专利名称：带负荷齿轮变速器的制作方法
这是关于不切断负荷而能齿轮变速的发明，属于机械传动领域。
这是机械传动领域人们一直追逐的目标。能够带负荷变速的电力式的、液力式的以及摩擦式的无级变速的效率通常较低。而齿轮式变速虽然效率高，但用于带负荷变速是困难的。本发明旨在造就一种齿轮变速器，它能够不切断负荷而在功率传递中自动地或手动地改变传动比。
基本的发明构思是，所有的齿轮及齿轮付，都处于确定不变的啮合状态，在变换传动比时，不改变其啮合状态，即变速前与谁啮合的，变速后仍与谁啮合。这就是说，变速器无论怎样变速，每一个齿轮都确定不变地与原先与它相啮合的齿轮啮合。变速只是将动力通入不同的齿轮。而现有的齿轮变速箱，一般都是通过改变某些齿轮的啮合对象来变速的，齿轮因此在变速时有啮入和啮出，为避免牙齿碰撞，而不得不使用离合器、同步器，使机构变得复杂，且难以做到带负荷变速。本发明避免了变速时齿轮的交换，因此避免了齿轮的啮入和啮出，易于简单地做到带负荷变速。
本发明的第一种实现形式，是针对行星式变速器的“制动式变速”。行星式传动总有至少一个齿轮是相对于机壳不转动的，这里称它为固定齿轮。使行星变速器有多个固定齿轮，每个固定齿轮都确定地与一个或几个齿轮保持着啮合，从而代表着变速器的一个相应的传动比。在一般情形下，除一个固定齿轮外，其余固定齿轮都在相对机壳转动，于是唯一不转动的固定齿轮便传递功率，它所代表的传动比成为变速器此时的工作传动比。若释开这个固定齿轮，使之可自由转动，同时制止另一个固定齿轮的转动，则后一个固定齿轮进入工作，变速器的传动比就转换到后一个固定齿轮所代表的传动比上。这种变速是通过对某个齿轮的制动进行的，因此可以叫做“制动式变速”。制动可用制动器或各种止动机构来完成。当所有固定齿轮均被释开而转动时，变速器位于空档。
制动式变速的一个实施例见传动简1。输入轴1上带有偏心，两端分别经轴承2、3支承于壳体4和输出轴5。输出轴5经轴承7、8支承于壳体4，其上同轴地固连着输出齿轮6。输入轴1的偏心段上，经行星轴承9、10支承着11、12、13和14组成的四联行星齿轮，其中行星齿轮14与输出内齿轮6保持啮合，行星齿轮11、12、13分别与固定齿轮(内齿轮)15、16、17保持啮合。固定齿轮15、16、17都是可在壳体内转动的，它们的外颈面，装有制动器18、19、20，分别可制动固定齿轮15、16、17，哪一个固定齿轮被制动时，变速器就以哪个固定齿轮所代表的传动比工作。
本说明书中，以Zx表示标号为x的齿轮的齿数，例如齿轮6齿数即为Z6。由于
图1属于双内啮合的行星机构，它的传动比公式是众知的。若固定齿轮15被制动器18制动不转，而16、17是可自由转动的，则输入轴1与输出轴5的转速之比i15=11-Z15Z14Z11Z6]]>
若放松开15，而令制动器19将固定齿轮16制动不转，则变速器的工作速比就换为i16=11-Z16Z14Z12Z6]]>对于本实施例，齿数的稍许变化，会使变速器有很宽的变速范围。但是很小的传动比则不易做到。
