CN106678352B

CN106678352B - 控制无级变速器的装置及方法

Info

Publication number: CN106678352B
Application number: CN201610945839.1A
Authority: CN
Inventors: Z·J·张; P·G·奥塔内斯; S·白
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-11-09
Filing date: 2016-11-02
Publication date: 2018-12-14
Anticipated expiration: 2036-11-02
Also published as: CN106678352A; DE102016120916A1; US9765884B2; US20170130834A1

Abstract

描述了一种动力系系统，其包括可转动地与无级变速器(CVT)的变速机联接的内燃发动机。一种用于控制CVT的方法，包括确定实际速比、所需速比以及指令速比。基于实际速比、所需速比以及指令速比来确定总速比变化率，并基于所需速比以及指令速比来确定指令速比轨迹。基于指令速比轨迹确定比例变化系数以及力比因数，并基于总速比变化率以及比例变化系数来确定换挡力。基于换挡力以及力比因数来控制用于CVT的主滑轮力以及副滑轮力。

Description

控制无级变速器的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于车辆动力系的无级变速器，以及与其相关的方法和控制例程。

背景技术

动力系可以用来在车辆中提供牵引力，该动力系具有与无级或无限变速器(CVT)联接的内燃发动机。CVT能够在最小(欠驱动)比例和最大(过驱动)比例之间的范围上连续改变输出/输入速比，从而允许对发动机操作的无限变速选择，响应于输出转矩请求实现燃料消耗和发动机性能的优选平衡。

已知的链式无级变速器包括两个滑轮，每个滑轮具有两个槽轮。链条在两个滑轮之间运转，同时每个滑轮的两个槽轮在它们之间夹住链条。每个滑轮的槽轮和链条之间的摩擦接合将链条联接至每个滑轮，以将转矩从一个滑轮传递到另一个滑轮。其中一个滑轮可以作为驱动或输入滑轮操作，并且另一个滑轮可以作为从动或输出滑轮操作。齿轮比是从动滑轮的转矩比上驱动滑轮的转矩的比例。可以通过推动其中一个滑轮的两个槽轮相互更加靠近并推动另一个滑轮的两个槽轮分开地更远来改变齿轮比，致使链条在相应的滑轮上升高或降低。

发明内容

本教导的上述特征和优点以及其他特征和优点，从下面结合附图对用于执行如所附权利要求书中所限定的本教导的一些最佳模式和其他实施例的详细描述中显而易见。

附图说明

通过举例的方式，现在参照附图对一个或多个实施例进行描述，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的动力系系统的元件，其包括可转动地通过变矩器和齿轮箱与无级变速器(CVT)联接的内燃发动机；

图2示意性地示出了根据本发明的链式CVT的变速机的元件；以及

图3示意性地示出了根据本发明的速比控制例程的框图，该例程可用来控制CVT中的变速机速比。

具体实施方式

现在参照附图，其中的描述仅出于说明某些示例性实施例的目的，而并不是为了限制这些示例性实施例，图1示意性地示出了动力系系统100的元件，其包括通过变矩器120和齿轮箱130可转动地联接至无级变速器(CVT)140的内燃发动机(发动机)110。动力系系统100通过传动系150联接至车轮160，以在车辆上使用时提供牵引力。响应于驾驶员指令和其他因素通过控制系统10来监测和控制动力系系统100的操作。

发动机110可以是任何合适的内燃发动机，其能够将烃燃料转化为机械动力以响应于源自控制系统10的指令而产生转矩。变矩器120是在其输入和输出构件之间提供流体联接以传递转矩的设备，并且优选地包括联接至发动机110的泵122，通过输出构件联接至齿轮箱130的涡轮124，以及变矩器离合器126，其锁定泵122和涡轮124的转动并且由控制系统10控制。变矩器120的输出构件可转动地联接至齿轮箱130，该齿轮箱包括啮合齿轮或其他在变矩器120和CVT 140之间提供减速齿轮传动的合适的齿轮传动机构。可替换地，齿轮箱130可以是其他用于在发动机110、变矩器120和CVT 140之间提供齿轮传动的合适的齿轮配置，作为非限制性示例，包括链条驱动齿轮配置或行星齿轮配置。在可替换的实施例中，变矩器120中的任意一个或全部两个以及齿轮箱130可以被略去。

