一种球形无级变速器及调速方法

1.本发明属于无级变速技术领域，具体涉及一种球形无级变速器及调速方法。


背景技术：

2.无级变速器是当前汽车变速器中最常见的形式之一，通过连续改变传动比，将输入轴转矩传递给输出轴，使汽车发动机在各种工况下保持正常运转，提高工作效能和传动效率，改善车辆的燃油经济性和动力性。现有的无级变速器系统稳定性有待提高，如公开号为“cn106979291a”的专利公开了一种用于非共线传动的滑动无级变速机构，当变速盘左右移动时，在变速锥转速不变的情况下，变速盘的转速会线性变化，从而传动比发生变化；此方案中，在某一时刻，变速盘与变速锥的其中一母线线接触，从而变速盘与变速锥摩擦传动，其仅有一个变速盘与输出轴上的变速锥线接触，线接触摩擦传动的摩擦损耗大，传动效率低。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是克服现有技术的无级变速器摩擦损耗大的缺陷，一方面，提供一种稳定性高的球形无级变速器；另一方面，提供该球形无级变速器的调速方法，便于操作上述球形无级变速器。
4.一方面，本发明提供一种球形无级变速器，包括：
5.输出轴；
6.输入轴机构，其包括输入轴；
7.锥形盘，其内壁为圆锥面，输出轴与锥形盘的顶部固接，输出轴和锥形盘同轴布置；
8.传动机构，其包括万向节装置、转动轴和摩擦球；万向节装置分别与输入轴机构、转动轴传动连接，用于输入轴机构与转动轴相对位置改变时保持传动；摩擦球与转动轴固接；所述转动轴的轴线与输出轴的轴线平行；所述摩擦球与锥形盘内壁相抵，摩擦球与锥形盘摩擦传动；
9.控制机构，其包括轴向控制装置和径向控制装置；所述轴向控制装置与转动轴连接，用于控制转动轴沿其轴向移动；所述径向控制装置与转动轴连接，用于控制转动轴沿其径向移动。
10.进一步的，所述输入轴机构还包括行星齿轮机构；所述行星齿轮机构包括太阳轮、行星轮和固定环；所述输入轴与太阳轮同轴布置，并固定连接；行星轮与太阳轮啮合；固定环与行星轮转动连接，用于限定行星轮移动，行星轮随太阳轮的转动而自转。
11.进一步的，所述径向控制装置包括壳体，所述壳体与输出轴同轴布置；所述壳体沿输出轴的径向延伸的壳臂，并分别两两相对，呈十字交叉状；所述壳臂内设有空腔，所述空腔内依次包括液压推动装置、球轴承和弹簧；所述球轴承的一侧通过弹簧与壳体连接；所述球轴承另一侧与液压推动装置连接，液压推动装置用于驱动球轴承沿壳臂的长度方向移
动；所述壳臂设有沿其长度方向延伸的条形槽；所述转动轴穿过条形槽，并与球轴承内壁连接，转动轴随球轴承移动。
12.进一步的，所述传动机构的数量为四组，每组传动机构分别通过一个万向节装置连接一个行星轮；所述壳体包括四根呈十字交叉状布置的壳臂。
13.进一步的，所述轴向控制装置包括卡环、移动轴、拔叉和电机；所述卡环与壳体同轴布置，所述卡环包括卡臂；卡臂与壳臂相对布置；所述转动轴与卡臂连接，转动轴随卡环沿输出轴的轴向移动；且转动轴相对卡臂沿卡臂的长度方向移动；所述移动轴依次穿过卡环中心、壳体中心；所述移动轴与卡环固接，并壳体的轴向移动；所述电机与所述拨叉连接，驱动拨叉沿转动轴的轴向方向移动；所述拨叉与所述移动轴固定连接，带动移动轴沿转动轴的轴向方向移动。
14.进一步的，所述卡臂设有沿其轴向延伸的卡槽；所述转动轴与万向节装置连接的一端设有沿其周向环绕的环形凹槽；所述环形凹槽卡接于所述卡槽内，并可沿卡槽的长度方向移动。
