CN110304036A - 动力系统中齿轮间隙闭合率的管理 - Google Patents

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Abstract

动力系统包括变速器、扭矩产生装置、联接到驱动轴的负载、与输出轴和驱动轴以啮合齿轮接合的最终驱动单元，以及控制器。使用开环间隙状态模型处理请求的输出扭矩，所述开环间隙状态模型填充有受限输出扭矩请求表和间隙闭合速率估算表，分别提供受限扭矩值和估算间隙闭合率。使用设备模型、受限扭矩值和估算间隙闭合率确定输出速度。在转变期间使用输出速度控制动力系。可以使用积分器逻辑块根据闭合率计算间隙角。可以使用间隙角确定经校准的间隙偏移轮廓线，并且可以使用间隙偏移轮廓线生成参考速度。

Description

动力系统中齿轮间隙闭合率的管理
引言
动力系统包括一个或多个传动系统扭矩发生器，例如内燃发动机和/或一个或多个电牵引电动机。使用花键或齿轮齿将各种动力系部件放置成以啮合齿轮彼此接合。传动系统扭矩通过啮合的传动系统部件从扭矩发生器传递，并最终传递到驱动负载。例如，在机动车辆中，驱动轮组布置在与差速齿轮组或最终驱动单元啮合接合的一个或多个驱动轴上。变速器的输出轴最终通过最终驱动单元和驱动轴的相互啮合的齿轮为驱动轮提供动力。
术语“传动系统间隙”描述了由上述啮合齿轮部件的间隙或松弛引起的状态。由于制造公差，沿传动系统可能存在松弛，这又有助于部件组装、润滑、热膨胀和基于负载的部件挠曲或偏转。在扭矩反转事件期间，即，当扭矩方向沿着传动系统的轴线变化时，可以发生瞬时齿轮间隙转变状态。例如，在变速器输出轴和最终驱动单元之间的啮合齿轮界面处可能出现不希望的噪音、振动和声振粗糙度。
发明内容
本文公开了一种间隙状态转变管理方法论和相关系统。本方法可用于代表性的机动车辆或其它静止或移动系统，例如发电厂、机器人和非汽车车辆，例如轨道车辆、飞机或船舶，其中传动系统扭矩反转可导致齿轮间隙转变的瞬态。该控制方法由与动力系统结合的控制器执行，该动力系统具有至少一个扭矩产生装置，例如内燃发动机和/或一个或多个电牵引电动机，具有输出轴的变速器、最终驱动单元、驱动轴和从动负载，例如在示例性车辆实施例中的车轮。扭矩产生装置产生输入到变速器中的输入扭矩，然后通过变速器以特定的齿轮比经变速器输出轴传递到最终驱动单元。最终驱动单元通过啮合齿轮布置机械地连接到驱动轴，驱动轴的旋转最终使从动负载旋转。
在扭矩反转事件期间管理间隙状态转变时，控制器采用开环间隙状态模型，其可以结合经校准的间隙偏移轮廓线来执行。作为间隙状态模型的一部分，控制器利用两个单独编程的查找表：(1)受限的输出扭矩请求表，以及(2)间隙闭合速率估算表，其中这两个查找表在下文中分别被称为扭矩受限表和速率表。在某些实施例中，间隙状态模型的输出和偏移轮廓线被输入到传动系统比例积分(PI)控制块或积分器中，并且由这样的控制块使用以获得变速器的实际输出速度。获得的输出速度此后由控制器用来执行控制动作，例如通过控制动力系统的动态操作状态，例如通过修改或维持扭矩发生器的扭矩和/或速度的期望水平。
本方法旨在改进现有技术的传动系统间隙控制系统的现有功能。例如，某些方法依赖于物理速度传感器(例如，机动车辆应用中的车轮速度分解器)的存在，以及这种速度数据的精度。然而，转速传感器往往表现出相对较差的低速分辨率。结果，当使用基于传感器的间隙管理策略时，控制器可能难以精确地确定在所有速度下的间隙状态转变的状态。
此外，正在开发具有相应低惯性的较小电动机。这种电动机在某些动力系中具有有益用处，例如高性能混合动力电动车。然而，当与这样的低惯性电动机一起使用时，闭环的、基于传感器的间隙管理方法中的速度传感器降低的精度可以抑制鲁棒的间隙转变管理。因此，本方法旨在作为可供选择的方案，其特征在于不存在车轮速度传感器和来自该车轮速度传感器的反馈测量，或者至少取决于这种传感器在低速运行条件下的可靠性。
