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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstrangs
eines Kraftfahrzeugs mit einem automatisierten Zahnräderwechselgetriebe mit
zuschaltbarem Nebenantrieb.
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Die
DE 197 08 929 A1 beschreibt
ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs.
Das Kraftfahrzeug verfügt über eine
Antriebsmaschine in Form eines Antriebsmotors, ein automatisiertes
Zahnräderwechselgetriebe
und eine zwischen der Antriebsmaschine und dem Zahnräderwechselgetriebe
angeordnete automatisierte Kupplung. Das Zahnräderwechselgetriebe weist einen
zuschaltbaren Nebenantrieb auf, an welchen Nebenaggregate angeschlossen
und über
das Zahnräderwechselgetriebe
angetrieben werden können.
Das Zuschalten des Nebenantriebs wird nur dann durchgeführt, wenn
das Kraftfahrzeug steht und im Zahnräderwechselgetriebe eine Neutralstellung
eingestellt ist.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, welches
Schaltungen im Zahnräderwechselgetriebe
bei zugeschaltetem Nebenantrieb ermöglicht. Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird beim
Einlegen eines Sollgangs im Zahnräderwechselgetriebe und zugeschaltetem
Nebenantrieb eine notwendige Synchronisation einer Drehzahl einer
Eingangswelle des Zahnräderwechselgetriebes
mittels der Antriebsmaschine über
die Kupplung durchgeführt.
Bei einem Zahnräderwechselgetriebe
muss zum Einlegen eines Gangs eine formschlüssige Verbindung zwischen den
Schaltelementen des Gangs, beispielsweise einer Schiebemuffe und
einem Losrad, hergestellt werden, womit eine formschlüssige Verbindung
zwischen der Getriebeeingangswelle und einer Getriebeausgangswelle
erreicht wird. Diese formschlüssige Verbindung
kann nur hergestellt werden, wenn zwischen den Schaltelementen keine
zu große
Drehzahldifferenz herrscht. Da die Getriebeausgangswelle mit angetriebenen
Fahrzeugrädern
verbunden ist, die Drehzahl der Getriebeausgangswelle damit also durch
die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs festgelegt wird, kann die
Anpassung der Drehzahlen nur durch eine Änderung der Drehzahl der Getriebeeingangswelle
erfolgen. Diese Anpassung der Drehzahl der Getriebeeingangswelle
wird als so genannte Synchronisation bezeichnet.
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Es
sind so genannte Synchrongetriebe bekannt, welche eine Synchronisierung
für jeden
Gang aufweisen. Mittels dieser Synchronisierungen wird vor dem eigentlichen
Einlegen des Gangs durch eine reibschlüssige Verbindung zwischen den
Schaltelementen eine Synchronisation durchgeführt. Diese Synchronisierungen
sind so ausgelegt, dass die notwendigen Drehmomente übertragen
und die anfallende Wärmeenergie
abgeführt
werden kann. Dies gilt allerdings nur für den Fall, wenn kein Nebenaggregat über den
Nebenantrieb zugeschaltet ist. Das Nebenaggregat kann beispielsweise
als Wasser-, Schlamm- oder Hydraulikpumpe, Seilwinde, Kranaufbau
oder Kehrmaschine ausgeführt
sein. In diesem Fall ist das Nebenaggregat mit der Getriebeeingangswelle
zumindest indirekt verbunden, so dass sich das Trägheitsmoment
der bei der Synchronisation zu beschleunigender Elemente drastisch
erhöht. Eine
Synchronisation mittels der Synchronierungen für jeden Gang könnte damit
zu einer Schädigung oder
Zerstörung
der Synchronisierung führen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren
wird bei zugeschaltetem Nebenantrieb, was beispielsweise mittels
eines geeigneten Sensors erkannt werden kann, die Synchronisation
mittels der Antriebsmaschine durchgeführt. Dazu wird die Kupplung
zumindest teilweise geschlossen und die Drehzahl der Antriebsmaschine in
den für
das Einlegen des Gangs zulässigen
Bereich eingestellt. Über
die Kupplung wird ein Drehmoment auf die Getriebeeingangswelle übertragen,
welches zu einer Drehzahlangleichung zwischen der Drehzahl der Antriebsmaschine
und der Getriebeeingangswelle führt.
