一比一扭矩联轴器相关申请
本专利申请要求2014年8月5日提交的名称为“一比一扭矩联轴器”、申请号为62/
033,554的美国专利申请的申请日的权益，该美国专利申请的内容通过引用包含在本文中。
技术领域
本专利申请涉及用于在两个旋转部件之间传输动力的联轴器以及方法，更特别地
用于在两个部件之间传输动力而不改变旋转速度或方向的联轴器，这两个部件在间隔预定
径向距离的平行轴线上旋转。
背景技术
在现有技术中已知用于将动力从一个轴线传输至平行地偏移的第二轴线的装置。
典型地，该传输利用齿轮、链条、链轮和带发生，其中速度和扭矩有一些预定的变化。如果希
望在两个轴之间没有速度差异，现有技术典型地要求大型且复杂的部件来连续地传输动
力。当两个旋转轴之间的距离相对小时，这变得特别重要。
发明内容
作为概述，本发明涉及扭矩联轴器，其允许将扭矩从第一扭矩构件传输至第二扭
矩构件，而在扭矩构件之间在旋转速度上没有变化。
在一个方案中，扭矩联轴器包括中心构件、左侧面构件和右侧面构件、以及多个扭
矩传输元件。中心构件布置在侧面构件之间、具有旋转主轴线并且包括以一半径围绕主轴
线布置的多个孔。侧面构件分别具有共同的旋转次级轴线，次级轴线平行于主轴线且从主
轴线偏移。每一侧面构件均包括多个孔，这多个孔与中心构件中的孔一致并且以一半径围
绕次级轴线布置。
扭矩传输元件穿过中心构件的孔延伸到侧面构件的孔中。扭矩传输元件围绕平行
于且布置在主轴线和次级轴线中间的第三轴线旋转，并且通过扭矩传输元件与中心构件和
侧面构件的孔之间的滚动接触在中心构件和侧面构件之间传输扭矩。结果，在中心构件和
侧面构件之间没有旋转速度或方向改变的情况下，在主轴线和次级轴线之间传输扭矩。
在一种实现方案中，中心构件的孔围绕主轴线均等地间隔开，并且侧面构件的孔
围绕次级轴线均等地间隔开。扭矩传输元件的直径可以大于主轴线和次级轴线之间的距
离。
扭矩传输元件可以包括圆柱形滚子。每一圆柱形滚子的直径可与主轴线和次级轴
线之间的距离相互无关。替代地，扭矩传输元件可以包括椭圆形滚子或球形滚子。
在另一方案中，扭矩联轴器包括中心构件、左侧面构件和右侧面构件、以及多个扭
矩传输元件。
中心构件布置在侧面构件之间、具有旋转主轴线并且包括以一半径围绕主轴线布
置的多个孔。侧面构件分别具有共同的旋转次级轴线，次级轴线平行于主轴线且从主轴线
偏移。每一侧面构件包括以所述半径围绕次级轴线布置的多个孔。第一扭矩构件与中心构
件联接，并且第二扭矩构件与至少一个侧面构件联接。
扭矩传输元件穿过中心构件的孔延伸到侧面构件的孔中。扭矩传输元件围绕平行
于且布置在主轴线和次级轴线中间的第三轴线旋转，并且通过扭矩传输元件与中心构件和
侧面构件的孔之间的滚动接触在第一扭矩构件和第二扭矩构件之间传输扭矩。结果，在第
一扭矩构件和第二扭矩构件之间没有旋转速度或方向改变的情况下，在主轴线和次级轴线
之间传输扭矩。
在一种实现方案中，第一扭矩构件具有与主轴线重合的固定旋转轴线，并且第二
扭矩构件具有与次级轴线重合的固定旋转轴线。在另一实现方案中，第二扭矩构件具有偏
心地绕固定旋转轴线进行轨道运行的旋转轴线。
在另一方案中，扭矩联轴器包括中心构件、左侧面构件和右侧面构件、以及多个新
月形元件。中心构件围绕初级轴线旋转，并且包括均等地间隔开的多个孔，所述多个孔围绕
组件中心线定心。侧面构件一起围绕次级轴线旋转，并且每一侧面构件包括均等地间隔开
的多个切口，所述多个切口围绕平行偏移的次级中心线定心。新月形元件通过满装转动体
滚子轴承支撑在中心构件内，通过销附接至左侧面构件和右侧面构件。
新月形元件将扭矩从围绕初级轴线的旋转传输至围绕次级轴线的旋转，而不改变
