重型车辆例如卡车或牵引式拖车的传动系通常具有发动机，该发动机 通过车辆驾驶员控制的主离合器与多档齿轮变速器的动力输入轴相连接。 驾驶员操作的换档拨叉轴和换档拨叉可通过选择多档变速器的齿轮元件而 建立和中断转矩传递路径。速比变化可以通过切换同步离合器套与成对齿 轮的接合和脱离，或者通过切换非同步齿轮或离合器元件来手动完成。齿 轮元件可构成从变速器主轴和副轴(中间轴)到转矩输出轴的驱动转矩传 递路径。
这种类型的多档变速器以及带有用于经由齿轮建立和中断转矩传递路 径的动力致动离合器的重型动力传递机构是众所周知。速比变化切换顺序 通常涉及随着变速器离合器元件选择性地接合和脱离，使主离合器脱离接 合，以中断动力从车辆发动机到变速器的转矩输入轴的传递路径。当主离 合器脱离时，变速器的转矩输入轴必须减速以便刚建立转矩传递路径的齿 轮元件能基本同步。
通过使变速器转矩输入轴减速由此减小完成换档所需的时间，制动器 可有助于变速器齿轮传递机构的换档。当车辆驾驶员使主离合器脱离后， 开始从空档到低档换档，或者从空档向倒档换档的过程中，转矩输入轴制 动器特别有用。
现有技术已知的变速器输入轴制动器包括，以驱动关系例如通过花键 连接到变速器转矩输入轴的摩擦部件。变速器主离合器通过主离合器释放 机构脱离，以便当主离合器脱离时，释放机构可在变速器输入轴制动器上 施加制动器接合力。输入轴制动器的摩擦制动器元件受摩擦而接合，以产 生使变速器输入轴减速的摩擦拖曳转矩。
2004年1月20日提交的申请号为10/760665(目前为2006年2月21 日授权的美国专利US7000748)的共同待审专利申请，公开了一种带有电 磁制动器致动器的变速器输入轴制动器。该共同待审申请转让给本发明的 受让人。该共同待审申请公开的电磁制动器包括电枢，该电枢固定到与形 成在相邻变速器壳壁上的摩擦表面相邻的变速器输入轴。当制动器受到激 励时，电枢与变速器壳壁上的静止摩擦表面摩擦接合，由此延迟或阻止在 换档开始时变速器转矩输入轴的转动。
该共同待审申请的电磁制动器建立部分由制动器电枢限定的磁通量流 路。磁通量流路覆盖变速器的一部分，包括变速器输入轴、变速器输入轴 轴承和轴承盖，以及驾驶员操作的主离合器释放机构的一部分。
该共同待审申请公开的电磁输入轴制动器包括壳体，该壳体可代替重 型变速器中常见的变速器输入轴轴承盖。电磁制动器包括与输入轴相邻设 置的线圈绕组，以减小线圈绕组的长度和线圈生产所需的铜的数量。典型 的电磁制动器可策略地定位，以使供其容纳的变速器组件中所需的空间最 小。
随着变速器输入轴制动器被激励而产生的磁力线通量，通过高碳含量 的变速器输入轴和变速器周边部分，变速器可能在变速器输入轴制动器频 繁启动的一段时间内被磁化。例如变速器输入轴被即使制动器在去激励之 后仍然保持的残余磁强部分磁化。变速器壳体，典型地由含碳低的铸铝或 铸铁构成，不会轻易被磁化，因为那些材料是磁通量场的相对不良导体。 但输入轴自身，以及轴承元件和其它变速器元件和密封盖，是由高碳钢构 成并且紧邻输入轴制动器。
这种类型布置的返回式磁通量流路典型地包括输入轴制动器的电枢 板，为了便于生产和降低成本，电枢板可以是实心盘设计。
由于与输入轴制动器相邻的变速器组件的部分或残余磁化，变速器运 行环境下的铁粒子可被吸引到变速器的转动部分并损坏变速器轴承、密封 装置以及其它变速器组件。
输入轴制动器不应在具有行驶速度、怠速、或当操作者踏下加速器踏 板时接合，因为这样会对离合器或变速器造成损坏。由于不同车辆生产厂 家需要的发动机设定参数不同，输入轴制动器控制系统可能难以程序化。 发动机运行参数和环境的不同使得难以始终确保输入轴制动器与变速器一 起正确操作。
如果有过多的制动或者电流范围超出安全极限，输入轴制动器控制系 统可能易于产生热过载或电过载。控制系统的热或电过载可能对控制系统 产生不利影响，并降低系统的可靠性。
由申请人的本发明用于解决以上问题和其它一些问题，如下所述。

