用于控制非摩擦式耦合组件的操作模式的电磁系统以及具有该电磁系统的耦合和磁性控制组件的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年12月4日提交的美国临时申请第62/774,957号的权益，该申请的公开内容通过引用整体并入本文。

本发明主要涉及用于控制非摩擦式耦合组件的操作模式的系统以及具有该系统的耦合和控制组件，并且特别是涉及电磁地操作且磁性地控制的这种系统。

背景技术：

典型的单向离合器(owc)包括内环、外环以及位于这两个环之间的锁定装置。单向离合器被设计为在一个方向上锁定并且允许在另一个方向上自由旋转。在车辆自动变速器中通常使用两种单向离合器，包括：

滚柱式，其包括位于单向离合器的内座圈与外座圈之间的弹簧加载的滚柱(滚柱式在一些应用中也在没有弹簧的情况下使用)；以及

楔块式，其包括位于单向离合器的内座圈与外座圈之间的不对称造型的楔块。

单向离合器通常在变速器中用于防止驱动扭矩(即，动力流)在特定的档位切换期间中断，并且允许发动机在滑行期间制动。

可控式或可选式单向离合器(即，owc)与传统的单向离合器设计不同。可选式owc添加了与滑板结合的第二组锁定构件。额外的一组锁定构件与滑板一起为owc添加了多种功能。根据设计需求，可控式owc能够在一个或两个方向上在旋转或固定的轴之间形成机械连接。此外，根据设计，owc能够在一个或两个方向上超越。可控式owc包括外部控制的选择或控制机构。该选择机构可以在与不同的操作模式对应的两个以上的位置之间移动。

美国专利第5,927,455号公开了一种双向超越棘轮式离合器，美国专利第6,244,965号公开了一种平面超越耦合器，并且美国专利第6,290,044号公开了一种在自动变速器中使用的可选式单向离合组件。

美国专利第7,258,214号和7,344,010号公开了超越耦合组件，并且美国专利第7,484,605号公开了一种超越径向耦合组件或离合器。

适当设计的可控式owc可以在“关闭”状态下具有接近于零的寄生损耗。其也可以通过机电装置驱动并且不具有液压泵和阀的复杂性或寄生损耗。

其他相关的美国专利公开包括：2011/0140451；2011/0215575；2011/0233026；2011/0177900；2010/0044141；2010/0071497；2010/0119389；2010/0252384；2009/0133981；2009/0127059；2009/0084653；2009/0194381；2009/0142207；2009/0255773；2009/0098968；2010/0230226；2010/0200358；2009/0211863；2009/0159391；2009/0098970；2008/0223681；2008/0110715；2008/0169166；2008/0169165；2008/0185253；2007/0278061；2007/0056825；2006/138777；2006/0185957；2004/0110594；以及以下美国专利号：7,942,781；7,806,795；7,690,455；7,491,151；7,484,605；7,464,801；7,275,628；7,256,510；7,223,198；7,198,587；7,093,512；6,953,409；6,846,257；6,814,201；6,503,167；6,193,038；4,050,560；4,340,133；5,597,057；5,918,715；5,638,929；5,362,293；5,678,668；5,070,978；5,052,534；5,387,854；5,231,265；5,394,321；5,206,573；5,453,598；5,642,009；6,075,302；6,982,502；7,153,228；5,924,510以及5,918,715。

可以通过检查磁源产生或“激励”的磁场来确定本地或远距离的磁源、即电流和/或永磁体(pm)材料所产生的机械力。磁场是向量场，其表示本地或远距离的磁源的影响能力在空间中任何一点处的大小和方向。在任何所关注的区域内的某个点处的磁场的强度或大小取决于激励磁源的强度、数量和相对位置以及激励源的位置与指定的所关注区域之间的各种介质的磁特性。磁特性是指决定要对单位体积的材料进行“磁化”、即要建立一定的磁场强度水平的“容易程度”或所需的激励水平的“高低程度”的材料特性。总体上，与包含空气或塑料材料的区域相比，包含铁材料的区域更容易“磁化”。