旋转速度或方向。
新月形元件包含初级轴线和次级轴线，每一轴线通过分别与中心构件和左侧面构
件及右侧面构件的初级轴线和次级轴线相同的距离分开。
在一种实现方案中，由输入齿轮和输出齿轮构成的共面齿轮系以这样一种方式连
接，即，齿轮之一在与左侧面构件和右侧面构件相同的轴线上旋转，而另一齿轮在与中心构
件相同的轴线上旋转。在另一实现方案中，左侧面构件和右侧面构件与输入齿轮或输出齿
轮之一刚性联接。在又一实现方案中，中心构件与输入齿轮或输出齿轮之一刚性联接。
附图说明
当参照附图阅读以下详细的说明时可更好地理解这些方案和其他方案，在附图
中：
图1是现有技术装置的等轴测图，其允许以1：1的传动比在偏移的平行轴线之间传
输扭矩；
图2是另一现有技术装置的等轴测图，其允许以1：1的传动比在偏移的平行轴线之
间传输扭矩；
图3示出了具有圆柱滚子元件的一比一扭矩联轴器的第一实施例的等轴测图；
图4示出了在图3中描绘的实施例的分解图，其具有不同的附加特征来帮助保持圆
柱形滚子就位；
图5示出了在图3中描绘的实施例的端视图；
图6示出了包括一比一扭矩联轴器的双传动比状态模块的第一实施例的横剖视
图；
图7示出了包括一比一扭矩联轴器的双传动比状态模块的第二实施例的横剖视
图；
图8示出了双传动比状态模块的第三实施例的横剖视图，其在运动学上与在图7中
描绘的第二双传动比状态模块相同，用湿式摩擦离合器代替了同轴的V型槽扭矩联轴器；
图9示出了与共面齿轮系构成整体的一比一联轴器；
图10示出了展现第二扭矩构件围绕第一扭矩构件偏心旋转的简图；
图11示出了高传动比模块的横剖视图，其中一比一扭矩联轴器的中心构件着陆
(grounded)；
图12示出了传统的共面回归齿轮系回路；
图13示出了包括椭圆形滚子的一比一扭矩联轴器的第二实施例的横剖视图；
图14示出了包括球形滚子的一比一扭矩联轴器的第三实施例的横剖视图；以及
图15示出了包括多个新月形元件的一比一扭矩联轴器的第四实施例的横剖视图。
具体实施方式
现在参照示出示例性实施例的附图，在下文中更完整地对示例进行说明。每当可
能时，在附图中使用相同的附图标记来引用相同的或类似的部件。然而，方案可具象化为多
种不同的方式，并且不应解释为局限于在此所陈述的实施例。
图1描绘了现有技术的机构，其允许以1:1的传动比在平行的偏移轴线之间传输扭
矩。机构由围绕初级固定轴线a’旋转的从动扭矩构件1和围绕平行于初级固定轴线a’且自
初级固定轴线偏移的次级固定轴线a”旋转的驱动扭矩构件2组成。栓1a与从动扭矩构件1构
成整体并且伸到驱动扭矩构件2的圆形通孔2a中。假设顺时针旋转，通过圆形通孔2a和栓1a
之间的滑动接触，扭矩从驱动扭矩构件2传输至从动扭矩构件1。该机构的缺点在于，扭矩
(理论上)通过滑动接触从初始接触点3a传输至最终接触点3b。
如在图2中所示，十字滑块联轴器是用于以1:1的传动比传输扭矩的另一机构。在
R.J.Durley的“运动学”中描述，十字滑块联轴器包括三个元件：与围绕初级固定轴线b’旋
转的输入扭矩构件10联接的第一盘4、与围绕平行于初级固定轴线b’且自初级固定轴线偏
移的次级固定轴线b”旋转的输出扭矩构件11联接的第二盘5、和通过榫舌6a和凹槽4a、5a的
连接与所述第一盘和第二盘接合的第三中心盘6。端部构件4和5中的凹槽(或沟槽)4a、5a定
向为，使它们彼此垂直。中心构件6的每一侧上的榫舌(或楔块)6a被放置在端部构件上它们
各自的凹槽中，形成允许将扭矩从所述输入扭矩构件传输至所述输出扭矩构件的滑动副。
该机构特别易受滑动接触引起的楔块和沟槽之间的磨损的影响，会导致高摩擦损失和下降
