相对运动方向传感装置及防反转起动装置的制作方法

专利名称：相对运动方向传感装置及防反转起动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及自动控制领域中指示运动方向的一种传感装置，特别涉及但不仅仅涉 及一种实时测定转动或直线运动的相对或绝对方向的传感装置，以及利用该方向信息传递 相关控制运动或控制转矩的传感装置。本发明还涉及一种在发动机的起动过程中，当发动 机出现反转时，可以断开起动电机电源，以停止或不起动该起动电机的方式来防止过载损 害的防反转起动装置。
背景技术：
现有技术中，当诸如转动或移动之类的运动无任何规律可循时，其方向的指示常 常依靠含有光、电、磁检测元件、存储元件、电源、微处理器以及运算软件等的多资源综合系 统的联合工作，例如中国专利申请98804477. 3。该类系统进行实时的检测、运算和逻辑判 断，每分每秒地给出判断结论的同时，还要给出控制信息或指令交操作单元执行。系统不仅 恒久地处于满负荷工作状态，而且中间环节过多，过于复杂，致使成本过高或昂贵，可靠性 和灵敏度却又不够高(如存在转动一周方可做出判断的情况)，工作性能和准确性还受到 被测运动速度、变化和电磁干扰的影响(运动速度小会导致检测精度、响应频率以及质量 降低，干扰更可导致方向判断错误)。同时，实时工作更占用了宝贵的系统资源，能耗较大。 尤其是在检测相对运动时，或者处于恶劣工作环境时，比如检测狭小空间内的相对转动时， 或者用于温度差较大的部位时，上述缺点将更加突出。基于同样原因，关于发动机防反转起动装置的现有技术，比如中国专利申请 200480031936. 5，依然存在类似上述描述的缺点，而且其判断起动电机反转的信息来源还 只有发动机曲轴一个。因此，依据这个灵敏度不太高的信息来源，系统很难在电机反转的初 始瞬间做出最快速的反应。

发明内容
本发明致力于设计完全不同于以上描述的装置，以避免上述缺点。本发明的目的，就是提供一种指示相对运动的方向，以及利用该相对运动的方向 信息传递相关控制运动或控制转矩的完全自适应的纯机械式相对运动方向传感装置，当相 对运动的一方静止时，所述相对运动方向即为绝对运动方向。本发明还提供一种可以防止过载损害的发动机的防反转起动装置。为达成上述发明目的，本发明之相对运动方向传感装置，包括两个工作方向互反 且同轴转动的单向超越离合机构，其各具有一个相互间至少周向限定的基准转动构件；同 轴转动且具有相同旋向的两个第一转动导向机构，其各具有一个传感构件，以及各自分别 对应的所述单向超越离合机构中的一个构件，以在各自分别对应的所述单向超越离合机构 接合的圆周转动方向上，可以相互啮合以具有转动导向作用；还包括具有上述传感构件的 同轴转动的第二转动导向机构；其中，通过分别共用所述一个构件和传感构件，两个第一转 动导向机构分别与第二转动导向机构以及两个单向超越离合机构对应地固定相连，于是，基准转动构件与属于第二转动导向机构的同一个外部转动构件，可在两个互反的圆周方向上分别连接，以在该外部转动构件相对基准转动构件的转动方向发生改变之际，致使出现 反超越转动的单向超越离合机构接合，并进而致动第二转动导向机构和对应的第一转动导 向机构，以轴向持续移动传感构件，直至该第一转动导向机构中的对应于该反超越转动的 所述啮合因传感构件的轴向错位而被解除为止，在该转动导向过程中，传感构件以几何位 移的形式传递相对转动方向改变的信息和相关运动。优选地，两个基准转动构件、两个传感构件分别刚性一体为一个构件。本发明的发动机防反转起动装置，包括起动电机及其传动机构，二者用于将电能 产生的转矩传递给发动机转动轴，在发动机壳、起动电机壳或静止机架中的一个，以及发动 机转动轴或与该转动轴耦合的转动体中的一个之间，设置有相对运动方向传感装置，其用 于在发动机转动轴反转时断开起动电机的电源，以停止其工作。本发明的更多的优良改进方案由其它从属权利要求给出。需要特别说明的是，本申请文件所用的相关概念或名词的含义如下转动导向机构将圆周相对转动转换为轴向相对移动的机构。既包括螺旋升角严 格一致的诸如传动螺纹、丝杠、螺旋齿之类的螺旋机构等，也包括螺旋升角不严格一致的径 向销槽/孔机构、空间导向棘轮机构、端面棘轮机构、端面嵌合机构及圆柱凸轮机构等。超越离合器的超越转动指超越离合机构传递转矩或运动的上下游构件之间的绕 共同回转轴线的可持续的相对转动。而与该超越转动方向相反的相对转动，也就是导致超 越离合机构接合的相对转动则被称为反超越转动。在本发明中，通过两个工作方向互反的单向超越离合机构、两个第一转动导向机 构，以及第二转动导向机构的对应的径向连接，在发生相对运动的外部转动构件和基准转 动构件之间建立起单向的运动传递路径，以在对应的第一转动导向机构的内部啮合因该机 构自己导致的轴向错位移动而被解除之前，以有限的几何位移的形式感知和传递所述相对 运动方向的信息，而在该内部啮合被解除之后，自然切断所述连接和运动传递路径，自然停 止所述几何位移，从而达成了本发明所提出的发明目的。即，实现了提供完全自适应的纯机 械的指示相对运动方向和传递相关运动的装置的目的。作为纯机械装置，本发明之相对运动方向传感装置，无需任何繁琐的检测和分析 判断等中间操作，直接地由相对运动本身给出其运动方向信息、控制动作或传递出相关控 制运动。不仅响应快捷，动作准确，完全自适应，可靠性高，适应于恶劣工作环境，与电磁干 扰绝缘，检测精度或灵敏度与转速的快慢无关，而且结构简单，易制造装配和安装，成本低 廉，长寿命和几乎无需维护。相对于现有技术，具有非常显著的优势。


