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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Getriebeeinrichtung für ein Kraftfahrzeug
mit zumindest zwei Vorwärtsgängen und
mit einem Antriebsstrang gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Aus
der
DE 195 30 233
A1 ist ein Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug mit einem
Verbrennungsmotor und einem Elektromotor als Antrieb bekannt. Beide
Antriebe wirken auf eine Antriebswelle eines mit schaltbaren Zahnrändern zum
Schalten von zumindest einem Vorwärts- und/oder Rückwärtsgang versehenen
Geschwindigkeits-Wechselgetriebes, deren
Abtriebswelle mit dem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs verbunden
ist. Dabei ist der Elektromotor zumindest zeitweilig ständig mit
der Antriebswelle gekuppelt und zur Erzielung von komfortablen und
schnellen Schaltvorgängen
kurzfristig mit einer geringen Drehzahldifferenz zur Abtriebswelle
betrieben. Durch den derart angekuppelten Elektromotor lässt sich
insbesondere eine Zahn auf Zahn-Stellung der Gangschaltkupplung
vermeiden, bei welchen ein Schalten nicht oder nicht störungsfrei
durchführbar ist.
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Generell
muss bei einem Schaltvorgang das Antriebsmoment zunächst ab-
und danach wieder aufgebaut werden. Unter dem Antriebsmoment verdrillt
sich der Antriebsstrang nach Art einer Torsionsfeder, so dass eine
gewisse potentielle Federenergie durch die Tordierung des Antriebsstranges
in selbigem gespeichert ist. Wird der Antriebsstrang aus einem entspannten
Zustand, beispielsweise bei einem vom Getriebe entkoppelten Motor,
wieder mit dem Antriebsmoment beaufschlagt, kann es zu einem Überschwingen
kommen, das sich negativ auf einen Beschleunigungsverlauf des Fahrzeugs
auswirken kann.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
eine Getriebeeinrichtung der eingangs erwähnten Art eine verbesserte
Ausführungsform
anzugeben, bei welcher insbesondere während eines Schaltvorgangs
ein Überschwingen des
Antriebsstrangs beim Beaufschlagen mit dem Antriebsmoment vermieden
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch die Gegenstände der
unabhängigen
Ansprüche
gelöst,
vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Getriebeeinrichtung
für ein Kraftfahrzeug
die zum Verspannen bzw. Tordieren eines Antriebsstranges notwendige
potentielle Energie nicht motorseitig, sondern durch die Rotationsenergie
einer Getriebeeingangsseite zur Verfügung zu stellen. Hierzu ist
eine Rechner- und Steuerungseinrichtung vorgesehen, die beim Wechseln
von einem Ausgangsgang in einen Zielgang eine Verdrillenergie des
Antriebsstranges ermittelt, die dem jeweiligen, dem Zielgang zugeordneten
Anschlussmotormoment entspricht. Des Weiteren ist die Rechner- und Steuerungseinrichtung
so ausgebildet, dass sie beispielsweise bei einem automatisierten
Klauengetriebe eine Klauenkupplung mit einem Schaltzahnrad bei noch vorhandener
Drehzahldifferenz zwischen Antriebsstrang und Getriebeeingangsseite
betätigt,
so dass die Rotationsenergie der Getriebeeingangsseite zum Aufbau
der dem Anschlussmotormoment entsprechenden Verdrillung des Antriebsstranges
genutzt wird und damit letztlich ein Überschwingen der Fahrzeugbeschleunigung
verhindert. Insbesondere wird hierdurch auch eine Reduzierung eines
Schaltrucks erreicht.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist
die Rechner- und Steuerungseinrichtung derart ausgebildet, dass
sie die Getriebeeingangsseite genau zu dem Zeitpunkt mit dem Antriebsstrang
koppelt, in dem die in der Getriebeeingangsseite gespeicherte Rotationsenergie
einer dem Anschlussmotormoment entsprechenden Verdrillung des Antriebsstranges entspricht.
