预置式曲面锥轮钢球变速器技术领域
本发明是一种预置式曲面锥轮钢球变速器，其涉及一种变速器，特别是涉及一种
采用预置方式设置不同传动比档位，利用传动钢球分别与内曲面锥轮和外曲面锥轮接触位
置的摩擦力传递转矩的有级变速器。
背景技术
普通钢球变速器包括两个锥轮和若干个传动钢球，两个锥轮分别是主动锥轮和从
动锥轮，两个锥轮的径向外侧边缘各有一个凹形的工作锥面，调节机构与钢球支承轴的两
端联接，使传动钢球被压紧在两个锥轮的工作锥面上，并且使每个传动钢球能够沿着各自
的钢球支承轴旋转，主动锥轮依靠摩擦力带动传动钢球沿着钢球支承轴旋转，传动钢球依
靠摩擦力带动从动锥轮旋转，主动锥轮输入的转矩传递至从动锥轮，并且，从动锥轮的旋转
方向与主动锥轮的旋转方向相同。主动锥轮在传动钢球上的接触位置与钢球支承轴的垂直
距离称为传动半径一，从动锥轮在传动钢球上的接触位置与钢球支承轴的垂直距离称为传
动半径二，通过调节机构改变钢球支承轴的倾斜角与倾斜方向，可以改变传动半径一和传
动半径二，传动比为传动半径二与传动半径一的比率，从而实现无级变速。
普通钢球变速器的结构特点是，传动钢球沿着钢球支承轴旋转时，改变钢球支承
轴的倾斜角与倾斜方向，主动锥轮和从动锥轮在传动钢球表面的两个接触位置的线速度不
同，从而改变主动锥轮传递至从动锥轮的转速。即普通钢球变速器的传动比取决于传动钢
球表面的两个接触位置线速度的比率。传动钢球表面的两个接触位置的角速度相同。
普通钢球变速器主要优点是传动平稳，普通钢球变速器多数应用于汽车和纺织行
业。与齿轮减速器相比，普通钢球变速器结构复杂，无法应用于小型设备中。
发明内容
本发明的目的是克服普通钢球变速器结构复杂，无法应用于小型设备的缺点，提
供一种结构简单、采用预置方式设置不同传动比档位，利用传动钢球分别与内曲面锥轮和
外曲面锥轮接触位置的摩擦力传递转矩的有级变速器。本发明的实施方案如下：
预置式曲面锥轮钢球变速器包括外壳一部件、外壳二部件、支架部件、转轴一部件、转
轴二部件。转轴一部件安装在外壳一部件、支架部件之间，转轴二部件安装在支架部件、外
壳二部件之间。支架部件中安装有传动钢球，转轴一部件中安装有内曲面锥轮，转轴二部件
中安装有外曲面锥轮，传动钢球分别与内曲面锥轮和外曲面锥轮接触，改变传动钢球在支
架部件中的不同传动比档位，即改变传动钢球分别与内曲面锥轮和外曲面锥轮的接触位
置，内曲面锥轮接触位置的线速度与外曲面锥轮接触位置的线速度相等，内曲面锥轮接触
位置与钢球支架轴线的垂直距离，大于外曲面锥轮接触位置与钢球支架轴线的垂直距离，
则内曲面锥轮的转速小于外曲面锥轮的转速，实现有级变速。
外壳一部件包括外壳一、弹簧压盖一、球形轴套一。外壳一呈一端封闭的圆筒形，
外壳一封闭一端中间有球面安装孔一，外壳一封闭一端轴向内侧有圆筒形的固定套一，外
壳一另一端径向外侧边缘是法兰一，法兰一上均布有若干个螺栓孔。弹簧压盖一呈环形，弹
簧压盖一上均布有若干个弹簧片。球形轴套一径向外侧是球面，球形轴套一中间有轴孔一。
球形轴套一安装在外壳一的球面安装孔一中。弹簧压盖一安装在外壳一的固定套一中，弹
簧压盖一的若干个弹簧片安装在球形轴套一一端的径向外侧球面上。
外壳二部件包括外壳二、弹簧压盖二、球形轴套二。外壳二呈一端封闭的圆筒形，
外壳二封闭一端中间有球面安装孔二，外壳二封闭一端轴向内侧有圆筒形的固定套二，外
