Исполнительный механизм переключателя передач
Изобретение относится к исполнительному механизму переключения передач. Механизм переключения передач содержит эксцентриковый электрический двигатель (50), вращаемую гайку (110), исполнительный элемент (120) и преобразователь (125). Механизм переключения передач выполнен с возможностью приведения в действие эксцентриковым электрическим двигателем (50) вращаемую гайку (110). Исполнительный элемент (120) и преобразователь (125) приспособлены для преобразования крутящего момента (M) вращаемой гайки в поступательную силу (F) и обеспечения этой поступательной силы (F) в качестве действующей силы для переключения передачи. Достигается повышение компактности исполнительного механизма переключения передач. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к исполнительному механизму переключателя передач и, в частности, к эксцентриковому электромеханическому исполнительному механизму переключателя передач.
Обычные электропневматические исполнительные механизмы использовали на автомобилях для коммерческих перевозок, в которых эти исполнительные механизмы использовали пневматические источники энергии в виде пневматических цилиндров для приведения в действие различных устройств, например, сцепления, переключателя передач, тормоза промежуточного вала, тормозных приводов колес. В большинстве случаев приведение в действие предполагает осевое (линейное) перемещение приводного элемента, передающего усилие срабатывания для достижения требуемого результата.
По мере того как гибридные и чисто электрические автомобили получают все более широкое распространение, сжатый воздух становится все меньшее доступным; наблюдается увеличение потребности в чисто электромеханических исполнительных механизмах. Обычный исполнительный механизм описан в патентном документе США № 8,344,565, где конструкция исполнительного механизма содержит исполнительный элемент, который приводят в действие посредством электрической машины, установленной аксиальному перемещению на вращаемом валу. В результате относительного вращения между ротором и исполнительным элементом достигается требуемое осевое перемещение.
Однако для обычных электромеханических исполнительных механизмов требуется значительное монтажное пространство, которое не всегда доступно в коробках передач. Таким образом, существует потребность в электромеханических исполнительных механизмах малых размеров и компактных, которые могли бы быть легко встроены в известные системы. В частности, существует потребность в альтернативных исполнительных механизмах переключателей передач для автомобилей с электрическим двигателем.
По меньшей мере некоторые из вышеупомянутых проблем преодолеваются посредством использования исполнительного механизма переключателя передач по п. 1 или коробки передач по п. 10 или автомобиля по п. 11 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения относятся к дополнительным благоприятным способам реализации предмета изобретения по п. 1 формулы изобретения.
Изобретение относится к исполнительному механизму переключателя передач, выполненному с возможностью приведения в действие эксцентриковым электрическим двигателем. Исполнительный механизм переключения передач содержит: вращаемую гайку, выполненную с возможностью приведения в действие электрическим двигателем; исполнительный элемент и преобразователь, выполненный с возможностью преобразования крутящего момента вращаемой гайки в поступательную силу и обеспечению этой поступательной силы в качестве действующей силы для переключения передач. Эксцентриковый электрический двигатель также может быть частью исполнительного механизма переключателя передач.
Согласно вариантам осуществления изобретения, электрический двигатель установлен с эксцентриситетом относительно вращаемой гайки так, чтобы ось вращения ротора электрического двигателя (статор может быть прикреплен к раме автомобиля) была выровнена с осью вращения вращаемой гайки. Оси вращения вращаемой гайки и вала электрического двигателя являются различными, но они могут быть или не быть параллельными друг другу (например, могут быть расположены с относительным смещением). Кроме того, ось вращения вращаемой гайки может совпадать с осью вращения вращаемого вала, который соединяется с различными зубчатыми колесами, расположенными перед и после переключателя передач. Благодаря положению с эксцентриситетом, исполнительный механизм переключателя передач может быть выполнен меньших размеров и, таким образом, исполнительный механизм может быть использован даже в системах, где доступно только ограниченное осевое пространство для установки. В частности, электромеханический исполнительный механизм переключателя передач согласно вариантам выполнения имеет меньшие размеры также в радиальном направлении, и может быть расположен снаружи механических компонентов преобразователя вращательного движения в поступательное.
Опционально исполнительный механизм переключателя передач содержит передающий элемент, приспособленный для передачи крутящего момента от электрического двигателя к вращаемой гайке. Опционально передающий элемент содержит зубчатое колесо, или червячную зубчатую передачу, или ременную передачу, или цепную передачу.
