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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Drehzahl- und Drehwinkelangleichung einer motorgetriebenen Welle und eines darauf frei drehbar gelagerten Rades, Zahnrades oder Zahnradsatzes gemäß Oberbegriff von Patentanspruch I. Weiter bezieht sich die Erfindung auf ein elektronisch synchronisiertes Getriebe, bestehend aus zwei Teilgetrieben mit dazwischenliegender zentraler Schaltmuffe gemäß Oberbegriff nach Patentanspruch 2 und ein zugehöriges, übergeordnetes Betriebssystem zur Steuerung des elektronisch synchronisierten Getriebes.
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Stand der Technik bei Doppelkupplungsgetrieben für Kraftfahrzeuge
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Heutige Kraftfahrzeuge werden zunehmend mit Doppelkupplungsgetrieben (DKG's) ausgestattet. zeigt den typischen Aufbau eines DKG mit 7 Vorwärtsgängen und einem Rückwärtsgang.
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Charakteristisch ist die Aufteilung in zwei Teilgetriebe. Der Haupträdersatz des ersten Teilgetriebes wird durch eine Hohlwelle (HW) angetrieben. Konzentrisch darin gelagert befindet sich eine zweite Eingangswelle, welche den Haupträdersatz des zweiten Teilgetriebes antreibt. Das an der Kurbelwelle (KW) eines Antriebsmotors anliegende Drehmoment kann über eine Doppelkupplung (DK) entweder auf die Hohlwelle von Teilgetriebe 1, oder alternativ auf die konzentrisch darin gelagerte Eingangswelle von Teilgetriebe 2 geschaltet werden. Auf den Nebenwellen NW1 und NW2 befinden sich die schaltbaren Gangräder. Beide Nebenwellen arbeiten über einen Rädersatz auf eine gemeinsame Abtiebswelle (AW). Während eines der beiden Teilgetriebe über die DK starr mit der KW und damit dem Antriebsmotor verbunden ist, kann auf den NW's ein Folgegang des anderen Teilgetriebes geschaltet werden. Sobald der Folgegang eingerastet ist, kann die DK auf dieses Teilgetriebe umschalten und der Folgegang befindet sich im Eingriff. Die Gänge auf den NW's sind so angeordnet, dass zu einem aktuell im Eingriff befindlichen Gang auf einem Teilgetriebe, der nächst höhere oder der nächst niedrigere Gang im anderen Teilgetriebe vorgewählt werden kann. Beispiel: Teilgetriebe 1 realisiert den 3. Gang mittels Eingriff von Schaltmuffe S2. Nun kann in Teilgetriebe 2 entweder der 4. Gang über Schaltmuffe S4, oder der 2. Gang über Schaltmuffe S3 eingelegt werden. Nachdem dies geschehen ist, kann die DK das Drehmoment der KW auf die innenliegende Eingangswelle von Teilgetriebe 2 umschalten und den vorgewählten Folgegang mit dem Antriebsmotor verbinden. Eine Übersicht und Darstellung zum Prinzip, zur Geschichte und zum Stand der Technik bei Doppelkupplungsgetrieben findet man in Wikipedia (https://de.wikipedia.org/wiki/Doppelkupplungsgetriebe).
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Nachteile der heutigen Doppelkupplungsgetriebe
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Bei DK-Getrieben für hohe Drehmomente wird bei den heute angebotenen Fahrzeugen meist eine Mehrscheiben-Ölbad-DK eingesetzt. Beispielsweise setzt Porsche in allen derzeit auf dem Markt befindlichen Modellen mit DK-Getriebe Ölbad-DK's ein. Mit diesem Prinzip ergeben sich eine Reihe von Nachteilen:
- 1. Es bedarf eines geteilten Gehäuses (siehe ), wobei in einem Teil die DK, und im anderen Teil das eigentliche Getriebe untergebracht sind. Getriebe und DK arbeiten damit in vollständig voneinander abgedichteten und mit unterschiedlichen Ölen gefüllten Gehäusen. Die DK kann nicht zusammen mit dem Getriebe im selben Gehäuse betrieben werden, was die Konstruktion wesentlich vereinfachen würde, sondern muss ausgelagert werden, denn eine DK erzeugt Abrieb, der nicht ins Getriebe gelangen darf.
