专利名称：链轮自动无级变速器的制作方法
技术领域：
本发明是关于链轮传动变速的机械装置。
链轮传动变速是工业机械和民用机械广泛应用的一种常用传动方式(请参见《机械工程手册》第6卷--机械工程手册、电机工程手册编辑委员会，1982年版第33--34页“链传动”)，如自行车、人力三轮车、摩托车等有应用，各种工业机器，工程机械装置上更是广泛地采用，这可称之为古老的传动方式了。但这种传统的传动方式有这样的问题，即只能在固定的变速比率下进行传递动力，需要在连续传动过程中改变变速比率是不可能的(请参见附
图1，图中(1)是主动轮齿轮盘；(2)是轮链；(3)是从动轮(负载轮)齿轮盘)。
现有技术中为了解决这个问题，就是现在流行的变速自行车，比如湖北省枣阳市野马自行车厂生产的“威得豪斯”牌变速自行车畅销国内外，还有各种进口的名牌变速自行车，也只是采用有不同直径的齿轮组合的齿轮组，利用拨链器将轮链分别拨向不同直径的齿轮上，以达到变速的目的(请见附图2，图中(1)是主动轮变速齿轮组；(2)是主动轮拨链器；(3)是轮链；(4)是从动轮齿轮组；(5)是从动轮拨链器；(6)是轮链张紧器)，就是这种相对先进的链轮传动装置，在实际应用中，也有这样的问题，其操作麻烦，可靠性差，往往拨链不到位而造成掉链，拨链过程中不能承载大的负载力，否则难以拨动轮链，这表现在自行车上坡骑行过程中，要想变速只能降低速度，甚至中断行驶，这自然是一个很大的缺陷。
到目前为止，没有任何资料和实物能够证实能够解决这一问题，比如《专利文献通报》；《中国技术成果大全》(中国技术成果大全编辑部，科学技术文献出版社)，这些权威刊物，以及如《世界发明》(中国专利出版社)等有关期刊、杂志都没有介绍过解决这一问题的技术和方法。
本发明的目的是要提供一种全新的链轮自动无级变速装置，它能在传动动力的过程中，自动地随着主动力和负载力的大小，自动(连续)无级地改变链轮传动的变速比率，不用人工操作，不使运行中断，还能减少起动、运行中加(减)速度的动力冲击，使起动、运行变得平稳、连续。
本发明的目的是这样实现的为了方便叙述，以自行车链轮传动为典型示例，首先请看附图3，该图中的外形结构是专为自行车自动无级变速而设计的，该图近似按实际需要比例绘制，图中(1)为内护盘支架(开有数个小孔用以悬挂弹簧)；(2)为空心内外齿悬挂齿轮盘(或俗称牙盘)；(3)为外护盘支架(开有数个小孔用以悬挂弹簧)，(4)为悬挂拉力弹簧(如图分布，其数量根据传动力的大小和弹簧本身的拉伸特性确定)；(5)为内齿轮柱(如图分布，其数量和节园直径根据变速比的要求确定)；(6)为悬挂拉力弹簧(4)的挂孔(该挂孔可以直接钩挂弹簧，也可在孔中固定销钩间接钩挂弹簧)。
考虑到自行车传递动力强度不是很大，所用件应尽可能容易加工、生产，并且重量尽可能轻，图中(1)、(3)护盘支架可用1.0～2mm的钢板一次冲压而成(并可在保证强度的前提下开些窗口，以减轻重量和便于悬挂弹簧)，将(套筒滚子式)内齿轮柱(5)用铆接方式，将内护盘支架(1)和外护盘支架(3)铆接成齿轮辋(整体)，铆接之前先将空心内外齿悬挂齿轮盘(2)放在(1)和(3)之间(因该图是将件(2)的内径设计成小于件(1)的外径，以防止悬挂拉力弹簧(4)意外松弛时，件(2)偏离轮辋而不能与内齿轮柱啮合的可能)，然后利用悬挂拉力弹簧(4)一端钩在(2)的挂孔中，另一端拉紧钩在(1)和(3)的挂孔中(弹簧要对称分布，数量一般3-8对为宜，图中给出48对挂孔，使用4对弹簧示例)，使(2)以较强稳定程度，对称、平衡地处于(如图3所示)的中心平面上，这个组合起来的整体是本发明的主体示例，也就是本发明名称“链轮自动无级变速器”的示例。
下面来看看这个变速器是怎样工作的请看附图4，图中(2)、(4)、(5)就是前图3中介绍的，现在的(5)已与(1)、(3)组合成一个轮辋，为分析方便，用(A)代表该齿轮辋，称它为主动轮(动力轮)，将它固定在自行车中轴右侧(图中未示出，如同固定普通自行车中轴齿轮盘方式一样)与脚踏动力轴连接，图中(6)为轮链；(7)为自行车后飞轮(负载轮)；(8)和(9)组合成轮链张紧器(与市面上已有的普通齿轮组变速车用张紧器相似，但不需要拨链功能)。当主动轮(A)(如图4中箭头方向所示)转动时，当负载轻时，由于弹簧(4)拉的相当紧，所以基本上不再拉伸而近似同步牵动齿轮盘(2)转动。而当开始起步(近似由静止状)骑行或用较大力蹬动加速时，或者骑行较大上坡路时，需用较大力量蹬动时，则如图5所示，这时弹簧(4)已达最大拉伸长度，齿轮盘(2)的内齿与内齿轮柱(5)啮合。齿轮盘(2)的内齿之所以能与内齿轮柱(5)啮合，这是因为当主动轮(A)通过拉力弹簧(4)牵动齿轮盘(2)转动时，轮链是与齿轮盘(2)的外齿轮左上部份相啮合的，在拖动负载轮(7)转动过程中，轮链的拉力反应在齿轮盘(2)上，除了向右的拉力外，还有左上方向右下方的压力F，迫使齿轮盘(2)的中心向右下方(克服弹簧(4)的平衡状态，弹簧轮流不均匀受力)移动，而齿轮盘(2)左上方部份，向主动轮(A)的中心靠近，此时的传动输出力矩的半径，已是主动轮(A)的半径R1(请参见图4中R1、R2、R3即是图5中相应的(A)、(2)的内外节园半径)＋齿轮盘(2)的内外齿节园半径之差(R3－R2)，显然这个两者之和R(R＝R1＋R3－R2)小于齿轮盘(2)的外节园半径R3(R＜R3)，传动速度慢了，但牵引力却加大。
以上所述是两种极端情况，当蹬动力(主动力)与负载力在以上两种情况之间变化时，齿轮盘(2)的中心随两力的变化而变化，而且是连续变化的，所以达到无级变速的目的，由于这种变化是链与轮配合作用的结果，是本装置固有的特性，不用人为另外操作控制，所以本发明称它为“链轮自动无级变速器”，这是本发明的理论依据。
总结以上所述，本发明相当于将现有的固定直径的链轮变速传动的齿轮，分解为连续可变传动半径的具有超越原齿轮作用的新齿轮，更详细地叙述为将一具有固定直径的变速齿轮分解成一个较小直径的齿轮和一个外径不变，而内径小于外径，又大于前述较小齿轮直径的齿轮圈(齿轮盘)，又用多对对称分布的拉力弹簧，将两者同心同平面弹性连接而成的新齿轮，这个新齿轮是，当内小齿轮中心固定不移动(相对齿轮圈而言)，而当齿轮圈外缘部分在轮链拉、压力作用下，可克服弹簧的平衡状态，使齿轮圈中心相对内小齿轮中心，按拉、压力的方向发生偏移的，当轮链拉、压力消失后，又可复归同心的，为了防止弹簧过度拉伸，又在齿轮圈的内侧和在小齿轮的外缘，开有两者可啮合的齿，使其在齿轮圈受到轮链不平衡拉、压力作用时，当弹簧达到最大工作拉伸形变程度时，齿轮圈内侧与所述小齿轮外缘啮合，从而达到保护弹簧，又可传递最大动力作用的，相对内小齿轮中心，齿轮圈外缘传动动力部分的半径，可随轮链拉、压力作用的大小，可连续发生变化的，自动改变变速比率的齿轮装置。
本发明与现有技术相比，最大的优点是使链轮传动由不可能连续变速变为现实，并且可以随主动力和负载力之间的变化而自动变化，从而使传动效果变得平稳、连续，性能更好。
本发明结构简单、可靠，容易实现。
本发明如果应用在自行车上，可使自行车性能提高，使附件减少(相对齿轮组变速自行车而言)，减少人为操作，减少骑车人的体力消耗，使行驶连续，速度加快，骑行更加平稳、舒适。这对我们这个自行车大国而来说，其经济和社会效益是不言而喻的。
本发明如应用在摩托车、汽车和工程机械等装置上(当然这不是件容易的事，不象自行车那样容易实现完全改造)可使有级变速实现自动无级变速(至少可部分实现自动无级变速)，这对提高汽车性能，减少换档操作，特别是大负载爬坡行驶时，更具明显的可连续、平稳行驶的优点，虽然实现起来，目前有些困难，但它具有相当的现实意义和未来意义，由于可减少起动、加速度的动力冲击，使起步、运行更加平稳、连续，潜在着节约能源的作用。
本发明如应用于工业冲、剪、轧、压等机械装置上，替换这些机械装置的非自动变速器，可提高这些机械装置的机械性能。由于这些机械装置大多带有惯性飞轮，这些飞轮惯性大，往往起动困难，这些机械装置大多又是具有频繁冲击的大变化负载，这些机械装置又大多是电力拖动的，起动和负载剧变时，常常会给电网带来不利的影响，如采用本发明装置传动，可使其起动平稳，使负载剧烈冲击变得平滑，加大冲、剪、轧、压力度，提高机械性能，对节约能源也是很有意义的。
本发明的应用范围将是十分广泛的，它几乎渗透到各行各业的机械领域，它将是一件十分有意义的发明。
本发明装置能使机械传动自动实现柔性控制。
本发明装置也可当从动轮使用，此时将具有自动升速或柔性制动作用(按图4的反向分析即可)。
本发明在实际实施中，其悬挂弹簧(4)的性能是至关重要的，它直接决定了变速性能，但通过选择某种(或数种组合)特定拉力的弹簧(请参见《机械工程手册》(机械工程手册、电机工程手册编辑委员会)第五卷机械设计<二>，第30篇第30--3页和第30--28页园柱拉伸螺旋弹簧的设计，设计一个特定拉力的变形量能达到初始值100％的拉力弹簧，这在现有技术上是不成问题的，比如广东东莞石歇合成五金弹簧厂生产的体育用臂力拉力器，其拉伸长度可达初始长度的四至五倍而不损伤性能)，同时调整弹簧的数量，或改变悬挂位置(请参见图7)，总可以找到一个适用于不同负载力矩的最佳值，这只要经过简单的力矩公式的计算便可以了。
另一个重要部件是空心内外齿悬挂齿轮盘<2>，它需要相应的高强度，以承受轮链对其产生的不平衡的拉、压力(可参见图6、图7的变异设计，以便增加强度和便于悬挂弹簧)，它的内齿节园半径(R2)与内齿轮柱<5>的节园半径(R1)一起决定了变速比的极限.齿轮盘<2>的外齿齿形以选配的轮链齿形为基准。齿轮盘<2>的内齿轮节距及齿形与内齿轮柱<5>的齿轮节矩及齿形相啮合，可选用(套筒滚子链)链轮齿轮结构，也可选用园柱齿轮结构(参见图6、图7)，具体设计请参见《机械工程手册》第六卷第33--34页链传动，以及《机械制图手册》(梁德本、叶玉驹主编，机械工业出版社，90年9月版)第十一章传动轮和弹簧(第209页、第217页和第230页)。
附图6、图7给出了另外两种可供选择的方案。图6中可直接将轮链按需要的节数，首尾相环固定在主动轮(A)的齿轮柱(5)的位置，省去另外加工齿轮柱(5)，图7中齿轮盘(2)的内齿和主动轮(A)的齿轮柱(5)选用园柱齿啮合，图7中主动轮(A)上的悬挂弹簧孔也向中心靠近了，这样可以选用较长的弹簧，以扩大选用弹簧的范围.
如将图3用于自行车时，图中依次所标注的尺寸da--(2)的外径(φ200mm左右)db--(1)的外径(φ146mm左右)dc--(2)的内径(φ140mm左右)dd--(5)的分布节园直径(φ65mm左右)de--(5)的备用尺寸df--(1)的折曲点尺寸(φ55mm左右)dg--(1)的折曲点尺寸(φ30mm左右)dh--总体安装固定孔直径(φ16mm--φ28mm左右)di--(3)的折曲点尺寸(φ190mm左右)dj--(3)的外径(φ210mm左右)dk--(2)的厚度(δ3mm左右)d1--总体安装宽度尺寸(按实际可能确定，一般不能大于2Omm左右)如按以上括号内参数实施，并假定(如图4)1.节园半径R1＝32.5mm；R2＝73mm；R3＝97.1mm2.弹簧(4)的数量定为4对(8只)时，弹簧技术参数可大概定为1＞端部园钩环压中心结构2＞外径φ5mm左右3＞钩挂长度35mm左右4＞初拉力2.0～2.25Kg5＞拉伸形变量为初始长度100％时的拉力为3.85～4Kg(此为长期间歇式工作拉力)6＞拉伸形变量为200～300％时不致造成永久损伤按以上参数实施后，变速器本身连续变速比大约为97.156.6(R3(R3－R2＋R1)＝97.1－73＋32.5＝56.6)。相对于负载轮(7)，假定负载轮节园半径为32.5mm，则自行车总变速比在(97.1～56.6)32.5之间。
另外由于外齿轮盘(2)的弹性悬挂，轮链传动时包围外齿轮盘(2)超过外径的一半(超过中心线)，所以具有自动导向作用而不会掉链(参见图5)。
另外说明如图5中齿轮盘(2)在受力向下向右移动时，其最大移动量R2－R1＝40.5mm(按以上假定尺寸)，不会超过脚踏板的最低点(脚踏板一般回转半径180mm(或165mm))，即使有障碍物碰到轮链和齿轮盘(2)，由于弹性悬挂，故不会造成损伤，不会影响自行车的外形美观和安全性。
综上所述，如将本发明用于自行车上实现自动无级变级控制，是一种比较理想的变速装置。
权利要求
1.本发明名称链轮自动无级变速器。
2.本发明主题与现有技术共有的技术特征是链轮传动系统。
3.本发明主题区别于现有技术的主要技术特征，是将现有链轮传动系统由固定直径的变速齿轮组成的传动系统，改进为由一个齿轮的传动半径，在轮链的拉、压力作用下，能够随着主动力或负载力的变化而自动(连续)无级地改变传动半径，从而自动无级地改变传动变速比率的传动系统。
4.根据权利要求3所述的传动系统，其特征在于这种可改变传动半径的齿轮，是由一个较小直径的齿轮<A>，加上一个具有内外啮合齿的较大内径(相对前述较小直径的齿轮<A>)的齿轮圈(或称齿轮盘或俗称牙盘<2>)，再用根据主动力和负载力确定的某种(或数种组合)具有特定拉力的数对对称分布的拉力弹簧<4>，将上述小齿轮<A>和齿轮圈<2>同心同平面地以某种特定的组合拉力连接(弹性组合固定)成一个组合体，这个组合体就是权利要求3所述的一个齿轮的传动半径，在轮链的拉、压力作用下，能够随着主动力或负载力的变化而自动(连续)无级地改变传动半径的齿轮，即本发明的主体--链轮自动无级变速器。
5.根据权利要求4所述的较小直径的齿轮<A>，其特征在于其外缘开有能与权利要求4中所述的较大内径的齿轮圈<2>的内齿形相啮合的齿(套筒滚子齿柱)(该两者的齿形，可以是链轮齿形<套筒滚子齿柱>，也可以是园柱形，或其他可以方便制作和啮合的齿形)。
6.根据权利要求4所述的较大内径的齿轮圈<2>，其特征在于其内圈开有能与权利要求4所述的较小齿轮<A>的外缘齿(套筒滚子齿柱)相啮合的齿(该两者的齿形可以是链轮齿柱形，也可以是园柱形或其他可以方便制作啮合的齿形)。
7.根据权利要求4所述的较小直径的齿轮<A>上和较大内径的齿轮圈<2>上，开有数个可以钩挂弹簧<4>的小孔。
8.根据权利要求7所述的小孔，其特征是可以直接钩挂弹簧<4>，也可以经过销钩(另外特别制作的销钩)间接钩挂弹簧<4>。
9.根据权利要求6所述的较大内径的齿轮圈<2>的外圈齿的齿形，其特征是可以与传动系统的轮链相啮合的齿形。
10.根据权利要求6所述的较大内径的齿轮圈<2>，其结构可以采用加强强度和便于钩挂弹簧<4>的变异形结构的齿轮圈。
11.根据权利要求4所述的拉力弹簧<4>，其特征是具有某种特定的初拉力和具有特定的拉伸形变量相适应的拉伸力，以及根据传动系统的主动力和负载力，以及根据权利要求<4>所述的具体结构确定的特定外形结构和性能的弹簧。
12.根据权利要求3所述的传动系统，本发明的主体(链轮自动无级变速器)，可以作为主动轮出现在传动系统中，也可以作为从动轮(负载轮)分别出现在该传动系统中。
全文摘要
本发明是关于链轮传动变速的机械装置，是将现有链轮固定变速比率传动方式，改进为可随主动力或负载力的变化而自动连续改变传动变速比率的装置，它主要是通过轮链的拉、压力作用于一个具有可以连续改变弹性传动半径(或称可变中心)的新型齿轮装置，来实现其目的的。本发明主要用于负载力矩变化大，需要连续改变传动变速比率的机械装置上，可以实现机械自动柔性传动控制，使运转机械运行变得平稳，连续。
文档编号F16H9/24GK1123891SQ9510340
公开日1996年6月5日 申请日期1995年3月30日 优先权日1995年3月30日
发明者吴辉 申请人:吴辉