專利名稱：單向離合器以及可逆的單向離合器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種機械連接裝置，例如“空程離合器”或者“單向離合器”；還涉及一種裝置，其具有能夠應用對置元件間扭矩的機構，該機構可在由上述元件的相對轉速確定的一個方向上傳遞轉動，而不是在其他的方向。
背景技術：
空程離合器由連接在一對共軸的軸之間的內控連接裝置構成。通常多組可逆鎖緊機構沿周向排列設置。單向離合器可以當兩個元件在第一方向(例如正向)上產生相對運動時，使第一元件相對于第二元件自由相對運動(空轉)，而不是使上述相對運動變為負向。只要上述相對運動變為負向，該離合器就會鎖緊這兩個元件。單向離合器可以作為一種等效于電子二極管-僅在一個方向上傳遞能量的裝置。
空程或單向離合器用于多種機械工程領域。舉例來說，自行車鏈傳動裝置具有棘輪式單向離合器，以防止騎車人在騎行過程中車輪轉動上述鏈和曲柄。它們用于地面車輛上的自動變速器。它們還用于由往復動作驅動的發電機內產生電能的設備中，這些往復動作可以是來回的波動。
現有的單向離合器根據不同的鎖緊機構可逆地鎖緊第一和第二軸。一類鎖緊機構就是棘輪式，在第一裝置上具有一個或多個彈簧加載的棘爪(也稱為壓桿)，能夠和第二對置的裝置上對應數量的卡槽可逆地配合。除非采用反向步驟，不然在空程或具有齒隙時，這類機構通常會產生咔噠聲，在和棘爪配合時，能夠產生直接有效的耦接扭矩，而并不會對材料過分壓緊。另一類是涉及在配合時堵在錐形槽內的壓桿、支柱、球或輥之間的楔塞作用。通常，多組鎖緊機構沿周向設置。盡管這些單向離合器相對沒有噪音而且齒隙也很小，但是上述楔塞作用還是會固有地在壓桿、支柱、球或輥相接觸的小表面區域上集中很大的應變，并由上述錐形槽的切線方向和過大的扭矩所放大。這種楔塞作用(在小齒隙之后)明顯地改變了施加到每單位面積上的應力。在上述表面上，材料很可能產生永久變形，因此單向離合器通常壽命很短。
再轉回來看棘輪式機構，有一種特定的徑向平面單向離合器，利用彈簧加載棘爪(壓桿)在各個元件之間可逆連接。現有的這種單向離合器在零件轉動到嚙合位置而鎖緊在一起之前，可以進行一定量的反向運動(例如齒隙)。在正向嚙合時會產生動量，因而在接觸時就會產生沖擊，這非常有害。材料就會在一定程度上產生疲勞(如果僅在幾個周期之后)，因此離合器零件必須足夠可靠，以抵抗故障。如果是包括單向離合器的發電機器，則這種齒隙運動會產生可影響多個傳遞元件的、且相當大的力。
振動或噪音是其他可能的問題。如果使用彈性件來減震，則會發生所不希望的共振，該彈性材料也會產生故障。
沒有現有技術相關于實例A或實例C(在下面將進行敘述)。對于實例B，現有技術中的偏壓裝置缺乏方向感應，這是公知的；大部分是彈簧。對于噪音問題，Ruth(US6116394)提供有一種運行軌的方案。
發明內容
本發明的目的就是提供一種改進的單向離合器，或至少能夠為公眾提供有用的選擇。
在第一方面，本發明提供一種單向離合器，在具有旋轉軸線的第一可旋轉軸和具有共軸的旋轉軸線的第二相鄰旋轉軸之間進行連接，該單向離合器能夠在第一軸在嚙合方向相對第二軸旋轉時連接這些軸，但并不在第一軸相對第二軸反向旋轉時連接這些軸，其特征在于，該單向離合器包括保持在第一軸上的第一支承架、板或環，該第一環支承著第一整數n個的棘爪件，該整數大于一，每一棘爪件具有由剛性部分分開的自由端和支承端，每個棘爪沿上述第一環的第一端面上的共軸位置均勻間隔開，每一自由端都朝向第二支承架或環，該第二支承架、板或環保持在上述第二軸上并靠近上述第一環，該第二環承載著第二整數m個卡槽，該第二整數也大于一，每一卡槽均能夠容納上述棘爪件之一的自由端，每一卡槽均沿上述第二環的第二端面上的共軸位置均勻間隔開，每一卡槽均能夠可逆地和相對的棘爪件相嚙合，其他特征在于，上述整數n、m并不相同，從而增大了在任意時刻在旋轉方向上任一棘爪的自由端靠近一個卡槽的可能性，因而相比m＝n的情況，在使用過程中在至少一個棘爪件和相鄰卡槽嚙合之前，嚙合方向上的所需旋轉量就得以減小了。
優選的，可選擇整數n、m，以便于在使用過程中可以同時沿上述共軸軸線以對稱方式使多于一組產生嚙合，每組均由一個棘爪件和相鄰的卡槽構成，從而將這些棘爪和相鄰卡槽之間的載荷分配開，將離合器內的不均勻應力降為最低。
