专利名称：离合式无级变速器的制作方法
技术领域：
本发明属于机械传动领域，无级变速器技术。
背景技术：
在汽车行业，“无级变速技术”是汽车的关键技术之一，是汽车技术的研究发展方向。自“九·五”期间，轿车无级自动变速器的研究和开发已经被列入国家的重大科技攻关计划，以跟踪世界技术的发展和开发适合我国国情的汽车。
无级变速器传动大多利用摩擦传动实现变速，可分为机械、液力、液压、气压和电力等型式。机械无级变速器通常由传动机构、加压装置和调速机构3部分组成。
液力无级变速以液体为工作介质的无级变速，一般由液力耦合器或液力变矩器实现变速。后者对载荷变化有良好的自动适应性。液力传动有良好的防振、隔振性能，但有时需要补偿系统和冷却系统。
液压无级变速分节流无级变速和容积无级变速两类。前者是通过调节节流元件流通面积的大小来调节液压马达的转速；后者是通过变换变量泵或液压马达的排量来调节液压马达的转速。液压无级变速操纵控制方便，易实现过载保护，但传动效率低。
气压无级变速通过控制压缩空气流量，调节气动马达的输出功率和转速来实现无级变速。气压无级变速的调速范围很宽。
电力无级变速依靠改变电动机的转速来实现无级变速。
当前常用的无极变速器的传动构件主要由轮带驱动，它有两种形式，分别是金属带V轮式和金属链带V轮式。金属带V轮式采用一根非常坚韧的金属带与一对可作轴向移动，宽度可调的V型带轮配合。金属带紧压在V型带轮上，通过改变带轮槽的宽度来改变金属带与带轮接触的直径，从而改变传动比。
以下是几种典型的无级变速机构弹簧加载圆盘无级变速机构用摩擦力通过双圆锥滚轮带动从动盘和输出轴。为减少滑转，在输出轴上安装压紧弹簧，增加滚轮与圆盘间的压力。当旋转调速丝杠时，可调节滚轮的位置，在铅垂方向移动滚轮实现无级速度调节。
行星圆锥无级变速机构以摩擦圆锥代替齿轮的行星轮系传动机构，由电动机驱动中心圆锥摩擦轮，通过行星摩擦圆锥带动行星定位器、加压器和输出轴。行星圆锥的外侧锥面与不转动的滑环内侧面接触，用速度控制轮改变滑环的轴向位正，可改变行星定位器及输出轴的转速。
球面滚轮无级变速机构在同一轴线上的主、从动球面圆盘之间，装有球形端面的偏置滚轮。通过操纵机构改变滚轮的角度，得到无级变速(增速或减速)。当滚轮中心线与两圆盘的中心线平行时，则主、从动盘等速；当滚轮与主动盘的接触点远离中心线，则为增速；反之，滚轮与从动盘接触点在大直径处，则为减速。为保持圆盘与滚轮间必需的接触压力，附设加载凸轮。
油膜圆盘无级变速机构由三组主动圆锥圆盘围着中间从动凸缘圆盘组成。这类装置中，金属与金属之间不直接接触。在传动中互相夹持的圆盘被油涂敷而形成表面油膜，在各接触点处依靠凸缘盘所施加的轴向力，挤压油膜使其正压力增加，主动圆锥盘在剪切高粘度油膜分子的同时将运动传给从动凸缘盘。
金属带式无级变速传动装置CVT它由上部主动锥盘形成的V形槽通过金属带摩擦片驱动下部从动锥盘同向转动。主、从动锥盘各有一盘固定，另一盘可作轴向移动，改变金属带与锥盘接触的节圆半径，达到无级变速传动的要求。
液力变速机构主动轴带动泵轮旋转，泵轮叶片搅动变矩器内的工作液推动输出涡轮上的叶片，由涡轮输出转矩。视泵轮输入转矩与转速为常数，则涡轮输出转矩与其转速成反比，涡轮转速愈高，输出转矩愈小。液力变速机构常与行星变速器串联使用，在汽车上作为自动变速机构。
