CN104838164A - 锥形面摩擦式超越离合器 - Google Patents

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Abstract

一种锥形面摩擦式超越离合器，属于机械传动基础件。第一中间环(3)和第二中间环(4)与可绕同一轴线旋转的内环(1)和外环(2)之间，以增力传动机构和锥形面摩擦副分别相配合连接，其突出的特征是：增力传动机构和锥形面摩擦副都工作在自身不会自锁的参数范围内，增力传动机构处于常啮合状态，锥形面摩擦副通过弹性预紧件(7)或磁性构件施加初始压力；当内环和外环之间出现不同方向的切向外部分力时，通过增力传动机构的作用，使锥形面摩擦副产生滑动旋转或保持静止状态，实现了超越离合器的超越功能和自锁功能。本发明通过调整设计参数，还能方便地实现超越离合器的过载滑转保护功能。

Description

锥形面摩擦式 ¾ ^离合器 本申请要求于 2012 年 07 月 27 日提交中国专利局、 申请号为 201210263358.4、 发明名称为"锥形面摩擦式超越离合器"的中国专利申请 的优先权， 其全部内容通过引用结合在本申请中。 技术领域
本发明涉及机械动力传动领域中的超越离合器装置， 具体为锥形面摩 擦式超越离合器， 属机械传动中广泛应用的基础功能性组件。 背景技术
现有的超越离合器技术， 最广泛使用的是利用斜面楔紧原理的滚柱式 超越离合器和楔块式超越离合器两种。 这两种的主要缺陷有： 1、 所有接触 为离散的高副接触， 楔紧时接触应力非常大， 导致承载能力很小， 接触副 磨损快， 寿命短。 2、 由于是离散接触副， 很容易出现离散件不能同步工作 的情形， 极易造成局部损坏而出现不能自锁或死锁的失效故障。 3、 几乎没 有磨损的自动补偿能力。 4、 超越状态的阻力大， 效率不高。 5、 楔紧后需 要较大的解楔力。 6、 溜滑角比较大。 7、 结构复杂， 零部件数量多， 对材 料和制造的一致性要求都非常高， 成本高。 8、 由于离散件多， 带来高转速 工作特性差， 特别是高转速超越状态， 噪声和磨损都艮大。
现有技术由于有以上缺陷， 严重影响了超越离合器的应用范围， 可参 见张济政等著的《超越离合器的发展现状及趋势》（第三届中日机械技术史 国际学术会议文集， 出版单位： 中国机械工程学会， 出版时间 20021028 ) 一文。 从该文的内容可以看出， 国内学者和专家做了大量的改进探索和发 明工作， 取得了比较好的成就， 但要达到比较理想的性能、 结构、 可靠性、 成本和寿命等超越离合器的要求， 还有很大的差距。
文献 CN2175321Y公开了一种基于螺纹副和锥面摩擦副式的单向离合 器， 但没有给出实现自锁的条件。
文献 CN2479288Y公开了一种基于斜槽轴销和锥面摩擦副式的单向 超越离合器， 该离合器除与文献 CN2175321Y有类似的缺点外， 还存在承 载能力低的缺陷。
文献 CN 201747821 U和 CN 101936346 A公开了一种 "空间楔合式 摩擦超越离合器"，正如文献所述： "依据全新技术原理设计"， 一方面没有 在文献中阐明 "全新技术原理" 究竟是什么原理； 另一方面， 该文献选择 了导向机构摩擦副本身自锁的结构范围， 使超越离合器的结构设计、 解锁 性能和承载能力的提升都受到很大的局限。
发明内容
本发明的目的技术方案是为了解决上述背景技术中存在的不足之处， 而提供一种全新结构的锥形面摩擦式超越离合器， 拟达到以下目的：
( 1 ) 克服已有设计的上述缺陷， 大幅度提升超越离合器的各项性能 指标。
( 2 )通过调整设计参数的方法， 能够实现具有过载保护功能的超越离 合器。
( 3 ) 使超越离合器结构更加筒单， 制造更加容易， 成本更加低廉。 为了达到上述目的， 本发明采用以下技术方案：
一种锥形面摩擦式超越离合器， 其包括： 两个传力的第一、 第二中间 环（或中间环组件）、 一个工作摩擦副预紧弹性件 （或预紧弹性组件）、 一 个内环（或内环组件）、 一个外环 （或外环组件）；
所述内环、 外环、 第一中间环和第二中间环具有共同的旋转轴线； 所述第一中间环和第二中间环都位于内环与外环之间； 第一中间环和 第二中间环与内环或外环的其中之一之间， 都以锥形面相配合， 分别形成 至少一个可以轴向接触和分离的第一工作摩擦副和第二工作摩擦副； 第一 中间环和第二中间环与其中另一之间， 分别形成第一增力传动机构和第二 增力传动机构， 并以增力传动机构相连接；
所述的预紧弹性件， 其一端设置在第一中间环或第二中间环上， 使所 有工作摩擦副在未工作时保持有满足工作要求的弹性压紧力；
所述的第一、 第二工作摩擦副具有共同的旋转轴线， 每个工作摩擦副 相配合的两个锥形面的锥顶角相同； 对任意一个工作摩擦副的锥顶角， 设 该锥顶角的角度为 Θ , 摩擦副的摩擦系数为 μ。， 则必须满足条件： 2arctan( μ。)< Θ 180。 ， 公式中的 arctan()表示反正切函数， 该条件确保所 述工作摩擦副自身不会自锁；
