正壓力自適應的行星環錐齒輪功率分流式無級變速器的制造方法
【專利摘要】本發明提供一種正壓力自適應行星環錐齒輪功率分流式無級變速器，結構包括行星環錐齒輪系、差動輪系及液壓系統；行星環錐齒輪輪系結構包括：行星環錐齒輪、調速環、行星環錐圓錐面、主動中心錐齒輪及從動中心錐齒輪；差動輪系包括：輸出中心輪、行星架、同步行星齒輪、行星輪、同步內嚙合齒輪、同步圓柱齒輪、定軸齒輪、中心內圓柱齒輪、圓柱齒輪；液壓控制系統為功率輸出軸、扭矩傳感器、液壓缸、位移傳感器（壓力傳感器）、控制系統、驅動電路、電動機、液壓泵、伺服放大器及電液伺服閥。本發明選擇完全功率分流傳動，最后在行星輪處合成輸出，有效改善了現有技術中無法提供恒定正壓力的問題。
【專利說明】
正壓力自適應的行星環錐齒輪功率分流式無級變速器
技術領域
[0001] 本發明屬于無級變速器領域，尤其涉及一種正壓力自適應的行星環錐齒輪式功率 分流無級變速器。
【背景技術】
[0002] 無級變速器按傳動方式可分為：電力傳動、機械傳動、液壓傳動。電力傳動包括三 類:電磁滑動式、直流電動機式和交流電動機式；電力傳動存在滑動率大、效率低、不適合長 期高負載運轉、而且設備復雜，成本高，機械特性在降速段呈現恒扭矩特性，運轉不夠平穩 等缺點。機械傳動具有轉速穩定，滑動率小，工作可靠，具有恒功率特性，傳動效率較高，且 結構簡單，維修方便，價格相對便宜;但其承載能力較低，故一般適合于中、小功率傳動。液 壓傳動具有如下優點：傳動簡化，安裝位置自由度多，便于機械總體布置，能容量大，慣量 小，操作簡單省力，輸出特性為恒扭矩;但也具有滑動率較大，零件精度要求高，運轉時容易 發生漏油等缺點。
[0003] 機械傳動無級變速器主要是靠摩擦力提供動力，而其摩擦力的大小由正壓力決 定，目前均采用機械結構提供恒定的正壓力，可是正壓力太大會造成不必要的能量損耗且 縮短無級變速器的使用壽命;正壓力太小則滑動率增大，輸出動力不足。因此設計一種能提 供正壓力自適應的機械無級變速器尤其重要。行星環錐式無級變速器具有傳動平穩，起動 性良好，在滿負荷下可穩步從零起動，適應變工況工作，壽命長，變速范圍廣等優點，然而行 星環錐存在三點接觸支撐，多個摩擦傳動使得傳動效率很低。因此從減少摩擦接觸面和功 率分流兩個方面有進一步提升行星環錐式無級變速器性能的空間。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題是：目前所使用的機械傳動無機變速器，主要依靠摩 擦力提供動力，而摩擦力的大小又決定于正壓力；目前均采用機械機構提供恒定的正壓力， 而實際操作中很難提供恰當的正壓力，正壓力過大會造成不必要的能量損耗，且會縮短無 級變速器的使用壽命，而正壓力過小又會造成滑動率增大而使得輸出動力不足。
[0005] 針對以上問題，本發明所采取的技術方案是：提供過一種正壓力自適應行星環錐 齒輪功率分流式無級變速器，其結構是采用行星環錐齒輪輪系、差動輪系組合與液壓控制 系統。
[0006] 所述行星環錐齒輪輪系結構包括：行星環錐小齒輪、行星環錐大齒輪、調速環、行 星環錐圓錐面、主動中心錐齒輪及從動中心錐齒輪;差動輪系組合結構包括:輸出中心輪、 行星架、同步行星齒輪、行星輪、同步內嚙合齒輪、同步圓柱齒輪、定軸齒輪、中心內圓柱齒 輪、圓柱齒輪;其相應的傳動路線是功率從軸輸入，大部分功率直接傳遞到行星架，小部分 傳遞到主動中心錐齒輪，而主動中心錐齒輪與輸入軸沒有相對轉動，主動中心錐齒輪直接 與行星環錐小齒輪嚙合，然后，通過調速環與行星環錐圓錐面的摩擦力傳遞到行星環錐大 齒輪，再與從動中心錐齒輪嚙合將動力傳遞給差動輪系;差動輪系中，功率從動中心錐齒輪 輸出到圓柱齒輪，可以直接通過同步齒輪與中心內圓柱齒輪嚙合，到同步內嚙合齒輪，該齒 輪與行星輪嚙合，與行星架合成輸出。再經過行星輪，中心內齒輪，由輸出軸輸出。其傳動比 公式為：
