FR2923880A1

FR2923880A1 - Idle pinion and shaft coupling device for mechanical gearbox of motor vehicle, has driving dogs co-operating with cavities of hub and pinion, where contact side of each dog is inclined with non-null angle relative to direction of shaft axis

Info

Publication number: FR2923880A1
Application number: FR0759073A
Authority: FR
Inventors: Xavier Lelasseux
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2007-11-15
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2009-05-22
Anticipated expiration: 2027-11-15
Also published as: FR2923880B1

Abstract

The device has flat discs (26-1 - 26-3, 28-1 - 28-3) alternately and rotatably connected with a hub (22) and an idle pinion (20) by driving dogs (30, 32). The driving dogs co-operate with complementary cavities (34, 36) of the hub and the pinion. The discs contact with each other due to an axial control force exerted by a sleeve (24) so as to transmit a rotating torque from the hub to the pinion by friction. A side of each driving dog, which is in contact with a side of the corresponding cavity, is inclined with a non-null angle relative to the direction of an axis (XX') of a shaft (10).

Description

DISPOSITIF DE COUPLAGE PAR DISQUES DE FRICTION POUR BOITE DE VITESSES FRICTION DISC COUPLING DEVICE FOR GEAR BOX

La présente invention est relative aux dispositifs de couplage par friction mono- ou multi-disques, notamment ceux permettant la synchronisation et/ou la transmission de couple dans une boîte de vitesses mécanique de véhicule automobile. The present invention relates to friction coupling devices mono- or multi-discs, especially those for synchronization and / or torque transmission in a mechanical gearbox of a motor vehicle.

De tels dispositifs sont très utilisés, comme embrayage principal ou pour la synchronisation des boîtes de vitesses, qui consiste en l'égalisation par frottement de la vitesse d'un arbre de la boîte avec celle d'un pignon fou tournant autour de celui-ci, lors d'un changement de rapport de vitesse. De manière connue, un synchroniseur multi-disques comprend un arbre sur lequel est monté un moyeu, solidaire en rotation de l'arbre via des cannelures et un pignon monté tournant. Entre le moyeu et le pignon est disposé un empilement de disques plans, alternativement liés en rotation au pignon et au moyeu. Un couple de friction est obtenu en appliquant un effort axial sur les disques afin de les faire entrer en contact. La mise en contact des surfaces de friction des disques est réalisée à l'aide d'un actionneur agissant sur un manchon en liaison glissière avec le pignon. On génère ainsi un couple de friction qui est transmis du moyeu au pignon fou via les surfaces de frottement de l'ensemble des disques. De manière également connue, la liaison glissière entre, d'une part, les disques liés au moyeu et celui-ci, et, d'autre part, les disques liés au pignon fou et ce dernier, est réalisée au moyen de tocs d'entraînement, ou crans, présents sur l'ensemble des disques, et coopérant avec des cavités du moyeu dans le premier cas et du pignon fou dans le second cas. Il est connu de prévoir des tocs à flancs parallèles à l'axe l'arbre, ces tocs coopérant avec des cavités, également à flancs parallèles du moyeu, ou du pignon fou selon le type de disque. Lorsque le dispositif est sollicité, un couple est donc transmis du moyeu vers les disques qui lui sont liés, via des forces de direction tangentielle exercées au point de contact entre les flancs des cavités du moyeu et les flancs des tocs d'entraînement. De même, les disques liés au pignon fou transmettent à ce dernier un couple, également via des forces de direction tangentielle exercées au point de contact entre les flancs des tocs des disques concernés et les flancs des cavités présentes dans le pignon fou. Les forces tangentielles ainsi générées sont cependant à l'origine d'une perte de rendement du dispositif : en effet, pour que le dispositif transmettre un couple par friction, il est nécessaire de mettre en contact les surfaces des disques en vis-à-vis. Cette mise en contact est réalisée sous l'action d'un effort axial exercé par le manchon et, plus encore, le couple transmis par le dispositif est directement lié à l'effort axial exercé. Or, lorsqu'on applique cet effort axial, les forces tangentielles décrites plus haut génèrent, aux points de contact entre les différents tocs et les cavités associées, des forces de frottement de direction axiale et de sens opposé à l'effort axial de commande (exercé par le manchon), du fait du déplacement relatif des tocs par rapport au moyeu ou au pignon fou. Ainsi, les frottements dus aux tocs réduisent l'effort axial de commande initial, induisant une perte de rendement. Such devices are widely used, as a main clutch or for the synchronization of gearboxes, which consists of the frictional equalization of the speed of a shaft of the box with that of a crazy gear rotating around it during a gear change. In known manner, a multi-disk synchronizer comprises a shaft on which is mounted a hub, integral in rotation with the shaft via splines and a rotatably mounted pinion. Between the hub and the pinion is disposed a stack of flat discs alternately rotatably connected to the pinion and the hub. A friction torque is obtained by applying an axial force on the discs to make them come into contact. The friction surfaces of the disks are brought into contact with an actuator acting on a sleeve in sliding connection with the pinion. A friction torque is thus generated which is transmitted from the hub to the idler gear via the friction surfaces of all the discs. In a manner also known, the slide connection between, on the one hand, the discs connected to the hub and the latter, and, on the other hand, the discs connected to the idler gear and the latter, is produced by means of tocs of drive, or notches, present on all the disks, and cooperating with hub cavities in the first case and the idle gear in the second case. It is known to provide tocs flanks parallel to the axis of the shaft, these tocs cooperating with cavities, also parallel flanks of the hub, or idler depending on the type of disc. When the device is biased, a torque is thus transmitted from the hub to the discs which are connected thereto, via tangential steering forces exerted at the point of contact between the flanks of the cavities of the hub and the flanks of the driving tabs. Likewise, the discs connected to the idler gear transmit torque to the latter, also via tangential steering forces exerted at the point of contact between the flanks of the tocs of the discs concerned and the sides of the cavities present in the idler gear. The tangential forces thus generated are however at the origin of a loss of efficiency of the device: indeed, in order for the device to transmit a torque by friction, it is necessary to put the surfaces of the discs facing each other in contact with each other. . This contacting is performed under the action of an axial force exerted by the sleeve and, moreover, the torque transmitted by the device is directly related to the axial force exerted. However, when this axial force is applied, the tangential forces described above generate, at the points of contact between the various tocs and the associated cavities, friction forces of axial direction and direction opposite to the axial control force ( exerted by the sleeve), due to the relative movement of the tocs with respect to the hub or the idler gear. Thus, frictions due to tocs reduce the initial axial control force, inducing a loss of efficiency.

