专利名称：无级变速传动齿轮的制作方法
无级变速传动齿轮
一、 齿轮传动技术
齿轮传动是一门古老的技术，在中国己有二、三千年的历史(牛拉水车、指南车及 记里鼓车等)。自从出现了活塞式内燃机和电动机以后，以齿轮传动的方式来输出动力， 开始成为最合理和常用的一种传动方式，特别是对于一些作功对象，需要设定一种速度 使其转得快或转得慢时，齿轮的作用就带有根本的性质，使用齿轮组合传输速度，最是 门当户对(如钟表)，但这只是一种固定速度的机械结构。
二、 齿轮交替变速的出现
当作功对象需要在某些条件下，特别是出现了汽车、飞机等机动交通工具以后.，要 求齿轮传动的速度在需要时加快或减慢，这就需要在传动中变速。这种变速是在发动机 或电动机输出一定转速的基础上，所以齿轮传动要改变速度，只有使传动速度的齿轮直 径能够变化，速度要快加大直径，速度要慢就减小直径。但是传统的齿轮其构造上的齿 圈、轮辐和轮轴[中心轴]，都是固定成整体不能变动的，而且是以轴为旋转中心定位的。 所以如果要变速，只有更换相应关系的几个齿轮方可。为了变速更换齿轮方便，人们便 专门设计了一套更换不同直径齿轮的机构(变速箱)，并且又设定了一套操作程序,在程 序中有一个必须实施的操作过程，就是要将动力机的动力切断，使需要换齿轮的部分停 止转动，待换好齿轮以后再接上动力旋转，这就是齿轮传动中的"有级变速"。为了保证 作功对象能靠惯性在换齿轮时不至于停转，所以在操作过程中要对发动机加油、离合， 操作(换挡)要快等，动作显得手忙脚乱。然而对于某些动力机构(如以活塞式内燃机 作动力的飞机螺旋浆和直升机旋翼)是绝对不能切断动力的，在无法实现齿轮无级变速 时，人们就设法使用其它方式来替代或转换齿轮无级变速过程。以后就出现了锥体状 磨擦传动的替代式无级变速机构；液压式转换型无级变速机构；旋转摇杆、内外齿差速 式齿轮无级变速和自动变速机(不用驾驶人手动的齿轮有级变速)等。这几种机构很明 显的可以看出锥体磨擦式容易打滑传动不确实，大功率机就不能用；液压转换不是齿 轮，不同结构重叠空间占用大结构也复杂；旋转摇杆是利用内外齿盘速差造成，结构复 杂也不是真正意义上的齿轮无级变速；97年在申请本技术发明专利在上海检索资料中， 也没有发现类似于本技术的结构和原理。 ，
三、 "无级变速传动齿轮"
但并不是齿轮传动中不经转换用齿轮直接来进行"无级变速"，就成为世界难题。.只 要能突破习惯思路，打破传统常规齿轮的构造模式，是可以直接用齿轮(不更换)来实
3现"无级变速"的。
先用圆和偏心圆的性质来分析，看图
图l:正心圆图，图1的圆A是正心圆，也可以称其为正规圆，其性质是只有一个半 径AR，是直径的1/2，圆心A至圆周各点半径完全相等，圆周是没有任何变形的等规圆。
传统的常规齿轮的几何图形与正规圆相同。
图2:偏心圆图，其圆A与图1的圆A相同，但是当圆A偏心至B时，则会出现二个 半径，即直径RR'线上的BR及BR1，以小半径BR作圆会出现一个小规迹圆；如将B对应 至C，则CR= BR1，作圆会出现一个大规迹圆，大、小规迹圆都相切于R。如果将大小半 径都体现在圆A上，则会出现是BR半径时只有服半径相切于R，圆周其余各点半径均 大于BR;是CR半径时只有CR能相切于R，圆周其余各点半径均小于CR。也就是在圆A 上，不论在直径RR'线上任意偏心在那一点，大、小二个半径各只有一点(半径自身)可 以和R相切，圆周其余各点均不能相切。
