CN102252075A - 摩擦副行星传动无级变速器 - Google Patents

Abstract

一种摩擦副行星传动无级变速器，有主动轮、行星轮和外压圈的行星传动件，内外双向碟簧加压，内碟簧将主动轮始终压紧行星轮，外碟簧随外压圈调速位移，压紧力与转矩自行成正比增减相一致。一组滚轮转臂均布于行星轮运行圆周的外围将其离心力与圆周力合成推力矩，并与输出轴联接，输出转矩。圆弧形中空行星轮其凸形工作面从大半径的20°～40°圆弧角逐渐连续地减小至小半径处的3°～6°，实现了正压力、摩擦力的变动符合各转速的高效率传动。行星轮由二半壳体以内部心轴与轴孔套合为圆弧外形整体，无外伸心轴使输出转速达到输入转速直至0转。二个主动轮和二个外压圈对应工作面制成大曲率半径的凹圆弧，与行星轮成凹凸共曲，低转速重负载长期耐用。

Description

摩擦副行星传动无级变速器

技术领域

一种摩擦副行星传动无级变速器，其具有主动轮、行星轮、外压圈的摩擦副传动机构，还有加压装置和调速机构，且作行星传动。

数目众多形状又相同的一组行星轮，径向内外受到二个主动轮及二个外压圈的主从摩擦件的夹紧，作圆周运动。采用碟簧加压，蜗杆蜗轮与螺旋移动调速，行星轮的径向位移使相关传动半径发生增减，输出转速与转矩连续地升降，实现了无级变速传动。

背景技术

无级变速器采用摩擦传动，依靠相互压紧着其接触点形成摩擦力而传递转矩。通常所需的压紧力即正压力是圆周力的20～50倍，巨大的压紧力引起传动副磨损快、发热高、效率低、寿命短。压紧力的产生与调整及其带来的影响对于各种摩擦传动至关重要，通常的结构其传动性能难以完善，甚至已成为历史性难题。

行星传动具有一系列优点，但是一组行星轮作圆周运转势必产生离心力，由于离心力与角速度平方成正比，当自重大、半径长、转速高时离心力带来有害影响，因而高转速受到限制。

摩擦力依靠压紧力，常采用碟簧加压装置。原德国发明专利，国内称行星锥盘无级变速器，其碟簧加压于主动轮上，造成加压特性的矛盾：高转速碟簧压得最紧，严重发热温升高；低转速碟簧反而放松，压紧力不足，承载力不够。

碟簧加压在外压圈上能够实现恒功率传动，其压紧力已经与转矩自成正比增减变动。然而高转速其压紧力本应很小，却因较大的离心力而不得不过分地增大了压紧力，使效率难以提高。原因是行星轮本身的离心力造成了主动轮上的夹紧力会相减而致摩擦力降低，外压圈上却是离心力与碟簧压紧力相加重合，双重压紧，阻力过大，降低了效率。

行星轮为中间滚动体，内外分别受到二个主动轮及二个外压圈夹紧着作圆周运动，内外夹紧形成的摩擦力与力臂既工作半径形成了主从转矩应相等，所以行星轮上的工作半径长则需摩擦力小，即力与半径成反比。也就是夹在行星轮近中心小半径之力应该成比例增大，如果行星轮上各工作半径的锥度既楔角不变，其正压力也不变，摩擦力不变，半径大则力矩大。所以行星轮的内外力矩相差很大，造成滑动率过高，甚至出现打滑而传动失效。由于行星轮的形状与夹紧力相关密切，直线锥轮其楔角相同，所以各半径处的正压力相同，摩擦力大小不变。半径不同却夹持角度相同会使行星轮内外力矩失去平衡。高转速，主动轮夹于行星轮近中心小半径处，力矩很小，而外压圈夹在行星轮外圆大半径，力矩成比例增大，往往夹得过紧，甚至夹死行星轮，结果是主动轮会打滑，滑动率太大。低转速，外压圈夹到行星轮近中心小半径时其力矩太小而使承载力难以提高。这就是通常的直线形状行星轮存在致命性的缺陷。

