专利名称：惯性反转力矩控制系统和方法
技术领域：
本发明涉及关于控制回转机器的惯性反转力矩的系统和方法。
背景技术：
传统的动力传动系统有一个安装在车辆底盘的弹性支架(resilient mounts)上的“固定”结构。在传统的动力传动系统中，各种发动机和变速器部件(例如，包括曲轴、飞轮、自动变速器的变器)的转动惯量在同一个方向上旋转，形成了复合效应。通常，当发动机压缩或燃烧的结果引起转动惯量的加速，一个等值但反向的惯性反转力矩被施加到固定结构上。因而，固定结构并非是真正固定的，其为了抑制转动惯量的加速而振动。固定结构的振动通过弹性支架把振动传递到车辆底盘，并且导致车辆乘客车厢里的干扰噪声和振动。
解决振动问题的传统方法包括控制发动机的工作状况以将惯性扭转振动的大小和频率范围减到最小，以及调整动力传动系统支架以将振动的传递减到最小。但是，对发动机/动力传动系统工作的限制可能影响其它需要的工作特性的实现能力，例如，响应性、燃油经济性和排气。
其它已知的解决方法控制一个或更多的反转元件以减小或消除惯性反转力矩，例如美国专利Nos.5,551,928和5,570,615。尽管这些方法可以减小动力传动系统结构的反转力矩，但是，增加了物体也就增加了重量并减小了系统响应性。
发明内容
本发明包括的控制惯性反转力矩的系统和方法，通过旋转使惯性动力传动系统部件反向于发动机/电动机惯性部件的旋转，以减小或消除固定动力传动系统部件的反转力矩。
在一个实施例中，本发明使用一个装置来提供与旋转的变速器或驱动桥部件相对的一个或多个发动机/电动机部件的反转，从而减小或消除惯性反转力矩，这种惯性反转力矩与固定结构或装配部件的旋转物体的角加速/减速有关。这个装置可由多个传动部件实现，例如齿轮、传动带、传动链和传动链轮，或者用来连接内燃机输出部件和一个或多个动力传动系统部件的类似装置，例如自动变速器的变矩器或混合动力传动系统的发生器。该装置使一个或多个惯性动力传动系统部件和各种发动机惯性部件，例如曲轴，进行反向旋转。例如，通过使用一个具有合适的输入输出比以在反转发动机/电动机部件和正转动力传动系统部件之间产生速度差的装置，或通过调整发动机或动力传动系统部件的质量或几何形状，使反转部件的有效惯量可以充分匹配正转部件的有效惯量。
在横向布置的内燃机和驱动桥中，例如，这通常应用在前轮驱动车辆中，但不限于前轮驱动车辆的应用，曲轴和变矩器可由齿轮连接使得变矩器和曲轴反向旋转。可以使用一个分离的或集成的装置以减小或消除反冲和相关噪声，例如装置可以是剪式齿轮。曲轴和变矩器的反转方向减小或消除固定动力传动系统结构的惯性反转力矩，进而减小或消除了有害振动和噪声。
纵向布置的发动机和变速器应用，例如，这通常应用在后轮驱动车辆中，但不限于后轮驱动车辆的应用，可以用简单的行星齿轮组把曲轴连接至变矩器。这样的行星齿轮组典型性包括一个中心齿轮，一个环形齿轮和一个齿轮架，齿轮架上有多个与中心齿轮和环形齿轮总是啮合的小齿轮。在这样的装置中，例如，通过使用多个紧固件以连接齿轮架和发动机/电动机组，齿轮架可呈现固定形态。用多种方法，包括用传统的紧固件或至少带有一个扣环的齿条，行星齿轮组的中心齿轮可以连接至曲轴。同样地，通过多个紧固件，行星齿轮组的环形齿轮或环面可以连接至发动机/电动机柔性板。在齿轮架不旋转时，这样的装置允许环形齿轮和中心齿轮的旋转方向相反。这样，至少一个传动系统部件，例如变矩器，与曲轴反向旋转并产生相应的转动惯量来减小或消除与固定动力传动系统结构的发动机旋转部件的角加速/减速的改变有关的惯性反转力矩，从而减少或消除相关的噪声和振动。
本发明具有很多优点。例如，本发明提供控制惯性反转力矩的系统和方法，其通过提供传统动力传动系统部件产生的反转惯量来减少或消除动力传动系统结构的反转力矩，并且提高关于噪声、振动和粗劣度(NVH)的性能。对传统动力传动系统部件进行反转，这样就不需要额外的部件或物体来产生平衡惯量。这减小了对动力传动系统重量、响应性和综合性能的任何负面影响，而传统的解决方法需要单独添加部件以平衡或抵消与转动惯量有关的反转力矩。
