CN107762704B - 摇杆小齿轮起动机 - Google Patents

Abstract

本申请涉及摇杆小齿轮起动机。提供用于起动车辆发动机的方法和系统。在一个示例中，用于起动车辆发动机的发动机起动机系统包括耦接到发动机曲轴的环形齿轮，以及耦接到起动机马达的小齿轮，该小齿轮具有用于接合环形齿轮的可旋转摇杆元件。以这种方式，小齿轮可以与环形齿轮接合，以将来自起动机马达的扭矩传输到发动机曲轴以快速地起动发动机。

Description

摇杆小齿轮起动机

相关申请的交叉参考

本申请要求2016年8月23日提交的美国临时申请No.62/378,559的优先权。出于所有目的，上述参考的申请的全部内容并入本文作为参考。

技术领域

本说明书主要涉及使用具有起动机马达以及与耦接到发动机曲轴的环形齿轮啮合接触的小齿轮的发动机起动机来起动车辆发动机的方法和系统。

背景技术

可以使用发动机起动机来起动(或在怠速停止后重新起动)车辆发动机。此类起动机的示例可以包括连接到起动机继电器的起动机马达。起动机马达可以经由驱动轴被机械耦接到小齿轮，该小齿轮可以被移动到与耦接到发动机曲轴的环形齿轮啮合的位置。在发动机起动转动期间，电池向起动机马达输送电流，导致附接到小齿轮的驱动轴旋转，从而允许小齿轮驱动环形齿轮。一旦与小齿轮啮合接合，环形齿轮的旋转运动使发动机曲轴快速地旋转，从而允许发动机起动。

发动机起动机的其他示例可以包括永久接合起动机(PES)和集成起动机发电机(ISG)。在PES系统中，在发动机操作期间，小齿轮与环形齿轮永久地啮合。当小齿轮与环形齿轮永久地接合达较长时间段时，增加的齿轮磨损和高占空比可能降低的导致齿轮寿命。这些系统可能需要额外的密封润滑系统。此外，在发动机起动期间，在小齿轮和环形齿轮之间使用高齿轮比(例如，10-15：1)可能导致小齿轮的高转速，这可能是破坏性的。通常放置在发动机和变速器之间的功率转换器(power converter)在用于ISG系统时将发动机的机械功率转换为电能。可替换地，功率转换器可以将车辆电功率转换为机械功率。当用作电动马达时，ISG系统可以被用于起动发动机。ISG系统还可以用作发电机，从而产生电力(当车辆操作时)，其可以用于为电气设备供电并且对车辆电池充电。一些ISG系统需要高起动扭矩，并且可能在发动机操作期间产生大的振动。

Haruno在美国专利8,754,556中公开了用于车辆的示例性发动机起动机。其中，发动机起动机包括连接到电池的起动机继电器和经由驱动轴被机械地耦接到离合器和小齿轮的起动机马达。起动机继电器具有经由变速杆连接到驱动轴的柱塞。在发动机起动期间，来自电池的电流通过起动机继电器内的电磁线圈，以产生致动柱塞以移动变速杆的力。变速杆的前向运动将小齿轮往复运送到与耦接到发动机曲轴的环形齿轮啮合的位置。

然而，在上述公开的发动机起动机的实施例中，小齿轮可以在车辆处于静止(即，曲轴转速可以接近于零)时与环形齿轮啮合。由于每次发动机起动时小齿轮必须与环形齿轮对准，所以发动机起动时间可能增加，导致不必要的延迟和燃料经济性的降低。此外，当小齿轮与环形齿轮接合时，可能发生反冲(backlash)，从而导致驾驶员不适。

发明内容

发明人在此已经认识到上面讨论的各种问题，并且开发了一种发动机起动机系统以至少部分地解决该问题。在一个示例中，发动机起动机系统可以包括耦接到发动机曲轴的环形齿轮和耦接到起动机马达的小齿轮，小齿轮具有选择性地与环形齿轮接合的离心接合元件(例如，摇杆元件)。以这种方式，当小齿轮的离心接合元件从回缩位置旋转到接合位置时，小齿轮可以与环形齿轮接合，以实现快速的发动机起动。

例如，发动机起动机系统的环形齿轮可以与小齿轮永久地对准。当发动机被起动时，小齿轮的摇杆元件可以从它们的凹部(pocket)展开(deploy)，从而允许小齿轮与环形齿轮接合并将扭矩传输到发动机曲轴。在发动机已经起动之后，小齿轮可以与环形齿轮脱离，并且摇杆元件可以被旋转到回缩位置。以这种方式，可以快速起动车辆发动机以提高燃料效率，同时减少(例如，最小化)齿轮反冲并且增加齿轮部件的寿命。

应当理解，提供上述内容以便以简化的形式介绍在详细描述中进一步描述的概念的选择。这不意味着确定所要求保护的主题的关键或基本特征，其范围由所附的权利要求书唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决上述或本公开的任何部分中的任何缺点的实施方式。

