CN103939587B - 车辆起动机及其过载保护和减振装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种车辆起动机及其过载保护和减振装置，所述起动机具有电动机和与电动机的输出轴相连的行星齿轮减速机构，所述过载保护和减振装置包括：所述行星齿轮减速机构的齿圈，其具有截头圆锥形的外周面并且限定出轴向；保持环，用于将所述齿圈安置在其中，所述保持环具有截头圆锥形的内周面，所述外周面与所述内周面具有大致相等的锥角；以及弹性元件，其向所述齿圈施加朝向所述保持环的轴向推力，以使得所述外周面以摩擦配合的方式推抵于所述内周面。本申请通过简单的结构获得较大的最大输出扭矩。

Description

车辆起动机及其过载保护和减振装置

技术领域

本发明涉及一种用于车辆起动机中的过载保护和减振装置以及包含这种过载保护和减振装置的车辆起动机。

背景技术

机动车辆通常使用电力起动机来起动车辆的发动机，起动机将车辆蓄电池储存的电能转变为机械能，带动车辆的发动机运转，以将发动机起动。

起动机大体上由直流电动机、传动机构和控制装置等组成。在起动车辆的发动机时，电动机在蓄电池的直流电作用下产生旋转力矩。该旋转力矩通过传动机构传递到发动机飞轮上的从动齿轮，来驱动发动机的曲轴旋转。传动机构包括与电动机的输出轴相连的减速机构、与减速机构相连的超越离合器、在后端通过花键与超越离合器相连的驱动轴，安装在驱动轴前端处的用于驱动从动齿轮的小齿轮。所述花键使得所述驱动轴能够相对于超越离合器轴向滑动。控制装置用于控制电动机的运转以及驱动轴的轴向移动，以使小齿轮与从动齿轮啮合和脱离。

在通过点火钥匙启动车辆时，起动机被接通，小齿轮随着驱动轴被向前移动，以使小齿轮与从动齿轮啮合，从而启动发动机。在发动机达到一定转速后，驱动轴带着小齿轮后退而脱离与从动齿轮的啮合。

内燃机由于其本身的结构和工作原理决定其转速具有不稳定性。在其四个冲程中，有只燃料爆炸的冲程是促使内燃机加速转动，另外三个都产生阻力，而不是动力。四冲程内燃机每转动两周完成四个冲程。在起动机的操作过程中，起动机一般需要驱动内燃机完成3到4转。在这个过程中，起动机会经历载荷的波动，而且有部分时候载荷还是负值。这意味着起动机在驱动内燃机的过程中会被强制加速与减速。在这过程中，起动机的载荷值将超过两倍的起动机最大输出扭矩。这也是起动机工作时的最大载荷。这个载荷通常作为起动机的设计输入，决定起动机各部件的承载能力设计。另外一种情况是，内燃机和其系统在被起动机驱动的过程中可能出现某种故障，使内燃机突然停止甚至反转。此时内燃机对起动机的冲击载荷是极大的，甚至是破坏性的。

同等条件下，减少动态载荷可以降低起动机的设计尺寸，降低零部件强度要求降低产品成本。或者，在不改变强度的前提下，增加产品的工作寿命。

现有技术的起动机中，通常是通过轴向接合的摩擦盘实现电动机的保护。这种保护装置的缺点在于，轴向接合的摩擦盘所能传递的扭矩有限，并且保护装置本身的结构较为复杂。

发明内容

本发明的目的是对用于车辆起动机中的保护装置作出改进，以解决现有技术中存在的前述问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于车辆起动机中的过载保护和减振装置，所述起动机具有电动机和与电动机的输出轴相连的行星齿轮减速机构，所述过载保护和减振装置包括：所述行星齿轮减速机构的齿圈，其具有截头圆锥形的外周面并且限定出轴向；保持环，用于将所述齿圈安置在其中，所述保持环具有截头圆锥形的内周面，所述外周面与所述内周面具有大致相等的锥角；以及弹性元件，其向所述齿圈施加朝向所述保持环的轴向推力，以使得所述外周面以摩擦配合的方式推抵于所述内周面。

