专利名称：单向离合器以及可逆的单向离合器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机械连接装置，例如“空程离合器”或者“单向离合器”；还涉及一种装置，其具有能够应用对置元件间扭矩的机构，该机构可在由上述元件的相对转速确定的一个方向上传递转动，而不是在其他的方向。
背景技术：
空程离合器由连接在一对共轴的轴之间的内控连接装置构成。通常多组可逆锁紧机构沿周向排列设置。单向离合器可以当两个元件在第一方向(例如正向)上产生相对运动时，使第一元件相对于第二元件自由相对运动(空转)，而不是使上述相对运动变为负向。只要上述相对运动变为负向，该离合器就会锁紧这两个元件。单向离合器可以作为一种等效于电子二极管-仅在一个方向上传递能量的装置。
空程或单向离合器用于多种机械工程领域。举例来说，自行车链传动装置具有棘轮式单向离合器，以防止骑车人在骑行过程中车轮转动上述链和曲柄。它们用于地面车辆上的自动变速器。它们还用于由往复动作驱动的发电机内产生电能的设备中，这些往复动作可以是来回的波动。
现有的单向离合器根据不同的锁紧机构可逆地锁紧第一和第二轴。一类锁紧机构就是棘轮式，在第一装置上具有一个或多个弹簧加载的棘爪(也称为压杆)，能够和第二对置的装置上对应数量的卡槽可逆地配合。除非采用反向步骤，不然在空程或具有齿隙时，这类机构通常会产生咔哒声，在和棘爪配合时，能够产生直接有效的耦接扭矩，而并不会对材料过分压紧。另一类是涉及在配合时堵在锥形槽内的压杆、支柱、球或辊之间的楔塞作用。通常，多组锁紧机构沿周向设置。尽管这些单向离合器相对没有噪音而且齿隙也很小，但是上述楔塞作用还是会固有地在压杆、支柱、球或辊相接触的小表面区域上集中很大的应变，并由上述锥形槽的切线方向和过大的扭矩所放大。这种楔塞作用(在小齿隙之后)明显地改变了施加到每单位面积上的应力。在上述表面上，材料很可能产生永久变形，因此单向离合器通常寿命很短。
再转回来看棘轮式机构，有一种特定的径向平面单向离合器，利用弹簧加载棘爪(压杆)在各个元件之间可逆连接。现有的这种单向离合器在零件转动到啮合位置而锁紧在一起之前，可以进行一定量的反向运动(例如齿隙)。在正向啮合时会产生动量，因而在接触时就会产生冲击，这非常有害。材料就会在一定程度上产生疲劳(如果仅在几个周期之后)，因此离合器零件必须足够可靠，以抵抗故障。如果是包括单向离合器的发电机器，则这种齿隙运动会产生可影响多个传递元件的、且相当大的力。
振动或噪音是其他可能的问题。如果使用弹性件来减震，则会发生所不希望的共振，该弹性材料也会产生故障。
没有现有技术相关于实例A或实例C(在下面将进行叙述)。对于实例B，现有技术中的偏压装置缺乏方向感应，这是公知的；大部分是弹簧。对于噪音问题，Ruth(US6116394)提供有一种运行轨的方案。
发明内容
本发明的目的就是提供一种改进的单向离合器，或至少能够为公众提供有用的选择。
在第一方面，本发明提供一种单向离合器，在具有旋转轴线的第一可旋转轴和具有共轴的旋转轴线的第二相邻旋转轴之间进行连接，该单向离合器能够在第一轴在啮合方向相对第二轴旋转时连接这些轴，但并不在第一轴相对第二轴反向旋转时连接这些轴，其特征在于，该单向离合器包括保持在第一轴上的第一支承架、板或环，该第一环支承着第一整数n个的棘爪件，该整数大于一，每一棘爪件具有由刚性部分分开的自由端和支承端，每个棘爪沿上述第一环的第一端面上的共轴位置均匀间隔开，每一自由端都朝向第二支承架或环，该第二支承架、板或环保持在上述第二轴上并靠近上述第一环，该第二环承载着第二整数m个卡槽，该第二整数也大于一，每一卡槽均能够容纳上述棘爪件之一的自由端，每一卡槽均沿上述第二环的第二端面上的共轴位置均匀间隔开，每一卡槽均能够可逆地和相对的棘爪件相啮合，其他特征在于，上述整数n、m并不相同，从而增大了在任意时刻在旋转方向上任一棘爪的自由端靠近一个卡槽的可能性，因而相比m＝n的情况，在使用过程中在至少一个棘爪件和相邻卡槽啮合之前，啮合方向上的所需旋转量就得以减小了。
优选的，可选择整数n、m，以便于在使用过程中可以同时沿上述共轴轴线以对称方式使多于一组产生啮合，每组均由一个棘爪件和相邻的卡槽构成，从而将这些棘爪和相邻卡槽之间的载荷分配开，将离合器内的不均匀应力降为最低。
