專利名稱：超環面無級變速系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及無級變速系統的機械結構和控制，屬動力機械技術汽車制造領域。
背景技術：
無限變速的機械無級變速器，簡稱IVT，首先由英國的Torotrak公司開發并注冊專利，只是業界一直將它視為CVT，直至2003年3月在美國底特律舉行的SAE(汽車工程師學會)年會上才將它單獨分類。
日本NSK等公司在上述原理基礎上發展了一種被稱為Half Toroidal CVT的自動變速裝置，其典型結構如圖1所示。圖1中輪盤(3)、(5)、(7)、(8)具有超環面的工作表面。輸入輪盤(3)和(8)通過花鍵安裝在軸1上，與輸入軸一起轉動。輸出輪盤(5)和(7)空套在軸(1)上，可以自由轉動。輸出動力通過主動輸出齒輪(6)和被動輸出齒輪(9)傳遞到輸出軸(10)輸出。軸向推力端面凸輪(2)空套在軸1上，輸入動力通過軸向推力端面凸輪(2)輸入， 并帶動左邊及右邊輸入輪盤(3)、(8)轉動，與此同時產生與所傳遞的輸入扭矩成正比的軸向推力，將左邊輸入輪盤(3)向右推動，產生傳動所需要的接觸面壓力。中間滾輪機構(4) 一共有四個(或者更多)。這四個中間滾輪機構的工作姿態角度可以同步連續變化(沿圖紙平面順時針或逆時針轉動一定角度)，從而改變輸入、輸出輪盤(3)、(8)、(5)、(7)的有效工作半徑，達到連續無級改變傳動比的目的。這種結構輸入輪盤(3)和⑶的轉動方向與輸出輪盤(5)和(7)的轉動方向相反， 使得輸出輪盤(5)和(7)相對於軸(1)的轉動轉速倍增，從而使得在軸(1)上支撐輸出輪盤(5)和(7)的軸承將承受很高的工作轉速(在汽車變速中最高達可能到20000-30000轉 /分)。中間滾輪機構(4)中的軸承是端面推力軸承，中間滾輪機構的工作轉速最高可能達到12000轉/分以上，推力軸承承受高轉速的能力較差。對于能夠滿足上述工作條件的軸承的要求非常高，工作壽命有限。其次，產生扭矩傳遞所需要的工作面接觸壓力通過軸向推力端面凸輪機構產生， 其缺點在于1、這樣所產生的工作面接觸壓力，與輸入扭矩成正比。由于輸入、輸出輪盤(3)、 (8)、(5)、(7)的工作半徑以及接觸角度是不斷變化的，在同樣輸入扭矩下所需要的軸向推力并不是完全一致的。為了保證工作的可靠性，設計成對于最危險的工作狀態下的安全軸向推力，勢必在其他工作狀態下會產生超過需要的軸向推力，造成零部件過度載荷和消耗更多的無效功率；2、為了使軸向推力傳遞到所有超環面輪盤(3)、(5)、(7)、(8)的工作表面，中間滾輪機構的姿態角度回轉軸(垂直于圖面)應當是浮動的，這樣會增加結構設計的復雜性。公開號CN1371454公開了一種無級變速系統，它包括一個無級變速器，其具有兩個成套帶輪，它們每個分別帶有兩個圓盤，以確定出一個V形槽，無級變速器還具有用于改變上述槽的寬度的驅動裝置和一條在槽中延伸于上述成套帶輪之間的傳動帶，以及一個連接著上述成套帶輪之一的軸的正反向控制器和一個連接著上述正反向控制器的離合器，上述成套帶輪、正反向控制器和離合器分別配備有一個相應的致動器。但該種無級變速系統是通過傳動帶與帶輪的結合來改變速度。
發明內容
