SE507869C2 - Förfarande för styrning av motormoment vid växling - Google Patents

Description

507 869 reglersystemet kan medföra att det erfordras en mycket lång inmätningstid för att på ett korrekt sätt kunna bestämma den bränslemängd som ger konstant synkront varvtal.

I SE,C,9600454-4 visas en lösning som syftar till att förbättra den ovan beskrivna 5 lösningen. För detta ändamål görs i samband med varje växling en mätning för att fastställa om det utstyrda nollmomentet var korrekt. Om så inte var fallet sker en korrigering av det ursprungliga nollmomentvärdet med det detekterade felaktiga momentet, så att inför en efterföljande växelurläggning motom utstyres med ett mer korrekt värde på nollmomentet. Även detta förfarande lider av nackdelen att motom 10 förväntas ha ett visst uppträdande. Ett sådant förfarande kan därför inte hantera stömingar som bara inträffar ibland. Sådana stömingar kan till exempel utgöras av stötar från släp, väg, etc., eller också kan automatiken råka begära växling i ett läge där drivlinan svänger, till exempel till följd av att föraren gör en stor förändring av gaspedalläget. Man får heller inte vid detta kända förfarande något mått som förutser kvaliteten på växlingen innan den 15 begärs. Det kan därför fortfarande inträffa att det ibland blir växling till neutralläge vid fel momentläge i växellådan.

Uppfmningens ändamål 20 Syftet med uppfinningen är att göra det möjligt att med större säkerhet än tidigare uppnå att det överförda vridmomentet i växellådan blir noll, oavsett om störningar uppträder eller ej. Eventuella stömingar skall kunna hanteras på ett sådant sätt att stömingamas inverkan minimeras. Ännu ett syfte är att göra momentregleringen snabbare, så att växlingen kan genomföras snabbare, dock utan att ge avkall på säkerheten. 25 Redogörelse för uppfinningen Ovan angivna syften uppnås genom att uppfinningen ges de särdrag som anges i den kännetecknande delen av patentkrav 1. Den enligt uppfinningen valda lösningen resulterar 30 i att momentregleringen av motorn varje gång anpassas till de förhållanden som råder vid det aktuella växlingstillfället. Detta resulterar generellt i snabbare och säkrare växling. 5 869 Förfarandet enligt uppfinningen kan förfinas genom att låta motorns bränsleregulator arbeta så att motom svänger i motfas och dämpar ut eventuella svängningar i drivlinan snabbare. 5 Övriga för uppfinningen utmärkande särdrag framgår av efterföljande beskrivning av ett utfóringsexempel, med hänvisning till bifogade ritningar.

Figurbeskrivning 10 Fig. 1 visar en principiell uppbyggnad av ett växlingssystem för mekaniska steg- 15 20 25 30 växellådor, fig. 2 visar principiellt ett arrangemang enligt uppfinningen för reglering av motorrnoment i samband med växling, fig. 3 visar en teoretisk modell av drivlinan till ett fordon, fig. 4 visar beräkning av torsionsvridning på basis av modellen i fig. 3, fig. 5 visar torsionsvridning och motormoment såsom funktion av tiden, under ett växlingsförlopp, fig. 6 motsvarar fig. 5, men här har växlingen påbörjats senare, och fig. 7 visar inverkan av regulatoms uppbyggnad på tidsförloppet för torsionsvridning och nettomoment från motorn.

Beskrivning av utföringsexemæl I ñg. 1 visas ett växlingssystem för övervakning och styming av datomnderstödd växling av en mekanisk växellåda i ett motorfordon. Systemets uppbyggnad och funktion överensstämmer till stora delar med uppbyggnad och funktion för de system som beskrivs i de inledningsvis angivna SE,C,9401653-2 och SE,C,9600454-4, varför här endast återges de delar som erfordras för förståelse av föreliggande uppfinning.

Fordonet drivs av en förbränningsmotor 2, företrädesvis en dieselmotor, vilken via en koppling 4, en mekanisk stegväxellåda 6, en kardanaxel 8, en slutväxel 10 och en drivaxel 12 är förbunden med fordonets drivhjul 14. I detta utföringsexernpel är kopplingen 4 507 869 10 15 20 25 avsedd att manuellt manövreras endast vid låga hastigheter samt vid start och stopp. Vid växling under färd mellan olika växlar är kopplingen 4 ej avsedd att manövreras, varken manuellt eller automatiskt, och växlingama sker således med kopplingen 4 i ingrepp och som en drivkraftöverförande förbindelse mellan motom 2 och växellådan 6.