齿轮箱130包括输出构件，该构件可转动地通过输入构件51联接至CVT 140。CVT140的一个实施例参照图2进行描述。CVT 140的输出构件61可转动地联接至传动系150，其可转动地通过车轴、半轴或其他合适的扭矩传递元件联接至车轮160。传动系150可包括差速齿轮组、链条驱动齿轮组或其他合适的齿轮装置来向一个或多个车轮160传递转矩。

动力系系统100优选地包括用于监测各种设备的转速的一个或多个传感设备，例如，包括发动机速度传感器112、变矩器涡轮速度传感器125、CVT变速机输入速度传感器32、CVT变速机输出速度传感器34以及车轮速度传感器162。每个上述速度传感器可以是任何合适的位置/速度传感设备，诸如霍尔效应传感器。每个上述速度传感器与控制系统10通信。如本文所用的术语“速度”以及相关术语指的是转动构件的转动速度，除非另外特别指明。如本文所用的术语“位置”以及相关术语指的是转动构件的转动或角位置，除非另外特别指明。

控制系统10优选地包括一个或多个控制器12以及用户接口14。单控制器12为了便于说明而示出。控制器12可以包括多个控制器设备，其中每个控制器12与监测和控制单系统相关。这可以包括用于控制发动机110的发动机控制模块(ECM)以及用于控制CVT 140并监测和控制单子系统(例如，变矩器离合器)的变速器控制器(TCM)。控制器12优选地包括含有可执行指令集的存储设备11。用户接口14与操作者输入设备通信并监测操作者输入设备，例如，操作者输入设备包括加速器踏板15、刹车踏板16以及变速器挡位选择器17。用户接口14基于上述操作者输入来确定操作者转矩请求。在一个实施例中，变速器挡位选择器17包括升挡/降挡特性，由此车辆操作者可以手动选择变速器齿轮比，从而取代变速器控制。升挡指令导致指令CVT 140增加其齿轮比，其由在CVT 140中增加速比来完成。降挡指令导致指令CVT 140降低其齿轮比，其由在CVT 140中降低速比来完成。

术语控制器、控制模块、模块、控制、控制单元、处理器以及类似术语指的是专用集成电路(多个)(ASIC)、电子电路(多个)、中央处理单元(多个)(例如，微处理器(多个)和相关联的以存储器和存储设备(只读，可编程只读，随机存取，硬盘驱动器等)为形式的非暂时性存储器组件)的任何一种或各种组合。非暂时性存储器组件能够以软件或固件程序或例程、组合逻辑电路(多个)、输入/输出电路(多个)和设备、信号调节和缓冲电路以及可由一个或多个处理器访问以提供所描述的功能的其他组件中的一个或多个形式存储机器可读指令。输入/输出电路(多个)和设备包括模拟/数字转换器和监测来自传感器的输入的相关设备，并以预设的采样频率或响应于触发事件来监测这些输入。软件、固件、程序、指令、控制例程、代码、算法以及类似的术语是指包括校正和查找表的任何控制器可执行指令集。每个控制器执行控制例程(多个)以提供所需的功能，包括监测来自传感设备和其他网络控制器的输入，并执行控制和诊断指令以控制致动器的操作。例程可以以有规律的时间间隔来执行，例如在正在操作期间每100微秒执行一次。可替换地，例程可以响应于出现触发事件而执行。控制器之间的通信以及控制器、致动器和/或传感器之间的通信可使用直接有线链路、网络通信总线链路、无线链路或任何其他合适的通信链路来实现。通信包括以任何合适的形式交换数据信号，例如，包括通过导电介质的电信号、通过空气的电磁信号、通过光波导的光信号等。数据信号可以包括表示来自传感器的输入的信号、表示致动器指令的信号、以及控制器之间的通信信号。术语“模型”指的是模拟设备的物理存在或物理过程的基于处理器或处理器可执行的代码和相关的校正。如本文所用的术语“动态”和“动态地”描述的是，被实时执行并且特征在于监测或以其他方式确定参数的状态的，并定期地或周期性地在例程执行期间或在例程执行的迭代之间更新参数的状态的，步骤或过程。