- 2. Eine Ölbad-DK trennt niemals vollständig, wie eine Trockenkupplung. Es verbleibt selbst im ausgekuppelten (mittigen) Zustand ein Schleppmoment. Beim Einlegen des „Drive“-Hebels beim Anfahren des Fahrzeugs muss das Bremspedal betätigt werden, ansonsten wird das Fahrzeug ungewollt über das Schleppmoment in Bewegung gesetzt. Das Schleppmoment belastet die Synchronringe des nachfolgenden Getriebes, denn auch das nicht geschaltete Teilgetriebe wird mit einem Schleppmoment beaufschlagt, das von den Synchronringen abgebremst werden muss.
- 3. Die Schließkraft bei einer DK kann nicht wie bei einer konventionellen Kupplung über eine Druckfeder aufgebracht werden, da die DK ja bidirektional wirkt. Die Reibscheiben der DK müssen hydraulisch in die eine oder in die entgegengesetzte Richtung angepresst werden. Dieser beachtliche hydraulische Anpressdruck ist ständig aufrecht zu erhalten, was viel Energie erfordert.
- 4. Während der Fahrt erzeugt eine Ölbad-DK beachtliche Planschverluste durch das Reibscheibenpaket, das im Ölbad mit Motordrehzahl umläuft.
- 5. Der energetische Aufwand für die Bereitstellung des Hydraulikdrucks zur ständigen Betätigung einer Ölbad-DK zusammen mit diesen Planschverlusten führt zu einem erheblichen Verlust an Wirkungsgrad bei einem Antriebssystem mit Ölbad-DK. Beispiel: Der Porsche Carrera GTS 2017 wird mit einer Nennleistung von 331 kW angegeben. In der Ausführung mit konventionellem Handschaltgetriebe mit Trockenkupplung erreicht dieser Wagen eine Höchstgeschwindigkeit von 312 km/h (Werksangabe). In der Ausführung mit PDK (Porsche Doppelkupplunggetriebe) werden 310 km/h Höchstgeschwindigkeit vom Hersteller angegeben. Der Verlust von 2 km/h in der Höchstgeschwindigkeit erklärt sich aus einem Leistungsverlust aufgrund des schlechteren Wirkungsgrads des PDK, verglichen mit dem alternativ angebotenen manuellen Handschaltgetriebe, das dieselbe Gangzahl und dieselben Übersetzungsstufen aufweist wie das PDK. Die Verluste im PDK wiederum setzen sich im wesentlichen zusammen aus den Planschverlusten der Ölbad-DK und der Leistung, die für die ständige Bereitstellung des Hydraulikdrucks für die Betätigung und ständige Aufrechterhaltung des Anpressdrucks der Reibscheiben erforderlich ist. Aus dem Geschwindigkeitsverlust können wir in guter Näherung auf den Leistungsverlust, bzw. die im System PDK auftretende zusätzliche Verlustleistung, die über die Verlustleistung des äquivalenten Handschaltgetriebes hinausgeht, eben die Planschverluste und die Hydraulikverluste, zurückschließen. In guter Näherung steigt der Leistungsbedarf mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit. Legen wir dieses Gesetz unserer Abschätzung zugrunde, dann benötigt ein Porsche Carrera GTS 2017 mit manuellem Handschaltgetriebe und Trockenkupplung lediglich eine Leistung von
um eine Geschwindigkeit von 310 km/h zu erreichen. Dasselbe Auto mit PDK benötigt dazu die vollen 331 kW. Das PDK sorgt demnach für eine zusätzliche Verlustleistung von 331 kW-324,67 kW = 6,33 kW gegenüber dem konventionellen Schaltgetriebe mit Trockenkupplung. Es tritt also ein zusätzlicher Leistungsverlust von rund 2 Prozent der Motorleistung hier auf. Diese Verlustleistung muss über das Hauptkühlsystem des Motors abgeführt werden, denn die Getriebekomponenten sind thermisch über Wärmetauscher an das Hauptkühlsystem des Motors angekoppelt. Um diese zusätzliche Verlustleistung von mehr als 6 kW überhaupt abführen zu können ohne die Kühlung des Autos thermisch völlig zu überlasten, wurde bei diesem Modell sogar gänzlich auf einen Kühlergrill, ein Netz oder sonstigen Steinschlagschutz der im Frontbereich beidseitig angeordneten Kühler verzichtet. Diese liegen vollkommen frei und ungeschützt im Luftstrom. Ein absolutes Novum bei Serienfahrzeugen, bei denen die Kühler ansonsten immer hinter einem adäquaten Steinschlagschutz untergebracht sind.
