万向接头 相关申请的交叉引用 本专利申请要求2009年2月18日提交的美国临时专利申请NO.61/453504的优先权，该临时申请的全文在此通过引用结合到本申请中。
【技术领域】
本发明总体上涉及一种万向接头。更具体地，本发明涉及一种套筒式等速接头。
背景技术
已经有多种不同的万向接头用于旋转能量的传输。其中一种万向接头包括套筒式等速接头，有时称为三位万向接头(tripot universal joint)。套筒式等速接头-例如各种三位接头的一种应用是作为汽车轴向传动轴，尤其是在前轮驱动汽车的驱动桥差速器和驱动轮之间。该套筒式等速接头在轴部件之间以不同旋转速度、接头角度和套筒位置传递扭矩。
该套筒式等速接头可包括第一可旋转轴部件和第二可旋转轴部件。该第一可旋转轴部件包括壳体。该壳体限定多个-优选为三个内部引导通道。该引导通道沿第一轴部件的纵向轴线并平行于该轴线延伸。该第二轴部件包括布置在该第二轴部件的一端的十字轴(spider)。该十字轴位于第一轴部件的壳体内。该十字轴包括多个-优选为三个径向延伸的凸耳。该套筒式等速接头包括多个滚动组件。其中一个滚动组件可旋转地安装到凸耳中的每个，且设置在引导通道的一个中，与引导通道滚动啮合。该滚动组件通常包括布置在外球内且由多个滚柱轴承隔离的内球。该滚柱轴承通过提供可旋转组件而被用于减少内球的外表面和外球的内表面之间的摩擦，这些摩擦损失由滚柱轴承和这些表面之间的滚动摩擦，而非当不用这些滚柱轴承时在这些表面之间的滑动或滚动摩擦来限定。这些滚柱轴承部件与内球和外球结合，有效地产生滚针轴承组件。这样的组件广泛地与三位万向接头结合使用以减少摩擦损失并从这些接头得到预期的操作性能。
尽管所描述的滚柱轴承组件能够提供可接受的低摩擦损失和接头操作性能，它们的制造成本通常很高且需要设计滚柱组件来容纳滚柱轴承，包括需要来保持轴承的部件和设计特征的结合。此外，这些轴承的结合本身还需要在滚动组件中有专用于它们以及需要保持它们的所有部件的合适的包络空间。由此，期望提供一种滚柱组件，其具有可接受的摩擦损失和操作性能，同时还能避免上述与使用滚柱轴承以提供这些性能相关的限制。
【发明内容】
在本发明的一个示例性实施方式中，提供一种三位万向接头。该万向接头包括具有第一纵向轴线和平行于第一纵向轴线且沿周向等距离地彼此间隔开的三个纵向引导槽的第一旋转轴部件，三个纵向引导槽中的每个由两个相对的凹形侧面和一个底面限定，每个引导槽的底面相对于第一纵向轴线沿径向面向内，每个引导槽的相对的凹形侧面配置为相互平行且通过该引导槽的底面沿周向相对于外部驱动部件分隔开。该接头还包括具有第二纵向轴线且包括具有三个径向延伸凸耳的十字轴的第二旋转轴部件，三个径向延伸凸耳沿周向等距离地彼此间隔开且位于在十字轴中心处与第二纵向轴线相交的共面径向轴线上，每个凸耳具有设置在相应纵向引导通道内且面向相对的凹形侧面的凸形外表面。该接头还包括三个可旋转的滚柱，每个滚柱可旋转地设置在相应凸耳的凸形外表面上且配置为绕凸耳的径向轴线旋转，每个滚柱具有配置为设置在与其相关联的纵向引导通道的凹形侧面内以便在该通道内可移动地啮合的凸形外表面和可旋转地设置在凸耳的凸形表面上的内表面。
方案1.一种三位万向接头包括：具有第一纵向轴线和壳体的第一可旋转轴部件，所述壳体具有平行于所述第一纵向轴线设置且沿周向等距离地彼此间隔开的三个纵向引导通道，所述三个纵向引导通道中的每个都由两个相对的凹形侧面和一个底面限定，每个引导通道的底面相对于所述第一纵向轴线沿径向面向内，每个引导通道的相对的凹形侧面相互平行地设置且通过所述引导通道的底面相对于外部驱动部件沿周向分隔开；具有第二纵向轴线且包括十字轴的第二可旋转轴部件，所述十字轴具有三个径向延伸的凸耳，所述凸耳沿周向等距离地彼此间隔开并且位于在十字轴中心处与所述第二纵向轴线相交的相应的共面径向轴线上，每个凸耳都具有设置在相关纵向引导通道内且面向所述纵向引导通道的相对的凹形侧面的凸形外表面；和三个可旋转的滚柱，每个滚柱可旋转地设置在相应凸耳的凸形外表面上且配置为绕所述凸耳倾斜和旋转以及沿所述凸耳的径向轴线滑动，每个滚柱都具有凸形外表面和内表面，所述凸形外表面配置为设置在与其相关联的纵向引导通道的凹形侧面内以便在所述通道内可移动地啮合，所述内表面可旋转地设置在所述凸耳的凸形表面上。
