四工况流体缸、其操作方法以及机动车辆变速器.pdf

本发明提供可以仅仅利用两个直接电磁阀进行操作的四工况流体缸(150)。所提供的四工况缸(150)的特别应用领域可以是具有四个轨道位置的机动车齿轮箱。缸(150)具有缸壳体(340)和活塞杆(350)，缸壳体具有第一端部和相对的第二端部，活塞杆从缸壳体(340)的第一端部伸出。缸(150)还包括主活塞(360)，其刚性地连接到活塞杆(350)并被布置成能够在缸壳体(340)内运动，其中在主活塞(360)和缸壳体(340)的第一端部之间形成第一腔室(CHA)。此外，缸(150)包括第一弹簧(A)，其布置在缸壳体(340)的第一端部与主活塞(360)之间，并且用于将主活塞(360)偏压远离缸壳体(340)的第一端部。缸(150)还包括第一阀(322)，其能够连接到流体供应装置(310)，并且用于控制第一腔室(CH A)内的流体压力。此外，缸(150)包括浮动活塞(370)，其布置在缸壳体(340)内，以便围绕主活塞(360)的一部分配合并且能够相对于主活塞(360)运动，其中在主活塞和浮动活塞(360、370)与缸壳体(340)的第二端部之间形成第二腔室(CH B)。缸(150)还包括第二阀(324)，其能够连接到流体供应装置(310)，并且用于控制第二腔室(CH B)内的流体压力。缸(150)还包括活塞缓冲器(380)，其布置在缸壳体(340)的第二端部与主活塞和浮动活塞(360、370)之间，并且用于缓冲浮动活塞(370)的运动。此外，缸(150)包括第二弹簧(B)，其布置在缸壳体(340)的第二端部与活塞缓冲器(380)之间，以用于将活塞缓冲器(380)偏压远离缸壳体(340)的第二端部。

权利要求书
1.  一种四工况流体缸(150)，所述缸(150)具有缸壳体(340) 和活塞杆(350)，所述缸壳体具有第一端部和相对的第二端部，所述 活塞杆从所述缸壳体(340)的第一端部伸出，所述缸(150)还包括：
主活塞(360)，所述主活塞刚性地连接到所述活塞杆(350)并 被布置成能够在所述缸壳体(340)内运动，其中在所述主活塞(360) 和所述缸壳体(340)的第一端部之间形成第一腔室(CH A)；
第一弹簧(A)，所述第一弹簧布置在所述缸壳体(340)的第一 端部与所述主活塞(360)之间，并且用于将所述主活塞(360)偏压 远离所述缸壳体(340)的第一端部；
第一阀(322)，所述第一阀能够连接到流体供应装置(310)， 并且用于控制所述第一腔室(CH A)内的流体压力；
浮动活塞(370)，所述浮动活塞布置在所述缸壳体(340)内， 以便围绕所述主活塞(360)的一部分配合并且能够相对于所述主活塞 (360)运动，其中在所述主活塞和浮动活塞(360、370)与所述缸壳 体(340)的第二端部之间形成第二腔室(CH B)；
第二阀(324)，所述第二阀能够连接到所述流体供应装置(310)， 并且用于控制所述第二腔室(CH B)内的流体压力；
活塞缓冲器(380)，所述活塞缓冲器布置在所述缸壳体(340) 的第二端部与所述主活塞和浮动活塞(360、370)之间，并且用于缓 冲所述浮动活塞(370)的运动；以及
第二弹簧(B)，所述第二弹簧布置在所述缸壳体(340)的第二 端部与所述活塞缓冲器(380)之间，以用于将所述活塞缓冲器(380) 偏压远离所述缸壳体(340)的第二端部。

2.  根据权利要求1所述的缸(150)，其中所述第一弹簧(A) 的弹簧力(701)小于或等于所述第二弹簧(B)的弹簧力(702)。

3.  根据前述权利要求中任一项所述的缸(150)，其中所述第一 阀和第二阀(322、324)是三通双位常闭电磁阀。

4.  根据前述权利要求中任一项所述的缸(150)，其中所述缸(150) 还包括止挡元件(346)，所述止挡元件附接到所述缸壳体(340)， 所述活塞缓冲器(380)被所述第二弹簧(B)偏压成抵靠到所述止挡 元件上。

5.  根据前述权利要求中任一项所述的缸(150)，其中所述主活 塞(360)的在面向所述第一腔室(CH A)的表面上的有效横截面积 小于所述主活塞和浮动活塞(360、370)的在面向所述第二腔室(CH  B)的表面上的有效横截面积。

6.  根据前述权利要求中任一项所述的缸(150)，其中所述主活 塞(360)具有：较大直径部分，所述较大直径部分面向所述第一腔室 (CH A)并且抵靠在所述缸壳体(340)的内壁表面上；较小直径部 分，所述较小直径部分面向所述第二腔室(CH B)；以及台阶部分， 所述台阶部分处于所述较大直径部分和所述较小直径部分之间的过渡 区域中，其中所述浮动活塞(370)绕所述较小直径部分的一部分配合， 并且能够运动以形成和脱离到所述台阶部分上的抵靠。

7.  根据前述权利要求中任一项所述的缸(150)，其中所述缸壳 体(340)包括通孔(342)，所述通孔处于通过所述主活塞和浮动活 塞(360、370)的运动而能够在所述第一腔室和第二腔室(CH A、 CH B)之间形成的可变体积的第三腔室(CH C)的区域中。

8.  一种机动车辆变速器(100)，其包括：
四轨道齿轮箱(105)，所述四轨道齿轮箱具有四个换档通道(110、 120、130、140)；以及
根据前述权利要求中任一项所述的四工况流体缸(150)，以用于 一次选择所述换档通道(110、120、130、140)中的一个换档通道。

