CN1062783A - 平衡多挡变速装置换挡时间及施力的自加力同步器 - Google Patents

Abstract

一种复合变速器，有主副变速部，具有若干销型 双作用自加力同步器机构。这若干同步器机构的构 形可为高挡减速齿轮比低挡减速齿轮提供较大的自 加力，并为降级换挡提供比升级换挡提供较大的自加 力。自加力由在轴的外花键齿和从换挡法兰径向内 伸的内花键齿形成的改良自加力坡面提供。换挡法 兰上有改良的预加力器，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

与本申请有关的美国专利申请案，其申请号为632，880;632，881;632，883;632，884;633，703;633，704;633，738;633，739;633，743，申请日期皆为12-24-90，全部让与本申请的受让人，引述于此以作参考。

本发明与变速装置的自加力同步器机构有关。本发明具体涉及用于多档变速装置将若干速档换时间及施力基本平衡的机构。

在多档变速领域中，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。又属常见的是用自加力型同步器机构，节省车辆操纵者需要的换档力，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而增加，故自加力型同步器机构对重型载重汽车尤其重要。这种机构的技艺的举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，这些专利引述于此以作参考。

上述各专利的同步器机构，包括摩擦件及牙嵌件，用于分别将一个齿轮与一根轴同步并强制咬合;预加力件随换档力将一个牙嵌件初步接合的动作反应，执行摩擦件的初步接合，同步环即随之反应而接合，同步环的运作防止牙嵌件的不同步接合，并将换档力向摩擦件传递，以增大其同步扭矩，自加力斜面随扭矩反应，在换档力方向上加力，进一步增高摩擦件的同步扭矩。

这些专利里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。

此外，虽然这些专利的同步器机构可能很大地减少换档时间和换档力，但是没有考虑到在整个变速范围中有不同的换档要求，这就是：低速比一般要比高速比用更多的换档力和/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，用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，一种换档变速装置，它具有：有若干前进速度的步进变速装置，可按选择每次和一个安装成可旋转的轴装置连接作升级换档和降级换档的变速。该变速装置包括第一、二、三、四依次增高的速比。还有与各速比相连系的同步装置，每一同步装置具有摩擦装置和牙嵌装置，分别用作随轴向朝向相关速比装置的换档力F_o将一个换档装置移向相关的速比装置，可接合地将相关的速比装置与轴装置摩擦地同步并然后强制性地接合在一起。每个摩擦装置具有一个相对于轴装置轴线的平均半径Rc，并且当升级换档和降级换档分别产生升级换档和降级换档扭矩时接合工作。同步环装置，当接合时工作，用于防止牙嵌装置在同步前接合。予加力装置，用于随换档力F_o将换档装置从空档位置移向相关的齿轮的初始轴向运动将摩擦装置接合，用于随摩擦装置的接合而产生的一个初始同步扭矩T_o将同步环装置接合，和用于将换档力F_o通过同步环装置传递给摩擦装置以增大摩擦装置的初始接合力。倾斜的自加力坡面装置，随至少降级换档同步扭矩而工作以产生换档力F_o的一个轴向增力F_a，以进一步将摩擦装置的接合力增大至一个总的接合力Ft。每个同步装置有一个等于Ft/F_o的换档加力比，其中Ft/F。至少是比率R_o/Rr和斜坡装置角度的函度。与速比装置相关的同步器机构具有一个大于1∶1而小于1∶5的共同降级换档加力比。与第一速比装置相关的同步装置的加速比大于或等于与第二速比装置相关的同步装置的加力比。与第三速比装置相关的同步装置的加力比小于与第一速比装置相关的同步装置的加力比而大于或等于与第四速比装置相关的同步装置的加比力。

本发明的同步机构如附图所示，内容如下：

图1  简示有量程型辅助变速部的复合变速器;

图2  为沿图3中线2-2观察的双作用同步器机构的剖视图;

图3  为沿图2中线3-3观察的机构的局部剖视图;

图4  为沿图2中线4-4观看的机构的一部分的剖视图;

图5  为图2及3中元件的透视图;

图6  及6A为图2及3中销元件及柱塞元件的细节图;

图7  为图2中机构的局部视图，其牙嵌式离合器处于啮合状态;

图8  及9为机构齿部沿图2中线8-8观察的剖视图;

图10为在同步器换档法兰上作用的轴向力及扭矩的图解;

