变速器的制造方法
【专利摘要】一种无级的机械变速器装置。将动力输入端的旋转运动，转化为往复摆动，往复摆动推动一个储能弹簧，储能弹簧的另一端推动一个单向离合装置，当往复摆动线速度超越单向离合装置速度时，单向离合装置锁止，往复摆动动力通过储能弹簧向外动力输出端输出动力。往复摆动与单向离合装置之间的储能弹簧为柔性连接，可实现无级变速，且变速比与传递的力矩可实现一定程度的自适应效果。该变速器结构简单、成本低廉、尺寸小、重量轻。
【专利说明】变速器
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种变速器装置，特别是一种无级的机械变速器装置。可应用于汽车和工程机械等领域。
【背景技术】
[0002]当前机械变速器包括以下两种。
[0003]I)齿轮传动式。齿轮传动式变速器只能实现有级变速，应用于自动变速时，控制结构复杂，尺寸大、重量重，成本高昂。
[0004]2)摩擦传动式。摩擦传动式可实现无级变速，但存在传递力矩小，容易打滑，传动效率低，控制结构复杂，尺寸大、重量重，成本高昂等不足。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种机械变速器，该变速器结构简单、成本低廉、尺寸小、重量轻。该变速器可实现无级变速，且变速比与传递的力矩可实现一定程度的自适应效果，控制简单。
[0006]本发明实现上述目的的技术方案是:将动力输入端的旋转运动，转化为往复摆动，往复摆动推动一个储能弹簧，储能弹簧的另一端推动一个单向离合装置，当往复摆动线速度超越单向离合装置速度时，单向离合装置锁止，往复摆动的动力通过储能弹簧向动力输出端输出动力。往复摆动与单向离合装置之间的储能弹簧为柔性连接，可实现无级变速，具体实现方法如下。
[0007]变速器包含三部分核心装置:往复摆动装置、储能装置和单向离合装置。往复摆动装置为动力输入端，单向离合装置为动力输出端。往复摆动装置连接至储能装置，在其往复摆动过程中向储能装置输送动力，同时储能装置还连接至单向离合装置，将储存的动力向单向离合装置输出。
[0008]往复摆动装置包括曲轴、滑块和带滑槽的摆杆。滑块装于曲轴与摆杆的滑槽之间，滑块可以绕曲轴旋转，同时可以在摆杆的滑槽内做直线滑动。摆杆在滑块作用下，在曲轴的旋转平面上作往复摆动，摆动形式可以为直线往复摆动，也可以为圆周往复摆动。摆杆的摆动幅度由曲轴偏心确定。
[0009]单向离合装置包括内圈、外圈和介于两者之间方向可控的单向锁止机构，内圈和外圈可同轴旋转。单向锁止机构的锁止方向可以被设置为双向释放、单正向和单反向，单向锁止机构为公知技术，这里不具体展开说明。当单向锁止机构的锁止方向被设置为双向释放时，内圈与外圈可分别自由旋转，互不干涉，此时变速器不能传递动力，处于空挡状态。当单向锁止机构的锁止方向被设置为单正向时，如果内圈在正向方向上的旋转速度低于外圈，则内圈与外圈可分别旋转，互不干涉，如果内圈在正向方向上呈现超越外圈的趋势，则单向锁止机构进入锁止状态，内圈与外圈被锁止保持同步旋转，此时变速器只能正向传递动力，处于前进挡状态。当单向锁止机构的锁止方向被设置为单反向时，如果内圈在反向方向上的旋转速度低于外圈，则内圈与外圈可分别旋转，互不干涉，如果内圈在反向方向上呈现超越外圈的趋势，则单向锁止机构进入锁止状态，内圈与外圈被锁止保持同步旋转，此时变速器只能反向传递动力，处于倒挡状态。改变单向锁止机构的锁止状态，变速器可以在空挡、前进挡和倒挡之间切换挡位模式。
