CN1149681A - 具有自增能作用的同步器 - Google Patents

Abstract

一种具有摩擦离合器、爪式离合器和改进的自增能斜面的销型双动同步器机构。三个圆周间隔的销包括阻塞台肩，用于防止爪式离合器和预增能器表面的非同步啮合，所述每个台肩与一个预增能器装置配合。自增能斜面在轴与可以相对于轴和爪式离合器部件转动的换挡法兰之间起作用。法兰包括限定自增能斜面的沿径向向内延伸的齿，这些斜面顶靠由轴花键形成的杆状部分限定的自增能斜面。

Description

具有自增能作用的同步器

发明领域

本发明涉及一种传输用的自增能同步器机构。更具体地说，本发明涉及这样一种机构，它具有改进的自增能倾斜表面。

发明背景

众所周知，在多速比传输技术中可以使用同步器机构，以减少所有或一些传输速比的换档时间。同时也知道，车辆操作人员所需的换档力(即施加到换档杆上的力)可以利用自增能型同步器机构而减小。因为操作人员换档力通常随车辆体积而增大，所以自增能型同步器机构对重载卡车特别重要。此种机构的先有技术例子可以参考美国专利2,410,511；2,896,760；3,548,983；4,413,715；4,732,247；4,869,353和5,092,439，在此引用它们是为了参考。

上述专利的同步器机构包括：摩擦部件和爪式部件，分别用于使齿轮与轴同步并使齿轮接合在轴上；随预增能器啮合的阻塞器，该预增能器根据由换档力产生的爪式部件之一的初始啮合动作而实现摩擦部件的初始啮合，该阻塞器可以操作而防止爪式部件的反同步啮合并将换档力传送给摩擦部件以增大它们的同步作用转矩；以及对转矩作出反应的自增能斜面，以便沿换档力方向形成一个附加到换档力上的附加力，用于进一步增大摩擦部件的同步作用转矩。

发明概述

本发明的目的是提供自增能同步器，以减少换档时间和改进换档质量。

根据本发明的一个特点，一种如美国专利5,092,439中公开并如权利要求1的前序部分中提到的代表先有技术的离合器摩擦地起同步作用并可靠地连接于设置成围绕共同轴线相对转动的第一和第二驱动件。该离合器包括第一爪形机构，后者可以沿轴向移动而与第二爪形机构啮合，以便根据由轴向换档力(F₀)产生的第一爪形机构的啮合动作而可靠地连接驱动件。第一摩擦机构随第一爪形机构的啮合动作而沿轴向移动进入与第二摩擦机构的啮合，以产生一个同步作用转矩。第一和第二阻塞机构随第一爪形机构的啮合动作而移动进入啮合作用，用于防止爪形机构的反同步啮合作用，用于将换档力(F₀)传送给第一摩擦机构而产生摩擦机构的啮合力，并用于产生与同步作用转矩相反的转矩，以便当同步作用达到时移动第一和第二阻塞机构脱出啮合。具有有角度的表面的第一和第二自增能机构当啮合时进入操作而产生同步作用转矩，以便沿换档力(F₀)的方向产生附加的轴向力(F_a)，以增大摩擦机构的啮合力。当同步作用达到时，该啮合表面随脱出啮合的阻塞机构移动而沿轴向彼此相对地滑动。

附图简介

本发明的自增能同步器机构示于附图中，其中：

图1是沿图2中1-1线观看的双动同步器机构的截面图；

图2是沿图1中2-2线观看的机构的部分截面图；

图3是沿图1中3-3线观看的机构的部分截面图；

图4是图1和2中部件的透视图；

图5和5A是图1和2中一个销部件和一个柱塞部件的细部图；

图6是图1中机构的部分视图，机构的爪形离合器处于啮合位置；

图7和8是沿图1的7-7线观看的机构的自增能倾斜表面的截面图；

图9是作用在同步器换档法兰上的轴向力和转矩的图形表示；

图10是图7中自增能倾斜表面的图形表示；

图11-13是改进的自增能倾斜表面的图形表示。

详述附图

此处使用的术语“同步离合器机构”表示一种用于将一个选定传动比齿轮利用刚性离合器不可转动地联接到轴上的离合器机构，其中避免了刚性离合器的尝试啮合，直到通过与刚性离合器联合的同步摩擦离合器使刚性离合器的部件进入大体上同步的转动。术语“自增能”表示同步离合器机构包括斜面或凸轮或类似机构以按照摩擦离合器的同步作用转矩的比例增大同步离合器的啮合力。

