JP5687346B2 - 無段変速機の挟圧制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、入力軸に設けた入力軸要素と出力軸に設けた出力軸要素との間で動力伝達要素を介して動力伝達を行う無段変速機において、動力伝達要素のスリップを防止しながら動力伝達効率の向上を図るために、入力軸要素または出力軸要素の一方の挟圧を制御する挟圧制御装置に関する。
入力軸に設けたドライブプーリと出力軸に設けたドリブンプーリとに無端ベルトを巻き掛け、両プーリの溝幅を変速用油圧で変化させて変速を行うベルト式無段変速機において、入力軸の変動成分と出力軸の変動成分との間に無端ベルトのスリップに起因する振幅差や位相差が発生することに着目して滑り識別子IDslipおよび位相遅れΔφというパラメータを導入し、これらのパラメータに基づいてプーリに加えるプーリ側圧を制御することで動力伝達効率の向上を図るものが、下記特許文献1により公知である。
日本特開2009−243683号公報
ところで、ベルト式無段変速機の動力伝達効率は後述するトルク比Trというパラメータに密接に関連するが、上記従来のものは滑り識別子IDslipあるいは位相遅れΔφをパラメータとしてトルク比Trを間接的に制御するため、トルク比Trを所望の値に応答性良く制御することが困難であり、ベルト式無段変速機の動力伝達効率を充分に高めることができなかった。
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、無段変速機の動力伝達要素のスリップを防止しながら動力伝達効率の向上を図ることを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、駆動源の駆動力が入力される入力軸と、前記入力軸に設けられた入力軸要素と、前記駆動源の駆動力が変速して出力される出力軸と、前記出力軸に設けられた出力軸要素と、前記入出力軸要素にそれぞれ接触して接触部分の摩擦により前記入力軸から前記出力軸に駆動力を伝達する動力伝達要素と、前記入力軸が有する任意の変動成分の前記出力軸への伝達特性に基づき、伝達可能な最大トルクに対する実際の伝達トルクの比であるトルク比を推定するトルク比推定手段と、前記入出力軸要素のうちの何れか一方の軸要素の挟圧を制御する挟圧制御手段とを備える無段変速機の挟圧制御装置であって、前記トルク比推定手段は、前記入力軸および前記出力軸の変動成分の振幅比を指標化した滑り識別子と、前記入力軸および前記出力軸の変動成分の位相差を指標化した位相遅れとの少なくとも一方から前記トルク比を推定し、前記挟圧制御手段は摩擦係数推定手段および摩擦係数学習手段を含み、前記摩擦係数推定手段は、前記トルク比に基づいて前記何れか一方の軸要素および前記動力伝達要素間の摩擦係数を推定し、前記摩擦係数学習手段は、前記推定した摩擦係数を前記無段変速機の入力軸回転数および前記駆動源の負荷トルクの少なくとも一方に対応させて学習し、前記挟圧制御手段は、前記学習した摩擦係数を前記無段変速機の入力軸回転数および前記駆動源の負荷トルクの少なくとも一方をパラメータとして検索するとともに、前記検索した摩擦係数に基づいて前記何れか一方の軸要素の必要軸推力を求め、その必要軸推力に基づいて前記何れか一方の軸要素の挟圧を制御することを第1の特徴とする無段変速機の挟圧制御装置が提案される。
また本発明によれば、前記第1の特徴に加えて、記摩擦係数推定手段は、前記トルク比と、前記負荷トルクと、前記何れか一方の軸要素の軸推力とに基づいて前記摩擦係数を推定することを第2の特徴とする無段変速機の挟圧制御装置が提案される。
また本発明によれば、前記第1または第2の特徴に加えて、前記挟圧制御手段は前記駆動源および前記無段変速機を搭載した移動体がクルーズ走行しているか否かを判定するクルーズ判定手段を含み、前記摩擦係数学習手段は、前記移動体が前記クルーズ状態にあるときに前記摩擦係数を学習することを第3の特徴とする無段変速機の挟圧制御装置が提案される。
また本発明によれば、前記第1〜第3の何れか1つの特徴に加えて、前記挟圧制御手段は、目標トルク比に基づいて前記何れか一方の軸要素の必要軸推力を求め、前記トルク比推定手段により求められたトルク比の変化量が所定範囲外になった場合に、前記目標トルク比を低く設定することを第4の特徴とする無段変速機の挟圧制御装置が提案される。
また本発明によれば、前記第1〜第4の何れか1つの特徴に加えて、アクセル開度を検出するアクセル開度センサを備え、前記挟圧制御手段は、目標トルク比に基づいて前記何れか一方の軸要素の必要軸推力を求め、前記アクセル開度センサにより求められたアクセル開度の変化量が所定範囲外になった場合に、前記目標トルク比を低く設定することを第5の特徴とする無段変速機の挟圧制御装置が提案される。
尚、実施の形態のドライブプーリ13は本発明の入力軸要素に対応し、実施の形態のドリブンプーリ14は本発明の出力軸要素に対応し、実施の形態の無端ベルト15は本発明の動力伝達要素に対応し、実施の形態のエンジンEは本発明の駆動源に対応し、実施の形態の側圧制御手段M2は本発明の挟圧制御手段に対応し、実施の形態のベルト式無段変速機TMは本発明の無段変速機に対応し、実施の形態のプーリ側圧は本発明の挟圧に対応する。
本発明の第1の特徴によれば、無段変速機の伝達可能な最大トルクに対する実際の伝達トルクの比であるトルク比を、入力軸が有する任意の変動成分が動力伝達要素を介して出力軸に伝達される伝達特性に基いて推定する際に、入力軸および出力軸の変動成分の振幅比を指標化した滑り識別子と、入力軸および出力軸の変動成分の位相差を指標化した位相遅れとの少なくとも一方を用いるので、無段変速機の動力伝達効率に極めて密接に関連するトルク比を精度良く推定して動力伝達効率の向上を図ることができる。しかも滑り識別子あるいは位相遅れからトルク比を推定するので、それを推定するために必要なセンサの数を最小限に抑えてコストの削減を図ることができる。更に、目標とするトルク比を直接指定して的確な制御を行うことができるだけでなく、挟圧の応答性が変動成分の周波数によって変化するのを防止することができる。
