CN1101405A - 非同步刚性接合器结构 - Google Patents

Abstract

一种非同步刚性接合器系统(200)被用来使一 个第一(46)与一个第二(42)独立可转动的元件有选 择地耦联一起转动或者脱开耦联。接合器系统包括 有接合器元件(50，42A)，各有N个互相能啮合的接 合器齿(208，210)。齿数N根据节径(214)、接合器 侧隙(216)及耐用度考虑力求最大。由于相对于已 知的技术(200P)增加了接合器齿数，可以得到更平 滑的换挡和减少漏失接合的危险。

Description

本发明是关于非同步刚性接合器的一种改进结构。这种接合器具有一个第一接合元件，以一个回转自由度固定到第一可回转装置并可选择地联接到可以与第二可回转装置一起转动的第二接合元件。第一接合器元件典型地是用花键联接到轴上一起回转和可作相对的轴向运动，而且相对于一个带有第二接合元件的齿轮可以选择地在轴向移动，用来选择接通或脱开刚性接合器，使齿轮可以联接到轴上转动或从轴上脱开。

更具体地说，本发明是关于一种可以轴向接合与脱开的非同步刚性接合器结构，其中相互结合的接合器元件上的接合器齿数远比已有技术的相应非同步刚性接合器结构中所用的接合器齿数要大得多（最好至少要大百分之五十，能至少大百分之一百就更好）。

用来把一个第一可转动装置（例如一个齿轮）可选择地转动接合到第二可转动装置（例如一个轴）上，或者使它们脱开转动的非同步刚性接合器系统在已有技术里是众所周知的。采用这种刚性接合器，但没有同步机构以最大地减少其成本、尺寸和/或复杂性的交换齿轮传动在已知技术里是众所周知的。参看美国专利Nos.21，951，395;3，105，395;3，335，616;3，500，695;3，799，002;4，388，838;4，754，665;5，500，060及5，052，535即可了然。这里摘录其内容以供参考。

所述非同步刚性接合器系统中接合元件的接合器齿最好有这样的先导边结构：当接合器结合时如果相对转速超过某预定值，先导边能使接合元件象棘轮那样作用而不是互相接合。美国专利No.3，265，173中可以看到这种离合器齿的一种例子，这里摘录下来作为参考。众所周知，对于一给定的结合力，刚性接合器可以正常结合（即接合器齿将出现足够的相互交叉）的最大许可相对转速是接合器系统中总的有效侧隙的正比例函数。允许接合器接合的最大不同步条件是根据能接受（允许）的最粗糙的接合器结合来选定的。

采用已知的非同步刚性接合器结构来变换齿轮传动，尤其是为重型车辆（MVMA6级及以上）用的，尽管在商业上是很成功的，但这种传动和接合器结构总的来说不是令人满意的，因为已有技术的接合器接合元件上典型地采用比较少的接合器齿，一般为18到20个，这容易造成车辆驾驶员要用较大的力才能使之接合，而这将导致更粗糙、更失去同步的接合器结合，远非所愿得到的。

某些已知的技术为手动转换非同步传动，例如本发明的受让人易通公司（Eaton Corporation）的T-11607型传动机构，有一或多个直径比较大的非同步刚性接合器，接合器齿数比较多（每个接合器元件有30个齿），但这种接合器能用的最多齿数却并未作过探索。

根据本发明，提供一个非同步刚性接合器结构，使已有技术的缺点减少到最小。这种结构比已有技术的相应接合器结构能得到更平稳（滑）并更接近于同步的接合器结合，并且不增加漏失换挡的危险。

以上是以增加每个接合器元件所具有的相互啮合的接合器齿数来实现的。增加的齿数比相应非同步刚性接合器元件通常采用的齿数至少多百分之五十（50%），最好多百分之一百（100%）或更多。作为例子，由本发明的受让人Eaton公司制造的重型卡车传动中，一种典型已知技术的非同步爪式接合器，其节圆直径约三英寸，每个接合器元件上采用18个接合器齿，而相应的按本发明制造的爪式接合器（节圆直径和侧隙基本上和已知技术的一样）每个接合器元件上采用39或40个齿。

申请人已经发现装备按照本发明的非同步刚性接合器组件的重型手动变速传动装置能够以明显更平滑的方式变速，尤其是，根据节圆直径、选用的侧隙以及按强度需要的最小接合器齿厚来决定各接合器元件上采用最大的齿数，这是本发明的最大优点。