Damit wird die Drehzahl der Getriebeeingangswelle ebenfalls in den
genannten Bereich gebracht und so die Synchronisation durchgeführt.
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Das
Zahnräderwechselgetriebe
kann auch als so genanntes unsynchronisiertes Getriebe, beispielsweise
als ein Klauengetriebe, ausgeführt
sein. Ein unsynchronisiertes Getriebe weist keine Synchronisierungen
für jeden
Gang auf.
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Durch
die Ermöglichung
von Schaltungen bei zugeschaltetem Nebenantrieb können Arbeitsabläufe der
Kraftfahrzeuge, welche insbesondere als Nutzfahrzeuge ausgeführt sind,
beschleunigt werden, was zu einer Zeitersparnis führt. Die
Zuschaltung des Nebenantriebs kann bereits während der Fahrt erfolgen, es
muss nicht der Stillstand des Kraftfahrzeugs abgewartet werden.
Beispielsweise können
Baustellenkipper bereits während
des Anfahrens einer Abladestelle den Nebenantrieb zuschalten und damit
schnell den Aufbau betätigen
und abladen. Bei Müllfahrzeugen
kann eine über
den Nebenantrieb angetriebene Müllpresse
auch bei höheren
Geschwindigkeiten, für
die eine oder mehrere Schaltungen im Getriebe notwendig sind, betrieben
werden.
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In
Ausgestaltung der Erfindung wird bei Vorliegen einer Schaltanforderung
in einen Sollgang des Zahnräderwechselgetriebes
geprüft,
ob die Synchronisation mittels der Antriebsmaschine durchgeführt werden
kann. Mit der Schaltung wird nur begonnen, wenn die Prüfung ein
positives Ergebnis liefert. Die Schaltanforderung kann von einem
Fahrzeugführer, beispielsweise
mittels eines Schalthebels, oder von einer Steuerungseinrichtung
des Zahnräderwechselgetriebes
ausgelöst
werden. Bei einem negativen Ergebnis der Prüfung wird die Schaltanforderung
ignoriert.
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Für die genannte
Prüfung
werden die voraussichtlichen Drehzahlen der Getriebeeingangswelle
und der Getriebeeingangswelle vorausberechnet. Dazu wird ausgehend
von den aktuellen Drehzahlen und bekannten oder abgeschätzter Fahrzeugparametern
sowie weiterer Betriebsgrößen des
Kraftfahrzeugs und/oder Umgebungsgrößen der voraussichtliche Verlauf
der Getriebeeingangs- und Getriebeausgangsdrehzahl abgeschätzt. Auf
Grund dieser Abschätzung
kann geprüft
werden, ob die Synchronisation mittels der Antriebsmaschine durchführbar ist.
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Fahrzeugparameter
des Kraftfahrzeugs beschreiben den allgemeinen Zustand des Kraftfahrzeugs,
beispielsweise:
- – ein Fahrzeuggewicht,
- – ein
Luftwiderstandsbeiwert und eine Stirnfläche,
- – Rollwiderstandskoeffizienten
der Fahrzeugreifen,
- – Verlaufsparameter
der Drehzahl der Antriebsmaschine während eines Gangwechsels, beispielsweise
ein maximaler positiver und negativer Gradient oder
- – ein
Allgemeinzustand von Motorbremsen, beispielsweise leicht- oder schwergängig.
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Betriebsgrößen beschreiben
den Zustand des Kraftfahrzeugs zu einem bestimmten Zeitpunkt, beispielsweise
wenn ein Gangwechsel angefordert wird. Betriebsgrößen sind
beispielsweise:
- – die Drehzahl der Antriebsmaschine,
- – das
Drehmoment der Antriebsmaschine,
- – eine
Stellung eines Fahrpedals,
- – ein
Zustand der Motorbremsen, beispielsweise aktiv oder inaktiv.
