專利名稱：同軸旋轉(zhuǎn)軸之間的潤滑油環(huán)流分布控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及具有內(nèi)燃機的工業(yè)機械。更具體地，本發(fā)明涉及控制用于驅(qū)動農(nóng) 業(yè)、建筑、以及林業(yè)拖拉機和設(shè)備以及與拖拉機和設(shè)備集成一體的機械器具、工具、或者部 件的同軸旋轉(zhuǎn)軸之間潤滑油的環(huán)流分布。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的工業(yè)機械一般均配備有能夠通過功率輸出軸和聯(lián)軸器的布置來提供驅(qū)動 主軸和車輪組件或者諸如打包機、莊稼收割機等的外部配件或器具的內(nèi)燃機所必需的功 率。在許多機械中，通過使用具有同軸回轉(zhuǎn)滾筒或軸的組件實現(xiàn)功率的傳輸。在這種類型 的同軸滾筒驅(qū)動組件中有必要在形成于內(nèi)滾筒與外滾筒之間的環(huán)狀槽內(nèi)提供潤滑。這樣的 潤滑通常是以通過內(nèi)滾筒的空心供給的潤滑液的形式，比如油。沿著整個長度在內(nèi)滾筒的 圓筒形壁上所鉆出的孔允許潤滑油從滾筒的空心向環(huán)狀槽流動。然而，這些孔的存在不僅 增加制造成本而且削弱內(nèi)滾筒的整體性，因此導(dǎo)致內(nèi)滾筒疲勞和過早失效。通過從同軸滾 筒驅(qū)動組件的一端直接向環(huán)狀槽內(nèi)供給油以試圖減少這些孔則會引起油在整個環(huán)狀槽內(nèi) 的不均勻分布，從而加速旋轉(zhuǎn)滾筒之間的磨損。因此，在工業(yè)中，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的同心軸用于工業(yè) 機械的功率傳輸時，需要提供一種能夠在旋轉(zhuǎn)的同軸滾筒之間的環(huán)狀槽內(nèi)均勻分布油的裝 置，并且其經(jīng)濟且能降低過早磨損和失效的可能性。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個方面，揭示一種在工業(yè)機械中用于功率傳輸?shù)耐S滾筒驅(qū)動組 件。該同軸驅(qū)動組件可以包括中空外滾筒，其包括具有雙向表面紋理的內(nèi)表面；內(nèi)滾筒， 其包括具有沿著滾筒長度以預(yù)定角度(φ)取向的單向表面紋理的外表面；環(huán)形槽，其形成于 所述外和內(nèi)滾筒之間并且具有預(yù)定間隙；以及潤滑油，其大體填充在環(huán)狀槽內(nèi)。所述內(nèi)滾筒 可以沿一個方向旋轉(zhuǎn)，從而使滑潤油受到層流環(huán)境的影響。在本發(fā)明的另一個實施例中，內(nèi)滾筒的單向表面紋理可以是具有大于90度的角 度(φ)的后向紋理、具有小于90度的角度(φ)的前向紋理，或者具有約90度的角度(φ)的垂直方向紋理。所述外滾筒的內(nèi)表面和所述內(nèi)滾筒的外表面可以具有約0. 5微米至約5. 0微米范 圍的平均表面粗糙度(Ra)。外滾筒的內(nèi)表面的平均表面粗糙度(Ra)優(yōu)選地在約1.0微米 和約1. 6微米之間選取，而內(nèi)滾筒的外表面優(yōu)選地在約0. 8微米和約2. 5微米之間選取。