CN103940605A - 使用轴扭矩传感器探测间隙穿越 - Google Patents

使用轴扭矩传感器探测间隙穿越 Download PDF

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Abstract

一种用于探测齿隙以及调节传动系变量的方法，包括测量扭转间断区两边的部件之间传输的扭矩，测量间断区两边的传动系扭转，使用传动系扭转除以扭矩的比例以及传动系刚度的倒数以确定传动系是否进入、离开或处于齿隙区，并且使用在齿隙区测量的传动系扭转和扭矩来调节传动系扭转和扭矩的参考值。

Description

使用轴扭矩传感器探测间隙穿越
技术领域
本发明总体上涉及探测机动车辆传动系中的间隙穿越(lash crossing)，特别是通过使用产生指示当前传输的扭矩量以及传输扭矩的方向感应的信号的装置实现。
背景技术
如图1和图2所示，汽车传动系包括啮合的轮齿，其中当施加在啮合轮齿上的扭矩方向改变时轮齿之间呈现出死区。
由于轴具有特定的柔性(compliance)，这种死区会导致扭矩传输间断以及传动系的冲击激励。因此，死区通常称为“齿隙”或扭矩方向改变期间处于死区(“间隙穿越”)。如果没有与啮合齿轮关联的齿隙，轴扭转(t)与扭矩(q)的关系可以使用扭转弹簧方程式(胡克定律)来表达：t＝Ksq，其中Ks是轴刚度。
间隙穿越是驾驶性能问题的一个关键因素。在汽车控制工程界一直在努力通过预测、探测、避免以及减轻间隙穿越的影响来处理齿隙的问题。
使用车辆当今可用的测量来可靠地探测穿越死区是极具挑战性的。多个公开文件利用胡克定律以基于轴位置传感器得到传动系扭矩，这些传感器通常用于角速度并且已知为“转速传感器”。其它方法是使用未锁止的变矩器两边的转速差异作为变速箱输入处扭矩方向的指示。
仅基于转速传感器位置(齿数)读数的估算方法关联的数值和分辨度(resolution)问题仍然限于较高的转速运转并且易受多个噪声因素的影响：例如同步、低转速处的分辨度、发动机和道路扰动、测量和数值。
发明内容
一种用于探测齿隙并调节传动系变量的方法，包括：测量扭转间断区(torsional discontinuity)两边的部件之间传输的扭矩，测量该间断区两边的传动系扭转，使用传动系扭转除以扭矩的比例以及传动系刚度的倒数确定传动系是否进入、离开或处于齿隙区，并使用在齿隙区处测量的传动系扭转和扭矩来调节传动系扭转和扭矩的参考值。
根据本发明的一个实施例，步骤(d)进一步包含：使用在传动系离开齿隙区时测量的传动系扭转的测量差异的绝对值而调节对应于传动系离开齿隙区的传动系扭转的参考差异。
本方法避免了关联于仅基于转速传感器位置读数、较高转速运转并且易受多个噪声因素影响的估算方法的数值和分辨度问题，该噪声因素包括同步、低转速处的分辨度、发动机和道路扰动以及测量误差。
阅读具体实施例、权利要求书和附图，优选实施例适用的范围将变得显而易见。应理解，描述和具体的示例尽管指示了本发明的优选实施例，但仅出于说明的目的。对于本技术领域的技术人员而言，描述的实施例和示例的多个改变和变型是显而易见的。
附图说明
图1是说明传动系中具有死区的两个轴的示意图；
图2是显示齿轮之间齿隙的啮合轮齿的端视图；
图3是显示传动系扭矩和扭转从负扭转至正扭转的变化的图表，包括进入以及离开齿隙出现的间断区；
图4是用于控制变矩器离合器的电子控制器的示意图；
图5是使用轴扭矩和扭转测量探测间隙穿越以及尺寸的算法；以及
图6显示使用粗略估算的扭转和测量的轴扭矩之间的比例探测间隙穿越的时间轨迹。
具体实施方式
图1显示了具有通过扭转间断区16连接的两个轴12、14的传动系10，在扭转间断区16中可能出现齿隙。通过图2中啮合的齿轮18、20来表示间断区16，每个齿轮固定至轴12、14中的一者。适合量产的能直接测量变速器输入轴或输出轴处扭矩的磁弹性轴扭矩传感器24实现了车辆控制中的很多功能。轴扭矩传感器24的动态响应在数分之一毫秒内，它的精度远远超过现在任何可用的车载扭矩估算。所以，这种扭矩测量可以实现稳健的齿隙探测以及马达车辆驾驶性能控制的有用反馈。
图3是显示从负扭转角度向正扭矩角度(包括进入或离开齿隙区26出现的间断区θn、θp(即间隙穿越))的传动系扭矩τ和扭转θ变化的图表。
理论上，在轴上接近主源的死区(死区通常出现在差速器处)测量的零穿越扭矩(zero crossing torque)应该直接指示间隙穿越。然而，实际上，存在可以通过结合来自扭矩传感器的信息和转速传感器信号消除的多个不确定源。由于测量噪声或传动系中的位置导致的扭矩传感器读数偏差可能导致间隙穿越处于非零的扭矩信号处。利用在零附近的扭矩区域中转速传感器的齿数信息可以帮助精准定位间隙穿越并从而清除扭矩测量偏差。
图1中可见的斜率Ks的间断区可以用于确定传动系何时处于非接触区域。更精确地，扭矩-扭转关系表示为：
Ks(θ-θp)，θ＞θp＞0
τ＝0，θn＜θ＜θp，|θn|＝|θp|
Ks(θ-θn)，θ＜θn＜0
其中：
θ是测量的扭转间断区的一侧相对于其它侧的角度；
θp是参考的正向间隙角度；
θn是参考的负向间隙角度；
而τ是轴元件上的扭矩。
当传动系处于死区区域26时，斜率Ks为零。
图4说明了控制器50，该控制器50包含可访问电子存储器56(包括控制算法)的电子微处理器54、互相连接控制器的部件的数据通信总线58、用于控制器与多个动力传动系统传感器通信的输入端口60、以及响应于执行算法产生的结果而通信来自控制器的信号的输出端口62。存储器56的RAM部件包括与扭矩传感器24关联的参考数据(包括ε)以及与传动系10相关的参考数据(包括Ks、θp、θn、代表在变速箱输入和输出处测量的扭矩τ的信号以及变速器角位移或扭转θ1、θ2)。至控制器50的输入信号包括通常通过ABS模块传输的车轮角位移或扭转θ3。
