专利名称：无级变速器的控制方法
技术领域：
本发明涉及一种控制方法，在通过布置于传动带—带轮型无级变速器的主带轮和副带轮之间的循环传动元件在主带轮和副带轮之间传递机械动力时，所述方法用于控制无级变速器中的主带轮夹持力和副带轮夹持力，其中，所述无级变速器特别适用于机动车辆，所述循环传动元件可简称作传动带；该控制方法描述于权利要求1的前序部分中。本发明还涉及一种无级变速器，其被设计成根据前述控制方法进行操作。
背景技术：
这种类型的控制方法和变速器是公知的，例如见于欧洲专利公开文献EP-A-0 705 399以及近期的EP-A-1 314 913。在已有的变速器中，机械动力，例如由发动机产生的动力，是借助于摩擦作用传递的，其中传动带以主带轮夹持力被夹持在主带轮的两个轮盘即带轮轮盘之间，所述带轮轮盘彼此相对安置并且基本上呈现为顶角为钝角的截头圆锥形状，并且传动带以副带轮夹持力被夹持在副带轮的带轮轮盘之间。在这种情况下，所述夹持力基本上沿轴向定向，但由于带轮轮盘的锥形形状，传动带在两侧分别受到每个带轮的法向力，还会受到基本上指向径向外侧的力即径向力。在这方面，法向力使得可以施加切向定向的摩擦力，从而传动带可以通过带轮的旋转而沿圆周方向被驱动。
所述法向力的级别以及因此而导致的传递机械动力所需的夹持力的级别主要是这样确定的，即以施加在带轮上的扭矩除以传动带在所述带轮的带轮轮盘之间的径向位置(分别简称作主或副运行半径)与传动带和带轮之间摩擦接触的摩擦系数的乘积所得到的商。如果忽略动力损失，则两个带轮所需的夹持力级别相等。
此外，施加在传动带上的径向力需要在在两个带轮之间取得平衡，以便还能使所述运行半径保持恒定，所述运行半径相除所得到的商决定了变速器的几何传动比。这种条件要求所述夹持力之间具有一定的所需力比(force ratio)，在变速器的大部分操作状态(以扭矩级别或传动比为特征)下，所述力比通常偏离1。
从所述文献可知，为了基于传动带和带轮彼此之间的相对运动即打滑的某个基准或理想值(预期值)以及该参数的实际测量值之间的差值来控制所述夹持力，变速器的控制器在所述差值小于零的情况下(即如果实际值大于理想值)增大所述夹持力，而在所述差值大于零的情况下相反地改变所述夹持力，从而试图使所述差值趋向于零。
荷兰专利申请NL-1022243示出了传动带—带轮型变速器的一种已知的典型牵引曲线，从该图中可以看出，在传动比和夹持力具有给定恒定值的状态下，处在所谓微观打滑范围内的打滑的增加或多或少地与被传递扭矩的增加级别成比例，至少是直到一定的临界最大级别之前一直如此。超过了临界扭矩级别，即到达宏观打滑范围，打滑不再是稳定的，并且即使是在恒定扭矩级别下也会非受控地增加，其结果是，变速器、特别是其传动带元件最终会损坏。为了避免这一点，NL-1022243中提出将理想打滑率选择为位于微观打滑范围内，优选尽可能低，并因此而相对远离宏观打滑范围。由于不会达到或者至少是不会快速达到宏观打滑范围，因此采用这种理想打滑率，还能降低因可能会有的意外的和/或突然的扭矩级别增加而导致变速器受损的可能性。该文献还指出，作为一项优点，选择理想打滑率还能够使得因带轮和传动带之间摩擦接触发热而导致的能量损失最小化。
然而，申请号为03023938.8的较近欧洲专利申请指出，在某些传动比下，对于变速器的整体效率而言的最优理想打滑率实际上更为靠近宏观打滑范围，甚至是在宏观打滑范围和微观打滑范围之间的边界处，这是因为，传动效率不仅仅取决于转速损失，还部分地取决于两个带轮之间的扭矩损失。
这样，就产生了问题，即理想打滑率被设置成接近最优传动效率，操作过程中的实际打滑率可能至少临时地位于宏观打滑范围内，例如由于意外的和/或突然的扭矩级别增加而导致；此外，例如，在变速器的传动比变化时，即换挡时，总会涉及到各夹持力之间的力比的变化，例如通过降低两个夹持力之一。如前面所指出，打滑在宏观打滑范围内是不稳定的，并且容易增大到高级别，以导致变速器永久性地损坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种无级变速器的控制方法，其能够有效地避免过高的打滑率。根据本发明，可以通过权利要求1中各种特征之间的组合来获得这种控制方法。