De plus, les forces de frottement générées étant proportionnelles aux forces tangentielles (le coefficient pondérateur étant le coefficient de frottement entre les surfaces des tocs et des cavités), on comprend donc que plus le couple transmis par le moyeu est important, plus les forces tangentielles et donc les forces de frottement aux points de contact sont grandes, plus la perte de rendement est importante. Le but de l'invention est donc de fournir un dispositif de couplage de friction dans lequel les tocs d'entraînement sont conçus pour éliminer cette perte de rendement, en minimisant ou supprimant la composante axiale de la force de frottement générée par les tocs, voire en générant une force axiale induite qui s'ajoute à l'effort de commande. In addition, since the friction forces generated are proportional to the tangential forces (the weighting coefficient being the coefficient of friction between the surfaces of the tocs and cavities), it is therefore clear that the greater the torque transmitted by the hub, the greater the tangential forces. and therefore the friction forces at the points of contact are large, the greater the loss of yield is important. The object of the invention is therefore to provide a friction coupling device in which the driving elements are designed to eliminate this loss of efficiency, by minimizing or eliminating the axial component of the friction force generated by the tocs, or even generating an induced axial force that adds to the control effort.

Ainsi, l'invention concerne un dispositif de couplage par friction d'un pignon fou avec un arbre comportant un moyeu solidaire en rotation de cet arbre, un manchon libre de glisser axialement par rapport au pignon, des disques plans disposés de manière concentrique entre le moyeu pignon fou, les disques plans étant alternativement liés en rotation au moyeu et au pignon fou au moyen de tocs d'entraînement coopérant avec des cavités complémentaires présentes sur le moyen et le pignon fou, les disques plans étant aptes à être mis en contact sous l'action d'un effort axial de commande exercé par le manchon, de façon à transmettre par friction au pignon fou un couple de rotation reçu du moyeu, le dispositif étant caractérisé en ce que le flanc de chaque toc en contact avec le flanc en vis-à-vis de la cavité lors de la transmission de couple est incliné d'un angle non nul par rapport à la direction de l'axe de l'arbre. Thus, the invention relates to a friction coupling device of a pinion with a shaft having a hub integral in rotation with the shaft, a sleeve free to slide axially relative to the pinion, flat discs arranged concentrically between the idler pinion hub, the flat discs being alternately linked in rotation to the hub and the idler gear by means of driving tabs cooperating with complementary cavities present on the medium and the idler gear, the flat discs being able to be brought into contact under the action of an axial control force exerted by the sleeve, so as to frictionally transmit to the idler gear a rotational torque received from the hub, the device being characterized in that the flank of each toc in contact with the sidewall. vis-à-vis the cavity during torque transmission is inclined at a non-zero angle with respect to the direction of the axis of the shaft.

Dans une réalisation, l'angle d'inclinaison des tocs est tel que la tangente de cet angle est strictement inférieure à la valeur du coefficient de frottement entre les surfaces des flancs du toc et de la cavité. Dans une réalisation, la valeur de l'angle est telle que sa tangente est proche du coefficient de frottement. In one embodiment, the angle of inclination of the tocs is such that the tangent of this angle is strictly less than the value of the coefficient of friction between the surfaces of the flanks of the toc and the cavity. In one embodiment, the value of the angle is such that its tangent is close to the coefficient of friction.

