专利名称：机动车离合器操纵用弹簧助力方法及电动执行器的制作方法
技术领域：
本发明属于机械传动技术，具体涉及一种机动车强制分离式常压摩擦离合器操纵用弹簧助力方法，以及实现该方法的一种具有弹簧助力的机动车强制分离式常压摩擦离合器操纵用电动执行器，可广泛用于对执行器要求单向大力输出的场合，特别是用在机动车有级变速换档的操纵系统中。
背景技术：
要分离强制分离式常压摩擦离合器，需要克服离合器的使主从摩擦传动件接合的压紧摩擦传动件的大反力，例如摩托车上的离合器此力为200至400牛顿。在现有的强制分离式常压摩擦离合器的电动、气动、液动操纵系统中，离合器操纵执行器源动力需要输出大力去克服上述反力才能分离离合器，使得操纵系统的功率大、体积大、成本高。
现有作为操纵强制分离式常压摩擦离合器的执行器，尤其是在机动车的有级变速换档操纵系统中，使用了电磁铁、气动或者液动的执行器。气动和液动执行器需要气压和液压源，需要控制阀去控制动作的执行，需要汽缸、油缸去实施动作，其系统结构复杂，技术条件要求高、成本高。电磁铁在通电初期，动铁与定铁之间有气隙，漏磁多，有效电磁力小，要满足作用力要求必须增加电磁铁的功率，于是有能耗大、体积大、重量大、成本高的缺点。
对于强制分离式常压摩擦离合器的分合多是一个有时间的过程，例如机动车中，分离离合器要求动作快(0.5秒内完成)，接合离合器要求动作缓(2秒左右完成)，但是电磁铁的动作猛，难于控制其动作过程时间，难于用在离合器操纵上。气动液动执行器要控制其动作过程时间，需要控制流体工质的压力和流量，使得系统的复杂性、成本提高。
另外，现有技术未考虑到常压摩擦离合器操纵动作行程的限位及离合器半离合操纵状态位置等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺点，采用了弹簧储能助力方法，并设计出实现此方法的电动执行器，使离合器操纵更容易，所需功率小，执行器体积小，低成本。
本发明采用以下技术方案实现上述目的
本发明设计的用电动、气动或液动的执行器操纵机动车强制分离式常压摩擦离合器分合的弹簧助力方法是设置至少一根助力弹簧，将助力弹簧的一端与离合器操纵系统的固定件或者固定件所在的机体连接，而另一端与系统的操纵机构或/和执行器具有输出动作的部分连接；在安装调试时，先将助力弹簧沿其变形复位力产生分离离合器操纵助力的方向变形到或超过离合器分离操纵有效作用起点并存储能量，使助力弹簧变形复位力作用到离合器摩擦传动件的压紧件上并与压紧摩擦传动件的力方向相反，弹簧的工作变形量达到从离合器分离操纵有效作用起点到完成离合器全分离弹簧都不全复原；当执行器分离离合器时，助力弹簧的复位力与分离离合器动作同方向，克服分离离合器操纵的部分或者全部阻力，减小执行器分离离合器动作需要的原动力；当执行器接合离合器时，对离合器摩擦传动件的压紧力与助力弹簧的复位力正反作用，当系统回到离合器分离操纵有效作用起点后，离合器全接合，使执行器停止不动，阻止助力弹簧复位力传到离合器摩擦传动件的压紧件上，保证对摩擦传动件的压紧力全作用于使离合器全接合。
助力弹簧的工作最大变形量为受迫变形到随常压摩擦离合器操纵系统达离合器分离操纵有效作用起点的变形量，助力弹簧的工作最小变形量为自由复位到随该系统完成离合器全分离即离合器摩擦传动件的互摩擦面间有约0.5mm间隙的变形量，助力弹簧的工作最大变形量为该弹簧极限允许变形量的55％至90％，助力弹簧的工作最小变形量为该弹簧极限允许变形量的15％至85％。
在该操纵系统中还可以设置位置传感器，以感知操纵过程的情况和动作敏感位置。
公知事实是在离合器接合后，欲分离离合器须克服使主从摩擦传动件接合的大压紧力才使主从摩擦传动件分离，可以用小力推动其分离机构或操纵机构或执行器有输出动作部分的构件沿离合器分离操纵方向移动，当各构件无隙连接并开始受到摩擦传动件的大压紧力的反作用时这移动被阻止，需再用大力才能推动上述构件使离合器分离，上述小力推动构件过程中被阻止处即为系统的离合器分离操纵有效作用起点。
