TWI409445B - 用於流量計中的橢圓齒輪組、手持式流量計量裝置及用於在一橢圓齒輪上產生漸開線輪齒之方法 - Google Patents

Description

用於流量計中的橢圓齒輪組、手持式流量計量裝置及用於在一橢圓齒輪上產生漸開線輪齒之方法

本發明係針對用於流體計量裝置之橢圓齒輪，且更特定言之，本發明係關於用於橢圓齒輪之輪齒幾何結構。

本申請案係關於以下與此申請案在同日申請之共同未決申請案：發明者D.Breeser之「流體計量裝置之密封固定閥」(美國專利申請案第12/214,699號/代理人檔案編號第G372.12-0010號)，及發明者D.Breeser之「流體計量裝置之扳機釋放機構」(美國專利申請案第12/214,698號/代理人檔案編號第G372.12-0011號)。

手持式裝置通常用以分配來自大型容器之受測流體量。舉例而言，汽車服務站經常使用手持式計量器以將少量潤滑油自大型圓筒分配至汽車發動機中。此等手持式計量器及其他類似的流體分配裝置通常包含一容積式計量機構，該容積式計量機構測量經過該分配裝置之流體體積流量。習知的容積式計量機構包含一組互相嚙合的橢圓形或改良式橢圓齒輪，一加壓流體在該等齒輪之間流動以引起該等齒輪之旋轉。該等齒輪通常連接至一電子控制系統，該電子控制系統計數該等齒輪之旋轉以決定流體之流動體積。該等齒輪經樞轉使得固定該等齒輪中心之間的距離。因此，該等輪齒沿著具有不同曲率之齒輪節曲線之區段進行咬合，該咬合在該輪齒之界面中引入複雜性。然而，該分配裝置之性能係關於該等齒輪之間的該輪齒界面之效能。 舉例而言，該計量機構可決定流動所具有的精確度取決於該齒界面密封及防止該等齒輪之間的流體洩漏之能力，該流體洩漏對該等齒輪之旋轉不做貢獻。此外，齒界面影響該等齒輪之壽命長久性、由該等齒輪產生的雜訊量及由該等齒輪產生的振動量；所有此等取決於該輪齒相對於彼此平滑地滾動之能力。因此，輪齒設計對於有效的計量裝置及流體之精確分配而言為重要。

習知的圓形正齒輪通常使用具有漸開線輪齒表面之輪齒，其等隨著該等齒輪旋轉而越過彼此滾動，而非相對於彼此滑動及振動。據傳統上所已知，漸開線曲線可被描述為一不可延伸的繩索之一端當其自一曲面(例如一橢圓形或一圓形)鬆解時所行進的路徑。該齒輪之基本輪廓通常用作為用以形成該漸開線輪齒輪廓之曲面。因此，圓形正齒輪具有圓形基本曲線輪廓，其等造成圓形漸開線齒輪廓。對於圓形齒輪而言，每一齒上的該等漸開線表面為相同，且對於每一齒而言，該齒輪之節距半徑為相同。如此，漸開線輪齒易於產生用於圓形齒輪，例如利用習知的滾銑機器等。一典型的滾銑製程包含抵靠一旋轉齒輪坯料旋轉一滾銑刀、一具有螺旋狀切齒之圓筒形切割工具，該等螺旋狀切齒具有與該等輪齒相反的輪廓。由於橢圓齒輪之間的變化的入射角，因此使用習知的滾銑製程以產生用於橢圓齒輪之漸開線輪齒為不切實際的。舉例而言，一橢圓齒輪坯料必須以相對應於該橢圓之變化的半徑之間隔經垂直地平移向及背離該滾銑架。即使具有平移該齒輪坯料之能力，但由於橢圓節曲線，因此該等輪齒趨於經底切。具有改良齒幾何形狀及/或節輪廓之各種齒輪已經設計以產生更易於製造的平滑介接之橢圓齒輪。

早期齒輪設計接近於該等齒幾何形狀及該節曲線以實現平滑介接的齒輪。美國專利第231,939號描述一種改良橢圓齒輪，其中短軸附近的節曲線係更接近於該齒輪之中心，以形成一葉片形齒輪。藉由將該節曲線分成為若干片段並產生一連串交叉該節距線之小弧形而使該等輪齒之輪廓相接近，以產生不具有一漸開線輪廓之一平滑滾動形狀。在隨後設計中，輪齒大小經改變以在橢圓齒輪上實現實際的橢圓漸開線齒輪廓並利於利用滾銑機器之製造。舉例而言，美國專利第2,842,977號描述一種橢圓齒輪，其具有若干含作為可由一滾銑機器產生的橢圓節曲線之漸開線的表面之輪齒。然而，為了避免垂直於該滾銑架平移該坯料之需，該輪齒之大小自長軸向短軸增加，因此需要一經特別設計的滾銑刀。此外，橢圓齒輪係不適用於流體計量裝置，這是因為不可固定旋轉橢圓齒輪之間的該等中心。在其他設計中，該節曲線與該齒幾何形狀皆已經修改以實現改良的輪齒交互作用。在美國專利第2,897,765號中，齒輪係產生為具有一改良橢圓節曲線，其中與一真實橢圓比較，長軸及短軸附近的該節曲線係更接近於該齒輪之中心，以減輕傳動壓力。然而，該長軸附近的輪齒比該短軸附近的輪齒更寬且更高，以增加該等齒之強度並減少齒數。

