双层多棱台锥盘及其无级变速器.pdf

一种双层多棱台锥盘及其无级变速器，其特征是：锥盘的棱面是由两相似的多棱台的部分棱面相交组合而成。两组锥面相向的双层多棱台锥盘组可轴向移动地安装在变速箱的主、被动轴上，金属链套装在主、被动轴的两锥盘之间，连续调节主、被动轴上两锥盘之间的距离，就是连续调节主、被动双层多棱台锥盘组的传动半径，从而实现无级变速传动。由于双层多棱台锥盘和金属链之间是楔紧加摩擦的传动模式，所以双层多棱台锥盘和金属链组成的双层多棱台锥盘链式无级变速器是楔紧加摩擦的传动模式。

1.  一种双层多棱台锥盘及其无级变速器，其特征是：双层多棱台锥盘的棱面是由两相似的多棱台的部分棱面相交组合而成，两锥面相向的双层多棱台锥盘组可轴向移动地安装在变速箱的主、被动轴上，金属链或金属带套装在主、被动轴的两锥盘组之间。

2.  根据权利要求1所要求的双层多棱台锥盘，其特征是：组成双层多棱台锥盘的两多棱台的棱面数相等。

3.  根据权利要求1所要求的双层多棱台锥盘，其特征是：组成双层多棱台锥盘的两多棱台的棱面与旋转轴(M-N)的夹角都相同。

4.  根据权利要求1所要求的双层多棱台锥盘，其特征是：组成双层多棱台锥盘的两多棱台的相应棱面相交。

5.  根据权利要求1所要求的双层多棱台锥盘，其特征是：组成双层多棱台锥盘的两多棱台共一旋转轴(M-N)但交于不同的两点。

6.  根据权利要求1所要求的双层多棱台锥盘，其特征是：组成双层多棱台锥盘的两多棱台棱面的一部分组成双层多棱台的棱面。

7.  根据权利要求1所要求的两锥面相向的双层多棱台锥盘组可轴向移动地安装在变速箱的主、被动轴上，其特征是：两双层多棱台锥盘组和主、被动轴之间是平键或者是花键连接，两双层多棱台锥盘组轴向可移动地安装在轴上。

