具有唯一相位角的换挡机构技术领域
本发明涉及车辆传动系统技术领域，特别是涉及一种用于
发动机的具有唯一相位角的换挡机构。
背景技术
在发动机系统中，各个汽缸根据设定的顺序依次完成进
气、压缩、做功、排气过程。为了确保各个汽缸严格的按照设
定的顺序完成各个工作，通常使用两根凸轮轴分别控制各个气
缸的进气和排气、使用一根曲轴接收各个气缸的动力。
为了降低能耗，出现了发动机停缸技术，根据发动机功率
的需求启动相应数量的气缸。而由于各个气缸之间具有严格的
相位角度对应关系，因此，在重新启动停止气缸时，不但要带
动气缸运行，并且要求各工作气缸间的相位角度满足设定的对
应关系。
在目前的部件连接技术中，主要采用摩擦式的同步方式以
降低冲击，如发动机离合器和变速器中的同步器均采用摩擦的
方式同步连接机构两端部件，但是，由于摩擦机构的结构限制，
无法确定最终同步时连接机构两端部件的相位角度对应关系。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术
问题是提供具有相位角同步装置的换挡机构，通过不均匀设定
花键齿全高的方式使得同步装置两端具有唯一的相位角度对
应关系，并采用本发明设定的同步异步的控制方法完成换挡过
程，实现具有转速差的两个部件平稳的按设定相位角接合。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种具有唯一相位角的换挡机构，包括电机、第一轴、第
二轴、齿毂、齿套；所述齿毂刚性布置在所述第一轴或所述第
二轴上，所述齿套同轴布置在所述齿毂外侧，并通过花键与所
述齿毂滑动连接；所述电机的输出轴与所述第一轴或所述第二
轴固定连接，其特征在于：还包括至少一组相位角同步组件，
每组所述相位角同步组件包括一结合齿和一同步环，所述结合
齿与所述第一轴或所述第二轴传动连接，所述结合齿、所述同
步环与所述齿毂同轴布置，且所述同步环设于所述结合齿和所
述齿毂之间；
所述齿套能够朝向所述结合齿滑动，并驱动所述同步环压
紧所述结合齿，使所述结合齿与所述齿套趋向同速转动；在其
同速转动后，所述同步环能够脱离接触所述结合齿；在其脱离
接触后，所述齿套能够与所述结合齿在设定唯一相位角处接
合。
作为本发明的进一步改进，所述齿套设有至少一个与其他
齿槽的齿槽全高不同的异形齿槽，所有异形齿槽不构成中心对
称；所述结合齿上对应设有与所述异形齿槽接合的异形齿，且
所述结合齿朝向所述同步环的一侧设有第一摩擦面；所述同步
环设有对应所述第一摩擦面的第二摩擦面，所述同步环设有对
应所述齿套的内花键的外花键，所述同步环的外花键与所述齿
套的内花键设有相对的倒角。
作为本发明的进一步改进，所述齿套上布置的异形齿槽的
数量为一个或两个或三个。
作为本发明的进一步改进，设有一组所述相位角同步组
件，所述齿毂刚性布置在所述第二轴上，所述电机的输出轴与
所述第一轴固定连接；所述结合齿与所述第一轴刚性连接，所
述第二轴与所述第一轴通过轴承滚动的布置在同一轴线上。
作为本发明的进一步改进，设有两组所述相位角同步组
件，所述齿毂刚性布置在所述第一轴上，所述电机的输出轴与
所述第一轴固定连接；两组所述相位角同步组件分设于所述齿
毂的两侧，对应每个结合齿，设有一个齿轮副，每个齿轮副包
括常啮合的两个齿轮，所述结合齿同轴固接在对应的齿轮副的
一个齿轮上，该齿轮同轴布置在所述第一轴上并与所述第一轴
刚性连接；每个齿轮副的另一个齿轮同轴布置在所述第二轴上
并与所述第三轴刚性连接；所述第二轴与所述第一轴布置在间
隔设置的两轴线上。
本发明的有益效果是：本发明提供一种具有唯一相位角的
换挡机构，应用于需相位角同步的装置中，使得具有转速差的
两个部件平稳的按设定相位角接合，应用范围极其广泛，特别