Переключение передачи может включать в себя смену зубчатого колеса, которое соединяется с вращаемым валом, и исполнительный механизм переключателя передач может дополнительно содержать скользящую втулку, выполненную с возможностью соединения различных зубчатых колес с вращаемым валом при поступательном перемещении (например, относительно корпуса или вращаемого вала). Скользящая втулка может быть выполнена с возможностью поворота относительно исполнительного элемента, а в осевом направлении зафиксирована относительно исполнительного элемента для способствования переключению передачи посредством электрического двигателя.
Опционально преобразователь содержит по меньшей мере один из следующих соединительных элементов между вращаемой гайкой и исполнительным элементом: резьбу, штифт для соединения с кулачком, штифт в соединении с канавкой, две канавки с элементами качения между ними, другой компонент, обеспечивающий относительное линейное перемещение при повороте вращаемой гайки относительно исполнительного элемента. Следовательно, преобразователь может быть частью вращаемой гайки и исполнительного элемента.
Опционально преобразователь выполнен с возможностью обеспечения нелинейной характеристики преобразования.
Опционально преобразователь выполнен с возможностью обеспечения такой характеристики преобразования, чтобы поступательная сила зависела только от знака крутящего момента. Например, преобразователь может быть реализован посредством обеспечения резьбовых частей на вращаемой гайке и исполнительном элементе так, чтобы при вращении в обратном направлении происходило поступательное перемещение в обратном направлении.
Опционально преобразователь выполнен с возможностью обеспечения такой характеристики преобразования, чтобы при изменении поступательной силы сохранялся знак крутящего момента.
Опционально преобразователь выполнен с возможностью обеспечения самозапирающего механизма. Это запирание может быть достигнуто посредством формирования резьбового соединения или канавки с соответствующим шагом так, чтобы не требовались дополнительные меры для удерживания исполнительного элемента в требуемом положении даже при выключенном электрическом двигателе. Если это невозможно, то дополнительный запирающий механизм (например, в виде задвижки) может быть выполнен для удерживания требуемого положения исполнительного элемента.
Изобретение также относится к коробке передач, содержащей эксцентриковый электрический двигатель, по меньшей мере одно зубчатое колесо, вращаемый вал, и один из ранее указанных электромеханических исполнительных механизмов переключателя передач, выполненных с возможностью соединения или отсоединения по меньшей мере одного зубчатого колеса от вращаемого вала в ответ на приведение в действие, выполняемое посредством электрического двигателя.
Изобретение также относится к автомобилю, в частности к автомобилю для коммерческих перевозок, содержащему указанную коробку передач.
Некоторые аспекты исполнительного механизма переключателя передач описаны далее только в качестве примеров со ссылками на приложенные чертежи.
На фиг. 1 показан исполнительный механизм переключателя передач внутри коробки передач согласно варианту выполнения;
на фиг. 2 - коробка передач по фиг. 1 с передней стороны, где не показан электрический двигатель;
на фиг. 3 - дополнительные детали соединения между вращаемой гайкой и исполнительным элементом согласно варианту выполнения; и
на фиг. 4A, 4B - электромеханический исполнительный механизм, приводимый в действие так, чтобы вращаемый вал соединялся с различными зубчатыми колесами.
На фиг. 1 показан вариант выполнения исполнительного механизма переключателя передач, приспособленного для приведения в действие посредством эксцентрикового электрического двигателя 50. Исполнительный механизм переключателя передач содержит: вращаемую гайку 110, выполненную с возможностью приведения в действие посредством электрического двигателя 50; исполнительный элемент 120; и преобразователь 125, приспособленный для преобразования крутящего момента M (или вращения) вращаемой гайки 110 в поступательную силу F (или линейное, или прямолинейное движение). Согласно дополнительным вариантам выполнения, эксцентриковый электрический двигатель 50 может быть неразъемной частью исполнительного механизма переключателя передач.
