专利名称：斜面原理无助力自动离合器的制作方法
这是关于自动离合器的发明，属于机械传动技术领域。
先有技术中，自动离合器特别是车辆用自动离合器，或者使用液压式、液力式或电磁式的，结构复杂而效率较低，或者使用机械式的，效率较高但需要助力，无论是液压助力、发动机真空助力还是电磁助力，结构都较复杂因而故障率高而可靠性低，体积重量也比较大。
为解决上述问题，本发明提出利用斜面原理的机械式自动离合器，无需任何助力而可以取得足够大的传动功率，反应灵敏，结构简单可靠，机械效率高，体积和重量比较现行自动离合器有大幅度降低。
本发明的主要思路，是利用斜面，将动力输入轴的部分动力转化为自动离合器接合和分离的动力，从而省去助力机构。下面结合附图详细说明。
图1是关于以具有螺旋角的斜键取得离合器接合力的原理示意图；图2是关于以销轴插入螺旋槽方式取得斜面效果的示意图；图3是关于带有斜面的离心块取得接合力的原理示意图。
图1中，被轴承支承并轴向定位主动轴1上固接有螺旋键11，其螺旋角为B，离合器主动盘12经螺旋角也为B的螺旋槽123同向套装在螺旋键123上，当主动轴从图1左箭头方向从左向右看进去是顺时针旋转(以下简称顺时针旋转)，转速为N1，则由螺旋键旋向确定方向的、由螺旋键的螺旋角确定大小的施给主动盘的螺旋槽的法向力P产生切向分力PT＝P*COS(B)和轴向分力PO＝P*SIN(B)，这个轴向分力方向是将主动盘压向被动盘的，在图1中是向右压迫主动盘，推动主动盘12右移与被动盘21接合，主动盘和被动盘可以是平面的带有摩擦片的圆盘，组成单片式离合器或多片式离合器，也可以是圆锥摩擦盘，也可以是其它形式的离合器，其最大传递力矩为轴向力PO下主动盘和被动盘之间由结构和摩擦系数决定的最大传递力矩，已经有成熟的公知技术的计算方法，这里不赘述。当要离合器分开时，降低主动轴1的转速N1，例如放松发动机的油门，则被动盘21在惯性矩作用下反过来驱动主动轴旋转，螺旋槽施给螺旋键的法向力与P相反，产生的轴向分力也与PO相反，这个反向轴向力使主动盘左移与被动盘脱离。
如果主动盘和被动盘是圆锥摩擦盘，如图1例示(半剖示图)，主动盘12经螺旋槽123和螺旋键11滑套在主动轴1上可沿主动轴轴向移动，当主动轴顺时针驱动旋转，经螺旋键11和螺旋槽123对主动盘12产生向右的轴向力PO把主动盘右推与被动盘21经摩擦锥面接合，被动盘21经键20驱动被动轴2旋转(被动盘和被动轴都是被轴向定位的)，离合器处于接合工况。主动盘上的主动外圆锥摩擦面121与被动盘的被动内圆锥面221接合，其平均直径为D1而半锥角为A1，摩擦系数为U1，轴向力PO经半锥角A1的放大作用转换为锥面正压力，可传递之扭矩T1＝PO*D1*U1/2/(U1*COS(A1)+SIN(A1))，而当主动轴输入扭矩为T0、螺旋键中径为D0时，PO＝T0*TAN(B)/(D0/2)，显然，要想有效传递T0，需使T1＞＝T0，得到锁止条件为D1*U1*TAN(B)-D0*(U1*COS(B)+SIN(B))＞＝0 ----(1)不等式(1)得到满足时，T0经螺旋槽产生的轴向力PO在主动外圆锥摩擦面121所产生对被动轴2的扭矩T1就不会小于T0，自动离合器可靠锁止，可以可靠接合传递主动轴传来的大或小的扭矩。
当需要离合器分离时，可减低主动轴1的输入转速N1，例如放松发动机油门使之处于怠速位置，使得被动轴和被动盘连接的转动惯量倾向于驱动主动盘，主动盘上螺旋槽123就倾向驱动主动轴1的螺旋键11，因此螺旋槽受到的法向力与P反向，轴向力也就与PO反向，这个反向轴向力可以轻松地将主动盘12向左拉开与被动盘21分离，离合器即自动分离。
