專利名稱：撓性軸連接元件和裝有該連接元件的撓性連接裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種撓性軸連接元件和裝有這種元件的撓性連接裝置。撓性軸連接元件呈撓性筒形體的形式，其包括一個環(huán)形部分和在環(huán)形部分任意一端位于相對的筒端的兩連接部分，每個連接包括多個沿筒形體的至少一部分內(nèi)圓周面軸向延伸的棱或齒，這些棱或齒可滑動地與對應(yīng)設(shè)置在轂件或端部元件上的槽相嚙合。這種連接裝置可用于連接兩個可連接到端部元件上的轉(zhuǎn)動軸。本發(fā)明的撓性軸連接裝置對于要將兩個不對中的軸連接在一起是十分有用的，通過其撓性的環(huán)形部分或箍環(huán)以及棱或齒的彈性在軸之間建立可安靜操縱的驅(qū)動連接。
迄今，撓性軸連接裝置包括撓性承載箍環(huán)或環(huán)形部分和連接部分，所述連接部分具有軸向延伸的棱，該棱可與對應(yīng)設(shè)置在轂件或端部元件上軸向延伸的槽進行嚙合，其特征在于這些棱通常具有梯形的形狀或輪廓，并與基本上是剛性的端部元件上的對應(yīng)形狀的槽嚙合。這種元件的棱是彈性材料制成的，且棱所貼靠的端部元件是由金屬制成，因此，在與端部元件槽相對的彈性棱上產(chǎn)生不適當(dāng)?shù)膽?yīng)變。
對這些連接元件結(jié)構(gòu)方面的改進通常是增強承載環(huán)以承受更大的扭轉(zhuǎn)載荷。由于這種改進所帶來的承載環(huán)承載能力的增大已經(jīng)相當(dāng)穩(wěn)定了，因此，需要彈性棱來承受進一步增大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)變。
現(xiàn)有技術(shù)的撓性軸連接裝置通常呈現(xiàn)出特定的破壞模式，其包括由扭轉(zhuǎn)應(yīng)力或載荷所產(chǎn)生的一個或多個齒從筒形體內(nèi)周面上斷裂或剪斷。通常，不僅僅是一個齒這樣地被剪斷，而是整個齒形面從連接元件的高強度承載基礎(chǔ)面上被剪下，從而在一個或兩個連接部分區(qū)域上留下光滑的、空的筒形體。因此，盡管現(xiàn)有技術(shù)連接元件的筒形體增大了其強度，但這種元件通常在作用在齒上的扭轉(zhuǎn)載荷作用下仍過早地遭到破壞。
由于這種齒的剪斷并不能從連接裝置的外面明顯地看到，因此，這種破壞模式還帶來了其所特有的麻煩。在不進行停機取下彈性筒形體然后再檢測連接元件的齒的情況下，就不能確定連接裝置所傳遞的力矩大小或連接裝置所剩的使用壽命。至少這就降低了生產(chǎn)率并增大了生產(chǎn)成本。更糟糕的是通常第一次發(fā)現(xiàn)了破壞就可能是連接元件的整體破壞。
因此，本發(fā)明的一個目的就是提供一種撓性連接元件，該連接元件比現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)的承載能力要大，并基本上可避免扭轉(zhuǎn)載荷所造成的棱的過早破壞。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種工作時防滑性得到提高的裝置。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種在不必使連接裝置停止工作或?qū)⑵淙∠逻M行檢查的情況下較早地指示出連接狀態(tài)的裝置。
為實現(xiàn)上述的和其它的目的，根據(jù)本發(fā)明，提供一種撓性軸連接元件和裝有這種元件的撓性軸連接裝置。本發(fā)明的撓性軸連接元件大致呈撓性的筒形體，其包括一個環(huán)形部分、至少兩個連接部分、一個筒形體內(nèi)周面或表面和一個筒形體外周面或表面，每個所述連接部分與所述環(huán)形部分同軸，并終止于其兩個相對端部的其中之一處。每個連接部分包括多個沿筒形體的至少一部分內(nèi)周面設(shè)置的軸向延伸的齒或棱。每個齒具有跨在連接部分內(nèi)表面的一部分或弧上的周向?qū)挾取?br> 每個齒具有與每個周向?qū)挾纫黄鸫_定齒的剪切區(qū)的實際軸向長度?？偟倪@些區(qū)域或累積的齒剪切區(qū)具有總的齒剪切能力。環(huán)形部分也可具有剪切能力，其主要是自然扭曲而與總的齒剪切能力不同。本發(fā)明的特征在于總的齒剪切能力超過了環(huán)形部分的扭曲剪切能力。
