CN1110382A - 可变同步窗 - Google Patents

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Abstract

一种控制自动机械传动系统(10)换挡的控制系 统/方法。该控制系统/方法(图4)用以限定牙嵌式 离合器啮合(用于除组合加速以外的换挡)的同步窗((OS*GRT)+X≥ISE＞(OS*GRT)—Y)，其中X和Y均大于零，且总的同步窗(X+Y)等于目标比(GRT)数值的函数(fGRT)或一个最小值((X+Y)MIN)中的较大者。

Description

本申请涉及序号为08/116，626、发明名称为《自动机械传动控制系统/方法（Automated mechanical transmission control system/method）》的美国申请，该申请和本申请于1993年9月7日同日提交且转让于同一受让人，伊顿公司（Eaton corporation）。
本发明涉及一种控制系统/方法，用以控制在至少部分自动车辆机械传动系统内的正向牙嵌式离合器（positive jaw clutches）的啮合。更具体地说，本发明涉及自动车辆机械传动系统的控制系统/方法，使该传动牙嵌式离合器在输入轴转速处于所希望的可靠同步速度范围（称之为同步窗，synchronous window）内时啮合或趋向啮合，该同步窗的范围是目标齿轮（target gear）比数值的函数，直到达至一个最小值为止。
如重型牵引车-半挂斗车之类车辆的全部或部分自动的机械传动系统在先有技术中是公知的，可参阅美国专利4，361，060;4，595，986;4，614，126;4，648，290;4，676，115;4，784，019;4，874，881;4，899，607;5，050，427和5，136，897，所有这些公开的专利列在这里供参考。简言之，这些自动传动系统一般都利用传感器给控制器提供诸如驱动方式或变速器选择、油门踏板位置、目前的啮合比、和发动机、输入轴和/或输出轴转速的信息。该控制器通常以微处理器为基础，根据预定的逻辑规则处理这些输入以发出指令输出信号到各操作机构，如发动机加油装置、主离合器操作器和/或换档（shift）操作装置。发动机燃油操作、输入轴或发动机制动器和/或动力协调器通常用来使输入轴及其有关的齿轮系以相对于输出轴的旋转速度基本上同步的旋转速度和以目标齿轮比旋转。
鉴于各操作机构的已知响应时间，当输入轴转速（“IS”）接近同步窗时，即接近输出轴转速与目标齿轮比数值的乘积（OS＊GRTARGET）加或减一个可接受的值（通常约为±40RPM，即40转/分）时，与目标齿轮比有关的牙嵌式离合器被指令按照所期望的啮合，即当具有目标比的牙嵌式离合器部件进入初始啮合状态时，所期望的输入轴转速（ISE）应处在可接受的范围内。
虽然先有技术的车辆自动机械传动系统控制器通常能令人满意，并且提供了良好的同步牙嵌式离合器的啮合，但它们在较低速度比（较高数字减速比）时却不能令人完全满意，同步窗较需要达到的同步更受限制，较所需要的更为困难或更费时间。
根据本发明，先有技术的缺点可通过本发明提供的车辆的全部或部分自动机械传动系统控制方法/系统加以克服或减至最小，该方法/系统无论对于换成高档还是换成低档，在（OS＊GRT）+X≥ISE≥（OS＊GRT）-Y时，都有助于使牙嵌式离合器啮合。其中：
ISE＝所期望的输入轴转速，
OS＝输出轴转速，
GRT＝以目标比进行齿轮减速的数值，
X≥0
Y≥0，以及
X+Y＝GRT的函数或最小值（X+Y）MIN（两者无论哪个较大）。
函数的值是与以特定比换档的最苛刻但仍可接受的换档情况有关，可看例如美国专利5，052，535号，该公开的专利包括在这里供参考。