Hierdurch wird ein besonders weicher Schaltvorgang erreicht, da
die noch vorhandene, gespeicherte Rotationsenergie in der Getriebeeingangsseite
nahezu exakt mit der erforderlichen Verdrillenergie des Antriebsstranges übereinstimmt
und diesen derartig vortordiert, dass ein dem Zielgang entsprechendes
Anschlussmotormoment der entsprechenden Verdrillung des Antriebsstranges
entspricht. Es muss somit bei der Kraftkopplung zwischen Motor und
Antriebsstrang kein(e) über
die bereits mittels der gespeicherten Rotationsenergie aufgebrachte
Verdrillung hinausgehende Verdrillung, das heißt ein hinausgehendes Antriebsmoment,
auf den Antriebsstrang übertragen
werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist
die Rechner- und Steuerungseinrichtung so ausgebildet, dass sie
beim Schalten in genau dem Moment den Motor von der Getriebeeingangsseite
entkuppelt, in dem die Getriebeeingangsseite bei einer auf eine
Reduzierung des Motormoments folgenden Entdrillung des Antriebsstranges
ihr Drehzahlminimum aufweist. Das Schwingverhalten bzw. der Zeitpunkt
für die
geringste Drehzahl der Getriebeeingangsseite kann dabei beispielsweise über eine
Differentialgleichung berechnet werden. Generell bietet eine derartig
ausgebildete Rechner- und Steuerungseinrichtung den Vorteil, dass
für eine
Synchronisierung zum Hochschalten in einen nächsten Zielgang eine geringere Synchronisierungsenergie
aufgebracht werden muss und dadurch insgesamt ein ruhigeres Schaltverhalten
erreicht werden kann.
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Zweckmäßig ist
die zur Verdrillung des Antriebsstranges erforderliche Energie in
einem entsprechenden Kennlinienfeld in der Rechner- und Steuerungseinrichtung
hinterlegt und/oder die Rechner- und Steuerungseinrichtung selbst
ist zur Berechnung der Verdrillung des Antriebsstrangs ausgebildet.
Derartige Kennlinienfelder lassen sich für nahezu jeden beliebigen Anwendungsfall
erstellen und können
bei Bedarf an unterschiedlichste Parameter angepasst werden. Ist
die Rechner- und Steuerungseinrichtung zur Berechnung des Schwingverhaltens bzw.
zur Verdrillung ausgebildet, kann dies beispielsweise über Differentialgleichungen
erfolgen, wodurch eine individuelle und den jeweiligen Anforderungen angepasste
Berechnung erfolgen kann.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei
zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine
schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Getriebeeinrichtung,
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2 ein
Drehzahl-Zeit-Diagramm beim Hochschalten von einem Ausgangsgang
in einen Zielgang,
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3 ein
Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens
im Wechsel zwischen einem Ausgangsgang und einem Zielgang.
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Entsprechend 1 umfasst
eine erfindungsgemäße Getriebeeinrichtung 1 für ein Kraftfahrzeug
ein Getriebe 2 mit zumindest zwei Vorwärtsgängen, wobei das Getriebe 2 und
eine Kupplung 3 Teil eines Antriebsstrangs 4 sind,
der eingangsseitig von einem Motor 5 antreibbar ist. Darüber hinaus
ist eine Rechner- und Steuerungseinrichtung 6 vorgesehen,
welche gemäß einer
in 1 gezeigten Ausführungsform mit einer Drosselklappe 7,
einer Einspritzung 8, einer Zündung 9, einer Schwungradbremse 10,
wenigstens einer Klauenkupplung 11, einem Gaspedal 12,
einem Wählhebel 13 und
dem Antriebsstrang 4 derart verbunden ist, dass sie in
den jeweiligen verbundenen Komponenten 4, 7 bis 13 herrschende
Zustände
erfassen und/oder steuern kann. Eine Erfassung der jeweiligen Zustände kann
beispielsweise über
nicht dargestellte Sensoren erfolgen, während eine Steuerung über jeweils
zugeordnete Steuereinrichtungen erfolgen kann. Ein Informationsaustausch
zwischen den einzelnen Komponenten 4, 7 bis 13 und
der Rechner- und Steuerungseinrichtung 6 erfolgt dabei über Leitungen 15,
insbesondere über
einen CAN-Bus.
