具有凹坑锁定机构的自锁保持环的制作方法

具有凹坑锁定机构的自锁保持环
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年9月2日提交的美国临时申请no.63/073,619的优先权，该申请通过引用整体并入本文。
技术领域
3.本技术总体上涉及可以在轴上外部地使用或在壳体孔(也被称为孔)中内部地使用的保持环。


背景技术：

4.通常，保持环是一种紧固装置，这种紧固装置装配在轴上或孔中，以在部件所在的轴上或孔中将这些部件保持在轴向位置处。存在几种类型的保持环。保持环的示例包括但不限于由金属板或金属带材冲压而成的“弹性挡圈(circlip)”、可以是单圈或多圈并由扁平线材形成的“螺旋形”保持环以及由圆线材形成的“圆线材”保持环。保持环通常具有小于其径向宽度的轴向厚度。这意味着这种挡圈(clip)在垂直于安装它们的轴或孔的方向上延伸的距离(即径向宽度)大于它们沿着轴或孔延伸的距离(即轴向厚度)。
5.传统的保持环被定位在已在轴的外表面中或孔的内表面中加工好的凹槽中。当在凹槽中安装在其操作位置时，环形成一肩部，部件骑在该肩部上，从而防止这些部件轴向移动经过环。传统的保持环被设计成承受纯轴向方向的推力载荷。


技术实现要素：

6.根据本发明的第一方面，提供了一种自锁保持环，所述自锁保持环包括：扁平金属的第一圈，所述扁平金属的第一圈包括凹坑；以及扁平金属的第二圈，所述扁平金属的第二圈形成在所述第一圈上面，其中，在所述第二圈内形成有狭槽，所述狭槽被适配成使得所述凹坑驻留在所述狭槽内。
7.根据本发明的第二方面，提供了一种自锁保持环，所述自锁保持环包括：扁平金属的第一圈，所述扁平金属的第一圈包括在金属上一体地形成的第一凹坑；以及扁平金属的第二圈，所述扁平金属的第二圈形成在所述第一圈上面，其中，在所述第二圈内形成第二凹坑，所述第二凹坑被构造成接合所述第一凹坑以锁定所述保持环。
附图说明
8.当结合以下附图考虑时，参考所公开的主题的以下具体实施方式可以更充分地理解所公开的主题的各种目的、特征和优点，在附图中相同的附图标记标识相同的元件。
9.图1示出了现有技术中的环扭曲/膨出(dishing)。
10.图2示出了现有技术中的凹槽壁的变形。
11.图3示出了与具有倒角边缘的部件一起使用的现有技术的环。
12.图4示出了与具有圆角边缘的部件一起使用的现有技术的环。
13.图5和图6示出了与接触环的部件一起使用的现有技术的环。
14.图7是安装在轴的凹槽中的现有技术的环的示意图。
15.图8示出了示例中心线(cl)型自锁环。
16.图9示出了示例外径(od)型自锁环。
17.图10示出了与狭槽壁接合的现有技术的环的突耳。
18.图11示出了从凹槽中伸出的现有技术的环。
19.图12示出了具有自锁特征的外部环。
20.图13示出了具有自锁特征的内部环。
21.图14示出了外部自锁环的自动安装过程。
22.图15示出了内部自锁环的自动安装过程。
23.图16示出了带突耳的自锁环的安装步骤。
24.图17示出了外部环的手动安装过程。
25.图18示出了内部环的手动安装过程。
26.图19至图21示出了现有技术的带突耳的自锁环。
27.图22示出了带突耳的自锁环的缺陷。
28.图23示出了根据本公开的一些实施方式的具有凹坑锁定机构的自锁保持环。
29.图24示出了根据本公开的一些实施方式的凹坑锁定机构的侧视图。
30.图25示出了带突耳的自锁环的侧视图。
31.图26示出了根据本公开的一些实施方式的凹坑锁定机构的另一视图。
32.图27至图31示出了根据本公开的一些实施方式的凹坑锁定机构的另外的实施方式。
