AT392763B - Einrichtung zum kupplungs- und synchronisiergliederfreien schalten eines stufenwechselgetriebes fuer kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

AT 392 763 B

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum kupplungs- und synchronisiergliederfreien Schalten eines Stufenwechselgetriebes für Kraftfahrzeuge mit einer dem Motor zugeordneten Motorsteuerung (Leistungsstellglied), wobei das Getriebe während eines Gangwechsels durch Verstellung der Motordrehzahl auf eine dem einzuschaltenden Gang entsprechende Synchrondrehzahl mit Hilfe von Drehzahlsensoren, einer elektronischen Steuerung und Stellgliedern eingestellt werden kann.

Es sind automatische Getriebe mit einer hydraulischen Kupplung bekannt, die zwar dem Fahrer den Schaltvorgang gänzlich abnehmen, aber den Nachteil der höheren Anschaffungskosten und den des erhöhten Kraftstoffverbrauches während des Betriebes aufweisen. Eine Überbrückungskupplung zur Senkung des Mehrverbrauches bedeutet wiederum einen erhöhten Aufwand bei der Anschaffung. Diese Art Getriebe wird von vorliegender Anmeldung nicht betroffen.

Bei Personen- und Lastkraftwagen werden zur Wahl einer geeigneten Fahrgeschwindigkeit Getriebe mit unterschiedlichen Übersetzungen zwischen Motor und Antriebsachse(n) eingesetzt. Die Übersetzungen werden vom Fahrer manuell gewählt. Eine Reibungskupplung wird mit dem Fuß betätigt und sowohl zum Anfahren als auch zum Schalten der Getriebegänge benötigt Das Getriebe benötigt Synchronisiereinrichtungen, damit beim Schaltvorgang die Verzahnungen der Zahnkupplungen nicht beschädigt werden.

Automatisierte mechanische Getriebe sind in Entwicklung und teilweise schon auf dem Markt. Sie sind wegen guter Wirkungsgrade dort von Bedeutung, wo Zugkraftunterbrechungen akzeptiert werden können, z. B. bei Nutzfahrzeugen. Eine elektronische Motorleistungssteuerung (EMS) ersetzt dabei das mechanische Gaspedal-Gestänge durch ein intelligentes Steuersystem. Sie besteht aus Pedalwertgeber, Steuergerät sowie Stellmotor und eignet sich für Fahrzeuge mit Ottomotoren und Dieselmotoren in Personenwagen, Omnibussen und Nutzfahrzeugen. Der Fahrer betätigt das Gaspedal, wodurch ein Sensor, der Pedalwertgeber, den Befehl in ein elektrisches Signal umsetzt. Das Steuergerät wertet dieses Signal (und weitere Signale) aus und betätigt nach einem vorgegebenen Programm im Steuergerät über den Stellmotor die Motorsteuerung, das ist entweder der Verstellhebel für die Dieseleinspritzpumpe eines Dieselmotors oder die Drosselklappe eines Ottomotors. Der Stellmotor meldet vorzugsweise seine Istposition an das Steuergerät zurück. Beim automatisierten mechanischen Getriebe übernimmt das Steuergerät mit Sensoren und Stellern jene Tätigkeit, die normalerweise der Fahrer ausführt, also inklusive der Betätigung der Kupplung. Es handelt sich dabei aber lediglich um die Durchführung von bekannten Handlungsfolgen, nämlich Gas wegnehmen, Auskupplung, Schalten, Einkuppeln, Gas geben. Auch diese Art Getriebe werden von vorliegender Anmeldung nicht betroffen.

Mechanische Synchronisiereinrichtungen sind als Stand der Technik bekannt. Beim Fahrzeuggetriebe wird zuerst die Kupplung geöffnet. Damit ein Gang eingelegt werden kann, muß ein bestimmtes Zahnrad entweder mit der Welle oder mit einem anderen Zahnrad formschlüssig verbunden werden. Dies kann nur dann ohne Stoß erfolgen, wenn beide Teile synchron (mit gleicher Drehzahl) laufen. Bei mechanischen Synchronisiereinrichtungen wird dieser Vorgang über den Synchronring durch Reibung durchgeführt. Danach wird die Kupplung wieder geschlossen. Diese Synchronringe und die Betätigung der Kupplung werden in vorliegender Anmeldung durch einen im Steuergerät elektronisch geregelten oder gesteuerten Synchronisiervorgang ersetzt.

