电磁离心离合器的制作方法

本发明涉及车辆离合器的领域。更具体地，本发明涉及混合动力电动动力传动系统内使用的电磁驱动的棘爪离合器。

背景技术：

很多车辆在宽范围的车速(包括向前和向后移动两者)下使用。然而，某些类型的发动机只能在较窄的转速范围内高效运转。所以，能以多个传动比(speed ratio)高效传输功率的变速器被频繁使用。当车辆处于较低车速时，变速器通常以高传动比运转使得它放大发动机扭矩用于改善加速。较高车速时，以低传动比运转变速器允许与安静、燃料经济的巡航相关联的发动机转速。

称为离散传动比变速器的一些变速器配置用于在输入轴和输出轴之间建立有限数量的传动比。当当前选择的传动比不再合适时，离散传动比变速器必须切换至可用传动比中不同的传动比。称为无极变速器(CVT)的其它变速器能建立下限和上限之间的任何传动比。CVT能做出车辆乘客不能察觉的频繁的微小的传动比调节。

很多变速器使用液压驱动的摩擦离合器来建立多个功率流路径。因为可以将增压的液压流体从静止的壳体引导至密封件之间的旋转的部件，液压驱动适用于选择性地连接旋转的元件至另一个元件的离合器。从而，液压驱动器可以随旋转的元件中的一者旋转。当存在多个液压驱动的离合器时，离合器通常共享发动机驱动的泵并且共享用于调整压力的很多阀体部件。

混合动力车辆变速器通过提供能量存储而改善了燃料经济性。例如，在混合动力电动车辆中，能量可以存储在电池中。可以通过运转发动机以产生多于用于推进的瞬时需要的功率以为电池充电。额外地，可以捕获制动期间本来会浪费的能量并且将能量存储在电池中。稍后可以使用存储的能量，允许发动机产生小于用于推进的瞬时需要的功率并且因此而消耗较少的燃料。

技术实现要素：

一种变速器包括轴、内座圈、齿轮、外座圈、非旋转的线圈和摇臂(rocker)组件。轴被支持用于绕轴线旋转。内座圈固定用于与轴旋转。齿轮被支持用于绕轴线旋转。外座圈固定用于与齿轮旋转。外座圈还形成有凸轮表面。非旋转的线圈配置用于响应于电流而在内座圈中建立磁场。摇臂组件包括棘爪、杆和蹄块(shoe)。

棘爪被支持在内座圈中。棘爪在接合位置和分离位置之间枢转使得凸轮表面和处于接合位置的棘爪之间的接触防止内座圈和外座圈之间至少一个方向的相对旋转。杆被支持在内座圈中。杆在第一位置和第二位置之间滑动使得在第一位置中杆迫使棘爪进入分离位置。蹄块配置用于响应于将杆滑动进入第二位置的磁场而相对于内座圈枢转，在第二位置中离心力将棘爪移动进接合位置。

一种离合器包括第一座圈、第二座圈、棘爪、杆和蹄块。第二座圈形成有凸轮表面的。棘爪被支持在第一座圈中以在接合位置和分离位置之间枢转使得凸轮表面和处于接合位置的棘爪之间的接触防止第一座圈和第二座圈之间至少一个方向上的相对旋转。杆被支持在第一座圈中以在第一位置和第二位置之间滑动使得在第一位置中杆迫使棘爪进入分离位置。蹄块配置用于响应于将杆滑动进入第二位置的磁场而相对于第一座圈枢转。

一种离合器包括棘爪、杆和蹄块。棘爪，棘爪被支持在座圈中以在接合位置和分离位置之间枢转。杆被支持在座圈中以在第一位置和第二位置之间滑动使得在第一位置中杆迫使棘爪进入分离位置。蹄块配置用于响应于将杆滑动进入第二位置的磁场而相对于座圈枢转。

根据本发明的一方面，提供一种变速器，包含：被支持用于绕轴线旋转的轴；固定用于与轴旋转的内座圈；被支持用于绕轴线旋转的齿轮；固定用于与齿轮旋转的外座圈，外座圈形成有凸轮表面；配置用于响应于电流而在内座圈中建立磁场的非旋转的线圈；以及摇臂组件，包括：棘爪，该棘爪在内座圈中被支持以在接合位置和分离位置之间枢转使得凸轮表面和处于接合位置的棘爪之间的接触防止内座圈和外座圈之间沿至少一个方向的相对旋转，杆，该杆被支持在内座圈中以在第一位置和第二位置之间滑动使得在第一位置处杆迫使棘爪进入分离位置，以及蹄块，该蹄块配置用于响应于将杆滑动进入第二位置的磁场而相对于内座圈枢转，在所述第二位置处离心力将棘爪 移动进接合位置。