图11为单向同步器机构沿图12中线11-11观看的剖视图;

图12为单向同步器沿图11中线12-12观察的局部剖视图;

图13为机构沿图12中线13-13观察的局部剖视图;

图14A，14B及14C为图1及2中柱塞元件的细节图;

图15为有组合分股/量程辅助变速部的复合式变速器的概视。

本文中术语“复合式变速器”用于标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，互相串联，而而主变速部中的选定减速可通过在辅助变速部中进一步选定减速予以复合。术语“升级换档”，在本文中是指从低速比向高速比换档。术语“降级换档”在本文中是指从高速比向低速比换档。术语“低速档”或“低档”，在本文中指的是在传动中的相对低的前进速度运转中使用的速比，即具有与输入轴的速度相比，输出轴的减速比较大的一组齿轮。“同步离合器机构”指的是用一强制离合器将选定的速比齿轮与轴作不旋转耦合的离合器机构，它防止刚性离合器试啮合直到强制离合器的元件通过一个与强制离合器相关的同步摩擦离合器进入基本同步旋转。术语“自加力”指的是这样一种同步离合器机构，它具有坡面或凸轮之类，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，图中简示了一个复合式变速器12，它包括有一个主传动系部14和一个与之串联的量程辅助传动部15。两部都属常见并为双中间轴的类型。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，其辅助变速部为分股型或分股/量程型。这种变速器在美国专利第4，788，889号中有揭示，本文引述于此以作参考。

典型地，变速器12放在壳体H中，有一个输入轴16，由诸如柴油机E等的发动机通过可按选择分离的常合摩擦主离器C驱动，主离合器C有输入部或驱动部18，与发动机曲轴20作驱动连接，还有一个与传动输入轴16可旋转地固定的随动部22。

在变速器12中，输入轴上安装了一个输入齿轮24，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其位置设在主轴28直径上相对两侧，而主轴28与输入轴16大致在同一轴线上。每一个中间轴组合件26，26A有中间轴30以其两端支承在壳体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，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，按选择逐次一个将齿轮与主轴28接合，随之旋转。离合器机构60可向左移，将输入齿轮24与主轴28咬合，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，故引述于此以作参考。典型地，用与换档壳组合件（未示出）相关的换档拨叉（未示出）将离合器机构60，62及64在轴向上定位，这在先有领域中常见。离合器套环64属于常见的非同步双作用牙嵌离合器类型。

应当理解，虽然在图示中的本发明与常见的双中间轴，浮动主轴、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，虽然对本发明的解说结合手动的，并有利于手控的变速器，但本发明出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）与中间轴齿轮48常啮合。还应看到虽主传动部14设有五个可选择的前进档，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。假如将主轴变速部14与辅助变速部结合，诸如本发明中之双速范围部15，就不一定将低速复合。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，固定在上面随之旋转。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。辅助中间轴齿轮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，在上面固定，随之旋转。

一个滑动双作用自加力同步器离合器机构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的许多原理，和1990年12月24日递交的前述同时待批准的美国申请其申请号为633，739号的单向同步器离合器机构的原理。

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28耦合，然后将主变速部通过其五个前进档56，54，52，50，24，便使变速器12依次通过九个前进档中的前五个作升级换档变速。通过其作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。

在以下的详细说明中，与图1中简示的直接对应的组件及元件，使用相同的标号标示。

现主要参看图2及3，图中详示齿轮及同步器组合件86，其中有轴28，安装作绕中心线28a的旋转，有轴向间距的齿轮52，54被支持在轴上可作旋转，并被固定以防止环形推力件88，90，与双作用同步器离合器机构62使之作与轴相对的轴向移动。将推力件88，90放在轴的齿条29的环形槽28b，28c中，抑制其轴向移动，并用放在两个齿29间的止动销92（图3）抑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上一体形成的外花键齿29，或用其他方法在其上固定的外花键齿作滑动的接合，一个在径向上伸展的换档法兰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中示其一的透视图）将法兰及牙嵌件固定防止其相对轴向移动，用三个从每一摩擦件上轴向伸出、通过法兰上的孔110c的在圆周上间隔放置的销118，将环形摩擦件或环114，116刚性固定在一起，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，本文引述以作参考。并且止动件112，销118及组合件120的数目，可多于或少于本文的揭示。

显而易见可将摩擦件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牙嵌离合器。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，分别称为同步杯和环。