脉冲式无级变速机构以单向离合器代替曲柄摇杆机构中的摇杆固定铰链，当曲柄作匀速转动时，摇杆通过单向离合器带动从动轴作单向脉冲转动。若改变曲柄长度或附加二级杆组，将获得脉冲式无级变速转动。
发明内容本发明机构专为无级变速的实现而设计。本机构由钢球及楔槽结构实现传动，与上述各种变速方案相比，本发明变速过程不需要流体的参与，不需要电力的调节，不依靠机械构件之间的摩擦。
本机构为圆柱式箱体结构，输入轴与输出轴同轴设计。设有外部旋转圆盘作为速度调节的机关，通过圆盘的旋转可以使变速器获得连续的传动比。本机构另外设有变速范围调节装置，当本机构变速范围不适用时，通过该装置的调节，可以获得合适范围的连续可变传动比(指可获得传动比带的整体增大或缩小，而不是指传动比带的扩大)。
本机构在变速原理上无论输入轴输入转速为正或负，中间机构都将具有相同的旋向输出。因此，本机构设有转向切换装置，该装置可视需要与否选择安装，控制方案设计为销式插入机构。
以上因素，使本机构获得了如下特点1.避免了普通无级变速器由摩擦带来的预应力大、发热量高、寿命短、效率低、对设计材料要求苛刻等一系列问题。
2.动力传递可靠，承载能力强。
3.变速比大，且设有两级调节装置，使变速比可调节范围大，适应性好。
4.输出轴转向完全由内部零部件装配决定，与输入轴转向无关。本发明既非正号机构，也非负号机构，可适应往复式动力输入，单转向动力输出的应用场合。例如可以直接适应发动机活塞的直线运动。但这样应用输出转速会有一定波动。
5.因本身自带换向机构，可适应联接发动机等本身无法换向的动力源。
6.转向切换采用介轮跟踪方式，换向过程没有轮齿啮入或啮出，避免了打齿现象。可以适应动态切换输出轴转向。
7.不进行任何变速调节情况下，输入轴的转速不变，但转向不同时，变速器的输出为转向相同但转速不同。即已经拥有两种传动比。
8.当应用场合对减速器的调节性能要求不是很高时，可以省略次级调速机构及转向控制机构，从而减小体积，降低制造成本，简化结构。
9.无论次级调速机构及转向控制机构是否被省略，都可以通过改变内部零部件的装配方向来重新定义机器的原始输出轴转向。
10.本机构可能带来输出转速的微小脉动。
(四)
图1为本发明机构关键部件总装爆炸图。
图2为本发明机构变速罗盘功能机构示意图。
图3为本发明机构离合变速功能机构示意图。
图4为本发明机构由摆转演化为连续转动功能机构示意图。
图5为本发明机构介轮跟踪换向功能机构示意图。
图6-螺线圆盘，图7-螺线滑块，图8-支架圆盘，图9-钢球支架，图10-曲轴构件上半部，图11-调节丝杠，图12-曲轴构件下半部，图13-摆动圆盘，图14-初级齿轮盘，图15-输出轴，图16-介轮系杆，图17-介轮，图18-介轮轴，图19-介轮卡键，图20-换向控制销，图21-次级齿轮盘。
螺线圆盘，如图6，为初级变速调节机构，圆盘直径300mm，中心有通孔，通过轴承与输入轴连接。圆盘一侧为四条笛卡尔坐标系下的渐开线螺线，螺线方程为r＝13ang＝360*ts＝2*pi*r*tx0＝s*cos(ang)y0＝s*sin(ang)x＝x0+s*sin(ang)y＝y0-s*cos(ang)z＝0螺线圆盘的另一侧设置圆盘转动控制装置，本机构简图中暂设计为四个圆柱形手柄。当转动手柄时，螺盘便绕输入轴转动。