在一个相关方面，上述单向离合器包括在棘爪侧面所依靠的每个卡槽上的弹性表面，用以在处于啮合位置时稍微改变棘爪件的转角，因而至少能够部分地补偿相对的尺寸缺陷，从而有利于在多于一个的啮合组之间均匀分配载荷。
优选的，上述单向离合器包括从每个棘爪件侧面延伸的弹性突出部，当处于啮合位置时，该弹性突出部和卡槽侧面相接触，用以在处于啮合位置时稍微改变棘爪件的转角，因而至少能够部分地补偿相对的尺寸缺陷，从而有利于在啮合的棘爪和卡槽对之间均匀分配载荷。
在第二方面，本发明提供一种如前所述的单向离合器，其特征在于，随方向而异的偏压装置被应用到单向离合器的每个棘爪件上，因而在使用过程中当单向离合器的第一、第二环在啮合方向上相对运动时，每个棘爪件会被偏压到对应的卡槽内，并在惯性方向运动时从相应卡槽内缩回。
优选的，上述随方向而异的偏压装置包括(1)由第一端固定延伸到棘爪件的连杆的一侧的杆件，其垂直于棘爪件的旋转轴线，以及(2)上述杆件的第二自由端，和对置的板或环的侧面拖动接触，因而在使用过程中啮合方向上的相对运动会向上述连杆施加一个由拖动接触产生的力矩，使棘爪绕棘爪旋转轴线转动，从而向对置板或环上的卡槽之外运动，因而在惯性方向的运动会使棘爪件缩回。
优选的，上述棘爪件可绕上述旋转轴线惯性平衡，因而加速度不会偏转。
一种拖动接触设置就是在上述杆件的自由端和上述对置环或板的侧面滚动接触的后倾轮。
可选的，上述后倾轮的旋转轴线并不平行于单向离合器的旋转轴线，因而在使用过程中拖动量就增加了。
另一种拖动接触设置就是在一个杯内容纳的球，在上述杆件的自由端和上述对置环或板的侧面滚动接触。
优选的，支承着和上述对置环或板的侧面滚动接触的自由端的上述杆件在单个轴线上具有弹性(例如借助于片簧)，因而在使用过程中，上述自由端就和上述表面保持拖动接触。
在一个补充方面，上述随方向而异的偏压装置包括线性的倾斜磁化带，其被压刻入承载着卡槽的环的铁磁硬质表面，在和承载上述磁化带的表面重叠的位置上，该磁化带中的任一个都能够和刚性安装到棘爪件一侧上的铁磁件相互作用，因而在使用过程中在啮合方向上会朝向上述铁磁件吸引，从而将棘爪件拉出对置环上的卡槽，因此在惯性方向上的动作会排斥上述铁磁件，继而使其缩回。
优选的，上述铁磁件为强磁性的硬质件，以互补的形式磁化上述环的表面。
另一种拖动接触设置就是在压刻到上述第二支承架的相邻表面内的螺旋肋板上利用粘性材料(例如油脂)。
再一种拖动接触由在第二支承架的相邻表面上滑动的跟踪接触臂构成，该接触臂能够由压刻在上述第二支承架表面上的螺旋肋板导引；螺旋牵引上述接触臂，从而在产生齿隙时将棘爪推进卡槽内。
在第三方面，本发明提供一种“蜗杆式离合器”；一种如前所述的单向离合器，其特征在于，该单向离合器包括能够在齿轮联轴节内进行可逆地连接和拆开的齿轮传动系，其包括第一齿轮和第二齿轮，这种连接的特征在于在动力经由齿轮联轴节从第一齿轮传递到第二齿轮时进行正向动力传递，当动力从第二齿轮传递到第一齿轮时进行负向传递。
优选的，单向离合器包括由第一轴转动的齿轮系；上述齿轮系包括可控齿隙量或空转量，上述齿轮系的第一齿轮支撑在输入驱动轴上；该齿轮系支撑在可旋转的框架上，该框架固定到第二轴上；该齿轮系终接着和蜗轮啮合的蜗杆，该蜗轮固定到第一轴上，其特征在于，该齿轮系的传动比能够在使用过程中使蜗杆的螺纹以相同速度和蜗轮的齿行进，且可设定上述可控齿隙，当第一轴在惰性或空转方向转动齿轮系时，上述蜗杆的旋转螺纹能够基本上没有摩擦接触地经由上述转动蜗轮的齿，而当上述第一轴在啮合方向转动上述齿轮系时，上述可控量齿隙就会暂时中断对蜗杆的传动，因而在蜗杆的螺纹和蜗轮的齿相摩擦，所以使上述框架旋转，从而使上述第二轴旋转。
尽管可在齿轮系自身内任选齿隙的大小，但是优选的，还可以借助于调节至少一个挡齿(dog teeth)和至少一个爪形离合器之间的转动间隙量来确定上述可控齿隙或空转量，上述爪形离合器设置在齿轮系的驱动轴和第一齿轮之间。
在一个补充实例中，在使用过程中通过改变角位移的定向，也可以相对上述挡齿所经由的第一齿轮使单向离合器进入啮合模式的相对转动方向翻转。
附图简述这里所提供的发明叙述仅仅通过实施例来说明的，并不是对本发明的范围或程度进行限制。
