本发明提供一种齿轮式手动和自动无级动力变速箱，属机械传动技术领域。 现已有齿链式、带式、单盘式、多盘式、锥环式、脉冲式、行星轮式、钢球式及平面连杆式等多种无级变速箱。传动功率已从几十瓦到一百五十千瓦以上。调速范围从每分钟从几百转到几转。有恒功率和变功率无级调速两类，并已广泛应用于轻工、化工、纺织、机床等机械及各类生产线上。但这些类型的无级变速箱传递动力的原理主要靠摩擦，故一般都处于小功率、低转速状态，并且都属于通用式无级变速箱，机械效率不可能很高，还不能满足车辆、船舶等要求大功率、高转速的需要。本发明传递动力原理是主要靠齿轮传递，故能克服这一弱点，满足高速、重载的需求。
本发明的目的是：提供一种恒功率手动和自动无级动力变速箱，满足要求无级变速传动的需要;另提供一种专用的恒功率手动和自动无级动力变速箱，以满足车辆及船舶等需要，尤其是满足要求高速重载传动的需要。
本发明的进一步目的是将专用的手动和自动无级动力变速箱用于车辆上，取代目前重型车辆、小型轿车、工程车辆上用的效率低而且复杂的液力变矩器，加有级动力换档变速箱，提高车辆的操纵性能和使用寿命，提高机械效率，节约能源。
本发明的具体目的是提供一种由前后差速行星齿轮排和定轴“行星”齿轮排封闭构成的差动行星齿轮传动机构，实现差动行星齿轮传动。
本发明的另一目的是提供一种特殊的湿式多片圆盘滑动摩擦离合器-调速制动器，用来控制差动行星齿轮传动的差动平衡变化，实现无级调速，一旦改变调速制动器的油缸油压，就改变了调速制动器的制动力矩，从而改变了差动行星传动的力矩平衡，而建立新的平衡，因而引起差动行星传动中各构件转速的变化，实现无级动力调速。
本发明还有一个目的即提供一种液压控制系统，该控制系统给调速制动器提供可变化压力的压力油，给调速制动器地摩擦片和变速箱的其它各部位提供润滑冷却油，该系统中有一个机油冷却器，用来控制该系统的热平衡油温。
本发明再一个目的是提供两个结构原理和调速制动器相同的方向离合器和两个方向行星排，以实现车辆前进、倒退和空档功能。
本发明再还有一个目的是提供一种专用动力变速箱液压控制系统，该系统里设置有一个方向操纵阀，方向操纵阀里设置有压力阀、方向阀、安全阀和单向压力调制阀，压力阀是建立控制系统油压，方向阀是控制方向离合器压力油的流向，实现前进、倒退和空档，安全阀是为防止压力阀卡死时损坏油泵而设置的，单向压力调制阀是为方向离合器结合时平稳，分离时快速排油设置的，方向操纵阀还有一个安全功能是方向阀必须先置于空档位置，才能建立起工作油压。这个功能是为了防止驾驶员误置方向手柄于前进或倒退位上，使启动发动机发生危险而设计的。
本发明再还有另一个目的是提供一种自动变速变矩功能，当调速制动器油压保持某一定值，负载改变时，变速箱能自动变速变矩适应。
本发明的设计方案如下：
一.基本的手动和自动无级变速箱最佳设计方案：
该设计方案由两大部分组成：其一是差动行星传动装置，其二是液压控制系统。差动行星传动装置由前差速行星齿轮排、定轴“行星”齿轮排、后差速行星齿轮排和调速制动器组成。其特征是：前差速行星排的内齿圈和定轴“行星”排的太阳轮相连，定轴“行星”排的内齿圈和后差速行星排的行星架相连，前差速行星排的太阳轮和后差速行星排的太阳轮相连，动力由前差速行星排的行星架输入，由后差速行星排的内齿圈输出，构成一个功率分流后又合流的差动行星齿轮传动装置。调速制动器置于前差速行星排的内齿圈上，也可置于定轴“行星”排的内齿圈上。