[0010]储能装置包括储能弹簧，储能弹簧的伸缩方向与摆杆的摆动方向一致或近似，其两端同时与摆杆上的摆杆卡口、以及内圈上的内圈卡口相抵接并被预压缩。摆杆卡口和内圈卡口互相错开，可分别在各自不同的摆动平面上摆动，互不干涉。
[0011]常态下，单向锁止机构未进入锁止状态时，其内圈在储能弹簧预压缩力作用下与摆杆保持同步摆动。当单向锁止机构进入锁止状态时，内圈与外圈保持同步旋转，而不再与摆杆的摆动同步，此时摆杆推动储能弹簧、储能弹簧推动内圈、内圈推动外圈，实现动力由往复摆动装置向单向离合装置输出，摆杆卡口与内圈卡口之间的相位差越大，储能弹簧压缩量也越大，传递的动力力矩和储存的能量也就越大；随着摆杆的摆动速度下降、摆杆卡口与内圈卡口之间的相位差越来越小，储能弹簧向内圈释放能量，直到储能弹簧逐渐恢复到预压缩长度、内圈与摆杆再次保持同步摆动为止，此时，内圈的速度已低于外圈，单向锁止机构脱离锁止，之后内圈回程摆动，而外圈继续旋转。
[0012]由上所述，摆杆在设定的单向锁止方向的线速度大于外圈线速度时，摆杆才能通过压缩储能弹簧向单向离合装置输出动力,速度差越大,输出动力力矩也越大。阻力矩变大时速度差即速比会自动降低，反之阻力矩变小时速比会自动升高，因此，该过程具有负反馈特性，变速比具有自适应效果，在一定程度上不需要额外干预调节变速比。
[0013]然而，这种自适应效果仍不能完全满足全力矩范围的需要，通过调节摆杆摆动幅度，从而调节储能弹簧最大压缩量，改变可传递的力矩大小。通过改变曲轴偏心幅度，即可实现调节摆杆摆动幅度，方案如下。
[0014]曲轴包括偏心曲柄、曲轴座、控制蜗杆。偏心曲柄安装于曲轴座上，其旋转轴心与曲轴座的旋转轴心呈偏心结构，偏心量为曲轴座偏心。
[0015]偏心曲柄上设置有曲柄销，曲柄销的轴心与偏心曲柄的旋转中心也呈偏心结构，偏心量为曲柄偏心。
[0016]曲轴座上设置有控制蜗杆，控制蜗杆与偏心曲柄为蜗杆-齿轮机构，控制蜗杆的旋转可驱动偏心曲柄绕自身旋转轴心产生偏转，偏转量为曲柄偏转角(β )。
[0017]曲轴座偏心等于曲柄偏心，曲轴偏心为曲轴座偏心与曲柄偏心和曲柄偏转角(β )的综合合成结果，曲柄偏转角(β )为0°时，曲轴偏心为0，曲柄偏转角(β )为180°时，曲轴偏心达到最大值，为曲轴座偏心的两倍。
[0018]通过控制蜗杆，可调节曲轴偏心幅度、即摆杆摆动幅度。
[0019]由于只有在摆杆线速度大于外圈时变速器才会传递动力，因此动力的传递是不连续的。为了增加动力传递平稳性，在曲轴上并列增加多套上述往复摆动装置、储能装置和单向离合装置，各套摆杆的摆动相位在一周即360°内均匀相隔，摆杆设定为直线摆动结构时，其中相位差互呈180°的两套摆杆可以合并为一体。与多套往复摆动装置相对应地，布置有各自的单向离合装置和储能装置，全部单向离合装置中的外圈可合并为一体。
[0020]综上所述，本专利区别当前公知技术最根本的新颖之处，通过储能弹簧和单向离合装置，有选择性地将摆杆的摆动传递至动力输出端，动力传递为柔性连接。其最显著的有益效果就是结构简单、成本低廉、尺寸小、重量轻，可实现无级变速，且变速比与传递的力矩可实现一定程度的自适应效果。
[0021]【专利附图】
【附图说明】。
[0022]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0023]图1是第一个实施例的构造示意图。
[0024]图2是偏心量可调的曲轴构造示意图。
[0025]图3是第一个实施例的工作特性示意图。
[0026]图4是第二个实施例的构造示意图。
[0027]【具体实施方式】。
