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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Wechseln von Gangstufen in einem mit einem Verbrennungsmotor verbundenen Getriebe von Kraftfahrzeugen, bestehend aus einem Schalthebel, einem Kraftsensor, einem Steuergerät, einem Getriebehebel und einer Zündanlage, wobei das Steuergerät beim Betätigen des Schalthebels zum Wechseln zweier Gangstufen nach Einlaufen eines Steuerimpulses vom Federspeicher die Zündung in der Zündanlage zur Entlastung des Antriebstranges abschaltet und nach Erreichen der Endstellung des Getriebehebels wieder einschaltet.
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Eine Schalteinrichtung für ein mit einem Antriebsmotor gekoppeltes Motorradgetriebe mit einem Betätigungshebel und einem Schalthebel ist aus dem deutschen Gebrauchsmuster
DE 298 12 605 U1 vom 15.07.98 bekannt geworden, wo zum Erzeugen einer Schaltkraft eine Feder verwendet wird, die auf den Schalthebel wirkt, wenn sich der Betätigungshebel in einer Betätigungsstellung befindet, und wo ein elektrischer Schalter zum Einsatz kommt, um einmal eine Auslösestellung zu erfassen, in der sich der Betätigungshebel in seiner Betätigungsstellung befindet und ein anderes Mal in der Auslösestellung die Zündung und/oder die Kraftstoffversorgung des Antriebsmotors zu unterbrechen.
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Es handelt sich hier um einen Kraftspeicher mit einer vorgespannten Druckfeder, die am Betätigungshebel einen Weg zulässt, ohne den Schalthebel bewegen zu können, da dieser von dem unter Last verspannten Getriebe festgehalten wird. Erst die Abschaltung der Zündung durch den elektrischen Schalter entspannt das Getriebe und lässt den Schalthebel, angestoßen von der vorgespannten Feder, in die Position des nächst höheren Ganges gleiten, wodurch der elektrische Schalter die Zündung wieder reaktiviert. Da Klauengetriebe auch Stellungen der Zahn- und Schalträder zueinander aufweisen, wo die Stirnflächen der Klauen aufeinander stoßen, wird hier offensichtlich die Zündung eingeschaltet, wenn der Schaltvorgang unvollständig erledigt ist. Es entstehen Geräusche und harte Schaltungen mit der Gefahr von Verschleiß, die mit den zu Gebote stehenden Mitteln nicht beseitigt werden können.
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Aus der Deutschen Offenlegungsschrift
DE 27 42 809 vom 23.09.77 geht eine Einrichtung zur Erleichterung eines schnellen Gangwechsels bei Kraftfahrzeug-Getrieben in Verbindung mit einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, insbesondere bei Motorrädern, hervor, wo über einen Kontaktgeber in der Schalteinrichtung beim Einleiten jedes Schaltvorganges eine Zeitstufe zur kurzzeitigen Unterbrechung der Zündanlage einschaltbar ist. Diese Zeitstufe besteht aus einem relaisgesteuerten Schalter, dessen Relaiserregerwicklung mit einem Kondensator in Reihe geschaltet ist.
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Mit einer vorgegebenen Zeit sollte die Schaltung auch für eine ungünstige Stellung der Klauen zueinander zuverlässig erledigt werden. Nicht zu vermeiden sind Schaltrucke, die dann entstehen, wenn der Schaltvorgang bei günstiger Klauenstellung vorzeitig erledigt ist, die Zündung dann aber noch nicht eingeschaltet ist. Andererseits können Schaltvorgänge bei ungünstiger Klauenstellung länger dauern, als im Zeitrahmen vorgesehen, wodurch verschleißfördernde Geräusche entstehen.
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In der Publikation der Tellert Elektronik GmbH: „Beschreibung der Schaltautomatik CTS4T, CTS4C, CTS4S von 2004, S. 1–7 ist eine Vorrichtung zum Wechseln von Gangstufen in einem mit einem Verbrennungsmotor verbundenen Getriebe beschrieben, wobei die Vorrichtung einen Schalthebel zum Wechseln des Gangs, einen Kraftsensor, ein Steuergerät und eine Zündanlage umfasst. Nach Eingang eines Steuerimpulses vom Kraftsensor schaltet das Steuergerät die Zündung der Zündanlage vorübergehend ab. Wenn der Schalthebel eine Endstellung erreicht hat, wird die Zündung wieder eingeschaltet. Wenn der Gang nicht innerhalb einer vorgegebenen Zeit eingelegt werden konnte, wird die Zündung ebenfalls wieder eingeschaltet. Maßgeblich für das Wiedereinschalten der Zündung war dabei die seit dem Ausschalten vergangene Zeit.
