DE102005021977A1 - Servounterstützungsvorrichtung für eine Handschaltung - Google Patents

Servounterstützungsvorrichtung für eine Handschaltung Download PDF

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Abstract

Servounterstützungsvorrichtung für eine Handschaltung, enthaltend einen Schalthebel, der mittels einer Übertragungseinrichtung zum Übertragen einer Schaltbewegung mit einem Schaltbetätigungsbauteil eines Schaltgetriebes verbunden ist, ein Mittel zur Erfassung der Bewegung des Schalthebels in Schaltrichtung, einen Servoantrieb zum Bewegen des Schaltbetätigungsbauteils und eine Steuereinrichtung zum Steuern des Servoantriebs, wobei die Servounterstützungsvorrichtung direkt einer Bewegung des Schalthebels in Schaltrichtung folgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Servounterstützungsvorrichtung für eine Handschaltung eines Getriebes. Solche Servounterstützungsvorrichtungen wirken im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs zum Ein- und Auslegen der verschiedenen Gangstufen eines Stufengetriebes. Hierbei werden üblicherweise über den Schalthebel Gangwechsel des Getriebes initiiert indem eine Bewegung des Schalthebels sensiert wird und entsprechend dieser Bewegung die Servounterstützungsvorrichtung zum Ein- oder Auslegen der entsprechenden Gangstufe angesteuert wird. Es sind Servounterstützungsvorrichtung bekannt (z. Bsp. DE 199 00 820 ), welche mit einem Steuergerät ausgestattet sind, die einer Stellung eines Schalthebels eine Soll-Stellung der Schaltwelle eines Getriebes zuordnen und mittels eines Servoantriebs der Servounterstützungsvorrichtung diese Sollstellung einstellen.
  • Nachteilig hierbei ist, das die Betätigung der Schaltwelle zeitverzögert der Bewegung des Schalthebels folgt und der Schalthebel einen gewissen Leerweg durchfährt, welcher keine Bewegung der Schaltwelle bewirkt. Die Schaltzeiten werden hierdurch verlängert und sportliche Schaltungen mit kurzen Schaltzeiten welche vom Fahrer durch eine schnelle Bewegung des Schalthebels gewünscht werden, können nur zeitversetzt erfolgen, da der Servoantrieb der Bewegung des Schalthebels zeitlich hinterherläuft.
  • Weiterhin sind Bedienelemente für ein Schaltgetriebe bekannt (z. Bsp. DE 199 20 650 ) wobei ein mit dem Bedienelement verbundenes Stellelement vorgesehen ist, welche das Bedienelement in eine Schaltposition bringt, welche dem tatsächlichen Schaltstatus des Getriebes entspricht. Die Bewegungen des Bedienelementes werden mittels Positionssensoren erfaßt, welche entsprechend der Stellung des Bedienelementes einen Getriebeaktuator zum Ein- und Auslegen der einzelnen Gangstufen ansteuern. Mittels des nicht mechanisch mit dem Getriebeaktuator gekoppelten Stellelementes können verschiedenartige Schaltkraftverläufe des Schalthebels, welche der Fahrer als Gegenkraft beim Betätigen des Schalthebels verspürt eingestellt, und eine Bewegung des Schalthebels auch gesperrt werden.
  • Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung eine Servounterstützungsvorrichtung zu schaffen, welche eine Bewegung eines Schalthebels ohne Zeitverzögerung in eine Bewegung eines Schaltbetätigungsbauteils eines Schaltgetriebes umsetzt, wobei der Zustand des Schaltbetätigungsbauteils genau der Stellung des Schalthebels entspricht. Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Servounterstützungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 vorgesehen. Vorteilhaft hierbei ist, dass zwischen dem Schalthebel und dem Schaltbetätigungsbauteil des Schaltgetriebes zu jeder Zeit eine starre Wirkverbindung besteht, wodurch eine Bewegung des Schalthebels direkt und zu jederzeit eine entsprechende Bewegung des Schaltbetätigungsbauteil bewirkt. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass bei Ausfall des Mittels zur Erfassung der Bewegung oder bei Ausfall des Servoantriebs die Funktionsfähigkeit bei gleichbleibenden Schaltwegen erhalten bleibt.
  • Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des Servoantriebs der Servounterstützungsvorrichtung sieht vor, dass der Servoantrieb einen Elektromotor aufweist, welcher über ein Getriebe das Schaltbetätigungsbauteil in beide Bewegungsrichtungen verschieben kann. Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Servounterstützungsvorrichtung sieht hierbei vor, dass bei erfaßter Bewegung des Schalthebels der Servoantrieb die Verschiebung des Schaltbetätigungsbauteils unterstützt. Vorteilhaft hierbei ist, dass zusätzlich zur vom Servoantrieb aufgebrachten Servokraft immer eine auf den Schalthebel wirkende Handschaltkraft auf das Schaltbetätigungsbauteil wirkt. Vorzugsweise ist hierbei die Servokraft so ausgelegt, dass eine Verschiebung des Schaltbetätigungsbauteils ohne Unterstützung der Handschaltkraft nicht möglich ist. Höchstvorzugsweise ist die Servokraft von der aktuellen Schaltposition des Schaltbetätigungsbauteils abhängig und in einem Speicher der Steuereinrichtung abgelegt.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Schaltbetätigungsbauteils sieht vor, dass dieses als Schaltwelle ausgebildet ist, welche bei einer Schaltbewegung des Schalthebels axial verschoben wird und bei einer Wählbewegung des Schalthebels verdreht wird. Erfindungsgemäß dient zur Übertragung der Wählbewegung die gleiche Übertragungseinrichtung welche die Schaltbewegung auf die Schaltwelle überträgt. Nach einem wesentlichen Aspekt der Erfindung ist das Getriebe des Servoantriebs bei einer Wählbewegung des Schalthebels von der Schaltwelle drehentkoppelt, so daß diese ohne Einfluß auf den Servoantrieb um ihre Achse gedreht werden kann. Vorteilhaft hierbei ist, dass zum Einlegen einer Gangstufe lediglich ein Übertragungselement und eine Schaltwelle vorgesehen sind, wobei der Servoantrieb die Schaltwelle nur bei einer Schaltbetätigung unterstützen kann und bei einer Wählbewegung funktionsentkoppelt ist, ohne dabei einer Drehbewegung der Schaltwelle folgen zu müssen.
