专利名称：行星齿轮无级变速器的制作方法
技术领域：
本发明是行星齿轮机构组合的机械式行无级变速器。该变速器充分利用行星齿轮机构的两个自由度，根据输入功率和负荷的变化主动无级变速，适用于车辆和机床的动力传动。
背景技术：
现有的行星齿轮变速机构，总是要制动机构的三个基本元件中的一个，或使其运动受一定的约束，让机构只有一个自由度，以一定的传动比传递动力，结果只能做到有级变速。为了实现无级变速，要与液力变矩器配备使用，这样使得结构复杂、生产成本高、传动效率低。现有的电控机械式无级变速器，虽然传动效率稍有提高，但也需要各种传感器才能实现变速，生产成本也比较高。
发明内容
为了克服现有的自动无级变速器结构复杂、生产成本高、传动效率低的缺陷，本发明提供了行星齿轮机构组合的机械式无级变速器。该变速器充分利用行星齿轮机构的两个自由度，能够根据输入功率和负荷的变化主动无级变速。
一、行星齿轮变速机构的运动规律行星齿轮机构由太阳轮、齿圈和装有行星齿轮的行星架三个基本元件组成。有单行星排和双行星排两种基本形式。
1、单行星排单行星排齿轮机构如图1所示，齿圈制有内齿，行星齿轮通过轮轴支撑在行星架上，太阳轮位于中心，所有行星齿轮在与太阳轮外啮合的同时与齿圈内啮合。设太阳轮、齿圈和行星架的转速分别为n1、n2、n3，太阳轮和齿圈的齿数分别为z1、z2，齿圈和太阳轮的齿数比a＝z2/z1，根据力的平衡条件和能量守恒定律可以导出单行星排齿轮机构一般运动规律的特性方程式n1+an2-(a+1)n3＝0 (1-1)2、双行星排双行星排齿轮机构如图2所示，行星架上装有内行星齿轮和外行星齿轮，齿圈制有内齿。内行星轮与太阳轮外啮合的同时与外行星齿轮外啮合；外行星齿轮与齿圈内啮合，太阳轮位于中心。设太阳轮、齿圈和行星架的转速分别为n1、n2、n3，太阳轮和齿圈的齿数分别为z1、z2，齿圈和太阳轮的齿数比a＝z2/z1，根据力的平衡条件和能量守恒定律可以导出单行星排齿轮机构一般运动规律的特性方程式n1-an2+(a-1)n3＝0 (1-2)二、行星齿轮无级变速器根据方程式(1-1)和(1-2)可以看出，行星齿轮机构不管是单行星排还是双行星排，具有两个自由度。在太阳轮、齿圈和行星架这三个基本元件中，给任何一个元件一定的转速，另两个元件的转速可以连续变化；如果给两个元件一定的转速，那么另一个元件的转速也是一定的；如果同时给两个元件可以连续变化的转速，那么另一个元件的转速也可能是连续变化的，即另一个元件可能实现无级变速。
行星齿轮无级变速器是由两个行星排和传动比控制机构组成。两个行星排以两个自由度传递动力，一个作为主行星排，一个作为副行星排。主行星排的任何两个基本元件分别与副行星排的两个基本元件联接、或制成一体、或啮合，主行星排的另一个元件为主动件，副行星排的另一个元件为从动件，主动件与从动件的转速比就是变速器传动比。传动比控制机构控制变速器的最大传动比和最小传动比，即控制传动比达到最大值时不再增大可以减少，达到最小值时不再减少可以增大。传动比控制方法是在传动比最大值或最小值时，单向制动除主动件和从动件之外的某一个元件，或者限制行星排的某两个元件的转速比范围。
如果不考虑摩擦等损失，根据能量守恒定律，主动件输入的功率和从动件输出是大小相等的，即M主ω主＝M从ω从(2-1)式中M主M从分别为主动件和从动件的转矩，ω主ω从分别为主动件和从动件的角速度。
若以转速代替角速度，则式(2-1)可写成M主n主＝M从n从(2-2)式中n主n从分别为主动件和从动件的转速。
