СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЧКИ КОНТАКТА СЦЕПЛЕНИЯ В ТРАНСПОРТНОМ СРЕДСТВЕ
METHOD AND DEVICE FOR CLUTCH CONTACT POINT DETERMINATION IN VEHICLE

Область техники
Настоящее изобретение относится к транспортным средствам с автоматически управляемым сцеплением и, в частности, к способу определения точки контакта сцепления в соответствии с ограничительной частью п.1 формулы изобретения. Изобретение относится также к системе по п.11 и транспортному средству по п.12.
Уровень техники
Что касается транспортных средств вообще, то имеется множество различных конфигураций трансмиссии. Например, коробка передач может представлять собой коробку передач, управляемую вручную, или автоматическую коробку передач. Что касается тяжелых транспортных средств, то часто желательно, чтобы они обеспечивали водителю по возможности удобную практику вождения. Это означает, например, что переключения передач в коробке передач должны осуществляться автоматически системой управления, обычно содержащейся в транспортном средстве. Таким образом, автоматически управляемые коробки передач находят все более широкое применение в тяжелых транспортных средствах.
Однако данное автоматическое переключение передач обычно осуществляется автоматической коробкой передач не в традиционном смысле, а посредством работы системы управления «механической» коробки передач, отчасти потому что механические коробки передач значительно менее дорогие в изготовлении, а также потому что они обычно более эффективные. Что касается автоматических коробок передач типа, широко используемого в легковых автомобилях, то уровень эффективности часто слишком низкий по сравнению с управляемыми вручную коробками передач, чтобы оправдать их использование в других транспортных средствах, например, в местных автобусах и транспортных средствах для доставки в городских районах, там где обычно требуются частые трогания с места и остановки.
Что касается тяжелых транспортных средств, широко используемых на автомагистралях/автострадах, то в них широко используются автоматически управляемые «механические» коробки передач.
Данное переключение передачи может осуществляться несколькими разными способами, согласно одному из которых педаль сцепления используют для приведения в движение транспортного средства с места, а все другие переключения передач могут осуществляться системой управления транспортным средством вообще без участия сцепления. В качестве альтернативы переключения передач осуществляются «без момента», т.е. крутящий момент, получаемый от двигателя, регулируют в соответствии с требуемым уровнем, чтобы уменьшить крутящий момент, передаваемый в точках включения соответствующих передач.
Другим способом является использование альтернативно автоматически управляемого сцепления с автоматическими повышениями и понижениями передачи, при этом водитель имеет доступ только к педали акселератора и педали тормоза.
Однако в таком транспортном средстве с автоматическим сцеплением важно ощущать точку контакта сцепления, т.е. положение, в котором сцепление начинает передавать крутящий момент. Точка контакта не является фиксированной точкой, а изменяется, преимущественно в зависимости от температуры сцепления, а также от других факторов. Таким образом, точка контакта может изменяться, когда транспортное средство находится в движении, в результате возникает необходимость обеспечения оценки положения точки контакта с регулярными интервалами, когда транспортное средство находится в движении.
Таким образом, контролируя положение точки контакта, например, при приведении в движение, или остановке транспортного средства или переключении передачи, система управления транспортным средством определяет положение сцепления, при котором начинается и прекращается передача крутящего момента от двигателя в остальную часть трансмиссии, так что приведение в движение транспортного средства и переключение передачи могут также осуществляться таким образом, чтобы не вызывать нежелательных рывков или нежелательного износа в трансмиссии.
Оценка положения точки контакта должна осуществляться тогда, когда коробка передач находится в нейтральном положении, чтобы избежать влияния данной оценки на транспортное средство. Это может быть осуществлено, например, посредством перемещения сцепления из отключенного положения во включенное положение, когда входной вал коробки передач неподвижен. В этом случае точка контакта определяется как первое положение, при котором датчик скорости вращения на входном валу коробки передач регистрирует скорость.
