CN104204618B - 剪式齿轮组件 - Google Patents

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Abstract

一种齿轮组件(108)包括主齿轮(120)，所述主齿轮(120)包括第一轮毂(126)、绕第一轮毂(126)设置的第一齿圈(128)以及第一螺旋花键区(138)。齿轮组件(108)还包括相对于主齿轮(120)同轴设置的次级齿轮(122)，其中弹性部件(124)设置在两者之间。次级齿轮(122)包括第二轮毂(132)、绕第二轮毂(132)设置的第二齿圈(134)以及与第一螺旋花键区(138)互补的第二螺旋花键区(146)。

Description

剪式齿轮组件
技术领域
本发明涉及一种用于齿轮系的齿轮组件，特别是涉及一种用于提高齿轮系性能的剪式齿轮组件。
背景技术
在多种应用，包括发动机***中，齿轮系广泛应用于旋转运动的传动。然而，齿轮系中相邻齿轮间齿轮齿的冲击和撞击会产生较大的噪音。通常情况下，当相邻齿轮的齿轮齿退出啮合状态，然后再压回啮合状态时，例如，当第一齿轮上的齿通过比第二齿轮上相邻齿更快地向前运动而退出啮合状态，然后第一齿轮上的齿撞击第二齿轮上相邻的齿时，会产生噪音。齿轮系产生的噪音不仅使环境不舒适，而且齿轮齿之间的撞击还导致齿轮系的过早磨损。
美国专利No.6,247,377(‘377专利)公开了一种剪式齿轮组件，以最大限度地减少齿轮系中产生的噪音。如‘377专利中所述，剪式齿轮组件包括具有第一齿的第一齿轮和具有第二齿的第二齿轮，其中第二齿与第一齿轮的第一齿相对应。第一齿轮和第二齿轮同轴设置并适于相对于彼此转动。而且，多个弹簧沿切线方向设置在第一齿轮和第二齿轮之间，以提供弹簧偏置力使第一和第二齿轮相对于彼此转动，并改变第一齿和第二齿的对准。第一齿和第二齿一起运转作为具有可变有效齿厚度的复合齿。当与相邻齿轮啮合时，复合齿能减少或有效消除间隙，从而减少噪音。
发明内容
一方面，本发明提供一种齿轮组件，其包括主齿轮、次级齿轮以及轴向设置在主齿轮和次级齿轮之间的弹性部件。主齿轮包括第一轮毂、绕第一轮毂设置的第一齿圈以及第一螺旋花键区。次级齿轮相对主齿轮同轴设置。此外，次级齿轮包括第二轮毂、绕第二轮毂设置的第二齿圈以及与第一螺旋花键区互补的第二螺旋花键区。
本发明的其他特征和其他方面从以下的描述和附图中显而易见。
附图说明
图1示出了一种发动机***；
图2示出了根据本发明一个方面的齿轮组件的分解图；
图3示出了图2的齿轮组件在组装状态下的剖视图；
图4示出了齿轮组件的另一个实施例在组装状态下的剖视图；
图5示出了在齿轮系中正常安装位置的齿轮组件；
图6示出了图5的齿轮组件的齿轮齿与齿轮系中另一个齿轮相啮合的剖视图；
图7示出了在压缩位置的齿轮组件；并且
图8示出了图7的齿轮组件的齿轮齿与齿轮系中另一个齿轮相啮合的剖视图。
具体实施方式
本发明描述了一种用于齿轮系的剪式齿轮组件。根据本发明的一个方面，在运转过程中，当剪式齿轮组件与齿轮系中相邻齿轮啮合时，剪式齿轮组件能提高齿轮系的性能，并大幅减少噪音。图1示出了根据本发明一个实施例的发动机***100。发动机***100包括发动机102，以及与发动机102相联的齿轮系104。发动机102可以是任意类型的燃烧发动机，例如，火花点火式内燃机、压缩点火式内燃机，如柴油发动机，并且，发动机102可以具有任意尺寸，具有任意数量的气缸，以及任意构造(“V”型、直列型、星型等等)。发动机102可用于驱动任何机器或其他装置，包括公路卡车或车辆、越野载货卡车或机器、推土设备、发电机、航空航天应用、机车应用、海洋应用、泵、固定设备或其他发动机提供动力的应用。
在一个实施例中，齿轮系104可包括驱动齿轮106，齿轮组件108和中间齿轮110。驱动齿轮106可联接到发动机102的曲轴112上，曲轴112又与活塞联接并能够以常规方式旋转。此外，齿轮组件108可通过中间齿轮110与驱动齿轮106旋转联接。中间齿轮110可保持驱动齿轮106和齿轮组件108之间的相对定时，以使由齿轮组件108致动的任意发动机功能在相对曲轴112旋转的预先确定的时间发生。虽然，所示发动机***100具有一个中间齿轮110，在其他实施例中，根据发动机***100的设计和应用，可以使用多个中间齿轮。