15.进一步的，所述移动轴沿其轴向设有移动轴矩形花键；所述卡环中心设有第一矩形花键孔，所述壳体中心设有第二矩形花键孔；所述移动轴依次穿过第一矩形花键孔、第二矩形花键孔。
16.进一步的，所述行星齿轮机构还包括外齿圈，所述外齿圈与太阳轮同轴布置，并分别与四个行星轮啮合；所述外齿圈随行星轮转动。
17.进一步的，所述万向节装置包括连接轴和万向节叉；所述连接轴的两端分别连接一对万向节叉。
18.另一方面，本发明提供一种球形无级变速器的调速方法，其特征在于，包括如下步骤：
19.加速时，控制径向控制装置，使转动轴朝靠近壳体中心的方向径向移动；同时控制轴向控制装置，使转动轴朝靠近输出轴的方向轴向移动；
20.减速时，控制径向控制装置，转动轴朝远离壳体中心的方向径向移动；同时控制轴向控制装置，同时转动轴朝远离输出轴的方向轴向移动。
21.有益效果：摩擦球与锥形盘为点接触摩擦传动，相较于现有技术的变速盘与变速锥线接触，点接触摩擦损耗小，传动效率高，可有效节省油耗，延长无极变速器的使用寿命；四个摩擦球沿锥形盘的内壁周向间隔分布，从而锥形盘内壁有四个周向间隔分布的受力点，摩擦球与锥形盘传动稳定性提高。
附图说明
22.下面结合附图和具体实施例对本发明作出进一步详细说明。
23.图1为球形无级变速器的整体结构示意图。
24.图2为锥形盘的结构示意图。
25.图3为输入轴机构的结构示意图。
26.图4为传动齿轮机构的结构示意图。
27.图5为万向节装置的结构示意图。
28.图6为万向节叉的结构示意图。
29.图7为十字轴的结构示意图。
30.图8为转动轴的结构示意图。
31.图9a为径向控制装置结构示意图之一。
32.图9b为径向控制装置结构示意图之二。
33.图10为油缸的结构示意图。
34.图11为轴向控制装置的结构示意图。
35.图12为拔叉的结构示意图。
36.图13为十字卡环的结构示意图。
37.图14为移动轴的结构示意图。
38.附图标记：
39.1、输入轴机构；11、输入轴；12、行星齿轮机构；121、太阳轮；122、行星轮；1221、轮轴；123、固定环；124、外齿圈；
40.2、输出轴；
41.3、锥形盘；
42.4、传动机构；41、万向节装置；411、万向节叉；412、十字轴；413、连接轴；42、转动轴；421、环形凹槽；43、摩擦球
43.5、径向控制装置；51、壳体；521、推杆；522、缸体；523、油孔；53、球轴承；54、弹簧；541、弹簧柱；55、液压泵；56、连接台；57、油管；
44.6、轴向控制装置；61、卡环；611、卡槽；62、移动轴；621、拔叉口；63、拔叉；631、拔叉头；632、螺纹孔；64、转动螺柱；65、电机。
具体实施方式
45.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
47.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，下面所描述的本发明不同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结合。
48.实施例1
49.本实施例提供一种球形无级变速器，其通过改变摩擦球43与锥形盘3的相对位置实现无级变速，参考图1所示，球形无级变速器沿输出轴2轴向依次包括输入轴机构1、传动
机构4、锥形盘3和输出轴2；还包括控制机构，其控制传动机构4的轴向移动和径向移动；从而摩擦球43沿锥形盘3内壁移动，实现无级变速。
