具有过铰接保护的等速接头 【相关申请的交叉引用】
本专利申请要求于2009年2月20日提交的序列号为61/154,222的美国临时专利申请的优先权，在比通过引用将其全部内容并入本文。
【技术领域】
本发明的主题一般涉及可伸缩的等速接头，具体地，涉及一种具有过铰接(over-articulation)保护的可伸缩的等速接头。
背景技术
存在许多不同种类的万向接头。其中一种类型的万向接头包括可伸缩的等速接头，有时也称为三销式万向接头。可伸缩的等速接头通常用在汽车的轴向驱动轴中，尤其是在前轮驱动式车辆中用在变速驱动桥差速器和驱动轮之间。可伸缩的等速接头以各种速度、角度和伸缩位置在轴构件之间传递扭矩。
如图8所示，相关技术的可伸缩等速接头20′可包括第一轴构件22′和第二轴构件24′。第一轴构件包括壳体28′。壳体限定有多个(但优选为3个)内部导槽。导槽沿着并平行于第一轴构件22′的纵向轴线延伸。第二轴构件24′包括布置在第二轴构件24′一端的三销架(spider)40′。三销架40′布置在第一轴构件22′的壳体28′内。三销架40′包括多个(但优选为3个)耳轴(trunnion)42′。可伸缩的等速接头包括多个球组件52′。每个耳轴42′上都可旋转地安装有球组件52′中的一个，并且该球组件52′中的一个以与导槽滚动接合的方式布置在其中一个导槽内。球组件可包括内球54′和外球56′，以及布置在内球54′和外球56′之间的多个滚子元件58′。滚子元件58′与内球和外球组合，从而有效地形成滚针轴承组件。因此，滚子元件58′减小了内球54′和外球56′之间的滚动摩擦。
这些可伸缩的等速接头20′能够很好地发挥作用，但是却被约束成在预定的铰接角度范围内操作(如图7中所示的角度范围50′)，在预定的铰接角度范围中接头保持预定或正常的接头状况，在这种状况下，内球54′可围绕耳轴42′的形心70′转动，其中入口直径72′参照三销架中心44′被布置成关于形心70′轴向向内(即，更靠近三销架中心44′，如图8所示)。如果第一轴构件22′和第二轴构件24′超出该铰接范围被铰接在一起从而处于过铰接的角度范围中(如图7中的角度范围51′所示)，则球组件52′中的至少一个可能会从耳轴42′脱离，如图7所示。一旦球组件52′从耳轴42′上脱离，则当接头返回到预定的铰接角度范围50′内时，球组件52′将不会将其自身重新附接至耳轴42′(图9)，因此该分离是不可逆的，并且接头不能恢复至其正常状况(图8)，在该正常状况中耳轴42′和凸形的外表面48′布置在入口直径72′的内侧，并当内球54′转动时沿着其内表面62′布置。相反，如图9中所示那样，耳轴42′的形心70′将布置在入口直径72′的外侧，并且内球54′的内表面62′将仅在耳轴42′上部较小的轴承表面上转动。一旦万向接头20′经受了过铰接状况，则接头必须被拆开以便将分离的球组件52′(尤其是分离的内球54′的内表面62′)重新附接到耳轴42′的凸形外表面48′上，也就是说，必需将三销架40′从壳体28′内移除，以便将球组件52′重新附接至耳轴42′上，这还可能使得必需将万向接头从其应用(例如，车辆的动力传动系)中移除。
因此，需要开发出一种万向接头，其中响应于接头的过铰接而对该万向接头进行保护，以免发生这种不可逆的分离，尤其是避免发生需要拆开接头以将分离的球组件和接头恢复至正常状态的分离。
【发明内容】
