CN1058560C - 同步器机构 - Google Patents

Abstract

一种复合变速器，有主副变速部，有若干销型双作用自加力同步机构。该若干同步机构的构形可为较高的减速齿轮提供大于给低减速齿轮的自加力并为降级换档提供大于给升级换档的自加力。自加力由在轴28的外花键齿29及从换档法兰110的内花键上形成的改良自加力坡面提供。换档法兰上带有改良的预加力器和由牙嵌离合器元件端面保持其轴向位置的零位定中组合件。

Description

同步器机构

本申请案有关于美国专利申请，其顺序号为632,880；632,881；632,882；632,883；632,884；633,703；633,704；633,738；633,739；633,744。这些申请的申请日期为1990年12月24日，这些申请全部已转让给本申请的受让人，在本申请中引述了这些申请，以作参考。

本发明与变速器自加力同步器机构有关。本发明具体涉及用于对多档变速器的多个速档基本平衡其换档时间及施力的机构。

在多档变速器领域中，可用同步器机构缩短全部或一部分传动比的换档时间已属常见。也属常见的是用自加力型同步器机构，来节省车辆操纵者所需的换档力，即在换档杆上的施力。由于操纵者的换档力，一般需随车辆的大小增加，故自加力型同步器机构，对重型载重汽车尤其重要。这种机构的现有技术实例可参看美国专利第2,410,511；2,896,760；3,548,983；4,413,715；4,836,348及4,869,353号等。本文引述这些专利以作参考。

上述各专利的同步器机构，包括摩擦件及牙嵌件。它们用于将一个齿轮与一根轴分别进行同步化和强制接合；还有同步环，它响应一个预加力执行摩擦件的初步接合而接合，而摩擦件的初步接合是响应牙嵌件之一在换档力作用下所作初步接合运动而实现的。同步环的运作防止牙嵌件的不同步接合并将换档力传递给摩擦件以增大其同步扭矩；以及有自加力斜面，它随同步扭矩反应为换档力提供同方向和附加的力，以进一步增大摩擦件的同步扭矩。

这些专利的同步器机构的结构，与本申请的插销式同步器机构有很大的差异。至少一部分由于这种结构差异，难以使插销式同步器机构具有上述的自加力特点。

以外，虽然这些专利的同步器机构可能大大减少换档时间和换档力，但是它们没有考虑到在全部变速范围中有不同的换档要求；也就是：一般低速档要求比高速档用更多的换档力和/或换档时间，并且降级换档一般比升级换档用较多的换档力和/或换档时间。

本发明的一个目的是提供一种自加力同步器，以便于在多档变速器中平衡换档时间和换档力。

根据本发明的一个特点，正如美国专利4,462,489号所揭示，本案予以引述以作参考，本发明的同步器机构包括：

第一摩擦装置和第一牙嵌装置，它们响应用于将径向延伸的法兰移向第一齿轮并且轴向朝着第一齿轮的换档力而分别与固定到第一齿轮的摩擦装置和牙嵌装置接合以便分别使第一齿轮与轴同步并使第一齿轮强制连接到轴上，第一牙嵌装置有轴向延伸的花键齿，该花键齿连续地配合在一对固定到轴上共同相对并轴向延伸的外花健齿齿侧面之间的空间内，配合的花健齿防止相对转动而允许相对滑动；

接合时第一及第二同步环装置动作，以阻止牙嵌装置在同步前接合，第一同步环装置由若干在圆周上间距布置的销形成，销形装置从第一摩擦装置上轴向刚性伸出并插入法兰的孔中，第二同步环装置围绕孔形成；

预加力装置，用于响应法兰在换档力作用下自零位朝第一齿轮所作的初步轴向移动而以接合力使摩擦装置接合，并进而响应产生经销传递到法兰的初步同步扭矩的摩擦装置的接合而接合同步环装置，以及将换档力通过同步环装置传递给第一摩擦装置以增大摩擦装置的接合力；

其特征在于，

与法兰连接的装置，使法兰可相对于第一牙嵌装置及轴作周向活动；

在至少外花键齿之间的一个空间上，有一个自加力第一坡面，该坡面至少在一对齿侧面的其中之一上形成，第一坡面相对于与轴的轴线及齿侧表面垂直的平面形成一个小于90°的角；

反作用装置从法兰径向内伸，进入一个空间，反作用装置有一个自加力第二坡面，该坡面基本与第一坡面平行并且响应一个方向的同步扭力而与第一坡面接合以便沿换档力的方向，在法兰上产生轴向增力，从而增大摩擦装置的接合力。

本发明的同步器机构如附图所示，附图如下：

图1是有量程型辅助部的复合变速器的示意图；

图2为沿图3中2-2线的双作用同步器机构的剖视图；

图3为沿图2中3-3线的该机构的局部剖视图；

图4为沿图2中4-4线的该机构一部分的剖图；

图5为图2及3中一个元件的透视图；

图6及6A表示图2及3中销件及柱塞元件的细节图；

图7为图1中带有牙嵌离合器的机构的局部视图，其牙嵌离合器处于接合状态；

图8及9为沿图2中8-8线的该机构有齿部分的剖视图；

图10为作用在同步器的换档法兰的轴向力及扭力的曲线图；

图11为沿图12中11-11线的另一双作用自加力同步器机构的剖视图；

图12为沿图11中12-12线的该机构的局部剖视图；

图13为沿图12中13-13线的剖视图；

图14A、14B及14C为图1及2中柱塞元件的细节图。

术语“复合式变速器”用于表示一种变速器或换档变速器，它有一个主变速部和一个辅助变速部。它们互相串联，从而主变速部中的选定的齿轮减速可通过在辅助变速部中进一步选定的齿轮减速予以复合。术语“升级换档”，在本文中指从低速档传动比向高速档传动比换档。术语“降级换档”在本文中指从高速传动比向低速传动比换档。术语“低速档”或“低档”，在本文中指的是在传动中以相对低的前进速度运转所使用的速比，即与输入轴的速度相比，一组齿轮具有较高减速比的输出轴速度。“同步离合器机构”指的是一种离合器机构。它用一刚性离合器，将选定速比的齿轮与轴作不旋转耦合。在强制离合器的元件，通过一个与刚性离合器关连的同步摩擦离合器大体作同步旋转之前，可防止刚性离合器的啮合。术语“自加力”指的是具有斜坡或凸轮等的同步离合器机构可随摩擦离合器同步扭矩的增大按比例地增大同步离合器的接合力。

