CN102666233B - 自动下坡速度控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于自动控制机器的下坡速度的方法。该方法包括基于当前机器速度而确立目标机器速度并判断是否已满足包括大于预定阈值的坡度的至少一个触发条件。如果满足，则该方法启用控制系统来控制传动系统阻滞器和变速器档位的变化中的至少一者，以防止超过目标机器速度。

Description

自动下坡速度控制系统
技术领域
本发明涉及自动下坡速度控制，且更具体地涉及用于控制下坡速度的自动传动系统阻滞和换挡。
背景技术
机器操作人员通常采用阻滞装置并选择档位来控制在下坡状态期间的速度。美国专利申请公报2008/0207398('398公报)公开了使用方位传感器，以通过液压驱动风扇的操作来控制发动机的阻滞。然而，'398公报未能公开一种确定目标速度的系统。'398公报也未能公开一种通过传动系统阻滞和变速器档位控制来控制下坡速度的系统。
发明内容
在一方面，本发明提供了一种用于自动控制机器的下坡速度的方法。所述方法基于当前机器速度而确立目标机器速度并判断是否已满足至少一个触发条件，其包括大于预定阈值的坡度。如果满足，则所述方法启用控制系统控制传动系统阻滞器/减速器，以防止超过所述目标机器速度。
在另一方面，所述方法在制动踏板被接合时提高传动系统阻滞/减速水平，以将所述机器速度降低到所述目标速度之下。
在又一方面，提供了一种机器，所述机器包括油门、发动机、传动系统阻滞器、坡度传感器和控制器。所述控制器与所述传动系统阻滞器和坡度传感器电气通信，并配置成当所述坡度传感器测出所述机器的坡度大于预定阈值并且所述油门被释放时启用所述传动系统阻滞器，以防止超过目标机器速度。
本发明的其他特征和方面将从以下描述和附图而显而易见。
附图说明
图1是位于平坦上表面上的机器的示意图。
图2是位于下坡表面上的机器的示意图。
图3是位于平坦下表面上的机器的示意图。
图4是机器的示意图。
图5是阻滞器杆/减速杆的示意图。
图5是自动下坡速度控制系统的框图。
图7是启用序列的框图。
图8是目标速度序列的框图。
图9是速度控制序列的框图。
图10是加速序列的框图。
图11是减速序列的框图。
图12是滑行序列的框图。
图13是失速序列的框图。
图14是换挡序列的框图。
图15是示出了档位选择序列的图表。
图16是坡度传感器的示意图。
具体实施方式
图1-3示出了位于地形12上的装备有自动下坡速度控制系统100(“控制系统100”)的机器10。
图1示出了位于地形12的平坦上表面14上的机器10，其中机器10以上平坦速度18沿平坦方向16行驶。图2示出了位于地形12的具有坡度22的下坡表面20上的机器，其中机器10以下坡速度26沿下坡方向24行驶。图3示出了位于地形12的平坦下表面28上的机器10，其中机器10以下平坦速度30返回平坦方向16。
机器10可以体现为铰接式卡车(如图所示)或范围宽泛的车辆或运动机器中的任何其它车辆或机器。机器10可以包括，例如：卡车、轿车、公路用卡车、自卸卡车、非公路用卡车、运土机、轮式装载机、压实机、挖掘机、履带式拖拉机、推土机、自行式平地机，轮式铲运车，或任何其它运动机器。机器10可以运载也可以不运载负载32。
图4示出了机器10包括发动机34、传动系统阻滞器35、变速器38、自动变速器控制装置39、传动轴40、车轮42、机器或车轮制动器44、控制器46、坡度传感器48、负载传感器49、油门50、制动踏板52和阻滞器杆54。发动机34经变速器38和传动轴40将功率传送到车轮42。油门50、制动踏板52和阻滞器杆54由操作人员56控制。操作人员56可以体现为驾驶者(如图所示)或自主控制系统。
传动系统阻滞器35包括用于耗散驱动机器10或传递功率以推进机器10的系统中的能量的装置或系统。传动系统阻滞器35可以包括发动机制动器36和/或变速器阻滞器37。传动系统阻滞器35可以包括发动机制动器36或变速器阻滞器37中的任一者，或者两者。发动机制动器36、变速器阻滞器37以及任何其它所包括的传动系统阻滞器35可以一起使用并且可以互补。
