電磁離心離合器的製作方法

2023-10-18 06:31:44

本發明涉及車輛離合器的領域。更具體地，本發明涉及混合動力電動動力傳動系統內使用的電磁驅動的棘爪離合器。

背景技術：

很多車輛在寬範圍的車速(包括向前和向後移動兩者)下使用。然而，某些類型的發動機只能在較窄的轉速範圍內高效運轉。所以，能以多個傳動比(speed ratio)高效傳輸功率的變速器被頻繁使用。當車輛處於較低車速時，變速器通常以高傳動比運轉使得它放大發動機扭矩用於改善加速。較高車速時，以低傳動比運轉變速器允許與安靜、燃料經濟的巡航相關聯的發動機轉速。

稱為離散傳動比變速器的一些變速器配置用於在輸入軸和輸出軸之間建立有限數量的傳動比。噹噹前選擇的傳動比不再合適時，離散傳動比變速器必須切換至可用傳動比中不同的傳動比。稱為無極變速器(CVT)的其它變速器能建立下限和上限之間的任何傳動比。CVT能做出車輛乘客不能察覺的頻繁的微小的傳動比調節。

很多變速器使用液壓驅動的摩擦離合器來建立多個功率流路徑。因為可以將增壓的液壓流體從靜止的殼體引導至密封件之間的旋轉的部件，液壓驅動適用於選擇性地連接旋轉的元件至另一個元件的離合器。從而，液壓驅動器可以隨旋轉的元件中的一者旋轉。當存在多個液壓驅動的離合器時，離合器通常共享發動機驅動的泵並且共享用於調整壓力的很多閥體部件。

混合動力車輛變速器通過提供能量存儲而改善了燃料經濟性。例如，在混合動力電動車輛中，能量可以存儲在電池中。可以通過運轉發動機以產生多於用於推進的瞬時需要的功率以為電池充電。額外地，可以捕獲制動期間本來會浪費的能量並且將能量存儲在電池中。稍後可以使用存儲的能量，允許發動機產生小於用於推進的瞬時需要的功率並且因此而消耗較少的燃料。

技術實現要素：

一種變速器包括軸、內座圈、齒輪、外座圈、非旋轉的線圈和搖臂(rocker)組件。軸被支持用於繞軸線旋轉。內座圈固定用於與軸旋轉。齒輪被支持用於繞軸線旋轉。外座圈固定用於與齒輪旋轉。外座圈還形成有凸輪表面。非旋轉的線圈配置用於響應於電流而在內座圈中建立磁場。搖臂組件包括棘爪、杆和蹄塊(shoe)。

棘爪被支持在內座圈中。棘爪在接合位置和分離位置之間樞轉使得凸輪表面和處於接合位置的棘爪之間的接觸防止內座圈和外座圈之間至少一個方向的相對旋轉。杆被支持在內座圈中。杆在第一位置和第二位置之間滑動使得在第一位置中杆迫使棘爪進入分離位置。蹄塊配置用於響應於將杆滑動進入第二位置的磁場而相對於內座圈樞轉，在第二位置中離心力將棘爪移動進接合位置。

一種離合器包括第一座圈、第二座圈、棘爪、杆和蹄塊。第二座圈形成有凸輪表面的。棘爪被支持在第一座圈中以在接合位置和分離位置之間樞轉使得凸輪表面和處於接合位置的棘爪之間的接觸防止第一座圈和第二座圈之間至少一個方向上的相對旋轉。杆被支持在第一座圈中以在第一位置和第二位置之間滑動使得在第一位置中杆迫使棘爪進入分離位置。蹄塊配置用於響應於將杆滑動進入第二位置的磁場而相對於第一座圈樞轉。

一種離合器包括棘爪、杆和蹄塊。棘爪，棘爪被支持在座圈中以在接合位置和分離位置之間樞轉。杆被支持在座圈中以在第一位置和第二位置之間滑動使得在第一位置中杆迫使棘爪進入分離位置。蹄塊配置用於響應於將杆滑動進入第二位置的磁場而相對於座圈樞轉。

根據本發明的一方面，提供一種變速器，包含：被支持用於繞軸線旋轉的軸；固定用於與軸旋轉的內座圈；被支持用於繞軸線旋轉的齒輪；固定用於與齒輪旋轉的外座圈，外座圈形成有凸輪表面；配置用於響應於電流而在內座圈中建立磁場的非旋轉的線圈；以及搖臂組件，包括：棘爪，該棘爪在內座圈中被支持以在接合位置和分離位置之間樞轉使得凸輪表面和處於接合位置的棘爪之間的接觸防止內座圈和外座圈之間沿至少一個方向的相對旋轉，杆，該杆被支持在內座圈中以在第一位置和第二位置之間滑動使得在第一位置處杆迫使棘爪進入分離位置，以及蹄塊，該蹄塊配置用於響應於將杆滑動進入第二位置的磁場而相對於內座圈樞轉，在所述第二位置處離心力將棘爪 移動進接合位置。