  • Eine günstige Ausgestaltung sieht vor, dass das Getriebe als zweifach untersetztes Getriebe ausgebildet ist, welches eine erste Stufe aufweist, die von der mit einer X-Zahnverzahnung ausgeführten Abtriebswelle des Elektromotors und einem Zahnsegmentrad gebildet wird und eine zweite Stufe aufweist, welche durch ein mit dem Zahnsegmentrad drehfest verbundenes Zahnrad und einem mit der Schaltwelle gekoppeltem Zahnstangenelement gebildet wird. Vorzugsweise ist hierbei die Abtriebswelle des Elektromotors als 2-Zahn, 3-Zahn oder 4-Zahn-Ritzel ausgeführt. Vorzugsweise bilden die zwei Stufen des Getriebes zusammen eine Untersetzung von etwa 1 : 20 ins Langsame. Eine erfindungsrelevante Ausführung der ersten Stufe des Getriebe sieht vor, dass die erste Stufe als Stirnradgetriebe oder als Kronenradgetriebe ausgebildet ist. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung als Kronenradgetriebe ist vorgesehen, dass das Zahnsegmentrad als Cylkro®- Kronenrad ausgebildet ist und das Antriebsritzel des Elektromotors eine Evolventenverzahnung aufweist. Vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist, dass die Drehachsen des Elektromotors und des Zahnsegmentrad nicht parallel liegen müssen, sondern je nach Bauraumbedingungen auf jeden Winkel zwischen 0° und 90° eingestellt werden können. Bei der Einstellung muß lediglich das Cylkro®-Rad axial eingestellt werden, die axiale Lage des Ritzels innerhalb der Zahnbreite ist beliebig. Vorteilhaft bei beiden Ausgestaltungen ist insbesondere der hohe Wirkungsgrad des Getriebes und die geringe Reibung der speziellen Verzahnungsform, welche insbesondere eine sehr geringe Haftreibung aufweist. Bei Betätigung des Schalthebels in Schaltrichtung muß zuerst mittels Handschaltkraft die Haftreibung des Getriebes überwunden werden, bevor eine Bewegung des Schalthebels erfolgen kann und mittels des Mittels zur Erfassung der Bewegung des Schalthebels erfaßt werden kann. Demzufolge würde der Fahrer bei großem Haftreibungswiderstand einen unerwartet hohen Widerstand des Schalthebels zu Beginn einer Schaltung verspüren, was als unangenehm und störend empfunden werden könnte.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Zahnstangenelement eine axiale Bohrung auf, mittels welcher das Zahnstangenelement drehbar aber axial fest auf der Schaltwelle angeordnet ist. Hierbei weist die Schaltwelle vorzugsweise einen radialen Absatz auf, welcher zur direkten oder indirekten axialen Abstützung des Zahnstangenelements in der einen Richtung dient. Zur axialen Abstützung in der anderen Richtung ist vorgesehen, dass auf der Schaltstange eine Sicherungsscheibe angeordnet ist, welche ihrerseits durch ein in einer Ringnut der Schaltwelle aufgenommenes Sicherungselement axial gesichert ist.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Servounterstützungsvorrichtung sieht vor, dass der Schalthebel mittels der Übertragungseinrichtung mit einem ersten Ende des Schaltbetätigungsbauteils verbunden ist und der Servoantrieb mit demselben oder dem gegenüberliegenden Ende des Schaltbetätigungsbauteils gekoppelt ist.
