技术领域

本发明涉及机械传动设计及控制技术领域， 特别是一种活齿无级变速器， 还是一种 活齿无级变速器传动特性的控制策略设计方法 。 背景技术

本发明是建立在中国专利申请号： 200580039668. 6， 公开号 CN 101072963 A， 公开 日期： 2007年 11月 14日，名称为《滑片变形齿无级啮合活齿轮》� ��基础上的改进技术， 该申请号为 200580039668. 6的专利中记录了依靠滑片组合滑移变形实现� �齿无级啮合 的功能， 可以实现非摩擦啮合无级变速。 该申请号为 200580039668. 6的专利记载的活 齿滑片无级变速器， 由于活齿滑片自身有一定厚度， 所以从理论角度讲， 活齿传动可能 出现一定的啮合齿隙， 如图 2所示， 影响传动平稳性。 发明内容

为了解决现有活齿传动可能出现一定的啮合齿 隙影响传动平稳性的技术问题，本发 明提供一种活齿无级变速器及其传动特性的控 制策略设计方法。该活齿无级变速器及其 传动特性的控制策略设计方法在实际使用中， 如果采取下文所述 "标径控制理论"， 则 可以有效规避掉此啮合齿隙负面因素， 使其传动过程总是工作在最平稳 "标径"区域。

本发明采用的技术方案是： 一种活齿无级变速器， 包括： 含啮合齿的带或链、 活齿 单元体，两个相邻的活齿单元体上的滑片或滑 块能同时与该两个相邻的活齿单元体相对 应啮合的啮合齿紧紧啮合。

一种优化活齿无级变速器传动特性的控制策略 设计方法， 该活齿无级变速器包括： 含有轨道槽的锥盘、含啮合齿的金属链、活齿 单元体、包含有滑块、滑片的活齿滑片组， 其特征在于： 该活齿无级变速器的控制策略采用 "标径控制理论"， 对于该活齿无级变 速器的所有工况， 取最接近于其当前最佳理论传动比的 "标径区"对应实际传动比作为 当前控制目标传动比， 该 "标径区"是指活齿单元体所在半径位置满足 "相邻活齿单元 滑片与链齿的啮合点节圆弧长等效于当前半径 处链齿节距整数倍"的所有半径区。

本发明的有益效果是： 当该活齿无级变速器的传动比变化时， 在相邻的 "标径区" 进行调速过渡时需经过 "非标径区"， 此时会有一定啮合齿隙， 但由于此 "非标径区" 过渡时间非常短暂， 基本不会影响变速器整体性能， 大多数时间段， 该活齿无级变速器 均工作在 "标径区"， 我们把此控制策略称之为 "标径控制理论"， 显见， 采用 "标径 控制理论"优化控制策略， 可以合理有效规避掉活齿滑片厚度导致的啮合 齿隙缺陷， 其 扭矩脉动问题可以从源头彻底消除， 从而使活齿滑片无级变速器的性能优势进一步 提 升。 附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的， 而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围 。 另外， 图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性 的， 用于帮助对本发明的理解， 并 不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸 。 本领域的技术人员在本发明的教导下， 可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例 尺寸来实施本发明。

图 1是活齿单元体位于 "标径区"的状态说明示意图。

图 2是活齿单元体位于 "非标径区"的状态说明示意图。

图 3是第一种稳扭器。

图 4是第二种稳扭器。

其中： 1、 锥盘， 2、 活齿滑片或滑块， 3、 锥盘轨道槽， 4、 啮合齿， 5、 活齿单元 体， 6、 传动轴；

7、 扭矩输入端， 71、 第一凹槽， 8、 减震弹簧， 9、 过载保护控制块， 10、 过载保 护弹簧， 11、 扭矩输出端， 111、 传动块， 20、 传动盘， 22、 第二凹槽， 23、 第三凹槽;

12、 扭矩输出轴， 13、 定位连接盘， 14、 双向减震弹簧， 15、 扭矩输入盘， 30、 传 动套盘， 31、 从动盘， 32、 主动盘， 34、 第四凹槽， 35、 第五凹槽。 具体实施方式