因已改進技術，所以更多精細的輪齒輪廓及節曲線已發展以產生橢圓漸開線齒。舉例而言，美國專利第4,036,073號描述一種橢圓齒輪，其中輪齒具有變化的工具壓力角，使得該齒輪可由一滾銑機構予以產生，該滾銑機構沿著相對於該滾銑架之二個軸平移齒輪坯料。然而，除了需要一精細的滾銑機器之外，在長軸及短軸上及附近之該等齒具有較寬的頂端以避免底切。美國專利第5,545,871號描述一種改良橢圓齒輪，其中相對於一真實橢圓齒輪，節曲線在長軸與短軸之間的曲線部分上凸出。利用一電腦設計系統，一類比式滾銑製程係基於該改良橢圓節曲線之一較小規模版本，用以產生橢圓漸開線形齒。

最後，已改進其他齒輪設計，其等避免使用漸開線齒企圖實現改良的齒輪性能。在美國專利第6,048,186號中，齒輪係產生為具有一改良橢圓節曲線，其中與一真實橢圓比較，長軸及短軸附近的該節曲線係更接近於該齒輪之中心。該輪齒具有一面向該長軸之漸開線形表面及一面向該短軸之圓齒輪形表面，以避免與捕獲相關聯的問題並防止齒輪不相嚙合。又，其他設計完全避免使用漸開線輪齒。美國專利第6,644,947號阻止使用漸開線輪齒並描述一種橢圓齒輪，其中該輪齒具有一「波齒」圖案。該等齒之頭部成形為一具有一第一半徑之弧形，且該等齒之根部形成為一具有一第二半徑之弧形。此設計導致減少滑動之平坦的輪齒表面，而既非橢圓亦非圓形漸開線。

前述齒輪設計繪示輪齒界面在避免流體計量裝置中的性能問題上之重要性，例如齒根之底切、齒面之擦傷、由於齒間流體捕獲之旋轉阻力、經由嚙合齒之流體洩漏及類似物。然而，此等設計通常為該輪齒界面之一個或多個性能參數與一製造參數之間的折中。舉例而言，非漸開線輪齒可為更易於製造，但造成輪齒之間的相對角速度，其產生造成磨損與雜訊之滑動及振動。因此，需要一種用於橢圓齒輪，尤其是流體計量裝置中所使用的橢圓齒輪之改良的輪齒設計。

本發明係針對一種用於流量計中的橢圓齒輪組。該齒輪組包括第一及第二齒輪，其等彼此相同且經組態以成一固定的中心至中心距離而咬合，使得該等第一及第二齒輪在所有角度位置嚙合。該橢圓齒輪組之每一齒輪包括一輪轂及複數個輪齒。該輪轂包括一橢圓體，該橢圓體具有延伸穿過該輪轂之一中心的一長軸及一短軸，及一外接該等長軸及短軸之根部輪廓壁。該複數個輪齒自該根部輪廓壁延伸。該等輪齒之每一者具有一對接觸面，該等接觸面具有圓形漸開線曲線輪廓。

圖1顯示手持式流體分配裝置10之一透視圖，其中具有本發明之漸開線輪齒之橢圓齒輪係用於一流體計量機構中。分配裝置10包含平台12、罩蓋14、高壓流體耦合件16、分配管18、扳機桿20、使用者界面22及顯示器24。分配裝置10允許流體儲存在一大容積的容器中而以一便利的方式以較少量分佈。舉例而言，在一實施例中，分配裝置10包括一用於潤滑油商店中的計量器以將少量潤滑油自一儲存桶輸送至一交通工具發動機。耦合件16係經由一流體處理軟管(未顯示)連接至該大容積的容器，該流體處理軟管係例如用一空氣操作的泵浦予以加壓。該軟管之長度使裝置10能便利地到達其無法實行移動該大容積的容器之位置。分配管18係經組態以容易定位在一小容積的容器(例如一發動機曲柄軸箱)之一開口內，該容器中分配有一受測流體量。扳機桿20係由一操作者移位以開啟平台12中的一閥，且以分配管18將流體自該大容積的容器分配至該小容積的容器。使用者界面22及顯示器24係連接至罩蓋14內的電子器件及一流體計量機構，使用者界面及顯示器允許該操作者監測由裝置10分配的流體量。界面22、顯示器24及該等電子器件亦允許裝置10處理工序、收集帳單及存量資料、與一中央控制系統連通及執行其他類似功能。

該流體計量機構包括一容積式測量裝置，該容積式測量裝置貫穿流經裝置10之流體以決定該流體之體積流量率。特定言之，該流量計量機構包括一對互相嚙合的橢圓齒輪，該等橢圓齒輪在來自該流體之壓力下相互抵靠著滾動。該等齒輪沿著本發明之漸開線輪齒彼此介接，此外，以阻止流體經由該等橢圓齒輪洩漏並利於該流體計量機構之平滑操作。

圖2及圖3顯示圖1之分配裝置10之分解圖。圖2顯示裝置10之一後部分解圖，其中顯示閥26、流量計28及扳機釋放件30。圖3顯示裝置10之一前部分解圖，其中顯示罩蓋14、流量計28、扳機釋放件30、電池31及螺線管32。包含旋轉固件33、過濾器34及軟管護罩35之流體耦合件16係連接至平台12之把柄部分36。特定言之，固件33上的外螺紋在把柄部分36之內與高壓流體通道39內的內螺紋接合。把柄部分36包含扳機防護件37，該扳機防護件包含墊38A及38B，以防止扳機20及閥26之意外致動。包含閥筒殼40、閥桿42及閥彈簧44之閥26係定位在平台12內以中斷通道39與管18之間的流動。流量計28包含齒輪46、罩蓋48及固件49。齒輪46係定位在齒輪箱50內以咬合在耦合件16與閥26之間流動的流體。齒輪箱50係由罩蓋48密封，罩蓋係由固件49鎖固。包含解扣桿51、彈簧52、軸環53及軸承54之扳機釋放件30係定位在鑽孔55內，解扣桿51在該鑽孔之底部連接至扳機桿20。扳機桿20係利用扳機銷56接合至解扣桿51以形成一樞軸連接，其係由防護件57密封在平台12內。防護件57包含易碎突出部58，一旦經安裝，該易碎突出部必須經破壞以自平台12移除防護件57。扳機桿20從銷56穿過平台12延伸於把柄部分36與扳機防護件37之間，沿著此路徑咬合閥桿42。包含噴嘴60及耦合件61之分配管18係連接至平台12內的低壓流體通道62。特定言之，耦合件61上的外螺紋與低壓流體通道62內的內螺紋接合。

