大角度等速万向节的制作方法

大角度等速万向节
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年8月27日提交的申请号为63/071,254的美国临时专利申请的优先权的权益，通过在此援引其整体而纳入该临时专利申请的公开内容。
技术领域
3.本公开涉及等速万向节，尤其是涉及具有曲率不断变化的滚珠轨道的大角度等速万向节。


背景技术：

4.交通工具，例如小汽车、卡车、运动型多用途车、跨界车、小型货车、船舶、飞机、全地形车辆、休闲车辆或其他合适的车辆，包括传动系统(driveline system，动力传动系统)以及各种转向系统方案，例如线控转向和驾驶员界面转向。在线控转向系统中，驾驶员和车辆之间的输入响应在本质上主要是电子的，并且由一系列操作算法、电子设备和致动器(执行器)来操纵。由于线控转向在很大程度上是电子的，因此机械驾驶员输入(例如，方向盘被旋转的程度)和响应输出的大小(例如，车轮转动的程度)之间的比率可以通过操作算法来改变。相反，驾驶员界面转向的输入响应本质上主要是机械的，因此无法通过操作算法来改变。虽然线控转向系统是受欢迎的产品选择，但驾驶员界面转向系统也很受欢迎并且常常是多种情况下的首选。
5.转向系统方案通常包括等速万向节，这种等速万向节在各种角度下通过驱动轴传递动力。此外，等速万向节可以在车辆的传动系中使用，以将旋转扭矩从一个传动系部件传递到另一个传动系部件。等速万向节方便了由等速万向节互连的部件的角位移或角运动，同时也方便了扭矩的传递。
6.传统的等速万向节包括固定的中心，例如基于alfred rzeppa(us 1,916,442)的概念的固定中心，其依靠凸轮作用来控制位于滚珠轨道内的多个滚珠的运动。这些滚珠的位置限定了等分平面，这是等速万向节的基本原理，其提供了扭矩和运动功能的传递。
7.滚珠轨道限定了在万向节运行过程中滚珠所行进的路径，并且滚珠轨道传统上是由多种几何形状(例如由过渡段隔开的直线段和弧段的组合)限定的。尽管这些几何形状与一些先前的万向节相比具有一定操作上的益处，但它们仍会导致各种操作上的困难和缺点。例如，当滚珠在运行过程中必须行进通过这种过渡段时，驾驶员或乘客的驾驶体验可能会受到负面影响。过渡段还可能进一步包括任意两个不同段之间的切点，例如两个不同弧段之间的过渡、弧段和直线段之间的过渡或者以不同角度布置的两个直线段之间的过渡。
8.当这些滚珠中的一个沿一关联的滚珠轨道行进时，其行为类似于凸轮上的从动件，其中该凸轮的功能等同于滚珠轨道(rzeppa万向节的基本工作原理)。具有恒定半径的弧段可以被定义为二阶曲线(即，圆锥曲线)，而直线段可以被定义为一阶曲线。例如美国专利号8,545,337中的具有弧段和直线段的滚珠轨道可以由分段函数定义，例如下面提供的函数：
9.f(x)＝ax^2 bx c；for xa＜＝x＜＝xb
10.f(x)＝dx e；for xb＜＝x＜＝xc
11.根据上述内容，xa是函数定义开始的点，xb是切点，xc是函数定义结束的点。
12.然后，可以相对于一参考尺寸，例如滚珠圆半径(bcr)定义径向滚珠位移(可视化为凸轮从动件)。径向位移能够被写成如下形式，其中bcr是常量引用(constant reference，恒定参考)。
13.s(x)＝bcr-f(x)
14.s(x)相对于时间的一阶导数将产生滚珠径向运动的速度函数，s(x)的二阶导数将产生加速度函数。因此，这些导数可以被定义为：
15.s'(x)＝-(2ax b)；for xa＜＝x＜＝xb
16.s'(x)＝-d；for xb＜＝x＜＝xc
17.以及；
18.s”(x)＝-(2a)；for xa＜＝x＜＝xb
19.s”(x)＝0；for xb＜＝x＜＝xc
20.s(x)相对于时间的三阶导数确定了加加速度函数(jerk function)，将得到以下函数：
21.s”'(x)＝infinite at xb
