CN105680619A - 电机组件及车辆起动机 - Google Patents

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Abstract

公开了一种电机组件，尤其是车辆起动机的电机组件，包括电机和变速机构，所述电机具有电枢轴，所述变速机构具有输入齿轮，所述输入齿轮通过花键安装在所述电枢轴上；其中，所述花键包括形成在电枢轴上的外花键齿和形成在输入齿轮中的与所述外花键齿啮合的内花键齿，每个花键齿的一对齿侧面中的至少一个相对于电枢轴的中心轴线倾斜。还公开了一种包括上述电机组件的车辆起动机。本申请可避免电机的换向器和电刷因电枢轴的轴向窜动而磨损。

Description

电机组件及车辆起动机
技术领域
本申请涉及一种电机组件，其特别适用于车辆起动机中；本申请还涉及包含这种电机组件的车辆起动机。
背景技术
机动车辆的起动机通常包括直流电机，用于将电机的输出运动传递到发动机的传动机构，以及控制电机和传动机构动作的电磁开关。
在电机与传动机构之间，一般布置着齿轮减速机构，以使得传动机构输出到发动机的起动动力具有低转速和高扭矩。齿轮减速机构的输入齿轮通过直齿花键安装在电机的电枢轴上。电枢轴在其轴向两端由轴承支撑。通常，电枢轴在这两个轴承之间存在一个轴向游隙，例如，该游隙可能在0.3～1.7mm的范围。由于该游隙的存在，使得在运转时电枢轴会轴向自由窜动。结果，由电枢轴承载的换向器和推抵于换向器的碳刷容易磨损，导致起动机的使用寿命缩短。
为了应对这一轴向游隙，现有技术中的一种措施是在电枢轴的轴肩与所述轴承之一之间添加垫圈。由于游隙的大小不同，因此需要选择适宜厚度的垫圈，这使得零件管理和组装更为复杂，并且要求较高的组装技巧。此外，即使添加了垫圈，一般仍会残留一点游隙，因而不能彻底解决换向器和碳刷磨损的问题。
现有技术中的另一种措施是在轴端安装U形卡环和垫圈。然而，由于U形卡环的重心不在电枢轴中心轴线上，因此会导致运动不平衡。U形卡环可能偏离甚至脱落，从而损坏相邻部件，例如轴端盖。
发明内容
本申请旨在解决现有技术的车辆起动机中的电机的电枢轴的轴向游隙引起的问题。
为此，根据本申请的一个方面，提供了一种电机组件，尤其是车辆起动机的电机组件，包括电机和变速机构，所述电机具有电枢轴，所述变速机构具有输入齿轮，所述输入齿轮通过花键安装在所述电枢轴上；其中，所述花键包括形成在电枢轴上的外花键齿和形成在输入齿轮中的与所述外花键齿啮合的内花键齿，每个花键齿的一对齿侧面中的至少一个相对于电枢轴的中心轴线倾斜。
根据本申请的一种可行实施方式，每个花键齿的一对齿侧面均相对于电枢轴的中心轴线倾斜。
根据本申请的一种可行实施方式，每个花键齿的一对齿侧面相对于电枢轴的中心轴线沿彼此相反的方向倾斜。
根据本申请的一种可行实施方式，每个花键齿的一对齿侧面相对于电枢轴的中心轴线倾斜的角度相等或不等。
根据本申请的一种可行实施方式，所述电枢轴由轴承可旋转地支撑，所述电枢轴上的外花键齿的一对齿侧面的倾斜方向设置成使得，沿着背对该轴承的方向，花键齿的齿宽逐渐减小。
根据本申请的一种可行实施方式，所述每个花键齿的齿侧面相对于电枢轴的中心轴线的倾斜角度选择为使得，在电枢轴的旋转过程中，所述输入齿轮通过所述花键在电枢轴上产生足以使其轴向推抵于所述轴承而不留下任何轴向游隙的轴向力。
根据本申请的一种可行实施方式，倾斜的齿侧面相对于电枢轴的中心轴线的倾斜角度为3～20°，优选为5～18°，最优选为5～15°。
根据本申请的一种可行实施方式，所述变速机构为行星齿轮减速机构，所述输入齿轮为所述行星齿轮减速机构的太阳轮；所述行星齿轮减速机构还包括行星齿轮、外齿圈和齿轮架，所述行星齿轮由齿轮架承载、并且啮合在太阳轮与外齿圈之间，所述行星齿轮减速机构的输出取自齿轮架。