[0028]图1所示第一个实施例，变速器包含三部分核心装置:往复摆动装置(3)、储能装置(2)和单向离合装置(I)。往复摆动装置(3)为动力输入端，单向离合装置(I)为动力输出端。往复摆动装置(3 )连接至储能装置(2 )，在其往复摆动过程中向储能装置(2 )输送动力，同时储能装置(2)还连接至单向离合装置(1)，将储存的动力向单向离合装置(I)输出。
[0029]往复摆动装置(3)包括曲轴(5)、滑块(6)和带滑槽的摆杆(4)。滑块(6)装于曲轴(5)与摆杆(4)的滑槽之间，滑块(6)可以绕曲轴(5)旋转，同时可以在摆杆(4)的滑槽内做直线滑动。摆杆(4)在支座(7 )约束下可做直线滑动，随着曲轴(5 )绕旋转中心(O)旋转，摆杆(4)在滑块(6)和支座(7)共同作用下，在曲轴(5)的旋转平面上作直线往复摆动，摆动幅度由曲轴偏心(e)确定。
[0030]单向离合装置(I)包括内圈(8)、外圈(9)和介于两者之间方向可控的单向锁止机构(IO )，内圈(8 )和外圈(9 )可同轴旋转。单向锁止机构(IO )的锁止方向可以被设置为双向释放、单正向和单反向，单向锁止机构(10)的锁止原理为公知技术，这里不具体展开说明。当单向锁止机构(10)的锁止方向被设置为双向释放时，内圈(8)与外圈(9)可分别自由旋转，互不干涉，此时变速器不能传递动力，处于空挡状态。当单向锁止机构(10)的锁止方向被设置为单正向时，如果内圈(8)在正向方向上的旋转速度低于外圈(9)，则内圈(8)与外圈(9)可分别旋转，互不干涉，如果内圈(8)在正向方向上呈现超越外圈(9)的趋势，则单向锁止机构(10 )进入锁止状态，内圈(8 )与外圈(9 )被锁止保持同步旋转，此时变速器只能正向传递动力，处于前进挡状态。当单向锁止机构(10)的锁止方向被设置为单反向时，如果内圈(8)在反向方向上的旋转速度低于外圈(9)，则内圈(8)与外圈(9)可分别旋转，互不干涉，如果内圈(8)在反向方向上呈现超越外圈(9)的趋势，则单向锁止机构(10)进入锁止状态，内圈(8)与外圈(9)被锁止保持同步旋转，但此时变速器只能反向传递动力，处于倒挡状态。改变单向锁止机构(10)的锁止状态，变速器可以在空挡、前进挡和倒挡之间切换挡位模式。图1所示的单向锁止机构(10)的锁止方向处于单正向、即前进挡状态(D)。
[0031]储能装置(2)包括储能弹簧(11)，储能弹簧(11)的伸缩方向与摆杆(4)的摆动方向一致或近似，其两端同时与摆杆(4)上的摆杆卡口(4k)、以及内圈(8)上的内圈卡口(8k)相抵接并被预压缩。摆杆卡口(4k)和内圈卡口(8k)互相错开，可分别在各自不同的摆动平面上摆动，互不干涉。
[0032]常态下，单向锁止机构(10)未进入锁止状态时，其内圈(8)在储能弹簧(11)预压缩力作用下与摆杆(4)保持同步摆动。当单向锁止机构(10)进入锁止状态时，内圈(8)与外圈(9)保持同步旋转，因而不再与摆杆(4)的摆动同步，此时摆杆(4)推动储能弹簧(11)、储能弹簧(11)推动内圈(8 )、内圈(8 )推动外圈(9 )，实现动力由往复摆动装置(3 )向单向离合装置(I)输出，摆杆卡口(4k)与内圈卡口(8k)之间的相位差(X)越大，储能弹簧(11)压缩量也越大，传递的动力力矩和储存的能量也就越大；随着摆杆(4)的摆动速度下降、摆杆卡口( 4k)与内圈卡口( 8k)之间的相位差(X)越来越小，储能弹簧(11)向内圈(8 )释放能量，直到储能弹簧(11)逐渐恢复到预压缩长度、内圈(8)与摆杆(4)再次保持同步摆动为止，此时，内圈(8)的速度已低于外圈(9)，单向锁止机构(10)脱离锁止，之后内圈(8)回程摆动，而外圈(9)继续旋转。
