同步器 本申请案有关于美国专利申请，其申请号为632,881；632,882；632,883；632,884；633,703；633,704；633,738；633,739；633,743；633,744。这些申请的申请日期为1990年12月24日，这些申请全部已转让给本申请的受让人，在本申请中引述了这些申请，以作参考，
本发明涉及一种用于变速器的同步器。具体涉及一种自加力型同步器。
在多档变速器领域中，可用同步器机构缩短全部或一部分传动比的换档时间已属常见。也属常见的是用自加力型同步器机构，来节省车辆操纵者所需的换档力，即在换档杆上的施力。由于操纵者的换档力，一般需随车辆的大小增加，故自加力型同步器机构，对重型载重汽车尤其重要。这种机构的现有技术实例可参看美国专利第2,410,511；2,896,760；3,548,983；4,413,715；4,836,348及4,869,353号等。本文引述这些专利以作参考。
上述各专利的同步器机构，包括摩擦件及牙嵌件。它们用于将一个齿轮与一根轴分别进行同步化和强制接合；还有同步环，它响应一个预加力执行摩擦件的初步接合而接合，而摩擦件的初步接合是响应牙嵌件之一在换档力作用下所作初步接合运动而实现的。同步环的运作防止牙嵌件的不同步接合并将换档力传递给摩擦件以增大其同步扭矩；以及有自加力斜面，它随同步扭矩反应为换档力提供同方向和附加的力，以进一步增大摩擦件的同步扭矩。
这些专利的同步器机构的结构，与本申请的插销式同步器机构有很大的差异。至少一部分由于这种结构差异，难以使插销式同步器机构具有上述的自加力特点。
以外，虽然这些专利的同步器机构可能大大减少换档时间和换档力，但是它们没有考虑到在全部变速范围中有不同的换档要求；也就是：一般低速档要求比高速档用更多地换档力和/或换档时间，并且降级换档一般比升级换档用较多的换档力和/或换档时间。
本发明的目的是提供一种带有改进的自加力装置的同步器。
根据本发明的特征，正如美国专利3,548,893号所揭示和本申请权利要求1的特征部分所公开，一种同步器，它包括第一和第二传动件，它们安置得能绕一个共同轴线相对转动并固定成不能作相互轴向运动，该同步器还包括一个离合器机构使所述传动件摩擦地同步化并确定地连接。所述离合器机构包括第一牙嵌装置，可轴向移动与第二牙嵌装置结合，以响应由一轴向向着第二传动件并施加于一换档装置的换档力所引起的第一牙嵌装置的结合运动而确定地将所述传动件连接。第一摩擦装置，可响应第一牙嵌装置的接合运动作轴向移动与第二摩擦装置结合以产生一个用于第二传动件的同步扭矩。第一和第二同步环装置可响应第一牙嵌装置的接合运动而移动接合，以防止第一和第二牙嵌装置的非同步接合，和将换档力传递给第一摩擦装置以产生第一和第二摩擦装置的接合力，以及产生一个与第二传动件同步扭矩相反的扭矩以便当同步化实现时将第一和第二同步环装置移动至脱离接合。当接合时起动的第一自加力装置，它对第二传动件的同步扭矩反作用以产生一个在换档力方向上轴向朝向第二传动件的轴向增力，以增大第一和第二摩擦装置的接合力。
本发明改进之处在于，所述第一牙嵌装置包括有内花键可滑动地持续与附于第一传动件上阻止相对其旋转和轴向移动的外花键啮合。所述第一自加力装置包括有通过第一和第二同步环装置将轴向增力引向第一摩擦装置的装置。
本发明的同步器机构如附图所示，附图如下：
图1为沿图2中线1-1观看的双作用同步器剖视图；
图2为沿图1中线2-2观看的局部剖视图；
图3及3A表示图1及2中的机构的自加力斜坡部分。