Nach der FR - PS 1337316 ist eine Steuereinrichtung zum Synchronisieren eines Schaltgetriebes bekannt, das eine Hauptwelle und eine Vorlegewelle mit je einem Drehzahlgeber aufweist. Es sind dabei Frequenz-/Spannungswandler sowie eine elektrische Schaltung nach Maßgabe der gewünschten Getriebestellung nötig. Die gewünschte Getriebestellung wird mit Drucktasten eines Handwählers gewählt und je nach Vergleichsergebnis wird eine Betätigungseinrichtung zum Beschleunigen oder Verzögern der Vorlegewelle oder aber eine Betätigungseinrichtung zum Einrücken des jeweiligen Getriebezahnrades oder eine Betätigungseinrichtung zum Ausrücken oder Einrücken der Kupplung angesteuert.

Nach der FR-PS 83460 ist eine ähnliche Steuereinrichtung zum Synchronisieren eines Schaltgetriebes bekannt, bei der der Hauptwellen-Drehzahlgeber nach Maßgabe der gewählten Schaltstellung hinsichtlich der Größe seines abgegebenen Ausgangssignals beeinflußt wird. Die Ausgangssignale beider Drehzahlgeber werden parallel an zwei Vergleicher gegeben, die jeweils mit ihren Ausgangssignalen Elektromagneten ansteuem, die ihrerseits wiederum eine Bremse für die Vorgelegewelle und eine Blockiereinrichtung für das Schaltgetriebe betätigen. Die beiden Vergleicher weisen Transistoren und Widerstände in Reihe auf. In DE-OS 2361474 wird vorgeschlagen, daß zum Teilen des Spannungssignals ein Rechner und als elektronische Elemente Schalttransistoren eingesetzt werden.

Die DE-OS 3 507 565 setzt eine Einrichtung zur Herstellung des Synchronlaufes eines synchronisiergliederfreien Stufenwechselgetriebes mit einer Vorrichtung zur Beeinflussung des Drehmomentes der Antriebsmaschine, einer Getriebesteuereinheit und Mittel zur Bestimmung des Synchronpunktes des Stufenwechselgetriebes voraus, wobei die Patentansprüche sich auf spezielle Vorrichtungen beziehen, damit die Drehzahl der Brennkraftmaschine beim Erreichen des Synchronpunktes konstant bleibt oder sich nur geringfügig ändert. Bezüglich dieser Voraussetzungen ist auf die DE-AS 14 55 866, die DE-OS 3045 840 und die DE-OS 2622 927 zurückzugreifen.

In der DE-OS 30 45 840 wird eine Einrichtung zum kupplungs- und synchronisiergliederfreien Schalten eines Stufenwechselgetriebes von Fahrzeugantrieben mit einem dem Antriebsmotor zugeordneten Leistungsstellglied beschrieben, das während eines Gangwechsels zur Verstellung der Motordrehzahl auf ein dem einzuschaltenden Gang entsprechende Synchrondrehzahl beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelvorrichtung -2-

AT 392 763 B vorgesehen ist, die das Leistungsstellglied bei Beginn des Schaltangsvorganges zunächst in der Weise beaufschlagt, daß der Motor momentfrei wird, und anschließend nach Herausnahme des alten und Anwahl eines neuen Getriebeganges auf die dem neuen Getriebegang zugeordnete Synchrondrehzahl regelt. Die Anwahl des Schaltvorganges wird durch einen Kontakt Schalthebel ausgelöst und das Leistungsstellglied (= Motorsteuerung) ist zunächst so zu verstellen, daß das Antriebsmoment des Motors Null wird, damit der eingeschaltete Gang herausgenommen werden kann.

Vorliegender Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Vorteil des besseren Wirkungsgrades von mechanischen Schaltgetrieben und jenen des Komforts von Automatikgetrieben in kostengünstiger Weise mit meist ohnehin vorhandenen elektronischen Bausteinen zu realisieren, wobei gleichzeitig die technologisch anspruchsvollen Synchronringe entfallen. Dabei soll die Vorgangsweise nach der DE-OS 3045840 verbessert und erweitert werden.

