DE69404470T2

DE69404470T2 - Verfahren zur steuerung einer antriebsanordnung für kraftfahrzeuge mit einem stufenlos regelbaren getriebe

Info

Publication number: DE69404470T2
Application number: DE69404470T
Authority: DE
Inventors: Christopher John Greenwood
Original assignee: Torotrak Development Ltd
Current assignee: Torotrak Development Ltd
Priority date: 1993-10-01
Filing date: 1994-09-22
Publication date: 1997-12-04
Anticipated expiration: 2014-09-23
Also published as: GB2282423A; KR100314295B1; CN1132542A; JP3577315B2; PL174880B1; GB9320241D0; ATE155863T1; KR960705160A; CN1057150C; DE69404470D1; EP0719394B1; US5820513A; PL313704A1; GB2282423B; JPH09503280A; GB9419138D0; WO1995009996A1; BR9408146A; EP0719394A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Antriebsstränge für Fahrzeuge, die ein stufenlos regelbares Getriebe oder CVT enthalten, dessen Eingang mit einem Motor oder einer anderen Antriebsmaschine verbunden ist, und dessen drehender Ausgang als Abtrieb bezeichnet wird. obgleich die Erfindung allgemein auf Schiffe, Flugzeuge, Schienen- und andere Fahrzeuge anwendbar ist, ist sie insbesondere anwendbar auf Antriebsstränge für Kraftfahrzeuge, in denen der Abtrieb mit einem oder mehreren angetriebenen Rädern verbunden ist. Obgleich die Erfindung auch für Antriebsstränge in Fahrzeugen verwendbar ist, die andere Arten eines CVT enthalten, beispielsweise diejenigen der Riementrieb-, Kopp- oder Beier-Bauart, und in denen das Übersetzungsändernde Element direkt und mechanisch gesteuert werden kann, um die momentane Übersetzung zu bestimmen, findet die Erfindung insbesondere Anwendung auf Reibrollengetriebe mit Toroidlaufbahnen, bei denen es keine derartige direkte mechanische Steuerung der Rollen gibt. Statt dessen ist die Winkeleinstellung, auf die sie sich einstellen, und somit die Übersetzung, die sie übertragen, durch ein Gleichgewicht zwischen dem resultierenden Drehmoment, dem sie ausgesetzt sind, und der Antriebskraft bestimmt, die auf die Laufwerke einwirkt, in denen sie gelagert sind. Solche Toroid-Reibrollengetriebe sind gegenwärtig im Stand der Technik als "drehmomentgesteuerte" Bauart bekannt, und jüngste Beispiele sind z.B. in den Patenten GB-B- 2227287 und GB-B-0356102 beschrieben.
In der Technik versteht man sich nun auch darauf, solche Antriebsstränge so zu steuern, daß der Motor zu allen Zeiten gemäß einer elektronischen "Karte" arbeitet, die so aufgebaut ist, daß sie den Wirkungsgrad in gewisser Form optimiert. Figur 1 der beiliegenden Zeichnungen ist eine typische graphische Darstellung, in der die y-Achse das Motordrehmoment T und die x-Achse die Motordrehzahl N darstellt, wobei die Hyperbeln 1 Kurven konstanter Leistung angeben. Ordinaten 2 und 3 geben Leerlauf- bzw. Maximaldrehzahlen des Motors an. Funktion 4 repräsentiert das maximale Drehmoment, zu dem der Motor über seinen vollen Bereich von Arbeitsdrehzahlen imstande ist. Funktion repräsentiert die bevorzugte und vorbestimmte "Steuerkurve", auf der der Motor zu arbeiten programmiert ist, wenn ihm Leistung abgefordert wird, um die optimale Arbeitsleistung gemäß einem gewählten Kriterium zu erreichen. Dieses Kriterium können z.B. optimale Emissionscharakteristiken oder minimales Klopfen sein. Mit ausgeklügelten Steuersystemen kann ein Motor so programmiert werden, daß er auf alternativen Steuerkurven arbeitet, aus denen der Fahrer auswählen kann. Typischerweise, und wie in Figur 1 gezeigt, ist Funktion 5 gewählt, um maximale Leistung pro verbrauchter Kraftstoffeinheit zu erzielen. Funktion 8 gibt die typische Korrelation von T und N an, wenn eine Anforderung zurückgenommen wird und der Motor freiläuft.
Die graphische Darstellung von Figur 2 veranschaulicht die typische Korrelation einer Motordrehzahl N (y-Achse) und Fahrzeuggeschwindigkeit V (x-Achse) in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, wo der Motor wie in Figur 1 angegeben gesteuert wird und wo die angetriebenen Räder des Fahrzeugs Endabnehmer des Antriebs sind. Den Ordinaten 2 und 3 von Figur 1 entsprechen Linien 9 und 10, und die schräge lineare Funktion 11 (die durch den Ursprung 0 geht) entspricht dem ersten Übersetzungsverhältnis in einem typischen Getriebe mit fester Übersetzung und definiert somit die effektiven minimalen Werte von N und V, bei denen der Antriebsstrang in der Praxis wünschenswerterweise arbeiten sollte. Den maximalen sicheren Wert von V markiert die Ordinate 12. Der effektive "Bereich", innerhalb dessen der Antriebsstrang zu arbeiten imstande ist, ist daher durch die Linien 9, 11, 10 und 12 begrenzt.