在一个实施例中，齿轮组件108联接到具有多个凸轮115的凸轮轴114上，以驱动燃料泵116。燃料泵116可包括往复式燃料泵，往复式燃料泵包括一个或多个往复柱塞，往复柱塞操作地连接到设置在凸轮轴114上的多个凸轮115上。对本领域技术人员来说显而易见的是，来自燃料泵116的加压燃料可以接收在共轨/歧管(未示出)内，并能提供给与发动机102相联的多个燃料喷射器。在另一个实施例中，发动机***100可包括单元式燃料喷射器，其操作地连接到多个凸轮115上以用于致动。在一个实施例中，齿轮系104还可包括空气压缩机齿轮118，其与中间齿轮110旋转联接，以驱动与发动机***100相联的空气压缩机(未示出)。空气压缩机可包括往复或旋转式螺旋型泵。
图2示出了图1的齿轮组件108的分解图。齿轮组件108包括主齿轮120、相对主齿轮120同轴设置的次级齿轮122以及轴向设置在主齿轮120和次级齿轮122之间的弹性部件124。如图所示，弹性部件124可包括螺旋弹簧，然而在其他可选的实施例中，弹性部件可包括一个或多个蝶形弹簧、锥形螺旋弹簧或适于在主齿轮120和次级齿轮122之间施加轴向力的任意其他合适的装置。本领域技术人员可以理解的是，术语“轴向”指的是，当齿轮组件108组装时，通过主齿轮120和次级齿轮122中心的纵轴线。
主齿轮120可包括第一轮毂126和绕第一轮毂126设置的第一齿圈128。在一个实施例中，第一齿圈128可包括具有多个等间隔周向设置的第一齿130的正齿轮。次级齿轮122可包括第二轮毂132、绕第二轮毂132设置的第二齿圈134。第二齿圈134也可包括具有多个等间隔周向设置的第二齿136的正齿轮。此外，在本实施例中，主齿轮120的第一齿130和次级齿轮122的第二齿136具有相同的数量和基本相同的轮廓。主齿轮120和次级齿轮122可由金属合金、铸铁、复合材料、塑料或任意公知的材料制造而成。
主齿轮120还可包括第一螺旋花键区138。主齿轮120也可包括从第一轮毂126轴向延伸的第一凸缘140，以使第一螺旋花键区138可周向设置在第一凸缘140的第一内表面142上。第一螺旋花键区138可包括一系列螺旋花键144。此外，如图2所示，第一齿圈128可周向设置在第一凸缘140的第一外表面143周围。次级齿轮122还可包括第二螺旋花键区146，第二螺旋花键区146具有与第一螺旋花键区138上的一系列螺旋花键144互补的一系列螺旋花键148。次级齿轮122也可包括从第二轮毂132轴向延伸的第二凸缘150，以使第二螺旋花键区146可周向设置在第二凸缘150的第二外表面152上。
虽然未示出，可选的实施例包括基本上相反的配置，其中第一螺旋花键区138可部分设置在第一凸缘140的第一外表面143上，第二螺旋花键区146可设置在第二凸缘150的第二内表面156上。此外，可以理解的是，在这种情况下，第一凸缘140的外径可基本上等于第二凸缘150的内径。再者，第一齿圈128可部分设置在第一凸缘140的第一外表面143上或另一个具有更大直径的凸缘上，并从第一轮毂126轴向延伸。
再次参照图2所示实施例，齿轮组件108还可包括轴向设置在主齿轮120和次级齿轮122之间的同心凸台154。在所示实施例中，同心凸台154可包括与主齿轮120一体成型的阶梯轴158，且具有通孔160。阶梯轴158的第一轴表面162可配置成接收在设置在次级齿轮122的第二轮毂132上的通孔164中。可选地，同心凸台154可包括直轴或锥形轴。
现在参照图3和4，其示出了齿轮组件108在组装状态的剖视图，其中弹性部件124可设置在同心凸台154和第二凸缘150的第二内表面156之间。弹性部件124可环绕阶梯轴158的第二轴表面166。如图4所示，同心凸台154可制造成与第一轮毂126分离，因此组装过程中，主齿轮120、次级齿轮122和同心凸台154可例如通过一个或多个紧固螺丝或螺栓连接在一起。此外，当弹性部件124处于压缩阶段时，可设置固定夹172以在组装状态下将主齿轮120、次级齿轮122和/或同心凸台154保持在一起。由于固定夹172将主齿轮120和次级齿轮122保持在一起，所以在组装状态下，可以将一个或多个紧固螺钉或螺栓移除。
