CN1195165C

CN1195165C - 行星钢球无级变速器

Info

Publication number: CN1195165C
Application number: CNB011452471A
Authority: CN
Inventors: 陈光武
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2021-12-26
Also published as: CN1428524A

Abstract

一种以钢球为传动副的行星钢球无级变速器，采用二个圆弧圆锥体的主动轮和二个内凹圆弧曲面的外压圈于径向及轴向控制钢球行星轮的工位，其凹凸共曲圆弧点接触及滚动位移调速实现高效率高寿命。简支梁式转臂输出机构以及直接采用钢球为行星轮首创转臂输出式行星钢球无级变速器；滚动摩擦将钢球均布分隔实现差动输出式行星钢球无级变速器，其变速范围+n-0——n的突破，变速比达到无穷大及反转速。改变二个外压圈工作面至中心轴线的高度差值的大小，就能实现变速范围上下极限范围的任意改变及其变速精度不受限制。

Description

行星钢球无级变速器

技术领域：

本发明涉及到以钢球为传动副尤其是以钢球作中间滚动体的转臂输出式及差动输出的行星传动类行星钢球无级变速器。

背景技术：

转臂输出行星传动具有较高效率，但通常以锥轮或菱锥体为行星轮，外形复杂加工困难精度难以达到，其传动副存在两凸接触应力高、磨损快、寿命短。

另外，采用钢球作传动件的定轴传动类钢球无级变速器，为了实现钢球的工作半径变动，需要将钢球钻以轴孔安装心轴，方能回转运动，各件钢球与回转机构的尺寸精度一致性难能达到，并且钢球的钻孔或者磨凹槽加工也较困难，使制造成本过高。

发明内容：

本发明提供一种转臂输出及差动输出的行星钢球无级变速器，它直接采用钢球为行星轮，并实现凹凸共曲的传动副，再由简支梁式转臂机构输出。差动输出行星钢球无级变速器则由一组与钢球行星轮等数量的导轮，均分布隔着钢球组限制其圆周上的工位。在钢球运行工作的径向和轴向工位则控制于二个圆弧圆锥体的主动轮和二个内凹圆弧曲面的外压圈的包容抱合中。钢球的公自转及调速位移均在既无轴孔又无心轴的钢球来完成的，结构简化，加工容易，成本降低，效益提高。

本发明是这样实现的：输入主动轴上装有二个圆弧圆锥体的主动轮，外侧由碟簧组而始终压紧着一组钢球行星轮(简称钢球)，形成钢球作径向外移，但钢球外侧由二个内凹圆弧曲面的外压圈包含抱合着控制住径向工位。二个主动轮夹紧钢球使钢球自转，由于转臂输出式的二个外压圈不会转动，就形成钢球圆周运动并将转矩传递到简支梁式转臂机构输出。差动输出式行星钢球无级变速器，因为二个外压圈中的一个能够回转并与输出轴联接于一体，所以钢球的公自转形成该外压圈连同输出轴输出转矩。上述二种变速器基本机件相似，并且各传动副均为凹凸共曲，点接触滚动调速位移，与通常的锥形直线工作面传动副比较，接触应力与承载力、效率和寿命大幅度提高。

下面结合实施例详细说明本发明的具体细节。

图1是本发明的转臂输出行星钢球无级变速器的主视图。

图2是本发明的转臂输出行星钢球无级变速器简支梁钢性转臂轴向剖视图。

图3是本发明的转臂输出行星钢球无级变速器简支梁刚性转臂中心截面圆周上结构图。

图4是本发明差动输出行星钢球无级变速器分隔钢球的保持架由一组滚动轴承组合的轴向剖视图，这里的滚动轴承就是上面说的分隔钢球达到圆周上均布的“导轮”。

图5是本发明的差动输出行星钢球无级变速器钢球保持架滚动轴承组合的轴向剖视图。

图6是本发明转臂输出行星钢球无级变速器的主动轮、钢球、外压圈三要素变速位移工作原理图。

图7是本发明差动输出行星钢球无级变速器主动轮、钢球、外压圈(包括左右的不同)的变速工作原理图。

图8是本发明的差动输出行星钢球无级变速器主视图。

图1中：输出轴1和均载环11由销轴2紧连成梁式整体，钢球6径向内侧被主动轮5和10夹紧，外侧受外压圈4和9的内凹圆弧曲面压紧着控制了径向和轴向的工位，钢球6的圆周分布圆上由简支梁销轴2及其作动配联接的导轮7均布分隔接触作滚动摩擦传递钢球6的公自转直到输出轴1。导轮7轴孔由滚针8动配于销轴2上可以作轴向移动。碟簧3始终压紧着主动轮5和10，并继续压紧钢球6和外压圈4和9。均载环11与轴承12连接，轴承12固定在法兰13上。输入轴支承在滚针轴承15上可作轴向移动。可移动的外压圈9与移动座14固连作轴向平移是由蜗轮16、蜗杆17进行调速控制。

