CN101918730A - 用于单向离合器的减应力棘爪及棘齿 - Google Patents
用于单向离合器的减应力棘爪及棘齿 Download PDFInfo
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Abstract
公开了一种带有外滚道和内滚道的单向离合器。其中一个滚道包括至少一个棘爪和用于使所述至少一个棘爪与位于另一个滚道上的棘齿保持接合的接合构件。所述至少一个棘爪或棘齿的接触面呈弓形形状，以便改善载荷分布。弓形接触面的曲率半径大于邻近弓形接触面的拐角处的曲率半径。
Description
相关申请的交叉参考
本申请要求2007年10月22日提交的美国临时专利申请No.60/981,587的权益，在此通过引用将其公开内容结合进来。
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
不适用。
技术领域
本发明大体上涉及一种单向离合器的棘爪和棘齿，特别是棘爪和棘齿的接触面形状。
背景技术
单向离合器用于转矩只能沿一个方向传递而不能沿反方向传递的动力传动装置的应用中。这通过采用包含棘轮机构部件的内外滚道而得以实现。其中一个滚道含有多个与相对滚道上的棘齿强制接合的棘爪机构。当沿某一个方向旋转时两个滚道以相同的速度旋转。当沿反方向旋转时使得棘齿能够自由回转(Freewheeling)或者超越(overrunning)，而不传递转矩。
参见图1，一种现有技术单向离合器包括一个外滚道12，其容纳多个与内滚道14上的棘齿18接合的棘爪16。该单向离合器还包括接合构件20，其推动棘爪16远离外滚道12从而与棘齿18接合。对于常规单向离合器，棘爪16的接触面28和棘齿18的接触面44均是平的。这使得很小的区域承受了相当大的一部分载荷，从而导致应力较高。为降低或减轻这种高应力，一些设计结合进很多棘爪以减小每个棘爪上的应力或包括相对较大的棘爪以限制由应力产生的磨损。然而这些设计相对昂贵或相对复杂，或两者兼而有之。因此，需要设计一种带有设计用于改善载荷分布的部件的单向离合器。
发明内容
本发明提供了一种具有外滚道和内滚道的单向离合器。其中一个滚道包括至少一个棘爪和用于推动所述至少一个棘爪与另一滚道上的棘齿相接合的接合构件。至少一个棘齿和所述至少一个棘爪包括用以改善载荷分布的弓形接触面。弓形接触面的曲率半径大于邻近弓形接触面的拐角处的曲率半径。
在某些实施方式中，所述至少一个的棘爪的接触面呈用于改善载荷分布的弓形形状。在某些实施方式中，棘齿的接触面呈用于改善载荷分布的弓形形状。更进一步地，在某些实施方式中，棘齿和所述至少一个的棘爪二者的接触面均呈弓形形状。
本发明的前述及其他目标和优点在以下详细描述中将显而易见。描述时，参见示出本发明优选实施方式的附图。
附图说明
图1是一种现有技术单向离合器的棘爪的放大的横截面视图；
图2是本发明的单向离合器横截面视图；
图3是本发明的带有弓形接触面的棘爪的放大的横截面视图；
图4是内滚道的棘齿的放大的横截面视图，其中示出了倾角；
图5是图3的棘爪的放大的横截面视图，其中示出了作用在棘爪上的载荷分布；以及
图6是本发明的带有弓形接触面的棘齿的放大的横截面视图。
具体实施方式
参见附图，同样的部件以相同的附图标记指示。另外，现有技术与本发明之间同样的部件附图标记增大100。