图1是根据本发明的实施例一的简化的轴向剖面图，图2是图1中圆柱剖面T-T的局部展开图，其表示了第一转动导向机构的齿形关 系，图中箭头所指代表传感构件相对基准转动构件的转动方向。图3是图1中传感构件的示意图，(a)是主视图，(b)是左视图的轴向剖面图。图4是根据本发明的实施例二的简化的轴向剖面示意图。图5是图4中联动棘爪的示意图，(a)是仰视图，(b)是主视图，(c)是俯视图。
图6是图4中摩擦环的工作示意图，图中箭头所指代表外部转动构件相对摩擦环 和联动棘爪的转动方向。图7是图4中传感构件的示意图，(a)是右视图的轴向半剖图，(b)是主视图。图8是与图9中的导向联动棘爪相匹配的传感构件的轴向半剖图。图9是图4中可选的与图8中的传感构件相匹配的导向联动棘爪的示意图，(a)是 仰视图，(b)是主视图，(c)是俯视图。图10是根据本发明的发动机防反转起动装置的原理性示意图。
其中，附图标记列表如下
110-双向联动棘爪X-轴线182-缺口
112-棘爪150-传感构件184-卡环
114-工作面152-第二导向齿186-弹簧
116-基体158-传感部位188-环形端盖
118-棘爪定位孔190-基准转动构件
120-定位销轴162-第一导向齿192-楔合齿
122-拨爪164-第一导向面194-周向凸缘
126-中介环166-工作面196-预紧弹簧
130-棘轮198-螺钉
132-棘齿170-外部转动构件200-起动电机
134-工作面172-第二导向齿202-发动机壳
142-第一导向齿178-轴承204-传动齿轮组
144-第一导向面206-末级齿轮
146-工作面180-摩擦环208-曲轴
210-超越离合器
具体实施例方式必要说明本说明书的正文及所有附图中，相同或相似的构件及特征部位均采用 相同的标记符号，并只在它们第一次出现时给予必要说明。同样，也不重复说明相同或类似 机构的工作机理或过程。为区别设置在对称或对应位置上的相同的构件或特征部位，本说 明书在其编号后面附加了字母，而在泛指说明或无需区分时，则不作区分也不附加任何字母。实施例一传感运动为纯轴向移动的相对运动方向传感装置Sl如图1 3所示，呈轮-轴形式布置的传感装置Si，包括绕轴线X转动的两个空间 楔合式摩擦超越离合机构Ca和Cb，两个第一转动导向机构Gla和Glb，以及第二转动导向 机构G2三个组成部分。其中，两个完全同一的空间楔合式超越离合机构Ca和Cb轴向上相对设置，二者的 基准转动构件刚性为一体，即，二机构以最佳地共用同一个基准转动构件190的形式轴向 双联，因此，该二机构Ca和Cb具有完全相反的工作方向。参见图1，基准转动构件190与未 示出的目标转动构件耦合，其外周面上设置有具有两个回转端面的周向凸缘194。在该凸 缘194的轴向两端，依次对称地设置有两个完全同一的充当离合机构C的回转摩擦构件的棘轮130a和130b，其内周面的内端设置有径向凸缘，以及两个完全同一的中介环126a和 126b，其设置有回转端面。该五个构件以构造上互补的方式分别组合成四个端面型回转摩 擦副。同时，中介环126a和126b通过其内周面的螺旋楔合齿，与外周面的相应部位设置有 互补式构造的螺旋楔合齿192a和192b的基准转动构件190，分别构成具有相同旋向的螺旋 摩擦副的两个转动导向机构。为使上述端面型回转摩擦副始终贴合，以便中介环126始终 处于准楔合工位上，在其非回转端面一侧，还最佳地设置有可轴向压缩的盘形扭簧式预紧 弹簧196。该预紧弹簧196的一个端头嵌装在中介环126的非回转端面上的轴向孔中，另一 端头则嵌装在设置在基准转动构件190外周面上的相应径向孔中，以朝着可以致使上述端 面型回转摩擦副贴合的方向，持续地周向弹压中介环126。为保证中介环126可以楔合在基准转动构件190与棘轮130之间，也就是楔合在 螺旋楔合齿192的齿面与棘轮130的径向内凸缘内端面所围成的楔形空间中，转动导向机 构的螺旋齿的升角λ，也就是图1中螺旋楔合齿192的升角λ，必需大于零并小于等于ξ， 即，0< λ < ξ。其中，ξ是令上述螺旋摩擦副能够自锁的螺旋楔合齿升角的最大值，也就 是保证中介环126可以将棘轮130与基准转动构件190楔合成一个转动整体的最大楔角。参看图1、2，第二转动导向机构G2包括环状的传感构件150，以及径向上位于其外 并与未示出的另一个目标转动构件耦合的杯状的外部转动构件170。其中，设置于传感构 件150端面上的针齿状第二导向齿152，可活动地插装在设置于外部转动构件170内径向凸 缘上相应的轴向通孔中，构成一个平行于轴线X或称导向升角等于90度的轴向销孔式嵌合 机构。这里，第二导向齿152同时也是传感部位158，并且在外部转动构件170相对基准转 动构件190的两个转动方向上，该传感部位158均最佳地凸出于外部转动构件170的外端 面。为最佳地具有独立封装形式，外部转动构件170的开口端通过螺钉198附装有环形端 盖188。该组合式封装壳通过两个轴承178径向固定在基准转动构件190两端相应的外周 面上。接着参看图1 2，两个联动的第一转动导向机构Gla和Glb包括两个轴向对置 的完全同一的棘轮130a和130b，以及径向上位于二者之外的同一个传感构件150。其中， 充当离合机构C的回转摩擦构件的棘轮130的外周面上设置有单向端面棘齿型的第一导向 齿142，其具有工作面146和升角大于零的螺旋型第一导向面144。