CN105835869A - 车辆换挡和起动阶段管理控制方法及变速器和起动设备 - Google Patents

车辆换挡和起动阶段管理控制方法及变速器和起动设备 Download PDF

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Abstract

装配有手动或手自一体变速器的车辆的换挡和起动阶段的管理和控制方法，包括：提供车辆，该车辆包括具有相应的曲轴、吸热发动机、具有离合器的手自一体变速器、可操作地连接到离合器的主轴，和可操作地连接到车辆驱动轮的副轴，其中主轴和副轴设有在多个挡位中彼此接合的齿轮，每个挡位都具有其传动比，传动比等于主轴的旋转速度和副轴的旋转速度之比。该方法还包括：提供通过传动装置可操作地连接到主轴的电机，其与发动机机械分离；根据以下步骤执行换挡操作：将手自一体变速器放置在空挡，其中主轴与副轴机械地分离；提供电机的致动，其中离合器接合以及手自一体变速器在空挡位置下；接合下一挡位，保持离合器闭合。

Description

车辆换挡和起动阶段管理控制方法及变速器和起动设备
技术领域
本发明涉及装配有手自一体变速器的车辆的换挡和起动阶段的管理和控制方法以及适于装配有手自一体变速器的车辆的相应变速器设备。
背景技术
如已知的那样，混合动力车辆的构造具有多样性并且主要在关于动力系的马达的位置方面有所不同。
车辆的混合化(hybridisation)可通过不同类型的变速器来实现，所述变速器诸如AT(手动变速器)、DCT(dual clutch transmission，双离合器变速器)、CVT(continuousvariable transmission，无级变速器)，或特别地AMT(automated manual transmission，手自一体变速器)。
AMT是下述的一种变速器，其在二氧化碳循环减排方面确保最好的结果，此外其允许将车辆改装成HEV而无需重新设计变速器。
自动的变速器AMT(手自一体变速器)目前是在市场上在二氧化碳减排和燃料消耗降低方面获得最好结果的一种变速器。
AMT还提高驾驶感知，优化离合器的打开和闭合阶段，通过专门的CU进行适当的管理，从而控制从发动机到变速器的扭矩传递。
AMT或手动变速器MT的一个缺点是在换挡阶段过程中的扭矩间隙(torque gap)。
概括而言，变速器设备包括装配有其曲轴的发动机、将曲轴连接到主传动轴的离合器、根据所期望的挡位或比率将主轴连接到副轴的多个挡位；副轴依次机械地连接到车辆的驱动轮。
在现有的方案中换挡操作包括以下阶段：
1)打开所述离合器，因此将所述发动机的曲轴从主传动轴断开连接；
2)分离前一挡位，选择并因此进入下一挡位；
3)闭合离合器，因此将发动机曲轴重新连接到主传动轴。
在阶段2)期间，吸热发动机的控制必须确保实现从离合器打开之前的旋转速度开始的发动机转数的新设定值。实际上，对于车辆的相同速度而言，吸热发动机的旋转速度取决于接合到变速器的比率。换言之，副传动轴的旋转速度取决于驱动轮的速度，从而取决于车辆的前进速度；相反，主轴的速度取决于接合的比率，即取决于挡位。吸热发动机的旋转速度必须等于在离合器闭合或接合之后其所连接到的主轴的旋转速度。
曲轴旋转速度的控制通常由通过作用于发动机本身上、例如作用于吸入系统和/或喷射系统上的吸热发动机控制策略来执行以便达到新的设定值。
一旦达到新的目标速度，变速器的控制单元闭合所述离合器，允许吸热发动机将扭矩再次传递到驱动轮。
迄今对于手自一体变速器而言，换挡阶段可持续长达1秒：该持续时间被驾驶员和乘客清楚感知为车辆纵向加速度上的变化，使得换挡在性能方面比不上例如AT或DCT类型变速器所可能实现的那些性能。
因此已知如果人们应该希望实现连续的或“无缝的”换挡，则会选择不同类型的变速器，诸如像前述的CVT或DCT。
然而前者即CVT增加燃料消耗和污染物排放，而后者即DCT实施起来更加昂贵和复杂。
发明内容
因此，认为有解决参照现有技术所提及的缺点和限制的需求。
具体地，认为在现有技术中有解决关于AMT类型变速器的在换挡时减速感知和同步器的可靠性/持续时间的问题的需求，以便不放弃这种类型的变速器在低燃料消耗、低排放和低成本方面的优点。