制动式变速的另一个实施例见传动简2。这是工业产品中用得最广的行星传动型式，在中国叫做NGW行星传动。输入轴21经轴承25、26支承在壳体42和输出轴27上。输入轴21上固装着三联太阳齿轮22、23、24，它们分别与行星齿轮30、31、32保持啮合，也分别与另一组齿轮33、34、35保持啮合。30、31、32经轴承套装在行星轴28上，33、34、35则经轴承套装在行星轴29上，这两组行星齿轮对称分布，可绕各自的行星轴自转，也可绕轴21公转。行星齿轮30、33与固定齿轮36保持啮合，行星齿轮34、31与固定齿轮37保持啮合，行星齿轮32、35与固定齿轮38保持啮合。固定齿轮36、37、38都是内齿轮，可在壳体内转动，它们的外颈面装有制动器39、40、41。行星轴28、29固装于输出轴27上，成为转臂。任一固定齿轮被其制动器制动不转，变速器就以它所代表的速比工作。例如当36被制动器39制动不转，而37、38是可自由转动的，则变速器的速比(输入轴21与输出轴27的转速之比)为i36=1+ (Z36)/(Z22)松开36，而将37制动，变速器的速比就变换为
i37=1+ (Z37)/(Z23)依此类推，实现制动式变速。
看过这个实施例后，可以更明确地归纳“制动式变速”的原理如下至少具有固定齿轮和行星齿轮的行星变速器，若设有K个可转动的固定齿轮，以及与每个固定齿轮确定地啮合的K套行星齿轮，那么变速器就可以有K个速比。制止住某个固定齿轮的相对机壳的转动，变速器就以该个固定齿轮所形成的速比工作。制动对象从一个固定齿轮换到另一个固定齿轮时，变速器的速比就随之做相应的变换。
图1所示的NN式传动，行星齿轮可以是多组均匀分布的，相应地偏心轴(行星轴)也相应有同样多个。除NN和NGW外，中国机械工程界所称的WW、N、NW、NGWN等等各式行星传动，都可利用上述原理做成制动式带负荷变速器。
制动式变速器中，未被制动的固定齿轮，比较输入转速，是转动得极慢的，因此相应的制动机构很容易设计，利用公知技术可以不困难地做到。例如将图1中固定齿轮15、16、17的外颈面也做成齿轮形，则可沿径向移动的止动销嵌入哪个固定齿轮的外颈面齿间，哪个固定齿轮就被制动。
本发明的第二种实现形式，是主要用于定轴式变速器的离心摩擦接合式的变速。它的一个实施例见图3。
输入轴43经轴承44、46支承在左机壳77和输出轴47上。47则经轴承45和支承59支承于右壳体78上，75、76是油封，47上固装着输出齿轮60。齿轮56支承于固装在右壳体78上的支承57内，齿轮54支承于齿轮56的凸缘和固装在右壳体的支承55之内。齿轮58支承于齿轮56的另一凸缘和固装在右壳体的支承59之内。齿轮54、56、58、60分别与齿轮64、65、66、67啮合，后4个齿轮固装于轴61上，轴61经轴承62、63支承于左、右机壳上。C形键48的中段可滑移地卧在轴43的键槽内，它的立起的右端被轴套49和档板79握住，因而能拨动轴套49与轴43一起转动，也能拉轴套49沿轴向滑移。轴套49上固装有销50和51，分别伸入离心块52、53的内孔内，当轴43经键48、轴套49、销50、51带动离心块52、53旋转时，离心力的作用使离心块52、53的外颈圆柱面贴紧图3中齿轮58的内颈圆柱面，由摩擦力的作用而带动齿轮58旋转。由于齿轮54、56、58和60的内颈圆柱面是同轴、同内径并排列的，故C型键48可拉动离心块52、53沿轴向滑移，移至哪个齿轮的内颈圆柱面，就由离心力产生的摩擦力带动哪个齿轮一起旋转。移至齿轮54内，54旋转并经齿轮64、轴61、齿轮67、齿轮60带动输出轴旋转，此时变速器的速比(输入轴43与输出轴47的转速之比)等于i54= (Z64)/(Z54) · (Z60)/(Z67)离心块移至齿轮56内，则变速器的速比i56= (Z65)/(Z56) · (Z60)/(Z67)离心块在齿轮58内(图3中位置)，速比为i58= (Z66)/(Z58) · (Z60)/(Z67)
