CN103511496B - 用于车辆的摩擦环、同步器单元和齿轮变速传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于齿轮变速传动装置的同步器单元(2)的摩擦环，摩擦环包括锥形摩擦环主体(3)，锥形摩擦环主体(3)具有内摩擦表面(301)和外安装表面(302)，外安装表面(302)优选地被配置为另一摩擦表面，摩擦表面(301)和安装表面(302)分别在垂直于轴向摩擦环轴线(4)延伸的径向周向(U)上约束摩擦环主体(3)，其中分别地,内摩擦表面(301)以可预定的摩擦角(α₁)沿着摩擦环轴线(4)成锥形延伸、并且外安装表面(302)也以可预定的安装角(α₂)沿着所述摩擦环轴线(4)成锥形延伸。根据本发明，摩擦角(α₁)不同于所述安装角(α₂)。而且，本发明涉及一种用于车辆的同步器单元(2)以及齿轮变速传动装置。

Description

用于车辆的摩擦环、同步器单元和齿轮变速传动装置

技术领域

本发明涉及用于可换挡的齿轮变速传动装置的同步器单元的摩擦环，同步器单元以及根据独立权利要求的前序的用于车辆的齿轮变速传动装置。

背景技术

在机械可换挡齿轮变速传动装置中，例如，在车辆传动装置中，同步器环用于匹配在换挡期间发生的齿轮与传动轴杆之间相对于彼此的相对速度。在此方面，借助于在相对应摩擦配合件之间的摩擦而实现同步，这样的传动装置的操作模式和同步过程的顺序为本身已知的，并且并不需要在本上下文中对本领域技术人员做出任何进一步详细的解释。

已知向通常由金属或金属合金，诸如黄铜或钢制成的同步器环的摩擦表面提供一种摩擦层用于防止提早或过早磨损和/或改进摩擦特征。在此方面，发现使用许多不同类型的摩擦层，例如，钼的热喷涂层，碳摩擦层或者由其它材料制成的摩擦层。

用于齿轮变速传动装置的同步器单元或者同步器单元的个别构件在现有技术中以多种方式详细地描述。

因而，例如手动传动装置和双离合器传动装置为目前在许多应用中，在小型和中型汽车产业中，特别是在前横向驱动中主要类型的传动装置。这些类型的传动装置的换挡特征基本上由同步器来决定，同步器的基本原理在目前，同样在过去，是基于所谓的BorgWarner构思，该构思首次详细描述于EP 1 507 091 B1中。对于系统同步器而言变得越来越重要的要求是以较小换挡力实现对于短换挡时间而言的高效率，以及换挡的高度舒适性。

就此而言，关于效率和换挡舒适性，经典Borg Warner同步器的几何设计由目的冲突来确定。以摩擦配对的小锥角实现高效率；该锥形的加强效果生成高同步扭矩，尽管操作力较小。与此相反，防止摩擦表面释放并且显著地和明显地影响驾驶员换挡舒适性的自锁定效果设置了锥角最小化的自然下限。因而，优化一种同步器总是需要在效率与换挡舒适性之间的折衷。

在本领域技术人员熟知的传动装置中所使用的主要类型的同步器，例如，手动、自动手动和双离合器传动装置适用于根据EP 1 507 091 B1的常规Borg Warner设计。由于对更好换挡性能和更高力矩的不断需求，已经在这个基础上开发了复杂的多锥形系统同步器，具有两个、三个和对于某些特殊环境的应用而言具有四倍摩擦表面。这些高度发达的同步器模块具有有所提高的性能和扭矩能力，这归因于多个摩擦表面和先进的摩擦材料性质。然而，它们也增加了复杂性、成本并且最后但并非最不重要地相对应传动装置的重量。

尽管这些类型的同步器已在制造过程和性能方面不断优化，迄今，仍然存在设计冲突。

在同步器构造中最关键的特征之一为涉及的锥形摩擦表面的角度的设计。这个重要的特征决定两种主要功能：

一方面，同步器性能。与锥形的直径和在齿轮与同步器环的锥形表面之间的摩擦系数相组合，锥角明确地为决定摩擦扭矩的两个最重要的因素之一。减小锥角增加了扭矩。由此减小了换挡力并且可实现更短的同步时间。

而另一方面，是在同步结束时或同步的末端释放摩擦锥方面的换挡品质。锥角对于驾驶员的换挡感觉品质的确定具有着重大影响。太小的角可能生成不当的效果，例如，阻挡或二次压力点.

