專利名稱：液壓差控機械無級變速器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于機械傳動的無級變速裝置。
在各類機械傳動中，常要求改變從動機構的工作轉速和扭矩，因而需裝設變速裝置。變速裝置通常稱之為變速器，它可分有級變速器和無級變速器。因有級變速器具有結構簡單，易于制造，工作可靠，傳動效率高等特點，廣泛應用于各類機械傳動中，有級變速器受變速級數(shù)的限制，使得變速器每級的速差較大，輸出轉速呈階梯變化，加之變速時，主動與從動機構的離合，而對傳動系統(tǒng)產(chǎn)生扭振和沖擊?，F(xiàn)有無級變速器按其原理可分機械式、電力式、液壓式和液力式幾大類。機械變速速器都是利用摩擦傳動原理，因而也叫摩擦式機械無級變速器，因受摩擦力的限制，使得此類變速器傳遞的功率較小，傳動效率低，且變速范圍小。直流電機可實現(xiàn)無級調速，因受電源的局限，只應用于特定場合。液壓無級變速是將機械能全部轉換成壓力能，此壓力能驅動液壓馬達，再轉換成機械能輸出，因其能量通過了一系列轉換，使得總效率較低，且結構復雜，只用于特種機械傳動。液力機械無級變速器是利用液力變矩器的無級變速和變矩性能，與機械有級變速器組合而實現(xiàn)無級變速的。這類變速器變速范圍大，具有良好的自動適應性能，能自動根據(jù)負載的變化而改變輸出轉速和扭矩，并能吸收來自源動機及外載荷的振動和沖擊，而起到濾波和過載保護作用，有效的提高了主動和從動設備的使用壽命，且簡化了變速操縱。液力變矩器是依靠主動泵輪、工作液體和從動渦輪三者之間的差速來實現(xiàn)動力傳遞的，其低轉速輸出時的效率很低，但最高效率只能達到80-90%，此效率在變矩器傳動比范圍內所占的區(qū)間很小，且最大變矩系數(shù)也很低。為提高變速器的傳動效率和變矩性能，液力變矩器必須與機械有級變速器配合使用。為進一步提高其傳動效率，在變矩器上裝設離合器，在其較高轉速輸出時，使變矩器脫離工作而成為直接傳動，此時便失去了液力變矩器的諸多優(yōu)點。液力機械變速器的換檔操縱系統(tǒng)是變速器重要的組成部分，為實現(xiàn)自動無級變速功能，采用了復雜的液壓伺服系統(tǒng)控制多個換檔離合器和制動器來實現(xiàn)自動換檔，使得此類變速器的結構更為復雜，制造精度要求很高，成本過高，檢驗及維修困難。
本發(fā)明的目的是針對上述變速器的不足，提供一種變速范圍大、傳動效率高、結構及控制方法簡單、傳遞功率大，且體積小重量輕的無級變速器。
本發(fā)明的任務是通過下述技術方案實現(xiàn)的。
本發(fā)明的基本結構是由一套行星差動周轉輪系或多套組合的行星差動復合周轉輪系，作為無級變速器的機械傳動機構，由自循環(huán)液壓泵的內、外轉子與上述輪系中的兩個差速構件相連，作為無級變速器的變速控制機構。
自循環(huán)液壓泵是一種容積泵，與現(xiàn)有各類容積式液壓泵(或液壓馬達)相同的是具有一個外殼體和一個內轉子，外殼體的內部結構可具有與現(xiàn)有各類容積式液壓泵(或液壓馬達)定子內部相同的結構，其原理都是以靠殼體內密封容積的變化來完成吸油和排油的。與現(xiàn)有液壓泵(或液壓馬達)不同的是自循環(huán)液壓泵的殼體是一個不固定的可與其轉子同軸心轉動的自由體，由外殼體作為自循環(huán)液壓泵的外轉子，在殼體上裝有流量控制閥，殼體上分別與殼體內密封工作容積相通的進液口和排液口直接經(jīng)流量控制閥貫通，使得自循環(huán)液壓泵的液壓回路在泵體上成為一個封閉的自循環(huán)液壓回路，在殼體上裝有為適應溫度變化及外漏而引起其封閉工作容積內油液容積變化的補油裝置。
