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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Automatgetriebes
eines Fahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Automatgetriebe,
die zur Drehmomentübertragung in einem Antriebsstrang eines
Fahrzeuges hydraulisch betätigt werden, sind in der Fahrzeugtechnik
seit langem bekannt und weit verbreitet. Als Stufengetriebe sind
sie üblicherweise in Planetenbauweise mit mehreren Planetenradsätzen
konzipiert, wobei zur Schaltung der Gänge bzw. Gangstufen
eine entsprechende Anzahl von nass laufenden Lamellenkupplungen
angeordnet ist. Als weitere hydraulische Komponenten können
ein hydrodynamischer Drehmomentwandler mit einer Wandlerüberbrückungskupplung
als ein Anfahrelement und, insbesondere in Nutzfahrzeugen und Bussen,
ein hydrodynamischer Retarder als verschleißfreie Dauerbremseinrichtung
zur Entlastung der Radbremsen vorgesehen sein.
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Die
hydraulischen Komponenten eines solchen Getriebes benötigen
eine zuverlässige Ölversorgung zur Schmierung
der Zahnradsätze und Lager sowie einen bestimmten Öldruck
und eine bestimmte Ölmenge zur Schaltung und Kühlung
der Lamellenkupplungen sowie gegebenenfalls zum Betrieb des Retarders.
Dazu ist eine Hydraulikpumpe vorgesehen, die in der Regel, beispielsweise
als eine getriebeinterne Zahnradpumpe, über den Verbrennungsmotor
des Fahrzeuges angetrieben wird und dementsprechend im Betrieb einem
angeschlossenen Hydrauliksystem permanent Druck- und Kühlöl zur
Versorgung des Getriebes zur Verfügung stellt.
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Für
die Regelung und Steuerung des Hydrauliksystems in einem Fahrzeug
sind elektrisch betätigbare Ventile besonders geeignet.
Dabei werden im Wesentlichen werden zwei Bauarten unterschieden:
Bei
vorgesteuerten Ventilen wirkt ein Magnet in einem Vorsteuersystem
auf eine Abbaubohrung, die eine Druckdifferenz zwischen den druckbeaufschlagten
Seiten eines Dichtelementes ausgleicht, wobei das Dichtelement am
Ventilsitz vom Druck-Medium selbst betätigt wird. Magnetventile
dieser Bauart haben den Vorteil, dass sie mit relativ geringer Kraft
und entsprechend geringem Stromverbrauch grolle Durchflussmengen
bei hohen Drücken steuern können. Da sie nach
dem Differenzdruckprinzip arbeiten, benötigen sie jedoch
stets einen bestimmten Mindestbetriebsdruck.
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Bei
direktgesteuerten Ventilen wird hingegen die Magnetkraft direkt
zum Öffnen oder Schließen des Ventils verwendet.
Sie benötigen somit für ihre Schaltfunktion keinen
Mindestbetriebsdruck bzw. Differenzdruck. Ihr Arbeitsbereich beginnt
bei Null Bar und reicht bis zu einem bestimmten, maximalen Betriebsdruck.
Standardmäßig wird im stromlosen Zustand der Ventilsitz
meist durch Federkraft und den statischen Druck des Mediums geschlossen.
Wird der Magnet bzw. die Magnetspule mit eine elektrischen Spannung
beaufschlagt, so hebt sich ein Anker gegen diese Kräfte
vom Ventilsitz ab und das Ventil öffnet. Dabei hängen
der maximale Betriebsdruck und der Volumenstrom direkt von der Magnetkraft
ab. Derartige Ventile bauen besonders kompakt. Zudem sind sie für
nahezu jede beliebige Einbaulage geeignet und vergleichsweise kostengünstig.
Daher werden sie zunehmend für Regelungs- und Steuerungsaufgaben
in Hydraulikkreisen von Fahrzeugen, insbesondere in Wandlerautomatgetrieben
eingesetzt.