本方法中，由于设计弹簧的工作变形量已保证从离合器分离操纵有效作用起点到完成离合器全分离，弹簧都不全复原。当执行器分离离合器时，助力弹簧在处于分离操纵有效作用起点时已经受力变形并存储有能量，助力弹簧的复位力是与分离离合器动作同方向的，这样助力弹簧的复位力能够克服分离离合器操纵的部分或者全部阻力作用，于是分离离合器动作需要的执行器原动力减小；当执行器接合离合器时，对离合器摩擦传动件的压紧力与助力弹簧的复位力正反作用，根据离合器的结构原理，当执行器使系统回到分离操纵有效作用起点时离合器全接合，对摩擦传动件的压紧力全用于摩擦传动件的接合上而对接合离合器操纵不再起助力作用，现执行器部分克服助力弹簧复位力，虽因其功率小只再运行一段小距离后由于源动力超载而停止不动，仍阻止了助力弹簧复位力传到摩擦传动件的压紧件上，保证了对摩擦传动件的压紧力全作用于使离合器全接合，并且以后离合器摩擦传动件磨损，离合器分离操纵有效作用起点变位，因执行器要使系统回到分离操纵有效作用起点而离合器全接合后才超载停止不动，故上述执行器接合离合器并阻止助力弹簧复位力传到摩擦传动件压紧件上的作用，不断跟随分离操纵有效作用起点的变化，并不受摩擦传动件磨损的影响，始终保证了离合器全接合的要求。从而得到离合器操纵的更容易、小功率，小体积，低成本的效果。
又可在该操纵系统中设置位置传感器，以感知操纵过程的情况和动作敏感位置，例如操纵行程极端的限位及离合器半离合状态位置等。
实现上述方法的具有弹簧助力结构的机动车强制分离式常压摩擦离合器操纵用电动执行器，它具有壳体，有刚轮、柔轮和波发生器构成的谐波齿轮传动减速机构，刚轮和柔轮中对于壳体一个为固定件另一个为转动件，转动件连接于执行器的动作输出部分，执行器的动作输出部分连接于常压摩擦离合器的操纵机构。另设置有电动机，可在壳体内，也可在壳体外，其电动机轴连接波发生器的中心。还在壳体内或壳体外设置助力弹簧，将助力弹簧的一端与该执行器的壳体或壳体所在的机体或刚柔轮中的固定件连接，而另一端与刚柔轮中的转动件或执行器的动作输出部分连接，在安装调试时，先将助力弹簧沿其变形复位力产生分离离合器操纵助力的方向变形到或超过离合器分离操纵有效作用起点并存储能量，使助力弹簧变形复位力作用到离合器摩擦传动件的压紧件上并与压紧摩擦传动件的力方向相反，助力弹簧的工作变形量达到从离合器分离操纵有效作用起点到完成离合器全分离弹簧都不全复原。同于上述设计助力弹簧工作变形量。
另外在本执行器的机壳内外还可以设置位置传感器，则执行器运行过程的情况和动作敏感位置被感知。例如操纵行程极端的限位及离合器半离合状态位置等。
上述本执行器的动作输出部分可以是由多构件形成机构，例如凸轮、齿条、链带等，以获得直行程或需要的使用方式，也可以是单一构件形成。所用电动机为普通的直流电动机或串励直流电动机。执行器中除开弹簧和与电磁有关的部分，其余部分可以由非金属材料制成，例如塑料柔轮、塑料行星轮，以减少成本或特定用途。
本执行器的工作原理是由于采用了谐波齿轮传动减速机构，它在结构上具有以下特征其柔轮齿数少于刚轮齿数，波发生器具有长轴和短轴，长轴两顶点的距离使得波发生器安装进柔轮后将柔轮沿径向向外挤变形成椭圆状，并且在其长轴两端，刚轮内齿与柔轮外齿沿全齿高相啮合，而在短轴两端刚轮内齿与柔轮外齿相脱离。因此当刚轮和柔轮其中一件固定，另一件可转动时，该转动件连系执行器动作输出部分，这样当电动机带动波发生器转动时，刚轮柔轮齿啮合脱离点随波发生器转动而转动。正由于柔轮齿数比刚轮齿数少，而且刚轮柔轮中一件固定、一件转动，则当波发生器转动一周时，其中转动件必转动与刚柔轮齿差相应的角度，电动机连续运转，转动件也连续运转。这样波发生器与刚柔轮中的转动件的转速比就等于该转动件的齿数除以刚柔轮齿差数。于是当刚柔轮中转动件的齿数多，而齿差数小时，转速比可以做大(例如400∶1)，而且由于齿数多、齿形小(齿高＜1mm)，刚轮内齿与柔轮外齿切合面小，摩擦损失少，机械效率高(＞95％)，又由于齿差数少(例如齿差2)，柔轮弹性变形后，刚柔轮沿圆周有许多齿(＞20％总齿数)处于啮合状态，所以传递的力矩大。这样的机构比蜗轮蜗杆减速机构的机械效率高，同时当电动机停后，由于大减速比，动作输出部分在负载反作用力下不能推动波发生器运转，动作输出部分止动，本执行器具有自锁性。
