CN111473105B - 主动回位的换挡装置及使用该换挡装置的换挡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种主动回位的换挡装置及使用该换挡装置的换挡方法，所述装置包括：换挡杆单元，其通过外部的操作力从初始位置转变到操作位置，换挡杆单元连接有回位机构，使得换挡杆单元在去除操作力之后能够返回到初始位置；主动齿轮，其与换挡杆单元接合，使得主动齿轮随着换挡杆单元的运动而转动；以及从动齿轮，其与主动齿轮的外齿相啮合，并且从动齿轮与换挡缆索连接以通过主动齿轮的转动来推动或拉动换挡缆索，从而实现挡位的变换；换挡杆单元通过棘爪与主动齿轮接合，棘爪具有第一接合位置和第二接合位置。本发明在保留机械换挡的稳定性的同时，能够实现如同电子换挡的换挡模式。

Description

主动回位的换挡装置及使用该换挡装置的换挡方法
技术领域
本发明涉及一种主动回位的换挡装置及使用该换挡装置的换挡方法，具体地，本发明涉及这样一种换挡装置，其在保留机械换挡的稳定性的同时，能够实现如同电子换挡(SBW,shift by wire)的换挡模式。
背景技术
目前，大多数车辆采用的是机械换挡，例如SBC(shift by cable)换挡系统，机械换挡是通过机械结构的传动来实现挡位的切换，其具有良好的稳定性和可靠性。
随着车辆的智能化和科技化的发展，电子换挡(SBW)出现在了一些高端豪华轿车上，顾名思义电子换挡是运用电控操作来实现挡位切换，而不需要机械传动机构。在电子换挡的换挡模式下，驾驶员只需要轻轻向前推或者向后拉换挡杆，就能够完成各个档位的切换，并且在换挡完成后，换挡杆会自动返回到初始位置。
电子换挡的优点是减小了驾驶员的操作力度，让换挡动作更为轻松舒适，而且电子换挡杆的外观更具有科技感。相对于机械换挡，应用SBW时，变速器需要增加执行器，线束系统也要做相应改变，这也使电子换挡系统的成本相对更高。此外，电子换挡依赖的是电信号控制，这也导致了其相对于机械换挡来说稳定性和可靠性较差，存在一定的安全隐患，例如断电及电路故障时车辆无法正常使用。
发明内容
本发明提供了一种主动回位的换挡装置及使用该换挡装置的换挡方法，其在保留机械换挡的稳定性的同时，能够实现如同电子换挡的换挡模式。
在一方面，本发明提供一种主动回位的换挡装置，其包括：换挡杆单元，其通过外部的操作力从初始位置转变到操作位置，所述换挡杆单元连接有回位机构，使得所述换挡杆单元在去除所述操作力之后能够返回到初始位置；主动齿轮，其与所述换挡杆单元接合，使得所述主动齿轮随着所述换挡杆单元的运动而转动；以及从动齿轮，其与所述主动齿轮的外齿相啮合，并且所述从动齿轮与换挡缆索连接以通过主动齿轮的转动来推动或拉动所述换挡缆索，从而实现挡位的变换。其中，所述换挡杆单元通过棘爪与所述主动齿轮接合，所述棘爪具有第一接合位置和第二接合位置。其中，当所述棘爪在第一接合位置与所述主动齿轮接合时，所述主动齿轮可以在施加到所述换挡杆单元的第一方向的操作力作用下沿逆时针方向转动，使得所述从动齿轮沿顺时针方向转动以推动所述换挡缆索。其中，当所述棘爪在第二接合位置与所述主动齿轮接合时，所述主动齿轮可以在施加到所述换挡杆单元的第二方向的操作力作用下沿顺时针方向转动，使得所述从动齿轮沿逆时针方向转动以拉动所述换挡缆索。
根据本发明的一个优选实施方案，所述换挡杆单元可以包括：把手，其安装在换挡杆的上部；以及转盘机构，其包括转盘本体和设置在所述转盘本体的第一轴向侧面上的转盘轴，所述转盘轴与所述换挡杆的下部连接。其中，在施加到所述把手的相对于初始位置向前的操作力作用下所述转盘机构沿逆时针方向转动；其中，在施加到所述把手的相对于初始位置向后的操作力作用下所述转盘机构沿顺时针方向转动。
根据本发明的另一个优选实施方案，所述回位机构可以包括固定设置在所述转盘机构外侧的导引件和回位弹性触头，所述导引件面向所述转盘机构的侧面设置有第一导引沟槽、第二导引沟槽和定位槽，所述定位槽设置在所述第一导引沟槽与所述第二导引沟槽之间且与二者衔接，所述回位弹性触头的一端与所述转盘机构弹性地接合，所述回位弹性触头的另一端在所述转盘机构未转动时通过弹性力定位在所述定位槽中。
