专利名称：无级变速器的基于扭矩的控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无级变速器的控制系统，更特别地，涉及一种无级变速器的基于 扭矩的控制系统。
背景技术：
比如轮式装载机、推土机、挖掘机、自卸卡车以及其他重型设备之类的机械用来完 成许多任务。为了有效地完成这些任务，这些机械需要一发动机，所述发动机通过变速器将 大的扭矩提供到一个或多个地面咬合装置。这些机械通常使用无级变速器(CVT)来提高发 动机效率。CVT是一种自动式变速器，其在其传动比范围内提供了无数个输出传动比。例如， 液压CVT包括泵和从所述泵接收加压流体的液压马达。可根据所述泵的排出流率和压力改 变马达速度和地面咬合装置处的输出扭矩。电动CVT包括发电机和从所述发电机接收电流 的电动机。可根据提供到所述电动机的电流改变电动机的速度和输出扭矩。在于1988年12月27日授权给Morisawa等人的美国专利No. 4，793，217 (专 利’ 217)中描述了一种用于控制传统CVT的系统的示例。专利’ 217中所披露的控制系统 是一种基于速度的系统，其调节CVT输入轴的速度以保持目标输出。该CVT以比如前进和 倒退的多种模式操作，其中每个操作模式具有分配给它的单一映射。此外，每个映射表示相 关模式的CVT输入轴目标速度与发动机输出之间的关系。当CVT被致动时，控制器判断CVT 在哪个模式下操作并且选择为该模式设计的映射。所述控制器然后根据所述映射调节输入 轴的速度以获得所需的发动机输出。尽管专利’ 217中所披露的控制系统可为多个操作模式产生所需的发动机输出，但 是该系统的应用可能受到限制。特别地，因为每个输入仅调用一个映射，所以映射类型的变 化可能是很少的。这种减少的变化可能对任务及变速器和最终相关的机械的操作环境的多 样性造成限制。所披露的装置旨在克服上述的一个或多个问题。
发明内容
在一个方面中，本发明涉及一种包括从动构件的无级变速器。该无级变速器还包 括至少一个配置成传递一变速器操作模式请求的操作者输入装置和至少一个配置成传递 一从动构件输出请求的其他的操作者输入装置。此外，该无级变速器包括至少一个传感器， 该传感器配置成感测至少一个表示变速器的操作状态的参数。该无级变速器还包括控制 器，该控制器配置成响应于所述的操作模式请求、从动构件输出请求以及至少一个感测到 的表示变速器操作状态的参数来调节从动构件的输出。本发明的另一个方面提供了一种操作变速器的方法。该方法包括接收操作模式请 求、接收变速器输出请求以及感测至少一个表示变速器操作状态的参数。该方法还包括响 应于所述操作模式请求、变速器输出请求和至少一个表示变速器操作状态的参数来控制变速器的输出。
图1是示例性披露的机械的概略图；图2是与图1的机械一起使用的示例性披露的操作台的图解；图3是与图2的操作台一起使用的示例性披露的控制系统的概略图；图4是与图3的控制系统一起使用的示例性披露的控制映射；图5是与图3的控制系统一起使用的示例性披露的控制映射；图6是与图3的控制系统一起使用的示例性披露的控制映射；图7是与图3的控制系统一起使用的示例性披露的控制映射。
具体实施例方式图1图示了示例性的机械10，其具有协作完成任务的多个系统和构件。机械10所 执行的任务可与特殊的工业——比如采矿、建筑、耕种、运输、发电或者在现有技术中已知 的任何其他工业——相关联。例如，机械10可实施为一如图1中绘出的轮式装载机、公共 汽车、公路拖车之类的移动机械或者现有技术中已知的任何其他类型的移动机械。机械10 可包括一操作台12、一个或多个牵引装置14和可操作地连接以驱动至少一个牵引装置14 的动力传动系16。如图2中所示，操作台12可包括从机械操作者接收输入的装置，所述输入表示期 望的机械行驶操作。具体地，操作台12可包括一个或多个位于驾驶座20附近的操作界面 装置18。操作界面装置18可通过产生表示期望的机械操作的信号来启动机械10的运动。 在一个实施方式中，操作界面装置18可包括左脚踏板22、右脚踏板24和前进-空档-倒退 (FNR)选择器26。当操作者操纵左脚踏板22和/或右脚踏板24 (即，使左脚踏板和/或右 脚踏板22和24移动离开空档位置)时，操作者可期望和影响相应的机械行驶运动。