CN108061136A - 一种无级变速链条传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及“一种无级变速链条传动装置”，属机械传动装置，主要为解决链条传动中难以实现无级变速的问题。装置包括动力链轮、从动链轮、链条和链条张紧装置。其中动力链轮包括输入轴、单向行星链轮(本方案的核心：由一组离散的、半径相同的、轴可以同步移动的小型单向链轮按同心圆周平面均匀分布组成单向行星链轮，各小型单向链轮的轴被一个支撑/变径装置支撑与驱动)、支撑/变径装置(这里举例设计了一种纯机械形式的)构成。装置主要可通过连续改变单向行星链轮半径，实现无级变速的链条传动。本方案结构原理既适应纯机械方式自适应无级链条传动变速系统，也适应有自动控制装置的无级链条传动变速系统。

Description

一种无级变速链条传动装置

技术领域

本发明属机械传动装置，具体涉及一种可无级变速的链条传动装置。

背景技术

链条传动广泛应用于人力自行车、电动自行车、摩托车及其他机械传动装置中，通过变速传动可实现省力、节能、提高效率等效果。链条传动较之皮带传动是硬传动，没有打滑现象。

现有的链条传动变速装置大致有：手动切换齿比(手动换挡)自动切换齿比(自动换挡)及自动无级变速等几种形式。前两种方式均通过变换齿比的方式变速，结构较为复杂，档位越多，结构越复杂，制造成本高，并且档位有限，换挡时还会产生顿挫感。其中，手动切换齿比需要操作者频繁操作切换变速，操作者难以掌握最佳的变速齿比，控制极为不方便；自动切换齿比需要加装自动控制装置，增加了成本，结构复杂。

现有的已公开的自动无级变速装置其结构形式呈多元化，存在的问题主要有：结构复杂，零件多，体积大，有的需要电子传感及控制系统，成本高；有的装置结构不尽合理，难以投入实际应用。如在自行车变速装置中，上述问题的存在更加突出。

发明内容

为解决上述技术方面的不足，本发明提供一种结构简单紧凑，体积小，成本低，应用适应性强的无级变速的链条传动变速装置。装置适应纯机械方式条件应用，也适应机电一体化方式条件应用，适应自适应(自适应负载变化)自动无级变速的链条传动变速装置，也适应有自动控制装置的无级变速的链条传动变速装置。

技术方案：

寻源链条传动系统变速途径：

典型的链条传动系统包括动力链轮、从动链轮、链条、链条张紧装置组成。

从动链轮转速：N＝R/r×n

N----从动链轮转速；

R----动力链轮半径；

r----从动链轮半径；

R----动力链轮半径；

R/r--------变速比；

n----动力链轮转速；

R/r--------变速比。

由从动链轮转速公式可见，链条传动系统的变速途径有：(1)改变传动比R/r，这又有三种情况：保持R不变，改变r；保持r不变，改变R；R、r同时改变。(2)改变动力轮转速n。

本装置是保持从动链轮半径r始终不变，通常也保持动力轮转速n不变。在保持从动链轮半径r和动力链轮转速n不变的情况下，链条传动装置的变速则依赖于动力链轮半径R的改变。动力链轮半径R的改变原理取决于动力链轮的结构，不同结构，变径原理会各不相同。显然固定的齿轮链盘是无法改变半径的，因此，提出一种可以连续变换半径的动力链轮是该方案的核心。

提出的一种可以连续变换半径的动力链轮方案：

设想如果把齿轮的齿做成可沿径向移动的，这样就可以改变齿轮半径，但现实中不存在这样的齿轮。

沿着这个思路，本方案提出一种可以连续变换半径的无级变速动力链轮1，这个动力链轮不是一般意义上的一块边缘有齿的链轮盘，而是由一个所谓的单向行星链轮加一个支撑/变径装置组成。