根据本发明的另一个优选实施方案，在施加到所述把手的操作力作用下，所述回位弹性触头可以随着所述转盘机构的转动而从所述定位槽沿着所述第一导引沟槽或所述第二导引沟槽移动；在去除所述操作力之后，所述回位弹性触头可以从所述第一导引沟槽或所述第二导引沟槽返回到所述定位槽，从而使所述转盘机构、所述换挡杆和所述把手转回到初始位置。
根据本发明的另一个优选实施方案，所述第一导引沟槽和所述第二导引沟槽可以具有向所述转盘机构倾斜的倾斜度和/或具有向所述转盘机构弯曲的弧度。
根据本发明的另一个优选实施方案，所述转盘机构可以进一步包括弹性触头安装座，所述回位弹性触头通过回位弹簧弹性地安装在所述弹性触头安装座中。
根据本发明的另一个优选实施方案，所述棘爪可以包括旋转基部以及从所述旋转基部突出的相隔一定角度的第一棘爪臂和第二棘爪臂，所述主动齿轮为圆环形，所述主动齿轮的内周表面设置有内齿，所述第一棘爪臂的自由端和所述第二棘爪臂的自由端均设置有与所述内齿相对应的齿。
根据本发明的另一个优选实施方案，所述转盘本体的第二轴向侧面设置有棘爪安装座，所述棘爪安装座包括与所述棘爪的旋转基部配合的安装凹槽以及设置在所述安装凹槽两侧的相隔一定角度的第一接合表面和第二接合表面，所述旋转基部能够在所述安装凹槽内转动。
根据本发明的另一个优选实施方案，所述第一棘爪臂与所述第二棘爪臂之间的角度小于所述第一接合表面与第二接合表面之间的角度，所述第一棘爪臂和所述第二棘爪臂位于所述第一接合表面与所述第二接合表面之间；所述第一棘爪臂的长度和所述第二棘爪臂的长度满足：在所述第一接合位置，所述第一棘爪臂的自由端的齿与所述主动齿轮的内齿相啮合，而所述第二棘爪臂的自由端的齿不与所述主动齿轮的内齿啮合，并且所述第一棘爪臂的侧面与所述第一接合表面接合；在所述第二接合位置，所述第二棘爪臂的自由端的齿与所述主动齿轮的内齿相啮合，而所述第一棘爪臂的自由端的齿不与所述主动齿轮的内齿啮合，并且所述第二棘爪臂的侧面与所述第二接合表面接合。
根据本发明的另一个优选实施方案，所述棘爪可以进一步包括中间位置，在所述中间位置，所述第一棘爪臂和所述第二棘爪臂均不与所述主动齿轮啮合。
根据本发明的另一个优选实施方案，所述主动回位的换挡装置可以进一步包括旋转件，所述旋转件设置在所述转盘本体的所述第二轴向侧面且位于所述第一棘爪臂与所述第二棘爪臂之间，所述旋转件上弹性地接合有与所述棘爪弹性接触的旋转弹性触头。其中，当所述旋转件的旋转弹性触头抵靠在所述第一棘爪臂与所述第二棘爪臂之间的时候，所述棘爪处于所述中间位置；其中，当所述旋转件转动到使所述旋转弹性触头抵靠在所述第一棘爪臂上时，所述棘爪处于所述第一接合位置；其中，当所述旋转件转动到使所述旋转弹性触头抵靠在所述第二棘爪臂上时，所述棘爪处于所述第二接合位置。
根据本发明的另一个优选实施方案，所述把手上可以设置有按钮，所述按钮通过传动销和连接件与所述旋转件连接以控制所述旋转件的转动。其中，当所述按钮未被按下时，所述旋转件的旋转弹性触头抵靠在所述第一棘爪臂与所述第二棘爪臂之间，所述棘爪处于所述中间位置；其中，当所述按钮下部被按下时，所述旋转件沿逆时针方向转动使得所述旋转弹性触头抵靠在所述第一棘爪臂上，所述棘爪处于所述第一接合位置；其中，当所述按钮上部被按下时，所述旋转件沿顺时针方向转动使得所述旋转弹性触头抵靠在所述第二棘爪臂上，所述棘爪处于所述第二接合位置。
根据本发明的另一个优选实施方案，所述换挡杆上设置有沿竖直方向的长槽以安装所述传动销，所述传动销的一端通过设置在所述换挡杆内部的连接件与所述按钮连接，所述传动销的另一端通过所述长槽伸出到所述换挡杆的外部以与所述旋转件连接。
根据本发明的另一个优选实施方案，所述旋转件上可以通过穿过所述转盘本体的转轴连接有用于接合所述传动销的拨叉件，所述拨叉件上设有槽口以使所述传动销插入到所述槽口中。
根据本发明的另一个优选实施方案，当所述按钮未被按下时，所述传动销处于所述长槽的中部；其中，当所述按钮下部被按下时，所述传动销相对于所述长槽的中部沿所述长槽向下移动，使得所述旋转件沿逆时针方向转动；其中，当所述按钮上部被按下时，所述传动销相对于所述长槽的中部沿所述长槽向上移动，使得所述旋转件沿顺时针方向转动。
