DE10025797A1 - Vorrichtung zur Drehzahlsynchronisation in automatisiert betätigten Schaltgetrieben - Google Patents

Vorrichtung zur Drehzahlsynchronisation in automatisiert betätigten Schaltgetrieben

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Abstract

Automatisiert betätigte Schaltgetriebe werden zunehmend im Automobilbau eingesetzt. Hierbei werden durch Elektromotoren oder hydraulisch die Fahrzeugkupplung betätigt und die Gänge geschaltet. Für den Gang ist eine getrennte Synchronisier- und Sperreinrichtung erforderlich. Demgegenüber liegt meiner Erfindung der Gedanke zugrunde, mit Hilfe einer Elektromaschine eine einzige Drehzahlsynchronisiereinrichtung für alle Gänge bereitzustellen, indem diese als Elektromotor die Getriebeeingangswelle beschleunigt oder im Generatorbetrieb abbremst. Die Elektromaschine kann bei bestimmten Fahrzuständen weitere Aufgaben übernehmen: Zum Anfahren und Rückwärtsfahren wird die Elektromaschine als rechts- oder linksdrehender Elektromotor betrieben. Wenn bei starkem Beschleunigen oder in bestimmten Drehzahlbereichen das Drehmoment des Antriebsmotors nicht ausreicht, kann die Elektromaschine als Elektromotor geschaltet werden und den Antriebsmotor unterstützen. Die Energie dafür wird gewonnen, indem beim Abbremsen des Fahrzeugs die Elektromaschine als Generator betrieben wird, Strom in den Fahrzeugakku speist und das Fahrzeug zusätzlich abbremst. Reicht dies nicht aus, kann die Elektromaschine im normalen Fahrbetrieb als Generator ("Lichtmaschine") geschaltet werden.

