專利名稱：柔性齒輪傳動裝置及使用該齒輪傳動裝置的工作機器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及柔性齒輪傳動裝置，并且更具體地涉及一種例如用在發(fā)動機傳動機構(gòu)中的柔性齒輪傳動裝置，其具有響應(yīng)于齒輪傳動裝置上的轉(zhuǎn)矩從共軸對準可移動的轂和齒圈。
背景技術(shù)：
由于沖擊和振動的過度噪聲，多年來，發(fā)出口卡嗒聲的齒輪輪齒一直伴隨著齒輪系統(tǒng)。通常，術(shù)語"齒輪敲擊振動"指的是噪聲現(xiàn)象，其中相鄰齒輪的退出嚙合的和受背面的輪齒沖擊而迅速被迫嚙合的輪齒產(chǎn)生聽得到的噪聲。齒輪敲擊振動的大噪聲不僅會使工作環(huán)境不舒適，而且輪齒之間的碰撞和齒輪系統(tǒng)的沖擊會導(dǎo)致系統(tǒng)部件過早的磨損并承受過度的應(yīng)力。另外，如齒輪相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，假如嚙合齒輪撞擊，而非平穩(wěn)地傳遞轉(zhuǎn)矩，那么在某種意義上是浪費了能量。
在內(nèi)燃機環(huán)境中，通常利用一系列的齒輪或一種"傳動機構(gòu)"來為某些發(fā)動機部件提供動力，并提供某些齒輪之間理想的相對正時。在一個例子中，隨著發(fā)動機曲軸旋轉(zhuǎn)的曲柄傳動裝置可旋轉(zhuǎn)地連接到凸輪機構(gòu)，該凸輪機構(gòu)又與 一 個或多個發(fā)動機凸輪相聯(lián)接。一個或多個齒輪可操作地布置在曲柄和凸輪機構(gòu)之間，以保持其間的相對正時，使得某些凸輪驅(qū)動的發(fā)動機功能，例如氣門打開/關(guān)閉
在某些發(fā)動機上，在運行期間曲柄和凸輪機構(gòu)的動力特性可基本上通過傳動機構(gòu)傳遞有效扭矩。因此，在發(fā)動機運行期間，每個曲柄和凸輪機構(gòu)經(jīng)歷脈沖式加速和減速是司空見慣的。汽缸點火會向曲軸并由此向曲柄傳動裝置施加轉(zhuǎn)矩，而燃料噴射往往是向凸輪
6軸并由此向凸輪機構(gòu)施加轉(zhuǎn)矩。在一些發(fā)動機系統(tǒng)中，由于機械致動的燃料噴射力，凸輪軸的轉(zhuǎn)速可從其平均轉(zhuǎn)速暫時地下降每分鐘數(shù)百轉(zhuǎn)。來自凸輪軸和曲軸的轉(zhuǎn)矩沖量會影響?yīng)毩⒌膫鲃訖C構(gòu)，或者它們可能增加或者可能減少。汽缸點火、燃料噴射及其它事件易于相對快速地連續(xù)進行，因此，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，在這些條件下的傳動機構(gòu)的動態(tài)特性會相當復(fù)雜。通過具有相當大零件慣性和反沖的相對剛性的傳動機構(gòu)傳遞能量或相鄰的輪齒的分離，可能是具有極大峰值轉(zhuǎn)矩的一系列動態(tài)事件，特別是當來自具有不同速度的不同齒輪碰撞的大的慣性時。在一些情況下，例如，本領(lǐng)域公知的"空轉(zhuǎn)齒輪"在曲柄和凸輪機構(gòu)之間的正時齒輪，會受到來自凸輪和曲柄傳動裝置中一個或兩者的轉(zhuǎn)矩沖擊，在達到相對平穩(wěn)運轉(zhuǎn)之前，其會引起反復(fù)的強烈的卡塔聲。上述傳動機構(gòu)可能是發(fā)動機系統(tǒng)最大的噪聲產(chǎn)生部分。
以上問題往往在重型壓縮點火發(fā)動機中尤其嚴重，因為與輕載和/或火花點火發(fā)動機相比，它們勢必會在更大的運行工況范圍內(nèi)經(jīng)歷齒輪撞擊。另外，隨著更高峰值汽缸壓力和更高的噴射壓力，已經(jīng)提出了降低壓縮點火發(fā)動機中的某些氣態(tài)排放物的期望，結(jié)果帶來了發(fā)動機傳動機構(gòu)中甚至更大的沖擊載荷。
除了減小磨損、降低機器應(yīng)力以及改善能量浪費的明顯優(yōu)勢外，某些法規(guī)越來越關(guān)注機器運行中傳動機構(gòu)所發(fā)出噪聲的高低問題。因此，存在許多處理齒輪系統(tǒng)中過度噪聲的動機。如上所述，多年來已經(jīng)認識到與過度齒輪噪聲相關(guān)的問題。因此，工程師們試圖通過各種方式來探尋這樣的噪聲問題，其中一個方式就是通過增加傳動機構(gòu)和其相連部件的質(zhì)量慣性矩，從而降低對有關(guān)擾動轉(zhuǎn)矩的敏感度。例如，這已經(jīng)通過增加齒輪本身的重量，和/或通過為凸輪和曲柄軸設(shè)置擺錘來實現(xiàn)。使發(fā)動機和/或傳動機構(gòu)部件增加重量存在明顯缺陷，包括增加了整個系統(tǒng)重量、尺寸以及費用。另外一個方
法是向傳動才幾構(gòu)中引入柔性(compliance)。
一般說來，柔性齒輪通過允許 一 個或多個齒輪來削弱其對沖擊載荷的反應(yīng)，在傳動機構(gòu)中提供了降低的剛性或者松緊度。在特定齒輪可能會通過轉(zhuǎn)矩沖力急劇加速或者減速的情況下，柔性會使得齒輪逐漸調(diào)整其自身轉(zhuǎn)動以適應(yīng)沖擊荷載。這樣，柔性齒輪可允許相鄰的齒輪比非柔性齒輪在更多的時間里保持嚙合，從而減小了過度磨損、機械應(yīng)變以及聽得見的噪聲。