在一個相關方面，上述單向離合器包括在棘爪側面所依靠的每個卡槽上的彈性表面，用以在處于嚙合位置時稍微改變棘爪件的轉角，因而至少能夠部分地補償相對的尺寸缺陷，從而有利于在多于一個的嚙合組之間均勻分配載荷。
優選的，上述單向離合器包括從每個棘爪件側面延伸的彈性突出部，當處于嚙合位置時，該彈性突出部和卡槽側面相接觸，用以在處于嚙合位置時稍微改變棘爪件的轉角，因而至少能夠部分地補償相對的尺寸缺陷，從而有利于在嚙合的棘爪和卡槽對之間均勻分配載荷。
在第二方面，本發明提供一種如前所述的單向離合器，其特征在于，隨方向而異的偏壓裝置被應用到單向離合器的每個棘爪件上，因而在使用過程中當單向離合器的第一、第二環在嚙合方向上相對運動時，每個棘爪件會被偏壓到對應的卡槽內，并在慣性方向運動時從相應卡槽內縮回。
優選的，上述隨方向而異的偏壓裝置包括(1)由第一端固定延伸到棘爪件的連桿的一側的桿件，其垂直于棘爪件的旋轉軸線，以及(2)上述桿件的第二自由端，和對置的板或環的側面拖動接觸，因而在使用過程中嚙合方向上的相對運動會向上述連桿施加一個由拖動接觸產生的力矩，使棘爪繞棘爪旋轉軸線轉動，從而向對置板或環上的卡槽之外運動，因而在慣性方向的運動會使棘爪件縮回。
優選的，上述棘爪件可繞上述旋轉軸線慣性平衡，因而加速度不會偏轉。
一種拖動接觸設置就是在上述桿件的自由端和上述對置環或板的側面滾動接觸的后傾輪。
可選的，上述后傾輪的旋轉軸線并不平行于單向離合器的旋轉軸線，因而在使用過程中拖動量就增加了。
另一種拖動接觸設置就是在一個杯內容納的球，在上述桿件的自由端和上述對置環或板的側面滾動接觸。
優選的，支承著和上述對置環或板的側面滾動接觸的自由端的上述桿件在單個軸線上具有彈性(例如借助于片簧)，因而在使用過程中，上述自由端就和上述表面保持拖動接觸。
在一個補充方面，上述隨方向而異的偏壓裝置包括線性的傾斜磁化帶，其被壓刻入承載著卡槽的環的鐵磁硬質表面，在和承載上述磁化帶的表面重疊的位置上，該磁化帶中的任一個都能夠和剛性安裝到棘爪件一側上的鐵磁件相互作用，因而在使用過程中在嚙合方向上會朝向上述鐵磁件吸引，從而將棘爪件拉出對置環上的卡槽，因此在慣性方向上的動作會排斥上述鐵磁件，繼而使其縮回。
優選的，上述鐵磁件為強磁性的硬質件，以互補的形式磁化上述環的表面。
另一種拖動接觸設置就是在壓刻到上述第二支承架的相鄰表面內的螺旋肋板上利用粘性材料(例如油脂)。
再一種拖動接觸由在第二支承架的相鄰表面上滑動的跟蹤接觸臂構成，該接觸臂能夠由壓刻在上述第二支承架表面上的螺旋肋板導引；螺旋牽引上述接觸臂，從而在產生齒隙時將棘爪推進卡槽內。
在第三方面，本發明提供一種“蝸桿式離合器”；一種如前所述的單向離合器，其特征在于，該單向離合器包括能夠在齒輪聯軸節內進行可逆地連接和拆開的齒輪傳動系，其包括第一齒輪和第二齒輪，這種連接的特征在于在動力經由齒輪聯軸節從第一齒輪傳遞到第二齒輪時進行正向動力傳遞，當動力從第二齒輪傳遞到第一齒輪時進行負向傳遞。
優選的，單向離合器包括由第一軸轉動的齒輪系；上述齒輪系包括可控齒隙量或空轉量，上述齒輪系的第一齒輪支撐在輸入驅動軸上；該齒輪系支撐在可旋轉的框架上，該框架固定到第二軸上；該齒輪系終接著和蝸輪嚙合的蝸桿，該蝸輪固定到第一軸上，其特征在于，該齒輪系的傳動比能夠在使用過程中使蝸桿的螺紋以相同速度和蝸輪的齒行進，且可設定上述可控齒隙，當第一軸在惰性或空轉方向轉動齒輪系時，上述蝸桿的旋轉螺紋能夠基本上沒有摩擦接觸地經由上述轉動蝸輪的齒，而當上述第一軸在嚙合方向轉動上述齒輪系時，上述可控量齒隙就會暫時中斷對蝸桿的傳動，因而在蝸桿的螺紋和蝸輪的齒相摩擦，所以使上述框架旋轉，從而使上述第二軸旋轉。
盡管可在齒輪系自身內任選齒隙的大小，但是優選的，還可以借助于調節至少一個擋齒(dog teeth)和至少一個爪形離合器之間的轉動間隙量來確定上述可控齒隙或空轉量，上述爪形離合器設置在齒輪系的驅動軸和第一齒輪之間。
在一個補充實例中，在使用過程中通過改變角位移的定向，也可以相對上述擋齒所經由的第一齒輪使單向離合器進入嚙合模式的相對轉動方向翻轉。
附圖簡述這里所提供的發明敘述僅僅通過實施例來說明的，并不是對本發明的范圍或程度進行限制。
