用于CVT拖拉机的高操纵灵活性控制的制作方法

文档序号:13451106
用于CVT拖拉机的高操纵灵活性控制的制作方法
本发明涉及具有连续可变传动装置(CVT)(还被称作无极变速传动装置)的车辆,以及更具体地涉及具有CVT的农业以及工业车辆,以及甚至更具体地涉及具有CVT的拖拉机。

背景技术:
农业以及工业车辆可采取很多形式,比如反铲装载机、轮式装载机、林业伐木机、集材机、收割机、喷雾机、施用设备、多用途运载车、农业拖拉机、以及小型拖拉机。通常,需要这些农业以及工业车辆常常在非道路环境下用较高的牵引输出量以较低的速度执行任务,在所述环境下,所涉及的速度范围全部低于相对较低的限值,并且在所述环境下,控制踏板或者操作杆的显著的变化对应于车辆速度的较小的变化。可能接着需要这些相同的农业以及工业车辆以相对较高的速度在道路上行进,其中所涉及的速度范围低于显著地更高的限值,并且在所述道路环境下,控制踏板或操作杆的较小的变化对应于车辆速度的显著的变化。在传统的道路车辆(比如汽车或卡车)中,通过改变对油门的应用以及通过改变传动比控制车辆速度。在使用手动传动装置的道路车辆中,通过对油门的这样的应用将车辆速度控制于所选择的齿轮的速度范围内。在具有自动传动装置的道路车辆中,通过对油门的这样的应用将车辆速度控制于它的整个速度范围之上,其中传动装置根据速度以及所命令的加速度选择和接合适当的档位。然而,在传统的农业或者工业车辆(例如拖拉机)中,操作者针对给定的速度(一旦离合器接合,其就不会很大程度地变化)选择传动齿轮并且设定油门。因此可通过更低的档位以及更高的油门设定的应用实现更大量的牵引效力,其中操作者进行这样的选择。换句话说,在道路车辆中,通常在扭矩方面控制发动机,而在农业以及工业非道路车辆中,通常在速度方面控制发动机。无极变速传动装置容许在给定的范围内选择任何传动比。无极变速传动装置根据各种原理运行,包括变径带轮、环面CVT、以及静液压CVT。在农业以及工业车辆中,静液压CVT由于它们的传送大量的扭矩的能力而占优势。在具有手动地控制的CVT的传统的农业或者工业车辆中,车辆的操作并不完全地与操作具有离合器的手动传动的农业或者工业车辆不同。也就是说,油门通常被设定至给定的发动机转速(通常被称作发动机每分钟转数(ERPM),并且使用操作CVT的操作杆或者驱动踏板改变车辆速度。更先进的农业或者工业车辆具有自动地控制的CVT(有时与齿轮传动装置配对),以及自动地控制的ERPM。例如从EP1156942B1获知具有自动地控制的CVT以及自动地控制的ERPM的这样的车辆。在这种构造中,操作者通过使用操作杆或者驱动踏板改变所期望的车辆速度。CVT控制器接着通过修改ERPM以及CVT输出比两者实现所期望的车辆速度。CVT控制器通过经由控制器区域网络(CAN)总线将ERPM请求信号发送至发动机控制模块(ECM)进行这一点。在具有与齿轮传动装置配对的CVT的农业或者工业车辆中,CVT控制器可进一步使用控制离合器、同步装置、以及静液压单元的泵容积的电子阀管理齿轮传动比。即使对于具有拥有自动地控制的传动比的CVT以及自动地控制的ERPM(自动模式)的先进的农业或者工业车辆,也可能出现与车辆对操作者的意图的响应性有关的某些困难。特别地,不仅速度范围以及速度变化的可接受性在非道路环境下的用途与道路环境下的用途之间存在差异,而且在加速以及减速方面对操作杆或者驱动踏板位置的所期望的响应在这些不同的环境下存在差异。在本领域中需要一种系统,其提供改进的操纵灵活性(drivability)以及在速度以及加速度或减速度方面在操作者的输入与操作者对来自农业或者工业车辆的所期望的响应之间的更好的相关性。

技术实现要素:
