刚性二次简谐速度矢量转换及可变周长轨道式无级变速器

摘要

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转换及可变周长轨道式无级变速器。针对现有无级变速器存在的无法传递较大扭矩且自身功率损失较大等问题，本发明的目的在于提供一种采用全新的“匀速转动-二次简谐转动-匀速转动”原理实现的无级变速器，是一种非摩擦的刚性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。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，由于该无级变速器具有传递大功率(最大可达几千牛-米)、耗能低的优点。

说明书

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速度矢量转换及可变周长轨道式无级变速器。 

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、液力自动变速器、摩擦式无级变速器。齿轮排挡式轮变速箱以不同的齿轮搭配组成若干固定的变速比，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，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。摩擦式无级变速器因为是靠摩擦进行动力的传递和转换，会产生较大的功率损失和零部件的磨损，由于其动力传递是依靠摩擦原理实现的，因而，无法实现大功率、高效率传动，目前能传递的最大扭距小于360牛-米。 

发明内容

针对现有无级变速器存在的无法传递较大扭矩且自身功率损失较大等问题，本发明的目的在于提供一种采用全新的“匀速转动-二次简谐转动-匀速转动”原理实现的无级变速器，是一种非摩擦的刚性传动的新型无 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。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，由于该无级变速器具有传递大功率(最大可达几千牛-米)、耗能低的优点，特别适合于现有无级变速器无法应用的一些领域，如：风力发电机、重型载重汽车、船舶、内燃机车、矿山机械等。 

技术方案 

本发明的技术方案是：一种刚性二次简谐速度矢量转换及可变周长轨道式无级变速器(Rigid Vectorial Resultant Of Secondary Harmonic Change AndVariable Track Continuouslv Variable Transmission简称R-CVT)，是一种采用全新的“匀速转动-二次简谐转动-匀速转动”原理实现的非摩擦刚性传动无级变速器，主要包括由闭合链条和固定周长正多边形轨道(本发明中以正四边形为例)组成的“匀速转动-二次简谐转动”转换机构、可变长度旋转杠杆机构、由非闭合链条和边数与固定周长正多边形轨道边数相同的可变周长正多边形轨道组成的“二次简谐转动-匀速转动”转换机构、轨道同步移动装置及其控制系统、速度输出机构和壳体组成，该变速器采用以下传动原理实现了非摩擦的刚性传动：首先，由“匀速转动-二次简谐转动”转换机构将原动机输入的匀速转动角速度ω₀转换成二次简谐转动角速度，即：来自原动机的角速度ω₀通过链轮(2)输入，链轮(2)驱动在固定周长正多边形轨道(4)内运动的闭合链条(3)，闭合链条(3)带动与其相连的可变长度旋转杠杆(6)绕其转轴(7)转动，产生一个角速度为ω₁＝(R₁×ω₀/h₁)×cos²θ₁的输出，其中：θ₁为可变长度旋转杠杆(6)的轴向中心线与 正多边形轨道(4)中心到多边形轨道直线段的垂线之间的夹角，h₁为闭合链条(3)的轨迹中心到正多边形轨道(4)中心的垂直距离，R₁是链轮(2)的节圆半径；然后，通过可变长度旋转杠杆机构(6)、(7)、(8)，将“匀速转动-二次简谐转动”转换机构产生的二次简谐转动ω₁输入到“二次简谐转动-匀速转动”转换机构，经过“二次简谐转动-匀速转动”转换机构转换成一个与原动机输入角速度ω₀成线性关系的匀速转动角速度，即：可变长度旋转杠杆(8)驱动与其相连的在可变周长正多边形轨道(11)内运动的不闭合链条(10)，不闭合链条(10)驱动链轮(9)，从链轮(9)的轮轴上得到一个角速度为ω＝((R₁×h₂)/(R₂×h₁))×ω₀，这是一个与原动机输入角速度ω₀成线性关系的匀速转动角速度，其中：h₂为不闭合链条(10)的轨迹中心到多边形轨道(11)中心的垂直距离，R₂为二级链轮(9)的半径，这个角速度ω由二级链轮轴(25)通过单向离合器(26)与传动齿轮轴(27)联结并驱动传动齿轮轴(27)，传动齿轮轴(27)与传动齿轮(19)通过键联结并驱动传动齿轮(19)，传动齿轮(19)与花键齿轮(18)相啮合，花键齿轮(18)通过传动花键轴(17)上的花键与其联结并驱动传动花键轴(17)，传动花键轴(17)通过键联结并驱动位于轴端的花键轴传动齿轮(22)，花键轴传动齿轮(22)与输出齿轮(23)啮合，输出齿轮(23)通过键与输出轴(28)联结并驱动输出轴(28)将动力输出，进行变速时，在动力驱动下，通过转动联动螺(16)，轨道同步移动装置可以在沿多边形的对角线布置的螺杆(16)上向内或向外移动，轨道同步移动装置在沿多边形的对角线布置的螺杆(16)上向内或向外移动，线性地、连续地改变可变周长正多边形轨道(11)的周长，使不闭合链条(10)的轨迹中心到可变长度正多边形轨道(11)中心的垂直距离h₂发生线性地、连续地改变，从而 使“简谐转动-匀速转动”转化机构输出的角速度ω也发生线性地、连续地改变，并通过输出轴(28)输出，以实现无级变速。 