图2示意性地示出了链式无级变速器(CVT)140的变速机30的元件，该无级变速器由控制器12有利地控制。变速机30在第一转动构件51和第二转动构件61之间传递转矩。第一转动构件51在本文中名义上被称为输入构件51，并且第二转动构件61在本文中名义上被称为输出构件61。

变速机30包括第一或主滑轮36、第二或副滑轮38以及可转动地联接第一滑轮36和第二滑轮38以在它们之间传递转矩的柔性连续可转动设备40。第一滑轮36可转动地附接到输入构件51，并且第二滑轮38可转动地附接到输出构件61，并且可转动设备40适于在第一滑轮36和第二滑轮38之间传递转矩，并由此在输入构件51和输出构件61之间传递转矩。第一滑轮36和输入构件51绕第一轴线48转动，并且第二滑轮38和输出构件61绕第二轴线46转动。连续可转动设备40可以是皮带、链条或其他合适的柔性连续设备。输入速度传感器32可以安装在输入构件51附近，以产生与第一、输入滑轮36的速度相关的CVT输入速度33，并且输出速度传感器34可以安装在输出构件61附近，以产生与第二、输出滑轮38的速度相关的CVT输出速度35。第一滑轮36和第二滑轮38中的一个用作比值滑轮以建立速比，并且第一滑轮36和第二滑轮38中的另一个用作夹紧滑轮，以产生足够的夹紧力来在它们之间传递转矩。如本文所用的术语“速比”指的是变速机速比，其为CVT输出速度与CVT输入速度的比例。CVT输入速度可以基于从如本文所述的发动机速度传感器112、变矩器涡轮速度传感器125或输入速度传感器32，或其他合适的速度/位置传感器输入的信号来确定。CVT输出速度可以基于从如本文所述的输出速度传感器34或车轮速度传感器162，或其他合适的速度/位置传感器输入的信号来确定。速比参数基于CVT输入速度和CVT输出速度来确定。

第一滑轮36垂直于第一轴线48分裂开，以在其间限定形成在可移动槽轮52和固定槽轮54之间的环形第一凹槽50。可移动槽轮52轴向移动或沿着第一轴线48相对于固定槽轮54进行平移。例如，可移动第一槽轮52可经由花键连接附接至输入构件51，从而允许可移动第一槽轮52沿第一轴线48轴向移动。固定第一槽轮54设置在可移动第一槽轮52对面。固定第一槽轮54沿第一轴线48轴向固定到输入构件51上。这样，固定第一槽轮54不在第一轴线48的轴线方向上移动。可移动第一槽轮52和固定第一槽轮54每个都包括第一凹槽表面56。可移动第一槽轮52和固定第一槽轮54的第一凹槽表面56彼此相对设置，以在它们之间限定环形第一凹槽50。相对的第一凹槽表面56优选地形成为倒截头圆锥形状，使得可移动第一槽轮52朝向固定第一槽轮54的移动增加了环形第一凹槽50的外滑轮直径。致动器55与第一滑轮36一起设置以响应于驱动信号53来控制可移动第一槽轮52的轴向位置，包括将可移动第一槽轮52推向固定第一槽轮54。在一个实施例中，致动器55是液压控制设备并且驱动信号53是液压压力信号。

