CN1804432A - 动量矩机械无级变扭器 - Google Patents

Abstract

动量矩机械无级变扭器，克服现有液力变扭器在能量传输过程中由于传动液的粘性作用及循环流体的速度变化等因素不可避免存在能量损失所致效率低的不足。本发明在从动轴设置有凸轮环，主动轴设置有曲柄，曲柄一端联结主动轴，另一端铰接摆杆。曲柄带动摆杆运转时，摆杆的摆动端与从动轴的凸轮环在离心力的作用下锁合。受凸轮环限制，摆杆角速度和转动惯量发生变化产生惯性反作用力，该惯性反作用力作用于凸轮环和曲柄，使得主动轴、从动轴间有了力矩的变换和功率的传递，从而实现无级变扭变速。

Description

动量矩机械无级变扭器

所属技术领域

本发明涉及到液力变扭器。

背景技术

目前，公知的液力变扭器是以液体为工作介质的力矩变换器，它在主动轴设置泵轮，从动轴设置涡轮，在泵轮和涡轮组成的工作腔内，由液体动量矩的变化来传递力矩。液力变扭器动力性能优越，其缺点是效率低，在能量传输过程中由于传动液的粘性作用及循环流体的速度变化等因素不可避免存在着能量损失，一般最高效率为85％-92％，偏离设计工况时效率更低，其效率低的缺点妨碍了它的更广泛的应用。

发明内容

为了克服现有液力变扭器的不足，本发明提供一种动量矩机械无级变扭器，它不仅可以保留液力变扭器动力性优越的特点，而且可以避免由于传动液的粘性作用及循环流体的速度变化等因素导致的能量损失高的缺点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：从动轴设置有凸轮环，主动轴设置有曲柄，曲柄一端联结主动轴，另一端铰接摆杆，摆杆的摆动端可在离心力作用下与凸轮环内表面锁合。

摆杆具有质量，其质量可被等效地认为集中在摆杆的两端。其中曲柄销端的质量是无效质量。摆动端的质量是有效质量，可被看成是一质点。当曲柄带动摆杆转动时，摆杆的摆动端在离心力的作用下与凸轮环内表面锁合。受凸轮环型面的限制，摆杆相对凸轮环转动时，其摆动端质点相对于主动轴中心的距离和角速度也不断变化，说明质点受到了外力的作用。这个作用一方面是曲柄通过摆杆施加于质点的推拉力，另一方面是凸轮环内表面对质点的压力。质点的惯性反作用力也分解为两个分量分别同外部作用力相平衡，主动轴和从动轴之间借此有了功率的传递和力矩的变换。

本发明运转时，在结构参数和主动轴转速不变的情况下，从动轴转速越高，输出力矩越小，反之则越大，主动轴力矩根据从动轴输出功率的大小自动变换，满足动量矩定律和能量守恒定律。

本发明的有益效果是，其利用质点的动量矩变化进行功率的传递和力矩的变换，具有效率高的特点，并仍然保留了液力变扭器的许多良好性能，如：自动适应性能、反转制动性能、带载起动性能、多机并车性能、限矩保护性能。本发明的机架力矩可以远小于输出力矩，这对于手持操作的动力工具有特殊意义。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的基本结构示意图。

图2是图1的侧视图。

图中1.摆杆，2.曲柄销，3.主动轴，4.曲柄，5.滚轮，6.机架，7.从动轴，8.凸轮环。

具体实施方式

图1中，机架(6)设置有主动轴(3)。主动轴(3)联结曲柄(4)，该例曲柄是一曲柄盘。曲柄销(2)联接摆杆(1)。摆杆(1)的摆动端联接滚轮(5)或滑靴或滑环。滑环实际上是一个圆环形的滑靴，其外周与凸轮环内孔滑动配合。当主动轴曲柄带动摆杆转动时，滚轮或滑靴与凸轮环(8)锁合。本例凸轮环是偏心圆环且与从动轴(7)刚性联结。

图2是图1的侧视图，图中未示出机架和从动轴。从图中所示结构可以看出本发明实际上是增加了一个自由度的现有摆动从动凸轮机构，曲柄的长度对应现有摆动从动凸轮机构的中心距，并且将原来是主动轴的凸轮轴作为从动轴，将原来是从动构件的摆杆作为主动构件。

