本发明总地涉及传递扭矩的啮合件，更具体地涉及具有自对准的单向特性的斜齿轮、锥齿轮和蜗轮副类型的齿轮啮合件。 斜齿轮、锥齿轮和蜗轮副应用广泛。在某一些实例中，希望扭矩是在齿轮结构的第一齿轮部件和第二齿轮部件之间沿着所述两齿轮的相对转动的一个方向上传递，而在两齿轮部件转动的相反方向上允许空转或者说没有扭矩传递。然而，想要在两齿轮部件之间提供这种单向传递扭矩关系，就需要包括许多运动部件的复杂的附加部件，不必要地增加了采用斜齿轮、锥齿轮或蜗轮副的设备的磨擦损失、磨损因素和重量。一种广泛使用的且结构过于复杂的具体例子是在大多数汽车传动装置中使用的行星齿轮机构。
如果能使这种齿轮结构紧凑、自身功能齐全、能自对准而无需外部装置，那就有利了。
为此，我发明了一种新颖结构地斜齿轮啮合件及输入/输出轴，其中扭矩在两齿轮相对转动的一个方向上从输入轴传递到输出轴，而在相反方向上输入轴不与输出轴接合从而使两轴可相对转动。而且，通过在某一特定取向的齿轮机构中的一个或所有两个齿轮部件内采用单向离合特性，我已能利用斜齿轮、锥齿轮或蜗轮副内产生的轴向力使单向离合机构保持在自对准或可靠接合状态。
本发明由构成一个齿轮副的第一和第二齿轮部件组成，其中一个连接于一输入轴，另一个连接于一输出轴，这样输入轴的转动能量通过这两个齿轮部件被传递到输出轴。与输入轴相连的第一齿轮部件和与输出轴相连的第二齿轮部件中的任一个或两个都由两部分组成，即由一内件和一外件组成，内件连接于各自的输入或输出轴，外件构成轮齿。内件上制有一个绕这一齿轮部件之转动轴线的呈低阶导数双曲面形状的内滚道表面，同时在靠近内滚道表面的第一或大直径端处制出一第一环肩。外件上制有一个绕这一齿轮部件之转动轴线的呈高阶导数双曲面形状的外滚道表面，可以有也可以没有与外滚道表面相连的环肩。内外两滚道表面处于面对面的关系而且在其间形成了将内件和外件隔开的一个环形空间。多个传递推力的圆柱形滚柱置于所述空间内。它们都雷同地相对于径向平面呈倾斜状态。每个滚柱沿内滚道表面的母线与此内滚道表面呈线接触，同时也沿外滚道表面的母线与此外滚道表面呈线接触。滚柱由与内滚道表面相连的第一环肩轴向支承。或者，第一环肩可以设在外滚道表面的第一或大直径端与外滚道表面相连。一个诸如止推垫圈之类的轴承件可以放置在滚柱之第一端和第一环肩之间以利于滚柱相对于环肩的滑动。
上述结构构成了一个装在一齿轮部件内的双曲面型的单向离合器，它根据与内件相连的输入轴或输出轴的相对转动并且外件是沿第一方向在内件和外件之间传递扭矩，但在相对转动的相反方向允许输入轴空转。
由于具有锥形的或曲线形的轮齿，斜齿轮、锥齿轮或蜗轮副类型的齿轮机构的独道之处是，当齿轮部件转动时有一个沿各齿轮部件的转动轴线方向的力。由于在空转时离合器的内件和外件趋于分离，从而使内外滚道表面之间的距离增大，因此将内滚道表面和外滚道表面布置成在空转时能利用这些轴向力将外件推向内件，从而使滚柱保持与内滚道表面和外滚道表面的可靠接合。
“可靠”接合是指每个圆柱形滚柱都沾着内滚道表面的母线与此内滚道表面呈线接触，而且，传递推力的圆柱形滚柱也沿外滚道表面的母线与此外滚道表面呈线接触。
本发明的一个目的是提供一种斜齿轮、锥齿轮或蜗轮副组件，其中在输入轴和输出轴的相对转动的第一方向上转动能量从输入轴传递到输出轴，而在相对转动的相反方向上输出轴从输入轴脱开。
本发明的另一个目的是提供一种简单的、紧凑的并且有效的斜齿轮、锥齿轮或蜗轮副类型的齿轮机构，它能自对准且因此能保持这种齿轮机构中的任何一个或所有两个齿轮部件的内件和外件之间的可靠接合。
现在将具体参照附图对本发明进行描述，本发明的这些及其他目的将变得很清楚。
