CN109488736A - 一种无级变速器 - Google Patents

Abstract

本发明属于变速器技术领域，公开了一种无级变速器，包括动力输入轴和动力输出轴，还包括：离合装置，包括离合块和摩擦盘，所述离合块和所述摩擦盘之间形成有间隙H，所述动力输入轴和所述动力输出轴中的一个连接于所述离合块，另一个连接于储能缓冲装置，储能缓冲装置与摩擦盘相连接；致动器，用于驱动所述离合块与所述摩擦盘贴合和分离；控制器，电连接于所述致动器。本发明的无级变速器具有结构简单、体积小、重量轻、成本低的特点。而且通过致动器驱动离合块与摩擦盘进行贴合或分离动作，能够实现变速比(即动力输出轴转速与动力输入轴转速之比)从0至1之间的无限级数调节，省去额外的液力耦合器，起步能量损失小、效率高。

Description

一种无级变速器

技术领域

本发明涉及变速器技术领域，尤其涉及一种无级变速器。

背景技术

变速器是用来改变来自动力装置(包括发动机、电动机)的转速和转矩的机构，又称变速箱。通常，变速器由变速传动机构和操纵机构组成，现有变速器按其传动机构原理，划分为以下两种形式：

1)齿轮传动式变速器。典型代表有手动变速器MT、自动变速器AT和AMT、双离合变速器DCT。齿轮传动式变速器传动机构比较简单，但其变速比挡位是有限的(即有级变速)，而且应用于自动挡位切换变速(即自动变速)时，其操纵机构非常复杂、尺寸大、重量重、成本高昂。

2)摩擦传动式变速器。典型代表有钢带式CVT。摩擦传动式变速器虽然可在一定变速比范围内实现无级变速，但受其摩擦面积和承压结构限制，存在传递力矩小、容易打滑、传动效率低、控制机构复杂、尺寸大、重量重、成本高昂等不足。

此外，以上两种形式的变速器，其变速传动机构都存在最小传动比物理极限(传动比定义为动力输出轴转速除以动力输入轴转速之比值)。在汽车起步(即变速比从0逐渐增加到该最小传动比的过程)以及换挡过程中，都需要通过额外的液力耦合器来实现，存在起步能量损失大、效率低的缺陷，还大大增加了变速器结构复杂性和成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无级变速器，以解决现有变速器结构复杂、尺寸大、成本低的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种无级变速器，包括动力输入轴和动力输出轴，还包括：

离合装置，包括离合块和摩擦盘，所述离合块和所述摩擦盘之间形成有间隙H，所述动力输入轴和所述动力输出轴中的一个连接于所述离合块，另一个连接于储能缓冲装置，所述储能缓冲装置与所述摩擦盘相连接；

致动器，用于驱动所述离合块与所述摩擦盘贴合和分离；

控制器，电连接于所述致动器。

作为优选，所述致动器为压电陶瓷致动器。

作为优选，所述储能缓冲装置包括缓冲盘和若干缓冲弹簧，所述缓冲盘周向套设于所述摩擦盘外，且所述缓冲盘周向开设有第一安装孔，所述摩擦盘周向对应开设有第二安装孔，所述缓冲弹簧置于相对设置的所述第一安装孔和所述第二安装孔内。

作为优选，所述摩擦盘和所述缓冲弹簧的旋转惯量总和小于所述动力输入轴的输入转动惯量和所述动力输出轴的输出转动惯量。

作为优选，还包括单向离合装置，所述单向离合装置位于所述摩擦盘处，用于限制所述摩擦盘逆向转动。

作为优选，还包括转速传感器，用于检测所述动力输入轴、所述摩擦盘以及所述动力输出轴的转速。

作为优选，所述转速传感器设置于所述动力输入轴上，并随所述动力输入轴同步转动。

作为优选，还包括配套设置的无线传输定圈和无线传输动圈，所述无线传输动圈电连接于所述控制器。

作为优选，所述离合块和所述摩擦盘相对的端面均为平面或圆周面。

作为优选，所述离合块和所述摩擦盘相对的端面为锥形面，且所述离合块和所述摩擦盘之间设有间隙调节装置，所述间隙调节装置能调节所述离合块和所述摩擦盘之间的间隙。

本发明的有益效果：

本发明的无级变速器能够免去齿轮传动或摩擦传动钢带，以及其附属的复杂的操纵机构，具有结构简单、体积小、重量轻、成本低的特点。而且通过致动器驱动离合块与摩擦盘进行贴合或分离动作，能够实现变速比(即动力输出轴转速与动力输入轴转速之比)从0至1之间的无限级数调节，省去额外的液力耦合器，起步能量损失小、效率高。