需要较小的锥角以便实现最大化的换挡性能。但是，需要较大的锥角以便优化在换挡品质方面的设计。对于常规同步器，因而造成关于设计方面的设计权衡。

因此，取决于具体要求，在现有技术中存在着不同传动类型的设计差异。例如，对于双离合器传动而言，重点在于同步器性能，而并不是换挡品质。相比而言，手动传动试图达到在性能与换挡品质之间的平衡。

就此而言，为了提高同步器在小换挡力和短换挡时间方面的性能，必须提高扭矩容量，如已经提到的那样。但是，每个同步器通过其设计和应用，即由其直径、摩擦系数或最小锥角而限于具体可达成的性能。

总之，设计工程师在先前曾只能添加额外摩擦表面以便提高性能或增加扭矩容量，即，这意味着从单个锥到多个锥。尽管具有额外的摩擦表面，扭矩容量由于锥角仍具有功能限制。

在实际同步期间，所施加的力(F)控制着具有反作用力F_ax和F_rad的同步器。借助于坐标系，这可分成F_R(摩擦)和F_N(法向力)，其中角度ρ等于ρ = tan^-1 μ并且α等于锥角。对于处于平衡状态的系统而言，作为材料中的切向力的力F_U必须抵消径向力 F_rad。

在释放期间，需要除了力F_U之外的力来分离所述环与齿轮锥。现摩擦力F_R指向与同步过程期间相反的方向并且α < tan^-1 μ (μ为静摩擦系数)。这种效果被称作自锁定并且会消极地/不利地影响到换挡品质。对于所有同步器而言功能限制为α > tan^-1 μ。

如果在该系统内进一步减小锥角以改进扭矩容量，二次压力点的水平也由于自锁定而增加。由此，换挡的感觉是不愉快的。在极端情况下，也能引起系统完全被阻挡的效果。

发明内容

因而，本发明的目的在于提供一种改进的同步器机构和该同步器机构所必需的构件，从而使得能避免在介绍中所描述和从现有技术已知的缺点。应特别地由本发明来解决关于效率与换挡舒适性之间的权衡。这意味着在一方面，应实现摩擦配对的高效率，即，应实现加强效果，从而使得锥形能生成较大同步扭矩，尽管操作力较小。另一方面，若可能，则防止或不利于摩擦表面释放并且显著地并且明显地影响到驾驶员换挡舒适性的自锁定效果应被避免，或者减小到可接受的程度。因此，本发明的目的在于对同步器的优化，而无需考虑在现有技术中必需的效率与换挡舒适性之间的折衷。

满足这些目的的本发明的主题的特征在于独立权利要求中的特点。

独立权利要求涉及本发明的特别有利的实施例。

本发明因而涉及一种齿轮变速传动装置的同步器单元的摩擦环，该摩擦环包括锥形摩擦环主体，该锥形摩擦环主体具有内摩擦表面和外安装表面，外安装表面优选地被配置为另一摩擦表面，并且该内摩擦表面和外摩擦表面在垂直于轴向摩擦环轴线延伸的径向周向上界定着/约束着摩擦环主体，并且内摩擦表面以可预定的摩擦角沿着摩擦环轴线成锥形延伸、并且外安装表面以可预定的安装角沿着摩擦环轴线成锥形延伸。根据本发明，摩擦角不同于安装角。

对于本发明而言重要的是，摩擦环被配置成使得摩擦角不同于安装角。由此长期以来在现有技术中所存在着的效率与换挡舒适性之间权衡首次得到了可靠解决。这意味着，一方面通过本发明实现了摩擦配对的高效率，因而实现了加强效果，从而使得锥形能生成较大的同步器扭矩，尽管操作力较小。另一方面，防止或至少不利于摩擦表面释放和显著地并且明显地影响驾驶员换挡舒适感的已知的有害的自锁定效果同时由本发明而实际上完全避免。因而，利用本发明首次可能不再必须接受在现有技术中所需的效率与换挡舒适性之间的折衷。