壳二另一端径向外侧边缘是法兰二，法兰二上均布有若干个螺栓孔。弹簧压盖二呈环形，弹
簧压盖二上均布有若干个弹簧片。球形轴套二径向外侧是球面，球形轴套二中间有轴孔二。
球形轴套二安装在外壳二的球面安装孔二中。弹簧压盖二安装在外壳二的固定套二中，弹
簧压盖二的若干个弹簧片安装在球形轴套二一端的径向外侧球面上。
转轴一部件包括转轴一、垫片一、键条一、内曲面锥轮。内曲面锥轮呈一端封闭的
圆筒形，内曲面锥轮封闭一端中间有轴孔三，轴孔三径向外侧有内键槽一，内曲面锥轮另一
端径向内侧边缘是内曲面，内曲面锥轮内腔轮廓呈喇叭形。垫片一呈环形。转轴一呈圆柱
形，转轴一中间有环形的止推凸台一，以止推凸台一为界线，转轴一轴向外侧一端是联接端
一，另一端是传动端一，转轴一的传动端一径向外表面有外键槽一，转轴一的传动端一轴向
端面有中心凹槽一，中心凹槽一是球面。转轴一的传动端一安装在内曲面锥轮的轴孔三中，
键条一的一部分分别安装在转轴一的外键槽一和内曲面锥轮的内键槽一中。垫片一安装在
转轴一的止推凸台一轴向外侧联接端一上。
转轴二部件包括转轴二、垫片二、键条二、外曲面锥轮、弹簧。外曲面锥轮呈圆锥台
形，外曲面锥轮中间有轴孔四，轴孔四径向外侧有内键槽二，外曲面锥轮轴向外侧一端有弹
簧凹槽，外曲面锥轮轴向内侧一端的径向外表面是外曲面，外曲面的轮廓呈喇叭形。垫片二
呈环形。转轴二呈圆柱形，转轴二中间有环形的止推凸台二，以止推凸台二为界线，转轴二
轴向外侧一端是联接端二，另一端是传动端二，转轴二的传动端二径向外表面有外键槽二，
转轴二的传动端二轴向端面有中心凹槽二，中心凹槽二是球面。转轴二的传动端二安装在
外曲面锥轮的轴孔四中，键条二的一部分分别安装在转轴二的外键槽二和外曲面锥轮的内
键槽二中。弹簧安装在转轴二的止推凸台二轴向内侧传动端二上，并且，弹簧安装在曲面锥
轮的弹簧凹槽中。垫片二安装在转轴二的止推凸台二轴向外侧联接端二上。
支架部件包括传动钢球、钢球支架、止推钢球、公用轴套。钢球支架的轮廓呈喇叭
形，钢球支架的中间是圆锥段一，钢球支架直径最大的一端是法兰三，钢球支架直径最小的
一端是圆筒段一，圆筒段一轴向外侧一端有定位环，法兰三上均布有若干个螺栓孔，圆锥段
一上有若干个档位的定位孔，所有定位孔直径等于传动钢球直径，每个档位中至少有三个
定位孔，相同档位中的定位孔沿着钢球支架轴线的圆周方向均布，并且，相同档位中的定位
孔与钢球支架轴线的垂直距离相等，该垂直距离从小到大的定位孔分别命名为一档定位
孔、二档定位孔、三档定位孔。公用轴套呈圆筒形，公用轴套中间有轴孔五，公用轴套径向外
表面中间至一侧轴向端面之间有排气槽，排气孔使轴孔五与排气槽相互联通。公用轴套安
装在钢球支架的圆筒段一径向内侧，并且使公用轴套没有排气槽的一端与钢球支架的定位
环相互接触安装在一起。止推钢球安装在公用轴套的轴孔五中间。把若干个传动钢球安装
在某个档位定位孔中的过程称为设置传动比档位。
所述变速器在装配时，预先设置传动比档位，再把转轴一部件的转轴一的联接端
一安装在外壳一部件的球形轴套一的轴孔一中，把支架部件的公用轴套的轴孔五安装在转
轴一部件的转轴一的传动端一上，转轴一的中心凹槽一与止推钢球相互接触安装在一起，
并且，钢球支架的法兰三左侧端面与外壳一的法兰一右侧端面相互接触安装在一起。把转
轴二部件的转轴二的传动端二安装在支架部件的公用轴套的轴孔五中，转轴二的中心凹槽