的，应用在发动机上时，使得不同的气缸之间完全脱离，并根
据需要将不同气缸按设定相位角连接在一起。
附图说明
图1为本发明实施例1具有唯一相位角的换挡机构的结构
原理图；
图2a为本发明实施例1具有唯一相位角的换挡机构在断
开状态示意图；
图2b为本发明实施例1具有唯一相位角的换挡机构在同
步状态示意图；
图2c为本发明实施例1具有唯一相位角的换挡机构在异
步状态示意图；
图2d为本发明实施例1具有唯一相位角的换挡机构在结
合状态示意图；
图3a为本发明实施例1中结合齿结构示意图；
图3b为本发明实施例1中齿套结构示意图；
图4为本发明实施例2具有唯一相位角的换挡机构的结构
原理图；
图5为本发明实施例2具有唯一相位角的换挡机构的结构
示意图；
图6为图5中A处放大结构示意图；
图7为图5中B处放大结构示意图。
结合附图，作以下说明：
1——驱动电机2——第一轴
3——第二轴21、22、71、72——齿轮
40——同步环41——外花键
42——第二摩擦面421——倒角
51——齿毂52——齿套
521——异形齿槽522——内花键
11——结合齿111——异形齿
112——第一摩擦面
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施
例详细说明，其目的仅在于更好理解本发明的内容而非限制本
发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，一种用于发动机的具有唯一相位角的换挡机
构，包括电机1、第一轴2、第二轴3、齿毂51、齿套52和一
组相位角同步组件，该组相位角同步组件包括结合齿11与同
步环40。
电机1的输出轴与第一轴2刚性连接。
结合齿11与第一轴2刚性连接。
同步环40同轴的布置在结合齿11和齿毂51之间，同步
环40上布置有外花键41和第二摩擦面42，同步环结构与现
有技术中的锁环式同步器中的摩擦同步环相同。
第二轴3与第一轴2通过轴承滚动的布置在同一轴线上。
齿毂51同轴的布置在第二轴3上，并与第二轴3刚性连
接。
齿套52同轴布置在齿毂51外侧，并通过花键与齿毂51
滑动连接。
本实施例1中，齿套具有三个与其他齿槽的齿全高不同的
异形齿槽521，三个异形齿槽不构成中心对称；结合齿上对应
设有与异形齿槽接合的三个异形齿111，且结合齿朝向同步环
的一侧具有第一摩擦面112；同步环具有对应第一摩擦面的第
二摩擦面42，同步环具有对应齿套的内花键522的外花键41，
同步环的外花键41与齿套的内花键522设有相对的倒角421，
参见图6和图7。
优选的，结合齿11的结构图参见图3a，在结合齿11上
布置的外花键41的所有花键齿中，有三个异形齿111的齿全
高比其它齿高，并且，假定第一个异形齿与第二个异形齿之间
夹角为θ1，第二个异形齿与第三个异形齿之间的夹角为θ2，
第三个异形齿与第一个异形齿之间的夹角为θ3，则有以下关
系：
θ1＝θ3………………………………………………(1)
θ1≠θ2………………………………………………(2)
对应的，齿套52的结构图参见图3b，在齿套52上布置
的内花键522的所有花键齿中，也有三个异形齿槽的齿槽全高
比其它齿槽高，且各个异形齿槽的布置关系与结合齿11上的
异形齿对应。
由于齿套52上异形齿槽和结合齿11上的异形齿不是圆周
均布的，因此结合齿11和齿套52仅有一个可以接合的角度位
置，即当结合齿11上的异形齿位置和齿套52上的异形齿槽位
置完全对应时，齿套52才可以与结合齿11接合，在其它角度
下，由于异形齿与正常齿槽存在干涉，齿套52无法与结合齿
11结合，从而使得齿套52和结合齿11具有唯一相位角的对
应关系；
在其他实施例中，结合齿11上异形齿和齿套52上的异形
