专利名称：行星钢球无级变速器的制作方法
技术领域：
本发明涉及到简支梁转臂输出或输出轴与外压圈固连作差动输出的行星钢球无级变速器。(以下简称为变速器)钢球式无级变速传动采用钢球作传动副或者作中间滚动体，通常需要对钢球钻孔安装心轴实现回转运动；钢球为中间滚动体的也需均布分隔一组钢球互不接触。差动输出的钢球保持架采用槽孔板式为滑动接触磨损严重影响使用寿命与效率。要实现钢球工作半径连续变化需作回转运动常装心轴或磨削凹槽其运动一致性及位置精度一致性难以达到且属于滑动而摩阻大调速弗力，一般停机时不能调速。
本发明提供一种简支梁转臂输出和差动输出的行星钢球无级变速器，它直接采用钢球标准件不再加工，并与转臂或分隔钢球的保持架之间达到全滚动接触及滚动调速位移；采用碟簧加压其压紧力始终与恒功率传动所要求的压紧力增减成正比而一致；采用凹凸共曲传动副具有较高的承载能力。
本发明是这样实现的输入主动轴上以花键联接着二个圆弧圆锥体的主动轮，主动轮外侧各有碟簧始终压紧着并夹紧一组钢球行星轮(以下简称钢球)，钢球的外侧受二个内凹圆弧曲面的外压圈(以下称外压圈)所包含抱合接受来源自碟簧的二次压紧力，以凹凸初始点接触压住钢球。这样钢球在径向内外与轴向左右受二个主动轮和二个外压圈的四圆弧曲面所包容相互压紧而被控制于所需的工位。在圆周上分别有二种结构转臂输出的由简支梁组合件的导轮与销轴而均布分隔钢球并传递钢球的公自转的转矩；差动输出的采用与钢球同数的滚动轴承以该轴承的外圆分别与钢球滚动接触均布分隔，既钢球无轴又无孔在径向轴向受主动轮和外压圈四点接触成传动副而分布圆的周向受滚动轴承控制在所需工位。
简支梁转臂由输出轴、销轴、导轮及其滚针、均载环及轴承组成，销轴二端头分别紧固于输出轴和均载环构成刚性整体梁式转臂，导轮活套于销轴上，常由一组滚针与销轴动配且可作轴向移动。在钢球分布圆周上均布的导轮外径以马鞍形凹槽与钢球滚动接触接受钢球公自转传递转矩到输出轴。
差动输出的由于一个外压圈与输出轴固连为整体，因为钢球的公自转方向相反大小随着调速而变，对可以转动的输出外压圈产生差动作用并输出转速和转矩。这里的由轴承组合成的钢球保持架仅均布分隔着钢球而不传递力矩。钢球径向轴向被主动轮与外压圈四点接触压紧成传动副，而圆周上与轴承接触相滚动运行，各钢球之间不能相接触。随着调速各传动副位移，钢球始终与轴承外圆接触作滚动摩擦处于均布隔离。
无级变速需改变传动副的传动比，本发明采用主动轮、钢球、外压圈各工作圆弧的接触点作连续变动位移形成三要素(三方六工作面传力)全变动，达到工作圆弧滚动摩擦位移，受力点不断变化，磨损小、寿命长、效率高。无级变速需要工作半径连续变动，通常的钢球需钻孔装心轴或者在钢球上磨削凹槽装上能回转的机构进行回转运动，由于是多个钢球，其运动一致性难以达到影响到稳定性。本发明采用外压圈作简单的轴向平移就能够使一组钢球一致性回转与等量位移，并与主动轮的轴向分合同步对应，碟簧的压紧力以及法向正压力始终与转速或转矩成正比相一致，实现自行增减工作压紧力。既向低速调二外压圈作轴向靠扰，二外压圈的圆弧曲面推压着钢球作径向内移，而二主动轮则作轴向外移，使外侧的碟簧再度压缩压紧力升高，这正是向低转速调恒功率传动转矩所需的压紧力而大幅度提高承载能力；向高转速压紧力减小，发热和损耗降低效率提高。