また摩擦係数推定手段は、トルク比に基づいて何れか一方の軸要素および動力伝達要素間の摩擦係数を推定し、摩擦係数学習手段は、推定した摩擦係数を無段変速機の入力軸回転数および駆動源の負荷トルクの少なくとも一方に対応させて学習し、挟圧制御手段は、学習した摩擦係数を無段変速機の入力軸回転数および駆動源の負荷トルクの少なくとも一方をパラメータとして検索するので、一時的にトルク比を推定できなくなっても学習された摩擦係数を使用して軸要素を挟圧制御することで、軸要素の挟圧制御を精度良く継続することができる。
た挟圧制御手段は摩擦係数に基づいて何れか一方の軸要素の必要軸推力を求め、その必要軸推力に基づいて何れか一方の軸要素の挟圧を制御するので、つまり挟圧を直接的に支配するパラメータである摩擦係数を用いて挟圧を制御するので、滑り識別子あるいは位相遅れ自体をフィードバックする間接的な制御に比べ、制御応答性の向上および制御装置の演算負荷の軽減が可能になる。
また本発明の第2の特徴によれば、摩擦係数推定手段は、トルク比と、負荷トルクと、何れか一方の軸要素の軸推力とに基づいて摩擦係数を推定するので、摩擦係数を精度良く推定することができる。
また本発明の第3の特徴によれば、挟圧制御手段は駆動源および無段変速機を搭載した移動体がクルーズ走行しているか否かを判定するクルーズ判定手段を含み、摩擦係数学習手段は、移動体がクルーズ状態にあるときに摩擦係数を学習するので、何らかの理由で一時的に摩擦係数が推定不能になった場合でも経年変化が生じない短時間であれば挟圧制御を精度良く継続することができるだけでなく、学習を行わない場合に比べて目標トルク比への収束性を高めることができる。
また本発明の第4の特徴によれば、挟圧制御手段は、目標トルク比に基づいて何れか一方の軸要素の必要軸推力を求め、推定したトルク比の変化量が所定範囲外になった場合に目標トルク比を低く設定するので、悪路走行時等に路面からの負荷で無段変速機にスリップが発生する虞があるときには、目標トルク比を低く設定して挟圧を増加することで無段変速機の保護を図ることができる。
また本発明の第5の特徴によれば、挟圧制御手段は、目標トルク比に基づいて何れか一方の軸要素の必要軸推力を求め、アクセル開度の変化量が所定範囲外になった場合に目標トルク比を低く設定するので、アクセルペダルが急激に操作されて無段変速機にスリップが発生する虞があるときには、目標トルク比を低く設定して挟圧を増加することで無段変速機の保護を図ることができる。
図1はベルト式無段変速機の全体構造を示す図である。(第1の実施の形態) 図2はベルト式無段変速機の変速制御および側圧制御の説明図である。(第1の実施の形態) 図3はプーリの変速制御および側圧制御を決定するフローチャートである。(第1の実施の形態) 図4はプーリ側圧と動力伝達効率との関係を示すグラフである。(第1の実施の形態) 図5はトルク比と動力伝達効率との関係を示グラフである。(第1の実施の形態) 図6はトルク比とベルトスリップとの関係を示す図である。(第1の実施の形態) 図7は入力軸回転数の変動波形および出力軸回転数の変動波形を示す図である。(第1の実施の形態) 図8は変動成分の周波数および滑り識別子からトルク比を検索するマップを示す図である。(第1の実施の形態) 図9は変動成分の周波数および位相遅れからトルク比を検索するマップを示す図である。(第1の実施の形態) 図10はプーリ側圧の制御系のブロック図である。(第1の実施の形態) 図11は摩擦係数学習のフローチャートである。(第1の実施の形態) 図12は目標トルク比の設定の一例を示す図である。(第1の実施の形態) 図13は目標トルク比の設定の他の例を示す図である。(第1の実施の形態) 図14は学習の効果の説明図である。(第1の実施の形態) 図15はトルク比の推定手法の説明図である。(第2の実施の形態) 図16はトルク比の推定手法の説明図である。(第3の実施の形態) 図17はシステムの固有振動数が変化する理由を説明する図である。(第3の実施の形態) 図18はトルク比の推定手法の説明図である。(第4の実施の形態)
11 入力軸
12 出力軸
13 ドライブプーリ(入力軸要素)
14 ドリブンプーリ(出力軸要素)
15 無端ベルト(動力伝達要素)
AP アクセル開度
E エンジン(駆動源)
IDslip 滑り識別子
M1 トルク比推定手段
M2 側圧制御手段(挟圧制御手段)
M3 摩擦係数推定手段
M4 摩擦係数学習手
M9 クルーズ判定手段
Q 必要軸推力
Se アクセル開度センサ
STr 目標トルク比
T 伝達トルク(負荷トルク)
TM ベルト式無段変速機(無段変速機)
Tmax 伝達可能な最大トルク
Tr トルク比
Δφ 位相遅れ
μ 摩擦係数
以下、図1〜図14に基づいて本発明の第1の実施の形態を説明する。
第1の実施の形態
図1に示すように、自動車に搭載されるベルト式無段変速機TMは、エンジンEに接続された入力軸11と、入力軸11と平行に配置された出力軸12と、入力軸11に設けられたドライブプーリ13と、出力軸12に設けられたドリブンプーリ14と、ドライブプーリ13およびドリブンプーリ14に巻き掛けられた金属製の無端ベルト15とを備える。ドライブプーリ13は固定側プーリ半体13aと可動側プーリ半体13bとで構成され、可動側プーリ半体13bはプーリ側圧で固定側プーリ半体13aに接近する方向に付勢される。同様に、ドリブンプーリ14は固定側プーリ半体14aと可動側プーリ半体14bとで構成され、可動側プーリ半体14bはプーリ側圧で固定側プーリ半体14aに接近する方向に付勢される。従って、ドライブプーリ13の可動側プーリ半体13bおよびドリブンプーリ14の可動側プーリ半体14bに作用させるプーリ側圧を制御し、ドライブプーリ13およびドリブンプーリ14の一方の溝幅を増加させて他方の溝幅を減少させることで、ベルト式無段変速機TMの変速比を任意に変更することができる。
