CN109630641A - 一种无级变速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无级变速器，涉及变速器技术领域，包括安装于机架内的行星轮系、差速器、变速传动机构；行星轮系包括齿圈、第一太阳齿轮、第一行星齿轮，齿圈的外齿通过齿轮连接有第一传动轴，第一太阳齿轮同轴固接有第二传动轴；差速器的第二太阳齿轮同轴固接于第二传动轴上，差速器的第三太阳齿轮与齿圈同轴固接；变速传动机构的传动轮的轴孔内滑动套接有滑动轴，滑动轴的一端安装有驱使滑动轴滑动与锁止的调节机构，滑动轴的另一端通过等速万向节与第一行星齿轮连接；综上所述，本发明解决了现有技术中变速器传动效率低、热损耗大的技术问题，本发明传动效率高，摩擦损耗小，使用方便、调速范围大、负载能力强。

Description

一种无级变速器

技术领域

本发明涉及变速器技术领域，特别涉及一种无级变速器。

背景技术

变速器主要有级式变速器和无级式变速器两类。有级式变速器具有若干个定值传动比，该类型变速器具有效率高、构造简单、使用方便等优点，但档数少，变速范围小，在换挡过程中有明显的顿挫感；常用的无级变速器其传动比可在一定范围内连续改变，从而实现传动系与发动机工况的最佳匹配。无级变速器按传动方式分为液体传动、电力传动和机械传动三种方式。液体传动具有调速范围大，可吸收冲击和防止过载，传动效率高，寿命长，易于实现自动化，但其制造精度高，价格贵，滑动率较大且运转时容易发生漏油。电力传动具有调速性能好，范围大，效率高，可自动控制，体积小，适用功率范围宽，但在降速段位恒转矩，低速时效率低且运转不够平稳，价格高。

机械式无级变速器具有转速稳定，滑动率小，工作可靠，具有恒功率机械特性，但承载能力较低，抗过载及耐冲击性较差，一般适用于中、小功率传动，目前常用机械式无级变速器主要以摩擦力作为传递动力，采用此种传递方式具有传动效率低、热损耗大等缺点。以常用的CVT无级变速器为例，CVT的动力传递会因“打滑”而减低效率，因通过摩擦力传递动力导致效率低，CVT传动效率一般在80％左右。

发明内容

针对以上缺陷，本发明的目的是提供一种无级变速器，旨在解决变速器传动效率低、热损耗大的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种无级变速器，包括机架，机架内安装有行星轮系、差速器、变速传动机构；行星轮系包括齿圈、第一太阳齿轮、第一行星齿轮，齿圈的外圈壁上设有外齿，外齿通过齿轮连接有第一传动轴，第一太阳齿轮同轴固接有第二传动轴；差速器包括第二太阳齿轮与第三太阳齿轮，第二太阳齿轮同轴固接于第二传动轴上，第三太阳齿轮与齿圈同轴固接；变速传动机构包括转动安装在机架上且与第二传动轴同轴设置的传动轮，传动轮的轴孔内滑动套接有滑动轴，滑动轴与传动轮的配合处设有用于滑动轴与传动轮同步转动的防转结构；滑动轴的一端安装有驱使滑动轴滑动与锁止的调节机构，滑动轴的另一端通过等速万向节与第一行星齿轮连接；机架上安装有第三传动轴，第三传动轴分别与差速器的侧面锥形齿轮以及传动轮齿轮传动或/和同步带传动或/和链传动连接。

其中，第三传动轴与第二传动轴垂直设置。

其中，机架上转动安装有均与第三传动轴平行设置且齿轮传动连接的第四传动轴与第五传动轴，第四传动轴上同轴安装有与差速器的侧面锥形齿轮相啮合的第一锥齿轮，第五传动轴上同轴安装有与传动轮相啮合的第二锥齿轮。

其中，调节机构包括梯形丝杠与推拉件，滑动轴的端部以轴向限位的方式转动安装在推拉件的一侧板上，推拉件的另一侧板螺接在梯形丝杠上。

其中，防转结构包括设于滑动轴的轴壁上且沿着轴向延伸的第一滑块，传动轮的轴孔内设有与滑块滑动配合的第一滑槽。

其中，滑动轴的端部、第一行星齿轮的端面上均设有球形槽，等速万向节包括伸缩轴，伸缩轴的两端设有分别套设于球形槽内的球形端，球形端上沿着经线方向设有内滚道，球形槽槽壁上设有与内滚道对应的外滚道，内滚道与外滚道之间设有滚动体。