用于解决这种权衡的根据本发明的新颖的方案在物理上分离了“生成同步器扭矩”的功能与“释放摩擦配对”的功能，这些功能在目前为止在同一个摩擦配对中组合。利用摩擦环来实现这种分离，摩擦环在其内径和外径上具有不同锥角，该环优选地但未必分段。一个直径借助于力锁合/力配合来生成同步器扭矩；另一直径确保力锁合/力配合的可靠释放。因而，根据本发明，关于它们的特殊要求进行两种功能的独立优化。利用本发明，首次确定了通过物理上分离同步器性能的功能(生成小换挡力和短换挡时间)与换挡品质(二次压力点和自锁定效果)，则可能解决这种已知的权衡。在从现有技术已知的经典的设计中，两种功能经由锥角而彼此直接地连接，这导致所说明的先前所识别的不可避免的优化问题。

就此而言，利用本发明满足了另一基本要求，这些要求在某些情况下是至关重要的，以便实现所希望的效果。

具有不同于摩擦角的安装角的根据本发明的设计适应于由当今常规同步器所面对的对于扭矩容量和换挡舒适性的总要求范围。根据本发明的同步器单元的构件装配到可用的安装空间内。也可能使用钢冲压件来制造根据本发明的构件，因而其能容易地并且具有成本效益地制造。本发明的构件，特别是摩擦环，适合于利用现有技术和过程来涂覆和涂布、并且也适合于可购买到的摩擦材料，其中，同时，生产成本和单元成本至少与许多现在已知的同步器相同或者实际上常常更低。

本发明的创新解决方案，即在物理上对同步和释放的两种功能加以分离，基本上由相对于锥形摩擦表面较小的角和用于释放该系统的较大角来实现，这种锥形摩擦表面较小的角改进了性能或扭矩容量，借助于用于释放该系统的较大角，克服了导致较差换挡品质的自锁定效果的不利/消极影响。

在本发明的一种特别优选的实施例中，也解决了另一关键因素：即，在摩擦环内在周向(F_U)上的力。取决于具体应用和实施例，明确地可能的是由于较小角在齿轮锥上可发生自锁定。为了排除这种风险，摩擦环也可被分段。

外力F在同步期间以本身已知的方式施加到同步器环上。这生成作用于区段上的外径向力F_rad。在摩擦表面处的反作用力F_ax和F_rad平衡并且为从常规同步器已知的相同力。在同步之后，一旦在滑动轴环的齿已经过同步器环的齿的情况下 ，分解了外力。通过α2 <tan^-1μ₂，大角切入，并且因此并无作用于区段上的力F_rad，并且因此借助于并非一种固定环的摩擦元件，在区段内并无材料应力，则较小的角分离，因为无内力或外力作用于较小角上。

本发明还涉及用于车辆，特别地用于客车、运输车或者商务车的换挡传动装置，该换挡传动装置具有根据前述权利要求中任一项所述的同步器环。

附图说明

在下文中，通过示意图将详细地解释本发明。在附图中示出:

图1a为根据本发明的摩擦环，具有处于扩展配置的分段摩擦环主体；

图1b为根据图示为处于收缩配置的图1a实施的摩擦环；

图1c为沿着根据图1a的截面线I-I的截面；

图1d为根据图1a和图1b的摩擦环的一部分的透视图；

图2a为根据本发明的分段摩擦环的第二实施例，具有径向防旋转安全件；

图2b为根据图2a的摩擦环的一部分的透视图；

图3根据本发明的同步器单元的简单实施例。

具体实施方式

图1a和图1b和图1c和图1b分别以示意图示出了根据本发明的摩擦环的同一个很简单的实施例，该摩擦环具有分段摩擦环主体，其中摩擦环在下文中总体上用附图标记1来标注。

在这方面，图1a示出了处于扩展配置的摩擦环1，而图1b示出了处于收缩配置的相同的摩擦环。为了更好理解，图1c示出了沿着根据图1a的截面线I-I的摩擦环1的截面，而在图1d中以透视图示出了根据图1a或图1b的摩擦环1的一部分，以便能更好地看到沿着摩擦环1的摩擦环轴线4延伸的防旋转安全件5。

根据本发明根据图1a至图1d的摩擦环1用于齿轮变速传动装置的同步器单元2中，特别地车辆，更具体而言，客车，运输车或商务车的齿轮变速传动装置中。摩擦环1包括锥形摩擦环主体3，锥形摩擦环主体3具有内摩擦表面301和外安装表面302，该外安装表面302优选地被配置为另一摩擦表面。内摩擦表面301和外安装表面302分别在垂直于轴向摩擦环轴线4延伸的径向周向U上界定/约束所述摩擦环主体3。在此方面，内摩擦表面301以可预定的摩擦角α₁沿着摩擦环轴线4成锥形延伸，并且外安装表面302以可预定的安装角α₂沿着摩擦环轴线4成锥形延伸，其中，根据本发明，摩擦角α₁不同于安装角α₂。