方案2.如方案1所述的万向接头，其特征在于，滚柱在通道内的可移动啮合包括可旋转的啮合或可滑动的啮合。
方案3.如方案1所述的万向接头，其特征在于，所述凹形侧面具有侧面弧度，而相应的滚柱的外表面具有外表面弧度，并且所述侧面弧度小于所述外表面弧度。
方案4.如方案3所述的万向接头，其特征在于，所述外表面弧度和侧面弧度在滚柱和相应的侧表面之间建立了单点接触。
方案5.如方案1所述的万向接头，其特征在于，所述滚柱的外表面包括截椭球。
方案6.如方案1所述的万向接头，其特征在于，所述滚柱的内表面具有内表面弧度，而相应的凸耳的外表面具有外表面弧度，并且所述内表面弧度小于所述外表面弧度。
方案7.如方案6所述的万向接头，其特征在于，所述滚柱的内表面弧度和相应的凸耳的外表面弧度在滚柱和凸耳之间建立了单点接触。
方案8.如方案1所述的万向接头，其特征在于，所述滚柱的内表面具有圆柱形状，所述圆柱形状配置为用于与相应凸耳的凸形外表面啮合。
方案9.如方案8所述的万向接头，其特征在于，所述圆柱形状为正圆柱形状。
方案10.如方案1所述的万向接头，其特征在于，每个滚柱的内表面都具有凹形，所述凹形配置为用于与相关凸耳的凸形外表面啮合。
方案11.如方案10所述的万向接头，其特征在于，所述滚柱的内表面的凹形包括截环。
方案12.如方案1所述的万向接头，其特征在于，所述凸耳的外表面包括截环。
方案13.如方案1所述的万向接头，其特征在于，所述滚柱的贴近其内缘的内表面进一步包括凸耳保持特征。
方案14.如方案13所述的万向接头，其特征在于，所述滚柱的内表面是圆柱形且所述凸耳保持特征包括贴近所述内缘的凸起部分。
方案15.如方案13所述的万向接头，其特征在于，所述滚柱的内表面具有凹形弧度且所述凸耳保持特征包括贴近所述内缘的凹形弧度。
方案16.如方案1所述的万向接头，其特征在于，所述引导通道每个都具有外引导壁或中心引导壁，或两者的结合。
方案17.如方案1所述的万向接头，其特征在于，所述引导通道每个都具有外引导壁。
方案18.如方案1所述的万向接头，其特征在于，所述引导通道每个都具有中心引导壁。
本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点通过下面结合附图对实施本发明的最佳模式的详细描述而变得清楚。
【附图说明】
本发明的优点将通过结合附图参阅下面的详细描述而变得更容易理解。
图1为处于非铰接位置的本发明的套筒式等速接头的示例性实施方式的立体图。
图2为图1中的等速接头处于铰接位置时的立体图。
图3为图1中的套筒式等速接头的剖面图。
图4为本发明的十字轴的示例性实施方式的立体图。
图5为图4中的十字轴的立体图，该十字轴具有设置在其上的本发明的滚柱的示例性实施方式。
图6为本发明的凸耳和滚柱的示例性实施方式的放大剖面图；和
图7为本发明的凸耳和滚柱的第二示例性实施方式的放大剖面图。
【具体实施方式】
下面的描述本质上仅仅是示例性的，而不是用来限定本发明的范围、应用或使用。应该理解的是，在所有附图中，对应的附图标记表示相同或对应的部分和特征。
参见附图，万向接头总体上由10标示。该万向接头10为套筒式等速接头20，经常称为三位接头。该等速(CV)接头20在第一可旋转轴部件22和第二可旋转轴部件24之间以不同的旋转速度、接头角度和套筒位置传递扭矩。该等速接头20适于使用在多种车辆应用中，包括卡车、汽车、各种多功能车等等，特别是用于前轮驱动车辆的驱动桥差速器和驱动轮之间。然而，应该理解的是，该等速接头20可用于其它在配置为一个能相对另一个能够进行轴向和角度位置移动的两个可旋转轴部件22，24之间传递扭矩的应用中。万向接头10特别适于用在CV接头20的应用中，包括上述类型的各种车辆应用，具有减少的所需最大扭矩。特别适于用在具有大约2700N-m或更少的最大扭矩的CV接头中。这些可包括例如但不限于相对较小的前轮或四轮驱动车辆的前驱动桥差速器或分动箱和驱动轮之间。
