CN102057137B - 同轴旋转轴之间的润滑油环流分布控制 - Google Patents

同轴旋转轴之间的润滑油环流分布控制 Download PDF

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Abstract

本发明揭示一种用于在工业机械上传输功率的同轴滚筒驱动组件(1)。更具体的，呈现一种同轴驱动组件(1)，其具有：中空外滚筒(5)，包括具有双向表面纹理的内表面；内滚筒(3)，包括具有沿着该滚筒长度以预定角度取向的单向表面纹理的外表面；环状槽，形成于所述内滚筒与所述外滚筒之间并具有预定间隙(7)；以及润滑油，其大体上填满所述环状槽。

Description

同轴旋转轴之间的润滑油环流分布控制
技术领域
本发明一般涉及具有内燃机的工业机械。更具体地，本发明涉及控制用于驱动农业、建筑、以及林业拖拉机和设备以及与拖拉机和设备集成一体的机械器具、工具、或者部件的同轴旋转轴之间润滑油的环流分布。
背景技术
传统的工业机械一般均配备有能够通过功率输出轴和联轴器的布置来提供驱动主轴和车轮组件或者诸如打包机、庄稼收割机等的外部配件或器具的内燃机所必需的功率。在许多机械中，通过使用具有同轴回转滚筒或轴的组件实现功率的传输。在这种类型的同轴滚筒驱动组件中有必要在形成于内滚筒与外滚筒之间的环状槽内提供润滑。这样的润滑通常是以通过内滚筒的空心供给的润滑液的形式，比如油。沿着整个长度在内滚筒的圆筒形壁上所钻出的孔允许润滑油从滚筒的空心向环状槽流动。然而，这些孔的存在不仅增加制造成本而且削弱内滚筒的整体性，因此导致内滚筒疲劳和过早失效。通过从同轴滚筒驱动组件的一端直接向环状槽内供给油以试图减少这些孔则会引起油在整个环状槽内的不均匀分布，从而加速旋转滚筒之间的磨损。因此，在工业中，当旋转的同心轴用于工业机械的功率传输时，需要提供一种能够在旋转的同轴滚筒之间的环状槽内均匀分布油的装置，并且其经济且能降低过早磨损和失效的可能性。
发明内容
在本发明的一个方面，揭示一种在工业机械中用于功率传输的同轴滚筒驱动组件。该同轴驱动组件可以包括：中空外滚筒，其包括具有双向表面纹理的内表面；内滚筒，其包括具有沿着滚筒长度以预定角度取向的单向表面纹理的外表面；环形槽，其形成于所述外和内滚筒之间并且具有预定间隙；以及润滑油，其大体填充在环状槽内。所述内滚筒可以沿一个方向旋转，从而使滑润油受到层流环境的影响。
在本发明的另一个实施例中，内滚筒的单向表面纹理可以是具有大于90度的角度的后向纹理、具有小于90度的角度的前向纹理，或者具有约90度的角度的垂直方向纹理。
所述外滚筒的内表面和所述内滚筒的外表面可以具有约0.5微米至约5.0微米范围的平均表面粗糙度(Ra)。外滚筒的内表面的平均表面粗糙度(Ra)优选地在约1.0微米和约1.6微米之间选取，而内滚筒的外表面优选地在约0.8微米和约2.5微米之间选取。
在本发明的又一个方面，用于功率传输的同轴滚筒驱动组件可以再分为前部和后部。基本穿过前部和后部的中空外滚筒和内滚筒，该中空外滚筒具有双向表面纹理的内表面，该内滚筒具有在预定角度上取向的单向表面纹理的外表面。在这一实施例中，形成于内外滚筒之间的环状槽填充有润滑油，该润滑油在内滚筒旋转时有被限制为层流的倾向。
分布在前部和后部的润滑油可以根据预定的前向/后向(DF/DR)比率确定。当DF/DR是约0.7时，内滚筒的单向表面纹理的角度可以是90度。当外滚筒在与内滚筒旋转相似的方向旋转并且DF/DR在约0.3到约0.5之间时，内滚筒的单向表面纹理的角度可以小于90度。
从此处提供的描述可以更明确本发明的应用领域。应当理解的是说明书和具体的示例均只是为了说明的目的，并不能够限制本发明的范围。
附图说明