发动机制动器36是通过消散能量而阻滞或使发动机34和机器10减速的装置。发动机制动器36也称为压紧式制动器或发动机辅助制动器(Jakebrake)，其通过致动、打开或控制发动机34的气门而工作。发动机制动器36可以在压缩冲程的上死点附近打开或致动发动机34的排气门，从而将压缩空气释放到排气中，以消耗能量并使机器10减速。
变速器阻滞器37或另一传动系阻滞器消耗传动系中的能量。变速器阻滞器37可以操作附接到变速器38的一个或多个液压泵以消耗能量。变速器阻滞器37可以将流体(液压流体、传动流体或其他可用流体)转移到随变速器38旋转的腔室内。该腔室可以包括叶片或其它结构。当流体被添加至该腔室时，粘滞阻力施加至变速器38，从而消耗能量并使机器10减速。变速器阻滞器37也可以操作连接到变速器38或传动轴40的电动机、加热器或发电机以消耗能量。
传动系阻滞器35还可以包括本领域中公知的其它阻滞器。例如，传动系统阻滞器35可以包括对排气系统增加可控约束的排气制动装置或可以利用电磁感应来对飞轮、变速器37或传动轴40施加阻滞力的电动阻滞器。来自传动系阻滞器35的能量可以由其它系统使用或者储存以便传动系统以后使用。
控制器46与发动机34、传动系统阻滞器35和变速器38通信并控制它们。控制器46还接收来自坡度传感器48、油门50、制动踏板52和阻滞器杆54的数据。控制器46体现为能够传送、接收、处理和储存数据的电子控制模块或本领域中公知的其他处理器。控制器46还可以与在此描述的更多系统通信、接收和处理更多数据。
自动变速器控制装置39自动确定(如下文参照图9和15所述)并接合合适的变速器38档位。变速器38档位也可以由操作人员56手动选择。
坡度传感器48提供机器10所处的坡度22的指示。坡度传感器48可以体现为加速计(如下文参照图16所述)、倾斜计或用于确定机器10的倾斜、下降、海拔变化、斜率、方位或坡度22的本领域中公知的其他传感器。坡度传感器48也可以体现为全球定位系统、与在机器10的当前位置的坡度有关的外部输入或来自操作人员56的输入。坡度22可以作为升程(rise)除以路程的百分比(％)坡度测量，其中0％坡度是零平坡且100％坡度是在1英尺路程上的1英尺升程(1/1)的陡坡，或45度斜坡。
负载传感器49提供负载32和机器的重量指示。负载传感器49可以监控机器10悬架的姿势或者体现为称重传感器。负载传感器49也可以体现为代表重量的外部输入或用于确定负载32和机器10的重量的本领域中公知的另一装置或方法。在包含较少特征的实施例中，可能不需要负载传感器49。
油门50被操作人员56压下，以增加通向发动机34的燃料并提高机器10的速度。制动踏板52由操作人员56用来接合车轮制动器44并使机器10减速。
阻滞器杆54由操作人员56用来接合传动系统阻滞器35并使机器10减速。如图5所示，阻滞器杆54可以具有多个位置或操作模式。例如，阻滞器杆54可以具有自动位置58、关闭位置60、低位置62和高位置64。当处于自动位置58时，控制系统100启用。当处于关闭位置60时，控制系统100和传动系统阻滞器35不起作用。当处于低位置62时，控制系统100不起作用并且传动系统阻滞器35被接合。当处于高位置64时，控制系统100不起作用并且传动系统阻滞器35以大于在低位置62时的程度被接合。阻滞器杆54可以具有更多或更少的位置并且也可以通过默认选择自动位置58而免除。
控制器46配置成操作控制系统100。控制系统100在图6中被图表表示为包括以下控制序列：启用序列200、目标速度序列300、速度控制序列400、加速序列500、减速序列600、滑行序列700、失速序列800、换挡序列900和档位选择序列910。控制系统100可以包括另外或更少的序列。
图7所示的启用序列200确定控制系统100何时启用以及传动系统阻滞器35何时将自动操作。启用序列200询问至少一个触发条件,以判断是否满足启用控制系统100的至少一个触发条件。
