本发明属于自动离合器控制机构技术领域，特别是用以降低汽车发动和爬行引起的振动性响应的闭环自动离合器控制装置的技术领域。 近几年来，人们对提高汽车（特别是大型卡车）传动系统控制的自动化越来越感兴趣。小客车和轻型载货汽车都采用自动变速箱，这是众所周知的事。这类汽车一般的自动变速箱采用液力变矩器和液压驱动装置来选择发动机轴与主动轮之间的最终传动传动比。这种齿轮传动是根据发动机转速、汽车速度等来选择的。大家都知道，这种自动变速箱会降低动力从发动机传递到主动轴的效率，与熟练的手动变速操作相比，无论在节油和动力方面都大打折扣。这类液压自动变速箱在大型卡车上得不到广泛的应用，因为它降低卡车的操纵效率。
采用液压自动变速箱时使效率受损失的一个原因是由于液力变矩器中产生损耗。一般液力变矩器在所有工作状态下都会打滑，从而使转矩和动力都有损耗。本技术领域中的人员都知道，可以配备锁止变矩器来使变速箱的输入轴在发动机转速超出某一定值时直接与输出轴相连接。使用这种方法可以使转矩的传递具有足够的效率，但这种方法在较低的速度下却不能提高效率。
有人提出过用自动驱动式的摩擦离合器代替液力变矩器以便消除后者固有的效率不高地缺点。但这样做却带来了使用液力变矩器时所没有出现的问题。汽车的机械传动系统一般在汽车变速箱与主动轮之间的动力传动系统中呈现出相当大的转矩适应性（torsional compliancc）。这种转矩适应性可发生在变速箱与差速器之间的主动轴上或差速器与主动轮之间的主动轴上。往往有这样的情况，有的独立的设计标准提倡或要求这种动力传动系统有较大的转矩适应性。然而，当汽车动力传动系统的转矩适应性很显著时却会引起离合器啮合时的振动性响应。这些振动性响应会使汽车传动系统的各组件和其它部件进一步严重磨损。此外，这些振动性响应还会使汽车座仓的振动达到有害的程度。
动力传动系统因离合器啮合而产生的振动性响应在很大程度上取决于变速箱的输入转速（即离合器的转速）趋近于发动机转速的方式。当该转速平稳地趋近发动机转速时（例如按衰减的指数函数而趋近时），对于离合器止锁不赋予转矩的过渡过程。若该转速突然地趋近，则有一个转矩过渡过程传递到动力传动系统，从而在汽车动力传动系统中产生振动性响应。
因此，最好使摩擦离合器自动离合，这样可以减小离合器啮合引起的振动性响应。在大型卡车中因使离合器自动离合而引起的问题将会增加。尤其是，大型卡车呈现出的响应随不同的车辆而异，即使同一辆大型卡车，其响应也不一样。个别大型卡车从空载到满载的总重，其变化在8比1的范围内。在不同卡车之间，动力传动系统的适应性可以在2比1的范围内变化。此外，同一个离合器以及不同的离合器之间，离合器摩擦特性也随离合器啮合程度的不同而异。如果能使这种离合器自动离合系统无需大幅度调整就能适用于特定汽车或适应汽车的操纵情况，则大有好处。
本发明是用于一种组合系统中的自动离合器控制器，该组合系统包括一个动力源、一个摩擦离合器和至少一个藉惯性加载的主动车轮，主动车轮与摩擦离合器连接，摩擦离合器的转矩适应性对转矩输入呈现出振动性响应。自动离合器控制器最好与变速箱换挡控制器配用。这种自动离合器控制器当汽车在变速箱换挡之后的发动期间和爬行期间能使离合器平稳啮合，从而将离合器啮合时所产生的振动性响应减少到最小程度。这种自动离合器控制器对大型卡车是很有用的。
自动离合器控制器接收来自发动机转速传感器和变速箱输入转速传感器的输入。变速箱输入转速传感器检测变速箱输入端（即摩擦离合器的输出端）的转速。自动离合器控制器产生离合器啮合信号，该信号控制着离合器驱动器，使离合器在完全分离和完全啮合状态之间切换。离合器啮合信号以这样的方式使摩擦离合器啮合，即，使得变速箱的输入转速以渐近线的方式趋近参考转速。这就使得主动车轮惯性加载时的转矩输入所引起的振动性响应减少到最小程度。
