可變通量式起動(dòng)機(jī)和切換系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】可變通量式起動(dòng)機(jī)和切換系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)要求
[0002]本申請(qǐng)要求2013年3月15日提交的名稱為“可變通量式起動(dòng)機(jī)和切換系統(tǒng)”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/791，362的優(yōu)先權(quán)，其全部公開內(nèi)容通過引用明確地合并于此。
【背景技術(shù)】
[0003]本發(fā)明涉及包括內(nèi)燃機(jī)的車輛，更具體地，涉及與這類車輛聯(lián)用的起動(dòng)機(jī)和它們的切換系統(tǒng)。
[0004]常規(guī)的內(nèi)燃機(jī)車輛在最初起動(dòng)內(nèi)燃機(jī)時(shí)利用起動(dòng)機(jī)。通常，電池為起動(dòng)電機(jī)供電，起動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)飛輪并由此使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。螺線管通常用于移動(dòng)小齒輪，使其與被固定到發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪上的齒圈接合或斷開接合。起動(dòng)機(jī)在一小段時(shí)間內(nèi)為發(fā)動(dòng)機(jī)提供轉(zhuǎn)矩，直到發(fā)動(dòng)機(jī)開始正常操作并且不再需要其輔助。
[0005]在常規(guī)車輛中，將在最初起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)使用起動(dòng)機(jī)，并且發(fā)動(dòng)機(jī)將繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，直到操作者故意停止發(fā)動(dòng)機(jī)。此外，許多車輛已開始使用停止-起動(dòng)系統(tǒng)，其中，車輛的電子控制單元基于車輛的操作情況故意停止發(fā)動(dòng)機(jī)，隨后基于車輛的操作情況快速重新起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。在許多車輛中，當(dāng)作為停止-起動(dòng)系統(tǒng)的一部分的ECU在停止發(fā)動(dòng)機(jī)之后自動(dòng)地重新起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)也使用用于最初起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的相同起動(dòng)機(jī)組件。
[0006]當(dāng)使車輛停止時(shí)或者當(dāng)車輛的向前推進(jìn)力完全由牽引電機(jī)提供時(shí)，混合動(dòng)力車輛通常利用停止-起動(dòng)系統(tǒng)使內(nèi)燃機(jī)暫停操作，但這類停止-起動(dòng)系統(tǒng)也用于完全依賴內(nèi)燃機(jī)來推進(jìn)的非混合動(dòng)力車輛。在這類非混合動(dòng)力車輛中，當(dāng)剎車并且車輛正在停止時(shí)或者當(dāng)車輛已停止時(shí)停止-起動(dòng)系統(tǒng)通常將停止發(fā)動(dòng)機(jī)的操作，并且必須快速重新起動(dòng)內(nèi)燃機(jī)以恢復(fù)動(dòng)力車輛的移動(dòng)。
[0007]在基于起動(dòng)機(jī)的停止-起動(dòng)系統(tǒng)中，起動(dòng)機(jī)必須快速地重新起動(dòng)內(nèi)燃機(jī)，以確?？山邮艿能囕v駕駛性能，尤其是在內(nèi)燃機(jī)作為單獨(dú)的推進(jìn)動(dòng)力源的非混合動(dòng)力車輛中。停止-起動(dòng)系統(tǒng)可具有“思維改變(change-of-mind) ”能力，由此能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)操作已停止并且飛輪仍慣性地旋轉(zhuǎn)時(shí)非常快地重新起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。在這類基于起動(dòng)機(jī)的停止-起動(dòng)系統(tǒng)中，起動(dòng)機(jī)通常將具有能夠接合與飛輪耦接的齒圈的小齒輪，由此重新起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。這類起動(dòng)機(jī)可具有被稱作同步設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，其中，感測(cè)小齒輪和齒圈兩者的轉(zhuǎn)速并且小齒輪僅當(dāng)兩個(gè)齒輪的速度同步時(shí)才與齒圈接合。
