DE102017213681A1 - Schaltelement für ein Automatikgetriebe - Google Patents

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Bernhard Sauter
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Abstract

Ein hydraulisch betätigbares Schaltelement (100) für ein Automatikgetriebe umfasst einen Kupplungskolben (101) mit einer ersten hydraulischen Druckfläche (A11) und ein Lamellenpaket (104), wobei die erste Druckfläche (A11) des Kupplungskolbens (101) in einem Kupplungsdruckraum (117) mit einem Kupplungsdruck (pK) aus einer Druckölquelle (108) druckbeaufschlagbar ist. Zudem umfasst es einen Schnellfüllkolben (102) mit einer zweiten Druckfläche (A12) in einem Schnellfülldruckraum (126) und ein Ventil (103), welches in einer ersten Schaltstellung eine Druckbeaufschlagung nur des Schnellfülldruckraumes (126) zum Ausgleich eines Lüftspiels (L) zulässt und in einer zweiten Schaltstellung den Schnellfülldruckraum (126) verschließt und eine Druckbeaufschlagung des Kupplungsdruckraumes (117) zulässt. Die zweite Druckfläche (A12) ist kleiner als die erste Druckfläche (A11) und damit auch der zur Schnellbefüllung erforderliche Volumenstrom.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Schaltelement für ein Automatikgetriebe mit einer Kupplungsbetätigungsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben der Kupplungsbetätigungsvorrichtung.
  • Aus der DE 10247702 A1 der Anmelderin ist ein Automatikgetriebe bekannt, welches mehrere reibschlüssige Schaltelemente zur Drehmomentübertragung und zum Aufbau des Kraftschlusses aufweist. Ein reibschlüssiges Schaltelement, auch als Lamellenkupplung bezeichnet, umfasst einen Innenlamellenträger, einen Außenlamellenträger, ein Lamellenpaket sowie einen Kupplungskolben und einen Kupplungszylinder auf, in welchem der Kupplungskolben verschiebbar angeordnet ist. Das Lamellenpaket umfasst Außen- und Innenlamellen, wobei die Außenlamellen drehfest mit dem Außenlamellenträger und die Innenlamellen drehfest mit dem Innenlamellenträger gekoppelt sind. Außen- und Innenlamellen sind gegenüber ihrem jeweiligen Träger axial verschiebbar. Außen- und Innenlamellen sind innerhalb des Lamellenpakets so angeordnet, dass sich diese in axialer Richtung einander abwechseln und so ineinander eingreifen.
  • Zum Aufbau eines Reibmomentes werden die Lamellen mittels des druckbeaufschlagten Kupplungskolbens aneinander gedrückt, so dass eine reibschlüssige Verbindung zwischen den Lamellen entsteht. Hierdurch kann die Kupplung ein Drehmoment zwischen einem mit dem Außenlamellenträger drehfest gekoppelten Getriebeelement und einem mit dem Innenlamellenträger drehfest gekoppelten Getriebeelement übertragen. Im unbetätigten, d.h. offenen Zustand der Kupplung, wenn der Kupplungskolben nicht druckbeaufschlagt ist, ist ein gewisses Axialspiel zwischen den Lamellen vorhanden, um das Schleppmoment möglichst gering zu halten wenn im Betrieb die betreffende Kupplung nicht geschaltet ist aber leer mitläuft. Unter einem Axialspiel ist die Bewegungsfreiheit in Richtung der Drehachse des Schaltelements zu verstehen. Zu dem Axialspiel zwischen den Lamellen kommt ein mögliches Axialspiel zwischen dem Kupplungskolben und dem Lamellenpaket. Außerdem ist es möglich dass zwischen dem Kupplungskolben und dem Lamellenpaket eine Wellfeder angeordnet ist, welche die Lamellen mit so geringer Kraft gegeneinander drückt, dass diese noch kein Moment übertragen können, welches im Antriebsstrang spürbar oder gar zum Antrieb des Fahrzeugs ausreichend ist. Die Axialspiele zwischen den Lamellen, dem Kupplungskolben und dem Lamellen, sowie der Federweg der Wellfeder addieren sich zu einem Maß der axialen Bewegungsfreiheit, das nachfolgend als Lüftspiel bezeichnet wird.
  • Beim Zuschalten der Kupplung, nachfolgend auch als Schließen bezeichnet, ist zunächst der Kupplungskolben mittels einer Druckbeaufschlagung durch das Betriebsmedium so weit zu bewegen, dass das Lüftspiel aufgehoben wird und die Lamellen aneinander anliegen. Bei der Bewegung des Kupplungskolbens infolge von dessen Druckbeaufschlagung vergrößert sich das Volumen eines Kupplungsdruckraums im Kupplungszylinder, so dass dieses Volumen vom Ölversorgungssystem bzw. der Getriebepumpe zu befüllen ist. Erst dann ist durch eine weitere Druckbeaufschlagung des Kupplungskolbens eine Anpressung der Lamellen und damit einer Drehmomentübertragung möglich.
  • Unter den allgemeinen Begriff Schaltelemente oder Kupplungen fallen in diesem Zusammenhang sowohl Getriebekupplungen, welche zwei drehbare Teile miteinander verbinden können, als auch so genannte Getriebebremsen, welche ein drehbares Antriebselement drehfest mit dem Getriebegehäuse verbinden können. Nachfolgend beschriebene Vorgänge, insbesondere die Befüllung einer Kupplung zur Druckbeaufschlagung treffen sowohl auf Getriebekupplungen als auch -bremsen gleichermaßen zu.
  • Der Kupplungskolben weist eine druckbeaufschlagbare Druckfläche auf und wird bei einer Druckbeaufschlagung um den Weg des Lüftspiels verschoben, so dass sich ein hierzu zu befüllendes Volumen, nachfolgend als Schnellffüllvolumen bezeichnet, als Produkt aus dem Flächeninhalt der Druckfläche und dem Weg des Lüftspiels errechnet. Den Vorgang, das Schaltelement zum Ausgleich des Lüftspiels in kurzer Zeit zu befüllen wird nachfolgend als Schnellbefüllung bezeichnet. Unter einer Druckfläche ist in diesem Zusammenhang eine in Fläche eines hydraulischen Kolbens zu verstehen, auf welche ein Druck in eine Richtung wirkt, in welche der Kolben oder Ventilschieber verschiebbar ist, wobei die Fläche die Projektionsfläche in dieser Richtung ist. Üblicherweise ist dies eine Kreis- oder Kreisringfläche, da diese Bauteile meist zylinderförmig ausgestaltet sind und deren Verschiebung axial erfolgt, d.h. in Richtung der Zylinderachse. Eine so genannte Schaltzeit, welche vom Schaltsignal für das Auslösen des Wechsels einer Übersetzungsstufe bis zum Schließen der betreffenden Kupplung und damit dem Einlegen einer neuen Übersetzungsstufe (auch als Gang bezeichnet) vergeht, muss aus Gründen der Spontaneität, d.h. für einen schnellen Gangwechsel, möglichst kurz sein. Deshalb muss die Befüllung des Volumens sehr schnell in einer kurzen Befüllzeit erfolgen.
  • Der Quotient aus dem Befüllvolumen dividiert durch die Befüllzeit ist der Volumenstrombedarf, welchen die Ölversorgung des Automatikgetriebes und damit letztendlich die Getriebepumpe als Förderstrom bereitstellen muss.
  • Der Förderstrom einer üblicherweise als Verdrängerpumpe ausgestalteten Getriebepumpe errechnet sich als Produkt aus Pumpendrehzahl und Verdrängungsvolumen. Verdrängerpumpen sind beispielsweise Zahnrad-, Flügelzellen- oder Kolbenpumpen. Das Verdrängungsvolumen gibt das Volumen an, welches eine Verdrängerpumpe pro Pumpenumdrehung theoretisch (geometrisch ideal oder wirkungsgradbehaftet) fördert. Das Einlegen eines Ganges aus Neutral beispielsweise erfolgt üblicherweise wenn der die Getriebepumpe antreibende Verbrennungsmotor mit Leerlaufdrehzahl dreht, d.h. die Drehzahl der Getriebepumpe sehr gering ist. Bei den Schaltvorgängen im Fahrbetrieb, wenn die die Übersetzungsstufen gewechselt werden, ist zwar die Drehzahl der Getriebepumpe höher, aber die Befüllzeit noch kürzer sollte sein. Das Verdrängungsvolumen der Getriebepumpe so gewählt werden, dass ein Förderstrom erreicht wird, welcher ausreicht um die Kupplung in einer bestimmten erforderlichen Zeitspanne bei einer bestimmten Drehzahl zu befüllen. Hierbei ist der ungünstigste Fall abzudecken, d.h. das erforderliche Verdrängungsvolumen der Getriebepumpe ist der höchste Quotient aus zu befüllendem Volumen dividiert durch das Produkt aus geforderter Zeitspanne und bei dem Befüllvorgang eingestellter Drehzahl der Getriebepumpe.
  • Mit dem Verdrängungsvolumen wachsen Durchmesser und/oder Breite einer Pumpe. Da die Breite bei einer Verdrängerpumpe strömungstechnisch begrenzt ist, erhöht sich meist der Durchmesser der rotierenden Teile. Mit dem Durchmesser der rotierenden Teile wachsen - neben dem Bauraum - progressiv das Aufnahmemoment und damit die Aufnahmeleistung. Außerdem wird der hohe Förderstrom der Getriebepumpe außerhalb der Schaltungen - und damit im zeitlich überwiegenden Anteil der Betriebsdauer - nicht benötigt, da beim Fahren in ein und derselben Übersetzungsstufe nur die Leckagemenge zum Aufrechterhalten eines Kupplungsdruckes sowie eine Kühl- und Schmierölmenge benötigt wird. Trotzdem muss der gesamte Förderstrom auf den maximal benötigten Druck gebracht werden, was ebenfalls die Aufnahmeleistung der Getriebepumpe erhöht und damit zu einer Verschlechterung des Getriebewirkungsgrades führt.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, ein Schaltelement für ein Automatikgetriebe zu schaffen, welches bei unverminderter Spontaneität und nicht verlängerten Schaltzeiten einen geringen Volumenstrombedarf aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Demnach umfasst ein hydraulisch betätigbares Schaltelement für ein Automatikgetriebe einen Kupplungskolben mit einer ersten hydraulischen Druckfläche und mehrere Reibkörper, wobei die Druckfläche des Kupplungskolbens in einem Kupplungsdruckraum mit einem Kupplungsdruck aus einer Druckölquelle druckbeaufschlagbar ist, um das Schaltelement durch eine Erhöhung des Reibmoments oder Herstellung von Haftreibung an den Reibpartnern zu schließen oder zumindest dessen Drehmomentübertragungsfähigkeit zu erhöhen, indem die Reibkörper aneinander gedrückt werden. Hierbei ist zumindest zwischen den Reibkörpern im unbetätigten Zustand des Schaltelements ein Lüftspiel vorhanden. Erfindungsgemäß weist das Schaltelement eine Lüftspielausgleichseinrichtung auf, in welcher eine Kraft erzeugbar ist. Die Lüftspielausgleichseinrichtung ist derart angeordnet, dass diese Kraft auf die Reibkörper in einer solchen Weise auf die Reibkörper wirksam ist, dass das Lüftspiel reduziert oder zu Null wird. Die Druckölquelle ist hierbei von einer Steuerungseinheit zur Einstellung der Drücke ansteuerbar.
