CN103867658A - 变速器及其离合器组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变速器和离合器组件，所述离合器组件将正向接合的爪式离合器和单向离合器相组合。这两种装置被设计成使得单向离合器绝不会干扰爪式离合器的接合和分离。在一个实施例中，单向离合器在特定的旋转位置下传递扭矩，且爪齿被周向布置成使得它们在这些旋转位置中的任何位置处都不会接合。在另一实施例中，允许爪式离合器的活塞进行足够的旋转以在接合期间消除爪齿之间的任何干扰，其中，爪齿被固定到所述活塞。在任一实施例中，由于单向离合器可倾斜，使得爪齿沿着相同方向传递扭矩，从而沿着那个方向的扭矩趋于使爪式离合器分离。

Description

变速器及其离合器组件

技术领域

本公开涉及用于机动车辆的自动变速器领域。更具体地，本公开属于将正向接合的爪式离合器与被动单向离合器相组合的离合器组件。

背景技术

一些车辆在包括前进运动和倒车运动两者的宽的车速范围内使用。然而，某些类型的发动机仅能够在窄的车速范围内有效运转。因此，经常采用能够在多个转速比下传递动力的变速器。一些车辆变速器利用离合器集合并通过接合这些离合器中的子离合器集合而建立特定的转速比。然而，分离的离合器可能会施加一定的寄生阻力矩。由于与这些分离的离合器相关的动力损失，使得发动机必须产生额外的动力，这增大了燃料消耗。因此，在分离状态下施加较低的阻力矩的变速器离合器提高了燃料经济性。然而，如果低阻离合器干扰转速比之间可靠和平稳转换的能力，则低阻离合器将不适用。

发明内容

公开了一种变速器，所述变速器包括：行星齿轮元件，例如，太阳齿轮、环形齿轮或行星架，所述行星齿轮元件被构造成围绕轴旋转；爪式离合器，被构造成主动防止行星齿轮元件沿着一个方向旋转；单向离合器，被构造成防止行星齿轮元件沿着相反方向旋转。爪式离合器包括轴向滑动以正向接合行星齿轮元件的活塞。单向离合器被构造成不会阻止活塞的滑动运动。变速器可包括：液压缸，使活塞从分离位置运动至接合位置；回位弹簧，使活塞运动返回至分离位置。在被固定到行星齿轮元件的多个爪齿和被固定到活塞的多个爪齿之间可发生正向接合。爪式离合器的爪齿可具有倾斜面，所述倾斜面被布置成沿着与单向离合器相同的方向传递扭矩，从而这样的扭矩趋于迫使活塞朝向分离位置运动。单向离合器可以是这样一种类型的单向离合器，即，仅当行星齿轮元件处于有限个旋转位置中的一个旋转位置时传递扭矩且爪齿被周向布置成当行星齿轮元件处于这些旋转位置中的任一旋转位置时使得活塞在轴向接合位置和轴向分离位置之间自动滑动。活塞可通过花键连接和偏置弹簧而被可旋转地布置在壳体内，其中，所述花键连接允许活塞进行一定旋转，所述偏置弹簧在没有其他力时迫使活塞运动至特定的旋转位置。

公开了一种离合器组件，所述离合器组件包括：第一圈和第二圈；活塞，被构造成轴向滑动，以使所述第一圈和第二圈正向接合，而防止沿着一个方向的相对旋转；单向离合器，被构造成防止沿着相反方向的相对旋转。正向接合可在被固定到第一圈的爪齿和被固定到活塞的爪齿之间发生，活塞被保持相对于第二圈不能旋转。爪式离合器的爪齿可具有倾斜面，所述倾斜面被布置成沿着与单向离合器相同的方向传递扭矩，从而这样的扭矩趋于迫使活塞朝向分离位置运动。在一些实施例中，第一圈和第二圈中的一个可保持不旋转。在其他实施例中，第一圈和第二圈两者均可被支撑成围绕同一轴旋转。

所述离合器组件还包括：多个第一齿，固定到第一圈；多个第二齿，固定到活塞，从而当活塞处于第一位置时所述多个第一齿和所述多个第二齿轴向分离，并且当活塞处于第二位置时所述多个第一齿和所述多个第二齿互相啮合。

活塞被构造成除了第二位置之外还滑动至第三轴向位置，所述多个第一齿以一个压力角与所述多个第二齿接合，其中，所述压力角的正切大于齿之间的摩擦系数。

第二圈被构造成持续地保持不旋转。

第一圈和第二圈均围绕同一轴旋转。

公开了一种用于操作具有爪式离合器和单向离合器的变速器的方法。变速器在第一前进档下操作，而单向离合器传递扭矩。在这种情况下，爪式离合器接合，从而变速器可在倒车档下操作，而爪式离合器传递扭矩。还是在这种情况下，爪式离合器可分离，从而变速器可换档至第二前进档。