磁场可以被表示为或描述为三维力线，它们是在整个空间区域和材料结构内横穿的闭合曲线。当在磁性结构内发生磁“作用”时(产生可测量水平的机械力)，会看到这些力线耦合或连接结构内的磁源。如果磁力线环绕结构中的全部或部分电流路径，则这些磁力线耦合/连接到电流源。如果力线大体在永久磁化的方向上或相反方向上横穿pm材料，则这些力线耦合/连接到pm源。彼此不交叉的单独的力线或场线在沿着线的延伸部的每个点处都显示出不同程度的拉应力，非常像被拉伸成闭合场线曲线形状的、被拉伸的“橡胶带”中的拉力。这是在磁性机械结构中跨过气隙产生力的主要方法。

人们通常可以通过检查结构内的磁场线图表来确定磁性机器各部分中的净力产生的方向。在跨过将机器元件分开的气隙的任何一个方向上的场线越多(即，橡胶带拉伸得越多)，在该指定方向上的机器元件之间的“拉”力就越大。

金属注射成型(mim)是一种金属加工工艺，其中细小的粉末状金属与测定量的粘合材料混合，以构成能够经由塑料加工设备通过称为注射成形的工艺进行处理的“给料”。该成型工艺允许在单一操作中大量成形复杂的部件。最终产品通常是用于各种行业和应用的组成元件。mim给料流的性质由称为流变学的物理学来定义。目前的设备能力要求限于能够使用在模具中每次“注射”100克以下的典型的量进行成型的产品的加工。流变学确实允许这种“注射”分布到多个空腔中，因此对于小型的、复杂的大量产品而言是成本有效的，否则这些产品在通过另外的或常规的方法进行生产的情况下是相当昂贵的。能够在mim给料中实施的各种金属被称为粉末冶金，并且它们含有的合金成分与用于普通金属和异金属应用的工业标准相同。随后对成型后的形状执行调节操作，其中粘合材料被去除并且金属颗粒聚结成期望的金属合金态。

就本申请而言，术语“耦合器”应被解释为包括离合器或制动器，其中一个板被可驱动地连接至变速器的扭矩传递元件，并且另一个板被可驱动地连接至另一个扭矩传递元件或相对于变速器壳体被锚固并保持静止。术语“耦合器”、“离合器”和“制动器”可以互换使用。

例如以下美国专利文件的现有技术公开了多种磁力和电磁力驱动的离合器：2018/0202502；5,996,758；9,732,809；8,418,825；9,097,299；10,024,370；9,127,730；9,366,298；9,739,322；.9,915,301；2017/0248174；2017/0138414；2018/0094677；2016/0160941；2016/0252142以及2019/0323568。

许多这种系统试图减少在旋转离合构件内的锁定元件上起作用的驱动系统中存在的摩擦损耗。

磁路由包含有磁通量的一条或多条封闭回路路径构成。该通量通常由永磁体或电磁体产生并且通过包含有诸如铁的铁磁材料的磁芯被限制于该路径，但是在该路径中可以具有气隙或其他材料。

类似于在电路中驱动电荷电流的电动势(emf)，磁动势(mmf)“驱动”磁通量穿过磁路。

磁动势的单位是通过在真空中在单圈导电材料中流动的1安培的稳定的直流电表示的安培匝数(at)。

磁通量常常形成封闭回路，但是该回路的路径取决于周围材料的磁阻。最小磁阻集中在路径周围。空气和真空具有较高的磁阻，而诸如软铁的易磁化材料具有较低的磁阻。通量在低磁阻材料中的集中形成了较强的临时磁极并且产生了倾向于使材料朝向更高通量区域移动的机械力，因此其总是吸力(拉力)。如果使用永磁体作为回路中的磁路部件，则可以产生斥力(即，推力)。

如美国专利文件2013/0015033中所述，用于接合耦合装置的磁路可能因为磁通量沿着多条路径的泄漏而被减弱。这种通量路径(或泄漏线路)的存在使磁通量从交界面漏出，由此减小了该交界面处的通量密度和吸力。这种吸力在多种情况中都需要被最大化。

