CN115045967B - 一种基于面齿轮的分扭-汇流多档变速装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面齿轮的分扭‑汇流多档变速装置，包括输入轴、离合器、双面面齿轮组、两个支路圆柱齿轮、输出轴、拨叉、挡片、光电开关和控制器；当变速装置换档时，离合器进行分离，断开动力源，进而等待面齿轮组在惯性作用下旋转带动挡片经过光电开关，光电开关产生一个信号，此时面齿轮组上的N个对齐的轮齿正好运行至与圆柱齿轮啮合的位置，拨叉运动，拨动圆柱齿轮沿着花键轴向移动，移动至圆柱齿轮与面齿轮组中的另一个面齿轮相啮合的位置停止；在圆柱齿轮到达位置后，离合器闭合，接通动力源，动力源由输入轴传递至输出轴，完成换档变速功能。本发明装置是一种结构紧凑、易于加工制造、结构尺寸小、重量轻、传递动力大的多档变速装置。
Description
技术领域
本发明属于机械制造技术领域，具体涉及一种分扭-汇流多档变速装置。
背景技术
机械传动是机械工程学科的核心技术之一，机械传动系统在工业领域应用极为广泛。随着工业技术的发展，各种各样的机械设备对变速装置要求越来越高，小至手表，大至工程机械都需要可靠性高，尺寸小，结构简单的变速装置。
目前，变速装置通常使用的是以圆柱齿轮传动技术为核心的变速原理，动力经过不同齿数比啮合的圆柱齿轮，实现转速扭矩的改变。利用这种变速原理可实现不同档位的变速，以适应不同的使用环境。例如汽车变速箱中使用的就是多组圆柱齿轮副实现多个档位的变速，不同档位对应不同的使用环境，比如低档位用于起步与爬坡等需要大扭矩的场合，高档位用于高速等需要高转速的场合。但是这种多档变速装置需要多个圆柱齿轮，结构很复杂，设计制造难度大，维护困难，加工成本高。
面齿轮传动技术是最近几年才兴起的一种传动形式，与其他传动形式不同的是，与面齿轮啮合的齿轮为标准渐开线圆柱齿轮。这种传动方式具有传动比大、结构简单、传递载荷大、重合度大、对圆柱齿轮轴向安装误差不敏感等优势。面齿轮传动技术最早主要用于电动工具，玩具中，近些年也用于直升机等中型机械上。但是，目前面齿轮传动技术只用于单级传动系统中，尚未见到仅采用面齿轮传动的分流-汇流多档变速装置。分扭-汇流结构在单纯的传动结构上进行了发展，其原理是将输入动力通过一对齿轮进行分流至多支路，最后再进行汇合，完成动力的传递。这种结构可传递更大的动力，增加传动系统的寿命与可靠性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种面齿轮的分扭-汇流多档变速装置，包括输入轴、离合器、双面面齿轮组、两个支路圆柱齿轮、输出轴、拨叉、挡片、光电开关和控制器；当变速装置换档时，离合器进行分离，断开动力源，进而等待面齿轮组在惯性作用下旋转带动挡片经过光电开关，光电开关产生一个信号，此时面齿轮组上的N个对齐的轮齿正好运行至与圆柱齿轮啮合的位置，拨叉运动，拨动圆柱齿轮沿着花键轴向移动，移动至圆柱齿轮与面齿轮组中的另一个面齿轮相啮合的位置停止；在圆柱齿轮到达位置后，离合器闭合，接通动力源，动力源由输入轴传递至输出轴，完成换档变速功能。本发明装置是一种结构紧凑、易于加工制造、结构尺寸小、重量轻、传递动力大的多档变速装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于面齿轮的分扭-汇流多档变速装置，包括输入轴、离合器、第一动力传输支路、第二动力传输支路、双面面齿轮组、输出轴、拨叉、挡片、光电开关、控制器和油缸；所述第一动力传输支路包括一支路花键轴、一支路圆柱齿轮；所述第二动力传输支路包括二支路花键轴、二支路圆柱齿轮、分扭主动齿轮和分扭从动齿轮；
