CN1317517C - 一种用于张紧无端元件的皮带张紧器 - Google Patents

Abstract

一种减振机构，用于张紧动力传动带的张紧器，包括减振板，该减振板包括一摩擦表面、至少一个斜面以及第一和第二接触点，以与弹簧可操作地连接，由此，作用于减振机构的弹簧力矩与枢轴表面的反作用力结合产生一法向作用力。

Description

一种用于张紧无端元件的皮带张紧器

相关申请的参考

本申请要求一项美国专利申请的优先权，该美国专利申请的申请号是No.09/482,128，提交于1/12/00。

技术领域

本发明涉及一种带有减振机构的张紧器和包括这种张紧器的皮带驱动系统。更具体而言，本发明涉及带有弹簧的张紧器，它偏置于枢转臂的位置，一皮带接触轮可转动地安装于枢转臂上。本发明的带有减振机构的张紧器特别用于控制微型-V带驱动系统，像汽车发动机前端辅助驱动的张力。

背景技术

机械式张紧器用于自动控制汽车发动机前端辅助驱动的微型-V带的张紧。通常，这种张紧器有一个枢转臂，该枢转臂围绕固定在基座上的枢轴转动，并且在枢轴上采用套管，以为枢转臂的转动提供支撑表面。许多这种支撑用塑料制作，而且在张紧器期望寿命内承受磨损。通常采用扭簧，其一端连接在基座上，另一端与枢转臂相连接，它使枢转臂偏置，而且使配带的皮带轮与皮带贴合。弹簧还用于产生一弹簧力，其与减振机构共同作用，该减振机构对摩擦滑动表面产生一法向分力，以禁止或减少枢转臂的摆动。

普通张紧器的设计解决了笨重、成本及减振问题，其公布于美国专利No。4,473,362。此’362张紧器有一枢转臂配装在偏心圆筒部件上，该部件支撑枢转臂且围绕固定于基座枢轴转动。只采用一扭簧，其一端与枢转臂相连，另一端连在基座上。枢轴上的单套式套管有一支撑表面，其支撑该圆筒部件。滑轮支撑的径向表面相对于套管偏置，该套管引入力矩或力偶作为载荷，此载荷须由套管承担。由于滑轮相对于支撑的偏置，这种张紧器被称为是“Zed”型。

采用这种Zed型张紧器的驱动系统的皮带与滑轮接触，并在该轮处产生皮带力，该力被传送给圆筒部件。按’362专利的解释，作用于套管的不平衡载荷被减振机构衰减，该减振机构产生一法向分力，其与皮带力的分量通常作用于同一方向。在某些情况下，减振器的法向分力并不足以平衡由于皮带力的分量偏置而产生的力矩，因此，单套管有不均匀和过早磨损的倾向。

典型地用在这种“Zed”型张紧器中的减振机构公布于美国专利No.5,632,697。’697减振机构包括一种减振器，其中由减振器产生的法向力大于驱动减振机构的弹簧分力。减振器有一制动鞋，它有一外侧弧形摩擦表面，该外侧弧形摩擦表面与第二圆筒部件的内侧接触，以提供摩擦面与该内侧的滑动。制动鞋有两个相面对的内侧斜面，其中，一个斜面可滑动地与基座的互补斜面相接触，另一斜面可滑动地与弹簧端的延长线接触，在此端，弹簧作用力传至制动鞋。弹簧作用力由围绕在基座上形成的突起弯曲的弹簧端而产生。扭矩作用下的弹簧施加一本质上垂直于内侧斜面的弹簧力，其使制动鞋的斜面贴靠基座的互补斜面，并且压一衬片在第二圆筒部件的互补内表面，从而产生一传至制动鞋的反作用力。