技术实现要素：

本发明的至少一个实施方式的目的是提供一种用于控制非摩擦式耦合组件的操作模式的电磁系统以及具有该电磁系统的耦合和磁性控制组件，其中通过增大锁定元件与电磁源之间的交界面处的通量密度并且减少任何通量泄漏而使铁磁性或磁性锁定元件上的磁吸力最大化。

为了实现本发明的至少一个实施方式的上述目的和其他目的，提供了一种用于控制非摩擦式耦合组件的操作模式的电磁系统。该组件包括被支撑为能够围绕公共的轴线相对于彼此旋转的第一和第二耦合构件。第一和第二耦合构件分别包括彼此近距离地相对的耦合用的第一和第二面部。第二耦合构件具有与第二面部间隔开的第三面部。第二面部具有槽。第一面部具有一组锁定结构，并且第三面部具有与槽连通的间隔开的第一和第二通道。该系统包括磁路部件，其包括铁磁性或磁性的元件，其在第一位置中被接收在槽内并且从槽向外突出到第二位置。该元件控制耦合组件的操作模式。固定电磁源包括至少一个励磁线圈，其在为至少一个线圈供电时在电磁源的磁极之间生成磁场。铁磁性或磁性的第一和第二插入件分别被接收和保持在第二耦合构件的间隔开的第一和第二通道内。第一和第二插入件分别跨过第一和第二气隙与电磁源的第一和第二磁极近距离地相对。第一和第二插入件分别跨过第三和第四气隙与元件的间隔开的第一和第二位置近距离地相对。电磁源、插入件、气隙以及元件构成了包含有磁通量的封闭回路路径，使得元件在至少一个线圈被供电时在第一和第二位置之间移动。

第一和第三面部可以被定向为沿着旋转轴线在轴向上面对第一方向，并且第二面部可以被定向为沿着旋转轴线在轴向上面对与第一方向相对的第二方向。

电磁源还可以包括环形圆环壳体，其具有将至少一个线圈定位在其中的环形凹部。该壳体可以关于旋转轴线轴对称。磁场可以是基本上圆形的磁场。

壳体可以具有基本上c形的横截面。

元件可以是锁定元件，其防止了第一和第二耦合构件相对于彼此围绕旋转轴线在至少一个方向上的相对旋转。

锁定元件可以是注射成型的支柱。

系统还可以包括返回偏置构件，其用于将元件推到与元件的第一位置或第二位置对应的返回位置。

第一、第二和第三面部可以基本上是环形的并且基本上相对于轴线径向地延伸。

耦合组件可以是离合组件并且第一和第二面部可以是离合面部。

至少一个线圈可以具有圆周，其中插入件可以包括基本上覆盖了至少一个线圈的整个圆周的磁极片。

第二耦合构件可以由有色金属/非磁性材料制成。

多个线圈可以生成磁场。

此外，为了实现本发明的至少一个实施方式的上述目的和其他目的，提供了一种耦合和磁性控制组件。第一和第二耦合构件被支撑为能够围绕公共的轴线相对于彼此旋转。第一和第二耦合构件分别包括彼此近距离地相对的耦合用的第一和第二面部。第二耦合构件具有与第二面部间隔开的第三面部。第二面部具有槽。第一面部具有一组锁定结构，并且第三面部具有与槽连通的间隔开的第一和第二通道。该组件包括磁路部件，其包括铁磁性或磁性的元件，其在第一位置中被接收在槽内并且在第二位置中从槽向外突出。元件控制耦合组件的操作模式。固定电磁源包括至少一个励磁线圈，其在至少一个线圈被供电时在电磁源的磁极之间生成磁场。铁磁性或磁性的第一和第二插入件分别被接收和保持在第二耦合构件的间隔开的第一和第二通道内。第一和第二插入件分别跨过第一和第二气隙与电磁源的第一和第二磁极近距离地相对。第一和第二插入件分别跨过第三和第四气隙与元件的间隔开的第一和第二部分近距离地相对。电磁源、插入件、气隙以及元件构成了包含有磁通量的封闭回路路径，使得元件在为至少一个线圈供电时在第一和第二位置之间移动。