附图说明

图1示出具有发动机的车辆推进系统，该发动机包括发动机起动机、牵引马达和齿轮系统。

图2示出具有起动机马达、小齿轮和环形齿轮的发动机起动机系统的示例。

图3A示出具有单向摇杆离合器配置的离心接合小齿轮中的离合器的示例。

图3B和图3C示出具有机械二极管的离心接合小齿轮中的单向离合器的另一示例。

图3D示出具有滚柱接合元件的离心接合小齿轮中的单向离合器的另一示例。

图3E和图3F示出具有立柱的离心接合小齿轮中的单向离合器的另一示例。

图4A和图4B示出在起动机的副轴上的离心接合小齿轮的示例。

图5示出用于小齿轮和环形齿轮的弹簧阻尼器系统的示例。

图6示出沿环形齿轮的内直径定位的离心接合小齿轮的示例。

图7示出用于控制发动机起动机的电气系统的示例。

图8示出起动发动机的示例方法。

图9示出当操作车辆推进系统的发动机起动机以重新起动发动机时的示例图形化输出。

具体实施方式

以下描述涉及用于使用具有起动机马达、小齿轮(例如，摇杆小齿轮)和耦接到发动机曲轴的环形齿轮的发动机起动机来起动车辆发动机的系统和方法。在图1中示出具有发动机起动机、牵引马达和齿轮系统的车辆推进系统。发动机起动机系统的示例在图2中示出。发动机起动机包括起动机马达和小齿轮，该小齿轮轴向耦接到驱动轴，该驱动轴经由离合器连接到起动机马达。驱动轴允许小齿轮将来自起动机马达的扭矩传输到环形齿轮，该扭矩被进一步传输到发动机曲轴。以这种方式，输出轴的旋转运动允许发动机快速地起动。图3A示出包括在离合器中具有离心接合元件的小齿轮和环形齿轮的齿轮系统的示例。在图3A中，离心接合元件是被设计成围绕销枢转的摇杆元件，用于基于小齿轮的旋转转速来延伸和回缩。要注意的是，离心接合元件也以可以被配置为如图3B和图3C所示的机械二极管、如图3D所示的滚柱(roller)，以及如图3E和图3F所示的立柱(sprag)。在一个示例中，摇杆元件可以沿小齿轮的圆周表面附接，可以被配置为当小齿轮达到或高于摇杆展开(deployment)转速时弹出，这然后允许摇杆与环形齿轮啮合。当环形齿轮达到使得其点燃发动机的转速时，环形齿轮转速可以超过小齿轮转速，而不驱动小齿轮，因为摇杆作为单向离合器起作用。两个齿轮脱离，因此可以关闭起动马达。小齿轮的旋转停止，并且摇杆元件可以被收回到其相应的凹部中，以在车辆操作期间减少(例如，最小化)小齿轮与环形齿轮接合的情况。图4A和图4B示出在起动机的副轴上的小齿轮的示例配置。如果需要，将小齿轮定位在起动机的副轴上允许小齿轮、摇杆和起动机的尺寸的更多的变化。图5示出结合到环形齿轮中的示例性弹簧阻尼器系统，其有助于在第一次冲击后减轻碰撞或金属声(clunk)。图6示出不同配置的示例，其中小齿轮与环形齿轮的内直径上的凸轮啮合。图7示出用于控制发动机起动机的示例电气系统。电气系统包括用于控制起动机马达的多个开关。图8示出通过发动机起动机起动发动机的示例方法，该发动机起动机包括起动机马达、小齿轮和经由曲轴被耦接到发动机的环形齿轮。起动机马达被连接到控制发动机起动机内的电流流动的电气系统。图9示出当发动机起动机被操作以重新起动发动机时的示例图形化输出。可以匹配同步转速和小齿轮转速，以确保当发动机被重新起动时小齿轮与环形齿轮充分接合。控制起动机马达的小齿轮转速也可以被用于减轻金属声和/或其他噪音、振动和刺耳声(NVH)。

图1至图6示出具有车辆推进系统和发动机起动机系统的各种部件的相对定位的示例性配置。如果被示为互相直接接触或直接耦接，那么至少在一个示例中，此类元件可以分别被称为直接接触或直接耦接。类似地，被示为彼此相邻或邻近的元件至少在一个示例中可以分别是彼此相邻或邻近的。作为示例，彼此共面接触放置的部件可以被称为处于共面接触中。作为另一示例，彼此分开定位，其之间只有空间而没有其他部件的元件至少在一个示例中可这样被这样称谓。作为又一示例，被示为在彼此上方/下方，在彼此相对的侧，或在彼此的左/右侧的元件可以相对于彼此被这样称谓。此外，如图所示，在至少一个示例中，最顶部的元件或元件的点可以被称为部件的“顶部”，并且最底部的元件或元件的点可以被称为部件的“底部”。如本文所使用，顶部/底部、上部/下部、上方/下方可以相对于图形的竖直轴并且用于描述图形的元件相对于彼此的位置。这样，在一个示例中，被示为在其他元件上方的元件被竖直地定位高于其他元件。作为又一示例，图形内所描绘的元件的形状可以被称为具有那些形状(例如，诸如圆形的、直的、平面的、弯曲的、球形的、倒角的、成角度的等)。此外，在至少一个示例中，彼此相交的元件可以被称为相交元件或彼此相交。此外，在一个示例中，被示为在另一个元件内或被示为在另一个元件外部的元件可以被这样称谓。

图1描绘车辆推进系统100，其包括车辆底盘102和具有轮42的轴104以及发动机10，其中轮可以驻留在地面上。如图所示，发动机具有多个汽缸30，该汽缸30可以由包括一个或多个燃料箱、燃料泵和燃料喷射器32的燃料系统(未示出)来加燃料。发动机10可以通过致动发动机起动机系统150以产生扭矩或旋转力来起动。发动机起动机系统150包括产生扭矩的起动机马达101，该扭矩经由驱动轴110被传输到具有离合器111的小齿轮106(例如，小齿轮凹部板)，该离合器111具有离心接合元件113。离合器111使小齿轮106能够选择性地接合环形齿轮112。

在一个示例中，小齿轮可以不能轴向移位，并且贯穿所有操作被始终定位在相同的轴向位置。在另一示例中，离心接合元件可以经由杆或弹簧附接到小齿轮的圆周表面，或被设置在具有保持板的凹部中，从而当小齿轮被致动时，允许离心接合元件从回缩位置展开到接合位置。在一种情况下，这可以由摇杆的重心和离合器中的摇杆和凹部接口的工程几何来控制，从而导致摇杆和凹部之间的受控的接触点。一旦发动机起动机的起动机马达被关闭，离心接合元件就通过重力和/或通过弹簧被收回到它们相应的凹部中，并且小齿轮不能与环形齿轮112啮合。当发动机起动机的起动机马达打开时，由起动机马达产生的扭矩被传输到小齿轮，使齿轮转动。结果，由小齿轮的旋转引起的离心力使得离心接合元件从其回缩位置旋转到接合位置，从而允许小齿轮与环形齿轮接合。