可使用范围宽广的锥角;本文中使用的锥角为7.5°。摩擦表面114a，116a和/或94a，96a可用已知的若干摩擦材料的任何一种形成，在基础件上固定;本文中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。这些专利本文引述以作参考。

销118在图6中较详细绘示。每一销包括有大直径部118a，其直径略小于法兰孔110c的直径，一个缩径部或槽部118b，间距地在摩擦环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伸，在轴向上互相离开，其角度相对于销的轴线的重直线约为40°，最好但并非必须，还有分别的预加力表面118e，118f，和伸长的辅助定中表面118g，118h。有槽的部分当置于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，或将其切去一部分，最好（但非必须）为平表面，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，从图中容易看到，相对于销的轴线形成的角，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和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在径向上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径向伸展。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由弹簧对其反应。弹簧的径向内部可用未示的装置夹持，这装置如从槽端径向外伸的柱桩。柱塞124可用金属薄板材料制造，但最好用铸件或诸如钢等这样的密实材料，以提供结构刚度和表面硬度。每一柱塞124有略呈U形的截面，带有一个闭合端限定一个头部，它有平的斜表面124a，124b与平预加力器表面及相关的销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的径向伸展的轴向端面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与轴的外花键齿29滑动配合。外花键齿具有渐开线侧表面29′，它平行于轴的轴线伸展与牙嵌件花键齿的侧表面配合以防止两者的相对旋转。H形件112各有端部112a，112b，在牙嵌件表面102b，104b上反应，还有中心部112c与各端部连接。中心部轴向紧穿过牙嵌件的槽孔102c，104c，并自由穿过孔110h，该孔有径向伸展的止动表面110n，110m与中心部112c配合，限制法兰相对于牙嵌件及轴的转动，原因在下文中解说。

图2，3及7-9所示最清晰，轴的从图1扩8中的法兰110的零位向两轴向伸展的外花键齿的某些部分，经修改形成具有一个或多个斜坡表面，它们与从法兰110径向内伸进入轴的花键齿29之间的轴向伸展的空间的反应装置或内花键齿111形成的同数目的的斜坡表面配合。斜坡表面使法兰可相对于牙嵌件102，104和轴28作有限度的旋转，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提供的同步扭矩。可设置斜坡表面，增大一个或两个齿轮的同步力，并且，或者随升级换档时产生的任一方向的扭矩反应，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，具有第一及第二轴向间隔开的凹槽，它们限定环形槽，环形槽有柱形部29a形成的第一端，轴向相对的端部29b，29c和最小外径29d。最小外径29d大于花键29的基部的直径，并大于牙嵌离合器花键106，108的内径106a，108a。并且最小外径29d小于内花键111的内径111e。柱形部29a为菱形，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长度经选定，以利在柱形部29a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。还有，花键齿29设有足够的径向深度，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的磨损。柱形部29a的轴向端29m，29n和齿条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齿上的简单切削成的环槽形成。切去部分的轴向长度足够插入刃具形成坡面。坡面29e，29f分别在法兰齿111上的坡面111a，111b上反应以增高轴向力，以便随任一方向的扭矩反应增高或邦助齿轮54的同步速率。坡面29g，29h分别在法兰齿111上的坡面111c，111d上反应，随任一方向的同步扭矩反应，增大轴向力。可将坡面的角度变化为升级换档或降级换档和高速比或低速比提供不同大小的增力。同样地，假如不希望对一个或多个齿轮在一个方向上增大轴向力，可将坡面与花键齿平行，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在径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略有间距，并保持这间距关系。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，将一个图中未示的适当换档机构，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，本文引述以作参考。换档机构可由操作者通过连杆系统手动或用作动器有选择地推动，或用自动触发换档机构动作的装置移动，这装置还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F_o的长度表示。

