CN102770680A - 具有不对称转矩敏感离合的皮带轮 - Google Patents

Abstract

用于汽车附件驱动系统的皮带轮组件包括轴接合毂，皮带轮构件，螺纹连接到轴接合毂上的螺母，和介于皮带轮构件和螺母之间的制动构件。轴接合毂与附件输入轴接合以便与其一起旋转。皮带轮构件、制动构件和螺母之间的摩擦接合从皮带轮构件传递转矩到输入轴。皮带轮构件包括内部连接表面和周边带接合表面。螺母包括外部连接表面。制动构件包括与螺母的外部连接表面摩擦接合的第一连接表面和与皮带轮构件的内部连接表面摩擦接合的第二连接表面。

Description

具有不对称转矩敏感离合的皮带轮

相关申请的交叉引用

本申请是2008年4月30提交的申请No.12/112393的部分继续申请。

技术领域

本申请总体涉及皮带轮并且更特别地涉及皮带轮组件，该皮带轮组件利用响应于相对转矩反向的转矩敏感离合。

背景技术

已知使用车辆发动机来驱动各种汽车附件组件，所述汽车附件组件包括例如水泵、交流发电机/发电机、用来冷却冷却剂的风扇、动力转向泵和压缩机。特别地，由机动车辆的发动机轴致动的驱动皮带轮驱动环形驱动带，而该环形驱动带通过从动皮带轮驱动附件组件。

由例如内燃机点火启动的周期性转矩脉动可以产生显著的速度变换，该速度变换可以中断从动部件的平稳操作。此外，与起动、停机、紧急制动、换档等相关的惯性和从动速度变换也可以中断从动部件的操作。这些变换可能导致不希望的效果，诸如带跳、带磨损、轴承磨损、噪音等等。

发明内容

提出一种改进的从动皮带轮组件，该从动皮带轮组件利用转矩敏感离合来允许从动附件的输入轴和皮带轮组件的外部从动槽轮之间的单向相对运动。当皮带轮组件的槽轮沿主要旋转方向被驱动时，皮带轮组件的离合机构接合并且驱动附件输入轴以便希望地平稳旋转。当由于例如从动速度变化而发生相对转矩反向时，本发明的皮带轮组件的内部离合机构使从动附件轴与外部从动槽轮脱离，因此允许从动轴沿主要旋转方向借助动量继续旋转。

根据一个方面，改进的皮带轮组件包括：用来与附件输入轴接合的轴接合毂，用来与驱动带接合的皮带轮构件，可以与轴接合毂螺纹接合的螺母，和制动构件，该制动构件在皮带轮构件和螺母之间传递转矩。轴接合毂具有旋转轴线、外部带螺纹的表面和孔，该孔用来容纳附件输入轴。皮带轮构件具有外部周边带接合表面和具有内部连接表面的孔。螺母包括与轴接合毂的外部带螺纹的表面接合的内部带螺纹的表面，和相对于轴接合毂的旋转轴线成角度的外部连接表面。介于皮带轮构件和螺母之间的制动构件具有面对螺母的外部连接表面的第一连接表面和面对皮带轮构件的内部连接表面的第二连接表面。当转矩沿第一方向被施加到螺母时，螺母通过其螺纹连接“上紧”到轴接合毂上，并且螺母的外部连接表面摩擦地连接到制动构件的第一连接表面，使得螺母和轴接合毂与皮带轮构件一起旋转。当转矩沿与第一方向相反的第二方向被施加到螺母时，螺母在轴接合毂上“松开”，因此分离制动构件的第一连接表面和螺母的外部连接表面，使得轴接合毂相对于皮带轮构件旋转。

所述改进的皮带轮组件提供优于设计用于允许皮带轮的超限运行的类似装置的多个优点。首先，通过使用螺母和制动构件的摩擦表面之间的陡峭地成角度的接合，改进的设计通过具有小得多的轴向力的主要径向的力实现较大的夹紧力和转矩阻力。减小的轴向载荷导致螺纹连接的较容易释放（deactivation）（即使在高转矩接合之后）,以便改进的响应性。改进的响应性意味着用于超限运行状态中的用于释放的较低的脱开转矩。第二，根据另一方面，制动构件可以利用不平行摩擦连接表面以便分别与螺母和皮带轮构件接合。这最大化摩擦材料表面面积（因此减小磨损速率）并且减小导致错位的力。第三，在其它实施例中，添加球轴承，用于在脱离的超限运行情况下的旋转自由度，不仅提供改进的结构刚性，而且通过减轻枢轴衬套上的磨损而延长组件的寿命。第四，在又一些其它实施例中，复合断裂环的引入改善该组件的耐久性并且增加可以施加的转矩和夹紧力的量。

