专利名称：具有可连续变化传动比的齿轮变速器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种齿轮传动器或变速器，尤其是涉及一种具有输入/输出传动比可连续变化的齿轮传动器或变速器。
背景技术：
齿轮传动器或者变速器常被用来设置到马达和诸如回转轴、传动轴、车轮等被驱动装置之间来使装置以比马达轴更高的转矩、更低转速进行转动，反之亦然。变速齿轮传动器设有多个齿轮或者齿轮组，其可以选择性地设置在输入和输出轴之间以便于在传动中改变齿轮或者传动装置的传动比。
现有技术中已有输入/输出传动比可连续变化的变速器，通常这些变速器具有一个锥形的第一旋转构件和一个圆柱旋转构件，两构件由环绕在这两个构件上的环形带连接。施加于一个构件上的扭矩通过带传递给另一构件。速度比可以通过改变环形带在圆锥构件的不同位置来变化。也就是说，如果圆锥构件按给定速度进行旋转而环形带位于圆锥构件较大半径的一端，则另一构件将以比较高的速度进行旋转。另一方面，当环形带位于圆锥构件半径较小的一端，另一构件将低速旋转，速度比由圆锥构件的锥角决定。
然而，这种使用带的变速器有很多不便，带环在驱动构件和被驱动构件之间存在滑动。同时带环在负荷下有可能被拉长变形。因此，在驱动构件和被驱动构件之间不能实现动力的正传输。
为了解决上述问题，进行了多次尝试来构造一种变速器或者齿轮驱动器，其中，驱动和被驱动构件均包括齿轮且齿轮的齿能相互啮合，从而将动力从驱动构件传送到被驱动构件。例如在专利5608390、5653143、6321613中所示的变速器包括了由一系列单独的锥形部分组成的且被旋转轴支承的圆锥齿轮构件，以及以小齿轮形式滑动安装在位于圆锥齿轮旁的第二旋转轴上的第二构件。直齿齿轮转动连接在第二轴上且能相对该轴滑动，因此，小齿轮能位于组成圆锥构件的不同锥形部分的相对位置上以改变变速器的输入/输出传动比。
这种常见的传动比可连续变化的齿轮传动器存在一个问题是，当小齿轮沿着它的轴移动来改变变速器的齿轮传动比时，小齿轮将同时位于圆锥构件的相对两个部分上。由于这些部分具有不同的半径，所以也设有不同的齿数。因此，必须采用相当精确的步骤来确保小齿轮在各种位置上都能与圆锥齿轮构件进行适当的啮合。通常这包括在构成圆锥齿轮构件的不同锥形部分之间提供一定量的的旋转窜动量并且通过连轴器连接这些部分到它们的共用轴上。在另一些这样的驱动器中，构成圆锥齿轮构件的圆锥齿轮部分沿其半径成阶梯状并且设有特殊形状的齿。但是，这些使变速器的传动比进行改变的解决办法导致机器过于复杂和昂贵。而且，由于小齿轮一旦位于圆锥齿轮构件上的两个相对锥形部分上过长的时间将导致齿轮的轮齿的过度磨损和极大的增加变速器卡滞或者卡住的可能性，所以这些变速器并不能进行真正连续的传动比变化。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种改进的可变传动比的齿轮传动器或者变速器，以便在输入和输出轴之间传输扭矩。
本发明的另一个目的是提供一种在变速器的全部操作范围内传动比确实连续变化的变速器。
本发明的另一个目的是提供一种较前述现有的可变传动比的正传动变速器更简单的齿轮传动器。
其他目的，部分是明显的，部分将在下文变得明了。在下面的具体说明中将示例本发明所包括的结构特征、元件组合以及零件的设置，并在权利要求书中指出本发明的范围。
简要的说，本发明的变速器包括一个第一转动轴，该转动轴承载一个其半径沿轴向逐渐增大的、连续同轴的螺旋状带齿条。一个第二转动轴设置成平行于齿条的带齿表面，该第二转动轴上载有小齿轮，小齿轮的齿与齿条上的齿啮合。小齿轮可旋转地连接在第二转动轴上且可沿第二转动轴进行滑动以便于小齿轮的齿可沿齿条长度的任意位置处与齿条的齿啮合。
