KR100347552B1

KR100347552B1 - 자동클러치의스로틀제어방법및장치

Info

Publication number: KR100347552B1
Application number: KR1019970003132A
Authority: KR
Inventors: 멜빈 슬릭커 제임스; 와 찬 컥
Original assignee: 이턴 코포레이션
Priority date: 1996-02-02
Filing date: 1997-01-31
Publication date: 2002-11-11
Also published as: EP0787923A2; JPH09210092A; KR970061606A; US5630773A; EP0787923A3; CN1090300C; BR9700172A; CN1165099A

Abstract

본 발명은 클러치 맞물림에 대한 진동 응답을 감소시키는 차량용 자동 클러치 제어기(60)에 관한 것이다. 자동 클러치 제어기(60)는 스로틀 위치 센서(28), 엔진 속도 센서(13) 및 변속기 입력 속도 센서(31)로부터 입력을 수신하고, 분리상태로부터 완전 맞물림 상태까지 클러치 구동기(27)를 제어하는 클러치 구동 신호를 발생시킨다. 측정된 변속기 입력 속도가 진동 응답의 근사 역모델을 이용하는 엔진 속도에 점근적으로 접근하는 방식으로, 클러치 맞물림 신호는 마찰 클러치(20)를 적어도 부분적으로 맞물리게 한다. 자동 클러치 제어기(60)는 미끄럼 기준 신호를 스로틀 위치와 엔진 속도의 함수로서 발생시키고, 이것을 실제 미끄럼과 비교한다. 제어기(60)는 미끄럼과 미끄럼 기준의 차이에 응답하는 PID 조정기(68)와, 결과물인 PID 신호에 작동하는 프리필터(70)와, 시스템 폐루프 민감도를 차량 파라미터 변수로 감소시켜서 개별적인 차량 또는 차량 모델에 대한 세부적인 특수성의 요구를 감소시키도록 구성된 보상기(74)를 포함한다.

Description

자동 클러치의 스로틀 제어 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR SLIP MODE CONTROL OF AUTOMATIC CLUTCH}

본 발명은 자동 클러치 제어에 관한 것으로서, 특히 자동차의 발진(發進, launch)에 대한 진동 반응을 줄이기 위한 폐루프 자동 클러치 제어 및 그 방법에 관한 것이다.

최근에, 자동차의 구동 트레인(drive train) 제어, 특히 대형 트럭의 구동 트래인 제어의 향상된 자동화에 대한 관심이 점차 증대되어 왔다. 승용차와 소형 트럭에서 자동 변속기가 사용되는 것은 잘 알려져 있다. 이러한 차량의 전형적인 자동 변속기는 유체 토크 변환기와, 엔진축과 구동 바퀴간의 최종 구동 비율(drive ratio)을 선택하기 위한 유압식 기어들을 사용한다. 기어 선택은 엔진 속도와 차량 속도 등을 근거로 한다. 이러한 자동 변속기는 엔진으로부터 구동축까지의 동력 전달의 효율을 떨어뜨리며, 숙련된 수동 변속기 동작과 비교할 경우 연료의 경제성과 동력이 터무니없게 저하되는 것이 잘 알려져 있다. 이러한 유압 자동 변속기는 차량의 작동 효율을 감소시키기 때문에, 대형 트럭에는 널리 사용되지 않는다.

유압 자동 변속기를 사용할 경우의 효율 손실에 대한 원인들 중 하나는 유체 토크 변환기에서 발생하는 손실이다. 전형적인 유체 토크 변환기는 모든 모드에서 미끄러짐이 발생하고 이로 인해 토크와 동력의 손실이 생긴다. 정해진 엔진 속도이상에서 변속기의 입력축과 출력축 사이에서 직접 연결을 제공하는 로크업(lockup) 토크 변환기가 업계에는 잘 알려져 있다. 이 기술은, 맞물려 있는 경우에는 충분한토크 전달 효율을 제공하나, 저속에서는 효율상 이점이 없다.

유압 토크 변환기 고유의 비효율성을 제거하기 위해 자동으로 구동되는 마찰 클러치(friction clutch)로 대체하는 방법이 제안되어 왔다. 상기 대체 방법은 유압 토크 변환기를 사용할 때에는 나타나지 않았던 다른 문제를 유발한다. 차량의 변속기와 견인 바퀴 사이의 동력 전달 계통(driveline)에서, 자동차의 기계식 구동 트레인은 일반적으로 상당한 토션 컴플라이언스(torsional compliance)를 나타낸다. 이러한 토션 컴플라이언스는 변속기와 차동 장치 사이의 구동축 또는 차동 장치와 구동 휠 사이의 차축(axle shaft)에 나타날 수 있다. 독립적인 설계 기준에 의해 동력 전달 계통이 상당한 토션 컴플라이언스를 갖도록 권고되거나 요구되는 경우가 종종 있다. 자동차의 동력 전달 계통에 상당한 토션 컴플라이언스가 존재하는 것은 클러치의 맞물림에 대해 진동 응답을 일으킨다. 진동 응답은 구동 트레인의 구성 요소들 및 차량의 다른 요소들에 상당한 추가적인 마모를 야기할 수 있다. 또한, 이러한 진동 응답은 객실에 불쾌한 진동을 야기할 수도 있다.