传感构件150的内周面 上，设置有与第一导向齿142a和142b分别互补构造的双向端面棘齿型第一导向齿162，其 具有相互平行的工作面166a和166b，以及螺旋型第一导向面164a和164b。实际上，工作 面146也可以具有同向于第一导向面144的升角。为保证机构Gla和Glb的正常工作，第 一导向齿142a和142b之间的轴向间距，应最佳地大于第一导向齿162的工作面166的轴 向宽度，并小于第一导向齿162的轴向宽度。同时，传感构件150的环状基体的宽度，不得 大到与外部转动构件170或环形端盖188的内端面发生轴向抵触的程度。显然，第一导向齿162的第一导向面164a和164b也可以分别设置在两个传感构 件上，但明显地不如两者混合成一个刚性体来得简单方便。特别地，为确保传感构件150能够顺畅地实现其导向运动，第一转动导向机构Gla 和Glb相对第二转动导向机构G2转动时的相对升角，或者更准确地说是双方转动导向机构 之间的转动导向升角的差值、和Y2，也就是传感构件150上第一导向面164a和164b相 对其针齿状第二导向齿152的导向面的圆周夹角[和Y2,必需分别大于^和β2。艮口，β1< Y1 < 180度，β2 < Y2 < 180度。其中，β1和β 2是令传感构件150能够将第一 转动导向机构Gla和Glb与第二转动导向机构G2分别结合成一个转动整体的所述差值的 最大值，或者说是令传感构件150能够分别楔合在双方导向面所构成的空间楔形面之间的 最大楔合角，再或者说是令双方导向面所构成的转动导向摩擦副均不自锁的相对升角的最 小值。显然，为简化结构和方便制作，应最佳地令第一转动导向机构Gla和Glb各自的转动 导向摩擦副的摩擦系数完全相等，于是必然会有Y1 = Y2 = Y以及β1 = β2 = β的结 果。当然，泛指说明时便无需标注下标1或2。无疑，上述相对升角的参数特点提高了设计 的自由度。根据上述定义和说明，本领域的普通技术人员无需经过任何创造性的劳动，均可 据此推导出关于β的函数关系式。当外部转动构件170开始相对基准转动构件190转动，例如按照图1中由左侧观 看时的顺时针方向转动时，如图2中箭头所示方向，与其一体同步转动的传感构件150，将 借助其第一导向齿162的第一导向面164b与棘轮130b的第一导向齿142b的第一导向面 144b之间的啮合/摩擦抵触，驱动棘轮130b相对基准转动构件190转动，也就是驱动处于 准楔合工位上的超越离合机构Cb开始反超越转动。于是，受端面摩擦转矩的带动，中介环 126b将立即楔合在棘轮130b的内端面与楔合齿192b的齿面之间，同时将棘轮130b压紧 在周向凸缘194上，致使将棘轮130b与基准转动构件190楔合成一个转动体，也就是致使 超越离合机构Cb立即接合。因此，棘轮130b实际上于上述相对转动开始的零时刻便相对 基准转动构件190静止不动，从而令传感构件150几乎同步地相对棘轮130b顺时针转动。 即，致动第一转动导向机构Gib。因此，第一导向齿162便沿着第一导向面144b螺旋滑动分 离，直至轴向上彻底解除该啮合并完全嵌入相对的棘轮130a的第一导向齿142a间的齿槽， 以及通过工作面166a与146a的抵触，驱动棘轮130a沿解楔方向转动为止。图2示出的即 为此时工况和位置关系。此后，单向超越离合机构Cb处于既不传递转矩或运动，也不超越 转动的失效工况。而单向超越离合机构Ca则由于解除楔合状态而转入超越转动工况，并保 持在处于准楔合工位上。同时，第一转动导向机构Gla处于啮合工位上。而当外部转动构件170相对基准转动构件190的转动方向由上述的顺时针方向转 换成逆时针方向的第一时刻，与其一体同步转动的传感构件150，便借助第一导向齿162与 第一导向齿142a的啮合抵触，立即驱动棘轮130a相对基准转动构件190转动，也就是驱动 处于准楔合工位上的超越离合机构Ca开始反超越转动。于是，受端面摩擦转矩的带动，中 介环126a将立即楔合在棘轮130a的内端面与楔合齿192a的齿面之间，同时将棘轮130a 压紧在周向凸缘194上，致使棘轮130a与基准转动构件190楔合成一个转动体，也就是致 使该超越离合机构Ca同步接合。因此，棘轮130a实际上于上述相对转动开始的零时刻便 相对基准转动构件190静止不动，从而令传感构件150几乎同步地相对棘轮130a逆时针转 动，即，同步致动第一转动导向机构Gla。于是，第一导向齿162沿着第一导向面144a螺旋 滑动分离，直至轴向上彻底解除该啮合并完全嵌入相对的棘轮130b的第一导向齿142b间 的齿槽，以及通过工作面166b与146b的抵触，驱动棘轮130b沿解楔方向转动为止。此后， 单向超越离合机构Ca处于既不传递转矩或运动，也不超越转动的失效工况。而单向超越离 合机构Cb则由于解除楔合状态而转入超越转动工况，并保持在处于准楔合工位上。同时， 第一转动导向机构Glb处于啮合工位上。