因为’697减振机构需要采用多个斜面、制动鞋和基座上的突起，因此，获得更大减振的能力有限。除此之外，多个部件的采用增加了总体张紧器设计的成本、重量和尺寸。

发明内容

依照本发明，提供了一种用于张紧无端元件的皮带张紧器，其包括：一外壳，其具有一轴；一枢转臂，其可枢转地安装在该轴上；一皮带轮，其轴颈接连在枢转臂上，以围绕一轴线转动，该轴线基本上平行于且间隔于所述轴；一弹簧，其具有第一和第二端且具有弹簧力矩；一减振盘，其具有摩擦表面和至少一个与枢转臂的突起接合的斜面；减振盘包括第一和第二弹簧接触点，用于与弹簧的第一端连接，由此，作用于减振盘的弹簧力矩与枢轴表面处的反作用力结合形成一法向作用力；减振盘通过第一减振力和第二减振力基本上衰减了所有枢转臂的运动，第一减振力沿远离无端元件的第一方向作用于所述枢转臂的运动，第二减振力沿指向无端元件的第二方向作用于枢转臂的运动，第一减振力大于第二减振力。

本发明的优点在于提供了一个缩减的减振机构，它减少了零部件的数量而且增加了摩擦接触面积。另一优点是不论在基座还是枢转臂上减少了对昂贵的机械加工的突起和斜面的需求。

附图说明

本发明的这些和其他优点在看完附图和以下的相关描述后即能显现出来，其中：

图1是前端辅助驱动系统的前视示意图，该系统包括一皮带张紧器，其具有本发明的减振机构；

图2是图1中沿线2-2的放大图，其示出了与张紧器相关的各种分力；

图3是图2中沿线3-3的剖面图；

图4是本发明的减振机构的放大图；

图5是减振机构的备选实施例，其呈半圆形；

图6是减振机构的备选实施例，其呈半圆形且外壁带有偏转带；

图7是减振机构的备选实施例，其具有内摩擦表面；

图8是减振盘作用力的底视图；

图9是减振盘顶视图；

图10是张紧器基座上减振机构自由体受力图；

图11是图8中沿线11-11减振机构的侧面图；

图12是减振机构的顶视平面图；

图13是减振盘顶视透视图；

图14是减振盘底视透视图；

图15是减振机构的第一备选实施例的底视平面图；

图16是图15中沿线16-16的侧视立面图；

图17是第一备选减振机构的顶视平面图；

图18是第一备选减振机构的顶视透视图；

图19是第一备选减振机构的底视透视图；

图20是备选减振机构的顶视图：

图21是第二备选实施例的底视平面图；

图22是图21中沿线22-22的减振机构的侧视立面图；

图23是第二备选实施例的顶视平面图；

图24是第二备选实施例的底视透视图；

图25是第二备选实施例的顶视透视图。

具体实施方式

参见图1和图2，具有皮带轮12的张紧器10被表示为皮带驱动系统的组成部分，该皮带驱动系统包括皮带16和数个皮带轮。作为实例，皮带16缠绕于曲柄轮18、风扇/水泵轮20、动力导向轮22、交流发电机轮24、空转轮26和张紧器皮带轮12。张紧器皮带轮12与皮带16接触，并表示出数个位置，以示意皮带轮如何运动来调节皮带的张力。张紧器皮带轮12与皮带16接触，并容纳一皮带载荷，其表示方式为相邻皮带部分28和30的张力T1、T2。皮带张力T1、T2(或载荷)合成，沿相邻皮带部分28、30之间形成的等分线或一角度产生一皮带力的分量BF。此皮带力的分量轴向偏离张紧器的枢轴32，产生一复杂的中枢载荷，其包括由箭头HL(即非特定地)表示的力和力矩。本发明的减振机构在张紧器10中由34表示。

参照图3，张紧器10是机械式，包括本发明的减振机构34，该张紧器包括一基座42、一扭簧44和一皮带轮12，该皮带轮12例如通过传动轴64上的滚珠轴承62可转动地装配于枢转臂52上。滚珠轴承62用有凸缘的紧固器66保持在传动轴64上。枢转臂52与圆筒部件53连接，该圆筒部件53支撑枢转臂52，并随枢转轴55转动。至少一个套式套管56装于枢轴32上。枢轴套管56为优选的聚合型材料，安装在枢轴上，随枢转轴55转动，从而支撑枢转臂52。图中虽然只示意了一个枢轴套管56，也可采用一个以上的枢轴套管。枢转轴55包括一紧固器60，通过圆筒部件53内的有肩台的孔57和枢轴套管56延伸，由此使枢转臂52连接至基座42上。

