CN1651801A - 自动调整变速比的钢球无级变速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种能自动调整变速比的钢球无级变速器，属于变速器领域。源于四点接触滚珠轴承，但滚道工作面加宽，外滚道两个接触点的中点a、内滚道两个接触点的中点b和球心o三个点是杠杆的支、重、力三点。球心上下移动时，力臂、重臂比例会变化，内滚道旋转时，类似行星轮系，钢球架或外滚道可输出动力。控制外滚道的轴向移动，可以改变变速比。本发明利用弹簧拉动变速杆而自动控制变速器的变速比。结构简单，体积小，功率大，寿命长。可用于玩具、机械人、自行车，车床，最适合汽车用，连续变速范围在6.15至0.28，也可调整为15至0.8，在1.0时可挂直接档节油。

Description

自动调整变速比的钢球无级变速器

技术领域  本发明涉及传动机械、钢球无级变速器，可用作汽车无级变速器。

背景技术

摩擦式无级传动有很多种，国防工业出版社1976年出版的“机械结构图册变速器”中有较全面介绍。机械工业出版社1999年出版的“机械传动装置选用手册”之中，有各个厂家的此类产品的较详细介绍。最近有的汽车采用CVT式变速器，是齿链式无级变速器，其结构原理，在此图册中也有，只是把齿链的滑动齿片做了精确的改进，但是用在汽车上还要和液力变矩器配合使用，不尽理想。图册中记载的各种结构的摩擦式无级变速器，一般是小功率的，但是体积都较大，其中钢球变速器比较紧凑。以钢球为传动介质的有钢盘钢球式、有心轴钢球式、无心轴钢球式。但是还不理想。

现有钢球摩擦无级传动的变速器，由于结构不合理，存在下列缺点：

1，为了传递大的力矩，只着眼用大直径的4或6个钢球，因此体积大；

2，摩擦传力点需要的正压力和摩擦系数是有一定要求的，过大则机械损失大。

现有钢球传动的正压力不尽合适，有过大的机械损失；

3，摩擦传力点不多，不能象多盘式无级变速器，力的传递点可有72个，能传递大功率；

4，不能自动变化变速比，必需依靠手动或液压或电力控制，才能达到所需要的变速比。这在汽车上是很难又是亟需要解决的问题。

本发明的目的是提供新的结构设计方案，使钢球上各传力点受力合理，传力点多，功率大，体积小，且不需要液、电等较复杂的技术辅助，能根据需要自动变化变速比，适合在汽车上使用。

技术方案

本发明的技术方案是把滚珠轴承的内外滚道各分为左右两半，滚道工作面的曲率符合通用轴承滚道曲率的要求，为所用钢球直径的0.53左右，工作面宽占曲率中心角60°。钢球与左右内滚道接触点对球心o的张角φ在40°至154°之间，而钢球与外滚道两个接触点的张角θ在154°到40°，球心o与两个角θ、φ的弦上中点a、b形成a、o、b三点杠杆。球心移动时，ao和ob的长度会变化

变速器有两种工作方式：外滚道做支点，和以钢球架做支点。

以外滚道为支点，ao相当于重臂，ab则是力臂，内滚道旋转时钢球架随钢球转动输出动力，其速度是按重臂、力臂长度的比例减速，即形成无级变速器。

以球心为支点时，内滚道旋转时外滚道反向旋转，两者速度会按bo和oa的长度比例变化。

钢球圆周上的分力、合力恰巧符合力学的关系，合力为0，各分力符合当时的变速比。各输入点和输出点的正压力对所传递力之比，即摩擦系数都可保持一定，不会打滑，不会有过多正压力的摩擦损耗。

恒功率无级变速器的输入力矩是一定的，用螺纹即可把旋转力矩转变为左右内滚道夹持钢球的轴向压力。不同的φ角，对球心应有不同的轴向力，因此随着角度φ的变化，需要有加压调整器把输入力矩转变为钢球输入接触点上应有的输入正压力。

此变速器的钢球没有心轴，旋转磨损均匀，即使有磨损，钢球是普通廉价零件，容易更换，比有心轴钢球使用寿命长，控制左右滚道的距离比控制每个钢球心轴的角度变换简单的多。钢球可承受的载荷与钢球直径的1.8次方成比例的，钢球体积是直径的3次方。大钢球换成小钢球，滚道直径可加大，变速器的轴向尺寸减短，体积减小，可以并列几排滚道同时工作，可以用几十个小钢球，每个钢球有两个传力点，因此有百余个传力点，可以传输大功率。

