电磁脉冲断开系统和方法
【专利说明】电磁脉冲断开系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求在2014年4月23日提交的美国临时专利申请N0.61/983，388“电磁脉冲断开系统和方法”以及在2014年9月17日提交的美国临时专利申请N0.62/051, 858“电磁脉冲断开系统和方法”的优先权，其每一个的全部内容出于各种目的通过引用而结合于此。
技术领域
[0003]本申请总体涉及用于啮合和断开车辆的两个旋转部件的电磁脉冲断开组件和相关系统。
【背景技术】
[0004]现代车辆常常结合了一个或多个传动系统模式以将动力从发动机提供至被驱动的车轮。例如，仅具有两轮驱动系统或者4x2模式的车辆可以将动力经由一个或一组旋转轴提供至车辆的两个车轮。诸如小型汽车的车辆可以使用前轮驱动系统，其将动力提供至两个前轮。此外，通常更大型的车辆，其结合两轮驱动模式和四轮驱动模式二者常常是所需的，其中动力可以在一种模式下被选择性地分配至两轮以及在另一模式下被选择性地分配至四轮。为了能够在改变牵引条件期间更好地驾驶，同时仍然能够转换至两轮驱动，以减少油耗并且减少损耗的动力，不同大小的车辆常常结合后轮的两轮驱动和四轮驱动。
[0005]对于具有可转换驱动模式的车辆而言，需要用于使传动系统部件诸如车轴和轴啮合和分开的装置和系统。因而，采用的断开组件常常包括离合器的形式，其能够移动以连接或者断开两个可旋转部件诸如两个轴。断开组件可被置于车辆的传动系统中的不同区域内，包括在车轮端处、在一个或多个车轴处、或者沿着驱动轴之一。通过使用断开系统，车辆能够通过具有根据驱动条件和操作者需求在不同的驱动模式之间转换的能力而更具通用性。
[0006]在一些传动系统断开系统中，直接来自车辆发动机的真空被用作运转断开系统的动力或致动力。尤其是，断开系统致动器可以通过真空来运转。在许多系统中，真空直接经由通道来自汽油发动机的吸入歧管。由于此，真空水平或者从真空可获得的力或者压力的量可随着发动机节流阀设置变化以及发动机负载而改变。对于很多发动机系统，真空水平(可获得的压力的量)可由于海拔高度的影响而受到限制或者改变。此外，温度变化也能够导致真空水平的波动，由此导致断开致动器的移动的波动，这可导致断开部件诸如隔板和离合器部件的不良移动。另外，在一些车辆中，真空可能不易于获得，因为各种车辆辅助系统不能被真空运转，或者为了提高发动机控制和性能，车辆可能被设计为去除发动机吸入连接诸如真空线路。最后，对于更先进的车辆设计，真空运转的传动系统断开系统变得不可取。因而，需要被除了真空之外的源运转并且使得对于现代车辆系统进行的设计起作用的传动系统断开系统。发明人在此已经认识到以上问题和解决他们而被开发的各种途径。
【发明内容】
[0007]因此在一个示例中，真空运转断开相关联的上述问题可以至少部分通过一种操作传动轴的断开组件的方法解决，该方法包括:通过电磁线圈产生冲压电枢凸轮组件的轴向驱动转换器装置从第一自锁位置到第二自锁位置，该电枢凸轮组件包括与转换装置的延伸导向件轴向地连接的一系列双向坡道，线圈只在第一和第二自锁位置之间转换过程中被激励，该第一和第二自锁位置包括传动轴啮合位置和传动轴分开位置。以这种方式，提供了由位于断开组件中的电流和电磁线圈的离散脉冲运转的压缩断开组件，而不是依赖于真空运转。该电磁线圈可以被设计为只在线圈被激励或激活时与断开组件的电枢接触，从而增加该接触部件的寿命。
[0008]该电磁脉冲端口组件还包括磁位置传感器组件，用于监控被允许在不同驱动模式(比如四轮驱动和二轮驱动)之间切换的该组件的移动部件的位置。该传感器组件可以被配置为检测磁铁产生的磁场强度，其位于断开组件的转换但不旋转的部件上。将磁场强度与断开组件的位置关联起来能够准确地监控断开组件的转换运动。此外，通过使用磁传感器，可以维持一个空间使得该传感器不与断开组件的运动接触。
