CN101606000A

CN101606000A - 球形万向联轴节

Info

Publication number: CN101606000A
Application number: CN200780039979.1A
Authority: CN
Inventors: K·E.·格利斯曼; P·W.·苏维金
Original assignee: TOWICK CO
Current assignee: TOWICK CO; Torvec Inc
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2009-12-16
Also published as: CN101169162A; US20080102966A1

Abstract

一对球形齿轮将CV联轴节的两相交转轴连接起来。其中一个齿轮具有内齿，另一齿轮具有外齿。齿轮的设计是基于节距圆进行的，节距圆是两理论节距球上的大圆，两理论节距球是同心的，且具有相同的半径。内齿是锥形或者球形的，而外齿面是具有切向平面延伸部的圆柱状。球形齿轮示为是在半轴上。优选实施例具有每个齿轮上的六个齿，一个优选实施例还使用球体用于内齿。齿轮在负荷作用下高速旋转时，可以在60度或者更大的连续最大范围内沿着任何方向相交。

Description

球形万向联轴节

相关申请的引用

本PCT申请要求保护一项或多项发明，该发明在2007年10月25日提交的共同待审美国专利申请11/924,130中公开，名为“SPHERICALUNIVERSAL COUPLING”，该申请是2006年10月27日提交的名为“SPHERICAL UNIVERSAL COUPLING”的共同待审申请11/553,736的连续部分专利申请。上述申请在此引为参考。

技术领域

本发明涉及万向联轴节和汽车的半轴，更特定而言，本发明涉及等速万向节，其用于以一定形式将两个轴直接连接起来，以便于将转动运动从驱动轴传递到从动轴，与此同时，允许轴的轴线之间的交角偏离180°对正状态在相对宽的、连续的角度范围上(例如60°或更大的范围内)沿任意方向变动。

背景技术

公知的是：现有技术中存在用于在发生角度改变的轴之间传递旋转运动的非齿轮装置。此类装置中最为人所知的一种可能就是万向节，其被用来将汽车的驱动轴与车轮的轮轴连接起来。这些万向节通常被制成经典的双轭叉(yoke)(卡登平浮环)的形式，该结构形式表示为由一对轭叉互连起来的两根小交叉轴。但是，在每一圈完整的旋转过程中，由这样的轭叉和轴接头连接起来的转轴的转速并不相等。因而，人们研制出了等速(“CV”)型万向节(例如球笼式万向节和Birfield型万向节)，其中，倾斜转轴之间的连接点是由滑动的滚球提供的，在驱动轴和从动轴的每圈旋转过程中，这些滚球在各自的轨道内前后滑动，从而将它们各自的中心在任何时候都保持在一个平面内，该平面将两轴之间形成的瞬态角平分。但是，这样的CV万向节非常复杂，且其润滑较为困难，且在全世界的汽车工业界内，这种万向节上零部件的设计和制造都被广泛地认为是至关重要、且非常专业而高深的技术。尽管这种万向节技术已经得到了非常好的发展，但其价格仍然是昂贵的，且万向节包括许多制造困难、价格昂贵的部件，原因在于必须要以很高的精度(例如0.0002″/0.005mm)对很大的表面进行研磨。此类万向节在其所传递的转速方面受到限制，更具体而言，在它们能有效工作的角度大小方面，此类万向节受到限制。

在广泛使用的球笼式等速万向节的设计方面，例如，在万向节每次旋转时，具有：(a)沿着内外经向(弯曲的纵向)滚球引导槽的相当的往复滑动作用，以及(b)穿过所需的球形滚球保持器的矩形槽，滚球的另外的交叉滑动作用；(c)这些设计所需的球形内部轴承环的滑动，紧靠着壳体杯的突出球形表面，以及紧靠具有槽的芯部元件的突出球形直径。这些滑动作用的频率产生了热，该热与工作速度和轴的角度成比例增加。另外，球笼式等速万向联轴节的设计还必须要使得内外经向滚球引导槽发生凸轮变形，从而迫使滚球和它们的保持器进入等速平面位置。这些凸轮角度还确保了：沿着槽的滚球运动的一部分以滑动进行，而不是单纯的滚动运动。

相对于现有市场上的等速万向节设计的运动限制，球笼式经向槽的锥形(funnel)角度(或者组合的内外凸轮角度)需要大于15度，从而避免球堵塞摩擦，并且因此，相应的内外滚球引导槽迅速地汇聚和发散，限制整个角度范围，该角度范围可以容纳在合理尺寸的等速联轴节组件单元(package)中。

第No.5613914号美国专利中公开了一种采用了新型“球形”齿轮传动机构的万向联轴节。该专利及其对应的全世界范围内的其它许多专利公开了球形的齿轮，这种齿轮具有几种不同的、可能的轮齿形式，这些形式可被结合到所公开的CV万向节的多种设计中。这种球形齿轮传动机构是基于一种根本不同的齿轮几何轮廓设计。也就是说，借助于一种设计而实现了利用单对齿轮在两转轴之间传递等速，在该设计中，其中一个齿轮具有内齿，而另一个齿轮具有外齿。两齿轮的节距圆为相同的尺寸，并且实际上，两节距圆始终保持为相同节距球面上的大圆。作为球面几何学中的一个公理，这种大圆将在两个相交点处相交，在相交的大圆之间(即在两齿轮的节距圆之间)，球面上形成的一对球面二角形在球面的表面周围绘出了巨大的双纽线(“8”字形)。由于在齿轮轴的全部相对转角调整下、啮合齿轮之间的轮齿接触点的相对运动都绘制出双纽线，所以两轴以等速旋转。

尽管如上文刚刚指出的那样：每个球形齿轮的节距圆都是同一节距球上的理论大圆，通过将所述对的每个齿轮看作是具有它自己相应的理论节距表面，较为容易构思这种球形齿轮，从而允许齿轮之间的需要的相对运动。因而，每个球形齿轮也可以被认为是理论上具有它自己的相应的节距表面，节距表面为一对相应节距球面中相应的一个的形式，它们具有重合的中心，且半径大体上相等，同时还允许每个节距球绕着各自的轴线独立转动。因而，每个节距圆在理论上还可被看作分别是这些基本相同的节距球中的相应一个上的大圆，从而，齿轮对的节距圆实质上是在分开180°的两点(即“两极”)处彼此相交，且在任何时候和任何相交角的情况下，两个相应节距球的旋转轴线都是在两节距球的重合中心处相交。

一对全尺寸钢齿轮已被制出，并进行了台架试验，试验清楚地表明：球形齿轮能使偏角连接在高速工作时实现大体上真正的等速、低摩擦，同时，轴之间的夹角可在很大的角度范围内连续地变动，该角度范围比目前在售的普通汽车CV万向节的角度范围大很多。不幸的是，美国专利No.5,613,914中公开的球形齿轮非常复杂，难以制造，并且缺乏商业CV万向节使用所需的实用性。

目前，万向节有两种使用形式：(a)联锁轭叉(例如卡登万向节)的形式，以在车辆的传动轴中提供偏角互连；以及(b)汽车半轴驱动车轴的形式，其用于将驱动差速器的输出轴与车辆上转动和跳动的驱动轮连接起来。典型的市场上的半轴包括两种不同类型的万向节，例如位于一端的球笼型万向节和位于另一端的tripot型万向节。这两种万向节的制造都是复杂而昂贵的。球笼型万向节使用了六个精密研磨的滚球，如上所述，这些滚球在对应的精密研磨轨道的组合体内往复滑动，而tripot型万向节使用了三个精密研磨的球面滚子和直线形的研磨轨道。

发明内容

一对球形齿轮将CV联轴器的相交转轴连接起来。一个齿轮具有内齿，另一齿轮具有外齿。齿轮设计是基于节距圆的概念，这些节距圆是半径相等的、同心的理论节距球上的大圆。内齿是锥形的或者球形地成型，而外齿面是具有切向平坦延伸部的柱状。球形齿轮示为是位于半轴上。优选实施例在每个齿轮上具有六个齿，并且一个优选实施例也使用滚球用于内齿。当在负荷作用下以高速旋转时，齿轮可以穿过60度或者更大的连续最大范围沿着任何方向相交。球形齿轮设计提供了实用的商业上的CV万向节，其比现有的万向节更轻但是更坚固，同时容易制造，价格低廉。还公开了使用球形齿轮设计的半轴。

本发明的一对球形齿轮如同基本真正的等速联轴节一样工作，从而连接车辆传动轴的相交轴。外齿轮具有内齿，并且所述对的内齿轮具有外齿，均具有相应的节距圆，这些节距圆是半径相等的、同心的理论节距球上的大圆。然而，本发明的球形齿轮的单个齿的设计与上述美国专利No.5,613,914中公开的设计完全不同，并且甚至本发明的球形齿轮的几何构造也是不同的，使用了多个单独更小的结构球，所述结构球面设置在圆上，从而相连续的较小球面之间的相切点都位于齿轮的相同节距圆的圆周上。

