一种低成本高性能超级无级变速器

jinpohu

写在前面：标题纯属自吹自擂，不算数的。贴子原来发在设计板块，想听一听批评指教，没想到一个气泡也没有，现在才知道跑错地方了。现在重发一遍，希望朋友们不吝指教。贴中难免不专业、幼稚之处，请一笑了之；设计依据很可能错得离谱，恳请朋友们无情鞭笞。
       

低成本高性能重载无级变速器

        重载无级变速器是由齿轮变速组件、复合轮系自动控制系统组成的机械式无级变速器，结构上已别居一格，并非现有变速器的改良版本。传动能力不亚于AT、无级变速范围远超CVT，小功率速度控制、恒功率机械特性；没有摩擦件，没有液压件，不存在AT、CVT绕不开的技术瓶颈；软硬件成本远低于AT、DCT 、CVT，性能却有过之而无不及。
        变速器结构如下图所示。图中： 1、蜗杆，速度控制； 4、系杆，动力输入； 18、输出轴，动力输出。自动控制系统：由标号7至17组成。
　　　　　　 　　　
        变速组件由标号1至6，即由一组差动轮系和一组蜗轮蜗杆组成。左图是等效示意图。齿圈、蜗轮固定连接，蜗杆支架固定在机座上，系杆、中心轮、齿圈、蜗轮，朝同一个方向旋转。
        无级变速范围：
        差动轮系本身就是一种无级变速装置。从系杆上输入的动力，具有相对稳定的旋转速度，控制齿圈相对于系杆的旋转速度，就能使中心轮输出速度的变化范围，覆盖车辆起步至超速行驶整个速度区域。
        差动轮系的局限：
        差动轮系本身，既是运动的合成装置，同时又是运动的分解装置，在轮系内部，这二种状态是会相互转化的。当动力从某主动件上输入，并从执行件上输出时，另一个构件上的外力矩，就是合成和分解的分水岭，小于这个外力矩，无级变速；大于这个外力矩，运动分解，功率就会流失，犹如泄压阀，其影响相当于CVT中的压紧装置。不提高这个外力矩，动力输出就不会增加，而提高这个外力矩，需要的功率太大了，很不经济，不适用于车辆。
        限制功率循环、分流等方法，不能彻底解决这个问题。
        充分利用蜗轮蜗杆的反向自锁特性，就可以克服差动轮系的局限，获得不亚于AT的大功率传动能力：
        蜗轮锁定了齿圈，蜗杆就可以控制齿圈的旋转速度；当蜗轮主动、反向自锁时，作用在齿圈上的合力，将由机座承载。根据被动力的性质可知，作用在齿圈上的合力，不论大小，都能得到平衡，来自机座的约束反力即齿圈锁止力矩事实上是无限的，分水岭已不可逾越，齿圈不会失控，动力输入将全部流向负载。
        蜗轮蜗杆是一种空间传动装置，改变了作用力的方向。反向传动时，一个不大的分力左右蜗杆的运动，大于摩擦力时蜗杆旋转，小于摩擦力时自锁。使自锁始终处于临界状态时，在这个分力上迭加一个不大的作用力，就能使蜗杆脱离自锁旋转，不需要很大的功率。其潜在意义是：一个小功率的电机就能控制齿圈的旋转速度，达到无级变速的目的。
        由此可见，差动轮系、蜗轮蜗杆组成的变速组件，拥有小功率速度控制、不亚于齿轮箱的大功率传动能力、远超CVT的无级无限变速能力，结构上不用偷工减料，已经足够简洁，堪称完美。可惜不能直接用在汽车上。
        变速组件的局限：
        分析其机构运动可知，由差动轮系、蜗轮蜗杆组成的变速组件，仅在蜗轮旋转方向与轮上转矩方向一致，即蜗轮呈反向传动状态时，才能利用机座产生的约束反力，获得大功率传动、小功率速度控制能力，可见齿圈上的力矩方向不允许反转。但是在行驶过程中，力矩方向却随时会变，与蜗轮旋转方向相反时，蜗杆的状态就不是从动而是驱动了，控制功率势必剧增，最终失控崩溃。
        力矩方向反转的原因：
        在啮合传动机构中，由于负载的相对速度随时会变，速度的滞后和超前，即使在上、下级齿轮之间也会出现，惯性力的方向反复无常。机构内部齿廓二侧不连续的、交替的啮合和分离是不可能避免的，活动构件之间，作用力的方向必然频繁翻转。
        因此，在运行过程中，蜗轮蜗杆的二种传动状态都可能出现，缺乏有效约束。能否确保蜗轮蜗杆的反向传动状态始终不变，显然是变速器的成败关键。
        为变速组件配备机械式负反馈自动控制装置，利用机械装置响应迅速可靠的特点，就可以彻底克服变速组件的致命局限：
        自动控制系统的结构见上图右侧，由标号7至17组成。
