车轮反转式刹车装置 本发明涉及一种车轮反转式刹车装置，特别是涉及一种有效地减少刹车距离并避免车辆偏滑，提高刹车效果和安全性的车轮反转式刹车装置。
一般汽车在要求相对的高马力、高速度的情况下，也必须具有高效率且操作方便的制动系统，以确实控制车辆的行止，并减免车祸的发生，目前车辆最常用的制动系统，是以油压动作的鼓式刹车装置比较普遍，大致是以脚动刹车板操作，通过刹车总泵及分泵的制动液作为传递压力的媒介，将压力平均并扩大地输送至每个车轮的制动元件上，使制动蹄片与刹车鼓密合而产生摩擦，进而使车轮停止转动而达到刹车的目的。另外，也有其它辅助性的设计如手动刹车装置，大部份是利用钢丝动作而锁死后轮，可作为定位停车或紧急辅助刹车用。影响这些制动系统的制动效率虽然有很多因素，但是基本上其制动蹄片与刹车鼓之间的摩擦力是一个考虑的基础，两者之间的摩擦力愈大则刹车效果愈佳。一般汽车所采用地鼓式刹车装置已可对车轮达到良好的制动效果，但是往往在车辆高速行驶中，如果突然紧急刹车时，因冲量非常大，在车轮锁死之后，车身仍会不由自主地向前滑行，或者往侧向偏滑，甚至打转翻覆，反而容易导致车祸意外。所以近代汽车专业的制动系统中，也有“防刹车锁死系统”(Anti-Lock Braking System)俗称ABS的设计，它是配合电脑操作使制动系统在刹车瞬间快速点放，使车轮不致完全锁死，可避免刹车时的偏滑现象，多少可提高一些安全性，但是对于真正减少车辆的刹车距离，仍然没有绝对的明显效果。
本发明的目的在提供一种车轮反转式刹车装置，是使汽车于高速行驶中，可紧急刹车的装置，能有效地减少刹车距离并避免车辆偏滑，提高刹车效果和安全性。
本发明的特征在于：在汽车的离合器单元与变速箱间设有一行星齿轮组，该离合器的主轴承接发动机动力，该离合器的壳体依离合动作而与该主轴同步或分别转动，该行星齿轮组包括太阳齿轮、行星齿轮及环状齿轮，该太阳齿轮连结于该主轴而直接受其驱转，各行星齿轮中央设有枢轴，且分别固接于该壳体上，可受其驱动公转，该环状齿轮轴接于变速箱上，可以正反转向对变速箱传输动力，该离合器的壳体由一个刹止机构制动控制而停止转动。藉该离合器与行星齿轮组的操作配合，使在高速行驶中的汽车能迅速刹止车轮并瞬时进行反转，以缩短车轮止动滑行的距离而提升刹车效果并避免偏滑。
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：
图1是一种以往汽车的传动系统示意图。
图2是上述以往汽车的离合器的主轴直接传动变速箱的传动示意图。
图3是本发明较佳实施例的装置分解示意图，其中显示在离合器的主轴与变速箱的间设有一行星齿轮组。
图4是本发明较佳实施例的组合示意图。
图5是本发明较佳实施例的操控系统示意图。
图6是本发明较佳实施例中的部份制动油路示意图。
图7是本发明较佳实施例的离合器单元释离状态示意图。
图8是本发明较佳实施例在离合器单元释离时的行星齿轮组操作示意图。
图9是本发明较佳实施例在离合器单元结合时的行星齿轮组操作示意图。
图10是本发明较佳实施例在紧急刹车时的离合器单元及刹止机构示意图。
图11是本发明较佳实施例在紧急刹车时的油门节流阀全开示意图。
图12是本发明较佳实施例在紧急刹车时的行星齿轮组操作示意图。
如图1所示，一般手动排档后轮驱动汽车的传动系统，最常见的是在发动机1后附装一个离合器2，以便离合可控制地传送动力，该离合器2则再衔接一个变速箱3，以改变转速及扭力，再将动力通过传动轴4驱转车轮5使车辆运行。此系统在正常状态下，如图2所示，该发动机1的曲轴10带动该离合器2的飞轮21，再藉该离合器2的壳体22配合其内部各元件的离合操作，可使其主轴23形成该变速箱3的输入轴而将该发动机1的动力传导至该变速箱3。该变速箱3的变速杆31可调整内部的齿轮组32，以设定空档、倒档或高、低速档，而供驱动车辆。在此技术中，该离合器2的主轴23是直接传动该变速箱3，所以在正常状态下，该发动机1曲轴10的转向与该离合器2的主轴23一致，且两者以同样的转向来驱动该变速箱3，除非该变速箱3打回倒档，否则该传动轴4(如图1)的转向与该离合器2的主轴23相同而无法逆转，因此目前一般汽车在正常行驶或刹车时，其车轮绝对不会自行反转。
