专利名称：球形万向联轴节的制作方法
技术领域：
本发明涉及万向联轴节和汽车的半轴，更特定而言，本发明涉及等速万向节，其用于以一定形式将两转轴直接连接起来，以便于将转动运动从驱动轴传递到从动轴，与此同时，允许两转轴的轴线之间的交角偏离180°对正状态在较宽的、连续的角度范围内(例如60°或更大的范围内)向任意方向变动。
背景技术：
公知的是现有技术中存在用于在发生角度改变的转轴之间传递旋转运动的非齿轮装置。此类装置中最为人所知的一种可能就是万向节，其被用来将汽车的驱动轴与车轮的轮轴连接起来。这些万向节通常被制成经典的双轭叉(卡登平浮环)的形式，该结构形式表示为由一对轭叉互连起来的两根小交叉轴。但是，在每一圈完整的旋转过程中，由这样的轭叉和交叉轴连接起来的转轴的转速并不相等。因而，人们研制出了等速(“CV”)型万向节(例如球笼式万向节和Birfield型万向节)，在这些类型的万向节中，倾斜转轴之间的连接点是由滑动的滚球提供的，在驱动轴和从动轴的每圈旋转过程中，这些滚球在各自的轨道内前后滑动，从而将它们的中心在任何时候都保持在一个平面内，该平面将两转轴之间形成的瞬态夹角平分。但是，这样的CV万向节非常复杂，且其润滑较为困难，且在全世界的汽车工业界内，这种万向节上零部件的设计和制造都被广泛地认为是至关重要、且非常专业而高深的技术。尽管这种万向节技术已经得到了重复的发展，但其价格仍然是昂贵的，且万向节包括许多制造困难、价格昂贵的部件，原因在于必须要以很高的精度(例如0.0002″/0.005mm)对很大的表面进行研磨。此类万向节在其所传递的转速方面受到限制，更具体而言，由于采用的是点接触的形式，且滚球的滑动量相当大，所以，在能有效地工作的转角范围方面，此类万向节受到限制。
最近，第5613914号美国专利中公开了一种采用了新型“球形”齿轮传动机构的万向联轴节(由Vernon E.Gleasman发明)。该专利及其对应的全世界范围内的其它许多专利公开了球形的齿轮，这种齿轮具有几种不同的、可能的轮齿形式，这些轮齿可被应用到所公开的CV万向节的多种设计形式中。这种球形齿轮传动机构是基于一种根本不同的齿轮几何设计结构。也就是说，借助于一种设计而实现了利用单对齿轮在两转轴之间进行等速传动的效果，在该设计中，其中一个齿轮具有内齿，而另一个齿轮具有外齿，且两齿轮的节距圆为相同的尺寸，结果是，两节距圆始终保持为节距球面上的大圆。作为球面几何学中的一个公理，这两个大圆将有两个相交点，在这两个相交的大圆之间(即在两齿轮的节距圆之间)，球面上将形成一对球面二角形，这对球面二角形在球面的表面上绘出了巨大的双纽线(“8”字形)。由于在齿轮轴之间的相对转角处于任何调整状态时、两啮合齿轮之间轮齿接触点的相对运动都绘制出双纽线，所以两转轴的转速相等。
尽管如上文刚刚指出的那样每个球形齿轮的节距圆都是同一节距球上的理论大圆，但上文提到的专利认识到齿轮副中的每个齿轮当然必须具有自己的理论节距表面，以便于解决齿轮之间的相对运动。因而，每个球形齿轮在理论上还应当被看作是具有各自的节距表面，这两个节距表面为一对节距球的形式，它们的中心是重合的，且半径大体上相等，同时还允许两节距球绕着各自的轴线转动。因而，每个节距圆在理论上还可被看作位于各自节距球上的大圆，且两节距球基本上是相同的，从而，两齿轮的节距圆实质上是在分开180°的两点(即“两极”)上相交，且在任何时候和任何相交角的情况下，两节距球的旋转轴线都是在两球的重合中心处相交。
上述的球形齿轮传动机构已被制出，并进行了台架试验，试验清楚地表明这种球形齿轮联轴节能使偏角连接关系在高速工作时实现真正的等速度、低摩擦，同时，转轴之间的夹角可在很大的角度范围内连续地变动，该角度范围比目前在售的普通汽车CV万向节的角度范围大很多。因而，人们已对此作了进一步的测试和设计，获得了文中所介绍的进展，制出了更轻且更强的万向节，其能承载很大的负荷，同时易于便宜地制出。
目前，万向节有两种使用形式(a)联锁轭叉(例如卡登万向节)的形式，以便于在车辆的传动轴中实现偏角互连；以及(b)汽车半轴驱动车轴的形式，其用于将驱动差速器的输出轴与车辆上既转动、又跳动的驱动轮连接起来。典型的已有半轴包括两种不同类型的万向节-例如位于其中一端的球笼型万向节和位于另一端的tri-pot型万向节。这两种万向节的制造都是复杂而昂贵的，例如，球笼型万向节使用了六个精密研磨的滚球，这些滚球在对应的六条精密研磨滚道内往复滚动，而tri-pot型万向节使用了三个精密研磨的球面滚子和直线形的研磨滚道。本发明公开了一种简单得多、且更便宜的半轴。
发明内容
本发明采用了一对球形齿轮，它们起到了真正等速(“CV”)万向节的作用，用于将车辆传动轴中的相交转轴连接起来。其中一个齿轮具有内齿，另一齿轮具有外齿。本发明球形齿轮上的各个轮齿的结构设计在许多方面不同于上文提到的第5613914号美国专利所公开的内容。本发明应用了该现有技术文献中所公开的球形齿轮基本概念，也就是说(1)采用了节距圆的概念，这些节距圆是半径相等的、同心的理论节距球上的大圆；以及(2)采用了直边形的轮齿。但是，本发明的几何结构中还采用了另外多个个体较小的构造球面，这些球被布置在一个圆形上，从而使得这些邻接小球面之间的切点(a)都位于齿轮等节距圆的圆周上；以及(b)还都位于各个邻接的较小构造球面的各自节距圆上，下文将更为详细地对此进行介绍。