根据一种优选实施方式，所述锥角位于4至40度、优选5至30度、最优选6至20度的范围内。

根据一种优选实施方式，所述外周面与所述内周面之间的摩擦系数被设计为当所述齿圈承受的扭矩超出一极限值时允许所述外周面相对于所述内周面打滑旋转、而当所述齿圈承受的扭矩不超出所述极限值时所述外周面相对于所述内周面保持固定。

根据一种优选实施方式，所述外周面与所述内周面之间的摩擦系数位于0.05至0.4、优选0.08至0.25的范围内。

根据一种优选实施方式，所述极限值为起动机最大输出扭矩的1到3倍。

根据一种优选实施方式，所述起动机还具有壳体，所述弹性元件为碟簧，其具有固定于所述壳体的外圈和从外圈突伸的弹性内圈，所述弹性内圈沿轴向推抵于所述齿圈。

根据一种优选实施方式，所述外圈被夹持在保持环与壳体之间；或者，所述外圈通过紧固件而被固定于壳体；或者，所述外圈通过镶嵌成型而被固定于壳体。

根据一种优选实施方式，所述保持环与所述壳体分开制成并被固定在所述壳体中；或者，所述保持环被构造为壳体的一体部分。

根据一种优选实施方式，弹性元件向所述齿圈施加的轴向推力位于2500N至6000N、优选2800N至5000N的范围内。

根据一种优选实施方式，所述外周面和所述内周面中的至少一个被构造成糙化表面和/或由摩擦材料构成。

根据一种优选实施方式，所述外周面和内周面之一由彼此之间沿圆周方向存在间隔的多个弧段组成。

根据本发明的另一个方面，提供了一种车辆起动机，包括前面所述的过载保护和减振装置。

根据本发明，通过采用基于配合圆锥摩擦面的过载保护和减振装置，可以利用较小的轴向推力获得较大的最大输出扭矩。同时，这种过载保护和减振装置的组成元件的数量较少，占用的空间较小，成本较低，且便于组装。

附图说明

图1是根据本发明的一个优选实施方式的车辆起动机的一部分的示意图。

图2是起动机中的行星齿轮减速机构的示意性右视图。

图3是起动机中的与行星齿轮减速机构组合的过载保护和减振装置的示意图。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的一些优选实施方式。

图1中示出了根据本发明的一个优选实施方式的车辆起动机的一部分。该起动机主要包括直流电动机10、传动机构和控制装置等组成。

电动机10安装在起动机的壳体（图1中未示出）中。在起动车辆的发动机时，控制装置向电动机10供应来自蓄电池的直流电，以使电动机10运转而产生旋转力矩。该旋转力矩通过传动机构传递到发动机飞轮上的从动齿轮（通常为齿圈）80，来驱动发动机的曲轴旋转。

传动机构主要包括与电动机10的输出轴相连的行星齿轮减速机构20，与减速机构20相连的超越离合器30，在近端即后端（靠近电动机10的那一端）通过可轴向滑动的花键40与超越离合器30相连的驱动轴50，驱动驱动轴50轴向滑动的拨杆60，安装在驱动轴50前端（远离电动机10的那一端）处的用于驱动从动齿轮80的小齿轮（驱动齿轮）70。

减速机构20的输出端连接着超越离合器30的主动部分，而超越离合器30的从动部分通过花键40向驱动轴50传递来自减速机构20的旋转运动。

花键40是可轴向滑动的，以使得驱动轴50能够轴向移动。这种轴向运动是通过控制装置的拨杆60实现的。拨杆60可绕其中部的枢轴双向枢转，从而带动驱动轴50双向轴向移动。

在如图1中所示驱动轴50处在轴向最后侧位置时，小齿轮70脱离发动机飞轮上的从动齿轮80。

在起动机开始操作时，控制装置控制拨杆60枢转，以带动驱动轴50向前移动，而小齿轮70也随之一起向前移动而与从动齿轮80啮合。然后，控制装置接通电动机10，以使得电动机10的输出旋转运动依次经过减速机构20、超越离合器30、花键40、驱动轴50、小齿轮70而传递到从动齿轮80，以便带动发动机飞轮旋转，从而启动发动机。在发动机启动后，控制装置通过拨杆60将驱动轴50朝向后侧移动，以使小齿轮70脱离从动齿轮80。之后，电动机10断电。