此外，例如螺栓的紧固部件168可以接收在同心凸台154的通孔160中。另外，紧固部件168可包括外螺纹头部169和自由端170。紧固部件168的自由端170可连接到凸轮轴114上，以组装齿轮系104中的齿轮组件108(见图1)。
工业实用性
以上所述的发动机***100可在其操作过程中，在齿轮系104中传递动态转矩。此外，如由于泵116、凸轮轴114等的冲击负载，驱动齿轮106和齿轮组件108在其操作过程中各自经受冲击加速度和减速度是平常的。此外，燃料泵116的往复柱塞可将临时反向转矩施加到凸轮轴114上，继而施加到齿轮组件108上。特别地，在高压共轨燃料泵的情况下，由于燃料泵116的反向转矩，凸轮轴114的旋转速度可从平均旋转速度在大约每分钟40至65转范围内变化。
通过具有较大间隙的常规齿轮系传递转矩，可引起齿轮系中啮合齿轮的相邻齿发生碰撞。例如，比如齿轮系104的齿轮组件108的凸轮齿轮可经受转矩冲击，并与如中间齿轮110的中间齿轮来回强烈地撞击。听起来如“锤击”的噪音，与发动机***尤其是重型柴油发动机相关，主要是来源于齿轮系104中产生的撞击噪音。
根据本发明的一个方面，齿轮组件108提高了齿轮系104的性能。图5示出了在齿轮系104中正常安装位置的齿轮组件108。在弹性部件124的轴向力作用下，主齿轮120的第一螺旋花键区138可在次级齿轮122的第二螺旋花键区146上运动。因此，次级齿轮122可利用第一螺旋花键区138和第二螺旋花键区146相对于主齿轮120成角度地运动。此外，如图6所示，在正常安装位置下，次级齿轮122的第二齿136可在逆时针方向上，例如对应于齿轮组件108的旋转方向，以正的角位移α，与主齿轮120的第一齿130部分重叠。在本发明的一个实施例中，正的角位移α可以在约0.60°到约0.90°的范围内。正的角位移α可增加齿轮组件108的有效齿厚度T，以使例如中间齿轮110的相邻齿轮的齿轮齿600可相应地夹在主齿轮120的第一齿130和次级齿轮122的第二齿136之间。因此，主齿轮120和次级齿轮122组合与如中间齿轮110的相邻齿轮之间的有效间隙最小化，且噪音也得到了降低。
此外，在操作发动机***100的过程中，齿轮组件108的弹性部件124可提供偏置转矩以吸收从燃料泵116和曲轴112产生的任何临时反向转矩。偏置转矩的选择可基于发动机102的设计和期望负载状况。本发明的一个方面，弹性部件124可提供约130N-m到约600N-m范围内的偏置转矩。
现在参照图7，根据本发明的另一个方面，齿轮组件108可包括螺母700。螺母700可紧固到紧固部件168的头部169上，并适于通过任意已知的常规方式旋转。当螺母700紧固到紧固部件168的头部169上时，次级齿轮122可克服弹性部件124的轴向力，轴向向主齿轮120运动。因此，第二齿136可相对于第一齿130在顺时针方向上运动负的角位移13。如图8所示，负的角位移β可以在约0.30°到约0.50°的范围内。负的角位移13可降低齿轮组件108的有效齿厚度T，以使相邻齿轮的齿轮齿600可以容易地安装在齿轮组件108上或从其中移除。此外，在齿轮组件108中具有更少数量的组件，即主齿轮120、次级齿轮122、弹性部件124和紧固部件168也减少了安装和拆卸齿轮组件108的工作。
本发明的各方面也可应用到具有一个或多个齿轮系的其他发动机***和机器中。在本发明的另一个实施例中，空气压缩机齿轮118可包括剪式齿轮组件，如齿轮组件108。虽然本文描述的本发明的实施例在不脱离以下权利要求的范围内可以结合，但是对本领域技术人员来说显而易见的是，可以对其进行各种修改和变化。从考虑本发明的说明书和实例而得出的其他实施例对本领域技术人员来说也是显而易见的。应当理解的是，说明书和实施例仅仅是示例性的，其真正范围由以下权利要求和其等价表示。

Claims (12)

1.一种齿轮组件(108)包括：
主齿轮(120)，所述主齿轮(120)包括第一轮毂(126)、绕第一轮毂(126)设置的第一齿圈(128)以及第一螺旋花键区(138)；
次级齿轮(122)，所述次级齿轮(122)相对于主齿轮(120)同轴设置，次级齿轮(122)包括第二轮毂(132)、绕第二轮毂(132)设置的第二齿圈(134)以及与第一螺旋花键区(138)互补的第二螺旋花键区(146)；
