CN102562859A - 内含空间楔合式摩擦超越离合机构的单向传动装置 - Google Patents

Abstract

本单向传动装置内含的空间楔合式摩擦超越离合机构包括，转动导向机构G和牵引摩擦机构F1组成的空间楔形机构，机构F1具有摩擦件，机构G的导向件最佳地具有螺旋齿式导向面，二机构还共有同一个具有互补式导向面和回转摩擦面的环状中介件并轴向刚性联动；以及，轴向力封闭该两个机构并与导向件及摩擦件刚性地结合在一起的传力摩擦机构F2。其中，所述导向面的升角小于能够确保所述导向面之间的摩擦副自锁的升角的最大值，以使中介件可以楔合导向件和摩擦件并传递转矩。其具有完全面接触、结构简单、无离散回转构件等诸多优点，具备理想超越离合器所应具有的几乎所有品质。因此，内含其的单向皮带轮或齿轮全面地显著优于现有技术。

Description

内含空间楔合式摩擦超越离合机构的单向传动装置

相关申请

本发明是本申请人提出的名为空间楔合式摩擦超越离合器的中国专利申请201010222712.X和201020186785.3的从属专利申请。该公开在先的两项专利申请的全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及所有传动领域中的一种传动装置，特别涉及但不仅仅涉及一种可在一个圆周方向上传递转矩且内含超越离合机构的轮-轴传动式单向传动装置。

背景技术

现有技术中，将超越离合机构与传动装置直接设置成一个有机整体而不是简单地装配在一起的具体结构和具体应用，例如，应用于机动车及联合收割机中的单向皮带轮，已经得到专利文献CN1516788A和CN1385055A等的详细描述。此外，该类轮-轴传动式单向传动装置还包括石油工业中抽油机传动用的单向皮带轮，输配电设备中弹簧操动机构使用的单向齿轮，自行车和电动助力车的飞轮等等。然而，所有该类单向传动装置中的超越离合机构，大多都是基于传统的依靠离散的诸如滚柱和斜撑子之类的中介件来传递转矩的摩擦式超越离合器。其结构复杂，零部件既多又零散，加工和装配都很麻烦，不仅致使制作成本过高，而且还致使空载摩阻因正比于转速的平方而磨损过快、寿命过短。其径向和轴向尺寸较大但承载能力却低下，难以应用于高转速高转矩场合，更不容易实现小型化和轻量化，明显满足不了日益严格的现实要求。

发明内容

本发明致力于设计基于全新技术原理的单向传动装置，以避免上述缺点。

本发明要解决的技术问题是提供一种具有更高的承载能力、更高的工作转速和寿命、结构简单紧凑并易于实现小型化和轻量化的内含空间楔合式摩擦超越离合机构的单向传动装置。

为解决上述技术问题，本发明之内含空间楔合式摩擦超越离合机构的单向传动装置包括，绕一轴线回转且可轴向接合的至少一个牵引摩擦机构，其具有绕上述轴线回转并均设置有摩擦面的至少大致为环状的中介件和摩擦件，以在该两构件间传递摩擦转矩；为该牵引摩擦机构提供接合力并绕上述轴线回转的至少一个转动导向机构，其具有绕上述轴线回转并均设置有相应导向面的至少大致为环状的导向件和上述中介件；以及分别设置在上述导向件和摩擦件的一个内周面和一个外周面上的用于传递输入和输出转矩的特征曲面；当导向件和摩擦件被中介件可驱动地连接成一个摩擦体时，导向件与中介件双方的导向面之间的相互抵触部位的升角λ，大于零且小于等于ξ，即，0＜λ≤ξ，其中，ξ是能够令形成于该抵触部位的导向摩擦副自锁的升角λ的最大值。

可选地，设置有两个绕上述轴线回转的可轴向接合的摩擦机构，其中一个是上述牵引摩擦机构，其中另一个是与导向件和摩擦件至少不可旋转地分别结合在一起的传力摩擦机构，或者再一个上述牵引摩擦机构。

作为一种改进，升角λ的取值范围还可以是：ζ＜λ≤ξ，或者，0＜λ≤ζ(当ζ＞0)，其中，ζ是能够令所述抵触部位的导向摩擦副自锁的所述升角λ的最小值，也是令牵引摩擦机构的牵引摩擦副自锁的升角λ的最大值。

改进地，还设置有至少一个限力元件，其可与导向件、中介件和摩擦件中的至多一个，以至少不可旋转的方式连接成力封闭式组合构件，以建立相互之间的轴向力封闭式抵触连接。

进一步地，导向件、中介件、摩擦件或限力元件是袋形构件，以建立相互之间的轴向力封闭式抵触连接，其设置有绕上述轴线回转的至少大致半周的内周面，以及位于该内周面上的大致半周的周向凹槽和由上述袋形构件的外周面连通至该周向凹槽的入口。

可选地，限力元件是具有中心圆孔的杯形壳。

较佳地，限力元件可包括径向上至少大致对称的两个半圆壳和至少一个环形箍，该两个半圆壳的形状具有这样的组合效果，即，二者径向对接所构成的组合构件，设置有绕上述轴线的中心圆孔以及位于该中心圆孔内周面上的绕所述轴线的周向凹槽；上述环形箍以设置在组合构件的中部或外端部的外周面上的形式，固定住该组合构件。

