(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
変速機が少なくとも１つのシフトレール(36、38、40)を備えており、かつシフト機構(22)がモータ(50、52) によって駆動されるシフトフィンガ(29)を有し、このシフトフィンガ(29)が前記シフトレールに協動して変速機のシフトを行い、前記モータによって機械式自動変速機(10)のシフト機構(22)に加える力を制御する方法であって、
目標電流が前記モータに加えられるように可変デューティサイクルのパルス幅変調制御信号で前記モータを励起するステップ(100) と、
モータによって引き出された電流を感知するステップ(102) と、
この感知された電流（Ｄ）と前記目標電流との誤差と、該誤差の変化率との合計値またはその関数として前記制御信号のデューティサイクルを調節して(106) 、前記誤差をゼロまで減少させるステップとを有し、
前記目標電流は、前記変速機の滑りクラッチに作用する駆動系統トルクによって発生する摩擦力より小さい予荷重力（Ｂ）をシフトフィンガ(29)に生じさせることを特徴とする請求項１記載の方法。
することを特徴とする方法。
【請求項２】
モータの動きを検出することに応答して前記目標電流を増加させて、ニュートラルへの引っ張りシフト動作を開始することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
変速機が少なくとも１つのシフトレール(36、38、40)を備えており、かつシフト機構(22)がモータ(50、52) によって駆動されるシフトフィンガ(29)を有し、このシフトフィンガ(29)が前記シフトレールに協動して変速機のシフトを行うようにした、機械式自動変速機(10)のシフト機構(22)に加える力を制御する装置であって、
前記モータに接続され、かつ前記モータの回転方向を制御するための制御信号に応答する電流ステアリング手段(54、56) と、
目標電流が前記モータに加えられるように、前記ステアリング手段に可変デューティサイクルのパルス幅変調制御信号を加えるコントローラ手段(16、34) とを備え、
前記コントローラ手段は、前記モータにより引き出された電流を感知して、この感知された電流と前記目標電流との誤差と、該誤差の変化率との合計値の関数として前記制御信号のデューティサイクルを調節し、前記誤差をゼロまで減少させること特徴とする装置。
【請求項４】
前記目標電流は、前記変速機の滑りクラッチに作用する駆動系統トルクによって発生する摩擦力より小さい予荷重力（Ｂ）をシフトフィンガ(29)に生じさせることを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項５】
コントローラ手段(16、34) は、モータの動きを検出することに応答して目標電流を増加させて、ニュートラルへの引っ張りシフト動作を開始することを特徴とする請求項４記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ギア比の変更が直流モータ駆動形シフト機構によって行われる機械式自動変速装置、特にシフト特性を向上させ、変速機の摩耗を減少できるようにモータによって加えられる力を制御する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
様々な車両作動状態または運転者の入力に応じてギア比の変更すなわちシフトを行うマイクロプロセッサベースの電子制御装置を用いた機械式自動変速装置は公知である。例えば、本発明の譲受人に譲渡されている米国特許第5,053,962 号を参照されたい。この特許の開示内容は参考として本説明に含まれる。
【０００３】
また、手動または自動シフト開始に応じてシフト動作を実行するために電気モータ駆動式シフト機構を用いることができる。例えば、本発明の譲受人に譲渡されている米国特許第4,873,881 号を参照されたい。この特許の開示内容もまた参考として本説明に含まれる。
【０００４】
第4,873,881 号特許では、シフトフィンガが、１つまたは複数の直流モータによって、特定のシフトレールを選択するためにＸ−Ｘ軸に沿って、また歯車に対する噛み合いまたは切り離し位置へ滑りクラッチを移動させるためにＹ−Ｙ軸に沿って駆動される。
【０００５】
機械式自動変速機のシフトに関連して３つの移動が考えられる。その３つの移動とは、（ａ）ニュートラルへの移動、（ｂ）レール変更、及び（ｃ）歯車噛み合いである。ニュートラルへの引っ張り動作中、変速機の滑りクラッチは変速機歯車の１つから切り離されて、ニュートラル位置へ、すなわち非噛み合い位置へ移動する。
【０００６】
