CN1220357A - 辅助杆式换档变速器 - Google Patents

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Abstract

一种半自动变速箱***100和控制所述***的方法。该***包括一个手动换档变速器10,最好是一个有分级式和/或范围或副变速器14和一个手动换档主变速器12的复式变速器。主变速器通过手动换档杆57来换档。在优选实施例中,在***电控单元ECU146控制下,副变速器促动器116控制副变速器。传感器56感测换档杆位置并提供指示位置的信号。确定一个指示换档杆位置变化率数值的控制参数并用来作为***控制参数。

Description

辅助杆式换档变速器
本发明涉及如下共同未决的美国专利申请，这些申请全部转让给了EATON公司，也即本申请的受让人：
1995年5月12日提交的系列号No.08/439,908名为“自动和手动的副变速器换档控制总成”
1996年4月30日提交的系列号No.08/649,829名为“用于自动机械变速器***的同步和齿轮啮合传感逻辑线路”
1996年4月30日提交的系列号No.08/649,830名为“半自动换档执行机构”
1996年6月19日提交的系列号No.08/666,164名为“采用发动机飞轮零扭矩检测的自动变速器***控制”
本发明涉及一种半自动或自动辅助杆式换档的车用机械变速器***。本发明尤其涉及半自动杆式换档变速器***，该***备有测定手动操作的换档杆或换档选择器的位置及位置变化率的装置，用于控制***操作的控制器，其与换档杆的位置变化率成函数关系。
半自动或辅助杆式换档的车用机械变速器***在现有技术中公知，如可参见美国专利说明书No.4,722,248；4,850,236；4,593,580；4,595,986；5,435,212；5,582,558和5,651,292,其公开的内容在此作为参考。用于感测换档杆“X-X”和“Y-Y”两个方向位置的传感器在现有技术中也是已知的，如可参见共同未决的美国名为“变速器换档机构和位置传感器”、转让给了EATON公司也即本申请的受让人的系列号No.08/695，052的专利申请，美国专利说明书No.4,592,249；5,428,290；5,566,579和5,578,904，及已公布的英国专利申请No.2,277,784A，其公开的内容在此作为参考。
现有技术中公开了一种备有自动副变速器换档和手动主变速器换档的半自动机械变速器***，如可参见美国专利说明书No.5,435,212。
现有技术中公知的范围式(range)、分级式(splitter)或范围分级相结合(combined range-and-splitter type)的复式机械变速器，如可参见美国专利说明书No.3,799,002；4,754,665；4,974,468；5,000,060；5,370,013和5,390,561，其公开的内容在此作为参考。
可参考美国专利说明书No.4,593,580；5,569,115；5,571,059；5,573,477和5,582,558以及前面提过的共同未决的系列号No.08/649,829；08/649,830；08/649,831和08/666,164的美国专利申请，它们公开了一种为手动杆式换档变速器提供自动辅助功能如发动机燃油自动控制的半自动机械变速器***，在此作为参考。这些***利用自动燃油控制和/或由驾驶员的换档意图激励的范围式和/或分级式换档促动器，使驾驶员在原旧齿轮脱开啮合、新齿轮即目标齿轮啮合的过程中，无须操纵离合器踏板(只是在车辆起步和停止时需要)或油门踏板。
本发明旨在通过确定一个指示出对时间的导数的参数值，比如换档杆位置的变化率，并用此参数值的一个函数去控制***来改善现有技术辅助手动换档变速器***的操作。举例来说，一个较快的换档杆运动可认为是表明请求或要求比通常更有力地、自动地执行分级式或范围式换档。
通过阅读下述对最佳实施方式及附图的说明，可以了解本发明的种种目标和优势。
图1是一个半自动的车用变速器***的图解，其中包括利用了本发明控制***/方法的手动换档的杆式换档变速器。
虽然图1阐明了一个本发明特别适用的***，但本发明也适用于其他类型的自动辅助杆式换档变速器。
图2和图3是用来提供指示单换档杆机构轴向和周向位置的信号的传感器总成的图解，该单换档杆机构可用于对图1中变速器***进行手动换档。
图4是本发明控制的流程图形式的示意性说明。
在本发明的优选实施例中，范围式和分级式类型结合的复式变速器10的前进换档由车用半自动变速器***100来半自动地执行，其中变速器10由主变速器12和副变速器14组成，如图1所示。主变速器12包括通过主离合器104与车辆发动机102的驱动轴或曲轴101可操作地相耦合的输入轴18，副变速器14的输出轴58一般通过驱动轴与车辆驱动轮(图中未示)相耦合。变速器10可以是前面提及的美国专利说明书NO.5,370,013和5,390,561所公开的类型。