因此，本发明的目的是提供一种改进的非同步刚性接合器，它用于手动及/或自动变速的重型传动机构，使操作者能得到更平滑的接合器结合而没有漏失换挡的危险。

本发明的这个及其它目的与优点，可以通过参考附图并结合最佳的实施例的描述来理解。

图1为本发明的复式传动机构的平面截面图;

图2是图1中传动机构的变速型式及典型变速级的示意图;

图3是图1传动机构中假定采用的已知技术的刚性接合器系统的放大截面图;

图3A及3B分别为图3中接合器齿圈的正视图及侧视图;

图4是本发明刚性接合器系统，和图3相似，是沿图1中4-4线所取的放大截面图;

图4A及4B分别为图4中接合器齿圈的正视图及侧视图。

在下面的描述中所用的若干术语仅仅是为了方便而并非限制。词“向上”，“向下”，“向右”及“向左”都是指所参考图中的方向。“向前”与“向后”则分别指传动机构通常方式安装在车辆里时的前端与后端，在图1中分别为所示传动机构的左侧与右侧。词“向内”及“向外”分别指向着及离开装置的几何中心的方向，以及那里所标明的零件。所述术语包括上面特别提到的词，及其衍生词和类似含义的词。

词“复式传动”是用来表示有主要传动部分和辅助传动轮系单元（例如一个辅助的传动部分）串联的变速传动或变换齿轮传动，因而所选定的主要传动组里的降速比可以用在辅助传动组中进一步选定的降速比复合起来。显然可知，虽然本发明的最佳实施例采用和主传动部分串联的辅助传动部分，本发明同样可应用于与可换挡的多速装置串联的简单传动中，该可换档的多速装置例如为多速传动箱和/或多速后驱动轴系统。这里所用的词“换高速档”意思是从一个较低的齿轮速比转换到一段高的齿轮速比，而词“换低速档”则意思是从较高的齿轮速比转换到较低的齿轮速比。此处所用的词“低速齿轮”或“低齿轮”指在一传动机构中用在比较低的向前运转速度下的齿轮，例如，输出轴速度相对于输入轴速度具有较大减速比的一组齿轮。

现在参看图1，它示出了复式传动机构10。传动机构10包括有与辅助传动部分14串联的主要传动部分12，该辅助传动部分14既有拼合齿轮啮合传动，也有并列齿轮传动。传动机构10一般安放在由多件组件组成的单独的箱16中，包括有一个由原动机，例如柴油机（未示出）通过可选择地脱开、常态下啮合的主摩擦离合器（未示出）驱动的输入轴18。

在主要传动部分12内，输入轴18上有用来驱动至少一个副轴组件22的输入齿轮20。最好是，如在已有技术中广为所知并在前面提到过的美国专利Nos.3，105，395和3，335，616中说明过的，输入齿轮20以基本上相同的转速同时驱动若干个基本上相同的主要部分的副轴组件。每个主要部分副轴组件包括有一个由轴承26与28支承在箱体16中的主要部分副轴24。副轴24上面装有固定联接在副轴上的齿轮30，32，34，36及38。若干个主要部分驱动齿轮或主轴齿轮40，42及44围绕着传动主轴46。利用滑移接合器圈48与50（在本领域中早已众所周知），主轴齿轮40，42及44就可以每次一个分别结合到主轴46上，和主轴一起转动。接合器圈48也可以用来把输入齿轮20联接到主轴46上，得到输入轴18和主轴46间的直接驱动关系。更为可取的是，主要部分的每个主轴齿轮围绕着主轴46，和相关的副轴齿轮组处于连续的啮合关系中并且由这些相关的副轴齿轮组浮动支承着。这种安装方式和由此得到的特殊优点在上述美国专利No.3，105，3995及3，335，616中有更详细的解释。接合器圈48与50一般用换档拨叉52与54分别加以轴向定住，所述拨叉52和54同变速杆箱组件56相关联，这在下面有更详细的描述。在最佳实施例中，接合器圈48与50是已知的非同步双动爪式接合器型的。

主要部分的主轴齿轮44是反向齿轮，且与副轴齿轮38通过普通的中间惰轮（未示出）处于连续的啮合中。主要部分副轴齿轮32是为功率输出装置等提供功率用的。爪式接合器48与50是三位接合器，可以处在中间的轴向未移位、不啮合的空档位置，如图1中所示，或者在右边的啮合位置，或者在左边的啮合位置。

辅助传动部分14和主传动部分12是串联相接的，是三层次-四速-拼合/并列结合型的，如在上述美国专利No.4，754，665中所描述的。主轴46延伸到辅助部分14中，并以输出轴58的内端作轴颈座。输出轴58从传动链的后端外伸。

