CN101118004A - 二次简谐波矢量合成与旋转杠杆调节式无级变速器 - Google Patents
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Abstract
一种二次简谐波矢量合成与旋转杠杆调节式无级变速器,由分解机构、两路(每路各有两级)正弦机构、旋转杆杆机构、杠杆支点控制机构、差速合成机构和壳体组成,每一路的第一级和第二级正弦机构之间用旋转杠杆机构串联连接,两路正弦机构曲柄起始角之间的相位相差90°,第一路正弦机构的输出角速度为二次正弦波,第二路正弦机构的输出为二次余弦波,通过差速机构将二次正弦波和二次余弦波速度合成为一个速度,由差速机构的系杆输出。
Description
技术领域 本发明属于机械传动领域,涉及机械传动领域一种二次简谐波矢量合成与旋转杠杆调节式无级变速器。
背景技术 现有机械领域中的变速机构分为两个类型,一类是有级变速机构,另一类是无级变速机构。具体有以下几种:齿轮排挡式变速器(有级)、液力自动变速器(大范围有级、小范围无级)、摩擦锥(盘、带)式无级变速器(无级)。齿排挡式轮变速箱(简称MT)以不同的齿轮搭配组成几个固定的变速比,这无法完全满足内燃机(或其它种类的原动机)转速与负载连续变化之间的匹配,只有不断地换档或改变内燃机(或其它种类的原动机)的转速来适应负载的变化,结果是使内燃机(或其它种类的原动机)脱离了最佳工作区域,动力下降,能耗上升,污染增加。液力自动变速器(Automatic Transmission简称“AT”),例如目前大部分高级车辆上应用的自动变速器,主要利用液力变扭器配合差动轮系齿轮箱实现换挡功能。传动过程中,液力变扭器中的液体会造成明显的发热和功率损失。所以,传动效率低(一般80%左右)、油耗高是液力自动变速箱不可克服的缺点。而且液力变扭器对加工精度要求极高,制造工艺复杂,制造成本高。摩擦锥(盘、带)式无级变速器(Continuouslv VariableTransmission,简称CVT),因为是靠摩擦进行动力的传递和转换,必然会产生较大的功率损失和零部件的磨损,因而,实现大功率、高效率的无级变速传动是比较困难的。
发明内容 本发明的目的在于提供一种通过作简谐运动的齿条、齿轮和旋转杠杆以及行星齿轮机构进行动力传动的新型无级变速器,这种新型无级变速器兼有排挡式有级变速器的高传动效率和无级变速器可以连续无级变速的优点,同时又克服上述排挡变速器不能连续无级变速和液力自动变速器、摩擦式无级变速器传动效率较低、磨损严重的缺点。它既能满足机械传动对速度和扭矩连续变化的要求,使原动机和负荷始终处于最佳的匹配状态,又避免了能量的浪费,减少了废气排放,具有节能和环保的双重功能。同时,由于该无级变速器克服了现有无级变速器传递功率小、耗能高的缺点,特别适合于现有无级变速器无法应用的一些领域(如:重型载重汽车、船舶等)。
本发明的技术方案是:一种二次简谐波矢量合成与旋转杠杆调节式无级变速器,由分解机构、两路(每路各有两级)正弦机构、旋转杆杆机构、杠杆支点控制机构、差速合成机构和壳体组成,每一路的第一级和第二级正弦机构之间用支点可调的旋转杠杆机构串联连接,两路正弦机构曲柄起始角之间的相位相差90°,第一路正弦机构的输出角速度为二次正弦波(sin2α),第二路正弦机构的输出为二次余弦波(cos2α),通过差速机构将这两个速度合成为一个速度,并通过差速机构的系杆输出。当同步连续地改变两路差速机构中旋转杠杆支点位置时,差速机构系杆的输出速度呈连续地线性变化,即无级变速。
附图说明 图1、图2、图3、图4、图5、图6为本发明的传动简图。下面结合附图对本发明做进一步说明:
