CN1959150A - 变刚度自动皮带张紧装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变刚度自动皮带张紧装置。它包括皮带轮、滚动轴承、偏心轮和安装在底板上的芯轴，皮带轮通过滚动轴承套装在偏心轮上，偏心轮套装在芯轴上，构成偏心移位机构，在底板与偏心轮之间装有圆柱螺旋弹簧套装在弹簧套座上构成的偏心轮变刚度扭转机构。它的阻尼采用偏心轮与芯轴间的摩擦阻尼器和偏心轮端面摩擦阻尼器。本发明结构简单，具有非线性刚度、柔性止动和有效摩擦阻尼特点，适用于汽车发动机前端附带传动和正时带传动的皮带张力控制和振动抑制。

Description

变刚度自动皮带张紧装置

技术领域

本发明涉及一种皮带自动张紧装置，特别是一种适用于发动机前端附件带传动和正时带传动的皮带张力控制和振动抑制的变刚度自动皮带张紧装置。

背景技术

在现代汽车发动机广泛使用带传动驱动发电机、空调压缩机、风扇等发动机附件，连需要和曲轴保持严格相位关系的凸轮轴也采用带传动。为了保持适当的皮带张力避免皮带打滑、补偿皮带磨损和老化后的伸长量，自动张紧轮是必不可少的部件。常见的自动张紧轮是摆动式的，也有是直线移动式的，如US01/24096(CN01813572.2)等。摆动式自动张紧轮的结构比较简单，所以更常见，其结构和工作原理大致如下：摆臂可以绕固定支架上的第一芯轴摆动；张紧轮安装在摆臂上，可以绕第二轴自由旋转。固定支架和摆臂之间有一扭转弹簧。工作时，张紧轮作为带传动轮系中的惰轮在扭转弹簧的作用下压紧皮带，使皮带保持适合的张力。详细的结构参见美国专利US5030172、US5443424、US5545095、US5718649、US5803850、US6206797等。

张紧必须具有一定的阻尼系数，以抑制传动系统的振动和张紧机构对皮带的撞击。普通张紧轮在张紧力传递途径中设置摩擦副提供摩擦阻尼，结构比较简单，但会给运动副带来磨损，影响使用寿命。有许多公开的专利提出了多种形式的阻尼器。例如，美国专利US4696663提供了一种利用扭转弹簧的扭力的制动器，这个扭转弹簧同时又可以提供张紧力；US018562(CN1668863A)提出了一种在张紧上应用弹性盘阻尼器的技术方案；JP171359(CN1144892A)设计了在张紧器和支架之间利用环簧压迫阻尼元件而产生阻尼力的机构。这些张紧轮附有专门的阻尼器，元件比较多，结构比较复杂，成本也较高。

普通摆动式自动张紧轮采用线性扭转弹簧对皮带施加张紧力，并且设置刚性的止动件限制张紧轮的摆动幅度。张紧轮的这些特性对于发动机和负载工况突变时是不利的，往往引起剧烈的皮带跨度振动、限位元件之间的刚性撞击、皮带系统的异响等现象。现有的弹性止动技术不常见，也不能完全实现柔性止动。例如在CA97/00578(CN1232530A)中，利用扭转弹簧的末端簧丝作为“弹性”止动件，可以缓和撞击力，但还是不能避免张紧力矩的突变。

发明内容

本发明的目的是针对现有汽车自动皮带张紧装置的上述缺陷，提供一种改进的变刚度自动皮带张紧装置，其结构简单，具有非线性刚度、柔性止动和有效摩擦阻尼特点。

为达到上述目的，本发明的构思是：采用偏心移位机构，带动惰轮移位而改变皮带的张紧力。采用由圆柱螺旋弹簧套装在弹簧套座上构成的偏心轮变刚度扭转机构，使皮带张紧装置具有非线性刚度，其原理是：常规的圆柱螺旋扭转弹簧的扭转刚度是线性的。当弹簧的变形受到某种约束时，就会表现出显著的非线性。本发明利用弹簧和弹簧座的有效间隙配合实现弹簧的非线性变形。弹簧先进行一定量的线性变形后，弹簧的内径缩小，部分簧丝开始缠绕到弹簧座上。此时，扭转刚度逐步提高，非常适应发动机减速时的工况。

