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一种用于小型动力机械的无级变速器
申请号	CN202010430114.5	申请日	2020-05-20	公开(公告)号	CN112709793A	公开(公告)日	2021-04-27
申请人	杭州肇鹏科技有限公司;			发明人	不公告发明人;
摘要	本发明涉及一种单销轴无级变速链以及使用该无级变速链的用于小型动力机械的无级变速器，包括锥盘轴系I、锥盘轴系II、单销轴无级变速链、调速机构和加压机构。通过对单销轴无级变速链的链节、链板、销轴等部件的相互比例关系以及形状进行具体设置，同时通过对无级变速链与无级变速装置相配合部件进行具体设置，提高了用于小型动力机械的无级变速器变速性能，增加了用于小型动力机械的无级变速器的承载能力，使其更加适用于小、微型动力机械，使得小型动力机械的工作效率和稳定性得到了提升。
权利要求	1.一种用于小型动力机械的无级变速器，其特征在于，包括锥盘轴系I、锥盘轴系II、单销轴无级变速链、调速机构和加压机构；所述锥盘轴系I和锥盘轴系II均包括定锥盘和动锥盘；所述单销轴无级变速链夹持在锥盘轴系I和锥盘轴系II的定锥盘和动锥盘之间，用于传递动力；所述调速机构用于驱动锥盘轴系I和/或锥盘轴系II的动锥盘轴向移动；所述加压机构通过对定锥盘和/或动锥盘施加压力提供单销轴无级变速链传递扭矩所需的轴向力；所述单销轴无级变速链由多个链节组成；单销轴无级变速链在工作状态下的全长形状为分布于一个平面上的闭环，工作状态的单销轴无级变速链全长包括圆弧段和连接圆弧段的直线段；每个所述链节包含数片链板，链板为薄片状，即一个方向的尺寸明显小于另外两个方向的尺寸，明显较小的尺寸定义为链板厚度，与单销轴无级变速链直线段运动方向一致的尺寸定义为链板长度，垂直于链板厚度和链板长度方向的尺寸定义为链板高度；每片所述链板上设置有2个链板厚度方向的通孔，每个通孔内设置有1根销轴，相邻的两个链节通过设置于所述通孔中的1根销轴相连接；或者每片所述链板上设置有将2个通孔之间的材料去除而集成为1个长形通孔，每个长形通孔内设置有2根销轴，每相邻的两个链节通过设置于所述长形通孔中的1根销轴相连接；销轴端部的两个侧面在直线段平行于链板长度方向，且与长度方向和高度方向所组成的平面相倾斜设置；锥盘轴系I的定锥盘和动锥盘的外直径为D1(单位mm)，锥盘轴系II的定锥盘和动锥盘的外直径为D2(单位mm)；无级变速器的速比范围(即最大减速比/最小减速比)为i；单销轴无级变速链的最小节距为p(单位mm)。 2.根据权利要求1所述的用于小型动力机械的无级变速器，其特征在于，所述销轴端部的两个侧面与链板长度方向和高度方向所组成的平面相倾斜设置，销轴侧面在链板高度方向和链板厚度方向所组成的平面上投影所得弧线在链板高度方向上的中点处的切线与链板长度方向和高度方向所组成的平面形成的角度小于等于15度，大于等于7度(优选小于等于11度，大于等于9度)；销轴侧面中90％以上面积在垂直于链板长度方向的平面上具有投影，所得投影的曲线的曲率半径大于80mm。 3.根据权利要求1所述的用于小型动力机械的无级变速器，其特征在于，所述销轴的主要受力和连接配合部分为圆柱体，所述圆柱体的直径大于等于 4.根据权利要求1所述的用于小型动力机械的无级变速器，其特征在于，所述链板，在高度方向上与销轴接触最高点处的链板宽度大于等于所述链板，在高度方向上与销轴接触最低点处的链板宽度大于等于所述链板的长度方向上的链板宽度大于等于 5.根据权利要求1所述的用于小型动力机械的无级变速器，其特征在于，除与定锥盘和/或动锥盘接触的侧面外，销轴表面设置有陶瓷层，所述陶瓷层的厚度大于等于5纳米，所述陶瓷层的材质为氧化铝、氧化锆、氮化钛、碳化钛、氧化钛、碳化钨中的一种或几种的组合。 