可从主变速器12获得的变速比可以根据啮合到主变速器12所需特定变速比规定的换档模式，通过手动定位换档杆57，来手动选择。正如将要说明的那样，不需要操纵主离合器104(除了停车或车辆从静止状态起步时)和手动同步。该***包含了表明换入一个目标速比的意图的装置，并且将自动采取措施以最小化或解除扭矩锁止状况，使得在需要时，主变速器可以更容易地从啮合比状态换入空档，且进一步允许要求的分级式副变速器从一个档自动迅速地完成换入空档的过程。通过感测空档状态，该***可以使发动机以一个为啮入目标速比大致同步的速度旋转。
***100包括感测发动机转速(ES)的传感器106，感测输入轴转速(IS)的传感器108，及感测输出轴转速(OS)的传感器110，并提供其指示信号。众所周知，当离合器104接合且变速器以一已知变速比啮合时，ES=IS=OS* GR(见美国专利说明书NO.4,361,060)。
发动机102是电控的，包括一个和电子数据链(DL)通讯的电子控制器112，电子数据链在SAE J-1922,SAE J-1939,ISO11898或此类的工业标准协议下运作。油门位置(反映操纵者的要求)是一个理想的选择换档点和用于其他控制逻辑线路中的参数。可以设一个分立的油门位置传感器113，油门位置(THL)也可从数据链来感测。总发动机扭矩(TEG)和基本发动机摩擦扭矩(TREF)也可从数据链得到。
换档杆57操纵一个如换档杆壳总成或单个换档轴的换档机构，如美国专利说明书4,920,815；4,974,468和5,481,170的说明，这里参考其公开内容。传感器总成56提供一个指示换档杆“X-X”和“Y-Y”方向位置的信号。更有利的是传感器总成56将提供连续指示换档杆和换档机构位置的信号或信号组。
人工操作的离合器踏板115控制着主离合器，传感器114提供一个指示离合器接合或脱离状态的信号(CL)。离合器的状态也可通过比较发动机转速和输入轴转速来确定。副变速器促动器116根据输出信号命令来操作副变速器离合器82。换档杆57有一个包含选择开关120的旋钮118，用来感测驾驶员的换档意图。选择开关120的最佳实施方式包括一个旋转安装的摇臂件，可转动来分别选择加档或减档(up-or downshift)。摇臂可按箭头方向移动然后松开，可提供一个加档(Aup≌)或减档(Adown≌)脉冲，也可移动后保持在加档或减档位置以实现不同的控制结果，下文将详细描述。摇臂可用来提供多个脉冲以要求跳跃换档(见美国专利说明书No.4,648,290)。作为另一种选择，摇臂120B可用扳钮、压力敏感面或分立的加减档按钮等来替换。
驾驶员的控制显示单元124包括一个六位换档模式的图示，每个可发光显示元126,128,130,132,134,136代表每个可选择的啮合位置。更为有利的是，每半个换档模式显示元(如128A和128B)都可独自发光，这种显示就可告知驾驶员啮合和/或目标速比的换档杆及副变速器位置。在最佳实施方式中，啮合速比持续发光，而目标速比通过闪烁发光来指示。
本***包括一个控制单元146，最好是前文提过的美国专利说明书No.4,595,986；4,361,065和5,335,566中阐述的基于微处理器的控制单元类型，该控制单元用来接收输入信号148，根据预设的逻辑规则处理输入信号，并给***促动器发出输出信号150的命令；所述的***促动器如分级和/或范围副变速器促动器116，发动机控制器112及显示单元124。可采用一个分立的***控制器146，也可采用通过电子数据链通讯的发动机电控单元(ECU)112。
如共同未决的美国专利申请系列号No.08/597,304所示，副变速器促动器116最好是一个三位装置，允许可选择和可维持的副变速器部分置为空档。作为另一种选择，当副变速器离合器80处于中间非啮合位置时，可通过减少副变速器促动器的能量输入来获得Apseudo≌副变速器空档(splitter-neutral)。
在给出的最佳实施方式中，与更完全自动的9-10和10-9档副变速器换档不同，如3到4档或4到3档这样前进档间动态的只在分级式副变速器中的换档，是根据驾驶员的要求通过选择器开关120来自动实现的。举例来说，假定一个三位副变速器促动器感测到了需要副变速器换档，如在1、3、5或7档啮合时接收到了一个换高档的信号，或是在2、4、6或8档时接收到了一个换低档的信号，电控单元(ECU)146将给促动器116发出命令以使促动器偏向空档，给发动机控制器112发命令以最小化或中断扭矩的产生。这可以通过使发动机工作在零飞轮扭矩值附近来完成(见前文提过的美国专利说明书No.4,850,236)。一旦感测到了副变速器处于空档，发动机将被要求和此时输出轴转速的目标速比达到基本同步的转速(ES=IS=OS*GRTERROR)。根据反应时间和轴的速度、加速度，在恰好同步时进行啮合可防止离合器碰撞。前文提过的美国专利说明书No.4,722,248和5,435,212说明了这种通用的自动副变速器换档的类型。