的性能。
现在参照图3、图4和图5，示出的一比一扭矩联轴器100包括中心构件101、左侧面
构件102、右侧面构件103、以及多个扭矩传输元件104。中心构件101围绕主轴线c1旋转。左
侧面构件102和右侧面构件103围绕平行于主轴线c1且自主轴线c1偏移的次级轴线c2旋转。
扭矩传输元件104围绕第三轴线c3旋转，第三轴线平行于主轴线c1和次级轴线c2且自主轴
线c1和次级轴线c2偏移并且位于主轴线c1和次级轴线c2的中间。
优选地，中心构件101和侧面构件102、103全部都具有相同数量的一致的圆形通孔
(101a、102a、103a)。此外，优选地，每一构件101、102、103上的通孔围绕构件的旋转轴线在
相应的半径处分别均匀地间隔开，通孔101a(围绕主轴线c1)布置在中心构件101上的半径
等于通孔102a、103a(围绕次级轴线c2)布置在侧面构件102、103上的半径。通孔101a、102a、
103a的数量可以根据一比一联轴器100的物理尺寸变化，并且留给设计者决定孔的最优数
量。较多数量的通孔将更均匀地在构件101、102、103内分配扭矩。然而，中心构件101和侧面
构件102、103的结构完整性可被具有太多的孔101a、102a、103a所折中。
优选地，围绕主轴线c1旋转的第一扭矩构件(未示出)附接至中心构件101，围绕次
级轴线c2旋转的第二扭矩构件(未示出)附接至左侧面构件102和右侧面构件103。在所示的
实施例中，中心构件101被构造用于通过位于其外径上的凸耳连接附接至第一扭矩构件。左
侧面构件102和右侧面构件103一起用作单个单元并且被构造用于通过位于侧面构件102、
103的内径上的花键连接附接至第二扭矩构件，使得左侧面构件102上的圆形通孔102a沿轴
向与右侧面构件103上的圆形通孔103a排成行。然而，没有必要使用这些特定类型的外部连
接。
在所示的实施例中，扭矩传输元件104包括圆柱形滚子104。圆柱形滚子104布置在
中心构件101和侧面构件102、103的通孔内，使得滚子104跨越从左侧面构件102的通孔
102a、经中心构件101中的通孔101a、至右侧面构件103的通孔103a的轴向长度。尽管圆柱形
滚子104示出为全部都具有相同的直径，但是滚子104可以是不同的直径，只要适当地确定
中心构件101和侧面构件102、103中的相应通孔101a、102a、103a的尺寸并且中心构件101的
通孔101a与侧面构件102、103的通孔102a、103a是一致的(尺寸、布置)即可。滚子104的尺寸
可以确定为，它们的直径等于圆形孔101a的直径(或圆形孔102a、103a的直径)减去第一扭
矩构件和第二扭矩构件的旋转中心距离(即减去次级轴线c2自主轴线c1偏移的距离)。或者
在其他方面，可以通过将圆柱形滚子104的直径加到中心构件101和侧面构件102、103的旋
转中心距离上，确定通孔101a、102a、103a的直径尺寸。然后可以将适当量的间隙加到通孔
101a、102a、103a上，以确保圆柱形滚子104不会被约束。
图4示出了两种约束圆柱形滚子104在通孔101a、102a、103内的轴向运动的方法。
第一种方法牵涉到端盖105、106的使用，其分别附接至左侧面构件102和右侧面构件103的
端面上。第二种方法牵涉到簧环107的使用，每一簧环分别固定至相应的滚子104(参见图
4b)。在后一情况中，优选地，中心构件101中的通孔101a是凹入的(参见图4a)，以允许簧环
107适配在中心构件101和右侧面构件103之间中。在某些组件中，与左侧面构件102和右侧