  • Hierdurch wird vorteilhafter Weise die Reduzierung bzw. Aufhebung des Lüftspiels von der Lüftspielausgleichseinrichtung übernommen und der Kupplungsdruckraum muss nicht mit einem hohen Volumenstrom von Betriebsmedium befüllt werden, so dass das Verdrängungsvolumen der Getriebepumpe reduziert werden kann. Unter dem „Aufheben“ des Lüftspiels ist zu verstehen, dass vollständig kein Spiel mehr zwischen den Lamellen vorhanden ist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Bevorzugt ist nach dem Aufheben des Lüftspiels die Kraft der Lüftspielausgleichseinrichtung auf die Reibpartner nur so groß gewählt, dass kein zum Antrieb eines Fahrzeugs ausreichendes Drehmoment von dem Schaltelement übertragbar ist.
  • Es ist bevorzugt möglich, dass die Druckquelle als hydraulisches Schaltgerät ausgebildet ist, welches Ventileinrichtungen und Druckstelleinrichtungen umfasst, mittels welchen ein von einer Getriebepumpe geförderter Volumenstrom zu verschiedenen Schaltelementen geleitet wird und ein Druck stromab des hydraulischen Schaltgeräts einstellbar ist.
  • In diesem Zusammenhang ist es möglich, dass die Lüftspielausgleichseinrichtung entweder auf den Kupplungskolben wirksam ist oder auf der anderen Seite der Reibkörper angeordnet ist und diese direkt zusammenschiebt um das Lüftspiel zu reduzieren. Somit kann der Bauraum gut ausgenutzt werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die Reibkörper ein Lamellenpaket bilden und dass die Lüftspielausgleichseinrichtung einen Schnellfüllkolben und eine Arretiervorrichtung zur Festsetzung des Schnellfüllkolbens aufweist. Hierbei liegt der Schnellfüllkolben im unbetätigten Zustand des Schaltelements am Kupplungskolben an. Über die Lüftspielausgleichseinrichtung ist eine Kraft auf den Schnellfüllkolben erzeugbar, so dass der Kupplungskolben vom Schnellfüllkolben zur Reduktion oder Aufhebung des Lüftspiels gegen das Lamellenpaket verschiebbar ist. Die Arretiervorrichtung setzt den Schnellfüllkolben in der Stellung, in welcher das Lüftspiel reduziert oder aufgehoben ist, zumindest zeitweise gegen ein Zurückschieben fest.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es möglich, dass der Schnellfüllkolben hydraulisch betätigbar ist und eine zweite hydraulische Druckfläche auf der dem Kupplungskolben abgewandten Seite aufweist, wobei die zweite Druckfläche in einem Schnellfülldruckraum druckbeaufschlagbar ist. Die zweite Druckfläche ist kleiner ist als die erste Druckfläche. Das Verhältnis der Flächeninhalte der zweiten zur ersten Druckfläche bildet ein erstes Flächenverhältnis. Bei der Druckbeaufschlagung der zweiten Druckfläche ist der Schnellfüllkolben mechanisch auf den Kupplungskolben wirksam und kann diesen zum Ausgleich des Lüftspiels verschieben. Dies hat mehrere vorteilhafte Wirkungen: zum einen bietet sich eine hydraulische Betätigung des Schnellfüllkolbens an, da auch der Kupplungskolben hydraulisch betätigt wird. Die zweite Druckfläche am Schnellfüllkolben ist kleiner als die erste Druckfläche des Kupplungskolbens, aber sowohl der Kupplungskolben als auch der Schnellfüllkolben müssen zum Lüftspielausgleich um den gleichen Weg verschoben werden. Damit erfordert die Befüllung des Schnellfülldruckraums ein entsprechend dem ersten Flächenverhältnis geringeres Volumen bzw. Volumenstroms als bei einer Schnellfüllung des Kupplungsdruckraums zum Lüftspielausgleich. Damit sinkt der Volumenstrombedarf des Automatikgetriebes, so dass die Getriebepumpe bezüglich ihres Verdrängungsvolumens kleiner dimensioniert werden kann. Positive Effekte sind eine geringere Aufnahmeleistung der Getriebepumpe und damit ein höherer Getriebewirkungsgrad, was sich letztlich in einem geringeren Kraftstoffverbrauch bzw, geringerer CO2-Emission äußert. Zudem ist Schnellfüllkolben platzsparend anordenbar.
  • Alternativ wäre es möglich, den Schnellfüllkolben elektromechanisch zum Lüftspielausgleich zu verschieben, beispielsweise mit einer elektrisch angetriebenen Spindel.
  • Es ist möglich, dass zwischen dem Schnellfüllkolben und dem Kupplungskolben ein Kupplungsdruckraum ausgebildet ist, welcher zu dessen Druckbeaufschlagung mit der Druckölquelle verbindbar ist. In dem Kupplungsdruckraum sind die erste Druckfläche, die am Kupplungskolben ausgebildet ist, und eine dritte Druckfläche, die am Schnellfüllkolben ausgebildet ist, druckbeaufschlagbar. Die dritte Druckfläche ist hierbei auf der Seite des Schnellfüllkolbens ausgebildet, welche der zweiten Druckfläche gegenüberliegt.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Arretiervorrichtung als ein Ventil ausgebildet, welches zwischen der Druckölquelle und dem Schnellfülldruckraum sowie dem Kupplungsdruckraum angeordnet ist. Das Ventil umfasst einen Ventilkolben, welcher in mindestens zwei Schaltstellungen verschiebbar ist. In der ersten Schaltstellung ist der Schnellfülldruckraum mit der Druckölquelle verbunden und der Kupplungsdruckraum von dem Ventilkolben von der Druckölquelle getrennt. In der zweiten Schaltstellung ist der Schnellfülldruckraum vom Ventilkolben verschlossen und der Kupplungsdruckraum mit der Druckquelle verbunden. Hierbei sind der Schnellfülldruckraum und der Schnellfüllkolben derart ausgebildet, dass ein im Schnellfülldruckraum eingeschlossener Schnellfülldruck zumindest zweitweise konstant bleibt, wenn der Schnellfülldruckraum vom Ventilkolben verschlossen ist. Eine solche hydraulische Arretiervorrichtung bietet den Vorteil, dass diese in die Hydraulik des Automatikgetriebes integrierbar ist und die ohnehin vorhandene Druckquelle, welche den Kupplungskolben beaufschlagt, genutzt werden kann. Zudem ist das Ventil räumlich frei anordenbar, so dass dessen Anordnung möglich ist, ohne zusätzlichen Bauraum zu beanspruchen, welcher über die Außenabmessungen des Automatikgetriebes hinausgeht.
  • Eine Alternative wäre eine elektromechanische Arretiervorrichtung oder eine mechanische Arretiervorrichtung, welche beispielsweise als Ratsche, welche eine Bewegung in einer Richtung zulässt, eine Rückwärtsbewegung jedoch sperrt, beispielsweise mit einer Sperrklinke. Diese Ratsche ist zum Lösen entsperrbar.
  • In diesem Zusammenhang ist es möglich, dass der Ventilkolben an einem Ende eine vierte Druckfläche und am entgegengesetzten Ende eine fünfte Druckfläche aufweist, welche in der ersten Schaltstellung gemeinsam von der Druckquelle mit einem gleich großen Druck beaufschlagbar sind, wobei die vierte Druckfläche größer ist als die fünfte Druckfläche.
  • Es ist darüber hinaus möglich, dass in der zweiten Schaltstellung, in welcher der Schnellfülldruckraum vom Ventilkolben dicht verschlossen ist, der Ventilkolben auf einer sechsten Druckfläche, welche ein Teil der fünften Druckfläche ist, vom eingeschlossenen Schnellfülldruck beaufschlagt wird, während der Druck an der vierten Druckfläche in einem Steuerdruckraum und der Kupplungsdruck im Kupplungsdruckraum beide von der Druckquelle einstellbar sind. Das Verhältnis von sechster Druckfläche zu vierter Druckfläche bildet ein zweites Flächenverhältnis.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Ventilkolben einen Steuerkörper und einen Verschlusskörper, wobei der Verschlusskörper und der Steuerkörper so miteinander gekoppelt sind, dass diese innerhalb zweier Anschlagstellungen gegeneinander verschiebbar sind, wobei der Ventilkolben in der ersten Schaltstellung des Ventils in einer ersten Anschlagstellung befindlich ist, in welcher der Steuerkörper und der Verschlusskörper von einer zwischen diesen eingespannten Spreizfeder auseinander gedrückt sind, und wobei der Ventilkolben in der zweiten Schaltstellung des Ventils in einer zweiten Anschlagstellung befindlich ist, in welcher der Verschlusskörper an einem Ventilsitz anliegt und damit den Schnellfülldruckraum dicht verschließt und bis an einen Anschlag im Steuerkörper entgegen der Kraft der Spreizfeder in diesen eingeschoben ist. Der große Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass der Schnellfülldruck im Schnellfülldruckraum sicher eingeschlossen ist, bevor sich auf der Gegenseite des Schnellfüllkolbens im Kupplungsdruckraum ein Druck aufbauen kann, da das Steuerfenster und damit der Zustrom von der Druckquelle zum Kupplungsdruckraum erst nach dem Verschließen des Schnellfülldruckraums geöffnet wird.
  • Alternativ hierzu ist es möglich, dass der Ventilkolben einen Steuerkörper und einen Verschlusskörper umfasst, welche starr miteinander verbunden sind oder dass der Ventilkolben einstückig ausgebildet ist. Den damit verbundenen Beeinträchtigungen hinsichtlich der Funktion steht hier der Vorteil eines einfachen Aufbaus und eines kostengünstigen Ventils entgegen.
  • Es ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung möglich, dass zwischen dem Steuerkörper und einem Absatz in einem Ventilgehäuse eine Druckfeder vorgespannt angeordnet ist, durch deren Vorspannkraft der Ventilkolben in der ersten Schaltstellung gehalten wird, wenn der Steuerdruckraum drucklos ist oder durch einen Druck beaufschlagt ist, welcher unter einem bestimmten Wert liegt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass ein zweites Flächenverhältnis von der zweiten zur dritten Druckfläche größer ist als ein drittes Flächenverhältnis von der sechsten zur vierten Druckfläche. Hierbei ist der Unterschied der beiden Flächenverhältnisse so gewählt, dass in der zweiten Schaltstellung des Ventilkolbens die hydraulische Kraft, welche unter einem bestimmten Druckwert über die vierte Druckfläche auf den Ventilkolben wirkt, größer ist als die Summe der entgegen gerichteten Kräfte der Druckfeder und der Spreizfeder sowie der hydraulischen Kräfte des abgeschlossenen Schnellfülldrucks und des bestimmten Drucks auf den Verschlusskörper. Der Schnellfülldruck in der zweiten Schaltstellung des Ventilkolbens wird aus dem auch im Kupplungsdruckraum wirkenden bestimmten Druck über das zweite Flächenverhältnis erzeugt, wobei der bestimmte Druckwert im Kupplungsdruckraum ausreichend ist zur Übertragung eines Drehmoments über das Schaltelement. Durch die Wahl der Flächenverhältnisse ist sichergestellt, dass der Schnellfülldruck auch bei der Erhöhung des Kupplungsdruckes eingesperrt und der Schnellfüllkolben damit in seiner Stellung nach Aufhebung des Lüftspiels bleibt.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Ventil mindestens eine Sperrvorrichtung, welche einer Verschiebung des Ventilkolbens aus dessen erster Schaltstellung eine erste Widerstandskraft entgegenstellt und erst ab einem bestimmten Mindestdruckwert des im Steuerdruckraum herrschenden Druckes eine Verschiebung des Ventilkolbens in Richtung der zweiten Schaltstellung zulässt. Hierbei ist nach der Überwindung der ersten Widerstandskraft eine weitere Widerstandkraft von der Sperrvorrichtung zumindest geringer als die erste Widerstandskraft oder ganz aufgehoben.