本發 明的目的是針對上述專利技術的不足，揭示一種新型超環面無級變速裝置， 并給出了具體的控制策略。這種新型超環面無級變速裝置結構如圖3所示。本發明的技術方案是，將Half Toroidal CVT的自動變速裝置中的軸向推力端面凸輪結構用輸入輪盤直接連接在輸入軸的結構所代替，并通過控制系統精密控制滾輪機構的角度，從而實現超環面無級變速。本發明超環面無級變速裝置結構如圖3所示，所述超環面無級變速裝置結構由輸入軸(11)、左邊輸入輪盤(12)、右邊輸入輪盤(17)、左邊輸出輪盤(14)、右邊輸出輪盤 (16)、中間滾輪機構(13)、主動輸出齒輪(15)、被動輸出齒輪(18)、輸出軸(19)所組成。左邊輸入輪盤(12)和右邊輸入輪盤(17)通過花鍵固定連接在輸入軸(11)上，中間滾輪機構(13)的滾輪回轉軸線方向與上述結構滾輪回轉軸線方向成90度。總共有四個結構相同的中間滾輪機構(13)，根據需要還可以設置四個以上偶數個結構相同的中間滾輪機構。中間滾輪機構(13)的結構如圖4所示。中間滾輪機構由雙頭螺桿(20)；左邊螺母(21)；左邊滾輪(22)沖間滾輪軸承支架(23)；滾動軸承(24)；右邊滾輪(25)；端面止推軸承(26)；右邊螺母(27)；蝶形彈簧(28)所組成。左邊滾輪(22)和右邊滾輪(25)通過軸承(24)支撐在中間滾輪軸承支架(23)的圓柱孔內可以自由轉動和軸向移動。在左右滾輪(22)和(25)的上分別固定有左邊螺母 (21)和右邊螺母(27)，它們是通過花鍵固定在左邊滾輪(22)和右邊滾輪(25)的花鍵空內。雙頭螺桿(20)的兩端具有螺旋方向相反，螺距相等的外螺紋，與左右兩個螺母(21)和 (27)相配合。中間滾輪軸承支架(23)的結構如圖5所示，它具有兩個同軸線的耳軸(29)，耳軸 (29)支撐在變速裝置的殼體上，中間滾輪軸承支架(23)可以繞耳軸(29)轉動，從而改變中間滾輪機構的工作姿態角度。四組(或更多組)中間滾輪機構(13)同步連續改變工作姿態角度(沿圖紙平面順時針或逆時針轉動一定角度，即圍繞中間滾輪軸承支架(23)的耳軸轉動一定角度)，使得輸入、輸出輪盤(12)、(17)和(14)、(16)的有效工作半徑連續變化， 達到平滑無級改變傳動比的目的。這種新型超環面無級變速裝置中，滾輪機構角度的變化直接影響到無級變速裝置輸出軸速度的變化，因此滾輪機構角度的精密控制十分重要，必須通過一套控制系統來控制滾輪機構角度變化，本發明采用的控制系統如圖6所示。它是通過控制系統里的電子控制器(620)來完成。電子控制器包括單片機及數字和模擬電子電路，其功能包括信號處理、 故障診斷、故障處理、最優變比決策和驅動器控制等。電子控制器根據輸入的駕駛員指令和系統本身的狀態來確定最佳傳動比，一旦最佳傳動比得到確定，控制器即指使執行器實現該傳動比。在動力傳動過程中，中間轉盤被夾在輸入輪盤和輸出輪盤之間承受傳遞力矩的角色，滾輪機構在傳動過程中要通過改變角度來實現傳動機構傳動比的變化，因此對于它的控制必須要通過精密的控制機構來實現。最優變比是根據駕駛員的輸入(210)、本身系統的輸入(220)來確定。駕駛員的輸入(210)包括油門踏板信號、剎車信號、方向盤轉角信號等。本身系統的輸入(220)包括輸入軸轉速、輸出軸轉速、中間轉盤位置、油溫、油壓、滾輪位置、輸入輪盤位置等。如果采用電機作為動力源驅動，電動機的轉速及電流等信號也被用來作為輸入來優化傳動比的選擇以使整個系統處于最佳狀態。本發明的控制系統采用了前饋加傳統PID，另加滑模控制的電子控制器而實現驅動器對滾輪位置的準確控制和穩定運行。滑模控制也稱變結構控制，是一類特殊的非線性控制，且非線性表現為控制的不連續性，這種控制策略與其他控制的不同之處在于系統的“結構”并不固定，而是可以在動態過程中，根據系統當前的狀態(如偏差及其各階導數等)有目的地不斷變化，迫使系統按照預定“滑動模態”的狀態軌跡運動.