本發(fā)明的機械傳動機構可以是由兩套傳動比不相同、但相差很小的行星差動周轉輪系，使兩套輪系的三對分別相同的傳動構件中的任意兩對相同構件分別直接相連，其余一對傳動構件作差速構件，分別與自循環(huán)液壓泵的內、外轉子相連。任選兩對分別相連的(包括通過自循環(huán)液壓泵相連的)傳動構件作無級變速器的輸入和輸出構件。因與差速構件相連的自循環(huán)液壓泵所承受的速差不能過大，因此就要使兩差速構件之間的最大速差值要足夠小，其最大速差值即為輸入構件以額定轉速轉動，而輸出構件轉速為零時，兩差速構件的轉速之差。其速差值與兩套輪系的傳動比之差成正比，任一時刻速差值的大小可由輪系的轉速平衡方程得出。
本發(fā)明的機械傳動機構還可以是一套行星差動周轉輪系，由太陽輪作輸入或輸出構件，其余兩傳動構件作差速構件，并由其中任一構件作輸出或輸入構件。通常上述兩差速構件之間的速差較大，則可采用兩套行星差動周轉輪系組合成行星差動復合周轉輪系，可把第一級輪系的行星架與次級太陽輪相連，把第一級內齒圈與次級其余兩構件中任一構件相連，由次級輪系的行星架和內齒圈作差速構件。如利用多級行星差動周轉輪系進一步縮小速差時，可按照上述連接方法迭加，把獲得理想速差的兩差速構件分別與自循環(huán)液壓泵的內外轉子相連。上述傳動機構的速差值與各級輪系的傳動比成反比。
自循環(huán)液壓泵(以下簡稱泵)的補油裝置可以是彈簧加壓的活塞式儲油器，由活塞筒內容積作儲油腔，由作用在活塞上的儲能彈簧對儲存油液加壓，儲油腔的排油口與泵的密封工作容積或封閉的自循環(huán)回路相通。當工作油液升溫膨脹時，膨脹的油液產(chǎn)生壓力克服儲能彈簧對儲存油液的壓力，把多余油液排進儲油腔，當油溫下降或外漏造成工作油液容積減小時，油液容積減小產(chǎn)生負壓及儲能彈簧對儲存油液的壓力，把儲存油液排進工作容積，從而保證了泵內工作液體的容積為恒定值。
為避免源動機及外載荷突然變化，或因外載荷過載而造成自循環(huán)液壓泵過載，可在泵體上增加安全液壓回路，即與流量控制閥并聯(lián)一個安全溢流閥，也可直接與流量控制閥設計為一體。當在額定工作狀態(tài)下工作時，溢流閥處關閉狀態(tài)，當泵超載時，其工作壓力增高超出其額定壓力，此壓力迫使溢流閥打開，從而保證泵在額定壓力下工作。
自循環(huán)液壓泵在變速器中是作速差控制的，泵的額定工作指標主要是泵所能承受的額定扭矩和在額定扭矩下承受的最大速差值。泵在變速器中承受的額定扭矩等于與之連接的兩差速構件所承受的額定扭矩之差。因泵是依靠其工作油液的壓力來傳遞轉速和扭矩的，泵所排出的油液不但不做功，而且還要消耗功率，泵的自循環(huán)流量和泵工作壓力的乘積即為通過泵的功率損失，泵自身的效率等于自身的傳動比。提高泵在變速器中的工作效率，就需提高泵自身的傳動比，即減少泵承受的速差值。因泵所控制的速差很小，所以泵的自循環(huán)流量也很小，因此可大幅度縮小循環(huán)回路及外轉子的尺寸。泵的效率還和泵的容積效率及其機械效率有關，因泵的內、外轉子相對轉速很低，所以與其機械效率關系很小，在設計泵時，可充分加強容積密封，同時使用粘度及粘度系數(shù)很高的工作油液來降低泵的內漏和外漏，從而充分提高泵的容積效率。由于泵所控制的速差值很小，其控制速差有很小的變化，便能引起輸出轉速很大的波動，因此要求泵的流量均勻性要好。
