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Einsatzgebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein System zum
Steuern eines sequenziellen Getriebes, bei denen ein Steuerungsmotor und
Sensoren zum Schalten von Gängen
benutzt werden.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein
Getriebe wird benutzt, um Leistung von einem Motor auf einen Antriebsmechanismus
zu übertragen.
Ein Getriebe macht sich das Hebelprinzip zunutze, um Rotationsgeschwindigkeit,
Richtung und Drehmoment eines antreibenden Elements in unterschiedliche
Rotationsgeschwindigkeit, Richtung und Drehmoment eines angetriebenen
Elements umzuwandeln. Die meisten Getriebe benutzen eine Kombination
von verschiedenen Getriebeübersetzungen,
um diese Geschwindigkeits-Drehmoment-Umwandlung zu erreichen.
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Fahrzeuggetriebe
umfassen oftmals mehr als einen Satz von Getriebeübersetzungen
(typischerweise „Gänge” genannt),
um dem Fahrzeug zu erlauben, unter einer Vielzahl von Bedingungen
zu operieren. Wenn sich das Fahrzeug im Stillstand befindet, oder
sich mit niedriger Geschwindigkeit fortbewegt, kann ein Übersetzungsverhältnis ausgewählt werden,
um ein relativ hohes Drehmoment von dem Motor an den Antriebsstrang
zu liefern. Wenn sich das Fahrzeug mit höherer Geschwindigkeit fortbewegt,
kann ein anderes Übersetzungsverhältnis benutzt
werden, um höhere
Rotationsgeschwindigkeiten bei niedrigerem Drehmoment an das Antriebssystem
zu liefern. Übersetzungsverhältnisse
können ausgewählt werden,
um die Leistungsabgabe an das Antriebssystem in Bezug zu der Motorcharakteristik, und
insbesondere zu der Leistungsabgabe des Motors als Funktion der
Rotationsgeschwindigkeit des Motors zu optimieren. Die Änderung
des Übersetzungsverhältnisses
eines Getriebes ist allgemein bekannt als Schalten oder Ändern des
Ganges und bedarf typischerweise einem kurzen Auskuppeln des Motors
von dem Antriebssystem, indem eine Kupplungsanordnung benutzt wird.
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Ein
typisches Fahrzeuggetriebe, wie in 1 exemplarisch
dargestellt, kann eine Eingangswelle 101 umfassen, welche
mit Hilfe eines Motors durch eine Kupplungsanordnung angetrieben
wird, und eine Ausgangswelle 102, welche das Antriebssystem
antreiben kann, wenn ein Gang ausgewählt ist. Die Eingangswelle 101 greift
typischerweise durch eine Anzahl von Eingangsgetrieberädchen 110.
Die Ausgangswelle 102 kann in dieser Anordnung durch eine
Anzahl von entsprechenden Ausgangsgetrieberädchen 109 durchgreifen,
welche mit den Eingangsgetrieberädchen 110 verzahnt
sind, wo bei jedes Paar von verzahnten Getrieberädchen einem Getriebesatz entspricht.
In jedem Getriebesatz ist eines der Rädchen nicht direkt mit der
Eingangs- oder Ausgangswelle verbunden und kann sich im nicht eingelegten
Zustand unabhängig
drehen, während
das andere mit der Eingangs- oder der Ausgangswelle verbunden ist.
Angrenzend an jedes frei drehende Rädchen 111 können Schieberädchen 108 an
der Welle montiert werden, die das frei drehende Rädchen 111 durchqueren.
Jedes Schieberädchen 108 kann
an der Länge
der Welle entlang gleiten, aber ansonsten in die Welle eingreifen,
so dass es sich mit der Welle dreht. Jedes frei drehende Rädchen 111 kann
Mitnehmerzähnchen
haben, welche in die angrenzenden Scheiberädchen 108 eingreifen, wenn
die Gleiträdchen 108 die
Welle entlang gleiten. Das Schieberädchen 108 greift in
das frei drehende Rädchen 111 ein,
versetzt dieses in Rotation mit der entsprechenden Welle, wodurch
ein Gang ausgewählt
wird. Nach Einlegen des Gangs wird die Ausgangswelle 102 durch
die Eingangswelle 101 in einem Verhältnis angetrieben, das durch
den gewählten
Gang bestimmt ist.
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Obwohl
dies eine gängige
Implementierung eines Fahrzeuggetriebes ist, gibt es viele Variationen, welche
dieselbe Funktion in ähnlicher
Art und Weise erreichen.
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Manche
Fahrzeuge benutzen ein sequenzielles Getriebe, welches ein Getriebe
mit wenigstens zwei Getriebesätzen
ist, welche in einer vorbestimmten Reihenfolge während des Schaltens ausgewählt werden
müssen.
Falls ein Fahrzeug drei Gänge
hat, kann das sequenzielle Getriebe nicht von einem beliebigen Getriebesatz
in einen anderen beliebigen Getriebesatz geschaltet werden. Dieser
muss in einer Reihenfolge geschaltet werden, welche durch die Konfiguration
des Gangschaltungsmechanismus vorbestimmt ist.