本发明允许可变排量的发动机在可接受的NVH下具有非所有气缸点火时以低的发动机速度空转和驱动。而且，固定动力传动系统结构减小了的或有限的惯性反转力矩会减小具有不均匀点火间隔情形下的噪声、振动和粗劣度(NVH)，不均匀点火间隔可以是一个8缸发动机在减小或可变排量模式工作时具有3、5、6或7点火气缸的情形。
本发明的以上优点和其它优点和特征将通过下面的最佳实施例结合相应附图的详细说明更为容易地显示出来。
图1是顶视图，说明根据本发明的一个实施例控制横向布置的动力传动系统的惯性反转力矩的系统或方法；图2是根据本发明的顶视图，说明根据本发明的控制惯性反转力矩的系统或方法中的连接变矩器和发动机或电动机的另一个装置；图3是图2中说明的系统的侧视图；图4是顶视图，说明根据本发明的一个实施例的控制纵向布置的动力传动系统的惯性反转力矩的系统或方法；图5是根据本发明的一个实施例的控制惯性反转力矩的系统或方法中的连接传动系统和发动机的装置的横剖面图；图6是方块图，说明根据本发明的一个实施例的在混合发动机/电动机动力传动系统中的控制惯性反转力矩的系统或方法。
具体实施例方式
如本领域普通技术人员所理解的，关于张附图所说明和描述的本发明的各种特征都能和其它附图所说明的特征结合在一起产生本发明没有明确地说明或描述的实施例。所说明的特征结合提供了典型应用的代表性实施例。但是，与本发明的教导相一致的各种特征的结合和改进可以用于特定应用或实现。
现在参考图1所示结构图，其说明本发明在横向布置的动力传动系统中应用的一个代表性实施例。正如本技术领域内的普通技术人员所认可的，横向布置的动力传动系统典型地应用于前轮驱动车辆(FWD)。但是正如所述，本发明不限于在传统车辆中的应用，可以应用于具有内燃机的各种类型的动力传动系，或者应用于其它连接到传动系统产生扭转振动的原动机，传动系统可包含固定或选择变速箱、变速器和驱动桥用于驱动机器或车辆。本发明与特定变速技术无关，可与手动或自动换档器或变速器、连续变速器以及任何变速器组合或混合变速器一起使用。图1中表示的代表性横向布置的动力传动系统包括一个多缸内燃机10，其具有多个在工作中旋转的部件，并产生作用于相关车辆固定结构(图中未画)、具有相应的转矩或力矩的转动惯量。发动机10通常表示任意一种内燃机/发动机，包括火花点火式发动机、压燃式发动机和特别适用于车辆应用的其它原动机。如前所述，本发明可以使用于各种其它类型的发动机或其它原动机，它们产生和各种发动机、电动机和变速器/动力传动系统部件的旋转加速或减速有关的振动反扭矩或力矩；本发明不限于车辆应用或内燃机。发动机10通常包括一个或多个对反转力矩作出主要贡献的旋转部件，由于这些部件的转动惯量很大，它们将反转力矩经过发动机支架传递到车辆底盘或其它固定结构。对于通常的内燃机应用，曲轴16是发动机转动惯量和产生反转力矩的主要部件。其它部件，包括飞轮、连杆、谐波缓冲器和凸轮轴(图中未画)，它们的角加速可能有助于反转力矩。
例如，装置20将发动机10的曲轴16连接至驱动桥或变速器70的旋转部件，如变矩器30或飞轮。如下所示的详细阐述，装置20可由一个或多个齿轮、传动链轮、齿轮组、传动带或其它协同部件实现，将相对于曲轴16反转变矩器30的旋转方向。装置20的实际的实现和布置可以根据各种应用特殊考虑。例如，在横向布置的动力传动系统应用中，装置20的实现可能受组装约束来进行规定，如此以致这种特殊的实现不会明显增加发动机/传动系统的横向长度。在各种实施例中，装置20可以增加或减少变矩器30相对于曲轴16的转速，从而使得变速器/驱动桥70的旋转部件和发动机10产生的转动惯量的有效值大体上匹配。根据特定应用和实现，速度差可以是固定的、连续可变的，或从两个或多个预定比中选择。例如，装置可由换档器、变速器或连续变速器实现。例如，使用选择或可控速度差的应用可以包括一个机械的、电动的、或基于微处理器的控制器来决定当前工作状况或选定工作模式的合适的速度差。