如图1、2所示，行星齿轮减速机构20主要包括固定的齿圈1、布置在齿圈1中的可旋转的太阳轮3、啮合在太阳轮3和齿圈1之间的至少一个行星齿轮2以及承载着所述行星齿轮2的可旋转的行星架4。齿圈1、太阳轮3和行星架4具有公共的中心轴线。为了分担负载并且提高平衡性能，通常在太阳轮3和齿圈1布置多个行星齿轮2，例如图2中所示的三个行星齿轮2。

作为行星齿轮减速机构20的输入端，太阳轮3连接着电动机10的输出轴。作为行星齿轮减速机构20的输出端，行星架4连接着超越离合器30。

当电动机10带动太阳轮3旋转时，例如在图2中顺时针旋转时，行星架4被驱动而沿相同方向旋转，每个行星齿轮2在其与齿圈1和太阳轮3的啮合部位分别受到来自齿圈1和太阳轮3的作用力F1和F3，并在其中心处受到来自行星架4的作用力F4。作用力F1与F3方向相同，作用力F4与作用力F1与F3方向相反，其中：

F1=F3

F4=F1+F3=2F1=2F3

此外，齿圈1被起动机的壳体固定，从而受到来自壳体的切向作用力F5，其中：

F5=n×F1，n为行星齿轮2的个数。

假定齿圈1、每个行星齿轮2和太阳轮3的齿数分别为Z1、Z2、Z3，齿圈1、太阳轮3和行星架4中承受的扭矩分别为T1、T3、T4，则：

T4=T1+T3=T1+T1×Z3/Z1=T1×（1+Z3/Z1）

本发明旨在为起动机提供一种过载保护和减振装置，其能够以简单的方式使得行星架4传递较大的扭矩。

为此，根据本发明的一个基本实施方式，提供了一种与行星齿轮减速机构20组合的过载保护和减振装置，其特点是采用了圆锥形摩擦面，以取代现有技术中的摩擦盘的轴向摩擦面。

如图3中示意性显示，过载保护和减振装置主要由行星齿轮减速机构20的齿圈1、以允许打滑的方式保持着齿圈1的保持环6、将齿圈1朝向保持环6推压的保持弹簧7构成。

齿圈1的外周面1a呈截头圆锥形，以使得外周面1a的前端（远离或背对电动机10的那一端）直径小于后端（靠近或朝向电动机10的那一端）直径。

保持环6是大致圆环形结构，其被固定在起动机的壳体8（图3表示出壳体的一部分）中。保持环6具有与齿圈1的外周面1a摩擦配合的截头圆锥形内周面6a，该内周面6a的前端直径小于其后端直径。

外周面1a与内周面6a具有相同的倾斜角θ，以使得齿圈1能够坐落在保持环6中。

此外，内周面6a的后端直径略大于外周面1a的后端直径，以使得当齿圈1位于保持环6中并且外周面1a推抵于内周面6a时，齿圈1的后端面稍稍位于保持环6的后端面的轴向前侧位置处。

保持弹簧7在图示的例子中为碟簧的形式，具有大致平面形外圈7a和从外圈7a向前突伸的大致截头圆锥形弹性内圈7b。该外圈7a被夹持在保持环6的后端6b与壳体8中形成在面向前方的台阶面8a之间，并因此而将保持弹簧7固定在壳体8中。弹性内圈7b以一定弹性力向前压齿圈1的后端面，以使得外周面1a被紧密推抵于内周面6a，从而齿圈1被夹持在保持弹簧7与保持环6之间，齿圈1相对于保持环6的轴向位置得以固定。此外，借助于外周面1a与内周面6a之间的摩擦力，齿圈1相对于保持环6的周向（转动方向）位置得以固定。

