CN100591939C - 高角度等速万向节 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种等速万向节，其包括内表面设有孔、孔内设置有笼形架的外座圈，具有外表面的内座圈，设置在该笼形架内多个球，及连接于该内座圈的轴。该笼形架、外座圈、内座圈、和球相互关联来居中并支撑该笼形架。该笼形架与该外座圈和内座圈、或与所述内座圈、或与所述外座圈在整个轴的无角度和高角度位置保持在非支撑状态。
Description
相关申请
本申请要求2004年10月21日提交的序列号为10/970,553的美国专利申请的优先权，申请序列号为10/970,553的美国专利申请是2002年11月14日提交的序列号为10/294,197的美国专利申请的部分继续申请。
背景技术
等速万向节(CV万向节)为机动车辆中的普通元件。一般地，等速万向节使用在希望或需要等速旋转运动传动的地方。普通的等速万向节类型为***式三销轴(plunging tripod)、固定式三销轴(fixedtripod)、***式球万向节(plunging balljoint)和固定球万向节(fixedball joint)。这些万向节可用于前轮驱动车辆，或后轮驱动车辆里，并可用在后轮驱动、所有轮驱动和四轮驱动车辆的传动轴上。***式等速万向节在运行期间允许轴向运动而不使用滑动花键，但它们有时触发力从而导致振动和噪音。***类型的CV万向节允许连同沿其中两个轴的轴向位移一起进行的角位移。固定类型等速万向节一般仅允许在两个轴之间的角位移。固定等速万向节比***类型等速万向节更好地设置用于更高的运行角度。当使用在轴上时，所有这些等速万向节采用一般油脂润滑来延长寿命并由封闭罩密封。因此，密封等速万向节将油脂保持在万向节内，同时将污染和杂质，例如灰尘和水，置于万向节之外。等速万向节的密封保护是必须的，因为内腔的污染物导致万向节的内部损伤和破坏，其增加了罩上的热量和磨损，因此可能导致早期的罩和油脂失效，并因此导致整个万向节失效。在高速固定等速万向节里较高温度的问题在处于较高的角度时大大提高。因此，由较高角度导致的在罩上增加的温度和增加的压力可能导致传统等速万向节的早期失效。
通常，传统的固定类型等速万向节包括大而重的外座圈(outerrace)，其具有球形内表面和多个槽。万向节还包括内座圈(innerrace)，其具有球形外表面，球形外表面带有在其中形成的导向槽。许多传统的固定类型等速万向节使用6个扭矩传递球，其通过保持架设置于等速万向节外座圈和内座圈的槽之间。球允许预先确定的位移角度在整个万向节出现，并因此通过机动车传动***的轴传递等速旋转运动。
发明内容
本发明提供一种等速万向节，其包括在内表面设有孔、孔内设置有笼形架的外座圈，具有外表面的内座圈，设置在该笼形架内多个球，及连接于该内座圈的轴。该笼形架、外座圈、内座圈、和球相互关联来居中并支撑该笼形架。该笼形架与该外座圈和内座圈在整个轴的无角度和高角度位置保持在非支撑(non-supporting)状态。
通过阅读随后的详细描述和所附的权利要求，并参考附图，本发明的其它特征也将变得清晰。
附图简要说明
图1显示了根据本发明的等速万向节的侧视图；
图2显示了根据本发明以预先确定的角度活动连接的等速万向节的侧视图；
图3显示了根据本发明的油脂盖的俯视图；
图4显示了根据本发明沿盖在图3中的线4-4截取的横截面；
图5显示了根据本发明罩盖的俯视图；
图6显示了根据本发明沿罩盖在图5中的线6-6截取的横截面；
图7显示了根据本发明内座圈的俯视图；
图8显示了根据本发明沿图7中的线8-8截取的内座圈横截面；
图9显示了根据本发明沿图7中的线9-9截取的内座圈横截面；
图10显示了根据本发明沿图7中的线10-10截取的内座圈横截面；
图11显示了根据本发明的笼形架的平面视图；
图12显示了根据本发明的笼形架的侧视图；