图1是示出了实例A和B中单向离合器部分在分离模式的视图。
图2是示出了图1中单向离合器部分在啮合模式的视图。
图3是示出了实例A和B中单向离合器的互锁元件在分离模式的视图。
图4A示出了具有10个“啮合区域”的第一面板、具有9个“啮合区域”的第二面板以及这两者相覆盖时可能的重合点(至多一个)。
图4B示出了具有16个“啮合区域”的第一面板、具有20个“啮合区域”的第二面板以及这两者相覆盖时可能的四个重合点。
图5A是棘爪和相应卡槽的简图。
图5B是重量再分配的棘爪简图。
图5C是重心在转轴上的棘爪和相应卡槽的简图。
图5D示出了具有附加弹性的棘爪。
图6A示出了一种后倾系统，根据离合器部件的相对旋转运动，推拉每一个棘爪进入或离开啮合位置。
图6B示出了一种磁力系统，根据离合器部件的相对旋转运动，推拉每一个棘爪进入或离开啮合位置。
图7是一种具有下置后倾轮的棘爪简图。
图8A是一种“蜗杆式离合器”的简图，单向离合器在框架内设置了齿轮系。
图8B是蜗杆和蜗杆式离合器之间关系的截面图。
图9是上述具有传动选项的齿轮系和蜗杆简图。
图10是单向离合器的轴侧视图，利用了沿转轴对称的平衡棘爪和相应卡槽。
本发明由三个新颖的单向离合器单独组成或它们相结合。(A)是一种相匹配棘爪和卡槽的“游尺”式微调设置。(B)包括根据转向使棘爪进入或脱离卡槽的方向感应系统。(C)是另一方面，在框架内可利用可锁定齿轮系，在一个或别的相位驱动蜗杆，从而驱动蜗轮。
实例A(游尺微调原理)本发明这个方面的这种单向离合器可以依靠相应棘爪和卡槽(等结构)借助于在棘爪和卡槽之间产生“游尺”关系，而不是1∶1地对应关系(其中每一主动杆和从动杆上的数字都相同)来减少噪音、齿隙或空转。举例来说，在测微计和游标卡尺领域，游尺微调原理已广为人知。
图1-3示出了利用上述游尺微调原理的棘爪卡槽式单向离合器。101、102表示连接到共轴的第一和第二轴上的环部。在图1中，注意到由于在相对面上数量的不同，所以卡槽105A、105B和105C都不同程度地和相邻的棘爪103、104和105步调不一致。在图2中，注意到棘爪103C处于使离合器啮合的位置上，103D处于卡槽内，但并不接触，103B还不能进入卡槽内。根据该实例，如图4A和4B的X光透视图中所示，有n个均匀分布的卡槽和m个均匀分布的棘爪(n，m为互不相等的整数)。在图4A中示出了在1100上的9个卡槽(或棘爪)，在“环”1101上的10个互补的棘爪(或卡槽)。在这两个环的重叠部1102中，只有一个啮合的棘爪在1103处固定到匹配卡槽内。因此这个实例的最大齿隙就被减小了9倍，从360/10＝36度到[360/10-360/9]＝4度。
利用单点啮合在某些场合下也有缺陷。尽管在第一啮合位置处减小了最大冲击(动能)传递(参看示意性图表1)，从而减小了磨损和可能的损坏，但是它是非对称的，所有的动力都要经由单个连接件传递。优选的是，在单向离合器转轴轴线的每一侧上都对称地设置有啮合处，选择n、m，从而使多于一组的、沿上述转轴对称设置的棘爪-卡槽匹配并啮合，从而减小轴承上的偏心载荷。
图4B示出了其他的多啮合位置。在该示意性实例中，m为20(环1201)，n为16(环1200)。这m个棘爪中任一个的径向位置和这n个卡槽中任一个位置相重合的地方都会接触(啮合)。图4B示出了在重合位置1202(m＝20，n＝16)时，四个在1203A、1203B、1203C和1203D处同时啮合的位置。下列表1示出了一些变化。标有“最大冲击”的栏表示单向离合器中冲击的通常旋转动能。“最大冲击”这个概念是假定在最差位置上出现的啮合。标有“每棘爪的最大冲击”包括同时接触的棘爪数量，足够精确的制造条件等。尽管说明书仅涉及环(环状结构)，但是上述棘爪和卡槽也可以安装在对置的板上或其他平面上。
表1啮合条件，假定为20个棘爪。
注意表1中的第一排是一种现有技术配置。在最后一排中，1个棘爪和20个卡槽是一种应用到自行车轮上的现有技术，其中n、m是不同的，不能减小(一个棘爪)齿隙。棘爪和卡槽数量可彼此不同。在仅有一个棘爪进行啮合的地方，任何一个棘爪都应该能够根据本发明中的离合器，至少承受所传递的总动能。即便如此，也能够实质上减小最差情况的冲击。在该实例中，在最差情况下，19，18或16个卡槽的条件通常会分别减小啮合时产生的瞬时应力19倍，9倍或4倍。在很多情况下，当n和m相差两倍左右时，本发明就可以达到发明目的，起始数为现有单向离合器中棘爪/卡槽数量中的偶数。当n、m相差两倍时，两组沿转轴对称设置的棘爪和卡槽，就能够以对称方式在上述离合器内承载所传递的动能。对于技术人员显而易见的是，根据本发明的游尺微调结构，在不同场合下，也可以利用多个数字。