圖1是示出了實例A和B中單向離合器部分在分離模式的視圖。
圖2是示出了圖1中單向離合器部分在嚙合模式的視圖。
圖3是示出了實例A和B中單向離合器的互鎖元件在分離模式的視圖。
圖4A示出了具有10個“嚙合區域”的第一面板、具有9個“嚙合區域”的第二面板以及這兩者相覆蓋時可能的重合點(至多一個)。
圖4B示出了具有16個“嚙合區域”的第一面板、具有20個“嚙合區域”的第二面板以及這兩者相覆蓋時可能的四個重合點。
圖5A是棘爪和相應卡槽的簡圖。
圖5B是重量再分配的棘爪簡圖。
圖5C是重心在轉軸上的棘爪和相應卡槽的簡圖。
圖5D示出了具有附加彈性的棘爪。
圖6A示出了一種后傾系統，根據離合器部件的相對旋轉運動，推拉每一個棘爪進入或離開嚙合位置。
圖6B示出了一種磁力系統，根據離合器部件的相對旋轉運動，推拉每一個棘爪進入或離開嚙合位置。
圖7是一種具有下置后傾輪的棘爪簡圖。
圖8A是一種“蝸桿式離合器”的簡圖，單向離合器在框架內設置了齒輪系。
圖8B是蝸桿和蝸桿式離合器之間關系的截面圖。
圖9是上述具有傳動選項的齒輪系和蝸桿簡圖。
圖10是單向離合器的軸側視圖，利用了沿轉軸對稱的平衡棘爪和相應卡槽。
本發明由三個新穎的單向離合器單獨組成或它們相結合。(A)是一種相匹配棘爪和卡槽的“游尺”式微調設置。(B)包括根據轉向使棘爪進入或脫離卡槽的方向感應系統。(C)是另一方面，在框架內可利用可鎖定齒輪系，在一個或別的相位驅動蝸桿，從而驅動蝸輪。
實例A(游尺微調原理)本發明這個方面的這種單向離合器可以依靠相應棘爪和卡槽(等結構)借助于在棘爪和卡槽之間產生“游尺”關系，而不是1∶1地對應關系(其中每一主動桿和從動桿上的數字都相同)來減少噪音、齒隙或空轉。舉例來說，在測微計和游標卡尺領域，游尺微調原理已廣為人知。
圖1-3示出了利用上述游尺微調原理的棘爪卡槽式單向離合器。101、102表示連接到共軸的第一和第二軸上的環部。在圖1中，注意到由于在相對面上數量的不同，所以卡槽105A、105B和105C都不同程度地和相鄰的棘爪103、104和105步調不一致。在圖2中，注意到棘爪103C處于使離合器嚙合的位置上，103D處于卡槽內，但并不接觸，103B還不能進入卡槽內。根據該實例，如圖4A和4B的X光透視圖中所示，有n個均勻分布的卡槽和m個均勻分布的棘爪(n，m為互不相等的整數)。在圖4A中示出了在1100上的9個卡槽(或棘爪)，在“環”1101上的10個互補的棘爪(或卡槽)。在這兩個環的重疊部1102中，只有一個嚙合的棘爪在1103處固定到匹配卡槽內。因此這個實例的最大齒隙就被減小了9倍，從360/10＝36度到[360/10-360/9]＝4度。
利用單點嚙合在某些場合下也有缺陷。盡管在第一嚙合位置處減小了最大沖擊(動能)傳遞(參看示意性圖表1)，從而減小了磨損和可能的損壞，但是它是非對稱的，所有的動力都要經由單個連接件傳遞。優選的是，在單向離合器轉軸軸線的每一側上都對稱地設置有嚙合處，選擇n、m，從而使多于一組的、沿上述轉軸對稱設置的棘爪-卡槽匹配并嚙合，從而減小軸承上的偏心載荷。
圖4B示出了其他的多嚙合位置。在該示意性實例中，m為20(環1201)，n為16(環1200)。這m個棘爪中任一個的徑向位置和這n個卡槽中任一個位置相重合的地方都會接觸(嚙合)。圖4B示出了在重合位置1202(m＝20，n＝16)時，四個在1203A、1203B、1203C和1203D處同時嚙合的位置。下列表1示出了一些變化。標有“最大沖擊”的欄表示單向離合器中沖擊的通常旋轉動能。“最大沖擊”這個概念是假定在最差位置上出現的嚙合。標有“每棘爪的最大沖擊”包括同時接觸的棘爪數量，足夠精確的制造條件等。盡管說明書僅涉及環(環狀結構)，但是上述棘爪和卡槽也可以安裝在對置的板上或其他平面上。
表1嚙合條件，假定為20個棘爪。
注意表1中的第一排是一種現有技術配置。在最后一排中，1個棘爪和20個卡槽是一種應用到自行車輪上的現有技術，其中n、m是不同的，不能減小(一個棘爪)齒隙。棘爪和卡槽數量可彼此不同。在僅有一個棘爪進行嚙合的地方，任何一個棘爪都應該能夠根據本發明中的離合器，至少承受所傳遞的總動能。即便如此，也能夠實質上減小最差情況的沖擊。在該實例中，在最差情況下，19，18或16個卡槽的條件通常會分別減小嚙合時產生的瞬時應力19倍，9倍或4倍。在很多情況下，當n和m相差兩倍左右時，本發明就可以達到發明目的，起始數為現有單向離合器中棘爪/卡槽數量中的偶數。當n、m相差兩倍時，兩組沿轉軸對稱設置的棘爪和卡槽，就能夠以對稱方式在上述離合器內承載所傳遞的動能。對于技術人員顯而易見的是，根據本發明的游尺微調結構，在不同場合下，也可以利用多個數字。