所述输入轴与离合器的一端连接，离合器的另一端与一支路花键轴连接，动力源通过输入轴输入，再通过离合器传递到一支路花键轴；所述离合器在变速装置换档时暂时断开动力，使得换档更平顺；
所述一支路花键轴上固连有分扭主动齿轮；所述一支路花键轴通过花键与一支路圆柱齿轮的内齿啮合，动力通过一支路花键轴传递到一支路圆柱齿轮上；所述一支路圆柱齿轮的外齿与双面面齿轮组中一侧的一个面齿轮啮合；
所述分扭主动齿轮与分扭从动齿轮啮合；所述分扭从动齿轮与二支路花键轴固连，从动力源输入的部分动力通过分扭主动齿轮和分扭从动齿轮传递至二支路花键轴上；所述二支路花键轴通过花键与二支路圆柱齿轮的内齿啮合；传递到二支路花键轴上的动力再传递到二支路圆柱齿轮上；所述二支路圆柱齿轮的外齿与双面面齿轮组中的另一侧与一支路圆柱齿轮啮合的同一个面齿轮啮合；
所述第一动力传输支路和第二动力传输支路具有相同的转动速度，转动方向相反；所述一支路圆柱齿轮与二支路圆柱齿轮分别与双面面齿轮组的同一个双面面齿轮的两个面啮合，并传递动力；动力源输入的动力被平均分配到两个支路，两个支路的动力同时传输至同一个双面面齿轮上，实现动力的汇流；
所述双面面齿轮组由N个模数相同齿数不同的面齿轮组成，每个面齿轮中指定一个轮齿，N个面齿轮共指定N个轮齿，这N个指定的轮齿在一条直线上，沿径向对齐；所述双面面齿轮组与输出轴连接，动力传递到输出轴，最终由输出轴输出；
所述拨叉设置于一支路圆柱齿轮与二支路圆柱齿轮上方，分为两组，每组包括两个拨爪；所述一支路圆柱齿轮与二支路圆柱齿轮分别位于拨叉的不同组的两个拨爪之间；所述拨叉能拨动一支路圆柱齿轮与二支路圆柱齿轮分别沿着一支路花键轴和二支路花键轴轴向移动，使一支路圆柱齿轮与二支路圆柱齿轮同时与双面面齿轮组的另一个面齿轮啮合，使齿数比产生变化，进而实现变速；所述油缸用于控制拨叉动作；
所述挡片与双面面齿轮组固连，随着双面面齿轮组一起旋转；所述光电开关固定于多档变速装置外部静止，光电开关与控制器电连接；
当变速装置换档变速时，所述离合器进行分离，断开动力源，同时控制器收到换档信号；双面面齿轮组在惯性作用下旋转带动挡片经过光电开关，光电开关产生一个信号发给控制器，控制器根据双面面齿轮组的转速设定延迟时间后向油缸发出指令，油缸控制拨叉动作，此时面齿轮组上的N个对齐的轮齿正好运行至与圆柱齿轮啮合的位置，拨叉运动，拨动一支路圆柱齿轮与二支路圆柱齿轮分别沿着一支路花键轴和二支路花键轴轴向移动，移动至一支路圆柱齿轮与二支路圆柱齿轮与双面面齿轮组的另一个面齿轮相啮合的位置停止；在一支路圆柱齿轮与二支路圆柱齿轮到达位置后，离合器闭合，接通动力源，动力源由输入轴传递至输出轴，完成换档变速功能；
控制器控制换档时，当收到换档信号后之后再收到光电开关信号，才会向油缸发出指令；如果控制器未收到换档信号，仅收到光电开关信号则不发送指令。
优选地，所述N为2到10之间的整数。
优选地，所述N＝4。
优选地，所述离合器为摩擦片式离合器。
优选地，所述离合器为牙嵌式离合器。
优选地，所述离合器为超越式离合器。
