專利名稱：柔性行星輪無級變速器的制作方法
技術領域：
傳動機械有主從配對傳動副，以改變傳動副的工作半徑達到無級變速的具有主動輪、行星輪或中間滾動體、外壓圈和輸入與輸出的傳動機構(gòu)，還有加壓機構(gòu)和調(diào)速裝置，尤其是摩擦傳動副采用剛?cè)崤鋵Σ⑻幱蜐櫥娜嵝孕行禽啛o級變速器。
2、背景技術通常的齒輪嚙合傳動副或摩擦傳動副采用鋼對鋼硬齒面或稱硬工作面，尤其是油潤滑摩擦傳動副采用高質(zhì)量要求的淬火軸承鋼點線接觸傳動，由于其摩擦系數(shù)在0.02～0.05左右，傳動額定轉(zhuǎn)矩所需的壓緊力是圓周力的20～50倍，接觸面上的接觸應力及其形成的熱載荷是限制承載能力的主因，接觸工作面上的點觸和疲勞剝落使整機壽命降低，并出現(xiàn)較高的噪聲和振動。
為了降低傳動副的接觸應力采用多點傳力的多行星輪傳動，也因各個行星輪的尺寸精度一致性難以達到而出現(xiàn)僅部分行星輪在主動傳力，另一部分精度偏差較大者未能參與傳力反而成為阻矩降低了效率并產(chǎn)生更嚴重的噪聲。
3、目的本發(fā)明的目的是一種由剛?cè)崤鋵Φ哪Σ粮崩萌嵝约诒竟ぷ髦凶孕姓{(diào)整相關尺寸達到接觸點、線或面相關尺寸及形位精度一致性，這種一致性不只是在制造加工中強求而是結(jié)合工作時受力而變形達到多點接觸傳力的柔性行星輪無級變速器。
這里的柔性是區(qū)別通常的鋼對鋼摩擦副那剛與剛的配對而言的，就是主從件中的一者其硬度或易于變形程度明顯低于另者(剛者)，一般是多件柔者與單一剛者結(jié)合構(gòu)成傳動副。對于硬鋼對硬鋼的摩擦傳動必須接觸才能發(fā)生，要求精度上偏差極小，制造難度很大，即使每個行星輪尺寸無絲毫偏差卻在裝配時的形位誤差影響也無法達到所有參與傳力，也就是說單靠加工不惜工本難能湊效。但是實踐發(fā)現(xiàn)將多數(shù)的相同的行星輪采用受力后易變形又在油潤滑中摩擦系數(shù)較小而耐磨性高的材料制造或者采用結(jié)構(gòu)形狀及尺寸上的變化達到受一定的壓力會產(chǎn)生所需的變形量來實現(xiàn)尺寸上和形位精度的一致性，從而制造高承載力、高效率、高壽命、低成本、低噪聲無級變速器。
柔性行星輪可以采用金屬或非金屬材料制造，也可以采用工程塑料，前者做成薄壁型，后者做成實體型，更為有利的是柔性行星輪本身的柔性使剛性件保持永久性使用而提高了整機壽命，并使生產(chǎn)與使用成本大幅度降低。工程塑料行星輪還能夠?qū)崿F(xiàn)無聲無級變速器開發(fā)更廣泛應用領域。
4、實現(xiàn)本發(fā)明的方法無級變速傳動應用越來越廣泛但也越發(fā)感到許多極待克服的難題。因為摩擦傳動依賴于摩擦力的形成，通常的產(chǎn)品其承載力、效率和壽命比齒輪嚙合傳動相差很大；電力式變速其恒功率特性及調(diào)速精密度和穩(wěn)定性欠佳，且許多場合不合適應用。
本發(fā)明采用結(jié)構(gòu)、形狀和材料上的突破達到技術上的取代性進步。
