CN105730213A - 具有机电致动器组件的混合动力总成及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有机电致动器组件的混合动力总成及其控制方法。动力总成包括具有在第一轴线上旋转的曲轴的发动机、马达/发电机单元(MGU)、皮带传动的驱动系统、变速器、致动器组件和控制器。MGU转子轴围绕第二轴线旋转。皮带传动的驱动组件具有连接到曲轴的第一带轮、可选择性地连接到转子轴的第二带轮以及连接所述带轮的环形可旋转驱动元件。变速器通过输入离合器连接到飞轮。致动器组件具有平行于第一和第二轴线的第三轴线、线性致动器、沿着第三轴线可平移以选择性地接合第一和第二齿轮元件的小齿轮、以及将小齿轮从第一或第二齿轮元件被动地脱开的超越离合器。控制器将控制信号发送到MGU和线性致动器，以通过小齿轮的平移命令控制状态。

Description

具有机电致动器组件的混合动力总成及其控制方法
技术领域
本发明涉及具有机电致动器组件的混合动力总成及其控制方法。
背景技术
混合动力总成包括内燃发动机以及一个或多个电机。控制器被编程以在不同车辆条件下自动改变发动机和电机的使用，以便选择最佳的动力总成操作模式。一些混合动力总成设计使用基于双电动马达的系统，用于发动机起动/停止功能以及车载动力再生。例如，传统的12VDC辅助起动机马达可以用于提供齿轮传动的(geared)发动机起动/停止控制，同时高压或辅助电压皮带传动的交流发电机-起动机(BAS)系统的使用使电机中的一个能够辅助发动机扭矩或者给一个或多个电池再充电。
发明内容
在此公开了一种具有一个或多个线性致动器的机械/电气或“机电”致动器组件。致动器组件可以替代上面提到的基于双电机系统使用。如本领域已知的，传统的12-15VDC辅助起动机马达在发动机曲轴起动(cranking)过程中吸取相对大量的电流，这又可引起电池电压暂时下降。另外，这种辅助起动机马达使用高传动比以在使用点，即，发动机飞轮处实现所需的扭矩。结果，辅助起动机马达可以招致充分高的惯性量，使得发动机起动速度受到限制。所公开的设计意在有助于解决发动机曲轴起动事件之前以及与其同时发生的这个和其他可能的性能问题。在此描述的致动器组件也可以用于其他车辆和非车辆应用中，包括需要在布置于不同的平行轴上的两个旋转齿轮元件之间的可靠的可选择性连接的任何动力或扭矩传递应用。为了说明的一致性，在此将参照各图来描述混合动力车辆应用，而不将发明范围仅限制于在此描述的特定设计。
致动器组件包括一对轴向可平移的小齿轮，在不同的示例性实施方式中，致动器组件包括一个或两个线性致动器，如示例性螺线管装置，每个线性致动器具有内部复位弹簧或其他复位机构。当在本文描述的代表性的混合动力总成中与辅助马达/发电机单元(MGU)一起使用时，平移小齿轮可以相对于MGU的转子轴的旋转轴线离轴定位。线性致动器可以相对于小齿轮的平移轴线在轴上或离轴定位。
在另一实施方式中，线性致动器中的两个可以相对于彼此同轴布置。线性致动器选择性地被供能，以引起线性致动器的一个或多个柱塞的平移，且每个柱塞操作地连接到致动器组件的驱动系，如通过一组杆叉(leverfork)或其他适当的机械连杆。柱塞的线性运动通过杆叉传递，并最终平移且部分旋转小齿轮成与定位在致动器组件外侧的相应的第一和第二齿轮元件直接接合，例如，连接到发动机飞轮的齿圈和MGU驱动的齿轮元件。从而，在典型的发动机起动/停止实施方式中，发动机飞轮可以被选择地连接到MGU，以独立于在BAS类型的辅助起动中发动机驱动的带轮和MGU之间的任何连接而提供齿轮传动的发动机起动。
作为本设计的一部分，一旦发动机已经起动且以超过MGU的速度的速度运行，被动接合的超越离合器允许MGU从发动机自动断开。即，每个超越离合器自动允许小齿轮中的相应一个轴向移动远离它们相应的连接目标，即，相应的飞轮和MGU并，从相应的飞轮和MGU脱开。可选的是，可以使用仅一个超越离合器，如在发动机的飞轮侧上的超越离合器，且来自内部复位机构的复位弹簧力将其中一个小齿轮与MGU脱开。
在可选的离轴、两个线性致动器设计中，两个线性致动器可以同时发动或致动，以将致动器组件同时连接到飞轮和MGU，或者一个线性致动器装置可以在另一个之前促动，以预先接合发动机或MGU。后者的设计在驾驶员或控制器确定车辆操作参数已经充分变化使得发动机的再起动并不立即需要的改变主意起动的情况下是期望的。
在另一示例性实施方式中，混合动力总成包括发动机、MGU、皮带驱动组件、致动器组件、变速器和控制器。发动机包括曲轴、连接到飞轮且通过曲轴可旋转的飞轮、以及与飞轮一起围绕第一轴线旋转的第一齿轮元件。MGU包括转子轴，所述转子轴围绕平行于第一轴线的第二轴线可旋转，并且还包括第二齿轮元件，所述第二齿轮元件连接到转子轴的一个端部，所述转子轴具有连接到其另一端部的可控制的联接元件。选择性联接装置，如电磁离合器，设置在曲轴和MGU之间。皮带驱动组件具有连接到曲轴的第一带轮、连接到转子轴的第二带轮、以及连接第一和第二带轮以由此在选择性联接装置被接合时将来自MGU的输出扭矩，即，马达扭矩传递到曲轴的环形可旋转驱动元件。变速器通过输入离合器可操作地连接到飞轮/曲轴。