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Gemäß 1 ist
motorausgangsseitig die Kupplung 3 angeordnet, welche in
geschlossenem Zustand ein vom Motor 5 erzeugtes Motormoment
an das Getriebe 2 überträgt. Das
Getriebe 2 weist zumindest ein Losrad und ein damit im
Antriebsstrang 4 kuppelbares Festrad auf, wobei das Losrad
durch Betätigen
der Klauenkupplung 11 drehfest mit einer Getriebeeingangsseite 16 verbunden
wird und dadurch das Motormoment im Antriebsstrang 4 auf
eine Getriebeausgangsseite 17 überträgt, sofern die Kupplung 3.
geschlossen ist.
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Wird
bei geschlossener Kupplung 3 und ebenfalls geschlossener
Klauenkupplung 11 ein Anschlussmotormoment auf den Antriebsstrang 4 übertragen,
so wird dieser zunächst
nach der Art einer Torsionsfeder verdrillt, wodurch eine gewisse
potentielle Energie durch die Tordierung des Antriebsstranges 4 in
demselben gespeichert ist. Insbesondere beim Anfahren wird der Antriebsstrang 4 aus
einem entspannten Zustand, also beispielsweise bei einer Trennung
von Motor 5 und Getriebe 2, mit dem Anschlussmotormoment
beaufschlagt, wodurch es zum Überschwingen
des Antriebsmomentes im Antriebsstrang 4 und damit zu einem
ruckartigen Beschleunigungsverlaufs des Fahrzeuges kommen kann.
Je verdrehweicher der Antriebsstrang 4 dabei ist, umso größer wird
die Verdrillung bei gleichem Anschlussmotormoment.
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Erfindungsgemäß soll ein
derartiges Überschwingen
verhindert und damit ein Schaltruck reduziert werden, weshalb die
Rechner- und Steuerungseinrichtung 6 so ausgebildet ist,
dass sie zunächst beim
Wechseln von einem Ausgangsgang in einen Zielgang eine Verdrillenergie
des Antriebesstranges 4 ermittelt, die dem jeweiligen,
dem Zielgang zugeordneten Anschlussmotormoment entspricht. Daraufhin
steuert die Rechner- und Steuerungseinrichtung 6 das Getriebe 2 derart,
dass die Rotationsenergie der Getriebeeingangsseite 16 zum
Aufbau der dem Anschlussmotormoment entsprechenden Verdrillung des
Antriebsstranges 4 genutzt wird. Die Idee ist hierbei,
die zum Vorspannen des Antriebsstranges 4 notwendige potentielle
Energie nicht durch den Motor 5 bereitzustellen, sondern
aus der Rotationsenergie der Getriebeeingangsseite 16 zu
entnehmen. Dies bedeutet, dass beispielsweise bei einem automatisierten
Klauengetriebe die Klauenkupplung 11 mit einem Schaltzahnrad
bei noch vorhandener Differenzdrehzahl zwischen Antriebsstrang 4 und
Getriebeeingangsseite 16 betätigt wird, so dass eine Vorspannung
des Antriebsstranges 4 erzeugt wird und damit ein Überschwingen
der Fahrzeugbeschleunigung verhindert wird. Dabei ist die Rechner-
und Steuerungseinrichtung 6 vorzugsweise so ausgebildet, dass
sie die Getriebeeingangsseite 16 genau zu dem Zeitpunkt
mit dem Antriebsstrang 4 koppelt, in dem die in der Getriebeeingangsseite 16 gespeicherte Rotationsenergie
einer dem Anschlussmotormoment entsprechenden Verdrillung des Antriebsstranges 4 entspricht,
wodurch mehrere der folgenden Vorteile erzielt werden können. Eine
Synchronisationszeit verkürzt
sich ebenso wie eine Schaltzeit zwischen einem Ausgangsgang und
einem Zielgang. Des Weiteren treten allgemein geringere Belastungen
der für den
Drehzahlangleich verantwortlichen Bauteile, wie beispielsweise der
Kupplung 3 und der Klauenkupplung 11 auf, und
zudem kann ein gleichförmiges
Beschleunigen durch den bereits vorgespannten Antriebsstrang 4 erreicht
werden, da unangenehme Schwingungen des Antriebsstranges 4 beim
Wiederaufbringen des Anschlussmotormoments unterbleiben.