根据特定实施例的以下描述并且根据权利要求，本发明的其它优点和特征将是显然的。

附图说明

图1是附件驱动系统的实施例的简图；

图2是用于图1的附件驱动系统的皮带轮组件的实施例的侧视剖视图；

图3是图2的皮带轮组件的分解透视图；

图4是连接到交流发电机的输入轴的图2的皮带轮组件的侧视部分剖视图；

图5是根据一个实施例的制动靴的透视图；

图6是四个弓形制动靴的顶视图，该四个弓形制动靴对齐以协作形成根据本一个实施例的环形制动构件。

具体实施方式

参考图1，例如汽车的内燃机的附件驱动系统10包括环形带30，该环形带用于驱动多个附件。多个附件在图1中由它们的皮带轮组件示意地示出。带30围绕曲轴皮带轮组件12、风扇/水泵皮带轮组件14、动力转向皮带轮组件18、空转皮带轮组件20和张紧器皮带轮组件22。在一些实施例中，张紧器皮带轮组件22包括阻尼，诸如通过摩擦阻尼器的不对称阻尼，以抵制张紧器臂提升离开带30。

各种附件通过使用皮带轮组件14、16、18、20和22被驱动，这些皮带轮组件自身通过带30旋转。为了描述，下面将集中于交流发电机的皮带轮组件16。然而，应当注意，其它附件的一个或更多个的其它皮带轮组件也可以以类似于皮带轮组件16的方式进行操作。

现在参考图2、3和4，皮带轮组件16当沿主要旋转方向旋转时将输入转矩传递到交流发电机的输入轴，并且也在皮带轮组件和交流发电机的输入轴78之间从相对转矩反向隔离输入轴（图4）。当皮带轮组件16和交流发电机的输入轴之间的这种相对转矩反向发生时，皮带轮组件16的内部离合系统起作用，以便使交流发电机从转矩反向脱离，因此允许交流发电机输入轴沿主要操作方向借助动量继续旋转。图4示出连接到交流发电机的输入轴78并且与带30接合的皮带轮组件16。

皮带轮组件16包括轴接合毂40，该轴接合毂40具有旋转轴线48、外部带螺纹的表面66，和用来容纳交流发电机的输入轴的孔44。如熟知的，轴接合毂40可以通过半圆键配合到交流发电机的输入轴，以防止轴接合毂40绕输入轴自由旋转。当然，轴接合毂40和交流发电机的输入轴之间的其它连接也是可能的，例如包括花键。在一些实施例中，环形套圈或套管53可以在一部位装配在轴接合毂40上或连接到轴接合毂40以便不干涉外部带螺纹的表面66。

皮带轮构件50位于轴接合毂40周围并且包括中心孔或开口54，该中心孔或开口被设计成适当尺寸使得皮带轮构件可以绕毂旋转。皮带轮构件50还包括接合带30的外部周边带接合表面52，和内部连接表面55。内部连接表面55可以由摩擦材料制成或涂覆有摩擦材料，以便接合其它部件和从皮带轮构件50传递转矩到其它部件。在示出的实施例中，带接合表面52成型为包括V形肋和凹槽以与带30上的对应的肋和凹槽配合。其它构造是可能的，诸如嵌齿、平的或圆的肋和凹槽。

在一些实施例中，滚子轴承58可以位于毂40和皮带轮组件50之间，以当脱离时允许皮带轮构件50相对于毂40的稳定旋转。滚子轴承58的内座圈可以邻近且连接到轴接合毂40。滚子轴承58的外座圈可以邻近且连接到皮带轮构件50。在毂40上包括套管53的实施例中，如图2中，滚子轴承58的内座圈可以邻近且连接到套管53而不是直接连接到毂40。滚子轴承的使用可以改善该组件的总体结构刚性，并且通过减小当离合机构的元件相对彼此旋转而磨损来延长该组件的寿命。

