專利名稱：用于單向離合器的減應力棘爪及棘齒的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大體上涉及一種單向離合器的棘爪和棘齒，特別是棘爪和棘齒的接觸面形狀。
背景技術：
單向離合器用于轉矩只能沿一個方向傳遞而不能沿反方向傳遞的動力傳動裝 置的應用中。這通過采用包含棘輪機構部件的內(nèi)外滾道而得以實現(xiàn)。其中一個滾道含 有多個與相對滾道上的棘齒強制接合的棘爪機構。當沿某一個方向旋轉時兩個滾道以 相同的速度旋轉。當沿反方向旋轉時使得棘齒能夠自由回轉(Freewheeling)或者超越 (overrunning),而不傳遞轉矩。參見圖1，一種現(xiàn)有技術單向離合器包括一個外滾道12，其容納多個與內(nèi)滾道14 上的棘齒18接合的棘爪16。該單向離合器還包括接合構件20，其推動棘爪16遠離外滾道 12從而與棘齒18接合。對于常規(guī)單向離合器，棘爪16的接觸面28和棘齒18的接觸面44 均是平的。這使得很小的區(qū)域承受了相當大的一部分載荷，從而導致應力較高。為降低或 減輕這種高應力，一些設計結合進很多棘爪以減小每個棘爪上的應力或包括相對較大的棘 爪以限制由應力產(chǎn)生的磨損。然而這些設計相對昂貴或相對復雜，或兩者兼而有之。因此， 需要設計一種帶有設計用于改善載荷分布的部件的單向離合器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種具有外滾道和內(nèi)滾道的單向離合器。其中一個滾道包括至少一 個棘爪和用于推動所述至少一個棘爪與另一滾道上的棘齒相接合的接合構件。至少一個棘 齒和所述至少一個棘爪包括用以改善載荷分布的弓形接觸面。弓形接觸面的曲率半徑大于 鄰近弓形接觸面的拐角處的曲率半徑。在某些實施方式中，所述至少一個的棘爪的接觸面呈用于改善載荷分布的弓形形 狀。在某些實施方式中，棘齒的接觸面呈用于改善載荷分布的弓形形狀。更進一步地，在某 些實施方式中，棘齒和所述至少一個的棘爪二者的接觸面均呈弓形形狀。本發(fā)明的前述及其他目標和優(yōu)點在以下詳細描述中將顯而易見。描述時，參見示 出本發(fā)明優(yōu)選實施方式的附圖。


圖1是一種現(xiàn)有技術單向離合器的棘爪的放大的橫截面視4
圖2是本發(fā)明的單向離合器橫截面視圖；圖3是本發(fā)明的帶有弓形接觸面的棘爪的放大的橫截面視圖；圖4是內(nèi)滾道的棘齒的放大的橫截面視圖，其中示出了傾角；圖5是圖3的棘爪的放大的橫截面視圖，其中示出了作用在棘爪上的載荷分布；以 及圖6是本發(fā)明的帶有弓形接觸面的棘齒的放大的橫截面視圖。
具體實施例方式參見附圖，同樣的部件以相同的附圖標記指示。另外，現(xiàn)有技術與本發(fā)明之間同樣 的部件附圖標記增大100。參見圖2，本發(fā)明的單向離合器110包括外滾道112和內(nèi)滾道114，內(nèi)外滾道具有 共同的軸線115。外滾道112包括多個棘爪116 ；接合構件120，如螺旋壓縮彈簧、貝勒維爾 (Belleville)彈簧、片簧等，其用于推動棘爪116遠離外滾道112并與內(nèi)滾道114上的棘齒 118接合；以及凹部或凹穴122，其用于容置棘爪116和接合構件120。如果外滾道112是驅 動部件，則如圖2所示順時針旋轉使接合構件120將棘爪116偏置成與棘齒118接合。外滾 道112的逆時針旋轉導致自由回轉運動并且棘爪116在棘齒118上滑動或漸進(ratchet)。 如果內(nèi)滾道114是驅動部件，則逆時針旋轉導致棘爪116與棘齒118接合，而順時針旋轉導 致自由回轉運動。