CN2634199Y

CN2634199Y - 一种无级变速谐波传动装置

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Publication number: CN2634199Y
Application number: CN 03208792
Authority: CN
Inventors: 辛洪兵
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2003-09-04
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2013-09-04

Abstract

本实用新型提供了一种无级变速谐波传动装置，它包括刚轮、柔轮、波发生器、调速机构，所述的波发生器由加压装置和滚轮组成，所述的刚轮具有锥形孔或锥形外表面。本无级变速谐波传动装置具有体积小、重量轻、输出转速范围宽等优点。对钢制柔轮的谐波传动，可以实现的变速范围为20到1000，变速比达到30以上，如果采用如塑料、尼龙等非金属材料柔轮，则变速比可达100以上。大大拓宽了谐波传动的应用领域。在该无级变速谐波传动中，如果采用密闭谐波传动柔轮结构，还具有可以向密闭空间和介质辐射的环境中输出无级变速传动的特点。

Description

一种无级变速谐波传动装置

技术领域

本实用新型涉及一种无级变速谐波传动装置。

背景技术

世界主要机械无级变速器的生产国家有日本、美国、意大利和俄国等。产品有摩擦式、链式、带式及脉动式30多种结构形式。机械无级变速器具有以下主要特点：转速稳定、滑动率小、工作可靠，具有恒功率机械特性，传动效率较高，结构简单，维修方便，价格相对便宜，但零部件加工及润滑要求较高，承载能力较低，抗过载及冲击性能较差，一般适用于中、小功率传动。中国在20世纪60年代前后起步，目前能够初步满足社会生产的要求(周有强主编，机械无级变速器，机械工业出版社，2001；4-5)。

谐波传动技术是二十世纪中期随着空间科学、宇航技术的发展，在弹性薄壳理论的基础上出现的一种新型的传动技术。它具有运动精度高、传动比大、重量轻、体积小、承载能力大、并能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作等优点，已经成功应用于空间技术、仪器仪表、机器人、印刷机械及医疗器械等领域中。谐波传动装置通常由波发生器、柔轮和刚轮等构件组成，俗称“三大件”。其运动学可简述如下([苏]伊万诺夫，沈允文，李克美译.谐波齿轮传动[M].国防工业出版社，1987：2-3)。

如附图1所示的具有内置波发生器的谐波传动，在波发生器1的作用下，横截面为圆形的弹性薄壁构件柔轮2发生弹性变形。在波发生器长轴方向，柔轮2的外壁被紧压在横截面为圆形的刚轮3的内壁上。当波发生器1旋转时，柔轮2沿着刚轮1的内壁滚动。如果为无滑动的滚动，则柔轮2与刚轮3相互转过由其周长差决定的角度。假设柔轮2外壁未变形前的半径为r，刚轮3内壁的半径为R，其周长差为2π(R-r)＝2πw₀。波发生器1每转一转，两轮相对转过的转角为：当刚轮3固定时，柔轮2沿波发生器1的旋转方向转过φ＝2πw₀/r的角度；当柔轮2固定时，刚轮3沿波发生器1旋转的反方向转过φ＝-2πw₀/R的角度。在上述情况下，从波发生器1到柔轮2的传动比为

i_{12}^{3} = r / w_{0} = r / (R - r),

从波发生器1到刚轮3的传动比为

i_{13}^{2} = - R / w_{0} = - R / (R - r) .

在普通的摩擦传动中，传动比等于两个摩擦轮直径之比，而在谐波摩擦传动中，传动比为从动轮半径对两轮半径的差值之比。张景和在中国发明专利98108619.5(摩擦谐波传动器)中，设计了具有定传动比的摩擦谐波传动装置。如果柔轮2与刚轮3的接触面分别制有轮齿，则上述比值应代以齿数与齿数差之比，谐波摩擦传动即演变为谐波齿轮传动。

目前对于钢制柔轮的谐波摩擦传动，其单级传动比范围约为20-1000，对于钢制柔轮的谐波齿轮传动，其单级传动比约为30-320。通常单级谐波传动装置只能提供定传动比传动。