如特别地在图1c中可明显地看出，安装角α₂优选地大于摩擦角α₁；但原理上也可能摩擦角α₁大于安装角α₂。

如参考图1a和图1b能清楚地认识到，在此特殊实施例中，摩擦环主体3为分段的环主体3，其包括多个单独摩擦环区段31、32、33，因而在本特殊实施例中为三个摩擦环区段31、32、33，它们形成摩擦环主体3，从而以这样的方式使得，即，在安装状态，摩擦环主体3在根据图1a的第一扩展的配置具有第一半径R₁；并且根据图1b在第二收缩配置，具有第二半径R₂。

就此而言，应了解根据本发明的摩擦环1也可包括与参考图2a和图2b以举例说明的方式示出的四个摩擦环区段31、32、33、34不同数量的摩擦环区段31、32、33、34，或者，例如，仅两个摩擦环区段或者多于四个摩擦环区段31、32、33、34。

就此而言，至少一个防旋转安全件5特别优选地设于摩擦环主体3处，该防旋转安全件5优选地沿着摩擦环轴线4延伸，如特别地可从图1d清楚地看到的防旋转安全件5。

就此而言，图2a和图2b示出了根据本发明的摩擦环1的已经提到的不同实施例，其中，防旋转安全件5基本上垂直于摩擦环轴线4延伸。

就此而言，自然地理解到，独立于所图示的特殊实施例，防旋转安全件5的数量可根据具体实施例而不同，并且可设置任意数量的防旋转安全件5。在很特殊的情况下，甚至能在摩擦环1处完全没有防旋转安全件5和/或例如，可提供防止摩擦环1在操作状态发生扭转的其它措施。

摩擦涂层，特别是呈碳摩擦衬片形式的摩擦涂层，能特别有利地设置于摩擦表面301和/或安装表面302处，该摩擦涂层与其它东西一起至少部分地用以抵消/补偿所造成的摩擦配对的高机械荷载和/或热荷载并且为了清楚的原因，在附图中并未明确地示出该摩擦涂层。

就此而言，当摩擦环1为一种由冲压钢所制成的部件、或者一种成型金属板部件时是特别有利的，这特别地使得工业批量生产尤为简单或者具有成本效益。

本发明还涉及具有摩擦环1的同步器单元2，如由图3示意性地例示。

除了根据本发明的摩擦环1之外，根据图3的同步器单元2还包括，以本身已知的方式：滑动轴环6、同步器环7以及齿轮8，且其中前述构件被布置成与摩擦环轴线4同轴从而使得，在操作状态，借助于滑动轴环6可使同步器环7与摩擦环1一起沿着摩擦轴线4在齿轮8的方向上移动，从而使得内摩擦表面301能与齿轮8相接合。

就此而言，图3的同步器环7由常规设计的冲压钢制成。同步器环7的锥形具有同样更大的内角α₂，这意味着其与摩擦环1的安装角α₂相同，并且同步器环7具有用于分段摩擦环1的联接凹口，该联接凹口为本身已知的并且未详细地示出。根据图3的分段摩擦环1被配置为相同大小的三个摩擦环区段31、32、33，为了清楚起见，这在图3中并未详细地示出。根据本发明，摩擦环1具有安装表面302，就此而言，安装表面302具有安装角α₂，并且安装表面302用作分离表面。摩擦环1的内锥形由具有摩擦角α₁的摩擦表面301形成，其中α₁＜α₂适用。这种内锥形表面，即摩擦表面301用于同步。

在操作状态，同步器环7在齿轮8的方向上在轴向移动，该齿轮8被配置为带齿齿轮，并且摩擦环1的摩擦环区段31、32、33因而也有角度α₂的夹角。同步器环7和分段摩擦环1然后同时一起移动到齿轮8上并且经由内锥，即具有摩擦角α₁的摩擦表面301与齿轮8相接合，齿轮8同样具有锥角α₁的相对应的匹配凹锥。然后同步器环7能以常规同步器环的方式来控制和转位。滑动轴环6的齿与同步器环7的齿相接触，并且因而通过差速在分段摩擦环1与齿轮8之间生成扭矩。