螺线滑块(如图7)的U型槽卡在螺线圆盘突起的螺线上，可以沿螺线滑动，一般可采用耐磨材料。螺线滑块上端有孔，用以可转动地固定钢球支架。
钢球支架(如图8)上方有一个梯形的槽，槽用来放置钢球。槽底面与钢球之间由弹性钢片将钢球向上托起。弹性钢片在本机构简图中设计为长方形片状结构，如为了钢球受力后直接与槽底面接触考虑，亦可采用U型弹簧。这样，U型弹簧只与钢球侧下部位接触，而不会接触钢球最下点。
钢球支架的侧壁为两平行面，装配时，将钢球支架侧壁装入支架圆盘的径向滑槽内，使之可沿滑槽自由移动。
支架圆盘直径300mm，其上沿圆周均布四条径向直槽。支架圆盘与输入轴之间通过轴承连接，可以相对输入轴自由转动。支架圆盘与机架无相对转动，或固死，或通过定位销进行转动限位。
螺线滑块、钢球支架、弹簧、钢球为一个部件，共四组这样的部件，分别卡入四条螺线圆盘的的螺线内，并插入四条支架圆盘的径向槽内。四个组件的方向排列如图2中所示。
当通过螺线圆盘上的手柄转动螺线圆盘时，滑块组件就会沿着支架圆盘开槽的径向移动。
曲轴形状的设计是使曲轴的径向短轴距可以调整，用以对变速器的变速范围作必要的手动调整。曲轴的上半部构件示意图10中所示圆柱状部分即为输入轴，或与输入轴联结为一体，由这段轴通过轴承支撑螺线圆盘和支架圆盘。椭圆形槽部分为调节部分。槽中装配有两根调节丝杠，丝杠如图11所示。丝杠的两端直柄部分穿入曲轴上半部构件椭圆槽的孔中，并可以自由旋转。两根丝杠中部穿过曲轴构件下半部的两个螺纹孔。曲轴的下半部(图12)尺寸设计使之刚好配合椭圆形槽并在其中滑动。两条丝杠必须同时被旋动才可以调节下半部轴的径向位置。需要调整时，需使变速机停止工作，从机体外壳的两侧分别穿入一只长柄旋具(改锥等)，同时旋转。这样设计的目的是使曲轴整体既有更可靠的连接刚度，又不容易在使用中自行松动。
摆动圆盘，如图13，直径300mm，厚5mm，一面为平面，一面设有四只转动输出圆柱，沿圆周均布。中心有孔，通过轴承装配在曲轴的下半部轴柄上。当曲轴由输入动力带动旋转时，摆动圆盘便作圆周摆动。曲轴丝杠的调节，用来改变装配在曲轴下半部轴柱上的摆动圆盘构件的摆动幅度。
位于支架圆盘和摆动圆盘之间的各构件的运动关系是实现变速的关键。由于支架圆盘固定不动，当螺线圆盘也不进行调节时，钢球支架组件就固定不动。这时，使摆动圆盘紧靠向支架圆盘，预应力控制在一个稳定的数值，并对支架圆盘和摆动圆盘之间的面间距做刚性限位。钢球支架组件被挤压在两平面之间。以图3中视角作为参照，最上方的钢球槽左侧较深，右侧较浅，最下方的钢球槽左侧较浅，右侧较深，位于左面的钢球槽，下侧较深，上侧较浅，位于右面的钢球槽，上侧较深，下侧较浅，整体呈规律性排列。
假设输入轴顺时针转动(以图3视角作为参照)；当圆盘位于最高点时，摆动圆盘具有向右的瞬时平动最大速度。由于摆动圆盘紧压钢球支架组件，且直接与各钢球发生接触，这时上面的钢球就要被带动向右侧较浅的位置运动，使摆动圆盘与钢球支架之间越压越紧，并瞬间卡死。下部钢球同样也会被摆动圆盘的瞬间速度带向右侧，由于其右侧钢球容槽较深，摆动盘与钢球支架之间变为微压力、甚至无压力状态。随着上部钢球的瞬间卡死，以卡死点为瞬时圆心，以继续向右侧运动的曲轴为动力，摆动圆盘会瞬时逆时针旋转。
