销型同步离合器 本发明涉及传动装置所用销型同步离合器的改进。
众所周知，在多速比的传动装置中，可以使用同步装置来减少传动装置中某些或全部齿轮传动比的换档时间。人们还知道，使用自加力型的同步机构可减小要求车辆驾驶员所提供的换档作用，也就是施加到换档杆上的力。由于驾驶员的换档作用通常随着车辆尺寸的增加而增加，因此自加力型的同步机构对于重型卡车就尤为重要。现有技术中与本发明同步离合器相关的一些实例可以参见美国专利US5078244，5092439和5339936，这些专利在此都引作参考。
本发明的目的是要提供一种具有改进的爪件设置的自加力销型同步离合器。
根据本发明，一种如美国专利US5092439所公开的体现了如权利要求1前序部分所述的现有技术特征的销型同步离合器，它与安装在轴上并可围绕着轴的轴线相对转动的第一和第二传动件中的任一个有选择实现摩擦同步和刚性结合。该同步离合器包括第一和第二爪件。这两个爪件分别固定在第一和第二传动件上，并且可分别与位于两传动件之间的可轴向移动的第三和第四爪件相互啮合。第三和第四爪件具有内花键，它用来与固定在轴上的外花键实现无相对转动地滑动配合。第一和第二锥形摩擦环分别固定在第一和第二传动件上，以便随传动件一起转动。第三和第四锥形摩擦环与轴同心，并且可在两传动件之间轴向移动，以便分别与第一和第二摩擦环摩擦结合，为传动件与轴的同步提供同步扭矩。一个径向延伸的法兰盘具有轴向相背地两侧，它位于第三和第四爪件之间以及第三和第四摩擦环之间，用以根据施加在该法兰盘上的双向的轴向换档力(Fo)，轴向驱动爪件和摩擦环进入所述的啮合状态。阻止元件在其结合后用以阻止诸爪件在同步之前的啮合。阻止元件包括一些在周向上间隔开的销，这些销在第三和第四摩擦环之间刚性地轴向延伸并且穿过法兰盘上的第一组孔。每个销都具有阻止突肩，能够与围绕着相应法兰孔所设置的阻止突肩相互结合。第一元件固定住了法兰盘，以免它相对于第三和第四爪件有轴向运动。第二元件允许法兰盘相对于第三和第四爪件以及轴存在有限的周向运动。第二元件包括第一和第二斜面，它们各自固定，相对于法兰盘或轴没有轴向和径向运动。所述的第一和第二斜面可随着同步扭矩而相互结合，以便在法兰盘上产生出沿换档力(Fo)方向的附加轴向力(Fa)，以增加作用在摩擦环上的总作用力。
改进的特征在于，轴包括转动支承着齿轮的第一和第二圆柱面，以及一个环形件，环形件外周面的直径大于前述圆柱面的直径；环形件还具有一定的轴向长度，通过轴向相背的两个突肩将齿轮隔开，这两个突肩限制了齿轮之间相互靠近的轴向运动。环形件相对于轴在轴向和径向上都是固定的，并且在环形件的外周面上设有与轴相固定的外花键。第一和第二爪件是由固定在这两个爪件上的外花键确定的。第三和第四爪件的内花键与环形件的外花键保持啮合。第三和第四爪件的内花键可分别与第一的第二爪件的外花键相啮合。
本发明的另一个目的是要提供一种具有改进的自加力结构的销型同步离合器。
根据本发明，一种如美国专利US5092439所公开的体现了如权利要求3前序部分所述的现有技术特征的销型同步离合器，它与安装在轴上并可围绕着轴的轴线相对转动的第一和第二传动件中的任一个有选择地实现摩擦同步和刚性结合。该同步离合器包括第一和第二爪件，这两个爪件分别固定在第一和第二传动件上，并且可分别与位于两传动件之间的可轴向移动的第三和第四爪件相互啮合。第三和第四爪件具有内花键，它用来与固定在轴上的外花键实现无相对转动地滑动配合。第一和第二锥形摩擦环分别固定在第一和第二传动件上，以随传动件一起转动。