本发明要求以下瑞典专利申请的优先权和受益权:2005年11月15日提交的0502543-2,2005年11月27日提交的0502650-5,2005年12月5日提交的0502793-3,2006年2月6日提交的0600241-4,2005年12月12日提交的0502799-0,2005年12月12日提交的0502901-2,2005年12月23日提交的0502894-9,2006年5月15日提交的0601082-1,2006年6月6日提交的0601252-0,2006年7月23日提交的0601618-2,2006年10月3日提交的0602107-5,2006年10月5日提交的0602108-3,和2006年10月22日提交的0602274-3,上述专利申请的全部教导在此以参见的方式被引入。
具体实施方式
图1是类似于美国专利6,740,002中所描述的动力系的示意图。此动力系包括:内燃机101,其也称为爆燃式发动机;飞轮以及集成的引擎侧电机EM 102;减缓器102,用于吸收引擎扭矩波动;机械连接装置103;轮胎侧电机TM 105;齿轮箱106;差动器107;和终止于轮胎中的两个轴109和110。
为利于控制,提供角度位置传感器,其在下文中称为编码器。编码器114追踪EM 102和引擎101的角度位置。编码器115追踪TM 105和齿轮箱106的输入轴的角度位置。编码器116或120追踪齿轮箱副轴的角度位置。可加入扭矩传感器119或117/118以检测施加于轮胎的扭矩。
机械连接装置103可为在传统驱动系中有能力承接高扭矩滑动的离合器、仅有能力承接低扭矩滑动的离合器、或可移动键装置或键套,所述可移动键装置或键套类似于用于齿轮箱中以使嵌齿轮与其轴连接或脱离连接的装置,这种装置的一个示例如图9a中的部件913所示。这三类机械连接装置103中的任一种可与飞轮装置结合,飞轮装置将扭矩从引擎101传输到齿轮箱106,但不将扭矩从齿轮箱传输到引擎。常用自行车通常具有这种能力,即,将扭矩从驱动器传输到后轮,但允许驱动器在下坡时空转。技术描述可显示在德国INA-Schaeffler KG,DE-91072 Herzogenaurach的目录“Hulsenfreilaufe”中。机械连接装置103可仅包括飞轮装置,而没有任何离合器或可移动键装置。飞轮装置可替代地可串联或并联连接到离合器或键装置。
为了允许使用引擎101作为制动器,包括并联连接到(例如如图9a中所示)键装置的飞轮装置在内的结构可适用于一些情况。这导致具有三种模式的***:
a)在TM 105与引擎101之间通过减缓器104的连接,b)完全没有连接,和c)在TM 105与引擎101之间通过减缓器104和飞轮装置的连接。
进行模式选择的致动器在齿轮变速过程中可空闲。这样简化了齿轮变速控制,这将在下文中参照图7进行描述。
减缓器104在传统方式中包含弹簧,如果减缓器的引擎侧部分与减缓器的轮胎侧部分之间的角度被迫离开其中立状态,则弹簧将起作用。这种减缓器的弹簧常数通常设置为使得反应扭矩在大偏转时较大。如果减缓器104与键套一起使用而使得当在齿轮变速过程中不使用引擎和引擎速度与输入轴速度不匹配时允许使引擎脱离连接,则如果减缓装置包括具有极小弹簧常数的关于中立角度的角度部分,则其中必须将键套松开和接合的定时窗口可以延长。在这种情况下,即使EM与TM之间的角度导致减缓器从中立角度偏离若干度,也可执行齿轮脱离接合。
无论所用连接装置的类型如何,均需要一些模式选择致动器。在图1中,所示装置103为具有致动器123的离合器。由于离合器中轴向力较大,因而需要相当有力的致动器。
提供三个另外的致动器124、125、126,每个致动器控制齿轮箱两个速度的接合或脱离接合。致动器124可接合齿轮1号或2号,等。齿轮箱106是具有多个齿轮或称为齿轮位置的手动类型齿轮箱,齿轮箱中的成对的专用嵌齿轮与每一齿轮位置协作,每对嵌齿轮中的一个嵌齿轮位于齿轮箱的输入侧上,而另一个嵌齿轮位于输出侧上。
在混合动力动力系的传统方式中,提供两个逆变器127和128用于将两个电机102和105连接到能量储存器129。而且,设置控制单元131,用以基于来自多个源的信息控制引擎、两个电机和致动器,其中仅显示了最重要的源。来自驱动器的输入主要包括施加于制动器和加速器踏板的力。在图1中未示出的输入中,可提及的包括表示电动马达定子和电源电路的温度的信号,设置所述信号以避免过热,还包括GPS位置以允许决定使引擎开动或不能运行,参见引用的美国专利6,740,002、权利要求52。
可设计所述轴,从而通过为轮轴提供相同弹性的结构来简化由控制单元131表示的控制***。如果两个轴具有不同刚度,所述刚度限定为角度偏转除以所施加的扭矩,则从两个轴释放相同扭矩将需要差动器107内的内运动。这种增加的运动将使快速齿轮变速所需的控制模式更复杂。短轴109被设计为传统轴,其包括具有大约250mm长度和大约23mm直径的实心柱部分。较长轴110/111具有接近于差动器的部分110,部分110具有与轴109大致相同的直径。在空间更大的远离差动器之处,长轴包括的部分111具有较大截面并具有高得多的刚度。通过适当选择直径,两个轴的总刚度均可制成为大致相同,并按照下文中的例示计算而对每一轴设定为8.5kNm/半径。
在从低速加速的过程中,初始使用齿轮1号,离合器103脱离接合,直到至适合速度。引擎101然后起动并使用EM 102作为起动马达。当引擎和EM已经达到同步速度时,离合器103闭合,扭矩可通过两个电机102和105以及引擎101进行传输。通过轴109和110/111传输的高扭矩将使所述轴弯曲。假定在每一轴上具有1kNm,则所述轴弯曲大约118mrad或6.7度。
图2a-2k的示意图显示了当执行从齿轮1号至齿轮2号的齿轮变速时***中的一些参数。在示意图中未显示或考虑在引擎的一转过程中发出引擎扭矩变化的情况;简化例示而使得引擎的扭矩在每半转过程中被设定为常数值。如果考虑引擎扭矩的变化,则将很难说明和理解这些示意图。这些示意图表现了包括内燃机的驱动系,该内燃机具有四缸,其中对于每一内部爆燃可以控制扭矩。图2a-2k的图线显示了140ms的周期,始于t=0的时刻之前10ms的活动齿轮变化开始时。
图2a-2k显示了与弹簧动作或轴的弹性相关的所选参数;减缓器的弹簧动作如图6a-6k的图线中所示.图2a-2k可展示一***,其中机械连接装置103为简单的键装置.如果可替代地实现将可锁定飞轮装置与键串联的三模式装置,则这些示意图将基本相同。
图2a显示了TM机105的速度与对应于轮胎速度乘以齿轮箱106的齿轮比的速度之间的偏差。在时间t=0之前,此差大致等于零,对应于轴109和110/111的大致恒定的扭转。在t=0时,离合器103脱离接合,见图2d,这是可能的,因为离合器上的扭矩已经消除,如图6a-6k中所示。TM 105因而与引擎101和飞轮机EM 102脱离连接。TM因而与引擎101和飞轮机EM 102脱离连接。TM 105施加负扭矩短脉冲,见图2e。这一扭矩与来自轴109和110/111的扭矩一起导致TM的有力迟滞,见图6k。TM的速度将因而在齿轮箱输入来看相比于轮胎速度而下降,见图6h。这种速度差将快速消除轴上的扭矩,见图6k.在t=30ms时,齿轮1号松开。TM105现在应着眼于齿轮2号的未加载速度。当齿轮2号已经接合之后,TM必须在轴中再次形成弯曲,可看出,这是由于在从t=60至t=90的时间中TM具有高于轮胎的速度。