Angenommen, das Fahrzeug sei bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit V&sub1; und einer Motordrehzahl N&sub1; im stationären Zustand gefahren worden, der durch den Schnittpunkt der beiden Linien am Punkt 13 angegeben ist. Man nehme nun an, daß der Fahrer eine größere Fahrtgeschwindigkeit verlangen möchte, während andere Variablen ungeändert bleiben. Er tut dies, indem er das Beschleunigerpedal niederdrückt und so eine größere Motordrehzahl, z.B. N&sub2;, anfordert. Die typische Antwort eines bekannten Antriebsstrangs, der so programmiert ist, daß er den Motor auf einer Steuerkurve 5 betreibt, wie in Figur 1 gezeigt ist, bestand darin, den endgültigen stabilen Zustand der Motordrehzahl N&sub2; und Fahrzeuggeschwindigkeit V&sub2; (Punkt 14) in zwei Stufen zu erreichen. Zuerst durch einen "Kickdown", d.h. indem man die Motordrehzahl sehr schnell auf N&sub2; bei Punkt 15 ansteigen läßt; dann zweitens durch "Hochschalten" - d.h. eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses bei konstanter Motordrehzahl, um sich von Punkt 15 nach 14 zu bewegen. Obgleich wirkungsvoll, kann eine solche Änderung für Fahrer beunruhigend sein, insbesondere für diejenigen, die das Ansprechen typischer Hand- und Automatikgetriebe gewohnt sind, die eine Anzahl fester Übersetzungen beinhalten. Bei solchen bekannten Getrieben weiß der Fahrer, daß bei jeder einzelnen Übersetzung Zunahmen der Motordrehzahl und Fahrtgeschwindigkeit gemeinsam erfolgen. Das Geräusch des Motors ist eine beruhigende Richtschnur für die Fahrzeuggeschwindigkeit und für die Änderungsrate dieser Geschwindigkeit. Wenn sich jedoch die Arbeitsleistung des Fahrzeugs von Figur 2 zwischen den Punkten 13 und 14 bewegt, ist die Nachricht an den Fahrer weniger klar. Zwischen den Punkten 13 und 15 wird das Motorgeräusch viel lauter, aber die Fahrzeuggeschwindigkeit V ändert sich nicht. Zwischen den Punkten 15 und 14 ändert sich die Fahrzeuggeschwindigkeit, das konstante Motorgeräusch legt jedoch etwas anderes nahe. Zu keiner Zeit während des Übergangs von 13 nach 14 korrelieren die Beschleunigung und das Motorgeräusch in einer einem konventionellen Fahrer gewohnten Weise.
Die vorliegende Erfindung, wie sie durch das Verfahren nach Anspruch 1 definiert ist, wodurch die in dessen Oberbegriff angegebenen Maßnahmen aus US-A-4764155 bekannt sind, zielt darauf, die wechselseitige Steuerung des Motors und CVT so abzuwandeln, daß, obwohl während zumindest eines Teils der Beschleunigung nach einem Niederdrücken des Pedals (und im umgekehrten Fall der einer Freigabe folgenden Verzögerung) der Motor noch auf einer Steuerkurve für optimalen Wirkungsgrad arbeiten kann, wie der Kurve 5 in Figur 1, das Motorgeräusch und die Beschleunigung in einer Weise korreliert sind, die einem herkömmliche Handschalt- und Automatikgetriebe gewohnten Fahrer vertrauter ist. Die Erfindung ist durch die Ansprüche definiert, deren Inhalte als in die Offenbarung dieser Beschreibung eingeschlossen zu lesen sind. Insbesondere umfaßt die Erfindung Verfahren und eine Vorrichtung, die beispielhaft unter Bezugnahme auf die folgenden weiteren Figuren der beiliegenden Zeichnungen beschrieben sind, in denen:
Figur 3 Figur 2 im allgemeinen ähnlich ist, aber zwei Betriebsmodi gemäß der Erfindung veranschaulicht, und
Figur 4 eine weitere graphische Darstellung ist, die die Motordrehzahl N mit der Beschleunigerpedalstellung P korreliert.