“匀速转动-简谐转动”转化机构是一个把匀速转动(角速度为ω₀)转化成二次简谐转动的机构，主要由一级链轮(2)、支撑轮(24)、在轨道内运动的闭合链条(3)、链条支撑轮(33)和一个由内外正多边形(本发明中以正四边形为例)框架组成的周长固定的正多边形轨道(4)以及通过链条销轴(5)与链条(3)相连的可变长度旋转杠杆的一臂(6)组成，可变长度旋转杠杆的一臂(6)通过可变长度旋转杠杆的转轴(7)与可变长度旋转杠杆的另一臂(8)固定联结，其速度通过可变长度旋转杠杆的转轴(7)输出到可变长度旋转杠杆的另一臂(8)。正多边形框架的相邻两轨道直线段之间的拐角处用圆弧-直短线-圆弧过度。 

可变长旋转杠杆由两臂(6)和(8)和转轴(7)组成，两臂的结构是相同的，其相位也是相同的，其根部与其转轴(7)固定联结，两臂上沿转轴(7)的轴线方向开有槽，使链条销轴(5)和(36)可以在槽内滑动，并通过链条销轴(5)和(36)与链条(3)和链条(10)相连。 

“简谐转动-匀速转动”转化机构，是一个把二次简谐转动转化成匀速转动的机构，主要由二级链轮(9)、在轨道内运动的不闭合链条(10)、链条支撑轮(35)、可变周长正多边形轨道(11)以及通过链条销轴(36)与链条(10)相连的可变长度旋转杠杆的另一端(8)组成。可变周长多边形轨道(11)由边数和“匀速转动-简谐转动”转化机构中的固定轨道边数相等的、沿正多边形对角形分布的内外分体框架正多边形活动轨道(12)和(13)组成，每个活动轨道由与其相邻活动轨道成凹凸式组合的内轨道(12)、外轨道(13)组成，并与轨道齿轮箱壳体(14)固定联结，这些活动轨道 共同组成了一个可变周长的正多边形轨道(11)空间，以约束非闭合链条(10)在其轨道内运动，通过转动联动螺杆(16)，所有轨道同步移动装置可以在沿正多边形对角线布置的螺杆(16)上向内或向外移动，线性地、连续地改变可变周长正多边形轨道(11)的周长。正多边形(本发明中以正四边形为例)框架的相邻两轨道直线段之间的拐角处用圆弧-直短线-圆弧过度。 

轨道同步移动装置及其控制系统主要由：轨道齿轮箱壳体(14)、调整螺杆(16)、传动花键轴(17)、花键齿轮(18)、传动齿轮(19)、传动齿轮轴(27)、单向离合器(26)、二级链轮轴(25)、二级链轮(9)、螺杆调整传动齿轮(20)、螺杆联动齿轮(21)、花键轴传动齿轮(22)、输出齿轮(23)、输出齿轮轴(24)组成。在其中一个活动轨道的调整螺杆(16)的一端，通过键联结一个调整齿轮(15)，其它几个(本发明为三个)活动轨道的调整螺杆(16)没有调整齿轮(15)，因为调整螺杆通过螺杆联动齿轮是联动的，除此以外，其它结构是相同的。 

