作为物体之间的摩擦表面的可转向单元的制作方法

作为物体之间的摩擦表面的可转向单元的制作方法
【专利摘要】公开了可转向单元，其可通过使用滚动接触件实现摩擦力的幅度和方向的变化，其中所述滚动接触件相对于包含所述可转向单元的表面的角度作为物体的摩擦表面可被控制。这允许物体来调整其通过摩擦传递的力的方向和幅度并且也允许所接收的摩擦力的方向和幅度由接收物体的滚动接触件变化。还公开了所述可转向单元在各种机器上的应用。
【专利说明】作为物体之间的摩擦表面的可转向单元
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及到作为机器上的基本单元的可转向单元。更具体而言，本发明涉及包括可转向单元的表面，其中可转向单元的滚动组件可相对于包括它们的表面成角度，从而允许控制表面相对于另一物体的速度。
【背景技术】
[0002]可通过驱动齿比被驱动的输出齿轮少的输入齿轮来创建可增加转矩并减少RPM的简单传动装置。
[0003]简单标准传动装置利用具有相关齿轮比值的几个固定齿轮组的构造。
[0004]该齿轮组的集合可扩大其中发动机的功率可使用的车辆速度的范围。
[0005]在这些固定齿轮比之间移动需要改变发动机的RPM，所以不可能由标准传动装置以发动机的最经济RPM连续操作。
[0006]为了允许发动机以其最有效的RPM操作，需要具有可被调整到要求的连续的合适齿轮比的传动装置。
[0007]连续可变传动装置(CVT)是可通过最大值和最小值之间的无限数量的有效齿轮比无级变化的传动装置。
[0008]各种形式的CVT已经被开发了并且当今被用于商业用途。然而，各种各样的设计通常会遇到使它们不适合于各种应用的一个或多个实施问题。
[0009]常见的摩擦驱动CVT是可变直径滑轮(VDP)或里夫斯驱动器(Reeves drive)。滑轮之间的距离不变，且皮带的长度也不变。V形皮带滑轮中的一个变窄，从而使其一侧上的皮带跨骑较高，且其它滑轮加宽，从而使在其一侧上的皮带跨骑较低。调整同时可变化有效直径和齿轮比。通过这种类型的CVT，最小直径大于零且最大值被限制为滑轮的直径。
[0010]摩擦驱动器是无级传递功率的最常用方式；然而有限的摩擦接触表面会忽略它们可处理的功率和转矩的量。
[0011]CVT仅提供正齿轮比并因此需要用于反方向的额外机械学和高转矩以以低速率覆盖车辆的典型需求。
[0012]棘轮CVT是另一种形式的CVT ;然而这种类型通常会遇到振动问题。
[0013]另一种形式的CVT是静水力CVT或静水力器，其通常利用具有流体粘度问题的难度的复杂液压/流体系统。
[0014]牵引驱动器或滚动接触件CVT是采用滚动接触件体的无级传动装置的形式。在这些传动装置中，以依赖于圆筒、圆锥体、球体、滚筒和盘形式的主体的滚动摩擦的方式来传动功率。滚动接触件CVT利用通过改变滚动接触件和被驱动旋转表面的中心之间的距离而改变输出力的滚动接触件。转矩在滚动接触件朝向被驱动表面的中心移动时增加。然而，实现该转矩的能力依赖于驱动表面和被驱动表面之间的力的传递，所述转矩可在您接近被驱动表面的中心时按正方比例减小。
[0015]因此，在这些传动装置中，设计具有高转矩的问题，因为你越试图将速度变换为转矩，传动装置传递转矩的能力越差。
[0016]此外，这些传动装置不允许滚动接触件一直到被驱动表面的中心，所以它们仅在最小速度大于零的有限范围内变换功率。
[0017]本发明克服了所有其它传动装置的缺点:无需变化接触表面面积，所以接触表面面积可处理最大转矩量、可转到零速度、没有谐波振动问题并可通过无限数量的有效齿轮比无级变化。

【发明内容】

[0018]根据本发明的一个方面，提供了一种用于机器的可转向单元。可转向单元包括用于插入机器的表面中的环形件；横贯环形件的轮轴；和定位在轮轴上的一个或多个滚动接触件。一个或多个滚动接触件相对机器的表面的角度是可控的。
[0019]在一个实施方案中，一个或多个滚动接触件相对机器的表面的角度通过使轮轴绕环形件的中心旋转而控制。
[0020]在另一个实施方案中，一个或多个滚动接触件关于机器的表面的角度通过使环形件在机器的表面内旋转而控制。
[0021]在再一个实施方案中，一个或多个滚动接触件的圆周表面能够摩擦地接合机器的
另一表面。
[0022]在又再一个实施方案中，可转向单元还包括第二环形件，其被定位在环形件内且可抵靠其内表面滑动，其中轮轴附接到第二环形件的内表面。
[0023]在还另一个实施方案中，一个或多个滚动接触件相对机器的表面的角度可由联动装置、射频装置或电动马达控制。联动装置可以是绳或滑轮。
[0024]在另一个实施方案中，一个或多个滚动接触件由合成橡胶或天然橡胶制成。或者，一个或多个滚动接触件是电磁的。
[0025]在再一个实施方案中，一个或多个滚动接触件选自球体、轮子和圆筒。
[0026]在又再一个实施方案中，两个滚动接触件被同轴定位在轮轴上。
[0027]在一个实施方案中，定位在轮轴上的一个或多个滚动接触件绕轮轴旋转。或者，滚动接触件和轮轴形成一体结构且轮轴绕由环形件形成的平面旋转。
[0028]根据本发明的另一方面，提供了一种表面，其包括如上所述的多个转向单元中的一个。
[0029]根据本发明的再一方面，提供了一种底座，其包括如上所述的两个可转向单元。底座是月牙形状且两个可转向单元被定位在底座的翼上。
[0030]根据本发明的一方面，提供了一种连接系统。连接系统包括:第一部分中空圆筒，其尺寸被设计为容纳第二部分中空圆筒。第一部分中空圆筒的内面向表面包括如上所述的多个可转向单元；且第二部分中空圆筒的外面向表面也包括如上所述的多个可转向单元。当第二部分中空圆筒与第一部分中空圆筒接合时，第一部分中空圆筒的内面向表面上的多个可转向单元摩擦接合第二部分中空圆筒的外面向表面上的多个可转向单元。
[0031]在一个实施方案中，第一部分中空圆筒的内面向表面上的多个可转向单元以一排被定位在内面向表面的圆周的周围。