在一種柔性齒輪設(shè)計中，由兩個緊密連接的共軸齒輪構(gòu)成的"剪式齒輪"具有一定的轉(zhuǎn)動柔性，可用來在兩個或者多個齒輪間傳遞轉(zhuǎn)矩或保持正時。在通常的設(shè)計中，剪式齒輪傳動裝置中前面一個齒輪元件與第一齒輪嚙合，并且剪式齒輪的后齒輪元件與第二齒輪嚙合。剪式齒輪相應(yīng)的前后齒輪元件的輪齒是彼此活動的，這樣，相鄰的輪齒對被認為以類似于 一把剪刀的操作來運動，由此得名。盡管這樣一種引進了前后齒輪之間的轉(zhuǎn)動柔性的設(shè)計可以具有某些優(yōu)點，但是該系統(tǒng)往往非常昂貴且復(fù)雜。
從授予Matouka等人的美國專利No.5170676(以下稱為"Matouka")中已知另 一種利用轉(zhuǎn)動柔性的齒輪設(shè)計。Matouka圖示了用在傳動機構(gòu)中的轉(zhuǎn)矩限制器，即當超過齒輪上的某轉(zhuǎn)矩值時，在轂和齒圈之間允許相對運動，即轉(zhuǎn)動柔性。Matouka利用了彈簧，在齒圏和轂?zāi)軌驈囊粋€相對位置向另一個位置轉(zhuǎn)動地滑行之前，其必須能夠克服彈簧的彈力。盡管Matouka可以應(yīng)用在某些系統(tǒng)中，但是其設(shè)計并非沒有缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及上面提出的 一個或多個問題或缺陷。一方面，本發(fā)明提供了一種齒輪傳動裝置，包括限定了第一軸的轂，和圍繞所述轂定位的齒圏。所述齒圏限定了第二軸，并且所述齒圈能夠響應(yīng)于所述齒輪傳動裝置上的轉(zhuǎn)矩在垂直于所述第一軸的方向上移動。至少一個致動器聯(lián)接在所述轂和所述齒圈之間，并能夠朝著與所述轂的共軸對準的方向偏壓所述齒圏。
另一方面，本發(fā)明提供了一種工作機器，包括具有外殼和安裝在該外殼上的傳動機構(gòu)的發(fā)動機。所述傳動機構(gòu)包括曲軸齒輪、凸輪機構(gòu)和具有可旋轉(zhuǎn)地安裝在所述外殼上的轂并限定了軸的柔性空轉(zhuǎn)齒輪傳動裝置。所述空轉(zhuǎn)齒輪傳動裝置還包括齒圈，該齒圏能夠與所述曲軸齒輪和所述凸輪機構(gòu)嚙合，并能夠響應(yīng)于所述空轉(zhuǎn)齒輪傳動裝置上的來自所述曲軸齒輪和所述凸輪機構(gòu)中的至少一個的轉(zhuǎn)矩相對于所述軸移動。
又一方面，本發(fā)明提供了一種操縱發(fā)動機系統(tǒng)的傳動機構(gòu)中的空轉(zhuǎn)齒輪上的載荷的方法。該方法包括以下步驟通過至少一個另
外的齒輪向第一齒輪施加轉(zhuǎn)矩，所述第一齒輪是空轉(zhuǎn)齒輪；通過設(shè)置在所述空轉(zhuǎn)齒輪的齒圈和轂之間的至少 一 個致動器偏壓齒圈和轂朝向共軸關(guān)系。該方法還包括相對于響應(yīng)所述空轉(zhuǎn)齒輪上的所述轉(zhuǎn)矩沿著垂直于所述軸的方向上克服偏壓移動所述齒圈的步驟。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機系統(tǒng)的工作機器的示意圖2是根據(jù)本發(fā)明的柔性齒輪傳動裝置的分解圖3a是根據(jù)本發(fā)明的柔性齒輪傳動裝置的正視立體圖3b是圖3a的柔性空轉(zhuǎn)齒輪傳動裝置的后視立體圖4是根據(jù)本發(fā)明的柔性齒輪傳動裝置的替代實施方式的立體
圖5是根據(jù)本發(fā)明的柔性齒輪傳動裝置的另一種實施方式的立
圖6是沿著圖3a中的線6-6所截取的柔性空轉(zhuǎn)齒輪傳動裝置的一部分的截面圖7是根據(jù)本發(fā)明的另 一 種實施方式的發(fā)動機系統(tǒng)的示意圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明又一種實施方式的空轉(zhuǎn)齒輪傳動裝置的透視
的剖面?zhèn)?規(guī)圖。
具體實施例方式
參照圖1,示出了工作機器8中的發(fā)動機系統(tǒng)10，該發(fā)動機系 統(tǒng)包括發(fā)動機12，例如直列式壓縮點火發(fā)動機，以及安裝在該發(fā)動 機12上的傳動機構(gòu)11。傳動機構(gòu)11可包括曲軸齒輪18、凸輪機構(gòu) 19和空轉(zhuǎn)齒輪傳動裝置20。曲軸齒輪18通常與曲軸(未示出)相聯(lián)接， 該曲軸又與活塞桿相聯(lián)接，從而以傳統(tǒng)方式旋轉(zhuǎn)。凸輪機構(gòu)19通過 空轉(zhuǎn)齒輪傳動裝置20與曲軸齒輪18可旋轉(zhuǎn)地相聯(lián)接，以保持它們 之間理想的正時?？辙D(zhuǎn)齒輪傳動裝置20包括齒圏22和限定軸C的 彀26。盡管所示發(fā)動機系統(tǒng)IO具有單個空轉(zhuǎn)齒輪傳動裝置，但是依 據(jù)發(fā)動機的設(shè)計，在其它實施方式中可能會用到多個空轉(zhuǎn)齒輪傳動 裝置。彀26和齒圈22被朝共軸對準偏壓，這樣，齒圈22的軸與軸 C共同擴伸(coextensive)。齒圏22能夠響應(yīng)于曲軸齒輪18和凸輪機 構(gòu)19中至少一個帶來的轉(zhuǎn)矩而在垂直于軸C的方向上移動。
