CN1089696C - 自动机械变速器的换档控制 - Google Patents

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Abstract

汽车自动机械变速系统(10)中控制进入目标传动比(GRT)的一种控制方法/系统，该控制促使发动机的转速(ES)交替地高于然后低于发动机的同步转速(ES＝IS＝OS*GRT)，从而使啮合中与目标传动比有关的非摩擦爪式离合器两端的扭矩反向，达到最大限度减小或避免因扭矩锁定状态引起的部分啮合情况。

Description

自动机械变速器的换档控制
本发明涉及一种全自动和半自动的汽车机械变速系统。该系统利用发动机的受控加油达到使非摩擦离合器构件进入与目标传动比有关的同步状态。具体地说，本发明涉及至少半自动机械变速系统的一种的控制系统/方法，其中将齿轮啮合操作过程中所要求的发动机转速交替地设定在高于然后低于或低于然后高于发动机实际同步转速(即ES＝IS＝OS×GRT)的预选值(“高频波动”状态)，从而确保啮合着的非摩擦离合器完全啮合，并最大限度地减少同步过头的情况。
汽车用的全自动和半自动机械变速系统是公知技术，这方面可参看美国专利4,361,060；4,648,290；4,595,986；4,850,236；5,053,959；5,109,721；5,261,288；5,315,218和5,335,566，这里也把这些专利的公开内容包括进来，以供参考。这类系统中一般采用发动机的喷油量/制动控制达到挂入目标传动比所需要的同步条件。
现有技术的自动变速系统一般采用电气、机电、电液压或电气动式的执行机构通过X-Y机构和/或多个线性执行机构来操纵多个通常是并联的换档轨座或单一换挡轴机构等。可轴向移动的爪式离合器构件由装在换档轴或配套机构上的换档拨叉有选择地使其在轴向就位，这些换档轴则由换向销、柱塞等之类使其在轴向就位。这类换档机构可参看美国专利4,445,393；4,873,881；4,899,607；4,920,815；RE34,260；4,945,484；5,000,060；5,052,535；4,964,313和5,368,145，这里也把这些专利的公开内容包括进来以供参考。
现有技术的控制方法/系统不能令人完全满意，特别是在电动机操纵的变速杆配合情况不太好时更是如此，因为在同步过程中的爪式离合器和/或换档执行机构严重磨损和/或损坏。
因此，本发明的目的是提供至少部分自动机械变速系统的一种新的经改进的控制方法/系统，确保爪式离合器构件以相关的目标传动比进入完全啮合状态。
根据本发明的汽车自动机械变速系统中控制转入目标传动比过程的一种方法，该变速系统有一个加油受控的发动机、一个机械多速变速器、一个信息处理机和一个变速控制器，机械多速变速器的输入轴驱动时通过摩擦离合器与所述发动机连接，输入轴与输出轴之间有多个可供选择的啮合传动比，信息处理机用以接收多个包括表示发动机转速、输出轴转速和目标传动比的输入信号在内的输入信号，并且以根据预定的逻辑规则处理这些输入信号，将指令输出信号发送给系统执行机构，系统执行机构包括一个发动机控制器和一个变速控制器，前者用以控制发动机的转速，后者用以切换变速器的速度，所述变速系统改变传动比时是先使第一非摩擦离合器进入一系列的分离过程，然后使第二非摩擦离合器，所述两个非摩擦离合器的第一离合器构件转速取决于汽车发动机的转速，第二离合器构件的转速取决于输出轴的转速；所述方法的特征在于：
(1)在所述第一非摩擦离合器分离之后，控制所述发动机进入使离合器开始啮合的转速，使所述第二非摩擦离合器啮合，该转速在发动机同步转速的预定值范围内；然后