22.换句话说，二阶导数s”(x)不是连续的。不连续的二阶导数或非有限的加加速度(non-finite jerk)违反了凸轮设计的基本规定。“凸轮从动件函数必须在整个区间内在位移的一阶导数和二阶导数(即，速度和加速度)上保持连续”。推论：“加加速度函数在整个区间内必须是有限的”。参见norton，robert l.等人编著的“cam design and manufacturing handbook(凸轮设计和制造手册)”第2版，industrial press(工业出版社)，2009年，第22-27页，isbn:978-0-8311-3367-2。
23.从历史上看，等速万向节内部的无限的(infinite)加加速度主要发生在低速操纵(例如泊车)时，而在正常运行(例如在高速公路上漫游)期间，滚珠将在连续的区域内运行。尽管如此，由于设计上具有无限的加加速度，导致可能产生潜在的噪音、振动和不平顺性(“nvh”)问题，尤其是当万向节以高转速运行时，或者当万向节由于突然成角度(例如由于颠簸或坑洼引起悬置运动而导致的万向节铰接)而必须移动通过一过渡区域时更是如此。


技术实现要素：

24.根据本公开的一个方面，一种用于传动系统的等速万向节包括：内接头部(inner joint part，内部接合部)和外接头部(外部接合部)，所述内接头部限定多个内滚珠滚道，所述外接头部限定多个外滚珠滚道。所述等速万向节还包括，所述内滚珠滚道和所述外滚珠滚道配合以形成多个轨道，所述多个轨道中的每个轨道限定各自的行进路径，其中，所述各自的行进路径和/或轨道中的至少一个被定义为具有非连续半径的不断变化的曲线。所述等速万向节进一步包括滚珠，所述滚珠位于所述多个轨道的每个轨道中。
25.根据本公开的另一个方面，提供一种等速万向节，所述等速万向节具有至少一对轨道，所述至少一对轨道的几何形状是基于遵循参数方程的滚珠路径而被定义，并且该参数函数为四阶或更高阶的多项式位移函数的形式。
26.根据本公开的另一个方面，一种用于转向系统的等速万向节包括：内接头部和外接头部，所述内接头部限定多个内滚珠滚道，所述外接头部限定多个外滚珠滚道。所述内滚珠滚道和所述外滚珠滚道配合以形成多个轨道，所述多个轨道中的每个轨道限定各自的行进路径，其中，所述各自的行进路径或轨道中的至少一个被定义为具有非连续半径的不断变化的曲线；以及滚珠，所述滚珠位于所述多个轨道的每个轨道中。
27.在下面对实施例、所附权利要求和附图的详细描述中公开了本公开的上述的和其他的方面。
附图说明
28.当结合附图阅读时，根据以下详细描述可以最佳地理解本公开。要强调的是，根据惯例，附图的各种特征并未按比例绘制。相反，为了清楚起见，各种特征的尺寸被任意地扩大或缩小。
29.图1大体上示出了根据本公开的原理的等速万向节；
30.图2大体上示出了根据本公开的原理的在零度万向节角处的yo(t)(外滚道)和yi(t)(内滚道)的示例；
31.图3大体上示出了根据本公开的一个方面的在零度万向节角处及铰接内滚道处的yo(t)和yi(t)的示例，其中等分平面由虚线表示；
32.图4大体上示出了根据本公开的另一个方面的当用一组弧线定义几何形状时函数的一阶导数；
33.图5大体上示出了根据本公开的一个方面的将会得到连续的二阶导数和三阶导数的一阶导数连续函数；以及
34.图6示出了根据本公开的一个方面的由一组弧线(实线)和9阶多项式(虚线)定义的滚珠轨道路径的叠加。
具体实施方式
35.以下讨论针对本公开的各种实施例。尽管这些实施例中的一个或多个可以是优选的，所公开的实施例不应被解释为或以其他方式用作限制包括权利要求在内的本公开的范围。此外，本领域技术人员将理解的是，以下的描述具有广泛的应用，并且对任何实施例的讨论仅意味着作为该实施例的示例，而不旨在暗示包括权利要求在内的本公开的范围局限于该实施例。
36.如本文所描述的，交通工具，例如小汽车、卡车、运动型多用途车、跨界车、小型货车、船舶、飞机、全地形车辆、休闲车辆或其他合适的车辆，通常包括具有等速万向节的转向系统。等速万向节被配置为可以在传动系中使用，以将旋转扭矩从一个传动系部件传递到另一个传动系部件。等速万向节便利于由等速万向节互连的部件进行角位移或角运动，同时仍有利于扭矩的传递。