在一此機械傳動中，不僅要改變從動機構的轉速，還要改變從動機構的轉動方向，因此就需用到轉速換向機構。本發(fā)明的換向機構可以是由一套行星差動周轉輪系、一個制動器和一個離合器組成，把上述變速器的輸出構件與換向差動輪系的一個中心輪相連，由另一個中心輪作輸出構件，由制動器對行星架制動，行星架和輸出中心輪通過離合器連接。當制動器打開、離合器接合時，其輸出轉速及方向保持不變，當制動器制動、離合器分離時，其輸出轉速的方向改變。
本發(fā)明的優(yōu)點和效果1、變速范圍因泵所控制的最大速差值是以輸出構件轉速為零時的速差，因此，輸出最低轉速可為零，通過調節(jié)流量控制閥來提高泵的工作壓力，減小其循環(huán)流量，使得加在泵內、外轉子間的速差減小，輸出構件的轉速則隨此速差的減小而增高，隨此速差的增高而降低。當流量控制閥被完全關閉時，泵的自循環(huán)回路被切斷，使得泵的內、外轉子同步轉動，即速差為零，此時變速器所有的傳動構件同步轉動，即輸出轉速和輸入轉速相等，通過轉速換向機構還可使其傳動比反向擴展。
2、傳動效率傳動效率的高、低是衡量變速器性能優(yōu)劣的重要指標，本發(fā)明的傳動效率不僅和其傳動機構齒輪間的嚙合摩擦功率損失、軸承間的摩擦功率損失及自循環(huán)液壓泵的液壓功率損失有關，還和傳動機構各傳動構件所傳遞的力矩及轉速有關，也就是說本發(fā)明的傳動效率是輸出轉速(或傳動比)的函數(shù)，當輸出轉速為零時，其傳動效率為零，當輸出轉速與輸入轉速同步時，傳動效率接近于1(此時只有支撐變速器的軸承摩擦功率損失)。因輸出轉速不能突變，所以傳動效率也是從零到1的一條曲線。變速器任一時刻的理論效率值可通過行星周轉輪系的差動傳動效率公式得出。說明書附圖4是本發(fā)明實施例的理論傳動效率曲線圖，從圖中可以看出，低轉速輸出時的效率較低，此效率隨輸出轉速的增高而迅速增高，且高效率曲線占變速器變速傳動比區(qū)間的80%。其中，高速輸出時的效率高于現(xiàn)有任何一種變速器。
3、傳遞功率變速器傳遞功率的大小取決于傳動機構的機械強度，和泵所承受的額定扭矩。傳動機構的機械強度在設計時可任意加大，泵的額定扭矩與泵的工作壓力及泵的排量(或泵的工作容積)成正比，通過提高泵的工作壓力及排量來提高其額定扭矩，同時還需根據(jù)泵所承受扭矩的大小來選擇泵的內結構，在需大扭矩時可選用柱塞液壓泵(或柱塞馬達)的內結構。在設計變速器時，還要選擇受力及轉速方向向同的兩構件作差速構件，減小泵所承受的扭矩，從而提高變速器的承載能力。
4、機械特性本變速器有較軟的機械特性，當源動機及外載荷波動時，使得泵的工作壓力及循環(huán)流量隨之波動，在外載荷增加時，控制速差自動增加，使得輸出轉速降低，反之，輸出轉速增高，從而保證了源動機在額定工況下工作，并自動吸收并減小了來自源動機及外載荷產(chǎn)生的沖擊而起到濾波和過載保護作用，因而可提高源動機及從動機構的使用壽命。
5、調速控制方法由于控制輸出轉速的流量控制閥在工作中隨同泵體轉動，因此需采用伺服控制機構，使流量控制閥成為伺服控制機構的執(zhí)行元件，通過伺服控制隨意調整泵的流量。
通過以上分析可以看出，本發(fā)明變速范圍大，傳動效率高，傳遞功率大，有良好的自動適應性能，本發(fā)明通常有兩套行星差動輪系與自循環(huán)液壓泵組合即可實現(xiàn)上述效果，與液力機械變速器相比，具有結構簡單，體積小、重量輕，變速平穩(wěn)，控制方法簡便等優(yōu)點。
說明書附圖附圖1是自循環(huán)液壓泵的自循環(huán)液壓系統(tǒng)圖。