術(shù)語“剪切能力”的含義是給定材料承受載荷(扭轉(zhuǎn)和非扭轉(zhuǎn))、振動、頻率、幅度、高溫和低溫以及時間綜合作用的能力，作為一種呈現(xiàn)在材料中的能力，可在預(yù)定的作用下基本上保持其結(jié)構(gòu)整體足以很好地進行工作。因此，在比較兩種材料承受相同扭轉(zhuǎn)載荷、振動等情況下的剪切能力方面，具有較低剪切能力的材料通常先于具有較大剪切能力的材料遭到破壞。這一特點將在下面進行詳細描述。
通過展現(xiàn)出總的齒剪切能力大于環(huán)形部分的扭轉(zhuǎn)剪切能力，本發(fā)明的撓性連接元件克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點，也基本上避免了齒的過早損壞。撓性連接元件還比現(xiàn)有技術(shù)的連接裝置具有較高的承載能力。術(shù)語“承載能力”的含義是裝置抵抗或承受其使用時所承受的總作用力的能力。承載能力還包括力矩的傳遞、幅度和頻率分量。
在另一個實施例中，提供一種撓性連接裝置，其包括上述元件，并還包括至少兩個端部元件，端部元件具有與撓性連接元件的連接部分的齒相對應(yīng)的槽，并與所述的齒相互嚙合，每個端部元件連接在連接部分中，以便與至少兩個軸中的一個相連接。
在又一個實施例中，提供一種如上所述的撓性連接元件，其還包括位于筒形體外表面上用于指示給定時刻傳遞到連接元件上的力矩大小的裝置。
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細描述，以便更清楚地理解本發(fā)明的實質(zhì)。附圖中相同的標(biāo)號代表相同的部件。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)撓性軸連接裝置的透視圖；圖2是圖1所示現(xiàn)有技術(shù)的撓性軸連接裝置的分解透視圖；圖3是本發(fā)明實施例的撓性連接裝置的透視圖；圖4是圖3所示本發(fā)明實施例的分解透視圖；圖5是圖1所示現(xiàn)有技術(shù)的撓性連接元件齒部沿A-A剖視的局部橫截面圖；圖6是圖3所示本發(fā)明撓性連接元件齒部沿B-B剖視的局部橫截面圖；圖7是本發(fā)明實施例撓性連接元件的側(cè)視圖，該撓性連接元件在其外表面包括指示裝置，且該元件未承受載荷；圖8是圖7所示撓性連接元件的側(cè)視圖，其中，撓性連接元件承受扭轉(zhuǎn)載荷。
圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的撓性軸連接裝置，圖2是其分解透視圖，其中，連接組件10包括兩個相對設(shè)置的端部元件12、14，這兩個端部元件通過任何適當(dāng)?shù)姆绞脚c兩個相對設(shè)置的軸16、18相連。端部元件12、14連接到撓性連接元件24的連接部分20、22上。在連接部分20、22的筒形內(nèi)壁面28上設(shè)有軸向延伸的等間隔梯形棱或齒26，并可與端部元件12、14外表面32上與其互補的槽30相嚙合。
撓性連接元件24通常還包括沿其內(nèi)壁面28設(shè)置的耐磨織物罩25，并粘結(jié)在齒26的至少一部分上。
如圖3和4所示，其中示出了本發(fā)明撓性軸連接裝置40的一個實施例的透視圖。該裝置包括一個撓性連接元件42和兩個相對設(shè)置的端部元件41、43，所述撓性連接元件包括大致為撓性的筒形體44，所述端部元件可通過任何適當(dāng)?shù)姆绞脚c相對設(shè)置的軸(未示出)相連。筒形體44包括環(huán)形部分46和至少兩個位于環(huán)形部分46兩側(cè)的相對的筒端，從而分別形成與端部元件41、43相連接的連接部分48、50。筒形體44具有內(nèi)壁面或表面52和外壁面或表面54。連接部分48、50包括多個軸向延伸的棱或齒56，它們沿筒形體44內(nèi)壁面52的至少一部分進行設(shè)置。每個齒56具有橫跨在內(nèi)壁面52的一部分或弧上的周向?qū)挾?5。端部元件41、43具有沿其內(nèi)壁面設(shè)置的軸向延伸的槽45，槽45可與連接部分48、50上的齒相嚙合。