动力系统的特定实施例包括扭矩产生装置、变速器，该变速器配置成从扭矩产生装置接收输入扭矩并产生输出扭矩以输出速度旋转输出轴，驱动轴、联接到驱动轴并由驱动轴驱动的负载、最终驱动单元，该最终驱动单元与输出轴和驱动轴以啮合齿轮接合，以及控制器。控制器配置成经由执行指令来管理啮合齿轮接合的间隙状态转变。
控制器的处理器执行指令使处理器确定请求的输出扭矩，然后使用填充有受限输出扭矩请求表和间隙闭合率估算表的开环间隙状态模型来处理请求的输出扭矩。这些表分别响应于请求的输出扭矩来提供受限扭矩值和估算间隙闭合率。控制器还使用传动系统设备模型计算输出速度，作为受限扭矩值和估算间隙闭合率的函数，以及此后，使用输出速度在间隙状态转变期间控制动力系的动态操作状态，从而管理间隙状态转变。
执行所述指令使所述控制器使用积分器逻辑块根据估算间隙闭合率计算啮合接合的间隙角，使用间隙角确定经校准的间隙偏移轮廓线，然后在间隙状态转变期间，控制动力系的动态操作状态，包括使用经校准的间隙偏移轮廓线来确定在该种操作状态控制中使用的输出速度。
控制器使用经校准的间隙偏移轮廓线来计算扭矩产生装置的参考速度，然后使用传动系统设备模型来计算输出速度，作为受限扭矩值和参考速度的函数。
扭矩产生装置可以包括电牵引电动机，在这种情况下，参考速度是电牵引电动机的参考速度。
相对于间隙状态转变后期，经校准的间隙偏移轮廓线在间隙状态转变前期具有更高的量值。
动力系统是具有驱动轮组作为负载的车辆的一部分。在这样的实施例中，扭矩产生装置包括与驱动轮组联接的电牵引电动机和内燃机中的至少一个。其他实施例包括发动机和电牵引电动机。
本文还公开了一种用于管理上述动力系统内啮合齿轮接合的间隙状态转变的方法。该方法可以包括经由控制器确定变速器请求的输出扭矩。另外，响应于请求的输出扭矩，该方法包括使用控制器的开环间隙状态模型从开环间隙状态模型的相应查找表中提供受限扭矩值和估算间隙闭合率，以及使用控制器的传动系统设备模型计算输出速度，作为受限扭矩值和估算间隙闭合率的函数。该方法还包括在间隙状态转变期间使用输出速度控制动力系的动态操作状态。
本发明还公开了一种机动车辆。在示例性实施例中，该机动车辆具有至少一个电牵引电动机，以及变速器，其连接到并配置成接收来自至少一个电牵引电动机的输入扭矩，并且响应于此，产生足以使输出轴以输出速度旋转的输出扭矩。机动车辆还包括连接到驱动轴并由驱动轴驱动的驱动轮组，与输出轴和驱动轴以啮合齿轮接合的最终驱动单元，以及配置为通过执行指令来管理啮合齿轮接合的间隙状态转变的控制器。
控制器的处理器执行指令使得处理器使用开环间隙状态模型处理请求的输出扭矩，所述开环间隙状态模型填充有受限输出扭矩请求表和间隙闭合率估算表，其分别响应于请求的输出扭矩来提供受限扭矩值和估算间隙闭合率；控制器还使用传动系统设备模型计算输出速度，作为受限扭矩值和估算间隙闭合率的函数，并使用积分器逻辑块根据估算间隙闭合率计算啮合接合的间隙角。
另外，使控制器使用间隙角应用校准的间隙偏移轮廓线，其中，相对于间隙状态转变后期，间隙偏移轮廓线在间隙状态转变前期具有更高的量值。此后，控制器使用间隙偏移轮廓线计算电牵引电动机的参考速度，并使用传动系统设备模型来计算输出速度，作为受限扭矩值和参考速度的函数。然后，在间隙状态转变期间，使用输出速度，通过电牵引电动机的速度或扭矩控制来控制动力系的动态操作状态，从而管理间隙状态转变。
