JP2007024247A

JP2007024247A - 変速装置

Info

Publication number: JP2007024247A
Application number: JP2005209707A
Authority: JP
Inventors: Yosuke Tojima; 洋介東島
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2005-07-20
Filing date: 2005-07-20
Publication date: 2007-02-01

Abstract

【課題】電動のモータ、または電動の弁により制御される空気圧アシストにより変速切換制御を行う変速装置において、変速装置内部の機械要素（例、シンクロ・リング、ギヤ、シャフトなど）が適当な速度で変位するように制御する。
【解決手段】変速装置内部の機械要素の位置制御に伴い、機械要素が起動したら、その機械要素の移動速度を演算し、その移動速度が零または所定範囲になるように、電動のモータまたは電動の弁に供給する電流を制御することにより、機械要素の移動速度を適正に制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車その他車両の変速装置に利用する。本発明は、車両のエンジン出力軸に設けた機械式変速装置の切換動作を実行するために、電動のアクチュエータ、または電動のアクチュエータにその他アクチュエータを併用する装置の改良に関する。本発明は、本願出願人の先願（特願２００５−２０９７４（本願出願時において未公開、以下単に「先願」という））の改良を含む。

運転者が操作する変速レバーの位置情報、クラッチの位置情報、車速情報、その他の情報をリアルタイム入力情報として、変速装置の切換設定が車両の走行状態にたいして最適になるように、プログラム制御により変速動作を実行する変速装置が知られている。このためのハードウエア装置として、従来から知られている装置の一つは、本願出願人による先願として特許文献１に開示された装置である。この特許文献１に開示された従来例装置は、変速装置のセレクト動作およびシフト動作を駆動する動力源として電動モータを利用するものである。

さらに特許文献２または特許文献３に開示された装置には、変速装置のセレクト動作およびシフト動作に電動機の機械出力を直接に利用するのではなく、電動のバルブを介して供給される油圧を動力源として利用して、変速装置のセレクト動作およびシフト動作を実行するものである。すなわち電動の流体バルブを開閉制御し、このバルブを通過した流体圧を動力源として利用し、それぞれ変速装置のセレクト動作およびシフト動作を実行するものである。

この構造の変速装置について、下記特許文献２に流体圧を調節するための電動の制御弁を利用する構造の装置が開示されている。そしてこの変速装置がシフト動作を実行する際に、電動の制御弁に駆動電流を供給し電動機構を起動させた後に、その駆動電流をいったん遮断制御する技術が説明されている。この説明は特許文献２の請求項１後段および明細書００１０段その他にある。

また下記特許文献３には、同様に起動した弁運動の速度を小さく制御するために、上記制御弁に供給する電流を一時的に遮断する代わりに、電動機とレンジ切換シャフトとの機械的な連結を一時的に切り離すための構造が開示されている。
特開２００３−１３９２４２号公報（日野）特開２００３−１４８５９９号公報（日立ユニシア）特開２００３−１９４２１３号公報（日立ユニシア）

上記先願には、シンクロリング、シンクロコ−ン、ギヤなどの機械要素が、電動のアクチュエータにより回転軸上を軸方向に移動するとき、その移動速度を調節する技術が開示されている。その移動速度が必要以上に大きくなると、機械要素が相手側の機械要素に衝突する時に衝突音を発生する。これは条件によりかなり大きい衝突音となるとともに、繰り返しこのような現象が発生することは好ましいことではない。逆に移動速度を小さく設定すると変速に要する時間が長くなる。このため電動のアクチュエータに供給する電流を、機械要素の移動開始後に一時的に小さくする、あるいは遮断するなどの方策が考えられ、上記先願明細書にその具体的な構造などが開示された。

この先願に開示した技術を試験する過程で、上記先願に記載された手法では、機械要素の移動速度を変更制御するとき、その移動速度はかならずしも一様に制御することができないことに本願発明者は気付いた。この原因は、
（１）同一の種類の変速装置でも、装置（モータシフト）内部のガタやトランスミッション内部の隙間量が個々の装置によって異なること、
（２）変速装置の位置決め誤差の分だけニュートラル位置には範囲があること、即ち、ニュートラル位置からシンクロ位置までの距離は個々の装置によって異なり、たとえ一つのトランスミッションで最適でも別のトランスミッションで最適とはいえないこと、
（３）エアブースタを用いる場合に、位置決め精度が油圧等に比べて劣ること、
などが考えられる。さらに、かりに設計時に最適な条件を設定しても、変速装置の温度変動や機械的な磨耗にしたがって変動するものであり、機械要素の移動速度を適応的に制御することができないことがわかった。