9.  一种操作四工况流体缸(150)的方法(800)，其中所述缸(150) 包括：缸壳体(340)，所述缸壳体具有第一端部和相对的第二端部； 活塞杆(350)，所述活塞杆从所述缸壳体(340)的第一端部伸出； 主活塞(360)，所述主活塞刚性地连接到所述活塞杆(350)并被布 置成能够在所述缸壳体(340)内运动，其中在所述主活塞(360)和 所述缸壳体(340)的第一端部之间形成第一腔室(CH A)；第一弹 簧(A)，所述第一弹簧布置在所述缸壳体(340)的第一端部与所述 主活塞(360)之间，并且用于将所述主活塞(360)偏压远离所述缸 壳体(340)的第一端部；第一阀(322)，所述第一阀连接到流体供 应装置(310)，并且用于控制所述第一腔室(CH A)内的流体压力； 浮动活塞(370)，所述浮动活塞布置在所述缸壳体(340)内，以便 围绕所述主活塞(360)的一部分配合并且能够相对于所述主活塞(360) 运动，其中在所述主活塞和浮动活塞(360、370)与所述缸壳体(340) 的第二端部之间形成第二腔室(CH B)；第二阀(324)，所述第二 阀连接到所述流体供应装置(310)，并且用于控制所述第二腔室(CH  B)内的流体压力；活塞缓冲器(380)，所述活塞缓冲器布置在所述 缸壳体(340)的第二端部与所述主活塞和浮动活塞(360、370)之间， 并且用于缓冲所述浮动活塞(370)的运动；以及第二弹簧(B)，所 述第二弹簧布置在所述缸壳体(340)的第二端部和所述活塞缓冲器 (380)之间，用于将所述活塞缓冲器(380)偏压远离所述缸壳体(340) 的第二端部，所述方法(800)包括：
控制(810)所述第一阀和第二阀(322、324)，以使得：(i) 所述第一腔室和第二腔室(CH A、CH B)的压力下降，以便将所述 缸(150)设定到第一工况(710)，在所述第一工况中，所述活塞杆 (350)的第一长度部分从所述缸壳体(340)伸出；(ii)所述第一 腔室和第二腔室(CH A、CH B)用流体加压，以便将所述缸(150) 设定到第二工况(720)，在所述第二工况中，所述活塞杆(350)的 比所述第一长度部分大的第二长度部分从所述缸壳体(340)伸出；(iii) 所述第一腔室(CH A)的压力下降而所述第二腔室(CH B)用流体 加压，以便将所述缸(150)设定到第三工况(730)，在所述第三工 况中，所述活塞杆(350)的比所述第二长度部分大的第三长度部分从 所述缸壳体(340)伸出；或者(iv)所述第一腔室(CH A)用流体 加压而所述第二腔室(CH B)的压力下降，以便将所述缸(150)设 定到第四工况(740)，在所述第四工况中，所述活塞杆(350)的比 所述第一长度部分小的第四长度部分从所述缸壳体(340)伸出。

10.  根据权利要求9所述的方法(800)，其中所述控制步骤(800) 反复地执行，以便将所述缸(150)以任意的方式设定到不同的工况 (710、720、730、740)。

说明书四工况流体缸、其操作方法以及机动车辆变速器
技术领域
本发明涉及四工况流体缸、机动车辆变速器以及操作四工况流体 缸的方法。
背景技术
四工况气动式工作缸常常用于工业中，例如在汽车领域中用于自 动齿轮箱或伺服换档齿轮箱。在四轨道齿轮箱中可能需要四工况缸， 以便选择四个可能的通道中的一个通道。关于如今的缸，取决于用以 控制缸的磁性阀的数量的两种方案已经得到广泛应用。最常用的构造 包括四个三通双位常闭磁性阀、具有不同直径的三个活塞，并且由此 包括四个腔室。在例如DE102006035938B4中描述了另一个可能的方 案，该方案具有三个三通双位阀(3/2阀)，该文献公开了具有致动缸 的齿轮致动器。
发明内容
本发明的目的在于提供改进的四工况流体缸、改进的机动车辆变 速器以及改进的操作四工况流体缸的方法。
该目的是通过根据主权利要求的四工况流体缸、机动车辆变速器 和操作四工况流体缸的方法来实现的。
本发明是基于以下的发现，即四工况流体缸可以被设计成借助于 仅仅两个阀和两个弹簧进行操作。具体地，四工况气动式工作缸可以 被设计成借助于仅仅两个三通双位常闭(3/2NC)电磁阀进行操作。 从而，提供了四工况气动式工作缸具有少于三个3/2阀的有利概念。 通过将两个缸致动磁性阀之外的所有阀替换为其它用于聚积能量的部 件(例如弹簧)，减少了磁性阀的数量。
有利地，减少阀的数量还减小了阀所占用的空间，这使得根据本 发明实施例的缸更易于用在可用空间不足的地方。因此，不再需要将 阀与工作缸分离并将阀移动到不同位置。在这个方面中，反应或切换 事件可以最小化。另一个问题当然是可以降低机加工阀座、空气通道 和磁性阀自身的价格。
本发明提供一种四工况流体缸，该缸具有缸壳体和活塞杆，缸壳 体具有第一端部和相对的第二端部，活塞杆从缸壳体的第一端部伸出， 该缸还包括：
主活塞，该主活塞刚性地连接到活塞杆并被布置成能够在缸壳体 内运动，其中在主活塞和缸壳体的第一端部之间形成第一腔室；
第一弹簧，该第一弹簧布置在缸壳体的第一端部与主活塞之间， 并且用于将主活塞偏压远离缸壳体的第一端部；
第一阀，该第一阀能够连接到流体供应装置，并且用于控制第一 腔室内的流体压力；
浮动活塞，该浮动活塞布置在缸壳体内，以便围绕主活塞的一部 分配合并且能够相对于主活塞运动，其中在主活塞和浮动活塞与缸壳 体的第二端部之间形成第二腔室；
第二阀，该第二阀能够连接到流体供应装置，并且用于控制第二 腔室内的流体压力；
活塞缓冲器，该活塞缓冲器布置在缸壳体的第二端部与主活塞和 浮动活塞之间，用来缓冲浮动活塞的运动；以及