具有内部带螺纹的表面67的螺母64可以与轴接合毂40的外部带螺纹的表面66螺纹接合，使得沿第一旋转方向的螺母64绕毂40的相对旋转引起螺母64沿着旋转轴线沿第一线性方向A轴向平移，而沿相反方向的螺母64的相对旋转引起螺母沿相反的线性方向B轴向平移。螺母64还包括外部连接表面62，该外部连接表面相对于轴接合毂40的旋转轴线48成角度。根据一个实施例，形成在螺母的外部连接表面62和毂40的旋转轴线48之间的锐角在5和45度之间。在另一实施例中，外部连接表面62和旋转轴线48之间的角度优选地在大约10到20度之间。最佳角度至少部分地取决于在连接表面处接合的材料之间的摩擦系数、螺母的带螺纹的表面67的螺旋角或倾斜角、螺纹的摩擦系数，和设计的接合/脱离转矩要求。

介于皮带轮构件50和螺母64之间的是制动构件90。如图5和6中示出的，制动构件90可以由多个弓形制动靴91制成，该多个弓形制动靴协作地布置在螺母64的外周边周围。根据另一实施例，制动构件90可以是具有一个或更多个柔性指状件的连续的环，该柔性指状件允许环响应于螺母64的运动膨胀或收缩。制动构件90包括面对螺母的外部连接表面62的第一连接表面92和面对皮带轮构件50的内部连接表面55的第二连接表面94。连接表面的这些面对的对之间的协作摩擦接合提供皮带轮构件50和轴接合毂40之间的离合作用。在一些实施例中，制动构件90可以是复合材料，并且第一和第二连接表面92、94可以由摩擦材料制成或涂覆有摩擦材料。环形枢轴衬套72也可以布置在制动构件90和毂40或套圈53（如果存在的话）之间。如图3中示出的，衬套72可以包括一个或更多个间隔件73，以保持制动构件90的制动靴91正确地定位。枢轴衬套72可以由具有很低摩擦系数的材料制成。

在图2的实施例中，制动构件90的第一和第二连接表面92、94是不平行的。特别地，第二连接表面94可以基本上平行于轴接合毂40的旋转轴线48，而第一连接表面92与旋转轴线48形成的角度可以基本上相同于形成在螺母的外部连接表面62和轴接合毂40的旋转轴线48之间的角度。通过独立地在一方面选择第一连接表面92和螺母64之间的第一接合角度，并且在另一方面选择第二连接表面94和皮带轮构件50之间的第二接合角度，制动构件90被构造成最大化摩擦材料表面面积（因此减小磨损速率），最大化可用夹紧力，最小化超限运行（over-run）情况中脱开所需的力，并且减小导致错位的力。此外，可以选择接合表面的接合角度和摩擦性质以在驱动动力过度的情况下，甚至沿主要旋转方向建立最大可承受接合转矩（或“脱开转矩”）。

螺母64、制动构件90和皮带轮构件50的接合摩擦表面可以由摩擦材料形成或涂覆有摩擦材料，该摩擦材料包括已知的制动材料。可接受材料包括但不限于具有中到高摩擦、良好稳定性和良好磨损特性的介质的非石棉模制材料。适合于该应用的至少一种材料包括包含硫化橡胶与有机和无机摩擦改良剂和填料的柔性模制的、两辊挤出的、无金属的、酚醛树脂约束的摩擦衬里。摩擦材料的选择取决于希望的摩擦系数和磨损特性，该希望的摩擦系数和磨损特性取决于特定应用和操作状态。

在皮带轮组件16驱动输入轴78的第一操作状态中，带30绕旋转轴线48沿第一旋转方向驱动皮带轮构件50。在这个状态中，皮带轮构件50的内部连接表面55和制动构件90的第二连接表面94之间的摩擦接合促使制动构件90沿第一旋转方向旋转。而制动构件90的第一连接表面92和螺母64的外部连接表面62之间的另外摩擦接合又促使螺母64沿第一方向旋转。沿第一方向的螺母64的旋转引起螺母64通过与毂40的螺纹接合沿旋转轴线48（沿箭头A的方向）轴向平移。在螺母64在直接接触制动构件90的情况下沿方向A轴向平移时，制动构件90径向向外膨胀使得螺母64、制动构件90和皮带轮构件50之间的接触压力和摩擦力增加以将螺母64摩擦地连接到制动构件90以便与制动构件90和皮带轮构件50一起旋转。