附图说明

图1是本发明实施例一所述的无级变速器的结构示意图；

图2是本发明实施例一所述的无级变速器的储能缓冲装置与摩擦盘的装配示意图；

图3是本发明实施例一所述的缓冲盘的结构示意图；

图4是本发明实施例一所述的摩擦盘的结构示意图；

图5是本发明实施例二所述的无级变速器的结构示意图；

图6是本发明实施例二所述的无级变速器的储能缓冲装置与摩擦盘的装配示意图；

图7是本发明实施例三所述的无级变速器的结构示意图；

图8是本发明实施例三所述的无级变速器的储能缓冲装置与摩擦盘的装配示意图。

图中：

1、动力输入轴；2、动力输出轴；3、离合装置；31、离合块；32、摩擦盘；321、第二安装孔；4、致动器；41、致动器芯轴；5、控制器；6、储能缓冲装置；61、缓冲盘；62、缓冲弹簧；611、第一安装孔；7、单向离合装置；8、转速传感器；9、信号轮；10、无线传输定圈；20、无线传输动圈；30、间隙调节装置；40、壳体；。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述，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。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例一

本实施例提供一种无级变速器，如图1所示，该无级变速器包括壳体40以及均置于壳体40内的动力输入轴1、动力输出轴2、离合装置3、致动器4、控制器5以及储能缓冲装置6，其中：

上述离合装置3包括离合块31和摩擦盘32，该离合块31与摩擦盘32均为圆筒状结构，且离合块31与摩擦盘32相对的端面均为圆周面，在离合块31和摩擦盘32相对的两个端面之间形成有间隙H，该间隙H的值优选为0.005mm-0.5mm。

本实施例中，上述动力输入轴1连接于离合块31，此时摩擦盘32连接于储能缓冲装置6，该储能缓冲装置6则连接于动力输出轴2。在离合块31的内侧设有致动器4，该致动器4能够驱动离合块31贴合摩擦盘32(即使离合装置3处于闭合状态)，或者驱动离合块31与摩擦盘32分离(即使离合装置3处于分离状态)。当离合块31贴合摩擦盘32时，动力输入轴1的转动带动离合块31转动，离合块31则带动摩擦盘32转动，摩擦盘32带动储能缓冲装置6转动，储能缓冲装置6最终带动动力输出轴2转动。

可以理解的是，本实施例的无级变速器还可以是动力输出轴2连接于离合块31，而动力输入轴1与储能缓冲装置6连接，此时动力输入轴1带动储能缓冲装置6转动，储能缓冲装置6则带动摩擦盘32转动，在致动器4的作用下，摩擦盘32与离合块31贴合，则摩擦盘32会带动离合块31转动，离合块31最终带动动力输出轴2转动。

上述致动器4电连接于控制器5，通过控制器5，能够控制致动器4动作。本实施例中，上述致动器4选用为压电陶瓷致动器，该压电陶瓷致动器套设在致动器芯轴41上，上述致动器芯轴41可以直接固定于壳体40。上述压电陶瓷致动器的两个端面分别为正电极和负电极，且该压电陶瓷致动器的正、负电极均连接于控制器5。通过控制器5，能够根据外部控制指令和输入的感应信号，按一定逻辑计算后，向压电陶瓷致动器的正、负电极输出PWM脉宽调制电信号，此时会在压电陶瓷致动器的正、负电极上施加一定电场，通过该电场作用，压电陶瓷致动器会产生径向位移，其孔内径受致动器芯轴41的制约，因此径向位移会推动离合块31产生弹性变形向外扩张，外径变大，直至消除离合块31与摩擦盘32之间的间隙H，此时致动器4使得离合块31与摩擦盘32的滑动结合面上产生一定压力，该压力产生摩擦力能够是离合块31与摩擦盘32结合为一体，此时离合装置3呈“闭合”状态，离合块31和摩擦盘32两者在动力输入轴1的带动下同步转动。