本发明为了突破上述设计，在承接汽车发动机动力的离合器与变速箱之间，加设一个行星齿轮组，并以一个刹止机构来制动该离合器的壳体，以在必要时紧急刹车并使车轮反转。如图3所示，为本发明较佳实施例的装置分解示意图，包含一个离合器单元6、一个行星齿轮组7、一个刹止机构8，以及一个与前述相同的变速箱3，和用来连结该发动机曲轴10的飞轮21。
该离合器单元6由主轴60、拨叉61、释放轴承62、离合器盖63、两个支持环64、碟片弹簧65、压板66、被动片67及圆盘68所组成，各元件的个别构造大致与现有的装置相同，只是在组成的方式上是反向于现有装置，配合图4所示，该离合器单元6组合时，该离合器盖63利用螺栓与该圆盘68固定连结而形成一个可整体转动的壳体，该壳体内部腔室供容装该两支持环64、碟片弹簧65、压板66及被动片67。该主轴60前端与该飞轮21连结，可受该发动机曲轴10连动驱转，该主轴60后端设有一小段花键槽601，该主轴60的轴体依序贯穿该释放轴承62、碟片弹簧65、被动片67及圆盘68而向后延伸，且与该圆盘68结合处设有轴承681，使该主轴60与该圆盘68能相对地转动。该被动片67正常状态时，是被夹置于该压板66与圆盘68之间，该被动片67轴心处设有花键槽671，该花健槽671与该主轴60的花健槽601互相结合，所以当该被动片67不受该压板66压着时，可在该花健槽601处滑动平移，但是必须与该主轴60同步旋转。该碟片弹簧65的周缘嵌抵于该压板66上，并有多支螺桩651贯穿该碟片弹簧65，且配合该两支持环64的撑持，而将该碟片弹簧64定位固定于该离合器盖63内部，使该碟片弹簧65藉其曲面凸拱所具有的弹性，在正常状态时向后弹抵该压板66，进而连带压着该被动片67。该释放轴承62活动地套装在该主轴60上，后端抵接于该碟片弹簧65的曲面前侧，且可受该拨叉61的推送操作而在该主轴60上滑动平移，当该释放轴承62向后推进时，可顶抵该碟片弹簧65使该碟片弹簧65的曲面反翘，则该压板66就会自动释离该被动片67。
如图3、4所示，该行星齿轮组7包含一个环状齿轮(内齿轮)70、一个太阳齿轮(中心齿轮)71及两个较小的行星齿轮72。该环状齿轮70大致呈皿状，内缘周边设有齿环701，中央贯设一个轴孔702，并沿该轴孔702向后凸伸形成一个轴套703，该轴套703中设有齿槽，可供变速箱3的输入轴30套装而形成可联动的轴接状态。该太阳齿轮71的中心固接于该离合器单元6的主轴60，而可受该主轴60直接驱动，且该主轴60的末端602贯穿该太阳齿轮71，并配合一个导杆轴承704而套装于该环状齿轮70的轴孔702内，以能定轴转动。各行星齿轮72对称地啮合套装于该太阳齿轮71的周缘与该环状齿轮70之间，其中心各设有轴承720及一支枢轴721，且该枢轴721被固定装置在该圆盘68的对应开孔682中，使各行星齿轮72以该枢轴721为轴心而自转，又可被该圆盘68带动而环绕着该太阳齿轮71公转运行。本实施例是使用两个行星齿轮72，其数目可按实际需要而设计为三个或更多。
该刹止机构8设在该圆盘68的盘体边缘部位，本实施例中，该刹止机构8是采用一般的盘式制动设计，其利用液压控制一组钳夹来夹压该圆盘68而使其停止转动。如图4所示，该钳夹设有两个对应的缸筒81，该缸筒81中各套装一个活塞82，该活塞82的前端各设有摩擦垫片83，两对应的缸筒81对应钳设于该圆盘68的两侧，当油液由管路80导入施压时，各活塞82就会动作而使该摩擦垫片83相对夹压该圆盘68，而使该圆盘68停止转动。