[0032]在第二实施方案中，第二部分中空圆筒的外面向表面上的多个可转向单元以一排被定位在内面向表面的圆周的周围。
[0033]在第三实施方案中，三排多个可转向单兀被定位在第一部分中空圆筒的内面向表面上。
[0034]在再一个实施方案中，三排多个可转向单元被定位在第二部分中空圆筒的外面向表面上。
[0035]在又再一个实施方案中，部分中空第一圆筒的外面向表面包括如上所述的多个可转向单元。
[0036]根据本发明的一个方面，提供了一种行星轮系统。行星轮系统包括:太阳盘，其包括输出轴；行星架，其包括输入轴；一组一个或多个行星盘，其从行星架接收旋转输入并接合太阳盘以旋转输出轴；和环形件，其环绕太阳盘、行星架和一个或多个行星盘，所述环形件的尺寸被设计为与行星盘的圆周表面相互作用。一个或多个行星盘的至少圆周表面和环形件的向内面向表面包括如上所述的多个可转向单元。
[0037]在另一个实施方案中，太阳盘的表面包括根据多个可转向单元。
[0038]在再一个实施方案中，一个或多个行星盘的多个可转向单元中的滚动接触件的角度可相对环形件上的多个可转向单元中的滚动接触件的角度而独立控制。
[0039]在还再一个实施方案中，一个或多个行星盘的多个可转向单元中的滚动接触件的角度可相对环形件上的多个可转向单元中的滚动接触件的角度和太阳盘的表面上的多个可转向单元中的滚动接触件的角度而独立控制。
[0040]根据本发明的再一个方面，提供了 一种速度修改器。速度修改器包括:如上所述的多个互连的行星轮系统，每个行星轮系统都作为速度修改器中的档位。每个档位都具有速度修改因子且系统中的每个随后档位的输入都与紧接前一档位的输出连接。
[0041]在一个实施方案中，一个行星轮系统的输出轴作为相邻行星轮系统的输入轴。
[0042]在第二实施方案中，紧接前一行星轮系统和随后行星轮系统串行互连，使得太阳盘的紧接前一档位的轴连接到其连接到随后档位的环形轮的正交盘。
[0043]根据本发明的再一个方面，提供了一种连续可变传动装置。连续可变传动装置包括:锚位；功率输入底座，其被配置为响应于机械功率的输入在第一底座方向上移动，并连接到锚位；可滚动表面，其具有可滚动表面可绕其旋转的旋转轴，可滚动表面具有相对于机械功率输入的力方向而连续可变的角度取向；可滚动表面的旋转轴可被取向为大致平行于其中功率输入底座响应于机械功率的输入而移动的第一方向，并连接到锚位；功率输入底座和可滚动表面之间的可转向滚动接触件包括如上所述的可转向单元，可转向滚动接触件具有相对于机械功率输入的力方向而连续可变的角度取向，并连接到所述锚位；功率输出焊盘，其被配置为响应于机械功率的输入而在第一焊盘方向上移动，并连接到锚位。锚位被可旋转地配置为将功率输入之间的机械功率引导到功率输出，而与输入点和输出点是否是可滚动表面、可转向滚动接触件、底座或焊盘无关。
[0044]在一个实施方案中，可转向滚动接触件相对于其机械功率输入的力方向而连续可变的角度取向是连续可变的360度或以上。
[0045]在另一个实施方案中,可滚动表面相对于其机械功率输入的力方向而连续可变的角度取向是连续可变的360度或以上。
[0046]在再一个实施方案中，连续可变传动装置可以串行方式配置，在所述串行方式中，任何紧接前一可转向滚动接触件输出由系列中的下一个可滚动表面或焊盘接收作为输入，且在其中任何紧接前一可滚动表面输出可由系列中的下一个可转向滚动接触件或底座接收作为输出，反之亦然。
[0047]在又再一个实施方案中，具有锚位的接触件包括滚动接触件。
[0048]在还再一个实施方案中，功率输出焊盘和可滚动表面之间的滚动接触件是可转向滚动接触件。
[0049]在另一个实施方案中，功率输入底座、可滚动表面和功率输出焊盘以圆形构造布置，使得可滚动表面具有大致圆环形状。
[0050]在再一个实施方案中，连续可变传动装置还包括链轮齿，其被布置在功率输出焊盘的圆形构造的外部的周围。
[0051]在又再一个实施方案中，功率输入底座和可滚动表面之间的可转向滚动接触件包括多个可转向滚动接触件。
[0052]在还再一个实施方案中，可滚动表面可绕其在功率输出焊盘的锚位内的旋转轴旋转，但被限制在第一方向上移动。
[0053]在另一个实施方案中，可转向滚动接触件包括集成到可滚动表面上的多个可转向轮。
[0054]在再一个实施方案中，具有集成在其上的多个转向轮的可滚动表面被集成作为功率输入底座的一部分。
[0055]根据本发明的另一个方面，一种控制移动部件在机器上的速度的方法。所述方法包括以下步骤:向输入底座提供输入速度；相对于输出底座移动所述输入底座以将速度传递到输出底座，其中接触输出底座的输入底座的表面或接触输入底座的输出底座的表面或两者都包括如上所述的可转向单元；和将输出底座的速度作为功率输出。转向单元的轮子相对输入底座或输出底座或两者的角度控制输出底座的旋转速度。
[0056]在一个实施方案中，相对于输出底座移动输入底座的步骤涉及使输入底座相对输出底座旋转。
【专利附图】

【附图说明】
[0057]通过以下描述和附图，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中:
[0058]图1 (a)示出本发明的可转向单元的一个实施方案，(b)示出本实施方案的俯视图，(C)示出本发明的可转向单元的一个实施方案，(d)示出本实施方案的俯视图；(e)示出本发明的可转向单元的一个实施方案，且(f)示出本实施方案的俯视图；
[0059]图2 (a)示出本发明的可转向单元的一个实施方案，且(b)示出本实施方案的俯视图；
[0060]图3 Ca)示出机器的表面上的本发明的可转向单元的一个实施方案，(b)示出其滚动接触件处于相对于机器的表面的一个角度下的可转向单元的俯视图，且(C)示出其滚动接触件处于相对于机器的表面的另一个角度下的可转向单元的俯视图；