图1是具有本发明特征的锥齿轮的正视图。
图2是沿图1中的2-2线的剖视图。
图3是沿图1中的3-3线的横剖图。
图4是具有本发明特征的蜗轮副的一个蜗杆的正视图。
图5是沿图4中的5-5线的剖视图。
图6是沿图4中的6-6线的横剖图。
图7是具有本发明特征的一个斜齿轮部件的部分剖视正视图。
图8是图7所示斜齿轮的分解图。
图9是装于一行星齿轮箱内的根据本发明制成的斜齿轮的部分剖视图。
图10是采用本发明的行星齿轮结构的行星齿轮箱的立体图。
现参照附图，图1-3显示了根据本发明的锥齿轮10，它用花键或螺纹之类的连接方式与一可机械连接的轴11连成一体，它包括一刚性连接于轴11的第一部件或内件12，所述内件上制有一绕齿轮10之转动轴线20的呈低阶导数双曲面形状旋转内滚道表面14。第一部件12上还制有一连接于内滚道表面14的第一端的第一环肩16。第一部件12还可以在其第二端制出一连接于内滚道表面的第二环肩18。
齿轮10的第二构件是一周向围绕着第一部件12的第二部件或外件22，外件22上制有一绕轴线20的呈高阶导数双曲面形状的旋转外滚道表面24并和内滚道表面14一起构成了一环形空间。多个传递推力的圆柱形滚柱28置于所述环形空间内，它们都雷同地相对于径向平面呈倾斜状态。每个滚柱28沿内滚道表面的母线与内滚道表面14呈线接触。每个滚柱28还沿外滚道表面的母线与外滚道表面24呈线接触。滚柱28由环肩16和18轴向地支承。环肩16和/或环肩18中的任一个可设置在外件22上。诸如传递推力的止推垫圈30之类的轴承件可置于滚柱28的第一端与环肩16之间，以利于所述滚柱在第一部件12相对于第二部件22旋转时相对于第一环肩16的滑动。类似地，诸如环形止推垫圈34之类的第二轴承件可置于滚柱28的第二端与环肩18之间，以利于在空转时所述滚柱相对于环肩18的滑动。一个油封32或用来密封的其他零件可置于第一和第二部件12、22之间在齿轮10的第二端和第一端处以防止润滑油的流出和污物的进入。在齿轮10的第一端附近也可设置挡圈36或其他定位件以使第一部件12和第二部件22轴向相对定位。
绕第二部件22的外周缘设有多个适于与一第二锥齿轮（未示）上的对应轮齿相啮合的倾斜的锥齿轮轮齿13。由于轮齿13的倾斜方向，在锥齿轮副的所有两个方向的相对转动过程中，有一在图2中从右向左的纯轴向力作用在第二部件22上。在第一部件12相对于第二部件22空转期间，此纯轴向力趋于使内外滚道表面14、24保持与滚柱28可靠贴合，从而在轴11进而第一部件12的转动从沿着顺时针方向（从图1右边看）转换到沿逆时针方向时不会有游隙或打滑。这一转向的改变在本发明的单向锥齿轮机构的传递扭矩方式和空转方式之间。
还考虑到对滚柱28提供润滑。为此，在限量螺栓40内设置一润滑油进入孔42以使润滑剂源（未示）与第一部件12的内腔室43实现流体连通。润滑剂因此可以通过把腔室43与内外滚道表面14、24之间的环形空间相连通的一个或多个径向孔44进入环形空间。润滑剂可由通道46从所述环形空间出来通过一个或一组径向孔48再经过轴11内的轴向孔50流出。也可以随意采用其他的润滑剂结构方案。可以采用诸如螺栓51之类的安装或连接装置，在这种情况下要有相应的轴向通路52，以便于润滑剂从其中经过。然而，这里揭示的特定润滑结构并不将本发明的范围限制于此。