本発明は、変速装置に含まれる機械要素の磨耗を小さくすることを目的とする。本発明は、変速装置の動作中に発生する異音を小さくすることを目的とする。

本発明は、電動のアクチュエータを利用して変速装置の制御を行う装置で、対象となる機械要素（シンクロコーン、シンクロリング、ギヤなど）の移動変位および（または）速度を監視しながらその移動を適応的に制御することを特徴とする。

すなわち本発明は、電動のアクチュエータにより機械要素を移動させる手段と、前記電動のアクチュエータの起動後にその駆動電流を制御する手段とを備えた変速装置において、前記機械要素の移動速度（ｄＳ／ｄｔ）を観測する手段を設け、この手段により観測された移動速度に応じて前記駆動電流を制御する手段とを備えたことを特徴とする。そして、本発明のさらに具体的な装置は、前記駆動電流を制御する手段として、その駆動電流を零または小さく制御することにより前記移動速度を小さく制御する手段を含み、前記観測する手段により観測される機械要素、例えばアクチュエータ出力軸の移動速度（ｄＳ／ｄｔ）があらかじめ設定された値を下回るときに前記駆動電流を再び大きく制御する手段を含む構成とすることができる。

なお上記特許文献２または３に記載された装置は、遊星歯車を用いる自動変速装置に実施する装置であり、さらに具体的にはマニュアルシャフトの角度変化幅をフィードバックする構成が説明されている。これに対して、本発明の装置は原則的にクラッチを機械的に接または断に制御する装置を併用し、クラッチが「断」の状態にあるときにギヤシフトが実行される装置である。したがって、アクチュエータの駆動電流が零になる場合があり、この構成が共通であっても、本発明は上記文献記載の発明とはその適用領域が異なる発明である。これは本願の他の請求項においても同様である。

機械要素の変位または速度を観測するには、光学的な手法または機械的な手法などを用いることができる。機械要素の変位に対して最適な速度範囲を設定しておき、その速度範囲になるように機械要素を適応的に駆動加速することがよい。移動変位を観測し、制御回路でその変位の時間微分を演算することにより速度を求め、これを利用して適応的な制御を実行することができる。

本発明の別の態様は、電動のアクチュエータにより機械要素を移動させる手段と、前記電動のアクチュエータの起動後にその駆動電流を制御する手段とを備えた変速装置において、前記機械要素の変位（Ｓ）を観測する手段と、この手段により観測された変位の時間微分値（ｄＳ／ｄｔ）を演算する手段と、この手段により演算された時間微分値に応じて前記駆動電流を制御する手段（駆動電流を零に制御する手段を含む）とを備えたことを特徴とする。

さらに本発明の別の態様は、電動のアクチュエータにより機械要素を移動させる手段と、前記電動のアクチュエータの起動後にその駆動電流を制御する手段とを備えた変速装置において、前記機械要素の変位および移動速度を観測する手段と、この手段により観測された変位（Ｓ）および移動速度（ｄＳ／ｄｔ）に応じて前記駆動電流を制御する手段（駆動電流を零に制御する手段を含む）とを備えたことを特徴とする。

本発明を実施することにより、簡素な制御で変速装置の内部での機械要素のシンクロの同期荷重を許容範囲内に制御することが可能になる。これにより異常な音響が発生する、あるいは磨耗が激しくなるなどの不都合を回避することができる。これにより部品の磨耗進行を抑制することができる。機械要素の変位のみを観測して速度を制御する方式より、速度を観測し、あるいは速度を演算により求め、速度に対応して、あるいは変位および速度にしたがって機械要素の位置制御を実行することが優れている。

（第一実施例）
図１を参照してこの実施例装置を説明すると、図１は変速装置およびその制御系を説明するための図である。変速装置６は車両の駆動装置のうち、クラッチ・ユニットと出力軸との間に設けられる装置であり、この装置は前進５段、後退１段の変速装置である。この装置は機械的かつ電気的にきわめて高度に複雑な装置であるが、この図１には本発明に関連する部分を模式的に表示する。