在这个实施方式中，设置在第一和第二齿轮元件之间的机电致动器组件具有第三轴线，该第三轴线平行于第一和第二轴线。所述致动器组件还具有至少一个线性致动器，如螺线管装置、机动化滚珠丝杠或者形状记忆合金(SMA)致动器，并且还包括一对小齿轮，以及一个或多个被动接合的单向飞轮或超越离合器。小齿轮沿着第三轴线可平移以选择性地接合第一和第二齿轮元件中的相应一个。在曲轴的速度超过MGU的速度时，每个超越离合器将其中一个小齿轮从第一或第二齿轮元件中的相应一个被动地脱开。控制器被编程以处理控制输入，从而确定致动器组件的控制状态，并且将控制信号发送到MGU和线性致动器，以通过所述至少一个小齿轮沿所述第三轴线的平移，命令所确定的控制状态的执行，例如，发动机曲轴起动。
还公开了一种机电致动器组件，用于具有围绕相应的第一轴线和第二轴线可旋转的第一和第二齿轮元件的系统。该致动器组件包括至少一个线性致动器、一对小齿轮和至少一个超越离合器。小齿轮沿着与所述第一和第二轴线平行的第三轴线可平移，以选择性接合第一和第二齿轮元件中的相应一个。每个超越离合器被构造成在第一齿轮元件的速度超过第二齿轮元件的速度时使小齿轮中的相应一个从所述第一或第二齿轮元件被动脱开。当使用仅一个这样的离合器时，例如，在发动机的飞轮侧，线性致动器的复位机构从MGU/第二齿轮元件脱开。
根据本发明一方面，提供一种混合动力总成，包括：
发动机，所述发动机具有曲轴、连接到曲轴并且通过曲轴可旋转的飞轮、以及与飞轮一起围绕第一轴线旋转的第一齿轮元件；
马达-发电机单元(MGU)，具有转子轴以及连接到所述转子轴的第二齿轮元件，所述转子轴围绕平行于第一轴线的第二轴线可旋转；
选择性联接装置，设置在曲轴和MGU之间；
皮带传动的驱动组件，该皮带传动的驱动组件具有连接到曲轴的第一带轮、连接到转子轴的第二带轮以及连接所述第一和第二带轮的环形可旋转驱动元件，其中，所述选择性联接装置的接合将马达扭矩从MGU传递到曲轴；
变速器，所述变速器通过输入离合器可操作地连接到发动机；
机电致动器组件，该机电致动器组件设置在所述第一和第二齿轮元件之间，并具有平行于第一和第二轴线的第三轴线、至少一个线性致动器、沿着所述第三轴线可平移以选择性地接合第一和第二齿轮元件中的相应一个的一对小齿轮、以及第一超越离合器，所述第一超越离合器被构造成在所述曲轴的速度超过所述MGU的速度时将所述小齿轮中的一个从所述第一齿轮元件被动地脱开；以及
控制器，所述控制器被编程以处理一组控制输入，由此确定动力总成的所需控制状态，并将控制信号发送到MGU和至少一个线性致动器，由此通过所述至少一个小齿轮沿着所述第三轴线的平移而命令所需的控制状态的执行。
优选地，其中，所述机电致动器组件也包括第二超越离合器，该第二超越离合器被构造成在所述曲轴的速度超过所述MGU的速度时，将一对小齿轮中的另一个小齿轮从第二齿轮元件脱开。
优选地，其中，所述至少一个线性致动器包括布置在相应的第四和第五轴线上的一对线性致动器。
优选地，其中，所述至少一个线性致动器包括同轴布置在第四轴线上的一对线性致动器。
优选地，其中，所述至少一个线性致动器包括布置在平行于第三轴线的第四轴线上的单个线性致动器。
优选地，其中，所述至少一个线性致动器是从包括螺线管装置、旋转滚珠丝杠装置和形状记忆合金装置的组选取的。
优选地，其中，至少一个线性致动器中的每一个包括柱塞，当所述至少一个线性致动器被致动时，所述柱塞沿着第四轴线朝向第一齿轮元件平移，所述致动器组件包括多个杆叉，所述多个杆叉中的至少一个可操作地连接到所述柱塞，以在所述柱塞向第一齿轮元件平移时，沿着第三轴线将轴向力传递到小齿轮。
优选地，所述混合动力总成还包括自由柱塞，所述自由柱塞具有两个远侧端部，其中所述两个远侧端部各自被多个杆叉中的不同一个接合。
优选地，其中，与所述第二齿轮元件可接合的所述小齿轮嵌套在较大的齿轮元件内以形成匹配齿轮。
根据本发明另一方面，提供一种机电致动器组件，用于具有第一齿轮元件和第二齿轮元件的系统，所述第一齿轮元件围绕第一轴线可旋转，而所述第二齿轮元件围绕第二轴线可旋转，所述机电致动器组件包括：
至少一个线性致动器，响应于来自控制器的一组控制信号以产生轴向力；
一对小齿轮，所述一对小齿轮响应于来自所述至少一个线性致动器的轴向力沿着平行于第一和第二轴线的第三轴线可平移，其中所述一对小齿轮沿着第三轴线的平移导致第一和第二齿轮元件中的相应一个由所述一对小齿轮接合；以及
第一超越离合器，所述第一超越离合器被构造成在所述第一齿轮元件的速度超过第二齿轮元件的速度时将所述一对小齿轮中的一个从所述第一齿轮元件被动地脱开。
优选地，所述致动器组件还包括第二超越离合器，所述第二超越离合器被构造成在所述第一齿轮元件的速度超过所述第二齿轮元件的速度时，将所述一对小齿轮中的另一小齿轮从所述第二齿轮元件被动地脱开。
优选地，其中，所述第二齿轮元件连接到马达/发电机单元(MGU)并由该马达/发电机单元驱动，所述致动器组件还包括控制器，所述控制器被编程，以处理控制输入，由此确定致动器组件的控制状态，并且将控制信号发送到MGU和至少一个线性致动器，由此，通过所述至少一个小齿轮沿着第三轴线的平移而命令所确定的控制状态的执行。
优选地，其中，所述至少一个线性致动器是布置在平行于第一、第二和第三轴线的第四轴线上的单个线性致动器。
优选地，其中，所述至少一个线性致动器是布置在相应的第四和第五轴线上的一对线性致动器。