由式(2-2)可得n从＝M主n主/M从(2-3)由式(2-3)可以看出从动件的转速与主动件转速和转矩的乘积成正比，与从动件的转矩成反比。而主动件转速和转矩的乘积与输入功率相一致，从动件的输出转矩和负荷相一致，即行星齿轮无级变速器能够根据输入功率和负荷的变化主动地无级变速。
特别注意的是设计变速器的传动比必须是可变的，即最大传动比大于最小传动比，不能相等。如果相等的话，变速器只能够以一定的传动比传递动力，没有无级变速功能。例如齿数比相同的两个单行星排或齿数比相同的两个双行星排，任何两组同名元件分别联接或制成一体，另一组同名元件一个作主动件一个作从动件，主动件和从动件的转速总是相同的。
1、单向单制式行星齿轮无级变速器单向单制式行星齿轮无级变速器所采用的技术方案是用一个主行星排和一个副行星排组合以两个自由度单向传递动力，用传动比控制机构控制变速器最大的传动比。主行星排的任意两个元件分别与副行星排的两个元件联接、或制成一体、或啮合，主行星排的另一个元件作为变速器的主动件，副行星排的另一个元件作为变速器的输出件，主动件与输出件的转速比就是变速器的传动比；传动比控制机构在主动件按工作方向转动的情况下控制变速器的传动比达到最大值时不再增大可以减小。
转动比控制方法有3种(1)、用单向离合器单向锁止除主动件和从动件以外的某一元件；(2)、用单向离合器控制行星排某一个元件的转速不能超越另一元件；(3)、用一个控制转动比的行星排，该行星排的某两个元件分别与主行星排或副行星排的两个元件联接或制成一体，单向锁止该行星排的第三个元件。
不管采取怎样的方法，都必须保证变速器的传动比是可变的，控制从动件在主动件按工作方向转动时只能单向转动。
单向单制式行星齿轮无级变速器的有效益是主动件正转时，输出件跟着正转，根据输入动力和负荷的变化主动无级变速；在主动件静止的情况下，输出件同样可以正转；主动件反转时，变速器空转。非常适用于自行车等脚踏车以及动力不反转的机床。
2、单向双制式行星齿轮无级变速器单向双制式行星齿轮无级变速器所采用的技术方案是用一个主行星排和一个副行星排以两个自由度单转向传递动力，用转速比控制机构控制主动件与从动件的最大转速比和最小转速比，从动件输出的单向动力经过换档机构实现正反转和空档。主行星排的任意两个元件分别与副行星排的两个元件联接、或制成一、或啮合，主行星排的另一个元件为主动件，副行星排的另一个元件为从动件；传动比控制机构控制主动件与从动件的转速比达到最大值时不再增大可以减小，达到最小值时不再减小可以增大；换档机构实现变速器的正反转和空档，可用行星排，也可以用其它齿轮结构。
转速比控制方法有3种(1)、用单向离合器单向制动除主动件和从动件以外的某一元件；
(2)、用单向离合器控制行星排某一个元件的转速不能超越另一元件；(3)、用一个控制转速比的行星排，该行星排的某两个元件分别与主行星排或副行星排的两个元件联接或制成一体，单向制动该行星排的第三个元件。
不管采取怎样的方法，都必须保证最大转速比大于最小转速比，在最大转速比和最小转速比之间，主行星排和副行星排以两个自由度转动。
单向双制式行星齿轮无级变速器的有益效果是结构紧凑、转动可靠、变速范围宽(可根据需要设计)，变速器能够根据输入功率和负荷的变化在最大转速比和最小转速比之间主动无级变速。
3、双向单制式行星齿轮无级变速器双向单制式行星齿轮无级变速器所采用的技术方案是用一个主行星排和一个副行星排以两个自由度传递动力，用两个传动比控制机构分别控制变速器正转与反转的最大传动比。主行星排的任意两个元件分别与副行星排的两个元件联接、或制成一体、或啮合，主行星排的另一个元件作为变速器的主动件，副行星排的另一个元件作为变速器的输出件，主动件与输出件的转速比就是变速器的传动比。一个传动比控制机构控制主动件正转时变速器的最大传动比，主动件反转时不工作；一个传动比控制机构控制主动件反转时变速器的最大传动比，主动件正转时不工作。两个传动比控制机构控制从动件的转向与主动件的转向保持一致。
