本发明公开了一种宝塔式变径齿轮无级变速器和采用该变速器的无动力电梯，无动力电梯包括：变速器、轿厢、配重、钢丝绳卷筒、钢丝绳；其利用传动比可调的变速器，通过改变轿厢侧和配重侧的传动比，像跷跷板式的随意控制轿厢的上升和下降；此电梯无需电力，不仅节省能源，而且停电时照常运行。

宝塔式变径齿轮无级变速器及采用该变速器的无动力电梯

本发明涉及的宝塔式变径齿轮无级变速器及采用该变速器的无动力电梯属于机械制造和电梯制造技术领域。

背景技术

现代都市，高楼林立，电梯随处可见，人们的生活已经离不开电梯；现有技术的电梯，都是采用电动机驱动的，电动机运行必然要消耗电能，以一台载重1000KG的高层电梯为例，20KW的电机，一天12个小时连续运行，需要消耗12*20=240KWH的电能；现有技术的电梯不仅耗能，而且，没有电，电梯无法运行；遇上停电，电梯停在中途不能上也不能下，更会产生很多安全问题；因为这些问题，人们渴望能有一种不用耗电，随时能够可靠运行的电梯，本发明的无动力电梯即能满足这个要求；它不耗电，所以停电时照常运行。

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发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种无动力电梯。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明提出的无动力电梯，包括：变速器、轿厢、轿厢侧卷筒、配重、配重侧卷筒、配重卷筒、电磁离合器、卷筒齿轮、轨道齿条、钢丝绳、抱闸；变速器固定安装在电梯竖井的最高处，变速器的输入输出轴分别连接一个卷筒，卷筒上缠绕钢丝绳，轿厢侧卷筒上的钢丝绳的另一端直接与轿厢上部连接，配重侧卷筒上的钢丝绳，另一端与配重上安装的配重卷筒相连，配重卷筒通过电磁离合器与卷筒齿轮相连，卷筒齿轮可以驱动配重卷筒旋转，可以使钢丝绳在变速器配重侧卷筒和配重卷筒之间交换长度；变速器轿厢侧卷筒和配重侧卷筒，钢丝绳的缠绕方向相反，保证轿厢上升时配重下降，轿厢下降时配重上升；

变速器可以简单地理解为两个相互啮合的半径不同的齿轮，一个齿轮轴作为输入轴，一个齿轮轴作为输出轴；为了使输入轴和输出轴旋转方向相同，两个相互啮合的齿轮之间增加一个过渡齿轮；轿厢下降时过渡齿轮顺时针旋转，配重下降时过渡齿轮逆时针旋转；设变速器左侧为输入端，右侧为输出端；左侧卷筒上的钢丝绳连接轿厢，右侧卷筒上的钢丝绳连接配重；假如轿厢加载后重量为M，配重重量为N；两个卷筒半径相等都为R0，两个啮合的齿轮，轿厢侧齿轮半径为R1，配重侧齿轮半径为R2；轿厢侧齿轮与过渡齿轮啮合点轮齿之间作用力为F1；配重侧齿轮与过渡齿轮啮合点轮齿之间作用力为F2；根据以上条件有如下关系式：

轿厢和配重的重力，通过各自的卷筒和自侧的齿轮分别作用在中间过渡齿轮上；

M*R0=F1*R1 ；N*R0=F2*R2

F1=F2时，过渡齿轮所受顺时针旋转力矩和逆时针旋转力矩相等，过渡齿轮不转，轿厢和配重平衡。将两式两端分别相除，得如下关系式： (M*R0) / (N*R0)= (F1*R1 ）/ (F2*R2)  ； F1/F2=M/N*R2/R1   F1=F2时, M*R2= N*R1 ；R1/R2=M/N；

满足上式时，轿厢和配重平衡，轿厢停止不动。如果此时改变R1或者R2，则平衡被打破，R2/R1增大，则F1大于F2，轿厢下降，配重上升；R2/R1减小，则F2大于F1，配重下降，轿厢上升；