人们一直在努力研究如何将谐波传动的优良性能充分发挥出来，实现谐波传动的无级变速。在鲍侃、王维的中国发明专利87108217.9(谐波齿轮无级变速机)中，通过在波发生器和输入轴之间附加一个行星锥轮装置，依靠行星锥轮的轴向位移实现波发生器输入转速的无级调速。其特点是谐波齿轮传动部分是定传动比传动。在邢万义的中国实用新型专利95232041.X(谐波传动变速装置)中，使用离合器或其它变速机构控制变速，而谐波传动装置仍作为定传动比装置使用。其特点是谐波传动部分为定传动比传动。在黄幼德的中国实用新型专利93238803.5(谐波链式无级变速传动器)中，调整转速的是机械摩擦控制器等阻尼装置，链式谐波传动部分仍然为定传动比传动。

文献(Н.И.Цейтлин，Э.М.Цyкерман.谐波传动.吴桂英译)光学精密工程，1974(5)：53-60)介绍了使用截锥形柔轮的方式实现无级变速的结构。但是其结构、加工工艺复杂，而且刚轮与发生器作用位置之间距离在变化，导致装置承载能力改变。同时，两端以衬套的柔性筒的强迫变形将导致巨大的内应力。

发明内容

本实用新型所的目的是提供一种无级变速谐波传动装置，该装置具有体积小，重量轻，输出转速范围宽的特点。

为达到上述目的本实用新型采用以下技术方案：

无级变速谐波传动装置是：它包括刚轮、柔轮、波发生器、调速机构，所述的波发生器由加压装置和滚轮组成，所述的刚轮具有锥形孔或锥形外表面。

所述的刚轮呈锥形孔，杯形柔轮套在刚轮的锥形孔内，柔轮的底部与输出轴由紧固件连接，刚轮与壳体以滑键或花键或型面连接；所述的波发生器包括滚轮支架，支架套在输入轴上，支架上装有与柔轮接触的轴承，轴承中装有支撑轴，支撑轴与加压装置配合。本发明也可以是刚轮的底部与输出轴连接，柔轮与壳体以滑键或花键或型面连接；

本实用新型所述的波发生器还可以包括三个压力弹簧、导杆和挡板，每个导杆上方有作为滚轮使用的轴承其安装轴线夹角为120°。

本实用新型通过使谐波摩擦传动中的刚轮具有锥形孔或锥形外表面，在波发生器的作用下，柔轮与刚轮紧密接触。在连续改变柔轮与刚轮沿轴线方向的相对位移过程中，波发生器在压紧力的作用下，使柔轮与刚轮始终紧密接触。这样柔轮与刚轮的周长差2π(R-r)获得连续变化，按照前述运动学的分析，谐波摩擦传动实现了无级变速。

本实用新型的特点是，通过改变谐波摩擦传动中柔轮与刚轮的周长差来获得无级变速，并根据该无级变速方法设计了无级变速谐波传动装置。

本实用新型的优点：

本实用新型提出了实现无级变速谐波传动的方法，根据该无级变速方法设计了无级变速谐波传动装置。无级变速谐波传动具有体积小、重量轻、输出转速范围宽等优点。对钢制柔轮的谐波传动，可以实现的变速范围为20到1000，变速比达到30以上，如果采用如塑料、尼龙等非金属材料柔轮，则变速比可达100以上。大大拓宽了谐波传动的应用领域。在该无级变速谐波传动中，如果采用密闭谐波传动柔轮结构，还具有可以向密闭空间和介质辐射的环境中输出无级变速传动的特点。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步详细描述。