(2)发动机的现时转速在其同步转数使所述第二非摩擦离合器啮合的预定值范围内时促使所述第二非摩擦离合器的所述第一和第二离合器构件连续强迫啮合，同时另一方面检测第一输出轴的转速，并促使所述发动机在比同步转速高某一基准转速的转速下运转，使所述第二非摩擦离合器的所述第一输出轴转速下啮合，然后检测第二输出轴的转速，并促使所述发动机在比同步转速低某一基准转速的转速下运转，使所述第二非摩擦离合器在所述第二输出轴转速下啮合。
本发明提供了全自动或部分自动机械变速系统的这样一种控制系统/方法，从而克服或最大限度地减小了现有技术的上述缺点，该控制系统/方法在同步过程中和爪式离合器在换档到目标传动比的啮合阶段会促使发动机的转速交替略高于然后略低于或先略低于然后略高于发动机实际的同步转速，同时连续地迫使啮合中的爪式离合器进入啮合状态，从而在爪式离合器上好几次形成零扭矩传递的场面，使爪式离合器完全啮合。这个过程会重复预定的次数最好是两个或三个循环，直到位置传感器表明全啮合或检测出全啮合状态为止，以两者中最先出现的为准。重型卡车一般柴油机的转速高于或低于实际同步转速的量(或“高频波动”幅度)最好在15-50转/分左右。
阅读下面结合附图对本发明最佳实施例所作的详细说明可以清楚了解本发明的上述和其它目的和优点。
图1是因采用本发明的空档检验控制系统/方法而获益的自动机械变速系统一个实例的原理图。
图2是装有齿轮空档传感器开关的变速执行机构一个实例的部分剖视图。
图3是用本发明控制的那一种简单机械齿轮换档变速器或组合式机械齿轮换档变速器一个实例的原理图。
图4是本发明控制系统/方法的曲线图。
图5是本发明控制系统/方法的原理流程图。
图1示意示出的自动机械变速系统10有一个自动多速齿轮换档变速器12由节气门受控的发动机14(例如周知的柴油机)通过主离合器16驱动。这里可以配备有发动机制动器，例如排气制动器17和/或输出轴制动器18，前者供降低发动机14的转速，后者在主离合器16啮合时能有效地将减速力施加到变速器的输入轴上，这方面也是公知技术。自动变速器12的输出端是输出轴20，适宜与诸如主动轴，分动箱的差动器之类的适当汽车部件驱动连接。
上述传动系统部件由若干器件驱动和/或监控下面将详细加以介绍。这些器件一般包括：节气门位置或节气门孔监控组件22，供检测司机控制的汽车节气门和/或其它燃油节流器24的位置；喷油量控制器26，供控制加到发动机14的燃油量；发动机转速传感器28，供检测发动的转速；主离合器控制器30，起离合主离合器16的作用，并提供有关主离合器状态的信息；输入制动控制器31；变速器输入轴转速传感器32；变速控制器34，用以将变速器12切换到所选择的传动比，并提供一个或多个表示齿轮空档状态和/或现时使用的传动比；和变速器输出轴转速传感器36。汽车制动监控器38则检测着汽车制动踏板40的动作情况。
自动机械变速系统的变速控制器，包括齿轮空档和齿轮啮合开关在内，可以参看上述美国专利4,945,484和4,445,393，这里也把该两专利的公开内容包括进来以供参考。不然也可以采用线性位置传感器，例如线性电位计等。
上述诸器件给中央处理机或控制器42提供信息并/或从中央处理机或控制器42接收指令。中央处理机42可包括模拟和/或数字电子计算和逻辑电路，这些电路的具体配置和结构并不构成本发明的一部分。中央处理机42可以是上述美国专利4,595,986中所述的那一种。中央处理机42还接收来自换档控制组件44的信息，汽车司机即借助于换档控制组件44选择汽车的工作方式：倒档(R)、空档(N)或前进档的驱动方式(D)。各种检测、操作和/或处理单元的电力、液压和/或气动动力由电源(图中未示出)和/或压缩流体源(图中未示出)提供。事故指示器或警报器46可显示具体事故的出现或仅显示未识别事故的存在。