[0061]图4 (a)示出包括根据本发明的一个实施方案的可转向单元的表面；(b)示出两个并列表面的透视图，其中每个表面都具有可转向单元；(C)示出包括可转向单元的表面，其中滚动接触件远离1-轴成45度的角度；(d)示出包括可转向单元的表面，其中滚动接触件角度远离I—轴成90度的角度；且&)示出包括可转向单元的表面，其中滚动接触件角度远离y-轴成135度的角度；
[0062]图5和图6是示出根据本发明的一个实施方案的被施加到底座的速度分量的幅度和方向的变化以导致焊盘相对于底座的平移移动的矢量图；
[0063]图7至图15是根据本发明的实施方案的连续可变传动装置(CVT)的线性构造的各种图不;
[0064]图16至图18是图7至图15的线性CVT区段的圆形构造的图示；
[0065]图19是根据本发明的一个实施方案的为用于自行车而设计的圆形传动系统的图示；
[0066]图20是根据本发明的一个实施方案的连接系统的图示；和
[0067]图21是根据本发明的一个实施方案的行星系统的图示。
【具体实施方式】
[0068]下面的描述仅是实施例方式的实施方案，且不限于用于实施本发明所需的特征的组合。
[0069]本发明涉及一种用于机器的可转向单元。如图1所示，可转向单元(I)包括环形件(2 )、横贯环形件(2 )的轮轴(3 )，和定位在轮轴(3 )上的一个或多个滚动接触件(4 )。
[0070]可转向单元(I)包括环绕环形件(2)的滚动接触件(4)。环形件(2)的高度可改变，例如如图1a和图2a中所示。通常情况下，环形件(2)的高度将等于或大于可转向轮(I)插入其中的机器表面的厚度。在一个实施方案中，滚动接触件(4)相对于机器表面(10)的角度通过绕环形件(2)缠绕绳或线(11)而控制(图3)。在这种情况下，环形件(2)可设置有大于机器表面(10)的厚度的高度，或被定位在机器的表面(10)内，使得环形件(2)的一部分延伸出机器的表面(10)。如图3所示，这种布置允许绳或线(11)绕环形件(2)缠绕。为了防止线或绳(11)沿环形件(2)滑动并一起离开可转向单元(1)，向外延伸的凸缘(5)可有利地设置在环形件(2)的一端或两端(参见图2a和图3)。
[0071]拉动绳或线(11)的一端将使环形件(2)相对于机器表面(10)顺时针旋转。而拉动绳或线(11)的另一端将使环形件(2)相对于机器的表面(10)逆时针旋转。在其中轮轴
(3)的旋转与环形件(2)的旋转直接连接的实施方案中，拉动绳或线(11)将使滚动接触件
(4)相对于机器表面(10)的角度旋转。如下面所描述，控制滚动接触件(4)相对于机器表面(10)的角度可允许物体来调整其通过摩擦传递的力的方向和幅度并且也允许所接收的摩擦力的方向和幅度由接收物体的可滚动表面改变。
[0072]环形件(2)可由任何数量的物质(包括但不限于钛、铝和碳纤维)制成。环形件(2)可由与机器表面(10)相同或相似的物质制成。然而，可能有利的是提供可抵抗热损坏(包括热传递)物质的环形件(2)，因为在操作中，滚动接触件(4)的旋转速度可能会产生大量热量。
[0073]可转向单元(I)的轮轴(3)横贯环形件(2)且通常穿过环形件(2)的中心。在一个实施方案中，轮轴(3)的任一端直接连接到环形件(2)的内表面。在这种特定布置中，如图3b和图3c所示，环形件(2)的旋转会使轮轴(3)直接绕环形件(2)的中心旋转。在可替代的实施方案中，轮轴(3)的任一端连接到设置在由环形件(2)限定的内部空间内的第二环形件(6)的内表面(图2a和图2b)。这种布置允许第二环形件(6)和所连接的轮轴(3)独立于环形件(2 )而旋转。或者，轨道或通道(未示出)可设置在环形件(6 )的内表面上，使得轮轴(3)可自由绕环形件(6)的中心旋转，而环形件(6)保持静止。在这种情况下，可沿轨道提供停止件(诸如凸台或类似件)以将轮轴(3)保留在轨道内的不同位置处。
[0074]滚动接触件(4)设置在轮轴(3)上。在一些实施方案中，诸如图la、图lb、图1e和图1f中所示的那些，单滚动接触件(4)设置在轮轴(3)上。在其它实施方案中，诸如图1c和图1d所示的那些，一个以上滚动接触件(4)可设置在轮轴(3)上。虽然与其一起提供的图示出在轮轴(3)上有最多两个滚动接触件(4)，但是滚动接触件(4)的实际最多数量仅受限于轮轴(3)的纵轴长度和滚动接触件的宽度(4)。
[0075]如图1中所示，滚动接触件(4)的实际形状可以是任何圆形状，诸如但不限于，球形、轮形状或圆筒形，其可绕轮轴(3)以圆形图案旋转。在轮子的情况下，轮子的实际结构可以是固体、半固体或传统的轮辐和轮辋设计。
[0076]滚动接触件(4)的至少圆周表面优选由可传递力(如摩擦)的材料制成,并接合机器的另一表面，包括但不限于，另一滚动接触件(4)的圆周表面。这种摩擦力传递材料的实施例包括但不限于天然橡胶、合成橡胶、天然树脂和合成树脂，和聚合物。在其它应用中，滚动接触件(4)可由摩擦系数低的材料制成。在这种情况下,滚动接触件(4)可通过对滚动接触件(4 )的圆周表面施加压缩力而摩擦接合机器的另一表面。可通过在机器表面的方向上移动可转向单元(I)或通过对固定可转向单元(I)按压机器表面来实现这样的压缩力。在另一个实施方案中，滚动接触件(4 )可被制为电磁的，所以滚动接触件(4 )的旋转速度可由充电滚动接触件(4)和机器的类似充电表面之间的力控制。在这种情况下，摩擦系数低的材料(诸如金属)可优选用于制造滚动接触件(4)。
[0077]在一个实施方案中，滚动接触件(4)与轮轴(3)形成一体结构，使得轮轴(3)绕其纵轴的旋转会使滚动接触件(4)绕相同轴旋转。在这种情况下，需要轮轴(3)和环形件(2)或第二环形件(6)之间的可转动接触件以允许轮轴旋转。在另一个实施方案中，滚动接触件(4)绕轮轴(3 )的纵轴旋转，同时轮轴(3 )沿该轴保持静止。
[0078]为了图示本发明的一个方面，下面的情况下示出用作机器表面(10)和另一个物体之间的摩擦接触的驱动器可转向单元(I)如何变换力的幅度，但不一定变换其方向。