  • Bei einer weiteren Ausgestaltung ist es möglich, dass die Sperrvorrichtung einen Sperrschieber und eine Sperrschieberfeder umfasst, wobei der Sperrschieber in einer Sperrschieberbohrung axial beweglich geführt ist, wobei die Sperrschieberbohrung senkrecht zu einer Ventilbohrungsachse angeordnet ist. Der Sperrschieber liegt hierbei unter der Vorspannkraft der Sperrschieberfeder an einer Außen- und/oder Innenfläche des Steuerkörpers, welche eine Schräge aufweist an. Die Sperrvorrichtung verhindert damit eine Verschiebung des Ventilkolbens aus seiner ersten Schaltstellung während der Schnellbefüllung des Schnellfülldruckraumes.
  • Vorteilhafterweise ist die Kraft der Sperrvorrichtung gegen die Verschiebung des Ventilkolbens aus der ersten Schaltstellung so hoch gewählt, dass der erforderliche Druckwert zur Schnellbefüllung, welcher auch die vierte Druckfläche im Steuerdruckraum beaufschlagt, nicht ausreicht um den Ventilkolben gegen die entgegenwirkenden Druck- und Federkräfte zu verschieben.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es möglich, dass der Steuerkörper sowohl zylindrische Abschnitte als auch einen kegelstumpfförmigen Abschnitt aufweist.
  • Es ist möglich, dass die Position der Sperrvorrichtung so gewählt ist, dass in der ersten Schaltstellung des Ventilkolbens der Sperrschieber auf der Außenfläche des kegelstumpfförmigen Abschnittes ansteht, wodurch die Kraft je nach Winkel der Schräge höher ist, als die Reibkraft beim Andruck an eine zylindrische Außenfläche.
  • In einer weiteren Ausbildung ist es möglich, dass der Ventilkolben zumindest teilweise kreisringförmig und hohlzylindrisch ausgebildet ist. Hierdurch kann der Ventilkolben konzentrisch zum Kupplungskolben und Schnellfüllkolben angeordnet werden, was bei bestimmten Einbauverhältnissen Bauraum einsparen kann. Bevorzugt wird diese Ausgestaltung bei Schaltelementen eingesetzt, die als Getriebekupplung ausgebildet sind.
  • Die Schaltelemente, welche wie vorstehend ausgebildet sind, können sowohl als Getriebebremse oder als Getriebekupplung ausgebildet sein.
  • Bei einer Ausbildung des Schaltelements als Getriebebremse ist es möglich, dass das Ventil in einem feststehenden Teil des Getriebes angeordnet ist.
  • Es ist vorteilhaft möglich, dass ein Automatikgetriebe mindestens ein erfindungsgemäßes, oben beschriebenes hydraulisch betätigbares Schaltelement aufweist. Hierdurch wäre der Volumenstrombedarf des Automatikgetriebes abhängig vom ersten Flächenverhältnis mitunter deutlich reduziert, wodurch sich die Leistungsaufnahme der Getriebepumpe verringert und der Wirkungsgrad des Automatikgetriebes gegenüber dem Stand der Technik erhöht.
  • In einem Verfahren zur Betätigung eines oben beschriebenen erfindungsgemäßen Schaltelements wird bei einem Anforderungssignal zum Schließen des Schaltelements ein Signal von der ECU an die Lüftspielausgleichseinrichtung zur Reduzierung des Lüftspiels ausgegeben und ab einem applizierten oder gemessenen Zeitpunkt, wenn das Lüftspiel ausgeglichen ist, ein Signal zur Druckbeaufschlagung des Lamellenpakets ausgegeben. Unter einem applizierten Wert ist in diesem Zusammenhang ein Wert einer bestimmten Größe zu verstehen, der zuvor im Versuch ermittelt wurde und in der ECU abgelegt ist.
  • Eine weitere Ausgestaltung des Verfahren sieht vor, dass bei der Betätigung eines Schaltelements zu einem Ausgangszeitpunkt von einer ECU ein Solldruck auf einen zweiten Solldruckwert erhöht wird und ab einem applizierten zweiten Zeitpunkt vor einem erwarteten Anstieg eines Istwertes aufgrund des Verschließens des Schnellfülldruckraums durch den Ventilkolben der Solldruckwert bis zu einem dritten Zeitpunkt auf einen dritten Solldruckwert herabgesetzt wird. Nach dem Abwarten einer applizierten Zeitdauer bis zum Abschluss des Verschließens des Schnellfülldruckraumes an einem fünften Zeitpunkt, wird ab diesem der Solldruck von dem dritten Solldruckwert auf einen vierten Solldruckwert zur Vermeidung von Druckspitzen insbesondere im Kupplungsdruckraum verringert. Der vierte Solldruckwert wird zu einem sechsten Zeitpunkt erreicht ist, so dass ab dem sechsten Zeitpunkt der Kupplungsdruck, welcher auch den Steuerdruckraum beaufschlagt, bis auf den vierten Solldruckwert ansteigt und einen vierten Druckwert zu einem siebten Zeitpunkt erreicht. Der vierte Solldruckwert wird bis zu einem applizierten achten Zeitpunkt konstant gehalten und danach auf einen letzten Solldruckwert erhöht, welcher zu einem neunten Zeitpunkt erreicht wird.
  • Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Schaltelements sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
  • Es zeigen
    • 1 eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Schaltelements als Getriebebremse in einem Teilschnitt eines Automatikgetriebes,
    • 2 ein Teilausschnitt eines erfindungsgemäßen Schaltelements,
    • 3a ein Teilschnitt eines Ventils des erfindungsgemäßen Schaltelements in einer ersten Anschlagstellung,
    • 3b ein Teilschnitt eines Ventils des erfindungsgemäßen Schaltelements in einer zweiten Anschlagstellung,
    • 4a-e das erfindungsgemäße Schaltelement in unterschiedlichen Stadien der Betätigung in einem Teilschnitt eines Automatikgetriebes
    • 5 ein Zeitdiagramm der relevanten Größen bei der Betätigung des erfindungsgemäßen Schaltelements,
    • 6 eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Schaltelements mit einer weiteren Variante eines Ventils und
    • 7a,b eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Schaltelements als Getriebekupplung in einem Teilschnitt eines Automatikgetriebes.
  • In 1 ist in einer schematischen Längsschnittdarstellung durch einen Teil eines Automatikgetriebes eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Schaltelements 100 als Getriebebremse gezeigt. 2 zeigt in einer Ausschnittsvergrößerung die Betätigungselemente des Schaltelements 100. Das Schaltelement 100 umfasst einen Kupplungskolben 101, einen Schnellfüllkolben 102, mindestens ein Ventil103, ein Lamellenpaket 104 und mehrere Kupplungsfedern 119. Das Ventil103 ist in einer schematischen Schnittzeichnung in 3a und 3b detailliert dargestellt.
  • Die Kupplungsfedern sind am Umfang des Kupplungskolbens 101 verteilt, allerdings ist nur die Kupplungsfeder 119 in die Zeichenebene gedreht. Alternativ hierzu könnten die mehreren Kupplungsfedern als eine Tellerfeder ausgebildet sein. Das Lamellenpaket 104 umfasst eine Wellfeder 147, fünf Außenlamellen 141 und eine Außenlamelle 142 sowie fünf Innenlamellen 143. Die Außenlamellen 141 und 142 sind drehfest mit einem Außenlamellenträger 145 gekoppelt, welcher an einem Getriebegehäuse 106 ausgebildet ist. Die Innenlamellen 143 sind drehfest mit einem Innenlamellenträger 146 gekoppelt, welcher an einem drehbaren Hohlrad 162 ausgebildet ist. Das Schaltelement 100 kann somit ein drehbares Getriebebauteil, nämlich das Hohlrad 162, mit dem Getriebegehäuse 106 drehfest verbinden, so dass das Schaltelement 100 als Getriebebremse ausgebildet ist.
  • Der ebenfalls im Längsschnitt gezeigte Kupplungskolben 101 ist zwischen einem Gehäuseelement 161, welches fest mit dem Getriebegehäuse 106 verbunden ist, und dem Lamellenpaket 104 angeordnet. Unter einem Gehäuseelement ist nachfolgend ein Bauteil des Getriebes zu verstehen, welches an dem Getriebegehäuse ausgebildet oder fest mit diesem verbunden ist. Zwischen dem Kupplungskolben 101 und dem Lamellenpaket 104 sind die Kupplungsfedern 119 angeordnet. Der Kupplungskolben 101 ist axial, d.h. in Richtung seiner Mittelachse M, verschiebbar an dem Gehäuseelement 161 geführt. Die Mittelachse M ist identisch mit einer Drehachse A des Getriebegehäuses 106, um welche sich die Wellen des Automatikgetriebes drehen.
  • In 2 sind detailliert die Betätigungselemente, welche eine Kraft auf das Lamellenpaket 104 übertragen können, dargestellt. Der Kupplungskolben 101 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch und ringförmig ausgebildet und erstreckt sich bundförmig nach zwei Seiten in axialer Richtung. In Richtung des Gehäuseelements 161 ist an dem Kupplungskolben 101 ein zumindest teilweise hohlzylindrisches Führungsstück 112, und in Richtung des Lamellenpakets 104 ein zumindest teilweise hohlzylindrisches Andruckstück 113 ausgebildet. Das Führungsstück 112 weist eine Innenkontur 118 mit einem Innendurchmesser di118 auf. Ein Mittelstück 114 des Kupplungskolbens 101 weist einen kreisförmigen Durchgang 115 mit einem Innendurchmesser di101 auf, wobei der Kupplungskolben 101 mit dem Durchgang 115 auf einer zylindrischen radialen Außenkontur 164 des Gehäuseelements 161 axial verschiebbar geführt ist. Der Kupplungskolben 101 weist in axialer Projektion eine kreisringförmige Druckfläche A11 auf, deren Innendurchmesser dem Innendurchmesser di101 und deren Außendurchmesser dem Innendurchmesser di118 der Innenkontur 118 entspricht. Der Flächeninhalt der Druckfläche A11 errechnet sich so zu A11 = π*(di118 - di101)2 /4. An der Kontaktstelle zu der Außenkontur 164 ist an dem Kupplungskolben 101 ein Dichtelement angeordnet, welches in der gezeigten Ausgestaltung als O-Ring 191 ausgebildet ist.
