CN101517278B - 具有单端致动的变速器换档机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于变速器(16)的换档机构，该变速器具有第一和第二齿轮组(24，26)。该换档机构具有杆部件和与该杆部件(34)的一端操作性地相连的液力致动器(28)。该液力致动器构造成使杆部件在第一位置、第二位置和第三位置之间移动，在该第一位置，第一齿轮组(24)接合而传递动力，在该第二位置，第二齿轮组(26)接合而传递动力，在该第三位置，第一齿轮组和第二齿轮组都不接合来传递动力。该液力致动器具有可滑动地连接至所述杆部件的第一活塞(48)、固定地连接至所述杆部件的第二活塞(50)以及壳体。该壳体形成三个腔室，并且仅具有与这三个腔室连通的两个流体管道(52，54)。

Description

具有单端致动的变速器换档机构

技术领域

本发明总体上涉及一种变速器换档机构，更具体地涉及一种具有单端致动的三位变速器换档机构。

背景技术

机械，例如轮式装载机、公路汽车和越野汽车、自动平地机以及其它重型建筑机械和采矿机械用于执行许多作业。为了有效地执行这些作业，这些机械需要能通过变速器向一个或多个地面接合装置提供动力的动力源。变速器必须设有一系列齿轮，以允许机械以不同的速度作业，同时保持发动机在期望的运转范围内运转。为此，机械通常包括通过变矩器与发动机相连的多级变速器。

为了产生机械所需的宽范围的变速比，多级变速器包括多个相互啮合的齿轮和相应的通常公知为换档拨叉或换档杆的换档机构。各齿轮具有不同的齿数，并且变速器的输出齿轮速比或速度取决于所接合的齿轮组。换档机构用来选择性地使预定的齿轮组接合，这会产生期望的输出齿轮速比。例如，换档机构通常可在三个位置之间运动，即：从选择第一齿轮组以形成第一输出齿轮速比(例如高速)的第一位置，到没有任何齿轮接合的第二位置(例如空档)，再到选择第二齿轮组以形成第二输出齿轮速比(例如低速)的第三位置。

上述类型的换档机构通常以液力方式致动而在三个位置之间移动。具体地说，各换档机构均包括位于一端的第一液力致动器和位于第二端的第二液力致动器。为了使换档机构移动到第一位置，利用加压流体填充第一液力致动器，同时第二液力致动器保持空置或排出加压流体。为了使换档机构移动至第三位置，利用加压流体填充第二液力致动器，同时第一液力致动器保持空置或排出加压流体。为了使换档机构移动至第二位置，可以将加压流体从第一和第二液力致动器排出，从而允许一个或多个偏压弹簧将换档机构移动到第二位置。然而，因为在换档机构的两端定位有多个致动器以及使用偏压弹簧，所以这种构造复杂、昂贵且不可靠。

在授予Bennett等的美国专利No.6,484,600(′600专利)中描述了一个简化上述换档机构设计并提高变速器可靠性的尝试。具体说来，′600专利描述了一种仅在换档杆的一端具有致动器的变速箱。该致动器包括一对活塞，该对活塞包括连接活塞(例如固定地连接至换档杆的活塞)和自由活塞(例如沿换档杆自由滑动的活塞)。该对活塞将一孔分成三个单独腔室，通过三个单独的流体线路向所述腔室选择性地供应压缩空气以使换档杆在高速、低速和空档之间移动。换档杆的相对端在盲孔中自由移动。

为了实现高速，向三个腔室中的前两个腔室供应压缩空气，而不向第三个腔室供应压缩空气。这致使固定活塞、自由活塞和换档杆沿一个方向移动，直到换档杆到达一止挡并且正确的高速齿轮组被接合。为了实现低速，向第三腔室而不向前两个腔室供应压缩空气。这致使固定活塞、自由活塞和换档杆沿着与第一方向相对的第二方向移动，直到换档杆再次到达一止挡并且正确的低速齿轮组被接合。为了实现空档，仅向第二腔室供应压缩空气。这致使固定活塞和换档杆向一处于这两个停止位置中间的位置移动，并且没有齿轮接合。