本发明提供车辆(例如农业或者工业车辆)的发动机以及传动装置的控制策略,其改进操纵灵活性以及在速度以及加速度或减速度方面在操作者的输入与操作者对来自农业或者工业车辆的所期望的响应之间的更好的相关性。本发明在一个形式中涉及一种用于提供用于车辆的高操纵灵活性控制系统的方法,所述车辆具有发动机以及无极变速传动装置。所述方法包括例如使用踏板、多功能把手、或者操作杆提供用于控制车辆的速度的至少一个所期望的速度输入装置。所述方法进一步包括提供用于无极变速传动装置以及发动机的至少一个电子控制模块,或者提供两个单独的控制模块:一个为无极变速传动装置控制模块并且另一个为ECM。所述高操纵灵活性控制系统设定最大速度目标并且根据操作者使用所述至少一个所期望的速度输入装置的输入设定车辆速度百分比。所述高操纵灵活性控制系统可接着根据所述车辆速度百分比计算发动机转速的目标变化率。如果适用,所述高操纵灵活性控制系统接着根据当前的发动机转速、最大速度目标、以及发动机转速的目标变化率计算目标发动机转速。所述高操纵灵活性控制系统接着根据车辆速度百分比计算无极变速传动比的目标变化率,以及根据当前的无极变速传动比以及所述无极变速传动比的目标变化率计算目标无极变速传动比。本发明的一个优点是,它提供改进的操纵灵活性以及在速度以及加速度或减速度方面在操作者的输入与操作者对来自农业或者工业车辆的所期望的响应之间的更好的相关性。另一个优点是,即使在所选择的速度范围显著地变化时,驱动踏板分辨率变得为可预测的以及可管理的。另一个优点是,本发明既提供对农业或者工业车辆的速度控制又提供对发动机的伪扭矩控制。另一个优点是,当连续可变传动装置与齿轮传动装置配对时,尽管存在输出比不连续性,本发明提供流畅的车辆加速或减速。另一个优点是,当速度输入装置(例如驱动踏板、驱动操作杆、或者多功能把手)下降至或者被设定至零时,本发明提供可预测的减速和停止。附图说明参考对本发明的实施例的以下描述并结合附图,本发明的以上所提到的以及其它的特征和优点以及获得它们的方式将变得更加显而易见,并且将更好地理解本发明,其中:图1为呈拖拉机的形式的农业或者工业车辆的一个实施例的侧视图;图2为本发明的实施例的用于农业或者工业车辆的高操纵灵活性控制系统的图示;图3为示出在本发明的实施例的运行中所采取的一系列步骤的流程图;图4A为根据本发明的实施例在加速期间与踏板位置有关的发动机加速度的图示;图4B为根据本发明的实施例在减速期间与踏板位置有关的发动机加速度的图示;图5为在加速期间发生的“比卡”的图示;图6为在减速期间发生的“比卡”的图示;图7为与具有本发明的一个实施例的加速的农业或者工业车辆相比的不具有本发明的一个实施例的加速的农业或者工业车辆中的最终的输出比96、目标发动机转速42、车辆速度80、以及时间之间的关系的图示;以及图8为与具有本发明的一个实施例的减速的农业或者工业车辆相比的不具有本发明的一个实施例的减速的农业或者工业车辆中的最终的输出比96、目标发动机转速42、车辆速度80、以及时间之间的关系的图示。在这些视图中,相对应的附图标记表示相对应的部件。在本文中所阐述的范例示例说明本发明的实施例,并且这样的范例不应当被理解成以任何方式限制本发明的范围。具体实施方式在本说明书各处,为方便起见,主要地使用术语“连续可变传动装置”或者“无极变速传动装置”、“发动机”、“驱动轮”、以及“把手”,但是应当理解的是,这些术语并非为限制性的。因此,“连续可变传动装置”或者“无级变速传动装置”指的是以上所描述的类型的CVT,但是不应当被理解成限制性的并且可代表动力源与运动输出(比如车轮)之间的任何可变传动比连接。“发动机”指的是内燃机,但是不应当被理解成限制性的并且可代表外燃机、电动、液压、或者气动、或者其它旋转动力生成装置。