  • In axialer Richtung ist zwischen dem Kupplungskolben 101 und dem Gehäuseelement 161 koaxial zum Kupplungskolben 101 der Schnellfüllkolben 102 angeordnet, welcher ebenfalls auf der Außenkontur 164 axial bewegbar geführt ist. Der Schnellfüllkolben 102 ist im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und in axialer Richtung abgestuft, wobei der Schnellfüllkolben 102 nach deren radialer Lage einen Innenteil 121 und einen Außenteil 122 aufweist. Betreffend seine radiale Lage ist der Schnellfüllkolben 102 zwischen der Außenkontur 164 und einer Innenkontur 118 des Führungsstücks 112 des Kupplungskolbens 101 angeordnet.
  • An dem radial äußeren Rand des Außenteils 122 ist ein als Dichtlippe 192 ausgebildetes Dichtelement angeordnet, welches an der Innenkontur 118 des Kupplungskolbens 101 anliegt. Der ringförmige, hohlzylindrische Innenteil 121 ist in einer in dem Gehäuseelement 161 als axiale Eindrehung ausgebildeten Ringnut 165 axial bewegbar geführt und weist in axialer Projektion, d.h. in Richtung der Mittelachse des ringförmigen Schnellfüllkolbens 102 eine kreisringförmige Druckfläche A12 auf, welche sich aus einem Außendurchmesser da121 und einem Innendurchmesser des Innenteils 121 berechnet. Da sowohl der Schnellfüllkolben 102 als auch der Kupplungskolben 101 an der Außenkontur 164 geführt sind, weisen diese den gleichen Innendurchmesser di101 auf, so dass der Innendurchmesser des Innenteils 121 dem Innendurchmesser di101 entspricht. Somit errechnet sich der Flächeninhalt der Druckfläche A12 zu A12 = π* (da121 - di101)2 /4. Die Druckfläche A12 ist kleiner als die Druckfläche A11. Der Quotient aus den Druckflächen A12 und A11 ist ein Flächenverhältnis a11 mit a11 = A12/A11. In der Praxis weist eine vorteilhafte Ausgestaltung ein Flächenverhältnis a11 von a11 = 1:2,95 = 0,34 auf.
  • Radial nach außen und nach innen weist der Innenteil 121 in seiner Außen- bzw. Innenfläche jeweils ein als O-Ring 193 ausgebildetes Dichtelement auf, welche an den Nutflanken der Ringnut anliegen. Die innere Nutflanke ist ein Abschnitt der Außenkontur 164 des Gehäuseelements 161. Zwischen einem Nutgrund 125, den Nutflanken und der Druckfläche A12 ist ein Schnellfülldruckraum 126 ausgebildet, dessen Volumen sich mit der axialen Bewegung des Schnellfüllkolbens 102 ändert. Zwischen dem Schnellfüllkolben 102 und dem Kupplungskolben 101 ist ein Kupplungsdruckraum 117 (siehe 2) ausgebildet, dessen Volumen bei einer axialen Relativbewegung von Schnellfüllkolben 102 und Kupplungskolben 101 zueinander veränderlich ist.
  • Im nicht betätigten Zustand des Schaltelements 100 wird der Kupplungskolben 101 von den gegen das Getriebegehäuse 106 oder einem mit diesem fest verbundenen Getriebebauteil vorgespannten Kupplungsfedern 119 gegen den Schnellfüllkolben 102 und dieser wiederum gegen das Gehäuseelement161 gedrückt. Der Kupplungskolben 101, der Schnellfüllkolben 102 und das Gehäuseelement 161 haben damit direkten mechanischen Kontakt. Die Volumina des Schnellfülldruckraums 126 und des Kupplungsdruckraums 117 erreichen in dieser Position jeweils ihr Minimum. Die Lamellen des Lamellenpakets 104 sind im nicht betätigten Zustand des Schaltelements 100 beabstandet oder liegen lose aneinander an, so dass sich die einzelnen Spielmaße insgesamt zu einem in axialer Richtung gemessenen Lüftspiel L addieren. Das Andruckstück 113 des Kupplungskolbens 101 ist von dem Lamellenpaket 104 beabstandet oder liegt an dem Lamellenpaket an, ohne eine wesentliche Kraftwirkung auf dieses auszuüben. Ein Drehmoment ist im „nicht betätigten Zustand“ nicht übertragbar, es kann allenfalls ein Schleppmoment durch mechanische Reibung und/oder Scherkräfte des an den Lamellen haftenden Betriebsmediums auftreten. Es wirken keine Drücke auf das Schaltelement oder diese liegen unterhalb eines bestimmten Schwellenwertes, welcher noch keine Betätigung ermöglicht.
  • Benachbart zu dem Kupplungskolben 101 und dem Schnellfüllkolben 102 ist das Ventil103 angeordnet, welches in 3a und 3b detailliert gezeigt ist. Das Ventil103 umfasst ein Ventilgehäuse, einen Ventilkolben 131, eine Spreizfeder 138 und eine Druckfeder 139. Sowohl die Spreizfeder 138 als auch die Druckfeder 139 sind schematisch als Doppelpfeil dargestellt. Als Ventilgehäuse ist hierbei das Gehäuseelement 161 wirksam, in welchem eine Ventilbohrung 136 um eine Ventilbohrungsachse V als Stufenbohrung ausgebildet ist, welche drei Bohrungsabschnitte 181, 182 und 183 mit unterschiedlichen Innendurchmessern aufweist. Der Innendurchmesser des Bohrungsabschnitts 181 ist hierbei am größten und der Innendurchmesser des Bohrungsabschnitts 183 am kleinsten. Der Übergang vom ersten 181 zum zweiten Bohrungsabschnitt 182 bildet einen Absatz 184 und der Übergang vom zweiten Bohrungsabschnitt 182 zum dritten Bohrungsabschnitt 183 einen Ventilsitz 185. Der dritte Bohrungsabschnitt 183 ist durch einen Verbindungskanal 186 mit der Ringnut 165 verbunden. Der Verbindungskanal 186 kann beispielsweise als Bohrung, als umgossener Kanal oder als Einfräsung ausgebildet sein. Das Ventil103 ist eine Kombination aus Sitzventil und Schieberventil. Es können mehrere Ventile auf den Umfang verteilt werden, um den Strömungsquerschnitt zum Schnellfülldruckraum 126 zu vergrößern, sowie um eine gleiche Verteilung des Schnellfülldrucks pSF auf dem Umfang zu erreichen.
  • Der Ventilkolben 131 (siehe 3a und 3b) umfasst einen Verschlusskörper 132, einen Steuerkörper 134 und eine zwischen diesen angeordnete Spreizfeder 138. Die Außenkontur des Steuerkörpers 134 wird durch zwei zylindrische Steuerkörperabschnitte 152 und 153 und einen kegelstumpfförmigen Steuerkörperabschnitt 175 gebildet, wobei die Steuerkörperabschnitte 152 und 153 sich hinsichtlich ihrer Außendurchmesser unterscheiden und über den kegelstumpfförmigen Steuerkörperabschnitt 175 verbunden sind. In der Schnittdarstellung zeigt sich die Kontur der Steuerkörperabschnitte in zwei horizontalen Abschnitten 152 und 153 und einer Schräge 175.
  • Der Steuerkörperabschnitt 153 mit dem kleineren Außendurchmesser ist hierbei im zusammengebauten Zustand des Ventilkolbens 131 dem Verschlusskörper 132 zugewandt. Der Steuerkörperabschnitt 152 bildet das dem Verschlusskörper 132 abgewandte Ende des Ventilkolbens 131, wobei an dem äußersten Ende eine kreisförmig umlaufende Steuerkante 135 ausgebildet ist, welche eine Druckfläche A13 umschließt. Die Druckfläche A13 errechnet sich als Kreisfläche aus einem Außendurchmesser des Steuerkörperabschnitts 152. Außerdem weist der Steuerkörper 134 eine zentrale Führungsbohrung 171 auf, die im gezeigten Ausführungsbeispiel als Senkbohrung ausgebildet ist und in welcher der Verschlusskörper 132 axial bewegbar geführt ist.
  • Der Verschlusskörper 132 weist an einem Ende einen zylindrischen Abschnitt mit einem dort ausgebildeten Sitzkegel 133 und am anderen Ende einen dort ausgebildeten zylindrischen Führungsbolzen172 auf. Der Außendurchmesser des Führungsbolzens 172 ist kleiner als ein Außendurchmesser da132, welcher der größte Außendurchmesser des Verschlusskörpers 132 ist, so dass im stufenförmigen Übergang der beiden Außendurchmesser ein bundförmiger Spreizfederanschlag 173 ausgebildet ist. Der Führungsbolzen 172 ist in der Führungsbohrung 171 zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlag axial bewegbar geführt, wobei Führungsbolzen 172 und Führungsbohrung 171 eine Spielpassung zueinander bilden. Zwischen dem Spreizfederanschlag 173 und einer dem Verschlusskörper 132 zugewandten Seite des Steuerkörpers 134 ist im zusammengebauten Zustand des Ventilkolbens 131 eine Spreizfeder 138 vorgespannt angeordnet. Die Vorspannkraft der Spreizfeder 138 drückt den Verschlusskörper 132 in die erste Anschlagstellung. Der Verschlusskörper 132 ist gegen die Kraft der Spreizfeder 138 so weit in den Steuerkörper 134 bewegbar, bis der Verschlusskörper 132 bzw. der Führungsbolzen 172 die zweite Anschlagstellung erreicht.
  • Die Anschläge des Führungsbolzens 172 im Steuerkörper 134 sind wie folgt ausgestaltet: in dem Führungsbolzen 172 des Verschlusskörpers 132 ist ein Langloch 158 ausgebildet, welches in Längsrichtung des Führungsbolzens 172 ausgerichtet ist. Durch den Steuerkörper 134 verläuft eine radial gerichtete Durchgangsbohrung. In dieser Durchgangsbohrung ist ein Bolzen 124 angeordnet, der im zusammengebauten Zustand auch das Langloch 158 geschoben ist, und so den Verschlusskörper 132 mit dem Steuerkörper 134 koppelt.
  • So wird beispielsweise beim Zusammenfügen von Verschlusskörper 132 und Steuerkörper 134 zum Ventilkolben 131 zunächst die Spreizfeder 138 über den Führungsbolzen 172 geschoben und dann in die Führungsbohrung 171 eingeführt, wobei die Spreizfeder 138 am Verschlusskörper 132 an dem Spreizfederanschlag 173 anliegt und gegen den Steuerkörper 134 zusammengedrückt wird. Beim Eindrücken in den Steuerkörper 134 erreicht der Führungsbolzen 172 seine zweite Anschlagstellung, wenn er an einem Bohrungsgrund 123 der Führungsbohrung 171 anstößt. In der zweiten Anschlagstellung ist die Länge des Ventilkolbens 131 minimal. Im vorgespannten Zustand der Spreizfeder 138 kann nun durch die radial gerichtete Durchgangsbohrung, welche den gesamten Steuerkörper 134 - und damit auch die Führungsbohrung 171 im rechten Winkel - durchdringt, ein Bolzen 124 durch das Langloch 158 in die gegenüberliegende Fortsetzung der Durchgangsbohrung geschoben werden. Wenn sich die Feder entspannt, bewegt sich der Führungsbolzen 172 so weit aus dem Steuerkörper 134, bis das dem Steuerkörper 134 zugewandte Ende des Langlochs 158 an dem Bolzen 124 anstößt. Hierdurch ist der Führungsbolzen 172 in dem Steuerkörper 134 so gesichert, dass dieser nicht mehr aus diesem herausgleiten kann und somit im Steuerkörper 134 gefangen ist.
