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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung befassen sich mit einem Schaltverfahren für ein Getriebe
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Gegenüber Handschaltgetrieben und automatisierten Schaltgetrieben mit nur einer Kupplung bieten Stufenautomat- und Doppelkupplungsgetriebe prinzipiell die Möglichkeit, einen Schaltvorgang durchzuführen, ohne die Beschleunigung bzw. die Verzögerung vollständig zu unterbrechen. Bislang geht dies jedoch mit einer geringen wahrgenommenen Schaltgeschwindigkeit eines Schaltvorgangs, beispielsweise einer Zug-hoch-Schaltung, einher. Dies begründet sich darin, dass bei der Zug-hoch-Schaltung, also bei dem Wechsel in einen höheren Gang ohne die Beschleunigung vollständig zu unterbrechen, die Drehzahl des Verbrennungsmotors bzw. des eine Antriebswelle des Getriebes antreibenden Motors zunächst auf dem höheren Niveau der alten Übersetzung gehalten wird, während das zu übertragende Drehmoment auf die dem einzulegenden Gang zugeordnete Kupplung übergeben wird. Erst wenn diese kommende Kupplung das Moment bzw. das Drehmoment vollständig übernommen hat, kann damit begonnen werden, die Drehzahl des Verbrennungsmotors auf das Niveau der Zielübersetzung abzusenken, also auf dasjenige Niveau der Kurbelwellendrehzahl, die dem gewählten Zielgang und der momentanen Fahrgeschwindigkeit entspricht.
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Dieses Vorgehen ist deswegen erforderlich, da ein prinzipiell mögliches Absenken der Motordrehzahl vor dem Wechsel des Ganges bzw. vor der vollständigen Momentenübergabe der beiden beteiligten Kupplungen zu einem Zug-Schub-Wechsel und somit zu einem Ruck im Antriebsstrang führen würde. Das heißt, während des Hochschaltens würde eine kurze wahrnehmbare Verzögerung bzw. Abbremsung eintreten, was durch die Verwendung von Stufenautomat- und Doppelkupplungsgetrieben gerade verhindert werden soll.
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Bei einem Getriebe mit nur einer Kupplung muss der Antriebsstrang zum Gangwechsel sofort nach Schaltanforderung geöffnet werden, d. h., der Kraftschluss des Verbrennungsmotors mit der Eingangswelle des Getriebes wird unterbrochen, so dass die Motordrehzahl abgesenkt werden kann, ohne das Fahrzeug in Schwung zu bringen bzw. negativ zu beschleunigen. Die zur Absenkung der Motordrehzahl auf die Zieldrehzahl zur Verfügung stehende Zeit ist, bei angenommen identischer Zeit für den gesamten Schaltvorgang, also größer als bei Stufenautomat- und Doppelkupplungsgetrieben. Dies kann bei den Stufenautomat- und Doppelkupplungsgetrieben, oder, allgemein gesprochen, bei zugunterbrechungsfrei schaltbaren Getrieben, dazu führen, dass die Schaltzeit über das minimal mögliche Zeitintervall ausgedehnt werden muss, wenn der Motor eine zu große Trägheit besitzt, um innerhalb dieses Intervalls die Zieldrehzahl für den Zielgang zu erreichen.
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Darüber hinaus erhält ein Fahrer vornehmlich akustisch eine Rückmeldung darüber, ob ein von Ihm angefordertes Schaltkommando umgesetzt wird oder nicht. Diese akustische Rückmeldung des Verbrennungsmotors setzt sich vornehmlich aus einer Änderung der Motordrehzahl und aus einer Änderung der Verbrennung, beispielsweise bei einem Wechsel von Volllast nach Teillast oder in den Motorschubbetrieb zusammen. Eine derartige Reduktion des Motormoments wird bei einer Zug-hoch-Schaltung üblicherweise benötigt, um die Drehzahl des Verbrennungsmotors auf das Niveau der Antriebsdrehzahl des Getriebes im neuen Zielgang abzusenken. Wenn der Motor, wie bislang üblich, zunächst bei gleicher Last auf der Drehzahl des Ausgangsganges gehalten wird, bekommt der Fahrer eine solche akustische Rückmeldung nur verzögert, was verglichen mit Getrieben mit nur einer Kupplung dazu führt, dass der Fahrer die Schaltung als wenig spontan bzw. als vergleichsweise unsportlich wahrnimmt.
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Es besteht somit die Notwendigkeit, bei zugkraftunterbrechungsfrei schaltbaren Getrieben die oben beschriebenen Nachteile zu verringern und die Spontanität zu verbessern.
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Die Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen dies, indem während eines Schaltvorganges das die Antriebs- oder Eingangswelle des Getriebes antreibende Aggregat von einem Verbrennungsmotor zu einem Elektromotor gewechselt wird. Dies ermöglicht es beispielsweise, die Zug- oder Schubkraft während des Schaltens mittels des Elektromotors aufrechtzuerhalten, während zeitgleich mit Beginn des Schaltvorganges mit der Anpassung der Drehzahl des Verbrennungsmotors in Richtung der Zieldrehzahl begonnen werden kann, wobei die Zieldrehzahl von dem gewählten Zielgang und der momentanen Fahrgeschwindigkeit abhängt.