参见图2，本发明的单向离合器110包括外滚道112和内滚道114，内外滚道具有共同的轴线115。外滚道112包括：多个棘爪116；接合构件120，如螺旋压缩弹簧、贝勒维尔(Belleville)弹簧、片簧等，其用于推动棘爪116远离外滚道112并与内滚道114上的棘齿118接合；以及凹部或凹穴122，其用于容置棘爪116和接合构件120。如果外滚道112是驱动部件，则如图2所示顺时针旋转使接合构件120将棘爪116偏置成与棘齿118接合。外滚道112的逆时针旋转导致自由回转运动并且棘爪116在棘齿118上滑动或渐进(ratchet)。如果内滚道114是驱动部件，则逆时针旋转导致棘爪116与棘齿118接合，而顺时针旋转导致自由回转运动。
参见图3，每个棘爪116均具有棘爪支撑面126、接合棘齿118的棘爪接触面128、背对棘爪支撑面126的接合构件接触面130、限定枢轴124的棘爪反作用面132、棘爪支撑面126与棘爪接触面128之间的圆角134、以及棘爪接触面128与接合构件接触面130之间的圆角136。每个棘爪116均绕枢轴124枢转，该枢轴124使得棘爪116当自由回转时能够在棘齿118上旋转和滑动，或当离合器110沿反方向旋转时能够接合其中一个棘齿118。
每个棘齿118均包括棘齿自由面138、棘齿支撑面140和接合棘爪116的棘齿接触面144、以及棘齿自由面138与棘齿接触面144之间的圆角146。载荷分离面142将棘齿支撑面140与相邻棘齿118上的棘齿接触面144分开。载荷分离面142在棘齿支撑面140的径向内侧延伸。
棘爪116与棘齿118接合时，棘爪接触面128接触棘齿接触面144。这些接触面传递棘爪116与内滚道114之间的载荷。棘爪支撑面126接触棘齿支撑面140。这些接触面使棘爪116保持在图2和图3所示的合适的工作位置上。另外，棘爪反作用表面132接触棘爪凹部14。这些接触面传递外滚道112与棘爪116之间的载荷。
如上简述，对于常规单向离合器，棘爪与棘齿的接触面都是平的，结果很高的应力作用在这些接触面上。再次参见图1，棘爪接触面28上靠近圆角36的点承受了很大一部分载荷。参见图3，根据本发明的棘爪116包括当在垂直于离合器110的旋转轴线115的径向平面中并且沿旋转轴线115的方向观看时弯曲的棘爪接触面128，即，当该棘爪接触面128横过大体径向的方向时其弯曲。优选地，弓形棘爪接触面128的曲率半径大于圆角134和136的曲率半径，并呈半圆形形状。可选择地，弓形棘爪接触面138可呈抛物线形、椭圆形或类似的形状。在弓形棘爪接触面128与圆角134和136相接处弓形棘爪接触面128与棘齿接触面144有小间隙。此间隙的大小取决于棘爪的尺寸和选用的材料。比如，当弓形棘爪接触面128的高度为0.170″时，选用0.0003″的间隙。另外，弓形棘爪接触面128与圆角134相接处的间隙可进一步缩小。另外，接触点158应位于弓形棘爪接触面128的中点附近。
传递载荷时，棘爪接触面128变形，并且弓形棘爪接触面128的中点周围的区域与棘齿接触面144——该面在不受载时可能是平的——接合并承受一部分载荷。与常规的想法相反，根据本发明，这使得棘爪接触面128与棘齿接触面144接合的面积更大，因而与现有技术的具有两个平接合面的离合器相比最大应力显著减小。因此，能够以更少或更小的棘爪传递与常规单向离合器相同的载荷，从而节省重量和成本。另外，减小圆角134和136尺寸会使棘爪接触面128的尺寸增大。这允许附加面积的弓形棘爪接触面128与棘齿接触面144接合，从而进一步减小最大应力并使得能够进一步节省重量和成本。
参见图4，棘齿118的倾角150是在棘爪接触面128与棘齿接触面144之间的接触中心158处和棘齿接触面144相切的切线154与穿过旋转轴线115和接触中心158的径向线152之间的夹角。优选地，本发明的倾角150为0°(±1°)。可选择地，可以增大倾角150以减小由自由回转运动转换到载荷传递运动的反冲力(backlash)。此外，也可以减小倾角150以减小自由回转时的碰撞冲击。