现参看图1，概示复合式变速器12，其中有一个主传动系部14，与量程型辅助传动部15串联。两者都属常见并同为双中间轴的类型。应理解变速器12也可仅有主传动系部14，或为其他类型的复合式变速器，其辅助变速部为分离型，或分离/量程型。这种变速器在美国专利第4,788,889号中有揭示，本文引述以便参考。

一般，变速器12放在壳体H中，它有一个输入轴16，由诸如柴油机E等的发动机通过可按可选择地分离的常合的摩擦主离合器C驱动，主离合器C有一输入部或驱动部18与发动机曲轴20作驱动连接，还有一个与变速器输入轴16可转动地固定的随动部22。

在变速器12中，输入轴上安装一个输入齿轮24，用于同时驱动若干转速基本相同的中间轴组合件26、26A。在变速器12中，图示的两个中间轴组合件26、26A设在主轴28的直径的相对两侧，主轴28一般与输入轴16同轴线对正。每一个中间轴组合件26、26A有中间轴30以其相对的两端支承在壳体H中的轴承32、34上。图中仅概示壳体H的一部分。每一中间轴30设置有相同的中间轴齿轮38、40、42、44、46及48的组合。它们与轴固定并相随旋转。若干驱动齿轮或主轴齿轮50、52、54、56及58围绕主轴28并可通过自加力同步器离合器机构60、62及离合器套环机构64的滑动，按选择每次一个地与主轴28接合并随之旋转。离合器机构60可向左移动将输入齿轮24与主轴28啮合，从而在输入轴16与主轴28之间形成直接的传动关系。

最好每一主轴齿轮围绕主轴28与相关的中间轴齿轮组持续啮合并由其浮动支持。这种主轴齿轮安装法以及其特殊优点在美国专利第3,105,395及3,335,615号中有较详细的解说，其公开的内容在本文中引用，以作参考。如已知的现有技术那样，一般，用与换档壳组合件(未示出)相联的换档拨叉(未示出)将离合器机构60、62及64在轴向上定位。离合器套环64属已知的非同步双作用牙嵌离合器类型。

应当理解，虽然图示中的本发明与常见的双中间轴、浮动主轴和浮动主轴齿轮类型的变速器相联系，但本发明同样可应用于单中间轴类型变速器。并且，虽然本发明结合于并有利用于手控的变速器，但本发明也同样可应用于美国专利第4,361,060及4,427,447号揭示的半自动或全自动的机动变速器。

主轴齿轮58为倒档齿轮，通过传统的中间惰轮(未示出)与中间轴齿轮48常啮合。还应看到虽然主传动部14设有五个可供选择的前进档，但最低档，例如主轴齿轮56与主轴28作传动连接所提供的速档，常有高减速比，被视为低速档或爬行速档，仅用于繁重条件下车辆的起动。假如将主变速部14与辅助变速部结合，如本发明中之辅助变速部15，就不一定将低速档复合。因此，本发明的变速器12提供九个前进速比。

辅助变速部15有两个基本相同的辅助中间轴组合件66、66A，它们各有一个辅助中间轴68，其相对两端用轴承70、72支承在壳体H中，承载两个辅助部中间轴齿轮74、76，固定在上面随之转动。辅助中间轴齿轮74支承围绕主轴28的量程齿轮78，并与之常啮合。辅助中间齿轮76支承量程/输出齿轮80，并与之常啮合，量程/输出齿轮围绕输出轴82并固定于其上且随之旋转。

一个滑动双作用自加力同步离合器机构84固定在主轴28上作旋转，并用于按选择将量程齿轮78或输出齿轮80与主轴28耦合。离合器机构84利用双作用自加力同步器离合器机构60、62和前述同时待批准申请07/633,739号的单向同步器离合器机构的许多原理。

通过将量程离合器机构84向左方移位，使量程齿轮78与主轴29耦合，然后将主变速部通过其五个前进档56、54、52、50、24，使变速器12依次通过九个前进档中的前五个作升级换档变速。通过其他四个前进速比的依次换档，是将量程离合器机构84向右移位，将主轴28直接与输出齿轮80或输出轴82耦合，然后将主变速部通过四个前进档54、52、50、24，将主变速部换档。降级换档只是升级换档的逆运转。

在其余的详细说明中，与图1中简示的直接对应的组件及元件，使用相同的标图号标示。

现在主要参看图2及3，图中详示齿轮及同步器组合件86，它包括有轴28安装成绕中心线28a旋转，有轴向间距的齿轮52、54，可转动地被支持在该轴上并用环形止推件88、90固定以防止其作相对该轴的轴向移动，还有双作用同步器离合器机构62。止推件88、90放在轴的花键齿29的环形槽28b、28c中以保持其轴向位置并用放在两齿29之间的止动销92(图3)防止其相对于轴的旋转。

同步器机构62有环形摩擦部94、96和与齿轮52、54一体形成的牙嵌离合器部98、100。牙嵌离合器102、104有内花键齿106、108与在轴28上一体形成的或用其他方法固定于其上的外花健齿29作滑动接合，一个在径向上延伸的换档法兰110有在轴向上相对的侧面110a、110b夹在牙嵌离合器102、104的在轴向相对的两表面102a、104a之间，有三个H形止动件112(图5中示出其中之一的透视图)将法兰及牙嵌件固定以防止其相对轴向移动，用三个从每一摩擦件上轴向伸出并通过该法兰上的孔110c的在圆周上间隔的销118将环形摩擦件或环114、116牢固地固定在一起，有三个预加力器和空档对中组合件120，它们每个具有弹簧122和随销子限定的表面反应的柱塞124。或者，也可以用单向作用销类型的同步器机构62，即其构成为仅使一个齿轮与轴同步并作牙嵌咬合；这种机构在美国专利3,221,851号中有揭示，本文引述于此作参考。止动件112，销118及组合件120的数目也可多于或少于这里所公开的数量。

显而易见，摩擦件94、114及96、116配对形成摩擦离合器在牙嵌离合器接合前使齿轮与轴同步。虽然以锥形离合器为理想，但也可用其他型式的摩擦离合器。可用已知的若干方法中的任何一种将摩擦件94、96与相关的齿轮固定。摩擦件94、96有锥形内摩擦表面94a、96a分别与锥形外摩擦表面114a、116a配合。摩擦件94、96与114、116亦分别称为同步杯和环。