Figur 2 enthielt eine Linie 11, die das Verhältnis (z.B. eine Fahrzeuggeschwindigkeit von 8 km/h (5 Meilen pro Stunde) pro 1000 Motorumdrehungen pro Minute (UpM)) eines typischen ersten Vorwärtsgangs in einem herkömmlichen Fahrzeuggetriebe mit fester Übersetzung angibt. Weil eine Fahrzeuggeschwindigkeit Null mit einer Motor-UpM Null in jeder solchen festen Übersetzung korreliert, geht die Linie 11 durch den Ursprung 0. In Figur 3 ist die Linie 11 wiederholt, wie auch die Linie 16 dargestellt, die die Übersetzung (z.B. 16 km/h bei 1000 UpM = 10 mph bei 1000 rpm) sowohl eines typischen zweiten Gangs mit fester Übersetzung als auch einer typischen synchronen Übersetzung angibt, d.h. der Übersetzung, bei der in einem 2-Regime-CVT des Toroidbahn-Typs oder eines anderen Typs eine Änderung zwischen ersten und zweiten Regimes stattfindet. Figur 3 enthält auch weitere Linien 17-19, die typische feste Übersetzungen angeben - z.B. 32, 48 bzw. 64 km/h bei 1000 UpM (20, 30 bzw. 40 mph bei 1000 rmp) - des dritten, vierten und fünften Vorwärtsgangs in Getrieben mit fester Übersetzung.
Man nehme an, daß ein mit einem Antriebsstrang gemäß der Erfindung ausgestattetes Fahrzeug im stationären Zustand wie durch Punkt 20 angegeben fährt. Das heißt, die Fahrzeuggeschwindigkeit ist V&sub1; (wie bei 13 und 15 in Figur 2), und der Motor läuft bei seiner minimalen zulässigen Drehzahl (wie z.B. 1.500 UpM), wie durch Linie 9 angegeben ist. Der Fahrer drückt nun das Beschleunigerpedal in einem Maße nieder, das der Antriebsstrang gemäß einer Programmierung als eine N&sub2; entsprechende Motordrehzahl anfordernd interpretiert (wie bei den Punkten 15 und 14 in Figur 2). Gemäß einem Betriebsmodus der vorliegenden Erfindung spricht der Antriebsstrang auf die Anforderung des Fahrers in drei Stufen wie folgt an. Zuerst ein schneller Anstieg ("Kickdown") der Motordrehzahl auf einen Wert (der in den Ansprüchen als "Einrückdrehzahl" bezeichnet wird), der vorbestimmt und in das Steuerungssystem als die niedrigste Drehzahl eingegeben ist, bei der der Motor am Beginn einer Periode einer wesentlichen Beschleunigung laufen sollte. Wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, könnte in einem typischen Motor, der in der Lage ist, zwischen einer Leerlaufdrehzahl von 1.500 UpM und einer Höchstdrehzahl von z.B. 5.000 UpM zu laufen, diese Drehzahl beispielsweise 2.500 UpM betragen. In Figur 3 ist die "Einrückdrehzahl" die gleiche Drehzahl N&sub1; wie in Figur 2 und durch eine Linie 6 dargestellt, und am Ende der ersten der drei Stufen ist daher der Antwortpunkt 13 erreicht worden.
Nun wird durch das Steuerungssystem eine durch den Punkt 13 und den Ursprung 0 gezeichnete Funktion 22 als eine ideale, äquivalente feste Übersetzung für das CVT und den Motor des Antriebsstrangs vorgewählt, um ihm in der zweiten Stufe des Ansprechens zu folgen, während der sich der Antriebsstrang vom Punkt 13 auf der Linie 6 zu Punkt 23 bewegt, woraufhin die Motordrehzahl N&sub2; erreicht wird. Während dieser zweiten Stufe der Beschleunigungsantwort ist daher der Antriebsstrang so programmiert, daß er wie bei einer festen Übersetzung anspricht, so daß der Fahrer die Beschleunigung des Fahrzeugs "fühlt", gerade wie er es täte, wenn der Antriebsstrang die durch die Funktion 22 repräsentierte feste Übersetzung hätte. Ist die angeforderte Motordrehzahl N&sub2; am Punkt 23 einmal erreicht, beginnt die dritte Stufe des Ansprechens. Während dieser bleibt die Motordrehzahl bei N&sub2;, so daß sich das Motorgeräusch nicht ändert. Jeder weitere Anstieg der Fahrzeuggeschwindigkeit auf einen Endwert (z.B. zum Punkt 24, Wert V&sub2; wie in Figur 2), bei dem die durch den Motor auf das Fahrzeug ausgeübte Kraft durch die der Fahrzeugbewegung entgegenwirkenden Kräfte ausgeglichen wird, wird durch eine Übersetzungsänderung innerhalb des CVT bewerkstelligt.
Ein möglicher Nachteil der in Figur 3 gezeigten und soweit beschriebenen Ausführungsform der Erfindung ist, daß für die komplette Beschleunigung (zwischen den Punkten 20 und 24), die in dieser Figur dargestellt ist, die zweite Stufe mit "fester Übersetzung" zwischen den Punkten 13 und 23 wegen der relativ sanften Steigung der Funktion 22 übermäßig verlängert werden kann. Falls eine Beschleunigung der Fahrzeuggeschwindigkeit von einer Geschwindigkeit V&sub3; (Punkt 26) auf V&sub4; (Punkt 29) an der linken Seite der graphischen Darstellung mittels einer zweiten Stufe mit "fester Übersetzung" 27, 28 angefordert worden ist, die mit der Linie 11 der "ersten Übersetzung" zusammenfällt, wäre umgekehrt diese Stufe wegen der Steilheit