①變速范圍變速范圍是主要技術指標之一，通常機械類變速器其變速比Rb≤10，與本發(fā)明接近產(chǎn)品(JB/T 6950-93)行星錐盤無級變速器的Rb≤4～5。由于本發(fā)明采用既無心軸又無軸孔的形狀簡單的菱錐體或鋼球為行星輪，在調(diào)速位移時接觸點可移動至整個半徑，變速比Rb≥10～20～∞，從簡圖a-高速工位，b-低速工位說明行星輪無心軸其與主動輪或外壓圈的接觸點可以從中心點零半徑移動到最外緣即半徑r的頂點的全半徑，這時速比I=r1r3r1r3+r2r4=50×2650×26+1×77=13001300+77=13001377=0.94]]>低轉(zhuǎn)速時速比II=r1r2r1r2+r3r4=50×150×1+26×77=502052=0.024]]>因此變速比Rb=III=0.940.024≅39,]]>或者更大，直至接近無窮大。
上式說明由于行星輪無心軸調(diào)速位移達到全半徑，輸出轉(zhuǎn)速接近零至輸入轉(zhuǎn)速，變速比接近無窮大，這是本發(fā)明的主要特征之一。
②承載力如簡圖C所示二個主動輪均用鍵與輸入軸聯(lián)接而傳力，所有行星輪的二個側(cè)面接觸處產(chǎn)生摩擦力，摩擦力比通常的增大2倍。二個主動輪同時夾緊著一組行星輪并產(chǎn)生自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，行星輪圓周分布圓上均布間隔著等數(shù)量的一組銷軸和銷套，銷軸兩端分別緊固于輸出軸和軸承套圈構(gòu)成近似于簡支梁式輸出機構(gòu)；一組多件行星輪受到二個主動輪傳動后同一中心截面上推動相接觸的銷套并銷軸及其輸出軸而輸出轉(zhuǎn)矩，所以行星輪將來自主動輪之圓周力F1和二個外壓圈形成的F2合為推動力P在同一平面力系中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，因此無功損耗減小。
從高速區(qū)向低速區(qū)調(diào)速，行星輪作徑向外移，并再度軸向推移可移動的一個外壓圈將外側(cè)碟簧組更壓縮，壓緊力增加，這正是向低速調(diào)時轉(zhuǎn)矩按比例增大后所需的壓緊力必應同步增加才能實現(xiàn)恒功率傳動。由于碟簧作用于外壓圈上達到壓緊力與轉(zhuǎn)矩同步增減，這又是本發(fā)明的另一特征。
③輸出機構(gòu)本發(fā)明的輸出機構(gòu)是近似于簡支梁式結(jié)構(gòu)，它由一組與行星輪數(shù)相等的銷軸和銷套，銷軸兩端頭分別緊配在輸出軸和軸承套圈對應的軸孔中固連一體，銷套與銷軸動配并接受行星輪的接觸而自轉(zhuǎn)并公轉(zhuǎn)，將轉(zhuǎn)矩傳到輸出軸作輸出。梁式結(jié)構(gòu)輸出機構(gòu)也是本發(fā)明的特征。梁式結(jié)構(gòu)強度和剛性均提高，能夠讓銷軸直徑減小，以便適應更多行星輪多點傳力的大功率傳動。
④柔性行星輪一組行星輪少則三四件，多則拾多件分布在同一圓周分布圓上處于同一中心截面并形成平面力系，這是本發(fā)明高效率的主要原因。
摩擦傳動必須相互接觸才能產(chǎn)生摩擦，尤其是單一的主動輪工作面與眾多的行星輪接觸，其尺寸、形狀、位置上的一致性是決定因素。由于絕對0偏差是難以達到的，所以行之有效的方法是采用剛?cè)嵯嗯涞娜嵝孕行禽唫鲃?，就是加工時允許行星輪接觸尺寸精度寬松些以降低成本，同時在裝配后當單一的剛性主動輪或剛性外壓圈同一的工作面對于眾多行星輪產(chǎn)生一定的壓力時，眾多行星輪的這個接觸距離達到同一等值，既偏差大的多變形而偏差小的少變形，最終達到一致性。鋼制柔性行星輪應制成薄壁型的彈性體，而工程塑料柔性行星輪利用它只需受較小的壓力(碟簧壓緊力范圍內(nèi))就能夠產(chǎn)生所需的變量，這些材料容易得到，許多工程塑料既可以受力變形，又能保持低摩擦系數(shù)，在油潤滑時耐磨性很高，并且使剛性摩擦件保持長期耐用。適當時候更換柔性行星輪后，整機能夠永久性使用。
