一种自适应变速锥盘滚轮式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，具体为一种自适应变速锥盘滚轮式无自旋牵引式无级变速器。

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；该方案不能实现对于负载的自适应变速。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述技术中的不足，提供一种自适应变速锥盘滚轮式无自旋牵引式无级变速器结构。本发明采用以下技术方案：

一种自适应变速锥盘滚轮式无自旋牵引式无级变速器，由输入轴、输入滚轮、中间传动部件、输出轴、输出滚轮与变速机构组成。所述输入轴与输入滚轮之间设置有端面凸轮加载机构，输出轴与输出滚轮之间设置有端面凸轮加载机构，输入轴与输出轴同轴安装。所述中间传动部件由上下两组对称放置的传动锥盘、旋转芯轴、弧形轨道、变速套筒与变速桁架组成，所述传动锥盘通过轴承分别安装在旋转芯轴上，且在旋转芯轴上轴向位置固定，旋转芯轴一端铰接在机架上的同一点处，该点位于输入轴与输出轴的轴线上，以限制旋转芯轴可以绕着该铰接点旋转，旋转芯轴的另一端连接滑块，滑块安装在弧形轨道内，并通过弧形轨道限制运动轨迹；所述变速套筒分别滑动安装在旋转芯轴中间位置，变速桁架两端分别与上下变速套筒铰接；所述变速机构为丝杠螺母机构，螺母设置在变速桁架中间段，丝杠垂直于变速桁架中间段设置。中间传动部件安装于输入滚轮与输出滚轮之间，具体方式为：输入滚轮与中间传动部件的上下传动锥盘牵引接触，输出滚轮与中间传动部件的上下传动锥盘牵引接触。动力从输入轴输入，通过端面凸轮加载机构传递给输入滚轮，输入滚轮通过牵引传动将动力传递给中间传动部件的两个传动锥盘，两个传动锥盘通过牵引传动将动力传递给输出滚轮，进而通过端面凸轮加载机构输出至输出轴，实现动力输出。

为了实现电控自动变速，在丝杠的一端连接有变速电机，变速电机可以根据工况输出一定扭矩实现变速，变速方式为：当变速电机输出扭矩带动丝杆旋转时，螺母沿着丝杠轴向移动，从而带动变速桁架沿着丝杠轴向移动，变速桁架带着变速套筒沿着丝杠轴向平移，进而在弧形轨道的限制下，变速套筒带动中间传动部件中的旋转芯轴绕着旋转芯轴的铰接点转动，达到使两个传动锥盘同步转动的目的，同时输入端与输出端的端面凸轮加载机构迫使输入滚轮与输出滚轮沿着各自回转轴线移动，以保证输入滚轮、输出滚轮与传动锥盘在新的接触点压紧接触，使得传动锥盘的工作半径改变，无级变速器的传动比也随之改变，实现了变速过程。

为了实现自适应输出负载变速，所述丝杠一端通过齿轮组和输出轴连接，丝杠随着输出轴转动而转动；在所述变速桁架中间段设置有螺母套，螺母转动安装在螺母套中，螺母可以绕着丝杠轴线转动；螺母上连接有弹簧，弹簧的另一端固定在机架上并和丝杠平行放置。变速方式为：当工况稳定时，输出轴施加在丝杠上的扭矩稳定，所以丝杠施加在螺母上的力稳定且与弹簧施加在螺母上的力大小相等，方向相反，此时螺母处于力平衡状态，输出轴带动丝杠转动，丝杠带着螺母空转；当负载发生变化时，输出轴扭矩发生变化，输出轴施加在丝杠上的扭矩随之发生变化，所以丝杠施加在螺母上的力改变，而弹簧施加在螺母上的力没变，此时螺母处于力失衡状态，输出轴带动丝杠转动，螺母就会沿着丝杠轴向移动直至到达新的力平衡点，螺母沿着丝杠轴向移动带动变速桁架沿着丝杠轴向移动，变速桁架带着变速套筒沿着丝杠轴向平移，进而在弧形轨道的限制下，变速套筒带动中间传动部件中的旋转芯轴绕着旋转芯轴的铰接点转动，达到使两个传动锥盘同步转动的目的，同时输入端与输出端的端面凸轮加载机构迫使输入滚轮与输出滚轮沿着各自回转轴线移动，以保证输入滚轮、输出滚轮与传动锥盘在新的接触点压紧接触，使得传动锥盘的工作半径改变，无级变速器的传动比也随之改变，实现了变速过程。