根据本申请的一种可行实施方式，所述电枢轴在其前后两端分别由轴承支撑，其中后侧的轴承安装在电机后端盖中，前侧的轴承安装在与外齿圈一体的固定支撑部中。
本申请在其另一方面提供了一种车辆起动机，其包括前面描述的电机组件，用于向发动机传递动力以起动发动机。
根据本申请，利用具有倾斜齿侧面的花键产生的轴向力消除了电枢轴的轴向游隙，从而可避免换向器和电刷因电枢轴的轴向窜动而磨损。
附图说明
图1是根据本申请的车辆起动机的局部剖视图；
图2是图1中的车辆起动机中的电机组件的电枢轴和输入齿轮的正视图。
图3是图2中的电枢轴和输入齿轮的侧视图。
图4、5是图2中的输入齿轮的剖视图和立体图。
图6、7是图2中的电枢轴的剖视图和立体图。
图8是输入齿轮与电枢轴之间的花键配合关系示意图。
具体实施方式
下面将参照附图描述本申请的一些优选实施方式。
首先，图1中显示了本申请的车辆起动机的一部分，该起动机主要包括电机组件、传动机构和电磁开关，其中电机组件和传动机构的主要部件被示出，而电磁开关未被示出。
电机组件主要由电机和变速机构(此处为减速机构)两部分组成。电机主要包括：电枢轴1；安装在电枢轴1上的电枢绕组2；安装在电枢轴1上、用于实现以相同电流方向向电枢绕组2供电的换向器(整流子)3；推抵于换向器3外周上的供电用碳刷4。
电枢轴1在其轴向两端处分别由轴承5、6支撑。具体而言，电枢轴1的后部由轴承5支撑。电枢轴1的前部形成有从电枢轴1的主体部分向前伸出且相对于主体部分缩减直径的支撑段20和从支撑段20向前伸出且相对于支撑段20缩减直径的齿轮安装段22(参看图2)，支撑段20由轴承6支撑。
本申请中变速机构为齿轮变速机构，其在图示的实施方式中为行星齿轮减速机构，包括通过花键安装在所述齿轮安装段22上的太阳轮形式的输入齿轮7，由齿轮架8承载的一或多个行星轮9，以及固定的外齿圈10，行星轮9啮合在太阳轮7与外齿圈10之间。该行星齿轮减速机构的输出取自齿轮架8。
可以理解，其它类型的齿轮变速机构也可以在本申请中被使用。不论采用哪种齿轮变速机构，都具有构成输入端的输入齿轮，其通过花键安装在电枢轴1(具体是齿轮安装段22)上。
传动机构主要包括：传动轴12，其与电枢轴1同轴布置，并且通过超越离合器11与齿轮架8连接；可滑动地承载于传动轴12上的驱动齿轮13，其用于与发动机飞轮上的配合齿轮啮合而起动发动机。
驱动齿轮13上一体地形成有拨动部14，用于被未示出的拨叉拨动而带动驱动齿轮13在传动轴12上前后滑动，以便于发动机飞轮上的配合齿轮啮合和脱开。拨叉的动作由未示出的电磁开关控制。
再请参看图1，后侧的轴承5安装在电机后端盖15中，前侧的轴承6安装在与外齿圈10一体的支撑部16(或其它固定支撑部)中。出于结构布置和组装的原因，电枢轴1在这两个轴承5、6之间存在一定的轴向游隙，而该游隙会导致在电机运转中电枢轴1轴向自由窜动，并因此导致换向器3和碳刷4磨损。对于碳刷4来说，在电机运转中本来就存在正常磨损，如果由于上述游隙的存在导致磨损加剧，则必然会影响电机、乃至整个起动机的使用寿命。
为了应对这种游隙产生的问题，本申请提出，对电枢轴1的齿轮安装段22与输入齿轮7之间的花键进行改进，以使得电机运转时在电枢轴1上产生一轴向力，借助该轴向力消除该游隙。
根据本申请，齿轮安装段22与输入齿轮7之间的花键包括形成在齿轮安装段22的外周上的多个花键齿24(为外花键齿，见于图2、3、6、7)和形成在输入齿轮7的内孔的内周上的多个花键齿26(为内花键齿，见于图3、4、5)。