按本发明技术方案构成的变速器有构造简单、体积小、功率大，寿命长、能自动调整变速比，是可以替代现有各式各样的无级变速器，小型的可以用在玩具、特殊用途的运载机上，也可用在自行车上，中型、大型可用在化工、纺织、机床及运输机械上，尤其可以用在年产数百万辆小轿车上，能够自动连续变速，不需要耗能大的液力变矩器参与，使驾驶操作更容易，这会淘汰旧式自动或手动换档的汽车变速器。经济效益、社会效益都是很大的。

附图说明

图1，钢球架输出的变速器的剖视图。

图2  A-A剖视图。

图3  外滚道输出的变速器的剖视图。

实施例说明，图1图2是钢球架输出的变速器，外滚道4、5是支点，钢球架6中各钢球之间有小钢轮18，或烧结的碗形含油滑动轴承17，可以将动力传至钢球架6输出。

变速器中有并列两组钢球，两个左半边滚道4用定位滑键16联结，能同步轴向移动，两个右半边滚道5也同样能在轴向上同步移动，外滚道4、5的外圆各有左右旋螺纹与外壳10的螺纹相配。变速杆3控制两组外滚道4、5可向前、后旋转而趋向离开或靠近。两组内滚道也用定位滑键15联结，能在轴向同时松开、压紧并同步转动。变速器可以只用一组钢球，也可以用并列3组、4组钢球变速。

图1中动力由输入轴1的圆盘13输入至曲柄19，推动曲轴20的另一端曲柄21。件19、20、21、是压力调整器，曲轴两端的曲柄不在一个平面上，有一定的扭转角度δ，曲柄19和21以曲轴轴心为支点旋转时，形成有折角δ的杠杆。圆盘13的力矩M₁₃在合适的δ角时能把合适的力矩M₁₁、M₁₂加到加压盘11、12上，加压盘12、11可用螺旋角40°～70°的螺纹14连接，在互相旋转时能把力矩变成轴向压力压紧内滚道8、9，压向钢球7，钢球7压向外滚道4、5。件12与滚道9旋转时是联合同步的，件11只对滚道11有压力并不同步旋转。

内滚道8、9加压钢球时，两接触点对球心o的张角φ可由40°到154°，球心o至弦中点b的长度ob，会由长变短。此时球心对外滚道张角θ会减小，oa会加长。

如果开始时外滚道4、5处于角θ＝154°oa最短，钢球7在最低处，内滚道8、9被挤开，角度φ40°最小，ob最长，此时输出力矩最大，转速最慢。当输出轴负荷减小，aob杠杆的支点a，承受的反向力矩变小，此力与变速杆3上弹簧拉力比较，如弹簧拉力大，外滚道4、5会前进互相分离，oa变长ob变短，直至oa最长ob最短，输出力矩最小，旋转最快。如弹簧拉力小于受到的阻力，外滚道被推着向后旋转互相靠近，输出力矩变大，旋转速度变慢，当受到的阻力等于弹簧拉力，转速趋于稳定，从而能随输出轴载荷变化自动改变变速比。

为了使变速控制灵敏，螺纹可采用钢球滚道螺纹，以便正反向旋转没有自锁现象。也可采用液压或微机给予复杂的更灵敏的自动化的控制，必要时也可以直接手控变速杆3直接变速。

使用的钢球直径视功率大小而定，小至数毫米大至数十毫米皆可。

此例输出变速比最大5.177，最小1.239，可加直接档。

图3变速器的第二种方式，钢球架26做支点，与图1钢球架6不同，它是和压紧圈24、25联结。内滚道输入，外滚道反向输出。内外滚道的左右两半各用定位滑键15、16联结同步，如同图1、图2所示。外滚道4、5两侧加有滑动的压紧圈24、25，压紧圈外圆与外壳22用左右旋螺纹滑动连接，压紧圈与钢球架26、变速杆23联动，钢球架26受变速杆23的弹簧力拉向前时，压紧圈放宽，外界阻力大于弹簧力时，可推动钢球架26向后旋动，带动压紧圈压紧外滚道。压紧或松开外滚道，即可改变变速比。必要时可以直接手控变速杆23直接变速。

也可以用2组、3组或更多组同时工作。

此例输出变速比最大4.177，最小0.239，连续变速范围17.477

为了适合车用，输入轴可用行星轮预降速到某一速度，可得到大范围的低速档、一个直接档和小范围的高速档。如用内齿圈47齿，中心轮19齿的行星轮变速，中心轮输入，行星架不动，内齿圈输出至内滚道，降速3.474，则从最大变速比14.51可直接变速到超速档0.83，变速到1.0时可挂直接档，以便节省燃料。