8.  根据权利要求1所要求的金属链或金属带套装在主、被动轴的两锥盘之间，其特征是：金属链或金属带被张紧地套装在主、被动轴的两双层多棱台锥盘组锥盘之间。

双层多棱台锥盘及其无级变速器
技术领域
本发明涉及一种新的机械传动部件，尤其是一种新型的传动锥盘，具体的说是一种双层多棱台锥盘及其无级变速器，属于机械无级变速传动领域。
技术背景
1.已经应用于汽车传动系的金属链或金属带式无级变速器的核心传动部件是圆锥台形的锥盘和与其匹配的金属链或金属带。
圆锥台形锥盘的几何特性之一是：锥面上任一母线与其旋转轴M-N相交于一点且夹角相等，即过锥面上任意点1······8的母线与其旋转轴M-N的夹角都相等且等于∠1、∠8。那么两圆锥台锥面相向同轴且相对位置确定时，两圆锥台锥面上过任意两相应点11.11′······88.88′的两母线的夹角都相等且等于∠11、∠88。即同轴两圆锥台形锥盘形成的V形夹角始终相等，如图1a、1b所示。
圆锥台形锥盘的上述几何特性应用于金属链或金属带无级变速器上的优点为：因为两圆锥台形锥盘形成的V形夹角始终相等，所以圆锥台形锥盘组能够与金属链或金属带上的具有固定楔形角的传动部件始终保持线接触。
圆锥台形锥盘的几何特性之二是：锥面上任一等半径上的点1······8在同一平面上；那么：两锥盘锥面相向同轴且相对位置确定时，两圆锥台形锥盘锥面上任一等半径上各对应点11.11′······88.88′的距离都相等。即同轴两圆锥台形锥盘锥面上任一等半径上的对应点的距离始终相等，如图1b、1c所示。
圆锥台形锥盘的上述几何特性应用于金属链或金属带无级变速器上的缺点为：因为两圆锥台形锥盘锥面在任一等半径上的各对应点的距离相等，所以圆锥台形锥盘组与金属链或金属带的传动只能是摩擦传动。
所以，圆锥台形锥盘的金属链或金属带式无级变速器只能是摩擦传动，不可避免的会有较大的摩擦功率损失；同时，为了能够传递足够大的扭矩，必须给予锥盘足够大的轴向压力，这个压力是由液压系统提供的。这是导致车用金属链或金属带式无级变速器结构复杂而且传动效率低的两个主要因素。这是理论上和实践上已被证实了的。
2.为了提高金属链或金属带式无级变速器的传动效率和传动功率，申请号为200720140865.3和200710086609.5的中国专利公开了一种改进方案如下：
传动变径锥盘呈正圆锥体型，在圆锥表面依次间隔的分布着多个扇形空间曲面和正圆锥体弧面，其中：
组成所述各扇形空间曲面的母线与相邻的正圆锥体弧面的母线相平行；
组成所述各扇形空间曲面的任意一条母线与所述的正圆锥体中心线构成的夹角都相等相同。
上述专利要求的核心是“圆锥表面依次间隔的分布着多个扇形空间曲面和正圆锥体弧面”，而“扇形空间曲面”是用“与相邻正圆锥体弧面的母线相平行”的“母线”来组成。
“母线”作为立体几何中描述圆锥体的专用名词，有非常明确的概念：“从圆锥的顶点到底面圆周上任何一点的线段叫做圆锥的母线”。
同时，“母线”在实用工程上也有非常明确的概念，比如：圆锥形的烟囱帽的底面直径是80cm，母线长50cm。
“母线”作为基本概念应用在计算圆锥体侧面积的计算公式中：圆锥体侧面积＝πRL。其中：π为圆周率；R为圆锥体底面圆的半径；L为圆锥的母线长
由上述常识可见：“母线”在几何学中起码有两个特性：(1)过圆锥的顶点，即过圆锥的旋转轴M-N；(2)同一个圆锥体上，不可能有相互平行的母线。
既然同一个圆锥体上不可能有相互平行的母线，就无法实现平行母线组成的扇形空间曲面。
所以，按照上述专利权力要求的“组成所述各扇形空间曲面的母线与相邻的正圆锥体弧面的母线相平行”，是无法实现的。
3.为了提高金属链或金属带式无级变速器的传动效率和传动功率，申请号为200720178209.2的中国专利公开了另一种改进方案如下：
其特征是：主动锥盘、被动锥盘的形状呈正棱锥体状(严格讲为：平截正棱锥体)。
上述专利要求的核心是：“锥盘的形状呈正棱锥体状”(正规地讲应该是：多棱台)。
多棱台的几何特性是：各侧棱相等，各棱面是全等的等腰梯形，各等腰梯形的延长面交于一点且各棱面之间夹角相同，通过交点且与各棱面夹角相同的线为正棱台的旋转轴M-N。
多棱台锥盘的几何特性之一是：多棱台锥盘棱面上任一等半径上的点1······8不在一个平面上，如图2a所示。那么：两多棱台锥盘锥面相向同轴且相对位置确定的条件下，两多棱台锥盘棱面在任一等半径上各对应点11.11′······88.88′的距离都是函数变量，如图2b、2c所示。