  • Eine alternative Ausgestaltung wäre das Fangen des Verschlusskörpers durch die Montage eines Sprengrings am Ende des Führungsbolzens. Dieser wäre der Anschlag im drucklosen Zustand des Ventils, welcher die maximale Länge des Ventilkolbens begrenzt. Entgegen der Kraft der Spreizfeder ist der Verschlusskörper bzw. dessen Führungsbolzen in den Steuerkörper so weit verschiebbar, bis ein Absatz des Führungsbolzens am Verschlusskörper anliegt bevor die Spreizfeder auf Block geht.
  • Der wie oben beschrieben zusammengebaute Ventilkolben 131 ist mit dem Verschlusskörper 132 voran entgegen der Kraft der über den Verschlusskörper 132 geschobenen Druckfeder 139 in die Ventilbohrung 136 eingesetzt. Der Steuerkörper 134 ist im ersten Bohrungsabschnitt 181 und der Verschlusskörper 132 im zweiten Bohrungsabschnitt 182 geführt. Nach dem Einschieben des Ventilkolbens 131 in die Ventilbohrung 136 wird dieser gegen ein Ausschieben durch die Kraft der Druckfeder 139 mittels einer Verschlusswandung 187 gesichert, so dass die Druckfeder 139 zwischen dem Steuerkörper 134 und dem Absatz 184 vorgespannt ist. Der Ventilkolben 131 befindet sich so im drucklosen Zustand des Schaltelements 100 in einer ersten Schaltstellung, in welcher der Ventilkolben 131 an der Verschlusswandung 187 anliegt. Zwischen dem Absatz 184 und dem Steuerkörper 134 ist ein entlüfteter Federraum 166 ausgebildet, innerhalb dessen die Spreizfeder 138 und die Druckfeder 139 angeordnet sind. Unter dem Begriff „entlüftet“ nachfolgend ein Raum eines hydraulischen Systems zu verstehen, welcher mit einem Bereich des Getriebes verbunden ist, in welchem Umgebungsdruck herrscht.
  • Möglichkeiten zur Schaffung eines axialen Anschlags und Verschlusses der Ventilbohrung 136 ist die Anordnung der Verschlusswandung 187. Diese kann beispielsweise mittels einer Verschlussschraube oder durch das Montieren des als Ventilgehäuse dienenden Gehäuseelements 161 in das Getriebegehäuse 106 oder eines mit diesem fest verbundenen Element dargestellt werden, welches bündig mit der Ventilbohrung 136 abschließt. Die Verschlusswandung 187 der Ventilbohrung 136 dient nicht nur der mechanischen Fixierung des Ventilkolbens 131, sondern auch zur Abdichtung der Ventilbohrung 136 an dem Ende welchem der Steuerkörper 134 zugewandt ist. Zwischen der Verschlusswandung 187 und dem Steuerkörper 134 ist ein Steuerdruckraum 176 ausgebildet. Zwischen dem zweiten 182 und dritten Bohrungsabschnitt 183 ist ein Anschlussdruckraum 179 ausgebildet. Die Abmessungen von Ventilbohrung 136 und die Gesamtlänge des Ventilkolbens 131 sind so zueinander gewählt, dass beim Anliegen des Steuerkörpers 134 an der Verschlusswandung 187 der Sitzkegel 133 des Verschlusskörpers 132 nicht am Ventilsitz 185 anliegt.
  • In dem Gehäuseelement 161 ist mindestens eine Sperrvorrichtung 150 angeordnet, welche eine Sperrschieberbohrung 155, einen Sperrschieber 156 und eine Druckfeder 157 umfasst. Die Druckfeder 157 wurde auch hier schematisch als Doppelpfeil dargestellt. Diese kann als zylinderförmige Spiralfeder, als Tellerfeder oder als Blattfeder ausgebildet sein. Der Sperrschieber 156 weist als bevorzugte Ausgestaltung einen zylindrischen Führungsteil und eine halbkugelförmige Spitze zur Verringerung der Reibung auf. In dem als Ventilgehäuse wirkenden Gehäuseelement 161 ist die radial gerichtete, zur Mittelachse der Ventilbohrung 136 senkrecht verlaufende Sperrschieberbohrung 155 ausgebildet, welche in den ersten Bohrungsabschnitt 181 mündet. In der Sperrschieberbohrung 155 ist der Sperrschieber 156 angeordnet, welche von der Vorspannkraft der Druckfeder 157 gegen die Mantelfläche des Steuerkörpers 134 gedrückt wird. Die axiale Position der Sperrvorrichtung 150 ist so gewählt, dass in der ersten Schaltstellung wie in 3a dargestellt der Sperrschieber 156 auf die Schräge im kegelstumpfförmigen Steuerkörperabschnitt 175 gedrückt wird. Ebenfalls denkbar wäre, dass der Sperrschieber 156 in den Übergang des kegelstumpfförmigen Steuerkörperabschnitts 175 auf den Steuerkörperabschnitt 153 gedrückt wird, so dass der Ventilkolben 131 auch unter einem Druck in der Höhe des Druckwertes p2 in seiner ersten Schaltstellung verbleibt. Um eine resultierende Radialkraft des Sperrschiebers 156 auf den Ventilkolben 131 zu vermeiden, sind vorzugsweise mehrere Sperrvorrichtungen so um die Ventilbohrung 136 verteilt, dass sich die Radialkräfte der Sperrschieber kompensieren. Zur Vereinfachung der Darstellung ist nur eine Sperrvorrichtung gezeigt. Die Steuerkante 135 befindet sich in der ersten Schaltstellung an der Verschlusswandung 187.
  • Der Steuerdruckraum 176 ist durch eine Leitung 177 und der Anschlussdruckraum 179 durch eine Leitung 178 mit einem hydraulischen Schaltgerät 108 verbunden, welches als Druckölquelle wirksam ist und nachfolgend als solche bezeichnet wird. Im Steuerdruckraum 176 wirkt ein in diesem herrschender Druck auf die Druckfläche A13 des Ventilkolbens 131 in axialer Richtung. Im Anschlussdruckraum 179 kann in der ersten Schaltstellung des Ventilkolbens 131 (3a) ein Druck axial auf eine Druckfläche A14 des Ventilkolbens 131 wirken, wobei die durch den Druck erzeugte Axialkraft der Druckkraft im Steuerdruckraum 176 entgegen gerichtet ist. Da sowohl der Anschlussdruckraum 179 als auch der Steuerdruckraum 176 direkt mit dem hydraulischen Schaltgerät 108 verbunden sind, sind die Drücke an beiden Druckflächen gleich. Die kreisförmige Druckfläche A14 ist die axiale Projektion des Sitzkegels 133 und errechnet sich aus dem Außendurchmesser da132 des Verschlusskörpers 132. Die Druckfläche A14 ist kleiner als die Druckfläche A13. Unter einer direkten Verbindung ist im Zusammenhang mit der Hydraulik zu verstehen, dass sich keine Einrichtung zum Absperren der Verbindung zwischen dem jeweiligen Druckraum und dem hydraulischen Schaltgerät befindet, wie beispielsweise ein Ventil.
  • Die primäre Druckölquelle ist eine nicht dargestellte Getriebepumpe, da diese das hydraulische Schaltgerät 108 mit einem Förderstrom versorgt und den Druck erzeugt, welcher im hydraulischen Schaltgerät 108 eingestellt wird. Zudem leitet das hydraulische Schaltgerät 108 je nach Schaltstellung das Betriebsmedium zu den jeweiligen gewünschten Schaltelementen. Üblicherweise ist das Betriebsmedium in einem Automatikgetriebe Getriebeöl. Im hydraulischen Schaltgerät 108 wird auch beispielsweise mittels eines nicht gezeigten Druckreglers der Druck eingestellt, welcher das Schaltelement 100 beaufschlagt. Der Druckregler wird nachfolgend auch als Druckstelleinrichtung bezeichnet. Unter einer Leitung oder einem Kanal kann in dieser Anmeldung jede Vorrichtung verstanden werden, die geeignet ist eine Flüssigkeit zu leiten, beispielsweise ein Rohr, ein Schlauch, ein umgossener Kanal oder ein spanend (z.B. durch Bohren oder Fräsen) hergestellter Kanal.
  • Im ersten Bohrungsabschnitt 181 ist ein Steuerfenster 137 als Öffnung in der Wandung der Ventilbohrung 136 ausgebildet. An das Steuerfenster 137 schließt sich eine Leitung 151 an, welche durch die Außenkontur 164 in den Kupplungsdruckraum 117 mündet, so dass der Kupplungsdruckraum 117 hydraulisch mit dem Steuerfenster 137 verbunden ist. Die axiale Lage des Steuerfensters 137 ist so gewählt, dass dieses in der ersten Anschlagposition des Ventilkolbens 131 von dem Steuerkörperabschnitt 152 verschlossen wird. Damit besteht auch keine Verbindung von dem hydraulischen Schaltgerät 108 zum Kupplungsdruckraum 117.
  • Eine zweite Anschlagstellung (siehe 3b) des Ventilkolbens 131 ist dann erreicht, wenn der Verschlusskörper 132 mit seinem Sitzkegel 133 an dem Ventilsitz 185 anliegt und entgegen der Kraft der Spreizfeder 138 so weit in den Steuerkörper 134 eingeschoben ist, das das Ende des Führungsbolzens 172 am Bohrungsgrund 123 der Führungsbohrung 171 des Steuerkörpers 134 anliegt. Der Bohrungsabschnitt 183 und der Schnellfülldruckraum 126 sind damit von dem Sitzkegel 133 des Verschlusskörpers 132 abgeschlossen. In dieser Stellung ist am Verschlusskörper 132 eine kreisförmige Druckfläche A15 ausgebildet, deren Durchmesser einem Innendurchmesser di183 des Bohrungsabschnitts 183, bzw. des Ventilsitzes 185 entspricht. Die Druckfläche A15 ist von einem im Schnellfülldruckraum 126 herrschenden Schnellfülldruck pSF beaufschlagt. Eine kreisringförmige Druckfläche A16, welche im Anschlussdruckraum 179 von dem dort herrschenden Druck beaufschlagbar ist, umgibt konzentrisch die Druckfläche A15 Die Summe der Flächeninhalte der Druckflächen A15 und A16 entsprechen dem Flächeninhalt der Druckfläche A14.
  • Der Quotient aus den Druckflächen A15 und A13 ist das Flächenverhältnis a12 = A15/A13. Ein bevorzugter Wert des Flächenverhältnisses a12 ist ein Wert von a12 = 1:3,3 = 0,3. Eine wesentliche Bedingung für das beschriebene Schaltelement ist, dass das Flächenverhältnis a11 größer ist als Flächenverhältnis a12, wie nachfolgend erklärt wird.