为了传递更大的扭矩，降低摩擦锥面上的比压，可以设有同轴线的多个摩擦锥面来增大总的摩擦锥面接合面积，例如图1中，就设立了2个同轴线的摩擦锥面，除主动外圆锥摩擦面121可与被动内圆锥摩擦面221接合外，主动盘上的主动内圆锥摩擦面122也与被动盘上的同轴线的被动外圆锥摩擦面222接合，其平均直径为D2，摩擦系数为U2，半锥角为A2，有关计算参照公式(1)等将有关参数代入即可。这样就构成了两对圆锥摩擦副。要使两对或多对圆锥摩擦副都能可靠接合，除要求一定的加工精度外，主动盘与被动盘的各对圆锥摩擦副上要先涂抹研磨机成对研磨跑合，消除误差，最后得到可同时同轴线地完全贴合的各对圆锥摩擦副。各对圆锥摩擦副的半锥角可以相等也可以不相等，不相等时是为了取得理想的接合应力顺序和负载比压均衡和散热均衡，以及取得合理的性能参数分布范围，此时，除非有特殊考虑，一般应使平均直径较大的的圆锥摩擦副的半锥角小于平均直径小于其的圆锥摩擦副，例如图1中的两对圆锥摩擦副若半锥角不等，则半锥角A1应小于半锥角A2。
本发明的斜面自动离合器的使用过程，以车辆用为例。
实施例1用于车辆的使用圆锥摩擦副的斜面自动离合器，如图1所示，主动轴直接接发动机输出轴，被动轴2接变速器输入轴，主动盘上的拨环槽124内放置与变速杆一换档机构联动的拨叉，可以以轻微的力推动主动盘轴向左移或右移。要自动离合器处于分离位置时，拨叉带动主动盘左移到左端分离位置；当需要从空档接入某档例如1档时，变速器从空档接入1档后换档机构联动拨叉随即将主动盘12轻微右推与被动盘接合，由于斜面离合器是制成满足公式(1)的锁止条件的，产生的摩擦力矩立即使螺旋槽123受到螺旋键11驱动产生的轴向分力，这个轴向分力加大了圆锥摩擦副的接合扭矩，于是在瞬间完成正反馈的扭矩建立的接合过程，1档接合。当需要换档时，例如从2档换3档，过程为松油门降低主动轴转速，如上述，被动轴连接的车辆惯性等效的转动惯量使螺旋槽123反驱动螺旋键11产生使主动盘左移分离的轴向力使离合器自动分离，变速器(经同步器作用)脱开2档换入3档，换档机构经拨叉和拨环槽124联动轻微右推主动盘与被动盘接触，同样按上述正反馈过程立即建立接合扭矩使离合器自动接合。如果需要从高档换入低档，例如从3档换入2档，作用原理和过程是一样的，即使是车辆在上坡，速度在减低，但是车辆本身具有的惯量仍远大于主动轴到发动机的转动惯量，发动机松油门后转速的减速度大于车辆减速度，离合器仍会因上述反向驱动而自动分离。在车辆下坡，需要发动机参与制动时，可以用一个锁止机构将同转速的离合器主动轴与被动轴连锁强制连接，这种连锁机构按现行技术在离合器连锁器和差速器连锁器方面有许多中设计和应用，可选适合者设置，因属于先有技术，这里不赘述。
当被动轴是固定于某轴的或是固定不转动的，主动盘与被动盘接合时主动盘就获得制动力矩，离合器成为相应的制动器，可以以制动器方式辅助实现变速器换档。例如本发明人在20041006886《车辆的自动变速及其通过性》中提出的各种自动变速器，所有需要制动的内齿轮都可以用本发明的斜面离合器构成的制动器制动，被制动的内齿轮相当于主动轴，主动摩擦圆锥与内齿环一体从内齿环侧端伸出，被动盘的摩擦圆锥则经螺旋键与螺旋槽与壳体连接，有关参数符合公式(1)的锁止条件，则轻微轴向移动主被动摩擦圆锥使之接触就可经正反馈过程建立制动力矩使内齿环被制动，哪个内齿环被制动，哪对内齿轮副就进入工作啮合，变速器就相应地挂上了哪个档。
可以在主动盘的轴向一端设置压力或拉力弹簧，给主动盘一个倾向于接合的弹簧力或给主动盘一个倾向于分离的弹簧力，使离合器处于常接合状态或常分离状态，起到其特有的功能，例如使换档机构对主动盘拨环槽124的作用为单向的，例如弹簧使离合器主动盘处于轻微向被动盘(图1中向右)压紧的状态，使离合器处于常接合状态，则换档机构对离合器的作用只是在换档时配合松油门动作使离合器暂时分离。
主动轴上的螺旋键可以用铣制相应螺旋槽的方法得到，主动盘内孔上的螺旋槽可以用配有适合导程的螺旋导轨的插床插制。