更完全自动的9-10档和10-9档间副变速器换档以同样方式进行，但不是用选择器开关120，而由ECU根据预定换档程序来控制。
变速器10的啮合和空档(非啮合)状态可通过将一段时间内输入轴转速/输出轴转速与已知的传动速比关系相比较(IS/OS=Gri=lto10Y？)来感测。位置传感器可用来代替或附加于输入、输出轴的速度逻辑线路。
当和啮合的目标速比同步后，指示发动机实现并保持在真正的同步速度(ESSYNCHRO=(OS H GRT)&45转/分(RPM))上下(最好低于真正同步速度)大约30至100转/分的速度(最好为60转/分左右)，以实现一个高质量的爪式离合器无撞击啮合。为确认以目标速比啮合，本***查询输入轴转速在约100至400毫秒的时间内是否等于输出轴转速与目标速比数值的乘积再加或减10至30转/分(IS=(OS*GRT)20转/分)。
上述逻辑根据输入、输出轴转速来确定变速器啮合和空档状态，不会产生由发动机为与目标速比啮合的同步过程导致的错误啮合感测(见共同未决的美国专利申请系列号No.08/790,210)。
当处于一个偶数档位(即在副变速器高档时)且要求换更高一档时，换档杆换高档(同时副变速器换低档)是合适的，如果驾驶员要求，本***将自动辅助执行。类似地，当处于一个奇数档位(即在副变速器低档时)且要求换更低一档时，换档杆换低档(同时副变速器换高档)是合适的，如果驾驶员要求，本***将自动辅助执行。注意到在***100中，副变速器自身的换档是可自动执行的，而换档杆换档伴随有副变速器换档时则要求驾驶员来驱动并操纵主离合器。
当要求换档杆与副变速器结合换档时，选择器在合适方向(与维持摇臂于合适偏移位置反向)上的单个脉冲被认为是简单地请求合适的副变速器换档而不用自动辅助；且副变速器将被预先选择向合适位置换档，并在驾驶员手动换空档或中断扭矩时完成这一动作。然后驾驶员可不受控制器148的干预，啮合上合适的主变速器速比。这和操作一个完全手动的副变速器类型的变速器基本一致。
如果驾驶员希望在换档杆结合副变速器换档时得到自动帮助，选择器的摇臂件在要求辅助的加、减档的合适位置移动并保持住(至少50毫秒至1秒)。在接收到这样一个请求后，控制器148将自动(约2-5秒时间)给发动机加油使其工作在零飞轮扭矩附近，这样可降低或消除扭矩锁止状态，使操作者容易地手动换至主变速器空档(见美国专利说明书No.4,850,236和5,573,477)。显示器124以稳定发光显示原速比，以闪烁或其他方式显示所选速比。ECU148通过将输入轴转速(IS)与输出轴转速(OS)的比值和已知速比关系相比，来感测空档状态。位置传感器可用来作为另一种感测方式或结合使用。控制逻辑将确定作为当前实际速比GRC的直接或间接函数的目标速比GRT与要求换档的方向是否一致。
当感测到主变速器处于空档时，与脱开速比相应的显示单元不再发光，副变速器将自动换向合适的副变速器速比，发动机将自动(约2-5秒时间)旋转在一个和啮合目标速比(GRT)基本同步的转速上(ES=OS*GRT)，使得操作者容易地利用换档杆57手动啮合上指示的主变速器速比。更为有利的是，发动机将自动运转在真正同步转速的一个偏移量内(见美国专利说明书No.5,508,916和5,582,558)。在感测以目标速比啮合后，和新啮合速比相应的显示指示单元持续发光，且发动机的油量控制权交还给操作者。操作者无须操纵离合器踏板115或油门踏板113，即可完成辅助的换档杆与副变速器结合换档。
在换档至AA≌位置136(即9/10档)的过程中或换档后，ECU146将给燃油控制器112和副变速器操纵器116发出指令，以自动选择并执行合适的9至10档和10至9档的换档。美国专利说明书No.4,722,248；4,850,236和5,498,195公开了高速比组的自动操作。Eaton公司以Asuper 10 Top-2≌商标出售包含该特征的***，Dana公司以AAutomate-2≌商标出售。
为把档换出AA≌位置，操作者可以简单地用离合器踏板115、油门踏板113和换档杆57来完全手动地换至另一档位。如果需要从AA≌辅助杆式换档至第八档(或一个更低的档)，选择器摇臂120B可保持在Adown≌位置，这将导致ECU146命令燃油控制器112和/或副变速器促动器116帮助换档杆或结合的换档杆一副变速器从啮合的AA≌速比(9或10档)换档至选择的目标速比。选择器(及Aup≌持续偏移)在AA≌位置时，ECU忽略选择器的脉冲信号。
