带有单向作用球道的传动系离合器 本发明涉及一车辆传动系离合器，特别是涉及这样的一种传动系离合器，其中通过使用一球道致动器将一摩擦片夹紧到一发动机飞轮上，而在球道致动器中使用一单向离合器和一行星齿轮组来即提供驱动又提供滑行传动系离合器闭锁。
传动系离合器通常使用许多弹簧来将一摩擦片夹紧到一发动机飞轮上。这些弹簧设置在一压板总成内，而该压板总成由螺栓连接在飞轮上。控制压板弹簧机构的一机械连接装置由驾驶员移动，以控制离合器的闭锁与分离。
目前正在致力使用电子装置来自动操作离合器。业已知晓在变速器换档过程中，采用与机械连接装置相连的电子机械或液压致动器来从根本上取代驾驶员，以更精确地操作离合器。采用这样的一种致动器，机械连接装置根据由一中央微处理器产生的电子控制信号而移动，其中中央处理器用来根据操作条件处理各种车辆传感器输入信号，以确定何时和以何种方式来致动或者解除致动传动系离合器。
采用一球道致动器来加载车辆传动系差速器中的离合器组件已经公知。美国专利US4805486和5092825公开了有限滑动式差速器，其离合器组件根据由一伺服马达的转动或一位于致动环上的由一电磁线圈驱动的制动蹄而启动的一球道致动器的驱动而被加载，其中这些专利在此被引为参考。球道机构较其它致动器的优点在于它以很高的力放大系数将旋转运动转换为轴向运动，该放大系数一般为100∶1或更高。在车辆变速器中也已采用球道致动器来啮合和脱开齿轮组，其方式是根据一信号来加载一传动离合器组件，正如美国专利US5078249中所公开的，该专利公开的内容在此被引为参考。
在这两种车辆应用中，球道致动器的一侧——通常称为控制环，通过由线圈电磁场所产生的感应力而反作用于壳体基座上，或者通过一电机而使其相对于壳体基座转动。为了产生更大的夹紧力，增大输送给线圈或电机的电流，从而增大控制环相对于壳体基座地反作用，以使控制环相对于一致动环转动，由此促使滚动元件啮合控制与致动环中的坡道，从而增大轴向运动与作用于离合器组件上的夹紧力。
还知晓采用一球道致动器对车辆主离合器进行加载，正如美国专利US1974390；2861225；3000479；5441137；5469948；5485904和5505285所公开的，这些专利所公开的内容在此引为参考。采用一球道致动器来向车辆传动系离合器提供夹紧力的问题之一是：现有技术的单向球道机构的力学特性导致在车辆处于滑行模式时夹紧力的损失。一旦发动机动力降低和传动系转速实际上超过发动机转速(滑行模式)，带有单坡道单向致动的现有技术球道致动器将分开离合器，从而消除了发动机制动车辆的可能性。
换言之，这种类型的采用一单向球道的球道致动的离合器仅具有单一的坡道角度，因此当发动机不向变速器输送旋转能量例如在车辆滑行时，会使离合器分开。在滑行时，飞轮不再向变速器或者球道致动器输送旋转能量。在这一情况下，已将致动环与控制环的相对转动反向，从而破坏了球道的轴向移动，由此使压板从离合器盘片拉开。其结果是发动机与变速器脱开并且消除了任何发动机制动效果。
美国专利US2937729和5505285公开了一种双向球道致动离合器。采用这种更昂贵和更复杂的技术，其球道致动器配合有双向坡道，当在控制环与致动环之间沿任一方向具有相对转动时，该双向坡道提供致动。然而，球道必须经过非致动状态，这将导致暂时的不希望的离合器滑转，并且其元部件比单向装置的制造成本更昂贵。而且，与单向球道机构相比，双向球道在给定组件尺寸规格的情况下，会使控制环与致动环之间的旋转行程减小。因此，如果能够使单向球道机构在车辆驱动与滑行操作模式下都能致动，则宁可使用单向球道机构。
