剪式齒輪組件的制作方法
【專利摘要】一種齒輪組件(108)包括主齒輪(120)，所述主齒輪(120)包括第一輪轂(126)、繞第一輪轂(126)設(shè)置的第一齒圈(128)以及第一螺旋花鍵區(qū)(138)。齒輪組件(108)還包括相對于主齒輪(120)同軸設(shè)置的次級齒輪(122)，其中彈性部件(124)設(shè)置在兩者之間。次級齒輪(122)包括第二輪轂(132)、繞第二輪轂(132)設(shè)置的第二齒圈(134)以及與第一螺旋花鍵區(qū)(138)互補的第二螺旋花鍵區(qū)(146)。
【專利說明】剪式齒輪組件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于齒輪系的齒輪組件，特別是涉及一種用于提高齒輪系性能的剪式齒輪組件。
【背景技術(shù)】
[0002]在多種應(yīng)用，包括發(fā)動機系統(tǒng)中，齒輪系廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)運動的傳動。然而，齒輪系中相鄰齒輪間齒輪齒的沖擊和撞擊會產(chǎn)生較大的噪音。通常情況下，當(dāng)相鄰齒輪的齒輪齒退出嚙合狀態(tài),然后再壓回嚙合狀態(tài)時,例如，當(dāng)?shù)谝积X輪上的齒通過比第二齒輪上相鄰齒更快地向前運動而退出嚙合狀態(tài)，然后第一齒輪上的齒撞擊第二齒輪上相鄰的齒時，會產(chǎn)生噪音。齒輪系產(chǎn)生的噪音不僅使環(huán)境不舒適，而且齒輪齒之間的撞擊還導(dǎo)致齒輪系的過早磨損。
[0003]美國專利N0.6，247，377 ( ‘377專利)公開了一種剪式齒輪組件，以最大限度地減少齒輪系中產(chǎn)生的噪音。如‘377專利中所述，剪式齒輪組件包括具有第一齒的第一齒輪和具有第二齒的第二齒輪，其中第二齒與第一齒輪的第一齒相對應(yīng)。第一齒輪和第二齒輪同軸設(shè)置并適于相對于彼此轉(zhuǎn)動。而且，多個彈簧沿切線方向設(shè)置在第一齒輪和第二齒輪之間，以提供彈簧偏置力使第一和第二齒輪相對于彼此轉(zhuǎn)動，并改變第一齒和第二齒的對準(zhǔn)。第一齒和第二齒一起運轉(zhuǎn)作為具有可變有效齒厚度的復(fù)合齒。當(dāng)與相鄰齒輪嚙合時，復(fù)合齒能減少或有效消除間隙，從而減少噪音。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]一方面，本發(fā)明提供一種齒輪組件，其包括主齒輪、次級齒輪以及軸向設(shè)置在主齒輪和次級齒輪之間的彈性部件。主齒輪包括第一輪轂、繞第一輪轂設(shè)置的第一齒圈以及第一螺旋花鍵區(qū)。次級齒輪相對主齒輪同軸設(shè)置。此外，次級齒輪包括第二輪轂、繞第二輪轂設(shè)置的第二齒圈以及與第一螺旋花鍵區(qū)互補的第二螺旋花鍵區(qū)。
[0005]本發(fā)明的其他特征和其他方面從以下的描述和附圖中顯而易見。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006]圖1不出了一種發(fā)動機系統(tǒng)；
[0007]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個方面的齒輪組件的分解圖；
[0008]圖3示出了圖2的齒輪組件在組裝狀態(tài)下的剖視圖；
[0009]圖4示出了齒輪組件的另一個實施例在組裝狀態(tài)下的剖視圖；
[0010]圖5示出了在齒輪系中正常安裝位置的齒輪組件；
[0011]圖6示出了圖5的齒輪組件的齒輪齒與齒輪系中另一個齒輪相嚙合的剖視圖；
[0012]圖7示出了在壓縮位置的齒輪組件；并且
[0013]圖8示出了圖7的齒輪組件的齒輪齒與齒輪系中另一個齒輪相嚙合的剖視圖。
【具體實施方式】
