CN108361297A - 具有多排棘齿元件的单向或可选择的离合器 - Google Patents

Abstract

在此披露了一种具有多排环圆周的棘齿元件的单向或可选择的离合器。这种离合器可以包括两个或更多排的在两个或更多座圈之间延伸的棘齿元件。该装置可以或者是一个单向离合器或者是一个可选择的机械式离合器，并且提供的益处是减小的后冲以及多种操作模式。这些模式可以包括：在顺时针和逆时针的两个方向上的自由轮转/超速、在两个方向上锁定/传输扭矩、在顺时针方向上锁定并且在逆时针方向上超速、以及在逆时针方向上锁定而在顺时针方向上超速。

Description

具有多排棘齿元件的单向或可选择的离合器

本申请是基于原申请号为200980139771.6（国际申请号为PCT/US2009/060863）、原申请日为2009年10月15日的发明名称为“具有多排棘齿元件的单向或可选择的离合器”的专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请是一份专利合作条约专利申请，根据35 USC 119(e) 要求2008年10月22日提交的美国临时专利申请号61/107,571的优先权。

技术领域

本披露总体上涉及离合器组件、并且更具体地涉及径向棘齿的单向以及可选择地可接合的离合器。

背景技术

分动箱被用在全时和分时四轮驱动车辆中，用于将经过车辆变速器的输入轴所接收的驱动动力分配给一对输出驱动轴。这些驱动轴之一为车辆前轮提供动力而另一个驱动轴为车辆后轮提供动力。在允许在两轮驱动与四轮驱动模式之间变换的车辆中，分动箱的输入轴对其输出轴之一提供连续的动力并且选择性地将驱动动力提供给另一个输出轴，这是通过某种类型的可解除接合的或者以其他方式可调节的连接器（如：粘性连接器、电磁离合器、或者可定位的正齿轮装置）来进行的。有时提供其他驱动模式，包括：对于较高四轮驱动速度的四轮驱动高驱动模式、对于较低驱动速度的四轮驱动低驱动模式、以及用于将变速器与前后轴解除接合以允许拖挂的空档、以及用于控制车轮滑移的锁定四轮驱动。

另外，还发展出了其他分动箱应用，如响应式四轮驱动，在这种驱动中一个分动箱与其多个相关的提供四轮驱动的部件一起安装在车辆中，仅当存在两轮驱动的牵引力损失时才通过自动装置来接合四轮驱动模式。有时被称为“全轮驱动”的全时的或恒定的四轮驱动模式目前同样在一些汽车变体中是可供使用的。在这种模式中，四轮驱动不是可解除选择的而是保持为一种固定的配置。

在用于这些车辆的分动箱中要求特定元件或部件来传输驱动力。更具体地讲，要求特定的元件以便在特殊的驱动情况下（但并非在其他情况下）选择性地传输驱动力。在分动箱中用来选择性地传输驱动力或转动力的一个装置的实例是一个单向离合器。单向离合器是已知的具有内座圈以及外座圈（其间安置有一个接合机构）的装置。总而言之，将该接合机构设计为在这些座圈的相对转动是在一个特殊的转动方向上时将这些座圈锁定在一起。当这些座圈在相对相反的方向上转动时，接合机构被解开锁定并且这些座圈彼此相对自由转动。在应用中，当这些座圈被固定到同心轴上时，当被接合时该单向离合器将起作用而将这些轴保持在一起，致使这些座圈在同一方向上转动并且由此从一个轴到另一个上传输运动力、或驱动扭矩。当这种单向离合器被解除接合时，这些轴由此而彼此相对地进行自由轮转。

具体的应用支配着如何设计这种单向离合器的接合。可以将一个单向离合器设计为具有作为驱动构件的一个座圈以及作为从动构件的一个座圈，或者可以将这种离合器设计为允许这两个轴之一在不同的运行模式中起驱动构件的作用。以此方式，可以将单向离合器的锁定机构设计为响应于仅这些座圈之一的转动来接合，或者可以将离合器设计为以便在这两个座圈之一提供适当的相对转动时进行接合。