第三和第四锥形摩擦环与轴同心，并且可在两传动件之间轴向移动，以便分别与第一和第二摩擦环摩擦结合，为传动件与轴的同步提供同步扭矩。一个径向延伸的法兰盘具有轴向相背的两侧，它位于第三和第四爪件之间以及第三和第四摩擦环之间，用以根据施加在该法兰盘上的双向的轴向换档力(Fo)，轴向驱动爪件和摩擦环进入所述的啮合状态。阻止元件在其相互结合后用以阻止诸爪件在同步之前的啮合。阻止元件包括一些在周向上间隔开的销，这些销在第三和第四摩擦环之间刚性地轴向延伸并且穿过法兰盘上的第一组孔。每个销都具有阻止突肩，能够与围绕着相应法兰孔所设置的阻止突肩相互结合。第一元件固定住了法兰盘，以免它相对于第三和第四爪件有轴向运动。第二元件允许法兰盘相对于第三和第四爪件以及轴存在有限的周向运动。第二元件包括第一和第二斜面它们是各自固定的，相对于法兰盘或轴没有轴向和径向运动。所述的第一和第二斜面可随着同步扭矩而相互结合，以便在法兰盘上产生出沿换档力(Fo)方向的附加轴向力(Fa)，以增加作用在摩擦环上的总作用力。
改进的特征在于，轴包括转动支承着传动件的第一和第二圆柱面，以及一个环形件。环形件外周面的直径大于前述圆柱面的直径；环形件还具有一定的轴向长度，通过轴向相背的两个突肩将传动件隔开，这两个突肩限制了传动件之间相互靠近的轴向运动。环形件相对于轴在轴向和径向上都是固定的，并且在环形件的外周面上设有与轴相固定的外花键。环形件的外周面上包括至少一个凹部，它的轴向长度与所述环形件的轴向长度相等，该凹部完全去除掉了环形件上相邻的几个外花键齿。所述第二斜面设在该凹部中。
附图表示了本发明的自加力同步离合器，其中：
图1是纵截面图，示意性表示了处在空档位置时的双作用同步离合器。
图2是右位啮合时的图1的同步离合器。
图3是图1所示同步离合器元件的详细的分解图。
图4是图1中的轴的局部详细图。
图5是图4的轴沿图4中5-5线所示的横截面图。
图6和图7是图4的轴沿图4中6-6线所示的局部图，并且加上了图3的相配合的自加力斜面。以及，
图8是表示作用在离合器法兰盘上的轴向力和扭矩的线图。
这里使用术语“同步离合机构”是指一种离合机构，用来通过刚性离合器将选定传动比的齿轮无相对转动地连接到一个轴上，其中在尚未使刚性离合器的元件基本达到同步转动之前，与刚性离合器相配合的同步控制离合器，性阻止该刚性离合器的啮合倾向。术语“自行加力”是指一种同步离合机构，它包括斜面或凸轮等类似元件，以便与摩擦离合器的同步扭矩成比例地增大同步离合器的啮合力。
现在参见附图，图中表示了齿轮与同步器的组件10，包括将要安装在传动箱中围绕轴线12a转动的轴12，轴向间隔开的传动件，即齿轮14、16以及双作用的同步器22。
轴12包括转动支承着齿轮的圆柱面12b、12c以及环形件12d，环形件12d的外周面的直径大于圆柱面的直径。环形件具有一定的轴向长度，通过轴向相背的两个突肩12e、12f将齿轮隔开，这两个突肩限制了齿轮之间相互靠近的轴向运动。齿轮之间相互远离的轴向运动由任何一些己知的方式加以限制。环形件可制成一个固定在轴上的环；或者象这里一样，与轴制成一体。环形件的外周面上包括一些外花键12g，三个与环形件的轴向长度相等的凹部18，以及下面将要解释的自加力斜面20a、20b、20c、20d。凹部完全切削掉了相邻的几个花键齿12g，因而简化了自加力斜面的加工。