内齿上轮齿的直边形齿面是锥形的，且各个锥形面的尺寸被设计成与对应的小构造球面的节距圆相切。外齿轮上轮齿的各个直边形齿面具有(i)圆柱形的中央部分，其直经等于对应的各个小构造球面法向弧形厚度的一半；以及(ii)两个平面延伸部，它们从中央部分的切向延伸出，且延伸方向服从于角度集合中的预定最大角度，其中的角度集合是齿轮所需的相交角度集合。优选的实施方式在每个齿轮上只设置了六个轮齿，且这些齿轮尽管在负载下高速旋转，也能在60°或更大的最大连续范围内相交。[注明本领域普通技术人员将立即意识到通过将两个文中公开的球形齿轮万向节布置成背靠背的形式(如同卡登万向节的形式)，就能在120°或更大的最大连续范围内由相交的转轴传递等速转动] 在一种实施方式，本发明的球形齿轮CV万向节与位于其中一个万向节转轴端部的小柱塞套接管一道应用在汽车的半轴上。与目前销售的车辆半轴相比，本发明所公开的半轴(a)更小、更轻；(b)更简单、更易于组装；(c)造价便宜得多；以及(d)显著减少了要备货的零部件更换数目。
图1中示意性的局部剖视图表示了根据本发明的球形齿轮CV万向节以及对应的轮轴，图中，万向节与轮轴的轴线处于180°的对正状态； 图2是图1所示CV万向节以及轮轴的第二视图，图中，两轴偏离180°的对正状态达到了预定的最大角度x°(图中两转轴的相交角度为30°)，从而可在任意方向上、在2x°(60°)的总体范围内进行偏角运动； 图3A、3B、3C示意性地表示了一对旋转球形齿轮的理论球形节距表面上轮齿接触点组之间的相对运动，其中的球形齿轮是按照图2中总体表示的方式进行布置的； 图4中的线图表示了图3A、3B、3C所示轮齿接触点组中其中一组之间的相对运动； 图5A、5B、5C和5D表示了用于为根据本发明的一对球形齿轮确定轮齿形状的几何结构，其中，图5C被放大以清楚地表示外齿轮上一个轮齿面的细节结构，且图5D是几何结构与示意性剖视图的组合图，表示了采用这种轮齿设计的一对齿轮的一部分； 图6A和图6B中的透视图分别表示了根据本发明一种改型的球形内齿轮和配对的球形外齿轮的设计，其中，该改型是图1和图2所示实施方式的改型； 图7是本发明CV万向节的优选设计形式； 图8中的图表表示了根据本发明的CV万向节中球形齿轮上啮合轮齿之间接触线的位置，其表示了在两转轴的轴线处于不同的相交角度时，两啮合齿面中各个齿面上接触线的相对位置，图中，齿面的形状被设置成平贴在图面上，且被略微放大以便于理解； 图9A和图9B是在啮合过程中的同一时刻、从球形齿轮的相反两极对优选的CV万向节所作的视图，图中，为了清晰起见，去掉了内齿轮上轮齿的杯形支撑件； 图10中的示意图表示了只采用一个本发明CV联轴节的万向节； 图11中的示意图表示了带有根据本发明的CV联轴节的半轴，且该半轴的每一端与柱塞单元滑套相组合；以及 图12A和图12B是柱塞单元滑套的侧视图，这些滑套位于图11所示半轴的本发明CV联轴节之间，图12B是沿图12A中的12B-12B所作的剖视图。
具体实施例方式 球形齿轮系统 图1和图2表示了一种采用了球形齿轮的等速万向节，其用于将一对旋转轴相互连接起来。图1中示意性的局部剖视图表示出了内齿轮10(带有内齿58)，内齿轮被固定在杯形的支撑件12中，该支撑件的一端被固定到第一转轴14上。配对的外齿轮20(带有外齿60)被固定成与第二转轴16一起转动。在图1中，转轴14、16被表示为它们的轴线22、24处于180°的定向状态。轴线22、24还是两配对齿轮10、20的对应轴线。
球面轴承将两配对齿轮10、20保持在正确的啮合关系上。该球面轴承包括(a)内部构件，其优选地是对中球体26，其通过螺栓18固定到杯形支撑件12的底部上；以及(b)外部构件，其为毂套28的形式，该毂套被制在齿轮20的内部。齿轮20包括两个球面环27和29，它们夹住对中球体26，这两个球面环由C形卡圈25保持在毂套28中。两齿轮10、20相同的理论节距球的中心点30被标在球面轴承的内部构件26中，且轴线22、24穿过中心点30。
图2表示了与图1相同的球形齿轮机构，图中去掉了转轴16。但是，在图2中，两转轴14、16的轴线22、24被表示为以x°的角度相交，也就是说，在直到某个预定最大转轴角度x°的范围内，转轴的轴线可变动地相交，且同时能传递旋转力。在图2所示的实施方式中，预定的最大转轴角度x°是从180°对正状态偏离30°，因而，图示的球形齿轮对被设计成在一个最大为2x°的连续交角范围(在该优选实施方式中是在最大为60°的范围)内、在任何偏角方向上传递旋转力，其中的交角在指两转轴之间的角度。
齿轮20的外齿60在图中被表示为一些实线，这些实线绕着枢转轴线32进行枢转，其中的轴线32穿过两轴线22、24相交处的中心点30(见图1)。齿轮20相对于齿轮10在第一方向上枢转到x°角度(在该实施方式中是30°)处，且齿轮20的外齿60在图中还被表示为一些虚线，虚线绕着轴线32、在相反的方向上枢转到x°处，从而获得了2x°(在该实施方式中为60°)的全方向运动全部范围。
该视图表示了很宽的相交角度范围，齿轮副可在该范围内变动枢转，同时令人满意地传递旋转力。在两转轴的轴线之间产生相对偏角运动的过程中，两齿轮10、20之间在任何时候都在两个啮合区域处保持着啮合状态，各个啮合区域的中心位于两个位置点上，在这样的位置点上，齿轮的节距圆与枢转轴线32相交。下文将对此作进一步的介绍。