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Unter einem Wechsel des die Antriebs- oder Eingangswelle des Getriebes antreibenden Aggregats ist gemäß manchen Ausführungsbeispielen nicht nur ein Wechsel von ausschließlich einem die Antriebswelle des Getriebes antreibenden Verbrennungsmotors zu einem Elektromotor zu verstehen, sondern ebenfalls ein Wechsel von einer die Getriebeantriebswelle antreibenden Kombination aus Verbrennungsmotor und Elektromotor zu lediglich, d. h. ausschließlich, dem Elektromotor als Antriebsaggregat für die Getriebeantriebswelle. In dem letzteren Szenario findet während des Schaltvorganges also ein Abschalten des die Getriebeantriebswelle (vorher und nachher) antreibenden Verbrennungsmotors statt, sodass während des Schaltvorganges ausschließlich der Elektromotor als Antriebsaggregat für die Getriebeantriebswelle wirkt.
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Eine Situation, in der einerseits der Verbrennungsmotor und zusätzlich der Elektromotor Moment stellt, ist beispielsweise ein sogenannter Boost-Betrieb bei einer Volllastbeschleunigung. Es gibt also Situationen, in denen vor dem Auslösen des Schaltvorganges nicht ausschließlich der Verbrennungsmotor das antreibende Aggregat darstellt, sondern in den auch der Elektromotor bzw. die elektrische Maschine Moment einspeist und somit zum Vortrieb beiträgt. Ähnliches gilt für Schub-Situationen, in denen der Elektromotor zusätzlich zum Verbrennungsmotor ein negatives Moment stellt, um beispielsweise Akkumulatoren zu laden (Rekuperation). Auch in derartigen Situationen können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, auch wenn hier eine Zugkraftunterstützung geringer bzw. ein Zugkraftrückgang größer ausfallen kann, da der Elektromotor unter Umständen bereits vor dem Einleiten der Schaltung sein maximales Moment in den Antriebsstrang bzw. in die Akkumulatoren eingespeist hat.
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Das Wechseln des die Antriebs- oder Eingangswelle antreibenden Aggregats zu einem Elektromotor führt dazu, dass die Zeit, die zur Anpassung der Drehzahl des Verbrennungsmotors zur Verfügung steht, maximiert wird. Ferner erhält ein Fahrer ein sofortiges akustisches Feedback auf den von ihm ausgelösten Schaltbefehl, wenn während des gesamten oder zumindest eines Teils eines Schaltvorgangs die Antriebswelle ausschließlich von dem Elektromotor angetrieben wird.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen wird zu diesem Zweck ein Kraftschluss zwischen dem Verbrennungsmotor und der mit dem Elektromotor gekoppelten Antriebswelle während des Schaltvorganges getrennt, woraufhin die Antriebswelle mit dem Elektromotor angetrieben wird. Der Gangwechsel wird somit durchgeführt, während die Antriebswelle von dem Elektromotor angetrieben wird und nach erfolgtem Gangwechsel wird der Kraftschluss zwischen dem Verbrennungsmotor und der Antriebswelle wieder hergestellt. Zum Antreiben der Antriebswelle des Getriebes während des Schaltvorganges kann beispielsweise bei einem Hybridfahrzeug der zum Antrieb vorhandene Elektromotor verwendet werden, der ohnehin mit der Antriebswelle des Getriebes gekoppelt werden kann bzw. permanent mit dieser gekoppelt ist. Bei Vollhybridfahrzeugen kann zum Trennen des Kraftschlusses zwischen dem Verbrennungsmotor und der Antriebswelle beispielsweise die Trennkupplung verwendet werden, mittels derer während des Elektrobetriebs der Verbrennungsmotor vom Antriebsstrang abgekoppelt wird.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen von Schaltverfahren wird bei Empfang eines Schaltkommandos der Kraftschluss zwischen dem Verbrennungsmotor und der Antriebswelle unmittelbar getrennt. Zu diesem Zeitpunkt dreht der Verbrennungsmotor mit einer Ausgangsdrehzahl, die von dem eingelegten Gang und der momentanen Fahrgeschwindigkeit abhängt. Nach dem Trennen des Kraftschlusses wird die Antriebswelle von dem Elektromotor mit einer zu der Ausgangsdrehzahl korrespondierenden Drehzahl angetrieben. Bei einigen Ausführungsbeispielen entspricht diese Drehzahl näherungsweise der Ausgangsdrehzahl des Verbrennungsmotors bzw. weicht um weniger als 5% von dieser ab. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann sich die Drehzahl, mit der die Antriebswelle während des Schaltvorganges angetrieben wird auch verändern. Eine Erhöhung der Drehzahl kann beispielsweise vorgesehen sein, um eine vor dem Auslösen des Schaltvorganges durchgeführte Beschleunigung bzw. einen Zug im Antriebsstrang nicht zu unterbrechen.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen wird unmittelbar nach dem Trennen des Kraftschlusses mit dem Angleichen der Drehzahl des Verbrennungsmotors auf die Zieldrehzahl, also beim Heraufschalten mit einer Reduktion der Drehzahl und beim Herabschalten mit einer Anhebung der Drehzahl begonnen, um bei gegebener Trägheit des Verbrennungsmotors die Drehzahlangleichung schnellstmöglich durchzuführen.
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Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung kann während des Schaltvorganges von dem Elektromotor ein zusätzliches, beispielsweise durch den Stromfluss durch den Elektromotor gesteuertes, Drehmoment auf die Antriebswelle ausgeübt werden, was die Wahrnehmung des Gangwechsels auf unterschiedliche gewünschte Art und Weise verändern kann. Wird beispielsweise ein während der Überschneidung der beiden Kupplungen den Zug im Antriebsstrang erhaltendes Drehmoment des Elektromotors auch noch nach erfolgter Überschneidung auf die Antriebswelle ausgeübt, also während der Drehzahlangleich des Elektromotors auf die Zieldrehzahl erfolgt, kann eine kurzzeitige Drehmomentüberhöhung erzeugt werden. Dies wird als kurzer Beschleunigungsschub und damit als eine Erhöhung der Sportlichkeit empfunden.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann ein zusätzliches negatives Drehmoment auf die Antriebswelle ausgeübt werden, was zu einer Verkürzung des Angleichens der Drehzahl des Elektromotors nach dem Gangwechsel führt, so dass die erforderliche Schaltzeit zusätzlich reduziert werden kann.