[0079]参考图4，上面所描述的零时刻的可转向单元(I)不动并与图4a中所示的虚拟y轴平行。为了该讨论的目的，术语“右”是指沿正X轴的运动而术语“左”是指沿负X轴的运动。
[0080]可转向单元(I)的滚动接触件(4 )在转弯时对具有可转向单元(I)的表面(10 )接合在其中的物体施加具有X和y分量两者的力。物体通过轮轴(3)对可转向单元(I)和包含可转向单元(I)的表面(10)施加相等和相反的力，从而变化其速度和方向的。
[0081]如果沿X轴传递力被拒绝，则仅传输力的y分量。在这种情况下，力的y分量的幅度和方向与滚动接触件(4)转弯时的量成比例且可转向单元(I)和表面(10 )将仅沿y轴移动。
[0082]如果其中可转向单元(I)的滚动接触件(4)与其本身接合的物体能够在正或负X方向上自由转动、被驱动，则物体将拒绝沿X轴传递力，而提供沿I轴的摩擦。这种类型的物体(20)类似于其轮轴沿y轴对准的本身是另一个可转向单元(I’ )(图4b)。
[0083]当沿该物体(20)移动且滚动接触件(4’)不从y方向上转动时，表面(10)的速度和方向是从可转向单元(I)的滚动接触件(4)预期的那样。
[0084]如图4c中所示，如果可转向单元(I)的滚动接触件(4)从y轴向左转45度，则表面(10)的速度降低，但其沿y轴的方向不变。没有功率损耗，所以任何速度的降低都意味着转矩的成比例增加。
[0085]如图4d中所示，当滚动接触件(4)进一步向y_轴的左边转90度时，则表面(10)和可转向单元(I)将被固定在零速度。
[0086]在滚动接触件(4)甚至进一步向y_轴的左边转135度时，具有可转向单元(I)的表面(10)以与45度转动相同的速度幅度在向后方向(负y )上行进(图4e)。
[0087]使滚动接触件(4)转弯直到成180度角度，具有可转向单元(I)的表面(10)将以原始速度幅度但向后行进。
[0088]通过从O度到180度改变可转向单元(I)的滚动接触件(4)对具有可转向单元(I’)的物体(20)的角度(其也能够旋转)，从100%到0% -100%内连续改变表面(10)的速度是可能的，包括不影响其沿X轴的方向。因为没有功率损耗，所以在速度的绝对值减小时转矩成比例地增加。
[0089]在一个实施方案中，输入速度由被驱动的可转向单元修改且其输出速度由连续被驱动的可转动单元修改。
[0090]图5和图6是被驱动滚动接触件的矢量图,其示出底座102,或包括如上所述的可转向单元的表面，由两个连续的滚动接触件110和112对幅度和方向的速度矢量变化。导致焊盘104或如前面所述d物体相对于底座102在相同方向上移动，但是转矩增加且速度降低。
[0091]在图5中，已经假设了滚动接触件110处于30度取向。然而，这仅仅是为说明目的，相同的分析对于O度和90度之间的任何角度取向的任何倍数都是有效的。
[0092]在对底座102施加力时，底座102开始移动，这意味着滚动接触件件110具有速度矢量122。
[0093]因为滚动接触件110与图6的滚动接触件112滚动接触，所以输入速度矢量122可被分解为两个分量:沿滚动接触件110的旋转轴的速度矢量126和垂直于滚动接触件110的旋转轴的速度矢量127。
[0094]如果忽略损失，则速度矢量126和速度矢量127应矢量相加以等于输入速度矢量122。
[0095]垂直于滚动接触件110的旋转轴的速度矢量分量127由滚动接触件110的旋转“脱离”，且不传递，但平行于滚动接触件110的旋转轴的速度矢量126被传输到图6的滚动接触件112。
[0096]可以看出，如果假设输入速度矢量122的幅度为Q1，则由下式给出速度矢量126的幅度ω2:
[0097]ω2 = CO1Xsin(Ct1)j(S)
[0098]其中α 1是滚动接触件器110对与输入速度矢量122的方向平行的线的角度取向，其在图示的实施例中为30度。[0099]参考图6，可以看出，施加到焊盘104上的锚位中的滚动接触件112的速度矢量126可被分解为两个分量:沿滚动接触件112的旋转轴的速度矢量128，和垂直于滚动接触件112的旋转轴的速度矢量129。
[0100]如果忽略损失，则速度矢量128和速度矢量129矢量应相加以等于速度矢量126。
[0101]垂直于滚动接触件112的旋转轴的速度矢量分量129由滚动接触件112的旋转“脱离”。
[0102]速度矢量分量128 (平行于滚动接触件112的旋转轴)被传输通过滚动接触件112的接触件到达锚位的接触件并到达焊盘104。
[0103]还参考图6，可以看出，如果假设速度矢量126的幅度为ω2，则由下式给出速度矢量128的幅度ω3:
[0104]ω3 = co2Xsin(a2)。(9)
[0105]在所示的实施例中，滚动接触件110 (图5)和可转向轮112 (图6)的角度取向被示为均为30度取向。在这种情况下，输入S变矢量的幅度减小将等于:
[0106]— = sin2(aj = sin2(30)= (0.5)2 = U 2、
Iο
[0107]由于功率守恒定律,这意味着关于输出功率的力分量增加四倍。
[0108]实现转矩增加的能力依赖于滚动接触件之间的最大摩擦力。在一个实施方案中，一起推动滚动接触件的压力增加可创建这样的力。
[0109]实际上通过摩擦传递力的能力与物体之间的稳定接触面积有关。这种方法中的接触面积不变。
[0110]现在将参考图7至图15来描述根据本发明的一个实施方案的线性构造的连续可变传动装置(CVT )的实施例。
[0111]图7是根据本发明的一个实施方案的线性构造的CVT100的操作的图示，其中示出可转向单元的滚动接触件的四个不同角度设置(90度、60度、30度和O度)的操作。
[0112]图7中所示的CVT100包括两个主要元件:包括底座102的“车辆”元件101和“焊盘”元件104。
