CN1703593A - 张紧装置 - Google Patents

Abstract

电动张紧装置(100)，可控制用于调节皮带张力。张紧装置(100)包括张紧装置臂(101)和弹簧(109)。弹簧(109)的一端连接到活动件上，活动件连接到由电动机(103)驱动的齿轮箱(104)上，可调节弹簧位置。弹簧(109)的另一端连接到阻尼机构(108)，该阻尼机构(108)本身又与张紧装置臂(101)接合。电动机(103)和齿轮箱(104)按照从控制器接收的控制信号将活动件定位，并因此将弹簧(109)端部定位。弹簧(109)端部位置决定弹簧(109)的力及系统中的皮带张力。阻尼机构与张紧装置主体(102)摩擦式相互作用，以阻尼张紧装置臂(101)的振荡运动。

Description

张紧装置

技术领域

本发明涉及一种张紧装置，而更具体地说，涉及一种可用电学方法控制以便调节一种皮带传动装置中皮带张力的电动张紧装置。

背景技术

汽车发动机除了其它部件外还包括若干由发动机驱动的附属装置。附属装置可以包括动力转向泵，空调压缩机，交流发电机等等。这些附属装置之中每个附属装置通常都具有一个皮带轮，所述皮带轮通过皮带连接到发动机曲轴皮带轮上。每个附属装置都随着曲轴旋转由皮带驱动。

为了有效地操作，必须将皮带放在一定量的预加荷载或张力之下。这可以用一些已知的方法完成。其中一个附属装置上的活动轴可以用机械方法调节以便张紧一个皮带。另一种方法包括使用一种皮带张紧装置。

皮带张紧装置包括一个弹簧，所述弹簧将一个力传送到一个杠杆臂上。杠杆臂通常包括一个轴颈连接于其上的皮带轮。皮带轮与待张紧的皮带接触。使用一个偏置件如张紧装置中的弹簧，以便提供并保持皮带张力荷载。皮带荷载随张紧装置和传动装置的几何形状，以及张紧装置弹簧的弹簧刚度而变。

已使用了一些致动器来控制张紧装置的位置，并因此控制皮带张力。例如，利用它们来调节主动皮带轮和从动皮带轮之间的相位差。控制信号由主动皮带轮与从动皮带轮相比的相对旋转相位导出。

该技术的代表是授予Shiki等人的美国专利No.5,733,214(1998)，该专利公开了一种用于调节内燃机中环形传送皮带张力的系统，其中包括一个控制系统，所述控制系统用于根据主动皮带轮和从动皮带轮之间的相位角调节要从张紧装置施加到环形皮带上的张力。

还可参考2002年5月15日申请的共同待批的美国专利申请系列号No.10/147,032。

所需要的是一种电动张紧装置，所述电动张紧装置是可控制的，以便调节皮带传动装置上的皮带张力。所需要的是一种具有一可调偏置件位置的电动张紧装置。所需要的是一种具有不对称阻尼机构的电动张紧装置。本发明满足这些需要。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种可控制以便调节皮带传动装置上皮带张力的电动张紧装置。

本发明的另一目的是提供一种具有可调偏置件位置的电动张紧装置。

本发明的另一目的是提供一种具有不对称阻尼机构的电动张紧装置。

本发明的另一些目的将通过下面本发明的说明和附图指出或者变得显而易见。

本发明包括一种是可控制的用于调节皮带张力的电动张紧装置。张紧装置包括一个张紧装置臂和一个弹簧。弹簧的一端连接到一个活动件上，所述活动件连接到一个由电动机驱动的齿轮箱上，因而弹簧位置是可调的。弹簧的另一端连接到一个阻尼机构上，所述阻尼机构本身又与张紧装置臂接合。电机和齿轮箱按照从控制器接收的控制信号将活动件定位，并因此将一个弹簧端部定位。弹簧端部位置决定了弹簧力，并因此决定了系统中的皮带张力。阻尼机构与张紧装置主体摩擦式相互作用，以便阻尼张紧装置臂的振荡运动。