优选地，所述一支路圆柱齿轮与二支路圆柱齿轮的轮齿靠近端面处进行倒角或倒圆角处理，以减少换档时的干涉冲击，使圆柱齿轮的轮齿平顺的进入面齿轮轮齿中与之啮合。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明装置结构简单，易于加工制造。零件数量少，加工方便，成本低，便于维护；
(2)本发明装置结构尺寸小，重量轻。相比于传统圆柱齿轮变速器，采用双面齿轮组可大大减小齿轮占用空间，体积和重量都有大幅度减小；
(3)本发明装置传递动力大。由于面齿轮传动重合度大，并且采用分扭-汇流结构，所以可以传递较大动力；
(4)本发明装置便于装配。由于面齿轮传动具有对圆柱齿轮轴向安装误差不敏感的特性，所以本分扭-汇流多档变速装置对圆柱齿轮的轴向安装精度要求低。
附图说明
图1是本发明的总体结构三维示意图。
图2是本发明双面面齿轮组结构示意图；
图3是本发明圆柱齿轮轮齿靠近端面处倒角示意图。
图4是本发明圆柱齿轮轮齿靠近端面处倒圆角示意图。
图5是本发明挡片与光电开关位置关系示意图。
图6是本发明拨叉与圆柱齿轮位置关系示意图。
图7是本发明分扭-汇流装置结构图。
图8是本发明第一动力传输支路动力传递路线示意图。
图9是本发明第二动力传输支路动力传递路线示意图。
图中：1-输入轴、2-离合器、3-一支路花键轴、4-一支路圆柱齿轮，5-双面面齿轮组、6-输出轴、7-拨叉、8-挡片、9-光电开关、10-分扭主动齿轮，11-分扭从动齿轮，12-二支路花键轴、13-二支路圆柱齿轮、14-控制器、15-油缸。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构简单、易于加工制造、结构尺寸小、重量轻、传递动力大、且便于装配与维护的分扭-汇流多档变速装置。
一种基于面齿轮的分扭-汇流多档变速装置，包括输入轴1、离合器2、第一动力传输支路、第二动力传输支路、双面面齿轮组5、输出轴6、拨叉7、挡片8、光电开关9、控制器14和油缸15；所述第一动力传输支路包括一支路花键轴3、一支路圆柱齿轮4；所述第二动力传输支路包括二支路花键轴12、二支路圆柱齿轮13、分扭主动齿轮10和分扭从动齿轮11；
所述输入轴1与离合器2的一端连接，离合器2的另一端与一支路花键轴3连接，动力源通过输入轴1输入，再通过离合器2传递到一支路花键轴3；所述离合器2在变速装置换档时暂时断开动力，使得换档更平顺；
所述一支路花键轴上固连有分扭主动齿轮10；所述一支路花键轴3通过花键与一支路圆柱齿轮4的内齿啮合，动力通过一支路花键轴3传递到一支路圆柱齿轮4上；所述一支路圆柱齿轮4的外齿与双面面齿轮组5中一侧的一个面齿轮啮合；
所述分扭主动齿轮10与分扭从动齿轮11啮合；所述分扭从动齿轮11与二支路花键轴12固连，从动力源输入的部分动力通过分扭主动齿轮10和分扭从动齿轮11传递至二支路花键轴12上；所述二支路花键轴12通过花键与二支路圆柱齿轮13的内齿啮合；传递到二支路花键轴12上的动力再传递到二支路圆柱齿轮13上；所述二支路圆柱齿轮13的外齿与双面面齿轮组5中的另一侧与一支路圆柱齿轮4啮合的同一个面齿轮啮合；
所述第一动力传输支路和第二动力传输支路具有相同的转动速度，转动方向相反；所述一支路圆柱齿轮4与二支路圆柱齿轮13分别与双面面齿轮组5的同一个双面面齿轮的两个面啮合，并传递动力；动力源输入的动力被平均分配到两个支路，两个支路的动力同时传输至同一个双面面齿轮上，实现动力的汇流；