多棱台锥盘的上述几何特性应用于金属链或金属带无级变速器上的的优点为：因为两多棱台锥盘棱面在任一等半径上各任意对应点的距离是函数变量，所以多棱台锥盘组对金属链或金属带可以产生楔紧力，实现摩擦力加楔紧力的传动。
多棱台锥盘的几何特性之二是：多棱台锥盘棱面上任意半径上的玄长是半径的正比函数，即半径越小，玄越短，即半径越大，玄越长。
多棱台锥盘的上述几何特性应用于金属链或金属带无级变速器上的的缺点为：因为多棱台锥盘棱面上任意半径上的玄长是半径的正比函数，为了所以半径越大，多边形效应越明显，传动的平顺性越差。
锥盘式无级变速器设计上的难点之一是如何提高变速比，为了最大限度的利用锥盘的几何特征，最大传动半径和最小传动半径的比往往在2-3倍，这样，最大传动半径和最小传动半径上的玄长的比值也是同样的2-3倍，大小传动半径上的传动质量很难兼顾，这是理论上和实践上已被证实了的。这种工况在是大功率、大扭矩无级变速器设计中不愿意看到的，是一种严重缺陷。
发明内容
本发明针对上述技术背景涉及方案中的缺陷：
①圆锥台形锥盘只能是摩擦传动，很难提高传动扭矩；
②“组成所述各扇形空间曲面的母线与相邻的正圆锥体弧面的母线相平行”是无法实现的；
③多棱台锥盘的多边形效应明显，影响传动的平顺性。
为了提高传动的平顺性和实现摩擦力加楔紧力的传动方式，进而实现具有实用价值的大功率、大扭矩无级变速器，提出如下改进方案。
一种可实现平顺传动和实现摩擦力加楔紧力传动方式的双层多棱台锥盘其特征是：锥盘的棱面是由两相似的多棱台的部分棱面相交组合而成。即：①两多棱台(◇K、◇H)的棱面数∑K＝∑H；②两多棱台(◇K、◇H)的棱面K、K、······，H、H、······与旋转轴M-N的夹角∠K、∠H都相同；③两多棱台(◇K、◇H)的相应棱面K、K、······与H、H、······不平行(相交)；④两多棱台(◇K、◇H)共一旋转轴M-N但交于不同的两点k、h；⑤两多棱台(◇K、◇H)棱面的一部分K、K、······H、H、······组成双层多棱台的棱面。图3a.3b.3c所示。
双层多棱台锥盘的几何特性之一是：双层多棱台锥盘棱面上任一等半径上的点如图4a所示的1·····8不在一个平面上。那么：两双层多棱台锥盘锥面相向同轴且相对位置确定的条件下，两双层多棱台锥盘棱面在任一等半径上各任意对应点11.11′·····88.88′的距离都是一个数段的函数变量。如图4b、4c所示。
双层多棱台锥盘的上述几何特性应用于金属链或金属带无级变速器上的优点为：因为两双层多棱台锥盘锥面相向同轴且相对位置确定时，双层多棱台锥盘组在任一等半径上两相应点之间的距离是一个数段的函数变量，所以，就能够对金属链或金属带形成楔紧作用。
双层多棱台锥盘的几何特性之二是：改变了单多棱台棱面上大小半径上玄长的悬殊比例，使双层多棱台锥盘H棱面的玄长近似。
双层多棱台锥盘的上述几何特性金属链或金属带式无级变速器上应用的优点为：因为改变了单多棱台棱面上大小半径上玄长的悬殊比例，使双层多棱台锥盘H棱面上大小半径的玄长近似。降低了传动的多边形效应，提高了传动的平顺性。
双层多棱台锥盘是一种新型的锥盘，理论上成立，实践上完全可以实现和复制，使用最常用的铣削或者刨削都可以实现双层多棱台锥盘。
本发明的有益效果：
1.双层多棱台锥盘组形成的V形传动夹角具有任一等半径不同宽度的特性，能与金属链或金属带上的传动部件形成具有实用意义的楔紧力加摩擦力的传动效果，明显地提高了传动扭矩和传动功率，同时减小了轴向压力，具有工程上的实际意义。
2.双层多棱台锥盘减小了多边形效应，使传动的平顺性明显提高，降低了噪音，更具有实用性。
附图说明
附图中有关代码、文字的定义：
(1)1······2锥盘锥面上任意的点；
(2)11.11′······88.88′锥盘组锥面上任意的两对应点；
(3)◇K、◇H：多棱台K、多棱台H；
(4)K、H：多棱台◇K上的棱面、多棱台◇H上的棱面；
(5)k、h：多棱台◇K上棱面K的延长面与旋转轴M-N的交点、多棱台◇H上棱面H的延长面与旋转轴M-N的交点；
(6)∑K、∑H：多棱台◇K上的棱面K的集合数、多棱台◇H上的棱面H的集合数；
(7)锥盘：泛指具有锥形的可绕轴线旋转的盘，含圆台、多棱台及本发明的双层多棱台；
(8)M-N：锥盘的旋转轴。
以下通过附图具体说明本发明与现有技术及相关专利的区别以及本发明的优势所在。
图1a是圆锥台锥面上过任意点的母线与其旋转轴M-N相交于一点且夹角相等；任一等半径上的点在一平面上的示意图。
上图中圆锥台锥面上过任意点1······8的母线与圆锥体旋转轴M-N的夹角相等且等于∠1、∠8；
上图中圆锥台锥面上任一等半径上的点1······8在一平面上。