发明内容

一种摩擦副行星传动无级变速器，采用内外双向碟簧加压装置和一组滚轮转臂输出机构，还有圆弧凸状行星轮及其凹凸共曲摩擦副，作行星传动。

由于单向加压存在缺陷，本发明采用内外双向加压，既内碟簧加压在主动轮上压紧行星轮的内侧，外碟簧成组加压到外压圈外端，其压紧力随行星轮及外压圈的位移产生与转速和转矩的增减自行增减相一致。内外碟簧分别夹紧行星轮内外二处，形成的内外力矩达到平衡。

一组滚轮转臂，设置在行星轮圆周运行的外围，起到阻挡行星轮受离心力作径向外移，并将离心力转移到该滚轮转臂上从而输出转矩。滚轮转臂由滚轮活套于销轴上，销轴二端部联接于输出轴和轴承套圈，滚轮外圆与行星轮外圆接触传力。

滚轮与销轴动配，并与输出轴和轴承套圈联合成滚轮转臂输出机构。

行星轮一旦传动即产生了圆周力和离心力并存，当离心力小于圆周力时会被圆周力将行星轮推压到滚轮转臂上，另一部分仍作用到外压圈上。所以仅以滚轮转臂的径向阻碍，行星轮的巨大离心力还有部分造成减弱了主动轮对行星轮的夹紧以及使外压圈上的夹紧力相叠加致过大。尤其是通常的行星轮带心轴传力，离心力的不利影响更无法克服。

采用圆弧凸面又中空的行星轮，无外伸心轴，只以外圆与滚轮转臂接触传力，边滚动边圆周运转，输出转矩。

空心行星轮由二半壳体以内部小心轴与轴孔紧配组合一个整体成二个外凸圆弧工作面，自重减轻，离心力减小，各工作半径有变化的圆弧角，就是使夹持的楔角各处大小不同，从外圆边缘至行星轮近中心，圆弧角度从20°～40°逐渐连续地减小到3°～6°，甚至0°，工作半径大则圆弧角大，工作半径减小，圆弧角成比例减小，结果是摩擦副相互压紧后其正压力和摩擦力与圆弧角度成反比，(与工作半径却成反比)。在相同的碟簧压紧下，正压力及摩擦力在各工作半径的增减变动正是符合恒功率传动转速升降及转矩增减的所需。

圆弧行星轮带来的效果是：高转速，主动轮能够夹紧行星轮，由于夹紧于行星轮近中心时会传正压力增大，摩擦力也升高；外压圈却夹在行星轮大圆弧角处，形成径向推力很大，楔紧作用更使主动轮足够夹紧行星轮。行星轮上大半径处却夹得较松而便于转动，所以转速可提高。低转速，外压圈夹紧到行星轮近中心小圆弧角处，而主动轮夹于行星轮大圆弧处，较大的径向推力将行星轮在外压圈工作面形成几倍增大的摩擦力，符合低转速大转矩传动。并且外碟簧加压在外压圈外侧，随着外压圈对外碟簧的再压缩，碟簧压紧力成正比增大，所以低转速时足够的摩擦力确保了低速重载下长期稳定运行。正是其他无级变速器最薄弱之处，唯有圆弧型行星轮克服了长期存在的缺陷。

圆弧中空行星轮，由薄壁二壳体以内部小心轴与轴孔紧配套合为一体，其壁厚常取1～3毫米，自重轻离心力减小。由于壁厚薄而柔，受压紧力易于产生弹性变形，补偿调整加工制造及运动中精度偏差，达到多方一致性。行星轮制成圆弧凸状工作面既有足够的整体刚度，又易于受力点产生局部弹性变形，接触点形成凹凸共曲，油膜容易形成，润滑充分，磨损减小，寿命增长。

二个主动轮和二个外压圈的工作面制成凹凸相结合工作面，凹圆弧的半径及圆弧角度与圆弧行星轮近中心处的半径及角度相等，以便与圆弧行星轮接触传力时成为凹凸共曲的工作面。这正是较大的正压力需要足够受力接触面来降低接触应力。

主动轮的外圆及外压圈的轴孔处制成小半径凸圆弧并与凹圆弧部分圆滑过渡，构成凹凸工作面。主动轮及外压圈的工作面由凸状部分与行星轮大圆弧即大半径处成为二凸面相接触传力，减小了传动中的阻力而且符合了工作半径大则需力小的规律。