当小齿轮与环形齿轮啮合接触时，由起动机马达产生的扭矩进一步被传输到环形齿轮，使发动机曲轴18能够快速地旋转以起动发动机。例如，小齿轮可以永久地与环形齿轮对准，以允许在车辆运动时快速的发动机重新起动。当运行时，发动机10向可以包括离合器转换器35、多个齿轮37等的变速器系统34输送功率。变速器系统可以在经由输出轴20向差速器组件36输送功率之前修改传输的扭矩。随后，差速器组件36将传输的功率分配给车轮42，允许车辆被推进。在本文中参考图2和图7更详细地描述发动机起动机的细节。

车辆推进系统100可以进一步包括控制系统，该控制系统包括被配置为从多个传感器16接收信息并且向多个致动器17发送控制信号的控制器12。例如，控制器可从发动机起动机系统150和电池54接收信息。控制器还可从传感器16接收信息。作为示例，传感器16可以包括各种压力和温度传感器、燃料液位传感器、排气传感器等。各种致动器可包括齿轮、汽缸燃料喷射器(未示出)、耦接到发动机进气歧管的进气节气门(未示出)、起动机开关等。控制器12可以从发动机起动机和各种传感器接收输入数据，处理输入数据，并响应于处理的输入数据基于被编程到该控制器中的对应于一个或多个例程的指令或代码来触发致动器。

在本文中参考图8描述用于控制发动机的示例控制例程，并且在图9中公开了示例图形化输出。此外，控制器至少包括处理器56和存储可由处理器执行的指令的存储器58(例如，非暂时性存储器)。存储的指令可以为本文所描述的任何控制例程、方法等。

转向图2，示例发动机起动机系统200被示为具有起动机马达202、被轴向耦接到驱动轴210的小齿轮206，该驱动轴210被连接起动机马达。应当理解的是，发动机起动机系统200是图1所示的发动机起动机系统150的示例配置。小齿轮206(例如，摇杆小齿轮)被机械地耦接到驱动轴，以允许小齿轮将来自起动机马达202的扭矩传输到耦接到曲轴的环形齿轮212，其中曲轴连接到发动机。发动机起动机可以被提供在诸如图1所示的车辆推进系统上，并且可以适用于在具有其他配置的车辆系统上使用。应当理解的是，环形齿轮212也可以被包括在发动机起动机系统200中。

小齿轮206还可以包括具有离心接合元件215的离合器213。离合器213可以被配置为在期望的工况期间将旋转能量从小齿轮206传递到环形齿轮212。具体地，在一个示例中，离合器213可以被配置为单向离合器，其在小齿轮的旋转速度超越阈值时接合环形齿轮212。在本文中参考图3A至图3F更详细地描述离合器213的不同示例。

起动机马达202包括牢固地连接到马达轴的电枢管芯226、围绕电枢管芯缠绕并且机电地连接到换向器230的电枢线圈227。由附接到马达壳体222的内圆周表面的永久磁体组成的电极228限定包含电枢管芯的开口。被定位在起动机马达后端的刷232被置于与换向器230滑动接触。马达轴的远端被安装在端部盖216的内侧，端部盖216可以包含将马达轴的温度维持在可接受水平的润滑油，以实现起动机马达的平滑操作。应当理解的是，已经考虑了响应于电能输入产生输出扭矩的其它合适的起动机马达配置。例如，在其他示例中，起动机马达可以具有无刷配置。

图3A至图3F示出了在图2所示的小齿轮206中具有离心接合元件215的离合器213的不同示例。因此，图3A至图3F所示的离合器是离合器213的示例，并且因此可以被包括在图2所示的发动机起动机系统200中。

现在参考图3A，小齿轮206a被示为与环形齿轮212a啮合接触。集成到小齿轮206a中并且在小齿轮206a和环形齿轮212a之间提供单向旋转接合的离合器300a也在图3A中示出。在图3A中，离合器300a处于接合配置(例如，在小齿轮206a和环形齿轮212a之间提供啮合接触)。然而，在不同的工况期间，离合器可以处于不发生小齿轮206a和环形齿轮212a之间的啮合接触的脱离配置。当离合器300a处于接合配置时，环形齿轮212a响应于从在方向320a上旋转的小齿轮206a接收的旋转输入而在方向322a上旋转。

如图3A所示，离合器300a具有凹部314a和可旋转摇杆元件312a，其经由销318a被径向保持并且经由保持器板326a被轴向保持到小齿轮的圆周表面。凹部314a被设定尺寸以在处于回缩位置时配合摇杆元件312a。如图所示，可旋转摇杆元件312a具有在移动时摇出的摇杆臂316a的接合端315a，和在摇杆臂下方的凹部314a，该凹部允许摇杆臂在回缩时完全配合在凹部中。此外，可旋转摇杆元件具有圆形旋转端321a。在一个示例中，旋转端321a可以包括用于将摇杆元件径向地保持到小齿轮的保持杆的开口。然而，在其他示例中，该开口可以从旋转端321a省略。应当理解的是，当离合器300a处于接合配置时，接合端315a可以被配置为与环形齿轮212a中的凹口(notch)329啮合。

在图3B和图3C中示出离合器300b的另一配置。具体地，图3B示出环形齿轮212b和小齿轮206b中的离合器300b的视图。如图3B所示，环形齿轮212b包括凹口330。然而，在其它示例中，环形齿轮212b可以包括凸轮。凹口330可以被配置为与离合器300b中的部件接合，这关于图3C被更详细地讨论。