“驱动轮”指的是圆形车轮,但是同样地,它们不应当被理解成限制性的并且可代表轨道或者其它地面运行牵引装置。术语“把手”、“旋钮”、“滚动件”、“按钮”、以及“开关”均指的是多功能装置,并且同样地不应当被理解成限制性的。此外,所示例说明的实施例主要地为农业车辆。然而,这也不应当被理解成限制性的,因为本发明所涉及的原理可体现于任何地面行进车辆,并且这样的地面行进车辆可落入所附权利要求的范围内。现在参考附图,以及更特别地参考图1,示出呈拖拉机的形式的农业或者工业车辆10。农业或者工业车辆10设置有至少一组驱动轮12、发动机40、以及CVT60。操作者使用呈驱动操作杆36或者至少一个驱动踏板14的形式的所期望的速度输入装置38输入所期望的目标车辆速度(VST)28。多功能把手18设置有可旋转的旋钮20(在这里被称作滚动件)、hare按钮22、turtle按钮24、以及速度控制件26。现在,另外地参考图2,示出并且示例说明本发明的用于农业或者工业车辆10的高操纵灵活性控制系统5的一个实施例的图示。工业或者工业车辆10自身以图2的底部处的简化形式代表,其具有至少一对驱动轮12、发动机40、以及CVT60。操作者的输入被图形化地表示为多功能把手18以及所期望的速度输入装置38。所期望的速度输入装置38可实施为至少一个驱动踏板14或者实施为驱动操作杆36、或者这两者。所述至少一个驱动踏板14可实施为单踏板、具有正向和反向功能的单摇杆式踏板14A,或者可实施为两个单独的驱动踏板14B:一个用于正向功能且一个用于逆向功能。多功能把手18设置有可旋转的旋钮或者滚动件20、hare按钮22、turtle按钮24、以及速度控制件26。操作者可使用可旋转的旋钮或者滚动件20、hare按钮22、turtle按钮24、或者速度控制件26、或者其任何组合来设定最大速度目标(MST:MaximumSpeedTarget)30、或者最大车辆速度,其可通过完全地压下所述至少一个驱动踏板14实现。替代地,高操纵灵活性控制系统5可独立于操作者的输入设定MST。对于运输操作,该MST30可为例如50千米每小时。对于耕种应用,该MST30可为例如5千米每小时。至少一个驱动踏板14接着用来输出踏板位置(PP)16以设定车辆速度百分比(VSP)32,其为MST30的百分比,并且它们一同被高操纵灵活性控制系统5解读以设定VST28。高操纵灵活性控制系统5可利用CVT控制模块62以及ECM44,其通过CAN总线34连接至彼此以及至发动机40以及至CVT60。为了实现VST28,高操纵灵活性控制系统5使CVT控制模块62将所请求的传动比信号66发送至CVT60,并且使ECM44将所请求的ERPM信号46发送至发动机40。替代地,可利用单个组合控制模块。进一步地,可在一个或多个模块与发动机和CVT之间使用其它类型的互连,比如以太网、串行端口、或者无线连接。CVT60通过使静液压单元64输出给定的传动比(其变为目前的CVT比86)对所请求的传动比信号66作出响应。在其中CVT60与齿轮传动装置78配对的一个实施例中,CVT控制模块62可进一步使电子阀68、离合器70、以及同步器72改变档位,引起目前的传动比86的输出。发动机40通过输出给定的ERPM90(其变为目前的ERPM90)对所请求的ERPM信号46作出响应。共同地,目前的ERPM以及目前的传动比86的输出形成所期望的车辆速度80以及车辆加速度或减速度82。在具有自动地控制的CVT以及自动地控制的ERPM的在自动模式下的农业或者工业车辆中,车辆速度简单地为ERPM以及CVT输出比的乘积:ω车辆=r·ω发动机车辆加速度/减速度因此为:其中:r为实际CVT输出比,为ERPM的变化率,ω发动机为实际ERPM,为CVT输出比的变化率。