当圆盘位于最右侧时，摆动圆盘具有向下的瞬时平动最大速度。由于摆动圆盘紧压钢球支架组件，且直接与各钢球发生接触，这时右侧钢球就要被带动向下侧较浅的位置运动，使摆动圆盘与钢球支架之间越压越紧，并瞬间卡死。左侧钢球同样也会被摆动圆盘的瞬间速度带向下侧，由于其下侧钢球容槽较深，摆动盘与钢球支架之间变为微压力、甚至无压力状态。随着右侧钢球的瞬间卡死，以卡死点为瞬时圆心，以继续向下侧运动的曲轴为动力，摆动圆盘会瞬时逆时针旋转。
当圆盘位于最低点时，摆动圆盘具有向左的瞬时平动最大速度。由于摆动圆盘紧压钢球支架组件，且直接与各钢球发生接触，这时下面的钢球就要被带动向左侧较浅的位置运动，使摆动圆盘与钢球支架之间越压越紧，并瞬间卡死。上部钢球同样也会被摆动圆盘的瞬间速度带向左侧，由于其左侧钢球容槽较深，摆动盘与钢球支架之间变为微压力、甚至无压力状态。随着下部钢球的瞬间卡死，以卡死点为瞬时圆心，以继续向左侧运动的曲轴为动力，摆动圆盘会瞬时逆时针旋转。
当圆盘位于最左侧时，摆动圆盘具有向上的瞬时平动最大速度。由于摆动圆盘紧压钢球支架组件，且直接与各钢球发生接触，这时左侧钢球就要被带动向上侧较浅的位置运动，使摆动圆盘与钢球支架之间越压越紧，并瞬间卡死。右侧钢球同样也会被摆动圆盘的瞬间速度带向上侧，由于其上侧钢球容槽较深，摆动盘与钢球支架之间变为微压力、甚至无压力状态。随着左侧钢球的瞬间卡死，以卡死点为瞬时圆心，以继续向上侧运动的曲轴为动力，摆动圆盘会瞬时逆时针旋转。
如此周而复始，使摆动圆盘获得不间断的逆时针旋转。
假设输入轴逆时针转动(以图3视角作为参照)；当圆盘位于最高点时，摆动圆盘具有向左的瞬时平动最大速度。由于摆动圆盘紧压钢球支架组件，且直接与各钢球发生接触，这时下面的钢球就要被带动向左侧较浅的位置运动，使摆动圆盘与钢球支架之间越压越紧，并瞬间卡死。上部钢球同样也会被摆动圆盘的瞬间速度带向左侧，由于其左侧钢球容槽较深，摆动盘与钢球支架之间变为微压力、甚至无压力状态。随着下部钢球的瞬间卡死，以卡死点为瞬时圆心，以继续向左侧运动的曲轴为动力，摆动圆盘会瞬时逆时针旋转。
当圆盘位于最左侧时，摆动圆盘具有向下的瞬时平动最大速度。由于摆动圆盘紧压钢球支架组件，且直接与各钢球发生接触，这时右侧钢球就要被带动向下侧较浅的位置运动，使摆动圆盘与钢球支架之间越压越紧，并瞬间卡死。左侧钢球同样也会被摆动圆盘的瞬间速度带向下侧，由于其下侧钢球容槽较深，摆动盘与钢球支架之间变为微压力、甚至无压力状态。随着右侧钢球的瞬间卡死，以卡死点为瞬时圆心，以继续向下侧运动的曲轴为动力，摆动圆盘会瞬时逆时针旋转。
当圆盘位于最低点时，摆动圆盘具有向右的瞬时平动最大速度。由于摆动圆盘紧压钢球支架组件，且直接与各钢球发生接触，这时上面的钢球就要被带动向右侧较浅的位置运动，使摆动圆盘与钢球支架之间越压越紧，并瞬间卡死。下部钢球同样也会被摆动圆盘的瞬间速度带向右侧，由于其右侧钢球容槽较深，摆动盘与钢球支架之间变为微压力、甚至无压力状态。随着上部钢球的瞬间卡死，以卡死点为瞬时圆心，以继续向右侧运动的曲轴为动力，摆动圆盘会瞬时逆时针旋转。
