专利名称：用于防止车辆变速装置中齿式离合器内脱档的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及车辆变速装置，更具体地，本发明涉及一种用于防止
齿式离合器内脱档(gearhopout)的装置，所述齿式离合器由于作用在与 它们相连接的旋转部件上的作用力而导致未对准(misalignment)。
背景技术：
齿式离合器经常用于分级车辆变速装置，以接合及分离档位。齿 式离合器能够可旋转地将主部件连接至基本上与其同轴的可连接部 件。通常，接合套用作这两个部件之间的互连部件。此接合套通常通 过例如花键可旋转地安装至所述主部件，并且可以相对于所述主部件 轴向移动。在接合套朝向可连接部件的端部上设置有离合器齿。此离 合器齿需要与可连接部件上的相应的离合器齿相匹配。通过在轴线方 向朝向可连接部件移动接合套，这两组离合器齿可以变得相互啮合。
在双向作用齿式离合器中，在接合套的两端设置有离合器齿。因 此，接合套可以将主部件连接至第一或第二可连接部件。这些可连接 部件必须具有与接合套的相应端部处的离合器齿相匹配的离合器齿。
在专利文献US-2，070，140、 US-3,137,376 、 DE-4319135A1和 US-6,422，105中可以发现一些包括主部件、接合套和可连接部件的齿式
京A與
罔n琉o
在重型运输车辆中，比如重型载货汽车，经常使用档位组合式变 速装置。在这样的变速装置中，具有若干可选择的档位的主变速部分
与副变速部分串联。在副变速部分有两个档位 一个是具有较大减速 比的低速档； 一个是不减速的高速档，通常称为直接驱动档。实际上，副变速部分使主变速部分的档位数量增加了一倍。WO-2004069621的 图1示出了典型的现有重型载货汽车的档位组合式变速装置，其特征 在于其主变速部分2和副变速部分3。
副变速部分经常为行星齿轮结构，其与双向作用齿式离合器组合。 由于行星齿轮结构的设计，齿式离合器的主部件可以固定地连接至接 合套并且与套一起轴向移动。在此情况下，主部件通常是行星齿轮结 构的齿圈。专利文献US-4，667，538中示出了一个典型的实例，其中接 合套18固定地连接至齿圈14。在一些实施例中，接合套集成在齿圈内， 例如EP-0916872 (图3,部件56和58)以及更早的US-5，083,993 (图 1，部件24)中所示的情况。
图la示出了简化的行星式副变速部分101的纵剖面图。副变速部 分101的输入轴是主变速部分103的主轴102。变速箱壳体104通过主 变速部分103内的轴承105和轴承105b可旋转地支承主轴102。在主 轴102的端部具有外花键齿106。花键齿106与太阳轮108的内花键齿 107啮合。太阳轮108的外轮齿109与行星轮111的外轮齿110啮合。 行星轴112可旋转地将行星轮111支承在行星架113上，在图中，行星 架113被示出为与输出轴114集成在一起。沿着行星架113的外圆周， 若干相同的行星轮以大致相同的间隔分布。输出轴承115可旋转地将 输出轴114支承在变速箱壳体104上。行星轮111的外轮齿110还与齿 圈117的内轮齿116啮合。在图la的位置，齿圈117的内直接离合器 齿118与直接接合环120的外离合器齿119啮合。直接接合环120的内 花键齿121与主轴102的外花键齿106啮合。由此，在图la中，齿圈 117通过直接接合环120可旋转地连接至主轴102。从而，行星轮111 不能相对于主轴102在圆周方向移动。其结果是，主轴102、输出轴 114和它们之间的部件将以同步的方式旋转，gp，具有相同的速度。这 样就构成了直接高速档。在图lb中，与图la相比，齿圈117已经移到 右边。从而，直接离合器齿118不再与直接接合环120的外离合器齿 119啮合。取而代之的是，齿圈117的内减速离合器齿122已经变成与固定接合环124的外离合器齿123啮合，所述固定接合环124固定地 连接至变速箱壳体104。因此，当位于图lb中的位置时，齿圈117不 会旋转。其结果将是低速减速档；输出轴114将比主轴102旋转得更慢。