CVT输出比以两种方式扰乱ERPM:●在CVT输出比变化期间,车辆质量的加速度或减速度产生发动机扭矩的变化。●CVT输出比的变化导致发动机所预测的当量惯量的变化。由于这些原因,以及为了避免两种控制处于逆相位中,CVT输出比控制通常比ERPM控制慢。这意味着主要的快速变化取决于ERPM控制。通常,CVT输出比的变化率取决于ERPM。现今,ERPM以及CVT输出比被控制成针对不同的MST30以及VSP32组合以相同的方式实现相同的VST28。例如,操作者可通过设定10千米每小时的MST30以及100%的VSP32、或者通过设定50千米每小时的MST30以及20%的VSP32设定10千米每小时的VST28。由于所述至少一个驱动踏板14的分辨率(resolution)对于两种情况为不同的,这至少在两种情况中的一种中引起较差的反应性。例如,对于较高的MST30,至少一个驱动踏板14的分辨率将为较低的。因此,对于较高的MST30,至少一个驱动踏板的较小的运动将导致VST28的较高的变化,这引起较差的操纵灵活性,特别是在较低的车辆速度下。因此,本发明的一个创造性方面不仅使目标ERPM42与VSP32和/或MST30有关,而且使ERPM42的目标变化率52与VSP32以及可能地与目前的CVT比86和/或与目前的车辆速度80有关。特别地,在车辆加速期间,ERPM42的目标变化率52在VSP32较高时为更高的。在车辆减速期间,ERPM42的目标变化率52在VSP32较低时为更高的。在压下至少一个驱动踏板14时,操作者将使VST28以及ERPM42的目标变化率52两者增加,引起对农业或者工业车辆10的速度控制外加对发动机40的伪扭矩控制。这是因为更高的VSP32将引起更大的发动机加速性,这类似于道路车辆,其如先前所提到的通常具有扭矩控制发动机。因此,发动机40预测农业或者工业车辆10的当量惯量,其既取决于农业或者工业车辆10的质量又取决于目前的CVT比86,如下:J∝Mr2。这意味着,对于较低的目前的CVT比86,发动机40的加速性能为更高的,以使得发动机40被控制至目标ERPM42的较低的目标变化率52,以便改进操纵灵活性。本发明的另一个创造性方面涉及其中CVT60与齿轮传动装置78配对的一个实施例中的换档。在加速以及减速期间,使加速度或减速度相对于时间的导数(亦即-加速度的变化率,或者“加加速度(jerk)”)最小化是可取的。在换档期间,最终的输出比96的梯度可能经历不连续性,引起加速度或减速度的瞬态的快速的变化,或者“加加速度”。为了具有流畅的车辆加速或减速,发动机40被控制成补偿由于这些不连续性而引起的加速度的变化。特别地,从齿轮传动装置78内的一个档位至另一个档位的转变被控制成围绕最终的输出比96(其可使用CVT60的输出比86用任何一个档位获得)发生以进行补偿,以便避免这样的最终的输出比96的不连续性。在齿轮传动装置78内的换挡的过程需要一定量的时间,在此期间最终的输出比96具有仅仅有限的变化。在这种情况下,最终的输出比96在换档期间自身并不显著地增加或减小。为了维持流畅的车辆加速或减速,发动机40被控制成补偿可用的比变化的缺乏,其被称为“比卡”。因此,该策略进一步包括将目标ERPM42与实际车辆速度80联系起来,以使得在CVT60的最终的输出比96的非线性度以及齿轮传动装置78的非线性度产生并且不是立刻进行比变化时,目前的ERPM90并非处于它的最小值或最大值。因此,可使目标ERPM42增加或减小,以便尽管在存在不连续性的情况下获得目标车辆加速度或减速度82,如下:在具有未与齿轮传动装置78配对的CVT60的农业或者工业车辆10中可能发生类似的比卡状况。