一种新型汽车无级调速变速器系统的制作方法

1.本发明涉及汽车变速箱变速技术领域，更具体地说，是涉及一种新型汽车无级调速变速器系统。


背景技术：

2.目前常见的无级变速器有液力机械式无级变速器和金属带式无级变速器。无级变速器和普通自动变速器的最大区别是它省去了复杂而又笨重的齿轮组合变速传动，而只用了两组带轮进行变速传动，通过改变驱动轮与从动轮传动带的接触半径进行变速，可以实现传动比的连续改变。
3.具体地说，无级变速器主要由两个直径可变的滚轮和一条钢带来传动，并以此来改变速度，从而克服了普通自动变速机构的换档间歇、油门反应慢、油耗高等缺点。但是用来传递能量的钢带相对齿轮而言强度低、寿命短，由于钢带是通过摩擦来传递动力，所以它传递发动机的扭矩和能量低，传递动力不如齿轮准确可靠。而且无级变速器进行变速时，其滚轮要向钢带传递动力的垂直方向滑动，这无疑将破坏钢带与滚轮之间的静摩擦，很容易产生打滑现象，所以现有的无级变速机构在变速下加速会有反应迟缓的表现。
4.所以无级变速器纵然有舒适、效率高及节能等等优点，但仍然存在难以承受较大的载荷、换挡迟缓等不足之处，因此目前市面上的无级变速器大多限用于在1升排量左右的低功率和低扭矩汽车，由上可知，带式传动的弊端明显限制了无级变速器的推广使用。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种采用新型传动方式的汽车无级调速变速器系统，以克服现有技术中无级变速器扭矩偏小、调速迟缓的问题。
6.本发明上述目的通过以下技术方案实现：
7.一种新型汽车无级调速变速器系统，包括输入轴、变速箱以及输出轴，其中，所述输入轴延伸进入所述变速箱并在轴端套接有飞轮，所述飞轮端面在轮芯以外的区域上设有同向的偏心轴，所述偏心轴通过第一连杆活动连接有摇摆轴，所述摇摆轴端部同与之垂直的摇摆柱固定连接，所述摇摆柱底部与所述变速箱侧壁转动连接，所述偏心轴在围绕所述输入轴转动的过程中能够通过第一连杆带动所述摇摆轴和摇摆柱绕着所述转动连接点往复摆动；
8.所述摇摆柱上活动套接有相位动子，所述相位动子外侧设有与所述摇摆轴平行的相位动子输出轴，另一侧与无级驱动装置连接，在所述无级驱动装置的驱动作用下，所述相位动子能够沿着所述摇摆柱来回移动，从而改变所述相位动子输出轴的输出相位；
9.所述相位动子输出轴通过第二连杆连接有齿条，所述齿条与所述输出轴之间通过齿条齿轮机构连接，从而将所述相位动子输出轴的摆线式往复运动转变为所述输出轴的旋转运动。
10.本发明利用曲轴连杆的原理，在变速器系统的输入轴与输出轴之间设置有摇摆
柱，通过摇摆柱的往复摆线运动以进行传动，并通过调整所述摇摆柱的摇摆输出半径，也就是无级调整相位动子输出轴的输出相位距离，以实现不同的传动比。
11.具体地说，所述摇摆柱上活动套设的相位动子能够在无级驱动装置促使下，沿着摇摆柱进行轨道式无级运动，从而改变所述相位动子到所述摇摆柱的摆动支点之间的距离，由于相位动子外侧安装有相位动子输出轴，所以该距离即为有效的摇摆输出半径，该距离越大，相位动子输出轴能达到的摆距越大，转化至与相位动子输出轴间接连接的输出轴的转速就越大；当所述相位动子接近于所述摇摆柱的摆动支点，甚至是相位动子输出轴与摆动支点达到同轴的时候，所述相位动子输出轴只能自转而无法输出相位，此时输出轴的输出转速为零。