凸轮环可是偏心的圆环，也可是椭圆形或多周期数的卵形等非圆形环。周期数是摆杆相对于凸轮环转动一周往复摆动的次数。偏心圆环可刚性联结一圆盘，圆盘再刚性联接从动轴，如图1所示，也可由圆盘中心的孔与设置在从动轴曲柄上的曲柄销组成转动副并且使从动轴曲柄长度等于偏心距。用后一结构替换前一结构，凸轮环随摆杆转动，可减小凸轮环和摆杆的磨损。椭圆形或多周期数的卵形等非圆形环通常是刚性地联结从动轴，并且其中心与从动轴的中心同轴。

凸轮环可用连杆替换。连杆的一端联接从动轴曲柄上的曲柄销，另一端铰接摆杆的摆动端。此时，本发明就是增加了一个自由度的曲柄摇杆机构。主动轴曲柄长度对应现有曲柄摇杆机构的机架杆长度，摆杆长度对应现有曲柄摇杆机构的摇杆长度，偏心凸轮环的半径减去滚轮半径的长度对应现有曲柄摇杆机构的连杆长度，从动轴曲柄长度对应现有曲柄摇杆机构的曲柄长度。替换凸轮环的连杆还可是圆盘型连杆，即连杆的一端位于圆盘的中心，圆盘中心的孔联接从动轴曲柄上的曲柄销，另一端位于圆盘的靠近外周处，在该处铰接摆杆的摆动端。

凸轮环还可以直接地联结机架。它相当于将凸轮环刚性联结从动轴，再将从动轴刚性联结机架，此时机架就替换从动轴成为输出构件。将机架固定于大型转盘的任意位置，只要主动轴的中心线与转盘的回转中心线平行或大体平行，就可以驱动转盘转动。将机架固定于航天器的适当位置，就可以控制其运行姿态。将机架固定于潜水器的适当位置，不用方向舵就可以改变潜水器的前进方向。

机架可是整体式机架，主动轴、从动轴均安装在同一机架上。机架也可是分体式机架，主动轴、从动轴各自安装在不同的机架上，这样能够降低动力机和工作机之间的安装精度要求。主动轴也可以直接安装于动力机的输出轴，从动轴直接安装于工作机的输入轴，这样动力机和工作机之间的安装精度要求可降低许多，本发明相当于是一个可以无级变扭变速的联轴器。

摆杆与凸轮环可滚动或滑动接触。当凸轮环是偏心圆环时，可采用动压或静压滑动轴承，以适应大力矩、高速差输出的工况。摆杆在运转时借助离心力与凸轮环锁合。停机时，摆杆与凸轮环的相对位置可视结构和尺寸的具体情况不采用任何措施或采用弹簧力方式或几何方式将摆杆的位置大体限定，可以留有一定的间隙。

本发明本的结构确定之后，其机械特性也就确定了。通过调节装置改变其结构参数可以改变其机械特性，例如：调节从动轴凸轮环的偏心距或摆杆的有效质量或摆杆的长度或主动轴曲柄的长度均可以改变其机械特性，使成为调速型机械无级变扭器，这样可以更好地适应动力机械和工作设备的要求。调节可以在停机或不停机的情况下进行，结构形式多种多样，其中以不停机调节凸轮环偏心距的方式效果较好。

凸轮环可是圆形的弹性柔环，其外周可设置楔形块加油缸或凸轮加摆动油缸等装置，通过加压使其改变为椭圆形或卵等非圆形环。输出力矩与凸轮环的周期数成正比，与凸轮环的最大半径、最小半径之差和凸轮环内表面廓线的曲率中心到主动轴中心的平均距离有关。上述值越大，输出力矩越大。