在图示的例子中，齿轮安装段22与输入齿轮7分别具有四个花键齿。可以理解，可以根据齿轮安装段22与输入齿轮7的尺寸等具体条件，设计适宜数量花键齿，它们优选围绕电枢轴1的中心轴线(也即输入齿轮7的中心轴线)均布。齿轮安装段22(或输入齿轮7)上的各花键齿的形状/尺寸可以相同，也可以不同(这种情况下，径向相对的花键齿优选彼此相对于所述中心轴线旋转对称)。
每个花键齿具有一个齿顶面和一对齿侧面，所述一对齿侧面均相对于电枢轴1或输入齿轮7的中心轴线倾斜(即呈螺旋)，并且二者的倾斜方向相反。具体而言，如图8所示，每个花键齿24具有齿侧面24a、24b，每个花键齿26具有齿侧面26a、26b。每个花键齿24插入并配合在相邻的两个花键齿26之间的齿槽中，而每个花键齿26插入并配合在相邻的两个花键齿24之间的齿槽中。
齿轮安装段22上的每个花键齿24的齿侧面的倾斜方向设置成使得在远离电枢轴1的本体的方向(即向前方向)上，花键齿24的齿宽逐渐减小，而花键齿24之间的齿槽的宽度逐渐增大。输入齿轮7中的每个花键齿26的齿侧面的倾斜方向与花键齿24刚好相反。
花键齿24和花键齿26彼此啮合，二者的彼此接触的齿侧面的倾斜角度(螺旋角)相同。
如图8所示，每个花键齿24的齿侧面24a、24b分别具有倾斜角度(螺旋角)α、β，二者可以彼此相等，但考虑到电机的常规旋转方向等，也可以将二者设计成不相等。
相应地，与花键齿26的分别与齿侧面24a、24b接触的齿侧面26b、26a也分别具有同样的倾斜角度(螺旋角)α、β。
由于各花键齿具有倾斜齿侧面，因此在电枢轴1带动输入齿轮7转动时，电枢轴1上的扭矩通过花键传递到输入齿轮7。所述扭矩是以力的方式传递的。如图8所示，齿轮安装段22上的每个花键齿24会以其齿侧面之一(例如齿侧面24a)向与其接触的输入齿轮7中的相应花键齿26的齿侧面(例如齿侧面26b)施加一个法向力F，该法向力F具有圆周方向分量F1和轴向分量F2，该圆周方向分量F1在输入齿轮7上产生扭矩，该轴向分量F2则导致输入齿轮7产生与其方向相反、大小相等的作用于花键齿24的轴向反作用力，各花键齿24的轴向反作用力的合力导致在电枢轴1产生一个方向向后的轴向力。该轴向力的大小(取决于所述倾斜角度)设计成电枢轴1轴向向后移动，使得电枢轴1的后部轴肩推抵于后侧的轴承5。这样，在电机工作时，电枢轴1被保持推抵于轴承5，而不存在允许其自由轴向移动的游隙。
由于每个花键齿的一对齿侧面都是倾斜的、且倾斜方向相反，因此，不论电机朝那个方向旋转(正转、倒转)驱动输入齿轮7，其电枢轴1总是能够受到上述来自输入齿轮7的向后的轴向力，因此总能消除所述游隙。
此外，在通过电机的旋转起动了车辆的发动机后，发动机的转速会迅速升高，使得传动轴12的转速超过行星齿轮减速机构的输出转速。超越离合器11的设置使得传动轴12不能带动行星齿轮减速机构并因此而带动电枢轴1。尽管如此，传动轴12仍有可能经行星齿轮减速机构向输入齿轮7回传一些扭矩，该回传扭矩通过所述花键而传递到电枢轴1上。即使是在这种情况下，由于每个花键齿的如前所述的沿相反方向倾斜的一对齿侧面，该回传扭矩导致的电枢轴1上的轴向力仍是指向后方的，因而维持电枢轴1沿轴向推抵于轴承5的状态，以防止出现游隙。
可以理解，为了防止输入齿轮7因受到电枢轴1上的轴向作用力而与电枢轴1分离，可在电枢轴1的轴端上设置止挡件，以保持输入齿轮7固定于电枢轴1。
由于在电机运转时通过所述花键而在电枢轴1上产生轴向力，以消除电枢轴1的游隙，因此可以避免换向器3和碳刷4因电枢轴1自由窜动而磨损，从而可以延长电机以及整个起动机的使用寿命。
