CN1612984A - 用于可变地传递回转能量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

以连续可变的传动比从一个输入轴向一个输出轴传递回转能量的方法，其特征在于，借助于至少一个弹性碰撞，直接或者间接地在所述两个轴之间传递能量，包括至少一个切换单元，该切换单元能够控制满足操作条件的能量传递，而不吸收很多能量，其操作非常快且具有极小的内部摩擦或磨损，以及在能量被传递过程中不采用摩擦起主要作用，所述切换单元与至少一个弹性单元结合起来使用，可选择地还可使用能量存储器单元，从而所有三种单元类型都可以利用机械的、液压的、气动的、磁或电的装置单独实施。

Description

用于可变地传递回转能量的方法和装置

本发明的背景技术

技术领域

本发明涉及一种连续地可变的传动的方法和传动装置。

相关技术的描述

已知的上述类型的传动装置，包括齿轮箱和传动装置，这种类型的传动装置大体能够分为采用齿轮组合的普通齿轮箱；基于液压力矩转换器和齿轮的传动装置；采用锥形轴的连续可变的传动装置；这些传动装置通常与不同类型的带结合；经可变的惯性动量利用能量传递的传动装置。

基于上述原理的已知齿轮箱和传动装置具有下面一个或多个缺陷。在一些情况下，只能实现相对低的效率。而且可得到的传动比时常受到限制。在许多情况下，响应时间相对较长。其它已知的传动装置提供受限制的操作模式。其它传动装置复杂性高，重量大，体积大并且生产成本高。

发明概述

如权利要求中的特征所限定那样，根据本发明的连续可变的传动装置克服了现有的齿轮箱和传动装置的缺点。

另外根据本发明的传动装置获得了高的理论效率，可得到的传动比理想地不受限制。由于其操作原理的简化，使本发明的传动装置的实施与实际应用能够导致较高的功能度，较低的复杂性，重量，尺寸和生产成本低于现有的解决方案。

附图说明

本发明的上面的和其它的目的，特征和优点从下面结合附图的描述会更明显。其中：

图1表示连续可变的传动装置的主要解决方案。

图2表示实施例1，是一种典型的汽车传动装置的纵向视图。

图3表示实施例1的从中间剖开的视图。

图4表示实施例1的透视图，局部剖开。

图5表示实施例1.1的局部剖开的透视图，是一种典型的汽车传动装置，带有倒车/向后的能力。

图6表示实施例2，是一种典型的自行车传动装置的纵向视图。

图7表示实施例2从中间剖开的透视图。

图8表示实施例2沿图6的纵向轴线从左侧看去的透视图。

图9表示实施例3，是一种典型的汽车传动装置的透视图。

图10以纵向视图表示实施例3的细节。

图11是沿纵向轴线表示实施例3的视图。

本发明的详细描述

一般来说，操作方式能够易于由低成本的计算机控制，从而实现最高的总功能度。在其它实施例中，操作方式能够是其自身的一部分。

传动装置的操作原理是基于弹性碰撞的使用，但是为了实施传动装置中的原理，必须克服几个实际问题。

图1表示本发明的三个主要部件类别。并不是图1中所有的单元都是必须的，所有单元与参考点15的相连也并不是必须的。所述类别如下：

1.切换单元。一个能够控制能量传递的单元，其能够以几个方式实施，采用例如机械的，液压的，气动的，磁的或者电的装置。为了在本发明的实际应用中使用，切换单元3，5，6，8，9，11和12必须满足下列四个要求：

A.与切换操作自身相关的能量一般不影响图1中的单元1和单元14之间的有效能量的传递。这要求切换的操作不吸收大量的能量，以保持整体的高效率。

B.需要快的响应时间，快速采取在图1的单元1和单元14之间的理想的能量传递，这要求切换操作能够快速进行。

C.为了获得长的寿命周期，需要切换以最小的内部摩擦或者磨损来操作。

D.为避免单元1和单元14之间的能量传送的总效率低下，以及提高寿命周期，在切换传递能量时，摩擦不起主要作用。

2.弹性单元。由于弹性而储存能量。这能够采用多种方式实施，例如钢弹簧，弹性液体，弹性气体，弹性体，橡胶，磁场，电场等。

3.能量储存单元。储存能量，但不具有弹性特性。这能够采用多种方式实施，例如机械的，液压的，气动的，磁的或者电的装置。

上述单元能够结合成组合单元，这些组合单元具有一个部件类型以上的特性。为了采用本发明的原理，图1中的不是全部单元必须实施。传动装置自身的最小构成包括至少一个弹性单元和至少一个切换单元。