클러치 맞물림에 대한 동력 전달 계통의 진동 응답은 변속기의 입력 속도, 즉 클러치 속도가 엔진 속도에 어떤 방법으로 근접하냐에 따라 크게 의존한다. 감소하는 지수 함수와 같은 것에 의해 이 속도가 부드럽게 접근하면, 클러치 잠금 상태에서의 토크 트랜지언트(torque transient)가 생기지 않는다. 만일 이 속도들이 갑자기 변하면, 토크 트랜지언트가 동력 전달 계통에 전달되어, 결과적으로 차량의 동력 전달 계통에 진동 응답이 발생한다. 아래 특허들은 본 발명의 양수인에게 양도되었고 부분적으로 본 발명을 이끌어낸 종래의 개발 내용을 나타낸다. 미합중국특허 제5,293,316호(발명의 명칭이 "CLOSED LOOP LAUNCH AND CREEP CONTROL FOR AUTOMATIC CLUTCH"이다)는 부드럽게 맞물릴 수 있도록 클러치 작동을 제어함으로써 비틀림 진동을 최소화 또는 제거하는 방법에 대해 개시하고 있는데, 이 비틀림 진동은 클러치가 맞물리는 동안 동력 전달 계통에 존재하는 컴플라이언스에 기인한다. 여기에 나열된 다음 특허 출원들은 제어가 더욱 강건(robust)하게 되도록 개선한 것이다. 미합중국 특허 제5,275,267호(발명의 명칭이 "CLOSED LOOP LAUNCH AND CREEP CONTROL FOR AUTOMATIC CLUTCH WITH ROBUST ALGORITHM"이다)는 동일한 문제를 언급하고 있으며, 각 차량들 또는 각 차량의 모델들에 대한 자세한 상술의 필요성을 줄였다. 미합중국 특허 제5,403,249호(발명의 명칭이 "METHOD AND APPARATUS FOR ROBUST AUTOMATIC CLUTCH CONTROL"이다)는 동일한 시스템을 기반으로 하며, 엔진 속도 저하 및 심지어 엔진 실속(失速)을 피하기 위해 클러치 덤핑(dumping)을 유발하는 일정 조건하에서 적극적(aggressive)으로 클러치 맞물림됨에 의해 부과되는 엔진 과부하가 발생할 가능성을 극복함으로써 로버스트니스(robustness)를 더욱 개선하였다. 전술한 명세서들에 개시된 시스템은 미끄럼 적분기(slip integrator)또는 실질적으로는 직렬로 된 적분기 2개를 포함하며, 내부 루프 변량(inner loop variations)에 너무 민감할 수 있는데, 이와 같이 민감한 특성은 일부 환경에서 제어를 어렵게 한다. 미합중국 특허 제5,439,428호(발명의 명칭이 "METHOD AND APPARATUS FOR ROBUST AUTOMATIC CLUTCH CONTROL WITH PID REGULATION"이다)는 이를 개량하여 제어를 더 적합하게 하였고 로버스트니스를 향상시켰다.

미합중국 특허 제5,378,211호(발명의 명칭이 "CLUTCH MODE CONTROL LOGIC"이다)에 설명된 논리(logic)는 발진, 서행(creep), 로크업(lockup) 또는 그외 모드중 어떤 모드에서 제어가 작동 중인지를 결정한다. 발진 모드와 서행 모드에서는 토크 전달을 제어하기 위해 클러치의 미끄러짐이 요구된다. 전술한 특허들에 기술된 초창기 개발들에서, 시스템들은 명확하게 구별되는 두 모드들에서의 클러치 미끄러짐을 제어하였으며, 운전자가 서행과 발진 사이의 변화를 쉽게 감지하였다.

본 발명은 발진 모드 및 서행 모드에 대용되는 단일 미끄럼 모드를 제공함으로써 전술한 종래기술을 개선하였다. 또한 본 발명은 이러한 개선과 함께 서행시원활성(smoothness) 및 응답성(responsiveness)을 향상시켰고, 열분산량을 작게 하고, 마모 수명을 연장하기 위해 클러치의 미끄러짐을 줄였다. 본 발명은 상기 노력에 근거하였으며 부가적인 로버스트니스를 향상시켰다. 이러한 로버스트니스는 특정 트럭 형태 또는 적재 범위에 따라 개별적으로 조절할 필요 없이 중형 트럭에 범용(汎用)되는 변속기를 대량으로 생산할 수 있게 한다.

본 발명은 자동 클러치 제어기이며, 이 제어기는 동력원, 마찰 클러치, 및 토크 입력에 진동 응답을 나타내는 토션 컴플라이언스를 가지며 상기 마찰 클러치에 연결된 적어도 하나의 관성-부하 견인 바퀴(inertially-loaded traction wheel)를 포함하는 하나의 결합체로 된 자동 클러치 제어기이다. 자동 클러치 제어기는 변속기 시프트 제어기(transmission shift)와 함께 사용되는 것이 바람직하다. 자동 클러치 제어기는 차량이 움직이기 시작하는 동안 부드러운 클러치 맞물림을 제공하여 클러치 맞물림에 대한 진동 응답을 최소화한다. 이러한 자동 클러치 제어기는 대형 트럭에 유용하다.

자동 클러치 제어기는 엔진 속도 센서 및 변속기 입력 속도 센서로부터 입력들을 수신한다. 변속기 입력 속도 센서는 마찰 클러치의 출력인 변속기의 입력에서 회전 속도를 감지한다. 자동 클러치 제어기는 완전 분리 위치와 완전 맞물림 위치 사이로 클러치 구동기를 제어하는 클러치 맞물림 신호를 발생시킨다. 클러치 맞물림 신호는 변속기 입력 속도가 기준 속도(reference speed)에 점근적으로 접근하도록 하는 방식으로 마찰 클러치를 맞물린다. 이것은 관성-부하 견인 바퀴의 토크 입력에 대한 진동 응답을 최소화한다.

차량이 발진 또는 통상적인 출발을 하는 동안, 변속기는 출발 기어(1단 또는 2단)에서 작동하며 제어는 미끄럼 모드로 유지된다. 클러치 맞물림 신호는 변속기 입력 속도가 엔진 속도에 점근적으로 접근하도록 클러치 미끄러짐을 조절한다. 클러치가 완전하게 맞물려지고 상단 변속(upshift)이 되면, 제어는 로크업 모드(lockup mode)로 변경되는데, 이 로크업 모드에서는 클러치 압력이 충분히 가해져서 클러치 미끄러짐이 일체 일어날 수 없게 한다. 모드 제어 논리는 상단 변속이 될 때까지 로크업 모드로 되지 않게 함으로써, 클러치 구동 제어기에 있을 때 모드가 로크업으로 또는 로크업으로부터 변환되는 것을 방지한다. 스로틀 설정 및 엔진 속도가 낮은 서행 작동 중에는, 클러치 미끄러짐이 스로틀 위치에 대한 차량 응답을 제어하는데 사용되어 저속 이동을 가능하게 한다. 미끄럼 모드는 또한 이것을 제어한다.