图2中：明显表示输出轴1通过销轴2与均载环11紧固连成刚性简支梁转臂，导轮7以滚针8动配于销轴2上，外圆加工成凹圆弧。钢球6与主动轮5和10、外压圈4和9为凹凸共曲初始点接触，当高速区二个外压圈4与9相对轴向分开，与钢球的接触点是径向外端，而二个主动轮5和10与钢球6在接近钢球中心线处接触。均载环11通过滚动轴承12支承着。

图3中：钢球6分布圆周上均布间隔着导轮7和销轴2，导轮7套在销轴2上。运行时不论钢球在径向最外处或者逐步移向中心，钢球6保持与导轮7外圆接触滚动，传递转矩。

图4中：(这里零件编号与上述转臂输出式不同，以示区别)，钢球13的圆周分布圆上均布间隔着等数量的由滚动轴承14组成的钢球保持架，各滚动轴承固定在销轴15上，而销轴15固连到保持架体16上，钢球保持架体又以滚动轴承17支承在输入轴上达到滚动摩擦，摩阻小磨损少效率高寿命长。

图5中：明显表达滚动轴承组合的钢球保持架轴向剖视，轴承14安装在销轴15上，销轴15两端紧固于保持架体16、轴承17将整个保持架与输入轴动配连接。

图6是本发明转臂输出行星钢球无级变速器的变速工作原理，0为钢球初始球心，OA为半径，而外压圈以0₁为圆弧曲面的圆心，从0₁通过0至A点是外压圈工作圆弧半径0₁A＝0₁0+0A，0₁0是半径差。0₂点是主动轮工作圆弧高速区起始工位的圆心，从0₂点通过0至B点是主动轮工作圆弧半径，0₂0为与钢球半径差，即0₂B＝0₂0+0B，0B＝0A。当二个外压圈作轴向平移靠拢时，A点推压钢球，由于二个外压圈的作用，钢球作径向内移，这时的钢球通过B接触传力使主动轮作轴处外移，钢球的球心从0移动直到0’，因外压圈为0₁移动直到0’₁，主动轮的圆心0₂移动直至0’₂。当蜗杆反转，蜗轮通过内螺旋传动使外压圈作轴向外移，相对于另一外压圈的工作圆弧间距增大，与钢球的接触点从An点(从动态上说是A’n点)逐渐移回到A点，这是因为碟簧的压紧力始终推压着钢球总是作径向外移，从低速区的B’点逐渐同步移到B点，即钢球从0’回复到0点，所有工位恢复初始。从最高到最低转速接触点的逐渐不断变动，工作圆弧工作半径连续变化进退对应升降协调，而且主动轮、钢球和外压圈均有较大的工作弧长，所以属滚动调速位移磨损少效率高寿命长，并且具有较大的调速范围。由于向低速调，二个外压圈相对移近而二个主动轮则相对移开，就会再度压缩外侧的碟簧压紧力增大，而向高速调则相反，压紧力减少，发热和损耗减少，由于公自转速度较高其离心力升高作用到外压圈上的离心力产生的摩擦力也具协助作用。从图可见，四凹圆弧工作面与钢球凹凸共曲达到滚动调速位移，并且其曲率小半径差也小，所以显著提高承载能力及运行稳定可靠性。传动副为凹凸共曲圆弧工作面是本发明的特征之一。

从图6中明确表达传动比的计算：

高速点：r₁为钢球与主动轮触点至中心轴线(X-X)的距离，r₂为该触点至钢球转动轴线距离，r₂为外压圈A点至钢球中心线距离，r₄为该点至中心轴线X-X的距离，有式r₄＝r₁+r₂+r₃，传动比i₁＝r₁r₃/(r₁r₃+r₂r₄)。低速点：钢球与外压圈的触点移至An(或A’n)，该点至钢球新转动轴线的距离为r’₃，至中心轴X-X的距离r’₄，钢球与主动轮的触点B’至钢球转动中心线的距离为r’₂，该点至中心轴X-X的距离为r’₁。同理i₂＝r’₁r’₃/(r’₁r’₃+r’₂r’₄)，显然，由于r’₁r’₂＜r₁r₂而r’₂r’₄＞r₂r₄，所以i₂i₁即输出转速降低。

从图中可以看到，各传动副工作弧长相近，符合滚动位移，且连续逐点变动，具有变速精度高与调速方便可靠的性能。本发明采用碟簧加压而压紧力与恒功率传动转矩增减所需的压紧力增减相一致，是因为有了向低速调二主动轮作相对分开的轴向平移，并且与法向正压力的增减相一致。另外外压圈的简单轴向平移就能实现钢球工作半径的变动即钢球作当量回转运动，达到多项目一致性，而且钢球是既无心轴又无轴孔的标准件，不需再加工。

