实现基于速度的离合器调节的机械控制系统.pdf

本发明公开了一种用于具有动力源和变速器的机械的机械控制系统，更具体地说是实现基于速度的离合器调节的机械控制系统。该机械控制系统可以具有设置用于连接动力源的输出和变速器的输入的离合器。该机械控制系统还可以具有设置用于产生指示动力源速度的信号的传感器，以及与离合器和传感器通信的控制器。该控制器可以被设置用于根据所述信号改变离合器的致动力。

1.  一种用于具有动力源和变速器的机械的机械控制系统，所述机械控制系统包括：
被设置成用于连接所述动力源的输出和所述变速器的输入的离合器；
被设置成用于产生指示发动机速度的信号的传感器；以及
与所述离合器和所述传感器通信的控制器，所述控制器被设置成用于根据所述信号改变所述离合器的致动力。

2.  根据权利要求1所述的机械控制系统，还包括被设置成用于指示从所述动力源传输到所述变速器的转矩的操作者期望减小量的操作者输入装置，其中所述控制器与所述操作者输入装置通信并被设置成用于根据所述操作者期望的减小量改变所述离合器的致动力。

3.  根据权利要求2所述的机械控制系统，其特征在于：所述操作者输入装置能够在从空档到最大移动档位的范围内活动，并且所述范围包括所述致动力基本不会受影响而改变的死区。

4.  根据权利要求3所述的机械控制系统，其特征在于：
当所述操作者输入装置被活动到所述死区终点处的移动档位时，所述致动力被改变为仅与所述信号相关的水平；且
当所述操作者输入装置被活动到所述死区之外的移动档位时，所述致动力被改变为与所述移动档位和所述信号相关的水平。

5.  根据权利要求3所述的机械控制系统，其特征在于：
所述致动力随着所述操作者输入装置从所述空档朝向所述最大移动档位活动而减小；
在所述输入装置处于所述死区的移动终点时受到影响的所述致动力减小，用于降低动力源速度；且
其中在所述输入装置处于最大档位时受到影响的所述致动力增大，用于降低动力源速度。

6.  一种操作机械的方法，包括：
产生具有速度分量的动力；
接合连接器以传输所述动力用于推进所述机械；并且
根据所述速度分量改变所述连接器的接合。

7.  根据权利要求6所述的方法，还包括接收指示被传输用于推进所述机械的动力的操作者期望减小量的输入，其中所述连接器的接合也根据所述输入而改变。

8.  根据权利要求7所述的方法，其特征在于：
所述输入包括从空档值到最大减小值的范围，并且所述范围包括所述接合基本不会受影响而改变的死区；
当所述输入是所述死区的边界值时，所述接合被改变为仅与所述速度分量相关的水平；且
当所述输入具有所述死区之外的值时，所述接合被改变为与所述输入的值和所述速度分量相关的水平。

9.  根据权利要求7所述的方法，其特征在于：
所述接合随着所述输入值从所述死区的边界值向所述最大减小值增加而被减小；
所述连接器的接合在所述输入值处于所述边界值时被降低，用于降低速度分量；且
所述连接器的接合在所述输入值处于所述最大减小值时被提高，用于降低速度分量。

10.  一种机械，包括：
通过转矩变换器连接至变速器的发动机；
由所述变速器可操作地驱动的牵引装置；和
根据权利要求1至5中的任意一项所述的机械控制系统，其设置用于调节从所述发动机通过所述转矩变换器和所述变速器到所述牵引装置的转矩的传递。