齿槽的组数还可以为1个或2个；且结合齿11上的异形齿的
齿全高还可以比其它齿低，齿套52上的异形齿槽的齿槽全高
比其它齿槽低；结合齿11和齿套52上的各组异形齿与异形齿
槽的夹角还可以均不相等。
作为一种优选实施例，如图2a、图2b、图2c、图2d所
示，本实施例的换挡过程原理如下：
参见图2a，为断开状态，此时第一轴2和第二轴3的处
于断开连接状态，第一轴2和第二轴3之间无动力连接，此时
第一轴2和第二轴3的具有不同的转速。
参见图2b，为同步状态，齿套52将同步环40与结合齿
11压紧，由于转速差存在，齿套52无法越过同步环40向结
合齿11继续移动。在同步环40和结合齿11之间的摩擦力的
作用下，第一轴2和第二轴3之间的转速差越来越小，直至第
一轴2和第二轴3之间的转速差为零。
压紧过程原理具体如下：齿套52在向结合齿移动的过程
中，由于齿套52上有内花键522，会与同步环40上的外花键
41接触，由于内、外花键端面有相对的倒角，在倒角的作用
下，齿套52会推着同步环40向结合齿移动(此时齿套52和
同步环40转速相同)：当同步环40移动到与结合齿11接触时，
由于结合齿11和同步环40转速不同，结合齿11的第一摩擦
面会与同步环的第二摩擦面之间会产生摩擦，由于结合齿11
没有其它动力输入，所以结合齿11在摩擦力的作用下转速会
不断接近同步环40的转速直至与同步环40的转速完全相同。
参见图2c，为异步状态，齿套52处于同步环40之后与
结合齿11结合之间，由于同步环40失去了齿套52提供的压
力，同步环40与结合齿11脱离接触。此时电机1通过调速使
得第一轴2升高或降低，使得第一轴2的转速和第二轴3的转
速不同。
同步环40能够与结合齿11脱离接触的原理如下：
随着转速差的消失，结合齿11和同步环40之间的摩擦力
也随之消失，此时，齿套52就可以推开同步环40继续向前移
动：即在其同速转动后，同步环能够脱离接触结合齿；这是因
为：花键是直齿，当齿套52的内花键522越过同步环40上的
外花键41的倒角后，由于花键接合面与齿套52的力的方向(也
就是移动方向)平行，所以齿套52受到的力就无法传递到同
步环40上，且内花键是有间隙的，所以同步环40就会在齿套
的内花键的间隙范围内晃动，使同步环40上的第二摩擦面42
与结合齿11的第一摩擦面脱离接触。
参见图2d，为结合状态，由于齿套和结合齿存在唯一的
相位角对应关系，当齿套52和结合齿11相位角不正确时，齿
套52无法与结合齿11结合，由于第一轴2的转速和第二轴3
的转速不同，因此齿套52和结合齿11转速不同，齿套52和
结合齿11之间的相位角不断变化，当齿套52和结合齿11之
间的相位角符合设计状态时，齿套52与结合齿11结合。在结
合的过程中，齿套52和结合齿11之间的结合花键吸收了齿套
52和结合齿11之间的转速差产生的能量，使得齿套52和结
合齿11之间具有相同的转速，进而使得第一轴2的转速和第
二轴3的转速相同，并使得第一轴2和第二轴3建立动力连接。
实施例2
如图4所示，实施例2是具有唯一相位角的换挡机构的另
一种实施方式，包括电机1、第一轴2、第二轴3、齿毂51、
齿套52和两组相位角同步组件，两组相位角同步组件包括两
个结合齿11和两个同步环40，对应每个结合齿，设有一个齿
轮副，一个齿轮副包括齿轮21、齿轮71，另一个齿轮副包括
齿轮22、齿轮72。
电机1的输出轴与第一轴2刚性连接。
两个结合齿11分别同轴的固接在齿轮21和齿轮22上；
齿毂51同轴的布置在第一轴2上，并与第一轴2刚性连
接。
齿套52同轴布置在齿毂51外侧，并通过花键与齿毂51
滑动连接。
一个同步环40同轴的布置在齿轮21和齿毂51之间，另
一个同步环40同轴的布置在齿轮22和齿毂51之间.