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Umgebungsgrößen sind
beispielsweise:
- – Neigung der Fahrbahn,
- – Beschaffenheit
der Fahrbahn, beispielsweise befestigte Straße, Schotter oder Matsch,
- – Umgebungstemperatur,
- – geodätische Höhe oder
- – Umgebungsdruck.
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Diese
Größen können teilweise
direkt mittels Sensoren erfasst, in besonderen Betriebssituationen gemessen
oder mittels geeigneter Berechnungsverfahren ermittelt werden. Einige
Größen, wie
beispielsweise Neigung der Fahrbahn, können auch von einem an sich
bekannten Navigationssystem mit digitaler Straßenkarte zur Verfügung gestellt
werden.
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Die
Abschätzung
des Verlaufs der Drehzahlen ist in der
DE 102 49 951 A1 ausführlich beschrieben.
Der Inhalt der
DE
102 49 951 A1 wird hiermit in die vorliegende Anmeldung
aufgenommen.
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Damit
wird sichergestellt, dass nur Schaltungen begonnen werden, die auch
bis zum Ende durchgeführt
werden können.
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In
Ausgestaltung der Erfindung wird bei der genannten Prüfung ein
Trägheitsmoment
eines über den
Nebenantrieb zugeschalteten Nebenaggregats berücksichtigt. Wie bereits ausgeführt erhöht ein zugeschaltetes
Nebenaggregat das Trägheitsmoment der
Welle drastisch, mit dem es in Antriebsverbindung steht. Durch Berücksichtigung
dieses Trägheitsmoment
liefert die Abschätzung
der Drehzahlverläufe
ein genaueres Ergebnis, so dass die Prüfung ebenfalls genauer wird.
Das Trägheitsmoment des
Nebenaggregats kann beispielsweise in der Steuerungseinrichtung
des Zahnräderwechselgetriebes
gespeichert sein oder durch einen Vergleich der Drehzahlverläufe bei
einer Schaltung mit und ohne zugeschalteten Nebenantrieb bestimmt
werden.
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In
Ausgestaltung der Erfindung wird bei Vorliegen eines Einschaltsignals
für den
Nebenantrieb die Kupplung geöffnet
und eine Neutralstellung im Zahnräderwechselgetriebe eingestellt.
Das Einschaltsignal für
den Nebenantrieb wird insbesondere durch den Fahrer mittels eines
Tasters oder eines Schalters ausgelöst. In der Neutralstellung
des Zahnräderwechselgetriebes
ist kein Gang eingelegt, die Antriebsverbindung zwischen Getriebeeingangswelle
und Getriebeausgangswelle ist also unterbrochen.
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Anschließend wird
der Nebenantrieb durch Herstellung einer Antriebsverbindung zwischen
einer Welle, beispielsweise einer Vorgelegewelle des Zahnräderwechselgetriebes
und einem Nebenaggregat zugeschaltet. Die Antriebsverbindung wird
insbesondere durch eine formschlüssige
Verbindung, beispielsweise eine Klauenkupplung hergestellt.
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Nach
dem Zuschalten des Nebenantriebs wird ein Sollgang des Zahnräderwechselgetriebes bestimmt,
eine notwendige Synchronisation der Drehzahl der Eingangswelle des Zahnräderwechselgetriebes
mittels der Antriebsmaschine über
die Kupplung durchgeführt
und der Sollgang eingelegt.
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Der
Sollgang wird beispielsweise so bestimmt, dass er dem eingelegten
Gang beim Auftreten des Einschaltsignals entspricht. War beim Auftreten
des Einschaltsignals kein Gang eingelegt, das Zahnräderwechselgetriebe
also in der Neutralstellung, so entspricht der Sollgang der Neutralstellung.
