CN113883243A - 一种自适应变速外锥盘式无自旋牵引式无级变速器 - Google Patents

一种自适应变速外锥盘式无自旋牵引式无级变速器 Download PDF

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李华
彭科铭
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Abstract

本发明公开了一种自适应变速外锥盘式无自旋牵引式无级变速器，由输入轴、输入滚轮、中间传动部件、输出轴、输出滚轮与变速机构组成；输入轴与输出轴同轴安装，中间传动部件包含上传动锥盘和下传动锥盘、上变速摇杆和下变速摇杆与变速套筒，上、下变速摇杆一端铰接在变速套筒同一点，变速套筒可沿着输入、输出轴轴线方向移动；变速机构为丝杠螺母机构，丝杠平行于输入轴与输出轴的轴线设置，螺母设置在变速套筒内部且可以绕着丝杠轴线自由转动。动力从输入轴输入，通过输入端端面凸轮加载机构传递给输入滚轮，又通过牵引传动传递给上传动锥盘和下传动锥盘，再传递给输出滚轮，进而通过输出端端面凸轮加载机构输出至输出轴，实现动力输出。

Description

一种自适应变速外锥盘式无自旋牵引式无级变速器
技术领域
本发明涉及传动系中的牵引式无级变速器，具体为一种自适应变速外锥盘式无自旋牵引式无级变速器。
背景技术
无级变速器（CVT）可以提供一系列的连续传动比使得车辆发动机始终处于高效点工作，能极大地提高整车的效率，减小车辆排放，达到节能减排的作用，是一种理想的机械传动方案。牵引式CVT具有功率密度高、效率高、传递功率大等特点，将会成为未来无级变速器技术的发展方向。
一般来说，牵引式CVT的效率损失主要包括：自旋损失、滑移损失、侧滑损失，轴承损失以及搅油损失。相对其他诸类损失而言，自旋损失所占比例相对较大，一般为40%-60%。自旋的产生是由于在牵引传动时，牵引元件与被牵引元件的速度分布不均匀而造成的。一般来说，学者们往往认为这种自旋损失在传动比范围内是只能尽量减少不可消除的。由于自旋的阻碍，在牵引式CVT中，传动效率经过优化后一般只能达到一般为75%-90%，进一步提升将变得异常困难，这也就大大降低了牵引式CVT的应用范围与传动能力。
针对自旋消除的牵引式CVT设计，即所说的无自旋牵引式CVT设计这一问题，在现有的技术方案中，以四川大学牵引式CVT研究团队为代表给出了解决思路，即从无自旋条件出发，采用微分方程的办法优化传动件的母线方程，重新设计变速机构等，使得优化后的牵引式CVT结构满足无自旋条件。该团队申请的中国专利CN104776180A公开了一种无自旋变速单元，该方案以半环面牵引式CVT为例，进行了锥盘的母线优化，得出优化方程，并限制调速过程中输入锥盘与输出锥盘沿回转轴轴向移动，滚轮沿回转轴径向移动，以实现无自旋传动。该方案的不足在于：仅给出了母线优化的结果，没有给出实际的变速机构、加载机构的结构特征；该方案不能实现对于负载的自适应变速。
发明内容
本发明的目的是克服上述技术中的不足，提供一种自适应变速外锥盘式无自旋牵引式无级变速器结构。本发明采用以下技术方案：
一种自适应变速外锥盘式无自旋牵引式无级变速器，由输入轴、输入滚轮、中间传动部件、输出轴、输出滚轮与变速机构组成；其特征在于：所述输入轴与输入滚轮之间设置有输入端端面凸轮加载机构，输出轴与输出滚轮之间设置有输出端端面凸轮加载机构，输入轴与输出轴同轴安装；所述中间传动部件由上下两组对称放置的上传动锥盘和下传动锥盘、上变速摇杆和下变速摇杆与变速套筒组成，所述上传动锥盘和下传动锥盘通过轴承分别安装在上变速摇杆和下变速摇杆上，且轴向位置固定，上变速摇杆和下变速摇杆一端铰接在变速套筒的同一点处，该点始终位于输入轴与输出轴的轴线上，且变速套筒可沿着输入轴与输出轴的轴线方向移动；所述变速机构为丝杠螺母机构，丝杠平行于输入轴与输出轴的轴线设置，螺母设置在变速套筒内部且可以绕着丝杠轴线自由转动；中间传动部件安装于输入滚轮与输出滚轮之间，具体方式为：输入滚轮与中间传动部件的上传动锥盘和下传动锥盘牵引接触，输出滚轮与中间传动部件的上传动锥盘和下传动锥盘牵引接触。