图3:偏心圆走向图，现设定圆A定点R点上，也就是圆A的圆周(等规圆)全部 通过R点。同时设定圆心在RR'线上偏心至C,这时圆A会出现二个半径CR及CR1,以 C为圆心作8个等分角，分角线到圆周的长度就是圆周该点的半径。顺矢标向(旋转)， 从CR'半径开始是逐渐增大的，经CW、 CT、 CS直至设定半径CR，这是在等规圆内出现的 从小半径CR'向大半径CR的变规旋转，也就是偏心圆圆周各点因半径不等而线速度也是 不一样的，其线速度是跟着半径出现的，半径在圆的旋转中是个决定值。看图3在圆A 的直径RR'线上偏心是可以任意的，就像杠杆的支点可以任意移动一样，使力臂和重臂的 长度因需要而任意变化，在直径上圆心移位而出现的二个半径与杠杆是很相似的，.只不 过是在作功的形式和作用上有所不同罢了，所以RR'这个直径就是变规线(在变速齿轮上 就是变速线)。现在可以归纳出一条原理"固定圆(大小不变的等规圆)在设定点直径 上任意偏心，并使圆周通过设定点同步(角)旋转"。这是单个(唯一的)齿轮无级变速 的原理。
以上这条原理，在圆的几何力学里是不能成立的。但是可以通过结构设计，人为造 成一种偏心旋转的条件，像单缸活塞式发动机那样是用飞轮旋转的惯性，克服不可逾越 的连杆曲轴的上下死点那样。所以总的思路就是突破传统的常规齿轮以中心轴旋转定位 的模式，使"无级变速传动齿轮"以新的定位模式和中心轴主动偏心推动齿环变规旋转 模式，来实现单个齿轮无级变速。
由此而构思出以下结构模式
(一)图5是"5^^tf^j^r总s^^，图中变速齿轮的安装定位，采取 齿轮周边以等边三角点安装三个自由齿轮(io)啮合变速齿轮周边齿定位。所谓自由齿
轮是没有任何外部零件的影响，本身没有动力相互之间没有联系，各自为心也没有给变速齿轮定心。在三角定位的位置上，变速齿轮可以像传统常规齿轮一样旋转，也给出了 一个偏心旋转的条件(即可以变规旋转)，因为推动齿轮转动的是可以偏心的中心轴[主 动轴](1)，而不是自由齿轮(10)。周边定位的目的之二就是变速齿轮可以啮合从动齿
轮不会偏位脱啮。
(二) 图4万心关节轴总成图，图中变速齿轮的中心轴是主动旋转的轴(其动力 由发动机传来，是第二级出力轴)，不是齿轮定位的轴，所以称其为中心轴[主动轴](l)。 在构造上将中心轴(1)与齿环(7)分开，与轮辐结合起来。在圆柱形轴的中间部位有 一段加粗部分的"穿辐轴"(2〉，在"穿辐轴"(2)的中间位置由二个与穿辐轴轴向成垂
直的成十字交叉，又不连通的"辐杆通孔"(3)，这就是一根中心轴的构造；轮辐是直径
杠杆式(常规齿轮是半径式的)的，称为"辐杆"(4)其两端装有带"滚轮"[珠](6) 的"辐杆头"(5)，其长度与齿环(7)内方腔直角边相等。将辐杆(4)串在穿辐轴(2) 的辐杆通孔(3)里，辐杆可以灵活的抽动。串上了辐杆(4)的中心轴[主动轴](1) 就成为"万心关节轴总成"(0)。