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Das Synchronisierungsproblem beim Gangwechsel
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Konventionelle Lösungen: „Zwischengas“ und automatische Drehzahlanpassung
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Betrachten wir zunächst die Dynamik des bei jedem Schaltvorgang ablaufenden Wechsels zwischen den beiden Teilgetrieben des DK-Getriebes in etwas genauer. Beim Umschalten in den Folgegang ist in jedem Fall eine Drehzahlanpassung des Antriebsmotors erforderlich, um den Anschluss von der Ausgangsdrehzahl des aktuell gefahrenen Ganges in die Eingangsdrehzahl des Folgeganges herzustellen. Beim Herunterschalten wird man die Motordrehzahl vor der kraftschlüssigen Verbindung mit dem Folgegang erhöhen müssen, während beim Hochschalten eine Reduzierung der Motordrehzahl erforderlich ist, bevor der Kraftschluss mit dem Folgegang hergestellt werden kann. Die heute gebräuchlichen DK-Getriebe, aber beispielsweise auch das bei Porsche alternativ angebotene manuelle Getriebe, führen deshalb bei jedem Schaltvorgang eine automatische Drehzahlanpassung durch. Bei älteren manuellen Getrieben ohne diese automatische Drehzahlanpassung liegt es im Ermessen des Fahrers, beispielsweise durch ein „Zwischengas“ beim Zurückschalten eine solche Drehzahlanpassung wenigstens näherungsweise herbeizuführen. Diese manuelle Drehzahlanpassung ist ebenso wie die heute verfügbare automatische Drehzahlanpassung nur eine Näherungslösung, um die Drehzahl und insbesondere den Drehwinkel der angetriebenen Welle mit der darauf rotatorisch starren Schaltmuffe an die Drehzahl eines anzukoppelnden Zahnrades oder Zahnradsatzes anzupassen.
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Das Schalten eines Ganges oder eines Teilgetriebes kann als Andockvorgang verstanden werden, bei dem es darum geht, die beiden zu koppelnden rotatorischen Körper so zu synchronisieren, dass sie drehzahlgleich, darüber hinaus aber auch drehwinkelgleich rotieren, bevor sie über die Schaltmuffe zusammengekoppelt werden können. Diese hier erforderliche exakte Synchronisierung wird weder durch die manuelle (oft auch als „Zwischengas“ bezeichnete), noch durch die automatische Drehzahlangleichung erreicht. Die verbleibenden Drehzahl- und Drehwinkelfehler werden durch Reibung in der DK abgebaut. Das ist eine weitere Verlustleistungsquelle, die von Bedeutung ist, wenn die Gänge häufig gewechselt werden, und das ist bei den DKG's heute der Fall.
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Elekronisch synchronisiertes Schalten ohne Doppelkupplung
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Um die aufwendige und energieverschwendende Doppelkupplung einzusparen ist es also notwendig, die Drehzahl- und Drehwinkelangleichung zwischen den beiden zu koppelnden rotatorischen Körpern exakt durchzuführen. Dann kann die Kopplung unmittelbar erfolgen, ohne dass noch eine Reibungskupplung erforderlich ist, denn es existieren dann ja keine Drehwinkelfehler mehr, die durch eine Reibungskupplung ausgeglichen werden müssten. Es kann direkt über eine Schaltmuffe starr gekoppelt werden. zeigt die entsprechend abgewandelte Variante eines „Doppelkupplungsgetriebes“, bei dem die Kopplungsfunktion der DK von einer zentralen Schaltmuffe (ZSM) übernommen wird, welche zwischen den Haupträdersätzen der beiden Teilgetriebe angeordnet ist und diese umschaltet. Bei diesem Umschaltvorgang wird weder Verlustleistung noch Abrieb erzeugt. Daher kann dieses Koppelelement mitten im Getriebe angeordnet werden. Eine komplizierte Herausführung zweier ineinandergeschachtelter Wellen in ein eigenes Gehäuse mit eigener Ölfüllung entfällt.
