專利名稱：柔性行星輪無(wú)級(jí)變速器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
傳動(dòng)機(jī)械有主從配對(duì)傳動(dòng)副，以改變傳動(dòng)副的工作半徑達(dá)到無(wú)級(jí)變速的具有主動(dòng)輪、行星輪或中間滾動(dòng)體、外壓圈和輸入與輸出的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，還有加壓機(jī)構(gòu)和調(diào)速裝置，尤其是摩擦傳動(dòng)副采用剛?cè)崤鋵?duì)并處油潤(rùn)滑的柔性行星輪無(wú)級(jí)變速器。
2、背景技術(shù)通常的齒輪嚙合傳動(dòng)副或摩擦傳動(dòng)副采用鋼對(duì)鋼硬齒面或稱硬工作面，尤其是油潤(rùn)滑摩擦傳動(dòng)副采用高質(zhì)量要求的淬火軸承鋼點(diǎn)線接觸傳動(dòng)，由于其摩擦系數(shù)在0.02～0.05左右，傳動(dòng)額定轉(zhuǎn)矩所需的壓緊力是圓周力的20～50倍，接觸面上的接觸應(yīng)力及其形成的熱載荷是限制承載能力的主因，接觸工作面上的點(diǎn)觸和疲勞剝落使整機(jī)壽命降低，并出現(xiàn)較高的噪聲和振動(dòng)。
為了降低傳動(dòng)副的接觸應(yīng)力采用多點(diǎn)傳力的多行星輪傳動(dòng)，也因各個(gè)行星輪的尺寸精度一致性難以達(dá)到而出現(xiàn)僅部分行星輪在主動(dòng)傳力，另一部分精度偏差較大者未能參與傳力反而成為阻矩降低了效率并產(chǎn)生更嚴(yán)重的噪聲。
3、目的本發(fā)明的目的是一種由剛?cè)崤鋵?duì)的摩擦副利用柔性件在本工作中自行調(diào)整相關(guān)尺寸達(dá)到接觸點(diǎn)、線或面相關(guān)尺寸及形位精度一致性，這種一致性不只是在制造加工中強(qiáng)求而是結(jié)合工作時(shí)受力而變形達(dá)到多點(diǎn)接觸傳力的柔性行星輪無(wú)級(jí)變速器。
這里的柔性是區(qū)別通常的鋼對(duì)鋼摩擦副那剛與剛的配對(duì)而言的，就是主從件中的一者其硬度或易于變形程度明顯低于另者(剛者)，一般是多件柔者與單一剛者結(jié)合構(gòu)成傳動(dòng)副。對(duì)于硬鋼對(duì)硬鋼的摩擦傳動(dòng)必須接觸才能發(fā)生，要求精度上偏差極小，制造難度很大，即使每個(gè)行星輪尺寸無(wú)絲毫偏差卻在裝配時(shí)的形位誤差影響也無(wú)法達(dá)到所有參與傳力，也就是說(shuō)單靠加工不惜工本難能湊效。但是實(shí)踐發(fā)現(xiàn)將多數(shù)的相同的行星輪采用受力后易變形又在油潤(rùn)滑中摩擦系數(shù)較小而耐磨性高的材料制造或者采用結(jié)構(gòu)形狀及尺寸上的變化達(dá)到受一定的壓力會(huì)產(chǎn)生所需的變形量來(lái)實(shí)現(xiàn)尺寸上和形位精度的一致性，從而制造高承載力、高效率、高壽命、低成本、低噪聲無(wú)級(jí)變速器。
柔性行星輪可以采用金屬或非金屬材料制造，也可以采用工程塑料，前者做成薄壁型，后者做成實(shí)體型，更為有利的是柔性行星輪本身的柔性使剛性件保持永久性使用而提高了整機(jī)壽命，并使生產(chǎn)與使用成本大幅度降低。工程塑料行星輪還能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)聲無(wú)級(jí)變速器開發(fā)更廣泛應(yīng)用領(lǐng)域。