12.作为本发明的进一步优化方案，所述无级驱动装置包括双向电动机、电动机齿轮以及相位动子齿条；其中，所述相位动子齿条设在所述相位动子外侧并与所述摇摆柱平行，所述双向电动机设在所述转动连接点的外侧，所述双向电动机的驱动轴套设有电动机齿轮，在所述电动机驱动轴的作用下，所述电动机齿轮能够带动所述相位动子齿条以及所述相位动子沿着所述摇摆柱来回移动，从而改变所述相位动子输出轴到所述摇摆柱摆动支点的距离，也就是改变所述相位动子输出轴能达到的摆距大小。
13.由上可知，所述输出轴的输出转速是由所述双向电动机操控得出，由于电动机的工作方式是无级式旋转运动，再加上所述相位动子活动套设在长直的所述摇摆柱上，因此可根据双向电动机的无级旋转而调控相位动子的位移，也就是无级调控所述相位动子输出轴的输出相位，进而实现对于输出轴的无级变速。
14.需要注意的是，所述双向电动机为刹车式电机，其内部自带有制动器，刹车式电机适用于快速停止、准确定位、往复运转、防止滑行的各种主轴传动和辅助传动，能够有效防止所述相位动子输出轴因载荷过大而出现的滑落问题。
15.作为本发明的进一步优化方案，所述摇摆柱底部与摇摆支架固定连接，所述摇摆支架的两侧对称设有朝外的凸筒和分别与所述变速箱的内侧壁转动连接；其中一个所述凸筒内通过轴承穿设有相位操纵杆，所述相位操纵杆一端延伸至所述摇摆支架的外部并套设有外相位操纵齿轮，所述外相位操纵齿轮与所述电动机齿轮啮合连接；所述相位操纵杆另一端延伸至所述摇摆支架的内部并套设有内相位操纵齿轮，所述内相位操纵齿轮与所述相位动子齿条啮合连接。
16.所述电动机齿轮、外相位操纵齿轮、相位操纵杆、内相位操纵齿轮、相位动子齿条依次连接在一起并构成了相位操纵机构，利用该机构，可将所述双向电动机的回转运动转化为所述相位动子的往复直线运动，齿条齿轮组合作为应用广泛的机械式换向结构，传动平稳，尤其适用于重负荷、高精度、高刚性、高速度和长行程的环境。
17.在传动部件的结构参数中，所述内相位操纵齿轮应设计成相对于外相位操纵齿轮模数较小的齿轮，使得内相位操纵齿轮的齿距尽可能小，从而与相位动子齿条的啮合更加紧密，而且内相位操纵齿轮直径小于外相位操纵齿轮，一定程度上稳固了相位动子输出轴的定位，使其不容易因载荷过大而松脱滑落。
18.作为本发明的进一步优化方案，所述摇摆支架的两侧通过一底板进行连接，所述底板靠近所述相位动子齿条的区域设有避位槽，以免妨碍所述相位动子齿条的行进路径。
19.作为本发明的进一步优化方案，所述摇摆柱靠近所述摇摆轴的位置处设有限位
块，以限定所述相位动子的位移最高点。
20.作为本发明的进一步优化方案，所述摇摆支架的底板低于所述凸筒，以确保所述相位动子的位移范围能覆盖所述凸筒的位置，当所述相位动子输出轴与所述凸筒同轴，也就是与所述摇摆支架的摆动支点达到同轴时，其相位输出为零。
21.作为本发明的进一步优化方案，所述相位动子齿条的工作长度大于所述限位块到内相位操纵齿轮的距离。
22.作为本发明的进一步优化方案，所述变速箱两相对内壁上设有沿同一轴线布置的圆槽，两所述凸筒均通过轴承插设在对应的所述圆槽之中，以实现转动连接。
23.作为本发明的进一步优化方案，所述相位动子输出轴通过第二连杆活动连接有从动轴，所述从动轴端部固定在一双边直线齿条的侧壁，所述双边直线齿条的上下两面分别啮合连接有第一齿轮轴和第二齿轮轴，所述双边直线齿条在所述相位动子输出轴的牵引下作往复直线运动，从而带动所述第一齿轮轴和第二齿轮轴旋转；所述第一齿轮轴、第二齿轮轴分别通过单向轴承同轴连接有第三齿轮轴、第四齿轮轴，所述第三齿轮轴和第四齿轮轴均与输出齿轮啮合，所述输出齿轮的轮毂插接有所述输出轴。
