变速器的弹簧加载换挡装置 本发明涉及一种齿轮变速器的换挡机构，特别是这样的一种齿轮变速器换挡机构，其中的换挡拨叉是借助由一直线执行器加载的多个弹簧而产生初始移动和/或预加载的。
多种齿轮变速器都采用移动杆壳体部件，其中一个或多个可轴向移动的换挡杆被有选择地轴向移动，以与一选定的传动齿轮啮合或脱离啮合。这种换挡杆也称为移动导轨或移动导杆，每一杆上携带或连接一换挡拨叉。移动杆的运动引起离合件、或携带有离合齿的齿轮、或爪式离合器的轴向移动，这在现有技术中是公知的，并可参见美国专利第4445393；4754665；4876924和5053961号，其中所公开的内容包括在本说明书中作为参考。
通常用液压流体，压缩空气或电动机驱动的非人工致动的移动杆壳体部件及其控制装置在现有技术中也是公知的，可参见美国专利第4428248；4445393；4722237和4873881号，所有这些专利都已转让给本发明的受让人，均包括在本说明书中作为参考。
尽管现有方式致动的移动杆壳体部件一般是令人满意的，目前仍在使用，或发展为遥控和/或自动控制的换挡变速箱，然而现有技术的这类部件因其制造、安装和/或维护方面的复杂和/或昂贵，又不能完全令人满意。当齿轮箱中出现非同步或扭矩载荷，因而不能立即实现换挡时，这类现有技术的系统由于用于驱动移动杆的流体地可压缩性或电动执行器经受的强电流还有动作缓慢和难于控制的缺点。
按照本发明，当采用电动执行器时，现有技术的上述缺点能得到一定程度的消除或克服，这时电动执行器用于加载一弹簧，使换挡拨叉向所要求的位置移动，使得出现同步传动或扭矩中断时就可完成换挡。由于采用本发明的换挡机构，不需要采取任何特殊的控制手段来防止不能立即实现换挡时出现的过大的马达电流，这便消除了现有技术的换挡系统存在的缺点。
本发明的齿轮变速器换挡系统采用某些类型的电动执行器，例如电动机，驱动一滚珠滑道机构，使一个次级移动导轨产生轴向移动，进而使作用于携带换挡拨叉的初级移动导轨的一个驱动弹簧产生轴向位移和受到压缩。该移动弹簧提供一个力从而或者使初级移动导轨移动或者使其预加载，随后一旦出现同步，装在初级移动导轨上的换挡拨叉便移至一齿轮选定位置。如果未出现同步，则受压的该驱动弹簧只对初级移动导轨预加载，使得一旦出现同步，便可立即实现换挡。当次级移动导轨被执行器轴向移动一定距离后，一移动件被该次级移动导轨驱动，而该移动件又直接作用于初级移动导轨，从而立即将一明显的加荷(与弹簧负荷无关)传递到初级移动导轨，并随后传送到换挡拨叉。以这样的方式，当未出现同步时，由于执行器仅使连杆机构轴向移动，以使一弹簧预加载，而不是直接作用于换挡拨叉(该换挡拨叉在变速箱非同步换挡情况下不能产生轴向移动)，这就减少了供入执行器的电能。以这样的方式，各种电气部件的能量需求得到优化，而各机械部件的强度要求可以降低，从而降低成本和复杂性，而改善换挡机构的综合性能。
本发明的一个目的是提供一种齿轮变速器换挡装置，它通过对一操纵换挡拨叉的弹簧的预加载，实现快速换挡。
本发明的另一目的是提供一种齿轮变速器换挡装置，它通过对一操纵换挡拨叉的弹簧的预加载，允许在非同步换挡状态时马达作完全轴向运动，从而减小供至直线执行器的电流。
本发明的又一目的是提供一种齿轮变速器换挡装置，它通过使用直线执行器对一操纵换挡拨叉的弹簧的预加载，实现平稳换挡。