副变速换档致动器125实现齿圈117的轴向位移。通过副变速换 档致动器125，副变速换档杆126在适当的方向上被推动或拉动。副变 速换档拨叉127固定地连接到副变速换档杆126。副变速换档拨叉127 延伸至齿圈117上的圆周槽128内。副变速换档致动器125可以采用 不同类型，例如，液力式、气动式、电磁式或电动机械式。通常，副 变速换档致动器125只在换档期间启用。当换档已经完成时，它将不 再启用。
在图la和图lb的副变速部分中，齿圈可以被认为是双向作用齿 式离合器的主部件和接合套的组合。此外，可以注意到的是，只有一 个轴承115支承输出轴114。行星式副变速部分101提供了另一个支承。 当通过行星式副变速部分101的齿轮和离合器齿传递扭矩时，在环绕 外围啮合的齿轮和齿式离合器内的接触力将使各部件变得基本上同 轴。当行星式副变速部分101不传递扭矩时，它将仍然为输出轴114 提供一部分支承，即使在各部件之间具有较低的同轴度时也是如此。 因此，齿轮连同行星式副变速部分101的齿式离合器，将作为某种用 于输出轴114的第二支承轴承。然后，在高速档位置，如图la所示， 主轴102间接支承输出轴114。
齿式离合器通常被设计成自保持在接合状态。这意味着一旦齿式 离合器已经接合，不需要外力来将齿式离合器保持在此接合状态。不
同的设计方案被用于实现此自保持特征。 一种常用的设计方案是使离 合器齿具有一定角度，以便当扭矩在齿式离合器中传递时，产生使套
保持在接合位置的额定(nominal)轴向力。这种解决方案通常被称为 倒锥形(back-taper)设计。US-5，626，213中示出了一个实例。在该文献的图2中可以看出，离合器齿的侧面21、 26相对于接合套8的花键 齿11的侧面28具有角度a 、 0 。因此，当传递扭矩时，接触力将促 使离合器齿朝向完全接合的位置。其他的一些用于实现自保持的设计 方案可以参见US-2,070，140和FR-2660723。
在大部分自保持齿式离合器设计结构中，离合器齿组中的至少一 个是通过改变一组花键或轮齿来制造。回到US-5，626，213，接合套8 的具有倒锥角的侧面26可以被认为是内花键齿11的侧面28的略微变 化。同样地，在图la和图lb，离合器齿118和122上的倒锥形可以通 过改变齿圈117的内轮齿116制成。滚压操作是实现此类改变的一种快 速、经济的方法。在滚压操作中，在径向荷载及旋转的作用下，花键 的侧面或接合套或齿轮的轮齿的侧面通过与配合加工轮的轮齿啮合产 生塑性变性。令人遗憾的是，在滚压操作中可以发生塑性变形的材料 体积较小。由此，在滚压操作中可以实现的倒锥角角度(US-5， 626， 213中的ct ， e )较小，典型地，大约为5度。然而，这对于齿式离合 器的大部分应用是足够的。
存在一些应用场合，其中已经表明，按照惯例制造的倒锥角离合 器齿不具有足够的自保持作用。图2中示出了一个实例，其中，与图 la比较，减速器装置230已经被增加至副变速部分201。减速器装置 230是辅助制动器，其可在长下坡行驶时使用，以便减少车辆的通常的 车轮制动器的磨损以及防止其过热。减速器装置由减速器轴231驱动， 减速器轴231可旋转地连接至减速器从动齿轮232。接着，减速器从动 齿轮232与减速器驱动齿轮233啮合，所述减速器驱动齿轮233可旋 转地连接至副变速部分201的输出轴214。
当减速器装置230工作时，齿轮啮合力将作用在减速器驱动齿轮 233上。此力将倾向于使输出轴214不对准。通常，发动机制动与减速 器同时工作。因此，扭矩将通过副变速部分传递，并且，在齿轮啮合 过程中和在副变速部分的离合器齿之间将产生接触力。这些接触力将促使副变速部分的部件变成基本上同轴的状态，如先前所述的情况。
由此，接触力将抑制减速器驱动齿轮233上的齿轮啮合力使输出轴214
不对准的倾向。
一些减速器工作条件已经表明，在如图2所示的行星式副变速部 分中会出现问题。 一个实例是当在减速器装置230内存在相对较大的 制动作用和存在相对小的发动机制动时的情况。这已在图3中示意性 地示出。由于减速器的工作，减速器齿轮啮合力340作用在减速器驱 动齿轮333上。从图3中的顺时针方向观看时，减速器齿轮啮合力340 倾向于使输出轴314不对准。然而，通过行星齿轮啮合力341，减速器 齿轮啮合力340得到平衡，其中，所述行星齿轮啮合力341作用在行 星轮311上，所述行星轮311与齿圈317啮合。行星齿轮啮合力341 的反作用力是作用在齿圈317上的齿圈啮合力342。接着，齿圈啮合力 342通过齿圈317的离合器齿318和直接接合环320的离合器齿319之 间的啮合所产生的环离合器啮合力343来平衡。
