一种平行轴无自旋牵引式无级变速器的制作方法

本发明涉及传动系中的牵引式无级变速器，具体为一种平行轴无自旋牵引式无级变速器。

背景技术：

无级变速器（CVT）是一种理想的机械传动方案，因为无级变速器可以提供一系列的连续传动比使得车辆发动机始终处于高效点工作，这就极大地提高了整车的效率，减小了车辆排放，达到节能减排的作用。CVT具有动力高、油耗低、排放少的特点，据统计，采用CVT的汽车比采用自动变速器（AT）的汽车油耗减少7%-15%，废气排放降低约10%，生产成本降低20%-30%；而采用CVT传动系的混合动力车的油耗可能减少30%，排放可减少45%。牵引式CVT具有功率密度高、效率高、传递功率大等特点，将会成为未来无级变速器技术的发展方向。因此，牵引式CVT技术在日本、英国、美国等发达国家已经被广泛研究。

一般来说，牵引式CVT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。其中侧滑损失、搅油损失、轴承损失相对较小，尤其是侧滑损失仅在变速时或者其它特殊的工况下在才产生，而滑移损失是完全伴随着牵引传动而产生的这种损失是不可避免的。相对其他诸类损失而言，自旋损失所占比例相对较大，一般为40%-60%，当传动的载荷相对较小时自旋损失所占的比例更大。自旋的产生是由于在牵引传动时，牵引元件与被牵引元件的速度分布不均匀而造成的。一般来说，学者们往往认为这种自旋损失在传动比范围内是只能尽量减少不可消除的。由于自旋的阻碍，在牵引式CVT中，传动效率经过优化后一般只能达到一般为75%-90%，进一步提升将变得异常困难，这也就大大降低了牵引式CVT的应用范围与传动能力。消除自旋也可以改善牵引传动的工作条件（降低油温，改善油膜不对称性等），从而减少其它类型的损失，也可以适当提高牵引式CVT的最大传递扭矩。另外在一定传动比范围内消除自旋，可以提高整体传动效率至少5%。

针对自旋消除的牵引式CVT设计，即所说的无自旋牵引式CVT设计这一问题，在现有的技术方案中，以四川大学牵引式CVT研究团队为代表给出了解决思路，即从无自旋条件出发，采用微分方程的办法优化传动件的母线方程，重新设计变速机构等，使得优化后的牵引式CVT结构满足无自旋条件。该团队申请的中国专利CN104776180A公开了一种无自旋变速单元，该方案以半环面牵引式CVT为例，进行了锥盘的母线优化，得出优化方程，并限制调速过程中输入锥盘与输出锥盘沿回转轴轴向移动，滚轮沿回转轴径向移动，以实现无自旋传动。该方案的不足在于：仅给出了母线优化的结果，没有给出实际的变速机构、加载机构的结构特征；该方案所述的调速单元为同轴类的传动方案，对于一些要求使用平行轴的特殊场合不再试用，需要增加复杂的转换机构才能实现。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述技术中的不足，提供一种平行轴式无自旋牵引式无级变速器结构，可以消除自旋，提高牵引式无级变速器的效率，还可直接用于平行轴传动场合，不用设计复杂的转换结构。本发明采用以下技术方案：

一种平行轴无自旋牵引式无级变速器，由输入轴、输入锥盘、中间传动部件、输出轴与输出锥盘组成。所述输入轴与输入锥盘之间设置有端面凸轮加载机构，输出轴与输出锥盘之间设置有端面凸轮加载机构，输入轴与输出轴平行安装；所述中间传动部件由输入端滚轮、输入端滚轮轴、输出端滚轮、输出端滚轮轴、变速套筒与变速摇杆组成，输入端滚轮轴安装在输入端滚轮旋转轴线上，输出端滚轮轴安装于输出端滚轮旋转轴线上，输入端滚轮轴与输出端滚轮轴之间为同轴滑动连接，变速套筒滑动套装在输入端滚轮轴与输出端滚轮轴上，位于两者之间的同轴滑动连接处，且变速套筒的中间段铰接在机架上，以限制中间传动部件可以绕着该铰接点旋转，变速摇杆固定连接在变速套筒中间段；其中，中间传动部件安装于输入锥盘与输出锥盘之间，具体方式为：输入锥盘与中间传动部件的输入端滚轮牵引接触，输出锥盘与中间传动部件的输出端滚轮牵引接触。动力从输入轴输入，通过端面凸轮加载机构传递给输入锥盘，输入锥盘通过牵引传动将动力传递给中间传动部件的输入端滚轮，输入端滚轮又将动力传递给输出端滚轮，输出端滚轮通过牵引传动将动力传递给输出锥盘，进而通过端面凸轮加载机构输出至输出轴，实现动力输出。