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In
einem sequenziellen Getriebe, das in einem typischen Fahrzeuggetriebe,
wies es wie exemplarisch in 1 beschriebenen
ist, implementiert ist, werden die Scheiberädchen 108 mittels
Schaltgabeln 106 bewegt, die schiebbar in eine Schaltgabelwelle 107 eingreifen,
welche parallel zur Schaltwalze 104 ausgerichtet ist. Typischerweise
gibt es auf der Schaltwalze 104 Kerben 105, Keile
oder Grate, welche in die Schaltgabeln 106 eingreifen und
die Rotation der Schaltwalze 104 in eine laterale Bewegung der
Schaltgabeln 106 entlang der Schaltgabelwelle 107 in
eine Richtung parallel zur Eingangswelle 101 und Ausgangswelle 102 umwandeln,
und dabei die Schieberädchen 108 entlang
der Eingangswelle 101 oder Ausgangswelle 102 bewegen.
Die Benutzung einer Schaltwalze 104 zum Auswählen der
Gänge zwingt
den Bediener bei dieser Anordnung, die Gänge der Reihenfolge nach zu
schalten. Die auf der Seite der Schieberädchen 108 gelegenen
Mitnehmerzähnchen 112 werden
benutzt, um in die Mitnehmerzähnchenlücke 113 einzugreifen,
die auf der gemeinsamen Seite des frei drehenden Rädchens 111 gelegen
ist. Dieses Eingreifen arretiert in effektiver Weise das frei drehende
Rädchen 111 an
die Welle, die durch seine Nabe läuft und erlaubt, dass Drehmoment
von der Eingangswelle 101 an die Ausgangswelle 102 durch
das frei drehende Rädchen 111 und sein
Eingriffsrädchen 119 übertragen
wird.
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Sequenzielle
Getriebe werden bei gewissen Anwendungen gegenüber anderen Getriebetypen wegen
ihrer relativen apparativen Einfachheit bevorzugt. Ein typisches
sequenzielles Getriebe hat weniger bewegliche Teile und ist generell
zuverlässiger als
ein vergleichbares vollmanuelles nicht sequenzielles Getriebe. Sie
können
oftmals, kleiner und leichter als andere vergleichbare Designs gemacht
werden und können
schneller in der Durchführung
des Gangschaltens sein. Sie werden aus diesen Gründen oftmals beim Motorrennsport
oder für
Motorradanwendungen eingesetzt.
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Viele
sequenzielle Getriebe werden vom Bediener manuell betrieben, indem
dieser Hand- oder Fußhebel
benutzt, die die Schaltwalze 104 mittels einer Ratschenandordnung 114 drehen
können.
Dies erlaubt es dem Bediener, die Schaltwalze 104 genügend zu
drehen, um ein Schalten herbeizuführen, aber hilft auch zu verhindern,
dass der Bediener die Auswahlwelle zu weit dreht. In einem Motorrad
implementiert kann das sequenzielle Getriebe eine Anzeigeanordnung
umfassen, wie beispielsweise ein Nockenanzeiger 116. Die
Anzeigeanordnung kann eine Nockenwelle 115 umfassen, die
mit der Schaltwalze 104 in Kombination mit einer Klaue
oder einem Nockenstößel 118 verbunden
ist, der in eine Vertiefung in der Nockenwelle 115 eingreift,
wenn die Schaltwalze 104 gedreht wird. Der Nockenstößel 118 kann
an einem Ende ein Rad 117 haben, welches entlang der Nockenwelle 115 abrollen
kann, und es kann ferner vorgespannt sein, so dass das Rädchen 117 den
Kontakt mit der Nockenwelle 115 aufrecht erhält. Wenn
der Nockenstößel 118 in
einer Vertiefung Platz nimmt, wurde die Schaltzwalze 104 in
eine Position mit eingelegtem Gang gedreht. Durch Kraftausübung auf
einen an der Ratschenanordnung 114 angebrachten Schalthebel
kann der Bediener die Schaltwalze 104 drehen, wenn die
Kraft ausreichend ist, um den Nockenstößel 118 aus der Vertiefung
zu holen und die Reibungskräfte
zu überwinden.
Der Nockenstößel 118 bewegt
sich gemäß der Drehung der
Schaltwalze 104 in eine benachbarte Vertiefung auf der
Nockenwelle 115.
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Automatische und halbautomatische
Konfigurationen
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Ein
beliebiges aus dem Stand der Technik bekanntes sequenzielles Getriebesystem
kann durch automatische oder halbautomatische Steuerungsmittel bedient
werden. Diese automatischen oder halbautomatischen Steuerungseinheiten
umfassen typischerweise ein elektrisches oder elektronisches Steuerungssystem,
das programmierbar sein kann und einen Steuerungsmechanismus, welcher
Knöpfe,
Hebel oder Schalter umfassen kann, die von dem Fahrzeugführer bedient
werden können.
In einer vollautomatischen Konfiguration wird das Getriebeschalten
vollständig
von der Steuerungseinheit in Antwort auf externe Bedingungen, Motorgeschwindigkeit,
gegenwärtig
eingelegten Gang und andere Faktoren, beispielsweise ob der Fahrzeugführer bremst
oder beschleunigt, durchgeführt.