这种单向离合器被典型地使用在以下情况中，即希望轴与轴、或轴与座圈的转动的扭矩传输的接合、但一种“硬”连接（如，一种花键或键控的连接）将不工作的情况。例如，在特定运行参数的过程中，一个四轮驱动车辆经历着传动系的困难，这起因于具有协作驱动的前轮和后轮，这种困难可以通过在分动箱内使用这些单向离合器装置而得到缓解。当一个四轮驱动车辆在铺面道路上通过连接在一起的四个车轮而拐过一个急转弯时，车辆可能会经历人们已知的“急转弯制动效应”。这由于固有的实体几何形状而发生，这种几何形状影响物体在距一个中心点的不同径向距离处的转动。对于四轮驱动车辆一般发生两种不同的作用。首先，当任何车辆进入一个弯道时，与该弯道内侧上的这些车轮相比，由于该弯道外侧上的车轮与弯道的中心相距更大的径向距离所以必须经过一个更大的圆周距离。弯道越急，则这些内部车轮与这些外部车轮之间的转动性角速度之差就越大。因此，在弯道中外侧车轮必须比内部车轮转动得更快。这种效应在四轮驱动车辆中被放大，但总体上是由安装在前轴以及后轴上的车辆的这些差速器组件来抵消。其次，因为这些前轮还引导车辆经过该弯道，它们必须比后轮转动更快。对于一个固定的四轮驱动接合不存在用来抵消这种动作的装置（如，一个差速器）并且较慢移动的后轮以一种不希望的制动方式来动作。

除了解决这个问题之外，在分动箱中已经使用了单向离合器，这样在车辆开始转弯时，与这些后轮相比这些前轮（通过一个单向离合器连接到分动箱输出轴上）被允许更快地解除接合和自由轮转。确切地说，这种单向离合器的从动轴（即，这些四轮驱动前轮的输出轴）开始比输入转动得更快或开始驱动该轴并且该轴以及该单向离合器的锁定机构解除接合从而允许输出轴相对于输入轴而自由轮转。这暂时使分动箱脱离四轮驱动并且防止“急转弯制动效应”。

另一种不希望的四轮驱动的驱动效应发生在发动机制动的过程中。这在手动变速器的四轮驱动车辆中发生在处于四轮驱动以及惯性运动时。手动变速器维持了与车辆发动机的物理连接，从而当允许车辆惯性运动时，发动机在分动箱的输入轴以及输出轴上（并且最终在前轮和后轮二者上）均放置减速力、或制动力。发动机通过手动变速器两轮驱动车辆的后轮制动的常规的以及不希望的寄生效应对燃料消耗以及效率具有一种负面影响，这种负面影响在四轮驱动车辆的情况下还通过将这些前轮也加入而极大地增加了。在这种情况下，当在分动箱的传动系中使用一个单向离合器时，通过发动机制动作用的输入轴的减慢允许输出轴（它被连接到这些前轮上）解除接合并且自由轮转，从而随时使分动箱脱离这种四轮驱动并且防止发动机制动作用通过这些前轮，由此减少对燃料效率的负面影响。

最后，在一种响应式应用中，在分动箱中可以使用一个单向离合器，从而在常规的双轮驱动模式中，如果这些后轮之一在车辆加速过程中发生滑移，则输入轴的转动速度将增加，从而这些单向离合器接合元件将使分动箱进入四轮驱动中并且这些前轮进入一个从动模式。

虽然证明很有价值，但随着使用单向离合器的分动箱设计技术继续发展，这些单向离合器设计开始显示出一定的局限性。最重要的是，虽然单向式离合器将解决上述这些问题和缺陷，但这种单向离合器将仅在一个方向上通过自身来工作。换言之，在分动箱中的输入轴与输出轴之间向前的单向转动接合将允许向前的四轮驱动运动，而不允许反向的四轮驱动运动。为了提供这种功能，在该分动箱上增加了额外的机构和装置以对这些单向离合器进行补充。然而，这增加了分动箱的重量和复杂性。

减少分动箱的机械复杂性以及物理体积而同时增加其功能性的这些共存的现行的设计目标产生了另一种扭矩传输装置的设计，这种设计把单向离合器机构适配为允许双向旋转式、或两向式的接合。这种装置典型地被称为双向离合器。这种双向离合器用来解决四轮驱动的以上所有困难是令人希望的并且提供了全部的向前以及反向的功能性。它允许将输入轴设计为在两个转动方向上用于四轮驱动模式的驱动构件，但在输入轴是静止的或者比输出轴转动更慢时按需要来提供从动输出轴的双向自由轮转运动。