动力从输入轴输入，通过输入端端面凸轮加载机构传递给输入滚轮，输入滚轮通过牵引传动将动力传递给中间传动部件的上传动锥盘和下传动锥盘，上传动锥盘和下传动锥盘通过牵引传动将动力传递给输出滚轮，进而通过输出端端面凸轮加载机构输出至输出轴，实现动力输出。
为了实现电控自动变速，在丝杠的一端连接有变速电机，变速电机可以根据工况输出一定扭矩实现变速，变速方式为：当变速电机输出扭矩带动丝杆旋转时，螺母沿着丝杠轴向移动，从而带动变速套筒沿着丝杠轴向移动，变速套筒的移动使得上变速摇杆和下变速摇杆绕着两根变速摇杆的铰接点同时转动，上变速摇杆和下变速摇杆的转动带着上传动锥盘和下传动锥盘同步转动，同时输入端端面凸轮加载机构与输出端端面凸轮加载机构迫使输入滚轮与输出滚轮沿着各自回转轴线移动以保证输入滚轮、输出滚轮与上传动锥盘和下传动锥盘在新的接触点压紧接触，上传动锥盘和下传动锥盘的工作半径改变，无级变速器的传动比也随之改变，实现了变速过程。
为了实现自适应输出负载变速，所述丝杠一端通过联轴器与输出轴连接，丝杠随着输出轴转动而转动；在所述螺母上连接有弹簧，弹簧的另一端固定在机架上并和丝杠平行放置。变速方式为：当工况稳定时，输出轴施加在丝杠上的扭矩稳定，所以丝杠施加在螺母上的力稳定且与弹簧施加在螺母上的力大小相等，方向相反，此时螺母处于力平衡状态，输出轴带动丝杠转动，丝杠带着螺母空转；当负载发生变化时，输出轴扭矩发生变化，输出轴施加在丝杠上的扭矩随之发生变化，所以丝杠施加在螺母上的力改变，而弹簧施加在螺母上的力没变，此时螺母处于力失衡状态，输出轴带动丝杠转动，螺母就会沿着丝杠轴向移动直至到达新的力平衡点，螺母沿着丝杠轴向移动带动变速套筒沿着丝杠轴向移动，变速套筒的移动使得上变速摇杆和下变速摇杆绕着两根变速摇杆的铰接点同时转动，上变速摇杆和下变速摇杆的转动带着上传动锥盘和下传动锥盘同步转动，同时输入端端面凸轮加载机构与输出端端面凸轮加载机构迫使输入滚轮与输出滚轮沿着各自回转轴线移动以保证输入滚轮、输出滚轮与上传动锥盘和下传动锥盘在新的接触点压紧接触，上传动锥盘和下传动锥盘的工作半径改变，无级变速器的传动比也随之改变，实现了变速过程。
本发明所述方案中，上传动锥盘和下传动锥盘均采用外锥式，输入滚轮和输出滚轮均采用内圆弧式。
本发明所述方案中，为了能在变速过程中确保实现无自旋状态，即保证输入滚轮回转轴线、上传动锥盘和下传动锥盘回转轴线、输入滚轮与上传动锥盘和下传动锥盘接触点公法线交于一点，同时保证输出滚轮回转轴线、上传动锥盘和下传动锥盘回转轴线、输出滚轮与上传动锥盘和下传动锥盘接触点公法线交于一点，在输入轴的回转轴线上设置有变速套筒，变速套筒可沿输入轴的回转轴线方向移动，上传动锥盘和下传动锥盘铰接在变速套筒的同一点处。
本发明所述方案中，输入轴与输出轴可以互换，即输入端变为输出端，输出端变为输入端，当互换输入输出端时，相应的调速机构也改变，但其连接关系与接触关系同上述方案。
本发明所述方案中，上传动锥盘和下传动锥盘、上变速摇杆和下变速摇杆均采用上下对称式分布。
本发明所述方案中，通过变速套筒沿着丝杠轴向的移动，使得上变速摇杆和下变速摇杆绕着两根变速摇杆的铰接点同时转动，从而带着上传动锥盘和下传动锥盘同步转动，加上输入端端面凸轮加载机构与输出端端面凸轮加载机构迫使输入滚轮与输出滚轮沿着各自回转轴线的移动，从而实现变速。
