CN1070588C - 自加力的同步装置 - Google Patents

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Abstract

同步装置的第一和第二摩擦环(40，42)上的阻断齿将操作变速力(F0)从第一爪件(34)传递至摩擦表面。固定于轴(12)的斜自加力表面(72a，76b，74a，74b)与固定于第一爪件的斜自加力表面(76a，76b，76c，76d)结合以提供一个借助于阻断齿而传递至摩擦表面的附加力(Fa)。当变速套处于空档位置时，由变速套限定的第一和第三齿(58，60)宽松地安置在套件(32)上各自的第一和第二沟中。当两套齿之一与固定在齿轮之一的齿结合时，另一套齿就紧密地容纳在与其协同作用的沟中。

Description

自加力的同步装置
本发明涉及一种自行加力的摩擦环型同步装置。
用于多级变速的摩擦环型同步装置是公知的。这种装置有几对摩擦元件和爪式元件，分别用于同步和刚性地将一个齿轮连接到一轴上，还有根据一轴套的初始啮合运动而使摩擦件啮合的预加力组件；以及一个以可转动方式固定在该轴上的套，该套有外键齿，外键齿以可滑动方式容纳着变速套上的内键齿，变速套常常确定了爪件对中的一个爪件；一个具有阻断齿的摩擦环用于在达到同步之前制止变速套的啮合运动并将一轴向力从该变速套传递出去，以便使摩擦件间的啮合力增大。
在多级变速领域中，同步机构可用于全部或部份齿轮速比中使换挡时间减少是公知的。通过使用自加力型的同步机构以减少对车辆操纵者所要求的变速力(即施加于一换挡件上的力)也是众所周知的。因为，操纵者的变速力通常随着车辆的大小和重量的加大而增大，所以，自加力型同步机构对于卡车，尤其是对于重量卡车是十分重要的。在美国专利US3548983中公开了一种摩擦环型同步装置，在美国专利US5092439中则公开了一种针型自加力同步装置。上述两文献被用作本申请案的参考文献。
本发明的一个目的是提供一种改进了的自加力同步装置。
根据本发明的自加力同步装置，它用于将绕一公共轴线相对转动的第一和第二驱动件以摩擦方式同步并刚性连接，它具有：第一爪件，它包括从其上径向向内伸出的第一齿，所述第一爪件并可从空档位置移动到与第二齿结合的位置，以便根据由轴向变速力Fo引起的第一爪件从空档位置向着第二齿的结合运动而使两驱动件刚性连接；一个第一摩擦环，它包括有一个第一摩擦面和多个第一阻断面，所述第一摩擦环可根据第一爪件的结合运动作轴向移动离开一个套件趋向一个第二摩擦面以便使该第一摩擦面与该第二摩擦面结合从而产生一个同步力矩To；一个附在第一驱动件上的套件，套件有一个与第一爪件连接的连接件，以便允许该第一爪件相对该套件作轴向移动，并允许该第一爪件相对该套件作有限的相对转动，该套件具有外周面，外周面上有多个沿周向分开并轴向伸展的第一沟，它们可滑动地接纳所述第一齿和多个斜的第一自加力表面；在第一齿上的第二阻断表面，它们可以与第一阻断表面相结合，以防止第一齿与第二齿的非同步结合；预加力机构，它根据第一爪件从空档位置的初始轴向运动而动作，将第一摩擦环轴向移动使其第一摩擦面与第二摩擦面接合，以便转动斜的第一阻断面至能够与斜的第二阻断面结合的位置，以阻断第一和第二齿的非同步接合，以及将变速力+F。通过结合着的阻断面传递过去以增大第一摩擦面和第二摩擦面之间的结合力，以及通过斜的阻断面产生一个与同步力矩相反的力矩，以便当达到同步后将斜的第一和第二阻断面移动而脱离接合；多个自加力件，自加力件安装在第一爪件上，所述多个自加力件每个都具有形成为第一爪件一部分的自加力表面，自加力件安置得与斜的套件表面相接触，从而由于对通过摩擦环的阻断表面传递的第一摩擦面力矩的反作用而在变速力Fo方向产生一个附加轴向力Fa，这样，就在第一摩擦表面上产生一个大于仅由变速力Fo所能提供的的较大轴向力和用于同步的力矩；