首先,将原动机(内燃机或其它种类的原动机)输出的速度ω0通过齿轮分解成大小相等(其角速度分别为ω1、ω′1,且ω1=ω′1)、转向相同的两路,齿轮(A)与齿轮(B)、(C)同时啮合,齿轮(B)与轴(1)固定连接,轴(1)通过轴承与机架连接,齿轮(C)与轴(2)固定连接,轴(2)通过轴承与机架连接,齿轮(B)与(C)的参数相同。将其中角速度为ω1的一路,我们称其为第一路,作为动力输入来驱动一个轴(1),使其以角速度ω1旋转,我们称其为第一路输入轴,在轴(1)的一端固定连接一曲柄(2),曲柄在垂直于第一路输入轴轴线方向的长度为R1,其角速度与第一路输入轴相同,曲柄的另一端上固定连接着一个销轴(3),销轴的轴线与第一路输入轴的轴线平行,在销轴上套有一个滑块(4),滑块与销轴的连接为间隙配合,即滑块可以在销轴上转动。滑块镶嵌在一个带齿条的T型构件(5)的导槽内,并且可以在导槽内往复运动,这个T型构件(5)的导槽与其齿条互相垂直且固定连接。在其齿条两端沿齿条长度方向的延伸部分,各为一段导杆,导杆与固连在机架上的导套(6)间隙配合,可以在导套内沿齿条长度方向往复运动。导套与导槽是互相垂直的。在进行动力传动时,曲柄转动,其端部的滑块在T型构件的导槽内往复运动,驱动着T型构件的导杆在垂直于其导槽方向的导套内往复运动,这个机构的T型构件(5)的往复运动呈正弦波的形式,所以,以上结构,我们称之为第一级正弦机构,如图1。正弦机构中T型构件(5)的齿条的速度为:
V1=R1ω1sinα1
其中
V1-正弦机构中作正弦运动的T型构件(5)上的齿条的速度
R1-正弦机构中作为主动件的曲柄的长度
ω1-曲柄的角速度
α1-曲柄(2)的轴线与水平线之间的夹角,称为曲柄(2)的起始角
T型构件(5)上作正弦运动部分的齿条,与两个参数相同的齿轮(7)、(8)相啮合,将其速度输出到这两个齿轮上,这两个齿轮的节圆半径都为R,我们称其为第一级单向齿轮。两个第一级单向齿轮(7)、(8)分别通过单向离合器(9)、(10)与其各自支承轴(51)、(52)的一端相连接,两个单向离合器的动力传递方向相反,以保证在齿条作正弦往复运动的过程中,只有一个单向齿轮向外输出动力,并且,这两个单向齿轮的1/2节圆长度与正弦机构齿条的振幅相等。两个单向齿轮(7)、(8)的支承轴(51)、(52)通过轴承与机架相连接,在支承轴的另一端,各固连有一个齿轮(11)和(12),我们称之为第一级输出齿轮,这两个第一级输出齿轮的参数完全相同(两个齿轮的节圆半径都为R),并共同驱动另一个齿轮(13)(其节圆半径也为R),我们称其为第二级输入齿轮,齿轮(13)与轴(53)固定连接,轴(53)通过轴承与机架连接。为了保证第二级输入齿轮始终向一个方向转动,其中一个第一级输出齿轮(12)与第二级输入齿轮之间增加了一个介轮(14),介轮(14)与轴(54)固定连接,轴(53)通过轴承与机架连接,这样,通过第一级单向齿轮(7)、(8)、第一级输出齿轮(11)、(12)和介轮(14),第一级正弦机构的齿条输出的往复运动就转变成了第二级输入齿轮(13)的正弦波规律的转动,其角速度为:
ω2=V1/R
其中:
ω2-第二级输入齿轮的角速度
V1-第一级正弦机构中作正弦运动的齿条的速度
R-第一级单向齿轮的节圆半径
如前所述:V1=R1ω1sinα1
那么:
ω2=V1/R
=R1ω1sinα1/R