[0014]本發(fā)明描述了一種用于齒輪系的剪式齒輪組件。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，在運轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)剪式齒輪組件與齒輪系中相鄰齒輪嚙合時，剪式齒輪組件能提高齒輪系的性能，并大幅減少噪音。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的發(fā)動機系統(tǒng)100。發(fā)動機系統(tǒng)100包括發(fā)動機102，以及與發(fā)動機102相聯(lián)的齒輪系104。發(fā)動機102可以是任意類型的燃燒發(fā)動機，例如，火花點火式內(nèi)燃機、壓縮點火式內(nèi)燃機，如柴油發(fā)動機，并且，發(fā)動機102可以具有任意尺寸，具有任意數(shù)量的氣缸，以及任意構(gòu)造(“V”型、直列型、星型等等)。發(fā)動機102可用于驅(qū)動任何機器或其他裝置，包括公路卡車或車輛、越野載貨卡車或機器、推土設(shè)備、發(fā)電機、航空航天應(yīng)用、機車應(yīng)用、海洋應(yīng)用、泵、固定設(shè)備或其他發(fā)動機提供動力的應(yīng)用。
[0015]在一個實施例中，齒輪系104可包括驅(qū)動齒輪106，齒輪組件108和中間齒輪110。驅(qū)動齒輪106可聯(lián)接到發(fā)動機102的曲軸112上，曲軸112又與活塞聯(lián)接并能夠以常規(guī)方式旋轉(zhuǎn)。此外，齒輪組件108可通過中間齒輪110與驅(qū)動齒輪106旋轉(zhuǎn)聯(lián)接。中間齒輪110可保持驅(qū)動齒輪106和齒輪組件108之間的相對定時，以使由齒輪組件108致動的任意發(fā)動機功能在相對曲軸112旋轉(zhuǎn)的預(yù)先確定的時間發(fā)生。雖然，所示發(fā)動機系統(tǒng)100具有一個中間齒輪110，在其他實施例中，根據(jù)發(fā)動機系統(tǒng)100的設(shè)計和應(yīng)用，可以使用多個中間齒輪。
[0016]在一個實施例中，齒輪組件108聯(lián)接到具有多個凸輪115的凸輪軸114上，以驅(qū)動燃料泵116。燃料泵116可包括往復(fù)式燃料泵，往復(fù)式燃料泵包括一個或多個往復(fù)柱塞，往復(fù)柱塞操作地連接到設(shè)置在凸輪軸114上的多個凸輪115上。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，來自燃料泵116的加壓燃料可以接收在共軌/歧管(未示出)內(nèi)，并能提供給與發(fā)動機102相聯(lián)的多個燃料噴射器。在另一個實施例中，發(fā)動機系統(tǒng)100可包括單元式燃料噴射器，其操作地連接到多個凸輪115上以用于致動。在一個實施例中，齒輪系104還可包括空氣壓縮機齒輪118，其與中間齒輪110旋轉(zhuǎn)聯(lián)接，以驅(qū)動與發(fā)動機系統(tǒng)100相聯(lián)的空氣壓縮機(未示出)?？諝鈮嚎s機可包括往復(fù)或旋轉(zhuǎn)式螺旋型泵。
[0017]圖2示出了圖1的齒輪組件108的分解圖。齒輪組件108包括主齒輪120、相對主齒輪120同軸設(shè)置的次級齒輪122以及軸向設(shè)置在主齒輪120和次級齒輪122之間的彈性部件124。如圖所示，彈性部件124可包括螺旋彈簧，然而在其他可選的實施例中，彈性部件可包括一個或多個蝶形彈簧、錐形螺旋彈簧或適于在主齒輪120和次級齒輪122之間施加軸向力的任意其他合適的裝置。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，術(shù)語“軸向”指的是，當(dāng)齒輪組件108組裝時，通過主齒輪120和次級齒輪122中心的縱軸線。
[0018]主齒輪120可包括第一輪轂126和繞第一輪轂126設(shè)置的第一齒圈128。在一個實施例中，第一齒圈128可包括具有多個等間隔周向設(shè)置的第一齒130的正齒輪。次級齒輪122可包括第二輪轂132、繞第二輪轂132設(shè)置的第二齒圈134。第二齒圈134也可包括具有多個等間隔周向設(shè)置的第二齒136的正齒輪。此外，在本實施例中，主齒輪120的第一齒130和次級齒輪122的第二齒136具有相同的數(shù)量和基本相同的輪廓。主齒輪120和次級齒輪122可由金屬合金、鑄鐵、復(fù)合材料、塑料或任意公知的材料制造而成。