每个齿轮的轮齿的每个齿面对中在各个理论上的大球形的大圆上，所述球是每个齿轮的节距球，并且每个大圆的轴线在任何时候与它的相应的相交传动轴的轴线对齐。外齿轮的内齿的齿面成型为锥形或者球形的。如果成型为锥形，每个锥面的尺寸构造成与锥形的相应的较小结构球的节距圆相切；如果成型为球形，每个球形面优选通过内球齿提供，其直径与它们相应的单独较小的结构球相同。

外齿轮上轮齿的各个齿面具有：(i)圆柱形的中央部分，其半径等于对应的各个小构造球面法向弧形厚度的一半；以及(ii)两个相应的平面延伸部，它们从中央部分的切向延伸出，且延伸方向服从于角度范围中的预定最大角度，其中的角度范围是齿轮所需的相交角度集合。优选的实施方式在每个齿轮上只使用六个轮齿，且这些齿轮当在负载下高速旋转时能在60°或更大的最大连续范围内相交。[注明：本领域普通技术人员将立即意识到：通过将两个文中公开的球形齿轮万向节布置成背靠背的形式(如同卡登万向节的形式)，就能通过在120°或更大的最大连续范围内相交的转轴传递等速转动]

在一种实施方式中，本发明的球形齿轮CV万向节与位于其中一个万向节转轴端部的小柱塞套接管一道结合在汽车的半轴上。在另一个半轴的实施例中，柱塞套接管被结合作为用于其中一个联轴节的球齿齿轮的安装件的部件。与目前销售的半轴组件相比，这两个实施例(a)显著减轻了滑动作用和由这种滑动引起的相关的热和磨损，(b)使得不需要研磨所述CV壳体杯中的非常困难的内曲线形或者斜向(skewed)的槽，(c)使得不需要单独的滚球保持器，其中，它们的内部和外部球形很难研磨，以及不需要精确的滚球槽研磨，和(d)还使得不需要凸轮作用槽的修改以正确地定位单独的滚球保持器。目前市场上的CV联轴节的滚球保持器和滚球组的中间功能被直接驱动的凸/凹几何轮廓代替，所述中间功能用作凹槽组之间的运动传递连接，所述轮廓具有元件之间有利的滚动作用。

另外，每个本发明的半轴实施例在非轴向滑动的外部和轴向滑动(plunging)的内部CV联轴节子组件中使用具有共同设计的球形齿轮元件，降低了备料、制造和装配的复杂度和成本。

这里公开的等速联轴器从驱动轴向从动轴传递旋转，同时轴以变化的角度交叉，例如用于在汽车发动机的轴和车辆驱动轮之间传递驱动扭矩，或者用于减轻发动机活塞上的切向负载，是通过将活塞杆与汽车发动机的输出轴相连等。

附图说明

图1中示意性的局部剖视图表示了根据本发明的球形齿轮CV万向节，图中，相应的车轴示为它们的轴线处于180°的对正状态；

图2是图1所示CV万向节的第二视图，图中，相应的车轴偏离180°的对正状态以预定的最大角度x°相交(图中轴的相交角度为30°)，从而提供沿任意方向的、在2x°(60°)的总体范围内的角度运动；

图3A示意性地表示了一对旋转的球形齿轮的理论球形节距表面上处于第一位置的成组轮齿接触点的相对位置，其中的球形齿轮是按照图2中大体表示的方式进行布置的；

图3B示意性地示出了从图3A的位置转过四分之一圈的第二位置处的成组轮齿接触点。

图3C示意性示出了经过图3A的位置转过四分之一圈的第三位置处的轮齿接触点组。

图4中的线图表示了图3A、3B、3C所示轮齿接触点组中其中一组之间的相对运动；

图5A表示了用于为本发明实施例中一对球形齿轮确定轮齿形状的几何结构的第一步骤。

图5B示出了用于为一对球形齿轮确定轮齿形状的几何结构的第二步骤。

图5C示出了用于为一对球形齿轮确定轮齿形状的几何结构中的第三步骤，其中图5C被放大以清楚地表示外齿轮上一个轮齿面的细节结构。

图5D示出了用于为一对球形齿轮确定轮齿形状的几何结构中的第四步骤，其中图5D是几何结构与示意性剖视图的组合图，该剖视图表示了采用这种轮齿设计的一对齿轮的一部分；

图6A的透视图表示了根据图1、2的实施例的一种改型的球形对的第一齿轮的设计。

图6B的透视图是图1、2的实施例的变形的球形对的第二齿轮的设计。

图7是图6A、6B所示的本发明CV万向节的变形。

图8中的图表表示了图7的CV万向节中球形齿轮上啮合轮齿公有的线接触的位置，其表示了：在轴的轴线处于不同的相交角度时，两啮合齿面中各个齿面上接触线的相对位置，图中，齿面的形状被设置成平贴在图面上，且被略微放大以便于理解；

图9A是图7的CV联轴节的第一视图，图中，为了清晰起见，去掉了第一齿轮的内轮齿的杯形支撑件。

图9B是图7的CV联轴节的第二视图，从球形齿轮的相反极截取，并且与图9A处于啮合接合过程中相同的时刻。

图10A是根据本发明的球形齿轮CV万向节的一个实施例的示意性和部分侧面剖视图，使用了滚球用于第一齿轮的内轮齿，相应的车轴示为它们的轴线处于180度对齐。

图10B是沿着平面10B-10B观察的图10A的实施例的示意性和部分端面剖视图。

图10C是图10A和10B示出的球形对的第二齿轮的透视图，其中其它部件被去除从而更加清楚。

图11是图10A-C中所示的本发明的CV万向节的实施例的分解视图。

图12是图11所示的滚球-轮齿实施例的第一齿轮的安装件的变形的分解视图，其允许本发明的CV万向节作为CV万向节和用于半轴操作的滑动件而工作。

图13A是图12所示实施例的滚球-轮齿的示意性部分端面剖视图。

图13B是沿着图13A的平面13B-13B的滚球-轮齿实施例的示意性部分侧面剖视图，示出了假想的球从而指示出杯形支撑件内芯部壳体的运动的滑动范围。

图14是仅使用本发明的CV万向节的双万向节的示意图。

图15是半轴的示意图，其中具有位于每一端处的本发明的CV万向节，与柱塞单元滑动件相结合。

图16A是图15的半轴上的本发明的CV万向节之间定位的柱塞单元滑动件的侧视图。

图16B是沿着图16A的平面16B-16B的剖视图。

图17是图15所示半轴的部分的示意图，以图11中公开的实施例代替半轴的外端处的CV万向节，并且利用图12的实施例代替半轴的内端处的CV万向节和滑动件。

具体实施方式

球形齿轮设计

图1和图2表示了一种采用了球形齿轮的等速万向节，其用于将一对旋转轴相互连接起来。图1是外齿轮10(带有内齿58)的示意性的局部剖视图，外齿轮被固定在杯形的支撑件12内，该支撑件的一端被固定到第一轴14上。配合的内齿轮20(带有外齿60)被固定到第二轴16用于转动。在图1中，轴14、16被表示为它们各自的轴线22、24处于180°的对齐状态定位。轴线22、24还是配对球形齿轮10、20的对应轴线。

球面轴承以正确啮合关系保持着配对齿轮10、20。这个实施例中，该球面轴承包括：(a)内部构件，其优选地是对中球体26，其通过螺栓18固定到杯形支撑件12的底部上；以及(b)外部构件，其为毂套(hub)28的形式，该毂套被形成在齿轮20的内部上。外部构件包括两个球形环27和29，它们夹住对中球体26，这两个球形环由C形卡圈25保持在毂套28内。每个齿轮10、20的相同的理论节距球的中心点30示为在球面轴承的内部构件26内，且轴线22、24均穿过中心点30。

图2表示了与图1相同的球形齿轮机构，图中去掉了轴16。但是，在图2中，轴14、16的轴线22、24分别被表示为以x°相交，也就是说，以某个预定最大转轴角度x°，转轴的轴线可变地相交直到该角度，且同时能传递旋转力。在图2所示的实施方式中，预定的最大转轴角度x°是从180°对正状态偏离30°，因而，图示的球形齿轮对被设计成在一个达到2x°的转轴之间的连续交角范围(在该优选实施方式中是在达到60°的范围)内、沿任何方向传递旋转力。

齿轮20的外齿60在图中以实线示为绕着枢转轴线32进行枢转，其中的轴线32穿过轴线22、24相交处的中心点30(见图1)。齿轮20相对于齿轮10在第一方向上以角度x°枢转(在该实施方式中是30°)，且齿轮20的外齿60在图中也以虚线表示为绕着轴线32、在相反的方向上以角度x°枢转，从而提供沿所有方向的2x°(在该实施方式中为60°)的全部运动范围。

该视图表示了很宽的相交角度范围，齿轮副可在该范围内变化地枢转，同时令人满意地传递旋转力。在两转轴的轴线之间这种可变的角度相对运动的过程中，在任何时候，两齿轮10、20都在两个相应的啮合区域处保持着啮合状态，各个啮合区域的中心位于两个相应的点之一上，在这样的点上，齿轮的节距圆与枢转轴线32相交。下文将对此作进一步的介绍。

