СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ ПЕРЕДАЧ В АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ КОРОБКЕ ПЕРЕДАЧ
METHOD AND DEVICE TO CONTROL AUTOMATIC GEARBOX GEARSHIFT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу управления переключением передач в автоматизированной коробке передач согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения, а также к устройству для осуществления этого способа.
Уровень техники
Автоматизированные коробки передач уже длительное время используются в автомобилях различных типов. Если при ручном переключении передач водителю приходится выполнять несколько действий с координацией во времени и в зависимости от ситуации, то автоматизированные коробки передач освобождают водителя от решения этих задач и позволяют ему лучше концентрироваться на дорожной обстановке.
Правда, опытный водитель по временнóй характеристике отклонения педали сцепления и педали газа, крутящему моменту и скорости переключения рычага преселектора и усилию, воздействующему при этом на рычаг преселектора, может различными способами влиять на процесс переключения передач и оптимизировать его в соответствии со своими намерениями. Если, например, ему нужно, чтобы переключение передач происходило комфортно и плавно, он будет сравнительно медленно нажимать на педаль сцепления, после того как предварительно интуитивно уменьшит отклонение педали газа. Рычагом переключения передач он в этом случае начнет действовать, только выдержав небольшую паузу после выключения сцепления, и будет избегать слишком резких движений или приложения больших усилий при переключении. Обычные устройства управления автоматизированными коробками передач часто ориентируются на такой процесс переключения, чтобы обеспечить пассажирам автомобиля высокий комфорт при изменении скорости и при движении и, кроме того, уменьшить износ элементов коробки передач.
Однако такая стратегия переключения передач имеет тот недостаток, что во время переключения происходит длительное прерывание тягового усилия. В частности, при желательных больших тяговых усилиях, например при движении с прицепом на подъемах или при обычном движении на наклонных участках и других крутых подъемах это может привести к тому, что автомобиль во время прерывания тягового усилия настолько потеряет скорость, что первоначально выбранная передача уже не будет включаться или во всяком случае уже не будет оптимальной передачей. Кроме того, прерывание тягового усилия может отрицательно проявляться также при желательной высокой мощности, затрачиваемой на разгон. В каждом случае такая стратегия переключения ухудшает возможности автомобиля по сравнению с ручным переключением передач автомобиля, за рулем которого находится быстро и точно действующий водитель. Это не в последнюю очередь приводило к известному неприятию автоматизированных коробок передач некоторыми водителями, приверженными спортивному стилю езды.
Из публикации DE 10132738 А1 известен способ управления выключением передач в автоматизированной коробке передач, при котором во время переключения передач уменьшается крутящий момент вращения приводного двигателя. В зависимости от ускорения автомобиля в данный момент по достижении первого предельного значения ускорения сцепление выключается, а по достижении второго предельного значения ускорения выбирается передача. При этом первое и второе предельные значения ускорения выбираются или выводятся из памяти независимо друг от друга и в зависимости от начального ускорения автомобиля, фактически установленной передачи и количества впрыскиваемого топлива двигателя.
Сразу по достижении первого предельного значения и подачи сигнала на выключение сцепления подается сигнал выключения передачи. Если абсолютная величина второго предельного значения выше первого предельного значения и поэтому при уменьшении ускорения автомобиля сначала достигается второе предельное значение, сигнал выключения передачи подается в этот крутящий момент, тогда как сигнал выключения сцепления подается позднее, а именно при достижении первого предельного значения ускорения.
При этом известный способ основывается на том обстоятельстве, что выключение передачи возможно независимо от положения сцепления уже тогда, когда для этого достаточного относительно небольшого усилия переключения. Из примера осуществления способа видно, что к этому моменту количество впрыскиваемого в приводной двигатель топлива давно сократилось до нуля и фактически действующее ускорение автомобиля объясняется по существу только инерцией масс и упругой деформацией элементов привода, а также обусловленными этим моментами на входной стороне коробки передач. Поэтому существенное ускорение действия коробки передач путем заблаговременного выключения передачи, с одной стороны, неэкономично, а с другой стороны, во всяком случае не предусмотрено.