4、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛但也越發(fā)感到許多極待克服的難題。因?yàn)槟Σ羵鲃?dòng)依賴于摩擦力的形成，通常的產(chǎn)品其承載力、效率和壽命比齒輪嚙合傳動(dòng)相差很大；電力式變速其恒功率特性及調(diào)速精密度和穩(wěn)定性欠佳，且許多場(chǎng)合不合適應(yīng)用。
本發(fā)明采用結(jié)構(gòu)、形狀和材料上的突破達(dá)到技術(shù)上的取代性進(jìn)步。
①變速范圍變速范圍是主要技術(shù)指標(biāo)之一，通常機(jī)械類變速器其變速比Rb≤10，與本發(fā)明接近產(chǎn)品(JB/T 6950-93)行星錐盤無(wú)級(jí)變速器的Rb≤4～5。由于本發(fā)明采用既無(wú)心軸又無(wú)軸孔的形狀簡(jiǎn)單的菱錐體或鋼球?yàn)樾行禽啠谡{(diào)速位移時(shí)接觸點(diǎn)可移動(dòng)至整個(gè)半徑，變速比Rb≥10～20～∞，從簡(jiǎn)圖a-高速工位，b-低速工位說(shuō)明行星輪無(wú)心軸其與主動(dòng)輪或外壓圈的接觸點(diǎn)可以從中心點(diǎn)零半徑移動(dòng)到最外緣即半徑r的頂點(diǎn)的全半徑，這時(shí)速比I=r1r3r1r3+r2r4=50×2650×26+1×77=13001300+77=13001377=0.94]]>低轉(zhuǎn)速時(shí)速比II=r1r2r1r2+r3r4=50×150×1+26×77=502052=0.024]]>因此變速比Rb=III=0.940.024≅39,]]>或者更大，直至接近無(wú)窮大。
上式說(shuō)明由于行星輪無(wú)心軸調(diào)速位移達(dá)到全半徑，輸出轉(zhuǎn)速接近零至輸入轉(zhuǎn)速，變速比接近無(wú)窮大，這是本發(fā)明的主要特征之一。
②承載力如簡(jiǎn)圖C所示二個(gè)主動(dòng)輪均用鍵與輸入軸聯(lián)接而傳力，所有行星輪的二個(gè)側(cè)面接觸處產(chǎn)生摩擦力，摩擦力比通常的增大2倍。二個(gè)主動(dòng)輪同時(shí)夾緊著一組行星輪并產(chǎn)生自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，行星輪圓周分布圓上均布間隔著等數(shù)量的一組銷軸和銷套，銷軸兩端分別緊固于輸出軸和軸承套圈構(gòu)成近似于簡(jiǎn)支梁式輸出機(jī)構(gòu)；一組多件行星輪受到二個(gè)主動(dòng)輪傳動(dòng)后同一中心截面上推動(dòng)相接觸的銷套并銷軸及其輸出軸而輸出轉(zhuǎn)矩，所以行星輪將來(lái)自主動(dòng)輪之圓周力F1和二個(gè)外壓圈形成的F2合為推動(dòng)力P在同一平面力系中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，因此無(wú)功損耗減小。
從高速區(qū)向低速區(qū)調(diào)速，行星輪作徑向外移，并再度軸向推移可移動(dòng)的一個(gè)外壓圈將外側(cè)碟簧組更壓縮，壓緊力增加，這正是向低速調(diào)時(shí)轉(zhuǎn)矩按比例增大后所需的壓緊力必應(yīng)同步增加才能實(shí)現(xiàn)恒功率傳動(dòng)。由于碟簧作用于外壓圈上達(dá)到壓緊力與轉(zhuǎn)矩同步增減，這又是本發(fā)明的另一特征。