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Aus der
DE 29 41 556 A1 ist eine weitere Vorrichtung zum Wechseln von Gangstufen bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird die Zündung der Zündanlage nach einer Schaltanforderung vorübergehend abschaltet, und wieder eingeschaltet, wenn der Schaltvorgang einwandfrei abgeschlossen ist. Bei ungünstiger Klauenstellung der Zahnräder kann dies allerdings relativ lange dauern.
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Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Wechseln von Gangstufen zu schaffen, die einen möglichst schnellen und verschleißarmen Gangwechsel ermöglichen. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch ein Verfahren mit den im Anspruch 5 angegebenen Merkmalen. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß der Erfindung werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Wechseln von Gangstufen vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst einen Schalthebel zum Wechseln des Gangs, einen Kraftsensor zum Erkennen einer Betätigung des Schalthebels, ein Steuergerät, einen mit dem Steuergerät verbundenen Positionssensor, einen Getriebehebel und eine Zündanlage, wobei das Steuergerät nach Eingang eines Steuerimpulses vom Kraftsensor die Zündung der Zündanlage vorübergehend abschaltet, um den Antriebsstrang zu entlasten, wenn der Getriebehebel mittels des Schalthebels betätigt wird, und wieder einschaltet, wenn der Getriebehebel eine Endstellung erreicht hat. Für den Fall, dass wegen aufeinanderstoßender Klauen des Schaltrades und eines Zahnrades des neuen Gangs der neue Gang nicht eingelegt werden kann, erzeugt das Steuergerät einen oder mehrere Zündpulse, um die Drehzahl des Schaltrades gegenüber derjenigen des Zahnrades zur Erzielung einer Differenzdrehzahl zum Einspuren der Klauen des Schaltrades in die Klauen des Zahnrades anzuheben.
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Der Kraftsensor weist ebenso wie bei den früheren Vorschlägen vorzugsweise einen Schalter auf, der mit dem Steuergerät verbunden ist, und dort beim Betätigen des Schalthebels zum Gangwechsel in eine nächst höhere Gangstufe mit einem Steuerimpuls einen Regelkreis in Gang setzt, der nach dem Abschalten der Zündung die wichtigen Phasen des Gangwechsels erkennt und daraufhin entscheidet, wann und in welcher Weise wieder gezündet werden muss.
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Die Phase 1 beschreibt den Zeitraum von der Abschaltung der Zündung bis zu dem Zeitpunkt, wenn die Klauen des Schaltrades aus denen des Zahnrades der zu verlassenden Gangstufe in die Leerlaufstellung ausspuren. Der Drehzahlabfall des Verbrennungsmotors beginnt beim ersten gelöschten Zündpuls, wobei dieser Drehzahlabfall beschleunigt wird durch die Entspannung aller Elemente des Antriebstranges, ohne dass sich die Position der Klauen des Schaltrades gegenüber der des Zahnrades vorerst verändert. Die Klauen werden schließlich auseinander geschoben, wenn die Federkraft des Kraftspeichers die Reibungskraft zwischen den Flanken der Klauen übersteigt.
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Es beginnt die Phase 2, in der alle Klauen voneinander getrennt sind und die Drehzahl des Schaltrades gegenüber der des Zahnrades der nächst höheren Gangstufe abfällt. Jetzt wird die Drehzahl des Schaltrades gemessen und mit einer vorher berechneten und abgespeicherten Referenz-Drehzahl ins Verhältnis gesetzt. Die Referenz-Drehzahl bezieht sich auf die während der letzten Zündung gemessene Drehzahl. Es hat sich bei Messungen herausgestellt, dass die Zeit, bis die Phasen 1 und 2 durchlaufen sind, bei der Durchschaltung aller Gangstufen in etwa gleich groß ist, was dazu geführt hat, dass hier eine Wartezeit eingeführt worden ist, bis eine Synchronisierung der beiden vorgenannten Räder in etwa erreicht ist.