参照图2-4，减振机构34包括一扭簧70，该扭簧70具有第一端72和第二端74，减振机构进一步包括一减振盘76，该减振盘76具有一外摩擦表面78，以在本实施例中与张紧器10的基座42相接触。斜面77用于与枢转臂52的突起79配合接触。减振盘76包括第一弹簧接触点80和第二弹簧接触点82，以使弹簧70可操作地与减振盘76连接。在如图4所示的实施例中，减振盘76对称于A-A轴线，因而允许安装弹簧70，该弹簧70具有不同的弹簧螺旋缠绕方向。

减振盘包括一凹槽86，用于接收弹簧70，且具有一盘底88、内壁90和外壁92。盘底包括摩擦垫93，各摩擦垫93在底面200上周期性地相间隔，以与张紧器圆筒部件可滑动地接触。

减振盘76包括一配带的衬板84，其限定了摩擦表面78，并用机械薄片85固定在减振盘76上，以把衬板84牢固地粘附在其上。

图2-4表示的减振机构34为圆形。在如图5所示的减振机构34的另一实施例中，减振盘为半圆形。减振盘76包括一枢轴连接处100，它使减振盘76承受弹簧力矩，以具有沿B方向的相对运动。减振盘76的这种附加运动提供了用于减振的摩擦力。

在图6所示的另一实施例中，提供的是半圆形减振盘76，它包括外壁92上的偏转带102。在此实施例中，弹簧端72施加的力如C所示作用于偏转带102，其与张紧器径向接触，以辅助装配枢转臂52。在此实施例中，偏转带102与附加支撑104相接触，该附加支撑104连接在张紧器臂52上。

图7表示减振机构的另一实施例，包括内壁90，其带有衬板110，该衬板包括一内摩擦表面112。

参照图8，表示的是作用在减振盘上的力的底视图。采用本发明的减振盘的张紧器也称及减振机构，其减振特性是不对称的。这最好由作用于减振机构或盘上的力来表示，即：第一减振力T_L在远离无端元件的第一方向作用于枢转臂的运动；和第二减振力T_UN在指向无端元件的第二方向作用于枢转臂的运动，第一减振力大于第二减振力。

在静止位置，具有弹簧力矩T_SPR的偏置元件或扭簧在第一和第二接触点80、82上产生反作用力N和N。弹簧另一端连接在基座42，该基座42不能转动，从而产生了一力矩。减振机构本质上在斜面77、接触点79和摩擦表面之间相对于枢轴臂保持在一个预定的位置。另外，对于较小的减振力，斜面300与接触点10接触。在相反运动的情况下，对于较小的减振力，斜面302与接触点11接触，对于较大的减振力，斜面310与接触点12接触。

减振带还与基座的内侧弧形表面接触。随着枢转臂52的运动，减振盘摩擦表面支撑在基座内侧弧形表面，产生第一和第二减振力，以抵抗枢转臂52的运动，由此，在每个方向衰减枢转臂的摆动。减振盘的减振作用力在每个方向抵抗枢转臂的运动。

解析为：

T_spr＝N*F                                        (1)

F指接触点80、82之间的距离。减振盘斜面77在止点或接触点79支撑在枢转臂上，其控制减振盘76围绕突起或枢轴点79的转动。

特别是，当基座42静止且枢转臂52随减振机构顺时针转动时，在曲线摩擦表面78的表面上产生的摩擦力矩或减振力在点79处增加一反作用力P，其中：

P＝T_spr/A                                        (2)

A指减振机构上转动中心O到P的径向距离，O是枢转臂52的转动中心。

参照图9，减振盘的顶视图，相对于点O的力矩方程为：

T_spr-P_L*A+μT_L*R＝0                              (3)

式中，T_L和P_L均为皮带张力或作用力产生的载荷力。μ是摩擦表面78的表面的摩擦系数。这里定义的摩擦表面78的每部分可以包括任何适用于本领域熟知的衰减相邻滑动表面的相对运动的摩擦材料，其包括但不局限于尼龙6、尼龙66和聚四氟乙烯Teflon。R是摩擦表面78的半径。

进而，X方向的作用力为：

T_L*cosθ+μT_Lsinθ-P_L＝0                        (4)

则：T_L＝P_L[1/(cosθ+μsinθ)]                    (5)

在力矩方程(3)中替换T_L和P_L，得到：

T_spr-P_L*A+μ*P_L[1/(cosθ+μsinθ)]*R＝0         (6)

