CN108730469A - 一种无级变速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无级变速器，包括泵和马达，泵选用定排量泵或变排量泵，马达选用定排量马达或变排量马达，且泵和马达中，至少有一个是变排量结构；马达的高压输入口与泵的高压输出口连通，泵的低压输入口与马达的低压输出口连通，泵的内转子为动力输入，泵的外转子为动力输出，泵的外转子与马达的内转子为刚性连接结构或刚性一体化结构。本发明由于泵的外转子所受的旋转力矩与马达的输出力矩叠加输出，所以系统效率和输出转速均得到较大提高，当负载所需的旋转力矩与泵内转子的旋转力矩接近时，该无级变速器的输出转速接近输入转速，无级变速器的效率接近100%。

Description

一种无级变速器

技术领域

本发明涉及机械变速传动领域，具体是一种无级变速器，尤其涉及车辆无级变速器领域。

背景技术

车辆变速器一直在追求更加完美的无级变速器，理想的变速器因能实时、连续地匹配车辆的负载和发动机的动态特性。目前车辆上配备的无级变速器的主要形式为带式(或链式)无级变速器CVT及滚轮转盘式连续无限变速器IVT。带式(或链式)无级变速器CVT的优点是速比连续可调、平顺性好，结构小巧、简单，缺点是制作工艺要求高，难以传递大扭矩；滚轮转盘式连续无级变速器IVT，由圆盘和滚轮组成，结构简单，但圆盘和滚轮之间的摩擦造成的能量损失大、温升高，产品可靠性低。

在工程车辆领域，例如在挖掘机和叉车的液压驱动行走系统中，其行走系统均是由分离的液压泵和液压马达组成，系统结构复杂、成本高、效率低。

在高速工程车领域，其高速受限的主要原因就是液压驱动行走系统中的液压泵和液压马达的分离配合满足不了高速行走的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种由泵和马达组成的无级变速器，通过调整泵的输出排量或马达的腔体容量来实现输入和输出动力之间的连续无级变速，能实现高转速、高效率输出，且具有结构简单、工作可靠等优点。

本发明的技术方案为：

一种无级变速器，包括泵和马达，所述的泵选用定排量泵或变排量泵，所述的马达选用定排量马达或变排量马达，且泵和马达中，至少有一个是变排量结构；所述的马达的高压输入口与泵的高压输出口连通，所述的泵的低压输入口与马达的低压输出口连通，泵的内转子为动力输入，泵的外转子为动力输出，泵的外转子与马达的内转子为刚性连接结构或刚性一体化结构。

所述的刚性连接结构指泵和马达之间直接刚性连接或通过超越离合器进行连接。

所述的泵和马达的工作介质为液体、气体或气液混合体。

当所述的泵选用定排量叶片泵、马达选用变排量叶片马达，且定排量叶片泵设置于变排量叶片马达的内圈时，其定排量叶片泵的外转子与变排量叶片马达的内转子为一体式连接结构从而形成公共转子，变排量叶片马达的定子在偏心调整机构的作用下沿径向移动，从而改变变排量马达的进液量。

当所述的泵选用定排量泵、马达选用变排量马达，且定排量泵与变排量马达之间为轴向布置时，定排量泵与变排量马达之间通过花键结构进行刚性连接，变排量马达的高压输入口与定排量泵的高压输出口通过高压通道连通，定排量泵的低压输入口与变排量马达的低压输出口通过低压通道连通。

本发明的优点：

1、本发明具有连续无级变速，速比范围宽的优点；

2、本发明的无级变速效率高，当泵的内转子与泵的外转子同步时，效率接近100％；

3、本发明用于车辆上时，可省去液力耦合器或离合器，降低成本；

4、本发明能实现高转速输出，即实现输出转速与输入转速的同步；

5、本发明通过液体、气体或气液混合的压力推断输入和输出扭矩，能实现变速比的精准控制，能更方便地实现各种控制策略；

6、本发明可实现倒档操控：变换泵与马达的高低压口即改变输出的旋转方向；

7、本发明速度变化敏捷，即改变排量即改变速比；

8、本发明的主要部件泵和马达均是传统的成熟技术，可靠性高。

附图说明

图1是由定排量泵和变排量马达组成的无极变速器的原理结构图。

图2是本发明各参数与无极变速器效率η之间的全图，其中，“---”表示泵的排量V1与无极变速器效率η之间的线性变化曲线，“------”表示马达的排量V2与无极变速器效率η之间的线性变化曲线，“··············”表示泵内转子的转速n1与无极变速器效率η之间的线性变化曲线，“···························”表示泵外转子的转速n1与无极变速器效率η之间的线性变化曲线，“-…-…-…-”表示泵的效率η1与无极变速器效率η之间的线性变化曲线，“-…-”表示马达的效率η2与无极变速器效率η之间的线性变化曲线，表示液压变速系统的效率η3与无极变速器效率η之间的线性变化曲线。