本发明所述的一种自适应变速外锥盘式无自旋牵引式无级变速器的工作原理是：
（1）传动时：动力从输入轴输入，通过输入端端面凸轮加载机构传递给输入滚轮，输入滚轮通过牵引传动将动力传递给中间传动部件的上传动锥盘和下传动锥盘，上传动锥盘和下传动锥盘通过牵引传动将动力传递给输出滚轮，进而通过输出端端面凸轮加载机构输出至输出轴，实现动力输出。
（2）变速时：电控自动变速，变速机构中的变速电机带动丝杆旋转，螺母沿着丝杠轴向移动，从而带动变速套筒沿着丝杠轴向移动，变速套筒的移动使得上变速摇杆和下变速摇杆绕着两根变速摇杆的铰接点同时转动，上变速摇杆和下变速摇杆的转动带着上传动锥盘和下传动锥盘同步转动，同时输入端端面凸轮加载机构与输出端端面凸轮加载机构迫使输入滚轮与输出滚轮沿着各自回转轴线移动以保证输入滚轮、输出滚轮与上传动锥盘和下传动锥盘在新的接触点压紧接触，上传动锥盘和下传动锥盘的工作半径改变，无级变速器的传动比也随之改变，实现了变速过程；自适应输出负载变速，输出轴带动丝杠转动，当负载发生变化时，螺母就会沿着丝杠轴向移动，带动变速套筒沿着丝杠轴向移动，变速套筒的移动使得上变速摇杆和下变速摇杆绕着两根变速摇杆的铰接点同时转动，上变速摇杆和下变速摇杆的转动带着上传动锥盘和下传动锥盘同步转动，同时输入端端面凸轮加载机构与输出端端面凸轮加载机构迫使输入滚轮与输出滚轮沿着各自回转轴线移动以保证输入滚轮、输出滚轮与上传动锥盘和下传动锥盘在新的接触点压紧接触，上传动锥盘和下传动锥盘的工作半径改变，无级变速器的传动比也随之改变，实现了变速过程。
本发明所述的一种自适应变速外锥盘式无自旋牵引式无级变速器的有益效果在于：
（1）本发明方案中变速套筒同时控制上传动锥盘和下传动锥盘，使上传动锥盘和下传动锥盘同步转动，保证了牵引传动的准确性和稳定性。
（2）实现无自旋传动：本发明方案中输入滚轮和输出滚轮的回转轴线、上传动锥盘和下传动锥盘的回转轴线以及它们的接触平面始终相交于一点，实现了无自旋。加之传动机构的巧妙设计，采用对称式结构使得输入滚轮、输出滚轮与上传动锥盘和下传动锥盘是动点接触，分散了力的作用点，提高了输入滚轮和输出滚轮的抗疲劳能力，有利于延长机构寿命。
（3）合理的变速机构与加载机构：本发明采用了变速套筒、变速摇杆与螺旋传动的变速机构，机构简单、方便实现。此外，本发明采用了端面凸轮加载方式实现轴向加载，保证了上传动锥盘和下传动锥盘与输入滚轮、输出滚轮接触点的法向力，这就极大地提高了加载可靠度。
（4）本发明给出了一种自适应变速无自旋牵引式变速器结构，能够根据输出轴负载变化实现自适应变速，不用采用外界动力控制，提高了动力传递效率的同时，提高了经济性。
附图说明
图1为本发明所述的一种自适应变速外锥盘式无自旋牵引式无级变速器传动原理图。
图2为本发明所述的一种自适应变速外锥盘式无自旋牵引式无级变速器进行变速过程的示意图，其中粗实线为当前稳定速比状态，细实线表示变速后的稳定速比状态。
图3为本发明所述的一种自适应变速外锥盘式无自旋牵引式无级变速器电控变速示意图。
图4为本发明所述的一种自适应变速外锥盘式无自旋牵引式无级变速器自适应变速示意图。
图5为本发明所述的一种自适应变速外锥盘式无自旋牵引式无级变速器变速机构示意图。
附图中，各数字与字母代表的含义如下：
1-输入轴；2-输入端端面凸轮加载机构；3-输入滚轮；4-上传动锥盘；7-下传动锥盘；5-上变速摇杆；8-下变速摇杆；6-变速套筒；11-输出轴；10-输出端端面凸轮加载机构；9-输出滚轮；13-变速电机；12-丝杆；14-弹簧；15-联轴器；16-螺母；17-机架。
具体实施例
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：