在最佳实施例中，自动离合器控制器以两种状态工作。在发动状态下（这相应于汽车正常起动情况），离合器啮合信号促使变速箱输入转速以渐近线的形式趋近发动机转速。这种发动状态也可以在一当变速箱齿轮换挡后离合器再啮合时采用。在爬行状态下（这相应于汽车低速爬行情况），离合器啮合信号促使变速箱输入转速以渐近线的形式趋近爬行参考信号。该爬行参考信号是根据油门的大小和发动机的转速产生的。这两种工作状态则是根据油门的调定情况而选择的。发动状态是在油门开度为全开时的25%时选取的，否则则选用爬行状态。
自动离合器控制器最好按数字微控制器所执行的离散差分方程进行控制。该微控制器履行补偿器的任务，该补偿器的传递函数与惯性加载主动车轮传递函数的逆反形式近似。该补偿器传递函数包括覆盖动力传动系统的预期的振动性响应范围的陷波滤波器。这个陷波滤波器的频带必须足够宽以便包括一系列的频率，因为振动性响应频率可能会随汽车负荷和动力传动系统特性的变化而变化。
离合器驱动控制器最好存储对应于变速箱的各个传动比的离散差分方程的成套的系数。离合器驱动控制器能够重新调用该成套的对应于所选取的传动比的系数。这些被再调用的成套系数被用于其它方面完全相同的离散差分方程中，以供控制离合器之用。
自动离合器控制器的补偿器内最好包括有一个积分函数（integral function），以确保离合器在发动工作状态下当初始部分啮合之后的预定时限内完全啮合。当变速箱输入转速参考信号与变速箱输入转速之间长时间不一致时，会产生一个用以最终地驱动离合器致使其完全啮合的增加信号。
自动离合器控制器还可以包括与发动机转速传感器连接的微分装置。对应于发动机转速信号变化率的发动机转速微分信号附加到供到补偿器的信号之中。该微分信号在发动机加速时促使离合器快速向前动作。离合器在这些条件下的快速向前动作防止发动机转速失去控制。与微分装置相连接的积分装置可以使离合器在发动机不再加速时无需去限制发动机转速。
下面结合附图说明本发明的上述和其它目的以及本发明的各方面。附图中：
图1 示出了装设有本发明的离合器驱动控制器的汽车传动系统的原理图;
图2 示出了离合器的啮合与离合器转矩之间的典型关系曲线;
图3 示出了在汽车的整个发动时间内发动机转速和变速箱输入转速的理想响应曲线;
图4 示出了在汽车的整个爬行时间内发动机转速和变速箱输入转速的理想响应曲线;
图5 示出了本发明的离合器驱动控制器的一个最佳实施例。
图1 示出了装设有本发明的自动离合器控制器的汽车传动系统的原理图。其中，汽车有一个作为动力源的发动机10。作为本发明最适用的一种大型卡车，发动机10应为柴油内燃发动机。油门11通常是个脚驱动的踏板，它经油门过滤器12控制发动机10的运转。油门滤波器12在经过油门11收到油门开度按级增加的信息时提供斜波形的油门信号，由此对供到发动机10的油门信号进行滤波。发动机10在发动机轴15上产生转矩。发动机速传感器13检测发动机轴15的转速。发动机转速传感器进行转速检测的实际位置可以是在发动机的飞轮上。发动机转速传感器13最好是一个多齿齿轮，齿轮的转动由磁力传感器检测。
摩擦离合器20具有固定片21和活动片23，两片能完全接合或部分接合。固定片21可以与发动机飞轮结合。摩擦离合器20将来自发动机轴15的转矩按照对应于固定片21与活动片23的接合程度而耦合到输入轴25上。应该指出的是，图1只是示出了一对固定片和活动片，而熟悉本技术领域的人们都知道，离合器20可以包括多对的这种离合片。