附图说明

各附图包括在说明书中并构成说明书的一部分，各附图示出本发明的一些优选实施例，并与说明书一起，用来阐明本发明的原理，附图中：

图1是一种带有本发明张紧装置的发动机前透视图。

图2是带有本发明张紧装置的皮带传动系统布置的示意图。

图3是控制逻辑示意图。

图4是本发明的张紧装置前侧透视图。

图5是本发明的张紧装置后侧透视图。

图6是本发明的张紧装置局部剖视图。

图7是本发明的张紧装置前透视局部剖视图。

图8是本发明的张紧装置侧局部剖视图。

图9是活动弹簧连接件的局部前透视图。

图10是张紧装置底座和活动弹簧连接件的局部前透视图。

图11是一个弹簧和张紧装置底座的局部前透视图。

图12是本发明的张紧装置局部剖视图。

图13是一种阻尼机构详图。

图14是图13在线段14-14处的横截面图。

图15是一种阻尼机构详图。

图16是图15在线段16-16处的横截面图。

具体实施方式

图1是带有本发明的张紧装置的一种发动机的前透视图。张紧装置100是用于发动机E的前端附属传动装置(FEAD)中的一个元件部分。FEAD一般包括一个或多个由皮带驱动的附属装置。皮带B顺序绕过多个皮带轮1，2，4，5，6。每个皮带轮都通过一个旋转轴连接到一个发动机附属元件上。例如，在图1中，皮带轮1连接到曲轴，皮带轮2连接到一个交流发电机或者起动发电机，皮带轮4连接到一个动力转向泵，皮带轮5连接到一个汽状的冷冻剂压缩机，和皮带轮6连接到一个水泵上。皮带轮3连接到本发明张紧装置100的臂上。

图2是带有本发明的张紧装置的皮带传动系统布置的示意图。对图1所描述的每个元件都在图2中示意示出。张紧装置100的臂101具有一个力矩M，以便控制皮带张紧。

本发明的张紧装置可以安装在一个皮带系统的任何跨距中。在FEAD系统中张紧装置的位置取决于在特定FEAD系统中所包括的附属装置的数量和类型。例如，在一个特别要求的系统如起动发电机系统中，本发明的张紧装置可以安装在直接邻近起动发电机“下游”的跨距上，如图2中所示。当然，本发明的张紧装置可以安装在FEAD系统的任何跨距中，并且它的位置将取决于元件的数量和类型。

当在所述的位置中使用一先有技术的张紧装置时，必须始终保持很高的皮带张力，以便在不正确的机壳荷载情况下，也就是说，在发电机/起动器荷载处于高发动机加速度的期间，保证正确的系统操作。

不像先有技术，本发明的张紧装置连续地调节皮带张力，以便在任何规定的时间里只提供用于正确的系统操作所必需的张力。本发明的张紧装置在大多数操作条件(例如350N)的期间都可以在一低的皮带张力下操作，同时只在如上所述的条件期间，亦即在起动发电机荷载处在高发动机加速度期间或者当所有附属装置都加载时，才施加一个适当的高皮带张力。这能使高皮带张力只是在需要时施加。同样当发动机断开时，本发明的张紧装置保持低的皮带张力。以这种方式操作结果是皮带、轴承，以及其它系统元件的使用寿命增加，因为最大张力只是在需要时施加一短的时间。

图3是控制逻辑示意图。在逻辑框图(A)中所示的输入包括一些示例性的控制参数，所述控制参数由用户建立或者由一个控制系统自动地设定。例如，一种操作方式可以包括发动机，在所述发动机之后意味着按照一个发动机的操作参数(例如发动机速度或者荷载)设定偏置件位置，并因而设定皮带荷载或者张力。对设定张紧装置有用的另一个输入是每个附属装置的荷载条件。当然，可以选定另一些参数或变量，如从各附属装置荷载与环境温度、节流阀位置、发动机速度、制动位置，开-关空调器信号等结合的一种组合中选择。

皮带滑移也可以作为确定皮带工作张力的直接手段来测量。一种“低”张力将使皮带能在一个皮带轮上滑移。合适的皮带张力防止皮带在皮带轮上滑移。皮带滑移可以通过噪音排放，或者通过两个或者多个附属装置之间的旋转速度差检测。在后一种情况下，对每个附属装置的旋转轴都装备仪表，以便检测每个的轴速度。