下面结合附图对本发明所述的活齿无级变速器 作进一步详细的说明。一种活齿无级 变速器， 包括： 含啮合齿 4的带或链、 活齿单元体 5， 活齿单元体 5上的活齿滑片或滑 块 2与带或链的啮合齿 4啮合， 两个相邻的活齿单元体 5上的活齿滑片或滑块 2 (也可 以简称滑片或滑块） 能同时与该两个相邻的活齿单元体 5相对应的带或链上的啮合齿 4 紧紧啮合， 如图 1所示， 即活齿单元体 5上的活齿滑片或滑块 2与带或链的啮合齿 4啮 合传动，该活齿无级变速器中的任意两个相邻 的活齿单元体 5上的活齿滑片或滑块 2能 同时与该带或链的啮合齿 4紧紧啮合， 实现零齿隙传动。

含啮合齿 4的带或链与该两个相邻的活齿单元体 5之间的传动为零齿隙传动，也可 以说是含啮合齿 4的带或链与其啮合的活齿单元体 5之间的传动能够达到零齿隙传动。 即在同一组锥盘 1上布置的任意两个相邻的活齿单元体 5上的滑片（或滑块）和与该两 个相邻的活齿单元体 5相对应的带或链上的啮合齿 4能紧紧啮合， 无啮合齿隙， 也可以 说是在任意两相邻的活齿单元体 5上都至少有一个滑片（或滑块）能同时和与� �两个相 邻的活齿单元体 5相互对应的带或链上的啮合齿 4能紧紧啮合，该任意两相邻的活齿单 元体 5上滑片（或滑块）能共同进行扭矩传递， 从而达到在旋转过程中无动力流中断连 续传递功率。 即如图 1中， 本申请中的活齿单元体 5与带或链传动时， 每个活齿单元体 5上的滑片（或滑块）都同时与啮合齿 4啮合（零齿隙啮合）， 而现有技术如图 2所示， 活齿单元体 5与带或链传动时， 只有一个活齿单元体 5上滑片（或滑块）与啮合齿 4啮 合（零齿隙啮合） ， 其他滑片 （或滑块）与啮合齿 4之间存在齿隙。 本实施例中带或链 为金属带或金属链， 也可以是带有啮合齿的其他齿形带或链。

满足此条件的传动， 属于 "标径区"传动， 为零齿隙传动， 传动平稳无脉动。 "标径区"： 指活齿单元体 5所在半径位置满足 "相邻的两个活齿单元体 5中的滑 片（或滑块）与啮合齿 4的啮合点的节圆弧长等效于含有啮合齿 4的带或链的节距整数 倍"的所有半径区。 即所述活齿无级变速器还包括锥盘 1， 当活齿单元体 5与带或链的 啮合齿 4啮合时，在同一组锥盘 1上布置的任意两个相邻活齿单元体 5的啮合点之间的 节圆弧长等效于所述带或链的节距的整数倍。 即在同一组锥盘 1上布置的两个相邻活齿 单元体 5与所述带或链的啮合齿 4的啮合点之间的节圆弧长等效于所述带或链� �节距的 整数倍。所述整数为大于 0的整数。 （注：上述语句中用的是"等效于 "而不是"等于"， 是因为本文中的带或链的节距的整数倍并不是 在数值上与本文中的节圆弧长相等， 因为 带或链的节距是线段， 而节圆弧是弧线， 啮合时， 带或链的节距形成了与该节圆弧内接 的正多边形的一部分， 所以只是达到了等效对应， 而不是在数值上相等）

对于同一款无级变速器， 符合其 "标径区"的半径存在很多， 该半径为多个离散或 不连续的数值，我们可以将所有符合此传动特 性的 "标径区 "半径统称为 "标准半径群 "， 简称 "标径群"， 符合此特征的半径数量称之为 "标径群数"。 通过合理设计活齿滑片 厚度及数量以及链条链齿节距及齿宽， 可以获得数量非常密集的 "标径群"， 例如： 标 径群数 = 10， 则说明该款活齿无级变速器具有 10个不同半径的 "标径区"， 这样， 在 该款活齿无级变速器工作时， 就有 10个 "标径区"可以作为最佳传动半径区， 相当于 找到 10个精密稳定传动比， 等效于 10档高效变速器。

