CN1082155C - 由控制装置自动控制的变速机构 - Google Patents

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Abstract

一种自动控制或人工控制的齿轮变速机构，该机构以一种独特的方式通过固定啮合齿轮对进行驱动，也就是在变速机构中，装在两根轴上的一组齿轮对中只有一对进行工作。提出了一种变速机构的新原理。通过松开离合器使变速机构动作以便从一组固定啮合齿轮对中选定一对齿轮对，在选定工作一开始，变速机构可使转动零件同步转动，达到同步转动后，便使选定的工作齿轮对啮合，然后使上述的离合器接合、从而将转动和转矩传递到输出端。

Description

由控制装置自动控制的变速机构
本发明涉及一种可由一个控制装置自动地驱动控制的，亦可由操作者人工驱动的变速机构。这种机构以独特的方式使固定啮合齿轮对工作，也就是说，所有安装在两根同样的轴(一根是输入轴另一根是输出轴)的一组齿轮对中只有一对由该变速机构带动工作。
在变速箱中的齿轮对变速机构按照可在花键轴上移动的套筒形式并通过其前齿与一个齿轮或另一个齿轮相啮合的方式广泛应用。这种变速机构可带有转动同步机构以便在进行接合时不会使其啮合的前齿受到阻碍。当变速、或者说改变进行工作的固定啮合齿轮对、从而改变机器或车辆的运转速度时，变速箱中的零件是同步转动的。
这些机构广泛地用于机器制造业和汽车传动装置。由于带有同步回路的变速机构应用广泛，故为人们所熟知并已成主流。这些带有同步回路的变速机构在SAE(机械工程师协会)No.680008(1968年1月)中已有详细阐述。
本发明的目的是提供一种变速机构的新概念，当动力传动组件带有离合器时，上述的变速机构可使位于马达(发动机)与传动端之间的离合器脱开，以便选择和接合一个速度(或者说一个工作齿轮对)从而达到同步转动。通过松开离合器使变速机构动作以便从一组固定啮合齿轮对中选定一对工作齿轮对，当选定工作一开始，变速机构可使正在工作的转动零件同步转动，达到同步转动后，变速机构便使选定的工作齿轮对啮合，然后，变速机构又使位于马达(发动机)与传动端之间的离合器接合，从而将马达(发动机)的转动和转矩传到输出端。
通过所附附图结合实施例对本发明进行详细描述，其中：
图1示出了带有固定啮合齿轮对的变速机构及互异致动应用的视图；
图2(a)和2(b)分别示出了接合销安装在定位管中的俯视截面图和侧视截面图；
图3(a)和3(b)分别示出接合销安装在定位管中时接合处的放大示意图；
图4(a)、4(b)和4(c)分别示出接合销与致动头上导轨结合的主视图、俯视图和局部截面视图；
图5示出根据本发明另一替代实施例的当接合和脱离机构由一个受到控制装置18驱动和控制的液压或气动装置致动时的工作情况；
图6示出根本发明的又一替代实施例的当接合和脱离机构由一个致动装置通过一个受到控制装置18驱动和控制的电磁阀致动时的工作情况；
图7示出安装在带有离合器机器上的变速机构的示意图；
图8示出安装在带有离合器的汽车上的变速机构的示意图；
图9简单地示出上述传动装置的体系；
图10(a)和10(b)分别示出可在空心轴上空转、并构成变速箱的固定啮合齿轮对的一部分的上述齿轮的剖视图和主视图；
图11示出通过一种多边形连接件而安装在平行轴上的齿轮；
图12和13为带有恒速马达的机器的不同布置的示意图；
图14和15为带有变速马达的机器的不同布置的示意图；
图1示出了带有固定啮合齿轮对的变速机构及互异致动的典型应用。变速箱的主要部分是固定啮合齿轮对。在空心轴2上安装了若干个可在该轴上滑动的齿轮，故它们是沿空心轴2可空转地安装在若干个滑动轴承上的。这些齿轮的标号为201、202、203、204、205和206。此外，沿平行于上述的空心轴2的轴34、以固定的方式安装了一组与上述齿轮呈现固定啮合的齿轮。这些齿轮的标号为211、212、213、214、215和216，它们固定在平行轴34上并随它一起转动，就像是轴的一部分似的。在平行轴34和空心轴2之间，可设置一个与这两个轴相平行的齿轮轴以便能使某一特定的齿轮对反转。这种结构已被用于车辆的变速箱而使其具有倒挡速度。在空心轴2之前和平行轴34之后，可以按照设计需要设置许多轴。上述的固定啮合齿轮对的数目取决于设计与实用上的要求。
图5示出当接合和脱离机构由一个受到控制装置18驱动和控制的液压或气动装置致动时的工作情况，上述的控制装置18与一个继电器和逻辑线圈54一起动作而打开液压流体或压缩空气的入口。
图6示出当接合和脱离机构由一个作动装置通过一个受到控制装置18驱动和控制的电磁阀致动时的工作情况，上述的控制装置18对继电器逻辑装置83起作用，该逻辑装置83通过构成致动电磁阀71的一部分的电压源84使线圈75激励或去激励。