当压电陶瓷致动器的正、负电极上的电场消失时，压电陶瓷致动器在离合块31自身的弹性力作用下恢复原状，离合块31和摩擦盘32之间的间隙H得以恢复，此时离合装置3恢复为“分离”状态。

本实施例的上述压电陶瓷致动器利用了压电材料的“逆压电效应”(逆压电效应，是指对晶体施加一定的电场引起晶体机械变形的现象)。加电时，压电陶瓷可产生微小变形和巨大机械力，失电时尺寸即恢复，具有“加电后伸长(或轴变粗)、失电后复原”的特性，而且压电陶瓷致动器正好具有合适的行程、力量和高速变化的能力。此外，压电陶瓷致动器没有机械部件，其惯量特别低，可以满足100Hz以上的高速动作。

需要说明的是，本实施例中，上述致动器芯轴41与压电陶瓷致动器之间是相对转动的，也就是说致动器芯轴41的表面光滑，使得压电陶瓷致动器在径向扩张的前提下，还可以相对致动器芯轴41转动，进而能确保动力输入轴1带动离合块31、摩擦盘32以及压电陶瓷致动器一起转动。

需要说明的是，本实施例中，优选压电陶瓷致动器为圆环形结构，但是并非仅限于一体的结构，其也可以是多块压电陶瓷致动器周向衔接而成，还可以是其他能够实现离合块31和摩擦盘32的贴合的结构。

上述储能缓冲装置6包括缓冲盘61和若干缓冲弹簧62，其中缓冲盘61固定于动力输出轴2，且缓冲盘61与摩擦盘32同轴心设置，且摩擦盘32置于缓冲盘61内，即缓冲盘61沿径向开设有凹槽，并通过该凹槽周向套设在摩擦盘32外。如图2-4所示，在缓冲盘61的周向开设有与缓冲弹簧62数量相同的第一安装孔611，同时摩擦盘32周向开设有若干第二安装孔321，每个第一安装孔611均对应一个第二安装孔321以及一个缓冲弹簧62设置。上述缓冲弹簧62沿切向安装在第一安装孔611和第二安装孔321内，且两端同时与缓冲盘61以及摩擦盘32接触，当摩擦盘32转动时，缓冲弹簧62的设置，能够使摩擦盘32和缓冲盘61保持同步旋转的趋势，而且在摩擦盘32和缓冲盘61相位不同步时，缓冲弹簧62在第一安装孔611和第二安装孔321内被压缩，并最终使得摩擦盘32和缓冲盘61保持同步转动。

本实施例中，在摩擦盘32处设置有单向离合装置7，该单向离合装置7用于限制摩擦盘32逆向转动，使得摩擦盘32始终保持与动力输入轴1相同的旋转方向。而且在离合块31与摩擦盘32分离时，摩擦盘32不会在缓冲弹簧62的弹力作用下回转。上述单向离合装置7为现有技术中常见的结构，其可以为机械式，也可以为电控式，具体结构不再赘述。

在离合块31贴合摩擦盘32时，摩擦盘32的速度与动力输入轴1相同；离合块31与摩擦盘32分离时，摩擦盘32速度为0(受单向离合装置7的约束)或与动力输出轴2相同。上述离合装置3具有高速离合的特点，变速时每秒钟离合次数可大于100次以上。且离合装置3每一次离合状态切换，摩擦盘32便产生一次转速切换。

本实施例中，变速器的输入转动惯量包括动力输入轴1及与其刚性连接的所有部件(包括前置部件，例如发动机曲轴、飞轮等)合成的旋转惯量总和；变速器的输出转动惯量包括动力输出轴2及与其刚性连接的所有部件(包括后置部件，例如传动轴、差速器大齿轮等)合成的旋转惯量总和。摩擦盘32和缓冲弹簧62合成的旋转惯量总和，即缓冲转动惯量，远远小于变速器的输入转动惯量和输出转动惯量。且更优选的，缓冲转动惯量小于动力输入轴1的输入转动惯量和动力输出轴2的输出转动惯量。