在本發(fā)明的又一個方面，用于功率傳輸?shù)耐S滾筒驅(qū)動組件可以再分為前部和后 部?；敬┻^前部和后部的中空外滾筒和內(nèi)滾筒，該中空外滾筒具有雙向表面紋理的內(nèi)表 面，該內(nèi)滾筒具有在預(yù)定角度(φ)上取向的單向表面紋理的外表面。在這一實施例中，形 成于內(nèi)外滾筒之間的環(huán)狀槽填充有潤滑油，該潤滑油在內(nèi)滾筒旋轉(zhuǎn)時有被限制為層流的傾 向。分布在前部和后部的潤滑油可以根據(jù)預(yù)定的前向/后向(Df/Dk)比率確定。當(dāng)Df/De是約0. 7時，內(nèi)滾筒的單向表面紋理的角度(φ)可以是90度。當(dāng)外滾筒在與內(nèi)滾筒旋轉(zhuǎn) 相似的方向旋轉(zhuǎn)并且DF/DK在約0. 3到約0. 5之間時，內(nèi)滾筒的單向表面紋理的角度(φ)可 以小于90度。從此處提供的描述可以更明確本發(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)域。應(yīng)當(dāng)理解的是說明書和具體的 示例均只是為了說明的目的，并不能夠限制本發(fā)明的范圍。


此處描述的附圖僅是用于示例性的說明，在任何方式上均不能限制本發(fā)明的范圍。圖1是同軸滾筒驅(qū)動組件的剖面圖；圖2Α是圖示用一種交叉線表面結(jié)構(gòu)作為雙向紋理的示意圖；并且圖2Β是圖示用 一種單向表面結(jié)構(gòu)作為具有大于90度的角度(φ)的單向紋理的示意圖。
具體實施例方式以下描述僅揭示本發(fā)明的本質(zhì)而絕不是為了限制本發(fā)明或其實施或者使用。應(yīng)當(dāng) 理解是通過具體描述和附圖，相應(yīng)的標(biāo)號表示相似或者相應(yīng)的部件和特征。本發(fā)明的一個實施例提供一種將功率傳遞到諸如拖拉機的工業(yè)機械的軸和車輪、 或者傳遞到諸如打包機或莊稼收割機的集成工具組件或者器具的同軸滾筒驅(qū)動組件。圖1 中示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的同軸滾筒驅(qū)動組件的一個示例。同軸滾筒驅(qū)動組件1的基 本部件可以包括外滾筒5和內(nèi)滾筒3，在內(nèi)滾筒3的外表面和外滾筒5的內(nèi)表面之間形成環(huán) 狀間隙7。通過功率輸出軸和聯(lián)軸器排列的整合，從發(fā)動機或馬達(dá)通過同軸滾筒驅(qū)動組件1 傳遞功率到拖拉機的主軸和車輪組件或驅(qū)動外部配件和器具，諸如打包機、莊稼收割機等， 存在多種變化方式。例如，內(nèi)滾筒3可以一體連接到功率源，諸如帶動滾筒旋轉(zhuǎn)的內(nèi)燃機或馬達(dá)。在這 一例子中，外滾筒5可以是固定的。其他部件與旋轉(zhuǎn)內(nèi)滾筒3的整合允許將能源傳輸?shù)竭@ 些組件。在另一個例子中，外滾筒5可以一體連接到功率源，使得外滾筒5可以在任一方向 上旋轉(zhuǎn)。產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩隨后通過一組齒輪和聯(lián)軸器傳遞到內(nèi)滾筒3。其他組件與旋轉(zhuǎn)內(nèi)滾筒 3的整合允許將能源傳輸?shù)竭@些組件。潤滑膜或?qū)涌梢酝ㄟ^位于同軸滾筒驅(qū)動組件1的一端附近的進(jìn)口 14添加到環(huán)狀 間隙7內(nèi)。