当主动盘12内孔螺旋槽不易制造时，或者为了使主动盘在主动轴上轴向移动的阻力更小以减小换档机构联动阻力，可以用图2所示在螺旋槽上插入销轴的方法来代替螺旋键和螺旋槽副。图2中，在主动轴1上铣出旋向和螺旋角为要求、宽度适合的螺旋槽110，而在主动盘12内孔上固装销轴112(固装方法可用销轴上的凸台配合弹簧垫片113和螺母114将销轴紧定到主动盘内孔的位置正确的径向孔上)，为了减小摩擦阻力，还可以在销轴上套装轴承111使轴承外圆与螺旋槽110的侧壁间为滚动摩擦，这样，当主动轴驱动转动，其螺旋槽旋向决定主动轴螺旋槽给予销轴112并经销轴112给予主动盘向被动盘压紧的轴向力，其它作用过程和计算同上述。主动轴上螺旋槽应为多头均衡对称分布，主动盘内孔上装置的销轴也相应均衡对称分布，使每个销轴所受轴向力大小相等且在主动盘内孔圆周上均衡分布，不会产生轴向平面上的翻转力矩增加推动主动盘轴向移动的阻力。
上述是将螺旋键和螺旋槽设于主动轴和主动盘，若将螺旋键和螺旋槽设于被动轴和被动盘，而将主动轴和主动盘在轴向上定位固定，被动轴和被动盘上螺旋键和螺旋槽的旋向设置为被动盘驱动被动轴时被动轴经螺旋键和螺旋槽施于被动盘的反作用轴向分力是将被动盘压向主动盘使之接合的，其计算方法仍如前述，那么一样可以取得上述自动接合和自动分离的效用。
当主动盘的转动惯量设计得较大时，主动轴驱动主动盘加速的力矩足以使螺旋键槽推动主动盘轴向移动压向被动盘从而发生建立传递力矩的正反馈作用接合离合器，此时加速发动机转速就可以自动接合离合器，并且，转动惯量较大的主动盘也可以替代发动机的飞轮，从而减省发动机的飞轮系统，这个离合器装在发动机内部原飞轮的位置，就成为带有自动离合器的发动机，可与变速器一体做成紧凑的结构。
上述螺旋键和螺旋槽只是斜面的一种，如果使用其它其轴线与主动轴轴线具有夹角的斜键、斜槽，也可以起到同样的产生轴向分力压紧摩擦盘的作用，视工艺方便而定。斜面式自动离合器的接合过程是经过正反馈的摩擦力矩的建立过程，因此非常柔和，也可具有过载自动打滑的保护作用，可以构成高传动效率性能优良结构简单紧凑的齿轮式自动变速器。
利用斜面对力的放大作用减省离合器的助力机构的原理的另一种表现形式是具斜面的离心式自动离合器，原理可参看图3。
输入轴30以输入转速N1转动，其端部径向通孔31内装有形状、尺寸和质量完全相等对称的离心块32和33对称地分布，二者被拉力弹簧34拉紧，当输入轴转速N1足够高时，离心块在离心力作用下克服拉力弹簧的拉力沿径向外移，其外缘的两侧对称的斜面——圆锥摩擦面的半锥角为C，C一般为4度到15度之间，与输出轴套4的内圆锥面摩擦接合，摩擦面上的正压力＝离心力/SIN(C)，离心力被放大，产生的摩擦力矩驱动输出轴套4再经键驱动同轴线固连的输出轴43，摩擦面传递的力矩＝离心力×摩擦系数×摩擦面平均半径/SIN(C)。由于半锥角为C的斜面对离心力的放大作用，较小质量和尺寸的离心块可以取得足够的接合摩擦力矩，而能够省去助力机构。拉力弹簧的作用，在于使发动机怠速时离心块的离心力小于或等于弹簧拉力因而离心块不会径向外移与输出轴套摩擦接合。图3示出了对称分布的一对离心块，还可以设置多对对称均匀分布的离心块，以增大离心力并保持动平衡。
先有技术对离心式摩擦离合器的结论是其传递扭矩与转速的平方正比而传递功率与转速的三次方正比，因此不适合作为车辆变速器的离合器使用。这个结论要具体分析，并解决其遇到的问题。首先，发动机在稍高于怠速的转速的扭矩也很小，工作在这个转速，要求离合器传递的扭矩不大，本发明的斜面式离心离合器可以在斜面对离心力的放大作用下满足这个传递扭矩；其次，当转速很高时，例如3000每分钟转，离心力很大，有可能超过摩擦面的许用比压的允许值，为解决这个问题，可将输出轴套的一半摩擦面做成轴向可移动的，配合弹簧——弹性材料，对过大的离心力卸载，例如在图3中，将与离心块右侧圆锥摩擦面接触的右摩擦环40做成可沿输出轴套4的轴向移动的(经键41与输出轴套4同轴线地连接以传递扭矩，输出轴套相应做成机械装配的以满足装配关系)，在右摩擦环右端设有弹性材料环421，其右端被输出轴套阻止不能右移，当输入轴转速很高、离心块的离心力很大时，离心块(32)挤压右摩擦环向右挤压弹性材料环，离心块得以继续向半径增大的方向取得一个位移，在径向上挤压设在离心块外缘顶端的弹性材料的顶端环422，部分离心力被顶端环的弹性材料吸收掉，形成新的力系平衡，这样就减小了摩擦面上的正压力，使之不因离心力很大时而过大以至给摩擦面带来可能的损坏。