传感器22、28、32、36、38和44可以取周知的任意结构，其作用是产生与所监控的参数相当的模拟或数字信号。同样，控制器17、18、26、30和34可以采用周知的任何类型：电动的，气动的液压控制或电气动或电液压控制的，其作用是根据来自处理机42的指令输出信号进行控制，并/或给处理机42提供输入信号。喷油量控制器26通常根据司机的节气门设定情况给发动机14加油，但还可以根据来自控制单元42的指令降低加油量或提高加油量。喷油量控制器26可包括电子控制的发动机(包括发动机控制微处理器)和符合ISO11898、SAE1922和/或SAEJ1939标准或类似的协议书的那种电子数据传送装置。
从图2中可以看到一般的变速控制器34的一部分，这仅仅是举例而已。简单说来，换档拨叉50装在换档座56上，与换档座56一起作轴向移动。在控制器两端的一对流体驱动柱塞58和60可滑动地分别密封地装设在有选择地加压的气缸62和64中。变速杆构件66可与换档座56和换档拨叉50一起轴向移动，且确定了为挡圈72所隔开的一对沟槽68和70的通路。弹簧加载柱塞74与挡圈72配合作用，打开齿轮空档开关76，与沟槽68和70配合作用，关闭齿轮空档开关76。于是，齿轮空档开关76提供第一值(GNS＝0)的齿轮空档信号(GNS)，表明齿轮处于空档状态，并提供第二值(GNS＝1)的齿轮空档信号，表明齿轮处于啮合状态。不然，若采用非线性位置传感器，可将空档和非空档状态与轴的位置范围联系起来。
中央处理机42用齿轮空档传感器输入信号来控制自动机械变速器12的换档。举例说，在顺次换档的过程中，当变速器从原来采用的传动比切换到目标传动比(GRT)时，若齿轮空档信号表明出现齿轮空档状态，则可以进行挂到目标传动比的同步化过程。
图3示意示出了与系统10配用的一般四前进车速、单倒档速度的齿轮换档机械变速器或变速部分12的原理图。变速器12是双中间轴式的简单变速器或变速部分，这是公知技术，要了解更详细的情况可参看美国专利3,105,395、4,735,109和4,152,949，这里也把这些专利的公开内容包括进来以供参考。
从图中看到，该变速器的输入轴114上装有输入齿轮116，与输入轴114一齐转动。输入轴114如本技术领域所周知的那样由原动机14通过主摩擦离合器或液力变矩器驱动。一对基本上完全相同的中间轴118和118A借助于轴承120和120A可转动地装设在外壳(图中未示出)中。配备的主轴或输出轴122最好是活动的且/或可转动地装设在变速器的外壳中。
各中间轴118和118A上装有中间轴齿轮124、126、128、130和132，固定在中间轴上，与中间轴一齐转动。中间轴齿轮124始终与输入齿轮116啮合。第三转速主轴齿轮134围绕着主轴122，始终与中间轴齿轮126啮合，且由中间轴齿轮126支撑着。第二转速主轴齿轮136围绕着主轴122，始终与中间轴齿轮128啮合，且由中间轴齿轮128支撑着。第一转速主轴齿轮138围绕着主轴122，始终与中间轴齿轮130啮合，且由中间轴齿轮130支撑着。倒档主轴齿轮140围绕着主轴122，始终与一对中间齿轮(图中未示出)啮合，且由该对中间齿轮支撑着，该对中间齿轮则始终与中间轴齿轮132啮合，由中间轴齿轮132驱动着。
可轴向滑动的离合器142、144和146最好通过花键联接装设在主轴122上，以便相对于主轴122滑动，且与主轴122一齐转动。换档拨叉148坐落在离合器142的沟槽中，供控制离合器142相对于主轴122的轴向位置。换档拨叉50坐落在离合器144的沟槽中，供轴向控制离合器144相对于主轴122的位置。换档拨叉152坐落在离合器146的轴向沟槽中，供控制离合器146相对于主轴122的轴向位置。
变速执行机构34有三个可轴向移动的变速杆，也叫做排档杆或换档杆154、156和158，这些变速杆基本上彼此平行，且可在变速杆外壳34A上基本上平行的通孔162、164和166中分别独立地轴向滑动。变速杆外壳34A通常按一般方式装设在变速器外壳(图中未示出)上。换档拨叉148可与变速杆154轴向移动，换档拨叉50轴向移动。当然还可以采用各种其它型式的换档执行机构，例如X-Y换档机构和/或单轴式换档机构，前者如上述美国专利4,873,881、4,899,607和/或RE34,260中所公开的那一种，后者如上述美国专利4,920,815中所公开的那一种。