(1) 其中，所有的Z表示齒數，其下標表示對應的齒輪；4一行星環錐齒輪1自轉半徑， 美一一行星環錐齒輪1公轉半徑。其中
-表示齒輪28的傳動比 （2) 一一表示齒輪28和齒輪5的傳動比 （3) 為了避免傳輸過程匯總功率回流，可在圓柱齒輪與中心內圓柱齒輪之間接入一個定軸 齒輪;在行星齒輪上固連一個同步行星齒輪，然后，將同步行星齒輪與輸出中心輪嚙合，完 成功率分流與無級變速傳動。
[0007] 所述行星環錐齒輪上的圓環體，與其對應的小支撐環和大支撐環接觸，只起支撐 作用；小支撐環和大支撐環均空套在輸入軸上;或者可以將小支撐環與主動中心錐齒輪以 及大支撐環與從動中心錐齒輪滑動連接;也可以將小支撐環和大支撐環改為圓環體，同時 將圓環體改為內圓環體，總之，支撐環只起支撐作用，無論采用哪一種結構都能實現其功 能。
[0008] 液壓控制系統，功率輸出軸、扭矩傳感器、液壓缸、位移傳感器(壓力傳感器）、控制 系統、驅動電路、電動機、液壓栗、伺服放大器、電液伺服閥；其中，將輸出軸的扭矩通過扭矩 傳感器，以及液壓缸中的壓力傳感器，分別將其扭矩信號和壓力信號傳輸至控制系統，通過 控制系統處理后，相應的信號經過驅動電路，傳遞給電動機來控制液壓栗的輸出流量，經過 伺服放大器傳遞給電液伺服閥來控制液壓油的方向。進而控制液壓缸的卸壓和加壓(壓力 取決于負載），壓力再通過加壓盤最終實現對正壓力的自適應控制。在液壓系統中，溢流閥 中具有保壓泄流的作用。
[0009] 對于液壓缸，其速度卞與流量#的關系式是
或者 （米/分） ;式中：.孩--活塞的有效作用面積。因為液壓缸無桿腔的有效作用面積_為
， 而有桿腔的有效作用面積幾為
；式中一缸體內孔直徑(厘米）;d- 活塞桿直徑(厘米）。液壓缸的作用力是由工作液體的壓力作用在液壓缸有效作用面積上所 產生的，用來克服負載，實現工作機構的往復移動。當壓力油輸入無桿腔時，作用力f為：
(4) 而當壓力油輸入有桿腔之時，作用力_為：
(5) 式中# 一液壓缸進油壓力；與一回油背壓。
[0010] 調速時，改變調速環和行星環錐齒輪自轉半徑，達到了無級變速的目的。不論在 調速還是運轉時，調速環都不轉動。
[0011] 對于環錐齒輪，由環錐大齒輪、環錐小齒輪和調速錐面結合傳遞動力。環錐齒輪沒 有保持架，處于浮動狀態，由于傳遞動力的三部分中，只有一部分是摩擦面，因此環錐齒輪 浮動非常小，但是由于工作狀態下，特別是調速過程中，環錐齒輪存在傾翻力矩，使得其有 一定的浮動量，從而降低傳動效率，縮短環錐齒輪的壽命;為了改善此缺點，在環錐大齒輪 和調速錐面之間設計一個圓環體，同時與其對應的小支撐環和大支撐環，這樣可以平衡在 調速過程中產生的傾翻力矩，不僅可以改善環錐大齒輪和環錐小齒輪的傳動特性，而且可 以提尚調速環和調速維面的壽命，減小滑動量，提尚傳遞效率。
[0012] P代表行星環錐齒輪式無級變速器，X代表2K-H正號差動輪系。A、B分別為輸入、輸 出端;a、b、e為行星環錐齒輪式無級變速器的三個伸出端;g、d、h為2K-H正號差動輪系的三 個伸出端。總效率為：
(7) 其中，所有上標表示相對于它，比如表示動力從g傳遞到h相對于與d的傳動效率。