其中，伸缩轴包括第一联接轴与第二联接轴，第一联接轴内设有滑孔，第二联接轴滑动插装在第一联接轴内，第二联接轴的轴壁上设有沿着轴向延伸的第二滑块，滑孔内设有与滑块滑动配合的第二滑槽。

其中，第一传动轴、第二传动轴、第三传动轴中任意一个可以作为动力输入轴，用来连接动力源。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：

由于无级变速器包括由安装在机架内的行星轮系、差速器、变速传动机构做成的传动系统；行星轮系的齿圈与第一传动轴固接、第一太阳齿轮与第二传动轴固接，差速器的第二太阳齿轮与第二传动轴固接、第三太阳齿轮与齿圈固接，变速传动机构通过等速万向节与行星轮系的第一行星轮连接，变速传动机构以及差速器都与第三传动轴传动连接，整个无级变速器的自由度为1，无级变速器的传动系统传动稳定且无摩擦传动，传动效率高；并且依靠变速传动机构的调节机构使滑动轴轴线与等速万向节轴线之间的夹角改变，实现第一传动轴和第二传动轴输出的转速和转矩改变，来完成了高效稳定的无级变速，使得调速范围得到提升。

综上所述，本发明解决了现有技术中变速器传动效率低、热损耗大的技术问题，本发明传动效率高，摩擦损耗小，使用方便、调速范围大、负载能力强。

附图说明

图1是本发明无级变速器结构示意图；

图2是图1的剖视图；

图3是图1的轴测图；

图4是图1中滑动轴与传动轮连接示意图；

图5是图1中伸缩轴连接示意图。

图中，1-行星轮系，10-齿圈，101-外齿，11-第一太阳齿轮，12-第一行星齿轮，13-保持架，2-差速器，20-侧面锥形齿轮，21-第二太阳齿轮，22-第三太阳齿轮，23-第二行星齿轮，24-第三行星齿轮，3-变速传动机构，30-传动轮，31-滑动轴，32-防转结构，321-第一滑块，322-第一滑槽，33-调节机构，331-梯形丝杠，332-推拉件，4-等速万向节，40-球形槽，401-外滚道，41-球形端，411-内滚道，42-伸缩轴，421-第一联接轴，422-第二联接轴，423-滑孔，424-第二滑块，425-第二滑槽，43-滚动体。

具体实施方式

下面结合附图，进一步阐述本发明。

本说明书中涉及到的方位均以本发明无级变速器正常工作时的方位为准，不限定其存储及运输时的方位，仅代表相对的位置关系，不代表绝对的位置关系。

如图1所示，无级变速器包括机架5，机架5内安装有行星轮系1、差速器2、变速传动机构3三个主体部分，差速器2安装在行星轮系1的背面一侧位置，变速传动机构3安装在行星轮系1的正面一侧位置，行星轮系1、差速器2以及变速传动机构3三者是同轴安装的。

如图2和图3共同所示，行星轮系1包括齿圈10、第一太阳齿轮11、第一行星齿轮12，齿圈10中心延伸部通过轴承安装在机架5上，第一太阳齿轮11位于齿圈10的中心，第二传动轴60通过轴承转动安装在机架5上，第二传动轴60的一端与第一太阳齿轮11同轴固结在一起，另一端延伸到机架5外部，第一行星齿轮12啮合于齿圈10与第一太阳齿轮11之间；第一行星齿轮12的底部安装在保持架13的一端上，保持架13的另一端通过轴承转动安装在齿圈10上，使得保持架13可围绕第二传动轴60转动；齿圈10的外圈壁上设有外齿101，外齿101通过齿轮连接第一传动轴50，第一传动轴50的轴端位于机架5的外部，第一传动轴50与第二传动轴60轴线相互平行，齿圈10以及第一太阳齿轮11均可以自转，第一行星齿轮12除了自转外还要围绕第一太阳齿轮11公转。

如图1和图2共同所示，差速器2包括侧面锥形齿轮20、第二行星齿轮23、第三行星齿轮24、第二太阳齿轮21以及第三太阳齿轮22，侧面锥形齿轮20、第二太阳齿轮21以及第三太阳齿轮22三者同轴线，第二太阳齿轮21与第三太阳齿轮22为左右对称设置的两个相同的半轴齿轮，第二行星齿轮23与第三行星齿轮24为上下对称设置的两个相同的锥齿轮，第二行星齿轮23与第三行星齿轮24所连接的转轴通过连接杆固定在侧面锥形齿轮20的轮面上，第二行星齿轮23与第三行星齿轮24啮合在第二太阳齿轮21与第三太阳齿轮22之间，这样，侧面锥形齿轮20转动后会带动第二行星齿轮23与第三行星齿轮24自转以及公转，以此来实现差速器2的差速功能。