噛み合い中、滑りクラッチはニュートラル位置から選択された歯車との噛み合い位置へ移動する。シフト特性を最高にし、自動車の急激な傾きや衝撃を最小限に抑えるためには、歯車の切り離し及び噛み合いをできるだけ円滑に行うことが重要である。自動車の急激な傾きは、不意の、または予想しない歯車の噛み合いまたは切り離しが行われた時に発生する。
【０００７】
ニュートラルへの引っ張り動作中、滑りクラッチにはシフト機構によって所定の力の予荷重が加えられる。この予荷重力は、クラッチに作用する駆動系統トルクによって通常発生する摩擦力より小さく、従って、クラッチは歯車と噛み合ったままである。
【０００８】
しかし、駆動系統の振動によって、駆動系統によって滑りクラッチに発生した摩擦滑り力が予荷重力より低くなることがある。これによって、早期の歯車の切り離しが生じて、自動車の急激な傾きを発生する可能性がある。車両に対応したエンジンの減速中に通常発生するゼロトルクシフトの期間中に切り離しが行われることが好ましい。
【０００９】
また、ゼロトルク期間中に切り離しが行われない場合、駆動系統トルクの方向が逆になって、シフトヨークが、従って電気モータが直ちに停止する。モータには大きな慣性があるので、この停止状態でシフト機構に加えられる力によって、滑りクラッチが「ギヤ鳴り」を生じて切り離され、自動車の急激な傾きと共に、機械式リンク機構の大きな衝撃損傷を発生する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
クラッチが歯車と噛み合っている間、加えられる力は、駆動系統によって滑りクラッチに発生する摩擦力より極わずかに大きい力であるべきである。滑りクラッチは歯車と、その両者の速度がほぼ同期するまで、噛み合おうとしなくても、非同期噛み合いが発生することがあり、滑りクラッチに加えられている力を制御することによってこの非同期噛み合いを防止できなければ、自動車の急激な傾きや滑りクラッチの破損を引き起こすであろう。
【００１１】
従って、本発明の目的は、変速機のシフト特性を向上させ、摩耗を減少させるようにした機械式自動変速機のシフト力を制御する方法および装置を提供することである。
【００１２】
本発明の別の目的は、不意のニュートラルへの引っ張りシフト動作の発生を減少させ、シフト機構に加えられるモータ力を正確に制御することによって、歯車噛み合い中の過大な衝撃及び歯のぶつかり合いをなくすことである。
【００１３】
本発明の別の目的は、歯車シフト動作中のＸ−Ｙシフト機構のモータの停止から生じるアーマチュア電流スパイクを迅速に減少させることによって、機械式自動変速機のシフト特性を向上させ、摩耗を減少させることである。
【００１４】
本発明の別の目的は、歯車の噛み合い及び切り離し中にモータが急激に停止した場合に滑りクラッチに加えられる力を迅速に低減させることによって、機械式自動変速機の機械部品に対するピーク応力を減少させることである。
【００１５】
本発明の別の目的は、目標電流に対するモータアーマチュア電流の誤差の変化率の関数としてモータに加えられる電圧を制御することによって、モータ駆動式シフト機構によって滑りクラッチに加えられる力を制御することによって、機械式自動変速機においてシフト特性を向上させ、摩耗を減少させることである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、変速機が少なくとも１つのシフトレールを備えており、かつシフト機構がモータによって駆動されるシフトフィンガを有し、このシフトフィンガが前記シフトレールに協動して変速機のシフトを行うようにした、機械式自動変速機のシフト機構に加える力を制御する方法及び装置であって、その特徴部分は、請求項１及び４に記載の構成を有している。
【００１７】
【作用】
本発明によれば、機械式自動変速機のシフト特性は、変速機のシフト機構を駆動するモータのアーマチュア電流を正確に制御することによって向上する。モータによって取り出された電流は、変速機のマイクロコントローラによって監視され、シフト動作中にシフト機構が突起に出会っているか、すなわち停止しているかどうかが判断される。
【００１８】
マイクロコントローラは、モータに加えられるパルス幅変調（ＰＷＭ）電圧信号のデューティサイクルを、マイクロコントローラによって感知された電流と目標電流との誤差の比例及び微分制御の両方を行うアルゴリズムに従って制御するようにプログラムされている。
【００１９】
シフト動作中に起こり得る大きいモータ電流変動を最小限に抑えることができるように、パルス幅変調モータ電圧制御信号のデューティサイクルを調節することによって、電流が制御される。ＰＷＭ信号のデューティサイクルは、目標電流に対するアーマチュア電流の誤差の大きさと、誤差の変化率との合計の関数として変化する。固有の機械的応答より速い高い頻度で電流をサンプリングすることによって、高い応答率の電流を用いて、妥当な追従機械装置が制御不能の動的衝撃に対応した最大力に達する前に、モータのトルクを逆にすることができる。