所述增力传动机构中的至少一个， 将所述中间环和与增力传动机构相 连接的所述内环或外环之间的相对转动角度变换成轴向相对位置移动， 设 相对转动角度为 Φ时， 产生的轴向相对位置移动距离为 λ , 该增力传动机 构的摩擦系数为 μ丄 ， 则必须满足条件： arctan(d λ /d φ ) > arctan( μ ^, 公 式中的 arctan()表示反正切函数， d表示微分， 该条件确保该所述增力传动 机构自身不会自锁；
将所述的第一工作摩擦副和第二工作摩擦副换算为一个理论上的等效 工作摩擦副， 设所述内环与外环之间出现自锁方向的切向外部分力为 F1 通过所述增力传动机构的作用， 在所述等效工作摩擦副上产生的法向压力 为 F2, 等效工作摩擦副的当量摩擦系数为 μ , 所述的超越离合器实现最大 承载能力的设计条件为： d /dFz μ ; 所述的超越离合器的超载滑转保护 的设计条件为： dF1/dF2 > , 公式中的 d表示微分。
上述条件共同构成了本发明的核心之一， 就是由各自都不自锁的机械 结构共同作用， 实现了超越离合器需要的单向自锁功能， 且本发明在整个 承载能力范围内， 超越离合器在解锁过程中， 不会产生现有技术中由于具 有单独自锁机构所必然带来的附加的解锁楔紧力， 不仅使得解锁轻松， 还 彻底消除了现有技术出现的不能解锁的失效模式。
本发明中， 所述的增力传动机构， 可以由能将相对转动转换为轴向相 对位置移动的各种常见机械传动机构所构成， 包含但不仅限于： 各种标准 和不标准截面的螺纹副、 螺旋配合面、 斜楔配合面、 螺旋槽销机构、 端面 凸轮传动机构、 斜撑杆传动机构等。
本发明中， 所述的增力传动机构， 既能优化地设计为将不同方向的相 对旋转运动都转换为轴向运动的结构形式， 如螺纹副结构形式， 也能筒化 设计为只将一个方向的相对旋转运动转换为轴向运动的结构形式， 如端面 凸轮传动机构等结构形式。
本发明中， 所述的增力传动机构， 包含直接相互啮合的螺纹副、 螺旋 面、 斜楔面、 端面凸轮传动结构形式， 且相互啮合的面分别直接形成在所 述传力中间环组件的端面、 内周面和外周面的一个表面上和所述内环或所 述外环之一的轴向面、 内周面和外周面的一个表面上。
本发明中， 所述超越离合器还包括有与所述内环和所述外环相连接的 位置约束组件， 用以约束所述内环和所述外环之间的径向相对位置和轴向 相对位置， 如各种滚动轴承、 滑动轴承、 液压轴承等。 至少有一个位置约 束组件与所述内环和所述外环相连接， 用以约束或限制所述内环和所述外 环之间的相对径向位置和相对轴向位置； 该位置约束组件既能直接设置在 所述超越离合器的所述内环和所述外环之间， 也能设置在与所述超越离合 器的所述内环和所述外环相连接的外部机构零部件之间。
更进一步地： 所述的同步构件， 可以由分布于两个中间环端面、 内周 面或外周面的相互啮合的直齿或花键构成， 也可以通过圓柱销与分布于两 个中间环端面的孔相连接构成， 还可以由分布于两个中间环内周面或外周 面的直齿或花键与一个内周面或外周面有直齿或花键的园环相互啮合构 成。
所述每个工作摩擦副包含只由相配合的两个锥形面形成的两个摩擦面 的结构， 也包含由交错叠放形成的两个以上的摩擦面， 按传统的多片式离 合器结构形式所构成的结构。
所述预紧弹性件包括至少一个由金属或橡胶等弹性材料制成扭簧、 压 簧、 碟簧、 波形弹簧、 片状弹簧结构形式的弹性元件。
更进一步地： 所述工作摩擦副的摩擦面上设置有沟槽形或网纹形润滑 油道。
本发明中， 所述超越离合器的各个组件， 根据应用环境、 性能要求、 体积大小、 制造工艺等因素的需要或限制， 既可以是满足所述组件功能的 单一整体零件， 也可以是由多个零件按常见的机械原理组合连接而成来满 足所述功能的结构形式。 本发明的内环， 还包括在内环上设置其他的与内 环连接在一起的组件， 与内环一起转动， 形成内环组件； 本发明的外环， 还包括在外环设置其他的与外环连接在一起的组件， 与外环一起转动， 形 成外环组件。
本发明提供的另一种锥形面摩擦式超越离合器， 其包括： 内环、 外环、 第一中间环和第二中间环；
所述内环、 外环、 第一中间环和第二中间环具有共同的旋转轴线； 所述第一中间环和第二中间环都位于内环与外环之间； 第一中间环和 第二中间环与内环或外环的其中之一之间， 都以锥形面相配合， 分别形成 至少一个可以轴向接触和分离的第一工作摩擦副和第二工作摩擦副； 第一 中间环和第二中间环与其中另一之间， 分别形成第一增力传动机构和第二 增力传动机构， 并以增力传动机构相连接；
所述第一中间环和第二中间环相对形成一容纳空间， 且用于设置磁性 构件， 使所有工作摩擦副在未工作时保持有满足工作要求的压紧力；
所述的第一、 第二工作摩擦副具有共同的旋转轴线， 每个工作摩擦副 相配合的两个锥形面的锥顶角相同； 对任意一个工作摩擦副的锥顶角， 设 该锥顶角的角度为 Θ , 摩擦副的摩擦系数为 μ。， 则必须满足条件： 2arctan( μ。)< Θ 180。 ， 公式中的 arctan()表示反正切函数， 该条件确保所 述工作摩擦副自身不会自锁；