可以理解，保持弹簧7并不局限于图中所示的形式。其可以采用任何形式的弹性元件，只要能够向齿圈1施加朝向保持环6的轴向推力即可。

还可以理解，保持弹簧7并不必须通过夹持在保持环6与壳体8之间的方式实现固定。保持弹簧7可以通过任何适宜方式或结构固定在壳体8中，例如通过单独的紧固件。或者，当壳体8是由塑料制成的时，可以通过镶嵌成型将保持弹簧7固定在壳体8中。

还可以理解，保持环6可以如图所示构造为与壳体8分开的元件。根据可选的实施方式，保持环6可以构造为壳体8的一体部分。

还可以理解，外周面1a和内周面6a的倾斜方向可以与前面描述的正好相反，即二者的前端直径大于后端直径。在这种情况下，保持弹簧7可以设置在齿圈1的轴向前侧，从而向齿圈1施加轴向向后朝向保持环6的推力。

图3中示意性显示了齿圈1的受力。假定保持弹簧7向齿圈1施加轴向向前的推力F7，齿圈1在外周面1a处受到来自保持环6的内周面6a处的法向力F8，该法向力F8具有径向向内的径向分量F6和轴向向后的轴向分量F9，则：

F9=F7

F8=F9/sinθ

假定齿圈1受到的保持环6的转动方向摩擦力为f，外周面1a与内周面6a之间的摩擦系数为μ，则：

f=F8×μ

假定齿圈1的平均外径为R1，则齿圈1在被保持环6保持而不发生相对旋转（打滑）的情况下所能承受的最大扭矩T1max可以表示为：

T1max=f×R1=F7×μ×R1/sinθ

那么，行星架4所能传递的最大扭矩T4max可以表示为：

T4max=（F7×μ×R1/sinθ）×（1+Z3/Z1） （1）

从上式（1）可以看出，为了使得在给定弹簧推力F7的情况下获得尽可能大的行星架4所能传递的最大扭矩T4max，倾斜角θ需要保持尽可能小。当然，为了确保齿圈1不被卡死在保持环6中，即在齿圈1受到的扭矩超过了其所能承受的最大扭矩T1max后能够相对于保持环6旋转（打滑）以提供过载和振动安全保护能力，倾斜角θ也不能无限地小。权衡考虑这两方面以及其它因素，倾斜角θ的取值范围为2至20度，优选为2.5至15度，换言之，外周面1a和内周面6a的锥角（倾斜角θ的2倍）的取值范围为4至40度，优选为5至30度。位于3至10度的倾斜角θ（即位于6至20度的锥角）可以在扭矩传递能力与安全保护能力两方面取得最佳的平衡。

可以理解，为了确保齿圈1不被卡死在保持环6中，可以将外周面1a和内周面6a之一设计成沿圆周方向呈不连续的形式，即由彼此之间沿圆周方向存在间隔的多个弧段组成。

此外，从式（1）可以看出，为了增加最大扭矩T4max，还可以增大外周面1a与内周面6a之间的摩擦系数μ。该摩擦系数μ的取值范围可以为0.05至0.4，优选为0.08至0.25。为了增大摩擦系数μ，外周面1a和内周面6a中的至少一个可以被构造成糙化表面和/或由摩擦材料构成，以增大其表面粗糙度。

此外，弹簧推力F7被选择为2500N至6000N，优选2800N至5000N。

作为过载保护和减振装置的一个具体示例，具有下述主要参数：

F7=5000N，μ=0.1，R=35mm，θ=6°，Z1=41，Z3=13，则由式（1）计算出T4max=220Nm，这一最大扭矩足以提供驱动发动机飞轮上的从动齿轮80所需的扭矩。

可以通过选择过载保护和减振装置的各个参数来获得所需的行星架4所能传递的最大扭矩T4max，也就是起动机的传动机构所能输出的最大扭矩。所述最大扭矩T4max的取值范围可以为起动机最大输出扭矩的1到3倍。

