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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Betriebszustandes eines formschlüssigen Schaltelementes gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
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Aus der
DE 10 2004 010 271 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Schaltelementes bzw. eines aktuellen Schaltbetriebszustandes in einem klauengeschalteten automatisierten Fahrzeuggetriebe bekannt. Das Schaltelement besitzt eine Vertiefung, welche eine Schaltgabel aufnimmt. Die Schaltgabel ist auf einer Spindel gelagert, die durch einen Elektromotor angetrieben wird. Auf der Spindel ist außerdem ein Geberrad drehfest gelagert, welches in einem Sensor Signale erzeugt. Der Sensor ist über eine Signalleitung mit einem Steuergerät verbunden. Darüber hinaus ist der Elektromotor über eine Leitung mit dem Steuergerät gekoppelt. Das Steuergerät ist wiederum mit einem Inkrementalzähler ausgeführt, der die Impulse des Sensors zählt.
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Ein Beginn der Bestimmung der Position des Schaltelementes wird entweder durch das Starten des Antriebs des Kraftfahrzeuges oder durch ein Erkennen des Öffnens der dem Schaltelement entsprechenden Trennkupplung des Fahrzeuggetriebes ausgelöst. Während eines Einrückversuches des Schaltelementes in ein Zahnrad wird der Stromwert des Elektromotors überprüft, wobei der Stromwert des Elektromotors bei einem Blockieren des Elektromotors ansteigt. Dies ist bei einem Durchschalten des Schaltelementes der Fall, wobei dann eine Fläche des Schaltelementes auf eine Fläche des Zahnrades trifft.
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Sobald der Stromwert des Motors einen Grenzwert annimmt, wird dies im Steuergerät über die das Steuergerät mit dem Elektromotor verbindende Leitung erkannt und der Zähler des Inkrementalzählers auf den Wert Null gesetzt. Bei einer weiteren Bewegung der Verstelleinrichtung werden die vom Sensor empfangenen Impulse an das Steuergerät gesendet und im Inkrementalzäher summiert. Der Elektromotor wird dann vom Steuergerät derart angesteuert, dass er das Schaltelement durch die mechanische Verstelleinrichtung in Richtung eines zweiten Zahnrades bewegt, bis wiederum der Stromwert im Motor durch Blockieren des Motors einen Grenzwert annimmt. Die gezählten Inkremente werden mit fest abgespeicherten Werten verglichen, womit die Position des Schaltelementes im Steuergerät bestimmbar ist. Die durch den Sensor empfangenen Impulse sind auf die Drehbewegung des Motors umrechenbar. Über die Spindelsteigung kann damit aus der Anzahl der Impulse der Linearbewegung die Position des Schaltelementes bestimmt werden.
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Die vorbeschriebene Positionserkennung ist nicht mit einer gewünschten Genauigkeit durchführbar, da mit der indirekten Bestimmung des Schaltbetriebszustandes des formschlüssigen Schaltelementes über den aktuellen Betätigungsstrom des Elektromotors und die Spindelsteigung Verformungen im Bereich der Betätigungselemente zwischen dem Elektromotor und dem formschlüssigen Schaltelement nicht verifizierbar sind. Zudem erfordert die Positionserkennung einen hohen konstruktiven Aufwand und ist durch einen Bauraumbedarf gekennzeichnet, der in heutigen Getriebevorrichtungen nicht im erforderlichen Umfang zur Verfügung steht, womit die Positionserkennung nur mit erheblichem Aufwand in bestehende Getriebesysteme integrierbar ist.
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Des Weiteren ist in der
DE 10 2006 018 313 A1 ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines formschlüssigen Schaltelementes beschrieben. Das Schaltelement, beispielsweise eine Schaltmuffe eines automatisierten Schaltgetriebes eines Kraftfahrzeuges, ist über Stellmittel, das beispielsweise eine Schaltschiene und eine Schaltgabel umfasst, durch ein Betätigungsmittel betätigbar. Über den Betätigungsdruck bzw. die Schaltkraft des Betätigungsmittels wird eine Verformung des Stellmittels bestimmt, beispielsweise der Schaltschiene und/oder der Schaltgabel, in deren Abhängigkeit die Position des Schaltelementes ermittelt wird.