所述增力传动机构中的至少一个， 将所述中间环和与增力传动机构相 连接的所述内环或外环之间的相对转动角度变换成轴向相对位置移动， 设 相对转动角度为 Φ时， 产生的轴向相对位置移动距离为 λ , 该增力传动机 构的摩擦系数为 μ 丄 ， 则必须满足条件： arctan(d λ /d φ ) > arctan( μ ^, 公 式中的 arctan()表示反正切函数， d表示微分， 该条件确保该所述增力传动 机构自身不会自锁；
将所述的第一工作摩擦副和第二工作摩擦副换算为一个理论上的等效 工作摩擦副， 设所述内环与外环之间出现自锁方向的切向外部分力为 Fl 通过所述增力传动机构的作用， 在所述等效工作摩擦副上产生的法向压力 为 F2, 等效工作摩擦副的当量摩擦系数为 μ , 所述的超越离合器实现最大 承载能力的设计条件为： d /dFz ; 所述的超越离合器的超载滑转保护 的设计条件为： dF1/dF2 > , 公式中的 d表示微分。
更进一步地： 所述磁性构件为永磁体， 且整体呈环状； 或者， 所述磁 性构件为轴向具有预定距离的两组永磁体， 每组所述永磁体为多块且周向 间隔设置， 其中一组所述永磁体与所述第一中间环固定设置， 另一组所述 永磁体与所述第二中间环固定设置。
更进一步地： 在所述第一中间环的与外环配合侧形成有凸肩， 在所述 第二中间环的与外环配合侧形成有凸肩， 所述容纳空间由两个中间环的凸 肩与所述内环围合形成。
更进一步地： 在所述第一中间环的与外环配合侧形成有凸肩， 在所述 第二中间环的与外环配合侧形成有凸肩， 所述容纳空间由两个中间环的凸 肩与所述内环围合形成。
更进一步地： 所述永磁体通过粘接或者卡接的方式固定。
本发明的超越离合器， 大幅度提升超越离合器的各项性能指标； 也能 筒单通过调整设计参数的方法实现过载保护；使超越离合器结构更加筒单， 制造更加容易， 成本更加低廉。
附图说明
下面附图和实施例对本发明进一步说明。
图 1是本发明锥形面摩擦式超越离合器的筒化轴向剖面图；
图 2是本发明锥形面摩擦式超越离合器第二种结构筒化轴向剖面图； 图 3是本发明锥形面摩擦式超越离合器第三种结构筒化轴向剖面图； 图 4是图 3以旋转轴线 X为轴线， 沿 A-A向旋转剖视的展开图； 图 5是本发明的中间环同步旋转机构的同步构件 （件 6 ) 的一种实施 例结构；
图 6是本发明的中间环同步旋转机构的同步构件 （件 6 ) 的第二种实 施例结构；
图 7是本发明的中间环同步旋转机构的无同步构件（件 6 ) 的一种实 施例结构；
图 8是本发明的中间环同步旋转机构的无同步构件（件 6 ) 的第二种 实施例结构；
图 9是本发明的增力传动机构的一种实施例结构；
图 10是本发明的增力传动机构的第二种实施例结构；
图 11是本发明锥形面摩擦式超越离合器第四种结构筒化轴向剖面图； 图 12是图 11中所示环状永磁铁的示意图；
图 13是本发明锥形面摩擦式超越离合器第五种结构筒化轴向剖面图； 图 14是图 13中所示周向布置永磁铁的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进 行清楚、 完整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没 有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的 范围。
实施例 1:
图 1所示本发明的锥形面摩擦式超越离合器的一种结构， 包括内环 1 (或称为内环组件）、 外环 2 (或称为外环组件）、 第一中间环 3和第二中 间环 4、 中间环轴向限位件 5和预紧弹性件 7;
所述内环 1、外环 2、第一中间环 3和第二中间环 4具有共同的旋转轴 线， 图中的 X轴； 内环 1 , 其采用的是一个整体式内环， 1-1 为直接加工 在内环 1外周面上的第一外螺纹， 1-2 为直接加工在内环 1外周面上的第 二外螺纹， 还在内环外周面上布置了限位环槽 1-3 , 在内环的内周面直接 布置了直花键等连接结构， 以能与转轴等连接。
外环 2 , 采用的也是一个整体式外环， 2-1 和 2-2为直接布置在外环 内周面上的锥形面， 在外环的外周面直接布置了做连接之用的直花键等连 接结构， 以与其他部件相连接。 第一中间环 3和第二中间环 4都位于内环 1与外环 2之间； 3-1 为直 接布置在第一中间环 3 内周面上的内螺纹， 3-2 为直接布置在第一中间环 3外周面上的锥形面。 4-1为直接布置在第二中间环 4内周面上的内螺纹， 4-2 为直接布置在第二摩中间环 4外周面上的锥形面； 第一中间环 3和第 二中间环 4与外环 2之间， 都以锥形面相配合， 分别形成至少一个可以轴 向接触和分离的工作摩擦副；第一中间环 3和第二中间环 4与内环 1之间， 分别形成增力传动机构， 以增力传动机构相连接；