此外， 当操作者将FNR选择器26运动到前进、倒退或空档位置时，操作者可改变相应的变速器操 作模式，例如前进、倒退或空转。可预期的是，在一些实施方式中，操作台12可包括限速开 关(未示出)，其可设定一个速度阈值，机械10将不会高于该阈值行驶。还可预期的是，除 了诸如脚踏板之外，如果需要，可另外地或可选地在操作台12中设置用于机械10的行驶控 制的诸如操纵杆、控制杆、开关、旋钮、方向盘之类的操作界面装置以及现有技术中已知的 其他装置。此外，可省去FNR选择器26，变速器操作模式可由其他操作输入装置改变。牵引装置14 (参见图1)可实施为位于机械10的每一侧上的车轮(仅示出了一 侧)。可选地，牵引装置14可包括履带、皮带或者其他已知的牵引装置。可预期的是，可驱 动和/或操纵机械10上的车轮的任意组合。如图3中所示，动力传动系16可是一整体的成套设备，其配置成产生动力并将动 力传递到牵引装置14。特别地，动力传动系16可包括可操作以产生动力输出的动力源28、 连接成接收动力输出并将动力输出以可利用的方式传递到牵引装置14(参见图1)的变速 器单元30以及配置成响应于一个或多个输入来调节变速器单元30的操作的控制模块32。动力源28可包括内燃发动机，该内燃发动机具有多个协同作用以产生机械或电 力输出的子系统。为了本发明的目的，将动力源28描述为四冲程柴油发动机。但是，本领域的技术人员将会认识到，动力源28可是任何其他类型的内燃发动机，比如由汽油或气体 燃料提供动力的发动机。包含在动力源28内的子系统可包括例如燃料系统、进气系统、排气系统、润滑系统、冷却系统或者任何其他合适的系统。
传感器34可与动力源28相联以感测其输出速度。在一个示例中，传感器34可实 施为磁拾式传感器，其与嵌入在动力传动系16的转动构件(比如曲轴或飞轮)中的磁体相 联。在动力源28操作期间，传感器34可感测由磁体产生的旋转磁场并产生一与动力源28 的转速对应的信号。变速器单元30例如可实施为无级变速器(CVT)。变速器单元30可是任何类型的 无级变速器，比如液压CVT、液压机械CVT、电动CVT或者对于本领域技术人员显而易见的其 他配置。在图3的示例性的电动CVT中，驱动构件36可以是比如三相交流永磁式发电机的 发电机，从动构件38可以是电动机——比如配置成接收来自于驱动构件36的动力的交流 永磁式电动机。驱动构件36的发电机可连接成响应于传给从动构件38的扭矩指令经由电 力电子设备40通过电流驱动从动构件38的电动机。在一些情况下，从动构件34的电动机 可选地经由电力电子设备40沿相反方向驱动所述驱动构件36的发电机。可预期的是，在 使用液压无级变速器单元的实施方式中，驱动构件36可以是比如变量泵的泵，从动构件38 可以是比如变排量马达的马达。从动构件38可通过在驱动构件36和从动构件38之间往 复地提供和返回流体的管道与驱动构件36流体地连接，以使驱动构件36能够通过流体压 力有效地驱动从动构件38。变速器单元30可由左脚踏板和右脚踏板22和24至少部分地控制。即，当操作者 操纵左脚踏板和右脚踏板22和24时，这些脚踏板可提供表示所需的从动构件输出——比 如所需的扭矩输出和/或所需的速度限值——的电信号。例如，左脚踏板和右脚踏板22和 24可具有最小位置并可经过一位置范围运动到最大位置。传感器42和44可设置成分别与 左脚踏板和右脚踏板22和24相联，以感测其移动位置并且响应于移动后的位置产生相应 的信号。传感器42和44可以是任何能够感测脚踏板42和44的移动的传感器，比如开关 或电位计。来自每个传感器42和44的移动信号可通过控制模块32引导到变速器单元30 以控制从动构件38的扭矩输出。传感器46可与变速器单元30和/或牵引装置14(参见图1)相联以感测机械10 的行驶速度。在一个示例中，传感器46可实施为磁拾式传感器，其与嵌入在动力传动系16 的转动构件(比如变速器输出轴)内的磁体相联。在机械10操作期间，传感器46可感测 由磁体产生的旋转磁场并产生与变速器单元30的转动速度和/或机械10的相应行驶速度 对应的信号。控制模块32可实施为单个微处理器或者多个微处理器，以响应于接收到的信号 控制动力传动系16的操作。许多市场上销售的微处理器可配置成执行控制模块32的功 能。