③輸出機(jī)構(gòu)本發(fā)明的輸出機(jī)構(gòu)是近似于簡(jiǎn)支梁式結(jié)構(gòu)，它由一組與行星輪數(shù)相等的銷軸和銷套，銷軸兩端頭分別緊配在輸出軸和軸承套圈對(duì)應(yīng)的軸孔中固連一體，銷套與銷軸動(dòng)配并接受行星輪的接觸而自轉(zhuǎn)并公轉(zhuǎn)，將轉(zhuǎn)矩傳到輸出軸作輸出。梁式結(jié)構(gòu)輸出機(jī)構(gòu)也是本發(fā)明的特征。梁式結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性均提高，能夠讓銷軸直徑減小，以便適應(yīng)更多行星輪多點(diǎn)傳力的大功率傳動(dòng)。
④柔性行星輪一組行星輪少則三四件，多則拾多件分布在同一圓周分布圓上處于同一中心截面并形成平面力系，這是本發(fā)明高效率的主要原因。
摩擦傳動(dòng)必須相互接觸才能產(chǎn)生摩擦，尤其是單一的主動(dòng)輪工作面與眾多的行星輪接觸，其尺寸、形狀、位置上的一致性是決定因素。由于絕對(duì)0偏差是難以達(dá)到的，所以行之有效的方法是采用剛?cè)嵯嗯涞娜嵝孕行禽唫鲃?dòng)，就是加工時(shí)允許行星輪接觸尺寸精度寬松些以降低成本，同時(shí)在裝配后當(dāng)單一的剛性主動(dòng)輪或剛性外壓圈同一的工作面對(duì)于眾多行星輪產(chǎn)生一定的壓力時(shí)，眾多行星輪的這個(gè)接觸距離達(dá)到同一等值，既偏差大的多變形而偏差小的少變形，最終達(dá)到一致性。鋼制柔性行星輪應(yīng)制成薄壁型的彈性體，而工程塑料柔性行星輪利用它只需受較小的壓力(碟簧壓緊力范圍內(nèi))就能夠產(chǎn)生所需的變量，這些材料容易得到，許多工程塑料既可以受力變形，又能保持低摩擦系數(shù)，在油潤(rùn)滑時(shí)耐磨性很高，并且使剛性摩擦件保持長(zhǎng)期耐用。適當(dāng)時(shí)候更換柔性行星輪后，整機(jī)能夠永久性使用。
采用工作塑料柔性行星輪時(shí)，配對(duì)的剛性元件其摩擦工作面必須是圓滑光潔避免銳角接觸。軟(柔)硬(剛)結(jié)合運(yùn)行就會(huì)緩和，并有效降低噪聲和振動(dòng)。
⑤圓弧曲線回轉(zhuǎn)體接觸(摩擦)工作面本發(fā)明的主動(dòng)輪和外壓圈的接觸工作面(摩擦副間的傳動(dòng)接觸點(diǎn)、線、面)均與柔性行星輪相互點(diǎn)接觸純滾動(dòng)，由于主動(dòng)輪及外壓圈的接觸面在調(diào)速時(shí)并不變動(dòng)所以磨損快，如果是過窄的工作曲線還會(huì)造成接觸應(yīng)力集中過高使行星輪錐面局部磨損過快，為了避免上述結(jié)果，本發(fā)明的主動(dòng)輪和外壓圈的圓弧工作面有過渡及延伸曲面，以便減小觸點(diǎn)應(yīng)力集中，這不僅使橢圓形接觸面積增大降低平均接觸應(yīng)力，還緩和了行星輪工作表面的損壞而獲得高壽命。摩擦副的圓弧圓滑摩擦接觸面且設(shè)置過渡和延伸曲面帶(段)起到維護(hù)作用，這又是本發(fā)明的細(xì)節(jié)特征。
⑥調(diào)速控制機(jī)構(gòu)采用蝸桿蝸輪傳動(dòng)并將蝸輪軸孔做成螺旋副結(jié)構(gòu)，螺旋傳動(dòng)使一個(gè)主動(dòng)輪相對(duì)于另一主動(dòng)輪作軸向分合進(jìn)退移動(dòng)，產(chǎn)生夾緊與推動(dòng)行星輪作徑向外移，或者退開讓行星輪在碟簧作用力下作徑向內(nèi)移，這樣輸出轉(zhuǎn)速同步變動(dòng)達(dá)到無(wú)級(jí)調(diào)速。蝸桿蝸輪調(diào)速輕松省力并能自鎖與限位，由于操作力較小更能適應(yīng)電動(dòng)遙控。蝸桿蝸輪及螺旋副調(diào)速控制以及碟簧加壓于外壓圈上壓緊力與轉(zhuǎn)矩所需自成正比增減又是本發(fā)明的輔助特征。