通过借助手动或者其他诸如线性致动器、丝杠驱动器、活塞等合适装置使小齿轮沿着第二传动轴进行滑动，可改变变速器的传动比。两个轴中的任一个轴作为驱动或输入件，另一个轴则作为从动或者输出件。在上述两种情况下，由于滑动小齿轮在沿齿条长度的任何点处与齿条保持驱动接合，因此变速器能够在变速器的全部运行范围内具有确实连续变化的传动比。
由于螺旋齿条是单个连续部件，所以其能直接连接在其轴上，而不迫于要有离合器或其他类似的装置，就好像现有齿轮传动器中所见的，其中的锥形齿轮部件是由一系列单独的锥形齿轮部分组成的。
为了对本发明的目的和实质作进一步的了解，下面将对附图做详细的介绍，图中图1是本发明的传动比可连续变化的变速器沿正面观察各部件的剖视图；图2是对图1所示变速器操作过程的图示说明；图3是对图1所示变速器某一部分的局部放大正视图；以及图4A和4B分别是图3中沿4A-4A线和沿4B-4B线的剖面图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明的变速器包括一个箱体10，箱体包括有相对的侧壁10a和10b，两个侧壁上分别设有用于旋转支承轴16的两个相对端的轴承元件12和14。轴16上安装有一个连续齿条18，齿条缠绕在轴上以形成隔开的盘卷18a。齿条18具有锥形型面，而且其上的盘卷18a的直径沿轴16的长度逐渐增大，如同图2虚线所示齿条18螺旋缠绕在锥形包络面20上。锥形包络面20可以是真实的，即如图1所示轴16上的圆锥段；或者锥形包络面20可以是假想的，此时，盘卷18a通过不同长度的辐条22连接到轴16上，其中辐条22沿齿条以隔开的位置从轴16延伸出来到盘卷18a。在这两种情况下，齿条盘卷18a的齿朝向离开轴16的方向并且或多或少的平行于轴的轴线。另一方面，这些齿可以朝向轴的轴线。
图1所示的变速器还包括相间隔地平行于锥形包络面20表面的第二轴26，轴26的相对两端分别通过位于侧壁10a和10b上的轴承元件28和30旋转支承。轴26具有一个或更多花键26a并且支承总体以32表示的齿轮元件，齿轮元件可旋转连接到轴26上并且还能沿轴26滑动，这样，使得齿轮元件32上的齿沿齿条任意位置能与齿条盘卷18a上的齿啮合。
轴16和轴26的任意一个可作为变速器的输入或者输出，即驱动轴或从动轴。虽然不是必须的，但为了使变速器的输入和输出轴在一条线上，轴26的一端可设有一个能与第二锥齿轮38进行啮合的锥齿轮36，其中第二锥齿轮38位于第三轴42的末端处，该第三轴42通过位于箱体的侧壁10c上的轴承元件44可转动地安装以使轴42围绕与轴16相同的轴线进行旋转。因此，传动完全是可互换的，而且轴16或者轴42中的任意一个能被用作变速器的驱动件，另一个轴则作为从动件。
图1中还示出，齿轮元件32能借助于总体以52所示的滑动装置沿其轴26滑动。在图示变速器的实施例中，滑动装置52包括一个滑动架54，滑动架54通过臂54a与齿轮元件32连接且能沿丝杠56平移，螺杆56的一端通过位于侧壁10a上的轴承元件58可转动支承，其另一端与装配在侧壁10c上的双向步进电机58的轴58a相连接。当轴58a沿一个或另一个方向旋转时，齿轮元件32沿着轴26的一个或另一个方向移动以与齿条18不同的盘卷进行啮合从而改变变速器的传动比。由于齿条18是一个单一连续的构件，所以当齿轮元件32在齿条18的较大半径端和较小半径端之间移动时，齿轮元件32可定位在齿条的任意位置上，从而使变速器的传动比可以是确实连续变化的。当然，还可以使用现有的任意其他的致动器用来使齿轮元件沿着轴进行移动。
