CN106461074B - 经修正的锁止离合器 - Google Patents

Abstract

为了减小包括具有涡轮和泵轮的变矩器的传动装置中的扭转振动，通过离合器压力的操纵来对该传动装置的离合器滑移速度进行调节。这可以通过将离合器压力设定至预定值或对离合器压力进行持续的调节而以闭环模式或开环模式完成。压力被调节成产生所感测到的离合器和涡轮的总扭矩关于离合器滑移速度的正斜率函数。这带来了传动系部件的延长的使用寿命、变矩器的更高的效率以及传动装置的更平稳的操作。

Description

经修正的锁止离合器

技术领域

本发明涉及用于对将来自动力源的旋转力传递至输出轴的离合器的滑移进行控制的系统，并且更具体地涉及对离合器压力和离合器滑移速度进行控制以减小由整个动力系产生的扭转振动。

背景技术

变矩器离合器是能够接合成将输入轴经由离合器联接至输出轴的流体操作的摩擦装置。通常，离合器被完全地释放以允许输入轴与输出轴之间的无约束滑移，或者离合器被完全地接合——也称为“锁止”——以完全地防止这种滑移。离合器完全接合的不利方面在于：发动机和任何随后的移动部件产生的扭转振动——通常由变矩器吸收——通过离合器被直接传递至动力系的其余部分。扭转振动是整个系统的质量和几何形状的产物。输出轴和输入轴的长度、发动机的点火顺序、旋转组件的质量以及相关的部件都对总质量和几何形状有影响。由于这样的质量和几何形状，系统具有下述频率：在该频率下，该系统将自然地共振。当系统在某些负载下操作时，这些共振频率产生扭转振动。这些扭转振动在不被适当地抑制的情况下会在系统中产生破坏性的脉动，所述破坏性的脉动会显著降低动力系部件的寿命。此外，每个独特的系统均可以包括特有的频率，在该特有的频率下产生扭转振动。不同的负载、不同的旋转组件和不同的设备都将在它们自己的相应频率下产生扭转振动。因此，由于已知这些扭转振动通过不仅会损坏离合器而且还可能损坏整个传动系的力使系统物理地振动，因此，期望抑制这些扭转振动。

除了影响扭转振动的上述部件以外，其他装置也可能影响扭转振动。例如，在水力压裂中，使用泵来将液压流体深入泵送到土地中。发动机和泵两者在动力冲程期间均产生振动脉动，该振动脉动表现为系统中的扭转振动。

振动吸收联轴器已被用来吸收这些类型的振动。尽管联轴器是有效的，但是它们会使变矩器和离合器机构的成本显著增大并且增加相当大的尺寸。因此，最理想的是在不需要附加任何部件的情况下通过对离合器压力和离合器滑移的软件控制来减少或消除扭转振动。

因此，已经提出在滑移模式下操作离合器，在该滑移模式中，允许变矩器与离合器之间的预定滑移量。在这种系统中，目标是隔离变矩器中的发动机扭矩扰动，同时在提供提高的变矩器效率并延长部件寿命的滑移速率下传递稳态发动机扭矩。

典型的离合器通过施加在变矩器上的摩擦系数传递旋转力。该传递本质上是非线性的，并且在各种滑移速度下都存在潜在的不稳定性。在特征上，保持给定的滑移水平所需的流体压力趋向于随着滑移的增大而减小。因此，滑移控制趋于响应于测得的滑移超过所需滑移的状态而利用最大压力使离合器完全地接合。

在水力压裂行业中发现一种经受扭转振动且需要抑制扭转振动的常见应用，其使用具有锁止离合器的液力变矩器。在水力压裂应用中，为了实现最大效率，在压裂泵操作的时间内，锁止离合器被优选地100％完全地接合。由于锁止离合器被完全接合，因此液力变矩器不具有吸收由发动机和压裂泵产生的扭转振动的能力。已知在该完全锁定状态中扭转振动会形成尖峰，特别是在操作范围内存在临界谐波频率的情况下更是如此。过度的扭转振动会减少动力系系统中的各种部件的寿命。因此，需要减少这些扭转振动的改进方法。

发明内容

提供了一种结合有改进的压力和滑移速度调度(scheduling)技术的用于提高稳定性、部件寿命和性能的离合器滑移控制系统。利用优选的实施方式，控制系统对稳态发动机扭矩中的变量的响应的改进允许通过变矩器离合装置传递至动力系的发动机扭矩振动的量减少。

在优选实施方式中，减少传动装置中的扭转振动的方法可以通过下述方面来实现：对传动装置的离合器接合压力、输入轴速度和输出轴速度中的至少一者进行控制；并且保持离合器摩擦系数对离合器滑移速度的正斜率。

该方法还包括通过以下步骤提供对离合器压力的开环控制：使离合器完全地接合持续预定的时间；将离合器接合压力设定至预定压力，从而允许预定的离合器滑移速度；以及对离合器滑移速度进行监测，其中，当离合器滑移速度等于或小于该预定的离合器滑移速度时，保持离合器接合压力。当离合器滑移速度大于预定的离合器滑移速度时，可以增大离合器接合压力以使离合器在预定时间内完全地接合，并且随后可以减小离合器接合压力以将离合器滑移速度保持为等于或小于预定的离合器滑移速度。此外，预定的离合器滑移速度可以提供离合器摩擦系数对离合器滑移速度的正斜率。