图中所示的具体连接结构， 是第一中间环 3上的内螺纹 3-1与内环 1 外周面上的第一外螺纹 1-1 相啮合， 第二中间环 4上的内螺纹 4-1与内环 1外周面上的第二外螺纹 1-2相啮合， 分别构成螺纹副传动， 该螺纹副不 仅能将第一中间环 3 、第二中间环 4与内环 1 之间的相对转动转换为轴向 相对位移， 还能将相对旋转力转换成相对轴向力， 并能使相对轴向力大于 相对旋转力。 该两个螺纹副就是本发明本实施例的增力传动机构， 形成螺 纹副传动式增力传动机构。
第一中间环 3外周面上的锥形面 3-2, 第二中间环 4外周面上的锥形 面 4-2,分别与外环 2内周面上的锥形面 2-1 和 2-2相配合，分别形成至少 一个可以轴向接触和分离的第一工作摩擦副和第二工作摩擦副， 所述的锥 形面就是摩擦副的摩擦面。
为了防止第一中间环 3和第二中间环 4之间产生相互转动（相对转动 ), 使其同步转动， 在第一中间环 3和第二中间环 4之间设置了同步构件 6; 同步构件 6的具体结构有多种。 在本实施例中， 同步构件 6是两端分别插 入第一中间环 3和第二中间环 4的插销孔的销子， 或者是在第一中间环 3 和第二中间环 4之中的任一个中间环上连接（设置）一个插件， 插入另一 个中间环上对应设置的插孔内。 同步构件 6相当于在周向将第一中间环 3 和第二中间环 4连接， 保证两者之间不产生相对转动， 是同步转动。
第一中间环 3上的内螺纹 3-1 , 与第二中间环 4上的内螺纹 4-1 , 其螺 纹的旋向 （螺纹方向）是相反的， 在受到内环 1、 外环 2的作用力时， 同 时转动， 两者在轴线上是相向运动， 即同时靠近或同时远离的。 中间环轴向限位件 5设置在内环 1或外环 2上， 限制第一中间环 3和 第二中间环 4的轴向位移范围； 中间环轴向位置限位件 5 , 通常选用弹性 卡簧等， 图中所示的安装结构： 与布置在内环 1上的限位环槽 1-3相配合， 设置在该限位环槽内。
预紧弹性件 7 (具体选扭簧）， 布置在中间环轴向位置限位件 5 与第 一中间环 3之间，或布置在中间环轴向位置限位件 5 与第二中间环 4之间； 一端与第一中间环 3或第二中间环 4接触（或相连接 ), 另一端与中间环轴 向限位件 5相连接， 或者与中间环和与所述增力传动机构相连接的内环或 外环相连接， 使所有工作摩擦副在未工作时保持有满足工作要求的弹性压 紧力。
本实施例的两个中间环位于内环 1与外环 2之间， 工作摩擦副由锥顶 角相等的锥形面构成（所述锥顶角就是锥顶的两条边之间的夹角 ),第一工 作摩擦副由锥顶角相等的锥形面 3-2和锥形面 2-1构成， 第二工作摩擦副 由锥顶角相等的锥形面 4-2和锥形面 2-2构成， 第一工作摩擦副的锥顶角 和第二工作摩擦副的锥顶角， 可以相同， 也可以不同， 所有锥形面的锥顶 角都必须满足权利要求中的条件， 选择这样的参数， 目的是为了达到当外 力消失时， 摩擦副间的附加压力也就随之消失的效果， 也就是工作摩擦副 本身不会自锁。
该实施例的第一增力传动机构由第一中间环 3上的内螺纹 3-1与内环 1外周面上的第一外螺纹 1-1 相啮合成的螺纹副构成， 第二增力传动机构 由第二中间环 4上的内螺纹 4-1与内环 1外周面上的第二外螺纹 1-2相啮 合成的螺纹副构成， 该螺纹副也必须满足权利要求中的条件， 即保证该螺 纹副自身不会自锁， 该螺纹副优选地选择梯形螺纹或矩形螺纹， 达到传动 效率高、 结构强度高的目的， 当然， 也可根据需要或条件限制的情况， 选 择所有的标准或不标准截面的螺纹结构。
虽然该实施例选用了扭簧作为预紧弹性件 7, 由于本发明的增力传动 机构不会自锁， 这就为选用轴向加力的预紧弹性件来实现工作摩擦副的弹 性预紧得以实现， 如蝶形弹簧、 橡胶等弹性元件。 工程设计时， 将所述的所有第一工作摩擦副和第二工作摩擦副等效换 算为理论上的一个等效工作摩擦副， 设所述内环与所述外环之间出现自锁 方向的切向外部分力为 ，在所述等效工作摩擦副上产生的法向压力为 F2, 等效工作摩擦副的当量摩擦系数为 μ , 当满足条件 d /dFz μ时， 本发明 的超越离合器就能在承载能力范围内保持超越离合器功能； 当满足条件 时， 本发明的超越离合器就能实现超载滑转保护的功能； 上述 公式中的 d表示微分。
当本发明的超越离合器选择上述的 μ条件时， 工作过程是， 通过预紧弹性件 7 (扭簧） 和轴向置限位弹性卡簧 5 ， 使由锥形面构成的 第一工作摩擦副和第二工作摩擦副同时保持接触并具有适当的初始弹性压 紧力， 当内环 1 与外环 2有相对转动或转动趋势时，如果该转动方向或趋 势， 通过螺纹 1-1 和 3-1啮合成的螺纹副和螺纹 1-2 和 4-1啮合成的螺纹 副的共同作用， 使第一中间环 3 和第二中间环 4将工作摩擦副越压越紧， 工作摩擦副会保持静止状态， 即实现了自锁； 反之， 如果上述相对转动或 转动趋势相反时，通过上述螺纹副的作用， 第一中间环 3 或第二中间环 4, 会将工作摩擦副的初始压力更加减小， 工作摩擦副就会产生滑转， 这就是 超越状态， 可见， 该超越离合器实现了该旋转方向的单向传力。