[0019]主齒輪120還可包括第一螺旋花鍵區(qū)138。主齒輪120也可包括從第一輪轂126軸向延伸的第一凸緣140，以使第一螺旋花鍵區(qū)138可周向設(shè)置在第一凸緣140的第一內(nèi)表面142上。第一螺旋花鍵區(qū)138可包括一系列螺旋花鍵144。此外，如圖2所示，第一齒圈128可周向設(shè)置在第一凸緣140的第一外表面143周圍。次級齒輪122還可包括第二螺旋花鍵區(qū)146，第二螺旋花鍵區(qū)146具有與第一螺旋花鍵區(qū)138上的一系列螺旋花鍵144互補的一系列螺旋花鍵148。次級齒輪122也可包括從第二輪轂132軸向延伸的第二凸緣150，以使第二螺旋花鍵區(qū)146可周向設(shè)置在第二凸緣150的第二外表面152上。
[0020]雖然未示出，可選的實施例包括基本上相反的配置，其中第一螺旋花鍵區(qū)138可部分設(shè)置在第一凸緣140的第一外表面143上，第二螺旋花鍵區(qū)146可設(shè)置在第二凸緣150的第二內(nèi)表面156上。此外，可以理解的是，在這種情況下，第一凸緣140的外徑可基本上等于第二凸緣150的內(nèi)徑。再者，第一齒圈128可部分設(shè)置在第一凸緣140的第一外表面143上或另一個具有更大直徑的凸緣上，并從第一輪轂126軸向延伸。
[0021]再次參照圖2所示實施例，齒輪組件108還可包括軸向設(shè)置在主齒輪120和次級齒輪122之間的同心凸臺154。在所示實施例中，同心凸臺154可包括與主齒輪120—體成型的階梯軸158，且具有通孔160。階梯軸158的第一軸表面162可配置成接收在設(shè)置在次級齒輪122的第二輪轂132上的通孔164中?？蛇x地，同心凸臺154可包括直軸或錐形軸。
[0022]現(xiàn)在參照圖3和4，其示出了齒輪組件108在組裝狀態(tài)的剖視圖，其中彈性部件124可設(shè)置在同心凸臺154和第二凸緣150的第二內(nèi)表面156之間。彈性部件124可環(huán)繞階梯軸158的第二軸表面166。如圖4所示，同心凸臺154可制造成與第一輪轂126分離，因此組裝過程中，主齒輪120、次級齒輪122和同心凸臺154可例如通過一個或多個緊固螺絲或螺栓連接在一起。此外，當(dāng)彈性部件124處于壓縮階段時，可設(shè)置固定夾172以在組裝狀態(tài)下將主齒輪120、次級齒輪122和/或同心凸臺154保持在一起。由于固定夾172將主齒輪120和次級齒輪122保持在一起，所以在組裝狀態(tài)下，可以將一個或多個緊固螺釘或螺檢移除。
[0023]此外，例如螺栓的緊固部件168可以接收在同心凸臺154的通孔160中。另外，緊固部件168可包括外螺紋頭部169和自由端170。緊固部件168的自由端170可連接到凸輪軸114上，以組裝齒輪系104中的齒輪組件108 (見圖1)。
[0024]工業(yè)實用性
[0025]以上所述的發(fā)動機系統(tǒng)100可在其操作過程中，在齒輪系104中傳遞動態(tài)轉(zhuǎn)矩。此夕卜，如由于泵116、凸輪軸114等的沖擊負(fù)載，驅(qū)動齒輪106和齒輪組件108在其操作過程中各自經(jīng)受沖擊加速度和減速度是平常的。此外，燃料泵116的往復(fù)柱塞可將臨時反向轉(zhuǎn)矩施加到凸輪軸114上，繼而施加到齒輪組件108上。特別地，在高壓共軌燃料泵的情況下，由于燃料泵116的反向轉(zhuǎn)矩，凸輪軸114的旋轉(zhuǎn)速度可從平均旋轉(zhuǎn)速度在大約每分鐘40至65轉(zhuǎn)范圍內(nèi)變化。
[0026]通過具有較大間隙的常規(guī)齒輪系傳遞轉(zhuǎn)矩，可引起齒輪系中嚙合齒輪的相鄰齒發(fā)生碰撞。例如，比如齒輪系104的齒輪組件108的凸輪齒輪可經(jīng)受轉(zhuǎn)矩沖擊，并與如中間齒輪110的中間齒輪來回強烈地撞擊。聽起來如“錘擊”的噪音，與發(fā)動機系統(tǒng)尤其是重型柴油發(fā)動機相關(guān)，主要是來源于齒輪系104中產(chǎn)生的撞擊噪音。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，齒輪組件108提高了齒輪系104的性能。圖5示出了在齒輪系104中正常安裝位置的齒輪組件108。