CN103460146A - 旋转传动的联轴器 - Google Patents

Abstract

一种用于可更换的成像盒和静电成像装置的旋转联轴器。该联轴器具有从动部分和驱动部分。从动部分具有轴，轴上具有连接部分，连接部分具有多个向外延伸的螺旋形渐开线齿。驱动部分具有一个末端，末端具有齿轮轴并且在齿轮轴上具有扭转的花瓣形凹槽。凹槽的侧面与螺旋形渐开线齿相啮合，以使得驱动部分驱动从动部分并且传递扭矩。

Description

旋转传动的联轴器

技术领域

本申请涉及机械传递旋转力的技术领域，从一驱动机构连接到另一个旋转装置。本发明可以应用于通常所见的从动轴连接到驱动设备的技术中。本发明的优选实施例可以应用于静电成像装置，例如复印机，传真机，电子照相打印机，和用于这些装置的可替换或可更换的成像盒，例如用于激光打印机的碳粉盒。

背景技术

许多静电成像机器，例如复印机或激光打印机，都使用可拆分的含有光敏元件的硒鼓。这种硒鼓也就是熟悉的成像盒或碳粉盒，并且其可拆分地安装到完整的复印机或打印机。这种构造使用户能够保持装置的打印能力而不需要维修工人的帮助。

硒鼓必须连接到转动碳粉盒的驱动机构上。典型地是，其能够通过具有孔或凹槽的驱动元件与在碳粉盒中从动元件的突起末端相啮合而实现。Huang的美国专利No.5,987,287，该专利作为参考被结合到本公开中，该专利尝试解决硒鼓的连接问题。Huang的专利中，图1描绘了一种典型的现有技术中的联轴器并且后面的描述均基于该联轴器作为参考。驱动联轴器包括驱动轴B，其位于驱动齿轮A的中心，由此驱动硒鼓E。硒鼓E的端部有固定安装的凸缘，其中包括传递齿轮F和与联轴器凹槽C相配合的三角形连接块D，联轴器凹槽C位于驱动轴B的端部。凹槽C为扭转三角形孔，而连接块D为与凹槽C啮合的扭转三角形。硒鼓的从动端部典型地由塑料制造而成。尽管在Huang的专利中未示出，许多现有技术中的联轴器，包括那些在工业应用中使用的联轴器，都包括某些形式的销和孔，以利于帮助联轴器的驱动和从动部分之间的同轴定位。

由于Huang的专利中扭转连接块D上的扭力是集中到它的三个顶点上，从动硒鼓凸缘与它的突起物以及驱动机构均会遭遇高的应力。这种存在问题的布置的例子在Kawai等人的美国专利No.5,903,803的图18中示出。在图18a中三角形突起物安装在较大的三角形凹槽中，其中这两个部件并没有啮合。图18b描绘了这两个部件之间的相对旋转以使得它们彼此啮合，啮合时较小的三角形的顶端与较大的凹槽的平坦侧面接合。由于更换碳粉盒需要一些尺寸上的容差，因此产生突起物和凹槽相对的大小并且缺乏准确的啮合。许多现有的机器使用三角形或扭转三角形凹槽作为驱动机构以及某些三角形形式的从动机构。

为了减小联轴器的驱动和从动部分的应力，一些人已经尝试将三角形末端切削成斜边以获取在三角形末端和其安装到其中的凹槽的侧面之间的更大的接触面积。例如，参见Kawai的专利中的图19a和19b。试图解决连接问题的其它例子可参见Karz等人的美国专利No.7,433,631；Cho等人的美国专利No.6,768,890；Wang等人的美国专利No.6,173,146；以及Jin的美国专利申请No.2010/0196047。Karz等人的专利中使用三角形凹槽使其与安装在杆上的三个偏斜的叶片啮合。Cho等人的专利中使用具有螺旋形突起物的锥形凹槽，使其与具有螺旋倾斜肋的锥形轴相啮合。Wang等人的专利中描述了与轴啮合的三角形凹槽，该轴具有多个围绕轴螺旋分布的齿。Wang等人的专利中具有圆形螺旋齿，而不是本发明的更适合且更有效的螺旋形渐开线齿。Jin等人的专利中强调准确性和耐久性的折衷，突出表明他的发明包括点接触而不是表面接触。根据Jin等人的专利，这种点接触使得扭矩传递在机械上更加可靠，由此使得打印更加准确。然而，这种点接触由于应力集中在点上，因此加快了驱动和从动机构的磨损。Jin等人的专利中还更有可能破坏驱动机构的凹槽，这将影响驱动和从动机构的同轴排列并且由此使得打印质量随着联轴器的磨损而变差。如果驱动机构的凹槽的磨损过大，驱动机构可能需要更换。与简单地更换容纳在其中具有碳粉和硒鼓的塑料碳粉盒相比，装置的这个部件更加难以移除和修理。