在起动机操作时，当行星架4承受的持续扭矩超过最大扭矩T4max（例如过载）或瞬间扭矩（峰值扭矩）超出最大扭矩T4max（例如振动）时，齿圈1能够克服外周面1a与内周面6a之间的摩擦力而相对于保持环6旋转（打滑），由此确保不会由过大的扭矩施加到电动机10的输出轴，以保护电动机10不会受损。

可以看出，根据本发明，通过采用基于配合圆锥摩擦面的过载保护和减振装置，可以利用较小的轴向弹簧推力使得齿圈获得较大的径向保持力，即获得较大的传动机构最大输出扭矩。同时，同现有技术相比，这种过载保护和减振装置的组成元件的数量较少，占用的空间较小，成本较低，且便于组装。

本发明的这种过载保护和减振装置适用于各种车辆的起动机，例如柴油车辆的起动机。

虽然这里参考具体的实施方式描述了本发明，但是本发明的范围并不局限于所示的细节。在不偏离本发明的基本原理的情况下，可针对这些细节做出各种修改。

Claims (16)

1.一种用于车辆起动机中的过载保护和减振装置，所述起动机具有电动机和与电动机的输出轴相连的行星齿轮减速机构，其中，所述过载保护和减振装置包括：

所述行星齿轮减速机构的齿圈，其具有截头圆锥形的外周面并且限定出轴向；

保持环，用于将所述齿圈安置在其中，所述保持环具有截头圆锥形的内周面，所述外周面与所述内周面具有相等的锥角；以及

弹性元件，其向所述齿圈施加朝向所述保持环的轴向推力，以使得所述外周面以摩擦配合的方式推抵于所述内周面。

2.如权利要求1所述的过载保护和减振装置，其中，所述锥角位于4至40度的范围内。

3.如权利要求1所述的过载保护和减振装置，其中，所述锥角位于5至30度的范围内。

4.如权利要求1所述的过载保护和减振装置，其中，所述锥角位于6至20度的范围内。

5.如权利要求1所述的过载保护和减振装置，其中，所述外周面与所述内周面之间的摩擦系数被设计为当所述齿圈承受的扭矩超出一极限值时允许所述外周面相对于所述内周面打滑旋转、而当所述齿圈承受的扭矩不超出所述极限值时所述外周面相对于所述内周面保持固定。

6.如权利要求5所述的过载保护和减振装置，其中，所述外周面与所述内周面之间的摩擦系数位于0.05至0.4的范围内。

7.如权利要求5所述的过载保护和减振装置，其中，所述外周面与所述内周面之间的摩擦系数位于0.08至0.25的范围内。

8.如权利要求5所述的过载保护和减振装置，其中，所述极限值为起动机最大输出扭矩的1到3倍。

9.如权利要求1至8中任一项所述的过载保护和减振装置，其中，所述起动机还具有壳体，所述弹性元件为碟簧，其具有固定于所述壳体的外圈和从外圈突伸的弹性内圈，所述弹性内圈沿轴向推抵于所述齿圈。

10.如权利要求9所述的过载保护和减振装置，其中，所述外圈被夹持在保持环与壳体之间；或者，所述外圈通过紧固件而被固定于壳体；或者，所述外圈通过镶嵌成型而被固定于壳体。

11.如权利要求9所述的过载保护和减振装置，其中，所述保持环与所述壳体分开制成并被固定在所述壳体中；或者，所述保持环被构造为壳体的一体部分。

12.如权利要求1至8中任一项所述的过载保护和减振装置，其中，弹性元件向所述齿圈施加的轴向推力位于2500N至6000N的范围内。

13.如权利要求1至8中任一项所述的过载保护和减振装置，其中，弹性元件向所述齿圈施加的轴向推力位于2800N至5000N的范围内。

14.如权利要求1至8中任一项所述的过载保护和减振装置，其中，所述外周面和所述内周面中的至少一个被构造成糙化表面和/或由摩擦材料构成。

15.如权利要求1至8中任一项所述的过载保护和减振装置，其中，所述外周面和内周面之一由彼此之间沿圆周方向存在间隔的多个弧段组成。

16.一种车辆起动机，包括如权利要求1至15中任一项所述的过载保护和减振装置。