根据本发明的一个实施例，摇臂组件进一步包括设置在杆的第一端处的偏置部件。

根据本发明的一个实施例，蹄块被杆支持并且配置用于绕内座圈内的销旋转。

根据本发明的一个实施例，蹄块具有第一端和第二端，其中第二端具有高于第一端的厚度，第二端配置用于与磁场相互作用。

附图说明

图1是用于混合动力电动动力传动系统的齿轮传动装置的示意图；

图2是适用于在图1的齿轮传动装置中使用的电磁驱动的棘爪离合器的截面；

图3是离合器的分解图；

图4是离合器的立体图；

图5是处于分离状态的离合器的局部横截面图；

图6是处于接合状态的离合器的局部横截面图；

图7是离合器的另一个实施例的轴测图；

图8是摇臂组件的另一个实施例的局部前视图；

图9是摇臂组件的另一个实施例的局部前视图。

具体实施方式

本说明书描述了本发明的实施例。然而，应理解公开的实施例仅为示例，其可以多种替代形式实施。附图无需按比例绘制；可放大或缩小一些特征以显示特定部件的细节。所以，此处公开的具体结构和功能细节不应解释为限定，而仅为教导本领域技术人员以多种形式实施本发明的代表性基础。本领域内的技术人员应理解，参考任一附图说明和描述的多个特征可以与一个或多个其它附图中说明的特征组合以形成未明确说明或描述的实施例。说明的组合特征提供用于典型应用的代表实施例。然而，与本发明的教导一致的特征的多种组合和变型可以根据需要用于特定应用或实施。

如果一组旋转的元件被约束成在所有工况下作为整体旋转，这组旋转的元件彼此固定连接。可以通过花键连接、焊接、压装、由同一固体加工或其 它方式固定连接旋转的元件。固定连接的元件之间可能出现转动角位移的轻微变化，比如由于冲击或轴柔量(shaft compliance)导致的位移。相反，当将两个旋转的元件约束为每当换挡元件在完全接合时会整体旋转而在至少一些其它工况下旋转的元件可以不同的转速自由旋转时，这两个旋转的元件通过换挡元件选择性地连接。如果旋转的元件固定地连接或选择性地连接，则这两个旋转的元件连接。如果一系列齿轮和轴能将功率从一者传输至其它者并且在这两个元件之间建立固定的传动比则两个旋转的元件可驱动地连接。

图1示意地说明用于动力分配(power-split)型的混合动力电动车辆的运动布置(kinematic arrangement)。通过经由变速器输入轴11固定连接至行星齿轮架12的发动机10提供功率。一组行星齿轮14被支持用于相对于齿轮架12旋转。中心齿轮16和环形齿轮18每者被支持用于绕与齿轮架12的轴线相同的轴线旋转并且每者与行星齿轮14啮合。发电机20固定连接至中心齿轮16。中间轴齿轮22固定连接至环形齿轮18并且与中间轴齿轮24啮合。中间轴齿轮24经由轴30固定连接至中间轴齿轮26和28。中间轴齿轮32与中间轴齿轮28啮合并且固定连接至马达34。中间轴齿轮26与作为差速器38的输入的中间轴齿轮36啮合。随着车辆转弯而允许轻微的转速差异的差速器38驱动车轮40和42。

发电机20和马达34都是可逆电机。术语发电机和马达仅作为标签使用。这两个电机都能将电功率转换成机械功率或者将机械功率转换成电功率。例如，每个电机可以是组合有三相逆变器的同步马达。这两个电机电连接至电池44。在一些状况下，发动机10可以产生多于输送至车轮40和42的功率并且额外的功率被存储在电池44中。在其它状况下，功率可以流自电池44允许发动机10产生小于车辆的瞬时需求的功率。例如，当推进车辆的功率来自电池44时发动机10可以关闭。

可以通过电池44不提供也不吸收功率的无极模式运转图1中的动力传动系统。应用至发电机20的扭矩和应用至中间轴齿轮22的扭矩都是基于中心齿轮16的齿数和环形齿轮18的齿数而与发动机10产生的扭矩相关联。具体地，

