CN1271356C - 多档大传动比单级行星齿轮变速器 - Google Patents

Abstract

多档大传动比单级行星齿轮变速器，其变速档位多，传动比大，速比变化范围广，但只有一组行星排，即单级行星齿轮传动。它主要由中心齿轮、固定内齿轮、输出内齿轮、行星齿轮、行星架、输入轴、输出轴组成。利用中心齿轮及行星架部件均可轴向按需滑移、行星齿轮可在二个不同齿数的内齿轮内轴向滑移的特点，改变相关齿轮的啮合位置，可组成二档、三档、四档或五档变速器，各档变速器均可按需设置直接档或倒档。所有档位均部分或全部公用同一组行星排齿轮，故结构简单、传动路线短、摩擦损失小，传动效率较高，是机械变速器的独特新品，可广泛用于特种车辆、工程机械，动力输出及拆装大螺栓工具等多种装置，也可与液力变矩器组合成为液力机械变速器。

Description

多档大传动比单级行星齿轮变速器

技术领域

本技术方案涉及机械变速器技术领域，是机械变速器的独特新品。

技术背景

机械变速器一般为齿轮传动，可分为定轴式机械变速器和行星齿轮式变速器。定轴式机械变速器，其全部齿轮及传动轴都是绕本身固定轴线旋转，其制造工艺性好，但其尺寸及重量均较大；行星齿轮传动是一种至少有一个齿轮的几何轴线绕着位置固定的几何轴线作回转运动的齿轮传动，多用内啮合及几个行星齿轮同时传递载荷，具有结构紧凑、体积和质量小，运转平稳等优点，但常规行星齿轮传动多用于减速器，有多种定型产品；行星齿轮传动也可用于变速器，可将行星排中的中心轮、内齿轮和行星架等有关元件分别进行制动或离合，改变其传动路线，以得到不同的传动比和改变输出轴的旋转方向，然而其结构较为复杂，随着需用档位数的增多，往往要设有多组行星排，传动路线较长，要经过多对齿轮啮合，并须配有多套专用的制动器、离合齿、超越离合齿或棘轮、棘爪机构等操纵控制部件，生产成本较高，目前仅在少数车辆及工程机械上应用，传动比较小，速比变化范围不大。

而利用一组行星排，即单级行星齿轮传动要变换成多档大传动比变速器是非常困难的。

根据本设计人1991年1月2日被授权的专利号为86106907的“差动齿轮转向器”专利的启示，该专利原仅用于减速转向，现将该专利扩展运用到多档大传动比单级行星齿轮变速器的设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是设计一种多档大传动比单级行星齿轮变速器，所有档位均部分或全部公用同一组行星排齿轮，以解决档位多，传动比大、速比变化范围大，以及结构简单，体积、质量小，传动效率高的矛盾。

本发明的技术方案为，采用渐开线圆柱齿轮行星传动中的NGWN II型传动型式(由2个内齿轮，1组公用行星齿轮及1个中心齿轮组成)，将其转化扩大为多档大传动比单级行星齿轮变速器。

NGWN II型的行星齿轮传动原理见图1，N代表内啮合齿轮副，(由图中的内齿轮B、E及行星齿轮G组成)，G代表公用行星齿轮，W代表外啮合齿轮副(由图中的中心齿轮A及行星齿轮G组成)，II代表单齿圈行星轮，行星架X是浮动的。此传动型式是由NGWN I型演化过来的，原I型的行星齿轮为齿数不同的双联齿轮，分别与二个不同齿数的内齿轮啮合，其工艺性差，制造、安装不方便。

NGWN II型以单齿圈行星轮取代双联齿轮，可同时与中心齿轮及二个不同齿数的内齿轮啮合，其工艺性好，制造安装方便，且为其转化为可滑移换档的多档变速器创造了一定的条件。

作为发明构思的第一种技术方案为：一种多档大传动比单级行星齿轮变速器，只有一组行星排，属单级行星齿轮传动，它主要由中心齿轮A、固定内齿轮B、输入轴C、输出轴D、输出内齿轮E、公用行星齿轮G、行星架X组成；输入轴C的前端支承在输出轴D内，其后端支承在固定内齿轮B内，装有公用行星齿轮G的行星架X部件是浮动的，公用行星齿轮G可与中心齿轮A及2个不同齿数的内齿轮B、E啮合，输出内齿轮E固装在输出轴D上，中心齿轮A固装在输入轴C的中部或套装在该轴中部的花键上；特征是：通过中心齿轮A的轴向滑移，可与公用行星齿轮G、行星架X上装有的与中心齿轮A齿数相同的内齿I啮合或分离换档。