本发明变速器体积小功率大，与现有变速器比较如下：

1上述变速器图册中有一例5.5kw钢球无级变速器，使用6个Φ88.9钢球，按轴承钢球的动负荷公式计算，每个钢球约略可承受0.5×3.647×88.9^1.4＝976牛顿6个钢球可承受5856牛顿，按摩擦系数μ为0.1，则6点约可传力585牛顿，输入摩擦点线速度约为9.4米/秒时功率为5.5kw。

6个球外接圆Φ300，以此圆为基准来对比同体积的功率。用Φ30钢球，钢球架外圆Φ270可容纳钢球22个，每个钢球接触点可承受213牛顿，可传力21牛顿，44个点传力924牛顿，2排钢球传力1848牛顿，接触点线速度10米/秒时功率为18.48kw。

用Φ20钢球，钢球架外圆Φ280可容纳钢球35个，每个钢球接触点可承受109.8牛顿，可传力11牛顿，3排有105个钢球，有210个传力点传力2310牛顿，接触点线速度10米/秒时功率为23.1kw。

2同一图册另一例，80kw多盘式无级变速器，输入摩擦盘有36个，分为3组，外切圆Φ900，共有72个摩擦点，输出摩擦盘直径Φ450，盘边线速度8米/秒，外壳内运转空间为500×π900²/4＝0.318米³按同一运转内径Φ900对比，

用Φ30钢球，钢球架外圆Φ870可容纳钢球72个，每个钢球接触点可承受213牛顿，可传力21牛顿，144个摩擦点传力3024牛顿，5排钢球传力15120牛顿，接触点线速度10米/秒时功率为151.2kw。相比之下，体积小很多。

在上述Φ870钢球架之内还有近Φ800的空间，可容纳3排Φ30钢球，约有Φ30钢球200个，可再增加一半功率。

上两例都是用同样的壳内运转空间的直径对比，本发明方案轴线较短总体积要小。

本发明的结构方案可设计成细长的无级变速器，也可设计成大直径盘形的无级变速器，以适应特殊需要。用于玩具、特殊用途的袖珍运载机及自行车的小型、超小型自动调整变速比的钢球无级变速器，其内外滚道及加压盘等另部件可用冲压件大量生产。

Claims (10)

1一种自动调整变速比的钢球无级变速器，由钢球，钢球的内外滚道，输入轴、输出轴，钢球架组成，其特征是：内外滚道分为左右两半，滚道曲率与轴承滚道曲率同，但滚道工作面宽占中心曲率角60°，内外滚道可轴向移动使4个滚道面压向钢球，内外滚道上4个接触点的轴向连线的中点a、b和球心o，形成杠杆的3个点，内滚道(8)(9)旋转时，外滚道(4)(5)不动，钢球架(6)即可输出动力，或钢球架(26)不动，由外滚道(4)(5)输出动力，控制外滚道(4)(5)的轴向移动，可以改变变速比。

2根据权利要求1所述自动调整变速比的钢球无级变速器，其特征是：输入轴旋转时，作为杠杆支点的外滚道(4)(5)或钢球架(26)上承受反向力，此力随输出轴受到的阻力而变化，与变速杆(3)或(23)上弹簧拉力比较后，外滚道会自动前后移动，自动改变变速比，适应输出的需要。

3根据权利要求1所述自动调整变速比的钢球无级变速器，其特征是：钢球架(6)上各钢球之间有小钢轮(18)，或烧结的碗形含油滑动轴承(17)，可以承受钢球(7)的推力。

4根据权利要求1所述自动调整变速比的钢球无级变速器，其特征是：压力调整器曲轴(20)两端的曲柄(19)(21)不在一个平面上，有个扭转角，转动时能把输入轴上圆盘(13)的力矩调整为合适的力矩加在加压盘(11)、(12)上。

5根据权利要求1所述自动调整变速比的钢球无级变速器，其特征是：变速器中内外滚道和钢球可以用多组并列，传递大功率。

6根据权利要求1所述自动调整变速比的钢球无级变速器，其特征是：变速器中的滚道内可以套进一较小直径的滚道，可进一步节省空间。

7根据权利要求1所述自动调整变速比的钢球无级变速器，其特征是：以钢球架(26)为支点，外滚道输出动力的结构中，输入端可加一级行星轮变速，使变速范围更宽更合理。也可在适当的变速比处接直接档。

8根据权利要求1所述自动调整变速比的钢球无级变速器，其特征是：采用滚珠螺纹传动，提高自动变速灵敏度。

9根据权利要求1所述自动调整变速比的钢球无级变速器，其特征是：变速器的变速可以采用手控、液压或电气，得到更好的的控制。

10根据权利要求1所述自动调整变速比的钢球无级变速器，其特征是：其内外滚道及加压盘等另部件可用冲压件大量生产。

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