专利名称:摩擦差斜键装置的制作方法
本发明涉及用于机械部件间固定的、单向的及可控的连接的摩擦差斜键装置。
公知的斜键具有结构简单、价格低廉等优点。其缺点是1.需要较大的预紧力，易使被连接件间的同心度下降;2.装卸不方便，尤其是拆卸比较困难;3.无轴向自锁能力，被连接件间存在轴向窜动的可能性;4.不适用于单向的特别是可控的连接。
本发明的任务是提出能克服公知斜键缺点的摩擦差斜键装置，用于提高固定连接的质量，并应用于单向的和可控的连接中制造新型的实用装置。
下面分述完成上述任务的原理、结构及应用实例。
附图1示出摩擦差斜键力学模型(1)。它具有公知斜键的形状，但增加了受力F能自锁的特性。即具备必要条件Ma＞Mb……(1)充要条件θa＞θb+θ……(2)或Ma＞(Mb cosθ+sinθ)/(cosθ-Mb sinθ)……(3)或Mb＜(Ma cosθ-sinθ)/(cosθ+Ma sinθ)……(4)式(2)～(4)相互等效。式(1)～(4)中Ma为平行于力F的底面A与其相配件(2)间的摩擦系数;Mb为斜面B与其相配件(3)间的摩擦系数;
a、b为与Ma、Mb对应的摩擦角;θ为A、B面间的夹角;件(2)、(3)为被连接件。
模型(1)代表在受力分析中可以简化或近似简化成附图1件(1)所示的形状并符合式(1)～(4)条件的由若干零件组成的功能部件。取条件Ma＞Mb及件(1)的形状，把上述部件命名为摩擦差斜键。本申请所指的装置，只少包含一个摩擦差斜键。该装置按使用功能分有对轮、轴等部件进行固定的固定连接、对直线或旋转运动进行单向传动或闭锁的单向连接以及对前述传动或闭锁作用可以控制的可控连接装置。单向的和振动场合使用的固定连接装置，有使键体压在被连接件上的预紧措施;为了使经常装、拆的固定连接装置操作方便，可以采用使键体初始状态离开被连接件之一的预松措施;可控连接装置则有既能预紧又能预松的双位预松紧措施，而且是可控的。对预松的或无预松紧措施的固定连接装置由人工施加预紧力。预松紧措施可以是机械弹簧、电磁机构、流体压力机构、行程控制机构、离心机构及手动机构以及机械弹簧和其他机构配合使用等，除机械弹簧外，其他机构还可作为预松紧的控制机构来应用。
摩擦差斜键的具体结构，决定于键体的形式及控制摩擦系数Ma、Mb的措施。键体的结构形式可以是公知斜键的形状(楔形)或其变形，例如对应前述模型(1)的B面处制成台阶状或代之以导向长槽、A面按需要制成柱面等;键体也可以制成单摆形式或四连杆机构的一个移动边等等。增大摩擦系数Ma的措施可以是A面(和/或与其相配面)压花或制出小槽和/或采用硬橡皮等大摩擦系数的材料等。减小摩擦系数Mb的措施可以是B面(和/或与其相配面)提高表面光洁度和/或采用聚四氟乙烯等低摩擦系数的材料;采用滚动摩擦;采用滚轮;采用绕销轴转动的单摆或四连杆机构移动杆的键体等等。
附图2是单摆键体(111)及其销轴(121)近似简化成摩擦差斜键力学模型(1)的原理图。以单摆键体(111)上半径为R处的柱面B1近似于模型(1)的斜面B，以单摆(111)的端面近似于模型(1)的底面A。θ为A、B面间的夹角。由于销轴半径r＜＜R，当摆承受轴向力并使之转动时，折算到柱面B1(对应于模型(1)的B面)上的摩擦阻力与键体(111)承受的径向力相比是很小的，也即相当于摩擦系数Mb很小。单摆键体(111)在运动过程中，端面(相应于模型(1)的A面)会产生转动，这个缺点可由附图3的四连杆机构解决。
附图3是移动杆键体(112)、销轴(121)及摆动杆(122)组成的摩擦差斜键近似简化成力学模型(1)的原理图。以键体(112)外侧面近似于模型(1)A面，以柱面B1近似于模型(1)的B面，同理由于R＞＞r相当于摩擦系数Mb很小。
附图2、3的结构，都存在因摆动而使模型(1)的B面产生旋转(相当于A、B面夹角θ发生变化)以及体积较大的缺点，但实现比较容易，适用于体积要求不严的场合。