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Die Phase 3 beginnt dann, wenn die Stirnflächen der Klauen in eine gemeinsame Ebene senkrecht zu ihrer Drehachse eintreten. Hier können die Klauen des Schaltrades in die Zwischenräume der Klauen des Zahnrades der nächst höheren Gangstufe entweder sofort eingreifen, oder die Stirnflächen der Klauen des Schaltrades treffen mit ihren Stirnflächen auf die der Klauen des Zahnrades der nächst höheren Gangstufe. Im ersten Fall ist die Phase 3 beendet, wenn die Klauen ineinander eingetaucht sind. Im zweiten Fall müssen Maßnahmen ergriffen werden, um möglichst schnell eine Verdrehung der Räder zueinander zu erreichen, ohne die Drehzahl des Schaltrades unter die des Zahnrades der nächst höheren Gangstufe absinken zu lassen. Die Beendigung der Phase 3 wird von einem Positionssensor an das Steuergerät gemeldet, welches die Phase 4 einleitet.
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Die Phase 4 betrifft die möglichst sanfte Einschaltung der Zündung durch die Anwendung des Ein-Aus-Schaltmusters für Zündpulse der Zündung, nachdem der Gangwechsel abgeschlossen ist.
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Die zu Gebote stehenden Hilfsmittel zur Synchronisierung des Schaltrades mit dem Zahnrad der nächst höheren Gangstufe sind die in den Regelkreis integrierten Drehzahlmessungen, die empirisch festgelegte Wartezeit und die daraus resultierenden Einschaltmöglichkeiten für die Zündung. Normalerweise ist eine Reaktion des Regelkreises in der Phase 2 nicht erforderlich, sofern man die Wartezeit richtig gewählt hat. Zu Beginn der Phase 3 jedoch können die Stirnflächen der Klauen aufeinander gleiten und das Schaltrad verliert an Drehzahl. Des ruckfreien Schaltens wegen wird die Drehzahl des Schaltrades durch eine gezielte Ein-Aus-Schaltung von Zündpulsen angehoben, bis die Klauen des Schaltrades die Klauen des Zahnrades der nächst höheren Gangstufe überholen und die Klauen des Schaltrades in die Zwischenräume der Klauen des Zahnrades der nächst höheren Gangstufe einspuren.
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Die Phase 4 wird durch den Positionssensor eingeleitet, der den Befehl zum Einschalten der Zündung an das Steuergerät weiter gibt, wo eine vorbestimmte Anzahl von Zündpulsen der endgültigen Einschaltung der Zündung vorausgeschickt werden, um den Schaltruck zu dämpfen und ein fühlbar weicheres Einsetzen des Volllast-Drehmomentes zu gewährleisten.
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Anhand von vier Systemzeichnungen wird eine Schalteinrichtung zum schnellen Schalten von Gangstufen in Getrieben von Kraftfahrzeugen erläutert. Es zeigen
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1 eine schematische Zeichnung eines Verbrennungsmotors an einem Getriebe mit einem Getriebehebel, einem Kraftsensor, einem Positionssensor, einer Zündanlage und einem Steuergerät;
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2 den Getriebehebel in vier verschiedenen Stellungen für die Begrenzung von drei Phasen;
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3 die Anordnung eines Schaltrades mit Klauen zwischen solchen zweier Zahnräder;
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4 ein Schema eines Regelkreises.
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Wird gemäß der 1 mit 1 ein Schalthebel bezeichnet, der vom Fahrer des Kraftfahrzeuges in beide Richtungen bewegt werden kann, so ist dieser mit einem Getriebehebel 6 an einem Getriebe 5 eines Verbrennungsmotors 7 über ein Gestänge 2 verbunden. Im Gestänge 2 ist ein Kraftsensor 3 angeordnet, der als Federspeicher ausgeführt ist und einen Schalter 4 aufweist, der einen Stromkreis zu einem Steuergerät 10 schließt, wenn der Fahrer am Schalthebel 1 eine Kraft von einer bestimmten Größe einleitet, um während der Fahrt ohne Betätigung einer Kupplung einen Gangwechsel von dem momentan eingelegten zu dem nächst höheren Gang vor zu nehmen. Das Steuergerät 10 schaltet die Zündung in einer Zündanlage 8 aus und der Ablauf der Phase 1 beginnt. Beim Löschen der ersten Zündung wird die erreichte Drehzahl gespeichert und als Basis für die Berechnung einer Referenz-Drehzahl für die nun permanent abfallende Drehzahl verwendet. Es wird auch die Drehzahl erfasst, bei der sich die Klauen 14 eines Schaltrades 12 aus den Klauen 15 eines Zahnrades 11 des momentan noch eingeschalteten Ganges zu lösen beginnen und schließlich frei werden.