如图7所示，启用序列200可以包括5个触发条件。在触发条件202中，启用序列200检查阻滞器杆54是否处于自动位置58。在触发条件204中，启用序列200检查坡度传感器48是否已报告超过预定坡度阈值的下坡坡度22。所述预定坡度阈值可以是将需要传动系统阻滞来控制机器下坡速度26的坡度22并且可以介于0％与4％坡度22之间。
在触发条件206中，启用序列200检查油门50是否已被释放。在触发条件208中，启用序列200检查制动踏板52是否被接合。在触发条件210中，启用序列200检查发动机34是否高于预定失速速度。预定失速速度是低于该速度发动机34不会正常工作的速度，并且可以代表低于该速度不会有足够的燃料和空气被传送到发动机34以保持其运行的速度。如果低于预定失速速度，则发动机速度可以自动升高而高于失速速度。
如果对启用序列200中的这些触发条件202、204、206、208和210各者的应答为“是”，则在结果212中启用控制系统100。如果对启用序列200中的这些触发条件202、204、206、208和210任一的应答为“否”，则在结果214中控制系统100不启用并保持手动控制。启用序列200可以包括另外或更少的触发条件、询问、应答和结果。
一旦被启用序列200启用，控制系统100便采用另外的序列来控制机器10和发动机34，如图8-15所示。
图8示出了目标速度序列300，该序列300用来确定控制系统100的目标速度。在步骤302中，自动确定或确立机器10的当前速度。在步骤304中，确定机器10的最大允许速度。该最大允许速度是对于所述条件机器10应以该速度工作的预定速度。机器10的最大允许速度可以根据坡度22和负载32的重量而定。坡度22越陡且负载32的重量越高，最大允许速度可能越低。最大允许速度可以由控制器46经由计算或脉谱图来确定。机器10的最大允许速度也可以根据另外的因素而定；例如车轮打滑、负载分布、执行状态、发动机状况或可以影响机器10工作的另一因素。不断重复步骤304，以应对将改变最大允许速度的变化的条件，例如坡度22的变化。
在步骤306中，将目标速度赋给在步骤302中确定的当前速度和在步骤304中确定的最大允许速度中的较低者。不断重复步骤306，以应对变化的最大允许速度。在步骤308中，采用控制系统100来实现在步骤306中确定的目标速度。
图9示出了用于实现目标速度的速度控制序列400。控制系统100试图使下坡速度26按以下方式匹配目标速度。在步骤402中，根据档位选择序列910(如下文参照图15所述)来选择恰当的变速器38档位。接下来，在步骤404中，启用传动系统阻滞器35，以实现目标速度。如果速度高于目标速度，则提高传动系统阻滞程度或水平，而如果速度低于目标速度，则降低发动机制动水平。
图10示出了加速序列500，该序列500用于在机器10位于坡度22上并且控制系统100起作用时提高机器10的速度。在步骤502中，油门50在控制系统100起作用时接合。在步骤504中，停用控制系统100并且响应于油门50的接合而提高机器10速度。在步骤506中，在新的当前速度下再次释放油门50。在步骤508中，以新的目标速度重新启用控制系统100，所述新的目标速度由目标速度序列300基于来自步骤506的新的当前速度赋予。
图11示出了减速序列600，该序列600用来在机器10位于坡度22上并且控制系统100起作用时降低机器10的速度。在步骤602中，制动踏板52在控制系统100起作用时接合。在步骤604中，控制系统100自动提高传动系统阻滞水平并且按需接合车轮制动器44以降低机器10的速度。在步骤606中，在新的当前速度下释放制动踏板52。在步骤608中，以新的目标速度重新启用控制系统100，所述新的目标速度由目标速度序列300基于来自步骤606的新的当前速度赋予。
图12示出了滑行序列700，该序列700用来在牵引力控制系统起作用时的滑行事件期间进行辅助。滑行事件发生在机器10开始在地形12上滑行或者由于其它原因而失去牵引力之时。牵引力控制系统可基于各种输入——包括车轮速度变化和加速计数据——而启用。视情况而定，牵引力控制系统可采取多个纠正动作，包括改变对车轮42的功率分配、接合车轮制动器44、接合传动系阻滞器35、以及变换变速器38档位。
