CN1125928C - 锁销式同步器 - Google Patents

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Abstract

一种改进的用于变速器的锁销式同步器。该同步器改进之处在于它包括一环状毂，轴向设置在主动轮之间且其外圆周的直径大于圆柱面的直径。环状毂以与相对于传动轴的轴向和径向运动相逆的方式设置，传动轴上的外花键位于环状毂的外圆周。第一和第二爪件由该处的外花键来确定。第三和第四爪件的内花键能与环状元件的外花键连续啮合，第三和第四爪件的内花键分别与第一和第二爪件的外花键啮合，以便在主动轮和传动轴之间形成刚性连接。

Description

锁销式同步器
本发明涉及一种用于变速器的锁销式同步器的改进。
已知在多级速比传动技术中，同步装置可用于减少全部或部分传动比的换档时间。还已经知道，一名车辆驾驶员所需的换挡力，即作用在变速杆上的力，可通过使用自增力型同步装置而被减小。由于驾驶员的换档力通常随车辆的尺寸而增大，所以对于重型卡车来说，自增力型同步装置就特别重要。但是，这种自增力型同步装置并不仅限于在卡车上使用。现有技术中，与此处所用同步器有关的同步器的例子可参见本文所引用的美国专利5,092,439；5,339,936和5,425,437。
本发明的一个目的是提供具有一改进的爪件装置的一种锁销式同步器。
本发明的另一目的是提供具有一改进的自增力型装置的一种锁销式同步器。
根据本发明的一种锁锁式同步器，该同步器可选择地操作以摩擦同步和可靠性连接第一或第二主动轮，所述主动轮分别安装在具有一轴线的传动轴的第一和第二圆柱表面上以作相对转动；所述同步器包括：第一和第二爪件，分别固定在第一和第二主动轮上，且可分别与位于第一和第二主动轮之间可轴向运动的第三和第四爪件接合，所述第三和第四爪件具有内花键，能与固定于传动轴上的外花键滑动啮合而没有相对转动；第一和第二摩擦件，分别固定在第一和第二主动轮上与其一起转动，第三和第四摩擦件与传动轴同轴且可在第一和第二主动轮之间轴向运动以分别与第一和第二摩擦件摩擦接合，以提供一用以使第一和第二主动轮与传动轴同步的同步转矩；一径向伸展的凸缘，具有轴向相对侧面，所述侧面位于第三和第四爪件之间及第三和第四摩擦件之间，以便响应施加于径向伸展凸缘的一个轴向双向换档力，轴向移动第一，第二，第三和第四爪件和第一，第二，第三和第四摩擦件进行所述接合；被接合时可操作的阻隔装置，它能防止第一，第二，第三和第四爪件在同步之前接合，所述阻隔装置包括若干在圆周上分隔设置的锁销，该锁销在第三和第四摩擦件之间刚性轴向伸入径向伸展的凸缘中的一第一组开孔，每个锁销均具有一阻隔台肩，与在相关的开孔圆周上限定的一阻隔台肩接合；止动装置，它将径向伸展的凸缘固定，使其不相对于第三和第四爪件产生轴向运动；若干第一和第二自增力斜面分别固定住，不相对于径向延伸的凸缘和传动轴作轴向和径向运动，所述第一和第二自增力斜面可响应同步转矩而接合，以在所述径向延伸的凸缘上沿换档力方向产生一轴向附加力，以便增大接合第一，第二，第三和第四摩擦件的合力；
其特征在于：一环状毂轴向设置于第一和第二主动轮之间且具有大于圆柱面直径的圆周外径，所述环状毂固定住，不与传动轴作轴向和径向运动，以及形成在环状毂的外圆周上固定在传动轴上的外花键；所述第一和第二爪件，由固定其上的外花键所限定，所述第三和第四爪件内花键与环状毂的外花键连续啮合，所述第三和第四爪件内花键分别可与第一和第二爪件的外花键啮合；所述第一和第二自增力斜面具有可结合的斜面部分，它们与环状毂外花键以及与第三和第四爪件的内花键径向间隔开。
在本发明的锁销式同步器中，环状毂包括第一和第二环，和设置在其间的一中心环，所述第一和第二环限定了固定于传动轴的外花键，所述中心环包括限定了若干第二自增力斜面的径向外伸装置。
在本发明的锁销式同步器中，所述径向伸展的凸缘包括若干径向向内开设的槽，每个所述槽均容纳所述径向外伸装置之一，每个槽具有大致径向延伸的侧面，这些侧面在圆周上彼此相对且每一侧面均最少具有第一自增力斜面中的一个斜面，每一径向外伸装置均包括轴向相对的侧面，每个侧面均最少具有第二自增力斜面中的一个斜面。