筒形體44還包括沿其內(nèi)壁面52設(shè)置的耐磨織物罩58，并粘結(jié)在齒56的至少一部分上以增強耐磨性。筒形體的內(nèi)壁面52還包括螺旋地繞在或貼在彈性表面上的增強線62。增強線62可由包括玻璃、芳族聚酰胺和尼龍在內(nèi)的適當(dāng)材料制成，且最好是由玻璃纖維制成。
每個齒56沿至少一部分筒形體內(nèi)表面52延伸，而不必沿整個內(nèi)表面延伸，并形成一個大致由其周向?qū)挾群蛯嶋H軸向長度所確定的區(qū)域?？偟凝X區(qū)域或累積的齒剪切區(qū)具有累積的齒剪切能力。環(huán)形部分46也具有實質(zhì)上是扭轉(zhuǎn)的剪切能力。本發(fā)明的特征在于累積的齒剪切能力超過了環(huán)形部分的扭轉(zhuǎn)剪切能力。
術(shù)語“剪切能力”的含義是給定物體承受載荷(扭轉(zhuǎn)或非扭轉(zhuǎn))、振動頻率和振幅、溫度以及時間綜合作用的能力。該物體的最大剪切能力由破壞剪切應(yīng)變或由于物體的兩個或多個相鄰部件或?qū)拥睦鄯e相對位移所導(dǎo)致的物體變形和破壞極限來表征，所述的累積相對位移由方向大致平行于這些層的接觸平面的作用力產(chǎn)生。
出于多種原因，在此將軸向齒長稱為“實際軸向齒長”。首先，齒的末端可有選擇地且最好是制成圓形的或曲線形的，以便在連接部分的齒和剛性端部元件上與齒嚙合的槽之間形成過渡區(qū)，從而適應(yīng)該區(qū)域部件之間的彎曲和振動。其次，由于總的齒區(qū)域的剪切能力超過了環(huán)形部分的剪切能力，因此在一些情況下可發(fā)現(xiàn)，撓性連接元件的齒不必延伸到整個環(huán)形部分的長度范圍上。也就是說，比環(huán)形部分剪切能力所增大的齒的剪切能力可設(shè)計和制造出適用的連接元件，在所述適用的連接元件中，連接部分的齒完全與剛性端部元件的槽嚙合，而不必是在整個環(huán)形部分內(nèi)表面長度上。當(dāng)然，在這些情況下，齒長仍然必須足以承受所作用的載荷。
本發(fā)明的撓性連接元件包括其齒元件在內(nèi)可由任何適當(dāng)?shù)膿闲圆牧现瞥?，最好是由彈性材料制成，彈性材料包括聚氯丁烯、天然橡膠、聚丁二烯、苯乙烯和丁二烯共聚物、異丁烯和異戊二烯共聚物、聚醚或聚酯型聚氨酯、丙烯酸類彈性材料和乙烯的氯磺化聚合物和共聚物的固化配料，或者其適當(dāng)比例的混合物。在優(yōu)選實施例中，撓性連接元件由聚氯丁烯化合物制成。用于本發(fā)明的任何這些彈性材料還可包括所有已知的其它可選擇的配料，配料包括添加劑、增強劑、固化劑、促進劑、操作助劑、增量油等，并以適當(dāng)比例極限使用。例如，添加劑和增強劑包括但并不局限于碳黑、硅石、滑石粉和碳酸鈣，且每一百重量的彈性材料(“phr”)可用的量大約是0-500或更多份，固化劑包括但并不局限于硫和自由基成形劑，其用量大約是0.01-10phr。
撓性元件可包括耐磨罩件58，耐磨罩件58可由任何適當(dāng)?shù)目椢锊牧现瞥桑@些材料包括尼龍、芳族聚酰胺、聚酯或其混合物，且最好是尼龍6.6。所述織物可以是任何適當(dāng)?shù)目椢铮ǔ缮扉L或不伸長狀態(tài)的平紋、斜紋或緞光織物。在優(yōu)選實施例中，耐磨罩件是緯向伸長40％-100％的斜紋織物?？椢锏闹亓孔詈么蠹s是25-500g/m2，更好大約是50-300g/m2，并最好是用與基本彈性化合物相容的橡膠基粘結(jié)材料或適當(dāng)?shù)拈g苯二酚甲醛膠乳基粘結(jié)劑(resorcinol formaldehyde latex-basedadhesive system)進行處理，從而產(chǎn)生大約為50-1000g/m2最好大約是100-700g/m2的最終處理織物。