变换该方程得出：

P_L＝T_spr/A*[(cosθ+μsinθ)/((cosθ+μsinθ)-μ*R/A)]     (7)

方程(7)得出载荷力P_L值，该力在加载循环中施加于减振盘斜面77的接触点79，见图8。

参照图10，减振机构卸载方向自由体受力图，按照描述于图9的同样的逻辑，当张紧器臂逆时针或“卸载”转动时，摩擦力矩减少了反作用力P_un。

反作用力P_L/P_un产生了摩擦表面的减振力T_L/T_un，A大于P，产生一较大的法向反作用力T和相应的较大的摩擦力矩。反之亦然。

P_un＝T_spr/A*[(cosθ-μsinθ)/((cosθ-μsinθ)+μ*R/A)]    (8)

方程(8)得出作用力P_un值，该力在卸载循环中施加于减振盘76上点79，见图8。

减振的不对称性和相关的不对称系数，通过对应于第一减振力和第二减振力的皮带张力或P载荷差确定。

K_AS＝ΔT_{belt loading}/Δ_{Tbelt Unloading}                   (9)

在此，K_AS为不对称系数。

ΔT_{belt loading}是当枢转臂远离皮带或无端元件运动时对应于第一减振力的皮带张力的变化。

ΔT_{belt loading}＝T_max belt-T_belt nom                      (10)

ΔT_{belt Unloading}是当枢转臂朝向皮带运动时具有第二减振力的皮带张力的变化。

ΔT_{belt Unloading}＝T_belt nom-T_belt min                    (11)

在张紧器设计中，反作用力P传输皮带张力。

因此，K_AS＝(P_L-P)/(P-P_un)                                 (12)

一旦代入，不对称系数的方程为：

K_AS＝[(cosθ-μsinθ+μ*R/A)/(cosθ+μsinθ-μ*R/A)]      (13)

在此，θ＝arctan(μ).

实施例。

假定关注变量为以下数值：

μ＝0.2摩擦系数

R＝33mm

A＝16mm

θ＝11.3°

代入前式得出：K_AS＝1.35/0.61＝2.2

不对称系数可通过改变摩擦表面78的摩擦系数和通过改变尺寸变量R和A进行调节。

在减振机构具有双减振带的情况下，不对称性根据在此描述的逻辑比单减振带时大1.5到2倍。

图表1和2描述了单减振机构在静态和动态测量的张紧器载荷和减振情况。

                        图表1

                        图表2

图表3和4描述了双减振机构在静态和动态测量的张紧器载荷和减振情况。见图15。

                        图表3

                        图表4

在每个前述的图表中，不对称性用T_load点和T点的范围与T_unload点和T点范围来描述。K_AS值的确定是在每个表上测量数值的简单事情。每一数值如下：

表1中：        24    200    400

T_load-T  ＝    10    8      10

T-T_unload＝     6     6      6

K_AS      ＝   1.66  1.33   1.66

表2中：

T_load-T  ＝  12      9      10

T-T_unload＝   7       6      6

K_AS      ＝  1.71    1.5    1.66

表3中：

T_load-T  ＝  22

T-T_unload ＝  11

K_AS     ＝  2.00

表4中：

T_load-T  ＝  24

T-T_unload＝  11

K_AS     ＝  2.18

图11是图8中沿线11-11的减振机构的侧面图，导向器14为使弹簧相对于减振盘76正确定位而提供。弹簧支撑13突出于减振盘76的上方。弹簧在轴向载荷的压缩下安装，此载荷平行于枢转臂的转动轴，施加力F₁₃于弹簧支撑13、导向器14和15。这使减振盘76贴靠于枢转臂，图中未示出，见图2。

摩擦表面78用薄片85固定在减振盘76上，见图12。摩擦垫93提供了低摩擦表面，减振盘76通过该低摩擦表面可滑动地与枢转臂接触，图中未示出，见图2。

图12是减振机构的顶视平面图。薄片85与减振盘76互锁，以使摩擦表面78固定于减振盘76上。弹簧70的一个端72与减振盘76在接触点80、82接触。凹槽9将摩擦表面78分成两个对称的半部，每一半部都与张紧器基座内侧弧形表面相接触(未示出)。为了这里说明的原因，凹槽9本质上对准接触点80、82。