四连杆摩擦差斜键装置，可以把相应的摩擦差斜键在旋转端面上成辐射状安装;也可以用三个以上的摆动杆(122);甚至把移动杆折成正多边形，摆动杆(122)一端与该多边形顶点相连，摆动杆(122)另一端与前述多边形平行的相应正多边形顶点相连。此时摆动杆(122)只少要有一端采用球形接头。前、后二种结构，适用于旋转运动的连接中。
多种的键体结构及多种的控制摩擦系数的措施的交叉组合，可以得出更多的摩擦差斜键的结构。这里只能列举其中几种结构在一些应用场合的典型方案。摩擦差斜键装置按其使用功能分为固定连接摩擦差斜键装置、单向连接摩擦差斜键装置和可控连接摩擦差斜键装置。下面分别加以介绍。
附图4示出用力学模型(1)表示的摩擦差斜键对轴(21)和轮(31)进行的固定连接。其中(a)为单键形式，(b)为双键形式，它们都可沿被连接件(21)和(31)的圆周作多个的分布。双键形式为二个单键组合而成，结构较单键形式复杂，但与其相配的加工件(31)的键槽加工比较方便，适合于标准化生产。双键形式也适合于单向的和可控的连接的场合，以简化被连接件的加工。图(b)具有预紧件(4)，适合于受轴向动载及振动场合。
附图5是对应于附图4的具体结构方案之一。图(a)的摩擦差斜键由楔形键体(113)、增摩片(131)及减摩片(123)组成。增摩片(131)及减摩片(123)可用单块结构，也可将其各自粘在键体或对应的连接件之一上，也可以把增摩片(131)及减摩片(123)各自分成二块分别粘在键体(113)及其相配面上。在条件许可时，将被连接件轴(21)采用大摩擦系数材料制造、轮(31)采用小摩擦系数材料制造，可以省去增摩片和减摩片，是一种摩擦差斜键应用的一个特例。图(b)的摩擦差斜键由阶梯形键体(114)、滚动体(124)组成，其中滚动体(124)可用滚珠或滚柱。本方案仍可在键体(114)与轴(21)及轮(31)间加增摩片，达到更好的应用效果。板弹(42)为预紧件。
附图6是用摩擦差斜键力学模型(1)表示的杆件(22)相对于锁体(32)的单向闭锁装置，锁定方向为杆件(22)向左。弹簧(40)代表预松紧机构，它可以是预紧的、预松的和双位的。预紧方案在杆件(22)锁定方向上能自动锁定，但装卸杆件(22)比较麻烦，预松方案则与之相反，双位方案操作最为方便。为了简化结构，在某些场合，也可采用无预松紧方案。随着预松紧方案的不同，图6装置可能用于固定连接、单向连接或可控连接。其作用原理还可引用到旋转运动的连接中。杆件(22)可以是刚性的(如金属杆等)也可以是柔性的((如绳索)。本装置可用于固定绳索、接长杆件及组装可调高度脚手架和活档云梯、固定搬手动颚及卡尺游标等。为叙述方便，将本装置称为锁绳器。在应用中，图(a)所示单侧方案松开锁紧过的杆件(22)需要施加一定的与锁定方向相反的力，这是因为为防止摩擦系数波动而不能使装置中的摩擦差斜键工作在临界自锁状态。图(b)所示双侧方案松开锁紧过杆件(22)的力为零的条件是tgθ≥Mb……(5)式中θ，Mb含义同式(1)～(4)。式(5)的条件在采用降低摩擦系数Mb的措施后是不难达到的，这是双侧方案的一个突出优点，这个优点也体现在三个以上的摩擦差斜键按圆周均布的方案中，也体现在旋转运动的连接中。
附图7～9是对应于附图6(a)的单侧方案的几种锁绳器结构图。键体的形状依次为单摆键体(111)、台阶形键体(114)及导向槽键体(115)。减小摩擦系数的措施依次为锁体(111)绕销轴(121)转动、采用滚动体(124)及滚轮(125)。所有键体与绳索(22)的接触面制成部分圆柱面及附有横向小槽以增加摩擦力。图7板簧(42)的预松紧作用是双位的，图示为预紧状态，当其端部进入锁体(111)缺口C处起预松作用;图8压簧(41)起预紧作用及隔离滚动体(124)的作用;图9拉簧(44)起预松作用。预松方案的自锁作用由被锁件(22)受外力保持。上述所有方案都可取消弹簧而制成无预松紧装置的方案。锁体(32)采用侧向开口的方案，便于绳索的装、卸。在不需要经常卸下绳索的场合，锁体(32)也可做成火柴盒外壳式的封闭的框架式结构。附图7中手柄(51)用于初装绳索及松开绳索之用，附图8、9则用手推键体完成相应的工作。上述结构只要改为以绳索(22)中心线为对称轴装二个摩擦差斜键，就成为对应于附图6(b)所示双侧方案的锁绳器。锁绳器也可以采用三个以上的摩擦差斜键沿圆周均布的结构方案。