减小传动装置中的扭转振动的另一方法还可以包括通过以下步骤进行的对离合器速度的闭环控制：使离合器完全地接合持续预定的时间；将离合器接合压力设定至预定压力，从而允许预定的离合器滑移速度；对离合器接合压力进行持续的调节以保持该预定的离合器滑移速度；以及对离合器接合压力进行监测，其中，当离合器滑移速度等于或小于该预定的离合器滑移速度时，保持离合器接合压力。

当离合器滑移速度大于预定的离合器滑移速度时，可以增大离合器接合压力以使离合器完全地接合持续预定的时间，并且随后可以减小离合器接合压力以实现等于或小于该预定的离合器滑移速度的离合器滑移速度。最终，预定的离合器滑移速度提供了离合器摩擦系数对离合器滑移速度的正比率。

在另一实施方式中，减小传动装置中的扭转振动的方法可以包括提供对离合器压力的闭环控制。该离合器压力的闭环控制通过以下步骤实现：使离合器完全地接合持续预定的时间；将离合器接合压力设定至预定压力，从而允许预定的离合器滑移速度；保持恒定的离合器接合压力以保持该预定的离合器滑移速度；以及对离合器接合压力进行监测，其中，当离合器滑移速度等于或小于该预定的离合器滑移速度时，保持离合器接合压力。

当离合器滑移速度大于预定的离合器滑移速度时，随后可以增大离合器接合压力使离合器完全地接合持续预定的时间，并且随后还可以减小离合器接合压力以实现等于或小于该预定的离合器滑移速度的离合器滑移速度。

在又一实施方式中，减小传动装置中的扭转振动的方法可以包括通过以下步骤提供对离合器压力和离合器速度的闭环控制：使离合器完全地接合持续预定的时间；将离合器接合压力设定至预定压力，从而允许预定的离合器滑移速度；对离合器接合压力进行持续的调节以保持该预定的离合器滑移速度；以及对离合器接合压力进行监测，其中，当离合器滑移速度等于或小于该预定的离合器滑移速度时，保持离合器接合压力。

当离合器滑移速度大于预定的离合器滑移速度时，可以增大离合器接合压力以使离合器完全接合持续预定的时间，并且随后可以减小离合器接合压力以实现等于或小于该预定的离合器滑移速度的离合器滑移速度。

在各实施方式中的任何实施方式中，可以使用液力变矩器，在该液力变矩器内具有锁止离合器。

在结合以下描述和附图考虑时，将更好地领会并理解本发明的这些及其他的方面和目的。然而，应该理解的是，尽管以下描述指示了本发明的优选实施方式，但是这些描述是以说明的方式给出的而非限制性的。在不背离本发明的精神的情况下，可以在本发明的范围内做出许多变型和改型，并且本发明包括所有这些改型。

附图说明

通过参照随附于本说明书并形成本说明书的一部分的附图中示出的示例性且因此非限制性的实施方式，构成本发明的优点和特征以及由本发明提供的典型机构的构型和操作的清晰概念将更显而易见，其中，在若干附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且在附图中：