以上发明内容并不旨在表示本公开的每个实施例或方面。相反，前述发明内容举例说明了本文所述的某些新颖方面和特征。当结合附图和所附权利要求时，通过以下用于实现本公开的优选实施例和最佳实施方式的详细描述，本公开的上述和其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是具有控制器的示例性车辆的示意图，所述控制器被编程为以本文阐述的方式管理传动系统齿轮间隙转变。
图2是示例性基于控制器的方法的逻辑流程图，所述方法描述用于管理图1中代表性车辆内的间隙状态转变。
图3是描述用于此公开方法的一部分的受限输出扭矩的时间曲线图，其中纵(Y)轴描绘扭矩，横(X)轴描绘时间。
图4是描述用于此公开方法的一部分的间隙闭合估算的时间曲线图，其中纵(Y)轴描绘变速器输出速度，横(X)轴描绘时间。
本发明易于修改和采用替代形式，其中代表性实施例通过附图中的示例示出并在下文中详细描述。本公开的创造性方面不限于所公开的具体形式。相反，本公开旨在覆盖落入由所附权利要求限定的本公开范围内的修改、等同物、组合和替换。
具体实施方式
图1示意性地示出了车辆10。车辆10具有动力系统10P。动力系统10P包括控制器(C)50和一个或多个传动系统扭矩产生装置，示出为代表性内燃机(E)12和第一和第二电牵引电动机20和30(分别为MA和MB)。动力系统10P还包括变速器14和最终驱动单元(FD)16。图1的车辆10示出为示例性混合电动车辆，在非限制性的说明性实施例中，该混合电动车辆使用与第一和第二电牵引电动机20和30组合的发动机12。更少的或附加的电动机可以单独或与发动机12配合用作动力系统10P的一部分。同样，发动机12可以用作传动系统推进扭矩的唯一来源。为使说明简单，下文将描述图1的混合配置，而不将本公开限制于这样的动力系统10P。
包括处理器(P)和存储器(M)的控制器50使用一组控制信号(箭头11)与动力系统10P内的各种可控部件通信。这种通信发生在一个或多个网络连接35上，作为示例性控制器区域网络(CAN)总线如图1所示。控制器50可以实现为一个或多个数字计算机，其具有或共享作为处理器(P)的微处理器或中央处理单元，以及适合应用级别的只读存储器、随机存取存储器、电可编程只读存储器和其它存储器(M)。另外，控制器50包括振荡器/高速时钟、必需的模拟到数字和数字到模拟逻辑、输入/输出电路和设备以及适当的信号调节和缓冲电路。
控制信号(箭头11)使得图1的控制器50能够在动力系统10P内通信。例如，可以使用发动机控制信号(箭头CCE)来控制发动机12的扭矩或速度操作，可以使用离合器控制信号(箭头CCC)来控制动力系10P的离合器C1、C2和C3的开/关应用状态，并且可以使用电动机控制信号(箭头CCM)来控制电动机20和30的扭矩或速度。控制器50在图1中示为单一控制装置，但是在实践中可以实施为多个控制模块，例如发动机控制模块、变速器控制模块、电动机控制模块等。
控制器50也用体现方法100的计算机可执行指令来编程，方法100提供用于管理传动系统间隙状态转变的开环策略。如下文具体参考图2-4所解释的，控制器50使用开环间隙状态模型150，可能结合经校准的间隙偏移轮廓线块158，以最终确定变速器14的实际旋转输出速度。此后，控制器50使用所确定的输出速度来控制动力系统10P的操作，例如根据需要通过控制发动机12和/或牵引电动机20和/或30的动态操作状态以满足请求的输出扭矩，例如，通过发动机12和/或一个或两个电动机20的速度或扭矩控制，以顺利实现车辆10的理想速度。
仍参考图1，车辆10可以包括附加动力系元件，例如具有弹簧21、摩擦离合器23和旁路离合器C3的输入减振器组件。在一些实施例中，车辆10还可以包括至少一个行星齿轮组40，其分别具有第一、第二和第三节点41，42和43，例如，没有特定顺序的太阳齿轮、齿圈和行星架构件。在这样的实施例中，发动机12的曲轴13可以连接到第一电牵引电动机20，该第一电牵引电动机20又可以经由离合器C2和互连构件15(例如轴)连接到行星齿轮组40的第一节点41。第一节点41可以经由离合器C1选择性地与变速器14的固定构件连接，如图1中所示的制动离合器。同样，第二电牵引电动机30可以经由互连构件32直接连接到第三节点43。在本公开范围内，可以容易地想到包括使用多个互连齿轮组的其他构造。