[0013] 本發明的有益效果是:在設計差動輪系時，選擇完全功率分流傳動，特點是輸入功 率大部分直接傳遞到行星架，而小部分功率經過環錐齒輪式無級變速器傳遞到內嚙合中心 輪，最后在行星輪處合成輸出；有效改善了現有技術中無法提供恒定正壓力的問題，也避免 了由摩擦帶來的正壓力損失，且保證了裝置的使用壽命；同時通過輔助結構有效避免了功 率傳遞過程中的回流問題。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明的傳動機構示意圖； 圖2是環錐齒輪的結構示意圖； 圖3是功率分流無級變速器簡化模型圖； 圖4是液壓系統傳動示意圖； 圖5是液壓缸布置圖； 圖中：1、行星環錐齒輪;2、調速環；3、行星環錐圓錐面;4、小支撐環；5、主動中心錐齒 輪;6、行星環錐齒輪保持架;7、輸入軸;8、壓盤;9、液壓缸；10、單向閥；11、電動機；12，液壓 栗；13、溢流閥；14、油箱；15、電液伺服閥；16、輸出中心輪；17、輸出軸；18、行星架；19、同步 行星齒輪;20、行星輪;21、同步內嚙合齒輪;22、中心內嚙合齒輪保持架;23、同步圓柱齒輪； 24、定軸齒輪;25、中心內嚙合齒輪;26、回轉支架;27、位移傳感器;28、從動中心錐齒輪;29、 行星環錐小齒輪;30、大支撐環；31、圓環體;32、行星環錐大齒輪;33、行星環錐齒輪支持圓 柱銷;34、圓柱齒輪;35、同步齒輪。
【具體實施方式】 [0015] 如圖1所示，本發明是一種正壓力自適應的行星環錐齒輪功率分流式無級變速器，工作 時，輸入扭矩可以直接從輸入軸7或者通過減速機構再傳給輸入軸7，大部分功率直接傳遞 到行星架18，小部分傳遞到主動中心錐齒輪5，而主動中心錐齒輪5與輸入軸7沒有相對轉 動，主動中心錐齒輪5直接與行星環錐小齒輪29嚙合，然后，通過調速環2與行星環錐圓錐面 3的摩擦力傳遞到行星環錐大齒輪32,再與從動中心錐齒輪28嚙合將動力傳遞給差動輪系。 行星環錐齒輪上的圓環體31，與其對應的小支撐環4和大支撐環30接觸，只起支撐作用；小 支撐環4和大支撐環30均空套在輸入軸7上;或者可以將小支撐環4與主動中心錐齒輪5以及 大支撐環30與從動中心錐齒輪28滑動連接;也可以將小支撐環4和大支撐環30改為圓環體， 同時將圓環體31改為內圓環體，總之，支撐環只起支撐作用，無論采用哪一種結構都能實現 其功能。
[0016]從主動中心錐齒輪5經過行星環錐齒輪1到從動中心錐齒輪28,自由度是1。活動構 件(除小支撐環4和大支撐環30外)數為4,低副4個，高副3個，自由度=3X4-2X4-3=2。差動 輪系是2自由度。功率從動中心錐齒輪28輸出到圓柱齒輪34,可以直接通過同步齒輪35、23、 24與中心內圓柱齒輪25嚙合，但是，為了使得功率沒有回流現象，在圓柱齒輪34與中心內圓 柱齒輪25之間接入一個定軸齒輪24。經定軸齒輪24與中心內嚙合齒輪25嚙合，到同步內嚙 合齒輪21，該齒輪21與行星輪20嚙合，與行星架18合成輸出。可以直接將行星輪20與中心輪 16嚙合輸出，但是為了避免存在功率回流，在行星齒輪20上固連一個同步行星齒輪19,然 后，將同步行星齒輪19與中心輪16嚙合，完成功率分流與無級變速傳動。差動輪系的自由度 為2。活動構件數為8，低副數為8，高副數為6，自由度=3 X8-2 X8-6=2。
[0017] 對于實現正壓力自適應的液壓控制系統，軸17的輸出扭矩可由扭矩傳感器采集負 載扭矩的大小，將此扭矩信號以及液壓缸9壓力傳感器27采集的壓力信號，均傳遞至控制系 統(DSP)進行有效控制，DSP將其輸入的信號輸出至伺服放大器和驅動電路分別對其進行信 號能量放大，使之具有充足的能量信號供給電動機11和電液伺服閥15,以此控制液壓栗12 的流量和電液伺服閥15方向，電動機11驅動液壓栗12將液流從油箱14輸出至單向閥，并依 次輸入至電液伺服閥15,此時，電液伺服閥15也受伺服放大器輸入信號的控制，調節閥芯相 對于閥體的相對運動，實現油路的通、斷或改變液流的方向，從而控制液壓缸9供油的啟動、 停止或運動方向的操作。本液壓系統中，單向閥10安裝在液壓栗的出口處，可以有效的防止 系統中的液壓沖擊影響液壓栗的正常工作，或當液壓栗檢修時油液倒流。溢流閥13主要是 通過閥口的溢流，使被控系統或回路壓力維持恒定，實現調壓，穩壓或限壓（防止過載)作 用。