本发明的各传动副其半径大小及其中心点工位的不同设计参数就有不同的调速范围和输出转速上下限大小不同，并都能实现恒功率传动和极大减速比传动。
本发明的凹凸共曲及滚动位移调速，液体润滑容易达到适应于连续性调速与极低转速运行稳定可靠性。以下详细说明本发明的具体细节及实施例。
图1是本发明的转臂输出行星钢球无级变速器的主视图。
图2是本发明的转臂输出行星钢球无级变速器简支梁刚性转臂轴向剖视图。
图3是本发明的转臂输出行星钢球无级变速器简支梁刚性转臂中心截面圆周上结构图。
图4是本发明差动输出行星钢球无级变速器分隔钢球的钢球保持架由一组滚动轴承组合的轴向剖视图。
图5是本发明的差动输出行星钢球无级变速器钢球保持架滚动轴承组合的轴向剖视图。
图6是本发明转臂输出行星钢球无级变速器的主动轮、钢球、外压圈三要素变速位移工作原理图。
图7是本发明差动输出行星钢球无级变速器主动轮、钢球、外压圈(包括左右的不同)的变速工作原理图。
图8是本发明的差动输出行星钢球无级变速器主视图。
图1中输出轴1和均载环11由销轴2紧连成梁式整体，钢球6径向内侧被主动轮5和10夹紧，外侧受外压圈4和9的内凹圆弧曲面压紧着控制了径向和轴向的工位，钢球6的圆周分布圆上由简支梁销轴2及其作动配联接的导轮7均布分隔接触作滚动摩擦传递钢球6的公自转直到输出轴1。导轮7轴孔由滚针8动配于销轴2上可以作轴向移动。碟簧3始终压紧着主动轮5和10，并继续压紧钢球6和外压圈4和9。均载环11与轴承12连接，轴承12固定在法兰13上。输入轴支承在滚针轴承15上可作轴向移动。可移动的外压圈9与移动座14固连作轴向平移是由蜗轮16、蜗杆17进行调速控制。
图2中明显表示输出轴1通过销轴2与均载环11紧固连成刚性简支梁转臂，导轮7以滚针8动配于销轴2上，外圆加工成凹圆弧。钢球6与主动轮5和10、外压圈4和9为凹凸共曲初始点接触，当高速区二个外压圈4与9相对轴向分开，与钢球的接触点是径向外端，而二个主动轮5和10与钢球6在接近钢球中心线处接触。均载环11通过滚动轴承12支承着。
图3中钢球6分布圆周上均布间隔着导轮7和销轴2，导轮7套在销轴2上。运行时不论钢球在径向最外处或者逐步移向中心，钢球6保持与导轮7外圆接触滚动，传递转矩。
图4中(这里零件编号与上述转臂输出式不同，以示区别)，钢球13的圆周分布图上均布间隔着等数量的由滚动轴承14组成的钢球保持架，各滚动轴承固定在销轴15上，而销轴15固连到保持架体16上，钢球保持架体又以滚动轴承17支承在输入轴上达到滚动摩擦，摩阻小磨损少效率高寿命长。
图5中明显表达滚动轴承组合的钢球保持架轴向剖视，轴承14安装在销轴15上，销轴15两端紧固于保持架体16，轴承17将整个保持架与输入轴动配连接。
图6是本发明转臂输出行星钢球无级变速器的变速工作原理，O为钢球初始球心，OA为半径，而外压圈以O1为圆弧曲面的圆心，从O1通过O至A点是外压圈工作圆弧半径即O1A＝O1O+OA，O1O是二半径差。O2点是主动轮上作圆弧高速区起始工位的圆心，从O2点通过O至B点是主动轮工作圆弧半径，O2O为与钢球半径差，即O2B＝O2O+OB，OB＝OA。当二个外压圈作轴向平移靠拢时，A点推压钢球，由于二个外压圈的作用，钢球作径向内移，这时的钢球通过B接触传力使主动轮作轴向外移，钢球的球心从O移动直到O’，因外压圈为O1移动直到O’1，主动轮的圆心O2移动直至O’2。