$T_{gen}=\frac{N_{sun}}{N_{sun}+N_{ring}}{T}_{eng}$

$T_{gear22}=\frac{N_{ring}}{N_{sun}+N_{ring}}{T}_{eng}$

其中T_eng是发动机10产生的扭矩，T_gen是发电机20吸收的扭矩，T_gear22是齿轮22吸收的扭矩，N_sun是中心齿轮16的齿数，而N_ring是环形齿轮18的齿数。发动机转速(ω_eng)是发电机转速(ω_gen)和齿轮22的转速(ω_gear22)的加权平均。

${\mathrm{\ω}}_{eng}=\frac{N_{sun}}{N_{sun}+N_{ring}}{\mathrm{\ω}}_{gen}+\frac{N_{ring}}{N_{sun}+N_{ring}}{\mathrm{\ω}}_{gear22}$

当车辆缓慢移动时，齿轮22旋转较慢并且发电机20以与发动机10的相反方向旋转。发电机产生的功率通过行星齿轮组分配。一部分功率从齿轮架12至环形齿轮18至齿轮22至齿轮24机械地传输至轴30。剩下的功率从齿轮架12传输至将功率转换为电力的发电机20。马达34将电力转换为通过齿轮32和28传输至轴30的机械功率。尽管功率传输路径都经受一些寄生损失，电力和机械功率之间的转换通常比纯机械传输涉及更多的功率损失。随着轴30的转速与发动机10的转速的比率增加，达到发电机20静止的点。该比率时，机械地传输所有功率。较高超速传动比(overdrive ratio)时，发电机20以与发动机10相同的方向旋转。功率从发电机20通过机械功率流路径至轴30、通过齿轮28和32至将功率转换成驱动发电机20的电力的马达34而循环。与功率循环关联的寄生损失倾向于使超速传动比时的运转效率低。

图1中的动力传动系统包括在超速传动比时提供高效功率传输的额外的功率流路径。特别地，中间轴齿轮46被支持用于绕变速器输入轴11旋转。中间轴齿轮48固定连接至轴30并且与中间轴齿轮46啮合。离合器50选择性地连接中间轴齿轮46至轴11。当离合器50接合时，经由齿轮46和48从发动机10至轴30机械地传输功率。在该固定传动比(fixed ratio)运转模式中，电池44可以经由发电机20或马达34提供额外的功率或者可以经由任一电机被充电。因为发动机和变速器都高效运转，使用用于稳定状态巡航的固定传动比模式显著地减小了燃料消耗。

由于离合器50是图1中动力传动系统的唯一离合器，使用液压驱动的离合器需要额外的泵和阀体。从而，希望一种不同的驱动离合器50的方法。图2至4说明适用于选择性地连接齿轮46至轴11的电磁驱动的摇臂离合器。图2显示了离合器50的横截面图。图3显示了分解示图而图4显示了装配示图。尽管在一些实施例中外座圈45独立成型并且通过花键或其它方式连接，外座圈45 与齿轮46一体成型。在至少一个实施例中，离合器50的内座圈47可以是一片内座圈47，然而也可以使用具有两半内座圈的内座圈47。在安装进变速器期间，止推轴承和径向轴承(未显示)插在内座圈47和外座圈45之间以减小摩擦并且确保同心度。如图4显示的，三个棘爪58保持在内座圈47的腔或槽内。在不同的实施例中棘爪的数量可以变化。如下文更详细讨论的，当离合器50分离时，三个棘爪58包含在内座圈47中形成的腔内。当离合器50接合时，三个棘爪枢转并且接合外座圈45的凸轮表面49。内座圈47通过扣环(未显示)轴向地保持在位置上。

在离合器50装配之后，内座圈47花键连接至输入轴11。线圈支持件62和线圈64安装至变速器的前支持件(未显示)。线缆连接线圈至变速器控制器(未显示)。随后，输入轴11和离合器50插入前支持件。滚珠轴承(未显示)相对于前支持件定位输入轴11并且允许输入轴11以非常低的寄生阻力(parasitic drag)旋转。当电流供应至线圈64时，如通过箭头指示的建立磁路。通过选择适当的材料并且控制部件位置，将磁通量从线圈支持件62引导通过输入轴11、内座圈47并且直接进入摇臂组件65的蹄块66并且随后回到线圈支持件62。辅助散射场也可以将磁通量从线圈支持件62引导通过输入轴11、外座圈45以及摇臂组件65的蹄块66并且随后回到线圈支持件62。下文将更详细地讨论蹄块66和摇臂组件65。