图2示出了转矩随离合器位置而变化的典型关系曲线。离合器转矩/位置曲线80开始时在初始接触点81之前的啮合范围为零。离合器转矩随着离合器的啮合而单调地上升。在图2所示的实例中，离合器转矩起初缓慢上升，然后转矩曲线更陡斜地上升，直到完全啮合点82时离合器转矩达到最大值为止。一般离合器的设计要求当离合器完全啮合时其最大转矩约为发动机最大转矩的1.5倍。这样确保离合器20能传递发动机10所产生的最大转矩而不打滑。
离合器驱动器27与活动片23联接，以控制离合器20从不啮合而通过半啮合到完全啮合的啮合过程。离合器驱动器27可以是电动、液压或气动的驱动器，且可以按位置或压力进行控制。离合器27根据来自离合器驱动控制器60的离合器啮合信号控制离合器的啮合程度。
变速箱输入转速传感器31检测输入轴25的转速，该转速输入到变速箱30上。变速箱30在变速箱换挡控制器33的控制下给主动轴35提供可选择的传动比。主动轴35与差速器40联接。变速箱输出转速传感器37检测主动轴35的转速。变速箱输入转速传感器31和变速箱输出转速传感器37最好按与发动机转速传感器13相同的方式构制。在本发明的最佳实施例中，这里的汽车是大型卡车，其差速器40驱动四个主动轴41至44，四个主动轴41至44则再与各车轮51至54联接。
变速箱换挡控制器33接收来自油门11、发动机转速传感器13、变速箱输入转速传感器31和变速箱输出转速传感器37的输入信号。变速箱换挡控制器33产生用以控制变速箱30的齿轮选择信号和离合器啮合/分离信号，该后一个信号被耦合到离合器驱动控制器60上。变速箱换挡控制器33最好根据油门调定情况、发动机转速、变速箱输入转速和变速箱输出转速而改变变速箱30提供的最后的传动比。变速箱换挡控制器33根据摩擦离合器20是否应接合或应分离而提供相应的接合和分离信号。变速箱换挡控制器还给离合器驱动控制器60发送传动信号。该传动信号使得对应于所选择的齿轮传动的成套系数被再调用出来。由于变速箱换挡控制器33不是本发明的一部分，因而这里不再详述。
离合器驱动控制器60向离合器驱动器27提供离合器啮合信号，供控制活动片23的位置。这样于是就根据图2的离合器转矩/位置曲线80而控制离合器20传递的转矩量。离合器驱动控制器60在变速箱换挡控制器33的控制下工作。离合器驱动控制器60当接收到来自变速箱换挡控制器33的接合信号时，控制活动片23从分离到至少部分接合或完全接合的动作。在本最佳实施例中，设想离合器接合信号表示所要求的离合器位置。离合器驱动器27最好包括用来将活动片23控制到该所要求的位置的闭环控制系统。也可以使离合器接合信号表示所要求的离合器压力，由离合器驱动器27对该所要求的压力进行闭环控制。根据具体的汽车而定，可以让离合器驱动器27以开环的方式工作。离合器驱动器27的详细细节对本发明不是关键，因而这里不再详述。
离合器驱动控制器60最好在收到来自变速箱换挡控制器33的分离信号时，产生使离合器20分离的预定的开环离合器分离信号。离合器20对于这种预定的开环分离是不会有有害的振动性响应发生的。
图3和4示出了汽车从完全停止到进行起动的两种情况。图3和4示出了在离合器理想啮合过程中发动机转速与变速箱输入转速的关系曲线。图3示出发动时的情况。图4示出爬行时的情况。
