传动系统及用于控制传动扭矩的方法

专利名称：传动系统及用于控制传动扭矩的方法
技术领域：
本发明涉及具有用于控制齿轮传动比(gear ratios)选择的控制系统的传动系统，以及在传动系统中控制扭矩的方法。本发明可与PCT/GB2004/001976中所描述类型的传动系统相结合，同样也可与和本发明同时申请的PCT/GB2004/中所提出的传动系统中用于测量扭矩的装置和方法相结合应用。因此，这些文献中所述的一些特点会在这里被作为具体参考引用，但是本发明并不局限地用于所述类型的传动系统中。
车辆中，传统的单离合器同步配合变速器中，在取消当前档位而新的档位还没有被接合之前，需要通过操纵离合器来断开传动系统(变速器)与诸如发动机或马达这些动力源之间的连接。当尝试接合新的档位时，如果没有断开与动力源之间的连接，同步齿轮将不能接合下一个档位的齿轮，或者冒着损坏传动系统并且在传动系统中产生扭矩峰值的风险，强行与下一个档位的齿轮接合。这是因为，大多数情况下，发动机的速度与下一个档位齿轮的速度并不相匹配。因为在诸如汽车这类具有传统变速箱并由发动机提供动力的机动车辆中，通常新传动比选定是在0.5到1秒之间完成的。所以，举例来说，当高档位被选定后，在离合器将发动机和传动系统重新连接起来之前，时间延迟可以使得发动机转速(由于惯性)降低至能更好地与新的档位匹配的速度，从而可以降低在动力源被再次连接时发生扭矩峰值的可能性。
在诸如PCT/GB2004/001976所描述的传动系统中，新传动比的选定几乎不需要实质上的动力中断就可以在瞬间完成，当新的齿轮档位在特定的变速条件下被接合时，会产生很大的扭矩峰值。这些扭矩峰值会引起冲击波，冲击波沿传动系统传播，会被车辆中的乘客听到或者感觉到。冲击波会使车内乘客感到震动，而且会导致传动零件的磨损甚至可能导致零件失效的发生。然而，因为油耗低，使得效率更高；而且因为动力应用实质上没有中断，使得散热减少、汽车性能提高，所以人们仍然愿意在车辆中采用这样的传动系统。
对于传统系统中的控制系统来说，要成功地发挥作用，很重要的就是包括有感知传动系统运行条件的装置。例如，在传动系统中，为了运行可以调节扭矩的控制装置，经常需要测量或者计算扭矩的大小和方向。测量扭矩的一种方法是，在传动输出轴上安装扭矩传感器，用以测量轴上两已知点之间发生的扭转量。扭矩传感器非常昂贵，所以很少在实践中应用。另一个缺点是，由于传感器是安装在轴上，来自传感器的信号必须通过无线传输系统传递到处理单元，否则必须绕轴安装接触电刷。装配使用接触电刷的传感器是有一定困难的，而且接触电刷会在使用中磨损，从而导致读取数据不准确甚至传感器失效。
因此，本发明致力于提供一种具有控制系统和测量装置的传动系统，控制系统可以调节在换档过程中传动系统的扭矩量，测量装置可以测量传动系统中的扭矩大小，来减轻至少上述部分问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种传动系统，具有多个齿轮传动比；选择器装置，用于选择性地接合齿轮传动比；以及控制系统，该控制系统包括测量装置，用于测量在至少一个静态零部件上由于传动系统的扭矩引起的形变；以及控制装置，用于控制传动系统的扭矩，其中控制系统设置用于测量形变，并根据测得的形变和已知的齿轮传动比之间的关系来调节传动系统的扭矩。
由于不同的物理特性和每个齿轮传动比不同的排列，每个齿轮传动比都会在传动系统中特定的扭矩大小下，在零件或组件上引起不同的形变量。每个齿轮传动比被选定时，所引起的形变量的关系是已知的，使得当一个新的档位被选定时，根据这个已知的关系可以使控制系统调节测量出的形变。从而，控制系统不用计算出传动系统中扭矩的绝对值，就可以控制换档过程中传动系统的扭矩量，实现平稳换档。静态零部件是指传动系统中除旋转零部件之外的零部件。优选地，所设置的静态零部件设置用于支承或容纳该传动系统中的旋转零部件、车辆底盘、或者底盘和传动系统之间的支承件。
有利的是，已知关系是基本上线性的，而且与测得的形变量相对应的值可由换算系数调节。在某些实施例中，该关系是非线性的，测得的值可利用各种算法来调节。
有利的是，控制系统设置用于根据测得形变量，控制传动系统中的扭矩改变率。
有利的是，传动系统中控制扭矩的装置包括离合器装置。优选地，离合器装置包括第一和第二接合件，用以选择性地将驱动由驱动源传递到传动系统；和控制装置，用以控制接合件之间的接合力。在选择器装置选择未接合的齿轮传动比之前，控制装置可以自动减小接合力，以便在未接合的齿轮传动比被选择器装置接合时，使接合件之间可以有相对的旋转运动。
有利的是，传动系统中控制扭矩的装置包括驱动源速度控制装置。例如，控制驱动源的装置可以是发动机控制单元或者节流壶状机构(throttle pots mechanism)。
优选地，控制系统包括用于计算传动系统中扭矩大小的装置，也包括在选择器装置接合未接合的齿轮传动比时，估算传动系统中扭矩的估算装置。优选地，在选择器装置选定未接合的齿轮传动比时，估算装置可以根据换档前一瞬间测得的形变量以及已接合的齿轮传动比与未接合的齿轮传动比之间的已知关系，预测出传动系统中的扭矩。
控制系统包括用于感测选择器装置位置的传感器装置。传感器装置可以用于准确地测量选择器组件的位置，从而可以识别出哪个齿轮传动比被接合，哪个齿轮传动比正在被选定。这使得在换档过程中，控制系统能够确定用哪个已知关系来控制传动系统中的扭矩。
优选地，传动系统包括用于识别由除动力传动系统扭矩之外的其他因素引起的形变测量波动的装置。例如，由于路面不平引起的车辆运动之类的因素。优选地，控制系统设置用于记录多个读数，计算测量量之间的差值，并且控制扭矩以解决形变测量(由除动力传动系统扭矩之外的其他因素引起的)波动的问题。如果形变测量被诸如由不平的路面引起的载荷所影响，控制系统会控制扭矩的大小以阻止传动系统中的扭矩波动。
