[发明专利]二自由度行星齿轮无级变速器

说明书

技术领域

本发明是一种机械式无级变速器，是充分利用行星齿轮机构的两个自由度进行无级变速。该变速器根据输入功率和负荷的变化主动无级变速，适用于车辆、机床等各类机械的变速传动。

背景技术

现有的行星齿轮变速机构，总是要制动机构的三个基本元件中的一个，或使其运动受一定的约束，让机构只有一个自由度，以一定的传动比传递动力，结果只能做到有级变速。为了实现无级变速，要与液力变矩器配备使用，这样使得结构复杂、生产成本高、传动效率低。现有的电控机械式无级变速器，虽然传动效率稍有提高，但也需要各种传感器才能实现变速，生产成本也比较高。

发明内容

为了克服现有的自动无级变速器结构复杂、生产成本高、传动效率低的缺陷，本发明提供了二自由度行星齿轮无级变速器。该变速器充分利用行星齿轮机构的两个自由度，根据输入功率和负荷的变化主动无级变速。

一、行星齿轮变速机构的运动规律：

行星齿轮机构由太阳轮、齿圈和装有行星齿轮的行星架三个基本元件组成。有单行星排和双行星排两种基本形式。

1、单行星排

单行星排齿轮机构如图1所示，齿圈制有内齿，行星齿轮通过轮轴支撑在行星架上，太阳轮位于中心，所有行星齿轮在与太阳轮外啮合的同时与齿圈内啮合。设太阳轮、齿圈和行星架的转速分别为n₁、n₂、n₃，太阳轮和齿圈的齿数分别为z₁、z₂，齿圈和太阳轮的齿数比a＝z₂/z₁，根据力的平衡条件和能量守恒定律可以导出单行星排齿轮机构一般运动规律的特性方程式：

n₁+an₂-(a+1)n₃＝0  (1-1)

2、双行星排

双行星排齿轮机构如图2所示，行星架上装有内行星齿轮和外行星齿轮，齿圈制有内齿。内行星轮与太阳轮外啮合的同时与外行星齿轮外啮合；外行星齿轮与齿圈内啮合，太阳轮位于中心。设太阳轮、齿圈和行星架的转速分别为n₁、n₂、n₃，太阳轮和齿圈的齿数分别为z₁、z₂，齿圈和太阳轮的齿数比a＝z₂/z₁，根据力的平衡条件和能量守恒定律可以导出单行星排齿轮机构一般运动规律的特性方程式：

n₁-an₂+(a-1)n₃＝0  (1-2)

二、二自由度行星齿轮无级变速器：

根据方程式(1-1)和(1-2)可以看出，行星齿轮机构不管是单行星排还是双行星排，都具有两个自由度。在太阳轮、齿圈和行星架这三个基本元件中，给任何一个元件一定的转速，另两个元件的转速可以连续变化。

二自由度行星齿轮无级变速器就是利用行星齿轮机构的两个自由度进行变速的机械式无级变速器。该变速器由一个变速行星排和传动比控制机构组成。变速行星排的任何一个元件为主动件，另两个元件中的任何一个为从动件，第三个元件不输出动力；主动件与从动件的转速比就是变速器的传动比。传动比控制机构控制变速器传动比达到最大值时不再增大可以减少，达到最小值时不再减少可以增大。传动比的控制方法是：在传动比达到最大值或最小值时，单向制动主动件和从动件之外的第三个元件、或者限制行星排的某两个元件的转速比范围。

如不考虑摩擦等损失，根据能量守恒定律，主动件输入的功率和从动件输出的功率是大小相等的，即

M_主ω_主＝M_从ω_从           (2-1)

式中M_主M_从分别为主动件和从动件的转矩，ω_主ω_从分别为主动件和从动件的角速度。

若以转速代替角速度，则式(2-1)可写成

M_主n_主＝M_从n_从           (2-2)

式中n_主n_从分别为主动件和从动件的转速。

由式(2-2)可得