根據本發明的一個實施例，搖臂組件進一步包括設置在杆的第一端處的偏置部件。

根據本發明的一個實施例，蹄塊被杆支持並且配置用於繞內座圈內的銷旋轉。

根據本發明的一個實施例，蹄塊具有第一端和第二端，其中第二端具有高於第一端的厚度，第二端配置用於與磁場相互作用。

附圖說明

圖1是用於混合動力電動動力傳動系統的齒輪傳動裝置的示意圖；

圖2是適用於在圖1的齒輪傳動裝置中使用的電磁驅動的棘爪離合器的截面；

圖3是離合器的分解圖；

圖4是離合器的立體圖；

圖5是處於分離狀態的離合器的局部橫截面圖；

圖6是處於接合狀態的離合器的局部橫截面圖；

圖7是離合器的另一個實施例的軸測圖；

圖8是搖臂組件的另一個實施例的局部前視圖；

圖9是搖臂組件的另一個實施例的局部前視圖。

具體實施方式

本說明書描述了本發明的實施例。然而，應理解公開的實施例僅為示例，其可以多種替代形式實施。附圖無需按比例繪製；可放大或縮小一些特徵以顯示特定部件的細節。所以，此處公開的具體結構和功能細節不應解釋為限定，而僅為教導本領域技術人員以多種形式實施本發明的代表性基礎。本領域內的技術人員應理解，參考任一附圖說明和描述的多個特徵可以與一個或多個其它附圖中說明的特徵組合以形成未明確說明或描述的實施例。說明的組合特徵提供用於典型應用的代表實施例。然而，與本發明的教導一致的特徵的多種組合和變型可以根據需要用於特定應用或實施。

如果一組旋轉的元件被約束成在所有工況下作為整體旋轉，這組旋轉的元件彼此固定連接。可以通過花鍵連接、焊接、壓裝、由同一固體加工或其 它方式固定連接旋轉的元件。固定連接的元件之間可能出現轉動角位移的輕微變化，比如由於衝擊或軸柔量(shaft compliance)導致的位移。相反，當將兩個旋轉的元件約束為每當換擋元件在完全接合時會整體旋轉而在至少一些其它工況下旋轉的元件可以不同的轉速自由旋轉時，這兩個旋轉的元件通過換擋元件選擇性地連接。如果旋轉的元件固定地連接或選擇性地連接，則這兩個旋轉的元件連接。如果一系列齒輪和軸能將功率從一者傳輸至其它者並且在這兩個元件之間建立固定的傳動比則兩個旋轉的元件可驅動地連接。

圖1示意地說明用於動力分配(power-split)型的混合動力電動車輛的運動布置(kinematic arrangement)。通過經由變速器輸入軸11固定連接至行星齒輪架12的發動機10提供功率。一組行星齒輪14被支持用於相對於齒輪架12旋轉。中心齒輪16和環形齒輪18每者被支持用於繞與齒輪架12的軸線相同的軸線旋轉並且每者與行星齒輪14嚙合。發電機20固定連接至中心齒輪16。中間軸齒輪22固定連接至環形齒輪18並且與中間軸齒輪24嚙合。中間軸齒輪24經由軸30固定連接至中間軸齒輪26和28。中間軸齒輪32與中間軸齒輪28嚙合並且固定連接至馬達34。中間軸齒輪26與作為差速器38的輸入的中間軸齒輪36嚙合。隨著車輛轉彎而允許輕微的轉速差異的差速器38驅動車輪40和42。

發電機20和馬達34都是可逆電機。術語發電機和馬達僅作為標籤使用。這兩個電機都能將電功率轉換成機械功率或者將機械功率轉換成電功率。例如，每個電機可以是組合有三相逆變器的同步馬達。這兩個電機電連接至電池44。在一些狀況下，發動機10可以產生多於輸送至車輪40和42的功率並且額外的功率被存儲在電池44中。在其它狀況下，功率可以流自電池44允許發動機10產生小於車輛的瞬時需求的功率。例如，當推進車輛的功率來自電池44時發動機10可以關閉。

可以通過電池44不提供也不吸收功率的無極模式運轉圖1中的動力傳動系統。應用至發電機20的扭矩和應用至中間軸齒輪22的扭矩都是基於中心齒輪16的齒數和環形齒輪18的齒數而與發動機10產生的扭矩相關聯。具體地，

