CN101117990A - 零碰撞弹簧钢球安全离合器 - Google Patents

Abstract

一种零碰撞弹簧钢球安全离合器，具有无任何过载冲击或碰撞、高转速、简单可靠、制造容易和高寿命的特点。其特征在于，安装有阻止过载状态下的钢球嵌合机构嵌合的阻挡嵌合机构，轴向上位于前者之内，径向上位于前者之内或之外；其组成双方的阻挡工作面的升角足以确保双方抵触的摩擦自锁及阻挡工况的稳定，令其具备自适应分离轴距变化和自动补偿磨损的能力，长久地保持过载工况中所有构件零碰撞的转动模式，以及阻挡嵌合机构的分离阻挡和嵌合复位过程的绝对可靠。过载分离后，正转或反转均可简单、方便和自动地实现离合器的嵌合复位。

Description

零碰撞弹簧钢球安全离合器

技术领域

本发明涉及一种机械传动领域中的离合装置，特别涉及一种具有限止扭作用的弹簧钢球安全离合装置。

技术背景

现有技术中，轴向弹簧钢球安全离合器以自身可以灵活转动的独立钢球代替了固定一体的嵌牙，从而提高了嵌合式安全离合器的灵敏度以及工作转速。然而，由于过载后仍存在反复碰撞现象，对传动轴系形成有害冲击，对钢球凹槽造成有害磨损，因此，影响了离合器的灵敏度和寿命，其工作转速也受到较大的限制。在1,000N·m量级的工作转矩上，其最高工作转速一般不超过400转/分钟。同时，其最大工作转矩也因此受到限制。

发明内容

本发明的目的，就是提供一种过载后没有撞击现象的零碰撞弹簧钢球安全离合器，使其具备无过载冲击，无碰撞式磨损，长寿命，过载后恢复快捷、方便和自动的优点，以提高其最高工作转速和转矩，拓展应用范围。

记述技术方案之前先对相关名词或概念说明如下：

属主环：被附属阻挡环或附属限位环所依附的回转构件。

基准环：嵌合工作状态下，作为阻挡环相对静止的参照对象的回转构件；其轴向上直接面对阻挡环的端面被称为基准端面，径向上直接面对阻挡环的圆柱面被称为基准圆柱面。

固定接合元件：与推压环一起对钢球形成轴向夹击式压迫，端面上形成有凹槽的接合元件。相对其安装轴，该元件是轴向固定的。

对外接合元件：与离合器的转矩输出或输入构件周向固定并与该构件传递转矩的接合元件。该元件可以是固定接合元件或钢球毂。

阻挡工作面：阻挡嵌合机构轴向分离后，组成该机构的齿环双方的径向齿之间用来进行对顶接触的齿顶面部分，其升角用λ表示。

阻挡工况：阻挡嵌合机构的组成双方的阻挡齿相互对顶接触，阻止轴向上位于其之外的其它轴向嵌合机构嵌合的工作状况。

δ角和ρ角：阻挡工况中，阻挡环一方面由其滑动端面或圆柱面与基准环的基准端面或基准圆柱面接触形成滑动摩擦副，另一方面由其阻挡齿的阻挡工作面与附属阻挡齿的阻挡工作面轴向接触形成静摩擦副，在仅靠该静摩擦副来限定阻挡环相对附属阻挡环的周向位置时，该静摩擦副必需是自锁的，其中，能够确保该静摩擦副自锁的阻挡工作面的最小升角就定义为δ，而最大升角就定义为ρ。

限位工作面：对阻挡环的周向相对位置给与限制的表面。对控制嵌合机构，当λ＜δ时，因双方阻挡齿之间的对顶接触不能自锁，所以，只有阻挡齿的侧面和阻挡齿齿顶中部限位凸起的侧面是限位工作面；当δ≤λ≤ρ时，因双方阻挡齿之间的对顶接触能可靠自锁，所以，阻挡齿的所有侧面及阻挡工作面都是限位工作面。

钢球当量齿顶面：离合器中，钢球与固定接合元件端面上的钢球凹槽表面之间所形成一个摩擦副，该摩擦副的摩擦系数必对应一个固定的摩擦角，如果以该摩擦角的二倍角为圆锥角，以钢球球心为圆锥顶点，则轴线平行于离合器回转轴线的该圆锥面所包含的钢球表面即定义为钢球当量齿顶面。只有在固定接合元件与所述钢球之间的轴向对顶接触的发生位置落在该当量齿顶面内时，二者间的摩擦副方可确保处于自锁状态。

全齿嵌合深度：在过载转动过程中，钢球嵌合机构中的固定接合元件与推压环之间的轴向距离的变化幅度。

最小阻挡高度：由非阻挡工况(即，稳定的嵌合状态)过渡到阻挡工况，阻挡嵌合机构所必需分开的最小轴向距离。

最大限位嵌合深度：保证限位嵌合机构的周向约束作用得以存在的，阻挡嵌合机构轴向上可以分离的最大距离。当限位嵌合机构的组成双方轴向上跟随阻挡嵌合机构一起运动时，该深度为完全嵌合状态下，嵌合双方的限位工作面的上边界中的最高点之间的轴向距离；当限位嵌合机构的组成双方轴向上不跟随阻挡嵌合机构一起运动时，该深度为无穷大。

阻挡嵌合机构的入口裕度K：在不考虑其它嵌合机构的影响以及阻挡环周向自由时，从最小阻挡高度上，组成阻挡嵌合机构的齿环双方在不影响该机构轴向嵌合的前提下相互间可以连续错开的最大圆周角度。