如前所述，棘爪116有三个面承受载荷。如图5所示，棘爪116分别承受来自棘齿接触面144、棘齿支撑面140和棘爪反作用面132的分布载荷151、153和155(图5中图示出分布状态)。棘爪116受载时作用在这些面上的接触力的方向确保棘爪116与棘齿118保持接合。也就是说如图5所示，线156在棘爪接触面128上的接触中心158与枢轴124——其为由棘爪反作用面132限定的旋转中心——之间延伸穿过棘爪116。线156与作用线160形成夹角162，其中作用线160穿过接触中心158并平行于分布载荷151的净力方向。该净力角度162应小于180°以确保棘爪116与棘齿118保持接合。如果该角度为180°或更大，棘爪116会因作用在棘爪上的摩擦力及弹簧力而与棘齿118保持接合。然而，棘爪116优选因于作用在棘爪上的接触力而与棘齿118保持接合。
可选择地，棘齿118可包括弓形棘齿接触面144，其沿从齿根到齿自由端的方向弯曲。在这种情况下，棘齿116可具有平的或弯曲的棘爪接触面128。优选地，弓形棘齿接触面144为半圆形。可选择地，弓形棘齿接触面144可以是抛物线形、椭圆形或类似形状。作为另一种选择，棘爪116可位于内滚道114中的凹穴中，而棘齿118可位于外滚道112上。
棘爪和棘齿的总体形状(除接触面之外)也不限于图3所示的形状。例如，现有技术中周知的类似矩形的棘爪和相应的棘齿。这些部件也可以包括弓形接触面以减少应力。
需要特别指出的是本发明并不限于本文所包括的实施方式和图解说明，而是还包括那些实施方式的改型，其中包括限定在所附权利要求范围内的实施方式的部分以及不同实施方式的元素的组合。
Claims (20)
1.一种单向离合器，包括外滚道以及与外滚道具有共同的旋转轴线的内滚道，其中，所述外滚道和所述内滚道中的一个滚道包括多个棘齿，所述棘齿中的每个棘齿均包括棘齿接触面，所述外滚道和所述内滚道中的另一个滚道包括至少一个棘爪凹部以及接合构件，至少一个棘爪的至少一部分容置在所述棘爪凹部中，所述接合构件用于推动所述至少一个棘爪远离所述外滚道和所述内滚道中的所述另一个滚道，所述至少一个棘爪包括棘爪支撑面、用于接合所述接合构件的接合构件接触面以及棘爪接触面，所述棘爪接触面用于接合所述棘齿中的一个棘齿的所述棘齿接触面，并且所述棘爪接触面设置在所述棘爪支撑面与所述接合构件接触面之间，并且其中，所述棘齿接触面与所述棘爪接触面中的至少一个是弓形表面，当沿所述旋转轴线观看时，所述弓形表面的横截面形状是弓形的，并且所述弓形表面的曲率半径大于邻近所述弓形表面的拐角处的曲率半径。
2.如权利要求1所述的单向离合器，其中，所述弓形表面是半圆形的。
3.如权利要求1所述的单向离合器，其中，所述棘齿中的每个棘齿均进一步包括用于接合所述棘爪支撑面的棘齿支撑面，所述至少一个棘爪接合所述棘齿中的所述一个棘齿的所述棘齿接触面以及相邻的一个所述棘齿的所述棘齿支撑面，并且，所述棘齿中的所述一个棘齿的棘齿接触面通过载荷分离面与所述相邻的一个所述棘齿的棘齿支承面分离。
4.如权利要求3所述的单向离合器，其中，所述载荷分离面设置在所述棘齿支撑面的径向内侧。
5.如权利要求1所述的单向离合器，其中，当所述至少一个棘爪与所述棘齿中的所述一个棘齿的所述棘齿接触面接合时，有一线在所述棘爪接触面上的接触中心与所述至少一个棘爪的枢轴之间延伸穿过所述至少一个棘爪，并且所述线与作用线形成小于180°的夹角，所述作用线穿过所述棘爪接触面上的所述接触中心并平行于作用在所述棘爪接触面上的净力的方向。
6.如权利要求1所述的单向离合器，其中，所述弓形表面为所述棘齿接触面。
7.如权利要求6所述的单向离合器，其中，所述棘齿接触面为半圆形。