这种控制方法的优点在于，在变速器的传动比改变的开始阶段，实际打滑率总是至少具有减小的趋势，这是因为，这种变化起始于变速器的两个夹持力之一的增加。打滑总会因所述夹持力增加而减小，其结果是，打滑位于宏观打滑范围、或者至少是达到不可接受的过高值的危险被有效且显著地减少。
应当指出，总体而言，作为使用所述夹持力之间的比例的一种替代方式，还可以基于它们之间所需的差值进行工作，因为借助于所需的力级别，这种差值容易通过计算而被转化成所述夹持力之间的比例，反之亦然。
权利要求2以更详细和替代性实施例的方式描述了根据本发明的控制方法。权利要求2中请求保护的控制方法基于两个控制程序，即打滑控制和传动比控制，其中主带轮夹持力和副带轮夹持力通过这两个控制程序的输出之间的组合而被给出，即给出主带轮和副带轮夹持力之间所需的力级别和所需的力比，具体地讲，是通过下述方式，即两个夹持力中较小者等于所需的夹持力，而另一个夹持力等于所需的力级别与所需的力比的乘积，在力比小于1时，为与力比的倒数的乘积。
后面这种控制方法的效果与权利要求1中请求保护的控制方法相当。此外，后面这种控制方法还允许所述两个控制程序彼此分开执行，即彼此独立地执行，因而后面这种控制方法可以获得相对简单的结构。如果所述两个控制程序分别以公知的方式包括分别关于打滑控制中的实际打滑率以及传动比控制中的实际传动比值的反馈，则可以获得额外的优点。
更具体地讲，本发明因此而寻求一种控制方法，通过该方法，基于对打滑率的领示控制(pilot control)，其中实际出现的打滑率被反馈回来(闭环控制)，因此实际发生的打滑可以以稳定方式控制，即使是在宏观打滑范围内。这使得可以通过控制工程途径而有效避免过高的打滑率。根据本发明，可以通过权利要求3中各种特征之间的组合来获得这种控制方法。
根据权利要求3中的方案，出于打滑控制的目的，以下述方式修正了牵引曲线，即在微观打滑和宏观打滑这两个范围内，在打滑率v(至少是在运转过程中会出现的打滑率)增大的情况下，增大牵引曲线中定义的扭矩参数T[v]＝T+b·v，以使它们的关系是可逆的。结果，通过扭矩参数，每个所传递的扭矩T被赋予唯一的打滑率v，从而可以使用完整的修正牵引曲线，包括宏观打滑范围。通过所传递的扭矩T和打滑率v之间的如此确定的唯一关系，可以基于反馈的实际打滑率而以闭环控制的方式稳定地预设和确定出预期值。
在这种情况下，求和因子(summation factor)b·v不是直接得知的，相反，根据本发明，被确定为这样的值，其大于未修正牵引曲线在宏观打滑范围内(至少是在传动带未受损坏的情况下在变速器的正常运转过程中可能或应当出现的相关打滑率)的最大负斜率绝对值的估测值。试验表明，6％是正常运转过程中打滑率的适宜上限值，在这种情况下，将被使用的最小求和因子b·v被估测为一个大约为1000Nm·v的值。
根据本发明的控制方法的优点在于，不必精确地知道实际牵引曲线，至少不必在所有运转状态下知道，这导致变速器研制过程中的显著成本节约。此外，根据本发明的方法提供了鲁棒性控制，因为该方法自动适应于至少事实上不可预见的运转状态变化，例如，由于带轮和传动带之间摩擦接触导致的磨损。
如果未修正牵引曲线延伸通过试验确定的多个工作点，则在任何情况下可以在这些工作点附近进行前述估测，其结果是，求和因子b·v可以被精确地估算出来，并且，处于非常低的值，这有利于打滑控制的精度和稳定性。
在前面描述的每种控制方法中，有利的是，使理想打滑率和/或传动比与变速器的瞬时运转状态相匹配，所述状态包括所述打滑率和传动比，以及所传递的扭矩、转速、夹持力的级别等。
为了完成对机动车辆中使用的变速器的控制，除了所述两个控制程序以外，还可以在将发动机输出到变速器的发动机扭矩用作控制参数的附加独立第三控制程序中将主带轮的转速设置为一个预期的值。根据本发明，为了这一目的，可以产生主带轮转速的理想值，并将该理想值与转速的实际值相比较。然后，在所述值之间具有正差值的情况下，发动机扭矩增加，在所述值之间具有负差值的情况下，发动机扭矩降低，例如通过对发动机的燃料供应进行相应的调节。这使得可以对发动机和变速器进行相对简单的鲁棒性控制，而各控制程序即打滑控制、变速器传动比控制和主带轮之间的转速控制之间的干涉最小。