齿圈啮合力342和环离合器力343组成力偶，其倾向于在图3所 示的逆时针方向使齿圈317不对准。因此，将在齿圈317的离合器齿 318和直接接合环320的离合器齿319之间形成轴向间隙344。由此， 在旋转期间，齿圈317的离合器齿318和直接接合环320的离合器齿 319之间将倾向于在轴线方向形成相对运动。如果接触的离合器齿之间 的摩擦较大并且例如由倒锥产生的自保持作用不够，那么此相对运动 的倾向可能转变成不稳定状态。而后，齿圈317的离合器齿318将退 出与直接接合环320的配合离合器齿319的啮合。因此，不能通过副 变速部分301传递扭矩，并且，因此不能进行发动机制动。
图4示出了另一个实例，即变速箱的分离器装置450。接合套451 能够可旋转地将输入轴452连接至第一齿轮453和第二齿轮454中的 任何一个。齿轮453和454中每一个都与可旋转地固定至副轴(未示 出)上的配合齿轮啮合。第二齿轮454通过轴承456可旋转地支承在主轴455上。主轴455的一端通过象征性地示出的轴承457由变速箱 壳体(未示出)支承。主轴455的另一端通过锥形滚柱轴承458由输 入轴452支承。接着，输入轴452通过两个象征性地示出的轴承459 和460由变速箱壳体直接或间接支承。
在图4中，接合套451被定位成可旋转地连接输入轴452和第二 齿轮454。因此，扭矩能够从输入轴452传递至第二齿轮454，并传递 至副轴上的配合齿轮。然后，齿轮啮合力461将作用于第二齿轮454 上。
在工作过程中，在锥形滚柱轴承458内可能存在轴向间隙。例如， 此轴向间隙可能是热膨胀与齿轮啮合部件的轴向力分量所导致的结 果。在锥形滚柱轴承中，轴向间隙总是与径向间隙相对应。在分离器 装置450中，这样的径向间隙将减小径向支承，并允许主轴455的未 对准。因此，该未对准将被输入轴452、接合套451和第二齿轮454的 离合器齿之间的接触力消除。这类似于上面对行星式副变速部分的描 述。对于第二齿轮454，齿轮啮合力461将通过作用于离合器齿上的齿 轮接触力462被平衡，所述离合器齿与接合套451上的相应的离合器 齿接合。齿轮接触力462的反作用力是作用在接合套451的离合器齿 上的套离合器接触力463。对于接合套451，套离合器接触力463通过 套花键接触力464平衡。类似于图3，套离合器接触力463和套花键接 触力464形成力偶，其引起接合套451未对准。因此，可能在接合套 451和第二齿轮454之间形成轴向间隙465。在旋转期间，这可能使得 接合环451退出与第二齿轮454的离合器齿的接合，十分类似于图3 中的齿圈317。
从对图3和图4中的系统的分析可以得到一些结论。在以上两种 情况下，设置有被支承轴(314， 455)，其通过支承轴(302， 452)被 径向支承。在某些情况下，那些轴之间的适当的常规径向支撑装置例 如径向轴承(458)要么缺少，要么不足。此外，被支撑轴受到引起被支撑轴与支撑轴之间不对准的外力(340， 461)的作用。那些外力可 能直接作用于被支撑轴上，或者通过固定至被支撑轴或由被支撑轴支 承的其他部件例如齿轮(333， 454)作用。最终，具有接合套(317， 451)的齿式离合器能够选择性地连接支撑轴，用于协调与被支撑轴或 若干由被支撑轴径向支承的齿轮(311， 454)之间的旋转。由于未对 准以及被支撑轴的不足的径向支承装置的影响的组合，支承作用的至 少一部分伴随有齿式离合器内的接触力(341， 462)。这些接触力倾向 于使接合套未对准。在一定条件下，此未对准可能导致脱档，§卩，齿 式离合器的不希望的、不受控制的分离。