宝塔式变径齿轮变速器用于改变R2/R1的大小，其具有多个档位，不同的档位对应轿厢中不同的载客数量，也就是不同的轿厢重量；宝塔式变径齿轮变速器由外壳、输入轴、输入级太阳齿轮、输入级行星架、输入级行星齿轮、中间轴齿轮、输出级行星架、输出级行星齿轮、输出级太阳齿轮、输出轴组成；太阳齿轮由多个半径不同的圆柱直齿轮叠加组成，组成后外形状似宝塔，其中心轴为输入输出轴；中间轴齿轮为一个厚度与叠加后的太阳齿轮厚度相同的圆柱直齿轮；行星齿轮为安装在行星架上，既可以随行星架公转，又可以自转的多个圆柱直齿轮；其内侧与太阳齿轮啮合，外侧与中间轴齿轮啮合；与中间轴齿轮啮合的行星齿轮，同时只能有一个，转动行星架可以使不同的行星齿轮与中间轴齿轮啮合；不同的行星齿轮内侧啮合的是不同直径的太阳齿轮，外侧啮合的是相同直径的中间轴齿轮；输入级太阳齿轮半径为R1，输出级太阳齿轮半径为R2，行星齿轮和中间轴齿轮为过渡齿轮；输出级太阳齿轮半径与输入级太阳齿轮半径的比值即为R2/R1；所以控制旋转，改变行星架的角度，变换不同的行星齿轮与不同直径的太阳齿轮啮合，即可改变R2或者R1的大小，进而达到改变R2/R1的目的。

R2/R1增大，则F1大于F2，轿厢下降，配重上升；R2/R1增大代表着配重侧齿轮半径增大，所以配重侧输出轴转速降低，在轿厢侧重量不变的前提下，
R2/R1减小，则F2大于F1，轿厢上升，配重下降；R2/R1减小代表着配重侧齿轮半径减小，所以配重侧输出轴转速增大；这说明，在同样的变速器传动比平衡点情况下，因轿厢上升需要传动比R2/R1略小于平衡点传动比，轿厢下降需要传动比R2/R1略大于平衡点传动比，这样，配重侧卷筒的转速，在上升和下降时转速是有偏差的，下降时转速大于上升时转速；这会带来一个后果，即每一个上下循环，配重侧的钢丝绳长度都会变长一点；多个循环后钢丝绳长度增加到一定程度，配重会与地面接触，失去驱动力。

以上是传动比不变的情况下，配重侧上升和下降时产生速度差的情况；除此之外，还有第二种情况；在轿厢内载客数量不同时，配重侧上升和下降时，也会产生速度差；譬如，轿厢在最高层开始下降时空载，则配重侧重量大于轿厢侧重量，轿厢速度大于配重速度，轿厢降至底层时，配重升至中途；此时，如果轿厢满载上行，轿厢重量与配重重量基本相当，运行速度基本相等，这时会出现轿厢还未到达顶层时，配重已经触底的情况；

解决第一种情况的办法是：因为上升和下降时变速器传动比平衡点不变，所以，变速器传动比位于平衡点时，轿厢或者配重其自身的上升速度和下降速度是相同的；假如，在轿厢上升时，调整变速器传动比小于平衡点传动比，此时轿厢向上加速，配重向下加速，此时，配重下降速度大于平衡点时的下降速度；速度达到一定时，将传动比调整至平衡点，此时两侧力矩相等，驱动力为零，轿厢和配重均以匀速运动上升和下降；到达预定楼层前，提前制动减速，制动采取反接制动的方式，即将变速器传动比调整至大于平衡点传动比，这样，制动减速期间，配重下降速度小于平衡点时的下降速度，启动到停止，经过加速，匀速、减速过程，配重平均运行速度与平衡点速度相等，偏差得到补偿；当然，实际当中，摩擦阻力是不可能为零的，所以，偏差只能是缩小而不可能完全消除。