參見圖3，每個棘爪116均具有棘爪支撐面126、接合棘齒118的棘爪接觸面128、 背對棘爪支撐面126的接合構件接觸面130、限定樞軸124的棘爪反作用面132、棘爪支撐 面126與棘爪接觸面128之間的圓角134、以及棘爪接觸面128與接合構件接觸面130之間 的圓角136。每個棘爪116均繞樞軸124樞轉，該樞軸124使得棘爪116當自由回轉時能夠 在棘齒118上旋轉和滑動，或當離合器110沿反方向旋轉時能夠接合其中一個棘齒118。每個棘齒118均包括棘齒自由面138、棘齒支撐面140和接合棘爪116的棘齒接觸 面144、以及棘齒自由面138與棘齒接觸面144之間的圓角146。載荷分離面142將棘齒支 撐面140與相鄰棘齒118上的棘齒接觸面144分開。載荷分離面142在棘齒支撐面140的 徑向內(nèi)側延伸。棘爪116與棘齒118接合時，棘爪接觸面128接觸棘齒接觸面144。這些接觸面?zhèn)?遞棘爪116與內(nèi)滾道114之間的載荷。棘爪支撐面126接觸棘齒支撐面140。這些接觸面 使棘爪116保持在圖2和圖3所示的合適的工作位置上。另外，棘爪反作用表面132接觸 棘爪凹部14。這些接觸面?zhèn)鬟f外滾道112與棘爪116之間的載荷。如上簡述，對于常規(guī)單向離合器，棘爪與棘齒的接觸面都是平的，結果很高的應力 作用在這些接觸面上。再次參見圖1，棘爪接觸面28上靠近圓角36的點承受了很大一部 分載荷。參見圖3，根據(jù)本發(fā)明的棘爪116包括當在垂直于離合器110的旋轉軸線115的 徑向平面中并且沿旋轉軸線115的方向觀看時彎曲的棘爪接觸面128，S卩，當該棘爪接觸面 128橫過大體徑向的方向時其彎曲。優(yōu)選地，弓形棘爪接觸面128的曲率半徑大于圓角134 和136的曲率半徑，并呈半圓形形狀。可選擇地，弓形棘爪接觸面138可呈拋物線形、橢圓 形或類似的形狀。在弓形棘爪接觸面128與圓角134和136相接處弓形棘爪接觸面128與 棘齒接觸面144有小間隙。此間隙的大小取決于棘爪的尺寸和選用的材料。比如，當弓形棘爪接觸面128的高度為0. 170"時，選用0. 0003"的間隙。另外，弓形棘爪接觸面128與 圓角134相接處的間隙可進一步縮小。另外，接觸點158應位于弓形棘爪接觸面128的中 點附近。傳遞載荷時，棘爪接觸面128變形，并且弓形棘爪接觸面128的中點周圍的區(qū)域與 棘齒接觸面144——該面在不受載時可能是平的——接合并承受一部分載荷。與常規(guī)的想 法相反，根據(jù)本發(fā)明，這使得棘爪接觸面128與棘齒接觸面144接合的面積更大，因而與現(xiàn) 有技術的具有兩個平接合面的離合器相比最大應力顯著減小。因此，能夠以更少或更小的 棘爪傳遞與常規(guī)單向離合器相同的載荷，從而節(jié)省重量和成本。另外，減小圓角134和136 尺寸會使棘爪接觸面128的尺寸增大。這允許附加面積的弓形棘爪接觸面128與棘齒接觸 面144接合，從而進一步減小最大應力并使得能夠進一步節(jié)省重量和成本。參見圖4，棘齒118的傾角150是在棘爪接觸面128與棘齒接觸面144之間的接觸 中心158處和棘齒接觸面144相切的切線154與穿過旋轉軸線115和接觸中心158的徑向 線152之間的夾角。優(yōu)選地，本發(fā)明的傾角150為0° (士 1° )。可選擇地，可以增大傾角 150以減小由自由回轉運動轉換到載荷傳遞運動的反沖力(backlash)。此外，也可以減小 傾角150以減小自由回轉時的碰撞沖擊。如前所述，棘爪116有三個面承受載荷。如圖5所示，棘爪116分別承受來自棘齒 接觸面144、棘齒支撐面140和棘爪反作用面132的分布載荷151、153和155 (圖5中圖示出 分布狀態(tài))。棘爪116受載時作用在這些面上的接觸力的方向確保棘爪116與棘齒118保 持接合。也就是說如圖5所示，線156在棘爪接觸面128上的接觸中心158與樞軸124—— 其為由棘爪反作用面132限定的旋轉中心——之間延伸穿過棘爪116。