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Um
motorseitige Daten, wie beispielsweise eine Motordrehzahl und ein
Motormoment zu ermitteln, weist die Rechner- und Steuerungseinrichtung 6 zumindest
ein nicht gezeigtes Motorsteuergerät auf. Um die Verdrillung des
Antriebsstranges 4 und eine Drehzahldifferenz zwischen
Antriebsstrang 4 und Motor 5 bei einem Schaltvorgang
ermitteln zu können sowie
zum Steuern, das heißt Öffnen und
Schließen, der
Kupplung 3 ist des Weiteren ein nicht gezeigtes Getriebesteuergerät vorgesehen,
welches ebenso wie das Motorsteuergerät entweder extern angeordnet
sein kann oder einen integralen Bestandteil der Rechner- und Steuerungsvorrichtung 6 bildet.
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Um
den Schaltvorgang zwischen dem Ausgangsgang und dem Zielgang zu
optimieren, bestimmt die Rechner- und Steuerungseinrichtung 6 die zur
Verdrillung des Antriebsstranges 4 erforderliche Energie.
Die Bestimmung erfolgt dabei entweder durch eine Berechnung der
Verdrillung oder durch ein Auslesen aus einem entsprechenden Diagramm,
beispielsweise einem entsprechenden Kennlinienfeld.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
besteht ein weiterer wichtiger Aspekt darin, den Motor 5 beim
Schalten in den nächst
höheren
Gang genau in dem Augenblick vom Getriebe 2 zu trennen,
zu dem die Getriebeeingangsseite 16 ihre niedrigste Drehzahl
aufweist. Ein Schwingverhalten bzw. der Zeitpunkt für die geringste
Umdrehungsgeschwindigkeit der Getriebeeingangsseite 16 kann
beispielsweise über
eine Differentialgleichung berechnet werden. Dies bietet den Vorteil,
dass für
die Synchronisierung zum Hochschalten vom Ausgangsgang in den Zielgang
eine geringere Synchronisierungsenergie aufgebracht werden muss.
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In 3 sind
einzelne Verfahrensschritte I bis XI zum Wechseln zwischen einem
Ausgangsgang und einem Zielgang, insbesondere beim Wechseln in einen
höheren
Zielgang angegeben, während
ein Drehzahl-Zeit-Diagramm gemäß 2 die
einzelnen Verfahrensschritte verdeutlichen soll. Die Bezeichnung
n an der Ordinate steht dabei für
eine Drehzahl, während
t auf der Abszisse für
die Zeit steht.
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Zunächst besteht
bei zunehmender Drehzahl im Verfahrensschritt I der Fahrerwunsch,
von einem niedrigeren Ausgangsgang in einen höheren Zielgang zu schalten.
Dieser Fahrerwunsch wird von dem Getriebesteuergerät im Verfahrensschritt
II initialisiert bzw. identifiziert, woraufhin das Motorsteuergerät im Verfahrensschritt
III das Motormoment schnell abbaut. Im Verfahrensschritt IV wartet
nun das Getriebesteuergerät
genau den Moment ab, um den Motor 5 von der Getriebeeingangsseite
zu entkuppeln, in dem die Getriebeeingangsseite 16 bei
einer auf eine Reduzierung des Motormoments folgenden Entdrillung
des Antriebsstranges 4 ihre geringste Drehzahl aufweist.
Diese Dauer kann beispielsweise über
die Rechner- und Steuerungseinrichtung 6 berechnet werden
oder aus einem entsprechenden Kennlinienfeld ausgelesen werden.