第二弹簧，该第二弹簧布置在缸壳体的第二端部与活塞缓冲器之 间，用于将活塞缓冲器偏压远离缸壳体的第二端部。
四工况流体缸可以是用于机动车辆变速器齿轮箱或类似物的气动 缸或液压缸。缸壳体可以包括缸筒、缸头部以及底部端部或顶盖，缸 头部相当于缸壳体的第一端部，活塞杆在这里从缸壳体伸出，底部端 部或顶盖相当于缸壳体的第二端部。主活塞可以机械地连接到或联接 到活塞杆。活塞杆可以穿过缸壳体的第一端部中的开口，其中诸如密 封环或类似物的第一密封元件可以布置在该开口中，以便以不透流体 的方式密封活塞杆与缸壳体的第一端部之间的间隙。第一弹簧和第二 弹簧可以是螺旋弹簧或类似物。第一弹簧可以布置在第一腔室中。活 塞杆可以延伸穿过由第一弹簧围绕的空间。第一弹簧可以抵靠在缸壳 体的第一端部的内壁表面上，并且可以抵靠在主活塞的面向缸壳体的 第一端部的表面上。第一腔室可以通过缸壳体的内壁表面的一部分和 主活塞的面向缸壳体的第一端部的表面以不透流体的方式进行密封。 第二密封元件可以布置成用以以不透流体的方式密封主活塞的圆周表 面与缸壳体的内壁表面之间的间隙。第一阀可以借助于流体管线连接 到第一腔室，该流体管线通到第一腔室中。浮动活塞可以大致为环形 的或类似的形状。第三密封元件可以布置成用以以不透流体的方式密 封浮动活塞的内圆周表面与主活塞的圆周表面之间的间隙。第四密封 元件可以布置成用以以不透流体的方式密封浮动活塞的外圆周表面与 缸壳体的内壁表面之间的间隙。第二腔室可以通过缸壳体的内壁表面 的一部分以及主活塞和浮动活塞的面向缸壳体的第二端部的表面以不 透流体的方式进行密封。活塞缓冲器和第二弹簧可以布置在第二腔室 中。第二弹簧可以抵靠在缸壳体的第二端部的内壁表面上，并且可以 抵靠在活塞缓冲器的面向缸壳体的第二端部的表面上。浮动活塞能够 运动以形成和脱离到活塞缓冲器的面向浮动活塞的表面上的抵靠。活 塞缓冲器可以包括形成在活塞缓冲器的面向浮动活塞的表面中的凹入 部分，其中该凹入部分的尺寸形成为用以容纳主活塞的面向缸壳体的 第二端部的端部部分。第二阀可以借助于流体管线连接到第二腔室， 该流体管线通到第二腔室中。
根据一个实施例，第一弹簧的弹簧力可以小于或等于第二弹簧的 弹簧力。从而，第一弹簧的弹簧刚度或弹簧常数可以小于或等于第二 弹簧的弹簧刚度或弹簧常数。第一弹簧和第二弹簧的弹簧力或弹簧常 数可以具有预定的比率。第一和第二弹簧的刚度和预加载特性可以确 定缸的不同工况中的弹簧力。该实施例的优点在于，主活塞和浮动活 塞可以通过第一和第二弹簧的弹簧力所形成的力平衡而运动到精确地 限定的位置。
根据另一个实施例，第一和第二阀可以是三通双位常闭电磁阀。 每个磁性阀可以具有三个端口，流体管线可以连接到这些端口。第一 阀的第一端口可以经由流体管线连接到缸的第一腔室。第二阀的第一 端口可以经由流体管线连接到缸的第二腔室。第一和第二阀的第二端 口可以连接到流体入口或加压流体贮存器。第一和第二阀的第三端口 可以连接到流体出口。第一和第二阀可以形成为在第一或关闭阀位置 中将它们的第一端口连接到它们的第三端口。第一和第二阀可以形成 为在第二或打开阀位置中将它们的第一端口连接到它们的第二端口。 该实施例的优点在于，电磁阀是极为可靠、使用寿命长、紧凑、节省 动力的装置，并且能够进行安全且快速的切换操作。
根据另一个实施例，缸还可以包括止挡元件，该止挡元件附接到 缸壳体，缸缓冲器被第二弹簧偏压成抵靠到该止挡元件上。止挡元件 可以包括固定环或类似物，其可以从缸壳体的内壁表面伸出。第二弹 簧可以布置在止挡元件与缸壳体的第二端部的内壁表面之间。缸缓冲 器的一部分可以可动地接合在第二弹簧和止挡元件之间。该实施例的 优点在于，缸缓冲器可以保持在限定的位置处，除非比第二弹簧的弹 簧力大的力沿着朝向缸壳体的第二端部的方向作用在缸缓冲器上。
根据另一个实施例，主活塞的在面向第一腔室的表面上的有效横 截面积可以小于主活塞和浮动活塞的在面向第二腔室的表面上的有效 横截面积。换言之，主活塞的在第一腔室一侧上的有效横截面积是第 一腔室中的流体的流体负荷可以在其上作用或施加压力的横截面积。 从而，主活塞和浮动活塞的在第二腔室一侧上的有效横截面积包括第 二腔室中的流体的流体负荷可以在其上作用或施加压力的主活塞和浮 动活塞的组合的横截面积。主活塞的在第一腔室一侧上的主直径以及 活塞杆的主直径确定了主活塞的在第一腔室一侧上的有效横截面积。 浮动活塞的直径以及主活塞的在第二腔室一侧上的直径确定了活塞的 在第二腔室一侧上的有效横截面积。由于前述不同的有效横截面积， 第一和第二腔室中的相等流体压力可以使得主活塞和浮动活塞朝向缸 壳体的第一端部运动。该实施例的优点在于，主活塞和浮动活塞可以 通过主活塞和浮动活塞的有效横截面积上的流体负荷所形成的力平衡 而运动到精确地限定的位置。
根据另一个实施例，主活塞可以具有：较大直径部分，其面向第 一腔室并抵靠在缸壳体的内壁表面上；较小直径部分，其面向第二腔 室；以及台阶部分，其处于较大直径部分和较小直径部分之间的过渡 区域中，其中浮动活塞可以绕较小直径部分的一部分配合，并且能够 运动以形成和脱离到台阶部分上的抵靠。该实施例的优点在于，主活 塞和浮动活塞可以适应成能够相对于彼此运动，同时节省缸内的空间。
根据另一个实施例，缸壳体可以包括通孔，该通孔处于通过主活 塞和浮动活塞的运动而能够在第一和第二腔室之间形成的可变体积的 第三腔室的区域中。第三腔室可以分隔开，而不与加压流体进行任何 接触。第三腔室的体积可以随着主活塞和浮动活塞相对于彼此的相对 运动以及主活塞和浮动活塞相对于缸壳体的运动而变化。通孔以及第 三腔室的形成允许主活塞和浮动活塞在缸壳体内进行平滑的运动。