24.作为本发明的进一步优化方案，所述第一齿轮轴和第二齿轮轴的旋转方向彼此相反，两所述单向轴承的做功方向相同，以确保在所述双边直线齿条运动过程中，所述输出轴能够持续指定方向的转速。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果：
26.首先，本发明利用曲柄连杆的原理将摆杆运动作为从输入轴到输出轴的传动方式，形成了回转-往复摆动-回转的运动模式，模块与模块之间通过连杆进行连接，使得整体结构呈现为刚性体的柔性连接，避免了带式传动的打滑现象之余，还能提供强而有力的扭矩。
27.再者，在调节传动比的操作中，本结构通过开启无级驱动装置而不是增加燃油的形式来改变摇摆杆的摇摆输出半径，在实现较大的传动比范围的同时，还使得加速过程省力省油。
28.进一步地，本发明将齿条齿轮组合作为相位操纵机构，利用该机构将所述双向电动机的回转运动平稳地转化为所述相位动子的往复直线运动，从而平稳并有力地调控所述相位动子输出轴的输出相位。
29.并且，本发明在所述相位动子输出轴与所述输出轴的传动连接中，为适应所述相位动子输出轴的摆动半径变化，采用了齿条齿轮组合进行传动，齿条的行程大小能够随着相位动子输出轴的摆距变化而线性调整，相比于曲轴连杆机构，能巧妙解决连杆卡死的问题；
30.最后，上述齿条的两工作面分别设置有两对称的单向轴承与齿轮轴，使得无论所述相位动子输出轴往哪个方向摆动，所述输出轴均能获得有效的输出转速，进一步提升了无级调节变速的传动效率。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
32.图1为本发明变速器系统的内部连接关系示意图；
33.图2为图1的a系统的结构示意图(用于将旋转输入模式转换为摇摆模式)；
34.图3为图1的b系统的结构示意图(用于将摇摆模式转换为无级调节相位输出驱动模式)；
35.图4为本发明的摇摆柱、摇摆支架以及凸筒等零件的装配示意图；
36.图5为本发明的摇摆柱部件的结构示意图；
37.图6为本发明的摇摆支架部件的结构示意图；
38.图7为本发明的相位动子部件的结构示意图；
39.图8为图1的c系统的结构示意图(用于将无级调节相位输出驱动模式转换为旋转式输出驱动模式)；
40.图9为本发明的双边直线齿条的运动原理图；
41.图中，a1-输入轴；a2-飞轮；a3-偏心轴；b1-摇摆支架；b2-摇摆柱；b3-摇摆轴；b4-第一凸筒；b5-第二凸筒；b6-第一轴承；b7-第二轴承；b8-相位动子；b9-相位动子输出轴；b10-相位动子齿条；b11-内相位操纵齿轮；b12-相位操纵杆；b13-外相位操纵齿轮；b14-操纵杆轴承；b15-电动机齿轮；b16-双向电动机；c1-从动轴；c2-双边直线齿条；c3-导柱轴；c4-第一齿轮轴；c5-第二齿轮轴；c6-第一单向轴承；c7-第二单向轴承；c8-第三齿轮轴；c9-第四齿轮轴；c10-输出齿轮；c11-支托轴承；c12-输出轴；c13-第一齿轮；c14-第二齿轮；c15-第三齿轮；c16-第四齿轮；c17-轴承套；d1-第一连杆；d2-第二连杆。
具体实施方式
42.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
43.首先说明的是，图1展示了本发明变速器系统的三大模块系统及其连接关系，其中a系统用于将输入轴a1的旋转输入模式转换为摇摆模式，具体包括输入轴a1、飞轮a2和偏心轴a3；