33.图32示出了根据本公开的一些实施方式的具有凹坑锁定机构的环的膨出(dish)变体。
34.图33示出了根据本公开的一些实施方式的具有凹坑锁定机构的环的另一视图。
具体实施方式
35.通常期望保持环是可移除的。因此，通过首先将保持环从轴中的凹槽移除并且然后将部件滑过保持环所定位的凹槽，可以从轴移除轴上的由保持环保持在适当位置的部件。对于孔中的由保持环保持在适当位置的部件也是如此，不同之处在于该环是从孔中的凹槽移除的。
36.固定环所定位的凹槽的设计通常由所选保持环的构造决定。
37.在一般应用中，安装在凹槽中的保持环的止推能力随着凹槽深度的增加而增加。主要原因在于，较浅的凹槽会在施加载荷时导致环扭曲或膨出。例如，图1例示了位于轴2上的凹槽中的典型保持环1，推力载荷由部件3施加。当部件3向保持环1施加推力载荷时，保持环移动到位置1a，导致部件3发生轴向位移量x。随着载荷进一步施加到环1，凹槽继续快速变形，环1的脱离增加，环1最终接触并隆起凹槽壁，从而在环1挤出时导致失效。
38.凹槽壁的变形例如在图2中例示。如图所示，部件5向定位在轴4的凹槽中的保持环6施加推力载荷。保持环6膨出一量d，从而导致轴发生变形7。这种膨出是任何矩形截面保持环最常见的失效模式。在轴或孔由诸如铝、冷轧钢、低碳钢或软钢或其它较软材料等材料形
成的情况下，会发生凹槽变形，诸如图2中所示的变形。在类似这种的情况下，设计工程师通常会指定专门用于更深凹槽的定制环或增加厚度的环以适应更宽的凹槽，从而提供高的止推能力。这种环更难从凹槽中移除，并且在移除或重新安装时通常会损坏。
39.许多环制造商提供了用于不同止推能力的保持环选择。在轻型应用的情况下，凹槽深度将比用于被设计成处理更高止推能力的其它环的凹槽深度更浅。凹槽标准是多年前由美国军事和飞机规格制定的。许多保持环制造商采用这些规格用于英制环制造。多年前，在欧洲也制定了保持环凹槽的din标准作为欧洲工程标准，许多oem已采用这些公制规格作为标准。在任一标准中，保持环和凹槽都被设计用于处理重推力载荷。在这种情况下，世界范围内指定的大多数保持环都是使用制定的重推力能力应用世界标准设计的。
40.被保持在轴上或孔内的部件的径向宽度通常大于保持环的径向部分，该径向部分径向延伸超过轴或孔，保持环位于该轴或孔的凹槽中。与环接触的部件表面通常是平坦的，并均匀地压在保持环的整个径向部分上。但是在某些应用中，压靠保持环的部件可能不具有平坦的表面，或者可能具有不均匀地压靠环的径向部分的半径或倒角。这种情况的示例包括具有倒角边缘或圆角边缘的部件，以及与轴或孔不同心而使得在两个部件之间存在间隙的部件。
41.如图3所示，例如，保持环9位于轴8上的凹槽中，并且具有倒角边缘的部件10与保持环9接触。在图4中，保持环12位于轴11上的凹槽中，并且具有圆角边缘的部件13与保持环12接触。在图5中，保持环15位于轴14上的凹槽中，其中部件16与该保持环接触。部件16与轴14之间存在间隙c。图6例示了位于轴17上的凹槽中的保持环18和与保持环18接触的部件19。轴17中的凹槽的两侧是不均匀的，导致凹槽的一侧与另一侧之间存在量为s的台阶。在图3至图6所示的各个情况下，会产生力臂，从而可能导致环(例如，环1、6、9、12、15和/或18)膨出并最终导致环失效。在这种情况下，环的末端也会移动，从而进一步导致问题。通常，机械设计的目标是避免这种情况。