在只有一个皮带驱动所有附属装置的FEAD系统中，只有需要最大皮带张力把动力传送到所有系统元件的一种情况。当所有附属元件都满负荷工件并且发动机经历高加速度时，就发生这种情况。这也相当于对FEAD系统的最大皮带张力要求。这个条件要求最大的皮带张力并因此调节张紧装置。随着每个元件加载，皮带张力递增式增加，以便防止皮带滑移和保持适当的转矩承载能力。对每个不加载的附属元件，或者随着每个附属元件卸载时，皮带张力递增式减小。

在逻辑框图(B)中，各输入变量通过系统控制逻辑分析。一种用来实施控制逻辑的示例性控制组件包括一种Micro LYNX4^TM处理器。控制组件可由用户编程序，并包括一个处理器和存储器容量。在电机轴处的一个编码器在每次轴旋转一周都产生256个脉冲，这足够用于设定一个皮带张力，不过根据系统设计，可以使用每次轴旋转一周产生或高或低的脉冲数。

处理器B利用来自A的输入来计算所要求的皮带张力。一旦计算出皮带张力，处理器就计算偏置件的一端所要求的对应于所要求的皮带张力的位置。一般，皮带张力随着各附属装置接通而增加，以及随着各附属装置断开和/或随着发动机产生加速和减速而减小。

随后，控制逻辑将一个信号传送到张紧装置致动器，在这种情况下，所述致动器是电动机C。操纵电动机，以便将连接到齿轮箱D的偏置件端部适当地定位。一旦从传感器接收到合适的反馈变量例如电机电流E或者臂的位置F，电动机就停止。

系统控制通过利用来自电机电流监测器或传感器E，以及来自臂位置监测器或传感器F的反馈来完成。电流传感器和臂位置传感器各用电学方法连接到控制器处理器上。臂位置传感器可以是该技术中已知的许多这类位置传感器的其中的任一种。

电流传感器检测电机的电流强度。电机电流强度增加超过一先有的或者稳定状态的值反映了臂荷载增加和皮带张力的同等增加。电流强度从一先有的或者稳定状态的值下降反映了在张紧装置臂上荷载下降和皮带张力下降。这些信号中的每个信号都提供给控制器B。处理器将用于电流传感器和臂位置的值与储存在处理器中的超过/不足查对表进行比较，以便一旦达到要求值就停止电机工作。若这些值超过要求值则可以切断电机，以免损坏系统。

作为例子和不作为限制，本发明的张紧装置和系统在约300N-700N的皮带张力范围内工作。这相当于一个弹簧连接件106基于张紧装置臂长度为75mm和皮带轮直径为76mm的旋转角α为大约40°，见图9。这些值是作为例子表示，而不是当作限制。通过移动弹簧连接件106，齿轮箱“卷绕”或者“松开”弹簧109，因而增加或者减少施加在张紧装置臂和皮带上的弹簧力。更具体地说，300N的位置是随弹簧刚度而变，并大约相当于α＝0°的位置。700N的位置大约相当于α＝40°的位置。弹簧刚度同样可以向上向下调节，以便改变弹簧连接件106所必需的旋转角α。

在工作中，张紧装置提供一种皮带张力以及阻尼。当系统需要时，张紧装置具有一个阻尼系数。在瞬时系统中，利用一个举例的值大约为23％，并且是不对称的。当然，其它的阻尼系数也可以通过改变阻尼机构表面108a的摩擦系数实现，见图8。不对称涉及在FEAD系统工作期间，阻尼系数在张紧装置臂加载方向上比在张紧装置臂卸载方向上大。加载方向与弹簧力的方向相反并具有增加张紧装置臂上荷载的效果。卸载方向与加载方向相反。该系统也可以用不是不对称的阻尼操纵，其中阻尼在加载方向上和卸载方向上大致相等。

图4是本发明的张紧装置前侧透视图。张紧装置100包括张紧装置主体102和张紧装置臂101。皮带轮105轴颈连接到张紧装置臂101的一端上。皮带轮105接合皮带B，如图2中所示。电动机103固定到齿轮箱104的一端上。张紧装置主体102连接到齿轮箱104的另一端上。