其中Teng是發動機10產生的扭矩，Tgen是發電機20吸收的扭矩，Tgear22是齒輪22吸收的扭矩，Nsun是中心齒輪16的齒數，而Nring是環形齒輪18的齒數。發動機轉速(ωeng)是發電機轉速(ωgen)和齒輪22的轉速(ωgear22)的加權平均。

當車輛緩慢移動時，齒輪22旋轉較慢並且發電機20以與發動機10的相反方向旋轉。發電機產生的功率通過行星齒輪組分配。一部分功率從齒輪架12至環形齒輪18至齒輪22至齒輪24機械地傳輸至軸30。剩下的功率從齒輪架12傳輸至將功率轉換為電力的發電機20。馬達34將電力轉換為通過齒輪32和28傳輸至軸30的機械功率。儘管功率傳輸路徑都經受一些寄生損失，電力和機械功率之間的轉換通常比純機械傳輸涉及更多的功率損失。隨著軸30的轉速與發動機10的轉速的比率增加，達到發電機20靜止的點。該比率時，機械地傳輸所有功率。較高超速傳動比(overdrive ratio)時，發電機20以與發動機10相同的方向旋轉。功率從發電機20通過機械功率流路徑至軸30、通過齒輪28和32至將功率轉換成驅動發電機20的電力的馬達34而循環。與功率循環關聯的寄生損失傾向於使超速傳動比時的運轉效率低。

圖1中的動力傳動系統包括在超速傳動比時提供高效功率傳輸的額外的功率流路徑。特別地，中間軸齒輪46被支持用於繞變速器輸入軸11旋轉。中間軸齒輪48固定連接至軸30並且與中間軸齒輪46嚙合。離合器50選擇性地連接中間軸齒輪46至軸11。當離合器50接合時，經由齒輪46和48從發動機10至軸30機械地傳輸功率。在該固定傳動比(fixed ratio)運轉模式中，電池44可以經由發電機20或馬達34提供額外的功率或者可以經由任一電機被充電。因為發動機和變速器都高效運轉，使用用於穩定狀態巡航的固定傳動比模式顯著地減小了燃料消耗。

由於離合器50是圖1中動力傳動系統的唯一離合器，使用液壓驅動的離合器需要額外的泵和閥體。從而，希望一種不同的驅動離合器50的方法。圖2至4說明適用於選擇性地連接齒輪46至軸11的電磁驅動的搖臂離合器。圖2顯示了離合器50的橫截面圖。圖3顯示了分解示圖而圖4顯示了裝配示圖。儘管在一些實施例中外座圈45獨立成型並且通過花鍵或其它方式連接，外座圈45 與齒輪46一體成型。在至少一個實施例中，離合器50的內座圈47可以是一片內座圈47，然而也可以使用具有兩半內座圈的內座圈47。在安裝進變速器期間，止推軸承和徑向軸承(未顯示)插在內座圈47和外座圈45之間以減小摩擦並且確保同心度。如圖4顯示的，三個棘爪58保持在內座圈47的腔或槽內。在不同的實施例中棘爪的數量可以變化。如下文更詳細討論的，當離合器50分離時，三個棘爪58包含在內座圈47中形成的腔內。當離合器50接合時，三個棘爪樞轉並且接合外座圈45的凸輪表面49。內座圈47通過扣環(未顯示)軸向地保持在位置上。

在離合器50裝配之後，內座圈47花鍵連接至輸入軸11。線圈支持件62和線圈64安裝至變速器的前支持件(未顯示)。線纜連接線圈至變速器控制器(未顯示)。隨後，輸入軸11和離合器50插入前支持件。滾珠軸承(未顯示)相對於前支持件定位輸入軸11並且允許輸入軸11以非常低的寄生阻力(parasitic drag)旋轉。當電流供應至線圈64時，如通過箭頭指示的建立磁路。通過選擇適當的材料並且控制部件位置，將磁通量從線圈支持件62引導通過輸入軸11、內座圈47並且直接進入搖臂組件65的蹄塊66並且隨後回到線圈支持件62。輔助散射場也可以將磁通量從線圈支持件62引導通過輸入軸11、外座圈45以及搖臂組件65的蹄塊66並且隨後回到線圈支持件62。下文將更詳細地討論蹄塊66和搖臂組件65。