在每个活动轨道中，动力的传递式是这样完成的：内轨道(12)、外轨道(13)与轨道齿轮箱壳体(14)固定联结组成可变周长正多边形轨道(11)，动力由可变长度旋转杠杆的另一端(8)传递到不闭合链条(10)，不闭合链条(10)由链条支撑轮(35)支撑在可变周长正多边形轨道(11)内运动，将动力传递到二级链轮(9)上，二级链轮(9)与二级链轮轴(25)通过键联结，驱动二级链轮轴(25)转动，二级链轮轴(25)通过单向离合器(26)与传动齿轮轴(27)联结并驱动传动齿轮轴(27)，传动齿轮轴(27)与传动齿轮(19)通过键联结并驱动传动齿轮(19)，传动齿轮(19)与花键齿轮(18)相啮合，花键齿轮(18)通过传动花键轴(17)上的花键与 其联结并驱动传动花键轴(17)，传动花键轴(17)通过键联结并驱动位于轴端的花键轴传动齿轮(22)，花键轴传动齿轮(22)与输出齿轮(23)啮合，输出齿轮(23)通过键与输出轴(28)联结并驱动输出轴(28)将动力输出。调整齿轮(15)与调整螺杆(16)通过键联结，调整螺杆(16)通过轨道齿轮箱壳体(14)上的螺孔与轨道齿轮箱壳体(14)联结，调整螺杆(16)的一端通过键与螺杆调整传动齿轮(20)联结并驱动螺杆调整传动齿轮(20)，螺杆调整传动齿轮(20)与调整联动齿轮(21)相啮合。通过手动或自动控制系统的伺服动力(电力或液力)驱动调整齿轮(15)并转动调整螺杆(16)，可以使可变周长正多边形轨道(11)的周长发生连续的改变，当顺时针旋转调整螺杆(16)时，轨道齿轮箱壳体(14)背向轨道中心移动，可变周长正多边形轨道(11)的周长增加，反之，减小。可变周长正多边形轨道(11)的每一个长度，对应着一个速度的输出。因为轨道长度的变化是连续的，所以通过连续地改变可变周长多边形轨道(11)的长度，最终，从输出轴(28)上获得一个线性的、连续的无级变速。 

在输出轴(28)上联结有可变转动惯量飞轮(29)。 

附图说明

图1为本发明的结构简示意图； 

图2是“匀速转动-简谐转动”转换机构的结构示意图； 

图3是可变长度旋转杠杆机构的结构示意图； 

图4是“简谐转动-匀速转动”转换机构的结构示意图； 

图5是组成可变周长正多边形轨道(以正四边形为例)的内外分体轨道以及轨道同步移动装置及其控制系统的结构示意图； 

图6是“匀速转动-简谐转动”转换机构的运动分析简图；

图7是“简谐转动-匀速转动”转换机构的运动分析简图；

图8是一个R-CVT的装配示意图；

图9是一个正四边形轨道的R-CVT实施例的外观图；

图10则是一个固定周长的正六边形轨道的主视图。 

下面结合附图对本发明的传动原理做进一步说明： 

在“匀速转动-简谐运动”转化机构中，原动机(内燃机或其它种类的原动机)输出的速度ω₀作为动力输入来驱动链轮轴(1)，使链轮(2)以角速度ω₀转动，链轮(2)与链条(3)相啮合，链条(3)在一个正多边形(本发明以四边形为例)轨道(4)内运动，链条首尾相连为封闭式，链条上的一个链节，通过其销轴(5)与一个可变长度旋转杠杆(6)相连接，可变长度旋转杠杆的转轴(7)的一端与可变长度旋转杠杆(6)相连接，另一端与可变长度旋转杠杆(8)相连接，转轴(7)的轴线与多边形轨道(4)的中心在同一轴线上，转轴(7)的转动平面与多边形轨道(4)所在的平面平行，链条(3)的轨迹中心到多边形轨道(4)中心的垂直距离为h₁，当链条(3)上的销轴(5)与可变长度旋转杠杆(6)相连接的点运动到A点时，可变长度旋转杠杆(6)的轴向中心线与多边形轨道(4)中心到多边形轨道直线段的垂线之间的夹角为θ₁，此时可变长度旋转杠杆(6)的长度为l₁＝h₁/cosθ₁，A点沿多边形轨道(4)的速度(即链条的速度)为V₁＝R₁×ω₀，其中，R₁是链轮(2)的节圆半径，此时可变长度旋转杠杆(6)的角速度为： 

