CN108644332A - 一种便于调节和指示的锥带式无级变速装置及其传动参数计算方法 - Google Patents

一种便于调节和指示的锥带式无级变速装置及其传动参数计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种便于调节和指示的锥带式无级变速装置及其传动参数计算方法，锥带式无级变速装置包括主动锥轮、从动锥轮、传动皮带、变速调节机构、输入轴、机架、推杆指针、输出转速标尺及输出轴；主动锥轮和从动锥轮具有相同的锥角和高度，主动锥轮和从动锥轮均安装在机架上，输出轴与从动锥轮连接；传动皮带套在主动锥轮和从动锥轮上并被张紧；变速调节机构与传动皮带连接；输出转速标尺的一端和机架连接而被固定，输出转速标尺上设有代表输出转速值的刻度；推杆指针的一端与变速调节机构连接，推杆指针的另一端设有指示针，推杆指针的指示针位于输出转速标尺的刻度的前方。本发明具有便于实时观察输出转速及方便人工调节输出转速的优点。

Description

一种便于调节和指示的锥带式无级变速装置及其传动参数计 算方法
技术领域
本发明涉及机械传动、机械变速器技术领域，尤其是涉及一种便于调节和指示的锥带式无级变速装置及其传动参数计算方法。
背景技术
现有文献中提出的锥带式无级变速装置，存在如下问题：一是没有采用便于调节和采用机械式指针指示实时输出转速的变速调节机构，二是没有给出锥带式无级变速装置的瞬态传动比、瞬态输出转速、瞬态输出扭矩以及它们调节范围的计算方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种便于调节和指示的锥带式无级变速装置及其传动参数计算方法。
为实现上述目的，本发明提供一种便于调节和指示的锥带式无级变速装置，所述锥带式无级变速装置包括主动锥轮、从动锥轮、传动皮带、变速调节机构、输入轴、机架、推杆指针、输出转速标尺及输出轴；所述主动锥轮和从动锥轮具有相同的锥角和高度，所述主动锥轮和从动锥轮均安装在机架上，且主动锥轮和从动锥轮呈轴线平行、端部平齐、朝反方向放置；所述输入轴与所述主动锥轮连接，用于连接动力源向主动锥轮输入动力；所述输出轴与从动锥轮连接，用于连接动力输出机构并向动力输出机构输出动力；所述传动皮带套在主动锥轮和从动锥轮上并被张紧；所述变速调节机构与所述传动皮带连接，用于传动皮带在主动锥轮和从动锥轮上的位置；所述输出转速标尺的一端和机架连接而被固定，所述输出转速标尺上设有代表输出转速值的刻度；所述推杆指针的一端与所述变速调节机构连接，在变速调节机构的作用下与传动皮带同步移动，所述推杆指针的另一端设有指示针，所述推杆指针的指示针位于输出转速标尺的刻度的前方，用于在刻度上指示当前的输出转速值。
优选地，所述动力源包括输入锥齿轮副和输入驱动电机，所述输入锥齿轮副的的一个锥齿轮与所述输入驱动电机的电机轴连接，所述输入锥齿轮副的的另一个锥齿轮与所述输入轴连接。
优选地，所述变速调节机构包括螺母型皮带轮、调节丝杆及驱动部件，所述调节丝杆安装在机架上并位于所述主动锥轮和从动锥轮之间，所述螺母型皮带轮和调节丝杆连接，所述传动皮带卡在螺母型皮带轮的凹槽内；所述驱动部件与所述调节丝杆连接，用于驱动调节丝杆正、反转，以带动螺母型皮带轮及传动皮带沿调节丝杆的轴向前进或后退，调节传动皮带在主动锥轮和从动锥轮上的位置。
优选地，所述驱动部件包括伺服电机、蜗轮蜗杆副及输出转速调节旋钮；所述伺服电机安装在机架上，所述蜗轮蜗杆副的蜗轮与所述调节丝杆同心并被固定在调节丝杆上，所述所述蜗轮蜗杆副的蜗杆的一端与所述伺服电机的电机轴连接；所述输出转速调节旋钮用于控制伺服电机的启停和旋转方向。