(三) 图5是"无级变速传动齿轮"总图，图中齿环(7)的构造其圆周边是齿带， 齿环的内腔设计成正方形，方腔边是槽形(或平面)的，所以相对的槽[面]边是平行 的，相邻的槽[面]边是相互垂直的，称为"平行槽"[面](8)，槽腔[平面]的大 小正好与"辐杆头"(5)相合。齿环(4)与万心关节轴总成(0)组装在一起时，是辐 杆(4)以它两端的辐杆头(5)上的滚轮(6)顶装在"平行槽"[面](8)内的(与 方边长度相等起键的作用)，所以中心轴[主动轴](1)旋转时，是连动辐杆(4)以辐 杆头(5)顶动齿环(7)旋转的。
(四) 这个"无级变速传动齿轮"的旋转有二个特点首先是中心轴[主动轴](1) 与齿环(7)是等同角位旋转的。在构造上虽然中心轴与齿环是可以分开的，但组装在一 起时辐杆(4)两端的辐杆头(5),是垂直顶装在齿环(7)内方腔的平行槽[面](8) 里的，辐杆(4)长度与方腔边一样长所对边槽[面]是配定的，辐杆(4)十字交叉的 杆向与边槽[面]直角向是一致的，造成了轴与齿轮在角向上的一致性，所以在正规和 变规旋转时都是等同角位的(与常规齿轮一样)，这是变速中变规旋转起作用的关键。
其次是中心轴[主动轴](1)在推动齿环(7)旋转时的万心作用，它是保证偏心变 规能不能转得动的关键。中心轴的变速偏心是在(与从动齿轮的)啮合点(11)的变速 齿轮的变速线(12)[直径]上移动的(中心轴变速动作)。当齿环(7)由三个自由齿轮 (10)定位以后，按一般情况偏心的中心轴[主动轴](1)和齿环(7)进行等同角位旋 转，是会卡死而不能转动的(受到圆的几何力学所左右)。但是有了万心关节轴总成(0) 以后，就不同了，因为变速齿轮的中心轴在变速线上任意偏心，在齿环内方腔里同样也 是偏心的，所以旋转中的中心轴定位在偏心位置上推动齿环旋转，使得方形腔在旋转中与中心轴的方位关系不断变化，也就是在二个半径中当大半径一边的内方腔向小半径方 向旋转时，与中心轴的间距会縮小，而小半径一边的内方腔边也正在向大半径方向旋转， 使得与中心轴的间距扩大。这个时候边槽[面]的相对于中心轴的间距扩大与縮小，产 生了中心轴[主动轴](1)联动的辐杆(4)被方腔边所顶推，辐杆(4)在辐杆通孔(3) 里向逐渐扩大的半径方向抽动。相对的讲辐杆在平行槽里并没有动(辐杆是两头顶装在 平行槽里的)，而是中心轴相对于内方腔的位置在变动，这是变速齿轮中心轴[主动轴] (1)偏心旋转变规时要在联动辐杆(4)推动齿环(7)旋转时，必须保证偏心定位而调 整辐杆(4)在中心轴[主动轴]两边的长度而同时产生的动作。串在穿辐轴(2)辐杆 通孔(3)里的辐杆(4)也因为轴的偏心，使其在平行槽[面](8)里的位置也偏在一 边，所以旋转中的内方腔边槽[面]也就在辐杆(4)推动它旋转时在辐杆头(5)上滑 动，以适应与中心轴的方位关系。这就是"万心关节轴"的万心功能。只有当中心轴[主 动轴](1)在正心位置时，变速齿轮就是一个有四根轮辐的常规齿轮，辐杆既不抽动也 不需滑动，齿轮是正规旋转(见图6中的F图)。中心轴[主动轴](1)与齿环(7)等 同角位旋转中，在任意的二个不等半径中进行循环变规，保证了啮合点(11)的设定速 度。在循环变规时，当变速齿轮的一个齿，从非啮合点半径开始变规到啮合点(11)推 动从动齿轮时，下一个即将变规到位的齿立即跟上来了，其它齿就顺序跟进。过了啮合 点的齿又变规回复到非啮合点半径，这是在设定任意半径以后，齿轮的偏心旋转是循环 变规的，所以所变速速度只体现在与从动齿轮的啮合点上。