第一和第三面部可以被定向为沿着旋转轴线在轴向上面对第一方向，并且第二面部可以被定向为沿着旋转轴线在轴向上面对与第一方向相对的第二方向。

电磁源还可以包括环形圆环壳体，其具有将至少一个线圈定位在其中的环形凹部。该壳体可以关于旋转轴线轴对称。磁场可以是基本上圆形的磁场。

壳体可以具有基本上c形的横截面。

元件可以是锁定元件，其防止了第一和第二耦合构件相对于彼此围绕旋转轴线在至少一个方向上的相对旋转。

锁定元件可以是注射成型的支柱。

组件还可以包括返回偏置构件，其用于将元件推到与元件的第一位置或第二位置对应的返回位置。

第一、第二和第三面部可以基本上是环形的并且基本上相对于轴线径向地延伸。

耦合组件可以是离合组件并且第一和第二面部可以是离合面部。

至少一个线圈可以具有圆周，其中插入件包括基本上覆盖了至少一个线圈的整个圆周的磁极片。

第二耦合构件可以由有色金属/非磁性材料制成。

多个线圈可以生成磁场。

附图说明

图1是根据本发明的至少一个实施方式构造的耦合和磁性控制组件的侧视剖视示意图，并且示出了为固定电磁源的线圈供电时的磁通量线；

图2是图1的组件的一部分的立体示意图，并且特别是示出了多个磁路部件之间的多个气隙；

图3是第二耦合构件或槽板的部分剖开的俯视平面图，以示出磁极片要被安装或插入到板内的位置；

图4是槽板的部分剖开的仰视图，并且进一步示出了电磁源生成的圆形磁场相对于极片向上和向下指向的位置；

图5是电磁源的侧视立体示意图，该电磁源能够在通过电流来激励包含在源的环形壳体的环形凹部中的线圈时生成图4的圆形磁场；

图6是根据本发明的第二实施方式构造的耦合和磁性控制组件的部分剖开且剖视的视图；

图7是图6的组件的一部分的放大视图，示出了比例尺以及组件的电磁源中的线圈电流所产生的磁场线；

图8是图6的槽板和锁定构件的部分剖开的示意图，其中通过虚线表示偏置弹簧和极片；

图9是与图8类似的视图，但是不具有图8的磁路部件或弹簧；

图10是图6的缺口板的立体示意图；

图11是图6的组件的立体示意图，但是不具有电磁源；

图12是图6的电磁源的立体示意图；并且

图13是不具有图10的缺口板以及槽板和返回弹簧的、图6的组件的立体示意图。

具体实施方式

根据需要，本文公开了本发明的详细实施方式；但是，应理解的是所公开的实施方式仅仅是可被实现为多种替代形式的本发明的例子。视图不一定按比例绘制；某些特征可能为了示出特定部件的细节而被放大或缩小。因此，本文公开的具体的结构性和功能性细节不应认为是限制性的，而仅仅是用于教导本领域技术人员以不同方式实施本发明的代表性基础。

现在参考图1-5，示出了总体上以11表示的平面的耦合和磁性控制组件。组件11包括总体上以10表示的第一耦合构件，其可以包括具有第一耦合面部12的缺口板或构件。

组件11可包括总体上以14表示的有色金属的非磁性槽板或第二构件，其包括在构件10和14通过锁定用或卡合用环18被组装和保持在一起时与第一耦合面部12近距离地相对的第二耦合面部16。构件10和14中的至少一个被安装为能够围绕公共的轴线20旋转(图5)。

第二耦合构件14还包括与第二面部16间隔开的第三面部22。第三面部22具有间隔开的第一通道25和第二通道23，它们延伸穿过第二耦合构件14从而与形成在第二面部16中的槽24连通。

槽24优选是最佳地在图3中示出的t形凹部或槽24。凹部24限定了第一载荷承载肩部。凹口板10的第一耦合面部12具有多个凹部或凹口(没有在第一实施方式中示出，但是在图10的凹口板110的第二实施方式中示出)。这些凹口中的每个凹口都限定了第二载荷承载肩部。虽然仅示出了一个槽24，但应理解优选具有多个槽24(和支柱26)。

用于控制耦合组件的操作模式的电磁系统包括多个磁路部件，它们包括可以在构件10和14被组装和保持在一起时分别在构件10和14的耦合面部12和16之间延伸的、总体上以26表示的铁磁性元件或锁定支柱。