图1是谐波传动简图；

图2是无级变速谐波传动简图；

图3是无级变速谐波传动用于径向内波谐波传动简图

图4是无级变速谐波传动用于径向外波谐波传动简图

图5是无级变速谐波传动用于端面谐波传动简图

图6是一种无级变速谐波传动装置图；

图7是发生器滚轮支架两侧具有压力锥盘的波发生器结构图；

图8是发生器滚轮支架不随输入轴旋转的行星波发生器结构图；

图9是具有两个加压装置和滚轮装在滚轮支架上的波发生器结构图；

图10是具有四个加压装置和滚轮装在滚轮支架上的波发生器结构图；

图11是柔轮上与刚轮相接触的工作部分的结构；

图12是柔轮与刚轮相接触的工作部分做成分离零件的结构。

图7至图10是几种内波发生器结构。依据同样的方法还可以制成无级变速外波谐波传动波发生器和无级变速端面谐波传动波发生器。图11和图12是柔轮与刚轮接触工作部分的两种结构。这两种结构置于柔轮内侧，则成为无级变速外波谐波传动。

如图2所示的无级变速谐波传动，刚轮3具有锥形内孔，在波发生器1的作用下，横截面为圆形的弹性薄壁构件柔轮2发生弹性变形。在波发生器长轴方向，发生了弹性变形的柔轮2的外壁被紧压在横截面为圆形的刚轮3的内壁上。在位置A-A，柔轮2没有发生弹性变形，其半径为r₀，它与刚轮3在此位置的半径R₀相等。当波发生器1旋转时，柔轮2与刚轮3相互转过的周长差为2π(R₀-r₀)＝0。此时，无级变速谐波传动的传动比数值为∞。当柔轮2沿轴向相对刚轮3移动到位置B-B时，波发生器1在压紧力的作用下，始终将柔轮2与刚轮3紧紧压在一起。在此位置上，刚轮3内壁的半径为R，而柔轮周长并未改变。刚轮3与柔轮2的周长差为2π(R-R₀)＝2πw_0R，此处使用符号w_0R表示刚轮3内壁的半径为R时，柔轮的最大径向变形量。波发生器1每转一转，两轮相对转过的转角为：当刚轮3固定时，柔轮2沿波发生器1的旋转方向转过φ＝2πW_0R/r₀的角度；当柔轮2固定时，刚轮3沿波发生器1旋转的反方向转过φ＝-2πw_0R/R的角度。在上述情况下，从波发生器1到柔轮2的传动比为

i_{12}^{3} = r_{0} / w_{0 R} = r / (R - r_{0}),

从波发生器1到刚轮3的传动比为

i_{13}^{2} = - R / w_{0 R} = - R / (R - r_{0}) .

随着柔轮2沿着轴向相对刚轮3连续向左移动，刚轮3与柔轮2的周长差2π(R-r₀)＝2πw_0R连续增加，谐波摩擦传动实现了无级变速。周长差2πw_0R的增长极限是柔轮材料强度所允许的最大值2πw_0Rlimit，此时无级变速谐波传动的传动比最小。对于金属材料，目前最小传动比为20。如果使用如塑料、尼龙等的非金属材料制造柔轮，最小传动比可以小于10。

图3是无级变速谐波传动用于径向内波谐波传动的机构简图。其中，柔轮2与输出轴相连，波发生器1输入。具有锥形内孔、相对壳体只能产生轴向滑移的刚轮3在调速器4的调节下，可以相对柔轮2和波发生器1轴向移动，达到调节输出转速的目的。

图4是无级变速谐波传动用于径向外波谐波传动的机构简图。其中，柔轮2与输出轴相连，波发生器1输入。具有锥形外壁、相对壳体只能产生轴向滑移的刚轮3在调速器4的调节下，可以相对柔轮2和波发生器1轴向移动，达到调节输出转速的目的。

图5是无级变速谐波传动用于端面谐波传动的机构简图。其中，柔轮2与输出轴相连，波发生器1输入。具有锥形外壁、相对壳体只能产生轴向滑移的刚轮3在调速器4的调节下，可以相对柔轮2和波发生器1轴向移动，达到调节输出转速的目的。