通过图3可对齿轮元件32有更详细的了解。齿轮元件32包括套筒62，该套筒的内表面上开槽以容纳轴26的花键26a。因此，套筒62可旋转地固定在轴26上并且可沿轴26进行滑动。至少一个小齿轮64a相对松动地环绕在套筒62上。这个至少一个的小齿轮64a由套筒端部凸缘62a和62b约束在套筒上。从图2可以清晰的看出，小齿轮64a上的齿与螺旋齿条18的齿进行啮合。根据盘卷18a的间隔X，齿轮元件32可有一可旋转固定在套筒62进而固定到轴32或元件32上的单个小齿轮64a并在小齿轮64a后还可以有在套筒62上的附加小齿轮64b。
更特别地，如间距X小而且齿条18有相当小的锥角，则相邻盘卷18a的齿将仅仅略微相对于彼此偏置。因此，可以使用一单个小齿轮64a，其宽度Y至少比X略微宽，而且该小齿轮的齿并构造成可与齿条18的齿稍微松动的配合。
在另一方面，对于更大的盘卷的间距X和更大的齿条锥角而言，齿轮元件32可以包括如图所示的第二小齿轮64b，其中两个小齿轮的宽度Y和Z相加后应当比X宽，而且两个小齿轮的齿都能与齿条的齿进行正常的啮合。
如果齿轮元件32上确实设有两个小齿轮64a和64b，则小齿轮优选被构造成能在套筒62上进行旋转并且相互间的角度范围相当于在任一方向上可以至少一个齿轮齿旋转。因此，如图3、4A和4B所示，套筒62设有径向向外延伸键66，键66伸入到小齿轮64a相对于小齿轮64b的一面上的弧形凹槽68内。该同一键66还伸入到小齿轮64b上类似的弧形凹槽72内，弧形凹槽72正相对于弧形凹槽68设置。更优选的是，两个凹槽中的一个(如凹槽72)中设有弹簧74，当对应的小齿轮64a没有与螺旋齿条18啮合时，即当小齿轮64a位于两个盘卷18a之间时，该弹簧74用来将小齿轮64a偏压到套筒62(和轴26)上空档角度位置。
如图4A和4B更清楚的示出，小齿轮之一，也就是小齿轮64a设有一个弹性加载的滚珠78，该滚珠78突入位于另一个小齿轮64b的相对表面上的弧形凹槽82内。凹槽82的底壁82a是倾斜的，这样，凹槽的中间部分比端部更深。由于凹槽82内的弹性加载滚珠78的楔入效应，从而使小齿轮64b成角度地偏压到小齿轮64b的齿与小齿轮64a的齿对齐的初始位置。在变速器操作过程中，当轴16和轴42中的任意一个轴由合适的运动机构(图中未示出)转动时，轴42和16中的另一个轴转动的速度取决于齿轮元件32沿螺旋齿条18的设置。通常对于一个给定的速度而言，齿轮元件32被设置成其定位于选定齿条盘卷18a的中间位置上。当改变速度时齿轮元件被移动到或者跨过相邻的盘卷。在此改变的过程中，小齿轮64a和64b中的一个、也就是引导齿轮将脱离开被选定的盘卷18a并与邻近的盘卷啮合，同时另一个尾随齿轮片刻间保持与被选定的盘卷啮合。通过两个小齿轮64a和64b之间的小角度偏置会包容两个邻近齿条盘卷的对应齿之间的小错位，直到尾随齿轮脱离被选择的盘卷，此时两个小齿轮将返回在套筒62上的初始位置而齿轮元件32居中位于邻近盘卷18a上。由于齿条在转动，齿轮元件能很容易从一个盘卷移动到下一个，并使小齿轮64a和64b同时与两个邻近的盘卷18a、18a啮合，而小齿轮也被偏压至相对于轴26以及相对于彼此的起始位置。
由于齿条18是连续的且螺旋或盘旋地缠绕，所以即使齿轮元件32一次与两个盘卷18啮合，该齿轮元件也能被设置在沿齿条长度上的任意位置且能保持在这个位置，并不会造成齿轮齿的磨损或者变速装置的卡住。也就是说，齿轮元件32不会出现如同在前述的现有的采用由单独的齿轮部分组成的锥形齿轮的变速器所存在的不确定的位置。
从前文的描述中可以明显的看出本发明的目的得到了有效的实现，同样，上述构造的各种变形都落于在本发明的保护范围之内，上述说明书的内容和附图中的显示是为了解释说明本发明，而不是对本发明进行限制。
应当理解，附属的权利要求是用于覆盖本发明所介绍的所有一般和特定特征的。
权利要求
