正压力自适应的行星环锥齿轮功率分流式无级变速器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种正压力自适应行星环锥齿轮功率分流式无级变速器，结构包括行星环锥齿轮系、差动轮系及液压系统；行星环锥齿轮轮系结构包括：行星环锥齿轮、调速环、行星环锥圆锥面、主动中心锥齿轮及从动中心锥齿轮；差动轮系包括：输出中心轮、行星架、同步行星齿轮、行星轮、同步内啮合齿轮、同步圆柱齿轮、定轴齿轮、中心内圆柱齿轮、圆柱齿轮；液压控制系统为功率输出轴、扭矩传感器、液压缸、位移传感器（压力传感器）、控制系统、驱动电路、电动机、液压泵、伺服放大器及电液伺服阀。本发明选择完全功率分流传动，最后在行星轮处合成输出，有效改善了现有技术中无法提供恒定正压力的问题。
【专利说明】
正压力自适应的行星环锥齿轮功率分流式无级变速器
技术领域
[0001] 本发明属于无级变速器领域，尤其涉及一种正压力自适应的行星环锥齿轮式功率 分流无级变速器。
【背景技术】
[0002] 无级变速器按传动方式可分为：电力传动、机械传动、液压传动。电力传动包括三 类:电磁滑动式、直流电动机式和交流电动机式；电力传动存在滑动率大、效率低、不适合长 期高负载运转、而且设备复杂，成本高，机械特性在降速段呈现恒扭矩特性，运转不够平稳 等缺点。机械传动具有转速稳定，滑动率小，工作可靠，具有恒功率特性，传动效率较高，且 结构简单，维修方便，价格相对便宜;但其承载能力较低，故一般适合于中、小功率传动。液 压传动具有如下优点：传动简化，安装位置自由度多，便于机械总体布置，能容量大，惯量 小，操作简单省力，输出特性为恒扭矩;但也具有滑动率较大，零件精度要求高，运转时容易 发生漏油等缺点。
[0003] 机械传动无级变速器主要是靠摩擦力提供动力，而其摩擦力的大小由正压力决 定，目前均采用机械结构提供恒定的正压力，可是正压力太大会造成不必要的能量损耗且 缩短无级变速器的使用寿命;正压力太小则滑动率增大，输出动力不足。因此设计一种能提 供正压力自适应的机械无级变速器尤其重要。行星环锥式无级变速器具有传动平稳，起动 性良好，在满负荷下可稳步从零起动，适应变工况工作，寿命长，变速范围广等优点，然而行 星环锥存在三点接触支撑，多个摩擦传动使得传动效率很低。因此从减少摩擦接触面和功 率分流两个方面有进一步提升行星环锥式无级变速器性能的空间。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是：目前所使用的机械传动无机变速器，主要依靠摩 擦力提供动力，而摩擦力的大小又决定于正压力；目前均采用机械机构提供恒定的正压力， 而实际操作中很难提供恰当的正压力，正压力过大会造成不必要的能量损耗，且会缩短无 级变速器的使用寿命，而正压力过小又会造成滑动率增大而使得输出动力不足。
[0005] 针对以上问题，本发明所采取的技术方案是：提供过一种正压力自适应行星环锥 齿轮功率分流式无级变速器，其结构是采用行星环锥齿轮轮系、差动轮系组合与液压控制 系统。
[0006] 所述行星环锥齿轮轮系结构包括：行星环锥小齿轮、行星环锥大齿轮、调速环、行 星环锥圆锥面、主动中心锥齿轮及从动中心锥齿轮;差动轮系组合结构包括:输出中心轮、 行星架、同步行星齿轮、行星轮、同步内啮合齿轮、同步圆柱齿轮、定轴齿轮、中心内圆柱齿 轮、圆柱齿轮;其相应的传动路线是功率从轴输入，大部分功率直接传递到行星架，小部分 传递到主动中心锥齿轮，而主动中心锥齿轮与输入轴没有相对转动，主动中心锥齿轮直接 与行星环锥小齿轮啮合，然后，通过调速环与行星环锥圆锥面的摩擦力传递到行星环锥大 齿轮，再与从动中心锥齿轮啮合将动力传递给差动轮系;差动轮系中，功率从动中心锥齿轮 输出到圆柱齿轮，可以直接通过同步齿轮与中心内圆柱齿轮啮合，到同步内啮合齿轮，该齿 轮与行星轮啮合，与行星架合成输出。再经过行星轮，中心内齿轮，由输出轴输出。其传动比 公式为：