图7示出安装在带有离合器机器上的变速机构，其中有一个为机器提供动力的电动马达或其它类型的恒速马达101，一个位于马达与带有固定啮合齿轮对的变速箱103之间的离合器箱102，一个变速机构104和一个转动与转矩输出机构105。为了使离合器动作，设置了一个构成上述变速机构104的一部分的致动机构，上述的变速机构104也具有这种使离合器箱102中的离合器动作的致动功能。在离合器箱102与变速箱103之间，设置了一种机械连接构件，这种机械连接构件可以是由皮带107连接起来的一对皮带轮106，或者是一种刚性的或弹性的连接件，这种连接件是众所周知的，故不作详述。
图8示出安装在带有离合器的汽车上的变速机构104，汽车上带有驱动马达121，这种马达可以是一种内燃机，或者某些其他类型的能将动力传给具有变速转动性能的车辆的马达。在马达与变速箱之间设置有离合器122，该变速箱带有固定啮合齿轮对123，通过万向节126和传动轴127将差速器128的运动和转矩输出传递给车轮129。图8简单地示出了本发明在后驱动车辆中的应用情况，但是，本发明目的的同样原理也可用于前驱动车辆。对于前驱动车辆，总的原理是相同的，只是改变了变速箱123的输出机构125与差速器128间的连接机构。
本发明的目的还在于提供一种齿轮连接方法，以便使变速机构本身带有一个安装在一根轴内的接合和选择部分，或者，该接合和选择部分安装在多根轴内，这一机构可通过控制装置18自动驱动，也可通过由操作者或驾驶者操作的控制装置自动驱动。上述的变速机构的机械部分含有安装在轴内的部分、致动部分、链条或皮带传动部分以及驱动马达。在马达与控制装置18之间，设有被称为伺服驱动器的电气-电子装置17，当控制装置18向这些伺服驱动器发出译码信号时，这些伺服驱动器就为马达提供电能、从而使直流或交流马达按照由控制装置的逻辑预定的程序而动作。
图9简单地示出上述传动装置的体系。控制装置18实际上是以微处理机为主体的电子硬件组成的，在它的记忆部分中还含有管理变速机构的驱动、控制、致动和传感的所有过程的程序(软件)18A。控制装置18的管理硬件和软件18A在用于图7所示的情况时，可装入计算机化数控(CNC)的中央处理装置(CPU)内或者装入可编程序逻辑控制器(PLC)内，而该可编程序逻辑控制器则可以装在采用本发明的变速机构的机器内。这种控制器18接受操作者通过杆120或其它数据输入装置的手动操作的脉冲而工作，或者接受管理软件18A，也就是具有自动功能的全部逻辑的管理程序本身自动发出的脉冲而工作。上述程序存贮在控制装置18中。紧接在控制装置18的后面，设置了驱动马达用的电子伺服驱动器组件17。第一个电子伺服驱动器按如下的目的使一个马达工作：电气-电子驱动器33A驱动离合器致动马达33，该离合器可由另一种类型的液压或气动装置致动而完成松开和连接过程；电气-电子驱动器16A驱动同步驱动马达16；电气-电子驱动器15A驱动选择齿轮对用的驱动马达15。至于离合器的松开和连接装置以及对其工作的调制方面的驱动机构可以是其它的例如由带有适合于这种应用的适当逻辑的同一控制装置18导引和控制的液压或气动的驱动器。本发明所公开的接合马达19以及整个的接合机构可具有其它结构上的选择性，即可选用图5的液压活塞或图5的气动活塞或者选用图6的由一个电磁阀和一个弹簧组成的机构。上述的马达及其伺服驱动器17可以是直流电的或交流电的。最后，本体系由一组反馈位置、转动与载荷数据的传感器组37形成闭合回路。
变速机构104的机械部分带有三种与上述齿轮对的配置相同的基本结构，但具有三种配置和选定齿轮对的接合机构的变型。这些变型如图1、5、8所示，并将在对本专利的说明中一起阐述。
下面详细说明变速机构104机械部分的第一种结构的选定齿轮对或者说选定速度用的内部结构以及上述变速器的啮合情况。第一种结构使用图1所示的接合电动机19。
上述的第一种结构含有一个可在被啮合齿轮的空心轴2内滑动的定位管1。图7和8的变速箱103、123的固定啮合齿轮对带有一对空转地安装在空心轴2上的齿轮和安装在平行于空心轴2的平行轴34上、并与该平行轴34相接合的相应的固定啮合齿轮，以便使该齿轮就像平行轴34一样转动，并且，上述的齿轮是整体结构的。上述的定位管1在其端部带有5个或多于5个或少于5个的径向孔，该径向孔的数目取决于通过变速箱传递的机械转矩。