此处描述的附图仅是用于示例性的说明，在任何方式上均不能限制本发明的范围。
图1是同轴滚筒驱动组件的剖面图；
图2A是图示用一种交叉线表面结构作为双向纹理的示意图；并且图2B是图示用一种单向表面结构作为具有大于90度的角度的单向纹理的示意图。
具体实施方式
以下描述仅揭示本发明的本质而绝不是为了限制本发明或其实施或者使用。应当理解是通过具体描述和附图，相应的标号表示相似或者相应的部件和特征。
本发明的一个实施例提供一种将功率传递到诸如拖拉机的工业机械的轴和车轮、或者传递到诸如打包机或庄稼收割机的集成工具组件或者器具的同轴滚筒驱动组件。图1中示出根据本发明一个实施例的同轴滚筒驱动组件的一个示例。同轴滚筒驱动组件1的基本部件可以包括外滚筒5和内滚筒3，在内滚筒3的外表面和外滚筒5的内表面之间形成环状间隙7。通过功率输出轴和联轴器排列的整合，从发动机或马达通过同轴滚筒驱动组件1传递功率到拖拉机的主轴和车轮组件或驱动外部配件和器具，诸如打包机、庄稼收割机等，存在多种变化方式。
例如，内滚筒3可以一体连接到功率源，诸如带动滚筒旋转的内燃机或马达。在这一例子中，外滚筒5可以是固定的。其他部件与旋转内滚筒3的整合允许将能源传输到这些组件。在另一个例子中，外滚筒5可以一体连接到功率源，使得外滚筒5可以在任一方向上旋转。产生的转矩随后通过一组齿轮和联轴器传递到内滚筒3。其他组件与旋转内滚筒3的整合允许将能源传输到这些组件。
润滑膜或层可以通过位于同轴滚筒驱动组件1的一端附近的进口14添加到环状间隙7内。润滑膜或层通常是润滑领域的一般技术人员所知悉的油或其他润滑液的形式。润滑有助于通过减少内滚筒3和外滚筒5之间可能够发生的磨损和撕裂的量来提高同轴滚筒驱动组件的寿命或长命。本领域一般技术人员能够意识到可以使用其他方式将润滑油添加到环状间隙内。例如，内滚筒3可以是空心的，在整个实心圆筒形壁或外套上钻有连接内滚筒3的中空内部与环状间隙的多个孔。这些孔提供允许油从滚筒空心进入环状间隙7的路径。
在本发明的一个实施例中，通过使用外滚筒5的内表面上和内滚筒3的外表面上的预定表面结构，可以控制沿着环状间隙7的整体长度的油分布。本发明这一实施例的一个好处在于：内滚筒3也可以是实心而不是中空的。使用实心内滚筒3降低制造成本和由于在空心滚筒的圆筒形壁上钻孔而产生的应力所导致的潜在疲劳问题。
随着滑润油在环状间隙7内流动，可以在每一个同轴滚筒的表面上形成附面层。附面层的厚度决定于多种因素，比如油的粘度、滚筒表面的结构、以及液体流动的速度。此附面层受到旋转内滚筒3运动产生的粘性剪切力的影响。该剪切力可以引起层流或涡流，其反映粘性和内应力之间的平衡并关系到流动稳定性。期望能够在油层之间的最小混合的情况下保持层流区的流动，以提高润滑。涡流的开始引起相邻油层的混合并可能导致圆涡漩的形成和流速的波动，因此降低润滑效率。
内滚筒3的外表面和外滚筒5的内表面的结构均可以设置为具有一定程度的粗糙度并且相对这一粗糙度的定向轮廓，称为表面“纹理”。粗糙度是在表面物理结构的高度(例如，峰和谷)上的小尺度变化的量度，而表面纹理是指峰和谷所存在的方向线。粗糙度有时是不希望有的特性，因为其可能在互相接触的两个表面之间产生过多的摩擦、磨损、阻力和疲劳。然而，在存在润滑油的情况中，粗糙度有时是有利的，因为其纹理能够允许表面捕捉润滑剂并阻止表面结合在一起。粗糙度一般是由表面测量技术测得的量度来计算并记录为沿中心线测量的峰与谷的距离的平均值(Ra)。
