本发明涉及了一种阻环型的自助力同步器。 众所周知摩擦环型的自助力同步器用于多挡变速器。这种机构包括成对的摩擦件和爪件，它们各自同步运动并且刚性地把齿轮与轴对接。这种机构还包括预助力件用以与摩擦件啮合响应换挡套筒的最初的接合动作。还包括一个可旋转地固定到轴上的轮毂，其上具有外花键齿。该外花键齿可滑动地与通常位于爪组件对之一上的换挡套筒的内花键齿相配。该机构还包括带有止动齿的一个阻环，它阻止着换挡套筒的啮合运动直到达到同步时，并且把套筒的换挡力转变为增加的摩擦件接合力。
在多挡变速器领域里，已经知道同步机构可用于减少所有的或一些齿轮传动比的换挡时间，并且已经知道，通过使用自助力型同步机构也可减少机动车操纵者所费的换挡力即作用于变速杆上的力。因为操纵者换挡力通常是随着机动车的大小和重量而增加的，因此自助力型同步机构对卡车来说尤其重要，特别是重型卡车。可以参见美国专利3，548，983中的一种阻环型自助力同步器，也可以参见美国专利5，092，439中的一种销式自助力同步器，在此引用这些专利仅供参考。
本发明的目的是提供一种在自助力方面有改进的阻环型同步器。
根据本发明地特征，一个离合器可因摩擦力而进行同步运动，并且与安装在同一轴线上的作相对旋转的第一和第二驱动装置进行刚性连接。这种离合器包括第一个爪式装置在轴向换挡力Fo作用下该爪式装置从空档位置沿轴向移动到与第二个爪式装置啮合的位置上以使驱动器刚性连结。第一个爪式装置包括带有内花键的中心孔，其中沿轴向延伸的内花键的侧面可移动地与沿轴向延伸的外花键的侧面连续啮合，以防止内花键和外花键之间的相对回转，外花键不能旋转并可相对于第一个驱动装置作轴向运动。为了响应第一个爪式装置的啮合运动第一个摩擦表面可轴向移动与第二个摩擦表面相啮合以产生一个同步转动力矩。响应第一个爪式装置的啮合运动具有倾斜表面的第一与第二止动件可啮合以防止爪式装置的异步啮合、把换挡力（Fo）传送到第一摩擦面上作为摩擦表面的啮合力、并且产生同步转动力矩的反向转动力矩以在达到同步时使第一和第二止动件脱开。为了增加摩擦表面的啮合力，第一和第二个自助力装置当进入啮合时对同步力矩起反应在换挡力（Fo）的方向上产生一个附加的轴向力（Fa）。第一和第二自助力装置包括通过止动件使附加的轴向力（Fa）指向第一摩擦表面上的装置。
该离合器的特征是：轮毂的外圆周具外花键;阻环包括第一个摩擦表面和第二止动件上的多个第二止动表面，阻环离开轮毂而朝向第二摩擦表面作轴向移动。第一个爪式装置的中心孔和内花键位于换挡套筒上。第一个自助力装置包括在轮毂的外圆周上的一组第一自助力斜面。一组刚性构件被安装在换挡套筒上以限制其相对转动及实质上的轴向移动。每个刚性构件的一侧为第二自助力装置的一个具第二角度的自助力平面，每个刚性构件的另一侧为第一止动件的一个止动面。每个刚性构件被第二止动面之一和第一个自助力表面之一插入使轴向上的换挡力（Fo）和附加轴向力（Fa）均可通过刚性构件被传递。
附图中给出了本发明的同步器，其中：
图1为在空档位置上双动式阻环型同步器的截面图，它绕轴中心线旋转。
图2和图3为去除了部分内容的图1中的零件按轴中心线方向的脱开视图。
图4为图1中同步器构件的脱开视图，它相对于图1旋转了90°，相对于图5-7旋转了60°，并除去了图1和图6中的换挡套筒。
图5为图1，4和7中的阻环的脱开视图。
图6为图1中的同步器的换挡套筒的脱开视图。
图7为图4的组件相对于图4旋转60°并装入了图8中的刚性构件。
图8为图1和图7中的一个刚性构件的立体图。
图9为在图1-8中的自助力件和止动件的另一个实例的示意图，元件的几个运行阶段也可用于图1-8的实例中。
图10为通过同步器构件的止动件表面起作用的轴向力和转矩的图解说明。
图11，12，13A和13B为图9A-9H的同步器部件的三个改进型实例。
术语“同步离合器机构”将被定义为一种离合器机构，该机构通过一个刚性离合器装置使已选定变速率的齿轮与一个轴进行非转动配合，而在刚性离合器被与之相连的一个同步摩擦离合器基本上带入同步旋转状态之前刚性离合器的啮合趋势被阻止。词“自助力”将被定义为一种同步离合器机构，该机构包括斜面或凸轮或类似机构，它用于增加与摩擦离合器的同步转动力矩成正比的同步离合器接合力。