此外，本发明提供一种机动车辆变速器，其包括：
四轨道齿轮箱，其具有四个换档通道；以及
上述形式的四工况流体缸，以用于一次选择一个换档通道。
机动车辆可以是客车或商用车辆。齿轮箱可以是自动齿轮箱或伺 服换档齿轮箱。在机动车辆变速器的情况下，根据本发明实施例的四 工况流体缸可以有利地与齿轮箱结合使用。具体地，流体缸可以用来 使得在齿轮箱的换档机构中能够进行换档操作。例如，换档机构可以 用于具有4个通道的6速轻载商用车辆的齿轮箱，第一通道用于倒档 和可选的爬行档，第二通道用于第一和第二档，第三通道用于第三和 第四档，第四通道用于第五和第六档。
此外，本发明提供操作四工况流体缸的方法，其中所述缸包括： 缸壳体，该缸壳体具有第一端部和相对的第二端部；活塞杆，该活塞 杆从缸壳体的第一端部伸出；主活塞，该主活塞刚性地连接到活塞杆 并被布置成能够在缸壳体内运动，其中在主活塞和缸壳体的第一端部 之间形成第一腔室；第一弹簧，该第一弹簧布置在缸壳体的第一端部 与主活塞之间，并且用于将主活塞偏压远离缸壳体的第一端部；第一 阀，该第一阀连接到流体供应装置，并且用于控制第一腔室内的流体 压力；浮动活塞，该浮动活塞布置在缸壳体内，以便围绕主活塞的一 部分配合并且能够相对于主活塞运动，其中在主活塞和浮动活塞与缸 壳体的第二端部之间形成第二腔室；第二阀，该第二阀连接到流体供 应装置，并且用于控制第二腔室内的流体压力；活塞缓冲器，该活塞 缓冲器布置在缸壳体的第二端部与主活塞和浮动活塞之间，并且用于 缓冲浮动活塞的运动；以及第二弹簧，该第二弹簧布置在缸壳体的第 二端部和活塞缓冲器之间，用于将活塞缓冲器偏压远离缸壳体的第二 端部，所述方法包括：
控制第一和第二阀，以使得：(i)第一腔室和第二腔室的压力下 降，以便将缸设定到第一工况，在第一工况中，活塞杆的第一长度部 分从缸壳体伸出；(ii)第一腔室和第二腔室用流体加压，以便将缸 设定到第二工况，在第二工况中，活塞杆的比第一长度部分大的第二 长度部分从缸壳体伸出；(iii)第一腔室的压力下降而第二腔室用流 体加压，以便将缸设定到第三工况，在第三工况中，活塞杆的比第二 长度部分大的第三长度部分从缸壳体伸出；或者(iv)第一腔室用流 体加压而第二腔室的压力下降，以便将缸设定到第四工况，在第四工 况中，活塞杆的比第一长度部分小的第四长度部分从缸壳体伸出。
该操作方法可以有利地与根据本发明实施例的流体缸结合起来执 行。缸的第一工况可以表示缸的静止工况或休止工况。在第一工况中， 没有阀被致动，从而第一和第二腔室的压力下降。在第一工况中，主 活塞和浮动活塞的位置以及由此活塞杆的伸出长度仅仅取决于第一和 第二弹簧的弹簧力。当该方法应用于与四轨道机动车辆齿轮箱结合使 用的缸时，第一工况可以表示选择齿轮箱的第一通道。从而，在缸的 第一工况或静止工况中选择第一通道，其中第一和第二阀均没有致动。 因此，如果第一和第二腔室的压力下降或进行排气，那么缸设定为第 一工况或静止工况。在四轨道机动车辆齿轮箱的应用例子中，第二工 况可以表示选择齿轮箱的第二通道。在第二工况中，主活塞和浮动活 塞的位置以及由此活塞杆的伸出长度取决于主活塞和浮动活塞的直 径、活塞杆的直径、第一和第二腔室中的气动压力以及第一弹簧的弹 簧力，该第一弹簧在第二工况中被压缩。在四轨道机动车辆齿轮箱的 应用例子中，第三工况可以表示选择齿轮箱的第三通道。在第三工况 中，主活塞和浮动活塞的位置以及由此活塞杆的伸出长度取决于主活 塞的较小直径、第二腔室中的气动压力以及第一弹簧的弹簧力，该第 一弹簧在第三工况中被压缩。在四轨道机动车辆齿轮箱的应用例子中， 第四工况可以表示选择齿轮箱的第四通道。在第四工况中，主活塞和 浮动活塞的位置以及由此活塞杆的伸出长度取决于主活塞的较大直 径、活塞杆的直径、第一腔室中的气动压力以及第一和第二弹簧的弹 簧力，第一和第二弹簧在第四工况中被压缩。
根据一个实施例，控制步骤可以反复地执行，以便将缸以任意的 方式设定到不同的工况。缸可以以顺序的方式或无序的方式设定到不 同的工况。通过不致动阀、致动一个阀或者致动两个阀以便足够的腔 室或多个腔室加压和/或压力下降，可以在任何工况之后设定任何其它 的工况。在切换工况方面没有缺省的顺序，这使得该方法和缸能够灵 活地用于各种应用、情形和领域。
附图说明
参考附图，在下文中将更详细地解释本发明的优选实施例，其中：
图1示出了机动车辆变速器的示意图；
图2示出了流体缸的部分横截面图；
图3至6示出了根据本发明实施例的流体缸处于四个不同工况的 部分横截面图；
图7示出了图3至6的流体缸中的力的曲线图；以及
图8示出了根据本发明实施例的方法的流程图。
具体实施方式
在本发明优选实施例的以下整个说明中，相同的或相似的附图标 记可以用于在各个图中示出的相似的元件或相似地起作用的元件，这 样的元件的重复描述被省略。
图1示出了根据本发明实施例的机动车辆变速器100的示意图。 变速器100可以用于客车或商用车辆。变速器100包括四轨道齿轮箱 105和工作缸150，该四轨道齿轮箱具有四个换档通道110、120、130 和140，该工作缸可以是流体缸，例如气压缸，如图3至6所示。工 作缸150连接到齿轮箱105，并且与变速器100的齿轮箱105的换档 机构结合使用。四个换档通道110、120、130和140包括用于第一档 (1)和第二档(2)的第一通道110、用于第三档(3)和第四档(4) 的第二通道120、用于第五档(5)和第六档(6)的第三通道130以 及用于倒档(R)的第四通道140。在本发明的另一个实施例中，第四 通道140也可以用于商用车辆的爬行档。工作缸150被布置成且能够 控制成通过设定到四个可能的工况中的一个工况而致动齿轮箱105的 换档机构的至少一部分，以便一次选择一个换档通道。