第二滑轮38垂直于第二轴线46分裂开，以在其间限定环形第二凹槽62。环形第二凹槽62垂直于第二轴线46设置。第二滑轮38包括可移动槽轮64以及固定槽轮66。可移动槽轮64轴向移动或沿着第二轴线46相对于固定槽轮66进行平移。例如，可移动第二槽轮64可经由花键连接附接至输出构件61，从而允许可移动第二槽轮64沿第二轴线46轴向运动。固定第二槽轮66设置在可移动第二槽轮64对面。固定第二槽轮66沿第二轴线46轴向固定到输出构件61上。这样，固定第二槽轮66不在第二轴线46的轴线方向上移动。可移动第二槽轮64和固定第二槽轮66每个都包括第二凹槽表面68。可移动第二槽轮64和固定第二槽轮66的第二凹槽表面68彼此相对设置，以在它们之间限定环形第二凹槽62。相对的第二凹槽表面68优选地形成为倒截头圆锥形状，使得可移动第二槽轮64朝向固定第二槽轮66的移动增加了环形第二凹槽62的外滑轮直径。致动器65与第二滑轮38一起设置以响应于从动信号63来控制可移动第二槽轮64的轴向位置，包括将可移动第二槽轮64推向固定第二槽轮66。在一个实施例中，致动器65是液压控制设备并且从动信号63是液压压力信号。第一滑轮36的外滑轮直径与第二滑轮38的外滑轮直径的比限定了变速器转矩比。其他元件，诸如形式为可选择单向离合器等的离合器组件可以被设置在变速机30以及其他动力系和传动系部件和系统之间。

图3示意性地示出了可有利地用于控制CVT中的速比的速比控制例程(例程)300的框图，包括参照图1和2所示的CVT 140的实施例。通过控制主滑轮力和副滑轮力来控制CVT速比，这些滑轮力可以基于最小滑轮夹紧力、换挡力以及Ide模型来计算或另外确定，如本文所述。在某些实施例中，主滑轮力和副滑轮力分别以主滑轮压力和副滑轮压力来描述。

例程300的速比参数包括指令速比301、所需速比302以及实际速比303。实际速比303指示速比的当前的、测量的值，并且其基于测量的输出速度和输入速度的比例来确定，例如，由输入速度传感器32测量的CVT输入速度33和由输出速度传感器34测量的CVT输出速度35。所需速比302是用于在动力系系统100中操作CVT 140的优选的速比，其响应于操作者转矩请求以及平衡性或另外考虑与驾驶性能、燃料消耗、排放以及其他操作条件(被监测或被估计并涉及输出功率指令、车辆速度以及发动机转矩的条件)相关的因素。指令速比301是由控制器12确定的速比，其能实现零稳态跟踪误差并提供快速且平稳的响应。如本文所述，控制器12控制CVT 140，来通过控制CVT 140的主滑轮36与副滑轮38中的一个或所有两个的压力以达到所需速比。可以通过控制驱动信号13和从动信号15以将所需的压力施加到第一和第二致动器55、65上来影响所需速比，从而实现控制CVT 140的主滑轮36和副滑轮38中的一个或所有两个的压力，其中所需的压力优选为主压力指令和副压力指令的形式。

例程300的第一部分包括使用前馈控制和反馈控制来基于指令速比301，所需速比302以及实际速比303确定总速比变化率325。反馈控制使用控制器310，其基于指令速比301和实际速比303之间的差异来确定反馈比率311。控制器310可以是任何合适的反馈控制设备，作为非限制性示例，包括比例积分微分(PID)控制器、最优鲁棒控制器或模型预测控制(MPC)设备。前馈控制使用前馈控制器320，其基于指令速比301和所需速比302之间的差异来确定前馈比率321。总速比变化率325可以通过组合反馈比率311和前馈比率321来确定，例如通过计算它们的算术和确定。前馈比率321和指令速比301在轨迹控制器340中进行评估，该控制器基于它们确定指令速比轨迹341。指令速比轨迹341是指令速比301中的时间-比率变化。这样，比例控制包括反馈和前馈比例控制这两者以确定总速比变化率325，并且使用前馈控制来确定指令速比轨迹341。总速比变化率325可以被换挡力计算例程330用来确定指令换挡力(F换挡-cmd)335，如本文将要描述的一样。当基于指令速比301来确定总速比变化率325时，要考虑包括发动机110、变矩器120、齿轮箱130以及包括硬件和液压能力这两者的CVT 140的动力系系统100的机械限制。此外，当指令速比301被指令逐步变化时，总速比变化率325可以变化，并且可能需要确定是否需要改变发动机转矩管理和/或改变发动机速度请求来快速并及时地比例响应。