图1示出了根据优选实施方式的动力系和电子控制系统的示意图；

图2示出了根据现有技术的扭矩和离合器滑移速度的曲线图；

图3示出了根据优选实施方式的离合器的摩擦和离合器滑移速度的另一曲线图；

图4示出了根据优选实施方式的扭矩和离合器滑移速度的另一曲线图；

图5示出了根据图4的扭矩和离合器滑移速度的经修改的曲线图，其中，离合器扭矩已减小至与发动机额定扭矩相匹配；

图6示出了表示根据本发明的优选实施方式的电子控制系统的开环逻辑的流程图；

图7示出了表示根据本发明的优选实施方式的利用离合器滑移速度的电子控制系统的闭环逻辑的流程图；

图8示出了表示根据本发明的优选实施方式的利用离合器压力和离合器滑移速度的电子控制系统的闭环逻辑的流程图；

图9示出了根据本发明的优选实施方式的利用离合器压力的电子控制系统的闭环逻辑的流程图；

图10A以曲线图的形式示出了所采集的数据，其示出了在处于无滑移的完全接合状态的锁止离合器的测试期间的传动装置中的总扭矩；

图10B以曲线图的形式示出了所采集的数据，其示出了在处于无滑移的完全接合状态的锁止离合器的测试期间的稳定的压力施加；

图10C以曲线图的形式示出了所采集的数据，其示出了在处于无滑移的完全接合状态的锁止离合器的测试期间变速器输入速度传感器处的扭转位移；

图10D以曲线图的形式示出了所采集的数据，其示出了在处于无滑移的完全接合状态的锁止离合器的测试期间变速器输入扭矩负载的频谱；

图10E以曲线图的形式示出了所采集的数据，其示出了在处于无滑移的完全接合状态的锁止离合器的测试期间变速器输入扭矩的时间波形；

图11A以曲线图的形式示出了所采集的数据，其示出了根据优选实施方式的在具有受控制的滑移速度的锁止离合器的测试期间传动装置中的总扭矩；

图11B以曲线图的形式示出了所采集的数据，其示出了根据优选实施方式的在具有受控制的滑移速度的锁止离合器的测试期间施加的减小的稳定压力；

图11C以曲线图的形式示出了所采集的数据，其示出了根据优选实施方式的在具有受控制的滑移速度的锁止离合器的测试期间变速器输入速度传感器处的扭转位移；

图11D以曲线图的形式示出了所采集的数据，其示出了根据优选实施方式的在具有受控制的滑移速度的锁止离合器的测试期间变速器输入扭矩负载的频谱；以及

图11E以曲线图的形式示出了所采集的数据，其示出了根据优选实施方式的在具有受控制的滑移速度的锁止离合器的测试期间变速器输入扭矩的时间波形。

在描述本发明的附图中示出的优选实施方式时，为了清楚起见，将借助于特定的技术术语。然而，这并不意味着本发明限制于所选择的特定术语，并且应该理解的是，每个特定术语均包括以与实现类似目的的类似方式操作的所有技术等同物。例如，经常使用词语“连接”、“附接”或类似于“连接”、“附接”的术语。词语“连接”、“附接”或类似于“连接”、“附接”的术语不限于直接连接而是包括通过其他元件进行的连接，其中，所述通过其他元件进行的连接被认为对于本领域技术人员来说是等同的。

具体实施方式

参照以下说明中详细描述的非限制性实施方式对本发明及其各种特征和有利细节进行更全面地说明。

从图1开始，锁止离合器16嵌套(nest)在液力变矩器32内。离合器适用活塞58对抗变矩器的内部回路压力。因此，总离合器扭矩容量由离合器施加压力减去变矩器的“基本”压力的差来确定。这通常称为压差。

该“经修正的锁止离合器”的执行包括：借助于比例压力阀56对锁止离合器压力进行的控制，比例压力阀56转而由电子控制单元48控制。电子控制器48可以监测锁止离合器压力、转换器输出压力、变矩器的输入及输出速度和发动机负载信号。

为了减少整个驱动器中的扭转振动，离合器可以以受控制的方式滑移。离合器滑移通过离合器在未完全锁定情形下的接合来限定。换句话说，接合压力或离合器压力减小使得离合器的表面在变矩器中的配合表面上拖曳或者“滑移”。离合器滑移也按每分钟的转数或RPM进行测量。离合器滑移速度通过观察输入轴旋转速度并且将该输入轴旋转速度与输出轴旋转速度相比较来计算。滑移速度是两个轴之间的旋转速度差。

离合器设计有使离合器在被施加力时将旋转力传递至另一物体的特定摩擦系数。在这种情形下，所述力通过离合器压力产生并且将来自发动机的旋转力传递至变矩器和输出部。离合器中的摩擦系数和/或施加至离合器的接合力越大，离合器的保持完全锁定而不会滑移的能力越大。

因此，为了使扭转振动最小化，锁止离合器16可以通过提供用以使离合器16完全接合的最大离合器压力而最初地接合。在短暂的时间(3秒至10秒)之后，锁止离合器16的压力可以减小至较低的压力，以允许离合器在5RPM至20RPM的范围内滑移。完全锁止时的发动机负载可以用在确定锁止离合器压力的初始减小量的算法中。随后，离合器的滑移速度可以用来通过相应地升高或降低锁止离合器压力而保持所需的5RPM至20RPM的滑移。

为了控制启动和离合器压力，控制器48可以以包括下述各者的若干种变型进行设计：通过简单地将离合器施加压力预设为所需的压差以承载最大额定发动机扭矩的开环控制；根据所感测到的离合器压差将离合器施加压力设定于所期望的水平的闭环控制；基于离合器滑移速度对离合器压力进行调节以保持所期望的离合器滑移的闭环控制；以及基于离合器滑移速度和离合器压差两者将离合器施加压力设定于所期望的水平的闭环控制。下面参照图9至图12对这四种变型进行进一步描述。在所有四种设计选项中，关键因素是离合器材料的摩擦系数相对离合器滑移速度的特性曲线。

锁止离合器设计成具有特定的摩擦系数。摩擦相对滑移速度的曲线通常被假定为零滑移时产生最大的摩擦系数。在这种情况下，摩擦系数被理解为在接近于零滑移之前达到最大值，并且随后随着滑移的逼近而减小。

图2示出了在本发明之前该行业如何感知在动力系中的扭矩。在用于给定发动机的该先前模型中，该模型包括总扭矩曲线68、发动机额定扭矩62、变矩器泵轮扭矩70以及变矩器的涡轮扭矩64。总扭矩68被定义为锁止离合器容量的扭矩容量和变矩器的液力涡轮扭矩的扭矩容量的组合。

在该模型中，当与离合器开始滑移之后的离合器滑移速度相比时，总扭矩68包括由区域40表示的负斜率区域。如在本领域中所理解的，当在扭矩曲线的负斜率区域中工作时，使离合器滑移可能是不稳定的。这是因为离合器会在离合器施加压力没有任何增加的情况下产生较少的滑移。总扭矩曲线是利用有效的离合器摩擦系数计算的，如上文所阐述的，离合器摩擦系数随着离合器滑移速度的改变而改变。如所示出的，总扭矩曲线68从约95RPM(滑移)开始的较高滑移速度下变平坦。在更高的滑移速度下，具有更理想的正斜率区域37(更稳定的滑移控制)特征，然而区域37中操作的缺点包括离合器和变矩器的过度热损失，从而导致降低的动力效率。这些缺点是由于离合器滑移速度而出现的。在离合器滑移时，能量以热的形式从该系统中释放出。当离合器被完全地接合时，在较高的摩擦系数的情况下，基本上不存在滑移并且没有因为离合器面在变矩器表面上的拖曳而产生的热。滑移地越多，产生的热越多。因此，尽管就在扭矩曲线中包括正斜率的方面而言扭矩曲线区域37是理想的，但是对于所产生的热的量和动力损失而言扭矩曲线区域37是不理想的。