下面将参照附图而以示例的方式描述本发明。
图1示意性地显示了具有传动带和带轮的无级变速器的一部分；图2示出了图1所示变速器的所谓牵引曲线的一个例子；图3示出了图1所示变速器的夹持力的平衡比Kp/Ks与几何传动比Rg之间的关系的一个例子；图4示出了根据本发明修正后的牵引曲线。
具体实施例方式
图1示出了示出了车辆例如轿车中使用的无级变速器的主要部分。该变速器本身是公知的，并且包括主带轮1和副带轮2以及安置在它们之间的传动带3，每个带轮分别包括两个带轮轮盘4、5。带轮轮盘4、5是锥形形式的以限定出楔形槽，并且每个带轮1、2的至少一个轮盘4可以沿着相应的轴6、7轴向移动，轮盘4、5布置在所述轴上。另外，变速器包括致动装置(图中未示出)，所述致动装置通常是可电控的并且被液压操控，并且能够以下述方式向所述一个轮盘4施加轴向力Fax，即可将传动带3夹持在相应的轮盘4、5之间，并且可以借助于轮盘4、5和传动带3之间的锥形(楔形)接触面中的摩擦而在带轮1、2之间传递机械动力。
图1中所示的传动带3包括一对循环(无端)金属承载构件31，每个承载构件包括一组嵌套薄金属环以形成一个用于承载一系列金属横向构件32的承载件，所述横向构件吸收在带轮1、2的轮盘4、5之间施加的夹持力，并且随着驱动带轮1的旋转，所述横向构件在承载构件31的上方一个接一个地前进移向从动带轮2。这种类型的传动带被称作范德恩推送带(Van Doorne push belt)，并且被更详细描述于例如欧洲专利EP-A-0 626 526。
可由变速器传递的扭矩T可根据下面的公式(1)计算出来，其中涉及所施加的轴向夹持力Fax，接触面相对于径向的接触角度，即锥形带轮轮盘之间限定的角度φ的一半，传动带3的运行半径(running radius)R，以及摩擦系数μ[v]T＝(2·Fax·R·μ[v])/(cos(φ) (1)在实际中，已经发现，摩擦系数μ[v]不是恒定的，而是和传动带3与带轮1、2之间的打滑率v相关，这里顺便定义一下打滑率vv＝(Rs/Rg)-1 (2)在上面的公式中，Rg代表变速器的几何传动比，其定义为传动带3的主带轮侧运行半径R除以其副带轮侧运行半径R，而Rs代表转速比，其定义为副带轮2的转速除以主带轮1的转速。顺便说一下，几何传动比Rg可以通过测量带轮1或2的可移动带轮轮盘4的位置而确定出来。还可以通过测量传动带的纵向速度并将其与带轮1和2的转速作比较而确定出打滑率v。
在恒定的轴向夹持力Fax和运行半径R下，所传递的扭矩T和打滑率v之间的关系以及摩擦系数μ[v]的数值可以由变速器(更一般地讲，摩擦变速器)的牵引曲线给出。这种牵引曲线的一个例子显示于图2中，其中可以大体上区分出两个局部范围。
在微观打滑范围，打滑率v或多或少地与所传递的扭矩T成比例地增加，直到扭矩达到临界或最大值Tmax。因此，在这个范围内，摩擦系数μ[v]随着打滑率v的升高而增加，因此也随着所传递的扭矩T升高而增加。接下来，如果试图使所传递的扭矩T超过扭矩最大值Tmax，则打滑率v会以不受控的方式增加。相反，如果打滑率v本身被直接控制，则所传递的扭矩T将会是相对于打滑率v独立的，甚至随着打滑率v增加而略微减小。在宏观打滑范围，如图所示，公式(1)中的摩擦系数μ[v]因此而基本上具有恒定值。
由上面的分析可知，变速器在微观打滑范围具有稳定的表现，其中在所传递的扭矩T出现意外的和/或突然的增加时，摩擦系数μ[v]增加，因而变速器实际上能够传递更高的扭矩T，即使是轴向夹持力Fax恒定。然而，变速器在宏观打滑范围表现不稳定，其结果是，在所传递的扭矩T的非常轻微的波动下，打滑率v也会非常快速且不受控地增加。部分地出于这一原因，在已有的变速器中，轴向夹持力Fax被控制为相对于所传递的扭矩T的高级别，从而根据总是位于微观打滑范围的原则获得打滑率v和/或基准或理想值vREF，即使是在扭矩T意外地和/或突然地增加时。