当圆盘位于最右侧时，摆动圆盘具有向上的瞬时平动最大速度。由于摆动圆盘紧压钢球支架组件，且直接与各钢球发生接触，这时左侧钢球就要被带动向上侧较浅的位置运动，使摆动圆盘与钢球支架之间越压越紧，并瞬间卡死。右侧钢球同样也会被摆动圆盘的瞬间速度带向上侧，由于其上侧钢球容槽较深，摆动盘与钢球支架之间变为微压力、甚至无压力状态。随着左侧钢球的瞬间卡死，以卡死点为瞬时圆心，以继续向上侧运动的曲轴为动力，摆动圆盘会瞬时逆时针旋转。
如此周而复始，使摆动圆盘获得不间断的逆时针旋转。但由于这个过程中的转动瞬心距离曲轴较远，会使摆动圆盘获得的逆时针旋转较慢。并由此获得更大的整体的传动比。
综合两种运动情况分析，本机构为逆时针输出机构。
机构的输出轴转向决定于各钢球支架槽深浅的排列顺序。当把各钢球支架槽的深浅方位对换时，该机构将变为顺时针输出机构。这个调整，可在拆卸减速器时完成。
鉴于这个过程与某些单向轴承或某些单向离合器的工作原理有些相似，故本机构取名为离合式无级变速器。离合即指钢球支架与摆动圆盘之间的瞬间卡死与分离。
自初级齿轮盘以后部件均安装在输出轴上。
初级齿轮盘(如图14)与输出轴之间通过轴承连接，即其可与输出轴相对自由转动。初级齿轮盘直径300mm，其上均布四个圆孔，孔径接近曲轴可以达到的最大偏心距。其中靠近齿轮盘端部有轮齿。工作时，摆动盘的四个均布圆柱分别穿进这四个孔中，由于圆孔比摆动盘的输出轴柱大，摆动盘的摆动动作不会引起初级齿轮盘的旋转输出。由摆动圆盘的持续逆时针旋转可得到初级齿轮盘的持续逆时针旋转。但这时的动力还没有输出到输出轴上，还需要经过一个换向机构。
介轮系杆如图16所示，系杆转动筒通过轴承与输出轴相联，使其与输出轴之间可以相对自由转动。系杆上端有孔，用来和介轮轴相联。
介轮轴如图18所示，装配时先将介轮(如图17)空套装入介轮轴中间部分，并在介轮两侧以卡圈作轴向定位。然后将介轮轴的最细轴段插入介轮系杆顶端的孔内，然后以顶丝、销钉等将其与系杆固定为一体。装配位置要求为使介轮轴上部结构的开口与输出轴轴向垂直，并且朝向输出轴旋转方向。例如，在本机构图示情况中，初级齿轮盘的旋转方向为逆时针，因此介轮轴上部开口朝向应为左侧。当改变各钢球支架使得初级齿轮盘的旋转方向为顺时针时，介轮轴上部开口朝向应为右侧。
介轮卡键如图19所示。其后部有一排盲孔，用来放置弹簧。弹簧及卡键一同装入介轮轴顶部的槽内。当介轮在介轮轴上转动时，卡键会在其后部弹簧的推动下，卡进介轮的键槽内，从而使键槽与介轮轴之间无法相对转动。
换向控制销如图20所示，其销体上布有弹珠。销体刚好可以从介轮轴顶部的开槽处进入介轮轴的开槽，并停留在开缝较大处，同时将卡键压向介轮轴开槽的后部，从而使得介轮可以相对介轮轴自由转动。
次级齿轮盘如图21所示。直径300mm，靠近齿轮盘端部有轮齿。齿轮盘中间部位有圆孔，设有键槽。该齿轮盘通过键与输出轴相联，为整个变速器机构的最终输出。
初级齿轮盘、介轮和次级齿轮盘之间为啮合关系。图示中的齿形表现并不严格，实际应用中，只要能够顺利实现啮合，各种齿形都可以使用。
转向控制过程为将转向控制销从机体内向外部拉出，使之不与减速器内部任何构建发生关系，同时介轮卡键卡入介轮的键槽内，使介轮与介轮轴之间无相对运动。这时初级齿轮盘将啮合介轮及次级齿轮盘，并使三者以同样的转速运转。输出轴获得的转速与初级齿轮盘相同，转向与初级齿轮盘相同。
