CN108518455A - 一种实现柔性冲击的齿轮减速装置 - Google Patents

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迟明祥
桑明
徐振翔
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Abstract

本发明公开了一种实现柔性冲击的齿轮减速装置，包括连接在两个机架上的换挡轴，换挡轴位于两个机架之间的位置上对称设置有两个锥形面，且两个锥形面面积较大的一侧紧贴在一起，两个锥形面上分别设置有与其配合的第三常啮合齿轮和第四常啮合齿轮，所述第三常啮合齿轮上啮合有第一常啮合齿轮，第一常啮合齿轮与输入齿轮啮合，所述第四常啮合齿轮上啮合有第二常啮合齿轮，且第一常啮合齿轮与第二常啮合齿轮通过轴进行固连，所述换挡轴的一个自由端作为输出轴，输出轴上连接有输出轮。本发明利用换挡轴与齿轮的分离与啮合进行换挡，不仅能够实现在运动中换挡，还能简化变速机构的结构，大大降低换挡过程中的冲击，有效解决了传统变速机构的缺点。

Description

一种实现柔性冲击的齿轮减速装置
技术领域
本发明涉及一种变速机构，具体涉及一种实现柔性冲击的齿轮减速装置。
背景技术
为了改变发动机输出的转速和转矩，齿轮变速机构被大量应用在各种车辆和机械当中，通过切换不同的齿轮组来实现固定或分档改变输出扭矩和转速。应用变速机构不仅可以改变传动比，满足不同行驶条件对牵引力的需要，使原动机尽量工作在有利的工况下，满足可能的输出速度要求并在较大范围内改变输出速度的大小和输出轴上扭矩的大小，还可以实现倒车行驶、中断动力、空挡运行等要求
但目前，传统的变速机构在换挡时即切换齿轮组时采用拨动齿轮的方法，通过将齿轮拨动到不同的位置来实现不同的传动，这就要求在换挡时需要有离合器配合才能发挥作用，增大了结构的复杂性，并且在拨动齿轮的过程中还会产生较大冲击以及打齿等现象。而汽车用手动变速器虽然解决了很大一部分冲击的问题，但由于同步器、啮合套等结构的存在，结构非常复杂，不适用于小型机械或车辆。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现柔性冲击的齿轮减速装置，以解决现有技术的问题，本发明利用换挡轴与齿轮的分离与啮合进行换挡，不仅能够实现在运动中换挡，还能简化变速机构的结构，大大降低换挡过程中的冲击，有效解决了传统变速机构的缺点。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种实现柔性冲击的齿轮减速装置，包括连接在两个机架上的换挡轴，换挡轴位于两个机架之间的位置上对称设置有两个锥形面，且两个锥形面面积较大的一侧底面紧贴在一起，两个锥形面上分别设置有与其配合的第三常啮合齿轮和第四常啮合齿轮，所述第三常啮合齿轮上啮合有第一常啮合齿轮，第一常啮合齿轮与输入齿轮啮合，所述第四常啮合齿轮上啮合有第二常啮合齿轮，且第一常啮合齿轮与第二常啮合齿轮通过轴进行固连，所述换挡轴的一个自由端作为输出轴，输出轴上连接有输出轮。
进一步地，第三常啮合齿轮和第四常啮合齿轮均通过支撑法兰与其对应侧的机架相连。
进一步地，第三常啮合齿轮和第四常啮合齿轮与支撑法兰刚性连接，支撑法兰通过轴承与机架连接。
进一步地，第四常啮合齿轮的直径大于第三常啮合齿轮的直径。
进一步地，第一常啮合齿轮的直径大于第二常啮合齿轮的直径。
进一步地，锥形面的外侧以及第三常啮合齿轮和第四常啮合齿轮的内侧均设有摩擦材料涂层。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明在操作过程中，转速和转矩由输入齿轮输入，第一常啮合齿轮与输入齿轮啮合，转速和转矩进而传递到第一常啮合齿轮，第二常啮合齿轮与第一常啮合齿轮固连，故第一常啮合齿轮与第二常啮合齿轮保持相同的转速。第一常啮合齿轮与第三常啮合齿轮啮合，第二常啮合齿轮与第四常啮合齿轮啮合，而第一常啮合齿轮、第三常啮合齿轮与第二常啮合齿轮、第四常啮合齿轮具有不同传动比，因而第二常啮合齿轮与第四常啮合齿轮具有不同的转速。使用高速挡时，输出轴与第四常啮合齿轮固连而与第二常啮合齿轮脱开，此时输出轴与第四常啮合齿轮保持相同的转速，使用低速挡时，输出轴与第二常啮合齿轮固连而与第四常啮合齿轮脱开，输出轴与第二常啮合齿轮保持相同的转速，本发明结构简单，可靠性好，制造成本低，占用空间小，针对不同环境适应性强，利用换挡轴与齿轮的分离与啮合进行换挡，不仅能够实现在运动中换挡，还能简化变速机构的结构，大大降低换挡过程中的冲击，有效解决了传统变速机构的缺点，本发明实现了柔性冲击换挡的功能，结构十分简单，在各种空间有限、成本有限、可靠性要求高的小型机械和车辆的传动系统中具有很好的适用性。
进一步地，两对常啮合齿轮(第三常啮合齿轮和第一常啮合齿轮以及第四常啮合齿轮和第二常啮合齿轮)的不同齿数搭配实现了两级档位的传动比不同。
进一步地，换挡轴和第三常啮合齿轮、第四常啮合齿轮上使用摩擦材料涂层，并通过锥形面使二者结合，这样仅控制换挡轴的轴向运动即可实现换挡，同时摩擦材料对换挡前后的转速和转矩进行缓冲。
进一步地，第三常啮合齿轮、第四常啮合齿轮与支撑法兰刚性连接，支撑法兰再通过轴承与机架连接，从而使齿轮得到支撑，而换挡轴不受来自齿轮而产生的弯矩。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的控制逻辑流程示意图；
图3为使用高速挡时的传动过程示意图；
图4为使用低速挡时的传动过程示意图；
图5为换挡轴相关部分零件拆分示意图。