本发明包括用于轮式车辆用车辆传动系的电磁制动器及制动器控制系 统。所述传动系包括发动机、具有封闭多档齿轮元件的壳体的多档动力变 速器、可驱动地连接到车辆牵引轮的动力输出轴、可驱动地连接到所述多 档齿轮元件的动力输入轴，以及选择性地将所述动力输入轴连接到所述发 动机的主离合器，该主离合器由构成变速器壳体的一部分的主离合器壳体 封闭
电磁制动器包括固定到所述变速器壳体的定子线圈壳体，该定子线圈 壳体封闭制动器定子线圈，该制动器定子线圈围绕所述动力输入轴并与所 述线圈壳体一起限定电磁极面。电枢板具有固定到所述动力输入轴的轮毂 部分和与所述制动器定子线圈相邻设置的周边部分。控制系统电力地激励 制动器定子线圈，由此影响电枢板与磁极面的摩擦接合。经由定子线圈壳 体和电枢板的周边部分在制动器定子线圈周围建立电磁通量流路。
控制系统包括多个传感器，用于判定离合器制动器开关是否接通、加 速器踏板位置是否低于预定值，以及车速是否低于预先设定点。定子线圈 电路包括电压源以及用于断开和闭合线圈电路的开关。
根据本发明的另一方面，热响应电路保护器可设置在线圈电路中，以 检测定子线圈的温度，由此避免定子线圈过热。
根据本发明的另一方面，定子线圈电路可包括过电流保护器，用于当 定子线圈的电流超出预定值时，使定子线圈断路。
本发明的这些和其它方面，结合下面的附图和本发明实施例的详细说 明将更清楚。

图1是能采用本发明的多档重型动力变速器的局部截面图；
图2是用于图1变速器的主离合器和变速器输入轴的电磁制动器的局 部截面图；
图2a是用于输入轴的电磁制动器，以及与电磁输入轴制动器组装在一 起的变速器输入轴一部分的局部放大截面图；
图3是图2a所示的电磁变速器输入轴制动器在接合状态的截面图；
图3a是图3所示的电磁变速器输入轴制动器在脱离状态的截面图；
图4是表示图2a的电磁制动器的不同强度的通量线的示意图；
图5是根据本发明的主离合器组件，以及多档变速器的输入轴的电磁 制动器的局部截面图；
图6是电枢的详细平面视图，它构成了图5的电磁输入轴制动器的一 部分；
图6a是对应于经过修改的图6的电枢设计，其中电枢的摩擦部件由多 个部分构成；
图7是示出图5所示用于电磁制动器的磁通量流动电路的图；
图8是用于控制图5所示电磁制动器的控制器示意图；
图9是用于图5所示电磁制动器的输入轴电磁制动器控制策略的软件 流程图；以及
图10是用于图5所示的电磁制动器的输入轴电磁制动器控制策略的软 件流程图的可选实施例。

图1表示已知的能实施本发明的电磁输入轴制动器的多档重型卡车变 速器。图1的变速器是可采用本发明的电磁制动器的许多变速器中的一例。 例如，汽车传动系中的多档变速器可使用同步器来影响转矩传递齿轮元件 的同步接合。可使用的其它变速器包括具有气动或液压换档致动器的自动 换档变速器。
图1的变速器包括离合器钟状罩10和主变速器壳体12，它们由螺栓 14安装在一起构成变速器壳体组件。钟状罩10可在16由螺栓连接到内燃 机的发动机飞轮壳上。
变速器壳体包括带有中心轴承开孔的向前轴承支承壁18，它容纳和支 承主变速器球轴承20。轴承盖22固定到壁18。变速器输入轴24从轴承盖 延伸并由轴承20支承。润滑油密封件26包围输入轴24并保持在轴承盖 22内。
转矩输入轴24可驱动地连接到传递机构的转矩输入齿轮28。齿轮28 以已知方式与副轴齿轮可驱动地接合。它也可以由爪形离合器30以已知方 式连接到变速器主轴32。转矩输入轴24在34处花键连接，并与内置花键 摩擦离合器轮毂36建立驱动连接，如图2所示。
图1中已知构造的输入轴24对应于图2a构造中的输入轴24。同样， 图2a构造中的花键部分34对应于图1中已知构造的花键部分34。