將上述游尺微調原理應用在上述實例中的通用公式如下a為整數且≥1(a越大，齒隙越小)b為整數且≥1(b越大，齒隙越小)m為a和b的乘積，即m＝abn為(a+1)和b的乘積，即n＝b(a+1)對于一周期360度來說，重合點的數量＝b，最大齒隙為(360*b)/(m*n)
舉例來說，取a＝17，b＝3。
m＝17×3＝51。n＝18×3＝54重合點b＝3。
最大齒隙＝(360*3)/(51*54)＝1080/2754＝0.392度。
對于棘爪和卡槽的間距，磨損、噪音和振動均可以由“游尺微調”方式來減小。假定可以利用彈簧等偏壓裝置，根據本發明，離合器內的所有各組棘爪和卡槽就不會再同時產生咔噠聲；此時彼此相間隔，從而免于碰擊。如果m＝20，n＝19，則每周會碰擊大約380次，單個棘爪和卡槽組中的每一個均會減小高頻噪音，而且還比初始的噪音更易被吸收。而在現有結構中，n、m＝20，所有20組棘爪和卡槽每轉均會碰擊20次。
由于即使最差的齒隙也要小于現有技術，所以當單向離合器開始動作時，任何有關沖擊的振動或噪聲振幅都會減小。這是因為相對的轉動件在單向離合器動作之前都不能夠產生大量的動能。這就特別適合于輸入能量波動的風力發電機等大型能力轉換裝置和一些海水波浪發電的裝置中。該嚙合沖擊會對動力傳動裝置的多個連接件產生過大載荷，導致不同零件產生故障。如果這種嚙合沖擊是棘爪磨損的主要原因，棘爪為了優化可以做得更小或更輕。質量小即意味著運動快。如表1所示的實例中，本發明很少有耗能(反向)運動。
這種設計使改進的單向離合器能夠適合于新零件或作為多種單向(或超越)離合器的更換零件。
實例B實例B對棘爪提供有隨方向而異的偏壓，根據軸的相對驅動方向，將這些單向離合器的連接件在嚙合模式和分離模式之間進行切換。每當單向離合器在空程方向操作時，使棘爪邊緣在嚙合反方向經過卡槽邊緣掉入卡槽內，現有技術中恒定的彈簧偏壓力就會使摩擦元件產生磨損，并引起“拍擊”聲。盡管可以獨立完成，但是本發明的這個方面還可以是對實例A的補充。實例B提供了一種裝置，根據單向離合器軸的相對運動，能夠產生特定的嚙合。
根據本發明的一種棘爪式結構如圖5A所示，其中棘爪103由一個能夠到達在單向離合器另一個環上的鄰近卡槽的端面503、為棘爪提供剛性軸或臂的本體503、以及圓軸承面502組成，(a)該軸承面與可選安裝孔501同心，而棘爪可以轉動，以便于切換嚙合突出狀態和分離隱藏狀態；(b)該軸承面可設置在環102(參考圖5B)內的圓腔內。在嚙合過程中，在端面503和圓面502之間承載著推力。棘爪的高度可以根據應用而各不相同；更長的表面能夠更安全地承載更大的動力，只不過質量大的移動得比較慢而已。盡管可以將上述環繞的接頭部進一步繞著棘爪的圓表面拉伸，然后利用卡簧防止棘爪彈出或掉出，從而來替換保持螺栓104(例如圖1a-c中的有頭螺釘)，但單個的保持螺栓卻更容易組裝和維修。可選的，上述棘爪可以固定在保持架等殼體內。樞軸通常不會承載載荷。可選的，上述端面503為傾斜的，以便于在卡槽內能夠可靠地正向嚙合(確定棘爪是否被推進卡槽內)。優選的，上述端面的姿態使其基本上可以和單向離合器的另一個環101上形成的卡槽的整個表面506相接觸。這個表面506可以稍微有些下凹。
由于棘爪傳遞的大部分力都在棘爪端部503處產生，而不是沿著和環101接觸的上述本體504的側面(參考圖5A)，就有可能將彈性材料放置到卡槽105的任一側了，或者(參考圖5D)放置到棘爪桿504的內部518中，以便于對結合輪廓稍有變化，使每一棘爪繞其旋轉軸線的角度稍有改變，從而在同時使用時平衡各組棘爪卡槽之間的載荷。在其他制造步驟完成之后，也可以將涂層或嵌層應用到每一個棘爪上，這樣也是很方便的，即使這些涂層磨損，也能容易地進行更換。