本发明中，当一嵌合机构的组成双方分别以一对构件的组成双方为轴向支撑根基时，就称该嵌合机构轴向上位于该一对构件之间。另外，本发明所称的“阻挡环”均为独立阻挡环的简称。

为达成上述目的，本发明的零碰撞弹簧钢球安全离合器，包括固定接合元件、钢球、钢球毂、推压环、弹簧以及调节螺母，且均基于同一回转轴心线布置，钢球毂轴向上位于固定接合元件和推压环之间，弹簧居于推压环与调节螺母之间，钢球置于钢球毂的轴向孔或槽中，在推压环的压迫下可部分嵌入固定接合元件相应端面上的钢球凹槽中，钢球毂和推压环可以形成为一体，其中，固定接合元件以及钢球毂分别与第一转轴或第二转轴周向固定，调节螺母联接在与固定接合元件或钢球毂周向固定的转轴上，在所述弹簧的作用下，固定接合元件、钢球、钢球毂及推压环四者组成钢球嵌合机构，其特征在于：布置有阻止过载分离状态下所述钢球嵌合机构轴向嵌合的阻挡嵌合机构，由阻挡环和附属阻挡环轴向嵌合而成，该两个环上都布置有一圈具有轴向阻挡作用的径向型阻挡齿；所述阻挡嵌合机构的最小阻挡高度，小于钢球嵌合机构的全齿嵌合深度；布置有对阻挡嵌合机构中阻挡环的周向相对位置实施限制的限位嵌合机构，由阻挡环和附属限位环组成；附属限位环与其属主环形成为一体，且附属限位环与附属阻挡环周向固定；阻挡嵌合机构的轴向分离距离大于最小阻挡高度时，所述限位嵌合机构的周向自由度，大于阻挡嵌合机构的入口裕度。

上述阻挡嵌合机构，轴向上位于对外接合元件与推压环之间，径向上位于钢球嵌合机构之内或之外，所述附属阻挡环与其属主环形成为一体，该属主环是推压环或对外接合元件，所述阻挡环受基准环基准端面的单向支撑，其滑动端面与该基准端面构成周向自由滑动摩擦副；所述基准环是与附属阻挡环的属主环相对的对外接合元件或推压环；所述对外接合元件是固定接合元件或钢球毂。

在具有双向阻挡功能时，阻挡齿嵌合机构组成双方的每个阻挡齿齿顶面上都布置两个阻挡工作面，分别对应地形成于齿顶面的两侧，并且(在离合器中的钢球周向均匀分布时，)阻挡嵌合机构的入口裕度K符合不等式K＞θ_c+θ_f+η。相关参数定义如下：

θ_c：在安全离合器回转圆周内，钢球球心所在回转圆柱面与固定接合元件嵌合端面上两相邻钢球凹槽上边沿之间的交点所对应的圆周夹角；

θ_f：在安全离合器回转圆周内，钢球球心所在回转圆柱面与钢球当量齿顶面边界之间的交点所对应的圆周夹角；

η：由于导角等带来的修正量。

当所述固定接合元件既是基准环又是对外接合元件，推压环作为附属阻挡环的属主环并与钢球毂周向固定，所述附属限位环附属在钢球毂上，并且直接面对阻挡环的内圆柱面或端面时，只要在附属限位环与阻挡环相应表面之间形成一个径向或轴向嵌合机构，就可以得到阻挡环的径向限位方案。

而阻挡和限位的最优方案是，阻挡齿和附属阻挡齿二者齿顶的阻挡工作面是升角不大于ρ的螺旋面，且至少在其中一个齿顶面的中部形成有限位凸起，客观上起到令阻挡齿充当限位齿、附属阻挡齿充当附属限位齿的作用。同时，令附属限位环与附属阻挡环为同一个环，令限位嵌合机构与阻挡嵌合机构重合成一个控制嵌合机构，从而最终实现阻挡嵌合机构自限位以及轴向阻挡高度可无级变化和自适应的目的。同时，必须保证限位嵌合机构的最大限位嵌合深度，大于钢球嵌合机构的全齿嵌合深度。

为求更好，还可将控制嵌合机构中的限位凸起的与阻挡工作面同侧的侧面做成升角为β的螺旋面，|δ|≤β＜180°。而为使阻挡嵌合机构工作得完美和可靠，最好对阻挡环施以约束，以迫使其在嵌合状态中相对静止在基准环的基准端面或基准圆柱面上。

为使阻挡嵌合机构工作得完美和可靠，最好对阻挡环施以约束，以迫使其在嵌合状态中相对静止在基准环的基准端面或基准圆柱面上。

另外，在|δ|≤β＜90°-φ时，如果在基准环与阻挡环之间设置一个可以将阻挡环强制限制在相对基准环的特定周向位置上的嵌合类限位机构，即阻挡环止转机构，该机构嵌合时，阻挡环失去轴向阻挡能力，那么，就可轻松实现离合器的强制嵌合和复位。其中，φ是组成控制嵌合机构的双方在限位凸起的侧面上摩擦接触所形成的摩擦副的摩擦角。而阻挡环止转机构，可以是由基准环基准端面或基准圆柱面上的轴向或径向通孔、阻挡环相应摩擦面上的相应凹槽或开口环缺口、以及止转柱销组成的销槽式嵌合机构。