还采用一种刚柔相济的限位结构：当偏心轮的摆角接近上极限时，扭转弹簧进入非线性变形最后阶段，扭力提升很快，起到柔性限位的作用，避免挡块之间的硬碰撞。保留传统的硬挡块结构，作为受到大冲击时的最后限制，保护柔性止动结构。

本发明的阻尼器采用摩擦阻尼由两部分构成：一部分由偏心轮孔和芯轴之间的摩擦力产生，阻尼力矩和张紧力基本成正比；另一部分是有偏心轮端面上的阻尼器提供的，将扭转弹簧兼作压缩弹簧使用，压缩扭转弹簧的轴向力作用于阻尼器产生摩擦阻尼，阻尼力矩和张紧力基本无关。

根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种变刚度自动皮带张紧装置，包括皮带轮、滚动轴承、偏心轮和安装在底板上的芯轴，所述的皮带轮经滚动轴承套装在偏心轮上，偏心轮套装在芯轴上，构成偏心移位机构；其特征在于在所述的底板与偏心轮之间装有圆柱螺旋弹簧套装在弹簧套座上构成的偏心轮变刚度扭转机构。

上述的偏心轮变刚度扭转机构中的圆柱螺旋弹簧作为扭簧作用，安装结构为：圆柱螺旋弹簧的一端压在弹簧套座的凸缘座上而端圈簧丝径向外伸引脚固定在底板上，而另一端顶在偏心轮的底面而端圈簧丝径向外伸引脚嵌在偏心轮外缘的凹槽中；圆柱螺旋弹簧的内径与弹簧套座的套筒外径之间形成有效间隙：在正常负载下，偏心轮向加载方向偏转，圆柱螺旋弹簧扭紧而内径变小，但不与弹簧套座的套筒缠绕，其扭矩随转角线性增大；在负载突变时，圆柱螺旋弹簧开始缠绕弹簧套座的套筒，其扭矩与转角关系呈非线性变化。

上述的弹簧套座的套筒形状为圆筒形、或圆锥筒形、或带有开口的圆筒形。

上述的偏心轮通过一个轴套套装在芯轴上，轴套与偏心轮过盈配合，轴套与芯轴间隙配合，构成圆柱摩擦副阻尼器。

上述的轴套由摩擦材料或者由轴套为塑料-青铜-钢板多层复合材料制成。

上述的芯轴的顶端装有偏心轮的端面阻尼器。

上述的端面阻尼器的结构是：芯轴顶端固定套装一个盘状件，盘状件内面附有一层摩擦材料而与偏心轮端面在圆柱螺旋弹簧作为压簧作用的施压下构成摩擦副。

上述的端面阻尼器的结构是：芯轴顶端固定套装一个带有锥面的盘状件，偏心轮端面固定安装一个对应的带锥面的盘状件，该两个盘状件中的一个盘状件内面附有一层摩擦材料，则两个盘状件的锥面在圆柱螺旋弹簧作为压簧作用的施压下构成锥面摩擦副。

上述的端面阻尼器的结构是：芯轴顶端固定套装多个内摩擦片，它可沿芯轴向移动，但不能相对芯轴转动，偏心轮顶面通过盘状件相应安装多个外摩擦片，外摩擦片与盘状件可轴向移动而不能相对转动，在圆柱螺旋弹簧作为压簧作用的施压下，构成多个摩擦副。