在图1和图2所示的CV联轴节结构中，球形齿轮10、20的功能与现有齿轮万向节中的功能类似，在这些万向节中，当它们所对应的转轴以1∶1的速比转动时，这些齿轮之间并不相互转动。但是，如果它们各自转轴的角度定向被可变地调离180°的对正状态(如图2所示)，则齿轮的轮齿就将在两个啮合点处连续地移动，以实现啮合或脱离啮合-即使两齿轮在任何时候都以相同的速度转动。下文将对此作进一步的描述。
图3A、3B、3C示意性地表示了两齿轮10、20上轮齿之间进行啮合和脱离啮合的相对运动，这些附图分别表示了当轴线22、24以预定的最大角度x°相交时、齿轮绕轴线22和24转动的三个不同的相对位置。图3A、3B和图3C表示了随着配对齿轮轮齿运动成相互啮合和脱离啮合，四组不同的相应轮齿接触点的相对进动。
在图3A中，内齿轮10上的轮齿接触点A与外齿轮20上的轮齿接触点A′相啮合；与此同时，内齿轮10上的轮齿接触点C与外齿轮20上的轮齿接触点C′相啮合。图3B表示了同样一对轮齿接触点在两齿轮以1∶1的速比转过了1/4圈之后时所处状态，此状态下，齿轮10的轮齿接触点D、B与齿轮20的轮齿接触点D′、B′处于啮合接触状态。如图3C所示，在再转过1/4圈之后，轮齿接触点A、A′以及C、C′再次啮合，但与图3A所示的初始接触位置处于180°的相对位置上。
图3A、3B、3C所示的轮齿接触点都位于各自齿轮的节距圆上；且在理论上，这些节距圆是同一球面(参见上文的背景技术)上的大圆。从几何上讲，所有的大圆都将在两个分开的180°位置上彼此相交。在介绍球形齿轮运动的描述中，这些相交点被称为“极点”。图4中的示意性图线表示了图3A、3B、3C所示各轮齿接触点组中一组接触点的相对运动。也就是说，图4描述了在两齿轮10、20一起旋转整圈的过程中轮齿接触点A、A′沿各自节距圆10′、20′的运动轨迹。尽管各个节距圆在图中被表示为平面投影，但可以看出，各个轮齿接触点的轨迹为双纽线的图案(在球面上为“8”字形)；如万向节领域中公知的那样，在实现两铰接转轴等速传动的情况下，这样的双纽线运动是重要的。球形齿轮上轮齿的设计 尽管存在其它的方法来为这样的球形齿轮系统(参见上文的背景技术)确定合适的齿轮轮齿设计参数，但对于本发明，优选地是，利用图5A-5D所示的、下文将要介绍的几何结构来完成该设计。
(1)在这里介绍的球形齿轮的设计中，第一个步骤与齿轮传动领域中公知的方式相同。也就是说，按照齿轮的预期应用来确定齿轮副尺寸和强度的具体规格。例如，文中公开的优选CV联轴节的齿轮被设计为用在轻型卡车的转向轴/驱动轴中。齿轮的齿顶圆(最大直经)通常受到该齿轮系必须工作所在的结构空间的限制，且齿轮节径必须要被选择为使得轮齿的弦齿厚(即沿着节距圆所测得的每个齿的弦齿厚)足以允许这些轮齿在啮合时承受最大的预期载荷。
在此方面，应当指出的重要一点是如果使用根据本发明的一对球形齿轮来传递运动，则齿轮能承受的载荷是相同尺寸的普通齿轮副的两倍。也就是说，由于一对齿轮之间具有围绕中心分开180°的两个啮合区域(极点区域)，所以啮合的轮齿数目是相同尺寸的普通齿轮副的两倍。
(2)除了上述的、为各个齿轮设置的同心节距球之外，本发明还采用了多个个体较小的构造球面。这些较小的构造球面的数目是根据最终齿轮副所需的轮齿总数来选择的，且较小的构造球面被设置在一个圆上，以使得这些邻接小球面之间的相切点位于两齿轮相同的节距圆的圆周上，图5A表示了第一种结构参数的这种状况。
在本发明一种优选的设计形式中，每个齿轮都被设计成只具有六个轮齿，从而，当球形齿轮的轴线处于180°对准的状态时，所有十二个轮齿都是完全啮合的。因而，为了构建这种优选设计，在以点30为中心的圆形上布置了12个相同的小球面40，其中的中心点30是两齿轮相同的理论节距圆42的中心。这些球的直经d被选择为使得球沿着两齿轮相同的理论节距圆42相切。(如上文指出的那样，每个齿轮的节距圆是相同的节距球上的大圆，该节距球的尺寸被设计成能容纳到齿轮系必须工作所处的有限的结构空间内)。每个小球面40都代表一个轮齿，十二个小球面代表当齿轮轴线处于180°时处于完全啮合状态的所有十二个轮齿。
(3)该结构包括另外的小中心球面44，其位于节距圆42重合的中心上，小中心球面44的尺寸与小球面40的尺寸相同。
(4)使用一种结构来确定内齿轮上各个直边形轮齿锥形齿面的锥面顶角，该结构包括中心球面44和其中一个选定的小球面40。两相交直线46、47与中心球面44的两相反侧相切，且两切线46、47分别经过选定球40与相邻球之间的两个切点。也就是说，直线46经过切点48，直线47经过切点49。在图5A中用粗实线来表示锥形结构50，且该锥形结构被用来确定确定内齿58′的齿面56′、57′的锥面的顶角52，图5B中的上部视图表示了该内容。锥形顶角52的大小是由相交直线46、47相交点c处的夹角确定的。在图1、图2所示的本发明优选实施方式中，该结构所提供的锥形顶角是60°。
(5)采用与图5A所示结构相同的结构来确定各个轮齿的法向弦齿厚54。在该结构中，在对应齿轮的节线上测量选定小球面40的法向弦齿厚54，也就是说，该弦齿厚即为该选定球40与两相邻球之间的切点之间的尺寸。图5B表示了内齿58′的法向弦齿厚54，且图5C表示了(放大表示)外齿60的弦齿厚。