如前所述，扭矩曲线是通过将锁止离合器的扭矩容量和变矩器的通过涡轮轴所做的液力贡献相组合来计算的。所有这些计算都将离合器摩擦系数作为因素进行考虑，离合器摩擦系数是随着离合器滑移速度的改变而改变的变量。因此，图2的现有技术模型是利用图3中示出的以Mu为单位测量的离合器摩擦系数数据而计算得的。先前接受的标准摩擦相对离合器滑移的曲线74在现有技术中习惯性地被用来限定离合器在其滑移时的摩擦系数。在该典型的曲线74中，摩擦系数具有自离合器滑移开始直到达到约260RPM为止的负斜率区域40。在约260RPM之后，滑移速度曲线74呈现相对平坦的斜率37。然而，已经确定的是，摩擦系数在离合器滑移接近零的区域中表现得不同，如由更实际的摩擦系数曲线76所表示的。曲线76在图3中示出的区域38处呈现正斜率。在优选的实施方式中，该正斜率区域(在这种情况下，滑移处于约0RPM与25RPM之间)是使对离合器略微滑移的控制成为可能的区域。

通常，如图3中所示，摩擦系数曲线已经被认为具有自离合器滑移开始的负斜率区域40。锁止离合器容量与施加在离合器板上的力以及摩擦系数的产物成比例。离合器容量和变矩器液力涡轮扭矩的和产生如图2、图4和图5中所示的总扭矩。典型的摩擦系数标绘图74具体地用于计算图2中的扭矩曲线。然而，对摩擦系数的更为密切的观察和测试数据表明：随着滑移速度接近零滑移，曲线的斜率变成正值38。这由图3中的实际的摩擦系数曲线76示出。这种新认识到的信息被用来计算在未意识到本发明之前的图4中的扭矩曲线。在现有技术中，假定为了在扭矩曲线(图2中的68)的期望的正斜率部分上进行操作，人们将必须使离合器以较高的速度(大于95RPM)滑移。此外，实际测试数据在摩擦系数相对滑移RPM数据中初期呈现出正斜率(图3的区域38)。因此，当总扭矩曲线保持在正斜率区域38(图4)中时，可以避免先前提到的使离合器以较高的滑移速度滑移的负面效果。

更具体地，扭矩相对变换器滑移速度在图4中的曲线图中示出。在这种情形下，锁止离合器16和变矩器32被分析为：通过使离合器压力相对于离合器完全接合所需的压力减小而最初地允许离合器16滑移。如前所述，从图3中的“更实际的”摩擦系数曲线所收集的数据被用来计算总扭矩曲线。在X轴的最左侧示出了零滑移速度。随着离合器滑移，离合器扭矩容量实际上显著增大，而变矩器的液力贡献仅略微增大。离合器扭矩和来自变矩器中的液压流体的涡轮扭矩64的组合加在一起形成总扭矩曲线68。随着离合器滑移速度增大，总扭矩曲线68出现正斜率区域38。正如早先所建议的，大量的研究已经表明：在正斜率区域38中操作并保持总扭矩比在负斜率区域40中操作并保持总扭矩更稳定且更可控。负斜率区域40趋于不稳定且难以控制，并且使变矩器32/锁止离合器16封装的总效率减小。换句话说，与在负斜率区域40中进行操作相比，当在正斜率区域38中以总扭矩曲线68进行操作时，随着离合器16滑移，会获得更多的离合器容量。

如前面所说明的，当使离合器滑移成接近图3中的零滑移区域时，摩擦系数在从0至25RPM的离合器滑移范围中增大。由于离合器的容量与摩擦系数成正比例，因此随着离合器滑移增大，摩擦增大，并且因此离合器容量增大。如果离合器压力保持恒定并且离合器处于零滑移的点，则使离合器远离零滑移点移动的唯一诱因是所施加的扭矩增大的时候。所施加扭矩的这种增大通常来自扭转激励，该扭转激励来自发动机侧或压裂泵侧或发动机侧和压裂泵侧两者。

当将来自如图3所示的更实际的离合器摩擦系数曲线76的数据用来确定图4至图5中的总离合器扭矩68时，图2中示出的总扭矩曲线由图4中示出的扭矩相对滑移速度的曲线更精确地表示。在这种情况下，如果离合器滑移速度小于约22RPM，则保持扭矩相对滑移速度的曲线的正斜率区域38中的操作。本发明的独特方法使非常小的离合器滑移保持为处于接近锁止离合器完全接合的正斜率区域38中。最终的效果是锁止离合器以与发动机扭矩的额定值相匹配的容量略微地滑移，从而允许锁止离合器将高于该容量的扭矩扰动部分地“过滤掉”。