较佳地，导向件和中介件双方的导向面，是分别设置在二者的相互直接面对的内周面和外周面上的螺旋型齿面，导向件上还设置有限力端部。

最佳地，还设置有至少具有一个弹性元件的弹性预紧机构，其用于持续地保持中介件与摩擦件之间的至少间接的摩擦连接。

需要特别说明的是，本申请文件所使用的相关概念或名词的含义如下：

转动导向机构：将圆周相对转动转换为至少包括轴向相对移动或移动趋势的导向机构。包括螺旋升角严格一致和不严格一致的滑动/滚动式螺旋或部分螺旋机构、径向销槽机构、端面楔形机构、端面嵌合机构、端面棘轮机构及圆柱/端面凸轮机构等仅可得到轴向移动的整体式导向机构，也包括还可同时得到径向移动的且具有诸如钢球、圆台形/截锥型滚柱、斜撑子之类离散构件的离散式导向机构。

空间楔形机构：由转动导向机构和牵引摩擦机构组成的机构。

ζ和ξ：空间楔形机构的重要极限角，如图1、3所示的中介件90，一方面，通过其摩擦面例如104与摩擦件70的牵引摩擦面72至少轴向抵触，以形成抵触部位的法向压力的合力W不垂直于回转轴线X的回转型牵引摩擦机构F1的至少包括一个的一组牵引摩擦副；另一方面，通过其朝向同一圆周方向的导向面94，与导向件50的相应导向面54至少轴向抵触，以形成抵触部位的法向压力的合力N不垂直于回转轴线X的转动导向机构G的至少包括一个的一组导向摩擦副；该抵触部位的公切线与垂至于回转轴线X的平面的夹角的平均值，称为该抵触部位的升角λ；再一方面，通过其它表面还可作用有诸如用于弹性预紧的其它作用力；在转动导向机构G的转动导向工况中，也就是导向件50致使中介件90沿箭头P所指方向以大于等于零的速度相对摩擦件70转动的工况中，能够确保导向摩擦副自锁的双方表面抵触部位的最小升角被定义为ζ，最大升角则被定义为ξ。而该两个极限角则完全界定了中介件90相对导向件50向前转动、静止不动和向后转动的一切可能的运动形式。具体含义如下：

1、当ξ＜λ＜90度时，导向摩擦副和牵引摩擦副均不能自锁，通过导向摩擦副的法向压力N，或者其分力Q和T，导向件50可致使中介件90相对其向前亦即箭头P所指方向滑转/挤出。因此，导向件50与摩擦件70不能被中介件90楔合成一个摩擦体。只是因为压力N源自非弹性力或受构件结构所限，才致使中介件90仅被导向件50推动着相对摩擦件70摩擦滑转而未被实际挤出。

2、当ζ＜λ≤ξ且λ＞0时，导向摩擦副处于恒定的自锁状态，牵引摩擦副处于不可自锁的一般静摩擦状态。此时，中介件90可以将导向件50与摩擦件70楔合成一个摩擦体，但在摩擦件70相对导向件50过载，牵引摩擦副仍可由静摩擦状态正常地转入滑动摩擦状态而导向摩擦副仍可稳定自锁。对应地，空间楔形机构处于半楔合状态，超越离合机构处于非完全接合状态。

3、当0＜λ≤ζ(针对ζ＞0的情况)时，牵引摩擦副处于恒定的自锁状态，导向摩擦副处于一般静摩擦状态。相应地，在摩擦件70相对导向件50过载时，中介件90将具有突破导向摩擦副的最大静摩擦状态/阻力而相对导向件50滑转爬升的趋势，但由于该爬升趋势被空间楔形机构的轴向力封闭结构刚性阻止(除非压力N源自弹性力)，因此，导向摩擦副被强制性地维持在等同于自锁的一般静摩擦状态。即，中介件90、导向件50与摩擦件70三者被强制楔合/结合成一个转动整体，即使过载至毁损也不相互滑转爬升。空间楔形机构因而处于类似斜撑式超越离合器的绝对自锁/楔合状态。

由常识可知，λ等于ζ的情况，只存在于理论上而不存在于现实中。也就是说，因不能同时自锁而必然始终存在着一组不自锁的可滑转摩擦副，空间楔形机构传递转矩的物理本质只能是摩擦，而不是现有技术认定的摩擦自锁。但极限角ζ未被现有技术理论所认识，也不能由作为特例的平面楔形机构的运动关系启示、想象或揭示出来，更不能由其结构推导出来。因此，不知道极限角ζ的存在及物理含义的现有技术便无法透彻地认识极限角ξ亦即楔角的真实物理含义，包括摩擦滑转的正常性，更不可能发现、揭示和证实空间楔合的物理本质，并进而得出本申请的基于空间楔形机构的技术方案。

显然，上述升角λ就是空间楔形机构的楔角，也称楔合角/挤住角，并仅在0＜λ≤ξ时，空间楔形机构方可楔合，超越离合机构方可接合。

依据本发明的内含空间楔合式摩擦超越离合机构的单向传动装置，具有楔合可靠，承载能力高、转速高、可磨合、寿命长、超越特性好、开合轻便灵活、效率高、结构简单、制作和装配容易、成本相对较低和适用面更广等优点。借助下述实施例的说明和附图，本发明的目的和优点将显得更为清楚和明了。

附图说明

图1是根据本发明的单向传动齿轮的轴向剖面图。

图2是图1中具有力封闭功能的环状袋形摩擦件的示意图。

图3是图1中各机构的齿廓向同一外圆柱面径向投影的局部展开图。

图4是根据本发明的自行车飞轮的轴向剖面图。

图5是根据本发明的单向轴承的轴向剖面图。

图6是根据本发明的一种单向皮带轮的轴向剖面图。

图7是根据本发明的另一种单向皮带轮的轴向剖面图。

图8是根据本发明的又一种单向皮带轮的轴向剖面图。

图9是根据本发明的再一种单向皮带轮的简化的轴向剖面图。

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特征部位均采用相同的附图标记，并只在它们第一次出现时给予必要说明。同样，也不重复说明相同或相似机构的工作机理或过程。为区别设置在对称或对应位置上的相同的构件或特征部位，本说明书在其附图标记后面附加了字母，而在泛指说明或无需区别时，则不附加任何字母。