图2示出了常用构造中的流体缸200的部分横截面图。图2示出 了流体缸200、流体入口210、四个阀222、224、226和228(具体是 三通双位常闭磁性阀(3/2NC磁性阀))、流体出口230、缸壳体240、 活塞杆250、主活塞260以及两个浮动活塞270和280。阀222、224、 226和228经由流体管线连接在流体入口210和流体出口230之间。 阀222、224、226和228还均连接到通过具有不同直径的三个活塞260、 270和280在缸壳体240内形成的不同腔室中。在图2所示的缸200 中，四个3/2NC磁性阀222、224、226和228形成为用以控制四个压 力腔室中的流体压力，从而使主活塞260以及两个浮动活塞270和280 运动，其中主活塞260在四个位置之间运动，以便将缸200设定到四 个不同的工况。
图3示出了根据本发明实施例的流体缸150的部分横截面图，其 处于缸150的第一工况。流体缸150可以用作图1的机动车辆变速器 的工作缸。根据本发明这个实施例的流体缸150是四工况气动式工作 缸。图3示出了流体缸150、流体入口310或加压流体贮存器、第一 阀322和第二阀324(为三通双位常闭磁性阀(3/2NC磁性阀))、 流体出口330、缸壳体340、排放开口342、缸盖344或顶盖、止挡元 件346或固定环、活塞杆350、主活塞360、浮动活塞370、活塞缓冲 器380、第一弹簧A、第二弹簧B、第一腔室CH A、第二腔室CH B 以及第三腔室CH C。
缸壳体340包括相当于缸壳体340主体的缸筒、排放开口342、 缸盖344和止挡元件346。缸壳体340具有：第一端部，其相当于缸 头部，并且活塞杆350在该第一端部处从缸壳体340内伸出；和第二 端部或底部端部或顶盖，缸盖344布置在该第二端部或底部端部或顶 盖处。在图3所示的本发明的实施例中，缸盖344是与缸筒分开的部 件，并且以不透流体的方式与缸筒机械地连接以形成缸壳体340。在 其它实施例中，缸盖344可以与缸壳体340的缸筒一体地形成，其中 缸头部可以是与缸筒分开的部件，并且可以以不透流体的方式与缸筒 机械地连接。缸壳体340的缸筒具有较小直径部分和较大直径部分， 在较小直径部分和较大直径部分之间具有台阶部分，在该台阶部分处， 缸筒的内径和外径从较小直径部分变化到较大直径部分。缸筒的较小 直径部分从缸壳体340的第一端部延伸到缸筒的台阶部分。缸筒的较 大直径部分从台阶部分朝向缸壳体340的第二端部延伸。缸盖344具 有较大直径部分和较小直径部分，在该较大直径部分处，缸盖与缸筒 连接，该较小直径部分处于缸壳体340的第二端部处，在该较小直径 部分和较大直径部分之间具有台阶部分。在缸壳体340的第一端部处 布置有通孔，活塞杆350通到该通孔中以便进行其滑动运动。缸壳体 340的第一端部中的通孔设置有第一密封元件，例如密封环或类似物， 以用于以不透流体的方式密封活塞杆350与缸壳体340的第一端部中 的通孔的壁之间的间隙。缸壳体340的排放开口342是穿过缸筒的壁 的通孔，并且布置在缸筒的台阶部分中。止挡元件346布置在缸盖344 的较小直径部分中。止挡元件346是固定在缸盖344的内壁表面上的 环形部件。
活塞杆350机械地连接到主活塞360。主活塞360布置在缸壳体 340内，以便能够沿着缸筒的较小直径部分运动。主活塞360具有： 较大直径部分，其布置成面向缸壳体340的第一端部；较小直径部分， 其布置成触及缸壳体340的第二端部；以及台阶部分，其处于较大直 径部分和较小直径部分之间的过渡区域中，其中台阶部分相当于相对 于缸的纵向轴线的垂直表面。第二密封元件围绕主活塞360的较大直 径部分的圆周表面布置，以便以不透流体的方式密封主活塞360的圆 周表面与缸筒的内壁表面之间的间隙。
第一腔室CH A或第一缸腔室由以下部分形成并以不透流体的方 式密封：缸壳体340的内壁表面的一部分，该部分包括缸壳体340的 第一端部和缸筒的较小直径部分的内壁表面；主活塞360的面向缸壳 体340的第一端部的表面；以及第一和第二密封元件。第一弹簧A布 置在第一腔室CH A中。第一弹簧A布置在缸壳体340的第一端部或 缸头部的内壁表面与主活塞360的面向缸壳体340的第一端部的表面 之间并抵靠在这些表面上。活塞杆350延伸穿过被第一弹簧A围绕的 空间，该第一弹簧是螺旋弹簧。
第一腔室CH A借助于流体管线连接到第一阀322的第一端口。 第一阀322的第二端口连接到流体入口310，第一阀322的第三端口 连接到流体出口330。第一阀322能够操作以将其第一端口连接到其 第二端口或第三端口。在图3中，第一阀322的第一端口连接到第一 阀322的第三端口，从而通过将第一腔室CH A与流体出口330连接 而降低第一腔室CH A的压力。