变速器的几何传动比Rg取决于由主带轮1施加在传动带3上的轴向夹持力Kp与副带轮2施加在传动带3上的轴向夹持力Ks之间的平衡比(equilibrium ratio)。平衡比Kp/Ks与几何传动比Rg之间关系的一个例子绘制于图3中。事实上，很多参数(即运转状态)会影响平衡比Kp/Ks的精确值。传动比的变化，即变速器换档，是通过使所述夹持力Kp、Ks之间的比例偏离平衡比Kp/Ks而实现的。通过使主带轮夹持力Kp从传动比Rg-A处的平衡比″A″下降，例如，如图3所示，为达到非平衡比(non-equilibrium ratio)″B″，变速器将开始向传动比Rg-C换档，此处的平衡比″C与非平衡比″B″相当。
本发明现在提出，平衡比Kp/Ks的理想变化，例如为了变速器换档，总是起始于两个夹持力之一Kp或Ks的增加。因此，在图示的例子中，根据本发明，平衡比″A″向着非平衡比″B″的变化不是通过降低主带轮夹持力Kp，而是通过提高副带轮夹持力。这种控制方法的优点在于，变速器传动比开始变化时的实际打滑率总是至少具有减小的趋势，这是因为，这种变化是通过使变速器中两个夹持力之一增加而开始的。不论如何，所述夹持力的增加都会导致打滑减小，打滑移向宏观打滑范围或者至少是达到不可接受的过高值的危险可以有效且显著地减少。
对于以闭环控制方式进行的打滑控制，其中所述夹持力借助于公式(1)而被确定，图3记录的牵引曲线，即在给定运转状态下由摩擦系数μ[v]确定的打滑率v和所传递的扭矩T之间的关系，从原理上讲应当精确得知，特别是在运转过程中可能遇到的所有条件下。如果不是这样，则基于公式(1)的打滑控制是不稳定的，至少是在宏观打滑范围不稳定。然而，所需的在各种运转状态下试验确定牵引曲线是非常耗时且昂贵的，此外，不可能容易地预计和/或再现所有相关的运转状态。
因此，本发明提出，利用扭矩参数T[v]而非所传递的扭矩T修正牵引曲线T[v]＝T+b·v (3)其中，根据本发明的求和因子b·v的最小值对应于宏观打滑范围内未修正牵引曲线的最大负斜率的绝对值。在这方面，所述条件可能只应用于在正常操作中会出现的或是在传动带未受损的情况下会出现的打滑率v。结果，扭矩参数T[v]被以下述方式定义，即在微观打滑和宏观打滑这两个范围内，其随着打滑率v的增加而增加，从而它们之间的关系是可逆的。
根据本发明，求和因子b·v，至少对于范德恩推送带，可以被估测为大约1000Nm·v。基于这一估测值而修正的牵引曲线显示于图4中。
权利要求
1.一种用于控制无级变速器的控制方法，所述变速器用于通过安置在主带轮(1)和副带轮(2)之间的传动带(3)而在所述带轮之间传递机械动力，所述带轮(1，2)分别设有两个带轮轮盘(4，5)，这两个带轮轮盘一起限定出楔形槽，传动带(3)借助于基本上轴向定向的夹持力(Fax)而在一径向位置处以一运行半径(R)夹持在楔形槽中，从而借助于轮盘(4，5)和传动带(3)之间的摩擦而将供应到变速器的扭矩(T)在带轮(1，2)之间传递，变速器的传动比(Rg)定义为传动带(3)在主带轮(1)处的运行半径(R)除以其在副带轮(2)处的运行半径所得到的商，力比定义为主带轮(1)处的夹持力(Fax)除以副带轮(2)处的夹持力所得到的商，其特征在于，至少是在初始阶段，通过适应性地增加相应夹持力(Fax)而实现所述力比的变化，以达到传动比(Rg)的预期变化。
2.一种控制方法，特别是如权利要求1所述的控制方法，所述变速器用于通过安置在主带轮(1)和副带轮(2)之间的传动带(3)而在所述带轮之间传递机械动力，所述带轮(1，2)分别设有两个带轮轮盘(4，5)，这两个带轮轮盘一起限定出楔形槽，传动带(3)借助于基本上轴向定向的夹持力(Fax)而在一径向位置处以一运行半径(R)夹持在楔形槽中，从而借助于轮盘(4，5)和传动带(3)之间的摩擦而将供应到变速器的扭矩(T)在带轮(1，2)之间传递，变速器的传动比(Rg)定义为传动带(3)在主带轮(1)处的运行半径(R)除以其在副带轮(2)处的运行半径所得到的商，力比定义为主带轮(1)处的夹