器，它使用多个有固定啮合关系的齿轮付共轴线并排设置，在输入轴上装有可沿输入轴的轴向滑动的离心摩擦机构，多个输入齿轮与输入轴同轴并沿轴向排列，离心摩擦机构滑动到不同的输入齿轮位置处，使输入轴的动力通过摩擦传递到对应的输入齿轮中，使对应的减速齿轮付处于工作状态，通过变换离心摩擦机构的位置，实现变速。因而变速器不仅具有齿轮传动的高效率，也易于带负荷变速。

Description

一种带负荷齿轮传动离心摩擦变速方法及装置

一种带负荷齿轮传动离心摩擦变速方法及装置，是一种不切断负荷而具有齿轮变速性能的发明，属于机械传动领域。

带负荷变速是机械传动领域人们一直追逐的目标。电力式的、液力式的以及摩擦式的无级变速装置虽然能够带负荷变速，但效率通常较低。而齿轮式变速虽然效率高，但用于带负荷变速是困难的。

为得到齿轮传动变速的高效率，可以用多组具有不同速比的齿轮组啮合，但在实际工作过程中，输入所传入或输出所传出的动力通过变换不同的离合器动作，使之只有一条传动链工作，而其他啮合齿轮处于空套状态。如长春中国第一汽车制造厂生产的解放1401中型卡车所用的变速器，但这样的变速器为避免离合器牙齿碰撞，必须使用主离合器使输入力或负载脱离。而且为使变速离合器顺利啮合，多使用同步器使离合器两端的转速差减小。这样的装置不仅结构复杂，而且也不能带负荷变速。

本发明旨在造就一种齿轮变速方法和装置，它能够不切断负荷而在功率传递中自动地或手动地改变传动比，结构简单。

本发明的基本发明构思是，它使用多个有固定啮合关系的齿轮付共轴线并排设置，输出轴与输出齿轮固接，其特征在于：在输入轴上装有可沿输入轴的轴向滑动的离心摩擦机构，多个输入齿轮与输入轴同轴并沿轴向排列，离心摩擦机构滑动到不同的输入齿轮位置处，使输入轴的动力通过摩擦传递到对应的输入齿轮中，使对应的减速齿轮付处于工作状态，通过变换离心摩擦机构的位置，实现变速。

本发明的基本结构实现是具有输入轴和与输出齿轮固接的输出轴，有多个有固定啮合关系的减速齿轮付共轴线并排设置，其特征在于：在输入轴上装有可沿输入轴的轴向滑动的离心摩擦机构，多个输入齿轮与输入轴同轴并有同样直径的内孔，多个输入齿轮沿轴向排列。

附图1是离心摩擦机构和使用外齿轮组成多个固定啮合关系减速齿轮付的一个

实施例结构示意图。

附图2是使用内外齿轮组成多个固定啮合关系减速齿轮付的一个实施例结构示意图。

附图3是在使用内外齿轮组成多个固定啮合关系减速齿轮付的实施例中半环形支承结构和受力示意图。

附图4是在使用内外齿轮组成多个固定啮合关系减速齿轮付的实施例传动关系示意图。

本发明的原理可叙述如下：

所有的齿轮及齿轮付，都处于确定不变的啮合状态，在变换传动比时，不改变其啮合状态，即变速前与谁啮合的，变速后仍与谁啮合。这就是说，变速器无论怎样变速，每一个齿轮都确定不变地与原先与它相啮合的齿轮啮合。变速时，改变在输入轴上装有的可沿输入轴向滑动的离心摩擦机构的轴向位置，离心摩擦机构滑动到不同的输入齿轮位置处，利用离心力的作用张紧摩擦块，使输入轴的动力通过摩擦传递到对应输入齿轮中，其对应的减速齿轮付处于工作状态，实现变速。避免了变速时齿轮的交换，因此避免了齿轮的啮入和啮出，易于简单地做到带负荷变速。