本发明所述方案中，为了保证传动锥盘与输入端滚轮之间的接触正压力，在输入端端面凸轮加载机构前端连接有输入端加载蝶簧，输入端加载蝶簧一端与输入端端面凸轮加载机构连接，另一端与输入轴连接；同理，在输出端端面凸轮加载机构后端连接有输出端加载蝶簧，输出端加载蝶簧一端与输出端端面凸轮加载机构连接，另一端与输出轴连接。

本发明所述方案中，输入轴与输出轴可以互换，即输入端变为输出端，输出端变为输入端，当互换输入输出端时，相应的调速机构也改变，但其连接关系与接触关系同上述方案。

本发明所述方案中，传动锥盘、旋转芯轴、变速套筒和弧形轨道均采用上下对称式分布，变速桁架沿着丝杠轴向移动时，变速桁架同时带着上下两组变速套筒沿着丝杠轴向平移，进而在弧形轨道的限制下，变速套筒带动中间传动部件中的旋转芯轴绕着旋转芯轴的铰接点转动，达到使两个传动锥盘同步转动的目的。

本发明所述的一种自适应锥盘滚轮式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滚轮，输入滚轮通过牵引传动将动力传递给中间传动部件的两个传动锥盘，两个传动锥盘通过牵引传动将动力传递给输出滚轮，进而通过端面凸轮加载机构输出至输出轴，实现动力输出；其中端面凸轮加载机构与加载蝶簧机构共同作用保证锥盘与滚轮之间的接触压力。

（2）变速时：电控自动变速，变速机构中的变速电机带动丝杆旋转，螺母沿着丝杆轴向移动，从而带动桁架平行移动，变速套筒与变速桁架铰接，桁架带着变速套筒沿着丝杠轴向平移，进而在弧形轨道的限制下，变速套筒带动中间传动部件中的旋转芯轴绕着旋转芯轴的铰接点转动，达到使两个传动锥盘同步转动的目的；自适应输出负载变速，输出轴带动丝杠转动，当负载发生变化时，螺母就会沿着丝杠轴向移动，螺母沿着丝杠轴向移动带动变速桁架沿着丝杠轴向移动，变速桁架带着变速套筒沿着丝杠轴向平移，进而在弧形轨道的限制下，变速套筒带动中间传动部件中的旋转芯轴绕着旋转芯轴的铰接点转动，达到使两个传动锥盘同步转动的目的。变速过程中，为了使上下两个传动锥盘同步转动，变速桁架同时控制两个传动锥盘，传动锥盘转动同时输入端与输出端的端面凸轮加载机构迫使输入滚轮与输出滚轮沿着各自回转轴线移动，以保证输入滚轮、输出滚轮与锥盘在新的接触点压紧接触。于是，与输入滚轮、输出滚轮接触的传动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。

本发明所述的一种自适应变速锥盘滚轮式无自旋牵引式无级变速器的有益效果在于：

（1）本发明方案中变速桁架同时控制上下两个传动锥盘，使两个传动锥盘同步转动，保证了牵引传动的准确性和稳定性。

（2）实现无自旋传动：本发明方案中滚轮的回转轴线、传动锥盘的回转轴线和它们的接触平面相交于一点，实现了无自旋。加之传动机构的巧妙设计，采用对称式结构使得输入滚轮、输出滚轮和传动锥盘是动点接触，分散了力的作用点，提高了输入滚轮和输出滚轮的抗疲劳能力，有利于延长机构寿命。

（3）合理的变速机构与加载机构：本发明采用了变速套筒、变速桁架、弧形轨道与螺旋传动的变速机构，机构简单、方便实现，弧形轨道增强了变速的稳定性。此外，本发明采用了端面凸轮加载与碟簧加载两种方式实现轴向加载，保证了传动锥盘与输入、输出滚轮接触点的法向力，这就极大地提高了加载可靠度。