在诸如打印机或传真机等装置的整个寿命中，碳粉盒可能需要更换很多次，这取决于这些装置的设计以及用户的打印需求。一个成功的机械联轴器必须依据如下的方式设计：1）最大化从驱动机构向从动机构以及硒鼓传递扭矩；2）使驱动和从动机构保持同轴排列，这同样也保持打印过程的准确性；3）最小化驱动和从动机构的磨损，由此保持了准确性并且减小了机器的维护费用；4）保持联轴器的尺寸容差以便于容易地更换带有硒鼓的碳粉盒；以及5）提供低制造成本。尽管用于像复印机和传真机以及其它类型的机器的机械联轴器已经有多种设计，仍然存在对能够克服这些问题的改进的旋转联轴器的需求。

发明内容

为了在降低制造和维护成本的同时不会牺牲打印的准确性，本发明为一种对机械联轴器的显著改进。由于扭转连接孔或凹槽与多个螺旋形渐开线齿相啮合，驱动机构和从动机构之间产生的扭矩所传递来的应力被减小的同时，保持了联轴器的驱动部分和从动部分之间的同轴排列。作为结果，相同尺寸的联轴器能够传递更大的扭矩，或者可替代的，强度较低的材料（成本较低）可以用于制造本联轴器。

如图1所示，本发明包括多个从硒鼓伸出的螺旋形渐开线齿。如图2和3所示，这些齿与驱动轴上的扭转的，优选地为花瓣形的凹槽或连接孔相啮合。本发明允许渐开线齿和花瓣形凹槽彼此啮合，以使得齿轮的弯曲表面与凹槽的弯曲表面在三个位置相啮合。此外，这种啮合使剪切应力最小化，使压缩力最大化，并且分配位于齿和凹槽侧面的更大的表面面积上的压缩力。剪切力越大意味着磨损越大，打印准确性更小并且更容易发生故障。在测试中，硒鼓的这些端部比现有技术的联轴器端部的寿命更长。这种耐久性是增强压缩力使其超过剪切力并且将压缩力在较大的面积上分散所产生的结果，其最终意味着更小的部件磨损，更少的维护成本，以及更高的打印准确性。

本发明的一个实施例包括一种具有端部的驱动元件；具有端部的从动元件，其与驱动元件相啮合；由花瓣形侧面限定的花瓣形凹槽，其设置在驱动元件的端部中；设置在从动元件的端部上的突起物，其同轴并且旋转地与花瓣形凹槽相啮合，突起物包括多个构建在基圆柱上的齿；并且，其中驱动元件的旋转使得花瓣形凹槽的侧面与齿可驱动地啮合。

在一个优选的实施例中，限定出螺旋形渐开线齿的形状和位置的基圆的直径大约为由凹槽的顶点限定的三角形的侧边的0.25到0.57倍，然而本发明并不限定该比率。优选地，螺旋齿和其圆柱的轴线之间的螺旋角大约为0到40度。