解决第二种情况的办法是：在正常情况下，让配重重量大于轿厢满载时的重量；

这样，在配重卷筒上设一个卷筒齿轮，在配重下降时卷筒齿轮与配重轨道上的齿条啮合，卷筒齿轮旋转带动配重卷筒缠绕钢丝绳；卷筒齿轮与配重卷筒之间设有电磁离合器，离合器接合时卷筒齿轮旋转配重卷筒随之旋转，离合器断开时，配重卷筒锁死，卷筒齿轮空转；齿条不需全程设置，只要从底层往上设置一定高度即可；这样，因为轿厢侧重量永远低于配重重量，所以，配重速度永远低于轿厢速度；单个上下循环时，不会出现配重先于轿厢触顶或者触底的情况；但在轿厢空载下行时，因配重速度大大低于轿厢速度，轿厢到达底层时，配重才升至半途中，此时如果轿厢满载上行，因重量相差不大，配重速度就与轿厢速度相差不多了，这时，配重下降的空间小于轿厢上升的空间，不采取措施的话，会出现配重先于轿厢触底的情况；解决这个问题的方式是：在配重下降的时候，调整变速器传动比至1，此时轿厢和配重运行速度相等，但因为配重重量大于轿厢重量，传动比为1并不是扭矩平衡点，此时，配重下降动力较大，所以加速度较大，此时，接合配重卷筒电磁离合器，卷筒齿轮与轨道齿条啮合，配重卷筒开始旋转，钢丝绳缠绕在配重卷筒上，相当于配重的下行速度降低，合理控制电磁离合器的接合和断开时机，将会使轿厢在到达顶层时配重正好到达底层；这样既加大了配重下降的空间，又对配重下行产生阻力起到刹车的作用，降低了轿厢和配重的运行加速度，将轿厢速度控制在合适的范围；在轿厢空载上行至顶层时，配重低速下行至中途，此时如果轿厢满载下行，如果不采取措施，会出现配重先于轿厢触顶的情况；此时，在配重于中途开始上行时，将传动比调整至平衡点略大，轿厢下降，配重上升，此时将配重卷筒的电磁离合器接合，卷筒不再锁死，配重的重量会使卷筒旋转，钢丝绳会从卷筒上放出，钢丝绳的放出相当于配重的上行速度降低；因配重轨道的上部没有设置齿条，所以卷筒齿轮在轨道上部空转；控制电磁离合器的接合力度，可以控制卷筒的旋转速度，这样，可以保证轿厢在到达底层时，配重正好到达顶层。

    这样一部电梯，其能够不耗能地连续运行，本质上是利用了下行乘客的重力势能，因为对于一部电梯来讲，每天上行和下行的乘客是相同的，下行乘客的重力势能，通过配重暂时储存起来，需要时，配重将储存起来的势能释放，将上行的乘客提升至高层；这样，只要保证配重具有足够的运行空间，不会提前轿厢触顶或者触底，电梯就会永远运行下去；但是，前述第一种情况所产生的速度偏差，是无法完全弥补的；时间久了，偏差会累积得越来越大；为了保证配重拥有足够的运行空间，应该随时对偏差进行补偿，因为只有配重下行时，才有动力使配重卷筒卷起钢丝绳，所以，只要是轿厢空载或者轻载上行，配重下行，都要启动配重卷筒卷起钢丝绳；这样，配重才会具有充足的下行空间，同时，在需要放出钢丝绳以防止提前触顶时，才会有充足的钢丝绳用于放出；只要掌握好配重卷筒的卷起和放出的时机和时间，配重将会长时间正常运行；遇到极端情况，还可以通过人为控制，限制上行乘客数量，主动创造轻载或者空载上行，重载或者满载下行的机会，经过几个循环的调整，电梯将恢复正常运行。

本发明所达到的有益效果是：

采用本发明技术方案的电梯，最显著的有益效果是节能，现有技术的电梯，以保有量最大的载重1000KG的电梯为例，其驱动电机功率为18.5或者22KW，按20KW计算，其平均每天连续运行12小时，消耗电能240度；据资料记载：截止到2015年年底，全世界电梯保有量1500万台，中国电梯保有量425.96万台；1500万台电梯每天消耗36亿度电能；

425.96万台电梯每天消耗10.2亿度电能。三峡水电站年发电量870亿千瓦时，合每天发电量2.38亿度，相当于4.3个三峡水电站才能满足国内425.96万台电梯的用电；如果这些电梯全部采用本发明的技术，相当于凭空增加了4个三峡水电站；而且该无动力电梯，因不用电，所以，可以在停电时照常运行，解决了现有技术电梯停电时的困扰。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