另外， 所述活齿无级变速器还包括锥盘 1， 多个活齿单元体 5布置在锥盘 1上， 锥 盘 1上设有锥盘轨道槽 3， 锥盘轨道槽 3沿锥盘 1的母线方向设置 （锥盘轨道槽 3是沿 着锥盘的母线方向设置的， 本说明附图为轴向平面图， 相当于是轴向投影视图， 所以附 图便体现为径向设置）， 活齿单元体 5能够沿锥盘轨道槽 3移动。活齿单元体 5含有活 齿滑片组； 该活齿滑片组含有所述滑片； 或者该活齿滑片组含有所述滑块； 或者该活齿 滑片组含有所述滑片和滑块， 所述滑片的厚度小于所述滑块的厚度。

可以在整体系统动力流传动链中串联一用来稳 定速度脉动的稳扭器，则可以进一步 优化传动特性， 尤其是优化在调速经过 "非标径区" 过渡时的扭矩波动。

即所述活齿无级变速器还包括有用来稳定速度 脉动的稳扭器，该稳扭器包括扭矩输 入端 7、 扭矩输出端 11、 减震弹簧 8、 过载保护控制块 9、 过载保护弹簧 10。

即如图 3所示， 活齿无级变速器还包括有用来稳定速度脉动的 稳扭器， 该稳扭器包 括扭矩输入端 7、 扭矩输出端 11、 减震弹簧 8、 过载保护控制块 9、 过载保护弹簧 10和 传动盘 20; 圆盘形的扭矩输入端 7的周向设有多个第一凹槽 71， 环形的传动盘 20套设 在扭矩输入端 7夕卜，传动盘 20内测设有多个与第一凹槽 71相对应的第二凹槽 22，过载 保护弹簧 10设置在第一凹槽 71内， 过载保护控制块 9的顶端与第二凹槽 22抵接， 过 载保护控制块 9的底端与过载保护弹簧 10抵接， 过载保护控制块 9的顶端能够相对于 第二凹槽 22的一侧的内表面沿传动盘 20的周向打滑； 环形的扭矩输出端 11套设在传 动盘 20外， 传动盘 20的外侧沿周向设有多个第三凹槽 23， 扭矩输出端 11的内侧固定 有多个与第三凹槽 23的侧壁相接触的传动块 111，减震弹簧 8的一端与传动块 111抵接， 减震弹簧 8的另一端与第三凹槽 23的侧壁抵接。

使用时， 该稳扭器的扭矩输入端 7与传动轴 6连接， 如传动轴 6可以驱动扭矩输入 端 7转动， 扭矩输入端 7通过过载保护控制块 9带动传动盘 20转动， 当载荷较大超过 了设计载荷时， 保护控制块 9和传动盘 20之间能够打滑， 起到过载保护的作用。 传动 盘 20转动后通过减震弹簧 8再带动扭矩输出端 11转动。 传动盘 20的外圈对应的为弹 性缓冲区， 传动盘 20的内圈对应的为过载保护区。

或者， 如图 4所示， 所述活齿无级变速器还包括有用来稳定速度脉 动的稳扭器， 该 稳扭器包括扭矩输出轴 12、 扭矩输入盘 15、 定位连接盘 13、 双向减震弹簧 14。

即所述活齿无级变速器还包括有用来稳定速度 脉动的稳扭器，该稳扭器包括扭矩输 出轴 12、 扭矩输入盘 15、 定位连接盘 13、 双向减震弹簧 14和传动套盘 30; 传动套盘 30包括主动盘 32和圆盘形的从动盘 31， 环形的主动盘 32套设在从动盘 31夕卜， 主动盘 32的内侧周向设有多个第四凹槽 34， 从动盘 31的外测设有多个与第四 凹槽 34相对应的第五凹槽 35，双向减震弹簧 14设置在第四凹槽 34和第五凹槽 35组合 成的空间内，主动盘 32能够通过双向减震弹簧 14驱动从动盘 31转动；定位连接盘 13、 传动套盘 30和扭矩输入盘 15依次层叠设置，定位连接盘 13和扭矩输入盘 15均与主动 盘 32固定连接， 从动盘 31能够通过扭矩输出轴 12输出扭矩。