Växlingssystemet utför växlingama dels genom att reglera motorvarvtalet och motor- momentet vid växlingama och dels genom manövrering av servon i växellådan för att lägga ur befintlig växel och lägga i nästa växel.

Genom att kopplingen 4 är i ingrepp under växlingen ställs det höga krav på motor- stymingen för att växlingen skall kunna ske med kortast möjliga momentavbrott i den mekaniska stegväxellådan, och med en momentfri urläggníng av en växel och god varvtalssynkronisexing vid iläggning av nästa växel.

I växlingssystemet ingår en med mikrodator försedd styrenhet 16, som via olika lechingar är förbunden med olika delar av systemet. I dessa ledningar överförs olika signaler, motsvarande vad som visas med pilar i fig. 1. Styrenheten 16 står ocksåi tvåvägsförbindelse med, d.v.s. skickar utsignaler till och erhåller insignaler från, ett flertal styrenheter via ett antal länkar, som i fig. 1 visas med dubbelriktade pilar. Via en länk 18 med motorns bränsleinsprutningssystem 20, vilket i sin tur står i förbindelse med olika, här ej närmare visade givare, erhåller styreheten 16 information om motoms varvtal n...

Styrenheten 16 erhåller via länken 18 även information om det aktuella motormomentet M, vilket i praktiken bestäms på basis av insprutad bränslemängd. Via en länk 22 reglerar bränsleinsprutningssystemet 20 bränslemängden till motoms insprutare. Under växling avger styrenheten 16 signaler till bränsleinsprutningssystemet 20 så att motom 2 utstyres med önskat moment M.

Via en ledning 24 får styrenheten 16 från en temperaturgivare i motom en signal representerande motoms temperatur Tu, eller i praktiken temperaturen på motoms 30 kylvätska. En givare 26 ger via en ledning 28 information till styrenheten 16 om något kraftuttag är inkopplat och utgör extra belastning på motom. 10 15 20 25 30 5786, Via en länk 30 är styrenheten 16 förbunden med olika magnetventileri växellådan 6, vilka aktiverar servon för i- och utläggning av växlar. Denna länk 30 utnyttjas även för att till styrenheten 16 avge signaler representerande växellådans 6 aktuella drifttillstånd, vilken växel som är ilagd, samt under växling signaler representerande växlingens olika förlopp.

Styrenheten 16 är vidare förbunden med andra, ej visade reglage för fordonets drift, exempelvis växelväljare, gaspedal, bromspedal, retarder, etc. Då dessa emellertid fungerar på konventionellt sätt och inte påverkar förfarandet enligt uppfinningen länmas dessa utan närmare beskrivning.

Växling initieras helt automatiskt om föraren valt ett automatikläge eller manuellt om föraren valt ett manuellt läge. Oberoende av hur växlingen initierats, automatiskt av styrsystemet eller manuellt av föraren, ombesörjes växlingen av styrenheten 16 utan att kopplingen 4 behöver manövreras.

Generellt gäller att för att en växling skall kunna ske smidigt är det önskvärt att först sänka motormomentet till en nivå som motsvarar nollmomentet i växellådan, så att neutralläge kan uppnås. För att växla till den nya växeln regleras därefter motorvarvtalet så att det stämmer med kardanaxelvarvtalet. Därefter ökas motorrnomentet till en av föraren önskad nivå.

Om växlingen utförs vid fel momentläge, orsakat av till exempel stömingar, driv- linesvängningar, ryck från släpvagn, etc. blir det en växelurläggning som ger svängiingar i kardanaxelvarvtal och hjulvarvtal. Detta medför att tiden för växling ökar, eftersom man måste vänta tills svängningarna dör ut. Det medför även att det blir ett ryck i fordonet, något som är störande för föraren och ger onödigt slitage på mekmiska delar, till exempel växellådan.

Ofta sänker man vid växlingens påbörjande motorrnomentet enligt en momentprofil som beräknas i förväg. Om man vill minska tiden för växling behöver momentprofilen göras brantare, vilket innebär större drivlinesvängningar, något som i sin tur medför att man måste vänta till dessa dör ut innan växling kan ske. Vid användning av förberäknade 507 869 momentprofiler tar därför växlingen längre tid eftersom man behöver extra marginal för att klara stömingar. Man har heller inget mått som förutser kvaliteten på växlingen innan den begärs. Detta har till följd att det ibland blir växling till neutralläge vid fel momentläge i växellådan, med ovan angivna ryck som resultat.