二与止推钢球相互接触安装在一起，在安装过程中，公用轴套内腔的多余空气依次经过排
气孔、排气槽排出。把外壳二部件的球形轴套二的轴孔二安装在转轴二部件的转轴二的联
接端二上，并且，外壳二的法兰二左侧端面与钢球支架的法兰三右侧端面相互接触安装在
一起。把螺栓分别插入外壳一、钢球支架、外壳二上对应的螺栓孔中，使外壳一部件、支架部
件、外壳二部件固定在一起。
所述变速器装配后，弹簧推动外曲面锥轮把传动钢球压紧在内曲面锥轮的内曲面
与外曲面锥轮的外曲面之间，内曲面与外曲面相互平行，内曲面与外曲面的间距等于传动
钢球直径。安装在某个档位定位孔中的传动钢球分别与内曲面以及外曲面相互接触。传动
钢球在内曲面上的接触位置与钢球支架轴线的垂直距离称为内曲面传动半径，传动钢球在
外曲面上的接触位置与钢球支架轴线的垂直距离称为外曲面传动半径。内曲面传动半径大
于外曲面传动半径。
所述变速器的变速过程是：当选择转轴一为输入轴，转轴二为输出轴时，转轴一带
动内曲面锥轮旋转，在传动钢球与内曲面接触位置摩擦力的作用下，内曲面锥轮带动传动
钢球旋转，在传动钢球与外曲面接触位置摩擦力的作用下，传动钢球带动外曲面锥轮旋转，
外曲面锥轮带动转轴二旋转，转轴一输入的转矩传递至转轴二，并且，转轴二的旋转方向与
转轴一的旋转方向相反。传动钢球在内曲面上接触位置的线速度等于传动钢球在外曲面上
接触位置的线速度，内曲面传动半径大于外曲面传动半径，则转轴二的输出转速大于转轴
一的输入转速，此时，所述变速器作为增速器运行。传动比为外曲面传动半径与内曲面传动
半径的比率。
当选择转轴二为输入轴，为转轴一输出轴时，转轴二带动外曲面锥轮旋转，在传动
钢球与外曲面接触位置摩擦力的作用下，外曲面锥轮带动传动钢球旋转，在传动钢球与内
曲面接触位置摩擦力的作用下，传动钢球带动内曲面锥轮旋转，内曲面锥轮带动转轴一旋
转，转轴二输入的转矩传递至转轴一，并且，转轴一的旋转方向与转轴二的旋转方向相反。
传动钢球在外曲面上接触位置的线速度等于传动钢球在内曲面上接触位置的线速度，内曲
面传动半径大于外曲面传动半径，则转轴一的输出转速小于转轴二的输入转速，此时，所述
变速器作为减速器运行。传动比为内曲面传动半径与外曲面传动半径的比率。
所述变速器无论作为增速器运行，还是作为减速器运行，传动钢球安装在一档定
位孔中时，内曲面传动半径与外曲面传动半径的比率最大，则转轴一转速与转轴二转速的
差值最大。传动钢球安装在三档定位孔中时，内曲面传动半径与外曲面传动半径的比率最
小，则转轴一转速与转轴二转速的差值最小。所述变速器在使用前预先设置传动比档位，能
够实现有级变速。所述变速器没有普通钢球变速器的钢球支承轴及其调节机构，所述变速
器结构简单，能够应用于小型设备中。
附图说明
说明书附图是预置式曲面锥轮钢球变速器的结构图。其中图1是预置式曲面锥轮
钢球变速器的轴测图。图2是预置式曲面锥轮钢球变速器的轴测剖视图。图3是外壳一部件
的轴测剖视图。图4是外壳一的轴测剖视图。图5是外壳二部件的轴测剖视图。图6是外壳二
的轴测剖视图。图7是转轴一部件的轴测剖视图。图8是内曲面锥轮的轴测剖视图。图9是转
轴二部件的轴测剖视图。图10是外曲面锥轮的轴测剖视图。图11是转轴一的轴测图。图12是
转轴二的轴测图。图13是弹簧压盖一或弹簧压盖二的轴测图。图14是球形轴套一或球形轴
套二的轴测图。图15是垫片一或垫片二的轴测图。图16是公用轴套的轴测图。图17是键条一
