CN105697588A - 手动变速器离合器的电子控制 - Google Patents

Abstract

本发明提供手动变速器离合器的电子控制。控制器调节离合器致动器位置是对离合器踏板运动的响应。在接合或分离期间，控制器监测传感器信号以确定与触点对应的致动器位置。所述传感器可直接地指示离合器扭矩或可间接地响应。巨磁阻(GMR)传感器提供精确的轴旋转位置信号，其可被二次微分以产生精确稳定的加速度信号。控制器基于感测的加速度或扭矩的变化来更新触点。然后，控制器调节致动器踏板位置和离合器踏板位置的关系，使机械磨损调节是没有必要的。

Description

手动变速器离合器的电子控制

技术领域

本公开涉及变速器系统领域。更具体地讲，本公开涉及通过控制器响应于离合器踏板的运动来控制具有离合器的手动变速器。

背景技术

图1中示出了典型的手动动力传动系统。实线表示流过旋转轴的机械动力。虚线表示控制连接，控制连接可利用机械连接来实现。发动机10通过燃烧燃料在曲轴12处产生功率。在驾驶员进一步踩下加速踏板14时，发动机对加速踏板位置的变化作出响应以产生更多的功率。变速器16将功率从曲轴12传递至示输出轴18。变速器16包括通过输入轴24连接的摩擦离合器20和齿轮箱22。齿轮箱22能够响应于驾驶员对换挡器26的操纵，而建立多个前进传动比和至少一个倒退传动比。驾驶员通过对离合器踏板28的操纵来控制离合器20的扭矩容量。差速器30将来自输出轴18的功率在驱动左车轮34的左车轴32和驱动右车轮38的右车轴36之间分流，同时允许在车辆转弯时车轴之间转速稍微不同。在典型的后轮驱动动力传动系统中，变速器输出轴是延伸到差速器的驱动轴。在典型的前轮驱动动力传动系统中，输出轴18可以通过主减速器(finaldrivegear)可驱动地连接到差速器。前轮驱动动力传动系统的变速器和差速器常常结合在单个壳体中并称为变速驱动桥。

对于内燃发动机10产生功率来说，曲轴12必须以足够的转速旋转。然而，当车辆在齿轮箱22建立传动比的情况下静止时，输入轴24也静止。为了使车辆开始运动，驾驶员控制离合器20的扭矩容量以将功率从运动的曲轴12传递至静止的输入轴24。随着车辆加速，输入轴24的转速逐渐增加，直到输入轴的转速等于曲轴12的转速，在这一点处，离合器20可完全接合。在离合器20完全接合的情况下，曲轴12的转速与车辆的速度成比例。当车辆在一挡下加速时，曲轴12的转速过大，迫使需要换到二挡。齿轮箱22不能够在传递功率的同时改变传动比。因此，驾驶员通过分离离合器20，然后操纵换挡器26来改变齿轮箱传动比，然后重新接合离合器20来换挡。离合器20的重新接合迫使曲轴转速等于输入轴转速(主要通过改变曲轴的转速)。

每当离合器20在以不同转速旋转的轴之间传递扭矩时，因为在车辆起动事件过程中，一定会损耗一些功率。功率是转速和扭矩的乘积。在起动事件过程中，通过曲轴施加的扭矩和施加在输入轴上的扭矩均等于离合器扭矩容量。流入离合器的功率是曲轴转速乘以扭矩容量。流出离合器的机械功率是输入轴转速乘以扭矩容量。功率流入和机械功率流出之间的差通过转换为热而消散。最初，热被离合器部件吸收，使这些部件的温度升高。然后，热通过对流、传导、辐射逐渐地传递到环境，逐渐降低了离合器部件的温度。

通过离合器消散的能量的量在一段时间间隔内等于功率损耗在时间上的积分。如果在短时间内消耗的能量的量过多，那么离合器温度将过度增加。当离合器温度升高时，离合器衬片材料的磨损率显著增加。在足够高的温度下，材料的摩擦系数下降，并且离合器不能够实现足够的扭矩容量。驾驶员操纵加速踏板、离合器踏板和换挡器的技术极大地影响能量损耗。