Det har enligt uppfinningen visat sig vara möjligt att underlätta växling väsentligt genom att med hjälp av återkoppling av en signal representerande överfört moment i växellådan reglera motorrnomentet så att momentet i växellådan blir noll. Detta innebär att så länge det överförda momentet i växellådan är skilt från noll sker en reglering av lO motorrnomentet, så att momentet i växellådan drivs till noll. Man erhåller således i varje speciell situation en unik motorrnomentprofil som är anpassad till den aktuella situationen.

Principen för en lösning enligt uppfmningen framgår av fig. 2 där fordonets drivlina 32 15 inkluderar motor 2, växellåda 6, kardanaxel 8 samt drivhjul 14 med tillhörande drivaxel.

En sensor 34 får via en ledning 36 information om aktuellt hjulvarvtal m, och får via ledningar 38, 40 och 42 information om aktuellt motorvarvtal nm, motorrnoment M och motortemperatur Tm, respektive. På basis av dessa uppgifter genererar sensom 34 en signal representerande det aktuella momentet i växellådan 6. Via en ledning 44 påföres 20 denna signal en bränsleregulator 46, som via en eller flera ledningar 48 förser motorn 2 med en bränslemängd i motsvarighet till signalens storlek.

Det har visat sig vara praktiskt svårt att åstadkomma en momentsensor i växellådan, men däremot har det genom försök visat sig att drivaxlarnas torsionsvridning är ett bra mått på 25 hur mycket moment som överförs i växellådan. Det visar sig nämligen att den del av drivlinan som är mest flexibel är drivaxlarna som vrids upp, positivt eller negativt, såsom funktion av överfört vridmoment. Om torsionsvridningen i drivaxlarna är noll medför detta att det går att växla ur snabbt och säkert utan att det blir svängningar i kardanaxelvarvtalet. 30 Mot bakgrund härav väljs enligt uppfinningen att låta sensom 34 fastställa ett värde på den aktuella torsionsvridningen cp av drivaxlarna såsom ett mått på det aktuella momentet i växellådan 6. Bränsleregulatom 46 arbetar således i praktiken med en insignal som representerar torsionsvridningen cp av drivaxlama. l sensorn 34 erhålls aktuellt värde på torsionsvridningen cp enligt följande: 1. Den aktuella motortemperaturen Tm och motorvarvtalet n... läses in från motoms styrenhet 16 för att sedan användas i en beräkning av motoms friktionsmoment Mf. 2. Aktuellt motor-moment M läses in från styrenheten 16, varefter motoms nettomoment u 10 beräknas såsom u = M - M; 3. Hjulvarvtalet nh läses in från till exempel fordonets ABS-styrenhet, varefter det tillsammans med motorvarvtalet nu, och motoms nettomoment u används i ett Kalman- filter för att beräkna den aktuella torsionsvridningen cp. 15 Det nämnda Kalman-filtret baseras på en enkel modell enligt fig. 3 av fordonets drivlina (se fig. l och 2). Två tröghetsmoment J; och I; är ihopkopplade med en dämpad fjäder k som symboliserar drivaxeln. Det första tröghetsmomentet J; består av motorn, kopplingen och växellådan. Det andra tröghetsmomentet J; består av hjulen och fordonsmassan. 20 Modellen drivs av det framräknade nettomomentet u (beräknat i steg 2 ovan) och bromsas av en last L, som i huvudsak består av väglutningen. Inverkan av rullmotstånd och luftmotstånd är liten i relation till inverkan av väglutningen, speciellt vid de låga värden och låga farter som här är av störst intresse. Fjädern k utsätts härigenom för en torsionsvridning cp såsom funktion av motorns nettomoment u och lasten L. 25 Modellen översätts till tre ekvationer som beräknar torsionsvridningen cp av fjädern k såsom funktion av motoms nettomoment u, motorvarvtal n", och hjulvarvtal nh. Detta visas schematiskt i fig. 4, där ett Kalman-filter 50 ingående i sensom 34 såsom funktion av u, nu, och m, beräknar torsionsvridningen cp. Såsom framgått tidigare utgör 30 torsionsvridningen cp från sensom 34 insignal till bränsleregulatom 46. Det har visat sig vara möjligt att genom att använda en bränsleregulator 46 av PID-typ få regulatorn att 507 869 åstadkomma motorstyrd dämpning av svängningar i fordmets drivlina. Detta kan uppnås genom att bränsle sprutas in så att motorn svänger i motfas och därigenom dämpar svängningar. Med enkla justeringsregler går det att åstadkomma en regulator 46 som genererar en bränslemängd så att torsionsvridningen (p drivs till noll utan att 5 dtivlinesvängningar exciteras (startas). Detta är betydelsefullt för att kunna växla ur fort och med rätt momentnivå.