Таким образом, в публикации DE 10132738 А1 предлагается рациональный подход к сокращению прерывания тягового усилия при использовании автоматизированной (ступенчатой) коробки передач в отношении выключения передачи, однако это решение базируется, с одной стороны, на непрерывном определении и оценке ускорения автомобиля, а с другой стороны, никоим образом не решает проблему как можно более быстрого и эффективного включения окончательно выбранной передачи.
Раскрытие изобретения
Исходя из изложенного, задача изобретения состоит в том, чтобы предложить способ управления автоматизированной коробкой передач, который позволял бы переключать передачи, особенно переключаться на пониженную передачу, при минимальном прерывании тягового усилия.
Решение задачи достигается признаками независимого пункта формулы изобретения, тогда как предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы.
В основе изобретения лежит понимание того, что длительность прерывания тягового усилия при переключении передач можно значительно сократить, если удастся организовать фазы уменьшения крутящего момента приводного двигателя, размыкания силовой цепи в автоматизированной коробке передач и согласования частоты вращения входного (первичного) вала коробки передач с соответствующей целевой частотой вращения таким образом, чтобы они по меньшей мере частично накладывались друг на друга, т.е. пересекались друг с другом, во времени.
Объектом изобретения является способ управления переключением передач в автоматизированной коробке передач, используемой в сочетании с приводным двигателем, воздействующим на входной вал автоматизированной коробки передач, и сцеплением, расположенным в цепи передачи вращения между приводным двигателем и автоматизированной коробкой передач и по выбору выключаемым или включаемым посредством исполнительного механизма привода сцепления. Также предусмотрено устройство управления для координации работы автоматизированной коробки передач, приводного двигателя и сцепления.
При этом сцепление, как правило, представляет собой фрикционную, автоматически переключаемую муфту, которая наряду с полностью выключенным (разомкнутым) состоянием по меньшей мере с практически отсутствующей передачей крутящего момента между входной и выходной сторонами сцепления и с полностью включенным (замкнутым) состоянием с передачей крутящего момента между входной и выходной сторонами по меньшей мере практически без пробуксовки имеет также область, в которой сцепление работает с пробуксовкой и передает только часть приложенного к входной стороне крутящего момента на выходную сторону сцепления.
В рамках описания изобретения точное место установки сцепления не имеет существенного значения, если сцепление действует между выходным валом приводного двигателя и входным (первичным) валом автоматизированной коробки передач. В определенном случае сцепление можно монтировать даже в картере коробки передач. Также несущественно, используется ли вместо описанного выше сцепления несколько сцеплений, если по меньшей мере одно или также несколько сцеплений способны в комбинации выполнить упомянутую выше функцию.
Координация работы автоматизированной коробки передач, приводного двигателя и сцепления посредством устройства управления включает в себя косвенное воздействие. Например, устройство управления может подать непосредственный сигнал топливному насосу высокого давления, чтобы уменьшить крутящий момент вращения приводного двигателя. Однако, как правило, целесообразно, чтобы устройство управления подавало сигнал на устройство управления двигателем, который воздействовал бы на расположенное там устройство управления топливным насосом высокого давления. Наконец, устройство управления может также подавать сигнал на промежуточные устройства, побуждая их в свою очередь подавать сигналы, которые служат достижению конечной цели. В большинстве случаев координация будет состоять как в выводе данных, так и в передаче влияющих данных на все три компонента. Однако возможно также определение состояния по меньшей мере одного компонента по данным других компонентов, т.е. не запрашивая данных от всех компонентов. Точно так же один из компонентов можно выбрать в качестве независимого задающего воздействия, чтобы устройство управления не влияло на сам этот компонент.