在较低齿轮比（较高齿轮减速数值）中，X+Y的值将随着目标齿轮比的齿轮减速数值改变，直至达到一个最小值（X+Y）MIN例如30RPM为止。
对上述实施例的可能例外随着梯级型组合传动变速器（range type compound transmissions）而出现，请看美国专利5，193，410号，该专利结合在此供参考。在组合梯级加速换档中，为确保梯级部分同步器的适当操作，换档质量可通过使传动变速器以目标齿轮比与主要部分的牙嵌式离合器啮合而得到兼顾，以致（OS＊GR）＞IS≥（OS＊GR）-K，其中K为正的RPM。
在下列诸最佳实施例的说明中，将会理解到这种可能的例外。
因此，本发明的目的是提供一种车辆的至少一部分的自动机械传动系统的控制系统/方法，使牙嵌式离合器的啮合，对于较低速比来说，较先有技术中的啮合能更快和更易出现或趋于出现。
本发明的这个和其他目的及优点，从阅读最佳实施例的说明和附图将变得更加明显。
图1为特别好的适合于由本发明的控制方法/系统控制类型的自动机械传动系统的示意图。
图2为由本发明的控制系统/方法控制的车辆机械传动系统的示意图。
图3为图1和图2中的自动机械传动系统中使用的典型正向牙嵌式离合器组件的部分剖面图。
图4为本发明的控制系统/方法的以流程图形式表示的示意图。
图5为图1和2所示类型的传动变速器的数字齿轮减速比和典型偏差系数值的说明用表格。
某些术语将在下面的说明中使用，仅为了方便和参阅但不应受到限制。词“向上”、“向下”、“向右”和“向左”是按图中规定的方向，用作参改。词“向内”和“向外”分别指向着和离开器件及所标示的部件的几何中心的方向。所述术语将包括上述的词、由其派生的词、以及有类似含义的词。
用语“组合传动变速器”用于规定一种变速或变速齿轮传动的变速器，该传动变速器具有多级正向速度主要传动部分和串联连接的多级速度的辅助传动部分，从而主要传动部分中选择的齿轮减速可以通过辅助传动部分中另外选择的齿轮减速来组合。“同步离合器组件”和类似含义的词指一种离合器组件，用以通过正向离合器将所选择的齿轮以不可旋转的方式耦合到一根轴上，用正向离合器可防止所述离合器在该离合器部件基本上以相当大能力同步旋转之前的啮合趋势。一摩擦装置与离合器部件一起使用，在离合器开始啮合时，足以使离合器部件及与其一起旋转的全部部件以基本上同步的速度旋转。
这里使用的用语“换成高速档（upshift）”，指从较低速齿轮比变到较高速齿轮比;而用语“换成低速档（downshift）”指从较高速齿轮比变到较低速齿轮比。
特别好的适用于由本发明的控制系统/方法控制的车辆自动机械传动系统10示意性地示于图1和2上。先有技术中熟知的全部或部分自动机械传动系统可以参阅上述美国4，361，060;4，595，986;4，614，126;4，648，290;4，676，115;4，784，019;5，053，961和5，136，897号专利。
图1示意地表明一种车辆自动机械传动系统10，该系统包括通过例如一个摩擦主离合器C的联接器而由一台燃料控制发动机E（例如熟知的狄塞尔引擎）驱动的自动多级速度变齿轮传动变速器11。自动传动变速器11是通过输出轴90输出的，它适合于驱动连接到例如传动轮轴、传动箱之类且在先有技术中公知的差动装置等适当的车辆部件上。
发动机E的曲轴20将驱动主摩擦离合器C的驱动板10，该离合器C可以摩擦方式与驱动板22接合，用以驱动传动变速器11的输入轴16。
上述动力传动部件是由几个器件起作用和/或监测的，对各个器件将简单地讨论于下。这些器件包括油门（throttle）踏板位置或油门开口监测器组件21，该组件21感测操作者控制油门装置THL的操作者设定位置;燃油控制器23，控制供应给发动器E的燃料量;发动机速度传感器25，它检测发动机的旋转速度;离合器操纵器27，它使主离合器C啮合和脱开，还提供有关离合器状态的信息;输入轴速度传感器98，用以检测传动输入轴16的旋转速度;传动操纵器29，它有效的将传动变速器11变到选择的齿轮比，且提供表示齿轮空档位置和/或目前啮合的齿轮比的信号;以及输出轴速度传感器100，用以检测输出轴90的旋转速度。
传动换档操纵器27可以是任何公知的类型，它的例子可以参阅上述美国专利4，874，881和4，899，607号。
上述器件提供信息给中央处理单元控制器31和/或从该控制器31接受指令信号。中央处理单元31可包括如先有技术中公知的模拟和/或数字式电子计算和逻辑电路。最好是，中央处理单元以微处理器为基础，它的例子可参阅上述美国专利4，595，986号。中央处理单元31也将接收来自换档控制组件33的信息，通过该组件33，车辆操作者可选择车辆操作的反向[R]、空档[N]或正向[D]驱动方式。电源（未示出）和/或受压流体源（未示出）提供电力和/或气动力至各个传感、操作和/或处理单元。
上述类型的动力传动部件和控制器在先有技术中是公知的，且可以通过参阅美国专利4，959，986;4，576，065和4，445，393号能更详细地得到理解，所有公开的这些专利结合于此供参考。传感器21、23、25、27、98、29和100可以是任何已知类型的构件，用以产生正比于由其监测的参数的模拟或数字信号。同样地，操纵器23、27和29可以是任何已知的电动、气动或电-气动类型的，用以根据来自中央处理单元31的指令输出信号而执行操作。
除了直接输入以外，中央处理单元31也可以配置电路用以将至少来自传感器23、25和/或98的输入信号微分，以提供表示发动机、传动输入轴和/或传动输出轴的旋转加速和/或减速的计算信号。CPU31也可配置电路和逻辑规则以比较来自传感器98和100的输入信号，从而检验和识别传动变速器11以特定齿轮比啮合的情况等。
自动传动变速器11的结构细节可参看图2。组合传动变速器11包括串联连接有梯级类型辅助部分14的多级速度主要传动部分12。传动变速器11被罩在外壳H中，且包括通过选择地脱开、正常啮合的摩擦主离合器C而由例如狄塞尔引擎E的原动机驱动的输入轴16。主离合器C具有以驱动方式连接在发动机曲轴20的输入端或驱动部分18，以及具有可旋转地固定在传动输入轴16上的驱动部分22。
最好设置由CPU31操作的输入轴制动器B，以提供较快的加速换档，如先有技术中已知的那样。
类似于机械传动变速器11的传动变速器在先有技术中已公知，可参阅美国专利3，105，395;3，283，613;4，754，665和5，193，410号，这些公开的专利包括在这里供参考。
在主要传动部分12中，输入轴16带有输入齿轮24，用以同时且以基本上相同的旋转速度驱动多个基本上相同的副轴组件26和26A。该两个基本上相同的副轴组件设在主轴28的完全相反的两侧。主轴28通常与输入轴16同轴地对准。各副轴组件均包括由外壳H内的轴承32和34支持的副轴30，图中仅示意地示出它们的一部分。各副轴设有相同的副轴齿轮组38、40、42、44、46和48，固定后与其一起旋转。多个主轴齿轮50、52、54、56和58围绕主轴28，且可选择地一次一个啮合到主轴28上而与其一起旋转。多个主轴齿轮50、52、54、56和58围绕主轴28，且是通过滑动牙嵌式离合器套环60、62和64而可选择地一次一个啮合到主轴28上与其一起旋转的，如先有技术中已知的那样。离合器套环60也可使用，以使离合器输入齿轮24接合到主轴28上，以提供输入轴16与主轴28之间的直接驱动关系。
通常，离合器套环60、62和64通过与致动器27有关的换档叉（shift forks）轴向地就位，如先有技术中已知的那样。离合器套环60、62和64可以是已知的双作用的非同步双作用牙嵌式离合器型式的。
主轴齿轮58是反向齿轮，且通过传统的中间换向齿轮（未示出）与副轴齿轮48处于连续紧密啮合状态。应该指出，当主要传动部分12提供五个可选择的正向速度比时，最低正向速度比（即将主轴驱动齿轮56以驱动方式连接在主轴28上），如果经常是这样的高齿轮减速比，则必须考虑设置一种低速或“爬行器”（creeper）齿轮，该齿轮仅用于车辆在困难运行条件下的起动，且通常不是在高速传动范围内使用。因此，主要传动部分12提供五个正向速度时，通常称为“四加一”主要部分，其中仅有四个正向速度通过辅助的梯级传动部分14与其一起使用而进行组合。
牙嵌式离合器60、62和64是三位离合器，它们可以定位在中央的、如图所示的非接合位置、或通过致动器27处于完全向右接合或完全向左接合的位置。如所周知，在给定时间仅有离合器60、62和64中的一个可以啮合，且设有主要部分的内锁装置（未示出），将其它的离合器锁在空档位置。
辅助传动梯级部分14包括两个基本上相同的辅助副轴组件74和74A，各包括由外壳H内的轴承78和80支持的辅助副轴76，且带有两个与其一起旋转的辅助部分的副轴齿轮82和84。辅助副轴齿轮82始终与梯级/输出齿轮86紧密啮合并支撑住该齿轮，而辅助部分的副轴齿轮84则始终与输出齿轮88紧密啮合。该齿轮88固定在传动输出轴90上。
两位同步牙嵌式离合器组件92，它是通过换档叉（未示出）和梯级部分换档致动器组件96轴向定位的，用以使齿轮86与主轴28在低速工作范围啮合，或使齿轮88与主轴28在组合传动变速器10的直接或高速工作范围啮合。
虽然梯级型辅助部分14如图所示为使用直齿或螺旋型齿轮的双速部分，但应该说明，本发明也可应用于使用分离器或组合分离器/梯级型辅助部分的组合传动变速器上，该变速器具有三个或三个以上的可选择范围比和/或使用星形齿轮。并且，离合器60、62或64的任一个或多个可以是同步牙嵌式离合器型，而传动部分12和/或14可以是单一的副轴型。
图3示出一种采用本发明控制系统/方法的自动化型式的重型机械变速齿轮传动变速器的典型牙嵌式离合器结构。简言之，可以看到主轴齿轮54和56以径向浮置方式围绕在主轴28的周围，且通过衬垫部件102相对于主轴28维持在预定的轴向位置上，更详细的可参阅美国专利3，894，621和4，949，589号，该专利结合在这里供参考。
离合器套环62和64备有内键条104，它可与设置在主轴28外径表面上的外键条106滑动地接合。离合器套环62和64分别通过换档叉108和110在主轴28上轴向定位。换档叉由换档致动器27控制。移动环62备有牙嵌式离合器齿112，该齿可选择地与设在主轴齿轮54上的牙嵌式离合器齿114啮合。移动环64备有牙嵌式离合器齿116，该齿可选择地与设在主轴齿轮56上的牙嵌式离合器齿118啮合。
如所周知，要完成齿轮54与主轴28的平稳啮合，在主轴齿轮54以大致等于主轴28旋转速度而旋转且离合器套环62与主轴一起旋转时，离合器套环62必须向右移动以使离合器齿112与离合器齿114啮合。假定辅助梯级部分14以其高速比或低速比保持啮合，离合器各套环主轴28的旋转速度将由梯级部分的比和输出轴的旋转速度（OS）来确定。在主要传动部分12的齿轮变换操作过程中，车辆的对地速度以及因而输出轴90的旋转速度，将基本上保持不变。主轴齿轮54和56的旋转速度是其齿轮比和输入轴16的旋转速度（IS）的函数。因此，要达到主轴齿轮之一啮合的基本同步状况，输入轴16的速度须通过控制发动机E的供油和/或加速制动器B的操作来调节。如先有技术中所熟知的那样，在以特定目标齿轮比啮合的精确同步情况下，IS＝OS×GRTARGET，而当离合器C完全无滑动啮合时，ES＝IS＝OS×GRTARGET。实际上，如果牙嵌式离合器部件超出同步范围一个预定量，例如约20至40RPM时，能有可以接受的换档。因此，用于以特定目标齿轮比啮合的同步换档窗将是IS＝（OS×GRTARGET）±约20至40RPM。
在先有技术的全部或部分自动传动系统中，各操作机构的反应时间是已知的或确定的值，它是发动机和/或输入轴的旋转速度的变化率。根据这些参数，当输入轴接近一个大致为同步的速度时，CPU 31会发出指令输出信号至各操作机构，促使换档进入所期望的选择的目标齿轮比，即当预期的输入轴旋转速度（ISE）等于目标齿轮比与输出轴速度的乘积加或减预定的常数时，离合器齿进入啮合状态。
图4以流程图方式示意性地说明了本发明的控制系统/方法。按照本发明限定同步窗，以致CPU将使或有助于使牙嵌式离合器在（OS×GRTARGET）+X＞ISE＞（OS×GRTARGET）-Y时啮合，其中：
ISE＝所期望的输入轴速度，OS＝输出轴速度，GRTARGET＝以目标齿轮比进行齿轮减速的数值，X大于零，Y大于零，X+Y的和是GR的一个函数或一个最小值中的较大者，其中该函数随GRT的值而变化。
参阅图4中所示的本发明的控制系统/方法的流程图，数值ISE是一个在时间周期经过之后的输入轴旋转速度的期望值，该时间周期通常等于各操作机构响应来自CPU 31的指令输出信号以使与目标齿轮比有关的牙嵌式离合器进入初步啮合的时间周期。
X或Y中的较大的值被选择作为目标齿轮比中最苛刻但可接受的换档的函数，可参看例如上述美国5，052，535号专利。
在较低齿轮比（较高齿轮减速数值）中，X+Y的值可随目标齿轮比的值改变，直至达到最小值例如45RPM为止。参阅图5，X+Y取｛（20＊GR）-19｝或45中的较大者。
在较低速度比（较高齿轮减速比），例如十个正向速度传动变速器中的第一至第五速度比，可要求和可允许使用某些较昂贵的同步窗。为了保证车辆在斜坡上向上移动，即ES/IS和OS两者将减小时能加速，则要求有较大的同步窗。另外，以这些速度比，较大的齿轮减速将导致较低或较软的传动系统弹簧应变率，该弹簧应变率有助于抑制由于同步牙嵌式离合器啮合引起的车身跳动。
对于上述可能的例外会在梯级型组合传动变速器方面出现，可参见上述美国5，193，410号专利，其中在组合梯级加速中，例如第5和第6极加速或第5至第7级跳跃加速，为保证梯级部分同步装置的适当操作，换档质量可以通过使传动变速器趋向与有目标齿轮比的主要部分牙嵌式离合器啮合而得到兼顾，以致输入轴总是以低于实际的同步速度旋转，即（OS＊GR）＞IS≥（OS＊GR）-K。在最佳实施例的说明中，这可能的例外会得到了解。
本发明的最佳实施例是仅通过举例来说明的，在不偏离所附权利要求书提出的本发明的精神和范围情况下，可以考虑其部件和/或步骤的各种变更和/或重新安排。

Claims (8)

1、一种用以控制包括多速机械传动变速器的车辆的自动机械传动系统(10)的换档方法，所述传动变速器具有多个可选择的齿轮比(GR)，各具有与其有关的可啮合和可脱开的正向牙嵌式离合器部件对(112/114，116/118)；该传动变速器具有通过非正向联接器(c)以驱动方式连接至原动机(E)的输入轴(16)，和用于驱动连接于车辆驱动轮的输出轴(90)；控制单元(CPU)，用于接收表示输入轴旋转速度(IS)和输出轴旋转速度(OS)的输入信号，且用以根据预定的逻辑规则处理该输入信号以发出指令输出信号至各系统致动器(23、27、29)，所述系统致动器包括一个传动致动器(27)，以有效地选择已选择的正向牙嵌式离合器部件对的啮合和脱开，所述传动变速器的操纵器具有一个响应时间，包括所述致动器响应指令输出信号且将选择的正向牙嵌式离合器部件对从通常的脱开位置变为初始正向啮合位置所需的时间，所述方法的特征在于：