图3C示出环形齿轮212b和小齿轮206b中的离合器300b的一部分的详细视图。离合器300b具有包括机械二极管312b的配置，该机械二极管312b位于小齿轮的面上的凹部314b中，并且在期望的工况期间轴向地展开以与图3B所示的凹口330接合。具体地，机械二极管312b包括与图3B所示的凹口330接合的臂332。臂332可以围绕轴334枢转以使得臂能够行进到接合位置和脱离位置。

当在方向320b上旋转时，一旦小齿轮达到机械二极管312b的展开转速，则机械二极管312b展开。展开的机械二极管312b然后可以与图3B所示的环形齿轮212b的重叠面上的凹口330耦接，从而在方向322b上旋转环形齿轮。图3C示出在方向322b上旋转的环形齿轮212b和在方向320b上旋转的小齿轮206b。

在图3D中示出发动机起动机系统中的离合器300d的另一配置。图3D示出在方向322d上旋转的环形齿轮212d和在方向320d上旋转的小齿轮206d。在示出的示例中，离合器300d是滚柱式单向离合器。

在图3D所示的离合器配置中，离合器300d包括位于围绕小齿轮206d径向定位的凹部314d中的滚柱312d。

当零件处于静止或低于展开转速时，弹簧324d可以用于将滚柱312d返回到非展开位置。当小齿轮以展开转速或高于展开转速在方向320d上旋转时，滚柱离心地向上滑动凹部到它们可以与径向平滑的环形齿轮212d开始接触的位置，使其在方向322d上旋转。比如，外表面336可以是平滑的并且形成环状以实现环形齿轮212d和小齿轮206d之间的较低摩擦相互作用。然而，已经考虑了其他环形齿轮表面轮廓，比如，诸如具有接合凹陷部的轮廓。

图3E和图3F示出发动机起动机系统中的离合器300e的另一配置。具体地，图3E示出在方向322e上旋转的环形齿轮212e和在方向320e上旋转的小齿轮206e。离合器300e被配置为图3E和图3F中的立柱式单向离合器。具体地，离合器300e包括由弹簧344连接的立柱342。立柱342位于小齿轮206e中的径向凹槽346中。

当零件处于静止或低于展开转速时，弹簧344可以用于将立柱342返回到非展开位置。当小齿轮以展开转速或高于展开转速在方向320e上旋转时，立柱342离心地向上滑动凹槽到它们可以与径向平滑的环形齿轮212e接触的位置，使其在方向322e上旋转。

图3F示出离合器300e中的立柱342和弹簧344的详细视图。在图3F中也示出环形齿轮212e和小齿轮206e的一部分。在示出的示例中，立柱342是不对称的并且具有数字8的形状。具体地，立柱342包括具有接合凸角350的外表面348，当离合器300e处于接合配置时，接合凸角350可以与环形齿轮212e的外表面354和/或小齿轮206e的外表面356共面接触。以这种方式，来自小齿轮的旋转能量可以从小齿轮被传递到环形齿轮。在脱离配置中，立柱348中的凸角350可以与环形齿轮212e的外表面354和/或小齿轮206e的外表面356间隔开。立柱342还包括非接合凸角352。非接合凸角352在接合配置和脱离配置二者中不与环形齿轮和小齿轮共面接触。另外，非接合凸角352被定位在立柱342的拐角上。弹簧344可以邻近非接合凸角352被耦接到立柱342。

在图4A和图4B中示出小齿轮的另一个配置，其中小齿轮定位在副轴上。图4A和4B所示的发动机起动机系统400是图1所示的发动机起动机系统150的示例。具体地，图4A示出发动机起动机系统400的前视图，并且图4B示出发动机起动机系统400的后视图。发动机起动机系统400包括环形齿轮402和与副轴小齿轮406啮合的起动机小齿轮404。起动机小齿轮404包括离合器408。离合器408可以设计为具有离合器特征或具有以上参考图3A至图3F讨论的特征的组合。比如，离合器可以是具有摇杆臂或机械二极管的单向离合器。

如图4B所示，副轴小齿轮406可以经由附接齿轮410旋转地耦接到小齿轮404，该附接齿轮410具有与副轴小齿轮406中的轮齿414啮合的轮齿412。因此，起动机小齿轮402可以被啮合到被固定到小齿轮402的副轴小齿轮404。因此，起动机小齿轮402可以被啮合到被固定到小齿轮402的副轴小齿轮404。在该配置中，小齿轮206与离合器408中的离心接合元件416可以在尺寸上变化，同时仍然利用较小的起动机。

为了封装目的，存在将实现利用离心接合小齿轮的功能的配置的更多变型。比如，如图6所示，环形齿轮600可以被设计成具有裙602，该裙602在内直径而不是外直径上的凸轮板610上具有凸轮604。在图6所示的配置中，小齿轮606将被同轴地定位在环形齿轮的内直径上，使得离合器607的离心接合元件608作用在环形齿轮裙的内直径上的凸轮上。应当理解的是，小齿轮606中的离合器607可以具有与图3A所示的离合器300a类似的配置。

在一个示例中，如果需要，本文所述的离心接合小齿轮起动机可以以不需要润滑系统的方式来设计和配置。这可以通过工程设计摇杆和凹部的几何以减少接触磨损并且还可以包括或可以不包括弹簧的使用使得当环形齿轮运行超过小齿轮时存在减少(例如，最小、大致为零等)的棘轮效应来实现。为了省略润滑系统解决的另一个重要方面是可旋转摇杆元件和/或小齿轮凹部可以包括非腐蚀/耐腐蚀材料。耐腐蚀材料的示例可以是但不限于不锈钢、铝、钛、氮化碳或合金钢。这使得摇杆和凹部不会因腐蚀卡在一起。