ベルト式無段変速機TMの変速比を制御する電子制御ユニットUには、入力軸回転数センサSaで検出した入力軸11の回転数と、出力軸回転数センサSbで検出した出力軸12の回転数と、エンジン回転数センサScで検出したエンジンEの回転数とに加えて、アクセル開度信号、車速信号等が入力される。電子制御ユニットUは、アクセル開度信号および車速信号に基づいてベルト式無段変速機TMのプーリ側圧を変化させる通常の変速比制御以外に、後述するトルク比Trを推定し、このトルク比Trを用いてベルト式無段変速機TMの動力伝達効率を高めるべくプーリ側圧を変化させる制御を行う。
図2に示すように、ベルト式無段変速機TMの入力トルクをTDRとし、出力トルクをTDNとし、最大伝達入力トルク、即ちドライブプーリ13および無端ベルト15間にスリップが発生する瞬間の入力トルクTDRをTmaxDRとし、最大伝達出力トルク、即ちドリブンプーリ14および無端ベルト15間にスリップが発生する瞬間の出力トルクTDNをTmaxDNとし、動力伝達効率をη、変速比をiとすると、ベルト式無段変速機TMの最大伝達トルクTmaxは,TmaxDRあるいはTmaxDN/ηiの何れか小さい方となり、TDR>Tmaxのときに、ドライブプーリ13およびドリブンプーリ14の何れか一方がスリップする。
図3のフローチャートに示すように、例えば、ステップS1でTmaxDR>TmaxDN/ηiの場合には、出力トルクTDN>最大伝達出力トルクTmaxDNになった瞬間にドリブンプーリ14にスリップが発生するため、ステップS2でベルト式無段変速機TMの変速比を制御するためにドライブプーリ13の側圧を変更し(変速制御)、ドリブンプーリ14のスリップを防止するためにドリブンプーリ14の側圧を制御する(側圧制御)。
逆に、前記ステップS1でTmaxDR≦TmaxDN/ηiの場合には、入力トルクTDR>最大伝達入力トルクTmaxDRになった瞬間にドライブプーリ13にスリップが発生するため、ステップS3でベルト式無段変速機TMの変速比を制御するためにドリブンプーリ14の側圧を変更し(変速制御)、ドライブプーリ13のスリップを防止するためにドライブプーリ13の側圧を制御する(側圧制御)。
本願発明は、上述したドライブプーリ13および無端ベルト15間、あるいはドリブンプーリ14および無端ベルト15間のスリップを防止するための側圧制御に関するものである。
ところで、ベルト式無段変速機TMの動力伝達効率を高める手段の一つとして、プーリに加えるプーリ側圧を低下させることが知られている。図4は、プーリ側圧に対する動力伝達効率および摩擦損失の関係を示すもので、プーリ側圧の減少に伴って、プーリおよび無端ベルト間のスリップが小さいミクロスリップ領域から、遷移領域を経て、プーリおよび無端ベルト間のスリップが大きいマクロスリップ領域に移行する。ミクロスリップ領域ではプーリ側圧の減少に応じて動力伝達効率が次第に向上するが、遷移領域で動力伝達効率が低下し始め、マクロスリップ領域で動力伝達効率が急激に低下する。
その理由は、無端ベルトの金属エレメントの半径方向滑りと金属リングの滑りに起因する摩擦損失の和は、プーリ側圧の減少に伴ってミクロスリップ領域からマクロスリップ領域まで一定の比較的に大きい減少率Aで減少するが、金属エレメントの接線方向滑りに起因する摩擦損失は、ミクロスリップ領域から遷移領域にかけて略一定の比較的に小さい増加率B(A>B)で増加し、マクロスリップ領域で急激に増加するためと考えられる。
最大の動力伝達効率を得るには、プーリ側圧を遷移領域の直前のミクロスリップ領域に制御することが望ましいが、プーリ側圧を過剰に減少させてしまうと、ミクロスリップ領域から遷移領域を通り越してマクロスリップ領域に入ってしまい、プーリに対して無端ベルトが大きくスリップして損傷する可能がある。従って、ベルト式無段変速機TMの耐久性を確保しながら動力伝達効率を高めるには、プーリ側圧を遷移領域の直前のミクロスリップ領域に精度良く制御することが必要となる。
そのために、本発明ではトルク比Trというパラメータを導入している。トルク比Trは、
Tr=T/Tmax …(1)
で定義されるもので、Tはベルト式無段変速機TMが現在伝達しているトルク(極端なスリップが発生している場合を除き、入力トルクTDRに一致する)であり、Tmaxはベルト式無段変速機TMが現在の軸推力(つまり、プーリ側圧×プーリピストンの受圧面積)でスリップせずに伝達可能な最大トルクである。トルク比Tr=0は動力伝達が行われていない状態に対応し、トルク比Tr=1は現在伝達しているトルクが飽和した状態に対応し、トルク比Tr>1はマクロスリップが発生してしまったか、それに遷移している状態に対応する。
図5に示すように、変速比がODの状態および変速比がMIDの状態では、トルク比Trが1.0で最大の動力伝達効率が得られる。また変速比がLOWの状態では、最大の動力伝達効率が得られるトルク比Trは0.9に低下するが、トルク比Trが1.0でも依然として高い動力伝達効率が得られることが分かる。つまり、トルク比Trというパラメータは動力伝達効率と極めて高い相関関係があり、このトルク比Trが1.0に近い値になるようにベルト式無段変速機TMのプーリ側圧を制御することで動力伝達効率を高めることができ、しかもマクロスリップの発生を防止してベルト式無段変速機TMの耐久性を確保することができる。