为了使该本发明的超越离合器正常工作， 需要有适当的润滑， 所以优 选地在工作摩擦副的摩擦面上设置网纹或 8字形油槽等润滑通道。
由于本发明的超越离合器结构筒单， 工作时， 需要在内环 1 和外环 2 之间或与它们分别相连接的零部件间设置滚动轴承或滑动轴承进行支撑和 定位， 即滚动轴承或滑动轴承作为位置约束组件， 还可以对润滑剂进行密 封。
如果本实施例的使用条件许可， 还可以取消轴向置限位弹性卡簧 5 , 直接将预紧弹性件 7 (扭簧 )卡进设置在内环 1 上的限位孔中。
如果本实施例的使用条件许可，还能将内环 1 和外环 2 上的直花键改 成键槽， 或者取消， 内环 1 还包括做成实心的内环， 这就可以称之为内轴 了。 所述增力传动机构， 既能由直接形成在所述中间环上的结构形状与所 述增力传动机构相连接的所述内环或所述外环上直接形成的结构形状直接 相互啮合构成， 所述结构形状， 可以是标准截面和不标准截面的螺纹、 轴 向螺旋面和轴向斜楔面中的任意一种结构形状； 也能由直接形成在所述中 间环上的结构形状和直接形成在与所述增力传动机构相连接的所述内环或 构成， 可以是轴向螺旋槽销结构、 轴向斜撑杆结构、 双钢球轴向楔紧结构、 双滚柱轴向楔紧结构和滚动螺纹结构之一； 所述增力传动机构， 在转换运 动的同时， 还将所述中间环与所述内环之间的切向力分解， 产生出相互间 的轴向分力。
本实施例选用了螺纹副式增力传动机构， 设螺纹升角为 ψ , 该螺纹副 的自锁角为 P , 根据本发明的条件要求， 则至少一个螺纹副必须满足： ψ
> p , 以确保该螺纹副在非自锁范围内工作。
每个所述工作摩擦副包含只由相配合的两个锥形面形成的两个摩擦面 构成的结构， 也包含由交错叠放形成的两个以上的摩擦面， 按传统的多片 式离合器结构形式所交错叠放构成的情况。
预紧弹性件 7包括至少一个由金属或橡胶等弹性材料制成扭簧、压簧、 碟簧、 波形弹簧、 片状弹簧结构形式的弹性元件。
至少有一个位置约束组件与所述内环和所述外环相连接， 用以约束所 述内环和所述外环之间的相对径向位置和相对轴向位置； 该位置约束组件 为常见的滚动轴承、 滑动轴承和液压轴承的结构形式， 该位置约束组件既 能直接设置在所述超越离合器的所述内环和所述外环之间， 也能设置在与 所述超越离合器的所述内环和所述外环相连接的外部机构零部件之间。
需要说明的是： 该单向轴承零部件少， 结构筒单， 显然工艺性非常好， 加工精容易保证， 溜滑角小， 承载能力强。 即使加工精度较低， 也只对溜 滑角和承载能力有一些很小的影响， 但对单向超越功能几乎没有影响。
而上述所述的超越， 是上述切向外部分力方向与自锁状态时的方向相 反时的情况， 本实施例选用了螺纹副结构的增力传动机构， 将使工作摩擦 副的摩擦面间的压力主动减小。 当该方向的切向外部分力大于摩擦副间的 摩擦力时， 内环 1与外环 2之间就会绕共同旋转轴线 X发生相对转动， 超 越离合器处于超越状态。
当超越离合器处于所述超越状态情况下， 该方向的切向外部分力只能 在内环 1与外环 2之间， 相互传递小于等于摩擦副间的最大摩擦力的力。 将超越状态下摩擦副间的最大摩擦力转换为扭矩， 该扭矩就是大家平常表 述的超越离合器的超越扭矩。
因为我们平常将超越离合器从自锁状态到超越状态的过渡过程称作为 解锁， 本发明的锥形面摩擦式超越离合器由于没有能自锁的单独机构， 如 果采用类似螺纹副式的双向增力传动机构还能实现主动解锁， 这也是本发 明的核心之一。
另外， 本发明的锥形面摩擦式超越离合器， 工作摩擦副都是面接触的 形式， 超越工作时， 很容易就能在工作摩擦副的摩擦面间形成润滑油膜， 使得工作摩擦副的摩擦面的磨损接近于零， 所以能长时间运行在高速超越 状态下。 这也是本发明的特色之一。
本发明的锥形面摩擦式超越离合器， 由上述对增力传动机构的描述， 如果采用螺纹副式的增力传动机构， 能在较大范围内自动补偿工作摩擦副 的磨损，使得该结构的功能特性对零部件的参数变化不敏感， 这也是本发 明的特色之一。
本发明的锥形面摩擦式超越离合器， 可达到几乎轴向全对称、 全刚性 的结构特点，所以能适应高速和超高速运转，最高转速仅取决于材料强度、 所传递扭矩的大小和动平衡水平。
根据本发明在技术背景中有关文献中的描述，最大溜滑角可以理解为： 设内环 1与外环 2之间从超越状态过渡到相对静止时刻的旋转方向的相对 位置为 0角度， 再过渡到承载能力状态时， 内环 1与外环 2之间所转过的 相对角度。
本发明的锥形面摩擦式超越离合器的最大溜滑角主要取决于增力传 动机构的配合间隙和精度、 所有工作摩擦副的摩擦面间在所述 0角度时的 油膜厚度以及自锁后的结构弹性变形量和过渡到自锁的时间等方面， 通过 相应的技术手段， 可以容易地将影响最大溜滑角的前三个因素控制在要求 范围内。