发明内容

一种车辆包括发动机、离合器、齿轮箱和控制器。齿轮箱响应于换挡杆的运动在输入轴和输出轴之间建立多个功率流路径中的一个。离合器将扭矩从发动机传递至输入轴并具有响应于离合器致动器位置而变化的扭矩容量。扭矩容量在致动器位置处于触点的释放侧上时可忽略，并且关于触点的接合侧上的致动器位置单调增加。控制器根据离合器踏板位置的函数调节致动器位置。在第一起动事件期间，控制器监测传感器阵列，并响应于接收的信号，修正所述函数。传感器阵列可包括扭矩传感器、旋转速度传感器(例如，巨磁阻(GMR)传感器)或加速度传感器。在第二起动事件期间，控制器响根据修正的踏板位置函数，调节致动器位置。该修正的函数使得，由于触点因磨损或其他原因而改变，使触点相当于恒定的、预定的离合器踏板位置。在某些条件下，控制器可将致动器位置调节至触点的释放侧上的位置，同时离合器踏板被定位在恒定的、预定的位置的接合侧上。这些条件包括在加速踏板释放情况下的滑行，变速器在前进挡功率流路径下接合的情况下的车辆静止。在某些情况下，控制器可关闭发动机，同时离合器致动器处于释放位置并且可在不论离合器踏板位置如何都保持致动器处于释放位置，直到发动机重新启动。

根据本发明的一个实施例，传感器阵列包括加速度传感器。

根据本发明，一种控制器包括：通信信道，从离合器踏板传感器和GMR传感器接收信号并向离合器致动器发送信号；控制逻辑，被配置为响应于来自离合器踏板的信号，根据关联致动器位置与离合器踏板位置的函数，命令致动器运动，并且在起动事件期间，响应于来自GMR传感器的信号，修正所述函数。

根据本发明的一个实施例，响应于来自GMR传感器的信号，修正所述函数包括：通过对来自GMR传感器的信号进行微分来计算转速；通过对转速进行微分来计算加速度；基于加速度更新致动器触点；以及修正所述函数，使得致动器触点与恒定的离合器踏板位置对应。

根据本发明的一个实施例，所述控制逻辑还被配置为，响应于加速踏板的释放，将致动器位置调节至致动器触点的释放侧上的位置，同时离合器踏板被定位在恒定的踏板位置的接合侧上。

根据本发明的一个实施例，所述控制逻辑还被配置为，响应于车速小于阈值以及换挡杆处于前进挡位置，将致动器位置调节至致动器触点的释放侧上的位置，同时离合器踏板被定位在恒定的踏板位置的接合侧上。

根据本发明的一个实施例，所述控制逻辑还被配置为，在致动器位置被调节到触点的释放侧上的位置时，停止发动机；延迟调节致动器位置至触点接合侧上的位置，直到发动机重新启动。

根据本发明，一种控制手动变速器离合器的方法，包括：在第一起动事件期间，根据关联致动器位置与离合器踏板位置的函数调节离合器致动器位置，同时监测来自GMR传感器的加速度信号并记录制动器触点；以及在第二起动事件期间，根据修正的函数调节离合器致动器位置，使得致动器触点与预定的踏板位置对应。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括，响应于加速踏板的释放，将致动器位置调节至致动器触点的释放侧上的位置，同时离合器踏板被定位在预定的踏板位置的接合侧上。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括，响应于车速小于阈值以及换挡杆处于行驶挡位置，将致动器位置调节至致动器触点的释放侧上的位置，同时离合器踏板被定位在预定的踏板位置的接合侧上。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括，在致动器位置被调节到触点的释放侧上的位置时，停止发动机；延迟调节致动器位置至触点接合侧上的位置，直到发动机重新启动。