[0008]圖1示意性地描繪具有起動(dòng)機(jī)和切換系統(tǒng)22的車輛20。車輛20包括內(nèi)燃機(jī)24和將轉(zhuǎn)矩從發(fā)動(dòng)機(jī)24傳送到從動(dòng)輪28的傳動(dòng)系統(tǒng)26。雖然所描繪的車輛20是前輪驅(qū)動(dòng)轎車，但車輛可以具有包含常規(guī)式或停止-起動(dòng)式內(nèi)燃機(jī)的任何動(dòng)力系統(tǒng)配置或混合動(dòng)力系統(tǒng)。此外，如所描繪的，車輛20可以是具有根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的或更加本發(fā)明的起動(dòng)機(jī)和切換系統(tǒng)22的車輛；下面進(jìn)一步提供對(duì)后者的詳細(xì)描述。換言之，起動(dòng)機(jī)和切換系統(tǒng)22是通用的。
[0009]在車輛20中，齒圈30被安裝在與發(fā)動(dòng)機(jī)24的驅(qū)動(dòng)軸耦接的飛輪的外周上。車輛20的起動(dòng)機(jī)和切換系統(tǒng)22包括用于在起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)24時(shí)旋轉(zhuǎn)飛輪的通用起動(dòng)機(jī)組件32。起動(dòng)機(jī)組件32包括具有勵(lì)磁繞組、電樞或轉(zhuǎn)子的電機(jī)34、電樞軸、換向器、碳刷、支撐框架和電機(jī)外殼。電樞和換向器被安裝在電樞軸36上，電樞軸通過過速離合器40耦接到小齒輪軸38。
[0010]起動(dòng)電機(jī)34通常是有刷直流電機(jī)并且以常規(guī)方式操作，其中，勵(lì)磁繞組形成靜電磁場(chǎng)。當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，多個(gè)換向器區(qū)段接觸不同的電刷并且倒轉(zhuǎn)極性，由此致使電樞持續(xù)旋轉(zhuǎn)。場(chǎng)和電樞繞組可形成串激電機(jī)、并勵(lì)電機(jī)或復(fù)激電動(dòng)機(jī)，這是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知的。
[0011]小齒輪42被安裝在起動(dòng)機(jī)組件32的小齒輪軸38上，并且可選擇性地與齒圈30接合。通過起動(dòng)機(jī)組件32的螺線管44，小齒輪42隨小齒輪軸38沿軸向轉(zhuǎn)移，與齒圈30接合和斷開接合，該螺線管44通過包括細(xì)長(zhǎng)的小齒輪撥桿46的連桿組件作用于小齒輪軸38和小齒輪42。合適的直流電流源，例如，諸如，常規(guī)的12V汽車電池48，用于通過起動(dòng)機(jī)切換系統(tǒng)為起動(dòng)電機(jī)34和螺線管44提供電功率。
[0012]可以注意到，圖1是通用的起動(dòng)機(jī)和切換系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖。例如，未示出包括車輛20的點(diǎn)火開關(guān)和空檔安全開關(guān)，該空檔安全開關(guān)防止點(diǎn)火開關(guān)在車輛20正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)啟動(dòng)起動(dòng)電機(jī)34。車輛20還包括電子控制單元(“ECU”)50，其利用繼電器或其他合適的切換機(jī)構(gòu)控制起動(dòng)機(jī)組件32的起動(dòng)電機(jī)34和螺線管44的操作。ECU 50接收指示車輛系統(tǒng)狀態(tài)的信號(hào)，并且發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，以產(chǎn)生應(yīng)答的車輛操作或防止某些操作，這將是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易明白的。通常，起動(dòng)機(jī)繼電器開關(guān)52連接到螺線管44和電機(jī)34的勵(lì)磁繞組兩者。ECU 50的輸出信號(hào)控制起動(dòng)機(jī)繼電器開關(guān)52的操作，以選擇性地打開和閉合電池電路，從而使起動(dòng)機(jī)組件32的電機(jī)34和螺線管44通電和斷電。
[0013]一旦發(fā)動(dòng)機(jī)24開始運(yùn)轉(zhuǎn)，小齒輪42就與齒圈30斷開接合。但是，在斷開小齒輪42之前，發(fā)動(dòng)機(jī)的速度可能超過起動(dòng)電機(jī)34的電樞的速度，并且過速離合器40在這種情形中防止起動(dòng)電機(jī)34受損。過速離合器40沿一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向?qū)⑥D(zhuǎn)矩從起動(dòng)電機(jī)34傳送到小齒輪42，但是飛輪沿相反方向阻止齒圈30將轉(zhuǎn)矩傳送到起動(dòng)電機(jī)34的電樞。因此，如果發(fā)動(dòng)機(jī)24以高于起動(dòng)電機(jī)電樞的速度的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)小齒輪42與齒圈30接合，則過速離合器40將容許小齒輪軸38和小齒輪42以比電樞軸36的速度快的速度旋轉(zhuǎn)，其中，電樞可旋轉(zhuǎn)地固定到電樞軸上。在起動(dòng)電機(jī)和齒圈之間使用過速離合器是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的，并且所示的過速離合器40以常規(guī)方式操作，從而防止將轉(zhuǎn)矩從齒圈30傳送到起動(dòng)電機(jī)34的電樞。