扳機桿20致動密封固定閥26以允許流體以超過一速率範圍被分配；扳機桿20移位得越遠，則更多流體被分配向管18。扳機桿20可保持在一致動位置使得閥26利用扳機鎖63及彈簧64而保持開啟，扳機鎖及彈簧係利用銷56接合至扳機桿20。扳機鎖63咬合棘輪板66，其係以銷56接合至扳機桿20。裝置10之閥26係製成為合適大小以分配高體積的流體輸出，例如大約14gpm(加侖/分鐘)[~883.6cc/s(立方厘米/秒)]或更多，其通常係利用高流體壓所實現。高流體壓使得分配裝置10能更快速地分配流體以節約時間，並更易於分配高黏度的流體。結合計量電子器件，扳機釋放件30藉由在已分配一定量流體之後使扳機桿20失效而防止過度分配，並藉由使扳機桿20保持失效直至接收一新的工作命令而防止未經許可的分配。亦結合計量電子器件，流量計28監測流體流經閥26之速率以允許藉由扳機桿20之致動而待準確分配的精確量的流體。流量計28之齒輪46包含本發明之漸開線輪齒，該等漸開線輪齒減少滲漏並在大分配率範圍中產生經由流量計28之流體之更均勻的流動。因此，流體分配裝置10協調經計量分佈之使用及一分配控制機構以減少浪費的流體及存貨收縮之其他來源。

圖4顯示在圖1之截面5-5所擷取的流體分配裝置10之橫截面，其中流量計28之齒輪46係位於平台12中的齒輪箱50內。分配裝置10包含平台12、罩蓋14、流體耦合件16、分配管18、扳機桿20、使用者界面22、顯示器24、密封固定閥26、流量計28、扳機釋放件30及電子器件68。閥26包含閥筒殼40、閥桿42及閥彈簧44。流量計28包含齒輪46及罩蓋48。扳機釋放機構30包含螺線管32、解扣桿51、釋放彈簧52、軸環53、軸承54、扳機銷56、柱塞銷70、螺線管外殼72、頸部74及柱塞鑽孔76。

平台12包含把柄部分36及分配部分80，該把柄部分包含高壓流體通道39，該分配部分包含低壓流體通道62(其在圖4中以虛線顯示且在圖3中於分配部分80之後面可見)。高壓流體通道39係經由閥26與低壓流體通道62流體連通，以將流體自耦合件16傳導至分配管18。高壓流體通道39在把柄部分36內在中心地延伸穿過平台12並貫穿閥26。低壓流體通道62平行於高壓流體通道39自閥26切線地延伸，穿過鑽孔55到達分配管18。流體耦合件16係經由一螺紋咬合而連接至流體通道39之一上游端。流量計28之齒輪46係位於定位在通道39之一中間部分內的齒輪箱50中。齒輪箱50係由蓋子48所覆蓋及密封。密封固定閥26及扳機釋放件30係分別位於鑽孔82及55內，其等延伸至平台12中。閥鑽孔82大致橫向地延伸至平台12中，以大致上垂直貫穿高壓流體通道39。鑽孔82之一上部分連接至通道39之下游端，且鑽孔82之一下部分連接至通道62之上游端。釋放鑽孔55延伸至平台12中，相對於流體通道39垂直偏移大約5度。釋放鑽孔55不貫穿高壓流體通道39或低壓流體通道62。釋放鑽孔55之一上部分包括一螺紋擴孔以形成用於接收螺線管32之座部84。釋放件鑽孔55之一中間部分係製成為合適大小以可滑動地接收釋放彈簧52及軸環53。釋放鑽孔55之一下部分係製成為合適大小以可滑動地接收解扣桿51。耦合件61係連接至通道62之一下游端以將流體自裝置10引導穿過分配管18。

閥26係定位在鑽孔82內以調節通道39與通道62之間的流動。由於閥彈簧44嵌入閥桿42，且閥桿42嵌入閥筒殼40，閥筒殼40上的外螺紋係螺旋至平台12內的鑽孔82中。如此嵌入，閥彈簧44咬合平台12內的鑽孔82之一盡頭端，且經壓縮以將閥桿42偏壓向閥筒殼40。閥筒殼40包含邊緣86，該邊緣接合閥桿42上的一邊緣以防止閥桿42穿透過閥筒殼40。閥桿42之致動部分88自鑽孔82延伸穿過閥筒殼40以接合扳機桿20。分配閥26之進一步解釋係在前述共同未決之題為「流體計量裝置之密封固定閥」之申請案中找到，該案係以引用的方式併入本文中。

