一種由二自由度齒輪機(jī)構(gòu)組成的無級(jí)變速器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在汽車變速器領(lǐng)域有四個(gè)非常重要的追求目標(biāo)：一、高效傳動(dòng)；二、無級(jí)變速；=、 敏捷的負(fù)荷匹配能力；四、大速比。
[0003] 在追求高效傳動(dòng)的過程中，齒輪機(jī)構(gòu)始終被優(yōu)先選擇，原因在于：力通過剛性曬合 傳遞，壓力角通常是20度，和摩擦傳動(dòng)相比，接觸應(yīng)力較小，承載能力較大。不過齒輪機(jī)構(gòu) 也有一些無法回避的缺點(diǎn)：一、通常來說齒輪機(jī)構(gòu)必須是一自由度機(jī)構(gòu)(本案中的自由度如 果沒有其他特別說明，指旋轉(zhuǎn)自由度)，在對(duì)抗阻力的過程中，運(yùn)個(gè)自由度被阻力約束住，機(jī) 構(gòu)處于零自由度狀態(tài)，機(jī)構(gòu)形成有效的力傳遞路徑；一自由度機(jī)構(gòu)必然導(dǎo)致在一個(gè)持續(xù)的 力傳遞路徑上只能擁有一個(gè)固定速比；在追求無級(jí)變速的過程中，運(yùn)會(huì)變成一個(gè)難W克服 的功能缺陷；二、要擁有比較寬的變速范圍，就必須建立多個(gè)齒輪機(jī)構(gòu)，然后在齒輪機(jī)構(gòu)的 輸入端、中間端、輸出端之間建立多個(gè)自由度約束項(xiàng)目，形成多個(gè)速比，當(dāng)變速器的級(jí)數(shù)增 多到一定程度之后，對(duì)自由度的約束會(huì)變得越來越復(fù)雜，變速器在性能和可靠性之間會(huì)產(chǎn) 生越來越突出的矛盾；=、在約束齒輪機(jī)構(gòu)的=個(gè)端口運(yùn)個(gè)問題上存在一種技術(shù)偏見，普遍 認(rèn)為約束應(yīng)該發(fā)生在端口和設(shè)備外殼之間；運(yùn)種技術(shù)偏見嚴(yán)重的限制了齒輪機(jī)構(gòu)在無級(jí)變 速領(lǐng)域的運(yùn)用。
[0004] 在追求無級(jí)變速的過程中，脈沖無級(jí)變速器是一種選擇，本發(fā)明也屬于此類變速 器。大部分脈沖無級(jí)變速器的原理是：設(shè)置一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使其可W在一定范圍內(nèi)無級(jí)調(diào) 節(jié)傳動(dòng)部件的力臂長度，然后將所產(chǎn)生的扭矩結(jié)果轉(zhuǎn)化為脈沖輸出。在輸出的過程中往往 需要用到單向離合器。例如：實(shí)用新型專利申請(qǐng)?zhí)枮?9201734. 1的《擺塊式脈動(dòng)機(jī)械無 級(jí)變速器》；中國專利號(hào)為96211416. 2的《偏屯、擺桿無級(jí)變速器》；實(shí)用新型專利申請(qǐng)?zhí)枮?200720149638. 7的《基于可變曲柄長度曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的衛(wèi)星齒輪無級(jí)變速器》;中國發(fā)明專 利申請(qǐng)?zhí)枮?01210017062. 4的《一種新型脈沖無級(jí)變速器》。運(yùn)一類技術(shù)方案普遍存在兩 個(gè)問題：一、它們是一種一自由度機(jī)構(gòu)，必須對(duì)中間端的自由度進(jìn)行約束，必須讓一部分力 傳遞部件和設(shè)備外殼連接固定在一起，因此簡化結(jié)構(gòu)的余地有限；二、輸出環(huán)節(jié)要用到單向 離合器，而單向離合器有很多不足；如果是棘輪式單向離合器，那么噪音極大；如果是摩擦 式單向離合器，那么力傳遞部件之間的壓力角接近90度，工作面之間容易疲勞，容易產(chǎn)生 摩擦損耗；如果要避免零件疲勞，避免摩擦損耗，那么單向離合器的尺寸會(huì)變大。 