在另一个实施例中，这些齿包括扭转或螺旋形摆线。其它实施例，例如三个螺旋形渐开线齿没有通过中心圆柱连接在一起，也是可以实施的。

附图说明

通过下面对本发明的详细描述，包括优选实施例，并结合附图，本发明的目标和优点变得更加明显，且对本领域的技术人员来说更容易理解，其中：

图1为本发明的螺旋形渐开线齿和凹槽的透视图；

图2为沿着图1的线A-A的横截面视图，其中突起物被插入到扭转花瓣形凹槽中但尚未与螺旋形渐开线齿啮合；

图3为与图2类似的横截面视图，其中扭转花瓣形凹槽与螺旋形渐开线齿啮合；

图4为扭转渐开线连接件的另一个实施例的透视图，其中螺旋形渐开线齿没有与中心圆柱连接；

图5为沿着图4的线B-B的横截面视图，其中突起物被插入到凹槽但尚未与螺旋形渐开线齿啮合；

图6为与图5类似的横截面视图，其中凹槽与螺旋形渐开线齿啮合；

图7为与图2类似的横截面视图，其示出了一种可替代的凹槽；并且

图8为与图3类似的横截面视图，其示出了一种可替代的凹槽。

具体实施方式

图1-3描绘了本发明的一个优选实施例。在硒鼓118的端部安装有从动元件或从动连接件110，其适于与驱动元件或驱动连接件100相啮合。驱动齿轮101包括位于其中心的齿轮轴103和具有齿轮齿的外缘102。齿轮轴103具有前表面104，其包括扭转的花瓣形凹槽105，限定的顶点106a，106b，106c形成在其中。扭转的花瓣形凹槽105与多个螺旋渐开线齿116a，116b，116c相啮合。

从动连接件110连接到可更换的或可替换的硒鼓的感光鼓118上，并且具有齿轮传动的从动轴112，从动轴112包括有轴颈端111。从轴颈端111纵向朝外延伸有同心轴113，同心轴113包括前表面114，从前表面114延伸有啮合突起物115，啮合突起物115具有多个径向地向外延伸的螺旋渐开线齿116，而螺旋渐开线齿116，从动轴112，同心轴113以及啮合突起物115具有相同的旋转中心线。多个螺旋渐开线齿116a，116b，116c适于配合位于驱动连接元件100的驱动轴103上的扭转花瓣形凹槽105的内部。螺旋渐开线齿116沿着从动连接件110的旋转轴AR构建在螺旋花瓣形滚筒上。

图2描绘了图1所示的驱动和从动连接件100,110处于初始的，无旋转啮合的状态。齿轮轴103中的凹槽105为花瓣形（或类似于花瓣形），其具有三个花瓣末端106a，106b，106c。在优选实施例中，三个花瓣末端为尖状的。这三个花瓣尖106限定出一个等边三角形，其中心为C2并且侧面长为T。图2还描绘了包括三个螺旋渐开线齿116a，116b，116c的啮合突起物115，每个螺旋渐开线齿优选地分别具有扁平末端117a，117b，117c。啮合突起物115优选地为对称形状并且具有中心C1。在图2中，当啮合突起物115没有与凹槽105的侧面啮合时，中心C1和C2并不重合。当驱动轴103沿方向A旋转时，靠近或邻近齿116a，116b，116c的扁平末端117a，117b，117c的表面区域最终与凹槽105的侧面105a，105b，105c相接触。在该位置，中心C1和C2变成同心的，使得驱动连接件100和从动连接件110成同轴布置。如图3所示，以该单个中心为圆心具有直径为D的基圆BC。齿116a，116b，116c的轮廓为基圆的渐开线。齿116a，116b，116c的渐开曲线在完美的侧面105a，105b，105c上与凹槽105啮合。突起物115上的孔或槽119适于容纳凹槽105中的销（未示出）以易于实现同轴布置。销和孔的配置是本领域中已知的以及当前工业应用中在使用。

如上所述，本发明的结构对剪切力和压缩力的分配远好于诸如Wang等人所公开的、齿仅是简单的扭转三角形或圆弧段的情形。突起物115具有与凹槽105接触的更大的表面积，并且相应地允许每一压力分配在更大的面积上，由此减小应力。较大的面积还能改善由于剪切应力而产生的摩擦啮合。本发明的经验已经建立了直径D的一个优选的范围：为图2所示的凹槽105的内接三角形的侧面T的长度的大约0.25到0.57倍。一个较大的范围，从0.16到0.75倍也是可用的。随着D变大，渐开曲线逐渐变的平坦，以使得更大的扭矩能得以传递。然而，与此同时，重新安装可替代的容差缩小。类似地，随着D减小，重新安装的容差增大，但是齿的渐开曲线的曲率半径减小，通过耦合传递的扭矩的减小并且耦合的剪切应力增大。尽管如此，本发明的试验已表明这相对于现有技术是一个显著的改进。即使螺旋渐开线齿使用图7和8中所示的现有技术中通常使用的三角形凹槽105’，这个扭矩传动机构的性能也能显著地提高。在现有的三角形凹槽中，凹槽105’的每一个侧面T的曲率半径为无穷大，因为凹槽105’的每个侧面都是平的。尽管如此，齿116a,116b,116c的侧面的渐开曲线的扁平度（即具有较大的齿的侧面的曲率半径）能够产生更大的稳定性，因为在凹槽105’的表面和每个齿表面之间具有更大的啮合表面积。在每一种结构中，优选地每个齿的最大半径的范围为每个花瓣形末端的半径的大约50%到75%。由此，这种耦合能够大大地提高由驱动机构向从动机构传递的扭矩。或者，如果较大的扭矩不是必须的，那么可以减小驱动机构的扭矩，这将产生更小的应力，更长的部件寿命，连续准确的同轴布置以及打印的准确性。