Поступательная сила F обеспечивается как действующая сила для переключения передач, создаваемая посредством электрического двигателя 50, содержащего статор и ротор (не показан на фиг. 1). Электрический двигатель 50 установлен как вращающее устройство эксцентрично относительно осей зубчатых колес 210, 220 и вращаемого вала 230 (например, трансмиссионного вала). Таким образом, ось вала электрического двигателя 50 отличается от оси вращения вращаемого вала 230, используемого в узле переключателя передач. Электрический двигатель 50 может быть прикреплен к раме или корпусу трансмиссионного узла с помощью несущей конструкции 40.
Вращение вала электрического двигателя 50 может быть передано к исполнительному механизму посредством прямого соединения через передающий элемент 140. На фиг. 1 показано, например, зубчатое колесо 140 в качестве одного возможного передающего элемента между электрическим двигателем 50 и вращаемой гайкой 110. Однако изобретение не должно быть ограничено изображенным зубчатым колесом. Другие передающие элементы 140 включают также червячную зубчатую передачу, ременную передачу или цепную передачу, или любой другой тяговый элемент.
С помощью эксцентрично установленного электрического двигателя 50 приводят во вращение через передающий элемент 140 вращаемую гайку 110, которая установлена внутри подшипника так, чтобы её можно было вращать, но она не должна перемещаться в осевом направлении (т.е. параллельно оси вращения). Подшипник вращаемой гайки 110 может содержать элементы качения или может представлять собой шариковый подшипник любого типа, или подшипник скольжения. Вращаемая гайка 110 соединена с исполнительным элементом 120, где этот соединитель содержит преобразователь 125 вращательного движения в поступательное. Этот преобразователь 125 может быть выполнен в виде резьбового или шарикового винтового соединения, или шлицевой направляющей, или преобразователя любого другого вида, с помощью которого можно преобразовывать вращение вращаемой гайки 110 в прямолинейное движение исполнительного элемента 120 для обеспечения требуемой осевой силы F. Исполнительный элемент 120 перемещается в осевом направлении при вращении вращаемой гайки 110, так как она при вращении сблокирована посредством одного или большего количества штифтов 124, посредством которых заблокировано любое тангенциальное движение исполнительного элемента 120 в направлении движения вращаемой гайки 110. Исполнительный элемент 120, в свою очередь, соединен со скользящей втулкой 150 для передачи поступательной силы F и для соединения вращаемого вала 230 с первым зубчатым колесом 210 или вторым зубчатым колесом 220. Это соединение может быть обеспечено посредством зубчатой внутренней поверхности (обращенной к вращаемому валу 230) скользящей втулки 150 и зубчатых наружных поверхностей 235 на вращаемом валу 230 и на первом и втором зубчатых колесах 210, 220, которые находятся в сцепленном сопряжении. Вращаемый вал 230 либо соединен с первым зубчатым колесом 210, либо со вторым зубчатым колесом 220. Переключение между обоими осуществляется посредством приведенного в качестве примера переключения передач.
На фиг. 2 изображен зубчатый узел по фиг. 1, с передней стороны, где электрический двигатель 50 не виден, но изображен вращаемый вал 230 с наружными зубьями 235, которые сопряжены с внутренней зубчатой поверхностью скользящей втулки 150. На фиг. 2 показано нейтральное положение, в котором скользящая втулка 150 не сопряжена с первым колесом 210 или со вторым колесом 220, а только с наружными зубьями 235 вращаемого вала 230.
На фиг. 3 показаны дополнительные детали вращаемой гайки 110, соединенной с исполнительным элементом 120 посредством преобразователя 125, расположенного между вращаемой гайкой 110 и исполнительным элементом 120. Преобразователь 125 может, например, быть таким резьбовым соединением, посредством которого вращательное движение вращаемой гайки 110 (ось вращения проходит горизонтально в плоскости чертежа, представленного на фиг. 3) преобразуется в результате в поступательное горизонтальное движение исполнительного элемента 120. Исполнительный элемент 120 в осевом направлении прикреплен к скользящей втулке 150 таким образом, чтобы оба элемента не могли перемещаться в осевом направлении относительно друг друга. Например, с помощью стопорного элемента 122 можно предотвращать любое относительное осевое перемещение между исполнительным элементом 120 и скользящей втулкой 150. На фиг. 3 также показаны штифты 124, посредством которых предотвращают любое вращательное движение исполнительного элемента 120 относительно оси вращения, которая на фиг. 3 проходит в горизонтальном направлении в плоскости чертежа. Кроме того, на фиг. 3 показан шариковый подшипник 115 для вращаемой гайки 110 для обеспечения возможности ее вращения относительно несущей конструкции 105, которая может также нести электрический двигатель 50.