优选地，其中，所述至少一个线性致动器中的每一个包括柱塞，在所述至少一个线性致动器被触发时，该柱塞沿着平行于第一、第二和第三轴线的第四轴线朝向第一齿轮元件平移，且所述致动器组件包括多个杆叉，所述多个杆叉中的至少一个可操作地连接到所述柱塞，以在所述柱塞朝向所述第一齿轮元件平移时将轴向力沿着所述第三轴线传递到小齿轮。
优选地，所述致动器组件还包括自由柱塞，该自由柱塞具有两个远侧端部，其中所述两个远侧端部各自由所述多个杆叉中的不同一个接合。
优选地，其中，可与所述第二齿轮元件接合的小齿轮嵌套在较大的齿轮元件之内以形成匹配的齿轮。
根据本发明又一方面，提供一种用于控制车辆上的机电致动器组件的方法，该车辆具有混合动力总成，该混合动力总成包括具有曲轴的发动机、连接到所述曲轴并通过所述曲轴可旋转的飞轮、与所述飞轮一起围绕第一轴线旋转的第一齿轮元件、以及马达-发电机单元(MGU)，所述马达发电机单元具有转子轴和连接到所述转子轴的第二齿轮元件，所述转子轴围绕平行于第一轴线的第二轴线可旋转；以及皮带传动的驱动组件，该皮带传动的驱动组件具有连接到所述曲轴的第一带轮、连接到所述转子轴的第二带轮、以及连接所述第一带轮和所述第二带轮由此将来自MGU的马达扭矩传递到曲轴的环形可旋转驱动元件，所述方法包括：
在第一和第二齿轮元件之间提供机电致动器组件，其中所述机电致动器组件包括至少一个线性致动器；
通过控制器接收一组控制输入；
确定所述组控制输入是否表示动力总成的所需控制状态，在该状态中，需要通过MGU以通过第一和第二带轮以及第二齿轮元件经由设置在曲轴和MGU之间的选择性联接装置的接合的皮带辅助起动方式，或通过齿轮传动起动方式起动发动机；
给所述至少一个线性致动器供能，由此沿着平行于第一和第二轴线的第三轴线产生轴向力；
当所述组控制输入表示需要起动发动机时，通过轴向力将一对小齿轮沿着第三轴线平移，以选择性接合第一和第二齿轮元件中的相应一个，包括将控制信号发送到至少一个线性致动器，以引起所述小齿轮的平移发生；以及
当所述曲轴的速度超过所述MGU的速度时，通过至少一个超越离合器将所述一对小齿轮从所述第一和第二齿轮元件中的相应一个被动地脱开。
优选地，其中，将控制信号发送到至少一个线性致动器包括将控制信号发送到布置在第四轴线上的单个线性致动器。
优选地，其中，将控制信号发送到至少一个线性致动器包括将控制信号发送到布置在相应的第四和第五轴线上的一对线性致动器。
详细描述和附图或图形支持并且描述本发明，但是本发明的范围仅由权利要求书限定。虽然已经详细描述了用于实施所要求保护的发明的最佳模式和其他实施方式，但是存在用于实践在所附权利要求中限定的本发明的各种替代设计和实施方式。此外，在附图中所示的实施方式或者在本描述中提及的各种实施方式的特征不必理解为彼此独立的实施方式。而是，在实施方式的其中一个示例中描述的每个特征可以与来自其他实施方式的一个或多个其他期望的特征相组合，形成文字未描述的或未参照附图描述的其他实施方式。于是，这种其他实施方式落入所附权利要求的范围的框架内。
附图说明
图1是用于示例性混合动力总成中的辅助机电致动器组件的示意图；
图2A和2B是图1所示的机电致动器组件的相应的两个和一个线性致动器偏轴实施方式的示意性透视图；
图3A和3B是图2A和2B的两个和一个线性致动器偏轴实施方式的示意性分解视图；
图4是可与图1-3B中所示的机电致动器组件一起使用的可选的一体轴设计的示意性平面图；
图5是如图1中所示的机电致动器组件的可替代的两个线性致动器轴上实施方式的示意性侧剖视图；
图6是图3B的单个线性致动器偏轴设计的示意性透视图；
图7是描绘用于控制图1-6中所示的机电致动器组件的状态的示例性方法的流程图。
具体实施方式
参照附图，其中相同的附图标记在若干视图中一直表示相同或相对应的零件，机电致动器组件40在图1-6中示出。图1图示了在具有混合动力总成13的示例性车辆10上的示例性应用中的致动器组件40。混合动力总成13包括内燃发动机14、变速器20和控制器(C)50。发动机14包括安装到可旋转曲轴16上的飞轮45，飞轮45和曲轴16二者都围绕第一轴线A1可旋转。曲轴16可以根据需要通过皮带传动的驱动系统30被选择性地由曲轴转动或辅助，并因此包括皮带侧17和飞轮侧19。作用在曲轴16上的扭矩通过输入离合器21，例如摩擦离合器、液动力变矩器或者离合器和阻尼器组件选择性传递到变速器20的输入构件18，如本领域中已知的。
如下面参照图2A-6进一步详细说明的，图1的混合动力总成13包括马达/发电机单元(MGU)28形式的辅助电机。如在此所使用的，术语“辅助”指代在现代机动车辆上使用的典型的10-15VDC或者9-16VDC电压范围内的有源功率。这种有源功率可以通过任何适当的辅助电源(未示出)，如辅助电池或者辅助功率模块/电压调节器的输出来供给。MGU28利用可控制的选择性联接装置38(例如，电磁离合器)选择性地联接到发动机14的皮带侧17，和/或通过致动器组件40的受控制的操作联接到发动机14的飞轮侧19。为了控制致动器组件40的状态，控制器50响应于一组控制输入(箭头11)的接收而产生并发出控制信号(箭头111)。作为示例，控制输入(箭头11)可以包括诸如车辆速度、踏板力/行程信息、周围温度、MGU28的温度、节气门水平、发动机14的开/关状态等的值。控制信号(箭头111)可以通过控制器局域网(CAN)总线或者通过任何适当的有线或无线传输器件与致动器组件40通信。