所述双面面齿轮组5由N个模数相同齿数不同的面齿轮组成，每个面齿轮中指定一个轮齿，N个面齿轮共指定N个轮齿，这N个指定的轮齿在一条直线上，沿径向对齐；所述双面面齿轮组5与输出轴6连接，动力传递到输出轴6，最终由输出轴6输出；
所述拨叉7设置于一支路圆柱齿轮4与二支路圆柱齿轮13上方，分为两组，每组包括两个拨爪；所述一支路圆柱齿轮4与二支路圆柱齿轮13分别位于拨叉7的不同组的两个拨爪之间；所述拨叉7能拨动一支路圆柱齿轮4与二支路圆柱齿轮13分别沿着一支路花键轴3和二支路花键轴12轴向移动，使一支路圆柱齿轮4与二支路圆柱齿轮13同时与双面面齿轮组5的另一个面齿轮啮合，使齿数比产生变化，进而实现变速；所述油缸15用于控制拨叉7动作；
所述挡片8与双面面齿轮组5固连，随着双面面齿轮组5一起旋转；所述光电开关9固定于多档变速装置外部静止，光电开关9与控制器14电连接；
当变速装置换档变速时，所述离合器2进行分离，断开动力源，同时控制器14收到换档信号；双面面齿轮组5在惯性作用下旋转带动挡片8经过光电开关9，光电开关9产生一个信号发给控制器14，控制器14根据双面面齿轮组5的转速设定延迟时间后向油缸15发出指令，油缸15控制拨叉7动作，此时面齿轮组上的N个对齐的轮齿正好运行至与圆柱齿轮啮合的位置，拨叉运动，拨动一支路圆柱齿轮4与二支路圆柱齿轮13分别沿着一支路花键轴3和二支路花键轴12轴向移动，移动至一支路圆柱齿轮4与二支路圆柱齿轮13与双面面齿轮组5的另一个面齿轮相啮合的位置停止；在一支路圆柱齿轮4与二支路圆柱齿轮13到达位置后，离合器2闭合，接通动力源，动力源由输入轴传递至输出轴，完成换档变速功能；
控制器14控制换档时，当收到换档信号后之后再收到光电开关9的信号，才会向油缸15发出指令；如果控制器14未收到换档信号，仅收到光电开关9信号则不发送指令。
优选地，所述N为2到10之间的整数。
优选地，所述N＝4。
优选地，所述离合器2为摩擦片式离合器。
优选地，所述离合器2为牙嵌式离合器。
优选地，所述离合器2为超越式离合器。
优选地，所述一支路圆柱齿轮4与二支路圆柱齿轮13的轮齿靠近端面处进行倒角或倒圆角处理，以减少换档时的干涉冲击，使圆柱齿轮的轮齿平顺的进入面齿轮轮齿中与之啮合。
具体实施例：
图1中，动力源通过输入轴1输入，输入轴1与离合器2的一端连接，此离合器可以采用摩擦片式、牙嵌式或者超越式离合器，其目的是可以在换档时暂时断开动力，使得换档更平顺，离合器2的另一端与一支路花键轴3相连接，动力通过离合器2传递到一支路花键轴3，一支路花键轴上固连有分扭主动齿轮10，一部分动力通过分扭主动齿轮10和分扭从动齿轮11传递至二支路花键轴12上。一支路花键轴3上连接一支路圆柱齿轮4，第一支路的动力通过花键传递到一支路圆柱齿轮4上，一支路圆柱齿轮4与双面面齿轮组5中一侧的一个面齿轮相啮合，第二支路的动力通过花键传递到二支路圆柱齿轮13上，二支路圆柱齿轮13与双面面齿轮组5中的另一侧的同一个面齿轮相啮合。这两个支路具有相同的转动速度，转动方向相反。因此，一支路与二支路圆柱齿轮可同时与同一个双面面齿轮相啮合，并传递动力。输入动力被平均分配到两个支路，两个支路的动力同时传输至同一个双面面齿轮上，由此实现动力的汇流。双面面齿轮组5与输出轴6相连接，动力传输至输出轴6上。拨叉7可同时拨动一支路圆柱齿轮4沿着一支路花键轴3、二支路圆柱齿轮13沿着二支路花键轴12轴向移动，实现与一支路和二支路圆柱齿轮4和13同时啮合的双面面齿轮的变化，进而齿数比产生便变化，进而实现变速。