存在一些已知的用于防止上述类型的脱档的方法。通常，径向支 承装置，比如轴承，已经被引入或进行了改进，以限制被支撑轴可能 出现的未对准。在US-5,839,319中，示出了类似于图4所示情况的分 离器装置。然而，第一齿轮(headset)/第四齿轮74 (对应于图4中的第 二齿轮454)不是由主轴(对应于图4中的455)支承，而是由刚性地 固定至输入轴42 (对应于图4中的452)的心轴62支承。因此，作用 于第一齿轮/第四齿轮74上的齿轮啮合力丝毫不会引起主轴的未对准。 由此，消除了脱档倾向。然而，附加的心轴将意味着增加生产成本。
US-5,083,993提供了一种行星齿轮1，其类似于图la中的行星式 副变速部分101。为了减少可能出现的未对准，在行星轮架9(对应于 图la中的行星架113)和太阳轮5 (对应于图la中的太阳轮108)之 间包括滚柱轴承，其中，所述行星轮架9与输出轴3 (对应于图la中 的114)集成在一起，所述太阳轮5以可旋转地固定的方式设置在输入 轴2 (对应于图la中的主轴102)上。因此，滚柱轴承作为将被支撑 轴、输出轴3支承在支撑轴、输入轴2上的径向支承装置。然而，采 用滚柱轴承将意味着增加生产成本。
EP-239555B1公开了类似的行星齿轮2。其中，借助于球轴承18， 离合器环16支承行星轮保持器10，所述行星轮保持器10固定至行星轮架ll，所述行星轮架与输出轴4集成在一起。离合器环16不可旋转
地安装在太阳轮7上，所述太阳轮7不可旋转地安装在输入轴3上。 在图la中，等同物将是位于接合环120和行星架113的朝向行星轮111 的左边的部分之间的附加的球轴承。附加的球轴承18将提供输出轴4 的径向支承，并且因此减少可能出现的未对准。然而，采用球轴承18 将意味着增加生产成本。
图la示出了处于直接高速档的现有行星式副变速部分。 图lb示出了处于低速减速档的图la中的行星式副变速部分。 图2示出了具有减速器装置的现有技术行星式副变速部分。 图3示出了可能产生并导致图2的行星式副变速部分中脱档的力 和未对准。
图4示出了现有技术的变速箱中的分离器装置。 图5示出了根据本发明的防止脱档的装置。
发明内容
通过在换档之间也使换档致动器启用，可以抑制如上所述的可能 出现的脱档。因此，可以限制接合套或齿圈的轴向运动，并且可以防 止脱档。图5中所示的用于行星式副变速部分501的装置类似于图2 和图3中所示的情况。副变速换档致动器525启用，并且力571施加 在副变速换档杆526上。当存在促使齿圈517退出接合的轴向运动时， 将通过力571防止这样的轴向运动。由此防止脱档发生。类似的方 案也可以应用在图4中的分离器装置450上。
在优选实施例中，当减速器工作时，即，当齿轮啮合力540作用 于减速器驱动齿轮533上时，图5中的副变速换档致动器525只在换 档之间启用。因此，避免了副变速换档致动器525的不必要的启用。 对于图4中的分离器装置450来说，相应的换档致动器将只需要在存 在非零的齿轮啮合力461时启用。
12对于另一个优选实施例，在由图5中的副变速换档致动器525和
副变速换档杆526组成的子系统中具有轴向止动装置572。轴向止动 装置572使副变速换档杆526的轴向运动限制在一个这样的位置，艮P， 在此位置，副变速换档拨叉527和齿圈517的凹槽528之间存在较小 的轴向间隙573。因此，在完全接合的情况下，在凹槽528和副变速换 档拨叉527之间将没有滑动接触。其结果将是更少的磨损以及更少的 摩擦损失。此外，如果齿圈517由于未对准而开始朝向分离状态轴向 移动，那么轴向间隙573小到足以防止脱档。类似的方案也可以应用 于图4中的分离器装置450。
权利要求
1.用于防止车辆变速装置中齿式离合器内脱档的装置，所述齿式离合器包括具有离合器齿(118，318)的接合套(117，451，517)，通过所述接合套的轴向位移，所述离合器齿(118，318)能够选择性地进入与配合离合器齿(119，319)接合的状态以及从该接合状态脱离，所述轴向位移通过换档致动器系统(125-126-127，525-526-527)实现，所述换档致动器系统包括至少一个换档致动器(125，525)，在所述接合状态，所述齿式离合器使得第一旋转系统(102，302，452)与第二旋转系统(114，214，314，455，111，311，454)同步旋转，所述装置的特征在于所述换档致动器系统在所述齿式离合器处于所述接合状态时的一些情况下启用，以防止脱档。