实现基于速度的离合器调节的机械控制系统
技术领域
本发明总的涉及一种机械控制系统，更具体地，涉及一种实现基于速度的发动机离合器调节的机械控制系统。
背景技术
机械，包括公路型和越野型的拖运和专用卡车、轮式装载机、机动平地机和其他类型的重型机械，通常包括经由转矩变换器组件驱动地连接至发动机的多速、双向、机械式变速器。转矩变换器是一种通过允许在发动机输出轴和变速器输入轴之间滑动而增加和/或吸收在机械的发动机和牵引装置之间传递的转矩波动的流体连接器。转矩变换器组件包括叶轮离合器，用于允许操作者有一定的自由度以确定发动机输出轴和转矩变换器(也就是叶轮)输入轴之间的滑动。叶轮离合器允许发动机高速度的同时限制了被传递到转矩变换器内的转矩大小，从而允许引导部分转矩用于其他目的。
随着操作者下压叶轮离合器踏板，保持叶轮离合器接合的力被成比例减小。随着力的下降，离合器可以开始滑动且从发动机传输到转矩变换器的转矩更小。加至离合器的力的大小被选择为使得在高怠速下未下压离合器踏板时，离合器不会滑动且由发动机产生的基本上全部转矩都被传递到转矩变换器。
尽管在高怠速下有效，但是在踏板未被下压时加至离合器的力的大小在较低的发动机速度下可能不是最优的。也就是说，由发动机产生的转矩大小可能在一定程度上与发动机速度成比例。这样，当发动机速度降低时，由发动机产生的转矩也类似地降低。由此，在较低的发动机速度下，因为由发动机产生和通过离合器传递的转矩较小，所以用于防止离合器打滑所需的力较小。但是，因为力加至离合器以保持接合与高怠速下的发动机转矩相对应，所以该力必须在发生任何离合器打滑之前被大幅度降低。为此，当在发动机低速度下下压踏板时，被传递的转矩的调节可能会反应迟钝。
1997年3月25日授予Fonkalsrud等人的美国专利NO.5613581(′581专利)中公开了一种关于改进的叶轮离合器控制的系统。′581专利公开了一种用于驱动机组的电动液压控制装置，包括发动机、变速器、转矩变换器和叶轮离合器。人工操作的叶轮离合器踏板响应于叶轮离合器踏板的位置而产生叶轮离合器踏板信号。叶轮离合器电动液压阀产生流动至叶轮离合器的流体，以可控地接合和脱离叶轮离合器。响应于叶轮离合器踏板位置的叶轮离合器压力曲线被存储在存储器内。旋转位置转换器选择指示期望牵引减小量的期望牵引设定值并产生期望牵引信号。电子控制器接收期望牵引信号并重新设定叶轮离合器压力曲线。随后，电子控制器接收叶轮离合器踏板信号并可控地致动电动液压阀以产生由叶轮离合器压力曲线确定的叶轮离合器期望压力。这就允许操作者根据机械运行条件并通过改进的踏板调节来定制降低的牵引设定值。
尽管′581专利中的装置可以改善对叶轮离合器的控制，但是它仍然不是最优的。也就是说，在存储器内存储多条叶轮离合器压力曲线可能会增加系统的成本和复杂性。同时，因为系统是人工激活的，所以它对于操作者来说可能会显得繁琐。而且，该系统在发动机速度低于高怠速时仍然具有和机器操作相关联的一定的延时，因此在变化的发动机速度下由操作者所体验到的操作连贯性可能会低于预期。
发明内容
本发明的控制系统涉及克服上述的一个或多个问题。
在一方面，本发明涉及一种用于具有动力源和变速器的机械的机械控制系统。该机械控制系统可以包括设置用于连接动力源的输出和变速器的输入的离合器。该机械控制系统还可以包括设置用于产生指示动力源速度的信号的传感器，以及与离合器和传感器通信的控制器。该控制器可以被设置用于根据所述信号改变离合器的致动力。
在另一方面，本发明涉及一种用于操作机械的方法。该方法可以包括产生具有速度分量的动力，并接合连接器以传递动力用于推进机械。该方法还可以包括根据速度分量改变连接器的接合。
附图说明
图1是示例性公开的机械的示意图；