附图1是本发明的结构的一个实施例示意图，它的结构关系和工作原理可叙述如下：

在本说明书中，以Z_x表示标号为x的齿轮的齿数，例如齿轮60齿数即为Z₆₀。

输入轴43经轴承44、46支承在左机壳77和输出轴47上。输出轴47则经轴承45和支承59支承于右壳体78上，密封件75、76是油封，输出轴47上固装着输出齿轮60。齿轮56支承于固装在右壳体78上的支承57内，齿轮54支承于齿轮56的凸缘和固装在右壳体的支承55之内。齿轮58支承于齿轮56的另一凸缘和固装在右壳体的支承59之内。齿轮54、56、58、60分别与齿轮64、65、66、67啮合，后4个齿轮固装于轴61上，轴61经轴承62、63支承于左、右机壳上。 C形键48的中段可滑移地卧在轴43的键槽内，它的立起的右端被轴套49和挡板79握住，因而能拨动轴套49与轴43一起转动，也能拉轴套49沿轴向滑移，轴套49上固装有销50和销51，分别伸入离心块52、53的内孔内，当轴43经键48、轴套49、销50、51带动离心块52、53旋转时，离心力的作用使离心块52、53的外颈圆柱面贴紧附图1中齿轮58的内颈圆柱面，由摩擦力的作用而带动齿轮58旋转。由于齿轮54、56、58和60的内颈圆柱面是同轴、同内径并排列的，故C型键48可拉动离心块52、53沿轴向滑移，移至哪个齿轮的内颈圆柱面，就由离心力产生的摩擦力带动哪个齿轮一起旋转。移至齿轮54内，齿轮54旋转并经齿轮64、轴61、齿轮67、齿轮60带动输出轴旋转，此时变速器的速比(输入轴43与输出轴47的转速之比)等于 $i_{54}=\frac{Z_{64}}{Z_{54}}*\frac{Z_{60}}{Z_{67}}$ 离心块移至齿轮56内，则变速器的速比 $i_{56}=\frac{Z_{65}}{Z_{56}}*\frac{Z_{60}}{Z_{67}}$ 离心块在齿轮58内(附图1中位置)，速比为 $i_{58}=\frac{Z_{66}}{Z_{58}}*\frac{Z_{60}}{Z_{67}}$

离心块移至齿轮60之内，输入轴经离心块的摩擦力直接带动输出轴旋转，变速器的速比

        i₅₄=1

由于离心块在齿轮内颈面上平滑移动，与齿轮的接合是靠摩擦力，因此变速器可以带负荷平滑而方便地变速。

若与齿轮(例如54)并排地放一个可自由转动的滑环，则离心块移至这个滑环之内时，就带动滑环空转，与其它齿轮脱离，相当于变速器放在“空档”。

C型键48的左端立起并被轴套70、挡环71握住，轴承72内圈装于轴套70上，外圈装于轴套73内，并被轴套70、挡环71、轴套73轴向固定。轴套73的一个立臂固装在变速杆74的右端，变速杆74经左机壳77伸出连接变速控制机构(略)，因此，变速杆沿轴向左拉或右推时，就经轴套73、轴承72、轴套70、C型键48、轴套49、销50、销51带动离心块52、53轴向滑移，进行变速换挡。

在附图1中，支承55、57及59都是固装于机壳78内的轴承座，这些轴承座内可套装相应的滚动轴承或滑动轴承，再经这些轴承去支承相应的齿轮54、56、58、60，不过，这些众知的技术细节，附图1中未予画出。

