一种自适应变速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无自旋牵引式无级变速器。
背景技术：
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%。
对于牵引式无级变速器而言，主要由变速机构、加载机构与传动机构三大机构组成，实现变速的关键是变速机构。对于变速机构，现在多采用电控方式实现自动变速，工作原理是通过监测负载力信号，整车运动速度、加速度，油门开度等信号反馈给控制器，实现变速控制。可见，电控方式需要复杂的控制电路和监测传感器，成本较高。而在现代机械发展的背景下，对于具有自适应功能的智能机械情有独钟，智能机械是提升现代机械可靠性、高效率、简化控制及结构、降低成本的重要手段，如果可以实现自适应变速，对于无级变速器降低成本、进一步提高经济性，降低机构复杂程度均有推动作用。
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，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；该方案所述的调速单元为同轴类的传动方案，对于一些要求使用平行轴的特殊场合不再试用，需要增加复杂的转换机构才能实现；该方案不能实现对于负载的自适应变速。
结合无自旋牵引式cvt的设计理念，引入自适应变速的设计思路，将两者结合起来，设计出具有自适应变速的无自旋牵引式无级变速器，对于牵引式cvt技术发展将带来新动力。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种自适应变速无自旋牵引式无级变速器，不仅可以消除自旋，提高牵引式无级变速器的效率，还可实现对负载的自适应变速，不用设计复杂的控制方案，可降低机构复杂程度、进一步提高牵引式cvt的经济性。本发明采用以下技术方案实现：
一种自适应变速无自旋牵引式无级变速器，由输入轴、输入加载机构、无自旋输入环盘、中间传动部件、无自旋输出环盘、输出加载机构、输出轴与变速机构组成。所述输入轴与输出轴平行设置，输入轴一端连接输入加载机构，输入加载机构连接无自旋输入环盘；输出轴一端连接输出加载机构，输出加载机构连接无自旋输出环盘；所述中间传动部件包括对称安装的一组内凹滚轮，靠近输入端的为输入滚轮，靠近输出端的为输出滚轮，输入滚轮与输出滚轮中间安装有滚轮转动轴，滚轮转动轴中段设置有限位连接座，滚轮转动轴穿过限位连接座，两端分别与输入滚轮与输出滚轮连接，限位连接座上与滚轮转动轴呈一定夹角的方向设置有螺母安装孔；中间传动部件位于无自旋输入环盘与无自旋输出环盘之间，输入滚轮、输出滚轮分别与无自旋输入环盘、无自旋输出环盘之间牵引接触；所述变速机构包括螺杆、变速螺母，螺杆穿过变速螺母一端，变速螺母安装在滚轮转动轴上限位连接座的螺母安装孔中，以保证变速螺母可以相对滚轮转动轴绕着变速螺母自身轴线转动。
本发明所述方案中，所述无自旋输入环盘与无自旋输出环盘的环盘母线的方程满足：
本发明所述方案中，要完成变速过程，无自旋输入环盘与无自旋输出环盘需要进行轴向的移动，因此，输入加载机构与输出加载机构优选端面凸轮机构或螺旋传动机构，这两种机构加载时一方面能够进行轴向移动，一方面可以实现自适应加载；更进一步，上述方案中所述端面凸轮的凸轮升程应大于无自旋输入环盘与无自旋输出环盘轴向移动的最大值。
为了实现本发明对于输出轴上负载的自适应变速，本发明所述方案中输出轴与变速机构的螺杆之间连接有锥齿轮传动机构，可以将输出轴的扭矩传递至螺杆上，同时变速螺母一端连接有弹簧机构，螺杆对于变速螺母的轴向推力与弹簧机构的弹力构成轴向平衡力。
本发明所述方案中，为了实现大功率传递，在输入端增加一个牵引传动单元，即平行于输入轴方向，对应于输入端位置再设置第二输入轴、第二输入加载机构、第二无自旋输入环盘、第二中间传动部件与第二变速机构，其连接关系与接触关系同上述方案。
本发明所述方案中，为了实现双腔传动，在输入端轴线方向与原有输入端对称的位置再设置一组第二牵引传动单元，即在输入轴上对称位置设置第二输入加载机构、第二无自旋输入环盘、第二中间传动部件与第二变速机构，所述输入加载机构与第二输入加载机构为螺旋传动机构，且螺旋方向相反；同时在输出轴上对称设置第二无自旋输出环盘、第二输出加载机构，所述输出加载机构与第二输出加载机构为螺旋传动机构，且螺旋方向相反；所述第二无自旋输入环盘、第二中间传动部件与第二无自旋输出环盘依次牵引接触，构成第二牵引传动单元。
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，响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。