锥角的范围可以很广；这里使用了7.5°的锥角。摩擦表面114a、116a和/或94、96a可用已知的若干摩擦材料的任何一种做成并固定在基础件上；这里最好使用热解碳摩擦材料，如美国专利4,700,823；4,844,218号所揭示。这些专利引述于此以作参考。

销118在图6中较详细地表示出来。每一销有大直径部118a、其直径略小于法兰孔110c的直径，一个缩径部或槽部118b间隔地置于摩擦环114、116之间(此处为在中点上)，锥形同步环肩台或表面118c、118d从销的轴线径向向外延伸并以一角度互相轴向地相互分离，该角度相对于销轴线的垂直线成40°。最好但并非必须，销118还有独立的预加力表面118e、119f和延伸的辅助定中表面118g、118h。有槽的部分当放入相应的法兰的孔中时，允许刚性摩擦环及销组合件相对于法兰作有限的旋转，使销的同步环肩台与围绕法兰孔形成的倒棱同步环肩台110d、110e接合。预加力表面118e、118f在弦上与锥形同步环的肩台118c、118d相交，或将肩台118c、118d切去一部分，该表面118e、118f最好(但非必须)为平表面并与销的轴线形成一个略小于同步环表面的角度。定中表面118g、118h也是平表面，从图容易看到，相对于销的轴线形成的角度比同步环及预加力器的表面的角度小很多。如本文所揭示，平表面的弦与销的轴线及轴的轴线的同心圆相切。副定中表面给出的轴向力应能在移动法兰的换档机构没有完成定位的情况下足以将法兰110退回零位。

放在法兰的槽110f中的螺旋压缩弹簧122将柱塞124径向向外压向销的预加力器及定中表面。槽的主要部分最好，但非必须，相对于轴的轴线在径向上延伸。该槽还轴向通过法兰的侧面110a、110b通入法兰的孔110c，使端部110g在其径向内部范围中以供由弹簧对其反应。弹簧的径向内的部分可用未示的装置夹持，这装置例如如是从槽端径向外伸的柱桩。柱塞124可用金属薄板材料制成，但最好用铸件或诸如钢这样的紧密材料，以便提供结构刚度和表面硬度。每一柱塞124有略呈U形的截面，一个封闭端限定一个头部，该头部有平的斜表面124a、124b与平预加力表面及相关的销118的定中表面配合。每一柱塞侧壁有表面124c、124d与槽110f的径向伸展的侧壁表面滑动配合，在圆周方向上夹持柱塞。柱塞侧壁还有表面124e、124f与牙嵌件102、104的径向延伸的轴向表面102a、104a滑动配合，以保持柱塞在轴向上的位置。

如前所述，牙嵌件102、104有内花键齿106、108与轴的外花健齿29滑动配合。外花健齿有渐开线齿侧表面29′平行于轴的轴线延伸，其与牙嵌件花键齿侧表面配合防止了两者间的相对旋转。H形件112每件有端部112a、112b与牙嵌件表面102b、104b相作用，还有中心部112c与各端部连接。中心部轴向紧密穿过牙嵌件的槽孔102c、104c并自由穿过孔110h，该孔110h有径延伸的止动表面110n、110m与中心部112c配合，以限制法兰相对于牙嵌件及轴的转动。原因在下文中说明。

从图2，3及7-9可清楚看见，轴的从图1及8中的法兰110的零位向两轴向上的外花键齿29的某些部分经修改提供一个或多个斜坡表面，它们与从法兰110径向向内伸入在轴的花键齿29之间轴向延伸的反应装置或内花键齿111形成的同数目的斜坡表面相配合。斜坡表面允许法兰相对于牙嵌件102、104及轴28作为限度的旋转，并对锥形离合器与轴之间的同步扭矩反应，增大轴向自加力，以增大加于法兰110上的换档力使锥形离合器初步接合的接合力从而增大锥形离合器所提供的同步扭矩。可设置斜坡表面，以增大一个或两个齿轮的同步力，并且/或者随升级或降级换档时产生的任一方向扭矩反应，增大同步力。较具体而言，在圆周上处在各H形止动件中心部112c之间的各花键齿29具有第一及第二有轴向间隔开的凹槽，它们限定环形槽，环形槽有柱形部29a所形成的第一端，轴向上相对的端部29b、29c和最小外径29d。最小外径29d大于花键29基部的直径并大于牙嵌离合器花键106、108的内径106a、108a。而且最小外径29d也小于内花键111的内径111e。柱形部29a为菱形，该菱形通过将各齿在两个轴向上切去一部分形成。切去部分的轴向及径向范围经选定，以利在柱形部29a上的加力坡面29e、29f、29g、29h、的加工，并尽量减小这种切除对齿的强度的影响。此外，花健齿29有足够的径向深度，以保证坡面有足够的面积从而尽量减小在其上作用的力所造成磨损。柱形部29a的轴向端29m、29n和花键齿29的轴向端29b、29c之间的切去部分或凹槽的轴向长度通过在花键齿上简单切削成的环形槽形成。切去部分的轴向长度足够插入刀具以形成坡面。坡面29e、29f分别作用于在法兰齿111的坡面111a、111b上以增大轴向力，以便随任一方向的扭矩反应增大或邦助于齿轮54的同步速率。坡面29g、29h分别作用在坡面111c、111d上，以响应任一方向的同步扭矩为齿轮52增大轴向力。可将坡面的角度变化为升级换档或降级换档时和高速比或低速比提供不同大小的轴向增力。同样地，假使不希望对一个或多个齿轮在一个方向上增大轴向力，可使坡面与花键齿平行，即不形成有效坡面。如下文所进一步解说，轴向增力的大小为摩擦离合器与自加力斜坡的平均半径比的函数。因此，对换档拨叉施加在换档法兰110上的给定换档力的增力的大小，可通过改变斜坡角度和/或平均半径比予以变化。