附圖2是自循環(huán)液壓泵傳動機構示意圖(只為方便實施例說明，不代表其具體結構)。
附圖3是無級變速器第一實施例原理簡圖。
附圖4是第一實施例傳動效率曲線圖。
附圖5是無級變速器第二實施例原理簡圖。
現(xiàn)結合


本發(fā)明實施例的具體結構。
自循環(huán)環(huán)液壓泵具有一個外殼體和一個內轉子，其外殼體是一個不固定的、可與其內轉子同軸心轉動的自由體，外殼體內部的結構具有與現(xiàn)有各類容積式液壓泵(或液壓馬達)定子內部相同的結構(其結構和原理屬公知技術，這里不另贅述)?，F(xiàn)結合附圖1來說明自循環(huán)液壓泵泵體上的自循環(huán)液壓系統(tǒng)。(1)為液壓泵，在其殼體上裝有流量控制閥(4)、安全溢流閥(5)和彈簧加壓的活塞式補油裝置(6);泵(1)的排油通道(2)經(jīng)流量控制閥(4)與泵(1)的回油通道(3)貫通;溢流閥(5)并聯(lián)在流量控制閥(4)的兩端;活塞式補油裝置(6)的儲油腔與回油通道(3)相通。在泵(1)的工作容積及自循環(huán)回路內注滿高粘度及高粘度系數(shù)的工作油液，當自循環(huán)液壓泵的內、外轉子之間產(chǎn)生速差時，從泵(1)的工作容積內排出的油液全部經(jīng)排油通道(2)、開啟的流量控制閥(4)、回油通道(3)流回泵(1)的工作壓力，從而控制自循環(huán)液壓泵內、外轉子間的速差。泵(1)在額定壓力下工作時，溢流閥(5)處關閉狀態(tài)，當泵(1)的工作壓力超出其額定壓力時，此壓力迫使溢流閥(5)打開，使油液通過溢流閥(5)回流工作容積內。當工作油液因溫度變化或外漏而引起工作油液容積變化時，由活塞式補油裝置(6)對其進行油液容積補償。因裝在外殼體上的流量控制閥(4)在工作時隨泵體一同轉動，應采用伺服控制機構，使流量控制閥成為伺服控制機構的執(zhí)行元件。
為方便實施例的說明，采用附圖2作為自循環(huán)液壓壓泵的傳動機構示意圖，其中(7)為泵的外轉子(外殼體)，(8)為泵的內轉子，其外殼體(7)上的自循環(huán)液壓系統(tǒng)未在附圖2中作出。
無級變速器第一實施例。
附圖3是本發(fā)明第一實施例原理簡圖。本實施例的機械傳動機構是由兩套傳動比不相同、但相差很小的行星差動周轉輪系組成的，行星架(10)和行星架(12)直接相連，作變速器的輸入構件，內齒圈(11)和內齒圈(13)直接相連，作變速器的輸出構件;太陽輪(9)和太陽輪(14)分別與自循環(huán)液壓泵的內、外轉子(8)、(7)相連，作變速器的變速控制機構。
本實施例最大速差值的確定。自循環(huán)液壓泵的內、外轉子(8)、(7)所承受的最大速差值即為兩相連的行星架(10)、(12)以輸入轉速同步轉動，兩相連的內齒圈(11)、(13)輸出轉速為零時，兩太陽輪(9)、(14)之間的速差值。根據(jù)行星差動輪系的轉速平衡方程得出最大速差值等于兩輪系的傳動比之差和輸入轉速的乘積，任一時刻的速差值均可由兩輪系的轉速平衡方程得出。
因變速器主要是用來傳遞動力的，為說明其適用性，必須對其傳動效率進行計算。本實施例的理論傳動效率可通過行星差動輪系的傳動效率計算式來確定，附圖4是本實施例的效率曲線圖，其中η為本實施例的理論傳動效率曲線(此曲線取變速器的功率損失系數(shù)為0.035時作出)，ψ為自循環(huán)液壓泵的效率曲線(此曲線取最大速差值為輸入轉速的2%時作出)。實施例中自循環(huán)液壓泵所承受的扭矩即為兩太陽輪(9)、(14)之間的扭矩之差，此扭矩可通過輪系的力矩平衡方程得出，因兩太陽輪(9)、(14)的受力及轉動方向向同，此扭矩之差很小。由效率曲線圖4可看出低轉速輸出時的傳動效率主要和各傳動構件所傳遞的扭矩及轉速有關。