本发明所述的方案中，所述螺旋传动机构螺旋传动角小于摩擦角。
本发明所述的一种自适应变速无自旋牵引式无级变速器的工作原理是：
（1）传动过程：动力从输入轴输入，经过输入加载机构传递至无自旋输入环盘，无自旋输入环盘与中间传动部件的输入滚轮之间牵引传动，将动力传递至中间传动部件，中间传动部件通过输出滚轮与无自旋输出环盘之间的牵引传动，将动力传递至无自旋输出环盘，再经输出加载机构传递至输出轴，实现动力输出。
（2）变速过程：假定输入扭矩与转速恒定，输出负载发生改变，则通过锥齿轮将扭矩传递至变速机构的螺杆上，螺杆扭矩改变，则给螺母的轴向推力改变，螺杆推力与弹簧机构弹力的平衡状态改变，则螺母在非平衡力的推动下带动中间传动部件沿着螺杆轴向移动，当中间传动部件轴向移动时，无自旋输入环盘与无自旋输出环盘在输入加载机构与输出加载机构的自适应加载下，相应地进行轴向移动，始终保持环盘与滚轮之间的接触状态，当达到新的平衡位置时，输入接触半径与输出接触半径改变，实现变速。
本发明所述的一种自适应变速无自旋牵引式无级变速器的有益效果在于：本发明给出了一种自适应变速无自旋牵引式变速器结构，可以实现无自旋平行轴传动，同时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；给出了双腔输入的方案，可进一步提高传递的扭矩，为大功率无级变速器的发展提供了可行方案和研究思路。
附图说明
图1为本发明所述方案的传动及变速原理图，其中实线为当前接触传动状态，虚线为变速后接触传动状态。
图2为本发明所述方案的一种结构示意图。
图3为本发明所述方案的一种实施例结构示意图。
图4为本发明所述方案的另一种实施例结构示意图。
图5为图4中所述实施例中采用的输出轴的结构示意图。
图6为本发明所述一种大功率传递方案的传动原理示意图。
图7为图6中所述方案的结构示意图。
图8为本发明所述的一种大功率传递方案的另一种实施例结构示意图。
图9为本发明所述的一种双腔传动实施例结构示意图。
附图中，各数字与字母代表的含义如下：
1-输入轴；2-输入加载机构；3-无自旋输入环盘；4-中间传动部件；41-输入滚轮；42-输出滚轮；43-滚轮转动轴；44-限位连接座；5-无自旋输出环盘；6输出加载机构；7-输出轴；8-变速机构；81-螺杆；82-变速螺母；9-齿轮传动机构；10-弹簧机构；11-第二输入轴；12-第二输入加载机构；13-第二无自旋输入环盘；14-第二中间传动部件；15-第二无自旋输出环盘；箭头-变速移动方向；16-第二输出加载机构；18-第二变速机构。
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
本实施例的传动原理如图1所示，动力从输入轴1输入，经过输入加载机构2传递至无自旋输入环盘3，无自旋输入环盘3与中间传动部件4的输入滚轮41之间牵引传动，将动力传递至中间传动部件4，中间传动部件4通过输出滚轮42与无自旋输出环盘5之间的牵引传动，将动力传递至无自旋输出环盘5，再经输出加载机构6传递至输出轴7，实现动力输出；为了实现变速，则中间传动部件4为主动运动部件，限制其沿着垂直于输入轴1轴线的方向移动，同时无自旋输入环盘3与无自旋输出环盘5被动沿着输入轴轴线与输出轴轴线移动，保证牵引接触。
图2为本实施例的详细结构图，主要结构由输入轴1、输入加载机构2、无自旋输入环盘3、中间传动部件4、无自旋输出环盘5、输出加载机构6、输出轴7与变速机构8组成。所述输入轴1与输出轴7平行设置，输入轴1一端连接输入加载机构2，输入加载机构2连接无自旋输入环盘3；输出轴7一端连接输出加载机构6，输出加载机构6连接无自旋输出环盘5；所述中间传动部件4包括对称安装的一组内凹滚轮，靠近输入端的为输入滚轮41，靠近输出端的为输出滚轮41，输入滚轮41与输出滚轮42中间安装有滚轮转动轴43，滚轮转动轴43中段设置有限位连接座44，滚轮转动轴43穿过限位连接座44，两端分别与输入滚轮41与输出滚轮42连接，限位连接座44上与滚轮转动轴43呈一定夹角的方向设置有螺母安装孔；中间传动部件4位于无自旋输入环盘3与无自旋输出环盘5之间，输入滚轮41、输出滚轮42分别与无自旋输入环盘3、无自旋输出环盘5之间牵引接触；所述变速机构8包括螺杆81、变速螺母82，螺杆81穿过变速螺母82一端，变速螺母82安装在滚轮转动轴43上限位连接座44的螺母安装孔中，以保证变速螺母82可以相对滚轮转动轴43绕着变速螺母82自身轴线转动。
本实施例方案中所述无自旋输入环盘3与无自旋输出环盘5的环盘母线的方程满足：
本实施例方案中无自旋输入环盘3与无自旋输出环盘5需要进行轴向的移动，输入加载机构2与输出加载机构6采用端面凸轮机构，且所述端面凸轮的凸轮升程应大于无自旋输入环盘3与无自旋输出环盘5轴向移动的最大值。