为了减少(例如，最小化)齿轮反冲，当小齿轮与环形齿轮啮合接触时，起动机马达可以被动态地控制以匹配曲轴转速。以这种方式，当车辆运动时，曲轴转速可以保持高于例如1000rpm。与环形齿轮相比通常具有较轻质量的小齿轮可以以与环形齿轮相比不同的转速旋转，导致该对齿轮之间的惯量差异。如图5所示，阻尼器510可以被附接到齿轮系统以在齿轮接合期间减轻小齿轮和环形齿轮之间的惯量差异。存在多种方式来实现阻尼效果，环形齿轮阻尼器系统500的示例可以是但不限于使用弹簧501、弹性体等将环形齿轮212与飞轮502分开。阻尼器也可以被并入起动机马达中。当小齿轮摇杆元件接合环形齿轮时，阻尼器可以减少(例如，消除)金属声或齿轮反冲，并且还减少对硬件的冲击，从而减少系统上的磨损。

用于减轻反冲和减少金属声的另一种方法是在小齿轮加快旋转到展开转速之后的任何时间使两个摇杆元件与环形齿轮啮合。该方法可以利用重力、摇杆元件的重心和小齿轮的位置，使得当请求展开时，至少两个摇杆元件与环形齿轮啮合，并且当小齿轮处于静止时，径向地处于适当位置以与环形齿轮啮合的这些摇杆将回缩回到它们的凹部中，使得它们不与环形齿轮接触。然而，径向围绕小齿轮的摇杆在其他地方可以由于重力处于展开位置，但不与环形齿轮接触。

在啮合后，小齿轮可以将起动机马达产生的扭矩传输到环形齿轮，使得环形齿轮在某一方向上旋转，并随后将扭矩传输到曲轴。结果，曲轴快速旋转以起动发动机。以这种方式，小齿轮可以与永久对准的环形齿轮啮合接触，以允许迅速的发动机起动，同时减少(例如，最小化)金属声或齿轮反冲。

现在转到图7，示出用于控制发动机起动机诸如参考图1公开的发动机起动机系统150的示例电气系统700。电气系统700包括连接到电池54的开关702。

如图所示，起动机马达202被电连接到电池54，其中电池的远端706被接地。在发动机起动机被打开之后，控制器(例如，图1中的控制器12)可以被致动以闭合开关702。当开关702闭合时，电气系统700形成允许电流从电池流到起动机马达202的闭合回路。开关不控制小齿轮的位置，因为在发动机起动之前和在发动机操作期间小齿轮可以与环形齿轮永久地对准。例如，小齿轮可以是不能轴向移位的，并且贯穿所有发动机操作始终被定位在相同的轴向位置。在另一个示例中，环形齿轮在起动操作、发动机操作和发动机停用期间不能轴向移动。

到齿轮接合之前，附接到小齿轮的外表面的离心接合元件213可以保持在它们被收回的适当位置。一旦起动机马达202被电连接到电池54，电流就流过起动机马达202中的电枢管芯，从而产生被传输到环形齿轮212的驱动轴210的扭矩或旋转力。由起动机马达产生的扭矩被传输到可以在第一方向上旋转的小齿轮206。小齿轮的旋转运动产生离心力，该离心力使得离心接合元件113从其相应的凹部中弹出，从而允许小齿轮与环形齿轮啮合。当与环形齿轮啮合接触时，小齿轮将来自起动机马达的扭矩传输到耦接到发动机曲轴的环形齿轮，从而使得环形齿轮在与第一方向相对的第二方向上旋转。环形齿轮的旋转运动使发动机曲轴快速旋转，从而允许发动机起动。

在脱离环形齿轮之后，小齿轮上的摇杆元件可以被收回到其相应的凹部中，并且一旦发动机已经起动，小齿轮可以不与环形齿轮啮合。在一个示例中，可旋转摇杆元件具有回缩位置和延伸位置，在回缩位置中，它们不与环形齿轮接合，在延伸位置中，它们与环形齿轮接合。作为另一示例，摇杆元件可以作为单向离合器操作，使得环形齿轮不可以驱动小齿轮。以这种方式，可以通过摇杆元件的位置来控制齿轮接合。通过使小齿轮与环形齿轮脱离，齿轮磨损和占空比可以减少，从而增加齿轮寿命。

以此方式，发动机可以由发动机起动机系统起动，该发动机起动机系统包括耦接到发动机曲轴的环形齿轮和耦接到起动机马达的小齿轮，小齿轮具有用于接合环形齿轮的可旋转摇杆元件。一旦处于弹出位置，摇杆元件允许小齿轮与环形齿轮接合，并且将来自起动机马达的扭矩传输到发动机曲轴，从而允许发动机起动。现在参考图8，示出用于使用发动机起动机起动车辆发动机的示例方法800，该发动机起动机包括起动机继电器、起动机马达和与耦接到发动机曲轴的环形齿轮啮合接触的小齿轮。为了减少(例如，最小化)齿轮反冲，当小齿轮与环形齿轮啮合接触时，起动机马达可以被动态地控制以匹配曲轴转速。本文包括的用于实施方法800的指令可以由控制器基于存储在控制器的存储器(例如，非暂时性存储器)中的指令并且结合从发动机系统的传感器(诸如上述参考图1所述的传感器)接收的信号来执行。控制器可以采用发动机系统的发动机致动器根据下面描述的方法来调节发动机操作。

在802，方法800包括打开开关(诸如图7中的开关702)以起动发动机。可以致动控制器(例如，图1中的控制器12)来打开开关以完成将起动机继电器连接到电池或其他合适的电源的电路。在发动机起动机的第一示例中，第一开关可以不控制小齿轮的位置，因为在发动机起动之前和发动机操作期间小齿轮被永久地与环形齿轮对准。在一个示例中，可以致动控制器来打开开关以将可移动触点朝向固定触点移动，以将起动机马达连接到电池。具体地，可移动触点与固定触点进行面接触，以将起动机马达与电池连接。当电连接到电池时，电流流过起动机马达的电枢管芯(例如，图2的电枢管芯226)，从而产生管芯中电磁场的变化。结果，起动机马达产生经由驱动轴传输到小齿轮的扭矩或旋转力。