电动机103包括一个具有电压范围为12-50V的DC(直流)步进电动机。作为例子和不作为限制，电动机具有一连续转矩为0.6Nm和一最大瞬时转矩为4.3Nm。齿轮箱具有一减速比为100∶1和最大转矩为75Nm。电动机的电气要求由发动机电气系统，例如由一发动机交流发电机或者发电机或者电池组提供。

图5是本发明的张紧装置的后侧透视图。皮带轮105示出是自下支承的，但同样也可以在张紧装置臂101相对的表面上外伸，以便容纳一种FEAD系统布置。

图6是本发明的张紧装置的局部剖视图。弹簧连接件106连接到齿轮箱输出轴107上。齿轮箱输出轴107决定弹簧连接件106的位置。臂101上的支柱101a接合阻尼机构108，见图13和图15。一个弹簧力通过阻尼件108与支柱101a的接触传送到臂101上。臂101与轴107同轴式对准，并具有一个绕轴107旋转的轴线。然而，臂101不受机械约束而与轴107同时旋转。

图7是本发明的张紧装置前透视局部剖视图。弹簧109的一端与弹簧连接件106接合，见图6和12。弹簧109的另一端与阻尼机构108接合，见图13和图14。

弹簧109包括一个具有一预定速率的扭转弹簧。弹簧刚度可以根据系统皮带张力需要选定。枢轴110连接到张紧装置底座102上。张紧装置臂101可旋转式与枢轴110接合，以便将皮带荷载传送到底座上。

图8是本发明的张紧装置局部侧视图。该图示出了弹簧109相对于弹簧连接件106的取向。弹簧端部109b与弹簧连接件106接合。弹簧端部109a还与阻尼机构108接合。阻尼机构108在支柱101a处与臂101接合，见图6。阻尼机构表面108a摩擦式接合张紧装置主体102的一个协同操作的弧形内表面102a，见图7。

图9是活动弹簧连接件的局部前透视图。弹簧连接件106包括一个弹簧端部接收部分106a。接收部分106a包括一个槽或者沟槽106b，所述槽106b接合弹簧端部109b。齿轮箱输出轴107连接到可旋转件112上，弹簧连接件106连接到上述齿轮箱输出轴107上。弹簧连接件106通过轴107的旋转可以一个角运动α旋转。根据弹簧卷绕方向，轴107可朝顺时针方向或者朝反时针方向旋转。轴衬111在张紧装置主体102内的一个相应的凹槽113中旋转，见图10。弹簧连接件106的角运动调节或改变弹簧109的位置。朝第一方向的运动增加臂上的力并因而增加皮带张力。弹簧连接件106朝与第一方向相反的方向运动降低了皮带张力。根据弹簧109的卷绕方向，第一方向可以是顺时针方向或者是反时针方向。角运动α的范围可以高达360°或者更大。

图10是张紧装置底座和活动弹簧连接件的局部前透视图。弹簧接收部分106a通过张紧装置底座102底部中的弧形槽114伸入张紧装置底座102中。因此弹簧接收部分106a是在弧形槽114内部相对于张紧装置主体102活动。弹簧接收件106的这种活动性能够设定弹簧端部位置和弹簧力。这决定了张紧装置臂的位置，张紧装置臂的位置本身又决定了皮带张力。张紧装置100利用穿过装配架115所加的螺纹紧固件固定到发动机表面上。

图11是弹簧和张紧装置底座的局部前透视图。示出弹簧109安装在张紧装置主体102中，同时其端部109b与弹簧接收部分106a接合。弹簧端部109a接合阻尼机构108，见图13和15。

图12是本发明的张紧装置的局部剖视图。弹簧109的端部109b示出与弹簧接收部分106a接合。弹簧109的端部109a与一个可供选择的阻尼机构2000接合，见图15，16。弹簧接收件106连接到可旋转件112上，并因此连接到齿轮箱输出轴107上。在这个图12，和图15，及图16中所示的阻尼机构是图7，图13和图14中所示的阻尼机构的一个可供选择的实施例。