50.具体来说，参考图2，锥形盘3的内壁为圆锥面，输出轴2与锥形盘3的顶部固接，输出的轴的转速与锥形盘3的转速相同，输出轴2与输入轴11同轴布置。
51.具体来说，参考图3，所示输入轴机构1包括输入轴11和行星齿轮机构12；所述行星齿轮机构12包括太阳轮121、行星轮122、固定环123和外齿圈124，所述输入轴11、太阳轮121、固定环123同轴布置，并固定连接；所述行星轮122包括轮本体和轮轴1221，轮轴1221分别沿轮本体的两侧轴向延伸；轮轴1221的一端与固定环123转动连接，固定环123用于限定行星轮122的移动；轮轴1221另一端与万向节装置41连接；四个行星轮122沿太阳轮121周向等间隔分布，并分别与太阳轮121啮合；太阳轮121转动时，行星轮122自转。所述外齿圈124与太阳轮121同轴布置，其环绕四个行星轮122，并分别与四个行星轮122啮合；外齿圈124可进一步固定四个行星轮122的位置。当太阳轮121转动时，行星轮122自转，外齿圈124随行星轮122自转而转动；外齿圈124的转动方向与太阳轮121转动方向相反。
52.具体来说，参考图4、图5、图6、图7所示，所述传动机构4包括万向节、转动轴42和摩擦球43；所述万向节装置41包括万向节叉411、十字轴412和连接轴413；连接轴413的两端均连接一对万向节叉411；一对万向节叉411通过十字轴412相连；所述万向节叉411包括连接头和两个位置相对的十字轴接口；连接头与十字头接口位于万向节叉411的两端；十字轴412包括两两相对的十字轴接头，相对的两个十字轴接头与一个万向节叉411的十字轴接口可转动连接；其与两个十字轴接头与另一个万向节叉411相连；第一对万向节叉411的一连接头与轮轴1221的一端连接，另一连接头与连接轴413的第一端连接；第二对万向节叉411的一连接头与连接轴413的第二端连接，另一连接头与转动轴42的一端连接；第一对万向节叉411使轮轴1221、连接轴413之间变角度传动；第二对万向节叉411使连接轴413、转动轴42变角度传动。从而使得转动轴42与轮轴1221相对位置改变时，依然能够实现同轴布置并传动。所述转动轴42的轴线与锥形盘3的轴线平行；参考图8，转动轴42沿其长度方向设有转动轴42矩形花键，转动轴42的一端与摩擦球43固定连接，转动轴42的另一端设有两个环绕转动轴42的凸起部，两个凸起部沿转动轴42的轴向间隔分布，并形成沿转动轴42周向环绕的环形凹槽421。
53.具体来说，所述控制装置包括径向控制装置5和轴向控制装置6；所述径向控制装置5包括壳体51，参考图9a、图9b，所述壳体51与输出轴2同轴布置；所述壳体51包括四根壳臂；四根壳臂沿输出轴2的径向延伸，并分别两两相对，呈十字交叉状；所述壳体51包括第一壳体和第二壳体；第一壳体和第二壳体同轴布置，且壳臂相对；第一壳体与第二壳体通过连接台56连接。每根壳臂内分别设有空腔，同一壳体51四根壳臂的空腔连通为一体；每个空腔内沿壳臂的轴向依次包括液压推动装置、球轴承53和弹簧54；所述壳臂远离壳体51中心的一端设有弹簧固定槽；所述弹簧54的一端设有弹簧柱541；弹簧柱541与弹簧固定槽连接，另一端与球轴承53的外壁连接，所述弹簧54用于对球轴承53施加弹力；所述液压推动装置包括缸体522和推杆521，所述缸体522包括油腔；所述推杆521的一端伸入油腔内，并与油腔内壁相抵；另一端与球轴承53的外壁连接；所述油腔远离推杆521的一端设有油孔523；所述第一壳体与第二壳体之间安装有液压泵55，所述液压泵55通过油管57分别与第一壳体、第二壳体的液压推动装置连接，油管57插入液压推动装置的油孔523内，第一壳体、第二壳体总