首先主要观看图1及2，图中为未示其余部分的变速器的齿轮及同步器组合件10，该变速器的类型适用于陆地车辆，特别适用于重型载重汽车。但是组合件10亦可用于其他用途。该组合件包括有轴12以未示出的方式安装作绕中心线12a的旋转，有间距的速比齿轮14、16可旋转地支持在轴上，靠用常见方式安装在轴上的环形推力件18、20制止其相对于轴的轴向移动，还有一个双作用销式同步器离合器机构22。当组合件10为双中间轴变速器一部分时，诸如美国专利第3,648,546及4,788,889号所揭示，该两专利本文引述以作参考，齿轮上的齿14a、16a与发动机驱动的中间轴上的随动齿轮15、17常啮合，轴12与一个载荷连接，或可选择地连接，轴12如现有技术中所常见可自由稍作轴向移动。本文中齿轮14代表比齿轮16低的速档；两者都可以通过升级或降级换档切入。
同步器机构22有环形磨擦件24,26和固定在齿轮14、16上的环形牙嵌离合器件14b、16b，一个牙嵌离合器齿28有内花键齿28a与在轴上一体形成的或以其他方式附加的外花键齿12b作可滑动的啮合，一个具有自加力斜坡的环形套筒30，一个径向伸展的换档法兰32，具有径向的内极点32a，用推力件34限制其相对于牙嵌离合器28的轴向运动，而允许在法兰与牙嵌件之间相对旋转，环形摩擦件或环36、38共同用三个在圆周上间隔布置的销40刚性紧固，销40从各摩擦件上轴向伸出并通过法兰上的孔32b，还有三个在圆周上间隔布置的花键销型预加力组合件42在摩擦件之间轴向伸展，并穿过在孔32b之间有交替间距的孔32c。作为替换，也可使同步器机构22为单作用销式，即其构形为仅使一个齿轮与一个轴作同步及牙嵌啮合；诸如美国专利第3,221,851号揭示的机构，本文引述以作参考。销40的数目可比本文揭示的多或少，也可使用其他类型的预加力组合件42。
显而易见，摩擦件24、36及26、38配对形成摩擦离合器在牙嵌离合器接合前使齿轮与轴同步。虽然以锥形离合器为理想，但也可用其他型式的摩擦离合器。可用已知的若干方法中的任何一种，例如焊接，将摩擦件24、26与相关的齿轮固定。摩擦件24、26有锥形内摩擦表面24a、26a分别与锥形外摩擦表面36a、38a配合。摩擦件24、26与36、38亦分别称为同步杯和环。
锥角的范围可以很广；这里希望用12°至7.5°的锥角。摩擦表面36a、38a和/或24、26a可用已知的若干摩擦材料的任何一种做成并固定在基础件上；这里最好使用热解碳摩擦材料，如美国专利4,700,823；4,844,218号所揭示。这些专利引述于此以作参考。
每一销40包括有大直径部40a，其直径略小于法兰孔32b的直径，一个缩径部或槽部40b间隔地置于摩擦环36、38之间(此处为在中点上)，以及锥形同步环肩台或表面40c、40d从销的轴线径向向外延伸并以一角度轴向地相互分离，该角度形成阻隔直至基本实现同步。有槽的部分当放入相应的法兰的孔中时，允许刚性摩擦环及销组合件相对于法兰作有限的旋转，使销的同步环肩台与围绕法兰孔形成的倒棱同步环肩台32d、32e接合。
预加力组合件42为美国专利第4,252,222号揭示的分股销型，本文引述以作参考。每一组合件42有一对半圆柱形的半壳部44，它们当压在一起时其主直径小于孔32c的直径，半环形槽44a带有倒棱端44b和一个片簧46将环形槽偏压分离，使槽的倒棱与围绕孔32c相对端上形成的法兰倒棱32f接合。半壳部44的端部抵靠摩擦环36、38，处在其上的长槽36b、38b中。