[0033]由上所述，摆杆(4)在设定的单向锁止方向的线速度大于外圈(9)线速度时，摆杆
(4)才能通过压缩储能弹簧(11)向单向离合装置(I)输出动力,速度差越大，输出动力力矩也越大。阻力矩变大时速度差即速比会自动降低，反之阻力矩变小时速比会自动升高，因此，该过程具有负反馈特性，变速比具有自适应效果，在一定程度上不需要额外干预调节变速比。
[0034]由于只有在摆杆(4)线速度大于外圈(9)时变速器才会传递动力，因此动力的传递是不连续的。为了增加动力传递平稳性，在本实施例中，在曲轴(5)上并列设置了四套上述的往复摆动装置(3)、储能装置(2)和单向离合装置(1)，四套摆杆(4)的摆动相位在一周即360°内均匀相隔，其中相位差互呈180°的两套摆杆(4)可以合并为一体，即四套摆杆
(4)合并为互相垂直的两组。与四套往复摆动装置(3)相对应地，布置有各自的储能装置
(2)和单向离合装置(1)，全部单向离合装置(I)中的外圈(9)可合并为一体。
[0035]图2所示为一种偏心量可调的曲轴。曲轴包括偏心曲柄(12)、曲轴座(14)、控制蜗杆(15)。偏心曲柄(12)安装于曲轴座(14)上，其旋转轴心(Oc)与曲轴座(14)的旋转轴心
(O)呈偏心结构，偏心量为曲轴座偏心(ec)。
[0036]偏心曲柄(12)上设置有曲柄销(13)，曲柄销(13)的轴心(Op)与偏心曲柄(12)的旋转中心(Oc )也呈偏心结构，偏心量为曲柄偏心(印)。
[0037]曲轴座(14)上设置有控制蜗杆(15)，控制蜗杆(15)与偏心曲柄(12)为蜗杆-齿轮啮合结构，控制蜗杆(15 )的旋转可驱动偏心曲柄(12 )绕自身旋转轴心(Oc )产生偏转，偏转量为曲柄偏转角(β )。
[0038]曲轴座偏心(ec )等于曲柄偏心(ep )，曲轴偏心(e )为曲轴座偏心(ec )与曲柄偏心(ep)和曲柄偏转角(β )的综合合成结果，曲柄偏转角(β )为0°时，曲轴偏心(e)为0，曲柄偏转角(β )为180°时，曲轴偏心(e)达到最大值，为曲轴座偏心(ec)的两倍。
[0039]通过控制蜗杆(15)，可调节曲轴偏心(e)幅度、即摆杆(4)摆动幅度。
[0040]驱动控制蜗杆(15)的方法可以是液压式，也可以是机械齿轮式，这里不作具体说明。
[0041]图3所示为第一个实施例的工作特性示意图，下面结合图1展开说明。
[0042]示意图横坐标为曲轴(5)转角CrS (° )，纵坐标为摆杆(4)、内圈(8)和外圈(9)折算到同一半径切线方向上的线速度(V)。
[0043]图3 (a)以前进挡为例，绘制了一套摆杆(4)、内圈(8)和外圈(9)速度特性。摆杆线速度(Vs)呈正弦特性，考虑到输出端相对较大的转动惯量，外圈线速度(Vo)可被近似视为等速。内圈(8)被设置为单正向锁止，当摆杆线速度(Vs)低于外圈线速度(Vo)时，内圈线速度(Vi)等于摆杆线速度(Vs)，当摆杆线速度(Vs)高于外圈线速度(Vo)时，内圈线速度(Vi)等于外圈线速度(Vo)，内圈线速度(Vi)如图中粗虚线所示，其数值等于被外圈线速度(Vo)限幅削波后的摆杆线速度(Vs)。
[0044]摆杆线速度(Vs)高于外圈线速度(Vo)时,储能弹簧(11)才能传递动力，传递的动力如图中阴影(S )所示，阴影(S )面积越大，传递的动力力矩也越大。
[0045]图3 (b)所示为当输出端速度变化后的效果，此处以速度减小为例，显示出阴影(S )面积增大，说明传递的动力力矩也相应地增大了，力矩增大将有利于提高输出端速度，因此，该过程具有负反馈特性，变速具有自适应效果。