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Die vorgeschlagene Vorgehensweise zur indirekten Ermittlung eines aktuellen Betriebszustandes eines formschlüssigen Schaltelementes ist aufgrund der Bestimmung der Verformung des Stellmittels in Abhängigkeit des am hydraulischen Stellzylinders anliegenden Betätigungsdruckes durch einen hohen apparativen und steuerungstechnischen Aufwand gekennzeichnet. Zusätzlich ist die Ermittlung des aktuellen Betriebszustandes des formschlüssigen Schaltelementes über die indirekte messtechnische Bestimmung nicht mit der gewünschten Genauigkeit durchführbar, da Fertigungstoleranzen von Getriebevorrichtungen zumindest in einem vorgegebenen Toleranzband variieren.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Betriebszustandes eines formschlüssigen Schaltelementes zur Verfügung zu stellen, mittels der ein aktueller Betriebszustand des formschlüssigen Schaltelementes mit geringem Aufwand auf einfache Art und Weise mit hoher Genauigkeit bei gleichzeitig niedrigem Bauraumbedarf ermittelbar ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Über die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung eines Betriebszustandes eines formschlüssigen Schaltelementes zur Darstellung einer Übersetzung einer Getriebevorrichtung eines Fahrzeugantriebsstranges mit einer Positionssensoreinrichtung, über die während einer Betätigung des formschlüssigen Schaltelementes, während der zwischen zwei Schaltelementhälften des formschlüssigen Schaltelementes ein Formschluss durch eine Relativbewegung in axialer Richtung zwischen den Schaltelementen trennbar oder ein Formschluss herstellbar ist, ist jeweils eine aktuelle axiale Position der Schaltelementhälften zueinander ermittelbar.
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Erfindungsgemäß ist über die Positionssensoreinrichtung an den Schaltelementhälften eine Spannung anlegbar und ein in Abhängigkeit einer Überdeckung zwischen miteinander in Eingriff bringbarer Bereiche der Schaltelementhälften variierender Widerstand bestimmbar.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen elektronischen Widerstandsmessung zwischen Schaltelementhälften eines formschlüssigen Schaltelementes ist ein aktueller Betriebszustand eines formschlüssigen Schaltelementes auf einfache Art und Weise mit niedrigem konstruktivem Aufwand sowie geringem Bauraumbedarf im Wesentlichen unabhängig von eine Verformung eines Stellmittels beeinflussenden Fertigungstoleranzen mit hoher Genauigkeit ermittelbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Spannung wenigstens im Bereich einer der Schaltelementhälften über einen Schleifkontakt anlegbar, womit die Bestimmung des aktuellen Betriebszustandes eines formschlüssigen Schaltelementes auch bei rotierenden Bauteilen bzw. bei einer rotierenden Schaltelementhälfte des formschlüssigen Schaltelementes auf einfache und kostengünstige Art und Weise durchführbar ist.
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Bei einer durch einen geringen Verschleiß gekennzeichneten weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Spannung wenigstens im Bereich einer der Schaltelementhälften induktiv anlegbar.
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In Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles ist an den Schaltelementhälften eine Gleich- oder eine Wechselspannung anlegbar.
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Um den aktuellen Betriebszustand eines formschlüssigen Schaltelementes über den gesamten Betriebsbereich mit hoher Genauigkeit zu ermitteln, ist der Widerstand im Bereich der Positionssensoreinrichtung bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Abhängigkeit einer Temperatur der Schaltelementhälften oder einer hierzu äquivalenten Betriebstemperatur der Getriebevorrichtung ermittelbar.
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Ist die Auswerteelektronik der Positionssensoreinrichtung im Bereich des formschlüssigen Schaltelementes angeordnet, sind Leitungsverluste bei der Bestimmung des aktuellen Betriebszustandes des formschlüssigen Schaltelementes gering.
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Ist die Auswerteelektronik der Positionssensoreinrichtung beabstandet zum formschlüssigen Schaltelement, vorzugsweise im Bereich eines elektrischen Getriebesteuergerätes vorgesehen, ist ein Bauraumbedarf der erfindungemäßen Vorrichtung im Bereich des formschlüssigen Schaltelementes sehr gering, womit die erfindungsgemäße Vorrichtung auf einfache Art und kostengünstige Weise in bestehende Getriebesysteme implementierbar ist.