미끄럼 모드에서, 미끄럼 기준(slip reference)은 스로틀과 엔진 속도의 함수로 얻어진다. 미끄럼 기준은 0% 스로틀에서 엔진 속도와 같고 40% 스로틀에서는 0으로 서서히 감소한다. 변속기 입력 속도를 엔진 속도로부터 감산하여 미끄럼을 측징하고, 이 미끄럼을 미끄럼 기준로부터 감산하여 미끄럼 에러를 결정한다. 이값은 클러치 맞물림 신호를 발생하기 위한 내부 제어 루프에 대한 입력인데, 이 내부 제어 루프는 미합중국 특허 제5,439,428호에 개시된 것에 입각하여 형성한 것이다. 제어 루프는 보상기를 가지는데, 이 보상기는 예상되는 진동 주파수 범위 안에 있는 노치 진동수(notch frequencies)를 갖는 3차 노치 필터를 포함함으로써 개선된 것이다. 이 3차 필터는 동력 전달 계통의 감쇠 레벨(damping level)이 높고 낮은 차량들에 걸쳐 로버스트니스와 운송 능력을 향상시킨다.

미끄럼 모드에서 속도를 증가시킬 때, 페달 요구에 대해 응답하는 토크 요구 모드에서 작동하는 엔진을 가지기 때문에 양호한 제어를 할 수 있다. 페달 요구를 높이는 것은 보다 높은 엔진 토크 및 엔진 속도를 동반한다. 일정한 스로틀에 대해서는 클러치 미끄러짐이 대략 일정하게 유지된다. 서행에서 높은 엔진 속도가 사용될 수 있는데, 이는 엔진 속도를 높게 허용하고 미끄러짐을 작게 유지함으로써 가능하다.

도 1은 클러치에 의해 구동되는 변속기 및 본 발명을 실시하는데 사용되는 클러치 제어기를 개략적으로 도시한 도면,

도 2는 함수 형태인 클러치 위치와 함수 형태인 클러치 토크의 곡선,

도 3은 입력들과 출력들을 나타낸 클러치 제어 논리의 블록 다이어그램,

도 4는 도 3의 클러치 제어 논리에 대한 버블(bubble)형 논리 다이어그램,

도 5는 본 발명에 따른 자동 클러치 제어기의 기능에 대한 블록 다이어그램, 및

도 6은 본 발명에 따라 도 5에서 사용된 미끄럼 기준 함수를 나타내는 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 엔진 12 : 스로틀

20 : 마찰 클러치 25 : 입력축

30 : 변속기 35 : 출력축

60 : 자동 클러치 제어기 62 : 미끄럼 기준 발생기

68 : PID 조정기

위에서 설명한 본 발명의 이점 및 그외 이점은 첨부된 도면과 연계하여 기술된 아래 설명으로부터 보다 명확해 질 것이다. 그리고, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 같은 참조 번호를 사용하였다.

도 1은 본 발명의 자동 클러치 제어기를 포함하는 자동차의 구동 트레인을개략적으로 나타낸 것이다. 자동차는 동력원으로서 엔진(10)을 포함한다. 본 발명을 적용하기에 가장 적합한 형태인 대형 트럭에서는, 디젤 내연 기관을 엔진(10)으로 사용할 것이다. 가속 페달(11)은 스로틀 필터(12)를 통해 엔진(10)의 작동을 제어한다. 연료 공급과 같은 다른 제어 파라미터가 대용될 수도 있겠지만, 일반적으로 이러한 엔진에 대한 토크 제어 입력은 공기 공급을 제어하는 스로틀이 된다. 어떤 경우든, 스로틀 필터(12)는 가속 페달에 반응하여 토크 제어 신호를 엔진에 공급하기 위해 사용된다. 스로틀 필터(12)는 클러치 제어기(60)의 일부분이며, 경우에 따라 페달(11) 신호를 낮은 값으로 제한함으로써 엔진(10)에 공급된 스로틀 신호를 필티링한다. 엔진(10)은 엔진축(15)에 토크를 발생시킨다. 엔진 속도 센서(13)는 엔진축(15)의 회전 속도를 감지한다. 엔진 속도 센서에 의한 회전 속도가 실제로 감지되는 장소는 엔진 플라이휠이 될 것이다. 엔진 속도 센서(13)는 복수-이빨 바퀴(multi-tooth wheel)로 되는 것이 바람직하며, 이 이빨의 회전은 자기센서에 의해 검출된다.

마찰 클러치(20)는 완전하게 또는 부분적으로 맞물릴 수 있는 고정판(21)과 이동판(23)을 포함한다. 고정판(21)은 엔진 플라이휠에 통합될 수도 있다. 마찰 클러치(20)는 고정판(21)과 이동판(23) 사이의 맞물림 정도에 따라 엔진축(15)으로부터 변속기 입력축(25)으로 토크를 전달한다. 도 1에서 고정판과 이동판을 단일 쌍으로 도시하였지만, 당업자는 클러치(20)가 이러한 판들의 다중 쌍으로 구성될 수 있는 것으로 이해할 것이다.

토크에 대한 클러치 위치의 전형적인 함수를 도 2에 도시하였다. 클러치 토크/위치 곡선(80)은 초기 접촉점(81) 이전의 맞물림 범위에 대해서 초기에는 0이다. 클러치 토크는 클러치 맞물림이 증가함에 따라 단조 증가한다. 도 2에 나타낸 예에서, 클러치 토크는 처음에는 완만하게, 그 후에는 급격하게 상승하여 최대 클러치 토크인 완전하게 맞물리는 지점(82)에 도달할 때까지 상승한다. 전형적인 클러치 설계에서는 완전하게 맞물렸을 때의 최대 클러치 토크가 최대 엔진 토크의 약 1.5배로 될 것을 요구한다. 이것은 클러치(20)가 미끄러짐 없이 엔진(10)에 의해 발생된 최대 토크를 전달할 수 있게 보장한다.

클러치 구동기(27)는 분리로부터 부분적인 맞물림을 거쳐 완전 맞물림까지 클러치(20)를 제어하기 위해 이동판(23)에 연결되어 있다. 클러치 구동기(27)는 전기, 유압 또는 공기(pneumatic) 구동기일 수 있고, 위치 또는 압력이 제어될 수 있다. 클러치 구동기(27)는 클러치 구동 제어기(60)로부터의 클러치 맞물림 신호에 따라 클러치 맞물린 정도를 제어한다. 클러치 구동기(27)는 폐루프 장치(closed loop device)이며, 이 폐루프 장치는 클러치의 맞물림 정도를 제어하여 클러치 위치 센서(28)로부터 측정된 클러치 위치가 클러치 맞물림 신호를 따르도록 한다. 바람직하게는, 접촉점을 결정할 때 클러치 위치 센서(28)로부터 측정된 클러치 위치가 이용된다. 당업자는 클러치 구동기(27)는 요구되는 클러치 압력에 대응하는 클러치 구동 신호에 의해 압력으로 제어될 수 있으며, 클러치 압력 센서에 의해 측정된 클러치 압력 피드백을 이용하는 것으로 이해할 것이다.