传动比控制方法有3种(1)、用单向离合器单向制动除主动件和从动件以外的某一元件，用制动器控制用单向离合器的工作时间；(2)、用单向离合器控制行星排某一个元件的转速不能超越另一元件，用离合器控制用单向离合器的工作时间；(3)、用一个控制转动比的行星排，该行星排的某两个元件分别与主行星排或副行星排的两个元件联接或制成一体，用单向离合器单向制动该行星排的第三个元件，用制动器控制单向离合器的工作时间。
不管采取怎样的方法，都必须保证传动比达到最大值时不再增大可以减小，控制从动件的转向主动件转向相一致。
双向单制式行星齿轮无级变速器的有效益是，主动件正转时，输出件跟着正转；主动件反转时，输出件跟着反转，能够根据输入动力和负荷的变化主动无级变速。非常适用可以反转的机床。
4、双向双制式行星齿轮无级变速器双向双制式行星齿轮无级变速器所采用的技术方案是用一个主行星排和一个副行星排以两个自由度传递动力，用两个传动比控制机构分别控制变速器正转与反转的传动比。主行星排的任意两个元件分别与副行星排的两个元件联接、或制成一体、或啮合，主行星排的另一个元件为主动件，副行星排的另一个元件为输出件，主动件与输出件的转速比就是变速器的传动比；一个传动比控制机构控制主动件正转时变速器的最大传动比和最小传动比，即控制传动比达到最大值时不再增大可以减小，达到最小值时不再减小可以增大，主动件反转时不工作；一个传动比控制机构控制主动件反转时变速器的最大传动比和最小传动比，即控制传动比达到最大值时不再增大可以减小，达到最小值时不再减小可以增大，主动件正转时不工作。两个传动比控制机构控制从动件的转向与主动件的转向保持一致。
转动比控制方法有3种(1)、用单向离合器单向制动除主动件和从动件以外的某一元件，用制动器控制用单向离合器的工作时间；(2)、用单向离合器控制某一个元件的转速不能超越另一元件，用离合器控制用单向离合器的工作时间；(3)、用一个控制转动比的行星排，该行星排的某两个元件分别与主行星排或副行星排的两个元件联接或制成一体，用单向离合器单向制动该行星排的第三个元件，用制动器控制单向离合器的工作时间。
不管采取怎样的方法，都必须保证最大转动比大于最小转动比，控制从动件在主动件单向转动时只能单向转动。
单向双制式行星齿轮无级变速器的有益效果是结构紧凑、转动可靠、变速范围宽(可根据需要设计)，变速器能够根据输入功率和负荷的变化在最大转动比大于最小转动比之间主动无级变速；用两个双向双制式行星齿轮无级变速器分别驱动车辆的左右驱动轮，可以代替差速器，并且在一个驱动轮打滑的情况下，另一个驱动轮的变速器会增大转矩输出，跟现有的差速器相比，它不需要锁止机构。
图1是单行星排的结构简图。
图2是双行星排的结构简图。
图3是单向单制式行星齿轮无级变速器的第一个实施例的结构简图。
图4是单向单制式行星齿轮无级变速器的第二个实施例的结构简图。
图5是单向双制式行星齿轮无级变速器的优选实施例的结构简图，指定为说明书摘要附图。
图1中1太阳轮，2齿圈，3行星架，4行星齿轮。
图2中5太阳轮，6齿圈，7行星架，8内行星齿轮，9外行星齿轮．图3中10主行星排太阳轮，11主行星排齿圈，12主行星排行星架，13副行星排太阳轮，14副行星排齿圈，15副行星排行星架，16控制最大传动比的单向离合器．19输入轴，20输出轴。