或键条二的轴测图。图18是支架部件的轴测剖视图。图19是钢球支架的轴测图。图20是钢球
支架的主视图。
图中标注有外壳一1、弹簧压盖一2、转轴一3、垫片一4、球形轴套一5、键条一6、止
推钢球7、内曲面锥轮8、公用轴套9、键条二10、传动钢球11、钢球支架12、弹簧压盖二13、转
轴二14、垫片二15、球形轴套二16、弹簧17、外壳二18、外曲面锥轮19、轴孔一20、固定套一
21、法兰一22、螺栓孔23、球面安装孔一24、轴孔二25、固定套二26、法兰二27、球面安装孔二
28、内曲面29、内键槽一30、轴孔三31、外曲面32、弹簧凹槽33、内键槽二34、轴孔四35、外键
槽一36、止推凸台一37、联接端一38、传动端一39、止推凸台二40、外键槽二41、中心凹槽二
42、联接端二43、传动端二44、弹簧片45、排气槽46、排气孔47、轴孔五48、法兰三49、圆锥段
一50、定位环51、圆筒段一52、一档定位孔53、二档定位孔54、三档定位孔55、钢球支架轴线
56。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步叙述。
参照图1、图2，预置式曲面锥轮钢球变速器包括外壳一部件、外壳二部件、支架部
件、转轴一部件、转轴二部件。转轴一部件安装在外壳一部件、支架部件之间，转轴二部件安
装在支架部件、外壳二部件之间。支架部件中安装有传动钢球11，转轴一部件中安装有内曲
面锥轮8，转轴二部件中安装有外曲面锥轮19，传动钢球11分别与内曲面锥轮8和外曲面锥
轮19接触，改变传动钢球11在支架部件中的不同传动比档位，即改变传动钢球11分别与内
曲面锥轮8和外曲面锥轮19的接触位置，内曲面锥轮8接触位置的线速度与外曲面锥轮19接
触位置的线速度相等，内曲面锥轮8接触位置与钢球支架轴线56的垂直距离，大于外曲面锥
轮19接触位置与钢球支架轴线56的垂直距离，则内曲面锥轮8的转速小于外曲面锥轮19的
转速，实现有级变速。
参照图3至图20，外壳一部件包括外壳一1、弹簧压盖一2、球形轴套一5。外壳一1呈
一端封闭的圆筒形，外壳一1封闭一端中间有球面安装孔一24，外壳一1封闭一端轴向内侧
有圆筒形的固定套一21，外壳一1另一端径向外侧边缘是法兰一22，法兰一22上均布有若干
个螺栓孔23。弹簧压盖一2呈环形，弹簧压盖一2上均布有若干个弹簧片45。球形轴套一5径
向外侧是球面，球形轴套一5中间有轴孔一20。球形轴套一5安装在外壳一1的球面安装孔一
24中。弹簧压盖一2安装在外壳一1的固定套一21中，弹簧压盖一2的若干个弹簧片45安装在
球形轴套一5一端的径向外侧球面上。
外壳二部件包括外壳二18、弹簧压盖二13、球形轴套二16。外壳二18呈一端封闭的
圆筒形，外壳二18封闭一端中间有球面安装孔二28，外壳二18封闭一端轴向内侧有圆筒形
的固定套二26，外壳二18另一端径向外侧边缘是法兰二27，法兰二27上均布有若干个螺栓
孔23。弹簧压盖二13呈环形，弹簧压盖二13上均布有若干个弹簧片45。球形轴套二16径向外
侧是球面，球形轴套二16中间有轴孔二25。球形轴套二16安装在外壳二18的球面安装孔二
28中。弹簧压盖二13安装在外壳二18的固定套二26中，弹簧压盖二13的若干个弹簧片45安
装在球形轴套二16一端的径向外侧球面上。