有利的是，控制系统可以包括测量发动机转速的装置、测量路面速度的装置或车载加速计中的至少一个。
优选地，测量形变的装置可以测量零部件的扭转形变量。
有利的是，测量形变的装置可以确定传动系统中的扭矩方向。
优选地，零部件包括传动轴承、外壳、支承件、装配件、或装配螺栓中的至少一种。优选地，外壳包括变速箱外壳和尾轴套(tailshaft casing)之一。
优选地，用于测量形变的装置包括至少一个测压元件(loadcell)，优选地包括多个测压元件。在一个实施例中，用于测量形变的装置被设置在有纵向轴线的外壳上，外壳以某种方式设置，以便传动系统的扭矩可使其围绕纵向轴线发生扭曲形变。优选地，第一和第二测压元件被设置于外壳上，以便外壳的形变可使第一和第二测压元件产生不同的输出量。优选地，测压元件设置在惠斯登桥式电路中。
在一个实施例中，测量形变的装置测量零部件的应变量。该测量形变的装置至少包括一个应变仪。优选地，应变仪被设置在惠斯登桥式电路中。
根据本发明的另一方面，提供了一种传动系统扭矩的控制方法，传动系统具有多个齿轮传动比，用于选择性地接合齿轮传动比的选择器装置。该方法包括测量在至少一个零部件中由扭矩引起的形变，这些零部件设置用于支承或容纳传动系统的旋转零件；选择未接合的齿轮传动比；根据测得形变以及齿轮传动比之间的已知关系，调节传动系统的扭矩。
优选地，该方法包括控制扭矩的改变率。
优选地，该方法包括当未接合齿轮传动比将要被接合时，估算传动系统中的扭矩量。
根据本发明的另一方面，提供了一种传动系统，包括多个齿轮传动比；选择器装置，用于选择性地接合齿轮传动比，包括形变测量装置，测量传动系统中在至少一个设置用于支承或容纳传动系统中的旋转零部件的零部件中由扭矩引起的形变。
优选地，传动系统包括第一和第二旋转轴；传递驱动装置，用于将驱动由一个轴传递到其他的轴，该传递驱动装置包括有可旋转地安装在第一轴上的第一和第二齿轮，并在其上设置有传动结构(drive formation)；选择器组件，用于选择性地在第一轴和第一齿轮之间、第一轴和第二齿轮之间传递扭矩，其中选择器组件包括致动器组件、第一和第二组接合件，第一和第二组接合件可单独与第一和第二齿轮进入或脱离接合状态。所述选择器组件按一定方式设置，使得在驱动力传递的过程中，第一和第二组接合件之一可以在驱动力的作用下，与已接合齿轮接合；同时另一接合件处于空载状态；其中致动器组件设置成使移动空载状态的接合件，使其与未接合齿轮驱动接合，从而实现档位的改变。
选择器组件可以设置成，在制动力被传递的时候，第一组接合件驱动地与已接合齿轮接合，第二组接合件处于空载状态；并在驱动力被传递的时候，第二组接合件与已接合齿轮驱动接合，而第二组接合件则转入空载状态。
致动器组件不用通过使加载的接合组件从接合齿轮脱离，就可以让加载的接合组件向未接合的齿轮偏压。
第一和第二组接合件可以设置成能够在使用中与第一轴旋转。优选地，第一轴为输入轴，第二轴为输出轴，而驱动由输入轴传送到输出轴。
现在描述本发明的一个实施例，与附图一起仅作举例之用，其中，相同的标号表示相同的特征部件，其中

图1a是根据本发明的传动系统的截面总布置图；图1b是图1a中传动系统的外壳的透视图；图1c是根据本发明的控制系统的示意图；图1d是由第一档到第二档的扭矩-时间曲线图；图2是选择器装置的一部分的透视图3示出了一组位于齿轮一侧的制动块的布置；图4是一个盘式弹簧的平面图；图5a至图5f示出了选择器组件的示意操作图；图6是选择一个更高档位时，控制系统的操作示意图；图7是离合器压力-时间曲线图；图8是选择一个更低档位时，控制系统的操作示意图；图9是应变仪的电路图；图10是输出轴的截面图，示出将接合棒(engagement bars)设置在输出轴上的可选布置方式；以及图11是一个用于本发明第二实施例的盘式弹簧的平面图。
图1a和图1b示出了在诸如机动车等车辆中使用的传动系统布置，图1c是用于控制齿轮传动比选择的控制系统示意图。
该传动系统包括其上安装有第一和第二齿轮3、5的输出轴1，其上安装有第三和第四齿轮9、11的输入轴7，和选择器组件13。第一和第二齿轮3、5可转动地安装在输出轴1上；第三和第四齿轮9、11与输入轴7一体形成，并被锁定随输入轴一同转动。第一和第二齿轮3、5分别与一体形成在输入轴上的第三和第四齿轮9、11啮合，形成第一和第二齿轮对15、17。输入轴7与具有第一和第二离合器片4和6的离合器2相连接。第一离合器片4通过第一轴8与发动机10的输出相连接，第二离合器片6由第二轴12经过第五齿轮14与输入轴7相连接。第五齿轮14被锁定随第二轴12一同转动。这样的布置使得离合器2可以通过输入轴7和齿轮传动比15和17，选择性地将来自发动机10的驱动力加载到传动输出轴1上。
第一和第二传感器16和18被设置于离合器2上，分别用以测量第一和第二离合器片4和6的转速。第一和第二传感器16和18是霍耳效应型传感器，但是诸如光学传感器或者齿轮测速装置之类的其他类型传感器也可以使用。第一和第二传感器16和18被连接到控制控制系统运行的计算机处理器20上。任选地，第三传感器18b可以被用于测量发动机输出轴的转速。离合器2包括致动器22，其作用是控制第一和第二离合器片4和6之间的压力，进而控制它们之间的摩擦，进而还可以控制由发动机10传递到传动系统的扭矩。致动器22由接收自计算机处理器20的信号电子控制，以增强或降低第一和第二离合器片4和6之间的压力，从而控制第一和第二离合器片是否以同样的转速旋转(完全接合)，或者它们之间有相对运动(发生滑动)。计算机处理器20可以通过检测速度变化，以及诸如哪个齿轮传动比被接合、每个齿轮的齿数之类的特性，来根据测得的发动机输出轴速度，检测离合器2的滑动。类似地，计算机处理器20可以通过比较离合器两侧的速度传感器来检测离合器的滑动。处理器20可以通过读取离合器输出侧的速度传感器(齿轮箱输入速度)和齿轮箱输出速度，来确定哪个齿轮被接合了。