离心块在齿轮58内(图3中位置)，速比为离心块移至齿轮60之内，输入轴经离心块的摩擦力直接带动输出轴旋转，变速器的速比i60＝1由于离心块在齿轮内颈面上平滑移动，与齿轮的接合是靠摩擦力，因此变速器可以带负荷平滑而方便地变速。
若与齿轮(例如54)并排地放一个可自由转动的滑环，则离心块移至这个滑环之内时，就带动滑环空转，与其它齿轮脱离，相当于变速器放在“空档”。可参考图4中的92。
C型键的左端立起并被轴套70、档环71握住，轴承72内圈装于轴套70上，外圈装于轴套73内，并被70、71、73轴向固定。轴套73的一个立臂固装在变速杆74的右端，变速杆74经左机壳77伸出连接变速控制机构(略)，因此，变速杆沿轴向左拉或右推时，就经73、72、70、48、49、50、51带动离心块52、53轴向滑移，进行变速换档。
弹簧68、69意在减轻起动冲击，或增加一点正压力给离心块。对于车辆变速器，这样的弹簧可很弱或不要，则发动机低速时离心块无法建立正压力(离心力)，变速器自动处于空档状态，而发动机升速就会使车辆柔和地起步。图3这种离心摩擦接合式的变速器，由于齿轮间是外啮合，离心机构需要较大的径向尺寸，因而变速器的径向尺寸会比较大。当然，可以使用多个52、53那样的离心块，均匀分布，造成较大的摩擦正压力，不过重量也会增加。
在图3中，支承55、57及59都是固装于机壳78内的轴承座，这些轴承座内可套装相应的滚动轴承或滑动轴承，再经这些轴承去支承相应的齿轮54、56、58、60，不过，这些众知的技术细节，图3中未予画出。
离心摩擦接合式变速的另一个实施例，是内啮合齿转变速，它的径向尺寸会比外啮合式的小。原理请参见图4、图5和图6。
图4中，齿轮83、85是塔形齿轮，都是由一个内齿轮和一个直径较小的外齿轮同轴地一体相连构成的。86、87、88则都是中间齿环，它们的环的外颈面上有一个外齿轮，内圆柱面上则有一个内齿轮。塔形齿轮与中间齿环的内、外啮合，是本型变速器的一个特点。外齿环84经环形支承96a支承于壳体96，84与中间齿环86的内齿轮啮合;中间齿环86经半环形支承89支承于壳体96，86的外齿轮与塔形齿轮83的内齿轮啮合;塔形齿轮83支承于壳体，它的外齿轮与中间齿环87的内齿轮啮合;中间齿环87经半环形支承90支承于壳体，它的外齿轮与塔形齿轮85的内齿轮啮合;塔形齿轮85支承于壳体，它的外齿轮与中间齿环88的内齿轮啮合;中间齿环88经半环形支承91支承于壳体，它的外齿轮与输出轴连内齿轮82相啮合。带有内齿轮的输出轴82左边直接支承于壳体，右边则经轴承95a支承于壳体。95b是油封。
上面提到的半环形支承89、90、91的结构，可进一步以它们左侧视图来表明。图5是图4中91的左视图，半环的内半径部分支承着中间齿环88外齿轮两旁的双肩部位，半环的外半径部分则支承于壳体，91a剖视出固装于壳体用的螺孔。91b则是滑动轴瓦，使支承与中间齿环间的摩擦系数降低。P+是变速器正转时的齿轮啮合力的指向，P-是反转时的指向，由于这些指向都在半环弧度内，故半环支承在带负荷工作时具有与传统的环形支承(如轴承)同样的稳定性。而变速器在无负荷空转时，齿轮的重力指向垂直向下，指向半环中部，因而同样具有稳定性。就是说，这种半环形支承，对于支承力指向在半环范围内的工作状况，都是有效的。半环形支承可以使结构简化，装配容易，节省有效空间，特别对于内啮合齿轮的支承具有意义。