der Übersetzungslinie relativ kurz. In der alternativen Ausführungsform der Erfindung, die auch in Figur 3 dargestellt ist, werden solche Extreme vermieden, indem der Antriebsstrang so programmiert ist, daß während der zweiten Stufe mit "fester Übersetzung" des Ansprechens auf eine Anforderung des Fahrers nach einer Beschleunigung die Fahrzeuggeschwindigkeit und Motordrehzahl gemeinsam mit einer Rate parallel zu einer gewählten Linie für eine feste Übersetzung ansteigen - in diesem Fall der Linie 16, die die typische synchrone Übersetzung eines Toroid-Reibroll- CVT mit zwei Regimes oder den zweiten Vorwärtsgang eines typischen Getriebes mit fester Übersetzung repräsentiert. Wie in gestrichelten Linien dargestellt ist, erfolgt nun die Beschleunigung des Fahrzeugs von der Geschwindigkeit V&sub1; am Punkt 20 auf die Geschwindigkeit V&sub2; am Punkt 24 über den Weg der Punkte 13 und 31 anstelle von 13 und 23, so daß die zweite Stufe des Ansprechens kürzer als vorher, die dritte Stufe aber länger ist. Für die Beschleunigung von V&sub3; auf V&sub4; sind nun umgekehrt die zweite und dritte Stufe 27-32 und 32-29 anstelle von 27-28 und 28-29, so daß die zweite Stufe länger als zuvor und die dritte Stufe kürzer ist.
In der Praxis ist das dreistufige Ansprechen auf eine Beschleunigungsanforderung eines Antriebsstrangs gemäß der Erfindung vermutlich minimal langsamer als das bekannte zweistufige Ansprechen, das mit Bezugnahme auf Figur 2 beschrieben wurde. Diese mögliche geringe Zunahme der Gesamtzeit wird jedoch dadurch ausgeglichen, daß der Fahrer imstande ist, das Ansprechen auf seine Anforderung in einer Weise zu erfassen, die in CVT- Antriebsstränge bislang nicht üblich gewesen ist. Mit Bezug auf Figur 3 sollte betont werden, daß es innerhalb des Umfangs der Erfindung und offensichtlich innerhalb der Möglichkeiten einer programmierten Steuerung des Antriebsstrangs liegt, daß nicht geradlinige Funktionen substituiert werden könnten, obgleich solche Parameter wie "Einrückdrehzahl", "Grenzdrehzahl" und die verschiedenen fiktiven Übersetzungen alle bequemlichkeitshalber als geradlinige Funktionen dargestellt worden sind. Insbesondere könnte sich der Wert der "Einrückdrehzahl" leicht über den gesamten Bereich der Fahrzeuggeschwindigkeit ändern.
Figur 4 interpretiert die Wirkungsweise der Erfindung, wie schon mit Verweis auf Figur 3 beschrieben, in bezug auf ein Niederdrücken des Beschleunigerpedals P (x-Achse). Wie zuvor stellt die y-Achse eine angeforderte Motordrehzahl N dar. Wie der linke Teil von Figur 4 angibt, kann ein typischer Antriebsstrang gemäß der Erfindung so programmiert sein, daß die dreistufige Reaktion auf eine Anforderung des Fahrers nach einer Beschleunigung erst beginnt, wenn das Pedal zumindest 30% niedergedrückt ist. Danach kann eine "Grenzdrehzahl" 35 eines beliebigen Werts zwischen der Leerlaufdrehzahl 9 und der maximalen Motordrehzahl 10 angefordert werden. In den Figuren 2 und 3 war N&sub2; das einzige dargestellte Beispiel einer solchen "Grenzdrehzahl". Wie Figur 4 zeigt, kann der Wert der "Einrückdrehzahl" beispielsweise stetig (Steigung 36) auf einen Bereich oder Wert ansteigen, den sie über den Hauptteil des Arbeitsbereichs des Antriebsstrangs hält - z.B. den Wert von 2.500 UpM, Linie 6 in Figur 3. Wie an der rechten Seite von Figur 4 dargestellt ist, kann jedoch der Antriebsstrang zweckmäßigerweise so gesteuert werden, daß die Einrückdrehzahl auf einen viel höheren Wert 37 ansteigt, so daß die zweite Stufe mit "fester Übersetzung" des Ansprechens bei einer viel höheren Motordrehzahl beginnt, falls das Beschleunigerpedal beinahe ganz niedergedrückt ist, z.B. als Antwort auf einen Notfall. In Figur 4 gibt der schraffierte Teil 38 der graphischen Darstellung den "Bereich" an, über den die zweite Stufe des Ansprechens stattfinden kann, und der schraffierte Teil 39 den Bereich, über den die erste "Kickdown"-Stufe stattfindet, während der die Motordrehzahl schnell ansteigt, jedoch keine wesentliche Änderung der Fahrzeuggeschwindigkeit stattfindet. Wie schon beschrieben, beginnt für jede Beschleunigungsanforderung die dritte Stufe des Ansprechens, wenn der Motor die "Grenzdrehzahl" erreicht.