附图1为电梯系统结构示意图；

附图2为变速器输入级和输出级正面原理结构示意图；

附图3为变速器侧视剖视图；

图中：10、轿厢；11、轿厢侧卷筒；12、轿厢侧抱闸； 20、配重；21、配重侧卷筒；22、配重侧抱闸；23、配重卷筒；24、电磁离合器；25、卷筒齿轮；26、配重轨道；27、轨道齿条； 30、无级变速器；31、
输入轴；32、输入级多层太阳齿轮组；33、输入级多层行星齿轮组；34、中间轴；35、中间轴齿轮；36、输出级多层行星齿轮组；37、输出级多层太阳齿轮组；38、输出轴；39、行星齿轮轴;40、输入级多层行星架；41、输出级多层行星架；42、输入级端面圆环；43、输出级端面圆环；44、输入级档位控制齿轮；45、输出级档位控制齿轮；46、行星齿轮轴；47、变速器外壳；48、中心固定支架。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种宝塔式变径齿轮无级变速器，包括：外壳47、输入级多层太阳齿轮32、输出级多层太阳齿轮37、输入级多层行星齿轮33、输出级多层行星齿轮36、输入级多层行星架40、输出级多层行星架41、中间轴齿轮35、输入级档位控制齿轮44、输出级档位控制齿轮45；其特征在于：输入级多层太阳齿轮32为10个不同直径的圆柱直齿轮同轴叠加而成， 10个齿轮叠加后的中心轴为输入轴31；输出级多层太阳齿轮37也为10个不同直径的圆柱直齿轮同轴叠加而成，10个齿轮叠加后的中心轴为输出轴38，单层太阳齿轮厚度为15mm；所述多层行星齿轮为普通圆柱直齿轮，其厚度14mm，数量与太阳齿轮相同；其与太阳齿轮啮合；所述多层行星架，为厚度15mm，内径大于同层太阳齿轮外径，外径小于同层相互啮合的太阳齿轮直径加上2倍同层行星齿轮直径的圆环，圆环数量与太阳齿轮数量相同，每个圆环都有一个开口，开口宽度略大于同层行星齿轮直径，距开口中心相同角度的两端，分别钻有圆孔，圆孔中镶有轴承；输入级10个圆环相互错开36度角度叠加装配，输出级10个圆环相互错开36度角度叠加装配；行星齿轮安装在圆环的开口中心，行星齿轮轴插入上下圆环的轴承内孔中；叠加后的行星架圆环的左右各有一个端面圆环，端面圆环内孔直径与输入、输出轴直径相同为30mm，外径略大于最大行星架圆环外径；端面圆环可以绕输入、输出轴旋转；行星架通过行星齿轮轴46和连接销轴与上下端面圆环连接；所述中间轴齿轮35为2个同轴设置的厚度为150mm的普通圆柱型直齿轮，1个齿轮与输入级行星齿轮组齿轮33啮合，1个齿轮与输出级行星齿轮组齿轮36啮合；所述外壳47为圆柱筒型,圆柱筒型的两端设有端盖,每个端盖上开有2个圆孔，圆孔内镶有轴承,圆柱型外壳47的中心位置设有一个中心固定支架48,中心固定支架48上设有轴承,输入轴31的一端插入圆柱型外壳中心固定支架48的轴承内孔,另一端从外壳端盖上的轴承内孔穿出; 输出轴38的一端插入圆柱型外壳中心固定支架48的轴承内孔,另一端从另一侧外壳端盖上的轴承内孔穿出;中间轴34的两端分别插入外壳的端面轴承内孔中,所述输入级档位控制齿轮44和输出级档位控制齿轮45，分别与输入级端面圆环42和输出级端面圆环43的靠外侧圆环同轴连接，其中心轴套装在输入轴31和输出轴38上，位于外壳47的外面；用于分别控制行星架转动以调整档位；整个变速器内的所有齿轮的模数相同，均为2。

轿厢空重500KG，最大载重量1000KG,配重重量3000KG；变速器齿轮配置及传动比如下表：

实际操作中，首先转动变速器输入级档位控制齿轮，调整变速器输入级传动比至平衡点附近，然后调整输出级档位控制齿轮对传动比进行微调，输入级与输出级串联后传动比档位100档；

    因配重下降，卷筒齿轮25旋转时，会带动配重卷筒23旋转，但卷筒齿轮25旋转的条件是配重必须有足够的下降行程；而卷筒齿轮25的旋转带动配重卷筒23缠绕钢丝绳的结果是产生与配重下行方向相反的位移，所以，为了保证配重的下降行程，卷筒齿轮25的直径必须大于配重卷筒23的直径；实施例中选择卷筒齿轮25直径为500mm，配重卷筒23直径为250mm。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。