图4机构的变速原理，与图3机构是相同的。假想线轮廓94表示图3中的离心块52，假想线轮廓93则表示图3中的离心机构轴套49。图4机构中同样有着图3中48、49、50、51、52、53、68、69、79、70、71、72、73、74等构成的离心机构，同样可以有均匀分布的多个离心块，83、84、85、82齿轮的内颈圆柱面同样是同直径，同轴线并排排列的，离心块从82内颈圆柱面起依次向左移动到85、83、84内时，变速器的速比(输入轴80与输出轴82的转速之比)梯次加大，塔形齿轮-中间齿环组对而成的减速级数越多，变速器具有的速比档数越多，最大速比(本例中为离心块在84内时)也越大，因为这种内啮合离心摩擦接合变速器的最大速比是各档速比的乘积。由于齿轮的前后两级齿轮啮合的齿宽在轴向上相重叠，因此允许在一定轴向长度内，变速器的减速级数-速比的档数较多。
对于图3、图4所示的离心摩擦接合式变速，为增加摩擦力以产生足够的传递扭矩，离心块52、53、94等应具一定质量，可用金属材料，而离心块顶部的摩擦表面，则可附着一层高摩擦系数的非金属材料。
图4中顺便说明了前面提到的空档的设置。滑环92套在84内可自由转动，当离心块移到92之内，带动92空转，动力无法输出，变速器置于空档。空档位置通常应与最大速比档位相邻，以符合带负荷(如车辆)起步时变速器比由大到小连续变换的需要。
输入轴80的右端经轴承81支承于输出轴82，它的左端，整个变速器的左端，包括离心块轴向移动的控制机构等等，都已在图3作了说明，对图4机构也是原理相同的，因而略去不画。
传动简6对图4传动机构作了一目了然的说明。左边塔形齿轮的外齿轮83与中间齿环86a的内齿轮啮合，86a的外齿轮则与中间塔形齿轮的内齿轮85a啮合，中间塔形齿轮的外齿轮85b则与中间齿环88a的内齿轮啮合，88a的外齿轮与输出齿轮(输出轴)82a相啮合，中间齿环内、外齿轮的齿宽在轴向上重叠，可使机构的轴向尺寸较小。97是输入诹及齿轮，与左边塔形齿轮的内齿轮83a相啮合。各塔形齿轮支承于机壳，各中间齿环经图5及图4所示的89、90、91那样的半环形支承支承于机壳(图6中略去不画)。图6除了配合图4说明这种传动的基本型式，这样构成的内啮合齿轮减速器，尺寸较小而允许较大输出转矩，内齿轮通常不需齿表面热处理，成本较低，与外啮合定轴齿轮减速器比较，有一定优势。此时各齿轮内颈圆柱面不必是同内径的。
本说明书中提到之各处支承，虽然图面上示出直接支承，但都可使用滚动轴承(除半环形支承外)、滚动体、滑动轴承，来支承。贴靠于壳体内的支承，由于尺寸较大，有可能允许使用低摩擦系数的工程塑料制成的滑动轴承、衬套。
本发明构思是变速时不改变齿轮的啮合对象齿轮，只是把动力通入相应的齿轮，变速时是改变动力通入的对象，使被通入动力的齿轮，成为相应速比的主动齿轮，或传递反作用力的固定齿轮。前述诸实施例，是表述了通入动力的不同方法。图1、图2的制动式变速，是以制动方式将动力通入相应齿轮;图3、图4的离心摩擦接合式变速，是以离心力产生摩擦的方式将动力通入相应的齿轮，例如图7、图8所示的以摩擦圆锥面通入动力的方式，是本发明的第三种实现形式。