6.根据权利要求1所述的用于小型动力机械的无级变速器，其特征在于，所述链板厚度大于等于每节所述链节上的所有链板厚度的和大于等于 7.根据权利要求1所述的用于小型动力机械的无级变速器，其特征在于，所述单销轴无级变速链的最大节距小于等于5.6mm。 8.根据权利要求1所述的用于小型动力机械的无级变速器，其特征在于，无级变速器的输入转速为单一方向时，链条的运动方向也为单一方向；至少每节链节的链板宽度方向上的外侧的2片链板，分别通过其上的2根销轴的2对通孔中，以链板运动方向为前，后方的一对通孔与销轴过盈配合(作为优选，链条最外侧链板上，当销轴与所述链板上的通孔不是过盈配合时，在销轴上所述通孔的外侧加装紧固环或挡销与销轴过盈配合，或采用焊接、粘接等方式固连，防止链板脱落)；或者，无级变速器的输入转速为单一方向时，链条的运动方向也为单一方向；相邻的两个链节通过设置于链板上的通孔中的1根异形销轴相连接，所述异形销轴，即销轴的受力及配合部分为圆柱体，非受力部分设置异形面(所述异形面优选为平面)；链板的前方通孔为圆形，后方通孔为销轴相应形状；外侧以紧固环或挡销与销轴过盈配合，或采用焊接、粘接等方式固连；链节采用2链节循环或3链节循环排列方式连接。 9.根据权利要求1所述的用于小型动力机械的无级变速器，其特征在于，所述链板材质采用合金钢，该合金钢的化学成分中除基体铁和不可避免的杂质外，按质量百分比含量还含有：碳：0.55-0.75％，锰：0.3-1.2％，铬：0.4-1.2％，镍：0.3-1.0％，钼：0.05-0.2％；或该合金钢的化学成分中除基体铁和不可避免的杂质外，按质量百分比含量还含有：碳：0.45-0.55％，硅≤0.4％，镍≤0.35％，铜≤0.25％，锰：0.70-1.2％，铬：0.9-1.2％，钒： 0.1-0.25％。 10.一种应用于用于小型动力机械的无级变速器的单销轴无级变速链，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的单销轴无级变速链的设置方式进行设置。
说明书全文	一种用于小型动力机械的无级变速器技术领域 [0001] 本发明属于变速箱领域，具体涉及一种用于小型动力机械的无级变速器。背景技术 [0002] 应用于汽车的CVT传动装置为链条或钢带围绕在动、定锥盘之间，通过改变两锥盘的距离，调整链条或钢带与锥盘接触点处工作半径，从而实现变速。此种变速箱传动比稳定，设计制造简便。 [0003] 除汽车外，很多小型动力机械，如小型飞行器，小型自走式机器人等，也有应用无级变速器的需求。但由于目前的CVT结构，尤其是链条的结构，无法进一步小型化，阻碍了 CVT在小型动力机械领域的应用。 [0004] 公知的CVT传动的核心部件是链条或钢带和主、从动带轮组成的传动系统，一种用于小型动力机械的无级变速器的障碍之一就是尺寸更小的链条或钢带，以及与其相配的锥盘系统。钢带由于其结构限制，以及工艺较为固定，减小尺寸较难，因此一种用于小型动力机械的无级变速器的传动元件的希望在链条上。 [0005] PCT/DE2006/002053《平环链》、PCT/DE2006/001675《链板、包含该链板的链以及通过该链构成的链传动装置和装备有该链传动装置的车辆》分别公开了摆销链结构，且对节距、链板、铰接件相互之间结构或相互尺寸关系进行了优化构造。在此基础上，德国LuK公司开发了链板类型为0.8mm厚的系列链条产品。但LuK公司开发的最小链条节距为6mm，最小工作半径为25mm，更紧凑的CVT及链条结构全球范围内未见公开。 [0006] 通过对结构的分析，链条工作半径减小的障碍在于铰接结构。为了抑制多边形效应，无级变速链多采用摆销链作为铰接结构。但摆销链的铰接结构为一对销轴，限制了其节距进一步减小，且其活动范围受到摆销结构的限制，无法灵活弯曲，实现更小的最小弯曲半径。也有将一对异形销轴简化为一根异形销和链板上的对应对滚结构，但由于其基本的结构限制，最小弯曲半径仍然无法进一步减小。 [0007] 链条进一步小型化的障碍还在于销轴在链板中的固定方式及固定位置。公知技术中，CN108167390A和CN108368915A公开了用于限制销轴在链条中的相对位置的挡销的结构和连接方法，也是公知技术中较有代表性的思路。对于进一步减小的链条及销轴尺寸，挡销结构较难实现。 [0008] US005728021和EP1624225公开了一种以过盈方式将销轴固定在链板中的结构，并且通过缩短一对销轴中的一根销轴的长度实现了单销轴的摩擦传动，在一定程度上，提高了传动效率。但由于其依然采用双销结构，以及异形销在过盈配合中较易松动，长时间可靠性受到影响，在工程实施中较难实现小型化应用。发明内容 [0009] 本发明主要解决的技术问题是提供一种小型无级变速装置，满足小型动力机械对无级变速功能的需求。 [0010] 具体通过如下技术手段实现： [0011] 一种用于小型动力机械的无级变速器，包括锥盘轴系I、锥盘轴系II、单销轴无级变速链、调速机构和加压机构。 [0012] 所述锥盘轴系I和锥盘轴系II均包括定锥盘和动锥盘；所述单销轴无级变速链夹持在锥盘轴系I和锥盘轴系II的定锥盘和动锥盘之间，用于传递动力；所述调速机构用于驱动锥盘轴系I和/或锥盘轴系II的动锥盘轴向移动；所述加压机构通过对定锥盘和/或动锥盘施加压力提供单销轴无级变速链传递扭矩所需的轴向力。 [0013] 所述单销轴无级变速链由多个链节组成；单销轴无级变速链在工作状态下的全长形状为分布于一个平面上的闭环，工作状态的单销轴无级变速链全长包括圆弧段和连接圆弧段的直线段。 [0014] 每个所述链节包含数片链板，链板为薄片状，即一个方向的尺寸明显小于另外两个方向的尺寸，明显较小的尺寸定义为链板厚度，与单销轴无级变速链直线段运动方向一致的尺寸定义为链板长度，垂直于链板厚度和链板长度方向的尺寸定义为链板高度。 [0015] 每片所述链板上设置有2个链板厚度方向的通孔，每个通孔内设置有1根销轴，相邻的两个链节通过设置于所述通孔中的1根销轴相连接；或者每片所述链板上设置有将2个通孔之间的材料去除而集成为1个长形通孔，每个长形通孔内设置有2根销轴，每相邻的两个链节通过设置于所述长形通孔中的1根销轴相连接；销轴端部的两个侧面在直线段平行于链板长度方向，且与长度方向和高度方向所组成的平面相倾斜设置。 [0016] 锥盘轴系I的定锥盘和动锥盘的外直径为D1(单位mm)，锥盘轴系II的定锥盘和动锥盘的外直径为D2(单位mm)。 [0017] 无级变速器的速比范围(即最大减速比/最小减速比)为i；单销轴无级变速链的最小节距为p(单位mm)。 [0018] 作为优选，所述销轴端部的两个侧面与链板长度方向和高度方向所组成的平面相倾斜设置，销轴侧面在链板高度方向上的中点在链板高度方向和链板厚度方向所组成的平面上的切线与链板长度方向和高度方向所组成的平面形成的角度小于等于15度，大于等于 7度(优选小于等于11度，大于等于9度)。 [0019] 销轴侧面中90％以上面积在垂直于链板长度方向的平面上具有投影，所得投影的曲线的曲率半径大于80mm。 [0020] 作为优选，所述销轴的主要受力和连接配合部分为圆柱体，所述圆柱体的直径大于等于 [0021] 作为优选，所述链板，在高度方向上与销轴接触最高点处的链板宽度大于等于 [0022] 所述链板，在高度方向上与销轴接触最低点处的链板宽度大于等于 [0023] 所述链板的长度方向上的链板宽度大于等于 [0024] 作为优选，除与定锥盘和/或动锥盘接触的侧面外，销轴表面设置有陶瓷层，所述陶瓷层的厚度大于等于5纳米，所述陶瓷层的材质为氧化铝、氧化锆、氮化钛、碳化钛、氧化钛、碳化钨中的一种或几种的组合。 [0025] 作为优选，所述链板厚度大于等于每节所述链节上的所有链板厚度的和大于等于 [0026] 作为优选，所述单销轴无级变速链的最大节距小于等于5.6mm。 [0027] 作为优选，无级变速器的输入转速为单一方向时，链条的运动方向也为单一方向。 [0028] 至少每节链节的链板宽度方向上的外侧的2片链板，分别通过其上的2根销轴的2对通孔中，以链板运动方向为前，后方的一对通孔与销轴过盈配合。 [0029] 作为优选，当销轴与所述链板上的通孔不是过盈配合时，在销轴上所述通孔的外侧加装紧固环或挡销与销轴过盈配合，或采用焊接、粘接等方式固连，防止链板脱落。 [0030] 或者，无级变速器的输入转速为单一方向时，链条的运动方向也为单一方向；相邻的两个链节通过设置于链板上的通孔中的1根异形销轴相连接，所述异形销轴，即销轴的受力及配合部分为圆柱体，非受力部分设置异形面，所述异形面优选为平面；链板的前方通孔为圆形，后方通孔为销轴相应形状；外侧以紧固环或挡销与销轴过盈配合，或采用焊接、粘接等方式固连； [0031] 链节采用2链节循环或3链节循环排列方式连接。 [0032] 作为优选，所述链板材质采用合金钢，该合金钢的化学成分中除基体铁和不可避免的杂质外，按质量百分比含量还含有：碳：0.55-0.75％，锰：0.3-1.2％，铬：0.4-1.2％，镍：0.3-1.0％，钼：0.05-0.2％；或该合金钢的化学成分中除基体铁和不可避免的杂质外，按质量百分比含量还含有：碳：0.45-0.55％，锰：0.70-1.2％，铬：0.9-1.2％，钒：0.1- 0.25％。 [0033] 进一步的，还包括采用上述单销轴无级变速链的设置方式进行设置的单销轴无级变速链。 [0034] 本发明的效果在于： [0035] 1，公知技术中，无级变速链采用1对(2根)摆销作为链节之间的连接，在运动时1对销轴形成对滚运动，无滑动摩擦，但1对销轴夹持在锥盘之间，在链节啮入和啮出锥盘的瞬间，1对销轴互相有角度的变化，销轴的侧面在较大的轴向压力下，在锥盘表面上形成滑动摩擦，增加了功率损失。 [0036] 而本发明减少链节之间的连接，采用1根销轴替代1对销轴，以链板在销轴上转动实现链条的弯曲，避免了2根销轴连接在较大的轴向压力下发生滑动摩擦，而在较小链条拉力的条件下发生滑动摩擦，在链式CVT的油膜润滑摩擦副中，轴向压力是产生的摩擦力的10 倍左右(油膜拖动的典型摩擦系数为0.075-0.095)，以1根销轴替代2根销轴可以实现链节间连接，从而有效减小摩擦损耗，提高传动效率。 [0037] 2，本发明特定的1根销轴的连接方式，配合销轴的形状为圆柱体，相对于公知技术中的2根异形销轴的连接方式在较大的轴向压力和较小的与锥盘接触面积的条件下发生滑动摩擦，由于在较小的链条拉力和较大的链板与销轴接触面积的条件下发生滑动摩擦，从而会使得磨损大大减轻。 [0038] 3，通过在销轴表面的具体位置设置特定的陶瓷层，可以大大提高零件的耐磨性，减小摩擦力。 [0039] 4，通过将不与销轴过盈配合的链板设置为1个长形通孔的形式，可以有效减轻链板重量20％以上。 [0040] 5，通过设置链板宽度和节距，可以实现较小的最小工作半径，利于实现一种用于小型动力机械的无级变速器；同时配合1根销轴的连接方式，可以有效避免较大的多边形效应，降低噪声，提高链条寿命。 [0041] 6，圆柱体销轴更加容易制造，成本更低。 [0042] 7，相对于公知技术的1对异形销轴对滚并利用挡销对链板在销轴上限位的连接方式，利用过盈配合对链板在1根销轴上限位，更加可靠，制造更容易，一致性更好，成本更低。 [0043] 8，相对于公知技术中，对圆形销轴利用挡销进行限位，具体的过盈配合的连接方式可以更加可靠地保证圆形销轴倾斜的侧面相对于锥盘的啮入姿态，从而保证更加可靠的传动。 [0044] 9，更小的侧面倾角(9度)使得无级变速系统可以更加紧凑。 [0045] 10，通过设置特定的链板厚度和链板总厚度，可以保证链条的承载能力，同时保证机械系统的紧凑性。 [0046] 11，对现有合金钢的组分含量进行具体改进，其中调整了碳、锰、铬、镍和钼的具体含量，使得链条强度更高，韧性和耐磨性更好，从而更加适用于小型无级变速器的使用。附图说明 [0047] 图1本发明实施例1的结构简图 [0048] 图2为本发明一种单销轴无级变速链工作状态直线段和圆弧段示意图。 [0049] 图3为单销轴无级变速链的三维结构示意图。 [0050] 图4为单销轴无级变速链底面结构示意图。 [0051] 图5为单销轴无级变速链侧视示意图。 [0052] 图6为本发明垂直于链板长度方向的平面上销轴剖面结构示意图。 [0053] 图7为实施例1和对比例1输入扭矩分别为20N.m、40N.m和60N.m时传递效率(输出功率/输入功率)对比图。 [0054] 图8为本发明的链板三维示意图。 [0055] 图9为实施例2销轴与链板过盈配合顺序排列方式示意图。 [0056] 图10为一种实施方式销轴与链板的3链节循环排列方式。 [0057] 图11为一种实施方式的1个长形通孔的轻型链板示意图。 [0058] 图12为一种实施方式的异形销轴与相应链板配合设置的示意图。 [0059] 附图标记：01.动力装置，02.锥盘轴系I，03.加压机构，04.单销轴无级变速器链，041.工作状态下链圆弧段，042.工作状态下链直线段，05.锥盘轴系II，06调速机构，1.链节，2.链板，21.链板与销轴接触最高点，22.链板与销轴接触最低点，201-209链板，3.销轴， 31.销轴倾斜面，3a、3b.圆柱体销轴，3c、3d.异形销轴，4.紧固环。 [0060] 附图中使用的字母用于解释已经提及尺寸关系并具有如下含义： [0061] D1：锥盘轴系I的定锥盘和动锥盘的外直径，D2:锥盘轴系II的定锥盘和动锥盘的外直径，p:单销轴无级变速链节距，L:链板长度，s：链板厚度，h:链板高度，m1：链板高度方向上与销轴接触最高点处的链板宽度，m2：链板高度方向上与销轴接触最低点处的链板宽度，m3：链板长度方向上的链板宽度，v：链条的运动方向。具体实施方式 [0062] 实施例1 [0063] 一种用于小型动力机械的无级变速器，如图1所示，所述无级变速器连接动力装置为电机，所述无级变速器包括锥盘轴系I、锥盘轴系II、单销轴无级变速链、调速机构和加压机构；所述锥盘轴系I和锥盘轴系II均包括定锥盘和动锥盘；锥盘轴系I和锥盘轴系II之间通过单销轴无级变速链传递动力，所述单销轴无级变速链夹持在锥盘轴系I和锥盘轴系II 的定锥盘和动锥盘之间；如图2～4所示，所述单销轴无级变速链由多个链节组成；链板按照图10所示方式排列(即3链节循环的连接方式)；单销轴无级变速链在工作状态下的全长形状为分布于一个平面上的闭环，工作状态的单销轴无级变速链全长包括圆弧段和连接圆弧段的直线段；每个所述链节包含数片链板，链板为薄片状，即一个方向的尺寸明显小于另外两个方向的尺寸，明显较小的尺寸定义为链板厚度，与单销轴无级变速链直线段运动方向一致的尺寸定义为链板长度，垂直于链板厚度和链板长度方向的尺寸定义为链板高度。 [0064] 每片链板上设置有2个链板厚度方向的通孔，相邻两个链节通过设置于所述通孔中的一根销轴相连接；销轴端部的两个侧面在直线段平行于链板长度方向，且与长度方向和高度方向所组成的平面相倾斜设置，倾角为9度。 [0065] 锥盘轴系I的定锥盘和动锥盘的外直径为60mm，锥盘轴系II的定锥盘和动锥盘的外直径为70mm。无级变速器的速比范围(即最大减速比/最小减速比)为5。单销轴无级变速链的最小节距为4.5mm。 [0066] 销轴为圆柱体，直径为2mm。销轴侧面中90％以上面积在垂直于链板长度方向的平面上的投影，所得投影曲线的曲率半径为100mm。 [0067] 对比例1 [0068] 本对比例采用实施例1一致的锥盘轴系I、锥盘轴系II、调速机构和加压机构，将实施例1的单销轴无级变速链变更为为公知结构摆销链，铰接结构为一对对置销轴，其他设置与实施例1相同；摆销链最小节距为6.5mm，宽度24mm，链板厚度为0.7mm。 [0069] 对比例1与实施例1装配相同电机，输入扭矩分别为20N.m、40N.m和60N.m，输入转速2000rpm时，CVT速比分别为2、1.5、1和0.5情况下，实施例1和对比例1传递效率(输出功率/输入功率)对比如图7所示，实施例1和对比例1在设定上述输入扭矩和速比情况下，实施例1传递效率基本高于对比例1，且大速比和小速比情况下，单销轴无级变速链相对公知结构摆销链，效率优势更加明显，输入扭矩20N.m情况下，CVT速比为2，由于II轴轴向压力的增加，和I轴较小工作半径，摆销链结构由于节距限制相对锥盘面滑动摩擦增加，实施例1效率优势可达3％；CVT速比为0.5时，由于II轴较小工作半径，效率优势达2％；随着输入扭矩的增加，由于转速不变，整体输入功率增加，对比例1功率损失相对整体功率有变小趋势。 [0070] 实施例2 [0071] 与实施例1不同的是，本实施例用单销轴无级变速链销轴侧面链板高度方向上的中部与链板长度方向和高度方向所组成的平面的倾角为11度。如图8所示，所用链板在高度方向上与销轴接触最高点处的链板宽度m1为1.8mm，在高度方向上与销轴接触最低点处的链板宽度m2为2mm，在链板长度方向上的链板宽度m3为2.5mm，链板厚度为1.2mm，每节所述链节上的所有链板厚度之和为10.8mm，链板材料采用合金钢。所述销轴利用过盈配合对链板限位，链板排列如图9所示(即2链节循环)，在链条宽度方向一个链节单元内，定义所述链条的运动方向v为从右向左，销轴与链板过盈配合顺序为，从链条上端及下端，链板201、 203、205、207和209与销轴3b过盈配合，链板202、204、206和208与销轴3a过盈配合。在另外的实施例中，如图12所示，其中3c和3d为相邻的两根异形销轴。 [0072] 对比例2 [0073] 对比例2采用与实施例2一致的单销轴无级变速链结构，采用换链板操作实现更好的对比操作，对比例2用链板为公知借用单销轴结构滚子链链板，链板厚度为1.2mm，每节所述链节上的所有链板厚度之和为10.8mm，链板在高度方向上与销轴接触最高点处的链板宽度m1为1.4mm，在高度方向上与销轴接触最低点处的链板宽度m2为1.4mm，在链板长度方向上的链板宽度m3为1.4mm，链板材料为45Mn。 [0074] 对比例2与实施例2装配相同电机，相同试验台架上进行寿命试验，输入转速为1500rpm，相同输入扭矩40N.m，CVT速比从2开始至0.5过程中，每2h调速一次，实施例2通过 100h台架试验，拆装链条完好，对比例2在CVT速比为0.9时出现异响，传动系统失效，拆箱发现链条失效，链板断裂，运转时间23h。