Для решения поставленной задачи при переключении передач координируют посредством устройства управления уменьшение крутящего момента приводного двигателя, уменьшение крутящего момента сцепления и размыкание силовой цепи в автоматизированной коробке передач таким образом, чтобы приводной двигатель при разомкнутой силовой цепи в автоматизированной коробке передач передавал через сцепление крутящий момент привода на входной вал коробки передач.
Под переключением передач при этом однозначно понимается не просто выключение первой передачи, за которым потом со смещением во времени или с произвольным временным интервалом следует включение новой передачи, причем приводной двигатель по меньшей мере при частично включенном сцеплении служит для синхронизации частоты вращения входного вала коробки передач. Такой порядок характеризуется снижением частоты вращения приводного двигателя до некоторого низкого уровня, в большинстве случаев в области частоты вращения холостого хода, и последующим повышением частоты вращения приводного двигателя для достижения синхронной частоты вращения входного вала коробки передач. Это позволяет четко разграничить фазу выключения передачи и строго ограниченную во времени и содержанию фазу включения передачи из нейтрального положения коробки передач.
Такие операции переключения достаточно хорошо известны как так называемое переключение на пониженную передачу с перегазовкой и отличаются как раз длительным прерыванием тягового усилия. В данном же случае под переключением передач понимается выключение передачи, причем уже операции выключения передачи направлены на то, чтобы подготовить включение новой передачи и тем самым минимизировать прерывание тягового усилия.
Как более подробно будет сказано ниже, в случае крутящего момента, передаваемого приводным двигателем через сцепление на входной вал коробки передач, речь может идти как о положительном, так и об отрицательном приводном крутящем моменте, отличающемся тем, что он через работающее с пробуксовкой сцепление таким образом воздействует на входной вал автоматизированной коробки передач, чтобы частота его вращения изменялась в направлении целевой частоты, которая установилась бы при включенной целевой передаче и полностью включенном сцеплении при данной скорости автомобиля.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения при переключении на пониженную передачу посредством устройства управления координируют уменьшение крутящего момента приводного двигателя, уменьшение крутящего момента сцепления и размыкание силовой цепи в автоматизированной коробке передач таким образом, чтобы приводной двигатель при разомкнутой силовой цепи в автоматизированной коробке передач передавал через сцепление на входной вал автоматизированной коробки передач положительный крутящий момент, способствующий ускорению входного вала автоматизированной коробки передач до целевой частоты вращения включаемой передачи. Это происходит, в частности, благодаря осуществляемому с наложением друг на друга уменьшению крутящего момента приводного двигателя и частичному выключению сцепления при уже действующем размыкании силовой цепи в коробке передач вследствие выключения исходной передачи.
Это приводит к тому, что в отличие от обычных устройств управления коробками передач прежнюю (исходную) передачу можно выбрать раньше, так как не требуется ожидать полного или практически полного исчезновения крутящего момента входного вала коробки передач. Исходная передача выбирается уже тогда, когда крутящий момент приводного двигателя, действующий на входной вал коробки передач, упадет ниже предельного значения, причем это уменьшение крутящего момента, действующего на входной вал коробки передач, может быть в принципе обеспечено как уменьшением крутящего момента приводного двигателя, так и частичным выключением сцепления.
Особенно же предпочтительно посредством устройства управления координировать уменьшение крутящего момента приводного двигателя и уменьшение крутящего момента сцепления таким образом, чтобы уменьшение обоих моментов происходило с наложением друг на друга во времени. Следствием является то, что к моменту времени, когда приводной двигатель отдает положительную составляющую крутящего момента, часть этого крутящего момента через работающее с пробуксовкой сцепление передается на входной вал автоматизированной коробки передач, работающий в этот момент на холостом ходу или переключающийся на холостой ход, что ведет к его ускорению в направлении целевой частоты вращения.
Во-первых, благодаря этому происходит торможение приводного двигателя вследствие отдачи крутящего момента автоматизированной коробке передач и вследствие преобразования в теплоту энергии работающего в режиме пробуксовки сцепления, или это противодействует нежелательному сильному повышению частоты вращения приводного двигателя, которое в противном случае происходило бы при выключении сцепления, например в результате временнóй задержки между выдачей команды на уменьшение количества впрыскиваемого топлива и выполнением этой команды.