潤滑膜或?qū)油ǔＪ菨櫥I(lǐng)域的一般技術(shù)人員所知悉的油或其他潤滑液的形式。 潤滑有助于通過減少內(nèi)滾筒3和外滾筒5之間可能夠發(fā)生的磨損和撕裂的量來提高同軸滾 筒驅(qū)動組件的壽命或長命。本領(lǐng)域一般技術(shù)人員能夠意識到可以使用其他方式將潤滑油添 加到環(huán)狀間隙內(nèi)。例如，內(nèi)滾筒3可以是空心的，在整個實心圓筒形壁或外套上鉆有連接內(nèi) 滾筒3的中空內(nèi)部與環(huán)狀間隙的多個孔。這些孔提供允許油從滾筒空心進(jìn)入環(huán)狀間隙7的 路徑。在本發(fā)明的一個實施例中，通過使用外滾筒5的內(nèi)表面上和內(nèi)滾筒3的外表面上 的預(yù)定表面結(jié)構(gòu)，可以控制沿著環(huán)狀間隙7的整體長度的油分布。本發(fā)明這一實施例的一 個好處在于內(nèi)滾筒3也可以是實心而不是中空的。使用實心內(nèi)滾筒3降低制造成本和由 于在空心滾筒的圓筒形壁上鉆孔而產(chǎn)生的應(yīng)力所導(dǎo)致的潛在疲勞問題。
隨著滑潤油在環(huán)狀間隙7內(nèi)流動，可以在每一個同軸滾筒的表面上形成附面層。 附面層的厚度決定于多種因素，比如油的粘度、滾筒表面的結(jié)構(gòu)、以及液體流動的速度。此 附面層受到旋轉(zhuǎn)內(nèi)滾筒3運動產(chǎn)生的粘性剪切力的影響。該剪切力可以引起層流或渦流， 其反映粘性和內(nèi)應(yīng)力之間的平衡并關(guān)系到流動穩(wěn)定性。期望能夠在油層之間的最小混合的 情況下保持層流區(qū)的流動，以提高潤滑。渦流的開始引起相鄰油層的混合并可能導(dǎo)致圓渦 漩的形成和流速的波動，因此降低潤滑效率。內(nèi)滾筒3的外表面和外滾筒5的內(nèi)表面的結(jié)構(gòu)均可以設(shè)置為具有一定程度的粗 糙度并且相對這一粗糙度的定向輪廓，稱為表面“紋理”。粗糙度是在表面物理結(jié)構(gòu)的高度 (例如，峰和谷)上的小尺度變化的量度，而表面紋理是指峰和谷所存在的方向線。粗糙度 有時是不希望有的特性，因為其可能在互相接觸的兩個表面之間產(chǎn)生過多的摩擦、磨損、阻 力和疲勞。然而，在存在潤滑油的情況中，粗糙度有時是有利的，因為其紋理能夠允許表面 捕捉潤滑劑并阻止表面結(jié)合在一起。粗糙度一般是由表面測量技術(shù)測得的量度來計算并記 錄為沿中心線測量的峰與谷的距離的平均值(Ra)。表面紋理一般由選擇的機加工操作的類型和完成機加工的方向產(chǎn)生。表面紋理可 以是雙向的或者是單向的。如圖2A所示，雙向紋理是指交叉線類型圖案的輪廓線，S卩，加工 線。這種圖案可以通過從兩個不同方向?qū)L筒表面進(jìn)行加工產(chǎn)生。例如，車床可以用于從 相反方向加工滾筒表面，從而形成雙向紋理。如圖2B所示的單向紋理顯示沿一個方向的輪 廓或加工線。根據(jù)如何對滾筒表面進(jìn)行加工，這些輪廓線可以相對于滾筒長度形成不同的 角度(φ)。90度的角度(φ)代表單向紋理的輪廓線垂直于與滾筒長度平行的直線。具有大于 90度的角度的輪廓線的單向紋理可以認(rèn)為是前向的(見圖2Β)，而具有小于90度的角度的 輪廓線的紋理可以是指后向的單向紋理。