这一需求通过根据权利要求1的换挡过阶段的管理方法和通过根据权利要求11所述的设备来满足。
附图说明
从以下对其优选和非限制性实施例给出的描述将更清楚地理解本发明的其它特征和优点，其中：
图1示出根据本发明一个实施例的变速器设备的示意图；
图2a至2b示出根据本发明的变速器设备在换挡阶段中的主要操作参数的图表。
与以下描述的实施例相同的元件或元件部分将使用相同的附图标记来指示。
具体实施方式
参照前述附图，附图标记4总体指示例如在图1中示出的根据本发明的车辆的变速器设备的示意性整体视图。
具体地，适于车辆的变速器设备4包括装配有发动机控制单元12的吸热发动机8，和手动或手自一体的变速器16，优选地所述手动或手自一体变速器依次装配有变速器控制单元20。
出于本发明的目的，吸热发动机的具体类型或手自一体变速器的具体类型并不重要，“自动变速器”理解成适于由汽车使用的变速器类型，其中手动驱动器由自动驱动器替换，诸如像液压、电动或机电致动器，具体参照离合器的接合/分离操作和速比(speedratios)的接合/分离。
手自一体变速器16装配有可操作地连接到发动机8的曲轴26的离合器24、可操作地连接到离合器24的主轴28，和可操作地连接到车辆驱动轮36的副轴32，其中主轴28和副轴32设有在多个挡位中与彼此啮合的齿轮40，每个挡位都具有其传动比，传动比等于主轴28的旋转速度和副轴32的旋转速度之比。
例如，该手自一体变速器16包括电动或机电液压致动器，其凭借齿轮40使主轴28和副轴32断开连接而分离所进入的前一挡位，选择并进入下一挡位，通过所述齿轮40使主轴28和副轴32彼此连接。
有利地，变速器设备4包括通过传动装置48可操作地连接到主轴28的电机44，所述电机44与发动机8机械地分离。
出于本发明的目的，电机应被理解成是一种机器，其可以已知的方式 用作发动机和发电机两者，用作发动机时以便接收电力输入并提供机械能输出，且用作发电机时候以便接收机械能输入并供应电力输出。此外，电机当用作马达时可以已知的方式根据所接收的驱动在马达轴的两个旋转方向上供应扭矩。
传动装置48可以是任何类型的，并且包括机械结构、齿轮、滑轮、皮带、链条、连杆等。电动马达44也可被集成到具有外部转子或空心轴类型构造的手自一体变速器16的主轴28上。
有利地，变速器控制单元20被编程以便根据下面的阶段执行换挡：
-将所述手自一体变速器16放置在空挡，其中主轴28与副轴32机械地分离；
-提供电机44的致动，其中离合器24接合以及手自一体变速器16在空挡位置下，从而根据将要接合的下一挡位的齿数比使主轴28的旋转速度和通过离合器24与其连接的曲轴26的旋转速度适应于副轴32的旋转速度；
-接合下一挡位，保持离合器闭合。
根据一个实施例，在换挡阶段过程中，发动机8受到控制以便不提供驱动扭矩；换言之，发动机控制单元12被编程，以便在换挡阶段过程中不将驱动扭矩传送到曲轴26。
以此方式，便于前一挡位的分离操作和后一挡位的接合，而无需如在现有技术的方案中的情况那样打开离合器24，即将主轴28从曲轴26断开连接。
根据一个可能的实施例，由所述电机44设置的主轴28的旋转速度的变化是线性类型的。
例如，在图2a中示出主轴28的旋转速度的变化的这种基本线性的规律，具体参照从较低挡位(具有较高的传动比)到较高挡位(具有较低传动比)的转换。
在该图2a中，曲线C1示出可通过电机44获得的曲轴26(因此也是在离合器24接合或闭合的换挡过程中与其连接的主轴28)的旋转速度的相比于曲线C2的变化规律，曲线C2示出曲轴26旋转速度的变化规律， 其可通过发动机控制单元12作用凭借现有技术的控制方法获得。
所述图2a的y轴示出曲轴26的旋转速度。x轴表示时间。具体地，从时刻T0至时刻T1，车辆处于在下一次换挡之前的加速阶段。
换挡在时刻T1开始，此时离合器24接合、曲轴26的旋转速度开始下降。从图2a的分析，明显的是可通过电机44获得的斜率和由此马达26的旋转速度的减少(曲线C1)如何比可通过现有方法获得的斜率和旋转速度的相对减少(曲线C2)大得多。
在根据本发明使用电机44(曲线C1)的情况下，所述换挡终止于时刻T2，其显著低于现有技术的方案完成相同的换挡第二阶段(曲线C2)所需的时刻T3。
