CN111971494B - 换挡致动器 - Google Patents

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Abstract

一种换挡致动器，其构造成能够由偏心式电机(50)驱动，所述换挡致动器包括：旋转螺母(110)，其构造成能够由所述电机(50)驱动；致动构件(120)；以及转换结构(125)，其适于将所述旋转螺母的扭矩(M)转换为平移力(F)并提供所述平移力(F)作为用于换挡的致动力。

Description

换挡致动器
技术领域
本发明涉及一种换挡致动器，尤其涉及一种偏心机电式换挡致动器。
背景技术
常规的电动气动致动器用于商用车辆，其中，这些致动器通过气缸利用气动能量源来为诸如离合器、换挡器、副轴制动器、车轮制动器致动器的不同装置提供致动。在大多数情况下，致动意味着传递致动力以实现期望的结果的致动构件的轴向(直线)位移。
随着混合动力汽车和纯电动汽车越来越普及，而压缩空气越来越少见，对纯电动致动器的需求不断增长。在US 8,344,565中公开了一种传统的致动器，其中，致动装置包括致动构件，该致动构件由电机驱动，该电机可轴向移位地安装在旋转轴上。转子和致动构件之间的相对旋转引起期望的轴向运动。
然而，传统的机电致动器需要很大的组装空间，而这在变速箱中并不是总能获得。因此，需要小且紧凑并且可以容易地集成到已知系统中的机电致动器。特别是，需要用于电动车辆的替代的换挡致动器。
发明内容
通过本发明的换挡致动器或变速箱或车辆克服了上述问题中的至少一部分。
本发明涉及一种构造成能够由偏心式电机驱动的换挡致动器。换挡致动器包括：旋转螺母，其构造成能够由所述电机驱动；致动构件；以及转换结构，其适于将所述旋转螺母的扭矩转换为平移力并提供所述平移力作为用于换挡的致动力。偏心式电机也可以是换挡致动器的一部分。
根据本发明的实施例，将电机相对于旋转螺母偏心地布置，使得电机的转子(定子可固定到车架)的旋转轴线不与旋转螺母的旋转轴线对准。旋转螺母的旋转轴线与电机的旋转轴线不同，但是它们可以彼此平行，也可以彼此不平行(例如，具有相对偏移)。此外，旋转螺母的旋转轴线可以与在换挡之前和之后耦接至不同齿轮的旋转轴的旋转轴线相同。由于该偏心式定位，换挡致动器可以做得较小，因此即使在仅有有限轴向安装空间的系统中也可以使用该致动器。特别地，根据实施例的机电换挡致动器在径向方向上也较小，并且可以布置在旋转-平移转换结构的机械结构的外侧。
可选地，换挡致动器包括适于将扭矩从电机传递到旋转螺母的传动元件。可选地，传动元件包括下述部件之一：齿轮、蜗轮传动装置、带传动装置、链传动装置。
换挡可包括改变耦接至旋转轴的齿轮，所述换挡致动器还可包括：滑动套筒，其构造成在平移运动(例如相对于壳体或旋转轴)时能够将不同的齿轮与旋转轴耦接。滑动套筒相对于所述致动构件可旋转，但在轴向上相对于所述致动构件固定，以实现由所述电机驱动所述换挡。
可选地，转换结构包括所述旋转螺母与所述致动构件之间的下述耦接元件中的至少一个：螺纹、销与凸轮耦接结构、槽中销耦接结构、其间具有滚动元件的两个槽、在所述旋转螺母与所述致动构件之间相对旋转时提供所述旋转螺母与所述致动构件之间的相对直线运动的其它部件。因此，转换结构可以是旋转螺母和致动构件的一部分。
可选地，转换结构构造成能够提供非线性转换特性。
可选地，转换结构构造成能够提供使得所述平移力仅取决于所述扭矩的正负号的转换特性。例如，转换结构可通过旋转螺母和致动构件上的螺纹部来实现，使得反向旋转引起反向平移。
可选地，转换结构构造成能够提供使得所述平移力在所述扭矩保持其正负号时发生变化的转换特性。