在另一方面，本发明涉及一种利用上述的主动回位的换挡装置的换挡方法，可以包括以下步骤：
使棘爪处于第一接合位置或第二接合位置；
当棘爪在第一接合位置与主动齿轮接合时，向换挡杆单元施加第一方向的操作力以使所述主动齿轮沿逆时针方向转动，从而从动齿轮沿顺时针方向转动以推动所述换挡缆索实现换挡；或者
当棘爪在第二接合位置与主动齿轮接合时，向换挡杆单元施加第二方向的操作力以使所述主动齿轮沿顺时针方向转动，从而从动齿轮沿逆时针方向转动以拉动所述换挡缆索实现换挡；
换挡结束后，去除操作力，所述换挡杆单元从操作位置返回到初始位置。
本发明可以通过结合上述实施方案和将在下面描述的构造以及作用关系来获得以下效果。
本发明能够可靠地实现换挡功能，保留了机械换挡的稳定性，无需改变传统的机械换挡系统(例如SBC(shift by cable)换挡系统)中其他部件，仅改变换挡装置本身即可实现和电子换挡(SBW,shift by wire)同样的换挡模式，改善了用户的驾驶体验，而且成本要比SBW低很多。
附图说明
现在将参考在附图中示出的示例性实施方案来详细描述本发明。
图1为根据本发明的示例性实施方案的主动回位的换挡装置的结构示意图；
图2为根据本发明的示例性实施方案的主动回位的换挡装置的分解立体图；
图3A为根据本发明的示例性实施方案的棘爪处于中间位置时主动回位的换挡装置的结构示意图；
图3B为根据本发明的示例性实施方案的棘爪处于第一接合位置时主动回位的换挡装置的结构示意图；
图3C为根据本发明的示例性实施方案的棘爪处于第二接合位置时主动回位的换挡装置的结构示意图；
图4为沿图1中的A-A线截取的局部立体图；
图5A为根据本发明的示例性实施方案的把手和换挡杆的内部结构示意图(其中显示了按钮未被按下的状态)；
图5B为根据本发明的示例性实施方案的把手和换挡杆的分解立体图；
图6A至图6D为使用根据本发明的示例性实施方案的主动回位的换挡装置从N挡换到D挡的过程的示意图。
附图标记说明：
1-换挡杆单元；2-主动齿轮；3-棘爪；4-从动齿轮；5-换挡缆索；6-回位机构；7-旋转件；8-齿轮盖；9-螺钉；
101-把手；102-换挡杆；103-转盘机构；1031-转盘本体；1032-转盘轴；104-杆套；105-棘爪安装座；1051-第一接合表面；1052-第二接合表面；1053-安装凹槽；106-传动销；107-弹性触头安装座；108-按钮；109-传动杆；110-插接件；111-致动件；112-支撑弹簧；
301-第一棘爪臂；302第二棘爪臂；303旋转基部；
601-导引件；6011-第一导引沟槽；6012-第二导引沟槽；6013-定位槽；602-回位弹性触头；603-回位弹簧；604-弹簧座；
701-旋转弹性触头；702-压缩弹簧；703-拨叉件。
具体实施方式
图1为根据本发明的示例性实施方案的主动回位的换挡装置的结构示意图。图2为根据本发明的示例性实施方案的主动回位的换挡装置的分解立体图。图3A为根据本发明的示例性实施方案的棘爪处于中间位置时主动回位的换挡装置的结构示意图。图3B为根据本发明的示例性实施方案的棘爪处于第一接合位置时主动回位的换挡装置的结构示意图。图3C为根据本发明的示例性实施方案的棘爪处于第二接合位置时主动回位的换挡装置的结构示意图。图4为沿图1中的A-A线截取的局部立体图。图5A为根据本发明的示例性实施方案的把手和换挡杆的内部结构示意图(其中显示了按钮未被按下的状态)。图5B为根据本发明的示例性实施方案的把手和换挡杆的分解立体图。
如图1所示，根据本发明的示例性实施方案的主动回位的换挡装置，其包括：换挡杆单元1，其通过外部的操作力从初始位置转变到操作位置，换挡杆单元1连接有回位机构6，使得换挡杆单元1在去除所述操作力之后能够返回到初始位置；主动齿轮2，其与换挡杆单元1接合，使得主动齿轮2随着换挡杆单元1的运动而转动；以及从动齿轮4，其与主动齿轮2的外齿相啮合，并且从动齿轮4与换挡缆索5连接以通过主动齿轮2的转动来推动或拉动换挡缆索5，从而实现挡位的变换。该换挡装置在保留机械换挡的稳定性的同时，可以如电子换挡一样使换挡杆单元1在完成换挡之后无需额外操作就能够主动返回到初始位置。