陽0化]在追求變速器敏捷性的過程中，僅就液壓控制系統(tǒng)而言，明顯地需要提高油壓，而 且還需要保證足夠的供油量W驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，最后還需要提供足夠多的液壓信號(hào)通道來控制機(jī) 構(gòu)。為此付出的代價(jià)是：液壓控制系統(tǒng)能耗大，系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)昂貴；特別是信號(hào)通道越多， 控制規(guī)則越復(fù)雜，設(shè)備的可靠性就越差。
[0006] 在追求大速比的過程中，往往要付出較大的尺寸代價(jià)和成本代價(jià)。比較典型的處 理方法是強(qiáng)化齒輪，W成本代價(jià)彌補(bǔ)尺寸代價(jià)。如果設(shè)備既能保證大速比又能兼顧尺寸，那 么就可w有更多的余地來降低成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)W上問題，本發(fā)明提出W下改良措施。 陽00引第一方面。
[0009] 設(shè)計(jì)一種二自由度齒輪機(jī)構(gòu)，包含輸入端、中間端、輸出端，S個(gè)端口都不和設(shè)備 外殼形成自由度(旋轉(zhuǎn)自由度）約束關(guān)系。
[0010] 輸入端與中間端，中間端與輸出端之間分別存在齒輪副連接關(guān)系。任意兩個(gè)端口 之間沒有固定速比，任意兩個(gè)端口之間的轉(zhuǎn)速差成正比例關(guān)系。輸入端和輸出端擁有各自 的內(nèi)曬合齒輪圈。輸入端的內(nèi)曬合齒輪圈較小，輸出端的內(nèi)曬合齒輪圈較大。運(yùn)兩個(gè)內(nèi)曬 合齒輪圈和主軸擁有共同的軸屯、。中間端擁有一大一小兩個(gè)齒輪，兩個(gè)齒輪擁有共同的軸 屯、，而且相對(duì)位置固定，是一個(gè)齒輪組構(gòu)件。中間端的齒輪組的大小兩個(gè)齒輪別與輸入端和 輸出端的兩個(gè)內(nèi)曬合齒輪圈曬合。中間端的齒輪組的軸屯、和輸入端、輸出端的軸屯、存在約 4mm的偏屯、距。齒輪組由偏屯、支架連接在軸套上。軸套連接在主軸上，相對(duì)主軸可W自由旋 轉(zhuǎn)。整個(gè)中間端擁有一個(gè)依主軸旋轉(zhuǎn)的自由度。在運(yùn)種情況下，只要輸入端和輸出端存在 轉(zhuǎn)速差，那么中間端的齒輪組就會(huì)呈現(xiàn)出反向偏屯、滾動(dòng)的狀態(tài)，由此中間端的質(zhì)量中屯、會(huì) 產(chǎn)生偏屯、振動(dòng)，會(huì)對(duì)內(nèi)曬合齒輪圈產(chǎn)生徑向壓力。偏屯、振動(dòng)的頻率和所述轉(zhuǎn)速差成正比例 關(guān)系。如果分度圓直徑相差較大，例如相差20%W上，那么中間端齒輪組的偏屯、振動(dòng)頻率和 輸入端和輸出端的轉(zhuǎn)速差比值較小，在偏屯、振動(dòng)頻率上限范圍內(nèi)允許出現(xiàn)較大值的所述轉(zhuǎn) 速差，運(yùn)種情況運(yùn)用在變速器實(shí)施例上比較有利。