  • Eine weitere günstige Ausführungsform sieht vor, dass das Mittel zur Erfassung der Bewegung des Schalthebels in Schaltrichtung ein die Drehbewegung des Elektromotors erkennender Sensor ist. Hierbei ist der Sensor vorzugsweise als in den Elektromotor integrierter Inkrementalgeber, welcher Relativbewegungen des Elektromotors sensieren kann, ausgeführt. Durch die hohe Untersetzung des zweistufigen Getriebes und eine vorzugsweise hohe Aufteilung einer Motorumdrehung in etwa 60 Inkremente wird sichergestellt, dass ein sehr geringer Betätigungsweg des Schalthebels bezogen auf den Gesamtweg einer Schaltung von Gang ausgelegt bis Gang eingelegt, oder anders herum, vom Sensor erfaßt wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Servoantrieb elastische Mittel aufweist, welche zwischen dem Elektromotor und der Schaltwelle wirken. Vorzugsweise sind die elastischen Mittel hierbei als Federelemente ausgebildet, welche zwischen der ersten Stufe des Getriebes und der zweiten Stufe des Getriebes oder/und zwischen der zweiten Stufe und der Schaltwelle angeordnet sind. Vorteilhaft hierbei ist, dass der Elektromotor bis zum Erreichen einer Schaltposition, bei welchem eine Synchronisation der Drehzahlen der zu schaltenden Gangstufe erfolgt, die Schaltwelle axial verschiebt und beim Synchronisieren der Gangstufe dann die Schaltwelle im Wesentlichen keine Axialbewegung mehr durchführt, wobei der Elektromotor jedoch weiterdreht und die vorzugsweise vorgespannten Federelemente weiter vorspannt. Die Federelemente dienen hierbei als Energiespeicher. Nach erfolgter Synchronisation entspannen sich die Federelemente wieder, wodurch das einzulegende Gangrad beschleunigt eingelegt wird. Weiterhin können die Federelemente dazu dienen, dass der Elektromotor gedämpft in den von der Schaltwelle vorgegebenen Endlagen abgebremst wird, wenn die Synchronisationsvorrichtung am einzulegenden Gangrad anschlägt. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des Getriebes sieht vor, dass das Zahnsegmentrad zweiteilig ausgebildet ist, wobei beide Bauteile zumindest ein Fenster zur Aufnahme eines zwischen den beiden Bauteilen wirkenden Federelementes aufweisen und wobei das erste Bauteil die mit dem Elektromotor wirkende Verzahnung aufweist und mit dem zweiten Bauteil das mit dem Zahnstangenelement wirkende Zahnrad drehfest verbunden ist und/oder das axial benachbart dem Zahnstangenelement mindestens ein Federelement zwischen einem vom Zahnstangenelement gebildeten Anschlag und einem mit der Schaltwelle verbundenen Anschlag angeordnet ist. Die Anordnung des Federelementes kann hierdurch platzsparend und ohne zusätzliche Bauteile erfolgen, wobei in beiden Ausführungsformen jedoch eine Drehung des Antriebsritzels bei stationärer Schaltwelle derart erfolgen kann, dass das Federelement die Drehenergie des Elektromotors aufnehmen kann indem das Federelement weiter gespannt wird und seine potentielle Energie dabei erhöht wird. Das Federelement ist hierbei vorzugsweise vorgespannt eingebaut, wobei die Vorspannkraft vorzugsweise höher ist als die Kraft, welche nötig ist um das Rastmoment des Elektromotors zu überwinden. Damit wird erreicht, dass der Schalthebel quasi starr mit dem Elektromotor gekoppelt ist und eine Betätigung des Schalthebels direkt eine Drehung des Antriebsritzels bewirkt ohne dass ein Spannen des Federelementes einen Leerweg des Schalthebels bezüglich des Elektromotors bedingen würde.
  • In einer weiterführenden Ausgestaltung der Servounterstüngungsvorrichtung ist vorgesehen, dass zur Erfassung der Bewegung des Schalthebels mindestens ein weiterer Sensor vorgesehen ist, welcher als Wegsensor oder Beschleunigungssensor oder Kraftsensor ausgebildet ist. Vorzugsweise ist der weitere Sensor hierbei direkt mit dem Schalthebel, der Übertragungseinrichtung oder der Schaltwelle gekoppelt. Vorteilhaft bei einem als Kraftsensor ausgebildeten Sensor ist, dass eine Ansteuerung des Servoantriebs bereits bei Sensierung einer auf den Schalthebel wirkenden Kraft erfolgen kann. Somit kann der Elektromotor noch vor einer Detektion einer Drehung und somit noch schneller von der Steuereinrichtung angesteuert werden, wodurch die Servounterstüzungsvorichtung dynamischer reagieren kann. Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Servounterstützungsvorrichtung mit einem Stufenwechselgetriebe im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs verbunden ist und dass das Stufenwechselgetriebe als Zahnradgetriebe ausgebildet ist. Vorzugsweise weist das Zahnradgetriebe verschiedene Gangstufen auf, welche mittels zugeordneter Synchronisiereinrichtungen eingelegt werden können. Hierbei sind zumindest die Synchronisiereinrichtungen der höheren Gangstufen als einfache Konussynchronisierungen ausgebildet. Üblicherweise sind bei handgeschalteten Stufenwechselgetrieben die Synchronisiereinrichtungen der unteren Gangstufen als Mehrfach-Konussynchronisierungen, zumindest als Zweifach-Konussynchronisierungen ausgeführt. Durch die Verwendung dieser relativ aufwendigen Synchronisiereinrichtungen kann eine am Schalthebel aufzubringende Synchronisierkraft bei gleicher Synchronisierzeit reduziert werden. Die in den unteren Gängen aufzubringenden Synchronisierkräfte sind bezüglich der Synchronisierkräfte in den höheren Gängen größer, da durch die höhere Spreizung der Untersetzung in den unteren Gängen eine größere Differenzdrehzahl beim Gangwechsel anzusynchronisieren ist. Da der Fahrer jedoch eine im Wesentlichen gleiche Schaltkraftcharakteristik erwartet, können durch die Mehrfach-Konussynchronisierungen die Synchronisierkräfte bei gleichen Schaltzeiten auf das Niveau der Synchronisierkräfte der höheren Gänge reduziert werden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht jedoch vor, dass die den unteren Gangstufen zugeordneten Synchronisiereinrichtungen auch als einfache Konussynchronisierungen ausgebildet sind. Hierdurch kann das Getriebe wesentlich günstiger und mit bei reduziertem Bauraumbedarf ausgelegt werden. Um dem Fahrer jedoch auch bei Gangwechseln in den unteren Gangstufen einen im Wesentlichen mit den höheren Gangwechseln vergleichbaren Schaltkraftverlauf am Schalthebel zu vermitteln, wird die Servokraft von der Steuereinrichtung entsprechend höher eingeregelt. Es kann weiterhin auch daran gedacht werden, bei Gangwechseln, bei welchen ein oder mehrere Gangstufen übersprungen werden und somit eine bezüglich Einfachschaltungen höhere Differenzdrehzahl zu synchronisieren ist, die Servokraft entsprechend zu erhöhen. Vorzugsweise wird eine Servokraft in Abhängigkeit einer Synchronkraftberechnung durchgeführt, wobei eine Drehzahldifferenz der zu synchronisierenden Gangstufe zugrunde gelegt wird, welche sich bei Kenntnis der einzulegenden Gangstufe unter anderem aus einer Raddrehzahl und der Drehzahl des Kraftfahrzeugmotors berechnet, aus welchen auch die aktuell eingelegte Gangstufe bestimmbar ist. Die einzulegende Gangstufe kann mittels eines weiteren Sensors, welcher die Wählstellung des Schalthebels direkt oder indirekt über die Drehstellung der Schaltwelle sensiert und der Bewegungsrichtung in Schaltebene bestimmt werden.
