СПОСОБ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПЕРЕДАЧ В ГИБРИДНОМ ТРАНСПОРТНОМ СРЕДСТВЕ
METHOD OF GEARS SHIFTING IN HYBRID VEHICLE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к способу переключения передач в коробке передач транспортного средства, соответствующему преамбуле п. 1 прилагаемой формулы изобретения.
В частности, но не исключительно, изобретение направлено на осуществление такого способа для транспортных средств в виде колесных транспортных средств общего назначения, в частности большегрузных транспортных средств, таких как, например, грузовых автомобилей и автобусов.
Таким образом, изобретение относится к способу переключения передач в гибридном транспортном средстве, причем такое транспортное средство в общем случае является транспортным средством, привод которого могут осуществлять главный двигатель, в данном случае - двигатель внутреннего сгорания, и вспомогательный двигатель, в данном случае - электрическая машина. Электрическая машина должным образом снабжена средством аккумулирования энергии, таким как аккумуляторная батарея или конденсатор для аккумулирования электрической энергии, и регулирующим оборудованием для регулирования потока электрической энергии между упомянутым средством и электрической машиной. Вследствие этого, электрическая машина может работать как двигатель и генератор в зависимости от рабочего состояния транспортного средства. Когда транспортное средство тормозят, электрическая машина генерирует электрическую энергию, которую можно аккумулировать, и эту электрическую энергию можно впоследствии использовать, например, для приведения транспортного средства в движение.
Использование обычного механизма сцепления, разъединяющего входной вал коробки передач c двигателем внутреннего сгорания во время процесса переключения передач в коробке передач, влечет за собой недостатки, такие как нагревание дисков механизма сцепления, что приводит к возрастающему расходу топлива и износу дисков сцепления. Тогда создаются также значительные потери, когда транспортное средство трогается с места. Кроме того, обычный механизм сцепления является относительно массивным и дорогостоящим. Он также занимает относительно большое пространство в транспортном средстве. При использовании гидравлического преобразователя/трансформатора крутящего момента, обычно применяемого в автоматических коробках передач, также возникают потери на трение. Обычного механизма сцепления, а также гидравлического преобразователя, и упомянутых недостатков, связанных с ними, можно избежать, предусматривая для такого транспортного средства наличие движительной системы, в которой выходной вал двигателя внутреннего сгорания, ротор электрической машины и входной вал коробки передач взаимосвязаны планетарной передачей. Транспортное средство, имеющее движительную систему этого типа, известно из документа EP 1319546.
Конечно же, постоянно предпринимаются попытки усовершенствовать способы приведения в движение транспортного средства, имеющего такую движительную систему, в контексте энергетической эффективности, а также рекуперации как можно большей энергии торможения при торможении транспортного средства.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать способ того типа, который характеризуется во введении как предусматривающий вышеупомянутые попытки. Эта задача в соответствии с изобретением решается путем разработки способа по п. 1 прилагаемой формулы изобретения.
За счет того, что планетарная передача находится в положении расцепления во время переключения передач, это переключение может происходить при более коротком прерывании крутящего момента, чем в случае, если бы планетарная передача находилась в положении блокировки.