凹凸圆弧工作面，形成的摩擦力不同，因为凹面容易夹得紧，而凸状夹得较松，符合传动的要求：高转速，主动轮与行星轮成凹凸共曲，外压圈与行星轮却是二凸相触，符合一紧一松；低转速，外压圈与行星轮近中心处成凹凸共曲，而主动轮与行星轮大圆弧处是二凸相触，同样达到一紧一松。这种传力以点与线接触逐渐变换，达到接触应力的最佳调整。因为主动轮及外压圈的接触传力点是固定的，仅是行星轮的工作半径是变动的，尤其是行星轮近中心的曲率半径很小，受力面不足，成为最薄弱部位。但是圆弧行星轮与凹圆弧工作面的二个主动轮及二个外压圈形成凹凸共曲时因受力面成倍增大就能大幅度降低接触应力，实现无级变速器能够作低速重载长期运行，以突破历史性难题。

采用内外双向碟簧加压，内碟簧加压在主动轮外面，受蜗轮及螺旋传动件将主动轮及行星轮压紧着；外碟簧装在外压圈外侧也使外压圈夹紧行星轮的径向外端。

采用一组滚轮转臂输出机构，均布于行星轮圆周运行的外围，将所述行星轮的外圆与滚轮的外圆相接触传动。

采用圆弧外凸形的且又中空薄壁型行星轮，其圆弧角从外圆边缘的20°～40°逐渐圆滑连续地减小到近中心的3°～6°，甚至0°，达到与二个主动轮及二个外压圈压紧的其夹持角变动，正压力也变动，达到摩擦力与行星轮的工作半径成反比变化。

行星轮采用二半壳体的薄壁件，由内部小心轴与对应轴孔配合成一整体，其壁厚常取1～3毫米，达到自重减轻离心力减小，适应更高的转速传动。

采用凹凸相结合的摩擦工作面制造二个主动轮及二个外压圈，其与行星轮摩擦传动中成凹凸共曲或二凸相触，符合高压紧力时其接触面会增大，低压紧力时传动阻力会减小。

行星轮其各工作半径有着不同的圆弧角，从而获得摩擦力大小与恒功率传动转矩对摩擦力的需求正比增减变动，整个变速范围压紧力既不过大又不太小，确保了高效率高效益无级变速传动。

采用蜗杆蜗轮与螺旋传动进行调速以及采用销子与滑槽限位控制，由蜗轮轴孔制成螺旋与一螺旋移动件产生轴向进退位移，迫使内碟簧、主动轮及行星轮移动，这时有销子卡住螺旋移动件使其不转动却成移动，行星轮工作半径变化，输出转速升降。

蜗轮轴孔制成螺旋与一螺旋移动件作轴向进退位移，因有销子卡进螺旋移动件的槽中，则产生轴向移动，迫使主动轮同时作轴向位移而推动行星轮作径向位移，因而其工作半径改变，输出转速升降。

向低转速调整，外碟簧组再度压缩而压紧力增大，与转矩增大成正比例自行调整，压紧力随转速成反比同步增减。

在最高及最低转速，有销子在螺旋移动件槽里移至空缺处而终止位移。由于二条空槽而不能将销子卡住，螺旋移动件与蜗轮螺孔产生同转，所以不发生轴向进给位移，只得反行才能产生调速，既到高速或者低速极限后，不再继续调控，只有反向转动才有位移，在额定变速范围内方能执行调速，达到安全控制。结构简便，成本降低。

附图说明

图1是摩擦副行星传动无级变速器结构图。

图2是摩擦副行星传动无级变速器径向截面分布图。

图3是摩擦副行星传动无级变速器内外碟簧加压结构。

图4是摩擦副行星传动无级变速器高速工位摩擦副相关位置结构。

图5是摩擦副行星传动无级变速器低速工位摩擦副各工作面相关接触位置。

图6是摩擦副行星传动无级变速器圆弧外凸状行星轮结构形状组合为一体图。

图7是摩擦副行星传动无级变速器蜗轮内孔的螺旋副及其高低极限限位控制图。

具体实施方式

摩擦副行星传动无级变速器，采用一组无外伸心轴的行星轮，其内外有二个主动轮及二个外压圈夹紧着作圆周运行，以行星轮的径向位移而产生工作半径的增减变动达到转速和转矩逐渐连续升降，实现无级变速传动。由于向低转速调速，外碟簧再度压缩变形，压紧力增大，符合恒动率传动对加压特性要求。