如图2所示，根据本发明的示例性实施方案，换挡杆单元1可以包括：把手101，其安装在换挡杆102的上部；以及转盘机构103，其包括转盘本体1031和设置在所述转盘本体1031的第一轴向侧面上的转盘轴1032，转盘轴1032与换挡杆102的下部连接，在此转盘轴1032上连接有杆套104，换挡杆102的下部安装在杆套104内，驾驶员向把手101施加操作力可以使转盘本体1031转动。其中，在施加到把手101的相对于初始位置向前的操作力作用下转盘机构103沿逆时针方向转动；其中，在施加到把手101的相对于初始位置向后的操作力作用下转盘机构103沿顺时针方向转动。
主动齿轮2由分别位于其轴向两侧的转盘本体1031和齿轮盖8旋转地支撑，主动齿轮2两侧分别设置有与转盘本体1031和齿轮盖8对应的旋转槽，齿轮盖8通过螺钉9与转盘机构103固定。
其中，初始位置是指在无操作力作用时，把手101、换挡杆102和转盘机构103在自然状态下所处的位置。
如图1至图2所示，根据本发明的示例性实施方案，回位机构6包括固定设置在转盘机构103外侧的导引件601和回位弹性触头602，导引件601通过支架(图中未示出)固定设置，在本示例性实施方案中，导引件601相对于换挡杆102固定设置在转盘机构103的后方，但并不限于该位置。
导引件601面向所述转盘机构103的侧面设置有第一导引沟槽6011、第二导引沟槽6012和定位槽6013，定位槽6013设置在第一导引沟槽6011与第二导引沟槽6012之间且与二者衔接，如图2所示，在此，第一导引沟槽6011在定位槽6013的上方，第二导引沟槽6012在定位槽6013的下方。回位弹性触头602的一端与转盘机构103弹性地接合，在此，转盘机构103进一步包括弹性触头安装座107，弹性触头安装座107上设有安装孔，回位弹性触头602通过回位弹簧603弹性地安装在所述弹性触头安装座107的安装孔中，回位弹簧603的一端通过弹簧座604支撑在回位弹性触头602上，回位弹簧603的另一端支撑在弹性触头安装座107上。回位弹性触头602的另一端在转盘机构103未转动时通过弹性力定位在定位槽6013中。
当对把手101施加向前(如图1所示的向前的方向，其对应车辆前方的方向)的操作力时，转盘机构103逆时针转动，回位弹性触头602随着转盘机构103的转动而从所述定位槽6013沿着第一导引沟槽6011移动。当对把手101施加向后(如图1所示的向后的方向，其对应车辆后方的方向)的操作力时，转盘机构103顺时针转动，回位弹性触头602随着转盘机构103的转动而从定位槽6013沿着第二导引沟槽6012移动。
第一导引沟槽6011和第二导引沟槽6012具有向转盘机构103倾斜的倾斜度，也可以是既具有向转盘机构103倾斜的倾斜度也具有向转盘机构103弯曲的弧度，或者也可以只具有向转盘机构103弯曲的弧度。如图2所示，在此，第一导引沟槽6011和第二导引沟槽6012形成V字形。
在去除所述操作力之后，由于第一导引沟槽6011和第二导引沟槽6012的倾斜度和弧度以及弹簧的弹性恢复力的共同作用，回位弹性触头602可以从第一导引沟槽6011或第二导引沟槽6012返回到定位槽6013，从而使转盘机构103、换挡杆102和把手101转回到初始位置。这样可以使本发明的具有稳定操作性能的机械换挡结构如电子换挡一样，换挡完成之后换档杆可以主动返回到初始位置，改善了用户的驾驶体验。
如图2至图3C所示，根据本发明的示例性实施方案，换挡杆单元1通过棘爪3与主动齿轮2接合，棘爪3具有中间位置(如图3A所示)、第一接合位置(如图3B所示)和第二接合位置(如图3C所示)。
如图3B所示，当棘爪3在第一接合位置与主动齿轮2接合时，主动齿轮2在施加到把手101的向前的操作力作用下沿逆时针方向转动，使得从动齿轮4沿顺时针方向转动以推动换挡缆索5。如图3C所示，当棘爪3在第二接合位置与主动齿轮2接合时，主动齿轮2在施加到换挡杆单元1的向后的操作力作用下沿顺时针方向转动，使得从动齿轮4沿逆时针方向转动以拉动换挡缆索5。