【００２０】
モータ停止に迅速に応答し、ＰＷＭ制御によって電流を迅速に減少させることによって、シフト機構によって滑りクラッチに加えられる力を減少させ、それによって、モータに加えられるはずである相当に大きい力、及び固定ストップに出会うことによって生じると考えられる変速機及びモータの破損を避けることができる。
【００２１】
添付の図面を参照した以下の詳細な説明を読めば、本発明をさらに完全に理解できるであろう。
【００２２】
【実施例】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は、機械式自動変速機10を示している。変速機10は従来構造であり、例えば多速度主変速部を多速度補助部と直列に接続した一部自動化したレンジ形複式変速機である。
【００２３】
変速機10は、常時連結しているが選択的に切り離される摩擦マスタークラッチＣを介してディーゼルエンジンＥ等の原動機によって駆動される入力軸12を設けている。マスタークラッチＣには、エンジンのクランク軸に連結された駆動部と、変速機入力軸12に固定された従動部とが設けられている。エンジンは、手動操作可能なスロットル装置（図示せず）によって燃料制御され、マスタークラッチは、クラッチペダル等（図示せず）によって手動制御される。変速機出力軸14は、変速機10の歯車機構を介して、現在の選択ギア比で変速機入力軸12に対して減速した速度で駆動される。
【００２４】
変速機10の歯車のシフトは、入力軸センサ18及び出力軸センサ20を含む図示の多数のセンサから入力を受け取るマイクロコントローラ（ＥＣＵ）16、好ましくはマイクロプロセッサベースのもので制御されている。ＥＣＵ16は、ギアシフトを実行するため、Ｘ−Ｙシフト機構22から入力を受け取り、それへ制御信号を送る。
【００２５】
シフト機構は、本発明の譲受人に譲渡されており、参考として本説明に含まれる上記米国特許第4,873,881 号に詳細に記載されている。ＥＣＵ16はまた、データリンク26を介して全体的に24で示されているシフト操作盤及びディスプレイ装置から入力を受け取り、それへ制御信号を送る。
【００２６】
この装置24は、ドライバに状態情報を与え、また操作盤がホールド位置Ｈにある時、変速機を手動シフトするためのアップ及びダウンボタンも備えている。現在のギア比を表示するため、ドライバディスプレイモジュール28を設けて、シフトがアップシフトか、ダウンシフトかを示す矢印を付けてもよい。
【００２７】
変速機10及びそのような変速機を制御するシステムに関する詳細は、上記米国特許第5,109,721 号及び第5,050,079 号、及びそれらに参考として挙げられている特許に記載されており、これらの特許の開示内容は、参考として本説明に含まれる。
【００２８】
次に図２を参照しながら説明すると、Ｘ−Ｙシフト機構22には、シフトブロック30、32及び34の内壁に選択的に接触するシフトフィンガ29が設けられている。シフトブロック30、32及び34は、それぞれ機械式ギヤチェンジ変速機に一般的に使用されているシフトレール36、38及び40に取り付けられている。シフトレールの各々には、それぞれシフトフォークまたはヨーク42、44及び46が取り付けられて、一緒に軸方向移動できるようになっている。
【００２９】
公知のように、シフトフォークの各々は、歯車を軸に選択的に噛み合わせたり切り離す噛み合い滑りクラッチ機構に対応している。上記特許に説明されているように、フィンガ29は、適当な機構（図示せず）を介して、フィンガをそれぞれＸ−Ｘ及びＹ−Ｙ方向へ移動させる永久磁石モータ50及び52に連結されている。あるいは、上記特許に説明されているように、単一のモータ及び適当なクラッチ及び駆動機構を用いて、フィンガをＸ−Ｘ軸及びＹ−Ｙ軸に沿って選択的に移動させることもできる。
【００３０】
モータ50及び52の回転速度及び方向は、ＥＣＵ16から電流ステアリング論理回路54及び56に加えられる可変デューティサイクルのパルス幅変調（ＰＷＭ）信号によって制御される。モータのアーマチュア電流は、それぞれ58及び60で測定されて、アナログ／デジタル変換器62によってデジタル値に変換されてから、ＥＣＵ16へ入力される。
【００３１】
ＥＣＵは、以下に詳細に説明するようにＰＷＭ信号のデューティサイクルを調節することによってモータ50及び52へ送る電流を制御するようにプログラムされている。Ｘ−Ｘ軸及びＹ−Ｙ軸に沿ったフィンガ29の位置は、それぞれ電位差計62及び64で感知され、それぞれ66及び68でフィルタ処理されてから、デジタル値に変換され、ＥＣＵ16に入力される。好ましくは、電位差計62及び64は、シフトフィンガの移動範囲全体で０〜５ボルトの出力を発生するようにする。電位差計の出力は、０〜1023ビットのデジタル値の２進語に変換される。