線156與作用線160 形成夾角162，其中作用線160穿過接觸中心158并平行于分布載荷151的凈力方向。該凈 力角度162應小于180°以確保棘爪116與棘齒118保持接合。如果該角度為180°或更 大，棘爪116會因作用在棘爪上的摩擦力及彈簧力而與棘齒118保持接合。然而，棘爪116 優(yōu)選因于作用在棘爪上的接觸力而與棘齒118保持接合。可選擇地，棘齒118可包括弓形棘齒接觸面144，其沿從齒根到齒自由端的方向彎 曲。在這種情況下，棘齒116可具有平的或彎曲的棘爪接觸面128。優(yōu)選地，弓形棘齒接觸 面144為半圓形。可選擇地，弓形棘齒接觸面144可以是拋物線形、橢圓形或類似形狀。作 為另一種選擇，棘爪116可位于內(nèi)滾道114中的凹穴中，而棘齒118可位于外滾道112上。棘爪和棘齒的總體形狀(除接觸面之外)也不限于圖3所示的形狀。例如，現(xiàn)有技 術中周知的類似矩形的棘爪和相應的棘齒。這些部件也可以包括弓形接觸面以減少應力。需要特別指出的是本發(fā)明并不限于本文所包括的實施方式和圖解說明，而是還包 括那些實施方式的改型，其中包括限定在所附權利要求范圍內(nèi)的實施方式的部分以及不同 實施方式的元素的組合。
權利要求
一種單向離合器，包括外滾道以及與外滾道具有共同的旋轉軸線的內(nèi)滾道，其中，所述外滾道和所述內(nèi)滾道中的一個滾道包括多個棘齒，所述棘齒中的每個棘齒均包括棘齒接觸面，所述外滾道和所述內(nèi)滾道中的另一個滾道包括至少一個棘爪凹部以及接合構件，至少一個棘爪的至少一部分容置在所述棘爪凹部中，所述接合構件用于推動所述至少一個棘爪遠離所述外滾道和所述內(nèi)滾道中的所述另一個滾道，所述至少一個棘爪包括棘爪支撐面、用于接合所述接合構件的接合構件接觸面以及棘爪接觸面，所述棘爪接觸面用于接合所述棘齒中的一個棘齒的所述棘齒接觸面，并且所述棘爪接觸面設置在所述棘爪支撐面與所述接合構件接觸面之間，并且其中，所述棘齒接觸面與所述棘爪接觸面中的至少一個是弓形表面，當沿所述旋轉軸線觀看時，所述弓形表面的橫截面形狀是弓形的，并且所述弓形表面的曲率半徑大于鄰近所述弓形表面的拐角處的曲率半徑。
2.如權利要求1所述的單向離合器，其中，所述弓形表面是半圓形的。
3.如權利要求1所述的單向離合器，其中，所述棘齒中的每個棘齒均進一步包括用于 接合所述棘爪支撐面的棘齒支撐面，所述至少一個棘爪接合所述棘齒中的所述一個棘齒的 所述棘齒接觸面以及相鄰的一個所述棘齒的所述棘齒支撐面，并且，所述棘齒中的所述一 個棘齒的棘齒接觸面通過載荷分離面與所述相鄰的一個所述棘齒的棘齒支承面分離。
4.如權利要求3所述的單向離合器，其中，所述載荷分離面設置在所述棘齒支撐面的 徑向內(nèi)側。
5.如權利要求1所述的單向離合器，其中，當所述至少一個棘爪與所述棘齒中的所述 一個棘齒的所述棘齒接觸面接合時，有一線在所述棘爪接觸面上的接觸中心與所述至少一 個棘爪的樞軸之間延伸穿過所述至少一個棘爪，并且所述線與作用線形成小于180°的夾 角，所述作用線穿過所述棘爪接觸面上的所述接觸中心并平行于作用在所述棘爪接觸面上 的凈力的方向。
6.如權利要求1所述的單向離合器，其中，所述弓形表面為所述棘齒接觸面。
7.如權利要求6所述的單向離合器，其中，所述棘齒接觸面為半圓形。
8.如權利要求6所述的單向離合器，其中，所述棘齒中的每個棘齒均進一步包括用于 接合所述棘爪支撐面的棘齒支撐面，所述至少一個棘爪接合所述棘齒中的所述一個棘齒的 所述棘齒接觸面以及相鄰的一個所述棘齒的所述棘齒支撐面，并且，所述棘齒中的所述一 個棘齒的棘齒接觸面通過載荷分離面與所述相鄰的一個所述棘齒的棘齒支承面分離。
9.如權利要求8所述的單向離合器，其中，所述載荷分離面設置在所述棘齒支撐面的 徑向內(nèi)側。