第二级输入齿轮(13)固联于其转轴(53)的一端,在转轴(53)的另一端固定连接着一个拨动曲柄(15),在这个拨动曲柄上,沿其长度方向开有一个贯通的滑槽,这个拨动曲柄拨动着一个绕其支点旋转的杠杆(16)的一端(即动力臂的端部),我们把这个杠杆称之为旋转杠杆,杠杆的长度为L,阻力臂的长度为R2,动力臂长度为(L-R2)。这个旋转杠杆通过一个杠杆支点控制机构(17),改变其支点的位置(即改变R2的长度),拨动曲柄(15)拨动旋转杠杆(16)的动力臂端使其旋转,并以其阻力臂端为曲柄驱动着另一个正弦机构的T型构件(18),我们称其为第二级正弦机构。实际上,旋转杠杆的阻力臂就是第二级正弦机构动力输入的曲柄,这样就将第二级输入齿轮(13)的正弦波规律的转动,作为动力输入再驱动一个正弦机构,除了曲柄部分以外,第二级正弦机构其它部分的结构与第一级正弦机构相同,其T型构件(18)上作正弦运动部分的齿条输出的速度是:
V2=R2ω2sinα2,
其中:
V2-第二级正弦机构中T型构件(18)上作正弦运动部分的齿条的速度
R2-旋转杠杆(16)阻力臂的长度
α2-旋转杠杆(16)的轴线和水平线之间的夹角
如前所述:
ω2=R1ω1sinα1/R,
那么:
V2=R2sinα2R1ω1sinα1/R,
其中:
R1-第一级正弦机构中作为主动件的曲柄(2)的长度
ω1-第一级正弦机构中曲柄(2)的角速度
α1-第一级正弦机构中曲柄(2)的轴线和水平线之间的夹角
R-第一级单向齿轮(7)、(8)的节圆半径
第一级正弦机构的曲柄(2)轴线和水平线之间的夹角与第二级正弦机构的旋转杠杆(16)的轴线和水平线之间的夹角在结构上的位置关系是这样的:当第一级正弦机构的曲柄(2)轴线位于水平位置时,第二级正弦机构的旋转杠杆(16)的轴线也位于相同的位置,这样就保证了第一级正弦机构曲柄(2)的轴线和水平线之间的夹角与第二级正弦机构的旋转杠杆(16)的轴线与水平线之间的夹角始终相等(大小、相位都相等),即使:
α2=α1=α
那么:
V2=R2sinα2R1ω1sinα1/R
=R2R1ω1sin2α/R
即:第一路第二级正弦机构T型构件(18)的齿条部分输出的速度是一个关于α的二次正弦波运动,如图2。
与第一级正弦机构相同的输出部分相同,第二级正弦机构T型构件(18)上作正弦运动部分的齿条,也与两个参数相同的齿轮(19)、(20)相啮合,将其速度输出到这两个齿轮上,这两个齿轮的节圆半径也都为R,我们称其为第二级单向齿轮。两个第二级单向齿轮(19)、(20)也都是通过单向离合器(21)、(22)与其各自支承轴(56)、(57)的一端相连接,支承轴(56)、(57)通过轴承与机架相连接,在支承轴的另一端,,各固连有一个齿轮(23)(24),我们称之为第二级输出齿轮,这两个第二级输出齿轮(23)(24)的参数也是完全相同的,并共同驱动另一个齿轮(25)(其节圆半径也为R),我们称其为第三级输入齿轮,齿轮(25)与轴(59)固定连接,轴(59)通过轴承与机架连接。为了保证第三级输入齿轮(25)始终向一个方向转动,其中一个第二级输出齿轮(24)与第三级输入齿轮之间增加了一个介轮(26),介轮(26)与轴(58)固定连接,轴(58)通过轴承与机架连接,这样,通过第二级单向齿轮(19)、(20)、第二级输出齿轮(23)、(24)和介轮(26),第二级正弦机构T型构件(18)的齿条输出的往复运动就转变成了第三级输入齿轮(25)的正弦波规律的转动,其角速度为:
ω3=V2/R
ω3-第三级输入齿轮(25)的角速度
V2-第二级正弦机构中作二次正弦运动的T型构件(18)的齿条的速度
R-第二级单向齿轮(19)(20)和第三级输入齿轮(25)的节圆半径
如前所述:
V2=R2R1ω1sin2α/R
那么:
ω3=R2R1ω1sin2α/R2
上式说明:第三级输入齿轮(25)的角速度ω3是关于α的二次正弦波。
第三级输入齿轮(25)固联于其转轴(59)的一端,转轴(59)通过轴承与机架相连接,在转轴的另一端固定连接着一个圆锥齿轮(27),我们称之为二次正弦中心轮,其角速度与第三级输入齿轮相同为ω3。