5、實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步本發(fā)明采用既無(wú)心軸又無(wú)軸孔的外形簡(jiǎn)單的菱錐體或者鋼球?yàn)樾行禽唽⑤敵鲛D(zhuǎn)速達(dá)到接近零轉(zhuǎn)速直至接近輸入轉(zhuǎn)速，變速比提高到接近無(wú)窮大，這是重大突破性的特征。
本發(fā)明采用二個(gè)主動(dòng)輪及二個(gè)外壓圈與一組行星輪產(chǎn)生的摩擦力及其轉(zhuǎn)矩作用于同一中心截面上形成平面力系，大幅度提高效率。
本發(fā)明采用圓弧曲線點(diǎn)接觸以及過渡曲線(面)與延伸曲線(面)組合工作面大幅度提高使用壽命。
本發(fā)明采用柔性行星輪實(shí)現(xiàn)剛?cè)崤鋵?duì)達(dá)到多點(diǎn)傳力多行星輪傳動(dòng)，大幅度提高承載力和整機(jī)壽命同時(shí)實(shí)現(xiàn)低溫升低噪聲。
本發(fā)明的柔性行星輪可采用金屬材料制成薄壁型或者采用工程塑料等非金屬材料，制造容易生產(chǎn)和使用成本降低，開發(fā)了新的應(yīng)用領(lǐng)域。
6、實(shí)施例和附圖以下依據(jù)附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)附

圖1是柔性行星輪無(wú)級(jí)變速器的結(jié)構(gòu)原理圖。
附圖2是柔性行星輪無(wú)級(jí)變速器的同一中心截面上作用力傳遞原理圖。
附圖3是柔性行星輪無(wú)級(jí)變速器的簡(jiǎn)支梁式輸出機(jī)構(gòu)原理圖。
附圖4是柔性行星輪無(wú)級(jí)變速器金屬材料行星輪薄壁型形狀和組合結(jié)構(gòu)圖。
附圖5是柔性行星輪無(wú)級(jí)變速器工程塑料材料行星輪形狀及楔角角度參數(shù)。
圖1中，1輸入軸、2螺旋副、3蝸輪、4蝸桿、5軸承套圈、6移動(dòng)主動(dòng)輪、7固定外壓圈、8行星輪、9銷套、10銷軸、11固定主動(dòng)輪、12移動(dòng)外壓圈、13碟簧組、14軸承、15輸出軸、5′軸承。
由輸入軸1輸入轉(zhuǎn)矩，主動(dòng)輪6和11與輸入軸1鍵聯(lián)接并同時(shí)夾緊一組行星輪8，在行星輪8分布圓周上均布間隔著一組銷套9和銷軸10，銷軸10兩端分別與輸出軸15及軸承套圈5緊配固連于一剛性整體，兩端均支承在軸承14、51上，當(dāng)二個(gè)主動(dòng)輪6和11帶動(dòng)行星輪8自轉(zhuǎn)，由于二個(gè)外壓圈7和12不作轉(zhuǎn)動(dòng)就使一組行星輪8發(fā)生公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)行星輪8與銷套9外圓相接觸并將轉(zhuǎn)矩傳遞即推動(dòng)著銷套與銷軸以及輸出機(jī)構(gòu)輸出作功。
調(diào)速時(shí)手輪或者微電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)蝸桿4并帶動(dòng)蝸輪3，由于蝸輪軸孔做成螺旋副就使螺旋副2作軸向移動(dòng)，并通過推力軸承使移動(dòng)主動(dòng)輪6作相對(duì)于另一固定主動(dòng)輪11的分合與進(jìn)退，然后迫使一組行星輪8作徑向或者徑向軸向并有的移動(dòng)，它與其他摩擦副間的觸點(diǎn)工作半徑大小變動(dòng)，輸出轉(zhuǎn)速升降，由于行星輪8徑向外移，轉(zhuǎn)速降低，這時(shí)的行星輪8推開可移動(dòng)的外壓圈12使外側(cè)的碟簧組13再度壓縮壓緊力增大這正是低轉(zhuǎn)速升高了的較大轉(zhuǎn)矩所需的較大的壓緊力，達(dá)到壓緊力與轉(zhuǎn)矩始終成正比自行增減實(shí)現(xiàn)恒功率傳動(dòng)。