Dans une réalisation, l'angle d'inclinaison des tocs est tel que la tangente de cet angle est strictement supérieure à la valeur du coefficient de frottement entre les surfaces des flancs du toc et de la cavité. Dans une réalisation, les cavités coopérant avec les tocs présentent un profil complémentaire de celui des tocs, leurs flancs en contact avec les tocs étant inclinés d'un angle sensiblement égal à l'angle d'inclinaison des tocs. Dans une réalisation, les tocs présentent un profil symétrique par rapport à l'axe de l'arbre, notamment un profil trapézoïdal. Dans une réalisation, chaque disque plan comporte plusieurs tocs angulairement répartis. In one embodiment, the angle of inclination of the tocs is such that the tangent of this angle is strictly greater than the value of the coefficient of friction between the surfaces of the flanks of the toc and the cavity. In one embodiment, the cavities cooperating with the tocs have a profile complementary to that of the tocs, their flanks in contact with the tocs being inclined at an angle substantially equal to the angle of inclination of the tocs. In one embodiment, the tocs have a symmetrical profile relative to the axis of the shaft, in particular a trapezoidal profile. In one embodiment, each planar disc has several angularly distributed tocs.

Un exemple de réalisation de l'invention est décrit ci-après de manière non limitative en relation avec les figures parmi lesquelles : - la figure 1 est un schéma d'un dispositif selon l'invention, - les figures 2a et 2b montrent des tocs selon l'invention pour des disques coopérant respectivement avec un pignon fou et avec un moyeu, - la figure 3 montre les forces exercées au point de contact entre les flancs d'un toc et d'une cavité associée lorsque le dispositif transmet un couple, - La figure 4 montre la variation de la force axiale induite par les tocs en fonction de la valeur de l'inclinaison des tocs. La figure 1 montre un dispositif de transmission de couple par friction d'architecture classique : le dispositif comprend un moyeu 22 solidaire d'un arbre 10, par exemple un arbre de boîte de vitesses mécanique. L'arbre 10 porte également un pignon fou 20, en vis-à-vis du moyeu 22. Entre le moyeu 22 et le pignon fou 20 est disposé un empilement de disques plans 261, 262, 263, 281, 282, 283 tels que décrits plus haut. Ces disques plans comportent chacun une ou deux surface de frottement et sont alternativement liés en rotation au moyeu 22 et au pignon 20 au moyen de tocs d'entraînement 30, 32 coopérant avec des cavités 34, 36 pratiquées dans le moyeu et le pignon fou. An exemplary embodiment of the invention is described below in a nonlimiting manner in relation to the figures in which: - Figure 1 is a diagram of a device according to the invention - Figures 2a and 2b show tocs according to the invention for disks cooperating respectively with an idle gear and with a hub, - Figure 3 shows the forces exerted at the point of contact between the flanks of a toc and an associated cavity when the device transmits a torque, - Figure 4 shows the variation of the axial force induced by the tocs as a function of the value of the inclination of the tocs. FIG. 1 shows a friction torque transmission device of conventional architecture: the device comprises a hub 22 integral with a shaft 10, for example a mechanical gearbox shaft. The shaft 10 also carries a pinion gear 20, opposite the hub 22. Between the hub 22 and the idle gear 20 is disposed a stack of flat discs 261, 262, 263, 281, 282, 283 such that described above. These flat discs each comprise one or two friction surfaces and are alternately rotatably connected to the hub 22 and to the pinion 20 by means of driving tabs 30, 32 cooperating with cavities 34, 36 formed in the hub and the idler gear.