在顺时针运动且皮带载荷和中枢载荷减小的情况下，作用力P相对较低。中枢载荷是施加于皮带轮枢轴点32上的载荷，由皮带加在枢转臂的作用力形成。接触点79动作，以在较小载荷条件下限制减振盘76的行程。在增大的中枢载荷的情况下，在较大载荷条件下，减振盘76支撑在接触点10和接触点79上。这是减振盘和摩擦表面在增大载荷的情况下产生的微小塑性变形的结果。

在张紧器臂逆时针运动的情况下，接触点12动作，以在较小载荷条件下限制减振盘76的行程。在较大中枢载荷的情况下，在较大加载的条件下，接触点11和接触点12联合动作。再次说明，这是减振盘在载荷情况下产生的微小塑性变形的结果。

不管哪种情况下，减振盘与接触点79或10的接触导致减振盘在点79或10围绕一个中心点转动，这取决于所用弹簧力矩的大小。也就是说，参照图8，在点80、82的力的操作将导致减振盘76与点79也许是点10接触，这取决于载荷的大小。一旦接触，减振盘76将围绕点79或10进行微小转动，由此将使摩擦表面78本质上与机壳的内表面接触，因而对摩擦表面施加一法向力。这种逻辑还适用于减振盘与接触点11、12接触的情况。

正如本领域的技术人员可以看到的那样，在枢转臂点79、10、11和12之间控制框架、行程和转动方向能加强摩擦表面78和机壳内表面的接触。枢转臂可在整个运行角度范围相对于机壳转动，因为减振盘在接触点79、10、11和12之间被控制在该臂上。

图13是减振机构的顶视透视图。摩擦垫93连接在减振盘76上，以减少减振盘76和枢转臂(未示出)之间的摩擦。可注意到的是，为了本质上围绕点O的受控制的转动，减振盘并不轴向固定。在操作过程中，减振盘76在弹簧作用下飘移于点79、10、11和12之间。这使得每一摩擦表面能在载荷状态下正确定向，以使在操作过程中与基座内侧弧形表面充分接触。也使摩擦表面在张紧器使用寿命内不断重新定向，以适应磨损。导向器14和15在减振盘76内正确定位和支撑弹簧端72。这种关系对正确地使弹簧端72与减振盘点7、8的接触非常必要。

图14是减振盘的底视透视图。垫93的承载表面本质上与摩擦表面78的下表面51共面，从而减振盘本质上在枢转臂上是平面。表面51具有与摩擦表面78相同的摩擦系数。

图15是减振机构第一备选实施例的底视平面图。第一备选实施例在减振盘76上包含有二个摩擦表面78。两个相反的力P₁和P₁’在枢轴连接处100作用于减振盘。弹簧端72在接触点107和108与减振盘76接触。

操作过程中，弹簧50产生作用力：

P₁’＝T_spr/r

看图16，枢轴连接处100允许减振盘有微小弯曲，从而允许减振盘上的二个部件180和190做相对运动。此框架部件180和190在枢轴连接处100的相对运动源于减振盘在该处的弯曲，其运动为相对于减振盘76的转动中心O径向运动。因此，每一摩擦表面78可沿D1和D2方向相应移动。当减振盘处于平衡状态，作用力P₁’提供了一个大小相等方向相反的力P₁作用在减振盘76的其他部件即180和190上。作用力P1和P相加产生合成力R：

        R＝P₁+P                                   (14)

此合成力作用于张紧器基座上的内侧弧形表面(未示出)，见图2。作用力R和T作用在张紧器基座的内侧弧形表面和摩擦表面之间的交界处。这些力与摩擦系数结合就在每一摩擦表面产生摩擦力。

在平衡条件下，作用力P为平衡力，它抵抗或平衡皮带载荷的力矩臂：

        B_L*M＝P*A                                 (15)

或：

        P＝(B_L*M)/A                               (16)