齒圈22可移動距離D到達另一位置，這樣其旋轉(zhuǎn)軸就可沿著垂 直于軸C的方向移動到軸C'的位置上。因為齒圏22相對于彀26經(jīng) 過距離D的移動會影響凸輪機構(gòu)19和曲軸齒輪18之間的相對正時， 其有效的移動距離至少部分地基于所述理想正時允許的偏離來選 擇。換句話說，因為齒圈22促使凸輪機構(gòu)19和曲軸齒輪18的同步 運行，齒圈22的移動會暫時地允許凸輪機構(gòu)19和曲軸齒輪18略微 地不同步。如果凸輪機構(gòu)19和曲軸齒輪18之間允許的正時差比較 大，移動距離D可能比較大。相反，如果運行工況要求正時差比較 小，移動距離D也應(yīng)該選擇比較小的。如上所述，彀26和齒圈22 朝共軸準線偏壓，因此，當引起齒圈22移動的轉(zhuǎn)矩減少時，齒圈22 和彀26會朝共軸準線返回，從而補償相對正時中的任何差值。通過 移動齒圖22，可控制空轉(zhuǎn)齒輪傳動裝置20上的載荷，以及這里實施 方式中所述的其它空轉(zhuǎn)齒輪傳動裝置來降低噪聲、損耗等，并且相 鄰的嚙合齒輪可在運行期間保持相互嚙合。在圖1中，箭頭A表示 齒圏22通常的移動方向，而線L,和L2用來"^兌明齒圈22的軸線分別 地在其靜止位置或偏壓位置和移動位置的相對位置。圖2、 3a和3b分別地示出了適于用在圖1的發(fā)動機系統(tǒng)10中 的空轉(zhuǎn)齒輪傳動裝置20的一種實施方式的各種部件的分解圖和組裝 的正面和背面立體圖。應(yīng)當理解的是，這里所述的任何空轉(zhuǎn)齒輪傳 動裝置可與任何所述發(fā)動機和傳動機構(gòu)構(gòu)造，以及其它沒有具體說 明的系統(tǒng)使用?？辙D(zhuǎn)齒輪傳動裝置20包括齒圏組件25，其具有外部 帶齒的齒圏22和環(huán)形內(nèi)部24。齒圏組件25適于圍繞轂26安裝，該 轂包括具有第一和第二轂部分26a和26b的轂組件27。在齒輪傳動 裝置20中，齒圏組件25和轂組件27被固定以一起旋轉(zhuǎn)并使用至少 一個致動器31 (例如，包括彈簧52和滑塊50a-d的多個致動器)朝 著共軸對準的方向偏壓。如這里所述的，齒圈22被構(gòu)造成可相對于 穀26移動，然而應(yīng)當理解的是，齒圈組件25的部分或全部部件可 相對于轂組件27的部分或全部部件移動。因此，由于可以包括其它 部件，所以這里所述的齒圏22相對于轂26的移動不應(yīng)該解釋為僅 僅是齒圈22相對于轂26的移動。最低限度的要求是空轉(zhuǎn)齒輪傳動 裝置20具有一些部件，這些部件能夠響應(yīng)于齒輪傳動裝置20上的 轉(zhuǎn)矩，在垂直于由轂26限定的軸線方向相對運動。
轂組件27可進一步安裝在適于通過可旋轉(zhuǎn)的安裝軸60將齒輪 傳動裝置20聯(lián)接至發(fā)動機12的短軸30上。套筒28可另外地設(shè)置 在短軸30和轂組件27之間。多個致動器可包括多個滑塊50a-d,它 們中的每個都與多個彈簧52相連接并安裝在多個銷54上。當齒圈 22相對于轂26移動時，其克服彈簧52的偏壓作用力運動。因此， 當齒輪傳動裝置20上的引起齒圏22移動的轉(zhuǎn)矩減少時，偏壓彈簧 52可促使齒圈22和穀26退回到共軸對準。盡管在圖示的齒輪傳動 裝置20的實施方式中，示出了具有彈簧52和滑塊50a-d的致動器 31,但應(yīng)當理解的是，那并不會限制本發(fā)明。這里僅需要設(shè)置至少 一個能夠?qū)⑤?6和齒圈22朝著共軸對準的方向偏壓的致動器。應(yīng) 當理解，這里所述的術(shù)語"致動器"包括廣泛的各種裝置，包括彈簧、 液壓致動器、氣動致動器，或彈簧、液壓致動器和氣動致動器的組 合。多個致動器31中的每個可分別地布置在轂部分26a和26b的切 口29a和29b中。齒圈組件25又可包括至少 一個接觸面41 ，例如， 布置在多個襯墊40a-d上與每個滑塊50a-d對齊且圍繞齒圏組件25 徑向間隔的多個接觸面。典型地，齒輪傳動裝置20上傳遞的載荷是 通過使襯墊40a-d抵靠在滑塊50a-d上來起作用。因為整個傳動裝置 典型地繞安裝軸60旋轉(zhuǎn)，當發(fā)生轉(zhuǎn)矩引起的移動時，根據(jù)齒輪傳動 裝置20的相對的角位置，對給定的移動載荷起作用的具體的滑塊和 襯墊會變化?？梢栽O(shè)置端蓋或環(huán)形板32并和與銷54分離的多個螺 釘62 —起在理想的結(jié)構(gòu)中將齒輪傳動裝置20的所有裝配部件連接 在一起。應(yīng)當理解的是，每根彈簧52可以需要比較大的預(yù)載荷，在 一些實施方式中，每根彈簧預(yù)定為800磅級，并且因此希望以相對 牢固的方式將所有部件連接在一起。另外，定向彈簧52在與齒輪傳 動裝置20的旋轉(zhuǎn)軸共軸的方向上壓縮和伸展，在彈簧被壓縮時，有 利于裝配并且有利于在相對少的裝配步驟下用螺栓62固定整個傳動 裝置。
參照圖6，示出了沿著圖3中線6-6的截面?zhèn)纫晥D。圖6示出了 齒圈22、齒圈內(nèi)的環(huán)形部分24、襯墊40a、滑塊50a、彈簧52和銷 54。銷54延伸地穿過滑塊50a,然而在其它實施方式中，滑塊50a 并不配置相應(yīng)的銷。例如在這樣的實施方式中，滑塊50a在其內(nèi)部 是可動的并單獨地由切口 29a和29b或其它部件引導(dǎo)。典型地，齒 圈22相對于穀部分26b的移動包括克服滑塊50a與襯墊40a之間的 靜摩擦系數(shù)?；瑝K50a的滑塊表面51設(shè)置為與襯墊40a的接觸面41 可滑動地抵接。潤滑劑可放置在相應(yīng)的表面41和51之間。在圖示 的結(jié)構(gòu)中，表面51和41相對于齒輪傳動裝置20的旋轉(zhuǎn)軸傾斜定向。 應(yīng)當理解的是，不脫離本發(fā)明的精神和范圍，傾斜表面的相對定向 可與圖示的不同，甚至相反。除克服表面41和51之間的靜摩擦系 數(shù)之外，為了相對于轂組件27移動齒圈22及其相應(yīng)的組件25，這 里必須克服彈簧52的預(yù)載荷。因此，理想的是對于剛性相對大的傳 動機構(gòu)，彈簧52可具有相對更高的預(yù)載荷，反之，對于具有更大柔