附图说明

图1是具有手动变速器的车辆动力传动系统的示意图。

图2是具有带电致动式离合器的手动变速器的车辆动力传动系统的示意图。

图3是手动变速器的齿轮布置的示意图。

图4是电致动式手动变速器离合器处于分离位置的剖视图。

图5是电致动式手动变速器离合器处于触点位置的剖视图。

图6是电致动式手动变速器离合器处于接合位置的剖视图。

图7是作为离合器致动器位置的函数的离合器扭矩容量的图。

图8是利用离合器扭矩测量适应性地更新触点估计的方法的流程图。

图9是利用加速度测量适应性地更新触点估计的方法的流程图。

具体实施方式

在此描述本公开的实施例。然而，应理解公开的实施例仅为示例，其它实施例可采用各种和可替代的形式。附图无需按比例绘制；可夸大或极小化一些特征以显示特定部件的细节。所以，此处所公开的具体结构和功能细节不应解释为限定，而仅作为教导本领域技术人员以各种形式使用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任一附图说明和描述的各个特征可与一个或更多个其它附图中说明的特征组合以形成未明确说明或描述的实施例。所示出的特征组合提供用于典型应用的代表实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可期望用于特定应用或实施。

图2示出了利用控制器添加在图1的纯手动动力传动系统中未实用的特征的动力传动系统。在图2的动力传动系统中，发动机10和离合器20不分别直接响应加速踏板14和离合器踏板28的运动。相反，控制器40感测踏板的位置并将命令发送到发动机和离合器。在某些情况下，这些命令与由踏板的操纵指示的驾驶员命令可以不直接对应。为了协助确定适当的命令，控制器可接收额外的信号，包括指示换挡器26的位置的信号和来自齿轮箱22中的一排传感器42的信号。

图3示出了前轮驱动变速器的示例性构造。变速器输出18是固定到差速器架的主减速器。两个副轴50和52平行于变速器输入轴24。主减速器小齿轮54和56分别固定到副轴50和52并与输出齿轮18持续地啮合。因此，副轴的转速与输出18的转速按固定比相关联。固定到输入轴24的多个齿轮与被支撑为绕着副轴之一旋转的相应的齿轮啮合。通过移动同步器58、60或62以选择性地将这些齿轮中的一个结合到副轴中的一个来接合特定的传动比。换挡机构(未示出)响应于驾驶员对换挡器26的操纵而使同步器运动。

变速器还包括多个传感器，所述多个传感器以各种方式对离合器扭矩作出响应。这些传感器共同构成传感器阵列42。虽然仅需要确定扭矩的一种方法，但是下面仍然描述确定扭矩的几种方法。具体的实施例可利用图3中示出的传感器子集来确定扭矩或可利用与离合器扭矩相响应的不同的传感器来确定扭矩。扭矩传感器64直接地感测输入轴24上的扭矩，当离合器20打滑时，输入轴24上的扭矩等于离合器扭矩容量。例如，扭矩传感器64可测量轴中的剪切应变。

两个巨磁阻(GMR)传感器66和68位于副轴50的相对的两端。GMR传感器产生电压，该电压基于固定到轴的端部的磁体的旋转位置而呈正弦变化。GMR传感器提供旋转位置测量，精确到每隔约50微秒的时间时的几分之一度。与通常在变速器中使用的速度传感器不同，即使在轴的转速是零时，GMR传感器也能够提供可用的信号。GMR传感器的一个局限是它们必须安装在轴的端部。然而，在本申请中，这不是问题。

当选择一挡或二挡时，副轴50的至少一部分将传递与离合器扭矩成比例的扭矩。轴的传递扭矩的部分因为扭矩而扭曲。扭曲的量可通过测量轴的每端的旋转位置并对其取差来测量。离合器扭矩与这个差成比例。比例系数在一挡或二挡之间不同。