在804，由于起动机马达中产生的扭矩，小齿轮开始旋转。由于齿轮旋转引起的离心力，附接到小齿轮的圆周表面的摇杆元件(例如，图3A中的摇杆元件312a)可以从回缩位置旋转到接合位置。一旦摇杆元件处于接合位置，如参考图3A所公开的，小齿轮的摇杆与环形齿轮的凸轮啮合。例如，小齿轮的轮齿和摇杆可以以与环形齿轮的轮齿相同的转速移动，从而允许小齿轮与环形齿轮接合。在另一示例中，当发动机运行时，可旋转摇杆元件可以在与环形齿轮的旋转方向相对的方向上从回缩位置旋转到接合位置。如参照图9进一步公开的，当车辆运动时，起动机马达可以被动态地控制以匹配在将小齿轮接合到环形齿轮时的曲轴转速。以这种方式，当曲轴转速高于例如1000rpm时可以重新起动发动机，并且齿轮反冲可以减少。一旦摇杆元件处于接合位置，在806，来自起动机马达的扭矩经由小齿轮传输到环形齿轮。

接下来在808，环形齿轮的旋转运动被传输到耦接到环形齿轮二者的发动机曲轴。结果，发动机曲轴通过环形齿轮快速地旋转，从而允许发动机起动。例如，发动机曲轴的转速可以在发动机已经起动之后从较低水平增加到较高水平。

在810，关闭开关以中断到起动机马达的电流流动。接下来在812，小齿轮与环形齿轮脱离，并且小齿轮上的摇杆被收回到相应的凹部中。例如，当发动机操作时，小齿轮可以在脱离之后保持与环形齿轮对准。在从环形齿轮脱离后，小齿轮上的摇杆可以被收回到其相应的凹部中，以减少(例如，最小化)一旦发动机已经起动后小齿轮与环形齿轮接合的情况。例如，摇杆元件或臂作为单向离合器操作，使得环形齿轮不可以驱动小齿轮。以这种方式，可以通过减少发动机操作期间的齿轮磨损和占空比来增加齿轮寿命。

现在参考图9，图形示出用于起动车辆发动机(诸如图1中的车辆推进系统100中描绘的发动机)的发动机起动机的示例性操作。时间T0至T5处的垂直标记表示在序列期间感兴趣的时间。在下面讨论的曲线图中，水平轴表示时间并且时间从每条曲线图的左侧到每条曲线图的右侧增加。

从图9的顶部起的第一曲线图描绘同步转速和小齿轮转速与时间。垂直轴表示同步转速和小齿轮转速，并且同步转速和小齿轮转速在垂直轴的方向上增加。迹线902表示同步转速，并且迹线904表示小齿轮转速。从图9的顶部起的第二曲线图描绘发动机转速与时间。垂直轴表示发动机转速，并且发动机转速在垂直轴方向上增加。迹线906表示发动机转速，并且迹线908表示阈值转速。从图9的顶部起的第三曲线图描绘起动机马达状态与时间。垂直轴表示起动机马达状态，值“0”指示起动机马达被关闭时的第一状态，值“1”表示起动机马达被打开时的第二状态。迹线910表示起动机马达状态。

在T0和T1之间的时间，发动机可以以高于阈值转速(908)的发动机转速(906)操作，并且车辆可以以例如稳定的转速移动。阈值转速是发动机可以在没有电动起动机马达的帮助下重新点燃的最小发动机转速。任何时候发动机转速处于阈值转速或高于阈值转速，并且命令电动起动机马达，则小齿轮摇杆元件将相对于环形齿轮超越限度(overrun)。在T1和T4之间，如果在发动机转速低于阈值转速时命令起动机马达，则小齿轮摇杆元件将比环形齿轮转动得更快，因此它们将接合环形齿轮，直到发动机转速达到阈值转速。一旦在T4达到阈值转速，环形齿轮将超过小齿轮，并且起动机马达可以被关闭。在一个示例中，耦接到发动机曲轴的环形齿轮可以以发动机转速旋转，同时从小齿轮脱离(即，环形齿轮轮齿不与小齿轮的轮齿啮合)。同步转速(902)相当稳定，并且由于起动机马达(910)被关闭，小齿轮转速为零。

在T1之前，例如，由于车辆减慢，发动机转速降低到阈值转速以下。在一个示例中，当接近具有停车灯的道路交叉口时，车辆可以减慢。起动机马达保持关闭，并且小齿轮保持静止。作为示例，小齿轮上的摇杆元件可以保持在回缩位置，并且小齿轮可以不与环形齿轮接合。

在T1和T2之间，发动机转速继续降低(直到车辆减速到驻车)，但是保持在阈值转速以下。作为示例，发动机转速降低直到发动机被关闭，但继续旋转(即，发动机转速保持在零转速之上)。类似地，同步转速随着发动机转速的降低而降低。由于起动机马达被关闭，小齿轮转速保持为零。

在T2时，在车辆已经完全停止之后而发动机仍然旋转时，起动机马达被打开以重新起动发动机。作为示例，重新起动请求发生在发动机转动到静止之前。结果，小齿轮转速(904)开始逐渐增加，但是保持在同步转速以下。作为示例，小齿轮上的摇杆元件可以开始转动，并且随着小齿轮转速的增加，摇杆元件的转速可以逐渐增加。

在T2和T3之间，发动机转速保持相当稳定，而小齿轮转速逐渐增加。起动机马达保持打开以向小齿轮提供动力。同步转速继续降低，然而保持在小齿轮转速之上。

在T3，同步转速达到与小齿轮转速相等的值。此时，小齿轮的可旋转摇杆元件从其凹部中弹出，并且小齿轮与环形齿轮接合，以将来自起动机马达的扭矩传递到发动机曲轴。作为示例，小齿轮上的可旋转摇杆元件(由于由齿轮旋转引起的离心力)可以从其凹部弹出，从而允许小齿轮与环形齿轮啮合。在另一示例中，当发动机运行时，可旋转摇杆元件可以在与环形齿轮的旋转方向相对的方向上从回缩位置旋转到接合位置。在一个示例中，小齿轮的轮齿和可旋转摇杆元件可以与环形齿轮的轮齿相同的速度移动，从而允许小齿轮与环形齿轮接合。当与小齿轮接合时，环形齿轮的转速可以快速地增加，从而允许发动机曲轴以与环形齿轮相同的转速旋转。作为示例，可以响应于感测的发动机转速来调节起动机马达的旋转转数。因此，传递的(来自起动机马达的)扭矩可以导致发动机曲轴快速地旋转，从而允许发动机迅速地重新起动。