环形套筒组合件30包括有套筒件48、50在轴向上将组合件30叠夹，并靠齿轮14、16抑制其相对于轴12的轴向移动。套筒件48、50有内花键齿48a、50a与外花键齿28b、28c作滑动啮合。啮合的花键齿48a、50a与28b、28c防止套筒48、50与牙嵌件28相对旋转。套筒件48、50叠夹时，形成三个在圆周上间距布置的孔52，从相对于轴的轴线12a的径向上观看时其形状大致如沙漏，如图3和3A所示。法兰32有三个弧形孔32g由三个径向伸展的辐条或反应部32h分隔，反应部径向伸过一个沙漏形孔52。各孔52有自加力坡面52a、52b、52c、52d，与法兰反应部32h形成的基本平行的坡面配合。图1,2和3表示法兰32处于中间状态，这时反应部32h处在各沙漏形孔52的腰部52e中。当法兰32处在中间状态时锥形离合器的摩擦表面分离。要求将任一齿轮与轴耦合时，将一个与法兰32外周缘连接的图中未示的适当换档机构按常见的方式将法兰沿轴12的轴线轴向移动，或向左与齿轮14耦合，或向右与齿轮16耦合。换档机构可由操作者通过连杆系手动，可用作动器按选择推动，或用一种装置，这装置既可将换档机构自动起动，又可控制对换档机构的施力大小。换档机构手动时，施力与操作者在换档杆上的施力成正比。无论手动或自动，在法兰32上的施力为轴向，在图3A中以箭头Fo表示。当反应部32h轴向离开腰部52e时，孔52的斜坡允许法兰相对于牙嵌件28及轴12作有限旋转，并对锥形离合器的同步扭矩反应，提供轴向自加力的增力，以增大由加在法兰32上的换档力将其初步接合的锥形离合器的接合力，从而增大锥形离合器提供的同步扭矩。可以设置坡面使一个或两个齿轮同步，并且/或者随任一方向的扭矩而同步，例如在升级或降级换档时。现仅作举例，随任一方向的扭矩反应，坡面52a、52b提供轴向增力以增大齿轮16的同步，而坡面52c、52d随任一方向的扭矩向齿轮14提供轴向增力。坡面角可变化，为升级及降级换档和高低速档提供不同大小的轴向增力。并且，假如不希望在一个方向上对一个或多个齿轮作轴向增力，则可使坡面做成与轴的花键齿平行。仅作为举例，可使斜坡52a和/或52c与轴的轴线12a平行以不随同步扭矩提供轴向增力。
换档机构将法兰32在轴向上初步右移，使法兰倒棱32f与预加力倒棱44b接合，实现摩擦环表面38a与摩擦表面26a的接合。摩擦表面38a、26a的初步接合力，必然是弹簧46的力和倒棱角度的函数。初步摩擦接合(假定有不同步状态存在，并暂时忽略自加力斜坡的作用)产生锥形离合器的初步接合力和同步扭矩To,To保证法兰32与已接合的摩擦环之间的有限的相对旋转，从而销的缩径部40b向法兰孔32b的适当侧移动使销的同步环肩台40d与法兰的同步环肩台32e接合。当同步环肩台接合时，操作者在法兰32上施加的全部换档力Fo通过同步环肩台向摩擦环38传递，从而操作者施出的全部换档力Fo将锥形离合器接合而提供操作的合成同步扭矩To。这个操作同步扭矩To在图3A中用箭头To表示。由于同步环肩台相对于操作者的换档力Fo的轴向倾斜，故产生一个反向力或反同步扭矩，它与锥形离合器的同步扭矩相反，但在不同步状态下其量较小。当达到基本同步时，同步扭矩降到小于反同步扭矩，从而同步环肩台将销移动达到与孔32b同心，使法兰可继续轴向移动，将牙嵌件28的外花键齿28c与牙嵌件16b的内花键齿接合。如在先有技术中所知，并仅对牙嵌件16b用图号标示，花键齿的前沿部有前坡缘16c以减少齿在初始接触时的损坏，有倒棱表面或楔形面16d以将齿同步对正啮合。有这种前缘部的齿，在美国专利4,246,993号以及美国专利第3,265,173号中有较详细的叙述，在本文中加以引述，以作参考。上述美国专利提供了关于适当坡角的教导。楔形面可不对称以防止由于齿的前缘抵靠而延迟换档的完成。为便利换档在平顺而相对省力的情况下完成，齿最好在圆周方向上尽可能细小，从而尽可能减少齿的对正接合所需要的旋转度数。