トルク比Trを算出する際に必要な最大伝達可能トルクTmaxは、ドライブプーリ13を側圧制御する場合、即ちドライブプーリ13がスリップする場合には、
Tmax=2μRQ/cosα …(2)
で与えられ、ドリブンプーリ14を側圧制御する場合、即ちドリブンプーリ14がスリップする場合には、
Tmax=2μRQ/ηicosα …(3)
で与えられる。ここで、μは側圧制御される側のプーリ13,14および無端ベルト15間の摩擦係数、Rは側圧制御される側のプーリ13,14に対する無端ベルト15の巻き付き半径、Qは側圧制御される側のプーリ13,14の軸推力、αはプーリ13,14のV角の半分の角度、ηはベルト式無段変速機TMの動力伝達効率、iは変速比である。
このように、トルク比Trを算出するには最大伝達可能トルクTmaxを算出する必要があり、最大伝達可能トルクTmaxを算出するには、プーリ13,14および無端ベルト15間の摩擦係数μ、プーリ13,14に対する無端ベルト15の巻き付き半径Rおよびプーリ13,14の軸推力Qを検出する必要があるため、多くのセンサが必要になる。特に、摩擦係数は経年変化により変化することに加え、摩擦係数を計測するためには一度マクロスリップを発生させる必要があるため、実車走行中に摩擦係数を計測することは一般に困難である。
本実施の形態は、トルク比Trを、滑り識別子IDslipと入力軸11の回転数変動の周波数f0 (変動成分の周波数f0 )とから、あるいは位相遅れΔφと入力軸11の回転数変動の周波数f0 (変動成分の周波数f0 )とから推定するものである。入力軸11の回転数変動はエンジンEの回転数変動と同期することから、入力軸11の回転数変動の周波数f0 はエンジン回転数センサScで検出したエンジン回転数から算出可能であり、また後述するように、滑り識別子IDslipおよび位相遅れΔφは入力軸回転数センサSaで検出した入力軸回転数の変動と、出力軸回転数センサSbで検出した出力軸回転数の変動とから算出可能であるため、トルク比Trを最小限の数のセンサで精度良く推定することができる。
次に、滑り識別子IDslipおよび位相遅れΔφについて説明する。図6に示すように、トルク比Trが増加するのに伴い、ミクロスリップ領域ではベルトのスリップ量は僅かずつ増加し、マクロスリップ領域に入るとベルトのスリップ量は急激に増加する。入力軸11に無端ベルト15を介して接続された出力軸12には、入力軸11の回転数変動が無端ベルト15を介して伝達されるため、出力軸12にも同じ周波数の回転数変動が発生する。ベルトおよびプーリ間に全くスリップが存在しないとき、入力軸回転数の変動は減衰することなく出力軸に伝達されるが、トルク比Trの増加に伴ってスリップ量が増加すると、入力軸回転数の変動波形の振幅に対して出力軸回転数の変動波形の振幅が小さくなり、かつ入力軸回転数の変動波形の位相に対して出力軸回転数の変動波形の位相が遅れることになる。
図6および図7において、実線で示す入力軸回転数の変動波形に対して鎖線で示す出力軸回転数の変動波形は、トルク比Trの増加に伴って振幅が次第に減少するとともに位相が次第に遅れていることが分かる。入力軸回転数の振動波形は、
Nin=Acos(ωt+φin) …(4)
で与えられ、出力軸回転数の振動波形は、
Nout=Bcos(ωt+φout) …(5)
で与えられる。
つまり、入力軸回転数の振動波形に対して出力軸回転数の振動波形は、振幅がAからBに減少し、位相がφin−φoutだけ遅れることになる。
次に、滑り識別子IDslipの算出の手法を説明する。
先ず、入力軸11の回転数の変動周波数f0 を、エンジンEの気筒数nと、エンジン回転数の直流成分Neとを用いて、次式により算出する。エンジン回転数の直流成分Neは、通常のエンジンEに必ず備えられているエンジン回転数センサScにより検出可能である。
Figure 0005687346
滑り識別子IDslipは、変動周波数f0 における入力軸11と出力軸12との間の振幅比Mを、ベルト式無段変速機TMの幾何学的な応答、即ち滑りや励振の影響を受けない場合の振幅比Mgにより標準化したものであり、次式により定義される。
Figure 0005687346
入力軸11の回転数の変動周波数f0 の関数である振幅比Mは次式で定義されるもので、変動周波数f0 はエンジン回転数センサScが出力するエンジン回転数から算出可能であり、Sin(f0 )は入力軸回転数の変動波形のパワスペクトルであって入力軸回転数センサSaの出力から算出可能であり、またSout(f0 )は出力軸転数の変動波形のパワスペクトルであって出力軸回転数センサSbの出力から算出可能である。
Figure 0005687346
また幾何学条件における振幅比Mgは、ベルト式無段変速機TMで生じる滑りが小さい場合には、近似的に出力信号と入力信号との直流成分の比として表され、次式で定義される。
Figure 0005687346
幾何学条件における振幅比Mgは、入力軸11および出力軸12の変動成分として用いる物理量に依存する。本実施の形態では前記変動成分として回転数変動を用いているため、ベルト式無段変速機TMの変速比をiとしたときに、Mg=1/iで与えられる。入力軸11および出力軸12の変動成分として、トルク変動を用いた場合には、Mg=iで与えられる。ベルト式無段変速機TMの変速比iは、入力軸回転数センサSaの出力と出力軸回転数センサSbの出力とから算出可能である。
以上のことから、(7)式を書き換えると次式のようになり、滑り識別子IDslipは、ベルト式無段変速機TMに既存の入力軸回転数センサSaおよび出力軸回転数センサSbの出力と、エンジンEに既存のエンジン回転数センサScの出力とから算出することができる。
Figure 0005687346