尽管′600专利的变速箱相比于典型的双致动器设计具有较少的部件，但它仍然复杂、昂贵并且不可靠。具体的说，该变速箱仍需要太多的流体供应线路，因为必须使阀元件与每个供应线路相关联以选择性地控制供应至供应线路的压缩空气流，从而变速箱的部件成本可能过高。而且，这些附加的部件增加控制复杂性并降低了变速箱的可靠性。此外，因为仅仅基于压力平衡来实现空挡位置而没有任何硬止挡，可能会发生故障(例如，齿轮的不期望接合或部分接合)。

本发明变速器旨在克服上述一个或多个问题。

发明内容

在一个方面中，本发明涉及一种用于变速器的换档机构，该变速器具有第一齿轮组/组合和第二齿轮组。该换档机构包括杆部件和与该杆部件的一端操作性地相连的液力致动器。该液力致动器构造成使杆部件在第一位置、第二位置和第三位置之间移动，在该第一位置，第一齿轮组和第二齿轮组都不接合来传递动力，在该第二位置，第一齿轮组(被)接合而传递动力，而在该第三位置，第二齿轮组接合而传递动力。所述液力致动器包括可滑动地连接至所述杆部件的第一活塞、固定地连接至所述杆部件的第二活塞、以及构造成容纳所述第一和第二活塞以形成三个腔室的壳体。该壳体仅有两个与所述三个腔室连通的流体管道。

在另一方面中，本发明涉及一种改变变速器的输出齿轮速比的方法。该方法包括对流体进行加压以及通过仅一个供应线路将该加压流体引导到单个致动器。加压流体的引导实现接合的第一齿轮组(第一齿轮组接合)和接合的第二齿轮组(第二齿轮组接合)之一。

附图说明

图1是所公开的机械的示例性示意图；

图2是用于与图1的机械一起使用的本发明变速器的示例性剖视图；

图3A是用于与图2的变速器一起使用的本发明换档机构的示例性剖面图；

图3B是图3A的换档机构位于与图3A中所示位置不同的第二位置时的剖视图；以及

图3C是图3A的换档机构位于第三位置时的剖视图。

具体实施方式

图1示出示例性机械10。机械10可以是执行与诸如采矿、建筑、耕作、运输之类的行业或其它现有技术中公知的行业有关的某些作业的移动式机械。例如，机械10可以是土方机械，例如轮式装载机、越野货车、自动平地机，或任何其它土方机械。机械10也可以是船舶、客运车辆或任何其它合适的作业执行机械。机械10可包括动力源12、变矩器14和操作性地连接至牵引装置18的变速器16。机械10还可包括操作站20和一个或多个用于手动控制机械10的操作者界面装置22。

动力源12可产生动力输出，并且可具体为内燃机，例如柴油发动机、汽油发动机、气体燃料发动机，或本领域技术人员公知的任何其它类型的发动机。动力源12也可以实施为非内燃型的动力源，例如炉子、电池、燃料电池、电机或任何其它合适的动力源。

变矩器14可以是构造成将动力源12联接至变速器16的液力装置。变矩器14可以允许动力源12在某种程度上独立于变速器16旋转。可以设想，变矩器14也可以实施为非液力装置，例如机械膜片式离合器。

如图2所示，变速器16可包括相互作用以将动力从动力源12传递至牵引装置18的各种部件。具体地说，变速器16可以是多级双向机械变速器，其至少具有布置在公共壳体30中的第一齿轮组24、第二齿轮组26和液力致动器28。液力致动器28可以选择性地接合第一和第二齿轮组24、26，由此以相应的齿轮速比将动力从变矩器14传递至牵引装置18。可以设想，如果需要，变速器16内可包括多个液力致动器28，以实现附加齿轮组(未示出)的接合。

第一和第二齿轮组24、26可以通过换档轴套32沿箭头方向31的运动而接合。具体的说，液力致动器28可以使换档轴套32从在图2中示出为“A”的空档位置移动至示出为“B”的高速位置和示出为“C”的低速位置。当位于空档位置时，来自变矩器14的输出可以基本与牵引装置18断开连接。当位于高速位置时，换档轴套32可以通过第一齿轮组24将变矩器14的输出(端)连接至牵引装置18的输入(端)(例如，变速器16的输出端)。当位于低速位置时，换档轴套32可以通过第二齿轮组26将变矩器14的输出连接至牵引装置18的输入。