其中：1.输入齿轮，2.第一常啮合齿轮，3.第二常啮合齿轮，4.第三常啮合齿轮，5.第四常啮合齿轮，6.换挡轴，7.支撑法兰，8.输出轮，9.机架，10.输入轴，11.输出轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
参见图1、图3至图5，一种实现柔性冲击的齿轮减速装置，包括连接在两个机架9上的换挡轴6，换挡轴6位于两个机架9之间的位置上对称设置有两个锥形面，且两个锥形面面积较大的一侧紧贴在一起，两个锥形面上分别设置有与其配合的第三常啮合齿轮4和第四常啮合齿轮5，锥形面的外侧以及第三常啮合齿轮4和第四常啮合齿轮5的内侧均设有摩擦材料涂层，第三常啮合齿轮4和第四常啮合齿轮5均通过支撑法兰7与其对应侧的机架9相连，第三常啮合齿轮4和第四常啮合齿轮5与支撑法兰7刚性连接，支撑法兰7通过轴承与机架9连接，所述第三常啮合齿轮4上啮合有第一常啮合齿轮2，第一常啮合齿轮2与输入齿轮1啮合，所述第四常啮合齿轮5上啮合有第二常啮合齿轮3，且第一常啮合齿轮2与第二常啮合齿轮3通过轴进行固连，第四常啮合齿轮5的直径大于第三常啮合齿轮4的直径，第一常啮合齿轮2的直径大于第二常啮合齿轮3的直径，所述换挡轴6的一个自由端作为输出轴11，输出轴11上连接有输出轮8。
在使用时，通过控制换挡轴6的一个锥形面与第三常啮合齿轮4配合或另一个锥形面与第四常啮合齿轮5配合来实现换挡，在本实施例中，通过控制模块进行换挡操作，控制模块包括用于控制换挡轴6上的换挡舵机、连接在换挡轴6上的换挡轴转速传感器、连接在第三常啮合齿轮4和第四常啮合齿轮5上的两个齿轮转速传感器、以及用于根据换挡轴转速传感器和齿轮转速传感器检测结果对换挡舵机进行控制的控制电路，控制电路的输入端连接至换档开关。
控制模块通过采集齿轮和换挡轴的转速信号，并根据预设的系统转动惯量、系统转动阻力等参数，通过内置的算法对信号进行处理，进而控制换挡舵机的输出，使换挡轴以合理的动力学参数和时序参数轴向运动，并调节锥形面的压紧力从而使同步力矩在合理范围内，进而进一步减小换挡冲击。
两对常啮合齿轮(第三常啮合齿轮4和第一常啮合齿轮2以及第四常啮合齿轮5和第二常啮合齿轮3)保持常啮合状态，而通过换挡轴的轴向运动进行档位切换，在尽可能简单的结构中实现了换挡时避免打齿、刚性冲击等现象的发生。
同步结构使用摩擦锥形面，并选用摩擦材料制造，使得换挡时只需控制换挡轴的轴向动力学参数即可实现换挡过程的反馈控制，并且该摩擦锥形面允许一定的转速差存在，柔化了换挡过程中同步时的冲击。在实现上述功能的同时，该结构简单，制造成本低，可靠性较好，占用空间小。
控制模块通过采集到的转速信息经过信号处理后控制换挡轴轴向运动的动力学参数和时序参数，进一步减小了换挡冲击；并且该控制模块可以根据使用工况的不同对控制算法中的特征参数进行匹配标定，使得该机构具有更广泛的适用范围。
下面对本发明操作过程做详细描述：
本发明包括机械模块和控制模块两部分，机械模块由输入齿轮1、第一常啮合齿轮2和第三常啮合齿轮4以及第二常啮合齿轮3和第四常啮合齿轮5、换挡轴6、支撑法兰7和输出轮8组成；在换挡轴6和与其配合的第三常啮合齿轮4和第四常啮合齿轮5上有用于减弱滑档冲击的摩擦锥形面，其由摩擦材料制成，并可进行更换，结构如图5所示。控制模块主要包括换挡开关、三个转速传感器、控制电路和换挡舵机。
本发明实现两级变速传动的原理参阅图3和图4，转速和转矩由输入轴10传递到输入齿轮1，第一常啮合齿轮2与输入齿轮1啮合，转速和转矩进而传递到第一常啮合齿轮2，第二常啮合齿轮3与第一常啮合齿轮2固连，故第一常啮合齿轮2与第二常啮合齿轮3保持相同的转速。第一常啮合齿轮2与第三常啮合齿轮4啮合，第二常啮合齿轮3与第四常啮合齿轮5啮合，而第一常啮合齿轮2、第三常啮合齿轮4与第二常啮合齿轮3、第四常啮合齿轮5具有不同的齿数比(也即)传动比，因而第二常啮合齿轮3与第四常啮合齿轮5具有不同的转速。使用高速挡时，输出轴11与第四常啮合齿轮5固连而与第二常啮合齿轮3脱开，此时输出轴11与第四常啮合齿轮5保持相同的转速，如图3所示。使用低速挡时，输出轴11与第二常啮合齿轮3固连而与第四常啮合齿轮5脱开，输出轴11与第二常啮合齿轮3保持相同的转速，如图4所示。
进行档位切换时首先由操作者通过换挡开关发出换挡指令，该指令信号传递到控制电路中，由控制电路处理后控制换挡舵机工作，使换挡轴轴向运动从而与原摩擦锥形面脱开。此时分别用于检测齿轮转速和换挡轴转速的传感器将相应信号传递给控制电路，以这两个转速差作为输入量，系统内预设转速差与舵机转动速度的函数，输出舵机转动信号，从而控制其进一步轴向运动的速度，直到其与新摩擦锥形面接触。这样的控制逻辑进一步减小了换挡冲击。换挡轴与新的摩擦锥形面接触后，控制系统将再次进行一次转速信号采集和处理，然后控制电路控制换挡舵机输出的力矩，从而控制摩擦锥形面之间的正压力，使得同步过程中具有合理的同步力矩(即两新摩擦锥形面之间的摩擦力矩)，直到输出轴与齿轮转速完全同步后，由其他机构将换挡轴压紧，换挡舵机停止工作，换挡完成。
摩擦锥形面的结构如图5所示，其中的两个大小齿轮即分别为图1中的第四常啮合齿轮5、第三常啮合齿轮4；图5中带两个锥形面的轴即图1中的换挡轴6。只需控制换挡轴的轴向运动动力参数，就可以实现对同步力矩的控制，这使得本发明结构简单且控制易于实现。摩擦锥形面使用类似汽车离合器中摩擦片的材料制成，包括但不限于碳陶瓷、类石棉等材料。上述两齿轮分别与支撑法兰7固连，支撑法兰与机架通过轴承安装，将机架视为轴承座，法兰视为轴，进而使齿轮和换挡轴6得到支撑。