Claims

1. Verfahren zum Steuern eines Antriebsstrangs für Fahrzeuge, die einen Motor oder eine andere Antriebsmaschine, ein stufenlos regelbares Getriebe (CVT) und einen Abtrieb einschließt, in dem der Motor über einen Arbeitsbereich der Motordrehzahl gezwungen wird, nach einer Leistungs-"Karte" zu arbeiten, die jeden Wert dieser Drehzahl mit einem speziellen Wert des Motordrehmoments korreliert, worin eine Anforderung des Fahrers nach einer Erhöhung der Motordrehzahl so programmiert ist, daß eine Antwort in drei aufeinanderfolgenden Stufen wie folgt eingeleitet wird:

Stufe 1: die anfängliche Motordrehzahl nimmt ohne einen wesentlichen Anstieg der Abtriebsdrehzahl schnell auf einen vorbestimmten Wert ("Einrückdrehzahl") zu;

Stufe 2: beide Drehzahlen nehmen dann weiter zu und sind weiterhin durch eine vorbestimmte Funktion in Zusammenhang gebracht, bis die Motordrehzahl einen Wert ("Grenzdrehzahl") entsprechend der Anforderung des Fahrers erreicht, und

Stufe 3: die Grenzdrehzahl wird dann während jeder weiteren Änderung der Abtriebsdrehzahl beibehalten, dadurch gekennzeichnet, daß der Übersetzungsbereich des CVT erweitert wird, indem zwei Regimes des Betriebs mit einem synchronen Wechsel zwischen diesen Regimes vorgesehen sind, und dadurch, daß die vorbestimmte Funktion der Stufe 2 der Antwort als eine gerade oder nicht gerade Linie graphisch dargestellt werden kann, deren Steigung einen Wert einschließt, der dem der Übersetzung entspricht, die vorliegt, wenn ein synchroner Wechsel stattfindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, in dem die vorbestimmte Funktion in einer graphischen Darstellung der Motordrehzahl gegen die Fahrzeuggeschwindigkeit als eine Linie mit im wesentlichen konstanter Steigung ungeachtet der Werte der Anfangs- und Grenzdrehzahlen dargestellt werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1, in dem eine Einrückdrehzahl auf die Antriebsanforderung bezogen ist, wobei eine höhere Anforderung einen höheren Wert der Einrückdrehzahl auslöst.

4. Antriebsstrang für ein Fahrzeug, der durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche gesteuert wird.