主磁通路径具有蹄块66和线圈支持件62之间的一个空气隙(air gap)。辅助磁通穿过多个空气隙：线圈支持件62和输入轴11之间的间隙以及内座圈47和蹄块66之间的间隙。空气隙的作用为以相同的方向拉动蹄块66。使用多个空气隙以相同的方向拉动蹄块66允许除使用主磁通路径之外还使用辅助散射场使得磁通路径更高效。在这些空气隙中的每者处在对应的部件之间创建磁吸引力。可以设想可以在内座圈中响应于非旋转的线圈中的电流而建立磁场的包括具有不同空气隙的其它设置的其它部件几何形状。

图5和6显示了离合器50正交于图2的横截面图的局部横截面图。图5和6描述作为摇臂组件65的部件的棘爪58。摇臂组件65还包括蹄块66、杆68和偏置部件70。蹄块66连接至杆68并且配置用于当电流供应至线圈64时接合线圈支持件62。作用在蹄块66上的磁通量将蹄块66吸引至线圈支持件62。当磁路建立时，摇臂组件65朝线圈支持件62垂直移动并且离合器50接合。当没有电流供应至线圈64时，离心力作用在摇臂组件65上并且离合器50分离。图5显示 了当离合器50分离时摇臂组件65的局部横截面图。图6显示了当离合器50接合时摇臂组件65的局部横截面图。在该实施例中，通过杆68使用锁类(latch-type)布局来支持蹄块66。

如图5中详细显示的，蹄块66与线圈支持件62分离并且棘爪58包含在内座圈47的腔内。如上文陈述的，当棘爪58包含在内座圈47的腔内时，离合器50分离。没有电流，线圈64不产生磁通量。杆68配置用于从第一位置滑动至第二位置。图5详细显示了杆68的第一位置而图6详细显示了杆的第二位置。不存在磁通量时，作用在摇臂组件65上的离心力允许杆68接合棘爪58。杆68在形成在内座圈47上的通道72内垂直地滑动至第一位置以推动棘爪58离开外座圈45的凸轮表面49。杆68对棘爪58的力克服作用在棘爪58的重心61的离心力并且迫使棘爪58保持在卡住或分离位置。如图5显示的，当棘爪58处于卡住位置时，内座圈47相对于外座圈45自由旋转并且离合器50分离。

摇臂组件65可以进一步使用偏置部件70以辅助杆68迫使棘爪58来保持卡住位置。不存在离心力时，棘爪58可能无意地接合外座圈45的凸轮表面49。当不存在离心力时偏置部件70偏置棘爪58对棘爪58提供了弹簧力。偏置部件70的弹簧力允许棘爪58保持卡住位置并且避免离合器50的无意接合。偏置部件70配置用于克服重力和任何其它无意的力，这可以使棘爪58接合外座圈45的凸轮表面49。

图5描述了形成有坡口端(beveled end)98的蹄块66。蹄块66的坡口端98允许蹄块66被支持用于在杆68上的旋转。当棘爪58与外座圈45分离并且卡在内座圈47内时，相对于线圈支持件62在杆68上有角度地设置蹄块66。例如，偏置部件70以及离心力迫使杆68在第一端59处接合棘爪58。如上文陈述的，杆68和棘爪58之间的接合迫使棘爪58卡在内座圈47内并且离合器50分离。从而，杆68在通道72内侧向地移动并且相对于线圈支持件62线性偏移。蹄块66的坡口端98支持用于在杆68上旋转使得当离合器50相对于线圈支持件62分离时蹄块66的角位移成角度α。可以基于通过线圈64产生的磁通量来优化角度α以确保蹄块66和线圈支持件62之间的高效接合。

蹄块可以形成弧形形状。特别地，蹄块66与线圈支持件62同心并且配置用于通过与磁通量的相互作用来接合线圈支持件62。磁通量的引入迫使蹄块66在坡口端98处相对于线圈支持件62成角度地移位使得蹄块66接合线圈支持件62。蹄块66在坡口端98处的角位移迫使杆68在通道72内朝线圈支持件62线 性地移位。蹄块66的坡口端98的角位移以及杆68的类似的线性位移允许棘爪58由于内座圈47的离心力而旋转并且延伸出内座圈47并且接合外座圈45。当棘爪58接合外座圈45时，内座圈47以与外座圈45相同的速率旋转并且离合器50接合。