在本发明的锁销式同步器中，所述可结合斜面部分与环状毂外花键以及与第三和第四爪件的内花键径向间隔开；以及所述第三和第四爪件包括轴向伸展的容纳第二自增力斜面的凹槽，以便允许第一和第二爪件分别与第三和第四爪件结合。
本发明的自增力同步装置由下列附图表示：
图1为一剖视图，示意性表示处于空档位置且沿图2中线1-1所示的双作用同步装置。
图2为沿图1中线2-2的同步器的局部剖视图。
图3为沿图2中线3-3所示的同步器的小尺寸局部剖视图。
图4为沿图2中线4-4所示的同步器的小尺寸局部视图。
图5所示为图4中自增力斜面的接合位置。
图6为同步器的零件的透视图。
图7为一用图解法表示的作用在同步器的换档凸缘上的轴向力和转矩。
此处所用术语“同步离合装置”，表示一种离合装置，用于通过一刚性离合器无转动地将一选定比齿轮与一传动轴相连，从而阻止刚性离合器的接合趋势，直至刚性离合器的元件通过与刚性离合器有关的同步摩擦离合器达到基本同步的转动。术语“自增力”表示一种同步离合装置，该装置包括斜面或凸轮或类似物，用以与同步离合器的同步转矩成比例地提高摩擦离合器的接合力。
现在参见附图，可见一齿轮和双作用同步器总成10，齿轮总成包括一传动轴12，该轴在传动中绕轴线12a转动且与主动轮或齿轮14，16轴向分隔设置。传动轴12包括圆柱面12b，12c，通过轴承13可转动地支撑其上的齿轮。
双作用同步器1 8包括一环形毂20，其外圆周直径大于圆柱面的直径。该毂包括三个环22，24，26，并且通过限定齿轮彼此相对运动的、轴向相对台肩22a，26a形成一分隔开齿轮的轴距。齿轮的轴向分离的运动由局部所示的挡块28所限定。传动轴花键12d与环的内花键22b，24a，26b相啮合以防止其相互之间的相对转动。环22，26的外圆周包括外花键22c，26c，这些花键与爪件30，32的内花键30a，32a滑动但无转动啮合。中心环24包括三个径向外伸出的柱24b，这些柱确定了本文将进一步解释的自增力斜面24c，24d，24e，24f。同步器18进一步包括摩擦环34，36和与齿轮14，16一体成形的爪件外花键38，40，爪件30，32，一径向伸出的传动轴凸缘42，所述凸缘具有夹在爪件30，32轴向相对面30b，32b之间的轴向相对侧面42a，42b，三个轴向延伸的定位器44，用于防止凸缘和爪件的轴向相对运动，通过由每个摩擦件轴向伸出并穿过凸缘中开孔42c的三个圆周间隔设置的锁销50使环形摩擦环46，48刚性固定在一起，及三个预增力组件52。
摩擦环具有锥形摩擦面34a，46a和36a，48a，用以在爪件啮合之前保证齿轮与传动轴摩擦同步。圆锥角可为一个较宽的范围。圆锥角可为7.5°。摩擦面46a，48a和/或34a，36a可由固定在环上的几种公知摩擦材料中的任一种确定，例如可利用美国专利4,700,828；4,844,218；和4,778,548中所公开的热解碳摩擦材料。这些专利本文引作参考。
每个锁销50均包括大直径部分50a，其直径略小于凸缘开孔42c的直径，一设置在摩擦环46，48之间(本文在中间)的缩径或凹槽部分50b，及圆锥形定位台肩或表面50c，该台肩或表面由锁销的轴线径向外伸。且相对于垂直于锁销轴线的平面以一定角度彼此轴向分离。当位于其各自的凸缘开孔内时，凹槽部分允许刚性摩擦环和锁销总成相对于凸缘形成有限地转动，以实现锁销定位台肩与在凸缘开孔42c周围确定的倒角定位台肩42d接合，锁销可按几种公知方法中任一种方式固定在摩擦环46，48。