单向行星链轮17是一组(数量大于3)离散的、半径r1相同的、轴10可同步可移动的小型单向链轮6按同心圆周平面均匀分布组成的等效链轮，实质为一单向轮系统，或称为单向行星链轮。这些单向链轮的轴10被支撑/变径装置支撑和驱动，可以沿单向行星链轮轴线的径向移动，各单向链轮的轴心距单向行星链轮轴心距离r2相等，r2在动力传动过程中可以根据需要同步变化。因此，这种“可变径动力链轮盘”的半径为：

R＝r1+r2(可变)

r1---------小型单向链轮6的半径

r2--------小型单向链轮的轴心距单向行星链轮轴心距离

这个半径才是动力链轮的真正有效半径。所以这种装置的动力链轮半径就是这个有效半径R，而且R又是可变的，这就是该装置可以变径变速的根据了。

这些单向链轮圆周有齿，只可以绕自己的轴心单向转动，而在拖动链条方向是不能够自转的，故称单向链轮。这里采用小型单向链轮，是因为在变径过程中有效链条长度会发生变化，固定花齿或双向轮等不能在此应用，会引起链条与链轮卡死、掉链或空转，小型单向链轮的选择也是本技术方案的核心技术之一。

这个单向行星链轮的外齿构成一个等效的齿轮链轮的外齿(虽然不连续，但不会影响工作)，可以拖动链条，传输动力。

支撑/变径装置，为了支撑和驱动(含驱动变径和传输动力)上述的单向行星链轮，可以按需要设计多种形式的支撑及变径装置。这些装置可以是自适应自动变径装置，也可以是自动化控制的变径装置；可以是纯机械的，也可以是机电一体的。但必须能够实现支撑上述单向链轮盘的每个单向轮的轴；必须能同步驱动各单向轮的轴；必须能够将动力轴的动力传送到各单向轮的轴上。

这些就是本发明技术方案的内容，简单归纳讲：本方案就是一组离散的、半径相同的、其轴可移动的小型单向链轮按同心圆周平面均匀分布组成的单向行星链轮加一个支撑变径装置构成的可连续变径的动力链轮，通过连续改变动力链轮的半径，实现无级变速的链条传动装置。

有益效果：

与现有链条传动的变速装置相比，本发明结构原理适应性强，应用和扩展空间较大，既适应纯机械方式条件应用，也适应机电一体化方式条件应用，既适应自适应(自适应负载变化)自动无级变速系统，也适应有自动控制装置的无级变速系统，根据需要通过变速传动，可以有效提高传动效率，重负载时通过降速提高扭矩输出能力，实现良好的省力、节能效果。还具有体积小、结构简单、零件少等好处。

附图说明：

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1是本发明链条传动装置示意图。

图2是本发明应用举例动力链轮1结构图。

图3是图2的右视剖面图。

图4是本发明应用举例径向导向盘7结构图。

图5是本发明应用举例变径导向盘8结构图。

图6是是本发明小型单向链轮6结构放大图。

图7是图6的侧视图。

图8是本发明应用举例径向导向盘7的另一种连接方式结构图。

图9是本发明单向行星链轮17示意图。

附图中标号说明：

1动力链轮；2从动链轮；3链条；4链条张紧装置；5输入轴；6小型单向链轮；7径向导向盘；8变径导向盘；9弹簧；10小型单向链轮的轴；11径向槽孔；12弧形槽孔；13弹簧架；14条形台阶部；15轴10的端部；16套筒；17单向行星链轮。

具体实施方式

现将本技术结构原理具体应用在一种纯机械自适应无级变速的链条传动装置中(已经做出运行良好的样机)进一步说明。

如图1至图9所示，本具体实施方式包括动力链轮1、从动链轮2、链条3、链条张紧装置4。链条3分别与动力链轮1的外齿、从动链轮2的外齿及链条张紧装置4的齿轮咬合连接，动力通过动力链轮1的轴5输入使其转动，再通过链条3带动从动链轮2旋转输出动力。其中：