图10(a)和10(b)示出可在空心轴2上空转、并构成变速箱103、123的固定啮合齿轮对的一部分的上述齿轮。这些齿轮的传递转矩和转动的外齿150是由现有的机械制造技术中已知的切削加工齿轮的方法加工成的，每对固定啮合齿轮对具有与多对固定啮合齿轮对相应的传动比。上述的在空心轴2上空转的齿轮在其内部的内孔(在孔中由外齿150的中心线151与空心轴2对中)中带有内齿组4c，这些齿与接合销4的齿4a相啮合。在内齿4c的两侧，有两个滑动轴承152嵌入该空转齿轮的内孔中，这样便可使该齿轮在不与接合销4相接合时能以最小的摩擦、最小的能量消耗并以平衡状态在空心轴2上空转，因为上述的滑动轴承152是安装在内齿4c的两侧。上述内齿4c的间隔及尺寸可允许它与接合销4的齿4a相啮合。上述在空心轴2上空转的齿轮与接合在平行轴34上的齿轮配对，并且是一对接一对地相互固定啮合。安装每一固定啮合齿轮对的空心轴2上带有一排等距离布置的并按照空转地安装在轴上的每个齿轮的中心线151精确对中的径向孔。通过空心轴2的这些孔，接合销4便能将空心轴2的转矩和转动传递给选定来进行工作的固定啮合齿轮对。为了使选定的固定啮合齿轮对在运动中精确定位，在选择机构上设置了一个能够作线性移动和转动的位置传感器37B，该位置传感器37B检测定位管1的位置并将该信息输给控制装置18、从而使它监控和驱动上述系统。
图11示出通过一种多边形连接件160而安装在平行轴34上的齿轮，也就是说，齿轮的中心孔不是圆形而是多边形160。在图11中以一个带有三个边的多边形孔160为代表，但它可以是四边形或更多边的多边形。这种结构的优点在于不需要采用键或齿轮的内齿来与相应的轴相接合。平行轴34也不是圆形的，并且在轴34的安装固定啮合齿轮对的部位具有完全相同的外多边形形状160。因此，齿轮与轴之间总是接合在一起以传递转动和转矩。定位管1具有选择速度或者说选择接合齿轮对的功能。为了使定位管1起选择作用，它必须在空心轴2内滑动，以便使安置接合销4的径向孔的中心线(图10(a)和10(b)中的中心线151)定位于选定齿轮对的齿轮内齿4c的中心。结果，空心轴2便总是与定位管1成整体地一起转动，两者通过键3装在一起而允许它们间的相对的轴向滑动、但保持它们总是作同样地转动。在这根带有径向孔的定位管中，安装有与孔的数目一样多的接合销4，这些接合销4用于连接空心轴2上的选定齿轮，从而使该齿轮及与其配对的齿轮开始传递转矩和转动，而所有其余的固定啮合齿轮对则呈空转状态，也就是不传递转动和转矩。图3(a)和3(b)所示的接合销4是径向地安装在定位管1的端部，并且是如图2(a)和2(b)所示的沿直径等距相隔且径向地安置的。接合销4在其连接端上带有与图10(a)和10(b)所示的内齿4c相啮合的齿4a。在图2(a)-3(b)中，接合销4代表性地示出只带有一个齿4a，但是，它可以带有一个或多个与齿轮的内齿4c相啮合的齿4a。在接合销4的另一端上带有一个具有适当角度的滑动斜面4b以便滑动致动头5。接合销4与图4(a)-4(c)所示的致动头5上的导轨6相接合。接合销4带有可允许这种接合的槽6a。在接合运动中，当接合销4被向外驱动而与齿轮的内齿4c相接触时，它压在致动头5上。在松开运动时，接合销4脱离齿轮的内齿4c，此时，接合销通过它本身的T型槽6a和槽6a的表面6b而沿致动头5的导轨6被拉出。致动头5的导轨可以是滑动式的或者是滚动式的。T型槽6a用于保持接合销4固定在致动头5上以便使其在松开运动时被拉出。为了拉回上述的接合销4，另一种解决办法是使用回拉弹簧，此时便不再需要“T”字形的形状。上述的弹簧像接合销4一样是径向安放的，它经常保持对接合销4施加回拉力。当致动头5回缩时，接合销4在弹簧的作用下回缩。当接合销4随定位管1一起全部缩回时，其直径小于空心轴2的直径，因此，它们可随定位管1一起移动来选定新的齿轮对而不会在定位管的选择运动过程中使接合销4磨损或者碰到空心轴2的内孔。选定运动由位置传感器37b监控以便保证上述定位的精确性。选定和定位到所选的啮合齿轮对上的运动由把状螺母7控制，该把状螺母7通过滚柱轴承8与定位管1相接合而允许它促使随空心轴2一起转动的定位管1在空心轴2中滑动而到达选定的互相啮合的齿轮对处。把状螺母7不随定位管1一起转动，因为在把状螺母7与定位管之间设置有滚柱轴承8，通过该滚柱轴承8可将定位管1推或拉到选定的位置上。促使把状螺母7滑动而推或拉动定位管1进入选定位置的构件是一个心轴9，该心轴9通过两个滚柱轴承11、12双点支承在变速箱的壳体10上。一个同步皮带轮或带齿的皮带轮13与上述的心轴9以键接合，直流或交流伺服马达15通过一种同步的带齿皮带或链条14将运动传给上述的皮带轮13。该马达15由图9中简单示出的用于传输动力的电气-电子装置(称为伺服驱动器)15a驱动。伺服驱动器15a接受控制装置18的驱动力而驱动马达15。接合销4的连接运动受致动头5(接合销4通过本身底部的槽与该致动头5的导轨6相接合)相对于定位管1的纵向(定位管1的轴向)位移所影响。上述接合销4的连接运动是径向的并且是垂直于致动头5的轴向位移的。