将上述游尺微调原理应用在上述实例中的通用公式如下a为整数且≥1(a越大，齿隙越小)b为整数且≥1(b越大，齿隙越小)m为a和b的乘积，即m＝abn为(a+1)和b的乘积，即n＝b(a+1)对于一周期360度来说，重合点的数量＝b，最大齿隙为(360*b)/(m*n)
举例来说，取a＝17，b＝3。
m＝17×3＝51。n＝18×3＝54重合点b＝3。
最大齿隙＝(360*3)/(51*54)＝1080/2754＝0.392度。
对于棘爪和卡槽的间距，磨损、噪音和振动均可以由“游尺微调”方式来减小。假定可以利用弹簧等偏压装置，根据本发明，离合器内的所有各组棘爪和卡槽就不会再同时产生咔哒声；此时彼此相间隔，从而免于碰击。如果m＝20，n＝19，则每周会碰击大约380次，单个棘爪和卡槽组中的每一个均会减小高频噪音，而且还比初始的噪音更易被吸收。而在现有结构中，n、m＝20，所有20组棘爪和卡槽每转均会碰击20次。
由于即使最差的齿隙也要小于现有技术，所以当单向离合器开始动作时，任何有关冲击的振动或噪声振幅都会减小。这是因为相对的转动件在单向离合器动作之前都不能够产生大量的动能。这就特别适合于输入能量波动的风力发电机等大型能力转换装置和一些海水波浪发电的装置中。该啮合冲击会对动力传动装置的多个连接件产生过大载荷，导致不同零件产生故障。如果这种啮合冲击是棘爪磨损的主要原因，棘爪为了优化可以做得更小或更轻。质量小即意味着运动快。如表1所示的实例中，本发明很少有耗能(反向)运动。
这种设计使改进的单向离合器能够适合于新零件或作为多种单向(或超越)离合器的更换零件。
实例B实例B对棘爪提供有随方向而异的偏压，根据轴的相对驱动方向，将这些单向离合器的连接件在啮合模式和分离模式之间进行切换。每当单向离合器在空程方向操作时，使棘爪边缘在啮合反方向经过卡槽边缘掉入卡槽内，现有技术中恒定的弹簧偏压力就会使摩擦元件产生磨损，并引起“拍击”声。尽管可以独立完成，但是本发明的这个方面还可以是对实例A的补充。实例B提供了一种装置，根据单向离合器轴的相对运动，能够产生特定的啮合。
根据本发明的一种棘爪式结构如图5A所示，其中棘爪103由一个能够到达在单向离合器另一个环上的邻近卡槽的端面503、为棘爪提供刚性轴或臂的本体503、以及圆轴承面502组成，(a)该轴承面与可选安装孔501同心，而棘爪可以转动，以便于切换啮合突出状态和分离隐藏状态；(b)该轴承面可设置在环102(参考图5B)内的圆腔内。在啮合过程中，在端面503和圆面502之间承载着推力。棘爪的高度可以根据应用而各不相同；更长的表面能够更安全地承载更大的动力，只不过质量大的移动得比较慢而已。尽管可以将上述环绕的接头部进一步绕着棘爪的圆表面拉伸，然后利用卡簧防止棘爪弹出或掉出，从而来替换保持螺栓104(例如图1a-c中的有头螺钉)，但单个的保持螺栓却更容易组装和维修。可选的，上述棘爪可以固定在保持架等壳体内。枢轴通常不会承载载荷。可选的，上述端面503为倾斜的，以便于在卡槽内能够可靠地正向啮合(确定棘爪是否被推进卡槽内)。优选的，上述端面的姿态使其基本上可以和单向离合器的另一个环101上形成的卡槽的整个表面506相接触。这个表面506可以稍微有些下凹。
由于棘爪传递的大部分力都在棘爪端部503处产生，而不是沿着和环101接触的上述本体504的侧面(参考图5A)，就有可能将弹性材料放置到卡槽105的任一侧了，或者(参考图5D)放置到棘爪杆504的内部518中，以便于对结合轮廓稍有变化，使每一棘爪绕其旋转轴线的角度稍有改变，从而在同时使用时平衡各组棘爪卡槽之间的载荷。在其他制造步骤完成之后，也可以将涂层或嵌层应用到每一个棘爪上，这样也是很方便的，即使这些涂层磨损，也能容易地进行更换。