公开了一种用于操作具有爪式离合器和单向离合器的变速器的方法，所述方法包括：当在第一前进档下操作而单向离合器阻止第一圈和第二圈之间的相对旋转时，接合爪式离合器；使变速器在倒车档下操作，而爪式离合器阻止第一圈和第二圈之间的相对旋转。

所述方法还包括：当在第一前进档下操作而单向离合器阻止第一圈和第二圈之间的相对旋转时，使爪式离合器分离；从第一前进档换档至第二前进档，从而单向离合器在第二前进档位下超速旋转（overrun）。

附图说明

图1是变速器传动装置布置的示意图；

图2是离合器组件的剖视图；

图3是适于在图2的离合器组件中使用的单向离合器的端视图；

图4是适于在图2的离合器组件中使用的处于分离状况的爪式离合器的俯视图；

图5是适于在图2的离合器组件中使用的处于部分接合状况的爪式离合器的俯视图；

图6是适于在图2的离合器组件中使用的处于完全接合状况的爪式离合器的俯视图；

图7是适于在图2的离合器组件中使用的处于分离状况的可选的爪式离合器的实施例的俯视图。

具体实施方式

根据要求，在此公开本发明的具体实施例；然而，将理解，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种形式和可选的形式实施。附图不一定按照比例绘制；可能会夸大或最小化一些特征，以示出具体部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能性细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域的技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。

在图1中示意性地示出了变速器18。三个行星齿轮组20、22和24均具有太阳齿轮、环形齿轮、行星架以及被支撑在行星架上并与太阳齿轮和环形齿轮啮合的一组行星齿轮。齿轮组22的太阳齿轮固定到输入轴26。齿轮组20的环形齿轮和齿轮组24的行星架彼此固定并且还都固定到输出轴28。齿轮组20的行星架固定到齿轮组22的环形齿轮，且齿轮组22的行星架固定到齿轮组24的环形齿轮。

离合器和制动器的集合选择性地将多个齿轮元件结合到输入轴26或变速器壳体30。制动器34选择性地将齿轮组24的太阳齿轮结合到变速器壳体30。制动器36选择性地将齿轮组20的太阳齿轮结合到变速器壳体30。离合器38选择性地将齿轮组20的太阳齿轮结合到输入轴26。离合器40选择性地将齿轮组20的行星架与齿轮组22的环形齿轮的组合结合到输入轴26。制动器34和36以及离合器38和40可以是多片式摩擦离合器，所述多片式摩擦离合器的结合到一个元件的摩擦片与结合到相对元件的分离片相交错。离合器通过控制器而主动接合，其中，控制器使增压流体供应到用于将交错的片压在一起的液压活塞。当释放液压压力时，回位弹簧迫使活塞返回，并且选择性地结合的元件相对于彼此自由旋转。然而，交错的片彼此仍然足够地靠近而施加一定的摩擦力，结果产生寄生阻力。寄生阻力的大小取决于摩擦片的尺寸和数量。所需要的摩擦片的尺寸和数量取决于当离合器接合时通过离合器所必须传递的扭矩。因此，当接合时必须传递较大扭矩的离合器在其分离时可能会产生更大的寄生阻力。

爪式离合器42选择性地将齿轮组20的行星架和齿轮组22的环形齿轮结合到变速器壳体30。爪式离合器并不依赖于摩擦。替代的是，爪式离合器依赖于元件的正向接合（positive engagement）来限制相对旋转。爪式离合器具有两组爪齿，一组爪齿结合到每个选择性地结合的元件。当爪式离合器分离时，齿轴向分离，从而它们便不会阻止元件的相对旋转。当爪式离合器接合时，齿互相啮合，从而能限制相对旋转（尽管可能会存在轻微的撞击）。一组爪齿可安装在活塞上，其中，该活塞被限制为相对于元件中的一个元件不旋转但是允许进行轴向滑动。可由控制器通过供应增压流体来调节轴向位置。在一些实施例中，当卸掉流体压力时，回位弹簧可迫使活塞沿着相反方向运动。对于给定的扭矩容量，与摩擦式离合器相比，爪式离合器在分离时通常会产生小得多的寄生阻力。然而，爪式离合器具有某些限制。如果爪齿未相对于彼此适当地对准，那么在可以接合之前必然会存在一定的相对旋转。在某些应用中，这可通过成形爪齿点从而使爪齿轴向运动以接合而迫使爪齿进行旋转以对准来实现。此外，当爪式离合器传递扭矩时，爪齿之间的接触力会产生阻止活塞滑动运动的摩擦力。因此，在爪式离合器传递扭矩的同时可能不能试图使爪式离合器分离。