Description

Automatisiert betätigte Schaltgetriebe werden zunehmend im Automobil­ bau eingesetzt. Hierbei werden durch Elektromotoren oder hydraulisch die Fahrzeugkupplung betätigt und die Gänge geschaltet. Die Auslösung kann automatisch oder manuell erfolgen. Aufgebaut sind solche Getriebe wie konventionelle Schaltgetriebe: Ein Zahnrad ist drehfest mit einer Getriebe­ welle verbunden und steht mit einem zweiten Zahnrad in Eingriff, das drehbar auf einer weiteren Getriebewelle gelagert ist. Beim Schalten wird das drehbar gelagerte Zahnrad mit der Getriebewelle durch eine seitlich verschiebbare, aber drehfeste Muffe verbunden indem diese am Zahnrad einrastet. Dazu müssen sich das Zahnrad und die Getriebewelle bzw. die Muffe mit gleicher Drehzahl drehen. Diese Drehzahlsynchronisation erfolgt mit Hilfe von kegelförmigen Reibungskupplungen, die beim seitlichen Ver­ schieben der Muffe die Drehzahlgleichheit herstellen. Eine Sperre verhin­ dert das Schalten des Ganges, bis Drehzahlgleichheit herrscht.
Für jeden Gang ist eine getrennte Synchronisier- und Sperreinrichtung er­ forderlich. Demgegenüber liegt meiner Erfindung der Gedanke zugrunde, mit Hilfe einer Elektromaschine eine einzige Drehzahlsynchronisierein­ richtung für alle Gänge bereitzustellen. Dies wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst: indem eine Elektromaschine als Elektromotor die Ge­ triebeeingangswelle beschleunigt oder im Generatorbetrieb abbremst. Die Elektromaschine kann bei bestimmten Fahrzuständen weitere Aufgaben übernehmen. Ausgestaltungen dazu sind in den Unteransprüchen angege­ ben. Eine derartige Bauform bietet folgende Hauptvorteile:
  • - der Generator am Antriebsmotor und dessen Antrieb können entfallen
  • - der erste Gang und der Rückwärtsgang können entfallen
  • - die Sperren zur Verhinderung des Schaltens bei ungleichen Drehzahlen können entfallen
  • - die kegelförmigen Reibungskupplungen können entfallen
  • - es werden weniger und einfacher herzustellende mechanische Bauteile benötigt
  • - die Fahrzeugkupplung kann kleiner und einfacher ausgeführt werden
  • - das Getriebe kann schmaler gebaut werden
  • - für zusätzliche Gänge ist keine zusätzliche Synchronisiereinrichtung er­ forderlich
  • - keine Reibungswärme durch die Reibungskupplungen im Getriebe
  • - die Elektromaschine kann einfach gekühlt werden
  • - eine standardisierte Bauform der Elektromaschine ist möglich
  • - geringere Betätigungskräfte beim Schalten
  • - geringere axiale Kräfte im Getriebe
  • - Kraftstoffersparnis
Anhand eines Ausführungsbeispiels möchte ich meine Erfindung erläutern.
Fig. 1 auf Seite 7 zeigt eine schematische Anordnung. Dabei stellen dar:
  • - Position 1: Elektromaschine (Drehstrom-Asynchron-Maschine)
  • - Position 2: Getriebeeingangswelle mit zwei darauf drehfest verbundenen Zahnrädern
  • - Position 3: Getriebeausgangswelle mit zwei darauf drehbar gelagerten Zahnrädern
  • - Position 4: seitlich verschiebbare, aber drehfeste Muffe
  • - Position 5: Leistungselektronik
  • - Position 6: Fahrzeugakku
  • - Position 7: elektronisches Steuergerät
Am elektronischen Steuergerät symbolisieren die Pfeile rechts die Eingänge der beiden Raddrehzahlsensoren, der linke Pfeil den Drehzahlsensor der Elektromaschine, die unteren Pfeile den Eingang für den Schaltbefehl und den Ausgang für die Drehzahlinformation und die oberen Pfeile die Steuer­ leitungen zur Leistungselektronik und zu den Elektromotoren für die Betä­ tigung der Fahrzeugkupplung und der Schaltmuffe.
Die Drehstrom-Asynchron-Maschine ist an das Getriebe angebaut und wirkt über ein Zahnradpaar auf die Getriebeeingangswelle. Dadurch kann eine günstige Übersetzung gewählt werden. Die Getriebeeingangswelle wird über die Fahrzeugkupplung, die per Elektromotor betätigt wird, vom Antriebsmotor angetrieben. Das Differentialgetriebe ist mit der Getriebe­ ausgangswelle verbunden und stellt die Verbindung zu den beiden An­ triebsrädern mit den Raddrehzahlsensoren her. Der jeweilige Gang wird geschaltet, indem die seitlich verschiebbare, aber drehfeste Muffe eine Verbindung zwischen dem drehbar gelagerten Zahnrad und der Getriebe­ ausgangswelle herstellt. Auch die Muffe wird von einem Elektromotor be­ wegt.
Fig. 2 auf Seite 8 zeigt den prinzipiellen Funktionsablauf beim Schalten:
Nach dem Befehl zum Schalten eines bestimmten Ganges wird durch elek­ tromotorische Betätigung der Fahrzeugkupplung die Verbindung zum An­ triebsmotor getrennt. Der Antriebsmotor läuft nun mit Leerlaufdrehzahl. Die seitlich verschiebbare Muffe wird von einem Elektromotor in eine Mittelstellung verschoben. Es besteht keine Verbindung eines drehbar gela­ gerten Zahnrades über die Muffe mit der Getriebeausgangswelle mehr. An­ hand des Mittelwertes der beiden Raddrehzahlsensoren und der gespei­ cherten Übersetzung des Differentialgetriebes wird die Drehzahl der Ge­ triebeausgangswelle errechnet. Die Drehzahl des zu schaltenden, drehbar gelagerten Zahnrades wird anhand der gespeicherten Getriebeübersetzung und der Drehzahl der Elektromaschine errechnet. Ist die Drehzahl des zu schaltenden, drehbar gelagerten Zahnrades kleiner als die Drehzahl der Ge­ triebeausgangswelle wird die Elektromaschine als Elektromotor geschaltet, um die Drehzahl der Getriebeeingangswelle und damit des zu schaltende Zahnrades zu erhöhen. Ist die Drehzahl größer, wird die Elektromaschine als Generator betrieben, um das Zahnrad abzubremsen. Der Vorgang läuft ab, bis die Drehzahlen der Getriebeausgangswelle und des zu schaltenden Zahnrades identisch sind. Dann wird der Gang geschaltet, indem die dreh­ feste Muffe seitlich verschoben wird, am Zahnrad einrastet und dadurch eine Verbindung zwischen dem Zahnrad und der Getriebeausgangswelle herstellt. Die Drehzahl der Getriebeeingangswelle wird vom elektronischen Steuergerät des Getriebes an das elektronische Steuergerät des Antriebs­ motors gemeldet, damit dessen Drehzahl auf diesen Wert erhöht werden kann. Im Anschluss daran wird eingekuppelt.