同样如图1所示，变矩器30连接至涡轮轴40，涡轮轴40通过链传动50连接至变速器或驱动桥70的输入轴60。左轴80和右轴90连接到相应的左车轮和右车轮(图中未画)，或非车辆应用的各种辅助设备。
工作时，曲轴16将发动机10的转矩通过连接装置20传递至变矩器30，变矩器根据不同的工作状况向涡轮轴40提供选择性液力偶合和转矩放大倍数。链传动50将涡轮轴40和变矩器30的转矩通过输入轴60传递至驱动桥70。左轴80和右轴90接收来自变速器70的动力。例如，发动机10的各种旋转部件(如曲轴16)的转速的变化，导致转动惯量的相应加速和伴随的转矩或力矩。而根据本发明，例如，各种紧连接变速器/驱动桥或传动系统部件如变矩器30的反转，使得产生相应的反向旋转加速度，从而产生反指向或反方向的转矩或力矩，该转矩或力矩往往减小或抵消由发动机部件产生的转矩或力矩。因此，传递到发动机支架或其它固定动力传动系统部件(如车辆底盘)的净振动反转力矩被减小或抵消。正如所述，与发动机10有关的部件和与变速器或驱动桥70有关的部件产生的转动惯量的有效值可以通过部件质量、几何形状以及相对转速调整，这可由连接装置20进行选择或确定。
图2所示是说明根据本发明的一个实施例控制惯性反转力矩的系统或方法的顶视图。在该实施例中，连接装置20由直齿圆柱齿轮或其它齿轮220实现，齿轮220连接至发动机曲轴16并与一个或多个相关齿轮210啮合，而且在本例中，齿轮220由剪式齿轮实现以减小或消除反冲和相关齿轮振动或噪声。如图3中的最佳阐述，相对于发动机曲轴，连接装置20反转变矩器30的旋转方向。根据特定应用和实现，另一个装置或齿轮组可用来代替剪式齿轮210，从而提供一个或多个变速器或者传动系统部件的反转并且减小或消除反冲和任何相关齿轮噪声。
如图2所示，剪式齿轮210连接至变矩器30，然后通过变矩器30的运行液力偶合到涡轮轴或变速器70的输入轴。发动机曲轴和变速器30之间的相对速度可由连接装置20的选定输入/输出比或传动比进行自由控制或确定。在一个实施例中选定装置20的传动比，这样变矩器30以根据发动机曲轴转速的一个速度旋转，从而使得正转变速器部件和反转发动机部件的转动惯量的有效值充分匹配。由于发动机和变速器部件的转速的振动变化(加速/减速)，与变速器有关的转动惯量的有效值和与发动机有关的反转惯量的充分匹配减小或消除了传递到固定动力传动系统支架或周围结构连接件(如车辆底盘)的任何净反转力矩。根据本发明，对于内燃机应用，每一个气缸点火导致曲轴的一个小的加速和相关的反转力矩，如果不是根据本发明通过反向转动惯量的相应的加速度及其相关反转力矩进行补偿，该反转力矩将传递到动力传动系统的支架。
图3的侧视示意图说明图2的顶视图所示的前轮驱动车辆的横向布置的动力传动系统。在该实施例中，齿轮220的中心在曲轴轴线215上，并且齿轮220的轮齿与中心在变矩器30的中心轴线上的剪式齿轮210啮合。齿轮220和剪式齿轮210以这样一种方式啮合，即它们始终相对彼此反向旋转。如图3所示，在工作时，安装在曲轴上的齿轮220绕曲轴轴线215逆时针旋转，旋转方向与曲轴一致。剪式齿轮210的旋转方向与齿轮220相反。因此，剪式齿轮210以顺时针方向旋转，如图3所示。因为剪式齿轮安装在变矩器30上，变矩器30的旋转方向也与剪式齿轮210一致。这样，当曲轴逆时针旋转时，齿轮220和剪式齿轮210的啮合允许变矩器30顺时针旋转。通过旋转方向的反向，变矩器30和相关变速器部件的惯量的旋转加速在反方向作用于曲轴16和相关发动机部件的惯量的旋转加速。变矩器30的旋转加速在反方向作用于曲轴16的旋转加速，减小或消除了固定动力传动系统结构产生的净反转力矩，因此提高了关于噪声、振动和粗劣度(NVH)的性能。