변속기 입력 속도 센서(31)는 변속기(30)의 입력측인 변속기 입력축(25)의 회전 속도를 감지한다. 변속기(30)는 변속기 시프트 제어기(33)의 제어하에서 선택가능한 구동 비율을 구동축(35)에 제공한다. 구동축(35)은 차동 장치(40)에 결합된다. 변속기 출력 속도 센서(37)는 구동축(35)의 회전 속도를 감지한다. 변속기 입력 속도 센서(31) 및 변속기 출력 속도 센서(37)는 엔진 속도 센서(13)와 같은 방법으로 구성되는 것이 바람직하다. 자동차가 대형 트럭인 경우, 차동 장치(40)는 각 바퀴(51 내지 54)에 차례로 연결되어 있는 4개의 차축(41 내지 44)을 구동한다.

변속기 시프트 제어기(33)는 페달(11), 엔진 속도 센서(13), 차량 브레이크(14) 페달, 변속기 입력 속도 센서(31) 및 변속기 출력 속도 센서(37)로부터 입력신호를 수신한다. 변속기 시프트 제어기(33)는 변속기(30)를 제어하기 위한 기어 선택 신호와 클러치 맞물림/분리 신호를 발생시키며 클러치 구동 제어기(60)에 연결되어 있다. 변속기 시프트 제어기(33)는 스로틀 설정, 엔진 속도, 변속기 입력 속도 및 변속기 출력 속도에 대응하여 변속기(30)에 의해 제공된 최종 기어 비율을 변화시키는 것이 바람직하다. 변속기 시프트 제어기(33)는 마찰 클러치(20)가 맞물려져야 되는지 아니면 분리되어야 하는지의 여부에 의존하여 클러치 구동 제어기(60)에 맞물림 및 분리 신호들을 각각 제공한다. 변속기 시프트 제어기는 클러치 구동 제어기(60)에 기어 신호도 전달한다. 이러한 기어 신호는 선택된 기어에 대응하는 계수들 세트를 재호출하도록 한다. 변속기 시프트 제어기(33)는 상단 변속하는 동안 관성 브레이크(29)를 일시적으로 맞물리게 하는 것이 바람직하다. 이것은 상단 기어를 맞물리기 전에 구동축(35)의 속도와 변속기 입력축(25)의 회전속도가 일치하도록 속도를 떨어뜨린다. 접촉점 결정은 후술할 방법과 같이 관성 브레이크(29)를 이용하는 것이 바람직하다. 변속기 시프트 제어기(33)는 본 발명의 일부를 구성하지 않으며 더 상세히 설명하지 않는다.

클러치 구동 제어기(60)는 이동판(23)의 위치를 제어하기 위해 클러치 구동기(27)에 클러치 맞물림 신호를 제공한다. 이것은 도 2의 클러치 토크/위치곡선(80)에 따라 클러치(20)에 의해 전달되는 토크의 양을 제어한다. 클러치 구동 제어기(60)는 변속기 시프트 제어기(33)의 제어에 따라 작동한다. 클러치 구동 제어기(60)는 변속기 시프트 제어기(33)로부터 맞물림 신호를 수신하자마자 분리에서부터 적어도 부분적인 맞물림 또는 완전 맞물림으로 이동판(23)의 이동을 제어한다. 바람직한 실시예에서는, 클러치 맞물림 신호가 목표 클러치 위치(desired clutch position)를 나타내도록 의도된다. 클러치 구동기(27)는 폐루프 제어 시스템을 포함하는 것이 바람직한데, 이 제어 시스템은 이동판(23)을 목표 위치쪽으로 제어하기 위해 클러치 위치 센서(28)로부터 측정된 클러치 위치를 이용한다. 클러치 맞물림 신호는 목표 클러치 압력을 나타내며, 클러치 구동기(27)가 폐루프 제어 시스템에 목표 클러치 압력을 제공하는 것이 또한 적합하다.

클러치 구동 제어기(60)의 제어 기능은 접촉점(81)과 완전 맞물림 사이의 클러치 위치들에 대해서만 필요하다. 접촉점(81)에 해당하는 것보다 작은 클러치 맞물림은 클러치(20)가 완전 분리되기 때문에 토크가 전달될 가능성이 전혀 없다. 변속기 시프트 제어기(33)로부터 맞물림 신호를 수신하자마자, 클러치 구동 제어기(60)는 접촉점(81)에 해당하는 위치로 클러치(20)를 재빨리 전진시키는 것이 바람직하다. 이것은 접촉점(81)에서 클러치 맞물림 제어를 0으로 설정한다. 이 후의 클러치 맞물림은 클러치 구동 제어기(60)의 제어 기능에 의해 제어된다.

동작 중에 또는 미리 클러치의 접촉점을 결정하는 것은 이미 알려져 있다. 시험 과정에 의해 접촉점을 미리 결정하는 것이 바람직한데, 여기서 시험 과정은 접촉점이 되었을 때 클러치 위치 또는 클러치 압력을 확인한다. 접촉점 처리에 대해서, 본 발명의 양수인에게 양도된 미합중국 특허 제5,337,868호(발명의 명칭이 "CLUTCH TOUCH POINT IDENTIFICATION"이다) 및 제5,393,274호(발명의 명칭이 "CLUTCH TOUCH POINT IDENTIFICATION ALGORITHM"이다)에 충분히 개시되어 있으며, 여기서 이들을 참고로 포함하였다. 이러한 과정은 클러치 구동 제어기(60)의 제어기능 중의 일부로 되는 것이 바람직하다.