图13显示了根据本发明沿图12中的线13-13截取的根据本发明的笼形架的横截面；
图14显示了根据本发明部分笼形架的局部横截面；
图15显示了根据本发明穿过笼形架的小孔的特写视图；
图16显示了根据本发明的外座圈的侧视图；
图17显示了根据本发明的外座圈的俯视图；
图18显示了根据本发明沿图17中的线18-18截取的外座圈的横截面；
图19显示了根据本发明沿图17中的线19-19截取的外座圈的横截面；
图20显示了沿图17中的线20-20截取的外座圈的横截面；
图21显示了多个球设置于其中的内座圈的平面视图；
图22显示了根据本发明球在其中的球轨道的特写视图；
图23显示了多个球在其中的外座圈的俯视图；
图24是根据本发明的CV万向节的示意图；
图25是根据本发明的CV万向节的示意图；
图26是根据本发明的CV万向节的示意图；
图27是根据本发明的CV万向节的示意图；
图28是根据本发明的CV万向节的示意图；
图29是根据本发明的CV万向节的示意图；
图30是根据本发明的CV万向节的示意图；
图31是根据本发明的CV万向节的示意图；及
图32是根据本发明的CV万向节的示意图。
详细描述
参见附图，显示了根据本发明的等速万向节30。应注意任何类型的等速万向节，例如***式三销轴、固定三销轴及类似物，均可结合一些或所有的此处描述的本发明的各种特征。在一个方面，根据本发明的等速万向节30一般是高角度(high speed)、高速度(highspeed)、球类型固定式等速万向节，以使用在传动轴或驱动轴上。高角度可限定为大于或等于9度的任意角度。这些高角度万向节往往在高速和高温下运行。
用于所有轮驱动车辆的常用传动***包括多个等速万向节30。但应注意本发明还可用于仅后轮驱动车辆、仅前轮驱动车辆、所有轮驱动车辆、以及四轮驱动车辆。通常，传动***包括发动机，其连接于传动和能量输出单元。前差速器具有右手侧轴和左手侧轴，每个轴连接于轮上并将能量传递给轮。在右手前侧轴的端部和左手前侧轴的端部都是等速万向节。传动轴将前差速器和后差速器连接到变速箱或能量输出单元。后差速器可包括右手后侧轴和左手后侧轴，每个轴在其一端设置轮。通常，CV万向节位于连接到轮的半轴的端部上和连接到后差速器的半轴的端部上。传动轴一般可为多件传动轴，其包括多个万向联轴节和/或高速等速万向节30。即使由于转向、提升或降低车辆的悬挂等等，轮或轴具有变化的角度，等速万向节30还是通过驱动轴传递能量给轮。等速万向节30可为任何已知的标准类型，例如***式三销轴、叉槽式万向节、固定式万向节、或固定式三销轴万向节，所有这些都是通常已知的用于不同种类等速万向节的技术术语。等速万向节允许以各种角度等速传动，这可在日常的机动车辆驾驶中在这些车辆的半轴和传动轴上发现。
图1至23显示本发明的一个实施例。高速度、高角度等速万向节30一般如图1和2所示。等速万向节30包括外座圈32，外座圈32一般具有从其中穿过的环形的孔34(见图17)。外座圈32一般呈环状。在等速万向节外座圈32的外表面定位至少一个环形槽36，其环绕外座圈32的整个外圆周。外座圈32还包括等距地环绕外座圈32的外圆周定位的多个安装小孔42。外座圈32一般由钢材制成，但应注意，任何其它类型的金属材料、硬陶瓷、塑料、合成材料及类似物也可用于外座圈32。材料优选地能够承受高的速度、温度和等速万向节30的接触压力。外座圈32还包括位于其内表面上的多个轴向相对球轨道38。轨道38轴向相对，使得朝向外座圈32一侧的一半球轨道38与另一半球轨道38相对。因此，在这一实施例中，球轨道38的轴向斜面在轴向方向彼此相对以交替模式布置。这将确保笼形架作用力的减小，至少一个引导球的减小，也将提高等速万向节30的效率和热特性。本发明中，球轨道38也可为哥特式或椭圆形状，只要保持压力角度和一致性。