如图2和图4共同所示，变速传动机构3包括传动轮30、滑动轴31以及调节机构33，传动轮30上一体加工有连接轴部，该连接轴部通过轴承转动安装在机架5上，滑动轴31套接在传动轮30的轴孔内，滑动轴31可以在传动轮30的轴孔内沿着轴向滑动，滑动轴31与传动轮30的配合处设有防转结构32，用于限制滑动轴31与传动轮30的相对旋转，使得滑动轴31与传动轮30同步转动。

如图2和图5共同所示，滑动轴31背向行星轮系1的一端安装调节机构33，用于驱使滑动轴31滑动与锁止，滑动轴31的另一端通过等速万向节4与第一行星齿轮12连接，实现变速传动机构3与行星轮系1的传动连接：

其中，调节机构33包括梯形丝杠331与推拉件332，梯形丝杠331与滑动轴31是同轴设置的，推拉件332包括两侧的翼板以及中间的连接板，其中一侧翼板设有一个开口槽，滑动轴31的轴壁上加工有一端环形槽，弧形槽内的轴段卡入到开口槽内，使得滑动轴31可以相对于该翼板转动，并且依靠环形槽的槽壁对该翼板形成阻挡，从而实现对滑动轴31的轴向限位，推拉件332的另一翼板设有与梯形丝杠331螺接的内螺纹孔，梯形丝杠331的外端用于连接外部驱动源，外部驱动源用于驱动梯形丝杠331转动，从而带动推拉件332移动，继而实现滑动轴31的滑动，梯形丝杠331为优选实施方式，具有自锁能力强的优势，其他类型的丝杠或者螺杆也具有实现滑动轴31滑动与锁止的功能。滑动轴31的端部以轴向限位的方式转动安装在推拉件332的一翼板上，推拉件332的另一翼板螺接在梯形丝杠331上，当然，其他的调节机构33如电动、液压驱动等带有锁止功能的直线驱动机构均可实现该效果。防转结构32包括滑动配合的第一滑块321与第一滑槽322，第一滑块321固接在滑动轴31的轴壁上且沿着轴向延伸，第一滑槽322设在传动轮30的轴孔孔壁上，依靠第二滑槽槽壁对第一滑块321在轴旋转方向形成限位，从而实现防旋转功能，当然，其他的防转结构32如在传动轮30的轴孔上设置凸起，并且在滑动轴31的轴壁上设置与该凸起配合的导向槽的形式也可以实现该效果。

本实施例中采用的等速万向节4为固定式球笼等速万向节，其他如圆弧滚道型球叉式万向节、伸缩式球笼万向节均能适用，其中，滑动轴31的端部、第一行星齿轮12的端面上均加工有球形槽40，球笼式等速万向节4包括伸缩轴42，伸缩轴42的两端设有分别固定连接有球形端41，伸缩轴42包括第一联接轴421与第二联接轴422，第一联接轴421内设有滑孔423，第二联接轴422滑动插装在滑孔423内，第二联接轴422的轴壁上设有沿着轴向延伸的第二滑块424，滑孔423内设有与第二滑块42滑动配合的第二滑槽425，球形端41套接在球形槽40内，球形端41上沿着经线(以伸缩轴42为虚拟地轴，该经线即为对应的虚拟经线)方向设有内滚道411，球形槽40槽壁上设有与内滚道411对应的外滚道401，内滚道411与外滚道401相对应的均设有六个，以此来保证传动的稳定性，内滚道411与外滚道401之间设有滚动体43，外滚道401的中心与内滚道411的中心分别位于固定式球笼等速万向节中心的两边，且与固定式球笼等速万向节等距离，滚动体43中心到外滚道401和内滚道411的中心距离相等。当固定式球笼式万向节变角度时，滚动体43的中心总是位于夹角的平分面上，从而实现等角速转动。固定式球笼等速万向节在两轴最大夹角达到47°情况下仍能传递扭矩，且工作时，无论运动方向如何，六个滚动体43全部传力，其承载能力强，结构紧凑，拆装方便。

