基于椭圆锥齿轮副的可控时变传动比无级变速总成的制作方法

本实用新型属于减速器技术领域，特别涉及一种基于椭圆锥齿轮副的可控时变传动比无级变速总成。

背景技术：

目前近来，随着汽车舒适性及能源利用率等要求越来越高，常规有级传动变速装置已不能满足需求，因此，相继提出具有广泛应用领域的无级变速装置，如采用v带或同步带的无级传动装置，为了实现无级调速，需要改变与v带或同步带配合的输入/输出轮半径，形成输入/输出轮半径比值的连续变化传动；现有大多数无级变速装置例如cvt变速器的带轮半径改变都依靠设计成杆机构形式的辐条，同时传动主要依靠带传动，这种机构会受到自身设计的限制使得该无级传动装置不能适用于高精度、大载荷和大扭矩场合。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供一种基于椭圆锥齿轮副的可控时变传动比无级变速总成，该结构适用于大扭矩、大载荷、高效率、高平稳性和复杂传动比要求的工况。

本实用新型的基于椭圆锥齿轮副的可控时变传动比无级变速总成，包括无级传动比发生单元以及输出选择单元，所述无级传动比发生单元为由主动椭圆锥齿轮以及与其啮合的若干个从动椭圆锥齿轮构成的椭圆锥齿轮副结构，所述各个从动椭圆锥齿轮将动力输出至同一动力输出机构，所述选择单元用于中断或连接从动椭圆锥齿轮与动力输出机构的动力路径用以选择其中任一从动椭圆锥齿轮作为动力输出件。

进一步，所述无级传动比发生单元包括两个同轴设置的主动椭圆锥齿轮分别为主动椭圆锥齿轮ⅰ和主动椭圆锥齿轮ⅱ，所述主动椭圆锥齿轮ⅰ啮合有若干个从动椭圆锥齿轮ⅰ，所述主动椭圆锥齿轮ⅱ啮合有若干个从动椭圆锥齿轮ⅱ，所述从动椭圆锥齿轮ⅰ与从动椭圆锥齿轮ⅱ个数相同并一一匹配，相匹配的从动椭圆锥齿轮ⅰ与从动椭圆锥齿轮ⅱ将动力通过传动比整合单元输出至同一动力输出机构，所述传动比整合单元用于将具有不同传动比的椭圆锥齿轮副的动力整合为同一传动比后输出至同一动力输出机构。

进一步，所述主动椭圆锥齿轮ⅰ传动配合于主动轴，所述主动椭圆锥齿轮ⅱ传动配合于空心套轴，所述空心套轴套于主动轴上，所述空心套轴与主动轴之间通过相位切换单元使二者可在传动配合以及转动配合两种配合模式中切换以调节主动椭圆锥齿轮ⅰ与主动椭圆锥齿轮ⅱ之间的相位角。

进一步，所述传动比整合单元包括相对设置的左半轴齿轮和右半轴齿轮以及位于左、右半齿轮之间并啮合于左、右半齿轮的若干个行星齿轮，所述行星齿轮安装于行星轴组件上，相匹配的从动椭圆锥齿轮ⅰ与从动椭圆锥齿轮ⅱ将动力分别传递至左半轴齿轮以及右半轴齿轮上整合为行星齿轮的公转运动并通过行星轴组件将动力输出。

进一步，所述相位切换单元包括切换外圈、偏心轮以及调节组件，所述切换外圈传动配合于空心套轴，切换外圈具有径向截面大于偏心轮径向截面的偏心腔，偏心轮安装于偏心腔内并与主动轴传动配合，偏心轮与偏心腔之间具有相互啮合的啮合齿，所述调节组件用于使切换外圈或偏心轮产生径向偏移使二者的啮合齿相互啮合或分离。

进一步，所述选择单元包括液压座、行星输出轴以及选择轴，所述液压座具有封闭的液压腔，所述行星输出轴垂直于行星轴组件并传动配合于行星轴组件，所述选择轴端部具有啮合腔，行星输出轴端部穿设于啮合腔内，所述选择轴转动配合于液压座且啮合腔所在的选择轴区域其外圆位于液压腔内，所述液压座上具有为液压腔供液的液压嘴，所述高压液通过液压嘴供入液压腔并径向压迫选择轴外圆使啮合腔径向形变从而使选择轴与行星输出轴在转动配合以及传动配合的状态进行切换。