  • Die Lage des Steuerfensters 137 ist in Verbindung mit den Abmessungen des Ventilkolbens 131 so gewählt, dass in der zweiten Anschlagstellung des Ventilkolbens 131 der Steuerkörperabschnitt 152 nicht mehr das Steuerfenster 137 verdeckt, so dass der Steuerdruckraum 176 durch die Leitung 151 mit dem Kupplungsdruckraum 117 verbunden ist. Somit ist auch das hydraulische Schaltgerät 108 mit dem Kupplungsdruckraum 117 verbunden und kann einen Druck in diesem einstellen. Des Weiteren liegt der Sperrschieber 156 in der zweiten Anschlagstellung unter der Vorspannkraft der Druckfeder 157 außen an dem Steuerkörperabschnitt 152 an.
  • Die Funktion des Schaltelements 100 wird nachfolgend anhand der 1, 2, 3a und 3b, 4a bis 4e beschrieben, welche das Ventil103 sowie den Kupplungskolben 101 und den Schnellfüllkolben 102 in den unterschiedlichen Stellungen zeigen. Außerdem sind in 5 in einem Diagramm die Verläufe eines vom hydraulischen Schaltgerät 108 einzustellenden Soll-Druckes pS, eines im Schnellfülldruckraum 126 herrschenden Schnellfülldruckes pSF und eines im Kupplungsdruckraum 117 herrschenden Kupplungsdruckes pK des Schaltelements 100 über der Zeit dargestellt.
  • 1 zeigt wie oben beschrieben das Schaltelement 100 in schematischer Darstellung wie oben beschrieben im drucklosen Zustand vor einer Betätigung, was dem Zustand vor einem Zeitpunkt t0 in dem Zeitdiagramm in 5 entspricht. Die Betätigung eines Schaltelements wird nachfolgend auch als Schaltung bezeichnet. Das Hohlrad 162 dreht sich noch frei gegenüber dem Getriebegehäuse 106. Das Lamellenpaket 104 ist offen, zwischen den Lamellen und dem Kupplungskolben 101 besteht in axialer Richtung das Lüftspiel L. Die Wellfeder 147 ist entspannt. Sämtliche Drücke stromab des hydraulischen Schaltgeräts 108 sind drucklos oder weisen einen Vorbefülldruckwert p1 auf, welcher zu gering ist um eine Wirkung auf das Schaltelement hinsichtlich der Übertragung eines Drehmoments auszuüben, aber hoch genug ist um sicher zu stellen, dass alle mit Öl beaufschlagbaren Räume nicht leer sind. In der Praxis beträgt dieser Druck beispielsweise 0,5 bis 0,8 bar. Der Ventilkolben 131 des Ventils 103 befindet sich in seiner ersten Anschlagstellung.
  • Durch die die Betätigung des als Getriebebremse ausgebildeten Schaltelements 100 soll das Hohlrad 162 drehfest mit dem Getriebegehäuse 106 verbunden werden. Zu dem Zeitpunkt t0 in 5 wird von einer nicht dargestellten elektronischen Steuerungseinheit (ECU) der Befehl an das hydraulische Schaltgerät 108 ausgegeben, den Druck ausgehend von dem Vorbefülldruck p1 auf einen Solldruckwert p2S zu erhöhen. Der Druckanstieg vollzieht sich gleichermaßen in allen hydraulisch miteinander verbundenen Bereichen, d.h. in dem Steuerdruckraum 176 als auch in dem Anschlussdruckraum 179 und dem Schnellfüldruckraum 126.
  • Der zweite Solldruckwert p2S wird jedoch nicht erreicht, da durch die Druckbeaufschlagung der Druckfläche A12 des Schnellfüllkolbens 102 im Schnellfülldruckraum 126 der Schnellfüllkolben 102 gegen den Kupplungskolben 101 und beide letztendlich gegen die Kraft der Kupplungsfedern 119 und der Elastizitäten des Lamellenpakets 104 gedrückt. Der Schnellfüllkolben 102 und der Kupplungskolben 101 werden um den Weg des Lüftspiels L gegen das Lamellenpaket 104 verschoben. Es stellt sich hierbei beim Loslaufen des Schnellfüllkolbens 102 zu einem Zeitpunkt t1 stromab des hydraulischen Schaltgeräts 108 ein Druckwert p2 ein, der sich aus der Druckfläche A12 und den Kräften der Kupplungsfedern 119 und theoretisch der entsprechenden Elastizitäten des Lamellenpakets 104 und der Wellfeder 147 ergibt. Zudem vergrößert sich während der Bewegung des Schnellfüllkolbens 102 der Rauminhalt des Schnellfülldruckraums 126 bis das Lüftspiel L aufgehoben ist (siehe 4a).
  • Erst nach dem Anliegen des Andruckstücks 113 des Kupplungskolbens 101 an der Wellfeder 147 des nun lüftspielfreien Lamellenpakets 104 könnte theoretisch der Druck in allen verbundenen Bereichen - und damit auch der Schnellfülldruck pSF im Schnellfülldruckraum 126 - weiter in Richtung des Solldruckwertes p2S steigen. Bis zum Abschluss der Verschiebung des Schnellfüllkolbens 102 um das Lüftspiel L, welche zu einem Zeitpunkt t3 erreicht ist, entspricht der Druck konstant dem Druckwert p2. Ein vorteilhafter Druckwert p2 beträgt in der Praxis beispielsweise p2 = 4,5 bar. Der Solldruckwert p2S wurde deshalb deutlich höher als die einstellende zweite Druckwert p2 gewählt, um in der entsprechenden Druckstelleinrichtung im hydraulischen Schaltgerät 108 einen möglichst großen Strömungsquerschnitt und damit einen möglichst hohen Volumenstrom zur Schnellbefüllung des Schaltelements zur Verfügung zu haben.
  • Im Steuerdruckraum 176 wird die Druckfläche A13 und im Anschlussdruckraum 179 die Druckfläche A14 des Ventilkolbens 131 vom gleichen Druck, welcher dem Druckwert p2 entspricht, beaufschlagt, wodurch entgegen gerichtete Druckkräfte entstehen. Obwohl die Druckfläche A13 größer ist als die Druckfläche A14 bleibt der Ventilkolben 131 auch bei Erreichen des Druckwerts p2 in seiner ersten Anschlagstellung an der Verschlusswandung 187. Der Grund hierfür ist, dass neben der Druckkraft aus der Druckfläche A14 noch eine Vorspannkraft der Druckfeder 139 und eine Reibungskraft der gegen die Schräge 175 vorgespannten Sperrvorrichtung 150 der Druckkraft aus der Druckfläche A13 entgegen stehen. Hierbei sind die Axialkräfte der Druckfeder 139 und der Sperrvorrichtung 150 sowie das Flächenverhältnis a12 so bemessen, dass die Druckkraft aus A13 beim Anliegen des Druckwerts p2 von diesen in der Summe überstiegen wird. Dies ermöglicht, dass der Ventilkolben 131 in seiner ersten Anschlagstellung verbleibt, so dass der Schnellfülldruckraum 126 durch den Verbindungskanal 186 befüllt und die Druckfläche A12 von einem Schnellfülldruck pSF in der Höhe des Druckwertes p2 bis zum Zeitpunkt t3 beaufschlagt werden kann.
  • Bei einem Schaltelement nach dem Stand der Technik, welches keinen Schnellfüllkolben aufweist, wäre ein Schnellfüllvolumen erforderlich gewesen, welches dem Produkt von A11 multipliziert mit dem Lüftspiel L entspricht. Durch den Schnellfüllkolben 102 mit dessen kleinerer Druckfläche A12 reduziert sich das Schnellfüllvolumen mit dem Faktor a11. Im gleichen Maße nimmt der erforderliche Volumenstrom ab, welcher dem hydraulischen Schaltgerät 108 entnommen wird und den letztendlich die Getriebepumpe fördern muss. Das Verdrängungsvolumen der Getriebepumpe kann somit mit einem erfindungsgemäßen Schaltelement theoretisch um den Faktor a11 kleiner gewählt werden, was entsprechende Vorteile hinsichtlich Leistungsaufnahme der Getriebepumpe und damit Getriebewirkungsgrad sowie Bauraum bringt. Außerdem bedeutet eine Verringerung des Verdrängungsvolumens der Getriebepumpe kleiner dimensionierte Ansaugkanäle und ein besseres Betriebsverhalten, wie beispielsweise hinsichtlich Kavitation.
  • Dass aufgrund der kleineren Druckfläche A12 ein mit dem Flächenverhältnis a11 antiproportional höherer Schnellfülldruck pSF erforderlich ist, ist hinsichtlich der Leistungsaufnahme der Getriebepumpe vernachlässigbar, da der Zeitanteil der Schnellbefüllung, in welcher der von der Getriebepumpe zu erzeugende Druck vom hydraulischen Schaltgerät 108 erhöht wird, sehr kurz ist. In der Praxis dauert die Zeit zur Schnellbefüllung beispielsweise 50 ms. Außerdem sind üblicherweise die Schaltabläufe in einem Automatikgetriebe so gestaltet, dass bei einem Gangwechsel einige Schaltelemente geschlossen bleiben, mindestens eines geöffnet und mindestens eines geschlossen wird. Damit ein unerwünschtes Öffnen der geschlossenen Schaltelemente vermieden wird, kann der von der Getriebepumpe erzeugte Druck ohnehin nicht unter einen bestimmten Wert abgesenkt werden. Der Volumenstrom, welcher erzeugt werden muss um ein Schaltelement geschlossen zu halten, ist jedoch deutlich geringer als der Volumenstrom zum Vorbefüllen eines Schaltelements nach dem Stand der Technik.
  • Vor dem Erreichen des Zeitpunkts t3 wird zu einem Zeitpunkt t2 der Solldruckwert auf einen Solldruckwert p3S reduziert, welcher zum Zeitpunkt t3 erreicht ist. Der Solldruckwert p3S ist größer als der sich bei der Schnellbefüllung einstellende Druckwert p2. Damit soll ein Überschwingen des Drucks vermieden werden, wenn zum Zeitpunkt t3 die Schnellbefüllung abgeschlossen ist und der Druck schlagartig auf den ursprünglichen Solldruckwert p2S ansteigen würde. So ist zum Zeitpunkt t3 der Solldruckwert p3S eingestellt und der Druck steigt ohne Druckspitze zum Zeitpunkt t3 ausgehend vom Druckwert p2 an. Zu einem Zeitpunkt t4 ist ein Druckwert p3 erreicht. Der Druckwert p3 entspricht dem Solldruckwert p3S. Der Solldruckwert p3S ist hierbei so gewählt, dass dieser ausreicht um den Ventilkolben 131 in Richtung dessen zweiter Anschlagstellung zu verschieben - entgegen der Kräfte der Sperrvorrichtung 150, der Druckfeder 139 und des Druckes in Höhe des Druckwerts p3 auf die Druckfläche A14. Der Sperrschieber 156 wird hierbei durch die Kraft des Druckes auf die Druckfläche A13 über die Schräge 175 entgegen der Kraft der Druckfeder 157 in die Sperrschieberbohrung 155 zurückgeschoben, womit die Sperrvorrichtung 150 überwunden ist und der Ventilkolben 131 sich in Richtung seiner zweiten Anschlagstellung verschiebt (siehe 4b). Nach der anfänglichen Verschiebung des Ventilkolbens 131 liegt spätestens zum Zeitpunkt t4 der Sperrschieber 156 an der Außenfläche des Steuerkörperabschnitts 152 an. Hierdurch ist der Widerstand die Sperrvorrichtung 150 gegen die Bewegung des Ventilschiebers 131 so weit herabgesetzt, dass der Ventilschieber 131 von einem Druck bewegbar ist, der kleiner ist als der Solldruckwert pS3 und dem Druckwert p2 entspricht. Theoretisch könnte deshalb nach dem Überwinden der Sperrvorrichtung 150 zum Zeitpunkt t4 der Druck wieder auf den zweiten Druckwert p2 abgesenkt werden, da dieser nun ausreichen würde, um den Ventilkolben 131 in die zweite Anschlagstellung zu verschieben. Der Zeitpunkt t4 bzw. der Solldruckwert pS3 werden zuvor im Versuch ermittelt und in der ECU hinterlegt.