实施例一：具有袋形构件的单向传动齿轮D1

参见图1～3，单向传动齿轮D1具有例如适用于输配电设备中的弹簧操动机构的外形。其包括最佳地绕轴线X形成，并最佳地呈阶梯环状的导向件50。其外环侧的内端面上，设置有一组最佳地绕轴线X周向均布的螺旋导向齿52，其内环侧朝内端延伸的管状基体60的内周面上，设置有最佳地构成花键齿的特征曲面，以与同轴线地设置在其内孔中的内环40借助花键副不可旋转地相连。为此，内环40中部的固定连接段45的外周面上以互补的方式设置有构造出相应的花键齿的特征曲面。同时，内环40内周面上设置有构成平键槽的传力特征曲面64，以与其内孔中未示出的传动轴不可旋转地相连并传递转矩。这里，不可旋转地连接的形式除了花键和平键连接之外，也可以根据需要采用诸如过盈、D字形或方形轴孔的非圆配合等连接方式。而在管状基体60的中部外周面上，则可滑转地径向定位有最佳地呈环状的中介件90，其通过设置在面对导向件50的端面上的与导向齿52呈互补式构造的一组螺旋导向齿92，与导向件50恒久地嵌合，以构成最佳地绕轴线X回转的面接触型单向转动导向机构G。

单向传动齿轮D1还包括最佳地绕轴线X形成并具有轴向力封闭功能和传力特征曲面34的摩擦件70。该摩擦件70最佳地是一个环状袋形构件，其外周面上的一端最佳地设置有刚性一体的外环30。传力特征曲面34在该外环30的外周面上构造出轮齿168。显然，该特征曲面34可以是构成诸如过盈圆柱面、D字形或方形轴的非圆配合面、花键齿、键槽、皮带槽、凸起、各式孔和螺纹传力结构等的任意曲面，需要时还可以直接形成在一个单独的环状构件上，然后再通过公知的连接方式固定到摩擦件70的外周面上，参见图7。同样，该外环30也可通过其它诸如螺拴的方式紧固连接至摩擦件70上。摩擦件70的绕轴线X形成的内周面84的轴向中部，同轴线地设置有最佳地为平面型的盘形环状周向凹槽78。该周向凹槽78的约半周的内表面，最佳地沿两相互平行的切线方向H和H′延伸至摩擦件70的外周面，并形成等截面矩形入口82。周向凹槽78的径向内表面80，因而延伸成具有U字形横截面形状的非闭合式内径向表面。相互嵌合的导向件50和中介件90可沿图2中空心箭头所指方向由入口82直接纳入周向凹槽78，并被轴向贯穿于摩擦件70内孔中的内环40径向定位。而摩擦件70则通过设置于其内周面与内环40两端的对应外周面48a和48b之间的两个轴承158，同轴线地径向固定在内环40上。最佳地，轴承158附装有未示出的密封圈或轴承盖。

实际上，轴承158和内环40均非本发明之必需，其作用完全可以被滑动摩擦，以及设置于内周面84中的具有例如花键齿或D字形非圆截面的传动轴分别取代。同时，也可按这样的方式实现上述径向定位。即，如图1～2所示，在入口82两径向侧面的周向端部88的轴向上只对应于导向件50的部位，预先切割出一个可径向内弯曲的周向舌，便可在导向件50和中介件90装配就位之后塑性弯曲该周向舌，实现对该二构件的可转动的封装和定位。而且，摩擦件70的内周面84也不必需周向封闭和对应于贯通式内孔，其完全可以呈例如大致半周的U形开口状并对应于一个盲孔，只要在该内周面84上可以设置出用以收纳诸如中介件90之类的回转构件的大致半周的周向凹槽78即可。

显然，轴向力封闭的环状袋形摩擦件70也可以是一个组合构件。例如，借助诸如焊接、在包括轴向中部和/或外端部的外周面上过盈地设置至少一个环形箍或圆环状外环30之类的紧固连接方式，将径向上至少大致对称，且半圆形内圆面上均设置有半圆形周向槽的两个半圆壳式限力元件，径向固定地对接成一个限定出完整的周向凹槽78的组合式环状摩擦件。再如，借助诸如焊接、铆接或螺栓之类的紧固方式，将一个具有中心圆孔的杯形壳式限力元件，轴向固定连接至盘形外环30的端面，并限定出周向凹槽78。此时，还可进一步地将导向齿52或92刚性一体地直接形成在盘形外环30的内端面上，并在周向凹槽78内设置一个独立的盘形圆环以充当摩擦件。或者，直接去除外环30，并借助例如花键等连接方式将导向件50不可旋转地连接至上述杯形壳的外端内周面上，再由螺纹连接至杯形壳内周面最外端或外周面的盘形环状或杯形壳状的支撑件来轴向支撑和单向限定该导向件50，以最终达成轴向力封闭的目的。相关结构的更详细说明和图示可参见上文所整体结合的两项专利申请，以及本申请人于本申请同日提出的名为空间楔合式摩擦联轴器和安全离合器的中国专利申请，此处不作进一步说明。

继续参见图1，盘形环状周向凹槽78分别设置有回转型牵引摩擦面72和传力摩擦面74。其左端的牵引摩擦面72，与设置在中介件90无齿端面上的回转摩擦面104摩擦相连，构成回转型面接触牵引摩擦机构F1。其右端的传力摩擦面74，与设置在导向件50无齿端面的传力摩擦面58摩擦相连，构成可与导向件50直接传递摩擦转矩的回转型面接触传力摩擦机构F2。牵引摩擦机构F1和转动导向机构G，共同组成端面型空间楔形机构，该机构再与传力摩擦机构F2一起，构成单向传动齿轮D1的轴向力封闭的空间楔合式摩擦超越离合机构。