本发明的自加力同步器，其特征在于，套件具有多个轴向伸展的第二沟，它们交替间隔分布于第一沟之间并可滑动地容纳从第一爪件径向向内伸出的第三齿，当第一和第二阻断表面处于空档位置和结合位置时，第一和第三齿至少有一部分位于分别由键侧表面限定的第一和第二沟中，沟相对于其内的齿有一个周向间隙以允许第一爪件和套件之间有相对转动，以便当第一爪件作结合运动时实现自加力件与斜的套件表面的结合，当第一和第二齿接合时第二沟的一部分紧密容纳第二齿，以防止第一爪件和套件之间作相对转动。
本发明的同步装置展示在附图中，对附图简单介绍如下。
图1是处于空档状态的双作用摩擦环型同步装置的剖视图，将其安装得可绕一轴的轴线回转。
图2是一套件的局部已剖去了的简图，从图1中轴的轴向左端观察。
图3-8展示了同步装置组成件在操作过程中的几个阶段。从图1中的3-3线处沿径向观察。
图9是一种线图，表示了由本同步装置的阻断表面所作用的轴向力和力矩。
术语“同步离合机构”指的是一种借助一种刚性离合器将一个选定的变速齿轮以不能相对转动的方式连接于一个轴上的离合机构。在这种机构中，在刚性离合器的元件通过与之协同作用的一个同步摩擦离合器而进入大致同步地转动之前，该刚性离合器的结合是被制止的。术语“自加力”指的是一种具有斜坡件，凸轮或类似零件的同步离合器机构，能根据摩擦离合器的同步力矩相应增大同步离合器的结合力。
参看图1-8。在图中展示了一种齿轮和同步装置组件10，组件10构成一种多级变速箱的一部份。组件10有一个只展示了一部份的第一驱动件即轴12，第一驱动件12安装得可绕中心轴线12a转动；有沿轴向隔开的第二和第三驱动件即齿轮14、16。第二和第三驱动件14,16支承在该轴上并可绕该轴转动，并以公知方式安装得不能相对该轴作轴向移动；还有一个双作用同步器机构18。
同步器机构18有环件20,22，环件以公知方式沿轴向安装在第二和第三驱动件14,16上，并可绕其转动；还有分别与环件20,22构成整体的齿轮摩擦表面24,26；与环件20,22构成整体的第二和第四齿28,30；一套件32，套件32沿轴向被固定并以可转动方式以其中心孔32a安装在第一驱动件12上，并有轴向相背的端部32b,32c及外周面32d；还有一个第一爪件34；它具有沿轴向背对放置的、决定其长度的端部34a、34b。在第一爪件34的中心孔即内周面34c上有内键齿36；在套件32的外周面32d上有外键齿38,39。在图3-8中还可以清楚地看到摩擦环40、42，分别与第一和第二摩擦环40、42成一体的阻断齿44、46以及第一和第三摩擦表面48、50。还可以看到预加力机构52和自加力组件54。在这里，同步装置包括沿周向分隔开的三个预加力机构和三个自加力组件，后者沿周向插在预加力组件之间。每个阻断齿各自有斜的第一和第三阻断表面44a、44b及46a、46b。
内键齿36有沿第一爪件34轴向长度延伸的三个齿56；还有分别为8个齿的三组第一齿58，每组都沿周向安置在齿56之间；及三组分别为8齿的第三齿60，它们的每一组亦沿周向安置在齿56之间。每一组可能有多一些或少一些的齿数。图3-8中每一图均表出齿56中的2个及第一、第三齿58,60的8个齿。每个齿56在其相对的两端均有一个爪齿部份56a,56b及用于预加力机构52的一个掣子沟56c。第一、三齿58,60分别有4个中等长度的齿58a、60a，两个短长度的齿58b,60b及两个长齿58c,60c。每个齿58,60,56a,56b各自有斜的阻断面58d,58e和60a,60e，它们与阻断齿44,46的阻断表面以公知的方式协同作用。此外，第一、第三齿58,60也可以全是中等长度的齿。在这里，如在图8中可看到的那样，长齿是用于确保第一和第三齿58和60能够与第二和第四齿28,30脱开啮合。在其与第二齿28啮合时，长齿仍然与阻断齿44啮合，由此而确保第一爪件34的解除啮合运动不会受到阻断齿的后侧面的干涉。别的方法也可以被用来保证解除啮合，例如，阻断齿的后侧面可以有斜的表面。齿56a,56b,58,60和28,30的侧面也可以设置防松角即锁定角，以防止齿的脱开。其详细结构可以参看已作为本申请案的参考文献的美国专利US4727968。
