铁路机车专用磁环式无级变速装置的制作方法

本实用新型属于铁路机车变速器技术领域，具体涉及一种铁路机车专用磁环式无级变速装置。

背景技术：

铁路机车变速装置是在输入轴转速不变的条件下，使输出轴获得不同转速的传动装置，是将机车原动力转换为工作动力必不可少的部件。

而铁路机车无极变速装置的类型目前可分为液力变速装置和电力变速装置：

液力变速装置：内燃机(内燃机、电动机等)通过输入轴带动泵轮旋转，泵轮驱动工作液体形成高速旋转液流，高速旋转液流推动涡轮旋转，涡轮带动输出轴旋转，从而实现动力传递。优点：变速输出符合机车理想牵引力特性曲线，自适应能力较好；缺点：传动效率低，能量损失大；一般只能用于小功率原动机。

电力变速装置：原动机带动发电机发电(或通过外部接触网供电)，通过串联电路驱动牵引电机工作，牵引电机进而牵引机车工作。优点：变速输出符合机车理想牵引力特性曲线，自适应能力较好；可用于大功率原动机，能实现较大的牵引力；传动平稳，噪声小；缺点：传动环节多，传动效率低，能量损失大。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种铁路机车专用磁环式无级变速装置，解决了现有的铁路机车无级变速装置传动效率低、能量损失大、不能保证准确传动比的缺点。

本实用新型所采用的技术方案是：铁路机车专用磁环式无级变速装置，包括至少一个主动旋转的主动永磁环以及至少一个从动永磁环，至少一个从动永磁环在伺服电机的驱动下进入主动永磁环内，通过互相切割磁力线产生的磁力扭矩驱动从动永磁环旋转，至少一个从动永磁环带动动力输出轴同步旋转，通过动力输出轴将驱动力输入给齿轮变速装置，通过调节从动永磁环进入主动永磁环的深度改变从动永磁环与主动永磁环之间的磁场耦合面积，从而控制产生磁力扭矩的大小。

本实用新型的特点还在于，

主动永磁环通过飞轮连接的内燃机驱动主动永磁环主动旋转。

从动永磁环和分离轴承的内圈通过圆螺母固定，分离轴承的外圈通过轴承压盖用螺钉安装于分离轴承座内，保证分离轴承的内圈与从动永磁环一起旋转时，分离轴承的外圈与分离轴承座不旋转，并且不旋转的分离轴承座沿动力输出轴轴向往复移动时，通过分离轴承带动旋转的从动永磁环一起轴向往复移动；

分离轴承座通过连杆与拨叉铰接，拨叉通过平键与驱动轴机械连接，驱动轴通过联轴器、减速机与伺服电机机械连接；

伺服电机输出轴的转动经过减速机减速后带动驱动轴转动一定角度时，驱动轴带动拨叉同向转过相同角度，拨叉的转动通过连杆带动分离轴承座、分离轴承、从动永磁环沿动力输出轴轴向移动，从而改变从动永磁环与主动永磁环之间的磁场耦合面积。

主动永磁环为内侧磁环式结构，提供铁路机车专用磁环式无级变速装置旋转的内永磁场，通过改变主动永磁环几何尺寸和安装磁铁数量来控制传递功率的大小。

从动永磁环为外侧磁环式结构，提供铁路机车专用磁环式无级变速装置旋转的外永磁场，通过改变从动永磁环的几何尺寸和磁铁安装数量来控制传递功率的大小。

主动永磁环、从动永磁环以及动力输出轴的轴线重合。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的铁路机车专用磁环式无级变速装置，解决了现有的铁路机车无级变速装置传动效率低、能量损失大、不能保证准确传动比的缺点。本实用新型的铁路机车专用磁环式无级变速装置提高了无级变速动力传递效率，降低了能量损失，实现了过载滑差保护的功能，大大消除了有害振动、磨损和断裂，延长了变速装置的寿命，避免了过载引起的危害，而且结构简单，制作装配方便，成本低，使用寿命长。

附图说明

图1是本实用新型的铁路机车专用磁环式无级变速装置的结构示意图；

图2是图1的俯视图。

图中，1.飞轮壳体，2.飞轮，3.深沟球轴承，4.主动永磁环，5.从动永磁环，6.动力输出轴，7.平键，8.驱动轴，9.拨叉，10.连杆，11.销轴，12.壳体，13.齿轮箱，14.输出齿轮，15.圆螺母，16.轴承压盖，17.分离轴承，18.分离轴承座，19.联轴器，20.减速机，21.伺服电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型提供的铁路机车专用磁环式无级变速装置的结构如图1和图2所示，由永磁变速装置和齿轮变速装置两个部分组成。