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Alternativ kann bei einer Schub-Rück-Schaltung, also beim Schalten in einen niedrigeren Gang ohne die Bremswirkung des Motors bzw. die negative Beschleunigung zu unterbrechen, ein zusätzliches negatives Drehmoment während oder nach der Überschneidung der beiden Kupplungen eingestellt werden, was zu einer negativen Beschleunigungsüberhöhung bzw. zu einem Schub-Ruck führt, der von sportlichen Fahrern begrüßt wird und der dazu führt, dass der Drehzahlangleich beschleunigt wird.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen wird das Verfahren zum Schalten eines Getriebes von einer Steuervorrichtung bzw. einem Steuergerät gesteuert, die bereits im Fahrzeug vorhandene Elektromotoren und/oder Steuergeräte derart ansteuert, dass das Schaltverfahren durchgeführt wird. Zu diesem Zweck kann die Steuervorrichtung beispielsweise einen Trennkupplungssignalgeber umfassen, der ansprechend auf ein Schaltkommando zu Beginn einer Schaltsequenz ein Trennsignal erzeugt, das ein Trennen des Kraftschlusses zwischen dem Verbrennungsmotor und der mit dem Elektromotor gekoppelten Antriebswelle bewirkt. Eine Elektromotorsteuereinrichtung in der Steuervorrichtung erzeugt ein Steuersignal für den Elektromotor, das ein Antreiben der Antriebswelle mit dem Elektromotor bewirkt, und eine Getriebesteuereinrichtung ist ausgebildet, um ein Getriebesteuersignal zu erzeugen, das bei der von dem Elektromotor angetriebenen Antriebswelle einen Gangwechsel des Getriebes bewirkt. Zum Abschluss der Schaltsequenz kann der Trennkupplungssignalgeber ein Kuppelsignal erzeugen, das ein Wiederherstellen des Kraftschlusses zwischen dem Verbrennungsmotor und der Antriebswelle bewirkt.
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Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die oben bezeichneten Komponenten physikalisch auf unterschiedliche Steuergeräte verteilt, und werden von der Steuervorrichtung so angesteuert, dass sie die oben beschriebenen Signale in der dem Schaltverfahren entsprechenden Abfolge erzeugen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen somit auch ein Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens, wenn das Programm auf einer programmierbaren Hardwarekomponente abläuft. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann somit ein bereits bestehendes Steuergerät durch ein Update der Betriebssoftware bzw. der Firmware durch ein solches Computerprogramm derart modifiziert werden, dass es das oben beschriebene Verfahren ausführt bzw. zu einem Steuergerät im oben beschriebenen Sinne wird.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend, bezugnehmend auf die beigefügten Figuren, näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs mit einem Steuergerät, welches das Verfahren zum Schalten ermöglicht;
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2 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Schalten eines Getriebes;
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3 Darstellungen der Drehzahlen und Drehmomente, die während des Zug-hoch-Schaltens eines Getriebes gemäß einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung an den beteiligten Komponenten auftreten;
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4 Darstellungen der Drehzahlen und Drehmomente, die während des Zug-hoch-Schaltens eines Getriebes bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung an den beteiligten Komponenten auftreten;
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5 Darstellungen der Drehzahlen und Drehmomente, die während des Schub-Rück-Schaltens eines Getriebes gemäß einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung an den beteiligten Komponenten auftreten; und
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6 Darstellungen der Drehzahlen und Drehmomente, die während des Schub-Rück-Schaltens eines Getriebes gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung an den beteiligten Komponenten auftreten.
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1 zeigt eine schematische Darstellung des Antriebsstrangs eines mit einem Doppelkupplungsgetriebe ausgestatteten Vollhybridfahrzeuges.
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Ein Verbrennungsmotor 2 wirkt über eine Trennkupplung 4 auf eine Antriebs- bzw. Eingangswelle 6 des Doppelkupplungsgetriebes 8, dessen Abtriebswelle 10 mit den angetriebenen Rädern oder mit weiteren Differenzialen verbunden ist.
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Ferner ist mit der Antriebs- bzw. Eingangswelle 6 ein Elektromotor 12 gekoppelt, der sowohl bei geschlossener als auch bei offener Trennkupplung 4 die Antriebswelle 6 antreiben kann. Der Rotor des Elektromotors 12 kann beispielsweise permanent mit der Antriebswelle 6 verbunden sein, so dass dieser, wenn die Trennkupplung 4 geschlossen ist, zusammen mit der Antriebswelle 6 vom Verbrennungsmotor 2 in Rotation versetzt wird. Bei Alternativen Ausführungsbeispielen kann der Rotor auch trennbar mit der Antriebswelle 6 verbunden sein, beispielsweise über eine weitere Kupplung. Bei einigen Vollhybridfahrzeugen kann zwischen dem Elektromotor 12 und einem Getriebe zusätzlich eine Anfahrkupplung angeordnet sein. Selbstverständlich können Ausführungsbeispiele von Schaltverfahren auch in einem solchen Antriebsstrang verwendet werden.