扳機釋放件30包含螺線管32、解扣桿51、彈簧52、軸環53、軸承54、柱塞銷70、螺線管外殼72、頸部74及柱塞鑽孔76，且扳機釋放件係經組態以在一臨限流體量已穿透過計量器28之後使扳機桿20失效。螺線管32係安裝於平台12上，使得柱塞銷70係可延伸至釋放鑽孔55中以接合解扣桿51。螺線管外殼72之頸部74係螺旋至釋放鑽孔55中使得螺線管外殼72自平台12向上延伸且柱塞鑽孔76與釋放鑽孔55對準。柱塞銷70係自柱塞鑽孔76延伸以可釋放地接合解扣桿51之軸環53。解扣桿51延伸穿過鑽孔55以在一第一端接合柱塞銷70及在一第二端接合扳機桿20。特定言之，軸環53之鑽孔90內的軸承54在該第一端接合柱塞銷70，且銷56延伸穿過解扣桿51，且在該第二端接合扳機桿20。扳機桿20大體上自銷56橫向延伸以接合閥26。扳機鎖63係由銷65連接至扳機桿20，且棘輪板66係由銷56連接至扳機桿20。扳機釋放機構30將扳機桿20選擇性地連接至平台12以提供用於扳機桿20之致動的支樞點。扳機釋放件30之進一步的解釋係在前述共同未決之題為「流體計量裝置之扳機釋放機構」之申請案中找到，該案係以引用的方式併入本文中。

計量器28係定位在流體耦合件16與分配閥26之間的通道39內。計量器28大體上包括一組容積式齒輪46，其等係因來自齒輪箱50內的耦合件16之加壓流體之流動而旋轉。每一齒輪46包含一電極或磁體92，該電極或磁體之位置係可由定位在蓋子48內的電子器件94所偵測以決定齒輪46之旋轉速度。蓋子48係連接至電子器件68使得齒輪46之旋轉速度可轉換至穿透過高壓流體通道39之流體之體積流量率。流量計28之進一步解釋係關於圖5加以描述。

圖5顯示具有漸開線輪齒95之橢圓齒輪46之俯視圖，如安置在流量計28之齒輪箱50中。齒輪箱50包括一大體上橢圓形的腔室，該腔室形成於高壓流體通道39之部分之間的平台12中。齒輪箱50係由壁96所圍繞，該壁包含用於接收固件49以鎖固蓋子48(圖2)之鑽孔98。齒輪46A及46B包括具有各自中心軸100A及100B之相同的橢圓形輪轂體99A及99B，每一齒輪之長軸及短軸延伸穿過該等中心軸。輪齒95自輪轂體99A及99B自中心軸100A及100B徑向延伸，且磁體92平行於中心軸100A及100B延伸穿過輪轂體99A及99B。齒輪46A及齒輪46B係在齒輪箱50內以其等各自的中心軸100A及100B樞轉。因此，齒輪46A及46B係經允許以在齒輪箱50內分別繞中心軸100A及100B自由旋轉，且中心軸100A及100B之間的距離CD為固定。齒輪箱50之寬度(如圖5中顯示)大致上等於齒輪46A及46B之該長軸之長度。齒輪箱50之高度(如圖5中顯示)大致上等於該距離CD加上該長軸之長度。

齒輪46A及46B係經定向使得當該等長軸之一者係垂直於通道39時，該等齒輪之長軸(及該等齒輪之短軸)將相互垂直。此外，當該等長軸相互平行且該等短軸相互平行時，該等長軸及短軸之每一者將傾向通道39。如此定向，當該等齒輪繞其等各自的中心軸旋轉時，齒輪46A及46B保持恆定接觸，當齒輪旋轉並接合壁96時形成入口囊102A、出口囊102B及轉變囊102C。當齒輪46A及46B在齒輪箱50內旋轉時，該等長軸附近的輪齒95抵靠壁96之弓形部分奔流式前進。同樣，齒輪46A之輪齒95接合齒輪46B之輪齒95以形成一緊密密封，以抑制齒輪46A及46B之間的流體。

閥26(圖4)之開啟與閉合產生橫越齒輪46A及46B之壓力下降，使得流體流經齒輪箱50。來自流體耦合件16(圖1)之高壓流體自通道39之一上游部分(圖5之最右側)進入齒輪箱50之入口囊102A。相對較低壓的流體自通道之一下游部分(圖5之最左側)排出齒輪箱50之出口囊102B。歸因於齒輪46A及46B上的流體壓力之力平衡，該高壓流體之流動造成齒輪46A之逆時針旋轉及齒輪46B之順時針旋轉(如圖5中的箭頭所顯示)。特定言之，對於圖5中顯示的方向，作用於齒輪46B上之入口囊102A內的流體壓係利用其垂直於該高壓流體之流動方向的長軸所定向，該流體壓力造成關於中心軸100B之大致中性力平衡，這是因為齒輪46B沿著其長軸平等地曝露於該高壓流體。然而，作用於齒輪46A上的流體壓力係利用其平行於該高壓流體之流動方向的長軸所定向，該流體壓力造成關於中心軸100A之逆時針力矩，這是因為齒輪46A僅沿著其長軸之一半曝露於該高壓流體。透過輪齒95之該界面，齒輪46B係以一順時針方向旋轉。因此，出口囊102B內的流體係經推動透過通道39之下游部分朝向分配管18(圖4)，轉變囊102C開啟且成為入口囊102B，使得轉變囊102C內的流體能倒空至通道39之下游部分，且入口囊102A內的流體圍繞中心軸100B推動齒輪46B，使得入口囊102A內的流體變成為在齒輪46B與壁96之間的一新的轉變囊內捕獲。當齒輪46A及46B繼續旋轉時，藉由自入口囊102A移動將高壓流體推動透過齒輪箱50，至壁96與齒輪46A或46B之間的一轉變囊，且排出至出口囊102B。