Проблема, возникающая при такой оценке точки контакта, заключается в том, что время, которое она занимает, может быть слишком длительным, чтобы быть незаметным, кода транспортное средство находится в движении. Кроме того, датчик скорости вращения на входном валу коробки передач часто не способен регистрировать скорости ниже некоторой скорости, что означает, что точка, которую регистрируют, является не реальной точкой контакта, а точкой, в которой сцепление находится в положении, при котором входной вал коробки передач достигает достаточно высокой скорости вращения, которая может быть зарегистрирована датчиком скорости.
Краткое описание изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание способа определения точки контакта сцепления, который решает упомянутую проблему. Данная задача решается посредством создания способа по п.1 формулы изобретения.
Преимущество способа в соответствии с изобретением состоит в том, что точка контакта сцепления, т.е. положение сцепления, при котором возникает контакт между двигателем и коробкой передач, может быть определено тогда, когда первый элемент коробки передач вращается, таким образом, определение точки контакта может быть осуществлено без необходимости предварительной остановки упомянутого первого элемента коробки передач.
Дополнительные характеристики настоящего изобретения и его преимущества определены посредством приведенного ниже подробного описания примеров осуществления и прилагаемых чертежей.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - трансмиссия транспортного средства, с которой может быть с преимуществом использовано настоящее изобретение;
Фиг.2 - характеристика сцепления в соответствии с фиг.1;
Фиг.3 - характеристика сцепления в соответствии с известным уровнем техники;
Фиг.4 - блок-схема способа в соответствии с настоящим изобретением; и
Фиг.5 - график изменения крутящего момента, передаваемого посредством сцепления, во время оценки в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
На фиг.1 показана трансмиссия в транспортном средстве 100 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Транспортное средство, показанное на фиг.1, содержит только один мост с приводными колесами 113, 114, однако изобретение также может быть использовано в транспортных средствах, содержащих более одного моста с приводными колесами. Трансмиссия содержит двигатель 101 внутреннего сгорания, который соединен обычным способом посредством выходного вала двигателя 101, обычно посредством маховика 102, с коробкой 103 передач посредством сцепления 106.
Сцепление 106 представляет собой автоматически управляемое сцепление дискового типа, в котором фрикционный элемент (диск) 110, соединенный с первым элементом коробки передач, например, входным валом 109 коробки 103 передач, селективно входит в контакт с маховиком 102 двигателя для передачи движущей силы от двигателя 101 внутреннего сгорания на приводные колеса 113, 114 через коробку 103 передач. Контакт диска 110 сцепления с маховиком 102 двигателя регулируется посредством прижимной пластины 111, которая выполнена с возможностью перемещения в боковом направлении, например, посредством рычага 112, управление функцией которого осуществляется посредством привода 115 сцепления. Управление воздействием привода 115 сцепления на рычаг 112 в свою очередь осуществляется посредством системы 116 управления транспортным средством.
В современных транспортных средствах система управления транспортным средством обычно состоит из системы шин связи, состоящей из одной или более шин связи для соединения некоторого количества электронных блоков управления (ЭБУ), или контроллеров, с различными элементами, расположенными на транспортном средстве. Система управления данного типа может содержать большое количество блоков управления, при этом ответственность за конкретную функцию может быть разделена между двумя или более блоками управления. Для упрощения на фиг.1 показан только один такой блок 116 управления, который управляет сцеплением (приводом 115 сцепления). В действительности управление приводом 115 сцепления посредством блока 116 управления, возможно, будет зависеть, например, от информации, принимаемой, например, из блока управления, который отвечает за функцию коробки 103 передач, и из блока/блоков управления, которые управляют функциями двигателя.
Транспортное средство дополнительно содержит ведущие валы 104, 105, которые соединены с приводными колесами 113, 114 транспортного средства и приводятся в движение посредством выходного вала 107 коробки 103 передач посредством зубчатой передачи 108 моста, например, обычного дифференциала.