发动机额定扭矩62与扭转激励的加和将由锁止离合器16的静态容量限制。当发动机额定扭矩与扭转激励的加和达到锁止离合器16的静态容量时，离合器将开始滑移并将扭矩限制至锁止离合器16的静态容量。离合器16的静态容量被定义为离合器所被设计的在稳定的预定压力下的锁止状态中所承载的扭矩的量。

在下面的表1中示出的一个示例中，将在1900RPM时具有2760HP的净功率的发动机作为参考。在这种发动机的情况下，额定发动机扭矩计算为7,629磅英尺。如下面的表1中所示的，锁止离合器16的正常静态容量为14,877磅英尺。应该理解的是，当负载稳定且不发生变化时，离合器可以通过静态容量处理该负载。在负载突然变化的情况下，尽管总扭矩小于正常的静态容量(如利用假定的摩擦系数来确定的(参照图3))，离合器也可能会发生滑移。已知的是这种突然的冲击会对离合器引入大量应变，无论实际的负载水平如何。如前所述，锁止离合器16的正常静态容量为14,877磅英尺。这是额定发动机扭矩的近两倍。此外，发动机的额定扭矩与来自扭矩负载的脉冲或尖峰的扭转激励相加可以达到该高的扭矩值。这些尖峰可能是例如由动力系中的旋转振动产生的。

表1

如果通过降低离合器施加压力而使锁止离合器的容量减小，则离合器将在较低的扭矩值处开始滑移。下面的表2表明，通过将锁止离合器压力从250磅/平方英寸减小至190磅/平方英寸并且通过利用图3的与在特定的滑移RPM处的实际摩擦系数有关的数据，静态离合器容量从14,877磅英尺减小至7,498磅英尺。

表2

当该减小的锁止离合器值被用来计算离合器扭矩的计算结果时，图4中示出的数据转换为图5中示出的数据。换句话说，扭矩标绘图沿着y轴竖向移动，从而示出减小的总扭矩。

锁止离合器16目前具有正好足够支承发动机的额定扭矩的容量。来自扭转激励的所施加扭矩的任何增加都将使离合器滑移。扭转激励以来自发动机或所施加的负载的无规扭矩尖峰或周期性扭转激励的形式体现。在部件通过各种操作速度和负载移动时，扭转振动可能经受会使扭矩负载显著增大的谐频。

由于离合器容量随着滑移速度增大而增大，因此离合器由于离合器压力的减小被允许保持稳定。与14,877磅英尺相比，系统中所允许的最大扭矩现在将限制为10,414磅英尺。在减小的锁止离合器容量系统的情况下，扭转分量被限制为额定发动机扭矩的36.5％。在完全接合的锁止离合器16的情况下，扭转分量可以达到额定发动机扭矩62的95％。

图5示出了与从发动机18递送的额定扭矩62相等的离合器容量。因此，离合器16理论上可以担负该发动机18并且将来自发动机18的动力传动返回至变速器(未示出)和输出轴26或另一装置比如压裂泵。

然而，历史表明，附加至额定扭矩曲线62的顶点的扭转干扰将导致超出发动机额定扭矩62。由于离合器16受到锁止离合器16的总容量限制，因此离合器16将不处理该增大的负载。由于图3中的摩擦系数曲线76具有自离合器滑移开始的正斜率区域，因此离合器的容量在该正斜率区域期间从静态时的7500升高至22RPM处的10,500。因此，相加后的扭转分量可以达到10,000磅英尺，而在使离合器滑移并且在离合器完全锁定的状态下操作之前，扭转分量可以达到约15,000磅英尺。

滑移后的离合器16可以仅为扭转加和的36％并且具有最大离合器容量的锁定离合器16可以为扭转加和的95％。因此，在已滑移的离合器的情形下，变速器经受显著小的扭矩峰值。

此外，除了使扭矩从15,000下降至10,500，还存在另一个益处。系统的弹性比率和刚度可以改变。已滑移的离合器的情形与增加柔性减震联轴器类似，因为离合器16不再是刚性的。这使得离合器16表现为大致类似于橡胶或减震联轴器。这在通过使离合器16滑移而改变系统的固有频率(或振动谐波)时发生。测试已经得出这些操作范围内的临界频率，并且所述临界频率随着变速器的范围的改变而改变。应该指出的是，本申请中与变矩器一起应用的变速器具有9个不同的传动比(传动比被定义为由变速器输出速度除以变速器输入速度)。所述范围通常被称为第1范围、第2范围等。每个系统是独特的，因为它们都具有比其他情况更易于发生扭转振动的不同物理性能。通过对离合器16的滑移进行动态调节以保持处于图5的正斜率区域中，那些固有频率可以在任何系统中被消除。之所以这样是因为固有频率——在该固有频率下，系统经受扭转振动——为系统的物理几何形状和构造的直接产物。当离合器被允许滑移时，这使传动装置或发动机与系统的其余部分断开联接并且使共振频率——在该共振频率下，系统经受扭转振动——发生改变。因此，无论系统的物理形状或构造如何，许多系统都可以通过离合器的受控制的滑移而被调谐以抑制扭转振动。