齒輪46A或46B繞中心軸100A及100B之旋轉導致磁體92繞中心軸100A及100B運轉。齒輪46A或46B之頂面係與壁96之頂面大致在同一平面上。如此，蓋子48橫越接近於輪轂體99A及99B及磁體92之壁96。電子器件94(圖4)係整合至蓋子48中且包含一接近感測元件，例如一簧片開關或一霍耳效應(Hall-effect)感測器，該感測元件能偵測磁體92之存在。特定言之，位於每一輪轂體99A及99B中的該對磁體92係由在相對方向上的每一磁體之磁極所定向。如此，於隨著齒輪46A及46B旋轉而穿過電子器件94之每對磁體之間產生一磁場。該感測元件能記錄該磁場之振動並產生一相關於每一齒輪46A及46B之旋轉速度的輸出。在本發明之其他實施例中，如此項技術中所已知，可使用其他類型的接近感測器系統。電子器件94係連接至電子器件22(圖4)且包含可將電子器件94之輸出轉換成為一適於在顯示器24(圖1)上顯示的信號之軟體及組件。舉例而言，電子器件22係經校準以決定對於齒輪46A及46B之每一旋轉有多少流體穿過齒輪箱50，並在顯示器24上指示一對應的體積流量率信號。

流量計28之校準相依於輪齒95最佳嚙合之能力，使得幾乎所有流動齒輪箱50之流體對齒輪46A及46B之旋轉作出貢獻，而非在齒輪46A及46B之間或其等之上穿過。本發明之漸開線輪齒95在齒輪46A及46B之該等齒之間提供一界面，該界面利於齒輪46A及46B之旋轉。漸開線輪齒95源自於經選擇以產生齒輪46A及46B之節曲線。齒輪46A及46B之每一者上的該節曲線係定義為齒輪46A上的輪齒95接觸齒輪46B上的輪齒95所沿著的曲線，且該節曲線表示若齒輪僅為橢圓而無齒，則齒輪46A及46B將相互抵靠滾動所沿著的曲線。齒輪46A具有一自中心軸100A至一節距點之半徑R1，此處該等節曲線匯合。同樣地，齒輪46B具有一自中心軸100B至一節距點之半徑R2，此處該等節曲線匯合。半徑R1及R2沿著距離CD下降且相依於齒輪46A及46B之角度位置具有變化的長度。最小長度係沿著該等短軸，且最大長度係沿著該等長軸。該距離CD始終等於R1加R2，且因此，齒輪46A及46B之該等節曲線為相同。

CD =R1 +R2 　方程式[1]

齒輪46A及46B沿著距離CD在該節距點上交互作用，該節距點為每一齒輪之該等節曲線在R1及R2之交叉點。如此，齒輪46A之該長軸始終在齒輪46B之該短軸處與齒輪46B交互作用。因此，齒輪46A及齒輪46B之角速度隨著一齒輪持續減速及加速以調節另一齒輪之速度而改變。該等齒輪之速度之差異造成較快移動的齒輪推動較慢移動的齒輪，自流過計量器28之流體萃取能量。齒輪46A及46B之間的緊密界面通常是由於具有非漸開線輪齒所造成，該緊密界面對齒輪46A及46B之轉動產生較大阻力，其導致橫越齒輪箱50之較大壓力下降。很難旋轉齒輪46A及46B導致更多能量隨著該流體企圖旋轉該等齒輪而消散。待由該流體流動而旋轉之該等齒輪之阻力導致滲漏，其中該流體找到其他方式穿過齒輪箱50，例如在齒輪46A及46B之間及其等之上。此外，該流量計之滲漏隨著穿過該流量計之體積流量率之增加或減小而改變。

本發明之漸開線輪齒95導致在大範圍流體流動率內的齒輪46A及46B之較平滑旋轉、匹配輪齒95之間的較好滾動及齒輪46A及46B之較大的製造能力，並改良該等齒輪之壽命。舉例而言，齒輪46A之漸開線輪齒95與齒輪46B上其等各自的匹配輪齒保持完整，而不管該等齒輪之角度位置，因此防止流體在該等齒輪之間行進。漸開線輪齒95亦抵靠其等匹配齒平滑地滾動，此舉減少旋轉該等齒輪所需的流體能量並防止流體滲漏。

圖6顯示一繪示一種用於設計具有本發明之漸開線輪齒95之橢圓齒輪46A及46B之方法的圖。圖6顯示佈局為具有用以產生輪齒95之該等漸開線輪廓之對應的曲線。齒輪46A包含輪轂體99A，其圍繞中心軸100A。輪齒95A、95B、95C及95D係定位在輪轂體99A周圍，且自中心軸100A徑向延伸。每一輪齒具有一由其沿著一節輪廓曲線PP之位置所決定的定製化漸開線輪廓。舉例而言，齒95C沿著節距半徑R1以一與該長軸所成之角Θ自中心軸100A徑向延伸。該節距半徑R1係由經選擇用於齒輪46A之該節曲線所決定。在本發明之一實施例中，齒輪46A之該節輪廓曲線係由以下方程式所定義：

S及E係分別表示該節輪廓曲線PP之比例及離心率之常數，且係基於設計需要所選擇。因此，沿著該節輪廓曲線PP之每一點具有一由方程式[2]說定義的極座標(R1,Θ)。在Faydor L. Litvin及Alfonso Fuentes之書名為「Gear Geometry and Applied Theory」(第二修訂版)之書中更詳細地論述此一曲線。

該節輪廓曲線PP係利用一電腦輔助設計(CAD)軟體程式加以產生及繪圖，例如可購得用於電腦工作站。接著該節輪廓曲線PP被分成為偶數個相等角度區段，其等將分別用以產生一齒輪廓。特定言之，該節輪廓曲線PP之360度周長係由一選擇齒數所分開。選擇的齒數係一設計考慮因素，其具有較大數目的齒產生一較平滑的交互作用。選擇偶數個齒使得每一輪齒將與該匹配齒輪上的同一匹配齒交互作用。穿過每一區段之中心繪製一半徑線且在該半徑線與該節輪廓曲線PP之交叉點上放置一基準點。舉例而言，半徑線RL係經繪製用於輪齒95C且基準點DP係放置在半徑線RL與該節輪廓曲線PP之交叉點上。由於該基準點，由方程式[2]定義的該節輪廓曲線PP係用以決定用於每一區段之節距半徑。舉例而言，基準點DP係用以決定用於輪齒95C之節距半徑R1。