对于CVT 140的一个实施例，指令速比轨迹341被输入到Ide模型350中，该模型基于指令速比轨迹341确定比例变化系数351，并且确定主滑轮力和副滑轮力关系式的力比因数(KpKs)352。Ide模型350包括模拟与CVT 140的一实施例的操作相关的物理关系式的处理器可执行代码以及相关校正。Ide模型及其改进和实现已众所周知，因此本文不对其作详细描述。物理关系式可以归纳为以下变速机比例导数的可执行关系式。变速机比例导数可表示如下，并基于反馈比率311以及前馈比率321：

换挡力F_换挡可以按如下来确定：

等式1和2的项包括如下：

ω_p是CVT输入速度；

VSR是所需速比302；

k是比例变化系数351；以及

总速比变化率是反馈比率311和前馈比率321的算术和。

因此，与第一或主滑轮36相关的力可以按如下来确定：

F_主＝KpKs*F_副+F_换挡 [3]

其中：

F_主是与第一或主滑轮36相关的力，其考虑了有关的压力和离心力；

F_副是与第二或副滑轮38相关的力，其考虑了有关的压力、离心力和弹簧弹力；以及

KpKs是力比因数。

在稳态操作条件下，力比因数可以按如下来确定。

KpKs＝F_主/F_副且F_换挡＝0 [4]

对于CVT 140的一个实施例，参考等式1和2描述的变速机比例导数的关系式可以使用经验数据改进，该经验数据可以对于一定范围的速度、负载和速比条件来收集，并且被分析以确定对于各种因数和系数的状态。力比因数KpKs 352表示考虑了来自液压压力、离心压力和弹簧弹力的力的F_主与F_副的比例，并且可以使用采用了指令速比301和转矩容量比342的Ide模型350凭经验导出。力比因数KpKs 352取决于输入滑轮转矩343、CVT输入速度33、CVT输出速度35、变速器流体温度345、变速器流体质量以及其他因素，并且可以由经验确定。比例变化系数k 351是用与CVT 140的一实施例的操作相关的经验数据来确定的校正项。比例变化系数k351和总速比变化率325可以由换挡力计算例程330采用来确定指令换挡力F换挡-cmd 335。指令换挡力F换挡-cmd 335是响应于指令换挡而施加到第一滑轮36或第二滑轮38上以改变速比的附加力的幅值。

滑轮压力确定例程360采用指令换挡力F换挡-cmd 335和力比因数KpKs 352来确定用于控制CVT 140的主滑轮和副滑轮压力指令，并考虑了最小滑轮夹紧力356、离心力355、弹簧弹力354以及转矩力系数353。最小滑轮夹紧力356、离心力355、弹簧弹力354以及转矩力系数353是可以基于经验关系式确定的专用参数。这样，用于控制CVT 140的主滑轮和副滑轮压力指令基于所需的力，包括夹紧和反馈修正力，以及在特定操作条件下的变速器的液压特性。

滑轮压力确定例程360确定主滑轮压力指令，例如，参照图2描述的变速机30的驱动信号13，并且还确定副滑轮压力指令，例如，参照图2描述的变速机30的从动信号15，从而控制CVT 140的致动器以调节CVT 140的速比。

速比控制例程300易于跟踪指令速比来实现零稳态跟踪误差和快速且平稳的响应。这包括基于所需速比和实际速比使用反馈和前馈控制例程来确定指令比例轨迹以及指令比例变化率。硬件能力的限制在确定指令比例时也被考虑进来，例如如果线压力或流动能力的大小不足以完成任务。当指令进行步进比例变化时，有必要确定为了快速且平稳的响应是否需要发动机转矩管理和/或发动机速度请求。力比因数KpKs 352用于确定主滑轮力和副滑轮力之间的用于比例控制的关系式。这种操作有助于计算相对于最小滑轮夹紧力356和力比因数KpKs 352的比值滑轮上的力。这种操作还能够基于包括夹紧和反馈修正力的所需的力以及在特定操作条件下的变速器的液压特性来选择第一滑轮36或第二滑轮38作为夹紧滑轮。