现在看图1-8，在此画出了一个齿轮和同步器总成10，它们组成了多带变速器的一部分。总成10包括绕中心线12a旋转的轴12;在该轴上装有齿轮14，16，它们在轴向上间隔一段距离，并且各自绕轴进行旋转，但是，已知的紧固方式，它们不能在轴向上进行移动;总成10还包括一个双动同步离合器机构18。
该同步离合机构18包括具有一定角度的环形构件20，22，它们以已知的方式沿轴向固定在齿轮14，16上并可旋转，在构件20，22上有齿轮摩擦面24，26和齿轮爪齿28，30;该机构还包括轮毂32，它轴向地固定在轴12的一个中心开口32a内并可旋转;该机构还包括一个换挡套筒34以及内花键齿36，其中内花键齿固定在套筒34的中心孔内，并且它与固定在轮毂32的外圆周上的外花键齿38恒定啮合;该机构还包括阻环40，42，在阻环40，42上的止动齿44，46和摩擦面48，50;预助力件52和一个自助力止动件54。在这里同步器包括三个在圆周方向上间隔开的自助力止动件54，它们与每个阻环上的相同数量的止动齿和三个在圆周方向上间隔开的预助力件协动。每个止动齿44，46分别包括了具有角度的止动表面44a，44b，46a，46b。
正如很容易看到的那样，在爪式离合器构件啮合之前，为了使齿轮与轴同步，摩擦表面24，28和26，50配对形成摩擦离合器。离合器最好为锥形离合器，然而也可使用其它类型的摩擦离合器。锥形角度的适用范围很宽，在这里锥形角度为7.5°。摩擦表面可为附着在基体上的几种已知的摩擦材料中任一种，如可以使用在美国专利4，700，823、4，844，218和4，778，548中公开的热解碳摩擦材料。在这里引用的这些专利可供参考。
花键齿36，38具有沿轴向延伸的侧面36a，38a，它们以精密的滑动间隙延伸啮合，这样在换挡套筒34和轴12之间就不会相对空转。花键36的相对端上有爪齿36b，36c，它们分别与齿轮的齿28，30相啮合以使齿轮与轴刚性地接合。参见图9，为了防止齿的偶然的分离，爪齿36b，36c和齿轮爪齿28，30的侧面具有反退出或锁止角的特征，这个特征的详细的内容可参见美国专利第4，727，968，在这里引用这篇专利仅供参考。正如在图9H中所看到的那样，当爪齿36c和30完全进行啮合时，在侧面36a，38a的基本上全啮合长度上分布着传送转动力矩的力，因此其磨损极小。
在本领域中已知的每个预助力件52包括一个螺旋形压缩弹簧58和柱塞60，柱塞60在轮毂32的盲孔中沿径向延伸，并把滚柱或滚珠62（在这里为滚柱）压入在换挡套筒花键36中的一个环形止动凹槽36d中，预助力件52有弹性地定位换挡套筒34于图1和图9A所示的空档位置，在许多接头片64，66（这里为三个）的支座64a，66a之间，滚柱62沿轴向间隔地分布。接头片64，66是阻环40，42整体上的一部分并伸入轮毂32中的凹槽36b内以限制阻环相对于轮毂和轴的旋转。
当需要任一个齿轮与轴接合时，正如美国专利4，920，815所公开的那样（在这里引用该专利仅供参考），一种适当的但未画出的换挡机构通过一个换挡叉68（部分画出的）沿着轴12的轴线向左移动换挡套筒34使之与齿轮14啮合或者向右移动换挡套筒34使之与齿轮16啮合。这种换挡机构可通过一个连杆机构由操作者进行手动、也可由一个执行机构选择性地进行操作、或由一个装置自动启动换挡机构进行运动并控制由转换机构所施加的力的大小。若换挡机构为手动的话，预助力件把力施加到换挡套筒上，其中预助力与操作者施加的力成正比。无论是手动还是自动，力均是在轴向上被施加到换挡套筒上去的，并与图10中的力Fo成正比。按换挡力（Fo）决定换挡套筒的运动方向，为了使相连的阻环锁止于相对于轮毂32使自助力/止动件54定位于将在下面描述的状态下的位置上，自助力使摩擦表面48或50中的任一表面移向与之相关联的摩擦表面并使它们进入初步接合。