Когда в транспортном средстве 1, показанном на фиг.1, осуществляется переключение передачи, сцепление отключают, включают новую передачу и затем включают сцепление. Как упомянуто выше, в случае переключения передач данного типа важно, чтобы система управления транспортным средством могла определять точку контакта сцепления, т.е. положение, при котором диск сцепления входит в контакт с маховиком, и таким образом может начинать передавать крутящий момент между двигателем и остальной частью трансмиссии. Возможность определять положение точки контакта позволяет осуществлять переключения передач способом, удобным для водителя, например, без нежелательных рывков, и в то же время они могут осуществляться способом, который не подвергает напряжению трансмиссию и, следовательно, уменьшает излишний износ трансмиссии. Процесс переключения передачи может быть также ускорен, поскольку сцепление не нужно отключать больше, как только после точки контакта при переключении передачи и, следовательно, не требуется полное отклонение рычага.
В данном описании термин «точка контакта» обозначает не только физическое положение, в котором находится диск сцепления, когда от входит в физический контакт с маховиком (или каким-либо другим элементом, соединенным с выходным валом двигателя), но также и любое требуемое изображение данной точки контакта, таким образом позволяя определять точку контакта посредством, например, положения рычага и/или привода сцепления, когда диск сцепления входит в контакт с маховиком.
Фиг.2 представляет собой график, изображающий характеристику сцепления типа, показанного на фиг.1. Ось y изображает крутящий момент, который сцепление может передавать между двигателем и трансмиссией, ось х изображает положение сцепления (или привода сцепления), начало координат изображает сцепление отключенным, т.е. диск сцепления (и соответственно рычаг/привод сцепления) в одном предельном положении, при этом «включенное» положение показано на фиг.1, там где диск сцепления по возможности смещен влево, и, таким образом, сцепление (рычаг/привод сцепления) находится в своем другом предельном положении.
char
clutch
В отключенном положении диск сцепления обычно находится на расстоянии от маховика двигателя, таким образом, включение сцепления перемещает диск сцепления на расстояние х, пока он в действительности не входит в физический контакт с маховиком двигателя. Как только диск сцепления входит в контакт с маховиком, может начинаться передача крутящего момента между двигателем и остальной частью трансмиссии. Соответственно, чем больше включено сцепление (чем плотнее диск сцепления контактирует посредством трения с маховиком), тем больший крутящий момент может быть передан между двигателем и остальной частью трансмиссии. Какой конкретно крутящий момент может быть передан в каждой точке, зависит от характеристики K сцепления, которая может изменяться от одного сцепления к другому и которая, так же как и точка контакта, зависит от температуры и от других факторов, поэтому характеристика сцепления также должна оцениваться с регулярными интервалами. Однако оценка характеристики сцепления не является предметом настоящего изобретения и поэтому не будет описана подробно в данном документе. В соответствии с известным уровнем техники существуют различные примеры возможного осуществления данной оценки. Поскольку точка CP контакта сцепления зависит от температуры, а когда транспортное средство движется, температура сцепления изменяется, например, в зависимости от того, как часто осуществляются переключения передач, расстояние х будет также изменяться, когда транспортное средство находится в движении.
Фиг.3 представляет собой график примера определения точки контакта в соответствии с известным уровнем техники. Ось х изображает время, а ось y изображает положение сцепления и скорость вращения упомянутого первого элемента коробки передач. Положение 0 на оси y изображает включенное сцепление. Пунктирная линия изображает скорость вращения упомянутого первого элемента коробки передач, а непрерывная линия изображает положение сцепления. Как показано на графике, определение точки контакта инициируется, когда упомянутый первый элемент коробки передач неподвижен.
Однако может потребоваться несколько секунд для того, чтобы достигнуть данного «начального положения». Для того чтобы обеспечить остановку упомянутого первого элемента коробки передач (например, входного вала коробки передач, диска сцепления или распределительного вала, который часто находится в коробке передач), когда транспортное средство находится в движении, нужно отключить сцепление и установить коробку передач в нейтральное положение. Когда сцепление отключено, и коробка передач установлена в нейтральное положение, первый элемент коробки передач свободно вращается и будет тормозиться в результате внутреннего трения, пока не будет достигнуто неподвижное положение.