作为发明构思的第二种技术方案为：一种多档大传动比单级行星齿轮变速器，只有一组行星排，属单级行星齿轮传动，它主要由中心齿轮A、固定内齿轮B、输入轴C、输出轴D、输出内齿轮E、公用行星齿轮G、行星架X组成；输入轴C的前端支承在输出轴D内，其后端支承在固定内齿轮B内，装有公用行星齿轮G的行星架X部件是浮动的，公用行星齿轮G可与中心齿轮A及2个不同齿数的内齿轮B、E啮合，输出内齿轮E固装在输出轴D上，中心齿轮A固装在输入轴C的中部或套装在该轴中部的花键上；特征是：通过行星架X部件单独轴向滑移或与中心齿轮A一起轴向滑移，行星架X上的前齿轮F可与齿数相同的E或E′啮合或分离，行星架X上的后外齿H可与齿数相同的内齿轮B分离或啮合换档。

作为发明构思的第三种技术方案为：一种多档大传动比单级行星齿轮变速器，只有一组行星排，属单级行星齿轮传动，它主要由中心齿轮A、固定内齿轮B、输入轴C、输出轴D、输出内齿轮E、公用行星齿轮G、行星架X组成；输入轴C的前端支承在输出轴D内，其后端支承在固定内齿轮B内，装有公用行星齿轮G的行星架X部件是浮动的，公用行星齿轮G可与中心齿轮A及2个不同齿数的内齿轮B、E啮合，输出内齿轮E固装在输出轴D上，中心齿轮A固装在输入轴C的中部或套装在该轴中部的花键上；其特征在于：通过行星架X部件单独轴向滑移或与中心齿轮A一起轴向滑移，行星架X上的离合齿J₁可与装在内齿轮E内的离合齿J₂啮合或分离换档，离合齿J₁、J₂的齿数相同。

本上述技术方案利用中心齿轮及行星架的按需滑移，改变与相关齿轮的啮合位置，可组成二档、三档、四档或五档变速器。各档变速器均可按需设置直接档或倒档。

本技术方案换档方式有3种：

(1)抽心式，即中心齿轮A与输入轴C一起轴向滑移换档，如图2(a)、图2(b)；

(2)抽星式，即行星架X部件单独轴向滑移或与中心轮A及输入轴C一起轴向滑移换档，如图3～5；

(3)拨叉式，以拨叉分别使中心齿轮A及行星架X部件按需轴向滑移换档，如图6(a)～6(e)。

本技术方案的特点：

1、传动路线短，因本方案只用一组行星排，属单级行星齿轮传动，只有1个中心齿轮、1～5个行星齿轮、2个内齿轮，所有档位均部分或全部公用同一组行星齿轮，故传动路线短，摩擦损失小，传动效率较高。装配误差小，载荷均匀，传动平稳。

2、结构简单，档位较多，操纵方便，同一组行星排单级行星齿轮传动利用中心齿轮及行星架部件的按需轴向滑移，改变与相关齿轮的啮合位置，可组成二档、三档、四档或五档变速器，虽有多种档位变化，但内齿轮B固定，中心齿轮A输入，内齿轮E输出始终不变；当档位较少时，可用抽心式、抽星式或抽心、抽星组合方式直接换档，档位较多时可用拨叉分别使中心齿轮及行星架部件按需轴向滑移换档。无需专用的制动器、离合器、超越离合器或棘轮、棘爪等操纵控制部件。

3、传动比大，速比变化范围大，一般可达1～300，正传动效率可达90％以上，本技术方案的逆传动效率较低，当逆传动比很大时，可发生自锁。此特点如用于起重设备可节省防止重物回落的制动器部件或减轻其负荷。

由于以上特点，本技术方案的单级行星齿轮变速器是机械变速器的独特新品，可广泛用于特种车辆、工程机械、动力输出及拆装大螺栓工具等多种装置，也可与液力变矩器组合成为液力机械变速器。

本技术方案的最大传动比公式 $i_{\mathrm{AE}}^B=\frac{Z_E}{Z_A}\×\frac{Z_A+Z_B}{Z_E-Z_B},$ Z_A、Z_B、Z_E分别为中心齿轮A、内齿轮B及E的齿数。i_AE ^B表示内齿轮B固定时，输入轴齿轮A与输出轴齿轮E的传动比数值。