在T3和T4之间，同步转速和小齿轮转速快速地增加，并且因此发动机转速增加，直到发动机被重新起动。由于与环形齿轮相比，小齿轮的直径通常较小，所以与环形齿轮相比，小齿轮可以较快的转速旋转。一旦发动机已经被重新起动，发动机汽缸可以被点燃以燃烧空气和燃料，以便提供发动机扭矩来维持车辆推进。结果，车辆可以开始移动，并且车辆转速可以增加。起动机马达保持打开以向发动机提供动力。

在T4之前，发动机转速达到阈值转速，从而允许车辆以比发动机重新起动更快的转速移动。同步转速以较快的速率增加(与小齿轮转速相比)，并且随后超过小齿轮转速。结果，小齿轮与环形齿轮脱离。例如，在与环形齿轮脱离后，摇杆元件的速度可以降低。在一个示例中，一旦摇杆元件的速度降低到阈值速度以下，摇杆元件可以被回缩到其凹部中。以这种方式，在发动机已经被重新起动之后，小齿轮可以不与环形齿轮接合。作为示例，摇杆元件或臂作为单向离合器操作，使得环形齿轮不可以驱动小齿轮。在发动机已经重新起动之后，通过使小齿轮与环形齿轮脱离，可以减少或最小化齿轮磨损以增加齿轮寿命。

在T4，发动机转速超过阈值转速，并且车辆转速可以继续增加。起动机马达可以被关闭以中断向小齿轮输送动力。例如，起动机马达可以响应于发动机转速达到阈值转速而停用。因此，同步转速降低至零，并且小齿轮转速可以开始逐渐降低。

在T4和T5之间，发动机转速继续增加，直到达到逐渐下降之前的峰值发动机转速。例如，在获得稳定的车辆转速之前，车辆转速可以随发动机转速的增加而快速地增加。小齿轮转速继续快速地降低，并且起动机马达保持关闭。

在T5，小齿轮转速达到零转速，并且小齿轮开始静止。例如，在环形齿轮轮齿速度超过摇杆元件或臂的转速之后，小齿轮可以减慢转动到静止。发动机转速保持相当稳定，并且起动机马达保持被关闭。

本公开的主题在以下段落中进一步描述。根据一个方面，提供一种发动机起动机系统。该发动机起动机系统包括耦接到发动机曲轴的环形齿轮；以及耦接到起动机马达的小齿轮，该小齿轮具有用于接合环形齿轮的离心接合元件。

在另一方面，提供一种方法。该方法包括在发动机朝向静止减慢转动期间，响应于重新起动请求，用起动机马达转动轴向和径向固定的小齿轮；使小齿轮的离心接合元件朝向具有轮齿的环形齿轮移位，轮齿比离心接合元件移动得更快；以及一旦离心接合元件达到齿的转速，就将离心接合元件接合到轮齿并且使用马达驱动发动机。

在任何方面或方面的组合中，小齿轮可以不是轴向可移位的，并且贯穿所有操作中始终被定位在相同的轴向位置。

在任何方面或方面的组合中，离心接合元件可以具有回缩位置和接合位置，在回缩位置中它们不接合环形齿轮，在接合位置中它们与环形齿轮接合。

在任何方面或方面的组合中，当发动机运行时，离心接合元件可以在与环形齿轮的旋转方向相对的方向上从回缩位置旋转到接合位置。

在任何方面或方面的组合中，环形齿轮在起动操作、发动机操作和发动机停用期间可以不是轴向可移动的。

在任何方面或方面的组合中，离心接合元件是可旋转摇杆元件，每个可旋转摇杆元件具有柱形臂和在该臂下方的凹部，该臂具有在移动时摇出的接合端部，该凹部允许可旋转摇杆元件在回缩时贴合地配合到凹部中；其中每个可旋转摇杆元件具有圆形旋转端部，该圆形旋转端部具有用于将摇杆元件附接到小齿轮的杆的开口。