同步器22包括：分别与齿轮14、16制成一体的摩擦环26、28和爪件30、32；带有可与环形件12d外周面上的外花键齿12g滑动配合的内花键齿38、40的爪件34，36；具有轴向相背的两侧42a、42b并被夹在爪件34、36的轴向相对的两表面34a，36a之间的、沿径向延伸的换档法兰盘42；用于将法兰盘和爪件固定在一起以防止它们相互轴向移动的三个沿轴向延伸的保持件44；由沿圆周间隔开的三个销50牢牢固定在一起的环状摩擦环46、48，所述的销50自每个摩擦环沿轴向延伸并且穿过法兰盘42上的孔42c；还包括三个预加载组件52，预加载组件52只在图3中示出。
摩擦环分别带有锥形的摩擦面26a、46a和28a、48a，这些摩擦面相互配合，以便在爪件啮合之前使齿轮与轴摩擦同步。摩擦环46、48分别包括三个周向间隔开的、轴向开口的并且沿周向延展的凹口46b、48b；还包括六个周向间隔开的、径向向内开口的并且轴向延伸贯穿整个摩擦环46、48的凹槽46c、48c。多余的凹槽46c、48c有利于摩擦环46、48的互换性。如下文进一步说明的那样，凹口46b、48b容纳着预加载组件52的端部，而凹槽46c、48c容纳着保持件44。可采用很大范围的锥角，这里采用了7.5°的锥角。摩擦面46a、48a和/或26a、28a可由任何一些己知的固定到基件上的摩擦材料构成，例如由美国专利4700823，4844218，和4778548所公开的热解碳摩擦材料是值得推荐的。这些专利在这里引作参考。
每个销50包括主径部分50a，其直径略小于法兰孔42c的直径；以及位于摩擦环46、48之间(这里是在中间)的减径部分或称凹部50b；还包括与销轴线的垂直成一定角度地自销轴线沿径向向外延伸并且轴向隔开的锥形阻止突肩，或称阻止表面50c、50d。当减径部分位于各自的法兰孔当中时，允许刚性的摩擦环/销组件相对于法兰盘作有限的转动，以使销上的阻止突肩与围着法兰孔42c倒角制出的阻止突肩实现相互配合。可通过任何一些己知的方式将销50固定到摩擦环46、48上。
预加载组件52是在上述的美国专利5339936中更加充分地展示和描述过的对开销类型的。每个预加载组件都在摩擦环46、48之间轴向延伸，并且穿过42d。孔42d与孔42c交替间隔，只在图3中示出的各个预加载组件52包括相同的两个半销54；夹在两个半销之间并以弹性使它们分开的至少两个相同的片簧56；套在片簧端部56a上的两个夹持器58；以及位于每个摩擦环46、48的椭圆凹口46b、48b中的椭圆形杯形件60。椭圆的杯形件60和凹口46b、48b沿着摩擦环的圆周方向延展，并且在摩擦环的径向上具有充分长的直径，以使半销54的相对的端部54a能够滑动。每一对半销54当被压缩到一起时，其主径小于相应的孔42d的直径。每一对半销54还包括带有倒角端面54c的半环形凹部54b，以及端部54a。正如己知的那样，随着法兰盘42开始啮合运动，端部54a作用于摩擦环46、48，倒角面54C作用于围绕法兰盘42的法兰孔42d的倒角面。杯形件60刚性地接合在摩擦环46、48和端部54a之间，在两者之间提供了耐摩材料。例如，杯形件可由钢制成，而摩擦环可由铝或其它一些较软的材料制成。
如前所述，爪件34、36包括一些可与固定在轴上的外花键齿12g滑动配合的内花键齿38、40。外花键齿的侧面平行于轴的轴线。这些侧面与爪件的花键侧面相互配合，防止了两者之间的相对转动。