图4中21主行星排太阳轮，22主行星排齿圈，23主行星排行星架，24副行星排太阳轮，25副行星排齿圈，26副行星排行星架，27控制最大传动比的单向离合器，28输入轴。
图5中34主行星排太阳轮，35主行星排行星架，36主副行星排齿圈，38副行星排太阳轮，40副行星排行星架，42控制最大传动比的单向离合器，43控制最小传动比的单向离合器，44换档行星排太阳轮，45换档行星排齿圈，46换档行星排行星架，47前进档离合器，48倒档制动器，49输入轴，50输出轴。
具体实施方案实现本发明的优选方式是主行星排和副行星排都用单行星排，用主行星排太阳轮作为变速器的主动件，用副行星排的行星架或齿圈作为变速器的从动件，两个行星排装配在同一条轴线上。
1、单向单制式行星齿轮无级变速器实现单向单制式行星齿轮无级变速器的优选方式是主行星排和副行星排都用单行星排，用主行星排太阳轮作为变速器的主动件，用副行星排的行星架或齿圈作为变速器的从动件，两个行星排装配在同一条轴线上。
在图3中，主行星排行星架(12)与副行星排行星架(15)制成一体，主行星排齿圈(11)制外齿作为副行星排太阳轮(13)，主行星排太阳轮(10)作为变速器主动件，直接安装变速器输入轴(19)上，副行星排齿圈(14)作为变速器输出件与输出轴(20)连在一起；单向离合器(16)内座圈与行星架制成一体、外座圈与变速器壳体连在一起，单向离合器锁止行星架时，变速器的传动比达到最大值，传动比最大值i大与主行星排的齿数比a主和副行星排的齿数比a副的关系是i大＝a主/a副在图4中，主行星排行星架(23)与副行星排太阳轮(24)制成一体，主行星排齿圈(22)和副行星排齿圈(25)制成一体，主行星排太阳轮(21作为变速器主动件，直接安装在输入轴(28)上，副行星排行星架(26)作为变速器输出件；单向离合器(27)内座圈与齿圈(22)制成一体、外座圈与变速器壳体连在一起，单向离合器(27)锁止齿圈(27)时，变速器的最大传动比i大与比主行星排的齿数比a主和副行星排的齿数比a副的关系是i大＝(a主+1)·(a副+1)图3与图4所示的变速器用于脚踏车时，不要输出轴，输出件上可以制齿安装链条。
2、单向双制式行星齿轮无级变速器实现单向单制式行星齿轮无级变速器的优选方式是主行星排和副行星排都用单行星排，用主行星排太阳轮作为变速器的主动件，用副行星排的行星架作为变速器的从动件，两个行星排装配在同一条轴线上。
在图5中，主行星排行星架(35)与副行星排太阳轮(38)制成一体，主行星排和一个副行星排共用一个齿圈(36)，主行星排太阳轮(34)作为变速器主动件，与输入轴(49)连在一起，副行星排行星架(40)作为从动件；单向离合器(42)内座圈与齿圈(36)制成一体、外座圈与变速器壳体连在一起，单向制动齿圈(36)，控制最大传动比；单向离合器(43)内座圈与输入轴(49)连在一起、外座圈与主行星排行星架(35)连在一起，控制主行星排行星架(35)的转速不能超越输入轴(49)控制最小传动比，。换档行星排太阳轮(44)与从动件制成一体，它与换档行星排行星架(46)之间装有前进档离合器(47)，换档行星排行星架(46)上装有倒档制动器(48)，换档行星排齿圈(45)与变速器的输出轴(50)连成一体。离合器(47)接合时，制动器(48)解除制动，换档行星排作刚体转动，实现前进档，主动件与从动件的转速比就是变速器的传动比；制动器(48)制动换档行星排行星架(46)时，离合器(47)分离，换档行星排齿圈(45)反转，实现倒档，主动件从动件的转速比与换档行星排的齿数比一起限定变速器的传动比；离合器(47)分离的同时，制动器(48)解除制动，变速器空转，实现空档。