其中，B_L是皮带或中枢载荷，M是从转动中心O到臂上的中枢载荷测量的力矩臂，P和A在这里说明。

摩擦力(R+T)μ由于合力R＝P₁+P比单减振机构的摩擦力几乎大3倍。P是唯一使臂和中枢载荷平衡的力。

图16是图15中沿线16-16的侧视立面图。它示出了摩擦表面78的相对位置。枢轴连接处100位于摩擦表面间。摩擦表面78的每一表面都有相等的弧形接触长度A_L，见图17，并且有相同的摩擦系数μ。当然，减振机构的减振特性可通过改变每一摩擦表面接触长度A_L而部分发生变化。

图17是第一备选减振机构的顶视平面图。薄片40把摩擦表面78连接在减振盘76上。弹簧端72在接触点107和108与减振盘接触。枢转连接处100允许减振盘进行弯曲，由此允许摩擦表面78做相对运动，这在本说明书的其它地方有所描述。

图18是第一备选减振机构的顶视透视图。枢轴连接处100表示于摩擦表面78之间。

图19是第一备选减振机构的底视透视图。表面202和203与枢转臂(未示出)相接触。如果使用者需要，表面202和203可具有与摩擦表面相同的摩擦系数。在此实施例中，不需要用于单表面的实施例的垫93，见图13。

图20是备选减振机构的顶视透视图。弹簧支撑20和21不等高，以正确支撑扭簧(未表示)的螺旋状线圈。在操作过程中，弹簧被轻微轴向压缩，由此产生通过弹簧支撑20和21作用于减振表面202和203的一个力。支撑20和21用于对减振盘平均分配轴向弹簧力。

图21是第二备选实施例的底视平面图。此减振机构本质上与图15描述的实施例相同，所不同的是只采用一个摩擦表面78。另外，摩擦表面78上没有凹槽91。看图23，而是弧形表面92为减振盘76提供了一个连续的接触平面。因为摩擦系数较低，法向作用力T在减振盘上产生了一可以忽略不计的摩擦力。为达到平衡，存在二个力(T+P)。为产生摩擦，也存在二个力：R＝P₁+P。因为减振盘处于静态平衡P₁’＝-P₁。

图22是图21中沿线22-22的减振机构的侧视立面图。

图23是第二备选实施例的顶视平面图。摩擦表面78通过薄片85与减振盘76相连。在其它实施例中，减振盘接触点107附近包括一凹槽，在本实施例中是一个连续的弧形表面92与枢转臂接触。

图24是第二备选实施例的底视透视图。连续的弧形表面92提供了一支撑表面，以接收这里所述的作用力T。

图25是第二备选实施例的顶视透视图。弹簧支撑20、21接收扭簧50(未示出)和这里所述的轴向弹簧力。

Claims (7)

1.一种用于张紧无端元件的皮带张紧器，其包括：

一外壳，其具有一轴；

一枢转臂，其可枢转地安装在该轴上；

一皮带轮，其轴颈接连在枢转臂上，以围绕一轴线转动，该轴线基本上平行于且间隔于所述轴；

一弹簧，其具有第一和第二端且具有弹簧力矩；

一减振盘，其具有摩擦表面和至少一个与枢转臂的突起接合的斜面；

减振盘包括第一和第二弹簧接触点，用于与弹簧的第一端连接，由此，作用于减振盘的弹簧力矩与枢轴表面处的反作用力结合形成一法向作用力；

减振盘通过第一减振力和第二减振力基本上衰减了所有枢转臂的运动，第一减振力沿远离无端元件的第一方向作用于所述枢转臂的运动，第二减振力沿指向无端元件的第二方向作用于枢转臂的运动，第一减振力大于第二减振力。

2.如权利要求1所述的张紧器，其中，第一减振力与第二减振力的比值包括一不对称系数。

3.如权利要求2所述的张紧器，其中，摩擦表面描述为具有一定长度的曲线形状。

4.如权利要求2所述的张紧器，其中，

一旦力作用于第一接触点和第二接触点，减振盘发生转动，第二接触点具有作为转动中心的枢轴表面。

5.如权利要求2所述的张紧器，其中，摩擦表面包括至少二个具有各自的曲率中心的摩擦表面部分，由此，至少一个摩擦表面部分的曲率中心与任何其它的所述摩擦表面部分的曲率中心不一致。

6.如权利要求2所述的张紧器，其中，摩擦表面包括非金属材料。

7.如权利要求6所述的张紧器，其中，所述非金属材料被润滑。

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