可选地，所述转换结构构造成能够提供自锁机构。该锁定可以通过形成具有适当间距的螺纹连接结构或凹槽来实现，从而不需要另外的措施就能够将致动构件保持在期望的位置——即使在电机不起作用的情况下。如果这不可行，则可提供附加的锁定机构(例如通过卡锁)以保持致动构件的期望位置。
本发明还涉及一种变速箱，该变速箱具有偏心式电机、至少一个齿轮、旋转轴以及前述机电式换挡致动器之一，所述换挡致动器构造成能够响应于由电机驱动的致动而将所述至少一个齿轮耦接到所述旋转轴或与所述旋转轴分离。
本发明还涉及一种具有所述变速箱的车辆、特别是商用车辆。
附图说明
下面仅示例性地并参照附图来描述换挡致动器的一些方面，其中：
图1示出了根据本发明的一个实施例的变速箱内的换挡致动器；
图2从前侧示出了图1的变速箱，其中，电机不可见；
图3示出了根据一个实施例的旋转的旋转螺母与致动构件之间的耦接的更多细节；以及
图4A、4B示出了机电致动器，其被激活以使得旋转轴耦接至不同的齿轮。
具体实施方式
图1示出了适于由偏心式电机50驱动的换挡致动器的一个实施例。换挡致动器包括构造成能够由电机50驱动的旋转螺母110、致动构件120和转换结构125，所述转换结构125适于将旋转螺母110的扭矩M(或旋转)转换成平移力F(或者线性或平移运动)。根据另外的实施例，偏心式电机50可以是换挡致动器的组成部分。
平移力F被提供作为用于换挡的致动力，其由包括定子和转子(图1中未示出)的电机50产生。电机50作为旋转装置相对于齿轮210、220和旋转轴230(例如，传动轴)的轴线偏心地布置。因此，电机50的旋转轴线与换挡单元中使用的旋转轴230的旋转轴线不同。电机50可以通过支撑结构40固定到传动单元的框架或壳体。
电机50的旋转可以通过经由传动元件140的直接连接而传递到致动器。图1示出例如齿轮140作为电机50与旋转螺母110之间的一种可能的传动元件。然而，本发明不限于所示出的齿轮。其它传动元件140还包括蜗轮传动装置、带传动装置或链传动装置，或者任何其它牵引元件。
偏心地布置的电机50经由传动元件140驱动旋转螺母110，所述旋转螺母110在轴承内布置成使得旋转螺母110可旋转但不能轴向地(即平行于旋转轴线)运动。旋转螺母110的轴承可包括滚动元件或任何种类的球轴承或摩擦轴承。旋转螺母110耦接至致动构件120，其中该耦接包括旋转/平移转换结构125。该转换结构125可通过螺纹或滚珠丝杠连接或滑槽结构或能够将旋转螺母110的旋转转换成致动构件120的平移运动以提供期望的轴向力F的任何其它类型的转换结构来实现。致动构件120将在旋转螺母110旋转时轴向地运动，因为致动构件120被一个或多于一个销124以防止旋转的方式阻挡，所述销124阻止致动构件120在旋转螺母110的方向上的任何切向运动。致动构件120又与滑动套筒150耦接以传递平移力F并且使旋转轴230与第一齿轮210或第二齿轮220耦接。该耦接可通过处于互锁啮合状态的滑动套筒150的带齿内表面(面向旋转轴230)与旋转轴230上和第一和第二齿轮210、220上的带齿外表面235h来提供。旋转轴230耦接到第一齿轮210或者耦接到第二齿轮220。两者之间的切换是示例性的换挡。
图2从前侧示出了图1的齿轮单元，其中，未示出电机50，但是示出了具有外齿235的旋转轴230，所述外齿235与滑动套筒150的带齿内表面啮合。图2示出了空挡位置，其中，滑动套筒150不与第一轮210或第二轮220啮合，而仅与旋转轴230的外齿235啮合。