向高轉(zhuǎn)速調(diào)時(shí)則相反，壓緊力減小發(fā)熱損耗減少所以效率高壽命長(zhǎng)。從附圖1可見，與柔性行星輪8配對(duì)的二個(gè)主動(dòng)輪6、11及二個(gè)外壓圈7、12的工作面是圓弧曲面并有較大的過渡或延伸曲線(面)并與既無(wú)心軸又無(wú)軸孔的行星輪8作全半徑的徑向位移，二個(gè)主動(dòng)輪和二個(gè)外壓圈的摩擦工作面在觸點(diǎn)上下設(shè)有一段較寬過渡與延伸帶(面)，起到與行星輪圓滑接觸，防止損壞。
附圖2是柔性行星輪無(wú)級(jí)變速器的行星輪分布圓中心截面上所形成的平面力系原理圖，行星輪8公轉(zhuǎn)后推動(dòng)銷套9并銷軸10，使銷軸固連的輸出機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)。低速時(shí)推力與轉(zhuǎn)矩力臂的作用角接近垂直，所以有效力矩大，效率高。
附圖3是柔性行星輪無(wú)級(jí)變速器的輸出機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖，由輸出軸15并銷軸10與軸承套圈5連成剛性整體，銷套9與銷軸10動(dòng)配合。輸出機(jī)構(gòu)近似于簡(jiǎn)支梁式并支承于軸承14和51上，強(qiáng)度和剛性好，運(yùn)轉(zhuǎn)的慣矩得到利用提高了效率。
附圖4是柔性行星輪無(wú)級(jí)變速器金屬材料和非金屬材料組合的薄壁型行星輪結(jié)構(gòu)及形狀圖，菱錐狀圓錐體的行星輪中間切除并注以工程塑料，薄壁金屬既保持高硬度高耐磨性，并能夠在一定的壓緊力作用時(shí)發(fā)生微量變形達(dá)到調(diào)節(jié)尺寸精度到一致性。注以塑料是使其運(yùn)動(dòng)時(shí)噪聲降低。
附圖5是柔性行星輪無(wú)級(jí)變速器工程塑料制造的零件圖，一般其半楔角α＝6°～10°為最佳。工程塑料制造柔性行星輪成本低且實(shí)現(xiàn)特輕噪聲，并與圓弧圓滑剛性摩擦副配對(duì)使用時(shí)其壽命也較高，并且提高變速范圍，壓緊力也可以適當(dāng)減小使溫升更低，效益明顯。
附圖6-a是二個(gè)主動(dòng)輪1、1′和二個(gè)外壓圈2、2′在高轉(zhuǎn)速工位夾緊一組行星輪的工作原理示意圖。附圖6-b是二個(gè)主動(dòng)輪1、1′和二個(gè)外壓圈2、2′在低轉(zhuǎn)速工位夾緊一組行星輪的工作原理示意圖。附圖6-c是二個(gè)主動(dòng)輪1、1′和二個(gè)外壓圈2、2′夾緊一組行星輪時(shí)其摩擦力轉(zhuǎn)化為平面力系使行星輪8與導(dǎo)輪9銷軸10接觸傳動(dòng)的工作原理示意圖。在圖6-c中左邊是軸向視圖，右邊是中心截面上的傳力示意圖。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)裝置，具有主動(dòng)輪、行星輪和外壓圈的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，還有加壓機(jī)構(gòu)和調(diào)速裝置，尤其是傳動(dòng)副由剛?cè)嵯嗯涞娜嵝孕行禽啛o(wú)級(jí)變速器，其特征是柔性行星輪是既無(wú)心軸又無(wú)軸孔的菱錐體、二個(gè)主動(dòng)輪和二個(gè)外壓圈的圓弧曲線回轉(zhuǎn)體的接觸工作面及其過渡或延伸面、簡(jiǎn)支梁式輸出機(jī)構(gòu)及其同一中心截面上分布著一組行星輪并與銷軸和銷套均布間隔、蝸桿蝸輪并螺旋副調(diào)速裝置，還有碟簧加壓在移動(dòng)的外壓圈上壓緊力與轉(zhuǎn)矩增減相一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性行星輪無(wú)級(jí)變速器，其特征是柔性行星輪有金屬材料制成薄壁型以硬鋼與工程塑料相組合，或者采用非金屬材料整體制造。