Способ и устройство управления усилием переключения скоростей в автоматизированной механической трансмиссии - RU2101199C1

Чертежи

Описание

Изобретение касается систем переключения передач автоматических и полуавтоматических коробок перемены передач (КПП) транспортных средств, в которых изменение передаточного отношения выполняет приводимый в действие электродвигателем постоянного тока механизм переключения передач, а более конкретно способа управления усилием, прилагаемым электродвигателем, с целью улучшения качестве переключения и снижения изнашивания деталей трансмиссии.

В технике хорошо известны системы автоматических и полуавтоматических КПП, использующие основанные на микропроцессорах электронные блоки управления /ЭБУ/, которые реагируют на различные условия работы транспортного средства или на вводимые водителем данные с целью осуществления изменения или переключения передаточного отношения [2]
Известное технические решение представляет собой устройство для переключения передач автоматизированной механической коробки перемены передач (КПП), содержащее по меньшей мере одну направляющую механизма переключения передач с установленным на ней блоком переключения передач, палец переключения передач, который можно ввести в соединение с любым из упомянутых блоков переключения и перемещать блок по направляющей, что приводит к включению или выключению передач КПП, механический привод пальца переключения, соединенный с по меньшей мере одним приводным электродвигателем, пульт управления, источник постоянного тока, при этом, в выбранный водителем момент, по сигналу с пульта управления, подают ток в обмотку по меньшей мере одного приводного электродвигателя, двигатель приводит в движение привод пальца переключения и с его помощью сам палец, за счет этого палец переключения передач соединяют с одним из блоков переключения, перемещают блок по направляющей и включают или выключают одну из передач.

Для осуществления переключения в ответ на ручное, либо автоматическое задание момента переключения передачи можно использовать механизм переключения с электродвигателем [4] Указанное техническое решение представляет собой устройство для переключения передач автоматизированной механической коробки перемены передач (КПП), содержащее по меньшей мере одну направляющую механизма переключения передач с установленным на ней блоком переключения передач, палец переключения передач, который можно ввести в соединение с любым из упомянутых блоков переключения и перемещать блок по направляющей, что приводит к включению или выключению передач КПП, механический привод пальца переключения, соединенный с по меньшей мере одним приводным электродвигателем, пульт управления, источник постоянного тока, при этом, в выбранный водителем момент по сигналу пульта управления подают ток в обмотку по меньшей сере одного приводного электродвигателя, двигатель приводит в движение привод пальца переключения и, с его помощью сам палец, за счет этого палец переключения передач соединяют с одним из блоков переключения, перемещают блок по направляющей и включают или выключают одну из передач. В этом устройстве палец переключения приводится в действие одним или более электродвигателями постоянного тока, по оси Y-Y для выбора конкретной направляющей переключения и по оси X-X для выполнения перемещения подвижной муфты сцепления для сцепления с определенной шестерней или вывода муфты из зацепления с ней. Это техническое решение принято за прототип для способа и устройства.

При переключении автоматизированной механической КПП существует три возможных случая, это: а) переключение в нейтральное положение, б) смена направляющих и в) осуществление сцепления с шестерней. Во время переключения в нейтральное положение, подвижная муфта расцепляется с одной из шестерен КПП и перемещается в нейтральное положение или выходит из зацепления с шестерней. Для фиксации нужной шестерни на выходном валу КПП подвижная муфта перемещается из нейтрального положения и входит в зацепление с фиксирующим зубчатым венцом выбранной шестерни. Важно, чтобы расцепление и зацепление фиксирующих зубчатых венцов шестерни и муфты осуществлялись как можно плавнее и зацепление фиксирующих зубчатых венцов шестерни и муфты осуществлялись как можно плавнее и зацепление фиксирующих зубчатых венцов шестерни и муфты осуществлвялись как можно плавнее для доведения до максимума качества переключения и доведение до минимума возникающих вибраций или толчков кузова. Вибрация кузова появляется тогда, когда происходит непредусмотренное или неожиданное зацепление или расцепление зубчатых венцов.