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Solche
Wandlerautomatgetriebe mit Drehmomentwandler, integriertem Primärretarder
(Intarder), primärseitig durch den Verbrennungsmotor angetriebener
Hydraulikpumpe und direktgesteuerten Druckregelventilen sind beispielsweise
von der Anmelderin als 5- oder 6-Gang-Lastschaltgetriebe in den
Baureihen mit den Bezeichnungen „ZF-Ecomat" und in einer
verbesserten Neuentwicklung als „ZF-EcoLife" bekannt. Sie
sind insbesondere für Stadtbusse entwickelt worden, aber
auch in Überlandbussen, Schienenbussen und Spezialfahrzeugen
vorteilhaft einsetzbar und zeichnen sich durch Langlebigkeit und
niedrigen Kraftstoffverbrauch aus. Durch das Wegfallen der Kupplungsbetätigung
und die automatischen Schaltvorgänge, gegebenenfalls sogar
mit adaptiven Schaltprogrammen, die an topografische Gegebenheiten
der Fahrstrecken des Fahrzeuges angepasst werden können,
bieten derartig ausgerüstete Busse besonders im dichten
Straßenverkehr mit häufig wechselnden Verkehrssituationen einen
hohen Fahrkomfort für den Fahrer und die Fahrgäste.
Dadurch, dass sich der Fahrer stets voll auf das Verkehrsgeschehen
konzentrieren kann und nicht durch häufige manuelle Schaltbetätigungen
in Anspruch genommen wird sowie die Fahrgäste nicht durch
plötzliche Lastwechsel überrascht werden, sind
derartige Wandlerautomaten insbesondere in Bussen auch unter Sicherheitsaspekten
vorteilhaft.
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Zur
Reduzierung von Schadstoffemissionen, Kraftstoffverbrauch und Lärmpegel
ist darüber hinaus, insbesondere im Stadtverkehr, ein so
genannter Start-Stopp-Betrieb wünschenswert, bei dem der Verbrennungsmotor
im Stillstand, beispielsweise an Kreuzungen mit Ampelanlagen, je
nach Situation und Möglichkeit abgeschaltet werden sollte.
Dies ist jedoch bei Fahrzeugen mit Automatgetrieben nicht ohne weiteres
möglich.
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Da
die Hydraulikpumpe über den Verbrennungsmotor angetrieben
wird, steht folglich das Drucköl nur bei laufendem Verbrennungsmotor
zur Verfügung. Bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor verliert
das Hydrauliksystem hingegen schnell an Druck, worauf üblicherweise
die Getriebesteuerung den aktuellen Gang auslegt und das Getriebe
in eine Neutral-Stellung schaltet. Ehe wieder ein Drehmoment übertragen
werden kann, muss sich im Hydrauliksystem zunächst wieder
ein ausreichender Druck aufbauen bevor das Fahrzeug anfahren kann.
Je nach Hydrauliksystem können auch zusätzliche
Verzögerungen hinzukommen, wenn beispielsweise Halteventile
im Hydrauliksystem erst bei einem bestimmten Druckniveau schalten.
Daraus ergibt sich eine relativ lange Aktivierungszeit bis zum Einlegen des
Ganges nach einem Motorstart.
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Aus
Sicherheitsgründen muss zudem ein bestimmter Zeitraum abgewartet
werden, innerhalb dessen sich auf jeden Fall ein ausreichender Druck aufgebaut
hat, ehe ein angewählter Gang eingelegt werden darf. Wenn
die Drehmomentübertragung zu früh begänne,
also ehe sich ein ausreichender Druck in den Kolbenräumen
der Schaltelemente aufgebaut hat, würden die entsprechenden
Reibkörper durchrutschen. Da bei unzureichendem Öldruck
auch die Kühlung und Schmierung der nasslaufenden Schaltelemente
nicht sichergestellt ist, könnte es dann durch hohe Kupplungsbelastungen
und vorzeitigen Verschleiß innerhalb kürzester
Zeit zu Schäden oder zumindest zur Verringerung der Lebensdauer
des Getriebes kommen. Der Sicherheitszeitraum führt jedoch
zu einer weiteren Verlängerung der Aktivierungszeit, die
zwar bei den relativ wenigen Anfahrvorgängen nach einem
Motorstart im Normalbetrieb kaum nachteilig empfunden wird, aber
einen Start-Stopp-Betrieb mit einer hohen Frequenz an Anfahrvorgängen
und der Notwendigkeit nach dem Motorstart, beispielsweise nach einer
Ampelschaltung, möglichst sofort anzufahren, praktisch
unmöglich macht, da in der Praxis zu häufige und
lange Verzögerungen entstünden.