Claims (6)

1.一种实现柔性冲击的齿轮减速装置，其特征在于，包括连接在两个机架(9)上的换挡轴(6)，换挡轴(6)位于两个机架(9)之间的位置上对称设置有两个锥形面，且两个锥形面面积较大的一侧底面紧贴在一起，两个锥形面上分别设置有与其配合的第三常啮合齿轮(4)和第四常啮合齿轮(5)，所述第三常啮合齿轮(4)上啮合有第一常啮合齿轮(2)，第一常啮合齿轮(2)与输入齿轮(1)啮合，所述第四常啮合齿轮(5)上啮合有第二常啮合齿轮(3)，且第一常啮合齿轮(2)与第二常啮合齿轮(3)通过轴进行固连，所述换挡轴(6)的一个自由端作为输出轴(11)，输出轴(11)上连接有输出轮(8)。
2.根据权利要求1所述的一种实现柔性冲击的齿轮减速装置，其特征在于，第三常啮合齿轮(4)和第四常啮合齿轮(5)均通过支撑法兰(7)与其对应侧的机架(9)相连。
3.根据权利要求2所述的一种实现柔性冲击的齿轮减速装置，其特征在于，第三常啮合齿轮(4)和第四常啮合齿轮(5)与支撑法兰(7)刚性连接，支撑法兰(7)通过轴承与机架(9)连接。
4.根据权利要求1所述的一种实现柔性冲击的齿轮减速装置，其特征在于，第四常啮合齿轮(5)的齿数大于第三常啮合齿轮(4)的齿数。
5.根据权利要求4所述的一种实现柔性冲击的齿轮减速装置，其特征在于，第一常啮合齿轮(2)的齿数大于第二常啮合齿轮(3)的齿数。
6.根据权利要求1所述的一种实现柔性冲击的齿轮减速装置，其特征在于，锥形面的外侧以及第三常啮合齿轮(4)和第四常啮合齿轮(5)的内侧均设有摩擦材料涂层。
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