本发明的另一目的是提供一种齿轮变速器换挡装置，它通过先对一操纵换挡拨叉的弹簧预加载，随后从换挡连杆机构直接向初级移动导轨作用一个力，实现平稳换挡。
图1是本发明的换挡装置可以得到采用的现有技术的齿轮变速器部分剖视图；
图2是本发明的变速器换挡装置剖视图，示出其未通电状态；
图3是本发明的齿轮变速器换挡装置剖视图，示出其换挡步骤完成50％时的状态；
图4是本发明的齿轮变速器换挡装置剖视图，示出其换挡步骤完成75％时的状态；
图5是本发明的齿轮变速器换挡装置的一种替换实施例剖视图；和
图6是本发明的齿轮变速器换挡装置的第二种替换实施例剖视图；
本说明书中为方便起见采用了一些术语，但它们仅为参考之用，并非是对本发明的限制。例如术语“向前”和“向后”，系指通常安装在车辆上的变速器或变速器换挡杆壳体部件的向前和向后方向。术语“向右”和“向左”，系指与所用术语相关的附图中的方向。术语“向内地”和“向外地”分别指朝向和远离所述装置的几何中心。术语“向上”和“向下”系指与所用术语相关的附图中所取的方向。所有上述术语包括其通常的派生词和同义词。
滑动齿轮型和滑动离合器型多速变速箱是现有技术公知的，其例子可参见美国专利第3387501；4273004；和4296642号，它们所公开的内容包括在本说明书中作参考。就“滑动齿轮型”而言，是指将其中选定的齿轮移至与其它齿轮相啮合的那些类型；而“滑动离合器型”，是指借助可以轴向滑动的离合器将常啮合的齿轮有选择地离合在某一轴上。本发明既可用于上述类型的变速器，又可用于任何其它形式需用轴向运动来完成一定速比换挡的变速器。
上述两种类型的变速器中，滑动件(齿轮或离合器)上设有一个槽，其中可容纳一换挡拨叉或换挡叉(或其它移动件)，以对其传送一选定的轴向运动。换挡拨叉或叉典型地是由一可轴向运动的移动导轨或移动杆携带，或至少通过后者作有选择的轴向运动。从而所携带的换挡拨叉或叉具有一轴向取中的或未移位的空挡位置，并可从该位置沿第一和第二两个相反的方向作轴向运动，以分别与第一和第二选定的速比齿轮啮合。因而在这种类型的变速器中，每一对可选择地啮合的齿轮需要一组移动导轨和换挡拨叉。
移动导轨和换挡拨叉等的结构和操作(它们不是本发明的实质特征)，参考已转让与本发明的受让人的美国专利第4550627号后会得到更好的理解，该专利也包括在本说明书中作参考。
本发明的滚珠丝杠换挡部件50(见图2)可有利地与之结合使用的典型的“滑动离合器型”变速箱10可参见图1。应当理解的是，本发明可与各种类型的变速器结构，尤其是那些采用某些类型的滑动机构完成换挡的变速器结合使用。现有技术的变速箱10是一种简单的变速器，或现有技术中已经公知的通常称为双中间轴型，其进一步的细节可参见上述美国专利第3105395和4152949号，以及美国专利第4550627中公开的其操作，这些专利均已转让给本发明的受让人，并包括在本说明书中作为参考。
所示变速器10包括一输入轴24，它携带一输入齿轮26，以随之一起转动，输入轴24通过一现有技术中公知的主离合器或变矩器(未示)被发动机之类的原动机驱动。一对基本相同的中间轴34和36，借助轴承39，40，41和42，分别可转动地安装在壳体37中。还设有一主轴或称输出轴23，它最好浮动地和/或以枢轴方式安装在变速器壳体37中。