图6中示出了由本发明提供的控制方法100的一个优选的实施方式。在该实施方式中，控制器48(图1)操作成通过开环控制而将离合器滑移速度控制为保持在正斜率区域38中。这是通过在块101中启动和初始化之后在块102中使离合器完全地接合持续预定时间量以使系统稳定(例如实现没有扭转振动的状态)而完成的。系统在存在离合器零滑移时处于稳定。这可以被监测或者可以基于现场测试而选择定时器。值得注意的是，这不是用于使经修正的锁止离合器起作用所需要的。该稳定化步骤是可选的，其有助于确保离合器在设定期间不会由于负载的突然变动而被损坏。随后，在块103中，将离合器压力减小至预定压力，该预定压力是基于给定系统的谐波计算出的。预定压力被设定至使离合器滑移为约20RPM的压力，该压力是在现场校准期间确定的。在块104中，如果离合器压力处于稳定状态水平，意味着压力未出于任何操作需求(例如但不限于换挡请求)而被设定，则在块106中将该压力保持于设定的预定压力。另一方面，如果压力是出于某种操作需求而设定的，则不采取进一步的动作，直到该操作需求不再需要为止。特别地，如果离合器压力是基于其他需求的，则在块108中保持新的离合器压力。一旦不再需要新的需求，就重新开始稳定化过程。

如果预定压力不符合操作要求，监测滑移速度并且保持压力，以将离合器滑移速度保持在如早先论述的正斜率区域(例如图3和图4中的38)中。更具体地，在上述稳定状态被保持之后，如块110中所示的，可以监测离合器滑移速度。这些逻辑块全部可以通过电子控制器48来确定。

方法100包括在监测滑移速度时，在块112中判定滑移速度是否增大成高于目标窗口(即，预设的目标阈值)。在块114中将压力增大以使离合器在预定的时间量内锁定，并且将该过程重置(使控制返回至块102中的稳定化步骤)。这防止了会减小离合器寿命的过度滑移。如果离合器滑移速度被适当地保持，则在块106中保持该离合器压力并且在控制返回至块104时可以持续地监测离合器滑移速度以判定所命令的离合器压力是否基于操作要求。值得注意的是，在该实施方式中，块110至块114中的对离合器滑移速度的监测是可选的。

移动至图7，示出了通过闭环控制对离合器滑移速度进行控制以使离合器滑移速度保持在正斜率区域中的另一种方法120。在本发明的该实施方式中，在启动和初始化步骤122之后，在块124中，将离合器接合首先(可选地)设定至稳定状态压力。接下来，在块126中，通过各种传感器——比如图1中示出的输入轴速度传感器52和输出轴速度传感器54——来监测离合器滑移速度。接下来，在块128中，将离合器压力减小，直到得到目标滑移速度38(图4)为止。一旦得到目标滑移速度38，就在块130中基于从各种传感器感测到的包括但不限于离合器滑移速度的数据对离合器压力进行持续的调节。因此，目标压力窗口不是预定的而是相对于所感测到的操作条件动态变化的。

方法120包括在块130中对离合器压力进行持续调节的同时，在块132中判定离合器压力是否基于会影响稳定状态的任何其他需求。如果不是，则在块134中继续监测离合器滑移速度。如果新的离合器压力是基于其他需求，则在块136中保持新的离合器压力并且在块124中重新开始稳定化过程。接下来，在块138中，方法120判定离合器滑移速度是否增大成高于目标窗口阈值。如果是，则在块140中将离合器压力增大以使离合器在预定的时间量内锁定(即，减小的离合器压力不会再次被控制直到已经经过了预定的时间段)，并且将该过程重置。这防止了会减小离合器寿命的过度滑移。如果离合器滑移低于允许的阈值，则在块142中保持离合器压力并且持续监测离合器压力以保持目标滑移速度。

图8示出了利用离合器压力和离合器滑移速度两者的闭环离合器控制的另一实施方式。在该实施方式中，方法150包括：在启动和初始化步骤152之后，在块154中，首先(可选地)将离合器接合设定至稳定状态(即，离合器零滑移)。接下来，在块156中，通过各种传感器——比如图1中示出的压力传感器50、输入轴速度传感器52和输出轴速度传感器54——来监测离合器滑移速度以及离合器压力两者。在块158中，将离合器压力减小，直到得到初始的目标离合器压力为止。一旦得到初始的目标离合器压力，在块160中基于从各种传感器感测到的包括但不限于离合器滑移速度的数据对离合器压力进行持续的调节以保持阈值/目标滑移速度。

在块160中对离合器压力进行持续的调节的同时，块162询问离合器压力是否基于会影响稳定状态的任何其他需求。如果不是，则在块164中可以继续监测离合器滑移。如果离合器压力是基于其他需求的，则在块166中保持新的离合器压力并且在块154处重新开始该过程。接下来，块168询问离合器滑移速度是否大于所允许的滑移速度阈值。如果是，则在块170中将压力增大以使离合器被锁定预定的时间量，并且将该过程重置。这防止了会减小离合器寿命的过度滑移。如果不是，即，离合器滑移速度低于阈值，则在块172中保持离合器压力，并且持续地监测离合器。

最后，图9示出了由仅利用离合器压力的闭环离合器控制方法180构成的又一实施方式。在该实施方式中，在块182中的起动和初始化步骤之后，在块184中允许整个系统稳定化。在稳定化之后，在块186中监测离合器压力。可以监测离合器压力以及对抗离合器压力的压力两者。接下来，在块188中，将离合器压力减小，直到实现目标压力为止。当也监测离合器对抗压力时，将离合器压力减小，直到实现目标Δ(delta)压力或离合器压力与离合器对抗压力之差为止。