在彈性部件124的軸向力作用下，主齒輪120的第一螺旋花鍵區(qū)138可在次級齒輪122的第二螺旋花鍵區(qū)146上運動。因此，次級齒輪122可利用第一螺旋花鍵區(qū)138和第二螺旋花鍵區(qū)146相對于主齒輪120成角度地運動。此外，如圖6所示，在正常安裝位置下，次級齒輪122的第二齒136可在逆時針方向上，例如對應(yīng)于齒輪組件108的旋轉(zhuǎn)方向，以正的角位移α，與主齒輪120的第一齒130部分重疊。在本發(fā)明的一個實施例中，正的角位移α可以在約0.60°到約0.90°的范圍內(nèi)。正的角位移α可增加齒輪組件108的有效齒厚度Τ,以使例如中間齒輪110的相鄰齒輪的齒輪齒600可相應(yīng)地夾在主齒輪120的第一齒130和次級齒輪122的第二齒136之間。因此，主齒輪120和次級齒輪122組合與如中間齒輪110的相鄰齒輪之間的有效間隙最小化，且噪音也得到了降低。
[0028]此外，在操作發(fā)動機系統(tǒng)100的過程中，齒輪組件108的彈性部件124可提供偏置轉(zhuǎn)矩以吸收從燃料泵116和曲軸112產(chǎn)生的任何臨時反向轉(zhuǎn)矩。偏置轉(zhuǎn)矩的選擇可基于發(fā)動機102的設(shè)計和期望負(fù)載狀況。本發(fā)明的一個方面，彈性部件124可提供約130N-m到約600N-m范圍內(nèi)的偏置轉(zhuǎn)矩。
[0029]現(xiàn)在參照圖7，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，齒輪組件108可包括螺母700。螺母700可緊固到緊固部件I68的頭部169上，并適于通過任意已知的常規(guī)方式旋轉(zhuǎn)。當(dāng)螺母700緊固到緊固部件168的頭部169上時，次級齒輪122可克服彈性部件124的軸向力，軸向向主齒輪120運動。因此，第二齒136可相對于第一齒130在順時針方向上運動負(fù)的角位移
13。如圖8所示，負(fù)的角位移β可以在約0.30°到約0.50°的范圍內(nèi)。負(fù)的角位移13可降低齒輪組件108的有效齒厚度Τ，以使相鄰齒輪的齒輪齒600可以容易地安裝在齒輪組件108上或從其中移除。此外，在齒輪組件108中具有更少數(shù)量的組件，即主齒輪120、次級齒輪122、彈性部件124和緊固部件168也減少了安裝和拆卸齒輪組件108的工作。
[0030]本發(fā)明的各方面也可應(yīng)用到具有一個或多個齒輪系的其他發(fā)動機系統(tǒng)和機器中。在本發(fā)明的另一個實施例中，空氣壓縮機齒輪118可包括剪式齒輪組件，如齒輪組件108。雖然本文描述的本發(fā)明的實施例在不脫離以下權(quán)利要求的范圍內(nèi)可以結(jié)合，但是對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，可以對其進(jìn)行各種修改和變化。從考慮本發(fā)明的說明書和實例而得出的其他實施例對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說也是顯而易見的。應(yīng)當(dāng)理解的是，說明書和實施例僅僅是示例性的，其真正范圍由以下權(quán)利要求和其等價表示。
【權(quán)利要求】
1.一種齒輪組件(108)包括: 主齒輪(120)，所述主齒輪(120)包括第一輪轂(126)、繞第一輪轂(126)設(shè)置的第一齒圈(128)以及第一螺旋花鍵區(qū)(138)； 次級齒輪(122)，所述次級齒輪(122)相對于主齒輪(120)同軸設(shè)置，次級齒輪(122)包括第二輪轂(132)、繞第二輪轂(132)設(shè)置的第二齒圈(134)以及與第一螺旋花鍵區(qū)(138)互補的第二螺旋花鍵區(qū)(146);和 彈性部件(124)，所述彈性部件(124)軸向設(shè)置在主齒輪(120)和次級齒輪(122)之間。
2.如權(quán)利要求1所述的齒輪組件(108)，其中彈性部件(124)包括螺旋彈簧。
3.如權(quán)利要求1所述的齒輪組件(108)，其中主齒輪(120)還包括從第一輪轂(126)軸向延伸的第一凸緣(140)，第一凸緣(140)具有第一內(nèi)表面(142)。
