具有有着弹簧接合和液压分离的离合器的齿轮箱相关申请的交叉引用
本申请要求2014年8月6日提交的美国专利申请号14/453,034的权益，并且其全部
内容通过引用合并于此。
发明内容
该公开涉及用于由电机驱动的齿轮箱的离合器。在一个方面，本公开涉及与立式
齿轮电机应用中使用的行星齿轮系相关联的离合器系统。在一个类型的立式齿轮电机应用
中，电机，例如AC感应或同步电机可以直接被安装至壳体结构并且利用柔性联接器被连接
至壳体中的齿轮系。在一个方面，行星齿轮系统可以具有四个主要组件。太阳齿轮可以用于
向齿轮系提供高速输入。围绕太阳齿轮，可以布置行星齿轮。行星齿轮可以由行星架支撑。
行星架可以被连接至低速输出和从动设备。整个行星齿轮架组件(即，太阳齿轮、行星齿轮
和行星架)可以在环形齿轮的内侧转动。齿轮架可以接着通过输出轴驱动从动负载。行星齿
轮系统的轴和齿轮可以为了耐久性和强度而由高合金硬化和渗碳钢制成。齿轮可以是用于
低噪声和低振动的双螺旋型齿轮。行星齿轮系统可以是单级减速，例如3:1至9:1。行星齿轮
系统的速度控制可以通过与齿轮系统相关联的离合器组件来完成。齿轮系将动力分成多个
路径以减少单个齿轮上的负载，提供高功率密度和高效率。离合器组件控制从动设备的速
度以增强系统操作。例如，离合器组件允许电机在非负载条件下实现电机基本速度。离合器
组件可以接着被接合和控制以逐渐地将从动负载带到全速。例如，在电机被启动之后，离合
器可以缓慢接合以在受控的加速曲线下使负载加速，使对动力系统的影响最小化并允许延
长的加速和减速时间。在另一方面，离合器用作在操作期间在从动负载停止、例如从动负载
被卡住的事件中保护从动设备和齿轮箱转动组件的机械过载保护装置。在另一方面，从动
设备可以通过接合和分离离合器被反复地启动和停止而不用停止电机。
附图说明
图1示出包括离合器组件的壳体与行星齿轮系统，其中壳体和齿轮系统的某些特
征剖切示出以便于图示。
图2示出从图1的细节区域2-2截取的放大图。
图3示出从图1的细节区域3-3截取的放大图。
图4是大体类似于图1的细节区域2-2和细节区域3-3两者的截面图。
图5示出离合器组件的花键毂的局部立体图。
图6示出离合器组件的花键毂的替代的局部立体图。
具体实施方式
包含行星齿轮系的壳体20可以包括制造钢壳体，其包括为电机(未示出)提供安装
座的顶部焊件板22。与顶部焊件板22相对，壳体可以设置有基部焊件板24。基部焊件板24可
以向从动负载(未示出)、例如泵提供安装座。在顶部和基部焊件板22、24之间，设置了侧壁
26。顶部焊件板22、基部焊件板24和侧壁26一起限定出壳体20的中空内部，行星齿轮系布置
在该中空内部中。壳体20也可以具有在顶部焊件板22与基部焊件板24之间延伸以提供用于
侧壁26的结构支撑的侧凸缘28。在壳体的内部内，壳体可以设置有角撑板以提供附加的结
构支撑。壳体设置有在基部焊件板24与侧壁26之间延伸的下内部角撑板30。下内部角撑板
30可以以径向模式横跨基部焊件板延伸。壳体也可以设置有在顶部焊件板22与侧壁26之间
延伸的上内部角撑板(未示出)。行星齿轮系可以与离合器组件34接口。离合器组件34可以
从顶部焊件板22延伸到壳体的内部内。
壳体20的内部的一部分可以形成用于行星齿轮系的润滑系统的贮槽40。油供给、
过滤和加压设备46可以通过壳体的结构构件中的连接与壳体的内部连通。例如，来自油供
给、过滤和加压设备46的油可以被引导穿过顶部焊件板22。油供给、过滤和加压设备46可以
邻接于壳体的外部侧壁26设置。
如早前提到的，在一个方面，行星齿轮系统可以具有四个主要组件。太阳小齿轮50