表面纹理一般由选择的机加工操作的类型和完成机加工的方向产生。表面纹理可以是双向的或者是单向的。如图2A所示，双向纹理是指交叉线类型图案的轮廓线，即，加工线。这种图案可以通过从两个不同方向对滚筒表面进行加工产生。例如，车床可以用于从相反方向加工滚筒表面，从而形成双向纹理。如图2B所示的单向纹理显示沿一个方向的轮廓或加工线。根据如何对滚筒表面进行加工，这些轮廓线可以相对于滚筒长度形成不同的角度90度的角度代表单向纹理的轮廓线垂直于与滚筒长度平行的直线。具有大于90度的角度的轮廓线的单向纹理可以认为是前向的(见图2B)，而具有小于90度的角度的轮廓线的纹理可以是指后向的单向纹理。纹理的方向可能影响位于其中的油的流动方向制造双向表面纹理可以降低纹理在方向上对在其中流动的油的任何影响。
在本发明的一个实施例中，外滚筒5的内表面加工为呈现出双向纹理。表面的粗糙度可以是在从Ra约0.1微米的相对光滑到Ra约5.0微米的非常粗糙的范围内变动。然而，对于这一表面，优选的是Ra在约1.0微米到约1.6微米的范围内。虽然双向纹理并不会使油流动的方向偏离，其表面粗糙度也不允许油与表面吸附或结合，因此允许高效润滑。
在本发明的一个实施例中，内滚筒3的外表面加工为呈现单向纹理。此滚筒表面的粗糙度可以是在从Ra约0.1微米的相对光滑到Ra约5.0微米的非常粗糙的范围内变动。然而，对于这一表面，优选的是Ra在约0.8微米到约2.5微米的范围内。为了降低与加工操作相关的成本，优选的是更粗糙的表面。与单向纹理相关的角度可能影响油在其中流动的方向。
在一些应用中，可以期望更多的油向同轴滚筒驱动组件的一端流动，该同轴滚筒组件与需要润滑的组件集成在一起的。请参照图1，同轴滚筒驱动组件1可以再分为前部10和后部12，每一部分代表约1/2的同轴滚筒驱动组件。可以根据集成到前部10和后部12的组件的数目和功能，分布在前部与分布在后部的油的比率(DF/DR)可以在约0.1到约1.0之间变化。根据预定的比率，可以选择单向纹理的角度以将油引导向同轴滚筒驱动组件1的不同部分。例如，为了根据比率0.7获得油的分布，内滚筒3的外表面上的单向纹理的角度可以是约90度。
可以利用本领域一般技术人员知悉的技术来加工外滚筒5的内部和内滚筒3的外部。这些技术的例子包括，但不限于，珩磨、研磨、电抛光、精研、抛光、铸造、冷轧、磨光、铰加工、放电加工、拉削、挤压、和铣削。
在外滚筒5的内表面与内滚筒3的外表面之间形成的环状间隙7可以从约0.5mm到约5.0mm之间变化，优选的是从约2.5到3.5mm之间变化。该环状间隙沿同轴滚筒驱动组件的整个长度持续不断以降低驱动组件像泵一样工作的可能性并且促使油的层流遍布整个环状间隙7。
润滑油可以是润滑领域的一般技术人员所知的任一种液体。润滑液的例子包括，但不限于，多等级发动机油、人造发动机油、矿物油、以及聚a-烯烃(polyalphaolefins)。润滑油还可以包括其他附加特性，比如高分子量增稠剂和粘度指数改进剂。
下面给出具体例子以说明本发明，不能认为其限制本发明的范围。
示例1：基础实验设置
如图1所示的同轴滚筒驱动组件1用于确定在目标或者目的比率是0.7的不同情况下分布在前部10和后部12之间的油的比率(DF/DR)。外滚筒5具有29mm的内径，该内径具有1.6微米的内表面粗糙度(Ra)和前向单向表面纹理。外滚筒5在顺时针和逆时针(以负速度值表示)方向以不同的速度旋转。内滚筒3具有24mm的外径，因此形成了2.5mm的环状间隙7。内滚筒3具有4.33微米的平均表面粗糙度(Ra)和后向单向表面纹理。内滚筒在顺时针方向以不同的速度旋转。在位于同轴滚筒驱动组件1的一端的进口处向环状间隙7提供油。油压和油的流率在试验中是变化的。油的温度保持在30摄氏度。对分布在前部10和后部12的油量进行收集和测量。然后计算出分布在前部10和后部12内的油量的比率(DF/DR)。