现参照图4-6，它们显示了与可机械连接的轴61连成一体的蜗轮副的一个蜗杆。蜗杆60包括一与轴61刚性连接的第一部件或内件62。第一部件62上制出一个绕蜗杆60的旋转轴线70的呈低阶导数双曲面形状的旋转内滚道表面64。第一部件62上还可以在靠近部件62的第一端或大直径端处制出一与内滚道表面相连的第一环肩66。第一部件62上在靠近第二端或小直径端处还可制出第二环肩68。围绕第一部件62设置以绕其作单向转动的第二部件或外件72上制有绕轴线70的呈高阶导数双曲面形状的旋转外滚道表面74。表面64和74之间形成了一个环形空间，其内设置多个传递推力的圆柱形滚柱78。所有所述滚柱78雷同地相对于径向平面呈倾斜状态。每个滚柱78沿内滚道表面64的母线与内滚柱表面64呈线接触。每个滚柱78也沿外滚道表面的母线与外滚道表面74呈线接触。更好是，用一个诸如止推垫圈80之类第一轴承件设置于滚柱78的第一端和环肩66之间，以利于在以空转方式转动时所述滚柱相对于所述环肩66的滑动。类似地，用一个诸如止推垫圈84之类的第二轴承件设置于滚柱78的第二端与环肩68之间以利于滚柱78相对于环肩68的滑动。
诸如油封82之类的密封件可置于第一部件62和第二部件72之间，以防止润滑剂流失或污物进入。
可以设置润滑结构，比如用限量螺栓90内的润滑剂进入孔92使润滑剂源与内腔室93形成流体连通，而内腔室93又通过孔94与表面64、74之间的环形空间形成流体连通。从而润滑剂可在滚柱之间自由流动，由于离心力的作用并且由于倾斜滚道表面64、74的扩散结构，润滑剂从内外部件62、72的第二端流向第一端。润滑剂经通路96和一个或一组径向孔98流至轴61内的润滑剂出口孔100。可采用诸如螺栓101之类的连接件把蜗杆60连接到一机器部件上，在这种情况下应当有相应的轴向孔。
如同图1-3中的实施例那样，润滑结构仅作为例子而不用来限制本发明的范围。也可设想能为所述滚柱提供润滑剂的任何其他方式。
图7-8显示了与轴111连成一体的斜齿轮组件110，而轴111又可连接于一机器部件（未示）。齿轮组件110包括一刚性连接到轴111上的第一部件或内件，第一部件上制有一绕齿轮110的转动轴线120的呈低阶导数双曲面形状的旋转内滚道表面114。第一部件112上第一端或大直径端在其制有一连接于内滚道表面114的第一端或大直径端的环肩116，齿轮组件110还包括一围绕着第一部件112设置的第二部件或外件122，所述第二部件122上制有一绕轴线120呈高阶导数双曲面形状的旋转外滚道表面124，表面114和124相互面对并在其间形成一环形空间。第一部件112上还可制有一与第一环肩116相对的第二环肩118，第二环肩118在靠近第一部件112的第二端或小直径端连接于内滚道表面114。第二部件122的外圆周表面连接有制成适于与相应齿轮的相应轮齿（未示）相啮合的斜轮齿126。
多个传递推力的滚柱128置于内外滚道表面114、124之间的所述环形空间，每个所述滚柱128与通过轴线120的各径向平面成一角度，这样每个滚柱128就沿内滚道表面114的母线与此内滚道表面114呈线接触，而且每个滚柱128也沿外滚道表面124的母线与此外滚道表面呈线接触。环肩116、118可轴向支承滚柱128。可用一诸如第一环形止推垫圈之类的第一轴承件置于滚柱128之第一端与环肩116之间，以利于在第二部件122相对于第一部件112以空转方式转动时滚柱128相对于环肩116的滑动。类似地，还可用一诸如环形止推垫圈134之类的第二轴承件置于滚柱128之第二端与第二环肩118之间以利于前述的滑动。