致动头5除了可与上述的定位管1一起转动之外，还可与定位管1一起作轴向移动而进行选定和定位运动，而且，它还可作相对于定位管1的轴向移动，这种轴向的相对移动是致动头5固有的，与定位管1无关。这种轴向的移动可通过致动头5的一端锥和接合销4带有斜面4b的那端传递给接合销4。由于接合销4与定位管1相接合并安装在定位管1的径向孔内，故致动头5与定位管1可一起转动。通过可作线性移动或转动的位置传感器37a的监控作用保证了进行接合和松开过程的致动头5的定位精度。按照本发明的第一实施例(如图1所示)，致动头5进行轴向移动而促使接合销4发生径向移动而进入定位管1中并与选定的齿轮对的齿轮内齿相啮合，上述致动头5的轴向移动是由一个长形螺钉25带动的，该长形螺钉25不能转动，只是借助滚柱轴承31而进行轴向移动以推动致动头5。长形螺钉25不能转动，因为它通过一个键27a与锚固管27相接合，该锚固管27与一个盖子28相接合，盖子28  固定在变速箱壳体10上。在定位管1中轴向地安装了一个长形螺母24，该长形螺母24不能与定位管1一起转动，因为在螺母24与定位管1之间设置了一个滚柱轴承30，轴承30可使上述的长形螺母只是与定位管1一起作轴向的移动。当定位管1独立转动时，长形螺母24迫使长形螺钉25在锚固管27中作轴向移动、从而由长形螺钉25推动或拉动致动头5。长形螺母24由键23固定在转动管22上，转动管22转动时便带动长形螺母24转动。转动管22本身可作旋转运动。转动管22不能作相对于变速箱壳体10的轴向移动，因为它是通过滚柱轴承29固定在变速箱壳体10上的。当安装在定位管1中的长形螺母24与定位管1一起作轴向移动时，它总是通过键23固定在转动管22上。当定位管1被移动以进行定位时，长形螺母24进入转动管22中，因为长形螺母是通过滚柱轴承30固定在定位管1上。转动管22由同步或带齿的皮带轮20带动而转动，皮带轮20则通过键21与该转动管22相接合。同步或带齿的皮带轮20由同步皮带或链条32带动，而同步皮带或链条32则将来自于直流或交流马达19的转动传给上述的同步或带齿的皮带轮20。当长形螺母24转动时，便带动长形螺钉25向左或向右作轴向移动，螺钉25的移动方向取决于直流或交流马达19的转动方向。因此，随着长形螺钉25的轴向移动所造成的致动头5(它通过滚柱轴承31固定到长形螺钉25上)的移动，接合销4与选定的齿轮对的齿轮相啮合或松开。
按照本发明的第2实施例(如图5所示)，致动头5进行轴向移动而促使接合销4在定位管1中作径向移动并与选定的齿轮对的齿轮相啮合，上述致动头5的轴向移动是由一个致动活塞40带动的，该致动活塞40不能转动，因为它构成了致动气41的一部分。致动活塞40与致动气缸41之间只可作相对地轴向移动，因此，其中的一个不能相对于另一个而转动，它们是通过键42互相连接在一起的。由于致动头5固定在接合销4上，故这一组件总是随空心轴2一起转动，从而使非转动件的致动活塞40能够推、拉致动头5，上述的致动活塞40通过滚柱轴承43固定到上述的致动头5上，故致动活塞40的轴向移动可传递给致动头5。致动活塞40靠液压或气动力在致动气缸41中作轴向移动，并且上述致动活塞40的移动可使接合销4的齿4a与所选齿轮对的齿轮的内齿4c相啮合。液压流体或压缩空气通过位于致动活塞40的轴线处的作动孔45进入到上述致动气缸41的致动室44中，而退动室46以无压力的形式连接到一个容器或出口56上。因此，当将接合销4拉出而使其齿4a脱离先前选定的齿轮对的齿轮的内齿4c时，便可进行变速，此时，液压流体或压缩空气将通过位于致动活塞40的轴线上的退动孔47进入退动室46，从而使致动室以无压力的方式连接到容器或出口56上。将接合销4向里拉入定位管1中便可使其移动而进行选定作业。当进行选定齿轮对的移动时，致动气缸41不随空心轴2一起转动、而是在空心轴2内作轴向移动。致动气缸41通过滚柱轴承48固定到空心轴2上，故致动气缸与空心轴2之间可作相对转动、但不能作相对的轴向移动。致动气缸41带有一个连接到一个锚固管50上的加长段49。当进行选择齿轮对的移动时，加长段49进入和退出锚固管50，该锚固管50与变速箱的壳体10相接合并固定在壳体10上而不能移动。用一个键51将上述的锚固管50与致动气缸41的加长段49相连接，因此，致动气缸41不能作相对于壳体10的转动，只能作相对于壳体10的轴向移动。上述的加长段49还容纳着承载液压流体或压缩空气的致动管52和退动管53。通过致动管52和退动管53使压缩空气或液压流体流入致动室41中，推动致动活塞40并通过接合销4使选定的齿轮对相啮合或分开。控制装置18控制一个继电器和逻辑线圈54，使来自液压源或压缩空气源55的液压流体或压缩空气流入致动管52或回到零压力的退动管53中、并流到与致动操作相反一侧的容器或出口56处。