共八个油腔内的油压分别相同；通过液压泵55控制油腔内的油压，从而推杆521沿油腔内壁轴向移动；所述壳臂设有沿其轴向延伸的条形槽；所述球轴承53内壁设有与转动轴矩形花键相配合的球轴承矩形花键；所述转动轴42穿过条形槽，并与球轴承53内壁连接；通过控制液压泵55可控制油腔内的油压，转动轴42沿条形槽的长度方向移动，即实现转动轴42的径向移动。
54.具体来说，参考图11，所述轴向控制装置6包括卡环61、移动轴62、拔叉63和电机65；所述卡环61与壳体51同轴布置，所述卡环61包括四根卡臂；四根卡臂分别两两相对，呈十字交叉状；四根卡臂与四根壳臂相对布置；所述卡臂设有沿其轴向延伸的卡槽611；所述环形凹槽421卡接于所述卡槽611内，从而转动轴42随卡环61移动；且环形凹槽421相对卡臂沿卡槽611的长度方向移动；所述移动轴62沿其轴向设有移动轴62矩形花键；所述卡环61中心设有第一矩形花键孔，所述第一壳体中心设有第二矩形花键孔ⅰ，所述第二壳体中心设有第二矩形花键孔ⅱ；所述移动轴62依次穿过第一矩形花键孔、第二矩形花键孔ⅰ、第二矩形花键孔ⅱ；所述移动轴62设有拔叉接口，拔叉接口处无矩形花键；所述拔叉63的一端设有拔叉头631，另一端设有螺纹孔632，所述拔叉头631与移动轴62的拔叉口621固接；所述电机65与第一壳体固接，其包括与螺纹孔632配合的转动螺柱64，所述转动螺柱64插入螺纹孔632内；电机65启动时，转动螺柱64旋转，拔叉63沿转动螺柱64的轴向移动，从而移动轴62轴向移动，移动轴62带动十字卡环61移动，从而带动转动轴42移动，实现摩擦球43在锥形盘3的轴向移动。
55.工作时，汽车发动机将动力传送到输入轴11上，输入轴11将动力传送至太阳轮121，太阳轮121转动，四个行星轮122随太阳轮121的转动而自转，万向节随行星轮122转动，转动轴42随万向节转动，摩擦球43随转动轴42转动；输入轴11、太阳轮121、行星轮122、万向节、转动轴42和摩擦球43的转速相等；摩擦球43与锥形盘3相抵，摩擦球43转动时，锥形盘3与摩擦球43相抵处产生摩擦力，摩擦力的方向与摩擦球43的运动方向相同，在摩擦力的带动下，锥形盘3随摩擦球43转动，锥形盘3转方向与摩擦球43自转方向相同；摩擦球43上与锥形盘3相抵接的点为第一点，锥形盘3上与摩擦球43相抵接的点为第二点，第一点处线速度的大小为v1，第二点处线速度的大小为v2，v1与v2相等；当需要改变输出轴2的转速时，通过轴向控制装置6和径向控制装置5共同作用，改变摩擦球43与锥形盘3的相对位置，即第二点处的半径r2改变，由于v2等于v1，r2改变，锥形盘3的角速度随之改变；因此，输入轴11的转速一定时，通过改变摩擦球43与锥形盘3的相对位置，可改变锥形盘3的转速，从而改变输出轴2的转速，实现无级变速。
56.此实施例提供的球形无级变速器，摩擦球43与锥形盘3为点接触，相较于现有技术的变速盘与变速锥线接触，点接触摩擦损耗小，传动效率高，可有效节省油耗，延长无极变速器的使用寿命；四个摩擦球43沿锥形盘3的内壁周向间隔分布，从而锥形盘3内壁有四个周向间隔分布的受力点，摩擦球43与锥形盘3传动稳定性提高。行星齿轮机构12可有效传递动力，四个行星轮122与太阳轮121转速相同，可保证球形无级变速器的运行稳定；万向节可保证转动轴42灵活移动、转动，并获得与行星轮122相同的转速；转动轴42设有转动轴42矩形花键，球轴承53内壁设有与转动轴42矩形花键相配合的球轴承53矩形花键，在动力传递过程中，转动轴42在球轴承53内壁只能转动，提高转动轴42的稳定性；设有第一壳体和第二壳体，第一壳体的球轴承53与第二壳体的球轴承53分别为转动轴42提供受力支撑，提升转