而助力弹簧的设置，可以减小对电动机功率的需求，其原理从上述对方法的分析中可以体现。本执行器的自锁性在使用中当使离合器接合后，执行器超载停机自锁，阻止了助力弹簧复位力传到离合器摩擦传动件的压紧件上，保证了摩擦传动件压紧力全作用于使离合器全接合，如本方法中所述，并不受摩擦传动件磨损的影响，始终保证了离合器全接合的要求。
本执行器采用了普通直流电动机，容易用高低正负不同的电压驱动此电动机，得到不同的转速和方向。当分离离合器时，用高电压驱动电动机，执行器动作快，满足对离合器分离过程快的要求。当接合离合器时，用反向低电压使电动机反转，执行器动作慢，满足对离合器接合过程慢的要求。
本执行器也可以采用串励直流电动机，利用其重载低速大转矩和轻载高速小转矩特性，尤其当设计为助力弹簧力大于摩擦传动件压紧力，分离离合器操纵时电动机轻载高速；接合离合器操纵时电动机重载低速，不必分用高低电压驱动电动机也满足对离合器操纵过程快慢的要求。
可见，此电动执行器通过控制电动机的速度和方向，可获得高效、大速比传动输出，变换成操纵离合器的动作，通过弹簧的储能助力作用，可减小对电动机的功率要求，同时具有结构简单紧凑、体积小、重量轻、成本低、有自锁性的特点，能很好满足机动车常压摩擦离合器操纵的要求。
图1是具有弹簧助力的电动执行器的内部结构图；图2是具有弹簧助力的电动执行器从图1中A-A处剖开的侧视结构图；图3是图1中刚柔轮齿啮合状态图；图4显示使用弹簧助力方法操纵常压摩擦离合器于分离状；图5显示使用弹簧助力方法操纵常压摩擦离合器于接合状。
具体实施例方式
图4和图5表示使用弹簧助力方法的常压摩擦离合器操纵系统，输入轴12连接主动盘13，从动盘14带动离合器输出轴23，分离机构由分离拉杆16、分离杠杆22、分离轴承25和分离轴承座套24组成，分离拉杆16连接离合器压盘15，离合器压盘弹簧26压向离合器压盘15，并使主从动盘接合。操纵机构由操纵杆18和拨叉21组成，执行器19连接操纵杆18，设置助力弹簧17和20，助力弹簧17在执行器外，助力弹簧20在执行器内，弹簧17的一端与机体连接，其另一端与操纵杆18连接，弹簧20的一端与执行器输出动作部分连接，其另一端与机壳连接，弹簧17的复位力与操纵系统分离离合器作用力同向，弹簧20的复位力于执行器输出动作部分产生分离离合器动作助力并拉动操纵杆18，又于分离离合器操纵的有效作用起点已使它们变形到弹簧的工作最大变形量。
图1和图2表示弹簧在机壳内、柔轮固定刚轮转动的电动执行器。图3表示刚轮和柔轮的传动齿啮合的情况。它有壳体3、刚轮1、柔轮2、波发生器、电动机4、弹簧支架8、助力弹簧9、动作输出部分11、位置传感器10。
刚轮1的内圈壁沿圆周呈多齿状，这多齿在圆周上均布，形状为三角形或S形，齿顶指向圆心。柔轮2的外圈壁沿圆周呈多齿状，这多齿在圆周上均布，形状为三角形或S形，齿顶指向与圆心的反向，柔轮2的齿数比刚轮1的齿数少。波发生器具有长轴和短轴几何特征，可以是由凸轮薄壁轴承形成、可以是由偏心轮形成、可以是由触头轮形成、也可以是由绕太阳轮公转的行星轮形成。
图1和图2中表示的波发生器是由太阳轮7、行星轮5、轮系支架6组成。柔轮2安装在刚轮1内，波发生器安装在柔轮2内。又设计安装有助力弹簧9，助力弹簧9的一端通过弹簧支架8与电机4连接即与机壳3连接，成为固定端，另一端为自由端，与转动的刚轮1连接，刚轮1与动作输出部分11连接，动作输出部分11就能操纵离合器。
在执行器机壳内设位置传感器10，用于感知运动件的运动情况，适应负载对运动路径限位及离合器半离合状态位置等的要求。传感器可以是光电的、磁电的、触动的等。
已实现的本电动执行器情况如下整体外径φ40mm，高度20mm，电动机功率4w/3000rpm，输出转速4rpm，输出力矩10N.m，成本6元人民币。
权利要求