图4的顶视示意图说明本发明另一个实施例的纵向布置的动力传动系统，例如，用于典型的后轮驱动车辆的动力传动系统。在该实施例中，发动机/电动机250包括一个曲轴或输出轴，它们通过装置255连接到变速器265的变矩器260上，变速器具有输出轴270，输出轴270连接到车辆驱动轴(图中未画)或根据特殊应用的其它机器。曲轴254将发动机/电动机250的转矩通过连接装置255传递至变矩器260。连接装置255将变矩器260的旋转方向相对于曲轴或发动机/电动机输出轴254进行反向，这样变速器265的一个或多个部件，例如变矩器260，提供反转惯量以减小或消除任何净反转力矩，其与固定动力传动系统结构的发动机/电动机250的各种部件的转动惯量有关。连接装置255可由很多装置实现，例如两个或多个啮合齿轮、一个行星齿轮组或用于反转的类似装置。连接装置255可以包括一个或多个部件以减小或消除反冲和任何相关的齿轮噪声或振动，例如剪式齿轮。变矩器260的旋转提供选择性液力偶合和转矩放大倍数，这样来自变矩器260的动力通过变速器265传递到变速器输出轴270。
除了将各种变速器部件的旋转方向相对于旋转发动机部件进行反向，连接装置255也可以提供选定的或可选的、在电动机/发动机输出轴/曲轴254和变速器输入轴或变矩器260之间的速度差，以充分匹配旋转传动系统和发动机部件的转动惯量的有效值。例如，对于使用具有可选的速度差的装置255的应用，可应用一个适应的机械的、电动的或基于微处理器的传动器/控制器来选择基于工作模式或当前工作状态的一个合适的输入/输出比。根据部件质量和几何形状，连接装置255可以增加或减小一个或多个传动系统部件、其相对于一个或多个发动机部件的转速。在一个实施例中，连接装置255减小变矩器260相对于曲轴254的转速，以更好地匹配有效转动惯量大小。但是，连接装置255的实际输入/输出速度将依赖于各种应用和实现特定的参数，例如，包括发动机和传动系统部件几何尺寸、部件的相对质量，以及旋转部件的相对位置。
图5所示的是根据本发明的一个装置的实施例的横剖面，在控制动力传动系统的惯性反转力矩的系统或方法中，该装置用来连接原动机和动力传动系统。在该实施例中连接装置包含一个行星齿轮组，用以反转旋转方向，并提供变速器/驱动桥的变矩器相对于发动机曲轴的一个速度差。正如所述，行星齿轮组的适宜结构提供理想速度差以充分匹配发动机和传动系统部件的转动惯量的有效值。
如图5所示，使用多个紧固件460将发动机输出轴或曲轴254固定在中心齿轮320上。例如，多个紧固件410将行星齿轮架330附在发动机110(图中未画)的固定、非旋转部分，如发动机体。使用多个紧固件450将柔性板310附在环形齿轮350上。使用多个紧固件440将变矩器260附在柔性板310上。多个行星齿轮340与环形齿轮350和中心齿轮320总是啮合。多个滚针轴承370支撑每个行星齿轮340。行星齿轮340和支撑的滚针轴承370位于行星齿轮架330里。滚针轴承375支撑位于曲轴254内部的环形齿轮350，如此可允许环形齿轮350和曲轴254之间的相对旋转运动。推力轴承380和推力轴套390控制后密封支架430和行星齿轮架330之间的环形齿轮350的轴向位置。油道360从发动机110的后曲轴主轴承输油向行星齿轮组提供润滑。油路400允许油从行星齿轮组部件放出并回流到发动机油储槽。油封420阻止油泄漏。