单向离合器44被动地限制齿轮组20的行星架和齿轮组22的环形齿轮反向旋转，但是允许正向旋转（超速旋转）。多种不同的单向离合器的设计是公知的。某些单向离合器的设计可在单向离合器施加停止旋转的扭矩之前允许一定的撞击、反向轻微旋转。相对于摩擦式离合器而言，使用单向离合器可提供多个优点，包括：当分离时阻力低以及通过消除在换档期间主动控制的需要来提高换档质量。

如表1中所示，变速器18的离合器和制动器中的两个相组合地接合，以在输入轴26和输出轴28之间建立多个转速比。在第一档下，扭矩可通过爪式离合器42或单向离合器44传递。然而，在换档至第二档能够完成之前爪式离合器42必须分离。如上所讨论的，当爪式离合器传递扭矩时可能不能试图使爪式离合器分离。因此，需要确保用于爪式离合器42的活塞能够在第一档下从接合位置滑动至分离位置。爪式离合器42在从第一档换档至倒车档之前必须接合，这是因为单向离合器44针对倒车的情况不能沿着正确的方向传递扭矩。如上所讨论的，在爪式离合器从分离位置滑动至接合位置时，可能会需要一定的相对旋转。因此，需要确保单向离合器将不会妨碍任何必要的旋转。

表1

	34	36	38	40	42/44
						倒车档			X		X
第一档	X				X
						第二档	X	X
第三档	X		X
						第四档	X			X
第五档			X	X
						第六档		X		X

图2示出了根据一个示例性实施例的爪式离合器42和单向离合器44的剖视图。活塞50相对于变速器壳体30轴向滑动但是活塞50的旋转却受到花键52限制。密封件54和56产生空腔58，从而增压流体迫使活塞向左滑动。当释放压力时，回位弹簧60迫使活塞向右滑动。可选地或另外地，第二空腔可形成在变速器壳体30中，从而来自第二源的增压流体主动迫使活塞向右滑动。在图2中，示出了处于分离位置的活塞。壳62固定到齿轮组20的行星架和齿轮组22的环形齿轮。一组爪齿64固定到壳62。另一组爪齿66固定到活塞，从而当活塞50向左滑动至接合位置时两组爪齿被压在一起。单向离合器内圈68固定到壳62，而单向离合器外圈70固定到变速器壳体30。一组摇杆72被支撑在内圈68中，从而该组摇杆72与外圈70中的槽接合，以阻止沿着一个方向的旋转同时允许沿着相反方向的旋转。

图3示出了处于接合位置的单向离合器44的示例性实施例的端视图。弹簧74将摇杆72卡在外圈70的槽中。在该位置，摇杆72阻止内圈68沿着负向（逆时针）旋转。然而，当内圈68沿着正向（顺时针）旋转时，槽的形状迫使摇杆在内圈68内摇动而允许旋转。一旦沿着正向旋转，如果内圈停止并反转方向，那么内圈将仅沿着负向旋转足够远使得摇杆被卡在下一个槽中。当受到沿着负方向的扭矩时，内圈将在有限个可预测的旋转位置中的一个旋转位置处停止。

图4示出了当爪式离合器分离且单向离合器接合时爪式离合器的爪齿的俯视图。由于轴向分离，使得爪齿将不会阻止沿着任何方向的相对旋转。爪齿的周向位置可被设计成使得当两个圈（内圈68和外圈70）处于单向离合器能够传递扭矩的任何旋转位置时爪齿64的齿顶将不会与爪齿66的齿顶对准。因此，活塞可在爪齿之间没有任何接触的情况下滑动至图5中示出的部分接合位置。如果当活塞处于这种部分接合位置时施加在壳62上的扭矩反转方向，则爪齿64的平坦侧将会与爪齿66的平坦侧接触，并将被限制进行进一步的旋转。这样的扭矩反转可能会发生，（例如）这是因为变速器从前进档换档至倒车档或者这是因为车辆滑行并利用发动机压缩（发动机制动）来减速。