1.用电动、气动或液动的执行器操纵机动车强制分离式常压摩擦离合器分合的弹簧助力方法，其特征在于设置至少一根助力弹簧，将助力弹簧的一端与离合器操纵系统的固定件或者固定件所在的机体连接，助力弹簧另一端与系统的操纵机构或/和执行器具有输出动作的部分连接；在安装调试时，先将助力弹簧沿其变形复位力产生分离离合器操纵助力的方向变形到或超过离合器分离操纵有效作用起点并存储能量，使助力弹簧变形复位力作用到离合器摩擦传动件的压紧件上并与压紧摩擦传动件的力方向相反，弹簧的工作变形量达到从离合器分离操纵有效作用起点到完成离合器全分离弹簧都不全复原；当执行器分离离合器时，助力弹簧的复位力与分离离合器动作同方向，克服分离离合器操纵的部分或者全部阻力，减小执行器分离离合器动作需要的原动力；当执行器接合离合器时，对离合器摩擦传动件的压紧力与助力弹簧的复位力正反作用，当系统回到离合器分离操纵有效作用起点后，离合器全接合，使执行器停止不动，阻止助力弹簧复位力传到离合器摩擦传动件的压紧件上，保证对摩擦传动件的压紧力全作用于使离合器全接合。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于助力弹簧的工作最大变形量为受迫变形到随常压摩擦离合器操纵系统达离合器分离操纵有效作用起点的变形量，助力弹簧的工作最小变形量为自由复位到随该系统完成离合器全分离即离合器摩擦传动件的互摩擦面间有约0.5mm间隙的变形量，助力弹簧的工作最大变形量为该弹簧极限允许变形量的55％至90％，助力弹簧的工作最小变形量为该弹簧极限允许变形量的15％至85％。
3.实现权利要求1所述方法的具有弹簧助力结构的操纵机动车强制分离式常压摩擦离合器分合的电动执行器，它具有壳体，有刚轮、柔轮和波发生器构成的谐波齿轮传动减速机构，刚轮和柔轮中对于壳体一个为固定件另一个为转动件，转动件连接于执行器的动作输出部分，执行器的动作输出部分连接于常压摩擦离合器的操纵机构，其特征在于设置有电动机，通过电动机轴连接波发生器的中心，并在壳体内或壳体外设置助力弹簧，将助力弹簧的一端与该执行器的壳体或壳体所在的机体或刚柔轮中的固定件连接，而另一端与刚柔轮中的转动件或执行器的动作输出部分连接，在安装调试时，先将助力弹簧沿其变形复位力产生分离离合器操纵助力的方向变形到或超过离合器分离操纵有效作用起点并存储能量，使助力弹簧变形复位力作用到离合器摩擦传动件的压紧件上并与压紧摩擦传动件的力方向相反，弹簧的工作变形量达到从离合器分离操纵有效作用起点到完成离合器全分离弹簧都不全复原。
4.根据权利要求3所述的电动执行器，其特征在于助力弹簧的工作最大变形量为受迫变形到随常压摩擦离合器操纵系统达离合器分离操纵有效作用起点的变形量，助力弹簧的工作最小变形量为自由复位到随该系统完成离合器全分离即离合器摩擦传动件的互摩擦面间有约0.5mm间隙的变形量，助力弹簧的工作最大变形量为该弹簧极限允许变形量的55％至90％，助力弹簧的工作最小变形量为该弹簧极限允许变形量的15％至85％。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于在该操纵系统中还设置位置传感器。
6.根据权利要求3或4所述的电动执行器，其特征在于在该电动执行器上还设置位置传感器。
7.根据权利要求3或4所述的电动执行器，其特征在于执行器的动作输出部分是由多构件的机构或单一构件形成。
8.根据权利要求3或4所述的电动执行器，其特征在于电动机为直流电动机。
9.根据权利要求8所述的电动执行器，其特征在于电动机为串励直流电动机。
全文摘要
一种机动车离合器操纵用弹簧助力方法及电动执行器，设置助力弹簧，弹簧一端与操纵系统的固定件或机体连接，另一端与系统的操纵机构或/和执行器动作输出部分连接。安装调试时，先将弹簧变形到或超过离合器分离操纵有效作用起点并存储能量，使弹簧复位力作用到离合器摩擦传动件的压紧件上并对分离操纵助力，弹簧的工作变形量达到从分离操纵有效作用起点到完成全分离都不全复原。分离离合器时，弹簧复位力克服分离时的部分或全部阻力，减小分离所需的原动力；接合离合器时，阻止弹簧复位力传到离合器摩擦传动件的压紧件上，保证离合器全接合。由此使离合器操纵更容易，所需功率小，体积小，低成本。
文档编号B60K23/00GK1709740SQ200510020588
公开日2005年12月21日 申请日期2005年3月22日 优先权日2005年3月22日
发明者方茂奎 申请人:方茂奎