在同步之后，当差速等于零时，滑动轴环6在轴向移动，同步器环的齿经过并且然后滑动轴环6能与齿轮8的侧面的齿相接合。基于这种接触，不再有轴向力作用于同步器环7上。较大的角度α₂将分离该系统(角度> tan^-1 μ)。这导致排除了在分段摩擦环1的周向上的力。在这点处，同步器环7和分段摩擦环1脱离齿轮8。滑动轴环6能随后经过齿轮8。然后完全接合换挡。

就此而言，具体地可能有至少两个不同的选项1和2。对于选项1，摩擦表面或在区段的内锥上的扭矩形成具有较小角度α₁。在区段的外锥表面上具有较大的释放角α₂。

在选项2中，摩擦表面在区段的外锥上具有较小角度α₁。在区段的内锥表面上是较大释放角α₂，实际上选项1为优选的构思。

最后，本发明还涉及一种用于车辆，特别是客车、运输车或商务车的齿轮变速传动装置，该齿轮变速传动装置具有摩擦环1或同步器单元2如在先前已详细描述的那样。

应了解到，在本申请中明确地公开的所有实施例仅被理解为本发明的示例并且本发明特别地也涵盖了可有利地用于特殊应用的所有合适的组合和对于本领域技术人员显然的所有的另外的实施例。

Claims (12)

1.一种齿轮变速传动装置的同步器单元(2)的摩擦环，所述摩擦环包括锥形摩擦环主体(3)，所述锥形摩擦环主体(3)具有内摩擦表面(301)和外安装表面(302)，所述摩擦表面(301)和安装表面(302)分别在垂直于轴向摩擦环轴线(4)延伸的径向周向(U)上约束所述摩擦环主体(3)，其中所述内摩擦表面(301)以可预定的摩擦角 (α₁)沿着所述摩擦环轴线(4)成锥形延伸、并且所述外安装表面(302)也以可预定的安装角(α₂)沿着所述摩擦环轴线(4)成锥形延伸，其中，所述摩擦角(α₁) 不同于所述安装角(α₂)，其中，一种防旋转安全件(5)设于所述摩擦环主体(3)处。

2.根据权利要求1所述的摩擦环，其中，所述安装角(α₂) 大于所述摩擦角(α₁)。

3.根据权利要求1或2所述的摩擦环，其中，所述摩擦环主体(3)为分段摩擦环主体(3)，所述分段摩擦环主体(3)包括多个单独摩擦环区段(31, 32, 33, 34)，所述多个单独摩擦环区段(31, 32, 33, 34)形成呈环形布置的摩擦环主体(3)从而使得在组装状态中，所述摩擦环主体(3)在第一扩展配置具有第一半径 (R1) 和在第二收缩配置具有第二半径(R2)。

4.根据权利要求1所述的摩擦环，其中，所述外安装表面(302)配置为另一摩擦表面。

5.根据权利要求1所述的摩擦环，其中所述防旋转安全件(5)沿着所述摩擦环轴线(4)延伸和/或垂直于所述摩擦环轴线(4)延伸。

6.根据权利要求1所述的摩擦环，其中，一种摩擦涂层设于所述摩擦表面(301)出和/或所述安装表面(302)处。

7.根据权利要求6所述的摩擦环，其中，所述摩擦涂层呈碳摩擦衬片形式。

8.根据权利要求1所述的摩擦环，其中，所述摩擦环为一种由冲压钢制成的部件或一种成形金属板部件。

9.一种同步器单元，具有根据权利要求1至8中任一项所述的摩擦环(1)。

10.根据权利要求9所述的同步器单元，其中，所述同步器单元还包括滑动轴环(6)，同步器环(7)和与摩擦环轴线(14)同轴地布置的齿轮(8)，从而使得在操作状态，所述同步器环(7)可与所述摩擦环(4)一起通过所述滑动轴环(6)沿着所述摩擦环轴线(4)在朝向所述齿轮(8)的方向上移动，从而能使所述摩擦环主体(3)的所述内摩擦表面(301)与所述齿轮(8)相接合。

11.一种用于车辆的齿轮变速传动装置，所述齿轮变速传动装置包括根据权利要求1至8中任一项所述的摩擦环(1)或根据权利要求9或10所述的同步器单元(2)。

12.根据权利要求11所述的用于车辆的齿轮变速传动装置，其中，所述车辆是客车、运输车或商务车。