(6)图5A中所示的结构还被用来确定对中球体26的最大尺寸，该球体是两齿轮10、20共用的内部球面轴承构件(见图1和图2)。再次参见与中心球面44的相反两侧相切的相交线46、47，且这两条直线被用来确定内齿锥形表面的顶角。直线46、47在点c处相交，且点c与中心点30之间的距离确定了圆59的半径。圆形59确定了对中球体26的最大圆周。
(7)图5C放大地表示了球形齿轮副中外齿轮上轮齿60的结构，并用粗实线表示了轮齿60本身。
圆柱62的表面为轮齿60的两个表面提供了中央部分64。圆柱62的半径是形成法向弧线齿厚54的法向圆周厚度的一半，其中，厚度54是在小球面40上测得的。从圆柱形中央部分64的每一侧出发，每个外齿面都包括平面延伸部66，其根据预定的最大角度x°(预计该齿轮副工作时两齿轮轴线之间的最大交角)进行变动，在图示的结构中，该预定最大角度是30°。当然，存在两个平面延伸部66，它们位于圆柱形中央部分64的两侧。
每个平面延伸部66的起点都位于对应的初始切点t处，该切点与对应齿面的中心线65成x°角度，平面延伸部延伸到点e处，该e点是与圆柱中央部分62的2x°半径线的交点，从而，长度为t-e的两平面延伸部超过初始切点t了附加的x°角度。尽管切面延伸部66可被进一步延长(如图中的虚线所示)，但各个平面延伸部66的x°角度的长度就足以确保在齿轮的轴线以预定的最大角度相交时实现完全的线接触。优选地是，如图5C所示，在超过了划分上述x°长度的点e的预定短距离处，平面延伸部66的每个相应的外侧端被终止。外齿60的上述各个齿面与对应的轮齿端面68相交，如图所示，该端面可以是平面或略微的圆面。
(8)图5C中的左侧部分表示了用于确定外齿一个工作表面的切平面延伸部的结构。
回顾图3A、3B和3C可理解到当齿轮20的圆面轨迹沿任何方向偏离内齿轮10圆形轨迹平面一定角度时，如果从齿轮10所在平面进行观察，外齿的圆周轨迹表现为椭圆形。此外，如果从垂直于齿轮10所在平面的角度观察，外基点将变得不对正(例如，在图3A中，当点A、A′和点C、C′在两极啮合时，如果从点B和点D的角度垂直观察，点B′、D′将落入到点B、D的内部)。因而，在齿轮轴线之间的相交角偏离180°的任何时刻，外齿轮20的节距圆相对于内齿轮10节距圆的圆弧实质上都变成了“椭圆弧”。
从下文参照图8、9A和9B所作的详细描述可认识到当外齿滚动而与内齿啮合时，它们沿着椭圆弧从内齿轮所在平面的上方或下方接近，而且随着外齿滚动脱离啮合，外齿从相反的方向离开。如果外齿是从平面的下方滚来而啮合，则从平面上方脱离啮合。外齿在内齿轮平面上方和下方移动的距离是齿轮节距大圆之间交角大小的函数。
随着外齿沿着椭圆弧从内齿轮平面的下方接近啮合，在一个极点处，在各个齿面的一侧上发生轮齿的接触，如果同一外齿沿着椭圆弧从内齿轮平面的上方接近啮合，则在同一齿面的另一侧上发生类似的轮齿接触。为了达到图5C所示的结构，假定椭圆弧为在最大的优选角度x°(30°)。从内齿轮10平面下方进行接近的椭圆弧上路线部分由直线a表示，而从内齿轮10平面上方接近的椭圆弧上路线部分由直线b指代。
在该结构中，圆柱62(其构成了齿面的中央部分64)的中心沿着接近线a移动，从而形成了多个另外的圆弧轨迹(图中只表示了四个这样圆弧)，它们位于经过基础圆柱62中心的水平线的上方。类似地，在经过基础圆柱62中心的水平线的下方，形成了另外一些圆弧轨迹(同样，图中只表示出了四个这样的圆弧)。与所有这些另外的弧线相切的切线T绘出了位于圆柱形中心部分64两侧的平面延伸部66。换言之，当两齿轮的轴线以最大角度x°相交时，随着圆柱中央部分64径向中心沿着外齿轮的节距大圆移动，每个平面66都从初始切点t处开始、并平行于径向中心的运动直线(a或b)进行延伸。
为便于理解图示的结构，延伸部66超过必需的最小长度一小段距离，其中，必需的最小长度由区分2x°(60°)的径向直线的点e确定。在该结构中，轮齿的平面端面68被略微滚圆，呈现为更利于最终的成型制造工艺。
(8)为了介绍最终的结构，可参见图5D，该视图是从齿轮的径向中心平面对外齿轮20和内齿轮10所作的局部示意图。图中表示了按照上述方式制出的各个轮齿在齿轮的轴线处于180°对正条件下的完全啮合时的状态。在图中，三个内齿58与两个外齿60相啮合。如上文指出的那样，可以看出所有轮齿的工作表面都是直边形的。外齿60为键楔的形状，其尺寸是由从圆58延伸出的直线56确定的，其中，圆的直经等于法向弦齿厚54的尺寸。
当本发明球形齿轮的轴线处于180°的对正状态时，齿轮10、20的所有轮齿都按照与齿轮连接中的轮齿相同的方式啮合到一起。但是，如上文指出的那样，在球形齿轮的轴线偏离180°对正状态的任何时候，两齿轮将持续地在两极点-即两个共用的啮合中心处移动而啮合和脱离啮合。在此方面，应当指出的是在球形齿轮的优选实施方式中，不需要设置任何背隙-尽管为了制造组装和润滑在两齿轮之间留有一定的容差(例如0.002″/0.05mm)。此外，轮齿的顶脊上设置有球面的离隙。