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1 zeigt ferner ein Steuergerät bzw. eine Steuervorrichtung 14, die das Schalten des Doppelkupplungsgetriebes 8 derart steuert, dass ein in 2 schematisch in Form eines Flussdiagramms dargestelltes Schaltverfahren ausgeführt wird. Zu diesem Zweck ist die Steuervorrichtung 14 sowohl mit dem Verbrennungsmotor 2, der Trennkupplung 4, dem Elektromotor 12 und dem Doppelkupplungsgetriebe 14 verbunden bzw. gekoppelt, um diese zu steuern oder geeignete Steuersignale zu erzeugen, die ein Durchführen des Verfahrens bewirken. Die Kopplung kann beispielsweise rein elektrisch in Form eines Datenbusses, optisch, schnurlos, mechanisch oder hydraulisch sein.
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Einzelne Abwandlungen bzw. Ausführungsbeispiele eines Schaltverfahrens werden nachfolgend, bezugnehmend auf die 2–6 und jeweils in Zusammenschau mit 1 diskutiert. Dabei zeigen die 3–6 in unterschiedlichen Grafen jeweils die während verschiedenen Phasen des Schaltverfahrens bzw. eines Schaltvorganges auftretenden Drehmomente bzw. Drehzahlen an der Trennkupplung 4, dem Verbrennungsmotor 2, dem Elektromotor 12, sowie an einer ersten Kupplung 16 und einer zweiten Kupplung 18, die beispielsweise jeweils ungeraden bzw. geraden Gängen (wie z. B. Gängen 1 und 2) zugeordnet sind. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit soll im Folgenden angenommen werden, dass ein Schalten zwischen den Gängen 1 und 2 erfolgen soll, sodass sich während des Schaltens die Kupplungen 16 und 18 überschneiden.
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Dabei kann ein Schaltvorgang bzw. das Verfahren zum Schalten eines Getriebes durch Empfangen eines einzigen Schaltkommandos ausgelöst werden, wie dies in 2 schematisch dargestellt ist. Das Schaltkommando 20 kann beispielsweise durch den Fahrer ausgelöst werden, in einem Automatikmodus aber auch rein elektronisch, abhängig von der Last, der Drehzahl des Motors und weiteren Parametern erzeugt werden. Wie in 2 schematisch dargestellt, wird während des Schaltvorgangs 50 ein die Antriebswelle des Getriebes antreibendes Aggregat von einem Verbrennungsmotor zu einem Elektromotor gewechselt. Dies untergliedert sich bei einigen Ausführungsbeispielen in einen Trennschritt 52, während dem der Kraftschluss zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und der mit einem Elektromotor 12 gekoppelten Antriebswelle 6 getrennt wird. Während eines Stützschritts 54 wird die Antriebswelle 6 von dem Elektromotor 12 angetrieben, worauf hin in einem Gangwechselschritt 56 einen Gangwechsel durchgeführt wird, während die Antriebswelle 6 von dem Elektromotor 12 angetrieben wird. Am Schluss des Schaltvorgangs 50 wird der Kraftschluss zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und Antriebswelle 6 in einem Kuppelschritt 58 wiederhergestellt.
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Die während der verschiedenen Vorgänge an den beteiligten Komponenten auftretenden Momente und Drehzahlen werden nachfolgend anhand der 3 bis 6 erläutert. Der Schaltvorgang, während dem das Drehmoment von der dem ersten Gang zugeordneten ersten Kupplung 16 auf die dem zweiten Gang zugeordnete zweite Kupplung 18 übertragen wird, lässt sich vereinfachend in verschiedene Phasen unterteilen. Der Beginn des Schaltvorganges bzw. der Schaltsequenz wird mit dem Empfangen bzw. Erzeugen des Schaltkommandos 20 zum Zeitpunkt t0, der in den 3–6 durch die vertikale Linie 22 dargestellt ist, ausgelöst.
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Anhand der 3 wird zunächst ein Ausführungsbeispiel diskutiert, bei dem eine Zug-hoch-Schaltung erfolgt, bei dem also zum Zeitpunkt t0 das Schaltkommando zum Schalten vom ersten Gang in den zweiten Gang erfolgt. 3 zeigt in drei unterschiedlichen Darstellungen jeweils auf der x-Achse die Zeit in willkürlichen Einheiten. In der oberen Darstellung sind die Drehzahlen aufgetragen, die an der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 2 auftreten, die Drehzahlen, die der Rotor des Elektromotors 12 erfährt, sowie die Drehzahlen, die an den oder der Getriebehauptwelle/n des ersten und zweiten Ganges bei der betrachteten Fahrzeuggeschwindigkeit aufträten, wenn das Fahrzeug mit dem betreffenden Gang angetrieben würde.
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Die mittlere Darstellung zeigt auf der Y-Achse in willkürlichen Einheiten das Drehmoment, wie es von den Beteiligten Kupplungen, also von der Trennkupplung 4, der ersten und der zweiten Kupplung 16 und 18, übertragen wird bzw. wie es von dem Elektromotor 12 und dem Verbrennungsmotor 2 erzeugt wird.
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Die untere Darstellung zeigt die Beschleunigung des Fahrzeugs während des Schaltvorganges.
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Nach Empfang des Schaltkommandos 20 zum Zeitpunkt t0 wird in einer ersten Phase 24 der Kraftschluss zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und der mit dem Elektromotor 12 gekoppelten Antriebswelle 6 mittels der Trennkupplung 4 unterbrochen bzw. getrennt. In dieser kurzen, der Öffnung der Trennkupplung 4 dienenden ersten Phase 24 fällt demzufolge das mittels der Trennkupplung 4 übertragende Drehmoment auf 0, wie der Drehmomentverlauf 26 für die Trennkupplung 4 zeigt.