シフトモータ１は回転電動機であり、その出力はこの変速装置のシフト方向の機械的制御に必要な動力源となる。セレクトモータ２は同様に回転電動機であり、その出力はこの変速装置のセレクト方向の機械的制御に必要な動力源となる。シフトモータ１およびセレクトモータ２の駆動電流はそれぞれ制御回路５から供給される。制御回路５は、プログラム制御回路を内蔵するリレー装置であり、シフトモータ１およびセレクトモータ２に、それぞれ供給する電流およびその極性を制御する。これにより、シフトモータ１およびセレクトモータ２の回転方向、回転速度、回転トルクを制御することができる。

制御回路５には、運転者が操作する変速レバー１４の操作情報が入力する。また制御回路５には制御バス１８を介して、クラッチ制御回路１５、ブレーキ制御回路１６、およびエンジン制御回路１７の情報が入力する。クラッチ制御回路１５、ブレーキ制御回路１６、およびエンジン制御回路１７には、それぞれクラッチ・ペダル１９、ブレーキ・ペダル２０およびアクセル・ペダル２２の操作情報が入力する。また車輪回転センサ２１の出力情報はブレーキ制御回路１６を介して入力する。エンジン回転センサ２３の出力情報はエンジン制御回路１７を介して入力する。制御回路５の構成および動作については、広く知られているから、ここではその構成および動作の詳細を詳しく説明することを省略する。

シフトモータ１およびセレクトモータ２の機械出力は、それぞれシフトリンク８およびセレクトリンク９により変速装置の機械系に伝達される。現在のシフト位置およびセレクト位置は、それぞれシフト位置センサ３およびセレクト位置センサ４により検出され、制御回路５に入力情報として取り込まれる。これにより制御回路５はフィードバック制御を実行することができる。

図２に本発明に係るシフトモータ１の動作タイムチャートの一例を示す。図２（ａ）は横軸は経過時間を示し、縦軸はシフトモータ１に供給される電流およびその電流による操作力を示す。図２（ｂ）の横軸は上記図２（ａ）の横軸と共通の時間軸であり、図２（ｂ）の縦軸はシフトモータ１により駆動されるシフト方向のストローク（機械変位）を表す。すなわち図２（ｂ）は、ニュートラル位置からシフト完了までの機械的な変位を時間の経過にしたがって表示する。

図２を参照して、時刻ｔ₁ でシフトモータ１に駆動電流が供給される。これにより時刻ｔ₂ でこのシフトモータ１が起動され、変速装置はニュートラル状態を離れる。ここで本発明の特徴として、シフトモータ１が起動した時刻ｔ₂
から、このシフトモータ１に供給する電流を制限する状態が示されている。この電流を遮断している時間に、変速装置６の内部でシンクロ・リングが回転軸に沿って移動し、アクチュエータ出力軸の移動速度が設定値を下回り、かつ０より大きい時点（時刻ｔ₃
）でシフトモータ１に供給する電流をやや大きく制御し、シンクロ・リングの回転を起動する。時刻ｔ₃とほぼ同時か、微小時間経過時にシンクロ・リングがシンクロ・コーンに当接する。そして、時刻ｔ₄
でシンクロ・コーンの回転速度がシンクロ・リングの回転速度と等しくなり、いわゆるシンクロ状態となる。さらにシフトリンク８が押し進められ、ついで時刻ｔ₅
でギヤのかみ合わせが完了する。ここで供給されている電源電流が遮断されてシフト動作が完了する。

ここで本発明の特徴とするところは、シフトモータ１が起動した後に、そのシフトモータ１により駆動されるシフトリンク８の機械変位（ストローク）の速度にしたがって、その供給電流を制御するところにある。とくに、シフトモータ１が起動した後には機械変位の速度にしたがって、その供給電流が徐々に低くなるように、あるいは供給電流が零になるように制御して、シンクロ・リングをシンクロ・コーンに当接させることを特徴とする。さらに詳しくは、この実施例装置では、シフト位置センサ３の出力信号について、これを制御回路５で時間微分することにより実現される。

このシフトモータ１に供給する電流を時間の経過にしたがってどのように制御するかは、被制御系の機械特性に応じて制御回路５の制御ソフトウエアに適宜設定される。すなわち、シフトモータ１により駆動されるシンクロ・リングの変位が、緩やかなかつ適正な速度で制御されるようにその動作特性が設定される。このように構成された本発明実施例装置では、シフトモータ１の回転負荷が小さくなっても、シフトモータ１の回転が無用に加速するようなことはなく、また何らかの原因により、シフトモータ１の負荷が大きくなっても回転を停止することがない。