4.如權(quán)利要求3所述的齒輪組件(108)，其中第一內(nèi)表面(142)包括第一螺旋花鍵區(qū)(138)。
5.如權(quán)利要求1所述的齒輪組件(108)，其中次級齒輪(122)還包括從第二輪轂(132)軸向延伸的第二凸緣(150),第二凸緣(150)具有第二內(nèi)表面(156)和第二外表面(152)。
6.如權(quán)利要求5所述的齒輪組件(108)，其中第二外表面(152)包括第二螺旋花鍵區(qū)(146)。
7.如權(quán)利要求5所述的齒輪組件(108)，還包括軸向設(shè)置在主齒輪(120)和次級齒輪(122)之間的同心凸臺(154)，其中彈性部件(124)大體環(huán)繞同心凸臺(154)和第二凸緣(150)的第二內(nèi)表面(156)。
8.如權(quán)利要求7所述的齒輪組件(108)，其中同心凸臺(154)包括通孔(160)，所述通孔(160)能夠容納緊固部件(168)。
9.如權(quán)利要求7所述的齒輪組件(108)，其中第二輪轂(132)包括通孔(164)，所述通孔(164)能夠部分容納同心凸臺(154)。
10.如權(quán)利要求7所述的齒輪組件(108)，其中同心凸臺(154)與第一輪轂(126)為一體結(jié)構(gòu)。
11.如權(quán)利要求7所述的齒輪組件(108)，還包括將主齒輪(120)和次級齒輪(122)保持在一起的固定夾(172)。
12.—種用于發(fā)動機系統(tǒng)(100)的齒輪系(104),包括: 驅(qū)動齒輪(106)； 中間齒輪(110)，所述中間齒輪(110)聯(lián)接到驅(qū)動齒輪(106 ;和齒輪組件(108)，所述齒輪組件(108)通過中間齒輪(110)與驅(qū)動齒輪(106)旋轉(zhuǎn)聯(lián)接，所述齒輪組件(108)包括: 主齒輪(120)，所述主齒輪(120)包括第一輪轂(126)、繞第一輪轂(126)設(shè)置的第一齒圈(128)以及第一螺旋花鍵區(qū)(138)； 次級齒輪(122)，所述次級齒輪(122)相對于主齒輪(120)同軸設(shè)置，次級齒輪包括第二輪轂(132)、繞第二輪轂(132)設(shè)置的第二齒圈(134)以及與第一螺旋花鍵區(qū)(138)互補的第二螺旋花鍵區(qū)(146);和 彈性部件(124)，所述彈性部件(124)軸向設(shè)置在主齒輪(120)和次級齒輪(122)之 間。
13.一種發(fā)動機系統(tǒng)(100)包括: 發(fā)動機(102)，所述發(fā)動機(102)具有曲軸(112)和凸輪軸(114);和 齒輪系(104)，所述齒輪系(104)與發(fā)動機(102)相聯(lián)，所述齒輪系(104)包括: 驅(qū)動齒輪(106)，所述驅(qū)動齒輪(106)與發(fā)動機(102)的曲軸(112)聯(lián)接； 中間齒輪(110)，所述中間齒輪(110)聯(lián)接到驅(qū)動齒輪(106)上；和齒輪組件(108)，所述齒輪組件(108)聯(lián)接到發(fā)動機(102)的凸輪軸(114)上，并通過中間齒輪(110)與驅(qū)動齒輪(106)旋轉(zhuǎn)聯(lián)接，所述齒輪組件(108)包括: 主齒輪(120)，所述主齒輪(120)包括第一輪轂(126)、繞第一輪轂(126)設(shè)置的第一齒圈(128)以及第一螺旋花鍵區(qū)(138)； 次級齒輪(122)，所述次級齒輪(122)相對于主齒輪(120)同軸設(shè)置，次級齒輪(122)包括第二輪轂(132)、繞第二輪轂(132)設(shè)置的第二齒圈(134)以及與第一螺旋花鍵區(qū)(138)互補的第二螺旋花鍵區(qū)(146);和 彈性部件(124)，所述彈性部件(124)軸向設(shè)置在主齒輪(120)和次級齒輪(122)之間。
【文檔編號】F16H55/12GK104204618SQ201380010951
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年3月4日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月5日
【發(fā)明者】B·J·墨菲, A·K·錢, M·P·哈蒙 申請人:卡特彼勒公司