某特種車非圓齒輪無級變速器結構概述

趙重年　李立順　賈楠　關新明

摘要：非圓齒輪無級變速器能夠克服鋼帶式機械無級變速器的固有短板，并滿足大負荷的傳動需求。利用這一特性，介紹了該變速器的總體方案布置，給出了變速器各部套結構及產品總成，通過臺架試驗驗證了其能夠滿足某特種車的現有使用要求，為該型變速器未來的發展提供了參考。

關鍵詞：特種車；非圓齒輪；無級變速

中圖分類號：U463? 收稿日期：2023-05-06

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.011

1 前言

鋼帶式機械無級變速器結構簡單、動力平順，故應用廣泛，但摩擦傳動有難以克服的缺陷，很難滿足大負荷的傳動需求，因此，尋求一種具有大功率、大扭矩、高效率、寬傳動比的非摩擦傳動的無級變速器將是行業未來發展的重要方向。利用非圓齒輪傳動比可變的優勢[1]，搭配行星差速裝置，可實現一定范圍內的無級變速，通過串聯特定裝置將傳動比范圍進一步擴大后，完全可以滿足某特種車的使用要求，基于此，非圓齒輪無級變速器[2]應運而生。

2 非圓齒輪無級變速器總體方案布置

非圓齒輪無級變速器主要由非圓齒輪無級變速機構[3]、雙內嚙合行星排、副變速器、換向裝置、液壓及電控系統、殼體等部件組成[4]。下面分別介紹：

a.非圓齒輪無級變速機構主要由非圓齒輪對、匯流圓柱齒輪對、中央傳動系統、分支傳動系統等組成[5]，通過多個分支傳動系統協調接力實現設計范圍內的定比傳動和動力連續，是變速器傳動原理的關鍵。

b.雙內嚙合行星排主要由太陽輪、齒環、行星架、齒圈和配套換擋機構等組成，用來提供兩種傳動比，以實現傳動比的接續性。

c.副變速器用于擴大非圓齒輪無級變速機構的傳動比范圍。

d.換向裝置本質上是錐齒輪差速器，用來控制輸出動力的方向。

e.液壓系統主要是為相位調節器、切換離合器、雙內嚙合行星排和副變速器提供液壓源，在電控系統的控制下實現變速器的無級變速，還輔以冷卻、潤滑作用。

f.電控系統為變速器提供控制信號，還可監測變速器油溫、油量、壓力等狀態信號。

g.殼體包括離合器殼、變速器殼、輸出端和油底殼等。

總體方案布置及結構如圖1所示，三維模型如圖2所示。

3 非圓齒輪無級變速器各部套結構及總成

3.1 非圓齒輪無級變速機構

a.非圓齒輪對。

非圓齒輪對共有三組，每組由一個主動齒輪、三個從動齒輪構成，均按“一中央，三分支”的形式布置，結構如圖3所示。三組非圓齒輪對間存在相位差，確保輸出的定傳動比可以連續無級變化。為減小非圓齒輪傳動帶來的慣性載荷，采用開槽及減薄齒厚等方式進行優化設計[6]，成品如圖4所示。

b.匯流圓柱齒輪對。

匯流圓柱齒輪對同樣為“一中央、三分支”機構，用來實現各分支傳遞動力整合匯流輸出，確保穩定、不間斷地輸出定傳動比。匯流圓柱齒輪對成品如圖5所示。

c.中央傳動系統。

中央傳動系統由非圓主動齒輪、相位調節器[7-9]、中央芯軸、匯流圓柱從動齒輪等主要零部件。

相位調節器由螺旋副結構、中央差速器、推拉盤以及液壓機構組成，推拉盤與液壓機構同樣采用三分支形式，此三分支與非圓齒輪對的三分支間隔60°布置，用來驅動螺旋副結構的滑動套作軸向移動，螺旋副的作用使得內、外轂產生相位差，進而改變與之相連的非圓主動齒輪間的相位，相位調節器成品如圖6所示。