附图10是作为直线单向可控摩擦差斜键装置的实例活档云梯。图(a)为整体示意图，示出只供一个人使用的情形。它由两端带具有双位预松紧装置的锁绳器(30)的活档(33)、绳索(或刚性杆)(22)、行程控制用拉杆(52)及锁定保持用波形板簧(43)等组成。使用人手抓上档，脚插入下档的扣环上，系在腰间的安全带(54)与上档相连以增加安全。上升时利用锁绳器(30)对绳索(22)向下的锁定作用，反复采用举手推上档，提脚升下档的办法，即可沿绳索(22)迅速上升。上述上升运动要在拉杆(52)极限拉伸、压缩的范围内进行。下降时先推上档至拉杆(52)极限拉伸位置。拉杆把上档的锁绳器(30)的键体(11)向下拉，锁定作用消失，并由波形板簧(43)下弯保持如图(c)所示;上档下降至拉杆(52)极限压缩位置，拉杆推上档锁绳器(30)的键体(11)向上恢复锁定作用并由波形板簧(43)上弯保持;提脚升下档松开其锁绳器(30)，拉杆(52)推下档锁绳器键体(11)向下，锁定作用消失并由波形板簧(43)下弯保持如图(b)所示;下档下降至拉杆(52)极限拉升位置，拉杆(52)拉下档锁绳器的键体(11)向上，锁定作用恢复并由板簧(43)上弯保持……。重复上述动作，即可沿绳索(22)不断下降。为了减少运动阻力，锁绳器(30)用二个以上的摩擦差斜键。活档云梯作为集体登高用时，可以每人带一副上、下档依次爬升，到头后又依次把所带活档按一定间距往后排。后面的人再接着前面的人留下的活档往上爬。这样可以在人员爬升过程中很快地装配完一个完整的云梯，能争取到很多时间尽快地输送人员，以适应消防和抢险等场合的需要。后一种梯子不用行程控制用拉杆(52)以及板簧(43)只需要有预紧作用即可。当(22)是电线杆等粗杆时，则每档只用一个锁绳器(30)，而把活档(33)分成二段装在锁绳器的二侧，即可组成爬杆装置。
附图11是旋转单向连接的例子端面连接的超越离合器结构图。三对以上的装有平面闸皮的键体(116)，以其带闸皮面相向地安装在内法兰(23)的二侧。键体(116)螺旋形端面及圆柱形外侧面分别通过滚动体(124)与上法兰(34)、下法兰(35)的端面以及外罩(36)的内圆柱面接触。上法兰(34)和下法兰(35)通过外罩(36)固连。以内盘(23)为主动，在俯视图中的逆时针方向为传动方向。键体(116)外圆侧面的滚动体(124)是为了克服离心力的影响而设置的，在低速传动中可以取消。为了简化工艺，在上、下盘端面形状改成阶梯形斜面后，键体(116)可改用楔形键体(113)。
图12是可控旋转内圆连接摩擦差斜键装置的一个例子转速控制离合器结构图。内盘(37)与外盘(53)连成整体结构;二个以上的键体(111)通过销轴(121)与内盘(37)连接，并沿内盘(37)圆周均匀分布;压簧(41)使初始状态下键体(111)端面上的闸皮与外套(24)的内壁脱离;当内盘(37)按W方向转动达到规定的转速后，离心力克服弹簧力使键体(111)端面上的闸皮与外套(24)内壁接触产生自锁把内盘(37)与外套(34)连接起来。这种离合器，有利于电机空载起动，简化起动装置，适用于恒扭矩输出场合。用于大惯性负载时，本离合器与负载间要加一个能打滑的摩擦离合器等起缓冲作用的措施。空载起动的办法，可以减小电机起动时冲击电流的影响，降低交流电机的功率要求，达到节约能源的目的。本装置的优点是，可以用简单的结构实现上述目的。
将前述附图11的法兰(34)固定，以及将附图12中的内盘(37)固定并把压簧(41)改成拉簧，使静止状态下键体(111)端面的闸皮与外套(24)的内壁接触，相应的离合器即成为单向闭锁装置。
由摩擦差斜键组成的超离合器及单向闭锁装置，具有如下的优点1.噪声小、2.传递扭矩大、3.磨损小并能自动补偿磨损量、4.松开自锁需要的扭矩近于零及5.在锁定方向上的空转角度近于零等，为现有的一些类似装置所不及。例如棘轮棘爪机构不具备优点1、2、5;由滚动体产生自锁的超越离合器不具备优点2、4;美国书2828636公开的闭锁机构不具备优点2、5等。