在上述顺时针或逆时针相对转动的初始瞬间，几何位移中的传感构件150，借助于 其与第二导向齿152 —体的传感部位158，可将该相对转动的方向信息或相关控制运动传 递出去。在完成几何位移之后，传感构件150将稳定地停止在其轴向上的极端位置之上。传 感装置Sl因此进入稳定工况。即便有不可预知的轴向串动，第一导向齿162和142b之间如 图2所示的相对转动导向运动，也将迫使传感构件150回复到其极端位置之上。除非相对 转动方向发生改变。也就是说，传感构件150具备自动归正/位的能力，传感装置Sl绝缘 于机械干扰，几乎不存在误报的可能。且相对转速差越大，该归正/位的速度越快。当然， 为最佳地杜绝此类串动以避免不必要的碰撞和做到绝对可靠，也可在传感构件150与外部 转动构件170之间，呈径向地设置一个诸如弹簧滚珠之类的定位机构。分析图1便不难理解，很容易得到方向传感装置Sl的变形方案。比如，径向上整 体内外翻转图1所示的结构，并在外环上设置轮齿，以相互啮合方式直接于轴外侦测齿轮 或轴的转动方向。或者，将第一导向齿142和162设置成互补式构造的直花键齿，并在取消 封装的同时将第二转动导向机构G2设置成螺旋转动机构，，以获得类似图4所示的可以传 递控制转矩的螺旋式几何移动。关于后一种变形的说明和图示，可参阅后续实施例二的说 明，或者，参阅本申请人的中国专利申请200810080503. 9中对其图13的说明。该专利申请 中还给出了本发明的更多实施方案和结构形式，因此，该专利申请的全部内容作为引用合 并在此，不再详细说明。另外，在图1中基准转动构件190、棘轮130及中介环126三者围成的环形空间内 放置滚珠，可以实现最佳的径向定位和降低空转阻力，从而可以检测具有更高速转动的相 对运动方向。另外，在棘轮130的内周面上设置周向楔形槽，将中介环126设置成一组滚柱/滚 珠，将基准转动构件190的楔合齿192a和192b所在部位改成滚道，传感装置Sl即可变形 为具有滚柱/珠式超越离合机构的方向传感装置。显然地，由于设置有预紧弹簧196，而空间楔合式摩擦超越离合机构C的可靠楔合 仅要求该弹簧提供很小的轴向力，因此，该机构C接合可靠，分离轻便容易，并且具有几乎 等于零的接合角/溜滑角，以及非常微小的超越转动摩擦损耗。从而，传感装置Sl具备接 近理想极限的灵敏性或响应性，只要相对转动发生变化，便可立即给出传感信息，而与转速 差没有关系，更不存在必需转过一个特定角度的可能。也就是说，与现有技术相比，传感装 置Sl不存在误报或误操作的可能，其方向指示或控制操作更无任何延迟传感或传递的必 要，从而更为及时和准确。关于本实施例中所包括的空间楔合式摩擦超越离合机构的结构、 工作机理或过程、其转动导向机构的升角/楔角λ、极值ξ以及其特点等，本申请人的中国 专利申请200910158647. 6给出了详尽细致的说明和图示，该专利申请全文作为引用合并 于此，本申请无需过多说明。在上述传感装置Sl或其变形实施例中，当外部转动构件170相对基准转动构件 190的转动方向发生改变之际，传感构件150及其传感部位158会同步出现相对于外部转 动构件170的螺旋转动和轴向移动。而利用该周向转动或轴向位移，既可实时自适应地传 递该相对方向发生改变的信息，又可实时自适应地传递响应该信息的控制运动或控制转 矩，以不经过任何的信息处理或中间过程的最本能的条件反射方式实施相关控制操作(针 对目标工作机构)。例如，传感装置Sl响应于运动方向的变换，可完全自适应地以诸如拨动或按压的方式操控换向开关；响应于转矩传递方向的改变，可完全自适应地以诸如周向转动或轴向移动的方式变换双向超越离合器的超越转动方向，也就是致使其超越方向永远 自动跟随着转矩传递的方向同步变化时时对应，以令动力机转动方向可以根据需要直接变 向，而无需其它任何多余操作；或者响应于轮式机动车辆前行或倒退的方向变换，完全自适 应地变换其传动系统中有限差速比差速器内的双向超越离合器的工作转动方向等等，而无 需任何人为的或任何其它控制系统的介入。更详细地说明可参阅上文所结合的专利申请 200810080503. 9。不难明了，为传递控制运动和/或控制转矩，传感部位158可以具有实际所需的 任意形状或结构，甚至可以是借助任何一种连接形式与传感构件150形成为一体的单独构 件。因此，借助传感构件150所传递的几何移动，以及由其直接驱动的一外部执行机构，传 感装置Sl还可轻易实现响应于相对运动方向的自适应式自动控制。同样地，感知和传递相 对运动方向信息的方式也不受任何限制。例如，可以借助诸如限位开关、继电器等的电、光、 磁元件发出电、光、磁信号或执行相关操作，或者借助诸如机械传动机构、液/气压元器件 等发出机械或液/气压信号或执行相关操作。应该指出的是，在相对运动方向传感装置Sl中，一方面，只要外部转动构件170与 基准转动构件190之间，也就是两个目标转动构件之间存在相对转速差值，则无论该差值 多么微小或巨大，传感装置Sl均可即时传递出正确的方向信息、控制运动或控制转矩，不 存在下限值和上限值的制约。但在实际中，该转速差的上限值要受到所用材料的力学参数 的限制。即便如此，其可应用的转速范围也应显然大于现有技术。应顺便指出的是，传感装置Sl传感的是相对运动方向，其结果与哪一个构件作为 检测基准没有实质关系。基准转动构件190和外部转动构件170只是一个名称而已，现实 中，完全可以以外部转动构件170作为方向基准。另一方面，传感装置Sl中的部分或所有回转构件的回转半径还可以为无穷大。此 时，上述相对运动便由圆周转动转换为平面移动，外部转动构件170和基准转动构件190转 换为平面移动构件，第一、第二转动导向机构Gl和G2转换为楔块机构(斜面机构)，传感装 置Sl所侦测的相对运动也相应地变换为平面运动。因此，容易明白，本发明中的“运动”概 念包含有圆周转动以及平面或直线移动的多层含义，而且，转动本身也包含着平面移动之 义。显然，传感装置Sl中的所有回转构件并不限定为完整圆环，完全可以是一个环形 回转构件的一部分。