说明书中叙述或示出的某些棘爪，显示出由于质量问题使之不足以沿作为重心的旋转轴线平衡。如果整个装置被加速，则不平衡的棘爪会产生转动动量从而导致偏转，对单向离合器的正常操作产生影响。
在施加有偏压力而不能控制(重力等)加速度的地方，提供一种惯性平衡棘爪是非常有用的。图5A中的棘爪可以制造得惯性对称，例如去掉部分沿上述本体延伸的质量，如图5B所示，507表示一个腔。图5C是改进棘爪沿重心惯性对称的简图。在图5C中，示出了单向离合器的一部分，对置的环101、102包括游尺设置；示出(沿安装轴线516转动)的棘爪509处于啮合位置上，在此处其能够在环101的卡槽510和腔515的曲面之间传递应力。在图5C中，突出部514使用另一种方式来防止在超越模式中棘爪从卡槽中脱离。图10示出了根据本发明的整个离合器的实际实施例。
从每个棘爪开始延伸并和承载着卡槽的环101相互作用，可以产生一种随方向而异的偏压力，使每个棘爪沿其旋转轴线转动。参见图6A、6B，7，10，均示出了一些可能的选择。一个轮401可固定在杆402的端部上，进而固定到每一棘爪(参看图6A，7)上。杆402具有弹性(可为片簧)，能够被调节，以便于提供将上述轮抵靠在表面上的力，并包括下置的可(相对)移动的环。可替换的，上述轮(和/或衬板)可由橡胶等弹性材料覆盖。上述轮和衬板之间的任何摩擦都能够提供转动动量，可以在离合器啮合时即环101相对环102移动到右侧时使棘爪进出卡槽。优选的，如图所示，上述轮的轴安装在相对下表面101的运动方向成一个倾角的位置上，上述轮的侧面靠在衬板上的摩擦就会拖动上述杆402，向棘爪提供更有方向性的扭矩。由于注意到上述轮和表面101之间的磨损，所以这种方式很有益处。利用一个第一表面可能是片簧(参看图10中的1008)的一端超越一个第二表面会更好。优选的，可通过较粘的润滑剂来避免接触摩擦。如有需要，偏转角度应该足以使棘爪运动。但在空转期间并不会过度磨损。在这种情况下，上述片簧能够容易地产生无关于磨损的接触，而不是现有技术中的非定向恢复力。
另一种随方向而异的偏压装置(参看图6B)为在杆601端部上的大量软磁铁602，其能够由压刻在表面之下且重复排列的倾斜磁极603、603’所产生的牵引作用拉出或推入。这种压刻的磁极能够产生沿磁极集中的磁场。例如可将一个坚硬的铁氧体轴环进行磁化或者具有合适形状绕线的磁性铁(也许还可以利用铁或铁氧体的居里瞬变温度)来进行上述压刻。这种方式的优点在于在每一块铁及其下面的移动环(表面)之间没有实际摩擦接触。尽管常时间空转会将粘性材料加热，从而降低其牵引性能，但是脂等粘性材料和螺旋型肋板模式相结合仍能够以相类似的方式工作。可替换的，使用一个物理性探针跟踪上述肋板的轮廓，从而相应地牵引每一棘爪。对本领域技术人员显而易见的是，还有多个其他的方案能够提供随方向而异的偏压力。举例来说，弹簧等元件通常会施加一个向外的推力，而在第一方向的相对运动过程中，弹簧的动作被上述随方向而异的偏压装置反向，因此单向离合器就具有一种可备用的偏压装置。
图7A示出了轮401如何安装到杆702上，以便于其可以在环101下面旋转。图7示出了另一种方案；即在杯401内(最好具有润滑剂)具有转动的球。为了清楚起见，这里就不再叙述棘爪质量的平衡问题了。
图2和3示出了离合器的动作。图3示出了在后倾或空转模式中的离合器，在环101、102之间相对运动，图2示出了在啮合模式中的离合器，其具有承载推力的棘爪103C，在上述环面之间没有相对运动。
图10示出了利用前面叙述过的原理的实际单向离合器。1000为第一轴；1004为第二轴。轴承1001、1005支承上述轴。护罩由杯1003和盖1002构成。第一环101包括卡槽和突出部(参考对图5C的描述，图5C是对图10中离合器操作部的放大视图)。在1006、1007处，两个棘爪和它们相关的枢轴装置以“分解视图”示出，1008是1006的放大部分。这些棘爪沿旋转中心平衡。每一都包括定向转矩施加装置1008形式的片簧(类似于图7A、7B中的机构)，其在环101内侧延伸。该片簧由在单轴线上具有弹性的元件构成，且可保持自由端和上述表面拖动接触。
实例C这里，该实例是指“蜗杆式离合器”。在这种单向离合器中，在和蜗杆表面啮合时产生推力，而不是碰撞柱，辊，棘爪等。该实例(参看图8、9)利用一些高传动比齿轮传动件固有的负效应，例如但并不局限于驱动蜗杆的蜗轮等，传递不能可逆的动力。施加在蜗杆表面上而产生旋转的应力矢量非常小，而并不能克服摩擦。
