用于单向离合器的减应力棘爪及棘齿 相关申请的交叉参考
本申请要求 2007 年 10 月 22 日提交的美国临时专利申请 No.60/981,587 的权益， 在此通过引用将其公开内容结合进来。
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
不适用。
技术领域
本发明大体上涉及一种单向离合器的棘爪和棘齿， 特别是棘爪和棘齿的接触面形状。背景技术
单向离合器用于转矩只能沿一个方向传递而不能沿反方向传递的动力传动装 置的应用中。这通过采用包含棘轮机构部件的内外滚道而得以实现。其中一个滚道含 有多个与相对滚道上的棘齿强制接合的棘爪机构。当沿某一个方向旋转时两个滚道以 相同的速度旋转。当沿反方向旋转时使得棘齿能够自由回转 (Freewheeling) 或者超越 (overrunning)， 而不传递转矩。 参见图 1， 一种现有技术单向离合器包括一个外滚道 12， 其容纳多个与内滚道 14 上的棘齿 18 接合的棘爪 16。该单向离合器还包括接合构件 20， 其推动棘爪 16 远离外滚道 12 从而与棘齿 18 接合。对于常规单向离合器， 棘爪 16 的接触面 28 和棘齿 18 的接触面 44 均是平的。这使得很小的区域承受了相当大的一部分载荷， 从而导致应力较高。为降低或 减轻这种高应力， 一些设计结合进很多棘爪以减小每个棘爪上的应力或包括相对较大的棘 爪以限制由应力产生的磨损。然而这些设计相对昂贵或相对复杂， 或两者兼而有之。因此， 需要设计一种带有设计用于改善载荷分布的部件的单向离合器。
发明内容 本发明提供了一种具有外滚道和内滚道的单向离合器。 其中一个滚道包括至少一 个棘爪和用于推动所述至少一个棘爪与另一滚道上的棘齿相接合的接合构件。 至少一个棘 齿和所述至少一个棘爪包括用以改善载荷分布的弓形接触面。 弓形接触面的曲率半径大于 邻近弓形接触面的拐角处的曲率半径。
在某些实施方式中， 所述至少一个的棘爪的接触面呈用于改善载荷分布的弓形形 状。在某些实施方式中， 棘齿的接触面呈用于改善载荷分布的弓形形状。更进一步地， 在某 些实施方式中， 棘齿和所述至少一个的棘爪二者的接触面均呈弓形形状。
本发明的前述及其他目标和优点在以下详细描述中将显而易见。描述时， 参见示 出本发明优选实施方式的附图。
附图说明
图 1 是一种现有技术单向离合器的棘爪的放大的横截面视图 ；图 2 是本发明的单向离合器横截面视图 ； 图 3 是本发明的带有弓形接触面的棘爪的放大的横截面视图 ； 图 4 是内滚道的棘齿的放大的横截面视图， 其中示出了倾角 ； 图 5 是图 3 的棘爪的放大的横截面视图， 其中示出了作用在棘爪上的载荷分布 ； 以 图 6 是本发明的带有弓形接触面的棘齿的放大的横截面视图。及
具体实施方式
参见附图， 同样的部件以相同的附图标记指示。 另外， 现有技术与本发明之间同样 的部件附图标记增大 100。
参见图 2， 本发明的单向离合器 110 包括外滚道 112 和内滚道 114， 内外滚道具有 共同的轴线 115。 外滚道 112 包括 ： 多个棘爪 116 ； 接合构件 120， 如螺旋压缩弹簧、 贝勒维尔 (Belleville) 弹簧、 片簧等， 其用于推动棘爪 116 远离外滚道 112 并与内滚道 114 上的棘齿 118 接合 ； 以及凹部或凹穴 122， 其用于容置棘爪 116 和接合构件 120。 如果外滚道 112 是驱 动部件， 则如图 2 所示顺时针旋转使接合构件 120 将棘爪 116 偏置成与棘齿 118 接合。 外滚 道 112 的逆时针旋转导致自由回转运动并且棘爪 116 在棘齿 118 上滑动或渐进 (ratchet)。 如果内滚道 114 是驱动部件， 则逆时针旋转导致棘爪 116 与棘齿 118 接合， 而顺时针旋转导 致自由回转运动。
参见图 3， 每个棘爪 116 均具有棘爪支撑面 126、 接合棘齿 118 的棘爪接触面 128、 背对棘爪支撑面 126 的接合构件接触面 130、 限定枢轴 124 的棘爪反作用面 132、 棘爪支撑 面 126 与棘爪接触面 128 之间的圆角 134、 以及棘爪接触面 128 与接合构件接触面 130 之间 的圆角 136。每个棘爪 116 均绕枢轴 124 枢转， 该枢轴 124 使得棘爪 116 当自由回转时能够 在棘齿 118 上旋转和滑动， 或当离合器 110 沿反方向旋转时能够接合其中一个棘齿 118。
每个棘齿 118 均包括棘齿自由面 138、 棘齿支撑面 140 和接合棘爪 116 的棘齿接触 面 144、 以及棘齿自由面 138 与棘齿接触面 144 之间的圆角 146。载荷分离面 142 将棘齿支 撑面 140 与相邻棘齿 118 上的棘齿接触面 144 分开。载荷分离面 142 在棘齿支撑面 140 的 径向内侧延伸。