37.根据一个方面，提供了用于转向系统或传动系统的大角度等速万向节。所述大角度等速万向节包括限定多个内滚珠滚道的内接头部和限定多个外滚珠滚道的外接头部。内滚珠滚道和外滚珠滚道中的每个协作形成限定相关联的滚珠的行进路径的滚珠轨道。行进路径和/或轨道中的至少一者被定义为具有非连续半径的不断变化的曲线。
38.根据另一个方面，行进路径和/或轨道中的至少一者被定义为参数曲率。
39.根据另一个方面，等速万向节设有至少一对轨道，其几何形状基于遵循一参数方程的滚珠路径而被定义，并且该参数函数为四阶或更高阶的多项式位移函数的形式。该位移函数定义为：
40.s(x)＝bcr-f(x)
41.其中，外滚道中的滚珠路径f(x)的参数形式为：
42.x(t)＝t
43.yo(t)＝a1t^n a2t^(n-1) a3t^(n-2) a4t^(n-3) ... a(n 1)t^(n-n),for ta＜＝t＜＝tb for n＞3
44.并且，内滚道中的滚珠路径的参数方程为：
45.yi(t)＝yo(-t) δ(t)
46.其中，yi(t)是yo(t)的镜像，它是一个奇函数，而δ(t)是用以允许产生万向节操作所必需的变化和间隙的调整项。
47.在又一个方面，所公开的实施例包括车辆，该车辆包括转向系统或传动系统，转向系统或传动系统包括大角度等速万向节，其行进路径由具有非连续半径的不断变化的曲率(curvature，弧线)限定。
48.图1大体上示出了根据本公开的原理的等速万向节10。该等速万向节10可以适于在任何合适的交通工具(例如小汽车、卡车、运动型多用途车、小型货车、跨界车、任何其他乘用车、任何合适的商用车或任何其他合适的车辆)的转向系统或传动系统中使用。此外，本公开的原理可以应用于其他交通工具，例如飞机、船只、火车、无人机或其他合适的交通工具。
49.等速万向节10包括连接至第一传动系部件的内接头部12和连接至第二传动系部件的外接头部。内接头部12沿第一轴线a在内接头端16和内轴端18之间延伸。外接头部14沿第二轴线b在外接头端20和外轴端22之间延伸。外接头端20限定用于定位内接头端16的一开口。第一轴线a和第二轴线b之间的角度限定了铰接角，其中，当第一轴线a和第二轴线b平行时，该铰接角等于零。
50.内接头端16的外表面限定了绕第一轴a周向地布置的多个内滚珠滚道24，外接头端20的内表面限定了绕第二轴线b周向布置的多个外滚珠滚道26。每一个内滚珠滚道24与一个外滚珠滚道26在周向上配对，以形成轨道27，该轨道27限定了行进路径28。每个轨道27包括当万向节未铰接时和/或当万向节铰接(articulated，关节连接)时朝向第一接头部14或第二接头部16打开的漏斗角(funnel angle)β。
51.多个滚珠30位于内接头端16和外接头端20之间，其中，一个滚珠位于一个轨道27中。当第一轴线a相对于第二轴线b铰接时，滚珠30沿其各自的行进路径28行进。内滚珠滚道24和外滚珠滚道26的数量可以根据不同输出偏好(preference，优选项)而变化。在一些实施例中，具有由六个成对的内外滚道(24、26)限定的六个轨道27，由八个成对的内外滚道(24、26)限定的八个轨道27，由十个成对的内外滚道(24、26)限定的十个轨道27，由十二个成对的内外滚道(24、26)限定的十二个轨道27，或由相同数量的成对的内滚道和外滚道(24、26)限定的其他数量的轨道27。由轨道27限定的行进路径28可以包括由第一轨道27a限定的第一行进路径28a和由第二轨道27b限定的第二行进路径28b。第一行进路径28a和/或
第一轨道27a以及第二行进路径28b，并且第二轨道27b可以限定不同的形状，且可以进一步替代地布置。在这种情况下，可以具有限定第一形状的第一内滚道24a和限定与第一形状不同的第二形状的第二内滚道24b。另外，可以具有限定第一形状的第一外滚道26a和限定与第一形状不同的第二形状的第二外滚道26b。第一内滚道24a与第一外滚道26a成对，第二内滚道24b与第二外滚道26b成对，分别形成第一轨道27a和第二轨道27b。当万向节铰接时和/或当万向节未铰接时，第一轨道27a和第二轨道27b可以限定具有不同的取向和/或度数的漏斗角β。