42.对于在轴上切割出的凹槽中进行操作的外部保持环，旋转速度可能是导致环失效的另一因素。图7是安装在轴的凹槽中的环的示意图。诸如材料厚度20、径向壁21、直径23、附着(cling)(与凹槽干涉配合的量，未示出)和凹槽深度22之类的因素都会影响环从凹槽中扩张出来并最终失效的旋转速度。为了扩大螺旋形保持环的旋转能力，可以添加锁定特征以提高旋转速度。市场上已经引入了几种类型的锁定特征。这些锁定特中的一种是自锁特征，该自锁特征包含与狭槽互锁的突耳。这种自锁特征的两个示例如图8和图9所示。具体而言，图8示出了中心线(cl)型自锁环的示例，并且图9示出了外径(od)型自锁环的示例。
43.图10示出了现有技术的环的与狭槽壁接合的突耳，这是图9和图10的环所遇到的问题。在环旋转并接近环由于离心力而开始从凹槽扩张时的旋转速度时，突耳24与狭槽壁25接合。这种接合防止环进一步打开，并且还保持环的端部以防止它们移动。对环的端部的保持除了防止扩张外还显著增加了环的旋转能力。然而，这种接合并不能无限地防止环的扩张。根据环的参数，环仍将达到自锁特征不再防止扩张的旋转速度。此时，环完全扩张出凹槽，从而导致环失效。
44.延展螺旋形保持环的旋转能力的相同概念也可以用于帮助防止保持环的端部由于如上所述的过度振动或冲击载荷而从凹槽出来。例如，振动和冲击载荷会导致环从凹槽膨出。图11示出了环从凹槽中出来的示例。当环开始膨出时，圈49滑过圈50并最终从凹槽中
出来。通过使用自锁特征将端部锁定在适当位置，环圈(圈49和50)更难滑动并从凹槽膨出。在这些情况下，自锁特征可以用于图12的外部自锁环51或图13的内部自锁环52。
45.然而，本文描述的当前自锁保持环设计存在许多限制。例如，当使用自动或半自动安装方法时，具有锁定突耳的自锁环可能难以安装。特别地，图14示出了外部自锁环的自动安装过程，并且图15示出了内部自锁环的自动安装过程。
46.当安装外部型环28时，它在锥形塞子26上扩张以组装到在轴27中切割的凹槽53中，如图14所示。这通过采用具有锥形外径的硬化塞子26并将其与轴27对齐来进行，轴27具有凹槽53，环28将安装在该凹槽53中。环28在锥形塞子26上对齐并用柱塞29沿着塞子26的轴线挤压，从而被引导到轴27上。塞子26上的锥度通过将环28的直径逐渐增加到轴27的直径而便于安装。一旦环28位于轴27上，它将被挤压直到它完全接合在凹槽53中为止。对于带突耳的自锁环(参见图19至图20)，突耳可能过早接合在环28上的对应狭槽中，从而在接合到凹槽中之前阻止进一步扩张并且还阻止安装到轴上。在这种情况下，如果施加过大的力，突耳可能会屈服并且不再正确地接合狭槽，或者突耳会折断。在任一种情况下，都会使自锁特征不起作用。
47.对于内部自锁环(例如，图15的环32)也是如此。内部环32被压缩到锥形套筒30中，该锥形套筒将环32引导到在孔31中切割出的凹槽64中。这是通过将具有锥形内径的硬化套筒30与孔31对齐来进行的，孔31具有凹槽64，环32将安装在该凹槽64中。环32在锥形套筒30中对齐并用柱塞33沿着套筒30的轴线挤压，从而被引导到孔31中。套筒30中的锥度通过将环32的直径逐渐减小到孔31的直径而便于安装。一旦环32位于孔31中，它将被挤压直到它完全接合在凹槽64中为止。在这种情况下也可能发生槽和突耳的过早接合，从而导致与外部自锁保持环相同的可能失效模式。
48.通常通过将保持环定位在位于轴上或孔内的凹槽中来使用保持环。在各种应用中，保持环可以用于将部件保持在轴或孔附近，从而形成组件。这样的组件可以包括：用于接收保持环的凹槽，该凹槽位于轴上或孔中；保持环；以及与保持环接触的部件，该部件通过保持环保持在轴或孔附近。
49.在一些实施方式中，如图16所示，带突耳的自锁环的安装通常涉及用小锤轻轻敲击环的最后端部以完成凹槽中的突耳和狭槽接合。这通常发生在手动安装环时，如图17和图18所示。具体而言，图17示出了外部环的手动安装过程，并且图18示出了内部环的手动安装过程。