外键齿38,39确定了交替隔开的第一、第二沟62,64,第一和第二沟62,64分别用于容纳第一，第三齿58,60。第一，第二沟62,64中的轴向延伸部份的键侧表面38a,39a及38c，39c相对第一、第三齿58、60均有一周向空隙，以便允许在变速套和套件之间可以有有限的相对转动而促使自加力组件54的结合，对此在后面将予以说明。第一和第二沟64,62的轴向延伸部份的键侧表面38b,39b和38d,39d在另一端部处有相对于第三齿60，第一齿58来说是较小的周向间隙，用以在某一齿组与固定于齿轮上的协同作用的爪齿相结合时，防止变速套与套件之间产生相对转动。
本领域已公知的每个预加力机构52有一个螺旋压缩卷簧66及柱塞68，簧66及柱塞68沿径向安置在套件32的一沿径向延伸的盲孔中并将一个滚子或珠(在本文中是滚子)推入第一爪件键槽36的一环形掣子沟56c中。如图1和3所示。预加力机构以弹性的方式将第一爪件34安置于其空档位置。滚子70被沿轴向分开地放置在界面40a及42a之间，界面是由从第一和第二摩擦环40,42延伸入套件32的界槽32e中的突起40b,42b所确定的，它们以公知方式沿周向自由运动以便限止摩擦环相对套件转动。
每个自加力组件54均有一个第一突起72，突起72沿径向向外从套件外周面32d延伸并确定出面向某个圆周方向的V形的即斜向的自加力表面72a,72b，这些表面倾斜于一个垂直于轴线12a的平面；还有一个从套件外周面32d沿径向向外延伸的第二突起74，突起74确定出相对上述平面倾斜的V形的即斜向的自加力表面74a、74b。在相对于轴线沿径向看去时，在周向相对的72a,72b表面之间有一个计时水漏形状的间隙；还有一个从第一爪件内周表面34c沿径向向内延伸入水漏状间隙内的自加力件76。自加力件76有分别平行于表面72a,72b,74a及74b设置的斜向自加力表面76a,76b,76c及76d。在被结合时，这些平行的自加力表面提供一个减少同步时间和/或减少变速操作力的一个辅助轴向力(Fa)。每个自加力件76还有非自加力表面76e,76f,这些表面垂直于上述垂直于轴线的平面，这些表面可被操纵到变速套的空档位置，以便与和它们平行的非自加力表面72c,74c相结合。非自加力表面能在锥形离合器中的一个产生某些力矩的情况下，防止自加力表面产生不想要的作用。例如，锥形离合器摩擦表面间的油的粘性剪切力就能产生一个可驱动该斜面的力矩。
在希望将任一齿轮连接于轴上时，一个如公开于作为本申请案的参考文献US4920815中那样的未在图中示出的，合适的变速机构通过一个局部示出的变速叉78沿轴线12移动第一爪件34，向左移动与第二驱动件14连接，或者向右移动连接第三驱动件16。在这里，向左和向右方向也可以分别被称被正方向和负方向。变速机构可以由操作者通过一个杠杆系统手工移动，也可以用一个驱动机构有选择地移动，也可以通过一种装置来移动，该装置能自动地启动变速机构又可以控制由变速机构施加的力的大小。在变速机构是由手工移动的情况下，预加力组件施加一个与操作者施加于变速套上的力成比例的一个力。无论是手工施加或自动施加，力总是沿轴向施加于变速套，并且该力总是与力(Fo)(见图9)成比例。根据变力(Fo)引起的第一爪件移动的方向，预加力使第一摩擦表面48或第三摩擦表面50移动，使之与跟它们协同作用的摩擦表面进行初始结合，以便将协同作用的摩擦环相对于套件32的位置锁定，从而使得能以下面要说明的一种方式使阻断表面和自加力表面被定位。