然而，尽管常规的双向离合器设计在解决这些以及其他四轮驱动式传动困难中已经是非常有用的，但是在使用了四轮驱动接合的双向离合器应用中已经变得清楚的是仍然存在造成特别问题的某些不足的。确切地说，还存在着从双向离合器的用于第一转动方向的这些座圈之间的接合的内部连接处至在相反的、或第二方向上的座圈接合的一个物理角距离。这个亦被称为后冲的角度距离可以引起机械性问题，因为在分动箱的使用寿命中反复地要求双向离合器改变其旋转驱动方向。这是由于在从一个转动方向到另一个的切换中带来的机械负荷。这种转动变化采取了一种高撞击性冲击负荷的形式，这种负荷不仅被双向离合器吸收，而且还被平移到附接于传动系中的双离合器上的其他部件上，全都达到一种重复性的有害效应。这种冲击负荷是有害的，因为它减少了部件的寿命和可靠性，同时给车辆增加了不舒适的驾驶特性。

已经做了一些尝试来减小双向离合器组件内的后冲量，但这些总体上要求分动箱结构的实质的、或根本的重新设计。在当前使用的典型的双向离合器中，这种结构性的固有后冲可以仅被物理地减小至约四度与五度之间的转动。甚至这种似乎少量的后冲也引起了上述这些问题。

因此，存在着一种需要来创造出一种改进的离合器组件用作一个分动箱内的一个传动系部件，该离合器组件具有减小的或最小的后冲，这将由此减小冲击负载、延长离合器及相关部件的寿命，并且改进车辆的行驶特性。

发明内容

根据本披露的一个方面，在此披露了一种离合器，它包括一个内座圈、一个外座圈、以及在该内座圈与该外座圈之间延伸的多个棘齿元件，该多个棘齿元件围绕该内座圈以及外座圈安置在多排之中。

根据本披露的另一个方面，在此披露了运行一个具有减小的后冲以及双向能力的离合器的一种方法，该方法包括：提供一个离合器组件，该离合器组件包括一个内座圈、一个外座圈、一个锁定臂、一个凸轮表面、以及一个肩台；相对于该外座圈顺时针转动该内座圈，这种转动致使该锁定臂沿该凸轮表面滑动，由此允许内座圈自由移动；并且相对于该外座圈逆时针转动该内座圈，这种转动致使该锁定臂接合该肩台并且防止进一步转动。

根据本披露的另一个方面，在此披露了一种机动车辆的分动箱，它包括：由一个机箱以及一个盖件形成的一个壳体，该机箱被工作性地连接到一个变速器的输出上；由一个输入滚柱轴承以及该机箱可转动地支撑的一个输入轴；由该盖件内的一个后部输出滚柱轴承可转动地支撑的一个主输出轴；由前输出滚柱轴承可转动地支撑在该壳体的下部部分上的一个次级输出轴，该次级输出轴具有一个钟形的凸缘，该凸缘被工作性地连接到一个膨胀接头上以传输扭矩；被花键连接到该主输出轴上并且工作性地连接到一个下部从动链轮上的一个驱动链轮，该下部从动链轮被一个后部滚柱轴承可转动地支撑以便选择性地将扭矩传输到该次级输出轴上；以及一个离合器组件，该离合器组件包括一个内座圈、一个外座圈以及在该内座圈与外座圈之间延伸的多个棘齿元件，该多个棘齿元件围绕该内座圈以及外座圈安置在多排之中。

本披露内容的这些和其他方面以及多个优点将通过阅读以下详细说明同时结合这些附图而将变得更加清楚。

附图说明

图1是使用了一种结合本披露的传授内容制造的离合器的分动箱的截面图；

图2是该离合器组件的一个实施方案的片断视图；

图3是图2的实施方案的截面图，该图是沿图2的3-3线截取的；

图4是图2的实施方案的截面图，该图是沿图2的4-4线截取的；

图5是本披露的另一个实施方案的截面图，它使用了具有两套在同一方向延伸的棘齿元件的三个座圈；

图6是本披露的另一个实施方案的截面图，其中两套棘齿元件在相反的方向延伸；并且

图7A至图7E是在根据本披露的传授内容构造一个离合器所使用的实际棘齿机构的替代实施方案。

尽管本披露会可适合于不同的修改和替代实施方案，在附图中已经示出了其多个特定的说明性实施方案并且将在以下予以详细说明。然而，应该理解的是，在此无意将本披露限于所公开的特定形式，与之相反，本披露旨在涵盖落入本披露的精神和范围之内的所有的修改、替代性结构和等效物。