调速制动器又由油缸、活塞、主动摩擦片、被动摩擦片、承压板、密封环、内齿圈、离合器壳组成。其特征是：主动摩擦片用花键与内齿圈相连，被动摩擦片用花键与变速箱壳体相连，油缸、活塞、承压板均置于箱体上，主、被动摩擦片是被浸泡在密封起来的、有一定润滑压力的强制润滑冷却油里，润滑冷却油是由液压系统提供，并且是不断循环的。液压控制系统由油泵、滤油器、压力阀、调速阀、冷却器等组成。其特征是：油泵经过粗滤器从变速箱箱体里吸油，油泵打出的油经精滤器后到压力阀，经压力阀建立起系统压力后，到调速制动器对摩擦片润滑冷却，出来后到冷却器冷却，冷却后再经润滑阀到变速箱润滑。调速阀从系统油压上减压后供给调速制动器压力油。
还有大调速范围设计方案为：把前方案中的定轴“行星”排中的“行星”轮由单级改为双级。其特征是双级“行星”轮左边的大齿轮和太阳轮啮合，右边的小齿轮和内齿圈啮合。
还有更大的调速范围设计方案为：再把上方案中的后差速行星排中的行星轮也由单级改为双级，其特征为双级行星轮左边的小齿轮和太阳轮啮合，右边的大齿轮和内齿圈啮合。
还有另一种大调速范围设计方案，其特征为：把最佳方案中的定轴“行星”排的内齿圈改为和后差速行星排的太阳轮相连，前差速行星排的太阳轮改为和后差速行星排的行星架相连。
二.通用的手动和自动无级动力变速箱最佳设计方案：
该设计方案是在基本的手动和自动无级动力变速箱最佳方案的基础上加上一个行星齿轮排组成，其特征是加上行星排的行星架与前差速行星排的行星架构成双联行星架，内齿圈与箱体固定，太阳轮与输入联轴节相连，动力由输入联轴节输入，由双联行星架传给无级调速部分，由后差速行星排的内齿圈输出。
还有其它的设计方案是：以基本的手动和自动无级动力变速箱为基础，针对各个不同领域的不同需要，采用定轴传动或行星传动与基本的无级动力变速箱相组合，改变输入输出结构形式构成适合不同需求的形式各异的通用手动和自动无级动力变速箱。其结构特征是：可以是同中心输入输出，也可以是异中心输入输出，还可以是异中心输入，同中心输出，也还可以是同中心输入，异中心输出。
还有一种通用的手动和自动无级动力变速箱设计方案是在前面的基本手动和自动无级动力变速箱最佳方案的基础上，用双联行星轮内啮合的2Z-X的正号机构取代后差速行星排，其特征是定轴“行星”排的内齿圈和2Z-X正号机构的行星架相连，前差速行星排的太阳轮和2Z-X正号机构的右边内齿圈相连，动力由2Z-X正号机构左边的内齿圈输出，2Z-X的正号机构可以是少齿差。
三.专用的手动和自动无级动力变速箱设计方案：
该设计方案仍然以基本的手动和自动无级动力变速箱为基础，由基本无级动力变速箱加上前进倒退两个方向行星齿轮排，两个方向离合器，一个输入联轴节和一个方向操纵阀组成，其特征是：前差速行星排的行星架与前进、倒退方向行星排的行星架构成三联行星架，输入联轴节和前进、倒退行星排的太阳轮连接成一体，前进、倒退方向离合器分别置于前进、倒退行星排的内齿圈上，两个方向离合器的结构特征完全和调速制动器相同，动力由输入联轴节输入，由后差速行星排的内齿圈输出。
方向操纵阀由压力阀、方向阀、两个单向压力调制阀组成，其特征是：四个阀组装在一个阀体上，压力阀在前，方向阀居中，两个单向压力调制阀并列居后。从系统主油路来的油先经过压力阀，再通过方向阀，最后通过单向压力调制阀。压力阀里面还有一个安全阀，压力阀由弹簧、钢球、压力阀芯和阀体组成，压力阀芯有环形油槽、中心油道孔和径向油道孔。方向阀由方向阀杆、定位器和阀体组成。方向阀杆有环形油槽、中心油道孔和径向油道孔。单向压力调制阀由单向节流随动阀芯和阀体构成。随动阀芯有中心节流小孔和径向油道孔。