图6是根据本发明提出的无级变速谐波传动方法设计的一种无级变速谐波传动装置简图。

图中各部件名称为：输出轴5、调速轮6、滑键7、右壳体8、刚轮9、调速螺杆10、防松器11、螺母12、压力弹簧13、滑键14、锥盘15、柔轮16、轴承17、轴承18、支撑轴19、滚轮支架20、左壳体21以及输入轴22。其中锥盘15、轴承17、轴承18、支撑轴19和滚轮支架20等构成波发生器。调速轮6与调速螺杆10等构成调速机构。压力弹簧13、锥盘15以及螺母12等构成加压装置。

输入轴22由轴承支撑于左壳体21上，其右端由轴承支撑于输出轴5的左端，输入轴22中部装有滑键14。杯形柔轮16套在刚轮9的锥形内孔内，它的底部与输出轴5由紧固件联结在一起。刚轮9具有锥形内孔，其右端安装在右壳体8的内部，在导向零件滑键7的作用下，周向不能旋转，但可以沿轴向移动。波发生器由锥盘15、轴承17、轴承18、支撑轴19和滚轮支架20等构成。滚轮支架20上分别装有与柔轮16接触的轴承17以及与滚轮支架20上两侧沟槽24相接触的轴承18，轴承17与轴承18一同装配在支撑轴19上。支撑轴19的两端有锥形面25，锥形面25支撑在两个锥盘15上。由压力弹簧13、锥盘15以及螺母12等构成了加压装置，加压装置安装在输入轴22上，并随输入轴22一起转动。压力弹簧13的压力决定了该无级变速谐波传动装置的承载能力，该压力值可以通过螺母12设定，防松器11防止工作中螺母12松动。在所设计的结构中，波发生器的转速与输入轴22的转速一致。因此，为了避免运动干涉，两侧的锥盘15支撑在两个轴承上，这样，在锥形面25上的摩擦力作用下，锥盘15可以绕输入轴22旋转。

运动或动力由输入轴22输入，两个锥盘15在两侧压力弹簧13的作用下，通过两个锥形面25将装配在支撑轴19上的轴承17压向柔轮16，进而紧紧压向刚轮9的锥形内孔表面。滚轮支架20带动支撑轴19以及轴承17、轴承18随输入轴22一起旋转。调速螺杆10可以绕自身轴线相对壳体转动，其左端旋入刚轮9右端的螺孔中，右端与调速轮6固定在一起。调速轮6安装在右壳体8的外侧。

调节调速轮6，带动调速螺杆10旋转。刚轮9在调速螺杆10的带动下，沿轴向移动，这可以连续改变柔轮16与刚轮9工作接触处的周长差，从而达到无级调速的目的。在整个工作以及调速过程中，压力弹簧13通过锥盘15和支撑轴19上的轴承17将柔轮16与刚轮9的工作部分紧压在一起，保证传动的正常进行。

根据这种方法，还可以设计无级变速外波谐波传动、无级变速端面谐波传动以及无级变速密闭谐波传动等传动形式。

图7是发生器滚轮支架20两侧具有压力锥盘15的波发生器结构。滚轮支架20在波发生器长轴上分别装有与柔轮16接触的轴承17以及与滚轮支架20上两侧沟槽24相接触的轴承18，轴承17与轴承18一同装配在支撑轴19上。支撑轴19的两端有锥形面25，锥形面25支撑在位于滚轮支架20两侧的两个锥盘15的锥面上。两个锥盘15在两侧压力弹簧13的作用下，通过两个锥形面25将装配在支撑轴19上的轴承17压向柔轮16，进而紧紧压向刚轮9的锥形内孔表面。轴承17的外环与滚轮支架20上的沟槽23间必须留有足够的间隙，以保证轴承17的外环只与柔轮16的内表面接触。在整个工作以及调速过程中，压力弹簧13通过锥盘15和支撑轴19上的轴承17将柔轮16紧紧压向刚轮9的锥形内孔表面，保证传动的正常进行。滚轮支架20带动支撑轴19以及轴承17、轴承18随输入轴22一起旋转，为了避免干涉，两侧的两个支撑在轴承上的锥盘15在支撑轴19上锥形面25的带动下，绕输入轴22旋转。