该变速器在前进档时的最大传动比i大与比主行星排的齿数比a主和副行星排的齿数比a副的关系是i大＝(a主+1)·(a副+1)，最小传动比等于1。在倒档时的最大传动比i大与比主行星排的齿数比a主和副行星排的齿数比a副行星排的齿数比a副的关系是i大＝(a主+1)·(a副+1)·a副．的最小传动比等于a副。
如果该变速器的传动比不够大，可以用一个控制传动比的行星排与主行星排共用太阳轮和行星架，单向制动该行星排的齿圈控制变速器的最大传动比。要求该行星排齿圈制动时，主行星排的齿圈反转，副行星排的行星架正转。也可以用一个控制传动比的行星排控制最小传动比，实现超速档。
3、双向单制式行星齿轮无级变速器实现双向单制式行星齿轮无级变速器的优选方式是主行星排和副行星排都用单行星排，用主行星排太阳轮作为变速器的主动件，用副行星排的行星架作为变速器的输出件，两个行星排装配在同一条轴线上。例如用主行星排太阳轮作为变速器的主动件与输入轴连在一起，主行星排行星架与副行星排太阳轮制成一体，主行星排和一个副行星排共用一个齿圈，用副行星排的行星架作为变速器的输出件。齿圈同时作为两个锁止方向相反的单向离合器的内座圈，两个单向离合器的外座圈分别由制动器两个制动器控制，即主动件正转时制动锁止反转方向的单向离合器，反转时制动锁止正转方向的单向离合器。锁止齿圈时，变速器的传动比达到最大值。传动比最大值i大与主行星排的齿数比a主和副行星排的齿数比a副的关系是i大＝(a主+1)·(a副+1)4、双向双制式行星齿轮无级变速器实现双向双制式行星齿轮无级变速器的优选方式是主行星排和副行星排都用单行星排，用主行星排太阳轮作为变速器的主动件，用副行星排的行星架作为变速器的输出件，两个行星排装配在同一条轴线上。例如用主行星排太阳轮作为变速器的主动件与输入轴连在一起，主行星排行星架与副行星排太阳轮制成一体，主行星排和一个副行星排共用一个齿圈，用副行星排的行星架作为变速器的输出件。齿圈同时作为两个锁止方向相反的单向离合器的内座圈，两个单向离合器的外座圈分别由两个制动器控制，即主动件正转时制动锁止反转方向的单向离合器，反转时制动锁止正转方向的单向离合器。再用两个单向离合器分别控制主动件正转时与反转世主行星排的行星架的转速不能超越输入轴，这两个单向离合器的外座圈与主行星排行星架连在一起，内座圈分别经过两个离合器与输入轴相连。主动件正转时，正转离合器接合，反转离合器分离；主动件发转时，反转离合器接合，正转离合器分离。锁止齿圈时，变速器的传动比达到最大值。传动比最大值i大与主行星排的齿数比a主和副行星排的齿数比a副的关系是i大＝(a主+1)·(a副+1)该双向双制式行星齿轮无级变速器的最小传动比等于1。
权利要求
1.单向单制式行星齿轮无级变速器。该变速器用两个行星排组合传递动力，实现变速。其特征是；用一个主行星排和一个副行星排以两个自由度单向传递动力，用传动比控制机构控制变速器的最大传动比。主行星排的任意两个元件分别与副行星排的两个元件联接、或制成一体、或啮合，主行星排的另一个元件作为变速器的主动件，副行星排的另一个元件作为变速器的输出件，主动件与输出件的转速比就是变速器的传动比；传动比控制机构在主动件按工作方向转动的情况下，控制变速器的传动比达到最大值时不再增大可以减小。