根据以上的示意图以及所有的说明和描述， 本领域的普通技术人员很 容易就能理解本发明的锥形面摩擦式超越离合器实现自锁和超越的技术原 理， 更能发现本发明的结构特点和技术指标提升幅度， 以及由此带来的使 用效果、 巨大的社会效益和经济效益， 还能很容易地筒单地进行复制。
当然， 由以上本基本形式结构还可以衍生出 ^艮多的具有超越离合器功 能的其它结构形式， 后面的实施例将对部分变形结构进行描述和说明。
图 2所示的本发明的锥形面摩擦式超越离合器的第二种结构， 与图 1 中的结构相同的部分不#文赘述； 其区别点如下： 外环 2与第一中间环 3和 第二中间环 4之间， 分别构成增力传动机构， 通过相互啮合的螺纹构成螺 纹副式增力传动机构； 内环 1与第一中间环 3和第二中间环 4之间， 分别 以锥形面相配合， 构成第一工作摩擦副和第二工作摩擦副。 在第一中间环 3和第二中间环 4与外环 2之间， 分别设置有中间环轴向限位件 5和预紧 弹性件 7, 使锥形面构成的第一工作摩擦副和第二工作摩擦副同时保持接 触并具有适当的初始弹性压紧力。 图 2中， 第一中间环 3和第二中间环 4 之间， 没有设置同步构件 6。
图 3、 4所示的本发明的锥形面摩擦式超越离合器的第三种结构， 与前 述两种结构相同的部分不做赘述； 其不同之处是： 在内环 1的中部设置有 凸台 11 , 第一中间环 3和第二中间环 4分设在凸台 11的两侧， 通常是对 称设置在其两侧； 内环 1与第一中间环 3的端面之间、 内环 1与第二中间 环 4的端面之间， 都通过轴向斜楔面的增力传递结构相连接， 在内环 1转 动时， 通过端面的斜楔面， 推动第一中间环 3和第二中间环 4产生轴向运 动， 在凸台 11左、 右两侧对称运动。 为了便于安装， 外环 2是由三部分构 成的外环组件， 图中的左部分为 2a, 右部分为 2b, 2c为连接件（或盖子） 将左部分 2a、 右部分 2b连接成一体式结构， 形成外环组件。
图 5、 6、 7、 8 所示本发明的同步构件 6, 设置在第一中间环 3与第二 中间环 4之间， 保证两者之间不产生相对转动， 是同步转动。 其具体结构 有多种， 除了上述图 1和图 3中采用的圓柱销与孔配合的结构形式， 图 5 所示的是一种内孔有直键的圓环与中间环外周面直槽相啮合的结构形式； 图 6所示的是一种外周面有直键的圓环与中间环内周面直槽相啮合的结构 形式； 图 7、 8所示的同步构件 6, 是由直接形成在中间环上的几何形状构 成的， 图 7所示的是直接在两个中间环上分别设置直键和直槽， 相互插入 对方上对应设置的直键或直槽中的结构形式； 图 8所示的是在两中间环的 端面设置直齿与齿槽相配合的结构。
图 9、 10所示的增力传动机构具体结构， 图 9所示是一种轴向斜撑杆 结构的增力传动机构， 设置在第一中间环 3与内环 1或外环 2之间， 或第 二中间环 4与内环 1或外环 2之间， 代替前述的螺纹副式增力传动机构， 也能实现本发明目的。图 10所示是一种双钢球或双滚柱结构的轴向楔紧结 构的增力传动机构， 设置在第一中间环 3与内环 1或外环 2之间， 或第二 中间环 4与内环 1或外环 2之间， 代替前述的螺纹副式增力传动机构， 也 能实现本发明目的。
此外， 除采用预紧弹性件满足前述预紧要求外， 还可以采用磁力构件 实现。
请参见图 11和图 12, 其中， 图 11是锥形面摩擦式超越离合器第四种 结构筒化轴向剖面图； 图 12是图 11中所示环状永磁铁的示意图。
图 11所示的本发明的锥形面摩擦式超越离合器的第四种结构， 与图 1 中的结构相同的部分不做赘述； 其区别点如下： 第一中间环 3和第二中间 环 4相对形成一容纳空间， 用于设置永磁体 20, 该永磁体 20整体呈环状 并可通过粘接或者卡接的方式与外环 2固定； 具体地， 在第一中间环 3的 与内环 1配合侧形成有凸肩 3-3 , 在第二中间环 4的与内环 1配合侧形成 有凸肩 4-3 , 前述容纳空间由两中间环的凸肩与外环 2 围合形成， 以适应 高速旋转。
请参见图 13和图 14, 其中， 图 13是本发明锥形面摩擦式超越离合器 第五种结构筒化轴向剖面图； 图 14是图 13中所示周向布置永磁铁的示意 图。
同样，图 13所示锥形面摩擦式超越离合器的第五种结构采用了磁力构 件提供预紧力。 其主体构成与图 2所示相同， 相同之处不再赘述， 其区别 点在于： 第一中间环 3和第二中间环 4相对形成一容纳空间， 用于设置两 组轴向具有预定距离的永磁体 30,每组永磁体 30为多块且周向间隔设置， 其中一组永磁体 30与第一中间环 3固定设置，另一组永磁体与第二中间环 4 固定设置， 且每块永磁体均可通过粘接或者卡接的方式与相应的中间环 固定； 具体地， 在第一中间环 3的与外环 2配合侧形成有凸肩 3-4, 在第 二中间环 4的与外环 2配合侧形成有凸肩 4-4 , 前述容纳空间由两中间环 的凸肩与内环 1围合形成， 以适应高速旋转。