在图1和图2所示的CV万向节结构中，球形齿轮10、20的工作方式与现有齿轮联轴节中类似，其中，当它们相应的转轴以1∶1的速比转动时，它们并不相对彼此转动。但是，如果它们各自转轴的角度定向被可变地调离180°的对正状态(如图2所示)，则齿轮的轮齿就将在两个相应的啮合点处连续地进入啮合或脱离啮合一即使齿轮在任何时候都以相同的速度转动。下文将对此作进一步的描述。

图3A、3B、3C示意性地表示了齿轮10、20上轮齿之间进行啮合和脱离啮合的相对运动，这些附图分别表示了当轴线22、24以预定的最大角度x°相交时，围绕轴线22和24的相对齿轮转动的三个不同的位置。图3A、3B和图3C表示了：随着配合齿轮轮齿进入啮合和脱离啮合，四组不同的相应轮齿接触点的相对进动。

在图3A中，内齿轮10上的轮齿接触点A与外齿轮20上的轮齿接触点A′相啮合；与此同时，内齿轮10上的轮齿接触点C与外齿轮20上的轮齿接触点C′相啮合。图3B表示了在齿轮以1∶1的速比转过了1/4圈之后每个齿轮上的相同的轮齿接触点，齿轮10的轮齿接触点D、B与齿轮20的轮齿接触点D′、B′现在处于啮合接触状态。如图3C所示，再转过1/4圈之后，轮齿接触点A、A′以及C、C′再次啮合，但与图3A所示的初始接触位置处于180°的相对位置上。

图3A、3B、3C所示的轮齿接触点都位于它们各自齿轮的节距圆上；且在理论上，这些节距圆都是同一球面(参见上文的背景技术)上的大圆。从几何上讲，所有的大圆都在两个分开180°的位置上彼此相交。在介绍球形齿轮运动的描述中，这些相交点被称为“极点(pole)”。图4中的示意性图线表示了图3A、3B、3C所示各组轮齿接触点中一组接触点之间的相对运动。也就是说，图4描述了在齿轮10、20一起旋转一整圈时轮齿接触点A、A′沿各自节距圆10′、20′的运动轨迹。尽管各个节距圆在图中被表示为平面投影，但可以看出，每个轮齿接触点的轨迹为双纽线的图案(在球面上为“8”字形)；如万向节领域中公知的那样，在两铰接转轴之间传递等速时，这样的双纽线运动是重要的。

球形齿轮上轮齿的设计

尽管存在其它的方法来为这样的球形齿轮系统(参见上文的背景技术)确定合适的齿轮轮齿设计参数，但本发明第一实施例中，优选地是，利用图5A-5D所示的几何结构来完成该设计。

(1)在这里介绍的球形齿轮轮齿的设计中，第一个步骤以齿轮传动领域中公知的方式进行。也就是说，按照齿轮的预期执行的应用来确定齿轮副尺寸和强度的具体规格。例如，文中公开的优选CV万向节的齿轮被设计为用在轻型卡车的转向轴/驱动轴中。齿轮的齿顶圆(最大直经)通常受到该齿轮系必须工作所在的物理空间的限制，且径节必须要被选择为使得轮齿的弦齿厚(即沿着节距圆的每个齿的弦齿厚)足以允许这些轮齿在啮合时承受最大的预期载荷。在此方面，应当指出的重要一点是：如果使用根据本发明的一对球形齿轮来传递运动，则齿轮能承受的载荷是相同尺寸的普通齿轮副的两倍。也就是说，由于齿轮副共用围绕中心分开180°的两个啮合区域(极点区域)，所以啮合的轮齿数目是相同尺寸的普通齿轮副的两倍。

(2)除了上述的对于各个齿轮的同心节距球之外，本发明采用了多个个体较小的构造球面。这些较小的构造球面的数目是根据最终齿轮副所需的轮齿总数来选择的，且较小的构造球面被设置在一个圆上，以使得连续较小球面之间的相切点都位于齿轮的相同节距圆的圆周上。这种状况表示了图5A所示的第一种结构的参数。在本发明一种优选的设计形式中，每个齿轮都被设计成只具有六个轮齿，从而，当球形齿轮的轴线处于180°对准的状态时，所有十二个轮齿都是完全啮合的。因而，为了构建这种优选设计，在两齿轮的预定相同的理论节距圆42的中心30周围的圆形上布置了12个相同的较小球面40。这些球的直经d被选择为使得球沿着两齿轮的预定相同的理论节距圆42彼此相切。如上文指出的那样，每个齿轮的节距圆是齿轮的相同的节距球上的大圆，该节距球的尺寸被设计成能配合到齿轮系必须工作所处的有限的物理空间内。每个较小球面40都代表一个轮齿，十二个较小球面代表当齿轮轴线处于180°时处于完全啮合状态的所有十二个轮齿。【本领域技术人员应当认识到，可以设计具有配合轮齿的齿轮副，其中，一个齿轮的轮齿的弦齿厚不同于齿轮副中另一个齿轮的轮齿。当需要这种设计时，较小构造球面的一半小于另一半，但是不同尺寸的构造球面仍然以类似的方式彼此相交，其中连续的较小球面之间的相切点都类似地定位在齿轮的相同节距圆的圆周上，也就是在两个较大的理论和同心球面的大圆上。】

(3)该结构包括另外的小中心球面44，其位于节距圆42的重合的中心上，小中心球面44的尺寸与较小球面40的尺寸相同。

(4)使用一种结构来确定内齿轮上各个直边形轮齿的锥形齿面的锥面顶角，该结构包括中心球面44和其中一个选定的较小球面40。两相交直线46、47构造成与中心球面44的相反侧相切，且每个相应的切线46、47经过选定球面40与相邻球面共有的两个切点中相应的一个。也就是说，直线46经过切点48，直线47经过切点49。在图5A中用粗实线来表示锥形结构50，且该锥形结构50被用来确定内齿58′的齿面56′、57′的锥面的顶角52，图5B中的俯视图表示了该内容。锥形顶角52的大小是由相交直线46、47相交点c处形成的被包括的角度确定的。在图1、图2所示的本发明优选实施方式中，该结构所提供的锥形顶角是60°。

(5)采用与图5A所示结构相同的结构来确定各个齿轮轮齿的法向弦齿厚54。在该结构中，在相应齿轮的节线上测量每个选定的较小球面40的法向弦齿厚54，也就是说，一个选定球面40与相邻球面共有的两个相应切点的每一个之间。图5B表示了内齿58′的法向弦齿厚54，且图5C表示了(放大表示)外齿60的弦齿厚。

(6)图5A中所示的结构还被用来确定对中球体26的最大尺寸，该球体是齿轮副10、20共用的内部球面轴承构件(见图1和图2)。再次参见与中心球面44的相反侧相切构造的两个相交线46、47，且这两条直线被用来确定内齿轮轮齿的锥形表面的顶角。直线46、47在点c处相交，且点c与中心30之间的距离确定了圆59的半径。圆59提供了对中球体26的最大圆周。

(7)图5C放大地表示了球形齿轮副中外齿轮上每个轮齿60的结构，并用粗实线表示了轮齿60本身。

圆柱62的表面提供了轮齿60的两个表面中每一个的中央部分64。圆柱62的半径是形成法向齿厚54的法向圆周厚度的一半，其中，厚度54是在较小球面40上测得的。从圆柱形中央部分64的每一侧出发，每个外齿面都包括平面延伸部66，其根据预定的最大角度x°(预计该齿轮副工作时齿轮轴线之间的最大交角)进行变动，在图示的结构中，该预定最大角度是30°。当然，存在两个平面延伸部66，分别位于圆柱形中央部分64的每一侧上。

每个平面延伸部66起始于相应的初始切点t处，该切点与它的相应齿面的中心线65成x°角度，平面延伸部延伸到点e处，该e点与圆柱中央部分62的半径线相交，测量为2x°，从而，每个平面部分的长度t-e延伸超过初始切点t附加的x°。尽管平坦切面延伸部66可被进一步延长(如图中的虚线所示)，但各个平面延伸部66的x°长度就足以确保在齿轮的轴线以最大预定角度相交时实现完全的线接触。优选地是，如图5C所示，在超过了界定上述x°长度的点e某一预定短距离处，平面延伸部66的每个相应的外侧端被终止。外齿60的上述各个齿面与两个相应的轮齿端面68相交，如图所示，该端面可以是平面或略微的圆面。

(8)图5C中的左侧部分表示了用于确定外齿一个工作表面的每个切向平面延伸部的结构。

回顾图3A、3B和3C可理解到：当齿轮20的环形轨迹沿任何方向偏离内齿轮10环形轨迹平面一定角度时，从齿轮10的平面进行观察，外齿的圆形轨迹表现为椭圆形。此外，如果从垂直于齿轮10的平面的角度观察，外基点将变得不对齐(例如，在图3A中，当点A、A′和点C、C′在极点啮合时，如果从点B和点D的角度垂直观察，点B′、D′将落入到点B、D的内部)。因而，在齿轮轴线之间的相交角偏离180°的任何时刻，外齿轮20的节距圆相对于内齿轮10节距圆的圆弧实质上都变成了“椭圆弧”。