应该指出的是，本申请“直接传递摩擦转矩”的含义是指，转矩在两构件间的传递路径仅经过一个摩擦机构，而不经过任何第二个其它机构，其与该摩擦机构所具有的摩擦面/片的数量没有任何关系。

显然地，齿轮式外环30通过与摩擦件70形成为刚性一体的形式而与超越离合器刚性地结合在一起，成为内含有空间楔合式摩擦超越离合机构的单向传动齿轮D1。而由于环状袋形摩擦件70的盘形环状周向凹槽78，被最佳地设置成平盘状而非锥盘状，因此，该单向传动齿轮D1在理论上可以不要求导向件50和中介件90的组合与摩擦件70之间的同轴度精度。也就是说，可以不对超越离合机构中的转动导向机构G、牵引摩擦机构F1和传力摩擦机构F2三者之间以及三者与轴线X的同轴度做过高要求，尤其是转速不高时，只要其两个面接触回转摩擦副垂直于轴线X，以及仅具有几乎不可察觉的相对转动的导向件50和中介件90相互间同轴线设置即可。而相对现代工艺，保证该两个环状构件之间的同轴度又是一件简单和低成本的劳动。因此，这将显著降低制作、装配和使用单向传动齿轮D1的要求和成本，显著优越于完全相反的现有技术。

为最佳地封闭入口82，还以诸如焊接、铆接、胶接、螺纹副、径向或端面螺钉、过盈或间隙配合之类的紧固或非紧固连接方式，在入口82中或其外部的摩擦件70的外周面上设置有至少一个封口件190，如最佳的完整管状圆环。为作高速转动而需要对单向传动齿轮D1进行回转平衡时，可最佳地在封口件190内径侧未被填满的入口82的剩余空间中，设置一个与该剩余空间具有互补式构造的弧形平衡元件/配重块。该平衡元件最佳地被贯穿于其中，并固定连接在摩擦件70的轴向孔81中的至少一个固定销径向定位。当然，也可在对应于U字形内表面80底部两端的摩擦面72和74上，以设置轴向孔的方式进行回转平衡，并且，平衡元件可如上所述地直接取代封口件190。

下面再结合图3来说明转动导向机构G的详细关系和结构特征。其中，沿径向延伸的每对端面型锯齿状螺旋导向齿52和92的导向面54和94，可相互贴合，并构成一组面接触的螺旋式导向摩擦副。即，该两个具有互补式构造的导向面54和94，最佳地是分别朝向单一圆周方向且升角均为λ的螺旋型齿面。一般地，0＜λ≤ξ，特殊地，ζ＜λ≤ξ或者0＜λ≤ζ(当ζ＞0)。最佳地间隙相隔的非导向面56和96则平行于轴线X，以最佳地保证双方周向抵触时不会导致楔合。

容易理解，导向件50端面上的多个导向齿52实际上就是空间楔形机构的楔形齿，其导向面54朝周向一方轴向上逐渐靠近摩擦件70的回转型牵引摩擦面72，并与后者分别围成多个沿周向延伸的端面楔形空间。而设置在该多个楔形空间中的多个导向齿92就是楔合子，其因不必需径向运动而最佳地相互合并成一个零件，即整体环状的中介件90。

为使超越离合机构的溜滑角尽可能地接近于零，传动齿轮D1还最佳地设置有弹性预紧机构。该机构主要包括一个由弹簧钢丝制成的可轴向压缩的环状波形弹簧150，其设置在转动导向机构G内径侧的管形腔中，也就是设置在导向齿52、92的内端面与管状基体60外周面，以及其间的导向件50与中介件90两者相对的端面所限定出的管形空间内，参见图1。当然，弹簧150也可以是一个或多个扭簧、片状波形弹簧，或者由弹性材料制成的具有任意形式和任意设置位置的任意数量的弹性元件，只要其可以最佳地致使回转摩擦面104始终弹性地抵触至牵引摩擦面72即可。并且，最好能致使导向面94也同时始终弹性地抵触至54导向面。另外，弹性预紧机构也可通过将一个与中介件90或摩擦件70不可旋转相连的构件弹压至对方的方式，建立两者间的间接摩擦连接。

比如，在非导向面56和96之间设置径向的片状波形弹簧，便可致使两个导向面54和94始终具有周向上相向转动的趋势，也就是致使转动导向机构G始终具有转动导向的趋势。于是，中介件90可以始终保持在其位于楔形空间周向最小端的准楔合工位上，处于可随时楔合的临界状态中。在这种临界状态中，转动导向机构G的轴向自由度/间隙为δ，周向自由度/间隙为ε，两自由度均最佳地大于零，参见图3。其中，有关弹性预紧机构的更详细的说明和图示，可参见上文所整体结合的两项专利申请，此处不作进一步说明。

容易明了，为降低传动齿轮D1的溜滑角和周向惯性冲击，提升其动作响应性和灵敏性，上述自由度/间隙δ和ε设置得越小越好，且以ε等于零最为理想。

如上文所整体结合的两项专利申请所述，弹性预紧机构也非本发明之必需。未设置该机构时，传动齿轮D1仍可依靠0＜λ≤ζ的升角λ的特别设置，以及依靠例如周向转动时的惯性致使中介件90入楔，尽管可靠性不够高。比如，用作脉动无级变速器的输出机构时的情形。或者，为可靠入楔，也就是令中介件90可靠地转入将导向件50与摩擦件70可驱动地连接/结合/楔合成一个摩擦体的工作过程和状态，可将中介件90的外径最佳地设置得相较导向件50的稍大，以使其可于径向串动中摩擦接触到内表面80并借此获得入楔所需的摩擦力。为此，摩擦件70、轴承158以及内环40三者之间应设置有相应的径向自由度。显然，这将付出诸如降低齿轮啮合传动质量的代价。