每个预助力/止动件54具有自助力件70，止动齿44、46和反作用于止动件与自助力的刚性件72，其中自助力装置70包括自助力斜面70a、70b、70c、70d，它们沿倾斜于轮毂32的旋转平面的方向延伸并位于轮毂的外圆周上。自助力件70还包括非助力面70e、70f;它们沿着与旋转面垂直的方向延伸。刚性件72包括在圆周上相间隔开的端部74，76，它们通过在圆周上延伸的部件78被牢固地固定在一起，延伸部件78是放在换挡套筒34中的沿圆周方向延伸的狭孔34a中的。狭孔34a限制刚性构件相对于套筒进行周向移动并且阻止刚性构件相对于套筒进行轴向移动。每个端部74包括自助力斜面74a，74b，一个非助力面74c和止动表面74d，74e。当换挡套筒34沿轴向向右或向左移动时，自助力斜面74a，74b分别作用于表面70b，70a;当同步离合器机构18在图1和图7的空挡位置处时非助力面74c作用于表面70e上，而止动面74d，74e分别作用于止动齿44，46的表面44a，46a上。类似地，端部76包括分别作用于表面70d，70c的自助力斜面76a，76b，作用于表面70f的一个非助力面76c，和分别作用于表面44b，46b的止动面76d，76e。在由锥形离合器产生一定数量的力矩的情况下，非助力面70e、70f、74c、76c的啮合位置防止了自助力斜面产生不期望的启动，例如，锥形离合器的摩擦表面之间的油的粘性剪力可能产生一个力矩来在其它情况下启动斜面。
现在看图9A-9H中的自助力/止动件80，它示意性地表示出不同于以前的实施例：止动齿44、46包括轴向延伸部分44c、46c。正如自助力斜面放在轮毂32内那样，轴向延伸部分44c，46c放在了圆周方向进一步地间隔一段距离的刚性件端部74，76之间。延伸部分44c，46c确保了齿44，46在端部74、76之间的定位。
图9A-9H描绘了两个自助力/止动件的作用。该描绘设想在所示的表面啮合的方向上在轴12和齿轮16之间存在着一种异步状态。从下面的描述中，可以很明显地看到在其它方向上的异步状态或齿轮14所产生表面啮合时上的异步状态。图9A表示了所有的同步器构件的一个“空档位置”。然而，一个换挡延伸部44c、46c的初始位置可能是在端部74，76之间的圆周的任一个位置上。为了达到可动的锥形面50与齿轮锥形面26的最初的摩擦啮合，操作者施加换挡力Fo使换挡套筒34先沿轴向向右移动，该力从预助力滚柱62经接头片支座66a传到了阻环42上。当然，锥形面最初的啮合力是弹簧58的力和止动凹槽36d的壁角的函数。图9B画出了为了响应换挡套筒34的轴向移动，刚性构件72从空档位置向固定在齿轮16上的爪齿30移动的最初状态。图9B中的构件被认为是将处于“预助力位置”上，此处预助力件没有能足够地移动环42而使锥形离合器的摩擦表面26，50啮合。图9c中的构件处于“预助力位置”，此处充分啮合在一起的摩擦表面开始传送转动力矩，并且使阻环42开始相对于轮毂和换挡套筒旋转使止动件表面74e，46a完全啮合在一起，但是刚性构件72没有从换挡套筒狭缝内的圆周方向的中间位置处完全推开。参见图6。在图9D的“止动/自助力位置”处，力矩使阻环42旋转并且刚性构件72也完全与自助力表面70b，74a相啮合。因此，在图9D中，表面74e、74a被夹在阻环止动面46a和轮毂的自助力斜面70b之间。当这些表面被这样夹住时，就可以忽略自助力斜面的作用。操作者所施加的换挡力（Fo）完全地加到了刚性构件72上，换挡力是从换挡套筒34通过止动件表面74e、46a传递到刚性构件72上的。因此，具有力Fo的啮合摩擦表面26，50就产生了一个同步力矩To。如果自助力斜面70b，74a对轮毂32的旋转平面是垂直的话，就不会产生自助力，而只有旋转力矩To作用于轴12上。也就是说，因为止动面74e，46a相对于旋转平面是倾斜的，因此它们除了要阻止爪齿36a，30的异步啮合和把换挡力Fo传递到摩擦表面26，50上去以外，还产生了一个相对于同步转动力矩的反向力矩或除阻反向力矩，但是在异步状态，反向力矩的量较小。当基本达到同步时，同步力矩就降到小于除阻力矩，因此，为了使换挡套筒继续沿轴向移动使齿轮爪齿30和可移动的爪齿36c啮合，止动齿要移出啮合。
不过，在忽略自助力斜面作用的情况下，下面的等式表示了由力Fo所产生的锥离合器的转动力矩：To＝FoRcμc/sinα
其中：
Rc＝锥形摩擦表面的平均半径，
μc＝锥形摩擦表面的摩擦系数，和
α＝锥形摩擦表面的角度。