  • Bevor der Ventilkolben 131 seine zweite Anschlagstellung (siehe 3b) erreicht, liegt der Sitzkegel 133 spätestens zum Zeitpunkt t5 am Ventilsitz 185 an und verschließt den Schnellfülldruckraum 126 (siehe 4c). Der Schnellfülldruck pSF auf der Höhe des Druckwerts p3 bleibt damit im Schnellfülldruckraum 126 eingesperrt und konstant. Die axialen Positionen des Ventilsitzes 185, des Steuerfensters 137 und die Länge des Ventilkolbens 131 sind so gewählt, dass bei der Bewegung des Ventilkolbens 131 zur zweiten Anschlagstellung der Schnellfülldruckraum 126 verschlossen wird, bevor der Steuerkörper 134 des Ventilkolbens 131 das Steuerfenster 137 zum Steuerdruckraum 176 öffnet. Nach dem Anstoßen des Sitzkegels 133 am Ventilsitz 185 wird bei der weiteren Bewegung des Ventilkolbens 131 der Verschlusskörper 132 in den Steuerkörper 134 entgegen der Kraft der Spreizfeder 138 eingeschoben. Somit ist sichergestellt, dass der Druck im Schnellfülldruckraum 126 eingesperrt und der Schnellfüllkolben 102 druckbeaufschlagt ist, bevor der Druck im Kupplungsdruckraum 117 ansteigen kann.
  • Bis zum Anliegen des Verschlusskörpers 132 bzw. dessen Sitzkegels 133 am Ventilsitz 185 zum Zeitpunkt t5 wird von der ECU und dem hydraulischen Schaltgerät 108 der dritte Solldruckwert p3S konstant gehalten.
  • Ab dem Zeitpunkt t5 wird der Solldruck auf einen Solldruckwert p4S reduziert, welcher zu einem Zeitpunkt t6 erreicht ist. Der Grund hierfür ist, dass der Solldruckwert p4S und der sich einstellende Druckwert p4 ausreicht, um den Steuerkörper 134 in Richtung des Ventilsitzes 185 zu verschieben bis der Steuerkörper 134 mit seinem Bohrungsgrund 123 am Ende des Führungsbolzens 172 des Verschlusskörpers 132 zum Zeitpunkt t6 anliegt. Der Ventilkolben 131 hat damit zum Zeitpunkt t6 seine zweite Anschlagstellung eingenommen (siehe 3b und 4d). Zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 überfährt die Steuerkante 135 des Steuerkörpers 134 das Steuerfenster 137 und gibt dieses frei. Damit besteht spätestens zum Zeitpunkt t6 eine hydraulische Verbindung vom hydraulischen Schaltgerät 108 durch den Steuerdruckraum 176, das Steuerfenster 137 und die Leitung 151 zum Kupplungsdruckraum 117, so dass in dem Kupplungsdruckraum 117 ein Kupplungsdruck pK ausgehend von dem Vorbefülldruck p1 ansteigt.
  • Würde der Druck nach dem hydraulischen Schaltgerät 108 weiterhin die Höhe des Druckwertes p3 beibehalten, so würde der ebenfalls dem Druckwert p3 entsprechende Kupplungsdruck pK mit einer entsprechend dem Flächenverhältnis a11 erhöhten Kraft auf das Lamellenpaket 104 wirken und dieses schlagartig schließen. Um dies zu vermeiden wird ab dem Zeitpunkt t5 bis zu einem Zeitpunkt t6 der Solldruckwert p3S entsprechend dem Flächenverhältnis a11 auf einen Solldruckwert p4S reduziert, so dass die nun vom Kupplungskolben 101 auf das Lamellenpaket 104 ausgeübte Kraft gegenüber der zuvor vom Schnellfüllkolben 102 ausgeübten Kraft gleich bleibt. Der von der ECU angesteuerte Solldruckwert p4S errechnet sich zu p4S = a11 * p3S. Dieser beträgt in der realen Ausführung beispielsweise 1,5 bar. Ab dem Zeitpunkt t6 steigt der Kupplungsdruck pK vom ursprünglichen Vorbefülldruck p1 an und erreicht zu einem Zeitpunkt t7 einen Druckwert p4.
  • Bei der Bewegung des Ventilkolbens 131 in die zweite Anschlagstellung muss der Schnellfülldruckraum 126 vor dem Öffnen des Steuerfensters 137 verschlossen werden, da bei einer Öffnung des Steuerfensters 137 vor dem Schließen des Schnellfülldruckraums 126 bei einer Absenkung des Druckes vom Solldruckwert p3S auf den Solldruckwert p4S auch der Druck im Schnellfülldruckraum 126 auf den Solldruckwert p4S sinken würde. Als Folge würden die Kupplungsfedern 119 den Schnellfüllkolben 102 in seine Ausgangsposition zurückschieben. Das durch die Schnellbefüllung zuvor reduzierte bzw. aufgehobene Lüftspiel würde sich unerwünschter Weise wieder auf seinen Ausgangswert vergrößern.
  • Auf den Schnellfüllkolben 102 wirken im nun verschlossenen Schnellfülldruckraum 126 seit dem Zeitpunkt t4 der Schnellfülldruck pSF mit einem Druckwert p3 auf die Druckfläche A12 und im Kupplungsdruckraum 117 ein Kupplungsdruck pK mit einem Druckwert p4 auf eine kreisringförmige Druckfläche A17. Der Flächeninhalt der Druckfläche A12 ist kleiner als jener der Druckfläche A17. Die Druckflächen A12 und A17 stehen in einem Flächenverhältnis a13 = A12/A17 < 1 zueinander. Die Flächeninhalte der Druckflächen A11 und A17 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel gleich, so dass die Druckflächen A12 und A17 auch im Wert des Flächenverhältnisses a11 = a13 zueinander stehen.
  • Der Solldruck bleibt vom Zeitpunkt t6 bis zu einem Zeitpunkt t8 unverändert, so dass der Druckwert p4 beibehalten wird. Bis zum Zeitpunkt t8 können bei einem Wechsel der Übersetzung die abzuschaltenden Schaltelemente geöffnet werden. Um Zugkraftunterbrechungen zu vermeiden wird der Druck auf das Lamellenpaket 104 im zuzuschaltenden Schaltelement ab dem Zeitpunkt t8 rampenförmig erhöht und die Drehmomentübertragungsfähigkeit bis zu einer drehfesten Verbindung der Schaltelementhälften gesteigert, was spätestens zu einem Zeitpunkt t9 erreicht ist. Der Kupplungskolben 101 spannt nun auch die Wellfeder 147 an ihren Anschlag und erzeugt durch den Druck auf das Lamellenpaket 104 ausreichend hohe Reibkräfte zur Drehmomentübertragung. Durch zusätzliche elastische Verformungen verschiebt sich der Kupplungskolben 101 in Richtung des Lamellenpakets 104, wodurch sich der Kupplungsdruckraum 117 vergrößert. Damit ist das Schaltelement 100 geschlossen (siehe 4e). Dies geschieht beim dargestellten Schaltelement 100 in 5 ab dem Zeitpunkt t8 bis zu einem nicht gezeigten Zeitpunkt t9, wo der Solldruck pS und damit der Kupplungsdruck pK in einem rampenförmigen Verlauf bis zu einem dem Sollwert entsprechenden Druckwert p5 (nicht im Diagramm gezeigt) erhöht wird. Der Druckwert p5 liegt über dem Solldruckwert p3S und ist so hoch gewählt, dass das Lamellenpaket 104 geschlossen ist, so dass das drehbare Getriebeelement, in diesem Falle das Hohlrad 162, drehfest mit dem Getriebegehäuse 106 gekoppelt ist. Da der Kupplungsdruck pK auch über die Druckfläche A17 auf den Schnellfüllkolben 102 wirkt, erhöht sich der Schnellfülldruck pSF im abgeschlossenen Schnellfülldruckraum 126 entsprechend dem Flächenverhältnis a13 auf einen höheren Druckwert p6. Dieser errechnet sich zu p6 = p5/a13 (aus a13 < 1 folgt p6 > p5). In der Praxis beträgt der Druckwert p5 des Kupplungsdrucks pK beispielsweise p5 = 20 bar, so dass sich bei einem Flächenverhältnis von a13 = 0,34 im Schnellfülldruckraum 126 ein Druckwert für den Schnellfülldruck pSF von 59 bar einstellen würde.
  • Die Druckverhältnisse zum nicht gezeigten Zeitpunkt t9 sind wie folgt: in dem Steuerdruckraum 176, dem Anschlussdruckraum 179 und dem Kupplungsdruckraum 117 wirkt jeweils ein Druck mit der Höhe des Druckwertes p5. Somit sind auch die Druckflächen A13 und A16 des Ventilkolbens 131mit einem Druckwert p5 beaufschlagt, wodurch entgegengesetzte Druckkräfte entstehen. Der Flächeninhalt der Druckfläche A16 ist kleiner als jener der Druckfläche A13. Zusätzlich wirkt ein Druck in der Höhe des Druckwerts p6 auf die Druckfläche A15 des Ventilkolbens 131, wodurch eine gleichgerichtete Druckkraft wie jene aus der Druckfläche A16 entsteht (sie 3b). Damit das Schaltelement 100 geschlossen bleibt muss auch der Schnellfülldruckraum 126 vom Ventilkolben 131 verschlossen bleiben, d.h. die Druckkraft aus dem Druck in der Höhe des Druckwertes p5 und der Druckfläche A13 muss größer sein als die Summe der Kräfte aus den Druckkräften des Schnellfülldrucks pSF mit dem Druckwert p6 und der Druckfläche A15 sowie dem Druck in der Höhe des Druckwertes p5 und der Druckfläche A16 sowie einer Kraft F_139 der Druckfeder 139 und einer Kraft F_138 der Spreizfeder 138 (p5*A13 > (p6*A15 + p5*A16 + F_138 + F_139).