12性的剛性相對小的傳動機構(gòu)，彈簧52可具有相對低的預(yù)載荷。圖6
中通過箭頭E示出了在齒圏22移動期間，滑塊50a和襯墊40a之間 滑動的大致方向。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，當滑塊50a相對于襯 墊40a移動時，有助于克服預(yù)載荷的各種因素?；瑒颖砻嬷g的相 對摩擦、坡道傾斜、彈簧預(yù)載荷等都會對應(yīng)于預(yù)載荷程度來變化， 從而匹配或超過移動之前齒輪上的轉(zhuǎn)矩。在某些實施方式中，彈簧 預(yù)載荷由各種部件的尺寸和公差唯一 的確定。
參照圖4,示出了根據(jù)本發(fā)明另一種實施方式的齒輪傳動裝置 120。類似于齒輪傳動裝置20,齒輪傳動裝置120包括敎組件127， 和具有齒圏122和齒圏內(nèi)部環(huán)形部分124的齒圈組件125。類似于齒 輪傳動裝置20，齒圈組件125被構(gòu)造成響應(yīng)于齒輪傳動裝置120上 的轉(zhuǎn)矩相對于轂組件125移動。多個致動器中的每個都包括滑塊140 和彈簧152,每個致動器可布置在轂組件127和齒圏組件125之間。 與齒輪傳動裝置20相反，滑塊140不相對于齒圈組件125的任何部 分滑動，相反地，彈簧152在通過箭頭B表示的方向移動，也就是 基本上垂直于齒輪傳動裝置120的旋轉(zhuǎn)軸的方向。
現(xiàn)參照圖5,示出了根據(jù)本發(fā)明的齒輪傳動裝置220的另一種實 施方式。齒輪傳動裝置220與上述實施方式相類似，外部齒圈224 響應(yīng)于齒輪傳動裝置220上的轉(zhuǎn)矩相對于轂229可移動。然而，并 非使用滑塊，圖5的實施方式使用了彈簧252，這些彈簧徑向向外地 圍繞穀組件229定向并且抵接齒圏224的接觸面242。
參照圖7,示出了與發(fā)動機系統(tǒng)10不同的發(fā)動機系統(tǒng)410,發(fā) 動機的傳動機構(gòu)411相對更接近于直列式構(gòu)造，并包括另外的中間 齒輪421。類似于圖1的發(fā)動機系統(tǒng)10,傳動機構(gòu)411包括凸輪機 構(gòu)419和曲軸齒輪418，和具有齒圏(圖7中未示出)的空轉(zhuǎn)齒輪傳動 裝置420,其可響應(yīng)于齒輪傳動裝置上的轉(zhuǎn)矩移動，這樣齒圈的旋轉(zhuǎn) 軸也會在箭頭B指示的方向上移動。類似于圖1所示的齒輪傳動裝 置20的齒圏的不同的軸向位置，也圖示了所述齒圈旋轉(zhuǎn)軸O和0' 的兩個相對位置?？辙D(zhuǎn)齒輪傳動裝置420也與上述實施方式不同，其中，不是固定的齒圈隨著轂旋轉(zhuǎn)，而是齒圈可圍繞轂旋轉(zhuǎn)，轂又 固定在發(fā)動機外殼412上。
現(xiàn)轉(zhuǎn)至圖8，示出了空轉(zhuǎn)齒輪傳動裝置420的截面?zhèn)纫暳Ⅲw圖。 空轉(zhuǎn)齒輪傳動裝置420包括齒圏422，該齒圏422圍繞安裝環(huán)424 安裝在環(huán)形支承件423上。還設(shè)置第一轂部分426a,且典型地構(gòu)造 成固定地安裝至發(fā)動機412。第二轂部分426b可固定在安裝環(huán)424 并構(gòu)造成相對于第一轂部分426運動。第一和第二轂部分426a和 426b可成對配置，如這里所述，并在抵接位置和分離位置之間可活 動，該分離位置是齒圈422與第一穀部分426a共軸對齊的位置。當 齒輪傳動裝置420受到轉(zhuǎn)矩沖擊時，第二轂部分426b、齒圏422、 環(huán)形支撐件423和安裝環(huán)424都可作為相對于第一轂部分426a的單 元而運動。在其它的實施方式中，所述各個轂部分的功能可能是相 反的。另外，齒輪傳動裝置420可包括不同數(shù)量的轂部分，而不限 于兩個。
齒輪傳動裝置420進一步配置有至少一個如此構(gòu)造的致動器， 使得齒圈422朝著與第一轂部分426a共軸對準的方向偏壓。所述至 少一個致動器可包含兩個液壓致動的補償活塞458。補償活塞458 可至少部分地定位在第一轂部分426a中，且每一個補償活塞458可 包括由第 一 轂部分426a限定的處于第 一和第二流體腔459的流體壓 力下的壓力面457。此外，補償活塞458在被固定到第二轂部分426b 上，例如被壓在其中的套筒456內(nèi)是可動的。彈簧452可內(nèi)部地， 或通過在每個壓力補償活塞458和套筒456之間的另一個結(jié)構(gòu)來設(shè) 置。通過以下的說明可知道，彈簧452可具有比較軟的彈性剛度或 彈簧常數(shù)并且與流體腔459內(nèi)的液體壓力相結(jié)合允許齒圈422響應(yīng) 于齒輪傳動裝置420上的轉(zhuǎn)矩進行移動，由此，在發(fā)動機412運行 期間，可動態(tài)地從被認為是最多問題的傳動機構(gòu)411的某些沖擊頻 率中隔離齒輪傳動裝置420。