上述的偏心轮外缘有一个凸块，嵌在底板的开口槽里，构成偏心轮偏转止挡机构；开口槽的两侧壁分别构成偏心轮偏转的上下限位；凸块上有指示皮带轮实际位置的指针，开口槽上有静态标准位置标志。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

(1)本发明采用圆柱螺旋弹簧作为扭转弹簧与弹簧套座构成变刚度弹性机构，使张紧装置的刚度是非线性的，在正常工作时(转角较小)，刚度基本上是个常数，当转角较大时，刚度随转角增大而迅速增大。

(2)本发明有两个摩擦阻尼器：位于偏心轮和芯轴之间的阻尼器，其阻尼力和张紧力大致成正比；位于偏心轮端面的阻尼器，阻尼力矩正比于弹簧的轴向压缩力，基本上和张紧力无关。

(3)采用柔性限位结构，具有柔性限位功能。

本发明结构简单，具有上述特性，适用于汽车发动机前端附带传动和正时带传动的皮带张力控制和振动抑制。

附图说明

图1是张紧轮的截面图，此图沿图2的A-A线的截面图。

图2是张紧轮的俯视图。

图3是变刚度扭转弹簧的扭矩-转角曲线。

图4是变刚度扭转弹簧座的其他结构形式。

图5是端面阻尼器的其他结构形式。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：

参见图1，本变刚度自动皮带张紧装置包括一皮带轮6，该皮带轮6经滚动轴承10安装在一偏心轮7上。轴承10的内圈固定在偏心轮的外圆7c上。偏心轮7通过轴套3套在一根芯轴2上。轴套3和偏心轮7采用过盈配合，而与芯轴2则采用间隙配合。轴套3由摩擦材料制成。摩擦材料可以选用自润滑性和耐磨性较好的尼龙，轴套也可以选用塑料-青铜-钢板多层复合材料制造。轴套材料不限于上述材料。芯轴2的一端2a固定在底板1上，另一端2b装有一个盘状件9。盘状件9固定在芯轴2上，防止偏心轮7脱离芯轴2。盘状件9和偏心轮7接触的一面也附有一层摩擦材料9a，和偏心轮7组成一个端面阻尼器。在偏心轮7和底板1之间的环形空间里，装有弹簧套座4和圆柱螺旋弹簧5。弹簧5的起末圈簧丝沿径向分别向外伸出引脚。弹簧5的一端压在弹簧套座4的凸缘4a上，其引脚固定在底板1上；另一端顶在偏心轮7的底面7b，其引脚嵌在偏心轮外缘7a的凹槽中。

偏心轮7外缘有一个凸块7d，嵌在底板1上的开口槽1d里。凸块7d和开口槽1d作为死挡块限制偏心轮7绕芯轴2的摆动角度，开口槽1d的侧壁1a和1b分别是偏心轮7的上下限位。凸块7d上有一个指针7e用于指示皮带轮6的实际工作位置。开口槽上也有一个固定的标志1c，作为静态标准位置供安装时调整之用。

张紧装置的张紧力主要取决于弹簧5的扭力。在本装置中，弹簧5和弹簧套座4组成一种变刚度扭簧。弹簧套座4的套筒外径略小于弹簧5的内径。偏心轮7向加载方向偏转时，弹簧5扭紧，扭矩随旋转角的增大而线性增加，弹簧5的内径也随之缩小。当弹簧5开始缠绕到弹簧套座套筒时，参与扭转变形的弹簧圈数开始减少，弹簧的扭转刚度开始变大，扭转弹簧呈现显著的非线性。当弹簧5全部缠绕到弹簧套座4上时，弹簧5失去了进一步扭转的能力，刚度变得很大。在弹簧套座4的作用下，普通的圆柱螺旋扭簧5成了一种变刚度扭簧，其扭矩曲线如图3所示。