最后，为保证双向以及可强制嵌合的安全离合器的可靠工作，可将推压环与钢球毂周向固定，比如通过轴向销孔式嵌合机构。

在本发明中，通过向钢球嵌合机构内加入起轴向阻挡作用的阻挡嵌合机构，以及阻挡环止转机构，很好地实现了所提出的发明目的。即，在附属限位环与附属阻挡环形成为一体时，利用阻挡齿顶中部的限位凸起或可自锁的阻挡工作面，在附属限位环与附属阻挡环仅仅周向固定时，利用阻挡上单独形成的限位工作面，也就是分别利用控制嵌合机构和单独的径向型或轴向型销槽式限位嵌合机构，或予以综合利用，均很好地维持住了阻挡工况下阻挡嵌合机构内部的周向相对位置，很好地达成了维持住阻挡关系，阻止超越状态中的钢球嵌合机构嵌合复位以及消除分离冲击或碰撞的目的；而借助于反向转动或借助阻挡环止转机构强行解除其阻挡能力的方式，很好地达成了过载后快捷、方便和自动恢复嵌合，以及长寿命的目标。其最高工作转速和转矩，以及应用范围都得到拓展。而且，仅仅增加一个简单的阻挡环，离合器的结构和制造成本不会明显改变。

附图说明

图1是本发明实施例一的轴向剖面图。

图2是图1中钢球毂的示意图，(a)是主视图，(b)是左视图的轴向剖面图。

图3是图1中推压环的示意图，(a)是右视图的轴向半剖图，(b)是主视图。

图4是图1中阻挡环的示意图，(a)是主视图，(b)是左视图的轴向剖面图，(c)是放大的(a)中T方向局部径向投影的展开示意图。

图5是图1中两个嵌合机构的齿廓间的相对关系于不同工况下，在同一外圆柱面上的径向投影的局部展开示意图，(a)是嵌合状态下钢球嵌合机构的齿形关系示意图，(b)是与(a)对应的控制嵌合机构的齿形关系示意图，(c)是阻挡工况下钢球嵌合机构的齿形关系示意图，(d)是与(c)对应的控制嵌合机构的齿形关系示意图，(e)是(a)的局部放大示意图，(f)是与(c)对应的单向控制嵌合机构的齿形关系示意图，箭头代表相对过载转动方向。

图6是用径向投影展开图形式表示的、具有各种齿形的阻挡嵌合机构在阻挡工况中所有可能的对顶接触关系示意图，所有图中的左侧轮廓线都属于阻挡环，所有右侧轮廓线都属于附属阻挡环；(a)～(i)表示的是控制嵌合机构的各种情形，其中(a)～(c)表示的是三种特殊齿形，(d)～(i)表示的是|δ|＜λ≤ρ时的全部齿形，而(e)～(i)则是其中β＝λ且共面的特殊齿形；(j)表示的是适用于径向型限位嵌合机构的齿形。

图7是本发明实施例二的轴向剖面图。

图8是图7中推压环的示意图，(a)是(b)的右视图的轴向剖面图，(b)是主视图。

图9是图7中阻挡环的示意图，(a)是主视图，(b)是左视图的轴向剖面图。

图10是本发明实施例三的轴向半剖图。

图11是本发明实施例四的轴向半剖图。

图12是本发明实施例五的轴向半剖图。

图13是本发明实施例六的轴向剖面图。

图14是本发明实施例七的轴向半剖图。

图15是本发明实施例八的轴向半剖图。

图16是图15中钢球毂的示意图，(a)是主视图，(b)是左视图的轴向半剖图，(c)是(a)中T-T圆柱剖面的展开图的局部旋转放大示意图。

图17是径向限位模式的本发明实施例九的轴向剖面图。

图18是本发明实施例十的轴向半剖图。

具体实施方式

必要说明：本说明书的正文及所有附图中，相同或相似的构件及其特征部位均采用相同的标记符号，并只在它们第一次出现时给予详细说明，其后再次出现时将不再给予重复的详细阐述。

图1～图5示出了本发明的第一个实施例，具有最典型的弹簧钢球安全离合器的结构形式。如图1所示，固定接合元件50由钢球毂80的一端套装在第二轴套206无螺纹端的外圆柱面上，并被卡环210轴向固定。第二轴套206与钢球毂80制成刚性一体，如图2所示。阻挡环100置于固定接合元件50嵌合端的圆形凹穴内。约束弹簧120安装在阻挡环100与钢球毂80之间，迫使阻挡环100贴紧圆形凹穴的端壁，即基准端面54，令后者静止在该基准端面54上。钢球60放置在钢球毂80上周向均布的通孔82中，在其部分球体于一个方向上嵌入固定接合元件50相应端面上的钢球凹槽的同时，仍有部分球体于另一个方向上顶在推压环90的端面上。推压环90由钢球毂80的另一端套在第二轴套206螺纹端的外圆柱面上。附属于其上的附属阻挡齿142穿过钢球毂80上的避让通孔84，与阻挡环100组成阻挡嵌合机构。弹簧160安装在推压环90与调节螺母164之间。调节螺母164以螺纹形式联结在第二轴套206的外螺纹上。锥形衬套208用于固定联接第二轴套206与第二转轴，由螺栓214和螺纹孔216对其轴向施力。止转柱销联动环180上周向均布有三个止转柱销182，由固定接合元件50外端分别嵌入其上的三个止转柱销安装孔188中，止转柱销182的销顶面接近但不接触到阻挡环100，由安置在止转柱销联动环180与固定接合元件50之间的复位弹簧186保证。

本实施例中，双向阻挡嵌合机构径向上位于钢球嵌合机构之内。固定接合元件50既是对外接合元件又是基准环，推压环90以其整体作为附属阻挡齿142的环状基体的形式充当附属阻挡环的属主环，如图3所示。三个附属阻挡齿142均布在推压环90的内孔处的同一端面上，每个齿顶都对称地形成有两个升角为λ的螺旋面型的阻挡工作面148，|δ|＜λ≤ρ。