浮动活塞370布置在主活塞360的较大直径部分与缸壳体340的 第二端部之间。具体地，浮动活塞370被布置成围绕主活塞360的较 小直径部分的一部分滑动地配合。浮动活塞370布置在主活塞360的 较小直径部分与缸壳体340的缸筒之间。第三密封元件被布置成以不 透流体的方式密封浮动活塞370的内圆周表面与主活塞360的较小直 径部分的圆周表面之间的间隙。第四密封元件被布置成以不透流体的 方式密封浮动活塞370的外圆周表面与缸壳体340的缸筒的内壁表面 之间的间隙。
第二腔室CH B或第二缸腔室由以下部分形成并以不透流体的方 式密封：缸壳体340的内壁表面的一部分，该部分包括缸壳体340的 具有缸盖344的第二端部以及缸筒的较大直径部分的内壁表面的一部 分；主活塞360和浮动活塞370的面向缸壳体340的第二端部的表面； 以及第三和第四密封元件。活塞缓冲器380和第二弹簧B布置在第二 腔室CH B中。
活塞缓冲器380布置在第二弹簧B与主活塞和浮动活塞360和370 之间。活塞缓冲器380包括面向主活塞和浮动活塞360和370的第一 表面以及面向缸壳体340的第二端部的第二表面。活塞缓冲器380包 括形成在活塞缓冲器380的第一表面中的凹入部分。凹入部分的尺寸 形成为用以容纳主活塞360的较小直径部分的端部区段，该端部区段 面向缸壳体340的第二端部。凹入部分被活塞缓冲器380的壁部分围 绕。活塞缓冲器380还包括流体排放孔，在图3中可以看到三个流体 排放孔，它们形成为穿过壁部分的通孔和流体地连接活塞缓冲器380 的第一和第二表面的通孔。流体排放孔设置成用以确保在活塞缓冲器 380的两侧上具有相同的压力。此外，活塞缓冲器380包括凸耳部分， 该凸耳部分用于抵靠到缸盖344的止挡元件346上。活塞缓冲器380 的轴向运动边界在一侧上由第二弹簧B或缸壳体340的第二端部确 定，在另一侧上由止挡元件346确定。第二弹簧B是预加应力弹簧， 使得活塞缓冲器380被第二弹簧B推到止挡元件346上。在图3中， 主活塞360的较小直径部分的端部区段示出为容纳在活塞缓冲器380 的凹入部分中。
第二弹簧B布置在缸壳体340的第二端部的内壁表面(由此在缸 盖344的内壁表面)与活塞缓冲器380的第二表面之间，并且抵靠在 这些表面上。第二弹簧B形成为用以将活塞缓冲器380的凸耳部分偏 压成抵靠到缸盖344的止挡元件346上。在图3中，活塞缓冲器380 示出为其凸耳部分抵靠在止挡元件346上。
第二腔室CH B借助于流体管线连接到第二阀324的第一端口。 第二阀324的第二端口连接到流体入口310，第二阀324的第三端口 连接到流体出口330。第二阀324能够操作以将其第一端口连接到其 第二端口或第三端口。在图3中，第二阀324的第一端口连接到第二 阀324的第三端口，从而通过将第二腔室CH B与流体出口330连接 而降低第二腔室CH B的压力。
浮动活塞370能够运动以形成和脱离到主活塞360的台阶部分上 的抵靠、到活塞缓冲器380的第一表面的一部分上的抵靠以及到缸壳 体340的缸筒的台阶部分上的抵靠。在图3中，浮动活塞370示出为 抵靠在主活塞360的台阶部分上，并且抵靠在活塞缓冲器380的第一 表面的一部分上。从而，主活塞360、浮动活塞370和活塞缓冲器380 通过由第一弹簧A和第二弹簧B的弹簧力形成的力平衡而保持就位， 其中活塞杆350的第一长度从缸壳体340伸出到缸150之外。
第三腔室CH C由以下部分形成：处于过渡区域中的缸壳体340 的缸筒的内壁表面；主活塞360和浮动活塞370的表面；以及第二、 第三和第四密封元件。第三腔室CH C借助于排放开口342与缸150 的环境压力连通。第三腔室CH C设置成补偿腔室，以允许主活塞和 浮动活塞360和370相对于彼此及相对于缸壳体340进行运动。当主 活塞和浮动活塞360和370相对于彼此及相对于缸壳体340进行运动 时，第三腔室CH C的体积发生变化。
浮动活塞370的轴向运动由内部缸壁上的台阶部分和主活塞360 上的台阶部分的轴向位置来限制。缸壁中的台阶部分之间的距离可以 根据主活塞的轴向尺寸来确定，以防止浮动活塞370与主活塞360脱 离。
换言之，图3示出了四工况气动式工作缸150，其具有两个三通 双位常闭阀322和324或磁性阀以及两个螺旋弹簧A和B。气动式工 作缸150具有两个活塞360和370以及两个流体腔室或负荷腔室CH A 和CH B，以提供缸150的四个专门工况或位置。第一和第二弹簧A 和B是预加应力的或偏压的，以便保持缸150的第一工况或静止工况 位置。第一弹簧A形成为通过浮动活塞370而靠着或朝向活塞缓冲器 380推动主活塞360。活塞缓冲器380通过第二弹簧B被推靠着固定 环或止挡元件346。第二弹簧B的弹簧力等于或大于第一弹簧A的弹 簧力。两个活塞360和370之间的第三腔室CH C不具有压力连接， 并且排放开口342或排放孔允许流体由于第三腔室CH C的体积变化 而流动。在下文中描述工作缸150的操作。
如图3所示，缸150的第一工况或静止工况可以对应于机动车辆 中齿轮箱的通道选择，例如1-2档的通道、图1的第一换档通道等。 在第一工况中，两个磁性阀322和324是关闭的，从而在第一和第二 腔室CH A和CH B中存在环境压力。从而，没有气动力作用在活塞 360和370上。预加应力的第一弹簧A的弹簧力用来将主活塞360推 向由活塞缓冲器380支撑的浮动活塞370。活塞缓冲器380通过预加 应力的第二弹簧B的弹簧力和固定环而保持就位。第二弹簧B的弹簧 力大于或等于第一弹簧A的弹簧力，以便在阀322和324关闭的情况 下保持静止工况位置。