撓性連接元件可有選擇地包括拉伸件62或拉伸元件。這種拉伸元件可由任何適當(dāng)?shù)牟牧现瞥?，例如包括間芳族聚酰胺或?qū)Ψ甲寰埘０吩趦?nèi)的芳族聚酰胺纖維、聚酯纖維、聚酰胺纖維、纖維素纖維(如人造纖維)、碳纖維、丙烯酸系纖維、聚氨基甲酸酯纖維、棉纖維和玻璃纖維及其混合物，且最好是由玻璃纖維制成。這種拉伸元件的數(shù)目和直徑根據(jù)連接裝置的大小及其應(yīng)用情況來確定。拉伸元件還可是任何普通的形式，但最好是抗變形線的形式。纖維可以以產(chǎn)生大約2-100股/英寸(0.8-39股/cm)結(jié)構(gòu)的方式進行準備，最好是大約5-80股/英寸(2-32股/cm)，更好是大約8-56股/英寸(3-22股/cm)。
撓性元件可選擇且最好是加載纖維的。如圖4所示，通過在彈性套筒中添加纖維使大部分纖維60周向環(huán)繞在套筒周圍并基本上沿著棱或齒56的外表輪廓，連接裝置的負載能力或壽命和/或其扭轉(zhuǎn)剛度就可顯著地得到提高。這一特性例如可如圖4所示。作為非限制性的例子，這種纖維可在橡膠壓制過程中進行排列，當(dāng)橡膠環(huán)通過壓制設(shè)備進行處理時，至少大部分纖維以復(fù)合的方式存在有助于其自身的排列或沿橡膠的壓制方向“流動”。因此，可適當(dāng)?shù)剡x擇給定連接元件的適當(dāng)壓制方向，也就是使大多數(shù)纖維沿周向環(huán)繞在撓性連接元件周圍排列的方向。
另外，纖維可排列在連接裝置最大剪應(yīng)力平面上。在一些情況下，添加的這些纖維可減少筒形體內(nèi)表面對增強織物和/或增強線的需求。特別是在用于較低載荷例如工作載荷低于約5Nm的較小連接裝置的情況下尤為如此，但可以預(yù)見的是這種優(yōu)點也可延伸到用于高載荷情況下的較大裝置中。
用于此目的的典型纖維是包括間芳族聚酰胺或?qū)Ψ甲寰埘０吩趦?nèi)的芳族聚酰胺纖維、聚酯纖維、聚酰胺纖維、纖維素纖維(如人造纖維)、碳纖維、丙烯酸系纖維、聚氨基甲酸酯纖維、棉纖維和玻璃纖維及其混合物。在優(yōu)選實施例中，纖維是對芳族聚酰胺。纖維可以是任何適當(dāng)?shù)拈L度，且最好是在約0.1-10mm范圍內(nèi)，可有選擇地搗碎以增大其表面面積。優(yōu)選的纖維長度大約是0.2-7.5mm，最佳是大約0.5-3mm。纖維還可按照已知的技術(shù)進行其它處理以增強其粘著到彈性材料上的粘著性。在優(yōu)選實施例中，纖維是機械鎖定(fibulate)并與適當(dāng)?shù)拈g苯二酚甲醛膠乳材料和/或其它適當(dāng)?shù)呐c形成撓性連接元件的彈性化合物相容的粘結(jié)組織進行混合。這些組織和處理纖維的適當(dāng)方法早以為人所知。在使用和所用加載材料的特定形式方面，加載的纖維可以是任何適當(dāng)?shù)乃?，且根?jù)所用的纖維類型最好大約是在每100份重量的彈性材料(“phr”)中有0-50份，或者更好大約是1-30phr，對于本發(fā)明實際優(yōu)選的纖維類型來說，最好大約是1-10phr，更好大約是2-5phr。
作為加載纖維優(yōu)點的一個非限制性的例子，進行比較測試以確定撓性連接元件在承受沖擊時加載纖維對其使用壽命的影響。為進行測試，一組三個撓性連接元件(試樣A、B和C)，每個都具有普通的梯形齒形(根據(jù)對應(yīng)于DIN/IS06296的DIN7721)，且外徑為60毫米，殼厚為7毫米，并由表1所示的彈性化合物制成，并在其內(nèi)表面包括聚酰胺增強層和玻璃增強線。試樣連接元件A、B和C的彈性材料還包括大約3phr的對芳族聚酰胺纖維，大部分纖維沿周向環(huán)繞在筒形體的周圍。每個連接元件在每個連接部分處具有12個齒，每個齒的基本寬度為5毫米，高度大約是2.5mm。另一組三個基本類似的撓性連接元件(比較試樣1、2和3)由基本類似的但未加載纖維的化合物制成。比較試樣1、2和3還包括沿其內(nèi)表面的增強輪胎線。所有的連接元件都進行DIN740所規(guī)定的扭振試驗，在9Hz頻率下峰值到峰值的總振幅為90-130Nm。表2給出了試驗的結(jié)果和情況。
表1撓性連接元件彈性化合物的組成試樣A、B和C以及比較試樣1、2和3
表2撓性連接元件沖擊分析
從表2所示的結(jié)果看，在該試驗中，在相同的載荷下，加載纖維的連接元件試樣A、B和C比比較連接元件1、2和3壽命大致延長了10-20倍。而且，在9級位移的情況下，加載纖維的連接元件的扭轉(zhuǎn)剛度比沒有加載纖維的連接元件平均增大約40％。通常，在相同的使用壽命且所有其它參數(shù)相同的情況下，本發(fā)明加載纖維的撓性連接元件的抗扭能力比沒有加載纖維的連接元件增大約30％或更多。