52.保持架32位于内接头端16和外接头端20之间，并且包括多个用于放置滚珠30的保持架窗34。保持架窗34沿周向及轴向保持滚珠30。轨道27和成对的内外滚道(24、26)的数量等于保持架窗34的数量。保持架32还将滚珠30定位在等分平面(bisection plane，二等分平面)p中，该等分平面p在零铰接和非零铰接期间穿过每个滚珠30的中心。在具有第一轨道27a和第二轨道27b的情况下，保持架32可以限定与第一轨道27a匹配的第一保持架窗34a，以及与第二轨道27b匹配的第二保持架窗34b。第一保持架窗34a和第二保持架窗34b可以具有不同的尺寸，例如，它们可以在轴向方向上具有不同的长度。
53.内滚道24和外滚道26形成限定任意数量的几何形状的至少一个行进路径28和/或轨道27。例如，行进路径28和/或轨道27可以限定一连续变化的曲率(弧线)。该连续变化的曲率可以包括过渡段36，其中，第一连续变化半径δr1被倒置而成第二连续变化半径δr2。第一连续变化半径δr1和第二连续变化半径δr2可以相对于过渡段36相反地倒置或不对称。
54.图2大体上示出了在零度万向节角(即，非铰接角)处的yo(t)(外滚道)和yi(t)(内滚道)的示例。外滚道26由一参数连续函数定义，为内滚道24的镜像。
55.图3大体上示出了在零度万向节角及铰接内滚道24处的yo(t)和yi(t)的另一个示例，并进一步说明了等分平面p。外滚道26由一参数连续函数定义，为内滚道24的镜像。
56.图4大体上示出了由第一弧段和第二弧段定义的或者作为分段函数的行进路径28中的一阶导数。应当认识到，该函数是有角度的或“起伏的”，并且会得到不连续的二阶导数和无限的加加速度。
57.图5大体上示出了将会得到连续的二阶导数和三阶导数的连续函数。更具体地，行进路径28中的一阶导数以9阶多项式函数的形式而被定义，但是较低的阶(例如4阶或5阶)将足以确保连续的导数。
58.图6示出了由一组弧线(实线)和9阶多项式(虚线)定义的滚珠轨道路径的叠加。应当认识到，这些几何形状看起来相同，但是在数学上会导致不同的属性。
59.应当认识到，本公开的等速万向节10可以获得大于45度的铰接角。此外，等速万向节10可以包括由参数方程a定义的第一组轨道27a和由参数方程b定义的第二组轨道27b，其中a和b的系数不同。第一组轨道27a可以进一步形成第一漏斗角，第二组轨道27b可以形成第二漏斗角，其中在第一漏斗角和第二漏斗角中可以在度数和取向上不同。等速万向节10不以此为限，例如，等速万向节10可以是6滚珠万向节或8滚珠万向节。保持架窗34可以包括与第一组轨道27a配合的第一组保持架窗34a，并且还可以包括与第二组轨道27b配合的第二组保持架窗34b，其中，第一组保持架窗34a的长度可以不同于第二组保持架窗34b的长度。
60.上述讨论旨在说明本公开的原理和各种实施例。上述公开一旦被充分理解，则许多变化和修改对于本领域技术人员将变得显而易见。随附的权利要求旨在被解释为包含所有此类变更和修改。
[0061]“示例”一词在本文中用于意指用作例子、实例或说明。本文中描述为“示例”的任何方面或设计并非必须被解释为比其他方面或设计优选或有利。相反，使用“示例”旨在以具体的方式来呈现概念。如在本技术中所使用的，术语“或者”旨在表示包含性的“或者”而非排他性的“或者”之意。即，若非另有规定或从上下文可以清楚地看出，“x包括a或b”均旨在表示任何自然的包含性排列之意。即，如果x包括a；x包括b；或者x包括a和b，则在上述任意下都满足“x包括a或b”。此外，本技术中和所附权利要求书中使用的冠词“a”和“an”通常应被解释为意指“一个或多个”，除非另有规定或上下文清楚地指向单数形式。此外，通篇使用的术语“实现方式”或“一个实现方式”并不旨在表示相同的实施例或实现方式之意，除非是有这样的描述。
[0062]
现已描述了上述实施例、实现方式和方面，以便能容易地理解本公开且不对本公开造成限制。相反，本公开旨在涵盖所附权利要求范围内包括的各种修改和等同布置，该范围应被赋予最宽泛的解释以涵盖法律允许的所有此类修改和等同结构。