Во-вторых, выключение сцепления может происходить раньше, чем в случае использования обычных устройств управления, так как не требуется ожидать значительного уменьшения крутящего момента приводного двигателя.
В-третьих, таким путем можно особенно быстро влиять на изменение частоты вращения входного вала коробки передач в направлении целевой частоты вращения. Кроме того, в определенных случаях можно обойтись без синхронизации посредством собственных элементов коробки передач, так как для включения передачи достаточно отдать соответствующую команду в нужный момент времени.
Нужным моментом при этом может быть момент, когда разность значений между мгновенной частотой вращения входного вала коробки передач и его частотой вращения, определяемой включенной целевой передачей, станет ниже заранее заданного порогового значения. Однако этот момент можно выбирать также, принимая во внимание время запаздывания между подачей команды на включение передачи и фактическим включением передачи, настолько заблаговременно, чтобы с учетом времени запаздывания и ожидаемого изменения частоты вращения входного вала коробки передач это время запаздывания определяло крутящий момент достижения указанного выше заданного порогового значения или уменьшение частоты вращения за пределы этого порогового значения.
Наконец, предлагаемый в изобретении способ имеет то преимущество, что частоту вращения приводного двигателя при переключении передач не требуется понижать до области частот вращения холостого хода, а наоборот, ее можно повышать во время переключения передач до такого значения, при котором после включения целевой передачи происходило бы значительное сокращение промежутка времени до достижения максимального крутящего момента двигателя.
Если же при переключении на повышенную передачу посредством устройства управления координировать уменьшение крутящего момента приводного двигателя, уменьшение крутящего момента сцепления и размыкание силовой цепи в автоматизированной коробке передач таким образом, чтобы приводной двигатель при разомкнутой силовой цепи в автоматизированной коробке передач передавал через сцепление на входной вал автоматизированной коробки передач отрицательный приводной крутящий момент, способствующий торможению входного вала автоматизированной коробки передач до целевой частоты вращения включаемой передачи, то прерывание тягового усилия можно сократить и тем самым повысить мощность двигателя, затрачиваемую при движении автомобиля. При этом справедливо все изложенное выше, однако необходимо учитывать, что быстрое понижение крутящего момента приводного двигателя, воздействующего на входную сторону сцепления, имеет решающее значение.
Чтобы поддержать это быстрое понижение крутящего момента приводного двигателя, можно, например, привести сцепление в такое состояние, в котором вследствие трения особенно много энергии преобразуется в тепло. Наряду с этим можно также обеспечить такое управление определенными потребителями, например генераторов, кондиционеров, замедлителей или также предусмотренных для этой цели тормозов и других элементов, чтобы они создавали нужный тормозной крутящий момент на выходном валу приводного двигателя.
Для переключения на повышенные передачи по двум уже упоминавшимся причинам также особенно предпочтительна такая координация уменьшения крутящего момента приводного двигателя и уменьшения крутящего момента сцепления устройством управления, чтобы уменьшение обоих моментов происходило с наложением друг на друга во времени.
Если автоматизированная коробка передач является кулачковой коробкой передач в том смысле, что по меньшей мере одну передачу можно переключать посредством кулачковой муфты, то преимущество состоит также в том, что посредством устройства управления подают сигнал на включение целевой передачи, как только разность значений частоты вращения входного вала коробки передач и целевой частоты вращения сделает возможным переключение.
Поскольку сцепление к этому моменту работает в режиме пробуксовки, а частота вращения приводного двигателя по причине рассмотренных выше особенностей способа сравнительно мало отличается от целевой частоты вращения, разность значений частоты вращения, при которой возможно переключение, можно в этом случае значительно увеличить по сравнению с другими способами при сравнимой нагрузке на элементы привода и сравнимом влиянии на комфортность езды путем использования допустимого рывка переключения передач. В качестве альтернативы возможно особенно комфортное и не вызывающее повышенного износа деталей переключение при соответствующей уровню техники разности значений частоты вращения, обеспечивающей переключение.