可以用于向齿轮系提供高速输入。绕着太阳齿轮50，行星齿轮52可以以太阳小齿轮驱动行
星齿轮的状态布置。行星齿轮52可以由行星架54支撑。整个行星齿轮架组件(即，太阳齿轮、
行星齿轮和行星架)可以在环形齿轮56内侧转动。行星架54可以通过输出轴58被连接至低
速输出和从动设备。行星齿轮架54可以与输出轴58一体地或整体地连接。太阳小齿轮50可
以由输入轴60驱动。与太阳小齿轮50相反，输入轴60可以被开键槽并且凭借电机联接毂(未
示出)被连接至电机(未示出)。太阳小齿轮50可以沿着输入轴60与电机联接毂间隔开。齿轮
系统可以包括三个行星齿轮，它们可以被可转动地安装至行星齿轮架54。行星齿轮52可以
具有被安装至行星齿轮主轴66的行星齿轮轴承64。行星齿轮主轴66可以被安装至行星齿轮
架54，并且行星齿轮52可以凭借行星齿轮轴承64相对于其转动。环形齿轮56可以被安装至
包围行星齿轮52和太阳小齿轮50的环形齿轮架68。环形齿轮架68可以如下面更详细说明的
被支撑在壳体的中空内部中。太阳小齿轮50可以在相应的太阳行星齿轮啮合70处与行星齿
轮52中的每一个接合，并且行星齿轮52中的每一个可以在相应的行星环形齿轮啮合72处与
环形齿轮56接合。
离合器组件34可以包括活塞架76，其可以被安装在顶部焊件板22或取决于应用的
壳体的其他结构构件的底表面上。活塞架76可以具有环状槽78，离合器的活塞80在该环状
槽78中以往复的方式、例如附图中竖直上下地移动。活塞80可以形成为具有面对活塞架的
轴向端部82和施加压力以接合离合器34的轴向相反端部84的环状环。活塞的内径和外径在
活塞架面对轴向端部82与活塞压力施加轴向端部84之间延伸。活塞的外径86可以是大体圆
柱形表面。活塞内径可以形成有第一和第二壁表面90、92。活塞内径第一壁表面90可以形成
为使得其与第二壁表面92径向向内间隔开。肩部94可以在第一(即，径向向内)壁表面90与
第二(即，径向向外)壁表面92之间延伸。在第一壁表面90与第二壁表面92之间延伸的肩部
94可以是平坦的并且可以限定出大体平行于活塞的轴向端部82、84的平面。活塞80可以具
有围绕活塞周向间隔开的、穿过架面对轴向端部82形成到活塞的内部内的多个凹部96。各
凹部96可以包含弹簧98和弹簧保持器100。弹簧保持器100可以布置在凹部96中，其中弹簧
98作用在弹簧保持器100与活塞架环状槽78之间。弹簧98可以布置成将活塞80远离活塞架
76、即附图中向下推动。弹簧98可以被压缩地限制在凹部96中，如下面更详细地说明的。虽
然附图中示出了布置在多个凹部中的多个弹簧，但是活塞可以由一个螺旋弹簧或任何数量
的弹簧驱动，并且这样的弹簧或多个弹簧可以布置在活塞的环状槽中。
花键毂102可以从活塞架76或壳体的另一结构构件悬垂到壳体的内部内。花键毂
102可以具有大体包围齿轮箱输入轴60和行星架54的最上部分的内径104。花键毂102的最
上部的外径可以具有与活塞80的内径协作的几何形状。花键毂的最上部的外径可以具有第
一和第二壁表面106、108。花键毂外径第一壁表面106可以形成为使得其与第二壁表面108
径向向内间隔开。肩部110可以在毂外径第一(即，径向向内)壁表面106与第二(即，径向向
外)壁表面108之间延伸。花键毂第二壁表面108可以相邻环绕(circumsubjacent to)活塞
内径第二壁表面92，并且花键毂第一壁表面106可以相邻环绕活塞内径第一壁表面90。花键
毂肩部110可以面对活塞肩部94，并且也可以限定出平行于活塞轴向端部82、84的平面。花