44.b系统用于将a系统的摇摆模式转换为无级调节相位输出驱动模式，具体包括摇摆支架b1、摇摆柱b2、摇摆轴b3、第一凸筒b4、第二凸筒b5、第一轴承b6、第二轴承b7、相位动子b8、相位动子输出轴b9、相位动子齿条b10、内相位操纵齿轮b11、相位操纵杆b12、外相位操纵齿轮b13、操纵杆轴承b14、电动机齿轮b15、双向电动机b16；
45.c系统用于将b系统的无级调节相位输出驱动模式转换为输出轴c12的旋转式输出驱动模式，具体包括从动轴c1、双边直线齿条c2、导柱轴c3、第一齿轮轴c4、第二齿轮轴c5、第一单向轴承c6、第二单向轴承c7、第三齿轮轴c8、第四齿轮轴c9、输出齿轮c10、支托轴承c11、输出轴c12；
46.a系统与b系统采用第一连杆d1进行连接，b系统与c系统采用第二连杆d2进行连接。
47.本实施例提供了一种新型汽车无级调速变速器系统，本变速器系统包括输入轴
a1、变速箱(图中未示出)以及输出轴c12，其中所述输入轴a1和输出轴c12都通过轴承分别贯穿设置在所述变速箱的两相对侧壁上。如图2所示，所述输入轴a1延伸进入所述变速箱并在轴端固定套接有飞轮a2，所述飞轮a2端面在轮芯以外的区域上设有同向的偏心轴a3，所述偏心轴a3通过第一连杆d1活动连接有摇摆轴b3，所述摇摆轴b3端部同与之垂直的摇摆柱b2固定连接，基本上形成了一个曲柄连杆机构。如图3-图6所示，所述摇摆柱b2底部与摇摆支架b1固定连接，所述摇摆支架b1的两侧对称设有朝外的第一凸筒b4和第二凸筒b5，两所述凸筒分别与所述变速箱的内侧壁转动连接，所述偏心轴a3在围绕所述输入轴a1转动的过程中能够通过所述第一连杆d1带动所述偏心轴a3和摇摆柱b2绕着两所述凸筒b4、b5的轴线往复摆动，也就是说，所述第一凸筒b4和第二凸筒b5可被视为所述摇摆柱b2的摆动支点。
48.补充说明的是，所述变速箱两相对内侧壁上设有沿同一轴线布置的圆槽(图中未示出)，所述第一凸筒b4外圆周套接有第一轴承b6、第二凸筒b5外圆周套接有第二轴承b7，两所述凸筒分别通过第一轴承b6、第二轴承b7插设在对应的所述圆槽之中，以实现与所述变速箱侧壁的转动连接。
49.所述摇摆柱b2上活动套接有相位动子b8，所述相位动子b8外侧设有与所述摇摆轴b3平行的相位动子输出轴b9，另一侧与双向电动机b16间接连接，在所述双向电动机b16的驱动作用下，所述相位动子b8能够沿着所述摇摆柱b2来回移动，从而改变所述相位动子输出轴b9的输出相位。
50.具体地说，所述双向电动机b16与所述相位动子b8之间设有相位操纵机构，所述相位操纵机构包括电动机齿轮b15、外相位操纵齿轮b13、相位操纵杆b12、内相位操纵齿轮b11和相位动子齿条b10。其中，如图7所示，所述相位动子齿条b10设在所述相位动子b8外侧并与所述摇摆柱b2平行，所述双向电动机b16设在所述摇摆支架b1外侧，所述双向电动机b16的驱动轴套设有所述电动机齿轮b15，所述电动机齿轮b15与外相位操纵齿轮b13啮合连接，所述外相位操纵齿轮b13轮毂处插接有所述相位操纵杆b12，所述相位操纵杆b12通过操纵杆轴承b14活动穿设于所述第一凸筒b4的内圈，再延伸至所述摇摆支架b1的内部并套设有内相位操纵齿轮b11，从外形上看，所述外相位操纵齿轮b13、相位操纵杆b12以及内相位操纵齿轮b11构成一整体；所述内相位操纵齿轮b11与所述相位动子齿条b10啮合连接。由上可知，利用所述相位操纵机构，可将所述双向电动机b16的回转运动平稳而有力地转化为所述相位动子b8的往复直线运动。