具体实施方式

现在参见附图并且通过具体参见图1，在四轮驱动车辆（未示出）中使用并且接合当前披露的一个分动箱总体上由参考数字10表示。分动箱10包括一个壳体12，该壳体是由一个机箱14以及一个盖件16形成的，该机箱以及盖件以常规的方式沿中心线18相配合。一个输入轴20是由一个输入滚柱轴承22可转动地支撑的并且该机箱以一种常规方式工作性地连接到变速器的一个输出上。类似地，主输出轴24以常规的方式被盖件16内的一个后部输出滚柱轴承26可转动地支撑。如将在附图中指出，该输入轴和输出轴是整体的，但本领域普通技术人员将认识到，它们可以形成为以常规方式被花键连接在一起的两个轴。输入轴与输出轴一起定义了分动箱的主轴。

另外，本披露的分动箱10包括一个次级输出轴28，该次级输出轴被一个前输出滚柱轴承30可转动地支撑在壳体12的下部部分处。次级输出轴28具有一个工作性地连接到一个膨胀接头（未示出）上的钟形凸缘32，以便在车辆处于四轮驱动模式时将扭矩传输到车辆的这些前轮上。

一个驱动链轮34被花键连接到主输出轴24上并且在壳体12的上部部分中与该主输出轴一起转动。由幻影示出，驱动链轮34的一个链条38工作性地连接到一个下部的从动链轮36上。下部从动链轮36被后部滚柱轴程39可转动地支撑在壳体12的下部部分中，以便将扭矩选择性地传输到次级输出轴28上。在这点之后所描述的一个速度分动箱10在本领域中是常规的。

然而，参见总体上由参考数字40表示的本披露内容的离合器。如在图2中清楚的示出，在一个第一实施方案中，离合器40可以包括一个内座圈42、以及外座圈44、以及在内座圈42与外座圈44之间延伸的多个棘齿元件46。可以将这些棘齿元件46提供在一个第一圆周排46a、以及一个第二圆周排46b中。

如本领域普通技术人员应当理解，这些棘齿元件46可以包括一个枢转轴50，一个锁定臂52自该枢转轴延伸。外座圈44可以被机加工为具有多个安装凹陷54，每个棘齿元件46能够可枢转地安装在这些凹陷中。在其他实施方案中，该多个棘齿元件46能够类似地进行安装以便在内座圈42内的枢转运动。

现在参见图3，通过截面更详细地示出了第一排棘齿元件46a。如图所示，枢转轴50被安装在外座圈44内，其中锁定臂52在顺时针方向上朝内座圈42延伸。进而，内座圈42配备有多个凹口56，这些棘齿元件46在这些凹口中可以接合和解除接合。更确切地说，每个凹口56包括一个凸轮表面58以及一个肩台60。凸轮表面58是成角度的，这样使得内座圈42相对于外座圈44的顺时针转动致使锁定臂52沿凸轮表面58滑动由此允许内座圈42自由移动。然而，当内座圈42设法相对于外座圈44在逆时针方向上转动时，锁定臂52接合了肩台60并且防止这种转动。一个弹簧62是与每个棘齿元件46相关联的，以便将这些锁定臂52偏置朝向这些凹口56。

然而，与第一排棘齿元件46a共存的是同样被安装在外座圈44内的第二排棘齿元件46b。如图2所示，第二排46b可以是围绕外座圈44环圆周地提供的，但简单地在侧向上与其间隔开。另外，第二排棘齿元件46b可以在与第一排46a相同的顺时针方向上延伸，或者如图4所示，可以被安装为以便在相反的逆时针方向上延伸。如果被安装在同一个方向上，如与常规离合器相比较，所导致的离合器组件可以具有一个显著减小的后冲，例如，在减小百分之五十的级别上。因此，本披露在此被表示为如具有一个减小的后冲因数（例如，0.5）。如果被安装在相反的方向上，则所导致的离合器组件可以通过双向能力来运行，如在此将更详细地说明。

在又另一个替代实施方案中，第一排和第二排棘齿元件46a、46b可以在多于两个座圈之间延伸。换言之，这样一个离合器可以包括第一、第二、以及第三座圈63、64、66，其中第一排棘齿元件46a在第一座圈63与第二座圈64之间延伸，并且其中第二排棘齿元件46b在第二座圈64与第三座圈66之间延伸。另外，如通过先前的实施方案，可以将第一排和第二排棘齿元件46a和46b安装为在同一个方向（图5中顺时针）上、或者在如图6所示的相反方向上延伸，以或者减小后冲、或者允许用于双向使用。通过特殊参见这些后面的实施方案，可以看出双向安装允许四个不同模式的操作，确切地说：(1) 在顺时针和逆时针的两个方向上的自由轮转/超速；(2) 在顺时针和逆时针的两个方向上的锁定/传输扭矩；(3) 在顺时针方向上锁定而在逆时针方向上超速；以及 (4) 在逆时针方向上锁定而在顺时针方向上超速。