采用内外双向碟簧加压，内碟簧装在输入轴上受到蜗轮轴孔中的移动螺旋所压紧并将主动轮夹紧了行星轮；外碟簧装设在外压圈外侧，当外压圈轴向移动，外碟簧的压紧力与转矩成正比自行增减变动。

采用圆弧凸面变夹持角(楔角)的行星轮，其圆弧凸形工作面有足够刚度，又能在受力时形成局部变形，补偿加工或传动中的运动精度偏差。这种行星轮由二半壳体以内部小心轴与轴孔紧密配合成整体，壁厚为1～3毫米，重量轻，离心力减小，高转速甚至不受限制。

圆弧变角度行星轮的外圆最大工作半径的角度为20°～40°，常选用25°，其近中心或顶锥的角度常选3°～4°，这样使高低转速的效率显著提高。通常产品，高速效率约为0.7，低速效率0.6～0.5，圆弧形行星轮高速达0.9，低速为0.7，效率提高了20％。

二个主动轮和二个外压圈的工作面以凹凸相结合，以凹面为主，其半径与行星轮的半径相等，圆弧角与行星轮近中心的小角相等。这样，不论是主动轮或外压圈当在行星轮近中心处接触传力时，成为凹凸共曲，大幅度降低接触应力，提高承载能力，从而解决了该领域一直尚存的致命性缺陷。

随着调速位移，当主动轮或外压圈与行星轮大工作半径处接触传力时，由于行星轮的大半径处是大圆弧角度，曲率半径大，许用接触应力也大，采用小半径凸面更能降低运行中的阻力，容易获得高效率。

圆弧外凸变角度行星轮的中心角度常选3°～6°，所以圆弧中心与行星轮心轴偏离选用6～10毫米，而圆弧半径选用60～100毫米。最大与最小角度相差近拾倍，这样的结构形状及其传动性能其他各种传动是难以达到的。

采用一种滚轮转臂的输出机构，滚轮转臂由滚轮活套在销轴上，销轴二端分别联接于输出轴和轴承套圈上，输出机构成为简支梁式。

滚轮转臂布置于行星轮圆周运行的外围，在高转速时，滚轮转臂能将行星轮阻挡其径向外移，使行星轮的外圆与滚轮的外圆相接触边滚动边圆周运转，行星轮的离心力会与圆周力合成推动滚轮转臂输出转矩。由于离心力被转移后获得效用，高转速的范围得到提高。

由于离心力不再作用到外压圈上，所以外碟簧的压紧力能够选用较低些，以便降低磨损及温升。

由于内外双碟簧加压，行星轮的内外始终存在压紧力，减小了滑动率，运行更稳定可靠。

采用蜗杆蜗轮及轴孔螺旋副作轴向进退，迫使一组行星轮作径向位移，改变工作半径，转速无级升降。螺旋移动件压紧内碟簧及主动轮，主动轮夹紧行星轮作圆周运转。二主动轮轴向压近迫使行星轮径向外移，推动外压圈轴向外移，外侧的外碟簧压紧力升高。螺旋移动件退回，内碟簧对主动轮压紧力减小，外碟簧即将外压圈及其行星轮作径向内移，转速升高，转矩减小，所以控制了蜗轮转动即控制了转速升降。

移动螺旋的轴向进退由一销子于滑槽中卡住移动螺旋的不转则产生轴向位移，一旦移至缺口处，则螺旋移动件与蜗轮同转则轴向进退停止，即转速达到高低极限，只能反转而得返回调速，所以转速控制于额定范围，高低极限限位。以下依据附图详细说明具体实施方式。

