專利名稱:控制自動機械變速器中的變速力的方法及裝置的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及自動機械變速系統(tǒng),由一個直流電動機驅動的變速機構完成傳動比的改變,并且本發(fā)明尤其涉及控制由電動機施加的力的方法,以改善變速質量并降低變速器的磨損。
采用基于響應于各種車輛操作條件或駕駛員的輸入以進行傳動比改變或變速的電子控制單元的微處理器的自動機械變速系統(tǒng)是本領域公知的。例如,參看轉讓給本發(fā)明的受讓人的美國專利US 5,053,962,其公開的內容在這里引用作為參考。一個電動機驅動的變速機構可以用于響應于手動或自動變速起動進行變速操作。例如,參看轉讓給本發(fā)明的受讓人的美國專利US 4,873,881,其公開的內容在這里引用作為參考。在US 4,873,881中,由一個或多個直流電動機驅動一個變速指,沿著X-X軸選擇一個特定的變速軌并沿著Y-Y軸執(zhí)行一個滑動離合器與一個齒輪的嚙合或分離運動。
在自動機械變速器的換檔中有三種可能的運動。這三種運動是(a)拉到空檔,(b)滑軌改變和(c)齒輪嚙合。在拉到空檔期間,變速器的滑動離合器與一個變速齒輪脫開并移到一個空檔位置或脫開齒輪的位置。在與齒輪嚙合期間,滑動離合器從空檔位置移動到與所選齒輪嚙合的狀態(tài)。重要的是齒輪脫開和齒輪嚙合都盡可能的平穩(wěn)以最大限度地提高變速質量以及降低駕駛室的擺動或急撞。當發(fā)生無意識的或意外的齒輪嚙合或脫開時會發(fā)生駕駛室擺動。
在拉到空檔操作期間,變速機構給滑動離合器預加載一個預定的力。這個預加載力小于通常由作用在離合器上的扭矩產生的磨擦力并從而離合器與齒輪保持嚙合。然而,傳動系統(tǒng)中的振動可能導致由傳動系統(tǒng)產生的作用于滑動離合器的滑動磨擦力低于預加載力。這可能導致引起駕駛室擺動的齒輪過早脫開。最好齒輪脫開發(fā)生在零扭矩變速窗(zero torque shift window)期間,零扭矩變速窗通常發(fā)生在車輛的發(fā)動機的減速期間。另外,如果在零扭矩窗期間未完成齒輪脫離,傳動系統(tǒng)扭矩將反向,引起撥叉接著電動機快速停住。因為電動機具有相當大的慣性,所以這個停住狀態(tài)可能導致足夠大的力作用于變速機構,引起滑動離合器“卡搭作響”地脫開齒輪,產生駕駛室擺動和對機械聯動機構的相當大的沖擊損壞。
在離合器與齒輪嚙合期間,施加的力應當只是稍微大于由傳動系統(tǒng)產生的作用于滑動離合器的磨擦力。即使控制器將不試圖使滑動離合器與齒輪嚙合直至兩者的速度幾乎同步,也可能發(fā)生非同步嚙合,這將引起駕駛室擺動和對滑動離合器的損壞,除非控制施加于滑動離合器的力,這個非同步嚙合可能被取消。
鑒于上述現有技術狀況,本發(fā)明的一個目的是改善自動機械變速器的變速質量并降低變速器的磨損。
本發(fā)明的另一個目的是通過精確地控制施加于變速機構的電動機的力而降低無意中地或無意識地拉到空檔操作的發(fā)生率并避免齒輪嚙合期間過度的沖擊或沖撞。
本發(fā)明的另一個目的是通過快速降低變速操作期間由于x-y變速機構的電動機的停機而產生的電樞電流尖峰信號,而改善自動機械變速器的變速質量并降低變速器的磨損。
本發(fā)明的另一個目的是通過在與齒輪嚙合或脫開期間萬一電動機快速停機時快速降低施加于滑動離合器的力而降低作用于自動機構變速器的機械部件上的峰值應力。
本發(fā)明的另一個目的是改善自動機械變速器的變速質量并降低變速器的磨損,該目的是這樣實現的通過控制施加于電動機的作為相對于一個目標電流的電動機電樞電流的差值的變化率的函數的電壓由電動機驅動變速機構來控制施加于滑動離合器的力。