显然， 除永磁铁外， 理论上来说电磁铁同样能够满足上述通过磁力提 供预紧力的使用需要。
特别说明的是， 前述第四、 五种锥形面摩擦式超越离合器方案中， 永 磁体的结构形式可以根据实际需要进行改变，例如， 图 14中所示分体式永 磁体及其连接结构可以适用于图 11 所示的第四种锥形面摩擦式超越离合 器， 图 12中所示整体式永磁体及其连接结构也可以适用于图 13所示的第 五种锥形面摩擦式超越离合器。
最后说明的是， 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明， 本领域的普通技术人员应 当理解， 可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换， 而不脱离本发 明技术方案的宗旨和范围， 其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

  1. 权 利 要 求
    1、 一种锥形面摩擦式超越离合器， 其包括： 内环、 外环、 第一中间环 和第二中间环、 预紧弹性件； 其特征在于：
    所述内环、 外环、 第一中间环和第二中间环具有共同的旋转轴线； 所述第一中间环和第二中间环都位于内环与外环之间； 第一中间环和 第二中间环与内环或外环的其中之一之间， 都以锥形面相配合， 分别形成 至少一个可以轴向接触和分离的第一工作摩擦副和第二工作摩擦副； 第一 中间环和第二中间环与其中另一之间， 分别形成第一增力传动机构和第二 增力传动机构， 并以增力传动机构相连接；
    所述的预紧弹性件， 其一端设置在第一中间环或第二中间环上， 使所 有工作摩擦副在未工作时保持有满足工作要求的弹性压紧力；
    所述的第一、 第二工作摩擦副具有共同的旋转轴线， 每个工作摩擦副 相配合的两个锥形面的锥顶角相同； 对任意一个工作摩擦副的锥顶角， 设 该锥顶角的角度为 Θ , 摩擦副的摩擦系数为 μ。， 则必须满足条件： 2arctan( μ。)< Θ 180。 ， 公式中的 arctan()表示反正切函数， 该条件确保所 述工作摩擦副自身不会自锁；
    所述增力传动机构中的至少一个， 将所述中间环和与增力传动机构相 连接的所述内环或外环之间的相对转动角度变换成轴向相对位置移动， 设 相对转动角度为 Φ时， 产生的轴向相对位置移动距离为 λ , 该增力传动机 构的摩擦系数为 ， 则必须满足条件： arctan(d A /d c| ) > arctan( 1), 公 式中的 arctan()表示反正切函数， d表示微分， 该条件确保该所述增力传动 机构自身不会自锁；
    将所述的第一工作摩擦副和第二工作摩擦副换算为一个理论上的等效 工作摩擦副， 设所述内环与外环之间出现自锁方向的切向外部分力为 F1 通过所述增力传动机构的作用， 在所述等效工作摩擦副上产生的法向压力 为 F2, 等效工作摩擦副的当量摩擦系数为 μ , 所述的超越离合器实现最大 承载能力的设计条件为： d /dFz ; 所述的超越离合器的超载滑转保护 的设计条件为： dF1/dF2 > , 公式中的 d表示微分。 2、 按权利要求 1 所述的锥形面摩擦式超越离合器， 其特征在于： 所 述增力传动机构， 由直接形成在所述中间环上的结构形状与所述增力传动 机构相连接的所述内环或所述外环上直接形成的结构形状直接相互啮合构 成， 所述结构形状， 可以是标准截面和不标准截面的螺纹、 轴向螺旋面和 轴向斜楔面中的任意一种结构形状； 或者由直接形成在所述中间环上的结 构形状和直接形成在与所述增力传动机构相连接的所述内环或所述外环上 的结构形状以及位于这两个所述结构形状之间的相关机械零件共同构成， 可以是轴向螺旋槽销结构、 轴向斜撑杆结构、 双钢球轴向楔紧结构、 双滚 柱轴向楔紧结构和滚动螺纹结构之一； 所述增力传动机构， 在转换运动的 间的轴向分力。
    3、 按权利要求 1 ~ 2任一项所述的锥形面摩擦式超越离合器， 其特征 在于： 所述增力传动机构， 当所述的中间环和与所述增力传动机构相连接 的所述内环或所述外环间产生相对转动时， 两个所述的中间环在轴线上产 生相向的运动 ， 即同时靠近或同时远离。
    4、 按权利要求 1 ~ 2任一项所述的锥形面摩擦式超越离合器， 其特征 在于： 所述增力传动机构， 是第一中间环上的内螺纹与内环外周面上的第 一外螺纹相啮合， 第二中间环的内螺纹与内环外周面上的第二外螺紋相啮 合， 分别构成螺纹副传动式增力传动机构； 第一中间环上的内螺纹与第二 中间环上的内螺纹， 其螺纹的旋向是相反的。
    5、 按权利要求 1 所述的锥形面摩擦式超越离合器， 其特征在于： 在 与所述中间环以增力传动机构相连接的所述内环或外环上， 设置有中间环 轴向限位件，所述中间环轴向限位件与所述的内环或外环通过环槽相连接， 以限制所述中间环的轴向移动范围。