液壓流體乂人發(fā)動才幾系統(tǒng)410，例如直4妾地/人發(fā)動才幾412本體的液 壓系統(tǒng)供給到齒輪傳動裝置420。為此，第一穀部分426a可包括至少一個，例如兩個，每個連接轂部分426a內(nèi)流體供給通道461的流 體入口 460。通道461可通過入口單向閥490,例如針閥又連接流體 增壓室478。室478可通過固定，例如壓縮至轂部分426a的第二組 套筒480來限定。至少一個，例如兩個流體增壓活塞482可活動地 設(shè)置在套筒480內(nèi)并聯(lián)接成隨著安裝環(huán)424運動。因此，如這里所 述的，當齒圏及其相關(guān)的部件移動時，安裝環(huán)424與齒圈422的移 動使得活塞482在其對應(yīng)的套筒內(nèi)來回運動?；钊?82的運動會通 過閥490交替將流體引入室478，并且通過連接至每個室478的流體 出口 463將流體擠出。流體出口 463可通過流體壓力通道462與每 個腔459連接，從而允許將通過活塞482加壓的流體提供到腔459。 例如針閥的單向閥也可與出口 463相連。每個腔459還包括流體出 口 468，例如連接至流體排放口 470的第一轂部分426a中的環(huán)形面。 如這里所述，基于腔459中的流體壓力，出口 468可通過套筒456 交替地打開和關(guān)閉，并載荷于齒輪傳動裝置420上。
工業(yè)實用性
回到圖2、 3a-b和6的實施方式，在傳動^/l構(gòu)的正常運行期間， 齒輪傳動裝置20會旋轉(zhuǎn)，以從曲軸齒輪18向凸輪機構(gòu)19傳遞轉(zhuǎn)矩， 這保持理想的發(fā)動機正時，從而使得燃料噴射和例如氣門打開和關(guān) 閉可在理想的時間進行。在連續(xù)運行期間，曲軸齒輪18和凸輪機構(gòu) 19中的一個或兩個會受到傳遞至齒輪傳動裝置20的沖擊轉(zhuǎn)矩載荷。 典型地，彈簧52的預(yù)載荷會保持傳動機構(gòu)11相應(yīng)的剛性，只有當 齒輪傳動裝置20受到超過預(yù)定大小的轉(zhuǎn)矩載荷時，允許通過齒圈22 移動的柔性。當從曲軸齒輪18和凸輪機構(gòu)19中的一個獨立地，或 者兩者同步地將很大的轉(zhuǎn)矩作用于齒輪傳動裝置20時，齒圏22就 會開始移出與穀26共軸對準。特別地，參照圖6，齒圈22的移動可 通過這里所述的襯墊40a相對于滑塊50a滑動的方式來實現(xiàn)。當襯 墊40a和滑塊50a相對于彼此滑動時，彈簧52就被壓縮。應(yīng)當理解 的是，齒輪傳動裝置20中彼此相反配置的襯墊和滑塊對會在相反的方向上滑動。當轉(zhuǎn)矩沖擊停止，彈簧52到達其不能再壓縮的狀態(tài)，
或者例如擋塊(未示出)等一些機械限制件使得齒圈22停止遠離與 轂26的共軸對準移動運動時，齒圈22的移動就會停止。無論如何， 當沒有足夠大小的轉(zhuǎn)矩作用于齒圏22時，就會通過一根或多根彈簧 52的伸展使齒圈22開始返回與轂26共軸對準。盡管并沒有限制， 齒圏22相對于輪轂26的移動距離可能相對較小，例如，大約0.60 毫米。在有些情況下，這個相對較小的移動距離可以對應(yīng)于發(fā)動機 系統(tǒng)10中的曲柄轉(zhuǎn)角大約0.52度。
特別參照圖2、 3a、 3b和6介紹的齒輪傳動裝置20提供了一種 能夠比較容易加工、裝配和封裝的相對緊湊的組件。另外，圍繞組 件的彈簧和滑塊致動器的對稱配置，以及襯墊和滑塊傾斜面之間的
相互作用提供了 一種設(shè)計，也就是說在沒有傾斜出其與傳動機構(gòu)的 其它齒輪指定的對準平面的情況下，響應(yīng)于齒輪傳動裝置上的轉(zhuǎn)矩 進行移動。此外，盡管可以設(shè)想移動方向主要是圖1中箭頭A所示 的方向，但是齒圏22可在任何方向上移動。
還應(yīng)當理解的是，在沒有脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下， 齒輪傳動裝置20的具體的排列和部件數(shù)目可以明顯地變化。例如， 除了轂和齒圈是可一起旋轉(zhuǎn)之外，可以設(shè)想的實施方式是，中央轂 是相對于發(fā)動機殼體固定的，并且齒圏組件圍繞中央轂旋轉(zhuǎn)，利用 在所述轂和齒圏之間的至少 一個致動器朝著共軸對準的方向偏壓。 此外，可以使用單件轂而不是雙件轂，并且可以增加例如空載止推 板的各種附加部件。類似地，不是分離的襯墊栓接或者以其它方式 固定到齒圏內(nèi)部環(huán)形部分，又連接到外部齒輪環(huán)，而是可以使用單 個部件。在還有的設(shè)計中(未示出)，不是滑塊和彈簧對齊齒輪傳動裝 置的旋轉(zhuǎn)軸，而是可以單獨地使用彈簧，該彈簧被定向成從齒輪傳 動裝置旋轉(zhuǎn)軸稍向外并抵接齒圏或齒圏組件的表面，也就是說相對 于齒輪傳動裝置的旋轉(zhuǎn)軸傾斜地定向。這樣的設(shè)計可以類似于齒輪 傳動裝置20的方式運行，但使用相對較少的部件。
除了一些例外以外，圖4和5所示的實施方式均以類似于齒輪傳動裝置20的方式運行。在圖4中的齒輪傳動裝置120和圖5中的 齒輪傳動裝置220中，例如，當在轉(zhuǎn)矩的作用下各個齒圏移動時， 彈簧152和252在部件之間沒有滑動相互作用下壓縮，隨后伸展并 使部件朝著共軸對準的方向返回。