图3示出了耦接到致动构件120的旋转螺母110的更多细节，其中，转换结构125布置在旋转螺母110与致动构件120之间。转换结构125例如可以是螺纹连接结构，使得旋转螺母210的旋转运动(在图3的图面中旋转轴线水平地延伸)将使致动构件120进行水平的平移运动。致动构件120在轴向上固定至滑动套筒150，使得这两个元件不能相对于彼此轴向地运动。例如，止动元件122可防止致动构件120与滑动套筒150之间的任何相对轴向运动。图3还示出了销124，所述销124防止致动构件120绕在图3的图面内沿水平方向的旋转轴线的任何旋转运动。另外，图3示出了用于旋转螺母110以允许相对于支撑结构105相对旋转的滚珠轴承115，所述支撑结构105还可保持电机50。
如图3所示的机电式致动器仍处于空挡位置，其中，两个齿轮210、220可以在旋转轴230上自由旋转。
图4A和4B示出了机电式致动器，其被激活以使得旋转轴230耦接至第一齿轮210(参见图4A)或旋转轴230耦接至第二齿轮220(参见图4B)，其中，通过旋转轴230、齿轮210、220上的外齿与滑动套筒150上的内齿(如图1所示)提供耦接。
在图4A中，致动构件120已经由于轴向力F而向左侧运动，从而引起滑动套筒150轴向移位，使得滑动套筒150将角动量从旋转轮230传递至第一齿轮210。在该位置，第二齿轮220与旋转轮230分离。
图4B示出了致动构件120已经由于相反的轴向力F而向右侧运动的位置，这引起滑动套筒150轴向移位。因此，滑动套筒150将旋转轴230与第二齿轮220耦接。
如果转换结构125具有自锁特征，则这是特别有利的，这可以例如通过使用特定的螺纹连接来实现。如果不是这种情况，则可以采取另外的措施以将致动构件120保持在期望的(啮合或空挡)位置，使得电机50可以不始终处于激活状态来保持致动构件120的轴向位置。
如果旋转螺母110与致动构件120之间没有螺纹连接，而是具有销/槽耦接或销/凸轮连接，则槽或凸轮的形状确定了致动构件120在电机50的致动下的轴向运动方向和强度。
销/槽连接可用于实现非线性转换特征。这可以例如通过相应地调节槽的间距来实现。因此，致动构件120可首先沿轴向非常快速地运动，随后进行缓慢的最终的轴向运动(反之亦可)。另外，槽在端部(例如，啮合位置)处可具有几乎为零的间距，从而实现自锁机构。如果间距非常小或(几乎)为零，则致动构件120自身不能往回运动，将需要由电机50施加的旋转或扭矩来使致动构件120返回到图1至3所示的空挡位置。
销/凸轮连接提供下述优势，电机50仅需要沿一个方向运动。例如，从空挡位置开始，在旋转螺母110旋转一角度(例如90°)之后，致动构件120可以到达第一啮合位置(见图4A)，在旋转第二角度(例如180°)之后，致动构件120可再次到达空挡啮合位置，并且在旋转第三角度(例如270°)之后到达第二啮合位置(见图4B)。同样对于这种耦接，凸轮的最大部和最小部(例如在旋转90°和270°时)提供稳定的位置，产生自然的自锁机构。
应理解，不同的耦接结构可以被组合或适配，并且所示出的螺纹连接仅代表一个示例。本领域技术人员将容易地想到提供相同功能的其它连接。
描述和附图仅示出了本公开的原理。因此，应认识到，本领域技术人员将能够设计出虽然未在本文中明确描述或示出但是实施了本公开的原理并且包括在本公开的范围内的各种布置。
此外，尽管各实施例可作为单独的示例而独立存在，但是请注意，在其它实施例中，所限定的特征可以不同地组合，即，在一个实施例中描述的特定特征也可以在其它实施例中实现。本文的公开内容涵盖此类组合，除非指出了不期望特定的组合。
附图标记列表
50 电机
105 支撑结构
110 旋转螺母
115 轴承
120 致动构件
122 止动元件
124 销
125 转换结构
140 传动元件