此外，可以看到，现有技术的解决方案还提供离合器24的分离和随后接合的步骤以便使得能够换挡，然而根据本发明，上述阶段被完全省略。
图2b示出在使用电机44(曲线C3)的情况下以及在使用现有技术变速器(曲线C4)的情况下副轴32的旋转速度的相应趋势以及由此车辆前进速度的相应趋势。可以看到，其后被连接到驱动轮36的副轴32的旋转速度与车辆的前进速度直接相关。
可以看出从时刻T0到时刻T1副轴32的旋转速度以及由此车辆的前进速度如何增加。结果是在换挡阶段过程中副轴32的旋转速度趋于下降。此下降是由于下述事实造成的，即曲轴26不将扭矩传递到主轴28，并且车辆因为受到空气动力学阻力、滚动阻力和内摩擦而减速。
在根据本发明使用电机44的情况下，车辆前进速度被降低过程的时间间隔是受限的且包括在T1和T2之间(曲线C3)；在现有技术的情况下，车辆前进速度被降低过程的时间间隔更长，并包括在T1和T3之间(曲线C4)。
曲线C3还突出地显示出在使用电机44以使曲轴26的旋转速度与副轴32的旋转速度同步的情况下，车辆如何能够已经从时刻T2开始恢复其加速阶段，即增加前进速度；相反，在现有技术解决方案的情况下，车辆仅可从间隔T3开始恢复其加速。换言之，由于本发明，换挡时间被缩短，车辆的减速阶段是受限的，而加速度能够较早地启用。相反在现有变速器的 情况下，换挡时间增加，车辆的减速阶段被延长，在更长的时间段之后才能启用加速度。
明显的是相比于电机44用于在曲轴26和副轴32之间执行快速同步(电机44-C3曲线)的情况，在后一种情况(现有技术-曲线C4)下驾驶员或乘客如何具有更强的换挡感知。
例如，在从较低挡位转换到较高挡位的情况下，其中所述较高的挡位提供比较低挡位更低的传动比，电机44将趋于减小主轴28的旋转速度。
此外，在从较高挡位转换到较低挡位的情况下，其中所述较低的挡位提供比较高挡位更高的传动比，电机44将趋于增加主轴28的旋转速度。
在换挡阶段过程中，发动机控制单元12和变速器控制单元20可操作地彼此连接以同步发动机8、手自一体变速器16和电机44的驱动。
根据一个可能的实施例，电机44当不进行换挡时被用作发电机，从车辆回收动能并对车辆的吸热发动机8和/或任何电气设备的电池充电。
根据一个可能的实施例，吸热发动机8的起动在以下阶段中被提供：
-将所述手自一体变速器16定位在空挡，其中主轴28与副轴32机械地分离；
-将离合器24放置在接合状态下，即将曲轴26连接到主轴28；
-提供电机44的起动，其中离合器24接合以及挡位处于空挡位置下，以便使得曲轴26旋转并起动发动机8。
如可从上面的描述中理解到的那样，本发明使得可以克服参照现有技术中所提及的缺点和限制。
可以看到，在该专利中提出的构架体系结构设置成使用电动马达，如果需要的话，在将吸热发动机连接到所述轴的离合器的下游，通过合适的传动装置诸如减速机构连接或直接利用外部转子构造或中空轴构造，将该电动马达连接到主传动轴。
这种构架确保“中度混合动力”车辆的所有典型功能：
·具有挡位的EV模式(Geared EV mode)
·ICE重启动
·延长的起动和停止
·电增压(E-boost)功能
·电制动(E-braking)
·巡航
并且还解决了手自一体变速器AMT的主要缺点，即换挡过程中的扭矩间隙。
实际上，一方面，本发明使得可以显著缩短换挡时间，因为本发明在根据将进入的挡位将曲轴的旋转速度与主轴功能旋转速度的同步过程中允许极其快速和精确地控制曲轴的旋转速度。由于这种控制，可避免分离和重新接合离合器来执行换挡，从而跳过在现有类型的换挡中通常执行的换挡的第一阶段和第三阶段。
这样，本发明使得可以基本上消除在换挡时由驾驶员感知到扭矩间隙，将其持续时间缩短到不能被驾驶员感知为车辆纵向加速度逆转的时间间隔。
因此，手自一体变速器AMT的操作变得等同于自动变速器AT或双离合器变速器DCT的操作。
因此，由于马达的旋转相对于变速器主轴的快速同步，由于可操作地连接到变速器主轴的电机的直接干预，本发明使得可以获得缩短的换挡持续时间。
这样，可在无需分离以及随后接合离合器的情况下换挡：换言之，它完全绕过现有类型换挡的第一阶段和第三阶段。