При переводе КПП в нейтральное положение, к неподвижной муфте, со стороны переключающего механизма, предварительно прикладывается усилие заранее установленной величины. Это усилие предварительной нагрузки силы трения, обусловленной передаваемым через фиксирующие зубчатые венцы крутящим моментом (М_кр) и поэтому муфта остается сцепленной с шестерней. Однако колебания величины М_кр на выходом валу КПП могут привести к тому, что сила трения, развиваемая на фиксирующих зубчатых венцах шестерни и подвижной муфты, станет меньше силы предварительной нагрузки. Это может привести к преждевременному расцеплению шестерни и муфты, вызывающему вибрацию кузова. Желательно, чтобы расцепление происходило при нулевом крутящем моменте на выходном валу КПП, что имеет место при отключении двигателя от КПП при переключении передачи.

Кроме того, возможна ситуация, когда расцепление зубчатых венцов производится не при нулевом крутящем моменте, а после того как крутящий момент на выходном валу КПП изменяет направление на обратное вследствие значительной инерции движения автомобиля, что вызывает быструю остановку вилки переключения, а затем и приводного электродвигателя механизма переключения. Вследствие того, что ротор электродвигателя имеет определенную инерцию, быстрая остановка может привести к появлению существенной силы на переключающем механизме, вызывая "дребезжание" подвижной муфты, находящейся в зацеплении с шестерней, вибрацию кузова и значительные динамические нагрузки на сцеплении.

Кроме того, при зацеплении подвижной муфты с шестерней, прикладываемое усилие должно быть лишь незначительно больше силы трения, вызываемой крутящим моментом, передаваемым через шестерню. Несмотря на то, что блокирующие поверхности синхронизатора будут препятствовать сцеплению подвижной муфты с шестерней до того, как скорости этих двух элементов окажутся синхронными прилагаемое усилие может вызвать нарушение в работе синхронизатора. Это вызывает вибрацию кузова и повреждение подвижной муфты, если благодаря управлению величиной усилия, прилагаемом к подвижной муфте, не исключить возможность подобного нарушения.

Технической задачей настоящего изобретения является уменьшение вероятности появления случайных или непредусмотренных срабатывания механизма переключения передач и перевода КПП в нейтральное положение, что позволяет избежать чрезмерных динамических нагрузок и ударного соединения деталей при зацеплении шестерен, а также уменьшение пиковых нагрузок на механические детали автоматической или полуавтоматической КПП посредством быстрого автоматического уменьшения силы, прикладываемой к скользящей муфте сцепления со стороны приводного электродвигателя в случае затормаживания электродвигателя при зацеплении и расцеплении подвижно муфты с шестерней.

Техническим результатом настоящего изобретения является улучшение качества переключения передачи и уменьшение изнашивания деталей в автоматической или полуавтоматической КПП.

В соответствии с настоящим изобретением качество переключения автоматизированной механической трансмиссии улучшается за счет точного управления током в обмотке якоря электродвигателя, приводящего механизм переключения передач. Ток, потребляемый электродвигетелем, контролирует микроконтроллер, определяющий таким образом, столкнутся ли механизм переключения с препятствием и не остановится ли во время переключения. Микроконтроллер программируют для управления величиной (частотой) сигнала управления напряжением с широтной модуляцией /ШИМ/. подаваемым на электродвигатель, в соответствии с алгоритмом, который обеспечивает линейное или дифференциальное регулирование сигнала по разнице между током, считываемым микроконтроллером, и заданным током. Управление током осуществляется посредством регулирования величины (частоты) сигнала управления напряжением электродвигателя с широтно-импульсной модуляцией для минимизирования больших колебаний тока в обмотке якоря электродвигателя, которые могли бы в противном случае происходить во время операций переключения. Величина (частота) ШИМ-сигнала изменяется и является функцией от суммы величины разницы между током в обмотке якоря и заданным током и скорости изменения этого расхождения (посредством выборки тока с высокой частотой еще большей, чем естественная механическая чувствительность, ток, который имеет высокую скорость отклика, можно использовать для реверсирования крутящего момента электродвигателя, прежде чем приспосабливающаяся механическая система сможет достигнуть максимального усилия, связанного с неуправляемым динамическим ударом). Быстрое реагирование на остановку электродвигателя и быстрое уменьшение тока, посредством ШИМ-сигнала управления, уменьшает усилие, прикладываемое механизмом переключения к подвижной муфте сцепления, и тем самым позволяет избежать значительных усилий, которые мог бы развить электродвигатель, что может привести к повреждению трансмиссии и электродвигателя вследствие резкой остановки.