在图1的说明性实施例中的第二节点42可以经由变速器输出轴25连接到最终驱动单元16，后者配置成一个或多个相互啮合的差速齿轮组。最终驱动单元16与驱动轴22和输出轴25啮合接合，驱动轴22联接到驱动轮组28。在非车辆实施例中，驱动轮28可以实施为另一个从动负载，例如动力产生设备的皮带轮或转子。啮合接合的位置通常在扭矩反转事件期间经历传动系统间隙，因此控制器50可经配置成管理在特定位置处向间隙状态的转变或从间隙状态的转变。现参考图2-4解释关于管理间隙转变的控制器50的操作。
参考图2，以上参考图1描述的控制器50以逻辑编程，以使用上述开环间隙状态模型150来执行体现方法100的指令。指令的执行由此使得控制器50执行下面详细描述的各种逻辑步骤或控制动作。
具体地，间隙状态模型150包括两个单独编程的查找表，即，受限输出扭矩请求表152，为简单起见下文中称为“扭矩受限表”，以及间隙闭合速率估算表154，下文中称为“速率表”。来自间隙状态模型150和经校准的偏移轮廓线块158的数据最终由控制器50用来以平稳间隙状态传输的方式确定图1中变速器14的实际输出速度。本方法的特征在于不依赖于单独的车轮速度传感器和数据，如上所述，所述车轮速度传感器和数据往往具有相对较差的低速信号分辨率。
方法100在方框140处开始，由控制器50接收请求的输出扭矩(箭头TR)。如在此使用的，请求的输出扭矩(箭头TR)是图1所示变速器14的输出扭矩的期望水平，该期望水平由诸如加速器和/或制动踏板行程的可用输入值确定，无论这些输入值是由车辆10的驾驶员应用还是由控制器50或由其他自主控制结构自主应用。请求的输出扭矩(箭头TR)输入到开环间隙状态模型150的上述扭矩调节表152和速率表154中。
关于扭矩受限表152，该编程数据部件可以体现为存储在控制器50的存储器(M)中的查找表，该查找表通过上述请求的输出扭矩(箭头TR)的量值和实际变速器输出扭矩的相应绝对极限或受限来参考/索引，其中扭矩受限表152的输出是图2中示为箭头的限制/受限扭矩值。换言之，一旦将请求的输出扭矩(箭头TR)被传送到或以其他可用方式提供给控制器50，控制器50就可以提取相应的受限扭矩值类似地，速率表154可以体现为由请求的输出扭矩(箭头TR)量值索引的查找表，这次则具有如图2中箭头CREST所示的相应估算间隙闭合速率。
简要地参考图3，扭矩受限表152可以用离线收集和确定的数据来填充，例如通过使用从测试图1中具有类似配置的动力系10P的车辆10的车队中提取的测试数据。收集的数据可以通过时间曲线图252来表示，X轴描绘以秒(s)为单位的时间(t)，Y轴描绘以牛顿米(Nm)为单位的扭矩T。时间曲线图252被分成典型扭矩反转事件的三个阶段，从刚好在进入间隙转变状态前的负间隙(LNEG)周期开始，进入并通过被称为中性间隙(LN)的间隙转变周期，并且以退出具有正间隙(LPOS)周期的间隙转变状态结束。时间曲线图252的迹线60对应于请求的输出扭矩(TR)，其使得图1的驱动轴22上的轴扭矩(TAXL)从负扭矩值通过0 Nm快速上升到正扭矩值，其中扭矩方向的这种变化定义了扭矩反转事件。