单向传动齿轮D1的工作过程非常简单。当导向件50开始持续地具有沿图3中箭头P所指方向相对摩擦件70转动的趋势的初始瞬间，摩擦件70将借助牵引摩擦机构F1的空载/牵引摩擦转矩，牵引着转动导向机构G的中介件90，相对导向件50沿箭头R所指方向作转动导向运动。该转动导向运动所产生的轴向移动/胀紧力，在将导向齿92瞬间楔紧在导向面54和牵引摩擦面72所围成的端面楔形空间中，也就是中介件90将导向件50与摩擦件70楔合成一个摩擦体，牵引摩擦机构F1因而轴向接合的同时，还将导向件50即刻胀紧在摩擦件70的另一个内端面也就是传力摩擦面74上，以形成轴向力封闭式抵触连接的方式，致使传力摩擦机构F2也同步接合，并将导向件50与摩擦件70直接连接成一个摩擦体。

于是，传动齿轮D1随着空间楔形机构的楔合而接合。由管状基体60内孔中的内环40传入的来自未示出传动轴的驱动转矩M₀，分成经由转动导向机构G和牵引摩擦机构F1传递的楔合摩擦转矩M₁，以及经由传力摩擦机构F2直接传递的传力摩擦转矩M₂，分别传递给摩擦件70及与其同体的外环30，再传递给与轮齿168啮合的未示出的齿轮。其中，M₀＝M₁+M₂，且上述轴向胀紧力、楔合力和各摩擦力的大小，均完全自适应地正比于M₁，也就是M₀。当然，转矩也可按相反路径传递，而不会有任何实质差别。

应该指出的是，如上所述，传动齿轮D1仅在具有ζ＜λ≤ξ的设置中，可以获得自适应地相对驱动转矩过载打滑的防过载破坏功能，但前提是驱动转矩必需由导向件50向摩擦件70传递，也就是沿如上所述的由轴到轮的路径方向传递，而不是相反。

而当导向件50开始持续地具有沿图3中箭头R所指方向相对摩擦件70转动的趋势的初始瞬间，导向件50将开始相对中介件90作解除转动导向机构G的导向作用的转动。因此，导向面54与94之间的法向压力和转动导向机构G的转动导向作用，将随着两导向面产生相互脱离接触趋势的一瞬间而同时消失。自然，基于该机构G的轴向移动/胀紧力的两个摩擦机构F1和F2以及空间楔形机构，将随即分离或解楔。于是，传动齿轮D1结束接合并开始超越转动，中介件90跟随导向件50相对摩擦件70沿R方向摩擦滑转。

至此不难发现，转矩在传动齿轮D1中全部经由面接触摩擦副传递，其传递路径上不存在任何离散构件，不存在任何与离心力相关的摩擦力，更不存在任何不可平衡的回转构件以及任何不平衡径向力或其分力，所有作用力仅具有轴向分力和/或周向分力，而该两个分力的作用对象又均具有极高的轴向和/或周向刚度。因此，相对现有技术，尤其是其中的滚柱式和斜撑式超越离合器，根据本发明的具有空间楔形机构的单向传动齿轮D1，不仅具有了质的先进性和极其显著的全方位优势，而且更具备了理想超越离合器所应该具备的几乎全部特性。

例如，因相较现有技术的中空环远远为高的刚度，而具有更可靠的楔合/自锁特性和更高的传动精度；因依靠面接触摩擦副、双转矩流传动模式，以及可将摩擦机构F1和F2设置成多摩擦片式结构、附装有更大摩擦系数材料/元件的结构、或半锥顶角均介于0～180度之间的截锥面型摩擦副结构，而具有无可比拟的承载能力；因无离心惯性力而具有对应于相关材料强度的高转速能力；因转动导向机构G几乎不存在磨损，摩擦机构F1和F2的摩擦力绝缘于离心惯性力并可自动补偿磨损，以及面接触的摩擦强度较线接触显著为低，而具有远远为长的工作寿命；因无声、无弹性疲劳以及绝缘于离心力的低摩阻，而具有优异的超越特性和更高的传动效率；因楔合方向/轴向的高刚度而具有轻便的开合特性；因关键地可以依需要而刚性地限定周向自由度ε的大小、进而可以无需中介件90在楔合或解楔过程中作任何可察觉的惯性几何运动，而具有极高的开合灵敏度和响应性；因优异的超越特性和开合灵敏度，而在高频开合时具有更稳定的性能；因所有磨损在几何参数上几乎不改变极限角ζ和ξ的大小，而可以磨合/跑合并随着磨合/跑合而提升性能，同时还因此而具有容易调节和修复的特性；因楔合时不产生径向力而无需大环厚来增强径向刚度，进而具有更小的径向尺寸；因更简单的结构更少的构件数量，而具有更经济的制作和装配成本，以及更高的生产效率和更宽广的应用范围。有关本发明的技术优点和有益效果的更详细的说明和图示，可参见上文所整体结合的两项专利申请，此处不作进一步说明。

具体地，在导向件50的内径不小于50mm，环状袋形摩擦件70的外径不大于98mm，轴向宽度不大于41mm，以及工作系数和摩擦系数分别为3.0和0.1时，传动齿轮D1的只有约半周向可以楔合和传力的单向超越离合机构，其计算转矩至少达到3,725N·m的约5倍于现有技术的量级水平，成倍超出例如输配电设备中弹簧操动机构对该单向齿轮的实际需求。并且，降低导向件50的内径并相应地增加环状袋形摩擦件70的径向环厚，计算转矩还可显著增加。而实施回转件平衡之后，其工作转速便可高至轴承158的设计极限。因此，对于同等的转矩容量，齿轮D1无疑将具有更小的轴向、径向尺寸以及质量。