在整个实验过程中各种参数和状况是变化的，DF/DR的值显示在下面的表1中。在涉及DF/DR比率的所有实验状况中很少观测到接近目标比率0.7。这一示例表明，包括具有前向单向表面纹理的外滚筒5和具有后向单向表面纹理的内滚筒3的同轴滚筒驱动组件1不是无论外滚筒速度(大小和方向)、内滚筒速度、油压和油的流率如何均能够满足DF/DR比率约为0.7的满意组合。实际上，这一实验中确立的DF/DR的宽范围，例如0.97(列1-3)到1.95(列1-5)，显示出无论在此实验中参数如何变化，这一组合不会接近于任何具体比率。
表1
  1-1   1-2   1-3   1-4   1-5   1-6
  变化的参数
  外滚筒速度(rpm)   2644   -2424   0   2200   2200   900
  内滚筒速度(rpm)   2200   2200   2200   2200   2200   900
  进口处的油压(bar)   3   3   3   1   0.6   0.3
  进口处的油的流率(ml/s)   160   160   160   75   55   20
  测得的输出
  前部与后部的比率(目标～0.7)   1.42   1.44   0.97   1.77   1.95   1.51
示例2：减小的表面粗糙度
对于具有约为0.8微米的减小的平均表面粗糙度(Ra)的内滚筒3重新设置在实验1中描述的实验设置。在整个实验过程中参数和状态是变化的，作为结果的分布比率DF/DR的值显示在下面的表2中。
表2
  2-1   2-2   2-3   2-4   2-5   2-6
 变化的参数
 外滚筒速度(rpm)   2644   -2424   0   2200   2200   900
 内滚筒速度(rpm)   2200   2200   2200   2200   2200   900
 进口处的油压(bar)   3   3   3   1   0.6   0.3
 进口处的油的流率(ml/s)   160   160   160   75   55   20
 测得的输出
 前部与后部的比率(目标～0.7)   1.09   0.79   0.81   1.57   1.54   1.60
在涉及DF/DR比率的大多数实验状况中很少观测到接近目标比率0.7。只有当外滚筒逆时针转动(列2-2)或保持静止(列2-3)，才接近目标比率。这一示例表明，包括具有前向单向表面纹理的外滚筒5和包括具有后向单向表面纹理的内滚筒3的同轴滚筒驱动组件1不是无论外滚筒速度(大小和方向)、内滚筒速度、油压和油的流率如何均能满足的DF/DR比率约为0.7的满意组合。实际上从0.79(列2-2)到1.60(列2-6)获得的比率的范围显示，无论实验中的参数如何变化，这一组合均没有接近于具体比率。显示出降低滚筒的平均粗糙度Ra在提升驱动组件的能力以接近目标比率上仅有较小的影响。
示例3：外滚筒上的双向纹理
对于具有双向表面纹理和约1.2微米的平均表面粗糙度(Ra)的外滚筒5重新设置在实验1中描述的实验设置。内滚筒3具有后向、单向表面纹理且平均表面粗糙度(Ra)约0.8微米。在整个实验过程中参数和状况是变化的，作为结果的分布比率DF/DR的值显示在下面的表3中。
表3
  3-1   3-2   3-3   3-4   3-5   3-6   3-7
  变化的参数
  外滚筒速度(rpm)   2644   -2424   0   2200   2200   900   0
  内滚筒速度(rpm)   2200   2200   2200   2200   2200   900   900
  进口处的油压(bar)   3   3   3   1   0.6   0.3   1
  进口处的油的流率(ml/s)   160   160   160   75   55   20   60
  测得的输出