球道致动器包括许多滚子元件，一控制环和一对置的致动环，其中致动环与控制环限定至少三个对置的单坡道表面，这些单坡道表面形成为环形的半圆形槽，每一对对置的槽包含一个滚子元件。许多推力滚子(或其它类型的推力轴承)设置于控制环与壳体部件之间，随诸如飞轮的输入部件一起转动并且连接于其上。一电磁线圈设置在控制离合器的一元件附近，以产生一磁场，该磁场加载控制离合器，接着离合器又向球道致动器的控制环施加一作用力。该控制离合器可类似于车辆空调压缩机中常用的那些。
本发明的特征在于一原动机驱动飞轮并且与一变速器输入轴经一球道致动离合器相连。该球道机构具有许多单向可变深度的槽(坡道)和具有单一方向可变深度的槽的一致动环，其中致动环的这些槽与控制环的至少部分对置并且其几何形状基本相似。球道致动器离合器系统的例子示于美国专利US1974390；2861225；2937729；3000479；5485904和5505285中。通过使用一单向离合器，在车辆滑行模式中当离合器闭锁时，可防止致动环反转。采用一行星齿轮组来使球道致动器增大在滑行模式中作用于离合器摩擦片上的夹紧力。因此，采用本发明，当车辆从驱动向滑动模式转换时，球道机构不会经过非致动状态，从而减小了离合器的滑转。
采用一电磁线圈来致动一控制离合器，该控制离合器经行星齿轮组将控制环摩擦地联结到变速器输入轴上。当由线圈来加力时，球道机构在离合器摩擦片上提供一夹紧力，只要在输入飞轮与车辆变速器输入轴之间具有转速差，该处夹紧力的幅度就会骤然增大。根据本发明，只要线圈由一单向离合器的作用而被激励时，夹紧力的幅度就保持在一给定的水平，从而当发动机相对于驱动车辆状态进行制动而使车辆进入滑行模式时，球道致动器保持被完全致动。在驱动模式时离合器的滑转使球道机构来增大作用于离合器盘片上的夹紧力。再者，在滑行模式时，如果因某种原因导致离合器滑转，行星齿轮组就会沿适当的方向在控制环与致动环之间提供附加的相对转动，以增大作用于离合器摩擦片上的夹紧力。
本发明的一目的是防止当输入转矩反向时，球道致动的离合器分离。
本发明的另一目的是防止传动系转矩处于滑行模式时，具有单向坡道的球道致动的离合器分离，其采取的措施是通过一单向离合器来锁止控制环与致动环之间的转动方向。
本发明的又一目的是当传动系转矩处于滑行模式时，通过使用一行星齿轮组来允许具有单向坡道的球道致动的离合器增大其啮合程度。
本发明的再一目的是当所传输的传动系转矩反向时，允许由具有单向坡道的球道致动器致动的一传动系离合器增大其致动力，其采取的方式是使用与一单向离合器配合的一行星齿轮组，其中单向离合器在控制环与变速器输入轴之间起作用。
本发明的还一目的是当所传输的传动系转矩反向时，允许由具有单向坡道的球道致动器致动的一传动系离合器增大其致动力，其采取的方式是使用在控制环与变速器输入轴之间作用的一行星齿轮组，该处一单向离合器防止行星齿轮相对于变速器输入轴反转。
图1为本发明的球道致动器的一局部剖视图；
图2为本发明的球道机构沿图1的II-II方向的轴向剖视图；
图3为本发明的球道机构沿图2的III-III方向的剖视图，其中该球道机构处于非激励状态；
图4为本发明的球道机构沿图2的III-III方向的剖视图，其中该球道机构处于激励状态；
图5为本发明的球道机构沿图1的V-V方向的轴向剖视图。
为了便于理解本发明的原理，下面结合图中所示的实施例并使用特定的语言来进行描述。然而应当理解，这种描述并不意欲限制本发明的范围，只要是属于本领域内普通技术人员的所知范畴之内，则所示装置的诸多变化与进一步的改进、以及所示的本发明原理之进一步的应用，均属于本发明之列。
在下面的描述中将使用特定的术语，但这仅仅是为了便于参照，而不应具有任何限制意义。例如，术语“前方”与“后方”是指正常安装于车辆中的离合器组件的向前与向后的方向。术语“右方”与“左方”是指图中同所用术语相应的方向。术语“向内”与“向外”是指分别朝向与背离装置之几何中心的方向。术语“向上”与“向下”是指图中同所用术语相对应的方向。所有上述术语包括通常的派生词及其等同语。
