CN1109567A - 齿轮式无级变速器 - Google Patents

Abstract

齿轮式无级变速器是一种可以无级调速的渐开 线行星齿轮传动装置。它主要由行星轮系中心位移 调节系统以及齿轮式超越离合器等部分组成。与现 行摩擦式和脉动式无级变速器比较，具有功率范围 大、制造方便、调速范围宽、无打滑现象和匀速输出等 特点。为机械无级变速器向大中功率发展开辟了一 条途径。

Description

本发明属于通用机械传动装置，是一种特殊的、传动比可变的行星齿轮传动装置。

目前机械无级变速器中，多为摩擦式的和脉动式的。前者对材料性能及制造精度要求高，功率偏小，且过载能力差;后者因受超越离合器的限制，同样功率偏小，过载能力差，而且输出转速有波动。由于以上原因，限制了它们在工业领域内的应用范围。

本发明的目的是应用渐开线行星齿轮的传动原理，采用特殊的结构处理，使其实现变速传动，即将机械无级变速器，纳入渐开线行星齿轮传动系统。

齿轮式无级变速器可由多种形式的行星齿轮传动装置演变而成，现分述如下：

如图1所示为NGW型行星齿轮传动中一种形式。H为输入轴（转臂），当Z₂固定时，由Z₄轴输出。其传动比公式为：

$i_{H4}^2=\frac{Z_4+Z_1}{Z_4+Z_1-Z_2-Z_3}=\frac{1}{1-\frac{Z_2}{Z_1}-\frac{Z_3}{Z_4}}$

若Z₃、Z₄齿数不变，则i² _H4随着Z₁、Z₂齿数比 (Zz)/(Z₁) 的变化而变化。由于Z₁、Z₂的比与其节园半径R₁、R₂及转角φ₁、φ₂的比有以下关系：

所以，在传动过程中如果Z₁、Z₂齿轮的节园半径（或旋转半径）R₁、R₂或转角φ₁、φ₂能瞬时发生变化的话，则i² _H4也会相应发生瞬时变化。

按图2所示将Z₁、Z₂齿轮一起上移一个距离e，即中心由O移到O₁处，转臂H的中心O位置不变，此时Z₁、Z₂齿轮的瞬时旋转半径由R₁、R₂变为R_1i、R_2i，即

且R_1i、R_2i的大小随转臂转角φ_2i的位置变化发生周期性变化：当φ_2i＝0时：

当φ_2i＝180°时：

显然有R′₁＜R₁＜R″₁，R″₂＜R₂＜R′₂。即当Z₁、Z₂齿轮向上移动一个偏心距e时，其瞬时传动比( (R₂)/(R₁) )随转角φ_2i在360°范围内发生周期性变化，从而使整个行星齿轮传动系统的传动比i² _H4也相应发生变化。

当e＝0时，行星轮Z₁的旋转中心和节园中心是重合的（如图1）。而e≠0时，旋转中心和节园中心不重合（如图2），此时要实现传动，可采用图3所示结构：在Z₁轮中加工内齿Z₅，在旋转轴上加工外齿Z₆，两者啮合。Z₅和Z₆可选用零齿差、一齿差、二齿差或三齿差传动。

进一步分析，当e≠0时，转臂转角φ_2i和Z₁转角φ_1i的变化关系。为分析方便，将图3简化为图4所示：

1.取偏心距e＝a，a为内齿轮Z₅和外齿轮Z₆的中心距。当转臂转动φ_2i角时，Z₅（Z₁）、Z₆的中心分别移到O_1i、O_i位置。由于Z₁绕Z₂无滑动的滚动，Z₁由P点滚到P₁点位置。若取Z₁＝Z₂，则∠PO₁P₁＝∠P₀O_1iP₁，此时Z₅（Z₁）齿轮相对Z₆齿轮的转角为φ_1i＝∠P₀O_1iO_i，这样Z₅（Z₁）将转动传给了Z₆。若Z₅、Z₆采用零齿差传动时，则Z₆同样转动φ_1i角;若Z₅、Z₆采用1～3齿差传动时，则Z₆的转角为：φ_1i。

图5为e＝a，Z₅、Z₆采用零齿差时，转臂转角φ_2i与Z₁转角φ_1i的变化曲线。由图5可见，在φ_2i＝0～180°范围内，φ_2i-φ_1i曲线为斜率tgα＝2的直线，即有以下关系：

代入传动比公式得：

$i_{H4}^2=\frac{1}{1-\frac{Z_2}{Z_1}-\frac{Z_3}{Z_4}}=\frac{1}{1-2}=-1$

说明在此范围内为匀速输出。

2.取得偏心距0＜e＜a、Z₅、Z₆采用零齿差时，转臂转角φ_2i与Z₁转角φ_1i的变化曲线如图6所示：φ_2i＝0～130°范围内φ_2i-φ_1i曲线为斜率tgα＝K的直线，且有：

1＜K＜2

代入传动比公式有以下关系：

|-1|＜i² _H4＜∝

在此范围内也为匀速输出。

3.取偏心距e＝0，Z₅、Z₆采用零齿差时，转臂转角φ_2i与Z₁转角φ_1i的变化如图7所示：φ_2i＝0～360°范围内，φ_2i-φ_1i为斜率tgα＝1的直线，代入传动比公式得：

i² _H4＝ 1/(1-1) ＝∝

即为零输出。

以上是对NGW型行星齿轮传动中一种形式（图1）由定传动比演变为变速传动的分析。若对NGW型中的另外两种形式（如图8、图9所示）进行类似的结构处理，同样可以实现变速传动。如对图8中Z₁、Z₂齿轮同时下移一个距离e，而转臂H的中心O不变时，其瞬时传动比将发生变化，从而使整个行星齿轮传动比相应发生变化。又如对图9中Z₁、Z₂、Z₃同时下移一个距离e，而转臂H的中心O不变时，其瞬时传动比将发生变化，从而使传动系统转臂H的输出速度相应发生变化。