图2是可以用于图1中的机械的示例性公开的控制系统的示意图；
图3是与图1中的机械相关联的一种示例性的性能曲线；以及
图4是与图1中的机械相关联的另一种示例性的性能曲线。
具体实施方式
图1示出了一种示例性的机械10。机械10可以具体化为执行与某一行业(例如采矿业、建筑业、农业、运输业或现有技术中公知的任意其他行业)相关的某种类型作业的运动机械。例如，机械10可以是推土或物料输送机械例如轮式装载机、越野型拖运卡车、机动平地机或任意其他适合的推土机械。机械10可以替代地具体化为公路型专用卡车、载人车辆或任意其他的作业执行机械。机械10除其他部件外还可以包括动力源12、转矩变换器组件14、可操作地连接在转矩变换器组件14和牵引装置18之间的变速器16，以及操作站20。
动力源12可以产生同时具有转矩和转速分量的动力输出(也就是说，动力＝转矩×速度，其中速度可以是例如轴的转速)，并且可以具体化为内燃机。例如，动力源12可以具体化为柴油发动机、汽油发动机、气态燃料动力发动机或者对本领域普通技术人员来说可以想到的任意其他的发动机。动力源12可以包含具有多个缸体(未示出)的发动机体、位于缸体内的往复运动的活塞(未示出)，以及可操作地连接至活塞的曲轴(未示出)。内燃机可以使用燃烧循环以将势能(通常为化学形式)转化为曲轴的旋转输出，该旋转输出又可以旋转转矩变换器组件14的输入。
转矩变换器组件14可以被用于将转矩从动力源12传输至变速器16。转矩变换器组件14可以包括转矩变换器22和叶轮离合器24。转矩变换器22可以是设置用于将转矩从动力源12传输至变速器16的液压机械装置。转矩变换器22可以允许动力源12在一定程度上独立于变速器16旋转。例如，转矩变换器22可以包含叶轮26和涡轮28。叶轮26可以被连接至叶轮离合器24的输出。也可以预见到，如果需要的话，叶轮26可以替代地被直接连接至动力源12(也就是直接连接至动力源12的曲轴)，且另一个离合器可以被设置在转矩变换器22的输出侧。例如，变速器16的第一离合器(未示出)可以实现类似于由叶轮离合器24所完成的功能。
叶轮26可以由于动力源操作而旋转(取决于叶轮离合器接合的程度)。由此叶轮26的这种旋转即可向转矩变换器22内的流体施加冲量。连接至变速器16的涡轮28可以接收该冲量，由此导致涡轮28和相连的变速器16旋转。在低流体流速和压力下，叶轮26可以在相对于涡轮28较高的速度下旋转。但是，随着在叶轮26和涡轮28之间传导的压力和流体流速的增加，涡轮28的转速会接近于叶轮26的转速。
叶轮离合器24可以允许动力源12和变速器16之间的可变接合。具体地，叶轮离合器24可以允许动力源12以相对的高速度和高转矩旋转，同时允许变速器16以较低的速度和/或用降低的转矩旋转。叶轮离合器24可以具体化为设置在动力源12的输出和转矩变换器22的输入之间的圆盘型离合器。叶轮离合器24可以包含输入盘和输出盘。输入盘可以被连接至动力源12并且可以由于动力源操作而旋转。输出盘可以被相对于输入盘基本同轴地定向并且可以被连接至转矩变换器22的输入。叶轮离合器24的输入盘和输出盘可以通过将各盘轴向地压在一起的液压和/或机械致动器被选择性地接合，从而允许将摩擦力用于将输入盘的旋转关联至输出盘的旋转或者相反。加至叶轮离合器盘的压力大小可能与摩擦力的大小有关，并相应地和动力源12和变速器16之间传输的转矩大小有关。叶轮离合器24可以通过降低输入盘和输出盘之间的摩擦接合程度而减弱动力源12到变速器16的连接，从而允许盘更自由地彼此相对旋转。类似地，叶轮离合器24可以通过增加输入盘和输出盘之间的摩擦接合程度(也就是通过增加将盘压在一起的压力)而增强动力源12到变速器16的连接。可以预见到叶轮离合器24可以如下所述被人工致动，或者通过控制器(未示出)被自动致动。叶轮离合器24可以产生指示其接合程度的信号。