示意7中，外齿轮100和102都与内齿轮103啮合。外齿轮99、101分别与外齿轮100、102同轴，又都与外齿轮98啮合。98则与内齿轮103同轴。齿轮99与100之间、101与102之间、98与103之间装有同轴的摩擦圆锥面，如图8所示。带有外圆锥面的齿轮102经键108固装于轴107。轴107上经滑键104装有滑动轴套105，105上可转动地装有齿轮101，齿轮101一体相连有内圆锥面，并可随105一起在滑键104导向下沿轴向滑移。若101沿箭头方向向右滑移，其内锥面与102的外锥面接合，依靠内、外锥面间的摩擦力，齿轮101、102将接合在一起转动，动力即传过去。若101向左移，则内、外锥面脱离，两个齿轮分开，动力传递被切断。保持摩擦锥面的接合以传递足够的扭矩，需要一定的轴向推紧力，这可用弹簧或其它方式做到，属于先有技术，这里不叙述。为了增加这一轴向推紧力，可将齿轮设计成螺旋齿轮，使之在传动啮合时产生轴向力，并设计成这个轴向力的方向是推紧摩擦锥面的，如图8中箭头方向。图7中，若以98为输入齿轮，103为输出齿轮，3个摩擦锥面都分开时，动力无法传递，变速器处于空档;仅101与102间之锥面接合时，变速器的速比(98与103的转速之比)为i= (Z101)/(Z98) · (Z103)/(Z102)若仅99与100间之锥面接合，则速比为i= (Z99)/(Z98) · (Z103)/(Z100)
若仅98与103间之锥面接合，速比为i＝1。若同时有2个或更多锥面结合，则变速器处于制动状态，成为制动器。由于可以在不同的轴向位置上安排齿轮，因此不同速比的齿轮可以放在不同的轴向层面上，使变速器可以有许多速比档数。这种摩擦锥面接合式的变速器可以有多种型式和结构，共同的基本特征是变速不依靠改变齿轮的啮合对象齿轮，而依靠控制齿轮间摩擦锥面的接合和分开。
本发明所叙述的变速器都可以方便地设置倒档(输入与输出反向旋转)，这属于先有技术。值得一提的是，图1、图2所述的制动式变速器，容易取得倒档，例如对于图1的结构，令固定齿轮的齿数少于输出齿轮6的齿数，即构成倒档。
本发明易于构成自动变速器。变速杆(如图3中的74)可被某机构自动地控制，例如输出轴是经螺旋齿轮付啮合输出的，若这螺旋齿轮付的啮合力的轴向分力经某机构推动变速杆(74)，例如轴向力大时推(拉)变速杆(74)向左，变换至较大传动比，轴向力较小时则(因弹簧力)而推变速杆(74)向右，变换至较小传动比，则变速器的速比自动保持与输出扭矩(负荷)大小成正比，形成输入扭矩恒定的恒功率自动变速器。构成自动变速器的方法有多种，基本可用先有技术配合本发明提供的便利予以解决，这里不叙述。
本发明的原理可使齿轮变速器容易地带负荷变速，不会出现换档时的轮齿碰撞。由于是齿轮传动，效率较高。可以在较小体积内拥有较多变速档位，且易自动变速，构成高效率的“准无级齿轮变速器”，适用于车辆、工程机械及工业设备。
权利要求
1.一种使齿轮变速可以带负荷变速的方法，其特征是，变速器中的所有的齿轮和齿轮付，在变速时，都处于确定不变的啮合状态，即每一个齿轮在变速前与哪个齿轮啮合，在变速后仍与原先那个齿轮啮合，变速只是将动力通入构成某一传动比的相应的齿轮，当动力通入不同的这样的齿轮时，变速器即具有不同的速比。