此外，通过为每个花键齿设置彼此反向倾斜的一对齿侧面，不论电机朝那个方向旋转，也不论是电枢轴1向输入齿轮7施加扭矩、还是输入齿轮7向电枢轴1施加扭矩，都会在电枢轴1上产生向后的轴向力。因此，在电机可能遇到的各种状态中，以及不同状态之间的切换过程中，都能确保不产生电枢轴游隙。
可以理解，电枢轴1上的所述轴向力与起作用的齿侧面的倾斜角度(α或β)的正切值成正比。因此，倾斜角度越大，所述轴向力也越大。然而，该轴向力过大，也会带来负面影响，例如轴承5受损等等。另一方面，该倾斜角度应大于彼此配合的花键齿的材料(例如钢，通常处在润滑状态)的自锁角度，以使得彼此配合的花键齿之间能够相对滑动。
综合考虑，该倾斜角度(α或β)可以取3～20°，优选为5～18°，最优选为5～15°。
需要指出，尽管在前面描述的例子中，每个花键齿的一对齿侧面都倾斜设置、且彼此倾斜方向相反，但在某些情况下，电机的工作状态可能较为简单，因而并不要求一对齿侧面都如此设置。例如，一对齿侧面中可以只有一个倾斜，另一个是笔直的(平行于电枢轴或输入齿轮的中心轴线)。或者，一对齿侧面都是倾斜的，但倾斜方向相同；在这种情况下，这两个齿侧面的倾斜角度可以相同(螺旋花键)，也可以彼此不同。本申请的范围包含了这些情况。
另外，前面描述的本申请的电机组件适用于车辆起动机，然而，可以相信，本申请的电机组件也可以应用于其它需要消除电枢轴游隙的领域。
虽然这里参考具体的实施方式描述了本申请，但是本申请的范围并不局限于所示的细节。在不偏离本申请的基本原理的情况下，可针对这些细节做出各种修改。

Claims (10)

1.一种电机组件，尤其是车辆起动机的电机组件，包括电机和变速机构，所述电机具有电枢轴，所述变速机构具有输入齿轮，所述输入齿轮通过花键安装在所述电枢轴上；
其中，所述花键包括形成在电枢轴上的外花键齿和形成在输入齿轮中的与所述外花键齿啮合的内花键齿，每个花键齿的一对齿侧面中的至少一个相对于电枢轴的中心轴线倾斜。
2.如权利要求1所述的电机组件，其中，每个花键齿的一对齿侧面均相对于电枢轴的中心轴线倾斜。
3.如权利要求2所述的电机组件，其中，每个花键齿的一对齿侧面相对于电枢轴的中心轴线沿彼此相反的方向倾斜。
4.如权利要求2或3所述的电机组件，其中，每个花键齿的一对齿侧面相对于电枢轴的中心轴线倾斜的角度相等或不等。
5.如权利要求2至4中任一项所述的电机组件，其中，所述电枢轴由轴承可旋转地支撑，所述电枢轴上的外花键齿的一对齿侧面的倾斜方向设置成使得，沿着背对该轴承的方向，花键齿的齿宽逐渐减小。
6.如权利要求5所述的电机组件，其中，所述每个花键齿的齿侧面相对于电枢轴的中心轴线的倾斜角度选择为使得，在电枢轴的旋转过程中，所述输入齿轮通过所述花键在电枢轴上产生足以使其轴向推抵于所述轴承而不留下任何轴向游隙的轴向力。
7.如权利要求1至6中任一项所述的电机组件，其中，倾斜的齿侧面相对于电枢轴的中心轴线的倾斜角度为3～20°，优选为5～18°，最优选为5～15°。
8.如权利要求1至7中任一项所述的电机组件，其中，所述变速机构为行星齿轮减速机构，所述输入齿轮为所述行星齿轮减速机构的太阳轮；所述行星齿轮减速机构还包括行星齿轮、外齿圈和齿轮架，所述行星齿轮由齿轮架承载、并且啮合在太阳轮与外齿圈之间，所述行星齿轮减速机构的输出取自齿轮架。
9.如权利要求8所述的电机组件，其中，所述电枢轴在其前后两端分别由轴承支撑，其中后侧的轴承安装在电机后端盖中，前侧的轴承安装在与外齿圈一体的固定支撑部中。
10.一种车辆起动机，包括如权利要求1至9中任一项所述的电机组件，用于向发动机传递动力以起动发动机。
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