Die Erfindung löst die Aufgabe mit der neuen Generation von Elektronik-Bausteinen dadurch, daß eine elektronische Steuerung vorgesehen ist, die das Leistungsstellglied der Motorsteuerung in der Weise beaufschlagt, daß sie nach Herausnahme des alten Getriebeganges und nach Anwahl eines neuen Getriebeganges die dem neuen Getriebegang zugeordnete Synchrondrehzahl ansteuert, wobei die synchrone Drehzahl nur durchfahren wird und dabei das Stellglied für die Schaltung, gegebenenfalls um eine Totzeit voreilend, den Gang einlegt.

Die Erfindung eignet sich vorzugsweise für Synchronisiereinrichtungen von Schaltgetrieben, wobei die Drehzahl des Antriebsmotors durch Regelung oder durch Steuerung oder zumindest durch Einschalten und Ausschalten der Motorsteuerung regelbar oder steuerbar ist und abtriebseitig eine translatorische oder rotatorische Schwungmasse derart vorhanden ist, daß die Drehzahl der Antriebsseite schneller verändert werden kann als sich die Drehzahl der Abtriebsseite ändert. Mit zwei Drehzahlgebern an den Getriebewellen, einem elektronischen Steuergerät oder Regelgerät, einem Steller für Motorsteuerung und einem oder mehreren Stellern für Getriebeschaltung wird die Synchronisierung resp. der Gangwechsel des Schaltgetriebes von Sensoren, Elektronik und Stellern, derart feinfühlig durchgeführt, daß mechanische Synchronisiereinrichtungen entfallen können, eine Kupplung nicht betätigt werden muß, bei Nulldurchgang der Last das Herausnehmen eines Ganges durch den Steller für die Schaltung durchgeführt wird. Die synchrone Drehzahl für den nächsten einzulegenden Gang wird durch Regelung oder Steuerung über Elektronik im Steuergerät, über Stellmotor und über Motorsteuerung eingestellt und anschließend der gewählte Gang durch Steller für die Schaltung eingelegt.

Die synchrone Drehzahl für den nächsten einzulegenden Gang braucht nicht auch eingeregelt oder angesteuert zu werden. Beim Durchfahren der synchronen Drehzahl, - im allgemeinen voreilend um die Totzeit kann der Gang durch Steller für Schaltung eingelegt werden. Nach dem Impulssatz kann ein (Dreh-) Stoß entstehen, weil die (Winkel-) Geschwindigkeiten der Verzahnungen in diesem Augenblick gleich sind. Es muß jedoch der Getriebegang schnell genug eingelegt werden, weil eine (Winkel-) Beschleunigung oder (Winkel-) Verzögerung vorhanden ist und nach Aufziehen der (Dreh-) Feder im Antriebstrang sofort Kraft (Drehmoment) übertragen wird. Eine hohe Beschleunigung kann bei geringer Drehsteifigkeit des Antriebstranges zu Drehschwingungen führen.

In den Zeichnungen wird der Erfindungsgegenstand anhand des Anwendungsfalles in der Kraftfahrzeugtechnik beschrieben, wobei der Schaltvorgang beim Beschleunigen auf ebener Strecke als Fallbeispiel gewählt wird.

Die Zeichnungen zeigen im einzelnen: Fig. 1. eine schematische Darstellung des Erfindungsgegenstandes, Fig. 2 den zeitlichen Verlauf verschiedener Parameter bei Regelung von (n^/nj), Fig. 3 den zeitlichen Verlauf verschiedener Parameter bei Steuerung von (nj/n2) und Fig. 4 den zeitlichen Verlauf verschiedener Parameter beim erfinderischen Durchfahren der synchronen Drehzahl.