Однако это может занимать несколько секунд, особенно если коробка передач разогрета от вращения, вследствие чего будет обычно только небольшое трение. В некоторых транспортных средствах данный процесс может быть ускорен посредством оборудования распределительного вала, который обычно имеется в коробках передач данного типа и обычно соединен с упомянутым входным валом, тормозом, посредством чего торможение может быть также приложено к входному валу коробки передач. Однако многие транспортные средства не содержат такого средства.
1
1
1
1
3
1
2
Когда входной вал коробки передач неподвижен, определение точки контакта инициируется приведением в движение для включения сцепления в момент времени t. В момент времени t входной вал коробки передач начинает вращаться, таким образом данное положение Р сцепления изображает реальную точку контакта. Скорость вращения входного вала коробки передач обычно определяется посредством датчика скорости, установленного на данном валу (или распределительном валу). Однако данный датчик скорости вращения часто индуктивного (пассивного) типа, то есть обычно он не способен надежно регистрировать низкие скорости, будучи обычно не способным регистрировать скорости ниже 50-100 об/мин. Это в свою очередь означает, что данный способ обеспечивает определение не реальной точки Р контакта, а точки (положения), в которой находится сцепление, когда входной вал достигает достаточно высокой скорости, которая может быть зарегистрирована датчиком скорости. Это показано моментом времени t на фиг.3, что означает соответственно, что в качестве точки контакта сцепления вместо положения Р неверно определено положение Р.
Таким образом, недостаток показанного способа заключается в том, что вследствие недостаточной чувствительности датчика скорости вращения определяемое положение может быть неверным, и что осуществление данного способа может занимать длительное время. Если не используются тормозные средства от распределительного вала, определение не может быть осуществлено во время обычного повышения/понижения передачи, и обычно только тогда, когда транспортное средство неподвижно.
Настоящее изобретение обеспечивает способ определения положения точки контакта, который может быть осуществлен быстро независимо от того, содержит распределительный вал коробки передач тормозные приспособления или нет, и который способен определить точку контакта в ситуации, там где датчик скорости первого элемента коробки передач обычно обеспечивает более высокую точность.
Способ 400 в соответствии с настоящим изобретением проиллюстрирован на фиг.4. Способ в соответствии с изобретением начинается на этапе 401, на котором устанавливают необходимость инициации определения точки контакта, в каковом случае способ переходит к этапу 402, на котором включают сцепление, чтобы ускорить входной вал коробки передач посредством выходного вала двигателя. При необходимости скорость может быть увеличена в данной ситуации, чтобы ускорить входной вал коробки передач (первый элемент коробки передач). Когда начинается ускорение первого элемента коробки передач, коробка передач должна быть установлена в нейтральном положении. Когда начинается способ в соответствии с настоящим изобретением, реальная скорость вращения первого элемента коробки передач не имеет значения, основным требованием является достаточно высокая скорость, чтобы обеспечить осуществление точного определения, которое может быть, например, обеспечено посредством ускорения первого элемента коробки передач до тех пор, пока сигналы из датчика скорости не будут указывать, что требуемая скорость достигнута, этап 403.
Если транспортное средство катится, первый элемент коробки передач, в качестве альтернативы, может быть ускорен посредством первого отключения сцепления и затем, посредством соответствующего переключения передачи в коробке передач, сообщения первому элементу коробки передач требуемого вращательного движения, с последующей установкой коробки передач в нейтральное положение.
Когда входной вал коробки передач достигает требуемой скорости, как указано, сцепление отключают, так что диск сцепления не контактирует с маховиком, и коробку передач устанавливают в нейтральное положение, при этом скорость вращения первого элемента коробки передач начнет уменьшаться. Затем в соответствии со способом настоящего изобретения, вычисляют коэффициент трения для внутреннего трения упомянутого первого элемента коробки передач (например, входного вала коробки передач, включающего в себя диск сцепления, или входного вала коробки передач или распределительного вала).