На фиг. 1 представлена блок-схема системы автоматизированной механической КПП, в которой реализован способ переключения передаточного отношения с управляемым усилием согласно изобретению; на фиг. 2 блок-схема основанной на микроконтроллере системы управления усилием, прилагаемым к механизму переключения скоростей автоматизированной механической КПП согласно изобретению; на фиг. 3 схема цепи управления током на фиг. 2 согласно изобретению; на фиг. 4 блок-схема, иллюстрирующая соответствующий настоящему изобретению способ переключения шестерен с управляемым усилием; на фиг. 5 - графики положения пальца переключения подвижных муфт, усилия на вилке переключения, крутящего момента на выходом валу КПП и тока в обмотке якоря электродвигателя в функции времени при переходе в нейтральное положение согласно изобретению; на фиг. 6 графики тока в обмотке якоря электродвигателя и положения пальца переключения подвижных муфт при переключении в нейтральное положение и последующее сцепление шестерен согласно изобретению.

На фиг. 1 показана автоматизированная механическая КПП 10. КПП имеет обычную конструкцию, в частности с двумя участками изменения передаточного числа, один из которых представляет собой автоматизированный трансформатор передаточного отношения (обычно гидротрансформатор). Трансформатор установлен последовательно с участком ступенчатого изменения передаточного числа. КПП 10 содержит входной вал 12, приводимый первичным двигателем, например дизельным двигателем 1, посредством нормально сцепленного, но с возможностью расцепления фрикционного сцепления 2, расположенного между двигателем и КПП. Главный фрикцион 2 имеет ведущую часть, подсоединенную к коленчатому валу двигателя, и ведомую часть, жестко соединенную с входным валом 12 КПП. Двигатель управляется вручную посредством подачи топлива через дроссельное устройство (не показан). Главный фрикцион управляется вручную посредством педали сцепления или подобного устройства (не показано). Выходной вал 14 трансмиссии приводится посредством зубчатого зацепления трансмиссии 10 со скоростью, которая уменьшается относительно скорости вращения входного вала 12 трансмиссии с заданным передаточным отношением.

Переключение шестерен трансмиссии 10 осуществляется под управлением микроконтроллера /ЭБУ/ 10, предпочтительно на основе микропроцессора, который принимает входные данные от ряда датчиков, как показано на фиг.1, датчика 18 частоты вращения входного вала и датчика 20 частоты вращения выходного вала. Микроконтроллер ЭБУ 16 принимает выходные данные и выдает сигналы управления на механизм 22 для переключения шестерен. Более полно механизм переключения описан в вышеупомянутом патенте США N 4.873.881. Блок ЭБУ 16 принимает также входные данные с пульта управления переключением и блока отображения информации о состоянии КПП, обозначенных позицией 24 и 28, и выдает сигналы управления по каналу передачи данных 26. Блок 24 обеспечивает водителя информацией о состоянии КПП, а также содержит кнопки "увеличения" и "уменьшения", предназначенные для ручного управления переключением передач КПП, когда рычаг пульта управления находится в положении удерживания. Можно использовать модуль 28 для отображения положения текущей передачи шестерни и он может иметь стрелки, показывающие, было ли произведено включение повышенной или пониженной передачи. Дополнительные подробные сведения о трансмиссии 10 и системе, предназначенной для управления такой трансмиссией можно получить из [1] а также [3] и патентов, названных и описанных здесь.