当法兰110处在图1及8中的零位时，销118的缩径部118b在轴向上与其相关的法兰孔110c对正，弹簧122的力将柱塞124的斜置预加力表面124a、124b在销118的预加力表面118e、118f上作用，使锥形离合器的摩擦表面间略有间隔并保持这间隔关系。预加力表面给出的轴向力最好足以抵销自加力坡面因锥形离合器表面间的机油的粘性剪切造成的在法兰上的任何轴向增力。当要求将任一齿轮与轴耦合时，可将一个图中未示的适当换挡机构，按已知的方法与法兰110的外周连接，将法兰沿轴28的轴线轴向地左移到与齿轮52耦合，或向右移动与齿轮54耦合，这种换档机构如美国专利第4,920,815号所揭示，本文引述于此，以作参考。该换档机构可由操作者通过连杆系统手动或由作动器有选择地移动，或者还可用自动触发换档机构的装置移动，这装置可控制换档机构施力的大小。换档机构手动时，施力与操作者在换档杆上的施力成正比。无论手动或自动，在法兰110上的施力为轴向力，在图10中用箭头F₀的长度表示。

操作者的换档力F₀将法兰110开始向右的初始轴向移动，由预加力表面118f、124b向销上传递，实现锥形表面116a与锥形表面96a的初步摩擦接合。锥形表面的初步接合力，必然是弹簧122的力和预加力表面角度的函数。初始摩擦接合(假设有不同步状态存在，暂时不考虑自加力坡面的影响)产生一个锥形离合器的初步接合力和同步扭矩T₀，它可保证法兰110与接合的摩擦环之间的有限相对转动，从而保证销的缩径部118b向法兰孔110c的适当侧的移动使销的同步环肩台118c与法兰的同步环肩台110d接合。当同步环肩台接合时，将操作者在法兰110上的全部换档力F₀通过同步环肩台传递到摩擦环116上，从而锥形离合器在操作者的全部换档力F₀的作用下接合，产生操作者的总同步扭矩T₀。操作者的同步扭矩T₀在图10中用箭头T_o表示。由于同步环肩台的放置相对于操作者换档力F_o的轴线倾斜，它们在非同步状态下产生一个反向力或反同步扭矩，它与锥形离合器的同步扭矩方向相反，但力量较小。当达到初步同步后，同步扭矩降低到反同步扭矩以下，从而同步环肩台将销移动达到与孔110c同心，使法兰持续轴向移动，并使牙嵌件104的外花键齿104d与牙嵌件100的内花键齿100a啮合，如图7所示。如在现有技术中所已知的和在图7中用标号标示的牙嵌件98的齿98a，齿的前部有前坡缘98b以便在初步接触时可减少齿的损坏，并有倒棱或楔形面98c将齿啮合对准。有这种前缘部的齿，在美国专利4,246,993号以及美国专利第3,265,173号中有较详细的叙述，在本文中加以引述，以作参考。上述美国专利提供了关于适当坡角的教导。楔形面可不对称以防止由于齿的前缘抵靠而延迟换档的完成。为便利换档在平顺而相对省力的情况下完成，齿最好在圆周方向上尽可能细小，从而尽可能减少齿的对正接合所需要的旋转度数。并且齿最好围绕尽可能大的直径设置。

在仍不考虑自加力坡面的影响下，可用下式(1)表示力F_o所提供的锥形离合器的扭矩：

     T_o＝F_o Rcμc/Sinα          (1)式中Rc＝锥形摩擦表面的平均半径，

μc＝锥形摩擦表面的摩擦系数，

α＝锥形摩擦表面的角度。

现在看自加力坡面的影响，具体参看图8及9，由于操作者施加的轴向换档力F_o，同步扭矩T_o必然通过销118传递到法兰110并且通过自加力坡面反作用到轴28。自加力坡面接合时，该坡面限制法兰相对于轴28和牙嵌件102、104的旋转并产生轴向分力或在法兰上作用的与换档力F_o同方向的轴向增力Fa，从而更加增大锥形离合器的接合力，这样产生了加到扭矩T_o上的附加同步扭矩Ta。图8表示换档法兰110处在相当于图2中的零位上时自加力坡面的位置和牙嵌件花键106、108相对于轴花键29的位置。图9表示当齿轮54由所接合的锥面96a、116a使齿轮54同步时斜坡与花键的位置。在法兰件坡面111d与轴坡面进行接合的方向上，接合的锥形面产生同步扭矩。因此，接合锥形离合器的轴向力的总和为F_o+Fa。而由锥形离合器产生的同步扭矩的总和为T_o+Ta，如图10图解表示。操作者的换档力F_o和同步扭矩T_o一定时，轴向增力的大小最好为接合的自加力坡面角的函数。这角度最好足以产生足够的增力Fa，其大小在随操作者施加的中度换档力反应时足以有效地增加同步扭矩并减短实现同步的时间。但是，这角度最好又小至足以产生可控的轴向增力Fa，即力Fa应能响应力F_o的增减而增减。假如坡角过大，则斜坡便成会产生自锁而不会产生自加力；因此，一旦锥形离合器执行初始接合，力Fa便不管力F_o如何，迅速并无控制地增大，乃至使锥形离合器趋向锁紧。自锁而不是自加力将会降低换档的质量或手感，并可能促使同步器元件的应力过大，而且还会造成锥形离合器表面过热和迅速磨损，甚至对操作者的换档杆动作造成超控。

计算自加力斜坡θ以及提供与操作者施力F_o正比增减的增力Fa所使用的主要变量为：锥形离合器角度α，锥形离合器摩擦系数μc，锥形离合器的平均半径率Rc和自加力斜坡的平均半径率Rr，坡面的摩擦系数μr，和自加力斜坡的压力角等。压力角可为零。此处斜坡的压力角为20°。

锥形离合器产生的总同步扭矩Tt为：

   Tt＝FtRcμc/Sinα          (2)式中   Tt＝T_o+T_a                  (3)且     Ft＝F_o+F_a                  (4)

未求导数的轴向增力Fa的计算式为：

式中斜坡角θ在与轴的轴线28a垂直的平面中测量得知，Ftan在斜坡上作用并且为扭矩Tt在Rr处的切向分力。在一个扭矩方向上的Tt及Ftan，在图3中分别用相似的箭头标示。因此，    Ftan＝Tt/Rr                     (6)将式(5)及(6)代入式(4)，求Ft，得出：Ft/F_o的定义为加力比或自加力比。操作者施力F_o一定时，加力比愈大，则总同步力Tt愈大。加力比等于1时，斜坡角θ相当于90°；这角度与轴的花键平行，无自加力。当θ角减小时加力比增大。曾使用的加力比约为1至5。然而最好加力比大于1，而小于5。当式(7)中分母趋向于零时，Ft/F_o趋向于∝。这当然发生于式(7)中负数项趋近1之时。因此，在下列条件下，斜坡可自加力而不自锁：