棘爪3包括旋转基部303以及从旋转基部303突出的相隔一定角度的第一棘爪臂301和第二棘爪臂302，第一棘爪臂301和第二棘爪臂302之间可以具有例如105度的角度，旋转基部303的外周可以为2/3圆。主动齿轮2为圆环形，主动齿轮2的内周表面设置有内齿，第一棘爪臂301的自由端和第二棘爪臂302的自由端均设置有与所述内齿相对应的齿。
转盘本体1031的第二轴向侧面设置有棘爪安装座105，棘爪安装座105包括与棘爪3的旋转基部303配合的安装凹槽1053以及设置在安装凹槽1053两侧的相隔一定角度的第一接合表面1051和第二接合表面1052，安装凹槽1053可以是比2/3圆小的圆，第一接合表面1051和第二接合表面1052之间可以具有例如132度的角度，旋转基部303能够在安装凹槽1053内转动。可以在棘爪安装座105上设置螺钉孔，用于固定齿轮盖8。
第一棘爪臂301与第二棘爪臂302之间的角度小于第一接合表面1051与第二接合表面1052之间的角度，第一棘爪臂301和所述第二棘爪臂302位于第一接合表面1051与所述第二接合表面1052之间。第一棘爪臂301的长度和第二棘爪臂302的长度满足以下条件：
如图3B所示，在第一接合位置，第一棘爪臂301的自由端的齿与主动齿轮2的内齿相啮合，而第二棘爪臂302的自由端的齿不与主动齿轮2的内齿啮合，并且第一棘爪臂301的侧面与第一接合表面1051接合；
如图3C所示，在第二接合位置，第二棘爪臂302的自由端的齿与所述主动齿轮2的内齿相啮合，而第一棘爪臂301的自由端的齿不与主动齿轮2的内齿啮合，并且第二棘爪臂302的侧面与第二接合表面1052接合；
如图3A所示，在中间位置，第一棘爪臂301的自由端的齿和第二棘爪臂302的自由端的齿均不与所述主动齿轮2啮合，并且第一棘爪臂301的侧面不与第一接合表面1051接合，第二棘爪臂302的侧面也不与第二接合表面1052接合。
如图2和图4所示，根据本发明的示例性实施方案，所述主动回位的换挡装置可以进一步包括旋转件7，旋转件7设置在转盘本体1031的第二轴向侧面且位于第一棘爪臂301与第二棘爪臂302之间，旋转件7上弹性地接合有与棘爪3弹性接触的旋转弹性触头701，旋转弹性触头701的一端通过压缩弹簧702弹性地安装在旋转件7的安装孔中，旋转弹性触头701的另一端抵靠在棘爪3上。
当旋转件7的旋转弹性触头701抵靠在第一棘爪臂301与第二棘爪臂302之间的时候，棘爪3处于如图3A所示的中间位置。当所述旋转件7转动到使所述旋转弹性触头701抵靠在所述第一棘爪臂301上时，所述棘爪3处于如图3B所示的第一接合位置。当所述旋转件7转动到使所述旋转弹性触头701抵靠在所述第二棘爪臂302上时，所述棘爪3处于如图3C所示的第二接合位置。
根据本发明的示例性实施方案，把手101上设置有按钮108，按钮108通过传动销106和连接件与旋转件7连接以控制旋转件7的转动。
当按钮108未被按下时，旋转件7的旋转弹性触头701抵靠在第一棘爪臂301与第二棘爪臂302之间，棘爪3处于如图3A所示的中间位置。当所述按钮108下部被按下时，所述旋转件7沿逆时针方向转动使得所述旋转弹性触头701抵靠在所述第一棘爪臂301上，所述棘爪3处于如图3B所示的第一接合位置。当所述按钮108上部被按下时，所述旋转件7沿顺时针方向转动使得所述旋转弹性触头701抵靠在所述第二棘爪臂302上，所述棘爪3处于如图3C所示的第二接合位置。
换挡杆102上设置有沿竖直方向的长槽以安装传动销106，传动销106的一端通过设置在换挡杆102内部的连接件与按钮108连接，传动销106的另一端通过长槽伸出到换挡杆102的外部以与旋转件7连接，用于连接换挡杆102的杆套104上也设置有与所述长槽对应的槽。
如图4所示，根据本发明的示例性实施方案，旋转件7上可以通过穿过转盘本体1031的转轴连接有用于接合传动销106的拨叉件703，拨叉件703上设有槽口以使传动销106插入到槽口中，在此，槽口为U字形。