面构件103相邻的设计元件也可以用作端盖105和106。
通过圆柱形滚子104和在中心构件101和侧面构件102、103中的圆形通孔的内表面
之间的顺滑滚动接触，扭矩从第一扭矩构件传输至第二扭矩构件(或者从第二扭矩构件至
第一扭矩构件)，在速度或方向上没有任何变化。在使接触应力最小化方面这种类型的接触
是理想的，因为圆柱形滚子104和圆形通孔的内表面产生使接触面面积最大的“销槽式”
(pin-in-trough)的接触界面。
尽管如上文所讨论的，可以通过将圆柱形滚子104的直径加到中心构件101和侧面
构件102、103的旋转中心距离上确定通孔的尺寸，但是通常中心构件101和侧面构件102、
103中的通孔101a、102a、103a的几何尺寸(直径)与中心构件101和侧面构件102、103的旋转
中心距离相互无关，仅取决于圆柱形滚子104的直径。如果希望的话，可以使滚子直径大于
中心构件101和侧面构件102、103的旋转中心距离，所以这是有利的，并且有潜力从一比一
联轴器的滚子104获得更多的能力。图5示出了移除右端盖106的一比一扭矩联轴器100的端
视图。这清楚地示出了滚子直径大于中心构件101和侧面构件102、103的旋转中心距离。
当与低传动比的外/内回归共面齿轮系回路结合地使用时，一比一扭矩联轴器100
工作得特别好，共面齿轮系回路包括以前由本发明人在美国专利6,126,566中所描述的增
补齿形的齿廓，因为在这种齿轮组对之间的中心距离通常是小的。传统的渐开线齿廓也可
以代替增补齿形的齿廓使用。然而，在长度、能力和包装方面有限制。因此，增补齿形的齿廓
是优选的。
组装优势是，一比一扭矩联轴器100可以替代将扭矩从外/内共面齿轮回路的输出
齿轮往回传输至输入扭矩构件的主轴线所需要的次级齿轮组。因此，单个齿轮组可以与一
比一扭矩联轴器一起使用，以在输入和输出共轴的紧密包装之内提供传动比的非常轻微的
增大或减小。与同心V型槽扭矩联轴器、诸如在美国专利US8,764,597中由本发明人所描述
的那些相组合地，以上所描述的组件可以一个在另一个旁边地堆叠，提供一系列紧凑的
“开-关”传动比状态模块，其可由单个中心轴支撑。在美国专利6,669,594中也由本发明人
描述了在同心V型槽扭矩联轴器中使用交互式离合器构件控制双传动比状态模块。
图6在横剖视图中示出了双传动比状态模块，总体表示为200，其包括具有增补齿
形齿廓的外/内共面齿轮组和一比一扭矩联轴器(包括中心构件205、侧面构件204a、204b和
圆柱形滚子206)，在一比一扭矩联轴器中由内部V型槽联轴器(包括布置在交互构件207和
离合器端部构件208a之间的中心离合器构件208a)和外部V型槽联轴器(包括布置在离合器
端部构件209a、209b之间的交互构件207)构成的一对同心V型槽扭矩联轴器控制模块的输
出状态。一比一扭矩联轴器确保沿着主轴线c1输出。一比一联轴器的该配置与在图3、图4和
图5中描绘的一比一联轴器100略有不同，因为中心构件205埋在侧面构件204a和204b内并
且与潜在外部扭矩构件的连接没有沿轴向与中心构件205排成行。可以在任一方向上通过
双传动比状态模块传输扭矩，意思是小齿轮201或中心构件205可以用作输入构件或输出构
件。
为了解释模块的功能，小齿轮201作为输入构件并且中心构件205作为输出构件。
围绕主轴线c1旋转的小齿轮201和围绕平行的偏移轴线c2旋转的齿圈202与偏心构件203一
起形成外/内共面齿轮组，其用作双传动比状态模块的输入。中间构件211将内外同心V型槽