如本领域技术人员所能理解的，螺旋渐开线齿的结构取决于多个参数，包括齿的螺旋角以及齿连接到其上的基圆柱的半径。齿的螺旋角优选的范围大约为15到30度。螺旋角通过测量螺旋齿和齿的基圆柱的轴线之间的夹角而获得。应该强调的是，基圆BC的半径通常与螺旋渐开线齿的基圆柱120的半径并不相同。例如，在图3中，基圆BC的直径D小于其上连接有齿116a,116b,116c的基圆柱120的直径。在图3中，基圆柱120具有中心C1并且基圆柱120的边缘为由点116m,116n,116o限定的圆周。

前面的描述代表本发明的一个优选实施例。然而，对下面所要求的本发明的全部修改和变动，无论是否对其进行了具体描述，都应该被认为位于权利要求保护的范围之内。例如，该联轴器的应用不应该仅限于电子照相，静电印刷，或其它复印，打印，以及文件生成装置。它例如可以用于自动化工业，其中花键轴和轴套连接件被用于传递装置中。花瓣形突起物可以是圆锥或圆柱形结构的一部分。根据联轴器如何使用，驱动机构和从动机构可以进行功能的切换。换句话说，驱动连接件100和从动连接件110可以保持相同或相似的结构，但是驱动连接件100可以是从动连接件而从动连接件110可以变成驱动连接件。类似的，直径D不应该被限制在优选的范围之内。根据其应用，本发明可能需要较大的力，为此较小的偏差是必须的结果。

尽管前面的描述为优选的实施例，本发明也可以通过仅仅使用没有连接到一起的螺旋渐开线齿而实现。如上面描述的，这些齿可以用于啮合三角形或扭转三角形凹槽。依此，螺旋渐开线齿能够与现有技术中已经存在并投入使用的打印装置的驱动机构的凹槽相互作用。由于优选的花瓣形凹槽变得在工业上能够与螺旋渐开线齿相互作用，联轴器的驱动部分和从动部分的机械寿命将持续地提高。例如，图4-6描绘了一个替代的实施例，数字标记总体上与图1-3的数字标记相对应。当啮合时，如图6所示，图4中的驱动元件200与连接到硒鼓218的驱动元件210相耦合并使其旋转。沿方向A’的旋转使得从动元件210的齿216a,216b,216c的螺旋渐开线轮廓与限定出凹槽205的侧面205a,205b,205c相啮合。如图4-6所描述，齿216a,216b,216c为独立的结构，而在图1-3中齿116a,116b,116c为具有圆柱形中心的整体螺旋渐开线突起物115的部分。在图5-6中，材料圆柱体从突起物移除。应该注意到侧面216x,216y,216z不必是圆弧形的。这些侧面可以是平坦的。在图4-6所示的实施例中，具有直径D’的圆周BC’可以是假象的结构，其便于描绘齿216a,b,c和凹槽205之间的关系。类似地，花瓣形凹槽205可以被设计成限定出三角形T’的末端206a,206b,206c，其存在于凹槽205的内部空的空间中或者位于齿轮轴203的材料体内部。

本领域技术人员还可以理解可以改变用于描述本发明的技术术语。例如，在图2中三个花瓣被描绘成突起物115的部分。在图3中，这三个花瓣被描绘成独立的齿116a,116b,116c。本领域中突起物可以是单个螺旋渐开线齿轮或者是该齿轮的一部分。本发明的其它应用和变化对本领域技术人员来说是显而易见的。因此，这意味着本发明并不局限于这里描述的特定实施例或者应用，而是包括落入权利要求的范围之内的全部实施例。

Claims (22)