即便是完整环，也可以是分段组成的拼接环。再一方面，基准转动构件190或外部转动构件170的转动速度可以等于零，也就是 可以与机架固定。如此，所述相对转动方向就转换成绝对转动方向，该装置Si也就变成为 一个绝对运动方向传感装置。也就是说，上述传感装置Sl或者依据本发明的相对运动方向 传感装置，可不经任何改变地用于针对相对和绝对运动的方向检测，其检测结果的运动性 质仅仅取决于被测运动的自身，而与装置的设置无关。这是一个现有技术所没有的可贵优 点，其对相对运动的方向指示和信息传递是相对现有技术的最大区别和贡献，尤其是在大 运动速度基础上的相对运动方向的指示、信息传递以及相关控制上。此时，现有技术将难以 做到或者难以精确做到。其性能指标(准确度、灵敏度、可靠性、量程和适用范围、寿命、环 境要求等)和经济指标(制造工艺、成本、结构、维护保养等)是现有技术无法相比的。因为，现有技术只能利用计算机和软件对所检测的两个绝对转速的数据源进行运算和比较以 得出结果。可见，该结果并不来自于直接测量，而是一个逻辑推断的结果，不仅受其量程的 制约，而且还受其测量误差的制约，而该误差又与转动速度和检测环境密切相关，当转速差 值处于零值附近时，更存在无法判断的可能。所以，此时的现有技术既不直接不及时，又不 准确不可靠，而且还较为繁琐，分析传感装置Sl不难发现，采用上述空间楔合式摩擦超越离合机构以及后续实 施例中的单向棘轮机构的本发明对制造和装配精度的要求并不高，使用中的维护保养要求 也不高，甚至可以说是较低的。因此，在保证传感装置Si工作质量的前提下，相对现有技 术，本发明无疑具有更简单的结构、更低廉的价格、更高的可靠性、更长的寿命，以及更高的 性价比等优势。除此之外，本发明更具有过程的直接和简单明了的优点。它无需任何判断，更无需 占用任何资源去每时每刻地获取检测参数以及运算分析和判断，一切动作均在自适中实时 完成，响应性和准确性均明显高于现有技术。并且整个控制操作系统非常简单，无需任何人 或系统的介入，还可实时自适应地执行相关控制动作。再有，现有技术的使用温度约为非常 有限的0°C +65°C，而本发明则仅受材料使用温度的限制，显然远远超出该温度范围。另 外，本发明还绝缘于各种电磁干扰和湿度干扰，自适应控制时无需电能；以及，在相对运动 方向没有变化或所有运动停止的情况下，本发明也能比现有技术更轻易地给出实时的或更 长久地保持住停止运动之前的相对运动方向信息。实际上，现实应用中的许多场合，一般只需要运动方向传感装置在特定的时候或 者运动方向发生改变的时候给出方向指示即可。并不需要，尤其不必需花费很大代价去让 传感装置每时每刻地盯着两个目标转动构件的相对运动方向，检测其有无变化。那样势必 令系统无谓地时时满负荷，令相关检测装置被不必要地过度使用，虚耗装置的使用寿命，降 低其可靠性。在这些场合，以及需要直接快速反应或做出本能式/条件反射式控制动作的 场合，依信息直接做出反应动作的自适应技术无疑是更简单、更值得和更好的自动化技术。 它去掉了一切既复杂又不可靠更不必需的中间过程和装置，降低成本的同时，可靠性、适应 能力和应用范围都大为增强。因此，相对现有技术，本发明的优势显著，即使是在同时需要 测量转速的场合。实施例二 传感运动为螺旋转动的相对运动方向传感装置S2如图4 7所示，呈轮_轴形式布置的传感装置S2包括，绕轴线X转动且分别与 未示出的两个目标转动构件耦合的基准转动构件190和外部转动构件170，可将该二构件 径向上连接起来的两个工作方向互反的平面型单向棘轮式超越离合机构Ca和Cb，以及第 一和第二转动导向机构Gla、CGlb和G2。其中，两个棘轮式单向超越离合机构Ca和Cb以一左一右的方式，轴向并列地设置 在环状的基准转动构件190与外部转动构件170之间的环形空间内，其包括，由定位销轴 120铰接在基准转动构件190的内周面上相应凹穴或周向凹槽中的双向联动棘爪110，以及 径向上位于其内侧的与传感构件150同体的棘轮130。参看图5、7。联动棘爪110包括棘 爪定位孔118，环形柱状基体116，以及以轴向错位的方式分别对称地设置在基体116径向 两端的两个棘爪112a和112b。该设置的效果是，棘爪112a和112b不仅轴向上没有重叠的 工作空间，不能与均布在棘轮130上相应外周面的双向棘齿132同时构成有效的棘轮机构，而且二者之间所形成的圆周夹角，更令二者不能与双向棘齿132同时啮合。另外，为保证棘轮式超越离合机构C的接合并减少碰撞，专门设置有操纵联动棘 爪110工作姿态的棘爪操纵机构，该机构包括呈径向地设置在基体116上的拨爪122，嵌 装在外部转动构件170外周面上相应周向槽中同时充当弹性元件的缩紧式弹性开口摩擦 环180，如图4、6所示。联动棘爪110在自转区间内绕其自转轴转动时，其拨爪122均始终 位于摩擦环180外周面上的缺口 182中。因此，借助缺口 182，相对转动的摩擦环180可轻 松地驱使联动棘爪110自转并维持其工作姿态。参看图4、5、7，两个棘轮式单向超越离合机构Ca和Cb同时也分别是第一转动导向 机构Gla和GlbCC0即，机构Gla和Glb中，第一导向齿142a和142b分别由棘爪112a和 112b充当，第一导向面144a和144b分别由棘爪112的工作面114a和114b充当；而传感 构件150与棘轮130形成为一体，其上的棘齿132就是第一导向齿162，棘齿132的工作面 134就是第一导向面164。并且，第一导向面144和164分别平行于轴线X。