齿轮71同轴布置在第二轴3上并与第二轴3刚性连接，
齿轮71与齿轮21构成常啮合齿轮副；
齿轮72同轴布置在第二轴3上并与第二轴3刚性连接，
齿轮72与齿轮22构成常啮合齿轮副；
本实施例2的换挡过程原理与实施例1相同，以齿套52
向齿轮21方向挂挡为例：有齿套52将同步环40压紧到结合
齿11上，使得齿套52和结合齿11的转速差减小至零，然后
齿套52越过同步环40到达同步环40与结合齿11之间，之后
通过电机1调整第一轴2的转速，使得齿套52和结合齿11
间再次具有转速差，最后齿套52继续向结合齿移动，当齿套
52和结合齿11之间的相位角不满足设定的相位角关系时，齿
套52无法和结合齿11接合，在转速差的作用下，齿套52和
结合齿11之间的相位角不断变化，当齿套52和结合齿11之
间的相位角符合设计状态时，齿套52与结合齿11结合。在结
合的过程中，齿套52和结合齿11之间的结合花键吸收了齿套
52和结合齿11之间的转速差产生的能量，使得齿套52和结
合齿11之间具有相同的转速，进而使得第一轴2的转速和齿
轮21的转速相同，并使得第一轴2和第二轴3建立动力连接。
齿套52向齿轮22方向挂挡过程和向齿轮21方向挂挡过
程相同。
当齿套52与齿轮21上的结合齿11结合时，第一轴2的
动力通过齿毂51连接到齿套52上，齿套52通过结合齿11
连接到齿轮21上，齿轮21通过与齿轮71的常啮合传递动力
并最终与第二轴3建立动力连接。
当齿套52与齿轮22上的结合齿11结合时，第一轴2的
动力通过齿毂51连接到齿套52上，齿套52通过结合齿11
连接到齿轮22上，齿轮22通过与齿轮72的常啮合传递动力
并最终与第二轴3建立动力连接。
在其他实施例中，电机1的输出轴还可以与第二轴3刚性
同轴连接。
当动力由第二轴3输入，由第一轴2输出时，电机1的输
出轴与第二轴3刚性同轴连接，在机构由齿轮21与齿轮71
构成的常啮合齿轮传递动力切换到由齿轮22与齿轮72构成的
常啮合齿轮传递动力的过程中，由电机1输出动力，使得第一
轴2的动力输出保持不变；
当动力由第一轴2输入，由第二轴3输出时，电机1的输
出轴与第一轴2刚性同轴连接，在机构由齿轮21与齿轮71
构成的常啮合齿轮传递动力切换到由齿轮22与齿轮72构成的
常啮合齿轮传递动力的过程中，由电机1输出动力，使得第二
轴3的动力输出保持不变。
综上，本发明具有唯一相位角的换挡机构的工作原理如
下：通过齿套52将同步环40压紧在结合齿11上，通过摩擦
力同步齿套与结合齿之间的转速差；在齿套与结合齿的转速差
为零之后，将齿套移动到同步环和结合齿之间，消除同步环和
结合齿之间的摩擦力，并通过电机1调整结合齿或齿套的转
速，使得结合齿与齿套之间再次具有转速差；最后推动齿套与
结合齿结合，当齿套上的异形齿槽与结合齿上的异形齿完全对
应时，齿套与结合齿在设定唯一相位角处接合。
以上实施例是参照附图，对本发明的优选实施例进行详细
说明。本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的
修改或变更，但不背离本发明的实质的情况下，都落在本发明
的保护范围之内。