法兰盘42还包括从相背的两侧轴向延伸出去的环状增强环42e，42f，以有径向向内实伸到轴的环形件12d外周面上的凹部18中的自加力齿62。每个齿62都包括自加力表面62a、62b、62c、62d，它们分别与自加力斜面20a、20b、20c、20d相配合，或者说相互作用。每个增强环都包括径向向内的表面42h，它容纳着爪件34、36的径向向外的环形表面34c、36c。增强环减小了法兰盘42在制造和使用过程中的轴向变形。自加力斜面允许法兰盘相对于爪件34、36和轴12作有限的转动，并将同步扭矩作用于锥形离合器和轴之间，以提供附加的轴向自加力，以便增加由于在法兰盘42上施加换档力而使锥形离合器初始结合时的啮合力，因此而增加由锥形离合器所提供的同步扭矩。如在升档或降档时所见到的那样，可以为了增加某个齿轮或两个齿轮的同步力而设置自加力斜面；和/或可以为了在任一扭矩方向上增加同步力而设置自加力斜面。
每个保持件44包括一个轴向延伸部分44a，它位于爪件34、36的径向朝外部分34b、36b的附近；还包括两上轴向间隔开的并且径向朝内的延伸部分44b，它们包容住了爪件34、36的轴向相背的部分34b’、36b’。保持件松松地穿过法兰盘42上的孔42e，以允许两者之间存在有限的相对转动。每个轴向延伸部分44a包括两个轴向间隔开的并且径向朝外的部分44c，它们被容纳在摩擦环的凹槽46c、48c中，并且与凹槽的径向朝内的部分处在较轻松的滑动关系下。径向朝外部分44c具有充分的长度，以便与凹槽的径向朝内部分保持滑动关系。齿轮14、16包括轴向延伸的凹槽14a、16a，以便在爪件啮合时容纳保持件的端部。参见图2。凹槽46c、48c的径向延伸侧面抑制了保持件的周向空间。固定在轴12上的斜面20a、20b分别与法兰齿62上的斜面62a、62b相互作用，以提供附加的轴向力，以便在任一扭矩方向上提高或改善齿轮16的同步速率和/或换档质量。斜面20c、20d分别与斜面62c、62d相互作用，以便在任一同步扭矩方向上为齿轮14提供附加的轴向力。为了在升、降档时以及为了在高、低速时提供不同数值的附加轴向力，可以改变诸斜面的角度。而且，如果在某个齿轮或某些齿轮的某个方向上不希望有附加的轴向力，就可以让斜面平行于轴线，也就是不设置有效的斜面。正如下面将进一步解释的那样，附加轴向力的大小或数值还是摩擦离合器和自加力斜面的平均半径比的函数。因此，对于由换档拨叉施加于换档法兰盘42的给定的换档力而言，通过改变斜面角和/或平均半径比就可以改变附加轴向力的大小。
当法兰盘42处在图1的空档位置时，销50的减径部分50b都与相应的法兰孔42c径向对齐，锥形离合器的诸摩擦面略微分离，并且由于在弹簧56的作用下，预加载组件52的倒角的(或称斜角的)预载面54c作用在法兰孔42d的倒角预载面上，从而保持着上述的分离关系。由预载表面所提供的轴向力最好足以抵消作用在法兰盘42上的任何附加轴向力，这些附加轴向力是因为锥形离合表面之间油膜的粘性剪切而由自加力斜面所产生的。当需要将任何一个齿轮连接到轴上时，一个末示出的适当的换档机构，例如由美国专利4920815所公开的那种(在此引作参考)，通过己知的方式连接到法兰盘42的外周上，使法兰盘沿着轴12的轴线作轴向运动，向左运动与齿轮14接合，或向右运动与齿轮16接合。这个换档机构可以是由操作者通过连杆装置而手动的；也可以是通过致动器而选择性运动的；也可以通过某种装置而运动，该装置自动地启动换档机构的运动并且还能控制由换档机构所施加的作用力的大小。当换档机构是手动的时，作用力正比于操作者施加在换档杆上的力。无论手动方式或自动方式，作用力都沿轴向方向施加在法兰盘42上，并且在图8中以箭头Fo的长度表示。