Solche automatischen Getriebe schalten die Gänge herauf und herunter, je nachdem,
ob der Fahrzeugführer
das Fahrzeug zu be- oder entschleunigen versucht.
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Es
gibt ein Reihe von Getriebesystemen für sequenzielle Steuerungseinheiten,
die einen Steuerungsmotor oder andere Antriebsmittel beinhalten, die
direkt mit der Schaltwalze verbunden sind und es der Steuerungseinheit
erlauben, die Auswahlwelle anzutreiben und damit das Getriebe von
einem Getriebesatz in einen anderen Getriebesatz, in Abhängigkeit
von der Programmierung, zu schalten. Viele Konfigurationen für solche
von einem Steuerungsmotor angetriebenen sequenziellen Getriebe sind
im Stand der Technik offenbart worden. Manche von ihnen beschreiben
einen Motor, der mit einem sequenziellen Getriebe gekoppelt ist
und einen Getriebesatz benutzt, um das elektrische Motordrehmoment
zu erhöhen,
und die Geschwindigkeit zu reduzieren. Manche Konfigurationen nach
dem Stand der Technik weisen ein Schaltwellengetriebesystem auf,
das als eine Anordnung eines Schneckengetriebes implementiert ist.
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Halbautomatische
und automatische Getriebesysteme können einen oder eine Anzahl
von Sensoren verwenden, um den Getriebestatus, beispielsweise welcher
Gang eingelegt ist, die Position des Steuerungsmotors und/oder die
Position der Schaltwalze zu bestimmen. Das Steuerungssystem für solche
Systeme initiiert oder verhindert ein Schalten unter bestimmten
Umständen
in Abhängigkeit
von sensorischen Eingaben. Ein Steuerungssystem könnte beispielsweise
den gegenwärtigen
Gang des Getriebes kennen und wie weit und wie lange es benötigt, um
den Steuerungsmotor zum Schalten des Systems in einen benachbarten
Gang zu betätigen.
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Ein
Problem mit solchen Systemen ist, dass das System beim Zusammenbau
kalibriert werden muss, um die speziellen Positionen für jeden
Gang relativ zum Motor vorzuselektieren. Sind einmal die vorselektierten
Getriebepositionen in das System hineinprogrammiert, so wird das
System typischerweise den Steuerungsmotor zu der vorselektierten
Getriebeposition führen.
Dies kann zu Schwierigkeiten im Betrieb führen, weil sich das Getriebe
mit der Zeit abnützt
und sich als ein Resultat von externen Temperaturschwankungen ausdehnen
oder zusammenziehen kann und auf diese Weise die exakte Position, um
das Getriebe in einen benachbarten Gang zu schalten, sich mit der
Zeit oder unter solchen externen Bedingungen verändern kann.
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Manche
existierende sequenzielle Getriebesysteme binden mechanische Mittel
ein (wie beispielsweise Federn oder Vorspannmittel), um Änderungen
in der Schaltposition durch Abnutzungen und Temperaturänderungen
auszugleichen. Das Einbinden eines Steuerungsmotors und eines Steuerungssystems
in solche Systeme führt
typischerweise zu weiteren Präzisionsverlusten,
wenn das Motorsystem diese dynamischen Elemente einlegt, während es
versucht, das Schalten durchzuführen,
welches das Schalten an der Vollendung hindern kann oder mit einer
sensorischen Erfassung interferieren kann, wenn ein Schaltvorgang
vollendet wurde.
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Eine
andere Schwierigkeit mit elektronisch gesteuerten motorgetriebenen
Getriebesystemen ist, dass solche Systeme typischerweise ein schlechtes Betriebsverhalten
zeigen, wenn während
des Schaltens eine Störung
zwischen den Mitnehmerrädchen erfasst
und auf diese reagiert wird. Das Problem, das allgemein als Getriebeblockade
bekannt ist, entsteht, wenn die Vorderkante eines Mitnehmerrädchens, das
zu einem Schieberädchen
gehört,
gegen die Vorderkante eines Mitnehmerrädchens, das zu einem entsprechenden
frei drehenden Rädchen
gehört,
gebracht wird. Unter diesen Bedingungen kann es sein, dass die Rädchen nicht
voll ineinander eingreifen oder sich dem Eingreifen komplett widersetzen
und der Schaltversuch fehlschlägt.
Viele moderne Getriebe binden einen Synchronisationsmechanismus
ein, der allgemein als Synchronisationsgetriebe bekannt ist, um
das Gangeinlegen zu ermöglichen,
jedoch erhöhen
diese Einrichtungen Größe, Gewicht
und Kosten des Getriebes. In Abwesenheit eines Synchronisationsgetriebes
wird das Steuerungssystem unter exzessiver Belastung der Elemente
des Systems den Motor weiter antreiben, wenn es solche Störungsbedingungen
sensorisch nicht erfasst. Unter solchen Umständen können das Getriebe, der Steuerungsmotor,
oder beide beschädigt
werden. Da das Schalten eines sequenziellen Getriebes in einer kurzen Zeitperiode
statt finden kann (z. B. in weniger als einer Hundertstelsekunde),
müsste
jedes Steuerungssystem mit Sensoren ausgestattet sein, die Störungsbedingungen
schnell und akkurat erfassen.