每一中间轴34和36均带有若干中间轴齿轮，包括如图所示由中间轴34所携带和非转动地固定其上的齿轮8，14，15和27，以及固定在中间轴36上的齿轮9，11，13和17，以使随之一起旋转。两中间轴34和36通过分别与齿轮27和齿轮11啮合的输入齿轮26，被输入轴24转动地驱动。多个中间轴齿轮与相应的主轴齿轮常啮合，例如中间轴齿轮15，14和8与相应的主轴齿轮16，18和12相啮合。同样，中间轴齿轮13，17和9与相应的主轴齿轮16，18和12常啮合。两中间轴34和36的同时啮合，使输入负荷分流，这产生了双中间轴变速箱这个术语。
中间轴齿轮27，15，14，8，11，13，17和9固定在相应中间轴34和36上，而主轴齿轮12，16和18则允许相对主轴23转动。当通过用数个爪式离合器19，21和28(每一离合器用于各自的两个啮合齿轮对)，使主轴齿轮中的一个非转动地连接到主轴23上时，中间轴34和36的动力便传递到主轴23上。例如，爪式离合器21被沿主轴23向前滑动时便与主轴齿轮16啮合，并将其非转动地固定在主轴23上。同样，当爪式离合器21被沿向后方向滑动时，它便与主轴齿轮18啮合，并将其非转动地固定在主轴23上。如现有技术中已经公知的，最好允许主轴23或主轴齿轮相对中间轴34和36有一定程度的浮动，以分担负荷。采用浮动主轴和/或浮动主轴齿轮的优点是现有技术公知的，并可参考上述美国专利第3105395号得到更详细的了解。
如上述讨论过的，可轴向滑动的爪式离合器19，21和28最好用花键连接安装在主轴23上，以便相对主轴作轴向滑动并随之一起转动。离合器21可以从所示空挡位置向前(向图1左方)运动，以便有选择地将主轴23连接到主轴齿轮16上，实现从输入轴24至输入齿轮26，再转动中间轴齿轮27和11的动力分流。转动的两个中间轴驱动着与主轴齿轮16相啮合的齿轮15和13。由于此时齿轮16非转动地固定在主轴上，旋转动力便传送至驱动路线的其余部分。
爪式离合器19，21和28中的每一个都借助一换挡拨叉54沿主轴23轴向运动。例如，换挡拨叉54(另参见图2)被容纳在离合器21的一个槽中，以控制离合器21相对主轴23的轴向位置。同样，换挡拨叉54分别容纳在离合器19和28的槽中，以轴向控制各离合器相对主轴23的位置。换挡拨叉54的运动典型地用装在设在壳体37顶部的一个换档塔盒中的变速杆(未示)来控制。变速杆通过一机构移动一个或多个移动导轨，而换挡拨叉又装在该移动导轨上。在本发明中，换挡拨叉54用一直线执行器控制，该执行器作用在相应的弹簧上，以对移动导轨预加载，这将结合图2和3进行讨论。应注意的是，在本发明的齿轮变速机构50在图1中未示出，然而却打算用于该类变速器10中。
所示变速器10采用刚性非同步爪式离合器，这在现有技术中是公知的。当然，也可采用摩擦离合器，同步刚性离合器和/或滑块式离合器它们在美国专利第4194410；3924484和3799002号中作过更充分的说明，所公开的内容在本说明书中引作参考。由于任何时刻仅允许一个离合器被啮合，以避免损坏变速器，所述各滚珠丝杠执器的操作应用一适当的电子控制系统(未示)协调一致，以防产生多于一个速比的啮合。