附图说明

图1为NGWN II型的行星齿轮传动原理图；

图2为抽心式二档行星齿轮变速器示意图；

图3为抽星式二档行星齿轮变速器示意图；

图4为抽星式三档行星齿轮变速器示意图；

图5为抽星式四档行星齿轮变速器示意图；

图6为拨叉式五档行星齿轮变速器示意图。

图中

A.中心齿轮          B.固定内齿轮         C.输入轴

D.输出轴            E、E′.输出内齿轮    F.行星架前外齿

G.公用行星齿轮      H.行星架后外齿       I.行星架内齿

J₁、J₂.离合齿

具体实施方式

结合图2，为抽心式二档行星齿轮变速器，公用行星齿轮G同时与中心齿轮A、固定内齿轮B及输出内齿轮E啮合、中心齿轮A固装在输入轴C的中部，可与输入轴一起轴向滑移，称抽心式换档，共有左、右二个位置。中心齿轮也可设计为套在输入轴中部的花键上，用拨叉带动中心齿轮轴向滑移换档，这样可不必移动输入轴的轴向位置。

图2(a)为一档(慢档)位置，中心齿轮(A)在左位，与行星齿轮G啮合，其传动路线为：输入轴C→中心齿轮A→行星齿轮G→内齿轮B→内齿轮E→输出轴D。其传动比公式 $i_{\mathrm{AE}}^B=\frac{Z_E}{Z_A}\×\frac{Z_A+Z_B}{Z_E-Z_B}.$

图2(b)为二档(快档)位置，中心齿轮(A)在右位，与行星齿轮G脱离啮合，而与行星架的内齿I啮合，其传动路线为：输入轴C→中心齿轮A→行星架X→行星齿轮G→内齿轮B→内齿轮E→输出轴D。其传动比公式为： $i_{\mathrm{AE}}^B=Z_E/(Z_E-Z_B).$ 本二档变速器，当Z_E＞Z_B时，i为正值，输出轴与输入轴同向旋转；当Z_E＜Z_B时，i为负值，输出轴与输入轴反向旋转。

结合图3，为抽星式二档行星齿轮变速器，中心齿轮A装在输入轴C的中部，可与输入轴并带动行星架X部件(包括所有公用行星齿轮G)一起轴向滑移，称抽星式换档，共有左、右二个位置。行星架的前端及内齿轮E内装有牙嵌式或齿轮式离合齿J₁、J₂。中心齿轮也可设计为套在输入轴中部的花键上，用拨叉带动中心齿轮或行星架，使中心齿轮及行星架部件一起轴向滑移换档，这样可不必移动输入轴的轴向位置。

图3(a)为一档(慢档)位置，中心齿轮及行星架部件置于右位，行星齿轮G同时与二个不同齿数的固定内齿轮B及输出内齿轮E啮合，离合齿J₁、J₂分离，其传动路线为：输入轴C→中心齿轮A→行星齿轮G→内齿轮B→内齿轮E→输出轴D。其传动比公式为： $i_{\mathrm{AE}}^B=\frac{Z_E}{Z_A}\×\frac{Z_A+Z_B}{Z_E-Z_B}.$ 当Z_E＞Z_B时，i为正值，输出轴与输入轴同向旋转；当Z_E＜Z_B时，i为负值，输出轴与输入轴反向旋转。

图3(b)为二档(直接快档)位置，中心齿轮及行星架部件置于左位，行星齿轮G与内齿轮B脱离啮合，离合齿J₁、J₂啮合，使行星架X、行星轮G与内齿轮E成为一体，其传动比公式为：i＝1，输出轴与输入轴直接传动，同向旋转。

结合图4，为抽星式三档行星齿轮变速器，中心齿轮固装在输入轴C的中部，可与输入轴并带动行星架X部件(包括所有行星齿轮G)一起轴向滑移抽星换档；共有左、中、右三个位置。行星架的前端设有外齿F，其齿数与内齿轮E相同，内齿轮E的内齿分为E和E′二部分，中间留有空位。中心齿轮也可设计为套在输入轴中部的花键上，成为拨叉式换档，可不必移动输入轴的轴向位置。

图4所示为一档(慢档)位置，中心齿轮及行星架部件置于中位，行星齿轮G同时与二个不同齿数的固定内齿轮B及输出内齿轮E啮合，外齿F在空位，其传动路线为：输入轴C→中心齿轮A→行星齿轮G→内齿轮B→内齿轮E→输出轴D。其传动比公式为： $i_{\mathrm{AE}}^B=\frac{Z_E}{Z_A}\×\frac{Z_A+Z_B}{Z_E-Z_B}.$ 当Z_E＞Z_B时，i为正值，输出轴与输入轴同向旋转；当Z_E＜Z_B时，i为负值，输出轴与输入轴反向旋转。