  前部与后部的比率(目标～0.7)   0.34   1.06   0.53   0.51   0.40   0.30   0.58
在涉及DF/DR比率的大多数实验状况下很少观测到接近目标比率0.7。仅是在列3-7中接近目标比率，其中外滚筒以相对较低的速度旋转。这一示例表明，包括具有双表面纹理的外滚筒5和包括具有后向单向表面纹理的内滚筒3的同轴滚筒驱动组件1不是无论外滚筒速度(大小和方向)、内滚筒速度、油压和油的流率如何均满足约0.7的DF/DR比率的满意组合。然而，在大多数的实验状况下，发现这一结合接近约0.3到0.5的DF/DR的比率。只有当外滚筒在逆时针方向(列3-2)上运行时，DF/DR比率未接近。因此外滚筒5的内表面上的双向纹理可以用于与内滚筒3的外表面的后向单向纹理结合以引导油分布趋向于0.3到0.5的比率。这一示例表明外滚筒5的内表面上的双向纹理降低了该表面在油流动方向上的任何影响。进一步，油流动的方向可能通过利用内滚筒的外表面上的单向纹理而受到影响。
示例4-具有约90度的角度的单向纹理
对于具有双向表面纹理和约1.2微米的平均表面粗糙度(Ra)的外滚筒5重新设置在实验1中描述的实验设置。内滚筒3具有约为90度的角度的垂直方向单向表面纹理和约为0.8微米的平均表面粗糙度(Ra)。在整个实验过程中参数和状况是变化的，作为结果的分布比率DF/DR的值显示在下面的表4中。在两个列中，列4-5和列4-6，油温从30摄氏度升高到60摄氏度。
表4
  4-1   4-2   4-3   4-4   4-5   4-6
 变化的参数
 外滚筒速度(rpm)   2644   -2424   0   2200   2200   900
 内滚筒速度(rpm)   2200   2200   2200   2200   2200   900
 进口处的油压(bar)   2.1   2.1   2.1   1.7   1.7   1.7
 进口处的油的流率(ml/s)   140   140   140   120   175   70
 测得的输出
 前部与后部的比率(目标～0.7)   0.65   0.82   0.78   0.7   0.6   0.8
在所有实验状况下，发现测得的DF/DR比率接近目标比率0.7。因此这一示例表明，具有双向表面纹理的外滚筒和具有约90度的角度的垂直方向单向表面纹理的内滚筒是无论外滚筒速度(大小和方向)、内滚筒速度、油压和油的流率如何均满足目标比率约0.7的满意组合。
实验5增加的表面粗糙度
对于具有约2.5微米的平均表面粗糙度(Ra)的内滚筒3重新设置在实验4中描述的实验设置。在整个实验过程中参数和状况是变化的，作为结果的分布比率DF/DR的值显示在下面的表5中。
表5
  5-1   5-2   5-3   5-4
 变化的参数
 外滚筒速度(rpm)   2644   2200   -2424   0
 内滚筒速度(rpm)   2200   2200   2200   2200
 进口处的油压(bar)   2.1   2.1   2.1   2.1
 进口处的油的流率(ml/s)   140   140   140   140
 测得的输出
 前部与后部的比率(目标～0.7)   0.69   0.70   0.85   0.83
在涉及的所有实验状况下，发现测得的DF/DR比率接近目标比率0.7。因此这一示例表明，具有双向表面纹理的外滚筒和具有约90度的角度的垂直方向单向表面纹理的内滚筒是无论外滚筒速度(大小和方向)、内滚筒速度、油压和油的流率如何均满足目标比率约0.7的满意组合。内滚筒的表面粗糙度可以增加而没有观测到对能获得的目标比率有任何影响。