图1的控制器50可以实施为具有处理器P和存储器M的一个或多个计算机装置，存储器M中的一些是计算机可读取的可触及非瞬态存储器，该存储器布置在印刷电路板上或以其他方式可用于处理器P。实施方法100的指令可以被编程到存储器M中，并且根据需要通过处理器P执行，以对致动器组件40的状态提供控制功能，如在此描述的。作为示例，存储器M可以包括足够的只读存储器(ROM)、光学存储器、闪存或者其他固态存储器等。也可以包括如随机存取存储器(RAM)和电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)等瞬态存储器，以及其他所需的电路(未示出)，所述其他所需的电路包括但不限于高速时钟、电流/电压/温度/速度/位置感测电路、模拟到数字(A/D)电路、数字到模拟(D/A)电路、数字信号处理器以及任何需要的输入/输出(I/O)装置和其他信号调制和/或缓冲电路。
图1中示意性示出的变速器20可以包括齿轮布置和离合器(未示出)，扭矩从输入构件18流动通过该齿轮布置和离合器到输出构件22，流动通过主减速器24，并最终到驱动车轮26，以推进车辆10。所示的驱动车轮26可以是前车轮或后车轮，为了简明，在图1中仅示出两个驱动车轮26。第二对车轮也可以由动力总成13供能，或可以不被供能，而不偏离期望的发明范围。
在图1中所示的实施方式中的MGU28可被控制以根据需要用作为马达或发电机，并且通过皮带传动的驱动系统30可操作地连接到曲轴16。皮带传动的驱动系统30包括环形可旋转的驱动元件，下面为了简明而描述为皮带32，该皮带与第一带轮34和第二带轮36接合。当第一带轮34被连接以与MGU28共同旋转时，皮带传动的驱动系统30通过选择性联接装置38在MGU28和曲轴16之间建立驱动连接，作为皮带传动的交流发电机-起动机(BAS)系统的一部分，如该术语在本领域中所被熟知并使用的。可替代的是，皮带传动的驱动系统30可以包括链或齿型带来代替带32，并且包括链轮来代替相应的第一和第二带轮34和36。为了说明一致性，皮带传动的驱动系统30的两个实施方式在此都称为皮带传动的驱动系。
如图1中示意性示出的选择性联接装置38经由皮带传动的驱动系统30在曲轴16和MGU28之间建立驱动连接。即，例如通过控制器50或另一控制装置命令的选择性联接装置38的接合将马达扭矩从MGU28传递到曲轴16。选择性联接装置38可以是常接合的或常开的离合器，例如，电磁离合器，该离合器接合MGU28的转子轴35。当MGU28通过电源(未示出)，例如，辅助电池或者辅助功率模块的辅助输出而被激励时，转子轴35围绕第二轴线A2与第一带轮34一致旋转。
致动器39通过来自控制器50的命令被致动，以选择性断开或脱开选择性联接装置38，使得转子轴35与曲轴16不处于驱动连接。致动器39特征在于在任何指定时间点处的状态，即被致动/激励或者非致动状态/未激励状态。致动器39进一步特征在于相应的促动时间，该促动时间在此限定为需要将致动器39从非致动位置向致动位置或者从致动位置向非致动位置移动并由此部分建立图1的混合动力总成13的操作模式中的一个所需要的时间量。
另外，如图1所示的可变张紧器系统41可以用于调节皮带32和相应的第一和第二带轮34和36之间的张力。所述可变张紧器系统41能够电子地、液力地或者以其他方式促动。通过控制张力，在皮带32和相应的第一和第二带轮34和36之间传递的扭矩，并由此在MGU28和曲轴16之间传递的扭矩能够通过控制器50的操作自动调节。张紧器系统41也可以是被动张紧器，该被动张紧器能够在用于MGU28的电动和发电操作模式的两个方向上自动调节张力。
尤其是，相对于机电致动器组件40，这个装置可通过控制器50的操作控制，以选择性地在MGU28和发动机14的飞轮侧19之间建立驱动连接，并由此实现发动机14的齿轮传动的起动。这与通过选择性联接装置38实现的MGU28和发动机14的皮带侧17之间的任何连接单独且独立地发生，用于BAS起动。设置在发动机14的飞轮侧19的齿轮系42包括第一齿轮元件44，如齿圈，该齿圈直接连接到飞轮45，使得第一齿轮元件44与曲轴16共同围绕轴线A1旋转。第二齿轮元件54连接到MGU28的转子轴35，以围绕轴线A2旋转，且轴线A1和A2彼此平行，如图1所示。
致动器组件40包括一对小齿轮P1和P2。小齿轮P1和P2中的每一个响应于来自控制器50的控制信号(箭头111)可沿着致动器组件40的轴线A3轴向平移。小齿轮P1和P2的平移或线性运动通过一个或多个线性致动器33提供，并且在图1中通过双头箭头T指示。每个线性致动器33可以包括复位机构93，例如，图5的示例中所示的复位弹簧，如本领域中公知的。当线性致动器33未激励时，小齿轮P1和P2被复位机构93相对于相应的第二和第一齿轮元件54和44保持在脱开位置。
具体地说，小齿轮P2可在与所示的第一齿轮元件44，并且因此与飞轮45和曲轴16的接合或联接的位置，和使得小齿轮P2不与第一齿轮元件44啮合的未联接或脱开位置之间选择性地移动。
同样，小齿轮P1可在与所示的第二齿轮元件54，并且因此与MGU28接合或联接的位置，和根据需要使得另外的小齿轮P2不与第二齿轮元件54啮合的未联接或脱开位置之间轴向移动。与MGU28的双马达/发电机功能相联接的功能使得致动器组件40的状态能够被控制器50选择，以利用单个辅助MGU28根据需要提供车载发电、BAS起动或者齿轮传动的起动。现在，将参照图2A-6描述致动器组件40的细节。