最后，图7A至图7E描绘了不同实施方案的这些类型和形状的棘齿元件46，它们可以与本披露内容一起使用。那些所示的是简单的示例性的而不意味是穷尽的。另外，虽然前面已经提到主要是径向棘齿的离合器，但应当理解使用多排环圆周的元件可以与其他类型的离合器一起使用，而并不限于滚柱式离合器、楔式离合器、以及类似的离合器。

因此，从上文中可以看出，本披露内容可以用来构造具有极大地减小的后冲的离合器，例如，高达百分之五十的减少。另外，可以使用定向的这些座圈以及多个棘齿元件以便产生一种具有至少四个操作模式的可选择的离合器。

Claims (15)

1.一种离合器，包括：

第一座圈；

第二座圈，所述第二座圈置于该第一座圈内侧；

第一多个棘齿元件，该第一多个棘齿元件环圆周地围绕该第一座圈以及第二座圈安置，并且在该第一座圈与该第二座圈之间延伸；

该第一座圈包括多个机加工的凹陷，该棘齿元件以可枢转的方式安装在这些凹陷中；

该第二座圈被提供有多个凹口，该棘齿元件在这些凹口中接合并且解除接合；

该第一多个棘齿元件中的棘齿元件包括枢轴，从该枢轴延伸有锁定臂，该锁定臂被弹簧朝向该凹口偏置；

第三座圈，其中该第二座圈位于该第一座圈和该第三座圈之间；以及

第二多个棘齿元件，该第二多个棘齿元件自该第二座圈延伸至该第三座圈。

2.如权利要求1所述的离合器，其中，该第一和第二多个棘齿元件中的棘齿元件均沿相同的旋转方向延伸。

3.如权利要求2所述的离合器，其中，该棘齿元件配置成沿相同的旋转方向延伸以减少后冲。

4.如权利要求2所述的离合器，其中，沿相同的旋转方向延伸的该棘齿元件被配置成以0.5的因数减少后冲。

5.如权利要求1所述的离合器，其中，该第一多个棘齿元件中的棘齿元件和该第二多个棘齿元件中的棘齿元件沿相反的旋转方向延伸。

6.如权利要求5所述的离合器，其中，该离合器是双向离合器。

7.如权利要求5所述的离合器，其中，该离合器被配置成在自由轮转/超速运行模式中在顺时针和逆时针的两个方向上运行。

8.如权利要求5所述的离合器，其中，该离合器被配置成在锁定/传输扭矩运行模式中在顺时针和逆时针的两个方向上运行。

9.如权利要求5所述的离合器，其中，该离合器被配置成在锁定运行模式中在顺时针方向上运行，并且在超速运行模式中在逆时针方向上运行。

10.如权利要求5所述的离合器，其中，该离合器被配置成在锁定运行模式中在顺时针方向上运行，并且在超速运行模式中在顺时针方向上运行。

11.如权利要求5所述的离合器，其中，该离合器是可选择的离合器，其被配置成以四个可选择的运行模式之一运行，该四个可选择的运行模式包括：

(i)在顺时针和逆时针的两个方向上的自由轮转；

(ii)在顺时针和逆时针的两个方向上的锁定/传输扭矩；

(iii)在顺时针方向上锁定而在逆时针方向上超速；以及

(iv)在逆时针方向上锁定而在顺时针方向上超速。

12.如权利要求1所述的离合器，其中，该第一多个棘齿元件包括第一排棘齿元件和第二排棘齿元件，该第一和第二排棘齿元件在侧向上从其间隔开。

13.如权利要求12所述的离合器，其中，该第一排棘齿元件中的棘齿元件沿与该第二排棘齿元件中的棘齿元件相反的方向延伸。

14.如权利要求1所述的离合器，其中，该多个凹口中的凹口包括凸轮表面和肩台。

15.如权利要求14所述的离合器，其中，

该凸轮表面是成角度的，这样使得该锁定臂自由滑动；并且

该肩台被配置成接合该锁定臂以防止进一步转动。