СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ ШЕСТЕРНИ НА ВАЛУ КОРОБКИ ПЕРЕДАЧ
METHOD TO SYNCHRONIZE GEARS AT SHAFT OF GEARBOX

Изобретение относится к области управления переключением передач на коробке передач.
В частности, изобретение относится к способу синхронизации шестерни на валу коробки передач с параллельными валами транспортного средства, содержащей, по меньшей мере, один первичный вал, связанный с источником энергии, вторичный вал, вращаемый первичным валом, для передачи крутящего момента от двигателя на колеса на нескольких передачах трансмиссии и, по меньшей мере, одно средство соединения шестерни с валом для включения передачи трансмиссии без механических органов синхронизации.
Предложенное изобретение можно применять для любой трансмиссии с параллельными валами, в которой изменения передаточного числа с прерыванием крутящего момента происходят при перемещении средства соединения между двумя шестернями передач свободного хода на валу, связанном с колесами транспортного средства.
Предложенное изобретение находит свое неограничивающее применение в гибридной трансмиссии для автотранспортного средства, оборудованного двигателем внутреннего сгорания и приводной электрической машиной, содержащей два концентричных первичных вала, на каждом из которых установлена, по меньшей мере, одна шестерня нисходящего перехода на вторичный вал, соединенный с колесами транспортного средства, и первое средство соединения между двумя первичными валами, которое может занимать три положения, в которых двигатель внутреннего сгорания отсоединен от кинематической цепи, связывающей электрическую машину с колесами, приводит во вращение колеса с участием или без участия электрической машины и связан с электрической машиной таким образом, чтобы объединить их крутящие моменты.
На фиг. 1 представлен неограничивающий пример гибридной трансмиссии, основанной на этом принципе архитектуры. Эта трансмиссия содержит цельный первичный вал 1, напрямую соединенный через систему 2 фильтрации (амортизирующая ступица, «демпфер», двойной маховик или аналогичное средство) с инерционным маховиком 3 двигателя внутреннего сгорания (не показан). На цельном валу 1 установлена шестерня 4 свободного хода, которая может быть с ним соединена через первую систему 5 соединения (такую как кулачковая муфта, синхронизатор или другой тип средства плавного или не плавного соединения). Полый первичный вал 6 связан с ротором электрической машины 7. На полом валу 6 установлены две неподвижные шестерни 8, 9. Он может быть связан с цельным первичным валом 1 через систему 5 соединения. На вторичном валу 10 установлены две шестерни свободного хода 11 и 12. Шестерни 11, 12 свободного хода можно соединить с первичным валом через вторую систему 13 соединения (кулачковая муфта, синхронизатор или другой тип средства плавного или не плавного соединения). На вторичном валу 10 установлены также неподвижная шестерня 14 и шестерня 15 нисходящего перехода на дифференциал 16, соединенный с колесами транспортного средства.
Как было указано выше, первое средство 5 соединения может занимать, по меньшей мере, три положения, в которых:
- двигатель внутреннего сгорания отсоединен от кинематической цепи, связывающей электрическую машину 7 с колесами (скользящая муфта в центре, как показано на фиг. 1, 2 и 3),
- двигатель внутреннего сгорания приводит во вращение колеса с участием или без участия электрической машины (скользящая муфта слева), и
- двигатель внутреннего сгорания и электрическая машина связаны таким образом, чтобы объединить их соответствующие крутящие моменты (скользящая муфта справа).
В электрическом режиме (см. фиг. 2 и 3) электрическая машина вращает полый первичный вал 6, тогда как на цельный вал крутящий момент от двигателя внутреннего сгорания не поступает (положение 1). Коробка имеет две электрические передачи, называемые «городской» и «дорожной» в зависимости от того, проходит ли крутящий момент от вторичного вала 10 через неподвижные шестерни 8 или 9. Для перехода от одной к другой из этих двух передач коробка содержит вторую систему 13 соединения. В отсутствие синхронизирующих колец система соединения при помощи кулачковой муфты свободного хода с шестернями требует точного контроля первичного режима со стороны электрической машины, чтобы избегать перебоев крутящего момента.