[0011] 通常認(rèn)為，要形成有效的力傳遞路徑，機(jī)構(gòu)受力后必須處于零自由度狀態(tài)。傳統(tǒng)的 定速比齒輪機(jī)構(gòu)是運(yùn)樣解決運(yùn)個(gè)問題的：確保機(jī)構(gòu)只擁有一個(gè)自由度，對(duì)中間端的自由度 進(jìn)行約束，運(yùn)樣在克服道路阻力的過程中，一自由度會(huì)被阻力約束住，機(jī)構(gòu)會(huì)處于零自由度 狀態(tài)，可W形成穩(wěn)定的力傳遞路徑。而本發(fā)明的改良重點(diǎn)是：在布局方式上徹底擺脫現(xiàn)有技 術(shù)偏見的束縛，讓=個(gè)端口和設(shè)備外殼之間不存在任何形式的自由度約束關(guān)系；不尋求約 束中間端的自由度，轉(zhuǎn)而尋求直接對(duì)輸入端和輸出端的自由度進(jìn)行約束；就輸入端而言，重 點(diǎn)是建立阻力扭矩，使其和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡；就輸出端而言，重點(diǎn)是建立輸出扭矩， 使其和道路阻力實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡；當(dāng)輸入端和輸出端都處于動(dòng)平衡狀態(tài)時(shí)，機(jī)構(gòu)也就處于零自 由度狀態(tài)了，能夠穩(wěn)定傳遞功率流了；基于此，中間端可W保留自由度，使輸入端和輸出端 之間沒有固定的速比。
[0012] 由此帶來的好處是：設(shè)備有希望避開傳統(tǒng)齒輪機(jī)構(gòu)的功能缺陷，在一個(gè)持續(xù)的力 傳遞路徑上形成可變的速比；有希望大幅度縮小設(shè)備體積，簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)；可W采用模數(shù) 為4的大模數(shù)齒輪，擁有較大的扭矩容量。 陽01引第二方面。
[0014] 建立一種脈沖發(fā)生機(jī)制，利用運(yùn)種脈沖發(fā)生機(jī)制來實(shí)現(xiàn)輸入端和輸出端各自的動(dòng) 平衡，形成有效的力傳遞路徑。
[0015] 為輸出端建立一個(gè)內(nèi)凸輪圈，讓運(yùn)個(gè)內(nèi)凸輪圈和輸出端的內(nèi)曬合齒輪圈共軸并列 布置。當(dāng)功率流由輸入端向輸出端傳遞的時(shí)候，內(nèi)凸輪圈和輸出端的內(nèi)曬合齒輪圈保持位 置固定，當(dāng)功率流由輸出端向輸入端傳遞的時(shí)候，允許兩者發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)(例如發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng) 時(shí))。運(yùn)樣設(shè)計(jì)的目的不設(shè)及脈沖發(fā)生機(jī)制，而是為了讓磨損均勻化，其具體原理后文再做 描述。內(nèi)凸輪圈的大部分凸輪工作面的曲率和輸出端的內(nèi)曬合齒輪圈分度圓曲率相同。因 為運(yùn)部分工作面和滾輪容易接觸，所W之后的描述中將運(yùn)部分工作面稱為"容易接觸工作 面"，所設(shè)及的圓周弧度稱為"容易接觸工作面弧度"；較少的一部分凸輪工作面的曲率略 小于該分度圓曲率。之后的描述中將運(yùn)部分工作面稱為"不容易接觸工作面"，所設(shè)及的 圓周弧度稱為"不容易接觸工作面弧度"。兩種工作面之間圓滑過渡，形成凸輪高度約為 0. 3-0. 5mm的內(nèi)凸輪圈。因?yàn)橥馆喐叨群苄?，所W內(nèi)凸輪圈接近于圓，通過其工作表面?zhèn)鬟f 徑向力的時(shí)候，徑向力的壓力角為90度或者接近90度，幾乎不產(chǎn)生周向作用力。