中央处理机42给阀组件172提供表示所要求的目标传动比的控制信号，阀组件172提供表示所要求的目标传动比的控制信号，阀组件172一般由许多诸如电磁阀之类的分立可控阀组成。阀组件172的流体线路连接到象液压流体或压缩空气之类带压流体的流体源174，流体源174最好由调节阀176调节。
从图中可以看到，变速器12采用非摩擦异步爪式离合器。鉴于为了避免变速器损坏、任何时候都只能有一个离合器啮合，因而变速执行机构34一般都装有联锁机构(图中未示出)以防一个以上的变速杆154，156和158在给定的时间内偏离轴向的空档位置。该啮合的离合器称做第二非摩擦离合器。
众所周知，在自动机械变速系统中，要采用某个目标传动比(GRT)时就将变速器挂到空档上，然后在主离器啮合的情况下，促使发动机(从而促使输入轴)以其同步转速转动。发动机的同步转速/输入轴转速可用下式表示：
         ESSYNCH＝IS＝OS×GRT其中
         ESSYNCH＝发动机的同步转速；
         IS     ＝输入轴转速(发动机在主离合器完全啮合下
                  的转速)；
        OS      ＝输出轴转速；
        GRT    ＝目标传动比的数值。
通常，换档执行机构34系控制得使其促使爪式离合器在发动机转速等于同步转速之前作为发动机的现行转速与同步转速之间的转速差、发动机转速的变化率和/或换档执行机构响应时间的函数开始啮合的。
采用各种类型的换档执行机构，特别是换档执行(例如电动机驱动的执行机构)配合情况不太好时，啮合中的非摩擦爪式离合器构件在只有部分啮合的情况下是往往会进入扭矩锁定状态的。如果这种部分啮合状态不加以校正，则部分啮合的爪式离合器构件和/或执行机构可能会过度磨损和/或损坏。
参看图4和图5可以看出，本发明的换档控制系统/方法是为最大限度地减少或防止部分啮合的爪式离合器陷入扭矩锁定状态而提供的。
当解除原来采用的传动比并使主离合器16准备挂到所选择的目标传动比(GRT)时，控制发动机使其以略低于(挂低速档时)或略高于(挂高档时)实际同步转速(ES＝IS＝OS*GRT)的转速运转。这样可以避免同步转速过头。然后，当促使换档执行机构迫使挂到目标传动比的爪式离合器构件进入非摩擦啮合状态时，控制发动机使其交替地在略高于然后略低于现行实际的同步转速的转速下运转。发动机目标转速与发动机同步转速的差(“波动幅度”)最好在15-50转/分左右。如此促使发动机转速交替地略高于然后略低于同步转速，就会使啮合中的爪式离合器构件交替处在驱动和从动状态之间，因而使爪式离合器经过零扭矩传递状态，从而消除可能产生的扭矩锁定状态。
经验证明，在啮合中的爪式离合器两端反复进行两个三个扭矩反向的循环操作就足以确保爪式离合器的扭矩不致锁定入部分啮合的状态。不然也可以将发动机的转速循环过程起码一部分作为指示爪式离合器部分或全啮合状态的位置的函数进行控制。
虽然本发明的提出是有其一定程度的特殊性，但不言而喻，在不脱离本发明在后面权利要求书中所述的精神实质和范围的前提下是可以对上述实施例进行种种修改的。

Claims (15)