还有其它设计方案为：以基本的手动和自动无级动力变速箱为基础，在其前面加上行星齿轮式或定轴齿轮式方向部件，方向离合器，在其后面加上满足中心距和驱动方式要求的定轴齿轮部件，在液压控制系统中加上方向控制阀等构成适合各种不同要求的运输车辆、工程车辆和船舶用变速箱设计方案。其结构特征可以是同中心输入输出，也可以是同中心输入，异中心输出，还可以是异中心输入，同中心输出，也还可以是异中心输入输出。
下面结合附图详细叙述其设计原理及方法
一.基本的手动和自动无级动力变速箱设计原理及方法
该最佳设计方案的传动原理简图见附图1，差动行星齿轮传动装置见附图2，调速制动器结构原理简图见附图3。
差动行星齿轮传动装置由前差速行星排、定轴“行星”排、后差速行星排封闭构成，见附图2。前差速行星排的内齿圈11（z3）通过连接件和定轴“行星”排的太阳轮4（z4）相连，定轴“行星”排的内齿圈14（z6）与后差速行星排的行星架3相连，前差速行星排的太阳轮5（z1）与后差速行星排的太阳轮2（z7）相连，调速制动器的主动摩擦片用花键与调速齿圈11（z3）相连，从动摩擦片用花键与变速箱壳体相连，活塞、油缸、承压板等均置于箱体上，使主、从动摩擦片浸泡在密封起来的有一定润滑压力的强制润滑冷却油里，而且润滑冷却油是不断循环流动的，故使主、从动摩擦片之间不断流动着润滑冷却油，形成油膜摩擦接触，并且润滑油不断地把摩擦产生的热量带走，故使主、从动摩擦片有长期相对滑转运动不烧损而寿命长的特点，润滑油还有使活塞复位，使摩擦片分离的作用。调速制动器的油缸油压可在小于或等于摩擦片的润滑油压和设定的最高油压范围内任意变化，这变化是由液压控制系统中的调速阀控制的。调速制动器的润滑油和工作油都是液压系统提供的。
二.通用的手动和自动无级动力变速箱设计原理及方法
通用的手动和自动无级动力变速箱设计原理是以基本的手动和自动无级动力变速箱为基础，在其前面或后面加上行星传动或定轴传动部件构成。前面加行星传动的见传动原理简图5，后面加定轴传动的见传动原理简图6。
三.专用的手动和自动无级动力变速箱设计原理及方法
该变速箱设计原理是在基本的手动和自动无级动力变速箱上增加方向齿轮部件、方向离合器及方向操纵阀，再加上适应不同输出形式的定轴齿轮部件，该变速箱的最佳方案见传动原理简图7。该方案执行车辆前进、倒退的方向齿轮部件是由前进、倒退行星齿轮排组成，前进行星排是单行星轮齿轮排，倒退行星排是双行星轮齿轮排，两个方向齿轮排的行星架和前差速行星排的行星架设计成一整体-三联行星架，见附图8的22。动力由输入联轴节21输入，行星架22输出，与差速部分的行星架输入相吻合，最后由输出联轴节17输出。前进时，前进离合器F工作，动力经太阳轮18（z10），行星轮25（z11），行星架22传给无级部分;倒退时，倒退离合器R工作，动力经太阳轮20（z14），行星轮23（z15），19（z13），行星架22传给无级部分。方向离合器的主动摩擦片用花键分别与内齿圈24（z16）26（z12）相连，从动摩擦片用花键与变速箱壳体相连，油缸、活塞、承压板等均置于箱体上，两个方向离合器的结构原理完全和调速制动器相同，都是湿式多片圆盘滑动摩擦离合器。