参见图1，表示本发明的主要操作过程。一个驱动单元1通过本发明向一个被驱动的回转单元14供给回转能量，该被驱动单元吸收回转能量。一个能量存储器2可以与驱动单元1的惯性动量相关，而一个能量存储器13可以与被驱动单元14的惯性动量相关。能量存储器2和13在下面的原理说明中不再提及。

从驱动单元1得到的能量与下列至少一个发生弹性碰撞：

1.通过弹性单元4与图1中的参考点15。

2.通过弹性单元4与图1中的能量存储器7。

3.不采用能量存储器7或者弹性单元10，而通过弹性单元4与图1中的被驱动单元14。

储存在弹性单元4中的能量能够传给至少下列中的一个：

1.驱动单元1。

2.能量存储器7。

3.不采用能量存储器7或者弹性单元10，而传给被驱动单元14。

储存在能量存储器7中的能量能够传给至少下列中的一个：

1.通过弹性单元4传给驱动单元1。

2.通过弹性单元10传给被驱动单元14。

3.通过弹性单元4与参考点15。

4.通过弹性单元10与参考点15。

储存在弹性单元10中的能量能够传给至少下列中的一个：

1.被驱动单元14。

2.能量存储器7。

3.不采用能量存储器7或者弹性单元4，传给驱动单元1。

上述过程能够通过采用切换单元而实现。根据实际的实施方式，本发明可以以两种方式传递回转能量，不仅从图1中的单元1到单元14，而且可以以相反的方式传递。这一点以及切换的执行过程在后面的实际执行过程的描述中说明。

一个控制机构就是典型的操作切换单元，该控制机构控制弹性单元----控制其弹性，或者控制能量存储单元----控制其能量存储能力。可以从不同的单元输入到控制机构。控制机构还可以控制传动装置之外的元件，或者接收从类似处而来的输入，以实现最高的功能度。

为了实现单元1和单元14之间的连续的能量传递，控制机构必须启动弹性碰撞，以下述的频率、方式和数量，即该频率、方式和数量能够在所述单元之间实现所需的能量传递。

三种类别单元的其它串联和/或并联也是可能的。

传动比由单元1和单元14的转速给出，这由受控的能量传递来控制。基于弹性碰撞原理的传动装置所面对的主要问题是设计实际有效的切换装置。

实施例1

下面描述一个连续可变的传动装置，其安装在一个汽车上，取代位于引擎与驱动轴之间的常规汽车传动装置，所述引擎和驱动轴都绕x轴线回转。

参见图2，表示传动装置的纵向视图。一个引擎的回转轴连接到一个盘101，驱动轴连接到圆盘102。一个带有高惯性动量的自由回转的环103，通过与圆盘101的弹性碰撞而得到回转能量，其储存此能量，然后通过与盘102的弹性碰撞将回转能量传给圆盘102。圆盘101和102以及环103绕x轴回转。在本发明的描述中，假设圆盘101比圆盘102回转快，如果不是这样的话，则能量能够以相反的方式传递，典型的就是采用汽车的引擎作为一个引擎牵制。

参见图3，表示图2纵向视图中的传动装置，只是示出的是中间剖视图。此视图示出一个与x轴同轴的环形的中空空间104，该空间中充有弹性流体105。

参见图4，示出一个低压阀102c，其在组合的轴承和密封件106a，106b，106c不慎出现不期望的流体泄漏时，确保中空空间104中的流体压力不变低。

轴承106a被设置在圆盘101与环103之间，轴承106b被设置在圆盘102与环103之间，轴承106c被设置在圆盘101与圆盘102之间，所有这些轴承确保圆盘101、圆盘102、环103都能够相互独立地回转。轴承106d与垫片102b和一个卡环一起安装到一个槽102a中(卡环未示出)，保持圆盘101、圆盘102和环103紧密配合在一起，并且仍然自由地相互独立地回转。螺纹101a用于将圆盘101连接到引擎。