按照本发明的第三实施例(如图6所示)，为了使致动头5能够作轴向移动而带动接合销4在定位管1内作径向移动并与选定的齿轮对的齿轮相啮合，可由致动销70带动上述致动头5进行轴向移动，该致动销70不能转动，因为它是致动电磁阀71的一部分。致动销70与电磁阀71由键72固定在一起，它们间只能作相对的轴向移动，而不能彼此作相对转动。由于致动头5和接合销4相连接且这一组件总是与空心轴2一起转动，为了使本身不转动的致动销70能够推动或拉动致动头5，用一个滚柱轴承73将上述的致动销70固定到上述的致动头5上，这样便可将致动销70的轴向移动传递给致动头5。致动销70通过弹簧74的机械或磁性力使其在电磁阀71内作轴向移动，并由它的致动运动而推动接合销4、使接合销4的齿4a与选定的齿轮对的齿轮的内齿4c相啮合。消除作用在电磁阀74的线圈75上的电位差便可使弹簧74推动致动销70而使致动头5进行接合运动。致动销70由弹簧74的作用力和机械锁76保持在被啮合齿轮的位置上，此时，所有的接合销4都与该齿轮相啮合。当拉动接合销4使其齿4a脱离原先选定的齿轮对的齿轮的内齿4c而进行变速时，可对电磁阀71的线圈75施加一个电位差，便可使致动头5进行脱开运动。当电磁阀71的线圈75的感应电磁力克服弹簧74的弹力和机械锁76的力时，便可使致动销70移动，并使接合销4完全松开而进入定位管1中，这样，便可移动定位管1而进行选择新的齿轮对的工作。当进行工作齿轮对的选定运动时，电磁阀71不随空心轴2一起转动而是在空心轴内作轴向移动。电磁阀71由两个滚柱轴承78固定到空心轴2上，使它们之间可作相对转动但不能作相对的轴向移动。电磁阀71带有一个连接到锚固管80上的加长段79。当进行选择齿轮对的运动时，该加长段79进出锚固管80、而锚固管80与变速箱壳体10相接合并固定，而不能移动。上述的锚固管80由键81连接到上述电磁阀71的加长段79上，从而使电磁阀71不能作相对于壳体10的转动而只能作相对于壳体10的轴向移动。在上述的加长段79中还带有电缆82，通过该电缆82传送电流而对电磁阀71的线圈75施加电位差。控制装置18控制着逻辑继电器83，该逻辑继电器83能够接受电压源84的电能而使电磁阀71的线圈75激励(通电)或去激励(断电)。当线圈75通电时，致动销70克服弹簧74和机械锁76的作用力而使接合销4脱开。当线圈75断电时，它不对致动销70起作用，因此，弹簧74发挥作用而使接合销4接合。为了保证定位管1在变速选择时能够准确地完成定位运动，设置了一个检测其位置的传感器，从而使控制装置18能够监控和驱动定位管到达正确的变速选定位置。为了保证接合销4到达接合和脱开位置，在系统中设置了一个检测接合销4的正确接合和脱开位置的传感器，以便使控制装置18能够监控和驱动接合销4到达正确的变速接合和脱开位置。
本发明还涉及如图1-9所示的由受电气-电子驱动器16a驱动的直流或交流马达16组成的转动件同步控制装置。在同步控制性能方面，该装置取决于机器中是安装恒速马达101还是安装变速马达121；还将取决于含有固定啮合齿轮对的变速机构的空心轴2的组件和互异致动组件，是将空心轴2安装在转动输入端还是输出端105上。如果机器的马达101连续转动(如图12和13所示)、也就是说，如果马达以固定转速工作并通过离合器102和变速箱103将这种转动传递给机器的话，在这种情况下，那么便可考虑下列的物理和数学关系：
设：变速箱在马达一侧的输入轴的转数：Nm
变速箱轴的转数：Ns
一对普通齿轮对的传动比：Ri
另一对普通齿轮对的传动比：Rj
与一对普通齿轮对有关的指数：(i)
与另一对普通齿轮对有关的指数：(j)
那么对于选定的一对普通齿轮对(I)，其传动力学方程为：
Nm(i)＝Ns(i)×R(i)
对于另一对普通齿轮对的传动力学方程为：
Nm(j)＝Ns(j)×R(j)
由于在这种实施例中马达具有固定的转速，故下式显然成立：
Nm(j)＝Nm(i)＝Nm
因此，当齿轮对(i)传给啮合的齿轮对(j)的输出转数可用下式表示：
Ns(i)×R(i)＝Ns(j)×R(j)
故最终输出转数应为：
Ns(j)＝Ns(i)×R(i)/R(j)
Ns(j)与Ns(i)之比与传动比(Ri)和(Rj)之比成正比例。同步马达16在离合器松开和齿轮对(i)脱开以便进行调速时，它带动输出轴转动。在短暂的预定时间内，要使Ns(j)等于离合器松开前的转数Ns(i)乘以比率R(i)/R(j)。因此，转速的增加与比率R(i)/R(j)有关。在达到传动比R(j)的时刻，便进行变速，也就是说，齿轮对3互相啮合。为了使上述过程更为准确，由转动传感器(输出传感器94和输入传感器93)始终监控输入和输出端的转动。与空心轴2是否设置在转动输出端105(如图13所示)无关，同步装置总应安装在转动输出端105上，因为它应位于转动被加速或被减速的一侧。