图4示出了图3的流体缸150处于缸150的第二工况的部分横截 面图。图4中的流体缸150和图示对应于图3中的流体缸和图示，不 同的是，第一阀322和第二阀324在图4中打开，从而允许来自流体 入口310的加压流体填充缸150的第一和第二腔室CH A和CH B， 这使得主活塞和浮动活塞360和370朝向缸壳体340的第一端部运动， 其中浮动活塞370仍然抵靠在主活塞360的台阶部分上，由此压缩第 一弹簧A。因此，活塞杆350的比第一长度大的第二长度从缸壳体340 伸出到缸150之外。活塞缓冲器380和第二弹簧B保持在它们的相应 第一工况位置中。为了进行清楚的表示，第三腔室和排放开口在图4 中没有提供附图标记。
如图4所示，缸150的第二工况可以对应于机动车辆中齿轮箱的 另一个通道选择，例如3-4档通道、图1的第二换档通道等。在缸150 的第二阶段中，两个3/2磁性阀322和324均是打开的，从而加压流 体从流体入口310或压力贮存器流入到第一和第二腔室CH A和CH B 中。从而，第一和第二腔室CH A和CH B填充或加压有基本上相同 的气动压力。第一和第二腔室CH A和CH B中的活塞之间的直径和 面积差使得主活塞360与活塞杆350一起运动。因为第二腔室CH B 中的有效活塞直径大于第一腔室CH A中的有效活塞直径，所以从第 二腔室CH B作用在活塞360和370上的气动力超过第一弹簧A的弹 簧力和从第一腔室CH A作用在主活塞360上的气动力两者。这样， 活塞杆350、主活塞360和浮动活塞370朝向缸壳体340的第一端部 运动。通过浮动活塞370的一部分撞击缸筒的台阶部分，而使得浮动 活塞370停止运动。当出现这种情况时，在来自第一和第二腔室CH A 和CH B的不同的弹簧力和气动力作用在活塞360和370上的情况下， 力平衡将活塞360和370保持就位。通过关闭两个阀322和324而由 此使第一和第二腔室CH A和CH B排气或降压，可以从图4所示的 第二工况到达图3所示的第一工况或静止工况。如果阀322和324中 的仅仅一个阀关闭，并且由此第一和第二腔室CH A和CH B中的仅 仅一个排气时，取决于第一和第二腔室CH A和CH B中的哪一个保 持加压，缸150将到达第三工况或第四阶段。
图5示出了图3至4的流体缸150处于缸150的第三工况的部分 横截面图。图5中的流体缸150和图示对应于图3至4的流体缸和图 4的图示，不同的是，在图5中第一阀322关闭而第二阀324打开， 从而允许来自流体入口310的加压流体填充缸150的第二腔室CH B， 而第一腔室CH A的压力下降，这使得主活塞和浮动活塞360和370 进一步朝向缸壳体340的第一端部运动，其中浮动活塞370不再抵靠 在主活塞360的台阶部分上，由此比在图4更加压缩第一弹簧A。因 此，活塞杆350的比第二长度大的第三长度从缸壳体340伸出到缸150 之外。浮动活塞370、活塞缓冲器380和第二弹簧B保持在它们的相 应第二工况位置中。为了进行清楚的表示，第三腔室和排放开口在图 5中没有提供附图标记。
如图5所示，缸150的第三工况可以对应于机动车辆中齿轮箱的 另一个通道选择，例如5-6档通道、图1的第三换档通道等。在缸150 的第三工况中，仅仅第二腔室CH B被加压，使得来自第二腔室CH B 的气动力作用在两个活塞360和370上，其中，仅仅第一弹簧A的弹 簧力进行抵抗。浮动活塞370保持在与第二工况相同的位置处，从第 二腔室CH B作用在主活塞360上的气动力用来将主活塞360和活塞 杆350靠着第一弹簧A推动，直到活塞撞击到缸壳体340的第一端部 的止挡表面。因此，通过第二腔室CH B内的流体压力以及活塞360 和370的有效面积或直径而给出的气动力大于压缩的第一弹簧A的弹 簧力。在作用在缸壳体340的第一端部处的缸止挡表面上的气动力和 弹簧力之间具有力差的情况下，力平衡将活塞360和370保持就位。 通过使第二腔室CH B的压力下降，可以返回到缸150的第一工况。
图6示出了图3至5的流体缸150处于缸150的第四工况的部分 横截面图。图6中的流体缸150和图示对应于图3至5的流体缸和图 3的图示，不同的是，在图6中第一阀322打开而第二阀324关闭， 从而允许来自流体入口310的加压流体填充缸150的第一腔室CH A， 而第二腔室CH B的压力下降，这使得主活塞和浮动活塞360和370 以及活塞缓冲器380朝向缸壳体340的第二端部运动，其中活塞缓冲 器380抵靠在缸盖344的台阶部分上而不再抵靠在止挡元件346上， 由此压缩第二弹簧B。因此，活塞杆350的比第一长度小的第四长度 从缸壳体340伸出到缸150之外。为了进行清楚的表示，第三腔室和 排放开口在图6中没有提供附图标记。
如图6所示，缸150的第四工况可以对应于机动车辆中齿轮箱的 另一个通道选择，例如倒档通道、图1的第四换档通道等。当仅仅第 一腔室CH A用流体加压以使得作用在主活塞360上的气动力和弹簧 力用来将主活塞360、浮动活塞370和活塞缓冲器380靠着第二弹簧B 而朝向缸壳体340的第二端部推动时，实现缸150的第四工况。活塞 缓冲器380抵靠在缸盖344上。在作用在缸盖344上的气动力和弹簧 力之间具有力差的情况下，力平衡将活塞360和370保持就位。通过 使第一腔室CH A的压力下降，可以返回到缸150的第一工况。