以上结构,我们统称之为第一路正弦机构。
与第一路正弦机构相同,将原动机(内燃机或其它种类的原动机)动力分解出来的角速度为ω′1的另一路,我们称其为第二路,作为动力输入来驱动一个轴(1′),使其以角速度ω′1旋转,我们称其为第二路输入轴,由第二路输入轴作为动力输入来驱动另外两个串联的正弦机构,我们称之为第二路正弦机构,如图1。第二路正弦机构的结构与第一路正弦机构完全相同,在图1、图2、图3、图4、图5、图6中,凡第二路正弦机构与第一路正弦机构对应的构件编号都加了上标(′),与第一路正弦机构不同的是:从安装结构上使得第二路正弦机构中第一级正弦机构的曲柄(2′)轴线与水平线之间的夹角β1(称为曲柄(2′)的起始角)以及第二级正弦机构的旋转杠杆(16′)的轴线与水平线之间的夹角β2相等(β1=β2=β),并与第一路正弦机构中的α1和α2的相位相差90°(安装结构上互相垂直),即:β=α±90°,如图1、图4这样,相对于第一路正弦机构的输出,第二路第二级正弦机构中T型构件(18′)的齿条的输出速度就变成了二次余弦运动:
V′2=R′2R′1ω′1sin2β/R′
=R′2R′1ω′1sin2(α+90°)/R′
=R′2R′1ω′1cos2α/R′
其中:
V′2-第二路第二级正弦机构中作正弦运动的T型构件(18′)上的齿条的速度
R′2-第二路第二级正弦机构中旋转杠杆(16′)的阻力臂的长度
β-第二路第一级正弦机构中曲柄(2′)的起始角和第二路第二级正弦机构中旋转杠杆(16′)的轴线与水平线之间的夹角
R′1-第二路第一级正弦机构中作为主动件的曲柄(2′)的长度
ω′1-第二路第一级正弦机构中曲柄(2′)的角速度
R′-第二路正弦机构中单向齿轮(19)(20)的节圆半径
α-第一路第一级正弦机构中曲柄(2)的起始角和第一路第二级正弦机构中旋转杠杆(16)的轴线和水平线之间的夹角
即:第二路第二级正弦机构的T型构件(18′)上的齿条的输出速度是一个关于α的二次余弦波运动,如图4。
与第一路第二级正弦机构的输出部分相同,第二路第二级正弦机构中T型构件(18′)上作正弦运动部分的齿条,也与两个参数相同的齿轮(19′)、(20′)相啮合,将其关于α的二次余弦波规律的往复运动输出到这两个相同的齿轮上,这两个齿轮的节圆半径也都为R′,我们把这两个齿轮也称为第二级单向齿轮,这两个第二级单向齿轮(其节圆半径都为R)也都是通过单向离合器(21′)、(22′)与其支承轴(57)、(58)的一端相连接,两个单向离合器的动力传递方向相反,以保证在齿条作正弦往复运动的过程中,只有一个单向齿轮向外输出动力。两个单向齿轮(19′)、(20′)的支承轴(57)、(58)通过轴承与机架相连接,在支撑轴的另一端,各固定连接有一个齿轮(23′)、(24′),我们称之为第二级输出齿轮,这两个第二级输出齿轮是完全相同的,并共同驱动另一个齿轮(25′)(其节圆半径也为R′),我们也称其为第三级输入齿轮,目的是使第二级正弦机构输出的关于α的二次余弦波的往复运动再次成为圆周运动,齿轮(25′)与轴(59′)固定连接,轴(59′)通过轴承与机架连接。为了保证第三级输入齿轮始终向一个方向转动,其中一个第二级输出齿轮(24′)与第三级输入齿轮(25′)之间增加了一个介轮(26′),介轮(26′)与轴(58′)固定连接,轴(58′)通过轴承与机架连接。这样,第二级正弦机构的T型构件(18′)上的齿条输出的往复运动就变成了第三级输入齿轮的正弦波规律的转动:
ω′3=V′2/R′,
其中:
ω′3-第三级输入齿轮(25′)的角速度
V′2-第二级正弦机构中作二次余弦运动的T型构件(18′)的齿条的速度