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种三销式万向接头。该接头包括具有第一纵向轴线和壳体的第一可旋转轴构件，该壳体具有三个平行于该第一纵向轴线布置并且在周向上彼此均等地间隔开的纵向导槽，三个纵向导槽中的每一个都由两个相对的凹形侧表面和背表面限定，每个导槽的背表面均相对于第一纵向轴线面向着径向向内朝向，每个导槽的相对的凹形侧表面彼此平行布置，并相对于外部驱动构件被导槽的背表面在周向上分开。该接头还包括可旋转的第二轴构件，该可旋转的第二轴构件具有第二纵向轴线并且还包括具有三个径向延伸的耳轴的三销架，该耳轴彼此在周向上均等地间隔开并且位于相应的共面径向轴线上，这些共面径向轴线在三销架中心处与第二纵向轴线相交，每个耳轴均具有布置在相关联的纵向导槽内并且面朝所述导槽的相对凹形侧表面的凸形外表面。该接头还包括三个可旋转的球组件，每个球组件均可旋转地布置在相应的耳轴的凸形外表面上并构造成围绕该耳轴倾斜且旋转，以及沿着该耳轴的径向轴线滑动，每个球组件均具有外球和内球，所述外球具有凸形外表面，该凸形外表面构造成配置在与其相关联的纵向导槽的凹形侧表面内，该凸形外表面与相关联的凹形内表面一起用于在该槽内的可运动的接合，所述内球被可旋转地布置在该外球内并且具有凹形内表面，该凹形内表面采用可分离的重新附接式耦接被可旋转地布置在耳轴的凸形表面上。
优选地，通过相对于所述相应耳轴形心的预定运动范围来固定所述内球的入口直径的位置，从而提供所述可分离的重新附接式耦接。
优选地，所述可分离的重新附接式耦接被构造成使内球从处于接头过度成角(over-angulation)状况中的耳轴分离，其中所述内球具有在所述外壁和所述入口直径之间的轴向长度，并且相应的耳轴具有在所述三销架中心和所述耳轴形心之间的轴向长度，对所述内球的轴向长度和所述耳轴的轴向长度进行选择，以便当所述接头从所述过度成角状况回到预定的成角状况时，使得分离的内球的外壁能够被压成抵靠导向壁并且提供允许所述耳轴的形心通过所述内球的入口直径的预定的运动范围，将所述内球重新附接至所述耳轴，由此恢复所述可分离的重新附接式耦接。
优选地，所述接头构造成从过度成角状况向预定成角状况转变，并且构造成通过将分离的内球和相应的耳轴重新附接从而恢复所述可分离的重新附接式耦接，其中，在所述内球的外壁和所述导槽的导向壁之间存在距离B，在所述耳轴的形心和所述导向壁之间存在距离C，在所述内球的入口直径的轴向位置和所述内球的外壁之间存在距离D，并且当B＝0时，D＞C。
优选地，所述内球的入口直径小于所述相应耳轴的最大直径。
优选地，所述外球在所述槽内的可运动接合包括可旋转的或可滑动的接合。
优选地，所述凹形侧表面具有侧表面曲率，所述相应外球的外表面具有外表面曲率，并且所述侧表面曲率小于所述外表面曲率。
优选地，所述外表面曲率和所述侧表面曲率建立了所述外球和相应的侧表面之间的单点接触。
优选地，所述外球的外表面包括被截的(truncated)圆环面。
优选地，所述内球的内表面具有内表面曲率，所述相应耳轴的外表面具有外表面曲率，并且所述内表面曲率小于所述外表面曲率。
优选地，所述内球的内表面曲率和所述相应耳轴的外表面曲率建立了所述滚子和所述耳轴之间的单点接触。
优选地，所述内球的内表面具有凹形形状，其构造成与所述相关联耳轴的凸形外表面接合。
优选地，所述内球的内表面的凹形形状包括被截的圆环面、被截的椭圆面、被截的球面、或通过弧和线的组合围绕所述内球的轴线转动所生成的表面。
优选地，耳轴的外表面包括被截的圆环面。
优选地，所述每个导槽均具有外部导向壁、或中央导向壁、或二者的组合。
优选地，所述每个导槽均具有外部导向壁。
优选地，所述每个导槽均具有中央导向壁。
优选地，所述每个球组件均具有径向布置在所述内球和所述外球之间的轴承系(bearing train)。
优选地，每个球组件的所述轴承系均包括布置在所述外球的圆柱形内表面和所述内球的圆柱形外表面之间的多个滚针轴承。
优选地，各个球组件的所述外球具有从所述外球的圆柱形内表面径向向内伸出的两个推力肩部(thrust shoulder)，所述多个滚针轴承相对于所述球组件的轴线被轴向地布置在所述两个推力肩部之间。