从下文参照图8、9A和9B所作的详细描述可认识到：当外齿滚动而与内齿啮合时，它们沿着椭圆弧从内齿轮的平面的上方或下方接近，而且随着外齿滚动脱离啮合，它们从相反的方向脱离啮合。如果外齿是从平面的下方滚入，则从平面上方滚出。外齿在内齿轮平面上方和下方移动的距离是齿轮大圆节距圆之间交角大小的函数。

随着外齿沿着椭圆弧从内齿轮平面的下方接近啮合，在一个极点处，在各个齿面的一侧上发生轮齿的接触，当同一外齿沿着椭圆从内齿轮平面的上方接近啮合，则在同一齿面的另一侧上发生类似的轮齿接触。为了达到图5C所示的结构，假定椭圆弧为在最大的优选角度x°(30°)。从内齿轮10平面下方进行接近的椭圆弧的路线的部分由直线a表示，而从内齿轮10平面上方接近的椭圆弧的路线的部分由直线b指代。

在该结构中，圆柱62的中心(其构成了齿面的中央部分64)沿着接近线a移动，从而形成了多个另外的圆弧(图中只表示了四个这样的圆弧)，它们的轨迹位于经过基础圆柱62中心的水平线的上方。类似地，另外多个圆弧示为轨迹在经过基础圆柱62中心的水平线的下方(同样，图中只表示出了四个这样的圆弧)。与所有这些另外的弧线相切的切线T绘出了位于圆柱形中央部分64每侧上的平面延伸部66。换言之，当齿轮的轴线以最大角度x°相交时，随着圆柱中央部分64的径向中心沿着外齿轮的大圆节距圆移动，每个平面66都从初始切点t处开始，并平行于所述径向中心的运动直线(a或b)进行延伸。

为便于理解图示的结构，延伸部66超过必需的最小长度一小段距离，其中，必需的最小长度由界定2x°(60°)的径向直线的点e表示。在该结构中，轮齿的平面端面68被略微滚圆，呈现为更利于最终的成型制造工艺的设计。

(9)对于最终的结构，可参见图5D，该视图是从齿轮的径向中心平面截取的外齿轮20和内齿轮10的局部示意图。图中表示了按照上述方式制出的各个齿轮轮齿，在它们各自的轴线处于180°对正条件下的齿轮处于完全啮合状态。在图中，三个内齿58与两个外齿60相啮合。如上文指出的那样，可以看出：所有轮齿的工作表面都是直边形的。外齿60为键楔的形状，其尺寸是由从圆58延伸出的直线56确定的，其中，圆的直径在长度上等于法向弦齿厚54。

当本发明球形齿轮的轴线处于180°的对正状态时，齿轮10、20的所有轮齿都按照与齿轮联轴节中的轮齿相同的方式啮合到一起。但是，如上文指出的那样，在球形齿轮的轴线偏离180°对正状态的任何时候，齿轮将持续地在每个极点-即它们的两个共用的啮合中心处进入啮合和脱离啮合。在此方面，应当指出的是：在球形齿轮的优选实施方式中，不需要基本的背隙；尽管为了制造组装和润滑在各齿轮的轮齿之间留有一定的容差(例如.002″/.05mm)。此外，轮齿的顶脊上设置有球面的离隙。

图6A和图6B中的透视图分别和分开表示了一对球形齿轮。在该实施方式中，图6A所示的第一(外)齿轮10′包括基础支撑环70，该环70具有内表面，内齿58′从该内表面与齿轮10′的轴线22′垂直地延伸出。环70包括凹进的环圈72，其被制成与用于第一齿轮10’的杯形支撑件(例如参见图11B所示的杯形件112′)的外侧相配接，从而齿轮10′被固定，以便与杯形支撑件一起转动。从该视图可容易地看到平坦的轮齿端面74，其界定了该实施方式中各个内齿58′上每个锥形齿面56′、57′的工作表面。该平坦端面在减小了重量、并利于最终成型制造的同时，还通过填充了各个轮齿上的非齿面部分从而形成完整但局部挖空的锥形(参见图1、2和图7所示的优选实施方式)而实现了另外的强度。

在图6B中，外齿60′垂直于第二(内)齿轮20′的轴线24′延伸，且在该实施方式中，该齿轮20′被安装在围绕毂套28′的环圈中，其中的毂套的一端具有带键槽的开口，以便于接纳对应的轴(例如图1中的轴16)。毂套28′的另一端(图中未示出)被配接到万向节的对中球体(例如图1和图2所示的对中球体26)上。从该透视图易于看到构成了各个外齿60′上工作齿面的圆柱形中央部分64和平面延伸部66。此外，如上文指出的那样，平面端面68可被滚圆，以利于制造。另外要指出的是外齿轮的每个顶脊69的球面离隙。

图7是图1、2所示的本发明CV万向节的设计分解图。在该优选实施方式中，内齿轮10的轮齿58是分开制造的，并被压装到支撑杯12壁面上预制出的孔眼13中，同时，外齿轮20上的空心齿60被环绕着毂套28的外部制出。如上文提到的那样，对中球体26被夹压在球形环27与29之间，该环被C形卡圈(该视图中未示出)保持在毂套28中。CV万向节被螺栓18保持到一起，该螺栓18旋拧到杯形件12的底部中。内齿58和外齿60都是中空的，以节省金属和重量。外齿60可与毂套整体形成，或者可被形成为一个分开的环圈，该环圈压装到毂套上。

轮齿的接触图形

在相交角度的整个范围内，在整个啮合过程中，上述的直边形齿面都能形成相对较长的接触线。从图5D可最为容易地看到该线接触的长度，图5D表示了当齿轮的轴线直线对正时处于完全啮合时的接触状况。本领域技术人员将认识到该线接触非常长。例如，在根据本发明设计的实际联轴节中，每个较小球面40的直径是0.75″(19mm)，齿轮的节距圆42是2.625″(67mm)，对中球体26的直径是0.9375″(24mm)，且线接触的长度是0.4375″(11mm)。

随着齿轮的轴线脱离对正状态，所有十二个轮齿将快速地脱离啮合，且大部分载荷将主要由四个轮齿来承担。也就是说，如上文介绍的那样，随着球形齿轮的轴线脱离对正状态，齿轮的大圆节距圆将在分开180°的两个“极点”处相交(例如就像地球的经线圆在南极与北极处相交)。除了非常小的相交角度，大部分载荷都由在每个极点位置啮合的每个齿轮上的两个轮齿共同承担。但是，存在着足够的交叠量，从而各对相继啮合的内齿和外齿能在每个极点处平滑地过渡。也就是说，随着它滚入到后面成对轮齿上，轮齿接触滚离前一对轮齿。

随着相交角度的增大，线接触的长度保持不变。图8所示图表中的粗黑线表示了线接触的型式，其中的图8表示了在-30°、-18°、-12°、-6°、0°、+6°、+12°、+18°和+30°、在轮齿移动经过极点位置的时刻内齿轮(I)与外齿轮(E)的各个齿面上的接触线位置。从图可看出，线接触总是保持垂直于内齿轮的外轮齿的齿面，但它从外齿轮的各个锥形内齿面上的垂线倾斜偏离(tip away)。随着齿轮之间的角度增大，接触线滚动穿过逐渐增大的较大的接触区域，该区域从齿面的各自中心延伸离开。尽管各个外齿轮面上的线保持与齿面的垂直，但各个内部锥形齿面上的线却随着它们远离锥形齿面的中心而变得越来越倾斜偏离到竖直方向。图8中的线表示出了在各个轴向交角下的最外侧接触模式，齿轮穿过接触部从齿面的中心滚动到图示的位置。

当在一个极点处线接触在各个齿面上移动并倾斜向左时，在相反的极点上，它们按照完全相同的方式移动并倾斜向右。由于刚才提到的事实可能难于理解，建议重新参见(a)图3A、3B、3C，它们表示了在一对球形齿轮的理论球形节距表面上各组轮齿接触点之间的相对运动，其中，这对球形齿轮一起在顺时针方向上转动；以及(b)图9A和图9B，它们表示了当齿轮轴线相对于水平方向以最大角度x°相交时(在图示的实施方式中为30°)相应极点附近的相接触的齿轮，提供2x°的全角度位移(图中的60°)。在图9A和图9B中，假定两齿轮绕着各自的轴线在图示的顺时针方向上转动，且外齿60正在驱动内齿58，对后者的观察是从外齿轮的齿根圆处进行的[注意：在图9A和图9B中，为了清楚起见，去掉了为外齿轮10(见图1和图2)的轮齿设置的杯状支撑件12]。