图2a的输入轴24装有外花键部分37，该外花键部分36与内花键齿 轮元件(未示出)配合，该元件对应于图1的已知结构的转矩输入齿轮元 件28。转矩输入轴24在38例如通过花键或键连接到电枢环40，由此在转 矩输入轴24和电枢板42间建立驱动连接。环40通过弹簧带44连接到电 枢板42，它允许板42沿轴24的轴向进行轴向平移。小空气间隙46设置 在电枢板42和电磁制动器壳体48(有时称作离合器-制动器壳体)之间。 壳体48通过螺栓或其它合适的紧固件50固定到变速器壳体的前壁，该前 壁对应于图1所示的壁面18。
壳体48设有环形槽52，它容纳电磁线圈绕组54。如56所示该处设有 环形磁极面。磁极面56位于与电枢板42的环形面58直接相邻和并列的位 置。当绕组54受到激励电流的激励时，电枢板42切换到与电磁制动器壳 体48的摩擦面46接合的状态。
图3示出当线圈绕组受到激励时，图2和图2a的电磁制动器组件。这 时电枢板42与壳体48的摩擦表面46摩擦接合。当电枢板42向壳体48 移动时，弹簧带44弯曲，如图3所示。
图3a示出当线圈绕组去激励时电枢板42的位置。弹簧带44的残余弹 簧力使电枢板42从与表面46的接合位置移开。
当线圈绕组受到激励时，输入轴24的转动位置受到由电磁制动器产生 的摩擦转矩的限制，从而使输入轴24减速。
图2示出用在变速器中的主离合器结构，其输入轴对应于图1的轴24 或图2a的轴24。图2a的花键部分34可驱动地与内花键离合器轮毂36接 合。阻尼弹簧笼60优选通过铆钉元件62可驱动地与轮毂36固定。阻尼弹 簧64容纳在笼60内。弹簧64与离合器驱动板66接合，从而在轮毂36 和离合器板66之间建立弹性驱动连接。离合器摩擦材料68和72固定在离 合器板66的两边。摩擦材料68的位置与发动机飞轮74的摩擦表面70相 邻。摩擦材料72的位置与离合器压力板78的摩擦表面76相邻，压力板 78位于转动离合器壳体80内，壳体80与飞轮74固定以便一起转动。压 力板78的周边与离合器壳体80相连，这种连接能调节压力板相对于离合 器壳体80的轴向位移。
膜片离合器致动器弹簧82的周边锚定到离合器壳体80，如84所示。 膜片弹簧致动器82的中间部分与压力板78上的压力点接合，如图86所示。 膜片弹簧82的径向内缘88包围用于离合器释放轴承组件90的内轴承座圈 89。随着内轴承座圈88承载的挡圈92与周边89接合，内轴承座圈88的 轴向移动将导致膜片弹簧82的内周边89的轴向移动。
轴承90的外座圈与离合器释放轴承套筒94是一个整体部分，该套筒 94带有轴向延伸的润滑油槽96，如图2所示。套筒94以已知的方式围绕 输入轴24的轴线安装在电磁制动器壳体48和花键部分34之间。离合器释 放机构包括一根杆，它枢转地安装在离合器钟形壳上的100处。该释放杆 的臂102具有致动器端104，最好参见图2a所示，它进入图2所示的环形 空间106。空间106由固定到套筒94的环108和释放轴承90限定。
释放杆的径向向外的臂110从钟形壳伸出，如10所示，对应于图1 的钟形壳10。合适的致动器机构(未示出)受车辆操作者的控制并机械地 连接到变速器离合踏板，将使离合器释放杆转动以实现套筒94克服膜片弹 簧82的反向力而沿左手方向移动。主离合器一般在膜片弹簧82的弹簧力 作用下接合。当离合器释放套筒94如图2所示沿左手方向移动时，在86 的离合器接合力被释放，压力板78解除与离合器板66的接合。
图4表示图2和2a的电磁输入轴制动器磁通量流路和电磁场强度。图 4的磁通量流路使用电磁有限元分析软件产生。图4表明位置112的电磁 通量场的最大强度出现在部分由电磁离合器-制动器壳体48和电枢42限 定的电磁通量电路中。该路径部分覆盖了输入轴24，以及主变速器滚柱轴 承组件和钟形壳10自身所占的区域。
电磁通量场的强度随着场通量线与电磁制动器线圈绕组脱离而减小。 114所示的通量线强度较低，但它们覆盖了一些由磁性材料构成的变速器 元件，如膜片弹簧82，离合器壳体和释放轴承元件。
图5示出本发明的设计，其中电磁离合器壳体与用于变速器的转矩输 入轴物理上隔开。图5的设计中，轴承盖不构成电磁离合器-制动器壳体 的一部分。图5中22代表的轴承盖，对应于图1的已知设计代表的轴承盖。 相对于轴承盖22径向向外的是电磁离合器-制动器壳体116。