连接到AMT变速器的主轴的电动马达的存在使得可以显著改善换挡阶段：实际上，在换挡阶段过程中，能够通过非常快速和非常精确地控制电动马达的旋转来控制曲轴的旋转速度，其中电动马达的旋转与主轴的旋转是一体的(除了在电动马达的旋转和主轴的旋转之间可能的固定减速比的情况之外)。该系统构架从而使得可以显著缩短换挡的持续时间，从而提高驾驶感受。
本专利提出了一种系统构架，其使用连接到MT或AMT主轴的电动马达来减小扭矩间隙，使其无法被驾驶员察觉到，并提高驾驶感受，使得其基本上等同于自动变速器。实际上，间隙不会被完全消除，在进入新挡位 的阶段时存在，但它被缩短到足够短的时间间隔，以至于不会被驾驶员或乘客感知到，以便赋予CVT类型或甚至DCT(双离合器)变速器和AT(自动变速器)的典型的连续性感觉，同时避免这种类型的变速器在能耗和污染方面的缺点。
此外，在变速器主轴上的电动马达提供混合动力车辆的一些典型功能，将ICE车辆变成HEV，在二氧化碳减排和燃料消耗方面具有进一步的益处。
此外，通过该构架，AMT的致动可以是液压的和尤其是全电动的，该选项的合理性在于通过集成电气牵引电动马达增加动力系的电动化。
具体地，在电动致动AMT的情况下，由于该方案的较高执行速度，性能甚至更好。
简言之，本发明改善了AMT变速器的性能，使其可与自动变速器相比，但在二氧化碳排放方面具有相当大的减少。
这样，本发明允许自动变速器的优化，以便具有类似于无级变速器CVT或者甚至双离合变速器(DCT)的换挡性能，而不牺牲典型AMT变速器的低燃料消耗和低成本。
此外，本发明还使得可以优化手自一体变速器，以便具有类似于无级变速器CVT或者甚至双离合变速器(DCT)的换挡性能，以及甚至比手自一体变速器(AMT)的成本和能耗更低的成本和能耗。
此外，可以看到，将电动马达嵌入到变速器的主轴上允许车辆以与HEV构架相比的更低增量成本(delta cost)改装成HEV(混合动力电动车辆)，在性能方面与HEV构架相当。
最后，凭借这种架构，车辆可具有全EV模式，其是完全电动操作模式，与电动马达的机械功率和可从电池获得的电功率兼容，具有改变电动马达和车轮之间的比率的可能性的优点。
本领域内的技术人员可以对上述换挡方法和变速器设备做出许多修改和变化，以便满足可能的和具体的要求，但是仍在由以下权利要求所限定的本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种装配有手动或手自一体变速器(16)的车辆的换挡和起动阶段的管理和控制方法，所述方法包括以下步骤：
-提供车辆，该车辆包括具有相应的曲轴(26)的吸热发动机(8)、具有离合器的手自一体变速器(16)、可操作地连接到离合器(24)的主轴(28)，和可操作地连接到车辆驱动轮(36)的副轴(32)，其中所述主轴(28)和所述副轴(32)设有在多个挡位中彼此接合的齿轮(40)，每个挡位都具有其传动比，传动比等于所述主轴(28)的旋转速度和所述副轴(32)的旋转速度之比；
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-提供通过传动装置(48)可操作地连接到所述主轴(28)的电机(44)，所述电机(44)与所述发动机(8)机械分离；
-根据以下步骤执行换挡操作：
-将所述手自一体变速器放置在空挡，其中所述主轴与所述副轴机械地分离；
-提供所述电机(44)的致动，其中所述离合器(24)被接合以及所述手自一体变速器(16)在空挡位置下，以便根据将要接合的下一挡位的齿数比使所述主轴(28)的旋转速度和通过所述离合器(24)与其连接的所述曲轴(26)的旋转速度适应于所述副轴(32)的旋转速度；