盡管圖8中的實施方式具有某些相同的工作原理，但其在許多 方面還是不同于上述實施方式。在運轉(zhuǎn)期間，齒圈422會在支承件 423上圍繞穀部分426a和426b旋轉(zhuǎn)。齒圏422朝著與第一轂部分 426a的共軸對準的方向偏壓，但是，當齒圈422上作用足夠大的轉(zhuǎn) 矩時，齒圈會從共軸的準線移動。彈簧452通過液壓力的預(yù)載荷可 以相應(yīng)于齒輪傳動裝置420上的相對大的載荷為移動距離提供比較 高的閾值。當齒圈422移動時，其又促使支承件423、安裝環(huán)424 以及第二轂部分426b隨之移動。如圖8所示，第二轂部分426b克 服彈簧452的偏壓的運動會引起最左邊的流體增壓活塞482對室478 中的流體進行增壓并將增壓的流體供應(yīng)到腔459中，提高或保持其 中的流體壓力，并因此通過壓力表面457向預(yù)載荷彈簧452施加液 壓力。于此同時，圖8中最右端的流體增壓活塞482會通過閥490 將流體排入室478中。當齒圈422在彈簧452的偏壓力的作用下返 回到與第一轂部分426a共軸的準線位置時，流體增壓活塞482會逆 向運行。這樣，齒圏422的移動會保持腔459中的流體壓力，又向 偏壓齒圈422提供朝向其理想位置的適當?shù)钠珘毫?。當?59中的 流體壓力增加時，轂部分426a和426b往往^皮迫朝向完全分離的位 置運動。由此，增加腔459中的流體壓力易于驅(qū)動套筒456運動到 環(huán)形面468未封閉的位置，并且流體能夠流到排放口 470。這樣，彈 簧452上來自腔459中流體壓力的預(yù)載荷可保持在理想的范圍內(nèi)， 并且其下降時，彈簧上的預(yù)載荷也會恢復(fù)。
齒輪傳動裝置420可以被構(gòu)造成由于其一側(cè)上的一定載荷而相 對快速地移動，但由于其轉(zhuǎn)動以及在其載荷作用下的移動，齒輪傳 動裝置420以較低的速度或較低的沖量將載荷傳遞到在其相對側(cè)嚙 合的齒輪上。因此，與傳統(tǒng)的方案相比，隨著大大地降低了通過傳
17動機構(gòu)的彼此間的相互作用力，齒輪傳動裝置42 0允許曲軸齒輪419 和/或凸輪機構(gòu)418經(jīng)歷其各自的動態(tài)振蕩。當來自齒輪418或419 中的 一 個的相對較大的轉(zhuǎn)矩沖擊傳遞到另 一 個時，所述轉(zhuǎn)矩沖擊會 被削減，這就允許齒輪418和/或419的慣性來調(diào)節(jié)沒有巨大反沖的 載荷以及其它不利反應(yīng)。這樣就允許曲軸和凸輪軸承受基本上彼此 獨立的動態(tài)振蕩。
齒輪傳動裝置420可以具有固有頻率，即相對于另一個轂部分 平移的一個轂部分的頻率，該頻率將有效地基于齒輪418和419輸 出的頻率。然而，由于彈簧452相對較弱的彈簧剛度，彈簧452能 適應(yīng)相對快的位移，而齒輪傳動裝置420的部件在彈簧452的支撐 力的短暫變化下基本上沒有運動。換句話說，在假定的彈簧剛度下， 彈簧452能夠適應(yīng)強沖擊載荷，而不需要齒輪傳動裝置420的其它 部件明顯運動。這就允許利用在輪轂部分426a和426b之間相對小 的移動量來調(diào)節(jié)相對大的載荷。
因此，齒輪傳動裝置420的作用可以被認為是相對輕且響應(yīng)的 空轉(zhuǎn)齒輪，其能夠調(diào)節(jié)其它齒輪的運動和沖擊，而不通過傳動機構(gòu) 4U傳遞大的沖擊。所以，通過齒輪傳動裝置420傳遞的穩(wěn)定狀態(tài)或 "正常"載荷可以是從曲軸齒輪418向凸輪機構(gòu)419傳遞足夠能量， 以保持凸輪機構(gòu)419處于理想速度的載荷。
另外，通過活塞458施加預(yù)載荷到彈簧452，從而提供了足夠的 彈力，使得齒輪傳動裝置420按照預(yù)期偏壓，并且限制了載荷下轂 部分426a和426b之間的不希望的移動。彈簧452的預(yù)載荷可以使 得齒輪傳動裝置420的轉(zhuǎn)矩預(yù)載荷大約為150Nm,例如，盡管在其 它發(fā)動機和傳動機構(gòu)系統(tǒng)中，該值是可以不同。彈簧452的相對軟 的彈簧剛度與由其預(yù)載荷提供的足夠大的反作用力相結(jié)合允許更加 有序的轉(zhuǎn)矩以最佳性能、來自相關(guān)的凸輪和曲軸的沖擊轉(zhuǎn)矩通過傳 動機構(gòu)411。另外，需要通過來自腔459的活塞458上的力提供足夠 的彈簧力的液壓壓力由活塞482的泵作用實現(xiàn)。這樣，齒輪傳動裝 置420就是自身補償、利用齒圏22的移動運動，傳遞至活塞482以提供偏壓力，該偏壓力能夠隨著響應(yīng)沖擊載荷的移動使得齒圈422 朝向理想的共軸位置返回。
由此，齒輪傳動裝置420典型地構(gòu)造成響應(yīng)于動態(tài)載荷頻率自 由地相應(yīng)移動，當需要的時候，在傳動機構(gòu)411中提供柔性，而液 壓可在與平均載荷相關(guān)的頻率下取消位移，從而允許這些載荷通過 齒輪傳動裝置420傳遞。換句話說，理想的轉(zhuǎn)矩可容易地通過齒輪 傳動裝置420來傳遞，反之，非理想的轉(zhuǎn)矩不容易傳遞。齒輪傳動 裝置420的設(shè)計還期望在現(xiàn)有的封裝約束中執(zhí)行，并且對于預(yù)載荷 彈簧452液壓力的使用避免了在組件內(nèi)對高度壓縮的彈簧的定位。 在其它實施方式中，然而，液壓補償方式可與用于彈簧452的一些 其它類型的預(yù)載荷一起執(zhí)行。
因此，本發(fā)明為通過移動來削弱沖擊載荷的齒輪傳動裝置提供 了各種方案。與傳統(tǒng)的利用轉(zhuǎn)動的柔性策略相比，本發(fā)明提出了類 似的目標。本發(fā)明還明顯地從更早的設(shè)計中努力提出接近碰撞激蕩
源的動力學(xué)方式，即處于發(fā)動機傳動機構(gòu)環(huán)境中的凸輪機構(gòu)和曲軸 齒輪。許多傳統(tǒng)的傳動機構(gòu)往往開始時候剛性很大，因此，在齒輪 之間在對應(yīng)的嚙合力方向上齒輪移動相對合適的量，在輪齒處會大 大降低齒輪之間傳遞能量的衰減，從而大大降低峰值力。根據(jù)本發(fā) 明設(shè)計的和操作的系統(tǒng)，齒輪卡嗒聲、噪聲以及與傳動機構(gòu)有關(guān)的 損耗和破壞都降低了 。最大轉(zhuǎn)矩和在傳動機構(gòu)中整體的動態(tài)特性也 基本上降低了，并且輪齒彼此可更好地保持嚙合。在一些實施方式 中，會存在按照本發(fā)明的柔性齒輪傳動裝置來改進的傳動機構(gòu)。此 外，可能根據(jù)本發(fā)明對傳動機構(gòu)或發(fā)動機進行原始的設(shè)計和構(gòu)建。