Из публикации FR 2933247 известен способ муфтового соединения между валом электрической машины и колесной осью для электрического или гибридного транспортного средства. Описанный способ содержит следующие этапы:
- в электрическую машину передают заданное значение режима, соответствующее скорости колесной оси с учетом понижающего передаточного числа между валом электрической машины и колесной осью,
- когда скорость вала электрической машины достигает калибруемого порога, к нему применяют нулевой крутящий момент и приводят в действие устройство механической синхронизации, чтобы уравнять скорость вала электрической машины со скоростью вала, связанного с колесами, и
- как только скорость вала электрической машины становится равной скорости вала, связанного с колесами (с учетом понижающего передаточного числа), осуществляют соединение при помощи кулачковой муфты.
Согласно этому способу сначала электрической машиной управляют, чтобы достичь скорости, близкой, но не обязательно равной, скорости вала, связанного с колесами; затем устройство синхронизации завершает уравнивание скоростей между двумя валами, после этого происходит конечное включение передачи при помощи кулачковой муфты.
Настоящее изобретение позволяет отказаться от механического синхронизатора.
Для этого изобретением предложено сохранять управление электрической машиной до полного уравнивания скоростей вала электрической машины и вала, связанного с колесами, с учетом понижающего передаточного числа.
2
1
В связи с этим согласно изобретению источником энергии управляют таким образом, чтобы получить контрольный командный сигнал крутящего момента , равного минимальному передаваемому крутящему моменту, чтобы во время соединения рассматриваемой шестерни с ее валом минимизировать разность ωK - ω между первичным режимом ω1 и вторичным режимом ω2, умноженным на понижающее передаточное число (K).
2
1
Предпочтительно контрольным командным сигналом крутящего момента  управляют при помощи введения в контур обратной связи поправки для разности первичного и вторичного режимов ωK - ω.
Изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания неограничительного варианта осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1, 2 и 3 показана кинематическая цепь гибридной трансмиссии на нейтральной передаче и на двух электрических передачах;
на фиг. 4 представлено предложенное управление.
На фиг. 1 первая система 5 соединения разомкнута, тогда как вторая система 13 соединения замкнута и соединяет шестерню 12 свободного хода короткой передачи с вторичным валом 10. Трансмиссия находится в электрическом режиме на короткой передаче или первой передаче переднего хода. Крутящий момент, передаваемый электрической машиной на полый первичный вал 6, опускается через первую неподвижную шестерню 8 на шестерню 12 свободного хода. Крутящий момент проходит от вторичной линии на дифференциал 16 через шестерню 15.
На фиг. 3 первая система 5 соединения по-прежнему разомкнута (положение 1), тогда как вторая система 13 соединения замкнута, соединяя шестерню 11 свободного хода промежуточной передачи с вторичным валом 10. Трансмиссия находится в электрическом режиме на промежуточной передаче или второй передаче переднего хода. Крутящий момент, передаваемый электрической машиной 7 на полый первичный вал 6, опускается через вторую неподвижную шестерню 9 на шестерню 11 свободного хода. Система 13 соединения связывает во вращении шестерню 11 и вал 10. Как и на фиг. 2, крутящий момент проходит от вторичной линии на дифференциал 16 через шестерню 15.
Как было указано выше, проблемой на этой коробке является синхронизация режимов двух валов 6 и 10 перед тем, как начать фазу соединения двух валов путем соединения шестерен при помощи кулачковой муфты. Если устройство 5 соединения не имеет синхронизирующих колец, значит речь идет о синхронизации - без механического устройства синхронизации - шестерни с валом коробки передач с параллельными валами транспортного средства, содержащей, по меньшей мере, один первичный вал, связанный с источником энергии, вторичный вал, вращаемый первичным валом, для включения передачи. Эта синхронизация должна быть абсолютно прозрачной для водителя и должна происходить, продолжая обеспечивать передачу требуемого крутящего момента. Эта проблема возникает, в частности, при переходах между двумя электрическими передачами, которые происходят с прерыванием крутящего момента при кулачковом соединении шестерен 8 и 9 с вторичным валом 10.