现在主要观看图1和2，图中详细表示一个齿轮和同步器装置10，包括一个安装成围绕中心轴线12a转动的轴12、可以转动地支承在轴上沿轴向隔开并由环状止推件18、20固定而不能相对于轴沿轴向移动的齿轮14、16，和一个双动式同步离合器机构22。止推件18、20沿轴向固定在轴的花键齿13的环形槽12b、12c中，并由设置在两个齿13之间的空间中的固定销24(图2)固定而不能相对于轴转动。

同步器机构22包括：与齿轮14、16整体形成的环形摩擦件部分26、28和爪式离合器部件30、32，具有与整体形成于轴12上的外花键齿13可滑动地啮合的内花键齿或以其它方式固定于其上的爪式离合器部件34、36，一个夹在爪式部件34、36的沿轴向面对的表面34a、36a之间的具有沿轴向相对面向的侧面42a、42b，三个用于固定法兰和爪式部件防止相对轴向移动的H形止动件44(其中之一示于图4的透视图中)，由三个从每个摩擦件沿轴向延伸并穿过法兰中开孔42c沿圆周间隔的销50牢固地固定在一起的环形摩擦件或环46、48，以及三个预增能器和中线定中组件52，每个组件52包括一个弹簧54和一个与由销限定的表面起作用的柱塞56。另一种方式是，同步器机构22可以是单动的销型，即形状做成仅仅将一个齿轮向轴进行同步和爪式接合；此种机构公开在美国专利3,221,851中，它被引用于此是为了参考。同时，止动件44、销50和组件52的数目可以比此处公开的数目多或少。此外，同步器机构可以不是销型，例如，同步器机构可以是所谓摩擦环型。

如很容易看到的，摩擦件26、46和28、48成对配合形成摩擦离合器，以便在啮合爪式离合器之前使齿轮与轴同步。锥形离合器是优选的，但是，也可以使用其它类型的摩擦离合器。摩擦件26、28可以用几种已知方式中的任何一种固定到相关的齿轮上。摩擦件26、28具有内锥形摩擦表面26a、28a，它们分别与外锥形摩擦表面46a、48a接合。部件26、28和46、48也分别称为同步器杯和环。

可以使用范围广泛的圆锥角；此处使用七又二分之一度。摩擦表面46a、48a和/或26a、28a可以用固定在基本构件上的几种已知摩擦材料中的任何一种形成；此处优选热解碳摩擦材料，如美国专利4,700,823；4,844,218；和4,778,548中公开的。这些专利引用于此是为了参考。

图5中更详细地示出销50。每个销包括其直径稍许小于法兰孔42c的直径的主要直径部分50a；一个间隔安置在摩擦环46、48之间(此处为半中间)的缩小直径或槽部分50b；从销轴线沿径向向外伸出并以此处相对于一条垂直于销轴线的线约为40度的角度沿轴向互相分开的锥形阻塞器台肩或表面50c、50d；最好但并非必需，包括独立预增能器表面50e、50f和延伸的次级定中表面50g、50h。槽部分当被设置在其相应的法兰孔内时允许刚性的摩擦环和销组件相对于法兰作有限的转动，以实现销阻塞器台肩与围绕法兰孔形成的倒角阻塞器台肩42d、42e的啮合。预增能器表面50e、50f沿弦的方向横切或除去锥形阻塞器台肩50c、50d的一部分，它们最好是(但并非必须是)扁平表面，并相对于销轴线形成稍小于阻塞器表面角度的角度。定中表面50g、50h也是扁平表面，如图中明显可见的，它们相对于销轴线形成的角度显著地小于阻塞器和预增能器表面的角度。如此处公开的，扁平表面弦的延伸部分跟销轴线和轴的轴线的同心圆相切。由次级定中表面提供的轴向力应当足以使法兰42返回其中线位置，即使此种定位还没有通过使法兰移动的换档机构而完全实现的话。