在步骤702中，牵引力控制系统起作用并请求动作。在步骤704中，控制系统100由牵引力控制系统控制并且如牵引力控制系统所请求的那样施加传动系阻滞水平或变换变速器38档位。在步骤706中，滑行事件结束并且牵引力控制系统不再起作用或请求纠正动作。在步骤708中，以从启用牵引力控制系统之前的目标速度重新启用控制系统100。
图13示出了失速序列800，该序列800类似的触发条件210用来防止发动机34速度下降到预定失速速度以下。在步骤802中，当发动机34速度下降到预定失速速度以下时启用失速控制系统。在步骤804中，失速控制系统控制控制系统100。在步骤806中，失速控制系统将发动机34速度提高到停用速度以上，所述停用速度可高于预定失速速度，以帮助防止发动机34速度再次下降到预定失速速度以下。在步骤808中，一旦发动机34速度高于停用速度，便停用失速控制系统并在启用失速控制系统之前以目标速度启用控制系统100。
图14示出了换挡序列900，该序列900帮助提供变速器38的平顺换挡。在步骤902中，控制系统100或自动变速器控制装置39请求变速器38换挡。在步骤904中，控制系统100克制改变传动系统阻滞水平直到变速器38换挡完成之后。
图15是用于示出档位选择序列910如何工作的示例性图表。如速度控制序列400的步骤402中所包括的，控制系统通过自动变速器控制装置39而针对所述条件选择恰当的档位。如图15所示，这种档位选择可基于坡度22和负载32重量，而不基于目标速度。图15示出了根据坡度22相对于负载32重量而定的恰当档位(1-7)的示例性图表。针对较低的坡度22和较低的负载32重量而选择较高的变速器38档位。实际值将根据机器10特性而发生很大变化。还可以针对这种档位选择使用另外的变量。
在其它实施例中，可以不包括序列200、300、400、500、600、700、800、900或910中的一个或多个。例如，可以免去加速序列500、减速序列600、滑行序列700、失速序列800、换挡序列900和/或档位选择序列910。在一个实施例中，可以免去自动变速器控制装置39，从而可以免去对负载传感器48、速度控制序列400的步骤402、换挡序列900和档位选择序列910的需求。
图16示出了可以使用的示例性坡度传感器48。该坡度传感器48体现为带有滚动轴线X、俯仰轴线Y和横摆轴线Z的三轴加速计。来自这三个轴线X、Y和Z的读数能够用来通过三角学计算提供坡度22的指示。这些计算必须应对多个变量，包括来自崎岖地形12的数据和虚假读数的不规则性、机器10在转弯期间的摇摆、机器10在速度变化期间或者在车轮制动器44接合时的摇晃、车轮42弹跳、负载32移位、变速器38换挡、机器10悬架压缩、快速变化的坡度22等。
工业适用性
上述控制系统100给操作人员56提供了对机器10速度的控制。当操作人员56开始沿坡度22下坡(参见图1)并释放油门50时，控制系统100介入以维持机器10的当前速度。如果当前速度对于坡度22和负载32而言过快，则目标速度序列300降低机器10速度。如果操作人员56希望通过压下油门50来提高机器10速度，则加速序列500提高机器10速度。如果操作人员56希望通过压下制动踏板52来降低机器10速度，则减速序列600降低机器10速度。
如果发生滑行并且牵引力控制系统需要改变传动系统阻滞水平或变速器38档位，则滑行序列700给牵引力控制系统提供控制。如果发动机34速度下降到预定失速速度以下，则失速序列800给失速控制系统提供控制。在发生变速器38换挡的同时，控制系统100不改变传动系统阻滞水平直到换挡完成之后。
控制系统100不断适应当前条件。坡度22的改变将导致目标速度序列300中的最大允许速度改变并且将可能自动改变每个档位选择序列910所选择的档位。一旦机器10返回平坦表面28(参见图3)，所感测到的坡度22便将小于启用序列200中的预定阈值并且控制系统100将被停用。
