CN108278343B - 一种变刚度双臂自动张紧器 - Google Patents

一种变刚度双臂自动张紧器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变刚度双臂自动张紧器，包括调节臂、工作臂、枢转轴、衬套、底板、扭转弹簧、滚动轴承和带轮，所述调节臂经一螺栓安装于发动机机体上，所述枢转轴安装于调节臂上，所述工作臂经一衬套以枢转方式安装于枢转轴一端，所述枢转轴的另一端与所述底座相连接，所述底座经一插销固定于发动机机体上，所述扭转弹簧受扭地套设于底板与工作臂之间且分别与底板和工作臂固定连接；所述带轮通过滚动轴承安装于工作臂上，所述扭转弹簧在扭转角度变化的过程中通过部分内圈与底板外周壁逐步接触改变所述扭转弹簧的扭转刚度。本发明可增大张紧器安装时补偿误差的能力和改变弹簧刚度，避免张紧臂与限位装置发生撞击产生噪音，延长张紧器使用寿命。

Description

一种变刚度双臂自动张紧器
技术领域
本发明涉及传动系统领域，尤其是一种变刚度双臂自动张紧器，所述自动张紧器设计用于汽车正时带传动系统。
背景技术
正时带在20世纪60～70年代投入使用以来,市场占有份额越来越大，正时带传动综合了齿形传动和带传动的诸多优点，是一种精度高、结构紧凑的传动方式。该张紧器的扭矩值是通过弹簧元件来控制，依靠弹簧元件的固有属性，加载的时候，能积聚一定的弹性势能，卸载的时候能够快速释放出弹性势能，从而能够对带长度的变化产生较好的响应性。
在专利US6149542A中提出了一种双臂自动张紧器，该张紧器主要由偏心调整机构和偏心旋转机构组成，偏心旋转机构可绕固定于发动机机体的螺钉偏心旋转，偏心旋转机构可绕偏心调整机构的中心轴偏心旋转并由弹簧机构加载力距，在弹簧力距的作用下经由滚珠轴承安装于偏心旋转机构的带轮与皮带接触并提供张紧力。但是正时张紧器的工况极为复杂，工作温度范围-20℃～+140℃。在发动机热工况时，由于发动机机体、凸轮轴等金属件热膨胀系数较大，而皮带的热膨胀系数较小，实际等效的结果为皮带变短了。此时，正时张紧器达到热位置，从张紧臂热位置到限位块只有5～10°的转动空间。若在热极限位置遇到发动机负载工况剧烈变化时，张紧臂摆动时与限位块发生撞击，产生异响，降低张紧器的使用寿命。
在专利CN201575116U中提出了一种单臂自动变刚度皮带张紧装置，利用扭转弹簧和凸形圆台的间隙配合实现弹簧的非线性变形。弹簧变形后，内径缩小，部分弹簧缠绕到弹簧座上，工作圈数减少，刚度逐渐增大。但由于皮带、轮系位置等制造误差的存在，单臂张紧器在安装时存在安装困难，且安装完成后，张紧器很难保证一定在设计的工作位置，即皮带的张力无法确保在设计值。
发明内容
本发明的目的在于解决以上现有技术存在的不足，即通过合理设计正时张紧器的结构使得张紧器便于安装，且张紧器安装完成后，确保张紧器在设计的位置；同时，发动机在热工况或或发动机工况剧烈波动时，张紧臂的摆角控制得很小，避免发生张紧臂与限位块碰撞，提高张紧器NVH性能和耐久实用寿命。