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Um
einen Start-Stopp-Betrieb zu ermöglichen, könnte
eine elektromotorisch angetriebene Zusatzpumpe verwendet werden,
die beim Abschalten des Verbrennungsmotors den Öldruck
aufrechterhält. Dies würde jedoch neben zusatzlichen
Kosten, zusätzlichem Bauraumbedarf und zusätzlichem
Gewicht auch einen zusätzlichen Energieverbrauch bedeuten
und daher in der Energiebilanz des Start-Stopp-Betriebes eher kontraproduktiv
wirken, so dass darauf nach Möglichkeit verzichtet werden sollte.
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In
der
DE 41 39 726 C2 sind
zur Sicherstellung der Kühlölversorgung einer
hydraulisch betätigbaren Lamellenkupplung beim Einlegen
von Gängen, konstruktive Maßnahmen an einem in
einem Regelzylinder beweglichen Regelkolben vorgeschlagen. Dazu
sind an dem Regelkolben verschiedene Steuerkanten angeordnet, die
zunächst eine Kühlölzufuhr zu den Reibelementen freigeben,
bevor eine Steuerölzufuhr zu einem Druckraum freigegeben
wird, die dann zum Einrücken der Kupplung führt.
Durch diese Steuerung wird eine ausreichende Kühlölversorgung der
Lamellenkupplung sichergestellt, bevor ein Gang eingelegt werden
kann. Zudem wird der Wirkungsgrad des Getriebes durch eine insgesamt
geringere erforderliche Pumpenleistung erhöht, da das Kühlöl nur
während der tatsächlichen Beanspruchung der Reibelemente
der Kupplung in der Reibphase, also beim Einrücken der
Kupplung, zugeführt werden muss.
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Eine
Anfahr-Lamellenkupplung, bei der ebenfalls der Schmier- und Kühlöldruck
nur zeitweise, insbesondere in der Schließphase aufgebaut wird,
zeigt die
DE 36 05
004 A1 . Darin wird ein Kupplungsraum über eine
Druckleitung geflutet. Der Druck wird dabei über einen
von einem zeitgetakteten Magnetventil gesteuerten druckluftbeaufschlagten
Speicher aufgebaut, der in die Druckleitung ausgeschoben wird, wobei
die Druckleitung über ein Rückschlagventil gegen
eine Rückströmung bei nachlassendem Druck gesichert
ist. Ein erstes in den Kupplungsraum ragendes Schöpfrohr
begrenzt die Befüllung und leitet überschüssiges Öl
in einen Ölsumpf ab. Ein zweites Schöpfrohr ermöglicht
in Verbindung mit einem zweiten zeitgetakteten Magnetventil eine Schnellentleerung
des Kupplungsraumes in den Ölsumpf nach dem Einrücken
der Kupplung. Dadurch kann die erforderliche Pumpenleistung zur
Versorgung der Kupplung reduziert und somit der Wirkungsgrad des
Getriebes verbessert werden.
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Schwerpunkt
dieser Druckschriften ist die Reduzierung der erforderlichen Pumpleistung
der Hydraulikpumpe bei gleichzeitig sicherer Kühlung der Kupplung.
Dadurch wird die Aktivierungszeit bis zu einem sicheren Einlegen
des Anfahrganges nach einem Motorstart jedoch nicht verkürzt.