参见附图2，本发明的齿轮变速机构50以剖视图表示。可采用一个或多个机构50来控制相同数量的图1所示爪式离合器19，21和28的轴向位置。换挡拨叉54与爪式离合器19，21和28中的一个啮合，例如与爪式离合器21啮合，以使该离合器21沿轴向向右或向左移动，例如，通过爪式离合器21沿轴向向左移动，以转动方式与主轴齿轮，如主轴齿轮16啮合；同样，可通过换挡拨叉54和爪式离合器21沿轴向向右移动，与以转动方式连接在主轴23上的主轴齿轮18相啮合。这样，本发明的齿轮变速机构50使换挡拨叉54沿轴向向左和向右运动，引起爪式离合器，例如爪式离合器21运动，以便与主轴齿轮16或18啮合，或者使该离合器沿轴向运动，以便与主轴齿轮16或18脱离啮合。传统方式是，通过变速杆(未示)与包含移动导轨以及附在其上的换挡拨叉54在内的齿轮箱换挡机构之间的机械式连杆机构，实现爪式离合器21的运动。一直线执行器，通常为一驱动滚珠丝杠机构的电动机与本发明结合使用，以使一个或多个移动导轨运动，从而取代司机/操作者。该操作者操纵变速杆使移动导轨运动。
为控制初级移动导轨52的轴向运动，采用了一个直线执行器58，它可以是各种执行器，例如电动机驱动的丝杠或滚珠滑道机构或液压执行器中的任何一种，所有这些执行器均用某种形式的向该直线执行器58提供信号的电子控制系统进行控制。控制信号通过电力线59送至执行器58，该电力线向例如一个电动机供给电流，该电动机产生转动一丝杠的动力，按照本发明该丝杠使一次级移动导轨56沿轴向运动，并平行于初级移动导轨52的运动方向。左次级凸缘56A和右次级凸缘分别被左连接板62A和右连接板62B叠合。位于左连接板62A和右连接板62B之间的是右驱动弹簧60A和右驱动弹簧60B，或任何其它形式的弹性件，它们构成了图2所示本发明的机构，该图为未通电时的状态。
连接板62A和62B的作用是在次级移动导轨56被执行器58驱动时使驱动弹簧60A、60B对初级移动导轨起作用。图2和3示出次级移动导轨56沿轴向向左运动的情况，这时连接板62A允许初级移动导轨52保持静止状态(假定此时齿轮处于非同步状态)。同样，如果次级移动导轨56从图2所示未通电状态向左移动，则连接板62B将驱动弹簧60B的力传至初级移动导轨52，同时允许次级移动导轨自由移动。
驱动弹簧60A和60B可以是能在次级移动导轨56和初级移动导轨52间产生弹簧性能作用的任何型式的弹性件。可用气缸代替上述驱动弹簧60A，该气缸具有某一泄气速率，使得一旦完成换挡，该气缸经过给定的时间周期后自动降低其力级。
驱动弹药60A和60B具有的弹簧刚度约为100磅平方英尺/英寸(1bssf/inch)，安装后具有的静预加载荷为约50磅平方英尺(1bsf)。这些值可变化，以适应具体变速器结构。
一旦次级移动导轨56在连接板62A中移动，并与靠在初级移动导轨的初级凸缘52A上的连接板62A的侧面相接触后，执行器58的任何进一步的向左运动将刚性地传至初级移动导轨52，并随之传至换挡拨叉54。这样，次级移动导轨56的75％的移动量作用在驱动弹簧60A上，而该次级移动导轨56的其余25％的移动量直接作用在初级移动导轨54上。如果在预计的最后25％移动量过程中不能完成换挡，执行器58将进入阻滞状态，这就可能出现大电流。作为一种替换机构，连接板62A和62B可制得较宽，以承接完成换挡所需的全部移动量。在这种结构中，由于驱动弹簧60A和60B可以传递全部换挡力，次级移动导轨56和初级移动导轨52间，不会形成任何刚性连接。