根據本發(fā)明,通過精確控制驅動變速機構的電動機的電樞電流而改善自動機械變速器的變速質量。變速器微控制器監(jiān)測電動機的電流以確定變速操作期間變速機構是否已遇到的隱患或已經停住,根據一個對由微控制器檢測的電流與一個目標電流之間的差值進行比例和微分控制的算法,對微控制器編程以控制施加于電動機的脈沖寬度調制(PWM)電壓信號的工作循環(huán)。通過調節(jié)脈沖寬度調制電動機電壓控制信號的工作循環(huán)而控制電流,以使電動機的大的電流變化最小,否則在變速期間可能會發(fā)生大的電流變化。PWM信號的工作循環(huán)隨相對于一個目標電流的電樞電流差值的幅度與差值的變化率的和的函數而變化。通過以一個比自然機械響應更快的高速率采樣電流,具有高響應速率的電流可以用于在一個相當柔性的機械系統(tǒng)能夠達到與一個未受控制的動態(tài)沖擊關聯的最大力之前使電動機扭矩反向。對電動機停機的快速響應以及通過PWM控制快速降低電流,減小了由變速機構施加于滑動離合器的力,從而避免了否則將由電動機施加的實質上更大的力以及由于遇到一個整體制動器而產生的對變速器和電動機的可能的損壞。
在結合附圖閱讀了下面的詳細描述之后,將更完整地理解本發(fā)明
圖1是得益于本發(fā)明的力受控變速方法的自動機械變速系統(tǒng)的框圖;
圖2是基于控制施加于自動機械變速器的變速機構的力的系統(tǒng)的微控制器的框圖;
圖3是圖2的電流控制電路的示意圖;
圖4是描述本發(fā)明的力控制變速方法的流程圖;
圖5是在試圖拉到空檔操作期間隨時間的變換指位置、撥叉力、傳動系統(tǒng)扭矩和電動機電流的曲線圖;
圖6是在拉到空檔操作以及接著發(fā)生齒輪嚙合期間電動機電流和變換指位置的曲線圖。
現在參看附圖并且首先參看圖1,顯示了一個自動機械變速器10。變速器是常規(guī)設計的,例如具有一個與一多比率輔段串聯連接的多比率主變速段的部分自動范圍類型的復合變速器。變速器10包括一個輸入軸12,它由一個原動機(例如一個柴油發(fā)動機)E經過一個通常嚙合的但可選擇地脫開的摩擦主離合器C驅動。主離合器C有一個連接于發(fā)動機曲軸的驅動部分和一個固定于變速器輸入軸12的驅動部分。一個手動操作節(jié)流裝置(未顯示)控制發(fā)動機的燃油,一個離合器踏板或類似物(未顯示)手動控制主離合器。經過變速器10以當前所選齒輪的傳動比相對于變速器輸入軸12而降低的速度嚙合而驅動變速器輸出軸14。
變速器10的齒輪的變換最好是基于微處理器在微控制器(ECU)16的控制下進行,微控制器接收所示的多個傳感器的輸入,包括一個輸入軸傳感器18和一個輸出軸傳感器20。ECU16接收輸入并提供控制信號至一個x-y變速機構22以執(zhí)行變速。變速機構在上述轉讓給本發(fā)明的受讓人的在這里引用作為參考的美國專利US 4,873,881中進行了描述。ECU16也經過數據傳輸線26接收輸入并提供控制信號至一個變速面板及顯示單元(一般地指示為24)。單元24給駕駛者提供狀態(tài)信息并且當面板處于保持位置H時也包括用于手動變速的上和下按鈕。一個駕駛者顯示模件28可以用于顯示當前齒輪并且可以包括箭頭顯示是否變速是換高速檔還是換低速檔。關于變速器10以及控制這樣一個變速器的系統(tǒng)的進一步的細節(jié)可以從上述美國專利US 5,109,721和US 5,050,079以及其中參考和討論的專利中獲得,這些專利文獻中公開的內容在這里引用作為參考。
現在參看圖2,x-y變速機構22包括一個變換指29,它適宜于選擇地接觸撥頭30、32和34的內壁。撥頭30、32和34分別安裝在變速軌36、38和40上,變速軌通常用于機械換檔變速器中。每一條變速軌攜帶一個撥叉42、44和46,這三個撥叉分別固定在變速軌上用于隨其作軸向運動。眾所周知,每一個撥叉都與一個剛性滑動離合器機構關聯,該剛性滑動離合器機構選擇地嚙合和脫開齒輪至一軸。變換指29通過適當的機構(未顯示)連接至永磁電動機50和52,它們分別適宜于在x-x和y-y方向移動變換指,如上述專利中所解釋的??蛇x擇地,單個電動機和適當的離合器以及驅動機構可以用于選擇地沿著x-x和y-y軸移動變換指,如上述專利中所解釋的。
來自ECU16的可變工作周期脈沖寬度調制(PWM)信號施加于電流控制邏輯線路54和56,而控制電動機50和52的轉動速度和方向。分別在圖指示的58和60處測量電動機電樞電流,并由一個模/數轉換器62轉換成數字值并輸入ECU16。對ECU16進行編程通過調節(jié)PWM信號的工作循環(huán)而控制送至電動機50和52的電流,這將在下文更完整地描述。變換指29沿x-x和y-y軸的位置分別由電位計62和64檢測,分別在66和68處濾波,轉換成數字值并輸入ECU16。電位計62和64最好在變換指移動的整個范圍內提供0-5伏的輸出。將電位計的輸出轉換成具有0-1023比特的數字值的二進制數值。