棘爪 116 与棘齿 118 接合时， 棘爪接触面 128 接触棘齿接触面 144。这些接触面传 递棘爪 116 与内滚道 114 之间的载荷。棘爪支撑面 126 接触棘齿支撑面 140。这些接触面 使棘爪 116 保持在图 2 和图 3 所示的合适的工作位置上。另外， 棘爪反作用表面 132 接触 棘爪凹部 14。这些接触面传递外滚道 112 与棘爪 116 之间的载荷。
如上简述， 对于常规单向离合器， 棘爪与棘齿的接触面都是平的， 结果很高的应力 作用在这些接触面上。再次参见图 1， 棘爪接触面 28 上靠近圆角 36 的点承受了很大一部 分载荷。参见图 3， 根据本发明的棘爪 116 包括当在垂直于离合器 110 的旋转轴线 115 的 径向平面中并且沿旋转轴线 115 的方向观看时弯曲的棘爪接触面 128， 即， 当该棘爪接触面 128 横过大体径向的方向时其弯曲。优选地， 弓形棘爪接触面 128 的曲率半径大于圆角 134 和 136 的曲率半径， 并呈半圆形形状。可选择地， 弓形棘爪接触面 138 可呈抛物线形、 椭圆 形或类似的形状。在弓形棘爪接触面 128 与圆角 134 和 136 相接处弓形棘爪接触面 128 与 棘齿接触面 144 有小间隙。此间隙的大小取决于棘爪的尺寸和选用的材料。比如， 当弓形棘爪接触面 128 的高度为 0.170″时， 选用 0.0003″的间隙。另外， 弓形棘爪接触面 128 与 圆角 134 相接处的间隙可进一步缩小。另外， 接触点 158 应位于弓形棘爪接触面 128 的中 点附近。
传递载荷时， 棘爪接触面 128 变形， 并且弓形棘爪接触面 128 的中点周围的区域与 棘齿接触面 144——该面在不受载时可能是平的——接合并承受一部分载荷。与常规的想 法相反， 根据本发明， 这使得棘爪接触面 128 与棘齿接触面 144 接合的面积更大， 因而与现 有技术的具有两个平接合面的离合器相比最大应力显著减小。因此， 能够以更少或更小的 棘爪传递与常规单向离合器相同的载荷， 从而节省重量和成本。另外， 减小圆角 134 和 136 尺寸会使棘爪接触面 128 的尺寸增大。这允许附加面积的弓形棘爪接触面 128 与棘齿接触 面 144 接合， 从而进一步减小最大应力并使得能够进一步节省重量和成本。
参见图 4， 棘齿 118 的倾角 150 是在棘爪接触面 128 与棘齿接触面 144 之间的接触 中心 158 处和棘齿接触面 144 相切的切线 154 与穿过旋转轴线 115 和接触中心 158 的径向 线 152 之间的夹角。优选地， 本发明的倾角 150 为 0° (±1° )。可选择地， 可以增大倾角 150 以减小由自由回转运动转换到载荷传递运动的反冲力 (backlash)。此外， 也可以减小 倾角 150 以减小自由回转时的碰撞冲击。 如前所述， 棘爪 116 有三个面承受载荷。如图 5 所示， 棘爪 116 分别承受来自棘齿 接触面 144、 棘齿支撑面 140 和棘爪反作用面 132 的分布载荷 151、 153 和 155( 图 5 中图示出 分布状态 )。棘爪 116 受载时作用在这些面上的接触力的方向确保棘爪 116 与棘齿 118 保 持接合。也就是说如图 5 所示， 线 156 在棘爪接触面 128 上的接触中心 158 与枢轴 124—— 其为由棘爪反作用面 132 限定的旋转中心——之间延伸穿过棘爪 116。 线 156 与作用线 160 形成夹角 162， 其中作用线 160 穿过接触中心 158 并平行于分布载荷 151 的净力方向。该净 力角度 162 应小于 180°以确保棘爪 116 与棘齿 118 保持接合。如果该角度为 180°或更 大， 棘爪 116 会因作用在棘爪上的摩擦力及弹簧力而与棘齿 118 保持接合。然而， 棘爪 116 优选因于作用在棘爪上的接触力而与棘齿 118 保持接合。
可选择地， 棘齿 118 可包括弓形棘齿接触面 144， 其沿从齿根到齿自由端的方向弯 曲。在这种情况下， 棘齿 116 可具有平的或弯曲的棘爪接触面 128。优选地， 弓形棘齿接触 面 144 为半圆形。可选择地， 弓形棘齿接触面 144 可以是抛物线形、 椭圆形或类似形状。作 为另一种选择， 棘爪 116 可位于内滚道 114 中的凹穴中， 而棘齿 118 可位于外滚道 112 上。
棘爪和棘齿的总体形状 ( 除接触面之外 ) 也不限于图 3 所示的形状。 例如， 现有技 术中周知的类似矩形的棘爪和相应的棘齿。这些部件也可以包括弓形接触面以减少应力。
需要特别指出的是本发明并不限于本文所包括的实施方式和图解说明， 而是还包 括那些实施方式的改型， 其中包括限定在所附权利要求范围内的实施方式的部分以及不同 实施方式的元素的组合。