进一步，所述调节组件包括扭簧、调节轴套以及驱动调节轴套转动的驱动装置，所述调节轴套转动配合于主动轴，所述扭簧一端连接于主动轴上另一端连接于切换外圈上，所述驱动装置用于驱动调节轴套转动并带动扭簧产生扭转力矩，该扭转力矩迫使切换外圈产生径向偏移进而改变偏心腔与偏心轮之间的距离使二者的啮合齿啮合或分离。

进一步，还包括转向单元，所述转向单元为一组啮合的转向锥齿轮，所述转向锥齿轮设置于从动椭圆锥齿轮与半轴齿轮之间，两个转向锥齿轮分别与从动椭圆锥齿轮以及半轴齿轮一一传动配合。

进一步，所述动力输出机构为输出齿轮，所述选择轴传动配合有小齿轮，所述小齿轮啮合于输出齿轮。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的基于椭圆锥齿轮副的可控时变传动比无级变速总成，将系统输入一分为二并进行传动比构造；通过安装不同组数的从动椭圆锥齿轮适配所需的不同传动比范围和角度范围，将得到的时变传动比传递到传动比整合单元将不同的时变传动比进行整合，得到唯一确定的输出传动比，并通过选择单元选择相应的输出路径，使得各个椭圆锥齿轮副对应的需要传动比段依次相接形成完整的变传动比无级变速输出，实现设计所需的变传动运动规律；该结构的无级变速装置具有大扭矩、大载荷、高效率、高平稳性的优点，同时全齿轮啮合的无级变速形式能够提高系统抗干扰能力和稳定性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述。

图1为一个从动椭圆锥齿轮结构示意图；

图2为图1的原理结构示意图；

图3为本实用新型等轴侧结构示意图；

图4为本实用新型正视结构示意图；

图5为图4的左视结构示意图；

图6为选择单元结构示意图；

图7为图6的径向剖视结构示意图；

图8为相位切换单元立体结构示意图；

图9为相位切换单元内部结构示意图；

图10为传动比匹配结构示意图；

具体实施方式

图1为一个从动椭圆锥齿轮结构示意图；图2为图1的原理结构示意图；图3为本实用新型等轴侧结构示意图；图4为本实用新型正视结构示意图；图5为图4的左视结构示意图；图6为选择单元结构示意图；图7为图6的径向剖视结构示意图；图8为相位切换单元立体结构示意图；图9为相位切换单元内部结构示意图；图10为传动比匹配结构示意图；

本实施例提供了一种基于椭圆锥齿轮副的可控时变传动比无级变速总成，包括无级传动比发生单元以及输出选择单元，所述无级传动比发生单元为由主动椭圆锥齿轮以及与其啮合的若干个从动椭圆锥齿轮构成的椭圆锥齿轮副结构，所述各个从动椭圆锥齿轮将动力输出至同一动力输出机构，所述选择单元用于中断或连接从动椭圆锥齿轮与动力输出机构的动力路径用以选择其中任一从动椭圆锥齿轮作为动力输出件；无级传动比发生单元用于产生可控变传动比，通过对椭圆锥齿轮副的设计，例如选择二阶、三阶或四阶等不同的椭圆锥齿轮以得到需要的传动比变化规律，在不改变输入转速的条件下得到不同的周期性的输出传动比，每个从动椭圆锥齿轮构成的椭圆锥齿轮副对应一组变化的传动比特性，该传动比特性在一个周期内包括需要传动比段、过渡传动比段和不需要的传动比段，通过选择单元选择不同的从动椭圆锥齿轮所在的椭圆锥齿轮副作为动力输出端，各个从动椭圆锥齿轮所在的椭圆锥齿轮副按序切换输出，各个椭圆锥齿轮副对应的需要传动比段依次相接形成完整的变传动比无级变速输出；该结构适用于高效率、高平稳性和复杂传动比要求条件下的无级变速；