Электромеханический исполнительный механизм, изображенный на фиг. 3, показан в нейтральном положении, при котором два зубчатых колеса 210, 220 могут свободно вращаться на вращаемом валу 230.
На фиг. 4A и 4B изображен электромеханический исполнительный механизм, приводимый в действие так, что вращаемый вал 230 соединяется с первым зубчатым колесом 210 (фиг. 4A) или вращаемый вал 230 соединяется со вторым зубчатым колесом 220 (фиг. 4B), при этом соединение обеспечивается посредством наружных зубьев зубчатых колес 210, 220, вращаемого вала 230 и внутренних зубьев скользящей втулки 150 (как описано со ссылкой на фиг. 1).
На фиг. 4A исполнительный элемент 120 перемещен под действием осевой силы F в левую сторону, в результате чего произошло осевое смещение скользящей втулки 150 так, чтобы скользящая втулка 150 передавала угловой момент от вращаемого вала 230 к первому зубчатому колесу 210. В этом положении второе зубчатое колесо 220 отсоединено от вращаемого вала 230.
На фиг. 4B показано положение, в котором исполнительный элемент 120 перемещен под действием противоположной осевой силы F в правую сторону, в результате чего произошло осевое смещение скользящей втулки 150. В результате этого посредством скользящей втулки 150 обеспечено соединение вращаемого вала 230 со вторым зубчатым колесом 220.
Особенно благоприятным является, то если преобразователь 125 обладает самозапирающей функцией, которая может быть достигнута, например, посредством использования определенных резьбовых соединений. Если этой функции нет, то могут быть предприняты дополнительные меры для удержания исполнительного элемента 120 в требуемом (сопряженном или нейтральном) положении так, чтобы для сохранения осевого положения исполнительного элемента 120 электрический двигатель 50 мог все время быть в не активном состоянии.
Если нет резьбового соединения между вращаемой гайкой 110 и исполнительным элементом 120, а соединение предпочтительно выполнено в виде штифт/канавка или штифт/кулачок, то форма канавки или кулачка определяет, в каком направлении и как сильно исполнительный элемент 120 может перемещаться в осевом направлении при приведении в действие электрического двигателя 50.
Соединение штифт/канавка может быть использовано для осуществления нелинейной характеристики преобразования. Это может быть достигнуто, например, посредством регулирования шага канавки, соответственно. В результате этого исполнительный элемент 120 можно перемещать сначала очень быстро в осевом направлении, после чего окончательное осевое перемещение может выполняться медленно (или наоборот). Кроме того, канавка может иметь почти нулевой шаг в конце (например, в сопряженном положении), посредством чего представляется самозапирающий механизм. Если шаг резьбы очень мал или (почти) нулевой, то исполнительный элемент 120 не может сам перемещаться в обратном направлении, и требуется вращение или крутящий момент, создаваемые посредством электрического двигателя 50, прикладывать для возврата исполнительного элемента 120 в нейтральное положение, показанное на фиг. 1-3.
Посредством соединения штифта/кулачок обеспечивают благоприятное условие, заключающееся в том, что от электрического двигателя 50 требуется перемещение только в одном направлении. Например, начиная с нейтрального положения, после вращения вращаемой гайки 110 на угол (например, 90°), исполнительный элемент 120 может прибыть в первое сопряженное положение (фиг. 4A); после поворота на второй угол (например, 180°), исполнительный элемент 120 может снова прибыть в нейтральное сопряженное положение; а после поворота на третий угол (например, 270°) - во второе сопряженное положение (фиг. 4B). Также для этого соединения при максимуме и минимуме кулачка (например, при повороте на 90° и 270°) обеспечивается стабильное положение, представляющее естественный самозапирающий механизм.
Понятно, что различные соединители могут быть соединены или приспособлены, а изображенное резьбовое соединение представляет собой просто один пример. Специалист в данной области техники может легко представить дополнительные соединения, посредством которых могут обеспечиваться те же функции.
Описание и чертежи просто иллюстрируют принципы изобретения. Таким образом, следует учитывать, что эти специалисты в данной области техники могут создать различные устройства, посредством которых, хотя они явным образом не описаны или не показаны в этом документе, могут быть осуществлены принципы изобретения и включены в его объем охраны.