在任何方面或方面的组合中，发动机起动机系统可以进一步包括耦接到小齿轮和环形齿轮的阻尼器。

在任何方面或方面的组合中，离心接合元件可以包括机械二极管。

在任何方面或方面的组合中，离心接合元件可以为立柱。

在任何方面或方面的组合中，离心接合元件可以为滚柱。

在任何方面或方面的组合中，小齿轮可以在来自起动机马达的副轴上。

在任何方面或方面的组合中，重新起动请求可以发生在发动机转动到静止之前。

在任何方面或方面的组合中，离心接合元件可以作为单向离合器操作，使得环形齿轮不能驱动小齿轮。

在任何方面或方面的组合中，单向离合器可以与环形齿轮凸轮板同轴地定位。

在任何方面或方面的组合中，可以响应于感测到的发动机转速来调节起动机马达的旋转转数。

在任何方面或方面的组合中，可以响应于发动机转速达到阈值转速而停用起动机马达。

在任何方面或方面的组合中，方法还包括在环形齿轮轮齿速度超过离心接合元件中的摇杆臂的转速之后，将小齿轮减慢转动到静止。

在任何方面或方面的组合中，当小齿轮以展开转速或高于展开转速转动时，通过使至少两个离心接合元件啮合来减轻金属声。

在任何方面或方面的组合中，当小齿轮处于静止时，重力或弹簧的使用将离心接合元件收回而不与环形齿轮接触。

要注意的是，本文中所包括的示例控制和估计程序可以与各种发动机和/或车辆系统配置一起使用。本文中公开的控制方法和程序可以作为可执行指令被存储在非暂时性存储器中，并且可以被包括与各种传感器、致动器和其他发动机硬件组合的控制器的控制系统执行。此处所描述的具体程序可以表示任意数量的处理策略中的一种或多种，例如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。因此，所示的各种动作、操作或功能可以按照所示的顺序执行，并行地执行，或在某些情况下被省略。同样地，处理顺序并非是实现本文描述的示例实施例的特征和优点所必需的，而是被提供以便于说明和描述。根据所使用的具体策略，所示的动作、操作和/或功能中的一个或多个可以被反复地执行。此外，所描述的动作、操作和/或功能可以以图形方式表示将被编程到发动机控制系统中的计算机可读存储介质中的非暂时性存储器内的代码，其中所描述的动作通过执行包括与电子控制器组合的各种发动机硬件组件的系统内的指令而被执行。

应当理解，本文公开的配置和程序本质上是示例性的，并且这些具体实施例并不被认为是限制性的，因为多种变化是可能的。例如，以上技术可以被应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸以及其它发动机类型。本公开的主题包括本文公开的各种系统和配置以及其他特征、功能和/或特性的所有新颖且非显而易见的组合和子组合。

随附的权利要求具体指出被认为新颖且非显而易见的某些组合及子组合。这些权利要求可能提到“一个/一”元件或“第一”元件或其等价物。这些权利要求应当被理解为包含一个或多个这种元件的组合，既不要求也不排除两个或更多个这种元件。所公开的特征、功能、元件和/或特性的其它组合和子组合可以通过修改权利要求来主张，或者通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求来主张。这些权利要求，不管在范围上比原权利要求更宽、更窄、相同或不同，都被认为包含在本公开的主题内。

Claims (20)

1.一种发动机起动机系统，其包括：

耦接到发动机曲轴的环形齿轮；以及

耦接到起动机马达的小齿轮，其中所述小齿轮具有用于接合所述环形齿轮的外表面的多个离心接合元件；

其中所述外表面被包括在所述环形齿轮的外圆周表面上或所述环形齿轮的轴向侧上的轴向对准表面上。

2.根据权利要求1所述的发动机起动机系统，其中所述小齿轮不是轴向可移位的，而是贯穿所有操作始终以相同的轴向位置定位。

3.根据权利要求1所述的发动机起动机系统，其中所述多个离心接合元件具有回缩位置和接合位置，在所述回缩位置中它们不与所述环形齿轮接合，在所述接合位置中它们与所述环形齿轮接合。

4.根据权利要求3所述的发动机起动机系统，其中当发动机运行时，所述多个离心接合元件沿与所述环形齿轮的旋转方向相对的方向从所述回缩位置旋转到所述接合位置。

5.根据权利要求4所述的发动机起动机系统，其中在起动操作、发动机操作和发动机停用期间所述环形齿轮不是轴向可移动的。

6.根据权利要求5所述的发动机起动机系统，其中所述多个离心接合元件是多个可旋转摇杆元件，所述多个可旋转摇杆元件中的每个具有柱形臂和在所述柱形臂下方的凹部，所述柱形臂具有在移动时摇出的接合端部，所述凹部允许所述可旋转摇杆元件在回缩时贴合地配合到所述凹部中；

其中所述多个可旋转摇杆元件中的每个具有圆形旋转端部，所述圆形旋转端部具有用于将所述可旋转摇杆元件附接到所述小齿轮的杆的开口。

7.根据权利要求1所述的发动机起动机系统，其进一步包括耦接到所述小齿轮和所述环形齿轮的阻尼器。

8.根据权利要求1所述的发动机起动机系统，其中所述多个离心接合元件包括多个机械二极管。

9.根据权利要求1所述的发动机起动机系统，其中所述多个离心接合元件是多个立柱。

10.根据权利要求1所述的发动机起动机系统，其中所述多个离心接合元件是多个滚柱。

11.根据权利要求1所述的发动机起动机系统，其中所述小齿轮在所述起动机马达的副轴上。

12.一种方法，其包括：

在发动机朝向静止转动减慢期间，响应于重新起动请求，用起动机马达转动轴向和径向固定的小齿轮；

使所述轴向和径向固定的小齿轮的多个离心接合元件朝向具有多个轮齿的环形齿轮移位，其中所述多个轮齿比所述多个离心接合元件移动得快；以及

一旦所述多个离心接合元件达到所述多个轮齿的转速，将所述多个离心接合元件接合到所述多个轮齿中，并且使用所述起动机马达驱动所述发动机；

其中所述多个轮齿定位在所述环形齿轮的外表面上，并且其中所述外表面被包括在所述环形齿轮的外圆周表面上或所述环形齿轮的轴向侧上的轴向对准表面上。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述重新起动请求发生在所述发动机转动到静止之前。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述多个离心接合元件作为单向离合器操作，使得所述环形齿轮不能驱动所述轴向和径向固定的小齿轮。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述单向离合器与环形齿轮凸轮板同轴定位。

16.根据权利要求12所述的方法，其中响应于感测到的发动机转速，调节所述起动机马达的旋转转数。

17.根据权利要求12所述的方法，其中响应于发动机转速达到阈值转速而停用所述起动机马达。

18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括在环形齿轮轮齿转速超过所述多个离心接合元件中的多个摇杆臂的转速之后，减慢转动所述轴向和径向固定的小齿轮到静止。

19.根据权利要求18所述的方法，其中当所述轴向和径向固定的小齿轮以展开转速或展开转速之上的转速转动时，通过使最少两个离心接合元件啮合来减轻碰撞。

20.根据权利要求19所述的方法，其中当所述轴向和径向固定的小齿轮处于静止时，重力或多个弹簧的使用将所述多个离心接合元件收回而不与所述环形齿轮接触。

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