参见图3，在所示的本发明的齿轮变速机构50中，执行器58已通电，作用在执行器连杆57上，从而使次级移动导轨56向左运动，相对初级移动导轨52产生运动，压缩左驱动弹簧60A，以在完成约50％的移动量后，进入换挡或进入空挡(不在挡住)。图3所示位置是假定由于例如在非同步换挡条件下，爪式离合器21不能沿轴向运动至与图1所示的主轴齿轮16相啮合，或由于扭矩传递条件而不允许拨叉54移至离开挡位的空挡，因而不能完成换挡。通过次级移动导轨56的运动压缩左驱动弹簧60A，初级移动导轨52和拨叉54被用力预加载，这样，当爪式离合器21和主轴齿轮16间出现同步时，便可完成换挡。而在现有技术中，未设驱动弹簧60A，如果爪式离合器21和主轴齿轮16间未处于同步状态，执行器就会阻滞，强的工业电流会施加在马达上，使执行器发热和减少其使用寿命，和/或可能导致齿轮换挡机构的机械损坏。右连接板62B在右次级凸缘56B的作用下也产生运动，因而右驱动弹簧60B处于正常状态。
参见图4，所示本发明的齿轮变速机构50处于这样的状态，此时已完成约75％的移动量，同时执行器已运动至四分之三行程，从而对驱动弹簧60A充分预加载。执行器连杆57已伸出，从而使次级移动导轨56进一步向左移动，引起左驱动弹簧60A被进一步压缩，从而通过左连接板62A对初级移动导轨52和换挡拨叉54施加附加预加载荷。应注意，由于假定爪式离合器21相对主轴齿轮16未出现同步条件，换挡拨叉尚未沿轴向移动。一旦出现同步，初级移动导轨52和相连其上的换档拨叉54便沿轴向向左运动，使爪式离合器21与主轴齿轮16啮合，例如，以这样的方式，执行器58可通过电力线59通电至约75％行程状态，然后停下来，直至可以完成换挡之前都不再供给额外的电流。可以完成换挡时，执行器58可以被进一步伸出，通过次级移动导轨56与左连接板62A和左初级凸缘52A的接触，移动初级移动导轨52，迫使爪式离合器21以确定的方式与主轴齿轮16啮合，一旦达到这一时刻，执行器58便可被反向，使左驱动弹簧60A和右驱动弹簧60B处于平衡，采取图2所示的状态，直至要求换回为空挡。
一旦爪式离合器21已沿轴向移动至与主轴齿轮16啮合，执行齿58便可沿缩回执行器连杆57的方向反向，从而使次级移动导轨56沿轴向向右运动，压缩右驱动弹簧60B，并对携带换挡拨叉54的初级移动导轨52预加载，一旦出现驱动路线扭矩中断，便可拉出爪式离合器21，与主轴齿轮16脱离啮合，扭矩的中断可通过例如改变油门位置来实现。采用现有技术的换挡机构时，执行器是刚性地附着在初级移动导轨52上的，并且在出现扭矩中断允许完成换挡前，一旦处于阻滞状态。而在采用本发明的情况下，右驱动弹簧60B被压缩，并对初级移动导轨52预加载，一旦出现扭矩中断，立即向右运动，从而允许执行器58将执行器连杆57移动至换挡控制系统指定的位置。防止了执行器处于阻滞状态。以这样的方式，换挡控制系统对换挡程序的时机选择变得不那么苛求，换挡规则也可得到简化，这是因为采用本发明后，与在执行器58和初级移动导轨52间采用刚性连接的现有技术比较，送至执行器58的控制信号的时间选择，已不那么严格要求。
图5示出本发明的一种替换实施例，其中执行器58用于沿轴向移动一个执行器从动件74，该执行器从动件74沿移动导轨76轴向滑动，以此通过一个连接件80作用和压缩一驱动弹簧82，从而对移动轨道76和附在其上的换接拨叉54预加载，以使如图1所示爪式离合器21那样的爪式离合器移动。由于驱动弹簧82被逐渐压缩，最终使连接件80与轨道凸缘78的内侧接触，从而在执行器机构间形成刚性连接，该执行器机构连接一滚珠丝杠机构之类的执行器从动件，该滚珠丝杠机构中的丝杠72与执行器从动件啮合，并产生转动，以沿移动导轨76移动执行器从动件74。