在某一给定的同步器构形中，设定Rc，μ_c，Rr，α等于常数K，便可 $\frac{\mathrm{Rc}{\mathrm{\μ}}_c}{\mathrm{Rr}\sin \mathrm{\α}}=\frac{1}{K}---\left(9A\right)$ 将式(8)简化：或： $\frac{\mathrm{Rr}\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{Rc}{\mathrm{\μ}}_c}=K---\left(9B\right)$ 将任一式(9)代入式(8)，重组，并解坡角θ后，得式(10)。该式(10)可求得最小坡角θ。这种最小角度可产生自加力Fa。该力Fa与操作施力F_o成正比，这样可提供最大的可控加力比，而不自锁。必须注意θ是在与轴的轴线28a垂直的平面中测量得知，因此增大角θ的数值，便使力Fa与扭矩Ta的数值减小，必然也减小扭矩Tt的数值。因此，假设全部其他的变量不变，则当K增大时，必须减小角θ，以防自锁，并保持力Fa与F_o成正比。

更具体讲，为防自锁并保持Fa与F_o为正比，则在下列条件下应增大最小的θ角：

当平均半径比Rc/Rr增大时，且/或

锥角α减小时/且/或

离合器摩擦系数μ_c增大时，且/或

斜坡压力角增大时，且/或

斜坡摩擦系数μ_r增大时。

并且，计算所谓给定的几何构形的最小斜坡角度和最大理想加力比时，最好有一个安全系数，以防止制造公差及元件的正常磨损等造成自锁，或过大加力。

因为自加力同步器机构60基本与机构62相同，故不叙述。量程自加力同步器机构84，在自加力斜坡方面，采用基本相同的结构和功能但在用于对锥形离合器预加力以及阻止牙嵌离合器的不同步接合的柱塞和销的构形等方面有所不同。因此，对机构84的叙述限制于其预加力器及同步环的特点。

同步器机构84有环形摩擦件130、132和在齿轮78、80上固定的环形牙嵌离合器74a、76a，牙嵌离合器134、136有内花键齿条134a、136a。它们与在轴82上一体形成的，或用其他方法在轴上附加的外花键齿82a滑动配合。一个径向伸展的换档法兰138有轴向相向的面138a、138b夹在牙嵌件134、135的在轴向上相向的表面134b、136b之间，有三个H形止动件140将法兰与牙嵌件固定以抑制其相对的轴向移动，环形摩擦件或环142、144每个各有以三个为一组的在圆周上间距放置的销146、148轴向刚性伸出，通过在法兰圆周上间距布置的孔138c、138d，有三个弹簧组合件150它们各有一个弹簧152和两个柱塞154，该柱塞154在圆周上将销146、148向相反的方向偏压。

销146、148各有大直径部146a、148a，其直径略小于相关的法兰孔138c、138d的直径，并有缩径部146b、148b以及锥形同步环肩台或表面146c、148c从销的轴线向外径向伸展并在轴向上倾斜朝向相关的摩擦环，此处倾斜于销轴线的垂直线约40°。缩径部当放在其相应的法兰孔中时，使销及相关的摩擦环可相对于法兰作有限的旋转，实现销在孔中的不同心放置，使销的同步环的肩台与围绕法兰孔形成的同步环倒棱肩台138e、138f接合。

现较详细说明照销146、148及弹簧组合件150，主要参看图12及13，每一弹簧组合件150放在一个槽138g中，槽138g轴向通过法兰的在轴向上相对的端面138a、138b并具有相对端上开口通入法兰孔138c、138d。图14A、14B、14C详示的柱塞154可用金属薄板材料制成，但最好用铸件，或诸如钢这样的紧密材料制造，以提供结构刚度及表面硬度。各柱塞有一盲孔154a，它容纳相关弹簧152的一端；还有一个头部形成平的斜表面154b、154c，当相关的销的大直径部进入孔中时，斜表面154b、154c在同步环上滑过而完成换档。弹簧152最好为螺旋压缩型弹簧。孔的周围由侧壁154d、154e和侧壁154f、154g包围，侧壁154d、154e与槽壁滑动配合，侧壁154f、154g围抱法兰表面138a、138b滑动，或如本文，有导槽与槽平行伸展，以保持柱塞在导槽中作无阻滞的对准。侧壁154f、154g略呈圆形(图14B)。其直径小于法兰孔138c、138d，以便于组合件通过法兰孔进入槽内。参考图12，销14b被顺时针偏压达到在孔138c中的不同心位置。销148被逆时针偏压达到在孔138d中的不同心位置。作这种不同心定位后，假定齿轮78、80与轴28、82的旋转从图12的右方观看为逆时针方向，则一旦同步器机构因向左推动而作升级换档时，销的同步环肩台148c便达到与法兰同步环肩台138A接合的状态，将齿轮78直接连到轴82上。一旦同步器机构因向右推动而降级换档时，销的同步环肩台140c便达到与法兰同步环肩台138e接合的姿态，将齿轮78通过齿轮74、76和80连接到轴82上。

现考虑自加力同步器机构在多档变速器中的应用，如已知，使变速齿轮同步所需的时间随总同步扭矩的增大而减少。此外，由于反射惯力的差异，即作同步的元件的实际惯力加摩擦，使低档变速齿轮同步所需的功一般大于使高档变速齿轮同步的所需的功。另外，对给定速比齿轮降级换档时同步所需的功一般大于升级换档时所要求的功。此外，使给定速比齿轮同步所需的功随速比的变化量成比例增加。因此，由于量程齿轮78、80之间的速比差异基本上大于主变速部变速齿轮的速比差异，所以使量程齿轮78、80同步所需的功比使变速部变速齿轮同步所需的功大。因此，在多档变速器中使用本文揭示的同步器机构时，低速档的同步器机构最好配备较高的加力比，高速档的同步器机构最好配备较低的加力比。并且，在给定速比的齿轮中，降低换档的加力比最好大于升级换档的加力比。在对增力比作这样的安排后，在配置自加力同步器机构的变速器的全部变速档中，可达到基本相同的换档时间或同步时间。本文揭示的同步机构，通过将圆锥离合器α角，半径比Rc/Rr及自加力斜坡角θ变化，可很容易使加力比变化。