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Nach erfolgter Trennung des Kraftschlusses, wird in einer zweiten Phase 28 des Schaltvorganges damit begonnen, die Drehzahl 30 des Verbrennungsmotors 2 in Richtung auf die Zieldrehzahl abzusenken, während zeitgleich die Drehzahl 32 des nunmehr aktiv angetrieben Elektromotors 12 auf eine zu der Ausgangsdrehzahl des Verbrennungsmotors korrespondierende Drehzahl geregelt wird. Die Ausgangsdrehzahl ist diejenige Drehzahl, die am Verbrennungsmotor unmittelbar vor erfolgter Trennung des Kraftschlusses anlag. Während der zweiten Phase 28 wird der Leerweg der Zielkupplung zurückgelegt, an dessen Ende die Zielkupplung beginnt, ebenfalls Drehmoment zu übertragen. Die Zielkupplung ist diejenige Kupplung, die dem übernehmenden Gang zugeordnet ist, vorliegend also die zweite Kupplung 18. Dies ist zu Beginn der dritten Phase 34 der Fall, während derer sich die beiden Kupplungen 16 und 18 überschneiden. Während der Überschneidung wird die Ausgangskupplung 16 ausgerückt und überträgt sukzessive weniger Drehmoment, während die Zielkupplung 18 eingerückt wird, um am Ende der dritten Phase 34 das Drehmoment vollständig zu übertragen. Dies wird auch aus dem Drehmomentverlauf 36 an der ersten Kupplung 16 und dem Drehmomentverlauf 38 an der zweiten Kupplung 18 ersichtlich, die sich, wie in der mittleren Darstellung gezeigt, während der dritten Phase 34 überschneiden, wobei am Ende der dritten Phase 34 das vollständige Drehmoment von der zweiten Kupplung 18 übertragen wird.
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Nach dem Trennen des Kraftschlusses zwischen Verbrennungsmotor 2 und Antriebswelle 6 wird die Antriebswelle 6 des Getriebes 8 ausschließlich von dem Elektromotor 12 angetrieben, was sicherstellen kann, dass keine Zugunterbrechung beim Hochschalten auftritt. Zu diesem Zweck wird während der zweiten und der dritten Phasen 28 und 34 von dem Elektromotor 12 ein Drehmoment auf die Antriebswelle 6 ausgeübt, wie aus dem Drehmomentverlauf des Elektromotors 40 in der mittleren Darstellung ersichtlich wird. Dies führt dazu, dass der Zug, also die Beschleunigung während des Überschneidens der Kupplungen 16 und 18 aufrecht erhalten bleibt. Dies kann auch zu einer weiteren Erhöhung der Drehzahl des Elektromotors 12 führen, wie der oberen Darstellung von 3 zu entnehmen ist. Nachdem die vollständige Überschneidung der Kupplungen 16 und 18 stattgefunden hat, nachdem also das gesamte Moment von der Zielkupplung 18 übertragen wird, wird bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel das stromgesteuerte, zusätzlich vom Elektromotor 12 erzeugte Drehmoment auf Null reduziert, sodass in der anschließenden vierten Phase 42, in der die Drehzahl des Elektromotors 12 auf die zu dem Zielgang korrespondierende Drehzahl reduziert wird, das auf die zweite Kupplung 18 wirkende Gesamtdrehmoment allein von der Massenträgheit des Elektromotors herrührt. Nach erfolgter Anpassung der Drehzahl des Elektromotors wird nach Beendigung der vierten Phase 42 der Kraftschluss zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und der Antriebswelle 6 während einer fünften Phase wieder hergestellt. Die Drehzahl des Verbrennungsmotors wurde während der Phasen 2 und 3 bereits auf die Zieldrehzahl geregelt, so dass das Wiederherstellen des Kraftschlusses für den Fahrer unbemerkt erfolgen kann.
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Wie die untere Darstellung des Beschleunigungsverlaufs 46 des Gesamtfahrzeugs zeigt, ermöglicht es das Schaltverfahren, zugunterbrechungsfrei zu schalten und dabei gleichzeitig die Schaltzeit bzw. die Zeit zur Anpassung der Drehzahl des Verbrennungsmotors zu minimieren und die wahrgenommene Spontanität der Schaltung zu erhöhen.
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Mit anderen Worten wird bei dem in 3 illustrierten Ausführungsbeispiel zunächst in der ersten Phase 24 die Trennkupplung 4 geöffnet, woraufhin ein negatives Motormoment für den Verbrennungsmotor 4 eingestellt wird. Für sportlich ausgelegte Schaltungen kann dabei beispielsweise das maximale Motorschubmoment eingestellt werden, beispielsweise durch Ausblendung aller Zylinder. Bei weiteren Modifikationen können allerdings auch mittlere Schubmomente eingestellt werden.
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Während der zweiten Phase 28 wird die Zielkupplung befüllt, also diejenige Kupplung, die dem Zielgang zugeordnet ist. Befüllen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Leerweg zurückgelegt wird, den die Zielkupplung benötigt, um Drehmoment übertragen zu können. Die dieser Befüllung zugeordnete Zeitspanne kann beispielsweise zwischen 50 ms und 100 ms liegen. Parallel dazu fällt in der zweiten Phase 28 die Motordrehzahl zu der Drehzahl der Getriebeeingangswelle des Zielgangs ab. Dieser Drehzahlangleich (beispielsweise durch Vorgabe eines negativen Motormoments oder einer Zieldrehzahl von der Getriebesteuerung an den Motor) kann auch bis in Phase 3 hineinreichen. Nach dem Drehzahlangleich kann der Motor auf der Getriebeeingangswellendrehzahl des Zielgangs gehalten werden, beispielsweise durch Vorgabe durch die Getriebesteuerung oder durch die Verbrennungs-Motorsteuerung.