附图2是使用内外齿轮组成多个固定啮合关系减速齿轮付的一个实施例结构示意图。它的结构关系和工作原理可叙述如下：

齿轮83、85是塔形齿轮，都是由一个内齿轮和一个直径较小的外齿轮同轴地一体相连构成的。齿轮86、87、88则都是中间齿环，它们的环的外颈面上有一个外齿轮，内圆柱面上则有一个内齿轮。塔形齿轮与中间齿环的内、外齿轮相啮合，是本型变速器的一个特点。外齿环84经环形支承96a支承于壳体96，外齿环84与中间齿环86的内齿轮啮合；中间齿环86经半环形支承89支承于壳体96，中间齿环86的外齿轮与塔形齿轮83的内齿轮啮合；塔形齿轮83支承于壳体，它的外齿轮与中间齿环87的内齿轮啮合；中间齿环87经半环形支承90支承于壳体，它的外齿轮与塔形齿轮85的内齿轮啮合；塔形齿轮85支承于壳体，它的外齿轮与中间齿环88的内齿轮啮合；中间齿环88经半环形支承91支承于壳休，它的外齿轮与输出轴连内齿轮82相啮合。带有内齿轮的输出轴82左边直接支承于壳体，右边则经轴承95a支承于壳体。密封件95b是油封。

附图2所示的使用内外齿轮组成多个固定啮合关系减速齿轮付的一个实施例的离心摩擦机构与附图1轴承所示的结构相同，在附图2中使用假想线94表示，其结构同样是：C型键48的左端立起并被轴套70、挡环71握住，轴承72内圈装于轴套70上，外圈装于轴套73内，并被轴套70、挡环71、轴套73轴向固定。轴套73的一个立臂固装在变速杆74的右端，变速杆74经左机壳77伸出连接变速控制机构(如附图1所示)，因此，变速杆沿轴向左拉或右推时，就经轴套73、轴承72，轴套70、C型键48、轴套49、销50、销51带动离心块52、53轴向滑移，进行变速换档。

齿轮83、84、85、82的内颈圆柱面同样是同直径，同轴线并排排列的，离心块从齿轮82内颈圆柱面起依次向左移动到齿轮85、83、84内时，变速器的速比(输入轴80与输出轴82的转速之式)梯次加大，塔形齿轮——中间齿环组对而成的减速级数越多，变速器具有的速比档数越多，最大速比(本例中为离心块在齿轮84内时)也越大，因为这种内啮合离心摩擦接合变速器的最大速比是档速比的乘积。由于齿轮的前后两级齿轮啮合的齿宽在轴向上相重叠，因此允许在一定轴向长度内，变速器的级数——速比的档数较多。

上面提到的半环形支承89、90、91的结构，可进一步以它们左侧视图来表明。附图3是附图2中半环形支承91的左视图，半环的内半径部分支承着中间齿环88外齿轮两旁的双肩部位，半环的外半径部分则支承于壳体，剖视出的螺孔91a用于固装壳体。滑动轴瓦91b使支承与中间齿环间的摩擦系统降低。P+是变速器正转时的齿轮啮合力的指向，P-是反转时的指向，由于这些指向都在半环弧度内，故半环支承在带负荷工作具有与传统的环形支承(如轴承)同样的稳定性。而变速器在无负荷空转时，齿轮的重力指向垂直向下，指向半环中间，因而同样具有稳定性。就是说，这种半环形支承，对于支承力指身半环范围内的工作状况，都是有效的。半环形支承可以使结构简化，装配容易，节省有效空间，特别对于内啮合齿轮的支承具有意义。

附图4为传动简图，它对附图2所示的传动机构作了一目了然的说明。左边塔形齿轮的外齿轮83与中间齿环86a的内齿轮啮合，中间齿环86a的外齿轮则与中间塔形齿轮的内齿轮85a啮合，中间塔形齿轮的外齿轮85b则与中间齿环88a的内齿轮啮合，中间齿环88a的外齿轮与输出齿轮(输出轴)82a相啮合，中间齿环内、外齿轮的齿宽在轴向上重叠，可使机构的轴向尺寸较小。齿轮97是输入齿轮，与左边塔形齿轮的内齿轮83a相啮合。各塔形齿轮支承于机壳，各中间齿环经附图3及附图2所示的半环形支承89、90、91那样的支承于机壳(附图2中略去不画)。附图4除了配合附图2说明这种传动的基本型式，这样构成的内啮合齿轮减速器，尺寸较小而允许较大输出转矩，内齿轮通常不需齿表面热处理，成本较低，与外啮合定轴齿轮减速器比较，有一定优势。此时各齿轮内颈圆柱面不必是同内径的。