调节摆杆的长度，若摆杆与凸轮环压力角的平均值增大，输出力矩也增大。调节摆杆的质量，其有效质量增大，输出力矩也增大。

主动轴曲柄的长度可小于凸轮环的最小半径，也可大于其最大半径。在忽略离心力的情况下，影响输出力矩的因素有摩擦力、摆杆摆动端质点相对主动轴中心距离的变化、摆杆摆动端质点相对主动轴中心角速度的变化。摩擦力产生的输出力矩方向与主动轴的转动方向相同，输出力矩大小与摩擦力成正比。摆杆摆动端质点相对主动轴中心角速度的变化产生的输出力矩方向比较复杂，输出力矩大小与主动轴、从动轴的转速差成正比。摆杆摆动端质点相对主动轴中心距离的变化产生的输出力矩方向有两种情况：当曲柄的长度小于凸轮环的最小半径时，无论主动轴的转动方向如何，该输出力矩方向总是由摆杆的摆动端指向曲柄销端；当曲柄的长度大于凸轮环的最大半径，无论主动轴的转动方向如何，该输出力矩方向总是由摆杆的曲柄销端指向摆动端，输出力矩大小与主动轴转速成正比，也与主动轴、从动轴转速差成正比。曲柄长度变化，若摆杆与凸轮环压力角的平均值增大，输出力矩也增大。应当说明，质点相对主动轴中心角速度变化的质量和相对主动轴中心距离变化的质量不一定相等，为方便计，前者称之为角速度质量，后者称之为中心距质量。例如：摆杆上的滑靴，既有角速度质量，又有中心距质量，如果将滑靴沿周向加长，直至成一圆环，其角速度质量逐渐加大，中心距质量起初可能会增大，但最终会为零。杆形连杆和圆盘形连杆也有类似情况。

本发明运转时，离心力和摆杆施加于质点的推拉力会使从动轴轴承、主动轴轴承受到径向力，影响轴承使用寿命，对称设置凸轮环可减轻或消除径向力。对于偏心的圆形凸轮环，可在从动轴沿轴向设置多个，并且周向对称分部，与各凸轮环对应，在主动轴设置同样数量的曲柄盘，各曲柄盘设置摆杆。对于椭圆形或多周期数的卵形等非圆形环，其本身是对称的，不必设置多个，只要在曲柄盘对称设置摆杆即可。

本发明运转时，若摆杆数量较少，输出力矩会波动，可增加摆杆数量使减轻或消除。圆形凸轮环摆杆数量为三到四个即可。非圆形凸轮环当周期数是偶数但不是三的整倍数时，曲柄盘上的摆杆以六个为宜。当平衡设计较好且忽略摩擦力的影响时，输出力矩大约与主动轴、从动轴的转速差成正比，这表示从动轴转速等于主动轴转速时输出力矩等于零。摆杆数量少时，受离心力的影响，输出力矩虽有波动，但是，当从动轴转速等于主动轴转速时可以有一定的输出力矩。

实现不停机调节凸轮环偏心距，并且主动轴、从动轴不承受大的径向力，可以将从动轴刚性联结一端开口、一端封闭的套筒，套筒中心线与从动轴中心线同轴。套筒内设置两组或多组安装在不同横截面且周向对称分部的双偏心套。双偏心套由内外套合的偏心套组成。外偏心套与套筒固定联结，内偏心套在外偏心套内可相对外偏心套转动，内偏心套的孔即是中心距可调的凸轮环的内廓线。每两相邻内偏心套的相邻端面有销孔，并由销轴和连杆组成的平行轴联轴器联接。内偏心套相对外偏心套转动时，各内偏心套内孔相对从动轴的偏心距同时增大或减小。套筒内位于最外端的内偏心套的外端面联接驱动装置。驱动装置是环形柔轮谐波减速器，其输入刚轮联结套筒，输出刚轮通过由销轴和连杆组成的平行轴联轴器联接偏心套。谐波发生器由空套在主动轴上的空心套驱动。减速调节可用制动器将空心套制动，升速调节可用离合器将空心套与主动轴联接。谐波减速器可用大速比的正号行星齿轮机构替换，其中行星齿轮机构的两个中心内齿轮对应谐波减速器的主动刚轮和从动刚轮，其行星齿轮和转臂对应谐波发生器。

本发明可以与行星齿轮机构组成不同机械特性的变扭器。行星齿轮机构的三个构件中，一个构件联接动力机，其余两构件分别联接主动轴、从动轴，工作机可以任意联接主动轴或从动轴。改变行星齿轮机构的基本速比，可使变扭器获得软的或硬的机械特性。