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Es
gibt einen Bedarf für
halbautomatische oder automatische sequenzielle Schaltsysteme, die die
Eingriffsposition der Schaltwalze erfasst und die Steuerungseinheit
kalibriert, um sich für
kurzzeitige Schwankungen in der Temperatur und langfristige Änderungen
durch Abnutzung anzupassen. Es gibt einen Bedarf für Steuerungssysteme
für motorgesteuerte
sequenzielle Getriebe, die eine Getriebeblockade schnell entdecken
und akkurat darauf reagieren können,
um ein Getriebeeingreifen, ohne einen Maschinenschaden zu riskieren,
zu erlauben.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern eines
Getriebes eines Fahrzeugs, wobei das Getriebe eine Eingangswelle,
eine Ausgangswelle, wenigstens zwei Getriebesätze, die wahlweise kuppelbar
sind, und eine Schaltwalze, die, wenn sie gedreht wird, einen Getriebesatz
auswählt, welcher
einkuppelt, um die Ausgangswelle von der Eingangswelle her anzutreiben,
umfasst und wobei die Vorrichtung einen Steuerungsmotor, welcher
mechanisch mit der Schaltwalze verbunden ist, um bei Betätigung die
Schaltwalze zu drehen, einen Drehmomentsensor, welcher das Drehmoment
misst, das durch den Steuerungsmotor auf die Schaltwalze ausgeübt wird,
und eine Steuerungseinheit zum Steuern des Motors mittels von dem
Drehmomentsensor empfangenen Signalen, um dadurch das Kuppeln des
Getriebesatzes zu steuern, umfasst.
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Die
Vorrichtung kann des Weiteren als Merkmal beinhalten, dass der Drehmomentsensor
einen Stromsensor umfasst, der den vom Steuerungsmotor gezogenen
Strom überwacht
und die Steuerungseinheit eine Änderung
des von dem Steuerungsmotor gezogenen Stroms während des Betriebs des Steuerungsmotors
als ein Anzeichen einer Getriebeblockade erkennt und den Steuerungsmotor
in Abhängigkeit
von der Veränderung
des gezogenen Stroms anpasst.
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Die
Vorrichtung kann eine Vielzahl von Schaltwalzen einschließen, die
jeweils unabhängig von
einem Steuerungsmotor betätigt
werden, um selektiv einen Getriebesatz einzulegen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden beispielhaft und mit Bezug auf die Zeichnungen
beschrieben:
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1 ist
eine Draufsicht eines sequenziellen Getriebes für ein Motorrad nach dem Stand
der Technik;
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2 ist
eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung, in der ein Steuerungsmotor dargestellt ist, der eine
Schaltwalze durch ein Räderwerk
antreibt;
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3a ist
eine Seitenansicht eines Indexierungsmittels in einer Position leicht
außerhalb
der Idealposition gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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3b ist
eine Seitenansicht eines Indexierungsmittels in einer fest eingelegten
Position gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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4 ist
eine schematische Darstellung des Systems, in der die Steuerungseinheit
und ihre Verbindungen zu anderen Elementen gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt ist;
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5 ist
eine schematische Ansicht eines Gleichstrom-Bürstenmotors, seines antreibenden Schaltkreises
und der Strommessschaltung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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6a ist
ein Diagramm, das Mitnehmerrädchen
vor dem Eingreifen zeigt;
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6b ist
ein Diagramm, das Mitnehmerrädchen
in einem Störungszustand
anzeigt;
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6c ist
ein Diagramm, das Mitnehmerrädchen
in einem Eingreifzustand zeigt;
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7 ist
ein Flussdiagramm, das die Logik der Steuerungseinheit nach einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das einen Steuerungsmotor 201 umfasst, der
die Schaltwalze 104 antreibt. Ein Nockenanzeiger 116 mit
einer Reihe von Einbuchtungen spannt die Schaltwalze 104 mittels
einer Vorspannklaue 118 in eine feste Anzahl von Getriebepositionen
vor. Der Steuerungsmotor 201 kann die Schaltwelle 203 durch
eine Reihe von Schaltwellenrädchen 202 antreiben.
Der Steuerungsmotor 201 kann einen Positionssensor einbeziehen,
wie beispielsweise einen Halleffektsensor, um die Position des Steuerungsmotors 201 zu
bestimmen.
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Die
Schaltwellenrädchen 202 können Stirnrädchen, Kegelradgetriebe,
Schraubenrädchen
und Hypoidräder
umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform schließen die
Schaltwellenrädchen 202 normalerweise
keine Schneckenradanordnung ein, weil Schneckenradanordnungen typischerweise schlechte
mechanische Übertragungseigenschaften von
Umkehrdrehmoment aufweisen und daher möglicherweise für einen
Drehmomentsensor keine gute Rückmeldung
bereitstellen. Schneckenradgetriebe sind Schraubenräder, deren
Schrägungswinkel
50° nicht übersteigt.