[0009]所提出的电磁断开组件可以减轻真空运转断开相关联的问题。通过从电源提供电流脉冲，断开组件可以比其它提供连续电路以进行转换和维持转换位置的断开消耗更少的电量。电流脉冲可以激励电磁线圈减慢电枢的旋转，从而使得斜道环在轴向方向转换以便在相同方向移动(translate)离合器环。如下面所解释的，这一沿着偏压啮合弹簧力量方向的运动可以造成两个旋转部件(比如传动轴)之间的联接和断开。
[0010]应该理解，以上的总结被提供来以简化的形式介绍构思的选择，其在详细描述中被进一步描述。这不意味着确认要求保护的主题的关键或必要特征，要求保护的主题的范围被权利要求书唯一地限定。此外，要求保护的主题不限于解决以上提及的任何缺点的实施或者本发明的任何部分。
【附图说明】
[0011]图1示出根据本发明的车辆的简化动力系统。
[0012]图2示出电磁脉冲断开组件的组装视图的横截面。
[0013]图3示出电磁脉冲断开组件的组装视图。
[0014]图4示出电磁脉冲断开组件的附加视图。
[0015]图5示出电磁脉冲断开组件在4x2位置中的视图。
[0016]图6示出电磁脉冲断开组件在转换位置的一端的视图。
[0017]图7示出了电磁脉冲断开组件在4x4位置中的视图。
[0018]图8示出了电磁脉冲断开组件的锁闭轨道的示意图。
[0019]图9示出电磁脉冲断开组件的转换位置、该组件的磁通量密度和位置传感器输出之间的关系的曲线图。
[0020]图10和11示出图2-8的电磁脉冲断开组件的一般操作的方法。
[0021]图12-16示出沿着车轴放置的中心电磁脉冲断开的不同实施方式。
[0022]图17示出适合于验证车轴放置的中心电磁脉冲断开的第一实施方式的外观视图。
[0023]图18示出中心电磁脉冲断开的分解视图。
[0024]图19示出中心电磁脉冲断开的横截面视图。
[0025]图20示出中心电磁脉冲断开的不同转换位置的位置传感器组件的方向。
[0026]图21-23示出具有单个连续壳体的中心电磁脉冲断开的第二实施方式。
[0027]图24示出具有单个连续壳体的中心电磁脉冲断开的第三实施方式。
【具体实施方式】
[0028]以下的详细描述提供关于用于选择性地连接车辆的旋转部件的电磁脉冲断开组件及其操作方法的信息。车辆动力系统的示例实施方式在图1中示出，其包括用于将发动动力提供至车辆的发动机、传动装置、各种车轴和轴以及车轮。通过离散电脉冲操作的电磁脉冲断开组件的一个实施方式在图2-3中示出，其可以用于图1的动力系统。电磁脉冲断开(EMPD)组件的分解视图在图4中示出，并且显示了 EMH)组件的各个部件，包括电磁线圈、与转换器接触的电枢凸轮组件、用于选择性地啮合两个相邻旋转部件(例如，比如轴或车轴)的离合器环。这样，EMPD组件可以将离合器环移动到4x4中，其中，两个旋转部件旋转地相互联接，也可以将其移动到4x2位置中，其中，两个旋转部件不会旋转地相互联接。图5-7示出不同转换位置(例如、4x2、转换的一端和4x4位置)中的电磁脉冲断开组件的横截面和组装视图。EMPD组件还可以包括锁闭系统，其保持该组件在选择的转换位置而无需电磁线圈保持被激励。这样，该线圈可以只在从一个转换位置移动到另一个位置时需要被激励。锁闭系统的一个示例性锁闭方案在图8中示出。EMH)组件还可以包括用于确定该组件的转换位置的磁位置传感器组件。图9示出转换位置和磁位置传感器的输出之间的关系的示例性曲线图。图10和11示出根据命令的转换模式(例如，位置)操作该电磁断开组件的方法的流程图。该电磁脉冲断开组件可以被放置在沿着车辆传动系统(比如图1中所示的传动系统)的各个位置。例如，EMH)组件可以被放置在靠近车轮端(例如，作为车轮端断开)和/或放置在前车轮轴或后车轮轴(例如，作为中心断开)。验证前车轮轴或后车轮轴的中心EMPD组件的各种排列的示例在图12-16中示出。虽然EMH)组件的内部部件在中心断开和车轮端断开之间是基本相同的，但是组件的外部壳体(例如，外壳)可以被改变以适应验证传动系统的特定位置。中心电磁脉冲断开组件的一个实施方式在图17-24中示出。