下面参照附图，但这些附图并不意欲限制本发明，其中图1是可采用本发明的一主传动系离合器组件2的轴向剖视图。该主传动系离合器组件2包括一飞轮4，其中飞轮4由诸如内燃机之类的原动机(未示出)通过其输出曲轴3可转动地驱动，而该输出曲轴3则由一离合器组件2联结到一变速器7上。一钟形壳体6环绕具有一飞轮摩擦面4A的飞轮4、并支承包括变速器输入轴8的变速器7，其中输入轴8延伸以使通过其左端的花键10C不可转动地与一离合器盘片10啮合，而离合器盘片10具有摩擦衬垫10A和10B，然后所述输入轴8向右延伸以驱动变速器齿轮机构。一致动环12，它也用作一压板并且可转动地连接到压板壳16上，用来经相连的摩擦垫10A与10B将离合器盘片10夹紧到飞轮4的飞轮摩擦面4A上，由此经变速器输入轴8将旋转动力从原动机传输到变速器7上，并最终传输到车辆传动系的其余部分上。
在现有技术的系统中，使用许多加载弹簧来将离合器压板压向飞轮。当驾驶员希望分离离合器盘片时，通过驾驶员的脚与腿克服弹簧的力来致动一机械分离机构，从而允许离合器盘片相对于飞轮滑转。然而，应当理解，无论致动弹簧还是机械分离机构都不是本发明的特征。根据本发明，采用一球道机构11来将致动环12压向飞轮4，其由离合器控制单元15控制，而在变速器换档过程中，该离合器控制单元电子地取代驾驶员。
离合器钟形壳体6部分包围住具有本发明的球道机构11的离合器组件2。在现有技术中用来将一控制环推向基座的球道致动器已公知，并且已被用来加载变速器装置离合器，如美国专利US5078249所公开的，和用来加载差速离合器组件，如美国专利US5092825所公开的，其中通过一线圈或者马达将一球道控制环推向壳体基座。一般地，控制环14与致动环12之间的相对转动，会引起球形元件或圆柱形滚子之类的一个或多个滚子元件20A、20B和20C沿相应数量形成于环14上的相对置坡道22A、22B和22C以及形成于环12上的坡道23A、23B和23C运动。坡道22A、22B、22C、23A、23B和23C具有可变的轴向深度，其变化是单向的。图2更详细和精确地示出了这一结构，下面参照其进行说明。
可以是任何合适的推力轴承式的、推压推力环34的许多推力元件27，其用来遏制由球道滚子元件20A、20B和20C所产生的轴向作用力，这些轴向作用力是在这些球道滚子元件分别与控制环14上的坡道22A、22B、22C及致动环12上的坡道23A、23B、23C相啮合时所产生的。推力环34连接到压板壳体16。控制环14相对于致动环12的转动引起致动环12向飞轮4轴向移动，由此将离合器盘片10夹紧在致动环12与飞轮4之间。致动环12可转动地连接于压板壳体16，且可相对其轴向移动。连接于控制环14上的是一具有某些弹性环圈延伸件14B，其支承着由摩擦材料制造的一主控制摩擦片37。控制环14的球道段14A包括着坡道22A、22B和22C，并且由变速器输入轴8通过轴承13可转动地支承。当线圈30由离合器控制单元15经连接器17所激励时，控制摩擦片37被向线圈磁极。环形电线圈30环绕变速器输入轴8并且由连接与变速器7上的变速器壳体延伸部分31所支承。电线圈30邻近线圈磁极32设置，其中磁极32由一空气间隙与线圈30隔开，并且电线圈30可转动地支承在太阳齿轮40的变速器输入轴8上。电线圈30被设置成部分地由线圈磁极32所包封，并且同其隔开一小的空气间隙。线圈30安装到变速器壳体延伸部分31上并因而保持固定，而线圈磁极32则根据行星齿轮组39的作用而转动。线圈30产生由图1中箭头所示的电磁通量36，其流经线圈磁极32进入环形延伸部分14B并且经线圈磁极32而返回到线圈30内。该电磁通量36产生一趋于将环形延伸部分14B吸入线圈磁极32内的力，从而经摩擦片37在线圈磁极32上的接触而产生一摩擦力，并且在控制环14内产生一转矩(假设在飞轮4与变速器输入轴8之间有转速差)，它经单向离合器46来致动球道机构11，其中单向离合器46是沿闭锁方向被加载。