变速器16可以包括互相作用以将动力从动力源12传输至牵引装置18的各种部件。特别地，变速器16可以具体化为多速、双向的机械式变速器，具有空档、多个前向齿轮比、一个或多个回动齿轮比以及用于选择性地接合产生期望输出齿轮比的预定齿轮组合(未示出)的一个或多个离合器(未示出)。变速器16可以是自动型变速器，其中切换基于动力源速度、操作者选定的最大齿轮比和存储在变速器控制器内的切换映射进行。作为替代方案，变速器16可以是手动变速器，其中操作者手动接合实际的齿轮组合。变速器16的输出可以通过轴30被连接用于可旋转地驱动牵引装置18，从而推进机械10。可以预见到如果需要的话变速器16可以替代地仅包括一种齿轮组合或根本没有齿轮组合，例如连续可变或平行路径类型的变速器。
牵引装置18可以包括位于机械10每一侧的车轮(仅示出了一侧)。替代地，牵引装置18可以包括履带、皮带或其他驱动牵引装置。牵引装置18可以由变速器16驱动，以和变速器16的输出旋转相一致地旋转。
操作站20可以包括一个或多个操作者连接装置。操作者连接装置可以靠近操作者座位设置并具体化为例如踏板、单轴或多轴操纵杆、方向盘、旋钮、推拉装置、开关以及现有技术中公知的其他操作者连接装置。如图2所示，一种这样的连接装置可以包括叶轮离合器踏板32。
叶轮离合器踏板32可以被人工致动，以允许对叶轮离合器24和摩擦型刹车机构(未示出)进行各种控制。叶轮离合器踏板的致动程度可以与由叶轮离合器24影响的动力源12和变速器16之间的连接接合程度有关，如下面将要更详细介绍的那样。叶轮离合器踏板32可以在从空档到最大移动档位的动作范围内活动。随着叶轮离合器踏板32从空档被移开，可以产生指示移动档位的信号。在某些实施方式中，移动档位可以和从动力源12传输到变速器16的转矩量的操作者期望减小量相关。
叶轮离合器踏板的动作范围可以被分为不同的部分。例如，叶轮离合器踏板动作范围的某些部分(例如大约最初的6％)可以被认为是死区部分。当移动到死区内的档位时，叶轮离合器踏板32的动作对叶轮离合器的运行几乎没有影响。也就是说，当在空档或移动到其动作范围最初的6％内时，叶轮离合器踏板32可以指示叶轮离合器24保持完全接合。类似地，叶轮离合器踏板动作范围的某些部分(例如大约最后的50％)可以被用于致动刹车机构。当操作者下压叶轮离合器踏板32时，叶轮离合器24可以脱离，直到其在叶轮离合器踏板32行程的大约50％处几乎被完全脱离为止。然后，如果操作者继续下压叶轮离合器踏板32通过剩余的50％动作范围，刹车机构可以变为接合并随着叶轮离合器踏板被进一步下压而不断增加接合程度。在某些实施方式中，刹车机构可以在如果到达叶轮离合器踏板行程的大约40％处就接合。可以预见到叶轮离合器踏板32可以具体化为机械装置、电子装置、液压装置或现有技术中公知的任意其他类型的装置。
如图2所示，机械10还可以包括控制系统34，其具有协作用于调节转矩变换器组件14的操作的部件。特别地，控制系统34可以包括与叶轮离合器24、叶轮离合器踏板32和发动机速度传感器38通信的控制器36。控制器36可以通过通信线路40与叶轮离合器24通信，通过通信线路42与叶轮离合器踏板32通信，并通过通信线路44与发动机速度传感器38通信。响应于来自叶轮离合器踏板32和发动机速度传感器38的输入，控制器36可以接合、脱离和改变叶轮离合器24的接合程度。
控制器36可以具体化为单个微处理器或多个微处理器，其包括用于从控制系统34接收输入并对其提供输出的部件。各种商业上可以获得的微处理器都可以被设置用于实现控制器36的功能。应该理解，控制器36可以轻易地被具体化为能够控制各种机械功能的通用机械微处理器。各种其他的电路都可以与控制器36相连，例如供电电路、信号处理电路、数据获取电路、信号输出电路、信号放大电路以及现有技术中公知的其他类型的电路。