应该理解的是，控制模块32可简单地实施为能够控制多种机械功能的通用机械微处理 器(general machinemicroprocessor)。控制模块32可包括存储器、次级存储装置、处理器 以及任何其他的用于运行应用软件的部件。各种其他的电路——比如供电电路、信号调节 电路、螺线管驱动电路以及其他类型的电路——可与控制模块32相联。多个基础控制映射可存储在控制模块32的存储器内并且可基于变速器操作模式 集合在一起。例如，基础控制映射可分成前进组、空档组和倒退组。可响应于表示FNR选择器26的位置的信号来选择这些组。此外，每个基础映射可包括多个子映射。这些基础映射 和子映射中的每一个都可是表格、图表和/或方程的形式，并包括对动力传动系16的从实 验室和/或室外操作收集到的数据的编辑。图4图示了一个示例性的前进基础控制映射48，其具有多个子映射，当FNR选择器 26设置到前进位置时控制模块32可使用该映射。前进基础控制映射48可包括控制机械10 的向前推进的推进子映射50、控制向前推进的减速的减速子映射52和控制机械10的向后 速度的方向切换子映射54。此外，每个子映射可具有代表机械速度或变速器传动比的x轴 (独立轴)和代表变速器输出或扭矩请求的y轴(非独立轴)。可预期的是，每个子映射可 包括扭矩、机械速度和/或推进功率的限值。例如，推进子映射50可包括最大扭矩限值56 和最大速度限值58。此外，减速子映射52可包括最大减速力限值60、最大速度限值62和 最大滑行减速力64。此外，方向切换子映射54可包括最大扭矩限值66。应该理解的是尽 管扭矩、机械速度和推进功率的限值是以连续曲线或线条示出的，但是这些限值可以是不 连续的。此外，可预期的是，如果需要，每个子映射可包括图4中没有示出的另外的限值。图5图示了一个示例性的倒退的基础控制映射68，其具有多个子映射，当FNR选择 器26设置到倒退位置时控制模块32可使用该映射。倒退基础控制映射68可包括控制机 械10的向后推进的推进子映射70、控制向后推进的减速的减速子映射72和控制机械10的 前进速度的方向切换子映射74。与前进子映射类似，每个倒退子映射可具有代表机械速度 或变速器传动比的x轴(独立轴)和代表变速器输出或扭矩请求的y轴(非独立轴)。此 外，可预期的是，每个子映射可包括扭矩、机械速度和/或推进功率的限值。例如，推进子映 射70可包括最大扭矩限值76和最大速度限值78。此外，减速子映射72可包括最大减速力 限值80、最大速度限值82和最大滑行减速力84。此外，方向切换子映射74可包括最大扭 矩限值86。应该理解的是，尽管扭矩、机械速度和推进功率的限值是以连续曲线或线条示出 的，但是这些限值可以是不连续的。此外，可预期的是，如果需要，每个子映射可包括图5中 没有图示出的另外的限值。可对存储在控制模块32的存储器中的基础映射进行修改，使得可将y轴的因变量 标准化成单位度量。例如，可将因变量标准化成一单位度量的加速度——比如标准化的牵 引力。因变量的标准化使得可在类似尺寸的多种机械上使用这些映射。应该理解的是当在 多种机械上使用映射时，需要将机械参数输入到算法中。这些参数可包括例如车轮半径、机 械质量、锥齿轮传动比、差速齿轮传动比和/或任何可影响机械10的运动的其他参数。此 外，这些映射的y轴的因变量可基于多个输入变换和/或按比例调整。这些输入可包括例 如左脚踏板和右脚踏板位置、FNR选择器位置、所需的速度限值选择器位置、最高可允许的 虚拟档位(virtual gear)、驻车制动器状态、变速器接合标识或者任何可影响因变量的其 他输入。图6和7是描述操作请求响应于不同的操作动作所可以采取的示例性路径的图表 表示。在下面的部分中将进一步讨论图6和7以更好地阐述所披露的系统及其操作。工业实用性所披露的控制系统可用于任何具有扭矩受控的CVT的车辆中。特别地，通过响应 于多个输入而从多个基础控制映射中选择一特定的基础控制映射并从多个子映射中选择 一特定的子映射，该控制系统可有效并精确地确定变速器在各种环境和车辆条件下可遵循的期望扭矩输出。下面将要描述对基础控制映射、相关的子映射以及随后的输出请求的控制路径的选择。操作者可通过将FNR选择器26设置到所需的位置来启动对基础控制映射的选择。 