永磁变速装置系统组成及功能如下：

永磁变速装置由主动永磁环转子、从动永磁环转子、耦合控制组件、动力输出轴和壳体五个部分组成。其中：

(1)主动永磁环转子：由飞轮2和主动永磁环4组成圆筒形整体，飞轮2和主动永磁环4为机械配合用螺钉连接。主动永磁环4为内磁环结构的主动旋转体，提供系统旋转的内永磁场。飞轮2连接内燃机曲轴。工作时，由内燃机带动主动永磁环转子高速同步旋转。

铁路机车专用磁环式无级变速装置中主动永磁环4的永磁体采用内侧磁环式结构，根据传递功率不同，改变主动永磁环4的几何尺寸和安装磁铁数量，来设计不同规格的铁路机车专用磁环式无级变速装置。

(2)从动永磁环转子：由从动永磁环5、圆螺母15、轴承压盖16、分离轴承17、分离轴承座18组成。

从动永磁环5、圆螺母15、轴承压盖16、分离轴承17、分离轴承座18组成外磁环滑动组件。分离轴承17内圈通过圆螺母15连接到从动永磁环5的轮毂外圆上(分离轴承17的内圈与内转子一起同步旋转)，分离轴承17的外圈通过轴承压盖16用螺钉安装在分离轴承座18内(分离轴承17的内圈与内转子一起旋转时，其外圈与分离轴承座18不旋转)。不旋转的分离轴承座18沿动力输出轴6轴向往复移动时，通过分离轴承17带动旋转的从动永磁环5一起轴向往复移动。

从动永磁环5通过其轮毂内花键与动力输出轴6上的外花键连接在一起，从动永磁环5旋转时通过花键配合结构带动动力输出轴6旋转。

从动永磁环5为外磁环结构的从动旋转体，提供系统旋转的外永磁场。根据传递功率不同，改变从动永磁环5的几何尺寸和安装磁铁数量，来设计不同规格的铁路机车专用磁环式无级变速装置。

(3)耦合控制组件：由平键7、驱动轴8、拨叉9、连杆10、销轴11、联轴器19、减速机20和伺服电机21组成。

驱动轴8两端通过轴承安装到壳体12上，并通过联轴器19与减速机20、伺服电机21连接。拨叉9通过平键7连接到驱动轴8上，连杆10一端通过销轴11与拨叉9铰接在一起，另一端与分离轴承座18上的轴铰接在一起。

伺服电机21输出轴的转动经过减速机20减速后带动驱动轴8转动一定角度时，驱动轴8带动拨叉9同向转过相同角度，拨叉9的转动通过连杆10带动分离轴承座18、从动永磁环5沿动力输出轴6的轴向移动。

(4)动力输出轴：动力输出轴6一端通过深沟球轴承3安装到飞轮2上(因深沟球轴承3的存在，动力输出轴6不随飞轮一起旋转)，另一端与齿轮箱15连接，作为齿轮箱的动力输入。动力输出轴6为外花键结构，并与从动永磁环5轮毂的内花键配合连接在一起，从动永磁环5旋转时通过花键配合结构带动动力输出轴6旋转。

(5)壳体：壳体12为永磁变速装置和齿轮变速装置提供防护和支撑。壳体12一端用螺钉机械连接到飞轮壳体1上，另一端通过螺钉连接到齿轮箱13上。

工作时，在伺服信号的控制下，当伺服电机21顺时针旋转时，从动永磁环5沿动力输出轴6向左滑动进入主动永磁环4内，从动永磁环5以径向固定气隙切割主动永磁环4的磁力线，这两个永磁场相互作用产生磁力扭矩驱动从动永磁环5旋转。随着进入深度的增大，主动永磁环4与从动永磁环5之间的磁力扭矩也相应增大，进而增大了从动永磁环5和动力输出轴6的转速。当伺服电机21在信号控制下顺时针旋转到极限位置时，主动永磁环4与从动永磁环5之间的耦合面积达到最大，他们之间的磁力扭矩达到最大，此时内转子转速与外转子转速相同，达到最大，动力完全输出；伺服电机逆时针旋转时，内转子沿动力输出轴6向右滑动，主动永磁环4与从动永磁环5之间的磁耦合面积和磁力扭矩相应减小，进而减小了从动永磁环5和动力输出轴6的转速。当伺服电机在信号控制下逆时针旋转到极限位置时，外转子5与内转子7完全脱开，他们之间的磁耦合面积和磁力扭矩为零，此时内转子转速为零，达到最小，没有动力输出。

永磁场是传递内燃机输出动力并输入给负载设备的基础。通过伺服信号控制从动永磁环5进入(退出)主动永磁环4内深度及快慢的不同实现永磁变速装置无级调速的大小和调速的快慢，经过齿轮变速装置变速后就实现了负载设备无级调速的大小和调速的快慢。