一个切换元件107a，能够由一个电磁铁108a驱动稳定在平行于x轴的两个位置上，一个位置是在中空的空间104内侧，有效地关闭流体105的任何流动，另一个位置是在中空的空间104刚好外侧，打开流体105的自由流动。如果自身重量较轻，则切换元件107a能够在其两个位置之间转换得非常快，因为其尺寸小且平行于x轴操作，使得操作实际上独立于中空空间104内的流体压力。

切换元件107a和电磁铁108a的组合单元被固定在圆盘101，并且因此以相同的速度回转。

切换元件107b和电磁铁108b的组合单元类似地被固定在圆盘102上，并且因此以与圆盘102相同的速度回转。

回转的环103具有一个分隔壁103b与环103相连，其有效地关闭中空空间104中的流体的流动。

假设圆盘101在回转，圆盘102和环103静止。为了在圆盘101与环103之间建立一个弹性碰撞，切换元件107b必须处于中空空间104外面，而切换元件107a必须处于中空空间104外面，直到其离开分隔壁103b约180°。然后，切换元件107a由电磁铁108a驱动进入中空空间104，有效地在切换元件107a和分隔壁103b的每一侧形成流体缓冲。因为流体105的弹性，环103将与圆盘101弹性碰撞并且以此方式获得回转能量，并且加速到几乎与圆盘101相同的回转速度。

为了在环103与圆盘102之间建立一个弹性碰撞，切换元件107a必须处于中空空间104外面，而切换元件107b必须处于中空空间104外面，直到其离开分隔壁103b约180°。然后，切换元件107b由电磁铁108b驱动进入中空空间104，有效地在切换元件107b和分隔壁103b的各侧形成流体缓冲。因为流体105的弹性，圆盘102将与环103弹性碰撞，并且获得回转能量。在此过程中，环103的速度将从其当前的转速放慢到大体与被加速的圆盘102的相同的回转速度。

上面的过程，经环103使能量从引擎到驱动轴。此过程在控制机构的控制下重复进行，该控制机构交替地操作切换元件107a和107b，并且实现在引擎和驱动轴之间的所需的能量传递。圆盘101和102之间的传动比由两圆盘的转速比给出，并且由上面描述的能量传递来控制。

在正常操作状态下，环103将会大体地在接近圆盘101和102的转速之间交替。如果圆盘101回转得比圆盘102快，则引擎能量能够传递到驱动轴。圆盘101与102之间的转速差大，能使得引擎与驱动轴之间的能量传递较高，引擎和汽车轮之间的总传动比必须考虑此事实。

控制机构具有连接到圆盘101和102和环103的传感器，确保切换元件107a和107b如上所述操作，并且不相互冲突，或者与被固定的分隔壁103b相冲突。引擎和驱动轴/轮的惯性动量高，能确保圆盘101和102稳定的平滑的回转。

实施例1.1

实施例1.1与实施例1的描述基本上相同，有两个主要的不同。

第一个不同是，其还提供一个反向能力---转换回转方向。第二个不同是，其采用一个弹性液体来取代弹性流体，并且由于液体的比重比气体较高，所以此实施例不需要一个有高惯性动量的自由回转环。

下面描述一个连续可变的传动装置，安装在一个汽车上来取代位于引擎与一个驱动轴之间的常规自动传动装置，引擎与驱动轴都绕x轴线转动。

参见图5。引擎的回转轴连接到圆盘201，驱动轴连接到圆盘202。一个带有固定分隔壁的自由回转环在此实施例中不存在。取而代之的是，与x轴同轴的环形的中空空间204，其中充有弹性液体205b，由于高比重，实现一个高的惯性动量。

一个带齿的回转环209通过齿轮210连接到一个齿轮201b，并且因此与圆盘201相反的方向回转。由于实际的原因，假设环209的转速低于圆盘201的转速，因为汽车不需要在倒车时驱动非常快，但是这不一定总是如此。圆盘201和202和环209绕x轴回转。