由于GMR位置信号的精确性，通过对位置信号进行微分可获得精确且稳定的转速信号。进而，通过对旋转速度信号进行微分可获得精确的旋转加速度信号。副轴50的加速度与车辆加速度成比例，与所选择的哪个传动比(若有的话)无关。车辆加速度与离合器扭矩、选择的传动比成正比例相关，并且与车辆质量成反比例相关。由于控制器已知选择的传动比并且车辆的质量通常在窄的范围内相对缓慢地变化，因此，对于某些目的，车辆加速度可用作离合器扭矩的代表。车辆加速度也响应诸如道路坡度、风和道路阻力的额外的参数。这些参数也趋于相对慢的变化，从而控制器能够补偿他们。得到基于车辆加速度的代表性扭矩信号仅需要GMR传感器66或68之一。

图4示出了离合器20的截面图。离合器盘70通过键连接到齿轮箱输入轴24。在一些实施例中，离合器盘70可包括阻尼器以在离合器接合时在发动机和传动系之间提供扭转隔离。摩擦材料72附着到离合器盘70的前侧和后侧。飞轮74固定到曲轴12。在一些实施例中，飞轮可包括用于扭转隔离的设备(provision)。压盘76被支撑为随着飞轮旋转，但是允许轴向移动。离合器盖78固定到飞轮。膜片弹簧80附着到离合器盖78。在其自然状态下，膜片弹簧80呈圆锥形，使得膜片弹簧80趋向于推动压盘压缩位于压盘和飞轮之间的离合器盘。然而，在图4中示出的分离状态下，致动器82已经向内推动膜片弹簧的中心，这样弹簧呈现更平的形状，允许飞轮和压盘与摩擦材料72之间稍微分离。由于致动器82不旋转，并且膜片弹簧80随着飞轮旋转，因此，他们被轴承84分开。

图5示出了利用致动器运动至触点的离合器。在触点，压盘已经朝向飞轮运动足够消除空间，使得摩擦材料72与飞轮和压盘接触，但是压缩摩擦材料的法向力为零。由于法向力为零，所以在触点处离合器的扭矩容量为零。图6示出了利用致动器使离合器运动超过触点。由于致动器位置运动超过触点，压缩摩擦材料的法向力增加。因此，离合器的扭矩容量也增加。

图7示出了致动器位置和扭矩容量之间的关系。线90指示新的离合器的关系。扭矩容量在致动器位置小于触点92时为零并且随着致动器位置的增加而稳步地增加。控制器40基于离合器踏板位置以及其它输入，确定期望的扭矩容量，并且利用关于致动器位置和扭矩容量之间的关系的信息来确定命令什么样的致动器位置。由于使用离合器，摩擦材料72逐渐磨损。线94示出了在摩擦材料已经出现严重磨损后，针对同一离合器的关系。触点96随着离合器磨损而增加。除了离合器磨损之外，其他噪声因数(例如，温度)会改变触点。如果控制器使用触点的错误估计，则扭矩容量会与期望的扭矩容量具有实质上的不同。

一些手动变速器的离合器配备有机械磨损补偿器，机械磨损补偿器向回移位触点，使其大体对应于相同的离合器踏板位置。然而，机械磨损补偿器倾向于以离散步骤进行调节。这些离散步骤足够小，使得驾驶员通常不会注意。然而，对于能够更精细控制的控制器，不可预知的调节产生额外的噪声因数。因此，期望利用算法磨损补偿来替代手动变速器的机械磨损补偿装置。