如图5所示，为本实施例的操控系统9的示意图，离合器踏板91是用来操作该拨叉61以控制该离合器单元6，刹车踏板92用来控制正常的刹车系统，加速踏板93则用来动作油门的节流阀931以控制车速，此三者的构造及操作方式完全与以往相同，在此不多作叙述。而在该加速踏板93的右侧另外加设一个紧急刹车踏板94，该紧急刹车踏板94操控一油路而自成一独立的刹车系统，与前述由该刹车踏板92所控制的刹车系统互不相干，其动作的油路设计为：当该紧急刹车踏板94被踩下时，液压油就会经由一个四通管90分别导向三路，第一油路901直接到达该刹止机构8，而使该刹止机构8钳夹运作以制止该圆盘68的转动，第二油路902被导流用来操作该油门的节流阀931，使其开放以加大油门，第三油路903则被导至另外一组自由回转车轮的制动器100，用来锁住车轮，例如，本实施例为后轮传动的汽车，则该制动器100就是制动前轮的刹车装置，可设计成与前述该刹车踏板9所控制的原有系统分开而独立运作。或者如图6所示，在原刹车踏板92的操作油路上，加设一个内部具有可动活塞101的导向阀110，在正常状态下，由该刹车踏板92所作动的液压油，会循该导向阀110的开孔111、112导通，而使前轮5’及后轮5同步刹车，当紧急刹车时，由该制动器100所动作的液压油，会迅速从该导向阀110的开孔113压入，将该活塞101推向另一侧而封闭该开孔111，所以液压油就可从该开孔113与112导通，以单独制动前轮5’，而不影响后轮的运作，其也可采用A、B、S系统来配合操作，使前轮刹车效果更佳。上述操控系统9的重点就在于增设一组紧急刹车踏板94及其所控制的油路机构，该系统与正常的操作系统不相关，所以如果不动用该系统，则整体汽车的操控与一般完全相同。
如图4所示，本实施例在自然状态下，该压板66、被动片67及圆盘68三者被该碟片弹簧65所紧密压着形成一体，当该主轴60旋转时，藉该被动片67的联动，可使整个该圆盘68与该离合器盖63一起同步旋转，此与一般的离合器操作是相同的，所以在一驾驶员需要换档时，其左脚可先踩下前述离合器踏板91(如图5)，使该离合器单元6的拨叉61向后推动该释放轴承62，再顶抵该碟片弹簧65，使其曲面反向凸拱，就形成如图7所示的状态，该碟片弹簧65的中央向后微凹，而其周缘朝前曲拱，连带将其所抵接的压板66的稍微朝前顶起，因此使该压板66与该被动片67释离，也使该被动片67与该圆盘68不再压合密接而失去联动作，所以该主轴60只能藉其花健槽601带动该被动片67旋转，而该圆盘68就不再受该主轴60连动驱转(因两者之间设有轴承681，所以可相对自由转动)，此时，该发动机曲轴10的动力就不能输入变速箱3。该行星齿轮组7的运作，如图8所示，该主轴60是直接驱转该太阳齿轮71，但是因各行星齿轮72的枢轴721是固装于此时未承受动力的圆盘68上，所以各行星齿轮72虽然可被该太阳齿轮71所驱动而沿其周缘绕行公转，但是本身也可自由旋转(自转)，在此公转又自转的适当配合下，该环状齿轮70将不受任何动力的传导而可自由转动，但是因其轴套703轴接着变速箱3而具有阻滞力，所以在正常状态下，该环状齿轮70将会自然停止转动而成静止状态，驾驶员就可利用变速杆31顺利换档。
驾驶员在换档之后，左脚就可释开该离合器踏板91，右脚再踩踏该加速踏板92，使汽车加速前进，此时，该离合器单元6自动回复到如图4所示的状态：该拨叉61回到原位，该释放轴承62也随着回位而将压力释放，该碟片弹簧65被释放压力后，恢复成平面，并紧抵该压板66，使离合器结合，在该主轴60、被动片67、圆盘68相结合后，就锁成一体而可同步回转以传送该发动机曲轴10的动力，此时，该行星齿轮组7的操作状态，如图9所示，该太阳齿轮71受该主轴60驱动，所以两者的转向相同，而各行星齿轮72的枢轴721固定于该圆盘68上(如图4)，所以受该圆盘68的驱动而与该太阳齿轮71及主轴60同步旋转，此时，各行星齿轮72就如卡在该太阳齿轮71与环状齿轮70之间，只能公转而不会自转，因而连动该环状齿轮70与主轴60同步旋转，使该变速箱3的输入轴30也能与该发动机曲轴10同步、同向地旋转，也就是发动机的动力可直接传导至该变速箱3，此与一般汽车的正常传动操作完全相同。