Der Fahrwunsch wird vom Fahrzeuglenker durch die Stellung des Fahrpedals mitgeteilt. Dieser Wunsch wird vom Pedalwertgeber (3) (Sensor) nach Fig. 1 gemessen und durch das elektronische Steuergerät (10) nach einem vorgegebenen Programm realisiert. Ein Einfluß auf die Programmwahl ist durch den Fahrschalter (11) möglich. Nach einer Beschleunigungsphase und nach Erreichen verschiedener Bedingungen, d. s. Signale aus (1, 2, 3, 11) und andere, soll entsprechend der Auswertung des gespeicherten Programmes in (10) vom zweiten in den dritten Gang geschaltet weiden. Es folgt die Beschreibung der drei verschiedenen Möglichkeiten, nämlich Regelung der synchronen Drehzahl Fig. 2, Steuerung der synchronen Drehzahl Fig. 3 und Durchfahren der synchronen Drehzahl Fig. 4.

Die Drosselklappe wird geschlossen und bewirkt, daß das Drehmoment abfallt und nach dem Lastwechsel in das Schleppmoment zurückfällt. Wird der Steller für Schaltung (14) beim Lastwechsel, Last Null, (um die Totzeit voreilend ausgelöst) betätigt, so kann der zweite Gang durch den Steller für Schaltung leicht herausgenommen werden. Der Steller für Schaltung kann auch schon früher angesteuert werden. Wenn die Stellkraft geeignet dimensioniert ist, so wird der zweite Gang nahe dem Nulldurchgang der Last herausfallen. Ist das geschehen, so fallt der Motor nicht in das Schleppmoment, sondern er sinkt in seiner Drehzahl (nj). Der

Regelvorgang kann beginnen. Die Motorsteuerung (6) wird über den Steller (5) durch das Steuergerät so lange nachgeregelt, bis die synchrone Drehzahl für den dritten Gang (Drehzahlverhältnis (nj/n2) für den dritten Gang) erreicht ist. Anschließend wird der dritte Gang eingelegt (AS).

Anstelle einer Regelung ist auch eine Steuerung möglich, wie Fig. 3 zeigt. Aus Erfahrung weiß man, bei welcher Stellung der Motorsteuerung (6) sich welche Motordrehzahl (nj) einstellt und speichert diese Werte im -3-

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Steuergerät (10). Die gespeicherten Werte können durch eine adaptive Regelung aktualisiert werden. Der Schaltvorgang beginnt wieder wie oben beschrieben. Der Steuervorgang kann beginnen, sobald der zweite Gang heraußen ist. Die Stellung für die Motorsteuerung (6) wird aus dem Speicher abgefragt, eingestellt und nach einer bestimmten Zeit für den Steuervorgang (ts) kann der dritte Gang eingelegt werden (AS). Sofern sich inzwischen die Drehzahl (n2) ändert, muß auch (nj) bzw. die Motorsteuerung (6) nachgeführt werden (Drehzahlverhältnis (nj/n2) wird angesteuert).

Anstelle bei durch Regelung oder Steuerung eingestellter Drehzahl zu schalten, ist es erfindungsgemäß beim Durchfahren der synchronen Drehzahl möglich, den Schaltvörgang durchzuführen, wie Fig. 4 zeigt. Der Schaltvorgang beginnt wieder wie oben beschrieben. Der Vorgang kann beginnen, sobald der zweite Gang heraußen ist. Entweder bei sinkender oder steigender Drehzahl (nj) wird bei Erreichen der synchronen Drehzahl der dritte Gang eingelegt, wobei das Auslösen (AS) des Stellers für Schaltung (14) um die Totzeit (tt) voreilen muß. Eine von mehreren Varianten wird im folgenden beschrieben, bei der nachher eine Beschleunigung anschließen soll:

Der Vorgang kann beginnen, sobald der zweite Gang heraußen ist. Die Motordrehzahl sinkt. Es wird abgewartet, bis diese unter die synchrone Drehzahl zum Einlegen des 3. Ganges gesunken ist. Anschließend ist durch die Motorsteuerung (6) (Steller (5)) der Motor wieder zu beschleunigen. Die Motordrehzahl und damit die Drehzahl am Getriebeeingang steigt. Sobald die synchrone Drehzahl für den dritten Gang (Drehzahlverhältnis (nj/n2) für den dritten Gang) erreicht ist, wird - um die Totzeit voreilend ausgelöst - der dritte Gang durch die Steller für Schaltung (14) eingelegt. Es ist sofort nach dem Eingriff der Verzahnung Drehmoment (M2) vorhanden. Wie vorhin beschrieben, kommt es nicht zu einem Drehstoß. Dennoch kann es bei geringer (heute üblicher) Steifigkeit des Antriebstrangeszu Schwingungen kommen, wenn die Beschleunigung hoch ist da der Antriebstrang sich wie eine Feder aufzieht. Auf alle Fälle ist nach dieser Methode der Gangwechsel am schnellsten durchführbar. Durch die elektronisch gesteuerte Gangwahl ist es möglich, den Motor verbrauchsgünstig und abgasarm zu betreiben oder das Maximum an Fahrleistung anzubieten.