为了实现无自旋结构，本发明所述方案中其输入锥盘与输出锥盘的母线方程为，其中该母线方程的坐标系建立方法为X轴与锥盘回转轴线重合，平面XOY过滚轮与锥盘的接触点，Y轴过O点垂直于X轴设置；式中，，是中间传动部件中滚轮与锥盘接触点法线与其回转轴线的交点到接触点之间的距离，θ是滚轮的半锥角，C是常数，输入锥盘、输出锥盘的母线的曲线方程中X相互异号。

本发明所述方案中，为了能在变速过程中确保实现无自旋状态，即保证锥盘回转轴线、滚轮回转轴线与两者接触点公法线三线交于一点，在输入轴的回转轴线上设置有输入端平移套筒，输出轴的回转轴线上设置有输出端平移套筒；其中，输入端平移套筒铰接在输入端滚轮上，位于输入端滚轮接触点法线与输入端滚轮回转轴线交点的位置，并且输入端平移套筒与输入锥盘外轴之间为滑动连接；输出端平移套筒铰接在输出端滚轮上，位于输出端滚轮接触点法线与输出端滚轮回转轴线交点的位置，并且输出端平移套筒与输出锥盘外轴之间为滑动连接。

更近一步，为了避免上述方案中所述输入端平移套筒、输出端平移套筒分别与输入锥盘、输出锥盘干涉，同时保证无自旋传动状态，则定义过输入轴回转轴线与输出轴回转轴线的平面为同轴平面，过输入轴回转轴线与同轴平面垂直的平面为输入轴平面，过输出轴回转轴线与同轴平面垂直的平面为输出轴平面；在输入轴平面上设置有输入端平移套筒，输出轴平面上设置有输出端平移套筒；其中，输入端平移套筒铰接在输入端滚轮轴上设置的连接杆上，并且输入端平移套筒与输入锥盘侧轴之间滑动连接，所述输入锥盘侧轴位于输入轴平面上且平行于输入锥盘轴线，输入锥盘侧轴安装在机架上；输出端平移套筒铰接在输出端滚轮轴上设置的连接杆上，并且输出端平移套筒与输出锥盘侧轴之间滑动连接，所述输出锥盘侧轴位于输出轴平面上且平行于输出锥盘轴线，输出锥盘侧轴安装在机架上。

更进一步，为了受力平衡，输入端平移套筒、输入锥盘侧轴、输出端平移套筒、输出锥盘侧轴都设置有两套，对应安装在输入锥盘与输出锥盘两侧。

本发明所述方案中，为了保证输入锥盘与输入端滚轮之间的接触正压力，在输入端平移套筒后端连接有输入端加载弹簧，输入端加载弹簧一端与输入端平移套筒连接，另一端与机架连接；同理，在输出端平移套筒后端连接有输出端加载弹簧，输出端加载弹簧一端与输出端平移套筒连接，另一端与机架连接。

为了实现变速，本发明所述方案的变速摇杆一端连接有变速机构，具体为：变速机构中变速电机与丝杆连接，丝杆上安装有螺母，螺母一端设置有螺母套筒，变速摇杆一端铰接有滚子，滚子滚动安装在螺母套筒内；当变速电机带动丝杆旋转时，螺母沿着丝杆轴向移动，通过螺母套筒与滚子带动变速摇杆绕着变速套筒中间段的铰接点转动，进而带动中间传动部件中的输入端滚轮与输出端滚轮转动。

上述方案总，所述丝杆采用滚珠丝杆结构，减小传动摩擦力，且限制摩擦角大于传动角，使得螺旋传动可以实现自锁。

本发明所述的一种平行轴无自旋牵引式无级变速器的工作原理是：

（1）传动时：动力从输入轴输入，通过端面凸轮加载机构传递给输入锥盘，输入锥盘通过牵引传动将动力传递给中间传动部件的输入端滚轮，输入端滚轮与输出端滚轮之间为同轴滑动连接，于是输入端滚轮又将动力传递给输出端滚轮，进而输出端滚轮通过牵引传动将动力传递给输出锥盘，最终通过端面凸轮加载机构传递至输出轴，实现动力输出；其中端面凸轮加载机构与加载弹簧机构共同作用保证锥盘与滚轮之间的接触压力；输入端平移套筒与输出端平移套筒的设置，可以保证变速过程中锥盘回转轴线、滚轮回转轴线与两者接触点公法线三线始终交于一点，实现无自旋传动。

