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】
【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。 变速器
【背景技术】
[0002] 当前机械变速器包括以下两种。
[0003] 1)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往复摆动装置的摆动方向一致或 近似，其两端同时与往复摆动装置上的摆杆卡口、以及单向离合装置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，在曲轴上并列布置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。
【专利附图】
【附图说明】 [0021]
[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。
【具体实施方式】 [0027]
[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（1)。往复摆动装置（3)为动力输入端，单向离合装置（1)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（1)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（0)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（1)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，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)的伸缩方向与往复摆动装置（3) 的摆动方向一致或近似，其两端同时与往复摆动装置（3)上的摆杆卡口（4k)、以及单向离 合装置（1)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（1)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（1)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（1)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（0c )与曲轴座（14)的旋转轴心 (0)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（〇c)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（0c)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（1)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（0)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（1)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（1); 往复摆动装置（3)为动力输入端，单向离合装置（1)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（1)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（1)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)的伸缩方向与所述往复摆动装置 (3)的摆动方向一致或近似，其两端同时与往复摆动装置（3)上的摆杆卡口（4k)、以及所述 单向离合装置（1)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。
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（0) 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（0c)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 )为〇°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2所述的变速器，其特征是： 在所述曲轴（5)上并列布置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（1 )， 全部单向离合装置（1)中的外圈（9)可合并为一体。
【文档编号】F16H37/12GK203847653SQ201420068272
【公开日】2014年9月24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