计算机处理器20还与节气门控制机构24连接，该节气门控制机构的作用是控制发动机10的速度和扭矩输出。节气门控制机构24是壶状节流机构，被设置用于选择性地超驰(override)驾驶员对发动机的控制，以使控制系统在较快的齿轮接合过程中，得以更精确地控制发动机的扭矩输出，从而辅助维持变速(齿轮)箱输出扭矩的目标梯度。由计算机处理器20发出的到达节流壶24的信号，可以使发动机速度或扭矩根据收到的控制信号提高或降低，从而可以控制第一轴8和第一离合器片4的转速。发动机10的速度由传统的传感器所测量，传统传感器的输出连接到计算机处理器20。
通过在新的齿轮传动比被选定之前，不将离合器片完全脱离接合状态，减小第一和第二离合器片4和6之间的压力，以便在选择器组件13接合新的齿轮并在传动中产生扭矩峰值时，允许离合器片滑动(在离合器片之间的相对滚动)，这样，选择器组件13接合新的齿轮传动比时所产生的扭矩峰值的影响，就可以被降低到可以接受的水平，也就是说，降低到车内乘员察觉不到的水平。优选地，离合器片4和6之间的压力，被降低到一个值，这个值非常接近档位改变开始——例如驾驶员手动地移动变速杆26或者由控制系统在测量到特定的发动机速度之后自动开始换档——之后，但是新的齿轮档位还没有接合的那一瞬间，滑动刚刚发生的时候的值。由于在接收到扭矩峰值引起的额外负载之前，离合器片已经开始滑动，因而选择器组件13接合新的齿轮所产生的扭矩峰值，会引起离合器片4和6的快速相对滑动，所以扭矩峰值会被分散掉。这也给了发动机10时间，以调整自身速度适应新的齿轮传动比。
离合器2被设置在通常被称作钟型罩的第一外壳32里面，传动系统被设置在通常被称作变速箱体的第二外壳34里面。钟型罩32包括实体截头管状件，变速箱体34包括矩形截面管状件。第一和第二端面板36和38各自通过螺栓连接到变速箱体34上。端面板36和38可以从变速箱体34上拆卸下来，使得可以进行维护工作。钟型罩32通过螺栓(图中未示)固定到第一端面板36上。第一端面板36有通孔40，第二轴12由第二离合器片6穿过通孔40延伸至变速箱体34内部。第一轴8由变速箱体内的轴承42支承，可以相对变速箱体转动。轴承42通过压配合嵌入第一端面板36。输入轴7由两个轴承44所支承，可以相对变速箱体34转动。轴承44通过压配合嵌入第一和第二端面板36和38。
第二端面板38有通孔48，输出轴1穿过通孔48延伸至被称作尾轴套的第三外壳50内部。输出轴1由压配合在第二端面板38内的轴承52支承，可以相对变速箱体34转动。尾轴套50通过焊接在第二端面板的套筒52，固定在第二端面板38上。尾轴套52包括实体圆柱形管状件，实体圆柱形管状件具有封闭端54，与输出轴1同轴。在尾轴套50的末端，设置有孔56，输出轴1穿过尾轴套50和孔56，用以连接差速齿轮(图中未示)。输出轴1由轴承58支承，可以相对尾轴套50转动。
实体刚性支撑装置60，被设置于尾轴套的下侧，作用是支撑第一和第二测压元件62和64。支撑装置60被安装为垂直于尾轴套纵向轴线，从而也垂直于输出轴1。测压元件62和64位于底盘横梁(未示出)上，但是并不连接在底盘横梁上，底盘横梁是沿底盘横向延伸的结构件。
当输出轴1通过传动系统由发动机10驱动的时候，扭矩自输入和输出轴7和1开始，沿负载传递路径传递，负载传递路径包括轴承42、44、52、58，变速箱体34，第一和第二端面板36和38，以及尾轴套50。输入和输出轴7和1中的扭矩引起轴承42、44、52、58，变速箱体34，第一和第二端面板36和38，以及尾轴套50的形变。形变量与输出轴1的扭矩大小成比例，所以在不同齿轮传动比之间作选择时，测得的形变量可被用于控制加载于传动的扭矩值。扭矩的方向也很重要，因为它表示发动机、车辆或者传动是处于加速还是处于减速(制动)状态。
在本实施例中，传动中扭矩的大小和方向由图1b中所示的测压元件装置测量。当扭矩传递到尾轴套50时，尾轴套发生扭曲形变。支承装置60与尾轴套50一起扭曲，因此引起第一和第二测压元件62和64中的一个增加加载在底盘横梁上的力，并使另一个减少加载在底盘横梁上的力。读数可以由测压元件62和64上得到。第一和第二测压元件62和64上读数差别的大小与尾轴套50的形变量成比例关系，从而也与传动中的扭矩大小成比例关系。扭矩的方向通过测定第一和第二测压元件62和64中哪一个的读数更大来判断。
当选择器机构13接合不同的齿轮传动比时，对于输出轴1中给定的扭矩大小，尾轴套50会发生不同程度的形变。其原因包括齿轮沿轴1和7的不同相对位置，齿轮的物理特性，诸如尺寸、几何形状、所用材料、以及齿型等等。所以在比较测量得到的选择器机构接合不同齿轮传动比所产生形变值时，有必要调整测得的形变值。否则，同样的测量值会得出输出轴1中不同的扭矩值。
当选择器组件13接合例如第一和第二齿轮传动比15和17这样不同的传动比时，会在尾轴套50产生形变量，这个形变量的关系是已知的；于是，可以通过测量尾轴套50，或者其他支承或容纳旋转传动零件的零部件的形变，来控制传动中的扭矩值。通常，这种关系是基本上线性的；所以，当第一齿轮传动比15被接合时，所测得的形变量，可以通过乘以换算系数，来与第二齿轮传动比17被接合时测得的形变进行比较。在有些实施例中，这种关系可能是非线性的。