（2）变速时：变速机构中变速电机带动丝杠旋转，丝杠带动螺母沿着其轴向移动，并通过螺母套筒与滚子共同带动变速摇杆绕着变速套筒中间段的铰接点转动，进而带动中间传动部件中的输入端滚轮与输出端滚轮绕着变速套筒中间段的铰接点转动；转动过程中，由于输入端平移套筒与输出端平移套筒的限制，使得输入端滚轮轴与输出端滚轮轴之间同轴滑动，同时输入端与输出端的端面凸轮加载机构迫使输入锥盘与输出锥盘沿着各自回转轴线移动，以保证输入锥盘与输入端滚轮在新的接触点压紧接触，输出锥盘与输出端滚轮也在新的接触点压紧接触。于是，输入锥盘与输出锥盘的接触半径会随之改变，无级变速器的传动比也随之改变，实现了变速过程。

本发明所述的一种平行轴无自旋牵引式无级变速器的有益效果在于：

（1）本发明方案中输入轴与输出轴为平行安装，克服了同轴牵引式无级变速器用于平行轴场合时需要附加复杂传动转换机构的不足，可以直接用于平行轴应用场合。

（2）实现无自旋传动：本发明方案中所述输入锥盘、输出锥盘均采用了无自旋优化方程，加之变速机构的巧妙设计，使得输入锥盘回转轴线、输入端滚轮回转轴线与两者接触点公法线三线始终交于一点，输出锥盘回转轴线、输出端滚轮回转轴线与两者接触点公法线三线始终交于一点，保证了无自旋传动，提高了牵引式CVT的传动效率。

（3）合理的加载机构与变速机构：本发明采用了端面凸轮加载与弹簧加载两种方式实现轴向加载，保证了锥盘与滚轮接触点的法向力。这两种加载方式构成封闭力加载系统，加之变速机构的机构封闭性，也会再变速时给予加载，这就极大地提高了加载可靠度。此外，本发明采用了套筒、摇杆与螺旋传动的变速机构，机构简单、方便实现；且螺旋传动采用滚珠式，摩擦力小，还能实现自锁，对于保持变速以及保持变速比均有较好效果。

附图说明

图1为本发明所述的一种平行轴无自旋牵引式无级变速器传动原理图。

图2为本发明所述的一种平行轴无自旋牵引式无级变速器实施例结构图，具体包括了加载机构、传动机构和变速机构。

图3为本发明所述的一种平行轴无自旋牵引式无级变速器加载机构的另一实施方式。

图4为本发明所述的一种平行轴无自旋牵引式无级变速器进行变速过程的示意图，其中实线为当前稳定速比状态，虚线表示变速后稳定速比状态。

附图中，各数字与字母代表的含义如下：

1- 输入轴；2-输入锥盘； 3-中间传动部件；31-输入端滚轮；32-输入端滚轮轴；33-输出端滚轮；34-输出端滚轮轴；35-变速套筒；36-变速摇杆；4-输出轴；5-输出锥盘； 61、62-端面凸轮加载机构；7-输入端平移套筒；8-输出端平移套筒；9-输入锥盘外轴；10-输出锥盘外轴；111、112-连接杆；12-输入锥盘侧轴；13-输出锥盘侧轴；14-输入端加载弹簧；15-输出端加载弹簧；16-变速机构；161-变速电机；162-丝杆；163-螺母；164-螺母套筒；165-滚子；A-同轴平面；B-输入轴平面；C-输出轴平面。

具体实施例

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：

实施例一

如图1所示，为本实施例的传动原理图，该平行轴无自旋牵引式无级变速器由输入轴1、输入锥盘2、中间传动部件3、输出轴4与输出锥盘5组成。所述输入轴1与输入锥盘2之间设置有端面凸轮加载机构61，输出轴4与输出锥盘5之间设置有端面凸轮加载机构62，输入轴1与输出轴4平行安装；所述中间传动部件3由输入端滚轮31、输入端滚轮轴32、输出端滚轮33、输出端滚轮轴34、变速套筒35与变速摇杆36组成，输入端滚轮轴32安装在输入端滚轮31旋转轴线上，输出端滚轮轴34安装于输出端滚轮33旋转轴线上，输入端滚轮轴32与输出端滚轮轴34之间为同轴滑动连接，变速套筒35滑动套装在输入端滚轮轴32与输出端滚轮轴34上，位于两者之间的同轴滑动连接处，且变速套筒35的中间段铰接在机架上，以限制中间传动部件3可以绕着该铰接点旋转，变速摇杆36固定连接在变速套筒35中间段；其中，中间传动部件3安装于输入锥盘2与输出锥盘5之间，具体方式为：输入锥盘2与中间传动部件3的输入端滚轮31牵引接触，输出锥盘5与中间传动部件3的输出端滚轮33牵引接触。动力从输入轴1输入，通过端面凸轮加载机构61传递给输入锥盘2，输入锥盘2通过牵引传动将动力传递给中间传动部件3的输入端滚轮31，输入端滚轮31又将动力传递给输出端滚轮33，输出端滚轮33通过牵引传动将动力传递给输出锥盘5，进而通过端面凸轮加载机构62输出至输出轴4，实现动力输出。