在第二操作状态（也称为超限运行状态）中，当皮带轮构件50经历相对转矩反向或突然减速时，输入轴78从皮带轮构件50脱离并且沿第一旋转方向借助动量继续旋转。在这个状态中，皮带轮构件50可以沿第一方向继续旋转，但其角速度小于它曾驱动输入轴78的速度。皮带轮构件50处的角速度的突然减小具有转矩的相对反向的效果，该相对反向从皮带轮构件50经由前面描述的摩擦接合通过制动构件90传递到螺母64。沿第二方向施加转矩到螺母64引起螺母相对于轴接合毂40沿第二方向旋转，即使在绝对意义上，螺母64和毂40都可以绕旋转轴线48沿第一方向继续旋转。相对于毂40沿第二方向的螺母64的旋转引起螺母64松开或通过到毂40的螺纹连接轴向平移离开制动构件90（沿箭头B的方向）。随着螺母64、制动构件90和皮带轮构件50之间的接触压力和摩擦力减小，它们将最终分开并且以最小摩擦相对彼此旋转，使得输入轴78与皮带轮构件50独立地旋转。

盖板68可以通过任何常规装置紧固到皮带轮组件16以将工作部件包含在紧凑的单元中并且保护它们免受损害和碎片。特别地，盖板68可以紧固到毂40或输入轴78以便与这些部件一起旋转。根据一个实施例，盖板68包括外部轴向延伸的凸缘70，该凸缘在皮带轮构件50上的凸缘51上延伸并且覆盖皮该凸缘51以在皮带轮组件16的内部和外部之间形成曲折的（即，迂回的）路径。使用这种构造允许皮带轮构件50相对于盖板68和毂40旋转，同时为皮带轮组件16的内部部件提供保护防止污染物和碎片。

根据另一方面，扭转弹簧74可以位于盖板68和螺母64之间的腔80内，弹簧的第一端部75与盖板68接合并且弹簧的第二端部76与螺母64接合。扭转弹簧74可以被预先加载以偏压螺母64绕着与毂40的螺纹连接沿第一方向旋转。替代地，该弹簧可以仅仅响应于螺母64离开制动构件90的轴向运动而加载或者卷起。扭转弹簧74的使用改善离合组件的响应性并且防止螺母64在相对转矩反向之后保持与制动构件90分离。具体地，在超限运行状态中，沿第二方向的制动构件90施加到螺母64的转矩可能足以克服扭转弹簧74施加的转矩，因此允许螺母64平移并且与制动构件90脱离。当相对转矩反向事件结束之后，扭转弹簧74将螺母64推回到与制动构件90的接合中，使得皮带轮构件50可以再次驱动毂40和输入轴78。在其它实施例中，轴向弹簧（而不是扭转弹簧）可以用于将螺母64沿着螺纹毂40偏压到与制动构件90的接合中。

各种参数可以影响皮带轮组件16的操作、响应性和性能，这些参数包括摩擦连接表面相对于旋转轴线的角度、连接表面的摩擦系数、扭转弹簧力、毂40和螺母64之间的螺纹连接的螺距和数量，和螺纹连接的摩擦系数。通过显著减小形成在摩擦连接表面和旋转轴线之间的锐角，新的设计通过具有小得多的轴向力的主要径向的力提供很大的加紧力和转矩阻力。轴向载荷的减小使得毂40和螺母64之间的螺纹连接较容易释放并且更加响应于相对转矩反向。对于超限运行向着0英寸-磅脱开转矩的目标的最佳化通过选择上面列出的参数的组合被实现。影响特定组合的选择的其它因素包括磨损、主离合、耐久性和成本。

Claims (24)