虽然最佳实施方式没有中止本***工作的ON/OFF开关，预计将提供一个容错模式，驾驶员可藉此使用选择器120来选择副变速器档位，或在不可能选择副变速器档位时，变速器10将象一个多级全手动的五速或至少三速(1/2,3/4,5/6)的变速器一样工作，以应付勉强返回和/或拖离路面的目的。
在给出的本发明的最佳实施方式中，加油以中断扭矩将导致发动机形成一个总扭矩(TEG)，这将导致在零飞轮扭矩(TFW=0)附近的颤动。正如前述美国专利说明书No.5,508,916中所述，类似的颤动技术可用来确保和目标速比有关的爪式离合器部件完全接合。
在换档完成并确认后，燃油控制权交还给操作者。除了停车和起步操作外，无须使用离合器踏板115。如果在换档操作中人工脱开了离合器，油门控制权立即交给操作者。
图2和图3示意性地描述了传感器总成56，此总成提供指示单换档杆机构200周向和轴向位置的信号。简单地说，轴202通过换档杆57在块204处接合，可旋转至三个位置中的一个，以选择“9/10-7/8”换档拨叉206、“5/6-3/4”换档拨叉208或“1/2-R”换档拨叉210。换档轴202可从轴向中间位置或空档位置(“N”)向左、右移动，这样就可移动一个所选的换档拨叉来接合或脱开所选的主变速器速比。
位置传感器总成56包含两个独立的提供信号的线圈216和236，所提供信号如分别指示换档轴202轴向和周向位置的电压或电流大小。轴202的铁磁体端部218可变地伸入线圈216的孔214，随轴202的轴向位置而变化；而旋转固定在轴202上的部件235的铁磁体延伸部分234随轴202的周向位置可变地伸入线圈236的孔238内。来自线圈216和/或236的信号对时间取微分，得到指示轴202和/或换档杆57位置变化率的控制参数。
操作者移动换档杆的比率(换档杆位置对时间求导)指示出操作者希望换档的紧急程度。虽然辅助换档逻辑有一个着重考虑换档质量的标准或缺省模式，如果感测到紧急换档，可执行快速换档逻辑模式：在很不同步的状态下进行范围式和/或分级式副变速器换档(见前文提过的美国专利说明书No.5,651,292)；为实现零驱动线扭矩和/或与目标速比同步啮合，发动机转速的变化率更大。作为另一种选择，在拥有控制主离合器、发动机制动器(102A)和/或输入制动器(18A)的ECU控制促动器的***中，这些装置的接合速率可与换档杆移动速率成函数关系变化。这样，快速换档逻辑将实现快而粗(低质量)的换档。
图4以流程图形式示意性地描述了本发明的控制***/方法。
尽管较具体地描述了本发明，但应理解：只是通过例子描述了最佳实施方式，在不超出后附的权利要求书所确定的精神实质及范围的情况下，对本发明可以在形式和细节方面作出多种变动。

Claims (26)

1．一种车用半自动机械变速器***，包括一个控制燃油的发动机，一个带有发动机驱动的输入轴、输出轴及由手动换档杆换档的变速器部分的机械变速箱，一个提供指示换档杆位置的输入信号的传感器，和一个控制单元，用于接收包括所述指示换档杆位置信号的输入信号，并根据预设的逻辑规则处理这些信号、给至少一个***促动器发出命令输出信号，所述逻辑规则包括以下规则：
可有效地确定指示所述述换档杆位置对时间导数的控制参数值的规则；和
可有效地作为上述控制参数值的函数来控制所述***的规则。
2．根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述变速器是一个复式变速器，有一个和所述主变速器串联的副变速器，所述主变速器由手动换档杆来换档，而所述的至少***促动器为一个用于副变速器换档的促动器。
3．根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述的至少一个***促动器为控制所述发动机燃油的促动器。
4．根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述***包括一个使输入轴减速的装置(102A或18A)，所述的至少一个***促动器为控制所述装置的促动器。
5．根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述逻辑规则进一步包括可有效地把所述控制参数值和预设参考值相比较的规则。
6．根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述逻辑规则进一步包括可有效地把所述控制参数值和预设参考值相比较的规则。
7．根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述逻辑规则进一步包括可有效地把所述控制参数值和预设参考值相比较的规则。