图5的主离合器元件和离合器释放轴承可以与图2表示的离合器以及 离合器释放轴承相似。图5的离合器释放轴承中用于识别主离合器组件元 件的标号与图2的相应元件相同，虽然用在图5中的数字加入了“`”符号。
电磁离合器-制动器壳体116带有槽118，它容纳电磁线圈绕组120。 图5的线圈绕组的直径大于图2，2a和3中所示的线圈绕组。它们分别相 对于变速器转矩输入轴和变速器主球轴承定位。离合器-制动器壳体116 通过螺栓或其它方式连接到钟形壳10，虽然它可替代地固定到变速器壳体 壁18。为了说明的目的，钟形壳10可看成变速器壳体的一部分。
制动器电枢板122固定到柔性制动器板124的外周。制动器板124内 周固定到环126，该环对应于图2a所示的环40。
电枢板和柔性板124的结构细节如图6所示。柔性板124包括径向延 伸的柔性臂128。柔性臂的外周固定到电枢板122。柔性板124的内周固定 到电枢环126。
图6a示出电枢板122以四个独立段130构成的可选结构。虽然表示了 四段，但如果更好的话可以使用不同的分段数目。
与图2表示的实际不同，图2中电枢板当电磁线圈绕组受到激励时， 自由建立电磁通量流路，图6的设计和图6a的设计提供了经由柔性臂128 沿径向向内的方向朝向变速器输入轴128的受限电磁通量流路。为了进一 步使变速器的周围元件与电磁通量流路绝缘，构成电枢轮毂的电枢环126 可由非磁性不锈钢制成。
图7表示绕组120受激励时用电磁通量线表示的路径。输入轴没有被 电磁通量线包覆，图7的电磁通量强度集中在需要产生磁效应的电磁制动 器内。电枢板122或电枢板各段130当电磁通量线从一个电磁极移动到另 一极时，建立封闭的电路图。表示图7的电磁通量线的该图不同于图4表 示的图形，电磁通量线的包覆要集中得多，从而避免周围变速器元件、轴 承元件、转矩输入轴、密封元件和离合器钟形壳自身的不希望产生的磁化。 磁通量线没有跳到相邻的元件。通过图7的设计，基本消除了耐磨的铁粒 子聚集和损坏变速器、轴承和密封件的转动元件的机会。
为了进一步使电磁通量流路绝缘，电磁制动器的安装固定件可以由铝 或不锈钢之类的非磁性材料支承，它使电磁通量导体与变速器和主离合器 周围的部件绝缘。
电磁制动器的控制器在图8中示意性地示出，图9表示电磁制动器的 控制算法。制动器控制策略将不依赖释放轴承位置而控制制动器机构的开 启，这与前面说明的传统变速器转矩输入轴制动器不同。制动器控制包括 热保护装置以防止由于过电流或过度制动产生的过热。
电磁制动器运行时可以带有12到42伏直流电的电压源。开关可以安 在例如液压联动装置或离合器踏板联动装置或离合器释放机构的主缸内。 闭合常开的开关，制动器的线圈绕组将受到激励从而产生磁场以制动电枢 板。可选地，远程控制开关可用于激励控制继电器，它反过来又关闭一组 常开的开关触点。电力通过电路保护装置供应给电磁线圈。
如图8的154所示，电路保护装置设置成与线圈串连，并且如果电流 范围超出安全极限或者如果制动器的内在温度超过预先设定的温度极限， 电路保护装置将中断电流路径。
图8的控制系统包括车辆电气系统134和制动器系统控制器136。用 于控制器136的控制输入信号可以包括来自车速传感器138、加速器踏板 位置传感器139、变速器倒档传感器140、制动器踏板位置传感器141、变 速器第一档传感器142、控制缸位置传感器143、变速器空档传感器144， 以及146所示的用于主离合器的主离合器踏板位置传感器的信号。这些信 号通过控制器局域网总线，148所示，传递到控制器136。电磁制动器的动 力源可以是车辆电气系统134。制动器控制器136保证制动器仅当发动机 在运转时，发动机燃料电磁阀受到激励时，以及点火开关处于闭合位置时 才被激励。制动器控制器136响应于传感器146，152和148，144以及140 的信号仅当主离合器脱离和车速小于预先设定值“N”时允许制动器接合。 它判定变速器是否处于空档以及第一档或倒档是否已被选择。