键毂肩部110和活塞肩部94与活塞内径第二壁表面92和花键毂外径第一壁表面106的相应
部分可以限定出液压流体室112。在花键毂112被固定地安装至壳体20的状态下，液压室112
中的加压的液压流体可以允许活塞80相对于花键毂移动。密封件114可以设置在相应的花
键毂第一和第二壁表面106、108与活塞内径第一和第二壁表面90、92之间以将液压流体室
112密封。例如，花键毂第一壁表面106可以形成有用于将密封件114定位在活塞内径和花键
毂外径的第一壁表面90、106之间的环状密封槽。花键毂第二壁表面108可以形成有用于将
另一密封件114定位在活塞内径和花键毂外径的第二壁表面92、108之间的环状密封槽。密
封件114可以是四唇环式密封件，例如由Quadion,LLC供应的Quad-RingTM。尽管附图示出了
位于相应的肩部与活塞和花键毂的第一和第二壁表面之间的液压室，但液压流体室可以位
于别的地方，例如在活塞的轴向端部上。在替代方案中，毂和活塞的相对定向可以反向使得
毂相邻环绕活塞，并且结果是毂形成为使得其内径具有相邻环绕活塞外径径向向外壁表面
的径向向外壁表面和相邻环绕活塞外径径向向内壁部分的径向向内壁表面。在该配置中，
花键毂肩部和活塞肩部与活塞外径和花键毂内径的相应部分可以限定出液压流体室。
加压的液压流体可以被提供至液压室112以使活塞80移动。液压流体可以从壳体
20外部的泵和储蓄器(未示出)供给。在附图中示出的配置中，活塞80具有从活塞的外径86
向内延伸至密封件114之间的活塞内径外壁表面92的径向端口116、118。端口118可以被设
置用于将高压液压流体供给至室112并且端口116可以被设置用于使液压流体从室中释放。
端口116、118可以在活塞的外径上彼此在直径上间隔开。供给端口118可以将液压流体引导
至限定在活塞80和花键毂102的相应肩部94、110与花键毂第一壁表面106和活塞第二壁表
面92之间的液压室112。将高压液压流体引导到液压室112内允许活塞80抵着弹簧压力移动
到活塞架环状槽78内。使液压压力从液压室112中释放允许活塞80在弹簧压力下从活塞架
环状槽78中移出来。尽管附图示出具有与液压室连通的液压流体端口的活塞，但取决于毂
和活塞的配置(例如，毂相邻环绕活塞所处的定向)，毂可以具有液压端口，而不是活塞。
在花键毂102的第一和第二壁表面106、108的下方，花键毂的中间到底部部分可以
具有带有花键齿120的外径。齿120可以围绕花键毂102周向间隔开。各齿120可以沿着花键
毂中间到底部部分的外径轴向延伸。花键毂102的底部部分可以具有为花键毂与行星架54
之间的径向轴承122提供安装位置的内径。花键毂102可以具有被安装至其底部的保持器板
124。保持器板124可以径向向外延伸使得其在活塞80的压力施加端部84的下方且与之轴向
间隔开。
花键联接器130在花键毂102的径向向外并与之间隔开地布置。花键联接器130可
以是具有大体圆柱形外径132和带有花键齿134的内径的大体圆柱形构件。花键齿134可以
围绕花键联接器130的内径周向间隔开。各齿134可以沿着内径轴向延伸。花键联接器130可
以具有形成用于至轴承架138的连接的安装表面的向外延伸的凸缘136。轴承架138可以朝
向行星架54径向向内延伸。轴承架138可以通过被安装在轴承架与行星架54之间的径向轴
承140在其内径处被支撑。花键联接器130可以通过轴承架138被支撑在壳体的内部中。轴承
架138可以在花键联接器130下方支撑环形齿轮架68。环形齿轮架68可以支撑行星齿轮系统