本發(fā)明的撓性連接元件和連接裝置可根據(jù)任何已知的標(biāo)準適當(dāng)方法進行制造。這些方法包括在此引用的US2859599所公開的方法。撓性連接元件還可按照已知的標(biāo)準方法進行制造，其中，將適當(dāng)?shù)哪湍タ椢锾自O(shè)置在帶齒的模中，將增強線有選擇地螺旋環(huán)繞在織物上，將未硫化的彈性材料涂敷在織物的外表面，將模設(shè)置在適當(dāng)?shù)能浲鈿ぶ?，并施加足夠的熱量和壓力使彈性材料通過載有織物的拉伸線而流入模槽中，硫化彈性材料，然后待如此完成的撓性連接元件冷卻并從模中取出。
圖1、2和5所示的普通梯形棱或齒形狀的特征是棱或齒26具有直的傾斜側(cè)面31和大約40°的夾角。這種外形在三個方面限制了棱的力矩傳遞能力。首先，載荷從基本為剛性的端部元件的槽30傳遞到彈性連接部分的齒26的嚙合部分，這樣在與連接元件24的承載環(huán)25連接的彈性齒的根部產(chǎn)生應(yīng)力集中。這樣就在齒根產(chǎn)生過大的應(yīng)變，從而沿著齒與筒形體的界面產(chǎn)生周向擴展的裂紋，并如上所述導(dǎo)致筒形體過早地破壞。
其次，普通齒形的傾斜側(cè)面31形成可將所傳遞力的分量傳遞到徑向的斜面。這種徑向分量趨于使筒形體的直徑擴大，因此增大了筒形體在使用時由于嚙合作用所產(chǎn)生的滑動傾向。
再者，端部元件的齒寬與連接部分互補齒寬度的比值與各個元件通常所用材料的相對強度和彎曲剛度不成比例。在梯形橫截面型的連接組件中，通常由金屬制成的非常剛硬的端部齒一般要比不硬的彈性撓性連接元件齒寬得多。這樣隨著時間的推移，特別是在高溫和低溫極限情況下，相對于較高強度的環(huán)形部分而言，端部元件齒過大的質(zhì)量和強度使較小和較弱的彈性齒過早地疲勞損耗。
圖3、4和6所示的本發(fā)明實施例包括大致呈曲線形狀或輪廓57的齒56。將齒形輪廓從普通的梯形齒改變成這種曲線形狀就可能顯著地增大力矩傳遞能力，也就是這種連接元件的承載能力，其中，齒截面輪廓由一系列的連接弧59和切線61構(gòu)成。在圖示的優(yōu)選實施例中，大多數(shù)連接部分內(nèi)圓周表面的形狀是凸形的，并與基本上呈凹形的端部元件齒形相嚙合。
本發(fā)明優(yōu)選的曲線齒形與適當(dāng)結(jié)構(gòu)的端部元件齒形最好基本上呈相同的正負形狀，從而保證了在整個嚙合壓力面上應(yīng)力分布比現(xiàn)有技術(shù)要均勻。這可顯著地減小筒形體齒根處的局部應(yīng)變，并使所用的材料得到有效地利用。另外，圓形齒徑向走向極大地減小了徑向向外的載荷分量，減小了連接元件嚙合的趨向，因此減小了連接裝置的滑移。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，給定撓性連接元件連接部分的槽的總寬度63與齒的總寬度65的比值約小于0.65∶1，最好是約為0.50∶1-0.10∶1，更好是約為0.45∶1-0.15∶1。這個比值后面將稱為“槽/齒比”。如圖6所示，與撓性元件齒56相互交替的撓性元件槽63的寬度是從槽半徑變?yōu)榍芯€61的點測量到齒半徑。
為顯示出本發(fā)明撓性連接裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比提高了使用壽命，對本發(fā)明撓性連接裝置試樣和現(xiàn)有技術(shù)試樣進行負載能力測試。測試的結(jié)果表述在表3中，其中，由本發(fā)明實施例試樣所獲得的數(shù)據(jù)在表列中標(biāo)明“試樣連接裝置”，而由表征現(xiàn)有技術(shù)的比較試樣獲得的數(shù)據(jù)在表列中標(biāo)明“比較試樣連接裝置”。按照德國工業(yè)標(biāo)準(“DIN”)740，負載能力測試測量抵抗峰值力矩(Nm)作用的破壞周期內(nèi)的使用壽命。四個撓性連接元件(“試樣連接裝置”)大致如圖3所示，其外徑為65毫米，殼厚6毫米，其中，筒形體包括環(huán)形部分和連接部分，齒由植入螺旋繞制的玻璃纖維線的聚氯丁烯硫化橡膠制成。