流程框图中的流程图和框图示出了根据本发明的各种实施例的系统、方法以及计算机程序产品的可能实现的架构、功能以及操作。在这点上，流程图或框图中的每个框可以表示代码的模块、段或部分，其包括用于实现指定的逻辑功能(多个)的一个或多个可执行指令。还可以理解，框图和/或流程图说明的每个框，以及框图和/或流程图说明的框组合，可以由执行指定功能或动作的特殊目的的基于硬件的系统，或特殊目的的硬件和计算机指令的组合来执行。这些计算机程序指令还可以存储在计算机可读介质中，该介质可以引导计算机或其他可编程数据处理装置以特定方式工作，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包括执行流程图中指定的功能或动作的指令的制成品。

详细说明和附图或图支持和描述了本教导，但本教导的范围仅由权利要求书所限定。虽然用于执行本教导的一些最佳模式和其它实施例已进行详细描述，但是存在可用于实施由所附权利要求书所限定的本教导的各种替代设计和实施例。

Claims

1.一种用于控制无级变速器(CVT)的方法，所述方法包括：

确定实际速比、所需速比以及指令速比；

基于所述实际速比、所述所需速比以及所述指令速比来确定总速比变化率；

基于所述所需速比和所述指令速比来确定指令速比轨迹；

基于所述指令速比轨迹来确定比例变化系数以及力比因数；

基于所述总速比变化率以及所述比例变化系数来确定指令换挡力；并且

基于所述指令换挡力以及所述力比因数来控制用于所述无级变速器的主滑轮力以及副滑轮力。

2.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述实际速比、所述所需速比以及所述指令速比来确定所述总速比变化率，包括：

基于所述指令速比和所述实际速比之间的差异来确定反馈比率；

基于所述指令速比和所述所需速比之间的差异来确定前馈比率；并且

组合所述反馈比率以及所述前馈比率。

3.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述指令速比轨迹确定所述比例变化系数，包括分析经验数据以改进变速机比例导数的关系式，根据以下等式：

以及

其中：

k是所述比例变化系数，

VSR是所述所需速比，

F_换挡是换挡力，

ω_p是所述无级变速器输入速度，

KpKs是所述力比因数，并且

所述总速比变化率是反馈比例变化率和前馈比例变化率的算术和。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述力比因数基于与所述无级变速器的变速机的主滑轮以及所述无级变速器的变速机的副滑轮相关的经验数据来确定。

5.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述指令换挡力以及所述力比因数控制所述无级变速器的所述主滑轮力，包括响应于所述指令换挡力以及所述力比因数控制主指令以驱动所述无级变速器的变速机的主滑轮的可移动槽轮的致动器。

6.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述指令换挡力以及所述力比因数控制用于所述无级变速器的所述副滑轮的压力，包括响应于所述指令换挡力以及所述力比因数控制副指令以驱动所述无级变速器的变速机的副滑轮的可移动槽轮的致动器。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述实际速比包括基于无级变速器输入速度和无级变速器输出速度的比例确定的测量的数值。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述所需速比包括响应于操作者转矩请求和速度的用于操作所述无级变速器的速比。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述指令速比包括能达到零稳态跟踪误差的速比。

10.一种无级变速器，包括：

变速机，所述变速机包括第一滑轮和第二滑轮，所述第一和第二滑轮通过柔性连续可转动设备可转动地联接，其中所述第一滑轮可转动地联接至输入构件，所述第二滑轮可转动地联接至输出构件；

所述第一滑轮包括响应于第一致动器的推动相对于一固定槽轮沿第一轴线平移的一可移动槽轮；

所述第二滑轮包括响应于第二致动器的推动相对于一固定槽轮沿第二轴线平移的一可移动槽轮；

控制器，所述控制器与配置为监测与所述第一滑轮相关的第一速度的第一传感器以及配置为监测与所述第二滑轮相关的第二速度的第二传感器通信，并且可操作地连接至所述第一和第二致动器；

所述控制器包括指令集，所述指令集可执行：

确定实际速比、所需速比以及指令速比，

基于所述所需速比以及所述指令速比来确定指令速比轨迹；

基于所述指令速比轨迹来确定比例变化系数以及力比因数；

基于所述总速比变化率以及所述比例变化系数来确定换挡力，并且

基于所述换挡力以及所述力比因数来控制所述第一致动器和第二致动器。