实施例一
如图1所示，为本实施例的传动原理图，该自适应变速外锥盘式无自旋牵引式无级变速器由输入轴1、输入滚轮3、中间传动部件、输出轴11、输出滚轮9与变速机构组成；所述输入轴1与输入滚轮3之间设置有输入端端面凸轮加载机构2，输出轴11与输出滚轮9之间设置有输出端端面凸轮加载机构10，输入轴1与输出轴11同轴安装；所述中间传动部件由上下两组对称放置的上传动锥盘4和下传动锥盘7、上变速摇杆5和下变速摇杆8与变速套筒6组成，所述上传动锥盘4和下传动锥盘7通过轴承分别安装在上变速摇杆5和下变速摇8杆上，且轴向位置固定，上变速摇杆5和下变速摇杆8一端铰接在变速套筒6的同一点处，该点始终位于输入轴1与输出轴11的轴线上，且变速套筒6可沿着输入轴1与输出轴11的轴线方向移动；所述变速机构为丝杠螺母机构，丝杠12平行于输入轴1与输出轴11的轴线设置，螺母16设置在变速套筒6内部且可以绕着丝杠12轴线自由转动；中间传动部件安装于输入滚轮3与输出滚轮9之间，具体方式为：输入滚轮3与中间传动部件的上传动锥盘4和下传动锥盘7牵引接触，输出滚轮9与中间传动部件的上传动锥盘4和下传动锥盘7牵引接触。动力从输入轴1输入，通过输入端端面凸轮加载机构2传递给输入滚轮3，输入滚轮3通过牵引传动将动力传递给中间传动部件的上传动锥盘4和下传动锥盘7，上传动锥盘4和下传动锥盘7通过牵引传动将动力传递给输出滚轮9，进而通过输出端端面凸轮加载机构10输出至输出轴11，实现动力输出。
如图3为了实现电控自动变速，在丝杠12的一端连接有变速电机13，变速电机13可以根据工况输出一定扭矩实现变速，变速方式为：当变速电机13输出扭矩带动丝杆12旋转时，螺母16沿着丝杠12轴向移动，从而带动变速套筒6沿着丝杠12轴向移动，变速套筒6的移动使得上变速摇杆5和下变速摇杆8绕着两根变速摇杆的铰接点同时转动，上变速摇杆5和下变速摇杆8的转动带着上传动锥盘4和下传动锥盘7同步转动，同时输入端端面凸轮加载机构2与输出端端面凸轮加载机构10迫使输入滚轮3与输出滚轮9沿着各自回转轴线移动以保证输入滚轮3、输出滚轮9与上传动锥盘4和下传动锥盘7在新的接触点压紧接触，上传动锥盘4和下传动锥盘7的工作半径改变，无级变速器的传动比也随之改变，实现了变速过程。
实施例二
如图1所示，为本实施例的传动原理图，该自适应变速外锥盘式无自旋牵引式无级变速器由输入轴1、输入滚轮3、中间传动部件、输出轴11、输出滚轮9与变速机构组成；所述输入轴1与输入滚轮3之间设置有输入端端面凸轮加载机构2，输出轴11与输出滚轮9之间设置有输出端端面凸轮加载机构10，输入轴1与输出轴11同轴安装；所述中间传动部件由上下两组对称放置的上传动锥盘4和下传动锥盘7、上变速摇杆5和下变速摇杆8与变速套筒6组成，所述上传动锥盘4和下传动锥盘7通过轴承分别安装在上变速摇杆5和下变速摇8杆上，且轴向位置固定，上变速摇杆5和下变速摇杆8一端铰接在变速套筒6的同一点处，该点始终位于输入轴1与输出轴11的轴线上，且变速套筒6可沿着输入轴1与输出轴11的轴线方向移动；所述变速机构为丝杠螺母机构，丝杠12平行于输入轴1与输出轴11的轴线设置，螺母16设置在变速套筒6内部且可以绕着丝杠12轴线自由转动；中间传动部件安装于输入滚轮3与输出滚轮9之间，具体方式为：输入滚轮3与中间传动部件的上传动锥盘4和下传动锥盘7牵引接触，输出滚轮9与中间传动部件的上传动锥盘4和下传动锥盘7牵引接触。动力从输入轴1输入，通过输入端端面凸轮加载机构2传递给输入滚轮3，输入滚轮3通过牵引传动将动力传递给中间传动部件的上传动锥盘4和下传动锥盘7，上传动锥盘4和下传动锥盘7通过牵引传动将动力传递给输出滚轮9，进而通过输出端端面凸轮加载机构10输出至输出轴11，实现动力输出。