的环形齿轮56。
花键联接器130和花键毂102可以各设置有用于在其间传递扭矩的驱动部分142、
144。例如，驱动部分可以包括布置在活塞的压力施加端部84与离合器组件保持器板124之
间的以叠片布置的多个离合器片。参见图5和图6，离合器片的叠片中的一组离合器片142可
以具有环状外径表面，其中花键形成在其内径表面上，并且离合器的叠片中的另一组离合
器片144可以具有形成在其外径表面上的花键以及环状内径表面。具有在其内径表面上的
花键的离合器片142可以布置成接合花键毂102的花键齿120。具有在外径表面上的花键的
该组离合器片144可以布置成接合花键联接器130的花键齿134。接合花键联接器130的离合
器片144可以具有布置在其轴向侧面上的摩擦材料145。接合花键毂102的离合器片142可以
是大体平坦的并且其表面未经处理。接合花键毂102的离合器片142可以在离合器34的接合
和分离期间是静止的。接合花键联接器130的离合器片144可以在离合器34未接合时转动并
且可以在离合器接合时变为静止。上述组的离合器片142、144可以以交替的模式布置在活
塞80与保持器板124之间的离合器片叠片中。压力板146可以布置在离合器片叠片与活塞80
的压力施加端部84之间。第二压力板148可以布置在保持器板124与离合器片叠片之间。可
以设置用于花键毂的一个离合器片和用于花键联接器的一个离合器片，或者可以设置任何
数量的离合器片。
活塞80可以对驱动部分142、144操作以使毂驱动部分和联接器驱动部分在接合位
置与分离位置之间移动。例如，在使毂驱动部分142和联接器驱动部分144移动至接合位置
时，活塞80可以通过由弹簧98施加的压力被驱动。在接合位置中，叠片中的离合器片142、
144可以在其各自的轴向侧面被压缩并摩擦接合以允许扭矩从花键毂102传递至花键联接
器130。这进而可以防止环形齿轮56转动并且可以允许输出轴58转动，如果齿轮箱输入轴60
在转动、例如当电机被通电时。在分离位置中，叠片中的离合器片142、144被活塞从压缩释
放以防止扭矩从花键毂102传递至花键联接器130。这进而可以允许环形齿轮56转动并且可
以防止输出轴58转动，即使齿轮箱输入轴60在转动、例如当电机被通电但是离合器被分离
以使负载空转时。活塞80可以被致动以实现在接合与分离位置之间的递增运动，以允许在
其间的各种量的滑动并且结果是允许各种水平的扭矩在花键毂102与花键联接器130之间
传递。这允许了可变的速度和扭矩控制。
活塞架76和花键毂102可以形成有通路150、152(图3)以允许冷却油被从油供给、
过滤和加压设备46抽取。花键毂102也可以具有形成在其中的为用于行星齿轮系统的润滑
提供油的轴向通道154(图2)。如在图3中最佳地示出的，用于离合器的冷却油可以被穿过活
塞架76的通路150引导到花键毂102内。花键毂102的通路152可以将冷却油引导至形成在花
键毂102的外径的中间部分中、例如在内和外壁部分106、108与轴向延伸的花键120之间的
油供给槽156。冷却油可以接着从油供给槽156轴向穿过花键毂102的花键毂120并且横向地
在离合器片142、144之间流动。油可以接着轴向流动至花键联接器130的花键134以将产生
的热从离合器组件中去除。冷却油可以从花键联接器130的花键134流动至离合器组件保持
器板124的径向向外的区域。密封件158可以设置在保持器板124与离合器片叠片的底部之
间以防止过量的油在离合器片叠片与保持器板之间流动，并且以将油流动引导至花键联接