本实施例中，为了实现无自旋结构，本发明所述方案中其输入锥盘2与输出锥盘5的母线方程为，其中该母线方程的坐标系建立方法为X轴与锥盘回转轴线重合，平面XOY过滚轮与锥盘的接触点，Y轴过O点垂直于X轴设置；式中，，是中间传动部件3中滚轮与锥盘接触点法线与其回转轴线的交点到接触点之间的距离，θ是滚轮的半锥角，C是常数，输入锥盘2、输出锥盘5的母线的曲线方程中X相互异号。

如图2所示，在本实施例中，为了能在变速过程中确保实现无自旋状态，即保证锥盘回转轴线、滚轮回转轴线与两者接触点公法线三线交于一点，在输入轴1的回转轴线上设置有输入端平移套筒7，输出轴4的回转轴线上设置有输出端平移套筒8；其中，输入端平移套筒7铰接在输入端滚轮31上，位于输入端滚轮31接触点法线与输入端滚轮31回转轴线交点的位置，并且输入端平移套筒7与输入锥盘外轴9之间为滑动连接；输出端平移套筒8铰接在输出端滚轮33上，位于输出端滚轮33接触点法线与输出端滚轮33回转轴线交点的位置，并且输出端平移套筒8与输出锥盘外轴10之间为滑动连接。

本实施例中，为了保证输入锥盘2与输入端滚轮31之间的接触正压力，在输入端平移套筒7后端连接有输入端加载弹簧14，输入端加载弹簧14一端与输入端平移套筒7连接，另一端与机架连接；同理，在输出端平移套筒8后端连接有输出端加载弹簧15，输出端加载弹簧15一端与输出端平移套筒8连接，另一端与机架连接。

本实施例中，为了实现变速，所述方案的变速摇杆36一端连接有变速机构16，具体为：变速机构16中变速电机161与丝杆162连接，丝杆162上安装有螺母163，螺母一端设置有螺母套筒164，变速摇杆36一端铰接有滚子165，滚子165滚动安装在螺母套筒164内；当变速电机161带动丝杆162旋转时，螺母163沿着丝杆162轴向移动，通过螺母套筒164与滚子165带动变速摇杆36绕着变速套筒35中间段的铰接点转动，进而带动中间传动部件3中的输入端滚轮31与输出端滚轮33转动。

更进一步，本实施例所述丝杆162采用滚珠丝杆结构，减小传动摩擦力，且限制摩擦角大于传动角，使得螺旋传动可以实现自锁。

图4给出了本实施例进行变速前后的位置关系图，可以看出当中间传动部件3在变速机构16的作用下，绕着变速套筒35中间段的铰接点转动，转动过程中，由于输入端平移套筒7与输出端平移套筒8的限制，使得输入端滚轮轴32与输出端滚轮轴34之间同轴滑动，同时输入端端面凸轮加载机构61与输出端的端面凸轮加载机构62迫使输入锥盘2与输出锥盘5沿着各自回转轴线移动，以保证输入锥盘2与输入端滚轮31在新的接触点压紧接触，输出锥盘5与输出端滚轮33也在新的接触点压紧接触。于是，输入锥盘2与输出锥盘5的接触半径会随之改变，无级变速器的传动比也随之改变，实现了变速过程。

实施例二

本实施例如图3所示，为了避免实施例一中所述输入端平移套筒7、输出端平移套筒8分别与输入锥盘2、输出锥盘5干涉，同时保证无自旋传动状态，则定义过输入轴回转轴线与输出轴回转轴线的平面为同轴平面A，过输入轴回转轴线与同轴平面垂直的平面为输入轴平面B，过输出轴回转轴线与同轴平面垂直的平面为输出轴平面C；在输入轴平面B上设置有输入端平移套筒7，输出轴平面上设置有输出端平移套筒8；其中，输入端平移套筒7铰接在输入端滚轮轴32上设置的连接杆111上，并且输入端平移套筒7与输入锥盘侧轴12之间滑动连接，所述输入锥盘侧轴12位于输入轴平面B上且平行于输入锥盘轴线安装在机架上；输出端平移套筒8铰接在输出端滚轮轴33上设置的连接杆112上，并且输出端平移套筒8与输出锥盘侧轴13之间滑动连接，所述输出锥盘侧轴13位于输出轴平面C上且平行于输出锥盘轴线安装在机架上。

更进一步，为了受力平衡，本实施例中输入端平移套筒7、输入锥盘侧轴12、输出端平移套筒8、输出锥盘侧轴13都设置有两套，分别对应安装在输入锥盘与输出锥盘两侧。

本实施例除此上述特征之外，其余结构与连接均与实施例一类似。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理、创造性和新颖特点相一致的最宽的范围。