1
2
На фиг.5 схематично показано изменение скорости вращения первого элемента коробки передач (непрерывная линия), крутящего момента, передаваемого посредством сцепления (точечная линия) и положения сцепления (пунктирная линия) со временем во время оценки в соответствии с настоящим изобретением. В течение периода Т первый элемент коробки передач ускоряется посредством включения сцепления, так что в момент времени t он достигает требуемой скорости вращения, после чего сцепление снова отключают. Когда сцепление отключено, в момент времени t, начинается оценка в соответствии с изобретением.
В соответствии с законами физики, после отсоединения, и учитывая внутреннее трение, определяют оставшийся крутящий момент, действующий на входной вал коробки передач, как момент инерции, умноженный на ускорение.
Расцепление первого элемента коробки передач, когда коробка передач находится в свободном состоянии, дает в результате следующее уравнение
Clutch
Friction
T - T= Jώ, (1)
Clutch
Friction
Clutch
где T - крутящий момент, передаваемый посредством сцепления, T - момент трения, действующий на входной вал коробки передач (первый элемент коробки передач), J - момент инерции первого элемента коробки передач, который является постоянным, который может быть определен перед установкой в трансмиссии транспортного средства, и ώ - угловое ускорение входного вала. Точка контакта сцепления изображается первой точкой, в которой крутящий момент, передаваемый посредством сцепления, превышает нуль, т.е. T>0, когда сцепление (диск сцепления) перемещается из отключенного положения во включенное положение, т.е., как упомянуто выше, точка контакта изображается положением сцепления точно в точке, когда осуществляется контакт между маховиком, диском и прижимной пластиной.
Уравнение (1) может быть преобразовано в виде
Clutch
Friction
T = Jώ + T (2)
Clutch
Friction
Для того чтобы вычислить T в соответствии с уравнением (2), необходимо оценить ώ и T.
ώ может быть вычислено из скорости вращения входного вала коробки передач, например, посредством последовательных величин ω и/или посредством производного фильтра. Когда ώ определено, угловое ускорение может считаться постоянным.
Friction
Clutch
Поскольку T не равно нулю, его надо также оценить, см. этап 405 на фиг.4, чтобы определить, когда T больше нуля.
Friction
Friction
T обычно не постоянный, однако эксперименты показали, что он подобен вязкому трению в линейной зависимости от угловой скорости, т.е. T может быть выражен в виде формулы
Friction
Friction
T = kω, (3)
Friction
Friction
Friction
Clutch
где k - постоянная трения, а ω - угловая скорость входного вала. Для того чтобы использовать данное соотношение, необходимо оценить k. Для оценки k используется тот факт, что T=0, когда сцепление полностью отключено, в результате при объединении с уравнениями (1) и (3) получается:
Friction
Clutch
k = Jώ/ω, когда T=0, (4)
Friction
Если двигатель (внутреннего сгорания) транспортного средства запускают, и сцепление в исходном положении включено, в то же время коробка передач находится в нейтральном положении, входной вал коробки передач будет иметь скорость вращения, которая соответствует скорости двигателя. Затем если сцепление полностью отключить, так что оно вообще не способно передавать никакого крутящего момента, первый элемент коробки передач отсоединяется от маховика транспортного средства, скорость входного вала будет уменьшаться вследствие упомянутого его трения T.
2
3
Friction
Friction
Friction
Friction
Friction
В данном случае, т.е. в период II между моментами времени tи tна фиг.5, оценка k осуществляется посредством сначала определения углового ускорения и затем вычисления уравнения (4) посредством данного определения углового ускорения, и посредством определения скорости вращения посредством датчика скорости и известной информации о моменте инерции входного вала. Предпочтительно, осуществлять множество определений k, пока скорость вращения входного вала коробки передач уменьшается, при этом k может быть определен, например, как средняя величина данных определений. Поскольку k может изменяться, когда транспортное средство находится в движении, например, в зависимости от температуры коробки передач, предпочтительно, осуществление нового определения k всякий раз, когда нужно оценить точку контакта сцепления.