Если автоматизированная коробка передач является коробкой передач с инерционным синхронизатором в том смысле, что по меньшей мере одну передачу можно переключать посредством инерционного синхронизатора, и устройство управления подает сигнал на включение целевой передачи, как только закончится размыкание силовой цепи в автоматизированной коробке передач, можно отказаться от запроса уменьшения максимальной разности значений мгновенной частоты вращения входного вала коробки передач и частоты его вращения, устанавливающейся при включенной целевой передаче. Однако предлагаемый в изобретении способ и в этом случае имеет то преимущество, что он обеспечивает малую по сравнению с уровнем техники разность значений частоты вращения и поэтому элементы инерционного синхронизатора практически не подвержены износу, а их исполнение в определенных случаях может быть более компактным и дешевым.
Ниже рассматривается устройство для осуществления предлагаемого в изобретении способа.
Устройство для управления переключением передач в автоматизированной коробке передач, используемой в сочетании с приводным двигателем, воздействующим на входной вал автоматизированной коробки передач, и сцеплением, расположенным в цепи передачи вращения между приводным двигателем и автоматизированной коробкой передач и по выбору выключаемым или включаемым посредством исполнительного механизма привода сцепления, отличается тем, что устройство управления предусмотрено и выполнено для такой координации работы автоматизированной коробки передач, приводного двигателя и сцепления, при которой в случае переключения передач оно могло бы координировать уменьшение крутящего момента приводного двигателя, уменьшение крутящего момента сцепления и размыкание силовой цепи в автоматизированной коробке передач таким образом, чтобы приводной двигатель при разомкнутой силовой цепи в коробке передач передавал через сцепление приводной крутящий момент на входной вал коробки передач.
Устройство управления для координации работы автоматизированной коробки передач, приводного двигателя и сцепления может при этом конструктивно представлять собой единый узел или включать в себя различные, связанные друг с другом подузлы, которые могут быть выполнены отдельно или как неотъемлемые составные части других устройств.
Если устройство управления способно координировать уменьшение крутящего момента приводного двигателя и уменьшение крутящего момента сцепления таким образом, чтобы уменьшение обоих моментов совпадало во времени, то можно реализовать все описанные выше преимущества предлагаемого в изобретении способа.
При этом с точки зрения сложности и стоимости кабельного монтажа особенно предпочтительно, чтобы устройство управления для координации уменьшения крутящего момента приводного двигателя, крутящего момента сцепления, размыкания силовой цепи в автоматизированной коробке передач и для включения целевой передачи было в информационно-техническом отношении посредством так называемой электронной шины данных автомобиля по меньшей мере с теми устройствами управления, неотъемлемой составной частью которых оно не является. Это позволяет при необходимости использовать все данные также для других устройств управления, а в некоторых случаях использовать существующие шинные соединения без дополнительных или с минимальным количеством дополнительных аппаратных средств.
Сущность изобретения можно подробнее пояснить на примере его осуществления. Для этого к описанию прилагается чертеж (фиг.1-3). На нем в качестве примера для кулачковой коробки передач показана временнáя зависимость между заданным количеством впрыскиваемого топлива me_soll, частотой вращения n_mot выходного вала приводного двигателя и частотой вращения n_ge входного вала автоматизированной коробки передач. Далее представлены положение исполнительного органа привода сцепления и положение исполнительного органа автоматизированной коробки передач в зависимости от времени t.
Поскольку для изобретения несущественно, воздействует ли устройство управления непосредственно на участвующие в процессе элементы и модули или оказывает лишь координирующее воздействие в том смысле, что оно передает или предоставляет другим устройствам управления информацию, необходимую для осуществления способа, ниже в первую очередь в качестве примера рассматривается фактическая ситуация на уровне компонентов.