组合的轴承和密封件206a，206b和206d确保中空的空间不泄漏弹性液体205b。轴承106c在此实施例中没有。轴承206a在圆盘201与环209之间，轴承206b在圆盘202与环209之间，轴承206d在圆盘201与圆盘202之间，所有这些轴承确保圆盘201，圆盘202和环209都能够无磨擦地回转。圆盘202独立于圆盘201和环209，自由地回转。

在本发明的此描述中，假设在“倒车”情况下，圆盘201比圆盘202回转得快，或者环209比圆盘202回转得快。如果不是这样，则能量以相反的方式传递，典型的是采用汽车引擎作为一个引擎牵制。

切换元件207a，能够由电磁铁208a驱动稳定在平行于x轴的两个位置上，一个位置是在中空的空间204内，有效地关闭流体205b的任何流动，另一个位置是在中空的空间204外，打开流体205b的自由流动。如果切换元件207a本身较轻，则其能够在其两个位置之间转换得非常快，因为该元件尺寸小和平行于x轴操作，使得操作独立于中空空间204的液体压力。切换元件207a和电磁铁208a的组合单元被固定在圆盘201，并且因此以相同的速度回转。

切换元件207b和电磁铁208b的组合单元类似于切换元件207a和电磁铁208a，只是固定在圆盘202上，并且因此以与圆盘202相同的速度回转。

切换元件207c和电磁铁208c的组合单元类似于切换元件207a和电磁铁208a，只是固定在环209上，并且因此以与环209相同的速度回转。

假设圆盘201在回转，圆盘202和液体205b静止。为了在圆盘201与液体205b之间建立一个弹性碰撞，切换元件207b和207c必须处于中空空间204外面。然后，切换元件207a由电磁铁208a驱动进入中空空间204，与液体205b弹性碰撞，流体205b获得回转能量。液体205b将被加速到接近圆盘201的相同回转速度。

为了在液体205b与圆盘202之间建立弹性碰撞，切换元件207a和207c必须处于中空空间204外面，然后切换元件207b由电磁铁208b驱动进入中空空间204，与液体205b弹性碰撞。圆盘202将与液体205b发生弹性碰撞并获得回转能量。在此过程中，液体205b的速度将从其当前的转速放慢到大体与当前被加速的圆盘202的相同的回转速度。

为了实现倒车操作，假设环209在回转，圆盘202和液体205b静止。为了在环209与液体205b之间建立弹性碰撞，切换元件207a和207b必须处于中空空间204外面。然后，切换元件207c由电磁铁208c驱动进入中空空间204，与液体205b弹性碰撞。以此方式，液体205b获得回转能量，与圆盘201的回转方向相反。

为了在正在回转的液体205b与圆盘202之间形成弹性碰撞，切换元件207a和207c必须处于中空空间204外面，然后切换元件207b由电磁铁208b驱动进入中空空间204，与液体205b弹性碰撞。圆盘202将与液体205b发生弹性碰撞，并且获得回转能量。在此过程中，液体205b的速度将从其当前的转速放慢到大体与当前被加速的圆盘202相同的回转速度。

上面的过程，经弹性液体205b使能量从引擎传递到驱动轴。此过程在控制机构的控制下重复进行，该控制机构交替地操作切换元件207a和207b，从而实现在引擎和驱动轴之间的能量传递。

对于倒车操作，上面的过程，经液体205b使能量从引擎传递到驱动轴。此过程在控制机构的控制下重复进行，该控制机构交替地操作切换元件207c和207b，并且实现在引擎和驱动轴之间的能量传递。

圆盘201与圆盘202之间的传动比由圆盘的回转速度比给出，从而由上面描述的能量传递进行控制。

在正常操作状态下，液体205b会大体在接近圆盘201和202的转速之间交替，在反向操作时，大体在环209和圆盘202的转速之间交替。如果圆盘201或者环209回转得比圆盘202快，则引擎功率只能够传递到驱动轴。圆盘201或者环209与圆盘202之间的转速差大，将使得引擎与驱动轴之间的能量传递较高，引擎和汽车轮之间的总传动比必须考虑此事实。