参照图2A和2B，上面参照图1引入的致动器组件40的两个可能的实施方式包括基于相应的两个和单个线性致动器的致动器组件40A和40B。为了说明简明和一致，线性致动器被描述为并在各个图中显示为示例性螺线管装置。但是，图1的线性致动器33可以不同地实施为旋转滚珠丝杠、形状记忆合金等，而不偏离期望的发明范围。
在图2A的致动器组件40A中，诸如非限制示例性的螺线管装置S1的第一线性致动器布置在轴线A4上，示例性螺线管装置S2形式的第二线性致动器布置在轴线A5上，且飞轮护罩62和起动机壳体64例如通过螺纹紧固件或者方头螺栓69连接到一起，如图3A中所示。虽然为了图示简明而从图2A和2B中省略，但是螺线管装置S1、S2和S3容纳或者包括上面参照图1指出的复位机构93，例如，复位弹簧，该复位机构在螺线管装置不再被激励时平移可移动构件，如柱塞80、180，如图3A和3B中所示。换言之，螺线管装置S1、S2或S3的激励在一个轴向方向上将柱塞80、180拉入螺线管装置和复位机构93，当螺线管装置S1、S2或S3未被激励时，将柱塞80或180沿着相反的轴向方向平移返回。
飞轮护罩62和起动机壳体64，其可以由钢、铸铁、铝或其他适当的材料构造并螺栓连接到一起以形成整体的或单个单元，在螺栓连接或以其他方式结合到一起时，包封和保护致动器组件40A和40B的任何内部部件在操作过程中免受灰尘。轴线A4和A5可以关于彼此基本上平行，并且在一些实施方式中关于轴线A3平行，即，相对于轴线A3离轴布置。图3A、3B和6中清楚示出的杆叉形式的一组机械连杆用于在致动器组件40A和40B之内传递扭矩，如下面参照这些图所讨论的。
飞轮护罩62具有开口侧66，该开口侧66从图2A和2B的视角不完全可见。开口侧66是飞轮护罩62的切开部分，其暴露出致动器组件40A和40B的小齿轮P2(未示出)，使得可能与图1所示的飞轮45上的第一齿轮元件44的啮合接合。从而，开口侧66形成致动器组件40A和40B的发动机侧。同样，起动机壳体64具有开口侧67，该开口侧67暴露出靠近图1所示的MGU28的第二齿轮元件54(即，致动器组件40A和40B的马达侧)的小齿轮P1。图2B的致动器组件40B的单个致动器设计使用单个线性致动器，例如在轴线A5上的螺线管S3被使用以替代图2A中的示例性螺线管装置S1和S2。无论使用的线性致动器的数量如何，提供图1的发动机1与MGU28在飞轮侧19的选择性接合，独立于发动机14和MGU28之间在皮带侧17发生的任何连接。
图3A和3B中分别示出图2A和2B的致动器组件40A和40B的示意性分解视图。在致动器组件40A和40B的每一端处的飞轮护罩62和起动机壳体64包封致动器组件40A和40B的内部部件，如上所述。内部元件包括沿着轴线A3在可旋转轴71上布置的相应的第一和第二驱动系72和172。第一和第二驱动系71和172可以相同地构成，但是在它们的轴向取向上颠倒，如图所示。在其他实施方式中，驱动系172可以不同地构成，尤其是相对于超越离合器75，如下面解释的。每当第一和第二驱动系72和172与第二齿轮元件54接合并通过图1的MGU28经由小齿轮P2驱动时，轴71和第一和第二驱动系72和172的任何连接的元件围绕轴线A3旋转。
简要地参照图4，虽然轴71在图3A和3B中示为端对端定位并通过联轴器73和间隔件74联接到一起的两个分离的轴件，但是单个轴171可以替代地被使用。在这样的实施方式中，图3A和3B的联轴器73和间隔件74可以被省却。图4的轴171可以包括升高的轴杆部分82、84，每个轴杆部分具有外部径向突出的螺旋花键或螺纹89，如图所示。光滑的轴杆部分81从每个升高的轴杆部分82、84轴向向外延伸向轴171的不同远侧端部81E。虽然为了清晰而从图4中省略，但是下面讨论的图3A和3B的导引元件77各自具有内螺纹，以与图4的轴171的螺旋螺纹89配合，使得小齿轮P1和P2沿着轴171的轴线A3的任何平移也导致小齿轮P1和P2围绕轴线A3的有限的旋转。
螺旋螺纹89的目的是随着小齿轮P1和P2沿着轴线A3平移，使得小齿轮P1和P2能够平稳接合图1的飞轮45的第一齿轮元件44和MGU28的第二齿轮元件54。这是通过小齿轮P1、P2由于沿着螺旋螺纹89的行进而稍微旋转所确保的，这可以被构造成为小齿轮P1和P2提供期望的旋转程度。除了图4的可选的一件式的轴171的一体设计之外，其他设计特征可与图3A和3B的分离式或双轴设计共同使用，包括升高的轴杆部分82和84，其中在图3A和图3B的齿圈76、或用作联接器托架的行星齿轮托架、间隔件74和联接器73的使用中具有明显差别，以适应用作图4的一体轴171的替代的双轴设计的两个轴71。由于图3A和3B的一些部件在传统起动机马达中可用，因此分离式轴71代替图4的一体轴171的使用可以利于现有部件的再使用。