图2b显示了车辆的加速。这与轴110/111和109中的弯曲紧密相关,这是因为所有导致扭矩的加速均通过这些轴。在t=15ms时,加速已经减少了大约50%。TM 105在t=0.005ms时已经从其最负值开始增加其扭矩,以获得小的车辆加速和小的速度差,如图2a中t=30ms处所示。小的加速在轴109和110/111中形成小的扭转,以及处于齿轮1号位置中嵌齿上的小扭矩,这意味着齿轮1号可脱离接合。这发生在t=32ms时。
图2b的图线显示了加速,其始于5.05m/s2,此后行进至略低于零,并终止于5.03m/s2。加速在轴的扭转弯曲中大致为线性;由此,图中也可看出,轴的扭转从0.117rad下降至0并返回。
图2c显示了齿轮。初始,齿轮1号接合。齿轮1号直到来自扭转轴的张力已经释放才脱离接合。在t=29ms时,由于轴扭转所致的扭矩已经从总量1980Nm下降,其中齿轮载荷从131Nm降至接近于零,且齿轮在t=30ms时松开。在t=46ms时,TM 105已经将其速度调节至当齿轮2号已接合时齿轮箱106的输入应具有的同步速度,而且轴109和110/111中的弯曲将已达到恒定的稳定值。在t=52ms时,齿轮2号接合,详见图4g-4h。初始时基本上无加载,直到时间t=64ms时,传输扭矩才达到其初始值的10%。
图2d显示了离合器103的接合;其松开在t=0处限定。在离合器松开之前,离合器减缓器104上的净扭矩已经随引擎扭矩减小而减小,见图2f。轮胎侧电机TM 105和引擎侧电机EM 102已经施加了相反的扭矩T_TM和T_EM,以释放减缓器中的扭矩,如图6f中所示。离合器103在齿轮2号接合之后大约3ms时接合。当离合器接合时,如图6h中所示的轮胎侧马达105的速度和如图6g中所示的引擎101的速度均大致恒定,并与当齿轮2号已经接合之后齿轮箱106的输入轴所具有的未加载速度(如图2a中所示)同步。
离合器103闭合后不久在t=57ms时,引擎101被设定至高扭矩以加速引擎101。两个马达102、105用于在轴109和110/111中并在减缓器104中形成扭转。在t=74ms时,已形成大致一半的所需轴扭转。现在,引擎101和两个电机102、105的运转速度所对应的传播速度高于车辆的当前传播速度,两个电机用于获取接近于齿轮箱106输出轴速度的速度,而同时在轴109和110/111中并在减缓器104中设定适合的扭转。这在图6a-6k中进一步例示。如图2e和2g中所见,TM和EM在齿轮2号接合之后不会立刻施加全扭矩,这是因为这将导致当已经达到轴中所需张力时马达的运行速度高于适合速度。
图2e显示了轮胎侧电机TM 102的扭矩。此电机在齿轮变速过程中执行多种功能。首先,恰在齿轮变速之前,形成一扭矩序列,其与来自EM 105的类似但逆反的扭矩序列一起在减缓器104中释放扭矩。这允许连接装置103脱离接合,无论其是键套还是传统离合器。TM 102然后进行下斜并随后进行上斜,以释放轴109和110/111中的扭矩。当处于齿轮1号位置的嵌齿轮上的扭矩已经达到足够低的值时,齿轮1号脱离接合。TM 102然后进行更长的负向斜行以将其速度调节至接合齿轮2号所需的速度。当在齿轮2号完全接合且离合器103接合之后,TM操作以与另一电机EM一起在轴109、110/111中和在减缓器104中形成适合的扭矩,这将在图6a-6k中进一步例示。
图2f显示了引擎101的扭矩。其中简化为,在从一个活动冲程到下一个活动冲程的间隔中具有恒定扭矩。假定采用大约1500rpm的4缸冲程引擎,则从一个动力冲程启动至随后的动力冲程启动为大约20ms。调节两个电机102、105的相位和速度以设定轴109和110/111以及减缓器104的正确扭转,是相当复杂的操作,其中包括在反馈控制下的多个短时(5-10ms)加速和迟滞。显然,这不能使用引擎101实现,这是因为,对于发生间隔约为20ms的每次半转动,仅进行一次控制。
虽然引擎101不能用于精细调整,但其适于在当由引擎传输的扭矩可在齿轮变速操作过程中适合的时候改变时启动齿轮变速。
图2g显示了引擎侧电机EM 102的扭矩。在时间t=0至t=55mm时,EM 102迫使引擎速度下降并且其转动能量部分地恢复。在此时段中,在如同实际中的应用中,将存在扭矩改变以应对速度数据等的变化。在此处显示的简化的例示模型中并未发生这样的变化,因而给出一直线,EM 102然后参与在轴109和110/111以及减缓器104中构建正确的扭转。
图2h以类似于图2a的方式显示了引擎101的速度与对应于轮胎速度乘以齿轮箱106的齿轮比的速度之差。左部对比引擎速度与齿轮1号所需速度。右部对比引擎速度与齿轮2号所需速度。
图2k显示了传送到电池即储存装置129的动力,其中,负值指示电池放电。可能不得不在未示出的电阻上消除峰值动力以避免电池过载。
图2e和2g中所示电机102、105的扭矩具有通常限制在35Nm/ms的斜度。考虑到马达可在毫秒内从全正扭矩改变至全负扭矩,选择所述斜度以在***中提供较小的瞬时变化。
为了执行上述操作,以控制单元131为代表的控制***需要信息。图1中所示编码器114指示了引擎101和引擎侧电机102的速度,并也可用于电机102的通讯。另一编码器115指示了齿轮箱106的输入轴的速度,并也可用于电机105的通讯。编码器116指示了齿轮箱106的输出轴的速度。编码器120位于轮胎的邻近处,并由于差动器107的嵌齿与齿轮箱106输出轴中嵌齿之间的作用而对速度波动不太敏感,因此,这样是优选的。
一个或两个扭矩传感器117和118安装为使得轴109或110/111可穿过其间。例如119的其他位置也是可以的。扭矩测量仪类型的扭矩传感器由瑞典Vasteras的ABB自动化技术制造AB公司销售,其允许200微秒的分级响应,并使用轴钢的软磁性能作为传感器的主要因素,且看来适于处于与差动器邻近的环境。
具有伺服马达的控制***经常提供非常可靠的结果。因此,在达到最终致动器移动的适合条件之前,如果经验显示在若干毫秒之后将满足适合的条件,则***可启动齿轮变速并启动离合器致动器。
图3是齿轮变速中所包含的部件的示意图,其中限定了一些术语。其中仅显示了齿轮1号和2号位置的嵌齿轮。在输入轴上的嵌齿轮构造为围绕输出轴自由转动,而在输出轴上的嵌齿轮构造为相对于输出轴固定。在机械方面更优选的是,使较大的轮浮起的相反结构;为了说明目的,图3的示例具有的优点在于,多数转动可以涉及输入轴。
引擎101的轴的速度称为V_eng。输入轴的速度称为V_TM,这是因为输入轴牢固联结到TM 102。在齿轮1号位置的输入轴嵌齿轮的速度称为V_G1。在齿轮1号接合的情况下,V_G1=V_TM。在齿轮2号位置的输入轴嵌齿轮的速度称为V_G2。在齿2号接合的情况下,V_G2=V_TM。齿轮可如通常在“手动”齿轮箱中的那样通过轴向可移动的键而接合。
输出轴以固定比率连接到轮胎。轮胎的速度称为V_T。如果不存在弹性和嵌齿作用,则V_T·(齿轮比2)·(端齿轮比)=V_G2.