また位相遅れΔφは次式で定義されるもので、入力軸回転数の変動波形の位相φinは入力軸回転数センサSaの出力から算出可能であり、出力軸回転数の変動波形の位相φoutは出力軸回転数センサSbの出力から算出可能である。
Figure 0005687346
図8は、横軸に入力軸回転数の変動成分の周波数f0 (あるいはエンジン回転数Ne)をとり、縦軸に滑り識別子IDslipをとったマップであり、トルク比Trを0.7、0.8、0.9、1.0のように変化させると、対応する滑り識別子IDslipの特性ラインが変化する。このマップにより、そのときのベルト式無段変速機TMの変動成分の周波数f0 と滑り識別子IDslipとが決まると、それらの値からそのときのトルク比Trを推定することができる。例えば、変動成分の周波数f0 の値がaであり、滑り識別子IDslipの値がbであるとき、トルク比Trは一点鎖線で示されるラインの0.9になる。
図9は、横軸に入力軸回転数の変動成分の周波数f0 (あるいはエンジン回転数Ne)をとり、縦軸に位相遅れΔφをとったマップであり、トルク比Trを0.7、0.8、0.9、1.0のように変化させると、対応する位相遅れΔφの特性ラインが変化する。このマップにより、そのときのベルト式無段変速機TMの変動成分の周波数f0 と位相遅れΔφとが決まると、それらの値からそのときのトルク比Trを推定することができる。例えば、変動成分の周波数f0 の値がcであり、位相遅れΔφの値がdであるとき、トルク比Trは一点鎖線で示されるラインの0.9になる。
しかして、図10に示すように、電子制御ユニットUのトルク比推定手段M1は、エンジン回転数センサScで検出したエンジン回転数に対応する変動成分の周波数f0 を算出するとともに、入力軸回転数センサSaおよび出力軸回転数センサSbの出力をフィルタ機能を有するロックインアンプを通過させて前記周波数f0 に対応する振動波形を抽出し、それら入力側および出力側の振動波形から滑り識別子IDslipおよび位相遅れΔφを算出する。続いて滑り識別子IDslipあるいは位相遅れΔφ(図10の例では位相遅れΔφ)と変動成分の周波数f0 とをパラメータとしてマップ検索することで、そのときのトルク比Trを推定する。
そして電子制御ユニットUの側圧制御手段M2が、トルク比推定手段M1により推定したトルク比Trに基づいてドライブプーリ13あるいはドリブンプーリ14のプーリ側圧を制御する。以下、電子制御ユニットUの側圧制御手段M2の構成および機能について説明する。
図10に示すように、側圧制御手段M2は、摩擦係数推定手段M3と、摩擦係数学習手段M4と、必要軸推力算出手段M5と、電流値換算手段M6と、負荷トルク推定手段M7と、軸推力換算手段M8と、クルーズ判定手段M9と、トルク比変動監視手段M10とを備える。
摩擦係数推定手段M3は、トルク比推定手段M1により推定したトルク比Trと、負荷トルク推定手段M7により推定した負荷トルクT(エンジンEの負荷トルクあるいはベルト式無段変速機TMが現在伝達しているトルクに相当)と、軸推力換算手段M8により換算した側圧制御される側のプーリ13,14の軸推力とに基づいて、側圧制御される側のプーリ13,14および無端ベルト15間の摩擦係数μを推定する。
即ち、負荷トルク推定手段M7は、エンジンEの負荷トルクT(ベルト式無段変速機TMが現在伝達しているトルクに相当)をエンジンEの吸気負圧等の運転状態から算出し、軸推力換算手段M8は、油圧センサSd(図10参照)で検出した側圧制御される側のプーリ13,14の油圧を、それに対応する軸推力Qに換算する。そして摩擦係数推定手段M3は、負荷トルク推定手段M7で推定した負荷トルクTと、軸推力換算手段M8で換算した軸推力Qとを次式に適用することで、側圧制御される側のプーリ13,14および無端ベルト15間の摩擦係数μを推定する。
μ=Tcosα/2RQTr …(12)
μ=Tηicosα/2RQTr …(13)
尚、(12)式はドライブプーリ13が側圧制御されるときに使用され、(13)式はドリブンプーリ14が側圧制御されるときに使用される。また(12)式および(13)式において、αはプーリ13,14のV角の半分の角度、Rは側圧制御される側のプーリ13,14に対する無端ベルト15の巻き付き半径、ηはベルト式無段変速機TMの動力伝達効率、iは速度比である。
続いて、摩擦係数推定手段M3により推定した摩擦係数μを、摩擦係数学習手段M4により学習する。
即ち、図11のフローチャートのステップS11でトルク比推定手段M1によるトルク比Trの推定が可能であるときには、ステップS12でクルーズ判定手段M9が車速、アクセル開度、操舵角等に基づいて車両がクルーズ状態にあるか否かを判定する。判定の結果、車両がクルーズ状態にある場合には、ステップS13で摩擦係数推定手段M3により推定した摩擦係数μを平滑化し、ステップS14でベルト式無段変速機TMの運転状態、即ち、変速比i、入力軸回転数NDRおよび負荷トルクTに対応させて摩擦係数μがマップに記憶される。
そしてステップS15で、そのときのベルト式無段変速機TMの運転状態を示す変速比i、入力軸回転数NDRおよび負荷トルクTをパラメータとして、既に学習された摩擦係数μ′をマップから検索する。
続いて、必要軸推力算出手段M5は、摩擦係数学習手段M4が出力する学習された摩擦係数μ′に基づいて、無端ベルト15のスリップを防止するために必要な、側圧制御される側のプーリ13,14の必要軸推力Qを算出する。
必要軸推力Qは、ドライブプーリ13を側圧制御する場合と、ドリブンプーリ14を側圧制御する場合とで異なっており、ドライブプーリ13を側圧制御する場合、即ちドライブプーリ13がスリップする場合には、
Q=Tcosα/2μ′RSTr …(14)