采用工作塑料柔性行星輪時，配對的剛性元件其摩擦工作面必須是圓滑光潔避免銳角接觸。軟(柔)硬(剛)結(jié)合運行就會緩和，并有效降低噪聲和振動。
⑤圓弧曲線回轉(zhuǎn)體接觸(摩擦)工作面本發(fā)明的主動輪和外壓圈的接觸工作面(摩擦副間的傳動接觸點、線、面)均與柔性行星輪相互點接觸純滾動，由于主動輪及外壓圈的接觸面在調(diào)速時并不變動所以磨損快，如果是過窄的工作曲線還會造成接觸應力集中過高使行星輪錐面局部磨損過快，為了避免上述結(jié)果，本發(fā)明的主動輪和外壓圈的圓弧工作面有過渡及延伸曲面，以便減小觸點應力集中，這不僅使橢圓形接觸面積增大降低平均接觸應力，還緩和了行星輪工作表面的損壞而獲得高壽命。摩擦副的圓弧圓滑摩擦接觸面且設置過渡和延伸曲面帶(段)起到維護作用，這又是本發(fā)明的細節(jié)特征。
⑥調(diào)速控制機構(gòu)采用蝸桿蝸輪傳動并將蝸輪軸孔做成螺旋副結(jié)構(gòu)，螺旋傳動使一個主動輪相對于另一主動輪作軸向分合進退移動，產(chǎn)生夾緊與推動行星輪作徑向外移，或者退開讓行星輪在碟簧作用力下作徑向內(nèi)移，這樣輸出轉(zhuǎn)速同步變動達到無級調(diào)速。蝸桿蝸輪調(diào)速輕松省力并能自鎖與限位，由于操作力較小更能適應電動遙控。蝸桿蝸輪及螺旋副調(diào)速控制以及碟簧加壓于外壓圈上壓緊力與轉(zhuǎn)矩所需自成正比增減又是本發(fā)明的輔助特征。
5、實質(zhì)性的進步本發(fā)明采用既無心軸又無軸孔的外形簡單的菱錐體或者鋼球為行星輪將輸出轉(zhuǎn)速達到接近零轉(zhuǎn)速直至接近輸入轉(zhuǎn)速，變速比提高到接近無窮大，這是重大突破性的特征。
本發(fā)明采用二個主動輪及二個外壓圈與一組行星輪產(chǎn)生的摩擦力及其轉(zhuǎn)矩作用于同一中心截面上形成平面力系，大幅度提高效率。
本發(fā)明采用圓弧曲線點接觸以及過渡曲線(面)與延伸曲線(面)組合工作面大幅度提高使用壽命。
本發(fā)明采用柔性行星輪實現(xiàn)剛?cè)崤鋵_到多點傳力多行星輪傳動，大幅度提高承載力和整機壽命同時實現(xiàn)低溫升低噪聲。
本發(fā)明的柔性行星輪可采用金屬材料制成薄壁型或者采用工程塑料等非金屬材料，制造容易生產(chǎn)和使用成本降低，開發(fā)了新的應用領域。
6、實施例和附圖以下依據(jù)附圖詳細說明本發(fā)明的具體細節(jié)附

圖1是柔性行星輪無級變速器的結(jié)構(gòu)原理圖。
附圖2是柔性行星輪無級變速器的同一中心截面上作用力傳遞原理圖。
附圖3是柔性行星輪無級變速器的簡支梁式輸出機構(gòu)原理圖。
附圖4是柔性行星輪無級變速器金屬材料行星輪薄壁型形狀和組合結(jié)構(gòu)圖。
附圖5是柔性行星輪無級變速器工程塑料材料行星輪形狀及楔角角度參數(shù)。
圖1中，1輸入軸、2螺旋副、3蝸輪、4蝸桿、5軸承套圈、6移動主動輪、7固定外壓圈、8行星輪、9銷套、10銷軸、11固定主動輪、12移動外壓圈、13碟簧組、14軸承、15輸出軸、5′軸承。