最好升级换档的加力比小于降级换档的加力比，主变速部的加力比随变速齿轮减速的减小而减小(即同步器机构60的加力比小于同步器机构62的加力比)。量程部同步器机构84的加力比大于变速部同步机构的加力比。仅作为举例，现设主变速部同步器机构的加力比可在大于1至小于4的范围内，量程部同步器机构的加力比可在大于3至小于5的范围内。

参看本文附图立刻可见，当任一牙嵌件102、104与相关齿轮的牙嵌件接合时，法兰110与轴28和任一个变速齿轮52、54之间的扭矩脱离。因此，相对小而易磨损的自加力斜坡决不能承受变速齿轮全扭矩载荷的损坏作用。这一点当将自加力斜坡径向内移时，特别重要，因为在斜坡上作用的力随着相对于轴的轴线28a的斜坡半径的减小而增大。

再者，由于半径有差异，故在牙嵌件花键106、108与轴花键29之间的作用力大于在牙嵌离合器齿间的作用力。因此，牙嵌件花键齿106、108与轴花键齿29之间的花键连接的轴向长度最好大于保持牙嵌离合器齿有适当强度之所需的长度。这较大的花键连接轴向长度是所公开的实施例的固有特点，而不需增长将法兰110移动的换档机构的行程，因为法兰110不在圆周上与牙嵌离合器102、104或轴28固定；因此牙嵌件花键106、108可持续与轴花键齿29嵌合。这一点在操作者通过手控换档杆，按已知的方式推动换档机构时特别重要。这杆的实例可参看本文引述以作参考的美国专利第3,850,047号。这杆一般属第一级杠杆类型。其中增长换档行程时，要求或者增大操作者的换档杆动作(通过改变杠杆的支点)，或者在给定操作者换档力下减小在换档机构上的施力。

自加力同步器机构的理想实施方案已揭示如上。本人认为在发明精神范围内，可对理想方案作许多变化和修改。下面的权利要求书包括经揭示的机构的具创造性部分以及属本发明精神范围的变化和修改。

Claims (17)

1.一种同步器机构(62)，它用于第一齿轮(54)，第一齿轮(54)靠止推装置(88、90)在轴(28)上固定并防止轴向运动，轴(28)具有轴线(28a)，该齿轮和轴围绕该轴线相互相对转动，上述同步器机构包括：

第一摩擦装置(116)和第一牙嵌装置(104)，它们响应用于将径向延伸的法兰(110)移向第一齿轮(54)并且轴向朝着第一齿轮(54)的换档力(F_o)而分别与固定到第一齿轮的摩擦装置(96)和牙嵌装置(100)接合以便分别使第一齿轮(54)与轴(28)同步并使第一齿轮(54)强制连接到轴(28)上，第一牙嵌装置(104)有轴向延伸的花键齿(108)，该花键齿(108)连续地配合在一对固定到轴上共同相对并轴向延伸的外花健齿齿侧面之间的空间内，配合的花健齿(108、29)防止相对转动而允许相对滑动；

接合时第一及第二同步环装置(118d、110e)动作，以阻止牙嵌装置(104、100)在同步前接合，第一同步环装置(118d)由若干在圆周上间距布置的销(118)形成，销从第一摩擦装置(116)上轴向刚性伸出并插入法兰(110)的孔(110c)中，第二同步环装置(110e)围绕孔(110c)形成；

预加力装置(120)，用于响应法兰(110)在换档力(F₀)作用下自零位朝第一齿轮(54)所作的初步轴向移动而以接合力使摩擦装置(116、96)接合，并进而响应产生经销(118)传递到法兰(110)的初步同步扭矩的摩擦装置(116、96)的接合而接合同步环装置(118d、110e)，以及将换档力(F₀)通过同步环装置(118d、110e)传递给第一摩擦装置(116)以增大摩擦装置(116、96)的接合力；

其特征在于，

与法兰(110)连接的装置(112)，使法兰(110)可相对于第一牙嵌装置(104)及轴(28)作周向活动；

在至少外花键齿(29)之间的一个空间上，有一个自加力第一坡面(29f)，该坡面(29f)至少在一对齿侧面(29′)的其中之一上形成，第一坡面(29f)相对于与轴的轴线(28a)及齿侧表面(29′)垂直的平面形成一个小于90°的角；

反作用装置(111)从法兰(110)径向内伸，进入一个空间，反作用装置(111)有一个自加力第二坡面(111b)，该坡面(111b)基本与第一坡面(29f)平行并且响应一个方向的同步扭力而与第一坡面(27f)接合以便沿换档力(F_o)的方向，在法兰(10)上产生轴向增力，从而增大摩擦装置(116、96)的接合力。

2.如权利要求1之同步器机构，其特征在于，还包括

第二齿轮(52)，它与第一齿轮(54)有轴向固定间隔的关系，安装在轴(28)上，以便绕轴线(28a)旋转；

第二摩擦装置(114)和牙嵌装置(102)响应将法兰(110)向第二齿轮(52)移动的轴向朝着第二齿轮(52)的换档力，而分别与固定在第二齿轮(52)上的摩擦装置(94)和牙嵌装置(98)接合，以便分别使第二齿轮(52)与轴(28)同步并且将第二齿轮(52)强制连接到轴(28)，装置(112)将法兰(110)固定以防止其相对第二牙嵌装置98的轴向移动，第二牙嵌装置(98)有内花键(106)该花键在轴(28)的外花键(29)内持续啮合，以阻止相对旋转并允许在其间滑动；

第三及第四同步环装置(118c、110d)，接合时动作，阻止第二牙嵌装置(102)在同步前接合，第三同步环装置(118c)由若干在圆周上间距布置的销形装置(118)形成，销形装置从第二摩擦装置(114)上轴向伸出并插入法兰(110)的孔(110c)中，第四同步装置(110d)围绕它们延伸通过的孔(110c)被限定；