により算出し、ドリブンプーリ14を側圧制御する場合、即ちドリブンプーリ14がスリップする場合には、
Q=Tηicosα/2μ′RSTr …(15)
により算出する。ここで、αはプーリ13,14のV角の半分の角度、μ′は側圧制御される側のプーリ13,14と無端ベルト15との接触面の摩擦係数の学習値、Rは側圧制御される側のプーリ13,14に対する無端ベルト15の巻き付き半径、Tは負荷トルク、STrは目標トルク比、ηはベルト式無段変速機TMの動力伝達効率、iは速度比である。
次に、図12に基づいて目標トルク比STrの設定の一例を説明する。
図5で説明したように、ベルト式無段変速機TMの動力伝達効率は、トルク比Trが1.0以下であって1.0に近い値であるときに最大になるため、その値を目標トルク比STrとして設定する。
必要軸推力算出手段M5が必要軸推力Qを算出するとき、トルク比変動監視手段M10により、推定したトルク比Trの変動に応じて目標トルク比STrが補正される。即ち、図12のフローチャートのステップS21で、トルク比Trの今回値から前回値を減算してトルク比Trの偏差dTrを算出し、ステップS22でトルク比偏差dTrがdTrL<dTr<dTrHの範囲から外れることで、車両が悪路を走行して路面からベルト式無段変速機TMに逆伝達される負荷が大きく変動していると判断された場合、ステップS25で目標トルク比STrを低トルク比STrLに減少させる。前記ステップS22でトルク比偏差dTrがdTrL<dTr<dTrHの範囲に戻り、かつステップS23でその状態が所定時間継続すると、ステップS24で目標トルク比STrを高トルク比STrHに増加させる。
これにより、通常時は目標トルク比STrを高く設定してプーリ側圧を減少することで動力伝達効率の向上を図り、悪路走行時に路面からの負荷でベルト式無段変速機TMの無端ベルト15およびプーリ13,14間にスリップが発生する虞があるときには、目標トルク比STrを低く設定してプーリ側圧を増加することでベルト式無段変速機TMの保護を図ることができる。また前記ステップS23でヒステリシスを持たすことで、目標トルク比STrが頻繁に切り換わるのを防止することができる。
次に、図13に基づいて目標トルク比STrの設定の他の例を説明する。
必要軸推力算出手段M5が必要軸推力Qを算出するとき、トルク比変動監視手段M10により、アクセル開度センサSe(図10参照)で検出したアクセル開度APの変動に応じて目標トルク比STrが補正される。即ち、図13のフローチャートのステップS31でアクセル開度APの今回値から前回値を減算してアクセル開度APの変化率dAPを算出し、ステップS32でアクセル開度変化率dAPがdAPL<dAP<dAPHの範囲から外れることで、アクセルペダルが急激に踏み込まれたりアクセルペダルが急激に戻されたと判断された場合、ステップS35で目標トルク比STrを低トルク比STrLに減少させる。前記ステップS32でアクセル開度変化率dAPがdAPL<dAP<dAPHの範囲に戻り、かつステップS33でその状態が所定時間継続すると、ステップS34で目標トルク比STrを高トルク比STrHに増加させる。
これにより、通常時は目標トルク比STrを高く設定してプーリ側圧を減少することで動力伝達効率の向上を図り、アクセルペダルが急激に操作されてベルト式無段変速機TMの無端ベルト15およびプーリ13,14間にスリップが発生する虞があるときには、目標トルク比STrを低く設定してプーリ側圧を増加することでベルト式無段変速機TMの保護を図ることができる。また前記ステップS33でヒステリシスを持たすことで、目標トルク比STrが頻繁に切り換わるのを防止することができる。
このようにして、必要軸推力算出手段M5が側圧制御される側のプーリ13,14の必要軸推力Qを算出すると、電流値換算手段M6が必要軸推力Qを油圧回路のリニアソレノイドの電流値に換算し、この電流値でリニアソレノイドを作動させることで、側圧制御される側のプーリ13,14に必要軸推力Qを発生させて側圧制御を行うことができる。
以上のように、本実施の形態によれば、ベルト式無段変速機TMのトルク比Trを、入力軸11が有する変動成分が無端ベルト15を介して出力軸12に伝達される伝達特性に基いて推定する際に、入力軸11および出力軸12の変動成分の振幅比を指標化した滑り識別子IDslipと、入力軸11および出力軸12の変動成分の位相差を指標化した位相遅れΔφとの少なくとも一方を用いるので、ベルト式無段変速機TMの動力伝達効率に極めて密接に関連するトルク比Trを精度良く推定して動力伝達効率の向上を図ることができる。しかも滑り識別子IDslipあるいは位相遅れΔφからトルク比Trを推定するので、それを推定するために必要なセンサの数を最小限に抑えてコストの削減を図ることができる。
また側圧制御される側のプーリ13,14および無端ベルト15間の摩擦係数μをマクロスリップの発生を伴うことなく推定し、その摩擦係数μに基づいて該プーリ13,14の必要軸推力Qを求め、その必要軸推力Qに基づいて該プーリ13,14の側圧を制御するので、つまり側圧を直接的に支配するパラメータである摩擦係数μを用いて側圧をフィードフォワード制御するので、滑り識別子IDslipあるいは位相遅れΔφ自体をフィードバックする間接的な制御に比べ、制御応答性の向上および制御装置の演算負荷の軽減が可能になる。
またクルーズ判定手段M9は車両がクルーズ走行しているか否かを判定し、摩擦係数学習手段M4は車両がクルーズ状態にあるときに摩擦係数μを学習するので、何らかの理由で一時的に摩擦係数μが算出不能になった場合でも、経年変化が生じない短時間であれば側圧制御を精度良く継続することができる。