有必要指出的是，为谋求更大的设计自由度和使空间楔形机构更容易地楔合或解楔，本发明还具有各种提升极限角ζ和ξ数值的技术手段。包括，将转动导向机构G的导向面54和94设置成倾斜螺旋型齿面，将牵引摩擦机构F1的摩擦面72和104设置成截锥面，致使轴截面内导向面54和94或摩擦面72和104与轴线X的夹角/半锥顶角不等于90度，而等于如图9所示的0～180度的其它值；将牵引摩擦机构F1设置成多摩擦片式结构；以及，将具备更大摩擦系数的材料或元件附装至摩擦面72和104中的至少一个上。例如，在静摩擦系数均为0.1时，单向传动齿轮D1中的ζ和ξ分别等于0度和11.4度，而只需将牵引摩擦机构F1的摩擦面设置成半锥顶角等于30度的截锥面这一个措施，上述极限角便分别升至5.6度和17.02度。这里应顺便提及的是，本说明书已经给出了关于极限角ζ和ξ的清晰的文字定义和说明，无需付出任何创造性的劳动，本领域的普通技术人员均可据此推导出其函数关系式/计算公式。

由常识可知，为增大同等直径时单向传动齿轮D1的转矩容量并降低轴向内力，牵引摩擦机构F1和传力摩擦机构F2也可依公知技术，被如上所述地分别或同时设置为多摩擦片式的离合机构，并因此而具有多于一个的一组牵引摩擦副或传力摩擦副。例如，参见图1，借助设置在通孔或外周面缺口中的两组轴向销，将轴向上分别介于摩擦面72与104以及传力摩擦面58与74之间的，各至少包括一个的各一组环状外摩擦片，不可旋转地连接至牵引摩擦面72和传力摩擦面74，再借助诸如花键副，将对应的各至少包括一个的各一组环状内摩擦片，以与上述外摩擦片轴向交错排列的形式，分别相应地且不可旋转地连接在内环40外周面上，以及位于回转摩擦面104内环侧的环形端面凸缘的外周面上。

需要说明的是，如定义中所述，本发明没有对转动导向机构G及其导向齿52、92作出具体限制，其不必需具有最佳的螺旋齿结构。因此，该机构G及其导向齿可具有任意具备转动导向功能的形式和形状。导向齿可按离散形式设置在端面/周面上，也可按图9所示的诸如单头或多头螺纹的形式，周向延续地设置在相应的内/外周面上。而在后一种设置形式中，其可最佳地设置成具有诸如矩形、梯形、锯齿形或三角形等截面形状的螺旋齿。同样道理，只要能够最佳地实现轴向的互补式贴合/抵触，牵引摩擦机构F1和传力摩擦机构F2的各自两组回转摩擦副的截锥式回转型摩擦面，可以基于任意曲线/母线回转而成，并可以是设置有用以散热或排除液体/气体的沟槽的非连续表面。

因此，单向传动齿轮D1可以具有这样的变型。即，将其中的机构G的螺旋导向齿52和92设置在管状基体60的外周面以及中介件90的内周面上，或者，设置在中介件90的外周面以及形成于导向件50径向外环侧的环形端面凸缘的内周面上(相当于径向翻转中介件90以及导向件50的位置)。或者，去除其内环40，借助诸如精密铸造、浇注、压铸或注塑等方式，将导向齿52或92直接刚性地形成在作为袋形构件的摩擦件70的相应内端面上，以令摩擦件70变型为具有轴向力封闭功能的袋形导向件或袋形中介件。相应地，再在图1中的中介件90或者导向件50与摩擦件70的轴向之间，径向置入一个内孔固定相连至一传动轴的盘形摩擦环，从而将传动齿轮D1变型为导向件为袋形构件的轮-轴传动式单向传动齿轮，或者，变型为中介件为袋形构件的轴-轴传动式单向传动联轴器(导向件50的内周面耦合有另一传动轴)。届时，装配时应最后置入该盘形摩擦环。

关于具有袋形构件的离合器的更多的详细结构图示和说明，可参见本申请人提出的中国专利申请201020563404.9，以及于本申请同日提出的名为具有袋形构件的空间楔合式摩擦超越离合器的专利申请，本申请不作进一步说明。

另外，容易想到，如果在传力摩擦面58和74之间再轴向对称地设置一个中介件90，并与导向件50及摩擦件70分别对称地组成再一个转动导向机构G和牵引摩擦机构F1，传动齿轮D1将失去传力摩擦机构F2而具有两个共用同一个摩擦件70的牵引摩擦机构F1。

进一步地，还可将图1中的导向件50与内环40的花键连接改为可相互转动的空套连接，并在其外周面上，设置有以互补的方式沿入口82径向延伸的凸缘式力臂。该力臂的两个径向侧表面，是可与入口82的两个径向侧表面同时互补式地啮合，并传递转矩的传力特征曲面。借助该力臂和侧表面，大致呈环状的导向件50与摩擦件70以不可旋转的方式，连接成一个具有轴向力封闭功能的组合式袋形导向构件。另外，再在中介件90与摩擦件70的轴向之间设置一个通过花键固定连接至内环40外周面上的盘形环，以用作传动齿轮D1变型后的摩擦件。此时，环状袋形摩擦件70变型为仅具有轴向力封闭单一功能的限力元件，并因此而相当于传力摩擦机构F2中的一个与导向件50不可旋转地相连的摩擦片。同时，传力摩擦机构F2不再与摩擦件以及导向件50分别刚性地结合在一起，而是不可旋转地分别结合在一起。