[0113]焊盘104包括可转向单元106安装在其中的锚位108。
[0114]底座102具有与可转向单元106滚动接触的两对可转向单元110 (参见图8至图15-，一对中仅一个在图1中是可见的)。可转向单元110被配置为使得它们在底座102内的壳体内具有零转弯半径。在这样的布置中，可转向单元优选被定位在底座的翼上。
[0115]底座102可滑动安装到车辆101上，使得底座102可通过对平行于可转向单元106中的滚动接触件的旋转轴的底座施加力而沿车辆101的长度移动。
[0116]焊盘104安装在轮子103上使得焊盘能够在所述焊盘被放置在其上的表面上移动。同样地，车辆101也安装在轮子105上。
[0117]可转向单元110和可转向单元106之间的滚动接触件允许将功率从底座102传输到焊盘104。可转向轮110中的滚动接触件相对于可转向单元106中的滚动接触件的旋转轴的角度确定有多少被施加到底座102的力被传递到焊盘104。
[0118]可转向单元110的滚动接触件相对于可转向单元106的滚动接触件的旋转轴的角度取向可连续变化至少O至90度。如上所述，图7示出CVT100在可转向单元110的滚动接触件的四个不同取向的操作。在每种情况下，力被施加到底座102以便沿车辆101的长度使底座从右移到左。
[0119]在这些取向的第一取向上，可转向单元110的滚动接触件与对底座102施加力的方向成90度角度。即，可转向单元110的滚动接触件的旋转轴平行于可转向单元106的滚动接触件的旋转轴和对底座102施加力的方向。在该构造中，在对底座102施加力时(这将使底座102沿车辆101的长度移动)，因为可转向单元110的滚动接触件与所施加的力对准90度(垂直)并平行于可转向单元106的滚动接触件的旋转轴，所以可转向单元110不会相对于可转向单元106移动。因此，可转向单元106和焊盘104(可转向单元经由锚位108连接到其上)在与底座102的移动相同的方向上移动且移动的量与底座相同。
[0120]在图8和图9中示出90度取向的操作的透视图。
[0121]如在图9中可以看出，在90度取向中，底座102的移动距离107使焊盘104移动相等的距离109。换言之，可转向单元110的滚动接触件相对于施加力的方向的90度取向使焊盘104在与底座102相同的时间量内移动相同的距离，这意味着输入功率的速度分量和力分量等于输出功率的速度分量和力分量(忽略摩擦损失)。
[0122]在第二取向和第三取向中，可转向单元110的滚动接触件与对底座102施加力的方向分别成60度和30度角度。S卩，在这两个构造中，可转向单元110的滚动接触件的旋转轴分别平行于可转向单元106的滚动接触件的旋转轴和对底座102施加力的方向成30度和60度角度。在这些构造中，在对底座102施加力时(这会使底座102沿车辆101的长度移动)，因为可转向单元110的滚动接触件的旋转轴与底座102的移动方向不平行，所以可转向单元Iio的滚动接触件将相对于可转向单元106的滚动接触件旋转和平移,这意味着对底座102施加的力中的仅平行于可转向单元110的滚动接触件的旋转轴的那部分力将被传递通过可转向单元110的滚动接触件和可转向单元106的滚动接触件之间的滚动接触件到达焊盘104。即，施加到底座102的力中的通过可转向单元110的滚动接触件和可转向单元106和滚动接触件之间的滚动接触件传递到焊盘104的力的量可随可转向单元110的滚动接触件的角度取向的变化而改变。
[0123]在图10和图11中示出60度取向的操作的透视图。
[0124]在图12和图13中示出30度方向的操作的透视图。
[0125]可以在图9、图11和图13中清楚地看出，底座102在90度取向移动的距离107导致焊盘104移动的距离109等于底座移动的距离107，而在60度取向上，甚至在30度取向的更大程度上，底座移动的距离107会导致焊盘104移动的距离109较小。换言之，虽然在每种情况下底座102移动了相同的距离107，但是焊盘104移动的距离109对于60度取向和再进一步30度取向会减小。现在焊盘104在相同的时间量内移动的距离越短，则焊盘104的输出速度会降低。然而，由于功率和能量守恒定律，焊盘104输出力成比例增加。
[0126]在第四取向中，可转向单元110的滚动接触件与对底座102施加力的方向成O度角度。即，在第四构造中，可转向单元的滚动接触件的旋转轴110平行于可转向单元106的滚动接触件的旋转轴和对底座102施加力的方向成90度角度。因此，在该构造中，对底座102施加的任何力将使底座移动，而不会将任何力给予焊盘104，这是因为可转向单元110的滚动接触件仅仅沿平行于其旋转轴的可转向单元106的滚动接触件滚动。
[0127]在图14和15中示出O度取向的操作的透视图。[0128]如在图15中可以看出，底座102在O度构造中移动的距离107不会使焊盘104移动。即，施加到底座102的功率不传递到焊盘104。
[0129]在另一个实施方案中，一些上述线CVT可以圆形构造布置以提供圆环形CVT。
[0130]图16示出根据本发明的实施方案的与形成圆形CVT130的图7至图15中所示的线性CVT区段100相同的25个线性CVT区段100的圆形构造。线性CVT区段被构造为使得底座的每个区段都互连以形成固体环且可转向单元110和106的大小被设计为使得可转向单元110的滚动接触件连续不断或几乎连续不断与可转向单元106的滚动接触件滚动接触。以这种方式，可转向单元作为整体形成分段的圆环形可滚动部分。
[0131]图17和图18提供了示出单独区段的细节的放大视图。在所示的实施例中，滚动接触件被布置在30度取向上，但可转向O度和90度之间的任何角度取向的任何倍数(O至1:1的齿轮比)。
[0132]图19是圆形传动系统200的图示,仅为了说明目的,所述圆形传动系统已被设计用于自行车。虽然在自行车传动装置的上下文中描述了这个特定实施例，但是应清楚的是设计的很多概念和方面都很容易适用于需要改变机械功率的传输装置的任何机械系统。