第一可旋转轴部件22沿第一纵向轴线26延伸且可绕其旋转。第一可旋转轴部件22在接头端29包括壳体28。该壳体28限定出沿第一可旋转轴部件22的第一纵向轴线26延伸并且与其平行的多个引导槽或通道30。在图1-3所示的示例性实施方式中，壳体28限定了三个引导通道30。这些引导通道30径向地绕第一纵向轴线26等距地间隔开。如图所示，这三个引导通道30绕第一纵向轴线26相互沿径向间隔开120度。然而，应该理解的是引导通道30在壳体28内的数量可以不同于所示的三个引导通道30的数量。
每个引导通道30包括第一侧面32和相对的第二侧面34。第一侧面32和第二侧面34绕第一纵向轴线26通过底面36沿圆周间隔开。该底面36朝第一纵向轴线26径向地面向内。该第一侧面32和第二侧面34每个都包括与第一侧面32和第二侧面34中的另一个相对的凹形。每个引导通道30的该相对的凹形侧面32，34相互平行设置且通过该引导通道30的底面36相对于第一可旋转轴部件22沿周向间隔开。在一个示例性实施方式中，该相对的凹面可包括由沿引导通道30轴向延伸的相对的椭圆弧限定的表面。
如图1和图2所示，该第二可旋转轴部件24沿着第二纵向轴线38延伸且绕其旋转。该第二可旋转轴部件24包括设置于第二可旋转轴部件24的一端的十字轴40。该十字轴可包括花键中心孔41，如图4和图5所示，其用于与形成可旋转轴部件24的花键轴(未示出)的端部上的花键啮合。该十字轴40设置在第一可旋转轴部件22的壳体28内且可相对于其移动。该中心轴40包括多个从第二纵向轴线38沿径向向外延伸的凸耳42。在图1-5所示的示例性实施方式中，该十字轴40包括三个凸耳42。应该理解的是，凸耳42的数目对应于壳体28内的引导通道30的数目。如图所示，该三个凸耳42绕第二纵向轴线38沿径向相互间隔120度，且沿着在十字轴中心44处垂直于第二纵向轴线38的平面(未示出)彼此共面。每个凸耳42从十字轴中心44沿凸耳轴线46向外延伸，且包括凸耳外表面48。该凸耳外表面48具有与凸耳轴线46同心的凸形。在一个实施方式中，该凸形外表面48具有截环(truncated toroid)的形状，且可由绕重心旋转的径向圆弧或曲率半径(radius of curvature)来描述。
如图1所示，当等速接头20处于0度接头角时，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处于铰接或弯折一个角度时，也就是说，当第一可旋转轴部件22和第二可旋转轴部件24相互铰接时，第一纵向轴线26和第二纵向轴线38彼此相交。由此，当等速接头20在零度接头角(图1)时十字轴中心44沿着第一纵向轴线26设置，当等速接头20铰接到一个非零度接头角(图2)时十字轴中心44沿径向移动并绕第一纵向轴线26做轨道运行(或公转)。
该等速接头20包括多个可旋转的滚柱50，其中每个滚柱50可旋转地支撑在一个对应的凸耳42上。由此，所示等速接头20的十字轴40包括三个滚柱50，一个滚柱50可旋转地设置在三个凸耳42中的每个上。然而，应该理解的是，滚柱50的数目对应于凸耳42的数目和引导通道30的数目。每个滚柱50设置在壳体28的一个引导通道30内且可移动地与其啮合。该可移动的啮合可包括滚动啮合和滑动啮合，且当滚柱50在引导通道30内移动时，这两种啮合都可发生。
滚柱50包括相对凸耳42的凸形外表面48设置且与其抵接的径向内表面52。滚柱50的径向内表面52可包括与凸耳轴线46共心的圆柱形(图6)，包括正圆柱形，也可包括与凸耳轴线46共心的凹形(图7)，包括截椭球形(truncatedellipsoid shape)。如果滚柱50的径向内表面52包括截椭球形，则该截椭球形的弧度小于凸形凸耳外表面48的弧度，其差量大小足以确保凸耳42的凸形外表面48嵌套到滚柱50的凹形内表面52内且允许滚柱在凸耳上滚动(图7)。在某些实施方式中，例如图6和图7中的实施方式中，该内表面52的弧度小于凸形外表面48且在凸耳42和滚柱50之间仅有单个接触点。这种设置的优点在于减少了凸耳42和滚柱50之间的滚动摩擦或滑动摩擦或两者。或者，可以理解的是，滚柱50的径向内表面52和凸耳外表面48的几何形状可与图中所示以及这里所述的不同，以便如本领域中已知的那样实现凸耳42和滚柱50之间的两点接触或三点接触。