当蜗杆反转，蜗轮通过内螺旋传动使外压圈作轴向外移，相对于另一外压圈的工作圆弧间距增大，与钢球的接触点从An点(从动态上说是A’n点)逐渐移回到A点，这是因为碟簧的压紧力始终推压着钢球总是作径向外移，从低速区的B’点逐渐同步移到B点，即钢球从O’回复到O点，所有工位恢复初始。从最高到最低转速接触点的逐渐不断变动，工作圆孤工作半径连续变化进退对应升降协调，而且主动轮、钢球和外压圈均有较大的工作弧长，所以属滚动调速位移磨损少效率高寿命长，并且具有较大的调速范围。由于向低速调，二个外压圈相对移近而二个主动轮则相对移开，就会再度压缩外侧的碟簧压紧力增大，而向高速调则相反，压紧力减小，发热和损耗减少，由于公自转速度较高其离心力升高作用到外压圈上的离心力之摩擦力也具有协助作用。从图可见，四凹圆弧工作面与钢球凹凸共曲达到滚动调速位移，并且其曲率小半径差也小，所以显著提高承载能力及运行稳定可靠性。传动副为凹凸共曲圆弧工作面是本发明的特征之一。
从图6中明确表达传动比的计算高速点r1为钢球与主动轮触点至中心轴线(X-X)的距离，r2为该触点至钢球转动轴线距离，r3为外压圈A点至钢球中心线距离，r4为该点至中心轴线X-X的距离，有式r4＝r1+r2+r3，传动比i1＝r1r3/(r1r3+r2r4)。低速点钢球与外压圈的触点移至An(或A’n)，该点至钢球新转动轴线的距离为r’3，至中心轴X-X的距离r’4，钢球与主动轮的触点B’至钢球转动中心线的距离为r’2，该点至中心轴X-X的距离为r’1。同理i2＝r’1r’3/(r’1r’3+r’2r’4)，显然，由于r’1r’2＜r1r2而r’2r’4＞r2r4，所以i2＜i1即输出转速降低。
从图中可以看到，各传动副工作弧长相近，符合滚动位移，且连续逐点变动，具有变速精度高与调速方便可靠的性能。本发明采用碟簧加压而压紧力与恒功率传动转矩增减所需的压紧力增减相一致，是因为有了向低速调二主动轮作相对分开轴向平移，且与法向正压力的增减相一致。另外外压圈的简单轴向平移就能实现钢球工作半径的变动即钢球作当量回转运动，达到多项目一致性，而且钢球既无心轴又无轴孔的标准件。
图7是本发明差动输出的行星钢球无级变速器变速原理，可移动而不能转动的外压圈圆弧工作面的圆心O1通过钢球球心O至触点A，半径差O1O＝O1A-OA，A点至钢球转轴线距离为r3，该点至中心轴X-X的距离为r4。
可转动的差动输出外压圈的工作圆弧圆心点O11通过O至A1半径差O11O＝O11A1-OA1，OA1＝OA，A1与A的径向高度存在差值，即至钢球转轴线为r33＜r3，越向低转速调此差值减小直至0值，也可以为负值。同理，钢球与主动轮的触点高速时是B点，低速时B’点，二个主动轮的触点高度可以不等高，也可以等高，不受限制。这里B点至中心轴X-X的距离为r1，B’点至中心轴X-X的距离为r’1，B’至钢球低区时的球心转轴距离为r’2，而二个外压圈低速时触点至钢球转轴线距离为r’3与r’33，如图所示其传动比I计算如下r’3＝r’33、r’4＝r’44所以 i1＝(1+r2r4/r1r3)÷(1-r33r4/r3r44)，i2＝(1+r’4r’2/r’1r’3)÷(1-r’33r’4/r’3r’4)，所以 i2＝(1+r’2r’4/r’1r’3)÷(1-r’3r’4/r’3r’4)→∞，即输出转速为0。