转轴一部件包括转轴一3、垫片一4、键条一6、内曲面锥轮8。内曲面锥轮8呈一端封
闭的圆筒形，内曲面锥轮8封闭一端中间有轴孔三31，轴孔三31径向外侧有内键槽一30，内
曲面锥轮8另一端径向内侧边缘是内曲面29，内曲面锥轮8内腔轮廓呈喇叭形。垫片一4呈环
形。转轴一3呈圆柱形，转轴一3中间有环形的止推凸台一37，以止推凸台一37为界线，转轴
一3轴向外侧一端是联接端一38，另一端是传动端一39，转轴一3的传动端一39径向外表面
有外键槽一36，转轴一3的传动端一39轴向端面有中心凹槽一，中心凹槽一是球面。转轴一3
的传动端一39安装在内曲面锥轮8的轴孔三31中，键条一6的一部分分别安装在转轴一3的
外键槽一36和内曲面锥轮8的内键槽一30中。垫片一4安装在转轴一3的止推凸台一37轴向
外侧联接端一38上。
转轴二部件包括转轴二14、垫片二15、键条二10、外曲面锥轮19、弹簧17。外曲面锥
轮19呈圆锥台形，外曲面锥轮19中间有轴孔四35，轴孔四35径向外侧有内键槽二34，外曲面
锥轮19轴向外侧一端有弹簧凹槽33，外曲面锥轮19轴向内侧一端的径向外表面是外曲面
32，外曲面32的轮廓呈喇叭形。垫片二15呈环形。转轴二14呈圆柱形，转轴二14中间有环形
的止推凸台二40，以止推凸台二40为界线，转轴二14轴向外侧一端是联接端二43，另一端是
传动端二44，转轴二14的传动端二44径向外表面有外键槽二41，转轴二14的传动端二44轴
向端面有中心凹槽二42，中心凹槽二42是球面。转轴二14的传动端二44安装在外曲面锥轮
19的轴孔四35中，键条二10的一部分分别安装在转轴二14的外键槽二41和外曲面锥轮19的
内键槽二34中。弹簧17安装在转轴二14的止推凸台二40轴向内侧传动端二44上，并且，弹簧
17安装在曲面锥轮19的弹簧凹槽33中。垫片二15安装在转轴二14的止推凸台二40轴向外侧
联接端二43上。
支架部件包括传动钢球11、钢球支架12、止推钢球7、公用轴套9。钢球支架12的轮
廓呈喇叭形，钢球支架12的中间是圆锥段一50，钢球支架12直径最大的一端是法兰三49，钢
球支架12直径最小的一端是圆筒段一52，圆筒段一52轴向外侧一端有定位环51，法兰三49
上均布有若干个螺栓孔23，圆锥段一50上有若干个档位的定位孔，所有定位孔直径等于传
动钢球11直径，每个档位中至少有三个定位孔，相同档位中的定位孔沿着钢球支架轴线56
的圆周方向均布，并且，相同档位中的定位孔与钢球支架轴线56的垂直距离相等，该垂直距
离从小到大的定位孔分别命名为一档定位孔53、二档定位孔54、三档定位孔55。公用轴套9
呈圆筒形，公用轴套9中间有轴孔五48，公用轴套9径向外表面中间至一侧轴向端面之间有
排气槽46，排气孔47使轴孔五48与排气槽46相互联通。公用轴套9安装在钢球支架12的圆筒
段一52径向内侧，并且使公用轴套9没有排气槽46的一端与钢球支架12的定位环51相互接
触安装在一起。止推钢球7安装在公用轴套9的轴孔五48中间。把若干个传动钢球11安装在
某个档位定位孔中的过程称为设置传动比档位。
参照图2，所述变速器在装配时，预先设置传动比档位，再把转轴一部件的转轴一3
的联接端一38安装在外壳一部件的球形轴套一5的轴孔一20中，把支架部件的公用轴套9的
轴孔五48安装在转轴一部件的转轴一3的传动端一39上，转轴一3的中心凹槽一与止推钢球