  • Höchstvorzugsweise werden in der Berechnung der Servokraft weitere Betriebszustände des Fahrzeugs wie z. Bsp. Motortemperatur oder/und Getriebeöltemperatur berücksichtigt. Hierdurch kann ein erhöhter Synchronkraftbedarf infolge niedriger Temperaturen durch eine entsprechende Erhöhung der Servokraft ausgeglichen werden.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Schaltwelle entsprechend einer Anzahl von Schaltgassen radial vorstehende Schaltfinger aufweist, welche entsprechend der Wählstellung des Schalthebels mit jeweils einem weiteren Schaltbetätigungsbauteil in Eingriff bringbar ist, welches den der jeweiligen Schaltgasse entsprechenden Gänge zugeordnet ist. Vorteilhaft hierbei ist, dass nur eine Schaltwelle zum Einlegen der Gangstufen benötigt wird, so daß der Servoantrieb fest mit dieser und unabhängig der Wahlstellung des Schalthebels wirkverkoppelt ist. Es ist hierbei nicht nötig, die Kopplung des Servoantriebs entsprechend der Wahlstellung des Schalthebels mit den weiteren Schaltbetätigungsbauteilen herzustellen oder aufzuheben. Eine bevorzugte Ausführungsform der weiteren Schaltbetätigungsbauteile sieht vor, dass diese verschwenkbar gelagert sind und mit rotierenden Synchronisiereinrichtungen gekoppelt sind, welche durch eine Axialverschiebung der Schaltwelle in die entgegengesetzte Richtung verschoben werden. Hierdurch kann über einen entsprechend angeordneten Drehpunkt der Schaltbetätigungsbauteile eine weitere Übersetzung der Schaltvorrichtung derart festgelegt werden, dass der axiale Verschiebungsweg der Schaltwelle kürzer oder länger als der resultierende Verschiebungsweg der Synchronisiereinrichtungen ist.
  • Es wurde bereits ausgeführt, dass die Steuereinrichtung vorzugsweise in Reaktion auf die Sensierung einer Schaltbewegung einen Schaltvorgang derart unterstützt, dass die Schaltkennlinien zum Einlegen verschiedener Gänge im Wesentlichen gleich sind. Es kann hierbei auch daran gedacht werden, dass die Schaltkennlinien verschiedener Gänge unterschiedlich ausgelegt sind, für ein Ein- oder Auslegen eines speziellen Ganges jedoch unter verschiedenen Betriebsbedingungen, wie unterschiedliche Betriebstemperaturen, Schaltdrehzahlen, etc. eine im Wesentlichen gleich hohe Handschaltkraft benötigt wird. Es kann auch daran gedacht werden, unter verschiedenen Betriebsarten des Kraftfahrzeugs unterschiedliche Schaltkennlinien und damit eine unterschiedlich hohe Unterstützung durch den Servoantrieb bereitzustellen. So können zum Beispiel die Schaltkennlinien in einem Sportmodus sich von den Schaltkennlinien in einem Economic-Modus derart unterscheiden, dass eine Servounterstützung im Sportmodus geringer ausfällt oder/und dass ein Gradient der am Schalthebel wirkenden Gegenkraft größer als in einem Economic-Modus eingestellt wird. Erfindungsgemäß werden hierzu der Steuereinrichtung über einen CAN-BUS weitere Signale wie z. Bsp. Motordrehzahl, Fahrmodus, Rennstartanforderung, etc. übermittelt.
  • Erfindungsgemäß sind in der Steuereinrichtung die Motorkennlinie des Servomotors und die verschiedenen Schaltkraftcharakterisitiken in einem Modell abgelegt. Eine geforderte Servokraft wird durch die Spannung oder den Strom des Elektromotors eingestellt. Die benötigte Versorgungsspannung der Steuereinrichtung und/oder des Elektromotors kann hierbei vorteilhafterweise mit dem Zündschloß gekoppelt sein, wodurch bereits bei entriegeltem Zündschloß eine Servounterstützung bereitgestellt werden kann. Eine bevorzugte Auslegung der Servokraft sieht vor, dass die Servokraft von der Steuereinrichtung so eingestellt wird, dass ohne Unterstützung einer auf den Schalthebel wirkenden Handschaltkraft die Servokraft für ein selbstständiges Einlegen einer Gangstufe nicht ausreicht. Vorzugsweise reicht hierbei die Servokraft nicht aus, um bei laufendem Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs eine Gangstufe ohne Unterstützung durch eine Handschaltkraft zu synchronisieren. In einer weiterführenden Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Servokraft nach erfolgter Synchronisierung einer Gangstufe so eingestellt wird, dass die Gangstufe ohne Unterstützung einer auf den Schalthebel wirkenden Handschaltkraft eingelegt wird. Vorzugsweise wird hierbei das Ende der Synchronisierung für die entsprechende Gangstufe durch den erfaßten Weg des Schalthebels, bzw. ab einem Schwellwert des Inkrementalgebers im Elektromotor erfaßt. Vorteilhaft hierbei ist, dass Schaltzustände, bei welchem ein Gang bereits synchronisiert oder teileingelegt ist, jedoch wieder herausspringen kann, vermieden werden. Die Steuereinrichtung kann hierzu den Servoantrieb dermaßen ansteuern, dass die Schaltwelle bis kurz vor ihre Endposition, welche einem abgelegtem Gang entspricht, verschoben wird, bzw. der Elektromotor kurz vor Erreichen der Endablage abgeschalten wird. Nach einem weiterführenden Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass nach erfolgtem Einlegen eines Ganges die Position der Schaltwelle weiter erfaßt wird und bei einer axialen Positionsänderung der Schaltwelle durch Vibrationen oder Lastwechseln im Getriebe eine Ablageposition des Ganges durch die Steuereinheit nachgeregelt wird. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung in Abhängigkeit von erfaßten Schaltpositionen oder Betriebsparametern den Servoantrieb dergestalt ansteuert, dass eine Sperrwirkung über den Schalthebel erzeugt wird, bzw. dass eine Gegenkraft auf den Schalthebel wirkt. Hierbei wird insbesondere daran gedacht, dass ab erfaßter Gangendlage eine Gegenkraft auf den Schalthebel aufgebaut wird, um dem Fahrer eine haptische Rückmeldung der eingelegten Gangstufe zu vermitteln. Weiterhin kann erfindungsgemäß auch ein unzulässiges Gangeinlegen durch eine der Handschaltkraft entgegenwirkende Servokraft vermieden werden. Es wird zum Beispiel daran gedacht, einem Gangeinlegen bei nicht vollständig ausgerückter Kupplung oder oberhalb einer Motordrehzahl entgegenzuwirken.