对于控制系统来说，在不同的齿轮传动比之间选择时，有必要知道应该使用的正确关系。有时可能有不止一个选择，从而在不同传动比之间存在多个关系，对于控制系统来说，就有必要知道选择器组件13的位置在哪里，从而可以确定当前已接合的齿轮传动比、新选定的齿轮传动比，以及需要知道的传动比之间的关系，以便调节测得的形变量。这些可以通过使用位置传感器70来实现。传感器70可以是霍耳效应传感器，机械开关或者光学传感器。传感器70被连接到计算机处理器20，用以正确地告知处理器横梁装置的位置，也就是哪个齿轮传动比被接合了。它还额外提供了控制致动选择器杆35的方法，并提供了一种确认档位改变发生的装置。
当未接合齿轮传动比被选定时，传动中的扭矩值会改变，并由选定的齿轮传动比确定。例如，较低的档位(比如车辆的一档)比起选择较高的档位(比如车辆的二档)来，会在传动中产生更大的扭矩。当新的齿轮传动比被选定时，传动中的扭矩需要由本来的传动比所确定的值调整到新的传动比所确定的值。优选的是控制传动中扭矩的增大或减小，以实现较平稳的换档。
通过测量尾轴套50在换档刚刚开始，而齿轮还没被选定的一瞬间，和在新的齿轮传动比已被选定后的形变，可以实现这个目的。通过使用两个齿轮传动比之间的已知关系，控制系统可以调节测量得出的形变。第一和第二测压元件62和64与计算机处理器20连接。通过监测尾轴套50的形变量，利用离合器致动器22控制离合器片4和6之间的压力，以及利用节流壶24控制发动机的速度和扭矩，计算机处理器可以控制传动中的扭矩大小，使得扭矩可以在控制方式——比如预先给定的比例——下增减，以得到平稳的档位改变。控制系统可以将扭矩维持在选定值的预定的公差范围之内。
通过将扭矩调节到档位改变之前的水平，控制系统将新的齿轮传动比被接合时引起的扭矩峰值的影响降到最低，使得控制系统可以沿扭矩梯度到达新传动比的目标扭矩。
也可以通过测得的形变——这个形变有可能是用传统扭矩传感器只为校准这一个目的而测得的——来校准输出轴1中的扭矩。因此，在测得的形变量和作用于输出轴1的扭矩值之间，有已知的关系。然而，控制系统要获得平稳换档，这并不是必需的；因为只需要维持和/或者控制扭矩的改变率，而不是控制扭矩的绝对值，就可以实现这个目的。后者可以在控制系统调节离合器压力和节流装置的同时，通过监测尾轴套50中的形变量来实现。
通过由选择器组件13的位置所确定的齿轮对选择，经由第一或者第二齿轮对15、17，来自输入轴7的旋转驱动被传递到输出轴1。选择器组件13将分别接合位于第一和第二齿轮3和5的第一和第二组驱动结构19和21。
每个驱动结构包括几组止动块。第一组止动块19位于第一齿轮3的一侧。优选地，止动块与第一齿轮整体成型，但这并不是必需的。第一组止动块19包括三个沿齿轮表面圆周平均分布的止动块，也就是说，每个止动块中心的之间的弧角大约是120度(如图3所示)。第二组止动块21，包括三个止动块，类似地设置在第二齿轮的一侧。采用三个止动块，是因为这样可以获得较大的接合间隙——也就是止动块之间的空隙——来接纳选择器组件13。较大的接合间隙，为选择器组件在向齿轮3和5传递驱动力之前与之完全接合提供了更大的可能。如果当只是部分接合时，选择器组件13就驱动齿轮，将会导致损坏止动块和/或选择器组件13。
第一和第二齿轮3和5被设置在滚柱轴承23和25上的输出轴1上，彼此有一定间隔，如此布置是为了使具有第一和第二组止动块的侧面彼此相对。
选择器组件13包括第一和第二组接合棒27、29，和致动器组件31，致动器组件采用叉形物33和选择器杆35的形式。
第一和第二组接合棒27、29装配在输出轴1上，位于第一和第二齿轮3、5之间。参照图2，第一组接合棒27包括连接在第一连接环37上的三个棒28，例如使用埋头螺钉连接。第一连接环37将这些棒28保持成一个固定的排布。棒28绕第一连接环37的内周均匀分布，使它们的基准面向内，并且棒28布置成大致平行。第二组接合棒29包括三个棒30，被第二连接环39保持成相似的固定排布。
第一和第二接合棒组27、29装配在输出轴1上，位于第一和第二齿轮3、5之间。接合棒组27、29布置成能够随输出轴1转动，同时可以响应致动器组件31的转换动作而沿轴做轴向滑动。为了使这一点易于实现，输出轴1包括六个形成于其曲面上的键槽41，同时每一个接合棒28、30在基部都有一个互补结构。棒组27、29被以一定方式布置，使特定的棒组位于交替键槽41里，棒组27、29可以沿输出轴1滑动。每个棒组27、29都作为一个整体运动，并且每个棒组的运动是相互独立的。当在第一和第二组棒27、29之间有相对运动时，第二连接环39在第一组棒27上滑动，第一连接环37在第二组棒29上滑动。
第一棒组27中的每一个棒28都有第一端28a，用于与连接在第一齿轮3上的第一组止动块19接合，第二端28b，用于与第二齿轮5上的第二组止动块21接合。第一和第二端28a、28b通常有相同的结构但是位置相反，这样当第一齿轮3减速时第一端28a设置成与第一组止动块19接合，当第二齿轮5加速时第二端28b设置成与第二组止动块21接合。第二棒组29中的每一个棒30以相似方式排布，不同之处在于第一端30a设置成当第一齿轮3加速时与第一组止动块19接合，第二端30b设置成当第二齿轮5减速时与第二组止动块21接合。
当第一和第二组接合棒27、29都与齿轮接合时，不论齿轮是加速还是减速，驱动力都从输入轴7传递至输出轴1。