四、 这个"无级变速传动齿轮"是完整的齿轮无级变速机(箱)的核心部件，没有 它就无法成为齿轮无级变速机。所以完整的齿轮无级变速机，应该配套上连接中心轴[主 动轴]的"变速操纵机构"这个操纵机构必须具备中心轴在操纵偏心过程中和操纵停止. 时，都具有能一贯锁定的功能(在设计选定机械零件时要满足这个条件)；同时在中心轴与发动机动力传递连接时，必须将能在中心轴因操纵偏心移位动作中和停止 移动时，都能确实传递动力的"齿轮组合装置"配套在一起，因为中心轴是第二级动力 输出轴兼有变速功能。只有在两方面配套齐全了，才是一台完整的可以使用的"齿轮无 级变速机(箱)"。
五、 图解图6:"无级变速传动齿轮"旋转示意图。
图中A至E五个图中，条件设定变速齿轮已周边定位，能转动(偏心和正心)不能 移位，具备正规旋转和变规旋转条件中心轴[主动轴](1)在变速线上任意偏心至C 并给于锁定，则CR-2CR1，其速比为2.,中心轴(1)带动辐杆(4)推动齿环旋转过程， 是在作CR'至CR的变规旋转，至啮合点(11) R正好是任意设定的半径。A'图至B图正好 转了45°角，图中白杆白头对X边、白杆花头对Z边、灰杆灰头对Y边，灰杆花头对W 边，可以看出中心轴(1)连动辐杆(4)推动齿环旋转从A图转到B图，X边向R'转动而压白色辐杆(4)通过福杆通孔(3)在Z边间加长，Z边 与C轴间距扩大，同时白色辐杆两端的辐杆头在X、 Z边上的位置向Y边滑动，平行的逐 渐增大与W边的间隔另一根灰色辐杆因Y边向R'转动而与X边的间隔缩小，Y边就推压 灰杆(4)通过辐杆通孔(3)在W边间加长，W边与C轴的间隔在逐渐增大，同时灰杆两 端的辐杆头、在W、 Y边的中间位置平行向X边靠近，平行的增宽与Z边的间隔；至C 图时转了9(T角，这时灰杆与白杆换了 1/4 (圆角)的位置，径D图至E图灰杆与白杆 换了 1/2 (圆角)180°角的位置，其花头所在位置正好与A图倒置，再转180°角就恢 复到A图状，这就是变速齿轮旋转一圈的运动情况。这是在变速齿轮周边三角定位和中 心轴在C点(设定半径)锁定的条件下，由中心轴的万心功能所创造的条件，使变速齿 轮完成从CR'变规到CR的功能。辐杆在辐杆通孔中的抽动量和辐杆头在平行槽上的滑动 量与中心轴的偏心量是一致的，齿轮转一圈辐杆在辐杆通孔里来回抽动和在平行槽里往 复滑动均为一次。F图是正规旋转的变速齿轮，辐杆在中心轴两边长度相等，旋转时没有 变规现象。
六、速比问题
速比的大小是衡量变速机性能的主要指标，这是能否适用于一定的变速大小范围， 从原理上讲轴偏心越大速比越大，但是在实际具体情况上却是受到组合零件大小的限止。 比如按本方案的原理图的比例来设计制造样机，其速比不会超过2，也就是适当粗细的中 心轴在需要适当宽窄厚薄的齿环方腔内能偏心到什么程度，本案原理图上只能偏心1/3 半径(1/3直径)，大小半径之比为2:1，这很难满足各方面的需要。提高速比有二个办 法 一是将齿环内方腔扩大到齿周边以外，减去方腔边到齿环周边内圈的矢高，使中心 轴尽量靠近齿环周边内圈边，也就是提高轴的偏心量，这样的结构其速比有可能提到3.5 左右。另一个办法是进行重叠设计，即是将第一个变速齿轮的变速点啮合到第二个变速 齿轮的中心轴上，进行第二级变速，在结构上使其联动，这样处理的速比有可能达到7 左右，基本上可以满足各方面需要。