这种变刚度扭簧的扭矩-转角曲线非常适合于发动机工况。发动机正常工作时，弹簧5工作于线性部分(图3中的A-B)，用于补偿皮带的磨损，抑制小幅跨度振动，使皮带保持基本恒定的张力，其作用和常规的自动张紧轮一样。当发动机突然减速或负载突然变化时，皮带由松急剧变紧，弹簧5进入非线性区域(图3中的B-C)，迅速提升皮带张力，有利于减轻皮带振动，避免皮带打滑或脱齿。

非线性扭簧还具有柔性的限位效果。即使没有上限位死挡铁1a，由于非线性扭簧的作用，偏心轮7的摆动幅度不能超越图3中的位置D(假设弹簧不断裂)。到达该位置的过程中，扭矩是平滑递增的，不会产生碰到死挡铁时的冲击和异响。为了保护弹簧，可以在弹簧的非线性最后阶段设置死挡铁。

弹簧5和弹簧套座4的间隙大小决定扭矩-转角曲线中的线性区域(图3中的A-B)。增加间隙，线性区域将扩大。弹簧套座4的套筒部分的形状和结构影响非线性部分的曲线。图4给出几种弹簧座式样。图4(a)的弹簧套座的套筒部分制成锥形，使端部的簧丝先和弹簧套座接触，可以减缓非线性部分的上翘。图4(b)所示的弹簧套座的套筒是开口的，弹簧套座本身的刚度降低了，也可以降低刚度的变化率。

本张紧装置的阻尼主要来源于两个部位。第一个阻尼产生于芯轴2和轴套3之间。皮带轮压紧皮带时，在芯轴2和轴套3之间产生径向压力，从而产生摩擦力矩。摩擦力矩和张紧力大致成线性关系。控制摩擦材料的摩擦系数和芯轴2上的径向压力分量，是自动张紧装置控制阻尼大小的常规方法。

第二个阻尼器位于偏心轮顶面，阻尼力由弹簧5的轴向压缩力产生。将弹簧5兼作压缩弹簧使用。将预压缩的弹簧装入张紧装置中，弹簧5的轴向力作用于偏心轮7底面，使得偏心轮7顶面和盘状件9产生正压力，以摩擦力矩的方式阻碍偏心轮7的摆动，吸收皮带的跨度振动。虽然弹簧5扭转时，轴向力有所增加，但变化幅度不大。所以，第二阻尼器产生的阻尼力矩和弹簧5的预紧力有关，和张紧力基本无关。这个阻尼器的存在，一方面可以防止低载时出现共振现象；另一方面由于分担了部分阻尼，可以降低第一部位的阻尼力矩，有利于通过选用摩擦系数较小的摩擦材料制造轴套3而延长使用寿命。

根据上述原理，还可以设计出多种形式的端面阻尼器。在轴向力不变的条件下，端面阻尼器的摩擦阻尼取决于摩擦面的接触半径、摩擦副的数量和锥角。图5示出了两种其他形式。图5(a)将摩擦面做成锥面，并扩大了摩擦面的接触半径。在轴向力不变的条件下，摩擦阻尼随锥度的减小而增大。图5(b)是通过增加摩擦副的数量增大阻尼。多个内摩擦片9和外摩擦片12构成多个摩擦面。内摩擦片9可以沿芯轴的轴向移动，但不能相对芯轴转动；外摩擦片12通过盘状连接件(11)和偏心轮7也构成类似的装配关系。

Claims (11)

1.一种变刚度自动皮带张紧装置，包括皮带轮(6)、滚动轴承(10)、偏心轮(7)和安装在底板(1)上的芯轴(2)，所述的皮带轮(6)经滚动轴承(10)套装在偏心轮(7)上，偏心轮(7)套装在芯轴(2)上，构成偏心移位机构；其特征在于在所述的底板(1)与偏心轮之间装有圆柱螺旋弹簧(5)套装在弹簧套座(4)上构成的偏心轮变刚度扭转机构。