主磁通路徑具有蹄塊66和線圈支持件62之間的一個空氣隙(air gap)。輔助磁通穿過多個空氣隙：線圈支持件62和輸入軸11之間的間隙以及內座圈47和蹄塊66之間的間隙。空氣隙的作用為以相同的方向拉動蹄塊66。使用多個空氣隙以相同的方向拉動蹄塊66允許除使用主磁通路徑之外還使用輔助散射場使得磁通路徑更高效。在這些空氣隙中的每者處在對應的部件之間創建磁吸引力。可以設想可以在內座圈中響應於非旋轉的線圈中的電流而建立磁場的包括具有不同空氣隙的其它設置的其它部件幾何形狀。

圖5和6顯示了離合器50正交於圖2的橫截面圖的局部橫截面圖。圖5和6描述作為搖臂組件65的部件的棘爪58。搖臂組件65還包括蹄塊66、杆68和偏置部件70。蹄塊66連接至杆68並且配置用於當電流供應至線圈64時接合線圈支持件62。作用在蹄塊66上的磁通量將蹄塊66吸引至線圈支持件62。當磁路建立時，搖臂組件65朝線圈支持件62垂直移動並且離合器50接合。當沒有電流供應至線圈64時，離心力作用在搖臂組件65上並且離合器50分離。圖5顯示 了當離合器50分離時搖臂組件65的局部橫截面圖。圖6顯示了當離合器50接合時搖臂組件65的局部橫截面圖。在該實施例中，通過杆68使用鎖類(latch-type)布局來支持蹄塊66。

如圖5中詳細顯示的，蹄塊66與線圈支持件62分離並且棘爪58包含在內座圈47的腔內。如上文陳述的，當棘爪58包含在內座圈47的腔內時，離合器50分離。沒有電流，線圈64不產生磁通量。杆68配置用於從第一位置滑動至第二位置。圖5詳細顯示了杆68的第一位置而圖6詳細顯示了杆的第二位置。不存在磁通量時，作用在搖臂組件65上的離心力允許杆68接合棘爪58。杆68在形成在內座圈47上的通道72內垂直地滑動至第一位置以推動棘爪58離開外座圈45的凸輪表面49。杆68對棘爪58的力克服作用在棘爪58的重心61的離心力並且迫使棘爪58保持在卡住或分離位置。如圖5顯示的，當棘爪58處於卡住位置時，內座圈47相對於外座圈45自由旋轉並且離合器50分離。

搖臂組件65可以進一步使用偏置部件70以輔助杆68迫使棘爪58來保持卡住位置。不存在離心力時，棘爪58可能無意地接合外座圈45的凸輪表面49。當不存在離心力時偏置部件70偏置棘爪58對棘爪58提供了彈簧力。偏置部件70的彈簧力允許棘爪58保持卡住位置並且避免離合器50的無意接合。偏置部件70配置用於克服重力和任何其它無意的力，這可以使棘爪58接合外座圈45的凸輪表面49。

圖5描述了形成有坡口端(beveled end)98的蹄塊66。蹄塊66的坡口端98允許蹄塊66被支持用於在杆68上的旋轉。當棘爪58與外座圈45分離並且卡在內座圈47內時，相對於線圈支持件62在杆68上有角度地設置蹄塊66。例如，偏置部件70以及離心力迫使杆68在第一端59處接合棘爪58。如上文陳述的，杆68和棘爪58之間的接合迫使棘爪58卡在內座圈47內並且離合器50分離。從而，杆68在通道72內側向地移動並且相對於線圈支持件62線性偏移。蹄塊66的坡口端98支持用於在杆68上旋轉使得當離合器50相對於線圈支持件62分離時蹄塊66的角位移成角度α。可以基於通過線圈64產生的磁通量來優化角度α以確保蹄塊66和線圈支持件62之間的高效接合。

蹄塊可以形成弧形形狀。特別地，蹄塊66與線圈支持件62同心並且配置用於通過與磁通量的相互作用來接合線圈支持件62。磁通量的引入迫使蹄塊66在坡口端98處相對於線圈支持件62成角度地移位使得蹄塊66接合線圈支持件62。蹄塊66在坡口端98處的角位移迫使杆68在通道72內朝線圈支持件62線 性地移位。蹄塊66的坡口端98的角位移以及杆68的類似的線性位移允許棘爪58由於內座圈47的離心力而旋轉並且延伸出內座圈47並且接合外座圈45。當棘爪58接合外座圈45時，內座圈47以與外座圈45相同的速率旋轉並且離合器50接合。