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Der
Sollgang kann auch in Abhängigkeit
von den bereits genannten Fahrzeugparametern und/oder Betriebsgrößen des
Kraftfahrzeugs und/oder Umgebungsgrößen bestimmt werden. Dazu können beispielsweise
Kennfelder in Abhängigkeit
von der Fahrzeuggeschwindigkeit und einer Stellung eines Fahrpedals
in der Steuerungseinrichtung des Zahnräderwechselgetriebes abgespeichert sein.
Es sind auch weitere, vom Fachmann als sinnvoll erachtete Abhängigkeiten
möglich.
Auch bei dieser Bestimmung des Sollgangs kann als Sollgang die Neutralstellung,
beispielsweise bei Stillstand des Kraftfahrzeugs, ermittelt werden.
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Damit
ist auch ein Zuschalten des Nebenantriebs während der Fahrt möglich. Mit
dem Zuschalten muss also nicht bis zum Stillstand des Kraftfahrzeugs
gewartet werden, womit sich eine Zeitersparnis für den Fahrzeugführer ergibt.
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In
Ausgestaltung der Erfindung weist das Zahnräderwechselgetriebe eine Bremseinrichtung auf,
mittels welcher die Welle, mit welchem das Nebenaggregat in Antriebsverbindung
bringbar ist, abgebremst werden kann. Die Bremseinrichtung muss nicht
direkt auf die genannte Welle wirken. Es ist auch möglich, dass
sie auf eine Welle wirkt, welche mit der genannten Welle in Antriebsverbindung
steht.
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Die
Bremseinrichtung kann beispielsweise als eine Reibungskupplung ausgeführt sein,
welche die Vorgelegewelle gegenüber
einem Gehäuse
des Zahnräderwechselgetriebes
abbremsen kann. Eine derartige Bremseinrichtung wird als eine Vorgelegewellenbremse
bezeichnet.
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Bei
der Zuschaltung des Nebenantriebs wird eine Reduktion der Drehzahl
der genannten Welle in einen Bereich, in dem die Zuschaltung des
Nebenantriebs möglich
ist, mittels der Bremseinrichtung unterstützt. Die Zuschaltung des Nebenantriebs,
insbesondere wenn der Nebenantrieb über eine formschlüssige Verbindung
realisiert ist, kann ebenfalls nur dann erfolgen, wenn eine Drehzahldifferenz
am Nebenantrieb nicht zu groß ist.
Bei der Zuschaltung steht das Nebenaggregat in der Regel, so dass
die genannte Welle fast bis zum Stillstand abgebremst werden muss.
Durch den Einsatz der Bremseinrichtung kann das Zuschalten beschleunigt
und damit ein Zeitgewinn erzielt werden.
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Weitere
Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung und der Zeichnung
hervor. Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 einen Antriebsstrang eines
Kraftfahrzeugs mit einem automatisierten Zahnräderwechselgetriebe und zuschaltbarem
Nebenantrieb,
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2 ein Ablaufdiagramm eines
Gangwechsels und
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3 ein Ablaufdiagramm einer
Zuschaltung des Nebenantriebs.
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Gemäß 1 ist
eine Getriebeeingangswelle 10 eines unsynchronisierten,
automatisierten Zahnräderwechselgetriebes 11 mittels
einer automatisierten Kupplung 12 mit einer Antriebsmaschine 40 in
Form eines Verbrennungsmotors verbunden. Das Zahnräderwechselgetriebe 11 verfügt über eine
parallel zur Getriebeeingangswelle 10 angeordnete Vorgelegewelle 13,
welche über
eine Zahnradstufe 41 mit der Getriebeeingangswelle 10 verbunden
ist. Auf der Vorgelegewelle 13 sind drehfest zwei Festräder 14, 15 für die beiden
exemplarisch dargestellten Gänge
des Getriebes 11 angeordnet. Ein der Antriebsmaschine 40 abgewandtes
Ende der Vorgelegewelle 16 ist als ein Nebenantrieb 22 ausgeführt. Über eine
Klauenkupplung 21 kann ein Nebenaggregat 23 an
den Nebenantrieb 22 angeschlossen werden. An der Klauenkupplung 21 ist
ein Sensor 24 angeordnet, welcher erfassen kann, ob die
Klauenkupplung 21 geschlossen ist, also der Nebenantrieb zugeschaltet
ist oder nicht.