一个控制机构具有连接到圆盘201和202和环209的传感器，这样确保切换元件207a，207b和207c如所描述的操作，并且不相互碰撞。

引擎和驱动轴/轮的惯性动量高，这确保圆盘201和202的稳定和平滑的回转。

实施例2

下面描述一个连续可变的传动装置，安装在一个自行车上，代替传统的自行车传动装置。

参见图6，示出传动装置的纵向视图。踏板连接到一个圆盘302，驱动轴连接到轴301。圆盘301a通过一个弹簧301b连接到轴301，因此允许在轴301与圆盘301a之间有小的转速差。

参见图8，示出一个框架或者车架303和一个回转环304。中空的空间308充有液压油。轴承和密封件306a允许回转环304独立于框架303回转，并保持液压油在框架303和环304之间的中空空间308内。轴承和密封件306b允许回转环304独立于圆盘301a回转，并保持液压油在圆盘301a和环304之间的中空空间308内。活塞泵305充有弹性流体，经一个轴承306c与圆盘302相连，并且经一个轴承306d与环304相连。当圆盘302顺时针回转时，泵305将充当位于圆盘302与环304之间的弹性弹簧。环304将要开始顺时针回转，如果圆盘301a反抗回转的话，那么由于单向阀309b的作用，环304也会反抗转动，所述单向阀309b控制中空空间308中的液压液。当圆盘302回转更多时，泵305压缩活塞内的弹性液体更多，使得作用在环304上的力升高。如果由泵305施加的力使圆盘301a开始回转，则回转能可以通过图6中的弹簧301b的弹性推力传到驱动轴301。如果圆盘302的回转比环304快，则当泵305在框架303与圆盘302之间减压时，轴承306c将通过轴承306d，从而触动单向阀309a，该单向阀操作中空空间308中的液压流体，将回转通过弹性推力返回给圆盘302。

以此方式返回到圆盘302的能量，依赖于圆盘301a与轴301的转速。

控制机构可以通过阀305a调整活塞泵305的弹性系数，并且从而调整在圆盘302与轴301之间的能量传递。对于给定的情况，控制机构可以省略选择正确的弹簧系数。圆盘302与轴301之间的传动比由转速比给出，并且受到上述的能量传递控制。

实施例3

下面描述一个连续可变的传动装置，安装在一个汽车上，代替普通的采用齿轮组合的手动齿轮箱。参见图9，引擎的回转轴连接到一个轴401，驱动轴连接到一个轴402。

齿轮404能够通过选择齿轮403的外圆周而以比值2∶1和比1∶2连接齿轮403。齿轮403的中间圆周是这样的形状，即使得齿轮404沿x轴纵向从齿轮403的一个最外面的位置移动到另一个最外面位置。此过程的实现，是当齿轮403回转时，由一个气动伺服机构405通过一个杆405a在一个对称的支架404a上施加纵向力，也因此向轮404上施加纵向力来实现的。所述杆405a具有导向件406和弹簧405b。弹簧405b和轮404的光滑的切刃确保此过程的实现而没有过分的力或者摩擦产生在轮404和轮403之间，但是仍足够迅速。

如果轮404总是位于其中一个最外面的圆周，则传动比是2∶1。如果轮404有50％的时间位于每个最外面的圆周上，则轴401与轴402之间的时间平均比是1∶1。如果轮404总是在另外一个最外面的圆周，则轴401与轴402之间的时间平均比是1∶2。通过使轮404的主要时间用于一个或者另一个最外圆周上，能够实现不同的传动比，该传动比的时间平均值在2∶1和1∶2之间。这由一个控制机构控制。轴401通过一个弹簧401a连接到相关的轮403，轴402通过一个弹簧402a连接到相关的轮403。此原理如图10所示。以此方式，可变的传动比将表示轴401与402之间的弹性碰撞，允许传动比由其一段时间的平均值给出。

图11表示用在此实施例中的齿轮。各轮403包括三个齿轮，最外面的齿轮半径r1，r3＝2r1。带齿的不对称轮在中间，具有半径r2，大约为：

0＜＝v＜90°∶r2＝r1

90＜＝v＜180°∶r2＝r1(1+(v-90)/90)