R′-单向齿轮(19′)(20′)和第三级输入齿轮(25′)的节圆半径
如前所述:
V′2=R′2R′1ω′1cos2α/R′
那么:
ω′3=R′2R′1ω′1cos2α/R′2
即:第二路正弦机构的第三级输入齿轮(25′)的角速度是一个关于α的二次余弦波。
第三级输入齿轮(25′)固联于其转轴的一端,在转轴的另一端固定连接着一个锥齿轮(27′),我们称之为二次余弦中心轮,其角速度为ω3。
用第一路正弦机构的正弦中心轮(27)和第二路正弦机构的余弦中心轮(27′)分别驱动双联圆锥齿轮(28)、(29)和(28′)、(29′),双联锥齿轮(28)、(29)与轴(60)固定连接,轴(60)通过轴承与机架连接,双联锥齿轮(28′)、(29′)与轴(60′)固定连接,轴(60′)通过轴承与机架连接。其中,轴(60′)是中空的。由锥齿轮(29)和(29′)共同驱动另外一个圆锥齿轮(31),我们称其为行星轮,圆锥齿轮(31)空套在曲柄轴(也称系杆)(30)的曲柄部分上,系杆的主轴部分穿过轴(60′)的中空部分作为输出,其轴端固定连接着齿轮(80)。这样,由锥齿轮(29)、(29′)和行星轮(31)以及系杆(30)组成了一个差速机构,正弦中心轮(27)、余弦中心轮(27′)的角速度ω3和ω′3就是差速机构的两个输入,系杆(30)的角速度ω则作为这两个输入角速度合成后的输出。可以证明证明,系杆(30)输出的角速度为:
ω=(ω3+ω′3)/2
=[(R2R1ω1sin2α/R2)+(R′2R′1ω′1cos2α/R′2)]/2
除了α1、α2与β1、β2的相位相差90°以外,从结构上使第一路正弦机构的其它参数(ω1、R1、R2、R、L)与第二路正弦机构的其它参数(ω′1、R′1、R′2、R′、L′)一一对应相等,即:
ω1=ω′1
R1=R′1
R2=R′2
R=R′
L=L′
则有:
ω=[(R2R1ω1sin2α/R2)+(R′2R′1ω′1cos2α/R′2)]/2
=R2R1ω1(sin2α+cos2α)/2R2
=R2R1ω1/2R2
如前所述,R1、ω1、R都是常量,式中的R2,即旋转杠杆(16)和(16′)的阻力臂R2、R′2是可以通过调整旋转杠杆(16)和(16′)的支点来改变的,而且这种改变是线性的、连续的,也就是说,只要同步连续地改变两个旋转杠杆(16)和(16′)的支点的位置,差速机构的系杆(30)输出的角速度ω就是连续变化的,这样就实现了无级变速。
具体实施方式 图7、图8、图9是图2中第一路杠杆支点控制机构(17)的结构图,其中图7是主视图,图8是俯视图,图9是A-A向剖视图。下面结合附图2做进一步说明:
变速丝杠(32)通过两端的轴承安装在机体上,变速板(45)上有一个内螺纹孔,这个内螺纹孔与变速丝杠(32)相配合。滑杠(33)和(34)的两端都固定在机体上,变速板(45)两边的导孔空套在滑杠(33)、(34)上。变速板的中心孔内有一个凹型回转滑道,在这个凹型回转滑道内有两个凸型的卡爪(41)、(42),两个凸型卡爪的位置相差180°对称分布在支点轴(55)的两侧,其爪部分别卡在旋转杠杆(16)两边的边缘上,其凸出的尾部插在凹型回转滑道内,并可以随着旋转杠杆(16)的旋转沿滑道和自身的轴线自由地回转,旋转杠杆(16)沿其长度方向是中空的,其中空部分套在作为支点的支点轴(55)上,旋转杠杆与支点轴的接触点就是旋转杠杆的支点。在进行变速时,由伺服电机机(46)(也可以是其它动力)驱动变速丝杠(32)转动,变速丝杠(32)通过变速板(45)上的内罗纹带动其沿滑杠(33)(34)的轴线水平移动,凸型卡爪(41)、(42)随变速板(45)一起沿支点轴(39)的轴线水平移动,在移动的过程中,迫使旋转杠杆(16)沿垂直方向移动,这样就改变了阻力臂R2的长度。图4中第二路调节机构(17′)的结构与图7、图8、图9相同。在本发明中,两路正弦机构中变速丝杠(32)是用同一个伺服电机驱动的,其旋转杠杆的阻力臂R2和R′2是同步改变的,即在保正R2=R′2的前提下同步改变它们的大小。