如果机器的马达或车辆发动机是一种可变速的装置121(如图14和15所示)，要将这种转动通过离合器122、再由变速箱123传给机器或车辆，则对于选定的普通齿轮对(i)，下列含有已知变量的等式成立：
Nm(i)＝Ns(i)×R(i)
对于另一对普通齿轮对(j)，则
Nm(j)＝Ns(j)×R(j)
由于马达是变速转动的，并考虑到变速过程中转速保持不变，故
Ns(i)＝Ns(j)＝Ns
因此，从啮合齿轮对(i)到啮合齿轮对(j)间的转动输入关系可用下式表示：
Nm(i)/R(i)＝Nm(j)/R(j)
故最终的输入转数应为：
Nm(j)＝Nm(i)×R(j)/R(i)
Nm(j)与Nm(i)之比与传动比R(i)和R(j)之比成反比例。因此，同步马达16从离合器松开以及齿轮对(i)脱开以进行变速的时刻开始，将带动输入轴转动，在预定的短暂时间内Nm(j)等于离合器脱开前的转数Nm(i)乘以反比例值R(i)/R(j)。故转数的减速与加速取决于反比例R(i)/R(j)。在达到转数Nm(j)时，进行变速，也就是说，齿轮对(j)互相啮合。为了使上述过程更为准确，由转动传感器(输出传感器94和输入传感器93)始终监控输入端和输出端的转动。与空心轴2是否安装在转动输出端125(如图15所示)或转动输入端125(如图14所示)上无关，同步装置必须安装在输入端，因为它应位于被加速或被减速的一侧。上述4种实施例的同步机构含有一个由电气-电子伺服驱动器16a驱动的直流或交流马达16，所述的伺服驱动器16a的工作又由控制装置18控制。直流或交流马达16的一个轴上带有一个带齿的或同步的皮带轮91，皮带轮91又与传递转动的带齿的或同步的皮带轮90相连接，而皮带轮90又与一个接受加速或减速转动的轴相啮合，这样便可达到同步转动。也只有在同步过程中，直流或交流马达才通电，而在其它时候，马达总是断电或空转。
虽然上面已对本发明进行了较详细地说明，但是，应当明白，在不违背本发明的精神和范围情况下，还可对本发明的各部分重新布局或进行改动。

Claims (15)

1.一种可由控制装置自动控制和操作也可由操作者驱动的齿轮变速机构，其包括自动或机械变速箱的齿轮变换或齿轮接合机构，其特征在于包括一组由直流或交流驱动的伺服马达(15，16，19)，每个马达完成一个指定的功能，马达(19)控制齿轮的接合和脱开，马达(15)控制齿轮的选择，马达(16)控制齿轮的同步，这三个伺服马达的每一个都是由伺服驱动器组(17)的电气-电子伺服驱动器(15a，16a，19a)分别控制，进一步，所述接合和脱开机构以及选择机构安装在定位管(1)的空心轴(2)内，所述定位管(1)由直流或交流伺服马达(15)驱动并且在空心轴(2)内沿轴向移动以完成齿轮选择的功能，在定位管内整体形成有齿轮接合和脱开机构，该机构由直流或交流伺服马达(19)驱动，借助此机构，利用致动头(5)的轴向运动提供接合销(4)的工作。
2.根据权利要求1的机构，其特征在于，控制直流或交流伺服马达(15、16、19)的电气-电子伺服驱动器组(17)由控制装置(18)控制，该控制装置(18)按照逻辑与顺序的方式、根据它的电子记忆部分中记录的逻辑程序对上述的电气-电子驱动器组(17)发出信号，这种信号可以是控制装置(18)发出的驱动脉冲，或者是由操作者或驾驶员对操纵杆(120)或其它的驱动齿轮对变速机构用的驱动机构的作用力，在后一种情况下，指令变速的脉冲可以从传感器(37)中发出，因此，可以说，操作是自动进行的。
3.根据权利要求1的机构，其特征在于，它含有一个由控制机构(18)控制的变速和驱动程序，该程序从变速时通过由与机器或车辆马达不连接的直流或交流伺服马达(33)驱动的机构使离合器脱开而断开动力传送回路开始，接着，使通过直流或交流马达(19)驱动其接合或脱开的变速机构脱开，随后，通过由直流或交流马达(15)驱动的定位机构选择新的速度，在装置选择新的速度的同时，同步机构起作用而使接合零件的转速相等，零件接合过程的同步化由受直流或交流伺服马达(16)驱动的同步机构控制，此后，在达到同步运转时，选择工作便告完成，上述的接合和脱开过程只在进行变速时进行，一旦变速机构完成接合动作，离合器立即连接，并且机器或车辆又恢复其动力传送回路。
