CN1182844A - 离心波无级变矩器 - Google Patents

Abstract

离心波无级变矩器,是利用固体离心块在旋转时产生的离心力的冲量变化来变速变矩的装置,适用于外载荷经常变化的机械传动,如汽车、拖拉机。能自动适应内外阻力和路况变化,是一种输出转速和转矩成反比的恒功率传动装置,可大大改善汽车的动力性和使用性能,使汽车起步快而平稳,工作柔和无冲击,短时间内达最高车速,省时省油,减轻驾驶员的劳动强度,是当代运输机械的理想传动装置。

Description

离心波无级变矩器

一种使固体离心块旋转时产生波形，利用离心块的冲量累积来变速变矩的装置，适用于外载荷经常变化的机械传动，如汽车、拖拉机、内燃机车、摩托车等运输机械，也适用于大中型的风机和水泵，属机械传动领域。

传统的无级变速变矩装置有很多种，常见的有液力变矩器，依靠动液来传动，其缺点是液力损失较大，变速范围较小；有摩擦式无级变速器，依靠改变摩擦半径来传动，其缺点是滑动损失产生大量摩擦热量；有电传动无级变矩器，其缺点是需两套能量转换装置，消耗大量有色金属；还有液压马达无级变矩装置，其缺点是结构复杂成本较高，磨损和泄漏都不易克服。

本发明的目的是为运输机械等提供一种结构简单，成本低廉，使用寿命长，并能自动适应外载荷变化变速变矩的恒功率传动装置。本发明经初步检索，国内外尚无此物。在设计时参查了《汽车理论》机械工业出版社，统一书号：15033、5050；《汽车构造》下册，1994年6月第三版，人民交通出版社，ISBN 7-114-01833-9；《物理学》高等教育出版社，1993年12月第三版，ISBN-04-004066-2；《行星与谐波传动结构图册》，机械工业出版社，1982年2月北京第一版，统一书号：15033、5959。

本发明具体结构由以下主要零部件组成(参看图1图2)：1、输入轴  2、滑套  3、甩油盘  4、连杆  5、离心块  6、波发生器  7、小轴  8、扭转弹簧9、锁止离合器  10、箱体  11、花键齿轮  12、双联齿轮  13、输出轴  14、操纵杆。

本发明结构简单可靠，直接利用固体离心块的冲量作功，比液力变矩器利用液力作功损失小。固体离心块旋转时正压力很大，紧贴在波发生器的波形面上滚动，两端用滚动轴承与连杆相连，有良好的润滑条件，接触表面都经过热处理和磨削，所以抗磨损能力强，使用寿命长，变速范围大，成本低，其特征是：输入轴1上用连杆4联接着一组固体离心块5，均能自由旋转，离心块外部套装有由几段曲线组成的封闭套筒形状的波发生器6；波发生器的封闭曲线形状可以是椭圆形，三角形，四边形……等多种形状(参看图3图4)，曲线的形状可以是抛物线、阿基米德螺旋线等多种形式。波发生器与输出端齿轮联接，如不用倒挡时波发生器可直接作输出端使用，离心块的个数与波的个数应有差别，应避免互成整倍数，以免波发生器受力不均而产生周期振动。离心块的外形是圆柱形或是圆柱形的组合体。

本发明的理论依据是物理学的动量定理(参看图5)：在给定的时间间隔内，外力作用在质点上的冲量等于质点在此时间内动量的增量。离心块在高速旋转的过程中，产生切向加速度和法向加速度，如是均速旋转，切向加速度为零，法向加速度α＝γω²＝u²/γ，离心块产生的离心力为mγω²(其中α-法向加速度，γ-离心块旋转平均半径，ω-角速度，u-平均线速度，m-离心块质量)。离心块用连杆4与输入轴辐圆用小轴7联接，在旋转的过程中，离心块的向心力不在旋转圆心O上，而在连杆与输入轴的联接点O₁上，离心块的运动速度是圆心O点的法向加速度与O₁点的切向加速度的合成。离心块受外部波发生器的限制边旋转边作径向往复运动，往复距离为γ₂-γ₁，每往复一次在θ₂角内，受法向加速度作用离心块以冲量的形式高速冲击波发生器，使波发生器的动量增加，其动量增加量与单位时间内离心块的冲击的次数、作用时间、速度、质量等因素有关，因计算十分复杂，所以在此不作陈述，当冲量增加到与汽车内外阻力相等时，波发生器将被推动，产生旋转运动，方向与离心块旋向相同，因是同向不同速度旋转，离心块冲击的次数也趋于减少，使汽车开始起步。在离心块的继续作用下，并随着车速增加汽车有了一定的惯性力，波发生器旋转速度不断增加，离心块的冲击次数不断减少，最后两者将同速旋转，使汽车达最高行驶速度。

综上所述，发动机带动一组离心块高速旋转并作径向往复运动，使离心块产生冲量，推动波发生器旋转，因波发生器直通汽车后桥主减速器，所以输出的转速和转矩能自动适应外载荷变化，当外载荷较大时，波发生器受外载荷影响旋转速度慢，受到离心块作用次数多，输出转矩较大速度低，当外载荷较小时，波发生器受外载荷影响小，转速增加，转矩变小，受到离心块的作用次数减少，是输出转矩与转速成反比的恒功率传动装置。