动力链轮1包括一个输入轴5、一个单向行星链轮17和一个支撑/变径装置。

单向行星链轮17由一组小型单向链轮6安装在支撑/变径装置上，在以输入轴5中心线为轴的圆周上均布安装，组合成一单向行星链轮17，链条3咬合连接在该行星链轮的外齿上。小型单向链轮6为可单向转动的链轮，其内孔装有单向轴承，该轴承内孔套接有轴10，链轮6可绕轴10单向旋转。

工作时，随输入扭矩的增大或减小，由变径装置自适应同步改变各链轮6的轴10至输入轴5的距离减小或增大，即改变单向行星链轮的传动半径，实现变速传动。

支撑/变径装置的结构包括二个圆盘形的径向导向盘7和二个圆盘形的变径导向盘8及连接他们的一组弹簧9。

二个径向导向盘7通过其中心孔用轴承套接在输入轴5上(即它们可同步绕轴5转动)，单向行星链轮17(一组小型单向链轮6)安装在二个径向导向盘7之间。该径向导向盘7上设有一组沿圆周均布的径向槽孔11，其数量与单向链轮6的数量相同，安装时二个径向导向盘7上的径向槽孔11相向对齐安装。

二个变径导向盘8通过其中心孔固定套接在输入轴5上(即它们与轴5固定连接)，分别安装在二个径向导向盘7的外侧位置。该变径导向盘8设有一组沿圆周均布的弧形槽孔12，其数量与单向链轮6的数量相同，该弧形槽孔12的起始端靠近变径导向盘8的外径，沿工作时旋转的相反方向，槽孔距离变径导向盘8的轴心的半径逐渐变小，至弧形槽孔12末端时达到最小。该二个变径导向盘8呈相向对称结构，安装时弧形槽孔12相向对齐、对称安装。

位于同一侧的径向导向盘7和变径导向盘8之间连接有弹簧9。

单向链轮6的轴10在靠近链轮6两侧的轴的部分分别切削出二个相互平行的平面，形成条形的台阶部分14，。轴10两头端部15为圆柱形，其直径小于或等于条形的台阶部14的宽度。

安装时，单向链轮6的轴10两端的条形的台阶部14分别套接在二个径向导向盘7上的径向槽孔11内，条形的台阶部分14的宽度与径向槽孔11的槽宽相适应，使轴10可沿径向槽孔11滑动。同时轴10的两头端部15分别套接在二个变径导向盘8的弧形槽孔12内，该端部15的直径与弧形槽孔12的槽宽相适应，使变径导向盘8旋转时，轴10可沿弧形槽孔12滑动。

在上述实施方式中：

弹簧9采用一组弹簧，沿以输入轴5为轴的圆周上均布。弹簧9沿圆周方向一端连接在径向导向盘7上，另一端连接在变径导向盘8上。具体安装方法是，在径向导向盘7和变径导向盘8上固定安装上垂直于盘面的弹簧架13，弹簧9两端连接在弹簧架13的端部。

二个径向导向盘7在靠近中心孔位置用螺钉固定连接在一起。另一种连接方法是，将二个径向导向盘7套接在一套筒16两侧，并用螺钉固定在套筒侧面。

二个变径导向盘8通过花键固定套接在输入轴5上。

为减轻链轮6的轴10在弧形槽孔12内滑动时产生的摩擦，可在轴10的两头端部15安装可转动的套筒或轴承，该套筒或轴承的外径与其套接的弧形槽孔12的槽宽相适应。

单向链轮6的安装方向：如工作时变速链轮1顺时针旋转，则按链轮6可顺时针(绕轴10)自转的方向安装。

工作过程简述：

在径向导向盘7和变径导向盘8相对的初始静态位置，这些弹簧9处于弹力为零的初始状态。在自适应范围，动力传输过程是：动力源-→动力链轮1(轴5-→变径导向盘8--→弹簧组9-→径向导向盘7---→单向行星链轮17)---→链条3-----→从动链轮2；在自适应范围外，变径导向盘8和径向导向盘7由于被几个单向轮轴的卡住，成为一体，弹簧不会再被拉长或压缩。