柱塞56由于设置在法兰的槽42f中的螺旋形压缩弹簧54而沿径向向外向着销预增能器和定中表面偏压。槽的主要部分最好(但并非必须)沿径向相对于轴的轴线延伸。槽同时沿轴向通过法兰侧部42a、42b伸入法兰孔42c，并在其径向向内部分具有端部42a供弹簧作用压靠。弹簧的径向内部可以由于未示出的机构如从槽的端部沿径向向外延伸的栓钉而受到止动。柱塞56可以用金属板材制成，但最好用铸件或致密材料如钢制成，以提供结构刚性和表面硬度。每个柱塞56有一个带闭合端部的稍许U形的截面，闭合端部形成一个具有扁平带角度的表面56a、56b的头部，用于与相应销50的扁平预增能器和定中表面相配合。每个柱塞的侧壁具有表面50c、50d，用于与槽42f的径向延伸侧壁表面可以滑动地相互配合，以便沿周面方向止动柱塞。柱塞侧壁同时具有表面56e、56f，用于与爪式部件34、36的沿轴向面对而沿径向延伸的端部表面34a、36a可以滑动地相互配合，以便沿轴向止动柱塞。

如前面提到的，爪式部件34、36包括内花键齿38、40，它们与固定在轴上的外花键齿13可以滑动地接合。外花键具有平行于轴的轴线延伸的渐伸侧表面13a，而它与爪式部件花键的侧表面的接合防止它们之间的相对转动。H形部件44每个包括端部44a、44b和中心部分44c，端部44a、44b顶靠爪式部件表面34b、34b，而中心部件44c使端部相互连接。中心部分通过爪式部件中的沿轴向延伸槽34c、36c并自由通过具有沿径向延伸的止动表面42n、42m的孔42h，整齐地延伸，止动表面42n、42m与中心部分44c配合，以限制法兰相对于爪式部件和轴转动，其理由在后面说明。

如在图1、2和6-8中最清楚地看到的，轴的外齿部分13自图1和7的法兰42的中线位置沿两个轴向被修改而形成一个或多个倾斜表面，它们与由作用装置或内齿43形成的同样数目的倾斜表面配合，后者从法兰42沿径向向内延伸并伸入轴花键13之间的轴向延伸的空间中。这些倾斜表面允许法兰相对于爪式部件34、36和轴12作有限的转动，并在锥形离合器和轴之间产生同步作用转矩，以提供补充的轴向自增能力，用以增大通过施加在法兰42上的换档力而初始啮合的锥形离合器的啮合力，由此增大由锥形离合器提供的同步作用转矩。为了增大一个或两个齿轮的同步作用力和/或为了按任一方向(如上下换档中遇到的)的转矩增大同步作用力，可以设置倾斜表面。更具体地说，沿圆周在每个H形止动器中心部分44c之间的每个齿13具有沿轴向隔开设置的第一和第二凹槽，形成具有第一端部的环形槽，第一端部由一个杆状部分13b、沿轴向相对的端部13c、13d和最小外径13e限定。最小外径13e大于花键13的根部直径并大于爪式离合器花键38、40的内径38a、40a。同时，最小外径13e小于内齿43的内径43a。杆状部分13b具有钻石形状，由每个齿的沿其两个轴向的移动部分形成。移动部分的轴向和径向范围被选择便于易于机加工杆状部分13b上的助推倾斜表面13f、13g、13h、13m，并将此种移动具有的对于齿强度的影响减到最小。其次，花键齿13具有足够的径向深度，以保证倾斜表面具有足够的表面面积，从而将作用于其上的力引起的磨损减至最小。移动部分的轴向范围或在杆状部分13b的轴向端部13n、13p和齿13的轴向端部13c、13d之间的凹槽是通过简单地机加工齿中的环槽而形成的。移动部分的轴向长度足以方便地插入机加工工具以形成倾斜表面。倾斜表面13f、13g分别紧靠法兰齿43上的倾斜表面43b、43c，以便根据任一方向的转矩而形成附加的轴向力，从而增大或加速齿轮16的同步作用速率。倾斜表面13h、13m分别紧靠倾斜表面43d、43e，以便根据任一方向的同步作用转矩而形成对齿轮14的附加轴向力。倾斜表面的角度可以变化，以便对上下换档和高低速度传动比例形成不同量的附加轴向力。同样，如果对一个齿轮或多个齿轮沿一个方向不存在优选的附加轴向力，那么倾斜表面可以平行于花键齿，即不形成有效的倾斜表面。如后面要进一步说明的，轴向附加力的大小或量也是摩擦离合器和自增能斜面的平均半径比例的函数。因此，对于一个由换档叉施加到换档法兰42上的给定的换档力，可以通过改变斜面角度和/或平均半径比例而改变附加力的大小。