液力致动器28可以通过使换档杆34选择性地伸出和缩回而使换档轴套32移动。具体地说，液力致动器28可以实施为液力缸，该液力缸具有构造成容纳换档杆34的一端的致动器壳体36。可以设想，如果需要，致动器壳体36可以与壳体30形成一体，或者为布置在壳体30内或连接至壳体30的独立壳体部件。如图3A-3C所示，可以在致动器壳体36的开口40与换档杆34之间布置密封装置38，以使换档杆34伸出和缩回时致动器壳体36的流体泄漏最小。

致动器壳体36可以通过第一活塞48和第二活塞50而分成三个单独的腔室42、45、46，并通过两个不同的供应线路52、54供应加压流体。第一活塞48可以滑动地围绕换档杆34布置，而第二活塞50可以通过保持夹56或任何其它合适的方式固定地连接至换档杆34。第一活塞48可以呈大致杯状，具有用以容纳和限制第二活塞50的运动的中央孔58。在第一活塞48和第二活塞50之间、第一活塞48和致动器壳体36之间以及第二活塞50和致动器壳体36之间可以布置附加的密封装置38，以使泄漏最小。第一腔室42可以形成在第一活塞48的一端、第二活塞50的一端和致动器壳体36的第一端之间。第二腔室45可以由第二活塞50的凹入中部、致动器壳体36的内壁和第一活塞48的右端形成。第三腔室46可以形成在第二活塞50的第二端和致动器壳体36的第二端之间。如下面将详细说明的，第一和第三腔室42、46可以通过供应线路52、54而选择性地填充和排出加压流体，以使换档杆34在三个位置(例如，A、B和C)之间移动，由此改变变速器16的输出齿轮速比。第二腔室45可以连续地连接至低压排出管。

第二活塞50可以具有两个不同面积的液力表面。具体地说，第二活塞50可具有第一液压力区域50a和比第一液压力区域50a小的第二液压力区域50b。因为换档杆34终止于第三腔室46，所以换档杆34的横截面区域/面积可以与第二活塞50的横截面区域相结合而在第三腔室46内形成第一液压力区域50a。因为换档杆34延伸穿过致动器壳体36，所以液压力区域50b仅由第二活塞50的横截面区域构成。

牵引装置18(参见图1)可以包括位于机械10两侧的车轮(仅示出了一个)。或者，牵引装置18可包括履带、皮带或其它从动牵引装置。牵引装置18可由变速器16驱动，以根据动力源12的旋转输出而旋转。

操作站20可接收来自机械操作员的输入。具体地说，位于操作站20内的操作者界面装置22可以实施为齿轮选择器，以用于对操作员指示期望的变速器齿轮速比和/或行进方向。例如，操作者界面装置22可以具有空档位置、多个前进档位置和一倒档位置。当操作员使界面装置22在可用位置之间移动时，可以产生期望的齿轮速比信号并且将该齿轮速比信号提供给变速器控制器(未示出)。在自动式变速器中，当机械行进速度增加时，控制器可以根据换档图谱自动执行档位变换(例如，换档杆34的伸出和缩回，以及换档轴套32使不同的齿轮组接合)，直到变速器16达到最大的期望输出齿轮速比。在手动式变速器中，控制器可以在操作员进行选择时执行由操作员选择的准确档位变化。

图3A-3C示出了在液力致动器28的操作期间换档杆34的不同示例性位置。下面将进一步讨论图3A-3C以解释本发明的***及其操作。

工业实用性

所公开的变速器可以提供用以改变发动机与牵引装置间的输出驱动比的简单、廉价且可靠的方式。具体的说，本发明的变速器***的单端致动器可以使换档杆在三个不同位置之间移动所需的部件数量最小。该最小数量的部件可以降低本发明的变速器的复杂性和成本，同时提高其可靠性。下面将描述液力致动器28的操作。

参照图3A，当变速器16操作时，一泵(未示出)可以对流体进行加压以为齿轮接合做准备。为了在变速器16内实现空档状态，可以通过供应线路52和54基本同时地将加压流体引导到第一和第二腔室42和46。

如果在第一活塞48和第二活塞50位于如图3B所示的致动器壳体36的左侧时施加以上压力，则第一腔室42中的压力作用在第一活塞48的区域48a和第二活塞50的区域50b上，而第三活塞46中的压力作用在第二活塞50的区域50a上。由于这些压力基本相等并且组合区域48a和50b比区域50a大，因此，第一活塞48、第二活塞50和换档杆34向右移动，直到第一活塞48接触壳体36内的止挡36a，并且实现如图3A所示的空档位置。