Le dispositif décrit à la figure 1 comporte au total six disques plans, dont trois disques 261, 262, 263 sont liés au moyeu 22. Le pignon fou est lié quant à lui aux trois autres disques 281, 282, 283. Enfin, un manchon 24 est en liaison glissière ou pivot glissant avec le pignon 20, et est apte à venir exercer un effort axial sur le disque le plus proche 261 afin de mettre en contact les surfaces de frottement des disques en vis-à-vis, générant ainsi un couple de friction. Les disques plans, comme expliqué plus haut, sont tous pourvus de tocs d'entraînement afin d'être lié au moyeu 22 ou au pignon fou 20 selon le type de disque. Les figures 2a et 2b montrent la forme des tocs selon l'invention respectivement pour les disques liés au pignon fou 20 et les disques liés au moyeu 22. La figure 2b montre les disques 261, 262, 263 munis de tocs d'entraînement 32 coopérant avec une cavité 34 du moyeu 22. L'axe XX' représente l'axe de l'arbre portant le dispositif de couplage. On voit donc que chaque toc 32 comporte des flancs qui ne sont pas parallèles à l'axe XX', mais inclinés par rapport à celui-ci. Les tocs 32 sont donc sensiblement de profil trapézoïdal, et la cavité 34 présente un profil complémentaire. De préférence, l'angle a que forme le flanc du toc 32 avec l'axe XX' est tel que tan a est inférieur ou égal au coefficient g de frottement entre le flanc de la cavité 34 et le flanc du toc 32. The device described in Figure 1 comprises a total of six flat discs, three discs 261, 262, 263 are connected to the hub 22. The idler gear is connected to the other three discs 281, 282, 283. Finally, a sleeve 24 is in sliding connection or sliding pivot with the pinion 20, and is able to come exert an axial force on the nearest disk 261 in order to put in contact the friction surfaces of the disks vis-à-vis, thus generating a friction torque. The flat discs, as explained above, are all provided with driving knobs in order to be connected to the hub 22 or the idler gear 20 depending on the type of disc. FIGS. 2a and 2b show the shape of the tocs according to the invention respectively for the discs linked to the idler gear 20 and the discs linked to the hub 22. FIG. 2b shows the discs 261, 262, 263 provided with cooperating driving tabs 32 with a cavity 34 of the hub 22. The axis XX 'represents the axis of the shaft carrying the coupling device. We therefore see that each toc 32 has flanks that are not parallel to the axis XX ', but inclined relative thereto. The tocs 32 are therefore substantially trapezoidal profile, and the cavity 34 has a complementary profile. Preferably, the angle α that forms the flank of the toc 32 with the axis XX 'is such that tan a is less than or equal to the coefficient of friction between the flank of the cavity 34 and the flank of the toc 32.