  • Die Servounterstützungsvorrichtung kann bei positiver Unterstützung vorzugsweise so ausgestaltet sein, dass die Servokraft von der Steuereinrichtung so eingestellt wird, dass bis zum Erreichen eines Synchronpunktes eines Ganges am Schalthebel eine in Wesentlichen monoton ansteigende Gegenkraft aufgebracht werden muß, oder/und dass ab dem Erreichen eines Synchronpunktes des einzulegenden Ganges am Schalthebel eine im Wesentlichen monoton bis auf Null sinkende Gegenkraft aufgebracht werden muß. Dem Fahrer wird hierdurch das Ende der Synchronisierung klar und deutlich vermittelt, wodurch ein exaktes Schaltgefühl entsteht und ein direkter Durchgriff auf das Getriebe vermittelt wird. Es kann jedoch auch daran gedacht werden, den Umkehrpunkt der aufzubringenden Gegenkraft vor, bzw. nach den Synchronpunkt zu verlegen, wodurch sich die Schaltcharakteristik ändert und die Schaltwege kürzer oder länger erscheinen, wobei das exakte Schaltgefühl erhalten bleibt.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand mehreren in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Servounterstützungsvorrichtung
  • 2 zeigt eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Servoantriebs
  • 3 zeigt einen möglichen Einbauort des Elektromotors am Getriebegehäuse
  • 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Schaltkraftverlauf
  • In 1 ist eine Servounterstützungsvorrichtung in einer vorteilhaften Ausgestaltung dargestellt. Hierbei ist ein Schalthebel 2 des Getriebes 4 mit der Übertragungseinrichtung 6 mittels eines Gelenkes 8 gekoppelt. Der Schalthebel selbst ist mittels des Gelenkes 10 bezüglich zum nicht dargestellten stationären Getriebegehäuse bewegbar gelagert. Die Übertragungseinrichtung 6 koppelt den Schalthebel 2 mit der Schaltwelle 12, welche über eine Lageranordnungen um Ihre Achse drehbar und in Richtung ihrer Achse axial verschieblich gelagert ist. Die Übertragungseinrichtung 6 überträgt die Bewegungen des Schalthebels 2 auf die Schaltwelle 12 derart, dass eine Bewegung des Schalthebels 12 in Wählrichtung, welche senkrecht zur Drehachse der Schaltwelle 12 verläuft, in eine Drehung der Schaltwelle 12 um ihre Achse umgesetzt wird. Eine Bewegung des Schalthebels 2 in Schaltrichtung, welche parallel der Drehachse der Schaltwelle 12 verläuft, wird in eine axial entgegengesetzte Verschiebung der Schaltwelle in Achsrichtung umgesetzt. Am axial entgegengesetzten Ende der Schaltwelle 12 ist der Servoantrieb 14 angeordnet. Hierbei treibt der Elektromotor 16 das Getriebe 18 an, welches wiederum die Schaltwelle 12 axial antreibt.