操作者的换档力F_o将法兰盘110开始向右的初始轴向移动，由预加力表面118p，124b向销上传递，实现锥形表面116a与锥形表面96a间的初步摩擦接合。锥形表面的初始接合力当然是弹簧122的力和予加力表面的角度的函数。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T_o，它可保证法兰110与接合的摩擦环间的有限相对转动，从而保证缩径的销部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上的全部换档施力F_o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施力F_o下接合，产生操作者的总同步扭矩T_o。操作者的同步扭矩T_o在图10中用箭关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的轴向倾斜，它们在非同步状态下产生一个反力或反同步扭矩，它与锥形离合器的同步扭矩方面相反，但力量较小。当达到初步同步后，同步扭矩降低到反同步扭力以下，从而同步环肩台将销移动达到与孔110c同心，使法兰可持续轴向移动，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。如先有技术所已知和在图7中仅用标号标示牙嵌98的齿98a，齿的前部有前坡缘98b在初步接触时减少齿的损坏，并有倒棱或楔形面98c将齿啮合对正。有这种前缘部的齿。在美国专利4，246，993号中有较详细的叙述，随美国专利第3，265，173号在本文中引述以作参考，美国专利第3，265，173号提供了适当坡角的指引。楔形面可不对称，防止由于齿的前缘抵靠而延迟换挡的完成。为便利换档在平滑而相对省力下完成，齿最好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的旋转度数。并且齿最好围绕尽可能大的直径放置。

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

T_o＝F_oR_cμ_c/sinα（1）

式中R_c＝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。

现参看自加力坡面的影响，具体参看图8及9，同步扭力T_o由于操作者加的轴向换档力F_o，必然通过销118向法兰110传递，并通过自加力坡面向轴28反应。自加力坡面接合时，限制法兰相对于轴28和牙嵌件102，104的旋转，并产生轴向分力或作用在法兰上的与换档力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，从而在扭力T_o上增加同步扭矩Ta。图8表示自加力坡面的位置，和换档法兰110处在相当于图2中位置的零位上时牙嵌件花键齿106，108相对于轴花键齿29的位置。图9表示齿轮54正在被接合的圆锥面96a，116a同步时斜坡与花键齿的位置。接合后的锥形面在执行法盘件坡面111d与轴坡面29f接合的方向上产生同步扭矩。因此，锥形离合器接合的轴向力的总和为F_o+Fa，而锥形离合器产生的同步扭矩的总和为T_o+Ta，如图10中所示。操作者的换档力F_o和同步扭矩T_o给定时，轴向增力的大小，最好为接合的自加力坡面的角度的函数。这角度最好大得足以使产生的加力Fa，其大小最好在随操作者施出的中度换档力反应时，足以显著地增大同步扭力并减短同步时间。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F_o的增减而增减。假如坡角过大，则坡便成为自锁而非自加力;因此，一旦锥形离合器执行初步接合，力Fa便无视力F_o如何，迅速作无控制的增大，乃至使锥形离合器趋向锁紧。自锁闭而不自加力将降低换档的质量或手感，可能使同步器元件的应力过大，可能造成锥形离合器表面的过热和迅速磨损，甚至对操作者的换档杆动作超控。

计算自加力斜坡角θ和提供与操作者施力F_o正比增减的增力Fa使用的主要变数，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Rc和自加力斜坡的Rr的平均半径比，坡面的摩擦系数μr，和自加力斜坡的压力角Φ等。压力角Φ可为零。本文中斜坡的压力角为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+Ta（3）

和 Ft＝F_o+Fa（4）

未求导数的轴向增力Fa的计算式

Fa＝Ftan (cosθ-μrsinθ/cosΦ)/(sinθ+μrcosθ/cosΦ) （5）

式中斜坡角θ在与轴的轴线28a垂直的平面中量知，Ftan作用在斜坡上，为扭矩Tt在半径为Rr时的切向力。在一个扭矩方向上的Tt和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：

$F_t=\frac{F_o}{1-\frac{\cos \mathrm{\θ}-\mathrm{\μ}r\sin \mathrm{\θ}/\cos \mathrm{\Φ}}{\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{\μ}r\cos \mathrm{\θ}/\cos \mathrm{\Φ}}\frac{R_O{\mathrm{\μ}}_C}{\mathrm{Rr}\sin \mathrm{\α}}}----\left(7\right)$

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矩Tt愈大。加大比等于1时相当于斜坡角θ为90°;这个角度为与轴的花键齿平行，无自加力。θ减小时加力比增大。曾使用的加力比约为1∶1至5∶1。然而最好加力比为大于1∶1，而小于5∶1。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时。因此，在下列条件下，斜坡自加力而不自锁：

(cosθ-μrsinθ/cosΦ)/(sinθ+μrcosθ/cosΦ) (R_cμ_c)/(Rrsinα) ≤1（8）

在某一给定的同步器构形中，设定Rc，μc，Rr，α等于常数K，便可将式（8）简化：

(R_cμ_c)/(Rrsinα) ＝ 1/(K) （9A）

即

(Rrsinα)/(R_cμ_c) ＝K（9B）

将任一式（9）代入式（8），重整并解斜坡角θ可得式（10），求得最小斜坡角θ。这个最小角度可产生自加力Fa，它与操作者施力F_o成正比，可提供最大的可控加力比，而不自锁。