应注意，在一个方面，等速万向节外座圈32薄于传统等速万向节的外座圈。这将帮助减少外座圈32的重量，同时也减少等速万向节32的包装尺寸。在一个实施例中，外座圈32厚度大约为24mm，但可为小于用于盘式万向节的150mm的任何宽度，但可远大于用于整体式万向节的宽度，这取决于机动车辆的设计要求。
外座圈32内表面上的球轨道38还是双偏置轨道。双偏置轨道32除含有轴向偏置41外，还同时含有径向偏置43。这将使球轨道38平坦并有助于滚动，因此而提高等速万向节30的效率和耐用性。应注意平坦的轨道38还产生更好的轨道边缘支撑。这允许球44对轨道38更高的压力角度和更接近的一致性。这将允许万向节30比传统的万向节活动连接到更高的角度，同时保持优良的耐用性。轴向偏置41和径向偏置43(见图19)具有值，该值与节圆直径(PCD)具有预先确定的比值，节圆直径(PCD)定义为在一侧上的球44的中点穿过万向节30的中点到另一侧上的球44的中点。轴向偏置41、径向偏置43与节圆直径(PCD)的预先确定的比值使等速万向节30更好地进行球滚动并提高效率。应注意在实施例中，如图所示为4+4等速万向节30，其在等速万向节30里具有总共8个球。但应注意结合本发明等速万向节30的一些或所有特征，可构思制造十球、六球，或四球的万向节。
等速万向节30还包括内座圈46，其一般为环形。内座圈设置在外座圈32的孔34内。内座圈46包括内孔48(见图17)并具有多个轴向相对的球轨道52。球轨道52一般为球形并与外座圈32上的球轨道38对准，使得轴向角度朝向与球轨道38相似或相同的方向，球轨道38在外座圈32上直接排列于球轨道52之上。内座圈46的外部球形表面上的球轨道52有一半轴向朝一个方向，而另一半的球轨道52轴向朝向相对的方向。在所示的实施例中，球轨道52环绕内座圈46的外圆周以交替模式朝向。内座圈46上的球形或椭圆形的球轨道52还包括双偏置，其同时包括径向偏置43和轴向偏置41(见图19)来促进球形轨道52的平坦化。与上面对外座圈32所讨论的一样，这使等速万向节30产生改进的效率和耐用性。应注意，在一个实施例中，内座圈46由钢制成。但也可使用任何其它的合成金属、硬塑料、陶瓷和类似物制成。
等速万向节30包括滚笼形架54，其一般呈环形。滚笼形架54设置在外座圈32的孔34内，使得它不与外座圈32的内表面接触。笼形架54具有多个穿过其表面的长方形小孔56。小孔56的数量与等速万向节30的外座圈32和内座圈46上的球轨道38、52的数量相符。在一个实施例中，例如如图所示，具有8个从其中穿过的小孔56(见图11)。笼形架54居中并仅由内座圈46的外部球形表面支撑。轴向相对轨道的使用允许笼形架54居中，同时保持离外座圈32的边缘表面预先确定的距离。这确保等速万向节30本质上对称。这将使等速万向节30提高大约20％的效率。没有外座圈32内表面和笼形架54外表面之间的接触，效率以大约上述注明的比率提高，因此减小了罩和油脂热失效的可能性。笼形架54还设计为使得它不具有会使笼形架54弱化的笼形架槽。这允许内座圈46装配在笼形架54内，而不使用专门的笼形架槽。笼形架54连同内座圈46一起优选地由钢材制成，但也可使用任何其它硬金属材料、塑料、合成物、陶瓷及类似物。本发明中的笼形架54接近处于平衡状态，因此大部分的接触载荷相互抵消掉。这也将帮助提高等速万向节30的效率。
等速万向节30包括多个球44。球44一般具有比传统CV万向节的球更大的直径。允许更大的直径是由于等速万向节30的组装角度小于多数现有技术的组装角度。更大直径球44的使用还减少内座圈46和外座圈32的轨道38、52上的接触压力。每个更大直径球44设置在笼形架54的一个小孔56内，并在外座圈32和内座圈46的球轨道38、52内。因此，球44将能够在沿相同方向排列的轴向相对轨道38、52里滚动。双偏置的使用意味着球行进的径向路径较浅，因此在更小、更轻的等速万向节30里允许更高的角度。