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Diese Lösung verlangt aber die bereits angesprochene exakte Synchronisierung der Hauptwelle (HW) und der auf ihr befindlichen zentralen Schaltmuffe (ZSM) mit dem Haupträdersatz des anzukoppelnden Teilgetriebes. Wir beschreiben im Folgenden eine Methode, wie dies auf elektronisch/regelungstechnischem Wege erreicht werden kann. Eine Voraussetzung dafür ist die Erfassung der Drehwinkel von Hauptwelle und den Haupträdersätzen der beiden Teilgetriebe. In sehen wir, wie dies in konventioneller Weise durch 3 separate Geberräder erfolgen kann. Ein mit der HW starr gekoppeltes Geberrad liefert über einen Hallgeber das Winkelsignal h(t). Zwei weitere, jeweils mit den Haupträdersatzen starr gekoppelte Geberräder liefern die Drehwinkelsignale g1(t) und g2(t) eben dieser Haupträdersätze der Teilgetriebe 1 und 2. Lediglich zum Anfahren aus dem Stand ist noch eine konventionelle Trockenkupplung (TK) erforderlich. Der Gesamtaufbau des Getriebes samt Kupplung entspricht demnach dem von konventionellen Handschaltgetrieben bekannten Aufbau und ist mechanisch ebenso unkompliziert.
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Grundsätzlich ist eine Anordnung und ein Verfahren zur Anordnung zur Drehzahl- und Drehwinkelangleichung für Doppelkupplungsgetriebe aus der
EP 2 131 075 A2 bekannt. Aus der
DE 10 2010 028 026 A1 ist beispielsweise ein elektronisch synchronisiertes Getriebe bekannt. Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlsensorik ist beispielsweise aus der
EP 2 580 599 B1 bekannt.
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Lösung des Synchronisierungsproblems über einen Phase-Locked-Loop (PLL) Regelkreis.
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Betrachten wir das hier auftretende rotatorische Synchronisierungs- bzw. Andockproblem genauer. zeigt die Grundanordnung einer Welle mit einer darauf drehfest montierten, aber axial verschieblichen Schaltmuffe.
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Die Drehwinkel von Welle bzw. Schaltmuffe einerseits und dem frei auf der Welle drehbar gelagerten Zahnrad andererseits werden durch die Winkelsignale h(t) und g(t) erfasst. Der Motor, der die Welle antreibt ist so zu steuern, dass eine perfekte Drehzahl- und Drehwinkelangleichung von Zahnrad und Welle/Schaltmuffe erreicht wird, so dass beide durch eine axiale Verschiebung der Schaltmuffe nach links in die Stirnverzahnung auf dem Zahnrad hinein rotatorisch starr gekoppelt werden können.
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zeigt das Blockschaltbild eines Phased-Locked-Loop (PLL) Regelkreises (siehe auch: Wikipedia, https://de.wikipedia.org/wiki/Phasenregelschleife), (siehe auch: Roland Best, Theorie und Anwendungen des Phase-locked Loops, AT-Verlag, Stuttgart, ISBN-10: 3855021325, August 1992) zur exakten drehzahl- und drehwinkelrichtigen Synchronisierung von Welle und Zahnrad in dem Modell aus . In dem elektronisch synchronisierten Getriebe aus wird jedes der beiden Teilgetriebe über einen solchen PLL-Regelkreis mit der Hauptwelle synchronisiert.
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Der PLL-Regelkreis aus setzt sich aus 3 Hauptkomponenten zusammen:
- 1. Einem Motor, der an die Welle der Modellanordnung in angekoppelt ist. Dieser Motor bestimmt das Drehwinkelsignal h(t) der Welle.