在达到最佳目标压力并且将该最佳目标压力设定时，在块190中持续地监测并保持离合器压力以将离合器滑移速度保持在如早先所论述的正斜率区域38(图4)中。实现该稳定状态之后，块192判定新的离合器压力是否基于任何其他操作需求。如果离合器压力是基于其他需求的，则在块194中保持新的离合器压力，并且重新开始该过程。如果不是，则可以在块196中监测离合器滑移。这些逻辑块全部可以通过电子控制器48来确定。

在监测滑移速度时，块198判定滑移速度是否已增大成高于目标窗口(即，允许的滑移速度阈值)。如果是，则在块200中将压力增大以使离合器被锁定预定的时间量，并且将该过程重置。这防止了会减小离合器寿命的过度滑移。如果不是，即，如果离合器滑移低于阈值，则在块202中保持离合器压力，并且持续监测离合器(使控制返回至块190)。

参照图10A至图10E，示出了施加有最大离合器压力的锁止离合器的测试期间采集的数据。在该示例中，离合器被完全地接合并且将旋转动力传递至泵。泵也在经受最大负载。图10B至图10E中呈现的数据是在时间为54.4秒处的，如由图10A中的浮标标记示出的。对于该示例而言，变速器位于第7范围内。

图10A示出了负载被施加至压裂泵时的最大扭矩150、均方根(RMS)扭矩152、平均扭矩154和最小扭矩156对于时间的曲线。图10B示出了相对于时间的施加至离合器以使离合器保持完全锁锁止的锁止离合器压力158，该锁止离合器压力158保持相当恒定。图10C示出了在变速器输入速度传感器处感测到的以度为单位的0至峰值的扭转位移160的频谱。图10D示出了以Lb-ft为单位的0至峰值的变速器输入扭矩162的频谱。应该注意的是，在约20Hz处，扭矩大幅地上升(spike)至约9000磅英尺。这表明产生了已知的使设备剧烈振动并且可能对动力系中的各种部件造成损坏的扭转振动。最后，图10E示出了关于时间的变速器输入扭矩164。图10E是与图10D相同的数据，但以扭矩相对时间的方式显示，而不是以扭矩相对频率的方式。最突出的20Hz可能是动力系的固有频率并且由三(3)个活塞压裂泵的负载脉冲激励。

现在转换至图11A至图11E，示出了与以上关于图10A至图10E的描述的锁止离合器相同的锁止离合器的测验期间采集的数据；然而，离合器是通过本优选实施方式的受控制的滑移来进行调节的。这是通过如图6中所示的开环进行的，并且如以上所公开的，即，将离合器压力被调节成低于完全离合器压力。滑移后的离合器同样将旋转动力传递至泵。泵也在经受最大负载，正如图10A至图10E中的那样。图11B至图11E中呈现的数据是在时间为75.2秒处的，如通过图11A中的浮标标记所示的。

图11A示出了关于时间的最大扭矩170、均方根(RMS)扭矩172、平均扭矩174和最小扭矩176的曲线。当离合器处于受控制的滑移时，所感测到的最大扭矩显著地降低。然而，离合器仍然以相同的最大负载向泵提供动力。在变速器处于第7范围的同时，负载被施加至压裂泵。在约22秒处到达最大负载。在64秒处，变速器短暂地转移至第6范围，随后返回至第7范围。随后，在预定的时间量之后，锁止离合器压力在时间75.2秒处减小。这是开始体现稍微滑移锁止离合器的益处的点。该练习证实了锁止离合器的从完全接合至部分接合的变换。图11B示出了关于时间的施加至离合器以维持受控制的滑移的保持相当恒定的总压力180。在这种情况下，所施加的扭矩比图10B中示出的离合器完全锁定状态的扭矩小的约40磅/平方英寸。图11C示出了在变速器输入速度传感器处感测到的以度为单位的0至峰值的扭转位移182的频谱。

图11D示出了以Lb-ft为单位的峰值至峰值的变速器输入扭矩184的频谱。应该注意的是，在图10D中示出的完全锁定的离合器中，在约20Hz处，扭矩急剧上升至约9000磅英尺，这表示存在已知的使设备剧烈地振动并且可能对动力系中的各种部件造成损坏的扭转振动。在优选的实施方式的滑移受控制的离合器中，扭转尖峰几乎被消除。此外，在以最大负载向相同的泵提供动力时，由于不经受谐波扭转扭矩尖峰，因此存在通过离合器并输入至变速器的较小的扭矩波动并且存在明显较小的最大扭矩。因此，受控制的滑移起到了用于消除先前经受的扭转振动的联轴器的作用。最后，图11E示出了关于时间的变速器输入扭矩186。先前经受的正弦扭矩曲线被显著拉平，从而防止了变速器经受的扭矩的剧烈波动。如所领会的，即使总扭矩不超过故障极限，变速器输入处的扭矩振幅的周期性波动也会对整个动力系造成损坏。这是因为随后的疲劳循环，该疲劳循环对动力系具有特别有害的影响。通过优选的实施方式，可以避免这种不利的后果。