在图9A中，随着轮齿60从外齿轮10的平面的下方升上来，内齿轮20的中央外齿60与一个极点精确地对正，图中表示的是其即将与内齿58脱离接触时的情形。箭头76指示了该接触线的位置。图9B与图9A表示的是同一对齿轮在同一时刻的情形，但是从相反的极点处进行观察的。在图9B中，外齿轮20的中央外齿60也再次与相反的极点精确地对正，但其自然是示为从外齿轮10的平面的上方向下移动的，该视图同样表示的是它即将与内齿58脱离接触时的情形。图中用箭头77指出该后一个接触线的位置。

在图9A和图9B中，每个中央定位的外齿60的顶脊的一部分由细的交叉影线表示，这表示了其与轮齿的整个工作表面对正。在图9A所示外齿60工作表面的下半部分上绘制了一些黑直线，并在图9B所示外齿60工作表面的上半部分上绘制了一些类似的直线。这些直线代表了先前表示在图8上的一系列线接触，表示了轮齿在每个极点处滚过它们各自的啮合时所共有的接触型式。在每个齿面的相对的半部上，这些相应的接触是同时发生的，从而提供载荷和磨损的平衡。

尽管大部分载荷只是由各个极点处处于啮合的两个轮齿承担的，但在任何时刻至少有四个轮齿处于完全啮合状态，且总的负载始终分配在相隔180°的至少两个点上。例如，返回来讨论根据上述实施例设计的实际万向节，线接触的长度为0.4375″(11mm)。因而，应当指出的重要一点是：总载荷分布在两条直线上，它们的总长是0.875″(22mm)。另外，由于在两齿轮相反两侧的两极点处，轮齿是同时进行啮合的，所以在任何时候，载荷在齿轮上都是平衡的。

与上文背景技术部分中讨论的现有球形齿轮相比，此处所披露轮齿另一个非常重要的区别是：其不具有类似于准双曲面齿轮的理论滑动接触。相反地，上述的线接触在两极点处都是滚过啮合的。这一非常重要的特征有利于润滑并降低磨损。

球齿实施例

本发明的另一个优选实施例在图10A、10B、10C中示出，并且在图11的分解视图中示出。这个另外的实施例中，外齿轮210的内齿被球体258替换，该球体的直径与较小球面40(图5A的结构中)相同，球面40代表球形齿轮副的每个相应的内齿。因此，每个内部齿轮轮齿258具有有效的“球形”齿面。对于这个优选实施例，涉及到“锥”面内齿58的构造的上述结构步骤是不相关的。然而，这个另外实施例的内齿轮220的外齿260仍然如图5C所示一样构造，并且在图10C中清楚示出。

如上述每个实施例一样，这个实施例的球形齿轮副设计成：当轴相应的轴线222、224在由图10A中虚线224表示的角度范围内在点230处相交时(球形齿轮副的同心中心)，连接相应的第一和第二轴214和216的旋转。第二轴216在图11中被省略从而更加清楚。与之前的实施例类似(例如见图7)，内部球齿258定位在杯状支撑件212中，该支撑件212固定到第一轴214的端部，第一轴与轴线222对齐，每个球齿258接纳在芯部(core)壳体266的相应的孔口262中，该芯部壳体与杯状支撑件212相联系(图11清楚示出)。同样，外齿260类似地安装到第二轴216的端部。再次，在所有时刻，并且在轴214和216之间的所有交角下，内部球齿258和外齿260分别保持在每个相应的齿轮的节距圆的平面中。如上所述，每个相应的节距圆是齿轮的理论大节距球的大圆，并且每个节距圆的轴线总是保持与相应的可旋转元件的轴线对齐，其中所述齿轮副的每个球形齿轮附接到所述可旋转元件。

齿轮副初始一起安装成各轴线222、224如图10A所示一样对齐。在每个球齿258插入到相应的孔口262中之后，球齿的内部安置在两个连续的外轮齿260的齿面之间，并且孔隙262之后被球保持器264闭合，该保持器可以密配合、压配或者螺纹连接就位，从而保持每个球的齿面，从而它在齿轮的节距圆上对中。一个冷缩配合或者螺纹连接的外部环270围绕着杯状支撑件212的开口端用于进一步加强和固定。

杯状支撑件212的芯部壳体266包括球面268，该球面与形成在外轮齿260的顶脊上的球面269配合从而保持外部球形齿轮210和内部球形齿轮220的节距球的中心的同心，从而在轴214和216的所有相对角交叉下相对于轴线222沿着任何方向确保等速旋转，直到预定的最大角度x°，对于图10A、10B、10C和11所示的实施例，该角度为30°，提供了沿着任何方向的60°的总范围。应当认为，配合的球面268、269起着与上述本发明实施例的对中球体26相同的作用。

与上述对于轮齿-轮齿实施例描述的轮齿接触图形所不同，内部球齿258没有利用线接触与外齿260啮合。相反，球齿的球形齿面产生了扩展的圆形接触区域，类似于相对宽的接触区域，其通常是利用普通的齿轮装置的理论点接触产生的可接受的结果。

图12、13A和13B示出了上述球齿球节的变形，其中，用于齿轮副第一齿轮的杯状支撑件212’与轴线222’对齐，并且被修改从而用作用于半轴一端的组合滑动件-万向节。为了清楚起见，每个球形齿轮副的轴在这三幅图中被省略。

这个实施例中提供的最重要的变形是：a)杯状支撑件212’平行于轴线222’的延伸，和b)球形芯部壳体266’的可滑动安装，用于球形齿轮副的同心中心230’在支撑件212’内的轴向运动，从而适应半轴的工作端之间的不同距离。每个球齿258’起着两个作用：除了用作球形齿轮副的啮合齿，每个球齿258’还具有这样的自由度，即在相应的轴向球轨道272’中上下滚动，该轨道形成在杯状支撑件212’的内壁中。在根据本发明设计的实际的万向节中，球轨道272’的长度为2”(5厘米)。图13B示出了一种设计的变形，其可以适用下面的情况，该情况要求柱塞运动的反常大的量。在这些反常的情况下，由杯状件开口端处侧壁产生的可能的限制，即当芯部壳体266’位于杯状支撑件212’的底部时，内部CV联轴节齿轮副的相对角度调整被限制到+/-20°。然而，对于逐渐更小的，即更标准的柱塞运动要求，本发明的半轴的内部CV联轴器齿轮副的相对角度能力逐渐增加到大大高于所示的+/-20°的限制。

然而，必须注意，球齿258’在球轨道272’内的轴向运动仅具有一个功能，即改变球形齿轮副的同心中心沿着轴线222’的有效位置。球齿258’在球轨道272’中的这个轴向运动无论如何不会改变球形齿轮装置的球齿的等速操作，因为两个球形齿轮的节距圆总是继续共用相同的同心中心。

双CV联轴节

分段的驱动轴-例如常用在大型卡车上的驱动轴通常与卡登万向节或Hooke万向节的组合体相连接。这些现有的联轴节难于维护，且工作寿命相对较短。如上文指出的那样，本领域技术人员立即就能意识到：通过将两个本发明的球形齿轮联轴节如双卡登万向节那样背靠背地布置起来，就能通过轴传递等速旋转运动，其中所述轴在120°或者更大的连续最大范围内相交。图14表示了这样的结构设计，其利用了图7所示的本发明实施例的变形来连接沿着轴24’和24”定位的第一和第二轴的端部。图14中，背靠背的外部齿轮的内部锥形齿58’、58”的相对位置已经略微修改从而更加清楚。也就是，在优选设计中，齿58’从齿58’相对偏离30°，从而消除正弦效应。

图中用实线表示的外齿60′、60″绕着枢转轴线32′、32″转动。图中还用虚线表示了外齿60′、60″绕着轴线32′、32″在相反方向上以x°角度枢转，提供沿着所有方向的4x°(当x是30时，该数值为120°)的总的运动范围。图14中还表示出了毂套28′、28″和内齿58′、58″。在该实施方式中，第一万向联轴节通过第一元件固定地安装到第二万向联轴节上。这样就提供了第二元件与第三元件之间4x°的连续运动范围，其中，第二元件是从第一万向联轴节延伸出的，第三元件是从第二万向联轴节延伸出的。

在汽车半轴上的应用

下面参见图15、16A和图16B。如图15中示意地表示的那样，根据本发明的两个相同的球形齿轮CV联轴节被布置在半轴100的相反端，在图中，“套管(boot)”已被去掉(也就是说，未绘出本领域公知的、用于保护联轴节使其免受路面碎屑和灰尘影响的柔性套罩)。按照上文详细介绍的方式，各个CV联轴节的相应杯形支撑件112、112′具有各自的对中球体126、126′，它们被固定到杯形件的底部上，且各个CV联轴节具有毂套128、128′，该毂套围绕着每个对应的对中球体126、126′进行装配，以便于可以在从0°到预定最大角度x°的整个连续角度定向范围内、沿任何方向运动。每个CV联轴节还具有固定在每个杯形支撑件中的第一球形齿轮(图16B中的110′)、以及固定到每个毂套(图16B中的128′)上的第二球形齿轮(图16B中的120′)，第一球形齿轮具有内齿，第二球形齿轮具有外齿。在图示的优选实施方式中，每个CV联轴节的毂套128、128′分别被连接到转轴116的每端上，以进行转动。每个杯形支撑件112、112′的底部具有带键楔的开口，用于接纳相应连接转轴114、114′的端部。