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Es beginnt die Phase 2, wie aus der 2 ersichtlich, in der das Schaltrad 12 frei umlaufen kann und in der ferner die Drehzahlen gemessen und ins Verhältnis mit der Referenzdrehzahl gesetzt werden, solange das Schaltrad 12 in einer Leerlauf-Stellung bleibt, während welcher eine vorher festgelegte Wartezeit wirkt, die die Zündungen in der Zündanlage 8 solange löscht, bis die Klauen 14 des Schaltrades 12 mit den Klauen 15 des Zahnrades 13 des nächst höheren Ganges in Berührung kommen. Das Steuergerät 10 erkennt durch Drehzahlvergleich, ob die Klauen 14 in die Zwischenräume der Klauen 15 einspuren oder nicht. Spuren sie ein, beginnt einer kurze Phase 3, in der die Klauen 14, 15 bis zum Anschlag ineinander fahren. Treffen aber die Stirnflächen der Klauen 14 auf die der Klauen 15, was in der Mehrzahl der Schaltvorgänge der Fall ist, so fällt die Drehzahl weiter ab, was im Steuergerät 10 durch die Messung registriert und durch Freigabe von Zündpulsen zur Erhöhung der Drehzahl beantwortet wird. Hierdurch überholen die Klauen 14 des Schaltrades 12 die Klauen 15 des Zahnrades 13 und das Einspuren kann gelingen.
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Die Phase 4 wird durch einen Positionssensor 9 eingeleitet, der den Befehl zum Einschalten der Zündung an das Steuergerät 10 weiter gibt, wo eine vorbestimmte Anzahl von Zündpulsen der endgültigen Einschaltung der Zündung vorausgeschickt werden, um den Schaltruck zu dämpfen und ein fühlbar weicheres Einsetzen des Volllast-Drehmomentes bis zur endgültigen Einschaltung der Zündung zu gewährleisten.
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Aus der 3 geht ein Schaltrad 12 hervor, das Klauen 14 aufweist, die bei einer Schaltrichtung 16 aus den Klauen 15 des Zahnrades 11 ausgespurt sind und sich in einer Leerlaufstellung befinden. Beim Weiterschalten in der Schaltrichtung 16 werden die Klauen 14 in die Klauen 15 eines Zahnrades 13 des nächst höheren Ganges einspuren.
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Die 4 zeigt ein Regelkreis-Schaubild, in dem ein Verfahren charakterisiert wird, das beim Schalten von einer Gangstufe auf die nächst höhere zum Einsatz kommt. Es werden die Abläufe beschrieben, die diesem Verfahren zum garantiert ruckfreien Gangwechsel zugrunde liegen. Das Verfahren selbst besteht aus den folgenden Einzelschritten:
- – Betätigung des Schalthebels (1);
- – Speicherung und Berechnung einer Referenzdrehzahl bezogen auf die Drehzahl während der letzten Zündung im Steuergerät (10);
- – Messung der momentanen Drehzahl;
- – Überwachung des Ablaufes einer Zeitkonstanten durch Vergleich der momentanen Drehzahl mit der Referenzdrehzahl;
- – Verarbeitung einer Rückmeldung, ob der Gang eingelegt ist;
- – Steuerung eines oder mehrerer Zündpulse, sofern der Gangwechsel wegen aufeinanderstoßender Klauen (14, 15) nicht erfolgt ist;
- – Rückmeldung vom Positionssensor (9), dass der Wechsel erfolgt ist;
- – Steuerung von Zündpulsen, um die Zündung weich ein zu schalten.
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Schließlich ist die Erfindung auch auf moderne Kraftfahrzeuge anwendbar, die über Verbrennungsmotoren mit Kraftstoff-Direkteinspritzung verfügen. Hier wird der Kraftstoff einer jeden Füllung unter hohem Druck in genau dosierter Menge in den Zylinderraum eingespritzt, wobei ein elektrisch ansteuerbares Magnetventil die Einspritzungen steuert. Derart ausgerüstete Einspritzanlagen lassen sich mit einem modifizierten Steuergerät 10 verbinden und ebenso genau in die ebenfalls erforderliche Drehzahlmessung integrieren. Auch Einzel-Einspritzungen sind ebenso in ein Ein-Aus-Schaltmuster übernehmbar, sodass die Steuerung der Direkt-Einspritzung an die Stelle der vormaligen Zündanlage 8 treten kann. Sollte die Drehzahlmessung über die Zündanlage 8 einfacher und kostengünstiger zu realisieren sein, so ist im Regelkreis eine Teilung der Steuerungen im Steuergerät 10 in der Weise möglich, dass die Drehzahlmessung weiterhin über die Zündanlage 8 zum Steuergerät 10 läuft, dass von dort aber als Reaktion hierauf die Geber der Direkt-Einspritzanlage angesteuert werden.