结合附图并且由以下对用于实施本发明的最佳模式的详细描述，本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点将变得相当明显。
【附图说明】
下面对实施例的详细说明中仅作为示例来描述其他目的、特征、优点和细接头，其中详细说明参照了附图，在附图中：
图1是如本文所公开那样的可伸缩的等速接头的示例性实施例的透视图，其中该接头处于非铰接位置中；
图2是在图1中的等速接头处于铰接位置中的透视图；
图3是图1中的可伸缩的等速接头沿剖面3-3剖取的剖视图；
图4是图1中的可伸缩的等速接头沿剖面4-4剖取的局部剖视图；
图5是如本文所公开的可伸缩的等速接头的示例性实施例的剖视图，其中示出了该接头在预定角度范围铰接中的正常状态；
图6是图4中的示例性实施例的剖视图，其中如本文所公开的那样示出了在已经被铰接到过铰接状况后然后再返回到预定角度范围的铰接和正常状况的接头；
图7是相关技术的三销式万向接头处于过铰接状况下的局部剖视图；
图8是相关技术的三销式万向接头处于预定或正常接头状况下的剖视图；以及
图9是相关技术的三销式万向接头在已经铰接至过铰接状态并且然后恢复至预定角度范围的铰接后却没有铰接的剖视图，其中该接头没有返回到本文所公开的正常状态。
【具体实施方式】
下述说明在本质上仅仅是示例性的，并不意图限制本发明、其应用或使用。应当理解的是，在全部附图中，对应的附图标记表示相似或对应的部件和特征。
参照图1-图4，万向接头总体上由10示出。万向接头10是可伸缩的等速接头20，通常称作三销式万向接头。等速(CV)接头20在第一可旋转轴构件22和第二可旋转轴构件24之间以不同的转速、连接角和伸缩位置来传递扭矩。等速接头20适于在多种车辆应用中使用，包括卡车、汽车、各种休闲车辆等，并且对在前轮驱动式车辆的变速驱动桥差速器和驱动轮之间的使用特别有用。然而，应当认识到的是，等速接头20可用在转矩必须在两个可转动的轴构件22、24之间传递的其他应用中，其中两个可转动的轴构件22、24必须构造为能相对于彼此具有轴向位置和角度位置的运动。万向接头10尤其适用于CV接头20的应用，包括上述类型的各种车辆应用。
第一可旋转轴构件22沿着第一纵向轴线26延伸并可围绕其旋转。第一可旋转轴构件22包括在接头端部29处的壳体28。壳体28限定了多个轴向延伸的导槽或沟道30，其平行于第一可旋转轴构件22的第一纵向轴线26并沿第一纵向轴线26延伸。在示例性实施例中，如图1-图4所示，壳体28限定了三个导槽30。导槽30围绕第一纵向轴线26周向地并且径向地均等间隔开。如图所示，这三个导槽30围绕第一纵向轴线26彼此以120°的间隔周向并且径向地间隔开。然而，应当认识到的是，在壳体28内的导槽30的数量可以不同于图示的三个导槽30。
每个导槽30均包括第一侧表面32和相对的第二侧表面34。第一侧表面32和第二侧表面34通过背表面36围绕第一纵向轴线26并在周向上分开。背表面36径向向内地面朝向第一纵向轴线26。第一侧表面32和第二侧表面34都包括相对于第一侧表面32和第二侧表面34中的另一个的凹形形状。每个导槽30的相对的凹形侧表面32、34彼此平行布置，并通过导槽30的背表面36相对第一可旋转轴构件22在周向上分开。在示例性实施例中，相对的凹形表面可包括沿着导槽30轴向延伸的相对的椭圆弧所限定的表面。