[0014]起動(dòng)機(jī)螺線管44包括線圈54，線圈54在通電時(shí)吸引螺線管可動(dòng)鐵芯56并且相對(duì)于螺線管外殼55沿軸向向內(nèi)電磁地壓動(dòng)螺線管可動(dòng)鐵芯56，螺線管外殼被固定到起動(dòng)電機(jī)外殼，從而使得螺線管可動(dòng)鐵芯56和電樞軸36的軸線大體平行。如上所述，螺線管44用于通過細(xì)長(zhǎng)的撥桿46沿軸向轉(zhuǎn)移小齒輪42的位置，使其與齒圈30接合和斷開接合。在它的兩個(gè)相反端部中的第一端處，撥桿46銷接到螺線管44的可動(dòng)鐵芯56或者銷接到從可動(dòng)鐵芯56延伸出的突起58上。可動(dòng)鐵芯突起58可以是由螺線管可動(dòng)鐵芯56承托的彈簧偏置式小齒輪接合跳動(dòng)裝置60。撥桿46在其中點(diǎn)附近被可樞轉(zhuǎn)地安裝到起動(dòng)機(jī)框架62上，并且在其兩個(gè)相反端部中的第二端處，經(jīng)由圍繞軸放置的滑動(dòng)套管63與電樞軸36或小齒輪軸38耦接在一起。
[0015]通過壓縮螺線管復(fù)位彈簧64，相對(duì)于螺線管外殼55沿向外的軸向方向偏置螺線管可動(dòng)鐵芯56。當(dāng)撥桿46在其中點(diǎn)附近可樞轉(zhuǎn)地連接到起動(dòng)機(jī)框架62時(shí)，螺線管復(fù)位彈簧64朝向電機(jī)34沿軸向向內(nèi)地偏置小齒輪42，并且將其偏置到起動(dòng)機(jī)的完全收縮的原位置，這在圖1中示出。在起動(dòng)機(jī)的原位置，小齒輪42沿軸向遠(yuǎn)離齒圈30并且不能與其交纏。當(dāng)螺線管線圈54通電時(shí)，螺線管可動(dòng)鐵芯56克服螺線管復(fù)位彈簧64的偏置力被沿軸向電磁地拉入螺線管外殼55中。因此，撥桿46被小齒輪接合跳動(dòng)裝置60推動(dòng)，以圍繞其中點(diǎn)樞轉(zhuǎn)，并通過套管63推動(dòng)小齒輪42，使其沿軸向向外遠(yuǎn)離起動(dòng)電機(jī)34并到達(dá)起動(dòng)機(jī)的伸展的接合位置，在該位置，小齒輪42與齒圈30接合。
[0016]在起動(dòng)機(jī)接合期間，當(dāng)滑動(dòng)套管63朝向齒圈30轉(zhuǎn)移時(shí)，過速離合器40和小齒輪42將也朝向齒圈30轉(zhuǎn)移。當(dāng)螺線管可動(dòng)鐵芯56沿軸向被電磁地拉入螺線管外殼55中時(shí)，如果小齒輪42的齒最初未與齒圈30的齒嚙合，則小齒輪接合跳動(dòng)裝置60的跳動(dòng)彈簧66將收縮并通過撥桿46向滑動(dòng)套管63施加朝向齒圈30推動(dòng)小齒輪42的偏置力。一旦小齒輪和齒圈的齒對(duì)齊以容許它們的齒嚙合，跳動(dòng)彈簧66通過撥桿46施加在滑動(dòng)套管63上的偏置力就將壓動(dòng)小齒輪42使其與齒圈30嚙合接合。為了起到類似的作業(yè)，小齒輪接合跳動(dòng)裝置60及其跳動(dòng)彈簧66可替代性地位于電樞軸36上?；瑒?dòng)套管和/或具有跳動(dòng)彈簧的小齒輪接合跳動(dòng)裝置的這種使用是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知的。
[0017]圖1示出了在螺線管復(fù)位彈簧64的影響下處于其伸展位置的斷電的螺線管44的螺線管可動(dòng)鐵芯56，由此將小齒輪42壓動(dòng)到起動(dòng)機(jī)的完全收縮的原位置，在該位置，小齒輪42沿軸向遠(yuǎn)離齒圈30并與其打開接合。當(dāng)螺線管線圈54斷電時(shí)，螺線管復(fù)位彈簧64相對(duì)于螺線管外殼55朝向螺線管可動(dòng)鐵芯56的伸展位置沿軸向向外地壓動(dòng)螺線管可動(dòng)鐵芯56，由此致使撥桿46圍繞其樞轉(zhuǎn)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)并朝向電機(jī)34推動(dòng)滑動(dòng)套管63，從而移動(dòng)小齒輪42使其與齒圈30斷開接合并將小齒輪42推至起動(dòng)機(jī)的收縮的原位置。在起動(dòng)機(jī)的原位置，電樞軸36上的機(jī)械止動(dòng)件(未示出)與滑動(dòng)套管63形鎖合地接合，以限制其沿該軸朝向電機(jī)34的軸向向內(nèi)行進(jìn)。小齒輪42的遠(yuǎn)離電機(jī)34的軸向向外行進(jìn)可類似地受機(jī)械止動(dòng)件限制，以建立起動(dòng)機(jī)的完全伸展的接合位置。