由操作者的换档力Fo产生的法兰盘42最初的向右轴向运动，通过预载面54c传到销50，使锥面48a与锥面28a实现最初的摩擦结合。锥面的初始结合力当然是弹簧56作用力以及预载面角度的函数。(假设有不同步情况，在暂时忽略自加力斜面作用的前提下)最初的摩擦结合，产生了锥形离合器的初始结合力和同步扭矩To，这保证了法兰盘42与所结合的摩擦环之间的有限的相对转动，因此，销的减径部分50b朝着法兰孔42c的适当一侧运动，使销的阻止突肩50d与围绕孔42c的阻止突肩相互结合。当两处的阻止突肩结合后，作用在法兰盘42上的全部的操作者换档力F。都通过阻止突肩传到摩擦环48，因此，锥形离合器在全部的操作者换档力Fo作用下结合，以提供相应的操作者同步扭矩To。在图8中，操作者同步扭矩To以箭头To表示。由于阻止突肩相对于操作者换档力Fo的轴向方向成角度地设置的，因此，这些阻止突肩产生了与锥形离合器的同步扭矩方向相反的反力，或称开放扭矩，只不过在趋于同步的期间，其数值较小。当基本上达到同步时，同步扭矩降低到开放扭矩之下，因而阻止突肩使诸个销50转动到与法兰孔42c同心的状态，使得法兰盘能够继续作轴向运动，以及使得爪件36的内花键/爪齿40与爪件32的外花键/爪齿相互啮合，正如图2中所示。花键/爪齿可具有美国专利3265173或4246993中所示的形状。这些专利在这里引作参考。
仍然忽略自加力斜面的作用，由作用力Fo所产生的锥形离合器的扭矩以公式(1)表示：
To＝FoRcμc/Sinα (1)
这里，Rc为锥形摩擦面的平均半径，
μc为锥形摩擦面的摩擦系数，
α为锥形摩擦面的角度。
现在考虑自加力斜面的影响，特别是参见图6和7。由于操作者施加了轴向的换档力Fo，其产生的同步扭矩To当然通过销50传到了法兰盘42，并经过自加力斜面作用于轴12。当自加力斜面被啮合时，自加力斜面限制了法兰盘相对于轴12和爪件34、36的转动，并且产生出轴向分力或称附加的轴向力Fa，它沿着与换档力Fo相同的方向作用在法兰盘上，这两个力加在一起成为合力Ft，因而进一步增加了锥形离合器的结合力，以提供附加的同步扭矩Ta，该同步扭矩Ta加在扭矩To上产生总扭矩Tt。图6表示了换档法兰盘42处在图1所示空档位置时自加力斜面的位置。图7表示了当齿轮16通过锥面28a、48a的结合正在同步时，自加力斜面和花键的位置。相互结合的离合器锥面在一个方向上产生出同步扭矩，这使得法兰盘的斜面62a与轴的斜面20a实现啮合。因此，如图8中的图线所示，使锥形离合器结合的总的轴向力是Fo+Fa，由锥形离合器所产生的总的同步扭矩是To+Ta。对于给定的操作者换档力Fo和操作者同步扭矩To，附加轴向力的数值最好是相互啮合的自加力斜面的角度的函数。这个角度最好要足够大，以便产生足够大的附加力Fa，使得在操作者的适度的换档动作下就能明显地增加同步扭矩和减少同步时间。然而，这个角度也不能过大，要使附加的轴向力Fa能得到控制，也就是轴向力Fa应随着轴向力Fo的增减而增减。如果斜面角过大，斜角就会自锁而不是自加力。因此，一旦锥形离合器开始结合，轴向力Fa将失控地迅速增大，并且与轴向力Fo无关，因而驱使锥形离合器失控锁死。自锁而不是自加力会有损换档质量或换档感觉，可能会超出同步器元件的应力范围，可能造成离合器锥面的过热和迅速摩损，甚至可能使操作者的换档杆超出运动范围。
用以计算自加力斜面角的主要参数和公式可参见上述的美国专利5092439号。
上面已经描述了销型同步离合器的较佳实施例，下面的权利要求书旨在概括所述同步离合器的所有发明特征并认为各种变型和修改都将属于本发明的范围。