相对于图3A和3B的第一驱动系72，这个结构包括小齿轮P2、超越离合器75、可选的齿圈76、以及内螺纹的导引元件77，所述齿圈用于适应分离式或双轴设计，使得它用作为单个轴。第二驱动系172可以基本相同地构造并且相反地取向，以与第一驱动系72成镜像，即，沿着轴线A3面向相反的方向。在可选的实施方式中，第二驱动系172可以放弃使用超越离合器75，但是保留第一驱动系72中的超越离合器75。一旦螺线管装置或者其他线性致动器未激励，内置复位弹簧力将小齿轮P1从第二齿轮元件54脱开，使得在发动机14和/或MGU28回转时轴71不回转。在被螺线管装置S2或S1的相应一个致动时，第一和第二驱动系72和172旋转并沿着轴线A3平移相应的小齿轮P2和P1，且期望稍微旋转以有助于在小齿轮P2的情况下与图1的第一齿轮元件44对齐并平稳接合并且在小齿轮P1的情况下与图1的第二齿轮元件54对齐并平稳接合。
致动器组件40A包括第一和第二杆叉70和170。第一和第二杆叉70和170被构造为机械连杆，其抓住或接合相应的螺线管装置S2和S1的线性可平移柱塞80。当螺线管装置S2或S1被供能，以将轴向力通过杆叉70、170施加到齿轮系72和172时，柱塞80沿着它们相应的轴线A5和A4的轴向运动从第一和第二杆叉70和170提供的连接所导致。飞轮护罩62和起动机壳体64可以被构造有静止的表面或者抵靠部(landing)，提供了用于第一和第二杆叉70和170的适当表面以反作用抵抗期望的力并允许期望的力被传递到第一和第二驱动系72和172。飞轮护罩62和起动机壳体64的整体尺寸和形状可以从附图的示意性图示改变，以适于在此描述的各种替代实施方式的不同几何形状。
第一和第二杆叉70和170的有可能的连接在图6中清楚示出并在下面单独描述。通常，相应的第一和第二杆叉70和170可以实施为模制塑料、复合材料或者具有叉形端部的金属臂，该叉形端部抓住和直接接合导引元件77的圆柱形外表面77S(见图6)，使得柱塞180沿着轴线A5的线性运动或平移通过第一杆叉70提供的机械连杆传递成第一驱动系72沿着轴线A3的线性运动，沿着轴线A3的线性运动又将小齿轮P2移动成与图1所示的飞轮45的第一齿轮元件44接合。同样，螺线管装置S1的柱塞80的运动最终导致第二杆叉170的类似旋转，并引起小齿轮P1沿着轴线A5朝向起动机壳体64的平移，并由此与图1的MGU28的第二齿轮元件54形成接合。
图3B示出图2B的替代单螺线管设计的分解图。图3B的内部细节与图3A的那些相同，具有少数显著的例外。例如，如上面参照图3A提出的相应的第一和第二驱动系72和172的描述适用于图3B。但是，由于仅使用一个线性致动器，即，螺线管装置S3，因此对第一和第二杆叉70和170进行额外修改，以向小齿轮P1和P2提供所需要的运动。
更具体地说，第三杆叉270与第一杆叉70一起使用，以通过仅一个螺线管装置S3提供两个小齿轮P1和P2的期望平移。实现单个线性致动器设计的额外的变化包括提供如图6中所示的具有两个抵靠部或肩台85的柱塞180，取代图3A设计中的仅一个，并包括自由柱塞280，该术语“自由”表示具有柱塞280的两个自由或远侧端部，虽然被如在此描述的杆叉70、170或270中的不同一个接合，但不是螺线管装置S3本身的运动部分。相反，自由柱塞280由导引特征90支撑并接收在该导引特征90之内，并用于将线性运动从自由柱塞280通过第二杆叉170传递到第二驱动系172。
参照图6，图3B中所示的致动器组件40B的单个螺线管设计以透视侧视图图示出，且这个视图更好地图示了第一、第二和第三杆叉70、170和270的各种连接。轴71沿着轴线A3布置。小齿轮P1和P2沿着轴线A3设置在轴71上，且可与第二齿轮元件54接合的小齿轮P1嵌套在可选的外部更大齿轮元件79之内，以形成在MGU28处具有期望速比的匹配齿轮。匹配齿轮也可以是单个齿轮，而没有在外部齿轮79内嵌套小齿轮P1。嵌套设计的使用可以使可获得的起动机马达齿轮部件的再使用或再封装。超越离合器75设置成与驱动元件77轴向相邻，且驱动元件77的相应的轴向表面77S形成由杆叉70和170的端部接合的肩台或抵靠部。
相对于第一杆叉70，这种结构具有两个端部B和C，每个端部限定了两个分叉的弧形叉或抓持器，它们被构造成分别接合轴向表面77S和肩台85。第一杆叉70具有枢转点88，该枢转点88紧靠例如图3A的飞轮护罩62的反作用表面62R反作用。随着螺线管装置S3将柱塞180拉动到螺线管装置S3中，将180朝向图6中的小齿轮P1移动使得杆叉70的下部部分如图6所观察的向左侧移动，由此将小齿轮P2朝向图1的飞轮45和第一齿轮元件44推动。同时，随着柱塞280朝向小齿轮P2移动，杆叉270的底侧向左移动，由此，导致杆叉170的叉端部G的部分在图6中向右侧移动，由此将小齿轮P1朝向图1的第二齿轮元件54推动。要指出的是，图6的每个杆叉70、170、270使围绕枢转点的运动颠倒，即，当叉的一个端部沿一方向移动时，叉的相对端部在相反方向上移动。从而，螺线管装置S3的柱塞180的端部D或者端部E朝向小齿轮P1的运动将小齿轮P2朝向图1的飞轮45推动。同时，第三杆叉270在第三杆叉270的端部D处接合柱塞180的另一肩台85，同时相对的端部E接合自由柱塞280的肩台85。
第三杆叉270的枢转点86紧靠另一反作用表面62R反作用，以将自由柱塞280朝向小齿轮P2推动。自由柱塞280的另一端部具有由第二杆叉170的端部F所接合的肩台85，且相对的端部G与另一驱动元件77的轴向表面77S接合。导引元件90形成飞轮护罩62或者其他结构的静止部分，并且环绕、支撑并对准该自由柱塞280，如图所示。导引元件90也可以提供用于第二杆叉170的枢转点83的另一反作用表面62R。因此，螺线管装置S3的柱塞180的轴向运动导致小齿轮P1和P2二者分别朝向它们相应的目标接合齿轮元件54、44平移。