접촉점의 결정에는 변속기(30)를 중립으로 놓는 것과 관성 브레이크(29)를 작동시키는 것이 포함된다. 관성 브레이크(29)는 상단 변속하는 동안 변속기 입력축(25)의 회전 속도와 구동축(35) 회전 속도가 비슷해지도록 하는데 있어서 도움을 주기 위해 보통 장착된다. 클러치(20)는 변속하는 동안 분리되기 때문에, 필요한 브레이크의 양은 아주 작다. 관성 브레이크(29)는 공회전 엔진 토크의 약 5%인 제동 토크만 가해주면 된다. 엔진(10)이 공회전하는 동안, 클러치(20)는 변속기 입력속도가 엔진 공회전 속도의 정해진 비율만큼 되기 전까지 점진적으로 맞물려진다. 도 2에서 도면 부호 '83'으로 표시된 지점에 해당하는, 이 클러치 맞물림의 정도는 클러치(20)를 통해 토크를 전달하여 관성 브레이크(29)의 작은 제동 토크를 극복한다. 고정된 그리고 좁은 오프셋(offset)(85)은 클러치 맞물림의 이러한 정도로부터 감산(減算)되어 접촉점(81)이 결정된다.

도 3은 클러치 모드 제어 논리의 입출력을 나타낸 다이어그램인데, 이 클러치 모드 제어 논리는 클러치 구동 제어기(60)의 일부분이다. 논리는 엔진 및 변속기의 작동 상태에 따라 모드를 규정하며, 이것은 클러치 구동의 제어와 스로틀 필터의 작동에서 사용된다. 논리의 입력들은 센서(13)로부터의 엔진 속도(E_s), 센서(31)로부터의 입력 속도(I_s), 및 페달(11)로부터의 가속 페달 위치를 나타내는 신호들과, 클러치 위치가 소정의 접촉 위치에 도달했을 때 발생되는 접촉점 신호이다. 논리의 출력은 후술할 네가지 모드들 중 하나이다.

접촉점 접근 모드

이 모드에서 클러치는 접촉점으로 향하도록 명령을 받는다. 페달 신호가 최소 한계치(minimum threshold)를 초과함에 따라 자동 모드 오프에서 벗어날 때, 이 모드는 클러치가 접근되기 시작하지만 아직은 접촉점에 이르지는 못한 대기 상태에 있는 것이다. 클러치가 이미 맞물려 있다면, 맞물림 정도가 접촉점으로 감소된다. 이 모드에서는 어떠한 엔진 제어 신호도 허용되지 않는다.

미끄럼 모드

이 모드는 접촉점에 도달하고, 페달 신호가 최소 수준(3%)을 초과하며, 변속기가 출발 기어에 있을 때 규정된다. 한계치(가령 40%) 이하의 페달로 서행하는 동안, 클러치 맞물림은 입력 속도를 엔진 속도의 어떤 비율에 서서히 접근하도록 제어됨으로써, 느린 차량 이동을 허용하도록 클러치가 미끄러지게 한다. 한계치를 초과하는 페달 위치로 발진하는 상태에 대해서는, 클러치는 엔진 속도에 의해 결정되는 비율로 맞물려지도록 제어되어 입력 속도가 엔진 속도를 부드럽게 앞서도록 한다.

로크업 모드

출발 기어(1단 또는 2단)로부터의 상단 변속이 발생했을 때 미끄럼 모드로부터 이 모드로 들어가게 된다. 이 모드에서는 클러치 제어 신호가 클러치를 완전히 맞물리게 한다. 엔진 속도와 페달 신호가 낮을 때 그리고/또는 차량 브레이크가 작동될 때만 이 모드가 존재하게 된다. 상기 모드는 스로틀 필터 기능을 종결하며, 제어 신호는 페달 신호와 동일하게 된다.

자동 모드 오프

클러치 제어기가 자동 모드에 있을 때 전술한 모드들 중 하나가 작동된다. 이러한 자동 작동이 없을 때 자동 모드 오프가 작동한다 일반적으로, 페달 신호가 0 또는 0에 근사한 값이거나, 또는 엔진 속도가 거의 공회전 상태에 있을 것이다. 이러한 상태에서 제어 신호가 출력되지 않고, 클러치는 완전히 분리되도록 명령을 받는다.

도 4의 버블(bubble)형 다이어그램은 클러치 모드 제어 논리를 나타낸 것이다. 이 다이어그램의 특정한 수치들은 특정 엔진/변속기 배합에 적용될 수 있는 한예로서 제안된 것이다. 다른 적용들에 있어서는 다른 수치들이 적합하다. 각 수치는 표시된 파라미터의 전체 스케일 또는 최대값에 대한 소수로 나타낸 것이다. 예를 들어, 엔진 공회전 속도는 25% 또는 0.25이고, 값 0.27은 공회전 이상의 특정 속도를 나타내기 위해 선택된 것이고, 0.188 보다 작은 엔진 속도는 정지(stall) 상태로 접근하고 있는 것이다. 또한, 낮은 스로틀 신호가 의도적인 것이 확실하면,시스템은 3% 또는 0.03 보다 작은 페달 값을 영 신호(zero signal)로 처리해야 한다.

도 4의 다이어그램은 자동 모드 오프 상태에서 시작된다. 페달 신호가 0.03을 초과하면, 접촉점 접근 모드가 작동된다. 접촉점 접근 모드에서, 페달 신호가 0.03 이하로 떨어지고 브레이크가 작동되면 자동 모드 오프로 되돌아간다. 접촉점(TP)이 발생하고 페달 신호가 3% 보다 커지기 전에는 접촉점 접근에서 어떠한 동작도 일어나지 않으며, 그 다음에는 미끄럼 모드가 작동된다. 만일 페달 신호가 3% 이하로 떨어지면, 접촉점 접근 모드로 되돌아간다. 엔진 속도가 정지 상태에 가깝거나 브레이크가 인가되고 페달 신호가 0.03 이하이면, 논리는 자동 모드 오프로 되돌아간다. 클러치 맞물림이 성공적으로 이루어져서 변속기가 2단 이상의 기어로 변속되면 로크업 모드로 들어간다. 변속기가 1단 또는 2단 기어로 되돌아가지 않는 한 제어기는 로크업 모드로 유지될 것이며, 변속기가 1단 또는 2단 기어로 되돌아가면 미끄럼 모드로 되돌아갈 것이다. 페달 해제와 함께 브레이크 신호가 존재하고 엔진 "공회전 이상" 지점 아래로 떨어지면, 제어기는 자동 모드 오프로 갈 것이다.