方向离合器的结合与分离是由液压控制系统中的方向操纵阀操纵的，活塞的复位、摩擦片的分离是由润滑油的压力实现的，方向操纵阀的结构原理示意图见附图9。方向操纵阀主要由阀体、压力阀、方向阀，两个单向压力调制阀组成，压力阀是建立方向离合器和调速制动器的工作压力，压力阀中还有一个安全阀，防止在压力阀芯卡死时损坏油泵。方向阀是控制压力油进入方向离合器的流向，从而操纵车辆前进、倒退或空档。方向阀和压力阀联合形成安全功能：即方向杆必须先置于空档位置后，系统压力才能建立起来，车辆才能启动，该功能是为防止驾驶员误置方向手柄于前进、倒退档位上启动发动机产生不安全现象而设计的。单向压力调制阀是控制方向离合器油压延时建立，使油缸油压在短时间内逐渐由零升至工作油压，使摩擦片逐渐压紧结合，同时使另一方向离合器的工作油迅速排出，使车辆启动、换向平稳。无级调速部分的原理和功能前面已述，很显然，该变速箱用于车辆等，能在全负荷下平稳启动、换向，能手动和自动无级调速，在过载或冲击负荷下有滑转、失速、缓冲、过载保护功能。能提高车辆的操纵性能和使用寿命。
【附图说明】
附图1 是基本的手动和自动无级动力变速箱的机械传动和液压控制系统原理简图，图中的油箱是指变速箱箱体，润滑油到变速箱润滑，图中未画出。油泵是由发动机驱动，故图中未画出。
附图2 是基本的手动和自动无级动力变速箱的机械传动原理简图。数字1，2到17是所指构件序号，z1，z2到z9代表所指齿轮的齿数。
附图3 是调速制动器结构原理局部示意图。数字27，28到38是调速制动器各构件的序号。
附图4 是大调速范围基本的手动和自动无级动力变速箱的机械传动原理简图。z1，z2到z9代表所指齿轮的齿数。
附图5 是通用的手动和自动无级动力变速箱的最佳方案。它是在基本的无级动力变速箱的前面加上一个行星排，构成同中心输入输出方案。
附图6 是在基本的大调速范围无级动力变速箱的后面加上一个异中心输出的定轴齿轮部件，构成同中心输入，异中心输出的通用无级动力变速箱方案。
附图7 是车辆专用的手动和自动无级动力变速箱的最佳方案。其中包括机械传动原理简图和液压控制系统原理简图，吸油箱和回油箱是指变速箱箱体，从润滑阀出来的润滑油到变速箱润滑冷却，油泵由发动机驱动，图中未画出。
附图8 是专用的无级动力变速箱的机械传动原理简图，图中1，5，8到26是所指构件序号，z1，z2到z16是所指齿轮的齿数，F代表前进离合器，R代表后退离合器，T代表调速制动器。
附图9 是配专用无级动力变速箱的方向操纵阀结构原理示意图，图示位置是发动机未启动（即油泵未被启动），方向操纵手柄置于前进F位置，在该位置时，发动机启动后，操纵油压处于泄荷状态，方向手柄虽然在前进F位置，但不行走车辆，只有把操纵手柄回到空档置N以后，再置于前进F或倒退R位置就可行车了。
附图10 是叉车类无级动力变速箱的机械传动原理简图，它是在基本的无级动力变速箱的前面加定轴传动部件构成异中心输入，同中心输出方案，变速箱自带供油泵。
附图11 是推土机类变速箱的机械传动原理简图，它是在专用的无级动力变速箱最佳方案的后面加上一定轴输出齿轮部件构成同中心输入，异中心输出方案。F代表前进离合器，R代表倒退离合器，T为调速制动器，z1到z18为所指齿轮的齿数。
附图12 是装载机类无级动力变速箱的机械传动原理简图。它是在基本的无级动力变速箱前面加上一个行星排，构成同中心输入，异中心输出（前、后桥驱动）方案。
该变速箱的优点如下：
一.通用的手动和自动无级动力变速箱的优点：