На фиг. 2 показан механизм 22 переключения передач, который содержит палец переключения 29, приспособленный для выборочного соединения с блоками переключения 30, 32 и 34. Блоки переключения 30, 32 и 34 смонтированы на направляющих переключения 36, 38 и 40, обычно используемых в трансмиссиях с механическим переключением шестерен. На каждой направляющей переключения находится вилка или коромысло переключения 42, 44 и 46, соответственно, прикрепленная к ней для совместного перемещения в осевом направлении. Хорошо известна конструкция, где каждая вилка переключения связана с подвижной муфтой, предназначенной для фиксации шестерен на выходном валу КПП, Палец 29 связан через соответствующие механизмы (не показаны) с электродвигателями 50 и 52 с возбуждением от постоянных магнитов, которые приспособлены для перемещения пальца по направлениям X-X и Y-Y, соответственно, как описано в вышеупомянутом патенте. В качестве альтернативы, один электродвигатель и соответствующие механизмы сцепления и привода можно использовать для перемещения по выбору пальца по осям X-X и Y-Y, как описано в [4]
Скоростью и направлением вращения валов электродвигателей 50 и 52 управляет переменный сигнал с широтно-импульсной модуляцией величины (частоты) сигнала, подаваемый на логические схемы 54 и 56 управления током с блока ЭБУ 16. Ток в обмотке якоря электродвигателя измеряется в блоках 58 и 60, соответственно, преобразуется в цифровое значение в аналого-цифровом преобразователе 34 и подается на схему ЭБУ 16. Микроконтроллер ЭБУ программируют на управление током, подаваемым на электродвигатели 50 и 52, посредством регулирования величины (частоты) ШИМ сигнала, как более подробно будет описано ниже. Положение пальца 29 по осям X-X и Y-Y воспринимается потенциометрами 62 и 64, соответственно, сигналы с которых проходят через фильтры 66 и 68, соответственно, преобразуются в цифровые значения и подаются на микроконтроллер ЭБУ 16. Потенциометры 62 и 64 вырабатывают выходной сигнал с напряжением 0 5 В для всего диапазона перемещения пальца переключения. Входные сигналы потенциометров преобразуются в двоичных код, имеющий значения 0 1023.

Микроконтроллер 16 посредством логических схем управления 54 и 56 управляет направлением вращения электродвигателей и посредством изменения величины (частоты) ШИМ-сигнала регулирует выходные крутящие моменты и число оборотов валов электродвигателей. На фиг. 3 более подробно показан логический блок 56 управления током. Электродвигатель 52 подсоединен к источнику напряжения постоянного тока типа аккумуляторной батареи, показанной позицией 4, подсоединенной между клеммой 70 и защемлением. Направление электрического тока через обмотку якоря электродвигателя осуществляется путем возбуждения соответственных транзисторных ключей 72, 74, 76 и 78 посредством сигнала управления, подаваемого на соответствующие управляющие электроды 82, 84, 86 и 88. При включении ключей 72 и 74 и выключении ключей 76 и 78, вал электродвигателя приводится во вращение в одном направлении, например, по часовой стрелке. Когда ключи 72 и 74 выключаются, ключи 76 и 78 включаются, вал электродвигателя приводится во вращение против часовой стрелки.