4.根据权利要求3的机构，其特征在于，上述的变速选择机构可安装在能输入转矩或转动的传动轴(2)之内或输出轴之内，上述空心轴(2)和全部组成固定啮合对的齿轮之间是以空转的形式安装的，也就是说，它们可支承在位于齿轮孔中的轴承(152)上、以与上述的空心轴(2)不同的转速在该轴上转动，只有一对齿轮被选定并由接合和松开机构使其与空心轴(2)预先接合；上述的选择机构含有一个定位管(1)，该定位管(1)上带有一组沿其直径等距分布并且等角度隔开的径向孔，每个径向孔接纳一个接合销(4)，从而使定位管(1)可与轴(2)一起转动，并且可在其内部滑动、以便寻找选定的固定啮合对的齿轮的中心线(151)的位置而进行选定工作；上述的变速选择机构还含有一个通过滚柱轴承(8)与上述的定位管1相接合的把状螺母，该把状螺母不能与壳体(10)作相对转动，但可由心轴(9)驱动而使定位管1作相对于上述空心轴(2)的轴向移动，上述的心轴(9)由带齿的或同步的皮带轮(13，13a)通过同步皮带或链条(14)带动，而皮带轮(13，13a)又由直流或交流伺服马达(15)带动；另外，由一个位置传感器(37b)保证定位销(21)的中心线相对于选定的齿轮对的齿轮中心线(151)的良好精度，上述的传感器37b能够作线性移动或转动并且它能检测定位管(1)的位置，并将有关的信息输入控制装置(18)。
5.根据权利要求3的机构，其特征在于，上述的接合和松开机构安装在定位管(1)内，定位管(1)又安装在空心轴(2)内，其特征在于之所以会产生上述的接合与松开动作，主要是靠一组能作径向运动的接合销(4)，当进行接合过程时，上述的接合销(4)可作径向移动而使其端部的棘齿(4a)与选定的固定啮合齿轮对的齿轮孔的阴缺口(4c)相接合，以便传递转距和转动，如果需要时，也能使其松开；在这些过程中，上述接合销(4)由一个致动头(5)推或拉而进行接合与松开动作，上述致动头(5)作轴向移动时可通过一个斜面(4b)而径向地压靠在上述的接合销(4)上，或者通过一种连接机构例如导轨(6)将上述的接合销(4)从齿轮的缺口内拉出而脱开接合并由一个弹簧进一步将接合销(4)拉回原位。
6根据权利要求5的机构，其特征在于，上述的接合和松开机构由直流或交流伺服马达(19)驱动，该伺服马达(19)由一个电气-电子伺服驱动器(19a)伺服驱动，而伺服驱动器(19a)又由控制装置(18)控制；上述的伺服马达能进行双向转动，一个方向用于进行接合运动，另一个方向用于松开运动，并且，上述的直流或交流伺服马达(19)驱动同步皮带轮或带齿的皮带轮(20a)，该皮带轮(20a)又通过带齿的皮带或链条(32)带动同步皮带轮或带齿的皮带轮(20)，该皮带轮(20)由一个键(21)或任何其它类型的棘齿固定到传递运动的转动管(22)上，转动管(22)通过一个键(23)或任何其它类型的棘齿把运动传到转动螺母(24)上，当转动上述的转动螺母(24)时，便可通过一个长形螺钉(25)使致动头(5)进行接合或者松开的轴向移动，上述的长形螺钉(25)通过一个接合在壳体10中的锚固管(27)固定到壳体(10)上；致动头(5)的轴向移动与定位管(1)和空心轴(2)的转动无关，因为设置了固定上述致动头(5)的长形螺钉(25)的滚柱轴承(30)和(31)；此外，由一个能够转动或线性移动的位移传感器(37a)检测接合和松开行程的移动终点，并在一个极短的时间内将上述信息输入到控制装置(18)中，这样，控制装置(18)便能够驱动和控制本装置。
7.根据权利要求5的机构，其特征在于，上述的接合和松开机构由一个液压或气动装置驱动，而液压或气动装置则由上述的控制装置(18)控制，控制装置18控制一组用以打开液压流体或压缩空气的入口以便使液压流体或压缩空气从液压流体源或压缩空气源(55)中流出来的继电器和线圈(54)，上述的液压流体或压缩空气通过致动导管(52)送到致动活塞(40)上以便推动致动活塞进行接合运动，由于液压流体或压缩空气进入致动气缸(41)的致动室(44)，故可带动致动头(5)进行接合运动，上述的致动气缸(41)不能与空心轴(2)一起转动，因为在它们之间设有滚柱轴承(48)；而且，致动气缸(41)还通过键(51)和锚固管(50)固定在壳体(10)上，因此，锚固管(50)与致动气缸(41)之间仅可作相对的轴向移动；致动活塞(40)也不能与致动头(5)、空心轴(2)和定位管(1)一起转动，因为它安装在滚柱轴承(43)上并且由键(42)将其与致动气缸(41)连接在一起；要使致动活塞(40)移动而进行松开过程时，由控制装置(18)指挥逻辑继电器(54)打开退动导管(53)的入口，使液压流体或压缩空气进入退动室(46)，从而使本机构能够进行松开运动。