        简要说明：行星架4上安装的构件除星轮5以外，还有齿轮7、8、9和蜗杆10。齿轮7与星轮5啮合。蜗杆10的支架固定在行星架4上。随系杆4一起旋转，有如陀飞轮。
        中心轮6、12同轴固定连接。蜗轮11、行星架15同轴固定连接。
        构件16、17是单向啮合式离合器，啮合方向相反；形状与花键差不多，键窄槽宽，键在槽内可以转动。输出轴18逆转时离合器16啮合，与中心轮12连接；顺转时离合器16脱离，17啮合，与中心轮14连接。间隙很小。中心轮12、14各自只有一个方向的齿面能与输出轴连接。
        自动控制系统具有下述特征：
        特征一：中心轮6、行星架15旋转方向相同、旋转速度相同；
        特征二：任何时候输出轴与二个中心轮都只能择一连接。
        机构运动浅析：
        通常情况下，输出轴与车辆的行走系统连接。输入端与原动机的连接可以根据实际需要自行选择。普锐斯ECVT的应用已经证明，直接连接也没有问题。
        行星架15是自动控制系统中变速器输出速度的同步比较基准。当输出轴旋转速度相对行星架15滞后时，惯性力为阻力矩，离合器16啮合，作用力方向不变。
        相对速度超前时，离合器16脱离，17啮合，输出轴牵引中心轮14一起旋转，中心轮12、6反转，迫使星轮5逆转；星轮5、齿圈３啮合齿面上惯性力方向与齿圈旋转方向一致。
        在车辆的行驶过程中，发动机、变速器、车辆之间的相对速度，不论滞后还是超前，中心轮6上惯性力的方向是不变的，从而确保任何时候、在任何工作环境下，蜗轮蜗杆的反向传动状态始终不变。
        小结：
        一、变速器的无级无限变速能力、大功率传动能力毋庸置疑。类似装置在大型重型机械领域已有实际应用实例，美国道奇可控启动传输系统CST就是其一。CST 系统的负载是长达数千米的矿山皮带机，载有数千吨矿物，荷载远超重型车辆。起步、运行、停车，稍有不慎，皮带就会断裂。其核心部件，正是一组差动轮系变速部件。
        二、利用蜗轮副自锁特性变速，与CVT的滑轮钢带相比，孰优孰劣，实际上是一目了然的。蜗轮变速无疑更耐用、更可靠、更经济；材料、形状、工艺上的设计、制造和优化，显然更容易。更重要的是，适用功率范围，远非滑轮钢带可比。
        三、卓越的性能来自硬件本身，是机构运动的必然结果，稳定可靠，无需软件协助逐点标定。只有一个输入端、一个输出端、一个控制端，自成系统，根据指令执行动力的变速和输送，效率显然更高。与动力匹配简单方便、没有特殊要求。与新能源驱动电机配接，效果远超二档齿轮箱。发动机、变速器各司其职，互不干扰，可以根据适用功率模块化变速器，方便整车厂组装适用的动力总成，技术上的进步是显而易见的。
        四、AT、DCT、CVT等主流变速器，结构上其实难言出色， CVT传动能力有限，滑轮速比范围狭窄；AT、DCT硬件本身不具备平滑变速能力。AT、CVT功能单一，导致舒适和动力难以兼顾；软件左右机械性能，实属本末倒置，喧宾夺主。硬件功能平庸，高度依赖控制系统，已经严重影响了车辆技术的进一步发展。
        五、没有液压件、没有摩擦件，重载无级变速器本质上是一种具有无级变速能力的减速机，结构非常简单，成本之低无出其右。变速器的机械设计工作，草根整车厂也能完成，嵌入式处理器、转速、扭矩等各种传感器、控制、安全等应用程序，北上广跑一趟就能搞定。只需要一个车间就能生产制造，性能却毫不含糊，远超AT、CVT；全部由齿轮组成的家伙，可靠性显然更高，更耐用。
        长期以来，无级变速器的传动能力，从未有过大幅度的突破。重载差动无级变速器在传动能力上的突破，无疑具有重大意义。为自主品牌整车提供白菜价、品质一流的动力总成，将不再是一件难事，冲击外资企业的垄断地位，也不再是臆想。

jinpohu

写在后面：上述变速器没有摩擦件、没有液压件，全部由常规齿轮组成，是一种模块化的重载无级变速器，只有一个输入端、一个输出端、一个速度控制端，其潜在意义是：
一、不需要匹配，根据指令执行动力的变速和输送；
二、发动机、或驱动电机空载起动以后始终工作在高效区，车辆的起步、加速和超速行驶全部由变速器完成；
三，不存在“三高”影响，可靠性无出其右。
四、成本低，是真正的大白菜；性能之高，也敢说无出其右。

是不是太简单了，朋友们不感兴趣？

皓首仙翁

无图无真相。