第二转动导向机构G2包括通过螺旋导向齿副相连接的外部转动构件170和套装 在其外的传感构件150。前者的外周面上设置有第二导向齿172，后者的内周面上设置有与 其互补式构造的第二导向齿152，该导向齿152的齿面与第一导向面164间的圆周向夹角 Y大于β。传感构件150的轴向移动区间，由摩擦环180和嵌装在基准转动构件190内周 面上相应周向槽中的卡环184共同限定。当外部转动构件170开始相对基准转动构件190转动时，例如按照图4中由左侧 观看时的顺时针方向转动时，其上摩擦环180首先被摩擦转矩带动旋转并同时拨动联动棘 爪110绕其自转轴(即定位销轴120)逆时针转动一定角度，致使棘爪112b转动到径向上高 高翘起的非啮合工位，致使棘爪112a转动到可以与棘齿132啮合的工位。之后，棘轮式单 向超越离合机构Ca随着二者的啮合而接合，以停止传感构件150相对基准转动构件190的 转动，并同时致动第二转动导向机构G2以致使传感构件150相对外部转动构件170转动。 于是，传感构件150相对外部转动构件170逆时针螺旋转动并轴向上持续右移。而同步地， 第一转动导向机构Gla也出现轴向错位移动。即，该机构Gla中的第一导向齿162相对第 一导向齿142a轴向向右错位摩擦移动，直至啮合状态中的第一导向面164a与144a轴向上 完全错开为止，也就是直至第一转动导向机构Gla因轴向错位失效，传感构件150失去相对 转动的动力时为止。图4、6示出的即为此时工况。此时，棘轮式单向超越离合机构Ca处于 既不传递转矩或运动也不超越的失效状态。单向超越离合机构Cb处于超越工况，而第一转 动导向机构Glb则处于只待相对转动方向一改变即可啮合的准啮合工位上。其后，传感构件150将随着外部转动构件170 —体同步转动。在传感构件150的 轴向移动过程中，借助设置于其外周面上的传感部位158以及诸如几何位移传感器或者轴 向拨爪之类的装置，可将该相对转动方向信息传感出去。事实上，传感构件150的螺旋转动 方向本身，就已经包含和指示出了相对运动的方向信息。而当外部转动构件170相对基准转动构件190的转动方向由上述的顺时针方向转 换成逆时针方向的第一时刻，传感构件150将即刻轴向左移，以传感该方向改变的信息，其 过程为逆向的上述过程。即，逆时针相对转动开始时，摩擦环180便带动联动棘爪110绕 自转轴顺时针转动一定角度，致使棘爪112a径向上高高翘起以及棘爪112b与棘齿132迅 速啮合，从而令棘轮式单向超越离合机构Cb接合。该接合将致使传感构件150相对基准转动构件190静止，并同时致动第二转动导向机构G2以致使传感构件150相对外部转动构件 170转动。于是，传感构件150相对外部转动构件170顺时针螺旋转动并轴向上持续左移， 而且同步地，第一转动导向机构Glb也开始轴向错位移动。即，该机构Glb中的第一导向齿 162相对第一导向齿142b轴向向左错位摩擦移动，直至啮合状态中的第一导向面164b与 144b轴向上完全错开为止，也就是直至第一转动导向机构Glb因轴向错位失效，传感构件 150失去相对转动的动力时为止。此时，传感构件150将随着外部转动构件170 —体同步转 动，棘轮式单向超越离合机构Cb处于既不传递转矩或运动也不超越转动的失效状态，单向 超越离合机构Ca处于超越工况，而第一转动导向机构Gla则处于只待相对转动方向一改变 即可啮合的准啮合工位上。如上所述，本发明并没有对单向超越离合机构C作出任何限定，也就是说，它可以 是摩擦类、啮合类或其它类中的任何一种。而作为现有技术的摩擦类和啮合类超越离合机 构，已为本领域的普通技术人员广为熟知，所以，本发明没必要再作详细说明。同样，本发明 也没有限制其中的棘爪或棘齿的形状或位置，该二构件可具有其所需的任意形状或位置。 比如，将棘齿132设置在基准转动构件190上，而将联动棘爪110铰接在传感构件150上。另外，在以上实施形式中，应该指出的是，棘爪112a和112b完全可以是非联动的 两个独立构件，各有单独的棘爪复位弹簧(如周向槽底径向孔中的压簧或定位销轴120上 的扭簧)，以省去包括拨爪122和摩擦环180的棘爪操纵机构。此时，分属两个单向超越离 合机构Ca、Cb的基准转动构件190a、190b，便可以具有相互独立的结构，而不必需具有本实 施例中的一体结构。当然，基准转动构件190a、190b应至少分别与同一个未示出的目标转 动构件(可以是机架)形成至少周向限定至多周向固定的关系。显然，二构件相互间直接 周向固定或形成为一体是最佳选择。当然，两组摆动棘爪112还可代之以每组数量不少于四个的两组非联动的柱销状 棘爪112。此时，两组柱销状棘爪112以轴向零间距和周向均布的形式，可径向滑动地嵌装 在基准转动构件190内周面上的径向孔中。传感构件150则相应地具有两圈圆周朝向互反 的单向棘齿，两圈棘齿的轴向间距大于柱销状棘爪112的直径。于是，当基准转动构件190 静止时，仅仅依靠重力对其中至少一个棘爪112的驱动作用，棘轮式单向超越离合机构Ca 和Cb便可正常工作，因此也就得到了本发明的最简结构实施例(检测绝对转动方向)。而 如果基准转动构件190非静止，那么只要内外调换传感装置S2中各构件的径向位置，便可 借助离心力对棘爪112的驱动作用，确保棘轮式单向超越离合机构Ca和Cb工作的正常，从 而照样得到本发明的最简结构实施例(检测相对转动方向)。可见，外部转动构件170，棘 爪复位弹簧，拨爪122，定位销轴120，卡环184，摩擦环180均非必需。而关于上述传感构件 150上的单向棘齿的结构形式和工作机理，可参阅公知技术，或者参阅上文所结合的专利申 请200810080503. 9中关于其图7(b)、图10、12的相关说明。 需要顺便说明的是，传感装置S2中的基准转动构件190或外部转动构件170，可分 别与未示出的两个目标转动构件形成为一体。而将第二转动导向机构G2的相关结构设置 在对应的目标转动构件上，便可得到无内环或无外环的简化结构的传感装置S2。