図14は摩擦係数μの学習の効果を説明するもので、実線は学習を行わない場合、破線は学習を行う場合に対応する。学習を行わない場合には、トルク比Trを推定できなくなると実際のトルク比Trが目標トルク比STrから大きく外れてしまい、トルク比Trを推定できるようになっても、実際のトルク比Trが目標トルク比STrに収束するまでに時間が掛かるが、学習を行う場合には、トルク比Trを推定できなくっても実際のトルク比Trが目標トルク比STrから大きく外れることはなく、プーリ側圧の制御を精度良く継続することができる。
次に、図15に基づいて本発明の第2の実施の形態を説明する。
第2の実施の形態
変動成分の周波数f0 および滑り識別子IDslipに基づいてトルク比Trを検索するマップから明らかなように、変動成分の周波数f0 の中間領域(fL <f0 <fH )では各トルク比Trの特性ラインの上下間隔が大きく、他の領域では前記間隔が狭くなっており、よってfL <f0 <fH の領域でトルク比Trの推定精度が向上する。また変動成分の周波数f0 および位相遅れΔφに基づいてトルク比Trを検索するマップから明らかなように、変動成分の周波数f0 の低い領域(f0 ≦fL )および高い領域(f0 ≧fH )では各トルク比Trの特性ラインの上下間隔が大きく、他の領域では前記間隔が狭くなっており、よってf0 ≦fL の領域およびf0 ≧fH の領域でトルク比Trの推定精度が向上する。
以上のことから、ステップS41でfL <f0 <fH であれば、ステップS42で変動成分の周波数f0 および滑り識別子IDslipをパラメータとするマップに基づいてトルク比Trを検索し、前記ステップS41でf0 ≦fL またはf0 ≧fH であれば、ステップS43で変動成分の周波数f0 および位相遅れΔφをパラメータとするマップに基づいてトルク比Trを検索する。これにより、トルク比Trの推定精度を更に高めることができる。
次に、図16および図17に基づいて本発明の第3の実施の形態を説明する。
第3の実施の形態
図16において、変動成分の周波数f0 および滑り識別子IDslipに基づいてトルク比Trを検索するマップの特性ラインは、システムの固有振動数fn が変化すると横軸方向に平行移動する。前記固有振動数fn はベルト式無段変速機TMの入力トルクおよび変速比に応じて変化するため、トルク比Trを推定するためのマップを各固有振動数fn に応じて複数準備する必要があり、メモリの記憶容量の増加やコストアップの要因となる問題がある。システムの固有振動数fn が変化する理由は、図17に示される。
図17(A)はベルト式無段変速機TMを振動系としてモデル化したもので、ドライブプーリ13およびドリブンプーリ14にマスm1,m2が接触し、マスm1,m2がスプリングおよびダッシュポッドよりなる無端ベルト15で接続される。ベルト式無段変速機TMの無端ベルト15は、複数枚の金属リングを積層した金属リング集合体に多数の金属エレメントを支持したもので、金属エレメントを相互に圧接することで駆動力を伝達する。入力トルク(ベルト式無段変速機TMが現在伝達しているトルクに相当)が増加するのに応じて金属エレメント同士の接触面が圧縮変形して接触面積が増加することで、金属エレメントが次第に圧縮変形し難くなって前記モデルのスプリングのばね剛性が増加し(図17(B)参照)、その結果として入力トルクの増加に応じてシステムの固有振動数fn が増加する(図17(C)参照)。
またベルト式無段変速機TMの変速比がLOW側に変化すると、入力軸11の回転数に対する出力軸12の回転数が低くなるため、出力軸12自体の慣性モーメントJ2が減少したのと同じ効果が得られ、逆にベルト式無段変速機TMの変速比がOD側に変化すると、入力軸11の回転数に対する出力軸12の回転数が高くなるため、出力軸12自体の慣性モーメントJ2が増加したのと同じ効果が得られ、これにより変速比がLOW側に変化するとシステムの固有振動数fn が増加する(図17(D)参照)。
図16のフローチャートのステップS51で入力トルクTDRと変速比とから固有振動数fn を算出する。入力トルクTDRはエンジンEの負荷トルクに一致するのでエンジンEのECUで算出した値を使用することができ、変速比は入力軸回転数センサSaで検出した入力軸回転数NDRおよび出力軸回転数センサSbで検出した出力軸回転数NDNの比でNDR/NDNとして電子制御ユニットUで算出可能である。
続くステップS52で変動成分の周波数f0 および上下の閾値fL ,fH を固有振動数fn で除算して正規化する。これにより、トルク比Trを検索するマップを各周波数領域毎に準備することなく、正規化した周波数をパラメータとする共通のマップを使用することが可能となり、メモリの記憶容量の節減およびコストの節減が可能となる。そして第2の実施の形態と同様に、fL /fn <f0 /fn <fH /fn であれば、ステップS53で正規化した変動成分の周波数f0 /fn および滑り識別子IDslipをパラメータとするマップに基づいてトルク比Trを検索し、前記ステップS52でf0 /fn ≦fL /fn またはf0 /fn ≧fH /fn であれば、ステップS54で正規化した変動成分の周波数f0 /fn および位相遅れΔφをパラメータとするマップに基づいてトルク比Trを検索する。これにより、トルク比Trの推定精度を更に高めることができる。
次に、図18に基づいて本発明の第4の実施の形態を説明する。
第4の実施の形態
上記各実施の形態では、滑り識別子IDslipおよび位相遅れΔφの二つのパラメータのうち、何れか一方のパラメータを用いてトルク比Trを推定しているが、第4の実施の形態は、滑り識別子IDslipおよび位相遅れΔφの両方のパラメータを用いてトルク比Trを推定するものである。