[0016] 為中間端建立一個(gè)滾輪，滾輪和中間端齒輪組共軸并列布置，它相對(duì)齒輪組可W 自由旋轉(zhuǎn)。滾輪工作面的曲率和與輸出端的內(nèi)曬合齒輪圈曬合的齒輪的分度圓曲率一致， 也就是和中間端齒輪組的大齒輪的分度圓曲率一致。滾輪可W在內(nèi)凸輪圈內(nèi)偏屯、滾動(dòng)，而 且有規(guī)律地滾過容易接觸工作面和不容易接觸工作面。中間端和輸出端之間將出現(xiàn)兩種連 接副，一種是齒輪副，一種是滾輪副。
[0017] 設(shè)計(jì)偏屯、支架相對(duì)于中間端軸套可W偏屯、擺動(dòng)，運(yùn)樣中間端在徑向上擁有了可W 少量移動(dòng)的局部自由度，于是中間端可W向輸出端傳遞徑向壓力了。
[0018] 當(dāng)設(shè)備開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，中間端的滾輪反復(fù)地經(jīng)過內(nèi)凸輪圈的容易接觸工作面和不容 易接觸工作面。如果中間端的滾輪處于內(nèi)凸輪圈的容易接觸工作面，那么幾乎全部的徑向 壓力都由滾輪副承擔(dān)，壓力角為90度，設(shè)備不產(chǎn)生輸出扭矩。本案中將運(yùn)個(gè)過程稱為"滾輪 效應(yīng)"。
[0019] 如果滾輪從內(nèi)凸輪圈的容易接觸工作面進(jìn)入不容易接觸工作面，那么會(huì)經(jīng)過凸輪 高度為0. 3-0. 5mm的"塌陷"區(qū)域，滾輪和內(nèi)凸輪圈會(huì)脫離，滾輪副消失。滾輪副消失后齒 輪副將接替滾輪副傳遞徑向壓力。運(yùn)是因?yàn)閃上運(yùn)動(dòng)結(jié)果是輸入端驅(qū)動(dòng)中間端和輸出端的 結(jié)果，驅(qū)動(dòng)是由齒輪副完成的，齒輪副存在于整個(gè)圓周全程，包括滾輪滾過的上述"塌陷"區(qū) 域。設(shè)計(jì)齒輪的壓力角為45度，即徑向壓力作的壓力角也是45度。此時(shí)徑向壓力被45度 壓力角的齒面分解形成兩個(gè)相反的周向分量。一個(gè)周向分量作用于輸入端形成阻力扭矩， 一個(gè)周向分量作用在輸出端形成輸出扭矩。阻力扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩可W形成動(dòng)平衡，輸出 扭矩和道路阻力可W形成動(dòng)平衡。本案中將運(yùn)個(gè)過程稱為"齒輪效應(yīng)"。
[0020] 輸入端形成動(dòng)平衡的條件是：阻力扭矩會(huì)隨著輸入端和輸出端之間的轉(zhuǎn)速差持續(xù) 加大而加大，直到阻力扭矩的脈沖總量等于相對(duì)平順的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的總量。
[0021] 下表展示了所述二自由度齒輪機(jī)構(gòu)一些運(yùn)動(dòng)要素的對(duì)比關(guān)系：
假定輸入的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩不變，那么在沒有形成動(dòng)平衡之前，輸入端會(huì)持續(xù)加速，輸入端 和輸出端之間的轉(zhuǎn)速差會(huì)持續(xù)加大，于是阻力扭矩的脈沖峰值也會(huì)持續(xù)加大，阻力扭矩脈 沖總量必然有等于發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩總量的那個(gè)時(shí)刻，輸入端必然可w實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡。