這些試樣的彈性材料配方基本上與前述表1中的試樣相同，但還包括大約3phr的對芳族聚酰胺纖維，且大部分纖維沿周向環(huán)繞在彈性筒形體周圍。每個筒形體的內(nèi)表面覆蓋有耐磨尼龍織物。每個連接元件包括如上所述的曲線齒形，其中，槽/齒比約為0.406。每個連接部分包括18個齒，每個齒的基本寬度約為5毫米，高度約為3毫米。四個比較撓性連接元件(“比較試樣連接裝置”)的外徑約為60毫米，殼厚約為7毫米，并由與上述四個試樣基本上相同的材料制成。比較試樣具有如上所述(也就是按照與DIN/IS05296(英制節(jié)距)相對應(yīng)的DIN7721(公制)標(biāo)準)且在圖1中示出的普通梯形齒，且槽/齒比約為0.65。每個比較連接部分包括12個齒，每個齒的基本寬度約為5毫米，高度約為2.5毫米。在扭轉(zhuǎn)脈動載荷試驗機上進行試驗，且在9Hz頻率下峰值到峰值力矩的振蕩范圍約為90-130Nm。
表3抵抗峰值力矩Nm作用下的破壞周期內(nèi)的壽命
從表3中的數(shù)據(jù)看，顯然，在整個振蕩力矩范圍內(nèi)的測試情況表明本發(fā)明撓性連接元件的壽命比現(xiàn)有技術(shù)的比較試樣有顯著的提高。在80-84Nm范圍內(nèi)，本發(fā)明撓性連接元件的壽命周期數(shù)量級為106，而現(xiàn)有技術(shù)連接元件的壽命周期僅有102。比較120Nm下的壽命周期，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)之間的壽命增量相當(dāng)驚人。而且，在所有情況下，本發(fā)明撓性連接元件的破壞是由筒形體的剪切破壞造成的，而不是棱的剪切破壞，盡管這是梯形棱元件特有的破壞模式。
對于表2所描述的測試結(jié)果而言，其表明了在具有普通梯形齒形的撓性連接元件中加載纖維的好處，當(dāng)加載纖維的撓性連接元件具有曲線齒形時，也就是基本上與表3所描述的試樣連接裝置相同時，在其與加載纖維的梯形齒撓性連接元件(也就是試樣A、B和C)作類似的比較時，可以發(fā)現(xiàn)其具有更為顯著的優(yōu)點。例如，在128.0Nm載荷下進行測試時，曲線齒形的纖維加載撓性連接元件可工作1050小時，而類似的纖維加載梯形齒試樣A則只有8.8小時。而且，在170Nm載荷作用下，本發(fā)明曲線齒形的纖維加載撓性連接元件可工作25小時。
由于累積齒區(qū)域的剪切能力超過了本發(fā)明撓性累積元件環(huán)形部分的剪切能力，因此，本發(fā)明可包括位于彈性筒形體的外部的力矩水平指示裝置，以顯示元件的當(dāng)前狀態(tài)和預(yù)報連接組件所剩的使用壽命。由于本發(fā)明撓性連接元件的破壞模式通常不再象現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)那樣是由于齒的剪切破壞，而是筒形體的扭曲和最終完全斷裂，指示裝置可在筒形體的外表面上使用，以便于顯示在任何給定的時刻傳遞到連接裝置的力矩大小。無需停止工作、無需與驅(qū)動裝置脫開去觀測連接元件，就可確定連接元件所剩的使用壽命量。
適當(dāng)?shù)闹甘狙b置可包括位于筒形體表面的任何形式的圖案或圖線，它們既可用儀器去測量也可用肉眼去觀察，指示裝置可顯示連接元件從停止?fàn)顟B(tài)工作經(jīng)過傳遞力矩變化的預(yù)期的和可再現(xiàn)的變化或特性。
在圖7所示的優(yōu)選實施例中，這種指示裝置包括設(shè)置在彈性筒形體外表面54或圓周面上的圖線，它是利用在力矩發(fā)生變化的情況下彈性筒形體外表面發(fā)生扭曲來進行設(shè)計的。在預(yù)定力矩情況下，圖線元素按照表面扭曲情況進行排列，這樣就形成一種清楚的、可識別的力矩水平可視指示器。在連接裝置工作時，可看到圖線，并借助于頻閃儀或其它適當(dāng)儀器來穩(wěn)定住轉(zhuǎn)動筒形體上的圖線影像。圖7示出了一種典型的適當(dāng)圖線，其中，在彈性筒形體外表面54上形成一系列的復(fù)合曲線73。每條曲線是由直線逐漸變化而成，反映了隨著傳遞力矩的增大彈性筒形體表面扭曲增大。圖8顯示的是與圖7相同的撓性連接元件，但圖8是撓性元件處于承受扭轉(zhuǎn)載荷的情況下，而圖7是處于停止工作的情況，也就是不承受載荷的情況。因此，在給定時刻撓性元件所承受的扭轉(zhuǎn)載荷由該特定時刻的圖線圖形反映出來。