或者，如果上述压力在第一活塞48抵靠止挡36a并且第二活塞50向图3C所示的右侧移动时施加，则第一腔室42中的压力作用在第二活塞50的区域50b上，第三腔室46中的压力作用在第二活塞50的区域50a上。由于所述压力基本相等，并且区域50a大于区域50b，因此第二活塞50和换档杆34向左移动，直到第二活塞50接触第一活塞48，并且到达如图3A所示的空档位置为止。

可以设想，一旦换档轴套32已经移动到位置“A”并且到达空档状态，则软棘爪(未示出)可以将换档轴套32保持在位置“A”，从而允许第一和第三腔室42和46排空加压流体。仅通过供应加压流体使换档杆34伸出或缩回并且不将换档杆34保持在特定位置，可以提高变速器16的效率。

机械操作员可以通过移动操作者界面装置22而选择期望的变速器输出齿轮速比或最大变速器输出速度比。当操作员选择特定齿轮速比或响应于行驶速度或转矩以及最大容许齿轮速比而自动地选择齿轮速比时，加压流体可以流入第一和第三腔室42、46中的一个内，由此分别使换档杆34缩回或伸出。例如，如图3B所示，为了实现高速状态，可将加压流体引入第三腔室46，而如果第一腔室42填充有流体则同时从第一腔室42排出流体。第三腔室46内的加压流体可以作用在液压力区域50a上，致使第一和第二活塞48和50以及换档杆34向左移动。当换档杆34向左移动时，换档轴套32可移动至位置“B”，在位置“B”，第一齿轮组24接合。与上述空档状态类似，一旦换档轴套32已经移动至位置“B”，则软棘爪(未示出)可以将换档轴套32保持在位置“B”以节约能量。

为了实现低速状态，可以将加压流体引入第一腔室42，而如果第三腔室46填充有流体则同时从第三腔室46排出流体。第一腔室42内的压力可以将第一活塞48向右推动直到接合止挡36a，同时第一腔室42内的压力可以作用在液压力区域50b上，以使第二活塞50和换档杆34继续向右移动，直到达到图3C所示的位置。当换档杆34向右移动时，换档轴套32可以移动至位置“C”，在该位置“C”，第一齿轮组26接合。与上述空档及高速状态类似，一旦换档轴套32已经移动至位置“C”，则软棘爪(未示出)可以将换档轴套32保持在位置“C”以节约能量。

因为所公开的液力致动器仅需要两个供应线路来实现三个不同的换档杆位置，所以可降低变速器16的复杂性，同时提高其可靠性。具体地说，因为液力致动器28仅包括两个供应线路，所以与采用多于两个供应线路的***相比可以需要较少的液力回路。液力回路的减少可以降低部件成本并增加变速器16所节省的空间。另外，因为可能需要阀来控制加压流体流过各供应线路，所以供应线路数量的降低可以导致类似的阀减少。阀减少可以进一步降低部件成本并且简化变速器16的控制。较少的部件和简化的控制可以提高可靠性。

本领域技术人员应明白，可以对本发明的变速器进行各种修改和变型。本领域技术人员考虑到本文所公开的发明的说明书及实践会清楚变速器的各种实施方式。例如，尽管变速器16的高速状态示出为通过换档杆34从致动器壳体36伸出而实现，低速状态示出为通过换档杆34缩回而实现，但也可以是低速状态通过换档杆34伸出实现，而高速状态通过换档杆34的缩回实现。说明书和示例应该认为仅是示例性的，本发明的真实范围由所附带的权利要求及其等效方案限定。

Claims (20)

1.一种用于变速器的换档机构，该变速器具有第一齿轮组和第二齿轮组，该换档机构包括：

-杆部件；以及

-液力致动器，该液力致动器与杆部件的一端操作性地连接，并构造成使所述杆部件在第一位置、第二位置和第三位置之间移动，在该第一位置，所述第一齿轮组接合而传递动力，在该第二位置，所述第二齿轮组接合而传递动力，在该第三位置，第一齿轮组和第二齿轮组都不接合来传递动力，该液力致动器包括：