如图1和图2所示，第二可旋转轴构件24围绕第二纵向轴线38旋转并沿其延伸。第二可旋转轴构件24包括布置在第二可旋转轴构件24的其中一端处的三销架40。三销架40可包括用于同花键轴(未示出)端部上的花键接合的花键式中心孔(未示出)，以包括可旋转轴构件24。三销架40布置在第一可旋转轴构件22的壳体28内，并相对该壳体28运动。三销架40包括多个从第二径向轴线38向外径向延伸的耳轴42。在图1-图5所示的示例性实施例中，三销架40包括三个耳轴42。应当理解的是，耳轴42的数量对应于壳体28内导槽30的数量。如图所示，三个耳轴42围绕第二纵向轴线38彼此以120°的间隔径向分隔开，并沿着在三销架中心44处垂直于第二纵向轴线38的平面(未示出)共面。每个耳轴42从三销架中心44沿着耳轴轴线46向外延伸，并且包括耳轴外表面48。耳轴外表面48具有与耳轴轴线46同心的凸形形状。在一个实施例中，凸形的外表面48具有被截的圆环面形状，并且可通过围绕形心旋转的曲率半径或径向弧来描述。
如图1所示，当等速接头20位于零度连接角时，第一纵向轴线26和第二纵向轴线38重合或共线。如图2所示，当等速接头20以一定角度铰接或弯曲时(即，当第一可旋转轴构件22和第二可旋转轴构件24相对于彼此铰接时)，第一纵向轴线26和第二纵向轴线38相交。因此，当等速接头20位于零度连接角时(图1)三销架中心44沿着第一纵向轴线26布置，而当等速接头20铰接至非零连接角时，三销架中心44径向移位并围绕第一纵向轴线26盘旋(图2)。
等速接头20包括多个球组件52，其中在每个耳轴42上可旋转地支撑着球组件52中的一个。因此，示出的等速接头20包括三个球组件52，其中在三个耳轴42的每一个上均具有一个球组件52。然而，应当理解的是，球组件52的数量对应于耳轴42的数量以及导槽30的数量。每个球组件52布置在壳体28的导槽30中的一个内并与其可运动地接合。该可运动的接合可包括滚动式接合和滑动式接合，当球组件52在导槽30内运动时，可能会经历两种类型的接合。
球组件52包括内球54和外球56，以及布置在内球54和外球56之间的多个滚子元件58。滚子元件58与内球54以及外球56组合，有效地形成滚针轴承组件。因此，滚子元件58减小了内球54和外球56之间的滚动摩擦。
球组件52的内球54限定了具有径向内表面62的中心孔60，内表面62布置成抵靠并邻接耳轴42的凸形外表面。球组件52的径向内表面62包括与耳轴轴线46同心的凹形形状，并可包括被截的圆环面、被截的椭圆面、被截的球面、或通过至少一个弧和至少一条线的组合围绕内球轴线旋转所产生的表面，这些表面都与耳轴轴线46同心。如果内球54的径向内表面62包括被截的椭圆面形状，则被截的椭圆面形状的曲率小于凸形的耳轴外表面48的曲率，该减小量要足以确保耳轴42的凸形的外表面48嵌在内球54的凹形内表面62中并允许内球54在耳轴42上滚动(图3)。在某些实施例中，例如图3-图5所示的实施例，内表面62的曲率小于凸形的外表面48的曲率，并且在耳轴42和内球54之间存在单点接触。该构造有利地减小了耳轴42和内球54之间的滚动摩擦或滑动摩擦中的一个或全部。可替换地，应当认识到的是，内球54的径向内表面62和耳轴外表面48的几何形状可与这里图示及描述的几何形状有所不同，以便如本领域已知那样实现耳轴42和内球54之间的两点接触或三点接触。
在一个示例性实施例中，第一侧表面32和第二侧表面34具有如本文所述那样的椭圆形状，外表面64可具有包括了被截的圆环面形状的凸形形状。此外，包括了外表面64的椭圆面的曲率可以大于包括了凹形的第一侧表面32和第二侧表面34的椭圆弧的曲率。
球组件52的外球56包括了布置在凹形的第一侧表面32和凹形的第二侧表面34内的径向外表面64。在示例性实施例中，球组件52和导槽30的尺寸设计成能够使径向外表面64抵靠并邻接凹形的第一侧表面32和凹形的第二侧表面34。径向外表面64有凸形形状，该凸形形状的曲率大于凹形的第一侧表面32和第二侧表面34的曲率，由此提供外球56的径向外表面64和第一侧表面32以及第二侧表面34之间的单点接触。替代性地，应当认识到的是，为了如本领域所已知那样实现径向外表面64和第一侧表面32及第二侧表面34之间的两点接触或三点接触，外球56的径向外表面64和第一侧表面32及第二侧表面34的几何形状可与这里所图示及描述的不同。