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Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die im nachfolgenden Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in beliebiger Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildung des Gegenstandes nach der Erfindung keine Einschränkung dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und dem unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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Es zeigt:
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1 ein Radsatzschema einer Getriebevorrichtung;
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2 eine tabellarische Schaltlogik der in 1 gezeigten Getriebevorrichtung;
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3 eine Längsschnittansicht eines formschlüssigen Schaltelementes der Getriebevorrichtung gemäß 1 mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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4 eine Einzelseitenansicht einer Schaltelementhälfte des formschlüssigen Schaltelementes gemäß 3.
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1 zeigt ein Räderschema einer Getriebevorrichtung
1 bzw. eines Mehrstufengetriebes, welches grundsätzlich aus der
DE 10 2008 000 429 A1 bekannt ist. Die Getriebevorrichtung
1 umfasst eine Antriebswelle
2 und eine Abtriebswelle
3, welche in in einem Fahrzeug montierten Zustand. mit einem Abtrieb des Fahrzeugs verbunden ist, während die Antriebswelle
2 mit einer Antriebsmaschine wirkverbunden ist.
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Darüber hinaus umfasst die Getriebevorrichtung 1 vier Planetenradsätze P1 bis P4, wobei der erste und der zweite Planetenradsatz P1, P2, die vorzugsweise als Minusplanetensätze ausgebildet sind, einen schaltbaren Vorschaltradsatz bilden, während der dritte und der vierte Planetenradsatz P3 und P4 den Hauptradsatz darstellen. Zusätzlich umfasst die Getriebevorrichtung 1 sechs Schaltelemente A bis F, wovon die Schaltelemente C, D und F als Bremsen und die Schaltelemente A, B und E als Schaltkupplungen ausgeführt sind.
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Mit den Schaltelementen A bis F ist gemäß der in 2 näher dargestellten Schaltlogik ein selektives Schalten von neun Vorwärtsgängen ”1” bis ”9” und einem Rückwärtsgang ”R” realisierbar, wobei zum Herstellen eines Kraftflusses in der Getriebevorrichtung 1 jeweils gleichzeitig drei Schaltelemente in einen geschlossenen Betriebszustand zu führen bzw. zu halten sind.
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Die Schaltelemente A und F sind vorliegend als formschlüssige Schaltelemente ohne zusätzliche Synchronisierung ausgebildet, um im Betrieb der Getriebevorrichtung 1 im Vergleich zu Getriebevorrichtungen, die nur mit reibschlüssigen Schaltelementen ausgebildet sind, durch geöffnete reibschlüssige Schaltelemente verursachte Schleppmomente zu reduzieren. Da formschlüssige Schaltelemente im Allgemeinen nur innerhalb eines sehr schmalen Differenzdrehzahlbandes um die Synchrondrehzahl aus einem geöffneten Betriebszustand in einen geschlossenen Betriebszustand überführbar sind, wird die Synchronisierung eines zuzuschaltenden formschlüssigen Schaltelementes ohne zusätzliche konstruktive Ausführungen durch entsprechende Betätigung der jeweils an der Schaltung beteiligten Schaltelemente realisiert. Dies gilt sowohl für Zug- als auch für Schubschaltungen, wobei die formschlüssigen Schaltelemente als Klauenkupplungen ausgeführt sein können, welche mit oder ohne zusätzliche Synchronisierung ausgebildet sind.
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Während des Betriebes der Getriebevorrichtung 1 werden insbesondere die formschlüssigen Schaltelemente A und F mittels diverser Softwarefunktionalitäten, wie Überwachungsfunktionen, Schaltablauffunktionen und dergleichen, betätigt und überwacht, wobei für einen einwandfreien Betrieb eines formschlüssigen Schaltelementes jeweils die aktuelle Position bzw. der aktuelle Betriebszustand des formschlüssigen Schaltelementes zu ermitteln ist. Insbesondere ist hierfür ein aktueller Schließbetriebszustand bzw. ein aktueller Schließfortschritt zu bestimmen.
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Aufgrund der kompakten Bauweise moderner Getriebe ist die Anordnung von Sensorik zur Bestimmung eines aktuellen Schließbetriebszustandes direkt im Bereich eines formschlüssigen Schaltelementes nur durch aufwändige konstruktive Umgestaltungen einer Getriebevorrichtung aufgrund des nur in geringem Umfang zur Verfügung stehenden Bauraumes realisierbar und verursacht daher hohe Kosten oder ist unter Umständen gar nicht möglich, wenn der im Fahrzeug für die Anordnung der umgestalteten Getriebevorrichtung vorgesehene Bauraum nicht ausreichend ist.