[0133]这个实施例的圆形CVT系统200包括25个线性CVT区段，每个都包括底座区段102、焊盘区段104和可转向单元106。可转向单元106由都具有被固定在平行于可滚动区段的旋转轴的合适位置处的旋转轴的滚动接触件112保留在焊盘区段104中的锚位108中。每个底座区段102都包括一对可转向单元110，其中每个可转向单元都具有滚动接触件，所述滚动接触件在90度取向中取向时会提供1:1的齿轮比。
[0134]25个底座区段连接以形成其中心连接到一对曲柄臂116的固体环形状底座。每个曲柄臂116都具有与其附接的相应踏板118。每个焊盘区段104的外表面都连接到链轮齿120。在自行车上，链轮齿120将通常用于驱动连接到自行车的后轮上的某些类型的齿轮组件的链子以便将功率传递到后轮。
[0135]由可滚动区段106形成的圆环形可滚动部分被保留在焊盘区段104和底座区段102之间的适当位置处。可滚动区段106不会相对于焊盘区段104平移。
[0136]然而，如果滚动接触件被以小于90度取向的任何角度取向而取向，则由于蹬踏踏板118而使由底座区段102形成的底座环的圆形移动将使底座环相对于圆环形可滚动部分在小于1:1关系中进行圆形平移移动。
[0137]S卩，在其中齿轮比小于1:1并大于1:0的小于90度并大于O度取向的任何角度取向上，将需要踏板和底座环的一次以上的转动以产生焊盘区段104的一次旋转。
[0138]因此可转向单元110的滚动接触件的角度取向将改变以便改变传动系统的齿轮比。
[0139]O度的角度取向处于1:0关系，且不产生焊盘区段104的旋转。
[0140]圆形CVT系统200包括转向系统114，其允许可转向单元110的每个滚动接触件同时被转向到相对于由可滚动区段106形成的圆环形可滚动部分的新角度取向。在所示的实施例中，每个可转向轮都安装在每个底座区段的内表面上的悬架上，且每个悬架都具有突出通过底座进入传动系统的中央部分的旋转轮轴。在一个实施方案中，使用绕可转向单元安装在其中的悬架的每个旋转轮轴缠绕的线来实施转向系统114。通过对线施加张力可使旋转轮轴旋转，因此使可转向单元110和滚动接触件的角度转弯。这种类型的转向系统仅仅是可用于本发明的一些实施方案的转向系统的一个实施例。本领域的普通技术人员应理解，有很多潜在的转向机构，包括但不限于，其它形式的联动装置、射频装置或电动马达，这些都可被利用来转向零转弯半径滚动接触件，诸如图19中所示的可转向单元110的滚动接触件。
[0141]在一个实施方案中，上述可转向单元可设置在互连的轴或圆筒的表面上以提供连接系统。特别而言，一个圆筒的外表面可设置有可转向单元，其与设置在第二圆筒的内表面上的对应可转向单元匹配。
[0142]虽然任何数量的可转向单元都可设置在任一表面且以任何图案来设置，但是图20仅用于说明目的示出其中可转向单元(300)以环绕第一圆筒(301)的同心排而设置在第一圆筒(301)的外表面上。在这种布置中，对应同心排的可转向单元(300)设置在第二圆筒(302)的内表面上，使得当第一圆筒(301)与第二圆筒(302)接合时，每个表面的可转向单元(300)的滚动接触件可彼此接触。
[0143]在一些实施方案中，一、二、三、四、五、六、七、八、九、十或它们的倍数个同心排的可转向单兀(300)可被施加到第一圆筒和第二圆筒(301和302)的表面上。此外，一系列圆筒可通过在圆筒(301和302)的内表面和/或外表面上设置可转向单元(300)而彼此互连。例如，以图20的第一圆筒和第二圆筒作为图示，不接合第二圆筒的端部附近的第一圆筒的外表面可包含本发明的可转向单元(300)。同样地，不接合第一圆筒的圆筒的端部附近的第二圆筒(302)也可在圆筒(302)的外表面上设置有可转向单元(300)。
[0144]除了上述修改效果的速度和功率的假设条件之外，这种布置中的可转向单元(300)可用作将两个圆筒锁到一起的机构。在本实施方案中，第一圆筒(301)和第二圆筒(302)的可转向单元(300)的滚动接触件首先对准，使得滚动接触件可彼此在其上自由行进。这将类似于图4a中所示的可转向单元(I)的布置。或者，第一圆筒(301)或第二圆筒(302)上的可转向单元(300)的滚动接触件的角度可固定且其它圆筒上的可转向单元(300 )的滚动接触件可在任何方向上自由旋转以允许圆筒(301、302 )接合。此外，第一圆筒或第二圆筒(301、302)上的一排或多排可转向单元(300)可具有固定的滚动接触件的角度且其它排可自由旋转。以不同构造设置这几排可转向单元可允许或限制圆筒(301、302)沿其纵轴移动，和/或允许或限制圆筒(301、302)相对于彼此旋转移动。
[0145]在一个实施方案中，一旦第一圆筒(301)插入第二圆筒(302)中并与其接合，则第一圆筒(301)的外表面和第二圆筒的内表面(302)上的可转向单元(300)的滚动接触件(I’)(I)在从其开始位置处在相对方向上旋转90度。这种布置类似于如上所述图4d所示的布置。当处于锁定位置时，可防止沿所连接的圆筒301和302的纵轴移动。
[0146]本发明的可转向单元也可应用于行星轮系统中的盘或齿轮的至少一些圆周表面以对输出轴的输出速度提供控制。
[0147]参考图21，典型的行星齿轮系统包括最里面的齿轮，其通常被称为太阳齿轮
(150)或太阳盘。太阳齿轮(150)包括输出输出速度的输出轴(155)。太阳齿轮(150)与围绕其转动的行星齿轮(151)啮合。
[0148]行星齿轮(151)或行星盘可在固定到在与太阳齿轮(150 )相同的旋转轴上旋转的行星架(152)的轮轴上旋转。行星架(152)包括接收输入速度的输入轴(153)。
[0149]最外面的齿轮(通常被称为环形齿轮(154)或环形盘)通常是齿向内的中空环，其也可在与太阳轮(150)相同的旋转轴上旋转。环形齿轮(154)啮合到其内的行星齿轮(151)。