180＜＝v＜270°∶r2＝2·r1＝r3

270＜＝v＜360°∶r2＝r1(2-(v-270)/90)

在图9和11中，半径r1有12齿，半径r3有24齿，也可以有其它组合。不同的齿形可以被采用。

轮403和404，对称的支架404a，气动伺服机构405，带有导向件406和弹簧405b的杆405a可以看作一个切换单元。

一个控制机构可以调整轮404花费在轮403上的两个最外圆周上的时间常数，从而调节平均传动比。

实际应用

根据本发明的传动装置，总体上讲是现有的齿轮和传动装置的替代品，并且可以找到实际的应用场所，例如用于汽车，摩托车，商业用车或者牵引机车，例如用在引擎和驱动轴之间。另外，在自行车中，例如在踏板与驱动轴之间，在船上，例如在引擎和推进器之间，在发电厂例如在叶轮机和发电机之间，在电动工具中例如在引擎和驱动轴之间以及在玩具中例如在引擎和驱动轴之间。

Claims (5)

1.以连续可变的传动比从一个输入轴向一个输出轴传递回转能量的方法，其特征在于，借助于至少一个弹性碰撞，直接或者间接地在所述两个轴之间传递能量，包括至少一个切换单元，该切换单元能够控制满足操作条件的能量传递，而不吸收很多能量，其操作非常快且具有极小的内部摩擦或磨损，以及在能量被传递过程中不采用摩擦起主要作用，所述切换单元与至少一个弹性单元结合起来使用，可选择地还可使用能量存储器单元，从而所有三种单元类型都可以利用机械的、液压的、气动的、磁或电的装置单独实施。

2.一种连续可变的传动装置，其特征在于，第一圆盘(101)独立可回转地连接到第二圆盘(102)和外环(103)，限定形成一个环形的中空空间(104)；一个分隔壁(103b)位于所述空间(104)内并连接到所述环(103)；至少一个第一切换单元包括切换元件(107a)和电磁件(108a)，该第一切换单元固定在第一圆盘(101)；空间(104)包含有弹性介质例如流体(105)；至少一个第二切换单元包括(107b)和(108b)，与切换单元(107a)和(108a)交替运动，但是固定在第二圆盘(102)，两个切换单元都能够在空间(104)的一个外部位置和一个内部位置之间切换他们的切换元件(107a)和(107b)。

3.一种连续可变的传动装置，其特征在于，第一圆盘(201)，其独立可回转地连接到第二圆盘(202)，并利用齿轮(201b，210)和齿(209a)从动反向可回转地连接到一个外环(209)，限定形成一个环形的中空空间(204)；至少一个第一切换单元，包括切换元件(207a)和电磁件(208a)，该第一切换单元固定在第一圆盘(201)；所述空间(204)包含有弹性介质例如流体(205b)；至少一个第二切换单元，包括(207b)和(208b)，该第二切换单元与切换单元(207a)和(208a)交替运动，但是被固定在第二圆盘(202)上；至少一个第三切换单元，包括(207c)和(208c)，其与切换单元(207a)和(208a)交替运动，但是被固定在第二环(209)上，所有三个切换单元都能够在空间(204)的一个外部位置和一个内部位置之间切换它们的切换元件(207a，207b，207c)。

4.一种连续可变的传动装置，其特征在于，第一回转圆盘(302)，其通过一个充有弹性介质的活塞泵(305)、利用可回转的轴承(306d，306c)、可回转地连接到一个可回转环(304)，由于充有液压介质的中空空间(308)和单向阀(309a，309b)，可回转环(304)通过逆时针回转连接到车架(303)，通过顺时针回转连接到圆盘(301a)，圆盘(301a)经弹簧(301b)弹性地连接到回转轴(301)。

5.一种连续可变的传动装置，其特征在于，一个第一回转轴(401)，经弹簧(401a)弹性地连接到第一齿轮(403)；一个第二回转轴(401)，经弹簧(402a)弹性地连接到第二齿轮(403)；轮(403)，具有至少两个不同的圆形同心半径和一个非同心的半径，使得齿轮(404)能够同时直接在两个轮上的两个不同的圆形同心半径之间滑动。

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