-接合下一挡位，保持所述离合器闭合。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述换挡的步骤期间，发动机受到控制以便不供应扭矩。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述电机(44)设置的所述主轴(28)的旋转速度的变化是线性类型的。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在从较低挡位转换到较高挡位的情况下，其中所述较高挡位提供比较低挡位更低的传动比，所述电机(44)将趋于降低所述主轴(28)的旋转速度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在从较高挡位转换到较低挡位的情况下，其中所述较低挡位提供比较高挡位更高的传动比，所述电机(44)将趋于增加所述主轴(28)的旋转速度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，取决于由用户提出的扭矩需求，所述吸热发动机(8)设置有发动机控制单元(12)，所述手自一体变速器(16)设置有变速器控制单元(20)，其中控制单元(12，20)可操作地彼此连接以便在换挡过程中使所述发动机(8)、所述手自一体变速器(16)和所述电机(44)的致动同步。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述手自一体变速器(16)包括电动或机电致动器，所述致动器通过使所述主轴(28)和所述副轴(32)彼此断开连接而使所进入的前一挡位分离，选择并进入下一挡位，将所述主轴(28)和所述副轴(32)连接。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电机(44)当不进行换挡时被用作发电机，从车辆回收动能并对车辆的所述吸热发动机(8)和/或任何电气设备的电池充电。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据以下步骤提供所述吸热发动机的起动：
-将所述手自一体变速器(16)定位在空挡，其中所述主轴与所述副轴机械地分离；
-将所述离合器放置在接合状态下，即将所述曲轴(26)连接到所述主轴(28)；
-提供所述电机(44)的起动，其中所述离合器(24)被接合以及挡位处于空挡位置下，以便使得所述曲轴(26)旋转并起动所述发动机。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传动装置(48)包括运动学机构(kinematism)，或外部转子构造或中空轴构造。
11.一种适于车辆的变速器设备(4)，其包括：
-装配有曲轴(26)的吸热发动机(8)和发动机控制单元(12)、手自一体变速器(16)，该手自一体变速器(16)具有变速器控制单元(20)、离合器(24)、可操作地连接到所述离合器(24)的主轴(28)，和可操作地连接到车辆驱动轮(36)的副轴(32)，其中所述主轴(28)和所述副轴(32)设有在多个挡位中彼此接合的齿轮(40)，每个挡位都具有其传动比，传动比等于所述主轴(28)的旋转速度和所述副轴(32)的旋转速度之比；
其特征在于：
-所述设备包括通过传动装置(48)可操作地连接到所述主轴(28)的电机(44)，所述电机(44)与所述发动机(8)机械分离；
-所述变速器控制单元被编程以便根据以下步骤执行换挡：
-将所述手自一体变速器放置在空挡，其中所述主轴与所述副轴机械地分离；
-提供所述电机(44)的致动，其中所述离合器(24)被接合以及挡位在空挡位置下，以便根据将要接合的下一挡位的齿数比使所述主轴(28)的旋转速度和通过所述离合器(24)与其连接的所述曲轴(26)的旋转速度适应于所述副轴(32)的旋转速度；
-接合下一挡位，保持所述离合器闭合。
12.根据权利要求11所述的变速器设备(4)，其特征在于，所述发动机控制单元(12)被编程，以便在换挡阶段过程中不将扭矩提供到所述曲轴(26)。
13.根据权利要求11所述的变速器设备(4)，其特征在于，所述手自一体变速器(16)包括电动或机电致动器，所述致动器通过将所述主轴(28)和所述副轴(32)彼此断开连接而使所进入的前一挡位分离，选择并进入下一挡位，将所述主轴(28)和所述副轴(32)连接。
14.根据权利要求11所述的变速器设备(4)，其特征在于，所述变速器控制单元(20)和/或所述发动机控制单元(12)被编程以实现根据权利要求1至10任一项所述的用于换挡的方法。
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