θ>TAN^-1(1-Kμr/cosΦ)/(K+μr/cosΦ) （10）

必须注意θ是在与轴的轴线28a相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，假设全部其他的变数不变，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角θ：

当平均半径比Rc/Rr增大时，并且/或者

当锥角α减小时，并且/或者

当离合器摩擦系数μc增大时，并且/或者

当斜坡压力角Φ增大时，并且/或者

当斜坡摩擦系数μr增大时。

并且，当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，以防止因制造误差及元件的正常磨损而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，但在对锥形离合器预加力及阻止牙嵌离合器的不同步接合的销和柱塞的构形有所不同。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74，76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134a，136a与在轴82上一体形成的或用其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有轴向相对的面138a，138b夹在牙嵌件134，135的轴向相向的表面134b，136b之间，有三个H形止动件140将法兰与牙嵌件固定抑制相对的轴向移动，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它们在圆周上将销146，148向相反方向偏压。

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，并有缩径部146b，148b，以及锥形同步环肩台或表面146c，148c，从销的轴线径向向外伸展，在轴向上倾斜朝向相关的摩擦环，本文中倾斜于销的轴线的垂直线约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，以便将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。

现较详细对照销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可用金属薄板材制造，但最好用铸造材料或诸如钢这样的紧密材料制造，诸如钢以提供结构刚度及表面硬度。各柱塞有一盲孔154a，容纳相关弹簧152的一端，和一个头部形成平的斜表面154b，154c，当相关的销的大直径部直进入孔中时，斜表面154b，154c在同步环上滑过，完成换档。弹簧152最好为螺旋压缩型。孔的周围由侧壁154d，154e和侧壁154f，154g圈围，侧壁154d，154e和与槽壁滑动配合，侧壁154f，15g围抱法兰表面138a，138b滑动，或如本文，有导槽平行于槽伸展，保持柱塞在导槽中作无阻滞的对正。侧壁154f，154g略呈圆形（图14B），直径小于法兰孔138c，138d，便利组合件通过法半孔进入槽内。至于图12，销146被顺时针偏压达到兰孔138d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触动而作升级换档时，销同步环肩台148c便达到与法兰同步环肩台138A接合的姿态，将齿轮78直接与轴82连接;一旦同步器机构因向右触动而作降级换档时，销同步环肩台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74，76，80，与轴82连接。

现考虑自加力同步器机构在多档变速中的应用。如已知，使变速齿轮同步所需的时间随总同步扭矩的增高而减少。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，使低速比齿轮同步所需的功一般大于使高速比齿轮同步所需的功。并且，对给定速齿轮降级换档时同步所需的功，一般大于升级换档时的功。此外，对给定速比齿轮同步所需的功，随速比的变化量而按比例增加。因此，由于量程齿轮78，80间的速比差异，比主变速部变速齿轮的速比差异大相当多，则量程齿轮78，80同步所需的功比主变速部变速齿轮同步所需的功大。因此，在多档变速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，高速档机构最好配备较低的加力比。并且，在给定速比的齿轮中，降级换档的加力比最好大于升级换档。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速档中，可达到基本相同的换档时间或同步时间。对本文揭示的同步器机构，通过将圆锥离合器角α，半径比Rc/Rr及自加力斜坡角θ变化，可使加力比变化。

升级换档的加力比最好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），并且量程部同步器机构84的加力比，大于变速部同步机构的加力比。仅作为举例，现设主要变速部同步器机构的加力比在大于1∶1到小于4∶1的范围内，量程部同步器机构的加力比可在大于3∶1到小于5∶1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及变速齿轮52，54之任一间的扭矩路线脱离。因此，相对小而易磨损的自加力斜坡，决不承受变速齿轮全扭矩载荷的损坏作用。当将自加力斜坡径向内移时这一点特别重要，因为作用在斜坡上的力随相对于轴的轴线28a的斜坡半径的减小而增大。