等速万向节30在一端使用油脂盖58。油脂盖58一般呈杯形。油脂盖58一般由金属材料制成。但也可使用任何塑料、橡胶、陶瓷、合成材料和类似物。盖58通过外座圈32外表面上的一个环形槽36压力配装或连接于外座圈32的外表面。但任何其它已知的紧固方法也可使用，例如紧固件、粘接等等。油脂盖58将确保作为润滑剂使用的油脂保持在等速万向节30之内。可穿过盖58设置通风孔以缓解任何的内部压力。如图3和4所示，盖还包括多个槽70，以允许球44在高角度的等速万向节30内旋转。
外座圈32的油脂盖58的相对端设置罩盖60，其一般为环形。罩盖60通过外座圈32外表面上的环形槽36或任何其它的已知紧固方式连接于外座圈32的外表面。罩盖60包括连接于外座圈32的端的相对端，用于紧固其中的柔韧罩64。罩盖60一般由金属材料制成，但也可使用任何塑料、橡胶、陶瓷、合成物及类似物。
柔韧罩64紧固在罩盖60和等速万向节30的短轴66之间。可使用任何已知的紧固方法来保持罩64环绕轴66，例如罩夹、紧固件等等。柔韧罩64一般由尿烷材料制成。但任何其它的柔韧材料，例如织物、塑料、或橡胶也可用于等速万向节罩64，只要它能承受等速万向节30的高温和高转速。应注意罩64设置为使得罩64置于笼形架54的外圆周之内。这将允许罩64移近等速万向节30的中心线，因此减小包装尺寸，减小罩64上的压力并减小罩失效和等速万向节失效的可能性。图1显示了等速万向节30在平衡位置，并显示了罩64在笼形架54的外径之内。图2显示了当等速万向节30在高角度，即大约15度时的罩64。罩64仍在笼形架54的外径之内，且还靠近万向节30的中心线，因此减少了任何的罩压力。
短轴66通过花键50固定到等速万向节30的内座圈46上。短轴66一般为实心并通常在其中的一端上焊接到管68。短轴66和传动轴管在碰撞作用期间将经过外座圈32的内孔34，因此减少碰撞的力并当它陷落时吸收能量。应注意在一个方面，节圆直径(PCD)和球44的尺寸以一种方式预先确定，此方式允许出现平衡使得在碰撞作用期间内座圈46和球44将从外座圈32***，因此允许轴66和类似管的构件陷落在其中。
轴向相对球轨道38和52以双偏置的构造排列在外座圈32和内座圈46上。外座圈球形接触表面的去除和PCD和球尺寸的明智选择使效率大幅提高，同时也还提高了耐用性。预先确定的比值与上面介绍的等速万向节30一起构思。在此处所示的8球单元中，球直径除以节圆直径的比值C1应大于或等于0.217，但小于或等于0.275。但在3+3万向节中，C1比值可能大于或等于0.217且小于或等于0.318。应注意如果C1比值太大，笼形架54和内座圈46的强度会减小，效率会损失，这是由于在等速万向节30运动期间，球44的滑动增加。但如果比值C1太小，会出现将内座圈46组装到笼形架54中的相关问题。此外，由于没有轨道边缘支撑和减小的球直径，还会有耐用性的问题。低的比值促进球的滚动，并因此增加等速万向节30的效率。
比值X1定义为轴向偏置除以节圆直径，且应在大于或等于0.06753而小于或等于0.135的范围内。如果X1比值太大，等速万向节30会由于更高的球和笼形架作用力而损失效率。球路径的大的变化还可促进外座圈32外径的增加来保持等速万向节30合适的强度。大的比值还可减少如在许多当前运动型多用途运载车(SUV)中所见的大的活动连接角度的轨道边缘支撑。但如果X1比值太小，会产生不适当的转向力，因此抑制等速万向节30的正确运行。另外，小的X1比值会使轨道平坦并产生更好的滚动性能，因此而提高等速万向节30的效率。
还有另一个比值Y1，其定义为由径向偏置除以节圆直径，应大于或等于0.188。如果此Y1比值太小，球路径的大的变化可促使外座圈32外直径增加来保持等速万向节30的合适强度。小Y1比值还可减少在大的活动连接角度的轨道边缘支撑，并因此减小等速万向节30的耐用性。大的Y1比值使轨道平坦并通过促进球44更好的滚动性能而提高效率。