每个棒的第一和第二端28a、30a、28b、30b都包括一个大致垂直的面43，用于与止动块19、21接合，和一个在接合面43方向上倾斜的坡道45，用于确保棒28、30与止动块19、21脱离，从而防止传动装置锁闭。当第一和第二组棒27、29交叉时，如图2所示，第一组棒27的第一端28a的止动块接合面43与第二组棒29的第一端30a的止动块接合面43相邻。当第一和第二组棒27、29与齿轮完全接合时，一个止动块就会被置于一对相邻的接合面43之间。止动块19、21与棒端的尺寸最好设置成当齿轮由加速变为加速时，止动块在加速棒的接合面43与减速棒的接合面43之间只有很小的移动，反之亦然，从而确保在齿轮上有一个很小的间隙或者没有间隙。
优选地，这些棒构造成贴近输出轴1，从而防止由于有载区域的大的径向距离引起的明显悬臂作用，因此降低了结构失效的潜在可能。
致动器组件31布置成使叉形物组件33装配在选择器杆35上，选择器杆与输出轴1平行并且相邻。叉形物组件33包括叉形物46和围绕输出轴1装配的第一和第二环形盘式弹簧47、49(见图1a)。第一和第二盘式弹簧47、49有三个臂，每个臂有绕弹簧的一部分周向延伸的第一部和向内径向延伸的第二部(见图4)。
叉形物46具有用来与第一盘式弹簧47接合的第一对弓形件51。弓形件51安排为使第一盘式弹簧47能够绕输出轴1在弓形件51之间旋转，并且使叉形物46的平行于输出轴1的轴向运动移动弓形件51，因此，如果第一盘式弹簧47自由移动，则可以使第一盘式弹簧47沿着轴做轴向运动，或者如果第一盘式弹簧47不能移动，则将第一盘式弹簧47偏压使其在与叉形物46相同的方向上运动。叉形物46具有第二对弓形件53，安排成能够以相似的方式与第二盘式弹簧49接合并作用于其上。
叉形物46相对于第一和第二齿轮3、5的位置可以通过选择器杆35的轴向运动来调整。
第一盘式弹簧47的内侧边沿固定在第一棒组27的棒28上，第二盘式弹簧49的内侧边沿固定在第二棒组29的棒30上。当叉形物46运动时就会带动或者加载盘式弹簧47、49，接合棒组27、29就会做同样的运动或者受偏压而运动。
传动系统可以被布置为手动换档式，在这种情况下通过在预先设定的位置之间移动变速杆来选择档位(如图1b所示)；传动系统也可以被布置为半自动换档式，在这种情况下，驾驶员通过控制电子开关——例如设置在方向盘附近的开关——来开始换档；传动系统还可以被布置为全自动换挡式，在这种情况下，控制系统根据预先指定的条件，包括比如发动机速度和扭矩，来促使传动系统改换档位。
现在参考图5a至图5f，图1a到c，以及图6到9，描述使用控制系统车辆加速(所谓换档加速)时选择较高档位(也就是说第二齿轮对17)的过程，和车辆减速(所谓制动换档减速)时选择较低档位(也就是说第一齿轮对15)的过程。为使说明清楚，图5a至图5f通过每组中仅示出一个棒的相对位置以示意性示出第一和第二棒组27、29的运动。
图5c示出第一齿轮3完全接合时的情况，也就是说，棒28、30与第一组止动块19交叉时的情况。选择器杆35的位置使叉形物46将第一和第二棒组27、29保持与第一齿轮3接合。因此，动力通过第一齿轮对15，当减速时由第一棒组27，以及加速时由第二棒组29，传至输出轴1。
在利用第一齿轮对15加速时(第一齿轮3沿图5c中箭头B所示方向转动)，第一棒组27中的棒的接合面43没有加载，与此同时，第二棒组29中的棒的接合面43被加载。当使用者或者控制系统，开始选择第二齿轮对17时，计算机处理器由第一和第二测压元件62和64测量读取并比较测量数据。如果第二测压元件64测得的值比第一测压元件62测得的值大，那就是向控制系统表明发动机在加速，可以换档。然后处理器20向离合器致动器22发出控制信号，使之调节第一和第二离合器片4和6之间的压力。每个离合器片的转速都会被离合器片传感器16和18所测量。当离合器片完全接合时，传感器16和18会显示出他们在以同样的速度旋转。随着离合器片4和6之间压力的降低，离合器2所传递的扭矩会克服第一和第二片4和6之间的摩擦力，从而引起第一和第二片4和6发生相对运动(如图7所示，滑动B的开始)。当测量到第一和第二离合器片4和6的转速之间有差别时，计算机处理器20会检测到滑动的开始。于是处理器20会指示致动器22维持这样的压力(所谓“滑动压力”)。
在计算机处理器20测量换档之前的形变之后，处理器20会计算出测压元件62和64的测量值需要调整的量；通过这个量，当新的传动比被接合时，可以使传动系统中的扭矩值与换档之前的扭矩值相匹配(即使换档时输出扭矩保持不变，每个传动比也都会使测压元件62和64有不同的读数，这是因为扭矩力由于各齿轮轴向位置、齿轮直径和传动比的不同而改变)。在接合新的传动比后，这个值就成为第一目标值。
处理器20发出控制信号，以致动选择器杆35，使叉形物46作用在第一盘式弹簧47上，使得第一棒组27的棒沿输出轴1的键槽41轴向滑动，从而使棒与第一齿轮3脱离(见图5d)。
叉形物46也作用于第二盘式弹簧49，以偏压第二棒组29的棒，使其朝向第二齿轮5运动。但是，由于第二棒组29的棒被加载，即正在驱动第一齿轮3，它们不能与第一齿轮3脱离，所以第二棒组29的棒保持固定。
当第一棒组27的棒沿输出轴1轴向滑动时，接合面43在第二齿轮5上与第二组止动块21接合(见图5e)。随之，第二齿轮5的转动被瞬时锁定到在传动系统中产生扭矩峰值的输出轴1的转动上。扭矩峰值引起第一和第二离合器片4和6之间的显著滑动，这是由于离合器片4和6维持在滑动压力下，因而可以消耗并分散扭矩峰值的能量。同时，计算机处理器20测量出尾轴套50中的形变量，并将控制信号发送给离合器致动器22和节流壶(throttle pot)24，以调节第一和第二离合器片4和6之间的压力；并且调节发动机10的速度和扭矩，促使测压元件62和64测得的形变以控制方式下——比如预先指定速度——调整到新传动比的最终目标值。控制系统将使离合器2恢复完全压力，以限制离合器磨损作为优先考虑的因素，并且调节发动机的速度和扭矩来辅助其得以实现，在最终目标值达到之前决不会超过目标测压元件值。