使用时， 如图 4所示， 该稳扭器的扭矩输入盘 15右侧的轴套与传动轴 6固定连接， 扭矩输入盘 15与主动盘 32—起转动， 主动盘 32通过双向减震弹簧 14带动从动盘 31 转动， 从动盘 31再带动扭矩输出轴 12转动。

一种优化活齿无级变速器传动特性的控制策略 设计方法， 该活齿无级变速器包括： 含有轨道槽的锥盘 1、 含啮合齿 4的金属链、 活齿单元体 5、 包含有滑块、 滑片的活齿 滑片组， 该活齿无级变速器的控制策略采用 "标径控制理论"， 对于该活齿无级变速器 的所有工况， 取最接近于其当前最佳理论传动比的 "标径区"对应实际传动比作为当前 控制目标传动比， 该 "标径区"是指活齿单元体 5所在半径位置满足 "相邻活齿单元滑 片与链齿的啮合点节圆弧长等效于当前半径处 链齿节距整数倍"的所有半径区。

图 1、 图 2均以主动轮为例分析， 图示状态下， 锥盘顺时针旋转， 功率流路径流向 为： 锥盘一活齿滑片一链齿。

该 "标径控制理论"所述方案需满足条件： 在同一组锥盘 1上布置的两相邻活齿单 元体 5上的任一滑片（含滑块）与其相互啮合的链� �的啮合点之间的节圆弧长等效于当 前半径处链齿节距的整数倍（注： 此定义语句中用的是 "等效于"而不是 "等于"， 是 因为本句定义中的链齿节距整数倍并不是在数 值上与本句定义中的节圆弧长相等，只是 达到了等效对应； 如果用另一种传动特性方式来描述定义此概念 ， 则应该是： 在同一组 锥盘上布置的两相邻活齿单元体上的任一滑片 （含滑块）与其相互啮合的链齿能紧紧啮 合， 无啮合齿隙， BP: 在两相邻的活齿单元体上都至少有任一滑片（ 含滑块）能同时与 其相互对应啮合的链齿能紧紧啮合， 能共同进行扭矩传递， BP: 达到在旋转过程中无动 力流中断连续传递功率） 。

满足此条件的传动， 属于 "标径区"传动， 为零齿隙传动， 传动平稳无脉动。 "标径区"： 指活齿单元体所在半径位置满足"相邻活齿单� �滑片与链齿的啮合点 节圆弧长等效于当前半径处链齿节距整数倍"� �所有半径区。

对于同一款无级变速器， 符合其 "标径区"的半径存在很多， 我们可以将所有符合 此传动特性的 "标径区"半径统称为 "标准半径群"， 简称 "标径群"， 符合此特征的 半径数量称之为 "标径群数"。通过合理设计活齿滑片厚度及数� ��以及链条链齿节距及 齿宽， 可以获得数量非常密集的 "标径群"， 例如： 标径群数 = 10， 则说明该款活齿无 级变速器具有 10个不同半径的 "标径区"， 这样， 在该款活齿无级变速器工作时， 就 有 10个 "标径区"可以作为最佳传动半径区， 相当于找到 10个精密稳定传动比， 等效 于 10档高效变速器。

这样， 在做控制策略研究时， 对于变速器所有工况， 我们就尽可能去取最接近于其 当前最佳理论传动比的 "标径区" 对应实际传动比作为当前控制目标传动比， 从而达 到任何工况下都能实现无啮合齿隙精密传动。