本发明还可以与两个行星齿轮机构组合，可以更准确、更大范围地改变其机械特性。两行星齿轮机构中，一号行星齿轮机构的第一号构件联接本发明的主动轴或从动轴，第二号构件联接动力机，第三号构件联接二号行星齿轮机构的第一号构件，二号行星齿轮机构的第二号构件联接机架，其第三号构件联接本发明的从动轴或主动轴，工作机可以任意联接主动轴或从动轴或二号行星齿轮机构的第一号构件。改变任意一个或两个行星齿轮机构的基本速比，其机械特性均发生变化。总体上，输出转速上升变化的过程中，主动轴、从动轴的转速差若不变或基本不变，可得到近似恒转矩机械特性，若主动轴、从动轴的转速差变小，机械特性变软，适当的设计可得到近似恒功率机械特性，若主动轴、从动轴的转速差变大，机械特性变硬，适当的设计可得到近似风机类机械特性。

本发明可以工作于机械特性的四个象限。

Claims (9)

1.动量距机械无级变扭器，有主动轴和从动轴，其特征是：从动轴设置有凸轮环，主动轴设置有曲柄，曲柄一端联结主动轴，另一端铰接摆杆，摆杆的摆动端可在离心力作用下与凸轮环内表面锁合。

2.根据权利要求1所述的动量距机械无级变扭器，其特征是：凸轮环是偏心圆环，偏心圆环刚性联结一圆盘，圆盘再刚性联接从动轴，或者由圆盘中心的孔与设置在从动轴曲柄上的曲柄销组成转动副并使从动轴曲柄长度等于偏心距；或者凸轮环是刚性地联结从动轴的椭圆形或多周期数卵形等非圆形环，其中心与从动轴的中心同轴。

3.根据权利要求1所述的动量距机械无级变扭器，其特征是：凸轮环用连杆替换，连杆的一端联接从动轴曲柄上的曲柄销，另一端铰接摆杆的摆动端；连杆是杆形或圆盘形，圆盘型连杆的一端位于圆盘的中心，圆盘中心的孔联接从动轴曲柄上的曲柄销，另一端位于圆盘的靠近外周处，在该处铰接摆杆的摆动端。

4.根据权利要求1所述的动量距机械无级变扭器，其特征是：凸轮环直接联结机架，机架替换从动轴成为输出构件。

5.根据权利要求1所述的动量距机械无级变扭器，其特征是：凸轮环是圆形的弹性柔环，其外周设置楔形块加油缸或凸轮加摆动油缸等装置，通过加压使其改变为椭圆形或卵等非圆形环。

6.根据权利要求1所述的动量距机械无级变扭器，其特征是：从动轴沿轴向安装多个偏心的圆形凸轮环，并且周向对称分部，对应地在主动轴设置同样数量的曲柄盘，各曲柄盘对称地设置多个摆杆。

7.根据权利要求1所述的动量距机械无级变扭器，其特征是：从动轴刚性联结一端开口、一端封闭的套筒，套筒中心线与从动轴中心线同轴；筒内设置两组或多组安装在不同横截面且周向对称分部的双偏心套；双偏心套由内外套合的偏心套组成；外偏心套与套筒固定联结，内偏心套在外偏心套内可相对外偏心套转动，内偏心套的孔即是中心距可调的凸轮环的内廓线；每两相邻内偏心套的相邻端面有销孔，由销轴和连杆组成的平行轴联轴器联接；内偏心套相对外偏心套转动时，各内偏心套内孔相对从动轴的偏心距同时增大或减小；套筒内位于最外端的内偏心套的外端面联接驱动装置；驱动装置是环形柔轮谐波减速器，其输入刚轮联结套筒，输出刚轮通过由销轴和连杆组成的平行轴联轴器联接偏心套；谐波发生器由空套在主动轴上的空心套驱动；减速调节用制动器将空心套制动，升速调节用离合器将空心套与主动轴联接。

8.根据权利要求1所述的动量距机械无级变扭器，其特征是：联接有一行星齿轮机构，行星齿轮机构的三个构件中，一个构件联接动力机，其余两构件分别联接主动轴、从动轴，工作机联接主动轴或从动轴。

9.根据权利要求1所述的动量距机械无级变扭器，其特征是：联接有两个行星齿轮机构，两行星齿轮机构中，一号行星齿轮机构的第一号构件联接主动轴或从动轴，第二号构件联接动力机，第三号构件联接二号行星齿轮机构的第一号构件，二号行星齿轮机构的第二号构件联接机架，其第三号构件联接从动轴或主动轴，工作机联接主动轴或从动轴或二号行星齿轮机构的第一号构件。