图6A和图6B中的透视图分别表示了一对分开来的球形齿轮。在该实施方式中，图6A所示的内齿轮10′包括基础支撑环70，内齿58′从该支撑环的内表面与齿轮10′的轴线22′垂直地延伸出。支撑环70包括凹进的环圈72，其被制成与内齿轮杯形支撑件(例如参见图11B所示的杯形件112′)的外侧相配接，从而将齿轮10′固定，以便于使其与杯形支撑件一起转动。从该视图可容易地看到轮齿的端部平面74，其界定了该实施方式中各个内齿58′上锥形齿面56′、57′的工作表面。该端部平面在减小了重量、并利于最终成型制造的同时，还通过填充了各个轮齿上的非齿面部分从而形成完整但局部挖空的锥形(参见图1、2和图7所示的优选实施方式)而增加了另外的强度。
在图6B中，外齿60′垂直于外齿轮20′的轴线24′延伸，且在该实施方式中，该齿轮20′被安装在围绕毂套28′的环圈上，其中的毂套的一端具有带键槽的开口，以便于接纳对应的转轴(例如图1中的转轴16)。毂套28′的另一端(图中未示出)被配接到万向节的对中球体(例如图1和图2所示的对中球体)上。从该透视图易于看到构成了各个外齿60′上工作齿面的圆柱形中央部分64和平面延伸部66。此外，如上文指出的那样，平面端部68可被滚圆，以利于制造。另外要指出的是外齿轮的顶脊69上设置有球面离隙。
图7是图1、2所示的本发明CV万向节的设计分解图。在该优选实施方式中，内齿轮10的轮齿58是分开制造的，并被压装到支撑杯1 2壁面上预制出的孔眼13中，同时，外齿轮20上的空心齿60被环绕着毂套28的外部制出。如上文提到的那样，对中球体26被夹压在球面环27与29之间，从而被C形卡圈(该视图中未示出)保持在毂套28中。CV联轴节被螺栓18保持到一起，该螺栓18旋拧到杯形件12的底部中。内齿58和外齿60都是中空的，以节省材料和重量。外齿60可与毂套制成一体，或者可被制在一个分开的环圈上，再将该环圈压装到毂套上。
轮齿的接触形式 在相交角度的整个范围内，在整个啮合过程中，上述的直边形齿面都能形成相对较长的接触线。从图5D可最为容易地看到该接触线的长度，图5D表示了当齿轮的轴线直线对正、从而完全啮合时的接触状况。该接触线非常长。例如，在根据本发明的上述实际联轴节中，每个小球面40的直经是0.75″(19mm)，齿轮的节距圆42是2.625″(67mm)，对中球体26的直经是0.9375″(24mm)，且接触线的长度是0.4375″(11mm)。
随着齿轮的轴线从对正状态偏离，所有十二个轮齿将快速地脱离啮合，且大部分载荷将主要由四个轮齿来承担。也就是说，如上文介绍的那样，随着球形齿轮的轴线从对正状态偏离，齿轮的节距大圆将在分开180°的两个“极点”处相交(例如就像地球的经线圆在南极与北极处相交)。除了相交角度非常小的情况之外，大部分载荷都由在两极位置的两对轮齿承担。但是，存在着足够的交叠量，从而各对相继啮合的内齿和外齿能在两极处平滑地过渡。也就是说，随着后续的一对轮齿逐渐滑移实现啮合，前一对轮齿之间的接触滑移脱离。
随着相交角度的增大，接触线的长度保持不变。图8所示图表中的粗黑线表示了接触线的型式，其中的图8表示了在-30°、-18°、-12°、-6°、0°、+6°、+12°、+18°的交角下、在轮齿移动经过极点位置的时刻内齿轮(I)与外齿轮(E)齿面上的接触线位置。从图可看出，外齿轮齿面上的接触线在任何时候都保持垂直状态，但其顶端与各个锥形内齿面上的垂线离开。随着齿轮之间的交角增大，接触线从各自的齿面中心逐渐延伸到更大的接触区域上。尽管各个外齿面上的接触线保持与齿面的垂直，但各个锥形内齿面上的接触线却随着远离齿面的中心而变得越来越倾斜了。图8中的接触线表示出了在各个轴向交角下的最外侧接触模式，齿轮从齿面的中心滚动到图示的位置而经过接触区域。
在一个极点处，接触线在各个齿面上偏移倾斜向左侧，而在相反的极点上，按照完全相同的方式偏移倾斜向右侧。由于刚才提到的事实可能难于理解，建议重新参见(a)图3A、3B、3C，它们表示了各对轮齿接触点在一对球形齿轮的理论节距球表面上的相对运动，其中，这对球形齿轮一起在顺时针方向上转动；以及(b)图9A和图9B，它们表示了当齿轮轴线之间的夹角相对于水平方向达到最大x°(在图示的实施方式中为30°)、从而达到最大位移角度2x°(图中的60°)时相应极点附近的齿轮接触状况。在图9A和图9B中，假定两齿轮绕着各自的轴线在图示的顺时针方向上转动，且外齿60正在驱动内齿58，对后者的观察是从内齿轮的齿根圆处进行的[注意在图9A和图9B中，为了清楚起见，去掉了为内齿轮10(见图1和图2)的轮齿设置的杯状支撑件12]。
在图9A中，随着轮齿60从内齿轮10所在平面的下方升上来，外齿轮20的中央外齿60与一个极点精确地对正，图中表示的是其即将与内齿58脱离接触时的情形。箭头76指示了该接触线的位置。图9B与图9A表示的是同一对齿轮在同一时刻的情形，但是从相反的极点处进行观察的。在图9B中，外齿轮20的中央外齿60也与相反的极点精确地对正，但其自然是从内齿轮10所在平面的上方向下移动的，该视图同样表示的是即将与内齿58脱离接触时的情形。图中用箭头77指出该接触线的位置。
在图9A和图9B中，定位在中间的各个外齿60的顶脊的一部分由细的剖面线表示，这表示了其与轮齿的整个工作表面对正。在图9A所示外齿60工作表而的下半部分上绘制了一些黑直线，并在图9B所示外齿工作表面的上半部分上绘制了一些类似的直线。这些直线代表了先前表示在图8上的多条接触线，表示了轮齿在两极点处接近啮合时的接触型式。在相反两侧的齿面上，这样的接触是同时发生的，从而使得载荷和磨损状况获得了显著的平衡。