在仍不考虑自加力坡面的影响下，可用下式(1)表示力Fo所提供的锥形离合器的扭矩：
To=FoRcμc/Sinα (1)式中Rc=锥形摩擦表面的平均半径，
μc=锥形摩擦表面的摩擦系数，
α=锥形摩擦表面的角度。
现在看自加力坡面的影响，具体参看图3及3A，由于操作者施加的轴向换档力Fo，同步扭矩To必然通过销40传递到法兰32并且通过自加力坡面反作用到轴12。自加力坡面限制法兰相对于轴12和牙嵌件28的旋转并产生轴向分力或作用在法兰上的与换档力Fo同方向的轴向增力Fa，从而更加增大锥形离合器的接合力，以提供一个加到扭矩To上的附加同步扭矩Ta。图3表示换档法兰32处在相当于图1和2中的零位上时自加力坡面的位置。图3A表示当齿轮16由接合的锥面26a、38a使其同步时斜坡的位置。在法兰件反应部32h与坡面进行接合的方向上，接合的锥形面产生同步扭矩。因此，用于接合锥形离合器的轴向力的总和为Fo+Fa。而由锥形离合器产生的同步扭矩的总和为To+Ta，如图3A图解表示。操作者的换档力Fo和同步扭矩To一定时，轴向增力的大小最好为接合的自加力坡面角度的函数。这角度最好大到足以产生足够的增力Fa，其大小在随操作者施加的中度换档力反应时足以有效地增加同步扭矩并减短实现同步的时间。但是，这角度最好又小至足以产生可控的轴向增力Fa，即力Fa应能响应力Fo的增减而增减。假如坡角过大，则斜坡便成会产生自锁而不会产生自加力；因此，一旦锥形离合器执行初始接合，力Fa便不管力Fo如何，迅速并无控制地增大，乃至使锥形离合器趋向锁紧。自锁而不是自加力将会降低换档的质量或手感，并可能促使同步器元件的应力过大，而且还会造成锥形离合器表面过热和迅速磨损，甚至对操作者的换档杆动作造成超控。
计算自加力斜坡θ以及提供与操作者施力Fo正比增减的增力Fa所使用的主要变量为：锥形离合器角度α，锥形离合器摩擦系数μc，锥形离合器的平均半径率Rc和自加力斜坡的平均半径率Rr，坡面的摩擦系数μr，和自加力斜坡的压力φ角等。这里压力角φ为零。
锥形离合器产生的总同步扭矩Tt为：
Tt=FtRcμc/Sinα (2)式中 Tt=To+Ta (3)且 Ft=Fo+Fa (4)
未求导数的轴向增力Fa的计算式为：Fa=Ftancosθ-μrsinθ/cosφsinθ+μrcosθ/cosφ---(5)]]>
式中斜坡角θ在与轴的轴线28a垂直的平面中测量得知，Ftan在斜坡上作用并且为扭矩Tt在Rr处的切向分力。在一个扭矩方向上的Tt及Ftan，在图2中分别用相似的箭头标示，而Ftan也在图3A中标示。因此， Ftan=Tt/Rr (6)将式(5)及(6)代入式(4)，求Ft，得出：Ft=Fo1-cosθ-μrsinθ/cosφsinθ+μrcosθ/cosφRcμcRrsinα---(7)]]>Ft/Fo的定义为加力比或自加力比。操作者施力Fo一定时，加力比愈大，则总同步力Tt愈大。加力比等于1时，斜坡角θ相当于90°；这角度与轴的花键平行，无自加力。当θ角减小时加力比增大。曾使用的加力比约为1至5。然而最好加力比大于1，而小于5。当式(7)中分母趋向于零时，Ft/Fo趋向于∝。这当然发生于式(7)中负数项趋近1之时。