输入轴(3)支承在轴承上，并与左侧的主动轮(19)以花键联成同转，并以连接套(20)将左右二个主动轮(19)、(17)传动，蜗杆(10)蜗轮(8)的轴孔制成螺旋传动副，转动时左旋拉紧套(6)与右旋压套(7)作相向轴向进退，二个主动轮(17)、(19)相对压拢或分开位移，迫使行星轮(16)作径向位移。螺母(24)压紧了轴承再压紧内碟簧(1)，并使主动轮(19)压到行星轮(16)。同样，右旋压套(7)压紧轴承再压紧内碟簧(1)及主动轮(17)同时压紧了行星轮(16)。在高转速时，二个主动轮(17)、(19)以凹圆弧工作面夹紧了行星轮(16)的近中心处。行星轮(16)受到二个左右主动轮(17)、(19)的推动以其外圆边缘处与二个外压圈(12)、(18)相接触并且将外侧的外碟簧(9)、(22)都压紧着。所以行星轮(16)的径向内外均受到相关摩擦副的工作面所夹紧着而形成了摩擦力。从输入轴(3)、二个主动轮(17)、(19)以及二个外压圈(12)、(18)包容了一组行星轮(16)传递了转矩。行星轮(16)运转圆周的外围上有一组滚轮转臂的输出机构，即滚轮(15)话套子在销轴(14)上，销轴(14)的二端部分别固连在轴承套圈(13)和输出轴(21)构成了梁式输出机构。当行星轮(16)公转时其外圆与滚轮(15)相接触，由于滚轮(15)在行星轮(16)的径向外围上阻碍其受离心力而外移，产生了相滚动传力。同时圆周力推行星轮(16)压到滚轮(15)上，即离心力被圆周力合成一起，共同推动了滚轮(15)、销轴(14)、轴承套圈(13)及输出轴(21)转动而输出转矩。滚轮(15)一边传递了转矩又同时阻挡了行星轮(16)的外移，减弱了对外压圈(12)、(18)的压紧力。由于二个外压圈(12)、(18)以凸面与行星轮的大工作半径处相接触，且摩擦力较小，符合高转速转矩较小则需夹紧摩擦力且较小的要求。向低转速调时二个主动轮(17)、(19)压拢，行星轮(16)径向外移，推压二个外压圈(12)、(18)轴向外移，并使外碟簧(9)、(22)再度压缩，压紧力增大，这时行星轮(16)以近中心的较小圆弧角与二个外压圈(12)、(18)的凹工作面凹凸共曲接触传力，接触应力较小而提高了承载能力。

圆弧外凸状的行星轮(16)以及凹凸相结合工作面的主动轮(17)、(19)及外压圈(12)、(18)在各种转速时有适合的圆弧角度及凹凸共曲或者二凸相触，构成摩擦力大小正是恒动率传动各转矩对压紧力的所需。处处逐渐圆滑连续变动的条件唯有本品才能实现。

图2中，二个主动轮(17)、(19)夹紧着一组行星轮(16)，二个外压圈在径向外侧压紧了行星轮(16)。行星轮(16)以外圆与滚轮转臂输出机构中的滚轮(15)相接触滚动传力。圆周运行使行星轮(16)产生了离心力，并趋向径向外移。由于一组滚轮(15)阻挡了其外移，将离心力Q与圆周力P合成，共同推动滚轮(15)、销轴(14)、轴承套圈(13)和输出轴(21)转动输出转矩。

图3中，内碟簧(1)、(2)夹紧了主动轮(17)、(19)然后夹紧到行星轮(16)，二个外压圈(12)、(18)在径向外侧以小圆角凸面压紧到行星轮(16)的大工作半径既大圆弧角度处，而主动轮(17)、(19)都以凹圆弧工作面在行星轮(16)的近中心处夹紧着。外碟簧(9)、(22)分别压紧外压圈(12)和(18)，随着调速位移，外碟簧的压紧力与转矩的增减成正比自行调整，压紧力与转矩增减相一致。

图4中，标明高速工位二个主动轮(17)、(19)，以半径R的凹圆弧工作面夹紧了行星轮(16)的近中心处成为凹凸共曲摩擦副低接触应力传动。二个外压圈(12)、(18)却以小半径r的圆角凸面与行星轮大工作半径大圆弧角成二凸相触传动，正压力减少，摩擦阻力小，效率高。二个主动轮(17)、(19)二个外压圈(12)、(18)的凹工作面的半径及圆弧角与行星轮(16)的半径和圆弧角二者相等。