离心波无级变矩器是这样工作的(参看图1图2)：发动机通过离合器与输入轴1相联接(图中未画出)，将发动机转速定在最佳工况，在离心力的作用下，离心块5紧贴在波发生器6的波形面上滚动，边随着波形面的“起伏”作径向往复运动，并以冲量的形式使波发生器受力，试图推动其旋转，当内外阻力与离心块的冲量累积作用力相等时，波发生器被推动，汽车得到了加速度开始起步。随着惯性的增加，行驶速度逐渐加快，在增速的过程中，波发生器因外阻力减小而逐渐加快转速，离心块在波形面上的滚动速度逐渐减慢，冲击力逐渐减小直至离心块停止自转而与波发生器一起公转。这时离心块的冲量为零，只在离心力的作用下撑住波发生器旋转，其作用力是作正功的离心块的作用力，减去作负功的离心块的作用力。因有连杆4连着离心块和输入轴，形成一角度差，使作正功的角度θ₁大于作负功的角度θ₂，也就是说作正功的离心块个数多于作负功的离心块个数，总有正功率输出，使汽车可在最高速行驶。

当行驶阻力变大时(如汽车上坡)，离心块的作用力不能与之匹配，只能在波形面上边自转边随着波发生器公转，也就是说离心块撑不住波发生器，与其有了速度差，假设此时两者转速相差一半，即输入轴1旋转二圈波发生器旋转一圈，每个离心块冲击波发生器n次(n-波形的个数)，如有z个离心块，就会产生zn次的冲量，根据能量转换原理，此冲量将转变为扭矩，使输出端速度减慢的同时，转矩得到增大，相反时转矩减小车速增高。

在汽车刚起步时，车速从零开始，波发生器处于不动状态。发动机启动后经离合器带动离心块由慢至快旋转，离心力也随着发动机转速的增快而不断增大，离心块冲击波发生器的次数和力量不断加强，当其的作用力能够抵消起步时的内外阻力时，汽车将得到加速度开始起步。本变矩器能真正的从零开始加速，而不是靠离合器打滑而从零开始加速，再有传统变速箱是依靠提高发动机转速加速，发动机开始起步时(或换挡之后)处于低速工况，没有发挥发动机的最佳工况，当发动机刚进入最佳工况时，又需换下一挡，使汽车加速时间变长，消耗功率，并有冲击感使乘座不舒适。本变矩器可使发动机在短时间内达最佳工况，进入外特性，所以使起步快速而平稳，柔和而无冲击，在短时间内可达最高车速，省时省油，减轻驾驶员的劳动强度。本变矩器输出端配上高低挡，可加大变矩范围，更适用于装载机械。

当汽车行驶在下坡路面时，车轮将成为主驱动力，这时如用发动机限制下坡车速，可将输入轴与波发生器锁成一体，具体操纵如下：减小油门，使发动机转速适当减慢，使输入轴与波发生器转速相等，搬动操纵杆14，使滑套2移动，使锁止离合器9与波发生器啮合，成为刚性联接直接传动。这在汽车高速行驶、下坡限速、拖曳起步时都有着积极的意义。

需长时间低速行驶时，可降低发动机的转速，使离心块的作用力减小到与外阻力平衡，驾驶员只需控制油门，即可保持一定的车速行驶，即省油又简单。

汽车重载和轻载，其内外阻力变化较大，但本装置设计上可完全适应其变化，也与传统变速机构一样，重载时加速度小，轻载时加速度大。

倒车时将花键齿轮11挂在倒挡齿轮上(图中未画出)，因其结构和作用与传统机构和作用一样，本案不再提出，不同的是本结构倒车时也是无级变速变矩的。

停车时离心块在重力作用下与波发生器脱离，使再启动时离心块猛然冲击波发生器，产生噪音和损坏零件，为避免这种现象，本结构设计有扭力弹簧8，其作用是克服重力，使离心块停车时也紧贴在波形面上。

在某些场合本变矩器也可以作为轮边减速器使用，可将本结构安装在车轮中央(去掉倒车齿轮部分)，可以使汽车整体结构大大简化，制造成本降低，这在两轮、三轮摩拖车上优越性更加明显。

离心波无级变矩器低速性能好，能够使发动机在短时间内进入外特性工况。所以合理的选择匹配发加机功率，可达即快又省的目的。与传统选择方法一样，根据最高车速时的行驶阻力来选取发动机功率比较方便。

离心波无级变矩器能自动适应内外阻力和路况变化，充分发挥活塞式发动机的功率，使发动机总能处于稳定工况而不熄火，驱动力随着车速的降低而增加，具有同恒功率发动机一样的驱动功率，能使汽车以极低的车速稳定行驶，大大改善了汽车的动力性，可大幅度减轻驾驶员的劳动强度，是当代运输机械最理想的传动装置。

Claims (3)

1、一种能自动适应内外阻力变速变矩的传动装置，由输入轴1、离心块5、波发生器6、连杆4、箱体10等组成，其特征是：输入轴1辐圆面上用连杆4联接着一组固体离心块5，在离心块外部有由几段曲线组成的封闭套筒形状的波发生器6。

2、如权利要求1所述的传动装置，其特征是：波发生器6的波形面展开形状是正弦波形状。

3、如权利要求1所述的传动装置，其特征是：离心块5是圆柱形或是圆柱形的组合体。

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