为解决上述的技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种变刚度双臂自动张紧器，包括调节臂、工作臂、枢转轴、衬套、底板、扭转弹簧、滚动轴承和带轮，所述调节臂经一螺栓安装于发动机机体上，所述枢转轴以可枢转方式安装于调节臂上，所述工作臂经一衬套以枢转方式安装于枢转轴一端，所述枢转轴的另一端与所述底板相连接，所述底板经一插销固定于发动机机体上，所述扭转弹簧受扭地套设于底板与工作臂之间，同时所述扭转弹簧两端的扭转臂分别与所述底板和工作臂固定连接；所述带轮通过滚动轴承安装于工作臂上，所述调节臂的枢转中心与几何中心偏心设置，所述工作臂的枢转中心与几何中心偏心设置，所述扭转弹簧在扭转角度变化的过程中通过部分内圈与底板外周壁逐步接触改变所述扭转弹簧的扭转刚度，即所述扭转弹簧在扭转的过程中扭转刚度可随扭转角度变化。
本方案中，所述调节臂绕固定于发动机机体的螺栓枢转时，所述调节臂的几何中心即工作臂的枢转中心绕螺栓枢转，所述工作臂的几何中心改变，带轮的位置随之改变，当所述带轮的位置朝远离皮带位置运动时，所述调节臂的旋转运动可额外增加皮带的安装空间。所述调节臂在调整到合适位置安装完皮带后，拧紧螺钉，所述调节臂的几何中心即工作臂的枢转中心固定，所述工作臂的几何中心相对于枢转中心的偏心作用可以使工作臂的几何中心相对于枢转中心在扭转弹簧的作用下往复摆动，补偿皮带张力长度和张力变化。
作为优选，所述枢转轴与所述调节臂为间隙配合，所述衬套与所述枢转轴为间隙配合，所述工作臂与所述衬套为过盈配合，当工作臂绕枢转轴偏心转动时，所述衬套与枢转轴摩擦提供摩擦阻尼。
作为优选，所述枢转轴为空心阶梯轴，所述枢转轴与所述工作臂连接的那一端为小端，与底板连接的那一端为大端，所述工作臂通过所述枢转轴轴肩限定轴向位置。
作为优选，在所述调节臂和工作臂之间沿所述枢转轴轴向设置有由耐磨工程阻尼材料制成的垫片，所述垫片上设有两个小圆柱，所述工作臂远离所述底板一端的工作臂上端面上设置有与所述小圆柱相配合的小圆孔。
作为优选，所述调节臂在螺栓拧紧后，通过调节臂和枢转轴轴肩限制工作臂的两个方向的轴向运动，并在所述垫片上产生正压力，当工作臂带动垫片相对于所述调节臂摆动时产生阻碍工作臂摆动的摩擦阻尼。
作为优选，所述底板上设有一圆筒凸台，所述圆筒凸台为截面直径上下一致的等径筒形或截面直径沿轴线变化的变径筒形，当扭转弹簧在沿加载的方向扭转一定角度时，所述扭转弹簧内圈与圆筒凸台的外周壁接触；当扭转弹簧继续加载时，所述圆筒凸台的外周壁限制与圆筒凸台的外周壁接触的部分扭转弹簧内径继续缩小，该部分扭转弹簧抗扭功能失效，所述扭转弹簧有效圈数减少，刚度改变使张紧器实现变刚度功能。
作为优选，当所述圆筒凸台为截面直径上下一致的等径筒形时，所述的扭转弹簧采用变中径等节距的螺旋弹簧或变中径变节距的螺旋弹簧。
作为优选，当所述圆筒凸台为截面直径沿轴线变化的变径筒形时，所述的扭转弹簧采用变中径等节距的螺旋弹簧、变中径变节距的螺旋弹簧、等中径等节距的螺旋弹簧或等中径变节距的螺旋弹簧；所述圆筒凸台的外周壁为圆锥平面、向圆筒凸台轴线方向内凹的曲面或向远离圆筒凸台轴线方向外凸的曲面。
作为优选，所述的底板上还设置有用于卡入扭转弹簧扭转臂的第一卡槽、用于限制工作臂转动范围的工作臂挡块、 用于将底板固定于发动机机体上的U形槽、伸出臂和位于所述伸出臂末端的指示口。
作为优选，工作臂还设置有与所述工作臂挡块相配合限制工作臂转动范围的工作臂最大转角限制面和工作臂最小转角限制端面、用于卡入所述扭转弹簧另一扭转臂的第二卡槽、指针、与所述滚动轴承内圈相连接的工作臂轴外圈。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