第二摩擦装置(114)，可响应法兰(110)在换档力(F₀)作用下自零位朝第二齿轮(52)所作的初步轴向移动而通过预加力装置(120)与摩擦装置(94)接合，并进而响应产生经从第二摩擦装置(114)伸出的销(118)传递到法兰(110)的初步同步扭矩的第二摩擦装置(114)的接合而接合第三和第四同步环装置(118c、110d)，以及将换档力(F₀)通过第三和第四同步环装置(118c、110d)传递给第二摩擦装置(114)以增大第二摩擦装置(114)的接合力；

另一个自加力第一坡面(29h)在一个齿侧面(29′)上形成，第一坡面(29h)相对于与轴的轴线(28a)垂直的平面形成小于90°的角；

另一自加力第二坡面(111c)，它由反作用装置(111)限定，该坡面(111c)基本与另一第一坡面(29h)平行并响应一个方向上的同步扭力而与该坡面(29h)接合，以便产生换档力(F_o)方向上的轴向增力并增加第二摩擦装置(114)的接合力。

3.如权利要求2之同步器机构，其特征在于，

第一齿轮(54)，提供比第二齿轮(52)小的速比；

与第一齿轮(54)相关的斜坡角度相对于平面的角度大于与第二齿轮(52)相关并相对于平面的斜坡角度。

4.如权利要求1之同步器机构，其特征在于，

第一牙嵌装置(104)的内花键齿(108)的径向内端(108a)形成其内直径；

有止动装置(110m、110n、112c)，它由与法兰(110)连接的装置(112)和法兰(110)所限定，用以限制法兰(110)相对于第一牙嵌装置(104)和轴(28)的周向运动；

轴花键齿(29)上的第一凹槽(29c、29n)形成一个环形槽，该凹槽的最小外直径(29d)大于活动牙嵌装置(104)的内花键齿(108)的内直径，在凹槽一端(29n)的若干齿侧面(29′)中各有第一自加力坡面(29f)；

法兰(110)的一个内径(111e)，它由若干反作用装置(111)径向内伸的程度所限定，反作用装置(111)容放在花键齿(29)间的空间中并在与第一坡面(29f)相邻的位置上，该内径(111e)大于花键齿凹槽(29c、29h)的最小外径(29d)，若干反作用装置(111)中的每一个包括有多个第二自加力坡面(111b)的其中之一，该第二自加力坡面响应自接合的有关第一齿轮(54)的摩擦装置(116、96)并在至少一个方向上的同步扭力而与相邻的第一斜坡面(29f)相接合以便沿换档力方向在法兰上产生轴向增力，从而增加第一摩擦装置的接合力。

5.如权利要求4之同步器机构，其特征在于，

与凹槽(29c、29n)一端(29n)上的齿条(29)中的若干的第一齿侧表面(29′)相对并在圆周上也相对的第二齿侧面(29′)，有第三自加力坡面(29e)，该坡面(29e)相对于与轴的轴线(28a)垂直的平面形成小于90°的角；

反作用装置(111)包括第四自加的坡面(111a)，该坡面(111a)响应自有关第一齿轮(54)的接合的摩擦装置(116、96)并沿相反方向上的同步扭力而与第三坡面(29e)相配接合，以便产生轴向增力并增加摩擦装置(116、96)的接合力。

6.如权利要求2或3之同步器机构，其特征在于，

第一及第二活动牙嵌件(104、102)内花键齿(108、106)的径向内部分(108a、106a)各限定其内直径；

有止动装置(110m、110n、112c)，它由与法兰(110)连接的装置(112)和法兰(110)所限定，用以限制法兰(110)相对于可轴向移动的牙嵌装置(104、102)的周向运动；

在花键齿(29)上的有轴向间距的第一及第二凹槽(29c、29n及29b、29m)，形成环形槽，而该环形槽由其间的花键齿(29)的柱形部(29a)分隔，凹槽的最小外径(29d)大于活动牙嵌装置(104、102)的内花键齿(108、106)的内径(108a、106a)，若干柱形部(29a)的齿侧面(29′)中的每一个都包括有二个第一坡面(29f、29h)的其中之一；

法兰(110)的一个内径(111e)，它由若干反作用装置(111)径向内伸的程度所限定，反作用装置(111)容纳在花键齿(29)之间的空间中并处在与第一坡面(29f)相邻的位置上，该内径(111e)大于花键齿凹槽(29c、29n、及29b、29m)的最小外径，每一反作用装置(111)各有一个第二及另一个第二坡面(111b、111c)的其中之一，而第三和第四自加力坡面响应自分别有关于第一和第二齿轮(54、52)并沿至少一个方向的同步扭力，它们分别与柱形部分(29a)的一个第一和另一个第一坡面(29f、29h)相接合，以便在换档力的方向上产生轴向增力并增加各摩擦装置的接合力。

7.如权利要求1或5之同步器机构，其特征在于，摩擦装置(116、96)与坡面(29f、111b)的平均半径比(Rc/Rr)在1至4的范围内，而坡面角度在相对平面的50°-80°的范围内。

8.如权利要求1之同步器机构，其特征在于，

一对齿侧面(29′)的另一齿侧面(29′)，其中有第三坡面(29e)，第三坡面(29e)从相对平面小于90°的角度形成。

反作用装置(111)有第四坡面(111a)，它基本与第三坡面(29e)平行并响应一相反方向的同步扭力与第三坡面接合，以便沿换档力(F_o)的方向上在法兰(110)上产生轴向增力(Fa)并增加摩擦装置(116、96)的接合力。

9.如权利要求8之同步器机构，其特征在于，在一个方向上由同步扭力所接合的第一和第二坡面(29f、111b)的坡面角度大于在相反方向上由同步扭力所接合的第三和第四坡面(29e、111a)的角度。

10.如权利要求8之同步机构，其特征在于，一个方向和其反向的同步扭力分别相应于向第一齿轮(54)进行的升级换档和降级换档，在一个方向上由同步扭力所接合的第一和第二坡面(29f、111b)的坡面角度大于在另一方向由同步扭矩所接合的第三和第四坡面(29e、111a)的坡面角度。

11.一种同步器机构，它用于轴向隔开的第一和第二齿轮(54、52)，第一和第二齿轮在轴(28)上安装固定以便转动并靠止推装置(88、90)防止轴向移动，轴(28)具有轴线(28a)，该齿轮和轴围绕轴线转动，上述同步器机构包括：