50.当用手将外部环安装到轴上时，通过将环的圈部散开并将它们缠绕到轴上来安装(见图17)。保持环的首先到达凹槽的端部应该被定位成与轴中的凹槽接合，使得当环的其余圈部缠绕到凹槽位置时，它们能够被完全压入凹槽并卡入到适当位置，从而完成安装。对安装到孔中的内部环执行相同的方法，不同之处在于将环缠绕并压缩到孔内的凹槽中(见图18)。
51.图19至图21示出了现有技术的带突耳的自锁环。各个环的突耳(例如，凸起部分)遇到本文所述的各种困难。另外，图19至图21的突耳通常使用冲头制造，该冲头切入材料并使突耳向上弯曲。该切口的端部充当应力上升部r(图21)可能是导致突耳失效的原因。如果突耳在安装期间变形或弯曲，使其不再从环材料的平面突出，如图22所示，则突耳可能不再有效。
52.因此，本公开的实施方式涉及具有凹坑锁定机构的自锁保持环。所公开的环使用凹坑或圆顶，而不是突耳，并且这样的圆顶/凹坑提供了优于突耳的各种优点。例如，使用所公开的凹坑机构不太可能发生变形。例如，所公开的凹坑机构比突耳更耐用。没有像突耳一样的可能会导致过早失效的明显应力上升部。所公开的凹坑机构不是通过切割或刺穿材料产生的，因此它不会引起在突耳中看到的应力上升部。另外，所公开的凹坑机构在安装期间不会像突耳那样容易变形和变得无效。
53.本文描述的实施方式在旋转能力方面的典型用途是存在旋转轴并且使用保持环来捕获驻留在该轴上的另一对象的任何情况。如果超出保持环的旋转能力(在标准或定制配置中)，可以在环上实现凹坑自锁特征，以提高性能并满足旋转需求。可以实现该特征以减少机械加工、组装时间和/或在旋转轴上进行保持的更复杂方法的成本。这方面的一个示例是在高速主轴应用中保持部件。
54.所公开的原理在冲击或振动载荷条件下的另一典型用途是替换机加工肩部或已在轴或孔中铜焊或焊接到适当位置的保持环，以防止该环在冲击或振动载荷下膨出。这可以被实现以减少加工、组装时间和/或在该应用中更复杂的保持方法的成本。
55.本文描述的圆顶/凹坑被设计成当接合在保持环的相对圈上的狭槽中时保持环的端部。由于圆顶不会像突耳那样变形，因此使移除更加困难。凹坑自锁环可以用作防篡改特征，以阻止在外部或内部型应用中移除环。
56.凹坑自锁环可以由保持环行业中常用的材料制成。这将包括适用于保持环使用的各种金属。然而，随着当前和未来技术的发展，这种类型的环可以用其它材料生产。一些材料示例包括但不限于塑料、复合材料或其它非金属材料。
57.这种类型的自锁环的圆顶特征提供了一些潜在制造效率改进。凹坑自锁特征和构造可以提供更长的冲头寿命，因为它不会像带突耳的自锁特征那样切穿材料。
58.图23示出了根据本公开的一些实施方式的具有凹坑锁定机构54的自锁保持环。所公开的自锁环利用凹坑54(在本文中也称为圆顶)而不是升起的突耳。凹坑自锁特征54的目的是提供物理干涉以限制环的扩张或收缩。然而，所公开的凹坑机构54还提供了其它益处，这些益处包括但不限于在安装期间可能不会屈服或折断的便利性、减少的工具磨损、更快的生产速度和更容易的安装。凹坑自锁特征有助于增加保持环在外部或轴应用中的旋转能力。对于轴和孔应用，凹坑自锁特征54可以用于防止环端部移动并防止扩张或收缩，从而防止环在暴露于反复振动或冲击载荷时从凹槽中膨出来的趋势。
59.图24示出了根据本公开的一些实施方式的凹坑锁定机构54的侧视图，而图25示出了带突耳的自锁环的侧视图。带突耳的环包括突耳55。在一些实施方式中，凹坑54具有与突耳55相同的高度。