[0029]关于在本说明书中使用的术语，只有两个车轮从发动机接收动力的车辆操作可以被称为两轮驱动、或2WD、或4x2。电磁脉冲断开的相应位置可以被称为4x2位置。可替换地，全部四个车轮从发动机接收动力的车辆操作可以被称为四轮驱动、或4WD、或4x4。电磁脉冲断开的相应位置可以被称为4x4位置。在其它示例中，四轮驱动可以交换地称为全轮驱动(AWD)，其中，通常未驱动的车轮可以在某些条件下接收动力。为了完成4WD和2WD之间的转换，电磁脉冲断开可以选择性地啮合两个旋转部件。在一些实施方式中，旋转部件可以是车轴、传动轴、耦合器、轮毂组件或者在车辆的用于传递旋转动力的传动系统中的其它设备。
[0030]现代的车辆可以通过各种各样的传动系统操作，包括根据不同的操作条件和/或操作者(即驾驶者)命令而选择性地运转不同的车轮子。例如，全车轮驱动车辆可以在第一操作模式期间将动力提供至两个直排车轮，而在检测到下滑时也可以将动力提供至其余车轮中的一个或多个。在其它示例中，更小型的车辆、诸如客车可以一直将动力仅提供至车辆的两个前轮，以提高燃料经济型(前轮驱动)。在另外的示例中，车辆可以被配置为在两轮驱动和四轮驱动模式之间选择性地转换，其中在四轮驱动模式期间全部四个车轮接收动力。对于每种车辆传动系统，存在优点和缺点，每种车辆的具体利用和预期功能可以帮助确定要结合哪种传动系统。
[0031]图1示出车辆的动力系统100的简单图示。在此图示中，为了更好地观看动力系统100，车辆的主体以及许多其他部件被去除。注意的是，动力系统包括在图1中所见的部件，而传动系统可以指代图1的除了发动机和传动装置之外的部件，下面被进一步描述。根据动力系统配置，图1的车辆可以具有选择性4WD传动系统，其中后轮在后轮驱动模式(或2WD模式)下运转，全部四轮在4WD模式下运转，4WD驱动模式不同于2WD模式。许多的多用途车辆诸如更大型的卡车、全地形车、运动型多用途车可以出于不同的原因而结合后轮驱动而不是前轮驱动。一个原因可以是后轮驱动更有助于负载牵引或者拖拉，诸如经由连接到车辆的后部的拖车进行牵引。
[0032]在图1中，右后轮101和左后轮102位于车辆的后部，也就是，位于车辆的操作者的后面的端部。在本示例中，左、右、前和后取向根据车辆的操作者的角度给出。对于前、后、左和右取向的方向箭头在图1中示出。因此，右前轮103和左前轮104位于车辆的前部。
[0033]来自图1的车辆的动力通过具有多个汽缸的内燃机110产生。内燃机110能够根据具体车辆而以汽油或柴油作为燃料，在本示例中，内燃机110包含以V取向配置的六个汽缸，形成V6发动机。理解的是，内燃机110可以以不同的取向配置并且包含不同数量的汽缸，同时以类似的方式提供动力，如图1所示。由发动机110运转的轴可以直接联接到传动装置115，传动装置115提供用于驱动车辆的所需齿轮连接。传动装置115可以根据车辆系统的需求为手动或机动化传动装置。后方驱动轴131可以连接到传动装置115作为传动装置的输出，向车辆后端提供动力。