在图2所示的双面面齿轮组5的一个实施例中，双面面齿轮组5由4个模数相同、齿数不同的双面面齿轮同轴固连组成，双面面齿轮两底面均设置有模数相同、齿数相同的面齿轮。这4个双面面齿轮轮齿中的某一齿是沿径向对齐，即在同一条直线上。因为双面面齿轮组5中的4个双面面齿轮齿数各不相同，进而一支路或二支路圆柱齿轮4或13分别与不同双面面齿轮相啮合时的齿数比不相同，进而实现多档变速的功能。
图3或图4所示的一支路或二支路圆柱齿轮4或13的轮齿靠近端面处进行倒角或倒圆角处理，其目的是减少换档时的干涉冲击，使得一支路或二支路圆柱齿轮4或13的轮齿较为平顺的进入另一个双面面齿轮轮齿中与之啮合。
如图5所示，挡片8与双面面齿轮组5相固连，随着双面面齿轮组5一起旋转，光电开关9设置于外部静止不动。挡片8每旋转经过一次光电开关9，光电开关9即产生一个信号。
如图6所示，拨叉7设置于一支路和二支路圆柱齿轮4和13上方，并且两圆柱齿轮4和13均位于拨叉7的拨爪之间。
如图7所示，分扭-汇流装置设计有两支路，并且一支路圆柱齿轮3和二支路圆柱齿轮13同时与双面面齿轮组5相啮合。
如图8所示，一支路动力通过输入轴1、离合器2、一支路花键轴3、一支路圆柱齿轮4传递至双面面齿轮组5。
如图9所示，另一支路动力通过输入轴1、离合器2、分扭主动齿轮10、分扭从动齿轮11、二支路花键轴12、二支路圆柱齿轮13传递至双面面齿轮组5。两支路动力在双面面齿轮组5上完成汇流，然后通过输出轴6输出。
本发明在实际工作时，动力通过输入轴1、离合器2、部分动力通过一支路花键轴3、一支路圆柱齿轮4、传递至双面面齿轮组5；另一部分动力通过分扭主动齿轮10、分扭从动齿轮11完成分流，并二支路花键轴12、二支路圆柱齿轮13传递至双面面齿轮组5，完成汇流；汇流后的动力传递至输出轴6。当设备需要换档变速时，首先离合器2进行分离，断开动力源，同时控制器14收到换档信号，进而等待双面面齿轮组5在惯性作用下旋转带动挡片8经过光电开关9，此时光电开关9会产生一个信号。光电开关9与外部控制器14相连接，产生的信号通过导线传输至控制器14，控制器14根据齿轮组旋转速度进行计算，延迟一定的时间发出指令，控制油缸15运动，推动拨叉7运动，此时与一支路或二支路圆柱齿轮4或13啮合的双面面齿轮恰好运动到轮齿对齐的位置。拨叉7运动，进而拨动一支路和二支路圆柱齿轮4和13运动，移动至与双面面齿轮组5中的另一个双面面齿轮相啮合的位置停止。然后离合器2闭合，接通动力源，动力源又可由输入轴1传递至输出轴6，至此，分扭-汇流换档变速功能已实现。
Claims (7)
1.一种基于面齿轮的分扭-汇流多档变速装置，其特征在于，包括输入轴、离合器、第一动力传输支路、第二动力传输支路、双面面齿轮组、输出轴、拨叉、挡片、光电开关、控制器和油缸；所述第一动力传输支路包括一支路花键轴、一支路圆柱齿轮；所述第二动力传输支路包括二支路花键轴、二支路圆柱齿轮、分扭主动齿轮和分扭从动齿轮；
所述输入轴与离合器的一端连接，离合器的另一端与一支路花键轴连接，动力源通过输入轴输入，再通过离合器传递到一支路花键轴；所述离合器在变速装置换档时暂时断开动力，使得换档更平顺；
所述一支路花键轴上固连有分扭主动齿轮；所述一支路花键轴通过花键与一支路圆柱齿轮的内齿啮合，动力通过一支路花键轴传递到一支路圆柱齿轮上；所述一支路圆柱齿轮的外齿与双面面齿轮组中一侧的一个面齿轮啮合；