图15中的示意图表示了位于车辆驱动系端部的车用半轴100，其中的驱动系包括差速器102和驱动轮104。尽管未在该示意图中表示出，但假定驱动轮104按照本领域公知的方式安装在车辆的前部，从而使得驱动轮104具有相对于差速器102在整个角度定向范围内的运动自由度，其允许驱动轮旋转而进行转向、以及响应于路面的变化而上下移动。在车辆驱动系的这两个部分之间出现任何相对的瞬态角度运动过程中，半轴100都将经差速器102把等速旋转力从车辆发动机传递给驱动轮104。

本领域技术人员能领会到：随着活动安装的驱动轮104相对于差速器102固定位置而改变角度位置，它们之间的距离将变化。尽管该变化量并不大(例如≤1.0″/25mm)，但该变化必须被补偿掉，利用图16A和图16B中放大表示的滑套180可实现该效果。滑套180包括两个可相对运动的构件181、182，第一构件181被安装成可在第二构件182中往复移动。构件181被固定到毂套128′上，且优选地是具有一对滚子184，它们悬支在横臂186上。滚子184落坐在外部构件182上制出的一对相应的轨道188中，外部构件182分别被固定到转轴116上。响应于驱动轮104与差速器102之间距离的略微改变，滑套180在滚子184上前后移动。半轴100相比于现有的半轴具有很多显著的优点，下面详细描述。

图17示出了另一个半轴200，虽然与图15的半轴100类似，但是半轴200结合上述本发明的两个球齿实施例。也就是说，这两个不同的实施例分别定位在轴216’的相反端处。再次，虽然这个示意图中未示出，但是应当认为，半轴200的外端(图中左端)连接到转向驱动轮，其以本领域熟知的方式安装在车辆前部，半轴200的内端(图中的右端)连接到差速器，并且转向驱动轮具有这样的自由度，即相对于差速器运动穿过连续的角度定向范围，从而允许驱动轮转动用于转向，并且响应于地形变化而上下移动。

外球齿球形齿轮CV联轴节274和内球齿球形齿轮CV联轴节276’被示出，其中它们各自的轴线222、222’以大约10°与轴216’的轴线224’相交。然而如上所述，外CV联轴节274的优选实施例可以沿着偏离轴线222位置的所有方向(60°的最大范围)传递等速旋转，并且在优选实施例中，内CV联轴节276’可以沿着偏离轴线222’位置的所有方向(≥40°-60°的最大范围)传递等速旋转≥20°-30°。【注意，目前，市场上的半轴的外CV联轴节被限制到52°的最大范围，而市场上的半轴的内CV联轴节被限制到23°的最大范围。】

请注意下面的事实：上述CV联轴节的两个实施例的杯状支撑件212、212’的直径相等，从而用于保护两个CV联轴节活动部件的套管设备可以相同，显著地节省了制造、备料和维护成本。另外，并且可能是更重要的，这些更大范围的CV联轴节具有较小的尺寸和重量，并且它们可以以低成本制造和装配，低于目前市场上的CV联轴节。

半轴100(图15)和半轴200(图17)相比于现有的半轴具有很多显著的优点

(1)目前市场上的CV联轴节的球保持器和球组，用作凹槽组的运动传递连接件，被本发明的直接驱动的凸/凹几何轮廓的球形齿轮联轴器代替，其具有元件之间有利的滚动作用，从而(a)显著减轻滑动作用和这种滑动产生的相关的热和磨损，(b)使得不需要非常困难地研磨CV壳体杯状件中的曲线或者斜交槽，(c)使得不需要单独的球保持器，它们的内部和外部球形非常难以研磨，并且不需要精确的球槽研磨，和(d)因此使得不需要凸轮作用槽的变形来正确地定位单个球保持器。

(2)本发明各个球形齿轮CV联轴节中零部件的数目变少，且零部件不那么复杂，制造或组装更为便宜。

(3)各个半轴100、200均具有位于两端的基本相同的联轴节，从而简化了制造，需要较少的不同部件数目用于制造和更换备料。

(4)由于本发明CV联轴节中球形齿轮的轮齿只有在各极点处接触，所以，在所有定向角度下，转动摩擦阻力都显著地小于现有半轴的阻力，因而减小了角度定向改变过程中转动半轴100、200所需的扭矩，简化了组装，并提高了驱动系的效率。

(5)球形齿轮轮齿在每一圈转动中两次啮合和脱离啮合，借助于此过程中球形齿轮轮齿的滚动运动，便于对半轴100、200进行润滑，且啮合条件下相对较低的摩擦允许使用较便宜的润滑油。

虽然本发明的球形齿轮已经描述为具有30°的优选预定最大角度，但是球形齿轮可具有小于30°或者大于30°的预定最大角度，落在本发明的范围内。对于每对球形齿轮的第二齿轮的外齿的齿形可以作为预定最大角度的函数而变化，如图5C和上面所述。

本申请描述并要求保护的球形齿轮在车用CV联轴节、万向联轴节、以及半轴领域实现了巨大的进步。

因此，应当理解：文中介绍的本发明实施方式仅是本发明原理应用的示例。此处对图示实施方式中细节内容的参考并不对权利要求的范围造成限定，权利要求本身陈述了那些被认为是本发明必需的技术特征。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1、一种万向联轴节，用于将第一元件和第二元件相互连接，第一元件和第二元件可围绕各自的轴线旋转，所述轴线以变化的角度相交，所述联轴节包括：

单对球形齿轮，包括：

第一齿轮，固定到所述第一元件用于与其一起旋转，并且包括多个内齿，每个内齿具有内齿面，所述内齿面形成有纵向的曲线，所述曲线仅具有圆形形状；和

第二齿轮，固定到所述第二元件用于与其一起旋转，并包括多个外齿，所述外齿与所述内齿配合地啮合，每个外齿具有外齿面，所述外齿面形成有柱状的中央部分，所述中央部分具有预定的半径，并且还具有预定宽度的两个平面延伸部，所述平面延伸部分别形成在所述柱状中央部分的每侧上；

每个所述齿轮都具有各自的节距表面，其为各个大节距球面的形式，所述大节距球面是同心的，且具有基本上相等的半径，每个所述齿轮的节距圆是其中一个所述相应的大节距球面上的大圆，并且所述节距圆在分开180°的两个极点处有效地彼此相交；

所述齿轮的每个相应的齿形成在设置成圆的多个单独的较小球面中的一个内，从而每个连续的较小球面在接触点处相切于相邻的较小球面，所述接触点落在所述大节距球面的表面上，每个较小球面上的所述接触点之间的距离限定每个相应齿的法向弦齿厚；和

随着所述轴线在从180°到与180°相差预定最大角度x°的角度的连续范围内变化地相交，当所述齿轮以驱动和被驱动的关系旋转时，所述元件的轴线总是在所述大节距球面的中心处相交，从而所述元件在2x°的连续最大范围上相交；

其中每个所述内齿面的表面与它相对应的单个较小球面在所述较小球面之间共有的所述接触点处相切，并且其中，每个所述内齿面的纵向弯曲的圆形形状是下列中的任一个：

i)球形的，直径等于每个所述相应的单个较小球面的至少一半的直径；或者

ii)锥形的，具有由下面结构确定的锥形顶角，所述结构包括：

a)所述较小的理论球面加上相同尺寸的另外较小的理论球面，所述另外较小的理论球面中心地定位成与所述两个大的理论球面同心；和

b)两个交叉线，构造成相切于所述较小的中心球面的相反侧，并且穿过其中一个所述较小理论球面与它的相邻球面共有的两个切点中相应的一个；

所述锥形顶角通过所述相交线在交点处形成的被包括的角度确定。

2、根据权利要求1所述的万向联轴节，其特征在于：x至少为30。

3、根据权利要求1所述的万向联轴节，其特征在于：每个所述内齿和每个所述外齿的内部是中空的。

4、根据权利要求1所述的万向联轴节，其特征在于：该万向联轴节以背靠背的形式固定地安装到第二万向联轴节，其中，第二万向联轴节与所述万向联轴节基本上相同，从而在所述第一元件或所述第二元件与从所述第二万向联轴节延伸出的第三元件之间提供4x°的连续最大运动范围。

5、根据权利要求1所述的万向联轴节，其特征在于：每个内齿都垂直于第一元件的轴线延伸，且每个外齿都垂直于所述第二元件的轴线延伸，从而每个齿轮的轮齿的每个齿面在各个大球的大圆上对中，该大球是每个齿轮的节距球面，每个所述大圆的轴线总是与每个相应元件的轴线对齐。