如图5A至图5B所示，传动销106的一端通过设置在换挡杆102内部的连接件与按钮108连接。连接件包括传动杆109、插接件110和致动件111。传动杆109的两端通过支撑弹簧112分别支撑在把手101的顶部和换挡杆102的底部，传动销106连接在传动杆109的下部，插接件110通过传动杆109上的插接槽连接在传动杆109的上部，致动件111分别与按钮108和插接件110枢接。
当按钮108上部被按下时，致动件111顺时针枢转，带动插接件110向上拉动传动杆109，进而带动传动销106向上移动。
当按钮108下部被按下时，致动件111逆时针枢转，带动插接件110向下推动传动杆109，进而带动传动销106向下移动。
关于按钮、连接件和传动销的传动结构并不限于上述示例性的结构形式，也可以采用现有技术中已知的其他结构来实现按钮与传动销的联动。
利用根据本发明的示例性实施方案的主动回位的换挡装置的换挡方法，包括以下步骤：
使棘爪3处于第一接合位置或第二接合位置；
当棘爪3在第一接合位置与主动齿轮2接合时，向换挡杆单元1施加第一方向的操作力以使所述主动齿轮2沿逆时针方向转动，从而从动齿轮4沿顺时针方向转动以推动所述换挡缆索5实现换挡；或者
当棘爪3在第二接合位置与主动齿轮2接合时，向换挡杆单元1施加第二方向的操作力以使所述主动齿轮2沿顺时针方向转动，从而从动齿轮4沿逆时针方向转动以拉动所述换挡缆索5实现换挡；
换挡结束后，去除操作力，换挡杆单元1从操作位置返回到初始位置。
根据本发明的示例性实施方案，当按钮108未被按下时，传动销106处于长槽的中部，棘爪3处于如图3A所示的中间位置，换挡杆单元1处于初始位置。
当按钮108下部被按下时，传动销106相对于长槽的中部沿长槽向下移动，使得旋转件7沿逆时针方向转动，旋转弹性触头701也随着旋转件7转动而抵靠在第一棘爪臂301上，第一棘爪臂301在旋转弹性触头701的作用下与棘爪安装座105的第一接合表面1051接合，并且第一棘爪臂301的自由端的齿与主动齿轮2的内齿啮合，使棘爪3处于如图3B所示的第一接合位置。此时，主动齿轮2的顺时针方向的转动受到限制，转盘机构103在逆时针方向转动的力可以通过第一接合表面1051传递给第一棘爪臂301，使第一棘爪臂301也逆时针转动，与第一棘爪臂301啮合的主动齿轮2也逆时针转动。
因此，在操作把手101时，按下按钮108下部，棘爪3处于第一接合位置，向前推动把手101，转盘机构103逆时针转动，主动齿轮2也逆时针转动，而从动齿轮4顺时针转动，从而推动换挡缆索5，来实现D挡→N挡、N挡→R挡或R挡→P挡的换挡过程。换挡完成后，松开把手101，整个换挡杆单元1可以主动返回到初始位置，棘爪3回到中间位置，按钮108通过旋转件7的作用弹回到未按压状态，而主动齿轮2、从动齿轮4和换挡缆索5停留在换挡结束的位置。
当按钮108上部被按下时，传动销106相对于长槽的中部沿长槽向上移动，使得旋转件7沿顺时针方向转动，旋转弹性触头701也随着旋转件7转动而抵靠在第二棘爪臂302上，第二棘爪臂302在旋转弹性触头701的作用下与棘爪安装座105的第二接合表面1052接合，并且第二棘爪臂302的自由端的齿与主动齿轮2的内齿啮合，使棘爪3处于如图3C所示的第二接合位置。此时，主动齿轮2的逆时针方向的转动受到限制，转盘机构103在顺时针方向转动的力可以通过第二接合表面1052传递给第二棘爪臂302，使第二棘爪臂302也顺时针转动，与第二棘爪臂302啮合的主动齿轮2也顺时针转动。
因此，在操作把手101时，按下按钮108上部，棘爪3处于第二接合位置，向后拉动把手101，转盘机构103顺时针转动，主动齿轮2也顺时针转动，而从动齿轮4逆时针转动，从而拉动换挡缆索5，来实现P挡→R挡、R挡→N挡或N挡→D挡的换挡过程。换挡完成后，松开把手101，整个换挡杆单元1可以主动返回到初始位置，棘爪3回到中间位置，按钮108通过旋转件7的作用弹回到未按压状态，而主动齿轮2、从动齿轮4和换挡缆索5停留在换挡结束的位置。