将前述附图12中固定内盘(37)并把压簧(41)改成拉簧组成的单向闭锁装置的内盘(37)与外盘(53)分开制造，在图12所示的背面(见图13)另加弹簧(45)通过连杆(54)使外盘(53)沿W方向绕内盘(37)转动，驱使压簧(41)推动键体(111)使键体上的闸皮脱离外套内壁，闭锁作用消失;当压缩空气进入气缸后，活塞(55)克服弹簧力并通过连杆(54)使外盘(53)朝W相反的方向转动，迫使压簧(41)作用力反向成为拉簧拉动键体(111)使键体上的闸皮与外套(24)内壁接触，闭锁作用恢复。闭锁作用的恢复也可由手动机构、电磁机构等实现，上述摩擦差斜键组成的可控单向闭锁装置，可用于汽车上山途中熄火防止倒退等场合。方法是将该装置与汽车传动系统相连，汽车后退方向为锁定方向。平时由弹簧(45)使闭锁装置的闭锁作用消失，不妨碍汽车的倒车操作。上山时如遇半途熄火及停车休息等需要在斜坡上重新起动汽车时，给汽缸供压(或用手动、电磁机构)使闭锁作用恢复，不用在汽车轮下垫防止倒退的木块即能重新起动汽车。
改变前述可控单向闭锁装置的控制方式，由流体压力或电磁力压缩弹簧(45)使外盘(53)沿W方向绕内盘(37)转动而使闭锁作用消失，在失压(电压或流体压力)时。由弹簧(45)使外盘(53)朝W的反向转动，闭锁作用恢复，则可作为失压保护装置使用。在图13的基础上改装，只要把气缸的安装在以连杆(54)为轴的对称位置上，即成失压保护装置，如图14所示。使用时以汽车气压作控制源，失压保护装置与汽车传动机构相连，汽车前进方向为锁定方向，当发动汽车时气压不到额定值，闭锁装置使汽车不能开动，下山时气路失压闭锁装置又可使汽车安全停车。上述闭锁装置的制动作用是针对汽车前进方向的，一般汽车上山时发生的气路失压不致有刹车不灵的问题。为了防止上山时汽车气路失压无法停车，可以由前述防止汽车倒退的可控闭锁装置的控制不用气压装置加以解决，例如手动操作实现防止汽车倒退等。
所有摩擦差斜键装置的共同点是利用摩擦差斜键的单向自锁性能;在单向连接的装置中直接体现了这一点;固定连接的装置中，固定作用在一个方向上由被连接件的轴肩等承担，另一方向由摩擦差斜键实现;在可控连接的装置中，控制的对象即为摩擦差斜键的单向自锁作用，如人从活档云梯上向下运动那样。采用预松方案及无预松紧方案的锁绳器，属于固定连接的范畴，固定作用由锁定方向的外力保持。
权利要求
1.用于机械部件间固定、单向及可控连接的摩擦差斜键装置。其核心部件摩擦差斜键采用公知斜键形状的力学模型(1)，其特征是摩擦差斜键由键体及控制摩擦系数的零件所组成；整个装置由不少于一个的摩擦差斜键及必要时的预松紧部分及预松紧的控制部分等组成。
2.根据权利要求
1的摩擦差斜键装置，其特征是摩擦差斜键键体的结构形式有单摆键体(111)、移动杆键体(112)、楔形键体(113)、阶梯形键体(114)、导向槽键体(115)及螺旋端面键体(116)等。
3.根据权利要求
1的摩擦差斜键装置，其特征是增加摩擦系数Ma的措施可以是A面(和/或与其相配面)压花或制出小槽和/或采用硬橡皮等大摩擦系数材料制造增摩片(131)等;减少摩擦系数Mb的措施可以是B面(和/或与其相配面)提高表面光洁度和/或采用聚四氟乙烯等低摩擦系数材料制造减摩片(123)、采用滚动体(124)、采用绕销轴(121)转动的滚轮(125)等。
4.根据权利要求
3的摩擦差斜键装置，其特征是采用增摩片(131)及减摩片(123)时，可用单块结构，也可将其粘在键体或键体相配面之一上，也可以分成二块分别粘在键体及其相配面上。
5.根据权利要求
1的摩擦差斜键装置，其特征是该装置的预松紧部分可以是机械弹簧、电磁机构、流体压力机构或弹簧与其他机构的组合。
6.根据权利要求
1的摩擦差斜键装置，其特征是可控连接的预松紧的控制部分可以是离心机构、行程控制机构、电磁机构、流体压力机构和手动机构等。