7相互接触安装在一起，并且，钢球支架12的法兰三49左侧端面与外壳一1的法兰一22右侧
端面相互接触安装在一起。把转轴二部件的转轴二14的传动端二44安装在支架部件的公用
轴套9的轴孔五48中，转轴二14的中心凹槽二42与止推钢球7相互接触安装在一起，在安装
过程中，公用轴套9内腔的多余空气依次经过排气孔47、排气槽46排出。把外壳二部件的球
形轴套二16的轴孔二25安装在转轴二部件的转轴二14的联接端二43上，并且，外壳二18的
法兰二27左侧端面与钢球支架12的法兰三49右侧端面相互接触安装在一起。把螺栓分别插
入外壳一1、钢球支架12、外壳二18上对应的螺栓孔23中，使外壳一部件、支架部件、外壳二
部件固定在一起。
所述变速器装配后，弹簧17推动外曲面锥轮19把传动钢球11压紧在内曲面锥轮8
的内曲面29与外曲面锥轮19的外曲面32之间，内曲面29与外曲面32相互平行，内曲面29与
外曲面32的间距等于传动钢球11直径。安装在某个档位定位孔中的传动钢球11分别与内曲
面29以及外曲面32相互接触。传动钢球11在内曲面29上的接触位置与钢球支架轴线56的垂
直距离称为内曲面传动半径，传动钢球11在外曲面32上的接触位置与钢球支架轴线56的垂
直距离称为外曲面传动半径。内曲面传动半径大于外曲面传动半径。
所述变速器的变速过程是：当选择转轴一3为输入轴，转轴二14为输出轴时，转轴
一3带动内曲面锥轮8旋转，在传动钢球11与内曲面29接触位置摩擦力的作用下，内曲面锥
轮8带动传动钢球11旋转，在传动钢球11与外曲面32接触位置摩擦力的作用下，传动钢球11
带动外曲面锥轮19旋转，外曲面锥轮19带动转轴二14旋转，转轴一3输入的转矩传递至转轴
二14，并且，转轴二14的旋转方向与转轴一3的旋转方向相反。传动钢球11在内曲面29上接
触位置的线速度等于传动钢球11在外曲面32上接触位置的线速度，内曲面传动半径大于外
曲面传动半径，则转轴二14的输出转速大于转轴一3的输入转速，此时，所述变速器作为增
速器运行。传动比为外曲面传动半径与内曲面传动半径的比率。
当选择转轴二14为输入轴，为转轴一3输出轴时，转轴二14带动外曲面锥轮19旋
转，在传动钢球11与外曲面32接触位置摩擦力的作用下，外曲面锥轮19带动传动钢球11旋
转，在传动钢球11与内曲面29接触位置摩擦力的作用下，传动钢球11带动内曲面锥轮8旋
转，内曲面锥轮8带动转轴一3旋转，转轴二14输入的转矩传递至转轴一3，并且，转轴一3的
旋转方向与转轴二14的旋转方向相反。传动钢球11在外曲面32上接触位置的线速度等于传
动钢球11在内曲面29上接触位置的线速度，内曲面传动半径大于外曲面传动半径，则转轴
一3的输出转速小于转轴二14的输入转速，此时，所述变速器作为减速器运行。传动比为内
曲面传动半径与外曲面传动半径的比率。
所述变速器无论作为增速器运行，还是作为减速器运行，传动钢球11安装在一档
定位孔53中时，内曲面传动半径与外曲面传动半径的比率最大，则转轴一3转速与转轴二14
转速的差值最大。传动钢球11安装在三档定位孔55中时，内曲面传动半径与外曲面传动半
径的比率最小，则转轴一3转速与转轴二14转速的差值最小。所述变速器在使用前预先设置
传动比档位，能够实现有级变速。所述变速器没有普通钢球变速器的钢球支承轴及其调节
机构，所述变速器结构简单，能够应用于小型设备中。