在最佳实施例中，辅助传动部分14包括若干个基本上相同的辅助副轴组件（未示出），每个组件有一个由箱体16中的轴承支承的辅助副轴，上面装有三个辅助部分副轴齿轮与副轴一起转动并与拼合（splitter）齿轮74，拼合/并列（range）齿轮76或并列齿轮78始终啮合。

采用一个滑移双动爪式接合器圈80来选择地把拼合齿轮74或者拼合/并列齿轮76联接到主要轴46，而一个双动同步接合器组件82则用来选择地把拼合/并列齿轮76或并列齿轮78联接到输出轴58。双动爪式接合器圈80的结构与功能基本上和用在主要传动部分12里的滑移接合器圈48及50的结构与功能一样。双动同步接合器组件82的结构与功能则和已有技术的双动同步接合器组件的结构与功能基本一样，后者的例子可以在美国专利4，462，489;4，125，179及2，667，955中看到，这里摘录下来作为参考。图中所示同步接合器组件82是针型的，在上述美国专利No.4，462，489中有过描述。

拼合的（splitter）爪式接合器80是一种双位接合器组件，它可以在最右位置或最左位置中选择位置，分别使齿轮76或齿轮74联接到主轴46上。拼合的爪式接合器80用拨叉84轴向定位，拨叉84则由双位活塞致动器86控制，致动器86由已知的变速手把上的按钮（未示出）之类的驱动器选择开关来操作。双位同步接合器组件82是一个双位接合器，可以在极右或极左位置两者中选择其一，分别使齿轮78或76接合到输出轴58上。接合器组件82由拨叉88移动位置，拨叉88则由双位活塞装置90操作，它的致动与控制下面将更详细地加以描述。

参看图1-2可以得知，使拼合接合器80和并列（range）接合器82在它们的前与后轴向位置中选择不同的位置，主要轴转动与输出轴转动之间可以得到四种明显不同的速比。同样，辅助传动部分14是并列与拼合齿轮混合的三层次辅助部分，其输入（主轴46）与输出（输出轴58）之间可以得到四种可选择的速度或传动比。主要部分12提供一种反向速度和三种潜在可选用的向前（正转）速度。但可选择的主要部分向前齿轮比（传动比）之一，和主轴齿轮42相关的低速齿轮比，在高速范围内并不利用。因而，传动机构10可以说是一种“（2+1）×（2×2）”型的传动机构，取决于分划低齿轮比的要求与可行性，可以提供9或10种可选择的向前速度。

接合器82，作为并列接合器，应该是同步接合器;而拼合型的双动接合器圈80并不要求同步。变速传动机构10的换档型式在图2中示意表出。在每个齿轮杆位置的竖直方向上的分划表明拼合换档，而在H型的3/4与5/6分支在水平方向内移动到7/8与9/10分支则表示传动系统从低速区向向速区的填档。像上面讨论过的，拼合换档在一般情况下是由车辆操作者致动的拼合按钮或相似的装置、通常是位于换档杆上的按钮来实现的。而并列接合器换档组件的操作则是齿轮换档杆在图2中所示的换档型式的中央分支与极右分支间移动的一种自动响应，下面将更详细地加以描述。这种一般型式的并列换档装置在已知技术中是已知的，参考上述美国专利3，429，902;4，455，883;4，561，325及4，663，725都可以找到，这里摘录下来作为参考。

再参看图2，假设传动机构最理想的是具有大致相等的速比级（ratio steps），主要部分的速比级应该大致相等，拼合级（splitterstep）应该大致等于主要部分速比级的平方根，而并列级（range step）应该等于主要部分的速比级的N次方，此处N等于分区中出现的主要部分速比级数（例如在（2+1）×（2×2）传动机构10中N＝2）。给定希望的理想速比，把齿轮齿数配到大致等于这些速比。在上例中，拼合级大约是33.3%而并列级约为316%，对于一个具有的78%级的“2+1”主要传动部分这一般是合适的，因为1.78的平方根约为1.33，1.78的二次方（即N＝2）约为3.16。

用来控制传动机构10的主要传动部分12和辅助部分14的并列部分和接合器82换档的控制单元或组件是由上述美国专利5，000，060所述型式的变速杆箱组件56所限定。