因此，在下列条件下，斜坡可自加力而不自锁：cosθ-μrsinθ/cosφsinθ+μrcosθ/cosφRcμcRrsinα<1---(8)]]>在某一给定的同步器构形中，设定Rc,μc,Rr,α等于常数K，便可将式(8)简化：RcμcRrsinα=1K---(9A)]]>或：RrsinαRcμc=K---(9B)]]>将任一式(9)代入式(8)，重组，并解坡角θ后，得式(10)。该式(10)可求得最小坡角θ。这种最小角度可产生自加力Fa。该力Fa与操作施力Fo成正比，这样可提供最大的可控加力比，而不自锁。θ>TAN-11-Kμr/cosφK+μr/cosφ---(10)]]>由于此处的斜坡压力角φ为零，cosφ等于1，故可消去。必须注意θ是在与轴的轴线12a垂直的平面中测量得知，因此增大角θ的数值，便使力Fa与扭矩Ta的数值减小，必然也减小总扭矩Tt的数值。因此，假设全部其他的变量不变，则当K增大时，最小θ角可以减小。
更具体讲，为防自锁并保持Fa与F。成正比，则在下列条件下应增大最小的θ角：
当平均半径比Rc/Rr增大时，且/或
锥角α减小时，且/或
离合器摩擦系数μc增大时，且/或
斜坡压力角φ增大时，且/或
斜坡摩擦系数μr增大时。
并且，计算所谓给定的几何构形的最小斜坡角度和最大理想加力比时，最好有一个安全系数，以防止制造公差及元件的正常磨损等造成自锁或过大加力。
现考虑同步器机构10在多档变速器中的应用，如已知，使变速齿轮同步所需的时间随总同步扭矩的增大而减少。此外，由于反射惯力的差异，即作同步的元件的实际惯力加摩擦，使低档变速齿轮同步所需的功一般大于使高档变速齿轮同步所需的功。另外，对给定速比齿轮降级换档时同步所需的功一般大于升级换档时所需的功。因此，在多档变速器中使用本文揭示的同步器机构时，低速档的同步器机构最好配备较高的加力比，高速档的同步器机构最好配备较低的加力比。并且，在给定速比的齿轮中，降级换档的加力比最好大于升级换档的加力比。在对增力比作这样的安排后，在配置自加力同步器机构的变速器的全部变速档中，可达到基本相同的换档时间或同步时间。本文揭示的同步机构，通过将圆锥离合器α角，半径比Rc/Rr及自加力斜坡θ角变化，可很容易使加力比变化。
参看本文附图立刻可见，当牙嵌件28与相关齿轮的牙嵌件接合时，法兰32与轴12和任一个变速齿轮14、16之间的扭矩路线脱离。因此，相对小而易磨损的自加力斜坡决不能承受变速齿轮全扭矩载荷的损坏作用。这一点当将自加力斜坡径向内移时特别重要，因为在斜坡上作用的力随着相对于轴的轴线12a的斜坡半径的减小而增大。
再者，由于半径有差异，故在牙嵌件花键齿28a与轴花键齿12b之间的作用力大于在牙嵌离合器齿间的作用力。因此，牙嵌件花键齿28a与轴花键齿12b之间的花键连接的轴向长度最好大于保持牙嵌离合器齿有适当强度所需的长度。这较大的花键连接轴向长度是所公开的实施例的固有特点，而不需增长将法兰32移动的换档机构的行程，因为法兰32不在圆周上与牙嵌离合器28、30或轴12固定；因此牙嵌件花键28a可持续与轴花键齿12b啮合。这一点在操作者通过手控换档杆按已知的方式推动换档机构时特别重要。这杆的实例可参看本文引述以作参考的美国专利第3,850,047号。这杆一般属第一级杠杆类型，其中增长换档行程时，要求或者增大操作者的换档杆动作(通过改变杠杆的支点)，或者在给定操作者换档力下减小在换档机构上的施力。
自加力同步器机构的理想实施方案已揭示如上。本人认为在发明精神范围内，可对理想方案作许多变化和修改。下面的权利要求书意图概括经揭示的机构的具创造性部分以及属本发明精神范围的变化和修改。