优选地，所述主动锥轮、从动锥轮、调节丝杆及输出转速标尺均呈竖向安装在机架上。
优选地，所述主动锥轮和从动锥轮具有相同的小端直径和大端直径。
优选地，所述动力输出机构包括夹头、夹头座、输出锥齿轮副和夹头轴，所述夹头座和机架连接而被固定，所述夹头轴安装在夹头座上，所述夹头和夹头轴连接；所述输出锥齿轮副的一个锥齿轮和夹头轴连接，所述输出锥齿轮副的另一个锥齿轮和输出轴连接。
为实现上述目的，本发明还提供一种前述的锥带式无级变速装置的传动参数的计算方法，所述计算方法包括计算瞬态传动比i及其变化范围，具体为：
瞬态传动比i是：
式(1)中：n1、n2分别为主动锥轮和从动锥轮的转速；D1、D2分别为主动锥轮和从动锥轮的瞬时传动直径；
由于
D1＝d1+2htanα 式(2)；
D2＝d2-2htanα 式(3)；
式(2)和式(3)中：d1、d2分别为主动锥轮的小端直径和从动锥轮的大端直径；h为传动皮带的瞬时位移；α为主动锥轮/从动锥轮锥角之半，用弧度表示；
所以瞬态传动比i是h的函数，有：
设h的变化范围是[0,L]，L为主动锥轮/从动锥轮的高度，则传动比i的变化范围是：
优选地，所述计算方法还包括计算瞬态输出转速n2及其变化范围，具体为：
瞬态输出转速n2也是h的函数，为：
设n1不变，由于h的变化范围是[0,L]，所以瞬态输出转速n2的变化范围是：
优选地，所述计算方法还包括计算瞬态输出扭矩T2及其变化范围，具体为：
设为恒功率传动，则瞬态输出扭矩T2也是h的函数，为：
式(8)中：T1、T2分别为主动锥轮和从动锥轮上的扭矩，
由于h的变化范围是[0,L]，所以输出扭矩T2的变化范围是：
本发明的锥带式无级变速装置，通过设置变速调节机构、推杆指针和输出转速标尺，采用机械式推杆指针在输出转速标尺指示输出转速，便于实时观察输出转速及方便人工调节输出转速；通过采用具有减速省力作用的蜗轮蜗杆副、螺母型皮带轮和调节丝杆丝杆进行传动，使得通过对伺服电机控制进行传动皮带位置调节非常方便，并且机械式推杆指针便于和螺母型皮带轮连接，使得对锥带式无级变速装置实时输出转速的指示简单、直观，这在实际工程应用中非常实用；通过采用本发明实施例中提供的锥带式无级变速装置的传动参数的计算方法，解决推导锥带式无级变速装置中瞬态传动比、瞬态输出转速、瞬态输出扭矩以及它们调节范围的理论计算公式，在锥带式无级变速装置的研制和实际应用中，具有理论指导意义。
附图说明
图1是本发明一种便于调节和指示的锥带式无级变速装置一实施例的总装结构轴侧视图。
图2是图1所示锥带式无级变速装置的参数示意图。
图中元件标号说明：
1、主动锥轮；2、从动锥轮；3、传动皮带；4、螺母型皮带轮；5、调节丝杆；6、伺服电机；7、蜗轮蜗杆副；8、输入轴；9、输入锥齿轮副；10、输入驱动电机；11、机架；12、推杆指针；13、输出转速标尺；14、夹头；15、夹头座；16、输出锥齿轮副；17、输出转速调节旋钮；18、夹头轴；19、输出轴。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1至图2所示为本发明一种便于调节和指示的锥带式无级变速装置的一实施例。锥带式无级变速装置包括主动锥轮1、从动锥轮2、传动皮带3、变速调节机构、输入轴8、机架11、推杆指针12、输出转速标尺13及输出轴19。
所述主动锥轮1和从动锥轮2具有相同的锥角和高度，所述主动锥轮1和从动锥轮2均安装在机架11上，且主动锥轮1和从动锥轮2呈轴线平行、端部平齐、朝反方向放置。
所述输入轴8与所述主动锥轮1连接，用于连接动力源向主动锥轮1输入动力；所述输出轴19与从动锥轮2连接，用于连接动力输出机构并向动力输出机构输出动力。