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Zur Bestimmung des aktuellen Betriebszustandes des formschlüssigen Schaltelementes A als auch des formschlüssigen Schaltelement F ist den Schaltelemente A und F eine insbesondere im Bereich der Schaltelemente A und F durch einen geringen Bauraumbedarf gekennzeichnete Vorrichtung 4 zugeordnet.
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Die Funktionsweise der Vorrichtung 4 wird nachfolgend anhand der Darstellung gemäß 3, die das formschlüssige Schaltelement F in einer Längsschnittansicht und die Vorrichtung 4 in schematisierter Darstellung zeigt, näher erläutert.
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Die Vorrichtung 4 umfasst eine Positionssensoreinrichtung 5, über die während einer Betätigung des formschlüssigen Schaltelementes F oder A, während der ein Formschluss im Bereich des formschlüssigen Schaltelementes F oder A durch eine Relativbewegung in axialer Richtung zwischen den Schaltelementhälften 6, 7 trennbar oder der Formschluss herstellbar ist, jeweils eine aktuelle axiale Position der Schaltelementhälften 6 und 7 zueinander ermittelbar ist.
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Über die Positionssensoreinrichtung 5 wird vorliegend über Schleifkontakte 8 an den im Betrieb der Getriebevorrichtung 1 rotierenden Schaltelementhälften 6 und 7 des formschlüssigen Schaltelementes F, die als eine Klauenkupplung ausgeführt ist, eine Gleichspannung angelegt, wobei der die Schaltelementhälften 6 und 7 und die Positionssensoreinrichtung 5 umfassende Stromkreis bei getrenntem Formschluss im Bereich des formschlüssigen Schaltelementes F geöffnet ist und im Stromkreis kein Strom fließt.
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Sobald die beiden Schaltelementhälften 6 und 7 des formschlüssigen Schaltelementes F miteinander in Kontakt kommen, ist der Stromkreis im Bereich der Schaltelementhälften 6 und 7 geschlossen. Dann ist im Bereich der Positionssensoreinrichtung 5 ein in Abhängigkeit einer Überdeckung zwischen miteinander in Eingriff bringbaren Bereichen 6A bzw. 7A der Schaltelementhälften 6 bzw. 7 variierender Widerstand ähnlich wie über ein Potentiometer bestimmbar. Dabei ist der Widerstand bei gerade hergestelltem Formschluss im Bereich des formschlüssigen Schaltelementes F minimal und steigt mit zunehmendem Schließumfang des formschlüssigen Schaltelementes F in Richtung eines Maximalwertes an. Die elektronische Widerstandsmessung erfordert, dass die beiden Schaltelementhälften 6 und 7 derart im Getriebe angeordnet sind, dass der die Schaltelementhälften 6 und 7 sowie die Positionssensoreinrichtung 5 umfassende Stromkreis bei geöffnetem formschlüssigen Schaltelement F unterbrochen ist. Die zur Bestimmung des aktuellen Schließzustandes des formschlüssigen Schaltelementes F vorgesehene Auswerteelektronik 9 der Positionssensoreinrichtung 5 ist auf einfache und kostengünstige Art und Weise beabstandet zum formschlüssigen Schaltelement F im Bereich eines Getriebesteuergerätes 10 anordenbar, da lediglich elektrische Leitungen zwischen den Schleifkontakten 8 und der Positionssensoreinrichtung 5 bzw. der Auswerteelektronik 9 vorzusehen sind, die mit geringem Bauraumbedarf im Inneren der Getriebevorrichtung 1 verlegbar sind.
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Sobald sich die beiden Schaltelementhälften 6 und 7 des formschlüssigen Schaltelementes F beginnen zu berühren, schließt sich der Stromkreis und es fließt Strom durch die beiden Schaltelementhälften 6 und 7. Bei gleich hoch anliegender Spannung verändert sich der im Stromkreis fließende Strom in Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes, welcher wiederum vom Grad der Überdeckung I der beiden Schaltelementhälften bzw. der miteinander in Eingriff bringbaren Bereiche 6A und 7A der Schaltelementhälften 6 und 7 abhängt.