在这一较佳实施例中，齿轮组件110设有可为滚柱128提供所需连续润滑剂流的润滑结构，以保证其平滑的运转性能。为此，螺栓140的中心设有一润滑剂进入通路142，使润滑剂源（未示）与润滑腔室143形成流体连通。腔室143又通过径向设置于第一部件112内的孔144与外滚道表面114、124之间的环形腔室连通。可以用多个这样的孔144来增加润滑剂的流量。在离心力作用下，所述润滑剂从靠近第二止推垫圈134的第二端流向靠近第一和第二部件112、122的环肩116的第一端，并经周向通路146流出环形腔室，接着流经一个或一组径向孔148，并最后经位于轴111中心的润滑剂出口通路150流出齿轮110。
应该理解，图7至图9中为本发明提出的润滑结构也可以随各种情况而变化。因此，所示的具体结构只作为例子而不能用来作为对本发明之范围的限制。
图9-10显示了将齿轮组件110应用于以内燃机为动力的所有汽车的变速箱中的行星齿轮箱体160的一种情况。在这种方式中，通过以图7-8的行星齿轮110取代行星齿轮和现在使用的远离行星齿轮设置的惰轮，可使现有行星齿轮系统的重量显著减小并可消除其与惯性有关的制动损失。可用任何现有技术方法将齿轮110组件固定于行星齿轮部件160，比如将轴111压配入行星齿轮部件160内的对应孔161中。然后用比如螺栓162之类的适当连接件将齿轮110组件连接于部件160。如果图9所示的结构中采用各图中提出的润滑结构，润滑剂出口通路150应当通过在螺栓162内制成的孔164与变速箱内部流体连通。
采用包括两部件（即双曲面内滚道部件和双曲面外滚道部件），以及置于其间的与内外滚道表面都呈线接触的传递推力的圆柱形滚柱的斜齿轮、锥齿轮或蜗杆的主要好处是在这些机构中产生的轴向力，亦即沿齿轮转动轴线的力实际上迫使内外滚道表面保持与滚柱线接触，以便当外滚道部件从相对于内滚道部件空转变换到向或从内滚道部件传递扭矩时可减小或消除内外滚道件之间的游隙或打滑。由于倾斜的内外滚道表面连同与其呈接触的滚柱构成了双曲面型的单向离合器，其结构和性能在我1989年3月提交的待批美国专利申请No.07/418，795中已充分揭示，在这里其揭示内容仍引为参考。当内滚道件相对于外滚道件作空转时，由于在空转状态下滚柱和两滚道表面间产生的切向摩擦力，内外滚道件在空转期间趋于沿轴向相互分离，这样就趋于增加内外滚道表面之间的距离。由本技术领域内人所共知的斜齿轮、锥齿轮和蜗杆产生的轴向力可用来抵消在空转期间离合器内产生的这些分离力。应当这样选择图2、5和7所示的齿轮部件的内外滚道表面的方向，即要使外滚道件与相应的齿轮部件相啮合工作时产生的轴向力趋于使外滚道件沿轴向向内滚道件的第一端或大直径端移动。对于图2所示的齿轮结构，由于外滚道件的有轮齿13的表面呈一定角度，外滚道件22会被迫移向图中的左边。在图5所示的实施例中，外滚道件72会被移向图中的右边，应采用适当旋向的螺纹63，以在空转期间产生一将外滚道件72推向图5中之右方的纯轴向力。类似地，对于图7所示的实施例，由于所选择的轮齿126的旋向和外滚道件122相对于内滚道件112空转时的旋转方向，在这样的空转期间将有一纯轴向力作用于外滚道件122上而趋于使其移向图7的右边，从而保持滚柱128和内外滚道表面114、124之间的线接触。在这种方式中，在空转期间滚柱和滚道表面之间的线接触不会中断，这样，当内外滚道件112、122间的相对运动方向改变以使内外滚道件之间通过传递推力的滚柱形成锁定即传递扭矩的接合时，不会有任何打滑现象发生。
图10显示了装有多个按本发明制造的行星齿轮部件110的行星齿轮箱160。行星齿轮110以众所周知的方式绕太阳轮（未示）旋转。有了单向的斜齿轮110，通常与齿轮箱160一起使用的惰轮就不需要了，从可减小整个行星齿轮装置的重量和尺寸。
在这里以认为是最实用且较佳的实施例显示和描述了本发明。然而应当认识到，在本发明的范围内仍可做出多种变型，本技术领域的熟练人员将能想出明显的更改。