器130的花键134。轴承架138可以具有从中穿过而形成的孔160，以允许通过花键联接器130
的花键134的冷却油被引导至行星环形齿轮啮合72，并接着返回至贮槽40。环形齿轮架68也
可以具有用以将油引导至贮槽的孔162(图3)。
如本文所描述的离合器34利用弹簧98使离合器接合并利用液压压力使离合器分
离。布置在活塞80的凹部96中的弹簧98推动活塞进入与压力板146、148的接合，并且推动压
力板和离合器片142、144进入彼此接合并抵着保持器板124。离合器34将环形齿轮56锁定并
防止环形齿轮转动，由此允许输出轴58转动。为了使输出轴58的转动停止，可以抵着弹簧98
的压力施加液压流体压力。结果是，压力板146、148和离合器片142、144与活塞80和保持器
板124可以彼此分离，由此允许环形齿轮56有效地从齿轮系分离。因此，要是液压系统故障，
离合器可以维持齿轮系与电机接合并允许从动设备的转动。
当电机被启动时，它通常在非负载状态下被启动。在电机启动前，液压压力被引导
至液压室112以使活塞80抵着弹簧98的压力移动以使离合器34分离。活塞80的压力施加端
部84使压力板146、148从离合器片叠片上释放并分离，由此有效地使环形齿轮56从壳体上
分离并允许环形齿轮转动。在离合器34分离的状态下，可以启动电机。环形齿轮56可以围绕
行星齿轮52转动，这防止行星架54和输出轴58的转动，并允许电机在非负载状态下启动。随
着液压压力被以受控的方式从液压室112中去除，来自弹簧98的压力可以迫使活塞80变成
抵着保持器板与离合器叠片的接合，并且来自离合器片142、144的摩擦可以引起环形齿轮
56减慢其转动并且此后允许输出轴58开始转动。当液压流体压力被完全地从液压室112中
去除并且弹簧压力完全迫使活塞80变成与离合器叠片的接合时，环形齿轮56可以被有效地
与壳体锁定并且齿轮系的所有转动运动可以被传递至输出轴58。较慢的速度和过载保护能
够通过用液压流体给液压室112加压去除由弹簧98施加在活塞80上的力中的一些而实现，
由此允许活塞在接合与分离位置之间递增地移动以根据期望实现齿轮系操作(例如，速度、
扭矩参数)。例如，施加至液压室112的液压流体压力的量可以被控制以控制输出轴速度和
过载扭矩。
因为当系统被断电时离合器被接合，所以可以使用逆止器、楔块离合器或超越离
合器来防止在电机电力故障和液压系统故障事件中的系统的反向转动。逆止器、楔块离合
器或超越离合器(未示出)可以位于电机上、例如在电机轴的相反的驱动端部上。这可以消
除在齿轮箱的内侧或在低速轴延伸部上布置防转动型装置的需要。
虽然附图示出被安装至壳体的结构构件的离合器，但离合器可以被安装至电机的
驱动端部的凸缘。电机凸缘可以与壳体顶部焊件板协作并且可以限定出包括了邻接于齿轮
系的输入轴的开口的壳体的中空内部。例如，电机凸缘可以包括以下中的任一个或所有：活
塞架、毂、联接器、活塞、离合器片叠片和保持器板。电机凸缘可以使电机与齿轮箱完全集成
或者电机凸缘可以被附接至齿轮外壳。
鉴于前述内容，将看到实现并获得了若干优点。实施例是为了更好地说明实际应
用而选择并描述的，以由此使得本领域其他技术人员能够最佳地利用如适合于所预期的特
定用途的各种实施例和修改。由于在不背离本发明的范围的情况下可以在本文所描述和图
示的构造和方法中进行各种修改，所以旨在前述描述中所包含的或者在随附附图中所示出
的所有事情都应该被解释为说明性的而不是限制性的。因此，本发明的宽度和范围不应该
由上面描述的示例性实施例中的任一个限制，而是应该仅依照以下所附权利要求及其等同
物来限定。