图4a-4h的示意图显示了在图2a-2k中所示序列中键装置和接合齿轮2号的致动器的详细时序。
图4a显示了在时序中的任一点哪一齿轮接合。在时间t=30时,齿轮1号接合。在齿轮2号已经接合之后,由于齿轮2号然后锁定到轴122和TM,因而速度差为零。
图4b-4d显示了齿轮2号位置的同步。
图4b显示了输入轴速度V_TM与齿轮2号位置的嵌齿轮的速度V_G2之差。当齿轮1号接合时,其约为130rad/s并之后由于如图2a-2k中所示的TM 102的作用而降低。
图4c显示了相同的速度差,但其并未以rad/s表示,而是以在可移动键套上键的经过情况表示,其中,所述经过情况在轴122上相对于齿轮2号位置的嵌齿轮的键而同步。这种模拟是在以下假定下进行的,即,假定在如图3中所示模型中的两轮中的较大轮上具有42个键,其转换为在小齿轮上的(42/1.905=22.047)个键,其中齿轮2号的齿轮比为1.905。初始,当齿轮1号接合时的速度差为0.45键/ms。
图4d显示了在嵌齿轮上的键与如图4c中所示轴向可移动套中的键之间的角度差。角度差以键为单位表示。
图4e显示了放大后的相同键差。其量值为±0.5键分段(splinedivision)。如果可移动键环与嵌齿轮键相差+0.5或-0.5键分段,则齿轮不可能接合。优选的是,最大键差约为±0.1键分段,这是因为这允许在不必转动嵌齿轮的轴的情况下接合。
在图4d-e所示的示例中,已经在时间t=46ms时遇到这种情况。
图4f显示了用于接合齿轮2号位置的键套的位置。所述套可通过如图中所示装置移动。这样的装置可与用于传统手动齿轮箱中的部件大致相同,但增加了与小齿轮配合的短架。在所示情况下,小齿轮减小至实际使用的部分。在图5的示例中,假定在此图中未显示的键套和键套动子的重量为0.4kg,小齿轮的有效半径为18mm,驱动小齿轮的马达或致动器的惯量为1.3kgcm2。假定马达允许短期的3Nm的峰值扭矩,从而在键套动子架上提供166N的力。这导致键套动子在大约12ms中移动9mm。如图14中所示的线性致动器可在少得多的时间内执行相同的移动.
图4g显示了传统手动齿轮箱中常用的弹簧的用于保持键套处于其预计位置。当套开始移动时,这些装置导致大约60N的力以将套保持在其中立位置。这减缓了键套的加速。在移动大约2mm之后,此力消失。在移动结束时,出现另一类似的力。此力意在将键保持在其接合位置,并由此使套加速。
图4h显示了在架上显示为力的致动器马达扭矩。其中包含负力,因而当键套达到其可能的冲程的末期时减速并由此减小冲击。为了对嵌齿轮上的键和键环上的键的相对位置进行调节,控制***必须具有关于键的相对位置的信息。这可通过多种方式实现。
一种方法是,设置图1的编码器115,其能够记录多转。这样的可区分4086转的装置在工业自动化中是公知的。齿轮箱的比率可表示为整数的比值。因此,在不同嵌齿轮之间的关系将在一定转数之后重复。
下表1显示一示例:
齿轮 | 内嵌齿 | 外嵌齿 | 比率 | 重复所需转数 |
1 | 14 | 46 | 3.29 | 23 |
2 | 21 | 39 | 1.86 | 39 |
3 | 28 | 32 | 1.14 | 8 |
4 | 32 | 28 | 0.88 | 7 |
5 | 35 | 25 | 0.71 | 5 |
表1
多转编码器在表1中所示情况下必须能够记录(23·39·8·7·5=251160)转。
通过对比率对小的调整,必要转数可显著减少。下表2显示一示例:
齿轮 | 内嵌齿 | 外嵌齿 | 比率 | 重复所需转数 |
1 | 15 | 45 | 3.00 | 3 |
2 | 20 | 40 | 2.00 | 2 |
3 | 28 | 32 | 1.14 | 8 |
4 | 32 | 28 | 0.88 | 7 |
5 | 35 | 25 | 0.71 | 5 |
表2
多转编码器于是必须能够记录(3·8·7·5=840)转。由于缺陷齿轮将很经常地遇到配合嵌齿轮上的相同的齿,因而重复嵌齿序列的小转数具有嵌齿寿命上的缺点。
对于相同问题的软件解决方案是,提供一程序,用于当停车时寻找每一齿轮的接合位置并记录由编码器115和116给出的所有齿轮的位置。这提供了开始值,而且通过追踪编码器115和116的移动,可对于任何时刻计算出所有齿轮的键对的位置。
通过即使当停车时也保持编码器115激活并可以也保持编码器116/120激活,可保持必要数据而不必重复位置寻找程序,除非在主电源失效之后,例如主电池更换的情况。
图6a-6e的图线重复显示了已在图2a-2k中显示的数据,离合器103与齿轮的接合时序,和由齿轮变速控制***控制的三种扭矩。TM102和EM 105的扭矩可在低于毫秒的时间框架中进行控制,而引擎101的扭矩可在引擎轴的每次转动中仅受到两次影响。
图6f-6k显示了结果产生的扭矩和速度。
图6f显示了在减缓器104上的扭矩。在时间t=0之前对TM 102和EM 105进行的扭矩调节导致TM速度保持恒定而引擎101的速度减慢,从而将减缓器104的扭矩释放至零。这允许离合器或键装置103的软性的无波动的脱离接合。由于当离合器上存在极小扭矩而且接合时的离合器两侧之间的速度差极小时,***中显示的离合器可接合和脱离接合,因此,可选择离合器而没有任何滑动功率消耗,而且如果与键同步所需的时间可以接收,则离合器可例如与用于齿轮箱中的可移动键类似。
由于TM 105的速度在t=-10至0ms的时间间隔中不受影响,因而在轴109和110/111之中或之上的张力将不受影响。
当离合器在时间t=57时接合之后,减缓器104和轴109和110/111必须扭转以传输所需扭矩.由于***包含两种将进行控制扭矩因素(即轴和减缓器)和两种受控扭矩源TM和EM,因而***可进行控制,且所示用于EM 102和TM 105的扭矩将导致在轴109和110/111上扭矩的快速重建,如图6k中所示。相同的扭矩将导致减缓器104以所希望的扭矩大致稳定。
引擎101的扭矩仅在每次燃料注射时可控,即在所示示例中大约每20ms可控一次。通过在相对于引擎轴位置的适合时间启动齿轮变速,引擎的快速扭矩增加可按时进行,所显示的情况是在离合器103接合之后立刻进行。
小心调节键套与齿轮键齿的配合,如图4d和4e所示,这将进一步参照表3描述。离合器103的接合如图2a-2k、4a-4h和6a-6k所示,其中不包含任何伺服运动,以允许简单的键与连接装置103的套工具的配合。因此需要更传统的离合器。不过,离合器将需要相当大的致动器力,经受非接合状态下的相当大的损失,和/或较长的开关延迟。飞轮的解决方案因而看来是有吸引力的,其构造为可用于如图7a-7k的示意图中。
图7a-7k显示了如图6a-6k中所示相同的实体的数据。在图7a-7k中,所示情况为从齿轮3号位置至齿轮4号位置的齿轮变速。如图7a-7k中所示的加速是中等的,而如图2a-2k、4a-4h和6a-6k中所示的加速接近于最大值。不同于在图2a-2k、4a-4h和6a-6k中构造的***,在图7a-7k中构造的***可通过飞轮装置将TM105连接到引擎101,所述飞轮装置例如可包含在机械连接装置103中。在图9a中显示其示例。飞轮装置在图7a-7k的图线中显示的整个时段中实现连接,并在如图7a中所示“飞轮”的时段中将包含引擎和EM 102的***与TM 105***脱离连接。
图7f-7k显示了结果产生的扭矩和速度。
图7f显示了减缓器的扭矩。此扭矩从时间t=18至t=23ms快速减小。由于减缓器104连接在引擎飞轮(与EM 102转子相同)与TM 105之间,因而减缓器扭矩的快速减小需要这两个单元之间的显著速度差。这也在图7g和7h中可见。
如果尚未安装飞轮装置,则对TM 102和EM 105的调节将不得不补偿这种大的速度差。在所述***中这是不必要的,因为一旦减缓器104的扭矩降至零,即在时间t=23ms时,则引擎101和EM 102与齿轮箱106和TM 105脱离连接。
在当减缓器104上的扭矩由于飞轮装置而为零时的时段中,存在两个暂时独立的***,每一***包括具有高带宽的电动马达。引擎飞轮速度通过引擎101的扭矩受到影响,见图7d,但通过EM 102的扭矩执行所有精确控制,见图7e。EM 102的一个任务是在第四齿轮在时间t=46ms时接合之前迫使引擎速度达到适合的值。当齿轮4号位置已经接合时,引擎速度的小的增加将使其运转快于TM 102,从而使飞轮装置锁定并使减缓器104上的扭矩增加(见图7f),由此使来自引擎101和EM 102的扭矩能够到达轮胎。
EM 102的任务是迫使其速度和相位允许将齿轮4号位置嵌齿轮连接到齿轮箱106输入轴的键套平稳接合。由于TM 105刚性安装到齿轮箱输入轴,因而这意味着TM的速度和相位应设置为达到与齿轮4号位置的键相同的速度和相位。这种操作在齿轮3号已脱离接合时就可开始。对此进行控制的一种方法如表3中所示。用于允许齿轮3号低载荷松脱的序列使TM 105具有5Nm的正扭矩和147rad/s的速度。为了与齿轮4号位置的嵌齿轮同步,TM必须将其速度改变至齿轮4号位置的同步速度,该速度为115.75 rad/s。这显然需要负扭矩。控制器131因而将扭矩朝向接近于最大负扭矩-140Nm而改变。在时间t=23.2ms时,扭矩已改变至-110Nm,而且齿轮接合的伺服控制启动。
通过选择将齿轮4号的嵌齿轮的哪一键位置用作目标,开始伺服算法。通过设置速度差为t=23.2ms时的30.37rad/s,TM 105和齿轮箱106的输入轴的惯量假定为例如0.041kgm2,平均制动扭矩为110 Nm并小于但不显著小于最大制动扭矩140 Nm,则达到同步速度的总时间应为30.37/(110/0.041)=11ms,而且应使齿轮4号的嵌齿轮的键相对于输入轴移动0.011^2/2(110/0.041)=0.17rad。由于在全转中仅存在30键,因而必须选择适合的键。在表3的示例中,最适合的键位置在0.1639rad处,这被设置为伺服控制算法的目标。
表3显示为具有第4-65行第B-L列的Excel电子数据表打印输出形式。第B列以ms显示时间并对应于用于图7a-7k的时间量值。第C列显示了在输入轴上与处于稳态的输出轴同步所需的速度,其类似于图3中显示的速度V_G1和V_G2。轮胎速度是线性的并将出于所有实用目的而在齿轮变速中恒定。
第D列显示了在TM轴键位置与齿轮4号的嵌齿轮同步位置之间的角度距离。为了简化术语,假定齿轮4号位置的键位于如图3中所示的输入轴上。初始,所述距离为-0.1639 rad。由于速度差为正值,因而角度距离减小。例如,D12=D11+F12×Time_incr,其中,Time_incr是在各打印输出线之间的时间,为0.0002s。
第E列显示了TM 105的轴的速度。初始,该速度为146.12rad/s。该速度将根据第I列中显示的TM扭矩而改变。例如,E12=E11+I12×Time_incr/TM_inertia,其中,TM_inertia为0.041kgm2。
第F列以rad/s显示了TM 105的轴与位于输入轴上的第四齿轮假想嵌齿轮之间的速度差。例如,F12=E12-C12。
第G列是第F列中显示的速度差的目标速度,以rad/s表示。作为一示例,G12=sqrt[2·abs(D11)·Acc_targ]·sign(D11),其中,Acc_targ是目标加速度,即TM_torq_targ(110Nm)除以TM__inertia(0.041kgm2)。
第H列是速度误差。例如,H12=F12-C12。
第I列TM马达扭矩;例如,I12=max(TM_torq_lim;(-TM_torq_bias-Gain·H11)),其中,TM_torq_lim是TM 105的极限扭矩-140Nm,Gain是伺服参数并在表3中设定为40,TM_torq_bias始于TM_torq_targ(-110Nm),直到第D列中显示的同步距离接近于零;TM_torq_bias然后在时间t=33.4ms时降至-90,并降至-70、-50、-30、-15直至在t=34.4ms时最终降至零。
B C D E F G H I
time V_G4 sync V_TM V_diff V_d_targ V_err T_TM
ms dist
4 23.2 115.75 -0.1639 146.12 30.37 30.20 0.17 -110
5 23.4 115.75 -0.1580 145.55 29.80 29.66 0.14 -117
6 23.6 115.75 -0.1521 144.99 29.24 29.11 0.12 -116
7 23.8 115.75 -0.1464 144.43 28.68 28.57 0.11 -115
8 24.0 115.75 -0.1408 143.87 28.12 28.03 0.09 -114
9 24.2 115.75 -0.1352 143.31 27.56 27.48 0.08 -114
10 24.4 115.75 -0.1298 142.76 27.01 26.94 0.07 -113
11 24.6 115.75 -0.1246 142.21 26.46 26.40 0.07 -113
12 24.8 115.75 -0.1194 141.66 25.91 25.85 0.06 -113
13 25.0 115.75 -0.1143 141.11 25.36 25.31 0.06 -112
14 25.2 115.75 -0.1093 140.56 24.82 24.76 0.05 -112
15 25.4 115.75 -0.1045 140.02 24.27 24.22 0.05 -112
16 25.6 115.75 -0.0997 139.47 23.72 23.68 0.05 -112
17 25.8 115.75 -0.0951 138.93 23.18 23.13 0.05 -112
18 26.0 115.75 -0.0906 138.38 22.63 22.59 0.04 -112
19 26.2 115.75 -0.0862 137.84 22.09 22.05 0.04 -112
20 26.4 115.75 -0.0818 137.29 21.54 21.50 0.04 -112
21 26.6 115.75 -0.0776 136.75 21.00 20.96 0.04 -112
22 26.8 115.75 -0.0736 136.20 20.45 20.41 0.04 -112
23 27.0 115.75 -0.0696 135.66 19.91 19.87 0.04 -112
24 27.2 115.75 -0.0657 135.11 19.36 19.32 0.04 ·111
25 27.4 115.74 -0.0619 134.57 18.82 18.78 0.04 -112
26 27.6 115.74 -0.0583 134.02 18.28 18.23 0.05 -112
27 27.8 115.74 -0.0547 133.47 17.73 17.68 0.05 -112
28 28.0 115.74 -0.0513 132.93 17.18 17.14 0.05 -112
29 28.2 115.74 -0.0480 132.38 16.64 16.59 0.05 -112