1.该变速箱传递动力主要是靠齿轮，传递功率大，适应转速高，能满足高速、重载的需要。
2.由于采用动力无级调速，控制调速制动器油压变化，能实现手动和自动无级变速，可在全负载下按需要任意变速，而且变速平稳，无冲击，并可实现遥控和自动控制。
3.由于是差动无级调速，反应块，灵敏度高。
4.恒功率无级调速，速度改变，扭矩就相应变化，适应工况性能好。
5.调速范围大，选取不同的行星排参数a1，a2，a3就能实现各个不同的调速范围。
6.可以同中心输入输出，也可以异中心输入输出，还可以同中心输入，异中心输出，也还可以异中心输入，同中心输出，安装适应性好。
7.结构简单，不管多大的调速范围，只要一个调速制动器就够了，而且制动器中取消了习惯离合器中的复位弹簧和弹簧座，液压控制系统简单。
8.传动效率高，该变速箱中牵连运动很多，离合器最少，功率损失小，故传动效率高。
二.专用的手动和自动无级动力变速箱的优点：
专用的无级动力变速箱除具有通用的无级动力变速箱之优点外，还有下列优点：
1.专用的手动和自动无级动力变速箱中只有前进和倒退两个方向离合器和一个调速制动器就足够了，方向离合器中也取消了复位弹簧和弹簧座，液压控制系统和结构就相对简单多了。
2.专用无级变速箱不需要配变矩器，而且具有自动变速箱的功能-能在全负载下平稳启动、换向、自动变速、变矩、失速、过载保护，能安全启动，能提高车辆的操纵性能和使用寿命。
3.取消了效率低的液力变矩器，机械效率可以提高很多，可以在任意油门下进行全范围无级调速，可以节约燃料。
实施例1：基本无级动力变速箱，传动原理简图附图4。
电动机功率5-10KW，电动机转速960转/分。
变速箱主要参数如下：
1. z1＝19 z2＝38 z3＝95 a1＝5 m＝1.75
2. z4＝27 z5＝60 z5＝24 z6＝111 a2＝10.2777 m＝1.75
3. z7＝48 z8＝24 z9＝96 a3＝2 m＝1.75
4. Imin＝0.3333 Imax＝∞
5. It＝∞
实施例2：六吨叉车变速箱，传动原理简图附图11。
发动机型号：Q6100
最大功率：135马力/3000转/分
最大扭矩：36公斤.米/（1200-1400）转/分
变速箱主要参数如下：
1. z1＝21 z2＝24 z3＝69 a1＝3.2857 m＝3
2. z4＝27 z5＝33 z6＝93 a2＝3.4 m＝3
3. z7＝42 z8＝21 z9＝84 a3＝2 m＝3
4. z10＝22 z11＝23 z12＝68 a4＝3.09 m＝3
5. z13＝21 z14＝24 z15＝21 z16＝75 a5＝3.125 m＝3
6. z17＝24 z18＝36 m＝4.5
7. Inn1f＝4.09 Inn1r＝4.125
8. In1n5max＝∞ In1n5min＝0.4667 It＝∞
9. In5n6＝1.5
10. Ifmax＝∞ Ifmin＝2.8632
11. Irmax＝∞ Irmin＝2.8877
注：m为齿轮模数
Inn1f 为方向排前进速比
Inn1r 为方向排倒退速比
In1n5max 为无级部分最大速比
In1n5min 为无级部分最小速比
It 为调速比
In5n6 为输出定轴部分速比
Ifmax 为前进最大总速比
Ifmin 为前进最小总速比
Irmax 为倒退最大总速比
Irmin 为倒退最小总速比