尽管大部分载荷只是由各个极点处的两个轮齿承担的，但在任何时刻至少有四个轮齿处于完全啮合状态，且总的负载始终分配在相隔180°的至少两个位置点上。例如，返回来讨论上文介绍的、根据本发明的实际万向节，接触线的长度为0.4375″(11mm)。因而，应当指出的重要一点是总载荷分布在两条直线上，它们的总长是0.875″(22mm)。另外，由于在两齿轮相反两侧的两极点处，轮齿是同时进行啮合的，所以在任何时候，载荷都是平衡的。
与上文背景技术部分中讨论的现有球形齿轮相比，此处所披露轮齿另一个非常重要的区别是其丕具有类似于准双曲面齿轮的滑动接触区。相反地，上述的接触线在任一极点处都是滚动啮合的。这一非常重要的特征有利于润滑并降低磨损。
双CV联轴节 分段的驱动轴-例如常用在大型卡车上驱动轴通常与卡登万向节或Hooke万向节的组合体相连接。这些现有的联轴节难于维护，且工作寿命相对较短。如上文指出的那样，本领域技术人员立即就能意识到通过将两个本发明刚才描述的球形齿轮联轴节如双卡登万向节那样背靠背地布置起来，就能使相交的转轴在一定的交角范围内等速地传递旋转运动，其中的交角范围最大为120°或更大。图10表示了这样的结构设计，其将沿轴线24′和24″延伸的第一转轴与第二转轴连接起来。
图中用实线表示的外齿60′、60″绕着枢转轴线32′、32″转动。图中还用虚线表示了外齿60′、60″绕着轴线32′、32″在相反方向上在x°角度转动时的状态，从而可以在4x°(当x是30时，该数值为120°)的总范围内在任意方向上转动。图10中还表示出了毂套28′、28″和内齿58′、58″。在该实施方式中，第一万向联轴节通过第一元件固定地安装到第二万向联轴节上。这样就使得第二元件与第三元件之间具有了4x°的连续范围，其中，第二元件是从第一万向联轴节延伸出的，第三元件是从第二万向联轴节延伸出的。
在汽车半轴上的应用 下面参见图11、12A和图12B。如图11中示意地表示的那样，根据本发明的两个相同的球形齿轮CV联轴节被布置在半轴100的相反两端，在图中，半轴的“套管”已被去掉(也就是说，未绘出本领域公知的、用于保护联轴节使其免受路面碎屑和灰尘影响的柔性套罩)。按照上文详细介绍的方式，各个CV联轴节的杯形支撑件112、112′具有各自的对中球体126、126′，它们被固定到杯形件的底部上，且各个CV联轴节的毂套128、128′围绕着对应的对中球体126、126′进行装配，以便于可以在从0°到预定最大角度x°的整个连续定向偏角范围内、沿任何方向转动。每个CV联轴节还具有固定在杯形支撑件中的内球形齿轮(图12B中的110′)、以及固定到每个毂套(图1 2B中的128′)上的外球形齿轮(图12B中的120′)。在图示的优选实施方式中，CV联轴节的毂套128、128′分别被连接到转轴116的两端上，以进行转动。杯形支撑件112、112′的底部具有带键楔的开口，用于接纳相应连接转轴114、114′的端部。
图11中的示意图表示了位于齿轮驱动系端部的车用半轴100，其中的驱动系包括差速器102和驱动轮104。尽管未在该示意图中表示出，但假定驱动轮104按照本领域公知的方式安装在齿轮的前部，从而使得驱动轮104可相对于差速器102在整个偏角定向范围内运动，进而允许驱动轮旋转而进行转向、以及响应于路面的变化而上下移动。在车辆驱动系的两个部分之间出现任何相对的瞬态偏角运动时，半轴100都将经差速器102传递来的车辆发动机旋转力等速地传递给驱动轮104。
本领域技术人员能领会到随着活动安装的驱动轮104相对于差速器102固定位置的偏角位置发生改变，它们之间的距离将变化。尽管该变化量并不大(例如小于或等于1.0″/25mm)，但该变化必须被补偿掉。利用图12A和图12B中放大表示的滑套180可实现该效果。滑套180包括两个可相对运动的构件181、182，第一构件181被安装成可在第二构件182中往复移动。构件181被固定到毂套128′上，且优选地是具有一对滚子184，它们悬支在横臂186上。滚子184落坐在外部构件182上制出的一对轨道188中，外部构件182被固定到转轴116上。响应于驱动轮104与差速器102之间距离的略微改变，滑套180在滚子184上前后移动。
半轴100相比于现有的半轴具有很多显著的优点 (1)半轴100的两端具有基本上相同的联轴节，由此简化了生产制造，且所需要制造和备货的零部件更少。
(2)本发明各个球形齿轮CV联轴节中零部件的数目变少，且零部件的制造或组装更为简单、便宜。
(3)由于本发明CV联轴节中球形齿轮的轮齿只有在两极点处接触，所以，在所有定向角度下，转动摩擦阻力都显著地小于现有半轴的阻力，因而减小了偏角改变过程中转动半轴100所需的扭矩，简化了组装，并提高了驱动系的效率。
(4)球形齿轮轮齿在每一圈转动中两次啮合和脱离啮合，借助于此过程中轮齿的滚动运动，便于对半轴100进行啮合，且啮合条件下相对较低的摩擦允许使用较便宜的润滑油。
本申请描述并要求保护的球形齿轮在车用CV联轴节、万向联轴节、以及半轴领域实现了巨大的进步。