由于滑動模態可以進行設計且與對象參數及擾動無關，這就使得滑模控制具有快速響應、對應參數變化及擾動不靈敏、無需系統在線辨識、物理實現簡單等優點。本發明滑模變結構控制是根據系統所期望的動態特性來設計系統的切換超平面， 通過滑動模態控制器使系統狀態從超平面之外向切換超平面收束。系統一旦到達切換超平面，控制作用將保證系統沿切換超平面到達系統原點。本發明控制系統采用前饋加PID控制加滑模控制，對于系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，可以達到系統結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便的效果。本發明與現有技術比較的有益效果是，本發明新型超環面無級變速裝置克服了 Half Toroidal CVT的自動變速裝置中產生扭矩傳遞所需要的工作面接觸壓力是通過軸向推力端面凸輪機構的缺點，采用輸入輪盤直接連接在輸入軸的結構，并通過控制系統精確控制滾輪機構角度，從而實現無級變速并獲得傳動機構的最佳傳動比，使傳動系統處于最佳工作狀態。本發明適用于需要無級變速的類似動力變速箱系統。
圖 1 是 Hailf Toroidal CVT 結構示意圖其中⑴軸；⑵軸向推力端面凸輪；(3)左邊輸入輪盤；⑷中間滾輪機構；(5) 左邊輸出輪盤；(6)主動輸出齒輪；(7)、右邊輸出輪盤；⑶右邊輸入輪盤；(9)被動輸出齒輪；(10)輸出軸。圖2為超環面無級變速控制系統及執行機構框圖其中(210)為駕駛員輸入信號總線；(220)為系統信號輸入總線；(230)為通訊總線；(240)為超環面無級變速系統控制器；(250)為控制器驅動總線；(260)為超環面無級變速系統的超環面無級變速機械裝置；(270)為超環面無級變速機械裝置的反饋總線。圖3為本發明的新型超環面無級變速結構原理圖其中(11)輸入軸；(12)左邊輸入輪盤；(13)中間滾輪機構；(14)左邊輸出輪盤； (15)主動輸出齒輪；(16)右邊輸出輪盤；(17)右邊輸入輪盤；(18)被動輸出齒輪；(19)輸出軸。
圖4為中間滾輪機構(13)結構圖 其中(20)雙頭螺桿；(21)左邊螺母；(22)左邊滾輪；(23)中間滾輪軸承支架； (24)滾動軸承；(25)右邊滾輪；(26)端面止推軸承；(27)右邊螺母；(28)蝶形彈簧；圖5為中間滾輪軸承支架(23)其中(29)耳軸；圖6為控制框圖其中(610)為電源供給；(240)為電子控制器；(630)為動力執行裝置；(260)為新型超環面無級變速裝置；(650)為動力執行裝置的驅動器。
具體實施例方式本發明新型超環面無級變速裝置實施方式如圖3所示。來自發動機或電動機的力矩帶動輸入輪盤(12)的回轉運動，傳遞到左邊滾輪 (22)上，左邊滾輪(22)的扭矩又是通過雙頭螺桿傳遞到右邊滾輪(25)上，在左右滾輪 (22)和(25)之間扭矩傳遞的同時，通過雙頭螺桿(20)的作用產生軸向推力，將左右兩個滾輪(22)和(25)推向兩邊，使得左右滾輪(22)和(25)與輸入、輸出輪盤(12)和(14)的工作表面相互緊貼，合理設計雙頭螺桿的螺距，使之自動產生傳動所需要的接觸壓力。蝶形彈簧(28)的作用也是將左右兩個滾輪(22)和(25)推向兩邊，使之與輸入輪盤(12)、輸出輪盤(14)的工作表面產生初始的接觸壓力。