用於每一區段之節距半徑R1接著係用以決定一基圓。用於一圓形齒輪之一漸開線輪齒具有對應於一無法延伸的繩索之一端當其自一基圓鬆解時所行進的路徑之形狀。由漸開線輪齒驅動的齒輪將具有恆定的相對角速度，這歸因於利於該輪齒之滾動的輪齒輪廓。如所已知，用於一對圓形齒輪之基圓係由該等齒輪之中心至中心距離及該等齒輪之壓力角所決定。該中心至中心距離係定義為每一齒輪之該等節圓之半徑之和，且因此係等效於方程式[1]。該壓力角θ係形成於一相切於穿過該節距點之該節曲線之線與該等匹配齒輪之間的作用線之間的角，如傳統上定義。如此項技術中所已知，該壓力角係一設計考慮因素，且通常係齒強度與扭矩轉移能力之間的平衡。用於每一圓形齒輪之該等基圓之半徑Rb1及Rb2接著可由該等節距半徑R1及R2與該壓力角θ之關係用以下方程式加以決定：

Rb 1=R 1(cosθ)　方程式[3]

Rb 2=R 2(cosθ)　方程式[4]

對於圓形齒輪，每一齒之節輪廓為相同，其導致每一齒之節圓為相同。就其本身而言，每一輪齒自該圓形齒輪之中心徑向延伸。然而，在橢圓齒輪上，每一齒之節輪廓具有一不同的曲率。因此，對於具有橢圓漸開線輪齒之習知的橢圓齒輪而言，每一輪齒之中心的半徑不會延伸穿過該橢圓之半徑。本發明利用方程式[1]-[5]之關係以決定一橢圓齒輪上的每一齒之圓形漸開線齒輪廓。特定言之，方程式[1]-[5]係用以決定用於輪齒95C之Rb1。

利用CAD程式，具有等於Rb1之一半徑的一基圓BC係經繪製為具有在中心軸100A上的一中心。自該基圓BC，漸開線曲線IC1及IC2係藉由在一第一端E1與一第二端E2之間建立具有一固定距離的一線S加以產生。第二端E2係放置在處於齒95C之該節輪廓曲線PP之區段內的一位置之基圓BC上。該線S接著係以逆時針方向橫越該基圓BC分佈，且第一端E1係固定在該區段之外的基圓BC上。線S之長度且因此第二端E2所固定的位置係基於齒95C之所需厚度的設計考慮因素。然而，齒95C必須被限制於其區段內，以容納其他輪齒。該線S之第二端E2係以一逆時針方向掃掠遠離基圓BC，而同時保持線S延伸至其最完整範圍。因此，線S模擬一糾結的繩索自基圓BC之鬆開。第二端E2所通過的一連串基準點係經繪製以形成漸開線曲線IC1。在將第一端E1固定在該區段內且自第一端E1順時針將第二端E2固定在該區段外之後，以一順時針方向自該基圓BC鬆開線S而以一類似方式繪製漸開線曲線IC2。漸開線曲線IC1及IC2在半徑線RL處相交以形成齒95C之基本形狀。如在圖6中可見，齒95C自中心軸100A徑向延伸出輪轂體99A，且在每一匹配齒輪表面上具有一圓形漸開線輪廓。

諸如齒95B及95D之其他齒的基本形式係以與齒95C相同的方式但由具有一不同半徑Rb1之基圓加以實現。然而，不必個別地執行使齒輪46A之每個齒成形之製程。齒輪46A之該節輪廓對於齒輪46A之每一象限為對稱，如由方程式[2]所決定。因此，該長軸與該短軸之間的齒之該等輪齒形狀可為每一象限重複，視需要關於該等長軸及短軸經鏡像。在齒輪46A之每一象限中重複該等輪齒形狀之能力係由齒輪46A與齒輪46B之交互作用所促進。齒輪46A及46B係經定位使得R1加上R2將始終等於CD，且齒輪46A及46B具有相同數目的齒，使得每一輪齒始終抵靠同一齒滾動。每一齒將具有用於其對應的匹配齒之理想的圓形漸開線輪廓。因此，舉例而言，齒輪46A上該長軸附近的該等輪齒之輪廓具有用於齒輪46B之該短軸附近的該等輪齒之輪廓的理想漸開線。此有助於保持每一齒與其匹配齒之間的接觸。該等匹配齒之間的相對移動大致為零且該等齒抵靠彼此滾動而極少或不滑動。

一旦在整個節輪廓曲線PP周圍產生每一齒之基本形式，則每一齒之特定齒頂及齒根係由根部輪廓曲線RP及外部輪廓曲線OP之放置所決定。根部輪廓曲線RP及外部輪廓曲線OP之位置係經選擇以防止匹配輪齒上的齒尖與齒根之間的干擾。特定言之，每一齒輪之頂端係在外部輪廓曲線OP內經切去頂端並成圓形以形成用於每一齒之一頂端輪廓，且每一齒之底部係在該根部輪廓曲線RP處經切斷。此外，每一齒之形狀可在大小上按比例略微縮小以適應將用以製造齒輪46A之製造局限性。一旦決定每一齒之最終形狀及該根部輪廓曲線RP，則利用該CAD軟體產生一組資料點，其表示包含每一齒之漸開線輪廓之齒輪46A之最終輪廓。該組資料點係經轉換或可充當機器可讀程式碼，其可與電腦數位控制(CNC)機器結合使用。在本發明之一實施例中，該組資料點係由一放電加工(EDM)製程所使用以產生一齒輪模型，該齒輪模型可與一射出成型製程連用以產生該齒輪，如此項技術中所已知。