7.根据权利要求
1的摩擦差斜键装置，其特征是摩擦差斜键组成的锁绳器，至少有一个以上的摩擦差斜键，可以有由弹簧(40)代表的预松紧机构，锁体(32)把所有零件装配成整体。
8.根据权利要求
7的摩擦差斜键装置，其特征是锁绳器键体与绳索(或刚性杆)(22)接触面加工成柱面并有横向小槽;键体的另一面通过减摩措施销轴(121)或滚动体(124)或滚轮(125)与锁体(32)相连;锁体(32)可制成侧向开口或封闭的框架式结构。
9.根据权利要求
7的摩擦差斜键装置，其特征是锁绳器的预松紧装置可以是预紧的、预松的、双位的。
10.根据权利要求
1的摩擦差斜键装置，其特征是用摩擦差斜键组成的活档云梯，具有二个以上的两端装有锁绳器(30)的活档(33)，并配有下降时控制锁定的机构。
11.根据权利要求
10的摩擦差斜键装置，其特征是活档云梯的锁绳器(30)具有二个以上的摩擦差斜键，斜键的键体(11)由拉杆(52)的极限拉伸和压缩位置控制实现锁绳器(30)的松开和闭锁，并由波形板簧(43)保持。当只作爬升梯用时，可取消拉杆(52);作爬杆装置时，活档装在一个锁绳器的二侧。
12.根据权利要求
1的摩擦差斜键装置，其特征是应用摩擦差斜键组成的超越离合器，三对以上的装有平面闸皮的键体(116)按圆周均布装在内法兰(23)的二侧，键体(116)螺旋形端面及圆柱形外侧面分别通过滚动体(124)与上、下法兰(34)、(35)的端面及外罩(36)的内圆柱面接触。上、下法兰(34)、(35)通过外罩(36)固连。在上、下盘端面改成阶梯形斜面后，键体(116)可以改用楔形键体(113)。
13.根据权利要求
12的摩擦差斜键装置，其特征是摩擦斜键组成的超越离合器作为单向闭锁装置应用时，将法兰(34)固定。
14.根据权利要求
1的摩擦差斜键装置，其特征是应用摩擦差斜键组成的可控离合器，内盘(37)及外盘(53)连成整体结构;二个以上的键体(111)通过销轴(121)沿内盘(37)作圆周均布;压簧(41)使初始状态下键体(111)端面上的闸皮与外套(24)的内壁脱离;由内盘(37)按W方向转动的离心力克服弹簧力使键体(111)端面上的闸皮与外套(24)内壁接触把内盘(37)与外套(24)连接起来。
15.根据权利要求
14的摩擦差斜键装置，其特征是摩擦差斜键组成的可控离合器作为单向闭锁装置使用时，将内盘(37)固定并把压簧(41)改成拉簧，使静止状态下键体(111)端面上的闸皮与外套(24)的内壁接触。
16.根据权利要求
15的摩擦差斜键装置，其特征是固定内盘(37)形成的单向闭锁装置作为可控闭锁装置使用时，把内盘(37)与外盘(53)分开制造;由弹簧(45)通过连杆(54)使外盘(53)沿W方向绕内盘(37)转动，驱使压簧(41)推动键体(111)使键体上的闸皮脱离外套(24)的内壁;由压缩空气推动活塞(55)压缩弹簧(45)并通过连杆(54)使外盘(53)朝W反向转动，迫使压簧(41)作用力反向起拉簧作用拉动键体(111)使键体(111)上的闸皮与外套(24)内壁接触。活塞(55)也可由手动或电磁机构代替。
17.根据权利要求
16的摩擦差斜键装置，其特征是由外盘(53)绕内盘(37)转动产生控制作用的单向闭锁装置作为流体失压保护装置时，由被保护的流体的压力推动活塞(55)压缩弹簧(45)使外盘(53)沿W方向转动，在失压状态下，压缩的弹簧(45)使外盘(53)朝W相反方向转动，分别使键体(111)上的闸皮与外套(24)的内壁脱离和接触。
专利摘要
用于机械部件间固定、单向及可控连接的摩擦差斜键装置。它的核心部件是一个可以简化或近似简化成附图所示的力学模型(1)并能受力F自锁的摩擦差斜键。以θ
文档编号F16B3/00GK86100729SQ86100729
公开日1987年8月19日 申请日期1986年1月28日
发明者黄凯日 申请人:黄凯日导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan