CN1606670A - 用于模仿无级变速器的换档策略 - Google Patents

Abstract

模拟或“模仿”无级变速器的换档策略用在高档位内具有较小传动比间隔的机电式自动致动变速器中。在一个所述实施例中，一用以提供12个传动比的12档重载车辆变速器包括一五速档主变速器部分和一包括副变速器及高低档档位段的副变速器部分。单个换档策略涉及燃料经济模式和功率优化模式；驾驶员的节气门需求决定模式。两个策略都以高传动比为目标，高传动比代表车辆工作的大约百分之九十(90％)时使用的比率。在所述实施例中，可对传动比产生影响的是档位7－12。在所述实施例中，利用受到一电子传动系控制模块的指令控制的嵌入式软件执行换档策略。两个策略都作为发动机转矩、变速器输入轴速度以及道路车速的直接函数来操作。

Description

用于模仿无级变速器的换档策略

技术领域

本发明一般涉及对车辆变速器的可操作性的改进。更具体地说，本发明涉及对变速器换档策略的改进，并适当地增强在较宽的道路车速及坡度范围内的变速器性能参数。

背景技术

自动致动的机电式变速器包括通常包括连接发动机控制模块的数据连接的嵌入式致动软件模块。它们的自动换档策略倾向于以局限于驾驶员节气门需求、发动机速度以及转矩的函数的规程为基础。当这样限制时，几个问题妨碍了变速器的理想性能及操作。例如，变速器的操作实质上是燃料的经济使用与最佳性能需求之间的一种平衡或调和。一显而易见的限制因素是通常的控制模块在有选择地相对于优化功率使用优化燃料经济性上没有作为单独选择模式的选项。

另外，基于平衡燃料经济性和功率优化目标的方法实际上不能满足绝大多数车队经营者要求的目标。由于高速公路长途运输车辆要花费它们大约百分之九十(90％)的操作在高传动比中，现在能获得的变速器在最高档位之间提供较小的平均传动比间隔(step)。在2000年7月11日公布的Stine等人的美国专利No.6,085,606中对这种变速器进行了全面的描述，在此引入该专利并作为参考。使最高档位之间的传动比间隔变得较小的方法考虑到车辆在平坦路面或较小坡度上工作时，较小的传动比变化能改进该车辆的总体效率和工作特性。另一方面，在遇到较陡坡度的情况下，通常希望一较优化的功率模式。一提供对燃料经济模式或性能优化模式的选择的改进被认为是有利的，且完全在现代车辆系统特别是在高速公路用的重载车辆的车辆系统的实际限制和/或可行性内。

发明内容

本发明通过向驾驶员提供一种换档策略的选择提供了一改进的车辆变速器控制模块操作，该选择特别是作为所遇到行驶条件的函数。在所述实施例中，提出了两个单独的换档策略；一个涉及燃料经济性，另一个涉及功率优化。控制模块被设计成在变速器的高传动比下模拟或“模仿”无级变速器的性能。因此，所述两个换档策略特别适于用在其高传动比范围内具有较小传动比间隔的机电致动式自动变速器中。

在一个所述实施例中，一适于提供12个传动比的12档重载车辆的变速器包括一五档位主变速器部分和一包括副变速器(splitter)及高低档档位段(range sub-sections)的副变速器部分。两策略都仅以高传动比为目标，高传动比代表在高速公路上行驶的重载车辆大约百分之九十(90％)的工作周期中所使用的比率。在所述实施例中，可采用的传动比是档位7-12，它们之间具有较小的传动比间隔变化，以及利用受一相关车辆发动机的电子控制模块的指令控制的嵌入式软件执行换档策略。两个策略都作为发出的发动机功率、发动机转矩、变速器的输入轴速度以及道路车速的直接函数来操作及度量。

附图说明

图1是采用本发明的一改进变速器操作系统的一车辆传动系的示意图；

图2是图1所示车辆传动系中采用的一电子控制模块的一种实施例的示意图；

图3是一示出用于在图1所示动力系的工作中的变速器传动比选择的驾驶员控制台的俯视图；

图4是用于图1所示动力系的工作中的一节气门位置传感器及一相关节气门踏板的示意图；

图5是与一个本发明的传动系工作例子相关的三条曲线的图表，该三条曲线分别描绘了发动机功率、发动机转矩以及燃料消耗；每条曲线分别表示为发动机rpm的函数；

图6是描绘作为发动机转矩-发动机速度的函数的燃料消耗的图表，并描绘了两个取决于所选定策略是燃料优化还是最大功率的不同的工作“高效/最佳区(sweet spots)”；