雖然已參考較佳實施例描述本發明，但熟習此項技術者將意識到在無違本發明之精神及範圍下可在形式及細節上作出變更。

10．．．手持式流體分配裝置

12．．．平台

14．．．罩蓋

16．．．高壓流體耦合件

18．．．分配管

20．．．扳機桿

22．．．使用者界面

24．．．顯示器

26．．．閥

28．．．流量計

30．．．扳機釋放件

31．．．電池

32．．．螺線管

33．．．旋轉固件

34．．．過濾器

35．．．軟管護罩

36．．．把柄部分

37．．．扳機防護件

38A．．．墊

38B．．．墊

39．．．高壓流體通道

40．．．閥筒殼

42．．．閥桿

44．．．閥彈簧

46．．．齒輪

46A．．．齒輪

46B．．．齒輪

48．．．罩蓋

49．．．固件

50．．．齒輪箱

51．．．解扣桿

52．．．彈簧

53．．．軸環

54．．．軸承

55．．．鑽孔

56．．．扳機銷

57．．．防護件

58．．．易碎突出部

60．．．噴嘴

61．．．耦合件

62．．．低壓流體通道

63．．．扳機鎖

64．．．彈簧

65．．．銷

66．．．棘輪板

68．．．電子器件

70．．．柱塞銷

72．．．螺線管外殼

74．．．頸部

76．．．柱塞鑽孔

80．．．分配部分

82．．．鑽孔

84．．．螺線管之位置

86．．．邊緣

88．．．致動部分

92．．．磁體

94．．．電子器件

95．．．漸開線輪齒

95A．．．輪齒

95B．．．輪齒

95C．．．輪齒

95D．．．輪齒

96．．．壁

98．．．鑽孔

99A．．．橢圓形輪轂體

99B．．．橢圓形輪轂體

100A．．．中心軸

100B．．．中心軸

102A．．．入口囊

102B．．．出口囊

102C．．．轉變囊

BC．．．基圓

DP．．．基準點

E1．．．第一端

E2．．．第二端

IC1．．．漸開線曲線

IC2．．．漸開線曲線

OP．．．外部輪廓曲線

PP．．．節輪廓曲線

RL．．．半徑線

RP．．．根部輪廓曲線

圖1顯示一手持式流體分配裝置之一透視圖，其中使用具有本發明之漸開線輪齒之橢圓齒輪；

圖2顯示圖1之該手持式流體分配裝置之後部分解圖，其顯示使用本發明之該等齒輪之計量機構；

圖3顯示圖1之該手持式流體分配裝置之前部分解圖，其顯示使用本發明之該等齒輪之計量機構；

圖4顯示圖1之該手持式流體分配裝置之橫截面圖，其中一流體計量機構包含具有本發明之漸開線輪齒之橢圓齒輪；

圖5顯示具有漸開線輪齒之橢圓齒輪之俯視圖，該等漸開線輪齒係安置在圖4之該流體計量機構之一齒輪箱中；及

圖6顯示一繪示一種用於產生具有本發明之漸開線輪齒之橢圓齒輪的方法的圖表。

12．．．平台

28．．．流量計

39．．．高壓流體通道

46．．．齒輪

46A．．．齒輪

46B．．．齒輪

50．．．齒輪箱

92．．．磁體

95．．．漸開線輪齒

96．．．壁

98．．．鑽孔

99A．．．橢圓形輪轂體

99B．．．橢圓形輪轂體

100A．．．中心軸

100B．．．中心軸

102A．．．入口囊

102B．．．出口囊

102C．．．轉變囊

CD．．．距離

R1．．．半徑

R2．．．半徑

Claims (18)

