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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 große 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 zusätzlichen 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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Die
WO 2006/099947 A1 beschreibt ein Fahrzeug mit zwei Ölpumpen zur Druck- und Schmierölversorgung eines Automatgetriebes, nämlich eine erste, von einem Verbrennungsmotor mechanisch antreibbare Ölpumpe, und eine zweite, von einem Elektromotor antreibbare Ölpumpe. Es wird ein Verfahren offenbart, bei dem in einer ersten Betriebsart mit stillstehendem Verbrennungsmotor und damit auch stillstehender erster Ölpumpe die zweite Ölpumpe elektrisch so angetrieben wird, dass diese einen Öldruck erzeugt, mit dem die Schaltelemente des Automatikgetriebes vorbefüllt gehalten oder vorbefüllt werden können.
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Die
DE 10 2005 001 563 A1 offenbart ein Verfahren bei welchem ein Automatikgetriebe nach einem Motorstopp durch Bestromen von Aktuatoren in einem hydraulischen Steuergerät in eine Schaltstellung Neutral oder Parken geschaltet wird. Erst dann, wenn der Motor wieder gestartet und eine ausreichend hohe Druckversorgung mit Steuerdruck im Getriebe aufgebaut wurde, wird das Automatikgetriebe ausgehend von der Schaltstellung Neutral oder Parken in die beim Abschalten des Motors zuletzt ermittelte Wählhebel- bzw. Fahrposition geschaltet.
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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 in einer hier nicht beanspruchten Variante 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 der Erfindung 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 Schaltsteuerung 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-SteIlung gebracht wird, wenn der Motorstillstand länger als 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.