该变刚度双臂自动张紧器通过设置调节臂和工作臂组成张紧器两级偏心机构，可在皮带安装时提供更大的安装空间，更好地抵消皮带长度、安装位置等误差，确保张紧器在安装完毕后，皮带保持设定的张力；通过设计不同的圆筒凸台截面形状和弹簧结构可实现多种变刚度自动张紧器，变刚度自动张紧器可更好地适应张紧器的工作需要。在极限工况下，本发明可提供更大的刚度，限制张紧臂的摆动，防止张紧臂与底板发生撞击，从而避免产生噪音，延长张紧器使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例一的分解图。
图2为本发明实施例一的剖面图。
图3为本发明实施例一的部分零件装配图。
图4为本发明实施例一的底板结构示意图。
图5为现有底板的圆筒凸台截面形状结构示意图。
图6为本发明实施例一的圆筒凸台截面形状示意图。
图7为本发明实施例一的三种圆筒凸台截面形状示意图。
图8为本发明实施例一中与三种圆筒凸台配合的扭转弹簧的刚度变化示意图。
图9为本发明实施例二的圆筒凸台截面形状及扭转弹簧变中径示意图。
图10为本发明实施例二的扭转弹簧刚度变化示意图。
图11为本发明实施例三的圆筒凸台截面形状及扭转弹簧变中径变节距示意图。
图12为本发明实施例三的扭转弹簧刚度变化示意图。
图中：1-底板；11-圆筒凸台；12-第一卡槽；13-工作臂挡块；14-U形槽；15-伸出臂；151指示口；2-枢转轴；21-枢转轴大端；22-枢转轴小端；3-扭转弹簧；4-衬套；5-工作臂；51-工作臂上端面；52-工作臂最大转角限制面；53-工作臂最小转角限制端面；54-第二卡槽；55-指针；56-工作臂轴外圈；57-小圆孔；6-垫片；61-小圆柱；7-滚动轴承；8-带轮；9-调节臂。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例做进一步详细说明。
实施例一
如图1至图4所示一种变刚度双臂自动张紧器，包括调节臂9、工作臂5、枢转轴2、衬套4、底板1、扭转弹簧3、滚动轴承7和带轮8，所述调节臂9经一螺栓安装于发动机机体上，所述枢转轴2以可枢转方式安装于调节臂9上，所述工作臂5经一衬套4以枢转方式安装于枢转轴2一端，所述枢转轴2的另一端与所述底板1相连接，所述底板1经一插销固定于发动机机体上，所述扭转弹簧3受扭地套设于底板1与工作臂5之间，同时所述扭转弹簧3两端的扭转臂分别与所述底板1和工作臂5固定连接；所述带轮8通过滚动轴承7安装于工作臂5上，所述调节臂9的枢转中心与几何中心偏心设置，所述工作臂5的枢转中心与几何中心偏心设置，所述扭转弹簧3在扭转角度变化的过程中通过部分内圈与底板外周壁逐步接触改变所述扭转弹簧3的扭转刚度，即所述扭转弹簧在扭转的过程中扭转刚度可随扭转角度变化。
如附图1和2所示，所述调节臂9绕固定于发动机机体的螺栓即调节臂枢转中心α枢转时，所述调节臂9的几何中心β即工作臂5的的枢转中心绕螺栓枢转，所述工作臂5的几何中心γ改变，带轮的位置随之改变，当所述带轮的位置朝远离皮带位置运动时，所述调节臂9的旋转运动可额外增加皮带的安装空间。