[0018] 如圖2所示，行星環錐齒輪呈一個角度傾斜，使得調速錐面3的一條外輪廓線保持 水平，并且行星環錐齒輪1在中心軸圓周分布3~5個，&、X分別為行星環錐齒輪1自轉半 徑和公轉半徑，我們通過左右移動變速環2來改變A的大小實現變速。
[0019] 如圖3所示，說明了功率分流的原理。實施發明專利時，要精心設計差動輪系的傳 動比，使其避開功率回流區，真正實現功率分流，克服行星環錐式無級變速器傳遞功率小的 缺點。
[0020] 如圖4所示，簡要說明了液壓驅動系統的工作原理。在具體實施時，真正的實現響 應速度快，能量損耗小的優點。
[0021] 如圖5所示，說明了液壓缸的布置，以及進出油路的排列，使得四個液壓缸的進油 口和出油口均相通，可以起到穩壓和均壓的目的。
[0022] 本發明所提供的正壓力自適應的行星環錐齒輪功率分流式無級變速器，有效改善 了現有技術中無法提供恒定正壓力的問題，也避免了由摩擦帶來的正壓力損失，且保證了 裝置的使用壽命；同時通過輔助結構有效避免了功率傳遞過程中的回流問題，實際應用中 還可通過調整行星環錐齒輪的公轉半徑與自轉半徑，設計不同的變速。
【主權項】
1. 一種正壓力自適應行星環錐齒輪功率分流式無級變速器，其特征在于，結構包括行 星環錐齒輪系、差動輪系及液壓系統； 所述行星環錐齒輪輪系結構包括:行星環錐小齒輪、行星環錐大齒輪、調速環、行星環 錐圓錐面、主動中心錐齒輪及從動中心錐齒輪;差動輪系組合結構包括:輸出中心輪、行星 架、同步行星齒輪、行星輪、同步內嚙合齒輪、同步圓柱齒輪、定軸齒輪、中心內圓柱齒輪、圓 柱齒輪;所述液壓控制系統，功率輸出軸、扭矩傳感器、液壓缸、位移傳感器(壓力傳感器）、 控制系統、驅動電路、電動機、液壓栗、伺服放大器、電液伺服閥； 其相應的傳動路線是功率從軸輸入，大部分功率直接傳遞到行星架，小部分傳遞到主 動中心錐齒輪，而主動中心錐齒輪與輸入軸沒有相對轉動，主動中心錐齒輪直接與行星環 錐小齒輪嚙合，然后，通過調速環與行星環錐圓錐面的摩擦力傳遞到行星環錐大齒輪，再與 從動中心錐齒輪嚙合將動力傳遞給差動輪系;所述差動輪系中，功率從動中心錐齒輪輸出 到圓柱齒輪，可以直接通過同步齒輪與中心內圓柱齒輪嚙合，到同步內嚙合齒輪，該齒輪與 行星輪嚙合，與行星架合成輸出；再經過行星輪，中心內齒輪，由輸出軸輸出；輸出軸的扭矩 通過扭矩傳感器，以及液壓缸中的壓力傳感器，分別將其扭矩信號和壓力信號傳輸至控制 系統，通過控制系統處理后，相應的信號經過驅動電路，傳遞給電動機來控制液壓栗的輸出 流量，經過伺服放大器傳遞給電液伺服閥來控制液壓油的方向；進而控制液壓缸的卸壓和 加壓，壓力再通過加壓盤最終實現對正壓力的自適應控制。2. 根據權利要求1所述的一種正壓力自適應行星環錐齒輪功率分流式無級變速器，其 特征在于，所述圓柱齒輪與中心內圓柱齒輪之間接入一個定軸齒輪;在行星齒輪上固連一 個同步行星齒輪，再將同步行星齒輪與輸出中心輪嚙合，避免功率回流。3. 根據權利要求1所述的一種正壓力自適應行星環錐齒輪功率分流式無級變速器，其 特征在于，所述環錐大齒輪和調速錐面之間設計一個圓環體，同時與其對應的小支撐環和 大支撐環;小支撐環和大支撐環均空套在輸入軸上;或者可將小支撐環與主動中心錐齒輪 以及大支撐環與從動中心錐齒輪滑動連接;也可將小支撐環和大支撐環改為圓環體，同時 將圓環體改為內圓環體。
【文檔編號】F15B11/16GK105840756SQ201610324300
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月17日
【發明人】毛虎平, 張艷崗, 王爽, 顧存行, 董小瑞, 張翼, 緒彥芳, 王強, 劉曉紅, 馮耀南, 王軍, 馬富康, 李建軍
【申請人】中北大學