8.如权利要求6所述的单向离合器，其中，所述棘齿中的每个棘齿均进一步包括用于接合所述棘爪支撑面的棘齿支撑面，所述至少一个棘爪接合所述棘齿中的所述一个棘齿的所述棘齿接触面以及相邻的一个所述棘齿的所述棘齿支撑面，并且，所述棘齿中的所述一个棘齿的棘齿接触面通过载荷分离面与所述相邻的一个所述棘齿的棘齿支承面分离。
9.如权利要求8所述的单向离合器，其中，所述载荷分离面设置在所述棘齿支撑面的径向内侧。
10.如权利要求6所述的单向离合器，其中，当所述至少一个棘爪与所述棘齿中的所述一个棘齿的所述棘齿接触面接合时，有一线在所述棘爪接触面上的接触中心与所述至少一个棘爪的枢轴之间延伸穿过所述至少一个棘爪，并且所述线与作用线形成小于180°的夹角，所述作用线穿过所述棘爪接触面上的所述接触中心并平行于作用在所述棘爪接触面上的净力的方向。
11.如权利要求1所述的单向离合器，其中，所述弓形表面为所述棘爪接触面，邻近所述棘爪接触面的所述拐角中的一个拐角设置在所述棘爪支撑面与所述棘爪接触面之间，而邻近所述棘爪接触面的所述拐角中的另一个拐角设置在所述接合构件接触面与所述棘爪接触面之间。
12.如权利要求11所述的单向离合器，其中，所述棘爪接触面为半圆形。
13.如权利要求11所述的单向离合器，其中，所述棘齿中的每个棘齿均进一步包括用于接合所述棘爪支撑面的棘齿支撑面，所述至少一个棘爪接合所述棘齿中的一个棘齿的所述棘齿接触面以及相邻的一个所述棘齿的所述棘齿支撑面，并且，所述棘齿中的所述一个棘齿的棘齿接触面通过载荷分离面与所述相邻的一个所述棘齿的棘齿支承面分离。
14.如权利要求13所述的单向离合器，其中，所述载荷分离面设置在所述棘齿支撑面的径向内侧。
15.如权利要求11所述的单向离合器，其中，当所述至少一个棘爪与所述棘齿中的所述一个棘齿的所述棘齿接触面接合时，有一线在所述棘爪接触面上的接触中心与所述至少一个棘爪的枢轴之间延伸穿过所述至少一个棘爪，并且所述线与作用线形成小于180°的夹角，所述作用线穿过所述棘爪接触面上的所述接触中心并平行于作用在所述棘爪接触面上的净力的方向。
16.一种单向离合器，包括：
内滚道，其包括多个棘齿，所述棘齿中的每个棘齿均包括棘齿支撑面及棘齿接触面；
外滚道，其与所述内滚道具有共同的旋转轴线并且包括至少一个棘爪凹部以及接合构件，至少一个棘爪的至少一部分容置在所述棘爪凹部中，所述接合构件用于推动所述至少一个棘爪远离所述外滚道，所述至少一个棘爪接合所述棘齿中的一个棘齿的所述棘齿接触面以及相邻的一个所述棘齿的所述棘齿支撑面，并且所述至少一个棘爪包括：
棘爪支撑面，其用于接合所述棘齿支撑面；
接合构件接触面，其用于接合所述接合构件；以及
棘爪接触面，其用于接合所述棘齿接触面，并且设置在所述棘爪支撑面与所述接合构件接触面之间；以及
其中，所述棘齿接触面与所述棘爪接触面中的至少一个是弓形表面，当沿所述旋转轴线观看时，所述弓形表面的横截面形状是弓形的，并且所述弓形表面的曲率半径大于邻近所述弓形表面的拐角处的曲率半径。
17.如权利要求16所述的单向离合器，其中，所述弓形表面为所述棘爪接触面，邻近所述棘爪接触面的所述拐角中的一个拐角设置在所述棘爪支撑面与所述棘爪接触面之间，而邻近所述棘爪接触面的所述拐角中的另一个拐角设置在所述接合构件接触面与所述棘爪接触面之间。
18.如权利要求16所述的单向离合器，其中，所述弓形表面是棘齿接触面。
19.如权利要求16所述的单向离合器，其中，所述弓形表面为半圆形。
20.如权利要求16所述的单向离合器，其中，所述棘齿中的所述一个棘齿的棘齿接触面通过载荷分离面与所述相邻的一个所述棘齿的棘齿支承面分离。
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