元件26可包括可以在第一和第二位置之间移动的铁磁性锁定元件或支柱。第一位置(没有示出)的特征在于锁定元件26与构件10的载荷承载肩部(没有示出)以及槽24的形成在第二构件14的端壁中的肩部进行抵接式接合。第二位置(图1和2中的实线)的特征在于锁定元件26与构件10和14中的至少一个的载荷承载肩部进行非抵接式接合。返回偏置构件或弹簧(没有在第一实施方式中示出，但是在第二实施方式中表示为129)可以位于每个支柱26的下方，以将支柱26推到与支柱26的解耦位置对应的返回位置。

电磁系统还包括总体上以31表示的固定电磁源，其包括至少部分地被基本上c形(横截面)的环形圆环壳体部分35环绕的至少一个励磁线圈33。代替单一的线圈，可以设置多个相似的线圈来将mmf供应到芯板中。在这个实施方式中，线圈各自缠绕芯体的一部分，其中线圈的轴线穿过芯体指向场方向。当至少一个线圈33被激励时(供电)，轴对称的、基本上圆形的磁场(在图1中由虚线表示)在壳体部分35的北极处引出、穿过磁性插入件或极片37、进入到支柱26的第一部分中、从支柱的第二部分中离开、穿过另一个插入件或极片39并且在壳体部分35的南极处回到壳体部分35中。

极片37和39穿过第三面部22被插入到槽24的底部中且分别被接收和保持在第一通道25和第二通道23内，并且分别与壳体部分35的北极和南极近距离地相对。

电磁源31、元件26、插入件37和39、插入件37和39与元件26之间的气隙以及源31与插入件37和39之间的气隙构成了包含有磁通量的封闭回路路径，使得元件26在为线圈33供电时在其耦合和解耦位置之间移动。极片37和39将磁场引入到支柱26中，以吸引(或排斥)支柱26并且使支柱26移动到接合(或分离)位置。

现在参考图4，通过虚线41示出了在其中定位有插入件39的第三面部22处的向外指向(离开纸面)的圆形磁场。虚线43示出了向内指向(进入纸面)的圆形磁场，其中插入件37被定位在第二耦合构件14的第三面部22处。图5的源31在线圈33被激励时将磁场引导到槽板14的背面。所获得的磁场穿入到极片37和39以及支柱26中。

产生用于使支柱26在耦合和解耦位置之间移动的机械力所要求的安培匝数是图2的“气隙”的尺寸的函数。因此，气隙应尽可能小，以避免磁通量泄漏，从而使产生尤其是在离合构件的较高rpm(大于5krpm)下使支柱26移动所需的力所要求的安培匝数最小。

现在参考图6-13，示出了总体上以111表示的平面耦合和磁性控制组件的第二实施方式。组件111包括总体上以110表示的第一耦合构件，其可以包括具有第一耦合面部112的凹口板或构件。第二实施方式的与第一实施方式的部分或部件在结构上或功能上相同或相似的部分或部件具有前面加上数字“1”的相同的附图标记。

组件111可包括总体上以114表示的有色金属的非磁性槽板或第二构件，其包括在构件110和114通过锁定用或卡合用环118被组装和保持在一起时与第一耦合面部112近距离地相对的第二耦合面部116。构件110和114中的至少一个被安装为能够围绕公共的轴线120旋转(图10和12)。

第二耦合构件114还包括与第二面部116间隔开的第三面部122。第三面部122具有间隔开的第一通道125和第二通道123，它们延伸穿过第二耦合构件114从而与形成在第二面部116中的槽124连通。

槽124优选是最佳地在图8和9中示出的t形凹部或槽124。凹部124限定了第一载荷承载肩部。凹口板110的第一耦合面部112具有多个凹部或凹口113。这些凹口中的每个凹口113都限定了第二载荷承载肩部。虽然仅在图6-9中示出了一个槽124，但应理解优选具有图13所示的多个槽124(和支柱126)。