存在多种方式可以基于测量的差速器输出轴转速的位置计数和车轮转速传感器使用轴扭矩和轴扭转的测量来探测齿隙区域。
用于确定传动系处于非接触(齿隙)区域的最直接方式是通过观测当扭转(θ)测量(或估算)变化时扭矩测量(τ)是恒定的。注意，由于扭矩信号可能具有偏差或测量噪声，仅使用扭矩信号探测间隙何时穿越零可能是不足够的。
一种方式将会是计算比例(τ／θ)并且当接近于0时得出传动系处于齿隙区域。
对于数值误差和其它噪声因素而言稳健的另一种方法是使用相反的比例(θ／τ)。当传动系即将进入非接触区域时因为测量的扭矩将接近于零，该比例将增加至较大的数值。参考图5描述了这种方法的算法30。在步骤32处作出测试以确定是否测量的扭矩|τ|＜ε，其中ε是指定用于扭矩传感器24的在扭矩传感器指示传动系10中当前传输零扭矩的附近的测量误差范围。ε是扭矩传感器24在零扭矩读数处允许的测量扭矩误差的最大值，在零扭矩读数处出现间隙穿越。例如，扭矩传感器规格对于高达100Nm的扭矩值具有+／-5Nm的公差ε而对于更大的扭矩具有5％的误差。
如果测量32的结果为否，控制前进至步骤44，将在下文解释步骤44。
如果测试的结果为是，在步骤36处作出测试以确定是否|θ／τ|＞δ，其中δ是通过Ks相应校准的斜率探测阈值。因为τ＝Ksθ，所以θ／τ＝1／Ks。从而，角位移阈值δ与1／Ks相关。当标量高于估算的1／Ks时应该校准|θ/τ|以确保稳健性。关键是，在出现间隙穿越的区域中，扭矩τ大约为零；所以，角位移θ除以扭矩τ会产生非常大的数字θ/τ。
所以，如果测试36的结果为是，传动系10当前在齿隙区域26中运转。例如，在噪声存在的情况下为了实现更加稳健的探测，还通过检查|θ／(τ-ε)|＞δ、|θ／(τ+ε)|＞δ使步骤36更加稳健。
在步骤38处作出测试以确定间隙标记(lash_flg)是否为零。如果间隙标记为零，自算法30的上一次执行起间隙状态没有出现改变。在步骤40处间隙标记设置为1指示进入齿隙区26，而间隙标记在步骤46处重设为0指示离开齿隙区。从而，因为根据测试36传动系10处于间隙区，并且因为根据测试38的结果传动系在上一次执行算法时退出间隙区，步骤40涉及传动系当前进入齿隙区26。
确定传动系10是转变进入还是转变退出间隙穿越齿隙区26是有益的。如果步骤36指示传动系10当前在齿隙区26中运转，取决于是否发生转变或者继续之前间隙状态，此后采用不同的逻辑路线。
当步骤36和38的结果都为是时，指示传动系当前进入θp和θn之间的齿隙区域，在步骤40处(如果存在偏差)可以通过(i)立即将它重设为0、(ii)过滤至0或(iii)随时间逐渐适调而消除传动系角位移的偏差。例如，如果期望θp和θn出现在3度处，但是算法30的连续执行指示θp或θn出现在5，6、5，4度处，可以将当前测量的轴扭转θ与模型存储的值(θp和θn)比较，并且可以在存储器56中将θp和θn调节成与扭转θ一致。
在步骤40处间隙标记设置为1指示间隙状态从算法的上一次执行起已经改变。执行步骤40后，控制前进至终止执行算法30的步骤34。
当步骤36的结果为是并且步骤38的结果为否时，指示传动系10在齿隙区26中运转，在步骤42处适调扭矩τ偏差，即更新存储器56以处理τ偏差。步骤36指示传动系在齿隙区26中运转之后，通过扭矩传感器24产生的扭矩测量应该为0。如果测量不是零，测量的扭矩是扭矩偏差或扭矩误差，可以在存储器56中对扭矩误差逐渐或立刻校正。
执行步骤42之后，控制前进至终止执行算法的步骤34。
如果测试36的结果为否，指示扭矩和扭转较低并且传动系10没有在齿隙区26中运转，在步骤44处作出测试以确定间隙标记是否等于1。如果测试44的结果为否，控制前进至步骤34，在步骤34处终止算法的执行。
如果测试44的结果为真，间隙标记当前为零指示了自算法30的上一次执行中进入齿隙区26时设置标记起间隙状态没有改变。所以，传动系当前离开齿隙区26。在步骤46处可以消除传动系扭转θ的偏差(如果存在偏差)，即通过(i)立即将扭转重设为0、(ii)过滤至0或者(iii)随时间逐渐适调。例如，如果期望θp或θn出现在3度处，但是算法30的连续执行指示θp或θn出现在5，6、5，4度处，可以将当前测量的轴扭转θ与模型存储的值(θp和θn)比较，并且θp和θn可以在存储器56中调节成与测量的扭转θ一致。在步骤46处间隙标记重设为0。
在步骤48处，可以确定变速器运转的当前挡位的|θp-θn|的差距。更精确地，可以确定θp和θn并且一旦识别θp和θn在0附近是对称的则消除了传动系扭转估算或扭转测量的偏移。一旦离开齿隙区26，传动系穿过图3说明的θp和θn。如果在θp和θn转变处测量的角度与存储器56中存储的θp和θn的值不一致，可以调节这些值。例如，如果θp是4.0度而θn是2.0度，|θp-θn|调节到3.0度，即它们趋于校正的中心值3.0度。
图6中的时间轨迹显示轴测量70、(顶部的)间隙探测标记72、传动系扭转的粗略估算74、估算的传动系扭转74除以扭矩测量70产生的信号76以及阈值δ78。
由于通过传动系轴转速传感器产生的指示扭转角度信号的车辆数据不可用，通过车轮转速传感器和变速器输出轴转速传感器信号的粗略积分获得估算的轴扭转74。
根据专利法的规定，已经描述了优选实施例。然而，应理解除了具体说明和描述的之外还可以实施替代实施例。