【００３２】
マイクロコントローラ16は、ステアリング論理回路54及び56を介してモータの回転方向を制御し、ＰＷＭ信号のデューティサイクル変化を介してモータの出力トルク及び速度を制御する。
【００３３】
次に、図３を参照しながら、電流ステアリング論理回路ブロック56についてさらに詳細に説明する。
【００３４】
モータ52は、端子70とアースとの間に連結されたＢ＋で示されている車両バッテリ等の直流電位源の両端に接続されている。電流がモータ52を流れる方向、従ってモータの方向は、ソリッドステートスイッチ72、74、76及び78の対応のものをそれぞれのゲート電極82、84、86及び88に制御信号を加えることによって励起することによって制御される。
【００３５】
スイッチ72及び74をオンに、スイッチ76及び78をオフにすることによって、モータが一方向、例えば時計回り方向に駆動される。スイッチ72及び74をオフに、スイッチ76及び78をオンにすることによって、モータは反時計回り方向に駆動される。
【００３６】
回転方向に関係なく、モータ52のトルクは、従ってフィンガ29に加えられる力は、モータのアーマチュア電流に正比例している。あるモータ速度に対して、モータ両端に印加される電圧を調節することによって力を調節することができる。
【００３７】
変速機のシフト中の特別で重大な問題は、モータの停止に対応するモータのゼロ速度である。駆動系統の振動によってモータに高い逆トルクが掛かったためにモータが停止した場合、モータによって印加される電流が増加して、モータによって加えられる力が増大する。この力の増大によって、シフト特性が低下し、変速機の摩耗が増大する。
【００３８】
従って、電流を、それによって力を減少させるためにモータに印加される電圧を減少させることが望ましい。印加バッテリ電圧の電圧減少すなわち減衰は、一定時間内にスイッチをオンにする時間を短縮することによって行うことができる。
【００３９】
これによって、ＥＣＵは、適当な対のスイッチ、例えば72、74がオンになる時間を制御することによって、可変デューティサイクルのパルス幅変調電圧信号をモータ52に加えることができる。
【００４０】
モータ52のアーマチュア電流を監視するため、抵抗器80がモータ52と直列に接続されている。抵抗器80を流れる電流は、抵抗器の両端に生じる電圧を、Ａ／Ｄ変換器を介して定期的に感知するＥＣＵによって検出される。
【００４１】
図４のフローチャートに示されているように、ＥＣＵは、ステップ100 でモータ52をＰＷＭ制御信号で励起し、ステップ102 でモータアーマチュア電流を定期的に測定する。ステップ104 で、感知電流が所望または目標電流と比較され、感知電流及び目標電流が等しくない場合、ステップ106 でＰＷＭ信号の新しいデューティサイクルが計算される。
【００４２】
新しいデューティサイクルは、古いデューティサイクルと、測定電流と所望または目標電流との誤差に比例ゲイン係数を掛けた値と、現在の電流誤差と先の電流誤差との差に微分ゲイン係数を掛けた値との合計に等しい。これは、次の式で表される。
【００４３】
新しいデューティサイクル＝古いデューティサイクル＋電流誤差・ＫＰ ＣＹ＋（現在の電流誤差−先の電流誤差）・ＫＤ ＣＹ
但し、ＫＰ ＣＹは比例ゲイン係数、ＫＤ ＣＹは微分ゲイン係数である。
【００４４】
次に、図５を参照しながら説明すると、ニュートラルへの引っ張りシフト動作中に得られるグラフが、予想される駆動系統の振動の発生中に制御不能の力がシフト機構に加わるのを本発明の電流制御方法がどのように防止するかを説明している。
【００４５】
Ｙ−Ｙ位置を表す線Ａは、電位差計64によって与えられたシフトフィンガ29の位置を経時的にデジタルカウントで表している。力を表す線Ｂは、ヨーク44に加えられる力を経時的にポンドで表している。トルクを表す線Ｃは、車両駆動系統のトルクを経時的にlb-ft/10で表している。電流を表す線Ｄは、モータのアーマチュア電流を経時的にアンペア×10で表している。
【００４６】
目標電流を表す６アンペアのモータ電流によって、約50ポンドの予荷重力がヨーク44に加えられる。104 で駆動系統トルクがほぼゼロまで低下し、106 で駆動系統トルクの低下に応じてモータが移動し始める。グラフの約1.96秒の位置で、マイクロコントローラは、変速機を迅速にニュートラルへシフトするプログラムルーチンを実行する。
【００４７】
本発明の譲受人に譲渡されており、参考として本説明に含まれる、1992年11月30日に出願された同時係属中の米国特許出願SN985,190 号に説明されているように、ルーチンは、モータの回転を表す１つまたは複数のトリガ事象の検出に伴って開始される。
【００４８】