[0034]在动力系统100的上述2WD模式期间，车轮101和102经由后车轴132运转。在一些实施方式中，后车轴132可以是单连续轴，或者可以在双车轴配置中分成两个车轴，其中车轴被插设有后差动器121。在双车轴配置中，第一后车轴可以位于后差动器121与右后轮101之间，第二后车轴可以位于后差动器121与左后轮102之间。后差动器也可以接合到后驱动轴131。后差动器可以起到几个作用，包括允许车轮101和102之间不同的相对旋转速度以及将来自驱动轴131的单方向的旋转和(动力)转变成后车轴132的两个垂直方向，如图1中所见。例如，如果车辆沿着左方向转弯，则内侧车轮(车轮102)可以以比外侧车轮(车轮101)的旋转更低的速度旋转。因而，为了避免在转弯期间车辆的车轮与车辆途经的道路之间打滑，后差动器121可以允许两个车轮以不同的速度旋转。
[0035]为了操作上述4WD模式，其中除了常规运转的后轮之外，前轮也被驱动，提供用于将动力传递至车辆的前部的系统。传递壳体140可以位于传动装置115的输出附近，传递壳体140可以被配置为将动力的一部分从发动机110的导向前驱动轴133。在一个实施方式中，传递壳体140可以利用铰链将动力的一部分从后驱动轴131传递至前驱动轴133。通过与后驱动系统类似的方式，前驱动轴133连接至前差动器122。前差动器122可以与后差动器121基本上相同，前差动器122允许两个车轮的相对旋转速度。因而，前车轴134，其可以被分为双车轴系统的两个车轴，可以在一个端部接合至差动器122以及其相应的前左车轮104和前右车轮103。在这种配置中，来自前驱动轴133的驱动动力可以通过前差动器122被传递并且经由前车轴134传递至车轮103和104。由于传递壳体140允许动力被输出到前车轴和后车轴二者，因此4WD模式可以允许全部四个车轮被同时运转。所述另一方式，在车辆处于4WD模式时，前轮103和104以及后轮101和102都可以被驱动。
[0036]对于在图1的示例中4WD和2WD之间的切换，需要一种系统能够选择性地啮合和分开向前轮的动力输入。因此，可以在根据传动装置的输出轴放置的传递壳体140内提供断开150。在这种配置中，断开150还可以与传递壳体140整体成型或与其分开。断开可以被用于具有一个以上的传动系统模式的车辆，并且能够啮合或分开两个分离的输入部件，诸如车轮毂、车轴和驱动轴。在如图1中所见的本示例中，断开位于传递壳体140内部。在其它车辆系统中，断开150可以被置于不同的位置，包括在前车轴134上或前驱动轴133上，将该轴有效地分成两个分离的长度，如图1中虚线的断开150所见。在其它示例中，断开150可以位于动力传递单元(PTU)处，以能够啮合和分开PTU轴输出。此外，在一些实施方式中，可以提供多个断开，其中，该多个断开的每一个可以固定到传动装置100的一个单独部件。在一个示例中，如图1中所见第一断开150可以被放置到传递壳体140内部，而另外的断开可以接合到车轮103的车毂、车轮104的车毂和/或验证前车轴134。以这种方式，断开150可以被单独控制或相互结合在一起控制。根据断开的具体位置，给出了不同的名字，包括车轮端断开和中心车轴断开。在本示例中，断开150可以选择性地连接和断开传递壳体140中驱动运转前驱动轴133的链条的齿轮。因此，断开150通过齿轮系统、控制机构和其它结构有效地将传递壳体140 (和轴133)从传动装置115和后驱动轴131分开，如下面更详细地描述的。
[0037]在动力仅被提供到后轮101和102的2WD模式期间，输入命令可以导致断开150分开轴133的两个长度之间的固定旋转，由此没有提供动力至前车轴134以及车轮103和104。因而，由发动机110提供的大多数动力能够被导入到后驱动轴131，而相对更少量的动力通过传递壳体140转移并且转移到轴133的连接到断开的长度。换言之，在分开时，前轮103和104可以自由地旋转而不从