如图2所示，机架5上转动安装有相平行的第三传动轴70、第四传动轴80以及第五传动轴90，第三传动轴70与第二传动轴60垂直设置，第四传动轴80上同轴安装有与差速器2的侧面锥形齿轮20相啮合的第一锥齿轮，传动轮30为锥齿轮，第五传动轴90上同轴安装有与传动轮30相啮合的第二锥齿轮，第四传动轴80以及第五传动轴90通过一级齿轮传动连接于第三传动轴70，第三传动轴70的端部延伸到机架5外部，第四传动轴80、第五传动轴90与第三传动轴70还可以采用同步带-同步轮联接、链带-链轮联接进行传动，本实施方式中齿轮与轴的固定均采用花键连接。

如图2所示，根据自由度的计算公式F＝3n－(2P_l+P_h)，其中n为活动构件数，P_l为低副约束数，P_h为高副约束数，可以得出，该无级变速器的自由度为1，这样使得整个转动系统存在唯一的传动平衡，通过调节机构33的调节实现无级变速。第一传动轴50、第二传动轴60、第三传动轴70这三个传动轴的任意一个都可以作为动力输入轴，用来连接电动机等动力装置，其他的任两个传动轴可以用作动力的输出。

无级变速器通过转速、转矩以闭环反馈控制的形式实现转速、转矩的连续性变化，即在行星轮系1、差速器2、等速万向节4及变速传动机构3传动连接组成闭合回路传动系统中，差速器2按一定要求分配转矩的同时实现转速的分解，行星轮系1实现转速及转矩的合成，等速万向节4按一定要求分配转矩的同时实现转速的分解。变速传动机构3通过外部驱动改变自身运行状态时，各装置的转速及转矩通过反馈做出相应改变，当变速传动机构3通过外部驱动连续性改变自身运行状态时，各装置转速及转矩通过反馈做出连续性相应改变，从而实现无级变速。

具体的，功率的计算公式为P＝T×N，其中P为功率，T为转矩，N为转速，在输入的功率P为定值的情况下，T与N均为定值，以第三传动轴70作为动力输入轴为例，动力经第三传动轴70输入，功率为P₀，转矩为T₀，转速为N₀，经传动装置分别将动力传递到第四传动轴80和第五传动轴90，其中第四传动轴80的功率为P₁，转矩为T₁，转速为N₁，第五传动轴90的功率为P₂，转矩为T₂，转速为N₂，满足下面等式关系：

P₀＝P₁+P₂；

N₁＝aN₀(a为常数，其中a由传动装置确定)；(1)

N₂＝bN₀(b为常数，其中b由传动装置确定)；(2)

可推导出aN₀×T₁+bN₀×T₂＝N₀×T₀＝P

即aT₁+bT₂＝T₀ (3)

传递到第四传动轴80的功率P₁经差速器2差速后，第二太阳齿轮21与第三太阳齿轮转矩之差等于折合到齿轮上总的内摩擦力矩T_f，则第二太阳齿轮21功率P₃＝T₃×N₃、第三太阳齿轮22功率P₄＝T₄×N₄满足如下关系式：

N₃+N₄＝2N₁ (4)

(其中转速的方向均以顺时针或逆时针为统一方向进行计算)

T₃＝0.5(T₁-T_f) (5)

T₄＝0.5(T₁+T_f) (6)

其中，内摩擦力矩T_f由差速器2各种摩擦力、粘性力、刚性联接内应力产生(例如差速器2轮系本身各转轴内摩擦力及各齿轮啮合摩擦力、各种限滑装置的粘性力、静摩擦力或滑动摩擦力、电控轮间制动摩擦力、机械硬差速锁、凸块、轮齿式差速锁等)，理想状态下其值为0，实际状态可近似为常数，且数值相对输入转矩较小亦可忽略不计。

传递功率经差速器2、齿圈10及第一太阳齿轮11传递到第一行星齿轮12，假设第一行星齿轮12绕自身轴线自转速度为N₆，绕第一太阳齿轮11轴线公转速度为N₇，第一行星齿轮12经齿圈10和第一太阳齿轮11传递过来的总扭矩为T₆，则满足如下关系式：

N₆＝f(N₃，N₄) (7)

N₇＝g(N₃，N₄) (8)

T₆＝h(T₃，T₄，N₆，N₇) (9)

其中f()，g()为函数对应法则。

传递到第五传动轴90的功率P₂，转矩T₂，转速N₂传递到传动轮30上，因第五传动轴90与第二锥齿轮的转速与转矩相同，传动轮30的转矩T₅及转速N₅满足如下关系式：

T₅＝cT₂(其中c为与传动比相关的常数) (10)

N₅＝dN₂(其中d为与传动比相关的常数) (11)