30 28.4 115.74 -0.0448 131.84 16.09 16.04 0.05 -112
31 28.6 115.74 -0.0416 131.29 15.55 15.50 0.05 -112
32 28.8 115.74 -0.0386 130.74 15.00 14.95 0.05 -112
33 29.0 115.74 -0.0358 130.20 14.45 14.40 0.05 -112
34 29.2 115.74 -0.0330 129.65 13.91 13.85 0.06 -112
35 29.4 115.74 -0.0303 129.10 13.36 13.30 0.06 -112
36 29.6 115.74 -0.0277 128.55 12.81 12.75 0.06 -112
37 29.8 115.74 -0.0253 128.01 12.26 12.20 0.06 -112
38 30.0 115.74 -0.0229 127.46 11.71 11.65 0.07 -113
39 30.2 115.74 -0.0207 126.91 11.17 11.09 0.07 -113
40 30.4 115.74 -0.0186 126.36 10.61 10.54 0.07 -113
41 30.6 115.74 -0.0166 125.81 10.06 9.99 0.08 -113
42 30.8 115.74 -0.0147 125.25 9.51 9.43 0.08 -113
43 31.0 115.74 -0.0129 124.70 8.96 8.87 0.09 -113
44 31.2 115.74 -0.0112 124.15 8.41 8.31 0.09 -114
45 31.4 115.74 -0.0096 123.59 7.85 7.75 0.10 -114
46 31.6 115.74 -0.0082 123.04 7.30 7.19 0.11 -114
47 31.8 115.74 -0.0068 122.48 6.74 6.62 0.12 -114
48 32.0 115.74 -0.0056 121.92 6.18 6.05 0.13 -115
49 32.2 115.74 -0.0045 121.36 5.62 5.47 0.14 -115
50 32.4 115.74 -0.0034 120.79 5.05 4.89 0.16 -116
51 32.6 115.74 -0.0026 120.22 4.48 4.30 0.18 -116
52 32.8 115.74 -0.0018 119.65 3.91 3.70 0.21 -117
53 33.0 115.74 -0.0011 119.07 3.33 3.08 0.25 -118
54 33.2 115.74 -0.0006 118.49 2.75 2.43 0.32 -120
55 33.4 115.74 -0.0001 117.99 2.25 1.72 0.53 -103
56 33.6 115.74 0.0003 117.54 1.80 0.74 1.06 -91
57 33.8 115.74 0.0005 117.09 1.35 -1.18 2.53 -92
58 34.0 115.74 0.0007 116.45 0.71 -1.68 2.40 -131
59 34.2 115.74 0.0007 115.91 0.17 -1.90 2.07 -111
60 34.4 115.74 0.0007 115.51 -0.23 -1.95 1.71 -83
61 34.6 115.74 0.0005 115.17 -0.57 -1.88 1.32 -69
62 34.8 115.74 0.0004 114.91 -0.82 -1.71 0.89 -53
63 35.0 115.74 0.0002 114.74 -1.00 -1.43 0.44 -36
64 35.2 115.74 0.0000 114.66 -1.08 -0.99 -0.09 -17
65 35.4 115.74 -0.0002 114.67 -1.06 0.42 -1.48 4
66 35.6 115.74 -0.0004 114.96 -0.77 1.15 -1.92 59
67 35.8 115.74 -0.0005 115.34 -0.40 1.47 -1.86 77
68 36.0 115.73 -0.0005 115.70 -0.03 1.60 -1.64 75
表3
表3中所示序列对用于计算TM 105运动的数据没有干扰,并且目标扭矩与所获得的扭矩之间没有偏差。针对更现实的环境的调节应不会产生任何严重问题。作为一示例,模拟显示,一种***提供了相当适合的结果,从时间t=32.4ms开始,其键同步误差小于0.002rad,该***包括:具有2^-13.33峰间范围的方形分布的TM位置编码器噪音,具有10%峰间范围的方形分布的“目标-扭矩”误差,和采用根据以下公式进行指数校平的TM扭矩目标值:
给定的目标值=0.2×计算出的目标值+(1-0.2)×之前的目标值
TM编码器115可以是与TM 105具有相同极数的感应式或电容式编码器。以这种方式,编码器读取的位置可直接用于TM换相。如果TM 105具有10极,则编码器的13.33比特分辨率需要10比特分辨率用于读取编码器信号,而3.33比特将通过每转具有10周期而获得。通过14比特分辨率读取解码器信号的***已经在工业机械控制***中使用超过10年,因而在模拟示例中的10比特分辨率远远低于通过使用现有部件可预计的值。
在表3第C列中显示为V_G4的中间轴的速度和位置可通过释放在轴和嵌齿中的张力而受到影响。通过使用恰在齿轮变速之前的车辆速度信息(车辆速度将在持续30ms的齿轮变速过程中不会改变很多)和在齿轮变速启动之前由轮胎扭矩所致的预张力的信息,可替换或修改数据。所述信息可通过诸如图1中的117、118或119之类的扭矩传感器获得。
在新的车辆接合之后,在所考虑的情况中,车辆4号、TM 105和EM 102执行联合控制,以迫使在轴109和110/111和减缓器104中重建适合的扭转,类似于图6a-6k中所示。如图7k中所示的加速扭矩中断导致相同的加速净损失,即,稳定的加速被无加速的30ms加速中断所截断。
图8a-8k显示了如图7a-7k中所示相同的实体的数据。在图8a-8k中,所示情况为在制动操作过程中从齿轮4号位置至齿轮3号位置的齿轮变速,其使用车辆(图18中的部件1701)中电池***129的全功率能力(例如33kW)提供迟滞。所示***可通过减缓器104和假定为键装置(并非如图1中所示的离合器)而将TM 105连接到引擎101。在图8a-8k中所示时段中,没有飞轮装置激活。
图8c-8e显示了受控扭矩,图8f-8k显示了结果产生的扭矩和速度。
图8d显示了引擎101的扭矩。在齿轮变速之前和之后,扭矩较小,反映出在没有排气制动时柴油机的受限制动扭矩。在齿轮变速过程中,引擎101被设置为传输相当大的扭矩以将其自身加速至第三齿轮所需的较高速度。
图8e显示了来自EM 102的扭矩。该扭矩主要用于对引擎101提供的扭矩进行细调。(如果更接近于现实的引擎扭矩用于这种模型中,则EM扭矩将发生更多变化)
图8c显示了TM 105的扭矩。在齿轮变速之前和之后,采用可能对应于电池充电容量极限的扭矩。
图8f显示了减缓器104的扭矩。由于在所示情况下的引擎101仅吸收大约10-14Nm,因而减缓器将在齿轮变速之前和之后仅传输10-14Nm。在大约t=70-80ms时,扭矩由于引擎和TM 105的惯量的动力影响而显著较大.