由輸入軸1輸入轉(zhuǎn)矩，主動輪6和11與輸入軸1鍵聯(lián)接并同時夾緊一組行星輪8，在行星輪8分布圓周上均布間隔著一組銷套9和銷軸10，銷軸10兩端分別與輸出軸15及軸承套圈5緊配固連于一剛性整體，兩端均支承在軸承14、51上，當二個主動輪6和11帶動行星輪8自轉(zhuǎn)，由于二個外壓圈7和12不作轉(zhuǎn)動就使一組行星輪8發(fā)生公轉(zhuǎn)運動，這時行星輪8與銷套9外圓相接觸并將轉(zhuǎn)矩傳遞即推動著銷套與銷軸以及輸出機構(gòu)輸出作功。
調(diào)速時手輪或者微電機轉(zhuǎn)動蝸桿4并帶動蝸輪3，由于蝸輪軸孔做成螺旋副就使螺旋副2作軸向移動，并通過推力軸承使移動主動輪6作相對于另一固定主動輪11的分合與進退，然后迫使一組行星輪8作徑向或者徑向軸向并有的移動，它與其他摩擦副間的觸點工作半徑大小變動，輸出轉(zhuǎn)速升降，由于行星輪8徑向外移，轉(zhuǎn)速降低，這時的行星輪8推開可移動的外壓圈12使外側(cè)的碟簧組13再度壓縮壓緊力增大這正是低轉(zhuǎn)速升高了的較大轉(zhuǎn)矩所需的較大的壓緊力，達到壓緊力與轉(zhuǎn)矩始終成正比自行增減實現(xiàn)恒功率傳動。向高轉(zhuǎn)速調(diào)時則相反，壓緊力減小發(fā)熱損耗減少所以效率高壽命長。從附圖1可見，與柔性行星輪8配對的二個主動輪6、11及二個外壓圈7、12的工作面是圓弧曲面并有較大的過渡或延伸曲線(面)并與既無心軸又無軸孔的行星輪8作全半徑的徑向位移，二個主動輪和二個外壓圈的摩擦工作面在觸點上下設有一段較寬過渡與延伸帶(面)，起到與行星輪圓滑接觸，防止損壞。
附圖2是柔性行星輪無級變速器的行星輪分布圓中心截面上所形成的平面力系原理圖，行星輪8公轉(zhuǎn)后推動銷套9并銷軸10，使銷軸固連的輸出機構(gòu)運轉(zhuǎn)。低速時推力與轉(zhuǎn)矩力臂的作用角接近垂直，所以有效力矩大，效率高。
附圖3是柔性行星輪無級變速器的輸出機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖，由輸出軸15并銷軸10與軸承套圈5連成剛性整體，銷套9與銷軸10動配合。輸出機構(gòu)近似于簡支梁式并支承于軸承14和51上，強度和剛性好，運轉(zhuǎn)的慣矩得到利用提高了效率。
附圖4是柔性行星輪無級變速器金屬材料和非金屬材料組合的薄壁型行星輪結(jié)構(gòu)及形狀圖，菱錐狀圓錐體的行星輪中間切除并注以工程塑料，薄壁金屬既保持高硬度高耐磨性，并能夠在一定的壓緊力作用時發(fā)生微量變形達到調(diào)節(jié)尺寸精度到一致性。注以塑料是使其運動時噪聲降低。
附圖5是柔性行星輪無級變速器工程塑料制造的零件圖，一般其半楔角α＝6°～10°為最佳。工程塑料制造柔性行星輪成本低且實現(xiàn)特輕噪聲，并與圓弧圓滑剛性摩擦副配對使用時其壽命也較高，并且提高變速范圍，壓緊力也可以適當減小使溫升更低，效益明顯。
附圖6-a是二個主動輪1、1′和二個外壓圈2、2′在高轉(zhuǎn)速工位夾緊一組行星輪的工作原理示意圖。附圖6-b是二個主動輪1、1′和二個外壓圈2、2′在低轉(zhuǎn)速工位夾緊一組行星輪的工作原理示意圖。附圖6-c是二個主動輪1、1′和二個外壓圈2、2′夾緊一組行星輪時其摩擦力轉(zhuǎn)化為平面力系使行星輪8與導輪9銷軸10接觸傳動的工作原理示意圖。在圖6-c中左邊是軸向視圖，右邊是中心截面上的傳力示意圖。