ちなみにシフトモータ１の負荷が大きくなる主要な原因は、装置の温度変化また経年変化である。この構成により、つねに所定の制御された速度でシンクロ・リングの位置を移動させることができる。時刻ｔ₂ から時刻ｔ₃ の間に時間の経過に対してどのように電流を減少させるかは、それぞれの装置の特性に応じて設計上最適に決めることができる。

ここで繰り返すと、時刻ｔ₂ でシフトモータ１に供給する電流をいったん遮断してしまうことも一つの方法であるが、電流を徐々に小さくし、あるいはステップ状に供給することで、慣性力の制御をより精密に行なうことが可能である。
（第二実施例）
図３は本発明第二実施例の実施対象となる駆動装置の構造図である。上記第一実施例では、駆動装置はシフトモータ１またはセレクトモータ２として説明したように、それぞれ変速装置の機械要素を駆動する動力源は電動のモータであったが、この第二実施例装置は、さらに大型の車両に実施するための装置であり、電動のモータにより駆動する空気圧制御弁から供給される空気圧により出力ロッドの駆動トルクを倍加するように構成された装置である。これは上記第一実施例より大型の車両に搭載される装置である。この装置についても同様に本発明を実施することができる。この装置は電動のモータによる左右方向の駆動を空気圧ピストンにより補助して、同様の作用を強力に実行する装置である。

図３を参照してこの装置の動作を説明する。電動のモータ３１の出力回転軸３２は、ボールねじ３３に連結されている。このボールねじ３３に螺合するナット３４が、このモータ３１の回転方向にしたがって、図の右方あるいは左方に変位する。この変位速度（加速度）に応じて第一のバルブ３５ａまたは第二のバルブ３５ｂが開閉する。すなわちナット３４が図の右方に移動することにより、バネ等を介してピストン３８を同じく右方に押し進めるが、ナット３４の変位速度が大きいと、モータの出力によりバルブ３５ａを開放し、吸気ポート３６の空気圧を第一のエア室３７ａに導入する。これによりピストン３８がこの空気圧を受けて、出力軸３９を強力に図の右方に移動させる。電動のモータ３１が逆に回転して、ナット３４を図の左方に移動させることにより、同様の機構により、バルブ３５ｂを開放し吸気ポート３６の空気圧をエア室３７ｂに導入する。この空気圧により出力軸３９を強力に図の左方に移動させる。この出力軸３９には出力ロッド４０が連結されている。この出力ロッド４０が変速装置の機械入力となる。

図４にこの機械入力がどのように利用されるかを例示すると、この出力ロッド４０はシャフト４５およびインナーレバー４６を介して、この出力変位をシフターヘッド４７に伝達する。さらにシフトロッド４８を介して、シフトフォーク４９に取付けられたスリーブにより、変速機回転軸にあるシンクロリング（図示せず）をシンクロコーン（図示せず）に押圧するように作用する。

このように構成された装置について、図３に示すモータ３１に供給する電流を上記第一実施例で説明したように減速または増速の状態に制御する。この制御は前記第一実施例装置と同様に制御回路のソフトウエアにより設定され実行される。すなわち電動のモータ３１を起動するときには、モータ３１に大きい起動電流を供給する状態に制御する。そしてモータ３１が回転を開始して出力軸３９が移動している状態では、モータ３１に供給する電流を小さく制御する。あるいは階段状に供給する電流を制御する。これはモータ３１の回転速度に応じて制御される。このときモータ３１の回転速度が小さくなり、エア室３７ａに空気圧が導入されるタイミングを適正に調節することができる。これにより、出力軸に連結された機械要素が設計上予期されなかった高速で移動して、他の機械要素に衝突するような事態を回避することができる。

また、本例の装置は、モータ３１の出力に応じてピストン３８内の流体圧力を加減し、最終的に出力を倍加するよう構成されているが、このような場合、入力ストロークのみのフィードバックで、出力ストロークや出力軸の荷重（同期荷重）の変動を推測することは困難である。例えば、モータ３１単体の出力公差のほか、バルブ３５ａ、３５ｂの開放までのバネのストロークおよび復元力の公差や、バルブ３５ａ、３５ｂの開放からエア圧力発生までの微小な時間差などが影響するため、入力ストロークに対する出力ストロークの相対差は一意に決まらない。さらに、出力ストロークがどのタイミングで止まっているか分からないため、出力軸の荷重がどのように変動しているか推測が困難である。