动力链轮1可自适应改变半径的过程：

在从动链轮2荷载增大(或动力扭矩加大)情况下，增大的阻力矩会通过链条3加在单向行星链轮17，通过星链轮17将增大的阻力矩会进一步传递给径向导向盘7，由于径向导向盘7所受阻力矩加大，使连接于径向导向盘7与变径导向盘8间的弹簧9张力加大，弹簧拉长(以拉簧为例)，使径向导向盘7绕动力链轮的轴转动(前述径向导向盘7可以绕动力链轮轴5转动)，这个转动的发生，将造成径向导向盘7与变径导向盘盘8之间相对旋转一个角度，会使单向行星链轮17的各单向链轮轴心10向动力链轮轴心5靠近，即动力链轮1有效半径R＝r1+r2变小(因r2变小)，变速比下降，荷载减速转动，在变径导向盘盘8与径向导向盘7之间与初始状态相对角度增大的同时，弹簧9拉长，在弹簧力矩L弹与阻力矩L阻达到平衡时，单向行星链轮17的有效半径R＝r1+r2就处在一个暂稳态的大小。在从动链轮2荷载减小(或动力扭矩减小)情况下，过程与上述相反，变速比增大，荷载加速转动。

所以该装置具有自适应荷载情况，自动改变传动半径的机理。由于从动链轮的r始终不变，因此本变速装置主要提供的就是一个可自适应改变传动半径的动力链轮结构。

Claims (9)

1.一种无级变速链条传动装置，包括动力链轮(1)、从动链轮(2)、链条(3)、链条张紧装置(4)，链条(3)分别与动力链轮(1)的外齿、从动链轮(2)的外齿及链条张紧装置(4)的齿轮咬合连接，动力通过动力链轮(1)的轴(5)输入使其转动，再通过链条(3)带动从动链轮(2)旋转输出动力；所述动力链轮(1)包括一个输入轴(5)、一个单向行星链轮(17)和一个支撑/变径装置，其特征在于：用一组离散的、半径相同、轴(10)可同步可移动的小型单向链轮(6)按同心圆周平面均匀分布组成的单向行星链轮(17)加一个支撑/变径装置构成的可连续变径的动力链轮，通过连续改变这种动力链轮的半径(即单向行星链轮半径)，实现无级变速的链条传动装置，小型单向链轮的选择和由一组小型单向链轮构成可变径的单向行星链轮是其关键结构技术特征。

2.根据权利要求1所述的一种无级变速链条传动装置，其特征在于：

所述的支撑/变径装置是用一对圆盘形的径向导向盘(7)(上分布有引导和驱动小型单向链轮(6)的轴(10)的径向槽孔)和一对圆盘形的变径导向盘(8)(上分布有引导和驱动小型单向链轮(6)的轴(10)的弧形槽孔)及连接它们的弹簧(9)组成，驱动一个由一组单向可自转的行星齿轮(6)组合成的一行星链轮，通过链条传动动力；径向导向盘(7)和变径导向盘(8)组合支撑、同步径向定位、同步驱动小型单向链轮(6)的轴(10)(包括变径及传动)；当动力扭矩或负载扭矩发生变化时，径向导向盘(7)和变径导向盘(8)将自适应相对转动一个角度，驱动各小型单向链轮(6)的轴(10)同步径向移动，使行星链轮发生变径，实现自适应自动无级变速传动。