權(quán)利要求
1.一種無級變速傳動裝置，具有主動輪、行星輪和外壓圈的傳動機構(gòu)，還有加壓機構(gòu)和調(diào)速裝置，尤其是傳動副由剛?cè)嵯嗯涞娜嵝孕行禽啛o級變速器，其特征是柔性行星輪是既無心軸又無軸孔的菱錐體、二個主動輪和二個外壓圈的圓弧曲線回轉(zhuǎn)體的接觸工作面及其過渡或延伸面、簡支梁式輸出機構(gòu)及其同一中心截面上分布著一組行星輪并與銷軸和銷套均布間隔、蝸桿蝸輪并螺旋副調(diào)速裝置，還有碟簧加壓在移動的外壓圈上壓緊力與轉(zhuǎn)矩增減相一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性行星輪無級變速器，其特征是柔性行星輪有金屬材料制成薄壁型以硬鋼與工程塑料相組合，或者采用非金屬材料整體制造。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性行星輪無級變速器，其特征是一組行星輪是既無心軸又無軸孔的菱錐體，在徑向內(nèi)外受到二個主動輪和二個外壓圈夾緊，分布圓周上有一組銷軸銷套及其輸出軸、軸承套圈構(gòu)成簡支梁式輸出機構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性行星輪無級變速器，其特征是二個主動輪和二個外壓圈的接觸(摩擦)工作面是圓弧圓滑曲線回轉(zhuǎn)面并有過渡和延伸帶。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性行星輪無級變速器，其特征是碟簧加壓在移動外壓圈上壓緊力與轉(zhuǎn)矩同步增減相一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性行星輪無級變速器，其特征是蝸桿蝸輪及其螺旋傳動調(diào)速裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5、6所述的柔性行星輪無級變速器，其特征是柔性行星輪受一定的壓緊力作用易于產(chǎn)生變形達到傳動副相關尺寸和形位精度的一致性。
全文摘要
一種無級變速傳動裝置，尤其是摩擦傳動副由剛?cè)崤鋵Σ⑻幱蜐櫥娜嵝孕行禽啛o級變速器，一組行星輪是無心軸的菱錐體，內(nèi)外夾緊于二個主動輪和二個外壓圈的摩擦接觸面并控制了徑向和軸向工位，分布圓周上均布間隔一組銷軸銷套及其固連的輸出軸與軸承套圈構(gòu)成的簡支梁式輸出機構(gòu)，一組碟簧加壓于外壓圈使壓緊力與轉(zhuǎn)矩增減相一致自行調(diào)整，蝸桿蝸輪及螺旋傳動調(diào)速輕松省力。柔性行星輪有金屬或非金屬材料制造，利用壓緊力作用易于變形達到各摩擦副間相關尺寸精度的一致性，實現(xiàn)多點傳力多行星輪傳動的低溫升低噪聲高效率高承載力和高壽命無級變速并開發(fā)大功率傳動。結(jié)構(gòu)簡化，制造容易，性能提高，成本降低，生產(chǎn)和應用普及，效益顯著。
文檔編號F16H3/44GK101074721SQ20061008231
公開日2007年11月21日 申請日期2006年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月21日
發(fā)明者陳光武 申請人:陳光武