齿轮变速装置系统组成及功能如下：

齿轮变速装置由齿轮箱13和输出齿轮14组成。齿轮箱13通过螺钉安装在壳体12上，通过动力输出轴6接收永磁变速装置的输出扭矩。

本实用新型的铁路机车专用磁环式无级变速装置的变速过程在伺服信号驱动下自动或者手动完成。

正常工作时：当主动永磁环4、从动永磁环5处于图1位置时，内燃机带动飞轮2旋转，主动永磁环4同步旋转但没有切割从动永磁环5的磁力线而不产生磁力扭矩，主动永磁环4转动，而从动永磁环5不转动，动力输出轴6不旋转，无动力输入给齿轮变速装置，输出齿轮14无转速输出，负载不工作。

在伺服信号1(加速)控制下，伺服电机21顺时针转动，带动从动永磁环5沿动力输出轴6轴向向左滑动进入主动永磁环4内，旋转的主动永磁环4以径向固定气隙切割从动永磁环5的磁力线，这两个永磁场相互作用磁力扭矩驱动从动永磁环5旋转，从动永磁环5带动动力输出轴6旋转，并由动力输出轴6将内燃机的输出扭矩输入给齿轮变速装置，经过齿轮变速装置中齿轮箱13变速后，由输出齿轮14将动力输出给负载设备。根据负载工艺要求，在伺服信号1的控制下，伺服电机21旋转调节从动永磁环5与主动永磁环4在动力输出轴6轴线方向的相对位置(进入的深度)，以改变从动永磁环5与主动永磁环4之间的磁场耦合面积。磁耦合面积大，传递扭矩大，输出转速高，相应传递给齿轮变速装置的转速就高。磁耦合面积小，传递扭矩小，输出转速低，相应传递给齿轮变速装置的转速就低。磁耦合面积为零，从动永磁环5与主动永磁环4完全脱开，输出转速为零，相应无动力转速传递给齿轮变速装置。由于从动永磁环5进入主动永磁环4的深度是连续的，产生的磁力扭矩大小也是连续的，传递给齿轮变速装置相应的磁力扭矩大小，经过齿轮变速装置变速后实现了负载的无级变速。用伺服信号1控制伺服电机21对从动永磁环5进入主动永磁环4的深度及快慢就实现了永磁变速装置无级加速的大小和加速的快慢，经过齿轮变速装置变速后就实现了负载设备无级加速的大小和加速的快慢。从动永磁环5进入主动永磁环4为加速。

根据负载工艺要求，当需要减速时，在伺服信号2(减速)控制下，伺服电机21逆时针转动，带动从动永磁环5沿动力输出轴6轴向向右滑动，从主动永磁环4中退出，以改变从动永磁环5与主动永磁环4之间的磁场耦合面积。磁耦合面积大，传递扭矩大，输出转速高，相应传递给齿轮变速装置的转速就高。磁耦合面积小，传递扭矩小，输出转速低，相应传递给齿轮变速装置的转速就低。当全部退出，主动永磁环4、从动永磁环5处于图1位置，磁耦合面积为零，从动永磁环5与主动永磁环4完全脱开，相应无动力转速传递给齿轮变速装置，输出齿轮14惯性旋转。用伺服信号2控制伺服电机21对从动永磁环5退出主动永磁环4的深度及快慢就实现了永磁变速装置无级减速的大小和减速的快慢，经过齿轮变速装置变速后就实现了负载设备无级减速的大小和减速的快慢。从动永磁环5退出主动永磁环4为减速。

而主动永磁环4、从动永磁环5以及动力输出轴6的轴线重合可以使得动力输出损耗最小。

通过上述方式，本实用新型的铁路机车专用磁环式无级变速装置采用永磁变速装置和齿轮变速装置相结合方案、径向固定气隙的二磁环结构(两个永磁环转子)和伺服电机驱动系统、简单的齿轮组合变速机构及油冷式散热优化结构。通过磁力耦合作用实现永磁变速装置无接触的扭矩传递和无级变速，再经过齿轮变速装置传动后就实现了负载设备无级变速。利用高效散热，确保系统磁力工作稳定。在负载过载时实现对内燃机和负载设备的自动滑差保护。

上述本实用新型的铁路机车专用磁环式无级变速装置实施例是以一个主动永磁环4、一个从动永磁环5的二磁环结构进行说明的。很明显，本实用新型的主动永磁环4、从动永磁环5的数量均可以设置至少一个，构成三磁环、四磁环甚至更多磁环的结构，只需按照动力需求设定从动永磁环5进入主动永磁环4的数量，便可进一步增强调速能力。

上述本实用新型的铁路机车专用磁环式无级变速装置实施例是以主动永磁环为内磁环、从动永磁环为外磁环结构进行说明的。很显然，根据结构需要，本实用新型的主动用磁环和从动永磁环也可以分别布置成外磁环结构和内磁环结构，甚至双侧磁环结构，可以达到同样的调速效果。