上面所有分析仅为一组行星轮时的传动情况，若同时采用三组均布的行星轮时，如前所述转臂在360°转角内，行星轮存在转速变化的情况，不可能使三组行星轮同时带动输出齿轮，必须通过超越离合器，依次将三组行星轮中的最高转速，即匀速部分传给输出轴。

综合以上三种行星齿轮传动形式，当调节偏心距，使O≤e≤a，且通过超越离合器，即可实现行星齿轮传动装置的无级变速。最大变速范围为：

第Ⅰ种形式（图3）i＝1～∝

第Ⅱ种形式（图8）i＝2～∝

第Ⅲ种形式（图9）i＝2～8

超越离合器是齿轮式无级变速器中的重要组成部分。本发明采用一种特殊的齿轮式超越离合器，它与行星齿轮相联接，完成动力的传递。其原理及结构简图如图10所示：件1为转轴，与齿轮Z₆轴连接（图3、图8、图9）。件2为偏心销，与件1固连。件3为内齿轮，通过偏心销孔和中心的弧形槽与件1活动连接。Z₃为行星齿轮，空套在转轴1上，其上有若干（一般为3～5）均布的销轴6与其固连，销轴6上空套有行星齿圈5，齿圈5内孔与销轴6之间有一定的间隙。件4为中心齿圈，与齿圈5相啮合并浮动于其间。

当转轴1按正方向φ旋转时（圈10-a），带动内齿轮3与其同轴同向转动，同时内齿轮3又带动齿圈5、4一起转动，由于齿圈5空套在齿轮Z₃的销轴6上，所以轴1旋转并不能带动齿轮Z₃的转动。

当转轴1按相反方向φ旋转时（图10-b），由于内齿轮3上有弧形槽，再加上惯性力的作用，迫使内齿轮3绕O₁相对转轴1转过一角度α，形成内齿轮3、齿圈5、4的整体中心相对转轴1中心的偏移，使其中部分行星轮受楔紧力作用以及各行星轮之间瞬时传动比的差异，从而使齿轮Z₃无法相对轴1转动，只能由轴1带动一起反转，以传递动力。当轴1反过来再正转时，又复恢原来轴1与齿轮Z₃之间的相对转动。

齿轮式无级变速器三种形式的结构简图如图11、12、13所示：图11中，a为齿轮式超越离合器。b为浮动支承环，用以保证行星轮Z₁与中心轮Z₂的同步移动和正常啮合。c为燕尾槽，与齿轮Z₂上的燕尾相配合，用以调节偏心距。图12中，b为浮动支承环。c为平面导轨，与齿轮Z₂上的导轨面相配合，用以调节偏心距。图13中，b为支承盘，其上有环形燕尾槽，以支承行星轮轴并可在其中滑动。c为丝杆，用以调节偏心距。

图14为齿轮式无级变速器中图12所示方案的实施图。

齿轮式无级变速器与现行的摩擦式、脉动式无级变速器比较，有以下显著特点：

1、因其由渐开线行星齿轮传动演变而来，故适于各种功率范围，并为机械无级变速器向大中功率发展开辟了一条途径。

2、结构简单、紧凑、制造方便。

3、变速范围大，三种形式的最大变速范围分别为：i_Ⅰ＝1～∝;i_Ⅱ＝2～∝;i_Ⅲ＝2～8。

4、由于采用了齿轮式超越离合器，故具有一定过载能力，不会出现打滑现象。

5、运转平稳，可以达到匀速输出。

由于以上特点，齿轮式无级变速器具有广泛的适用性。可用于石油化工、机床、车辆、工程机械、锅炉辅机、纺织、轻工、食品机械，以及各种设备及生产线上的无级传动。

Claims (6)

1、一种齿轮式无级变速器，其特征在于由渐开线行星齿轮传动经特殊的结构处理而实现变速传动。

2、根据权利要求1所述的齿轮式无级变速器，结构处理在于将中心轮及其啮合的行星轮一起沿径向位移，使其中心偏离转臂中心和输出轴中心。

3、根据权利要求2所述的齿轮式无级变速器，为了保证偏离后的行星轮能与原转轴联接传动，在行星轮中加工内齿圈，在转轴端加工外齿轮，两者以零齿差或1～3齿差传动。

4、根据权利要求2所述的齿轮式无级变速器，为了保证固定中心轮与行星轮的同步位移和正常啮合，在行星轮外围或里面安置浮动支承环。另在中心轮上有滑动导轨面，用以调节偏心距。

5、根据权利要求1所述的齿轮式无级变速器，为了达到匀速输出，在行星轮转轴的另一端装有齿轮式超越离合器。

6、根据权利要求5所述的齿轮式超越离合器，由转轴、偏心销、内齿轮、中心齿圈、行星齿圈、销轴及行星齿轮组成。转轴上固连有偏心销，内齿轮上有偏心销孔和中心弧形槽。行星齿轮上固连有销轴。

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