60.图26示出了根据本公开的一些实施方式的凹坑锁定机构54的另一视图。无论是旋转还是导致环扩张的加载，圆顶54开始朝向狭槽56的端部移动。当圆顶54接合狭槽56时，圆顶54进行约束。这防止环端部移动并限制扩张。圆顶54的形状通过在环的相反侧上形成凹口(也称为凹坑)而形成。该圆顶还可以促进安装，因为它不像带突耳的特征那样充当硬止动件(见图19至图21和图25)。圆顶54的形状有助于在安装期间将圈分开，而不是像突耳那样充当硬止动件，从而使安装更容易。这与圆顶54顶部的弯曲轮廓相结合有利于更平滑的安装。然而，一旦圆顶处于安装位置，圆顶54就被狭槽56限制和捕获，并且环材料的圈部
(即，圈)通过紧密配合在凹槽内而保持在一起。此外，由于圆顶54在安装期间不能屈服或折断，因此消除了金属片在组件中变松的可能性。
61.本公开的凹坑自锁保持环可以手动安装，也可以自动或半自动方式安装，诸如图14至图15和图17至图18中描述的过程。凹坑自锁环不太可能需要用锤子敲击以接合圆顶和狭槽(见图16)。敲击是组装环的额外步骤。当使用自动或半自动方法安装环时，从组装过程中去除敲击证明是有益的。在安装期间，凹坑自锁特征不以与突耳相同的方式与狭槽接合，并且能够促进狭槽更容易地绕过凹坑，直到两者在安装在凹槽中时正确接合为止。
62.圆顶轮廓和位置的变化是可能的。例如，图27至图31示出了根据本公开的一些实施方式的凹坑锁定机构的另外的实施方式。图27示出了圆形和圆顶形凹坑34、椭圆形凹坑35、方形凹坑36、矩形凹坑37、梯形凹坑38和三角形凹坑39，不过所公开的实施方式不限于这些形状并且各种其它形状也起作用。
63.图28示出了多个圆顶(例如圆顶57和58)可以与单个或多个狭槽(例如狭槽59)一起使用以保持环的端部并防止扩张。在一些实施方式中，狭槽59的变化也是可能的。狭槽仅是环中的开口以捕获圆顶并为圆顶提供配合表面以抑制环的扩张或压缩。
64.在图29中，狭槽59的长度和宽度可以根据设计参数而变化。例如，狭槽的形状也可以从椭圆形40、矩形41或圆形孔42变化，但是所公开的实施方式不限于这些形状并且各种其它形状也可以起作用。在图30中，狭槽59可以沿着环材料的中心线43或稍微偏离中心线46定位。在狭槽的一侧完全敞开的情况下，狭槽也可以位于径向壁的径向宽度44的外侧或径向宽度45的内侧。圆顶54和狭槽59的位置不限于环材料的端部。圆顶54和狭槽59可以驻留在不同的平面和构造中，只要圆顶54可以被狭槽59捕获并且定位成使得当环扩张时圆顶54与狭槽59之间的接触提供干涉，防止外部环扩张或内部环压缩。代替狭槽59，可以是更大的凹坑60，如图31所示。只要与狭槽配合的圆顶可以装配在该凹口内并提供适当的接合。
65.凹坑自锁概念也可以用于图32的保持环的膨出变体。这也可以被称为膨出保持环。尽管环本身是圆锥形，但线的扁平圈彼此平行。这允许凹坑自锁特征以与扁平保持环相同的方式操作。
66.如图33所示，图33示出了具有凹坑锁定机构的环47的另一视图，凹坑自锁环设计是这样一种设计，其中，螺旋形保持环被修改成具有通常位于环47的端部中的各个端部上(尽管狭槽也可以位于环上的其它位置)的具有某种形状和尺寸的狭槽。与这些狭槽中的各个狭槽相对应的是圆顶或某种形状或形式的丘状部，圆顶或某种形状或形式的丘状部驻留在狭槽48内并最终与狭槽接合，从而防止保持环的进一步扩张。扩张可能是由施加到保持环的旋转力、振动载荷或冲击载荷引起的。
67.从上文可以理解，虽然为了例示的目的在本文描述了本发明的特定实施方式，但是在不偏离本发明的精神或范围的情况下可以进行各种修改。因此，前面的具体实施方式旨在被视为例示性的而非限制性的，并且应当理解，权利要求书(包括所有等同物)旨在特别指出和清楚地要求保护被视为本发明的主题。