（4）本发明给出了一种自适应变速无自旋牵引式变速器结构，能够根据输出轴负载变化实现自适应变速，不用采用外界动力控制，提高了动力传递效率的同时，提高了经济性。

附图说明

图1为本发明所述的一种自适应变速锥盘滚轮式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自适应变速锥盘滚轮式无自旋牵引式无级变速器进行变速后，新的稳定速比状态。

图3为本发明所述的一种自适应变速锥盘滚轮式无自旋牵引式无级变速器物理模型正视图。

图4为本发明所述的一种自适应变速锥盘滚轮式无自旋牵引式无级变速器物理模型侧视图。

图5为本发明所述的一种自适应变速锥盘滚轮式无自旋牵引式无级变速器物理模型轴测图。

图6为本发明所述的一种自适应变速锥盘滚轮式无自旋牵引式无级变速器电控变速机构侧视图。

图7为本发明所述的一种自适应变速锥盘滚轮式无自旋牵引式无级变速器电控变速机构俯视图。

图8为本发明所述的一种自适应变速锥盘滚轮式无自旋牵引式无级变速器自适应调速变速机构俯视图。

附图中，各数字与字母代表的含义如下：

1-输入轴；2-输入端加载蝶簧； 3-输入端端面凸轮加载机构；4-输入滚轮；5、14-传动锥盘；6、15-变速套筒；7、16-旋转芯轴；8、17-滑块；9、18-弧形轨道；10-输出轴；11-输出端加载蝶簧； 12-输出端端面凸轮加载机构；13-输出滚轮；19-变速桁架；20-变速电机；21-丝杆；22-螺母；23-机架；24-螺母套；25-弹簧；26-小齿轮；27-大齿轮。

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，该自适应变速锥盘滚轮式无自旋牵引式无级变速器由输入轴1、输入滚轮4、中间传动部件、输出轴10、输出滚轮13与变速机构组成。所述输入轴1与输入滚轮4之间设置有端面凸轮加载机构3，输出轴10与输出滚轮13之间设置有端面凸轮加载机构12，输入轴1与输出轴10同轴安装。所述中间传动部件由上下两组对称放置的传动锥盘5和14、旋转芯轴7和16、弧形轨道9和18、变速套筒6和15与变速桁架19组成，所述传动锥盘5、14通过轴承分别安装在旋转芯轴7、16上，且轴向位置固定，旋转芯轴7、16一端铰接在机架23上的同一点处，该点位于输入轴1与输出轴10轴线上，以限制旋转芯轴7、16可以绕着该铰接点旋转；旋转芯轴7、16的另一端分别连接滑块8、17，滑块8、17分别安装在弧形轨道9、18内，并通过弧形轨道9、18限制运动轨迹；所述变速套筒6、15分别滑动安装在旋转芯轴7、16中间位置，变速桁架19两端分别与上下变速套筒6、15铰接；所述变速机构为丝杠螺母机构，螺母22设置在变速桁架19中间段，丝杠21垂直于变速桁架19中间段设置。中间传动部件安装于输入滚轮4与输出滚轮13之间，具体方式为：输入滚轮4与中间传动部件的上下传动锥盘5、14牵引接触，输出滚轮13与中间传动部件的上下传动锥盘5、14牵引接触。动力从输入轴1输入，通过端面凸轮加载机构3传递给输入滚轮4，输入滚轮4通过牵引传动将动力传递给中间传动部件的两个传动锥盘5、14，两个传动锥盘5、14通过牵引传动将动力传递给输出滚轮13，进而通过端面凸轮加载机构12输出至输出轴10，实现动力输出。

如图6和图7所示，为了实现电控自动变速，在丝杠21的一端连接有变速电机20，变速电机20可以根据工况输出一定扭矩实现变速，变速方式为：当变速电机20输出扭矩带动丝杠21旋转时，螺母22沿着丝杠21轴向移动，从而带动变速桁架19沿着丝杠21轴向移动，变速桁架19带着变速套筒6、15沿着丝杠21轴向平移，进而在弧形轨道9、18的限制下，变速套筒6、15带动中间传动部件中的旋转芯轴7、16绕着旋转芯轴的铰接点转动，达到使两个传动锥盘5、14转动的目的，同时输入端与输出端的端面凸轮加载机构3、12迫使输入滚轮4与输出滚轮13沿着各自回转轴线移动，以保证输入滚轮4、输出滚轮13与传动锥盘5、14在新的接触点压紧接触，使得传动锥盘5、14的工作半径改变，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