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性行星輪無(wú)級(jí)變速器，其特征是一組行星輪是既無(wú)心軸又無(wú)軸孔的菱錐體，在徑向內(nèi)外受到二個(gè)主動(dòng)輪和二個(gè)外壓圈夾緊，分布圓周上有一組銷軸銷套及其輸出軸、軸承套圈構(gòu)成簡(jiǎn)支梁式輸出機(jī)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性行星輪無(wú)級(jí)變速器，其特征是二個(gè)主動(dòng)輪和二個(gè)外壓圈的接觸(摩擦)工作面是圓弧圓滑曲線回轉(zhuǎn)面并有過渡和延伸帶。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性行星輪無(wú)級(jí)變速器，其特征是碟簧加壓在移動(dòng)外壓圈上壓緊力與轉(zhuǎn)矩同步增減相一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性行星輪無(wú)級(jí)變速器，其特征是蝸桿蝸輪及其螺旋傳動(dòng)調(diào)速裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5、6所述的柔性行星輪無(wú)級(jí)變速器，其特征是柔性行星輪受一定的壓緊力作用易于產(chǎn)生變形達(dá)到傳動(dòng)副相關(guān)尺寸和形位精度的一致性。
全文摘要
一種無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)裝置，尤其是摩擦傳動(dòng)副由剛?cè)崤鋵?duì)并處油潤(rùn)滑的柔性行星輪無(wú)級(jí)變速器，一組行星輪是無(wú)心軸的菱錐體，內(nèi)外夾緊于二個(gè)主動(dòng)輪和二個(gè)外壓圈的摩擦接觸面并控制了徑向和軸向工位，分布圓周上均布間隔一組銷軸銷套及其固連的輸出軸與軸承套圈構(gòu)成的簡(jiǎn)支梁式輸出機(jī)構(gòu)，一組碟簧加壓于外壓圈使壓緊力與轉(zhuǎn)矩增減相一致自行調(diào)整，蝸桿蝸輪及螺旋傳動(dòng)調(diào)速輕松省力。柔性行星輪有金屬或非金屬材料制造，利用壓緊力作用易于變形達(dá)到各摩擦副間相關(guān)尺寸精度的一致性，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)傳力多行星輪傳動(dòng)的低溫升低噪聲高效率高承載力和高壽命無(wú)級(jí)變速并開發(fā)大功率傳動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，制造容易，性能提高，成本降低，生產(chǎn)和應(yīng)用普及，效益顯著。
文檔編號(hào)F16H3/44GK101074721SQ20061008231
公開日2007年11月21日 申請(qǐng)日期2006年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月21日
發(fā)明者陳光武 申請(qǐng)人:陳光武