CN102114835B - 一种用于在车辆启动时控制离合器的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在车辆启动时控制变速器输入离合器的方法，其包含：确定所需的离合器扭矩、所需的引擎扭矩、所需的车辆加速度和所需的引擎速度，参照第一和第二误差及当前运行条件确定离合器扭矩变化和引擎扭矩变化，将更新的离合器最大扭矩应用到离合器，离合器最大扭矩的大小为所需的离合器扭矩和引擎扭矩变化的总和，及生成更新的引擎扭矩，更新的引擎扭矩的大小为所需的引擎扭矩和引擎扭矩变化的总和。

Description

一种用于在车辆启动时控制离合器的方法

技术领域

本发明总体上涉及一种具有输入离合器的车辆动力传动系统。更具体地，本发明涉及在车辆启动条件下控制离合器的方法。

背景技术

车辆启动是低速驶离事件，其中，具有变速器的车辆响应车辆驾驶者踩下加速踏板而加速。车辆动力传动系统具有传统的自动变速器时，启动行为很大程度上由扭矩变换器调节，其最终将引擎速度和车轮扭矩设置为引擎扭矩的动态函数。在这种传统的动力传动系统设置下，扭矩变换器的特征设计为首先平衡燃油经济和驾驶性能，然后调节引擎踏板映射(加速踏板位置和引擎扭矩之间的引擎控制软件关系)，以对给定的变换器设计提供最佳的车辆感觉。

在驾驶者踩下油门踏板，表示驾驶者打算启动车辆运动后，利用启动控制来推动车辆从停止状态开动。在自动变速器中，由扭矩变换器提供启动功能，其具有固有的积极特征，例如在低速比下增加扭矩，在平坦道路和斜坡条件下的启动特征。扭矩变换器还提供驻坡性能。其提供固有阻尼或过滤任何可能的与驾驶性能和NVH相关的干扰，这些干扰可能由于驾驶者的心情变化导致油门踏板急剧运动和相似的行为而引起。但是，扭矩变换器耗费能量、降低了燃油经济，且带来空间和重量障碍。

由于这些限制，在自动变速器设计中的明显趋势是取消扭矩变换器，而用适合的可控制的摩擦离合器代替。一个这样的示例是称为动力转换(Powershift，简称PS)的变速器，其仅由两个离合器(一个用于奇数档，一个用于偶数档)，类似于同步装置的耦合器，类似手动变速器的齿轮，传感器和电或电-液压驱动的离合器和同步装置构成。

这样的变速器具有很多优势，包括：低的制造成本，简单，设计耐用且与手动变速器实质上可以通用，从而便于通用制造。

Powershift变速器能够应用这样的运算法则：其能够以比被动扭矩离合器更复杂的方式控制离合器，消除或降低在某些在被动扭矩变换器系统中固有的设计权衡。例如，在驾驶者踩下制动踏板后，离合器能够完全打开，消除空转引擎上的变速器拖延，从而提高燃油经济。

在自动离合器设置中，启动功能的目的是提供这样的车轮扭矩：其反映来自加速踏板的驾驶者要求，且提供满足在限制与装置的滑动相关联的离合器组件磨损的同时时对驾驶者提供“动力开启”的感觉和声音的竞争性需求的引擎速度轨线。

行业中需要一种控制输入离合器的方法，使得获得耐用、优化的性能。

发明内容

一种在车辆启动时控制变速器输入离合器的方法，其包括：确定所需的离合器扭矩、所需的引擎扭矩、所需的车辆加速度和所需的引擎速度；参照第一和第二误差及当前运行条件确定离合器扭矩变化及引擎扭矩变化，将更新的离合器最大扭矩应用到离合器，离合器最大扭矩的大小为所需的离合器扭矩和引擎扭矩变化的总和，及生成更新的引擎扭矩，更新的引擎扭矩的大小为所需的引擎扭矩和引擎扭矩变化的总和。