如图6详细显示的，蹄块66接合线圈支持件62允许棘爪58绕枢转点63枢转。磁通量在蹄块66和线圈支持件62之间创建克服杆68的离心力的磁吸引力。通过磁吸引力抵消离心力使得杆68垂直地滑动进入第二位置并且允许棘爪58从卡住位置弹出至内座圈47内的接合位置。杆68配置用于接合棘爪58并且一旦建立磁路则杆68与棘爪58分离。当杆68滑动进入第二位置时作用在棘爪58的重心61的离心力使得棘爪58绕枢转点63枢转。绕枢转点63枢转允许棘爪58接合外座圈45的凸轮表面49。棘爪58和外座圈45的凸轮表面49之间的接合使得外座圈45和内座圈47同时旋转。

当摇臂组件65接合时蹄块66和线圈支持件62之间的同心度确保与磁通量一致的相互作用。与磁通量一致的相互作用确保通过建立的磁路在蹄块66和线圈支持件62之间产生的吸引力足够强以保持蹄块66和线圈支持件62之间的接合。这允许棘爪58使用旋转的内座圈47的离心力与外座圈45的凸轮表面49保持接合。

图7显示离合器50在安装进变速器之前的进一步实施例的装配示图。图7描述了离合器50的两个棘爪58的实施例。图7中描述的摇臂组件65使用接合和分离离合器50的多个蹄块66。图7中描述的蹄块66在第一部分84的第一端82处连接至杆68。第一端82可以机械地固定至杆68。例如，可以通过设计将蹄块66的第一部分84的第一端82焊接、粘接、粘结或附接至杆。第一部分84形成与线圈支持件62同心的弧形部分。蹄块66绕销80枢转。销80形成在内座圈47上并且连接至内座圈47并且可以配置用于支持蹄块66在内座圈47上的旋转。销80可以通过蹄块66在蹄块66的第一部分84和第二部分86之间连接至内座圈47。

再次参照图7中两个棘爪58的实施例，第二部分86包括第二端88。第二端88形成高于第一部分84的第一端82的厚度94。因为蹄块66的第二端88厚于第一端82，第二部分86可以增加作用在蹄块66上的吸引力。特别地，磁通量密度主要集中在蹄块66的第一部分84的第一端82。然而，第二部分86的较厚的第二端88可以增加与蹄块66相互作用的磁通量。通过增加与蹄块66相互作用 的磁通量，实现了摇臂组件65较快的响应时间以及蹄块66和线圈支持件62之间较强的接合。这允许离合器50更高效的接合。

图8和9显示了摇臂组件65的另一个实施例的局部前视图。图8描述了当棘爪58与外座圈45分离时摇臂组件65的局部前视图。如上文陈述的，当棘爪58与外座圈45分离时，棘爪卡在内座圈47内。图9描述了当棘爪58与外座圈45接合时摇臂组件65的局部前视图。如上文陈述的，当棘爪58与外座圈45接合时，离合器50接合并且内座圈47以外座圈45的相同速率旋转。

杆68显示为具有第一部分76和第二部分78。第一部分76描述成厚于第二部分78。在至少一个其它的实施例中，杆68可以具有一致的厚度。此外，杆68描述成具有矩形横截面。在至少一个其它实施例中，杆68可以实施为其它的横截面，比如但不限于杆68在通道72内移动并且对棘爪58作用的圆柱形、正方形或者任何其它横面面。偏置部件70描述成在杆68的第二部分78上。偏置部件70还可以配置用于在通道72内伸展和收缩。在至少一个实施例中，偏置部件70可以是弹簧。

如图8和9的实施例描述的，蹄块66经由销80连接至杆68。销80可以在杆68的中央81处将蹄块66连接至杆68。使销80位于在杆68的中央允许蹄块66可以绕销80枢转。在至少一个其它实施例中，蹄块66可以偏移杆68的中央81连接至杆68。创建蹄块66和杆68之间绕销80的枢转减小了蹄块66和线圈支持件62之间的空气隙。销80在杆68以及蹄块66上的位置可以进一步允许蹄块66对磁通量的响应的优化。例如，角度α可以定义蹄块66和线圈支持件62之间的空气隙。可以基于销80在杆68上、在蹄块66上或者在杆68和蹄块66两者上的位置来优化角度α以增加当接合离合器50时摇臂组件65的响应。

尽管上文描述了示例实施例，并非意味着这些实施例说明并描述了本发明的所有可能形式。相反，说明书中使用的词语为描述性词语而非限定性，并且应理解不脱离本发明的精神和范围可以作出各种改变。此外，可以组合各种执行实施例的特征以形成本发明进一步的实施例。