本实施例中，所述无级传动比发生单元包括两个同轴设置的主动椭圆锥齿轮分别为主动椭圆锥齿轮ⅰ1和主动椭圆锥齿轮ⅱ2，所述主动椭圆锥齿轮ⅰ1啮合有若干个从动椭圆锥齿轮ⅰ3，所述主动椭圆锥齿轮ⅱ2啮合有若干个从动椭圆锥齿轮ⅱ4，所述从动椭圆锥齿轮ⅰ3与从动椭圆锥齿轮ⅱ4个数相同并一一匹配，相匹配的从动椭圆锥齿轮ⅰ3与从动椭圆锥齿轮ⅱ4将动力通过传动比整合单元输出至同一动力输出机构，所述传动比整合单元用于将具有不同传动比的椭圆锥齿轮副的动力整合为同一传动比后输出至同一动力输出机构；为清楚的说明椭圆锥齿轮副的运行原理，首先以一个从椭圆动锥齿轮为例，详见图1和图2所示，主动椭圆锥齿轮ⅰ1啮合有一个从动椭圆锥齿轮ⅰ3，主动椭圆锥齿轮ⅱ2啮合有一个从动椭圆锥齿轮ⅱ4，从动椭圆锥齿轮ⅰ3和从动椭圆锥齿轮ⅱ4通过各自的传动路径将动力输出至传动比整合单元中，将各自传动路径的不同转速通过传动比整合单元整合为同一转速输出，其中传动比整合单元为类似差速结构，该传动比整合单元包括左半轴齿轮7以及右半轴齿轮8以及若干个行星齿轮9，具体结构详见后续描述；为使得该传动比整合单元的输出轴与主动椭圆锥齿轮的输出轴平行，在从动椭圆锥齿轮与传动比整合单元之间设置有一组转向锥齿轮19使得动力形成垂直转向，图1和图2所示的方案中从动椭圆锥齿轮周期性变化的传动比连续输出；

在图1和图2所在方案的基础上增设多个从动椭圆锥齿轮并增加选择单元，形成了如图3所示的方案，本实施例中以四个从动椭圆锥齿轮为例，即主动椭圆锥齿轮ⅰ1啮合有四个从动椭圆锥齿轮ⅰ3，主动椭圆锥齿轮ⅱ2啮合有四个从动椭圆锥齿轮ⅱ4，四个从动椭圆锥齿轮ⅰ3和四个从动椭圆锥齿轮ⅱ4一一匹配并分为四组输出单元，每组输出单元中包括一个从动椭圆锥齿轮ⅰ3和一个从动椭圆锥齿轮ⅱ4，各组输出单元具有两个不同传动比的传动路径并将各自的动力输入至传动比整合单元整合后进行输出，整合单元用于对两组传动比进行整合，其实际为对两个不同转速的整合，通过整合不同的两条传动比变化规律得到需要的系统输出传动比特性，通过选择单元选择不同的从动椭圆锥齿轮作为动力输出端，四个从动椭圆锥齿轮所在的椭圆锥齿轮副按序切换输出，四个椭圆锥齿轮副对应的需要传动比段依次相接形成完整的变传动比无级变速输出，该结构抗干扰能力强，稳定性好，适用于大扭矩、大载荷的工况；

本实施例中，所述主动椭圆锥齿轮ⅰ1传动配合于主动轴5，所述主动椭圆锥齿轮ⅱ2传动配合于空心套轴6，所述空心套轴6套于主动轴5上，所述空心套轴与主动轴之间通过相位切换单元使二者可在传动配合以及转动配合两种配合模式中切换以调节主动椭圆锥齿轮ⅰ1与主动椭圆锥齿轮ⅱ2之间的相位角；结合图1至图3所示，正常工况下主动轴5与空心套轴6为传动配合，即二者同步转动，通过一个外设驱动主动轴即可同时驱动两个主动椭圆锥齿轮，通过相位切换单元可改变主动轴5与空心套轴6的配合状态，使二者形成转动配合，即二者可相对转动，外设驱动主动轴转动，此时空心套轴与主动轴可相对转动，即主动椭圆锥齿轮ⅰ1和主动椭圆锥齿轮ⅱ2的相对转动，改变二者的相位角，从而改变相应从动椭圆锥齿轮对应的椭圆锥齿轮副传动比，进而改变传动比整合单元输出的传动比；

可根据传动比特性要求，对无级传动比发生单元和传动比整合单元进行反求设计，根据需要的传动比规律自适应地提供对应的相错角，与发动机工况相匹配的同时减小调速过程中的冲击、提高稳定性；同时整个系统均采用全啮合齿轮传动形成无级变速，能够有效地保证传递过程中的精度和可靠性，一定程度上提高抗干扰能力。