使请求输出扭矩上升(迹线60)滞后的是轴扭矩(TAXL)，即迹线64，其在中性间隙(LN)的居间周期中稳定在0 Nm处。在整个中性间隙(LN)期间，控制器50在请求的输出扭矩(迹线60)上强制将受限扭矩值作为临时硬限制或受限，其中轨迹62对应于受限扭矩值即，不是在间隙状态转变期间使轴扭矩(迹线64)遵循请求的输出扭矩(迹线60)的轨迹，而是将输出扭矩限制为受限扭矩值即，通过控制器50控制扭矩产生装置的操作以确保该结果。车辆10退出间隙转变状态，进入正间隙周期(LPOS)，此时车辆10的传动系统的啮合部件中的松弛被吸收。结果，轴扭矩(迹线64)升高并且最终达到几乎等于请求的输出扭矩(箭头TR)的水平。进入正间隙状态(LPOS)时不再强制执行受限扭矩值其中图2的方法100在随后的扭矩反转事件中重新开始。
图4涉及图2中使用的速率表154的数据填充，用于产生估算间隙闭合速率(CREST)，其中估算间隙闭合速率(CREST)在图4中由另一时间曲线图254的迹线70表示。正如扭矩受限表152一样，速率表154可以用从车辆10的车队中离线确定的数据来填充。在时间曲线图254中，X轴描绘以秒(s)为单位的时间(t)，Y轴描绘以每分钟转数(RPM)为单位的转速(ω)。点72和74分别对应于图1的变速器14在进入和退出间隙转变状态时的输出速度。因此，点72被标记为ωO_1以表示在间隙转变状态开始时的输出速度，并且点74被标记为ωO_2以表示在从间隙转变状态退出时的输出速度。在间隙转变期间，图1中车辆10的传动系统暂时从驱动轮28或其他装接负载断开，使得驱动轴22的加速度等于其中Jdl是图1中所示的动力系统10P的预定传动系统转动惯量，是图1中输出轴25的加速度，并且如上文其它地方所指出的，是受限扭矩值。
估算平均闭合率CREST由与点72和74对应的进入和退出速度的差(即，ωO_0-ωO_2)定义，ωO_0-ωO_2又可以近似为如下所述：
其中ΔtL表示间隙转变时间，即从进入间隙状态转变周期到退出该状态的时间。区域76(ACR)表示平均闭合率区域，其中迹线70可根据实际间隙进入速度(即，ωO_0)在区域76内向上或向下调节。
再次参考图2，估算间隙闭合率(箭头CREST)表示变速器14的输出速度接近零度间隙角的平均速率。估算间隙闭合率(箭头CREST)可以由积分器块159接收，该积分器块159由编程的比例积分(PI)控制逻辑构成。积分器块159将当前间隙角(箭头θL)估算为经历间隙状态转变的啮合动力系部件之间的角度。如图2中的积分符号所示，估算闭合速率的整合，∫CREST·dt，产生估算间隙角(箭头θL)作为积分器块159的输出。
然后将估算间隙角(箭头θL)输入到经校准的偏移轮廓线块158中，随后利用图1中的控制器50，使用来自经校准的偏移轮廓线块158的值来限制间隙角(箭头θL)。使用间隙角(箭头θL)，例如，作为应用到间隙角的正和负极限，在经校准的偏移轮廓线块158处确定的偏移轮廓线(箭头OP)，然后将偏移轮廓线(箭头OP)输入到积分器块159的输入侧的求和节点160以及参考速度逻辑块156。通常，间隙退出时期望较慢的间隙闭合速率，因为这样的速率减小了间隙噪声的严重程度，即，在退出间隙转变状态时，可感知的碰撞或齿轮冲击事件。然而，在间隙转变状态下，低闭合率在延长耗费的总时长上具有显著缺点。为了克服这个问题，图2的控制器50通过经校准的偏移轮廓线块158应用间隙偏移。间隙偏移轮廓线形成为使得当靠近进入间隙转变周期点操作时闭合速率更快，同时闭合速率在退出间隙状态时减小。因此，相对于间隙状态转变后期，经校准的间隙偏移轮廓线在间隙状态转变前期可以是具有更高量值的增益值。以这种方式，控制器50使用经校准的偏移轮廓线块158来“微调”在传动系统退出间隙状态时的间隙转变的感觉。
仍参考图2，控制器50接下来将偏移轮廓线(箭头OP)传递到参考速度逻辑块156。参考速度逻辑块156产生参考速度(箭头NREF)，例如通过使用由偏移轮廓线(箭头OP)索引的或作为其函数的另一查找表，在方法100的该部分中使用的速度是集体传动系统扭矩装置的旋转速度，例如图1中的牵引电动机20和/或30和/或发动机12。