Длительность такого прерывания крутящего момента в кинематической цепи транспортного средства дополнительно сокращается за счет того, что синхронизация двигателя внутреннего сгорания для последующей взаимной блокировки компонентов планетарной передачи начинается уже в связи с управлением электрической машиной для выключения существующей передачи. Этим учитывается тот факт, что двигатель внутреннего сгорания имеет гораздо больший момент инерции, чем электрическая машина, а его синхронизация займет большее время.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, способ осуществляется для транспортного средства, имеющего движительную систему с солнечным зубчатым колесом в качестве упомянутого первого компонента и кольцевым зубчатым колесом с внутренним зацеплением в качестве упомянутого третьего компонента, и такая движительная система уже описана в еще не опубликованном документе SE 1051384-4 и обладает рядом преимуществ по отношению к движительной системе, соответствующей вышеупомянутому документу EP 1319546, которая имеет кольцевое зубчатое колесо с внутренним зацеплением в качестве первого компонента и солнечное зубчатое колесо в качестве третьего компонента. За счет соединения электрической машины с кольцевым зубчатым колесом с внутренним зацеплением, а выходного вала двигателя внутреннего сгорания - с солнечным зубчатым колесом, получается компактная конструкция, являющаяся легковстраиваемой в пространства, уже существующие для кинематических цепей (движительных систем), имеющих механизмы сцепления вместо планетарных передач. Вследствие этого, гибридизированной коробке передач можно придать размеры и массу, совместимые со стандартной коробкой передач, и можно поддерживать стандартизированные сопряжения. Это значит, что увеличение массы, обычно связанное с гибридизацией, можно значительно снизить. Еще одно преимущество заключается в том, что соединение электрической машины c кольцевым зубчатым колесом с внутренним зацеплением дает больший возможный тормозной крутящий момент через него, чем тот, который имел бы место в случае соединения с солнечным зубчатым колесом.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, проводя этап e), вычисляют время, остающееся до получения упомянутой синхронизированной скорости вращения входного вала коробки передач, и сравнивают это время с ожидаемой затратой времени для упомянутой процедуры переключения передач, и начинают процедуру переключения передач на этапе e), когда упомянутое время равно упомянутой затрате времени, или стало меньше нее. Именно посредством этого достигается включение новой передачи, по существу, в тот момент, когда завершается синхронизация и эту передачу включать можно, что минимизирует прерывание крутящего момента в кинематической цепи.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, на этапе b) прикладывают посредством электрической машины постоянный крутящий момент на входном валу коробки передач. Приложение постоянного крутящего момента для ускорения или торможения входного вала коробки передач с приближением к синхронной скорости вращения приводит к упрощенному управлению.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, осуществление способа начинают, когда транспортное средство движется вперед, а блокирующее средство находится в положении блокировки, и способ включает в себя следующие этапы, проводимые перед этапом a):
1) управляют электрической машиной для получения баланса крутящих моментов в планетарной передаче, для выработки крутящего момента, соответствующего произведению, с одной стороны, требуемого крутящего момента движительной системы, а с другой стороны, передаточного отношения планетарной передачи, и одновременно с этим управляют двигателем внутреннего сгорания для выработки второго крутящего момента, стремясь получить суммарный нулевой крутящий момент, прикладываемый на входном валу коробки передач; и
2) переводят блокирующее средство в положение расцепления, когда в планетарной передаче существует баланс крутящих моментов.
При движении транспортного средства этого типа с нормальными или повышенными скоростями либо нормальными или повышенными отдаваемыми мощностями обычно энергетически эффективен привод с планетарной передачей в положении блокировки, и в этом варианте осуществления изобретения способ соответственно начинают осуществлять, когда планетарная передача находится в положении блокировки, и заканчивают осуществлять, когда планетарная передача находится в положении блокировки.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, упомянутое блокирующее средство на этапе g) взаимно блокирует именно солнечное зубчатое колесо и водило планетарной передачи. За счет этого, перевод блокирующего средства между положением блокировки и положением расцепления может быть надежно достигнут простыми средствами. Поэтому посредством зубчатых колес планетарной передачи передается меньший крутящий момент. Посредством этих зубчатых колес передается только крутящий момент электрической машины.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, этап a) включает в себя вычисление скорости вращения, которую при существующей скорости транспортного средства имел бы входной вал коробки передач, если бы передача, подлежащая включению, уже была бы включена в коробке передач. За счет этого, оказывается возможным непосредственное управление двигателем внутреннего сгорания с приближением к этой скорости вращения.
Изобретение также относится к компьютерной программе, имеющей признаки, перечисленные в п. 8 формулы изобретения, компьютерному программному продукту, имеющему признаки, перечисленные в п. 9 формулы изобретения, электронному блоку управления, имеющему признаки, перечисленные в п. 10 формулы изобретения, и транспортному средству, имеющему признаки, перечисленные в п. 11 формулы изобретения.