Claims (10)

1.一种用于探测齿隙的方法，包含：
(a)测量扭转间断区两边的部件之间传输的扭矩；
(b)测量所述间断区两边的传动系扭转；
(c)使用所述传动系扭转除以所述扭矩的比例和传动系刚度确定传动系是否进入、离开或处于齿隙区。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包含：
使用在所述齿隙区测量的传动系扭转和扭矩调节传动系扭转和扭矩的参考值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)进一步包含：使用扭矩传感器测量所述扭转间断区两边的部件之间传输的扭矩。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)进一步包含：
使用扭矩传感器测量所述扭转间断区两边的部件之间传输的扭矩；以及
当扭矩传感器指示所述扭矩为零时确定所述扭矩的绝对值小于扭矩传感器指定的测量误差容忍范围。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(b)进一步包含：
使用位于所述扭转间断区的相对侧处的角位移传感器测量所述间断区两边的传动系扭转。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(c)进一步包含：
使用所述传动系扭转除以所述扭矩的比例的绝对值和传动系刚度的倒数确定传动系进入、离开或处于齿隙区。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)和(c)进一步包含：
使用扭矩传感器测量所述扭转间断区两边的部件之间传输的扭矩；以及
确定所述传动系扭转除以所述扭矩和当扭矩传感器指示当前传输零扭矩时对扭矩传感器指定的测量误差容忍范围之间差异的比例的绝对值小于传动系刚度的倒数。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(d)进一步包含：
使用在所述传动系进入所述齿隙区时测量的传动系扭转以调节对应于所述传动系进入所述齿隙区时的参考传动系扭转。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(d)进一步包含：
使用当所述传动系在所述齿隙区运转时测量的传动系扭矩而调节对应于所述传动系在所述齿隙区中运转的参考传动系扭矩。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(d)进一步包含：
使用在所述传动系从所述齿隙区离开时测量的传动系扭转而调节对应于所述传动系从所述齿隙区离开的参考传动系扭转。
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