本实施例中，为了更好的提高输入转动惯量和输出转动惯量、降低缓冲转动惯量，还可以采用在动力输入轴1和动力输出轴2上增加飞轮、摩擦盘32使用高强度高模量非金属材料(如碳纤维等)、减小摩擦盘32和缓冲弹簧62的旋转半径等方式来实现。

本实施例的无级变速器在高速转动过程中，在差异化的旋转惯量作用下，动力输入轴1和动力输出轴2基本保持其动态稳速转动，而摩擦盘32则做高速脉动步进式旋转，而且在缓冲弹簧62的缓冲之下，动力输出轴2获得的转速等于摩擦盘32的动态平均转速。

当离合装置3闭合，也就是离合块31与摩擦盘32贴合时，动能通过输入转动惯量向缓冲弹簧62转移，缓冲弹簧62再向动力输出轴2输出，在输出转动惯量的滤波作用下，最终获得动态稳定的转速和扭矩输出。需要说明的是，动力输出轴2的输出转速，由摩擦盘32的动态平均转速决定，平均转速越高，输出转速越高。动力输出轴2的输出扭矩，由缓冲弹簧62的动态压缩量决定，压缩量越大，输出扭矩越高。

本实施例中，进一步的，在动力输入轴1上设有无线传输动圈20，与之相对应地，在壳体40上设置有无线传输定圈10。控制器5与无线传输动圈20电连接，通过无线传输动圈20和无线传输定圈10的无线耦合，获得外部电源无线输送、接收外部控制指令和完成双向无线即时通讯。

可以理解的是，也可以通过碳刷导电滑环来代替无线传输动圈20和无线传输定圈10，其可以将外部不转的电信号传递到内部旋转的压电陶瓷致动器的电极上。

本实施例中，还包括一组转速传感器8，其中一个转速传感器8固设于动力输入轴1上并随其同步转动，壳体40在对应该转速传感器8的位置设有信号轮9，通过该转速传感器8，能够检测到动力输入轴1的转速。还有两个转速传感器8固设于致动器芯轴41上，且分别在摩擦盘32以及动力输出轴2上设有与上述两个转速传感器8对应的信号轮9。通过上述两个转速传感器8，能够分别检测摩擦盘32以及动力输出轴2的转速。

本实施例中，上述控制器5可以设置为与动力输入轴1固定并随动力输入轴1转动的形式，也可以集成在外部的变速器电控单元里，并与压电陶瓷致动器的电路连接。

本实施例的上述无级变速器在使用时，首先控制器5根据外部控制指令和输入的感应信号，按一定逻辑计算后，向压电陶瓷致动器的正、负电极输出PWM脉宽调制电信号，使得压电陶瓷致动器向外扩张，进而将离合块31贴合摩擦盘32，此时动力输入轴1能够带动离合块31以及摩擦盘32转动，摩擦盘32则通过储能缓冲装置6带动动力输出轴2转动。通过控制离合装置3的分离、闭合状态，能够改变摩擦盘32的脉动频率、相位和占空比，进而实现变速比(动力输出轴2的转速除以动力输入轴1的转速)从0至1之间的无限级数调节，可直接从0速起步，起步能量损失小、效率高。

实施例二

本实施例提供的无级变速器与实施例一的区别在于：本实施例中的离合块31和摩擦盘32相对的端面为平面。可参照图5和图6，本实施例的摩擦盘32周向开设凹槽，离合块31嵌设于凹槽内，且与摩擦盘32两侧面均具有间隙H。压电陶瓷致动器则置于离合块31周向开设的槽内，且当压电陶瓷致动器处于电场作用下时，其会沿轴向向两侧扩张，进而将离合块31贴合于摩擦盘32，随后实现动力输出轴2的转动。