所述传动皮带3套在主动锥轮1和从动锥轮2上并被张紧。所述变速调节机构与所述传动皮带3连接，用于传动皮带3在主动锥轮1和从动锥轮2上的位置。
所述输出转速标尺13的一端和机架11连接而被固定，所述输出转速标尺13上设有代表输出转速值的刻度；所述推杆指针12的一端与所述变速调节机构连接，在变速调节机构的作用下与传动皮带3同步移动，所述推杆指针12的另一端设有指示针，所述推杆指针12的指示针位于输出转速标尺13的刻度的前方，用于在刻度上指示当前的输出转速值。
在本实施例中，所述动力源包括输入锥齿轮副9和输入驱动电机10，所述输入锥齿轮副9的的一个锥齿轮与所述输入驱动电机10的电机轴连接，所述输入锥齿轮副9的的另一个锥齿轮与所述输入轴8连接。在其它实施例中，动力源还可以采用其它形式动力提供机构。
在本实施例中，所述变速调节机构包括螺母型皮带轮4、调节丝杆5及驱动部件，所述调节丝杆5安装在机架11上并位于所述主动锥轮1和从动锥轮2之间，所述螺母型皮带轮4和调节丝杆5连接，所述传动皮带3卡在螺母型皮带轮4的凹槽内；所述驱动部件与所述调节丝杆5连接，用于驱动调节丝杆5正、反转，以带动螺母型皮带轮4及传动皮带3沿调节丝杆5的轴向前进或后退，调节传动皮带3在主动锥轮1和从动锥轮2上的位置。
在本实施例中，所述主动锥轮1、从动锥轮2、调节丝杆5及输出转速标尺13均呈竖向安装在机架11上，当调节丝杆5转动时，螺母型皮带轮4将向上或向下移动，并带动卡在螺母型皮带轮4的凹槽中的传动皮带3向上或向下移动，以及带动推杆指针12向上或向下移动，这样推杆指针12的指示针就会在输出转速标尺13上指示当前的输出转速值。
所述驱动部件包括伺服电机6、蜗轮蜗杆副7及输出转速调节旋钮17；伺服电机6安装在机架11上，所述蜗轮蜗杆副7的蜗轮与所述调节丝杆5同心并被固定在调节丝杆5上，所述所述蜗轮蜗杆副7的蜗杆的一端与所述伺服电机6的电机轴连接，通过伺服电机6驱动蜗轮蜗杆副7的蜗杆旋转，进而带动蜗轮蜗杆副7的蜗轮及调节丝杆5一起旋转；所述输出转速调节旋钮17用于控制伺服电机6的启停和旋转方向，从而可以调节传动皮带3在主动锥轮1和从动锥轮2上的位置，获得特定的输出特性。
优选地，所述主动锥轮1和从动锥轮2具有相同的小端直径和大端直径，这样可以简化传动参数的计算。
在本实施例中，所述动力输出机构包括夹头14、夹头座15、输出锥齿轮副16和夹头轴18，所述夹头座15和机架11连接而被固定，所述夹头轴18安装在夹头座15上，所述夹头14和夹头轴18连接；所述输出锥齿轮副16的一个锥齿轮和夹头轴18连接，所述输出锥齿轮副16的另一个锥齿轮和输出轴19连接。调节输出转速调节旋钮17，输出轴19的转速将变化，夹头14的转速将相应变化。
本发明的实施例还提供一种前述锥带式无级变速装置的传动参数的计算方法，所述计算方法包括计算瞬态传动比i及其变化范围，具体为：
瞬态传动比i是：
式1中：n1、n2分别为主动锥轮1和从动锥轮2的转速，单位可选用r/min；D1、D2分别为主动锥轮1和从动锥轮2的瞬时传动直径，单位可选用m；
由于
D1＝d1+2htanα 式(2)；
D2＝d2-2htanα 式(3)；
式(2)和式(3)中：d1、d2分别为主动锥轮1的小端直径和从动锥轮2的大端直径，单位选可用m；h为传动皮带3的瞬时位移，单位可选用m；α为主动锥轮1/从动锥轮2锥角之半，用弧度表示，单位可选用rad；
所以瞬态传动比i是h的函数，有：
设h的变化范围是[0,L]，L为主动锥轮1/从动锥轮2的高度，则传动比i的变化范围是：
进一步地，所述计算方法还包括计算瞬态输出转速n2及其变化范围，具体为：
瞬态输出转速n2也是h的函数，为：