当离合器盘片10未被夹紧或者由于原动机(发动机)经飞轮4提供过大的转矩而开始滑转时，在控制环14与致动环12之间具有相对转动，从而促使环12与14进一步轴向分离(下面将进一步详述)，由此增大了致动环12作用于摩擦衬垫10B处的离合器盘片10上以及摩擦衬垫10A与飞轮4之间的夹紧力。如果在飞轮4与变速器输入轴8之间产生任何滑转，这种情况就会在控制环14相对于致动环12的一小范围的转动内发生，并且可提供一自动的实际上为瞬间的夹紧力调节。
根据本发明，如果离合器组件2被闭锁，线圈磁极32以与飞轮4相同的速度转动，并且需要最小的附加电源输送给线圈30，以保持对离合器组件2的闭锁。根据现有技术的教导，控制环14可被反作用于一基座表面，例如离合器钟形壳体6，虽然在控制环14与线圈磁极32之间经控制摩擦盘片37会产生连续滑转，从而造成高的寄生能损失并且在离合器滑转时不能自动启动球道机构11。如本申请所述，通过经控制摩擦盘片37和由一单向离合器46控制的行星齿轮组39将控制环14联结于变速器输入轴8上，在球道机构11被作用时几乎不会发生离合器滑转，从而使能量损失最小。而且，无论在车辆驱动模式还是滑行模式，如果采用本发明，则即使对于离合器盘片10的最小的滑转，反作用时间实际上也非常迅即，因为离合器盘片10的滑转会导致致动环12与控制环14之间的相对运动，这种相对运动是通过控制离合器37与位于控制环14侧的行星齿轮组39以及通过作用于致动环12上的压板壳体16进行的。致动环12转动地联结于离合器压板壳体16，而后者又连接到飞轮4上，它们一起转动。
当电线圈30未被激励，从而经球道机构11施加非常小的轴向力时，特别是当发动机迅速加速而促使元部件的惯性力发挥作用并且无需启动离合器时，中央弹簧41用来控制控制环14相对于致动环12的旋转位置。该中央弹簧41被显示为位于球道机构11一侧的一扭力弹簧，但实际上其延伸从而围绕着控制环14，并且有一端连接于控制环14上，而第二端连接于致动环12上。控制环14相对于致动环12的转动促使中央弹簧41被压缩，从而在致动环12与控制环14之间产生一共轴力，促使其返回到旋转位置，此处球道机构11不产生任何轴向力。
许多压板弹簧(未示出)用来将致动环12拉开而与离合器摩擦盘片10和飞轮4分离，它们用作在压板壳体16与致动环12之间的弹簧元件，从而偏压致动环12，使之离开飞轮4。压板壳体16被联结于飞轮4，从而致动环12随飞轮4转动，且可相对于飞轮4轴向移动，因为其通过球道机构11的作用来压缩压板弹簧而被控制。
一行星齿轮组39设置在线圈磁极32与变速器输入轴8之间。行星齿轮组39包括由变速器输入轴8驱动的一太阳齿轮40，并且其与若干行星齿轮42啮合，其中每一行星齿轮在各自的支承轴销44上转动。行星齿轮42在延伸环32A处与线圈磁极32啮合。线圈磁极32可转动地支承在太阳齿轮40上。
行星齿轮42由支承架环圈48周向相互隔开。一单向离合器46设置在支承架环圈48与太阳齿轮40之间，并且包括经离合器元部件52向内环50作用的支承架环圈48。当通过防止支承架环圈48相对于太阳齿轮40沿释放球道机构11的方向转动而激励线圈30时，单向离合器46防止控制环14相对于致动环12沿该方向转动。
当激励线圈30时，行星齿轮组39与单向离合器46使控制环14与致动环12只在将进一步致动球道机构11并且增大作用于离合器盘片10上之夹紧力的方向相对转动，而不管车辆的操作模式和经传动系的转矩传递情况。
由球道机构11产生的周向力通过推力元件27传输给推力环34，而推力环34经压板壳体16联结在飞轮4上。在相反方向，由球道机构11产生的力传向离合器盘片10和飞轮4。