--滑动地连接至所述杆部件的第一活塞；

--固定地连接至所述杆部件的第二活塞；以及

--壳体，该壳体构造成容纳所述第一和第二活塞以形成三个腔室，并且仅具有与这三个腔室连通的两个流体管道，

其中，所述第一活塞没有完全包围所述第二活塞，并且所述杆部件没有与所述第一活塞密封地接合。

2.根据权利要求1所述的换档机构，其特征在于，该换档机构还包括位于第一活塞和第二活塞之间的密封装置。

3.根据权利要求1所述的换档机构，其特征在于，所述第二活塞可滑动地容纳在所述第一活塞内。

4.根据权利要求1所述的换档机构，其特征在于，当杆部件处于所述第一、第二和第三位置中的两个位置时，第一和第二活塞沿轴向接触。

5.根据权利要求4所述的换档机构，其特征在于，当杆部件处于所述第一位置时，第一活塞、第二活塞和壳体沿轴向接触。

6.根据权利要求1所述的换档机构，其特征在于，第二活塞围绕所述杆部件轴向布置。

7.根据权利要求1所述的换档机构，其特征在于，第一活塞抵靠一止挡以使所述第一活塞的运动与所述第二活塞分离。

8.根据权利要求7所述的换档机构，其特征在于，所述第一活塞在所述第一位置和第三位置时都抵靠所述止挡。

9.一种通过如权利要求1所述的换档机构改变变速器的输出齿轮速比的方法，该方法包括：

对流体加压；以及

通过仅一个供应线路将加压流体引导至单个致动器，以实现第一齿轮组接合和第二齿轮组接合之一。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该方法还包括通过仅两个供应线路将加压流体引导至所述单个致动器，以实现变速器的空档状态。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，当从接合的第一齿轮组开始时，向所述单个致动器的两个腔室填充加压流体以实现空档状态。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，当从接合的第二齿轮组开始时，向所述单个致动器的两个腔室填充加压流体以实现空档状态。

13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，仅向致动器的一个腔室填充加压流体，以实现第一齿轮组接合。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，仅向致动器的一个腔室填充加压流体，以开始第二齿轮组的接合，以及，向致动器的两个腔室填充加压流体，以实现变速器的空档状态。

15.一种变速器，该变速器包括：

-壳体；

-输入端；

-输出端；

-布置在所述壳体内的第一齿轮组，该第一齿轮组构造成以第一减速比将动力从所述输入端传递至所述输出端；

-布置在所述壳体内的第二齿轮组，该第二齿轮组构造成以第二减速比将动力从所述输入端传递至所述输出端；

-换档机构，该换档机构构造成选择性地使第一齿轮组和第二齿轮组接合，该换档机构包括：

--杆部件，该杆部件可滑动地容纳在所述壳体内；以及

--液力致动器，该液力致动器与杆部件的一端操作性地连接，并且构造成使所述杆部件在第一位置、第二位置和第三位置之间移动，在该第一位置，第一齿轮组和第二齿轮组都不接合来传递动力，在该第二位置，第一齿轮组接合而传递动力，在该第三位置，第二齿轮组接合而传递动力，该液力致动器包括：

---滑动地连接至所述杆部件的第一活塞；

---固定地连接至所述杆部件的第二活塞；以及

---位于所述壳体内的孔，该壳体构造成容纳第一和第二活塞以形成三个腔室，并且仅具有与这三个腔室连通的两个流体管道，

其中，所述第一活塞没有完全包围所述第二活塞，并且所述杆部件没有与所述第一活塞密封地接合。

16.根据权利要求15所述的变速器，其特征在于，所述第二活塞可滑动地容纳在第一活塞内。

17.根据权利要求15所述的变速器，其特征在于，当杆部件处于所述第一、第二和第三位置中的两个位置时，第一和第二活塞沿轴向接触。

18.根据权利要求17所述的变速器，其特征在于，第一活塞、第二活塞和壳体在所述第一位置中沿轴向接触。

19.根据权利要求15所述的变速器，其特征在于，第二活塞围绕杆部件轴向布置。

20.根据权利要求15所述的变速器，其特征在于，第一活塞抵靠一止挡以将第一活塞的运动与第二活塞分离，并且在第一位置和第三位置都抵靠该止挡。

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