当离合器2被完全接合时，节气门的控制被尽快返回给驾驶员，在到达新的传动比的最终目标值之前，决不会超过目标测压元件值设定的公差范围。在达到新的传动比的最终目标值后，节气门就返回给驾驶员控制，离合器恢复到完全接合压力，然后第一棒组27的棒开始沿图5e中箭头C所示方向驱动第二齿轮5，能量通过第二齿轮对17从输出轴1传至输入轴7。这时，第二棒组29的棒停止被加载并与第一组止动块19脱离。由于第二盘式弹簧49被叉形物46偏压，因而第二棒组29的棒沿输出轴1上的键槽41轴向滑动，从而完成第一齿轮3与输出轴1的脱离。第二棒组29的棒沿输出轴1上的键槽41滑动直至它们与第二齿轮5接合，从而完成第二齿轮5与输出轴1的接合(见图5f)。由于在第一齿轮对15脱离接合之前第二齿轮对17就已经完成接合，从而在瞬间内，第一和第二齿轮对15、17就可以同时接合，因而这种选择齿轮对的方法基本上消除了扭矩中断。
当齿轮通过第一和第二棒组27、29接合时，能够利用间隙极小的齿轮对实现加速和减速，这种间隙在两种状态切换时出现。间隙是由加速变为减速时，止动块从加速棒的接合面43移至减速棒的接合面43时，或相反操作时的空转(lost motion)。传统的止动块型传动系统有大约30度的间隙。根据本发明的典型的汽车用传动系统的间隙少于四度。
通过减小齿轮换档过程中接合棒与止动块之间所需的空隙，也就是说，接合棒与随后的止动块(见图5b中量得的尺寸‘A’)之间的空隙，来减小间隙。接合棒与随后的止动块之间的间隙在0.5mm-0.03mm的范围内，典型值小于0.2mm。间隙值也是保留角，即接合面43的角的函数，这个角与止动块的接合面上的凹槽(undercut)的角相同。该保留角会影响到止动块与接合面43之间有没有相对运动。保留角越小，间隙就越小。保留角度的典型值在2.5到15度之间，优选为15度。
减速时从第二齿轮对17到第一齿轮对15的转换通过相似的过程来实现。
第二齿轮对17减速时，第一棒组27的棒的接合面43没有加载，与此同时，第二棒组29的棒的接合面43加载。当驾驶员或者控制系统开始换档以接合第一齿轮对15时，处理器20向离合器致动器22发出控制信号，使调整第一和第二离合器片4和6之间的压力。每个离合器片4和6的速度由离合器片传感器16和18测量。当离合器片4和6完全结合时，传感器将显示它们以同速旋转。随着离合器片4和6之间压力的降低，离合器所传递的扭矩会超过第一和第二片4和6之间的摩擦，引起第一和第二片彼此相对运动(如图7所示滑动B的开始)。当测量到第一和第二离合器片的转速之间有差别时，计算机处理器20会探测到滑动的开始。于是处理器会指示致动器22将压力维持为滑动压力。然后处理器再测量读取并比较第一和第二测压元件62和64的测量值。计算机处理器20将尾轴套50的形变量和扭矩方向记录下来。
在计算机处理器20测量换档之前的形变之后，处理器20会计算出测压元件62和64的测量值需要调整的量；通过这个量，当新的传动比被接合时，可以使传动系统中的扭矩值与换档之前的扭矩值相匹配(由于扭矩力随齿轮的轴向位置、直径和传动比的不同而变化，即使在换档时输出扭矩被控制的情况下，每个传动比在测压元件62和64上还是会有不同的读数)。这个值在接合新的传动比后成为第一目标值。
如果第一测压元件62测得的值比第二测压元件64测得的值大，那就表示发动机10正在减速，发动机制动减速换档已经开始。这时处理器会发出控制信号以致动选择器杆35，使叉形物46相对输出轴1轴向滑动。叉形物46作用在连接在第一棒组27上的第一盘式弹簧47上，使得第一棒组27的棒在第一齿轮3的方向上沿输出轴1的键槽41轴向滑动，从而使第一棒组27与第二齿轮5脱离。
叉形物5也作用于第一盘式弹簧49，但是由于第二棒组29的棒被加载，即与第二齿轮上的止动块21驱动性地接合，所以第二棒组29保持不动，但是第二盘式弹簧49被叉形物46偏压，从而将第二棒组29移向第一齿轮3。
当第一棒组27的棒沿键槽41轴向滑动时，棒28与第一齿轮3上的止动块19接合。同时，第一齿轮3的转动在瞬间被锁定到在传动系统中产生扭矩峰值的输出轴1的转动上。扭矩峰值引起第一和第二离合器片4和6之间的显著滑动，这是因为离合器片4和6维持在滑动压力下，因而可以消耗并分散扭矩峰值的能量。同时，计算机处理器20测量出尾轴套50中的形变量，并将控制信号发送给离合器致动器22和节流壶24，以调节第一和第二离合器片4和6之间的压力；并且调节发动机10的速度和扭矩，促使测压元件62和64测得的形变，以控制方式——比如预先指定速度——调整到新传动比的最终目标值。控制系统将使离合器2恢复完全压力，以限制离合器磨损作为优先考虑的因素，并且调节发动机的速度和扭矩来辅助其得以实现，在最终目标值达到之前决不会超过目标测压元件值。当离合器2被完全接合时，节气门的控制被尽快返回给驾驶员，在到达新传动比的最终目标值之前，决不会超过目标测压元件值设定的公差范围。在到达新传动比的最终目标值之后，节气门就返回给驾驶员控制，离合器恢复到完全接合压力。
当棒28与第一齿轮3上的止动块19接合后，就开始驱动第一齿轮3，这样能量就通过第一齿轮对15从输入轴7传至输出轴1。这时，第二棒组29的棒停止被加载。第二盘式弹簧49作用于第二棒组29的棒上，使其在键槽41中沿输出轴1朝向第一齿轮3轴向滑动，从而完成第二齿轮5的脱离。第二棒组29继续在键槽41中沿输出轴1滑动直至与第一齿轮3接合，从而完成第一齿轮3与输出轴1的接合。