- 2. Einem Drehzahl-Drehwinkel-Detektor, welcher einen Vergleich des Wellendrehwinkelsignals h(t) mit dem Drehwinkelsignal g(t) des Zahnrads aus der Modellanordnung in durchführt und an seinem Ausgang zwei digitale Signale u(t) und d(t) generiert. Dieser Drehzahl-Drehwinkel-Detektor entspricht in seiner Wirkung und seinem Aufbau dem Frequenz-Phasen-Detektor in Phasenregelkreisen der elektrischen Nachrichtentechnik.
- 3. Einem nachgeschalteten Regler, welcher aus den Signalen u(t) und d(t) ein Steuersignal s(t) erzeugt, das den Motor ansteuert und dessen Drehzahl und Drehwinkel beeinflusst. Das Signal s(t) wirkt wie ein Gaspedal (bei einem Verbrennungsmotor), über das die Drehzahl des Motors beeinflusst wird. Der hier eingesetzte, steuerbare Motor entspricht einem spannungsgesteuerten Oszillator in Phasenregelkreisen der elektrischen Nachrichtentechnik.
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Der innere Aufbau des Drehzahl-Drehwinkel-Detektors ist in dargestellt. Es handelt sich um eine Logikschaltung bestehend aus 2 D-Flipflops, sowie einem UND-Gatter. An den D-Eingängen der beiden D-Flipflops liegt jeweils das logische Signal „high“, H oder logisch „1“ an. Bei einem „low-high“, (L-H) Übergang am Takteingang (CLK) wird das H-Signal intern gespeichert. Dieser gespeicherte Wert eines D-Flipflops ist am Q-Ausgang von außen sichtbar. Ein H-Signal am R-Eingang (Reset-Eingang) eines D-Flipflops setzt den Speicher des D-Flipflops auf den Wert L (Low = logisch „0“) zurück. Das UND-Gatter liefert an seinem Ausgang den Wert H, solange an seinen beiden Eingängen jeweils der Wert H anliegt. In allen anderen Fällen liefert das UND-Gatter den Wert L.
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Der Drehzahl-Drehwinkel-Detektor aus ist sowohl drehwinkel- als auch drehzahlsensitiv. Bei drehzahlgleichen Signalen g(t) und h(t) und drehwinkelmäßig nachlaufendem Signal h(t) liefert der Ausgang u(t) ein Signal, das in seiner Dauer proportional zur Drehwinkeldifferenz ist, und damit von einem nachfolgenden Regler dazu genutzt werden kann, das Steuersignal s(t) zu vergrössern, um auf diese Weise einen Abbau der Drehwinkeldifferenz (des Drehwinkelfehlers) durch Beschleunigung des Motordrehwinkels zu erreichen. Das Signal d(t) ist in diesem Fall inaktiv. Die entsprechenden Signale für diesen Betriebsfall sind in dargestellt. Angenommen wird ein offener Regelkreis. Gezeigt ist hier auch das sich am Ausgang des Reglers ergebende Motor-Steuersignal s(t), wenn ein einfacher integraler Regler, wie im Prinzip dargestellt in , verwendet wird.
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zeigt die Prinzipschaltung eines einfachen integralen Reglers, der hier eingesetzt werden könnte. Er besteht aus zwei über die Steuereingänge u(t) und d(t) getaktete Konstantstromquellen. Eine Ansteuerung der oberen Stromquelle über das Signal u(t) bewirkt eine Ladungszunahme auf dem Referenzkondensator C. Diese Ladungszunahme ist proportional zur Einschaltdauer der Stromquelle und ist damit in dieser Anwendung proportional zu einem positiven Drehwinkelfehler, entsprechend einem winkelmäßigen Motornachlauf. Damit steigt auch die Spannung am Referenzkondensator proportional zum Drehwinkelfehler an. Eine Ansteuerung der unteren Stromquelle über das Signal d(t) hingegen bewirkt eine Ladungsabnahme auf dem Referenzkondensator C. Diese Ladungsabnahme ist proportional zur Einschaltdauer der unteren Stromquelle und ist damit in dieser Anwendung proportional zum negativen Drehwinkelfehler, entsprechend einem winkelmäßigen Motorvorlauf. Damit fällt die Spannung am Referenzkondensator proportional zum negativen Drehwinkelfehler. Um einen Stromabfluss (Leakage) am Ausgang zu vermeiden, ist das Signal s(t) über einen Spannungsfolger VF impedanzmäßig vollständig vom Referenzkondensator entkoppelt.