圆5中，行星轮(16)已经径向外移，其中心与二个外压圆(12)、(18)的凹圆弧工作面成凹凸共曲，同样降低了接触应力，提高了承载能力。由于二个主动轮(17)、(19)，其推力增大，形成二个外压圈(12)、(18)更压紧了行星轮(16)，这样在极低转速下能额载长期运行。

圆6中，圆弧行星轮(16)的二半壳体(16)以中部小心轴与轴孔紧配套合为整体，其圆弧外圆的大工作半径处圆弧角为20°～40°，近中心处的圆弧角只有3°～6°，甚至0°，因角度成倍缩小，同样的轴向压紧力下，正压力明显变化，形成的摩擦力增减，正是恒功率高效率对摩擦力的所需。

图7中，蜗轮(8)的轴孔制成螺旋传动副，使螺旋移动件(67)作轴向位移，是因为螺旋移动件(67)外圆上有凹槽，其中卡进销子(68)，当位移使销子(68)滑空时，螺旋移动件(67)与蜗轮同速转动，位移终止，不能继续进行调速，只得反向转动，即作返回位移。所以高低极限得以控制。

Claims (7)

1.一种摩擦副行星传动无级变速器，具有主动轮(17、19)、行星轮(16)、外压圈(12、18)的摩擦传动机构，还有加压装置和调速机构，且作行星传动；其特征是采用内外双向碟簧加压和一组滚轮转臂输出机构，还有圆弧凸面状行星轮(16)和凹凸相结合摩擦工作面的主动轮(17、19)及外压圈(12、18)；采用蜗杆蜗轮及其螺旋传动副与槽型调速限位控制；所述行星轮(16)其凸面与所述主动轮(17、19)及所述外压圈(12、18)相对应的凹凸结合面相互夹紧着，摩擦力与恒功率传动的转矩增减相一致。

2.根据权利要求1所述的摩擦副行星传动无级变速器，其特征是所述主动轮(17、18)外侧有内碟簧(1、2)由螺旋传动将其压紧到所述行星轮(16)上，外碟簧(9、22)加压在所述外压圈(12、18)的外侧将所述外压圈(12、18)连同所述行星轮(16)夹紧着。

3.根据权利要求1所述的摩擦副行星传动无级变速器，其特征是所述行星轮(16)制成圆弧凸面外形且中空的组合结构其摩擦工作面各半径的圆弧角度从外圆边缘20°～40°逐渐圆滑连续地减小到近中心的3°～6°，甚至0°，即摩擦面上工作半径大则圆弧角度就大，夹紧时其正压力则小，摩擦力且较小。

4.根据权利要求1所述的摩擦副行星传动无级变速器，其特征是所述行星轮(16)由二半壳体以内部小心轴与轴孔紧配套合为一体，壳体壁厚常选用1～3毫米。

5.根据权利要求1所述的摩擦副行星传动无级变速器，其特征是一组滚轮转臂输出机构均布在所述行星轮(16)的运行圆周外围，滚轮(15)活套于销轴(14)上，销轴(14)二端部与轴承套圈(13)及输出轴(21)连接，所述行星轮(16)以外圆与滚轮(15)的外圆接触相滚动传力。

6.根据权利要求1所述的摩擦副行星传动无级变速器，其特征是二个所述主动轮(17、19)和二个所述外压圈(12、18)的摩擦工作面制成凹凸相结合，且圆滑过渡成工作面，凹形圆弧的半径及其圆弧角度大小与所述行星轮(16)的近中心处相对应的半径与圆弧角相等，相接触传力时成为凹凸共曲摩擦副。

7.根据权利要求1所述的摩擦副行星传动无级变速器，其特征是蜗杆蜗轮及其轴孔制成螺旋传动副调速，并采用销子与滑槽位移，当销子移至滑槽缺口处时，位移停止，转速限定，返回才能连续调速，所以高低极限转速得以控制。

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