转矩T₅和转速N₅经万向传动装置传递到第一行星齿轮12，第一行星齿轮12绕自身轴线自转速度为N₆，因滑动轴31与第一太阳齿轮同轴线，则绕滑动轴31轴线公转速度为N₇，第一行星齿轮12经传动轮30传递过来的总扭矩为T₆，第一联接轴421轴线与滑动轴31轴线所形成锐角夹角为α，满足如下关系式：

N₆＝m(N₅,N₇，α) (12)

N₇＝n(N₅,N₆，α) (13)

T₆＝q(T₅，N₆，N₇，α) (14)

其中m()，n()，q()为函数对应法则,α为常数。

通过联立方程(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(12)、(13)、(14)，可求得包含α的N₃、N₄、T₁、T₂、T₆、N₆、N₇唯一解。

通过外部调节动力源驱动梯形丝杆331转动，梯形丝杆331转动带动推动件332推拉滑动轴31，使得滑动轴31的轴线与等速万向节4的轴线之间的夹角α改变，因该α夹角的改变，则使的第一传动轴50和第二传动轴60的转速和转矩同时改变，从而实现无级变速。

齿圈10将动力传递给第一传动轴50作为动力的另一个输出。

本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所做出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无级变速器，其特征在于，包括机架，所述机架内安装有行星轮系、差速器以及变速传动机构；

所述行星轮系包括齿圈、第一太阳齿轮、第一行星齿轮，所述齿圈的外圈壁上设有外齿，所述外齿通过齿轮连接有第一传动轴，所述第一太阳齿轮同轴固接有第二传动轴；

所述差速器包括第二太阳齿轮与第三太阳齿轮，所述第二太阳齿轮同轴固接于所述第二传动轴上，所述第三太阳齿轮与所述齿圈同轴固接；

所述变速传动机构包括转动安装在所述机架上且与所述第二传动轴同轴设置的传动轮，所述传动轮的轴孔内滑动套接有滑动轴，所述滑动轴与所述传动轮的配合处设有用于所述滑动轴与所述传动轮同步转动的防转结构；所述滑动轴的一端安装有驱使所述滑动轴滑动与锁止的调节机构，所述滑动轴的另一端通过等速万向节与所述第一行星齿轮连接；

所述机架上安装有第三传动轴，所述第三传动轴分别与所述差速器的侧面锥形齿轮以及所述传动轮齿轮传动或/和同步带传动或/和链传动连接。

2.如权利要求1所述的一种无级变速器，其特征在于，所述第三传动轴与所述第二传动轴垂直设置。

3.如权利要求2所述的一种无级变速器，其特征在于，所述机架上转动安装有均与所述第三传动轴平行设置且齿轮传动连接的第四传动轴与第五传动轴，所述第四传动轴上同轴安装有与所述差速器的侧面锥形齿轮相啮合的第一锥齿轮，所述传动轮为锥形齿轮，所述第五传动轴上同轴安装有与所述传动轮相啮合的第二锥齿轮。

4.如权利要求1所述的一种无级变速器，其特征在于，所述调节机构包括梯形丝杠与推拉件，所述滑动轴的端部以轴向限位的方式转动安装在所述推拉件的一侧板上，所述推拉件的另一侧板螺接在所述梯形丝杠上。

5.如权利要求1所述的一种无级变速器，其特征在于，所述防转结构包括设于所述滑动轴的轴壁上且沿着轴向延伸的第一滑块，所述传动轮的轴孔内设有与所述滑块滑动配合的第一滑槽。

6.如权利要求1所述的一种无级变速器，其特征在于，所述滑动轴的端部、所述第一行星齿轮的端面上均设有球形槽，所述等速万向节包括伸缩轴，所述伸缩轴的两端设有分别套设于所述球形槽内的球形端，所述球形端上沿着经线方向设有内滚道，所述球形槽槽壁上设有与所述内滚道对应的外滚道，所述内滚道与所述外滚道之间设有滚动体。

7.如权利要求6所述的一种无级变速器，其特征在于，所述伸缩轴包括第一联接轴与第二联接轴，所述第一联接轴内设有滑孔，所述第二联接轴滑动插装在第一联接轴内，所述第二联接轴的轴壁上设有沿着轴向延伸的第二滑块，所述滑孔内设有与所述滑块滑动配合的第二滑槽。

8.如权利要求1至7任一所述的一种无级变速器，其特征在于，所述第一传动轴、所述第二传动轴、所述第三传动轴中任意一个可以作为动力输入轴，用来连接动力源。