如图1所示，为本实施例的传动原理图，该自适应变速锥盘滚轮式无自旋牵引式无级变速器由输入轴1、输入滚轮4、中间传动部件、输出轴10、输出滚轮13与变速机构组成。所述输入轴1与输入滚轮4之间设置有端面凸轮加载机构3，输出轴10与输出滚轮13之间设置有端面凸轮加载机构12，输入轴1与输出轴10同轴安装。所述中间传动部件由上下两组对称放置的传动锥盘5和14、旋转芯轴7和16、弧形轨道9和18、变速套筒6和15与变速桁架19组成，所述传动锥盘5、14通过轴承分别安装在旋转芯轴7、16上，且轴向位置固定，旋转芯轴7、16一端铰接在机架23上的同一点处，该点位于输入轴1与输出轴10轴线上，以限制旋转芯轴7、16可以绕着该铰接点旋转；旋转芯轴7、16的另一端分别连接滑块8、17，滑块8、17分别安装在弧形轨道9、18内，并通过弧形轨道9、18限制运动轨迹；所述变速套筒6、15分别滑动安装在旋转芯轴7、16中间位置，变速桁架19两端分别与上下变速套筒6、15铰接。所述变速机构为丝杠螺母机构，螺母22设置在变速桁架19中间段，丝杠21垂直于变速桁架19中间段设置。中间传动部件安装于输入滚轮4与输出滚轮13之间，具体方式为：输入滚轮4与中间传动部件的上下传动锥盘5、14牵引接触，输出滚轮13与中间传动部件的上下传动锥盘5、14牵引接触。动力从输入轴1输入，通过端面凸轮加载机构3传递给输入滚轮4，输入滚轮4通过牵引传动将动力传递给中间传动部件的两个传动锥盘5、14，两个传动锥盘5、14通过牵引传动将动力传递给输出滚轮13，进而通过端面凸轮加载机构12输出至输出轴10，实现动力输出。

如图8所示，为了实现自适应输出负载变速，所述丝杠21一端通过齿轮26、27和输出轴10连接，丝杠21随着输出轴10转动而转动；在所述变速桁架19中间段设置有螺母套24，螺母22转动安装在螺母套24中，螺母22可以绕着丝杠21轴线转动；螺母22上连接有弹簧25，弹簧24的另一端固定在机架23上并和丝杠21平行放置。变速方式为：当工况稳定时，输出轴10施加在丝杠21上的扭矩稳定，所以丝杠21施加在螺母22上的力稳定且与弹簧24施加在螺母22上的力大小相等，方向相反，此时螺母22处于力平衡状态，输出轴10带动丝杠21转动，丝杠21带着螺母22空转；当负载发生变化时，输出轴10扭矩发生变化，输出轴10施加在丝杠21上的扭矩随之发生变化，所以丝杠21施加在螺母22上的力改变，而弹簧24施加在螺母22上的力没变，此时螺母22处于力失衡状态，输出轴10带动丝杠21转动，螺母22就会沿着丝杠21轴向移动直至到达新的力平衡点，螺母22沿着丝杠21轴向移动带动变速桁架19沿着丝杠21轴向移动，变速桁架19带着变速套筒6、15沿着丝杠21轴向平移，进而在弧形轨道9、18的限制下，变速套筒6、15带动中间传动部件中的旋转芯轴7、16绕着旋转芯轴的铰接点转动，达到使两个传动锥盘5、14转动的目的，同时输入端与输出端的端面凸轮加载机构3、12迫使输入滚轮4与输出滚轮13沿着各自回转轴线移动，以保证输入滚轮4、输出滚轮13与传动锥盘5、14在新的接触点压紧接触，使得传动锥盘5、14的工作半径改变，无级变速器的传动比也随之改变，实现了变速过程。

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。