도 5는 클러치 구동 제어기(60)의 제어 기능을 개략적으로 도시한 것이다. 도 1에서도 나타낸 바와 같이, 클러치 구동 제어기(60)는 스로틀(11)로부터의 스로틀 신호, 엔진 속도 센서(13)로부터의 엔진 속도 신호 및 변속기 입력 속도 센서(31)로부터의 변속기 입력 속도 신호를 수신한다. 도 5에 도시한 클러치 구동 제어기(60)는 클러치 맞물림 신호를 발생시키는데, 이 신호는 마찰 클러치(20)를작동시키는데 사용되는 클러치 구동기(27)에 공급된다. 스로틀 세팅, 엔진 속도 및 차량 특성들과 함께 클러치 구동 정도는 변속기 입력 속도를 결정하는데, 변속기 입력 속도는 변속기 입력 속도 센서(31)에 의해 감지되며 클러치 구동 제어기(60)에 공급된다. 그러므로, 도 5에 나타낸 제어는 폐루프 시스템이 된다.

클러치 구동 제어기(60)는 마이크로 컨트롤러 회로를 통해 구현되는 것이 바람직하다. 엔진 속도, 변속기 입력 속도 및 스로틀 설정에 해당하는 입력들은 반드시 디지털 형태이어야 한다. 이러한 입력 신호들은 마이크로 컨트롤러의 작동 속도와 일치하는 속도로 샘플링되는 것이 바람직하며, 원하는 제어를 제공하기 위해 충분히 빨라야 한다. 앞에서 설명한 것과 같이, 엔진 속도, 변속기 입력 속도 및 변속기 출력 속도는 복수-이빨 바퀴들에 의해 감지되는 것이 바람직하며, 이들 이빨의 회전이 자기 센서들에 의해 검출된다. 자기 센서에 의해 검출된 펄스열(pulse trains)은 소정의 간격으로 카운트된다. 각 카운트들은 측정된 속도에 정비례한다. 적절한 제어를 위해 차량이 후진할 경우 딘속기 입력 속도 신호의 부호는 반드시 음수이어야 한다. 입력축(25)의 회전 방향을 검출하는 어떤 방법이 필요하다. 이 방향 감지는 종래의 것이며, 더 이상 설명하지는 않는다. 스로틀 설정은 전위차계와 같은 아날로그 센서에 의해 검출되는 것이 바람직하다. 이 아날로그 스로틀 신호는 마이크로 컨트롤러에 사용될 수 있도록 아날로그-디지털 변환기에 의해 디지털 신호로 변환된다. 마이크로 콘트롤러는 공지된 방법으로 이산 차분 방정식에 의해 도 5에 나타낸 처리 과정을 수행한다. 그러므로 도 5에 나타낸 제어 처리 과정은 이산적인 하드웨어(discrete hardware)라기보다는 본 발명을 내장한 마이크로콘트롤러를 프로그램하는 방법을 나타내는 것으로 이해되어야 할 것이다. 마이크로 콘트롤러가 충분한 능력을 가지고 적절히 프로그램된다면, 같은 마이크로 콘트롤러가 클러치 구동 제어기(60) 및 변속기 시프트 제어기(33)로써 동작하게 할 수도 있다. 인텔 80C196 마이크로 콘트롤러는 이러한 방법을 수행하는데 충분한 계산 능력을 가진 것으로 생각된다.

미끄럼 기준 발생기(62)는 스로틀 신호를 수신하고 도 6에 나타낸 함수에 따라 미끄럼 기준 신호를 발생시키는데, 여기서 신호는 스로틀이 0%일 때 엔진속도(E_s)의 100%와 같고, 스로틀이 40%일 때 엔진 속도의 0%가 되도록 점진적으로 감소한다. 다른 함수도 사용될 수 있겠지만, 선형적인 감소가 적절한 것으로 알려졌다. 따라서, 미끄럼 기준은 엔진 속도 및 스로틀 위치의 함수이다. 입력 속도는 대수 덧셈기(64)에서 엔진 속도로부터 감산되어 미끄럼 신호가 결정되고, 이 미끄럼 신호는 대수 덧셈기(66)에서 미끄럼 기준 신호로부터 감산되어 미끄럼 에러 신호가 결정된다. 제어의 나머지 부분들은 앞에서 언급되고 여기서 참고로 사용된 미합중국 특허 제5,439,428호의 것과 동일하다. 미끄럼 에러는 PID 조정기(PID regulator)(68)에 입력되는데, 이러한 조정기들은 제어 방법론에서 잘 알려져 있으며 다른 형태를 취할 수도 있다, 이 응용예에서는 미분항을 제거한 PI 조정기가 대신 사용될 수도 있다. PID 조정기의 출력은 프리필터(prefilter)(70)에 입력된다. 대수 덧셈기(72)는 프리필터 출력과 입력 속도 사이의 차이값을 계산한다. 이 차이값은 보상기(74)에 공급된다. 보상기(74)는 토크 입력에 대한 차량의 비틀림 진동응답의 근사 역모델(approximate inverse model)을 포함하며, 3차 노치(a third order notch)필터를 구성한다. 보상기(74)는 차량 동력 전달 계통의 전달 함수에서의 변량으로 인한 클러치 구동 제어기(60)의 폐루프 응답의 변량을 감소시키기 위해 선택된 게인 대 주파수 함수(gain versus frequency function)를 포함하며, 특히 시스템의 로버스트니스를 향상시키기 위해 저주파수에서 향상된 게인을 갖는다.

피드포워드 신호가 엔진 속도 미분 신호에 의해 클러치 맞물림 신호에 제공된다. 미분 보상기 또는 가속 보상기(78)는 엔진 속도의 변화율에 대응하는 미분 신호를 형성하지만, 여기서 엔진 속도는 작은 엔진 감속으로 인한 급격한 감소를 방지하기 위해 저역 통과 필터(low pass filter)(76)에 의해 필터링된 값이다. 이 엔진 속도 미분 신호와 적분기(80)에 의해 형성된 이의 적분은 대수 덧셈기(82)에 제공된다. 대수 덧셈기(82)는 보상기(74)의 출력, 가속 보상기(78)로부터의 엔진 속도 미분 신호 및 적분기(80)로부터의 적분 신호를 합산하여 클러치 맞물림 신호를 형성한다. 클러치 구동기(27)는 이 클러치 맞물림 신호를 이용하여 클러치 맞물림 정도를 제어한다.