控制模块32可接收表示FNR选择器26的位置的信号并相应地选择合适的基础控制映射。 例如，如果操作者将FNR选择器26设置到前进位置，则表示前进位置的信号可通过无线方 式或者通过通讯线从FNR选择器26传输到控制模块32。一旦接收到该信号，控制模块32 就可以选择前进基础控制映射48。可预期的是，如果需要，基础控制映射的选择可独立于操 作者输入地进行。在这样的实施方式中，控制模块32可基于其他输入因素——比如发动机 副轴的转动方向、牵引装置14的转动方向或者任何表示车辆运动方向或空转状态的其他 参数——来选择基础控制映射。在选择了基础控制映射之后，控制模块32可从多个来源接收输入并确定变速器 单元30可遵循的期望控制路径。这种输入可包括通过传感器42接收到的左脚踏板22的 位移、通过传感器44接收到的右脚踏板24的位移、通过传感器34接收到的动力源28的输 出速度以及通过传感器46接收到的变速器单元30的输出速度。可预期的是，在确定所需 的输出指令时可依靠其他的输入来源。例如，控制模块32可接收来自于一速度限值选择器 的限制机械10可行驶的最大速度的信号、来自于操作者输入装置18的表示最高可允许的 虚拟档位的信号和/或表示驻车制动器是否已经接合的信号。图6示出了选择基础映射及随后的控制路径的第一示例。图6示出了选择前进基 础控制映射48和控制路径以使得机械10从静止起加速。因为操作者想要机械10在前进 方向上运动，所以操作者可将FNR选择器26移动到前进位置。信号可传递到控制模块32， 表示FNR选择器26已经被设置到前进位置。控制模块32 —旦接收到该信号就可选择图6 所示的前进基础控制映射48。控制模块32可从各种来源接收输入信号以选择合适的子映射。特别地，控制模块 32可接收传感器34和46的表示机械10静止的信号。此外，控制模块32可接收传感器44 的表示操作者压下右脚踏板24以增加扭矩输出的信号。响应于上述的输入信号，控制模块 32可确定操作者想要沿前进方向推进机械10。因此，控制模块32可选择前进基础控制映 射48的推进子映射50。在选择了合适的映射之后，控制模块32可响应于传感器44传递的扭矩输出增加 请求来增加变速器单元30的扭矩输出。当扭矩输出增加时，控制模块32可持续地将扭矩 输出与最大扭矩限值56进行比较。可预期的是，最大扭矩限值56可响应于操作界面装置 18的输入而变换或按比例调整或者可设在控制策略算法中。如果变速器30的输出扭矩小 于最大扭矩限值56，则控制模块32可根据传感器44传递的请求来持续地增加扭矩输出。 然而，如果输出扭矩等于最大扭矩限值56，则控制模块32可不考虑来自于传感器44的请求 输出扭矩增加的信号，并且可将输出扭矩保持在与最大扭矩限值56相等的水平上。在将输出扭矩保持于恒定水平的同时，控制模块32可持续地将机械10的速度与 最大速度限值58进行比较。如果机械10的速度小于最大速度限值58，则控制模块32可维 持输出扭矩的大小。然而，如果机械10的速度等于最大速度限值58，则控制模块32可减小 输出扭矩以使机械10的速度保持于最大速度限值58。与最大扭矩限值56类似，最大速度 限值58可响应于来自于操作界面装置18的输入而变换或按比例调整或者可设在控制策略算法中。图7示出了选择基础映射及随后的控制路径的第二示例。图7示出了选择前进基 础控制映射48和控制路径以使得机械10从初始速度滑行到停止。因为机械10可能已经 在前进的方向上运动，所以FNR选择器26已经被设在前进位置上。因此，表示FNR选择器 26的前进位置的信号已经被传递到控制模块32，图7所示的前进基础控制映射48已经被 选择。控制模块32可基于从各种来源接收到的输入信号选择合适的子映射。特别地，控 制模块32可接收传感器34和46的表示机械10以一特定速度运动的信号。此外，控制模 块32可接收来自于传感器42的表示左踏板22和右踏板24均处于空档位置的信号。响应 于上述的输入信号，控制模块32可确定操作者期望机械10从当前的车辆速度滑行到停止。 因此，控制模块32可选择前进基础控制映射48的减速子映射52。 在选择了合适的子映射之后，控制模块32可增加变速器单元30的减速力，直到减 速力的大小达到最大滑行减速力限值64。