[0150]由于每个行星齿轮(151)都与太阳齿轮(155)和环形件(154)啮合，所以环形件(154)的直径必须是太阳齿轮(150)的直径加上太阳齿轮(150)的每侧上的行星齿轮(151)的直径的总和。
[0151]根据本发明的一个实施方案，行星盘(151)的至少圆周表面设置有上述可转向单元(I)。在一个优选的实施方案中，太阳盘(150)的圆周表面、环形件(154)和轮轴的内面向表面以及行星架(152)的驱动轴中空内圆周表面都包括上述可转向单元。此外，输入轴和输出轴(153和155)的表面可包括可转向单元。
[0152]在操作中，行星架(152)的输入轴(153)由输入速度旋转。该速度通过使行星架
[152]平移行星盘(151)而传输通过行星盘(151)。在大多数情况下，从行星盘(151)下降的杆接合行星架(153)，从而使行星架(153)的平移速度传输到行星盘(151)。
[0153]在这个实施例中，可通过修改环形件(154)上的可转向单元的滚动接触件的角度来实现修改和控制在整个系统中传递的速度量。
[0154]在一些情况下，太阳盘(150)的直径等于输出轴(155)的直径。因此，太阳盘(150)和输出轴(155)可显示为一列，如图21所示。
[0155]很多行星轮系统可互连以产生速度修改器。在这种类型的系统中，每个单独行星轮系统作为速度修改器中的档位。修改器中的每个档位都具有速度修改因子且系统中的每个随后档位的输入都与紧接前一档位的输出连接。换言之，速度修改器的一个档位的输出轴直接连接到系统中的随后档位的输入轴。这种连接可以是将一个档位的输出轴连接到随后档位的输入轴的联接器的形式，或者输出轴可以是随后档位的输入轴。
[0156]在其它实施方案中，太阳盘的速度修改器的一个档位的输出轴可连接到其连接到行星架的随后档位的中空驱动轴的正交盘。
[0157]本发明已经描述了优选实施方案方面。然而，本领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离如本文所述的本发明的范围的情况下，可对其进行一些改变和修改。
【权利要求】
1.一种用于机器的可转向单元，所述可转向单元包括: 用于插入所述机器的表面中的环形件； 横贯所述环形件的轮轴；和 定位在所述轮轴上的一个或多个滚动接触件， 其中所述一个或多个滚动接触件对于所述机器的所述表面的角度是可控的。
2.根据 权利要求1所述的可转向单元，其中，所述一个或多个滚动接触件对于所述机器的所述表面的所述角度通过使所述轮轴绕所述环形件的中心旋转而控制。
3.根据权利要求1所述的可转向单元，其中，所述一个或多个滚动接触件对于所述机器的所述表面的所述角度通过使所述环形件在所述机器的所述表面内旋转而控制。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的可转向单元，其中，所述一个或多个滚动接触件的圆周表面能够摩擦地接合所述机器的另一表面。
5.根据权利要求1所述的可转向单元，还包括第二环形件，所述第二环形件被定位在所述环形件内且能抵靠其内表面滑动，其中所述轮轴附接到所述第二环形件的所述内表面。
6.根据权利要求1所述的可转向单元，其中，所述一个或多个滚动接触件对于所述机器的所述表面的所述角度能由联动装置、射频装置或电动马达控制。
7.根据权利要求6所述的可转向单元，其中，所述联动装置是绳或滑轮。
8.根据权利要求4所述的可转向单元，其中，所述一个或多个滚动接触件由合成橡胶或天然橡胶制成。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的可转向单元，其中，所述一个或多个滚动接触件是电磁的。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的可转向单元，其中，所述一个或多个滚动接触件选自球体、轮子和圆筒。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的可转向单元，其中，所述两个滚动接触件被同轴定位在所述轮轴上。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的可转向单元，其中，定位在所述轮轴上的所述一个或多个滚动接触件绕所述轮轴旋转。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的可转向单元，其中，所述滚动接触件和轮轴形成一体结构且所述轮轴绕由所述环形件形成的平面旋转。
14.一种表面，其包括根据权利要求1至13中任一项所述的可转向单元中的一个或多个。
15.一种底座，包括根据权利要求1至13中任一项所述的两个可转向单元，其中所述底座是月牙形状且所述两个可转向单元被定位在所述底座的翼上。
16.—种连接系统,包括: 第一部分中空圆筒，其尺寸被设计为容纳第二部分中空圆筒，其中所述第一部分中空圆筒的内面向表面包括根据权利要求1至13中任一项所述的多个可转向单元；且其中所述第二部分中空圆筒的外面向表面包括根据权利要求1至13中任一项所述的多个可转向单元，由此，当所述第二部分中空圆筒与所述第一部分中空圆筒接合时，所述第一部分中空圆筒的所述内面向表面上的所述多个可转向单元摩擦接合所述第二部分中空圆筒的所述外面向表面上的所述多个可转向单元。
17.根据权利要求16所述的连接系统，其中，所述第一部分中空圆筒的所述内面向表面上的所述多个可转向单元以一排被定位在所述内面向表面的圆周的周围。
18.根据权利要求16或17所述的连接系统，其中，所述第二部分中空圆筒的所述外面向表面上的所述多个可转向单元以一排被定位在所述内面向表面的圆周的周围。
19.根据权利要求17所述的连接系统，其中，三排所述多个可转向单元被定位在所述第一部分中空圆筒的所述内面向表面上。