在图6的设计中，枢转点86的位置可以在致动器组件40B的设计阶段期间选择，以控制与图1的发动机1和MGU28接合的正时，有效地设定标定的连杆比。例如，第三杆叉270可以相对于枢转点86平衡，使得枢转点与端部D和E等距离。这将确保柱塞180的运动同时将小齿轮P1和P2移动到相同程度。在这种实施方式中，图1的MGU28和发动机14由相应的小齿轮P1和P2同时接合。替代的设计是可能的，替代设计中枢转点86不等距，由此允许一个小齿轮P1或P2在另一个之前接合。这种设计的益处在上面提出，如通过预先加载MGU28而不实际起动发动机14来允许改变主意的起动，或反之亦然。
图5图示了另一致动器组件40C，该致动器组件具有飞轮护罩162并提供图2A和3A的两个螺线管设计的替代的同轴或并排实施方式。螺线管装置S4和S5布置在轴线A3上，每个螺线管装置邻近超越离合器75和驱动元件77中的一个，如上所述。螺线管装置S4和S5的绕组或线圈91通过连接到电源，如电池或者辅助电源(未示出)，而被选择性地供能，这又相对于线圈91产生磁场。该磁场通过沿着轴线A3的相应的轴向力F4和F5推动磁性柱塞92与相邻的驱动元件77和超越离合器75形成接触，这又旋转并轴向移动小齿轮P1或P2，以通过上面参照图1提到的开口侧66与其目标，即，图1的第一齿轮元件44或第二齿轮元件54形成接合。这种设计可以提供整个机电致动器组件40C的更紧凑的轴向设计。
所公开的设计全部是意在使单个辅助电机，即，图1的MGU28，能够与发动机14的齿轮传动的起动一起使用，同时通过皮带传动的驱动系统30保持皮带传动的从动能量产生能力。这消除了单独的辅助起动机马达用于发动机14的冷曲柄起动的需要，该过程在噪声、振动和声振粗糙度(NVH)以及延迟的起动速度方面并非最佳，尤其是在通过BAS系统，如皮带传动的驱动系统30尝试时，这是因为图1的皮带32可能低温打滑。
另外，由于本方案包括通过调节的辅助电压驱动MGU28，任何起动电流和电压下降相对于传统的基于12VDC起动机马达的冷曲轴起动设计而得以减小。在NVH减小方面，一旦发动机14已经起动，并且发动机速度已经超过MGU28的速度，且这种隔离通过图3A、3B、5和6的超越离合器75的操作而提供，这个结果部分由于致动器组件40与图1的飞轮45和MGU28二者的隔离而成为可能。
参照图7，在示例性发动机曲轴转动起动事件中，方法100可以通过图1的控制器50在诸如图1的车辆10的齿轮传动系统的总体控制中执行。开始于步骤S101，在首先将致动器组件40连接、定位或以其他方式设置在图1的第一齿轮元件44和54之间之后。控制器50接收一组控制输入(箭头11)，例如，车辆速度、踏板位置/行程/力、电池状态、周围温度、动力总成13的现在的或期待的操作状态、MGU28的温度、节气门水平、发动机14的开/关状态、点火开关的开/关位置、或者确定致动器组件40的操作是否需要的任何其他适当的输入。每个控制输入(箭头11)可以通过现有的车载传感器(未示出)，例如热电偶、发动机14或变速器20输入/输出速度传感器、位置开关等来探测或测量，或者控制器50可以被其他控制器(未示出)通知这样的控制输入(箭头11)，所述其他控制器诸如发动机控制模块、变速器控制模块、混合动力控制模块等，如本领域中公知的。一旦控制输入(箭头11)已经接收到，方法100行进到步骤S102。
步骤S102包括通过控制器50确定所接收到的一组控制输入(箭头11)是否满足表示图1的动力总成13的所需状态的预定条件(COND)。一个这样的条件可以是在皮带辅助起动下通过图1的第一和第二带轮34和36以及第二齿轮元件54，或者中齿轮传动起动下通过第一齿轮元件44的发动机14的要求的发动机曲轴起动。也就是，当控制输入(箭头11)对应于起动图1的发动机14的需求时，控制器50确定预定条件被满足并且作为这个确定的结果行进到步骤S103。否则，控制器50重复步骤S101。
在步骤S103，控制器50基于所接收到的控制输入(箭头11)接合小齿轮P1和P2中的一个或二者。步骤S103可以包括将控制信号(箭头111)发送到上面描述的一个或多个螺线管装置S1、S2、S3、S4或S5，以引起小齿轮P1和P2沿着第三轴线A3平移，以选择性地接合第一和第二齿轮元件44和54中的相应一个。被控制的螺线管装置的标识将取决于实施方式，例如，图2A的螺线管装置S1和S2、图2B的螺线管装置S3或者图5的同轴布置的螺线管装置S4和S5。如上面解释的，螺线管装置可以被同时或一个在另一个之前触发或致动，如果该设计允许顺次触发，以预先加载图1的发动机14或MGU28的话。在步骤S104首先确定第一和/或第二齿轮元件44和/或54已经接合之后，方法100然后行进到步骤S105。