Другие преимущественные признаки и преимущества изобретения станут очевидными из нижеследующего описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже, со ссылками на прилагаемые чертежи, приводится в качестве примера подробное описание варианта осуществления изобретения.
На чертежах:
Фиг. 1 - весьма упрощенный вид кинематической цепи транспортного средства, для которого можно осуществить способ в соответствии с изобретением;
Фиг. 2 - тоже упрощенный, но более подробный вид части упомянутой движительной системы;
Фиг. 3 - принципиальная схема электронного блока управления для воплощения способа в соответствии с изобретением;
на Фиг. 4 показано, как скорость вращения элементов (вала двигателя внутреннего сгорания, ротора электрической машины и входного вала коробки передач), соединенных с планетарной передачей движительной системы в соответствии с Фиг. 2, изменяется во времени, когда воплощают вариант осуществления способа переключения передач движущегося транспортного средства; и
на Фиг. 5 представлена блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая способ в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг. 1 показана кинематическая цепь для большегрузного транспортного средства 1. Кинематическая цепь содержит двигатель 2 внутреннего сгорания, коробку 3 передач, некоторое количество ведущих валов 4 и ведущих колес 5. Между двигателем 2 внутреннего сгорания и коробкой 3 передач кинематическая цепь содержит промежуточный участок 6. На Фиг. 2 показан более подробный вид компонентов на промежуточном участке 6. Двигатель 2 внутреннего сгорания снабжен выходным валом 2a, а коробка 3 передач - входным валом 3a на промежуточном участке 6. Выходной вал 2a двигателя внутреннего сгорания расположен соосно по отношению к входному валу 3a коробки передач. Выходной вал 2a двигателя внутреннего сгорания и входной вал 3a коробки передач расположены с возможностью вращения вокруг общей оси 7 вращения. Промежуточный участок 6 содержит кожух 8, окружающий электрическую машину 9 и планетарную передачу. Электрическая машина 9 содержит, как обычно, статор 9a и ротор 9b. Статор 9a содержит сердечник статора, закрепленный должным образом внутри кожуха 8. Сердечник статора содержит обмотки статора. Электрическая машина 9 выполнена с возможностью использования - в определенных рабочих ситуациях - аккумулированной электрической энергии для приложения движущей силы к входному валу 3а коробки передач и использования - в других рабочих ситуациях - кинетической энергии входного вала 3a коробки передач для генерирования и аккумулирования электрической энергии.
1
2
3
Планетарная передача расположена, по существу, радиально внутри статора 9a и ротора 9b электрической машины. Планетарная передача содержит, как обычно, солнечное зубчатое колесо 10, кольцевое зубчатое колесо 11 с внутренним зацеплением и водило 12 планетарной передачи. Водило 12 планетарной передачи несет некоторое количество зубчатых колес (сателлитов) 13, расположенных с возможностью вращения в радиальном пространстве между зубьями солнечного зубчатого колеса 10 и кольцевого зубчатого колеса 11 с внутренним зацеплением. Солнечное зубчатое колесо 10 крепится к окружной поверхности выходного вала 2a двигателя внутреннего сгорания. Солнечное зубчатое колесо 10 и выходной вал 2a двигателя внутреннего сгорания вращаются как единое целое с первой скоростью n вращения. Водило 12 планетарной передачи содержит крепежный участок 12a, крепящийся к окружной поверхности входного вала 3а коробки передач посредством шпоночного соединения 14. Посредством этого соединения водило 12 планетарной передачи и входной вал 3а коробки передач могут вращаться как единое целое со второй скоростью n вращения. Кольцевое зубчатое колесо 11 с внутренним зацеплением содержит внешнюю окружную поверхность, на которую в этом варианте осуществления крепится ротор 9b. Ротор 9b и кольцевое зубчатое колесо 11 с внутренним зацеплением в данном случае образуют вращающийся узел, выполненный с возможностью вращения с третьей скоростью n вращения.