可预期的是，最大滑行减速力限值64可响应于操 作界面装置18的输入而变换或按比例调整或者可设在控制策略算法中。在达到最大滑行 减速力限值64之后，该减速力可保持恒定，直到抵达最大减速力限值60。一旦抵达最大减 速力限值60，控制模块32就可减小减速力直到机械10停止。因为所披露的控制系统可对多个输入进行解释以确定基础控制映射和子映射的 期望组合，所以可增加控制系统的灵活度。此外，采用控制映射的组合来形成所需的控制路 径可增加可能的控制路径的数量，使得其超出所提供的映射的数量，从而增加了该系统的 灵活度。这种灵活度可增加变速器工作环境和应用的多样性，最终增加相关机械的工作环 境和应用的多样性。对于本领域技术人员来说显而易见的是，可对所披露的操作界面做出各种修改和 变型。通过对披露的操作界面的说明和实践，其他的实施方式对于本领域技术人员是显而 易见的。说明和示例旨在认为仅是示例性的，真实范围是由所附的权利要求以及它们的等 价方式限定的。
权利要求
一种无级变速器(30)，包括从动构件(38)；至少一个操作者输入装置(26)，其配置成传递一变速器操作模式请求；至少一个其他的操作者输入装置(22，24)，其配置成传递一从动构件输出请求；至少一个传感器(46)，其配置成感测至少一个表示变速器操作状态的参散；以及控制器(32)，其配置成响应于所述操作模式请求、从动构件输出请求、以及至少一个感测到的表示变速器操作状态的参数来调节所述从动构件的输出。
2.根据权利要求1所述的无级变速器，其中所述控制器包括多个存储在其存储器中的 基础映射(48，68)，每个所述基础映射与变速器的一操作模式相关联并且包括多个子映射 (50，52，54，70，72，74)。
3.根据权利要求2所述的无级变速器，其中所述控制器配置成响应于变速器模式请求 来选择基础映射，并响应于从动构件输出请求和至少一个感测到的表示变速器操作状态的 参数来选择子映射。
4.根据权利要求3所述的无级变速器，其中变速器的操作模式是前进模式、倒退模式 和空档模式其中之一。
5.根据权利要求4所述的无级变速器，还包括至少一个另外的操作输入装置(18)，其 配置成传递一请求以限制从动构件的输出。
6.根据权利要求5所述的无级变速器，其中所述控制器配置成响应于限制请求来调节 从动构件的输出。
7.根据权利要求6所述的无级变速器，其中每个子映射包括至少一个限制从动构件输 出的限制曲线(56，58，60，62，642，66，76，78，80，82，84，86)，所述控制器配置成响应于限制 请求来修改每个限制曲线。
8.一种操作变速器(30)的方法，包括 接收操作模式请求；接收变速器输出请求；感测至少一个表示变速器操作状态的参数；以及响应于所述操作模式请求、变速器输出请求和至少一个表示变速器操作状态的参数来 控制变速器的从动装置(38)的输出。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括接收至少一个变速器输出限制请求并基于所述 至少一个限制请求来控制变速器的输出。
10.一种机械(10)，包括动力源(28)，其配置成产生动力输出； 至少一个牵引装置(14)，其配置成推进所述机械；操作台(12)，其配置成接收来自于操作者的表示期望的机械运动的输入；以及 根据权利要求1-7中任一项所述的无级变速器。
全文摘要
提供了一种具有从动构件的无级变速器(30)。该无级变速器还具有至少一个配置成传递一变速器操作模式请求的操作者输入装置(26)和至少一个配置成传递一从动构件输出请求的其他的操作者输入装置(22，24)。此外，该无级变速器具有至少一个配置成感测至少一个表示变速器操作状态的参数的传感器(46)。该无级变速器还具有控制器(32)，该控制器配置成响应于所述操作模式请求、从动构件输出请求、以及至少一个感测到的表示变速器操作状态的参数来调节从动构件的输出。
文档编号F16H61/66GK101809337SQ200880108859
公开日2010年8月18日 申请日期2008年9月19日 优先权日2007年9月28日
发明者A·马蒂内兹, B·B·施穆克, B·D·霍夫, K·L·达尔, M·A·施皮尔曼, R·G·因格拉姆, Y·赵 申请人:卡特彼勒公司