De manière analogue, la figure 2a montre les disques 281, 282, 283 liés au pignon 20. Ceux-ci présente également des tocs 30 inclinés coopérant avec une cavité 36 du pignon 20. La forme des cavités 34 et 36 est évasée de manière à ce que leur ouverture soit plus large que la plus grande base des tocs d'entraînement, de manière à permettre un montage facile des disques à l'intérieur du pignon 20 et du moyeu 22. De préférence, l'angle d'inclinaison des parois des cavités est identique à celui des tocs. De manière connue, chaque disque comporte plusieurs tocs angulairement répartis, et le pignon 20 et le moyeu 22 comportent un nombre 10 de cavités égal aux nombres de tocs des disques. La figure 3 représente schématiquement les forces qui s'exercent au point de contact entre le flanc 40 d'un toc, par exemple un toc du disque 261, et d'une cavité lorsque le dispositif 1 transmet un couple. Le disque subit deux forces de même direction mais de sens opposé, Factionn (exercée par 15 l'actionneur via le manchon 24) et Fsynchro (exercée par le disque contigu 281). Ces deux forces ne sont cependant pas d'intensité égale, la différence étant égale à l'intensité de la force Fto~ générée par les tocs. Si l'on observe maintenant les forces exercées au point de contact entre le toc et la cavité, le moyeu exerce en ce point une force F, que l'on peut décomposer en une force 20 Fa normale au plan de contact, et une force F6 parallèle au plan de contact. Cette force F peut être également décomposée en une force Ftang, normale à l'axe XX', et la force Fto~ parallèle à l'axe XX'. L'intensité de la force Ftang est proportionnelle au couple c transmis par le moyeu et au bras de levier, ou rayon moyen r. Si l'on se place dans des conditions théoriques à la limite du 25 glissement entre le toc et la cavité, la force de frottement F6 est égale à Fa.tan R, où 13 = arctan , g étant le coefficient de frottement au niveau des faces en contact. On a également Fa = F.cos (3 F6 = F.sin R 30 Avec : Ftang = c/r = F.cos(Rûa) Fto~ = F.sin(Rûa) On a finalement : Fsynchro = Factionn - Ftoc = Factionn - F.sin(Rûa) On voit donc que la composante axiale due aux tocs est fonction 35 de la différence (13ûa) soit (arctan ûa). Similarly, FIG. 2a shows the discs 281, 282, 283 connected to the pinion 20. These also have inclined tocs 30 cooperating with a cavity 36 of the pinion 20. The shape of the cavities 34 and 36 is flared so as to their opening is wider than the largest base of the driving pins, so as to allow easy mounting of the discs inside the pinion 20 and the hub 22. Preferably, the angle of inclination of the walls cavities are identical to those of the tocs. In a known manner, each disk has several angularly distributed tocs, and the pinion 20 and the hub 22 comprise a number of cavities equal to the number of tocs of the disks. FIG. 3 diagrammatically represents the forces exerted on the point of contact between the flank 40 of a toc, for example a toc of the disc 261, and of a cavity when the device 1 transmits a torque. The disk undergoes two forces of the same direction but in the opposite direction, the drive (exerted by the actuator via the sleeve 24) and Fsynchro (exerted by the contiguous disk 281). These two forces, however, are not of equal intensity, the difference being equal to the intensity of the force Fto ~ generated by the tocs. If one now observes the forces exerted at the point of contact between the knock and the cavity, the hub exerts at this point a force F, which can be broken down into a force F 0 normal to the contact plane, and a force F6 parallel to the contact plane. This force F can also be decomposed into a force Ftang, normal to the axis XX ', and the force Fto ~ parallel to the axis XX'. The intensity of the force Ftang is proportional to the torque c transmitted by the hub and to the lever arm, or average radius r. If one places oneself in theoretical conditions at the limit of the slip between the toc and the cavity, the friction force F6 is equal to Fa.tan R, where 13 = arctan, g being the coefficient of friction at the level of faces in contact. We also have Fa = F.cos (3 F6 = F.sin R 30 With: Ftang = c / r = F.cos (Rûa) Fto ~ = F.sin (Rûa) We finally have: Fsynchro = Faction - Ftoc = Facilitator - F.sin (Rua) We thus see that the axial component due to the tocs is a function of the difference (13a) that is (arctan ûa).