当汽车在正常行驶时，一般的制动状况可踩踏该刹车踏板92，利用一般的刹车系统来正常操作，如果在较高速(例如60Km/hr以上)行驶时，万一有突发状况需要紧急刹车，驾驶员可将原来踩放在加速踏板93上的右脚，瞬时改踩设在右侧的紧急刹车踏板94，同时以左脚迅速踩踏该离合器踏板91，此时该离合器单元6及刹止机构8的运作就如图10所示，该离合器单元6形成释离的状态(与图7的状态相同)，而使该发动机曲轴10的动力不再输入该变速箱3，且使该圆盘68可相对于该主轴60自由地回转。但是在该紧急刹车踏板94的运作下(如图5)，其所驱动的液压油会经由该四通管90的分送，而于瞬时先由该第二油路902启动操作阻力较轻的节流阀931，使油门大开(如图11所示)，而使发动机能发出最大马力，以备用并避免熄火，另一股液压油则会导经该第三油路903，用来操作该制动器100，以刹止前轮，又另一股液压油会经由该第一油路901直达该刹止机构8而操作该钳夹，当液压油进入该缸筒81中后，会推送该活塞82，使该对摩擦垫片83迅速地夹压该圆盘68，使该圆盘68很快地被锁住而停止转动(在必要时也可设置多组钳夹来操作，使制动效果更佳)。而在该圆盘68被迫瞬间降低转速(此时该圆盘68已与该主轴60释离)，该圆盘68所带动的两行星齿轮72也与该圆盘68同步降低公转速度，而与转速仍与该主轴60相同的太阳齿轮71呈不同步地旋转，并开始自转(藉该太阳齿轮71自转与该行星齿轮72公转之间的速度差，会造成该行星齿轮72的自转)，因此，使该环状齿轮70也不再与该太阳齿轮71同步旋转，而会被迫降低转速，所以使该变速箱3的转速突然降低，车轮的速率也会随着瞬间降低。当车辆在高速行驶中，如果突然降低车轮转速时，车轮轮缘速度将比车辆本身的行进速度较慢，而发生高速旋转中的车轮摩擦路面的现象，就会产生最大的刹车效果，如前述ABS刹车系统的效应，车速将于瞬间迅然缓慢下来。
如图12所示，当上述圆盘68将被锁住时，该环状齿轮70的转速将由低速下降至零，再转变为反转，因该圆盘68静止后，各行星齿轮72只能定轴自转而不能再公转，且转向与该太阳齿轮71及主轴60相反，所以藉该太阳齿轮71仍受该主轴60高速驱转的动力，可通过各行星齿轮72的定轴齿接，进而连动该环状齿轮70进行反向旋转。如果在设计时，将该太阳齿轮71与环状齿轮70的齿数比设为1∶4或1∶5之间(相当于变速箱3的倒档齿数比)，且一般于此紧急刹车时，该变速箱3是处于高速档中(其齿数比约为1∶1或1∶0.75之间)，则在该圆盘68完全被锁住后，该环状齿轮70就可以相当于一般汽车正常的倒档速率进行反转，使车辆能在发动机爆发出最大马力的情况下，进行高扭力的低速反转，积极且强力地摩擦路面，以抵消车辆前冲的余势，使车子立刻被拉住不进而在原地反转后轮(此时前轮是被由该第三油路903操控的制动器100所刹止)，等到在车辆迅速消耗前冲动能之后，就会被迫停止滑行，而且甚至可能稍微倒退而行，驾驶员就可放掉该紧急刹车踏板94，改踏正常的刹车踏板92来停住车子。
如前所述，当该圆盘68还未完全被锁住时，车轮就已产生最大刹车效果而使车速快速缓慢下来，所以同时会减低车轮与路面摩擦的相对速度，因此也会减少反转所需的马力，有利于车轮反转的操作。当车轮反转时，发动机是以最大马力在运作，不会因动力不足而熄火，如果是发动机具有较大马力的车子，就可减少该太阳齿轮71与环状齿轮70齿数比，以提高车轮反转的速率，可更有效地在短距离内刹住车子。另外，如果在车轮反转时，为了防止各传动元件承受较大的应力负荷，可依实际需要加强各元件的强度设计配合，此在目前的工业科技能力可以很容易地解决。
本发明利用发动机最大动力使车轮低速反转，其轮胎将积极摩擦地面，而产生非常大的反向阻力，以抵消部份车辆向前滑行的动能，比一般汽车的刹车系统，更有效地在较短距离内刹住车子，同时，在动用本发明的紧急刹车系统时，自始至终该后轮都是处在高速正转或低速反转的运作状态下(只有在刚要反转的瞬间是静止的)，所以不会发生完全被锁住的现象，也因此不会产生侧滑的失控状态，比一般刹车系统更为安全。
综上所述，本发明利用该刹止机构8来控制离合器壳体的运作，再配合该行星齿轮组7的传动状态的变化，在紧急时制动车轮并使其反转，而且，本发明的应用范围不限于如上述实施例的后轮传动式汽车，如前轮传动，或纵置发动机、横置发动机都可应用，使高速行驶中的汽车，可在紧急刹车时，以最短的距离刹住车体，并且避免侧向偏滑，提高刹车效果及安全性。