在以上实施方式中的任何实施方式均可以单独使用或彼此组合地使用。另外，如早先提到的，离合器压力的控制可以利用许多传感器通过软件和电子控制系统来完成。还可以手动调节离合器压力并且在视觉上监测压力读数。每个实施方式的目标均是将离合器滑移速度保持为使得扭矩相对滑移速度的正斜率被保持。如早先提到的，这可以不是一致的离合器滑移速度或一致的压力，而是基于许多因素而动态地变化，这些因素例如为离合器摩擦系数、变矩器设计、温度、负载、负载抵抗力、发动机类型、输入轴和输出轴的尺寸、或可能影响系统中的任何部件的谐波共振频率的任何其他元件。

Claims (19)

1.一种用于抑制包含离合器的传动系中的扭转振动的方法，所述方法包括下述步骤：

控制所述离合器的离合器滑移速度和所述传动系的输出轴速度；并且

其中，控制步骤包括保持所述传动系的总扭矩对所述离合器滑移速度的正斜率，并且，所述保持所述传动系的总扭矩相对于所述离合器滑移速度的正斜率在小于每分钟30转的滑移速度下发生。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：

其中，所述控制步骤提供对所述离合器滑移速度的开环控制。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述控制步骤包括：

使所述离合器完全地接合持续预定的时间；以及

将离合器接合压力设定至预定压力，从而实现预定的离合器滑移速度。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述控制步骤还包括：

对所述离合器滑移速度进行监测，其中，当所述离合器滑移速度等于或小于所述预定的离合器滑移速度时，保持所述离合器接合压力；以及

当所述离合器滑移速度大于所述预定的离合器滑移速度时，增大所述离合器接合压力以保持所述正斜率。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制步骤提供对所述离合器滑移速度的闭环控制。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述控制步骤包括：

使所述离合器完全地接合持续预定的时间；

将离合器接合压力设定至预定压力，从而实现预定的离合器滑移速度；以及

对所述离合器接合压力进行持续的调节以保持所述离合器滑移速度等于所述预定的离合器滑移速度。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述控制步骤还包括：

对离合器接合压力进行监测；并且

其中，当所述离合器滑移速度等于或小于预定的离合器滑移速度时，保持所述离合器接合压力；以及当所述离合器滑移速度大于所述预定的离合器滑移速度时，增大所述离合器接合压力以保持所述正斜率。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，增大步骤包括使所述离合器完全地接合持续预定的时间；并且还包括减小所述离合器接合压力以实现所述离合器滑移速度等于或小于所述预定的离合器滑移速度。

9.根据权利要求5所述的方法，其中，预定的离合器滑移速度提供所述传动系的总扭矩对所述离合器滑移速度的所述正斜率。

10.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：

其中，所述控制步骤提供对所述离合器滑移速度的闭环控制；

使所述离合器完全地接合持续预定的时间；

将离合器接合压力设定至预定压力，从而实现预定的离合器滑移速度；

保持恒定的离合器接合压力以保持所述预定的离合器滑移速度等于所述离合器滑移速度；以及

其中，所述预定的离合器滑移速度提供所述传动系的总扭矩相对于所述离合器滑移速度的所述正斜率。

11.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：

其中，所述控制步骤提供对所述离合器滑移速度的闭环控制；

使所述离合器完全地接合持续预定的时间；

将离合器接合压力设定至预定压力，从而实现预定的离合器滑移速度；以及

对所述离合器接合压力进行持续的调节以保持所述预定的离合器滑移速度等于所述离合器滑移速度。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述控制步骤包括对所述离合器接合压力进行监测，其中，当所述离合器滑移速度等于或小于所述预定的离合器滑移速度时，保持所述离合器接合压力；以及

其中，所述控制步骤还包括当所述离合器滑移速度大于所述预定的离合器滑移速度时，增大所述离合器接合压力以保持所述正斜率。

13.根据权利要求1所述的方法，还包括设置液力变矩器的步骤，并且其中，所述离合器为位于所述液力变矩器内的锁止离合器。

14.一种用于抑制传动系中的扭转振动的系统，所述系统包括：

控制器，所述控制器在所述传动系的操作期间将总扭矩与离合器滑移速度进行持续的对比，所述总扭矩包括离合器扭矩与涡轮扭矩的加和；以及

将所述离合器滑移速度保持为使得所述总扭矩与所述离合器滑移速度的持续的对比产生总扭矩随着离合器滑移速度升高的正斜率函数。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述控制器配置成以闭环模式操作，以利用来自转速传感器和压力传感器中的至少一者的输入来保持所述离合器滑移速度。

16.根据权利要求14所述的系统，其中，所述控制器配置成以开环模式操作，以保持所述离合器滑移速度并保持预定的离合器压力。

17.根据权利要求14所述的系统，其中，所述控制器配置成将所述离合器滑移速度保持为低于每分钟30转。

18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述预定的离合器压力至少部分地基于所述传动系的共振频率预先设定，以抑制所述扭转振动。

19.根据权利要求14所述的系统，其中，所述控制器还被编程为：在保持所述离合器滑移速度之前使所述离合器在具有大致零滑移速度的情况下完全地接合，使得所述总扭矩与所述离合器滑移速度的持续的对比产生总扭矩随着离合器滑移速度升高的正斜率函数。