3.根据权利要求2所述的一种自动无级变速链轮传动装置，其特征在于：

所述二个径向导向盘7通过其中心孔用轴承套在输入轴(5)上，所述小型链轮(6)组成的行星链轮(17)安装在二个径向导向盘(7)之间；

所述二个变径导向盘(8)通过其中心孔固定套接在输入轴(5)上，分别安装在二个径向导向盘(7)的外侧位置；

位于同一侧的径向导向盘(7)和变径导向盘(8)之间连接有弹簧(9)；

所述径向导向盘(7)上设有一组沿圆周均布的径向槽孔(11)，其数量与小型单向链轮(6)的数量相同，二个径向导向盘(7)上的径向槽孔(11)相向对齐安装。

所述变径导向盘(8)上设有一组沿圆周均布的弧形槽孔(12)，其数量与小型单向链轮(6)的数量相同，该弧形槽孔(12)的起始端靠近变径导向盘(8)的外径，沿工作时旋转的相反方向，槽孔距离变径导向盘8的轴心的半径逐渐变小，至弧形槽孔(12)末端时达到最小。该二个变径导向盘(8)呈相向对称结构，安装时弧形槽孔(12)相向对齐、对称安装；

所述小型单向链轮(6)的轴(10)在靠近链轮(6)两侧的轴部分分别切削出两个相互平行的平面，形成条形的台阶部(14)，轴(10)两头端部(15)为圆柱形，其直径小于或等于条形的台阶部(14)的宽度；

安装时，所述小型单向链轮(6)的轴(10)两端的条形的台阶部(14)分别套接在二个径向导向盘(7)上的径向槽孔(11)内，条形的台阶部(14)的宽度与径向槽孔(11)的槽宽相适应，使轴(10)可沿径向槽孔(11)滑动，同时轴(10)的两头端部(15)分别套接在二个变径导向盘(8)的弧形槽孔(12)内，该端部(15)的直径与弧形槽孔(12)的槽宽相适应，使变径导向盘(8)旋转时，轴(10)可沿弧形槽孔(12)滑动；

工作时，从输入轴(5)输入动力扭矩增大时(或负载扭矩增大时)，变径导向盘(8)克服弹簧(9)拉力转动，此时径向导向盘(7)受咬合在单向行星链轮上的链条(3)张力拖拽，造成变径导向盘(8)与径向导向盘(7)之间相对旋转一定角度，使各小型单向链轮(6)的轴(10)沿弧形槽孔(12)同步滑动，并同时沿径向槽孔(11)向输入轴(5)同步滑动，从而使单向行星链轮(17)的传动半径减小，反之当输入扭矩减小时(或负载扭矩减小时)，单向行星链轮(17)的传动半径变大，达到自适应、自动变速的目的。

4.根据权利要求2所述的一种自动无级变速链轮传动装置，其特征在于：所述弹簧(9)为一组弹簧，沿以输入轴(5)为轴的圆周上均布，该弹簧(9)沿圆周方向一端连接在径向导向盘(7)上，另一端连接在变径导向盘(8)上。

5.根据权利要求2、3、4所述的一种自动无级变速链轮传动装置，其特征在于：所述径向导向盘(7)和变径导向盘(8)上固定装有垂直于盘面的弹簧架(13)，弹簧(9)的两端连接在弹簧架(13)的端部。

6.根据权利要求2、3所述的一种自动无级变速链轮传动装置，其特征在于：所述的二个径向导向盘(7)在靠近中心孔位置用螺钉固定连接在一起。

7.根据权利要求2、3所述的一种自动无级变速链轮传动装置，其特征在于：所述的二个径向导向盘(7)套接在一套筒(16)两侧，并用螺钉固定在套筒侧面。

8.根据权利要求2、3所述的一种自动无级变速链轮传动装置，其特征在于：所述的二个变径导向盘(8)的内孔通过花键固定套接在输入轴(5)上。

9.根据权利要求2、3所述的一种自动无级变速链轮传动装置，其特征在于：所述小型单向链轮(6)的轴(10)的两头端部(15)装有可转动的套筒或轴承，该套筒或轴承的外径与所套接的弧形槽孔(12)的槽宽相适应，用以减轻在弧形槽孔(12)内滑动时产生的摩擦。