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In der dritten Phase 34 wird die Ausgangskupplung 16 geöffnet und die Zielkupplung 18 geschlossenen. Dies kann auch als Momentenübergabe oder Überschneidung bezeichnet werden. Dabei müssen sich die Kupplungsmomente nicht, wie der Einfachheit halber dargestellt, linear überschneiden. Auch andere Formen der Momentenübergabe sind denkbar, insoweit die öffnende Kupplungen 16 zu dem Zeitpunkt, an dem die Zielkupplung 18 das Moment vollständig übernommen hat, vollständig geöffnet ist und solange das Summenmoment beider Kupplungen größer oder gleich dem von dem Elektromotor 12 verursachten Drehmoment ist. Die Phase der Überschneidung bzw. die dritte Phase 34 kann beispielsweise ebenfalls zwischen 50 ms und 100 ms dauern.
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In der vierten Phase 42 erfolgt ein Angleich der Drehzahl des Elektromotors 12 an die Drehzahl der Getriebeeingangswelle bzw. der Antriebselle 6 des Zielgangs 18. Um keinen Einfluss auf die Fahrzeugbeschleunigung zu nehmen, sollte in dieser Phase das Kupplungsmoment der Zielkupplung das Moment des Verbrennungsmotors 2 bei entsprechender Gaspedalstellung einnehmen. D. h., das von dem Fahrer gewünschte Drehmoment, das dieser über die Stellung des Gaspedals vorwählt, das sogenannte „Fahrerwunschmoment”, sollte gewählt werden. In dieser vierten Phase kann beispielsweise das zusätzliche Stützmoment des Elektromotors 12 auf Null reduziert werden, wobei über die Zielkupplung 18 das Beschleunigungsniveau des Zielgangs eingestellt werden kann. Die hierfür erforderliche Beschleunigung bzw. das erforderliche Zugmoment kann aus dem Abbremsen des Elektromotors 12, also aus dessen Trägheitsmoment gewonnen werden.
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Nach Abschluss der Schaltsequenz, also in einer an die vierte Phase anschließenden fünften Phase kann das Motormoment des Verbrennungsmotors 2 wieder auf das Fahrerwunschmoment aufgeregelt werden, wozu die Trennkupplung 4 geschlossen wird.
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Ein durch das oben dargestellte Verfahren erzielter Performancegewinn wird beispielsweise dadurch realisiert, dass der Verbrennungsmotor akustisch bereits direkt nach dem Schaltwunsch reagiert. Bei einer herkömmlichen Ansteuerung würde eine Motorreaktion erst nach Befüllung und Überschneidung, also während der vierten Phase 42 erfolgen. Somit lässt sich der durch die Ausführungsbeispiele der Erfindung erzielte Performancegewinn im Bezug auf die Schaltzeit zu 100 ms bis 200 ms abschätzen.
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Zusammengefasst ermöglicht es also ein Ausführungsbeispiel eines Steuergerätes bzw. einer Steuervorrichtung 14, das in 2 schematisch dargestellte Schaltverfahren auszuführen. Dabei wird, möglicherweise ansprechend auf ein optionales Schaltkommando 20, ein Schaltvorgang 50 durchgeführt, während dem ein die Antriebswelle des Getriebes antreibendes Aggregat von einem Verbrennungsmotor zu einem Elektromotor gewechselt wird.
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Dieser untergliedert sich bei einigen Ausführungsbeispielen in einen Trennschritt 52, während dem der Kraftschluss zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und der mit einem Elektromotor 12 gekoppelten Antriebswelle 6 getrennt wird. Während eines Stützschritts 54 wird die Antriebswelle 6 von dem Elektromotor 12 angetrieben, worauf hin in einem Gangwechselschritt 56 einen Gangwechsel durchgeführt wird, während die Antriebswelle 6 von dem Elektromotor 12 angetrieben wird. Am Schluss des Schaltvorgangs 50 wird der Kraftschluss zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und Antriebswelle 6 in einem Kuppelschritt 58 wiederhergestellt.
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Allgemein gesprochen kann so beispielsweise bei einem Hybridgetriebe, das eine Trennkupplung zwischen Verbrennungsmotor und Elektromotor aufweist, der sich durch die Trennkupplung zusätzlich gebende Freiheitsgrad auf folgende Art und Weise ausgenutzt werden. Sofort nach dem Schaltwunsch wird die Trennkupplung geöffnet und gleichzeitig der Verbrennungsmotor auf das neue Drehzahlniveau abgesenkt, was eine sofortige akustische Rückmeldung an den Fahrer bewirkt. Das Absenken des Drehzahlniveaus kann mittels beliebiger Drehzahlregelungsmechanismen, beispielsweise durch Ausblendung aller Zylinder erfolgen. Zeitgleich wird das Drehmoment des Elektromotors 12 auf das vormals anliegende Drehmoment des Verbrennungsmotors 2 aufgeregelt sowie die Überschneidungsschaltung ausgeführt. Nach der erfolgten Überschneidung wird die Drehzahl des Elektromotors 12 auf das Niveau der Verbrennungsmotordrehzahl abgesenkt. Dabei bestimmt die übernehmende bzw. die Zielkupplung 18 das übertragene Moment. Dieses kann beispielsweise identisch zum Fahrerwunschmoment für den Verbrennungsmotor 2 gewählt werden.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem beim Zug-hoch-Schalten im Vergleich zu dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel in der vierten Phase 42 das zusätzliche, stromgesteuerte Drehmoment des Elektromotors 12 nicht auf Null reduziert wird, sondern zumindest ein Teil des Drehmoments weiter auf die Antriebswelle 6 ausgeübt wird. Bei gleichbleibender Dauer des Drehzahlangleichs führt dies zu der in 4 gezeigten kurzfristigen Überhöhung des Drehmoments über das Fahrerwunschmoment, was die wahrgenommene Sportlichkeit des Schaltvorganges erhöht und zu einer besseren Beschleunigung führt.