还应考虑到控制器36可以包括存储在控制器36的内部存储器中的一个或多个映射并且控制器36可以在调节叶轮离合器24期间参照这些映射。这些映射中的每一个可以包括表格、曲线和/或公式形式的数据集合。例如，一种映射可以将由传感器38测量的发动机速度和叶轮离合器踏板32的移动档位关联为叶轮离合器24的致动压力或力，其导致从动力源12被传输到变速器16的操作者期望转矩量。替代地，第一映射可以将发动机速度关联为回油(Roll-off)压力，而第二映射可以将回油压力和叶轮离合器踏板32的移动档位关联为叶轮离合器24的致动压力或力。为了本发明的目的，回油压力被认为是在当前的转矩水平下(也就是在对应于当前发动机速度的转矩变换器14的转矩吸收水平下)任何进一步的减小都会导致叶轮离合器24一定程度上打滑的压力。回油压力可以在叶轮离合器踏板32被下压到死区的移动边界处时(也就是叶轮离合器踏板32被移动到其动作范围的大约6％时)达到。从全开(Full-on)压力(在没有下压叶轮离合器24时加至叶轮离合器24的压力)和回油压力开始改变致动压力或力可以是步进式的改变。但是，可以预见到如果需要的话压力的这种改变可以是更为渐进的。
控制器36可以使用现有技术中公知的任何控制方法来调节叶轮离合器24的操作，例如开关控制(bang-bang control)、比例控制、比例积分微分控制、自适应控制、基于模型的控制或基于逻辑的控制。控制器36既可以使用前馈控制也可以使用反馈控制。
图3和图4简要示出了控制系统34的示例性操作。下面将详细介绍这些附图。
工业实用性
本发明的控制系统可以应用于具有叶轮离合器的任意机械，其中离合器的响应特性会影响机械的性能。本发明的系统可以通过在主动调节之前根据发动机速度降低回油压力来改善叶轮离合器的响应特性。通过降低回油压力，就可以减小从下压叶轮离合器踏板到牵引转矩下降的死区。下面详细介绍机械10的操作。
在操作机械10期间，操作者可以将动力源12的速度设定为高怠速并在变速器16内接合期望的齿轮组合以初始化行程。随着机械10被推进，转矩可以从动力源12通过接合的叶轮离合器24，从叶轮26到涡轮28，再通过变速器16的传动装置被传递至牵引装置18(参照图1)。在某些情况下，操作者可能希望从动力源12被传递至牵引装置18的转矩较小。例如，当挖入大堆泥土材料堆内时，牵引装置18可能会在高转矩输出下开始晃动。为了最小化轮胎打滑或晃动，操作者可以下压叶轮离合器踏板32，以降低机械10的牵引转矩(也就是降低车轮处的转矩量)。而且，如果挖入泥土材料堆内，操作者可能希望提升机械10的已装入材料的工具。为了增加提升能力或提升速度，操作者可能希望将转矩从牵引装置18传递至与该工具相连的液压回路。同样，为了实现这种转矩的传递，操作者可以下压叶轮离合器踏板32。
参照图3和图4，最上方的曲线100可以代表上述的情况，其中机械10在高怠速下运行且叶轮离合器踏板32被下压。从该曲线可以看出，在叶轮离合器踏板32被下压之前，叶轮离合器24的致动压力可以处于最大值(参照图3)，即全开压力。在此状态中，叶轮离合器24的打滑可以被最小化且由动力源12产生并传输至叶轮离合器24的几乎全部转矩都可以被传递至牵引装置18(参照图4)。随着叶轮离合器踏板32被下压通过死区(也就是通过其动作范围的最初6％)，可以观察到致动压力几乎没有变化(图3)。但是，随着叶轮离合器踏板32的档位到达死区的移动边界，叶轮离合器24的致动压力会从全开压力快速下降至与动力源12的当前速度相对应的回油压力。在回油压力处，叶轮离合器24的打滑应该仍然是被基本禁止的并且传递至牵引装置18的转矩基本不变(图4)。