    6、 按权利要求 1、 2、 5 任一项所述的锥形面摩擦式超越离合器， 其 特征在于： 所述的预紧弹性件， 设置在中间环轴向限位件与第一中间环之 间， 中间环轴向限位件与第二中间环之间， 或者与所述中间环和与所述增 力传动机构相连接的内环或外环相连接， 使所有工作摩擦副在未工作时保 持有满足工作要求的弹性压紧力。
    7、 按权利要求 1、 2、 5任一项所述的锥形面摩擦式超越离合器， 其特 征在于：所述预紧弹性件包括至少一个由金属或橡胶等弹性材料制成扭簧、 压簧、 碟簧、 波形弹簧、 片状弹簧结构形式的弹性元件。
    8、 按权利要求 1 所述的锥形面摩擦式超越离合器， 其特征在于： 所 述第一中间环与第二中间环之间， 设置有使两者同步旋转的同步机构， 所 述同步机构可以由分布于两个中间环端面、 内周面或外周面的相互啮合的 直齿或花键构成， 也可以通过圓柱销与分布于两个中间环端面的孔相连接 构成， 还可以由分布于两个中间环内周面或外周面的直齿或花键与一个内 周面或外周面有直槽或花键的园环相互啮合构成。
    9、 按权利要求 1、 2、 5、 8任一所述的锥形面摩擦式超越离合器， 其 特征在于： 至少有一个位置约束组件与所述内环和所述外环相连接， 用以 约束或限制所述内环和所述外环之间的相对径向位置和相对轴向位置；
    10、 按权利要求 9所述的锥形面摩擦式超越离合器， 其特征在于： 所 述位置约束组件为常见的滚动轴承、 滑动轴承和液压轴承的结构形式， 该 位置约束组件既能直接设置在所述超越离合器的所述内环和所述外环之 间， 也能设置在与所述超越离合器的所述内环和所述外环相连接的外部机 构零部件之间。
    11、 一种锥形面摩擦式超越离合器， 其包括： 内环、 外环、 第一中间 环和第二中间环； 其特征在于：
    所述内环、 外环、 第一中间环和第二中间环具有共同的旋转轴线； 所述第一中间环和第二中间环都位于内环与外环之间； 第一中间环和 第二中间环与内环或外环的其中之一之间， 都以锥形面相配合， 分别形成 至少一个可以轴向接触和分离的第一工作摩擦副和第二工作摩擦副； 第一 中间环和第二中间环与其中另一之间， 分别形成第一增力传动机构和第二 增力传动机构， 并以增力传动机构相连接；
    所述第一中间环和第二中间环相对形成一容纳空间， 且用于设置磁性 构件， 使所有工作摩擦副在未工作时保持有满足工作要求的压紧力； 所述的第一、 第二工作摩擦副具有共同的旋转轴线， 每个工作摩擦副 相配合的两个锥形面的锥顶角相同； 对任意一个工作摩擦副的锥顶角， 设 该锥顶角的角度为 Θ , 摩擦副的摩擦系数为 μ。， 则必须满足条件： 2arctan( μ。)< Θ 180。 ， 公式中的 arctan()表示反正切函数， 该条件确保所 述工作摩擦副自身不会自锁；
    所述增力传动机构中的至少一个， 将所述中间环和与增力传动机构相 连接的所述内环或外环之间的相对转动角度变换成轴向相对位置移动， 设 相对转动角度为 Φ时， 产生的轴向相对位置移动距离为 λ , 该增力传动机 构的摩擦系数为 μ 丄 ， 则必须满足条件： arctan(d λ /d φ ) > arctan( μ ^, 公 式中的 arctan()表示反正切函数， d表示微分， 该条件确保该所述增力传动 机构自身不会自锁；
    将所述的第一工作摩擦副和第二工作摩擦副换算为一个理论上的等效 工作摩擦副， 设所述内环与外环之间出现自锁方向的切向外部分力为 F1 通过所述增力传动机构的作用， 在所述等效工作摩擦副上产生的法向压力 为 F2, 等效工作摩擦副的当量摩擦系数为 μ , 所述的超越离合器实现最大 承载能力的设计条件为： d /dFz ; 所述的超越离合器的超载滑转保护 的设计条件为： dF1/dF2 > , 公式中的 d表示微分。
    12、 按权利要求 11所述的锥形面摩擦式超越离合器， 其特征在于： 所 述磁性构件为永磁体， 且整体呈环状； 或者， 所述磁性构件为轴向具有预 定距离的两组永磁体， 每组所述永磁体为多块且周向间隔设置， 其中一组 所述永磁体与所述第一中间环固定设置， 另一组所述永磁体与所述第二中 间环固定设置。
    13、按权利要求 12所述的锥形面摩擦式超越离合器， 其特征在于： 在 所述第一中间环的与外环配合侧形成有凸肩， 在所述第二中间环的与外环 配合侧形成有凸肩， 所述容纳空间由两个中间环的凸肩与所述内环围合形 成。
    14、按权利要求 12所述的锥形面摩擦式超越离合器， 其特征在于： 在 所述第一中间环的与外环配合侧形成有凸肩， 在所述第二中间环的与外环 配合侧形成有凸肩， 所述容纳空间由两个中间环的凸肩与所述内环围合形 成。
    15、 按权利要求 13或 14所述的锥形面摩擦式超越离合器， 其特征在 于： 所述永磁体通过粘接或者卡接的方式固定。
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