当法兰42位于图1和7的中线位置时，销50的半径缩小部分50b沿径向与其相应的法兰孔42c准直，锥形离合器的摩擦表面稍许隔开，并通过由弹簧54的力作用在销50的预增能器表面50e、50f上的柱塞56的带角度的预增能器表面56a、50b保持在该隔开的关系中。由预增能器表面形成的轴向力最好足以抵消由于锥形离合器表面之间油的粘性剪切力而通过自增能斜面作用在法兰42上的任何附加轴向力。当希望将两个齿轮中的一个连接到轴上时，将一个合适的未示出的换档机构(例如美国专利4,920,815中公开的此处引用是为了参考)以公知方式连接到法兰42的外周面上，以便沿轴12的轴线方向移动法兰，或者是向左移向连接齿轮14，或者是向右移向连接齿轮16。该换档机构可以由一个操作人员通过一个联动装置手动移动，可以通过一个驱动器选择性移动，或者可以通过一个装置移动，该装置自动起动换档机构的动作并同时控制由换档机构施加的力的大小。当换档机构手动时，该力正比于由操作人员施加到换档杆上的力。不管是手动还是自动施加的，该力都沿轴向施加到法兰42上，并在图9中用箭头长度F₀表示。

由操作人员换档力F₀产生的法兰42的沿轴向向右的初始移动通过预增能表面50f、56b传送给销，以实现锥形表面48a与锥形表面28a的初始摩擦啮合。锥形表面的初始啮合力当然是弹簧54的力和预增能表面角度的函数。该初始摩擦啮合(假定存在非同步状态并暂时忽略自增能斜面的影响)产生一个初始锥形离合器啮合力和同步作用转矩T₀，后者保证法兰42和啮合摩擦环之间的有限相对转动，因此将直径缩小的销部分50b移向法兰孔42c的适当侧面，从而形成销阻塞器台肩50c与法兰阻塞器台肩42d的啮合。当阻塞器台肩啮合时，法兰42上的全部操作人员换档力F₀通过阻塞器台肩传送给摩擦环48，由此锥形离合器受操作人员换档力F₀的全部力而啮合，形成一个合成的操作人员同步作用转矩T₀。这个操作人员同步作用转矩T₀用图9中的箭头T₀表示。因为阻塞器台肩相对于操作人员换档力F₀的轴向成角度地设置，所以它们产生一个反向力或反阻塞转矩，后者与来自锥形离合器的同步作用转矩反向，但在非同步状态期间量值较小。当达到大体上同步时，同步作用转矩降到低于反阻塞转矩，由此阻塞器台肩将销移至与孔42c同心的关系，使法兰能够连续轴向移动，爪式部件36的外爪齿36d能够与爪式部件32的内爪齿32a啮合，如图6中所示。如先有技术中已知，并且如仅由图6中爪式部件30的爪齿30a的标号所规定的，爪齿的引导部分具有在初始接触期间减小齿损伤的倾斜前沿边30b，并具有圆角或楔形面30c以使齿进入配合对准。具有此种引导部分的爪齿更详细地公开在美国专利4,246,993中，该专利与美国专利3,265,173一起引用于此是为了参考，后者提供合适的倾斜角的教导。可以是非对称的楔形面防止由于齿的前沿边的紧靠接触而产生的换档延迟。为了便于平顺而较不费力地完成换档，爪齿最好沿周面方向尽可能精细或小巧，由此尽可能减小为配合对准爪齿所需的转动数值或角度。同时，爪齿的直径最好设置得尽可能大。