尽管上文将本发明的球形齿轮描述为其优选的最大预定角度为30°，但在本发明核心思想的范围内，球形齿轮也可采用小于或大于30°的最大预定偏角。如图5C表示以及上文介绍的那样，作为预定最大角度的函数，轮齿的形状也随此而改变。
因此，应当理解文中介绍的本发明实施方式仅是本发明原理应用的示例。此处对图示实施方式中细节内容的参考并不对权利要求的范围造成限定，权利要求本身陈述了那些被认为是本发明必需的技术特征。
权利要求
1.一种用于在第一元件与第二元件之间传递旋转力的万向联轴节，每个所述元件都可绕两个轴线的各自一个轴线转动，两轴线在从180°到偏离180°的预定最大角度x°的角度的连续范围内可变地相交，以使得所述两元件可在最大为2x°的连续范围上相交，所述联轴节包括
单对齿轮，包括第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮包括多个内齿，第二齿轮包括与所述内齿配对啮合的多个外齿，每个齿轮都被固定到对应一个的所述元件上，以随之转动；
每个所述齿轮都具有各自的理论节距表面，其为各个大节距球面的形式，所述大节距球面是同心的，且具有基本上相等的半径，每个所述齿轮具有节距圆，其分别是其中一个所述大节距球上的大圆，从而使得所述节距圆实质上在分开180°的两个极点处彼此相交；
每个内齿的内齿面形成有直边的型廓，其具有部分锥体的形状；
每个外齿的外齿面形成有直边的型廓，其具有带有预定半径的圆柱形中央部分、以及还具有两个具有预定宽度的平面延伸部，两平面延伸部被分别形成在所述圆柱中央部分的每一侧；以及
当所述齿轮以驱动-从动的关系转动时，在整个所述的角度连续范围内，所述轴线在所述大节距球面的中心处相交。
2.根据权利要求1所述的万向联轴节，其特征在于x至少为30。
3.根据权利要求1所述的万向联轴节，其特征在于每个所述内齿和每个所述外齿的内部是中空的。
4.根据权利要求1所述的万向联轴节，其特征在于该万向联轴节以背靠背的形式与第二万向联轴节固定地安装起来，其中，第二万向联轴节与所述万向联轴节基本上相同，从而在所述第一元件和所述第二元件中一个与从所述第二万向联轴节延伸出的第三元件之间实现了4x°的运动的最大连续范围。
5.根据权利要求1所述的万向联轴节，其特征在于两所述齿轮的各个轮齿都被形成在多个个体较小的理论球面中的一个球面内，这些球面被布置在一个圆上，以使得相继的各个较小球面与相邻较小球面接触处的切点落在所述大节距球的表面上，且各个较小球面上所述接触点之间的距离确定了各个相应轮齿的法向弦齿厚。
6.根据权利要求5所述的万向联轴节，其特征在于各个所述内齿面的表面与各个个体较小的球面在所述较小球面之间的所述接触点处相切，其中，所述内齿面锥形面上的锥形顶角部分是由一种结构确定，该结构包括a)所述理论较小球面加上尺寸相等的另外理论较小球面，其中，另外理论较小球面被居中布置成与所述两理论大球面同心；以及(b)形成两条与所述较小中央球面的相反两侧相切、且经过所述较小理论球面中的一个和它的相邻球面之间两切点重相应的一个的相交直线，所述锥形顶角由所述两相交直线在交点(c)处形成的角度确定。
7.根据权利要求6所述的万向联轴节，其特征在于每个内齿都垂直于第一元件的轴线延伸，且每个外齿都垂直于所述第二元件的轴线延伸。
8.根据权利要求5所述的万向联轴节，其特征在于各个所述外齿面上的所述平面延伸部的所述预定宽度随着所述最大角度x°的变化而变化，所述延伸部被形成为从初始切点处从中央齿面的每侧延伸出，其中的初始切点位于与所述中央齿面的中心线成x°的位置，所述延伸部至少延伸到所述圆柱中央部分的2x°径向线处，从而使得所述中央齿面每侧的所述平面延伸部的长度超过x°处的所述切点延伸另外一个x°，以及在两齿轮的轴线在以所述最大角度x°相交的条件下，随着所述第二齿轮相对于所述第一齿轮沿着椭圆弧移动，各个所述平面延伸部从所述初始切点的延伸平行于所述圆柱中央部分径向中心的运动直线。
9.根据权利要求5所述的万向联轴节，其特征在于各个外齿面的圆柱中心部分的所述预定半径等于各个相应外齿的所述法向弦齿厚的一半。
10.根据权利要求5所述的万向联轴节，其特征在于所述多个个体较小的齿面是十二个，从而每个齿轮具有六个轮齿，且各个内齿面锥形部分的顶角为60°。
11.根据权利要求10所述的万向联轴节，其特征在于每个所述内齿都被形成在杯形的支撑件中，支撑件被固定到所述可转动元件中的第一元件的端部上，以及还包括安装在所述杯形支撑件中的对中球体，所述对中球体的半径不大于所述大节距球的所述共用中心与相交点(c)之间的距离。
12.根据权利要求11所述的万向联轴节，其特征在于每个所述外齿都被安装到毂套部分上，毂套部分可被连接到所述第二元件的端部上，且所述毂套部分被配接到所述对中球体上，用于在从180°到预定最大角度x°之间的范围内沿任何方向实现转角运动。
13.根据权利要求12所述的万向联轴节，其特征在于所述内齿和外齿在分开180°的所述两极点上同时啮合。
14.根据权利要求13所述的万向联轴节，其特征在于各对所述内齿和外齿依次啮合，从而，随着所述元件在所述角度连续范围内可变动地相交，在任何时候都是在前一对齿轮脱离啮合之前第二对齿轮就已进入啮合。
15.根据权利要求13所述的万向联轴节，其特征在于在所有的所述可变角度上，啮合着的所述内齿与外齿齿轮对之间的接触型式都是完全的线接触，随着相交角度在整个所述的连续范围内变动，所述接触线经过所述相应齿轮的整个齿面。