由操纵者的变速力(+Fo)引起的向左的(即正向的)第一爪件34的初始轴向移动，通过预加力滚子70被传送到第一摩擦环40，通过第一阻断表面40a使可运动的锥形第一摩擦表面48与锥形第二摩擦表面24实现初始的摩擦性结合。当然，锥形表面间的初始结合力是弹簧66的力与掣制沟56c的壁的角度的函数。初始的摩擦方式的接合(提供一种同步条件并瞬时地忽略自加力表面的作用)产生一种初始的锥形离合器结合力和同步力矩To，以保证在第一爪件34和第一摩擦环40之间的有限的相对转动，从而使阻断齿44移动到某个位置，在这位置上一个阻断齿44的正确的斜阻断表面与第一齿58的正确的斜阻断表面相结合。如图4及5所示，在阻断表面结合时，在第一爪件34上的操作者的全部的变速力(+Fo)通过斜的第一和第二阻断表面44b、58d传递到第二和第一摩擦表面24,48。这样，锥形离合器就由操作者的全部变速力(+Fo)相接合而提供操作装置的同步力矩To。在图9中，这个操作装置同步力矩To是由箭头To来表示的。由于阻断表面被安置得相对于操作者变速力+Fo的轴向成一角度，它们能产生一个反力即开启力。这个反力与锥形离合器的同步力矩反方向，但是在同步条件下这个反力比较小。当基本同步已被实现时，同步力矩就下降得小于开启力矩，这样，阻断齿就被移动而脱开，从而允许变速套继续作轴向移动，使第二齿28与第一齿58进行结合。
界面件40b、42b通常具有足够的自由间隙以允许斜的第一和第三阻断表面44a、44b和46a、46b能充分转动，足以使之能与各自的配匹的斜的第二和第四阻断表面58d,58e及60d、60e在初始时充份地接触。第一和第二阻断表面44b,58d的初始的充份接触展示在图4中。在阻断表面处于这种初始的充份接触情况下对同步器装置18进行的检验中，不时地出现过早开启的现象。这种过早的开启可以通过增大自由间隙的量以使阻断表面如图4A所示那样进行初始接触而得以防止。在本申请案中是通过减小突起的沿圆周方向的宽度来做到这一点的。如图2所示，其中42b所指的虚线表示原始的沿圆周方向的宽度，而42b′所指的实线则表示减少了的沿园周方向的宽度。
仍然略去自加力斜面的作用，由作用力Fo产生的锥形离合器力矩由下列等式来表示：
        To=FoRcμc/sinα
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。
a=锥形摩擦表面的角。
现在研究自加力表面的作用，参看图3-8。由于操作者施加轴向变速力+Fo，同步力矩To当然是通过斜阻断面而传递到第一爪件34，并通过自加力表面而作用在轴12上。在被结合时，自加力斜表面限制第一爪件相对于轴12转动，并产生一轴向力分量，即沿与变速力+Fo相同方向作用在变速套上的附加轴向力+Fa，由此而使锥形离合器的结合力进一步增大而提供一个被加到力矩To上的附加同步力矩Ta。
图3表示全部同步装置组成件的一个空档位置。但是在变速开始时，阻断齿44,46可以沿周向定位在由摩擦环的界面件40b、42b和套件缝隙32e允许的限度之(间)内的任何地方。由操作变速力+Fo引起的第一爪件34的初始的向左移动使锥形第一和第二摩擦表面48,24如前所述那样结合。图4中的各组成件在一个预备自加力位置，在这个位置上，摩擦表面被结合，足以开始传递力矩和使第一摩擦环40开始相对于套件和第一爪件转动，从而足以使第一和第二阻断表面44b，58d结合但不足以使自加力表面74a,76c结合。在图5所示的阻断/自加力位置，全部操作变速力+Fo经过阻断表面传递，由此而产生的力矩To通过现已被结合的自加力表面74a、76c而作用在轴12上。