En bränsleregulator 46 av PID-typ ingående såsom en av flera regulatorer i bränsle- insprutningssystemet 20, består av tre olika delar, nämligen en proportionell del (P-del), 10 en integraldel (I-del) och en deriveringsdel (D-del). Den inbördes avvägningen mellan dessa delar är avgörande för regulatoms uppförande. P-delen bestämmer snabbheten i regleringen. Ju större P-del, desto snabbare reglering. Snabbheten begränsas av hur mycket friktionsmoment som motom kan generera. 15 I-delen har till uppgift att se till att torsionsvridningen cp blir lika med noll. Därigenom säkerställs att växlingen sker under sådana förhållanden att det inte blir stömingar för föraren, samtidigt som varvtalsregleringsfasen blir kortare.

Med endast en P-del och en I-del kommer regleringen att resultera i att drivline- 20 svängningar över drivaxlaina exciteras. I-delen ser fortfarande till att torsionsvridningen blir noll, men det kommer att ta lång tid, då man måste vänta tills svängningarna dött ut.

Detta kan undvikas genom att använda en D-del i regulatom. Denna ser till att motorn dämpar svängningarna och att torsionsvridningen blir noll utan att svängningar exciteras. 25 Lösningen enligt uppfinningen har provats i olika körfall i en lastbil Scania 144L med en GRS90OR växellåda. Exempel på hur återkoppling tar hänsyn till störningar visas i fig. 5 och 6, där växling begärs mitt i ett läge där drivlinan svänger, till följd av en momentpuls från motom. Fig. Sa och 6a visar torsionsvridning cp såsom funktion av tiden, medan fig. 5b och 6b visar motsvarande motonnoment M såsom funktion av tiden. 30 507 869 I fig. 5 begärs växling vid tidpunkten 13,0 s och i fig. 6 vid 14,0 s (markerat med vertikala linjer). Genom att enligt uppfmningen använda återkoppling i kombination med motorstyrd dämpning genereras olika motormomentprofiler i de båda fallen, med resultat att torsionsvridningen cp snabbt drivs till noll från det aktuella svängningsläge som råder 5 då växling begärs.

Inverkan av D-delen i bränsleregulatom 46 kan närmare studeras i fig. 7, där fig. 7a visar torsionsvridning cp och fig. 7b visar nettomomentet u från motom såsom funktion av tiden. 10 Regulatom 46 beräknar en bränslemängd som genererar ett nettomoment u enligt fig. 7b (heldragen linje) och en torsionsvridning cp enligt fig. 7a (heldragen linje). Fordonet (samma som tidigare) körs i en viss hastighet som kräver ett nettomoment u på cirka 50 Nm (vid cirka 200 Nm friktionsmoment). Detta genererar en torsionsvridning cp på drygt 15 0,04 radianer. Vid tidpunkten 12 sekunder aktiveras bränsleregulatom 46 (används för växling och kan därför benämnas växlingsregulator) som beräknar bränslemängden så att torsionsvridningen cp drivs till noll. Först justeras P-delen så att önskad snabbhet uppnås.

En liten I-del räcker sedan för att uppnå noll torsionsvridning cp. Kombinationen av en P-del och en I-del visas med streckad linje i fig. 7a och 7b. Såsom framgår genereras över 20 drivaxeln drivlinesvängningar som måste hinna dö ut innan växling kan begäras. Vid den heldragna linjen förekommer samma I-del och P-del, men dessutom ingår en D-del i regulatorn. Denna D-del justeras så att svängningen dämpas genom att motom styrs i motfas. Detta medför att växling kan genomföras efter cirka 0,25 sekunder, vilket är snabbt för den låga växel som provet avser. 25 Såsom framgått uppnås genom uppfinningen snabbare, bättre och säkrare växlingar.