动轴42的转动、移动的稳定性；移动轴62设有移动轴62矩形花键，所述卡环61中心设有第一矩形花键孔，所述第一壳体中心设有第二矩形花键孔，所述第二壳体中心设有第三矩形花键孔，可限制移动轴62的转动与径向移动，提升移动轴62的稳定性。
57.实施例2
58.本实施例提供一种球形无级变速器的调速方法，包括如下步骤：
59.加速时，控制径向控制装置5，使转动轴42朝靠近壳体51中心的方向径向移动；同时控制轴向控制装置6，使转动轴42朝靠近输出轴2的方向轴向移动；
60.减速时，控制径向控制装置5，转动轴42朝远离壳体51中心的方向径向移动；同时控制轴向控制装置6，同时转动轴42朝远离输出轴2的方向轴向移动。
61.通过调节轴向控制装置6和径向控制装置5，可实现无级变速，调速方法简单；摩擦球43与锥形盘3为点接触，多个摩擦球43点接触驱动锥形盘3转动，无级变速器的运行稳定性高、摩擦损耗小，可有效节省油耗，增加使用寿命长。
62.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种球形无级变速器，其特征在于，包括：输出轴(2)；输入轴机构(1)，其包括输入轴(11)；锥形盘(3)，其内壁为圆锥面，输出轴(2)与锥形盘(3)的顶部固接，输出轴(2)和锥形盘(3)同轴布置；传动机构(4)，其包括万向节装置(41)、转动轴(42)和摩擦球(43)；万向节装置(41)分别与输入轴机构(1)、转动轴(42)传动连接，用于输入轴机构(1)与转动轴(42)相对位置改变时保持传动；摩擦球(43)与转动轴(42)固接；所述转动轴(42)的轴线与输出轴(2)的轴线平行；所述摩擦球(43)与锥形盘(3)内壁相抵，摩擦球(43)与锥形盘(3)摩擦传动；控制机构，其包括轴向控制装置(6)和径向控制装置(5)；所述轴向控制装置(6)与转动轴(42)连接，用于控制转动轴(42)沿其轴向移动；所述径向控制装置(5)与转动轴(42)连接，用于控制转动轴(42)沿其径向移动。2.根据权利要求1所述的球形无级变速器，其特征在于，所述输入轴机构(1)还包括行星齿轮机构(12)；所述行星齿轮机构(12)包括太阳轮(121)、行星轮(122)和固定环(123)；所述输入轴(11)与太阳轮(121)同轴布置，并固定连接；行星轮(122)与太阳轮(121)啮合；固定环(123)与行星轮(122)转动连接，用于限定行星轮(122)移动，行星轮(122)随太阳轮(121)的转动而自转。3.根据权利要求2所述的球形无级变速器，其特征在于，所述径向控制装置(5)包括壳体(51)，所述壳体(51)与输出轴(2)同轴布置；所述壳体(51)包括沿输出轴(2)的径向延伸的壳臂；所述壳臂内设有空腔，所述空腔内依次包括液压推动装置、球轴承(53)和弹簧(54)；所述球轴承(53)的一侧通过弹簧(54)与壳体连接；所述球轴承(53)另一侧与液压推动装置连接，液压推动装置用于驱动球轴承(53)沿壳臂的长度方向移动；所述壳臂设有沿其长度方向延伸的条形槽；所述转动轴(42)穿过条形槽，并与球轴承(53)内壁连接，转动轴(42)随球轴承(53)移动。