所述分扭主动齿轮与分扭从动齿轮啮合；所述分扭从动齿轮与二支路花键轴固连，从动力源输入的部分动力通过分扭主动齿轮和分扭从动齿轮传递至二支路花键轴上；所述二支路花键轴通过花键与二支路圆柱齿轮的内齿啮合；传递到二支路花键轴上的动力再传递到二支路圆柱齿轮上；所述二支路圆柱齿轮的外齿与双面面齿轮组中的另一侧与一支路圆柱齿轮啮合的同一个面齿轮啮合；
所述第一动力传输支路和第二动力传输支路具有相同的转动速度，转动方向相反；所述一支路圆柱齿轮与二支路圆柱齿轮分别与双面面齿轮组的同一个双面面齿轮的两个面啮合，并传递动力；动力源输入的动力被平均分配到两个支路，两个支路的动力同时传输至同一个双面面齿轮上，实现动力的汇流；
所述双面面齿轮组由N个模数相同齿数不同的面齿轮组成，每个面齿轮中指定一个轮齿，N个面齿轮共指定N个轮齿，这N个指定的轮齿在一条直线上，沿径向对齐；所述双面面齿轮组与输出轴连接，动力传递到输出轴，最终由输出轴输出；
所述拨叉设置于一支路圆柱齿轮与二支路圆柱齿轮上方，分为两组，每组包括两个拨爪；所述一支路圆柱齿轮与二支路圆柱齿轮分别位于拨叉的不同组的两个拨爪之间；所述拨叉能拨动一支路圆柱齿轮与二支路圆柱齿轮分别沿着一支路花键轴和二支路花键轴轴向移动，使一支路圆柱齿轮与二支路圆柱齿轮同时与双面面齿轮组的另一个面齿轮啮合，使齿数比产生变化，进而实现变速；所述油缸用于控制拨叉动作；
所述挡片与双面面齿轮组固连，随着双面面齿轮组一起旋转；所述光电开关固定于多档变速装置外部静止，光电开关与控制器电连接；
当变速装置换档变速时，所述离合器进行分离，断开动力源，同时控制器收到换档信号；双面面齿轮组在惯性作用下旋转带动挡片经过光电开关，光电开关产生一个信号发给控制器，控制器根据双面面齿轮组的转速设定延迟时间后向油缸发出指令，油缸控制拨叉动作，此时面齿轮组上的N个对齐的轮齿正好运行至与圆柱齿轮啮合的位置，拨叉运动，拨动一支路圆柱齿轮与二支路圆柱齿轮分别沿着一支路花键轴和二支路花键轴轴向移动，移动至一支路圆柱齿轮与二支路圆柱齿轮与双面面齿轮组的另一个面齿轮相啮合的位置停止；在一支路圆柱齿轮与二支路圆柱齿轮到达位置后，离合器闭合，接通动力源，动力源由输入轴传递至输出轴，完成换档变速功能；
控制器控制换档时，当收到换档信号后之后再收到光电开关信号，才会向油缸发出指令；如果控制器未收到换档信号，仅收到光电开关信号则不发送指令。
2.根据权利要求1所述的一种基于面齿轮的分扭-汇流多档变速装置，其特征在于，所述N为2到10之间的整数。
3.根据权利要求1所述的一种基于面齿轮的分扭-汇流多档变速装置，其特征在于，所述N＝4。
4.根据权利要求1所述的一种基于面齿轮的分扭-汇流多档变速装置，其特征在于，所述离合器为摩擦片式离合器。
5.根据权利要求1所述的一种基于面齿轮的分扭-汇流多档变速装置，其特征在于，所述离合器为牙嵌式离合器。
6.根据权利要求1所述的一种基于面齿轮的分扭-汇流多档变速装置，其特征在于，所述离合器为超越式离合器。
7.根据权利要求1所述的一种基于面齿轮的分扭-汇流多档变速装置，其特征在于，所述一支路圆柱齿轮与二支路圆柱齿轮的轮齿靠近端面处进行倒角或倒圆角处理，以减少换档时的干涉冲击，使圆柱齿轮的轮齿平顺的进入面齿轮轮齿中与之啮合。
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|---|
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