滚柱50进一步包括布置在凹形第一侧面32和凹形第二侧面34内的径向外表面54。在一个示例性实施方式中，滚柱50和引导通道30的大小配置为使得径向外表面54相对凹形第一侧面32和凹形第二侧面34布置且与它们抵接。该径向外表面54包括凸形，该凸形的弧度大于凹形第一侧面32和第二侧面34的弧度，由此在滚柱50的径向内表面54与第一侧面32和第二侧面34之间提供单点接触。或者，可以理解的是，滚柱50的径向外表面54以及第一和第二侧面32，34的几何形状可与图中所示以及这里所述的不同，以便如本领域已知的那样实现径向外表面54与第一和第二侧面32，34之间的两点接触或三点接触。在一个示例性实施方式中，当第一侧面32和第二侧面34具有这里描述的椭圆形状时，外表面54可具有包括截椭球形的凸形。此外，外表面54具有的椭球的弧度比凹形第一侧面32和第二侧面34具有的椭圆弧的弧度大。
当第一可旋转轴部件22和第二可旋转轴部件24铰接和/或相互伸缩时，滚柱50沿壳体28的引导通道30滚动。此外，当滚柱50沿沿壳体28的引导通道30滚动时，滚柱50绕凸耳42倾斜51和旋转53，如图5所示。当第一可旋转轴部件22和第二可旋转轴部件24铰接和/或相互伸缩时，滚柱50还沿着凸耳轴线46在凸耳42上轴向地自由滑动55，向内朝十字轴中心44和远离十字轴中心44。
滚柱50是实心的整体结构，即滚柱50是设置在凸耳42和第一可旋转轴部件22的壳体28之间的整体结构。在一个示例性实施方式中，滚柱50由金属制成。更特别的是，滚柱50由钢制成，例如通过钢机加工而成。然而，可以理解的是，滚柱50可由包括其它金属的其它材料制成。如上所述，滚柱50是实心的整体式制成品。因此，相比现有技术的包括滚珠组件的等速接头，例如包括多个部件的滚珠组件，包括那些采用由滚针轴承隔离的外滚珠和内滚珠的滚珠组件，滚柱50减少了等速接头20的复杂性。
如图3、6和7所示，等速接头20可包括保持滚柱50位于凸耳42上的保持机构或特征56。保持机构56在等速接头20装配之前和装配时帮助操作等速接头20的各独立部件。然而，可以理解的是，在接头20装配好之后，不需要为了等速接头20的合适功能和操作而使用保持机构56。如果滚柱50的径向内表面52包括圆柱形状，则保持机构56可包括设置于内表面52上的一个或多个凹口或凸起部分，例如贴近滚柱50的内缘58的凸起部分59以阻止它们从凸耳42移出。这些可以例如通过内缘58的局部变形61和内表面52的凸起来形成，例如可通过凿缝或其他形成这些滚柱50的凸起的方法来形成。它们也可通过在制造过程中控制内表面52的变形来形成，例如，举例来说，通过机加工、研磨或其他形成内表面的方法以使其具有这种特征性形状，其中贴近滚柱50的内缘58的径向内表面52的直径(d
1)略小于凸耳42的凸形外表面48的最大直径(d
2)，如图6所示。如果滚柱50的径向内表面52包括截椭球形，则保持机构56例如可包括形成内表面52的弧度，由此贴近滚柱50的内缘58的径向内表面52的直径(d
1)略小于凸耳42的凸形外表面48的最大直径(d
2)，例如图7所示。然而，该保持机构56必须允许滚柱50在接头操作期间能够沿着凸耳轴线46轴向地向内和向外滑动，尤其在接头角度变化时，且其仅仅用于保持滚柱50在接头装配之前和期间不完全脱离凸耳42。
如图3所示，引导通道30的底面36可包括外引导壁58或中心引导壁60，或两者的组合。该外引导壁58或中心引导壁60沿着引导通道30的底壁、沿着第一纵向轴线26在长度方向上延伸。每个滚柱50可包括径向外壁62，径向外壁62设置为邻接外引导壁58或中心引导壁62，以最小化滚柱50在引导通道30内的束缚。外引导壁58和/或中心引导壁60使滚柱50绕凸耳轴线46的枢转或摇摆的可能性最小化，由此使滚柱50在引导通道30内的束缚最小化。
本发明已通过说明的方式进行了描述，且应该理解的是，这里使用的术语仅仅是描述的常规用语，而不能用来限定。现在对本领域技术人员而言显而易见的是，可以根据上述教导做出本发明的多种改型和变型。因此，应该理解的是，本发明能够以不同于本文描述的方式来实施。