从上式中可见，由于A与A1点的初始高度差不同输出转速上限值不同，相差越大，输出转速上限越高；高度差越小输出转速上限越小，并可以接近于0值。这就是本发明的输出转速上下极限不受限制的重大突破。这也是本发明的主要特征之一。
图8是本发明差动输出行星钢球无级变速器结构主视图。图中表明二个主动轮5与6的圆弧工作面初始高度不同以便使钢球高速区转动轴线与中心轴线偏移，形成二个外压圈3与24的圆弧工作面初始触点高度差更大，输出高速范围提高。与转臂输出不同的是外压圈3与输出轴13固连为整体作差动输出。一组钢球4分布圆周上均布由滚动轴承外圆与钢球接触分隔，钢球之间互不接触。这个在钢球圆周上的中间滚动体其分别与二个钢球接触时作滚动摩擦且方向一致，运行损耗大幅度降低。钢球保持架7及其轴承组合在运行中以滚动接触取代通常的滑动接触位移及运动也是本发明的特征所在。
上述多项结构特征实现了本发明的技术性能的重大突破。在承载能力、传动效率、变速精度和输出转速上下极限的不受限制以及低转速运行稳定性和高寿命均填补了空白，实施本发明具有显著的经济与社会效益。
权利要求
1.一种简支梁转臂输出或外压圈与输出轴固连作差动输出的行星钢球无级变速器，其特征是行星轮是无物理心轴的钢球，二个主动轮是圆弧圆锥体并与二个内凹圆弧曲面的外压圈始终包含抱合点接触压紧着钢球而凹凸共曲，通过蜗杆蜗轮与螺旋传动使外压圈作轴向分合平移，钢球和主动轮作同步移动，碟簧同时得到再压缩或者放松，简支梁转臂以导轮与销轴传递钢球的转矩，差动输出的以滚动轴承外圆与钢球接触均布分隔钢球。
2.根据权利要求1所述的行星钢球无级变速器，其特征是钢球是无物理心轴标准件，二个主动轮和二个外压圈是圆弧曲面体与钢球凹凸共曲始终相互压紧着。
3.根据权利要求1所述的行星钢球无级变速器，其特征是蜗杆蜗轮与螺旋传动外压圈作轴向分合平移，主动轮外侧有碟簧压紧，并在主动轮作轴向平移时再压缩或者放松，压紧力自行变化。
4.根据权利要求1所述的行星钢球无级变速器，其特征是简支梁转臂，输出轴通过销轴与均载环固连，销轴上套有导轮周向均布分隔着钢球，均载环支承在轴承上与输出轴组成简支梁转臂。
5.根据权利要求1所述的行星钢球无级变速器，其特征是差动输出外压圈与输出轴固连，钢球保持架由一组滚动轴承以外圆滚动接触钢球作均布，各钢球之间由轴承隔离，保持架体与输入轴由滚动轴承相联接。
6.根据权利要求1所述的行星钢球无级变速器，其特征是作转臂输出的二个外压圈的工作圆弧曲面和二个主动轮的工作圆弧曲面其左右件各参数相同并对称，而作差动输出的二个外压圈的圆弧工作面有高度差，高度差值大输出转速上限高，高度差值小输出转速上限也较低，高度差等于零输出转速等于零的设计方法和计算式。
全文摘要
一种由简支梁转臂输出或由外压圈作差动输出的行星钢球无级变速器，采用二个圆弧圆锥曲面的主动轮和二个内凹圆弧曲面的外压圈始终抱合着一组钢球行星轮作初始点接触及滚动调速位移，碟簧的压紧力与转矩增减相一致自行调整。凹凸共曲的传动副以轴向平移实现无物理心轴的钢球回转运动与一致性。简支梁转臂输出其转臂轴承相对转速相减而降低。采用二外压圈工作圆弧高度差就能实现输出转速的变化及上下极限转速与变速精度不受限制。
文档编号F16H15/50GK1428524SQ0114524
公开日2003年7月9日 申请日期2001年12月26日 优先权日2001年12月26日
发明者陈光武 申请人:陈光武