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Durch Messung des jeweils im Stromkreis fließenden Stroms kann bei Anliegen einer konstanten Spannung der aktuell vorliegende Widerstand ermittelt werden und wiederum in dessen Abhängigkeit auch der Grad der Überdeckung zwischen den Schaltelementhälften 6 und 7 bzw. ein aktueller Schließbetriebszustand des formschlüssigen Schaltelementes F bestimmt werden.
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Da ein Betriebstemperaturbereich der Getriebevorrichtung 1 sehr groß ist, ist bei der Bestimmung der Überdeckung I die Temperaturabhängigkeit des gemessenen Widerstandes zu berücksichtigen. Hierfür wird folgender formelmäßiger Zusammenhang verwendet: R(T) = ρT0 × I/A × ((1 + αT0) × (T - T0))
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Dabei entspricht die Variable R(T) dem in Abhängigkeit der aktuellen Temperatur T der Schaltelementhälften 6 und 7 oder einer hierzu äquivalenten Betriebstemperatur der Getriebevorrichtung 1, wie der Getriebeöltemperatur, variierenden Widerstand. Die Variable ρT0 ist der materialabhängige spezifische Widerstand der Schaltelementhälften 6 und 7 bei der Referenztemperatur T0 gleich 20°C, während die Variable I die Überdeckungslänge zwischen den Bereichen 6A und 7A des formschlüssigen Schaltelementes F darstellt. Die Variable A entspricht der in 4 durch die beiden strichpunktierten Kreise näher definierten Ringkreisfläche, die durch die beiden Bereiche 6A und 7A gebildet wird und sowohl bei miteinander in Eingriff bringbaren Kronenverzahnungen als auch bei miteinander in Eingriff bringbaren Außen- und Innenverzahnungen im Wesentlichen auf gleiche Art und Weise bestimmbar ist. Die weitere Variable αT0 ist der materialspezifische Temperaturkoeffizient bei der Referenztemperatur T0 gleich 20°C.
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Die vorbeschriebene Vorgehensweise zur Ermittlung eines Schließbetriebszustandes des formschlüssigen Schaltelementes F ist über die Vorrichtung 4 in gleichem Umfang im Bereich des formschlüssigen Schaltelementes A durchführbar, wobei in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles dem formschlüssigen Schaltelement F und dem formschlüssigen Schaltelement A jeweils eine gemeinsame Positionssensoreinrichtung 5 und eine gemeinsame Auswerteelektronik 9 zugeordnet sein kann oder für jedes Schaltelement A und F eine separate Positionssensoreinrichtung sowie eine separate Auswerteelektronik vorgesehen sein kann.
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Bei dem vorliegend als Klauenbremse ausgeführten formschlüssigen Schaltelement A ist die Spannung an der gehäuseseitig festgelegten Schaltelementhälfte auf einfache Ar und Weise über ein fest mit der Schaltelementhälfte verbundene elektrische Leitung anlegbar, während die Spannung im Bereich der drehbar ausgeführten weiteren Schaltelementhälfte in der vorbeschriebenen Art und Weise über einen Schleifkontakt oder induktiv anlegbar ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung eines Betriebszustandes eines formschlüssigen Schaltelementes ist sowohl mit formschlüssigen Schaltelementen kombinierbar, bei welchen nur eine Schaltelementhälfte in Bezug auf die andere Schaltelementhälfte in axialer Richtung verschiebbar ausgeführt ist, als auch formschlüssigen Schaltelementen zuordenbar, bei welchen beide Schaltelementhälften in axialer Richtung zueinander verfahrbar sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Getriebevorrichtung
- 2
- Antriebswelle
- 3
- Abtriebswelle
- 4
- Vorrichtung
- 5
- Positionssensoreinrichtung
- 6, 7
- Schaltelementhälfte
- 6A
- Bereich
- 7A
- Bereich
- 8
- Schleifkontakt
- 9
- Auswerteelektronik
- 10
- Getriebesteuergerät
- A bis F
- Schaltelement
- P1 bis P4
- Planetenradsatz
- ”R”
- Übersetzung für Rückwärtsfahrt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004010271 A1 [0002]
- DE 102006018313 A1 [0006]
- DE 102008000429 A1 [0026]