Zum Anfahren und Rückwärtsfahren wird die Elektromaschine als rechts- oder linksdrehender Elektromotor betrieben. Es ist ausgekuppelt und im Getriebe ist der kleinste Gang eingelegt. Wenn bei starkem Beschleunigen oder in bestimmten Drehzahlbereichen das Drehmoment des Antriebsmo­ tors nicht ausreicht, kann die Elektromaschine bei eingelegtem Gang als Elektromotor geschaltet werden und den Antriebsmotor unterstützen. Die Energie dafür wird gewonnen, indem beim Abbremsen des Fahrzeugs die Elektromaschine als Generator betrieben wird, kurzzeitig einen hohen Strom in den Fahrzeugakku speist und das Fahrzeug zusätzlich abbremst. Reicht dies nicht aus, kann die Elektromaschine im normalen Fahrbetrieb als Generator ("Lichtmaschine") geschaltet werden und die elektrischen Verbraucher mit Strom versorgen und den Fahrzeugakku allmählich aufla­ den.
Die Betätigung der Fahrzeugkupplung und der seitlich verschiebbaren Muf­ fen und der Aufbau des elektronischen Steuergerätes und der Leistungse­ lektronik sind nicht Gegenstand dieses Patentes und werden darum nicht näher beschrieben.
Um eine unabhängige Funktionseinheit zu erhalten, kann die Getriebeaus­ gangswelle mit einem eigenen Drehzahlsensor ausgestattet werden. Die Funktion der Handbremse kann in das Getriebe integriert werden um die Feststellbremse zu ersetzen und das Anfahren an Steigungen zu automati­ sieren.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Drehzahlsynchronisation einer Getriebewelle mit einem darauf drehbar gelagerten Zahnrad in automatisiert betätigten Schaltge­ trieben, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektromaschine als Elek­ tromotor arbeitet und eine Getriebewelle mit darauf drehfest montierten Zahnrädern, die mit den drehbar gelagerten Zahnrädern in Eingriff ste­ hen, beschleunigt oder im Generatorbetrieb abbremst, bis Drehzahl­ gleichheit erreicht ist und daß dieser Vorgang von einem elektronischen Steuergerät und einer Leistungselektronik anhand der Signale von zwei Sensoren, welche der Drehzahlen der Getriebewelle und des darauf drehbar gelagerten Zahnrades entsprechen, gesteuert wird.
2. Vorrichtung zur Drehzahlsynchronisation in automatisiert betätigten Schaltgetrieben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronischen Steuergerät die erforderlichen Drehzahlen berechnet, Elektromotoren ansteuert, welche die Fahrzeugkupplung betätigen und die Gänge schalten und daß das Steuergerät eine Leistungselektronik ansteuert, die den Stromfluss zur bzw. von der Elektromaschine regelt.
3. Vorrichtung zur Drehzahlsynchronisation in automatisiert betätigten Schaltgetrieben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übersetzungsverhältnisse der einzelnen Gänge und des Differentialge­ triebes zur Drehzahlberechnung im Steuergerät gespeichert werden.
4. Vorrichtung zur Drehzahlsynchronisation in automatisiert betätigten Schaltgetrieben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle drehfest montierten Zahnräder auf der Getriebeeingangswelle montiert sind.
5. Vorrichtung zur Drehzahlsynchronisation in automatisiert betätigten Schaltgetrieben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromaschine auf die Getriebeeingangswelle wirkt.
6. Vorrichtung zur Drehzahlsynchronisation in automatisiert betätigten Schaltgetrieben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der Getriebeeingangswelle aus einem Drehzahlsensor, der in der Elektromaschine eingebaut ist, errechnet wird.
7. Vorrichtung zur Drehzahlsynchronisation in automatisiert betätigten Schaltgetrieben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der Getriebeausgangswelle aus den Mittelwerten der beiden Raddrehzahlsensoren für ein Antiblockiersystem errechnet wird.
8. Vorrichtung zur Drehzahlsynchronisation in automatisiert betätigten Schaltgetrieben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Steuergerät des Getriebes vor dem Einkuppeln die Dreh­ zahl der Getriebeeingangswelle an das elektronische Steuergerät des Antriebsmotors übermittelt.
9. Vorrichtung zur Drehzahlsynchronisation in automatisiert betätigten Schaltgetrieben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromaschine zum Anfahren und Rückwärtsfahren dient, indem sie als links- oder rechtsdrehender Elektromotor im ausgekuppelten Zu­ stand und mit der kleinsten Getriebeübersetzung das Fahrzeug antreibt.
10. Vorrichtung zur Drehzahlsynchronisation in automatisiert betätigten Schaltgetrieben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromaschine als Elektromotor geschaltet wird und den Antriebs­ motor unterstützt, wenn dessen Drehmoment nicht ausreicht.
11. Vorrichtung zur Drehzahlsynchronisation in automatisiert betätigten Schaltgetrieben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromaschine als Generator betrieben wird, wenn das Fahrzeug ab­ gebremst wird.
12. Vorrichtung zur Drehzahlsynchronisation in automatisiert betätigten Schaltgetrieben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromaschine als Generator betrieben werden kann, wenn keine Gänge geschaltet werden.
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