在这种情况下,在CVT60已经达到它的可用的比的上限值或下限值并且操作者通过所期望的速度输入装置38命令继续加速或减速时,发生比卡状况。高操纵灵活性控制系统5通过以下方式使加速度或减速度在这些状况下的导数最小化:分别确保在CVT60在加速或减速期间达到它的可用的比的上限值或下限值之前目前的ERPM90未达到它的最大值或最小值。当在CVT60未达到它的可用的比的上限值或下限值的点处发生比卡状况时,高操纵灵活性控制系统5再一次使目标ERPM42增加或减小,以便尽管在存在不连续性的情况下在可用的ERPM42的范围内获得目标车辆加速度或减速度82。这在农业或者工业车辆10的减速期间是特别地相关的,因为减速度的中断的效应导致操作者感觉农业或者工业车辆10并未按照他的或她的所期望的速度输入38停止。当操作者压下至少一个驱动踏板14并且接着突然地将至少一个驱动踏板14释放或者设定至零时,他或她希望即刻的且连续的减速感觉。由于这个原因,仅仅容许在农业或者工业车辆10停止时达到最小的目前的ERPM90。在加速期间,例如,目前的ERPM90低于目标ERPM42,而在减速期间,目前的ERPM90倾向于高于目标ERPM42。为了确保即刻的减速,一检测到减速请求,就即刻地使目标ERPM42等于或者低于目前的ERPM90。本发明的另外的实施例使PP16、VSP32、MST30、以及目标ERPM42的目标变化率52相互关联,以实现VST28的以下变化:●当加速时以及当操作者将至少一个驱动踏板14“踩到底(floors)”、或者设定接近100%的VSP32时,因此操作者期望较高的响应性,并且相应地控制目标ERPM42的目标变化率52以及目标CVT比74。●当加速时以及当操作者轻轻地推动至少一个驱动踏板14(例如-对于寸进操作)、或者设定等于或者小于大致20%的VSP32时,因此操作者期望较低的响应性,并且相应地控制目标ERPM42的目标变化率52以及目标CVT比74。●当减速时并且当操作者使至少一个驱动踏板14从几乎100%减小至零时,这表明操作者希望农业或者工业车辆10滑行并且因此期望慢反应。相应地控制目标ERPM42的目标变化率52以及目标CVT比74。●当减速时并且当操作者使至少一个驱动踏板14从非常轻的压下状态减小至零时,这表明操作者希望快速地将农业或者工业车辆10减慢至停止并且因此需要较高的响应性。相应地控制目标ERPM42的目标变化率52以及目标CVT比74。●当减速时并且当操作者使至少一个驱动踏板14从几乎100%减小至零时,或者当减速时并且当操作者使至少一个驱动踏板14从非常轻的压下状态减小至零时,即刻开始减速。一检测到减速请求,就将目标ERPM42设定为等于或者低于目前的ERPM90。现在参考图3,流程图示出在本发明的一个实施例的运行中所采取的一系列步骤。在步骤100中,高操纵灵活性控制系统5设定MST30,这可使用用于控制可用的速度范围的装置18根据操作者的输入进行,或者这可通过高操纵灵活性控制系统5进行而无需操作者的输入。在步骤102中,高操纵灵活性控制系统5使用所期望的速度输入装置38根据操作者的输入设定VSP32。在可选择的步骤104中,高操纵灵活性控制系统5使用VSP32以及可能地目前的车辆速度80和/或目前的CVT比86的值计算发动机转速90的目标变化率52。在步骤106中,高操纵灵活性控制系统5使用当前的发动机转速90以及MST30、以及可能地发动机转速90的目标变化率52、目前的车辆速度80和/或目前的CVT比86计算目标发动机转速42。在步骤108中,高操纵灵活性控制系统5使用VSP32的值计算CVT比86的目标变化率88。在步骤110中,高操纵灵活性控制系统5使用目前的CVT比86以及CVT比86的目标变化率88计算目标CVT比74。