如图6A至图6D所示，以“N挡→D挡”为例，来描述利用根据本发明的示例性实施方案的主动回位的换挡装置的换挡方法。如图6A所示，换挡杆单元1处于初始位置，棘爪3处于中间位置。如图6B所示，按下按钮108的上部旋转弹性触头701压向第二棘爪臂302，第二棘爪臂302与第二接合表面1052接合，第二棘爪臂302的自由端的齿与齿轮啮合，使棘爪3处于第二接合位置。如图6C所示，向后拉动把手101，转盘机构103顺时针转动，棘爪3带动主动齿轮2顺时针转动，从动齿轮4逆时针转动，从而拉动换挡缆索5，实现N挡→D挡的切换。如图6D所示，换挡完成后，松开把手101，整个换挡杆单元1可以主动返回到初始位置，棘爪3回到中间位置，按钮108通过旋转件7的作用弹回到未按压状态，而主动齿轮2、从动齿轮4和换挡缆索5停留在D挡的位置。
本发明能够可靠地实现换挡功能，保留了机械换挡的稳定性，无需改变传统的机械换挡系统(例如SBC(shift by cable)换挡系统)中其他部件，仅改变换挡装置本身即可实现和电子换挡(SBW,shift by wire)同样的换挡模式，改善了用户的驾驶体验，而且成本要比SBW低很多。本发明的换挡装置可以具有跟电子换挡一样的换挡模式，又可以避免电子换挡的不稳定性(例如断电及电路故障时车辆无法正常使用)和安全隐患。
已经参考示例性实施方案详细描述了本发明。然而，本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以在这些实施方案中进行改变，本发明的范围由所附权利要求及其等效形式限定。

Claims (14)

1.一种主动回位的换挡装置，包括：
换挡杆单元，其通过外部的操作力从初始位置转变到操作位置，所述换挡杆单元连接有回位机构，使得所述换挡杆单元在去除所述操作力之后能够返回到初始位置；
主动齿轮，其与所述换挡杆单元接合，使得所述主动齿轮随着所述换挡杆单元的运动而转动；以及
从动齿轮，其与所述主动齿轮的外齿相啮合，并且所述从动齿轮与换挡缆索连接以通过主动齿轮的转动来推动或拉动所述换挡缆索，从而实现挡位的变换；
其中，所述换挡杆单元通过棘爪与所述主动齿轮接合，所述棘爪具有第一接合位置和第二接合位置；
其中，当所述棘爪在第一接合位置与所述主动齿轮接合时，所述主动齿轮能够在施加到所述换挡杆单元的第一方向的操作力作用下沿逆时针方向转动，使得所述从动齿轮沿顺时针方向转动以推动所述换挡缆索；
其中，当所述棘爪在第二接合位置与所述主动齿轮接合时，所述主动齿轮能够在施加到所述换挡杆单元的第二方向的操作力作用下沿顺时针方向转动，使得所述从动齿轮沿逆时针方向转动以拉动所述换挡缆索；
其中，所述换挡杆单元包括：
把手，其安装在换挡杆的上部；以及
转盘机构，其包括转盘本体和设置在所述转盘本体的第一轴向侧面上的转盘轴，所述转盘轴与所述换挡杆的下部连接；
其中，在施加到所述把手的相对于初始位置向前的操作力作用下所述转盘机构沿逆时针方向转动；
其中，在施加到所述把手的相对于初始位置向后的操作力作用下所述转盘机构沿顺时针方向转动；
其中，所述回位机构包括固定设置在所述转盘机构外侧的导引件和回位弹性触头，所述导引件面向所述转盘机构的侧面设置有第一导引沟槽、第二导引沟槽和定位槽，所述定位槽设置在所述第一导引沟槽与所述第二导引沟槽之间且与二者衔接，所述回位弹性触头的一端与所述转盘机构弹性地接合，所述回位弹性触头的另一端在所述转盘机构未转动时通过弹性力定位在所述定位槽中。
2.根据权利要求1所述的主动回位的换挡装置，其中，
在施加到所述把手的操作力作用下，所述回位弹性触头随着所述转盘机构的转动而从所述定位槽沿着所述第一导引沟槽或所述第二导引沟槽移动；
在去除所述操作力之后，所述回位弹性触头从所述第一导引沟槽或所述第二导引沟槽返回到所述定位槽，从而使所述转盘机构、所述换挡杆和所述把手转回到初始位置。
3.根据权利要求2所述的主动回位的换挡装置，其中，所述第一导引沟槽和所述第二导引沟槽具有向所述转盘机构倾斜的倾斜度和/或具有向所述转盘机构弯曲的弧度。
4.根据权利要求2所述的主动回位的换挡装置，其中，所述转盘机构进一步包括弹性触头安装座，所述回位弹性触头通过回位弹簧弹性地安装在所述弹性触头安装座中。
5.根据权利要求1-4任一项所述的主动回位的换挡装置，其中，所述棘爪包括旋转基部以及从所述旋转基部突出的相隔一定角度的第一棘爪臂和第二棘爪臂，所述主动齿轮为圆环形，所述主动齿轮的内周表面设置有内齿，所述第一棘爪臂的自由端和所述第二棘爪臂的自由端均设置有与所述内齿相对应的齿。