150 滑动套筒
210、220 齿轮
230 旋转轴
235 外齿
F 平移力
M 扭矩。

Claims (11)

1.一种换挡致动器，其构造成能够由偏心式电机(50)驱动，其中，换挡包括耦接至旋转轴(230)的不同齿轮(210、220)的改变，所述换挡致动器具有：
-旋转螺母(110)，其构造成能够由所述电机(50)驱动，旋转螺母的旋转轴线与旋转轴的旋转轴线相同；
-致动构件(120)；以及
-转换结构(125)，其适于将所述旋转螺母的扭矩(M)转换为平移力(F)并提供所述平移力(F)作为用于换挡的致动力，
其特征在于：
滑动套筒(150)，其构造成在平移运动时能够使不同的齿轮(210、220)与旋转轴(230)耦接，所述滑动套筒(150)相对于所述致动构件(120)能够旋转但在轴向上相对于所述致动构件(120)固定，以实现由所述电机(50)驱动所述换挡，其中旋转轴(230)和所述不同齿轮(210、220)包括带齿外表面(235)，其中所述滑动套筒(150)包括面对旋转轴(230)的带齿内表面，以及其中在旋转轴(230)和不同齿轮(210、220)之间的耦接通过处于互锁啮合状态的所述滑动套筒(150)的带齿内表面和所述旋转轴(230)和所述不同齿轮(210、220)的所述带齿外表面(235)提供。
2.根据权利要求1所述的换挡致动器，
其特征在于，所述换挡致动器具有：
传动元件(140)，其适于将所述扭矩(M)从所述电机传递到所述旋转螺母(110)。
3.根据权利要求2所述的换挡致动器，其中，
其特征在于，
所述传动元件(140)包括下述部件之一：齿轮、蜗轮传动装置、带传动装置、链传动装置。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的换挡致动器，
其特征在于，
所述转换结构(125)包括所述旋转螺母(110)与所述致动构件(120)之间的下述耦接元件中的至少一个：螺纹结构、销与凸轮耦接结构、销槽耦接结构、其间具有滚动元件的两个槽、在所述旋转螺母(110)与所述致动构件(120)之间相对旋转时提供所述旋转螺母(110)与所述致动构件(120)之间的相对直线运动的其它部件。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的换挡致动器，
其特征在于，
所述转换结构(125)构造成能够提供非线性转换特性。
6.根据权利要求4所述的换挡致动器，
其特征在于，
所述转换结构(125)构造成能够提供使得所述平移力(F)仅取决于所述扭矩(M)的正负号的转换特性。
7.根据权利要求4所述的换挡致动器，
其特征在于，
所述转换结构(125)构造成能够提供使得所述平移力(F)在所述扭矩(M)保持其正负号时发生变化的转换特性。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的换挡致动器，
其特征在于，
所述转换结构(125)构造成能够提供自锁机构。
9.一种变速箱，其具有偏心式电机(50)、不同齿轮(210、220)和旋转轴(230)，
其特征在于，所述变速箱具有：
根据权利要求1-8中任一项所述的换挡致动器，所述换挡致动器被构造成能够响应于由所述电机(50)驱动的致动而将所述不同齿轮(210、220)耦接到所述旋转轴(230)或与所述旋转轴(230)分离。
10.一种车辆，其中，所述车辆具有根据权利要求9所述的变速箱。
11.根据权利要求10所述的车辆，其特征在于，所述车辆是商用车辆。
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