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Bei einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel, wird in Phase 4, also während des Drehzahlangleichs des Elektromotors, ein zusätzliches negatives Moment, also ein Bremsmoment mittels des Elektromotors ausgeübt, was die vierte Phase 42 verkürzen kann. Somit kann der Verbrennungsmotor sehr schnell nach der Überschneidung der Kupplungen 16 und 18 wieder aufgeregelt werden, was sich positiv auf die gesamte Schaltzeit und auf die akustische Wahrnehmung auswirken kann.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem vom zweiten Gang in den ersten Gang eine Schub-rück-Schaltung durchgeführt wird. Nach dem Trennen des Kraftschlusses zwischen Verbrennungsmotor 2 und Antriebswelle 6 wird damit begonnen, die Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 auf die Zieldrehzahl anzuheben, was unter anderem zu einer sofort wahrnehmbaren akustischen Rückmeldung für den Fahrer führt. Gleichzeitig wird das Drehmoment des Elektromotors 12 auf das vor dem Trennen des Kraftschlusses vorliegende Moment des Verbrennungsmotors 2 abgeregelt. Dies bewirkt während der Überschneidung eine Abbremsung bzw. ein negatives Moment (Schubmoment), das der hypothetisch vom Verbrennungsmotor verursachten Abbremsung während der Überschneidung entspricht.
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Danach wird in der dritten Phase 34 die Überschneidung durchgeführt bzw. der Schaltvorgang vorgenommen. Beim in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel wird dabei in der vierten Phase 42 während der Drehzahlangleichung das stromgesteuerte zusätzliche Drehmoment des Elektromotors derart reduziert, dass das Gesamtmoment des Elektromotors 12 während des Drehzahlangleichs, also das stromgesteuerte Moment und das von der Massenträgheit des Elektromotors verursachte Moment in etwa dem Fahrerwunschmoment entspricht. Bei dem Anheben der Drehzahl des Elektromotors 12 auf das Anheben der Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 bestimmt die übernehmende Kupplung, also die Zielkupplung 16 das übertragende Schubmoment.
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Mit anderen Worten wird bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel in der ersten Phase 24 die Trennkupplung 4 geöffnet und gleichzeitig das Moment des Elektromotors 12 von 0 Nm auf das vormals anliegende Moment des Verbrennungsmotors 2 abgesenkt um den erwarteten Schub beim Gangwechsel einzustellen. Gleichzeitig wird der Verbrennungsmotor 12 wieder befeuert, d. h. seine Drehzahl in Richtung der Zieldrehzahl angehoben.
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Während der zweiten Phase 28 wird der Verbrennungsmotor 2 per Momentführung oder Drehzahlführung auf das Drehzahlniveau des Zielgangs gestellt. Diese Drehzahl liegt oberhalb der Drehzahl des Elektromotors 12. Der Drehzahlangleich kann bis in Phase 3 hinein reichen. Ferner wird in dieser Phase die Zielkupplung befüllt.
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Während der dritten Phase 34 erfolgt die Drehmomentüberschneidung.
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Während der vierten Phase 42 wird die Drehzahl des Elektromotors 12 auf die Drehzahl des Zielgangs angehoben. Hierzu wird auf der Zielkupplung bereits das Zielverzögerungsmoment eingestellt. Dieses kann dem Motormoment bei der entsprechenden Fahrpedaleinstellung entsprechen, und beispielsweise bei einem Schub nahe 0% etwa –20 bis –80 Nm betragen, je nach Drehzahl. Der Drehzahlangleich wird dadurch erreicht, dass das negative Moment des Elektromotors etwas angehoben wird.
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In der darauffolgenden fünften Phase wird der Kraftschluss zwischen Verbrennungsmotor 2 und Antriebswelle 6 erneut hergestellt. Das Moment des Elektromotors 12 wird wieder auf 0 Nm aufgeregelt und das Moment des Verbrennungsmotors 2 gleichzeitig auf das negative Fahrerwunschmoment gestellt.
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6 zeigt zwei weitere Ausführungsbeispiele mit Schub-rück-Schaltung, die auf dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel basieren und nur in den nachfolgend kurz angesprochenen Aspekten von diesem abweichen.
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In einem der Ausführungsbeispiele, das durch die mittleren Drehmomentkurven illustriert wird, wird in der Phase 4 das vormals in Phase 3 eingestellte Schubmoment an dem Elektromotor 12 eingestellt gelassen. Den Drehzahlangleich erreicht man durch ein erhöhtes Moment an der Zielkupplung. Die hieraus resultierende Beschleunigungsüberhöhung wird als „Schub-Ruck” wahrgenommen und kann von sportlichen Fahrern so gewünscht werden.
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In dem weiteren, in 6 unten dargestellten Ausführungsbeispiel, wird schon vorher, also in der dritten Phase 34, beispielsweise ab Beginn der Überschneidung, das Schubmoment des Elektromotors 12 unterhalb des Moments des Verbrennungsmotors 2 abgesenkt. Hierdurch wird der Schub-Schock noch stärker ausgeprägt, insbesondere kann dieser stärker eingestellt werden als bei einem Betrieb ohne Elektromotor 12, da dieser ein negativeres Moment erzeugen kann als typische Verbrennungsmotoren.