Der Fachmann findet darin auch keine Hinweise, wie die Aktivierungszeit
verkürzt werden kann, um einen Start-Stopp-Betrieb zu ermöglichen
oder zu verbessern.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur Ansteuerung eines Automatgetriebes anzugeben, mit
dem eine reduzierte Aktivierungszeit des Getriebes ermöglicht
wird und das dennoch eine hohe Betriebssicherheit und Lebensdauer
des Getriebes gewährleistet.
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Die
Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des
Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar
sind.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in Automatgetrieben,
bei denen die Ansteuerung der hydraulischen Gangschaltelemente durch direktgesteuerte
Ventile erfolgt, die Schaltsteuerung so eingestellt werden kann,
dass eine schnellere Druckölbefüllung der Kolbenräume
der Schaltelemente und damit eine Reduzierung der Aktivierungszeit
des Getriebes bis zur Fähigkeit der Drehmomentübertragung
nach einem Motorstart erreichbar ist.
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Demnach
geht die Erfindung aus von einem Verfahren zur Ansteuerung eines
Automatgetriebes eines Fahrzeuges, mit hydraulisch betätigbaren Schaltelementen
zur Schaltung von Gängen, mit einer über einen
Verbrennungsmotor antreibbaren Hydraulikpumpe zur Druck- und Kühlölversorgung,
und mit einem über eine Getriebesteuerungseinrichtung regelbaren
Hydrauliksystem mit einer Ventilanordnung mit direktgesteuerten
elektrischen Ventilen.
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Zur
Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung vor,
dass das Automatgetriebe bei kurzzeitig abgeschaltetem Verbrennungsmotor,
unabhängig von einem hydraulischen Versorgungsdruck, in
einer elektrischen Schaltstellung eines eingelegten Ganges eingestellt
ist.
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Durch
diese Schaltstellung wird vorteilhaft erreicht, dass das Getriebe
beim kurzeitigen Abschalten des Verbrennungsmotors in eine Bereitschaft
für eine unmittelbar folgende erneute Drehmomentübertragung
des Fahrzeug- Antriebsstranges versetzt wird und somit eine Aktivierungszeit
des Automatgetriebes verkürzt wird.
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Unter
einer kurzeitigen Abschaltung des Verbrennungsmotors wird ein Zeitraum
verstanden, der in der Größenordnung der Stopp-Phasen
bei einem Start-Stopp-Betrieb liegt. Unter einer Aktivierungszeit wird
eine Zeitspanne von einem Start des Verbrennungsmotors bis zur (möglichen)
Drehmomentübertragung des Getriebes verstanden. Eine Drehmomentübertragungsfähigkeit
des Getriebes ist dabei dann gegeben, wenn insbesondere die Lamellenkupplung
des entsprechenden Ganges ausreichend druckbeaufschlagt und gekühlt
ist, um schadlos und ohne einem erhöhten Verschleiß ausgesetzt
zu sein, Drehmoment übertragen zu können.
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Die
Aktivierungszeit eines Automatgetriebes hängt im Wesentlichen
davon ab, wie schnell sich der Hydraulikdruck in einem Hydrauliksystem
nach einem Motorstart wieder aufbaut. Ein entsprechendes Hydrauliksystem
ist vorzugsweise in einen Hauptdruckkreis oder Primärdruckkreis
und einen oder mehrere Sekundärdruck- oder Nebenkreise
unterteilt. Die Schaltelemente, meist Lamellenkupplungen, sind dem
Hauptdruckkreis zugeordnet, über den der erforderliche Öldruck
den Kolbenräumen der Schaltelementkolben der Kupplungen
zugeführt wird. Die Schmierung der Planetensätze
sowie die Ölversorgung von vorhandenen Drehmomentwandlern und/oder
Retardern erfolgt über den Sekundärdruckkreis.