如图4所示，阻挡环100的阻挡齿102一体均布在环状基体112的外环侧，其齿顶中部形成有限位凸起114。每个阻挡齿102上均对称地形成有两个升角为λ的螺旋面型的阻挡工作面108，两个升角为β的限位凸起螺旋侧面118，|δ|≤β＜180°，以及一个限位凸起顶面116。具有阻挡工作面108的一端为阻挡环的嵌合端面，另一端是阻挡环的周向滑动端面124。该端还均布有三个止转凹槽126，也就是阻挡环100的三个阻挡齿齿槽。

如图5(a)、图5(b)和图5(e)所示，固定接合元件50、钢球60、钢球毂80以及推压环90四者轴向上组成钢球嵌合机构，其中，固定接合元件50和钢球毂80均轴向固定。阻挡环100与附属阻挡环组成既是阻挡嵌合机构又是限位嵌合机构的双向控制嵌合机构。控制嵌合机构的入口裕度K为

(相关符号表示对应点间的圆周角)，这里，K＞θ_c+θ_f+η；轴向分离距离大于

后，由双方阻挡工作面所限定的限位嵌合机构的周向自由度天然地大于K。嵌合状态下， $\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{AG}}<D_c<\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{BE}},$ 其中，D_c代表钢球嵌合机构的全齿嵌合深度，

代表阻挡嵌合机构的最小阻挡高度(横线符号表示轴向距离，下同)，

代表限位嵌合机构的最大限位嵌合深度。图5(c)、(d)给出了过载工况下各嵌合机构的齿形关系，图5(f)给出了对应于图5(c)的单向控制嵌合机构的齿形关系图。

不难理解，本实施例中止转柱销182及其安装孔188周向均布三个，阻挡环100和附属阻挡环各有三个均布的完全一致的径向齿，以及以阻挡齿齿槽充当止转凹槽126的安排都不是必需的，而纯粹是出于简化结构和工艺等的需要。对于附属阻挡环无法与其属主环一体形成的特殊情况，可以采用事先将它单独制作出来，再事后把它与属主环以或焊接或过盈配合等的方式加以刚性组合的方法来处理。同样道理，约束弹簧120和复位弹簧186虽然均为波形弹簧，但也可以是其它任何形式的弹性体。

下面结合工作过程并参照图1和图5对本实施例作进一步的说明。

在嵌合状态下，工作转矩经锥形衬套208、第二轴套206、钢球毂80传给钢球60，再经钢球60与凹槽52的嵌合作用传给固定接合元件50，参见图5(a)或5(e)，并由固定接合元件50上的螺纹孔64传给联结于其上的回转构件。当然，传递方向也可以是相反的。过载时，也就是所传递的转矩在钢球60与凹槽52的接触面上所产生的轴向反力大于弹簧160所提供的嵌合压力时，钢球60必然会退出凹槽52，于是钢球嵌合机构的嵌合关系不复存在，负载与动力源之间的转矩传递路线被断开，从而保证了整个轴系或设备的安全。

在过载分离开始后，由于有参数 $\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{AG}}<D_c$ 的限制，因此，当推压环90相对固定接合元件50的轴向分离距离达到D_c时，其上附属阻挡齿阻挡工作面148的最低点A早已轴向越过阻挡齿阻挡工作面108的最低点G，参见图5。又由于阻挡环100被约束弹簧120静止在固定接合元件50上，因此，只要阻挡嵌合机构的入口裕度K不远离其下限值，转动中分离的过程就足以确保在控制嵌合机构的轴向分离距离第一次同步达到D_c时，附属阻挡齿阻挡工作面148就已经可靠地跃上阻挡齿阻挡工作面108，相互抵触并建立起稳定的自锁静摩擦关系，进而带动阻挡环100在固定接合元件50的基准端面54上圆周滑转，从而将推压环90与固定接合元件之间的轴向分离过程停止在最大分离距离上。因此，推压环90与固定接合元件50的轴向分离距离维持在D_c值上不变，钢球60轴向上处于上述二者之间，与二者的轴向间距恒定为零，即，钢球60与固定接合元件50处于无任何有害冲击和碰撞的零接触超越滑动或滚动摩擦工况。这将显著降低两者的磨损速度，消除噪音，并延长离合器寿命。

由于使用了双向阻挡嵌合机构，所以，本实施例的安全离合器在两个方向上都具有无分离冲击和碰撞的特性。应该强调的是，控制嵌合机构中阻挡工作面的螺旋升面特点是保证阻挡工况中工作齿零碰撞的前提条件，即，必需要求λ＞0。而|δ|＜λ≤ρ既是阻挡工况中阻挡工作面之间摩擦自锁的必要条件，也是阻挡嵌合机构在一定范围内具备自适应轴向分离距离的能力和自动补偿各种轴向磨损的能力，提升安全离合器的总体性能和使用寿命的必要条件，而且，可补偿的量还可于制作时按需给定。特别地，当δ＞0且0＜λ＜δ时，附属阻挡齿142将因对顶接触的两阻挡工作面不能自锁而相对滑转爬升，令阻挡嵌合机构的轴向分离距离大于D_c，直至遇到限位凸起114。即，经过适当的设计，可以得到令钢球不受轴向压迫的过载转动工况。另外，阻挡工作面之间的自锁关系只存在于对应的过载转动中，即，存在于令对顶接触中的阻挡工作面的升角为正的相对转动中，而绝不存在于令其为负的相对转动中，因为后一转动中的升角λ’＝-λ＜-|δ|，λ’完全落在了自锁必要条件λ’≥δ的下限之外。因此，改变阻挡工况中固定接合元件50与推压环90的相对转动方向，阻挡工作面之间原有的自锁关系将立即消失，阻挡环100将不再跟随附属阻挡齿142一体转动，而是静止在基准环基准端面54上。