图9a是沿示例传动装置900的输入轴和两个中间轴之一的截面图。在引擎101与传动装置之间具有三种连接模式。
传动装置900已设计为具有与传统手动或自动传动装置相同的轴向尺寸。由此,通过替换传动装置并且增加电力和控制电路(131)以及诸如超大电容或电池之类的能量储存器(129),可获得非常有效的混合动力汽车。
传动装置900具有由齿轮901-906给定的六种向前速度,所述速度基于两个中间轴,其中一个中间轴显示为907。齿轮1、3、5和6号作用在所示中间轴907上。齿轮2和4号在未示出的另一中间轴上传动。
引擎曲轴端908牢固连接到空缸909,用作引擎飞轮和用于引擎侧电机102的转子。飞轮/转子909可通过减缓器911连接到传动装置输入轴910,减缓器911的一个弹簧显示为912。在减缓器911与输入轴910之间的连接可通过***的键轮913a-913c选择。
在所示左部位置,可移动键913a将直接接合减缓器911。引擎曲轴908和传动装置输入轴910于是将基本上锁定在一起,其中具有由减缓器弹簧912所允许的非常有限的运动。在中心位置,引擎轴908与齿轮箱输入轴910之间不存在连接。在最右位置,可移动键913a将使用键套914与减缓器主体911之间的辊915通过用作辊离合器(飞轮装置)的键套914而间接接合减缓器911。轴908和910于是当从引擎101和/或引擎侧电机102传动驱动扭矩时将基本上锁定在一起,其中具有由减缓器弹簧912所允许的非常有限的运动,不过,一旦引擎速度低于减缓器速度,则轴908和910将脱离连接。
***的键环913包括在杆913b上移动键环913a的轴向力传动轮913c。这在图9b中进一步例示。
减缓器911通过两个轴承916和917装配在输入轴910的左端上。
图9a的混合动力传动装置构造有四个未示出的致动器,其类似于图5中部分显示的致动器。致动器之一沿913c的轨道接合并选择上述的在轴908与910之间的连接模式。接合于轨道918中的致动器使齿轮5和6号工作,接合于轨道919中的致动器使齿轮1或3号工作。其余的致动器作用在可移动键的位于另一未示出中间轴上的轨道上,并使齿轮2和4号工作。轴向可移动的套以传统方式将所选择的嵌齿轮连接到其轴上。例如903的嵌齿轮如果未通过轴向可移动的键套被锁定,则将围绕其例如921的滚针轴承而自由转动。
两个中间轴作用在围绕差动器定位的未示出的共用嵌齿轮上。在所示中间轴907的情况下,通过嵌齿轮920实现上述作用。
轮胎侧电动马达转子922牢固连接到输入轴910。
壳体包括五个基本部件。部件925装配在引擎上并包括引擎侧电机定子924。部件926、927、928包括齿轮箱和差动器。部件929包括轮胎侧电机的定子923。
图9b是相同传动装置的局部截面图,不过其沿远离两个例如907的副轴的输入轴910的平面。壳体部件927在此截面中位于更接近输入轴910的中心处。这留出空间用于空气流通和组装通路的腔。空气,优选地为来自未示出的引擎空气过滤器的空气,被迫通过管路932进入。此空气的一部分933穿过定子924的线圈之间并通过排出腔937排出。排出腔根据未示出的引擎空间中的可用空间而设计,并在此仅在形式上表示为937。另一部分934穿过转子909与定子924之间的空气间隙并通过相同的排出腔927排出。另外一部分935穿过定子923的线圈之间并通过排出腔938排出。还有一部分936穿过转子922与定子923之间的空气间隙并通过排出腔938排出。
密封部941和942以及轴承916内的密封部将由框架部件926、927、928封装的齿轮箱腔(具有喷油润滑或等同方式)分离于电机腔(具有流通空气)。
图9a-9b为示意图。省略了一些部件以降低绘图的复杂性。例如,省略了轴承预张紧器和用于将部件913a和913c保持紧固在轴913b上的装置。
图10a-10b显示了局部截面图,其中显示了一些增加的用于简化维护操作的安装接头。由于永磁体将吸引定子,因此,在没有专用设备的情况下,在修车厂中通过永磁体组装和拆卸包含两个电机的紧密单元是复杂的。为了解决这一问题,额外的螺孔1003可设置在诸如925之类的框架部件中,以允许一些螺纹件1004***以阻止框架部件925及其定子快于预计地朝向引擎1006移动。一些诸如939之类的螺钉被替换为方向杆1002,方向杆1002行进穿过用于诸如939之类螺钉的普通接头1005和额外的接头1001。由此,一些螺钉1002可使用与通常用于紧固螺钉939的相同的螺孔***引擎中,并提供简单的线性引导以迫使框架部件925及其定子朝向其正常位置移动而不接触转子磁体。
在修理厂中组装传动装置于是将包括以下步骤:
1、将转子909组装到曲轴908上。
2、使用例如图10a-10b中所示的装置将框架部件925及其定子924组装到引擎上。
3、将齿轮箱轮、轴承、轴和致动器组装到框架部件926、927、928中。
4、将转子922组装到轴910上。
5、使用例如图10a-10b中所示的装置将框架部件929及其定子923组装到传动装置上。
6、将减缓器911和连接环930组装到轴910上。
7、将两个锥形引导销***通常用于螺钉931的位置,并将齿轮箱组装到框架部件926上,同时调节部件930的孔以装配引导销。
8、引导螺钉931并最终以螺钉931替换两个销,且组装冷却空气管路932。
图11是类似于图9a和9b所示的传动装置的部件的立体图。在此图中,移除了所有壳体,轴承看起来悬于空气中。在所示情况下,EM马达和减缓器已经组装在引擎上。EM定子显示为1107。减缓器部件1102固定到EM马达转子并对应于图9b中的部件930。减缓器部件1101相对于EM马达转子可扭转弯曲,并对应于图9b中的部件911的外部分。
输入级在图11中显示为1104并具有键端1103以配合部件1101中的键孔,输入级在图9b中显示为部件911的中心部分并可与输入轴不相连、刚性相连或通过飞轮装置相连。这允许齿轮箱的组装简单得多。图9a的嵌齿轮920显示为1105,而差动器轮显示为1106。