20.根据权利要求18或19所述的连接系统，其中，三排所述多个可转向单元被定位在所述第二部分中空圆筒的所述外面向表面上。
21.根据权利要求16至20中任一项所述的连接系统，其中，所述部分中空第一圆筒的所述外面向表面包括根据权利要求1至13中任一项所述的多个可转向单元。
22.一种行星轮系统，包括: 太阳盘，其包括输出轴； 行星架，其包括输入轴； 一组一个或多个行星盘，其从所述行星架接收旋转输入并接合所述太阳盘以旋转所述输出轴；和 环形件，其环绕所述太阳盘、所述行星架和所述一个或多个行星盘，所述环形件的尺寸被设计为与所述行星盘的圆周表面相互作用， 其中所述一个或多个行星盘的至少所述圆周表面和所述环形件的向内面向表面包括根据权利要求1至10中任一项所述的多个可转向单元。
23.根据权利要求22所述的行星轮系统，其中，所述太阳盘的所述表面包括根据权利要求I至13中任一项所述的多个可转向单元。
24.根据权利要求22所述的行星轮系统，其中，所述一个或多个行星盘的所述多个可转向单元中的所述滚动接触件的所述角度能相对所述环形件上的所述多个可转向单元中的所述滚动接触件的所述角度而独立控制。
25.根据权利要求23所述的行星轮系统，其中，所述一个或多个行星盘的所述多个可转向单元中的所述滚动接触件的所述角度能相对所述环形件上的所述多个可转向单元中的所述滚动接触件的所述角度和所述太阳盘的所述表面上的所述多个可转向单元中的所述滚动接触件的所述角度而独立控制。
26.—种速度修改器,包括: 根据权利要求22至25中任一项所述的多个互连的行星轮系统，每个行星轮系统都作为所述速度修改器中的档位，其中每个档位都具有速度修改因子且所述系统中的每个随后档位的输入都与紧接前一档位的输出连接。
27.根据权利要求26所述的速度修改器，其中，一个行星轮系统的所述输出轴作为相邻行星轮系统的所述输入轴。
28.根据权利要求26所述的速度修改器，其中，所述紧接前一行星轮系统和随后行星轮系统串行互连，使得所述太阳盘的所述紧接前一档位的轴连接到其连接到所述随后档位的环形轮的正交盘。
29.—种连续可变传动装置，包括:锚位； 功率输入底座，其被配置为响应于机械功率的输入在第一底座方向上移动，并连接到所述锚位； 可滚动表面，其具有所述可滚动表面能绕其旋转的旋转轴，所述可滚动表面具有相对于机械功率输入的力方向而能连续变化的角度取向；所述可滚动表面的所述旋转轴能被取向为大致平行于其中所述功率输入底座响应于所述机械功率的输入而移动的第一方向，并连接到所述锚位； 所述功率输入底座和所述可滚动表面之间的可转向滚动接触件包括根据权利要求1至13中任一项所述的可转向单元，所述可转向滚动接触件具有相对于机械功率输入的力方向而能连续变化的角度取向，并连接到所述锚位； 功率输出焊盘，其被配置为响应于机械功率的输入而在第一焊盘方向上移动，并连接到所述锚位； 其中所述锚位被能旋转地配置为将功率输入之间的机械功率引导到功率输出，而与输入点和输出点是否是可滚动表面、可转向滚动接触件、底座或焊盘无关。
30.根据权利要求29所述的连续可变传动装置，其中，所述可转向滚动接触件相对于其机械功率输入的力方向而能连续变化的角度取向是能连续变化的360度或以上。
31.根据权利要求29所述的连续可变传动装置，其中，所述可滚动表面相对于其机械功率输入的力方向而能连续变化的角度取向是能连续变化的360度或以上。
32.根据权利要求 29所述的连续可变传动装置能以串行方式配置，在所述串行方式中，任何紧接前一可转向滚动接触件输出由系列中的下一个可滚动表面或焊盘接收作为输入，且在其中任何紧接前一可滚动表面输出能由系列中的下一个可转向滚动接触件或底座接收作为输出，反之亦然。
33.根据权利要求32所述的连续可变传动装置，其中，具有所述锚位的所述接触件包括滚动接触件。
34.根据权利要求33所述的连续可变传动装置，其中，所述功率输出焊盘和所述可滚动表面之间的滚动接触件是可转向滚动接触件。
35.根据权利要求29所述的连续可变传动装置，其中，所述功率输入底座、所述可滚动表面和所述功率输出焊盘以圆形构造布置，使得所述可滚动表面具有大致圆环形状。
36.根据权利要求32所述的连续可变传动装置，其还包括链轮齿，其被布置在所述功率输出焊盘的所述圆形构造的外部的周围。
37.根据权利要求29所述的连续可变传动装置，其中，所述功率输入底座和所述可转向表面之间的所述可转向滚动接触件包括多个可转向滚动接触件。
38.根据权利要求29所述的连续可变传动装置，其中，所述可滚动表面能绕其在所述功率输出焊盘的所述锚位内的旋转轴旋转，但被限制在第一方向上移动。
39.根据权利要求29所述的连续可变传动装置，其中，所述可转向滚动接触件包括集成到所述可滚动表面上的多个可转向轮。
40.根据权利要求39所述的连续可变传动装置，其中，具有集成在其上的所述多个转向轮的可滚动表面被集成作为所述功率输入底座的一部分。
41.一种控制移动部件在机器上的速度的方法，所述方法包括以下步骤:向输入底座提供输入速度； 相对于输出底座移动所述输入底座以将速度传递到所述输出底座，其中接触所述输出底座的所述输入底座的表面或接触所述输入底座的所述输出底座的表面或两者都包括根据权利要求1至13中任一项所述的可转向单元；和将所述输出底座的所述速度作为功率输出， 由此，所述可转向单元的所述轮子对于输入底座或输出底座或两者的所述角度控制所述输出底座的旋转速度。
42.根据权利 要求41所述的方法，其中，相对于所述输出底座移动所述输入底座的所述步骤涉及使所述输入底座对于所述输出底座旋转。
【文档编号】F16H55/32GK103649592SQ201280027442
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2012年5月18日 优先权日:2011年5月18日
【发明者】罗纳德·乔治·沃茨 申请人:罗纳德·乔治·沃茨