在工作中，曲轴254通常旋转在由箭头480标识的第一个方向。(使用右手规则，右手拇指指向直线箭头方向并合上手掌形成拳头，这样手指的动作指出旋转方向，因而箭头480和490说明旋转方向)。因为使用多个紧固件460将中心齿轮320附在曲轴254上，所以中心齿轮320的旋转方向与曲轴254一致。通过多个紧固件410将行星齿轮架330附在发动机110的固定的、非旋转部分，行星齿轮架330呈现固定形态。行星齿轮340与中心齿轮320啮合，并且围绕轴线旋转；行星齿轮340的轴线与中心齿轮320的轴线方向相反。因此通常如箭头490所示，行星齿轮340和曲轴254的旋转方向相反。行星齿轮340也啮合环形齿轮350。行星齿轮340的旋转推动环形齿轮350进行同向旋转，与曲轴旋转方向相反。使用多个紧固件450将环形齿轮350连接到柔性板310。因此，柔性板310也与环形齿轮350同向旋转。使用多个紧固件440将柔性板310连接至变矩器260，从而推动变矩器260也进行同向旋转。这样，变矩器260的旋转方向与曲轴254相反。与曲轴254的转动惯量的运动方向相反的变矩器260的转动惯量将减小或消除由固定动力传动系统结构的曲轴254转动惯量的加速引起的反转力矩，因此提高关于噪声、振动和粗劣度(NVH)的性能。
图6所示的方块图，说明根据本发明的一个实施例在混合动力传动系统中的控制惯性反转力矩的系统和方法。混合动力传动系统500包括一个多缸内燃机502，其具有连接到传动系统506的输出轴或曲轴504。一个单向离合器560阻止曲轴/输出轴504反转旋转方向。在混合系统选定了工作模式期间，发动机502正驱动发生器510时，装置508反转旋转方向并提供输出轴504和发生器510之间的速度差，发生器是传动系统506的转动惯量的主要贡献者之一。因此，正如所述，发生器510相对于曲轴504的反向转动减小或消除了固定动力传动系统结构的任何相关净反转力矩。在图6说明的代表性实施例中，装置508由行星齿轮组和发动机曲轴504驱动环形齿轮520来实现。中心齿轮522总是啮合齿轮架526支撑的多个行星齿轮524。行星齿轮524也啮合环形齿轮520。
通过齿轮530、532和534的啮合，装置508的齿轮架526连接到电动机538的电机轴536。齿轮532连接到中间轴540，然后连接到齿轮542，从而与连接到输出轴546的输出齿轮544啮合。通过电气连接552，电池550或其它储能装置连接到电动机538和发生器510。
根据本发明，混合动力传动系统500包括一个或多个工作模式，其中，发动机502和动力传动系统506的一个或多个惯性部件反向旋转以提供反转惯量，从而减小或消除与旋转部件的加速/减速有关的反转力矩。因此当低的车辆速度，行星齿轮架526的转速要明显小于曲轴504的转速时，促使中心齿轮522和发生器510相对于曲轴的转向进行反向旋转。根据发动机部件和传动系统部件的转动惯量的有效值，正如所述，本发明也可提供预定的或可选的速度差以充分匹配惯量的有效值。
因为实现本发明的优选模式已经进行了详细描述，熟悉本发明所属技术领域的人将能认识到如权利要求所定义的实现本发明的各种其它设计和实施方式。
权利要求
1.一种控制包含发动机和传动系统的车辆中的惯性反转力矩的方法，该方法包括操作传动系统以使其转动惯量与发动机工作产生的转动惯量的方向相反。
2.根据权利要求1所述的方法，所述发动机包括曲轴，所述传动系统包括变速器，所述变速器具有包括变矩器和飞轮其中之一的至少一个惯性部件；以及，所述操作传动系统的步骤包括反向于曲轴旋转方向旋转所述至少一个惯性部件。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括利用一装置连接传动系统至发动机，以反转传动系统变矩器相对于发动机曲轴的旋转方向。
4.根据权利要求3所述的方法，所述连接步骤包括使用行星齿轮组连接变矩器和曲轴。
5.根据权利要求3所述的方法，所述连接步骤包括使用多个齿轮连接变矩器至曲轴。
6.根据权利要求5所述的方法，所述多个齿轮中的至少一个包括剪式齿轮。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括操作传动系统以产生转动惯量，所述转动惯量大小基本等于发动机的转动惯量。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以一个相对发动机速度的速度差操作至少一个传动系统部件，所述速度差基于与传动系统转动惯量值有关的发动机转动惯量值。
