一种无自旋多滚锥式无级变速单元的制作方法

本发明涉及传动系中的变速单元，具体讲就是牵引式无级变速单元。

背景技术：

目前，环境污染与能源消耗是当今世界面临的两个重要问题，而无级变速器是一种理想的传动解决方案，其可以提供一系列连续传动比使得内燃机始终处于高效点工作，这也就提高了整机的传动效率并减少了内燃机的排放。现有各种机械式无级变速器主要可以分为：摩擦式无级变速器以及牵引式无级变速器。对于大排量内燃机车辆而言，相较于摩擦式无级变速器牵引式无级变速器的传动效率较高，一般为75%-90%，并且传递的扭矩较大。因此，在该领域牵引式无级变速器得到了学者们广泛关注与研究。

牵引式无级变速器主要指利用主动元件的滚动带动从动元件的滚动来传递动力的无级变速器。牵引式无级变速单元是牵引式无级变速器中主要的传动元件的集合。传动元件是刚性的，但是在接触的地方往往不是刚体对刚体的直接接触，而是在中间形成了油膜，油膜在压力下黏度提高，达到一种类似固体的状态从而传递较大的剪切力。

牵引式无级变速器的效率损失主要包括：自旋损失、滑移损失、侧滑损失，轴承损失以及搅油损失。在这些损失当中最重要的是“自旋”损失，所谓“自旋”是指在牵引传动时主动件和从动件在接触区域内各点的速度不一致的情况，该情况会导致效率降低、油膜发热等不良后果，最终影响牵引传动性能。

自旋损失也是该领域研究者最为关注的效率损失。一方面：相对其它诸类损失而言，自旋损失在总效率损失中所占比例相对较大，一般为40%-60%，当传动的载荷较小时自旋损失所占的比例更大；另一方面，其他诸类损失往往是伴随着传动过程而产生的，也就是不能避免的，而自旋损失是可能通过一些方式方法而消除的。

自旋损失只有当主动件的回转轴、从动件的回转轴、牵引油膜的所在平面三者相互平行或者交于一点时才能消失，其他的牵引传动情况均存在自旋。不难发现，无级变速器在保证连续调速的同时很难兼顾无自旋的相对几何位置要求。因此，现有的常规牵引式无级变速器产品均有自旋损失。

为了消除自旋损失，一种无自旋变速单元被提出（专利申请公布号cn104776180a），这种变速单元主动锥盘和从动锥盘的母线均为一种特定的对数曲线，在调速过程中主动锥盘和从动锥盘都要产生移动或摆动；这种技术方案虽然可以消除自旋但是也有两个方面不足：一是主动锥盘和从动锥盘的母线采用复杂的对数曲线，制造比较困难；二是调速控制比较麻烦。之后，为了克服以上两个不足，人们又提出了一种牵引式无级变速器（专利申请公布号cn105276110a），该技术方案通过一个主动滚轮将动力传递给对称分布在两边的锥轮后，在通过锥齿轮直接传递输出，这些传动元件中的零件多为常见的球面或锥面制造方便，同时传动时调速也相对方便；但是这种技术方案引入了锥齿轮传动，对效率有所影响，而且结构没有对称性很难将两组变速单元并联使用，另外同一个滚轮周围只能分布两个锥盘，这样就导致传递的扭矩不大。

另外一个影响牵引式无级变速器性能的就是疲劳强度，牵引式无级变速器为了传递扭矩，必须让传动元件之间压紧接触，这就使得元件在接触点有较大的接触应力，影响整个系统的使用寿命。在现有的牵引式无级变速器调速过程中，这一接触点可以相对于特定传动元件的位置发生改变，但往往不是相对于所有的传动元件的位置均发生改变。如中国专利公开号cn101479503b公开的一种环形无级变速器，是通过输入盘、输出盘与动力辊之间的摩擦传递动力的，调速后接触点相对于输入盘与输出盘的位置虽然会发生改变，但是相对于动力辊的位置基本保持不变，这就使得动力辊的特定位置被反复挤压更容易疲劳损坏；如中国专利公开号cn102635671b公开的一种锥形摩擦环无级变速器，是通过输入锥体、输出锥体与摩擦环之间的摩擦传递动力的，调速后接触点相对于输入锥体、输出锥体的位置虽然会发生改变，但是相对于摩擦环的位置基本保持不变，这就使得摩擦环更容易疲劳损坏。

如果牵引式无级变速器在调速后，接触点能相对于所有的传动元件的位置均发生改变，这就自然会提高变速器的使用寿命。

总体来说现有技术的不足之处在于：现有的常规牵引式无级变速器产品均有自旋损失；在近期提出的一些消除自旋的技术方案中都不具有良好的综合性能。这里良好的综合性能包括：制造容易、调速简单、传动效率高、容易实现并联传递大扭矩、使用寿命长。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种在一定变速比范围内均能避免自旋效率损失的无级变速单元，同时该变速单元具有制造容易、调速简单、传动效率高、容易实现并联传递大扭矩的综合优良性能。