具体地，所述调节臂9在调整到合适位置安装完皮带后，拧紧螺钉，所述调节臂9的几何中心β即工作臂5的枢转中心固定，所述工作臂5的几何中心β相对于调节臂几何中心β的偏心作用可以使工作臂5的几何中心γ相对于调节臂几何中心β在扭转弹簧3的作用下往复摆动，补偿皮带张力长度和张力变化。
所述枢转轴2与所述调节臂9为间隙配合，所述衬套4与所述枢转轴2为间隙配合，所述工作臂5与所述衬套4为过盈配合，当工作臂5绕枢转轴2偏心转动时，所述衬套4与枢转轴2摩擦提供摩擦阻尼。
所述枢转轴2为空心阶梯轴，所述枢转轴2与所述工作臂5连接的那一端为小端，与底板1连接的那一端为大端，所述工作臂5通过所述枢转轴2轴肩限定轴向位置。
在所述调节臂9和工作臂5之间沿所述枢转轴2轴向设置有由耐磨工程阻尼材料制成的垫片6，所述垫片6上设有两个小圆柱61，所述工作臂5远离所述底板2一端的工作臂上端面51上设置有与所述小圆柱61相配合的小圆孔57。所述调节臂9在螺栓拧紧后，通过调节臂9和枢转轴2轴肩限制工作臂5的两个方向的轴向运动，并在所述垫片6上产生正压力，当工作臂5带动垫片6相对于所述调节臂9摆动时产生阻碍工作臂5摆动的摩擦阻尼。
所述底板上设有一圆筒凸台11，所述圆筒凸台11为截面直径沿轴线变化的变径筒形，当扭转弹簧3在沿加载的方向扭转一定角度时，所述扭转弹簧3内圈与圆筒凸台11的外周壁接触；当扭转弹簧3继续加载时，所述圆筒凸台11的外周壁限制与圆筒凸台11的外周壁接触的部分扭转弹簧3内径继续缩小，该部分扭转弹簧3抗扭功能失效，所述扭转弹簧3有效圈数减少，刚度改变使张紧器实现变刚度功能。
具体地，如图1和图6所示，本实施例所述的扭转弹簧3采用等中径等节距的螺旋弹簧，当然，也可以采用变中径变节距的螺旋弹簧、变中径等节距的螺旋弹簧或等中径变节距的螺旋弹簧；所述圆筒凸台11的外周壁为圆锥平面b，作为变形，所述圆筒凸台11的外周壁也可以采用向圆筒凸台轴线方向内凹的曲面c或向远离圆筒凸台轴线方向外凸的曲面a,如图8所示，所述的扭转弹簧3与三种不同形状的圆筒凸台11的外周壁配合后，可以得到不同的弹簧刚度变化曲线，图8中示出了图5中现有结构的弹簧刚度K0和图7中三种结构刚度随扭转弹簧3扭转角变化关系。由图8可见，在扭转弹簧3加载到一定角度时，即工作臂5扭转到一定角度θ0时，弹簧刚度Kt变大，而且刚度变化的情况会随所述圆筒凸台11的外周壁截面的斜率的变化而变化。
如图4所示，所述的底板1上还设置有用于卡入扭转弹簧扭转臂的第一卡槽12、用于限制工作臂5转动范围的工作臂挡块13、 用于将底板1固定于发动机机体上的U形槽14、伸出臂15和位于所述伸出臂15末端的指示口151，自动张紧器在安装到发动机上时，一插销穿过所述U形槽14将底板1固定于发动机机体上。
如图3所示，工作臂5还设置有与所述工作臂挡块13相配合限制工作臂5转动范围的工作臂最大转角限制面52和工作臂最小转角限制端面53、用于卡入所述扭转弹簧另一扭转臂的第二卡槽54、指针55、与所述滚动轴承内圈相连接的工作臂轴外圈56，所述自动张紧器在装配好之后，所示工作臂挡块13位于工作臂最大转角限制面52和工作臂最小转角限制端面53之间，达到限制工作臂5转动范围的目的，预紧后的扭转弹簧3将扭矩施加于所述工作臂5上，该扭矩经滚动轴承7和带轮8转化为作用于正时皮带上的张力，当所述指针55与所述指示口151对准时，所述自动张紧器处于名义位置。所述自动张紧器在正确安装到发动机后，所述指针55应对准所述指示口151。