紋理的方向可能影響位于其中的油的流動方向制 造雙向表面紋理可以降低紋理在方向上對在其中流動的油的任何影響。在本發(fā)明的一個實施例中，外滾筒5的內(nèi)表面加工為呈現(xiàn)出雙向紋理。表面的粗 糙度可以是在從Ra約0. 1微米的相對光滑到Ra約5. 0微米的非常粗糙的范圍內(nèi)變動。然 而，對于這一表面，優(yōu)選的是Ra在約1. 0微米到約1. 6微米的范圍內(nèi)。雖然雙向紋理并不 會使油流動的方向偏離，其表面粗糙度也不允許油與表面吸附或結(jié)合，因此允許高效潤滑。在本發(fā)明的一個實施例中，內(nèi)滾筒3的外表面加工為呈現(xiàn)單向紋理。此滾筒表面 的粗糙度可以是在從Ra約0. 1微米的相對光滑到Ra約5. 0微米的非常粗糙的范圍內(nèi)變動。 然而，對于這一表面，優(yōu)選的是Ra在約0. 8微米到約2. 5微米的范圍內(nèi)。為了降低與加工 操作相關(guān)的成本，優(yōu)選的是更粗糙的表面。與單向紋理相關(guān)的角度(φ)可能影響油在其中流 動的方向。在一些應(yīng)用中，可以期望更多的油向同軸滾筒驅(qū)動組件的一端流動，該同軸滾筒 組件與需要潤滑的組件集成在一起的。請參照圖1，同軸滾筒驅(qū)動組件1可以再分為前部 10和后部12，每一部分代表約1/2的同軸滾筒驅(qū)動組件?？梢愿鶕?jù)集成到前部10和后部 12的組件的數(shù)目和功能，分布在前部與分布在后部的油的比率(Df/Dk)可以在約0. 1到約 1.0之間變化。根據(jù)預(yù)定的比率，可以選擇單向紋理的角度(φ)以將油引導(dǎo)向同軸滾筒驅(qū)動 組件1的不同部分。例如，為了根據(jù)比率0. 7獲得油的分布，內(nèi)滾筒3的外表面上的單向紋 理的角度(φ)可以是約90度。可以利用本領(lǐng)域一般技術(shù)人員知悉的技術(shù)來加工外滾筒5的內(nèi)部和內(nèi)滾筒3的外部。這些技術(shù)的例子包括，但不限于，珩磨、研磨、電拋光、精研、拋光、鑄造、冷軋、磨光、鉸加 工、放電加工、拉削、擠壓、和銑削。在外滾筒5的內(nèi)表面與內(nèi)滾筒3的外表面之間形成的環(huán)狀間隙7可以從約0. 5mm 到約5. Omm之間變化，優(yōu)選的是從約2. 5到3. 5mm之間變化。該環(huán)狀間隙沿同軸滾筒驅(qū)動 組件的整個長度持續(xù)不斷以降低驅(qū)動組件像泵一樣工作的可能性并且促使油的層流遍布 整個環(huán)狀間隙7。潤滑油可以是潤滑領(lǐng)域的一般技術(shù)人員所知的任一種液體。潤滑液的例子包括， 但不限于，多等級發(fā)動機油、人造發(fā)動機油、礦物油、以及聚a-烯烴(polyalphaolefins)。 潤滑油還可以包括其他附加特性，比如高分子量增稠劑和粘度指數(shù)改進(jìn)劑。下面給出具體例子以說明本發(fā)明，不能認(rèn)為其限制本發(fā)明的范圍。示例1 基礎(chǔ)實驗設(shè)置如圖1所示的同軸滾筒驅(qū)動組件1用于確定在目標(biāo)或者目的比率是0. 7的不同情 況下分布在前部10和后部12之間的油的比率(Df/Dk)。外滾筒5具有^mm的內(nèi)徑，該內(nèi)徑 具有1.6微米的內(nèi)表面粗糙度(Ra)和前向單向表面紋理。外滾筒5在順時針和逆時針(以 負(fù)速度值表示)方向以不同的速度旋轉(zhuǎn)。