仍然忽略自增能斜面的影响，由力F₀形成的锥形离合器转矩用等式(1)表示：

T₀＝F₀R_Cμ_c/sinα    (1)

式中Rc＝锥形摩擦表面的平均半径，

   μ_c＝锥形摩擦表面的摩擦系数，

    α＝锥形摩擦表面的角度。

现在考查自增能斜面的影响并特别参照图7和8，由于操作人员施加的轴向换档力F₀而产生的同步作用转矩T₀当然由销50传递给法兰42并穿过自增能倾斜表面作用在轴12上。当啮合时，自增能倾斜表面限制法兰相对于轴12和爪式部件34、36的转动，并产生沿换档力F₀同一方向作用在法兰上的轴向力分力或轴向附加力Fa，由此进一步增大锥形离合器的啮合力，形成一个加在转矩T₀上的附加同步作用转矩Ta。图7例示当换档法兰42位于相应于图1位置的中线位置时自增能倾斜表面的位置和爪式部件花键38、40对轴花键13的位置。图8例示当齿轮16被啮合的锥形表面28a、48a同步时斜面和花键的位置。啮合的锥形表面沿着使法兰部件倾斜表面43c与轴倾斜表面13g进行啮合的方向产生一个同步作用转矩。因此，如图9中图线所示，啮合锥形离合器的轴向力的总和为F₀加Fa，而由锥形离合器产生的同步作用转矩的总和为T₀加Ta。对于给定的操作人员换档力F₀和操作人员同步作用转矩T₀，轴向附加力的大小最好是啮合的自增能倾斜表面角度的函数。这个角度最好大到产生一个附加力Fa，该附加力Fa的大小足以随操作人员给定的中等换档力而显著增大同步作用转矩并减少同步作用时间。但是，这个角度最好小到足以产生受控的轴向附加力Fa，即该力Fa应当随力F₀的增大或减小而增大或减小。如果斜面角度太大，斜面就自锁而不是自增能；因此，一旦锥形离合器的初始啮合实现，力Fa将与力F₀无关地迅速而不可控制地增大，由此驱动锥形离合器向上锁住。自锁而不是自增能，降低换档质量或换档感觉，可能对同步器部件产生过大应力，可能产生过大发热和迅速磨损锥形离合器表面，甚至可能对消操作人员对换档杆的移动。

计算自增能斜面角度θ和形成与操作人员力F₀成比例地增大或减小的附加轴向力Fa用的主要变数是锥形离合器角度α、锥形离合器摩擦系数μ_c、锥形离合器的平均半径比例Rc和自增能斜面的Rr、斜面摩擦系数μ_r和自增能斜面的角度。

由锥形离合器产生的总同步作用转矩Tt为：

T_t＝F_tR_Cμc/sinα      (2)

式中

T_t＝T₀＋T_a          (3)

而

F_t＝F₀＋F_a          (4)

不推导而给出的轴向附加力Fa的等式为： $F_a=F_{\tan }\frac{\cos \mathrm{\θ}-{\mathrm{\μ}}_r\sin \mathrm{\θ}/\cos \mathrm{\φ}}{\sin \mathrm{\θ}+{\mathrm{\μ}}_r\cos \mathrm{\θ}/\cos \mathrm{\φ}}-----\left(5\right)$

式中斜面角度θ从垂直于轴的轴线12a的平面测得，而Ftan作用在斜面上并且是在Rr时转矩Tt的切向力分量。一个转矩方向的Tt和Ftan分别用图2中相似的参照箭头表示。计算和控制自增能或助推力的其它细节可以参考美国专利5,092,439而得到，后者引用于此是为了参考。