实施例二
如图9所示，本实施例与实施例一的区别在于：所述圆筒凸台11为截面直径上下一致的等径筒形，所述的扭转弹簧3采用变中径等节距的螺旋弹簧，所示扭转弹簧3的中径沿远离底板1的方向开始渐减小，呈锥形，相应地，如图10所示，本实施例二中的弹簧刚度Ke相比现有技术扭转弹簧刚度K0，在扭转弹簧3加载到一定角度时，即工作臂5扭转到一定角度θ0时，弹簧刚度Kt变大，而且刚度变化的情况会随弹簧中径变化的快慢而不同。
实施例三
如图11所示，本实施例三与实施例二的区别在于：所示扭转弹簧3采用变中径变节距的螺旋弹簧，所示扭转弹簧3的中径沿远离底板1的方向逐渐变小，且节距也同步变化。相应地，如图12所示，本实施例中的弹簧刚度Kf相比现有技术扭转弹簧刚度K0，在扭转弹簧3加载到一定角度时，即工作臂5扭转到一定角度θ0时，弹簧刚度Kf变大；而与实施例二即图9中的结构相比，变中径变节距的弹簧结构，刚度变化也会与只变中径的弹簧的刚度变化不同。
上述各实施例可实现当扭转弹簧3在沿加载的方向扭转一定角度时，所述扭转弹簧3内圈与圆筒凸台11外周壁接触，当扭转弹簧3继续加载时，圆筒凸台11外周壁限制与圆筒凸台外周壁接触部分的扭转弹簧3内径继续减小，该部分扭转弹簧3抗扭功能失效，所示扭转弹簧3有效圈数减少，刚度改变，自动张紧器实现变刚度功能。
实际上，当系统正常工作时，所述扭转弹簧3不接触圆筒凸台11的外周壁,自动张紧器刚度恒定，带的张力变化较小；当系统负载继续增大或发生突变时，皮带张力在短时间内变化较大，所述扭转弹簧3接触圆筒凸台11的外周壁，弹簧扭转刚度增大，同样的皮带张力引起的工作臂5的摆动量减小，所述工作臂5的摆动得到抑制。通过改变圆筒凸台11外周壁的轮廓曲线斜率或改变弹簧中径、节距获得不同的刚度输出特性，以满足自动张紧器在实际工作过程中的性能要求。
上述实施例通过设置调节臂9和工作臂5组成张紧器两级偏心机构，可在皮带安装时提供更大的安装空间，更好地抵消皮带长度、安装位置等误差，确保张紧器在安装完毕后，皮带保持设定的张力；通过设计不同的圆筒凸台11截面形状和扭转弹簧3结构可实现多种变刚度自动张紧器，变刚度自动张紧器可更好地适应张紧器的工作需要。在极限工况下，本发明可提供更大的刚度，限制张紧臂的摆动，防止张紧臂与底板发生撞击，从而避免产生噪音，延长张紧器使用寿命。
上述内容为本发明的具体实施例的例举，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
同时本发明上述实施例仅为说明本发明技术方案之用，仅为本发明技术方案的列举，并不用于限制本发明的技术方案及其保护范围。采用等同技术手段、等同设备等对本发明权利要求书及说明书所公开的技术方案的改进应当认为是没有超出本发明权利要求书及说明书所公开的范围。

Claims (7)

1.一种变刚度双臂自动张紧器，其特征在于：包括调节臂(9)、工作臂(5)、枢转轴(2)、衬套(4)、底板(1)、扭转弹簧(3)、滚动轴承(7)和带轮(8)，所述调节臂(9)经一螺栓安装于发动机机体上，所述枢转轴(2)以可枢转地方式安装于调节臂(9)上，所述工作臂(5)经一衬套(4)以枢转地方式安装于枢转轴(2)一端，所述枢转轴(2)的另一端与所述底板(1)相连接，所述底板(1)经一插销固定于发动机机体上，所述扭转弹簧(3)受扭地套设于底板