8.根据权利要求5的机构，其特征在于，上述的接合和松开机构由一个驱动装置通过一个由控制装置(18)控制的驱动电磁阀驱动，上述的控制装置(18)控制一组逻辑继电器(83)，并使线圈(75)与作为驱动电磁阀(71)的组成部分的电压源(84)接通或断开，上述线圈由电缆(82)供电，因此，必须在线圈(75)上没有电压也就是断电时接合销(70)才能进行接合运动，并且由弹簧(74)将致动销(70)偏压到接合位置上，这种接合运动由于机械锁(76)的作用而在机械冲程结束时受到限制；此外，还可进行与此相反的松开运动，此时，上述的控制装置(18)驱动逻辑继电器(83)使电压源(84)向线圈(75)供电，当电磁阀的线圈(75)通电时，立即使致动销(70)克服弹簧(74)和机械锁(76)的作用力而进行松开运动；上述的电磁阀(71)与致动销(70)做成整体，它不能与致动头(5)、空心轴(2)和定位管(1)一起转动，因为它们是由滚柱轴承(73、78)连接在一起的，并且电磁阀(71)通过键(81)和锚固管(80)固定到壳体(10)上，故它们只能作相对的轴向移动。
9.根据权利要求5的机构，其特征在于，上述的接合机构带有一个致动头(5)，当进行接合运动时，致动头(5)径向地压在接合销(4)上，从而使该接合销端部的棘齿(4a)进入选定的固定啮合齿轮对的齿轮的内孔的缺口(4c)中，同时，它还在空心轴(2)内转动；当进行松开运动时，致动头(5)径向地拉动接合销(4)而使接合销(4)端部的棘齿(4a)脱离开与其接合的齿轮孔的缺口(4c)，从而使位于定位管(1)的径向孔中的上述接合销(4)整个缩入该定位管(1)中而允许定位管(1)在空心轴(2)中自由地进行轴向滑动而不受妨碍。
10.根据权利要求1的机构，其特征在于，上述的齿轮(211、212、213、214、215和216)安装在一个平行轴(34)上，且它们与空转地安装在空心轴(2)上的齿轮(201、202、203、204、205和206)固定啮合而形成固定啮合齿轮对，上述的平行轴(34)呈现带有圆角的多角形(164)，上述的安装在平行轴(34)上的齿轮(211、212、213、214、215和216)由其具有同样的带圆角的多边形中心孔(160)固定在该轴上。
11.根据权利要求1的机构，其特征在于，上述的在变速时转动零件的同步机构带有一个作为提供加速或减速能量的直流或交流伺服马达(16)，该马达(16)由电气-电子伺服驱动器(16a)驱动，而驱动器(16a)又由控制装置(18)控制。
12.根据权利要求11的机构，其特征在于，当机器带有供给能量的恒速马达(101)时，上述的同步机构(11)驱动位于机器输出端的轴，以进行加速或减速，并且，直流或交流马达(16)的转动通过固定在该马达的输出端上的带齿的或同步的皮带轮(92)和同步皮带或链条(91)传给由一个键或其它类型的棘齿固定在输出轴上的同步的或带齿的皮带轮(90)，上述的输出轴根据其应用场合的不同，可以是空心轴(2)也可以是平行轴(34)。
13.根据权利要求11的机构，其特征在于，当机器带有供给能量的变速马达(101)时，上述的同步机构(11)驱动机器或车辆的输入端上的轴、以进行加速和减速，并且直流或交流马达(16)的转动通过固定在该马达的输出端上的带齿的或同步的皮带轮(92)和同步皮带或链条(91)传给由一个键或其它类型的棘齿固定在输入轴上的同步的或带齿的皮带轮(90)，上述的输出轴根据其应用场合的不同，可以是空心轴(2)或平行轴(34)。
14根据权利要求11的机构，其特征在于，如果机器带有连续转动的供给能量的马达(101)，则在上述同步机构中进行变速时，或者说从一个普通固定啮合齿轮对(i)改变为另一齿轮对(j)时，上述的直流或交流同步马达(16)应使输出轴的转数Ns(j)等于松开离合器和随后的接合销脱开接合之前的转数Ns(i)乘以已松开的固定啮合齿轮对的传动比R(i)再除以正在啮合的固定啮合齿轮对(也就是被选定的工作齿轮对)的传动比R(j)，也就是Ns(j)等于Ns(i)乘以传动比之正比R(i)/R(j)；并且，由一个转动传感器(94)监控上述的转动，并在极短的时间内将实际的转动数据输入控制装置(18)中，以便使控制装置(18)通过电气-电子伺服驱动器(16a)驱动和控制上述的直流或交流马达(16)使转动零件加速或减速而达到同步。
15.根据权利要求11的机构，其特征在于，如果机器带有供给能量的变速马达(121)，则在上述的同步机构中进行变速时、或者说从一个普通固定啮合齿轮对(i)改变为另一齿轮对(j)时，上述的直流或交流同步马达(16)应使输入轴的转数Nm(j)等于松开离合器和随后的接合销脱开接合之前的转数Nm(i)除以已松开的固定啮合齿轮对的传动比R(i)再乘以正在啮合的固定啮合齿轮对(也就是被选定的工作齿轮对)的传动比R(j)，也就是Nm(j)等于Nm(i)乘以传动比之反比R(j)/R(i)；并且，由一个转动传感器(94)，监控上述的转动，并在极短的时间内将实际转动数据输入控制装置(18)中，以便使控制装置(18)通过电气-电子伺服驱动器(16a)驱动和控制上述的直流或交流马达(16)使转动零件加速或减速而达到同步。
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