因此，本发明高角度、高速度的等速万向节30使用创新结合来创造更小、更可靠且和更有效率的万向节。等速万向节30具有给定能力下更小的零件包装，同时还减少等速万向节30的重量。等速万向节的效率可为标准高角度万向节的至少两倍，且会更加可靠，因此增加了机动车制造商的满意度，同时减少了万向节失效和随后保修问题的数量。应注意可调整各种参数例如径向偏置、轴向偏置和节圆直径来达到对等速万向节30的特别调整的目的，例如但不限于在传动***中等速万向节30所需要的或所要求的活动连接角度的量。更小直径和减少宽度的外座圈32的使用还将减少机动车制造商组装等速万向节30的成本和复杂性，因此减少整个机动车辆的成本。因此，高角度即大于或等于9度、高速度固定式等速万向节30，比起传统的高速度等速万向节具有更好的效率并更加可靠，传统的高速度等速万向节运行在高温，因此而导致早期的罩和油脂失效。基于温度的罩失效问题在更高角度增加，因此需要纠正传统等速万向节的当前设计限制，以增加万向节的可靠性和满意度。更高的温度和速度将在罩上产生更高的压力并产生许多等速万向节早期的失效。因此，本发明高速度、高角度等速万向节30通过消除外座圈32上球形笼形架支撑表面并结合多个轴向相对轨道38、52且其中的每个轨道38、52具有双偏置克服了这些问题。这将允许高的角度，同时还通过万向节30内更好的球滚动来促进等速万向节30具有更好的效率和耐用性。
现参见图24和25，显示和介绍了本发明的另一个方面。在图24中，显示和介绍了当短轴66处在零角度位置时的本发明支撑笼形架54的一方面。如前述方面所介绍的，轴向相对轨道38、52的采用减小了沿等速万向节30旋转轴线的作用力。特别地，在一个方向成角度的轨道38、52往往导致在一个轴向方向的作用力的产生，而在第二方向成角度的轨道38、52往往导致在相对的轴向方向的作用力的产生。最后结果是笼形架54上沿轴向方向整个作用力的最小化、减小或减缓。因此，需要居中和支撑笼形架54并防止它从等速万向节其它构件移出的支撑的数量通过相对导向轨道38、52的采用而减少。
在图24所介绍的方面，笼形架54在外座圈32和内座圈46之间以非支撑布置定位。更具体地说，笼形架54的上表面104和下表面106没有阻止笼形架54在径向或轴向方向的运动。笼形架54一般由小孔56内的球44的接触而限制。在一个方面，笼形架54的上表面104和下表面106没有接触外座圈32的表面100或内座圈46的表面102。如图25所示，无论短轴66是在零角度位置或高角度位置，此非支撑布置都存在。因此，在一个方面，笼形架54实质上漂浮在内座圈46和外座圈32之间的非支撑形状里。力的平衡由在轴向方向提供支撑的轨道38、52的不同角方向所产生，以居中和支撑笼形架54和其它元件。当然，尽管结合使用力的此平衡来支撑和居中笼形架54介绍了本发明，本领域普通技术人员很容易理解可使用其它可能不包括外座圈32或内座圈46的居中和支撑方式来保持笼形架54处在中央和支撑位置。也应理解可能仅在轴向或径向方向没有由外座圈32或内座圈46提供的支撑。
在图26和27中，显示和介绍了本发明的另一个方面。在图26中，显示和介绍了当短轴66处在零角度位置时的本发明支撑笼形架54的另一个方面。在图26中，笼形架54的上表面104具有与外座圈32表面100的单点接触108。此接触位置在轴向方向提供最小的支撑。但本接触用作居中笼形架54并避免径向运动。单点接触108包括最小数量的表面面积。但下表面106与内座圈46为非支撑布置。更具体地说，笼形架54的下表面106不接触内座圈46的表面102。如图27所示，当短轴66移动到高角度位置，单点接触108仍保持在上表面104和表面100之间。此外，此单点接触108用作居中笼形架54并避免在径向方向的运动。