步骤S105包括相对于使用致动器组件40的系统执行控制动作(EXECCA)。在与发动机起动事件的上述示例一致的情况下，步骤S105可以包括将控制信号发送到MGU28，以开始发动机的曲轴起动。取决于哪个小齿轮P1或P2与它的目标齿轮元件，即，图1的第一齿轮元件44和第二齿轮元件54接合，控制动作的属性可以在通过第一齿轮元件44的齿轮传动的发动机起动和通过皮带传动的驱动系统30的皮带辅助起动之间变化。在曲轴16的速度超过MGU28的速度时，步骤S105推断出何时小齿轮P1和P2从第一和第二齿轮元件44和54中的相应一个被动脱开。术语“被动”如在此使用的，意味着由于超越离合器75的结构和操作而脱开自动发生，与通过控制信号肯定地指令脱开不同。即，诸如超越离合器75的超越离合器仅在一个方向上保持扭矩并在另一方向上空转，如本领域中所公知的。这种超越/空转装置可以实施为锯齿的、弹簧加载的盘或齿条、弹簧加载的钢辊，所述钢辊设置在从动滚筒的内侧，等等。一旦发动机起动事件的完成被探测到，线性致动器33，例如螺线管装置S1、S2、S3、S4或S5未激励。
虽然已经详细描述了用于实施本发明的最佳模式，但是本发明所属领域的技术人员将意识到在所附权利要求的范围内的用于实践本发明的各种替代设计和实施方式。此外，附图中所示的实施方式以及本说明书中提到的各种实施方式的特征不必被理解为彼此独立。而是，有可能的是：在实施方式的一个示例中描述的每个特征可以与来自其他实施方式的一个或多个其他期望特征相组合，导致文字上或者参照附图未描述的其他实施方式。于是，这种其他实施方式落入所附权利要求的范围的框架内。

Claims (10)

1.一种机电致动器组件，用于具有第一齿轮元件和第二齿轮元件的系统，所述第一齿轮元件围绕第一轴线可旋转，而所述第二齿轮元件围绕第二轴线可旋转，所述机电致动器组件包括：
至少一个线性致动器，响应于来自控制器的一组控制信号以产生轴向力；
一对小齿轮，所述一对小齿轮响应于来自所述至少一个线性致动器的轴向力沿着平行于第一和第二轴线的第三轴线可平移，其中所述一对小齿轮沿着第三轴线的平移导致第一和第二齿轮元件中的相应一个由所述一对小齿轮接合；以及
第一超越离合器，所述第一超越离合器被构造成在所述第一齿轮元件的速度超过第二齿轮元件的速度时将所述一对小齿轮中的一个从所述第一齿轮元件被动地脱开。
2.如权利要求1所述的致动器组件，还包括第二超越离合器，所述第二超越离合器被构造成在所述第一齿轮元件的速度超过所述第二齿轮元件的速度时，将所述一对小齿轮中的另一小齿轮从所述第二齿轮元件被动地脱开。
3.如权利要求1所述的致动器组件，其中，所述第二齿轮元件连接到马达/发电机单元(MGU)并由该马达/发电机单元驱动，所述致动器组件还包括控制器，所述控制器被编程，以处理控制输入，由此确定致动器组件的控制状态，并且将控制信号发送到MGU和至少一个线性致动器，由此，通过所述至少一个小齿轮沿着第三轴线的平移而命令所确定的控制状态的执行。
4.如权利要求1所述的致动器组件，其中，所述至少一个线性致动器是布置在平行于第一、第二和第三轴线的第四轴线上的单个线性致动器。
5.如权利要求1所述的致动器组件，其中，所述至少一个线性致动器是布置在相应的第四和第五轴线上的一对线性致动器。
6.如权利要求1所述的致动器组件，其中，所述至少一个线性致动器中的每一个包括柱塞，在所述至少一个线性致动器被触发时，该柱塞沿着平行于第一、第二和第三轴线的第四轴线朝向第一齿轮元件平移，且所述致动器组件包括多个杆叉，所述多个杆叉中的至少一个可操作地连接到所述柱塞，以在所述柱塞朝向所述第一齿轮元件平移时将轴向力沿着所述第三轴线传递到小齿轮。
7.如权利要求1所述的致动器组件，还包括自由柱塞，该自由柱塞具有两个远侧端部，其中所述两个远侧端部各自由所述多个杆叉中的不同一个接合。
8.一种用于控制车辆上的机电致动器组件的方法，该车辆具有混合动力总成，该混合动力总成包括具有曲轴的发动机、连接到所述曲轴并通过所述曲轴可旋转的飞轮、与所述飞轮一起围绕第一轴线旋转的第一齿轮元件、以及马达-发电机单元(MGU)，所述马达发电机单元具有转子轴和连接到所述转子轴的第二齿轮元件，所述转子轴围绕平行于第一轴线的第二轴线可旋转；以及皮带传动的驱动组件，该皮带传动的驱动组件具有连接到所述曲轴的第一带轮、连接到所述转子轴的第二带轮、以及连接所述第一带轮和所述第二带轮由此将来自MGU的马达扭矩传递到曲轴的环形可旋转驱动元件，所述方法包括：
在第一和第二齿轮元件之间提供机电致动器组件，其中所述机电致动器组件包括至少一个线性致动器；
通过控制器接收一组控制输入；
确定所述组控制输入是否表示动力总成的所需控制状态，在该状态中，需要通过MGU以通过第一和第二带轮以及第二齿轮元件经由设置在曲轴和MGU之间的选择性联接装置的接合的皮带辅助起动方式，或通过齿轮传动起动方式起动发动机；
给所述至少一个线性致动器供能，由此沿着平行于第一和第二轴线的第三轴线产生轴向力；
当所述组控制输入表示需要起动发动机时，通过轴向力将一对小齿轮沿着第三轴线平移，以选择性接合第一和第二齿轮元件中的相应一个，包括将控制信号发送到至少一个线性致动器，以引起所述小齿轮的平移发生；以及
当所述曲轴的速度超过所述MGU的速度时，通过至少一个超越离合器将所述一对小齿轮从所述第一和第二齿轮元件中的相应一个被动地脱开。
9.如权利要求8所述的方法，其中，将控制信号发送到至少一个线性致动器包括将控制信号发送到布置在第四轴线上的单个线性致动器。
10.如权利要求8所述的方法，其中，将控制信号发送到至少一个线性致动器包括将控制信号发送到布置在相应的第四和第五轴线上的一对线性致动器。
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