图1b是两圆锥台锥面相向同轴且相对位置确定时，两圆锥台锥面上过任意两相应点的母线的夹角都相等；任一等半径上两相应点的距离相等的示意图。
上图中两圆锥台锥面过任意两相应点11.11′······88.88′的两母线夹角都相等且等于∠11、∠88，即同轴两圆锥台形锥盘形成的V形夹角始终相等；
上图中两圆锥台锥面上任一等半径上两相应点11.11′······88.88′的距离是相等的。
图1c是圆锥台锥面上任一等半径上相应点的示意图。
上图中相应点11.11′······88.88′在任一等半径上。
图2a是多棱台棱面上任一等半径上的点不在一个平面上的示意图。
上图中多棱台棱面上任一等半径上的点如1······8不在一个平面上。
图2b是两多棱台锥面相向同轴且相对位置确定时，两多棱台锥面上任一等半径上的两相应点的距离是不相同的的示意图。
上图中两多棱台棱面上任一等半径上的两相应点11.11′······88.88′的距离是函数变量。
图2c是多棱台棱面上任一等半径上的两相应点及多棱台棱面上玄长与半径的关系示意图。
上图中多棱台棱面上任一等半径上的两相应点11.11′······88.88′；
上图中多棱台棱面上小半径r对应的小玄长e，大半径R对应的大玄长E。E和e的比值过大。
图3a是本发明的双层多棱台锥盘的侧视图。
上图中双层多棱台是由两相似的多棱台◇K、◇H相交组合而成的；
上图中双层多棱台锥盘的棱面K、K、······，H、H、······与旋转轴M-N的夹角∠K、∠H都相同；
上图中双层多棱台的两多棱台◇K、◇H共一旋转轴M-N但交于不同的两点k、h。
图3b是本发明的双层多棱台锥盘的俯视图。
上图中双层多棱台的两多棱台◇K、◇H的棱面数∑K＝∑H；
上图中双层多棱台的两多棱台◇K、◇H的相应棱面K、K、······与H、H、······相交；
上图中双层多棱台的两多棱台棱面的一部分K、K、······H、H、······组成双层多棱台的棱面。
图3c是本发明的双层多棱台锥盘的两多棱台◇K、◇H共一旋转轴M-N但交于不同的两点k、h的放大图。
图4a是本发明的双层多棱台锥盘的几何特性之一的说明图。
上图中双层多棱台锥盘棱面上任一等半径上的点如1······8不在一个平面上。
图4b是本发明的双层多棱台锥盘锥面相向同轴且相对位置确定时，两多棱台锥面上任一等半径上的两相应点的距离是不相同的的示意图。
上图中双层多棱台锥盘组棱面上任一等半径上的两相应点11.11′······88.88′之间的距离是函数变量。
图4c是本发明的双层多棱台锥盘棱面上任一等半径上的相应点及多棱台H棱面上玄长与半径的关系示意图。
上图中双层多棱台组棱面上任一等半径上的相应点11.11′······88.88′；
上图中双层多棱台H棱面上小半径r对应的小玄长e，大半径R对应的大玄长E。E和e的比值接近。
图5.金属链套装在主、被动轴上的两双层多棱台锥盘组之间，组成双层多棱台锥盘链式无级变速器的传动结构示意图。
具体实施方案
一.双层多棱台锥盘和金属链组成双层多棱台锥盘链式无级变速器。
和已经应用于汽车传动系的金属链式无级变速器一样，两组锥面相向的双层多棱台锥盘组可轴向移动地安装在变速箱的主、被动轴上，金属链套装在主、被动轴的两锥盘之间，连续调节主、被动轴上两锥盘之间的距离，就是连续调节主、被动双层多棱台锥盘组的传动半径，从而实现无级变速传动。由于双层多棱台锥盘和金属链之间是楔紧加摩擦的传动模式，所以双层多棱台锥盘和金属链组成的双层多棱台锥盘链式无级变速器是楔紧加摩擦的传动模式，如图5所示。
二.双层多棱台锥盘和金属带组成双层多棱台锥盘带式无级变速器。
和已经应用于汽车传动系的金属带式无级变速器一样，两组锥面相向的双层多棱台锥盘组可轴向移动地安装在变速箱的主、被动轴上，金属带套装在主、被动轴的两锥盘之间，连续调节主、被动轴上两锥盘之间的距离，就是连续调节主、被动双层多棱台锥盘组的传动半径，从而实现无级变速传动。由于双层多棱台锥盘和金属带之间是楔紧加摩擦的传动模式，所以双层多棱台锥盘和金属带组成的双层多棱台锥盘带式无级变速器是楔紧加摩擦的传动模式。
金属链或金属带式无级变速器是已经应用于汽车传动系的成熟技术，其总体构架、控制系统等已经是公有技术或成熟技术，不在本专利的论述之中。本专利仅就金属链或金属带式无级变速器中的核心部件---锥盘进行改进，创新，到达提高金属链或金属带式无级变速器的传动平顺性、传动扭矩、传动功率的目的。由双层多棱台锥盘和金属链或金属带构成的无级变速器可以实现平顺的、大扭矩的、大功率的、高效率的无级变速动力传输。