图3示出了发动的情况，即从完全停止的状态发动起来以便按适当的速度行驶。起初，发动机转速90处于怠速。接着，发动机转速90在图3的时间范围内单调上升。发动机转速90或者增加，或者保持不变。在理想的情况下，发动机转速90增加，直到发动机10所产生的转矩与加速汽车所需要的转矩相适应为止。在高负荷时，该发动机转速可能在怠速与发动机最高转速之间的中间范围。发动机的这个恒定转速相应于使离合器转矩和动力传动系统转矩相匹配、并使发动机输出转矩与汽车负荷转矩之间达到平衡所需要的发动机转矩。这个转矩水平是理想的离合器转矩，因为大于该转矩水平的离合器转矩将会使发动机停下来，而小于该转矩水平的离合器转矩将会使发动机转速增加得过多。最后，汽车会加速到使离合器完全啮合的速度。这之后，发动机转矩与负荷转矩之间的平衡是由司机通过油门的调节而控制，离合器驱动控制器60则继续控制离合器的全啮合过程。
当汽车停下来且离合器完全分离时，变速箱输入转速100和起初一样地为零。这是汽车起动的情况。但如下面即将进一步谈到的那样，这个方法同样也可用在行驶过程中换挡时离合器的平稳啮合过程。这样，变速箱输入转速起初可能处于对应于汽车速度的转速。当离合器20部分啮合时，变速箱输入转速100增加，以渐近线的方式趋近发动机转速。在点101处，变速箱输入转速100与发动机转速90接近得足以使离合器20完全啮合而无需激发汽车动力传动系统的转矩适应性。这时离合器20完全啮合。这之后，变速箱输入转速100跟踪发动机转速90，直到离合器20分离为止，这时变速箱控制器33选择下一挡更高的最终传动比。本系统最好在汽车没有停下来、初始变速箱输入转速不为零的情况下也工作。
图4示出了爬行情况下的发动机转速和变速箱的输入转速。在爬行状态下，必须有意地令离合器20打滑，为的是适应高于怠速的发动机转速下的发动机转矩和所要求的转矩。图4示出了发动机转速95从怠速上升到稳定的水平。输入转速105以同样的方式从零上升到预定的水平。在此实例中，该预定水平低于发动机的怠速。当所要求的汽车速度意味着变速箱的输入转速低于在最低传动比之下的怠速时，需要是爬行工作状态。当所要求的汽车速度意味着变速箱的输入转速高于发动机的怠速而发动机10不能产生在此转速下的转矩时，也需要爬行工作状态。应该指出，在静止情况下，发动机转速95与输入转速105之间有转速差107。这个转速差107就是爬行工作时所需要的滑动速度。
图5是变速箱驱动控制器60的控制作用的原理示意图。从图1中也可以看到，离合器驱动控制器60接收来自油门11的油门信号、来自发动机转速传感器13的发动机转速信号和来自变速箱输入转速传感器31的变速箱输入转速信号。图5中所示的离合器控制器60产生离合器啮合信号而将其加到离合器驱动器27供驱动摩擦离合器20之用。虽然图5中没有示出，但离合器的驱动程度连同油门调定情况、发动机转速和汽车的特性一起确定了变速箱输入转速，该转速由变速箱输入转速传感器31所检测，再提供到离合器驱动控制器60上。因此，图5中所示的控制原理图是个闭环系统。
只有当离合器的位置在触点81和全啮合之间时才需用图5中所示的控制过程。当离合器啮合的程度小于相当于接触点81的啮合程度时，由于离合器20完全离开，因而转矩不可能传递。离合器驱动控制器60最好包括检测离合器对应于接触点81的位置的某种检测方式。这种测定技术是本技术领域众所周知的。这里仅仅举个例子，处于接触点81的离合器位置的测定可以通过将变速箱30安置在中性位置并推进离合器20使其啮合直到变速箱输入转速传感器31第一次检测出转动情况而实现。收到来自变速箱换挡控制器23的啮合信号时，离合器驱动控制器60最好迅速将离合器20推进到对应于接触点81的位置上。这使得离合器啮合控制的零点被设置到接触点81上。这之后，离合器的啮合由图5所示的控制过程控制。