图8是发生器滚轮支架20不随输入轴22旋转的行星波发生器的结构。在这种结构中，滚轮支架20的作用是保持支撑轴19以及工作滚子面19’位于长轴上。滚轮支架20两侧的锥盘15与输入轴22用键14联接，两个锥盘15与输入轴22一起旋转。两个锥盘15通过锥形面25带动支撑轴19和工作滚子面19’沿着柔轮16的内表面滚动，由此形成无级变速谐波传动的行星波发生器结构。在这种结构中，由于行星传动部分的工作接触面25会随着刚轮9在调速过程中的左右移动而上下移动，因此，行星传动部分的传动比也在一定范围内无级变化。整个无级变速谐波传动的传动比是谐波传动无级变速的传动比与行星传动部分无级变速传动比的乘积。

图9是具有两个压力弹簧29、导杆27构成的加压装置和轴承26做成的滚轮分别装在滚轮支架20上长轴两端的波发生器结构。

图10是具有四个压力弹簧29、导杆27构成的加压装置和轴承26做成的滚轮装在滚轮支架20上长轴两端的波发生器结构。其安装轴线相对于波发生器长轴对称，与波发生器长轴的夹角为α，α可以在10°-35°之间取值。

柔轮16上与刚轮9相接触的工作部分可以做成如图11所示的弧线形16’，该弧线必须与柔轮相邻部分光滑过渡。也可如图12所示，将柔轮16与刚轮9相接触的工作部分设计为具有弧线形16’的分离零件16”。零件16”装配在柔轮16上，在波发生器的作用下一起变形，并被紧压在刚轮9的内壁上。

Claims

1、一种无级变速谐波传动装置，其特征在于：它包括刚轮、柔轮、波发生器、调速机构，所述的波发生器由加压装置和滚轮组成，所述的刚轮具有锥形孔。

2、根据权利要求1所述无级变速谐波传动装置，其特征在于：所述的刚轮呈锥形孔，杯形柔轮套在刚轮的锥形孔内，柔轮的底部与输出轴由紧固件连接，刚轮与壳体以滑键或花键或型面连接；所述的波发生器包括滚轮支架，支架套在输入轴上，支架上装有与柔轮接触的轴承，轴承中装有支撑轴，支撑轴与加压装置配合。

3、根据权利要求1所述无级变速谐波传动装置，其特征在于所述的刚轮呈锥形内孔，杯形柔轮套在刚轮的锥形内孔内，刚轮的底部与输出轴连接，柔轮与壳体以滑键或花键或型面连接；所述的波发生器包括滚轮支架，支架套在输入轴上，支架上装有与柔轮接触的轴承，轴承中装有支撑轴，支撑轴，与加压装置配合。

4、根据权利要求2或3所述无级变速谐波传动装置，其特征在于：所述的滚轮支架以键与输入轴连接。

5、根据权利要求2或3所述无级变速谐波传动装置，其特征在于：所述的加压装置由锥盘、压力弹簧、螺母组成，螺母压弹簧，再压紧与支撑轴配合的锥盘。

6、根据权利要求1所述无级变速谐波传动装置，其特征在于：所述的波发生器包括两个压力弹簧、导杆和挡板，在导杆上方有一作为滚轮使用的轴承。

7、根据权利要求1所述无级变速谐波传动装置，其特征在于：所述的波发生器包括四个压力弹簧、导杆和挡板，每个导杆上方均有作为滚轮使用的轴承，其安装轴线相对于波发生器长轴对称，与波发生器长轴夹角为α，α值在10°-35°之间。

8、根据权利要求1所述无级变速谐波传动装置，其特征在于：所述的波发生器包括三个压力弹簧、导杆和挡板，每个导杆上方均有作为滚轮使用的轴承，其安装轴线夹角为120°。

9、根据权利要求1或6或7或8所述无级变速谐波传动装置，其特征在于：所述的柔轮与刚轮相接触工作部分为弧线形或折线或直线与弧线的组合。