1.一种用于汽车附件驱动系统的皮带轮组件，所述皮带轮组件包括：

轴接合毂，所述轴接合毂包括旋转轴线、外部带螺纹的表面和孔，所述孔用来容纳附件输入轴以便与其接合；

皮带轮构件，所述皮带轮构件包括容纳所述轴接合毂的孔，所述皮带轮构件包括内部连接表面和外部周边带接合表面；

螺母，所述螺母包括与所述轴接合毂的外部带螺纹的表面接合的内部带螺纹的表面，所述螺母还包括相对于所述轴接合毂的旋转轴线成角度的外部连接表面；和

介于所述皮带轮构件和所述螺母之间的制动构件，所述制动构件包括与所述螺母的外部连接表面摩擦接触的第一连接表面和与所述皮带轮构件的内部连接表面摩擦接触的第二连接表面。

2.根据权利要求1所述的皮带轮组件，其中绕所述轴接合毂的外部带螺纹的表面沿第一方向的所述螺母的旋转引起所述螺母的外部连接表面与所述制动构件的第一连接表面的摩擦接合，使得所述螺母和所述轴接合毂与所述制动构件和所述皮带轮构件一起旋转；并且

其中沿与所述第一方向相反的第二方向的所述螺母的旋转使所述螺母的外部连接表面从所述制动构件的第一连接表面分离，使得所述螺母和轴接合毂相对于所述皮带轮构件旋转。

3.根据权利要求2所述的皮带轮组件，其中所述螺母的外部连接表面和所述制动构件的第一连接表面是协作的摩擦表面，所述协作的摩擦表面相对于所述轴接合毂的旋转轴线以近似5和45度之间的锐角延伸。

4.根据权利要求3所述的皮带轮组件，其中所述螺母的外部连接表面和所述制动构件的第一连接表面相对于所述轴接合毂的旋转轴线以近似10和20度之间的角度延伸。

5.根据权利要求1所述的皮带轮组件，其中所述制动构件包括由第一和第二材料的复合物制成的多个弓形制动靴，所述第二材料位于所述第一连接表面和第二连接表面。

6.根据权利要求5所述的皮带轮组件，其中所述第一连接表面和第二连接表面包括制动材料。

7.根据权利要求1所述的皮带轮组件，还包括连接到所述轴接合毂以便与其一起旋转的端盖，所述端盖包括在其外周边附近的凹槽，所述凹槽容纳所述皮带轮构件的一部分，以在所述皮带轮组件的内部和外部之间限定抵抗碎片的非线性路径。

8.根据权利要求1所述的皮带轮组件，还包括：

盖板，所述盖板连接到所述轴接合毂以便与其一起旋转；和

扭转弹簧，所述扭转弹簧具有与所述盖板接合的第一端部和与所述螺母接合的第二端部；

其中所述扭转弹簧偏压所述螺母使其绕所述轴接合毂的外部带螺纹的表面沿第一方向旋转。

9.根据权利要求8所述的皮带轮组件，还包括轴承组件，所述轴承组件具有连接到所述轴接合毂的内座圈和连接到所述皮带轮构件的外座圈，以当所述制动构件的第一连接表面和所述螺母的外部连接表面分离时允许所述轴接合毂相对于所述皮带轮构件旋转。

10.一种用于汽车附件驱动系统的皮带轮组件，所述皮带轮组件包括：

轴接合毂，所述轴接合毂包括旋转轴线和外部带螺纹的表面；

皮带轮构件，所述皮带轮构件包括内部连接表面和外部周边带接合表面；

螺母，所述螺母包括外部连接表面和内部带螺纹的表面，所述内部带螺纹的表面与所述轴接合毂的外部带螺纹的表面接合，以形成螺纹连接；和

介于所述皮带轮构件和所述螺母之间的制动构件，所述制动构件包括与所述螺母的外部连接表面摩擦接触的第一连接表面和与所述皮带轮构件的内部连接表面摩擦接触的第二连接表面；

其中所述螺母的外部连接表面和所述制动构件的第一连接表面都相对于所述轴接合毂的旋转轴线成近似5和45度之间的角度。

11.根据权利要求10所述的皮带轮组件，其中所述螺母的外部连接表面和所述制动构件的第一连接表面都相对于所述轴接合毂的旋转轴线成近似10和20度之间的角度。

12.根据权利要求10所述的皮带轮组件，其中所述制动构件的第一连接表面不平行于所述制动构件的第二连接表面。

13.根据权利要求12所述的皮带轮组件，其中所述皮带轮构件的内部连接表面近似平行于所述轴接合毂的旋转轴线。

14.根据权利要求10所述的皮带轮组件，还包括：

盖板，所述盖板连接到所述轴接合毂以便与其一起旋转；和

扭转弹簧，所述扭转弹簧具有与所述盖板接合的第一端部和与所述螺母接合的第二端部。

15.根据权利要求14所述的皮带轮组件，其中所述盖板包括轴向延伸的外部周向凸缘，所述凸缘包围所述皮带轮构件的一部分，以在所述皮带轮组件的内部和外部之间限定非线性路径。