1
2
В коробке передач, показанной на фиг. 1-3, ω является режимом вала, связанного с источником энергии, то есть полого первичного вала, связанного с электрической машиной 7, и ω является режимом вала, связанного с колесами, то есть вторичного вала 10.
Предположив, что в исходном положении оба вала полностью разъединены и применив фундаментальный принцип механики, получают следующую динамическую модель:
- для первичного вала: , и
- для вторичного вала: ,
1
2
d1
d2
то есть фундаментальные уравнения динамики, в которых J является инерцией, приведенной к первичному валу, J является инерцией, приведенной к вторичному валу, и T и T - противодействующие крутящие моменты на этих валах, представляющие собой неизвестные экзогенные входные данные.
1
2
Целью вычисления, представленного на фиг. 4, является получение командного сигнала, который позволяет синхронизировать режимы ω и ω, то есть обеспечить условие , где K является понижающим передаточным числом между источником энергии и вторичным валом, чтобы удовлетворить условиям идеального соединения между скользящей муфтой и шестернями.
1
2
Результатом этого вычисления является контрольный командный сигнал крутящего момента  для электрической машины, который позволяет синхронизировать скорость ω первичного вала 6 со скоростью ω вторичного вала 10 с учетом понижающего передаточного числа K.
2
1
1
2
Согласно изобретению источником энергии управляют таким образом, чтобы получить контрольный командный сигнал крутящего момента , равный минимальному передаваемому крутящему моменту, для минимизации разности ωK - ω между первичным режимом ω и вторичным режимом ω, умноженным на понижающее передаточное число K, во время соединения соответствующей шестерни с ее валом.
2
1
w
s
2
1
2
1
Для получения контрольного сигнала  сначала необходимо умножить режим , измеренный на вторичном валу 10, на первый коэффициент K, который является понижающим передаточным числом между источником энергии и вторичным валом 10, чтобы его можно было сравнить с измеренным режимом  первичного вала 6. Двойное интегрирование разности режимов ωK - ω и произведения от ее умножения на коэффициент Ki дает «интегральное действие ». Произведение . K дает значение упреждения . Первичный режим умножают на третий коэффициент K для получения значения возврата состояния . Сигналы, получаемые при помощи интегрального действия , упреждения  и возврата состояния , суммируют. Оригинальность этого устройства состоит в возврате  к члену сравнения режимов. Таким образом, контрольным командным сигналом крутящего момента  управляют путем направления в контур поправки для разности первичного и вторичного режимов (ωK - ω). Поправка разности режимов ωK - ω пропорциональна . Этот контур гарантирует, что, когда режимы синхронизированы, то есть когда , крутящий момент  является минимумом, который можно передать для достижения этой синхронизации, даже если вторичный режим меняется, то есть когда .
w
s
1
1
2
Командный сигнал крутящего момента  для электрической машины, который является результатом вычисления, показанного на фиг. 4, основан на сумме  где K и K - константы. Его получают на основании суммы  где  является членом интегрирования первичного режима ω. С учетом противодействующих крутящих моментов Td и Td можно записать:
и из фиг. 4 получаем
w
s
r
s
w
i
1
2
2
Константы K и K устанавливают таким образом, чтобы обеспечить стабильность контрольного сигнала крутящего момента . Для вычисления коэффициентов K, K, Kи K следует установить общие условия, необходимые для командного сигнала, и условия согласно техническим требованиям, то есть время реакции (время, необходимое режиму ω, чтобы достичь 95% Kω) и превышение (максимальное значение, превышающее значение Kω).
Таким образом, стратегия, применяемая в рамках изобретения, позволяет минимизировать крутящий момент на муфте соединения во время фазы соединения, следующей за синхронизацией. Разность режимов очень быстро уменьшается и достигает значения приблизительно 30 оборотов в минуту, которое позволяет осуществить плавное соединение. Таким образом, способ позволяет осуществлять следующую фазу соединения двух валов максимально прозрачно для пользователя несмотря на передачу крутящего момента, то есть с минимально возможным прерыванием крутящего момента. В частности, он позволяет управлять отслеживанием траектории типа уклона, соответствующей неблагоприятным случаям резкого торможения. Наконец, устранение прерываний крутящего момента ограничивает износ механических деталей системы соединения.