如果第二测压元件64的值比第一测压元件62的值要大，就说明发动机在加速，驾驶员/控制系统正在尝试踩油门换档，即从高档位到低档位的转换以对车辆加速，例如开车上坡时司机选择低档来加速上坡。在这个例子中，第二棒组29的棒接合面43没有加载，而同时第一棒组27的棒接合面43是加载的。在这种情况下，直到原有齿轮传动比完全脱离，才可以接合新的齿轮。为实现这个目的，计算机处理器20将发动机的燃油供给暂时切断，以便在接合较低档位之前，使原有齿轮传动比完全脱离。随后，通过与上述方式类似的方法，控制系统用第二棒组29的接合棒接合第一齿轮3。类似的档位改变方式可应用于发动机制动减档。
图5a表示的是第一和第二棒组27和29处于空档位置，也就是说，没有任何接合棒与齿轮接合，发动机在空转。图5b表示的是，在叉形物46的作用下，第一和第二棒组开始与第一齿轮3接合。由空档位置到与第一齿轮3结合的过程与加速换档的过程大体一样。
由于驱动力中断已经基本消除，因而该传动系统的使用带来了更好的性能，更低的燃料消耗和更低的排放。与传统的变速箱相比该系统有着更为紧凑简洁的设计，从而减小了变速箱的重量。借助阻止冲击波通过传动系统的传播，控制系统降低了扭矩峰值的影响，可以得到平稳的档位改变。
本领域技术人员可以知道，在本发明的范围内可以对上述实施例进行多种变化修改，例如可以在输出轴上设置多个选择器组件和相应的齿轮对，从而在输出轴和输入轴之间，形成更多的齿轮传动比。也可以在传动系统中设置不止两个的轴，以提供额外的齿轮传动比。
可以用扭矩变换器来代替离合器，或者和一个或多个离合器联合使用。例如，发动机的输出可以与扭矩变换器串联，再与离合器串联。或者，发动机的输出可以先与扭矩变换器串联，再与多个离合器形成的网络并联。术语离合器装置的意思应该被理解为包括所有上述组合。
测压元件可以设置在变速箱体或者其他支承、容纳旋转传动零件的零部件或组件上。
图9表示的是用于测量输出轴1的扭矩大小的应变仪66和惠斯登单臂桥式电路68。应变仪66与测压元件的工作原理类似，测量诸如轴承套、轴承安装件、变速箱体34、变速箱体端面板36和38、用于将端面板36和38连接到变速箱体34以及尾轴套50上的螺栓等在扭矩负载路径上用于支承或容纳旋转传动零件的零部件上的应变。应变仪66也可以设置于差动齿轮上。
应变是指尺寸的变化对原有尺寸的比例。应变仪66是利用例如水泥、粘合剂等方式固定安装在支承或者容纳旋转传动零件的零部件上。在传动中，由扭矩引起的零件/部件任何变形都同样会引起应变仪66的变形。应变仪66包括导电材料，这样变形就会反映在它的电阻变化上。通过测量电阻的变化，可以判定应变。电阻的变化通过惠斯登桥式电路68测出。它由四条支路，布置成正方形。每条支路或者包括已知电阻值的电阻70，或者包括应变仪66——应变仪可以设置在一条、两条或四条支路上。
举一条支路上有应变仪的惠斯登电桥为例，即所谓的四分电桥布局，导线与电桥相对的两侧拐角相连接，如图9中所示A和C，提供激励电压。在电桥另外的拐角之间进行测量，如图9中所示B和D。如果应变仪的电阻改变，电桥中的电流将会改变(根据欧姆定路，V＝IR)。这个改变将会被测量到，从而可以确定应变的量。
在这些零部件上测得的应变大小，与输出轴1上的扭矩大小成一定比例关系，从而应变仪66可以用测压元件62和64类似的方式，比如传统扭矩探测器校准。如果有超过一个的多个应变仪协同使用，就可以确定扭矩的方向。
传感器72可被用于测量接合棒组于将要结合的齿轮之间的相对转速和/或者相对转动位置。这使得控制系统能够控制接合棒的运动，这样接合棒不会撞到齿轮上的止动块，而是通过进入止动块之间的空隙接合齿轮。这就能大大降低止动块和接合棒的磨损量。探测器可以使用霍耳效应传感器、光学传感器或者任何适用于确定物体转速或位置的其它类型的传感器。
可以使用发动机控制单元74，而不用节流壶状机构24，来控制发动机的速度，以防止某些活塞点火，从而降低发动机的输出。
用于探测接合棒组与齿轮的位置和/或者转速的传感器70和72，可以与发动机控制单元74配合使用，以防止某个或多个活塞在接合棒由齿轮的侧面接合止动块时点火。在接合棒接触止动块从而降低传动中扭矩峰值影响的时候，这可以即刻降低传动中的扭矩。那个时刻的传动系统扭矩会随之受到传动零件惯性的很大影响。活塞的熄火时间将会被计算机处理器20响应传感器70和74测量出的位置和/或者速度而精确地控制。
可选地，控制系统可以包括牵引控制机构(未在图中示出)，用以防止车轮空转。
键槽41可以被设置为具有楔形榫头外形，如此棒就可以沿半径方向被限制在键槽内(如图10所示)。可选地，键槽可以具有槽形或者T形外形，以在半径方向约束棒。由于可以避免需要使用第一和第二连接环37和39将第一和第二组的棒分别联在一起，这是一个很大的优势。因为对相对输出轴1的半径方向约束棒28和30的方式提供了改进，提高了传动系统结构的整体性，这样的布置会更受欢迎。由于不再需要连接环37和39，就可以缩短接合棒28和30的长度，从而获得更加紧凑的传动系统结构。可供选择的键槽可在输出轴1上形成，或者可以在独立于输出轴的零件上形成，然后再通过例如花键等方式将该零件固定到输出轴上。
此外，本发明的实施例通常可以只有一个盘式弹簧147(见图7)将全部六个棒连接在一起，即第一和第二棒组中的棒，致动器组件要作相应的调整。在使用中，当第一齿轮加速时，三个棒被加载，其余三个棒空载，移动叉形物使盘式弹簧向第二齿轮偏压，从而使三个空载的棒与第一齿轮脱离，剩下三个棒继续处于接合状态。一旦棒与第二齿轮接合，其余三个棒就会与第一齿轮脱离，并且在盘式弹簧的加载下进入与第二齿轮的接合状态。这种构造提供了一种很紧凑的配置，从而使变速箱更小、更轻。
对于通常的道路汽车应用而言，第一和第二齿轮间用于容纳选择器机构的轴向空间可以减小到20mm左右。