如圖6詳細顯示的，蹄塊66接合線圈支持件62允許棘爪58繞樞轉點63樞轉。磁通量在蹄塊66和線圈支持件62之間創建克服杆68的離心力的磁吸引力。通過磁吸引力抵消離心力使得杆68垂直地滑動進入第二位置並且允許棘爪58從卡住位置彈出至內座圈47內的接合位置。杆68配置用於接合棘爪58並且一旦建立磁路則杆68與棘爪58分離。當杆68滑動進入第二位置時作用在棘爪58的重心61的離心力使得棘爪58繞樞轉點63樞轉。繞樞轉點63樞轉允許棘爪58接合外座圈45的凸輪表面49。棘爪58和外座圈45的凸輪表面49之間的接合使得外座圈45和內座圈47同時旋轉。

當搖臂組件65接合時蹄塊66和線圈支持件62之間的同心度確保與磁通量一致的相互作用。與磁通量一致的相互作用確保通過建立的磁路在蹄塊66和線圈支持件62之間產生的吸引力足夠強以保持蹄塊66和線圈支持件62之間的接合。這允許棘爪58使用旋轉的內座圈47的離心力與外座圈45的凸輪表面49保持接合。

圖7顯示離合器50在安裝進變速器之前的進一步實施例的裝配示圖。圖7描述了離合器50的兩個棘爪58的實施例。圖7中描述的搖臂組件65使用接合和分離離合器50的多個蹄塊66。圖7中描述的蹄塊66在第一部分84的第一端82處連接至杆68。第一端82可以機械地固定至杆68。例如，可以通過設計將蹄塊66的第一部分84的第一端82焊接、粘接、粘結或附接至杆。第一部分84形成與線圈支持件62同心的弧形部分。蹄塊66繞銷80樞轉。銷80形成在內座圈47上並且連接至內座圈47並且可以配置用於支持蹄塊66在內座圈47上的旋轉。銷80可以通過蹄塊66在蹄塊66的第一部分84和第二部分86之間連接至內座圈47。

再次參照圖7中兩個棘爪58的實施例，第二部分86包括第二端88。第二端88形成高於第一部分84的第一端82的厚度94。因為蹄塊66的第二端88厚於第一端82，第二部分86可以增加作用在蹄塊66上的吸引力。特別地，磁通量密度主要集中在蹄塊66的第一部分84的第一端82。然而，第二部分86的較厚的第二端88可以增加與蹄塊66相互作用的磁通量。通過增加與蹄塊66相互作用 的磁通量，實現了搖臂組件65較快的響應時間以及蹄塊66和線圈支持件62之間較強的接合。這允許離合器50更高效的接合。

圖8和9顯示了搖臂組件65的另一個實施例的局部前視圖。圖8描述了當棘爪58與外座圈45分離時搖臂組件65的局部前視圖。如上文陳述的，當棘爪58與外座圈45分離時，棘爪卡在內座圈47內。圖9描述了當棘爪58與外座圈45接合時搖臂組件65的局部前視圖。如上文陳述的，當棘爪58與外座圈45接合時，離合器50接合併且內座圈47以外座圈45的相同速率旋轉。

杆68顯示為具有第一部分76和第二部分78。第一部分76描述成厚於第二部分78。在至少一個其它的實施例中，杆68可以具有一致的厚度。此外，杆68描述成具有矩形橫截面。在至少一個其它實施例中，杆68可以實施為其它的橫截面，比如但不限於杆68在通道72內移動並且對棘爪58作用的圓柱形、正方形或者任何其它橫面面。偏置部件70描述成在杆68的第二部分78上。偏置部件70還可以配置用於在通道72內伸展和收縮。在至少一個實施例中，偏置部件70可以是彈簧。

如圖8和9的實施例描述的，蹄塊66經由銷80連接至杆68。銷80可以在杆68的中央81處將蹄塊66連接至杆68。使銷80位於在杆68的中央允許蹄塊66可以繞銷80樞轉。在至少一個其它實施例中，蹄塊66可以偏移杆68的中央81連接至杆68。創建蹄塊66和杆68之間繞銷80的樞轉減小了蹄塊66和線圈支持件62之間的空氣隙。銷80在杆68以及蹄塊66上的位置可以進一步允許蹄塊66對磁通量的響應的優化。例如，角度α可以定義蹄塊66和線圈支持件62之間的空氣隙。可以基於銷80在杆68上、在蹄塊66上或者在杆68和蹄塊66兩者上的位置來優化角度α以增加當接合離合器50時搖臂組件65的響應。

儘管上文描述了示例實施例，並非意味著這些實施例說明並描述了本發明的所有可能形式。相反，說明書中使用的詞語為描述性詞語而非限定性，並且應理解不脫離本發明的精神和範圍可以作出各種改變。此外，可以組合各種執行實施例的特徵以形成本發明進一步的實施例。