现在看看自助力斜面的作用，由于操作者施加了轴向转换力Fo，当然同步转动力矩To是通过斜面作用的，该面在与操作者换挡力Fo相同的方向上产生了一个轴向分力或一个轴向附加力Fa，这个分力也是通过止动表面来传递的，因此，就进一步地增加了摩擦表面的啮合力，进而在转动力矩To中加入了一个附加的同步力矩。图10用图解的方式说明了啮合的离合器摩擦表面的轴向力Fo与Fa的总和及由离合器的摩擦表面所产生的同步力矩To与Ta的总和，对于一个给定的操作者换挡力Fo和操作者同步力矩To而言，轴向附加力的大小最好与啮合的自助力斜面的角度成函数关系。在操作者施加给定的适度的程度的换挡力时，为了产生一个足够大的附加力Fo以增加同步力矩及减少同步时间，这个角度最好要足够地大。然而，为了达到产生可控轴向附加力Fa的目的，这个角度最好足够的小。即力Fa应随着力Fo的增大而增大，随着Fo的减小而减小。如果倾斜角度太大的话，斜面就是自锁而不是自助力，因而一旦锥形离合器完成了最初的啮合后，力Fa将很快地并且不受约束地增加，而与力Fo无关，使锥形离合器趋于锁住。自锁而不是自助力降低了换挡质量或换挡感觉，还可能使同步器构件过度受力而导致锥形离合器表面过热和快速磨损，甚至可能使移动换挡杆的操作者过劳。
如果对于上下换挡齿轮来说最好没有附加的轴向力，那么上下换挡的斜面可与花键平行。例如，如果斜面70b、74a平行于花键38的话那么就没有附加力Fa（在某一换挡方向上）。
计算自助力斜面角度θ的主要变量和提供与操作力Fo的增大或减小成正比的轴向附加力Fa的主要变量为离合器的锥形角α、锥形离合器的摩擦系数μc，锥形离合器的平均半径率Rc与自助力斜面的平均半径率Rr，斜面的摩擦系数μr和自助力斜面间的角度。参看美国专利5，092，439可获得计算和控制自助力的更详细的说明，在此引用这个专利仅供参考。
图9E表示了一个“增力/除阻位置”，该位置是在除阻力矩分离止动表面后立即出现的。在这个位置上所发生的自助力是由于阻环42的惯性和/或锥形离合器当时未完全脱开。这种自助力现象在图9F所示“增力进入齿轮位置”的过程中持续进行，并且在换挡力Fo的方法上提供了一个作用于换挡套筒34上的轴向助力。在除阻时，这个助力有助于重新启动爪齿36c与爪齿30啮合进行轴向啮合，当齿36a和30的V形端啮合时，这个助于有助于把爪齿移入啮合。正如大家所知道的那样，助力减小了在去阻时操作者用额外的力来移动变速杆以完成换挡的必要，即助力有利于平滑而省力地完成换挡。图9G表示了“助力位置的最后位置”，图9H表示了爪齿36c，30的完成的“啮合位置”。
当同步器构件位于图9A的空档位置和如图9B-9E所示的止动齿44、46的止动表面与刚性件的端部74，76的止动表面啮合的位置，延伸部44c，46c沿轴向具有足够的长度使之夹在刚性构件端件74，76之间。然而，正如从图9F-9H中所看到的那样，当在所示的换挡除阻时，延伸部分46c在每个刚性构件的端部间没有被夹住，或者它实际上与每个刚性构件端部的圆周方向空间未保持对准。因此，就可使或不能阻止延伸部分46c端部76和自助力件70之间。当这种情况发生时，同步器机构就不能返回到空档位置并且不能换挡到齿轮上去。
图11，12，13A与13B示意性地画出了三个改进型的实施例，在这些实施例中，延伸部分在圆周方向上均定位在刚性构件72的端74、76之间的空间内。因此，当换挡开始时，它与刚性构件端部之间的圆周方向的空间保持对准并且保证了止动面的啮合。在图11中，改进型的延伸部的标号为144c、146c，在此处至少有一对延伸部144c、146c，这对延伸部实际上包括了一个长孔144d、146d，在孔中可滑动地放入一个销子90，用以防止延伸部圆周方向的相对移动但允许其沿轴向移动。在图12中，改进型的延伸部的标号为244c，246c，在此，至少一个延伸部244c可滑动地伸入到延伸部件246c的周向分开部的间隔内。在图13A和13B中，改进型的延伸部的标号分别为344c、346c和444c、466c。在图13A中至少有一对延伸部件344c、346c沿轴向重叠以防止其在某一方向上作周向相对移动。在图13B中，至少有一个另一对延伸部件444c，446c改变了方向以防止其在另一个方向上作周向相对移动。
已经公开了自助力同步机构的几个实施例。相信这些实施例的许多变型或改进均没有脱离本发明的范围。下面的权利要求试图覆盖在本发明的范围内所公开本发明的机构、变型和改进型。