最好采用微控制电路作为离合器控制器。对应于发动机转速、变速箱输入转速和油门调定情况的各种输入必须取数字形式。这些输入信号最好按与微控制器的工作速度相适应的速率取样，取样的速率应该足够高以便进行所要求的控制。前面已经说过，发动机转速、变速箱输入转速和变速箱输出转速最好由多齿齿轮检测，该齿轮齿的转动则由磁力传感器检测。在预定的时限内对磁力传感器所检测的脉冲群进行计数。各计数值与所测定的转速成正比。要使控制过程妥善进行，当汽车往后退时，变速箱输入转速信号须为负。需要具有检测输入轴25的转动方向的方法。这种方向检测是传统的方向检测方法，因而这里不再进一步说明。油门调定情况最好由电位计之类的模拟传感器检测。该模拟油门信号由微控制器所采用的模/数转换器进行数字化。微控制器以离散差分方程按本技术领域周知的方式执行图5所示的过程。因此图5所示的控制过程不应只看成为孤立的硬件作用过程而应视为对微控制器进行编程以体现本发明的过程。可以用同一个微控制器作为离合器驱动控制器60和作为变速箱换挡控制器33，只要容量足够、程序设计得好。Intel 80c196微控制器的性能足以完成上述任务。
来自油门11的油门信号加到发动/爬行选择器61和爬行转速参考电路62上。发动/爬行选择器61根据油门信号而确定应在发动状态或在爬行状态工作。在本发明的最佳实施例中，当油门信号表示出是大于全油门设定情况的25%的情况时，发动/爬行选择器61选择发动状态。在其它情况下，发动/爬行选择器61选择爬行状态。
爬行转速参考电路62接收油门信号和发动机转速信号，并产生爬行速度参考信号。该爬行速度参考信号按下式确定：
R（crp）＝E（sp） (T)/(T（ref）) （1）
其中R（crp）为爬行速度参考信号;E（sp）为所测出的发动机转速;T为油门信号;T（ref）为油门参考常数，它等于25%全油门时的油门信号。爬行速度参考信号等于发动机转速信号与实际油门/25%全油门的比值的乘积。油门调定情况大于25%全油门时，无需爬行速度参考信号，因为这时可采用发动状态而不用爬行状态。应该指出，该爬行速度参考信号使得转速参考信号即使在发动状态与爬行状态之间相互切换时也是连续的。这样，如果由于油门调定情况的变化使得出现两种工作状态之间相互切换，也不会产生不稳定情况。
状态选择开关63确定离合器驱动控制器60的工作状态。状态选择开关63接收发动/爬行选择器61作出的状态选择决定。状态选择开关63根据发动/爬行选择器61所确定的状态而选择发动机转速信号或爬行速度参考信号。选取发动状态时，状态选择开关63选择发动机转速以便进行控制。这样，在发动状态下，离合器的啮合被控制成使得变速箱输入转速能与发动机转速相适应。选取爬行工作状态时，状态选择开关63选择爬行速度参考信号以便进行控制。在爬行状态，离合器啮合情况被控制成使得变速箱输入速度与爬行速度参考信号相适应。这相当于控制离合器的啮合，使实际的离合器滑动与所要求的滑动速度相适应。无论在哪一种状态下，转速参考信号都是变速箱输入转速参考值。
代数加法器64将输入提供给补偿器65。该输入为状态选择开关61所选择的速度参考信号与来自变速箱输入转速传感器31的输入转速信号之间的差值，再加上在下面即将谈到的一些其它项。补偿器65包括一个传递函数，该传递函数是汽车动力传动系统对转矩输入的转矩振动性响应近似的逆反形式。
补偿器65的传递函数被选取成可用以通过离合器驱动器27而控制离合器的啮合，从而使动力传动系统中的振动衰减。在可应用本发明的一般重型卡车中，动力传动系统的转矩适应性使动力传动系统的传递函数具有一对可以是处在2至5赫的频率范围内的稍微衰减的极点。其实际值取决于汽车的特性。补偿器65的传递函数在这些极点区内形成陷波滤波器。陷波的频带宽得足以包括汽车预期的频率响应范围。该陷波滤波器最好包括两个复数零（complex zeros），该复数零的频率处在汽车传递函数中所预期的各极点频率范围内。这样，闭环系统的总响应具有高衰减的本征值，使系统振动情况减小。