预增力组件52可为几种公知类型中的任一种，本文它们为开口销型，在前述的美国专利5,339,936中有更完全的图示和描述。每个预增力组件在摩擦环46，48之间轴向伸出并穿过在开孔42C间交替设置的开孔42c。每个预增力组件均包括两个同样套管54，这些套管具有圆周间隔设置的相对端部54a及在环46，48中轴向开设的槽46b，48b，以及至少两个夹在其间并偏置套管的同样的片簧56。槽46b，48b在摩擦环的圆周方向拉长(图中未示)，并在摩擦环的径向具有足够的长度，以允许套管54的两端54a滑动。每对套管54具有被压在一起时，小于与其相关的开孔42e直径的主径，所述套管具有带倒角端面54c的平环形凹槽54b，及端部54a。如已知那样，响应于凸缘42的起始啮合运动的端部54a反作用于摩擦环46，48，倒角54c反作用于凸缘42中开孔42e周围的倒角。从而产生每一摩擦离合器的起始接合和起始同步转矩，以相对于凸缘42转动销50且为接合而定位台肩。
如以前所述，爪件30，32包括内花键齿30a，32a，这些齿与由相对于传动轴固定的环22，26所确定的外花键齿22c，26c滑动啮合。外花键22c，26c具有平行于传动轴线延伸的侧面，其与爪件花键侧面的啮合防止了它们之间的相对转动。
凸缘42还包括径向向内开设的槽42f，以接受中心环24的柱24b。每个槽均包括径向延伸的侧面，这些侧面在圆周上彼此相对且各自具有自增力斜面42g，42h和42k，42m。在齿轮14的同步过程中，每一斜面42g均反作用于斜面24f或斜面42h反作用于斜面24d，以在齿轮14的方向上产生一轴向辅助力Fa。在齿轮16的同步过程中，每一斜面42k均反作用于斜面24c或斜面42m反作用于斜面24e，以在齿轮16的方向产生一轴向辅助力Fa。如后文中进一步解释的那样，轴向辅助力Fa与施加于换档凸缘42的操纵变速力F0相加。斜面能允许凸缘相对于爪件30，32作有限的转动。当凸缘42的斜面和中心环24被接合时，它们反作用于锥形离合器对传动轴12的同步转矩，以提供轴向辅助力，以便提高通过被施加于凸缘42的一换挡力而初始啮合的锥形离合器的啮合力，从而提高了由锥形离合器提供的同步转矩。当减速或加速时，斜面可为一个或两个齿轮提供增大的同步力，和/或用于提供响应于任一方向上的转矩而增大同步力。
挡块44均包括一轴向伸展部分44a，该部分整齐地设置在爪件30，32中轴向伸展的槽30c，32c中，轴向分隔设置且径向外伸部分44b，该部分包围了爪件30，32的轴向相对侧面30d，32d。挡块无约束地伸过凸缘42的开孔42n，以允许其间的有限的相对转动。
斜面24d，24f分别反作用于斜面42h，42g，以为齿轮14提供响应于任一方向上同步转矩的轴向辅助力。通过环24固定在传动轴12上的斜面24c，24e分别反作用于凸缘凹槽42f侧面上的斜面42k，42m，以提供轴向辅助力，而提高或有助于齿轮16响应任一方向上转矩的同步率和/或换档质量。斜面的角度可以变化以为加速和减速及高低速比提供不同大小的轴向辅助力。还有，如果一个或更多齿轮在一个方向上不需要轴向辅助力，那么斜面可平行于传动轴，即，不设置有效斜面。轴向辅助力的大小和总和，如本文将进一步解释的那样，也是摩擦离合器和自增力斜面的平均半径比的函数。因此，由变速叉作用于换档凸缘42的给定换档力的合力的大小、可通过改变斜面角度和/或平均半径比来改变。
当凸缘42在图1中的空档位置时，销50的缩径部分50b与其相应的凸缘开孔42c对准，锥形离合器的摩擦面略微分开，并通过预自增力器52的倒角或斜角自增力面54c保持这种分隔关系，所述自增力面通过弹簧56的力作用在凸缘开孔42e的预自增力斜面上。由预增力斜面提供的轴向力应最好足以防止自增力斜面由于锥形摩擦面间油的粘生剪力而造成的自增力斜面偶然啮合。当希望将任一齿轮连于传动轴时，一种适当但图中未示的换档装置，例如美国专利4,920,815报露而本文参考使用的，以公知方式连接到凸缘42的外圆周，以沿传动轴12的轴线推动凸缘，或向左连接齿轮14或向右连接齿轮16。换档装置可由驾驶员通过一连杆机构手动驱动，也可通过一致动器可选择地驱动，或可通过自动起动换档装置运动的装置及控制由换档装置施加的力的大小的装置来驱动。当换档装置由手动驱动时，力与驾驶员施加于变速杆的力成正比。不论手动或自动施加，力均应沿轴向施加于凸缘42，且由图7中的箭头F0的长度来表示。