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Zusätzlich zu
oder anstelle von dem Positionssensor in dem Kontrollmotor 201 kann
die Erfindung auch einen Positionssensor 206 umfassen, welcher
einen Halleffektsensor oder eine andere Strommessvorrichtung enthalten
kann, die die Auswahlwelle 203 oder die Schaltwalze 104 umgreift oder
umrandet oder unmittelbar an diese angrenzt. Der Positionssensor 206 kann
benutzt werden, um die Position der Auswahlwelle 203 relativ
zu einem Fixpunkt wie dem Motorlager 204 oder relativ zu
dem Getriebegehäuse 205 zu
erkennen. Der Positionssensor 206 kann mittels der Benutzung
eines Potentiometers arbeiten, wobei in solchem Falle die Auswahlwelle 203 relativ
zu dem Potentiometer rotiert, wobei der Stromfluss durch das Potentiometer
verändert
wird. Im Falle eines Halleffektsensors kann die Auswahlwelle 203 auf
ihr montierte Permanentmagnete haben oder einen Teil umfassen, welcher
magnetisiert wurde, so dass er ein magnetisches Feld generiert,
welches von dem Halleffektsensor erkannt wird. Magnetfeldänderungen
können
von dem Halleffektsensor als ein digitales Signal oder als eine
analoge Spannung ausgegeben werden.
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Der
Positionssensor 206 kann auch benutzt werden, um das Drehmoment
zu bestimmen, welches von der Auswahlwelle 203 erfahren
wird, wenn es auf einem Teil der Schaltwelle 203 positioniert
ist, der durch das Drehmoment verursachten mechanischen Spannungen
ausgesetzt ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel
ist der Positionssensor 206 zwischen den antreibenden Rädchen und
der Schaltwalze gelegen, die durch das Drehmoment verursachten mechanischen
Spannungen unterworfen ist.
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Wenn
die Positionsmessvorrichtung in Zusammenhang mit mechanischen Vorspannmitteln des
Systems benutzt wird, ist es für
das System möglich,
sich mit der Zeit anzupassen, um Abnutzungen zu berücksichtigen
und auch sich spontan anzupassen, um vorübergehend gefährliche
Getriebeblockadezustände
anzugehen. In einem Ausführungsbeispiel,
welches Vorspannmittel zum mechanischen Vorspannen der Schaltwalze 104 in
eine Anzahl von Getriebepositionen umfasst, wenn die Steuerungseinheit
den Steuerungsmotor 201 ausgelöst hat und die Schaltwalze 104 in
eine dieser gewünschten
Positionen getrieben hat, wie es von der Kontrolleinheit in Übereinstimmung
mit einem Satz vorprogrammierter Steuerungspositionen erkannt wurde,
hat der Steuerungsmotor 201 seine Betätigung in die nächste Schaltposition
vollendet. Falls die vorprogrammierte Steuerungsposition aus ihrer
Kalibrierung gebracht wurde, führt
der Nockenanzeiger 116 ein korrigierendes Drehmoment auf
die Schaltwalze 104 aus, um sie in die mechanisch korrekte
Position zu verbringen. Durch Positionsüberwachung der Schaltwalze 104 mittels
des Positionssensors 206 kann die Steuerungseinheit erkennen,
wenn die vorprogrammierten Steuerungspositionen aus ihrer Kalibrierung gewandert
sind. Das Steuerungssystem kann daher die gespeicherten Motorsteuerungspositionen
verändern,
um den festgesetzten Werten des mechanischen Systems nahezukommen.
Es kann dieses durch Berechnung der Differenz zwischen den Motorpositionskoordinaten
nach einem Gangwechsel und den gespeicherten Motorpositionskoordinaten,
die diesem Gang entsprechen, bewerkstelligen und modifiziert die
gespeicherten Motorpositionskoordinaten, wenn die Differenz größer als
ein vordefinierter Grenzwert ist.
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Beim
Betrieb treibt der Steuerungsmotor 201 die Auswahlwellenrädchen 202 an,
welche ihrerseits die Auswahlwelle 203 zu einer vorprogrammierten Position
antreiben, wobei der Reibungswiderstand und Vorspannmittelanzeiger überwunden
wird, um das System in einen benachbarten Gang zu schalten.
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Die 3a und 3b zeigen
mechanische Vorspannmittel, die eine Nockenwelle 115 mit
einer Reihe von Einbuchtungen umfassen und einen Nockenstößel 118,
der an einem Ende klappbar ist, und am anderen Ende ein Rad oder
ein Nockenstößel 117 und
eine Feder 301 hat, um den Nockenstößel 118 gegen die
Nockenwelle 115 vorzuspannen. Der Nockenstößel 118 greift,
wenn er eingelegt wird, in eine der Einbuchtungen ein. Wie zuvor
beschrieben, kann ein Steuerungssystem erkennen, wenn die Schaltwalze 104 in
eine Position getrieben wurde, in welcher der Nockenstößel 118 nicht
richtig in eine der Einbuchtungen eingreift, weil die Schaltwalze 104 ein Drehmoment
erfährt,
das durch den gegen die Oberfläche
der Nockenwelle 115 vorgespannten Nockenstößel 118,
um diesen in Position festzusetzen, verursacht wird. Dies erlaubt
dem System sich kontinuierlich relativ zu der mechanischen Umgebung
zu kalibrieren, welches notwendig ist, weil, wie bereits erwähnt, das
System mit der Zeit unpräzise
wird in dem Maße
wie Abnutzung und Sensorverschlechterung eintreten.