4.根据权利要求3所述的球形无级变速器，其特征在于，所述传动机构(4)的数量为四组，每组传动机构(4)分别通过一个万向节装置(41)连接一个行星轮(122)；所述壳体(51)包括四根呈十字交叉状布置的壳臂。5.根据权利要求3所述的球形无级变速器，其特征在于，所述轴向控制装置(6)包括卡环(61)、移动轴(62)、拨叉(63)和电机(65)；所述卡环(61)与壳体(51)同轴布置，所述卡环(61)包括卡臂；卡臂与壳臂相对布置；所述转动轴(42)与卡臂连接，转动轴(42)随卡环(61)沿输出轴(2)的轴向移动，且转动轴(42)相对卡臂沿卡臂的长度方向移动；所述移动轴(62)依次穿过卡环(61)中心、壳体(51)中心；所述移动轴(62)与卡环(61)固接，并可沿壳体(51)的轴向移动；所述电机(65)与所述拨叉(63)连接，驱动拨叉沿转动轴(42)的轴向方向移动；所述拨叉(63)与所述移动轴(62)固定连接，带动移动轴(62)沿转动轴(42)的轴向方向移动。6.根据权利要求5所述的球形无级变速器，其特征在于，所述卡臂设有沿其轴向延伸的卡槽(611)；所述转动轴(42)与万向节装置(41)连接的一端设有沿其周向环绕的环形凹槽(421)；所述环形凹槽(421)卡接于所述卡槽(611)内，并可沿卡槽(611)的长度方向移动。7.根据权利要求6所述的球形无级变速器，其特征在于，所述移动轴(62)沿其轴向设有
移动轴矩形花键；所述卡环(61)中心设有第一矩形花键孔，所述壳体(51)中心设有第二矩形花键孔；所述移动轴(62)依次穿过第一矩形花键孔、第二矩形花键孔。8.根据权利要求2所述的球形无级变速器，其特征在于，所述行星齿轮机构(12)还包括外齿圈(124)，所述外齿圈(124)与太阳轮(121)同轴布置，并分别与四个行星轮(122)啮合；所述外齿圈(124)随行星轮(122)转动。9.根据权利要求1所述的球形无级变速器，其特征在于，所述万向节装置(41)包括连接轴(413)和万向节叉(411)；所述连接轴(413)的两端分别连接一对万向节叉(411)。10.一种利用权利要求1-9任一项所述的球形无级变速器的调速方法，其特征在于，包括如下步骤：加速时，控制径向控制装置(5)，使转动轴(42)朝靠近壳体(51)中心的方向径向移动；同时控制轴向控制装置(6)，使转动轴(42)朝靠近输出轴(2)的方向轴向移动；减速时，控制径向控制装置(5)，转动轴(42)朝远离壳体(51)中心的方向径向移动；同时控制轴向控制装置(6)，同时转动轴(42)朝远离输出轴(2)的方向轴向移动。

技术总结
本发明涉及一种球形无级变速器，包括：输出轴；输入轴机构，其包括输入轴；锥形盘，其内壁为圆锥面，输出轴与锥形盘的顶部固接，输出轴和锥形盘同轴布置；传动机构，其包括万向节装置、转动轴和摩擦球；万向节装置分别与输入轴机构、转动轴传动连接，用于输入轴机构与转动轴相对位置改变时保持传动；摩擦球与转动轴固接；所述转动轴的轴线与输出轴的轴线平行；所述摩擦球与锥形盘内壁相抵，摩擦球与锥形盘摩擦传动；控制机构，其包括轴向控制装置和径向控制装置；所述轴向控制装置与转动轴连接，用于控制转动轴沿其轴向移动；所述径向控制装置与转动轴连接，用于控制转动轴沿其径向移动。摩擦球与锥形盘为点接触摩擦传动，摩擦损耗小。耗小。耗小。


技术研发人员：李奇奇 张友才 胡林 吴钢 刘鑫
受保护的技术使用者：长沙理工大学
技术研发日：2022.03.08
技术公布日：2022/5/25