通过操纵变速力F0，凸缘42的起始右向的轴向运动由预激面54c传递到摩擦件48，以实现圆锥器48a与圆锥面36a的起始摩擦接合。圆锥面上的起始摩擦接合力当然是弹簧56的力及预增力面角度的函数。起始摩擦啮合(存在一种不同步的情况且瞬时忽略自增力斜面的效果)产生一起始锥形离合器接合力和起始同步转矩，能确保在凸缘42和接合的摩擦环之间有限的相对转动，因而，缩径销部分50b向凸缘开孔42c有关侧面的运动使销的定位台肩50c与设置在开孔42c周围的定位台肩42d相接合。当定位台肩被接合时，凸缘42上的全部操纵变速力F0通过定位台肩被传送到摩擦环48，从而锥形离合器通过操作变速力F0的全部力而被接合，以提供一合成操纵同步转矩T0，该操纵同步转矩T0在图7中由箭头T0代表。由于定位台肩相对于操纵变速力F0的轴向倾斜设置，它们能产生一反作用力或解锁转矩，其与锥形离合器的同步转矩相反，但在非同步状况值较小。当达到基本同步时，同步转矩降至低于解锁转矩，借此定位台肩驱动销与开孔42c同轴以允许凸缘的连续轴向运动以及柱24b的通道进入爪件凹槽32e以允许爪件32的内花键/爪齿32a与固定于齿轮16的爪件40的外花键/爪齿相啮合。当凸缘42向左移动与齿轮14结合，柱24b移入凹槽30e。凹槽30e，32e在图1中为可见，而凹槽30e在图2中被柱24b遮住。花键/爪齿的形状可参见本文中参考使用的美国专利3,265,173和4,246,993。
仍然忽略自增力斜面的影响，由力F0提供的锥形离合器转矩由方程(1)表示：
      T0＝F0R0μc/sinα
其中：RC＝锥形摩擦面的平均半径
      μC＝锥形摩擦面的摩擦系数
      α＝锥形摩擦面的夹角
现参见自增力斜面的作用且特别参见图4和5，由于操作者施加的轴向变速力F0，同步转矩T0通过销50被传递到凸缘42上，且通过自增力斜面反作用于传动轴12。当接合时，自增力斜面能够限制凸缘相对于传动轴12和爪件30，32的转动，且在与变速力F0的相同方向产生一作用在凸缘上的一轴向力分量或轴向辅助力Fa，这些力相加以提供一合力Ft，从而进一步增大锥形离合器的接合力以提供一辅助同步转矩Ta，它与转矩T0相加以提供一总转矩Tt。图4表示当换档凸缘42在对应于图1中位置的空档部位时，自增力斜面所处的位置。图5表示当齿轮14被接合的圆锥面34a，36a实现同步时，斜面所处的位置。接合的圆锥面在凸缘斜面42h与固定于传动轴12的轮毂斜面2d已接合的方向上产生一同步转矩。因此，接合锥形离合器的轴向力的和为F0加Fa，由锥形离合器产生的同步转矩的和为T0加Ta，如图7中图解法所示。对于一给定的操作换档力F0和一操作同步转矩T0，轴向辅助力的大小最好为接合的自激斜面的角度的函数。这些角度最好足够大，以产生一辅助力Fa，其值足以显著提高同步转矩，并降低响应于驾驶员发生的一给定的适当换档同步时间。然而，这些角度也最好足够小以产生一可控制的轴向辅助力Fa，即，力Fa将响应于力F0的增大或减小而增减。如果斜面角度过大，斜面将自锁而不是自增力，因此，一旦实现了锥形离合器的起始接合，力Fa将迅速且不可控制地增大力F0的独立生，从而驱动锥形离合器产生无法控制的锁闭。自锁而不是自增力降低了换档质量或换档感觉，并过于压迫同步组件，可能引起锥形离合器表面的过热及迅速磨损，甚至可导致变速杆的操作运动过载。
为计算自增力斜面角度的主要变量及等式，可参见前述的美国专利5,092,439。
以上已公开了锁销型同步器的一最佳实施例。下面的权利要求试图盖括所公开的同步器的发明部分和确认在本发明思想内的变化和改进。

Claims (4)

1、一种锁销式同步器，该同步器可选择地操作以摩擦同步和可靠性连接第一或第二主动轮(14，16)，所述主动轮分别安装在具有一轴线(12a)的传动轴(12)的第一和第二圆柱表面(12b，12c)上以作相对转动；所述同步器包括：