Кроме того, тогда как каждый вариант осуществления может обладать собственными признаками, как отдельный пример, следует отметить, что в других вариантах осуществления определенные признаки могут быть соединены различным образом, т.е. определенный признак, описанный в одном варианте осуществления, может также быть реализован в других вариантах осуществления. Такие сочетания охвачены изобретением, раскрытым в этом документе, если не утверждается, что конкретное сочетание не предполагается.
Список позиций
50 - Электрический двигатель
105 - Несущая конструкция
110 - Вращаемая гайка
115 - Подшипник
120 - Исполнительный элемент
122 - Стопорный элемент
124 - Штифт(ы)
125 - Преобразователь
140 - Передающий элемент
150 - Скользящая втулка
210, 220 - Зубчатые колеса
230 - Вращаемый вал
235 - Наружные зубья
F - Поступательная сила
M - Крутящий момент
1. Исполнительный механизм переключателя передач, выполненный с возможностью приведения в действие эксцентриковым электрическим двигателем (50), при этом указанное переключение передач включает в себя смену зубчатого колеса (210, 220), которое соединяется с вращаемым валом (230), отличающийся тем, что содержит вращаемую гайку (110), выполненную с возможностью приведения в действие электрическим двигателем (50), при этом ось вращения вращаемой гайки (110) совпадает с осью вращения указанного вращаемого вала (230); исполнительный элемент (120); и преобразователь (125), выполненный с возможностью преобразования крутящего момента (M) вращаемой гайки в поступательную силу (F) и обеспечения этой поступательной силы (F) в качестве действующей силы для указанного переключения передачи.
2. Исполнительный механизм по п. 1, отличающийся тем, что содержит передающий элемент (140) для передачи крутящего момента (M) от электрического двигателя к вращаемой гайке (110).
3. Исполнительный механизм по п. 2, отличающийся тем, что передающий элемент (140) содержит зубчатое колесо, или червячную зубчатую передачу, или ременную передачу, или цепную передачу.
4. Исполнительный механизм по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что содержит скользящую втулку (150), выполненную с возможностью соединения различных зубчатых колес (210, 220) с вращаемым валом (230) при поступательном перемещении, при этом скользящая втулка (150) выполнена с возможностью поворота относительно исполнительного элемента (120), а в осевом направлении она зафиксирована относительно исполнительного элемента (120) для содействия переключению передачи посредством электрического двигателя (50).
5. Исполнительный механизм по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что преобразователь (125) содержит по меньшей мере один из следующих соединительных элементов между вращаемой гайкой (110) и исполнительным элементом (120): резьбу; штифт для соединения с кулачком; штифт в соединении с канавкой; две канавки с элементами качения между ними; другой компонент, обеспечивающий относительное линейное перемещение при повороте вращаемой гайки (110) относительно исполнительного элемента (120).
6. Исполнительный механизм по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что преобразователь (125) выполнен с возможностью обеспечения нелинейной характеристики преобразования.
7. Исполнительный механизм по любому из пп. 5 или 6, отличающийся тем, что преобразователь (125) выполнен с возможностью обеспечения такой характеристики преобразования, чтобы поступательная сила (F) зависела только от знака крутящего момента (M).
8. Исполнительный механизм по любому из пп. 5-7, отличающийся тем, что преобразователь (125) выполнен с возможностью обеспечения такой характеристики преобразования, чтобы при изменении поступательной силы (F) сохранялся знак крутящего момента (M).
9. Исполнительный механизм по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что преобразователь (125) выполнен с возможностью обеспечения самозапирающегося механизма.
10. Коробка передач, содержащая эксцентриковый электрический двигатель (50), по меньшей мере одно зубчатое колесо (210, 220) и вращаемый вал (230), отличающаяся тем, что содержит электромеханический исполнительный механизм по любому из пп. 1-9, выполненный с возможностью соединения или отсоединения по меньшей мере одного зубчатого колеса (210, 220) с вращаемым валом (230) в ответ на приведение в действие, выполняемое посредством электрического двигателя (50).
11. Автомобиль, в частности автомобиль для коммерческих перевозок, содержащий коробку передач по п. 10.