再者，由于半径有差异，故作用在牙嵌件花键齿106，108与轴花键齿29之间的力大于作用在牙嵌离合器齿之间的力。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齿有适当强度所需之长度。这较大的花键连接轴向长度，为揭示的方案的固有特点，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;因此牙嵌件齿条106，108可持续与轴齿条29嵌合。这一点在驾驶人通过手控换档杆，按已知的方式推动换档机构时特别重要。这种杆的一例可参看本文引述以作参考的美国专利第3，850，047号。这种杆一般属第一杠杆类型，其中增长换档行程要求或增大操作者在换档杆上的动作（通过改变杠杆支点），或者在给定操作者的换档力下减小在换档机构上的施力。

图15示复式变速器300，它与变速器12相似，为双中间轴，浮动主轴及浮动主轴齿轮类型。变速器300为十八前进速度变速器，包括有一个主变速部14A，与前面叙述的主变速部14相同或基本相同，它与一个复合分股/量程型辅助变速部302串联。由于主变速部14及14A的基本相同的结构，故对主部14A不再详细叙述，例外之处为在主部14A中消除两个前进速度的变速齿轮组，相关的自加力同步离合器及机构，并且适当调节其余齿轮的速比，使很容易生产有十前进速度的变速器。

辅助变速部302有两个基本相同的辅助中间轴组合件304，304A，各有一个辅助中间轴306，用轴承308，310在壳H中支承，上面固定三个辅助部中间轴齿轮312，314，316，相随旋转。辅助中间轴齿轮312，支持围绕主轴28的辅助部分股齿轮318，并与之常啮合。辅助中间轴齿轮314支持在主轴28的同轴端附近的输出轴322的端部上围绕的辅助部分股/量程齿轮320，与之常啮合。辅助部中间轴齿轮316支持围绕的输出322的辅助部量程齿轮324，与之常啮合。于是辅助部中间轴齿轮314与分股/量程齿轮318形成第一齿轮层，辅助部中间轴齿轮314与分股/量程齿轮320形成第二齿轮层，辅助部中间轴齿轮316与量程齿轮324形成第三层或分股与量程复合型辅助变速部302的组合。

用一个不同步滑动三工位分股/量程牙嵌离合器套环326，按选择分股齿轮318，或分股/量程齿轮320，与主轴28耦合，或将齿轮318，320都与主轴分离。用一个工位自加力同步器离合器机构328，按选择将分股/量程齿轮320或量程齿轮324，与输出轴322耦合。同步器离合器机构328的结构及功能，基本与前面叙述的离合器机构84相同。

通过将量程离合器机构328向右移，使低速区齿轮324与输出轴322耦合，和将分股套环326向右移，使主轴28与分股/量程齿轮320耦合，然后将离合器套环64向左移，使低速齿轮56与轴28耦合，便将变速器300顺序升级换档，通过其18前进档中的前10个。将分股离合器套环向左移位，使分股齿轮318与主轴28耦合，于是实现向第二低速档换档。执行向第三至第十档的升级换档，是通过将同步器离合器机构60、62啮合，与变速器12相同，但例外之处为按上文关于低速档所解说，将分股套环326向右与向左移，同步器离合器机构60、62的每一位置便提供两个速档。

向第11至第18档的升级换档，是通过将量程同步离合器机构向左移，使分股/量程齿轮320与输出轴耦合，然后按关于第三至第十档所述将同步器离合器机构60，62及分股套环326移位。

从上文立刻可见，低档齿轮56与辅助变速部302的分股部结合，提供两个低档速，齿轮54，52，50，24与辅助变速器的分股及量程工位结合，各提供四个前进速档。降级换档为升级换档的逆运转。并且，通过取消主变速部中的两组速档，例如与齿轮54，52相关的齿轮，使可立即将变速器300转变为有10个前进档的变速器。

变速部14A中的同步器离合器机构60，62，其降级换档加力比范围最好大于1∶1，而小于1∶5。与主轴齿轮54相关的同步器机构62部分的加力比，最好大于或等于与主轴齿轮52相关的机构62部分的加力比。与主轴齿轮50相关的同步器机构60部分的加力比，小于与齿轮54相关的机构62部分的加力比，而最好大于或等于与齿轮24相关的机构60部分的加力比。同步器机构84哐328的降级换档的加力比，最好大于或基本等于主变速部中的最大加力比。升级换档加力比一般最好小于降级换档加力比，但也可与之相等。当变速器300为上述的10前进档变速器时，主变速部中的同步器机构加力比范围，最好大于或等于1∶3而小于1∶5。