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4 stellt
schematisch das System dar und zeigt eine Steuerungseinheit 401,
die mit einer Anzahl von Elementen verbunden ist. Die Steuerungseinheit 401 steuert
einen Motor 402, vorzugsweise einen bürstenlosen Gleichstrommotor,
wobei der Motor 402 ein Drehstrommotor sein kann, der eine
Wechselstromsteuerung des Motors 402 erlaubt und kann auch
in einer solchen Umgebung einen Motorpositionssensor 412 umfassen,
welcher in dem Design des Motors 402 berücksichtigt
sein kann oder separat ist. Das System kann auch einen Getriebepositionssensor 403 umfassen
separat und unabhängig
von den sensorischen Fähigkeiten
in dem Motor 402, wobei der Getriebepositionssensor 403 die
Position der Schaltwalze sensorisch erfasst und die Position der Schaltwalze
direkt misst. Das System kann auch eine Getriebepositionsanzeige 405 umfassen,
um den gegenwärtigen
Gang anzuzeigen, der auf den Eingaben von dem Getriebepositionssensor 403 oder
dem Motor 402 basiert und von der Getriebesteuerungseinheit 401 bestimmt
wird.
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Die
Steuerungseinheit kann Hardware, elektronische oder elektrische
Schaltungen, und/oder einen Prozessor und einen Speicher zum Ausführen von
Software umfassen. Software besteht aus ausführbaren Anweisungen und Instruktionen,
die in einem Datenspeicher zur Ausführung durch einen Prozessor
gespeichert sind. Ein Datenspeicher kann statische, vorübergehende
oder dynamische Datenspeicher oder Speichermedien umfassen, wobei
ohne Einschränkung
Read-Only-Memories (ROM) oder programmierbare Random-Access-Register-Memory (RAM) vorübergehende
Speicher in Registern oder in elektrischen, magnetischen, Quanten-,
optischen oder elektronischen Speichermedien eingeschlossen sind.
Ein Prozessor beinhaltet Vorrichtungen oder Vorrichtungssätze, wie
auch immer ausgestaltet, verteilt oder an einem einzelnen Ort betrieben,
die dazu entworfen sind oder den Effekt haben, einen Satz von Anweisungen
auszuführen,
dabei aber Individuen oder Personen ausschließt. Ein System das in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung implementiert ist kann ein Computersystem
mit einem Speicher und einem Prozessor zur Ausführung der Software umfassen.
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Das
System kann auch verschiedene Arten von Benutzerschnittstellen umfassen,
wie beispielsweise eine Anordnung von Schaltknöpfen 404 in einem
halbautomatischen Ausführungsbeispiel,
und es kann auch in Zusammenhang mit anderen aus dem Stand der Technik
bekannten Steuereinrichtungen benutzt werden.
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Die
Steuerungseinheit 401 kann eine automatische oder halbautomatische
Kupplung 409 in Zusammenhang mit dem System in einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
steuern. Ein halbautomatisches oder automatisches Kupplungssystem 409 kann
direkt durch die Getriebesteuerungseinheit 401 derart gesteuert
werden, dass die Steuerungseinheit 401 sowohl die Kupplung
betätigt
als auch die Gänge schaltet
in Antwort auf eine einzelne Eingabe von einem Fahrer oder in Antwort
auf eine automatische Steuerungsstrategie, die in die Steuerungseinheit 401 hineinprogrammiert
ist oder andere im Fahrzeug angeordneten elektronischen Steuerungseinheiten („ECUs”) 410.
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Die
Steuerungseinheit 401 kann direkt mit den Fahrzeugsensoren
verbunden sein oder kann mit den ECUs 410 oder mit einem
Bordcomputersystem über
eine Direktverbindung oder einen Bus kommunizieren. Ein üblicherweise
benutzter Standard für Fahrzeugkommunikation
ist ein Bus, in dem der CAN Multi-Master Broadcast Serial-Bus Standard
implementiert ist, wobei aber beliebig andere elektronische oder
elektrische Kommunikationsmittel benutzt werden können. Durch
solche Kommunikationsmittel oder durch die direkte Benutzung eines
oder mehrerer separater Busse 411 kann die Steuerungseinheit 401 auf
beliebige Informationen, die durch die Fahrzeugsensoren erzeugt
wurden, einschließlich
Radgeschwindigkeit, Gaspedalposition, Zündzeitpunkt etc., zugreifen
und diese benutzen. Diese Information kann zur Getriebesteuerung
benutzt werden, um Schaltgeschwindigkeit und – timing zu optimieren und
um Schäden
vorzubeugen.
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Die
Steuerungseinheit 401 kann beispielsweise die momentane
Radgeschwindigkeit mittels eines Radgeschwindigkeitssensor messen,
welches eine Steuerung erlaubt, in welche Gänge seitens des Fahrers geschaltet
werden darf, um Schaltfehler, welche dem Getriebe oder dem Motor
schaden könnten,
seitens des Fahrers zu verhindern.
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Die
Steuerungseinheit 401 kann auch Eingaben über die
Kabelstränge
von dem Zündungssystem
erhalten, wie beispielsweise die Position des Ausschalters, die
Position des Gaspedals und die Motorgeschwindigkeit.