  • Nicht dargestellt ist die Steuereinrichtung sowie die entsprechende elektrische Verbindung zum Elektromotor und die Signalleitungen, welche den Inkrementalgeber mit der Steuereinrichtung zur Signalübertragung verbinden. Über die elektrische Steckvorrichtung 20 wird hierbei die elektrische Verbindung zur Steuereinrichtung, sowie zur Stromversorgung hergestellt. Die Schaltwelle 12 weist radial vorstehende Schaltfinger 22 auf, welche entsprechend der Wählstellung des Schalthebels 2 mit jeweils einem weiteren Schaltbetätigungsbauteil 24 in Eingriff bringbar ist, welches den der jeweiligen Schaltgasse entsprechenden Gängen zugeordnet ist. Die Schaltbetätigungsbauteile 24 sind über die Lageranordnungen 26 im Getriebegehäuse schwenkbar gelagert, so daß der sich in Eingriff befindliche Schaltfinger 22 bei axialer Bewegung das jeweilige Schaltbetätigungsbauteil 24 verschwenkt. Die bezüglich den Schaltfingern 22 gegenüberliegende Seite der Schaltbetätigungsbauteile 24 ist jeweils mit einer Synchronisiereinrichtung 26 gekoppelt, welche sich bezüglich des Schaltbetätigungsbauteile 24 frei drehen kann jedoch durch das Schaltbetätigungsbauteil 24 axial verschieblich ausgebildet ist. Die Funktionalität der Servounterstützungsvorrichtung stellt sich wie folgt dar: Betätigt der Fahrer den Schalthebel 2 in Schaltrichtung zum Einlegen oder zum Auslegen einer Gangstufe, wird über die Übertragungseinrichtung 6 die Schaltwelle 12 verschoben und damit das Getriebe und der Elektromotor in Bewegung versetzt. Von der Steuereinrichtung wird über das Signal des im Motor 16 integrierten Inkrementalgebers die Drehung der Motorabtriebswelle sensiert und damit indirekt eine Bewegung des Schalthebels 2 sensiert. Die Bewegung des Schalthebels 2 kann natürlich auch direkt über einen Sensors, welcher die Bewegung der Schaltwelle 12, der Übertragungseinrichtung 6, oder des Schalthebels 2 detektiert, ermittelt werden. Über die Steuereinrichtung wird der Elektromotor daraufhin entsprechend einer in der Steuereinrichtung abgespeicherten Schaltkraftcharakteristik oder/und des abgespeicherten Kennfeldes des Elektromotors angesteuert. Der Servoantrieb 14 treibt dadurch die Schaltwelle in der vom Fahrer vorgegebenen Schaltrichtung unterstützend mit an. Dadurch wird dem Fahrer durch die Unterstützung des Servoantriebs 14 eine von der aktuellen Position des Schalthebels 2 abhängige Restkraft abverlangt um den Schaltvorgang durchzuführen. Über die je nach Höhe der Servokraftunterstützung weitgehend unabhängig einstellbare Restkraft, welcher der Fahrer als Gegenkraft des Schalthebels verspürt, kann dem Fahrer eine gewünschte Schaltkraftcharakteristik vermittelt werden. Bei Handschaltgetrieben ohne Servounterstützungsvorrichtung wird die Gegenkraft des Schalthebels und damit die über die Schaltkraftcharakteristik von der Schaltposition abhängige Schaltkraft zum einen von der Schaltgeschwindigkeit und zum anderen von der Art der Synchronisiereinrichtung und der zu synchronisierenden Drehzahldifferenz bestimmt. Einfache Konussynchronisiereinrichtung fordern bei gleicher Schaltgeschwindigkeit eine höhere Schaltkraft als doppelte oder dreifache Konussynchronisierungen. Weiterhin beeinflussen verschiedene Rastiermechanismen die Schaltkraftcharakteristik derart, das die erforderliche Schaltkraft bis zum Erreichen des Synchronpunktes möglichst kontinuierlich ansteigt, nach Synchronisierung steil abfällt bis die Gegenkraft ihr Vorzeichen wechselt und als unterstützende Kraft die Schaltwelle und damit den Schalthebel möglichst selbständig in die Ablageposition der Gangstufe verschiebt. Als Rastiermechanismen sind üblicherweise Schwingenrasten 28 vorgesehen, welche dazu dienen, die Synchronisiereinrichtungen entweder im eingerückten oder im ausgerückten Zustand zu halten und bei einem Übergang von einem eingerückten zu einem ausgerückten Zustand, oder andersherum, eine zu überwindende Gegenkraft aufbringen, welche dazu dient, ein unbeabsichtigtes selbständiges Ein- oder Auslegen eines Ganges zu verhindern. Weiterhin dient üblicherweise eine Zentralraste 30, welche auf der Schaltwelle 12 angeordnet ist, einen fühlbaren Leerweg des Schalthebels um die Neutrallage zu verhindern, indem bereits eine Kraft notwendig ist, um den in der Neutrallage rastierten Schalthebel zu bewegen. Die Zentralraste ist weiterhin so ausgeführt, dass eine unterstützende Kraft auf den Schalthebel ausgeübt wird, sobald der Schalthebel eine Schaltposition erreicht hat, welche einem synchronisierten und bereits eingelegten Gang entspricht. Damit wird die Schaltwelle und damit die Synchronisiereinrichtung in eine Ablageposition verschoben, in welcher die Gangstufe sicher und formschlüssig eingelegt ist. Einem Verschieben der Schaltwelle in Richtung Gang auslegen wirkt dabei die Gegenkraft der Zentralraste entgegen. In 1 sind zum besseren Verständnis die Zentralraste 30 und die Schwingenrasten 28 dargestellt. Erfindungsgemäß kann jedoch zumindest die Zentralraste 30 entfallen und der Servoantrieb eine entsprechenden Unterstützung, bzw. aufzubringende Gegenkraft bereitstellen.