在棘爪112a和112b的如本实施例的一体联动方案中，棘爪操纵机构是与之匹配 的最佳机构。该机构利用联动棘爪Iio的跷跷板/杠杆效应实现其与棘轮130的可靠啮合， 以应对取消棘爪复位弹簧的情况。该方案的代价只是在摩擦环180与外部转动构件170之间消耗掉足以转动联动棘爪110的摩擦转矩。而由于联动棘爪110质量的微小及其自转阻 力的微小，因此，作为代价的该所需摩擦转矩也是微小的，对相关系统的工作、性能和寿命 等不会产生实质的不良影响。所以，该代价是值得付出的。另外显然地，还可以借助弹性构 件的轴向力，以端面摩擦形式传递摩擦环180与外部转动构件170之间的摩擦转矩。此时， 摩擦环180可以是非开口的完整环。当然，摩擦环180还可以通过和传感构件150相摩擦 的形式，与外部转动构件170间接地摩擦相连。摩擦环180还可以通过和分体的两个单向 棘轮相摩擦的连接形式，控制联动棘爪110的工作姿态。相关说明和图示，可参阅上文所结 合的专利申请200810080503. 9中关于其图1和图13的说明。应该指出的是，在本发明中，相对运动方向的信息也可由两个传感构件150以各 负责一个方向的形式分别传递出去。当然，此时的两个传感构件150应最佳地具有相互套 装的径向位置关系，单向超越离合机构Ca和Cb则最好是端面型棘轮机构。容易明了，传感构件150轴向移动的直接驱动力来自于螺旋式转动导向机构。在 实施例一中，该机构是第一转动导向机构Gl，在本实施例中，该机构是则是第二转动导向机 构G2。当然，由上文关于β的定义中的相对升角的概念不难理解，该机构还可以同时是第 一、第二转动导向机构Gl和G2。因此，在本实施例中。其也可以是包括图8 9所示的联 动棘爪110和传感构件150的第一转动导向机构Gl。相比图5、7，图8 9的变化仅仅在于双向联动棘爪110的工作面114，也就是第 一导向面144，以及传感构件150上双向棘齿132的工作面134，也就是第一导向面164，均 不再平行于轴线X。而传感构件150内周面上的第二导向齿152，以及外部转动构件170外 周面上与其互补构造的第二导向齿172，则均是平行于轴线X的直花键齿。并且，第一导向 面164与第二导向齿152的齿面的圆周向夹角Y大于β。即，形成为一体的棘轮式单向超 越离合机构C与第一转动导向机构G1，演变为一个螺旋式空间导向棘轮机构。在以图8 9所示构件替换图5、7所示构件的传感装置S2中，工作原理和工作过 程没有任何实质的不同。因此，本发明不再给于重复说明。实施例三发动机的防反转起动装置参见图10，固定在发动机外壳202上的起动电动机200的输出轴，通过与其恒久啮 合的传动齿轮组204将起动转矩传递至空套在发动机曲轴208上的末级齿轮206。该齿轮 206通过超越离合器210与曲轴208相连。因此，起动电机可以驱动作为发动机转动轴的 曲轴208转动，而在发动机自驱动后，曲轴208却不能反带起动电动机200转动。为了防止 起动过程中异常反转的曲轴208对起动电动机200的危险带动，在曲轴208与发动机外壳 202之间最佳地设置有相对运动方向传感装置Si。当然，也可以是方向传感装置S2或依据 本发明的任意形式的传感装置S。显然，该传感装置S还可设置于发动机壳之内或之外，只 要安装于曲轴208、齿轮组204、起动电动机输出轴或与曲轴208耦合的任意转动体与机架 之间，即可构成有效的发动机防反转起动装置。更显然地，将该传感装置S直接设置在起动 电动机输出轴与发动机壳/机架之间，就可以利用传动齿轮组204的传动比，成倍地放大曲 轴208的反转角度或速度，以获取最高的响应速度和动作灵敏度。于是，在曲轴208反转的第一时刻，方向传感装置Sl便可同步地发出反转信号或 给出相关控制动作、直接或通过与其配合使用的其它机构切断起动电动机200的电源，以 有效防止可能的过载损害。显然，该发动机可以是诸如活塞式内燃机等可能产生反转的任
14何动力机械。变形实施例由于本发明之相对运动方向传感装置内部的摩擦力和内部作用力都非常小，所以，完全可以使用非金属材料制作，甚至可以将部分或所有回转构件设计制作成拼接环结 构。那样，可令装置的其体积和重量更小更轻巧，安装更方便，适用范围更大。工业适用性毫无脆弱和娇贵之处的全机械的本发明，尤其适用于要求高可靠性的场合，工作 环境恶劣的场合，不宜自动控制的场合，特别需要自适应控制的场合，检测相对运动方向的 场合，以及与方向变换有关的自动换向/切换/开关场合。例如，由方向信息直接做出条 件反射式控制动作的应用场合双向超越离合器工作转动方向的自适应设定，液压安全离 合器过载断开后的报警及相关操作，电控燃油喷射和点火的活塞式发动机的旋转方向的检 测，以及轮式机动车辆中的有限差速比差速器的双向超越离合器在前进和倒退过程中的自 适应换向。在各种防反转应用领域，比如，锅炉给水泵的防反转，以及燃烧发动机的电起动装 置的防反转等，本发明完全可以取代现有技术。