Die Vorteile gegenüber den üblichen automatisierten mechanischen Getrieben sind folgende: Die Kupplung (8) wird nicht mehr für den Schaltvorgang während der Fahrt, sondern nur zum Anfahren benötigt. Die Synchronringe zum Einlegen der Gänge werden nicht mehr benötigt und können entfallen.

Die Vorteile gegenüber den üblichen Automatikgetrieben (beim Kraftfahrzeug) sind folgende: Das teure Planetengetriebe mit hydrodynamischem Drehmomentwandler entfällt zugunsten eines einfachen Schaltgetriebes. Die Kraftstofferspamis ist durch den Entfall des hydrodynamischen Drehmomentwandlers gegeben. Es entstehen keine Drehmomentsprünge, wie sie durch Abbremsen der Drehzahlsprünge entstehen.

Verzeichnis der Figuren und Bezugszeichen

Fig. 1: Schema (1) Drehzahlsensor (2) Drehzahlsensor (3) Pedalwertgeber (4) Fahrpedal (5) Stellmotor (6) Motorsteuerung (7) Motor (8) Anfahrkupplung (9) Schaltgetriebe (10) Steuergerät (11) Fahrschalter, Schaltstellungen (P, R, N, D, 2, 1) (12) Eingangsgrößen (13) Stellgrößen (14) Steller für Schaltung (15) Zahnkupplung od. Klauenkupplung (16) Synchronisiereinrichtung (entfällt)

Fig. 2: Zeitlicher Verlauf von - Motorleistungssteuerung (z. B. Drosselklappenwinkel (otpj^)) - Drehzahlverhältnis (nj/n2) - Drehmoment (M2) (nach dem Getriebe) bei Regelung von (nj/n2). -4-

Claims (2)

1. AT 392 763 B (1,2,3,4) Synchrones Drehzahlverhältnis für den jeweiligen Gang (tr) ... Zeit für Regelung (ts) ... Zeit für Steuerung (tt) ... Totzeit (t) ... Zeit (AS)... Auslösung des Stellers für Schaltung Fig. 3: Zeitlicher Verlauf von - Motorleistungssteuerung (z. B. Drosselklappenwinkel (otDK)) - Drehzahlverhältnis (nj/r^) - Drehmoment (M2) (nach dem Getriebe) bei Steuerung von (nj/^). Fig. 4: Zeitlicher Verlauf von - Motorleistungssteuerung (z. B. Drosselklappenwinkel (βρκ)) - Drehzahlverhältnis (nj/nj) - Drehmoment (Mj) (nach dem Getriebe) bei Durchfahren der synchronen Drehzahl. PATENTANSPRUCH Einrichtung zum kupplungs- und synchronisiergliederfreien Schalten eines Stufenwechselgetriebes für Kraftfahrzeuge mit einer dem Motor zugeordneten Motorsteuerung (Leistungsstellglied), wobei das Getriebe während eines Gangwechsels durch Verstellung der Motordrehzahl auf eine dem einzuschaltenden Gang entsprechende Synchrondrehzahl mit Hilfe von Drehzahlsensoren, einer elektronischen Steuerung und Stellgliedern eingestellt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Steuerung vorgesehen ist, die das Leistungsstellglied der Motorsteuerung in der Weise beaufschlagt, daß sie nach Herausnahme des alten Getriebeganges und nach Anwahl eines neuen Getriebeganges die dem neuen Getriebegang zugeordnete Synchrondrehzahl ansteuert, wobei die synchrone Drehzahl nur durchfahren wird und dabei das Stellglied für die Schaltung, gegebenfalls um eine Totzeit voreilend, den Gang einlegt. Hiezu
2. 2 Blatt Zeichnungen -5-