所以，对于安全离合器的嵌合复位，本实施例的一种方法就是反转法，实施的前提条件就是必需K＞θ_c+θ_f+η。此时，无论出现何种极端情况，最多只要令安全离合器的主动元件反向转过一个钢球凹槽52，即，令固定接合元件50相对推压环90作出相反于过载相对转动的相对转动并转过一个凹槽52，附属阻挡齿142都能滑离阻挡齿102的阻挡工作面108，与钢球一起同步嵌合复位，而不会出现反向分离阻挡的情况，尤其是在使用了单向阻挡嵌合机构的时候，阻挡齿齿槽口更是随同附属阻挡齿142同步转动，参见图5(f)。本实施例中嵌合复位的另一种方法是使用了阻挡环止转机构的止转法。即，在维持过载转动状况的同时，轴向压迫止转柱销联动环180，令其克服弹簧186的轴向反力后将止转柱销182轴向压入阻挡环滑动端面124上的止转凹槽126中，将阻挡环100周向停止在令其丧失轴向阻挡能力的特定相对位置上，于是，附属阻挡齿142被迫相对阻挡齿102滑转和爬升，并在越过其中部的限位凸起114之后嵌入阻挡环100的下一个齿槽中，从而实现离合器可控嵌合复位目的。

显而易见，本发明之安全离合器的嵌合复位，机理简单，过程可靠，易于实现自动化和远程控制，必将提升其工作转速和转矩，拓展其应用范围。

应说明的是，阻挡环止转机构和可控嵌合复位的止转法都是非必需的可选结构或方法。而如果使用该结构和方法，那么阻挡齿齿顶中部限位凸起的齿侧面118的升角β就必须满足不等式：|δ|≤β＜90°-φ，且以该侧面118与阻挡工作面108共面为最佳，即，β＝λ。另外，阻挡环止转机构也可以是径向型等的其它形式，相关说明可参阅图18的实施例。

如果本实施例为纯粹的单向安全离合器，那么可以采用仅具有单向阻挡功能的阻挡嵌合机构，如图5(f)所示，此时，该嵌合机构的周向自由度可以为零。另外，本实施例中对阻挡环100的约束不是必需的，这样做的目的只是为了绝对确保阻挡嵌合机构能在第一时间内建立起轴向阻挡关系。而约束的方式也不限于弹簧压缩一种，还可以是用磁性材料制作固定接合元件50或阻挡环100的全部或局部以造成二者磁性吸合的方式，或者将阻挡环100制成带轴肩的弹性开口环的方式，或者制成带锥形回转面的弹性开口环，或者是径向弹性力作用在阻挡环100的局部锥形回转面上，比如弹簧滚珠以及弹性卡环等的径向压迫方式。关于阻挡环100及其约束方法、阻挡嵌合机构、限位嵌合机构、它们与其它构件的关系，以及有关δ和ρ的说明，在本专利申请人提出的申请号为200720146912.5以及200720146911.0的中国专利及其同名发明专利中有更详尽细致的描述，该四项专利整体上被本申请所参引，在此不再予以详述。

图6示出了具有各种齿形的阻挡嵌合机构在阻挡工况中所有可能的对顶接触情形。图6(d)～(i)中|δ|＜λ≤ρ，表示的是可以实现分离齿齿顶零接触摩擦，并具有磨损补偿功能的控制嵌合机构的所有齿形关系。图6(d)表示的是β≠λ的情况；图6(e)～(i)表示的全是β＝λ且阻挡齿齿顶中部限位凸起的齿侧面118与阻挡工作面108共面的特殊情形，该情形有利于加工制造。图6(a)、图6(b)和图6(j)对应于过载分离后有碰撞式磨损的各种齿形关系。

需要说明的是，由于阻挡嵌合机构等的工作原理、关系和过程完全相同，所以以下实施例中将不再给于重复说明，而只对具体结构进行必要解释。

图7～图9示出的实施例二是图1实施例的简单变形。没有阻挡环止转机构，阻挡工作面均位于推压环90一侧。因此，如图9所示，阻挡环100相应地改成了轴向型基体的形式，环内形成有方便约束压簧120施力的内轴肩128。三个阻挡齿102均布在环状基体112的同一端面上，其轴向长度增加，以穿过钢球毂80上的避让通孔84，与附属在推压环90内孔处的附属阻挡环组成阻挡嵌合机构。如图8所示，双向附属阻挡齿142径向上凸出于推压环90的内孔圆柱面。另外，推压环90上还形成有定位孔92，与钢球毂80上相应端面上的凸起形成嵌合关系，以保证附属阻挡环与钢球60间周向相对位置的稳定。必须指出的是，这种稳定的周向相对位置关系的要求只存在于使用了双向阻挡嵌合机构的离合器中，而不存在于使用了单向阻挡嵌合机构的离合器中。另外，阻挡环100通过避让通孔84与钢球毂80形成周向限位关系，其周向自由度必须大于阻挡嵌合机构的入口裕度K。