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Im Falle eines nachlaufenden Motors, entsprechend der Signale in , bewirkt dieses System Drehzahl-Drehwinkel-Detektor mit nachgeschaltetem integralen Regler demnach bei offenem Regelkreis einen stückweise linearen Anstieg der Regelspannung s(t), die den nachfolgenden Motor beschleunigt, um so den Drehwinkelfehler abzubauen.
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zeigt die Signale nach einem abgeschlossenen Synchronisierungsvorgang. Die Signale g(t) und h(t) sind perfekt kohärent. In diesem Fall ergeben sich an den Steuerausgängen des Drehzahl-Drehwinkel-Detektors lediglich Spikes von vernachlässigbarer Dauer in den Signalen u(t) und d(t), welche von den Laufzeiten der digitalen Bausteine im Drehzahl-Drehwinkel-Detektor herrühren. Das Motor-Steuersignal s(t) verharrt auf einem konstanten Wert.
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zeigt die Signale bei konstant vorlaufendem Motor im offenen Regelkreis. In diesem Fall wird das Signal d(t) aktiviert. Die in ihrer Dauer drehwinkeldiffenzproportionalen Impulse im Signal d(t) bewirken ein stückweise linear fallendes Steuersignal s(t), welches den Motor verlangsamt, um so bei geschlossenem Regelkreis einen Abbau des negativen Drehwinkelfehlers zu bewirken. Aufgrund seiner Wirkung wird das Signale d(t) demnach auch als „down-Signal“, das Signal u(t) hingegen als „up-Signal“ bezeichnet.
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Betrachten wir schließlich noch die Fälle einer zu niedrigen bzw. einer zu hohen Motordrehzahl. zeigt die Signale im offenen Regelkreis bei zu niedriger Motordrehzahl.
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Hier ist der Fall dargestellt, dass die Winkelverhältnisse zunächst eine weitere Absenkung der Motordrehzahl erfordern. Der Detektor wirkt übergeordnet als Phasenregler und versucht deshalb zunächst, den Phasenvorlauf des Motors durch Aktivierung des Signals d(t) abzubauen. Nachdem dies hier aufgrund der zu niedrigen, aber konstanten Motordrehzahl im offenen Regelkreis ohnehin erfolgt, reduziert sich das Signal d(t) sukzessive, bis sich schließlich ein Motornachlauf einstellt, auf den der Detektor mit einer entsprechenden Aktivierung des u(t)-Signals antwortet.
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Das dazu inverse Verhalten zeigt sich schließlich im Fall eines offenen Regelkreises mit einem Motor mit konstant zu hoher Drehzahl, wie dargestellt in .
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Ausgehend von einem winkelmässigen Motornachlauf wird zunächst das Signal u(t) aktiviert. Der Motornachlauf baut sich aber aufgrund der zu hohen Motordrehzahl von selbst ab. Danach kommt es aufgrund der zu hohen Motordrehzahl zu einem zunehmenden Motorvorlauf, auf den der Detektor mit zunehmendem d(t)-Signal antwortet.
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Aus diesen Beispielen erkennt man das wesentliche Charakteristikum dieses PLL-Regelsystems: Es wird nicht vordergründig die Drehzahl geregelt, sondern der Drehwinkel. Das ist essentiell für die hier angestrebte Drehwinkelsynchronisierung. Eine Angleichung der Drehzahlen der zu koppelnden rotierenden Körper ergibt sich daraus von selbst.
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Neben dem in gezeigten einfachen integralen Regler können hier auch sehr viel komplexere digitale Regler eingesetzt werden, welche das Zeitverhalten und eventuelle Nichtlinearitäten des Motors entsprechend berücksichtigen. Dies wird besonders bei reinen Verbrennungsmotoren von Bedeutung sein, da diese längere Totzeiten im Ansprecherhalten aufweisen als beispielsweise Elektromotoren. Diese besitzen wesentlich günstigere Eigenschaften, was ihre Steuerbarkeit betrifft, als reine Verbrennungsmotoren. Eine Kombination von einem Verbrennungsmotor mit einem auf der Kurbelwelle angeordneten Elektromotor wird die Steuerbarkeit des Gesamtsystems Motor demnach erwartungsgemäß deutlich verbessern, wovon das vorgeschlagene Konzept der elektronischen Synchronisierung mittels eines PLL-Regelkreises profitieren würde.