将转向控制销从机体外向内部插入，使之迎着介轮轴撞入介轮轴的开缝内，同时介轮卡键脱离介轮的键槽，使介轮与介轮轴之间可以自由转动。但这时由于转向控制销与机架固定在一起，使得介轮系杆相对于机架亦固定。初级齿轮盘将通过空套的介轮与次级齿轮盘之间传递运动。这时介轮才真正发挥其“介轮”的作用，使得次级齿轮盘的输出转向与初级齿轮盘的转向相反，但两者的转速大小依然相同。
通过以上分析可以看出，转速控制销的控制过程不需要停止变速器的运转就可以进行。并且控制过程中，初级齿轮盘、介轮与次级齿轮盘之间始终啮合，因此不会发生普通齿式离合器的磕齿现象。
具体实施方式
本发明机构只提供了关键机构理论方面的实现方法，涉及实用的具体机械结构还需要作进一步设计。
根据实用中对调速范围的需要，可以选择次级调速机构和换向机构的省略。这时，如需改变变速器的输出轴转向，可以通过调整钢球支架的方向来实现。变速器的变速范围也由确定的曲轴形状确定下来。不过在最初设计时，仍然可以根据实际使用情况设计合适的曲轴。
采用简略型设计时，唯一需要控制的就是螺线圆盘的旋转，由于控制部分靠近减速机壳体外部，设计控制方式时也非常方便。
调整螺旋线的半径变换速率，可以改变螺线圆盘旋转角度与本机总减速比变化之间的比例关系，从而得到更细腻、更精确的传动比调节性能。
权利要求
1.变速比大，且设有两级调节装置，使变速比可调节范围大，适应性好。
2.输出轴转向完全由内部零部件装配决定，与输入轴转向无关。本发明既非正号机构，也非负号机构，可适应往复式动力输入，单转向动力输出的应用场合。
3.因本身自带换向机构，可适应联接发动机等本身无法换向的动力源。
4.转向切换采用介轮跟踪方式，换向过程没有轮齿啮入或啮出，避免了磕齿现象。可以适应动态切换输出轴转向。
5.不进行任何变速调节情况下，输入轴的转速不变，但转向不同时，变速器的输出为转向相同但转速不同。即已经拥有两种传动比。
6.当应用场合对减速器的调节性能要求不是很高时，可以省略次级调速机构及转向控制机构，从而减小体积，降低制造成本，简化结构。
7.无论次级调速机构及转向控制机构是否被省略，都可以通过改变内部零部件的装配方向来重新定义机器的原始输出轴转向。
8.螺线圆盘、支撑圆盘、钢球支架、曲轴、摆动圆盘之间的运动与调节关系及其实现方案为本发明的关键核心技术。
9.介轮跟踪切换转向的机构设计实际上可以认为是一种新式的换向离合器。该机构亦为本发明独创。
全文摘要
本发明“离合式无级变速器”属于机械传动领域，无级变速技术。主要用以解决普通无级变速器由摩擦带来的预应力大、发热量高、寿命短、效率低、对设计材料要求苛刻等一系列问题。本机构由钢球及楔槽结构实现传动，变速过程不依靠流体、摩擦、电力调速等手段。本发明输入轴与输出轴同轴设计，设有外部旋转圆盘装置，通过圆盘的旋转可以使变速器获得连续的传动比。本发明另设有变速带调节装置，通过该装置的调节，可以获得合适范围的连续可变传动比带。本发明无论输入转速为正或负，中间机构都将具有同转向输出。本发明设有转向切换装置，该装置可视需要与否选择设计，控制方案设计为销式插入机构。本发明可广泛用于各种无级变速领域。
文档编号F16H37/00GK1900556SQ20061009093
公开日2007年1月24日 申请日期2006年7月4日 优先权日2006年7月4日
发明者穆树亮 申请人:穆树亮