用于圖7和8所示實施例的曲線圖線在每個特定的力矩水平作用下，相應(yīng)的曲線轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€。由于在任何給定力矩水平作用下，僅有一條線是直線，因此就很容易進行識別和推斷相應(yīng)的工作力矩水平。而且，圖線可指示出安全工作、過載和過早破壞三種狀態(tài)。這些狀態(tài)還可通過使用顏色標(biāo)記來突出強調(diào)。作為一個非限制性的例子，直線圖形中的紅線可表示過載狀態(tài)，綠線表示安全工作狀態(tài)。
外部圖形元素還可指示彈性筒形體的逐漸損壞。由于發(fā)生在內(nèi)部的破壞也就是發(fā)生在筒形體齒區(qū)域的破壞不包括在外部筒形體元件的破壞內(nèi)，因此，這種指示裝置是不實用的。在此情況下，當(dāng)彈性筒形體結(jié)構(gòu)在使用過程中損壞時，表面扭曲增大，從而使表度圖線發(fā)生變化。這種變化可用于在很短的時間內(nèi)作出更換給定連接元件的計劃，并因此而降低或減小了非計劃范圍內(nèi)的停產(chǎn)。
指示裝置可以是任何適當(dāng)?shù)念愋突蛐问剑梢灶A(yù)見其可裝入上面未提到的結(jié)構(gòu)，包括指示力矩大小的數(shù)字或其它符號和/或在達到相應(yīng)的力矩水平時就越發(fā)變得可識別的警示信息。而且，指示裝置可以多種方式裝在筒形體元件的表面，例如包括上面所提到的方式，在制造過程中直接鑄在筒形體上，在澆鑄完成后印在筒形體上或者將預(yù)印制或預(yù)澆鑄的元件固定到筒形體表面。
由于本發(fā)明撓性軸連接裝置這種特有的結(jié)構(gòu)，因此，所形成的撓性連接元件累積的齒剪切區(qū)的剪切能力超過了環(huán)形部分的剪切能力，因而與現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)相比，呈現(xiàn)出較高的扭轉(zhuǎn)剛度和承載能力且使用壽命長。這種特點還使其包括上述扭轉(zhuǎn)載荷指示裝置以確定連接裝置當(dāng)前的性能并預(yù)測其將來的性能成為可能。在優(yōu)選實施例中，以上述方式制成連接裝置彈性部分的彈性材料加載的纖維還可提高本發(fā)明連接裝置的性能。本發(fā)明實施例所特有的曲線齒形和槽/齒比還將連接裝置的性能提高到一個意想不到的程度。
盡管出于解釋的目的詳細描述了本發(fā)明，但這種詳細的描述僅僅是出于解釋的目的，在不脫離本發(fā)明宗旨或權(quán)利要求書所限定范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可作出各種不同的變型。本發(fā)明還可在缺少在此未特意描述的任何元件的情況下適當(dāng)?shù)剡M行使用。
權(quán)利要求
1．一種撓性軸連接裝置的撓性元件，其大致呈筒形體，并由彈性材料制成，所述筒形體包括至少兩個相對的筒端部分、一個環(huán)形部分、一個內(nèi)周面和一個外周面；所述兩個筒端部分分別確定了連接部分，所述環(huán)形部分位于所述連接部分之間，每個所述連接部分包括多個沿所述內(nèi)周面的至少一部分設(shè)置的軸向延伸的齒，每個所述連接部分的每個所述齒具有跨在一部分所述內(nèi)周面上的周向?qū)挾龋涮卣髟谟谒霏h(huán)形部分具有扭轉(zhuǎn)剪切能力；每個所述連接部分的每個所述齒具有與每個所述周向?qū)挾纫黄鸫_定齒剪切區(qū)的實際軸向長度，其中，所述齒剪切區(qū)的總和確定了總的齒剪切區(qū)，所述總的齒剪切區(qū)具有總的齒剪切能力；所述總的齒剪切能力超過了所述環(huán)形部分的扭轉(zhuǎn)剪切能力。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓性元件，其特征在于至少一個所述齒具有曲線橫截面形狀。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓性元件，其特征在于所述齒與多個槽交替排列，每個所述槽具有跨在筒形體內(nèi)周面的一部分圓周面上的寬度，所述槽寬度的總和與所述齒寬度的總和之比小于0.65∶1。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的撓性元件，其特征在于所述槽寬度的總和與所述齒寬度的總和之比為0.50∶1-0.10∶1。