無級變速器第二實施例附圖5是本發(fā)明第二實施例的原理簡圖。本實施的機械傳動機構是由兩套傳動比較大的行星差動周轉輪系組成，由太陽輪(15)作輸入構件;行星架(17)與太陽輪(20)相連;外齒圈(16)與行星架(19)相連，作變速器的輸出構件;輸出構件同時作為一個差速構件與自循環(huán)液壓泵內轉子(8)相連，內齒圈(18)作另一差速構件與自循環(huán)液壓泵的外轉子(7)相連。
因輸出構件同時作為一個差速構件，因此，其最大速差值即為輸出轉速為零時，內齒圈(18)的轉速，此速差值的大小取決于兩輪系傳動比的大小，其傳動比逾大，速差值逾小。因本實施例兩差速構件的受力方向不同，使得自循環(huán)液壓泵所承受的扭矩較大。
權利要求
1.一種用于機械傳動的液壓差控機械無級變速器，其特征在于由一套行星差動周轉輪系或多套組合的行星差動復合周轉輪系，作為無級變速器的機械傳動機構，由自循環(huán)液壓泵的內、外轉子分別與上述輪系中的兩個差速傳動構件相連，作為無級變速器的變速控制機構。
2.根據(jù)權利要求1所述的無級變速器，其特征在于所說的機械傳動機構是由兩套傳動比不相同的行星差動周轉輪系組成的，使兩套輪系的三對分別相同的傳動構件中的任意兩對相同構件分別相連，其余一對傳動構件作差速構件，與自循環(huán)液壓泵的內、外轉子分別相連。
3.根據(jù)權利要求1所述的無級變速器，其特征在于所說的機械傳動機構是一套行星差動周轉輪系，由太陽輪作輸入或輸出構件，其余兩構件作為差速構件，并由其中任一構件作輸出或輸入構件;也可采用兩套行差動周轉輪系組合成本機械傳動機構，由第一級輪系的行星架與次級輪系的太陽輪相連，由第一級輪系的內齒圈與次級輪系其余兩構件中的任一構件相連，由次級輪系的行星架和內齒圈作差速構件;也可采用多套行星差動輪系組合成本機械傳動機構。
4.根據(jù)權利要求1所述的無級變速器，其特征在于作差速控制的自循環(huán)液壓泵，具有一個外殼體和一個內轉子，外殼體是一個不固定的可與其轉子同軸心轉動的自由體，在外殼體上裝有流量控制閥;殼體上分別與殼體內密封工作容積相通的進液口和排液口直接經(jīng)流量控制閥貫通;在殼體上還裝有對工作容積進行油液容積補償?shù)难a油裝置。
5.根據(jù)權利要求4所述的無級變速器，其特征在于自循環(huán)液壓泵的補油裝置可以是以彈簧加壓的活塞式儲油器，由活塞筒內容積作儲油腔，由作用在活塞上的儲能彈簧對儲存油液加壓，儲油腔的排油孔與密封工作容積相通。
6.根據(jù)權利要求4所述的無級變速器，其特征在于自循環(huán)液壓泵體上還裝有安全溢流閥。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于機械傳動的無級變速器。它由一套行星差動周轉輪系或多套組合的行星差動復合周轉輪系作為無級變速器的機械傳動機構，由自循環(huán)液壓泵的內外轉子分別與上述輪系中的兩個差速傳動構件相連，作為無級變速器的變速控制機構。本發(fā)明的優(yōu)點是結構簡單、變速范圍大、傳遞功率大、體積小、重量輕、變速平穩(wěn)、控制方法簡便。
文檔編號F16H61/38GK1099108SQ9410640
公開日1995年2月22日 申請日期1994年6月20日 優(yōu)先權日1994年6月20日
發(fā)明者張衛(wèi)民 申請人:張衛(wèi)民