Friction
Clutch
Clutch
Clutch
Clutch
Clutch
При T, оцененном в соответствии с уравнениями (4) и (3), этап 406 на фиг.4, уравнение (2) может быть использовано для определения, когда T>0. Например, положение сцепления может быть смещено в надлежащей регулируемой степени от отключенного к включенному положению, см. период III на фиг.5, этап 407 на фиг.4, в то же время вычисляют T посредством упомянутых уравнений и скорости вращения из датчика скорости, и определяют точку контакта, этап 409 на фиг.4, как положение, в котором находилось сцепления, когда T>0 в первое время, этап 408 на фиг.4. Включение сцепления должно осуществляться, пока первый элемент коробки передач вращается с достаточно высокой скоростью, для того чтобы сигналы из датчика скорости были надежными. Если скорость первого элемента коробки передач снизилась до уровня, при котором это не возможно, данный элемент может быть сначала подвергнут повторному ускорению, например, посредством сцепления, так чтобы обеспечить надежные измерения скорости. Предпочтительно, определять T более или менее непрерывно с короткими интервалами во время процесса включения, чтобы обеспечить по возможности точную оценку точки контакта. Определение T со слишком длинными интервалами сопряжено с риском снижения точности определения точки контакта.
Clutch
Clutch
Clutch
4
Clutch
Clutch
Clutch
Clutch
На фиг.5 показано также изменение вычисленного T, когда сцепление включают упомянутым контролируемым способом. Как показано, T=0 (для упрощения, T показан как величина, немного больше нуля) до момента времени t, в который вычисленный T внезапно превышает нуль, и тогда точка контакта определяется как положение сцепления в данный момент времени. Точка контакта определяется выше как первое положение, где T>0. Однако на практике, может быть предпочтительно определять точку контакта как положение, в котором T превышает пороговую величину, смещение, чтобы, например, компенсировать любое нарушение, которое может в противном случае привести к неточному определению точки контакта. Посредством последующего определения, когда T отклоняется от данной пороговой величины, можно также с высокой точностью определить точку контакта.
Clutch
До настоящего момента применялся момент J инерции первого элемента коробки передач и рассматривался T. Однако уравнение (2) может быть записано в виде уравнения
(5)
Clutch
в соответствии с которым J будет включен в определение момента трения, и вместо T будет рассматриваться . В этом случае никакого специального знания J не требуется. Однако в данном описании и формуле изобретения, , как и другие подобные преобразованные выражения, представляют собой изображения крутящего момента, передаваемого посредством сцепления.
В итоге преимущество настоящего изобретения заключается в том, что определение точки контакта может быть осуществлено без необходимости остановки входного вала коробки передач, т.е. без потери времени на ожидание, пока это произойдет. Преимущество изобретения также заключается в том, что данное определение может быть осуществлено при скоростях вращения входного вала коробки передач, на которых его датчик скорости функционирует надлежащим образом и выдает надежные измеренные величины. Изобретение также означает, что точка контакта может быть также определена при переключении передачи (или по меньшей мере во время некоторых переключений передачи, например таких, которые включают большие шаги передачи, или во время переключений передачи на низкую передачу, например, понижении передачи, или посредством системы управления, специально выполняющей переключение на более низкую передачу), а также когда сцепление отключают после торможения до остановки.
Первый элемент коробки передач описан выше в виде входного вала коробки передач или в виде сочетания входного вала коробки передач с распределительным валом коробки передач (и диском сцепления). Первый элемент коробки передач в соответствии с настоящим изобретением может представлять собой любое желаемое сочетание элементов, выполненное с возможностью вращения посредством сцепления и с возможностью отсоединения не только от двигателя транспортного средства, но и от его упомянутых приводных колес, т.е. это будет элемент трансмиссии, который может быть отсоединен не только от двигателя, но и от маховика. Таким образом, момент трения, оцениваемый, как указано выше, представляет собой момент трения для набора элементов.