本领域一般技术人员从前面的描述应当认识到可以在不偏离权利要求限定的范围的条件下对本发明进行修改和变化。在示例中描述的测试方法仅代表能够获得需要测试结果的一种方法。

Claims (21)

1.一种用于在工业机械中传输功率的同轴滚筒驱动组件，所述同轴滚筒驱动组件包括：
一中空外滚筒，其包括具有双向表面纹理的内表面；
一内滚筒，其包括具有沿所述内滚筒的长度方向呈一预定角度                                                取向的单向表面纹理的外表面；
一环状槽，其形成于所述内滚筒和所述外滚筒之间，并具有预定间隙；以及
润滑油，其填充在所述环状槽内；
其中，所述内滚筒沿使所述滑润油符合层流状态的一个方向转动。
2.如权利要求1所述的同轴滚筒驱动组件，其中，所述环状槽的所述间隙在0.5mm到5.0mm的范围中选择。
3.如权利要求2所述的同轴滚筒驱动组件，其中，所述环状槽的所述间隙在2.5 mm到3.5 mm的范围中选择。
4.如权利要求1所述的同轴滚筒驱动组件，其中，所述内滚筒是实心的。
5.如权利要求4所述的同轴滚筒驱动组件，其中，所述润滑油在所述同轴滚筒的一端附近进入所述间隙。
6.如权利要求1所述的同轴滚筒驱动组件，其中，所述内滚筒是空心的并具有圆筒形壁。
7.如权利要求6所述的同轴滚筒驱动组件，其中，所述润滑油通过所述内滚筒的所述圆筒形壁上所钻出的多个孔进入其空心而进入到所述间隙。
8.如权利要求1所述的同轴滚筒驱动组件，其中，所述外滚筒是固定的。
9.如权利要求1所述的同轴滚筒驱动组件，其中，所述外滚筒是旋转的。
10.如权利要求1所述的同轴滚筒驱动组件，其中，所述内滚筒的所述单向表面纹理是具有大于90度的角度的前向纹理。
11.如权利要求1所述的同轴滚筒驱动组件，其中，所述内滚筒的所述单向表面纹理是具有小于90度的角度的后向纹理。
12.如权利要求1所述的同轴滚筒驱动组件，其中，所述内滚筒上的所述单向表面纹理是具有90度的角度的垂直方向纹理。
13.如权利要求1所述的同轴滚筒驱动组件，其中，所述外滚筒的所述内表面和所述内滚筒的所述外表面具有0.5微米至5.0微米范围内的平均表面粗糙度（Ra）。
14.如权利要求13所述的同轴滚筒驱动组件，其中，所述外滚筒的所述内表面具有1.0微米至1.6微米范围内的平均表面粗糙度（Ra）。
15.如权利要求13所述的同轴滚筒驱动组件，其中，所述内滚筒的所述外表面具有0.8微米至2.5微米范围内的平均表面粗糙度（Ra）。
16.一种用于在工业机械中传输功率的同轴滚筒驱动组件，所述同轴滚筒驱动组件包括：
一前部；
一后部；
基本穿过所述前部和所述后部的一中空外滚筒，所述中空外滚筒包括具有双向表面纹理的内表面；
基本穿过所述前部和所述后部的一内滚筒，所述内滚筒包括具有沿所述滚筒长度呈预定角度取向的单向表面纹理的外表面；
一环状槽，其形成于所述外滚筒与所述内滚筒之间；以及
润滑油，其填充于所述环状槽内；
其中，所述内滚筒在使所述滑润油为层流状况的一个方向转动；以及
其中，所述前部和所述后部之间润滑油的分布根据一预定的DF/DR比率确定。
17.如权利要求16所述的同轴滚筒驱动组件，其中，所述内滚筒的单向表面纹理的所述角度为90度。
18.如权利要求17所述的同轴滚筒驱动组件，其中，所述DF/DR比率是0.7。
19.如权利要求16所述的同轴滚筒驱动组件，其中，所述外滚筒在与所述内滚筒转动的相同方向上转动。
20.如权利要求19所述的同轴滚筒驱动组件，其中，所述内滚筒的所述单向表面纹理的所述角度为小于90度。
21.如权利要求20所述的同轴滚筒驱动组件，其中，所述DF/DR比率在0.3到0.5之间。
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