随着第一可旋转轴构件22和第二可旋转轴构件24相对于彼此铰接和/或伸缩，球组件52的外球56沿着壳体28的导槽30滚动或滑移/滑动。另外，随着球组件52的外球56沿壳体28的导槽30滚动或以另外的方式轴向运动，外球56围绕耳轴42倾斜49并旋转53，如图2中所示。随着第一可旋转轴构件22和第二可旋转轴构件24相对于彼此铰接和/或伸缩，球组件52和外球56还在耳轴42上沿着耳轴轴线46轴向地自由滑动55，远离或向内朝向三销架中心44。内球54则可大致保持旋转方面的稳定性，即不围绕耳轴42旋转。更具体地，球组件52的内球54可沿着耳轴轴线46在耳轴42上滑动。
内球54和外球56优选是实心的整体结构，即它们是布置在耳轴42和第一可旋转轴构件22的壳体28之间的单一结构。在示例性实施例中，内球54和外球56都由金属制成。更特别地，它们可由钢制成，例如用钢进行机加工。然而，应当认识到的是，内球54和外球56可由其他材料制成，包括其他金属。
每个导槽30的背表面36都包括导向壁66。导向壁66可包括外部导向壁66和中央导向壁66中的一个，或两个都包括。导向壁66沿着导槽30的背壁36和第一纵向轴线26纵长地延伸。每个球组件52均包括径向外壁68，其中径向外壁68布置成相邻于导向壁66以最小化球组件52在导槽30内的束缚。导向壁66可以使球组件52围绕耳轴轴线46枢转或晃动的可能性最小化，由此最小化球组件52束缚在导槽30内的可能性。
可伸缩的等速接头20具有铰接的预定角范围，在图2中被示为角度范围50，其中接头保持以预定或正常的接头状况，在这种状况下，内球54可围绕耳轴42的形心70旋转，其中入口直径72相对于三销架中心44被轴向向内布置，即更靠近三销架中心44，如图5所示。如果第一轴构件22和第二轴构件24相对于彼此以超出该铰接范围且处于过铰接的角度范围中的更大的连接角被铰接(如图2所示的角度范围51)，那么球组件52中的至少一个可能以类似于图7中关于相关技术的接头所示的方式从耳轴42脱离。然而，与相关技术的万向接头(如图7-图9中所示)相反，本发明的万向接头10在内球54的内表面62和耳轴42的外表面48之间具有可分离的重新附接式耦接59。这意味着尽管过铰接状况可能导致内球54从耳轴42分离，使得内球54的内表面62不再接触或可围绕耳轴的外表面48旋转，但是通过可分离的重新附接式耦接，内球54是可重新附接的，并且当恢复到接头20以及第一轴构件22相对于第二轴构件24的铰接的预定角度范围50时，可以被重新附接至耳轴42。因此，一旦球组件52从耳轴42脱离，那么当接头返回铰接的预定角范围50内时，球组件52将再次将其自身附接至耳轴42，因而该分离是可逆的，接头能返回至正常状况(图5)，在该正常状况中耳轴42和凸形外表面48被布置在入口直径72内侧并在内球54旋转时沿着其内表面62布置。耳轴42的形心70将布置在入口直径72的内侧，且内球54的内表面62将在其整个轴承部分上旋转。当等速接头20从过铰接状况返回至铰接的预定角范围时，可分离的重新附接式耦接59的这种恢复以及内球54在耳轴42上的重新附接将会自动发生。这明显优于相关技术中的万向接头，因为一旦万向接头20经历了过铰接状态，它不再需要拆开接头以重新附接分离的球组件52，特别是将分离的内球54的内表面62重新附接到耳轴42的凸出外表面48上。因此，就再没有必要从壳体28内移除三销架40以便将球组件52重新附接至耳轴42上，因此也就不再需要从其应用(例如，车辆的传动系)中移除接头，以恢复至预定的或正常的接头状况。