本发明的非同步刚性接合结构200的细节在图4中表示。刚性接合器系统200可以用来把第一可回转件，例如主要轴16有选择地转动耦联到第二可回转件，例如主轴齿轮42上，或者使它们脱开耦联。主轴齿轮42，如上面描述过，经常和至少一个副轴齿轮36相啮合。

已知技术的接合结构200P的结构细节在图3中示出，其中结构上和功能上和本发明的元件或者构件基本上相同的元件或构件以同样的参考号编号。接合系统200P中与系统200的构件功能相似但结构不同的构件则给以相同的参数编号并附加字母“P”。

本发明的刚性接合系统200包括双动接合圈50的左端即前端202。接合器圈50上有内花键齿204，它和主轴46上的外花键齿206共同把接合器圈50装到主轴上一起转动并实现轴向的相对滑动。接合器圈50的前端202有一系列呈环形的刚性接合器外齿208，用来与主轴齿轮42的毂42A上整体形成的内接合齿210可选择地进行刚性结合。

接合器圈50上加工有接合器外齿208并紧固在主轴46上一起转动的部分202可以认为是第一接合元件，而加工有内离合齿210的齿轮42的毂部分可认为是刚性接合器的第二元件，它们用来把主轴齿轮42与主轴46可选择地耦联在一起转动或者脱开。

象在上述美国专利3，265，173中详细描述过的，接合器齿208与210的先导边相对于主轴46的回转轴线是倾斜的，最好约为35°。这样，在接合器接合初始时，如果接合器元件202与46间的相对转动速度超过某一预定极限值，接合器齿的先导边就会使接合器元件发生跳齿或打滑，而不是进入接合，以防止不可接受的粗鲁换档以及/或损坏接合器元件。接合用的离合器元件间的最大相对转速值，即不同步转动的最大值（在此不同步值下接合器元件将能结合）由刚性接合器系统的有效总侧隙，即自由旋转行程，及轴向结合力大小来决定。

在刚性接合器系统200及200P中，系统总侧隙是接合器圈50与主要轴46间的花键联接的侧隙、离合圈及齿轮的接合齿208与210间的间隙之和。在一种典型的已知技术的传动机构中，主轴与接合器圈的花键联接的节径212约为2.10英寸，可互相接合的接合器齿208及210的节径214约3.00英寸，接合器系统中的总侧隙可取0.024英寸（转动1.11°），其中0.012英寸（0.65°转动）是由于主轴与滑移接合器圈间的花键联接引起的，而0.012英寸（0.46°转动）是由于接合器齿208与210。

本发明接合器结构200中每个接合器齿208与接合器齿210采用约29或40个齿，而节圆半径214及接合器齿侧隙则保持基本上和先有技术的接合器结构200P一样，后者一般采用约18至20个接合器齿208P及210P。

本发明的非同步刚性接合结构200所采用的接合器齿208与210的数目是按给定的传动结构中的节圆半径214和期望的侧隙216以及耐用度考虑的函数来确定的。节圆半径和侧隙两项基本上是确定的。根据这些考虑选定最大或接近最大的许用接合齿数。这和具有相对大数的接合齿的已有技术接合器有显著差别。已有技术中的接合器齿的数目一般和相对地比较大的节圆直径成比例。例如，典型的已知非同步接合器的节圆直径约为3英寸，用18-20个接合齿，即径节大约为6或7，而上述的T-11607型传动机构中采用某些具有节径约3.73英寸、30个接合器齿的非同步接合器，即径节约为8。与之成很大差异，本发明接合器的径节约为13（39个齿，节径约为3英寸）。

此处及传动装置行业中用的径节一词，是指接合器齿数被节径（单位为英寸）除。

本发明涉及一种用于重型传动装置的非同步刚性接合器（节径大于2.5英寸），具有径节P至少为已知技术中相同节圆半径的同类接合器所采用的径节（6至8）的125%，最好至少为150%。根据本发明所提供的接合器的齿数N应为

N≥P×PD

式中N为各接合器元件上的离合器齿数，

P为径节，至少为10，以及

PD为节圆直径，以英寸表示。

本发明的接合器结构之所以能保证更平滑而不那么粗糙的换档变速的理由是：当车辆驾驶员通过变速杆施加一定的力，就可以得到不粗糙，即更接近于同步的换档变速，并使遗漏换档的机会减到最少的一种最佳组合。众所周知，对一给定的非同步刚性接合器结构，200或200P，施加较大的力就能减少遗漏换档的可能，但加大了粗糙换档的机会，因为当接合器元件经历同步时随着轴向作用力的加大，两接合器元件将会结合而不打滑（跳齿）的转速差也将增大。接合器元件经历同步时，常有一约为1000rpm/秒的相对加速度，采用更多的接合齿（假设接合器系统侧隙已定）意味着更多机会使接合器在更接近真正同步时结合（即齿与齿空间对齐），使漏失换档的危险减到最少并允许使用较小的力，结果使换档更平滑。当重型车辆驾驶员了解到可以用较小的力而不会有漏失换档的危险时，他们就会乐于使用这样机构，从而得到更平滑更少粗糙的换档。