图8A示出了整个结构。第一轴801牢固地连接到蜗轮814上并经由在腔内的齿901，该腔内设置有爪形离合器807，用以控制到同心的第一驱动齿轮806的齿隙量。该第一齿轮还可以是伞齿轮。框架800可自由(通过轴承802)绕第一轴801旋转。支承齿轮系和蜗杆813的该框架800在815处刚性连接到第二轴803。由第一轴801驱动的齿轮系806、808、809、810包括直角驱动机构，并能够在第一相(自由，没有接触)或第二相(接触而具有静摩擦)相关于蜗轮814驱动蜗杆813，否则速度将相同。当在第一方向驱动上述装置时，离合器空转并没有被驱动，从动齿轮系使上述蜗轮在某一速度下旋转，使转动蜗杆813的螺纹基本没有摩擦地或有摩擦地经由蜗轮814的各齿之间。实际上相对于输入轴，蜗杆813自身以上述框架的转动速度绕蜗轮814转动。是否同步由齿轮比来确定。在建造或安装过程中设定合适的相位。在该空转方向，上述齿轮自由转动，上述框架并不会受迫旋转，在输入轴801和输出轴803之间没有连接结构。
下面来看图8B，详细示出了蜗杆813和蜗轮814之间的啮合情况，在纵向截面图中示出了在分离位置(左面，815处，没有接触)处、在817处的第一相对方向旋转啮合时以及另一种在818处的第二相对方向啮合时情况。在通常的使用中，该系统可在815和817之间更替，或者在重新设置之后，在815和818之间切换。
可控齿隙的作用就是可将蜗杆2稍微沿着蜗轮移动-类似于在AC电信号的相位上变化。在接触时，只要蜗轮814锁定在蜗杆813上，离合器就会啮合，因此框架800由第一(输入)轴801而自转，所以驱动第二输出轴803。尽管其他的结构中具有双蜗轮从而保持平衡，但是也可以利用平衡重805平衡上述机构。应该注意，驱动动力也可以从第二轴803输入而从第一轴801输出上述蜗轮式离合器。
另外在操作和被锁定这两个相对的方向上，该蜗轮式离合器是可逆的。通过改变对应于可控齿隙的零件，上述相对方向使啮合可以从正向变为负向。在图8中，示出了一种优选的可逆机构；在轴801内的同轴中心推杆804(在传递过程中该杆可以操作)位于小齿轮806、臂816之后，该臂可连接到并可将楔形件903推进或缩回到一个空间内，用作为爪形离合器(参考图9A，B和C)。
当在第二(相反)方向上驱动上述装置而离合器用作驱动轴和从动轴之间的连接件时，设置在正齿轮806内的带齿隙装置807(以及在从动齿轮系中的随机齿隙)可以改变蜗杆速度，而齿隙可能中断对蜗杆的传动，因此当再次驱动蜗杆时，蜗杆就会在某个阶段以相同速度进行旋转，这就使蜗杆螺纹的一侧靠在蜗轮的齿上。这样所施加的力就会使蜗轮转动蜗杆。在通常条件下，一些摩擦能够克服所施加力的很小转矩，因而产生“负效应”。特定的调节也很重要；例如我们认为蜗杆是干燥的也是有用的。因此锁定的齿轮对就会使离合器将动力从驱动轴801经由框架800传递到从动轴803上。在更换状态中，可以将动量从蜗杆传递到蜗轮上。(请注意图8、9中的简图仅仅是示意性的而并非示出了正确的比例。)假定在齿轮系806-812中具有很小的齿隙，在图9中示出了预定齿隙。扇形齿901刚性连接到驱动轴801，且可在扇形腔902内旋转到一个限定的角度，从而在小齿轮806内形成一种爪形离合器。在第一方向(A)上，上述齿碰到上述腔的逆时针面，在第二方向上，上述齿稍微转动一点(在图中有所夸大)，碰到顺时针面，因此蜗轮814(刚性连接到输入轴上)和蜗杆813的相位关系就发生改变。如前所述，在上述腔内在上述齿的一侧或另一侧上添加楔形件903，从而使操作方向翻转。这可以在维修时由机械师来完成或者可以在操作过程中由推杆804来完成。可优选为对称的双齿类型。
这种表面上很复杂的装置具有很多优点，能够避免集中的负载(以及冲击元件)，例如楔形件或棘爪式单向离合器中产生的负载。相反，这些负载会遍布在很大的接触区域上，即蜗杆螺纹和蜗轮之间的“有效表面宽度”上。通常被润滑的摩擦面应该仅在转变过程中产生摩擦接触。
变型实施例这里示出的实例仅仅是示意性的。单向离合器可以用于各种不同的应用中，其中每一都具有一系列特定的要求，例如低噪音，高可靠性，适于高速或低速，和/或连接或不连接高轴扭矩等等。通过改进的性能，各种新应用也是可行的。