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An
der Vorgelegewelle 13 ist eine Bremseinrichtung in Form
einer Vorgelegewellenbremse 30 angeordnet. Mittels der
Vorgelegewellenbremse 30, welche als eine Reibungskupplung
ausgeführt
ist, kann die Vorgelegewelle 13 gegenüber einem Gehäuse 20 des
Zahnräderwechselgetriebes 11 abgebremst
werden.
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Koaxial
zur Getriebeeingangswelle 10 ist eine Getriebeausgangswelle 16 angeordnet,
auf welcher verdrehbar zwei Losräder 17, 18 angeordnet sind,
welche mit den Festrädern 14, 15 kämmen. Jeweils
eines der Losräder 17, 18 kann
mittels einer Schiebemuffe 19 drehfest mit der Getriebeausgangswelle 16 verbunden
werden.
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Die
Kupplung 12, die Schiebemuffe 19, die Klauenkupplung 21 und
die Vorgelegewellenbremse 30 können von nicht dargestellten
Stellgliedern betätigt
werden.
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Das
Zahnräderwechselgetriebe 11 und
die Kupplung 12 werden von einer Steuerungseinrichtung 25 angesteuert.
Die Steuerungseinrichtung 25 steht dazu mit den genannten
Stellgliedern, dem Sensor 24, sowie weiteren nicht dargestellten
Sensoren und Stellgliedern in Signalverbindung. Außerdem steht
die Steuerungseinrichtung 25 mit einem Schalthebel 26 und
einem Schalter 27 in Signalverbindung. Mittels des Schalthebels 26 kann
der Fahrzeugführer Schaltungen
im Zahnräderwechselgetriebe 11 auslösen, also
eine Änderung
des Sollgangs erreichen. Mittels des Schalters 27 kann
der Fahrzeugführer den
Nebenantrieb 22 ein- und ausschalten, also ein Zuschaltsignal
für den
Nebenantrieb 22 erzeugen.
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Die
Antriebsmaschine 40 wird von einer Steuerungseinrichtung 28 angesteuert,
welche mit einem Fahrpedal 29 in Signalverbindung steht.
Mittels des Fahrpedals 29 kann der Fahrzeugführer einen
Sollwert für
das abgegebene Drehmoment der Antriebsmaschine 40 vorgeben.
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Die
Steuerungseinrichtungen 26 und 28 stehen über eine
Bus-Verbindung in
Signalverbindung, womit sie untereinander Daten austauschen können.
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Das
Zahnräderwechselgetriebe
kann auch als ein synchronisiertes Getriebe ausgeführt sein.
In diesem Fall weist die Schiebemuffe eine Synchronisierung auf,
mittels welcher das zu schaltende Losrad, die Vorgelegewelle und
die Getriebeeingangswelle beschleunigt oder abgebremst werden kann.
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Gemäß 2 wird
bei Vorliegen einer Schaltanforderung (Block 50) für das Zahnräderwechselgetriebe
im Abfrageblock 51 geprüft,
ob eine für
die Schaltung notwendige Synchronisation der Drehzahl der Eingangswelle
des Zahnräderwechselgetriebes mittels
der Antriebsmaschine über
die Kupplung durchgeführt
werden kann. Dazu werden die zukünftigen
Verläufe
der Drehzahlen der Getriebeeingangswelle und der Getriebeaungangswelle
abgeschätzt. Bei
der Abschätzung
wird berücksichtigt,
ob der Nebenantrieb zugeschaltet ist oder nicht. Bei zugeschaltetem
Nebenantrieb wird bei der Abschätzung das
Trägheitsmoment
des Nebenaggregats berücksichtigt.
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Ergibt
die Prüfung,
dass die Synchronisation mittels der Antriebsmaschine durchgeführt werden kann,
so läuft
die Schaltung in den Sollgang in Block 52 ab und das Verfahren
ist in Block 53 beendet.