51.为了限定所述相位动子输出轴b9的相位范围，本实施例中，所述相位动子b8具体是以环套的形式设置在所述摇摆柱b2上，并且在朝向所述摇摆轴b3的顶面上设有长圆形的限位槽(如图4所示)，当所述相位动子b8朝着远离所述摇摆支架b1摆动支点的方向移动到一定位置时，所述相位动子b8的限位槽底部会与所述摇摆轴b3接触，从而限定所述相位动子b8的位移最高点，此时所述摇摆轴b3与相位动子输出轴b9同轴，能够达到最大传动比。
52.当然，在其他一些实施方式中，所述摇摆柱b2上也可以设有限位块，用于限定所述相位动子b8的位移最高极限，在此不做具体限定。
53.如图6所示，本实施例中，所述摇摆支架b1安装有所述第一凸筒b4、第二凸筒b5的两侧壁之间通过一底板连接，所述底板低于两所述凸筒，以确保所述相位动子b8的位移范围能覆盖所述凸筒b4的位置。当所述相位动子输出轴b9在所述相位动子齿条b10的直线往复运动带动下，与所述第一凸筒b4、第二凸筒b5的轴线，也就是所述摇摆支架b1的摆动支点
达到同轴时，其只能自转而不再摆动，此时相位输出为零。
54.补充一点的是，所述底板靠近所述相位动子齿条b10的区域应设有避位槽，以免妨碍所述相位动子齿条b10的行进路径。
55.在此简述一下所述相位动子输出轴b9的工作原理：
56.由于第一连杆d1的工作长度固定，所以通过第一连杆d1从偏心轴a3转换而来的摇摆距离是固定不变的，也就是说摇摆柱b2的摆角是不变的，加上靠近所述摇摆柱b2底部的第一凸筒b4、第二凸筒b5只能绕着圆槽转动而不能摆动，这样就使得所述摇摆柱b2围绕所述第一凸筒b4、第二凸筒b5的轴线(可理解为摆动支点)形成了v字形的摇摆模式。摇摆柱b2通过相位动子b8活动连接有相位动子输出轴b9，所述相位动子输出轴b9到摆动支点的距离即为摇摆柱b2的有效摇摆输出半径。本结构中，只要调节相位动子输出轴b9的位置，就能改变所述相位动子输出轴b9的摆距，继而改变所述双边直线齿条c2的行进距离，从而影响输出轴c12的输出转速。
57.比如，当所述相位动子输出轴b9与所述摇摆轴b3达到同轴时，其能达到的摆距达到最大值，传递到输出轴c12的输出转速也最大；当所述相位动子输出轴b9与所述摇摆支架b1的摆动支点达到同轴时，其只能自转而无法输出相位，此时输出轴c12的输出转速为零。
58.作为一个完整的变速器系统，所述相位动子输出轴b9还间接连接有输出轴c12，从而将调整过的往复摆线运动转变为对应速度的回转运动。
59.具体地说，所述相位动子输出轴b9通过第二连杆d2活动连接有从动轴c1，如图8示，所述从动轴c1端部固定在一双边直线齿条c2的侧壁，所述双边直线齿条c2沿着行进方向套设在导柱轴c3上；如图9所示，所述相位动子输出轴b9、第二连杆d2、从动轴c1以及导柱轴c3构成了曲柄滑块机构，在所述相位动子输出轴b9的摆线运动牵引下，所述双边直线齿条c2能够沿着所述导柱轴c3作往复直线运动。
60.本发明在c系统中引入曲柄滑块机构并将滑块巧妙变形为直边齿条，而没有反向采用类似a系统的曲轴连杆机构将摆动运动一步转换回旋转运动，是考虑到本发明中作为曲柄的所述相位动子输出轴b9的位置是可变的，如果采用常规曲轴连杆机构的话就需要用到两个依次连接的连杆，这种曲轴-连杆-连杆-从动件的结构遇上曲轴位移的情况，很容易使得两连杆纵向受力过大而卡死；而本发明c系统的曲柄滑块机构与直边齿条组合能够巧妙地解决此问题，即使所述相位动子输出轴b9在摆动过程中发生位移，所述双边直线齿条c2的行程也只是相应地增大或减小，其始终平稳滑行并始终与第一齿轮轴c4、第一齿轮轴c5啮合连接，保证了转速输出的稳定性。