[0046]图3 (c)所示为当调节曲轴偏心(e)幅度变化、即摆杆(4)摆幅变化后的效果，此处以曲轴偏心(e)幅度增大、即摆杆(4)摆幅增大为例，显示出阴影(S)面积增大，说明传递的动力力矩也相应地增大了。因此，调节曲轴偏心(e)幅度变化，可实现更大范围的动力力矩传输。
[0047]从图3 (a)、3 (b)和3 (C)中都可以看出，动力的传递是断续的。
[0048]图3 (d)所示，为增加动力传递的平顺性，增加往复摆动装置(3)、储能装置(2)和单向离合装置(I)的套数至共四套后的效果。四套摆杆(4)的摆杆线速度(Vsl，Vs2, Vs3,Vs4)相位在一周即360°内均匀相隔。如图所示，阴影(S)总面积增加，可以传递的最大合力矩变大，同时动力传递更加平顺。
[0049]图3 (f)所示为起步特性。起步时，外圈线速度(Vo)为零，曲轴偏心(e)幅度从零逐步增大，阴影(S)面积亦从零逐渐增加，可以实现平稳起步。
[0050]图4所示为第二个实施例。与第一个实施例根本不同之处在于，摆杆(4)的往复摆动形式为圆周往复摆动，具体主要不同之处有:摆杆(4)与内圈(8)、外圈(9)同轴旋转，摆杆(4)与曲轴(5)旋转中心(O)不同轴；储能弹簧(11)可从采用弧形弹簧，伸缩方向为圆周切向；变速器由均布的三组摆杆(4)、与之对应的储能装置(2)和单向离合装置(I)组成；三组摆杆(4)分别由各自的曲轴(5)驱动，三组曲轴(5)均通过各自齿轮(16)由太阳轮(17)驱动并相互保持同步。
【权利要求】
1.一种变速器，其特征是: 包含三部分核心装置:往复摆动装置(3)、储能装置(2)和单向离合装置(I)； 往复摆动装置(3)为动力输入端，单向离合装置(I)为动力输出端； 往复摆动装置(3)连接至储能装置(2)，在其往复摆动过程中向储能装置(2)输送动力，同时储能装置(2)还连接至单向离合装置(1)，将储存的动力向单向离合装置(I)输出。
2.权利要求1所述的变速器，其特征是: 所述往复摆动装置(3)包括曲轴(5)、滑块(6)和带滑槽的摆杆(4)； 滑块(6)装于曲轴(5)与摆杆(4)的滑槽之间，滑块(6)可以绕曲轴(5)旋转，同时可以在摆杆(4)的滑槽内做直线滑动； 摆杆(4)在滑块(6)作用下，在曲轴(5)的旋转平面上作往复摆动，摆动形式可以为直线往复摆动,也可以为圆周往复摆动；摆杆(4)摆动幅度由曲轴偏心(e)确定。
3.权利要求1所述的变速器，其特征是: 所述单向离合装置(I)包括内圈(8)、外圈(9)和介于两者之间方向可控的单向锁止机构(10);内圈(8)和外圈(9)可同轴旋转； 单向锁止机构(10)的锁止方向可 以被设置为双向释放、单正向和单反向； 当单向锁止机构(10)的锁止方向被设置为双向释放时，内圈(8)与外圈(9)可分别自由旋转，互不干涉，此时变速器不能传递动力，处于空挡状态； 当单向锁止机构(10)的锁止方向被设置为单正向时，如果内圈(8)在正向方向上的旋转速度低于外圈(9),则内圈(8)与外圈(9)可分别旋转,互不干涉,如果内圈(8)在正向方向上呈现超越外圈(9 )的趋势，则单向锁止机构(10 )进入锁止状态，内圈(8 )与外圈(9 )被锁止保持同步旋转，此时变速器只能正向传递动力，处于前进挡状态； 当单向锁止机构(10)的锁止方向被设置为单反向时，如果内圈(8)在反向方向上的旋转速度低于外圈(9),则内圈(8)与外圈(9)可分别旋转,互不干涉,如果内圈(8)在反向方向上呈现超越外圈(9 )的趋势，则单向锁止机构(10 )进入锁止状态，内圈(8 )与外圈(9 )被锁止保持同步旋转，此时变速器只能反向传递动力，处于倒挡状态； 改变单向锁止机构(10)的锁止状态，变速器可在空挡、前进挡和倒挡之间切换挡位模式。