本說明書僅僅是為了說明的目的，無論如何，不應(yīng)當解釋為是 對本發(fā)明保護范圍的限制。因此，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解在 不脫離本發(fā)明精神或范圍的情況下可以對本發(fā)明進行各種變形。例 如，盡管本發(fā)明書主要集中在發(fā)動機傳動機構(gòu)范圍內(nèi)的所述的柔性 齒輪傳動裝置的使用，但這并不是對本發(fā)明的限制?？梢韵Ｍ趪?合的齒輪之間存在柔性的任何齒輪系統(tǒng)，都會得益于本發(fā)明的教導(dǎo)。較重要，且因此，專門用在發(fā)動機上的柔性齒輪傳動裝置具有基本 上直列式傳動機構(gòu)，不應(yīng)當認為本發(fā)明將此處教導(dǎo)的應(yīng)用限定為直 列式齒輪系統(tǒng)。在齒輪正時不太重要但是仍需要一 些柔性的其它技 術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明也是可以應(yīng)用的。在研究了附圖和所附的權(quán)利要求 之后，其他的應(yīng)用、特征和優(yōu)點也將是顯而易見的。
權(quán)利要求
1、一種齒輪傳動裝置(20，120，220，420)，包括限定了第一軸的轂(26，129，229)；圍繞所述轂(26，129，229)設(shè)置并限定了第二軸的齒圈(22，122，222，422)，所述齒圈(22，122，222，422)能夠響應(yīng)于所述齒輪傳動裝置(20，120，220，420)上的轉(zhuǎn)矩在垂直于所述第一軸的方向上移動；和至少一個致動器(31，52，152，252，452)，其聯(lián)接在所述轂(26，129，229)和所述齒圈(22，122，222，422)之間，并能夠朝著與所述轂(26，129，229)共軸對準的方向偏壓所述齒圈(22，122，222，422)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪傳動裝置(20, 120， 220, 420), 其特征在于，所述至少一個致動器(31, 52, 152， 252， 452)包括偏 壓彈簧(52， 152， 252, 452)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的齒輪傳動裝置(20, 120, 220)，其特 征在于，所述齒圈(22, 122, 222)被固定以與所述轂(26, 129, 229) 一起旋轉(zhuǎn)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的齒輪傳動裝置(20， 120, 220)，還包括轂組件(27),其包括所述轂(26)和圍繞所述轂(26)間隔開并包括 所述至少一個致動器(31， 52)的多個致動器(31, 52)，每個所述致動 器(31， 52)都包括與滑塊(50a, 50b， 50c， 50d)相聯(lián)接的偏壓彈簧(52)， 所述滑塊(50a, 50b, 50c, 50d)能夠相對于所述穀(26)活動；圏組件(25)，其包括所述齒圏(22)，所述圏組件(25)包括與每個 所述致動器(31, 52)的所述滑塊(50a， 50b, 50c, 50d)抵接的至少一 個才妻觸面(41);其中，所述圈組件(25)還包括圍繞所述齒圏(22)間隔開并包括所 述至少一個接觸面(41)的多個襯墊(40a, 40b, 40c, 40d)，每個所述 襯墊(40a， 40b， 40c, 40d)分別對準相應(yīng)的所述滑塊(50a， 50b， 50c,250d)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的齒輪傳動裝置(420 ),其中 所述轂是第 一轂部分(426a),所述齒圈(422)能夠圍繞所述第 一轂部分(426a)旋轉(zhuǎn)，所述齒輪傳動裝置(420)還包括轂組件，所述轂組件 包括所述第 一 敎部分(426a)和能夠與所述齒圈(422)—起相對于所述 第 一轂部分(426a)移動的第二轂部分(426b);所述第一轂部分(426a)限定所述第一軸，所述第一轂部分和第二 穀部分(426a， 426b)能夠彼此配合且能夠在抵接的第一位置和分離的 第二位置之間運動，并且其中所述至少一個致動器(452)能夠朝向所 述第二位置偏壓所述第一轂部分和第二轂部分(426a， 426b),在所述 第二位置，所述齒圏(422)與所述第 一轂部分(426a)共軸對準；所述至少一個致動器(452)的所述偏壓彈簧(452)與液壓致動的補 償活塞(458)相聯(lián)接；和所述第一轂部分(426a)限定至少一個流體腔(459)，其中所述液壓 致動的補償活塞(4 5 8)包括暴露于所述至少 一 個流體腔(4 5 9)的流體 壓力下的壓力面(457);所述齒輪傳動裝置(420)還包括至少 一 個能夠與所述齒圈(422)— 起移動并能夠向所述至少 一 個流體腔(459)供應(yīng)增壓液壓流體的流體 增壓活塞(482)。