相应地可以看到，对比已有的技术，重型机械车辆传动装置上采用按本发明的非同步刚性接合器结构，可以提高变速齿轮结合的平滑性而不增加漏失换档的危险，即可以减少漏失换档的危险而不增大换档的粗糙程度，并得到一种期望的组合。

尽管本发明是以其优选的形式、有一定程度的特殊性进行描述的，显然此优选形式仅是作为实例提供的。在结构的细节上和零件的组合与安排上可以采取许多变化，而不偏离本发明的精神与范围。

Claims (18)

1、一种用来使第一(46)与第二(42)独立可以转动的元件选择地耦联转动或解脱转动的非同步刚性接合器系统(200)，所述接合器系统含有一个第一接合器元件(50)，与所述第一可转动元件(46)可以一起转动，还有一个第二接合器元件(42A)，可以和所述第二可转动元件(42)一起转动，所述第一与第二接合器元件上分别有一组能互相啮合的第一(208)与第二(210)接合器齿，所述接合器齿界定出一节圆直径(214)，所述接合器系统特征在于：

每个上述接合器元件所有的接合器齿数N由下式定义：

N≥P×PD

式中：N=在每个上述接合器元件上可互相啮合的接合器齿数，

P=接合器径节≥10；以及

PD=节圆直径(214)，以英寸为单位表示。

2、如权利要求1的系统，其特征在于：P大于或等于12。

3、如权利要求1的系统，其特征在于：PD至少等于2.5英寸。

4、如权利要求1的系统，其特征在于：PD至少等于3.0英寸。

5、如权利要求2的系统，其特征在于：PD至少等于2.5英寸。

6、如权利要求5的系统，其特征在于：PD至少等于3.0英寸。

7、一种用在重型车辆上的机械传动系统（10）、用来使一个传动轴（46）可选择地转动耦联到围绕所述轴并能独立相对转动的传动齿轮（42）上或者脱开耦联的非同步刚性爪式接合器组件，所述接合器组件包括一个耦联到所述轴一起转动并可作轴向相对运动的接合器圈（50），还有和所述齿轮（42）一起转动的毂元件（42A），所述接合器圈与所述毂元件分别有第一组（208）与第二组（210）可以轴向互相啮合的接合器齿，所述接合器齿界定出一至少2.5英寸的节圆直径（214），所述接合器组件特征为：

N≥P×PD

式中：

N＝每个所述接合器元件上的互相可以啮合的接合器齿数，

P＝接合器径节≥10;

PD＝节圆直径（214），以英寸为单位。

8、如权利要求7的组件，其特征在于：P大于或等于12。

9、如权利要求8的组件，其特征在于：PD至少等于3.0英寸。

10、如权利要求8的组件，其特征在于：PD至少等于3.0英寸。

11、如权利要求7的组件，其特征在于：所述接合器齿在节圆直径上的侧隙约为0.012英寸。

12、如权利要求8的组件，其特征在于：所述接合器齿在节圆直径上的侧隙约为0.012英寸。

13、如权利要求9的组件，其特征在于：所述接合器齿在节圆直径的侧隙约为0.012英寸。

14、如权利要求7的接合器组件，其特征在于：所述第一接合器齿从所述接合器圈径向向外延伸而所述第二接合器齿（210）从所述毂元件径向向内延伸。

15、如权利要求8的接合器组件，其特征在于：所述第一接合器齿从所述接合器圈径向向外延伸而所述第二接合器齿（210）从所述毂元件径向向内延伸。

16、如权利要求9的接合器组件，其特征在于：所述第一接合器齿从所述接合器圈径向向外延伸，而所述第二接合器齿（210）从所述毂元件径向向内延伸。

17、权利要求11的接合器组件，其特征在于：所述第一接合器齿从所述接合器圈径向向外延伸，而所述第二接合器齿（210）从所述毂元件径向向内延伸。

18、权利要求12的接合器组件，其特征在于：所述第一接合器齿从所述接合器圈径向向外延伸，而所述第二接合器齿（210）从毂元件径向向内延伸。

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