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Betrieb im Fahrzeug
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Abschließend soll noch auf den konkreten Betrieb des vorgeschlagen, mittels PLL elektronisch synchronisierten hierarchischen Getriebes (ESHG) im Fahrzeug eingegangen werden. Die bekannten Doppelkupplungsgetriebe (DKG's) zeigen sich im Fahrzeug in der Gestalt einer klassischen Vollautomatik, die durch den Wegfall des Kupplungspedals gekennzeichnet ist. Dem Fahrer wird dadurch die Möglichkeit genommen, unmittelbar und jederzeit einzugreifen, um im Bedarfsfall sofort den Kraftschluss zwischen dem Motor und den angetriebenen Rädern unterbrechen zu können. Mit dem DKG in der Gestalt einer konventionellen Vollautomatik wird dem Fahrer dadurch ein wesentliches Element zur Steuerung seines Fahrzeugs genommen. Der „manuelle Betriebsmodus“, der bei den DKG's wahlweise auch zur Verfügung steht und bei dem die Gänge von Hand in sequenzieller Weise gewechselt werden können, ist kein wirklicher manueller Betrieb, denn die Kupplungsfunktion, die ein wesentliches Element des manuellen Schaltens darstellt, ist eben in diesem Rahmen einer Vollautomatik klassischer Prägung für den Fahrer nicht zugänglich.
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Nachdem das ESHG eine konventionelle Trockenkupplung besitzt, deren Funktion auch vollkommen unabhängig von der zentralen Schaltmuffe (ZSM) im Getriebe angesteuert werden kann, ergeben sich hier weitreichendere Möglichkeiten als beim DKG, bei dem das Umschalten der Teilgetriebe und das Herstellen des Kraftschlusses von ein- und demselben Teil, nämlich der Doppelkupplung (DK), bewältigt werden muss.
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Beim ESHG bietet es sich an, das Kupplungspedal im Auto zu belassen. Der Fahrer hat damit jederzeit die übergeordnete Kontrolle über den Kraftschluss. Die Trockenkupplung kann daneben von einem elektrohydraulischen Servo betätigt werden, der von einem übergeordneten Automatikprogramm gesteuert wird.
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Anstatt des Vollautomatik-Wählhebels wird man in einem Fahrzeug mit ESHG einen Schalthebel vorfinden, mit dem im gewählten Beispiel mit 7 Vorwärts- und einem Rückwärtsgang ein wie in gezeigtes Schaltschema umgesetzt werden kann, wobei der Zustand „0“ die Leerlaufposition darstellt, die zwischen dem 1. und dem 2. Gang angeordnet ist.
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Damit handelt es sich, was die Vorwärtsgänge betrifft, um das bei Motorrädern gängige Schaltschema. Die ersten beiden Gänge und der Rückwärtsgang, der sich in einer zweiten Schaltgasse befindet, können wie bei einem konventionellen manuellen Getriebe mit H-Schaltschema bedient werden. Die Folgegänge jedoch werden durch Ziehen am Schalthebel nach hinten eingelegt. Mit diesem sequenziellen Schaltschema ist ein Verschalten unmöglich.
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Während der Fahrt ist es nicht notwendig, die vorhandene Kupplung zu betätigen. Das PLL-Regelsystem führt nach Betätigung des Schalthebels die Synchronisierung und den Gangwechsel durch, ohne dass die Kupplung betätigt wird.
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Das gesamte Schaltverhalten und auch das Anfahrverhalten wird durch ein übergeordnetes Kontrollprogramm (Automatikprogramm) überwacht, welches jegliche Fehlbedienung ausschließt. Auf diese Weise erfüllt dieses Kontrollprogramm ganz von selbst alle Funktionen, die sonst von einer Automatik erfüllt werden:
- • Im Stand stehen die Gänge 1, 2 oder R am Schalthebel zur Verfügung. Der Fahrer kann die Kupplung treten, und so manuell das Anfahren steuern. Wenn der Fahrer aber den Gang einlegt ohne das Kupplungspedal getreten zu haben, dann wird dies von dem parallel dazu agierenden und vom Kontrollprogramm gesteuerten elektrohydraulischen Servo erledigt, der dann ein wie von einer konventionellen Vollautomatik gewöhntes Anfahren realisiert, ohne dass hier ein störendes Schleppmoment abgebremst werden müsste, da die Trockenkupplung ja perfekt trennt.