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Liefert
die Prüfung
ein negatives Ergebnis, so wird das Verfahren sofort in Block 53 beendet.
Die Schaltungsanforderung wird also ignoriert.
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Gemäß 3 wird
das Zuschalten des Nebenantriebs mit dem Vorliegen eines Einschaltsignals
(Block 60) gestartet. Im folgenden Block 61 wird die
Kupplung geöffnet.
Im Block 62 wird nach dem Öffnen der Kupplung im Getriebe
die Neutralstellung eingestellt.
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Anschließend wird
im Block 63 geprüft,
ob die Drehzahl der Getriebeeingangswelle (n_ein) kleiner als ein
Schwellwert ist, unterhalb welchem die Zuschaltung des Nebenantriebs
möglich
ist. Die Schwelle liegt beispielsweise zwischen 150 und 250 U/min.
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Fällt die
Prüfung
negativ aus, so wird im Block 64 die Vorgelegewellenbremse
so angesteuert, dass die Vorgelegewelle abgebremst wird. Im darauf folgenden
Block 65 wird noch einmal dieselbe Prüfung wie im Block 63 durchgeführt. Diese
Prüfung wird
(während
die Vorgelegewellenbremse aktiv ist) so lange wiederholt, bis die
Prüfung
ein positives Ergebnis liefert, die Drehzahl der Vorgelegewelle (n_ein)
also kleiner als die Schwelle ist. Ist dies der Fall, so wird im
Block 66 die Vorgelegewellenbremse wieder geöffnet. Die
in den Blöcken 63 und 65 verwendeten
Schwellen können
gleich sein oder auch leicht unterschiedlich sein. Insbesondere
kann die Schwelle im Block 65 etwas größer sein, da die Drehzahl der
Getriebeeingangswelle noch weiter sinken wird, bis die Vorgelegewellenbremse
nicht mehr wirkt.
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Damit
kann im Block 67 durch Schließen der Klauenkupplung am Nebenantrieb,
der Nebenantrieb zugeschaltet werden. Der Block 67 wird
sofort ausgeführt,
wenn die Prüfung
in Block 63 ein positives Ergebnis liefert, also die Drehzahl
der Getriebeeingangswelle (n_ein) auch ohne Zuschaltung der Vorgelegewellenbremse
kleiner als die Schwelle ist.
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Nach
dem Zuschalten des Nebenantriebs wird in Block 68 der Zielgang
bestimmt. Der Zielgang entspricht dem eingelegten Gang im Zahnräderwechselgetriebe
bei Beginn des Zuschaltens des Nebenantriebs, also bei Vorliegen
des Einschaltsignals.
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Im
folgenden Block 69 wird geprüft, ob eine Synchronisation
der Drehzahl der Getriebeeingangswelle notwendig ist. Dazu wird
eine Differenzdrehzahl an den Schaltelementen des Sollgangs berechnet. Die
genannte Differenz wird ausgehend von der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit,
der aktuellen Drehzahl der Getriebeeingangswelle und der Übersetzungen
im Antriebsstrang berechnet.
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Ist
die Differenzdrehzahl zu groß,
so wird im Block 70 eine Synchronisation durchgeführt. Dazu wird
zuerst ein Drehzahlwert der Getriebeeingangswelle berechnet, bei
welchem die genannte Differenzdrehzahl im erlaubten Bereich liegt.
Anschließend
wird die Kupplung zumindest teilweise geschlossen und die Drehzahl
der Antriebsmaschine in Richtung des genannten Drehzahlwerts verändert. Die
Synchronisation ist abgeschlossen, sobald die Drehzahl der Vorgelegewelle
zumindest innerhalb eines Bereichs um den genannten Drehzahlwert
liegt. Damit kann im Block 71 der Sollgang eingelegt werden.
Ist keine Synchronisation notwendig, so wird der Block 70 übersprungen
und sofort nach der Prüfung im
Block 69 der Zielgang eingelegt.
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Im
Block 72 ist das Verfahren beendet.