图13是一种阻尼机构的详图。阻尼机构108包括阻尼带1020。阻尼带1020连接到阻尼瓦1010的外部弧形表面1040上。弹簧或者偏置件接收部分包括在阻尼瓦1010中的一个槽1030。接收部分或者槽1030接收弹簧109的弹簧端部109a，见图11。表面1050接合弹簧的其中一部分线圈，以便在工作期间提供支承。阻尼带1020包括一种塑料如尼龙，PA(聚丙烯酸酯)和PPA(己二酸聚丙烯酯)及它们的等效物。在图6中所示的支柱101a根据弹簧卷绕的方向或者臂100的运动方向，在1060或者1070处接触阻尼机构108。通过阻尼机构108和支柱之间的接触，把产生皮带张力的弹簧力从弹簧109传送到臂101。摩擦表面108a接合张紧装置底座102的内部协同操作的表面102a。这个实施例包括如在本说明书中其它部分所述的不对称阻尼特性。本文所描述的阻尼结构也在2002年5月15日申请的共同待批的美国专利申请系列号No.10/147,183中作了说明，上述文件包括在本文中作为参考文献。

图14是图13在线段A-A处的横截面图。环形切口1060绕外部弧形表面1040的外周边延伸。凸缘或突起1070绕阻尼瓦1010的部分圆周延伸。环形切口1060与突起1070组合用来将阻尼带1020用机械方法固定到阻尼瓦1010上。

图15是一种阻尼机构的详图。阻尼机构2000包括第一弧形件2100和第二弧形件2200。第一弧形件具有一个弹簧端部109a接合到其中的弹簧端部接收部分或者槽2110。弹簧端部109a在两位置，亦即在2501和2502处接合槽2110。这样的结果是产生一个法向力来使阻尼机构弧形件2100贴着底座内表面102a。这个实施例包括如本说明书中其余部分所描述的不对称阻尼特性。

关于弹簧端部109a，参见图13，弹簧端部109a用与这个图15中所描述的相同的方式接合槽1030。

弹簧接收部分的壁在弹簧接触区处具有最大厚度2110a来增加强度。壁2110a当它朝两个方向延伸时可以从接触区朝一个方向或者朝两个方向成锥形。本文所述的阻尼机构在2002年5月15日所申请的共同待批的美国专利系列号No.10/147,183中也作了描述，上述文件包括在本文中作为参考文献。

第一弧形件2100包括一个固定到阻尼瓦2120上的阻尼带2130。第二弧形件2200包括一个固定到阻尼瓦2140上的阻尼带2150。

第一弧形件2100在一个接触点2160处与第二弧形件2200成枢转接触。接触点2160包括阻尼瓦2120的端部2280和阻尼瓦2140的端部2190。接触点2160可以按照用户的需要跨过每个阻尼瓦的宽度W从最小半径r变动到最大半径。

弧形件2200的端部2170处于与臂101上的支柱101a接触，见图12和图6。这种安排结果是弧形件2200比弧形件2100能经受更大的荷载。

为了达到所要求的不对称阻尼系数，将各弧形件之间的接触点2160设置在距杠杆臂旋转轴线R-R一预定的径向距离r处。接触点2160的最小半径位置r导致阻尼机构的最高不对称阻尼系数。接触点2160可以设置在最大外部半径2880处，上述最大外部半径2880与上述最小半径位置r相比，产生较小的不对称阻尼系数。

在一可供选择的实施例中，第一弧形件2100的端部2180处于与第二弧形件端部2170接触。然后支柱101a在点2160处处于与弧形件2200接触。在这个可供选择的实施例中，使用一种具有一线圈卷绕方向与用于图12和图15所示实施例的线圈卷绕方向相反的弹簧。因此，通过转换从第一弧形件的一端2180和第二弧形件到另一端2160的弧形件之间的接触点，可以使用一种具有相对卷绕的扭转弹簧。

阻尼带2130，2150用摩擦材料如塑料，酚醛塑料和金属粒子制成。阻尼带2300，2150的工作面2300，2310在加压下分别与张紧装置102a底座表面102a可滑动地接合，见图12。随着阻尼带在张紧装置底座表面上的滑动，产生一个摩擦阻尼力。

阻尼瓦2120，2130每个都由结构材料如钢，模制塑料或它们的等效物制成。每个阻尼瓦都可以利用粉末金属成形，模压成形，注射成形或类似方法制造。可以使用的材料包括钢，铝(用于低荷载部分)，带有各种填料的热塑性塑料，以及它们的等效物。