商业优势或益处通过棘爪和卡槽的游尺微调设置，具有低齿隙的特点，因而相比现有技术中的装置，“第一可用棘爪-卡槽”能够明显减小斜向运动。这就减小了损耗的后向运动和啮合时的噪音。
通过棘爪和卡槽的游尺微调设置可以在运动过程中实现低噪音，因而在空转模式中棘爪超越卡槽所产生的碰击是异步的(如果偏压)，而且速度很高。
低噪音还可以通过使棘爪进出卡槽的且随方向而异的偏压系统来实现，因而当在空转方向转动时，它们不会超越卡槽的边缘而掉进卡槽内。
低齿隙可以实现高可靠性，因而翻转动量和合成冲击力就会明显减小。
可避免涉及大量局部性应力的楔形件彼此靠在一起，来达到高可靠性，因而可避免材料变形和使用寿命降低。
上述传动系统可提供相同的优点，即最小空程损失，当处于啮合模式时被正向驱动，并由无楔形件的单向离合器组成。
最后，可以理解这里所述的本发明范围并不仅限于上述特定实施例。技术人员可以理解在不偏离本发明的范围和精神内，各种修改，增加，已知的等效调整和替换都是允许的。本发明的范围随后由下列权利要求所限定。
权利要求
1.一种单向离合器，在具有旋转轴线的第一可旋转轴和具有共轴的旋转轴线的第二相邻旋转轴之间进行连接，该单向离合器能够在第一轴在啮合方向相对第二轴旋转时连接这些轴，但并不在第一轴相对第二轴(second object)在相反的惯性方向上旋转时连接这些轴，其特征在于，该单向离合器包括a)保持在第一轴上的第一支承架、板或环，该第一环支承着第一整数n个的棘爪件，该整数大于一，每一棘爪件具有由一刚性部分开的自由端和支承端，每个棘爪件沿上述第一环的第一端面上的共轴位置均匀间隔开，每一自由端都朝向第二支承架或环，b)该第二支承架、板或环保持在上述第二轴上并靠近上述第一环，该第二环承载着第二整数m个卡槽，该第二整数也大于一，每一卡槽均能够容纳上述棘爪件之一的自由端，每一卡槽均沿上述第二环的第二端面上的共轴位置均匀间隔开，每一卡槽均能够可逆地和相对的棘爪件相啮合，c)其中，上述整数n、m并不相同，从而增大了在任意时刻在旋转方向上任一棘爪件的自由端靠近一个卡槽的可能性，因而相比m＝n的情况，在使用过程中在至少一个棘爪件和相邻卡槽啮合之前，啮合方向上的所需旋转量就得以减小了。
2.如权利要求1所述的单向离合器，其特征在于，可选择整数n、m，以便于在使用过程中可以同时沿上述共轴轴线以对称方式使多于一组产生啮合，每组均由一个棘爪件和相邻的卡槽构成，从而将这些多于一组的棘爪件和相邻卡槽之间的载荷分配开，将离合器内的不均匀应力降为最低。
3.如权利要求2所述的单向离合器，其特征在于，上述单向离合器包括在棘爪侧面所依靠的每个卡槽上的弹性表面，用以在处于啮合位置时稍微改变棘爪件的转角，因而至少能够部分地补偿相对的尺寸缺陷，从而有利于在多于一个的啮合组之间均匀分配载荷。
4.如权利要求2所述的单向离合器，其特征在于，上述单向离合器包括在每个棘爪件上的从棘爪件侧面延伸的弹性突出部，当处于啮合位置时，该弹性突出部和卡槽侧面相接触，用以在处于啮合位置时稍微改变棘爪件的转角，因而至少能够部分地补偿尺寸缺陷，从而有利于在啮合的棘爪和卡槽对之间均匀分配载荷。
5.一种单向离合器，在具有旋转轴线的第一可旋转轴和具有共轴的旋转轴线的第二相邻旋转轴之间进行连接，该单向离合器能够在第一轴在啮合方向相对第二轴旋转时连接这些轴，但并不在第一轴相对第二轴在相反的惯性方向上旋转时连接这些轴，其中，多个棘爪件每个均具有旋转轴线，第一啮合面和第二啮合面，这些面由一基本上刚性的杆件所分开，上述棘爪件绕第一第一板或环设置，因而每一棘爪件均可以时时地与绕第二板或环设置的对应卡槽可逆地啮合，以便于连接，其特征在于，一个随方向而异的偏压装置被应用到单向离合器的每个棘爪件上，因而在使用过程中当单向离合器的第一、第二环在啮合方向上相对运动时，每个棘爪件会被偏压伸向对应的卡槽，并在惯性方向运动时被偏压得从相应卡槽内缩回。
6.如权利要求5所述的单向离合器，其特征在于，上述随方向而异的偏压装置包括(1)由第一端固定延伸到棘爪件的连杆的一侧的杆件，其垂直于棘爪件的旋转轴线，以及(2)上述杆件的第二自由端，和对置的板或环的侧面拖动接触，因而在使用过程中啮合方向上的相对运动会向上述连杆施加一个由拖动接触产生的转矩，使棘爪件绕棘爪旋转轴线转动，从而向对置板或环上的卡槽之外运动，因而在惯性方向的运动会使上述棘爪件缩回。