扭矩联轴器的交互构件207联接至输入小齿轮201。交互构件207可沿轴向在偏心构件203上
运动，其由围绕偏移轴线c2定心的滚针轴承n1支撑。
当外部的同心V型槽扭矩联轴器液压地或气动地激活时，内部的同心V型槽扭矩联
轴器被推动到打开状态，并且偏心构件203着陆至壳体210，引起固定的齿轮比被传给一比
一扭矩联轴器。当外部的同心V型槽扭矩联轴器被失效时，波形弹簧激活内部的同心V型槽
联轴器并且偏心构件203直接与输入小齿轮201联接，引起1:1的传动比被传给一比一扭矩
联轴器。一比一扭矩联轴器然后将任一传动比状态(固定的或1:1)从围绕轴线c2旋转的侧
板204a和204b经由圆柱形滚子206的顺滑滚动接触传输至中心构件205。
图7在横剖视图中示出了双传动比状态模块的第二配置，总体表示为300，其包括
具有增补齿形齿廓的外/内共面齿轮组和一比一扭矩联轴器(包括中心构件303、侧面构件
304a、304b和圆柱形滚子305)，在一比一扭矩联轴器中由内部V型槽联轴器(包括布置在交
互构件310a和离合器端部构件308之间的中心离合器构件309)和外部V型槽联轴器(包括布
置在端部活塞311a、311b之间的交互构件310a和310b)构成的一对同心V型槽扭矩联轴器控
制模块的输出状态。一比一扭矩联轴器再次确保沿着主轴线c1输出。
小齿轮301或轴307(其附接至侧面构件304a和304b)可用作用于双传动比状态模
块的输入构件或输出构件。然而，为了解释该模块的功能，小齿轮301作为输入构件并且轴
307作为输出构件。围绕主轴线c1旋转的小齿轮301和由轴承n1支撑并围绕偏移轴线c2旋转
的齿圈302形成共面齿轮组，其用作双传动比状态模块的输入。中间构件313将输入小齿轮
301联接至内部的同心V型槽扭矩联轴器的中心构件309。交互构件301a可沿轴向在内部的
同心V型槽联轴器的壳体308上运动并且围绕主轴线c1旋转。
当外部的同心V型槽扭矩联轴器的端部活塞311a和311b被液压地或气动地激活，
端部活塞311b用作用于轴承n1的刚性支撑，引起齿圈302围绕固定轴线c2旋转。因此，固定
传动比被从共面齿轮组传至一比一联轴器的中心构件303。在中心构件围绕固定的偏移轴
线c2旋转时，浮动的偏心轴承支撑件306帮助稳定中心构件303。当端部活塞311a、311b被停
用时，波形弹簧s1激活内部的同心V型槽扭矩联轴器，引起输入小齿轮301被直接联接至壳
体308，推动齿圈302在与输入小齿轮1:1的传动比状态中偏心地围绕主轴线c1旋转。因此，
1:1传动比从齿圈302传至一比一扭矩联轴器的中心构件303。然后，扭矩从中心构件303传
输至侧面构件304a和304b经由圆柱形滚子305至输出轴307，其围绕主轴线c1旋转。
图8在横剖视图中示出了在图7中描绘的一比一扭矩联轴器的相同配置，总体表示
为350，只是代替同心V型槽扭矩联轴器使用湿式摩擦离合器351a和351b。湿式摩擦离合器
比同心V型槽扭矩联轴器具有小得多的能力，但是成本明显更低。因此，由设计者决定选择
哪种类型的联轴器用在每一本领域的特殊应用中。在图7中，输入小齿轮和输出轴(分别为
301和307)同心地在实施例的相同侧上旋转，而在图8中，输入小齿轮和输出小齿轮(分别为
352和353)在实施的模块的相反侧上旋转。每一实施例可以结合湿式摩擦离合器盘或同心V
型槽联轴器使用。
图9示出了一比一扭矩联轴器的配置，其中，中心构件376与轴375构造成整体，并
且右侧面构件377b与共面齿轮组(377b’和379)的小齿轮377b’构造成整体。左侧面构件
377a经由花键连接联接至右侧面构件377b。轴/中心构件(375/376)和齿圈379围绕主轴线