实施例二
本实施例如图3所示，一种自适应变速无自旋牵引式无级变速器的主要结构由输入轴1、输入加载机构2、无自旋输入环盘3、中间传动部件4、无自旋输出环盘5、输出加载机构6、输出轴7与变速机构8组成，输入加载机构2与输出加载机构6均采用螺旋传动机构。所述输入轴1与输出轴7平行设置，输入轴1一端连接输入加载机构2，输入加载机构2连接无自旋输入环盘3；输出轴7一端连接输出加载机构6，输出加载机构6连接无自旋输出环盘5；所述中间传动部件4包括对称安装的一组内凹滚轮，靠近输入端的为输入滚轮41，靠近输出端的为输出滚轮41，输入滚轮41与输出滚轮42中间安装有滚轮转动轴43，滚轮转动轴43中段设置有限位连接座44，滚轮转动轴43穿过限位连接座44，两端分别与输入滚轮41与输出滚轮42连接，限位连接座44上与滚轮转动轴43呈一定夹角的方向设置有螺母安装孔；中间传动部件4位于无自旋输入环盘3与无自旋输出环盘5之间，输入滚轮41、输出滚轮42分别与无自旋输入环盘3、无自旋输出环盘5之间牵引接触；所述变速机构8包括螺杆81、变速螺母82，螺杆81穿过变速螺母82一端，变速螺母82安装在滚轮转动轴43上限位连接座44的螺母安装孔中，以保证变速螺母82可以相对滚轮转动轴43绕着变速螺母82自身轴线转动；为了对输出轴7上负载的自适应变速，输出轴7与变速机构8的螺杆81之间连接有锥齿轮传动机构9，本实施例中采用的的锥齿轮传动机构9有三组，构成两级传动，可以将输出轴7的扭矩传递至螺杆81上，同时变速螺母82一端连接有弹簧机构10，螺杆81对于变速螺母82的轴向推力与弹簧机构10的弹力构成轴向平衡力。
本实施例中，无自旋输入环盘3与无自旋输出环盘5的环盘母线的方程满足：
本实施例的工作原理为：（1）传动过程：动力从输入轴1输入，经过输入加载机构2传递至无自旋输入环盘3，无自旋输入环盘3与中间传动部件4的输入滚轮41之间牵引传动，将动力传递至中间传动部件4，中间传动部件4通过输出滚轮42与无自旋输出环盘5之间的牵引传动，将动力传递至无自旋输出环盘5，再经输出加载机构6传递至输出轴7，实现动力输出。（2）变速过程：假定输入扭矩与转速恒定，输出负载发生改变，则通过锥齿轮传动机构9将扭矩传递至变速机构8的螺杆81上，螺杆81扭矩改变，则给变速螺母82的轴向推力改变，螺杆81推力与弹簧机构10弹力的平衡状态改变，则螺母82在非平衡力的推动下带动中间传动部件4沿着螺杆81轴向移动，当中间传动部件4轴向移动时，无自旋输入环盘3与无自旋输出环盘5在输入加载机构2与输出加载机构6的自适应加载下，相应地进行轴向移动，始终保持环盘与滚轮之间的接触状态，当达到新的平衡位置时，输入接触半径与输出接触半径改变，实现变速。
实施例三
本实施例如图4所示，方案中锥齿轮传动机构9采用了一级传动，只有一组锥齿轮，锥齿轮是从输出轴7的左侧连接至变速机构8的螺杆81上，弹簧机构10安装原理输出轴7轴线的一侧；输出轴结构示意如图5所示，为三级阶梯轴，左端穿过无自旋输出环盘5连接锥齿轮机构9，中间段为螺纹传动，与无自旋输出环盘5之间的内螺纹构成输出加载机构6，除了上述结构之外的其他结构均与实施例二相同。
实施例四
本实施例如图6、图7所示，为了实现大功率传递，在输入端增加一个牵引传动单元，即平行于输入轴1方向，对应于输入端位置再设置第二输入轴11、第二输入加载机构12、第二无自旋输入环盘13、第二中间传动部件14与第二变速机构18，其连接关系与接触关系同实施例一。
实施例五
本实施例如图8所示，增加一个牵引传动单元，即平行于输入轴1方向，对应于输入端位置再设置第二输入轴11、第二输入加载机构12、第二无自旋输入环盘13、第二中间传动部件14与第二变速机构18，其连接关系与接触关系同实施例三。
实施例六
本实施例如图9所示，为了实现双腔传动，在输入端轴线方向与原有输入端对称的位置再设置一组第二牵引传动单元，即在输入轴上对称位置设置第二输入加载机构12、第二无自旋输入环盘13与第二中间传动部件14，所述输入加载机构2与第二输入加载机构12为螺旋传动机构，且螺旋方向相反；同时在输出轴7上对称设置第二无自旋输出环盘15、第二输出加载机构16，所述输出加载机构6与第二输出加载机构16为螺旋传动机构，且螺旋方向相反；所述第二无自旋输入环盘13、第二中间传动部件14与第二无自旋输出环盘15依次牵引接触，构成第二牵引传动单元。
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。对这些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。
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