如前所述，已被结合的自加力表面产生一个作用方向与操作变速力+Fo相同的附加轴向力+Fa并经过被结合的阻断表面传递，由此而使摩擦表面的结合力进一步增大，从而提供一个加到力矩To上的附加同步力矩。图9以图示方式表明了作用在离合器摩擦表面上轴向力+Fo与+Fa之和，以及锥形离合器摩擦表面产生的同步力矩To与Ta之和。对于一给定的操作变速力+Fo及操作同步力矩来说，附加的轴向力的大小最好是已被结合的自加力斜表面的角度的一种函数。这个角度值最好大到在由操作器给出的一个中等大小的变速力的情况下，足以产生一个其大小足以增大同步力矩和减少同步时间的附加力+Fa。但是这角度值最好还要维持在足以产生一个可控制的附加力+Fa。也就是说，力+Fa应根据力Fo的增加或减小而随之能增大或减小。如果斜面角太大，斜面就是自锁而不是自加力，因而，一旦锥形离合器的初始结合被实现，力+Fa就将迅速而不能控制地、与力+Fo无关地增大，由此而使锥形离合器进入闭锁状态。自锁而不是自加力会降低变速性能即“交速触感”(shift feel)，可能会使同步装置组成件过应力，还可能会使锥形离合器表面过热并迅速磨损，而且甚至可能使变速杆的操作移动过置。
如果齿轮的下降或上升变速不希望有附加的轴向力，那未用于上升或下降速比变速的斜表面可以被做得与轴12之轴线平行。如果斜形自加力表面74a,76c做得彼此平行，对上述的变速来说，就不再有附加力Fa可提供。
为了提供附加的轴向力Fa，设计时有关自加力表面角度的主要可变量是锥形离合器角、锥形离合器摩擦系数、锥形离合器和自加力斜面的平均半径比、斜面摩擦系数，以及自加力表面的角度。有关自加力或助推力的计算和控制等方面更详细的情况可以参看上面已提到过的已作为本申请案的参考文献的美国专利US5092439。
图6表明的是在解除力矩将阻断表面分开之后即刻出现的一个助推/松开位置。在此位置上出现的自行增力可以是由于惯性和/或锥形离合器尚未完全分开的状态引起的。这种助推力有助于使第一齿58重新开始接合运动，在松开出现之后立即与第二齿28结合，而且在第一和第二齿58与28的V形端部结合时促使爪齿结合。由于变速换挡在“松开”出现时降低了操作器为完成变速而对移动变速杆的辅加外力的需求，该辅助力比公知的要小些。也就是说，辅助力促使变速平滑而相对容易地完成。图7展示“助推位置的最后状态”，图8则展示第一和第二齿28、58的完全结合位置。
对一个具有自加力的同步装置的推荐实施例已经作了说明。本推荐实施例的许多变型和改型均在本发明基本内容的范畴内。下面的权利要求书旨在包容所公开的本发明及属于本发明基本内容范围内的各种变型与改型。

Claims (6)

1．一种自加力同步装置(18)，用于将绕一公共轴线(12a)相对转动的第一和第二驱动件(12,14)以摩擦方式同步并刚性连接，它具有：
第一爪件(34)，它包括从其上径向向内伸出的第一齿(58)，所述第一爪件并可从空档位置移动到与第二齿(28)结合的位置，以便根据由轴向变速力(Fo)引起的第一爪件(34)从空档位置向着第二齿(28)的结合运动而使两驱动件刚性连接；
一个第一摩擦环(40)，它包括有一个第一摩擦面(48)和多个第一阻断面(44a,44b)，所述第一摩擦环(40)可根据第一爪件(34)的结合运动作轴向移动离开一个套件(32)趋向一个第二摩擦面(24)以便使该第一摩擦面与该第二摩擦面结合从而产生一个同步力矩(To)；
一个附在第一驱动件(12)上的套件(32)，套件(32)有一个与第一爪件(34)连接的连接件，以便允许该第一爪件(34)相对该套件(32)作轴向移动，并允许该第一爪件(34)相对该套件(32)作有限的相对转动，该套件(32)具有外周面，外周面上有多个沿周向分开并轴向伸展的第一沟(62)，它们可滑动地接纳所述第一齿，该套件(32)还具有多个斜的第一自加力表面(74a)；
在第一齿(58)上的第二阻断表面(58d,58e)，它们可以与第一阻断表面(44a,44b)相结合，以防止第一齿(58)与第二齿(28)的非同步结合；
预加力机构(52)，它根据第一爪件(34)从空档位置的初始轴向运动而动作，将第一摩擦环(40)轴向移动使其第一摩擦面(48)与第二摩擦面(24)接合，以便转动斜的第一阻断表面(44a,44b)至能够与斜的第二阻断表面(58d,58e)结合的位置，以阻断第一和第二齿(58,28)的非同步接合，以及将变速力(+Fo)通过结合着的阻断面传递过去以增大第一摩擦面(48)和第二摩擦面(24)之间的结合力，以及通过斜的阻断面产生一个与同步力矩相反的力矩，以便当达到同步后将斜的第一和第二阻断面移动而脱离接合；
多个自加力件(76)，自加力件(76)安装在第一爪件(34)上，所述多个自加力件(76)每个都具有形成为第一爪件(34)一部分的自加力表面(76d)，自加力件(76)安置得与斜的第一自加力表面(74a)相接触，从而由于对通过摩擦环(40)的第一阻断表面(44a,44b)传递的第一摩擦面(48)力矩的反作用而在变速力(Fo)方向产生一个附加轴向力(Fa)，这样，就在第一摩擦表面(48)上产生一个大于仅由变速力(Fo)所能提供的的较大轴向力和用于同步的力矩；
其特征在于，
套件(32)具有多个轴向伸展的第二沟(64)，它们交替间隔分布于第一沟(62)之间并可滑动地容纳从第一爪件(34)径向向内伸出的第三齿(60)，当第一和第二阻断表面(44a,44b,58d,58e)处于空档位置和结合位置时，第一和第三齿(58,60)至少有一部分位于分别由键侧表面(38a,39a,38d,39d和38c,39c,38b,39b)限定的第一和第二沟(62,64)中，沟相对于其内的齿有一个周向间隙以允许第一爪件(34)和套件(32)之间有相对转动，以便当第一爪件(34)作结合运动时实现自加力件(76)与斜的第一自加力表面(74a)的结合，当第一和第二齿(58,28)接合时第二沟(64)的一部分(38b,39b)紧密容纳第三齿(60)，以防止第一爪件(34)和套件(32)之间作相对转动。
2．如权利要求1所述的同步装置，其特征在于，第一爪件(34)具有一个轴向长度，第一齿(58)的长度小于第一爪件(34)长度的一半。
3．如权利要求1所述的同步装置，其特征在于，当第三齿(60)与一个第四齿(30)结合时，第一沟(62)的一部分紧密容纳第一齿(58)，以防止第一齿(58)和套件(32)之间作相对转动。
4．如权利要求1所述的同步装置，其特征在于，套件(32)和至少一个自加力件(76)各自具有互相平行且垂直于套件转动平面的非自加力表面(72c,76e)，在第一爪件处于空档位置时，该表面(72c,76e)相互结合。
5．如权利要求1所述的同步装置，其特征在于，第一摩擦环(40)有用于限制第一摩擦环(40)相对于套件(32)转动的界面件(40b)以及用于加大第一摩擦环(40)相对于套件(32)转动的装置(42b＇)，用以改变第一阻断表面(44a,44b)和第二阻断表面(58d,58e)的初始接触使其从基本上完全的初始接触变为减少了的初始接触。
6．如权利要求3所述同步装置，其特征在于，它还具有：
一个第二摩擦环(42)，它包括一个第三摩擦面(50)和多个第三阻断表面(46a,46b)，所述第二摩擦环(42)可根据第一爪件(34)的接合运动从套件(32)轴向离开而朝向一个第四摩擦面(26)，使第三摩擦面(50)与之接合，以便在第一和第三驱动件(12,16)之间产生一个同步力矩(To)；
在第三齿(60)上的第四阻断表面(60d,60e)，它们可与第三阻断表面(46a,46b)相结合以防止第三齿(60)和第四齿(30)进行非同步结合；
多个斜的第二自加力表面(74b)可与自加力件(76)结合，以便由于对通过第二摩擦环上的第三阻断表面(46a,46b)传递的第三摩擦表面(50)力矩的反作用而在朝向第四齿(30)的变速力(Fo)的方向上产生一个第二附加轴向力(Fa)，从而在第三摩擦表面(50)上产生一个比仅由变速力(Fo)单独提供的增大了的轴向力和使第一和第三驱动件(12,16)同步的力矩。
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