  • In 2 ist eine Explosionszeichnung eines vorteilhaften Servoantriebs dargestellt. Hierzu weist der Elektromotor 16 ein Antriebsritzel 32 auf, welches eine evolventische Dreizahnverzahnung aufweist. Das Antriebsritzel 32 kämmt mit dem Zahnsegmentrad 34, welches aus den beiden Bauteilen 36 und 38 besteht. Das Bauteil 36 kämmt hierbei mit dem Antriebsritzel und weist hierzu entweder eine Stirnradverzahnung auf, oder ist als Kronenrad mit einer Cylkro®-Verzahnung ausgeführt. Das Bauteil 36 ist in 2 vereinfacht dargestellt, wobei die Verzahnung nicht dargestellt ist. Das Bauteil 38 weist in Längsrichtung einen mittigen Schlitz 40 auf, welcher im zusammengebauten Zustand das Bauteil 38 aufnimmt. Weiterhin weisen die beiden Bauteile 36 und 38 korrespondierende Fenster 42, 44 auf, welche die Feder 46 aufnehmen. Zur Fixierung der beiden Bauteile 36 und 38 relativ zueinander dient das Zahnrad 46, welches endseitig ein dreiteiliges Aufnahmeprofil 48 aufweist, welches mittels korrespondierender Öffnungen 50, 52 der beiden Bauteile 36 und 38 beim Zusammenstecken diese zueinander positioniert. Die Öffnung 50 ist hierbei so ausgestaltet, dass das Bauteil 38 mit dem Zahnrad 46 drehfest verbunden wird. Die Öffnung 52 ist hierbei so ausgestaltet, dass das Bauteil 36 bezüglich des Zahnrads 46 um dessen Drehachse drehbar verbunden wird. Hierdurch können das Antriebsritzel 32 und das Zahnrad 46 sich begrenzt zueinander verdrehen, wobei sich die beiden Bauteile 36 und 38 relativ zueinander drehen und dabei die Feder 46 zusammendrücken. Das Zahnrad 46 kämmt mit einem auf der Schaltwelle 12 angeordneten Zahnstangenelement 54, welches hierzu mit einer Bohrung 56 ausgebildet ist. Die Schaltwelle 12 ist an ihrem Ende in ihrem Durchmesser reduziert, wodurch der Absatz 58 ausgebildet wird. Auf dem reduzierten Endbereich wird das Zahnstangenelement 54 drehbar angeordnet. Zur axialen Positionierung und Fixierung bezüglich der Schaltwelle 12 dienen die beiden Federelemente 60, 62, welche beidseitig des Zahnstangenelementes 54 auf der Schaltwelle 12 positioniert werden und wobei das Federelement 60 am Absatz 58 axial anliegt. Die Feder 62 liegt am axial dem Absatz 58 entgegengesetzten Ende an der Scheibe 64 an. Zur Axialsicherung auf der Schaltwelle 12 dient der Sicherungsring 66, welcher in eine Ringnut 68 der Schaltwelle 12 eingesetzt wird. Durch die beiden Federelemente 60, 62 wird eine begrenzte Axialverschiebung des Zahnstangenelementes 54 bezüglich der Schaltwelle 12 gewährleistet, wobei hierbei ein Federelement entlastet und das andere belastet wird. Um eine relative kraftbeaufschlagte Wirkentkoppelung zwischen dem Elektromotor 16 und der Schaltwelle 12 zu realisieren reicht natürlich eine der beiden Möglichkeiten. So kann bei Anordnung der beiden Federn 60, 62 auf der Schaltwelle 12 das Zahnradsegment 34 einteilig ausgebildet und starr mit dem Zahnrad 46 verbunden sein. Oder bei Verwendung des zweiteiligen federbelasteten Zahnradsegments 34 kann das Zahnstangenelement 54 axial starr aber drehbar auf der Schaltwelle 12 angeordnet sein.
  • 3 zeigt den Elektromotor 16, sowie den Stecker 70, welche jeweils außen am Getriebegehäuse 72 angeordnet sind. Hierzu weist das Getriebegehäuse am Umfang eine entsprechende Aufnahmekontur 74 auf. Hierdurch ragt nur das Antriebsritzel des Elektromotor ins Getriebeinnere, was eine einfache Montage und Demontage des Elektromotors und seiner elektrischen Verbindung über den Stecker 70 von außen ermöglicht.
  • In 4. ist ein erfindungsgemäßer Schaltkraftverlauf am Schalthebel in Schaltrichtung qualitativ dargestellt. Hierzu ist auf der Abszisse der Schaltweg aufgetragen und auf der Ordinate die Schaltkraft. Der Schaltweg 0 entspricht hierbei der Neutralstellung der Gangstufe, was im üblichen der Mittelstellung des Schalthebels in Schaltrichtung entspricht. Lenkt der Fahrer den Schalthebel in Schaltrichtung aus, verspürt er sofort eine Gegenkraft, welche bis zum Erreichen des Synchronpunktes kontinuierlich und im Wesentlichen stetig zunimmt. Hierbei werden die Drehzahl des Gangschaltrades und der Getriebewelle synchronisiert. Ab Erreichen des Synchronpunktes fällt die Gegenkraft stark ab, was dem Einlegen der Gangstufe entspricht. Erst in diesem Schaltwegsbereich wird der Formschluß zwischen Gangschaltrad und Schaltwelle realisiert. Die Gegenkraft sinkt bei zunehmendem Schaltweg weiter ab, bis die am Schalthebel spürbare Gegenkraft am Schaltpunkt 6,5 sich umkehrt und als unterstützende Kraft wirkt, welche den Schalthebel in die Gangablage bei 11 verfährt. Bei weiterem Schieben des Schalthebels in Schaltrichtung steigt die Gegenkraft wieder sehr steil an, um ein unkontrolliertes Anschlagen des Gangrades zu verhindern.

Claims (24)

  1. Servounterstützungsvorrichtung für eine Handschaltung, enthaltend einen Schalthebel, der mittels einer Übertragungseinrichtung zum Übertragen einer Schaltbewegung mit einem Schaltbetätigungsbauteil eines Schaltgetriebes verbunden ist, ein Mittel zur Erfassung der Bewegung des Schalthebels in Schaltrichtung, einen Servoantrieb zum Bewegen des Schaltbetätigungsbauteils, und eine Steuereinrichtung zum Steuern des Servoantriebs, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalthebel mittels der Übertragungseinrichtung derart mit dem Schaltbetätigungsbauteil gekoppelt ist, dass eine Bewegung des Schalthebels in Schaltrichtung eine unmittelbare Bewegung des Schaltbetätigungsbauteils bewirkt.
  2. Servounterstützungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Servoantrieb einen Elektromotor aufweist, welcher über ein Getriebe das Schaltbetätigungsbauteil in beide Bewegungsrichtungen verschieben kann.