附图1中顺便说明了前面提到的空档的设置。滑环92套在齿轮84内可自由转动，当离心块移到92之内，带动92空转，动力无法输出，变速器置于空档，空档位置通常应与最大速比档位相邻，以符合带负荷(如车辆)起步时变速器比由大到小连续变换的需要。轴入轴80的右端经轴承81支承于输出轴82，它的左端，整个变速器的左端，包括离心块轴向移动的控制机构等等，如附图4所示。在附图1所示的离心摩擦机构轴承，弹簧68、69意在减轻起动冲击，或增加一点正压力给离心块。对于车辆变速器，这样的弹簧可很弱或不要，则发动机低速时离心块无法建立正压力(离心力)，变速器自动处于空档状态，而发动机升速就会便车辆柔和地起步。附图1这种离心摩擦接合式的变速器，由于齿轮间是外啮合，离心机构需要较大的径向尺寸，因而变速器的径向尺寸会比较大。当然，可以使用多个如离心块52、53那样的离心块，均匀分布，造成较大的摩擦正压力，不过重量也会增加。

对于附图1所示的离心摩擦接合式变速，为增加摩擦力以产主足够的传递扭矩，离心块52、53、94等应具一定质量，可用金属材料，而离心块顶部的摩擦表面，则可附着一层高摩擦系数的非金属材料。

本说明书中提到之各处支承，虽然图面上示出直接支承，但都可使用滚动轴承、滚动体、滑动轴承来支承。贴靠于壳体内的支承，由于尺寸较大，可以允许使用低摩擦系数的工程塑料制成的滑动轴承、衬套。

本发明构思是变速时不改变齿轮的啮合对象齿轮，只是把动力通入相应的齿轮，变速时是改变动力通入的对象，使被通入动力的齿轮，成为相应速比的主动齿轮，其通入动力的方法是以离心力产生摩擦的方式将动力通入相应的齿轮。

本发明所叙述的变速器都可以方便地设置倒档(输入与输出反向旋转)，这属于先有技术。本发明易于构成自动变速器。变速杆(如附图1中的74)可被某机构自动的控制，例如输出轴是经螺旋齿轮付啮合输出的，若这螺旋齿轮付的啮合力的轴向分力经某机构推动变速杆74，例如轴向力大时推(拉)变速杆74向左，变换至较大传动比，轴向力较小时则(因弹簧力)而推变速杆74向左，变换至较小传动比，则变速器的速比自动保持与输出扭矩(负荷)大小成正比，形成输入扭矩恒定的恒功率自动变速器。构成自动变速器的方法有多种，基本可用先有技术配合本发明提供的便利予以解决，这里不叙述。

本发明的原理可使齿轮变速器容易地带负荷变速，不会出现换档时的轮齿碰撞。由于是齿轮传动，效率较高。可以在较小体积内拥有较大变速档位，且易自动变速，构成高效率的“准无级齿轮变速器”，适用于车辆、工程机械及工业设备。

Claims (9)

1．一种带负荷齿轮传动离心摩擦变速方法，它使用多个有固定啮合关系的齿轮付共轴线并排设置，输出轴与输出齿轮固接，其特征在于：在输入轴上装有可沿输入轴的轴向滑动的离心摩擦机构，多个输入齿轮与输入轴同轴并沿轴向排列，离心摩擦机构滑动到不同的输入齿轮位置处，使输入轴的动力通过摩擦传递到对应的输入齿轮中，使对应的减速齿轮付处于工作状态，通过变换离心摩擦机构的位置，实现变速。