6.根据权利要求5所述的主动回位的换挡装置，其中，所述转盘本体的第二轴向侧面设置有棘爪安装座，所述棘爪安装座包括与所述棘爪的旋转基部配合的安装凹槽以及设置在所述安装凹槽两侧的相隔一定角度的第一接合表面和第二接合表面，所述旋转基部能够在所述安装凹槽内转动。
7.根据权利要求6所述的主动回位的换挡装置，其中，所述第一棘爪臂与所述第二棘爪臂之间的角度小于所述第一接合表面与第二接合表面之间的角度，所述第一棘爪臂和所述第二棘爪臂位于所述第一接合表面与所述第二接合表面之间；所述第一棘爪臂的长度和所述第二棘爪臂的长度满足：
在所述第一接合位置，所述第一棘爪臂的自由端的齿与所述主动齿轮的内齿相啮合，而所述第二棘爪臂的自由端的齿不与所述主动齿轮的内齿啮合，并且所述第一棘爪臂的侧面与所述第一接合表面接合；
在所述第二接合位置，所述第二棘爪臂的自由端的齿与所述主动齿轮的内齿相啮合，而所述第一棘爪臂的自由端的齿不与所述主动齿轮的内齿啮合，并且所述第二棘爪臂的侧面与所述第二接合表面接合。
8.根据权利要求7所述的主动回位的换挡装置，其中，所述棘爪进一步包括中间位置，在所述中间位置，所述第一棘爪臂和所述第二棘爪臂均不与所述主动齿轮啮合。
9.根据权利要求8所述的主动回位的换挡装置，其中，进一步包括旋转件，所述旋转件设置在所述转盘本体的所述第二轴向侧面且位于所述第一棘爪臂与所述第二棘爪臂之间，所述旋转件上弹性地接合有与所述棘爪弹性接触的旋转弹性触头；
其中，当所述旋转件的旋转弹性触头抵靠在所述第一棘爪臂与所述第二棘爪臂之间的时候，所述棘爪处于所述中间位置；
其中，当所述旋转件转动到使所述旋转弹性触头抵靠在所述第一棘爪臂上时，所述棘爪处于所述第一接合位置；
其中，当所述旋转件转动到使所述旋转弹性触头抵靠在所述第二棘爪臂上时，所述棘爪处于所述第二接合位置。
10.根据权利要求9所述的主动回位的换挡装置，其中，所述把手上设置有按钮，所述按钮通过传动销和连接件与所述旋转件连接以控制所述旋转件的转动；
其中，当所述按钮未被按下时，所述旋转件的旋转弹性触头抵靠在所述第一棘爪臂与所述第二棘爪臂之间，所述棘爪处于所述中间位置；
其中，当所述按钮下部被按下时，所述旋转件沿逆时针方向转动使得所述旋转弹性触头抵靠在所述第一棘爪臂上，所述棘爪处于所述第一接合位置；
其中，当所述按钮上部被按下时，所述旋转件沿顺时针方向转动使得所述旋转弹性触头抵靠在所述第二棘爪臂上，所述棘爪处于所述第二接合位置。
11.根据权利要求10所述的主动回位的换挡装置，其中，所述换挡杆上设置有沿竖直方向的长槽以安装所述传动销，所述传动销的一端通过设置在所述换挡杆内部的连接件与所述按钮连接，所述传动销的另一端通过所述长槽伸出到所述换挡杆的外部以与所述旋转件连接。
12.根据权利要求10所述的主动回位的换挡装置，其中，所述旋转件上通过穿过所述转盘本体的转轴连接有用于接合所述传动销的拨叉件，所述拨叉件上设有槽口以使所述传动销插入到所述槽口中。
13.根据权利要求11所述的主动回位的换挡装置，其中，当所述按钮未被按下时，所述传动销处于所述长槽的中部；
其中，当所述按钮下部被按下时，所述传动销相对于所述长槽的中部沿所述长槽向下移动，使得所述旋转件沿逆时针方向转动；
其中，当所述按钮上部被按下时，所述传动销相对于所述长槽的中部沿所述长槽向上移动，使得所述旋转件沿顺时针方向转动。
14.一种利用权利要求1-13任一项所述的主动回位的换挡装置的换挡方法，其中，包括以下步骤：
使棘爪处于第一接合位置或第二接合位置；
当棘爪在第一接合位置与主动齿轮接合时，向换挡杆单元施加第一方向的操作力以使所述主动齿轮沿逆时针方向转动，从而从动齿轮沿顺时针方向转动以推动所述换挡缆索实现换挡；或者
当棘爪在第二接合位置与主动齿轮接合时，向换挡杆单元施加第二方向的操作力以使所述主动齿轮沿顺时针方向转动，从而从动齿轮沿逆时针方向转动以拉动所述换挡缆索实现换挡；
换挡结束后，去除操作力，所述换挡杆单元从操作位置返回到初始位置。
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