持力(Fax)除以副带轮(2)处的夹持力所得到的商，在所述控制方法中—确定打滑率(v)，其代表带轮(1，2)和传动带(3)之间相对运动的程度，—确定该打滑率(v)与它的一个基准值(vREF)之间的差值，—至少部分地基于该差值确定出所需的力级别，—至少部分地基于变速器的传动比(Rg)和/或该传动比的变化确定出所需的力比或主带轮(1)的夹持力(Fax)与副带轮(2)的夹持力(Fax)之间的力差值，—将所述各夹持力(Fax)控制在它们各自的预期力级别，其特征在于，—如果所需的力比大于或等于1，则所述主带轮(1)的夹持力(Fax)的预期力级别由所需的力级别与所需的力比之间的乘积给定，或者—如果所需的力比小于1，则所述副带轮(2)的夹持力(Fax)的预期力级别由所需的力级别与所需的力比的倒数之间的乘积给定，以及—所述主带轮夹持力(Fax)和副带轮夹持力(Fax)中的另一个的预期力级别由所需的力级别给定。
3.一种控制方法，特别是如权利要求1或2所述的控制方法，所述变速器用于通过安置在主带轮(1)和副带轮(2)之间的传动带(3)而在所述带轮之间传递机械动力，所述带轮(1，2)分别设有两个带轮轮盘(4，5)，这两个带轮轮盘一起限定出楔形槽，传动带(3)借助于基本上轴向定向的夹持力(Fax)而在一径向位置处以一运行半径(R)夹持在楔形槽中，从而借助于轮盘(4，5)和传动带(3)之间的摩擦而将供应到变速器的扭矩(T)在带轮(1，2)之间传递，变速器的传动比(Rg)定义为传动带(3)在主带轮(1)处的运行半径(R)除以其在副带轮(2)处的运行半径所得到的商，力比定义为主带轮(1)处的夹持力(Fax)除以副带轮(2)处的夹持力所得到的商，在所述控制方法中—确定打滑率(v)，其代表带轮(1，2)和传动带(3)之间相对运动的程度，—确定该打滑率(v)与它的一个基准值(vREF)之间的差值，—将所述各夹持力(Fax)控制在它们各自的预期力级别，其特征在于，所述夹持力(Fax)的预期力级别至少部分地基于所供应的扭矩(T)而确定，所述扭矩根据下面的公式而被修订T[v]＝T+b·v (3)其中，求和因子b·v大于估测出的变速器牵引曲线的最大负斜率的绝对值，该牵引曲线表示了适于由变速器传递的扭矩(T)与打滑率(v)之间的关系，至少是在变速器运转过程中出现的打滑率。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述求和因子b·v大约为1000Nm·v。
5.一种无级变速器，用于通过安置在主带轮(1)和副带轮(2)之间的传动带(3)而在所述带轮之间传递机械动力，所述带轮(1，2)分别设有两个带轮轮盘(4，5)，这两个带轮轮盘一起限定出楔形槽，传动带(3)借助于基本上轴向定向的夹持力(Fax)而在一径向位置处以一运行半径(R)夹持在楔形槽中，从而借助于轮盘(4，5)和传动带(3)之间的摩擦而将供应到变速器的扭矩(T)在带轮(1，2)之间传递，变速器的传动比(Rg)定义为传动带(3)在主带轮(1)处的运行半径(R)除以其在副带轮(2)处的运行半径所得到的商，力比定义为主带轮(1)处的夹持力(Fax)除以副带轮(2)处的夹持力所得到的商，其特征在于，所述变速器是通过如权利要求1-4中任一所述的控制方法控制的。
全文摘要
一种用于控制无级变速器的控制方法，变速器具有两个带轮(1，2)，每个带轮设有两个带轮轮盘(4，5)，这两个带轮轮盘一起限定出楔形槽，传动带(3)借助于基本上轴向定向的夹持力而在一径向位置处以一运行半径(R)夹持在楔形槽中，为了由达到传动带(3)在主带轮(1)处的运行半径(R)除以其在副带轮(2)处的运行半径所得到的传动比(Rg)的预期变化，由主带轮(1)处的夹持力(Fax)除以副带轮(2)处的夹持力所得到的力比至少是在初始阶段通过适应性地增加相应夹持力而实现变化。
文档编号F16H61/00GK1930411SQ200580008208
公开日2007年3月14日 申请日期2005年3月14日 优先权日2004年3月16日
发明者布拉姆·邦森 申请人:罗伯特·博世有限公司