在下坡状态期间，控制系统100帮助操作人员56维持期望速度而不进行明显输入并且不经由制动踏板52采用车轮制动器44来实现期望速度。车轮制动器44在下坡状态下过热和磨损并且可能不会有效控制速度，尤其是对于大型机器10、重负载32和陡坡22。传动系统阻滞器35如发动机制动器36在这些状态和应用中一般优于车轮制动器44。
在无控制系统100的情况下，操作人员56在下坡状态下需要不停地拨动阻滞器杆54以实现和维持用于期望机器10的期望的传动系统阻滞水平。操作人员56请求的这种连续动作可能使她接合车轮制动器44以作出所需的纠正。控制系统100可以降低操作人员56的这种负担并且帮助防止车轮制动器44的使用。这种操作人员56的负担降低可以允许她将更多注意力集中在道路和其它负担上。控制系统100还可以使机器10的自动化控制更容易。
控制系统100还在坡度22的变化被操作人员56注意到并纠正之前纠正坡度22的变化。目标速度序列300帮助防止超过对于所述状态的最大允许速度。滑行序列700帮助机器10对不利条件自动作出反应，同时允许操作人员56保持将注意力集中在转向上。失速序列800帮助机器10对操作人员56可能未注意到或者未及时作出反应的低速条件自动作出反应。换挡序列900帮助提供顺滑的变速器38换挡并且可以降低变速器38磨损。换挡序列910通过自动将变速器38接合在针对所述条件的恰当档位而辅助操作人员56。三轴加速计可以提供作为坡度传感器48的倾斜计的低成本代替方案。
即使有高水平的自动控制，控制系统100也仍为操作人员56提供了大量输入。启用序列200提供了控制系统100的一种容易的启用方法。操作人员仅需将阻滞器杆54置于自动位置58并在接近坡度22时将她的脚从油门50移开。
目标速度序列300允许操作人员56迅速确立她期望的下坡速度26。加速序列500允许操作人员56容易地提高机器10的速度。减速序列600允许操作人员56容易地降低机器10的速度，同时进一步降低对车轮制动器44的需要。
总之，本发明公开了一种用于自动控制机器的下坡速度的方法，该方法包括：基于当前机器速度确立目标机器速度；判断是否已满足包括由坡度传感器测出的坡度大于预定阈值的至少一个触发条件；以及在判定已满足所述至少一个触发条件时控制传动系统阻滞器以防止超过目标机器速度。所述至少一个触发条件还可以包括以下中的至少一个或多个：操作人员选择了自动模式、油门正被释放、机器制动器未被接合、以及发动机速度足以防止失速。坡度传感器可以是加速计。可以基于坡度和由机器承载的负载的重量来选择变速器档位。该方法还可以包括：确定最大允许机器速度；以及当最大允许机器速度低于目标机器速度时提高传动系统阻滞水平以防止超过最大允许机器速度。最大允许机器速度可以根据坡度和由机器承载的负载的重量而定。当油门被接合时可以停用传动系统阻滞器。当油门再次被释放时可以重新启用传动系统阻滞器并且基于新的当前速度来设定新的目标速度。当制动踏板被接合时，可以提高传动系统阻滞水平以将机器速度降低到目标速度以下，而当制动踏板被释放时，可以基于新的当前速度来设定新的目标速度。当坡度低于预定阈值时，可以停用传动系统阻滞器。当变速器档位发生变化时，可以维持当前传动系统阻滞水平。传动系统阻滞器还可以包括发动机制动器和变速器阻滞器中的至少一者。
本发明还公开了一种用于机器的自动速度控制的方法，该方法包括：基于当前机器速度来确立目标机器速度；判断是否已满足触发条件；在判定已满足所述触发条件时启用传动系统阻滞水平以防止超过目标机器速度；以及当制动踏板被接合时提高传动系统阻滞水平以降低机器速度。所述至少一个触发条件还可以包括以下中的至少一个或多个：坡度大于预定阈值、操作人员选择了自动模式、油门正被释放、机器制动器未被接合、以及发动机速度足以防止失速。该方法还可以包括基于坡度和由机器承载的负载的重量而改变变速器档位。该方法还可以包括：确定最大允许机器速度；以及当最大允许机器速度低于目标机器速度时提高传动系统阻滞水平以防止超过最大允许机器速度，其中最大允许机器速度可以根据坡度和由机器承载的负载的重量而定。该方法还可以包括当制动踏板被释放时基于新的当前速度而启用传动系统阻滞水平以防止超过新的目标机器速度。