En orsak härtill är att reduceringen av motormomentet kan ske snabbare, eftersom motom styrs så att svängningar dämpas under denna fas. En annan orsak är att stömingen hanteras 30 genom att motormomentet justeras så att störningamas inverkan minimeras. Ännu en orsak är att ett mått på växlingskvaliteten finns tillgängligt innan växling begärs. Ännu en 507 869 10 annan orsak är att tiden för varvtalsanpassningsfasen minskas genom att det inte blir några svängningar i kardanaxelvarvtalet efter växelurläggningen.

Genom att återkoppling utnyttjas är det inte nödvändigt att ta hänsyn till om olika 5 hjälpapparater är inkopplade och belastar motorn. Detta görs automatiskt. Även slitage och andra tidsberoende egenskaper hanteras enkelt genom återkopplingen.

Genom att basera regleringen på torsionsvridning av vridaxlama vinns att regleringen blir enkel, med möjlighet att använda en enkel och tillförlitlig regulator av PID-typ. 10 Motormomentet fastställs såsom funktion av mängden insprutat bränsle genom prov med olika bränslemängder, och på liknande sätt fastställs motorns friktionsmoment. Det har härvid visat sig vara tillräckligt med ett enkelt antagande att friktionen är beroende av temperatur och varvtal. Endast marginell förbättring erhålls genom att göra utvärderingen 15 mera komplex.

Claims (10)

507 869 11 Patentkrav

1. Förfarande för att vid automatisk växling av en mekanisk stegväxellåda utan frikoppling i ett motorfordon reducera motorrnomentet (M) och därigenom det överförda 5 vridmomentet i växellådan i samband med urläggning av en växel till neulralläge, kännetecknat av att en signal ((p) representerande aktuellt överfört vridmoment i växellådan genereras, att denna signal (tp) drivs till noll genom att det pålagda motormomentet (M) reduceras så länge signalen är skild från noll, och att växling utförs då signalen drivits till noll. 10

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att signalen (cp) avseende aktuellt överfört vridmoment i växellådan påföres en bränsleregulator (46) till motom.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att såsom signal (cp) representerande 15 aktuellt överfört vridmoment i växellådan används en signal avseende aktuell torsionsvridning av till fordonets drivhjul ( 14) kopplade drivaxlar (12).

4. Förfarande enligt krav 3, kännetecknat av att aktuellt värde på torsionsvridningen beräknas genom Signalbehandling av mätsignaler avseende aktuellt motorvarvtal (nm) och 20 drivhjulsvarvtal (nh).

5. Förfarande enligt något av kraven l-4, kännetecknat av att motonnornentet (M) regleras så att det ändras i motfas mot svängningar i fordonets drivlina och därigenom dämpar dessa svängningar. 25

6. Förfarande enligt krav 5, kännetecknat av att for motorstyrd dämpning av svängningar i fordonets drivlina utnyttjas en bränsleregulator av PID-typ, vilken inkopplas under en växlingsfas. 10 15 507 869 12

7. Förfarande enligt krav 4, kännetecknat av att ett KaJman-filter utnyttjas för att beräkna den aktuella torsionsvridningen (cp), varvid Kalman-filtret baseras på en modell av fordonets drivlina.

8. Förfarande enligt krav 7, kännetecknat av att den använda modellen innehåller två tröghetsmoment (11, 12) som är sammankopplade med en dämpad fjäder (k) symboliserande drivaxeln (12), vars torsionsvridning (cp) skall bestämmas, varvid det första tröghetsmomentet (11) utgörs av motor, koppling och växellåda, det andra tröghetsmomentet (J 2) utgörs av hjulen och fordonsmassan, och varvid modellen drivs av motorns nettomoment (u) och bromsas av en last (L) representerad huvudsakligen av vägbanans lutning.

9. Förfarande enligt krav 8, kännetecknat av att såsom ingående variabler utnyttjas motorns nettomoment (u) och varvtal (nm) samt hjulens varvtal (nh).

10. Förfarande enligt krav 2, kännetecknat av att bränsleregulatorn (46) genererar en bränslemängd så att torsionsvridningen (tp) drivs till noll utan att drivlinesvängningar exciteras.