图7是一换档策略图，具体示出了在本发明的改进变速器操作系统的最佳功率/性能模式中的降档操作；

图8是一与图7所示换档策略图相关的换档策略决策图，具体示出了在本发明的改进变速器操作系统的最佳功率/性能模式中与执行策略降档相关的事件/决策顺序；

图9是一换档策略图，描绘了在本发明的改进的变速器操作系统的最佳功率/性能模式中的升档操作；

图10是一与图9所示换档策略图相关的换档策略决策图，特别说明了在本发明的改进变速器操作系统的最佳功率/性能模式中与执行策略升档相关的事件/决策顺序；

图11是一换档策略图，描绘了在本发明的改进变速器操作系统的最佳燃料经济性模式中的升档操作；

图12是一与图11所示换档策略图相关的换档策略决策图，具体示出了在本发明的改进的变速器操作系统的最佳燃料经济模式中与执行策略升档相关的事件/决策顺序。

具体实施方式

首先参照图1，一设计成用于一汽车(未表示)中的车辆传动系10包括一发动机12和一电子致动的机械变速器14。该发动机12和变速器14经由一自动启动的离心式离合器16接合到一起。该传动系10的这种具体构造特别适于在高速公路用的重载汽车，但本发明的范围足够宽到也适于其它机动车辆。

如本领域技术人员能够理解的，该发动机12包括一与该离合器16的前端16A可操作地连接的发动机输出轴18。一变速器输入轴20与该离合器16的后端16B相连接；以及一变速器输出轴22又从该变速器14的另一端起延伸。该轴22按照传统方式与一分动器24的差速器连接。

现在还参照图2-4，一发动机控制器26具有一适于接收来自于一传动系控制模块36的指令并因而与该传动系控制模块36通信的发动机信号收发器27。类似的，一离合器致动器28包括一信号接收器29，以及一变速器驱动器30包括一信号接收器31，两个接收器都适于与该传动系控制模块36通信。该模块36还向发动机信号收发器27提供指令输出信号32以实现所希望的输出。特定的指令输入经由一车辆驾驶员提供给该传动系模块36，且利用一适当的微处理器(未表示)将其转换为电信号。最后，各个所述轴18，20和22的速度传感器38，40和42还向该模块36提供适当的数据，以优化实时数据/响应的生成及传动系性能。

依照本发明，现在特别参照图3和4，该车辆传动系10主要受其机电式变速器14的工作的影响。该变速器14主要受传动系控制模块36的控制。但是，车辆驾驶员能经由在该车辆的驾驶室中手动操作一变速器控制台44来影响性能和工作。由于设想该变速器利用自动装置来实际变换传动比，驾驶员仅能通过一般地选择所显示的前进、后退以及空档档位选择位置来进行有限的控制。但是，驾驶员可具有额外的能力，如所示，能够向左或向右“撞击”变速杆以分别与下一较高档位或下一较低档位接合。最后，一节气门位置传感器46包括一以本领域技术人员能够理解的方式向该传动系控制模块36提供一节气门位置信号45的可枢转节气门踏板43。

在这个背景下，现在特别参照图5，一功率曲线、一转矩曲线以及一燃料消耗曲线按照所述顺序示出，且每条曲线都相对于发动机的rpm(每分钟转数)绘制。应认识的是，每个发动机都具有其本身的一般的性能特性集，这里所描绘的数据在发动机之间可能具有显著差异。

首先参照功率曲线P，沿纵轴描绘的功率量用千瓦(kw)表示，如所示该功率量在示例性的195至大约350kw范围内。如所述，横轴表示发动机的rpm，并处于1000至大约1900rpm的范围内。特别地，可以观察到转矩值T(用牛顿米来度量)趋向于在功率范围的较高端处下降，如所示在该功率范围的较高端处发动机的rpm也相应增大。底部曲线F表示以克每千瓦时度量的燃料消耗。如前所述，该燃料曲线也是相对于发动机的rpm而测量的。对于特定发动机，至大约1600rpm之前燃料消耗范围都落在一较窄范围以内，接着当在1600至1800rpm范围内时，燃料消耗才发生可测量到的增大。

图6提供了一结合几个前述关系的图表。特别的，图6提供了多个添加到发动机转矩-发动机速度的主坐标系上的梨形“燃料消耗岛”例如50曲线图。实等值线F表示等燃料消耗线，而虚等值线P表示等功率线。该曲线图特别表示了一经济“高效区”52，该区52代表对于一组给定的发动机速度和发动机转矩值最佳的燃料消耗和功率需求值。相应的，该曲线图还表明了一最佳的功率“高效区”54，该区54代表在略有变快的发动机速度和较大的发动机转矩值时相应较高的燃料消耗和功率需求值。

用一上升虚线表示的一路径56与所述两个高效区相互连接，该路径56代表如前所述试图“平衡”本发明的不同策略的一传统调合区或一正常发动机工作范围。因此，如将要描述的，这里出示的图表特别说明了维持最佳燃料经济性或维持最佳功率需求的不同单独变速器传动比变化策略。

首先，应注意到所要描述的换档图将随着传动系10中采用的特定发动机特性而改变。另外，应理解地是，对于最佳燃料经济性，所有换档都将按照保持(hover)在最佳燃料经济高效区52附近的方式做出。相反，所有性能升档和降档操作的执行都将按照使发动机保持在最大功率需求的方式顺序做出。显而易见，斜坡保持能力(hill-holding ability)是基于各自的转矩和功率能力，以及由此一给定发动机在一组任意给定的条件下满足需求的能力。最后，这里所述策略特别适于高档位中较小传动比间隔的机械传动。

现在参照图7，在一表示发动机rpm-道路车速的换档图表示出一所谓的“爬梯式”变速器换档方法。一旦车辆发动机的负载变高，例如当车辆遇到大的爬坡要求时，如果驾驶员维持相同的档位，该车辆的道路车速就趋向于减小。因此，本领域技术人员将认识到必须调低传动比，这又迫使发动机rpm随着每次逐步降档而变快(因此，称为“爬梯式”)。由于较小的传动比变化与高档位7-12相关联，本发明的换档策略当所述变速器在其高传动比下工作时提供了一无级变速器的模拟性能、。

在图7和8中示出了一最佳功率换档图表及相关的换档策略图，以反映如前面参照图6所述的寻求最优化功率需求高效区54的换档策略。功率需求曲线58、60、62被添加在该图表上。曲线58是一反映为在较平坦路面上维持速度所需的最小功率的功率曲线。曲线60反映为在平缓至中等的坡度上维持速度的代表性功率量。最后，曲线62反映为在大坡度上的维持速度的最小功率量。本领域技术人员将能理解出于在此提供示例的目的，所有这些代表值都是相对的。

功率需求曲线58、60、62均为略微向上弯曲的线；锯齿状曲线64反应一系列用菱形和三角形节点表示的档位位置。每个节点代表一变速器档位位置；菱形位置反映无论加速或减速时作为在平坦路面上遇到的实际经济换档点的档位1至12。各档位位置之间的垂直段代表由决策软件控制的传动比变化或者物理换档。利用包含在图表右上角中的虚线圆内的档位变化反映该图表的所谓“爬梯式”部分。显然，当进行降档时，例如当遇到大坡度时，发动机功率增大，而道路车速相应地减小。但是，此策略规定了该发动机将尽可能靠近先前所述功率高效区54工作。

当遇到陡坡度时，将顺序地自档位12′到档位11′、接着自档位11′到档位10′等进行一系列降档。对于较平缓的坡度，换档策略仅将传动比降低至档位7′，因此将在最高传动传动比的较小档间隔之间的传动内进行换档。显而易见，在很大的坡度上向上行驶时，为了能够通过该坡，变速器可能不得不换至更低的档位。但是，特定功率优化策略设计成用于在所遇到的至少百分之八十(80％)预期坡度所确定的工作参数内发挥作用。

特别参照图8的换档策略决策图，必要的软件输入包括最大发动机转矩-rpm、最大发动机功率-rpm、燃料消耗-rpm-功率的数据图，以及可获得变速器传动比。另外，该策略读取并响应包括当前节气门位置和发动机速度、当前发动机功率、当前车辆速度、当前的比油耗、以及当前传动比选择的输入。如所示，对决策计算的基础是在任一给定工作点处所需的发动机功率是当前车辆速度、当前坡度以及当前道路阻力的函数。最后，在给定的换档过程中车辆速度的变化是当前节气门位置、车辆速度、道路阻力、以及自动变速器进行换档所需要时间的函数。

根据前述参数，对所示出的实际策略以一示例方式说明如下。假定车辆以稳定状态在其最高档位(12^th)内以大约105千米/小时的速度行驶在一较平坦坡面上。瞬时内车辆遇到一较大的上坡，在该上坡上该车辆开始减速。由于持续减速是不允许的，驾驶员希望把车辆速度维持在可能范围内。这经由一系列变速器降档来实现。

由上面引用的图7所示虚线圆区域可以看出，假定车辆已经减速至大约102千米/小时的速度，则根据图7所示图表，即时换档策略将指令从档位12′至11′的降档，从而把速度从102千米/小时降低至大约98千米/小时。发动机rpm随即将从大约1150增大到1200rpm。连续地减小传动比即从11′到7′将使速度(转速)损失最小化直至车辆速度到达在示例中所示的大约92千米/小时，在这一点发动机rpm将处于其所示的工作极限1800rpm。因此如前所述，所谓“爬梯式”换档增大了发动机速度，同时最佳地将车辆速度的减损(erosion)减至最小，如由表示在换档图表右上角虚线圆部分中所示的换档序列所反映的。

总的来说，该变速器降档策略优化了机动车的发动机功率需求性能，在该机动车中，按照给定的实际发动机速度和转矩值为车辆的每个地面速度确立了一最佳功率变速器传动比。该换档策略包括以下步骤：

(a)当实际发动机速度靠近低于目标发动机速度的一值时，根据目标降档发动机速度，选择下一最低传动比；

(b)当实际发动机速度靠近一个低于下一相继的较低目标发动机速度的值时，就按照允许接合下一最低传动比的方式，根据一系列的较低目标降档发动机速度继续选择相继的下一最低传动比；以及

(c)在每次相继的降档之前，计算下一最佳功率变速器传动比。

现在参照图9和10，示出另一种功率变换图及相关的换档策略决策图，以反映在加速状态下模仿无级变速器升档的次序。所述特定操作模式是例如当车辆在较平坦路面上例如当车辆驾驶员希望能快速超越在高速公路上的另一车辆而陡然加速时可能遇到的。因此，参照由锯齿状换档曲线64′表示的换档序列，显然，其目标是在所有变速档位之间维持可获得的最高发动机功率。所示的特定换档序列显示：假定车辆在平面上行驶或者没有遇到陡坡时，驾驶员将能把功率性能维持在高效区54处或者不断地靠近该点。此换档策略将根据性能需求参数确定升档的时间选择。所有换档都是依据该策略自动进行的，当然不需要驾驶员干预或者甚至顾及。

特别参照图10所示升档策略图，采用以前的数据图且该数据图包含在先前策略示例中说明的软件内。但是，把上陡坡功率策略描述的内容修改为平坦路面功率策略，因为，变速器试图在维持最大功率的同时向上驱动换档。相反，依照先前所述的陡坡示例，进行向下驱动换档以使得在大功率需求下的速度损失减至最小。

现在参照图11和12，提供在驾驶员节气门需求较低情况下的一经济升档策略图表及相应的换档策略决策图。适用于此策略的条件也可以是较平坦路面或平缓坡面。首先参照换档图表，锯齿状换档曲线64″反映了一种与先前所述功率策略相比维持最佳发动机rpm范围较低的经济模式。在某种意义上，此策略有点复杂，因为不是一直力求最大发动机rpm，而是必须这样利用反映在该策略中的几个燃料经济变量以提供试图保持在如前所述燃料经济高效区52附近的经济的操作。实际上在所提供的示例中，在高传动比7-12处，迫使rpm停留在1000至1200rpm范围内。

特别参照图12所示经济升档策略决策图，注意到该策略的决策点和处理过程都反映了在维持车辆至少一可接受的最小向前加速动量同时努力将燃料消耗减至最小。本领域技术人员将理解所述各个策略的目标。

最后，可如所示单独地利用各种策略，或者能相互组合以大大改进车辆的总体性能。在一组合的模式中，所述策略将检测行驶条件以确定燃料经济模式是否合适或者是否应选择功率模式。例如，一组合策略使得可以在正常情况下作为默认模式执行燃料经济策略，当功率需求使得不能维持经济高效区52例如由于遇到陡坡时此默认模式将被忽略(overcome)。

比如，一可接受的策略规定在任何节气门位置很高的时候，例如至少百分之九十五(95％)的开度或更高时，将自动地重新设置一模式切换/触发开关以确保在性能模式策略下工作。只要节气门位置低于95％的开度，将重新设置该开关以确保经济模式。因此，模式开关严格地根据节气门位置在各模式之间进行选择。

应理解，以上说明书意在进行说明，而不是限制性的。多种实施例对于阅读以上说明书的本领域技术人员来说是显而易见的。但是，不应参照以上说明书而应参照所附权利要求及这些权利要求所给予的等效物的全部范围来确定本发明范围。

Claims (20)

1.一种用以优化机动车的发动机燃料经济性的机电式变速器升档策略，其中，对于给定的实际发动机速度和转矩值为所述车辆的每个地面速度确定一最佳燃料经济性变速器传动比，所述策略包括以下步骤：

a)当所述实际发动机速度靠近一高于所述目标发动机速度的值时，就根据一目标升档发动机速度，选择下一最高传动比；

b)当所述实际发动机速度靠近高于所述下一相继的较高目标发动机速度的所述较高值时，根据一系列较高目标升档发动机速度，继续选择下面相继的最高传动比以允许接合所述下一最高传动比；以及

c)在每次相继的升档之前，计算所述下一最佳燃料经济性传动比。

2.权利要求1所述的机电式变速器升档策略，其特征在于，所述策略应用在其最高档位之间具有比其最低档位之间的传动比间隔小的传动比间隔(ratio step)的一变速器中。

3.权利要求2所述的机电式变速器升档策略，其特征在于，所述策略基于一所遇到行驶条件的函数；所述条件包括发动机转矩、发动机功率、发动机rpm、燃料消耗、车辆速度以及当前选定的变速器传动比。

4.权利要求3所述的机电式变速器升档策略，其特征在于，当所述变速器在其高传动比下工作时，所述策略提供一无级变速器的模拟性能。

5.一种用以优化机动车的发动机功率需求性能的机电式变速器降档策略，其中，对于给定的实际发动机速度和转矩值为所述车辆的每个地面速度确定一最佳功率变速器传动比，所述策略包括以下步骤：

a)当所述实际发动机速度靠近一低于所述目标发动机速度的值时，根据一目标降档发动机速度，选择一个下面的最低传动比；

b)当所述实际发动机速度靠近低于所述下一相继目标发动机速度的所述较低值时，根据一系列目标降档发动机速度，继续选择下面相继的最低档传动比以允许接合所述下一最低传动比；以及

c)在每次相继的降档之前，计算所述下一最佳功率变速器传动比。

6.权利要求5所述的机电式变速器降档策略，其特征在于，所述策略应用在其最高档位之间具有比其最低档位之间的传动比间隔小的传动比间隔的一变速器中。

7.权利要求6所述的机电式变速器降档策略，其特征在于，所述策略基于一所遇到行驶条件的函数；所述条件包括发动机转矩、发动机功率、发动机rpm、燃料消耗、车辆速度以及当前选定的变速器传动比。

8.权利要求7所述的机电式变速器降档策略，其特征在于，当所述变速器在其高传动比下工作时，所述策略就提供一无级变速器的模拟性能。

9.一种用以优化机动车的发动机功率需求性能的机电式变速器升档策略，其中，对于给定的实际发动机速度和转矩值已为所述车辆的每个地面速度确定一最佳功率传动传动比，所述策略包括步骤：

a)当所述实际发动机速度靠近一高于所述目标发动机速度的值时，就根据一目标升档发动机速度，选择下一最高传动比；

b)当所述实际发动机速度靠近高于所述下一相继的较高目标发动机速度的所述较高值时，根据一系列较高目标升档发动机速度，继续选择下面相继的最高档传动比以允许接合所述下一最高传动比；以及

c)在每次相继的升档之前，计算所述下一功率变速器传动比。

10.权利要求9所述的机电式变速器升档策略，其特征在于，所述策略应用在其最高档位之间具有比其最低档位之间的传动比间隔小的传动比间隔的一变速器中。

11.权利要求10所述的机电式变速器升档策略，其特征在于，所述策略基于一所遇到行驶条件的函数；所述条件包括发动机转矩、发动机功率、发动机rpm、燃料消耗、车辆速度以及当前选定的变速器传动比。