8．根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述逻辑规则进一步包括可有效地把所述控制参数值和预设参考值相比较的规则。
9．根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述逻辑规则包括一个命令换档以实现较高换档质量的缺省模式，及一个用于实现比缺省模式换档速度更快的快速换档模式，如果所述控制参数值超过了所述参考值，所述逻辑规则有效地执行快速换档模式。
10．根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述逻辑规则包括一个命令换档以实现较高换档质量的缺省模式，及一个用于实现比缺省模式换档速度更快的快速换档模式，如果所述控制参数值超过了所述参考值，所述逻辑规则有效地执行快速换档模式。
11．根据权利要求7所述的***，其特征在于，所述逻辑规则包括一个命令换档以实现较高换档质量的缺省模式，及一个用于实现比缺省模式换档速度更快的快速换档模式，如果所述控制参数值超过了所述参考值，所述逻辑规则有效地执行快速换档模式。
12．根据权利要求8所述的***，其特征在于，所述逻辑规则包括一个命令换档以实现较高换档质量的缺省模式，及一个用于实现比缺省模式换档速度更快的快速换档模式，如果所述控制参数值超过了所述参考值，所述逻辑规则有效地执行快速换档模式。
13．一种控制车用半自动机械变速器***的方法，所述变速器***包括一个控制燃油的发动机，一个带有发动机驱动的输入轴、输出轴及由手动换档杆换档的变速器部分的机械变速箱，一个提供指示换档杆位置的输入信号的传感器，和一个控制单元，用于接收输入信号，并根据预设的逻辑规则处理这些信号、给至少一个***促动器发出命令输出信号，所述逻辑方法包括：
确定指示所述换档杆位置对时间变化率的控制参数值，和
作为所述控制参数值的函数去控制所述***。
14．根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述变速器是一个复式变速器，有一个和所述主变速器串联的副变速器，所述主变速器由手动换档杆来换档，所述的至少一个***促动器为一个用于副变速器换档的促动器。
15．根据权利要求13所述的***，其特征在于，所述的至少一个***促动器为控制所述发动机燃油的促动器。
16．根据权利要求13所述的包括一个使所述发动机减速的装置的***，其特征在于，所述的至少一个***促动器为控制所述装置运作的促动器。
17．根据权利要求13所述的方法，进一步包括将所述控制参数值和预设参考值相比较。
18．根据权利要求14所述的方法，进一步包括将所述控制参数值和预设参考值相比较。
19．根据权利要求15所述的方法，进一步包括将所述控制参数值和预设参考值相比较。
20．根据权利要求16所述的方法，进一步包括将所述控制参数值和预设参考值相比较的方法。
21．根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述逻辑规则包括一个命令换档以实现较高换档质量的缺省模式，及一个用于实现比缺省模式换档速度更快的快速换档模式，如果所述的控制参数值超过了所述参考值，所述方法包括进行快速换档模式的操作。
22．根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述逻辑规则包括一个命令换档以实现较高换档质量的缺省模式，及一个用于实现比缺省模式换档速度更快的快速换档模式，如果所述的控制参数值超过了所述参考值，所述方法包括进行快速换档模式的操作。
23．根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述逻辑规则包括一个命令换档以实现较高换档质量的缺省模式，及一个用于实现比缺省模式换档速度更快的快速换档模式，如果所述的控制参数值超过了所述参考值，所述方法包括进行快速换档模式的操作。
24．根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述逻辑规则包括一个命令换档以实现较高换档质量的缺省模式，及一个用于实现比缺省模式换档速度更快的快速换档模式，如果所述的控制参数值超过了所述参考值，所述方法包括进行快速换档模式的操作。
25．根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述传感器不断地提供指示换档杆位置的信号。
26．根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述传感器连续地提供指示换档杆位置的信号。
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