6、根据权利要求1所述的万向联轴节，其特征在于：各个所述外齿面的所述平面延伸部的所述预定宽度根据所述最大角度x°而变化，所述延伸部从初始切点形成到齿面中央的每侧，其中的初始切点位于与所述齿面中央的中心线成x°的位置，所述延伸部至少延伸到所述圆柱中央部分的2x°径向线处，从而使得所述齿面中央每侧的每个平面部分的长度超过x°的所述切点延伸另外一个x°，以及在齿轮的轴线以所述最大角度x°相交时，随着所述第二齿轮相对于所述第一齿轮沿着椭圆弧移动，各个所述平面延伸部从所述初始切点平行于所述圆柱中央部分径向中心的运动直线延伸。

7、根据权利要求1所述的万向联轴节，其特征在于：各个外齿面的圆柱中心部分的所述预定半径等于每个相应外齿的所述法向弦齿厚的一半。

8、根据权利要求1所述的万向联轴节，其特征在于：所述多个个体较小的球面是十二个，从而每个齿轮具有六个轮齿，且每个所述内齿面是锥形的，并且形成在杯状的支撑件内，该支撑件固定到所述第一元件的端部，并且还包括对中球体，安装在所述杯状支撑件内，所述对中球体的半径不大于所述大节距球面的所述同心中心和所述相交点之间的距离。

9、根据权利要求5所述的万向联轴节，其特征在于：具有十二个个体较小的球面，从而每个所述齿轮具有六个轮齿，并且每个所述内齿是球体，该球体的直径与所述各个个体较小球面的至少一半相等。

10、根据权利要求9所述的万向联轴节，其特征在于：每个所述内球齿支撑在杯状支撑件内，该支撑件固定到所述第一元件的端部，从而每个相应球齿的面总是保持对中在所述第一齿轮的所述相应大球面的大圆的平面中。

11、根据权利要求10所述的万向联轴节，其特征在于：所述杯状支撑件还包括具有球面的芯部壳体；并且每个所述外齿都被安装到毂套部分上，毂套部分可被连接到所述第二元件的端部上，且所述外齿的顶脊是球面，该球面与芯部壳体的所述球面配合，从而允许沿着任何方向从180°到预定最大角度x°的角度运动。

12、根据权利要求11所述的万向联轴节，其特征在于：所述内齿和外齿在分开180°的所述两极点上的每一个处同时啮合。

13、根据权利要求12所述的万向联轴节，其特征在于：各对所述内齿和外齿依次啮合，从而，随着所述元件在所述连续角度范围内可变动地相交，在任何时候都是在前一对脱离啮合之前第二对就进入啮合。

14、根据权利要求8所述的万向联轴节，其特征在于：在所有的所述可变角度上，啮合着的所述成对内齿与外齿之间共有的接触型式都是完全的线接触，随着相交角度在整个所述的连续范围内变动，所述接触线经过所述相应齿轮的整个齿面。

15、根据权利要求13所述的两个万向联轴节，其特征在于，包括：第一万向联轴节和第二万向联轴节，它们分别连接到汽车半轴的端部上。

16、根据权利要求15所述的万向联轴节，其特征在于：每个所述相应联轴节的所述毂套部分被分别连接到所述汽车半轴的一端上。

17、根据权利要求16所述的万向联轴节，其特征在于：所述第一万向联轴节的杯形支撑件可被连接到汽车差速器上，且所述第二万向联轴节的杯形支撑件可被连接到汽车驱动轮上。

18、根据权利要求15所述的万向联轴节，其特征在于：还包括：位于所述万向联轴节之间的滑套，所述滑套的总长度改变以补偿所述驱动轮与所述差速器之间由于所述驱动轮的相对运动而发生的变化的距离。

19、根据权利要求15所述的万向联轴节，其特征在于：其中一个所述联轴节的杯状支撑件轴向延伸，并且球形芯部壳体可滑动地安装用于在支撑件内轴向运动，从而补偿所述驱动轮与所述差速器之间距离由于所述驱动轮的相对运动而发生的改变。

20、根据权利要求19所述的万向联轴节，其特征在于：所述滑套包括第一构件，其具有至少一个滚子，滑套还包括具有导轨的第二构件，导轨配合地接纳所述滚子，由此所述滑套沿所述滚子的运动改变所述滑套的总长度，以补偿所述驱动轮与所述差速器之间距离由于所述驱动轮的相对运动而发生的改变。

21、根据权利要求1所述的万向联轴节，其特征在于：每个所述内齿都被形成在固定于所述第一元件端部上的杯形支撑件中。

22、根据权利要求21所述的万向联轴节，其特征在于：每个所述内齿都是单独形成的，并被压配到所述杯形支撑件中。

23、根据权利要求21所述的万向联轴节，其特征在于：对中球体被安装在所述杯形支撑件中。

24、根据权利要求21所述的万向联轴节，其特征在于：每个所述外齿被安装到可与所述第二元件的端部相连的毂套上。

25、根据权利要求24所述的万向联轴节，其特征在于：所述毂套被配接安装到所述杯状支撑件上，用于在从180°到预定最大角度x°沿任何方向实现角度运动。

26、一种用于将可转动的输入件与驱动轮相互连接起来的汽车半轴，其中的驱动轮被安装成用于相对于所述输入件执行瞬态角度运动，所述半轴包括：

-一对基本上相同的万向联轴节，每个联轴节包括杯形支撑件和配接的毂套，以使得毂套能在连续的角度定向范围内在任何方向上自由运动，其中的范围是在0°到x°最大角度之间；

-两对球形齿轮，每一对的一个齿轮具有内齿，所述内齿安装在每个杯状支撑件内，并且每对的另一个齿轮具有固定到每个毂套的外齿；

-各个联轴节的毂套被分别连接到所述半轴的相应端部上，以随其转动；

-一个联轴节的杯形支撑件可与可转动的输入件连接，且另一联轴节的杯形支撑件可与驱动轮连接；以及

-滑动机构，具有可相对彼此移动的元件，以补偿驱动轮与可转动输入件之间的距离由于驱动轮的相对运动而出现的变化。

27、根据权利要求26所述的半轴，其特征在于：所述滑动机构包括第一构件，其具有至少一个滚子，滑动机构还包括具有导轨的第二构件，导轨配合地接纳所述滚子，由此，所述滚子沿所述导轨的运动改变所述结构的总长度，以补偿所述驱动轮的相对运动。

28、根据权利要求26所述的半轴，其特征在于：滑动机构的其中一个元件被固定到其中一个联轴节的毂套上。

29、根据权利要求26所述的半轴，其特征在于：滑动机构结合在其中一个所述联轴节内，包括一对球形齿轮，具有用于内齿的球体，所述球体接纳在球形芯部壳体内，该壳体可滑动地安装用于在轴向延伸的杯状支撑件内轴向运动，从而补偿驱动轮和可旋转输入件之间变化的距离。

30、一对用于将第一元件与第二元件相互连接的单对球形齿轮，每个所述元件都可绕各自的轴线转动，两轴线以变化的角度相交，所述齿轮包括：

-第一齿轮，固定到所述第一元件用于与其一起旋转，并且包括多个内齿，每个内齿具有内齿面，所述内齿面形成有纵向的弯曲，所述弯曲仅具有圆形形状；和

-第二齿轮，固定到所述第二元件用于与其一起旋转，并且包括多个外齿，所述外齿与所述内齿配合地啮合，每个外齿具有外齿面，所述外齿面形成有柱状的中央部分，该中央部分具有预定的半径，并且还具有预定宽度的两个平面延伸部，所述平面延伸部分别形成在所述柱状中央部分的每侧上；

-每个所述齿轮都具有各自的节距表面，其为各个大节距球面的形式，所述大节距球面是同心的，且具有基本上相等的半径，每个所述齿轮的节距圆是其中一个所述相应大节距球面上的大圆，并且所述节距圆在分开180°的两个极点处有效地彼此相交；

-所述齿轮的各个轮齿都被形成在十二个个体较小的球面中的一球面内，这些球面被布置在一个圆上，以使得每个相继的较小球面与相邻较小球面在接触点处相切，接触点落在所述大节距球面的表面上，且各个较小球面上所述接触点之间的距离确定了各个相应轮齿的法向弦齿厚，和

随着所述轴线在从180°到与180°相差预定最大角度x°的角度的连续范围内变化的相交，当所述齿轮以驱动-从动的关系转动时，所述元件的轴线总是在所述大节距球面的中心处相交，从而所述元件在2x°的连续最大范围上相交。

31、根据权利要求30所述的齿轮，其特征在于：每个所述内齿是球体，其直径与所述各个个体较小球面的至少一半相同。

32、根据权利要求31所述的齿轮，其特征在于：内球齿安装在所述杯状支撑件内的芯部壳体中，并且外齿安装在毂套上，外齿的顶脊具有球形形状，当球形齿轮的齿啮合时，该球形形状与形成在所述芯部壳体上的球形表面配合地啮合。