图12是引擎侧马达的另一结构的示意图,其中,引擎飞轮块1201与EM马达转子1206分离并通过扭转软式减缓器1202连接。离合器1204联结齿轮箱输入轴1205和马达转子1206。这种结构的齿轮变速示例在图16中显示。由于EM不再固定到引擎轴,因而除了图1中所示设备以外还需要另外的编码器1208。
图12是图11的齿轮箱的立体图,其中已经组装了EM马达和线性致动器。线性致动器1301具有接合可移动键套之一的叉1302。所示EM和TM马达可为在相同申请人的美国专利6,740,002中公开的相同类型,并可通过在相同申请人的美国专利6,885,162和7,098,619中描述的提供极低功能失效风险的方式进行连接。
图14是例示用于图13中的线性马达致动器的形状的立体图。其中包括马达主体1401和可移动滑件1402。基本马达原理可类似于在相同申请人的美国专利5,751,089的图10中公开的原理。
图15是图13的齿轮箱的轴向图。如图15中可见,齿轮箱壳体的主要部分可包括两个缸。一个内缸具有与诸如1301的弧形线性马达的半径相等的内半径1501,并可封装类似于图9b的壳体部件927的润滑部分。外缸可具有其内半径1502,并可包括诸如图9b中925、928和929之类的壳体部件。如图9b中所示,在内、外准缸之间的距离可用作冷却空气分配室,空气可通过磁体之间的开口1503、定子铁极之间的开口1504和定子线圈之间的开口1505而穿过马达定子极和磁体。
图16是显示在图12的动力系中从速度3号至速度4号进行齿轮变速过程中速度和扭矩的示意图。情况类似于参照图2a-2k、4a-4h和6a-6k描述的情况。存在两个不同点。正式的引擎扭矩被替换为更现实的波动扭矩。此扭矩T_eng假定在引擎的每一驱动冲程中受控,例如通过柴油机中独立控制的油注射进行控制。另一不同在于,减缓器1202连接在引擎飞轮1201与EM马达1203之间。
在齿轮变速之间,EM和TM的惯量一起增加,并将用作双重飞轮,EM和TM为第二重量,飞轮1201为第一重量,减缓器1202弹簧位于二者之间。由于即使当离合器1204与以前的载荷脱离连接,EM马达也能够保持在波动减缓器1202上的部分或全部扭矩,因此,在减缓器1202中可存在软得多的弹簧作用。图16中构造的减缓器的软度是图2a-2k、4a-4h和6a-6k中构造的减缓器的软度的大约10倍。由于减缓器弹簧的弱度为原来的10倍且EM+TM惯量为原来的两倍高,因此,图12的动力系中的引擎扭矩波动减缓与图2a-2k、4a-4h和6a-6k中所示情况相比大有改进。
在时间t=0之前和时间t=59之后,EM 1203通过离合器1204刚性连接到TM 1207。因此,在这段时间中速度V_TM和V_EM是相同的。
在t=10时,在齿轮3号上来自轮胎的扭矩(T_tire)和来自TM的扭矩(T_TM)接近于零,在由齿轮箱输入可见的轮胎速度与在齿轮箱输入轴处的TM速度之间的速度差接近于零。因此,齿轮3号可脱离连接。
在从t=10至t=31的时段中,TM扭矩用于将速度V_TM降至与将来齿轮4号所需的速度接近。从t=31至t=43,速度V_TM与将来的齿轮同步,齿轮4号可通过类似于上文中参照表3所述的方式接合。
从时间t=43,TM加速以重建T_tire并且寻求与EM共同的速度,速度V_EM在从t=48至t=59的时段中大致恒定。这样允许离合器在t=59时闭合。
从时间t=62,EM和TM以相同扭矩运行。
在离合器开启时间中,EM主要保持大的负扭矩以保持在减缓器1202上的大多数张力。这可被看作为,T_damp在齿轮变速之前和之后保持在其值的一半以上。然后,由于来自引擎的两个330Nm强力冲程的结合,T_damp通过两个步骤提升。T_damp的重建通过由EM和TM传输的组合扭矩而进行细调。
进行齿轮变速的控制策略,例如在图16的示意图中构造的策略,可按照多种方式设计。车辆的能量效率优化将在电动马达102、105和引擎101之间给出有限范围的载荷分配。对于给定的齿轮、轮胎扭矩和速度,由EM、TM和引擎传输的扭矩的组合将极少。这限制了不得不例如通过查找表处理的初始条件数。例如,所述控制可包括:当高级控制单元已经决定将执行如所示情况中假定的从齿轮3号位置至齿轮4号位置的齿轮变速时,采用以下步骤:
1、确定当前状况,例如,由EM和TM传输的在轮胎轴109、110/111和减缓器1202之中或之上的实际扭矩,和当前速度.轮胎速度可通过诸如117、118之类的扭矩感应器获得。TM和EM扭矩可通过当前扭矩指令获得,在减缓器上的扭矩可根据上述扭矩的平衡进行估计。
2、使用表查找操作以找到针对目标状况设定的适合控制。对于EM102,目标速度相对于时间的表是适合的。对于TM 105,目标速度相对于时间或轮胎扭矩目标相对于时间的表可用作参考。
3、还可以使当不存在即将齿轮变速时通常可用于稳定引擎速度的任何反馈不能进行。例如,图12中所示的动力系可使用伺服反馈而通过注射燃料的微调以稳定其速度,使得当引擎运转快于目标速度时注射更少的燃料。可以使这种反馈在齿轮变速执行前2-3个动力冲程中不能进行,从而在齿轮变速之前获得标准化的状况。
4、等待,直到引擎处于其预定角度位置。
5、发出离合器松开命令。
6、如果需要,检查离合器松开时间;这将显示为EM与TM的速度偏差。
7、根据查找表设定将由TM 105和EM 102传输的扭矩,并基于TM和EM的实际速度与测得速度之间的偏差以及轮胎扭矩的偏差调节扭矩。
8、检查TM速度和轮胎扭矩感应器信号是否遵从正常响应范围。如果OK,则根据查找表指示将齿轮松开命令发送到相关的齿轮致动器。在诸如1401之类的快速致动器的情况下,所述命令应在达到所预期的最小齿轮箱轴扭矩之前大约2ms给出。如果NOT OK,则设置TM 105保持与由诸如120之类的编码器给定的速度乘以当前齿轮比的值同步的速度,并等待预定时间以使得轴张力减弱。然后发出齿轮松开命令。