通过固定内球54的入口直径72相对于相应耳轴42的形心70的预定运动范围R的位置，从而提供每个内球54和相关联的球组件52至相应耳轴42的可分离的重新附接式耦接59。形心70的该预定运动范围R参照来自内球54的分离状况的运动(图6)。可分离的重新附接式耦接59构造成在接头20的过度成角状况51中使内球54从耳轴42分离。内球54具有在外壁68和入口直径72之间的轴向长度L
1，相应的耳轴具有在三销架中心44和耳轴42的形心70之间的轴向长度L
2，对内球的轴向长度L
1和耳轴的轴向长度L
2加以选择，并与接头20的影响入口直径72和耳轴42的形心70的相对位置(包括耳轴42的形心70的预定运动范围R)的其他元件一起，以便当接头从过度成角状况返回至预定成角度状况时，使分离的内球54的外壁68被压成抵靠导向壁66并提供允许耳轴42的形心70穿过内球54的入口直径72并将内球54重新附接至耳轴42的预定的运动范围R，由此恢复可分离的重新附接式耦接59。这与相关技术的CV接头相反，该CV接头具有相对于入口直径72′的一定的运动范围R′，但其并不提供内球54′和耳轴42′之间的可分离的重新附接式耦接。
参照图4，“A”是在耳轴42的形心70和内球54的入口直径72之间的距离；“B”是在内球54的外壁68和导槽30的导向壁66之间的距离；“C”是在耳轴42的形心70和导槽30的导向壁66之间的距离；“D”是在入口直径72和内球54的外壁之间的距离。在示例性实施例中，耳轴42的形心70还可被描述为耳轴42的设计中心，其可沿着垂直经过耳轴轴线46并且通过沿耳轴轴线46测量的耳轴42中心的平面被布置在耳轴轴线46上。在另一个示例性实施例中，一个垂直于耳轴轴线46并通过形心70的想象平面(未示出)可包括耳轴的最大直径。在示例性实施例中，内球54的入口直径72还可描述为在内球54被布置得最靠近三销架40的三销架中心44处的面上的内球54的中心孔60的圆周边缘直径，并限定耳轴42插入内球54的开口。在另一个示例性实施例中，入口直径72位于内球54的内表面57的邻近处，并代表了中心孔60的最小直径。在示例性实施例中，入口直径72小于耳轴42的最大直径，使得存在干涉并且需要预定的插入力来将内球54压入到其相应的耳轴42上。另外，在过铰接状况期间，如果耳轴42经受了足够克服预定插入力的预定分离力，则内球54可分离，预定分离力在示例性实施例中比预定插入力大。相似地，随着接头从过度成角状况返回到预定成角状况，当耳轴42以大于预定插入力的力被压进入口直径72中时，可分离的重新附接式耦接59可以被恢复。
本发明的主题包括形成球组件52的内球54，以便包括大于尺寸“C”的尺寸“D”。因此，当内球54布置成抵靠着导向壁66时(即，尺寸“B”等于零)，尺寸“A”保持大于零。因此，本发明的主题提供具有预定运动范围R的耳轴42的形心70，使得形心70能从内球54的分离状态穿过内球54的入口直径72，以便重新耦接至耳轴42的外表面48，从而使形心70比内球54的入口直径72更接近导向壁66。在等速接头20处于超过铰接范围50的过铰接情形中，并且球组件52的内球54从耳轴42分离时，随着轴构件22、24返回铰接的预定范围50内，这保证了球组件52能滑回到耳轴42上。
尽管已经参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员应当理解的是，在不脱离本发明范围的情况下可进行各种变型和对元件进行等同替代。另外，在不脱离本发明实质性范围的情况下，可以实现多种修改以便适应本发明教导的特殊情形或材料。因此，本发明并不局限于作为用来实现本发明所设想的最佳模式而公开的示例性实施例，而是本发明将包括所有落入本申请范围内的实施例。