用于控制耦合组件111的操作模式的电磁系统包括多个磁路部件，它们包括可以在构件110和114被组装和保持在一起时分别在构件110和112的耦合面部112和116之间延伸的、总体上以126表示的铁磁性元件或锁定支柱。每个支柱126都可包括使支柱126围绕其枢转的枢转销127以及旋转地支撑销127的轴承128。

元件126可包括可以在第一和第二位置之间移动的铁磁性锁定元件或支柱。第一位置(在图8和13中示出)的特征在于锁定元件126与构件110的凹口113的载荷承载肩部以及槽124的形成在第二构件114的端壁中的肩部进行抵接式接合。第二位置(图6和7中的实线)的特征在于锁定元件126与构件110和114中的至少一个的载荷承载肩部进行非抵接式接合。偏置构件或弹簧129(图8)可以位于每个支柱126的下方，以将支柱126推到与支柱126的解耦位置对应的返回位置。

电磁系统还包括总体上以131表示的固定电磁源，其包括至少部分地被环形圆环壳体部分135环绕的至少一个励磁线圈133。壳体部分135包括被固定在一起的第一零件136和第二零件138。线圈133被保持在线圈架134内。当线圈133被激励时(供电)，轴对称的、基本上圆形的磁场在壳体部分135的北极处从壳体部分135中引出、穿过磁性插入件或极片137、进入到支柱126的第一部分中、从支柱126的第二部分中离开、穿过另一个插入件或极片139并且在壳体部分135的南极处回到壳体部分135中。

如图11和13所示，极片137和139可以是分段的并且通过螺钉142被固定至槽板114的第三面部122。极片137和139分别被接收和保持在第一通道125和第二通道123内，并且分别与壳体部分135的北极和南极近距离地相对。

电磁源131、元件126、插入件137和139、插入件137和139与元件126之间的气隙以及源131与插入件137和139之间的气隙构成了包含有磁通量的封闭回路路径，使得元件126在为线圈133供电时在其耦合和解耦位置之间移动。极片137和139将磁场引入到支柱126中，以吸引(或排斥)支柱126并且使支柱126移动到接合(或分离)位置。

上述的电磁系统减少了通常存在于现有技术的在旋转离合构件内的锁定元件上起作用的驱动系统中的摩擦损耗。这是通过驱动系统不具有移动部件并且其与离合构件没有物理接触来实现的。减少摩擦损耗提供了一种减少驱动系统的能耗要求的方式。

总的来说，上述的离合驱动系统使用固定电磁线圈来产生磁场，该磁场在锁定元件通过其旋转离合构件进行移动的同时与锁定元件相互作用。线圈位于轴对称的、具有基本上c形横截面的芯体/壳体内。线圈产生了从c形芯体的一侧上引出并且进入到另一侧中的轴对称的磁场(类似于围绕轴线旋转的马蹄形磁铁)。壳体/芯体的开口端部在轴向上面对用于容纳锁定元件并且能够独立于线圈自由旋转的非磁性离合构件。离合构件包括提供了用于使磁通量从线圈到达锁定元件的低磁阻路径的磁极片。在每个可控的锁定元件处都具有单独的磁路，其从来自主芯体的体磁场的一部分中提取通量并且引导其穿过一个极片、穿过锁定元件并且穿过另一个极片回到主芯体处。体磁场源是轴对称的，使得单独的磁路在不考虑它们相对于主芯体的取向的情况下具有恒定的mmf(即，磁动势)源；这使得固定线圈能够驱动旋转离合构件中的锁定元件。

显然，主芯体或线圈壳体可具有除了基本上c形之外的不同形状的横截面。

此外，单独的磁路部件中的通量路径可以使得跨过主芯体与极片之间的气隙的通量线被定向在径向方向上，以减小主芯体与离合构件之间的吸力。

此外，杠杆可以耦合至(没有示出)支柱，使得磁力拉动该杠杆来控制支柱，而不是本文所示的直接拉动支柱。这种动作可以接合或分离支柱。

虽然上文描述了示例性实施方式，但并非意味着这些实施方式描述了本发明的所有可能的形式。相反，说明书中使用的词语是说明性而非限制性的词语，并且应理解的是可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改。另外，多个实施方式的特征可以组合形成本发明的其他实施方式。