另外，通过有目的控制，本发明还适用于速度或速比的比较、跟踪或维持等控制系 统，以及对相对静止关系改变与否的监测和报警。必需指出，根据本发明的相对运动方向传感装置，既可以将两个目标转动构件与 基准转动构件190和外部转动构件170分别耦合的方式进行间接检测，也可以将二构件与 两个目标转动构件分别制成一体的方式进行直接检测。两个目标转动构件，既可以具有相 同的轴线，也可以具有平行或不平行的相异轴线。这只要借助一个诸如传动比为一比一的 空间齿轮对过渡到同轴线即可。另外，既可以直接检测直线相对运动的方向(即回转半径 无穷大的特例)，也可以通过齿条齿轮传动机构将直线运动转换成圆周转动的方式，间接检 测直线相对运动的方向。而且，还可以以分别指示绕两个坐标轴转动的方向的方式，检测诸 如十字轴之类的空间交叉轴的立体的综合转动方向。例如，用于车辆变速箱中换档装置的 换档杆的运动/转动方向自动控制的检测。以上仅仅是本发明针对其有限实施例给予的描述和图示，具有一定程度的特殊 性，但应该理解的是，所提及的实施例和附图都是用来进行说明的于说明的目的，而不用于 限制本发明，其各种变化、等同、互换以及更动结构或各构件的布置，都将被认为未脱离开 本发明构思的精神和范围。
权利要求
1.一种相对运动方向传感装置，包括两个以超越方向互反的方式绕同一轴线转动的单向超越离合机构，其各具有一个相互 间具有至少周向限定关系的基准转动构件；绕所述轴线转动且具有相同旋向的两个第一转动导向机构，其各具有一个传感构件， 以及各自分别对应的所述单向超越离合机构中的一个构件，以在各自分别对应的所述单向 超越离合机构接合的圆周转动方向上，可以相互啮合以具有转动导向作用；绕所述轴线转动的第二转动导向机构，其具有所述传感构件；其中，通过分别共用所述一个构件和所述传感构件，两个所述第一转动导向机构分别 与所述第二转动导向机构以及两个所述单向超越离合机构对应地固定相连，于是，所述基 准转动构件与属于所述第二转动导向机构的同一个外部转动构件，可在两个互反的圆周方 向上分别连接，以在该外部转动构件相对所述基准转动构件的转动方向发生改变之际，致 使出现反超越转动的所述单向超越离合机构接合，并进而致动第二转动导向机构和对应的 所述第一转动导向机构，以轴向持续移动所述传感构件，直至该第一转动导向机构中的对 应于该反超越转动的所述啮合因所述传感构件的轴向错位而被解除为止，在该转动导向过 程中，所述传感构件以几何位移的形式传递所述相对转动方向发生改变的信息和相关运 动。
2.按权利要求1所述的传感装置，其特征在于所述第一转动导向机构与所述第二转 动导向机构双方的转动导向升角的差值大于0，其中，0是令所述传感构件能够将该两个 对应的转动导向机构结合成一个转动整体的所述差值的最大值。
3.按权利要求2所述的传感装置，其特征在于两个所述基准转动构件刚性一体为一 个构件；两个所述传感构件刚性一体为一个构件。
4.按权利要求2所述的传感装置，其特征在于所述两个单向超越离合机构是两个单 向棘轮机构，所述基准转动构件是其棘爪支座，所述传感构件与所述两个单向棘轮机构中 的棘轮形成为一体。
5.按权利要求2 4任一项所述的传感装置，其特征在于所述基准转动构件和所述 外部转动构件中的至多一个的转速等于零。
6.按权利要求2 4任一项所述的传感装置，其特征在于其所有构件的绕所述轴线 的回转半径为无穷大。
7.按权利要求2 4任一项所述的传感装置，其特征在于所述第一转动导向机构和 所述第二转动导向机构中的一个的转动导向升角等于90度。
8.按权利要求4所述的传感装置，其特征在于所述两个单向棘轮机构的棘爪成对地形成为一体的联动棘爪，且该联动棘爪构造成使 所述两个单向棘轮机构处于互反的啮合状态；以及还包括至少一个棘爪操纵机构，其在所述外部转动构件与所述联动棘爪之间传递摩擦 转矩，以驱动所述联动棘爪自转，并保持其工作姿态。
9.按权利要求8所述的传感装置，其特征在于所述棘爪操纵机构包括至少一个摩擦环，该摩擦环与所述外部转动构件至少间接地摩擦相连，同时还与所述 棘轮和所述联动棘爪中的一个至少摩擦连接；以及至少一个弹性元件，其用于致使所述摩擦环和与该摩擦环摩擦相连的构件之间保持紧密接触。
10. 一种发动机的防反转起动装置，包括起动电机及其传动机构，二者用于将电能产生 的转矩传递给发动机转动轴，其特征在于在发动机壳和与其固定连接的构件中的一个，以 及发动机转动轴和与该转动轴耦合的转动体中的一个之间，设置有按权利要求2 4任一 项所述的相对运动方向传感装置，其用于在所述发动机转动轴反转时断开所述起动电机的 电源，以停止其工作。
全文摘要
本运动方向传感装置可感知绝对和相对运动的方向。其特征在于，通过包括同一个基准转动构件的两个工作方向互反的单向超越离合机构、包括同一个传感构件的两个第一转动导向机构，以及包括外部转动构件和所述传感构件的第二转动导向机构的对应的径向连接，在发生相对转动的外部转动构件与基准转动构件之间建立起单向的运动传递路径，在对应的第一转动导向机构的转动导向作用因自己带来的轴向错位而消失之前，即，在切断所述连接和运动传递路径以停止该转动导向运动之前，以有限的几何位移的形式感知和传递其间相对运动方向的信息和控制运动。本发明具有纯机械，自适应，高灵敏，高可靠，长寿命，低成本，不受干扰，适应恶劣工作环境等优点。
文档编号F02N11/00GK101995487SQ20091016802
公开日2011年3月30日 申请日期2009年8月11日 优先权日2009年8月11日
发明者洪涛 申请人:洪涛