中央芯軸成品如圖7所示，為保證裝配時相位正確，中央芯軸的各花鍵在設計時就有嚴格的對正關系。

d.分支傳動系統。

分支傳動系統由非圓從動齒輪、切換離合器、單向離合器、分支錐齒輪差速器、分支芯軸、分支空心軸、匯流圓柱主動齒輪等主要零部件構成。

切換離合器外轂與非圓從動齒輪相連，內轂與分支空心軸相連，用來切換第二、三非圓齒輪對的動力，保證傳動比的接續性，成品如圖8所示。

單向離合器經計算、選型，采用現有新型大轉矩單向離合器，用來切換各分支動力，保證變速器傳動平穩、傳動比恒定，成品如圖9所示。

分支芯軸和分支空心軸用來將非圓從動齒輪的動力直接或間接傳遞至分支錐齒輪差速器，成品如圖10、圖11所示。

3.2 雙內嚙合行星排

作為一種新的傳動方式，采用具有高重合度齒形的雙內嚙合行星排[10-11]，可以獲得更強的承載能力，通過設計計算，結合其運動特性，可通過換擋機構將行星架與太陽輪或殼體鎖止，得到不同傳動比，用來保證傳動比的接續性，雙內嚙合行星排成品如圖12所示。

3.3 副變速器

完全適配非圓齒輪無級變速機構的按等比級數分配的副變速器只需多個雙內嚙合行星排串聯即可，為控制成本，利用現有的大功率AT也可近似實現其功能。所選副變速器最大輸入功率為960 kW，最大輸入轉矩為5 880 N·m，最大輸入轉速為2 500 r/min，各擋傳動比分別為0.67、1、1.38、2.05、2.84、4.24、-5.75，結構如圖13所示。

3.4 換向裝置

為控制成本，換向裝置采用現有車橋的差速器，如圖14所示，通過控制差速鎖實現傳動比±1之間的切換。

3.5 液壓及電控系統

液壓系統控制包括相位調節器、切換離合器、雙內嚙合行星排和副變速器等四個部分，液壓原理圖如圖15所示。電控系統主要由控制器芯片（DSC）、電源模塊、點火開關模塊、數字量輸入模塊、模擬量輸入模塊、轉速傳感器輸入模塊、電磁閥驅動模塊、數字量輸出模塊、各功能模塊如圖16所示。

3.6 殼體及其他部件

部分殼體如圖17所示，油箱成品如圖18所示，前蓋及附件結構如圖19所示。

3.7 變速器總成

變速器裝配過程中最重要的是對正相位，因此在加工階段各部件都要提前做好標記。裝配及調試過程如圖20所示。

4 試驗結果

為保證變速器能夠滿足某特種車使用需要，對其傳動比調速范圍，最大輸入功率，傳動效率，匹配發動機的最高轉速、最大扭矩、最大扭矩點轉速等進行臺架試驗考核，結果如表1所示，可見非圓齒輪無級變速器能夠滿足現有使用要求。

5 結語

通過非圓齒輪無級變速器在某特種車的實際使用和試驗情況來看，若將非圓齒輪無級變速機構配合傳動比合適的副變速器及換向裝置，可應用于軌道作業車等大型工程車輛（機械），若對相關技術深化研究將變速器小型化，亦可應用于小型民用車輛，對于提升實現變速器與發動機工況的匹配度，提高燃油經濟性和動力性，以及改善操縱方便性具有一定的現實意義。

參考文獻：

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[3]貴新成，詹雋青，趙重年，等一種非圓齒輪差動無級變速傳動設計[J]機械設計，2018，35（9）：100-104

[4]牛善田，李紅勛，汪正西一種新型機械式無級變速器傳動方案設計及仿真[J]專用汽車，2018（11）：103-107

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[6]趙重年，李紅勛，王曦，等非圓齒輪無級變速器齒輪優化設計及有限元分析[J]軍事交通學院學報，2021（3）：85-91

[7]馬超超，彭超，汪子盛，等非圓齒輪無級變速器雙螺旋副結構設計及有限元分析[J]軍事交通學院學報，2021（4）：81-86

[8]李紅勛，馬超超，趙重年，等非圓齒輪無級變速器相位調節裝置優化設計[J]軍事交通學院學報，2021（2）：77-83

[9]馬超超，趙重年，王曦某非圓齒輪無級變速器相位調節裝置機械液壓聯合仿真[J]軍事交通學院學報，2020（10）：38-44

[10]貴新成，李紅勛，金曉輝，等高重合度擺線內齒輪副齒面接觸強度研究[J]機械工程學報，2019，55（23）：109-119

[11]貴新成，李立順，李紅勛，等高重合度擺線內齒輪副時變嚙合剛度計算與齒間載荷分配研究[J]機械工程學報，2018，54（21）：101-112

作者簡介：

趙重年，男，1994年生，工程師，研究方向為車輛設計與試驗。