1.一种用于传递旋转力的联轴器，包括：

具有端部的第一元件；

具有端部的第二元件，其能与第一元件啮合；

限定在第一元件的端部上的花瓣形凹槽，该花瓣形凹槽具有凹槽轴并且包括多个围绕该轴相互连接的花瓣形凹槽部分；每个花瓣形凹槽部分包括在花瓣形末端与相邻凹槽部分的花瓣形侧面相互连接的花瓣形侧面，相邻的凹槽部分的花瓣形侧面处于共同的平面内。

位于第二元件的端部上的突起物，其与花瓣形凹槽同轴并且旋转地啮合，突起物包括多个围绕突起物轴分布的齿；

其中第一元件或第二元件中的一个为驱动元件，而另一个为从动元件，以使得驱动元件的旋转引起每个齿和各个花瓣形侧面之间的啮合，由此凹槽轴和突起物轴变成同轴的并且从动元件被驱动，并且

其中从突起物中心到齿的顶端之间的距离被测量作为每个齿的半径，其基本上小于从凹槽中心到每个花瓣形末端之间测量得出的半径，这使得突起物中心相对于凹槽中心的位置在半径方向上是可调整的。

2.如权利要求1所述的联轴器，其中突起物具有基圆，该基圆具有直径以及位于相邻花瓣形末端之间的直线限定出一正多边形。

3.如权利要求1所述的联轴器，其中花瓣形凹槽具有对称分布的三个花瓣形凹槽部分。

4.如权利要求3所述的联轴器，其中突起物包括三个齿。

5.如权利要求4所述的联轴器，其中每个齿的轮廓由渐开线曲线所限定。

6.如权利要求1所述的联轴器，其中齿为螺旋形。

7.如权利要求1所述的联轴器，其中每个齿的最大半径大约为每个花瓣形末端的半径的75%或者更小。

8.如权利要求2的联轴器，其中每个齿具有由渐开线曲线限定的轮廓，渐开线曲线为基圆直径的函数。

9.如权利要求8所述的联轴器，其中基圆的直径大约为正多边形的侧边长度的0.25到0.57倍。

10.如权利要求8所述的联轴器，其中基圆的直径大约为正多边形的侧边长度的0.16到0.75倍。

11.如权利要求1所述的联轴器，其中突起物包括多个对称分布的螺旋渐开线齿。

12.如权利要求11所述的联轴器，其中花瓣形凹槽为对称和螺旋形的，并且包括与突起物上的齿的数量相同的花瓣形凹槽部分。

13.如权利要求12所述的联轴器，其中每一个齿具有相对于突起物轴的齿螺旋角，并且每一个花瓣形凹槽部分具有相对于凹槽轴的凹槽螺旋角，并且其中齿螺旋角和凹槽螺旋角相同。

14.如权利要求13所述的联轴器，其中齿和凹槽螺旋角大约为10到30度。

15.如权利要求1所述的联轴器，其中第一元件为驱动元件，并且第二元件为从动元件。

16.如权利要求4所述的联轴器，其中齿基于摆线曲线而成形。

17.如权利要求13所述的联轴器，其中齿和凹槽螺旋角位于0到40度之间。

18.如权利要求1所述的联轴器，其中第一元件为从动元件，并且第二元件为驱动元件。

19.用于传递旋转力的联轴器的第一元件，该旋转力传递于第一元件和第二元件之间，第二元件具有在其上限定有螺旋形凹槽的端部，该凹槽具有凹槽轴并且包括多个围绕该轴相互连接的凹槽部分，每个凹槽部分包括在凹槽末端与相邻凹槽部分的侧面相互连接的侧面，相邻的凹槽部分的侧面处于共同的平面内，每个凹槽部分由位于相邻的凹槽末端之间的平直侧面所限定，以使得凹槽具有正多边形结构，第一元件包括：

设置在第一元件的一个端部上的螺旋形突起物，其配置成同轴并且旋转地与凹槽相啮合，突起物包括多个围绕突起物轴的齿，每个齿具有由渐开线曲线或摆线曲线限定的轮廓；

其中第一元件或第二元件中的一个为驱动元件，并且另一个为从动元件，以使得驱动元件的旋转促使每个齿和各个侧面相啮合，其中凹槽轴和突起物轴变成同轴的并且从动元件被驱动。

20.如权利要求19所述的联轴器的第一元件，其中每个齿从基圆柱径向地延伸。

21.如权利要求19所述的联轴器的第一元件，其中齿的数量与正多边形的侧边的数量相同。

22.如权利要求19所述的联轴器的第一元件，其中齿的数量为三个。

Images