对于一般车辆， 10档足够用了，对于重型车辆或特种车辆， 我们仍可以按此方法设 计出 10档以上甚至 20档以上档位， 以满足不同路况需求。

当变速器的传动比变化时，在相邻的"标径区 "进行调速过渡时需经过"非标径区"， 此时会有一定啮合齿隙， 但由于此 "非标径区"过渡时间非常短暂， 基本不会影响变速 器整体性能，大多数时间段，变速器均工作在 "标径区"，我们把此控制策略称之为"标 径控制理论"， 显见， 采用 "标径控制理论"优化控制策略， 可以合理有效规避掉活齿 滑片厚度导致的啮合齿隙缺陷， 其扭矩脉动问题可以从源头彻底消除， 从而使活齿滑片 无级变速器的性能优势进一步提升。

如图 3、 图 4所示， 可以在整体系统动力流传动链中串联一用来稳 定速度脉动的稳 扭器， 则可以进一步优化传动特性， 尤其是优化在调速经过 "非标径区" 过渡时的扭 矩波动。

图 3所示的第一种稳扭器， 由弹性缓冲区、过载保护区组成， 包括： 扭矩输入端 7、 减震弹簧 8、过载保护控制块 9、过载保护弹簧 10、扭矩输出端 11等， 当扭矩在正常工 作允许范围内时， 只有弹性缓冲区起作用， 如果扭矩超过正常工作允许范围， 则过载保 护控制块分离达到安全保护作用。

一般情况下， 也可以只设置弹性缓冲区， 如图 4所示的第二种稳扭器， 其结构相当 于一弹性减震器， 由主动盘， 从动盘， 弹性连接元件组成， 其中， 弹性连接元件可以根 据实际情况需要设计为双向减震、单向减震类 型。如图所示包括： 扭矩输出轴 12、定位 连接盘 13、双向减震弹簧 14、扭矩输入盘 12等。其弹性缓冲减震元件可以是金属弹簧、 非金属弹簧、 气体弹簧、 液力弹簧、 液力阻尼器等。 注 1 : 本文所述的无齿隙或零齿隙概念， 并不是理论上完全无齿隙， 实践证明： 有 微量齿隙有利于改善润滑及寿命， 并有利于降低加工精度及装配精度要求， 所以， 本文 所述的无齿隙或零齿隙概念只是相对而言， 只要在现有技术标准下的通用传动机械（如 齿轮传动） 允许范围内， 就可以视为无齿隙或零齿隙。

注 2: 滑片和滑块从结构上讲没有本质区别， 基本区别多数情况下只是厚度不同， 但从功能上讲， 滑块起承载扭矩作用， 而滑片起填充啮合齿隙作用， 滑块与滑片的有机 组合， 可以等效于齿厚可以任意变化的齿轮， 这就是活齿轮的概念。 在非精密场合， 对 滑块啮合齿隙要求不严格场合， 滑块可以独立使用， 完全用滑块组合成纯滑块组进行进 行功率传递， 但滑片不能独立使用承载扭矩， 应该与滑块组合使用。 所以， 滑片是指其 厚度不足以单独满足当前设计指标范围内的功 率传递所需承载能力，需依靠厚度较大滑 块来承载扭矩， 其滑片功能只是用来起填充啮合齿隙作用。

或者， 也可以命名为： 厚度较大用于承载扭矩的滑块命名为： 承载滑片； 厚度较小 不能独立承载扭矩的滑片命名为： 填充滑片。在本文的控制策略分析中提及的滑 片包含 此两类。

按目前中小排量车辆领域的扭矩工况讲：一般 取厚度大于 1mm的滑片以滑块功能来 设计， 一般取厚度小于 lmm的滑片以滑片功能来设计。

注 3: 图 3、 图 4所示的第一种稳扭器、第二种稳扭器， 其中的扭矩输入端 7、扭矩 输出端 11， 扭矩输出轴 12、 扭矩输入盘 15， 均为功能解说方便而定义， 在实际使用过 程中， 可以互换作为输出端或输出端。

以上所述， 仅为本发明的具体实施例， 不能以其限定发明实施的范围， 所以其等同 组件的置换， 或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修 饰， 都应仍属于本专利涵盖 的范畴。 另外， 本发明中的技术特征与技术特征之间、 技术特征与技术方案之间、 技术 方案与技术方案之间均可以自由组合使用。