12.权利要求11所述的机电式变速器升档策略，其特征在于，当所述变速器在其高传动比下工作时，所述策略就提供一无级变速器的模拟性能。

13.一种机电式变速器策略，用于为了a)优化机动车的发动机燃料经济性，或b)优化机动车的发动机功率需求性能而有选择地选取一换档策略；其中，a)对于给定的实际发动机速度和转矩值为所述车辆的每个地面速度确定一最佳燃料经济性传动传动比，或b)对于给定的实际发动机速度和转矩值为所述车辆的每个地面速度确定一最佳功率传动传动比；所述策略包括以下步骤：

a)当所述实际发动机速度一靠近所述目标发动机速度附近的值时，就根据一目标换档发动机速度，选择下一适当的传动比；

b)当所述实际发动机速度靠近所述下一相继目标发动机速度附近的所述下一值时，就根据一系列较高目标换档发动机速度，继续选择下面的相继的传动比以允许接合所述下一传动比；以及

c)其中，所述策略是：a)如果行驶条件未指示功率性能需求，就在每次下一相继换档之前，响应地选择所述最佳燃料经济性模式并计算最佳燃料经济性传动比；以及b)如果行驶条件未指示要保证经济性能，就在每次下一相继的换档之前，响应地选择所述功率模式并计算最佳功率传动比。

14.权利要求13所述的机电式变速器换档策略，其特征在于，所述策略应用在其最高档位之间具有比其最低档位之间的传动比间隔小的传动比间隔的一变速器中。

15.权利要求14所述的机电式变速器换档策略，其特征在于，所述策略基于一所遇到行驶条件的函数；所述条件包括发动机转矩、发动机功率、发动机rpm、燃料消耗、车辆速度以及当前选定的变速器传动比。

16.权利要求15所述的机电式变速器换档策略，其特征在于，当所述变速器在其高传动比下工作时，所述策略就提供一无级变速器的模拟性能。

17.一种具有多个变速档位且其高传动之间档位变化小于其低传动比之间档位变化的机电式变速器，所述变速器带有一用以优化机动车的发动机燃料经济性的升档策略，其中对于给定的实际发动机速度和转矩值为所述车辆的每个地面速度确定一最佳燃料经济性变速器传动比。

18.权利要求17所述的机电式变速器，其特征在于，所述策略包括步骤：

a)当所述实际发动机速度靠近一高于所述目标发动机速度的值时，就根据一目标升档发动机速度，选择下一最高传动比；

b)当所述实际发动机速度靠近高于所述下一相继的较高目标发动机速度的所述较高值时，就根据一系列较高目标升档发动机速度，继续选择相继的下面的最高传动比以允许接合所述下一最高传动比；以及

c)在每次相继的升档之前，计算所述下一最佳燃料经济性传动比。

19.一种具有多个变速档位且其高档位之间变速比小于其低档位之间变速比的机电式变速器，所述变速器中结合有一用以优化机动车的发动机功率需求性能的降档策略，对于给定的实际发动机速度和转矩值为所述车辆的每个地面速度确定一最佳功率变速器传动比。

20.权利要求19所述的机电式变速器，其特征在于，所述策略包括以下步骤：

a)当所述实际发动机速度靠近一低于所述目标发动机速度的值时，根据一目标降档发动机速度，选择一个下面的最低传动比；

b)当所述实际发动机速度靠近低于所述下一相继目标发动机速度的所述较低值时，根据一系列目标降档发动机速度，继续选择下面相继的最低档传动比以允许接合所述下一最低传动比；以及

c)在每次相继的降档之前，计算所述下一最佳功率变速器传动比。

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