9.根据权利要求1所述的方法，所述操作传动系统的步骤包括减小变速器变矩器相对于发动机曲轴的速度。
10.一种控制包含原动机和传动系统的动力传动系统的惯性反转力矩的方法，该方法包括使用一装置连接原动机至传动系统，相对于原动机输出部件的旋转方向，所述装置反转传动系统惯性部件的旋转方向。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括以一个相对原动机输出部件的速度差操作传动系统惯性部件，所述速度差基于原动机选定部件相关的转动惯量，所述转动惯量是与传动系统选定部件相关的转动惯量有关的。
12.根据权利要求10所述的方法，所述连接步骤包括使用行星齿轮组将传动系统的变矩器连接至原动机的曲轴。
13.根据权利要求10所述的方法，所述连接步骤包括使用固定在曲轴的一档齿轮和固定在变矩器的二档齿轮的啮合，将传动系统的变矩器连接至原动机的曲轴。
14.根据权利要求10所述的方法，所述连接步骤包括使用行星齿轮组将传动系统的发生器连接至原动机的曲轴。
15.一种控制包含原动机和传动系统的动力传动系统车辆的惯性反转力矩的系统，该系统包括用于连接原动机和传动系统的装置，从而使传动系统产生的转动惯量反转力矩与原动机产生的转动惯量反转力矩方向相反。
16.根据权利要求15所述的系统，所述装置包括一档齿轮，其被固定以随原动机的输出部件旋转；以及与一档齿轮啮合的二档齿轮，所述二档齿轮被固定以随传动系统的输入部件旋转，这使得传动系统的输入部件相对于原动机输出部件的旋转方向反向旋转。
17.根据权利要求15所述的系统，所述装置包括行星齿轮组。
18.根据权利要求15所述的系统，所述装置在原动机输出部件和传动系统输入部件的转速之间产生速度差。
19.根据权利要求15所述的系统，所述原动机包括一个曲轴，所述传动系统包括一个具有变矩器的变速器；及，所述装置包括一个连接曲轴至变矩器的齿轮组。
20.根据权利要求15所述的系统，所述原动机包括一个曲轴，传动系统包括一个具有变矩器的变速器；以及，相对于曲轴旋转方向，所述装置反转变矩器的旋转方向。
21.一种减小与车辆的工作相关的振动的系统，该系统包括具有在工作期间旋转的输出部件的原动机；具有输入部件的变速器；以及用于将原动机的输出部件连接至变速器的输入部件的装置，从而使得输入部件与原动机的输出部件反向旋转。
22.根据权利要求21所述的系统，所述装置包括多个齿轮。
23.根据权利要求21所述的系统，所述变速器包括一个在车辆中横向布置的自动变速器；以及，所述输入部件包括变矩器。
24.根据权利要求21所述的系统，所述变速器包括一个在车辆中纵向布置的自动变速器；以及，所述输入部件包括变矩器。
25.根据权利要求21所述的系统，所述装置在原动机输出部件和变速器输入部件的转速之间产生速度差。
26.根据权利要求25所述的系统，所述速度差基于与变速器的转动惯量有关的原动机的转动惯量。
全文摘要
一种控制固定动力传动系统结构的惯性反转力矩的系统和方法，其在相反方向旋转至少一个选定的发动机部件和至少一个选定的传动系统部件，使得所述选定的传动系统部件的转动惯量相对于所述选定的发动机部件的转动惯量在反方向上起作用，以减小或消除由动力传动系统部件的旋转加速和减速导致的固定动力传动系统结构上的惯性反转力矩，并且提高了关于噪声、振动和粗劣度(NVH)的性能。
文档编号F16H57/00GK1847692SQ20051008921
公开日2006年10月18日 申请日期2005年7月25日 优先权日2005年4月13日
发明者阿尔文·伯杰, 文斯·索菲里诺 申请人:福特环球技术公司