图3是本发明实施例1的径向剖面结构示意图。

图4是本发明实施例2的泵和马达的油路连接图。

图5是本发明实施例2的轴向剖面结构示意图。

图6是本发明实施例3的原理结构图。

图7是本发明实施例4的原理结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

原理说明：

(1)、结构原理：

见图1，一种无级变速器，包括定排量泵1和变排量马达2，11为定排量泵1的内转子，12为变排量马达2的外转子，21为变排量马达2的内转子，22为变排量马达2的定子，定排量泵1的外转子(A点)与变排量马达2的内转子(B点)刚性连接或一体化刚性结构；设定泵和马达的工作介质为油介质，定排量泵1内转子11的动力方向为顺时针方向，变排量马达2的高压油作用于其内转子21的作用力方向为顺时针方向。

(2)、扭矩和速比变换推演：

假设定排量泵1的内转子11相对于其外转子12旋转1周的液体排量为V1，变排量马达2的内转子21相对于其定子22旋转一周的进液量为V2,定排量泵1的内转子12相对于定子22的转速为n1，定排量泵1的外转子12及变排量马达2的内转子21相对于定子22的转速为n2。根据闭合回路的流量相等原则，有：

V2*n2＝(n1-n2)*V1，

n1/n2＝1+V2/V1 (1)，

假设定排量泵1的输入功率为P0，定排量泵1作用于其外转子22的功率为P1，变排量马达2的功率为P2，定排量泵1的旋转力矩为T0，变排量马达2的旋转力矩为T1，根据转矩、功率公式有：

P0＝T0*n1/9550，

P1＝T0*n2/9550，

P2＝T1*n2/9550 (2)，

由于定排量泵1的外转子12的旋转功率P1和变排量马达2的内转子12的旋转功率P2均来自于定排量泵1的输入功率P0，则：

P0＝P1+P2 (3)，

设定排量泵1的外转子12上形成的旋转力矩即输出扭矩为T2，则：

T2＝T0+T1 (4)，

根据公式(1)、(2)、(3)、(4)推导出：

T2/T0＝1+V2/V1 (5)，

(3)、扭矩放大和变速的分析与说明：

由公式(5)和公式(1)可以看出，当定排量泵1的排量V1固定，输出扭矩T2和输出转速n2随变排量马达2的排量V2的变化而线性变化。

当变排量马达2连续改变其进液量即排量V2时，即连续改变了输入和输出转速比n1/n2，同时连续改变了输出力矩和输入力矩比T2/T0。

(4)、高效率输出的分析与说明：

从一般的工程概念中得知，当变排量马达2的排量趋于零时，变排量马达2的效率急剧下降，而此时定排量泵1的内转子11和外转子12近似同步，定排量泵1的效率接近100％，具体见图2。

实施例1

见图3，一种无级变速器，包括有定排量泵1和变排量马达2，定排量泵1选用双叶片固定排量泵，变排量马达2选用单叶片变排量马达，双叶片固定排量泵主要由内转子11、公共转子14和腔体13组成，双叶片固定排量泵1的圆心相对于壳体32的位置固定不变；单叶片变排量马达主要由公共转子14、定子22和腔体29组成，单叶片变排量马达的定子22能够在偏心调整机构3的作用下沿径向移动，从而改变单叶片变排量马达的进液量即排量V2。双叶片固定排量泵的内转子11为动力输入，公共转子14为动力输出。双叶片固定排量泵的低压腔16与单叶片变排量马达的低压腔24连通，双叶片固定排量泵的高压腔15与单叶片变排量马达2的高压腔23连通，双叶片固定排量泵的内转子11顺时针旋转。

当双叶片固定排量泵的内转子11相对于公共转子14顺时针旋转时，在其高压腔15内形成高压油，这个高压油被传输到单叶片变排量马达的高压腔23内，高压腔体23内的高压油推动公共转子14相对于壳体32顺时针旋转。单叶片变排量马达旋转时低压腔24排出的低压油补充到双叶片固定排量泵的低压腔16内。

本实施例中双叶片固定排量泵和单叶片变排量马达的作用机理及变速机理与原理说明相同。

实施例2

见图4和图5，一种无级变速器，包括有定排量泵1和变排量马达2，定排量泵1选用双叶片定量液体泵，变排量马达2选用单作用变量叶片马达，双叶片定量液体泵和单作用变量叶片马达为轴向布局结构，3为偏心调整机构，18为双叶片定量液体泵的低压入口，19为双叶片定量液体泵的高压出口，25为马达的高压液体输入口，26为马达的低压液体输出口，12为双叶片定量液体泵的外转子，21为单作用变量叶片马达的内转子，27为马达与泵的连接花键套，17为泵与马达的连接花键轴，37为高压旋转密封圈，38为壳体32的高压通道，39为壳体32的低压通道，41为动力输入轴，42为动力输出轴。

由图5可以看出，双叶片定量液体泵和单作用变量叶片马达之间为轴向布置，它们之间通过连接花键轴17和连接花键套27刚性连接，双叶片定量液体泵的高压出口19通过高压旋转密封圈37连接到高压通道38的一端，单作用变量叶片马达的高压液体输入口25与高压通道38的另一端连通，双叶片定量液体泵的低压入口18通过低压通道39与双叶片定量液体泵的低压液体输出口26连通。