0
В момент времени t автомобиль при включенной передаче находится в состоянии квазистатического движения. Заданное количество me_soll впрыскиваемого топлива, которое по существу определяет крутящий момент приводного двигателя и которое в данном случае может использоваться как показатель, синонимичный приводному крутящему моменту, практически постоянно, а сцепление полностью включено, поэтому частота вращения n_mot приводного двигателя и частота вращения n_ge входного вала автоматизированной коробки передач идентичны.
0
В момент времени t подается сигнал к началу переключения передач, по которому положение исполнительного органа привода сцепления изменяется от прежнего, полностью включенного положения сначала с высокой скоростью, а после достижения области пробуксовки сцепления - с уменьшенной скоростью в направлении продолжения выключения сцепления. Частота вращения n_ge входного вала коробки передач вследствие действия еще включенной передачи связана со скоростью движения автомобиля и поэтому остается практически постоянной.
Однако по достижении области пробуксовки сцепления крутящий момент приводного двигателя может передаваться на автоматизированную коробку передач лишь частично. Часть развиваемой приводным двигателем мощности преобразуется фрикционными элементами сцепления в теплоту, а ее незначительная доля расходуется на истирание, тогда как частота вращения n_mot приводного двигателя повышается вследствие этого частичного расцепления. Одновременно количество me_soll впрыскиваемого топлива сначала медленно, а в дальнейшем все быстрее уменьшается.
1
0
В момент времени t участок наложения во времени заканчивается, и количество me_soll впрыскиваемого топлива становится меньше, чем в момент времени t, а частота вращения n_mot приводного двигателя возрастает вследствие дальнейшего выключения сцепления. При продолжающемся выключении сцепления устройство управления или также рассчитанный соответствующим образом распределительный механизм коробки передач подает сигнал на выключение прежней передачи, которое реализуется с задержкой, обусловленной временем срабатывания исполнительных механизмов.
На чертеже ясно видно, что в момент выключения передачи полное снижение тормозного крутящего момента автоматизированной коробкой передач вследствие уже произошедшей коррекции количества впрыскиваемого топлива и положения исполнительного органа привода сцепления ведет лишь к незначительному изменению частоты вращения n_mot приводного двигателя. Далее очевидно, что частота вращения n_ge входного вала коробки передач до этого момента остается почти постоянной, что соответствует малому изменению скорости движения автомобиля.
1
2
С выключением передачи частота вращения n_ge входного вала коробки передач возрастает по мере повышения скорости изменения в направлении синхронной частоты вращения, обусловленной целевой передачей и скоростью движения автомобиля. Быстрое согласование, или коррекция, частоты вращения n_ge входного вала коробки передач по существу объясняется изменением положения исполнительного органа привода сцепления в направлении включения сцепления и возрастанием частоты вращения n_mot приводного времени почти до целевой частоты вращения за этот отрезок времени t-t согласования значений частоты вращения.
2
Как только частота вращения n_ge входного вала автоматизированной коробки передач станет достаточно точно соответствовать частоте вращения n_mot приводного двигателя, которая в свою очередь будет практически полностью или по меньшей мере достаточно точно соответствовать частоте вращения после включения целевой передачи и полного включения сцепления, непосредственно перед моментом времени, обозначенным как t, подается сигнал на включение целевой передачи, который и в этом случае реализуется с минимальной задержкой с помощью исполнительных механизмов. На этом переключение передач как таковое заканчивается.
Вслед за этим положение исполнительного органа привода сцепления продолжает изменяться в направлении полностью включенного положения сцепления, тогда как одновременно заданное количество me_soll впрыскиваемого топлива сначала медленно, а по мере нарастания способности сцепления к передаче крутящего момента все быстрее увеличивается.
3
В момент времени t переключение передачи заканчивается, т.е. сцепление включено полностью настолько, что оно может без пробуксовки передавать весь развиваемый приводным двигателем крутящий момент, а заданное количество me_soll впрыскиваемого топлива устанавливается на уровне, определенном водителем посредством педали газа.