单向离合器46被设置成在线圈磁极32的线圈磁极延伸环32A与行星齿轮组39的太阳齿轮40之间操作。太阳齿轮40由变速器输入轴8驱动，然后与行星齿轮42啮合，后者则依次与线圈磁极32的磁极延伸环32A啮合，而线圈磁极32则电磁和摩擦地耦合于球道机构11的控制环14上。当邻近于线圈磁极32设置的一线圈30从离合器控制单元15经连接导线17被施加一电流时，该线圈30产生一电磁场。附加的车辆电子系统经电线16向离合器控制单元15提供输入。
当发动机向车辆传动系输入动力，下称驱动模式时，线圈30被激励并且环形延伸部分14B被电磁地联结于线圈磁极32上，由此将变速器输入轴8经行星齿轮组39的太阳轮40和行星轮42转动地联结于控制环14上。变速器输入轴8与飞轮4之间的任何相对转动会导致控制环14与致动环12之间沿某一方向的相对转动，沿该方向控制环14与致动环12之间的间隔66(参见图4)增大。当发动机动力下降时，单向离合器46防止行星齿轮组39反向驱动。只要线圈30保持被激励，就不会允许球道机构11释放，因为通过作用于行星齿轮组39的行星齿轮42和太阳齿轮40的单向离合器46，保持控制环14相对于致动环12的转动平稳。
当车辆转入滑行模式时，传动系转矩逆传到这样一种状态，即车轮正在行驶，而发动机正在被驱动，从而制动车辆。除非球道机构11具有形成在控制环14与致动环12上的双作用坡道(参见美国专利US2937729和US5505285)，否则单向球道机构11通常会释放，并且当采用现有技术的系统时不会允许发动机制动。按照本发明，沿单向离合器46的一行星齿轮组39设置在变速器输入轴8与控制环14之间，从而当车辆处于滑行模式时，变速器输入轴8与飞轮4之间的相对转动促使球道机构11增大其致动。在滑行模式单向离合器46不锁止，并且促使行星齿轮42相对于太阳齿轮40转动，从而使线圈磁极相对于变速器输入轴8逆转，这将进一步致动球道机构11。因此，本发明提供了这一特征，即无论何时线圈30被激励和沿任一方向在变速器输入轴8与飞轮4之间具有相对转动，当飞轮4的转速与变速器输入轴8的转速之间有任何差异时，都会增大球道机构11的致动和作用于离合器盘片10上的夹紧力。单向离合器46提供了一种方法，无论何时通过固定行星齿轮组39来激励线圈30，该方法均可防止球道机构11停止致动。
现参照附图2，3和4描述球道机构11的操作，其中球道机构11的一剖视图示于图2，而沿致动环12与控制环14的III-III方向剖开的视图示于图3和图4，图中致动环12与控制环14由一球形元件20A分开。三个球形滚动元件20A，20B和20C彼此隔开约120°地在三个坡道22A，22B和22C内滚动，当控制环14相对于致动环12转动时，这些坡道分别具有可变的轴向深度。根据球道机构11所需的转动和轴向运动，可以采用任何数量的球形滚动元件20A，20B和20C与相应数量的坡道22A，22B，22C，23A，23B和23C。必须采用至少三个球形滚动元件20A，20B和20C，它们运行在相应数量的等距隔开的相对置坡道22A，22B，22C，23A，23B和23C内，这些坡道分别形成在控制环14与致动环12两者上，以给控制环14与致动环12提供轴向与径向稳定性。如前所述，可以采用任何形式的滚动元件，例如滚珠或者圆柱形滚子(滚柱)。所示的致动环12随飞轮4转动，而压板壳体16与推力环34绕旋转轴线47转动，该旋转轴线47与变速器输入轴8的旋转轴线同轴。