为解决上述存在的技术问题，本发明将采用下述技术方案：一种无自旋多滚锥无级变速单元，包括心轴（1）、输入轴套（2a）、输出轴套（2b）、输入滚轮（3a）、输出滚轮（3b）、传力滚锥（4）、滚锥安装轴（5）、调速轴套（6）。

输入轴套（2a）安装在心轴（1）上，并可沿着心轴（1）相对滑动与转动，输入滚轮（3a）与输入轴套（2a）之间固定连接；输出轴套（2b）安装在心轴（1）上，并可沿着心轴（1）相对滑动与转动，输出轴套（2b）与输出滚轮（3b）之间固定连接；传力滚锥（4）安装在输入滚轮（3a）与输出滚轮（3b）之间的滚锥安装轴（5）上，可相对滚锥安装轴（5）绕着滚锥回转轴线（8）转动，但不能相对滚锥安装轴（5）滑动，且传力滚锥（4）一侧与输入滚轮（3a）压紧接触于输入点（15a），另一侧与输出滚轮（3b）压紧接触于输出点（15b）。

调速轴套（6）滑动安装在心轴（1）上；滚锥安装轴（5）的一端与调速轴套（6）之间铰接，滚锥安装轴（5）的另一端安装有滚子（13），滚子（13）安装在与心轴（1）垂直的轨道（14）里，滚子且可以沿着轨道（14）滑动。

上述方案中，所述传力滚锥（4）上的传力滚锥工作面（10）为锥面，锥面的锥顶（12）与心轴（1）的轴线重合。

上述方案中，所述输入滚轮（3a）上的输入滚轮工作面（9a）是一个外凸曲面具体为球面，椭球面，抛物面等。

上述方案中，所述输出滚轮（3b）上的输出滚轮工作面（9b）是一个外凸曲面，具体为球面，椭球面，抛物面等。

上述方案中，所述传力滚锥（4）的数量为2个，3个，4个或多个，并绕着心轴（1）的轴线均匀分布在输入滚轮（3a）与输出滚轮（3b）之间。

本发明所述一种无自旋多滚锥式无级变速单元的工作原理是：

传动时，动力由输入轴套（2a）传入，输入轴套（2a）与输入滚轮（3a）一起转动，输入滚轮（3a）牵引传力滚锥（4）转动，动力由输入滚轮（3a）传递给传力滚锥（4）；传力滚锥（4）牵引输出滚轮（3b）转动，输出滚轮（3b）与输出轴套（2b）连接，将动力传递至输出轴套（2b），最终输出。调速时，驱动调速轴套（6）沿着心轴（1）移动，带动滚锥安装轴（5）摆动，滚锥安装轴（5）滚子带动滚子（13）沿着轨道（14）移动，从而改变传力滚锥（4）的位置与姿态，输入滚轮（3a）与输出滚轮（3b）相应地在心轴（1）上滑动到合适的位置，保持输入滚轮（3a）与输出滚轮（3b）分别与传力滚锥（4）压紧接触。当传力滚锥（4）的位置与姿态改变时，传力滚锥（4）与输入滚轮（3a）和输出滚轮（3b）之间的接触半径就得到了改变，变速器的传动比为接触半径的比值，于是，传动比就得到了改变，实现了无级变速。

采用上述技术方案后，可产生以下几方面的有益的积极效果：

a）传动效率高，整个系统在各个工作状态上没有自旋效率损失，传动效率较高，而且整个变速器传动路线比较紧凑没有多余的锥齿轮副等进一步保证了高效率传动；

b）制造容易，传力滚锥工作面（10）是一个标准的锥面，输入滚轮工作面（9a）是一个外凸的曲面，这个曲面可以采用比较常见的曲面如球面、椭球面等，这就使得传动元件的加工比较容易；

c）调速简单，变速器的调速运动仅是移动调速轴套（6）在心轴（1）上的位置，其他元件均是随动，因此调速较容易控制；

d）容易传递大扭矩，在输入滚轮（3a）与输出滚轮（3b）之间可以布置多个传力滚锥（4），这样几个传力滚锥（4）都可以传递扭矩，从而使得整个无级变速器传递更大的力矩；

e）使用寿命长，在调速后输入点（15a）相对于输入滚轮（3a）与传力滚锥（4）的位置均发生改变，输出点（15b）相对于输出滚轮（3b）与传力滚锥（4）的位置也发生改变，这就使得传动元件的特定接触位置不容易发生疲劳损坏，提高系统使用寿命。