图10中的元件60和62分别示意地表示图7中的杆状部分13b和内齿43。由元件70、72限定的倾斜表面60a、60b、60c、60d和62a、62b、62c、62d用为图7和8说明的同样方式互相作用。图10用于阐明从图7和8中的倾斜表面向图11-13中的倾斜表面转换。

图11-13示意例示分别相似于图10中的杆状部分60和内齿62的元件70和72，并分别具有弯曲的倾斜表面70a、70b、70c、70d和72a，其间形成在其啮合长度上变化的有效倾斜角θ，替代由元件60、62的倾斜表面形成的恒定角度θ。曲线倾斜表面，特别是表面70a-70d，每个可由一系列扁平表面形成，这一系列扁平表面集体形成一个曲线斜面。该曲线表面比起先有技术的恒定斜角面有几个优点。例如，当销50的阻塞器表面和换档法兰42啮合时曲线表面产生一个较高的附加轴向力(Fa)，然后达到同步作用后在换档法兰阻塞解除期间形成较小的轴向力(Fa)。当部件达到同步作用时，该较小的轴向力(Fa)有助于快速解除阻塞、减小部件的加速/减速速度，在爪式离合器部件换档期间减小速度差异，在完成换档期间减小压痕程度、减小爪式离合器齿的撞击、改善换档工作等等。

图11例示当换档法兰42位于图1的中线位置上时自增能倾斜表面的位置。图12例示当换档法兰被阻塞时自增能倾斜表面的位置。而图13例示在换档法兰被解除阻塞后当爪式离合器达到啮合时自增能倾斜表面的位置。

已经公开了一种自增能同步器机构的优选实施例。相信该优选实施例的许多变化和改型都包括在本发明的精神范围内。下列权利要求书要覆盖所公开机构的发明部分，因此相信种种变化和改型都处在本发明的精神范围内。

Claims (4)

1.一种摩擦同步和可靠连接第一和第二驱动件(42，14)的离合器；第一和第二驱动件绕共同轴线(12a)相对转动，该离合器包括：

第一爪形机构(34d)，可以沿轴向移动而与第二爪形机构(30a)啮合，以便根据由轴向换档力(F₀)产生的第一爪形机构(34d)的啮合动作而可靠地连接驱动件(12，14)；

第一摩擦机构(46)，可以随第一爪形机构(34d)的啮合动作而沿轴向移动从而与第二摩擦机构(26)啮合，以产生一个同步作用转矩；

第一和第二阻塞机构(42e、50d)，可以随第一爪形机构(34d)的啮合动作而移动进入啮合，以防止爪形机构的非同步啮合，用以将换档力(F₀)传送给第一摩擦机构(46)而产生摩擦机构的啮合力，并用以产生与同步作用转矩相反的转矩，以便当同步作用达到时移动第一和第二阻塞机构(42e，50d)脱离啮合；

第一和第二自增能机构(70，72)，具有带角度的表面(70a，72d)，当啮合时进入操作而产生同步作用转矩，以便沿换档力(F₀)的方向产生附加的轴向力(Fa)，以增大摩擦机构的啮合力，当达到同步作用时，该啮合表面(70a，72a)随阻塞机构(42e，50d)移出啮合可沿轴向彼此相对地滑动，其特征在于：

第一自增能机构(70)的带角度的表面(70a)，其角度沿跟第二自增能机构(72)的带角度啮合表面(72a)轴向滑动啮合r范围变化，以便当该啮合表面(70a，72a)彼此相对轴向滑动时改变附加轴向力(Fa)的大小。

2.按权利要求1的离合器，其特征在于：

当第一爪形机构移向第二爪形机构时，第一自增能机构(70)的带角度表面(70a)沿减小附加轴向力(Fa)大小的方向变化。

3.按权利要求1或2的离合器，其特征在于：

第一自增能机构的带角度表面(70a)是曲线形的。

4.按权利要求1、2或3的离合器，其特征在于：

第一自增能机构(70)的带角度表面(70a)相对于第一爪形机构(34d)是以防转方式固定的。

Images