2．一种带负荷齿轮传动离心摩擦变速装置，具有输入轴和与输出齿轮固接的输出轴，有多个有固定啮合关系的减速齿轮付共轴线并排设置，其特征在于：在输入轴上装有可沿输入轴的轴向滑动的离心摩擦机构，多个输入齿轮与输入轴同轴并有同样直径的内孔，多个输入齿轮沿轴向排列。

3．如权利要求之所述的离心摩擦变速装置，其特征在于：所述的离心摩擦机构的构成是：有C形键(48)，它的中段可滑移地卧在轴(43)的键槽内，它的立起的右端被轴套(49)和挡板(79)握住，轴套(49)上固装有销(50)和销(51)，分别伸入离心块(52)、(53)的内孔内。

4．如权利要求3所述的离心摩擦变速装置，其特征在于：离心块(52)、(53)用金属材料制造，而离心块顶部的摩擦表面附着一层高摩擦系数的非金属材料。

5．如权利要求2所述的离心摩擦变速装置，其特征在于：多个固定啮合关系的减速齿轮付可以是三个，它们共用输出齿轮(60)，输出轴(47)与输出齿轮(60)固接，齿轮(54)、(56)和(58)是输入齿轮，齿轮(56)支承于固装在右壳体(78)上的支承(57)内，齿轮(54)支承于齿轮(56)的凸缘和固装在右壳体的支承(55)之内，齿轮(58)支承于齿轮(56)的另一凸缘和固装在右壳体的支承(59)之内，有齿轮(54)、(56)、(58)、(60)分别与齿轮(64)、(65)、(66)、(67)啮合，后4个齿轮固装于轴(61)上，轴(61)经轴承(62)、(63)支承于左、右机壳(77)和(78)上。，

6．如权利要求2所述的离心摩擦变速装置，其特征在于：多个固定啮合关系的减速齿轮付可以是三个，它们共用输出齿轮(82)，输出轴与输出齿轮(82)固接，它有塔形齿轮(83)、(85)，都是由一个内齿轮和一个直径较小的外齿轮同轴地一体相连构成的，塔形齿轮(83)、(85)和外齿环(84)都是输入齿轮，有中间齿环(86)、(87)、(88)，它们的外圆柱面上有外齿齿形，内圆柱面上则有内齿齿形，塔形齿轮与中间齿环的内外齿轮相啮合，外齿环(84)经环形支承(96a)支承于壳体(96)，并且外齿环(84)与中间齿环(86)的内齿轮啮合，中间齿环(86)支承于壳体(96)，并且外齿环(86)的外齿轮与塔形齿轮(83)的内齿轮啮合；塔形齿轮(83)支承于壳体，它的外齿轮与中间齿环(87)的内齿轮啮合；中间齿环(87)支承于壳体(96)，它的外齿轮与塔形齿轮(85)的内齿轮啮合；塔形齿轮(85)支承于壳体，它的外齿轮与中间齿环(88)的内齿轮啮合；中间齿环(88)经半环形支承(91)支承于壳休，它的外齿轮与输出轴连内齿轮(82)相啮合，带有内齿轮的输出轴(82)左边直接支承于壳体，右边则经轴承(95a)支承于壳体。

7．如权利要求5所述的离心摩擦变速装置，其特征在于：齿轮(54)、(56)和(58)的支承使用低摩擦系数的工程塑料制成的滑动轴承和衬套。

8．如权利要求6所述的离心摩擦变速装置，其特征在于：塔形齿轮(83)、(85)、外齿环(84)、中间齿环(86)、(87)和(88)的支承使用低摩擦系数的工程塑料制成的滑动轴承和衬套。

9．如权利要求6所述的离心摩擦变速装置，其特征在于：中间齿环(86)、(87)和(88)分别经半环形支承(89)、(90)和(91)支承于壳体(96)上。

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