补偿65还包括积分函数。靠近零的一对极点零最好提供这个积分函数。这种传递函数被称为滞后补偿。在补偿器65内设置这个积分函数可以确保离合器在发动状态工作时锁止。可以用相应的积分系数调节补偿器65的积分速度。状态选择开关63所选择的速度参考信号与变速箱输入转速之间存在任何长时间的差别时会使补偿器65的积分函数产生增加信号。任何这种增加信号将起着驱动离合器使其完全啮合的作用。这确保离合器20在发动状态时，当汽车起动之后的某预定的最长时间在点101完全啮合。在爬行状态时，补偿器65的这个积分函数确保爬行速度参考信号与变速箱输入转速之间无长期的误差。
补偿器65的传递函数最好取下列形式：
C(s)=K(s+a)(s2+bs+c2)s(s+d)(s+e)---(2)]]>
其中，K为补偿器的增益常数，a，b，c，d和e为常数。（s+a）/s项起滞后作用。该常数为正，且接近零。（s2+bs+c2）/（s+d）（s+e）项起陷波滤波器的作用。（s2+bs+c2）/（s+d）（s+e）的根提供所要求的陷波滤波器的复数零。常数d和e是大得足以不致影响闭环的稳定性的正数。方程（2）取连续的时间传递函数的形式。在最佳实施例中，由一个微控制器来实现在离散差分方程中的补偿器65。熟悉本技术领域的人士应该知道如何将该连续的时间传递函数转换成离散差分方程。
前馈控制信号（feedforward signal）借助于发动机转速微分信号而加到离合器啮合信号中。发动机转速信号经低通滤波器66适当滤波，以减少微分信号中的噪音。微分电路67产生与发动机转速变化率成正比的微分信号。该发动机转速微分信号及其由积分电路68产生的积分信号加到代数加法器64中。代数加法器64将来自微分电路67的发动机转速微分信号和来自积分电路68和积分信号连同上述其它信号相加起来，形成补偿器64的输入。
前馈控制信号提高离合器控制器60在发动机加速时的响应能力。发动机加速时，前馈控制信号促使离合器20以正比于发动机加速的速率而快速啮合。在动力传动系统转矩建立之前，在油门全开的情况下，发动机转速能迅速增加。这是因为当没有这个前馈响应时的离合器驱动控制器60的响应速度比发动机的峰值响应速度低的缘故。有了这个前馈响应，发动机快速加速使离合器比没有前馈响应时啮合得更快。离合器的进一步啮合由于需要来自发动机的额外转矩，因而势必抑制发动机转速的增加。当发动机转速达恒定值时，微分项衰减到零，于是积分电路68保持抑制发动机转速所需要的离合器啮合状态。控制函数的其它部分这时就起使变速箱输入转速按渐近线的方式降低到参考转速的作用。
上面说过，图5的各元件最好通过微控制器中的离散差分方程实现。本发明的好处是可以在变速箱换挡之后用以使离合器再啮合。在此情况下，采用图5所示的同一个控制过程，包括补偿器65的离散差分方程。控制变速箱换挡的过程与上述选择体现离合器驱动控制器60的离散差分方程的系数的过程不一样。用于各所选定的传动比的各离散差分方程的系数存储在体现离合器驱动控制器60的微控制器内的系数存储器69中。根据现行啮合的齿轮传动比可再调用这些系数中的特定组，这些系数应用于形成补偿器65的离散差分方程中。本发明在其它方面按上述同样的方式工作。
这种结构的效果是控制离合器的驱动过程，使汽车动力传动系统中的振动减小到最小程度。离合器驱动控制器60中的各更高频的元件经离合器驱动器27而控制离合器20，使汽车动力传动系统中的振动衰减。离合器驱动控制器60的积分元件使长期误差减小到最小程度，并确保在发动状态工作时使离合器完全啮合。