附图说明

图1为无自旋多滚锥式无级变速单元传动比为1时的结构简图。

图2为无自旋多滚锥式无级变速单元传动比不为1时的结构简图。

图3为一种双腔八滚轮式多滚锥无级变速器实施例。

图4为图3的a-a剖视图。

图5球面工作面的局部视图。

图6椭球面工作面的局部视图。

图7抛物面工作面的局部视图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。

如附图1所示，本发明提供一种无自旋多滚锥式无级变速单元，主要由心轴（1）、输入轴套（2a）、输出轴套（2b）、输入滚轮（3a）、输出滚轮（3b）、传力滚锥（4）、滚锥安装轴（5）、调速轴套（6）组成。

传动时，动力由输入轴套（2a）传入，从而带动输入轴套（2a）与输入滚轮（3a）一起转动，输入滚轮（3a）牵引传力滚锥（4）转动，动力由传力滚锥（4）传递至输出滚轮（3b）再传递至输出轴套（2b）最终输出。

输入轴套（2a）与输入滚轮（3a）固定连接，输入轴套（2a）安装在心轴（1）上，输入轴套（2a）与输入滚轮（3a）可以沿着心轴（1）滑动，也可以相对心轴（1）绕着输入滚轮回转轴线（7a）转动；输出轴套（2b）与输出滚轮（3b）固定连接，输出轴套（2b）安装在心轴（1）上，输出轴套（2b）与输出滚轮（3b）可以沿着心轴（1）滑动，也可以相对心轴（1）绕着输出滚轮回转轴线（7b）转动。传力滚锥（4）安装在滚锥安装轴（5）上，传力滚锥（4）可以相对滚锥安装轴（5）绕着滚锥回转轴线（8）转动，传力滚锥（4）不能相对滚锥安装轴（5）滑动。输入滚轮（3a）与传力滚锥（4）压紧接触于输入点（15a），输出滚轮（3b）与传力滚锥（4）压紧接触于输出点（15b）。

调速轴套（6）安装在心轴上，调速轴套（6）可以沿着心轴滑动，滚锥安装轴（5）的一端与调速轴套（6）铰接，滚锥安装轴（5）的另一端安装有滚子（13），滚子（13）被限制在轨道（14）里，滚子（13）可以沿着轨道（14）滑动，轨道（14）与心轴（1）保持垂直，传力滚锥（4）上的传力滚锥工作面（10）是一个标准的锥面，锥面的锥顶（12）与心轴（1）的轴线重合，输入滚轮工作面（9a）是一个外凸的曲面，输出滚轮工作面（9b）是一个外凸的曲面。

如附图2所示，为这种无自旋多滚锥式无级变速器调速后的状态。调速时，调整调速轴套（6）沿着心轴（1）轴线移动，滚子（13）沿着轨道（14）随动，从而改变传力滚锥（4）的位置与姿态，输入滚轮（3a）与输出滚轮（3b）相应地在心轴（1）上滑动到合适的位置，保持输入滚轮（3a）与输出滚轮（3b）分别与传力滚锥（4）压紧接触。

这种无级变速单元，传动效率高。在传动与调速过程中，由于传力滚锥工作面（10）是一个标准的锥面，锥面的锥顶（12）始终与心轴（1）的轴线重合；并且传力滚锥（4）在工作时是绕着滚锥回转轴线（8）转动，滚锥回转轴线（8）与滚锥安装轴（5）重合，这就使得滚锥回转轴线（8）一定也通过传力滚锥工作面（10）的锥顶（12）；另外，无论是输入滚轮（3a）还是输出滚轮（3b）都安装在心轴（1）上，输入滚轮回转轴线（7a）与输出滚轮回转轴线（7b）一定与心轴（1）重合。简单来讲，对于输入点（15a）的牵引传动而言，输入滚轮回转轴线（7a）、滚锥回转轴线（8）与接触区域所在平面（11）一定相交于锥顶（12），根据无自旋条件，这样的牵引传动没有自旋效率损失，同理，在输出点（15b）处的传动也没有自旋损失。另外从整个无级变速单元来看，并没有加入新的传动副，所以高传动效率得到了进一步的保证。整体来说，这种无自旋无级变速单元传动效率高。

这种无级变速单元，制造容易。由于传动单元中主要的传动元件形状较为规则，属于常见的曲面形状，如输入滚轮工作面（9a）是一个相对输入滚轮（3a）材料方向外凸的曲面，该曲面可以是球面也可以是椭球面；传力滚锥工作面（10）是一个标准的锥面，由于这些曲面的形状较为规则与常见，所以易加工。