1. 一種用於流量計中的橢圓齒輪組，該齒輪組包括第一及第二齒輪，該等第一及第二齒輪彼此相同且經組態以一固定的中心至中心距離而咬合，使得該等第一及第二齒輪在所有角度位置嚙合，該橢圓齒輪組之每一齒輪包括：一輪轂，其包括：一橢圓體，該橢圓體具有延伸穿過該輪轂之一中心的一長軸及一短軸；及一根部輪廓壁，外接該長軸及該短軸；及複數個輪齒，該複數個輪齒自該根部輪廓壁延伸，每一輪齒具有一對接觸面，該等接觸面具有圓形漸開線曲線輪廓；其中用於該第一齒輪上的每一齒之該等圓形漸開線曲線輪廓係由具有一半徑Rb1之一基圓產生，該基圓源自於在與該中心成一角度位置Θ處具有一節距半徑R1之一改良橢圓節曲線；其中該改良橢圓節曲線係由以下極座標方程式所定義： 其中S及E係分別表示該節曲線之比例及離心率之常數。
2. 如請求項1之橢圓齒輪組，其中該基圓之該半徑Rb1係由 以下方程式與該改良橢圓節曲線之關係所定義：Rb 1=R 1(cosθ)CD =R 1+R 2 其中CD係該等第一及第二齒輪之一中心至中心距離，θ係在該等第一與第二齒輪之間的一界面上的匹配齒之間的一壓力角，R2係在與該第一齒輪形成的該界面處的該第二齒輪之一節距半徑，且Rb2係在與該第一齒輪形成的該界面處的該第二齒輪上之一基圓之半徑。
3. 如請求項1之橢圓齒輪組，其中該改良橢圓節曲線之整體周圍的每一齒之一中心至中心間距為相等。
4. 如請求項1之橢圓齒輪組，其中每一輪齒之一中心線係沿著自該輪轂之中心延伸的一半徑而定向。
5. 一種用於分配一加壓流體之手持式流量計量裝置，該裝置包括：一平台，其具有用於接收該加壓流體之一內流體通道；一閥，其延伸至該內通道中以調節穿過該裝置之該加壓流體之流量；一流量計量機構，其安裝至該平台且包含第一及第二相互嚙合的橢圓齒輪，該等橢圓齒輪以其等中心固定地安裝於貫穿該內通道之一齒輪箱內，該等齒輪係經組態以繞其等中心在該加壓流體之流動內旋轉，以容許流體 通過該齒輪箱，該等相互嚙合的橢圓齒輪之每一者包括：一改良之橢圓節輪廓；及若干輪齒，其等具有一對接觸面，該對接觸面具有源自於該改良橢圓節輪廓之圓形漸開線曲線輪廓；及若干計量電子器件，其等安裝至該平台且連接至該流量計量機構以測量與顯示由該閥所分配之通過該裝置之該加壓流體之體積流量。
6. 如請求項5之手持式流量計量裝置，其中用於該第一齒輪上的每一齒之該圓形漸開線曲線輪廓係自具有一半徑Rb1之一基圓產生，該基圓源自於該改良橢圓節輪廓，該改良橢圓節輪廓係由對於每一輪齒在一角度位置Θ處具有一節距半徑R1之一曲線所定義。
7. 如請求項6之手持式流量計量裝置，其中該改良橢圓節輪廓係由以下極座標方程式所定義： 其中S及E係分別表示該節輪廓之比例及離心率之常數。
8. 如請求項7之手持式流量計量裝置，其中該基圓之半徑Rb1係由以下方程式與該改良橢圓節曲線之關係所定義：Rb 1=R 1(cosθ)CD =R 1+R 2 其中CD係該等第一及第二齒輪之一中心至中心距離，θ係在該等第一與第二齒輪之間的一界面上的匹配齒之間的一壓力角，R2係在與該第一齒輪形成的該界面處的該第二齒輪之一節距半徑，且Rb2係在與該第一齒輪形成的該界面處的該第二齒輪上之一基圓之一半徑。
9. 如請求項5之手持式流量計量裝置，其中該改良橢圓節輪廓之整體周圍的該等輪齒具有相等的中心至中心間距，且每一輪齒之一中心線係沿著自該齒輪之一中心延伸的一半徑而定向。
10. 如請求項5之手持式流量計量裝置，其進一步包括：一扳機桿，其安裝至該平台且經組態以開啟該閥；若干磁體，其等連接至每一齒輪；一電開關，其安裝至相鄰於該齒輪箱之該平台以與該等電極交互作用；及其中該等計量電子器件係連接至該開關以偵測該等磁體之移動，使得可基於該等齒輪之旋轉而測量由該扳機分配之通過該閥的該加壓流體之體積流量。
11. 如請求項10之手持式流量計量裝置，其進一步包括一扳機釋放機構，該扳機釋放機構連接至該扳機桿且連接至該等計量電子器件，該扳機釋放機構經選擇性地致動以當該扳機桿移動時，用以機械地防止該扳機桿開啟該閥。
12. 一種用於在一橢圓齒輪上產生漸開線輪齒之方法，該方法包括：繪製具有一改良橢圓輪廓之一節曲線；由該改良橢圓輪廓決定用於沿著該節曲線之一輪齒位置之一節距半徑；由該節距半徑決定一基圓半徑；繪製具有該基圓半徑之一基圓；及由該基圓描繪一對圓形漸開線曲線，以成形用於在該輪齒位置處的一輪齒之一齒輪廓。
13. 如請求項12之產生漸開線輪齒之方法，其中該節距半徑及該基圓半徑自該節曲線之一中心徑向延伸。
14. 如請求項13之產生漸開線輪齒之方法，其中該節曲線係由以下極座標方程式所定義： 其中S及E係分別表示該節曲線之比例及離心率之常數。
15. 如請求項14之產生漸開線輪齒之方法，其中該基圓半徑係由以下方程式與該節曲線之關係所定義：Rb 1=R 1(cosθ)CD =R 1+R 2 其中CD係該橢圓齒輪與一相同的相互嚙合橢圓齒輪之一固定的中心至中心距離，θ係在該等相互嚙合齒輪之間的一界面上的匹配齒之間的一壓力角，R2係在與該橢圓 齒輪形成的該界面處的該相同齒輪之一節距半徑，且Rb2係在與該橢圓齒輪形成的該界面處的該相同齒輪上之一基圓之半徑。
16. 如請求項15之產生漸開線輪齒之方法，其中該節曲線被分成為偶數個輪齒區段，該等輪齒區段用於沿著該節曲線決定輪齒位置，且產生一節距半徑、產生一基圓半徑、繪製一基圓，及描繪一對圓形漸開線曲線的該等步驟係為每一輪齒位置予以重複，以成形用於複數個輪齒之齒輪廓。
17. 如請求項16之產生漸開線輪齒之方法，其進一步包括：利用電腦輔助設計軟體以產生用於每一輪齒輪廓之該節曲線、該節距半徑、該基圓半徑、該基圓及該對圓形漸開線曲線；產生一根部輪廓及一齒尖輪廓，其等連接至該等輪齒輪廓以成形一橢圓齒輪輪廓；及產生一組表示該橢圓齒輪輪廓之機器可讀的座標。
18. 如請求項17之產生漸開線輪齒之方法，其進一步包括利用一EDM製程由該組座標產生一射出成型腔。