4.权利要求1至3所述的变速器，其特征是: 所述储能装置(2)包括储能弹簧(11)，储能弹簧(11)的伸缩方向与所述摆杆(4)的摆动方向一致或近似，其两端同时与摆杆(4)上的摆杆卡口(4k)、以及所述内圈(8)上的内圈卡口(8k)相抵接并被预压缩； 摆杆卡口(4k)和内圈卡口(8k)互相错开，可分别在各自不同的摆动平面上摆动，互不干涉； 常态下，所述单向锁止机构(10)未进入锁止状态时，内圈(8)在储能弹簧(11)预压缩力作用下与摆杆(4)保持同步摆动； 当单向锁止机构(10)进入锁止状态时，内圈(8)与外圈(9)保持同步旋转，而不再与摆杆(4)的摆动同步，此时摆杆(4)推动储能弹簧(11)、储能弹簧(11)推动内圈(8)、内圈(8)推动外圈(9)，实现动力由所述往复摆动装置(3)向所述单向离合装置(I)输出，摆杆卡口(4k)与内圈卡口( 8k)之间的相位差(X)越大,储能弹簧(11)压缩量也越大,传递的动力力矩和储存的能量也就越大； 随着摆杆(4)的摆动速度下降、摆杆卡口(4k)与内圈卡口(8k)之间的相位差(X)越来越小，储能弹簧(11)向内圈(8)释放能量，直到储能弹簧(11)逐渐恢复到预压缩长度、内圈(8)与摆杆(4)再次保持同步摆动为止，此时，内圈(8)的速度已低于外圈(9)，单向锁止机构(10 )脱离锁止，之后内圈(8 )回程摆动，而外圈(9 )继续旋转。
5.权利要求2所述的变速器，其特征是: 所述曲轴(5)包括偏心曲柄(12)、曲轴座(14)、控制蜗杆(15); 偏心曲柄(12)安装于曲轴座(14)上，其旋转轴心(Oc)与曲轴座(14)的旋转轴心(O)呈偏心结构，偏心量为曲轴座偏心(ec)； 偏心曲柄(12)上设置有曲柄销(13),曲柄销(13)的轴心(Op)与偏心曲柄(12)的旋转中心(Oc)也呈偏心结构，偏心量为曲柄偏心(印)； 曲轴座(14)上设置有控制蜗杆(15)，控制蜗杆(15)与偏心曲柄(12)为蜗杆-齿轮机构，控制蜗杆(15 )的旋转可驱动偏心曲柄(12 )绕自身旋转轴心(Oc )产生偏转，偏转量为曲柄偏转角(β ); 曲轴座偏心(ec)等于曲柄偏心(ep)，曲轴偏心(e)为曲轴座偏心(ec)与曲柄偏心(ep)和曲柄偏转角(β )的综合合成结果，曲柄偏转角(β )为0°时，曲轴偏心(e)为0，曲柄偏转角(β )为180°时，曲轴偏心(e)达到最大值，为曲轴座偏心(ec)的两倍； 通过控制蜗杆(15)，可调节曲轴偏心(e)幅度、即摆杆(4)摆动幅度。
6.权利要求4所述的变速器，其特征是: 在所述曲轴(5)上并列增加多套所述往复摆动装置(3)、储能装置(2)和单向离合装置(1)，各套摆杆(4)的摆动相位在一周即360°内均匀相隔； 摆杆(4)设定为直线摆动结构时，其中相位差互呈180°的两套摆杆(4)可以合并为一体； 与多套往复摆动装置(3)相对应地，布置有各自的储能装置(2)和单向离合装置(I )，全部单向离合装置(I)中的外圈(9)可合并为一体。
【文档编号】F16H37/12GK103775594SQ201410053102
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年2月17日 优先权日:2014年2月17日
【发明者】袁辉 申请人:袁辉