6、 一種工作機器(8),包括具有外殼(12， 124)和安裝在外殼(12, 412)上的傳動機構(gòu)(ll， 411)的發(fā)動機(10， 410),所述傳動機構(gòu)(ll， 411)包括曲軸齒輪(14， 418)、凸輪機構(gòu)(19, 419)和具有可旋轉(zhuǎn)地安裝到所述外殼(12， 412) 的轂(26, 129 )并限定軸的柔性空轉(zhuǎn)齒輪傳動裝置(20， 120， 220， 420)，所述空轉(zhuǎn)齒輪傳動裝置(20， 120， 220， 420)還包括齒圈(22， 122， 222， 422)，所述齒圈能夠與所述曲軸齒輪(14, 418)和所述凸 輪機構(gòu)(19, 419)嚙合，并能夠響應(yīng)于所述空轉(zhuǎn)齒輪傳動裝置(20, 120， 220, 420)上的來自所述曲軸齒輪(14, 418)和所述凸輪機構(gòu)(19, 419) 中的至少 一 個的轉(zhuǎn)矩相對于所述軸移動。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的工作機器(8)，其特征在于，所述齒圏(22)被固定以與所述轂(26)—起旋轉(zhuǎn)，所述空轉(zhuǎn)齒輪傳動裝置(20)包 括具有所述齒圏(22)和至少一個接觸面(41)的圏組件(25)，和具有 所述轂(26)的轂組件(27),其中所述至少一個致動器(31， 52)包括圍 繞所述第一軸定位的多個致動器(31, 52)并且每個致動器(31， 52) 包括偏壓彈簧(52)和可滑動地抵接所述至少一個接觸面(41)的滑塊 (50a， 50b, 50c, 50d)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的工作機器(8)，其特征在于，所述齒圏 (422)能夠圍繞所述穀旋轉(zhuǎn)，所述轂包括轂組件，所述轂組件包括第 一轂部分和第二轂部分(426a， 426b),所述轂部分(426a， 426b)能夠 彼此配合并且能夠在抵接的第 一位置和分離的第二位置之間運動， 其中所述至少一個致動器(452)能夠朝向所述第二位置偏壓所述第一 轂部分和第二轂部分(426a， 426b),在所述第二位置，所述齒圏(422) 與所述轂共軸對準，所述空轉(zhuǎn)齒輪傳動裝置(420)還包括與所述至少 一個致動器(452)聯(lián)接的液壓致動的補償活塞(458)。
9、 一種控制發(fā)動機系統(tǒng)(10, 410)的傳動機構(gòu)(11, 411)中的空轉(zhuǎn) 齒輪(20, 420)上的載荷的方法，包括以下步驟通過至少一個另外的齒輪向第一齒輪施加轉(zhuǎn)矩，所述第一齒輪 是空轉(zhuǎn)齒輪(20, 120, 220， 420);通過設(shè)置在所述空轉(zhuǎn)齒輪(20， 120, 220, 420)的齒圈(22, 122, 222， 422)和轂(26, 129)之間的至少 一個致動器(31 ， 52, 152, 252, 452)偏壓齒圏(22， 122， 222， 422)和轂(26， 129)朝向共軸關(guān)系；并 且響應(yīng)所述空轉(zhuǎn)齒輪(20, 120， 220， 420)上的所述轉(zhuǎn)矩沿著垂直 于所述軸的方向克服偏壓移動所述齒圈(22, 122, 222, 422)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述至少一個 另外的齒輪包括內(nèi)燃機(10,410)的凸輪機構(gòu)(19， 419)和曲軸齒輪(14, 418)，移動所述齒圏(22, 122， 222, 422)的步驟包括基于所述凸輪 才幾構(gòu)(19， 419)和所述曲軸齒4侖(14, 418)之間的相對正時，移動所述齒圏(22， 122， 222, 422)—定距離
全文摘要
一種柔性齒輪傳動裝置(20，120，220，420)，包括齒圈(22，122，222，422)，該齒圈圍繞轂(26，129)定位并能夠響應(yīng)于所述齒輪傳動裝置(20，120，220，420)上的轉(zhuǎn)矩而移動和通過至少一個致動器(31，52，152，252，452)朝著與所述轂(26，129)的共軸對準的方向偏壓。一種操縱傳動機構(gòu)(11，411)內(nèi)空轉(zhuǎn)齒輪(20，120，220，420)上載荷的方法，包括響應(yīng)于所述空轉(zhuǎn)齒輪(20，120，220，420)上的轉(zhuǎn)矩來移動所述齒圈(22，122，222，422)。一種工作機器(8)，包括具有外殼(12，124)和安裝在該外殼上的傳動機構(gòu)(11，411)的發(fā)動機(10，410)，所述傳動機構(gòu)(11，411)包括曲軸齒輪(14，418)、凸輪機構(gòu)(19，419)和柔性空轉(zhuǎn)齒輪傳動裝置(20，120，220，420)。
文檔編號F16H57/00GK101512193SQ200780032920
公開日2009年8月19日 申請日期2007年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月27日
發(fā)明者A·J·韋伯, C·V·斯特里萊特奇, D·V·斯通, J·R·德克, S·A·索布爾, T·A·布羅索維斯克, T·L·阿特韋爾 申請人:卡特彼勒公司