(1) 其中，所有的Z表示齿数，其下标表示对应的齿轮；4一行星环锥齿轮1自转半径， 美一一行星环锥齿轮1公转半径。其中
-表示齿轮28的传动比 （2) 一一表示齿轮28和齿轮5的传动比 （3) 为了避免传输过程汇总功率回流，可在圆柱齿轮与中心内圆柱齿轮之间接入一个定轴 齿轮;在行星齿轮上固连一个同步行星齿轮，然后，将同步行星齿轮与输出中心轮啮合，完 成功率分流与无级变速传动。
[0007] 所述行星环锥齿轮上的圆环体，与其对应的小支撑环和大支撑环接触，只起支撑 作用；小支撑环和大支撑环均空套在输入轴上;或者可以将小支撑环与主动中心锥齿轮以 及大支撑环与从动中心锥齿轮滑动连接;也可以将小支撑环和大支撑环改为圆环体，同时 将圆环体改为内圆环体，总之，支撑环只起支撑作用，无论采用哪一种结构都能实现其功 能。
[0008] 液压控制系统，功率输出轴、扭矩传感器、液压缸、位移传感器(压力传感器）、控制 系统、驱动电路、电动机、液压栗、伺服放大器、电液伺服阀；其中，将输出轴的扭矩通过扭矩 传感器，以及液压缸中的压力传感器，分别将其扭矩信号和压力信号传输至控制系统，通过 控制系统处理后，相应的信号经过驱动电路，传递给电动机来控制液压栗的输出流量，经过 伺服放大器传递给电液伺服阀来控制液压油的方向。进而控制液压缸的卸压和加压(压力 取决于负载），压力再通过加压盘最终实现对正压力的自适应控制。在液压系统中，溢流阀 中具有保压泄流的作用。
[0009] 对于液压缸，其速度卞与流量#的关系式是
或者 （米/分） ;式中：.孩--活塞的有效作用面积。因为液压缸无杆腔的有效作用面积_为
， 而有杆腔的有效作用面积幾为
；式中一缸体内孔直径(厘米）;d- 活塞杆直径(厘米）。液压缸的作用力是由工作液体的压力作用在液压缸有效作用面积上所 产生的，用来克服负载，实现工作机构的往复移动。当压力油输入无杆腔时，作用力f为：
(4) 而当压力油输入有杆腔之时，作用力_为：
(5) 式中# 一液压缸进油压力；與一回油背压。
[0010] 调速时，改变调速环和行星环锥齿轮自转半径，达到了无级变速的目的。不论在 调速还是运转时，调速环都不转动。
[0011] 对于环锥齿轮，由环锥大齿轮、环锥小齿轮和调速锥面结合传递动力。环锥齿轮没 有保持架，处于浮动状态，由于传递动力的三部分中，只有一部分是摩擦面，因此环锥齿轮 浮动非常小，但是由于工作状态下，特别是调速过程中，环锥齿轮存在倾翻力矩，使得其有 一定的浮动量，从而降低传动效率，缩短环锥齿轮的寿命;为了改善此缺点，在环锥大齿轮 和调速锥面之间设计一个圆环体，同时与其对应的小支撑环和大支撑环，这样可以平衡在 调速过程中产生的倾翻力矩，不仅可以改善环锥大齿轮和环锥小齿轮的传动特性，而且可 以提尚调速环和调速维面的寿命，减小滑动量，提尚传递效率。
[0012] P代表行星环锥齿轮式无级变速器，X代表2K-H正号差动轮系。A、B分别为输入、输 出端;a、b、e为行星环锥齿轮式无级变速器的三个伸出端;g、d、h为2K-H正号差动轮系的三 个伸出端。总效率为：
(7) 其中，所有上标表示相对于它，比如表示动力从g传递到h相对于与d的传动效率。
[0013] 本发明的有益效果是:在设计差动轮系时，选择完全功率分流传动，特点是输入功 率大部分直接传递到行星架，而小部分功率经过环锥齿轮式无级变速器传递到内啮合中心 轮，最后在行星轮处合成输出；有效改善了现有技术中无法提供恒定正压力的问题，也避免 了由摩擦带来的正压力损失，且保证了装置的使用寿命；同时通过辅助结构有效避免了功 率传递过程中的回流问题。
【附图说明】
[0014]图1是本发明的传动机构示意图； 图2是环锥齿轮的结构示意图； 图3是功率分流无级变速器简化模型图； 图4是液压系统传动示意图； 图5是液压缸布置图； 图中：1、行星环锥齿轮;2、调速环；3、行星环锥圆锥面;4、小支撑环；5、主动中心锥齿 轮;6、行星环锥齿轮保持架;7、输入轴;8、压盘;9、液压缸；10、单向阀；11、电动机；12，液压 栗；13、溢流阀；14、油箱；15、电液伺服阀；16、输出中心轮；17、输出轴；18、行星架；19、同步 行星齿轮;20、行星轮;21、同步内啮合齿轮;22、中心内啮合齿轮保持架;23、同步圆柱齿轮； 24、定轴齿轮;25、中心内啮合齿轮;26、回转支架;27、位移传感器;28、从动中心锥齿轮;29、 行星环锥小齿轮;30、大支撑环；31、圆环体;32、行星环锥大齿轮;33、行星环锥齿轮支持圆 柱销;34、圆柱齿轮;35、同步齿轮。
【具体实施方式】 [0015] 如图1所示，本发明是一种正压力自适应的行星环锥齿轮功率分流式无级变速器，工作 时，输入扭矩可以直接从输入轴7或者通过减速机构再传给输入轴7，大部分功率直接传递 到行星架18，小部分传递到主动中心锥齿轮5，而主动中心锥齿轮5与输入轴7没有相对转 动，主动中心锥齿轮5直接与行星环锥小齿轮29啮合，然后，通过调速环2与行星环锥圆锥面 3的摩擦力传递到行星环锥大齿轮32,再与从动中心锥齿轮28啮合将动力传递给差动轮系。 行星环锥齿轮上的圆环体31，与其对应的小支撑环4和大支撑环30接触，只起支撑作用；小 支撑环4和大支撑环30均空套在输入轴7上;或者可以将小支撑环4与主动中心锥齿轮5以及 大支撑环30与从动中心锥齿轮28滑动连接;也可以将小支撑环4和大支撑环30改为圆环体， 同时将圆环体31改为内圆环体，总之，支撑环只起支撑作用，无论采用哪一种结构都能实现 其功能。
[0016]从主动中心锥齿轮5经过行星环锥齿轮1到从动中心锥齿轮28,自由度是1。活动构 件(除小支撑环4和大支撑环30外)数为4,低副4个，高副3个，自由度=3X4-2X4-3=2。差动 轮系是2自由度。功率从动中心锥齿轮28输出到圆柱齿轮34,可以直接通过同步齿轮35、23、 24与中心内圆柱齿轮25啮合，但是，为了使得功率没有回流现象，在圆柱齿轮34与中心内圆 柱齿轮25之间接入一个定轴齿轮24。经定轴齿轮24与中心内啮合齿轮25啮合，到同步内啮 合齿轮21，该齿轮21与行星轮20啮合，与行星架18合成输出。可以直接将行星轮20与中心轮 16啮合输出，但是为了避免存在功率回流，在行星齿轮20上固连一个同步行星齿轮19,然 后，将同步行星齿轮19与中心轮16啮合，完成功率分流与无级变速传动。差动轮系的自由度 为2。活动构件数为8，低副数为8，高副数为6，自由度=3 X8-2 X8-6=2。
[0017] 对于实现正压力自适应的液压控制系统，轴17的输出扭矩可由扭矩传感器采集负 载扭矩的大小，将此扭矩信号以及液压缸9压力传感器27采集的压力信号，均传递至控制系 统(DSP)进行有效控制，DSP将其输入的信号输出至伺服放大器和驱动电路分别对其进行信 号能量放大，使之具有充足的能量信号供给电动机11和电液伺服阀15,以此控制液压栗12 的流量和电液伺服阀15方向，电动机11驱动液压栗12将液流从油箱14输出至单向阀，并依 次输入至电液伺服阀15,此时，电液伺服阀15也受伺服放大器输入信号的控制，调节阀芯相 对于阀体的相对运动，实现油路的通、断或改变液流的方向，从而控制液压缸9供油的启动、 停止或运动方向的操作。本液压系统中，单向阀10安装在液压栗的出口处，可以有效的防止 系统中的液压冲击影响液压栗的正常工作，或当液压栗检修时油液倒流。溢流阀13主要是 通过阀口的溢流，使被控系统或回路压力维持恒定，实现调压，稳压或限压（防止过载)作 用。
[0018] 如图2所示，行星环锥齿轮呈一个角度倾斜，使得调速锥面3的一条外轮廓线保持 水平，并且行星环锥齿轮1在中心轴圆周分布3~5个，&、X分别为行星环锥齿轮1自转半 径和公转半径，我们通过左右移动变速环2来改变A的大小实现变速。
[0019] 如图3所示，说明了功率分流的原理。实施发明专利时，要精心设计差动轮系的传 动比，使其避开功率回流区，真正实现功率分流，克服行星环锥式无级变速器传递功率小的 缺点。
[0020] 如图4所示，简要说明了液压驱动系统的工作原理。在具体实施时，真正的实现响 应速度快，能量损耗小的优点。
[0021] 如图5所示，说明了液压缸的布置，以及进出油路的排列，使得四个液压缸的进油 口和出油口均相通，可以起到稳压和均压的目的。
[0022] 本发明所提供的正压力自适应的行星环锥齿轮功率分流式无级变速器，有效改善 了现有技术中无法提供恒定正压力的问题，也避免了由摩擦带来的正压力损失，且保证了 装置的使用寿命；同时通过辅助结构有效避免了功率传递过程中的回流问题，实际应用中 还可通过调整行星环锥齿轮的公转半径与自转半径，设计不同的变速。
【主权项】
1. 一种正压力自适应行星环锥齿轮功率分流式无级变速器，其特征在于，结构包括行 星环锥齿轮系、差动轮系及液压系统； 所述行星环锥齿轮轮系结构包括:行星环锥小齿轮、行星环锥大齿轮、调速环、行星环 锥圆锥面、主动中心锥齿轮及从动中心锥齿轮;差动轮系组合结构包括:输出中心轮、行星 架、同步行星齿轮、行星轮、同步内啮合齿轮、同步圆柱齿轮、定轴齿轮、中心内圆柱齿轮、圆 柱齿轮;所述液压控制系统，功率输出轴、扭矩传感器、液压缸、位移传感器(压力传感器）、 控制系统、驱动电路、电动机、液压栗、伺服放大器、电液伺服阀； 其相应的传动路线是功率从轴输入，大部分功率直接传递到行星架，小部分传递到主 动中心锥齿轮，而主动中心锥齿轮与输入轴没有相对转动，主动中心锥齿轮直接与行星环 锥小齿轮啮合，然后，通过调速环与行星环锥圆锥面的摩擦力传递到行星环锥大齿轮，再与 从动中心锥齿轮啮合将动力传递给差动轮系;所述差动轮系中，功率从动中心锥齿轮输出 到圆柱齿轮，可以直接通过同步齿轮与中心内圆柱齿轮啮合，到同步内啮合齿轮，该齿轮与 行星轮啮合，与行星架合成输出；再经过行星轮，中心内齿轮，由输出轴输出；输出轴的扭矩 通过扭矩传感器，以及液压缸中的压力传感器，分别将其扭矩信号和压力信号传输至控制 系统，通过控制系统处理后，相应的信号经过驱动电路，传递给电动机来控制液压栗的输出 流量，经过伺服放大器传递给电液伺服阀来控制液压油的方向；进而控制液压缸的卸压和 加压，压力再通过加压盘最终实现对正压力的自适应控制。2. 根据权利要求1所述的一种正压力自适应行星环锥齿轮功率分流式无级变速器，其 特征在于，所述圆柱齿轮与中心内圆柱齿轮之间接入一个定轴齿轮;在行星齿轮上固连一 个同步行星齿轮，再将同步行星齿轮与输出中心轮啮合，避免功率回流。3. 根据权利要求1所述的一种正压力自适应行星环锥齿轮功率分流式无级变速器，其 特征在于，所述环锥大齿轮和调速锥面之间设计一个圆环体，同时与其对应的小支撑环和 大支撑环;小支撑环和大支撑环均空套在输入轴上;或者可将小支撑环与主动中心锥齿轮 以及大支撑环与从动中心锥齿轮滑动连接;也可将小支撑环和大支撑环改为圆环体，同时 将圆环体改为内圆环体。
【文档编号】F15B11/16GK105840756SQ201610324300
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】毛虎平, 张艳岗, 王爽, 顾存行, 董小瑞, 张翼, 绪彦芳, 王强, 刘晓红, 冯耀南, 王军, 马富康, 李建军
【申请人】中北大学