1.汽车自动机械变速系统(10)中控制转入目标传动比(GRT)过程的一种方法，该变速系统(10)有一个加油受控的发动机(14)、一个机械多速变速器(12)、一个信息处理机和一个变速控制器(34)，机械多速变速器(12)的输入轴(114)驱动时通过摩擦离合器(16)与所述发动机连接，输入轴(114)与输出轴(20)之间有多个可供选择的啮合传动比，信息处理机用以接收多个包括表示发动机转速(ES)、输出轴转速(OS)和目标传动比的输入信号在内的输入信号，并用以根据预定的逻辑规则处理这些输入信号，将指令输出信号发送给系统执行机构，系统执行机构包括一个发动机控制器(26)和一个变速控制器(34)，前者用以控制发动机的转速，后者用以切换变速器的速度，所述变速系统改变传动比时是先使第一非摩擦离合器进入一系列的分离过程，然后使第二非摩擦离合器啮合，所述两个非摩擦离合器的第一离合器构件转速取决于汽车发动机的转速，第二离合器构件的转速取决于输出轴的转速；所述方法的特征在于：
(1)在所述第一非摩擦离合器分离之后，控制所述发动机进入使离合器开始啮合的转速，使所述第二非摩擦离合器啮合，该转速在发动机同步转速的预定值范围内；然后
(2)发动机的现时转速在其同步转数使所述第二非摩擦离合器啮合的预定值范围内时促使所述第二非摩擦离合器的所述第一和第二离合器构件连续强迫啮合，同时另一方面检测第一输出轴的转速(OS1)，并促使所述发动机在比同步转速高某一基准转速的转速下运转，使所述第二非摩擦离合器的所述第一输出轴转速下啮合，然后检测第二输出轴的转速(OS2)，并促使所述发动机在比同步转速低某一基准转速的转速下运转，使所述第二非摩擦离合器在所述第二输出轴转速下啮合。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，若采用所述目标传动比是在挂高档的情况下进行的，则发动机使所述第二非摩擦离合器啮合所采用初始转速略高于其同步转速。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，若采用所述目标传动比是在挂低速档的情况下进行的，则发动机使所述第二非摩擦离合器啮合所采用的初始转速略低于其同步转速。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，若采用所述目标传动比时是在挂低速档的情况下进行的，则发动机使所述第二非摩擦离合器啮合所采用的初始转速略低于其同步转速。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述摩擦离合器是可选择地加以离合的主摩擦离合器。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定值都在15-50转/分的范围内。
7.汽车自动机械变速系统(10)中控制转入目标传动比(GRT)过程的一种控制系统，该变速系统(10)有一个加油受控的发动机(14)、一个机械多速变速器(12)、一个信息处理机和一个变速控制器(34)，机械多速变速器(12)的输入轴(114)驱动时通过摩擦离合器(16)与所述发动机连接，输入轴(114)与输出轴(20)之间有多个可供选择的啮合传动比，信息处理机用以接收多个包括表示发动机转速(ES)、输出轴转速(OS)和目标传动比的输入信号在内的输入信号，并用以根据预定的逻辑规则处理这些输入信号，将指令输出信号发送给系统执行机构，系统执行机构包括一个发动机控制器(26)和一个变速控制器(34)，前者用以控制发动机的转速，后者用以切换变速器的速度，所述变速系统改变传动比时是先使第一非摩擦离合器进入一系列的分离过程，然后使第二非摩擦离合器啮合，所述两个非摩擦离合器的第一离合器构件转速取决于汽车发动机的转速，第二离合器构件的转速取决于输出轴的转速；所述控制系统的特征在于，它包括：
(1)所述第一非摩擦离合器分离之后，控制所述发动机进入使离合器开始啮合的转速，使所述第二非摩擦离合器啮合，该转速在发动机同步转速的预定值范围内的装置；和