微控制器16通過控制邏輯線路54和56控制電動機轉動的方向,并且通過PWM信號的工作周期的變化控制電動機的輸出扭矩和速度,現在參看圖3更詳細地顯示了電流控制邏輯方框56。電動機52經過一個直流電壓源連接,這個直流電壓源例如是連接在端70與地之間的標記為B+的車載電池。通過觸發(fā)固態(tài)開關72、74、76和78中的合適的開關并通過一個施加于其相應的柵電極82、84、86和88的控制信號,控制流經電動機52的電流的方向并從而控制電動機的轉向。通過接通開關72和74并關斷開關76和78,以一個方向(例如順時針方向)驅動電動機。當開關72和74判斷并且開關76和78接通時,以逆時針方向驅動電動機。
不論轉向如何,電動機52的扭矩以及施加于變換指29的力直接正比于電動機電樞電流。對于一個給定的電動機速度,通過調節(jié)施加于電動機的電壓可以控制力。在變速器的變速期間一個特殊的關鍵的情形是相應于電動機停機的零速。如果電動機停機,因為由傳動系統(tǒng)振動產生的作用于電動機的高反向扭矩,由電動機吸收的電流將增加并導致由電動機施加的更大的力。這個力的增加可能導致變速質量變差并增加變速器的磨損。因此,希望降低施加于電動機的電壓以降低電流,從而減小力,通過縮短在一個固定時間間隔期間開關接通的時間,實現電壓降低或施加的電池電壓的衰減。于是,通過控制適當的開關對(例如72,74)的接通時間,ECU施加一個可變的工作周期脈沖寬度調制電壓信號至電動機52。
一個電阻78與電動機52串聯連接,用于監(jiān)測電動機的電樞電流。流經電阻78的電流由ECU檢測,ECU通過模/數轉換器周期地檢測電阻兩端的電壓。如圖4的流程圖所示,ECU在步驟100用一個PWM控制信號激勵電動機52并在步驟102周期地測量電動機電樞電流。在步驟104將檢測的電流與一個期望或目標電流進行比較,并且如果不等于期望或目標電流則在步驟106計算一個新的PWM信號的工作周期。新的工作周期等于舊的工作周期加上測量的電流與期望或目標電流之間的差值乘以一個比例增益因子再加上當前電流差值與先前電流差值之間的差值乘以一個微分增益因子。這可由下述方程表示工作周期(新)=工作周期(舊)+電流差值×KPCY+(當前電流差值-光前電流差值)×KDCY其中KPCY是一個比例增益因子KDCY是一個微分增益因子現在參看圖5,在拉到空檔操作期間產生的軌線顯示了本發(fā)明的電流控制方法怎樣防止在預期的傳動系統(tǒng)振動期間未受控的力施加于變速機構。軌線A表示了由電位計64以隨時間的數字計數方式提供的變換指29的位置。軌線B表示了施加于撥叉44的力(隨時間以磅的方式)。軌線C表示了車輛傳動系統(tǒng)扭矩(以隨時間lb-ft/10的方式)。軌線D表示了電動機電樞電流(以隨時間安培×10的方式)。表示目標電流的6安培電動機電流產生大約50磅的預加載力施加于撥叉44。在104處傳動系統(tǒng)扭矩下降至幾乎為零并且在106處電動機開始響應于傳動系數扭矩的下降而轉動。在軌線的大約1.96秒,微控制器執(zhí)行一個程序以快速將變速器換到空檔。程序的起動包括檢測指示電動機轉動的一個或多個觸發(fā)事件,正如在轉讓給本發(fā)明的受讓人的申請日為1992年11月30日的順序號為985,190的美國待批申請中所解釋的,其公開的內容在這里引用作為參考。這個程序施加全部電壓于電動機。電動機電流相應地升高并且在108處所示達到短暫的峰值,然后隨著電動機轉向空檔電流降回6安培并且作用于撥叉44的力降至零。然而,在零扭矩窗之后,大約經過1.92秒至大約1.99秒,傳動系統(tǒng)扭矩反向。在這一時刻實際上是車輪在驅動發(fā)動機,而不是發(fā)動機驅動車輪。結果,電動機轉動變慢并且最后在110處停住。與電流增高并產生大約300磅的壓力相反地,在112處的電樞電流峰值在圖3的電流控制方法的控制下在116處快速返回到6安培。因此,在116處的撥叉力峰值在118處快速返回50英尺磅。隨著電流下降,撥叉力降低使電動機從停止位置開始運轉,從而避免了電動機和變速器的磨損,否則在非零傳動系統(tǒng)扭矩情況下繼續(xù)齒輪脫開操作將會發(fā)生電動機和變速器的磨損。