c1旋转，并且右侧面构件和左侧面构件/小齿轮(377a、377b/377b’)围绕平行的偏移轴线c2
旋转。这种设置创造出高密度动力传输机构，在此处扭矩可以经由一比一连接在轴375和齿
圈379之间(在任一方向)传输。
如果扭矩构件之一偏心地围绕另一扭矩构件的中心旋转，一比一扭矩联轴器100
也起作用。图10示出了联轴器100，其中第一扭矩构件TM1具有固定的旋转主轴线c1，并且第
二扭矩构件TM2具有偏心地围绕旋转主轴线c1轨道而行的旋转轴线c2。
图11在横剖视图中示出了高传动比模块，总体表示为400，包括具有增补齿形齿廓
的外/内共面齿轮组和一比一扭矩联轴器(405、406a、406b、407)。构件401或偏心构件404可
以是用于高传动比模块的输入或输出元件，然而，为了解释其功能性的目的，构件401考虑
为输入构件并且偏心构件404考虑为输出构件。高传动比模块的原理基于传统的以前在美
国专利6,126,566中由本发明人描述的集束(cluster)共面回归齿轮系回路，其典型地由小
齿轮、集束件、齿圈和笼(或偏心构件)组成。
在传统的集束共面回归齿轮系回路中，其在图12中总体表示为450，描述其部件的
角速度的关系为：
其中，ωP、ωC、ωA和ωCL分别表示小齿轮451、笼(或偏心构件)454、齿圈453、集束
件452的角速度并且a、b、c和d分别是在小齿轮、内集束件、外集束件和齿圈上的齿数。在高
传动比模块400中，一比一联轴器的中心构件405用作共面回归回路的小齿轮451，并且侧面
构件406a和406b用作集束件452的“b”啮合。通过中心构件405固定至壳体408，在齿圈402和
偏心构件404之间的关系变为：
一比一联轴器暗示机械优点在于，通过选择齿圈402和小齿轮403上的适当
的齿数，可以在偏心构件404和构件401之间产生非常高的传动比。例如，如果齿圈402和小
齿轮403上的齿数分别选择为60和56，从输入构件401至偏心输出构件404得到15:1的齿轮
减速。因为一比一联轴器的中心构件405固定，所以来自齿圈402的输入引起小齿轮403、连
同侧面构件406a和406b围绕其齿轮啮合“行走”，通过轴承座圈n2推动偏心构件404围绕主
轴线c1旋转。
图13和图14在横剖视图中示出了代替优选的圆柱形滚子分别使用椭圆形滚子元
件和球形滚子元件504和554的一比一联轴器的单独实施例。椭圆形滚子元件和球形滚子元
件504和554不需要端盖将它们保持就位(几何意义上而言)，然而，因为扭矩从中心构件传
输至侧面构件以及反之，所以在一比一联轴器的孔内形成轴向力，其倾向于使侧面构件与
一比一联轴器分开。为了防止侧面构件分开，它们被键合在一起并且通过多个定位螺钉(图
13)和簧环(图14)保持就位。由设计者决定选择对其设计最适合的滚动元件的形式。
图15a在横剖视图中示出了一比一扭矩联轴器600，代替上述滚子元件其包括多个
新月形元件605。图15b示出了由满装转动体轴承n1和n2定位的具有多个新月形元件605的
中心构件602。图15c和图15d分别示出了右侧面构件603a和左侧面构件603b，具有适当成形
的切口，以接收用于将所述侧面构件保持就位的销604。在该特殊设置中，中心构件602围绕
主轴线c1旋转，并且侧面构件603a和603b围绕平行的偏移轴线c2旋转。随着偏心的多个新
月形元件在中心构件602的圆孔内旋转，通过满装转动体轴承n1和n2传输扭矩。
对于本领域普通技术人员来说将明显的是，可以做出各种变型和变化，而不会脱
离本发明的由所附的权利要求书所限定的范围。