参考速度(箭头NREF)可被输入到传动系统(DL)设备模型153中，该传动系统(DL)设备模型153可连同受限扭矩值(箭头)实施为另一个PI逻辑块。诸如传动系统设备模型153的设备模型表示特定动力系配置的预定运动学，以及预定的惯性和动力流特性。给定限定的输入速度，即参考速度(箭头NREF)，并且给定请求的扭矩，在这种情况下是受限扭矩值(箭头，)，示例性传动系统模型153能够获得并输出图1所示的变速器14的实际输出速度(箭头NO)。
控制器50对实际输出速度(箭头NO)的持续认识本身对于动力系统10P的最佳控制至关重要。即使当不使用车轮速度传感器时，控制器50也可以在实时间隙管理中获得并使用实际输出速度(箭头NO)，包括可能在驱动轴22的上游执行动力系控制动作以提供对车辆10的动态运行状态的实时控制，包括发动机12和电动机20和/或30，以便平稳地管理间隙转变并限制转变期间的噪音，振动和声振粗糙度效应。
虽然已经详细描述了一些最佳模式和其他实施例，但是存在用于实践所附权利要求中限定的本教导的各种替代设计和实施例。本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对所公开的实施例进行修改。此外，本概念明确地包括所述元件和特征的组合和子组合。详细描述和附图是对本教导的支持和描述，本教导的范围仅由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种动力系统，包括：
扭矩产生装置；
具有输出轴的变速器，其中所述变速器配置成接收来自所述扭矩产生装置的输入扭矩并且产生输出扭矩使所述输出轴以输出速度旋转；
驱动轴；
联接到所述驱动轴并由所述驱动轴驱动的负载；
最终驱动单元，其与所述输出轴和所述驱动轴以啮合齿轮接合；和
控制器，其配置成通过执行指令来管理所述啮合齿轮接合的间隙状态转变，其中所述控制器的处理器执行这些指令以使所述处理器：
确定请求的输出扭矩；
使用开环间隙状态模型处理所述请求的输出扭矩，所述开环间隙状态模型填充有受限输出扭矩请求表和间隙闭合率估算表，其分别响应于所述请求的输出扭矩来提供受限扭矩值和估算间隙闭合率；
使用传动系统设备模型计算所述输出速度作为受限扭矩值和估算间隙闭合率的函数；和
使用输出速度在间隙状态转变期间控制动力系的动态操作状态，从而管理间隙状态转变。
2.如权利要求1所述的动力系统，其中执行所述指令使所述控制器使用积分器逻辑块根据估算的间隙闭合率计算所述啮合接合的间隙角，应用由所述间隙角确定的经校准的间隙偏移轮廓线，并且在所述间隙状态转变期间，通过使用所述经校准的间隙偏移轮廓线来控制所述动力系的所述动态操作状态。
3.如权利要求2所述的动力系统，其中，执行所述指令使所述控制器使用所述经校准的间隙偏移轮廓线来计算所述扭矩产生装置的参考速度，并且使用所述传动系统设备模型来计算所述输出速度作为所述受限扭矩值和所述参考速度的函数。
4.如权利要求3所述的动力系统，其中，所述扭矩产生装置包括电牵引电动机，并且其中，所述参考速度是所述电牵引电动机的参考速度。
5.如权利要求2所述的动力系统，其中，相对于所述间隙状态转变后期，所述经校准的间隙偏移轮廓线在所述间隙状态转变前期具有更高的量值。
6.如权利要求1所述的动力系统，其中，所述动力系统是具有驱动轮组作为负载的车辆的一部分。
7.如权利要求6所述的动力系统，其中，所述扭矩产生装置包括与所述驱动轮组联接的电牵引电动机和内燃机中的至少一个。
8.如权利要求7所述的动力系统，其中，所述扭矩产生装置包括联接到所述驱动轮组的所述至少一个电牵引电动机和所述内燃机。
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