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Das
System kann auch eingerichtet sein, um mit anderen Steuerungssystemen
des Fahrzeugs, wie beispielsweise jedes beliebige existierende Steuerungssystem
für die
Motorsteuerung, das Bremsen, die Traktionskontrolle oder vergleichbare
automatische oder halbautomatische Systeme, in Verbindung zu treten,
um das Schalten mit diesen Systemen zu koordinieren. Eine solche
Koordination hätte
den Vorteil, jenen Schaltvorgängen,
die zu einer der Sicherheit abträglichen
Bedingung führen
könnten,
vorzubeugen.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird
ein Schaltvorgang nicht weitergeführt, wenn der Schaltversuch
die Getrieberädchen
interferieren oder zusammenstoßen
lässt.
Unter solchen Umständen misst
der Drehmomentsensor, in diesem Fall zwei Halleffektstromsensoren 408,
die neben den Motorstromkabeln 413 angeordnet sind, mittels
eines erhöhten
Stromflusses ein signifikantes Drehmoment und die Steuerungseinheit 401 kann
die Geschwindigkeit, die Zielposition oder das anliegende Drehmoment
des Steuerungsmotors 402 ändern, um die vorübergehende
Bedingung zu beheben, so dass die Schaltwalze in die gewünschte Position
fortfahren kann. Dieser Mechanismus erlaubt das Erkennen von vorübergehenden
Getriebestörungsbedingungen
und die Vermeidung von Schäden
an dem Steuerungsmotor 402 und/oder dem Getriebe, die ansonsten
erfolgen könnten,
wenn das Getriebe in eine Position angetrieben wird, in welche es
mechanisch nicht hineinpasst.
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Unter
solchen Bedingungen kann die Kontrolleinheit 401 auf verschiedene
Art und Weise reagieren, um die Getriebestörung zu beheben. Die Kontrolleinheit 401 kann
eine Strategie zur Positionssteuerung, Geschwindigkeitssteuerung
oder Drehmomentsteuerung anwenden, um die Störung zu bewältigen.
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In
einem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel
beinhalten die Mittel, die zum sensorischen Erfassen des Drehmoments
benutzt werden, das Erfassen von Strom in den Motorstromkabeln 503.
Der Drehmomentsensor in der Steuerungseinheit 501 kann
einen Reihenwiderstand 504 oder einen oder mehrere Halleffektsensoren
umfassen, um Stromänderungen
in den Übertragungsleitungen 503 als
von dem Steuerungsmotor 502 konsumiert oder generiert zu
erfassen. Strommessungen können
benutzt werden, um von dem Steuerungsmotor 502 erfahrene Leistung
oder Drehmoment zu erfassen, wenn die an dem Steuerungsmotor 502 angelegte
Spannung bekannt ist, wie es im Fall eines elektrisch gesteuerten Systems
der Fall ist. Eine Steuerungseinheit 501 kann nach dem
Messen der Stromänderung
im Vergleich zu der Eingangsspannung das von dem Steuerungsmotor 502 erfahrene
Drehmoment berechnen und es entsprechend anpassen, um Schäden an dem Getriebe
vorzubeugen. In diesem Ausführungsbeispiel
wird der Steuerungsmotor 502 durch die Steuerungseinheit 501 mittels
eines Satzes von Schaltern 505, die eine MOSFET Schaltung
benutzen, gesteuert. Es können
auch andere Strommessmittel benutzt werden, wie beispielsweise ein
dynamischer Umformer, der entweder an dem Steuerungsmotor oder der Schaltwalze
befestigt ist. Die Steuerungsmittel des Steuerungsmotors 502 können auch
eine Leistungsregelungseinheit 506 enthalten, um die elektrische Leistung,
die an den Steuerungsmotor 502 geliefert wird, zu regeln
hinsichtlich Spannung, Polarität,
Verpolungsschutz und Schaltgeräuschunterdrückung und
sie können
die Leistung für
den Steuerungsmotor 502 innerhalb der optimalen Parameter
liefern. Die Drehmomentmessmittel können auch eine Steuersignalregeleinheit 507 umfassen,
um die Steuersignalgeräusche
zu filtern und um die Verstärkung
oder Dämpfung
der Steuersignale zum Antreiben des Steuerungsmotors 502 bereitzustellen.
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Wie
in 6a bis 6c gezeigt,
entstehen Getriebestörungen
oder eine Getriebeblockade typischerweise, wenn ein Schieberädchen 601 in
Richtung eines frei drehenden Rädchens 602 geschoben wird.
Wenn die nach außen
gerichtete Oberfläche 605 des
Mitnehmerzähnchens
des Schieberädchens 603 die
nach außen
gerichtete Oberfläche 606 des Mitnehmerzähnchens
des frei drehenden Rädchens 604 berührt, wenn
sie zusammengeschoben werden, greifen die Mitnehmerzähnchen 603, 604 unter
Verursachung eine Blockade nicht ineinander ein. Diese Mitnehmerradstörung verursacht
eine laterale Kraft, die durch die Schaltgabeln ausgeübt wird
und schnell zunimmt, welche in ein Drehmoment umgewandelt wird,
das basierend auf dem Nockenprofil der in die Schaltwalze geschnittenen
Einkerbungen an der Schaltwalze wahrgenommen wird. Wenn die Blockade
beseitigt ist, oder unter normalen Betrieb, greifen die Mitnehmerrädchen 603, 604 ineinander
ein, wobei sie das frei drehende Rädchen zusammen mit dem Schieberädchen antreiben.