显然，如果需要，中介件90和摩擦件也可通过在各自外周面上设置上述力臂的形式，成为大致的环状构件，并与摩擦件70分别构成类似于上的袋形组合构件。当然，此时或应先在如图1中的回转摩擦面104与牵引摩擦面72之间加入一个盘形环状摩擦件。实际上，图1中的摩擦件70就是该盘形环状摩擦件与袋形构件最佳地或至多地结合成单一零件的产物。

再进一步地，以两组滚珠192取代非必需的轴承158。在具有外滚道的内环40的另一端外周面上，通过螺纹副相应地设置有同样具有外滚道的端盖224，以约束该两组滚柱192。再在外环30的外周面上设置用以构造出链轮齿222的传力特征曲面34。至此，传动齿轮D1将变型为自行车飞轮D2。

显然地，该飞轮D2也可以用作电动助力车等的飞轮。而且，如果需要更小的链轮径向尺寸，链轮齿222也可改设在内环40的例如右端的外周面上。此时，摩擦件70应不可旋转地连接至轮毂等转矩下游的转动构件上。

自然地，自行车飞轮D2还可以再变型为如图5所示的单向轴承D3。其中，用以构成键槽的传力特征曲面34直接设置在摩擦件70的外周面上。轴承密封圈110被设置在一组滚珠192外端的环形空间中。橡胶密封圈100则被设置在内环40的外周面48b与摩擦件70的内周面84b的径向之间。外周面48b与内周面84b之间的最大径向间距，大到至少允许一组滚珠192由另一端轴向置入其滚道的程度。并且，密封圈100的装配入位，必需在一组滚珠192全部入位之后。

实施例二：具有偏置袋形构件的单向皮带轮D4

图6表示的是用于机动车发电机输入轴端的单向皮带轮D4。为以最小的径向尺寸获得最大的承载能力，与外环30刚性地结合在一起的空间楔合式摩擦超越离合机构，被偏置在外环30及其两个支撑轴承158的轴向同一端。该两个用于径向定位外环30和内环40的轴向间隔有隔环210的轴承158，分别被设置在外周面48b和内周面84b内端的两个相应轴肩，以及设置在该两周面外端相应周向槽中的卡环184a和184b完全限定住。外环30的外周面上设置有用以限定出皮带槽32的传力特征曲面34。内环40的内周面则设置有用于连接发电机输入轴的螺纹段42，用于定位的圆柱基础段44，以及用于安装和拆卸的诸如六角孔形的附加孔段46。

如上所述，单向皮带轮D4显然具有更高的参数性能。例如，在内孔径为15mm，皮带轮外径不大于48mm，整体宽度为34mm，以及工作系数取为3.0时，其计算转矩便至少达到400N·m的量级水平。几倍于2010年的现有技术90N·m的转矩水平(皮带轮外径51mm)，远远超出实际所需。也就是说，皮带轮D4的径向和轴向尺寸还可以设置得更小。

容易明了，为获得更好的对称性，超越离合机构也可以设置在两个轴承158的轴向之间，从而变型为具有中置独立袋形构件的单向皮带轮D5，参见图7。此时，摩擦件70与外环30分解成两个独立构件。借助平键202，或者如上所述的诸如花键、过盈配合以及D字形孔的连接方式，摩擦件70不可旋转地连接在位于外环30内周面中部的周向固定连接段38的内周面上。显然，皮带轮D5的承载能力要小于皮带轮D4的，但仍然较现有技术显著为高。而且，如上所述，摩擦件70与内外环40/30的同轴度，以及与固定连接段38内周面的配合，均可以无需特别精度要求，满足最基本的一般要求即可。

实际上，也可如上文或上文所整体结合的两项专利申请所述，将皮带轮D5中的摩擦件70设置成由完全对称的两个半环通过径向对接，并被用作环形箍的外环30最佳地以诸如过盈方式固定连接而成的组合构件。此时，皮带轮D5将具有更大的承载能力。

尽管皮带轮D4和D5具有用于机动车发电机的背景，但该两种皮带轮也无疑地可以用于诸如农业机械等其它领域。而且，当运用于需要更大尺寸的传动部位时，比如用作石油工业中抽油机的传动皮带轮，其更可以具有偏置袋形构件的单向皮带轮D6的变型。如图8所示，该变型兼具最佳的承载能力和最佳的对称性/受力平衡性。或者，直接将皮带轮D5的两个轴承158a、158b分别对应地设置在其摩擦件70的内周面84a、84b与内环40的外表面48a、48b之间。此时，外环30应最佳地以过盈方式连接在摩擦件70的外周面上，以实现双方的轴向固定并形成密封腔体。

实施例三：周面螺旋齿式单向皮带轮D7

参见图9，单向皮带轮D7可以看作是对单向皮带轮D5的变型。其中，导向件50与内环40刚性地形成为一体。在其位于两个轴承158之间的外周面的一端，例如左端，形成有内端面设置有回转型传力摩擦面58的环形径向凸缘式限力端部188。转动导向机构G的一组螺旋导向齿52、92以类似单头或多头螺纹的形式，周向延续地分别设置在连接至传力摩擦面58的导向件50的外圆周面以及中介件90的内周面上。设置在中介件90内端的截锥型回转摩擦面104，与传力摩擦面58共同限定出轴向力封闭的截锥型环状凹槽。以互补构造方式环绕该截锥型环状凹槽形成的摩擦件70，刚性一体地设置在外环30中部的内周面上。为确保皮带轮D7工作的可靠性，最佳地设置有盘形扭转弹簧150。该弹簧150的一个端头收容在位于中介件90外端面的轴向孔中，另一个端头则收容在位于导向齿52外端的径向盲孔中，以最佳地将中介件90始终弹性地同时周向抵触在摩擦面72和导向齿52上。