Независимо от направления вращения, крутящий момент вала электродвигателя 52 и, следовательно, усилие, прикладываемое пальцу 29, оказывается прямо пропорциональным току в обмотке якоря электродвигателя. Для заданной скорости вращения вала электродвигателя этим усилием можно управлять посредством регулирования напряжения, подаваемого на электродвигатель. Важнейшим параметром оценки процесса переключения передач в КПП является нулевая скорость вращения вала электродвигателя, соответствующая остановке электродвигателя. Если электродвигатель останавливается из-за высокого тормозящего момента, приложенного к валу электродвигателя вследствие колебаний М_кр на выходом валу КПП, ток, потребляемый электродвигателем, возрастает и вызывает приложение более высокого усилия электродвигателем. Это увеличение усилия может привести к низкому качеству переключения и увеличенному износу элементов трансмиссии. Таким образом, для уменьшения тока и, следовательно, усилия, желательно уменьшить подаваемое на электродвигатель напряжение. Уменьшение напряжения или ослабление подаваемого напряжения аккумуляторной батареи выполняется посредством уменьшения времени, в течение которого ключ оказывается включенным на протяжении фиксированного интервала времени. Таким образом, микроконтроллер ЭБУ посредством управления временем, в течение которого соответствующая пара ключей, например 72 и 74, оказывается включенной, подает на электродвигатель 52 переменный сигнал напряжения с широтно-импульсной модуляцией рабочего цикла.

Резистор 78 подсоединен последовательно электродвигателю и предназначен для контроля тока в обмотке якоря электродвигателя. Проходящий через резистор 78 ток детектируется микроконтроллером ЭБУ, который периодически считывает через аналого-цифровой преобразователь создаваемое на резисторе напряжение. Как видно на блок-схеме фиг. 4. микроконтроллер ЭБУ возбуждает электродвигатель 52 ШИМ-сигналом управления в блоке 100 и периодически измеряет ток в обмотке якоря электродвигателя в блоке 102. Считываемый ток сравнивается с требуемым и заданным током в блоке 104, и если требуемый и заданный токи не равны, то в блоке 106 рассчитывается новая величина (частота) ШИМ-сигнала. Новая величина сигнала равна старой величине сигнала, плюс ошибка между полученным в результате измерения током и требуемым или заданным током, помноженное на пропорциональный коэффициент усиления, плюс разность между настоящей ошибкой токов и предыдущей ошибкой, умноженная на дифференциальный коэффициент усиления. Это можно записать в виде следующего уравнения:
Величина сигнала_новая величина сигнала_старая + ошибка токов • КР_СУ + /настоящая ошибка токов предыдущая ошибка токов/ • КД_СУ,
где
КР_СУ пропорциональный коэффициент усиления и
КД_СУ дифференциальный коэффициент усиления.

На фиг. 5 показаны кривые, получаемые во время перехода в нейтральное положение, иллюстрирующие метод предотвращения перегрузок, соответствующий настоящему изобретению, способом управления током, приложения неуправляемого усилия к механизму переключения во время появления ожидаемого колебания М_кр на выходном валу КП. Кривая А представляет положение пальца переключения подвижных муфт 29, определяемое потенциометром 64 в цифрах в функции времени. Кривая В представляет усилие, прикладываемое к вилке 44, в фунтах и функции времени. Кривая С представляет крутящий момент на выходном валу КП транспортного средства в фунтах на фут/10 в функции времени. Кривая D представляет ток в якоре электродвигателя в амперах • 10 в функции времени. К вилке 44 под действием тока в обмотке якоря электродвигателя, равного 6 А, что является заданным током, при переключении передачи прикладывается усилие предварительной нагрузки, равное примерно 50 фунтам. В момент 104 крутящий момент падает примерно до нуля, а в момент 106 вал электродвигателя начинает вращаться под влиянием падения силы трения в зубчатом венце, вызванной передачей крутящего момента. В момент, примерно равный 1,96 с на кривой, микроконтроллер выполняет программу быстрого переключения трансмиссии в нейтральное положение. Начало программы включает в себя обнаружение одного или более параметров запуска, указывающих на вращение вала электродвигателя.