Движительная система содержит блокирующее средство за счет того, что на выходном валу 2a двигателя внутреннего сгорания предусмотрен сочленяющий элемент 15. Сочленяющий элемент 15 крепится к выходному валу 2a двигателя внутреннего сгорания посредством шпоночного соединения 16. Сочленяющий элемент 15 в этом случае крепится к выходному валу 2a двигателя внутреннего сгорания, не имея возможности вращения с этим валом, и выполнен перемещаемым в осевом направлении по выходному валу 2a двигателя внутреннего сгорания. Сочленяющий элемент 15 содержит сочленяющий участок 15a, соединяемый с сочленяющим участком 12b водила 12 планетарной передачи. Схематически изображенный перемещающий элемент 17 выполнен с возможностью перемещения сочленяющего элемента 15 между первым положением, в котором сочленяющие участки 15a, 12b не введены во взаимное зацепление и которое соответствует положению расцепления блокирующего средства, и вторым положением, в котором сочленяющие участки 15a, 12b введены во взаимное зацепление и которое соответствует положению блокировки блокирующего средства. Выходной вал 2a двигателя внутреннего сгорания и входной вал 3а коробки передач будут в этом положении блокировки взаимно блокированы, так что они и ротор электрической машины будут вследствие этого вращаться с одной и той же скоростью вращения. Это состояние можно назвать «блокированной планетарной передачей». Блокирующий механизм может также содержать втулку, снабженную первыми шпонками, которые в положении расцепления вводятся в зацепление со вторыми шпонками на первом компоненте планетарной передачи, а в положении блокировки вводятся в зацепление с третьими шпонками на втором компоненте планетарной передачи. Первым компонентом в этом случае предпочтительно является водило планетарной передачи, а вторым компонентом - солнечное зубчатое колесо. Тогда блокирующий механизм можно выполнить в виде втулки кольцевой формы, по существу, концентрично охватывающей водило планетарной передачи.
1
Электрический блок 18 управления выполнен с возможностью управления перемещающим элементом 17. Конфигурация блока 18 управления также обеспечивает принятие решения о том, в каких случаях электрическая машина 9 должна работать как двигатель, а в каких случаях она должна работать как генератор. Чтобы принять это решение, блок 18 управления может принимать текущую информацию о подходящих рабочих параметрах. Блок 18 управления может быть компьютером с программным обеспечением, пригодным для этой задачи. Блок 18 управления управляет схематически показанным регулирующим оборудованием 19, которое регулирует поток электрической энергии между гибридной аккумуляторной батареей 20 и обмотками 9a статора электрической машины. В случаях, в которых электрическая машина 9 работает как двигатель, аккумулированная электрическая энергия подается от гибридной аккумуляторной батареи 20 к статору 9a. В случаях, в которых электрическая машина работает как генератор, электрическая энергия подается от статора 9a к гибридной аккумуляторной батарее 20. Гибридная аккумуляторная батарея 20 подает и аккумулирует электрическую энергию с напряжением порядка 200-800 вольт. Поскольку промежуточный участок 6 между двигателем 2 внутреннего сгорания и коробкой 3 передач в транспортном средстве ограничен, требуется, чтобы электрическая машина 9 и планетарная передача составляли компактный узел. Компоненты 10, 11, 12 планетарной передачи в данном случае расположены, по существу, радиально внутри статора 9a электрической машины. Ротор 9b электрической машины, кольцевое зубчатое колесо 11 с внутренним зацеплением планетарной передачи, выходной вал 2a двигателя внутреннего сгорания и входной вал 3а коробки передач в данном случае расположены с возможностью вращения вокруг общей оси 7 вращения. За счет такой конструкции, электрическая машина 9 и планетарная передача занимают сравнительно небольшое пространство. Транспортное средство 1 снабжено функциональным блоком 21 управления двигателем, и посредством этого блока можно регулировать скорость n вращения двигателя внутреннего сгорания. Тем самым, блок 18 управления имеет возможность активировать функциональный блок 21 управления двигателем и создавать состояние нулевого крутящего момента в коробке передач при введении в зацепление и выведении из зацепления зубчатых колес в коробке 3 передач. Конечно же, вместо управления движительной системой с помощью одного-единственного блока 18 управления, ею можно управлять с помощью нескольких разных блоков управления.