图7是本发明差动输出的行星钢球无级变速器变速原理，可移动而不能转动的外压圈圆弧工作面的圆心0₁通过钢球球心0至触点A，半径差0₁0＝0₁A-OA，A点至钢球转轴线距离为r₃，该点至中心轴X-X的距离为r₄。

可转动的差动输出外压圈的工作圆弧圆心点0₁₁通过0至A，半径差0₁₁0＝0₁₁A₁-OA₁，OA₁＝OA，A₁与A的径向高度存在差值，即至钢球转轴线为r₃₃＜r₃，越向低转速调此差值减少直至0值，也可以为负值。同理，钢球与主动轮的触点高速时是B点，低速时B’点，二个主动轮的触点高度可以不等高，也可以等高，不受限制。这里B点至中心轴X-X的距离为r₁，B’至钢球低区时的球心转轴距离为r’₂，而二个外压圈低速时触点至钢球转轴线距离为r’₃与r’₃₃，如图所示其传动比I计算如下：

r’₃＝r’₃₃、r’4＝r’44 所以i1＝(1+r₂r₄/r₁r₃)÷(1-r₃₃r₄/r₃r₄₄)，

i₂＝(1+r’₄r’₂/r’₁r’₃)÷(1-r’₃₃r’₄/r’₃r’₄)，所以i₂＝(1+r’₂r’₄/r’₁r’₃)÷(1-r’₃r’₄/r’₃r’₄)＝∞，即输出转速为0。

从上式中可见，由于A与A₁点的初始高度差不同输出转速上限值不同，相差越大，输出转速上限越高；高度差越小输出转速上限越小，并可以接近于0值。这就是本发明的输出转速上下极限不受限制的重大突破。这也是本发明的主要特征之一。

图8是本发明差动输出行星钢球无级变速器结构主视图。图中表明二个主动轮5与6的圆弧工作面初始高度不同以便使钢球高速区转动轴线与中心轴线偏移，形成二个外压圈3与24的圆弧工作面初始触点高度差值更大，输出高速范围提高。与转臂输出不同的是外压圈3与输出轴13固连为整体作差动输出。一组钢球4分布圆周上均布着由滚动轴承(即导轮)外圆与钢球接触分隔，钢球之间互不接触。当这个在钢球圆周上的间隔滚动体其分别与二个钢球接触时作滚动摩擦且方向一致，运行损耗大幅度降低。钢球保持架7及其轴承组合在运行中以滚动接触取代通常的滑动接触位移也是本发明的特征所在。

另外，差动输出行星钢球无级变速器通过改变二个外压圈的工作面的高度差的大小，就是不转动的外压圈与转动的外压圈工作面相对于主轴中心线距离大小之差值的数值大小，就能达到输出转速上下极限的改变既变速范围的改变，采用高度差的改变达到输出转速改变，是本专利的主要特征之一。

上述钢球为行星轮的行星钢球无级变速器不论其转臂输出或差动输出仅改变了联接方式而改变了变速范围，扩大了应用领域。其特征均是凹凸共曲传动副及直接采用钢球，属于同一类型变速器。由于钢球大小易得精度高而成本低，所以钢球作为主件的无级变速器有着更大的效益。

Claims

1、一种以钢球为传动副尤其是以钢球为行星轮的行星钢球无级变速器，由主动轮、行星轮、外压圈和输出机构及分隔钢球行星轮的导轮组成，其特征是二个主动轮是圆弧圆锥体并从径向内侧夹紧一组钢球行星轮，外侧由内凹圆弧曲面的外压圈控制径向和轴向工位，通过一组与钢球行星轮等数量的导轮均布分隔该钢球行星轮，并接受其公自转矩再由简支梁式转臂机构输出，或者由转动的外压圈与输出轴固连作差动输出。

2、根据据权利要求1所的行星钢球无级变速器，其特征是二个主动轮是圆弧圆锥体和二个外压圈是内凹圆弧曲面与钢球行星轮凹凸共曲点接触滚动。

3、根据权利要求1所述的行星钢球无级变速器，其特征是简支梁式转臂输出机构由一组与钢球行星轮同数量的导轮均布分隔着该钢球行星轮，并接受其公自转及转矩作转臂式输出。

4、根据权利要求1所述的行星钢球无级变速器，其特征是作差动输出的一个外压圈能够转动并与输出轴固连，以及由一组与钢球行星轮等数量的导轮均布分隔滚动接触，钢球行星轮与这个外压圈发生差动输出是通过二个外压圈其圆弧工作面存在高度差，就是圆弧工作面与钢球行星轮触点至中心主轴线(回转中心线)的距离大小有差值，差值大输出转速上限升高，差值减少，输出转速上限也降低。差值变动到0输出转速达到0值，差值变到负值输出转速反转，输出转速上下极限变动是采用二个外压圈工作面触点与中心轴线的距离差值大小的变动来达到的。