在步骤112中,高操纵灵活性控制系统5确定当发动机40接近它的最大或最小ERPM90时“比卡”状况即将发生。这可能为具有未与齿轮传动装置(78)配对的无极变速传动装置(60)的实施例中的状况,其中无极变速传动装置(60)接近它的可用的比(86)的上限值或下限值。替代地,这种状况可能在具有与齿轮传动装置(78)配对的无极变速传动装置(60)的实施例中发生,其中齿轮传动装置78必须换档,以便使车辆10继续加速或减速。高操纵灵活性控制系统5因此在发生比卡状况之前在加速的情况下将目标发动机转速42以及发动机转速90的目标变化率52限定为小于最大运行ERPM以及在减速的情况下将目标发动机转速42以及发动机转速90的目标变化率52限定为大于最小ERPM。在步骤114以及116中,一旦发生比卡状况,高操纵灵活性控制系统5就在加速的情况下使目标发动机转速42以及发动机转速90的目标变化率52增加以补偿比卡状况,以及在减速的情况下使目标发动机转速42以及发动机转速90的目标变化率52减小以补偿比卡状况。现在参考图4A至8,示出发动机加速度/减速度52与踏板位置16之间的,目标发动机转速42与车辆(或车轮)速度80之间的,目前的CVT比86与最终的输出比96之间的,最终的输出比96与时间之间的,以及最终的输出比96、目标发动机转速42、车辆速度80、以及时间之间的某些关系。特别地,图4A示出根据本发明的一个实施例的一种伪扭矩控制的形式,其使发动机加速度以及减速度与踏板位置相关,以使得在车辆加速期间,发动机加速度52在VSP32或PP16较高时为更高的,以及以使得在车辆减速期间,发动机加速度52在VSP32或PP16较低时为更低的。图4B示出根据本发明的另一个实施例的以车辆速度反馈为基础的发动机转速,以使得在较低的最终的输出比96的条件下,以更平稳的方式控制发动机,其中用目标发动机转速42的成比例地较小的变化率完成车辆或车轮速度80的成比例地较大的变化,以及以使得随着最终的输出比增加,与车辆或车轮速度80的变化量成比例的目标发动机转速42的变化率的量增加。图5和6示出“比卡”的发生,以使得当齿轮传动装置从档位1改变为档位2时,存在其中CVT无法进行补偿的时间段。特别地,CVT比86在从档位1改换为档位2的情况下被显示为最终的输出比96的函数,并且最终的输出比96被显示为时间的函数。图5示出在车辆加速期间发生的“比卡”,并且图6示出在车辆减速期间发生的“比卡”。图7和8在左侧示出不具有本发明的实施例(其中发动机40被控制成补偿由于齿轮传动装置从一个档位改变为另一个档位而引起的最终的输出比96的增加率或减小率的变化)的农业或者工业车辆中的最终的输出比96、目标发动机转速42、车辆速度80、以及时间之间的关系。在图7和8的右侧示出具有本发明的实施例(其中发动机40被控制成补偿由于齿轮传动装置从一个档位改变为另一个档位而引起的最终的输出比96的增加率或减小率的变化)的农业或者工业车辆中的最终的输出比96、目标发动机转速42、车辆速度80、以及时间之间的关系。应当指出的是,目标发动机转速42在最终的输出比96的不连续性期间以更高的比率增加或减小,以使得车辆速度80的增加率或减小率保持为连续的。这使圈出区域中的加速度或减速度的不连续性、或者“加加速度”最小化。虽然已经相对于至少一个实施例描述了本发明,但是可在本发明的精神和范围内对本发明进行进一步修改。本申请因此意欲涵盖本发明的使用它的一般原则的任何变形、用途、或者适用形式。进一步地,本申请意欲涵盖如落入本发明所属领域中的已知的或者通常的惯例内的本发明的这样的变更,并且其落入所附权利要求的范围内。
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