Эта программа обеспечивает подачу на электродвигатель полного напряжения. При этом ток в обмотке якоря электродвигателя, соответственно, возрастает и появляются кратковременные всплески, как показано позицией 108, затем ток опять падает до 6 А, когда электродвигатель перемещает палец к нейтральному положению, а усилие, прикладываемое к вилке 44, падает до нуля. Однако, после окна нулевого крутящего момента, продолжающегося от примерно 1,92 с до примерно 1,99 с, направление крутящего момента карданной передачи изменяется на противоположное. В этот момент времени фактически колеса приводят в действие двигатель, а не двигатель приводит в действие колеса. В результате этого вращение вала электродвигателя замедляется и в конце концов останавливается в момент, указанный позицией 110. Вместо увеличения тока и создания усилия, равного, возможно, 300 фунтам, появляется всплеск тока в обмотке якоря в момент 112 и он быстро возвращается к величине 6 А в момент 116, показанный на фиг. 3, способом управления током. Следовательно, в момент 116 появляется всплеск усилия вилки, который быстро возвращается к величине 50 фунтов на фут в момент 118. Уменьшение усилия вилки во время падения тока позволяет электродвигателю выйти из заторможенного состояния, избегая тем самым изнашивания и истирания элементов электродвигателя и трансмиссии, которые появились бы, если бы во время состояния ненулевого крутящего момента карданной передачи продолжалось действие расцепления шестерен.

Теперь рассмотрим фиг. 6, изображающую действие переключения, при котором происходит расцепление с одной шестерней и зацепление с другой шестерней. Показаны только график А положения пальца в обмотке якоря электродвигателя /5 ампер на деление/. Перед переходом к операции переключения в нейтральное положение, на двигатель подается в момент 130 напряжение ШИМ-сигнала и регулируется так, чтобы минимизировать ток предварительной нагрузки в обмотке якоря электродвигателя величиной 6 А. Этот ток предварительной нагрузки подается в течение примерно 100 мс между временем, когда палец переключения 29 начинает перемещаться в момент 132, и когда палец переключения столкнется с жестким упором в момент 134, после устранения зазора и люфта в приводе пальца. Когда палец остановится, ток в обмотке якоря электродвигателя создает очень кратковременный всплеск в момент 136, приводится к величине 6 А и стабилизируется на ней показанным на фиг. 3 способом управления током. Имеющие место между примерно 700 мс и 900 мс колебания тока производят в результате выполнения микроконтроллером ЭБУ программы перевода трансмиссии в нейтральное положение, как упоминалось в связи с фиг. 4. После определения, что трансмиссия находится в нейтральном положении и выбрана, требуемая шестерня, трансмиссия оказывается готовой к действию сцепления шестерен, как только два соединяемых вала начнут вращаться по существу синхронной скорости вращения, примерно за 900 мс установится заданный ток в обмотке якоря электродвигателя, равный 10 А, для управления и электродвигатель начнет перемещать муфту в зацепление с выбранной шестерней. В момент 138 электродвигатель остановится, благодаря зацеплению шестерни, и произойдет кратковременный всплеск тока в момент 140, но он быстро будет приведен к нулю в момент 142, показанный на фиг. 3, способом управления током.

Реферат

Использование: изобретение относится к системам для переключения передачи автоматических и полуавтоматических коробок перемены передач транспортных средств, в которых изменение передаточного отношения выполняет приводимый в действие электродвигателем постоянного тока механизм переключения передач. Сущность изобретения: ток в обмотке приводного электродвигателя контролируется микроконтроллером, определяющим - столкнулся ли механизм переключения с препятствием (остановился) при переключении скоростей. Микроконтроллер программируют на управление величиной (частотой) сигнала напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), подаваемого на электродвигатель, в соответствии с алгоритмом, который обеспечивает пропорциональное и дифференциальное регулирование расхождения между полученным в результате измерения током и заданным током. Быстрое уменьшение величины тока под действием ШИМ-сигнала управления уменьшает усилие, прилагаемое к механизму переключения передач и таким образом к подвижной муфте и шестерне коробки перемены передач. 2 з. и 2 с. п. ф-лы, 6 ил.

Формула