图10示出的实施例三，具有图1中结构出现之前的弹簧钢球安全离合器的常见形式。与图1中最大的结构不同在于推压环90与钢球毂80是刚性一体的，相应地，钢球毂80只能以花键的形式周向固定在第二轴套206上，为稳定起见，弹簧座162也以花键的形式周向固定在第二轴套206上。最直接地，弹性开口环形式的双向阻挡环100直接套装在固定接合元件50上的基准圆柱面上，轴向上受基准端面54支撑。附属阻挡齿142直接形成在钢球毂80的外圆柱面上。固定接合元件50与第二轴套206间隔有滑动轴承220，弹簧座162与调节螺母164之间隔有垫圈166。

图11示出的实施例四仍然具有图1实施例的核心结构。本例中，阻挡嵌合机构径向上位于钢球嵌合机构之外，其阻挡环100以嵌合端面朝向推压环90的形式套装在固定接合元件50的小径外圆柱面上，约束弹簧120安置在阻挡环100与钢球毂80之间，将阻挡环100压在基准端面54上，令其相对静止于固定接合元件50。附属阻挡齿142一体形成在推压环90的外圆柱面上，与阻挡环100组成双向阻挡嵌合机构。为提高可靠性，轴向型的联动销86镶嵌在钢球毂80上面对推压环90的端面上，并同时可轴向滑动地嵌入后者的相应端面孔中，以确保整个工作周期内钢球毂80与推压环90间周向位置的不变。另外，止转柱销联动环180也相应地安装在固定接合元件50的外圆柱面上，并被其大径外圆柱面上的轴向槽周向固定，其间安装有复位弹簧186。其止转柱销182呈圆环齿状，接近但不接触到阻挡环100。对应地，阻挡环100的滑动端面124上形成有止转凹槽126

图12示出的实施例五，是钢球安全离合器中具有较高工作转速的一种结构。相比图1实施例的最大区别在于，推压环90具有了径向限制和包容钢球60的功能，相应地，钢球毂80上容纳钢球的通孔82是一个径向开放的凹槽，只具有周向限制和包容钢球60的能力。同时，固定接合元件50与其轴向限位卡环210之间增加了轴承218。本实施例中阻挡嵌合机构的布局完全同于图11实施例，但仅具有单向阻挡功能，其阻挡环100的约束由约束卡环对锥形孔的方式。其中，约束卡环122安装在位于阻挡环100内圆柱面的固定接合元件50的卡环槽中，与阻挡环100内圆柱面上的锥形轴肩配合，借助卡环122的径向弹力和锥形面的锥度，迫使阻挡环100轴向贴紧基准端面54。

图13示出的实施例六，具有不同于图1实施例的最简单的结构形式。本实施例中，钢球毂80既是对外接合元件又是基准环，固定接合元件50与第一轴套204刚性一体，所有构件均基于第一轴套204安装。钢球毂80被卡环210轴向限定在固定接合元件50的端面上。阻挡嵌合机构径向上位于钢球嵌合机构之外，轴向上位于钢球毂80与推压环90之间。其中，阻挡环100具有径向型基体，其阻挡齿102一体形成在开口弹性环状基体的内圆柱面上。该环安装在钢球毂80外的端面环88内的基准圆柱面56上，该基准圆柱面56具有一定的锥度，因此，借助弹性力，阻挡环100可以贴紧基准端面54，并相对其静止。推压环90以其整体作为附属阻挡齿142的环状基体的形式充当附属阻挡环的属主环，三个附属阻挡齿142均布在推压环90的外圆柱面上。理论上，因为过载后钢球60难以转动，所以本实施例原结构的安全离合器具有磨损大的缺点。但在增加了阻挡嵌合机构之后，该缺点将得到很大的改进，结构优点将得到更大的发挥。

图14示出的实施例七，具有完全同于图13实施例的核心结构。区别在于轴向上翻转了阻挡嵌合机构的位置，由推压环90充当基准环，由钢球毂80充当附属阻挡环的属主环。即，三个单向附属阻挡齿142周向均匀地一体形成在钢球毂80的面对推压环90的端面上。阻挡环100是一个内圆柱面上形成有轴肩，外圆柱面上均布有三个单向阻挡齿102的弹性开口环。该环安装在推压环90外的外圆柱面上，受到该外圆柱面上轴肩的单向支撑。阻挡环100的内孔轴肩将确保该环与推压环90轴向移动的同步性。

图15示出的实施例八，具有完全同于图14实施例的结构形式。区别仅在于阻挡嵌合机构的细节上。即，三个附属阻挡齿142不再凸出于钢球毂80的端面，而是隐没在钢球毂80的两端面之间，如图16所示。同时，阻挡环100是一个完整的环，其三个双向阻挡齿102周向均匀地一体形成在阶梯形环状基体112的小径环的外端面上。该阶梯形环状基体112的大径环外端轴向上凸出于推压环90，约束卡环122安装在该端相应的卡环槽内。居于它们二者之间的约束弹簧120在将阻挡环100约束在推压环90的支撑轴肩上，也就是基准端面上的同时，也确保了阻挡环100与推压环90轴向移动的同步性。

本实施例中，阻挡嵌合机构也可以是如图14实施例一样的单向型的。由图16不难得知，钢球60的数量越少，双向阻挡嵌合机构相对单向的阻挡嵌合机构对钢球毂80的周向强度的削弱程度越大。因为单向时，阻挡嵌合机构的周向自由度可以为零。