控制产生了适应于传统的自动变速器的驾驶者预期的车辆行为，且提供了类似于应用到传统的变速器中的系统调整方法，使得之前的工程技术和经验能够承传下来。

控制通过消除对具有相关反馈测量目标的多个调整的操纵系统的需求且克服了使这些目标与引擎扭矩一致的固有困难而使设计简化。

该控制方法与其它控制方法相比，不易受引擎扭矩迟滞、与驾驶者要求相关的引擎扭矩误差、以及离合器扭矩误差的影响。

优选实施例的应用范围从下述的详细说明、权利要求和附图中将变得显而易见。应理解到的是，说明书和具体的示例尽管显示了本发明的优选实施例，其仅是以示例的方式给出。对所述的实施方式和示例的各种改变和改进对本技术领域的技术人员来说是显而易见的。

附图说明

结合附图并参考下述的说明，将更容易理解本发明。其中：

图1是表示应用离合器启动车辆的车辆动力传动系统的示意图；

图2是表示在车辆启动时引擎速度和变速器输入速度的变化的图表；

图3是表示在车辆启动时引擎扭矩和变速器输入扭矩的变化的图表；

图4是用于模拟应用于车辆的启动控制的变速器输入装置的扭矩传输能力的控制的示意框图；

图5是用于车辆的启动控制的监督控制的示意图；

图6是用于控制例如图1的机动车辆动力传动系统的系统的示意图；及

图7是表示图2的数学模型的设备的相互作用的示意图。

具体实施方式

现请参照图1，车辆动力传动系统包括引擎2、传动轴3、变速器4和用于将变速器输出扭矩差速地传输到车轮6和7的差速器5。摩擦离合器10具有可变扭矩传输能力，其在离合器完全结合或闭合时可驱动地连接引擎2和变速器输入8；在离合器完全解离或打开时，断开引擎和输入8的连接；在离合器滑动时部分地连接引擎和输入8。离合器滑动是传动轴3的速度和变速器输入8的速度之差。

为了提供与传统的变速器一致的车辆启动行为，在启动事件中控制离合器，使其模拟被动变速器输入装置、例如扭矩变换器的行为。

图4和图5的控制系统接收表示当前引擎扭矩14的信号作为输入。响应加速踏板11位移的程度，从引擎扭矩映射9生成引擎扭矩信号。

图2表示在典型启动事件中引擎速度11和变速器输入速度12的变化。图3表示在启动事件中引擎扭矩14和变速器输入轴扭矩16的变化。

在驾驶者踩下加速踏板11后，在13处，引擎扭矩14随着引擎速度11的逐渐增加而增加。当离合器10的滑动18增加时，离合器10的扭矩传输能力相应增加，使引擎速度11进入准均衡状态，并对车轮6、7提供推力扭矩。最后引擎速度11与输入轴速度12充分接近会合到认为启动事件完成，变速器和离合器控制进入新的运行状态。

图4表示用于控制离合器10的系统20的示意框图，其中用于控制离合器的软件包含物理装置，例如扭矩变换器、液压耦合器或离心式离合器的数学模型22。模型22对模型化装置的扭矩响应性能进行模拟，并将离合器用作从动启动器。

测量引擎速度11和变速器输入速度12，并将其提供给物理装置模型22作为输入，物理装置模型22生成离合器扭矩指令24。用于启动离合器10的伺服系统通过生成与指令24相应的离合器最大扭矩来响应指令24。

系统运行闭环，且可以用传统的闭环系统设计方法进行分析。但是，这种形式的控制器20并非是跟踪控制器，即，其并非试图跟踪目标引擎速度或目标车轮扭矩。相反，车辆启动中的车轮扭矩响应和引擎速度轨线通过响应驾驶者输入和车辆状态调整被动装置的模型22的特征和调整控制引擎扭矩14的软件来来调节。

在等式(1)和(2)中具体说明了两个可能的物理装置模型22。等式(1)模型化粘滞阻尼器，其所需的扭矩简单地与离合器10的滑动成比例：

τ_所需＝k(N_引擎-N_变速器)   (1)

其中，τ_所需是所需的离合器扭矩，N_引擎是引擎速度11，N_变速器是变速器输入轴速度12，k是可调整的比例常数。

等式(2)模型化液压耦合器，其行为类似于上述运行的扭矩变换器，其耦合点是：

其中，R是利用率、即引擎速度11和变速器输入轴速度12的比率的函数。该函数，R利用率，可以从多项式、表格或由N_引擎和N_变速器索引的其它方法确定。

在有些车辆系统中，如果根据驾驶者加速踏板位置选择不同的物理装置模型，可以改善启动性能。这可以通过在等式1和2设置中将比例常数k(等式1)或者利用率R(等式2)调整为踏板位置的函数来完成。

重要的是要注意到，有些物理装置不能够用这种方法完全模型化，因为离合器在其输入和输出轴上都产生了相同的扭矩(在相对的方向上)，但是像扭矩变换器这样的装置能够提供从其输入到其输出的扭矩增加。

引擎动态特征和车辆动态特征26，例如质量和惯性，包括道路坡度和摩擦的道路条件，及包括海拔高度的运行条件，确定了启动时的引擎速度10和车轮加速度28。模型22包括检查以确定加速踏板11的下压位置是否在降低，所需的离合器扭矩16是否未增加。

本申请的离合器的控制方法的最大好处是离合器扭矩16响应引擎速度11而不是响应关于引擎速度目标的引擎速度误差。这意味着离合器10像扭矩变换器或耦合器一样，直到引擎速度11响应引擎扭矩增加14时才开始生成扭矩。因此，离合器10在冷启动时或用降解燃料运行时在引擎本应迟滞时倾向于不使引擎停转。类似地，用适当设计的装置模型22，离合器扭矩16将找到与引擎扭矩14的平衡，而不管与引擎控制关联的任何扭矩误差。例如，引擎最大扭矩在高海拔处典型地降低。如果引擎控制未适当地考虑海拔高度的变化，离合器扭矩响应和车辆启动行为仍然将得到很好地控制，因为它们不依赖于引擎扭矩评价。

尽管该方法对于引擎扭矩误差是耐用的，但离合器扭矩误差、例如像离合器系统10生成了相对于所需的离合器扭矩错误的扭矩也能够导致过度的离合器滑动18。例如，如果离合器10仅生成了所需的离合器扭矩16的一半，离合器10的滑动18将必须充分地增加以加倍离合器扭矩要求，使得实际的离合器扭矩16适当地平衡引擎扭矩14。离合器滑动18的增加能够导致不需要的离合器磨损。

为了解决这个问题，可以如图5所示配置一种监督控制器30。这里，引擎/车辆动态模型32与控制系统20平行运转。引擎/车辆动态模型32应用引擎扭矩14的估计和作为输入的实际的变速器输入轴速度12来预测理想的启动事件响应。然后将形成的模型化引擎速度34和实际测量的引擎速度11进行比较，控制器38利用控制规则应用差异36来确定对所需的离合器系统扭矩需求24的校正40。

典型的控制规则会应用误差36的积分，其调节成逐渐提供离合器系统扭矩16的校正，使其足以避免对车轮的不必要的扭矩干扰。需注意的是，在启动控制系统20中应用的物理装置模型22在监督控制器32内的系统模型中再次生成。而且，将测量的变速器输入轴速度12用作对监督车辆模型30的另一输入保证模型化的车辆动态不受道路坡度或车辆质量的变化，或坡度与质量的组合的变化的影响。

为了提供与传统的变速器一致的车辆启动行为，在启动事件中控制离合器10，使其模拟被动变速器输入装置、例如扭矩变换器、粘滞耦合器等的行为。图6示出用于控制输入离合器10的控制器52。

控制器52包括各种数学模型：离合器扭矩模型54；引擎和加速踏板映射56；车辆加速度模型58，引擎速度模型60；闭环控制器64，例如PID控制器；及求和点65、66、67、68。装置62是在车辆启动事件中被控制的引擎2和离合器10。

控制器52包括三个部分：(1)分别应用模型58和60生成所需的车辆加速度78和所需的引擎速度80；(2)闭环部分，其在(i)由装置62生成的实际的引擎速度70和来自模型60的所需的引擎速度80之间的误差74上，及(ii)由装置62生成的实际车辆加速度72和来自模型58的所需的车辆加速度78之间的误差36上运行；及(3)生成开环或前馈控制：所需的离合器扭矩82和所需的引擎扭矩84。