二档(中档)位置，是将中心齿轮及行星架部件向右轴向滑移至右位，则行星齿轮G只与固定内齿轮B啮合，内齿轮E与行星齿轮G脱离啮合，而与外齿F进入啮合，其传动路线为：输入轴C→中心齿轮A→行星齿轮G→内齿轮B→行星架X→外齿F→内齿轮E→输出轴D。其传动比公式为： $i_{\mathrm{AE}}^B=(Z_A+Z_B)/Z_A.$ 输出轴与输入轴同向旋转。

三档(直接快档)位置，中心齿轮及行星架部件向左轴向滑移至左位，则行星齿轮G与内齿轮B脱离啮合，而与外齿F共同与内齿轮E和E′啮合，成为一体，其传动比i＝1，输出轴与输入轴直接传动，同向旋转。

结合图5，为抽星式四档行星齿轮变速器，中心齿轮A固装在输入轴C的中部，可与输入轴并带动行星架X部件(包括所有行星齿轮G)一起轴向滑移抽星换档；共有四个位置。行星架的前端设有外齿F，其齿数与内齿轮E相同，内齿轮E的内齿分为E和E′二部分，中间留有二个空位。行星架的后端设有外齿H，其齿数与内齿轮B相同；中心齿轮也可设计为套在输入轴中部的花键上，成为拨叉式换档，可不必移动输入轴的轴向位置。图5所示为一档(慢档)位置，其传动路线及传动比同图4说明。

二档(中档)及三档(直接快档)位置、传动路线及传动比同图4说明。

如将中心齿轮A及行星架X部件由三档位置进一步向左轴向滑移，即进入倒档位置，其时行星齿轮G与内齿轮E′啮合，行星架前外齿F在空位，而后外齿H与固定内齿轮B啮合，使行星架固定。其传动路线为：输入轴C→中心齿轮A→行星齿轮G→内齿轮E→输出轴D。其传动比公式为： $i_{\mathrm{AE}}^B=i_{\mathrm{AE}}^X=-Z_E/Z_A$ 输出轴与输入轴反向旋转。

结合图6，为拨叉式五档变速器，中心齿轮A套装在输入轴C中部的花键上，由拨叉控制可单独在输入轴上滑移换档。它相对行星架X有左、右二个位置。装有全部公用行星齿轮G的行星架X部件是浮动的，由拨叉控制可单独轴向滑移换档，共分左、中、右三个位置，行星架前端设有外齿F，齿数与内齿轮E相同，其后端设有外齿H，齿数与内齿轮B相同，并设有内齿I，齿数与中心轮A相同。

图6(a)为一档(慢一档)位置，行星架X部件在中位，中心齿轮A在左位。图6(b)为二档(慢二档)位置，行星架X部件在中位，中心齿轮A在右位，其传动路线、传动比及旋转方向分别同图2(a)及图2(b)的说明。

图6(c)为三档(中档)位置，行星架X部件在右位，中心齿轮A在左位，行星齿轮G只与固定齿轮B啮合，输出内齿轮E与行星齿轮G脱离啮合，而与外齿F啮合，其传动路线为：输入轴C→中心齿轮A→行星齿轮G→内齿轮B→行星架X→外齿F→内齿轮E→输出轴D。其传动比公式为： $i_{\mathrm{AE}}^B=(Z_A+Z_B)/Z_A.$ 输出轴与输入轴同向旋转。

图6(d)为四档(直接快档位置)，行星架X部件及中心齿轮A均在右位，中心齿轮A与行星架前外齿F及内齿轮E啮合为整体，行星齿轮G空转。其传动路线为：输入轴C→中心齿轮A→内齿I→行星架X→外齿F→内齿轮E→输出轴D。其传动比公式为：i＝1。输出轴与输入轴直接传动，同向旋转。

图6(e)为倒档位置，行星架X部件及中心齿轮A均在左位，其时行星架后外齿H与固定内齿轮B啮合，使行星架固定。其传动路线为：输入轴C→中心齿轮A→行星齿轮G→内齿轮E→输出轴D。其传动比公式为： $i_{\mathrm{AE}}^B=i_{\mathrm{AE}}^X=-Z_E/Z_A,$ 输出轴与输入轴反向旋转。