図18は、各トルク比Trの滑り識別子IDslipおよび位相遅れΔφの特性を、滑り識別子IDslipの平方根を動径とし、位相遅れΔφを偏角として極座標に表したマップである。例えば、滑り識別子IDslipの値がr2 であり、位相遅れΔφの値がθの場合には、そのときのトルク比Trは0.7であると推定することができる。この実施の形態によれば、滑り識別子IDslipおよび位相遅れΔφの両方を用いてトルク比Trを推定するので、その推定精度を高めることができる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱することなく種々の設計変更を行うことが可能である。
例えば、本発明の入力軸11および出力軸12の変動成分は回転数に限定されず、トルクであっても良い。
また本発明の入力軸11は、それに結合されたエンジンEのクランクシャフトであっても良い。
また実施の形態ではエンジン回転数センサScで検出したエンジン回転数から変動成分の周波数f0 を算出しているが、入力軸回転数センサSaで検出した入力軸回転数から、あるいはエンジンEの点火時期信号から変動成分の周波数f0 を算出しても良い。
また実施の形態ではプーリ13,14の油圧を油圧センサSdで検出しているが、リニアソレノイドの電流値から換算しても良い。
また実施の形態では無端ベルト15を有するベルト式無段変速機TMについて説明したが、本発明の無段変速機はチェーンベルト式無段変速機やトロイダル無段変速機であっても良い。トロイダル無段変速機の場合、入力軸に設けられた入力ディスクが本発明の入力軸要素に対応し、出力軸に設けられた出力ディスクが本発明の出力軸要素に対応し、入力ディスクおよび出力ディスク間に挟持されて駆動力を伝達するパワーローラが本発明の動力伝達要素に対応し、入力ディスクおよび出力ディスク間にパワーローラを挟持する圧力が本発明の挟圧に対応する。

Claims (5)

  1. 駆動源(E)の駆動力が入力される入力軸(11)と、
    前記入力軸(11)に設けられた入力軸要素(13)と、
    前記駆動源(E)の駆動力が変速して出力される出力軸(12)と、
    前記出力軸(12)に設けられた出力軸要素(14)と、
    前記入出力軸要素(13,14)にそれぞれ接触して接触部分の摩擦により前記入力軸(11)から前記出力軸(12)に駆動力を伝達する動力伝達要素(15)と、
    前記入力軸(11)が有する任意の変動成分の前記出力軸(12)への伝達特性に基づき、伝達可能な最大トルク(Tmax)に対する実際の伝達トルク(T)の比であるトルク比(Tr)を推定するトルク比推定手段(M1)と、
    前記入出力軸要素(13,14)のうちの何れか一方の軸要素(13,14)の挟圧を制御する挟圧制御手段(M2)と
    を備える無段変速機の挟圧制御装置であって、
    前記トルク比推定手段(M1)は、前記入力軸(11)および前記出力軸(12)の変動成分の振幅比を指標化した滑り識別子(IDslip)と、前記入力軸(11)および前記出力軸(12)の変動成分の位相差を指標化した位相遅れ(Δφ)との少なくとも一方から前記トルク比(Tr)を推定し、
    前記挟圧制御手段(M2)は摩擦係数推定手段(M3)および摩擦係数学習手段(M4)を含み、
    前記摩擦係数推定手段(M3)は、前記トルク比(Tr)に基づいて前記何れか一方の軸要素(13,14)および前記動力伝達要素(15)間の摩擦係数(μ)を推定し、
    前記摩擦係数学習手段(M4)は、前記推定した摩擦係数(μ)を前記無段変速機(TM)の入力軸回転数および前記駆動源(E)の負荷トルク(T)の少なくとも一方に対応させて学習し、
    前記挟圧制御手段(M2)は、前記学習した摩擦係数(μ)を前記無段変速機(TM)の入力軸回転数および前記駆動源(E)の負荷トルク(T)の少なくとも一方をパラメータとして検索するとともに、前記検索した摩擦係数(μ)に基づいて前記何れか一方の軸要素(13,14)の必要軸推力(Q)を求め、その必要軸推力(Q)に基づいて前記何れか一方の軸要素(13,14)の挟圧を制御することを特徴とする無段変速機の挟圧制御装置。
  2. 記摩擦係数推定手段(M3)は、前記トルク比(Tr)と、前記負荷トルク(T)と、前記何れか一方の軸要素(13,14)の軸推力とに基づいて前記摩擦係数(μ)を推定することを特徴とする、請求項1に記載の無段変速機の挟圧制御装置。
  3. 前記挟圧制御手段(M2)は前記駆動源(E)および前記無段変速機(TM)を搭載した移動体がクルーズ走行しているか否かを判定するクルーズ判定手段(M9)を含み、前記摩擦係数学習手段(M4)は、前記移動体が前記クルーズ状態にあるときに前記摩擦係数(μ)を学習することを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の無段変速機の挟圧制御装置。
  4. 前記挟圧制御手段(M2)は、目標トルク比(STr)に基づいて前記何れか一方の軸要素(13,14)の必要軸推力(Q)を求め、前記トルク比推定手段(M1)により求められたトルク比(Tr)の変化量が所定範囲外になった場合に、前記目標トルク比(STr)を低く設定することを特徴とする、請求項1〜請求項3の何れか1項に記載の無段変速機の挟圧制御装置。
  5. アクセル開度(AP)を検出するアクセル開度センサ(Se)を備え、
    前記挟圧制御手段(M2)は、目標トルク比(STr)に基づいて前記何れか一方の軸要素(13,14)の必要軸推力(Q)を求め、前記アクセル開度センサ(Se)により求められたアクセル開度(AP)の変化量が所定範囲外になった場合に、前記目標トルク比(STr)を低く設定することを特徴とする、請求項1〜請求項4の何れか1項に記載の無段変速機の挟圧制御装置。
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