說明書中敘述或示出的某些棘爪，顯示出由于質量問題使之不足以沿作為重心的旋轉軸線平衡。如果整個裝置被加速，則不平衡的棘爪會產生轉動動量從而導致偏轉，對單向離合器的正常操作產生影響。
在施加有偏壓力而不能控制(重力等)加速度的地方，提供一種慣性平衡棘爪是非常有用的。圖5A中的棘爪可以制造得慣性對稱，例如去掉部分沿上述本體延伸的質量，如圖5B所示，507表示一個腔。圖5C是改進棘爪沿重心慣性對稱的簡圖。在圖5C中，示出了單向離合器的一部分，對置的環101、102包括游尺設置；示出(沿安裝軸線516轉動)的棘爪509處于嚙合位置上，在此處其能夠在環101的卡槽510和腔515的曲面之間傳遞應力。在圖5C中，突出部514使用另一種方式來防止在超越模式中棘爪從卡槽中脫離。圖10示出了根據本發明的整個離合器的實際實施例。
從每個棘爪開始延伸并和承載著卡槽的環101相互作用，可以產生一種隨方向而異的偏壓力，使每個棘爪沿其旋轉軸線轉動。參見圖6A、6B，7，10，均示出了一些可能的選擇。一個輪401可固定在桿402的端部上，進而固定到每一棘爪(參看圖6A，7)上。桿402具有彈性(可為片簧)，能夠被調節，以便于提供將上述輪抵靠在表面上的力，并包括下置的可(相對)移動的環。可替換的，上述輪(和/或襯板)可由橡膠等彈性材料覆蓋。上述輪和襯板之間的任何摩擦都能夠提供轉動動量，可以在離合器嚙合時即環101相對環102移動到右側時使棘爪進出卡槽。優選的，如圖所示，上述輪的軸安裝在相對下表面101的運動方向成一個傾角的位置上，上述輪的側面靠在襯板上的摩擦就會拖動上述桿402，向棘爪提供更有方向性的扭矩。由于注意到上述輪和表面101之間的磨損，所以這種方式很有益處。利用一個第一表面可能是片簧(參看圖10中的1008)的一端超越一個第二表面會更好。優選的，可通過較粘的潤滑劑來避免接觸摩擦。如有需要，偏轉角度應該足以使棘爪運動。但在空轉期間并不會過度磨損。在這種情況下，上述片簧能夠容易地產生無關于磨損的接觸，而不是現有技術中的非定向恢復力。
另一種隨方向而異的偏壓裝置(參看圖6B)為在桿601端部上的大量軟磁鐵602，其能夠由壓刻在表面之下且重復排列的傾斜磁極603、603’所產生的牽引作用拉出或推入。這種壓刻的磁極能夠產生沿磁極集中的磁場。例如可將一個堅硬的鐵氧體軸環進行磁化或者具有合適形狀繞線的磁性鐵(也許還可以利用鐵或鐵氧體的居里瞬變溫度)來進行上述壓刻。這種方式的優點在于在每一塊鐵及其下面的移動環(表面)之間沒有實際摩擦接觸。盡管常時間空轉會將粘性材料加熱，從而降低其牽引性能，但是脂等粘性材料和螺旋型肋板模式相結合仍能夠以相類似的方式工作。可替換的，使用一個物理性探針跟蹤上述肋板的輪廓，從而相應地牽引每一棘爪。對本領域技術人員顯而易見的是，還有多個其他的方案能夠提供隨方向而異的偏壓力。舉例來說，彈簧等元件通常會施加一個向外的推力，而在第一方向的相對運動過程中，彈簧的動作被上述隨方向而異的偏壓裝置反向，因此單向離合器就具有一種可備用的偏壓裝置。
圖7A示出了輪401如何安裝到桿702上，以便于其可以在環101下面旋轉。圖7示出了另一種方案；即在杯401內(最好具有潤滑劑)具有轉動的球。為了清楚起見，這里就不再敘述棘爪質量的平衡問題了。
圖2和3示出了離合器的動作。圖3示出了在后傾或空轉模式中的離合器，在環101、102之間相對運動，圖2示出了在嚙合模式中的離合器，其具有承載推力的棘爪103C，在上述環面之間沒有相對運動。
圖10示出了利用前面敘述過的原理的實際單向離合器。1000為第一軸；1004為第二軸。軸承1001、1005支承上述軸。護罩由杯1003和蓋1002構成。第一環101包括卡槽和突出部(參考對圖5C的描述，圖5C是對圖10中離合器操作部的放大視圖)。在1006、1007處，兩個棘爪和它們相關的樞軸裝置以“分解視圖”示出，1008是1006的放大部分。這些棘爪沿旋轉中心平衡。每一都包括定向轉矩施加裝置1008形式的片簧(類似于圖7A、7B中的機構)，其在環101內側延伸。該片簧由在單軸線上具有彈性的元件構成，且可保持自由端和上述表面拖動接觸。
實例C這里，該實例是指“蝸桿式離合器”。在這種單向離合器中，在和蝸桿表面嚙合時產生推力，而不是碰撞柱，輥，棘爪等。該實例(參看圖8、9)利用一些高傳動比齒輪傳動件固有的負效應，例如但并不局限于驅動蝸桿的蝸輪等，傳遞不能可逆的動力。施加在蝸桿表面上而產生旋轉的應力矢量非常小，而并不能克服摩擦。