本实施例中双叶片定量液体泵和单作用变量叶片马达的作用机理及变速原理与原理说明相同。

实施例3

见图6，一种无级变速器，包括变排量泵5和变排量马达2，变排量泵5的外转子(A点)与变排量马达2的内转子(B点)刚性连接，51为变排量泵的内转子，52为变排量泵的外转子，21为变排量马达的内转子，22为变排量马达的定子，变排量马达的定子22与外壳连接，变速器的动力输入加到变排量泵5的内转子51上，变排量泵5的外转子52输出动力。

设定变排量泵的内转子51的动力方向为顺时针方向，变排量马达2输入的高压油作用于其内转子21的作用力方向为顺时针方向。

假设变排量泵5的内转子51相对于其外转子52旋转1周的液体排量为V1，变排量马达2的内转子21相对于其定子22即外壳旋转一周的进液量为V2,变排量泵5的内转子51相对于变排量马达2外壳的转速为n1，变排量泵5的外转子52相对于变排量马达2外壳的转速为n2，变排量泵5的内转子51的输入力矩为T0，变排量泵5的外转子52的旋转力矩为T2，由原理说明可知：

n1/n2＝T2/T0＝1+V2/V1 (6)，

由于V1和V2均可变，所以可以形成更大的速比调节范围。

本实施例中变排量泵5和变排量马达2的作用机理及变速原理与原理说明相同。

实施例4

见图7，一种无级变速器，包括定排量泵1和变排量马达2，定排量泵1的外转子(A点)与变排量马达2的内转子(B点)刚性连接，11为定排量泵1的内转子，12为定排量泵1的外转子，21为变排量马达2的内转子，22为变排量马达2的定子，44为超越离合器，43为截止阀，变排量马达2的定子与外壳连接，变速器的动力输入加到定排量泵1的内转子11上，定排量泵1的外转子12输出变速器的动力。

设定定排量泵1内转子11的动力方向为顺时针方向，变排量马达2输入的高压油作用于其内转子21的作用力方向为顺时针方向。

假设定排量泵1的内转子11相对于其外转子12旋转1周的液体排量为V1，变排量马达2的内转子21相对于变排量马达2的定子即外壳旋转一周的进液量为V2,定排量泵1的内转子12相对于变排量马达2外壳的转速为n1，定排量泵1的外转子12相对于变排量马达2外壳的转速为n2，定排量泵1的内转子11的输入力矩为T0，定排量泵1的外转子12的输出力矩为T2，由原理说明可知：

n1/n2＝T2/T0＝1+V2/V1 (6)，

当变排量泵1外转子12的旋转力矩T2接近T0时，V2的排量值也接近于零，为提高变速器的效率，关断截止阀43，此时变排量马达2的工作腔体内没有高压液体，变排量马达2也没有旋转需要的动力，此时超越离合器44使定排量泵1的外转子12在旋转过程中自动脱掉变排量马达2的内转子21，此时的变速器就是一个定排量泵1，定排量泵1的内转子11相对于其外转子12的转速就是定排量泵1漏液产生的内转子11相对于其外转子12之间的滑差转速值，内转子的转速n1与外转子的转速n2接近相等，所以此时的变速器的效率接近100％。

本实施例中定排量泵1和变排量马达2的作用机理及变速原理与原理说明相同。

Claims (5)

1.一种无级变速器，其特征在于：包括泵和马达，所述的泵选用定排量泵或变排量泵，所述的马达选用定排量马达或变排量马达，且泵和马达中，至少有一个是变排量结构；所述的马达的高压输入口与泵的高压输出口连通，所述的泵的低压输入口与马达的低压输出口连通，泵的内转子为动力输入，泵的外转子为动力输出，泵的外转子与马达的内转子为刚性连接结构或刚性一体化结构。

2.根据权利要求1所述的一种无级变速器，其特征为：所述的刚性连接结构指泵和马达之间直接刚性连接或通过超越离合器进行连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种无级变速器，其特征为：所述的泵和马达的工作介质为液体、气体或气液混合体。

4.根据权利要求1所述的一种无级变速器，其特征为：当所述的泵选用定排量叶片泵、马达选用变排量叶片马达，且定排量叶片泵设置于变排量叶片马达的内圈时，其定排量叶片泵的外转子与变排量叶片马达的内转子为一体式连接结构从而形成公共转子，变排量叶片马达的定子在偏心调整机构的作用下沿径向移动，从而改变变排量马达的进液量。

5.根据权利要求1所述的一种无级变速器，其特征为：当所述的泵选用定排量泵、马达选用变排量马达，且定排量泵与变排量马达之间为轴向布置时，定排量泵与变排量马达之间通过花键结构进行刚性连接，变排量马达的高压输入口与定排量泵的高压输出口通过高压通道连通，定排量泵的低压输入口与变排量马达的低压输出口通过低压通道连通。