本实施例中，所述传动比整合单元包括相对设置的左半轴齿轮7和右半轴齿轮8以及位于左、右半齿轮之间并啮合于左、右半齿轮的若干个行星齿轮9，所述行星齿轮安装于行星轴组件10上，相匹配的从动椭圆锥齿轮ⅰ3与从动椭圆锥齿轮ⅱ4将动力分别传递至左半轴齿轮7以及右半轴齿轮8上整合为行星齿轮的公转运动并通过行星轴组件10将动力输出；结合图1和图3所示，该传动比整合单元为类似差速结构，其中从动椭圆锥齿轮ⅰ3将动力传递至左半轴齿轮7，从动椭圆锥齿轮ⅱ4将动力传递至右半轴齿轮8，本实施例中行星齿轮9设置有两个，此时行星轴组件10为单轴结构，两个行星齿轮9转动配合于该单轴上，当然行星齿轮也可以设置三个、四个等其他数量的行星齿轮，当行星齿轮为三个时，行星轴组件10为三角辐射状的三轴结构，当行星齿轮为四个时，行星轴组件10为十字交叉状的四轴结构，具体不在赘述；行星齿轮9自传和公转，其公转带动行星轴组件10转动并将动力通过行星输出轴16输出，或者该行星轴组件10可直连外设进行直接驱动；左半轴齿轮7传动配合于左空心半轴，右半轴齿轮8传动配合于右空心半轴，左空心半轴和右空心半轴套于行星输出轴16上并与其转动配合，左空心半轴与行星输出轴16之间以及右空心半轴与行星输出轴16之间可通过轴承形成转动配合，其中左空心半轴和右空心半轴转动配合于变速装置的外壳(图中未示出)上；该结构通过两个动力输出端将两组不同转速的动力整合为同一转速输出，即起到传动比整合功能；

本实施例中，所述相位切换单元包括切换外圈11、偏心轮12以及调节组件，所述切换外圈11传动配合于空心套轴6，切换外圈11具有径向截面大于偏心轮径向截面的偏心腔，偏心轮安装于偏心腔内并与主动轴5传动配合，偏心轮与偏心腔之间具有相互啮合的啮合齿，所述调节组件用于使切换外圈11或偏心轮12产生径向偏移使二者的啮合齿相互啮合或分离；结合图8和图9所示，切换外圈在壁厚较厚处轴向开设有减重孔，调节组件可调节偏心轮与偏心腔内壁之间的距离，在正常啮合时，偏心轮与偏心腔侧壁局部啮合，此时偏心轮与切换外圈为传动配合，二者同步转动，即主动轴与空心套轴传动配合，调节组件改变二者啮合部之间的距离，使得二者的啮合齿相互分离，偏心轮与切换外圈和相对转动形成转动配合，即主动轴与空心套轴形成转动配合，此时主动轴驱动主动椭圆锥齿轮ⅰ1转动，主动椭圆锥齿轮ⅰ1与主动椭圆锥齿轮ⅱ2发生相对转动进行相位切换，即改变二者的相位角，从而改变相应从动椭圆锥齿轮对应的椭圆锥齿轮副传动比，进而改变传动比整合单元输出的传动比；

本实施例中，所述选择单元包括液压座15、行星输出轴16以及选择轴17，所述液压座具有封闭的液压腔，所述行星输出轴垂直于行星轴组件并传动配合于行星轴组件，所述选择轴端部具有啮合腔，行星输出轴端部穿设于啮合腔内，所述选择轴转动配合于液压座且啮合腔所在的选择轴区域其外圆位于液压腔内，所述液压座15上具有为液压腔供液的液压嘴18，所述高压液通过液压嘴供入液压腔并径向压迫选择轴17外圆使啮合腔径向形变从而使选择轴17与行星输出轴16在转动配合以及传动配合的状态进行切换；结合图3、图6以及图7所示，为提高各个行星输出轴的稳定性，各个液压座集成于一个圆环上，即在该圆环上轴向开设四个通孔作为液压腔，其中行星输出轴16以及选择轴17从通孔的轴向两端伸入该液压腔内，在通孔的轴向两端设置有密封环24使得通孔形成封闭式的液压腔，在选择轴端部同样盖有密封环使得啮合腔形成封闭式结构，以防止高压油体进入啮合腔中，液压嘴18外接高压供油设备，当外部高压油体注入至液压腔内时，通过高压径向压迫选择轴17外圆，使得啮合腔径向形变与行星输出轴16啮合，即使得选择轴17与行星输出轴16形成传动配合，当然，为防止高压油进入至啮合腔内，选择轴17的端部可向左伸至液压腔外侧，即啮合腔的开口处位于液压腔外部，不与油液接触，为保证良好的啮合性能，选择轴宜选用柔性材质，选择轴外部压力消失后，选择轴通过自身弹性形变恢复原状，即啮合腔内壁与行星输出轴分离，行星输出轴16与选择轴重新形成转动配合；