但是一般来说，离心块的两侧摩擦面的许用比压在本发明条件下可以远高于现行手册上给出的许用值，这是因为两个摩擦面之间有相对滑动时一般是处于离合器接合的过程，此时转速不高、离心力不大，而转速很高离心力很大时摩擦面上比压虽高，但两个斜面摩擦面已经可靠接合楔紧，相互间没有滑动的可能，这种相对静止的摩擦面因此可以使用很高的许用比压。
这样，当转速升高时斜面离心式摩擦离合器自动接合，而转速降低时离合器自动分离，控制发动机油门，就可以用变速器相应换档。
本发明提出的带有斜面的自动离合器可以造就结构简单紧凑的高传动效率的自动变速器，省却现行需人力踩踏和复杂助力机构的盘式离合器，也省去现行自动变速器所用效率很低结构复杂的涡流变扭器。
权利要求
1一种无需助力机构的机械式自动离合器，有摩擦接合副、主动轴即输入轴和被动轴即输出轴，其特征在于，在力矩传递路线上至少有2副带有斜面的接触面，这些斜面将离合器的接合力放大，从而省去助力机构。
2根据权利要求1所述的自动离合器，其特征在于，在主动轴与被动轴之间至少设有一对圆锥摩擦盘副作为所述的斜面接合或分离主动轴与被动轴，圆锥摩擦副的半锥角为3度至15度之间，在主动轴上或被动轴上开有其轴线与主动轴轴线具有夹角的斜键或斜槽作为所述的另一副斜面，可轴向滑移地套在圆锥摩擦盘内孔相应的斜槽、斜键或销轴上，斜键、斜槽的方向为在主动轴驱动被动轴时，转矩在斜键、斜槽产生的轴向分力是将两个圆锥摩擦盘推近压紧的。
3根据权利要求2所述的自动离合器，其特征在于，所述的斜键、斜槽是螺旋键、螺旋槽，以取得方便的加工工艺，其螺旋角B的正切与转矩在螺旋键、螺旋槽产生的切向力绝对值的乘积等于轴向分力的绝对值，轴向分力的方向在主动轴驱动工况时为推动摩擦盘副相互压紧。
4根据权利要求3所述的自动离合器，其特征在于，各参数符合下列锁止条件圆锥摩擦面平均直径D1*摩擦系数U1*TAN(螺旋角B)-螺旋键或螺旋槽中径D0*(U1*COS(B)+SIN(B))＞＝0，这个条件式符合时，自动离合器可以依靠斜向键、槽产生的轴向分力压紧摩擦盘传递不小于产生轴向分力的扭矩。
5根据权利要求1所述的自动离合器，其特征在于，还具有离心块、拉力弹簧和可与离心块摩擦接触的输出轴套，离心块外缘两侧具有的斜面摩擦面是所述的两个斜面，主动轴带动离心块旋转，转速足够高时，离心块在离心力作用下克服拉力弹簧的拉力径向外移与输出轴套摩擦接合，离心块的斜面的放大作用使得摩擦面上正压力＝离心力/SIN(斜面的半锥角C)，远大于离心力。
6根据权利要求5所述的自动离合器，其特征在于，在输出轴套上还有一个可轴向移动并能传递扭矩的摩擦环40，在离心块外圆顶端设有弹性材料制成的顶端环422，当转速很高离心力过大时，离心块压迫可移动摩擦环40轴向移动压迫弹性材料环421，同时离心块外圆顶端压迫顶端环的弹性材料，使顶端环分担了一部分离心力，防止摩擦面因离心力过大而损坏。
全文摘要
一种无需助力机构的机械式自动离合器，有摩擦接合副、主动轴和被动轴即输出轴，还具有至少有2副带有斜面的接触面，例如圆锥摩擦面和产生轴向推力的螺旋键、螺旋槽，利用斜面的放大作用产生足够大的离合器接合力，省去各种助力机构，并在输入转速减低时可自动分离。
文档编号F16D43/08GK1804418SQ20051000694
公开日2006年7月19日 申请日期2005年1月13日 优先权日2005年1月13日
发明者郑悦 申请人:郑悦