2.单向双制式行星齿轮无级变速器。该变速器用两个行星排组合传递动力，实现变速。其特征是用一个主行星排和一个副行星排以两个自由度单转向传递动力，用转速比控制机构控制主动件与从动件的最大转速比和最小转速比，从动件输出的单转向动力经过换档机构实现正反转和空档。主行星排的任意两个元件分别与副行星排的两个元件联接、或制成一体、或啮合，主行星排的另一个元件为主动件，副行星排的另一个元件为从动件；传动比控制机构控制主动件与从动件的转速比达到最大值时不再增大可以减小，达到最小值时不再减小可以增大；用换档机构实现变速器的正反转和空档，换档机构可用行星排，也可以用其它齿轮结构。
3.双向单制式行星齿轮无级变速器。该变速器用两个行星排组合传递动力，实现变速。其特征是；用一个主行星排和一个副行星排以两个自由度传递动力，用两个传动比控制机构分别控制变速器正转与反转的最大传动比。主行星排的任意两个元件分别与副行星排的两个元件联接、或制成一体、或啮合，主行星排的另一个元件作为变速器的主动件，副行星排的另一个元件作为变速器的输出件，主动件与输出件的转速比就是变速器的传动比。一个传动比控制机构在主动件正转的情况下控制变速器的传动比达到最大值时不再增大可以减小，主动件反转时不工作；一个传动比控制机构在主动件反转的情况下控制变速器的传动比达到最大值时不再增大可以减小，主动件正转时不工作。两个传动比控制机构控制从动件的转向与主动件的转向相一致。
4.双向双制式行星齿轮无级变速器。该变速器用两个行星排组合传递动力，实现变速。其特征是用一个主行星排和一个副行星排以两个自由度传递动力，用两个传动比控制机构分别控制变速器正转与反转的传动比。主行星排的任意两个元件分别与副行星排的两个元件联接、或制成一体、或啮合，主行星排的另一个元件为主动件，副行星排的另一个元件为输出件，主动件与输出件的转速比就是变速器的传动比。一个传动比控制机构控制主动件正转时变速器的最大传动比和最小传动比，即控制传动比达到最大值时不再增大可以减小，达到最小值时不再减小可以增大，主动件反转时不工作；一个传动比控制机构控制主动件反转时变速器的最大传动比和最小传动比，即控制传动比达到最大值时不再增大可以减小，达到最小值时不再减小可以增大，主动件正转时不工作。两个传动比控制机构控制从动件的转向与主动件的转向相一致。
5.根据权利要求2所示的单向双制式行星齿轮无级变速器。其特征是用一个主行星排和一个副行星排以两个自由度单转向传递动力，用传动比控制机构控制变速器的传动比。主行星排的任意两个元件分别与副行星排的两个元件联接、或制成一体、或啮合，主行星排的另一个元件为主动件，副行星排的另一个元件为输出件，主动件与输出件的转速比就是变速器的传动比；传动比控制机构控制变速器的传动比达到最大值时不再增大可以减小，达到最小值时不再减小可以增大。
全文摘要
行星齿轮机构组合的机械式无级变速器。该变速器是充分利用行星齿轮机构的两个自由度进行无级变速地，主要由两个行星排和传动比控制机构组成。两个行星排以两个自由度传递动力，一个作为主行星排，一个作为副行星排。主行星排的任何两个基本元件分别与副行星排的两个基本元件联接、或制成一体、或啮合，主行星排的另一个元件为主动件，副行星排的另一个元件为从动件。传动比控制机构控制主动件与从动件的最大转速比和最小转速比，即控制转速比达到最大值时不再增大可以减少，达到最小值时不再减少可以增大。该变速器结构紧凑、传动可靠，能够根据输入功率和负荷的变化在转速比最大值和最小值之间主动无级变速。
文档编号F16H3/44GK1959147SQ20061009094
公开日2007年5月9日 申请日期2006年7月5日 优先权日2006年7月5日
发明者徐强国 申请人:徐强国