第一和第二齿轮摩擦装置(96、94)及第一和第二牙嵌装置(100、98)在各齿轮(54、52)上固定，摩擦装置(96、94)可和在轴向上有间距、并可轴向移动的第三及第四摩擦装置(116、114)接合，以便分别将第一及第二齿轮(54、52)与轴(28)同步，可和轴向移动的第三和第四牙嵌装置(104、102)接合的第一和第二牙嵌装置(100、98)有轴向延伸的内花键齿(108、106)，内花键齿在与轴(28)固定的外花键齿条(29)的共同相对的轴向延伸的两齿侧面(29)之间的空间中持续啮合，啮合的花键齿阻止它们之间的相对旋转但允许它们之间的滑动；

法兰(110)在第三及第四活动摩擦装置(116、114)之间径向伸展，以便响应施加到法兰(110)的沿轴向的双向换档力，将轴向移动的摩擦装置和牙嵌装置(116、114、104、102)轴向移动到上述接合位置，装置(112)将法兰(110)固定，以抑制其相对于可轴向移动的牙嵌装置(104，102)作轴向移动；

接合时同步环装置(118d、118c、110e、110d)动作以防止牙嵌装置(104、102)在同步前接合，同步环装置(118d、118c)有若干在圆周上间距布置的销(118)，销(118)从第三及第四活动摩擦装置(116、114)上轴向刚性地伸出并插入法兰(110)上的孔(110c)中，各销(118)有轴向间距的同步环肩台(118d、118c)，同步环肩台可分别同在法兰(110)的相对侧上形成并围绕相关孔(110c)的同步环肩台(110e、110d)接合；

预加力装置(120)，用于响应法兰(110)在换档力(F₀)作用下自零位朝齿轮(54、52)之一所作的初步轴向移动而以接合力使第三和第四可移动摩擦装置(116、114)中的任何一个接合，并进而响应产生经销(118)传递到法兰(110)的同步扭矩的摩擦装置(116、114)的接合而接合同步环装置(118d、118c、110e、110d)，以及将换档力(F₀)通过已结合的同步环装置传递给已结合的摩擦装置(116、114)以增大已结合的摩擦装置的接合力；

其特征在于，

将法兰(110)固定的装置(112)允许法兰(110)相对于可轴向移动的牙嵌装置(104、102)在周向上运动；

在外花键齿(29)之间的空间中的至少一个空间上，有第一坡面(29f)，该坡面(29f)至少在一对齿侧面(29′)的其中之一上形成，第一坡面(29f)相对于与轴的轴线(28a)及齿侧面(29′)垂直的平面形成小于90°的角；

反作用装置(111)从法兰(110)径向内伸并伸入一个空间，反作用装置(111)有第二坡面(111b)，该坡面(111b)与第一坡面(29f)基本平行并响应自接合的有关第一齿轮(54)的摩擦装置(116)并在一个方向上的同步扭力而与第一坡面(29f)接合，以便沿换档力的方向产生加在法兰(110)上的轴向增力并增大与第一齿轮(54)相关的摩擦装置(116)的接合力。

12.如权利要求11之同步器机构，其特征在于，

第一及第二活动牙嵌装置(104、102)内花键齿(108、106)的内部(108a、106a)确定一个内直径；

有止动装置(110m、110n、12c)，它由与法兰(110)连接的装置(112)和法兰(110)所限定，用以限制法兰(110)相对于可轴向移动的牙嵌装置(104、102)的周向移动；

花键齿条(29)上的有轴向间距的第一及第二凹槽(29c、29n及29b、29m)形成用花键齿(29)的柱形部(29a)分隔的环形槽，凹槽的最小外径(29d)大于活动牙嵌装置(104、102)的内花键齿的内径，若干柱形部(29a)的在圆周上共同相对的第一侧有该第一坡面(29f)及一个自加力第三坡面(29h)，第一和第二自加力坡面相对于与轴的轴线垂直的平面形成小于90°的角；

法兰(110)的一个内径(111e)，它由若干反作用装置(111)径向内伸的程度所限定，反作用装置(111)被容纳在花键齿(29)之间的空间中并处于与第一坡面(29f)相邻的位置上，若干反作用装置共同形成的内径(111e)大于花键齿凹槽的最小外径(29d)，反作用装置(111)有该第二坡面(111b)及一个自加力第四坡面(111c)，它们响应自分别有关第一、第三齿轮的已接合的摩擦装置并在至少一个方向上的同步扭力而分别与柱形部分(29a)的第一及第三坡面(29f、29h)啮合，以便沿换档力方向产生加在法兰(110)上的增力并增大相应摩擦装置的接合力。

13.如权利要求12之同步器机构，其特征在于，摩擦装置(116、114、96、94)与坡面(29f、29h、111c、111b)的平均半径比(Rc/Rr)在1至4的范围内，坡面角在相对于平面成50°至80°的范围内。

14.如权利要求11、12或13之同步器机构，其特征在于，

与该若干柱形部(29a)第一侧相对的圆周上的第二相对侧有自加力第五及第六坡面(29e、29g)，它们相对于与轴的轴线(28a)垂直的平面形成小于90°的角；

反作用装置(111)有自加力第七及第八自加力坡面(111a、111d)，它们响应自分别有关第一、第二齿轮(54、52)的接合的摩擦装置并沿相反方向的同步扭矩而与柱形部(29a)的第五及第六坡面(29e、29g)啮合，以便产生轴向增力并增大相应摩擦装置的接合力。

15.如权利要求14之同步器机构，其特征在于，由一个方向的同步扭矩所接合的坡面(29f、29h、111c、111b)的角度大于由该相反于这一个方向同步扭矩所接合的坡面(29e、29、111a、111d)的角度。

16.如权利要求15之同步器机构，其特征在于，一个方向和相反方向的同步扭矩分别相应于向第一及第二齿轮(54、52)的升级换档及降级换档，由沿一方向的同步扭矩所接合的坡面(29e、29g、111a、111d)的坡角大于沿另一方向的同步扭矩所接合的坡面(29f、29h、111c、111b)的坡角。

17.如权利要求11或12之同步器机构，其特征在于，

第一齿轮(54)提供比第二齿轮(52)低的速比；

与第一齿轮(54)相关的坡角，相对于平面，具有大于与第二齿轮(52)相关的坡角。

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