Danach öffnet
im Verfahrensschritt V das Getriebesteuergerät die Kupplung 3 bzw.
schaltet ein automatisches Getriebe 2 auf neutral und/oder
legt einen Gang aus. Mit Beendigung des Verfahrensschrittes V ist
der Motor 3 vom Getriebe 2 entkuppelt bzw. das
Getriebe 2 durch Öffnen
der Klauenkupplung 11 neutral geschalten.
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Im
Verfahrensschritt VI berechnet das Motorsteuergerät anhand
eines Fahrerwunsches, welcher beispielsweise durch eine Gaspedalstellung
angezeigt wird, ein Zielantriebsmoment, woraufhin im Verfahrensschritt
VII das Getriebesteuergerät
die zum Zielgang zugehörige
Zielantriebsstrangverdrillung ermittelt. Die Ermittlung kann dabei
entweder über
eine Berechnung oder ein Auslesen aus einem bestimmten Kennlinienfeld
erfolgen. Zur Ermittlung der Zielantriebsstrangverdrillung erfasst
das Getriebesteuergerät
unter anderem Daten, wie eine Fahrzeuggeschwindigkeit.
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Im
Verfahrensschritt VIII ermittelt das Getriebesteuergerät eine ideale
Drehzahldifferenz beim Einrücken
in den Zielgang, wobei die Ermittlung hier ebenfalls entweder durch
eine Berechnung oder durch ein Auslesen aus einem entsprechenden Kennfeld
erfolgt. Im darauf folgenden Verfahrensschritt IX schließt das Getriebesteuergerät die Kupplung 3 bzw.
legt den entsprechenden Zielgang ein, sofern die ideale Drehzahl
erreicht ist. Dabei kann die ideale Drehzahl durch passives Abwarten,
das heißt Abfallen
der Drehzahl oder durch eine aktive Synchronisierung derselben erfolgen.
Im Verfahrensschritt X erkennt das Getriebesteuergerät das Ende des
Schaltvorganges, bei welchem der Antriebsstrang optimal vorgespannt,
das heißt
verdrillt ist, so dass im anschließenden Verfahrensschritt XI
das Motorsteuergerät
das entsprechende Zielantriebsmoment aufbauen kann. Der Übergang
zwischen X und XI ist so abzustimmen, dass bei Erreichen der optimalen
Verdrillung der Motor bereits das richtige bzw. notwendige Anschlussmoment
liefert.
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Zusammenfassend
lassen sich die wesentlichen Merkmale der erfindungsgemäßen Lösung wie folgt
charakterisieren:
Beim Schalten zwischen einem Ausgangsgang
und einem Zielgang wird zunächst
von einer Rechner- und Steuerungseinrichtung 6 eine Verdrillenergie
des Antriebsstranges 4 ermittelt, die dem jeweiligen dem Zielgang
angeordneten Anschlussmotormoment entspricht. Dabei steuert die
Rechner- und Steuerungseinrichtung 6 das Getriebe 2 so,
dass die Rotationsenergie einer Getriebeeingangsseite 16 zum
Aufbau der dem Anschlussmotormoment entsprechenden Verdrillung des
Antriebsstranges 4 genutzt wird. Die zum Verspannen bzw.
Verdrillen des Antriebsstranges 4 notwendige potentielle
Energie kommt daher nicht vom Motor 5, sondern wird aus
der Rotationsenergie der Getriebeeingangsseite 16 gewonnen.
Diese Energie ist so dimensioniert, dass die Verdrillung dem Anschlussmotormoment
entspricht.
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Dies
bietet den Vorteil, dass die Synchronisationszeiten verkürzt und
die Belastungen reduziert werden können. Insgesamt verringert
sich die Dauer der Zugkraftunterbrechung und damit eine Gesamtschaltzeit.
Durch die Vorspannung bzw. die Vordrillung des Antriebsstranges 4 gibt
es beim Wiedereinkuppeln in den Zielgang kein zusätzliches
Verdrillen und somit kein Überschwingen
des Antriebsstranges 4, was sich insbesondere in einer
Reduzierung des Schaltruckes bemerkbar macht.