图中示出了三个半圆形周向坡道23A，23B和23C，它们形成在致动环12的表面上，而相对应的坡道22A，22B和22C则形成在控制环14的表面上。控制环14与致动环12是由高强度钢制造，并且单向斜坡道22A，22B，22C，23A，23B和23C经渗碳其洛氏硬度为Rc55-60。坡道22A，22B，22C，23A，23B和23C的深度呈斜坡状，在图3中参见坡道22A与23A表示得更清楚，并且这些坡道沿周向大约120°(实际上小于120°以允许在坡道之间具有隔开段)地分布。控制环14与致动环12之间的间隔66是由两个相对的坡道例如22A与23A之间的旋转方向确定，当控制环14相对于同一旋转轴线上的致动环12转动时，此处的球形滚动元件20A在两个坡道22A与23A上滚动。以基本上相同的方式，滚动元件20B在两个坡道22B与23B上滚动，而滚动元件20C在两个坡道22C与23C上滚动。相对转动促使两个环14、12轴向分离或者允许它们靠得更近，这取决于滚动元件20A，20B和20C或其对应的坡道组22A，23A；22B，23B和22C，23C的位置，从而提供一轴向运动，以夹紧或放开致动环12与飞轮4之间的离合器盘片10。
图3示出了当支承架环圈48处于最小位置时，控制环14与致动环12的旋转方向，此时坡道22A与23A处于相对准的一极端位置，并且球形元件20A位于坡道22A与23A的最深的部段上。假设在飞轮4与变速器输入轴8之间具有一转速差，当激励线圈30时，通过控制摩擦盘片27施加输入转矩，控制环14就相对于致动环12旋转，并且坡道22A与23A彼此相对移动，促使球形元件20A在每一坡道表面22A与23A上滚动，移动到两坡道22A与23A的不同位置，从而促使控制环14与致动环12分开更宽的间隔66，如图4所示。通过滚动元件20B在坡道表面22B与23B上的滚动以及滚动元件20C在坡道表面22C与23C上的滚动，可产生类似的分隔力。参见图3和图4中参考点62和64从直接相对的图3中的位置到图4中所示的一偏移位置的相对变换，清楚地表示了控制环14的转动，其中图4中的偏移位置是由于控制环14沿箭头45方向转动造成的。轴向位移的这一增大可用于各种各样的应用，并且尤其是用于传动系离合器，因为力值相对于作用在控制环14上的转矩之比非常高，一般达到100∶1的比例。如本应用中所示，这可用来将一致动环12相对于车辆传动系中的离合器盘片10和飞轮4加载。通过参照美国专利US4805486可得到有关球道致动器操作的附加详细描述。
如果飞轮4以与变速器输入轴8相同的速度转动，即使线圈30被激励，控制环14也会以与致动环12相同的速度转动，因此球道机构11不会产生附加轴向力，因为在控制环14与致动环12之间没有相对转动。假设线圈30保持激励，从而经摩擦盘片37、线圈磁极32和行星齿轮组39将控制环14电磁地联结到变速器输入轴8，则根据本发明，在飞轮4与变速器输入轴8之间的任何相对转动都会造成控制环14与致动环12之间沿某一方向的相对转动，在该方向将促使球形元件20A，20B与20C进一步增大控制环14与致动环12之间的间隔66，由此通过致动环12而产生附加的夹紧力，从而利用飞轮的动力来增大作用于离合器盘片10上的闭锁力。
现参照图5，示出了沿图1的V-V方向的本发明的局部剖视图。变速器输入轴8不可转动地连接到太阳齿轮40上，太阳齿轮40与行星齿轮42啮合，而行星齿轮42则可转动地支承在支承轴销44上。磁极延伸环圈32A具有向内的齿，它们与行星齿轮42啮合。线圈30(未示出)被封置于线圈环32内。可采用任意数量的行星齿轮42。
车辆传动系离合器致动器可用来将一转动的输入轴联结到一输出轴上，此处输入轴类同于飞轮，而输出轴则类同于变速器输入轴，如图1所示。只要线圈30被激励，本发明将防止球道机构11缩回和脱开离合器盘片10，从而在输入轴(飞轮)与输出轴(变速器输入轴)之间提供一摩擦联结，而不管转矩传递方向。
本发明已进行详尽描述，足以使本领域的普通技术人员制造和使用本发明。只要其落入所附权利要求书的范围之内，将包括上述描述的各种变化、理解与修改，作为本发明的一部分。