现已揭示自加力同步器机构的一种理想实施方案。在本发明的精神范围内，可对理想实施方案作许多变化和修改。下面的权利要求书意图包括揭示的机构的发明性的部分，并包括认为属本发明精神范围的变化与修改。

Claims (11)

1、一种换档机构变速器(12)，它包括：

若干前进速度的步进变速装置，可按选择作每次和一个安装成可旋转的轴装置(28)连接作升级换档和降级换档的变速，该变速装置包括第一(54)，二(52)，三(50)、四(24)依次增高的速比；

与各速比相连系的同步装置(86)，每一同步装置具有：

摩擦装置(96，116)和牙嵌装置(100，104)，分别用作随轴向朝向相关速比装置(54)的换档力F。将一个换档装置(110)移向相关的速比装置(54)，可接合地将相关的速比装置(54)与轴装置(28)摩擦地同步并然后强制性地接合在一起，每个摩擦装置(96，116)具有一个相对于轴装置(28)轴线(28a)的平均半径Rc，并且当升级换档和降级换档分别产生升级换档和降级换档扭矩时接合工作，

同步环装置(110e，118d)，当接合时工作，用于防止牙嵌装置在同步前接合，

予加力装置(120，118f)，用于随换档力F₀将换档装置(110)从空档位置移向相关的齿轮速比装置(54)的初始轴向运动将摩擦装置接合，用于随摩擦装置(96，116)的接合而产生的一个初始同步扭矩T₀将同步环装置(110e，118d)接合，和用于将换档力F₀通过同步环装置传递给摩擦装置以增大摩擦装置的初始接合力，

倾斜的自加力坡面装置(111a，29e)，它具有一个平均半径Rr并随至少降级换档同步扭矩而工作以产生换档力F₀的一个轴向增力F_a，以进一步将摩擦装置的接合力增大至一个总的接合力Ft，

其特征在于：

每个同步装置有一个等于Ft/Fo的换档加力比，其中Ft/Fo至少是比Ro/Rr和斜坡装置角度的函度；

与速比装置(54)相关的同步器机构具有一个大于1∶1而小于1∶5的共同降级换档加力比，与第一速比装置(54)相关的同步装置的加速比大于或等于与第二速比装置(52)相关的同步装置的加力比，与第三速比装置(50)相关的同步装置的加力比小于与第一速比装置(54)相关的同步装置的加力比而大于或等于与第四速比装置(24)相关的同步装置的加力比。

2、如权利要求1之变速器，其特征在于，该变速器有一个含有第一、二、三、四速比装置的主变速部（14），和一个辅助变速部（15），该部至少有低速比及高速比装置（78及28，82），二者间的速比范围大于或基本等于第一与第四速比装置之间的速比范围;

与低速比及高速比装置相关的同步装置（84），同与第一、第二、第三及第四速比装置相关的同步装置基本相同，与低速比装置相关的同步装置，其加力比大于或等于主变速部中的最大加力比。

3、如权利要求1或2之变速器，其特征在于：

变速器为双中间轴（26，26A）、浮动主轴（28）及浮动主轴齿轮类型;

轴装置为主轴（28）;

第一，第二及第三速比装置各为安装在主轴（28）上的主轴齿轮（54，52，50）;

每一中间轴（26，26A）至少有第一，第二及第三中间轴齿轮（44，42，40）的一个相同的组合在其上面固定，分别与第一，第二及第三主轴齿轮（54，52，50）常啮合。

4、如权利要求1，2或3之间同步器机构，其特征在于，摩擦装置（96，116）与斜坡装置的比率Rc/Rr在1∶1至4∶1范围内，斜坡装置相对与轴装置轴线（28a）垂直的平面的角度在50-80度范围内。

5、如权利要求1，2，3或4之变速器，其特征在于，各同步器装置（86）为销式，它有径向伸展的法兰（10）形成换档装置，一个元件形成牙嵌装置的可轴向移动的牙嵌件（104），互相匹配的内外花键齿（108，29）分别由牙嵌件（104）与轴装置（28）形成，自加力斜坡装置至少包括第一及第二斜坡表面（111a，29e），分别在法兰（110）及轴（28）上形成，并形成斜坡装置（111a，29e）。