[0022] 輸出端形成動(dòng)平衡的兩個(gè)條件是：一、輸出扭矩的脈沖峰值高于道路阻力的平均 值；從設(shè)計(jì)角度來說，道路阻力不容易確定，而輸出端和輸入端之間的扭矩放大比值更容易 確定；通常認(rèn)為，在變速器環(huán)節(jié)輸出端擁有大于發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩8倍的扭矩就可W克服幾乎所 有的道路阻力，所W輸出端擁有大于輸入端8倍的扭矩放大能力是輸出端形成動(dòng)平衡的先 決條件(輸出扭矩的扭矩放大的原理將在后文單列一項(xiàng)來說明）；二、輸出端和輸入端之間 沒有固定傳動(dòng)比，輸出端的自由度僅受道路阻力約束。
[0023] 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出足夠的扭矩后，輸出端將獲得放大8倍的脈沖扭矩峰值來克服道路阻 力，驅(qū)動(dòng)車輛行駛。假定功率流守恒，輸出轉(zhuǎn)速提升后，輸出的脈沖扭矩峰值就會(huì)下降，驅(qū)動(dòng) 力會(huì)逐漸和道路阻力達(dá)成平衡。運(yùn)是道路阻力逐漸下降的情況。當(dāng)?shù)缆纷枇υ俅紊仙龝r(shí)， 輸出端的轉(zhuǎn)速下降，輸出端和輸入端之間的轉(zhuǎn)速差上升，徑向壓力、輸出扭矩、阻力扭矩、發(fā) 動(dòng)機(jī)負(fù)荷都會(huì)上升。而輸出端擁有的8倍扭矩放大能力，使輸出扭矩的脈沖峰值必然會(huì)再 次超過道路阻力的平均值，輸出端將有機(jī)會(huì)進(jìn)入新的平衡。
[0024] 另外還有一個(gè)受力現(xiàn)象有利于中間端的動(dòng)平衡，那就是輸入端和輸出端之間產(chǎn)生 脈沖力傳遞的時(shí)候，恰好可W對(duì)中間端產(chǎn)生一個(gè)微量的力矩，運(yùn)個(gè)力矩的方向和中間端偏 屯、滾動(dòng)的方向相反，有利于促成中間端的動(dòng)平衡。不過運(yùn)個(gè)力矩的作用占比極小，可W忽略 不計(jì)。
[0025] 由此帶來的好處是：一、變速器的輸入端和輸出端實(shí)現(xiàn)了動(dòng)平衡，呈現(xiàn)出零自由度 狀態(tài)，變速器擁有了穩(wěn)定的力傳遞路徑；二、功率流由齒輪副傳遞，繼承了齒輪機(jī)構(gòu)的高效 率；=、功率流的主要傳遞環(huán)節(jié)不再依賴棘輪式或者摩擦式單向離合器，降低了噪音，提升 了可靠性；四、變速器擺脫了定速比齒輪機(jī)構(gòu)的功能缺陷，擁有了無級(jí)變速的能力。
[0026] 第；方面。
[0027] 使變速器具有至少8倍的扭矩放大能力。
[0028] 扭矩放大廣義的說是能量蓄積和能量釋放的結(jié)果。在功率流守恒的情況下，只要 能量蓄積的時(shí)間大于能量釋放的時(shí)間，那么釋放出來的必然是放大的扭矩。本發(fā)明的力傳 遞方式是剛性齒輪曬合傳遞，所W可W近似地認(rèn)為功率流在傳遞過程中守恒。于是本發(fā)明 可W通過調(diào)整輸出端的內(nèi)凸輪圈的容易接觸工作面和不容易接觸工作面的弧度范圍來調(diào) 節(jié)能量蓄積和能量釋放的比值，進(jìn)而調(diào)整扭矩的放大倍數(shù)。具體的方法是設(shè)置容易接觸工 作面弧度值約為不容易接觸工作面弧度值的8倍?？偟娜菀捉佑|工作面弧度值約為320度， 總的不容易接觸工作面弧度約為40度。
[0029] 由此帶來的好處是：W非常簡單的方式實(shí)現(xiàn)了扭矩放大能力，滿足了車輛的驅(qū)動(dòng) 要求，實(shí)現(xiàn)了輸出端的動(dòng)平衡；而運(yùn)種動(dòng)平