随着叶轮离合器踏板32被下压经过死区的移动边界，牵引装置18就会经历传输过来的转矩下降。也就是说，随着叶轮离合器踏板32被从移动档位的大约6％进一步向最大移动档位下压，叶轮离合器24的致动压力就会在回油压力和卸载(Dump)压力之间以对应于叶轮离合器踏板32的当前移动档位的比率被降低(图3)。在一种实施方式中，叶轮离合器踏板档位和致动压力改变之间的关系可以基本上是线性的。最大转矩减小量可以在叶轮离合器踏板32的大约50％行程处达到(图4)。随着叶轮离合器踏板32在经过50％移动档位后被继续下压，压力会进一步减小至卸载压力且刹车机构可以被致动。卸载压力可以是可允许的最小压力，当与刹车压力相结合时，可以有助于确保机械10被禁止自由转动(也就是在变速器16被接合时，部分正转矩会一直被传递至牵引装置18)。卸载压力还可以保持叶轮离合器24充满加压流体用于在接到指令时快速致动。
随着机械10的发动机速度下降，回油压力和卸载压力也可以改变以改善机械10的响应特性。也就是说，随着机械10的速度下降，能够被转矩变换器22所吸收并传输至变速器16的转矩也会下降。因此，在较低的发动机速度下，叶轮离合器24会经受更小的转矩。如果致动压力被保持在用于降低转矩水平的回油压力下，那么在能够观察到下压叶轮离合器踏板32的效果之前(也就是在叶轮离合器24将开始打滑之前)将需要更大的压力下降。这种更大的压力下降需求会导致性能延迟并且还会需要操作者在任何改变生效之前进一步下压叶轮离合器踏板32。为了改善响应特性和提供叶轮离合器踏板操作的一致性，回油压力可以改变与动力源12的速度改变相关的量。图3和图4中的第二曲线110可以代表这种情况。
从图3中可以看出，当机械10在低于高怠速的速度下运行且叶轮离合器踏板32被下压至死区的移动边界档位时，致动压力可以从全开压力下降至降低的回油压力。在高怠速的回油压力和降低的回油压力之间的减小量可能与动力源12的速度有关，并且该关系可以被存储在控制器36的映射中。随着叶轮离合器踏板32被下压，控制器36可以参照该映射并据此降低压力。随着叶轮离合器踏板32被下压经过其动作范围的死区部分，致动压力可以被进一步降低，直到到达50％的移动档位并达到卸载压力为止。
从曲线110可以看出，卸载压力也可以由于发动机速度降低而改变。具体地，为了较低的发动机速度，卸载压力可以较高。也就是说，因为保持叶轮离合器24接合的离心力在较低的发动机速度下可能会被降低，所以可能需要高致动压力以帮助确保叶轮离合器24不会在变速器16被接合时完全脱离(也就是永不允许机械10的自由滚动运动)。因此，叶轮离合器踏板移动和致动压力降低(也就是下降比率)之间的关系可能会随着发动机速度的改变而改变。该关系也可以被存储在控制器36的映射内并可以在机械运行期间参考。从图4中可以看出，当叶轮离合器踏板32被移动经过50％的移动档位时，对于所有的发动机速度，转矩输出可以保持基本相同。
在本发明的控制系统中可以发现若干优点。具体地，因为禁止叶轮离合器打滑的致动压力可以随着通过叶轮离合器传输的转矩量的降低而被降低，所以叶轮离合器踏板对于任意的发动机速度都可以保持一致的响应性能。另外，因为该系统可以自动调节叶轮离合器的操作，所以操作者的负担可以保持不变或者甚至被降低。而且，因为该系统可以利用少量的综合计算或存储的性能曲线工作，所以可以简单而又低廉。
对于本领域普通技术人员来说可以想到的是可以对本发明的机械控制系统进行各种修改和变形。其他实施方式对于本领域普通技术人员来说在考虑了说明书的内容并实践了本文中公开的机械控制系统之后也将是可以想到的。应该理解说明书和实施例只被认为是示例性的，而本发明的真实保护范围应由所附权利要求书及其等同物指明。