33、根据权利要求32所述的齿轮，其特征在于：每个内球齿保持在所述芯部壳体中的单个孔隙中，从而每个内齿的球面总是保持在第一齿轮的节距圆上对中。

34、根据权利要求33所述的齿轮，其特征在于：每个内球齿通过保持器保持在所述孔隙内。

35、根据权利要求33所述的齿轮，其特征在于：所述杯状支撑件轴向延伸，并且将每个内球齿保持在所述芯部壳体的各个孔隙内，允许球齿滚动以允许芯部壳体在杯状支撑件内的轴向运动，同时每个内球齿的齿面总是在各个大球面的大圆上对中，该大球面是所述第一齿轮的节距球面，所述大圆的轴线总是与所述第一元件的轴线对齐。

Claims

单对球形齿轮，包括：

随着所述轴线在从180°到与180°相差预定最大角度x°的角度的连续范围内变化地相交，当所述齿轮以驱动和被驱动的关系旋转时，所述元件的轴线总是在所述大节距球面的中心处相交，从而所述元件在2x°的连续最大范围上相交。

5、根据权利要求1所述的万向联轴节，其特征在于：每个所述内齿面的表面与它相对应的单个较小球面在所述较小球面之间共有的所述接触点处相切，并且其中，每个所述内齿面的纵向弯曲的圆形形状是下列中的任一个：

6、根据权利要求5所述的万向联轴节，其特征在于：每个内齿都垂直于第一元件的轴线延伸，且每个外齿都垂直于所述第二元件的轴线延伸，从而每个齿轮的轮齿的每个齿面在各个大球的大圆上对中，该大球是每个齿轮的节距球面，每个所述大圆的轴线总是与每个相应元件的轴线对齐。

7、根据权利要求1所述的万向联轴节，其特征在于：各个所述外齿面的所述平面延伸部的所述预定宽度根据所述最大角度x°而变化，所述延伸部从初始切点形成到齿面中央的每侧，其中的初始切点位于与所述齿面中央的中心线成x°的位置，所述延伸部至少延伸到所述圆柱中央部分的2x°径向线处，从而使得所述齿面中央每侧的每个平面部分的长度超过x°的所述切点延伸另外一个x°，以及在齿轮的轴线以所述最大角度x°相交时，随着所述第二齿轮相对于所述第一齿轮沿着椭圆弧移动，各个所述平面延伸部从所述初始切点平行于所述圆柱中央部分径向中心的运动直线延伸。

8、根据权利要求1所述的万向联轴节，其特征在于：各个外齿面的圆柱中心部分的所述预定半径等于每个相应外齿的所述法向弦齿厚的一半。

9、根据权利要求5所述的万向联轴节，其特征在于：所述多个个体较小的球面是十二个，从而每个齿轮具有六个轮齿，且每个所述内齿面是锥形的，并且形成在杯状的支撑件内，该支撑件固定到所述第一元件的端部，并且还包括对中球体，安装在所述杯状支撑件内，所述对中球体的半径不大于所述大节距球面的所述同心中心和所述相交点之间的距离。

10、根据权利要求6所述的万向联轴节，其特征在于：具有十二个个体较小的球面，从而每个所述齿轮具有六个轮齿，并且每个所述内齿是球体，该球体的直径与所述各个个体较小球面的至少一半相等。

11、根据权利要求10所述的万向联轴节，其特征在于：每个所述内球齿支撑在杯状支撑件内，该支撑件固定到所述第一元件的端部，从而每个相应球齿的面总是保持对中在所述第一齿轮的所述相应大球面的大圆的平面中。

12、根据权利要求11所述的万向联轴节，其特征在于：所述杯状支撑件还包括具有球面的芯部壳体；并且每个所述外齿都被安装到毂套部分上，毂套部分可被连接到所述第二元件的端部上，且所述外齿的顶脊是球面，该球面与芯部壳体的所述球面配合，从而允许沿着任何方向从180°到预定最大角度x°的角度运动。

13、根据权利要求12所述的万向联轴节，其特征在于：所述内齿和外齿在分开180°的所述两极点上的每一个处同时啮合。

14、根据权利要求13所述的万向联轴节，其特征在于：各对所述内齿和外齿依次啮合，从而，随着所述元件在所述连续角度范围内可变动地相交，在任何时候都是在前一对脱离啮合之前第二对就进入啮合。

15、根据权利要求9所述的万向联轴节，其特征在于：在所有的所述可变角度上，啮合着的所述成对内齿与外齿之间共有的接触型式都是完全的线接触，随着相交角度在整个所述的连续范围内变动，所述接触线经过所述相应齿轮的整个齿面。

16、根据权利要求14所述的两个万向联轴节，其特征在于，包括：第一万向联轴节和第二万向联轴节，它们分别连接到汽车半轴的端部上。

17、根据权利要求16所述的万向联轴节，其特征在于：每个所述相应联轴节的所述毂套部分被分别连接到所述汽车半轴的一端上。

18、根据权利要求17所述的万向联轴节，其特征在于：所述第一万向联轴节的杯形支撑件可被连接到汽车差速器上，且所述第二万向联轴节的杯形支撑件可被连接到汽车驱动轮上。

19、根据权利要求16所述的万向联轴节，其特征在于：还包括：位于所述万向联轴节之间的滑套，所述滑套的总长度改变以补偿所述驱动轮与所述差速器之间由于所述驱动轮的相对运动而发生的变化的距离。

20、根据权利要求16所述的万向联轴节，其特征在于：其中一个所述联轴节的杯状支撑件轴向延伸，并且球形芯部壳体可滑动地安装用于在支撑件内轴向运动，从而补偿所述驱动轮与所述差速器之间距离由于所述驱动轮的相对运动而发生的改变。

21、根据权利要求20所述的万向联轴节，其特征在于：所述滑套包括第一构件，其具有至少一个滚子，滑套还包括具有导轨的第二构件，导轨配合地接纳所述滚子，由此所述滑套沿所述滚子的运动改变所述滑套的总长度，以补偿所述驱动轮与所述差速器之间距离由于所述驱动轮的相对运动而发生的改变。

22、根据权利要求1所述的万向联轴节，其特征在于：每个所述内齿都被形成在固定于所述第一元件端部上的杯形支撑件中。

23、根据权利要求22所述的万向联轴节，其特征在于：每个所述内齿都是单独形成的，并被压配到所述杯形支撑件中。

24、根据权利要求22所述的万向联轴节，其特征在于：对中球体被安装在所述杯形支撑件中。

25、根据权利要求22所述的万向联轴节，其特征在于：每个所述外齿被安装到可与所述第二元件的端部相连的毂套上。

26、根据权利要求25所述的万向联轴节，其特征在于：所述毂套被配接安装到所述杯状支撑件上，用于在从180°到预定最大角度x°沿任何方向实现角度运动。

27、一种用于将可转动的输入件与驱动轮相互连接起来的汽车半轴，其中的驱动轮被安装成用于相对于所述输入件执行瞬态角度运动，所述半轴包括：

28、根据权利要求27所述的半轴，其特征在于：所述滑动机构包括第一构件，其具有至少一个滚子，滑动机构还包括具有导轨的第二构件，导轨配合地接纳所述滚子，由此，所述滚子沿所述导轨的运动改变所述结构的总长度，以补偿所述驱动轮的相对运动。

29、根据权利要求27所述的半轴，其特征在于：滑动机构的其中一个元件被固定到其中一个联轴节的毂套上。

30、根据权利要求27所述的半轴，其特征在于：滑动机构结合在其中一个所述联轴节内，包括一对球形齿轮，具有用于内齿的球体，所述球体接纳在球形芯部壳体内，该壳体可滑动地安装用于在轴向延伸的杯状支撑件内轴向运动，从而补偿驱动轮和可旋转输入件之间变化的距离。

31、一对用于将第一元件与第二元件相互连接的单对球形齿轮，每个所述元件都可绕各自的轴线转动，两轴线以变化的角度相交，所述齿轮包括：

32、根据权利要求31所述的齿轮，其特征在于：每个所述内齿是球体，其直径与所述各个个体较小球面的至少一半相同。

33、根据权利要求32所述的齿轮，其特征在于：内球齿安装在所述杯状支撑件内的芯部壳体中，并且外齿安装在毂套上，外齿的顶脊具有球形形状，当球形齿轮的齿啮合时，该球形形状与形成在所述芯部壳体上的球形表面配合地啮合。

34、根据权利要求33所述的齿轮，其特征在于：每个内球齿保持在所述芯部壳体中的单个孔隙中，从而每个内齿的球面总是保持在第一齿轮的节距圆上对中。

35、根据权利要求34所述的齿轮，其特征在于：每个内球齿通过保持器保持在所述孔隙内。

36、根据权利要求34所述的齿轮，其特征在于：所述杯状支撑件轴向延伸，并且将每个内球齿保持在所述芯部壳体的各个孔隙内，允许球齿滚动以允许芯部壳体在杯状支撑件内的轴向运动，同时每个内球齿的齿面总是在各个大球面的大圆上对中，该大球面是所述第一齿轮的节距球面，所述大圆的轴线总是与所述第一元件的轴线对齐。