[0018]在起動(dòng)機(jī)的接合位置，當(dāng)螺線管線圈54通電時(shí)，螺線管可動(dòng)鐵芯56位于其完全收縮位置。當(dāng)螺線管可動(dòng)鐵芯56到達(dá)其完全收縮位置時(shí)，桿臂46已經(jīng)將起動(dòng)電機(jī)34朝向起動(dòng)機(jī)的完全伸展的接合位置沿軸向向外地移動(dòng)遠(yuǎn)離小齒輪軸38和小齒輪42，在該接合位置，小齒輪42將與齒圈30交纏。當(dāng)起動(dòng)電機(jī)34斷電并且小齒輪42不旋轉(zhuǎn)時(shí)，如當(dāng)起動(dòng)不旋轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)24時(shí)，可進(jìn)入起動(dòng)機(jī)的接合位置。替代性地，當(dāng)起動(dòng)電機(jī)34通電并且小齒輪42受迫旋轉(zhuǎn)時(shí)，如當(dāng)飛輪在慣性負(fù)荷下仍旋轉(zhuǎn)的同時(shí)重新起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)24時(shí)，可進(jìn)入起動(dòng)機(jī)的接合位置。例如，在一些現(xiàn)有的起動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)起動(dòng)機(jī)進(jìn)入其接合位置以重新起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)24時(shí)，旋轉(zhuǎn)的小齒輪的速度與仍旋轉(zhuǎn)的齒圈的速度基本同步。無論起動(dòng)機(jī)接合時(shí)起動(dòng)電機(jī)是否旋轉(zhuǎn)，一旦小齒輪和齒圈交纏，它們就在起動(dòng)機(jī)用曲柄起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)一起加速。通常，起動(dòng)機(jī)的曲柄起動(dòng)速度由供應(yīng)到起動(dòng)電機(jī)勵(lì)磁繞組的功率和用曲柄起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)所需的轉(zhuǎn)矩水平?jīng)Q定的。對(duì)于供應(yīng)到起動(dòng)電機(jī)勵(lì)磁繞組的指定功率水平，曲柄起動(dòng)速度和起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩之間發(fā)生折衷。因此，可調(diào)整功率、速度和轉(zhuǎn)矩，以改善車輛起動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能。
[0019]例如，發(fā)生于車輛操作者最初起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的冷發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)通常處于發(fā)動(dòng)機(jī)油黏稠并且汽缸中的燃料不如發(fā)動(dòng)機(jī)剛剛進(jìn)行了操作時(shí)那么容易蒸發(fā)的情況下。在冷起動(dòng)期間用曲柄起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)不如暖起動(dòng)時(shí)容易，并且不那么容器打火。因此，與軟起動(dòng)期間相比，冷起動(dòng)期間通常產(chǎn)生更高的轉(zhuǎn)矩和更長(zhǎng)的曲柄起動(dòng)時(shí)間。在暖起動(dòng)期間，發(fā)動(dòng)機(jī)油不那么黏稠，并且發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的燃料將更容易蒸發(fā)和燃燒。與冷起動(dòng)相比，在暖起動(dòng)期間，通常產(chǎn)生相對(duì)短的曲柄起動(dòng)時(shí)間，并且需要較小的曲柄起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這是需要快速重新起動(dòng)的具有停止-起動(dòng)能力的車輛尤其期望的。因此，起動(dòng)機(jī)可幫助重新起動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)更迅速地再次達(dá)到操作速度。
[0020]對(duì)于一些車輛應(yīng)用，尤其是具有停止-起動(dòng)系統(tǒng)的那些，期望的是提供能夠?yàn)槠饎?dòng)電機(jī)34提供可變通量的起動(dòng)機(jī)和切換系統(tǒng)22，由此可選擇和/或獲得不同的起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、速度和功率特性。在這些起動(dòng)機(jī)和切換系統(tǒng)中可通過短路起動(dòng)電機(jī)勵(lì)磁繞組的一部分來控制起動(dòng)機(jī)通量，并且這類可變通量的起動(dòng)機(jī)和切換系統(tǒng)通常已知具有暖起動(dòng)能力。圖1所示的通用起動(dòng)機(jī)組件32可以是具有暖起動(dòng)能力的可變通量型組件。
[0021 ] 參照?qǐng)D2A和2B可最佳地理解根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有暖起動(dòng)能力的可變通量式起動(dòng)機(jī)和切換系統(tǒng)的操作，所述附圖示意性地示出了本申請(qǐng)的受讓人研制的現(xiàn)有可變通量式起動(dòng)機(jī)和切換系統(tǒng)122。上述通用系