圖8A示出了整個結構。第一軸801牢固地連接到蝸輪814上并經由在腔內的齒901，該腔內設置有爪形離合器807，用以控制到同心的第一驅動齒輪806的齒隙量。該第一齒輪還可以是傘齒輪。框架800可自由(通過軸承802)繞第一軸801旋轉。支承齒輪系和蝸桿813的該框架800在815處剛性連接到第二軸803。由第一軸801驅動的齒輪系806、808、809、810包括直角驅動機構，并能夠在第一相(自由，沒有接觸)或第二相(接觸而具有靜摩擦)相關于蝸輪814驅動蝸桿813，否則速度將相同。當在第一方向驅動上述裝置時，離合器空轉并沒有被驅動，從動齒輪系使上述蝸輪在某一速度下旋轉，使轉動蝸桿813的螺紋基本沒有摩擦地或有摩擦地經由蝸輪814的各齒之間。實際上相對于輸入軸，蝸桿813自身以上述框架的轉動速度繞蝸輪814轉動。是否同步由齒輪比來確定。在建造或安裝過程中設定合適的相位。在該空轉方向，上述齒輪自由轉動，上述框架并不會受迫旋轉，在輸入軸801和輸出軸803之間沒有連接結構。
下面來看圖8B，詳細示出了蝸桿813和蝸輪814之間的嚙合情況，在縱向截面圖中示出了在分離位置(左面，815處，沒有接觸)處、在817處的第一相對方向旋轉嚙合時以及另一種在818處的第二相對方向嚙合時情況。在通常的使用中，該系統可在815和817之間更替，或者在重新設置之后，在815和818之間切換。
可控齒隙的作用就是可將蝸桿2稍微沿著蝸輪移動-類似于在AC電信號的相位上變化。在接觸時，只要蝸輪814鎖定在蝸桿813上，離合器就會嚙合，因此框架800由第一(輸入)軸801而自轉，所以驅動第二輸出軸803。盡管其他的結構中具有雙蝸輪從而保持平衡，但是也可以利用平衡重805平衡上述機構。應該注意，驅動動力也可以從第二軸803輸入而從第一軸801輸出上述蝸輪式離合器。
另外在操作和被鎖定這兩個相對的方向上，該蝸輪式離合器是可逆的。通過改變對應于可控齒隙的零件，上述相對方向使嚙合可以從正向變為負向。在圖8中，示出了一種優選的可逆機構；在軸801內的同軸中心推桿804(在傳遞過程中該桿可以操作)位于小齒輪806、臂816之后，該臂可連接到并可將楔形件903推進或縮回到一個空間內，用作為爪形離合器(參考圖9A，B和C)。
當在第二(相反)方向上驅動上述裝置而離合器用作驅動軸和從動軸之間的連接件時，設置在正齒輪806內的帶齒隙裝置807(以及在從動齒輪系中的隨機齒隙)可以改變蝸桿速度，而齒隙可能中斷對蝸桿的傳動，因此當再次驅動蝸桿時，蝸桿就會在某個階段以相同速度進行旋轉，這就使蝸桿螺紋的一側靠在蝸輪的齒上。這樣所施加的力就會使蝸輪轉動蝸桿。在通常條件下，一些摩擦能夠克服所施加力的很小轉矩，因而產生“負效應”。特定的調節也很重要；例如我們認為蝸桿是干燥的也是有用的。因此鎖定的齒輪對就會使離合器將動力從驅動軸801經由框架800傳遞到從動軸803上。在更換狀態中，可以將動量從蝸桿傳遞到蝸輪上。(請注意圖8、9中的簡圖僅僅是示意性的而并非示出了正確的比例。)假定在齒輪系806-812中具有很小的齒隙，在圖9中示出了預定齒隙。扇形齒901剛性連接到驅動軸801，且可在扇形腔902內旋轉到一個限定的角度，從而在小齒輪806內形成一種爪形離合器。在第一方向(A)上，上述齒碰到上述腔的逆時針面，在第二方向上，上述齒稍微轉動一點(在圖中有所夸大)，碰到順時針面，因此蝸輪814(剛性連接到輸入軸上)和蝸桿813的相位關系就發生改變。如前所述，在上述腔內在上述齒的一側或另一側上添加楔形件903，從而使操作方向翻轉。這可以在維修時由機械師來完成或者可以在操作過程中由推桿804來完成。可優選為對稱的雙齒類型。
這種表面上很復雜的裝置具有很多優點，能夠避免集中的負載(以及沖擊元件)，例如楔形件或棘爪式單向離合器中產生的負載。相反，這些負載會遍布在很大的接觸區域上，即蝸桿螺紋和蝸輪之間的“有效表面寬度”上。通常被潤滑的摩擦面應該僅在轉變過程中產生摩擦接觸。
變型實施例這里示出的實例僅僅是示意性的。單向離合器可以用于各種不同的應用中，其中每一都具有一系列特定的要求，例如低噪音，高可靠性，適于高速或低速，和/或連接或不連接高軸扭矩等等。通過改進的性能，各種新應用也是可行的。