Claims (7)
1.一种二次简谐波矢量合成与旋转杠杆调节式无级变速器,由分解机构、两路(每路各有两级)正弦机构、旋转杆杆机构、杠杆支点控制机构、差速合成机构和壳体组成,其特征是:每一路的第一级和第二级正弦机构之间用支点可调的旋转杠杆机构串联连接,旋转杠杆的支点位置通过杠杆支点控制机构根据要求输出的速度进行调整,两路正弦机构中杠杆支点控制机构用同一个动力源驱动,两路正弦机构曲柄起始角之间的相位相差90°,第一路正弦机构的输出速度为二次正弦波,其输出角速度为ω3=R2R1ω1sin2α/R2,第二路正弦机构的输出速度为二次余弦波,其输出角速度为ω′3=R′2 R′1ω′1cos2α/R′2,通过差速机构将二次正弦波和二次余弦波速度合成为一个速度输出,并在结构上使R1=R′1、R2=R′2、R=R′,其输出角速度为ω=(ω3+ω′3)/2=R2 R1ω1/2 R2,通过杠杆支点控制机构改变R2的大小获得无级变速。
2.如权利要求1所述的二次简谐波矢量合成与旋转杠杆调节式无级变速器,其特征是:构件(5)上作正弦运动部分的齿条,与两个参数相同的齿轮(7)、(8)相啮合,齿轮(7)、(8)分别通过单向离合器(9)、(10)与其各自支承轴(51)、(52)的一端相连接,两个单向离合器(51)、(52)的动力传递方向相反,齿轮(7)、(8)的1/2节圆长度与构件(5)上作正弦运动部分的齿条的振幅相等。
3.如权利要求1所述的二次简谐波矢量合成与旋转杠杆调节式无级变速器,其特征是:齿轮(13)与转轴(53)的一端固定连接,转轴(53)的另一端与拨动曲柄(15)固定连接,沿拨动曲柄(15)长度方向开有一个贯通的滑槽,拨动曲柄(15)拨动旋转的杠杆(16)的一端,杠杆支点控制机构(17)控制旋转杠杆支点的位置,旋转杠杆(16)的另一端上空套着一个滑块(44),滑块(44)镶嵌在一个带齿条的T型构件(16)的导槽内。
4.如权利要求1所述的二次简谐波矢量合成与旋转杠杆调节式无级变速器,其特征是:曲柄(2)轴线的起始角与旋转杠杆(16)轴线的起始角始终相等。
5.如权利要求1所述的二次简谐波矢量合成与旋转杠杆调节式无级变速器,其特征是:曲柄(2)轴线的起始角和旋转杠杆(16)轴线的起始角与曲柄(2′)轴线的起始角和旋转杠杆(16′)轴线的起始角始终相差90°。
6.如权利要求1所述的二次简谐波矢量合成与旋转杠杆调节式无级变速器,其特征是:变速丝杠(32)通过轴承安装在机体上,滑杠(33)、(34)与机体固定连接,变速板(45)空套在滑杠(33)、(34)上,变速板内有一个凹型回转滑道,凹型回转滑道内有两个凸型的卡爪(41)、(42),两个凸型卡爪(41)、(42)的位置相差1800对称分布,凸型卡爪(41)(42)的爪部分别卡在旋转杠杆(16)两边的边缘上,凸型卡爪(41)(42)凸出的尾部插在凹型回转滑道内,并可以随着旋转杠杆(16)的旋转沿滑道和自身的轴线自由地回转,旋转杠杆(16)沿其长度方向是中空的,中空部分套在支点轴(39)上。
7.如权利要求1所述的二次简谐波矢量合成与旋转杠杆调节式无级变速器,其特征是:变速丝杠(32)、(32′)是用同一个动力源驱动的,旋转杠杆(16)、(16′)与支点轴(39)、(39′)的接触点是同步改变的。
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