在图28和29中，显示和介绍了本发明的另一个方面。在图28中，显示和介绍了当短轴66处在零角度位置时的本发明支撑笼形架54的另一个方面。在图28中，笼形架54的下表面106具有与内座圈46表面102的点接触110。同前面一样，单点接触提供额外的支撑以居中和支撑笼形架54。但外座圈32与笼形架54为非支撑关系。图29显示了当短轴66处于高角度位置时，在笼形架54和内座圈46之间的此单点110关系。
在图30-32中，显示和介绍了本发明的另一个方面。在图30中，显示了当短轴66处在零角度位置时的本发明支撑笼形架54的另一个方面。在图30中，切除部分112显示在内座圈46的表面102。切除部分112减小了能接触笼形架54表面106的暴露表面面积的量。更具体地说，如图30所示，笼形架54的表面106仅在点接触116和114处接触内座圈46的表面102。依靠切除部分112，移开了会在笼形架54和内座圈46之间另外产生接触关系的表面面积。结果，笼形架54仅由点接触114和116支撑和居中。本发明进一步构思出交替地包括在外座圈32的表面100里的切除部分112。因此，笼形架54的表面104会减少，且点接触116和114会在笼形架54的表面104和外座圈32的表面100之间。
参见图31，在一个实施例中，当短轴处于高角度位置时，笼形架54的上表面104不会接触外座圈32的表面100。更具体地说，在列举的实施例中，内座圈46上点接触116的位置移动到不与笼形架54的表面106接触。同样地，在高角度位置，仅点接触114给笼形架54提供额外的支撑。但如图32所示，切除部分112的长度，以及笼形架54的整个几何形状、内座圈46和外座圈32可以选择，使得当在如图所示的高角度位置时，点接触114和116都存在于内座圈46和笼形架54之间。
本发明以示例性的方式进行了介绍。应理解所使用的术语只是具有描述用词的性质，而不是限制。
根据上述教导可能作出对本发明的许多修改和变化。因此，在所附的权利要求范围内，本发明可按不同于所具体描述的其它方式实施。
Claims (4)
1、一种等速万向节，包括：
具有带内表面的孔的外座圈，该内表面具有多个球状外球轨道；
设置于所述外座圈的孔的笼形架；
具有外表面的内座圈，该外表面具有多个球状内球轨道，第一组内球轨道和外球轨道以一个轴向方向敞开，且第二组内球轨道和外球轨道以相反轴向方向敞开；
设置于所述笼形架的孔内及相应的内球轨道和外球轨道内的多个球；
连接于所述内座圈的轴；
柔韧罩，其通过紧固在罩盖和所述轴之间的方式环绕所述轴而保持，且所述罩的一部分位于所述笼形架内；
其中所述笼形架孔、外座圈、内座圈、和球相互关联以居中并支撑所述笼形架；
其中在所述轴的无角度和高角度位置，所述笼形架和外座圈的内表面和内座圈的外表面为非支撑关系。
2.根据权利要求1所述的等速万向节，其特征在于，通过在所述笼形架孔中的球，所述第一组内球轨道和外球轨道及所述第二组内球轨道和外球轨道适用于居中并支撑所述笼形架。
3.一种等速万向节，包括：
具有带内表面的孔的外座圈，该内表面具有多个球状外球轨道；
设置于所述外座圈的孔的笼形架；
具有外表面的内座圈，该外表面具有多个球状内球轨道，第一组内球轨道和外球轨道以一个轴向方向敞开，且第二组内球轨道和外球轨道以相反轴向方向敞开；
设置于所述笼形架的孔内及相应的内球轨道和外球轨道内的多个球；
连接于所述内座圈的轴；
柔韧罩，其通过紧固在罩盖和所述轴之间的方式环绕所述轴而保持，且所述罩的一部分位于所述笼形架内；
其中所述笼形架孔、外座圈、内座圈、和球相互关联以居中并支撑所述笼形架；
其中在所述轴的无角度和高角度位置，所述笼形架没有接触外座圈的内表面和内座圈的外表面。
4.根据权利要求3所述的等速万向节，其特征在于：所述第一组内球轨道和外球轨道及所述第二组内球轨道和外球轨道适用于居中并通过笼形架孔中的球支撑所述笼形架。
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