从离合器扭矩模型14确定开环或前馈所需的离合器扭矩82，最好将其电子储存在查找表中，模型是引擎速度Ne和变速器输入8的速度的函数。从引擎扭矩模型16确定开环所需的引擎扭矩44，也将其电子储存在查找表中，模型是引擎速度Ne、踏板位置92和变速器输入8的速度的函数。从车辆加速度模型58确定所需的车辆加速度78，其是引擎速度Ne、踏板位置92和变速器输入8的速度的函数。从引擎速度模型60确定所需的引擎速度80，其是引擎速度Ne、踏板位置92和变速器输入8的速度的函数。

标称模型和开环部分可以包含反馈方面，例如，引擎映射扭矩Te，基于引擎速度Ne的时序安排m。这一类型的反馈称为“结构反馈”，以区别于基于外在误差计算的闭环控制反馈。在有些情况下，结构反馈可以基于缓慢或严重过滤的变量，例如车辆速度VS。

在选择标称模型时可以可以利用相当大的弹性。一个可能是仅应用“开环”控制，即模型54、56，且在加速踏板90机械地、稳固地连接到引擎节气门板上时根据非电子节气门控制引擎“横切面”映射裁量引擎扭矩模型56。离合器扭矩模型44生成作为变速器输入速度Ni、引擎速度Ne和踏板位置52的函数的所需的车轮扭矩。由于引擎映射通过非启动条件来固定和确定，该映射技术实质上是一自由度(degree-of-freedom，DOF)，即基于离合器控制的开环，开环部分的形式是结构反馈。

自由度控制可以与仅用闭环控制增强的离合器-控制一起使用，以保证考虑模型和车辆的不确定性和改变时的重复性和耐用性。在这种情况下，一方面，离合器扭矩模型44、车辆加速度模型58和引擎速度模型60同步，另一方面，模型54和58同步，以模拟不同耦合装置10的行为，例如线性粘滞耦合器、液压耦合器或扭矩变换器。

在模拟粘滞耦合器性能的车辆启动控制的情况下，离合器扭矩模型54的开环部分在等式中表述为

τ＝k₁(N_e-N_i)   (1)

其中所需的离合器扭矩τ与离合器10的滑动成比例，N_e是引擎速度，N_i是离合器输入速度。这可以进一步地扩展为更一般的形式

τ＝k₁[N_e-(k₂N_i+k₃N_空转)]   (2)

其中，典型地，k₃＝1。这样表达的目的是防止引擎负载低于引擎空转速度N_空转，并以某些由k₂控制的所需的斜率跟随所需的车辆速度或其对等物N_i。

对于模拟液压耦合器的情况，不采用上述的线性关系，可以应用离合器扭矩、引擎速度和离合器输入速度的二次方程关系。

在更加一般的水平下，可以在模式58、60中分别规定任何所需的车辆加速度和引擎速度行为作为车辆速度VS或变速器输入速度Ni的函数，其与车辆速度成比例。在该二DOF方法中，将两种属性，车辆加速度70和引擎速度Ne都规定在某些物理限制内。

影响车辆启动质量的装置62的两个关键的输出元件或属性是所需的或模型化的引擎速度80，及所需的或模型化的车辆加速度78(或最相关的车轮扭矩)。车辆加速度模型58生成用于车辆启动事件的所需的车辆加速度作为输出，其参照加速踏板位置PP 92、引擎速度Ne和变速器输入8的速度Ni凭经验确定。类似地，引擎和离合器速度模型60生成用于车辆启动事件的所需的离合器速度作为输出，其参照加速踏板位置PP 92、引擎速度Ne和变速器输入8的速度Ni确定。

在输入-输出矩阵转换函数形式中，闭环控制器24应用引擎2和离合器10来控制装置62输出属性：引擎速度Ne 70和车辆加速度72。

加和点65生成车辆加速度误差(e，acc)76，其表示由装置62生成的当前车辆加速度72和从车辆加速度模型78中作为输出生成的所需的车辆加速度78之间的差异。加和点66生成车辆速度误差(e，Ne)74，其表示由装置62生成的当前车辆速度70和从车辆速度模型60中作为生输出成的所需的车辆速度80之间的差异。