피드포워드 신호는 엔진 속도가 가속 중일 때 클러치 구동 제어기(60)의 응답을 더 좋게 한다. 엔진 속도가 가속하고 있는 상태에서, 피드포워드 신호는 엔진 가속 비율에 비례하여 클러치(20)를 빨리 맞물리게 한다. 최대 스로틀 상태인 경우, 엔진 속도는 동력 전달 계통의 토크가 형성되기 이전에 빠르게 증가할 수 있다. 이것은 피드포워드 응답이 없는 클러치 구동 제어기(60)의 응답 속도는 최대 엔진 응답 속도와 비교해 낮기 때문이다. 피드포워드 응답을 구비한 고속 엔진 가속은 다른 클러치 맞물림보다 더 빠르게 된다. 부가적인 클러치 맞물림은 엔진으로 부터의 부가적인 토크를 요구함에 따라 엔진 속도의 증가를 억제하는 경향이 있다. 엔진 속도가 일정하게 되면, 미분항은 영으로 되고 적분기(80)는 엔진 속도를 구속하는데 필요한 클러치 맞물림을 유지한다. 이 때, 제어 기능의 다른 부분들은 변속기 입력 속도가 기준 신호에 점근적으로 수렴되도록 한다.

개선된 제어 알고리즘은 몇몇 추가적인 장점들뿐만 아니라 미합중국 특허 제5,439,428호에 개시된 모든 장점들을 제공한다. 미끄럼 기준 신호는 매우 작은 스로틀 위치에서는 상당한 클러치 미끄럼을 허용하나 스로틀 값이 증가함에 따라 미끄럼을 점차 감소시킨다. 최종 결과는 매우 부드러운 작동뿐만 아니라 총 미끄럼도 감소시켜서, 결국 클러치 내마모성을 좋게 하고 열낭비를 줄인다. 알고리즘을 조정함으로써 다른 형태의 대형 트럭들에서 성공적이어서 매우 수송능력이 꽤 좋은 것으로 밝혀졌다. 보상기에서 2차 필터 대신 3차 필터가 사용된다면, 동력 전달 계통의 진동을 제거하는데 효과적이고, 또 높은 감쇠 수준 및 낮은 감쇠 수준의 차량들 사이의 수송 능력뿐만 아니라 로버스트니스도 향상된다. 개선된 클러치 제어는 특히 미합중국 특허 제5,403,249호에 나타난 프리즈 논리 특성(freeze logic feature)과 함께 사용하는데 매우 적합하다.

상단 변속 전에 로크업을 해제하기 위한 이전의 시스템으로부터 모드 논리를 변화시킨 것은 서행하는 중에 로크업 상태로 되는 바람직하지 않은 영향들을 피할 수 있게 한다. 따라서 높은 스로틀에서 시스템은 미끄럼 모드로 유지된다. 이 미끄럼 모드에서 영(零)의 미끄럼 상태가 존재할 수 있다. 그러므로, 미끄러짐은 예를들어 부하 증가로 인해 재개되나, 이러한 변속의 재개는 운전자에게는 느껴지지 않는다. 스로틀이 40% 이하인 미끄럼 기준 신호가 생성될 때 제어의 기준 값은 미끄럼 기준이지만, 스로틀이 40%를 초과하는 미끄럼 기준 신호가 0일 때에는 엔진 속도가 제어 기준이 된다(종래 시스템들에서는 별도의 출발 또는 발진 모드가 필요)는 것을 주의해야 할 것이다.

본 발명의 자동 클러치 제어기는 클러치 맞물림에 대한 진동 응답을 최소화하여 차량이 발진하는 도중에 부드러운 클러치 맞물림을 제공한다. 이러한 자동 클러치 제어기는 대형 트럭에 유용하다.

Claims

스로틀(12)에 의해 제어되는 엔진(10)과, 상기 엔진(10)에 연결된 입력축(25) 및 변속기(30) 입력에 연결된 출력축(35)을 갖는 마찰 클러치(20)와, 스로틀 신호를 발생하는 스로틀 위치 센서(13)와, 상기 엔진(10)에 연결되어 엔진 속도 신호를 발생시키는 엔진 속도 센서(13)와, 상기 마찰 클러치(20)의 상기 출력축(35)에 연결되어 상기 마찰 클러치(20)의 상기 출력축(35)의 회전 속도에 대응하는 변속기 입력 속도 신호를 발생하는 변속기 입력 속도 센서(31), 및 마찰 클러치(20)에 연결되어 클러치 맞물림 신호(28)에 따라 분리로부터 완전 맞물림까지 상기 마찰 클러치(20)의 맞물림을 제어하는 클러치 구동기(27)를 포함하는 동력 트레인(power train)에서의 자동 클러치 제어기(60)에 있어서,

상기 스로틀 신호에 응답해서 스로틀과 엔진 속도의 함수인 미끄럼 기준 신호를 발생시키는 미끄럼 기준 발생기(62);

상기 입력 속도, 상기 엔진 속도 및 상기 미끄럼 기준 신호로부터 미끄럼 에러 신호를 발생시키는 미끄럼 에러 신호 발생 회로;

상기 미끄럼 에러 신호에 응답하여 미끄럼 에러를 조정하는 PID 조정기(68); 및

상기 조정된 미끄럼 에러에 응답하여 상기 미끄럼 에러 신호를 최소화하는 클러치 맞물림 신호(28)를 발생시키는 제어 회로를 포함하며,

상기 미끄럼은 상기 미끄럼 기준 신호에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는자동 클러치 제어기.
제1항에 있어서, 상기 미끄럼 기준 발생기(62)는 엔진 속도에 대한 특정 비율로 미끄럼 기준 신호를 발생하고, 상기 비율은 스로틀이 증가함에 따라 감소하는 것을 특징으로 하는 자동 클러치 제어기.
제1항에 있어서, 상기 미끄럼 기준 발생기(62)는 스로틀이 0%일 때는 엔진 속도의 100%이고, 소정의 스로틀 설정에서는 엔진 속도의 0%로 점차 감소되는 미끄럼 기준 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 자동 클러치 제어기.
제1항에 있어서, 상기 미끄럼 에러 신호 발생 회로는 상기 엔진 속도 신호 및 상기 입력 속도 신호의 차이로부터 미끄럼 신호를 결정하는 제1 대수 덧셈기(64)와, 상기 미끄럼 기준과 상기 미끄럼 신호의 차이로부터 상기 미끄럼 에러 신호를 결정하는 제2 대수 덧셈기(66)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동 클러치 제어기.
제1항에 있어서, 상기 제어 회로는 3차 노치 필터(76)를 갖는 보상기(74)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 클러치 제어기.
제1항에 있어서, 상기 자동 클러치 제어기는 모드 논리 회로를 포함하며,