图17示出的实施例九，具有径向型的限位模式，以及完全同于图1实施例的结构形式。最核心的区别在于阻挡嵌合机构中所有阻挡工作面的升角均为零，参见图6(j)，限位嵌合机构的限位方式不再依靠阻挡工作面的自锁或阻挡齿齿顶的限位凸起114，以及附属限位环不再与附属阻挡环完全同一，而是独立地附属在与附属阻挡环周向固定的钢球毂80上。即，附属限位环的限位凸起由限位销94担当，该限位销94镶嵌在钢球毂80的直接面对阻挡环100内孔面的圆柱面上，与阻挡环100内孔面上的相应限位凹槽配合组成限位嵌合机构。当然，限位销94也可以镶嵌在钢球毂80的直接面对阻挡环100的环状基体端面的相应端面上，与该环状基体端面上的相应限位凹槽配合组成限位嵌合机构。限位嵌合机构的周向自由度X大于阻挡嵌合机构的入口裕度K。以这样的效果来确定限位嵌合机构与阻挡嵌合机构周向相对位置及各自构件的周向尺寸，即，对单向阻挡嵌合机构是：在阻挡嵌合机构嵌合的状态下，限位销94必须能够在非工作方向上接触到限位凹槽的限位工作面；对双向阻挡嵌合机构是：限位嵌合机构不得妨碍阻挡嵌合机构在两个方向上建立阻挡关系，而以两机构可同时居中嵌合的定位为最佳。为保证阻挡环100相对固定接合元件50的约束静止，该环被制成一个外圆柱面上均布有三个阻挡齿102的弹性开口环。

如前所述，过载发生时，附属阻挡齿142将跃上阻挡工作面108。由于阻挡工作面的升角λ＝0，以及几何尺寸 $\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{AG}}<D_c$ 的限制，因此，在分离嵌合机构分离距离达到最大值D_c时，阻挡齿之间必然存在轴向间隙，阻挡嵌合机构内部的阻挡工作面之间必然无法自锁或无法稳定自锁。所以，在没有限位凸起114的情况下，附属阻挡齿142必将相对阻挡环100继续转动，直至用尽限位嵌合机构的周向自由度。其后，与附属阻挡齿142周向固定的限位销94将驱动阻挡环100相对固定接合元件50滑转，从而形成对推压环90的稳定阻挡。但这种稳定的阻挡不可能将推压环90停止在其轴向移动的最大距离D_c上，而是令其在轴向移动距离为与D_c的这两个位置之间跳跃往复，而对应的轴向移动量就是钢球的剩余碰撞量。显然，本实施例不如前述无碰撞实施例性能优越，但碰撞是很微小的，技术上仍然优于现有技术的方案。

而在嵌合复位的反向相对转动过程中，由于钢球60间歇性地导致推压环90不能接触到阻挡环100，所以，阻挡环100至少在此脱离接触期可以借助自约束静止在固定接合元件50的基准圆柱面上，等同于阻挡嵌合机构不能自锁，因此，如第一实施例所述，阻挡嵌合机构很容易实现嵌合复位，即，整个钢球嵌合机构很容易实现嵌合复位。

容易理解，当阻挡工作面的升角λ为：0＜λ＜δ时，阻挡嵌合机构是不可能自锁的，其嵌合复位完全同于第一实施例。而且很明显地，强制止转阻挡环100的嵌合复位方法不适用于本实施例。

图18示出的是本发明在联轴器中的具体应用，它由图7实施例改进得来。其中，固定接合元件50的外端设置有凸耳224，联轴器的第一接合元件222上的相应端面上也设置有凸耳224，二凸耳之间填充有星形弹性件226以形成星形弹性联轴器。

反转法和止转法都可以用于本实施例过载后的嵌合复位。不同于图1实施例，本实施例中采用了径向型的阻挡环止转机构。即，止转柱销182径向外端的轴肩上套以弹簧，可滑动地嵌在固定接合元件50的径向通孔中，周向上介于钢球凹槽之间，其销顶面接近但不抵触到阻挡环100。在阻挡环100外圆柱面的对应位置设置有止转凹槽126，在固定接合元件50的对应外圆柱面上安置有止转柱销联动环180，该环的内圆柱面为一凹槽型凸轮面，该凸轮面与止转柱销182的外端配合并被该柱销轴向限位，当周向制动止转柱销联动环180，也就是该凸轮相对固定接合元件50转动时，可将止转柱销182径向压入阻挡环100的止转凹槽126中，从而将阻挡环100周向停止在令其丧失轴向阻挡能力的相对位置上。而撤出上述周向制动，离心力和径向弹性力将迫使止转柱销182再次回到凸轮面的最大外径处，从而令其销顶脱出止转凹槽126。

关于止转法的工作机理，相关的径向通孔及止转凹槽126的周向位置关系，以及阻挡齿齿顶中部限位凸起的齿侧面118的升角β的取值范围等说明，完全同于图1实施例，这里不再重复。

由于阻挡嵌合机构径向上位于钢球嵌合机构之外，所以，相对图1所示实施例，图10～图15所示的实施例过载后的残余转矩都将明显为大。当然，只要将其移动至钢球嵌合机构的径向之内，这个不足就不存在了。

以上仅仅是本发明针对其有限实施例给予的描述和图示，具有一定程度的特殊性，但应该理解的是，所提及的实施例都是用来进行说明的，其各种变化、等同、互换以及更动结构或各构件的布置，都将被认为未脱离开本发明构思的精神和范围。

Claims (10)