現在參看圖6,描述了從一個齒輪脫開關與另一個齒輪嚙合的變速操作。只顯示了變換指位置曲線A(每等分100比特)和電動機電樞電流曲線D(每等分5安培)。在拉到空檔操作之前,在130處一個PWM電壓施加于電動機并且控制其保持6安培的預加載電動機電樞電流。在變換指29在132處開始移動的時刻與變換指在134處碰到一個整體制動器并占據機械間隙且在變速中起作用的時刻之間存在大約100毫秒期間,施加于這個預加載力。當變換指停住時,在136處非常短暫的電動機電流峰值在圖3的電流控制方法的控制下降至并穩(wěn)定在6安培。如結合圖4所示的ECU執(zhí)行將變速器拉到空檔位置的程序,引起在大約700毫秒與900毫秒之間發(fā)生電流變化。根據驗證變速器處于空檔位置并已選擇了希望的齒輪,一旦兩個連接的軸基本上以相同速度轉動變速器就準備進行齒輪嚙合操作。當基本上同步的速度持續(xù)大約900毫秒時,建立一個10安培的目標電動機電樞電流用于控制目的并且電動機開始使離合器與所選齒輪嚙合。在138處由于齒輪嚙合電動機停住,并且在140處出現短暫的電流峰值,但在圖3的電流控制方法的控制下在142處快速回至零。
盡管已詳細描述了實現本發(fā)明的最好方式,但是熟知本發(fā)明所屬領域的技術人員將意識到由隨后的權利要求限定的實施本發(fā)明的各種替換設計和實施例。
權利要求
1.一種控制施加于自動機械變速器(10)的變速機構(22)的力的方法,該變速器包括至少一個變速軌(36、38、40),該變速機構包括一個由電動機(50、52)驅動的變換指(29),該變換指(29)與該變速軌(36、38、40)一起執(zhí)行該變速器的變速,該方法包括以下步驟用一個可變的工作周期脈沖寬度調制控制信號激勵電動機(100),產生一個目標電流施加于該電動機;檢測該電動機吸收的電流(102);調節(jié)作為該檢測的電流(D)與該目標電流之間的差值加上該差值的變化率的和一個函數的該控制信號的工作周期(106),以將該差值降至零。
2.根據權利要求1所述的方法,其特征在于所述目標電流產生一個作用于所述變換指(29)的預定的預加載力(B)。
3.根據權利要求2的所述的方法,其特征在于響應于電動機轉動至起動拉到空檔操作的檢測,所述目標電流增大。
4.控制施加于自動機械變速器(10)的變速機構(22)的力的裝置,該變速器包括至少一個變速軌(36、38、40),該變速機構包括一個由電動機(50、52)驅動的變換指(29),該變換指與該變速軌一起執(zhí)行該變速器的變速,電流控制裝置(54、56)與該電動機連接并響應控制該電動機的轉動方向的控制信號,控制器裝置(16、34)施加一個可變的工作周期脈沖寬度調制控制信號至該控制裝置以產生施加于該電動機的目標電流,該控制器裝置檢測該電動機吸收的電流并調節(jié)作為該檢測電流與該目標電流之間的差值加上該差值的變化率的和的一個函數的該控制信號的工作周期,以將該差值降至零。
5.根據權利要求4所述的裝置,其特征在于所述目標電流(D)產生一個作用于所述變換指(29)的預定的預加載力(B)。
6.根據權利要求5所述的裝置,其特征在于響應于電動機轉動至起動拉到空檔操作的檢測,所述控制器裝置(16、34)增大該目標電流。
全文摘要
通過控制驅動變速器的變速機構(22)的電動機的電樞電流,改善自動機械變速器(10)的變速質量并降低變速器的磨損。一個微控制器(16)監(jiān)測電流以確定在變速操作期間是否變速機構已遇到一個隱患或已經停住。根據一個對檢測的電流與一個目標電流之間的差值進行比例和微分控制的算法,對微控制器(16)編程以控制施加于電動機的脈沖寬度調制(PWM)電壓信號的工作周期。通過PWM控制使電流尖峰值快速降低導致施加于變速機構(22)并且從而施加于滑動離合器及變速齒輪的力的減小。
文檔編號F16H59/04GK1108366SQ94108640
公開日1995年9月13日 申請日期1994年8月11日 優(yōu)先權日1993年8月11日
發(fā)明者S·A·艾德倫, S·F·侯賽恩, C·C·翁 申請人:易通公司