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Es
gibt typischerweise einen spezifischen Satz von Schaltwalzenpositionen,
an denen eine Blockade entstehen kann. Diese Positionen sind je
nach Form der Schaltwalze und des Getriebes besonders und liegen
typischerweise dort, wo die Schaltwalze die Mitnehmerrädchen zusammenbewegt,
dies jedoch nicht überlappend
oder eingreifend. Außerhalb dieser
besonderen Sätze
der Walzenposition können hohe
aktuelle Messwerte gemessen werden, jedoch sind diese mit anderen
vorübergehenden
Belastungen assoziiert, die nicht zu einer Blockadesituation gehören, wie
beispielsweise Belastungen, die durch den Start des Fahrzeug oder
beim Bremsen verursacht werden.
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In 7 ist
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung gezeigt, in dem die Logik der Steuereinheit während eines
Schaltvorgangs zum Erkennen eines Blockadeereignisses dargestellt
ist. Der Prozess beginnt mit dem Erfassen, ob die Schaltwalze in
eine der Positionen, in welcher eine Blockade möglich ist (eine „Blockadezone”) 701,
eingetreten ist. Das System kann erfassen, ob die Schaltwalze in
eine Blockadezone eingetreten ist, indem ein Positionssensor benutzt
wird. Der Positionssensor kann direkt an die Schaltwalze gekoppelt
sein oder kann in den Kontrollmotor integriert sein. In letzterem
Falle kann die Position der Schaltwalze aus der Zahl der Umdrehungen,
die der Kontrollmotor seit Beginn des Schaltvorgangs gemacht hat,
geschlussfolgert werden. Das System kann auch nach einer vorbestimmten
Verzögerung
seit dem Beginn des Schaltvorgangs die Schaltwalze als in einer
Blockadezone befindlich erachten.
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Wenn
der Gangwähler
in einer Blockadezone ist, misst der Prozess, ob der Steuerungsmotor mehr
Strom als im Vergleich zu einem vordefinierten Grenzwert 702 zieht. Der
Wert des vordefinierten Grenzwerts 702 hängt von
dem System und dem Strom ab, der typischerweise von dem Steuerungsmotor
während
eines Blockadeereignisses gezogen wird, wie dies durch Modellierung
oder Experimente bestimmt wurde oder basierend auf vorherigen Blockadeereignissen,
die von der Steuerungseinheit aufgezeichnet wurden. Der Prozess
setzt ein Blockadeereignis-Flag 703, wenn der gegenwärtige Grenzwert überschritten
wird immer dann, wenn die Walze in einer Blockadezone 702, 704 ist.
Sollte der Prozess erfassen, dass das Blockadeereignis-Flag gesetzt
ist, kann der Prozess Strategien anwenden bezüglich Positionssteuerung, Geschwindigkeitssteuerung
oder Drehmomentsteuerung, um die Störung dynamisch während des
Schaltvorgangs zu beheben. Diese Steuerungsstrategien sind gestaltet,
um das Getriebe aus der Blockadezone entweder in den gewünschten
Gang oder zurück
in den Ausgangsgang zu führen.
Die Statusprüfung 706 das
Blockadeereignis-Flag stellt sicher, dass das Ereignis zur einmal
angezeigt wird. Wenn die Walze die Blockadezone verlassen hat, kann
der Prozess ein „Gang-eingelegt”-Flag 705 setzten,
um anzuzeigen, dass der Gang voraussichtlich erfolgreich eingelegt werden
wird. Sollte der Prozess entdecken, dass das Gang-eingelegt-Flag 705 gesetzt
ist, kann der Prozess externe Ereignisse wie Kupplungssteuerung oder
Motorsteuerung auslösen.
Wenn das Blockadeereignis-Flag 703 am Ende des Prozesses
gesetzt ist, kann der Prozess eine Diagnoseroutine ablaufen lassen,
um die Blockadeursache zu identifizieren oder eine Strategie anzuwenden
zur Positionssteuerung, Geschwindigkeitssteuerung oder Drehmomentsteuerung,
um die Störung
zu beheben, falls diese fortbesteht (z. B. weil der Schaltvorgang
komplett fehlgeschlagen ist und die Walze an ihre Startposition
zurückgekehrt
ist).
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Es
versteht sich, dass die oben ausgeführte Beschreibung lediglich
beispielhaft bevorzugte Ausführungsformen
betrifft. Wie für
den Fachmann leicht ersichtlich, lässt sich das System und das
Verfahren vielfältig
abändern,
ohne dabei von dem Kern des Erfindungsgedankens abzuweichen. Diese Änderungen
liegen innerhalb des durch die beschriebene und beanspruchte Erfindung
abgesteckten Rahmens, unabhängig
davon, ob sie nun ausdrücklich
beschrieben worden sind oder nicht.