1
2
3
На Фиг. 5 представлена блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая способ переключения передач в коробке передач во время движения транспортного средства, причем это транспортное средство имеет движительную систему того типа, которая показана на Фиг. 2, в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения. Обратимся при этом и к Фиг. 4, где графики развиваемых скоростей n, nи n вращения выходного вала двигателя внутреннего сгорания, входного вала коробки передач и ротора электрической машины, соответственно, построены как функции времени для осуществления этого способа. Скорости вращения иллюстрируются на Фиг. 4 для случая переключения на более низкую передачу, но - конечно же - способ в соответствии с изобретением также применим к переключению на более высокую передачу.
В начале осуществления способа, транспортное средство движется, а блокирующее средство при этом находится в положении блокировки. Это означает, что все три компонента планетарной передачи вращаются с одной и той же скоростью вращения. Тогда выявляют потребность в переключении передач в транспортном средстве.
Затем начинают осуществление способа посредством блока 18 управления, который определяет линейное изменение крутящего момента, прикладываемого всей движительной системой на входном валу коробки передач. Линейное изменение крутящего момента инициируется крутящим моментом, прикладываемым на входном валу коробки передач, когда начинается процедура переключения передач, и доходит до нулевого крутящего момента на скорости, адаптированной к особенностям транспортного средства и желаемому режиму переключения передач. Управление электрической машиной осуществляют для выработки крутящего момента, создающего баланс крутящих моментов в планетарной передаче. Баланс крутящих моментов существует, когда электрическая машина вырабатывает крутящий момент, соответствующий произведению, с одной стороны, требуемого крутящего момента движительной системы, а с другой стороны, передаточного отношения планетарной передачи, в то время как двигатель внутреннего сгорания вырабатывает крутящий момент, соответствующий произведению, с одной стороны, требуемого крутящего момента движительной системы, а с другой стороны, величины, равной единице минус передаточное отношение планетарной передачи. Управление двигателем внутреннего сгорания осуществляют для выработки крутящего момента, являющегося таким же, как целевой суммарный крутящий момент, за вычетом крутящего момента, вырабатываемого электрической машиной, чтобы при этом получить баланс крутящих моментов и суммарный крутящий момент привода, отслеживающий линейное изменение целевого крутящего момента. Передаточное отношение планетарной передачи в данном случае соответствует солнечному зубчатому колесу, соединенному с выходным валом двигателя внутреннего сгорания, и кольцевому зубчатому колесу с внутренним зацеплением, соединенному с ротором электрической машины, и равно количеству зубьев кольцевого зубчатого колеса с внутренним зацеплением, деленному на сумму количества зубьев солнечного зубчатого колеса и количества зубьев кольцевого зубчатого колеса с внутренним зацеплением.
Заменить вышеизложенную последовательность в качестве альтернативы может нижеследующий способ: управляют двигателем внутреннего сгорания так, чтобы создать баланс крутящих моментов в планетарной передаче. Затем управляют двигателем внутреннего сгорания для выработки крутящего момента, равного целевому крутящему моменту привода, умноженному на величину, равную единице минус передаточное отношение планетарной передачи. Управление электрической машиной осуществляют для выработки крутящего момента, равного целевому суммарному крутящему моменту, за вычетом крутящего момента, вырабатываемого двигателем внутреннего сгорания, чтобы при этом получить баланс крутящих моментов и суммарный крутящий момент привода, отслеживающий линейное изменение целевого крутящего момента.
1
Баланс крутящих моментов получен в планетарной передаче в момент t, после чего блокирующее средство переведено в положение расцепления путем перемещения сочленяющего элемента 15.