一个可选的控制策略是可以使用来自如加速器踏板位置传感器139、 制动器踏板位置传感器141，以及控制缸位置传感器143之类的传感器的 信号。因为不同的发动机可以标定成在不同的速度下怠速，因此可以使用 加速器位置传感器139代替发动机转速信号。如果加速器踏板至少部分踏 下，这表明操作者试图将发动机加速到怠速以上，这与输入轴制动器的正 确接合状态不一致。因为加速器踏板位置、制动器踏板位置，以及变速器 处于空档的输入信号正常情况下不由J1939总线提供，因此它们需要系统 控制器136的单独配线。
断开或闭合制动器电路的开关如150所示。可以使用如保险丝之类的 过电流保护装置，如152所示。电路保护装置154可以包括热触发开关， 以防止过度使用或高电流引起的过热。
当车辆发动机关闭时，如果车辆移动或预设的定时器超时，控制算法， 如图9所示，将防止转矩输入轴制动器(离合器-制动器)的接通。定时 器防止如果车辆离合器踏板被操作者持续踏下一段时间后，电磁制动器被 滥用。
图9中的策略在158将判定离合器制动器开关是否处在“接通”状态。 如果它没有接通，控制程序将使制动器维持“断开”状态，如160所示。 如果离合器开关断开，程序在判定方块162判定发动机转速是否在最大速 度极限或最小速度极限范围之内。
发动机转速测量如164所示。如果发动机转速不在预先设定的范围之 内，程序将使制动器维持“断开”位置，如160所示。
如果发动机转速在高和低限范围之内，在判定方块166作出判定，以 便判定在168测量的车速是否小于预先定制的设定点。如果车速高于设定 点，制动器将维持“断开”，如160所示。如果车速小于设定点，制动器 将被使用，如170所示。
当制动器接通时，程序将继续判定定时器是否接通。这一步在执行方 块172完成。如果定时器没有超时，程序就将继续，如174所示。但是如 果定时器值大于设定点，制动器将维持断开状态，如160所示。
图10示出一个可选的控制算法。离合器制动器开关178可以位于能控 制离合器制动器装置操作的远程任何地方。例如，开关178可以设置成监 控液压联动装置的主缸、液压联动装置的从动缸、离合器踏板、离合器释 放机构或类似机构的位置。该算法在180判定离合器制动器开关是否处于 “接通”状态。如果不是，控制程序将使制动器维持“断开”状态，如182 所示。
如果制动器开关接通，程序在判定方块184判定加速器踏板是否正被 操作者踏下。这可以通过加速器踏板的行程位置的形式表示出来，其中当 踏板位置在行程的0％时踏板没有被踏下。加速器踏板的位置由186所示 的传感器探测。
车速测量如188所示。如果发动机转速不在预先设定的范围之内时， 程序将使制动器维持“断开”位置，如182所示。判定方块190判定188 测量的车速是否小于预先定制的设定点。如果车速高于设定点，制动器将 保持182所示的“断开”状态。如果车速小于设定点，制动器将被使用， 如192所示。
当制动器接通时，程序继续判定定时器是否接通，这一步在执行方块 194完成。如果定时器没有超时，程序将继续，如196所示。但是如果定 时器值大于设定点，制动器就将保持182所示的断开状态。
尽管说明了本发明的一个实施例，但本领域技术人员明晓可在不偏离 本发明范围的情况下对本发明作出各种变型。所有这些变型及其等同变换 由所附的权利要求覆盖。
相关申请的交叉引用
本申请是2005年6月2日提交的名为“Electromagnetic Brake for a Multiple-Ratio Power Transmission in a Vehicle Powertrain”的美国申请 11/143069的部分延续申请，该美国申请11/143069是2004年1月20日提 交的名为“Clutch Brake”的美国申请10/760665的部分连续申请。