商業優勢或益處通過棘爪和卡槽的游尺微調設置，具有低齒隙的特點，因而相比現有技術中的裝置，“第一可用棘爪-卡槽”能夠明顯減小斜向運動。這就減小了損耗的后向運動和嚙合時的噪音。
通過棘爪和卡槽的游尺微調設置可以在運動過程中實現低噪音，因而在空轉模式中棘爪超越卡槽所產生的碰擊是異步的(如果偏壓)，而且速度很高。
低噪音還可以通過使棘爪進出卡槽的且隨方向而異的偏壓系統來實現，因而當在空轉方向轉動時，它們不會超越卡槽的邊緣而掉進卡槽內。
低齒隙可以實現高可靠性，因而翻轉動量和合成沖擊力就會明顯減小。
可避免涉及大量局部性應力的楔形件彼此靠在一起，來達到高可靠性，因而可避免材料變形和使用壽命降低。
上述傳動系統可提供相同的優點，即最小空程損失，當處于嚙合模式時被正向驅動，并由無楔形件的單向離合器組成。
最后，可以理解這里所述的本發明范圍并不僅限于上述特定實施例。技術人員可以理解在不偏離本發明的范圍和精神內，各種修改，增加，已知的等效調整和替換都是允許的。本發明的范圍隨后由下列權利要求所限定。
權利要求
1.一種單向離合器，在具有旋轉軸線的第一可旋轉軸和具有共軸的旋轉軸線的第二相鄰旋轉軸之間進行連接，該單向離合器能夠在第一軸在嚙合方向相對第二軸旋轉時連接這些軸，但并不在第一軸相對第二軸(second object)在相反的慣性方向上旋轉時連接這些軸，其特征在于，該單向離合器包括a)保持在第一軸上的第一支承架、板或環，該第一環支承著第一整數n個的棘爪件，該整數大于一，每一棘爪件具有由一剛性部分開的自由端和支承端，每個棘爪件沿上述第一環的第一端面上的共軸位置均勻間隔開，每一自由端都朝向第二支承架或環，b)該第二支承架、板或環保持在上述第二軸上并靠近上述第一環，該第二環承載著第二整數m個卡槽，該第二整數也大于一，每一卡槽均能夠容納上述棘爪件之一的自由端，每一卡槽均沿上述第二環的第二端面上的共軸位置均勻間隔開，每一卡槽均能夠可逆地和相對的棘爪件相嚙合，c)其中，上述整數n、m并不相同，從而增大了在任意時刻在旋轉方向上任一棘爪件的自由端靠近一個卡槽的可能性，因而相比m＝n的情況，在使用過程中在至少一個棘爪件和相鄰卡槽嚙合之前，嚙合方向上的所需旋轉量就得以減小了。
2.如權利要求1所述的單向離合器，其特征在于，可選擇整數n、m，以便于在使用過程中可以同時沿上述共軸軸線以對稱方式使多于一組產生嚙合，每組均由一個棘爪件和相鄰的卡槽構成，從而將這些多于一組的棘爪件和相鄰卡槽之間的載荷分配開，將離合器內的不均勻應力降為最低。
3.如權利要求2所述的單向離合器，其特征在于，上述單向離合器包括在棘爪側面所依靠的每個卡槽上的彈性表面，用以在處于嚙合位置時稍微改變棘爪件的轉角，因而至少能夠部分地補償相對的尺寸缺陷，從而有利于在多于一個的嚙合組之間均勻分配載荷。
4.如權利要求2所述的單向離合器，其特征在于，上述單向離合器包括在每個棘爪件上的從棘爪件側面延伸的彈性突出部，當處于嚙合位置時，該彈性突出部和卡槽側面相接觸，用以在處于嚙合位置時稍微改變棘爪件的轉角，因而至少能夠部分地補償尺寸缺陷，從而有利于在嚙合的棘爪和卡槽對之間均勻分配載荷。
5.一種單向離合器，在具有旋轉軸線的第一可旋轉軸和具有共軸的旋轉軸線的第二相鄰旋轉軸之間進行連接，該單向離合器能夠在第一軸在嚙合方向相對第二軸旋轉時連接這些軸，但并不在第一軸相對第二軸在相反的慣性方向上旋轉時連接這些軸，其中，多個棘爪件每個均具有旋轉軸線，第一嚙合面和第二嚙合面，這些面由一基本上剛性的桿件所分開，上述棘爪件繞第一第一板或環設置，因而每一棘爪件均可以時時地與繞第二板或環設置的對應卡槽可逆地嚙合，以便于連接，其特征在于，一個隨方向而異的偏壓裝置被應用到單向離合器的每個棘爪件上，因而在使用過程中當單向離合器的第一、第二環在嚙合方向上相對運動時，每個棘爪件會被偏壓伸向對應的卡槽，并在慣性方向運動時被偏壓得從相應卡槽內縮回。
6.如權利要求5所述的單向離合器，其特征在于，上述隨方向而異的偏壓裝置包括(1)由第一端固定延伸到棘爪件的連桿的一側的桿件，其垂直于棘爪件的旋轉軸線，以及(2)上述桿件的第二自由端，和對置的板或環的側面拖動接觸，因而在使用過程中嚙合方向上的相對運動會向上述連桿施加一個由拖動接觸產生的轉矩，使棘爪件繞棘爪旋轉軸線轉動，從而向對置板或環上的卡槽之外運動，因而在慣性方向的運動會使上述棘爪件縮回。