图8是在离合器扭矩信号可用时，自适应地确定与离合器触点对应的致动器位置的流程图。所述方法在100处开始，定期来执行。根据在102处的确定结果，如果离合器不打滑，则所述方法进行到104以更新当前致动器位置而不更新触点。例如，致动器位置可根据感测的离合器踏板位置的函数来设定，从而预定的踏板位置将致动器置于估计的离合器触点。如果离合器打滑，则所述方法进行到106，以利用上述方法之一或一些其它方法测量离合器扭矩。相当于，所述方法可测量与离合器扭矩直接成正比的量(例如，变速器轴扭矩)。在108处，如果测量的离合器扭矩小于阈值，则所述方法基于当前致动器位置小于实际触点的结论进行分支。阈值设定在零附近，但是也足够大使得传感器变化不会错误地断定离合器正在传递扭矩。在110处，触点的当前估计与当前致动器位置进行比较。如果触点的估计小于当前致动器位置，则在112处将触点的估计更新为等于当前致动器位置。然后，基于踏板位置和修正的触点的估计的函数来更新当前致动器位置。或者，可延迟更新基于修正的离合器位置的函数，直到当前事件(例如，车辆起动事件或换挡)完成之后。另一方面，如果在108处测量的离合器扭矩超过阈值，所述方法基于当前致动器位置超过触点的结论进行分支，这样离合器扭矩线性地响应致动器位置的改变。根据在114确定的结果，如果结论与触点的当前估计不一致，则在112处更新估计，并在104处更新当前致动器位置。

图9是在车辆加速度信号可用时，自适应地确定与离合器触点对应的致动器位置的流程图。与图8的方法一样，所述方法在100处开始，定期来执行。根据在102处的确定结果，如果离合器不打滑，则所述方法进行到104以更新当前致动器位置而不更新触点。如果离合器打滑，则所述方法进行到120，在120，所述方法记录方法先前执行的与先前的致动器位置对应的加速度测量。在122处，所述方法测量车辆加速度或与车辆加速度直接成正比例的量(例如，变速器轴加速度)。在124，所述方法计算在方法的先前执行和当前执行之间的致动器位置和加速度之间的关系的斜率。如果离合器位置小于触点，这个斜率名义上是零。如果离合器位置大于触点，则斜率将与传动比有关。如果在126所计算的斜率小于阈值，则所述方法基于当前致动器位置小于实际触点的结论而分支。在选择不同的传动比时可用不同的阈值。此外，在选择倒挡时可用绝对值。在128处和130处，如果触点的当前估计小于当前致动器位置和先前致动器位置两者，则更新触点的当前估计。如果在126处所计算的斜率大于阈值，则所述方法基于当前致动器位置大于实际触点的结论而分支。在132和134，如果触点的当前估计大于当前致动器位置和先前致动器位置两者，则更新触点的当前估计。在136处，记录当前致动器位置以在下一次执行中使用。然后，基于踏板位置更新当前致动器位置。

如果实际触点改变，则图8或图9的方法将造成触点的估计跟随离合器接合事件而改变。结果，控制器将修正关联命令的致动器位置与感测的离合器踏板位置的函数。然后，在随后的起动或换挡事件期间，对于给定的离合器踏板位置，致动器位置将不同。由于离合器磨损，或者由于其它噪声因数影响实际触点位置，函数可被修正使得在离合器触点处的踏板位置几乎保持不变。

虽然控制器的标称行为是唯一基于离合器踏板位置来定位致动器，但是在某些情况下控制器可偏离这种行为。超越驾驶员离合器踏板运动的能力是电致动离合器的优点之一。一种这样的情况发生在车辆滑行时(既不踩下加速踏板也不踩下制动踏板)，驾驶员使变速器挂挡并且离合器踏板释放(这对应于离合器接合)。在这种情况下，车辆惯性使发动机旋转。这使发动机施加阻力矩，如果发动机转速相对高，阻力矩会很大。为了防止车辆不必要的减速，控制器可使离合器致动器运动到释放的位置，然后控制发动机以怠速旋转。或者，控制器可使发动机关闭以进一步减少燃料消耗。当驾驶员踩下加速踏板时，控制器可快速地将发动机带回到同步转速，然后重新接合离合器。为了能够快速地重新接合，控制器将致动器定位在触点附近，但在触点的释放侧。为了使控制器完成这个，必须具有关于触点位置的精确信息。