2.一种可带负荷变速的齿轮变速器，至少具有输入轴，不同的齿轮付，输出轴和机壳，其特征是，所有的齿轮和齿轮付，在变速时都处于确定不变的啮合状态，即每个齿轮在变速前与哪个齿轮啮合，在变速后仍与原先那个齿轮啮合，不同的齿轮付构成变速器的不同的传动比，变速只是将动力通入构成某一传动比的相应的齿轮，使被通入动力的齿轮，成为相应速比的作用力的主动齿轮，或成为从机壳传递反作用力的固定齿轮，当动力或机壳的反作用力通入不同的这样的齿轮时，变速器即具有不同的速比。
3.权利要求2所述的变速器，其特征是，它是一种行星变速器，至少具有输入轴、输出轴，行星轴或偏心轴，不少于2个行星齿轮和不少于2个固定齿轮，并且具有制动机构，每个固定齿轮都与相应的行星齿轮构成变速器的一个速比，这些固定齿轮都是可相对于机壳转动的，若某个固定齿轮被制动器或其它止动机构制动而相对于机壳不转动从而能够从机壳传递反作用力，而其它固定齿轮是转动的，变速器就以被制动的固定齿轮所构成的速比工作，制动不同的固定齿轮变速器就改换成不同的速比。
4.权利要求2所述的变速器，其特征是，它是一种定轴传动的齿轮变速器，具有摩擦传动机构，可以将动力通入某个齿轮成为主动齿轮，变速器即以该主动齿轮所构成的速比工作，摩擦传动机构将动力通入不同的齿轮，变速器就改换成相应的不同速比。
5.权利要求4所述的变速器，其特征是，它的摩擦传动机构，是由与动力输入轴一起旋转的轴套、销、离心块组成的离心摩擦机构，这个机构可沿轴向滑动，从而使离心块与不同的同轴线齿轮的内颈圆柱面相接合，使被接合的齿轮得到动力输入轴传来的动力，成为主动齿轮，变速器即以该主动齿轮所构成的速比工作，离心块在离心力作为正压力产生的摩擦力作用下将动力输入不同的主动齿轮，使变速器相应改换成不同的速比。
6.权利要求5所述的变速器，其特征是，构成不同速比的齿轮付是外啮合齿轮付。
7.权利要求5所述的变速器，其特征是，构成不同速比的齿轮付是内啮合齿轮付，由塔形齿轮和中间齿环及可以有的半环形支承构成内啮合齿轮付的梯次啮合，离心块与哪级塔形齿轮的内颈圆柱面接合，变速器即以该塔形齿轮为主动齿轮构成的速比工作，最大速比是各级速比的乘积。
8.权利要求4所述的变速器，其特征是，摩擦传动机构是由内、外圆锥面构成的多个摩擦锥面，每个摩擦锥面与相应齿轮构成变速器的一个速比，哪个摩擦锥面接合(其它摩擦锥面分开)，与其同轴的齿轮即成为主动齿轮，变速器即以该摩擦锥面及其主动齿轮构成之速比工作。
9.权利要求2所述的变速器，其特征是，因具有特定设计齿数的齿轮配合而具有倒档，因所有固定齿轮都被释开转动，或具有可自由转动的滑环而具有变速器的空档。
10.一种齿轮传动机构，其特征是，由塔形齿轮、中间齿环及可以有的半环形支承构成内啮合齿轮传动级，多级这样的内啮合传动的总传动比是各级传动比的乘积。
全文摘要
一种带负荷齿轮变速器，为了避免变速时的齿轮轮齿碰撞，而使用根本避免齿轮交换的方法，变速时每一齿轮的啮合对象齿轮是不变的，变速只是通过将动力通入不同的齿轮来完成，通入动力的方法对行星齿轮变速器而言是制动式的，对定轴齿轮变速器而言是摩擦接合式的，因而变速器不仅具有齿轮传动的高效率，也易于带负荷变速。
文档编号F16H3/74GK1110770SQ93119669
公开日1995年10月25日 申请日期1993年10月30日 优先权日1993年10月30日
发明者郑悦 申请人:李蕴藻, 郑悦