상기 모드 논리 회로는,

스로틀이 실질적으로 닫혔을 때 자동 제어가 되지 않도록 하는 자동 오프 모드;

스로틀이 최소 설정 이상일 때 클러치를 접촉점(81)으로 제어하는 접촉점 제어 모드;

상기 스로틀 신호와 상기 엔진 속도 신호에 따라 클러치 미끄러짐을 제어하는 상기 자동 제어 회로를 구동하기 위해 상기 접촉점(81)에 도달한 경우에 실행되는 미끄럼 모드; 및

상단 변속이 발생한 경우에 실행되는 로크업 모드로 정의되는 것을 특징으로 하는 자동 클러치 제어기.
제1항에 있어서, 상기 제어 회로는,

상기 조정된 미끄럼 에러에 응답하여 보상된 신호를 발생하는 보상기(74);

피드포워드 회로; 및

상기 보상된 신호와 상기 피드포워드 출력을 더하여 클러치 맞물림 신호를 발생시키는 덧셈 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 클러치 제어기.
제7항에 있어서, 상기 피드포워드 회로는,

상기 엔진 속도에 응답하여 리드(lead) 신호를 발생하는 미분 보상기(78); 및

상기 리드 신호에 응답하여 적분 신호를 발생시키는 적분기(80)를 포함하며,

상기 리드 신호 및 상기 적분 신호가 상기 피드포워드 출력이 되는 것을 특징으로 하는 자동 클러치 제어기.
스로틀(12)에 의해 제어되는 엔진(10)에 의해 마찰 클러치(20)를 거쳐 구동된 입력축을 포함하는 기어 변속기와, 상기 마찰 클러치(20)를 구동하는 클러치 구동 제어기(60)를 가지며, 상기 마찰 클러치(20)에는 구동 중의 토크 전달에서 초기에 접촉한 후 점차로 증가하는 맞물려질 수 있는 부분이 있고, 상기 클러치 구동 제어기(60)에는 미끄럼 모드 및 로크업 모드를 포함하는 자동 모드가 있는 차량에서의 자동 클러치 제어 방법에 있어서,

엔진 속도, 변속기 입력 속도, 및 스로틀 위치를 측정하고 이에 대응하는 신호들을 발생시키는 단계;

상기 엔진 속도와 상기 스로틀 신호의 함수로서 미끄럼 기준 신호를 발생시키는 단계;

상기 엔진 속도와 상기 입력 속도를 비교해서 미끄럼 값을 결정하는 단계;

상기 미끄럼 기준과 상기 미끄럼 값을 비교해서 미끄럼 에러를 결정하는 단계; 및

상기 미끄럼 에러가 최소화되도록 클러치 구동을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 클러치 제어 방법.
제9항에 있어서, 상기 미끄럼 기준 신호는 스로틀 위치가 영일 때에는 상기 엔진 속도가 되고, 스로틀 값이 커질수록 전차 감소하는 엔진 속도의 퍼센트 값이 되어 스로틀의 중간값에서 영 퍼센트에 도달하는 것을 특징으로 하는 자동 클러치 제어 방법.
제9항에 있어서, 상기 미끄럼 기준 신호는 스로틀 위치가 영일 때에는 상기 엔진 속도가 되고 스로틀 값이 커질수록 점차 감소하는 엔진 속도의 퍼센트 값이 되어 스로틀의 중간값에서 영 퍼센트에 도달하며,

상기 미끄럼 기준이 영일 때, 상기 엔진 속도에 따라 클러치 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 자동 클러치 제어 방법.
제9항에 있어서, 상기 클러치 구동(60)을 제어하는 단계는,

상기 미끄럼 에러 신호를 비례 및 적분 조정함으로써 미끄럼 에러를 수정하는 단계; 및

상기 입력 속도 신호 및 상기 미끄럼 에러 신호의 차이를 수정함에 따라 상기 미끄럼 에러 신호를 최소화하는 클러치 맞물림 신호를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 클러치 제어 방법.
제9항에 있어서, 상기 클러치 구동(60)을 제어하는 단계는,

상기 미끄럼 에러 신호의 비례 및 적분 조정에 의해 미끄럼 에러를 수정하는단계;

보상 신호를 발생시키기 위해 상기 입력 속도 신호와 상기 미끄럼 에러 신호의 차를 3차 필터링하는 단계;

미분 신호를 발생시키기 위해 상기 엔진 속도를 미분하는 단계;

적분 신호를 발생시키기 위해 상기 미분신호를 적분하는 단계; 및

클러치 구동 신호를 발생시키기 위해 상기 보상 신호, 상기 미분 신호 및 상기 적분 신호를 더하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 클러치 제어 방법.
제9항에 있어서, 상기 클러치 구동(60)을 제어하는 단계는,

상기 미끄럼 에러 신호의 비례 및 적분 조정에 의해 미끄럼 에러를 수정하는 단계;

상기 입력 속도 신호와 상기 수정된 미끄럼 에러 신호를 더하는 단계; 및

예상 진동 주파수 범위에 있는 노치 주파수를 3차 노치 필터링함으로써 상기 합산된 신호를 필터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 클러치 제어 방법.
제9항에 있어서,

상기 자동 클러치 제어 방법은 접촉점(81)에 도달한 후 상기 미끄럼 모드로 들어가는 단계; 및

기어를 상단 변속시켰을 때, 상기 미끄럼 모드에서 빠져나와 상기 로크업 모드로 들어가는 단계를 포함하며,

상기 미끄럼 에러를 최소화하기 위한 상기 클러치 구동(60)을 제어하는 단계는 상기 미끄럼 모드일 때만 발생하는 것을 특징으로 하는 자동 클러치 제어 방법.