闭环控制器64，最好是PID控制器，供有确定车辆驾驶者指令当前引擎输出扭矩所需的表示例如周围温度、大气压力和道路坡度信息的数据86。闭环控制器64应用误差74和76及数据86，以生成(i)表示由离合器10生成的指令的离合器扭矩变化的信号94，及(ii)表示由引擎2生成的指令的引擎扭矩变化的信号96。

在加和点67，对表示所需的离合器扭矩的前馈信号82和表示指令的离合器扭矩变化的反馈信号94进行代数组合，以生成表示新的或更新的指令的离合器扭矩52的信号98。较佳地，将信号98转换为提供给控制供给伺服系统的压力大小的螺线管的信号，伺服系统控制通过离合器10传输的最大扭矩的可变大小。

类似地，在加和点68，对表示所需的引擎扭矩的前馈信号84和表示指令的引擎扭矩变化的反馈信号96进行代数组合生成表示由引擎2生成的新的或更新的引擎扭矩的信号100。

图7表示将参照图6说明的控制信号和数学模型的输出应用到控制的引擎和离合器装置62。

将参照加速踏板位置PP 52、引擎速度Ne及离合器输入8的速度Ni从离合器引擎扭矩图54中确定的所需的开环、前馈或模型化的离合器扭矩82作为输入提供给装置62的离合器10。在102，所需的离合器扭矩82或更新的离合器扭矩98在车辆重量Ms上运行，生成车辆启动事件中的当前车辆加速度72。积分当前车辆加速度，以生成启动事件中的当前车辆速度71。

将参照加速踏板位置PP 92及引擎速度2与输入速度8中的至少一个速度从引擎扭矩映射56中确定的所需的引擎扭矩84作为输入提供给加和点104。

类似地，引擎速度模型60处理当前加速踏板位置PP 92、引擎速度Ne和变速器输入速度Ni，以生成所需的引擎速度Ne 80，将其作为输入提供给加和点66。将引擎速度误差信号74提供给闭环控制器64。

在加和点104，将作为引擎扭矩96、100变化的加和点68的输出与所需的离合器扭矩82和所需的引擎扭矩84进行代数组合，生成表示用于加速离合器10上游的旋转组件的扭矩108的信号。在110，将扭矩108应用于离合器10上游的旋转组件的旋转惯性J，主要应用于引擎2和传动轴3的质量惯性矩，生成当前引擎加速度，将其积分形成引擎2和传动轴3的当前速度70。

闭环操作需要大量的可用于包括引擎速度的关键测量变量的传感器。但是其它相关的变量，包括车轮扭矩或车辆加速度并非总是可用，其可以基于物理模型进行估计。当然，如果可靠的低成本的车轮扭矩传感器变得可用，其也可用于进一步提高启动控制方法。

Claims (6)

1.一种用于在车辆启动时控制离合器的方法，其特征在于，包含：

(a)应用车辆加速度和所需的车辆加速度之间的误差，及引擎速度和所需的引擎速度之间的误差，分别确定离合器扭矩的变化和引擎扭矩的变化；

(b)指令离合器能力改变为所需的离合器扭矩和离合器扭矩变化的总和；

(c)指令引擎扭矩改变为所需的引擎扭矩和引擎扭矩变化的总和。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包含：

应用当前加速踏板位置、引擎速度和变速器输入速度来确定所需的离合器扭矩、所需的引擎扭矩、所需的车辆加速度和所需的引擎速度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)还包含：

确定所需的车辆加速度和当前车辆加速度之间的第一误差；

应用第一误差和当前车辆运行条件来确定将第一误差最小化的离合器扭矩变化。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)还包含：

确定所需的引擎速度和当前引擎速度之间的第二误差；

应用第二误差和车辆运行条件来确定将第二误差最小化的引擎扭矩变化。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)还包含：

确定所需的车辆加速度和当前车辆加速度之间的第一误差；

确定所需的引擎速度和当前引擎速度之间的第二误差；

应用第一和第二误差及当前车辆运行条件来确定将第一和第二误差最小化的离合器扭矩变化和引擎扭矩变化。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)还包含：

确定所需的离合器扭矩，所需的离合器扭矩模拟阻滞耦合器、液压扭矩变换器和液压耦合器中的一个的性能。