61.所述双边直线齿条c2的上下两面分别啮合连接有第一齿轮c13和第二齿轮c14，所述第一齿轮c13轮毂处贯穿有第一齿轮轴c4，所述第二齿轮c14轮毂处贯穿有第二齿轮轴c5，如此结构，使得所述双边直线齿条c2的直线往复运动能够通过所述第一齿轮c13、第二齿轮c14带动所述第一齿轮轴c4、第二齿轮轴c5同时朝相反方向旋转。
62.所述第一齿轮轴c4通过第一单向轴承c6同轴连接有第三齿轮轴c8，具体地说，所述第一齿轮轴c4端部套接有第一单向轴承c6，所述第三齿轮轴c8端部固定套设有轴承套c17，即第三齿轮轴c8轴承套c17为一体式结构，两轴体通过轴承与轴承套的装配而形成一长直传动杆；同样地，所述第二齿轮轴c5也通过第二单向轴承c7和另一轴承套c17同轴连接有第四齿轮轴c9；所述第三齿轮轴c8上的第三齿轮c15，和第四齿轮轴c9上的第四齿轮c16
均与输出齿轮c10啮合，所述输出齿轮c10的轮毂插接有所述输出轴c12。
63.由上可知，所述双边直线齿条c2在直线滑行过程中，能够带动上下对称布置的第一齿轮轴c4、第二齿轮轴c5作反向等速转动，当轴体(第一齿轮轴c4或第二齿轮轴c5)的转动方向与其对应的单向轴承(第一单向轴承c6或第二单向轴承c7)做功方向相同时，该轴体的转动能够被传递到后方的齿轮轴(第三齿轮轴c8或第四齿轮轴c9)，继而传动至所述输出轴c12。
64.补充说明的是，本实施例的单向轴承采用了棘轮式单向轴承，具有正转做功反转做空的特点，当棘轮式单向轴承内圈绕着指定方向旋转时，内圈与外圈卡死，内圈的棘轮能带动外圈同步转动，从而将驱动力传递到后方的齿轮轴；当内圈绕着其他方向旋转也就是反转时，内圈与外圈均无功转动，内圈的棘轮无法带动外圈转动，于是无法将驱动力传递出去；因此单向轴承只能够传递一个方向的转速。本实施例中，所述第一单向轴承c6、第二单向轴承c7设定的正转方向相同。
65.综上，由于所述第一齿轮轴c4和第二齿轮轴c5的旋转方向始终相反，而所述第一单向轴承c6、第二单向轴承c7设置的做功方向则相同，加上单向轴承具有正转做功反转做空的特点，如此结构，使得无论所述相位动子输出轴b9往哪个方向摆动，所述输出轴c12都能获得输出转速，一定程度上提高了无级变速的效率。
66.应可理解的是，如图8所示，为了保证c系统各传动轴的正常工作，本实施例中的所述第一齿轮轴c4、第二齿轮轴c5、第三齿轮轴c8、第四齿轮轴c9以及输出轴c12圆周上均套接有支托轴承c11，以起到辅助支承的作用。
67.进一步说明的是，为了保证所述相位动子b8也就是相位动子输出轴b9直线运动的平稳性，本发明的所述输入轴a1的输入端套接有齿轮，其与发动机输出轴需要进行齿轮啮合连接，并且所述输入轴a1的齿轮齿数应当大于发动机输出轴的齿轮齿数，如此连接结构，能在一定程度上降低所述输入轴a1的输入转速，从而减少所述相位动子输出轴b9相对于所述摇摆柱b2的震动，整体上能起到预防变速箱振荡的作用。
68.本发明的变速器系统主要采用齿轮与连杆的连接方式，其输出功率相对于传统的金属带式无级变速器而言有显著提高，可适用于小型甚至重型汽车；同时本变速器系统的结构简单，有助于缩小变速箱的体积，在达到可靠变速的同时，还能节省生产成本。
69.总体而言，本发明设计合理，有效克服了现有无级变速器调速迟缓、扭矩不足的缺陷，在汽车变速系统的技术领域上具有重要的推广应用价值。
70.以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。