设n1不变，由于h的变化范围是[0,L]，所以瞬态输出转速n2的变化范围是：
进一步地，所述计算方法还包括计算瞬态输出扭矩T2及其变化范围，具体为：
设为恒功率传动，则瞬态输出扭矩T2也是h的函数，为：
式(8)中：T1、T2分别为主动锥轮1和从动锥轮2上的扭矩，单位可选用Nm，
由于h的变化范围是[0,L]，所以输出扭矩T2的变化范围是：
本发明实施例的锥带式无级变速装置，通过设置变速调节机构、推杆指针12和输出转速标尺13，采用机械式推杆指针12在输出转速标尺13指示输出转速，便于实时观察输出转速及方便人工调节输出转速。
通过采用具有减速省力作用的蜗轮蜗杆副7、螺母型皮带轮4和调节丝杆丝杆5进行传动，使得通过对伺服电机6控制进行传动皮带3位置调节非常方便，并且机械式推杆指针12便于和螺母型皮带轮4连接，使得对锥带式无级变速装置实时输出转速的指示简单、直观，这在实际工程应用中非常实用。
通过采用本发明实施例中提供的锥带式无级变速装置的传动参数的计算方法，解决推导锥带式无级变速装置中瞬态传动比、瞬态输出转速、瞬态输出扭矩以及它们调节范围的理论计算公式，在锥带式无级变速装置的研制和实际应用中，具有理论指导意义。
以下举例详细说明锥带式无级变速装置在实际应用中的传动参数的计算方法。
应用例参数为：
主动锥轮1和从动锥轮2的小端直径均为d1＝50mm，主动锥轮1和从动锥轮2的大端直径均为d2＝156mm，主动锥轮1和从动锥轮2的高度均为L＝300mm，主动锥轮1和从动锥轮2的锥角之半均为10°，即α＝π/18rad；
输入驱动电机10的转速为2500r/min，扭矩为100Nm，输入锥齿轮副9的传动比为2:1时，则主动锥轮1的输入转速n1＝1250r/min，输入扭矩T1＝200Nm。
根据前述式(4)可求得应用例的瞬态传动比i为：
；
根据前述式(5)可求得应用例瞬态传动比i的变化范围是：
0.3222≤i≤3.12；
根据前述式(6)可求得应用例的瞬态输出转速n2为：
；
根据前述式(7)可求得应用例的瞬态输出转速n2的变化范围是：
400.6r/min≤n2≤3879.1r/min；
根据前述式(8)可求得应用例的瞬态输出扭矩T2为：
；
根据前述式(9)可求得应用例的瞬态输出扭矩T2的变化范围是：
624Nm≤T2≤64.4481Nm；
因此，如果输出锥齿轮副16的传动比为2:1时，则在夹头14上获得应用的转速n3为：
；
夹头14上获得应用的转速n3的变化范围是：
801.2r/min≤n3≤7758.2r/min；
夹头14上获得应用的扭矩T3是：
；
夹头14上获得应用的扭矩T3的变化范围是：
312Nm≤T3≤32.224Nm。
因此，本应用例中，当传动皮带3处于主动锥轮1和从动锥轮2的中间位置时，推杆指针12指示的夹头14上获得的转速为2500r/min，扭矩为100Nm；此时，顺时针调节输出转速调节旋钮17则转速增大，推杆指针12向上移动，逆时针调节输出转速调节旋钮17则转速减小，推杆指针12向下移动。
本发明并不局限于以上实施方式，在上述实施方式公开的技术内容下，还可以进行各种变化。凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种便于调节和指示的锥带式无级变速装置，其特征在于，所述锥带式无级变速装置包括主动锥轮、从动锥轮、传动皮带、变速调节机构、输入轴、机架、推杆指针、输出转速标尺及输出轴；所述主动锥轮和从动锥轮具有相同的锥角和高度，所述主动锥轮和从动锥轮均安装在机架上，且主动锥轮和从动锥轮呈轴线平行、端部平齐、朝反方向放置；所述输入轴与所述主动锥轮连接，用于连接动力源向主动锥轮输入动力；所述输出轴与从动锥轮连接，用于连接动力输出机构并向动力输出机构输出动力；所述传动皮带套在主动锥轮和从动锥轮上并被张紧；所述变速调节机构与所述传动皮带连接，用于传动皮带在主动锥轮和从动锥轮上的位置；所述输出转速标尺的一端和机架连接而被固定，所述输出转速标尺上设有代表输出转速值的刻度；所述推杆指针的一端与所述变速调节机构连接，在变速调节机构的作用下与传动皮带同步移动，所述推杆指针的另一端设有指示针，所述推杆指针的指示针位于输出转速标尺的刻度的前方，用于在刻度上指示当前的输出转速值。