如附图1、附图2所示的两种不同传动比的结构状态简图。调速轴套（6）在心轴（1）上的位置有一定的平移，相应的输入滚轮（3a）与输出滚轮（3b）在心轴（1）上的位置也有一定的平移，但是输入滚轮（3a）与输出滚轮（3b）平移的距离并不完全相同，这主要由结构的几何形状与位置关系决定的。另一方面，将附图2所示的结构简图作为调速后的状态将附图1所示的结构简图作为调速前的状态，那么相对于调速之前，调速后输入点（15a）相对于输入滚轮（3a）的位置向着远离心轴（1）的方向移动一定距离，而相对于传力滚轮（4）的位置则向着远离锥顶的方向移动了一定的距离。同样的，输出点（15b）相对于传力滚轮（4）与输出滚轮（3b）的位置也产生了变化。

这种无级变速单元，调速简单。这种无级变速单元的调速运动仅是移动调速轴套（6）在心轴（1）上的位置，其他元件均是随动：输入滚轮（3a）与输出滚轮（3b）在心轴上滑动保证接触正常即可，滚子（13）被限制在轨道（14）里，滚子（13）沿着轨道（14）滑动即可，因此调速较容易控制。

这种无级变速单元，使用寿命长。牵引式无级变速器传动元件之间存在较大的接触应力，因此要面临疲劳寿命的问题，一般的牵引式无级变速器在调速前后接触点相对传动元件的位置并不是都要发生变化，那么接触点相对位置在调速前后始终不变的传动元件的疲劳寿命就要受到严重影响。而对于本发明所公开的无自旋多滚锥式无级变速器而言，输入点（15a）与输出点（15b）的相对于传动元件的位置在调速前后均会发生改变，这就很大程度上提升了这种无级变速器的疲劳寿命。

如附图3所示，一种可以传递大扭矩的多滚锥式无级变速器实施例的结构简图。该实施例实际上是由两个无自旋多滚锥式无级变速器并联而成的，输入滚轮（3a）与输入轴套（2a）安装于心轴（1）上，并且不能相对于心轴（1）转动，副输入滚轮（3c）与副输入轴套（2c）也安装于心轴（1）上，并且也不能相对于心轴（1）转动，传动时动力由输入轴套（2a）输入然后一半的动力传递给输入滚轮（3a），另一半的动力传递至心轴（1）；心轴带动副输入滚轮（3c）与副输入轴套（2c）一起转动。事实上，也就是实现了输入滚轮（3a）、输入轴套（2a）、心轴（1）、副输入滚轮（3c）与副输入轴套（2c）一体转动；输入滚轮（3a）与副输入滚轮（3c）同时牵引布置在周围的多个传力滚锥（4）一起转动，多个传力滚锥（4）再牵引输出滚轮（3b）与副输出滚轮（3d）转动，输出滚轮（3b）与副输出滚轮（3d）安装在输出轴套（2b）上，输出滚轮（3b）与副输出滚轮（3d）可以沿着输出轴套（2b）移动但不能绕着输出轴套（2b）转动，最终动力由输出滚轮（3b）与副输出滚轮（3d）带动输出轴套（2b）转动并最终输出。

如附图4所示，是附图3的a-a剖视图。在输入滚轮（3a）周围均匀布置有4个传力滚锥（4），传力滚锥（4）上都安装有滚锥安装轴（5），滚锥安装轴（5）一端铰接在调速轴套（6）上，另一端铰接在轨道（14）上可以沿着轨道（14）滑动；在输入滚轮（3a）周围均匀布置有4个轨道（14），它们在空间上与心轴（1）保持垂直。同样的，在副输入轴套（2c）周围也均匀布置有4个传力滚锥（4）。这样整个无级变速器就有8个滚锥传动，使得整体能传递较大的力矩。

这种无级变速单元，可以传递大扭矩。一方面，在这种无级变速单元中分布有多个传力滚锥（4），这样可以将较大的扭矩分流；另一方面，这种无级变速单元方便并联布置，这就能传递更大的扭矩。根据相关成熟设计经验，这种无级变速单元经过并联与加入多个滚轮的方式改进后可以传递560n∙m的大扭矩。

如附图5所示，输入滚轮工作面（9a）与输出滚轮工作面（9b）可以是一个球面，该曲面相对于基体是一个外凸的曲面，相应的该曲面的母线是圆线。

如附图6所示，输入滚轮工作面（9a）与输出滚轮工作面（9b）可以是一个椭球面，该曲面相对于基体是一个外凸的曲面，相应的该曲面的母线是椭圆线。

如附图7所示，输入滚轮工作面（9a）与输出滚轮工作面（9b）可以是一个抛物面，该曲面相对于基体是一个外凸的曲面，相应的该曲面的母线是抛物线。

综上所述，本发明可以提供一种牵引式无级变速单元，该变速单元可以实现连续调速的目的，且在传动过程中没有自旋损失，效率较高，并有制造容易、调速简单、容易实现并联传递大扭矩的综合优良性能。