- • Im Fahrbetrieb kann der Fahrer die Kupplung ebenfalls manuell bedienen, um einen Fahrstufenwechsel durchzuführen, oder den Kraftschluss jederzeit zu unterbrechen, oder er kann komplett darauf verzichten. Dann erledigt das PLL-Regelsystem den Gangwechsel ohne Kraftschlussunterbrechung auf der Kupplungsseite.
- • Wird in einer Fahrstufe die dazu vorgegebene Höchstdrehzahl erreicht, dann schaltet das Getriebe automatisch mittels PLL-Synchronisierung in die nächsthöhere Fahrstufe. Bei Erreichen einer unteren Drehzahlgrenze wird ebenfalls PLL-synchronisiert automatisch in die nächstniedrigere Fahrstufe heruntergeschaltet. Die Trockenkupplung bleibt dabei geschlossen. Sie wird für diese Gangwechsel während der Fahrt nicht benötigt.
- • Unabhängig von diesem übergeordneten, aber auch abschaltbarem Kontrollprogramm, kann der Fahrer selbst bei eingeschaltetem Kontrollprogramm jederzeit manuell einen Gangwechsel durch Betätigung des Schalthebels oder von Schaltwippen am Lenkrad aus vornehmen. Und zwar ebenfalls ohne Betätigung der Kupplung. Das Kontrollprogramm überprüft in diesem Fall eines manuellen Eingriffs die Plausibilität der Fahrerentscheidung. Für den Fall einer Überschreitung einer oberen, oder Unterschreitung einer unteren Drehzahlgrenze wird der manuelle Schaltbefehl ignoriert.
- • Zum Anhalten des Fahrzeugs ist ebenfalls keine Kupplungsbetätigung notwendig. Bei Erreichen einer unteren Drehzahlgrenze im ersten Gang oder im Rückwärtsgang schaltet das System selbstständig in den Leerlauf, was einer Mittenposition der ZSM im Getriebe entspricht. Gleichfalls könnte der Fahrer aber auch die Kupplung betätigen.
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Nachdem im ESHG mit der ZSM und einer konventionellen Trockenkupplung zwei unabhängige Kopplungsmechanismen zur Verfügung stehen, können manuelle Fahreraktivitäten und Eingriffe des übergeordneten Kontrollprogramms vollkommen konfliktfrei nebeneinander ablaufen. Der damit vorgestellte Rahmen für den Betrieb des ESHG könnte somit auch als „Assistenzschaltgetriebe“ bezeichnet werden, das dem Fahrer das Gefühl vermittelt, ein komplett manuell schaltbares Fahrzeug zu steuern, ohne allerdings dem Risiko eines Schaltfehlers ausgesetzt zu sein, denn jegliche Fehlbedienung wird durch das übergeordnete Kontroll- und Automatikprogramm unterbunden. Nachdem die Kupplung und die ZSM als Trennungs- bzw. Kopplungselemente nebeneinander und sogar zeitlich überlappend betrieben werden können, ergibt sich hier für den praktischen Betrieb ein wesentlich grösserer Freiheitsgrad, als bei den bekannten DKG's. Der Fahrer wird in seinen Möglichkeiten in keiner Weise eingeschänkt. Er kann jederzeit vollumfänglich manuell in die Schaltvorgänge und in die Antriebskopplung des Fahrzeugs eingreifen, wie bei einer klassischen manuellen Schaltung. Er hat aber auch die Möglichkeit, komplett auf jeglichen manuellen Eingriff zu verzichten. Dann erledigt das Kontrollprogramm alle anfallenden Aufgaben. Der Automatikbetrieb ergibt sich in diesem Fall von ganz alleine, wenn der Fahrer nach Einlegen des ersten Ganges einfach jegliche weiteren manuellen Eingriffe unterläßt.