1.一种可变传动比的变速器，包括一个箱体(10)，一个可转动安装在箱体(10)上的第一轴(16)，该第一轴能绕第一轴线旋转，一个由第一轴(16)支承的螺旋齿条(18)，该螺旋齿条沿着第一轴设有多个间隔排列的带齿的盘卷(18a)，所述这些盘卷的直径一起限定出一个围绕第一轴的假想锥形包络面(20)，一个可转动安装在箱体(10)上的第二轴(26)，该第二轴与所述的包络面(20)间隔开且平行于包络面(20)延伸，一个安装到第二轴(26)随之转动的齿轮元件(32)，所述齿轮元件包括一对相似的小齿轮(64a，64b)，小齿轮的齿与齿条(18)的齿相啮合，所述齿轮元件(32)可沿第二轴(26)滑动以使齿轮元件沿齿条的任意位置定位，其特征在于所述的小齿轮(64a，64b)可通过相对于轴(26)以及相对于彼此的小角度转动，第一弹性构件(74)偏压所述小齿轮中的一个(64b)至第二轴(26)上的起始角度位置，且第二弹性构件(78)使所述小齿轮(64a，64b)相对于彼此偏压朝向两者的齿相互对准的起始位置。
2.如权利要求1所述的变速器，其特征在于，所述的小齿轮(64a，64b)的相对表面设有相对的凹槽(68，72)，将一个设置成与第二轴(26)一起旋转的键(66)伸入到所述的凹槽(68，72)中用以限制小齿轮(64a，64b)相对轴(26)的转动，且第一弹性构件(74)偏压键(66)至小齿轮(64a，64b)中的一个(64b)的凹槽中的初始位置。
3.如权利要求1所述的变速器，其特征在于，所述小齿轮中的一个(64b)的相对表面设有一个具有倾斜底壁(82a)的凹槽(82)，且第二弹性构件包括一个位于所述小齿轮中的另一个(64a)的相对表面上的弹簧加载滚珠(78)，所述滚珠(78)弹性接合所述底壁(82a)，并且当滚珠(78)接合所述底壁(82a)的最深位置时第一和第二个小齿轮(64a，64b)的齿相互对准。
4.如权利要求1所述的变速器，其特征在于，所述齿条(18)通过多个刚性辐条(22)连接在第一轴(16)上，其中所述刚性辐条(22)从第一轴(16)向外延伸到沿齿条(18)间隔排列的齿条盘卷(18a)。
5.如权利要求1所述的变速器，其特征在于，齿条(18)通过第一轴上的锥壁(20)连接在第一轴(16)上。
6.如权利要求1所述的变速器，还包括用于使齿轮元件(32)沿第二轴(26)移动的机构(52，56，58)。
7.如权利要求6所述的变速器，其特征在于，所述移动机构包括安装在箱体(10)上且可操作地连接到齿轮元件(32)的机动化致动器(56，58)。
8.如权利要求1所述的变速器，其特征在于，所述盘卷(18a)朝向远离于第一轴(16)的方向。
9.如权利要求1所述的变速器，其特征在于，所述盘卷(18a)朝向所述第一轴(16)。
全文摘要
一种传动比可连续变化的变速器，该变速器包括一个箱体(10)，一个可旋转地安装在箱体(10)上并绕第一轴线转动的第一轴(16)，一个由第一轴(16)支承且设有沿着轴间隔排列的多个带齿的盘卷(18a)的螺旋齿条(18)，所述盘卷(18a)的直径都由围绕第一轴上的假想圆锥包络面所确定。一个可旋转地安装在箱体(10)上的第二轴(26)，第二轴与包络面(20)间隔开并且平行于该包络面延伸，一个安装在第二轴上且能与之一起转动的齿轮元件(32)，齿轮元件(32)的齿与齿条(18)的齿啮合。齿轮元件(32)可沿第二轴(26)滑动以便使齿轮元件能沿着齿条(18)设置在任意位置上。齿轮元件(32)包括位于第二轴(26)上并排设置的一对小齿轮(64a，64b)，小齿轮相对彼此及相对第二轴(26)可转动小角度，第一弹性构件(74)偏压一个小齿轮(64b)至在第二轴(26)上的起始角度位置，第二弹性构件(78)分别偏压两个小齿轮(64a，64b)从而使它们的齿相互对准。
文档编号F16H3/02GK1809706SQ200480015253
公开日2006年7月26日 申请日期2004年6月2日 优先权日2003年6月2日
发明者迈克尔·兰伯特 申请人:迈克尔·兰伯特