そこで本例では、入力ストロークの速度から出力軸３９の状態を推測し、モータへの入力電流を制御することで、適切なシフト操作を可能としている（すなわち「入力ストロークの減速」を「出力ストロークの減速」と捉え電流を制御する）。より具体的には、ニュートラルからシフト方向へ動く際、一旦、モータ３１を駆動し十分加速したタイミングで電流を低減すると、出力軸３９、入力軸（例えばモータ回転軸３２）ともに空走する。電流を遮断すると、出力軸３９が止まってしまうような場合には、低電流で駆動するとよい。その後、シンクロリングがシンクロコーンに当接すると、出力軸３９（出力ストローク）は減速し、それにともない入力ストロークも減速するので、このタイミングで、再び電流を投入する。

この再び電流を投入するタイミングが早い場合（イナーシャキャンセルが早い場合）には、シンクロリングがシンクロコーンに当接する前に、シンクロリング（出力軸）が再加速するため、シンクロ機構に過大な荷重が加わるおそれがある。逆に、遅い場合（イナーシャキャンセルが遅い場合）には、シンクロリングがシンクロコーンから跳ね返されるように離れてしまうおそれがある。しかし本発明に係る電流低減と、その後の入力ストロークの速度に基づく遮断終了タイミング制御を実行することにより、図５に実線で示すように、適切なシフト操作が可能である。

上記実施例装置として、電動制御による形態、および電動制御を空気圧により補助する形態を説明したが、電動制御により油圧を補助する形態の装置についても同様に本発明を実施することができる。

本発明の実施例装置構成図（第一実施例）。本発明実施例装置の作用を説明する動作特性図。本発明の実施例装置構成図（第二実施例）。本発明実施例装置の出力形態を説明する図。本発明実施例装置の操作力を説明する図。

符号の説明

１シフトモータ
２セレクトモータ
３シフト位置センサ
４セレクト位置センサ
５制御回路
６変速装置
７アッパー・カバー
８シフトリンク
９セレクトリンク
１０速度センサ
１１局舎
１３ロックポール
１４変速レバー
１５クラッチ制御回路
１６ブレーキ制御回路
１７エンジン制御回路
１８制御バス
１９クラッチ・ペダル
２０ブレーキ・ペダル
２１車輪回転センサ
２２アクセル・ペダル
２３エンジン回転センサ
３１モータ
３２モータの回転軸
３３ボールねじ
３４ボールねじのナット
３５ａ第一のバルブ
３５ｂ第二のバルブ
３６吸気ポート
３７ａ第一のエア室
３７ｂ第二のエア室
３８ピストン
３９出力軸
４０出力ロッド
４１バルブ開閉部
４２エア・アシスト部
４３出力部
４５シャフト
４６インナーレバー
４７シフターヘッド
４８シフトロッド
４９シフトフォーク
５０変速機回転軸

Claims

電動のアクチュエータにより機械要素を移動させる手段と、前記電動のアクチュエータの起動後にその駆動電流を制御する手段とを備えた変速装置において、
前記機械要素の移動速度（ｄＳ／ｄｔ）を観測する手段と、この手段により観測された移動速度に応じて前記駆動電流を制御する手段とを備えたことを特徴とする変速装置。
前記駆動電流を制御する手段は、その駆動電流を零または小さく制御することにより前記移動速度（ｄＳ／ｄｔ）を小さく制御する手段を含み、前記観測する手段により観測される移動速度（ｄＳ／ｄｔ）があらかじめ設定された値を下回るときに前記駆動電流を再び大きく制御する手段を含む請求項１記載の変速装置。
電動のアクチュエータにより機械要素を移動させる手段と、前記電動のアクチュエータの起動後にその駆動電流を制御する手段とを備えた変速装置において、
前記機械要素の変位（Ｓ）を観測する手段と、この手段により観測された変位の時間微分値（ｄＳ／ｄｔ）を演算する手段と、この手段により演算された時間微分値に応じて前記駆動電流を制御する手段とを備えたことを特徴とする変速装置。
電動のアクチュエータにより機械要素を移動させる手段と、前記電動のアクチュエータの起動後にその駆動電流を制御する手段とを備えた変速装置において、
前記機械要素の変位および移動速度を観測する手段と、この手段により観測された変位（Ｓ）および移動速度（ｄＳ／ｄｔ）に応じて前記駆動電流を制御する手段とを備えたことを特徴とする変速装置。