本实施例中，所述调节组件包括扭簧13、调节轴套14以及驱动调节轴套转动的驱动装置，所述调节轴套转动配合于主动轴5，所述扭簧13一端连接于主动轴上另一端连接于切换外圈11上，所述驱动装置用于驱动调节轴套14转动并带动扭簧13产生扭转力矩，该扭转力矩迫使切换外圈11产生径向偏移进而改变偏心腔与偏心轮12之间的距离使二者的啮合齿啮合或分离；结合图8和图9所示，驱动装置为一转动配合安装于变速装置壳体上的主动圆齿轮22，在调节轴套14上传动配合安装有与主动圆齿轮啮合的从动圆齿轮23，主动圆齿轮外接电机等动力设备，通过电机驱动主动圆齿轮以及从动圆齿轮转动进而带动调节轴套转动，调节轴套转动并带动扭簧13产生扭转力矩，扭簧拉动切换外圈使得切换外圈产生径向偏移，从而改变切换外圈11与偏心轮12之间的距离，为保证切换外圈可靠的发生径向偏移，切换外圈11一端转动配合安装于变速装置壳体上，使得切换外圈11形成悬臂结构，扭簧作用于切换外圈11的悬臂处使其发生局部径向偏移；切换外圈11宜选用柔性外圈，具体不在赘述；该结构通过单独驱动切换外圈11转动即可实现主动轴5与空心套在转动配合与传动配合之间的状态切换，便于主动椭圆锥齿轮ⅰ1与主动椭圆锥齿轮ⅱ2的相位切换，其结构简单，占用空间小，易于控制，便于操作。

本实施例中，还包括转向单元，所述转向单元为一组啮合的转向锥齿轮19，所述转向锥齿轮设置于从动椭圆锥齿轮与半轴齿轮之间，两个转向锥齿轮分别与从动椭圆锥齿轮以及半轴齿轮一一传动配合；该转向齿轮用于使输出动力转向，即使得行星输出轴16与主动轴平行，便于动力输出机构的设置；

由于齿轮副节曲线的闭合性，椭圆锥齿轮节曲线往往具有周期性，在任一周期内，椭圆锥齿轮节曲线包括工作段和非工作段两部分，同时有且仅有一个从动椭圆锥齿轮与同一主动椭圆锥齿轮处于工作状态；

如图10所示，四个从动椭圆锥齿轮与相应的主动椭圆锥齿轮形成四个椭圆锥齿轮副，分别为1-1′齿轮副、2-2′齿轮副、3-3′齿轮副和4-4′齿轮副，本实施例中各个齿轮副顺序切换，图中起点为各个在切换过程中各齿轮副的切换初始段，从起点开始进入切换进入动力输入的初始段，终点为切换过程中的切换末段，从终点开始完全退出动力输入，首先由1-1′齿轮副输出，在切换2-2′齿轮副过程中，2-2′起点位于1-1′终点前侧，即各个齿轮副的工作周期部分重合，该重合部分即2-2′起点与1-1′终点之间即为切换段，在1-1′终点后，进入2-2′齿轮副输出段，随后在继续向3-3′齿轮副切换，依次类推形成了连续的变传动比无级变速，切换段即作为过渡段，使得在动力切换过程中两动力衔接更为平滑，并有效降低动力中断间隙，提高各个动力响应衔接的平滑性。

本实施例中，所述动力输出机构为输出齿轮20，所述选择轴17传动配合有小齿轮21，所述小齿轮啮合于输出齿轮20；该结构便于输出齿轮以及小齿轮的布置；

无级传动比发生单元得到的两输出传动比作为该系统的两输入时变传动比，通过转向锥齿轮将传动比进行转向并为速度匹配做准备，采用行星锥齿轮副的传动比整合单元进行速度匹配，根据行星齿轮副的差速传动关系可以得到匹配后输出传动比与两个输入之间的关系如下：

其中，m为左半轴齿轮对应的转向锥齿轮系传动比，n为右半轴齿轮对应的转向锥齿轮传动比，a为传动比整合单元的等效传动比，i1(θ1)为主动椭圆锥齿轮ⅰ1与从动椭圆锥齿轮ⅰ3输出的传动比，为i2(θ2)主动椭圆锥齿轮ⅱ2与从动椭圆锥齿轮ⅱ4输出的传动比，iout为行星输出轴16输出的传动比；

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。