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Um
die Aktivierungszeit zu reduzieren, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
den aktuell eingelegten Gang elektrisch geschaltet zu lassen, wenn der
Verbrennungsmotor abgeschaltet wird. Dies ist in Hydrauliksystemen,
bei denen die Ansteuerung der hydraulischen Gangschaltelemente durch
direktgesteuerte Ventile erfolgt, möglich, da diese keinen
bestimmten Systemdruck für ihre Funktion benötigen.
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Gemäß einer
anderen Variante ist vorgesehen, dass das Automatgetriebe im Start-Stopp-Modus
so betrieben wird, dass beim Abschalten des Verbrennungsmotors in
den Stopp-Phasen ein Anfahrgang elektrisch geschaltet wird und auch
geschaltet bleibt. Dadurch wird ein Zeitverlust beim Starten des
Verbrennungsmotors zum Auswählen und Aktivieren des Anfahrgangs
vermieden.
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Für
das Verfahren sind grundsätzlich alle direktgesteuerten
Druckregel- oder Taktventile geeignet, bei denen eine Aktuatorkraft
direkt auf einen Regelkolben wirkt. Besonders vorteilhaft können
dafür direktgesteuerte Druckregler mit Proportionalmagneten
verwendet werden. Dieses Druckreglerprinzip ermöglicht
ein Verschieben des Regelkolbens durch eine entsprechende Bestromung
des Magneten.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Ventil
oder die Ventile, über die der eingelegte Gang geschaltet
ist, angesteuert. Dabei werden Steuerkanten, die an den Regelkolben
der Ventile ausgebildet sind, durch Bestromen der zugehörigen Proportionalmagnete
in einer geöffneten Schaltstellung gehalten. Dadurch bleibt
das entsprechende Schaltelement mit dem Hauptdruckkreis verbunden, auch
wenn infolge des Abschaltens des Verbrennungsmotors der Hydraulikdruck
im System absinkt.
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Dies
stellt zum einen sicher, dass die Kolbenräume und Zulaufkanäle
der Lamellenkupplungen sich nicht vollständig in einen Ölsumpf
entleeren. Zum anderen baut sich der Hauptdruck beim Anlassen des
Motors annähernd gleichzeitig im Hauptdruckkreis und in
dem bzw. den Schaltelementen auf, wobei der sich aufbauende Druck
direkt in das jeweilige Schaltelement geleitet wird. Dadurch wird
die Befüllzeit zur vollständigen Wiederbefüllung
der Kolbenräume der Lamellenkupplungen mit Drucköl
erheblich reduziert.
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Die
Speisung der angeschlossenen Sekundärkreise bzw. weiteren
Hydraulikkanäle und hydraulischen Komponenten erfolgt vorteilhaft über
ein Hauptdruckventil, welches erst öffnet, wenn der Hauptdruckkreis
gesättigt ist, also den erforderlichen Hauptdruck aufweist,
so dass beim Starten des Motors eine Druckbeaufschlagung der Kolbenräume vorrangig
erfolgt.
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In
Prüfstandmessungen, bei denen der zeitliche Verlauf des
Druckaufbaus im Hydrauliksystem bis zur Feststellung einer Drehmomentübertragungsfähigkeit
untersucht wurde, ergab sich durch die erläuterte erfindungsgemäße
Beibehaltung der Schaltung des eingelegten Ganges mittels Ansteuerung
direktgesteuerter Druckregelventile eine signifikante Verringerung
der Aktivierungszeit. Gegenüber einer bisherigen typischen
Aktivierungszeit von Automatgetrieben, die deutlich über
einer Sekunde liegt, wurde eine Aktivierungszeit bis Drehmoment übertragen werden
konnte verifiziert, die bei 0,7 Sekunden oder darunter liegt. Durch
eine entsprechende Anpassung der Getriebesteuerung wird dadurch
ohne zusätzlichen Kostenaufwand und ohne elektrische Zusatzpumpe
ein effektiver Start-Stopp-Betrieb ermöglicht.
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Um
die Aktivierungszeit weiter zu reduzieren, kann das Verfahren mit
weiteren Steuerungsmaßnahmen und/oder Steuerungsmitteln,
die einen Druckabbau an den Schaltelementen verzögern und/oder
den Druckaufbau nach dem Motorstart beschleunigen, vorteilhaft kombiniert
werden.