このルーチンは、モータに全電圧を印加する。従って、モータ電流が上昇して、108 で示されているように短時間だけピーク値に達してから、モータがニュートラルの方向へ移動し、ヨーク44に加わっている力がゼロまで低下するのに伴って、６アンペアに戻る。
【００４９】
しかし、約1.92秒〜約1.99秒に存在しているゼロトルク期間の後、駆動系統のトルクが逆向きになる。この時点では、エンジンがホィールを駆動しているのではなく、実際にはホィールがエンジンを駆動している。その結果、モータは減速して、110 で事実上停止する。
【００５０】
電流が増加して、約300 ポンドの圧力の力を発生するのではなく、アーマチュア電流は112 でピーク値になり、図３の電流制御方法によって迅速に116 で６アンペアに戻る。従って、ヨーク力は116 でピーク値になり、迅速に118 で50フィートポンドに戻る。
【００５１】
電流の低下に伴ってヨーク力が減少することによって、モータが停止位置から動き始め、これによって、非ゼロ駆動系統トルク状態中に歯車切り離し動作が継続された場合に発生するモータ及び変速機の摩耗及び引き裂きを避けることができる。
【００５２】
次に、図６を参照しながら、歯車を切り離して別の歯車と噛み合うシフト動作を説明する。
【００５３】
シフトフィンガ位置線Ａ（１目盛りが100 ビット）とモータアーマチュア電流線Ｄ（１目盛りが５アンペア）とが示されている。ニュートラルへの引っ張りシフト動作に先だって、ＰＷＭ電圧が130 でモータに印加され、６アンペアの予荷重モータアーマチュア電流を維持できるように制御される。
【００５４】
この予荷重電流は、132 でシフトフィンガ29が移動し始める時点から、変速機の機械式バックラッシュ及び遊びを取り除いた後に134 でシフトフィンガが固定ストップに当たる時点までの約100 ミリ秒の間加えられる。フィンガが停止した時、モータ電流が136 で非常に短時間だけピーク値になり、図３の電流制御方法によって６アンペアまで低下して、安定する。
【００５５】
約700 ミリ秒〜900 ミリ秒で発生する電流変動は、図４に関連して述べたように変速機をニュートラル位置へ引っ張るためにＥＣＵがプログラムルーチンを実行することに起因している。変速機がニュートラル位置にあり、所望の歯車が選択されたと判断されると、連結中の２本の軸がほぼ同一速度で回転するとすぐに、変速機は歯車噛み合い動作の準備ができる。
【００５６】
約900 ミリ秒でほぼ同期した速度が得られると、制御用に10アンペアの目標モータアーマチュア電流が設定されて、モータがクラッチを選択歯車と噛み合う位置へ移動させ始める。138 で、歯車の噛み合いによってモータが停止し、140 で短時間だけピーク値になるが、図３の電流制御方法によって迅速に142 でゼロになる。
【００５７】
以上に本発明の最良の態様を示してきたが、発明の精神の範囲内において様々な変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、変速機のシフト機構を駆動するモータのアーマチュア電流を制御することによって、機械式自動変速機のシフト特性が向上し、変速機の摩耗を減少させることができる。
【００５９】
この電流はマイクロコントローラによって監視され、シフト機構がシフト動作中に突起に出会ったか、すなわち停止したかを判断する。マイクロコントローラ(16)は、測定された電流と目標電流との誤差の比例及び微分制御の両方を行うアルゴリズムに従って、モータに送られるパルス幅変調電圧信号のデューティサイクルを制御するようにプログラムされている。この結果、ＰＷＭ制御による電流スパイクの急激な減少によって、シフト機構に、従って滑りクラッチ及び変速機歯車機構に加えられる力を減少することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の力制御式シフト方法を適用できる形式の機械式自動変速装置のブロック図である。
【図２】機械式自動変速機のシフト機構に加えられる力を制御するマイクロコントローラベースのシステムのブロック図である。
【図３】図２の電流ステアリング制御回路の概略図である。
【図４】本発明の力制御歯車シフト方法を説明するフローチャートである。
【図５】ニュートラルへの引っ張りシフト動作を試行中の、時間に対するシフトフィンガ位置、ヨーク力、駆動系統トルク及びモータ電流のグラフ図である。
【図６】ニュートラルへの引っ張りシフト動作及びそれに続いた歯車噛み合い中のモータ電流及びシフトフィンガ位置を表すグラフである。
【符号の説明】
10  機械式自動変速機
22  シフト機構
29  シフトフィンガ
36、38、40  シフトレール
50、52   モータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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