(1)与工作臂(5)之间，同时所述扭转弹簧(3)两端的扭转臂分别与所述底板(1)和工作臂(5)固定连接；所述带轮(8)通过滚动轴承(7)安装于工作臂(5)上，所述调节臂(9)的枢转中心与几何中心偏心设置，所述工作臂(5)的枢转中心与几何中心偏心设置，所述扭转弹簧(3)在扭转角度变化的过程中通过部分内圈与底板外周壁逐步接触改变所述扭转弹簧(3)的扭转刚度，其中，所述底板上设有一圆筒凸台(11)，所述圆筒凸台(11)为截面直径沿轴线变化的变径筒形，所述的扭转弹簧(3)采用变中径等节距的螺旋弹簧、变中径变节距的螺旋弹簧、等中径等节距的螺旋弹簧或等中径变节距的螺旋弹簧；当扭转弹簧(3)在沿加载的方向扭转一定角度时，所述扭转弹簧(3)内圈与圆筒凸台(11)的外周壁接触；当扭转弹簧(3)继续加载时，所述圆筒凸台(11)的外周壁限制与圆筒凸台(11)的外周壁接触的部分扭转弹簧(3)内径继续缩小，该部分扭转弹簧(3)抗扭功能失效，所述扭转弹簧(3)有效圈数减少，刚度改变使张紧器实现变刚度功能；所述圆筒凸台(11)的外周壁为圆锥平面、向圆筒凸台轴线方向内凹的曲面或向远离圆筒凸台轴线方向外凸的曲面。
2.根据权利要求1所述的一种变刚度双臂自动张紧器，其特征在于：所述枢转轴(2)与所述调节臂(9)为间隙配合，所述衬套(4)与所述枢转轴(2)为间隙配合，所述工作臂(5)与所述衬套(4)为过盈配合，当工作臂(5)绕枢转轴(2)偏心转动时，所述衬套(4)与枢转轴(2)摩擦提供摩擦阻尼。
3.根据权利要求1所述的一种变刚度双臂自动张紧器，其特征在于：所述枢转轴(2)为空心阶梯轴，所述枢转轴(2)与所述工作臂(5)连接的那一端为小端，与底板(1)连接的那一端为大端，所述工作臂(5)通过所述枢转轴(2)轴肩限定轴向位置。
4.根据权利要求3所述的一种变刚度双臂自动张紧器，其特征在于：在所述调节臂(9)和工作臂(5)之间沿所述枢转轴(2)轴向设置有由耐磨工程阻尼材料制成的垫片(6)，所述垫片(6)上设有两个小圆柱(61)，所述工作臂(5)远离所述底板(1)一端的工作臂上端面(51)上设置有与所述小圆柱(61)相配合的小圆孔(57)。
5.根据权利要求4所述的一种变刚度双臂自动张紧器，其特征在于：所述调节臂(9)在螺栓拧紧后，通过调节臂(9)和枢转轴(2)轴肩限制工作臂(5)的两个方向的轴向运动，并在所述垫片(6)上产生正压力，当工作臂(5)带动垫片(6)相对于所述调节臂(9)摆动时产生阻碍工作臂(5)摆动的摩擦阻尼。
6.根据权利要求1所述的一种变刚度双臂自动张紧器，其特征在于：所述的底板(1)上还设置有用于卡入扭转弹簧扭转臂的第一卡槽(12)、用于限制工作臂(5)转动范围的工作臂挡块(13)、用于将底板(1)固定于发动机机体上的U形槽(14)、伸出臂(15)和位于所述伸出臂(15)末端的指示口(151)。
7.根据权利要求6所述的一种变刚度双臂自动张紧器，其特征在于：工作臂(5)还设置有与所述工作臂挡块(13)相配合限制工作臂(5)转动范围的工作臂最大转角限制面(52)和工作臂最小转角限制端面(53)、用于卡入所述扭转弹簧另一扭转臂的第二卡槽(54)、指针(55)、与所述滚动轴承内圈相连接的工作臂轴外圈(56)。
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