16.根据权利要求10所述的皮带轮组件，其中所述制动构件由第一材料形成并且所述第一连接表面涂覆有第二材料。

17.一种用于汽车附件驱动系统的皮带轮组件，所述皮带轮组件包括：

毂，所述毂具有旋转轴线和外部带螺纹的表面；

螺母，所述螺母具有内部带螺纹的表面和外部摩擦支承表面，所述内部带螺纹的表面可与所述毂的外部带螺纹的表面螺纹接合；

皮带轮构件，所述皮带轮构件具有内部摩擦支承表面和外部带接合表面；

制动构件，所述制动构件具有与所述螺母的外部摩擦支承表面摩擦接触的第一表面和与所述皮带轮构件的内部摩擦支承表面摩擦接触的第二表面；

盖板，所述盖板连接到所述毂以便与其一起旋转；和

扭转弹簧，所述扭转弹簧具有与所述盖板接合的第一端部和与所述螺母接合的第二端部。

18.根据权利要求17所述的皮带轮组件，其中绕所述旋转轴线沿第一方向的所述螺母的旋转引起所述螺母通过与所述毂的螺纹接合沿所述旋转轴线向着所述制动构件平移，以便增加所述螺母的外部摩擦支承表面和所述制动构件的第一表面之间的摩擦力，并且其中沿与所述第一方向相反的第二方向的所述螺母的旋转引起所述螺母平移离开所述制动构件，以便减小所述螺母的外部摩擦支承表面和所述制动构件的第一表面之间的摩擦力。

19.根据权利要求18所述的皮带轮组件，其中所述扭转弹簧抵抗沿所述第二方向的所述螺母的旋转。

20.根据权利要求18所述的皮带轮组件，其中所述螺母的外部摩擦支承表面与所述旋转轴线形成近似5到45度之间的锐角。

21.根据权利要求17所述的皮带轮组件，其中所述制动构件包括围绕所述螺母布置的多个弓形制动靴，每一个制动靴可以响应于沿所述带螺纹的表面的所述螺母的轴向运动沿径向运动。

22.一种制造用于汽车附件驱动系统的皮带轮组件的方法，所述方法包括以下步骤：

提供轴接合毂，所述轴接合毂包括旋转轴线、外部带螺纹的表面和孔，所述孔用来容纳附件输入轴以便与其接合；

提供皮带轮构件，所述皮带轮构件包括容纳所述轴接合毂的孔，所述皮带轮构件包括内部连接表面和外部周边带接合表面；

提供螺母，所述螺母包括与所述轴接合毂的外部带螺纹的表面接合的内部带螺纹的表面，所述螺母还包括相对于所述轴接合毂的旋转轴线成角度的外部连接表面；

提供介于所述皮带轮构件和所述螺母之间的制动构件，所述制动构件包括与所述螺母的外部连接表面摩擦接触的第一连接表面和与所述皮带轮构件的内部连接表面摩擦接触的第二连接表面；

选择所述毂的外部带螺纹表面的螺距，选择位于所述制动构件的第一连接表面的摩擦材料，并且选择形成在所述螺母的外部连接表面和所述毂的旋转轴线之间的角度，使得所述皮带轮组件可用作离合器，以从所述皮带轮构件分离所述毂，以便所述毂相对于所述皮带轮构件沿一个方向旋转。

23.根据权利要求22所述的方法，还包括组合地选择所述螺距、位于所述制动构件的第一连接表面的摩擦材料和所述螺母的外部连接表面和所述旋转轴线之间的角度，以最小化从所述皮带轮构件分离所述毂以便相对旋转所需的转矩。

24.根据权利要求22所述的方法，还包括选择所述制动构件的第一连接表面和所述螺母的外部连接表面之间的摩擦系数。

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