ω₁＝V_τ/l₁，而：V_τ＝V₁×cosθ₁＝R₁×ω₀×cosθ₁那么： 

ω₁＝(R₁×ω₀×cosθ₁)/(h₁/cosθ₁) 

＝(R₁×ω₀/h₁)×cos²θ₁

这个转速通过可变长度旋转杠杆(6)的转轴(7)传递到另一端的可变长度旋转杠杆(8)，因此，可变长度旋转杠杆(8)的转速ω₂为： 

ω₂＝ω₁＝(R₁×ω₀/h₁)×cos²θ₁

可变长度旋转杠杆(8)通过销轴(36)与第二级简谐转动-匀速转动转化机构中在可变长度多边形轨道(11)内运动的不闭合链条(10)相联。可变长度旋转杠杆(8)与不闭合链条(10)的联结点(36)沿可变长度多边形轨道(11)的各直线部分运动时，便将旋转运动ω₂转化为不闭合链条(10)沿可变长度多边形轨道(11)的直线运动V₂。可变周长正多边形轨道11当链条(3)上的销轴(5)与可变长度旋转杠杆(6)相连接的点(5)运动到A点时，不闭合链条(10)上的销轴(36)与可变长度旋转杠杆(8)相连接的点(36)运动到对应的A点，可变长度旋转杠杆(8)的轴向中心线与可变长度多边形轨道(11)的中心到多边形轨道直线段的垂线之间的夹角为θ₂： 

V₂＝V_τ2/cosθ₂

V_τ2＝ω₂×l₂＝(R₂×ω₀/h₂)×cos²θ₂×l₂

l₂为可变长度旋转杠杆(8)在此位置的长度： 

l₂＝h₂/cosθ₂

h₂为不闭合链条(10)的轨迹中心到多边形轨道(11)中心的垂直距离。 

因为可变长度旋转杠杆(6)与可变长度旋转杠杆(8)通过转轴(7)刚性连接，二者的轴向中心线始终处于同一相位，因此：θ₂＝θ₁，所以有： 

V_τ2＝ω₂×l₂＝(R₁×ω₀/h₁)×cos²θ₁×l₂

＝(R₁×ω₀/h₁)×cos²θ₁×h₂/cosθ₂

＝(R₁×ω₀×h₂/h₁)×cosθ₁

那么： 

V₂＝V_τ2/cosθ₂

＝(R₁×ω₀×h₂/h₁)×cosθ₁/cosθ₂

＝(R₁×ω₀×h₂/h₁) 

于是，与不闭合链条(10)相啮合的二级链轮(9)的角速度ω为： 

ω＝V₂/R₂，其中R₂为二级链轮(9)的半径，于是有： 

ω＝V₂/R₂

＝(R₁×ω₀×h₂/h₁)/R₂

＝((R₁×h₂)/(R₂×h₁))×ω₀

从上式可以看出：由“简谐转动-匀速转动”转化机构中的二级链轮轴(25)输出的角速度ω与原动机输出的速度ω₀呈线性关系，二者成正比，比例系数为(R₁×h₂)/(R₂×h₁)，通过手动或自动控制系统的伺服动力(电力或液力)驱动调整齿轮(15)并转动调整螺杆(16)，使可变长度多边形轨道(11)的周长发生线性地、连续地改变，实际上也就是使h₂发生线性地、连续地改变，从而使二级链轮轴(25)输出的角速度ω也发生线性地、连续地改变，这就实现了无级变速。 

具体实施方式

这种采用全新的“匀速转动-二次简谐转动-匀速转动”原理实现的非摩擦刚性传动无级变速器(R-CVT)，可以根据应用的场合不同，选择不同边数的正多边形轨道，图9是一个正四边形轨道的R-CVT实施例的外观图，图10则是一个固定周长的正六边形轨道的主视图，尽管轨道的边数不同，但它们的传动原理以及工作过程如上所述都是相同的。