第二弧形件的阻尼带2150具有一材料厚度大于第一部分的阻尼带2130。这具有两个优点，首先，可以实现增加的弹簧钩起尺寸(和弹簧厚度)，因此可以使用具有较大弹簧刚度的弹簧。较大弹簧刚度的弹簧导致产生较大皮带张力的能力。其次，因为阻尼机构的第二部分2200具有比第一部分2100高的荷载，所以减小第一阻尼带2130的厚度将使两部分的耐久性和耐用时间相等。

图16是图15在线段16-16处的横截面图。环形切口2210绕阻尼瓦2120的外周边延伸。突起2220绕阻尼瓦2120的一部分圆周延伸。环形切口2230绕阻尼瓦2140的外周边延伸。突起2240绕阻尼瓦2140的一部分圆周延伸。每个环形切口2210，2230与每个突起2220，2240的组合，分别用来将每个阻尼带2130，2150用机械方法固定到每个阻尼瓦2120，2140上。

尽管本文已经说明了本发明的一些形式，但对本专业的技术人员来说，很显然，在不脱离本文所述的精神和范围的情况下，可以在各部件的构造和关系方面进行各种改变。

Claims (15)

1.一种张紧装置，包括：

一个底座；

一个臂，所述臂与所述底座枢转式接合；

一个皮带轮，所述皮带轮的轴颈与所述臂连接；

一个偏置件；

一个驱动器构件，所述驱动器构件连接到所述偏置件上，因而上述偏置件的位置是可调的；

该偏置件连接到一个阻尼件上；

所述阻尼件与上述臂接合，并且与所述底座擦地接合，以便抑制臂的运动。

2.如权利要求1所述的张紧装置，其特征在于所述驱动器构件还包括一个致动器。

3.如权利要求1所述的张紧装置，其特征在于所述驱动器构件包括一个电动机。

4.如权利要求3所述的张紧装置，其特征在于所述阻尼件包括一个弧形表面，所述弧形表面与底座的弧形表面摩擦接触。

5.如权利要求4所述的张紧装置，其特征在于所述阻尼件具有一个阻尼系数。

6.如权利要求3所述的张紧装置，其特征在于还包括：

一个控制器，所述控制器用于处理来自一个传感器的输入信号，及用于产生和传送一个控制信号到所述电动机，因而控制臂的位置。

7.如权利要求6所述的张紧装置，其特征在于还包括：

一个用于检测臂的位置的传感器；并且

该传感器连接到所述控制器上。

8.如权利要求7所述的张紧装置，其特征在于还包括：

一个用于检测电动机电流强度的传感器，并且

该传感器连接到所述控制器上。

9.一种张紧装置，包括：

一个底座；

一个臂，所述臂与所述底座枢转式接合；

一个皮带轮，所述皮带轮的轴颈与所述臂连接；

一个偏置件，所述偏置件具有接合到一个阻尼件上的一个端部；

一个驱动器构件，所述驱动器构件这样连接到所述偏置件的另一端上，以使偏置件位置可通过一个驱动器构件的角运动调节；并且

所述阻尼件与上述臂接合，并与所述底座摩擦式接合，以便抑制臂的运动。

10.如权利要求9所述的张紧装置，其特征在于所述驱动器构件包括一个控制器，所述控制器产生一个用于调节偏置件位置的信号。

11.如权利要求10所述的张紧装置，其特征在于所述驱动器构件包括：

一个传输部分；及

一个电动机，所述电动机连接到上述传输部分上。

12.如权利要求11所述的张紧装置，其特征在于还包括：

一个电动机电流强度监测器；及

该电动机电流强度监测器连接到所述控制器上，固而控制所述电动机工作。

13.如权利要求11所述的张紧装置，其特征在于还包括：

一个臂位置监测器，所述臂位置监测器用于检测臂的位置；及

该臂位置监测器连接到所述控制器上，因而控制臂的位置。

14.如权利要求10所述的张紧装置，其特征在于所述阻尼件包括一个非对称阻尼系数。

15.如权利要求14所述的张紧装置，其特征在于所述非对称阻尼系数包括一个在臂加载方向上比在臂卸载方向上大的阻尼系数。

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