这样的齿轮无级变速机(箱)，可以按当前世界市场上各种齿轮传动机种内，所采用 的各种变速机类型的规格型号，设计制造相应配套的各种产品，这个产品数量将是天文 数。它必将完全替换齿轮变速的各种有级的、替代的、转换的变速装置。特别是汽车行 业必将产生重大影响，将使我国生产的所有机动车辆，其中包括农用车和摩托车，全部 都是"无级变速"，使"无级变速"普及化。驾驶技术的简化必将提高行车路线上的安全 度，所以"无级变速传动齿轮"组配的"齿轮无级变速机(箱)"必将成为齿轮传动变速
领域的"更新换代产品"。
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图1是正心圆图。
7图2是偏心圆图。 图3是偏心圆走向图。 图4是万心关节轴总成图 图5是"无级变速传动齿轮"总图。 图6是"无级变速传动齿轮"旋转示意图。
权利要求
1、“无级变速传动齿轮”是在周边以等边三角点装三个自由齿轮定位条件下，啮合从动齿轮，使中心轴[主动轴]在啮合[从动齿轮]点的变速齿轮直径上任意偏心，实现了啮合点的变速齿轮半径无级变换。在中心轴[主动轴]与齿环等同角位条件下，在偏心的变速齿轮上的二个不等半径中，可以变规旋转，保证啮合点的任意变速，实现单个齿轮“无级变速”。
2、 因此
权利要求
"无级变速传动齿轮"是齿轮传动无级变速机(箱)中间的一个关键机构，是利用齿环(7)方形腔内安装的万心关节轴总成(0)中的辐 杆(4)，在中心轴[主动轴](1)在啮合点(11)的变速线(12)上偏心旋转时， 在穿辐轴(2)的辐杆通孔(3)内的抽动和因辐杆头(5)上两端的滚轮(6)在 齿环(7)内腔的平行槽[面]内滑动，而使得中心轴[主动轴](1)能稳定在偏 心状态，并使齿环(7)从两个不等半径上作变规旋转，在啮合点(11)上以设定 半径推动从动齿轮旋转。其特征是万心关节轴总成(0)和齿环(7)组成。"万 心关节轴总成(O)"，其中有中心轴[主动轴](1)、穿辐轴(2)、辐杆通孔(3)、 辐杆(4)、辐杆头(5)、滚轮[珠](6)等机件组成；齿环(7)有周边齿、内正 方形的万心关节轴总成安放腔(9)，四边为相互垂直的两对平行槽[面](8)组 成的整体部件。
3、为了f史'无级变速传动齿轮"能由中心轴[主动轴](1)任意偏心旋转产生 变轨，而采用的齿环周边以等边三角点装置三个自由齿轮，啮合齿轮周边齿定位 的技术特征。
全文摘要
本发明是根据“固定圆在设定点直径上任意偏心，并使圆周通过设定点同步(角)旋转”的原理而设计的“无级变速传动齿轮”。附图1“无级变速传动齿轮”与周边三个定位齿轮图由万心关节轴总成(0)其中有中心轴[主动轴](1)、穿辐轴(2)、辐杆通孔(3)、辐杆(4)、辐杆头(5)、滚轮[珠](6)；以及齿环(7)内腔正方形边的平行槽[面](8)等组成。万心关节轴总成装在平行槽[面]里，辐杆可以在通孔内抽动和在平行槽上滑动而使中心轴偏心后仍能等同角位推动齿环实行在二个不等半径里变规旋转。为变速齿轮能在不等的二个半径里变规旋转和啮合从动齿轮，故实行齿轮周边以等边三角点设三个自由齿轮(10)啮合定位的模式。
文档编号F16H55/17GK101451603SQ20071019709
公开日2009年6月10日 申请日期2007年12月2日 优先权日2007年12月2日
发明者震 张 申请人:震 张