  3. Servounterstützungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltbetätigungsbauteil eine Schaltwelle ist, welche bei einer Schaltbewegung des Schalthebels axial verschoben wird und bei einer Wählbewegung des Schalthebels verdreht wird.
  4. Servounterstützungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe als zweifach untersetztes Getriebe ausgebildet ist, welches eine erste Stufe aufweist, die von der mit einer X-Zahnverzahnung ausgeführten Abtriebswelle des Elektromotors und einem Zahnsegmentrad gebildet wird und eine zweite Stufe aufweist, welche durch ein mit dem Zahnsegmentrad drehfest verbundenem Zahnrad und mit einem mit der Schaltwelle gekoppelten Zahnstangenelement gebildet wird.
  5. Servounterstützungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe als Stirnradgetriebe oder als Kronenradgetriebe ausgebildet ist.
  6. Servounterstützungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnstangenelement eine axiale Bohrung aufweist, mittels welcher das Zahnstangenelement drehbar aber axial fest auf der Schaltwelle angeordnet ist.
  7. Servounterstützungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalthebel mittels der Übertragungseinrichtung mit einem ersten Ende des Schaltbetätigungsbauteils verbunden ist und der Servoantrieb mit demselben oder dem gegenüberliegenden Ende der Schaltwelle gekoppelt ist.
  8. Servounterstützungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Erfassung der Bewegung des Schalthebels in Schaltrichtung ein die Drehbewegung des Elektromotors erkennender Sensor ist.
  9. Servounterstützungsvorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Servoantrieb elastische Mittel aufweist, welche zwischen dem Elektromotor und der Schaltwelle wirken.
  10. Servounterstützungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Mittel als Federelemente ausgebildet sind, welche zwischen der ersten Stufe des Getriebes und der zweiten Stufe des Getriebes oder/und zwischen der zweiten Stufe und der Schaltwelle angeordnet sind.
  11. Servounterstützungsvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnsegmentrad zweiteilig ausgebildet ist, wobei beide Bauteile zumindest ein Fenster zur Aufnahme eines zwischen den beiden Bauteilen wirkenden Federelementes aufweisen und wobei das erste Bauteil die mit dem Elektromotor wirkende Verzahnung aufweist und mit dem zweiten Bauteil das mit dem Zahnstangenelement wirkende Zahnrad drehfest verbunden ist und/oder das axial benachbart dem Zahnstangenelement mindestens ein Federelement zwischen einem vom Zahnstangenelement gebildeten Anschlag und einem mit der Schaltwelle verbundenen Anschlag angeordnet ist.
  12. Servounterstützungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor im stromlosen Zustand ein Rastmoment aufweist, welches wesentlich geringer ist als das Vorspannmoment des Federelementes
  13. Servounterstützungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Bewegung des Schalthebels mindestens ein weiterer Sensor vorgesehen ist, welcher als Wegsensor oder Beschleunigungssensor oder Kraftsensor ausgebildet ist.
  14. Servounterstützungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Servounterstützungsvorrichtung für eine Handschaltung eines Stufenwechselgetriebes im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist, wobei das Stufenwechselgetriebe als Zahnradgetriebe ausgebildet ist.
  15. Servounterstützungsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe verschiedene Gangstufen aufweist, welche mittels zugeordneter Synchronisiereinrichtungen eingelegt werden können.
  16. Servounterstützungsvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisiereinrichtungen mindestens als einfache Konussynchronisierungen ausgebildet sind
  17. Servounterstützungsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die den unteren Gangstufen zugeordneten Synchronisiereinrichtungen als einfache Konussynchronisierungen ausgebildet sind.
  18. Servounterstützungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltwelle entsprechend einer Anzahl von Schaltgassen radial vorstehende Schaltfinger aufweist, welche entsprechend der Wählstellung des Schalthebels mit jeweils einem weiteren Schaltbetätigungsbauteil in Eingriff bringbar ist, welches den der jeweiligen Schaltgasse entsprechenden Gängen zugeordnet ist.
  19. Servounterstützungsvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Schaltbetätigungsbauteile verschwenkbar gelagert sind und mit rotierenden Synchronisiereinrichtungen gekoppelt sind, welche durch eine Axialverschiebung der Schaltwelle in die entgegengesetzte Richtung verschoben werden.
  20. Servounterstützungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung in Reaktion auf die Sensierung einer Schaltbewegung einen Schaltvorgang derart unterstützt, dass Schaltkennlinien zum Einlegen verschiedener Gänge im wesentlichen identisch sind.
  21. Servounterstützungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Servokraft des Servoantriebs von der Steuereinrichtung so eingestellt wird, dass ohne Unterstützung einer auf den Schalthebel wirkenden Handschaltkraft die Servokraft für ein selbstständiges Einlegen einer Gangstufe nicht ausreicht.
  22. Servounterstützungsvorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Servokraft nach erfolgter Synchronisierung einer Gangstufe so eingestellt wird, dass die Gangstufe ohne Unterstützung einer auf den Schalthebel wirkenden Handschaltkraft eingelegt wird.
  23. Servounterstützungsvorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Servokraft von der Steuereinrichtung so eingestellt wird, dass bis zum Erreichen eines Synchronpunktes eines Ganges am Schalthebel eine in Wesentlichen monoton ansteigende Gegenkraft aufgebracht werden muß.
  24. Servounterstützungsvorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einlegen einer Gangstufe die Servokraft von der Steuereinrichtung so eingestellt wird, dass ab dem Erreichen eines Synchronpunktes des einzulegenden Ganges am Schalthebel eine im Wesentlichen monoton bis auf Null sinkende Gegenkraft aufgebracht werden muß.
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