16.两个根据权利要求15所述的万向联轴节，包括第一万向联轴节和第二万向联轴节，它们分别连接到汽车半轴的两端上。
17.根据权利要求16所述的万向联轴节，其特征在于各个所述相应联轴节的所述毂套部分被分别连接到所述汽车半轴的一端上。
18.根据权利要求17所述的万向联轴节，其特征在于所述第一万向联轴节的杯形支撑件可被连接到汽车差速器上，且所述第二万向联轴节可被连接到汽车驱动轮上。
19.根据权利要求16所述的万向联轴节，其特征在于还包括位于所述两万向联轴节之间的滑套，所述滑套总长度的改变补偿了所述驱动轮与所述差速器之间距离由于所述驱动轮的相对运动而发生的改变。
20.根据权利要求19所述的万向联轴节，其特征在于所述滑套包括第一构件，其具有至少一个滚子，滑套还包括第二构件，其具有与所述滚子配接的导轨，由此所述滑套沿所述滚子的运动改变所述滑套的总长度，以补偿所述驱动轮与所述差速器之间距离由于所述驱动轮的相对运动而发生的改变。
21.根据权利要求1所述的万向联轴节，其特征在于每个所述内齿都被形成在固定于所述第一元件端部上的杯形支撑件中。
22.根据权利要求21所述的万向联轴节，其特征在于每个所述内齿都是单独形成的，并被压装到所述杯形支撑件中。
23.根据权利要求21所述的万向联轴节，其特征在于对中球体被安装在所述杯形支撑件中。
24.根据权利要求21所述的万向联轴节，其特征在于每个所述外齿被安装到可与所述第二元件的端部相连的毂套上。
25.根据权利要求24所述的万向联轴节，其特征在于所述毂套被配接安装到所述对中球体上，用于在从180°到预定最大角度x°之间的范围内沿任何方向实现转角运动。
26.一种用于将可转动的输入件与驱动轮相互连接起来的汽车半轴，其中的驱动轮被安装成可相对于所述输入件执行瞬态偏角运动，所述半轴包括
-基本上相同的万向联轴节对，每个联轴节包括固定在杯形支撑件中的对中球体和毂套，所述毂套与所述对中球体配接，以使得毂套能在连续的转角定向范围内在任何方向上自由运动，其中的范围是在0°到最大角度x°之间；
-被固定到各个杯形支撑件中的内球形齿轮、以及固定到各个毂套上的外球形齿轮；
-各个联轴节的毂套被分别连接到所述半轴的相应端部上，以随其转动；
-其中一个联轴节的杯形支撑件可与可转动的输入件连接，且另一联轴节的杯形支撑件可与驱动轮连接；以及
-滑套，其位于两联轴节之间，用于补偿驱动轮与可转动输入件之间的距离由于驱动轮的相对运动而出现的变化。
27.根据权利要求26所述的半轴，其特征在于所述滑套包括第一构件，其具有至少一个滚子，滑套还包括第二构件，其具有与所述滚子配接的导轨，由此，利用所述滑套沿所述滚子的运动改变所述滑套的总长度，以补偿所述驱动轮的相对运动。
28.根据权利要求26所述的半轴，其特征在于滑套被固定到其中一个联轴节的毂套上。
29.一对用于在第一元件与第二元件之间传递旋转力的齿轮，每个所述元件都可绕两个轴线的各自一个转动，两轴线在从180°到偏离180°预定最大角度x°的角度的连续范围内可变地相交，以使得所述元件可在最大为2x°的连续范围内相交，所述齿轮副包括
-包括多个内齿的第一齿轮和第二齿轮，第二齿轮包括与所述内齿配对啮合的多个外齿，每个齿轮都被固定到所述元件的相应的一个上，以随之转动；
-每个所述齿轮都具有各自的理论节距表面，其为各个大节距球面的形式，所述大节距球面是同心的，且具有基本上相等的半径，每个所述齿轮都具有节距圆，其分别是其中一个所述大节距球上的大圆，从而使得所述节距圆实质上在分开180°的两个极点处彼此相交；
-两所述齿轮的各个轮齿都被形成在多个个体较小的理论球面中的一球面内，这些球面被布置在一个圆上，以使得相继的各个较小球面与相邻较小球面接触处的切点落在所述大节距球面的表面上，且各个较小球面上所述接触点之间的距离确定了各个相应轮齿的法向弦齿厚。
-每个内齿的内齿面被形成有直边的型廓，其具有部分锥体的形状；
-每个外齿的外齿面被形成有直边的型廓，其具有半径等于所述法向弦齿厚的圆柱形中央部分；以及
当所述齿轮以驱动-从动的关系转动时，在整个所述角度的连续范围内，所述轴线在所述大节距球面的中心处相交。
30.根据权利要求29所述的齿轮，其特征在于每个所述外齿面具有两个具有预定宽度的平面延伸部，两平面延伸部被分别形成在所述圆柱中央部分的每一侧。
全文摘要
一对球形齿轮将CV联轴节的两相交转轴连接起来。其中一个齿轮具有内齿，另一齿轮具有外齿。齿轮的设计是基于节距圆进行的，节距圆是两理论节距球上的大圆，两理论节距球是同心的，且具有相同的半径。齿轮的轮齿优选为直侧边。在一个圆上布置了多个个体较小的构造球面，以使得这些邻接较小球面之间的切点都位于齿轮的相同节距圆的圆周上，且还都位于各个邻接的较小构造球面的对应节距圆上。内齿轮轮齿的直边形齿面优选为锥形。优选的实施方式在各个齿轮上设置了六个轮齿，且两齿轮尽管在负载下高速旋转，但可在最大为60°或更大的连续范围内相交。
文档编号F16D3/18GK101169162SQ20071007899
公开日2008年4月30日 申请日期2007年2月16日 优先权日2006年10月27日
发明者基思·E.·格里斯曼 申请人:托维克公司