1
2
В этот момент t начинают управление двигателем внутреннего сгорания, приближая его скорость вращения к той, которая вычислена как являющейся правильной для входного вала 3a коробки передач, с тем чтобы синхронизировать ее со скоростью вращения этого вала, которая должна быть при передаче, включенной в коробке передач при существующей скорости транспортного средства. При этом управление электрической машиной осуществляют так, чтобы она совместно с двигателем внутреннего сгорания прикладывала нулевой крутящий момент на входном валу коробки передач. В момент t достигается нулевой крутящий момент, т.е. получено состояние, в котором крутящий момент отсутствует, а упомянутая передача выключена. При этом электрической машиной управляют для выработки постоянного крутящего момента, чтобы придать входному валу коробки передач скорость вращения, которая при существующей скорости транспортного средства синхронизирована со скоростью вращения этого вала, когда упомянутая передача должна быть включена в коробке передач. Именно в течение этого управления вычисляют, сколько времени остается до получения синхронизированной скорости вращения, и сравнивают это время с затратой времени на процедуру переключения передач. Когда упомянутое время равно упомянутой затрате времени или меньше нее, начинается процедура переключения передач. Сразу же после включения упомянутой передачи осуществляют управление электрической машиной для приложения требуемого крутящего момента движительной системы.
3
1
2
В момент t скорость n вращения солнечного зубчатого колеса достигла скорости n вращения входного вала 3a (водила планетарной передачи) коробки передач, после чего управляют блокирующим средством для перевода планетарной передачи в положение блокировки путем перемещения сочленяющего элемента 15. Потом управляют электрической машиной 9 и двигателем внутреннего сгорания для приложения крутящего момента, требуемого от каждого из этих агрегатов, на входном валу 3a коробки передач и заканчивают осуществление способа переключения передач, когда этот крутящий момент получен.
В считываемую компьютерную программу, которая занесена во внутреннюю память компьютера, такую как внутренняя память электронного блока управления автомобиля, надлежащим образом введен код компьютерной программы для воплощения способа в соответствии с изобретением. Такая компьютерная программа должным образом поставляется посредством компьютерного программного продукта, содержащего носитель данных, считываемый электронным блоком управления, причем этот носитель данных имеет хранимую на нем компьютерную программу. Упомянутый носитель данных является, например, оптическим носителем данных в виде диска CD-ROM, диска DVD и т.д., магнитным носителем данных в виде жесткого диска, дискеты, ленты и т.д. или флэш-памятью или памятью типа ROM, PROM, EPROM или EEPROM.
Фиг. 3 весьма схематично иллюстрирует электронный блок 40 управления, содержащий исполнительное средство 41, такое как центральный процессор (CPU), для исполнения компьютерной программы. Исполнительное средство 41 осуществляет связь с памятью 42, например, типа RAM, посредством шины 43 данных. Блок 40 управления содержит также носитель 44 данных, например, в виде флэш-памяти или памяти типа ROM, PROM, EPROM или EEPROM. Исполнительное средство 41 осуществляет связь с носителем 44 данных посредством шины 43 данных. На этом носителе 44 данных хранится компьютерная программа, содержащая код компьютерной программы для воплощения способа в соответствии с изобретением, например, в соответствии с вариантом осуществления, проиллюстрированным на Фиг.5.
Конечно же, изобретение никоим образом не ограничивается вышеописанными вариантами осуществления, а многие возможности его модификаций в рамках объема притязаний изобретения, охарактеризованного предлагаемой формулой изобретения, будут очевидны специалисту в данной области техники.
Блокирующее средство может быть выполнено с возможностью блокировки двух из упомянутых трех компонентов.
Трансмиссию можно расположить между ротором и кольцевым зубчатым колесом с внутренним зацеплением, а также между выходным валом двигателя внутреннего сгорания и солнечным зубчатым колесом, например, в кинематической цепи перед валом, показанным на чертежах, как соединенный с солнечным зубчатым колесом. Трансмиссия, упомянутая в последнем случае, также может быть образована зубчатой передачей с переменным передаточным отношением.
Также можно предложить осуществление способа для транспортного средства, имеющего кольцевое зубчатое колесо с внутренним зацеплением в качестве первого компонента, а солнечное зубчатое колесо - в качестве третьего компонента, хотя из-за вышеупомянутых преимуществ предпочтительным, вероятно, зачастую является противоположный вариант.