7.如权利要求6所述的单向离合器，其特征在于，上述拖动接触由一后倾轮(caster wheel)产生，该后倾轮在上述杆件的自由端和上述对置环或板的侧面滚动接触。
8.如权利要求7所述的单向离合器，其特征在于，上述后倾轮(自位轮)的旋转轴线并不平行于单向离合器的旋转轴线，因而在使用过程中拖动量就增加了。
9.如权利要求6所述的单向离合器，其特征在于，上述拖动接触由一种球产生，该球被支承在一个杯内，在上述杆件的自由端和上述对置环或板的侧面滚动接触。
10.如权利要求6-9中任一项所述的单向离合器，其特征在于，支承着和上述对置环或板的侧面拖动接触的自由端的上述杆件在单个轴线上具有弹性，因而在使用过程中，上述自由端就和上述表面保持拖动接触。
11.如权利要求6所述的单向离合器，其特征在于，上述随方向而异的偏压装置包括线性的倾斜磁化带，其图形被压刻入承载着卡槽的环的铁磁硬质表面，在和承载上述磁化带的表面紧密重叠的位置上，该磁化带中的任一个都能够和刚性安装到棘爪件一侧上的铁磁件相互作用，因而在使用过程中在啮合方向上的运动会使上述铁磁件向外吸引，从而将棘爪件拉出对置环上的卡槽，因此在惯性方向上的动作会排斥上述铁磁件，继而使其缩回。
12.如权利要求10所述的单向离合器，其特征在于，上述铁磁件为铁磁性的硬质件，以图形互补的形式磁化上述环的表面。
13.一种可逆的单向离合器，在具有旋转轴线的第一可旋转轴和具有共轴的旋转轴线的第二旋转轴之间进行连接，该单向离合器能够在第一轴在啮合方向相对第二轴旋转时连接这些轴，但并不在第一轴相对第二轴(物体)在相反的惯性方向上旋转时连接这些轴，其特征在于，该单向离合器包括能够在齿轮联轴节内进行可逆地连接和拆开的齿轮传动系，其包括第一齿轮和第二齿轮，这种连接的特征在于在动力经由齿轮联轴节从第一齿轮传递到第二齿轮时进行正向动力传递(positive efficiency)，当动力从第二齿轮传递到第一齿轮时进行负向传递(negative efficiency)。
14.如权利要求13所述的可逆单向离合器，其特征在于，包括由第一轴转动的齿轮系；上述齿轮系包括可控齿隙(backlash)量或空转(dead motion)量，上述齿轮系的第一齿轮支撑在输入驱动轴上；该齿轮系支撑在可旋转的框架上，该框架固定到第二轴上；该齿轮系终接着和蜗轮啮合的蜗杆，该蜗轮固定到第一轴上，该齿轮系的传动比能够在使用过程中使蜗杆的螺纹以和蜗轮的齿相同速度行进，且可设定上述可控齿隙，当第一轴在惯性或空转方向转动齿轮系时，上述蜗杆的旋转螺纹能够基本上没有摩擦接触地经过上述转动蜗轮的齿之间，而当上述第一轴在啮合方向转动上述齿轮系时，上述可控量齿隙就会暂时中断对蜗杆的传动，因而在蜗杆的螺纹和蜗轮的齿相摩擦，所以使上述可转动框架旋转，从而使上述第二轴旋转。
15.如权利要求13所述的可逆单向离合器，其特征在于，可以借助于调节至少一个挡齿和至少一个松弛的爪形离合器爪之间的转动间隙量来确定上述可控齿隙或空转量，上述爪形离合器设置在齿轮系的驱动轴和第一齿轮之间。
16.如权利要求13所述的可逆单向离合器，其特征在于，在使用过程中通过改变角位移的定向，相对上述挡齿所经由的第一齿轮，使单向离合器进入啮合模式的相对转动方向翻转。
全文摘要
一种单向离合器，具有“游尺微调”设置形式的不同数量棘爪(1006，1007)和卡槽，能够在啮合方向上将两半离合器(101，102)之间的相对转动降为最小。还可以减小噪音。在单向离合器中使用的是随方向而异的偏压装置(1008)，而不是弹簧，该装置能够伸出或缩回惯性平衡的旋转棘爪(1006，1007)。在另一个实施例中，一种可逆的单向离合器在空转时使用齿轮系来驱动和从动蜗轮的齿同步的蜗杆。可控的齿隙使上述蜗杆处于接触模式(在啮合时)或者在相反方向驱动时处于非接触模式(分离时)。
文档编号F16D43/02GK1726352SQ200380106384
公开日2006年1月25日 申请日期2003年11月11日 优先权日2002年11月11日
发明者穆图韦特皮莱·叶加特森 申请人:单向离合器有限公司