10.如權利要求6所述的單向離合器，其中，當所述至少一個棘爪與所述棘齒中的所述 一個棘齒的所述棘齒接觸面接合時，有一線在所述棘爪接觸面上的接觸中心與所述至少一 個棘爪的樞軸之間延伸穿過所述至少一個棘爪，并且所述線與作用線形成小于180°的夾 角，所述作用線穿過所述棘爪接觸面上的所述接觸中心并平行于作用在所述棘爪接觸面上 的凈力的方向。
11.如權利要求1所述的單向離合器，其中，所述弓形表面為所述棘爪接觸面，鄰近所 述棘爪接觸面的所述拐角中的一個拐角設置在所述棘爪支撐面與所述棘爪接觸面之間，而 鄰近所述棘爪接觸面的所述拐角中的另一個拐角設置在所述接合構件接觸面與所述棘爪 接觸面之間。
12.如權利要求11所述的單向離合器，其中，所述棘爪接觸面為半圓形。
13.如權利要求11所述的單向離合器，其中，所述棘齒中的每個棘齒均進一步包括用 于接合所述棘爪支撐面的棘齒支撐面，所述至少一個棘爪接合所述棘齒中的一個棘齒的所 述棘齒接觸面以及相鄰的一個所述棘齒的所述棘齒支撐面，并且，所述棘齒中的所述一個 棘齒的棘齒接觸面通過載荷分離面與所述相鄰的一個所述棘齒的棘齒支承面分離。
14.如權利要求13所述的單向離合器，其中，所述載荷分離面設置在所述棘齒支撐面 的徑向內(nèi)側。
15.如權利要求11所述的單向離合器，其中，當所述至少一個棘爪與所述棘齒中的所 述一個棘齒的所述棘齒接觸面接合時，有一線在所述棘爪接觸面上的接觸中心與所述至少 一個棘爪的樞軸之間延伸穿過所述至少一個棘爪，并且所述線與作用線形成小于180°的 夾角，所述作用線穿過所述棘爪接觸面上的所述接觸中心并平行于作用在所述棘爪接觸面 上的凈力的方向。
16.一種單向離合器，包括內(nèi)滾道，其包括多個棘齒，所述棘齒中的每個棘齒均包括棘齒支撐面及棘齒接觸面；外滾道，其與所述內(nèi)滾道具有共同的旋轉軸線并且包括至少一個棘爪凹部以及接合構 件，至少一個棘爪的至少一部分容置在所述棘爪凹部中，所述接合構件用于推動所述至少 一個棘爪遠離所述外滾道，所述至少一個棘爪接合所述棘齒中的一個棘齒的所述棘齒接觸 面以及相鄰的一個所述棘齒的所述棘齒支撐面，并且所述至少一個棘爪包括棘爪支撐面，其用于接合所述棘齒支撐面；接合構件接觸面，其用于接合所述接合構件；以及棘爪接觸面，其用于接合所述棘齒接觸面，并且設置在所述棘爪支撐面與所述接合構 件接觸面之間；以及其中，所述棘齒接觸面與所述棘爪接觸面中的至少一個是弓形表面，當沿所述旋轉軸 線觀看時，所述弓形表面的橫截面形狀是弓形的，并且所述弓形表面的曲率半徑大于鄰近 所述弓形表面的拐角處的曲率半徑。
17.如權利要求16所述的單向離合器，其中，所述弓形表面為所述棘爪接觸面，鄰近所 述棘爪接觸面的所述拐角中的一個拐角設置在所述棘爪支撐面與所述棘爪接觸面之間，而 鄰近所述棘爪接觸面的所述拐角中的另一個拐角設置在所述接合構件接觸面與所述棘爪 接觸面之間。
18.如權利要求16所述的單向離合器，其中，所述弓形表面是棘齒接觸面。
19.如權利要求16所述的單向離合器，其中，所述弓形表面為半圓形。
20.如權利要求16所述的單向離合器，其中，所述棘齒中的所述一個棘齒的棘齒接觸 面通過載荷分離面與所述相鄰的一個所述棘齒的棘齒支承面分離。
全文摘要
公開了一種帶有外滾道和內(nèi)滾道的單向離合器。其中一個滾道包括至少一個棘爪和用于使所述至少一個棘爪與位于另一個滾道上的棘齒保持接合的接合構件。所述至少一個棘爪或棘齒的接觸面呈弓形形狀，以便改善載荷分布。弓形接觸面的曲率半徑大于鄰近弓形接觸面的拐角處的曲率半徑。
文檔編號F16D41/12GK101918730SQ200880112756
公開日2010年12月15日 申請日期2008年10月22日 優(yōu)先權日2007年10月22日
發(fā)明者亨利·J·克諾特, 阿爾弗雷德·J·奇薩 申請人:Gkn燒結金屬股份有限公司