2. 如权利要求l所述的装置，其特征在于所述车辆变速装置包括支撑轴(102， 302， 452)和被支撑轴(114， 214， 314， 455)，所 述支撑轴(102， 302， 452)通过变速箱壳体系统(104)可旋转地直 接支承或间接支承在两个轴承装置(105， 105b， 459， 460)中，所述 被支撑轴(114， 214， 314， 455)通过所述变速箱壳体系统可旋转地 支承在利用轴承装置(115， 457)的第一支承系统中；所述被支撑轴 与所述支撑轴基本上同轴。
3. 如权利要求2所述的装置，其特征在于所述第一旋转系统包 括所述支撑轴和设置在所述支撑轴上的齿轮(108)中的至少一个，所 述第二旋转系统包括所述被支撑轴和设置在所述被支撑轴上的齿轮(111， 311， 233， 333， 533， 454)中的至少一个。
4. 如权利要求2和3中任何一项所述的装置，其特征在于在一 组工作条件下，所述被支撑轴由所述支撑轴径向地支承在第二支承系 统(108—111 —117—118—119， 311 — 317 — 318 — 319， 451 — 454 — 456，458)中，所述第二支承系统位于在轴向上远离所述第一支承系统。
5. 如权利要求4所述的装置，其特征在于所述第二支承系统内 的径向支撑中相当大的一部分是由作用在所述齿式离合器内的齿之间的接触力(341， 342， 343， 462， 463， 464)来提供。
6. 如权利要求4和5中任何一项所述的装置，其特征在于所述 一组工作条件包括这样的情况在外部负荷(340， 540， 461)的作用 下，所述被支撑轴被促使朝向相对于所述支撑轴的未对准状态，所述 外部负荷作用在所述被支撑轴上，或者是作用在设置于所述被支撑轴 上的部件(233， 333， 454)上。
7. 如权利要求6所述的装置，其特征在于所述外部负荷由辅助 制动系统(230)的工作所引起。
8. 如权利要求6和7中任何一项所述的装置，其特征在于所述 换档致动器系统只在换档和所述一组工作条件的情况下启用。
9. 如上述权利要求中任何一项所述的装置，其特征在于所述齿 式离合器是所述车辆变速装置中的副变速式(101， 201， 301， 501) 和/或分离器式(450)的组合部分中的一部分。
10. 如上述权利要求中任何一项所述的装置，其特征在于所述 换档致动器系统包括至少一个换档拨叉(127， 527)，当所述换档致动 器启用时，所述换档拨叉(127， 527)被促使发生轴向位移，并且， 所述接合套相对于所述至少一个换档拨叉的轴向运动受到限制。
11. 如权利要求IO所述的装置，其特征在于通过机械式轴向止 动装置(572)，所述至少一个换档拨叉相对于所述变速箱壳体系统的 所述轴向位移受到限制，其中所述机械式轴向止动装置(572)限定所述至少一个换档拨叉的极限轴向位置。
12. 如权利要求ll所述的装置，其特征在于所述接合状态包括 完全接合状态，在所述完全接合状态，所述接合套不能再相对于所述 配合离合器齿发生轴向位移，并且，当所述换档拨叉处于所述极限轴 向位置并且所述齿式离合器处于所述完全接合状态时，在所述换档拨 叉和所述接合套之间存在轴向间隙(573)。
13. 如权利要求12所述的装置，其特征在于所述轴向间隙小于 所述受到限制的轴向运动。
全文摘要
用于防止车辆变速装置中齿式离合器内脱档的装置，所述齿式离合器包括具有套离合器齿(118，218，718，818，918)的接合套(117，217，351，551)，通过所述接合套的轴向位移，所述套离合器齿(118，218，718，818，918)能够选择性地进入与配合离合器齿(119，319)接合的状态以及从该接合状态脱离。通过换档致动器系统(125-126-127，525-526-527)实现所述轴向位移。在所述齿式离合器处于所述接合状态时的一些情况下，换档致动器系统启用，以防止脱档。
文档编号F16H61/18GK101317019SQ200580052162
公开日2008年12月3日 申请日期2005年11月25日 优先权日2005年11月25日
发明者斯韦克·阿尔弗雷德松, 汉斯·施特维克 申请人:沃尔沃拉斯特瓦格纳公司