端面推力軸承(26)，是用來減輕左右兩邊滾輪 (22)和(25)之間相對轉動的摩擦阻力。中間滾輪軸承支架(23)的結構如圖5所示，它具有兩個同軸線的耳軸(29)，耳軸 (29)支撐在變速裝置的殼體上，中間滾輪軸承支架(23)可以繞耳軸(29)轉動，從而改變中間滾輪機構的工作姿態角度。四組(或更多組)中間滾輪機構(13)同步連續改變工作姿態角度(沿圖紙平面順時針或逆時針轉動一定角度，即圍繞中間滾輪軸承支架(23)的耳軸轉動一定角度)，使得輸入、輸出輪盤(12)、(17)和(14)、(16)的有效工作半徑連續變化， 達到平滑無級改變傳動比的目的。輸出輪盤(14)和(16)，與主動輸出齒輪(15)連成一體，空套在輸入軸(11)上可以自由轉動。主動輸出齒輪(15)與被動輸出齒輪(18)相嚙合，將輸出扭矩傳遞到輸出軸 (19)。這種結構使得輸入輪盤(12)、(17)與輸出輪盤(14)、(16)的轉動方向相同，從而輸出輪盤(14)和(16)及主動輸出齒輪(15)相對于輸入軸(11)轉動轉速等于輸入軸(11) 轉速與輸出輪盤(14)和(16)的轉速之差，相對轉速大大降低，從而降低了對軸承的要求， 延長了軸承的壽命，降低了無效功率的損失。滾輪機構的工作軸承(24)是徑向回轉軸承，可以承受更大的徑向負荷和回轉速度。由于中間滾輪機構(13)在中間滾輪支架(23)的圓柱孔內沿軸線方向可以自由移動，使得中間滾輪支架(23)的耳軸位置可以固定不變(不需要浮動)，就能滿足所有工作表面均有理想的接觸壓力。正確設計雙頭螺桿20的左右螺旋螺距，以保證接觸壓力始終與中間滾輪(22)和(25)之間所傳遞的扭矩成正比，并符合傳動所需要接觸壓力大小。由于中間滾輪(22)和(25)的工作半徑和接觸角度是固定不變的(相對于中間滾輪回轉軸線)，即所產生的推力與所需要的工作面接觸壓力始終是相吻合的，不會產生過度壓力的現象，結構更加簡單。通過同時控制中間4個滾輪機構(13)的角度就可無級地改變輸入軸和輸出軸之間的傳動比。為簡化系統和降低成本，只用一個動力執行器來同時驅動所有的滾輪機構的角度。所有的滾輪機構都由一個同步機構將它們連在一起，所以每個滾輪機構所旋轉的角度是一致的。如圖6所示的動力執行器(630)可以用電動機，也可以用液壓泵。當用電動機動力執行器時，控制電動機的旋轉方向及速度即可改變滾輪機構(13)的角度從而達到改變傳動比的目的。當用液壓裝置時，通過電池閥控制液壓泵的運動方向和速度同樣可改變滾輪機構(13)的角度從而達到改變傳動比的目的。 滾輪機構角度的精密控制是通過控制系統的電子控制器(620)來完成。電子控制器包括信號處理、故障診斷、故障處理、最優變比決策和驅動器控制等主要部分。電子控制器根據輸入的駕駛員指令和系統本身的狀態來確定最佳傳動比。一旦最佳傳動比得到確定，控制器即指使執行器實現該傳動比。在動力傳動過程中，中間轉盤被夾在輸入輪盤和輸出輪盤之間承受傳遞力矩的角色，為了驅動器控制準確和穩定，本發明采用前饋加傳統 PID，另加滑模控制而得到了很好的效果。最優變比的決策是根據駕駛員的輸入(210)、本身系統的輸入(220)來確定。駕駛員的輸入(210)包括油門踏板信號、剎車信號、方向盤轉角信號等。本身系統的輸入(220) 包括輸入軸轉速、輸出軸轉速、中間轉盤位置，如果采用電機作為動力源驅動，電動機的轉速及電流等信號也被用來作為輸入來優化傳動比的選擇以使整個系統處于最佳狀態。
權利要求
1.一種超環面無級變速系統，其特征在于，所述系統由超環面無級變速裝置和控制該裝置滾輪機構角度變化的控制系統所組成。