7.如權利要求6所述的單向離合器，其特征在于，上述拖動接觸由一后傾輪(caster wheel)產生，該后傾輪在上述桿件的自由端和上述對置環或板的側面滾動接觸。
8.如權利要求7所述的單向離合器，其特征在于，上述后傾輪(自位輪)的旋轉軸線并不平行于單向離合器的旋轉軸線，因而在使用過程中拖動量就增加了。
9.如權利要求6所述的單向離合器，其特征在于，上述拖動接觸由一種球產生，該球被支承在一個杯內，在上述桿件的自由端和上述對置環或板的側面滾動接觸。
10.如權利要求6-9中任一項所述的單向離合器，其特征在于，支承著和上述對置環或板的側面拖動接觸的自由端的上述桿件在單個軸線上具有彈性，因而在使用過程中，上述自由端就和上述表面保持拖動接觸。
11.如權利要求6所述的單向離合器，其特征在于，上述隨方向而異的偏壓裝置包括線性的傾斜磁化帶，其圖形被壓刻入承載著卡槽的環的鐵磁硬質表面，在和承載上述磁化帶的表面緊密重疊的位置上，該磁化帶中的任一個都能夠和剛性安裝到棘爪件一側上的鐵磁件相互作用，因而在使用過程中在嚙合方向上的運動會使上述鐵磁件向外吸引，從而將棘爪件拉出對置環上的卡槽，因此在慣性方向上的動作會排斥上述鐵磁件，繼而使其縮回。
12.如權利要求10所述的單向離合器，其特征在于，上述鐵磁件為鐵磁性的硬質件，以圖形互補的形式磁化上述環的表面。
13.一種可逆的單向離合器，在具有旋轉軸線的第一可旋轉軸和具有共軸的旋轉軸線的第二旋轉軸之間進行連接，該單向離合器能夠在第一軸在嚙合方向相對第二軸旋轉時連接這些軸，但并不在第一軸相對第二軸(物體)在相反的慣性方向上旋轉時連接這些軸，其特征在于，該單向離合器包括能夠在齒輪聯軸節內進行可逆地連接和拆開的齒輪傳動系，其包括第一齒輪和第二齒輪，這種連接的特征在于在動力經由齒輪聯軸節從第一齒輪傳遞到第二齒輪時進行正向動力傳遞(positive efficiency)，當動力從第二齒輪傳遞到第一齒輪時進行負向傳遞(negative efficiency)。
14.如權利要求13所述的可逆單向離合器，其特征在于，包括由第一軸轉動的齒輪系；上述齒輪系包括可控齒隙(backlash)量或空轉(dead motion)量，上述齒輪系的第一齒輪支撐在輸入驅動軸上；該齒輪系支撐在可旋轉的框架上，該框架固定到第二軸上；該齒輪系終接著和蝸輪嚙合的蝸桿，該蝸輪固定到第一軸上，該齒輪系的傳動比能夠在使用過程中使蝸桿的螺紋以和蝸輪的齒相同速度行進，且可設定上述可控齒隙，當第一軸在慣性或空轉方向轉動齒輪系時，上述蝸桿的旋轉螺紋能夠基本上沒有摩擦接觸地經過上述轉動蝸輪的齒之間，而當上述第一軸在嚙合方向轉動上述齒輪系時，上述可控量齒隙就會暫時中斷對蝸桿的傳動，因而在蝸桿的螺紋和蝸輪的齒相摩擦，所以使上述可轉動框架旋轉，從而使上述第二軸旋轉。
15.如權利要求13所述的可逆單向離合器，其特征在于，可以借助于調節至少一個擋齒和至少一個松弛的爪形離合器爪之間的轉動間隙量來確定上述可控齒隙或空轉量，上述爪形離合器設置在齒輪系的驅動軸和第一齒輪之間。
16.如權利要求13所述的可逆單向離合器，其特征在于，在使用過程中通過改變角位移的定向，相對上述擋齒所經由的第一齒輪，使單向離合器進入嚙合模式的相對轉動方向翻轉。
全文摘要
一種單向離合器，具有“游尺微調”設置形式的不同數量棘爪(1006，1007)和卡槽，能夠在嚙合方向上將兩半離合器(101，102)之間的相對轉動降為最小。還可以減小噪音。在單向離合器中使用的是隨方向而異的偏壓裝置(1008)，而不是彈簧，該裝置能夠伸出或縮回慣性平衡的旋轉棘爪(1006，1007)。在另一個實施例中，一種可逆的單向離合器在空轉時使用齒輪系來驅動和從動蝸輪的齒同步的蝸桿。可控的齒隙使上述蝸桿處于接觸模式(在嚙合時)或者在相反方向驅動時處于非接觸模式(分離時)。
文檔編號F16D43/02GK1726352SQ200380106384
公開日2006年1月25日 申請日期2003年11月11日 優先權日2002年11月11日
發明者穆圖韋特皮萊·葉加特森 申請人:單向離合器有限公司