內(nèi)滾筒3具有24mm的外徑，因此形成了 2. 5mm的 環(huán)狀間隙7。內(nèi)滾筒3具有4. 33微米的平均表面粗糙度(Ra)和后向單向表面紋理。內(nèi)滾 筒在順時針方向以不同的速度旋轉(zhuǎn)。在位于同軸滾筒驅(qū)動組件1的一端的進(jìn)口處向環(huán)狀間 隙7提供油。油壓和油的流率在試驗中是變化的。油的溫度保持在30攝氏度。對分布在 前部10和后部12的油量進(jìn)行收集和測量。然后計算出分布在前部10和后部12內(nèi)的油量 的比率(Df/De)。在整個實驗過程中各種參數(shù)和狀況是變化的，Df/Dk的值顯示在下面的表1中。在 涉及Df/Dk比率的所有實驗狀況中很少觀測到接近目標(biāo)比率0. 7。這一示例表明，包括具有 前向單向表面紋理的外滾筒5和具有后向單向表面紋理的內(nèi)滾筒3的同軸滾筒驅(qū)動組件1 不是無論外滾筒速度(大小和方向)、內(nèi)滾筒速度、油壓和油的流率如何均能夠滿足Df/Dk比 率約為0.7的滿意組合。實際上，這一實驗中確立的DF/DK的寬范圍，例如0.97(列1-3)到 1. 95 (列1-5)，顯示出無論在此實驗中參數(shù)如何變化，這一組合不會接近于任何具體比率。表 權(quán)利要求
1.一種用于在工業(yè)機械中傳輸功率的同軸滾筒驅(qū)動組件，所述同軸驅(qū)動組件包括一中空外滾筒，其包括具有雙向表面紋理的內(nèi)表面；一內(nèi)滾筒，其包括具有沿所述滾筒的長度方向呈一預(yù)定角度(φ)取向的單向表面紋理 的外表面；一環(huán)狀槽，其形成于所述內(nèi)滾筒和所述外滾筒之間，并具有預(yù)定間隙；以及潤滑油，其 填充在所述環(huán)狀槽內(nèi)；其中，所述內(nèi)滾筒沿使所述滑潤油符合層流狀態(tài)的一個方向轉(zhuǎn)動。
2.如權(quán)利要求1所述的同軸驅(qū)動組件，其中，所述環(huán)狀槽的所述間隙在約0.5mm到約 5. Omm的范圍中選擇。
3.如權(quán)利要求2所述的同軸驅(qū)動組件，其中，所述環(huán)狀槽的所述間隙在約2.5mm到約 3. 5mm的范圍中選擇。
4.如權(quán)利要求1所述的同軸滾筒驅(qū)動組件，其中，所述內(nèi)滾筒是實心的。
5.如權(quán)利要求4所述的同軸滾筒驅(qū)動組件，其中，所述潤滑油在所述同軸滾筒的一端 附近進(jìn)入所述環(huán)狀間隙。
6.如權(quán)利要求1所述的同軸滾筒驅(qū)動組件，其中，所述內(nèi)滾筒是空心的并具有圓筒形壁。
7.如權(quán)利要求6所述的同軸滾筒驅(qū)動組件，其中，所述潤滑油通過所述內(nèi)滾筒的所述 圓筒形壁上所鉆出的多個孔進(jìn)入其空心而進(jìn)入到所述環(huán)狀間隙。
8.如權(quán)利要求1所述的同軸滾筒驅(qū)動組件，其中，所述外滾筒是固定的。
9.如權(quán)利要求1所述的同軸滾筒驅(qū)動組件，其中，所述外滾筒是旋轉(zhuǎn)的。
10.如權(quán)利要求1所述的同軸滾筒驅(qū)動組件，其中，所述內(nèi)滾筒的所述單向表面紋理是 具有大于約90度的角度(φ)的前向紋理。
11.如權(quán)利要求1所述的同軸滾筒驅(qū)動組件，其中，所述內(nèi)滾筒的所述單向表面紋理是 具有小于約90度的角度(φ)的后向紋理。