1.一种零碰撞弹簧钢球安全离合器，包括固定接合元件、钢球、钢球毂、推压环、弹簧以及调节螺母，且均基于同一回转轴心线布置，钢球毂轴向上位于固定接合元件和推压环之间，弹簧居于推压环与调节螺母之间，钢球置于钢球毂的轴向孔或槽中，在推压环的压迫下可部分嵌入固定接合元件相应端面上的钢球凹槽中，钢球毂和推压环可以形成为一体，其中，固定接合元件以及钢球毂分别与第一转轴或第二转轴周向固定，调节螺母联接在与固定接合元件或钢球毂周向固定的转轴上，在所述弹簧的作用下，固定接合元件、钢球、钢球毂及推压环四者组成钢球嵌合机构，其特征在于：

(a)布置有阻止过载分离状态下的所述钢球嵌合机构轴向嵌合的阻挡嵌合机构，由阻挡环和附属阻挡环轴向嵌合而成，该两个环上都形成有具有轴向阻挡作用的径向型阻挡齿；所述阻挡嵌合机构的最小阻挡高度，小于所述钢球嵌合机构的全齿嵌合深度；

(b)布置有对所述阻挡嵌合机构中阻挡环的周向相对位置实施限制的限位嵌合机构，由阻挡环和附属限位环组成；附属限位环与其属主环形成为一体，且所述附属限位环与附属阻挡环周向固定；所述阻挡嵌合机构的轴向分离距离大于所述最小阻挡高度时，所述限位嵌合机构的周向自由度，大于所述阻挡嵌合机构的入口裕度。

2.按权利要求1所述的安全离合器，其特征在于：所述阻挡嵌合机构，轴向上位于对外接合元件与推压环之间，径向上位于所述钢球嵌合机构之内或之外；所述附属阻挡环与其属主环形成为一体，该属主环是推压环或对外接合元件，所述阻挡环受基准环基准端面的单向支撑，其滑动端面与该基准端面构成周向自由滑动摩擦副；所述基准环是与所述附属阻挡环的属主环相对的对外接合元件或推压环；所述对外接合元件是固定接合元件或钢球毂。

3.按权利要求1所述的安全离合器，其特征在于：

(a)所述阻挡齿和附属阻挡齿二者齿顶的阻挡工作面均为两个，该两个阻挡工作面分别对应地形成于每个齿顶面的两侧；

(b)所述阻挡嵌合机构的入口裕度K符合不等式：K＞θ_c+θ_f+η，相关参数定义如下：

θ_c：在安全离合器回转圆周内，钢球球心所在回转圆柱面与固定接合元件嵌合端面上两相邻钢球凹槽上边沿之间的交点所对应的圆周夹角；

θ_f：在安全离合器回转圆周内，钢球球心所在回转圆柱面与钢球当量齿顶面边界之间的交点所对应的圆周夹角；

η：由于导角等带来的修正量。

4.按权利要求1～3任一项所述的安全离合器，其特征在于：

(a)所述固定接合元件既是基准环又是对外接合元件，所述推压环作为附属阻挡环的属主环，推压环与钢球毂周向固定，所述附属限位环附属在钢球毂上，并且直接面对阻挡环的内圆柱面或端面；

(b)所述限位嵌合机构，是一个形成在所述附属限位环与所述阻挡环相应表面之间的径向或轴向嵌合机构。

5.按权利要求1～3任一项所述的安全离合器，其特征在于：

(a)所述附属限位环与所述附属阻挡环为同一个环，所述限位嵌合机构与所述阻挡嵌合机构重合后构成一控制嵌合机构，该控制嵌合机构中，阻挡齿同时也是限位齿，附属阻挡齿同时也是附属限位齿；

(b)所述控制嵌合机构中，阻挡齿和附属阻挡齿二者齿顶的阻挡工作面是升角不大于ρ的螺旋面，且至少在其中一个齿顶面的中部形成有限位凸起，这里，ρ是能够令阻挡工况中由双方阻挡工作面轴向接触所形成的静摩擦副成功自锁的阻挡工作面的最大升角；

(c)所述限位嵌合机构的最大限位嵌合深度，大于所述钢球嵌合机构的全齿嵌合深度。

6.按权利要求5所述的安全离合器，其特征在于：所述控制嵌合机构中的限位凸起的与阻挡工作面同侧的侧面，是升角为β的螺旋面，|δ|≤β＜180°，其中，|δ|是能够令阻挡工况中由阻挡齿阻挡工作面和附属阻挡齿阻挡工作面轴向接触所形成的静摩擦副成功自锁的阻挡工作面的最小升角的绝对值。

7.按权利要求1～3任一项所述的安全离合器，其特征在于：通过约束可将嵌合状态中的阻挡环相对静止在基准环的基准端面或基准圆柱面上。

8.按权利要求6所述的安全离合器，其特征在于：

(a)在基准环与阻挡环之间设置有阻挡环止转机构，该机构是一个可以将阻挡环与基准环强制限制在特定的周向相对位置上的嵌合类周向限位机构，该机构嵌合时，阻挡环失去轴向阻挡能力，该机构非嵌合时，阻挡环具有轴向阻挡能力；

(b)所述限位凸起的所述侧面的升角β满足不等式：|δ|≤β＜90°-φ，其中，φ是组成所述控制嵌合机构的双方在所述限位凸起的侧面上摩擦接触所形成的摩擦副的摩擦角，|δ|定义同上。

9.按权利要求8所述的安全离合器，其特征在于：所述阻挡环止转机构，是由基准环基准端面或基准圆柱面上的轴向或径向通孔、阻挡环相应摩擦面上的相应凹槽或开口环缺口、以及止转柱销组成的销槽式嵌合机构。

10.按权利要求3所述的安全离合器，其特征在于：推压环与钢球毂周向固定。

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