图7示出了针对第一至第四工况的图3至6的流体缸中的力的曲 线图。力F绘制在纵坐标上，主活塞与缸壳体的第一端部的距离x绘 制在横坐标上。图7示出了第一弹簧(图3至6中的A)的第一弹簧 力701、第二弹簧(图3至6中的B)的第二弹簧力702、从第一腔室 (图3至6中的CH A)作用在主活塞上的第一气动力703、从第二腔 室(图3至6中的CH B)作用在主活塞和浮动活塞上的第二气动力 704、第一工况710、第二工况720、第三工况730、第四工况740、在 第三工况730中作用在缸壳体的第一端部上的第一弹簧力701和第二 气动力704之间的力差ΔF1、在第二工况720中作用在缸壳体上的第 一弹簧力701、第一气动力703和第二气动力704之间的力差ΔF2、 以及在第四工况740中作用在缸盖上的第一弹簧力701、第二弹簧力 702和第一气动力703之间的力差ΔF3。力差，即ΔF1、ΔF2、ΔF3， 由缸壁支撑。
在第一工况710中，第一弹簧力701(Fspr(A))等于或小于第二 弹簧力702(Fspr(B))。
Fspr(A)≤Fspr(B)
在第二工况720中，第一弹簧力701(Fspr(A))加上通过第一腔 室内的气动压力(P(CH A))与主活塞的在第一腔室一侧上的有效面积 (Apst(360)Α)的乘积给出的第一气动力703等于或小于通过第二腔室 内的气动压力(P(CH B))与主活塞的在第二腔室一侧上的有效面积(Apst(360)Β)的乘积加上第二腔室内的气动压力(P(CH B))与浮动活塞的 在第二腔室一侧上的有效面积(Apst(370)B)的乘积给出的第二气动力 704。
Fspr(A)+P(CH A)Apst(360)Α≤P(CH B)Apst(360)Β+P(CH B)Apst(370)B
在第三工况730中，第一弹簧力701(Fspr(A))等于或小于通过 第二腔室内的气动压力(P(CH B))与主活塞的在第二腔室一侧上的有 效面积(Apst(360)B)的乘积给出的第二气动力704。
Fspr(A)≤P(CH B)Apst(360)B
在第四工况740中，第一弹簧力701(Fspr(A))加上通过第一腔 室内的气动压力(P(CH A))与主活塞的在第一腔室一侧上的有效面积 (Apst(360)Α)的乘积给出的第一气动力703等于或大于第二弹簧力702 (Fspr(B))。
Fspr(A)+P(CH A)Apst(360)Α≥Fspr(B)
图8示出了操作四工况流体缸的方法800的流程图。流体缸可以 是图3至6的流体缸。缸包括缸壳体，该缸壳体具有第一端部和相对 的第二端部。另外，缸包括从缸壳体的第一端部伸出的活塞杆。缸还 包括主活塞，该主活塞刚性地连接到活塞杆并被布置成能够在缸壳体 内运动，其中在主活塞和缸壳体的第一端部之间形成第一腔室。此外， 缸包括第一弹簧，该第一弹簧布置在缸壳体的第一端部与主活塞之间， 并且用于将主活塞偏压远离缸壳体的第一端部。缸还包括第一阀，该 第一阀能够连接到流体供应装置，以用于控制第一腔室内的流体压力。 此外，缸包括浮动活塞，该浮动活塞布置在缸壳体内，以便围绕主活 塞的一部分配合并且能够相对于主活塞运动，其中在主活塞和浮动活 塞与缸壳体的第二端部之间形成第二腔室。缸还包括第二阀，该第二 阀能够连接到流体供应装置，以用于控制第二腔室内的流体压力。缸 还包括活塞缓冲器，该活塞缓冲器布置在缸壳体的第二端部与主活塞 和浮动活塞之间，用来缓冲浮动活塞的运动。此外，缸包括第二弹簧， 该第二弹簧布置在缸壳体的第二端部与活塞缓冲器之间，用于将活塞 缓冲器偏压远离缸壳体的第二端部。缸可以与机动车辆变速器(例如 图1的机动车辆变速器)结合操作，以便通过将缸设定到图7的四个 工况710、720、730和740中的一个工况来选择变速器的四轨道齿轮 箱的四个换档通道中的一个。
方法800包括控制步骤810，该控制步骤响应于表示通过将缸设 定到四个工况中的一个工况而选择换档通道的选择信号，控制第一和 第二阀中的每一个的打开或关闭，其中(i)通过控制两个阀关闭，第 一和第二腔室的压力下降，以便将缸设定到第一工况710，在第一工 况中，活塞杆的第一长度部分从缸壳体伸出；(ii)通过控制两个阀 打开，第一和第二腔室用流体加压，以便将缸设定到第二工况720， 在第二工况中，活塞杆的比第一长度部分大的第二长度部分从缸壳体 伸出；(iii)通过控制第一阀关闭而第二阀打开，第一腔室的压力下 降而第二腔室用流体加压，以便将缸设定到第三工况730，在第三工 况中，活塞杆的比第二长度部分大的第三长度部分从缸壳体伸出；或 者(iv)通过控制第一阀打开而第二阀关闭，第一腔室用流体加压而 第二腔室的压力下降，以便将缸设定到第四工况740，在第四工况中， 活塞杆的比第一长度部分小的第四长度部分从缸壳体伸出。控制步骤 810可以反复地执行，以便将缸以任意的方式设定到不同的工况。
本文所述的实施例仅仅是示例性的，并且有利地可以以任何方式 进行组合。
附图标记列表
100 机动车辆变速器
105 四轨道齿轮箱
110-140 换档通道
150 流体缸
200 流体缸
210 流体入口
222-228 阀
230 流体出口
240 缸壳体
250 活塞杆
260 主活塞
270、280 浮动活塞
310 流体入口
322、324 阀
330 流体出口
340 缸壳体
342 排放开口
344 缸盖
346 止挡元件
350 活塞杆
360 主活塞
370 浮动活塞
380 活塞缓冲器
A 第一弹簧
B 第二弹簧
CH A 第一腔室
CH B 第二腔室
CH C 第三腔室
700 力曲线图
701-704 气动力和弹簧力
710-740 缸工况
800 操作方法
810 控制步骤