(2)当发动机的现时转速在其同步转速使所述第二非摩擦离合器啮合的预定值范围内时促使所述第二非摩擦离合器的所述第一和第二离合器构件连续强迫啮合，同时另一方面检测第一输出轴的转速(OS1)，并促使所述发动机在比同步转速高某一基准转速的转速下运转时，使所述第二非摩擦离合器在所述第一输出轴转速下啮合，然后检测第二输出轴的转速(OS2)，并促使所述发动机在比同步转速低某一基准转速的转速下运转，使所述第二非摩擦离合器在所述第二输出轴转速下啮合的装置。
8.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于，若采用所述目标传动比是在挂高档的情况下进行的，则发动机使所述第二非摩擦离合器啮合所采用的初始转速略高于其同步转速。
9.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于，若采用所述目标传动比是在挂低速档的情况下进行的，则发动机使所述第二非摩擦离合器啮合所采用的初始转速略低于其同步转速。
10.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于，若采用所述目标传动比时是在挂低档的情况下进行的，则发动机使所述第二非摩擦离合器啮合所采用的初始转速略低于其同步转速。
11.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述摩擦离合器是可选择地加以离合的主摩擦离合器。
12.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述预定值都在15-50转/分的范围内。
13.汽车自动机械变速系统(10)中用以控制转入目标传动比(GRT)的过程的一种信息处理机(42)，该变速系统(10)有一个加油受控的发动机(14)、一个机械多速变速器(12)和一个变速控制器(34)，机械多速变速器(12)的输入轴(114)驱动时通过摩擦离合器(16)与所述发动机连接，输入轴(114)与输出轴(20)之间有多个可供选择的啮合传动比，所述信息处理机用以接收多个包括表示发动机转速(ES)、输出轴转速(OS)和目标传动比的输入信号在内的输入信号，并用以根据预定的逻辑规则处理这些输入信号，将指令输出信号发送给系统执行机构，系统执行机构包括一个发动机控制器(26)和一个变速控制器(34)，前者用以控制发动机的转速，后者用以切换变速器的转速，所述变速系统改变传动比时是先使第一非摩擦离合器进入一系列的分离过程，然后使第二非摩擦离合器啮合，所述两个非摩擦离合器的第一离合器构件转速取决于汽车发动机的转速，第二离合器构件的转速取决于输出轴的转速；所述信息处理机的特征在于，所述逻辑规则具有下列作用：
(1)所述第一非摩擦离合器分离之后，控制所述发动机进入使离合器开始啮合的转速，使所述第二非摩擦离合器啮合，该转速在发动机同步转速的预定值范围内；然后
(2)发动机的现时转速在其同步转速使所述第二非摩擦离合器啮合的预定值范围内时促使所述第二非摩擦离合器的所述第一和第二离合器构件连续强迫啮合，同时另一方面检测第一输出轴的转速(OS1)，并促使所述发动机在比同步转速高某一基准转速的转速下运转，使所述第二非摩擦离合器在所述第一输出轴转速(ES)下啮合，然后检测第二输出轴的转速(OS2)，并促使所述发动机在比同步转速低某一基准转速的转速下运转，使所述第二非摩擦离合器在所述第二输出轴转速下啮合。
14.如权利要求13所述的信息处理机，其特征在于，若采用所述目标传动比是在挂高档的情况下进行的，则发动机使所述第二非摩擦离合器啮合所采用的初始转速略高于其同步转速。
15.如权利要求13所述的信息处理机，其特征在于，若采用所述目标传动比是在挂低速档的情况下进行的，则发动机使所述第二非摩擦离合器啮合所采用的初始转速略低于其同步转速。
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