2.如权利要求1所述的锥带式无级变速装置，其特征在于，所述动力源包括输入锥齿轮副和输入驱动电机，所述输入锥齿轮副的的一个锥齿轮与所述输入驱动电机的电机轴连接，所述输入锥齿轮副的的另一个锥齿轮与所述输入轴连接。
3.如权利要求1所述的锥带式无级变速装置，其特征在于，所述变速调节机构包括螺母型皮带轮、调节丝杆及驱动部件，所述调节丝杆安装在机架上并位于所述主动锥轮和从动锥轮之间，所述螺母型皮带轮和调节丝杆连接，所述传动皮带卡在螺母型皮带轮的凹槽内；所述驱动部件与所述调节丝杆连接，用于驱动调节丝杆正、反转，以带动螺母型皮带轮及传动皮带沿调节丝杆的轴向前进或后退，调节传动皮带在主动锥轮和从动锥轮上的位置。
4.如权利要求3所述的锥带式无级变速装置，其特征在于，所述驱动部件包括伺服电机、蜗轮蜗杆副及输出转速调节旋钮；所述伺服电机安装在机架上，所述蜗轮蜗杆副的蜗轮与所述调节丝杆同心并被固定在调节丝杆上，所述所述蜗轮蜗杆副的蜗杆的一端与所述伺服电机的电机轴连接；所述输出转速调节旋钮用于控制伺服电机的启停和旋转方向。
5.如权利要求3所述的锥带式无级变速装置，其特征在于，所述主动锥轮、从动锥轮、调节丝杆及输出转速标尺均呈竖向安装在机架上。
6.如权利要求1所述的锥带式无级变速装置，其特征在于，所述主动锥轮和从动锥轮具有相同的小端直径和大端直径。
7.如权利要求1所述的锥带式无级变速装置，其特征在于，所述动力输出机构包括夹头、夹头座、输出锥齿轮副和夹头轴，所述夹头座和机架连接而被固定，所述夹头轴安装在夹头座上，所述夹头和夹头轴连接；所述输出锥齿轮副的一个锥齿轮和夹头轴连接，所述输出锥齿轮副的另一个锥齿轮和输出轴连接。
8.一种如权利要求1至7项中任意一项所述的锥带式无级变速装置的传动参数的计算方法，其特征在于，所述计算方法包括计算瞬态传动比i及其变化范围，具体为：
瞬态传动比i是：
式(1)中：n1、n2分别为主动锥轮和从动锥轮的转速；D1、D2分别为主动锥轮和从动锥轮的瞬时传动直径；
由于
D1＝d1+2htanα 式(2)；
D2＝d2-2htanα 式(3)；
式(2)和式(3)中：d1、d2分别为主动锥轮的小端直径和从动锥轮的大端直径；h为传动皮带的瞬时位移；α为主动锥轮/从动锥轮锥角之半，用弧度表示；
所以瞬态传动比i是h的函数，有：
设h的变化范围是[0,L]，L为主动锥轮/从动锥轮的高度，则传动比i的变化范围是：
9.如权利要求8所述的计算方法，其特征在于，所述计算方法还包括计算瞬态输出转速n2及其变化范围，具体为：
瞬态输出转速n2也是h的函数，为：
设n1不变，由于h的变化范围是[0,L]，所以瞬态输出转速n2的变化范围是：
10.如权利要求8或9所述的计算方法，其特征在于，所述计算方法还包括计算瞬态输出扭矩T2及其变化范围，具体为：
设为恒功率传动，则瞬态输出扭矩T2也是h的函数，为：
式(8)中：T1、T2分别为主动锥轮和从动锥轮上的扭矩，
由于h的变化范围是[0,L]，所以输出扭矩T2的变化范围是：
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