12.如權(quán)利要求1所述的同軸滾筒驅(qū)動組件，其中，所述內(nèi)滾筒上的所述單向表面紋理 是具有約90度的角度(φ)的垂直方向紋理。
13.如權(quán)利要求1所述的同軸滾筒驅(qū)動組件，其中，所述外滾筒的所述內(nèi)表面和所述內(nèi) 滾筒的所述外表面具有約0. 5微米至約5. 0微米范圍內(nèi)的平均表面粗糙度(Ra)。
14.如權(quán)利要求13所述的同軸滾筒驅(qū)動組件，其中，所述外滾筒的所述內(nèi)表面具有約 1. O微米至約1. 6微米范圍內(nèi)的平均表面粗糙度(Ra)。
15.如權(quán)利要求13所述的同軸滾筒驅(qū)動組件，其中，所述內(nèi)滾筒的所述外表面具有約 0. 8微米至約2. 5微米范圍內(nèi)的平均表面粗糙度(Ra)。
16.一種用于在工業(yè)機械中傳輸功率的同軸滾筒驅(qū)動組件，所述同軸驅(qū)動組件包括一前部；一后部；基本穿過所述前部和所述后部的一中空外滾筒，所述中空外滾筒包括具有雙向表面紋 理的內(nèi)表面；基本穿過所述前部和所述后部的一內(nèi)滾筒，所述內(nèi)滾筒包括具有沿所述滾筒長度呈預(yù) 定角度(φ)取向的單向表面紋理的外表面；一環(huán)狀槽，其形成于所述外滾筒與所述內(nèi)滾筒之間；以及 潤滑油，其填充于所述環(huán)狀槽內(nèi)；其中，所述內(nèi)滾筒在使所述滑潤油為層流狀況的一個方向轉(zhuǎn)動；以及 其中，所述前部和所述后部之間潤滑油的分布根據(jù)一預(yù)定的Df/Dk比率確定。
17.如權(quán)利要求16所述的同軸滾筒驅(qū)動組件，其中，所述內(nèi)滾筒的單向表面紋理的所 述角度(φ)為約90度。
18.如權(quán)利要求17所述的同軸滾筒驅(qū)動組件，其中，所述Df/Dk比率是0.7。
19.如權(quán)利要求16所述的同軸滾筒驅(qū)動組件，其中，所述外滾筒在與所述內(nèi)滾筒轉(zhuǎn)動 的相似方向上轉(zhuǎn)動。
20.如權(quán)利要求19所述的同軸滾筒驅(qū)動組件，其中，所述內(nèi)滾筒的所述單向表面紋理 的所述角度(φ)為小于約90度。
21.如權(quán)利要求20所述的同軸滾筒驅(qū)動組件，其中，所述Df/Dk比率在約0.3到約0. 5 之間。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種用于在工業(yè)機械上傳輸功率的同軸滾筒驅(qū)動組件(1)。更具體的，呈現(xiàn)一種同軸驅(qū)動組件(1)，其具有中空外滾筒(5)，包括具有雙向表面紋理的內(nèi)表面；內(nèi)滾筒(3)，包括具有沿著該滾筒長度以預(yù)定角度取向的單向表面紋理的外表面；環(huán)狀槽，形成于所述內(nèi)滾筒與所述外滾筒之間并具有預(yù)定間隙(7)；以及潤滑油，其大體上填滿所述環(huán)狀槽。
文檔編號F01M9/12GK102057137SQ200880129733
公開日2011年5月11日 申請日期2008年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月3日
發(fā)明者布拉德利·艾倫·美林, 布賴恩·丹尼爾·杜賓, 查德·格雷戈里·范登伯格, 約翰·J·佳倫 申請人:迪爾公司