另外，与皮带轮D1～6不同，内螺纹段42取代内花键齿，成为导向件50的传力特征曲面。

应该指出，皮带轮D7与前述实施例的最大区别仅仅在于，其设置有受到轴向挤压而非胀紧作用的摩擦件70，以及设置有周面式而非端面式螺旋导向齿52和92。该区别显然仅仅影响性能参数，而不影响工作机理。因此，在不降低承载能力的前提下，皮带轮D7更易于具有相对例如皮带轮D4更小的径向和轴向尺寸。比如，在皮带轮内孔径为13mm，外径为40mm，宽度为22.5mm以及工作系数取为3.0时，其计算转矩至少达到165N·m的量级水平，仍显著高于2010年的现有技术90N·m的转矩水平(外径51mm)。

容易理解，皮带轮D7中的摩擦件70也可按不可旋转的方式连接在外环30的内周面上，例如通过键连接或非圆配合连接。同样，还可内外翻转皮带轮D7中超越离机构的径向上设置位置。也就是对调外环30的内周面、内环40的外周面以及双方之间的所有构件的设置位置。

显然，如果需要，本申请的实施例也可以设置有如上文所整体结合的两项专利申请中所述的定向机构，以实现单向传动方向可控的双向超越传动。

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，所提及的实施例和附图都仅仅用于说明的目的，而不用于限制本发明及其保护范围，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)

1.一种内含空间楔合式摩擦超越离合机构的单向传动装置，包括：

绕一轴线回转且可轴向接合的至少一个牵引摩擦机构，其具有绕所述轴线回转并均设置有摩擦面的至少大致为环状的中介件和摩擦件，以在该两构件间传递摩擦转矩；

为所述牵引摩擦机构提供接合力并绕所述轴线回转的至少一个转动导向机构，其具有绕所述轴线回转并均设置有相应导向面的至少大致为环状的导向件和所述中介件；其特征在于：

还包括用于传递输入和输出转矩的特征曲面，分别设置在所述导向件和所述摩擦件的一个内周面和一个外周面上；

当所述导向件和所述摩擦件被所述中介件可驱动地连接成一个摩擦体时，所述导向件与所述中介件双方的所述导向面之间的相互抵触部位的升角λ，大于零且小于等于ξ，即，0＜λ≤ξ，其中，ξ是能够令形成于所述抵触部位的导向摩擦副自锁的所述升角λ的最大值。

2.按权利要求1所述的单向传动装置，其特征在于：该单向传动装置包括两个绕所述轴线回转的摩擦机构，其中一个是所述牵引摩擦机构，其中另一个是与所述导向件和所述摩擦件至少不可旋转地分别结合在一起的传力摩擦机构以及再一个所述牵引摩擦机构中的一个。

3.按权利要求1所述的单向传动装置，其特征在于：所述升角λ大于ζ，即，ζ＜λ≤ξ，其中，ζ是能够令所述抵触部位的导向摩擦副自锁的所述升角λ的最小值，也是令所述牵引摩擦机构的牵引摩擦副自锁的所述升角λ的最大值，ξ的含义同上。

4.按权利要求1所述的单向传动装置，其特征在于：当ζ＞0时，所述升角λ小于等于ζ，即，0＜λ≤ζ，其中，ζ的含义同上。

5.按权利要求1所述的单向传动装置，其特征在于：

还包括至少一个限力元件；以及

所述导向件、所述中介件和所述摩擦件中的至多一个，是至少通过不可旋转的连接方式包括有所述限力元件的力封闭式组合构件，以建立相互之间的轴向力封闭式抵触连接。

6.按权利要求1所述的单向传动装置，其特征在于：还包括

设置有传力特征曲面的外环，其与所述导向件以及所述摩擦件之一至少不可旋转地相连；

设置有传力特征曲面的内环，其与所述导向件以及所述摩擦件之一至少不可旋转地相连。

7.按权利要求1～6任一项所述的单向传动装置，其特征在于：还包括至少具有一个弹性元件的弹性预紧机构，其用于持续地保持所述中介件与所述摩擦件之间的至少间接的摩擦连接。

8.按权利要求1～6任一项所述的单向传动装置，其特征在于：

所述导向件的所述导向面是螺旋型齿面，其设置在所述导向件的包括端面、内周面和外周面的一个表面上；在轴平面内，该螺旋型齿面与所述轴线之间的夹角大于0度，小于180度；以及

所述中介件是一个绕所述轴线形成并设置有相应回转摩擦面的环状构件，其还设置有导向面，该导向面是与所述导向件的所述导向面具有互补式构造的螺旋型齿面，并对应地设置在所述中介件的端面、外周面和内周面中的一个表面上。

9.按权利要求1～5任一项所述的单向传动装置，其特征在于：所述导向件、所述中介件、所述摩擦件和所述限力元件之一是袋形构件，以建立相互之间的轴向力封闭式抵触连接，其设置有绕所述轴线回转的至少大致半周的内周面，以及位于该内周面上的大致半周的周向凹槽和由所述袋形构件的外周面连通至该周向凹槽的入口。

10.按权利要求1～6任一项所述的单向传动装置，其特征在于：所述限力元件包括径向上至少大致对称的两个半圆壳和至少一个环形箍，该两个半圆壳的形状具有这样的组合效果，即，二者径向对接所构成的组合构件，设置有绕所述轴线的中心圆孔以及位于该中心圆孔内周面上的绕所述轴线的周向凹槽；所述环形箍设置在所述组合构件的中部和外端部之一的外周面上，以固定所述组合构件。

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