图5所示齿轮变速机构70可以允许对换挡拨叉54沿向左方向预加载，但当向右方向移动时，由于连接器80与导轨延伸部的内部相接触，形成非预加载的受力条件，使换挡拨叉54以更传统的方式向右移动，在执行器和移动导轨76间提供刚性连接。连接器80将弹簧82保持在预定位置，并视为执行器从动件74的一部分而随之一起运动。该实施例可用于在移动的爪式离合器仅与一个主轴齿轮而不是与两个主轴齿轮啮合的情况下对换挡拨叉54弹簧加载。换挡控制系统可向发动机发出信号，以在向右运动时中断扭矩，将爪式离合器拉离齿轮。
参见附图6，示出的本发明第二种替换实施例中，执行器58通过滚珠丝杠之类的机构使执行器从动件92轴向移动，该机构中的丝杠72与执行器从动件啮合，一旦执行器58转动便驱动执行器从动件向左或向右运动。执行器从动件92与导轨从动件90啮合，该导轨从动件90在移动导轨76上沿轴向滑动，作用在左驱动弹簧82A上，或作用在右驱动弹簧82B上，从而在移动导轨76和所附换挡拨叉54上引起沿向左方向或沿向右方向的预加载。
如果爪式离合器21和主轴齿轮16，例如处于非同步状态，从空挡位置向齿轮位置的换挡将不能实现，如果执行器刚性地连接在移动导轨76上，便会产生很大的力。通过采用本发明，执行器是通过左驱动弹簧82A，或通过右驱动弹簧82B连接在移动导轨上的，从而可以对执行器58加以控制，并向它发出指令，它驱动从动件92到达一个使执行器58不承受阻滞状态的位置。在未设置复杂的检测和运算系统的情况下，由于离合器控制系统不知道什么时刻是能使换挡立即完成的最佳时刻，因而所发生的阻滞状态将导致系统中出现大电流和强载荷。随后，如果希望沿向右方向轴向移动换挡拨叉，无论是要使爪式离合器21与主轴齿轮16脱离啮合，还是要使爪式离合器21与主轴齿轮18啮合，该执行器都会通过电力线59接受指令，发生转动，并使从动件92向右运动，该从动件92又使移动导轨从动件90向右运动，通过随该从动件90轴向移动的右连接件80B，压缩右驱动弹簧82B，通过导轨凸缘78B在移动导轨76上产生预加载荷。一旦出现同步或扭矩中断，由于右驱动弹簧82B上的预加载荷，移动导轨76便沿轴向向右移动，从而使换挡拨叉沿轴向运动，与主轴齿轮或者脱离啮合，或者进行啮合。完成换挡或脱离啮合后，左驱动弹簧82A和右驱动弹簧82B便呈现图6所示的非通电状态。以同样的方式，如果希望沿向左方向轴向移动换挡拨叉54，该执行器58接受指令，发生转动，并使执行器从动件92向左运动，该从动件92又使导轨从动件90向左运动，如果不能立即完成换挡，便压缩左驱动弹簧。如果能立即完成换挡，则左驱动弹簧受到有限的压缩，而移动导轨76沿轴向向左运动，立即将换挡拨叉移到所要求的位置。如果不能立即完成换挡，则左驱动弹簧82A通过左连接件80A受到压缩，该驱动弹簧便在左导轨凸缘78A和移动导轨76上施加强制预加载荷。最后，随着执行器继续使该从动件沿轴向向左移动，左连接件80A与左导轨凸缘78A接触，左执行器和移动导轨76间形成刚性连接，这时便以更传统的方式，由从动件92的位置决定换挡拨叉54的位置。
尽管本发明以其带有一定程度特殊性的优选形式作了说明，但应理解，各优选实施例是仅以举例的方式进行公开的，其结构细节在各零件的组合和排列上还可作出各种变化，而不脱离权利要求的本发明的精神和范围。