如图4所示，为了实现自适应输出负载变速，所述丝杠12一端通过联轴器15与输出轴11连接，丝杠12随着输出轴11转动而转动；在所述螺母16上连接有弹簧14，弹簧14的另一端固定在机架17上并和丝杠12平行放置。变速方式为：当工况稳定时，输出轴11施加在丝杠12上的扭矩稳定，所以丝杠12施加在螺母16上的力稳定且与弹簧14施加在螺母16上的力大小相等，方向相反，此时螺母16处于力平衡状态，输出轴11带动丝杠12转动，丝杠12带着螺母16空转；当负载发生变化时，输出轴11扭矩发生变化，输出轴11施加在丝杠12上的扭矩随之发生变化，所以丝杠12施加在螺母16上的力改变，而弹簧14施加在螺母16上的力没变，此时螺母16处于力失衡状态，输出轴11带动丝12杠转动，螺母16就会沿着丝杠12轴向移动直至到达新的力平衡点，螺母116沿着丝杠轴12向移动带动变速套筒6沿着丝杠12轴向移动，变速套筒6的移动使得上变速摇杆5和下变速摇杆8绕着两根变速摇杆的铰接点同时转动，上变速摇杆5和下变速摇杆8的转动带着上传动锥盘4和下传动锥盘7同步转动，同时输入端端面凸轮加载机构2与输出端端面凸轮加载机构10迫使输入滚轮3与输出滚轮9沿着各自回转轴线移动以保证输入滚轮3、输出滚轮9与上传动锥盘4和下传动锥盘7在新的接触点压紧接触，上传动锥盘4和下传动锥盘7的工作半径改变，无级变速器的传动比也随之改变，实现了变速过程。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理、创造性和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种自适应变速外锥盘式无自旋牵引式无级变速器由输入轴、输入滚轮、中间传动部件、输出轴、输出滚轮与变速机构组成；其特征在于：所述输入轴与输入滚轮之间设置有输入端端面凸轮加载机构，输出轴与输出滚轮之间设置有输出端端面凸轮加载机构，输入轴与输出轴同轴安装；所述中间传动部件由上下两组对称放置的上传动锥盘和下传动锥盘、上变速摇杆和下变速摇杆与变速套筒组成，所述上传动锥盘和下传动锥盘通过轴承分别安装在上变速摇杆和下变速摇杆上，且轴向位置固定，上变速摇杆和下变速摇杆一端铰接在变速套筒的同一点处，该点始终位于输入轴与输出轴的轴线上，且变速套筒可沿着输入轴与输出轴的轴线方向移动；所述变速机构为丝杠螺母机构，丝杠平行于输入轴与输出轴的轴线设置，螺母设置在变速套筒内部且可以绕着丝杠轴线自由转动；中间传动部件安装于输入滚轮与输出滚轮之间。
2.如权利要求1所述的一种自适应变速外锥盘式无自旋牵引式无级变速器，其特征在于：上传动锥盘和下传动锥盘均采用外锥式，输入滚轮和输出滚轮均采用内圆弧式。
3.如权利要求1所述的一种自适应变速外锥盘式无自旋牵引式无级变速器，其特征在于：通过变速套筒沿着丝杠轴向的移动，使得上变速摇杆和下变速摇杆绕着两根变速摇杆的铰接点同时转动，从而带着上传动锥盘和下传动锥盘同步转动，加上输入端端面凸轮加载机构与输出端端面凸轮加载机构迫使输入滚轮与输出滚轮沿着各自回转轴线的移动来实现变速。
4.如权利要求1所述的一种自适应变速外锥盘式无自旋牵引式无级变速器，其特征在于：电控自动变速时，在丝杠的一端连接有变速电机，变速电机可以根据工况输出一定扭矩实现变速。
5.如权利要求1所述的一种自适应变速外锥盘式无自旋牵引式无级变速器，其特征在于：自适应输出负载变速时，所述丝杠一端通过联轴器与输出轴连接，丝杠随着输出轴转动而转动；在所述变速套筒中设置有螺母，螺母可以绕着丝杠轴线自由转动；螺母上连接有弹簧，弹簧的另一端固定在机架上并和丝杠同轴放置。
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