图5a示出了位于第一棒组的每个棒的顶部的凹进处28c和位于第二棒组的棒的顶部的凹进处30c。凹进处28c、30c允许在第一和第二棒组27、29的棒分别与第一和第二盘式弹簧47、49的臂之间建立连接。凹进处28c、30c的形状使得这些凹进处允许每一个弹簧臂在齿轮变速时移向一个相对棒28、30不垂直的角度。图5a所示的凹进处28c、30c用于两个盘式弹簧结构。对于只有一个盘式弹簧147的实施例，凹进处28c、30c位于沿棒28、30的长度方向更靠近中心的位置。
当环不用于固定棒组中棒的位置时，棒组中的棒可以在轴向方向上相对彼此移动很小的一段。这是因为棒组中的棒相互之间的唯一连接是由可变形的盘式弹簧提供的。单独的棒连接在每一个盘式弹簧的臂上，每一个臂都能够独立变形，这样就允许棒之间的相对运动。棒组中的棒本质上还是一起运动的。每个齿轮上的止动块的个数并非限定为三个，例如，可以使用任何可行个数的止动块。对于绝大部分的应用，两个到八个止动块是合适的。相类似地，棒组中棒的个数也可以是任何可行的数量，但是大部分情况下优选为棒的个数与同组的止动块的个数相等。
可以知道，专业技术人员还可以对该传动系统作适当改造，使得选择器组件和第一、第二齿轮装配在输入轴上，而固定齿轮装配在输出轴上。
该传动系统可以应用于任何车辆，例如道路汽车、赛车、卡车、摩托车、自行车、泥土排除车辆(例如推土机)、军用车辆、飞行器如飞机和直升飞机，船只如艇，轮船和气垫船。该系统还可以用于任何有第一和第二旋转体的机器，其中驱动力从一个旋转体传至另一个旋转体，例如车床和铣床。
权利要求
1.一种传动系统，具有多个齿轮传动比；选择器装置，用于选择性地接合所述齿轮传动比；控制系统，包括形变测量装置，用以测量在所述传动中由扭矩引起的至少一个静态零部件的形变，还包括控制装置，用以控制所述传动中的扭矩，其中所述控制系统设置用于测量形变，并根据测得的形变以及所述齿轮传动比之间的已知关系，调节所述传动中的扭矩。
2.根据权利要求1所述的传动系统，其中所述已知关系是基本线性的，而且与所述测得的形变相对应的值可根据换算系数调整。
3.根据权利要求1或2所述的传动系统，其中所述控制系统设置用于根据所述测得的形变，控制所述传动中扭矩的改变率。
4.根据上述任意一项权利要求所述的传动系统，其中所述传动扭矩控制装置包括离合器装置。
5.根据上述任意一项权利要求所述的传动系统，其中所述传动扭矩控制装置包括驱动源速度控制装置。
6.根据上述任意一项权利要求所述的传动系统，其中所述控制系统包括计算所述传动系统中扭矩大小的装置。
7.根据上述任意一项权利要求所述的传动系统，其中所述控制系统包括估算装置，用于当所述选择器装置接合未接合的齿轮传动比时，估算所述传动中的扭矩。
8.根据上述任意一项权利要求所述的传动系统，包括用于感测所述选择器装置位置的传感器装置。
9.根据上述任意一项权利要求所述的传动系统，其中所述传动系统包括波动识别装置，用于识别除动力传动系统扭矩之外的因素引起的所述形变测量值的波动。
10.根据权利要求9所述的传动系统，其中所述控制系统设置用于记录多个读数，计算测量值之间的差值，并且控制所述扭矩，以解决所述形变测量值的波动。
11.根据上述任意一项权利要求所述的传动系统，其中所述控制系统包括用于测量发动机速度的装置、测量路面行驶速度的装置或者车载加速计中的至少一种。
12.根据上述任意一项权利要求所述的传动系统，其中所述用于测量形变的装置测量所述零部件的扭转形变量。
13.根据上述任意一项权利要求所述的传动系统，其中所述用于测量形变的装置确定所述传动中扭矩的方向。
14.根据上述任意一项权利要求所述的传动系统，其中所述零部件包括传动轴承、外壳、支承件、装配件、或装配螺栓中的至少一种。
15.根据上述任意一项权利要求所述的传动系统，其中所述用于测量形变的装置，包括至少一个测压元件，优选地包括多个测压元件。
16.根据上述任意一项权利要求所述的传动系统，其中所述用于测量形变的装置装配在有纵向轴线的外壳上，而且所述外壳设置成使得所述传动中的扭矩使所述外壳围绕所述纵向轴线产生扭曲形变。
17.根据上述任意一项权利要求所述的传动系统，其中所述用于测量形变的测量装置测量所述零部件的应变量。
18.根据权利要求17所述的传动系统，其中所述用于测量形变的测量装置包括至少一个应变仪。
19.一种用于控制传动系统中的扭矩的方法，该传动系统包括有多个齿轮传动比；和用于选择性地接合所述传动比的选择器装置，所述方法包括测量在所述传动系统中设置用于支承或容纳旋转零件的至少一个零部件上的扭矩所引起的形变；选择未接合的齿轮传动比；以及根据所述测得的形变和所述齿轮传动比之间的已知关系，调整所述传动中的扭矩。
20.根据权利要求19所述的方法，包括控制所述扭矩的改变率。
21.根据权利要求19或20所述的方法，包括在未接合的齿轮传动比将要被接合时，估算所述传动中的扭矩值。
22.一种传动系统，具有多个齿轮传动比、用于选择性地接合所述传动比的选择器装置，包括形变测量装置，用于测量所述传动中设置用于支承或容纳所述传动系统的旋转零件的至少一个零部件上由于扭矩所引起的形变。
全文摘要
一种传动系统，具有多个齿轮传动比(15，17)，选择器装置(13)，用于选择性地与不同传动比的齿轮接合，以及控制系统，包括形变测量装置，用以测量由传动(63，64)中扭矩引起的至少一个静态零部件(50)的形变，还包括控制装置，用于控制传动(2，24)中的扭矩，其中控制系统用于测量形变，并根据测得的形变，结合齿轮传动比之间的已知关系，调节传动中的扭矩。
文档编号B60W40/00GK1820158SQ200480019419
公开日2006年8月16日 申请日期2004年7月8日 优先权日2003年7月8日
发明者威廉·韦斯利·马丁 申请人:哲若希福有限公司