本实施例中，缓冲盘61是沿轴向套设在摩擦盘32外的，同样在缓冲盘61上开设第二安装孔321，在摩擦盘32上开设第一安装孔611。

本实施例的无级变速器的其余结构与实施例一均相同，不再赘述。

实施例三

本实施例的无级变速器与实施例一的区别在于：如图7和图8所示，本实施例的离合块31和摩擦盘32相对的端面为锥形面，且在离合块31和摩擦盘32之间设有间隙调节装置30，该间隙调节装置30能调节离合块31和摩擦盘32之间的间隙。具体的，该间隙调节装置30为现有技术常见的调节结构，其只需满足能够调整摩擦盘32的位置，使得摩擦盘32与离合块31之间的间隙H的大小被调整即可。例如其可以是由电机或液压机构驱动的调节杆，通过电机或液压机构驱动调节杆轴向移动，进而推动摩擦盘32相对离合块31作轴向移动，从而带动摩擦盘32上的锥形面与离合块31上相对应的锥形面之间的间隙H变大或变小。

通过调整间隙H的大小，可以弥补结合面磨损带来的离合间隙的扩大，保证了离合装置3的稳定运行。

此外，在本实施例中，在壳体40上设有三个转速传感器8，相应的，在动力输入轴1、摩擦盘32、动力输出轴2上设置信号轮9，进而能够实现对动力输入轴1、摩擦盘32、动力输出轴2的转速检测。

本实施例的无级变速器的其余结构与实施例一均相同，不再赘述。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无级变速器，包括动力输入轴(1)和动力输出轴(2)，其特征在于，还包括：

离合装置(3)，包括离合块(31)和摩擦盘(32)，所述离合块(31)和所述摩擦盘(32)之间形成有间隙H，所述动力输入轴(1)和所述动力输出轴(2)中的一个连接于所述离合块(31)，另一个连接于储能缓冲装置(6)，所述储能缓冲装置(6)与所述摩擦盘(32)相连接；

致动器(4)，用于驱动所述离合块(31)与所述摩擦盘(32)贴合和分离；

控制器(5)，电连接于所述致动器(4)。

2.根据权利要求1所述的无级变速器，其特征在于，所述致动器(4)为压电陶瓷致动器。

3.根据权利要求1所述的无级变速器，其特征在于，所述储能缓冲装置(6)包括缓冲盘(61)和若干缓冲弹簧(62)，所述缓冲盘(61)周向套设于所述摩擦盘(32)外，且所述缓冲盘(61)周向开设有第一安装孔(611)，所述摩擦盘(32)周向对应开设有第二安装孔(321)，所述缓冲弹簧(62)置于相对设置的所述第一安装孔(611)和所述第二安装孔(321)内。

4.根据权利要求3所述的无级变速器，其特征在于，所述摩擦盘(32)和所述缓冲弹簧(62)的旋转惯量总和小于所述动力输入轴(1)的输入转动惯量和所述动力输出轴(2)的输出转动惯量。

5.根据权利要求1所述的无级变速器，其特征在于，还包括单向离合装置(7)，所述单向离合装置(7)位于所述摩擦盘(32)处，用于限制所述摩擦盘(32)逆向转动。

6.根据权利要求1所述的无级变速器，其特征在于，还包括转速传感器(8)，用于检测所述动力输入轴(1)、所述摩擦盘(32)以及所述动力输出轴(2)的转速。

7.根据权利要求6所述的无级变速器，其特征在于，所述转速传感器(8)设置于所述动力输入轴(1)上，并随所述动力输入轴(1)同步转动。

8.根据权利要求1所述的无级变速器，其特征在于，还包括配套设置的无线传输定圈(10)和无线传输动圈(20)，所述无线传输动圈(20)电连接于所述控制器(5)。

9.根据权利要求1所述的无级变速器，其特征在于，所述离合块(31)和所述摩擦盘(32)相对的端面均为平面或圆周面。

10.根据权利要求1所述的无级变速器，其特征在于，所述离合块(31)和所述摩擦盘(32)相对的端面为锥形面，且所述离合块(31)和所述摩擦盘(32)之间设有间隙调节装置(30)，所述间隙调节装置(30)能调节所述离合块(31)和所述摩擦盘(32)之间的间隙。