综上所述

本技术方案的行星齿轮变速器，其传动比的变化仅与中心齿轮A、内齿轮B及E的齿数有关，而与行星齿轮的齿数无关，而内齿轮B、E的齿数差应等于行星齿轮的个数S，按装配条件(Z_E+Z_A)/S＝整数，(Z_B+Z_A)/S＝整数。其各档传动比基本上有5种：(设输入轴为正转)

(1) $i_{\mathrm{AE}}^B=\frac{Z_E}{Z_A}\×\frac{Z_A+Z_B}{Z_E-Z_B}$ 输出轴可正转或反转；

(2) $i_{\mathrm{AE}}^B=Z_E/(Z_E-Z_B)$ 输出轴可正转或反转；

(3) $i_{\mathrm{AE}}^B=(Z_A+Z_B)/Z_A$ 输出轴正转；

(4)i＝1输出轴正转；

(5) $i_{\mathrm{AE}}^B=-Z_E/Z_A$ 输出轴反转。

可按需选配相关齿轮的齿数及所需档位数。

应用实例：Z_A＝6    Z_B＝42    Z_E＝45    S＝3

各档传动比相应为(1)120 (2)15 (3)8 (4)1 (5)-7.5

按上述数据生产的拆装大螺栓的四档变速工具(不需倒档)，其传动效率为90％，最大输出扭矩1500N.m，可按需拆装M30以下的各种螺栓，效果良好。

Claims (3)

1.一种多档大传动比单级行星齿轮变速器，只有一组行星排，属单级行星齿轮传动，它主要由中心齿轮(A)、固定内齿轮(B)、输入轴(C)、输出轴(D)、输出内齿轮(E)、公用行星齿轮(G)、行星架(X)组成；输入轴(C)的前端支承在输出轴(D)内，其后端支承在固定内齿轮(B)内，装有公用行星齿轮(G)的行星架(X)部件是浮动的，公用行星齿轮(G)可与中心齿轮(A)及2个不同齿数的内齿轮(B、E)啮合，输出内齿轮(E)固装在输出轴(D)上，中心齿轮(A)固装在输入轴(C)的中部或套装在该轴中部的花键上；其特征在于：通过中心齿轮(A)的轴向滑移，可与公用行星齿轮(G)、行星架(X)上装有的与中心齿轮(A)齿数相同的内齿(I)啮合或分离换档。

2、一种多档大传动比单级行星齿轮变速器，只有一组行星排，属单级行星齿轮传动，它主要由中心齿轮(A)、固定内齿轮(B)、输入轴(C)、输出轴(D)、输出内齿轮(E)、公用行星齿轮(G)、行星架(X)组成；输入轴(C)的前端支承在输出轴(D)内，其后端支承在固定内齿轮(B)内，装有公用行星齿轮(G)的行星架(X)部件是浮动的，公用行星齿轮(G)可与中心齿轮(A)及2个不同齿数的内齿轮(B、E)啮合，输出内齿轮(E)固装在输出轴(D)上，中心齿轮(A)固装在输入轴(C)的中部或套装在该轴中部的花键上；其特征在于：通过行星架(X)部件单独轴向滑移或与中心齿轮(A)一起轴向滑移，行星架(X)上的前齿轮(F)可与齿数相同的内齿轮(E或E′)啮合或分离，行星架(X)上的后外齿(H)可与齿数相同的内齿轮(B)分离或啮合换档。

3、一种多档大传动比单级行星齿轮变速器，只有一组行星排，属单级行星齿轮传动，它主要由中心齿轮(A)、固定内齿轮(B)、输入轴(C)、输出轴(D)、输出内齿轮(E)、公用行星齿轮(G)、行星架(X)组成；输入轴(C)的前端支承在输出轴(D)内，其后端支承在固定内齿轮(B)内，装有公用行星齿轮(G)的行星架(X)部件是浮动的，公用行星齿轮(G)可与中心齿轮(A)及2个不同齿数的内齿轮(B、E)啮合，输出内齿轮(E)固装在输出轴(D)上，中心齿轮(A)固装在输入轴(C)的中部或套装在该轴中部的花键上；其特征在于：通过行星架(X)部件单独轴向滑移或与中心齿轮(A)一起轴向滑移，行星架(X)上的离合齿(J₁)可与装在内齿轮(E)内的离合齿(J₂)啮合或分离换档，离合齿(J₁、J₂)的齿数相同。

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