发出指令输出信号至所述各致动器，当表达式(OS*GRT)+X≥ISE＞(OS*GRT)-Y成立时，起动与目标齿轮比(GRT)有关的正向牙嵌式离合器部件对的啮合，其中：
OS=输出轴速度(以RPM计)，
GRT=目标齿轮比的数字比数，
ISE=在起动与所述目标齿轮比有关的正向牙嵌式离合器部件对的正向啮合时间的预期输入轴速度(以RPM计)，
X＞0，
Y＞0，和
X+Y=fGRT或(X+Y)MIN中的较大者，其中fGRT是GRT的函数，该函数随GRT数值的增加和减小在数值上分别增加和减小，而(X+Y)MIN是一恒定的最小值。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中（X+Y）MIN约等于45RPM。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中（X+Y）MIN约等于30RPM。
4、根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述传动变速器是一种梯级型组合传动变速器，仅用于组合梯级加速，且当表达式为（OS＊GRT）＞ISE≥（OS＊GRT）-K时，起动与目标齿轮比有关的正向牙嵌式离合器部件对的啮合，其中K＝一个正的RPM。
5、一种用以控制包括多速机械传动变速器的车辆的自动机械传动系统（10）的换档的控制系统，所述传动变速器具有多个可选择的齿轮比（GR），各具有与其有关的可啮合和可脱开的正向牙嵌式离合器部件对（112/114，116/118）;所述传动变速器具有通过非正向联接器（c）以驱动方式连接至原动机（E）的输入轴（16），和用于驱动连接于车辆驱动轮的输出轴（90）;控制单元（CPU），用于接收表示输入轴旋转速度（IS）和输出轴旋转速度（OS）的输入信号，且用以根据预定的逻辑规则处理该输入信号以发出指令输出信号至各系统致动器（23、27、29），所述系统致动器包括一个传动致动器（27），以有效地选择已选择的正向牙嵌式离合器部件对的啮合和脱开，所述传动变速器的操纵器具有一个响应时间，包括所述致动器响应指令输出信号且将选择的正向牙嵌式离合器部件对从通常的脱开位置变为初始正向啮合位置所需的时间，所述系统的特征在于，它包括：
信号发出装置，用以有效地发出指令输出信号至所述各致动器，当表达式（OS＊GRT）+X≥ISE＞（OS＊GRT）-Y成立时，起动与目标齿轮比（GRT）有关的正向牙嵌式离合器部件对的啮合，其中：
OS＝输出轴速度（以RPM计），
GRT＝目标齿轮比的数字比数，
ISE＝在起动与所述目标齿轮比有关的正向牙嵌式离合器部件对的正向啮合时间的预期输入轴速度（以RPM计），
X＞0，
Y＞0，和
X+Y＝fGRT或（X+Y）MIN中的较大者，其中fGRT是GRT的函数，该函数随GRT数值的增加和减小在数值上分别增加和减小，而（X+Y）MIN是一恒定的最小值。
6、根据权利要求5所述的系统，其特征在于，其中（X+Y）MIN约等于45RPM。
7、根据权利要求5所述的系统，其特征在于，其中（X+Y）MIN约等于30RPM。
8、根据权利要求5、6或7所述的系统，其特征在于，所述传动变速器是一种梯级型组合传动变速器，仅用于组合梯级加速，且当表达式为（OS＊GRT）＞ISE≥（OS＊GRT）-K时，起动与目标齿轮比有关的正向牙嵌式离合器部件对的啮合，其中K＝一个正的RPM。
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