当活塞处于图5中示出的部分接合位置时，空腔58中的液压压力将会将扭矩从单向离合器传递至爪式离合器。由于爪齿66的倾斜侧压到爪齿64的倾斜侧，所以施加在爪齿64上的力的周向分力减小了施加在摇杆72上的力。一旦施加在摇杆上的力减小至零，那么任何额外的力都将会导致壳62随着爪齿66的倾斜侧沿着爪齿64的倾斜侧滑动至图6中示出的完全接合位置而旋转。当处于部分接合位置时，施加在壳62上的扭矩的任何反转都会导致爪齿的平坦侧进行接触并限制进一步的旋转。然而，与图5中的状况不同的是，在爪式离合器限制旋转之前，壳62不会旋转通过撞击区域。

为了在变速器于第一档下传递正扭矩的同时使爪式离合器42分离，液压压力被卸掉，且回位弹簧60迫使活塞返回轴向分离位置。在完全接合位置和部分接合位置之间，爪式离合器可通过爪齿的倾斜侧之间的力来传递扭矩。该力的轴向分力用于协助回位弹簧迫使活塞朝向分离位置运动。爪齿之间的摩擦阻止运动。分离力和摩擦力之间的关系取决于压力角的正切和摩擦系数。如果该压力角相对于摩擦系数而言足够陡峭，那么法向力的轴向分力将会大于摩擦力。在部分接合位置和分离位置之间，单向离合器传递所有的扭矩，并且在爪齿之间不存在接触而阻止了活塞的轴向运动。

图7示出了当单向离合器传递扭矩时不依赖单向离合器来使内圈保持在有限个旋转位置中的一个旋转位置的可选实施例。出于说明性目的，在图的右部示出了活塞50和壳体30之间由花键连接52所施加的关系（尽管花键实际上可能会与爪齿径向偏离）。花键52被设计成允许活塞50和壳体30之间的一定的相对旋转。当爪齿分离时，偏置弹簧76迫使活塞运动至该花键撞击区域的一个末端。如果在活塞滑动至接合位置时对于爪齿66而言需要一定的相对旋转以与爪齿64啮合，则偏置弹簧压缩，以允许必要的旋转。

虽然在上面描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了本发明的所有可能的形式。相反，在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种改变。另外，实施的各个实施例的特征可结合，以形成本发明的进一步的实施例。

Claims (10)

1.一种变速器，包括：

行星齿轮元件，被构造成围绕轴旋转，

活塞，被构造成在第一位置和第二位置之间沿着轴滑动，从而当所述活塞处于第二位置时所述活塞正向接合行星齿轮元件，以大体上防止行星齿轮元件沿着第一方向旋转；

单向离合器，被构造成在不阻止活塞的滑动运动的情况下大体上防止行星齿轮元件沿着第二方向旋转。

2.根据权利要求1所述的变速器，所述变速器还包括缸，所述缸与活塞接合，从而缸中的增压流体迫使活塞从第一位置运动至第二位置。

3.根据权利要求1所述的变速器，所述变速器还包括回位弹簧，所述回位弹簧被构造成迫使活塞从第二位置运动至第一位置。

4.根据权利要求1所述的变速器，所述变速器还包括：

多个第一齿，固定到行星齿轮元件；

多个第二齿，固定到活塞，从而当活塞处于第一位置时所述多个第一齿和所述多个第二齿轴向分离，并且当活塞处于第二位置时所述多个第一齿和所述多个第二齿互相啮合。

5.根据权利要求4所述的变速器，其中，活塞被构造成除了第二位置之外还滑动至第三位置，其中，所述多个第一齿以一个压力角与所述多个第二齿接合，其中，所述压力角的正切大于齿之间的摩擦系数。

6.根据权利要求4所述的变速器，其中，单向离合器被构造成在有限个旋转位置处阻止行星齿轮元件沿着第二方向的旋转，其中，所述多个第一齿和所述多个第二齿被布置成：当活塞处于第二位置时使得所述多个第一齿和所述多个第二齿在所述有限个旋转位置中的每个旋转位置处不接触。

7.根据权利要求4所述的变速器，所述变速器还包括偏置弹簧，所述偏置弹簧被构造成将活塞旋转地布置在壳体内。

8.一种离合器组件，包括：

活塞，被构造成在第一位置和第二位置之间轴向滑动，从而在处于第二位置时第一圈与第二圈正向接合，以大体上防止第一圈和第二圈之间沿着第一方向的相对旋转；

单向离合器，被构造成在不阻止活塞的滑动运动的情况下大体上防止第一圈和第二圈之间沿着第二方向的相对旋转。

9.根据权利要求8所述的离合器组件，所述离合器组件还包括缸，所述缸与活塞接合，从而缸中的增压流体迫使活塞从第一位置运动至第二位置。

10.根据权利要求9所述的离合器组件，所述离合器组件还包括回位弹簧，所述回位弹簧被构造成迫使活塞从第二位置运动至第一位置。

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