5．根據(jù)權(quán)利要求3所述的撓性元件，其特征在于所述槽寬度的總和與所述齒寬度的總和之比為0.45∶1-0.15∶1。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓性元件，其特征在于還包括織物增強件，該增強件粘結(jié)在所述筒形體內(nèi)周面的至少一部分上。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓性元件，其特征在于所述彈性材料還包括大約1-30phr的纖維。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的撓性元件，其特征在于至少一部分所述纖維大致周向環(huán)繞在所述筒形體上。
9．根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓性元件，其特征在于還包括位于所述筒形體的所述外周面上的至少一個力矩水平指示裝置。
10．根據(jù)權(quán)利要求8所述的撓性元件，其特征在于所述力矩水平指示裝置是以圖線元素的形式出現(xiàn)的，在所述筒形體停止工作時，所述圖線元素在所述筒形體的外周面上形成第一圖案，在所述筒形體表面扭曲時，所述圖線元素在所述筒形體的外周面上形成第二圖案。
11．一種撓性軸連接裝置，包括一個撓性元件和至少兩個基本上為剛性的端部元件，所述端部元件與所述撓性元件相連；所述撓性元件大致呈筒形體，并由彈性材料制成，所述筒形體包括至少兩個相對的筒端部分、一個環(huán)形部分、一個內(nèi)周面和一個外周面；所述兩個筒端部分分別確定了連接部分，所述環(huán)形部分位于所述連接部分之間，每個所述連接部分包括多個沿所述內(nèi)周面的至少一部分設(shè)置的軸向延伸的齒，每個所述連接部分的每個所述齒具有跨在一部分所述內(nèi)周面上的周向?qū)挾?，其特征在于所述環(huán)形部分具有扭轉(zhuǎn)剪切能力；每個所述連接部分的每個所述齒具有與每個所述周向?qū)挾纫黄鸫_定齒剪切區(qū)的實際軸向長度，其中，所述齒剪切區(qū)的總和確定了總的齒剪切區(qū)，所述總的齒剪切區(qū)具有總的齒剪切能力；所述總的齒剪切能力超過了所述環(huán)形部分的扭轉(zhuǎn)剪切能力。
12．根據(jù)權(quán)利要求11所述的連接裝置，其特征在于所述基本上為剛性的端部元件包括一系列軸向延伸的槽，該槽與所述連接部分的所述齒相對應(yīng)，以便使端部元件與連接部分相嚙合。
13．一種制造撓性元件和撓性軸連接裝置的方法，包括以下步驟(a)選擇一個模，所述模具有一個內(nèi)周面和沿至少一部分所述內(nèi)周面相互交替軸向延伸的齒和齒槽部分，其中，所述齒和齒槽部分具有曲線橫截面形狀；(b)將織物套置于所述模中；(c)將未硫化的彈性材料涂敷到織物的外表面；(d)將所述模置于軟外殼中；(e)對所述軟外殼加熱和加壓，以使彈性材料通過載有織物的拉伸線而進入模齒中；(f)硫化彈性材料以形成所述撓性連接元件；(g)使撓性連接元件冷卻；以及(h)將撓性連接元件從模中取出。
全文摘要
一種撓性軸連接元件,其包括一個筒形體,所述筒形體具有一個中間環(huán)形部分和位于兩個相對的筒端的每一個上的連接部分。連接部分包括位于其內(nèi)表面上軸向延伸的齒。其特征在于:環(huán)形部分具有扭轉(zhuǎn)剪切能力,確定軸向延伸的齒的區(qū)域具有剪切能力,且齒剪切能力超過了環(huán)形部分的扭轉(zhuǎn)剪切能力。
文檔編號F16D3/74GK1309749SQ99807407
公開日2001年8月22日 申請日期1999年6月17日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月17日
發(fā)明者阿瑟·杰克·克拉克, 凱文·約翰·弗朗西斯·威特弗里德 申請人:蓋茨公司