第一和第二爪件(38，40)，分别固定在第一和第二主动轮(14，16)上，且可分别与位于第一和第二主动轮之间可轴向运动的第三和第四爪件(30，32)接合，所述第三和第四爪件具有内花键(30a，32a)，能与固定于传动轴(12)上的外花键(22c，26c)滑动啮合而没有相对转动；
第一和第二摩擦件(34，36)，分别固定在第一和第二主动轮(14，16)上与其一起转动，第三和第四摩擦件(46，48)与传动轴(12)同轴且可在第一和第二主动轮(14，16)之间轴向运动以分别与第一和第二摩擦件(34，36)摩擦接合，以提供一用以使第一和第二主动轮(14，16)与传动轴(12)同步的同步转矩；
一径向伸展的凸缘(42)，具有轴向相对侧面(42a，42b)，所述侧面位于第三和第四爪件(30，32)之间及第三和第四摩擦件(46，48)之间，以便响应施加于径向伸展凸缘(42)的一个轴向双向换档力，轴向移动第一，第二，第三和第四爪件(38，40，30，32)和第一，第二，第三和第四摩擦件(34，36，46，48)进行所述接合；
被接合时可操作的阻隔装置(42d，50c)，它能防止第一，第二，第三和第四爪件(38，40，30，32)在同步之前接合，所述阻隔装置包括若干在圆周上分隔设置的锁销(50)，该锁销在第三和第四摩擦件(46，48)之间刚性轴向伸入径向伸展的凸缘(42)中的一第一组开孔(46c)，每个锁销均具有一阻隔台肩(50c)，与在相关的开孔(42c)圆周上限定的一阻隔台肩(42d)接合；
止动装置(44)，它将径向伸展的凸缘(42)固定，使其不相对于第三和第四爪件(30，32)产生轴向运动；
若干第一和第二自增力斜面(42g，42h，42k，42m和24c，24d，24e，24f)分别固定住，不相对于径向延伸的凸缘(42)和传动轴(12)作轴向和径向运动，所述第一和第二自增力斜面可响应同步转矩而接合，以在所述径向延伸的凸缘上沿换档力(F0)方向产生一轴向附加力(Fa)，以便增大接合第一，第二，第三和第四摩擦件的合力；
其特征在于：
一环状毂(20)轴向设置于第一和第二主动轮(14，16)之间且具有大于圆柱面(12b，12c)直径的圆周外径，所述环状毂固定住，不与传动轴(12)作轴向和径向运动，以及形成在环状毂的外圆周上固定在传动轴(12)上的外花键(22c，26c)；
所述第一和第二爪件(38，40)，由固定其上的外花键所限定，所述第三和第四爪件内花键(30a，32a)与环状毂(20)的外花键(22c，26c)连续啮合，所述第三和第四爪件内花键(30a，32a)分别可与第一和第二爪件(38，40)的外花键啮合；
所述第一和第二自增力斜面(42g，42h，42k，42m和24c，24d，24e，24f)具有可结合的斜面部分，它们与环状毂外花键(22c，26c)以及与第三和第四爪件(30，32)的内花键(30a，32a)径向间隔开。
2、根据权利要求1所述的同步器，其特征在于：
环状毂(20)包括第一和第二环(22，26)，和设置在其间的一中心环(24)，所述第一和第二环限定了固定于传动轴(12)的外花键(22c，26c)，所述中心环包括限定了若干第二自增力斜面(24c，24d，24e，24f)的径向外伸装置(24b)。
3、根据权利要求2所述的同步器，其特征在于：
所述径向伸展的凸缘(42)包括若干径向向内开设的槽(42f)，每个所述槽均容纳所述径向外伸装置(24b)之一，每个槽具有大致径向延伸的侧面，这些侧面在圆周上彼此相对且每一侧面均最少具有第一自增力斜面(42g，42h，42k，42m)中的一个斜面，每一径向外伸装置均包括轴向相对的侧面，每个侧面均最少具有第二自增力斜面(24c，24d，24e，24f)中的一个斜面。
4、根据权利要求1，2或3所述的同步器，其特征在于：
所述第三和第四爪件包括轴向伸展的容纳第二自增力斜面(24c，24d，24e，24f)的凹槽(30e，32e)，以便允许第一和第二爪件(38，40)分别与第三和第四爪件(30，32)结合。
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