本发明还公开了一种机器，该机器包括：油门；发动机；传动系统阻滞器；坡度传感器；以及与传动系统阻滞器和坡度传感器电气通信的控制器，其中所述控制器在坡度传感器报告机器的坡度大于预定阈值并且油门被释放时启用传动系统阻滞器，以防止超过目标机器速度。该机器还可以包括变速器，该变速器在机器的坡度大于预定阈值并且油门被释放时基于坡度和由机器承载的负载的重量而改变档位。坡度传感器可以是三轴加速计。
本发明的各方面也可以适用于需要进行下坡速度控制的其它发动机34和机器10系统。这些其它发动机34和机器10系统可以包括混合系统、电动系统、液压系统和其它系统。尽管如文中所述的本发明的实施例可以合并而不脱离以下权利要求的范围，但对于本领域技术人员将显而易见的是，可以作出各种改型和变型。根据说明书和对本发明的实践，其它实施例对本领域技术人员来说将显而易见。说明书和示例旨在仅被视为示例性的，真实范围通过以下权利要求和它们的等同方案来表示。

Claims (9)

1.一种用于自动控制机器(10)的下坡速度(26)的方法，包括：
基于当前机器速度而确立目标机器速度；
确定最大允许机器速度；
判断是否已满足至少一个触发条件，所述至少一个触发条件包括由坡度传感器(48)测量的坡度(22)大于预定阈值；以及
在判定已满足所述至少一个触发条件时，控制传动系统阻滞器(35)以防止超过所述最大允许机器速度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个触发条件还包括以下中的至少一个：操作人员选择了自动模式(58)、油门(50)正被释放、机器制动器(44)未被接合、以及发动机(34)速度足以防止失速。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
当所述最大允许机器(10)速度低于所述目标机器速度时提高传动系统阻滞水平，以防止超过所述最大允许机器(10)速度。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，当所述油门(50)接合时停用所述传动系统阻滞器(35)，并且当所述油门(50)再次被释放时重新启用所述传动系统阻滞器(35)并基于新的当前速度而设定新的目标速度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，当制动踏板(52)被接合时提高传动系统阻滞(35)水平以将机器(10)速度降低到所述目标速度以下，并且当所述制动踏板(52)被释放时基于新的当前速度而设定新的目标速度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述坡度(22)低于所述预定阈值时停用所述传动系统阻滞器(35)。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，当变速器(38)档位发生变化时维持当前传动系统阻滞(35)水平。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述传动系统阻滞器(35)包括发动机制动器(36)和变速器阻滞器(37)中的至少一者。
9.一种能够自动控制下坡速度的机器(10)，包括：
油门(50)；
发动机(34)；
传动系统阻滞器(35)；
变速器(38)，当所述机器(10)的坡度(22)大于预定阈值并且所述油门(50)被释放时，所述变速器(38)基于所述坡度(22)和由所述机器(10)承载的负载(32)的重量改变档位；
坡度传感器(48)；以及
与所述传动系统阻滞器(35)和所述坡度传感器(48)电气通信的控制器(46)，其中，
当所述坡度传感器(48)报告所述机器(10)的坡度(22)大于预定阈值并且所述油门(50)被释放时，所述控制器(46)启用所述传动系统阻滞器(35)，以防止超过目标机器(10)速度。
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