当车辆停止时，控制器可关闭发动机以节省燃料。然后，在驾驶员释放制动踏板并踩下加速踏板时，控制器必须快速地重启发动机。某些手动变速器的驾驶员在等待红灯时利用换挡器26使变速器分离并释放离合器踏板28。当准备开走时，驾驶员踩下离合器踏板28，利用换挡器26接合一挡，然后踩下加速踏板14并逐渐释放离合器踏板28。这些连续的步骤给控制器足够的时间以在驾驶员开始释放离合器踏板之前重启发动机。然而，其他驾驶员在等待红灯时，使变速器处于一挡并踩下离合器踏板28。如果在某些情况下，控制器使发动机停止，则驾驶员会在控制器已经起动发动机之前，开始释放离合器踏板。如果驾驶员在发动机启动之前使离合器接合，这将阻止恰当的发动机启动。利用在此描述的电致动离合器，控制器可防止离合器接合，直到发动机已经重新启动。因此，在除了降低燃料消耗之外的更多状况下，控制器能够使发动机停止。具体地讲，控制器在发动机关闭的同时使致动器运动到触点附近的释放位置，并且不管离合器踏板位置如何，保持致动器处于那个位置，直到发动机已经重启。

虽然上文描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了权利要求包含的所有可能的形式。说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以作出各种改变。如上所述，可以组合各个实施例的特征以形成本发明可能没有明确描述或说明的进一步的实施例。尽管已经描述了各个实施例就一个或更多个期望特性来说相较于其它实施例或现有技术的实施方式提供了优点或更为优选，但是本领域普通技术人员应该意识到，为实现期望的整体系统属性可以对一个或更多个特点或特性进行妥协，这取决于具体的应用和实施方式。这样，关于一个或更多个特性，被描述为不如其它实施例或现有技术的实施方式理想的实施例并不在本公开的范围之外，并且可以期望用于特定的应用。

Claims (10)

1.一种车辆，包括：

齿轮箱，被构造为响应于驾驶员可操作的换挡杆的运动在输入轴和输出轴之间建立多个功率流路径；

离合器致动器，具有致动器位置；

离合器，被构造为将扭矩从发动机传递至输入轴，离合器具有随着离合器致动器位置而变化的扭矩容量；

传感器阵列，被构造为响应输入轴上的扭矩；

驾驶员可操作的离合器踏板，具有踏板位置；以及

控制器，被配置为：

在第一起动事件期间，响应于踏板位置的变化，根据踏板位置的函数，调节致动器位置，

在第一起动事件期间，接收来自传感器阵列的信号，

响应于所接收的信号，修正踏板位置的函数，

在第二起动事件期间，响应于踏板位置的变化，根据修正的踏板位置函数，调节致动器位置。

2.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述函数被修正为使得：随着离合器触点的变化，离合器触点与恒定的踏板位置对应。

3.根据权利要求2所述的车辆，其中，所述控制器还被配置为将致动器位置调节至触点的释放侧上的位置，同时离合器踏板被定位在恒定的踏板位置的接合侧上。

4.根据权利要求3所述的车辆，其中，所述控制器响应于加速踏板的释放，将致动器位置调节至触点的释放侧上的位置，同时离合器踏板被定位在恒定的踏板位置的接合侧上。

5.根据权利要求3所述的车辆，其中，所述控制器响应于车辆静止并且换挡杆处于前进挡位置，将致动器位置调节至触点的释放侧上的位置，同时离合器踏板被定位在恒定的踏板位置的接合侧上。

6.根据权利要求5所述的车辆，其中，所述控制器还被配置为：

在致动器位置被调节到触点的释放侧上的位置时，停止发动机；

延迟调节致动器位置至触点的接合侧上的位置，直到发动机重新启动。

7.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述控制器还被配置为：

响应于在第一换挡事件期间踏板位置的变化，根据踏板位置的函数，调节致动器位置；

响应于在第一换挡事件期间接收的信号来修正踏板位置的函数。

8.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述传感器阵列包括扭矩传感器。

9.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述传感器阵列包括第一旋转位置传感器。

10.根据权利要求9所述的车辆，其中，第一旋转位置传感器是巨磁阻传感器。