2.根據權利要求1所述的超環面無級變速系統，其特征在于，所述超環面無級變速裝置由輸入軸(11)、左邊輸入輪盤(12)、右邊輸入輪盤(17)、左邊輸出輪盤(14)、右邊輸出輪盤(16)、中間滾輪機構(13)、主動輸出齒輪(15)、被動輸出齒輪(18)、輸出軸(19)所組成；所述裝置左邊輸入輪盤(12)和右邊輸入輪盤(17)通過花鍵固定連接在輸入軸(11) 上；中間滾輪機構(13)的滾輪回轉軸線方向與上述結構滾輪回轉軸線方向成90度；所述裝置共有四個結構相同的中間滾輪機構(13)。
3.根據權利要求1所述的超環面無級變速系統，其特征在于，所述超環面無級變速控制系統的電子控制器根據輸入的駕駛員指令和系統本身的狀態來確定最佳傳動比，一旦最佳傳動比得到確定，控制器即指使執行器實現該傳動比。
4.根據權利要求1所述的超環面無級變速系統，其特征在于，所述駕駛員的輸入(210) 包括油門踏板信號、剎車信號、方向盤轉角信號等；本身系統的輸入(220)包括輸入軸轉速、輸出軸轉速、中間轉盤位置、如果采用電機作為動力源驅動，電動機的轉速及電流等信號也被用來作為輸入來優化傳動比的選擇以使整個系統處于最佳狀態。
5.根據權利要求2所述的超環面無級變速系統，其特征在于，所述中間滾輪機構(12) 由雙頭螺桿(20)、左邊螺母(21)、左邊滾輪(22)、中間滾輪軸承支架(23)、滾動軸承(24)、 右邊滾輪(25)、端面止推軸承(26)、右邊螺母(27)和蝶形彈簧(28)所組成；左邊滾輪(22) 和右邊滾輪(25)通過軸承(24)支撐在中間滾輪軸承支架(23)的圓柱孔內可以自由轉動和軸向移動；在左右滾輪(22)和(25)的上分別固定有左邊螺母(21)和右邊螺母(27)，它們是通過花鍵固定在左邊滾輪(22)和右邊滾輪(25)的花鍵空內；雙頭螺桿(20)的兩端具有螺旋方向相反，螺距相等的外螺紋，與左右兩個螺母(21)和(27)相配合；中間滾輪軸承支架(23)可以繞耳軸(29)轉動，從而改變中間滾輪機構的工作姿態角度；四組中間滾輪機構(13)同步連續改變工作姿態角度，使得輸入、輸出輪盤(12)、(17)和(14)、(16)的有效工作半徑連續變化，達到平滑無級改變傳動比。
6.根據權利要求1所述的超環面無級變速系統，其特征包含了一個采用了前饋加傳統 PID，另加滑模控制的電子控制器而實現驅動器對滾輪位置的準確控制和穩定運行。
全文摘要
一種超環面無級變速系統，該系統由超環面無級變速裝置和控制系統所組成。所述超環面無級變速裝置由輸入軸(11)、左邊輸入輪盤(12)、右邊輸入輪盤(17)、左邊輸出輪盤(14)、右邊輸出輪盤(16)、中間滾輪機構(13)、主動輸出齒輪(15)、被動輸出齒輪(18)、輸出軸(19)所組成。四組中間滾輪機構同步連續改變工作角度，使得輸入、輸出輪盤的有效工作半徑連續變化，達到平滑無級改變傳動比的目的。所述超環面無級變速控制系統的電子控制器根據輸入的駕駛員指令和系統本身的狀態來確定最佳傳動比，一旦最佳傳動比確定，控制器即指使執行器實現該傳動比。本發明適用于需要無級變速的類似動力變速箱系統。
文檔編號F16H37/00GK102192299SQ20101012828
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月19日 優先權日2010年3月19日
發明者劉貽樟, 江從壽, 陳漢雄 申請人:劉貽樟, 江從壽, 陳漢雄