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Als
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel kann das erfindungsgemäße
Verfahren besonders vorteilhaft bei einem Wandlerautomatgetriebe
für Kraftfahrzeuge, beispielsweise einem 6-Gang-Getriebe
in Planetenbauweise, mit als Lamellenkupplungen ausgebildeten hydraulischen
Schaltelementen zur Schaltung der Gänge bzw. Gangstufen,
mit einem überbrückbaren hydrodynamischen Drehmomentwandler
als Anfahrelement, einem vorteilhaft als Intarder ausgebildeten
hydrodynamischen Primär-Retarder zur Bremsunterstützung
und einer getriebenah angeordneten elektronischen Getriebesteuerung
zur Schalt steuerung des Getriebes über ein Hydrauliksystem
mit direktgesteuerten Ventilen, angewendet werden.
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Der
Aufbau und die Funktionsweise eines derartigen Getriebes, beispielsweise
des von der Anmelderin unter der Bezeichnung EcoLife zur Verfügung
stehenden Stadtbus-Getriebes, sind an sich bekannt.
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Die
Lamellenkupplungen des Getriebes sind an einen Hauptdruckkreis des
Hydrauliksystems angeschlossen. Vorteilhaft sind die direktgesteuerten Ventile
des Hydrauliksystems als Druckregelventile mit Proportionalmagneten
ausgebildet. Ein solches Druckregelventil hält über
eine Feder einen Ventilsitz in stromlosem Zustand geschlossen. Zum Öffnen
des Ventils wird der Proportionalmagnet elektrisch beaufschlagt,
wobei die erzeugte Magnetkraft größer ist als eine
entgegenwirkende resultierende Kraft aus der Feder und einer aktuellen
statischen/dynamischen Druckbeaufschlagung des Ventilsitzes.
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Erfindungsgemäß bleibt
in einem Start-Stopp-Betrieb bei dem Getriebe ein eingelegter Gang
elektrisch geschaltet, wenn der Verbrennungsmotor abgeschaltet wird.
Dazu wird das entsprechende Proportionalventil bestromt, so dass
eine hydraulische Verbindung zwischen einem Stellkolben der Lamellenkupplung
und dem Hauptdruckkreis bestehen bleibt, obwohl der Versorgungsdruck
aufgrund der stehenden Ölpumpe ausbleibt. Die elektrische Schaltung
des Ganges bewirkt zudem, dass sich ein dem Stellkolben zugehöriger
Kolbenraum nicht vollständig in einen Ölsumpf
des Getriebes entleert.
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Bei
einem erneuten Start des Verbrennungsmotors wird der sich über
die Hydraulikpumpe aufbauende Druck unmittelbar über den
Hauptdruckkreis in den Kolbenraum des Stellkolbens geleitet, so dass
dieser innerhalb kürzester Zeit und vorrangig druckbeaufschlagt
wird. Gleichzeitig wird der Lamellenkupplung eine ausreichende Ölmenge
zur Kühlung der Reibelemente der Kupplung zugeführt.
Daraus resultiert eine verkürzte Aktivierungszeit nach der
die Lamellenkupplung und damit das Getriebe Drehmoment übertragen
kann.
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Zudem
kann vorgesehen sein, dass das Getriebe dann durch eine Unterbrechung
der Bestromung der jeweiligen Proportionalventile in seine Neutral-Stellung
gebracht wird, wenn der Motorstillstand länger ein vorbestimmbarer,
einen Motor-Stopp im Start-Stopp-Betrieb kennzeichnender maximaler Zeitraum
dauert. Dieser Zeitraum kann beispielsweise 180 Sekunden betragen.
Auf diese Weise werden eine Dauerbelastung der betroffenen Proportionalventile
sowie ein unvorteilhafter Stromverbrauch vermieden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4139726
C2 [0011]
- - DE 3605004 A1 [0012]