弹性部件(124)，所述弹性部件(124)轴向设置在主齿轮(120)和次级齿轮(122)之间；和
同心凸台(154)，所述同心凸台(154)轴向设置在主齿轮(120)和次级齿轮(122)之间，其中弹性部件(124)大体环绕同心凸台(154)。
2.如权利要求1所述的齿轮组件(108)，其中弹性部件(124)包括螺旋弹簧。
3.如权利要求1所述的齿轮组件(108)，其中主齿轮(120)还包括从第一轮毂(126)轴向延伸的第一凸缘(140)，第一凸缘(140)具有第一内表面(142)。
4.如权利要求3所述的齿轮组件(108)，其中第一内表面(142)包括第一螺旋花键区(138)。
5.如权利要求1所述的齿轮组件(108)，其中次级齿轮(122)还包括从第二轮毂(132)轴向延伸的第二凸缘(150)，第二凸缘(150)具有第二内表面(156)和第二外表面(152)。
6.如权利要求5所述的齿轮组件(108)，其中第二外表面(152)包括第二螺旋花键区(146)。
7.如权利要求1所述的齿轮组件(108)，其中同心凸台(154)包括通孔(160)，所述通孔(160)能够容纳紧固部件(168)。
8.如权利要求1所述的齿轮组件(108)，其中第二轮毂(132)包括通孔(164)，所述通孔(164)能够部分容纳同心凸台(154)。
9.如权利要求1所述的齿轮组件(108)，其中同心凸台(154)与第一轮毂(126)为一体结构。
10.如权利要求1所述的齿轮组件(108)，还包括将主齿轮(120)和次级齿轮(122)保持在一起的固定夹(172)。
11.一种用于发动机***(100)的齿轮系(104)，包括：
驱动齿轮(106)；
中间齿轮(110)，所述中间齿轮(110)联接到驱动齿轮(106；和
齿轮组件(108)，所述齿轮组件(108)通过中间齿轮(110)与驱动齿轮(106)旋转联接，所述齿轮组件(108)包括：
主齿轮(120)，所述主齿轮(120)包括第一轮毂(126)、绕第一轮毂(126)设置的第一齿圈(128)以及第一螺旋花键区(138)；
次级齿轮(122)，所述次级齿轮(122)相对于主齿轮(120)同轴设置，次级齿轮包括第二轮毂(132)、绕第二轮毂(132)设置的第二齿圈(134)以及与第一螺旋花键区(138)互补的第二螺旋花键区(146)；
弹性部件(124)，所述弹性部件(124)轴向设置在主齿轮(120)和次级齿轮(122)之间；和
同心凸台(154)，所述同心凸台(154)轴向设置在主齿轮(120)和次级齿轮(122)之间，其中弹性部件(124)大体环绕同心凸台(154)。
12.一种发动机***(100)包括：
发动机(102)，所述发动机(102)具有曲轴(112)和凸轮轴(114)；和
齿轮系(104)，所述齿轮系(104)与发动机(102)相联，所述齿轮系(104)包括：
驱动齿轮(106)，所述驱动齿轮(106)与发动机(102)的曲轴(112)联接；
中间齿轮(110)，所述中间齿轮(110)联接到驱动齿轮(106)上；和
齿轮组件(108)，所述齿轮组件(108)联接到发动机(102)的凸轮轴(114)上，并通过中间齿轮(110)与驱动齿轮(106)旋转联接，所述齿轮组件(108)包括：
主齿轮(120)，所述主齿轮(120)包括第一轮毂(126)、绕第一轮毂(126)设置的第一齿圈(128)以及第一螺旋花键区(138)；
次级齿轮(122)，所述次级齿轮(122)相对于主齿轮(120)同轴设置，次级齿轮(122)包括第二轮毂(132)、绕第二轮毂(132)设置的第二齿圈(134)以及与第一螺旋花键区(138)互补的第二螺旋花键区(146)；
弹性部件(124)，所述弹性部件(124)轴向设置在主齿轮(120)和次级齿轮(122)之间；和
同心凸台(154)，所述同心凸台(154)轴向设置在主齿轮(120)和次级齿轮(122)之间，其中弹性部件(124)大体环绕同心凸台(154)。
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