6、如权利要求5之变速器，其特征在于，它包括：

将法兰（110）固定使其与牙嵌件（104）一起作轴向运动并允许其相对于牙嵌件（104）及轴装置（28）作有限的圆周运动的装置。

7、一种换档机构变速器，它包括：

一个主变速部（14），其中有前进档步进换档装置（54，52，50，24）可按选择逐次各一与作可旋转安装的轴装置连接，作升级或降级换档;速比装置有第一及第二速比装置（54，52）分别依次增高速比;

与第一速比装置（54，52）相关的同步器装置（86），每一同步器装置中有下列各项：

摩擦装置（96，116与94，114）及牙嵌装置（100，104与98，102）可分别接合作摩擦同步，然后随在轴向上朝向相关速比装置的换档力F_o将换档装置（110）向相关的速比装置移动，将相关速比装置（54，52）与轴装置（28）强制咬合，各摩擦装置相对于轴装置（28）的轴线（28a）的平均半径为Rc，各摩擦装置（96，116及94，114）在升级换档与降级换档中接合时运作，分别产生升级换档及降级换档同步扭矩，

同步环装置（110e，118d和110d，118c），接合时运作，以防牙嵌装置（100，104及98，102）在同步前接合，

预加力装置（124，118f，118e），用于随换档装置（110）因换档力F_o将其从零位推向相关的速比装置（54，52）的初始轴向运动，用初步接合力与摩擦装置接合;用于随摩擦装置（96，116及94，114）的接合产生初始同步扭矩T_o，与同步环装置（110e，118d及110d，118e）接合;并用于通过同步环装置将换档力F_o向摩擦装置传递，增高摩擦装置的初步接合力，

自加力斜坡装置（111a，29e及111a，29g）平均半径为Rr，至少随降级换档同步扭力反应而作动，产生对换档力F_o的轴向增力F_a，以进一步增大摩擦装置的接合力，达到总接合力Ft，

其特征在于：

每一同步装置（86）有一个降级换档加力比等于Ft/Fo，Ft/Fo至少为比率Rc/Rr与斜面装置角度的函数;

与速比装置（54，52）相关的同步装置，其总降级换档加力比范围，在大于2∶1至小于1∶5之间，与第一速比装置（54）相关的同步器装置的加力比大于或等于与第二速比装置（52）相关的同步器装置的加力比，与第二速比装置相关的同步器装置的加力比小于与第三速比装置相关的同步器装置的加力比，而大于或等于与第四速比装置相关的同步器装置的加力比;

一个复合分股及量程变速部（302），与主变速部（14A）串联，分股部有第一及第二分股速比装置（320，318），速比范围小于第一及第二主速比装置（54，52），一个可滑动分股离合器（326）按选择将分股速比装置（320，318）与主轴（28）连接，量程部（302）有低速区及高速区的速比装置（324，320），速比范围大于第一及第二主速比装置（54，52）的速比;

量程同步器装置（328），与相关于第一及第二主速比装置（54，52）的同步器装置（86）基本相同，与低速区速比装置（324）相关的量程同步器装置（328），其加力比大于或等于主变速部（14A）的最高加力比。

8、如权利要求7之变速器，其特征在于：

变速器为双中间轴（26，26A），浮动主轴（28）和浮动主轴齿轮类型;

轴装置（28）为主轴;

第一、二、三速比装置（54，52，50），各为主轴（28）上安装的主轴齿轮;

每一中间轴（26，26A），上面固定至少第一，第二及第三中间齿轮（44，42，40）的一个相同的组合，分别与第一，第二及第三主轴齿轮（54，52，50）常啮合。

9、如权利要求7或8之变速器，其特征在于：

摩擦装置（96，116及94，114）与斜坡装置（111a，29e及111d，29q）的比率Rc/Rr，在1∶1至4∶1范围内，斜坡装置相对于与轴装置轴线（28a）垂直的平面的角，在50-80度范围内。

10、如权利要求7，8或9之变速器，其特征在于，每一同步器装置（86）为销型，有径向伸展的法兰（110）形成换档装置，一个元件形成牙嵌装置的可轴向活动的牙嵌件（104），互相配合的内外花键齿（108，29），分别由牙嵌件（104）及轴装置（28）形成，自加力斜坡装置，有至少第一及第二坡面（111a，29e），分别在法兰（110）及轴（28）上固定，形成斜坡装置（111a，29e）。

11、如权利要求10之变速器，其特征在于，有装置（112）将法兰（110）固定，作随牙嵌件（104）的轴向活动，并使法兰（110）可相对于牙嵌件（104）及轴装置（28）作有限的圆周运动。

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