9、在已经通过致动器确认齿轮松开之后,使EM 102和TM 105遵从速度相对于时间的表,并调节电流以使用正常的伺服控制处理实际与预定速度之间的偏差。对于TM,控制示例在表3中给出。TM和EM均必须意在并保持与路速相关的预定常数速度,而同时等待将来的齿轮接合。
10、检查TM的速度和位置相对于齿轮箱副轴的速度和位置是否遵从可接受的响应范围。如果OK,则在特定时间点发出齿轮接合致动器命令,选择所述特定时间点以使得致动器将在齿轮箱主轴和副轴已实现足够对准时起作用。这意味着致动器将在实现足够对准之前的时候就已启动。如果NOT OK,则等待,直到对准稳定再发出致动器命令。
11、在已经通过致动器确认齿轮接合之后,TM 105和EM 102均必须意在并保持与路速相关的预定表速度。
12、离合器1204在其内部延迟之后当EM和TM速度相互非常接近时,将被命令在有效的时间点接合。
13、引擎燃料供应器根据齿轮接合确认时间进行调整。对于正常的接合,发出预定的高引擎扭矩以增加引擎速度。如果在步骤8或更早的步骤中接合被延迟,则预定的较低引擎扭矩应发出以保持引擎速度。
14、在离合器1204闭合之后,EM 102和TM 105将基于目标传输扭矩,从而使轮胎扭矩按照S形目标曲线随时间增加。初始,这可使用基于表的扭矩-时间控制而进行。
13、在粗略构建轮胎扭矩之后,EM 102和TM 105的扭矩可通过使用测得的轮胎扭矩与目标轮胎扭矩之差的伺服算法进行控制,从而设定EM和TM扭矩。
14、再次使用可能的算法,用于稳定引擎速度和TM速度。
图17是并行混合动力汽车的动力系的示意图,其中经具有一个马达/发生器1705。上述操作原理可至少部分地用于这种动力系中。动力系包括:致动器控制的齿轮箱1726;引擎1701;具有相对较高带宽的可控马达1705;扭矩波动减缓装置1704,其具有可连接到引擎的引擎侧部分和可连接到齿轮箱输入轴或可控马达的轮胎侧部分;和机械连接装置1703,用于将引擎分别与可控马达和齿轮箱输入轴之一和适合的连接轴连接或脱离连接。在引擎与可控马达脱离连接之后,可控马达执行负-正扭矩序列以降低其速度,从而减小将齿轮箱与轮胎相连的轴上的张力。然后,当将齿轮箱与轮胎相连的轴上的张力已经显著减小时,马达增加其速度以最终重新获得在开始齿轮变速操作之前其具有的速度。最后,当在将齿轮箱与轮胎相连的轴上的张力已经减小时,例如已经显著或足够减小,则齿轮箱与当前齿轮脱离连接或脱离接合。
当齿轮变速操作将进行至更小齿轮比的将至齿轮时,可控马达可然后执行负-正扭矩序列,从而以这种方式降低其速度,使得当将至齿轮的套的齿对准将至齿轮的嵌齿轮的配合齿而使所述套可轴向移动以接合将至齿轮时,可控马达的速度变得足以接近于将至齿轮的同步速度。或者,当齿轮变速操作将进行至更大齿轮比的将至齿轮时,可控马达可执行正-负扭矩序列,从而以这种方式提高其速度,使得当将至齿轮的套的齿对准将至齿轮的嵌齿轮的配合齿而使所述套可轴向移动以接合将至齿轮时,所述可控马达的速度变得足以接近于将至齿轮的同步速度。
在齿轮变速操作开始之后的最初阶段中,可如上文中对于其他情况所述那样控制引擎提供与在齿轮变速操作开始之前由引擎最后传输的扭矩值相比更小的扭矩,并然后控制可控马达提供与在齿轮变速操作开始之前由可控马达最后传输的扭矩值相比更大的扭矩。因此,使得扭矩波动减缓装置的引擎侧部分的速度低于扭矩波动减缓装置的轮胎侧部分的速度。由此减小在扭矩波动减缓装置上的扭矩,使得当在机械连接装置上的扭矩较低或接近于零时机械连接装置可使引擎与齿轮箱输入轴脱离连接。如上所述,这可减小扭矩波动减缓装置中的噪音和机械冲击,和/或减小或消除机械连接装置中的磨损和发热,和/或甚至允许在车辆中使用轻质机械连接装置,例如简单的键套,所述轻质机械连接装置轻于需要以其他方式实现这样的连接装置。
对于本领域技术人员显而易见的是,所示传动装置可通过多种方式修改,例如使用液体冷却。
所显示的极短的齿轮变速时间确实可能允许引入一些额外的延迟,而同时仍然可在100ms内实现齿轮变速。以下给出两个示例:
1、所有附图中的代表显示和代表数据均用于前轮驱动器。在此描述的传动装置也可应用于后轮驱动器和四轮驱动器。后轮驱动器可假定在齿轮箱与轮胎之间的驱动轴中提供更大的扭曲。
2、通过图16的示意图例示的情况假定离合器在扭矩下开启。TM初始加速和EM制动的另一控制策略可提供相等的速度时段,其中离合器可通过可忽略的扭矩开启。
用于不同实施方案中的扭矩机械类型可以不同。图1和/或图12的EM和/或TM机械可通过非电机实现,例如液压机械或气动机械或快速电机与一些低成本的较慢类型的组合机械。在此使用的用语“电动马达”或“电动马达/发电机”在大多数情况下可意味着任何适合的可控马达。
在此公开的原理可用于不同于例如图1或12所示的其他实施方案中,其中假定提供两个马达、齿轮箱、用于将马达之一机械连接的引擎的装置和用于将另一马达连接到齿轮箱输入端的装置。
在此描述的方法和装置的优点可包括以下的一个或多个:
-齿轮变速能够以极短的加速和延迟中断而进行,
-齿轮变速能够以齿轮箱构件的低磨损而进行,例如在传动轴具有相当大的扭曲的情况下,
-齿轮变速能够以不易察觉的端加速和延迟中断而进行,例如当在动力系中包含的轴和其他传动构件具有相当大的扭曲时的情况,
-齿轮变速能够更快地进行,即使并非不易察觉,其中进行齿轮变速的混合动力汽车或电力汽车仅具有一个马达/发生器。
虽然在此已经例示和描述了本发明的特定实施例,但应认识到的是,预计可以具有多种其他实施例,而且,在不背离本发明的精神和范围的情况下,本领域技术人员将易于实现多种另外的优点、修改和变化。因此,本发明以其较宽的方面并不局限于在此显示和描述的具体细节、代表性装置和例示实例。相应地,在不背离由所附各权利要求及其等同方案所限定的本发明基本概念的精神和范围的情况下,可以进行不同修改。因此,可以理解的是,所附权利要求意在涵盖处于本发明实质精神和范围内的所有这样的修改和改变。可以预计的是,在不背离本发明的精神和范围的情况下,可以实现多种其他实施例。