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Zusammengefasst werden auch bei der Schub-Schaltung die Vorteile der Zug-Schaltung erreicht: Durch den sofortigen Eingriff am Verbrennungsmotor bei einem Schaltwunsch nimmt der Fahrer eine extrem kurze Reaktionszeit war. Beim herkömmlichen Ablauf ist auch bei der Schubschaltung zunächst eine Befüllung und die Überschneidung erforderlich, was zu einer Verzögerung des Drehzahlangleichs des Verbrennungsmotors führt. Die Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit wird erreicht, ohne dass die Kupplung unter Schubkraftverlust geöffnet werden muss, was vom Fahrer als „Durchtauchen” und damit als negativ empfunden werden würde.
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Wenngleich die Ausführungsbeispiele der Erfindung in den vorangegangenen Absätzen überwiegend im Zusammenhang mit einem PKW-Getriebe beschrieben wurden, versteht es sich von selbst, das das Schaltverfahren auf beliebige Getriebe von anderen Fahrzeugen oder Maschinen anwendbar ist, beispielsweise in LKW's, Motorrädern, Landmaschinen, stationären Maschinen oder dergleichen.
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Ferner versteht es sich von selbst, dass als gesteuertes bzw. verwendetes Getriebe nicht allein ein Doppelkupplungsgetriebe oder ein Stufenautomatgetriebe verwendet werden kann. Vielmehr ist das Schaltverfahren bzw. das Schaltkonzept auch in Verbindung mit beliebigen anderen Getrieben, insbesondere mit zugunterbrechungsfrei schaltbaren Getrieben, verwendbar. Auch braucht der Elektromotor nicht, wie vorstehend der Einfachheit halber dargestellt, separat vom Getriebe ausgeführt und mit der Antriebswelle desselben verbunden zu sein. Vielmehr kann die Art, wie der Elektromotor die Antriebswelle bzw. den Eingang des Getriebes antreibt, beliebig sein. So kann bei alternativen Ausführungsbeispielen der Elektromotor in das Getriebe integriert bzw. innerhalb eines gemeinsamen Getriebegehäuses angeordnet sein.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
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Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einer programmierbaren Hardwarekomponente derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird.
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Eine programmierbare Hardwarekomponente kann durch ein Steuergerät, einen Prozessor, ein Computerprozessor (CPU = Central Processing Unit), einen Grafikprozessor (GPU = Graphics Processing Unit), einen Computer, ein Computersystem, einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC = Application-specific Integrated Circuit), einen integrierten Schaltkreis (IC = Integrated Circuit), ein Ein-Chip-System (SOC = System an Chip), ein programmierbares Logikelement oder ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor (FPGA = Field Programmable Gate Array) gebildet sein.
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Das digitale Speichermedium kann daher maschinen- oder computerlesbar sein. Manche Ausführungsbeispiele umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem oder einer programmierbare Hardwarekomponente derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird. Ein Ausführungsbeispiel ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Programm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
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Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Programm, Firmware, Computerprogramm oder Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode oder als Daten implementiert sein, wobei der Programmcode oder die Daten dahin gehend wirksam ist bzw. sind, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Programm auf einem Prozessor oder einer programmierbare Hardwarekomponente abläuft. Der Programmcode oder die Daten kann bzw. können beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger oder Datenträger gespeichert sein. Der Programmcode oder die Daten können unter anderem als Quellcode, Maschinencode oder Bytecode sowie als anderer Zwischencode vorliegen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist ferner ein Datenstrom, eine Signalfolge oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Programm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom, die Signalfolge oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet oder ein anderes Netzwerk, transferiert zu werden. Ausführungsbeispiele sind so auch Daten repräsentierende Signalfolgen, die für eine Übersendung über ein Netzwerk oder eine Datenkommunikationsverbindung geeignet sind, wobei die Daten das Programm darstellen.
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Ein Programm gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eines der Verfahren während seiner Durchführung beispielsweise dadurch umsetzen, dass dieses Speicherstellen ausliest oder in diese ein Datum oder mehrere Daten hinein schreibt, wodurch gegebenenfalls Schaltvorgänge oder andere Vorgänge in Transistorstrukturen, in Verstärkerstrukturen oder in anderen elektrischen, optischen, magnetischen oder nach einem anderen Funktionsprinzip arbeitenden Bauteile hervorgerufen werden. Entsprechend können durch ein Auslesen einer Speicherstelle Daten, Werte, Sensorwerte oder andere Informationen von einem Programm erfasst, bestimmt oder gemessen werden. Ein Programm kann daher durch eine Auslesen von einer oder mehreren Speicherstellen Größen, Werte, Messgrößen und andere Informationen erfassen, bestimmen oder messen, sowie durch ein Schreiben in eine oder mehrere Speicherstellen eine Aktion bewirken, veranlassen oder durchführen sowie andere Geräte, Maschinen und Komponenten ansteuern.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Verbrennungsmotor
- 4
- Trennkupplung
- 6
- Antriebswelle
- 8
- Doppelkupplungsgetriebe
- 10
- Abtriebswelle
- 12
- Elektromotor
- 14
- Steuervorrichtung
- 16
- erste Kupplung
- 18
- zweite Kupplung
- 20
- Schaltkommando
- 22
- Startzeitpunkt t0
- 24
- erste Phase
- 26
- Drehmomentverlauf an der Trennkupplung
- 28
- zweite Phase
- 30
- Drehzahl der Verbrennungsmotors
- 32
- Drehzahl des Elektromotors
- 34
- dritte Phase
- 36
- Drehmomentverlauf an der ersten Kupplung
- 38
- Drehmomentverlauf an der zweiten Kupplung
- 40
- Drehmomentverlauf des Elektromotors
- 42
- vierte Phase
- 46
- Beschleunigungsverlauf des Fahrzeugs
- 50
- Schaltvorgang
- 52
- Trennschritt
- 54
- Stützschritt
- 56
- Gangwechselschritt
- 58
- Kupplungsschritt