2.根据权利要求1所述的变刚度自动皮带张紧装置，其特征在于所述的偏心轮变刚度扭转机构中的圆柱螺旋弹簧(5)作为扭簧使用，安装结构为：圆柱螺旋弹簧(5)的一端压在弹簧套座(4)的凸缘座(4a)上而端圈簧丝径向外伸引脚固定在底板(1)上，而另一端顶在偏心轮(7)的底面(7a)而端圈簧丝径向外伸引脚嵌在偏心轮(7)外缘(7a)的凹槽中；圆柱螺旋弹簧(5)的内径与弹簧套座(4)的套筒外径之间形成有效间隙：在正常负载下，偏心轮(7)向加载方向偏转，圆柱螺旋弹簧(5)扭紧而内径变小，但不与弹簧套座(4)的套筒缠绕，其扭矩随转角线性增大；在负载突变时，圆柱螺旋弹簧(5)开始缠绕弹簧套座(4)的套筒，其扭矩与转角关系呈非线性变化。

3.根据权利要求1或2所述的变刚度自动皮带张紧装置，其特征在于所述的弹簧套座(4)的套筒形状为圆筒形、或圆锥筒形、或带有开口的圆筒形。

4.根据权利要求1或2所述的变刚度自动皮带张紧装置，其特征在于所述的偏心轮(7)通过一个轴套(3)套装在芯轴(2)上，轴套(3)与偏心轮(7)过盈配合，轴套(3)与芯轴(2)间隙配合，构成圆柱摩擦副阻尼器。

5.根据权利要求4所述的变刚度自动皮带张紧装置，其特征在于所述的轴套(3)是由摩擦材料制成，摩擦材料为尼龙或者为塑料-青铜-钢板多层复合材料。

6.根据权利要求4所述的变刚度自动皮带张紧装置，其特征在于所述的芯轴(2)的顶端装有偏心轮(7)的端面阻尼器。

7.根据权利要求6所述的变刚度自动皮带张紧装置，其特征在于所述的端面阻尼器的结构是：芯轴(2)顶端固定套装一个盘状件(9)，盘状件(9)内面附有一层摩擦材料(9a)而与偏心轮(7)端面在圆柱螺旋弹簧(5)作为压簧作用的施压下构成摩擦副。

8.根据权利要求6所述的变刚度自动皮带张紧装置，其特征在于所述的端面阻尼器的结构是：芯轴(2)顶端固定套装一个带有锥面的盘状件(9)，偏心轮(7)端面固定安装一个对应的带锥面的盘状件(11)，该两个盘状件(9、11)中的一个盘状件(9)内面附有一层摩擦材料(9a)，则两个盘状件(9、11)的锥面在圆柱螺旋弹簧(5)作为压簧作用的施压下构成锥面摩擦副。

9.根据权利要求6所述的变刚度自动皮带张紧装置，其特征在于所述的端面阻尼器的结构是：芯轴(2)顶端固定套装多个内摩擦片(9)，它可沿芯轴向移动，但不能相对芯轴转动，偏心轮(7)顶面通过盘状件(11)相应安装多个外摩擦片(12)，外摩擦片(12)与盘状件(11)可轴向移动而不能相对转动，在圆柱螺旋弹簧(5)作为压簧作用的施压下，构成多个摩擦副。

10.根据权利要求1或2所述的变刚度自动皮带张紧装置，其特征在于所述的偏心轮(7)外缘有一个凸块(7d)，嵌在底板(1)的开口槽(1d)里，构成偏心轮偏转止挡机构；开口槽(1d)的两侧壁(1a、1b)分别构成偏心轮(7)偏转的上下限位；凸块(7d)上有指示皮带轮(6)实际位置的指针(7e)，开口槽(1d)上有静态标准位置标志(1c)。

11.根据权利要求1或2所述的变刚度自动皮带张紧装置，其特征在于所述的偏心轮(7)的旋转刚度随转角的增大而平稳增大，起到柔性止动的作用。

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