Dans un mode de réalisation de l'invention, ce terme (arctan g û a) est négatif. Dans ce cas, on réduit au maximum la force axiale Fto~ s'opposant à l'effort axial imposé par le manchon 24, sans toutefois l'annuler. On maximise ainsi l'effort transmis par le manchon 24. De préférence, cette force axiale Fto~ de retenue ne doit pas être nulle, c'est-à-dire que a est strictement inférieur à R, tout en étant le plus proche possible de R. Dans un autre mode de réalisation, ce terme (arctan û a) est positif, c'est-à-dire que l'on a si a > R. Dans ce cas, la force Fto~ vient s'additionner à l'effort axial Factionn, le dispositif de couplage étant alors auto- assisté. La figure 5 représente la variation de la force Fto~ en fonction de la valeur de l'angle a. Cette variation est linéaire et la force Fto~ atteint logiquement la valeur zéro lorsque a = R. Cette représentation permet de distinguer deux domaines selon que a soit inférieur ou supérieur à R, correspondant respectivement à une perte d'efficacité de la force d'actionnement (domaine B) et à l'auto- assistance (domaine A). Comme expliqué ci-dessus, selon la valeur de a on se situera dans l'un ou l'autre de ces deux domaines. In one embodiment of the invention, this term (arctan g û a) is negative. In this case, it minimizes the axial force Fto ~ opposing the axial force imposed by the sleeve 24, without however canceling it. This maximizes the force transmitted by the sleeve 24. Preferably, this axial force Fto ~ retaining must not be zero, that is to say that a is strictly less than R, while being as close as possible In another embodiment, this term (arctan û a) is positive, that is to say that one has si a> R. In this case, the force Fto ~ comes to add to the axial force Factionn, the coupling device then being self-assist. Figure 5 shows the variation of the force Fto ~ as a function of the value of the angle a. This variation is linear and the force Fto ~ logically reaches the value zero when a = R. This representation makes it possible to distinguish two domains according to whether a is less than or greater than R, respectively corresponding to a loss of efficiency of the actuating force. (domain B) and self-help (domain A). As explained above, depending on the value of a we will be in one or the other of these two domains.

Claims

1. Device (1) frictionally coupling an idler gear (20) with a shaft (10) having a hub (22) integral in rotation with the axle shaft (XX '), a sleeve (24) free sliding axially relative to the pinion (20), flat disks (261, 262, 263, 281, 282, 283) arranged concentrically between the hub (22) idler (20), the flat disks being alternately linked in rotation of the hub (22) and the idler gear (20) by means of driving tabs (30, 32) cooperating with complementary cavities (34, 36) present on the means (22) and the idle gear (20), the flat discs (261, 262, 263, 281, 282) being able to be brought into contact under the action of an axial control force exerted by the sleeve (24), so as to transmit frictionally to the idler gear ( 20) a torque received from the hub (22), the device (1) being characterized in that the flank of each toc (30, 32) in contact with the sidewall opposite the cavity during the transmitted torque ratio is inclined by an angle a non-zero with respect to the direction of the axis (XX ').

2. Device (1) according to claim 1, wherein the angle of inclination of the tocs is such that the tangent of this angle is strictly less than the value of the coefficient of friction () between the surfaces of the flanks of the toc ( 30, 32) and the cavity (34, 36).

3. Device according to claim 2, wherein the value of a is such that its tangent is close to the coefficient of friction ().

4. Device (1) according to claim 1, wherein the angle of inclination of the tocs is such that the tangent of this angle is strictly greater than the value of the coefficient of friction () between the surfaces of the flanks of the toc ( 30, 32) and the cavity (34, 36).

5. Device according to one of claims 1 to 4, wherein the cavities (34, 36) cooperating with the tocs (30, 32) have a profile complementary to that of the tocs, their flanks in contact with the tocs (30, 32) being inclined at an angle substantially equal to a.

6. Device according to claim 1 or 2, wherein the tocs (30, 32) have a symmetrical profile relative to the axis (XX '), in particular a trapezoidal profile.

7. Device according to one of the preceding claims, wherein each plane disc (261, 262, 263, 281, 282, 283) comprise several tocs (30, 32), angularly distributed.