  • Die Höhe des Druckwertes im Schnellfülldruckraum 126 ergibt sich aus dem Flächenverhältnis a13 (p6 = p5/a13 = p5/a11, da a13 = a11). Wäre das Flächenverhältnis a12 genau so groß (oder kleiner) wie das Flächenverhältnis a13, so würde am Ventilkolben 131 Gleichgewicht herrschen, wenn man nur die Druckflächen A13 und A15 betrachtet:
    p6*A15 = p5*A13
    mit A15/A13 = a12, woraus folgt p6 = p5/a12
  • Allerdings muss der Ventilkolben 131 den Schnellfülldruckraum 126 sicher verschließen und zudem müssen die Federkräfte der Spreizfeder 138 und der Druckfeder 139 sowie die Druckkraft der Druckfläche A16 von der Druckkraft des Druckwertes p5 und der Druckfläche A13 überstiegen werden. Damit die Druckkraft aus der Druckfläche A13 höher ist als die entgegen gerichteten Kräfte, muss die Größe der Druckfläche A13 bzw. das Flächenverhältnis a12 entsprechend gewählt werden und kleiner sein als das Flächenverhältnis a13.
  • Allgemein kann gesagt werden, dass die Flächeninhalte der Druckflächen an dem Schnellfüllkolben und an dem Ventilkolben so gewählt werden müssen, dass die hydraulische Kraft, welche im Steuerdruckraum an der betreffenden Druckfläche angreift, größer ist als die Summe aller entgegen gerichteten Federkräfte und hydraulischen Kräfte auf den Ventilkolben vom Sitzkegel her. Dies ist ebenso gültig für ein Schaltelement 300, welches unter 7a und 7b beschrieben wird. Unter einer hydraulischen Kraft oder Druckkraft ist in diesem Zusammenhang eine Kraft zu verstehen, die aus einem hydraulischen Druck auf eine Fläche entsteht.
  • Soll das Schaltelement 100 nun geöffnet werden, so wird der Druck von dem hydraulischen Schaltgerät 108 vom Druckwert p5 auf einen geringeren Druckwert p7 (nicht gezeigt) reduziert. Da auch der Kupplungsdruck pK im Kupplungsdruckraum 117 auf den Druckwert p7 sinkt, reduziert sich entsprechend dem Flächenverhältnis a11 auch der Schnellfülldruck pSF im Schnellfülldruckraum 126. Der Kupplungsdruckraum 117 verkleinert sich und der Kupplungskolben 101 liegt wieder an dem Schnellfüllkolben 102 an. Aufgrund des kleineren Flächenverhältnisses a12 bleibt der Ventilkolben 131 in seiner zweiten Anschlagstellung. Der Druckwert p7 ist so gewählt, dass der Schnellfülldruckraum 126 noch geschlossen bleibt. Anschließend wird der Druck von dem hydraulischen Schaltgerät 108 vom Druckwert p7 auf den Vorbefülldruckwert p1 verringert, bei welchem am Ventilkolben 131 die Summe der entgegen gerichteten Kräfte die Druckkraft aus der Druckfläche A13 übersteigen, wodurch der Ventilkolben 131 in seine erste Anschlagstellung verschoben wird. Der Schnellfülldruckraum 126 ist damit geöffnet und im gesamten Schaltelement 100 herrscht ein Druck des Vorbefülldruckwertes p1. Das Schaltelement 100 ist nun geöffnet und befindet sich nun im oben beschriebenen Ausgangszustand (siehe 1, 2, 3a, 4a, 5 (vor dem Zeitpunkt t0)).
  • 6 zeigt ein als Getriebebremse ausgebildetes Schaltelement 100 in einem schematischen Teilschnitt eines Automatikgetriebes. Anstelle eines zweiteiligen Ventilkolbens 131 wie bei dem Schaltelement 100 weist ein Ventil203 des Schaltelements 100 einen einstückig ausgebildeten Ventilkolben 231 auf. Der Ventilkolben 231 ist in einer ersten Anschlagstellung dargestellt. Eine Spreizfeder entfällt aufgrund des einstückigen Ventilkolbens 231, es ist nur eine Druckfeder 239 vorhanden. Die Ansteuerung des Ventils 203 erfolgt durch das hydraulische Schaltgerät 108. Der Ventilkolben 231 wird beim Zuschalten des Schaltelements 100 von einer ersten Anschlagstellung in eine zweite Anschlagstellung verschoben, in welcher dann der Schnellfülldruckraum 126 verschlossen ist. Ein Unterschied zum Ventil103 ist hierbei, dass zwischen dem Schnellfülldruckraum 126, einem Steuerfenster 237 und dem Ventilkolben 231 bei der Bewegung des Ventilkolbens 231 immer eine negative Überdeckung auftritt, so dass für einen kurzen Moment sowohl der Schnellfülldruckraum 126 als auch das Steuerfenster 237 zum hydraulischen Schaltgerät 108 hin geöffnet sind und sich somit die von diesem eingestellten Drücke zumindest kurzzeitig im Kupplungsdruckraum 117 und im Schnellfülldruckraum 126 gleich sind. Diesem Funktionsnachteil steht als Vorteil ein einfacher und kostengünstiger Aufbau des Ventils 203 entgegen.
  • 7a und b zeigen eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Schaltelements 300 als Getriebekupplung, mittels welcher zwei drehbare Getriebeelemente 348 und 349 miteinander drehfest verbindbar sind. Ein Teil des ersten drehbaren Getriebeelements 348 ist als Außenlamellenträger 345 und ein Teil des zweiten drehbaren Getriebeelements 349 als Innenlamellenträger 346 ausgebildet. Das Schaltelement 300 umfasst einen Kupplungskolben 301, eine Schnellfülleinheit 305, ein Lamellenpaket 304 und eine Kupplungsfeder, welche als Tellerfeder 319 ausgebildet ist. Die Schnellfülleinheit 305 umfasst einen Schnellfüllkolben 302 mit einem Schnellfüllzylinder 325, ein Ventil303 mit einem Ventilkolben 331 und ein Zwischenstück 314. Zwischen der Schnellfülleinheit 305 und dem Kupplungskolben 301 ist ein Kupplungsdruckraum 317 ausgebildet, in welchem im Betrieb ein Kupplungsdruck herrscht, welcher über den Kupplungskolben 301 schließend auf das Lamellenpaket 304 wirkt. Zwischen der Schnellfülleinheit 305 und dem Kupplungskolben 301 ist eine Dichtlippe 391 angeordnet, welche den Kupplungsdruckraum 317 abschließt, so dass in diesem ein Druckaufbau möglich ist.
  • Das Zwischenstück 314 ist ebenso wie der Schnellfüllkolben 302 fest mit dem Ventilgehäuse 306 verbunden oder einstückig mit diesem ausgebildet, so dass Zwischenstück 314 und Ventil303 gemeinsam mit dem Schnellfüllkolben 302 axial verschiebbar sind.
  • Der Kupplungskolben 301, der Schnellfüllkolben 302, der Schnellfüllzylinder 325, der Ventilkolben 331, das Zwischenstück 314 und das Ventilgehäuse 306 sind ringförmig ausgebildet und konzentrisch zur Drehachse A des Schaltelements 300 um das zweite drehbare Getriebeelement 349 angeordnet und mit diesem drehfest gekoppelt. Der Schnellfüllzylinder 325 ist zudem auch gegenüber einer axialen Verschiebbarkeit an dem zweiten drehbaren Getriebeelement festgelegt. Zwischen dem Kupplungskolben 301 und dem ersten Getriebeelement 348 ist ein Druckausgleichsraum 316 ausgebildet, in welchem die Tellerfeder 319 angeordnet ist. Der Druckausgleichsraum 316 ist mittels einer Dichtlippe 394 gegen den drucklosen Bereich des Automatikgetriebes abgedichtet. Der Druckausgleichsraum 316 dient zum Aufbau eines Gegendruckes zum Kupplungsdruckraum 317 um den Fliehkrafteinfluss auf den Kupplungsdruck, d.h. den Druck im Kupplungsdruckraum 317 zu kompensieren.
  • Das Lamellenpaket 304 umfasst sechs Innenlamellen 343, eine Innenlamelle 344 und eine Wellfeder 347 sowie sechs Außenlamellen 341. Die Außenlamellen 341 sind drehfest mit dem Außenlamellenträger 345 gekoppelt. Die Innenlamellen 343 und 344 sowie die Wellfeder 347 sind drehfest mit dem Innenlamellenträger 346 gekoppelt. Bei der Betätigung des Schaltelements 300 drückt der Kupplungskolben 301 über die Wellfeder 347 das Lamellenpaket 304 zusammen, so dass über dieses ein Moment übertragbar ist.
  • Der Schnellfüllkolben 302 ist als Teil der Schnellfülleinheit 305 radial zwischen dem Schnellfüllzylinder 325 und dem zweiten Getriebeelement angeordnet und weist eine Leitung 378 mit einem Verbindungskanal 386 auf. In axialer Richtung ist zwischen dem Schnellfüllkolben 302 und dem Schnellfüllzylinder 325 ein Schnellfülldruckraum 326 ausgebildet, dessen Volumen sich mit der Verschiebung des Schnellfüllkolbens 302 im Betrieb ändert. Von einer Druckquelle, welche als hydraulisches Schaltgerät 308 ausgebildet ist, gelangt das Betriebsmedium durch eine Zufuhrleitung 363, den Verbindungskanal 386 und die Leitung 378 in den Schnellfülldruckraum 326, wo ein dort herrschender Schnellfülldruck pSF dem vom hydraulischen Schaltgerät 308 eingestellten Druck entspricht. Es können mehrere Verbindungskanäle 386 auf den Umfang verteilt werden, um den Strömungsquerschnitt zum Schnellfülldruckraum 326 zu vergrößern, sowie um eine gleiche Verteilung des Schnellfülldrucks pSF auf dem Umfang zu erreichen.
  • Der Schnellfüllkolben 302 weist eine Druckfläche A32 auf, welche von dem Schnellfülldruck pSF beaufschlagbar ist. Die Druckfläche A32 ist kleiner als eine Druckfläche A31 des Kupplungskolbens 301, so dass eine Verschiebung des Schnellfüllkolbens 302 um den Weg eines Lüftspiels in einer bestimmten Zeit einen geringeren Volumenstrom benötigt als eine Schnellbefüllung des Kupplungsdruckraums 317.
  • Parallel gelangt das Betriebsmedium und damit der vom hydraulischen Schaltgerät 308 eingestellte Druck durch eine Leitung 377 in einen Steuerdruckraum 376 des Ventils 303, welcher zwischen dem Zwischenstück 314 und dem Ventilkolben 331 ausgebildet ist. Der vom hydraulischen Schaltgerät 308 eingestellte Druck kann dort eine Druckfläche A33 des Ventilkolbens 331 beaufschlagen. Mit steigendem Druck verändert der Steuerdruckraum 376 im Betrieb mit seiner Verschiebung sein Volumen. Zwischen dem Ventilkolben 331 und dem Ventilgehäuse 306 ist ein Federraum 329 ausgebildet, in dem eine Druckfeder angeordnet ist, die als Tellerfeder 339 ausgebildet ist. Der Federraum 329 ist durch eine Entlüftungsbohrung 368 entlüftet, d.h. mit einem Bereich des Automatikgetriebes verbunden, in welchem Umgebungsdruck herrscht.
  • Innerhalb des Ventilgehäuses 306 sind mehrere Sperrvorrichtungen 350 ausgebildet, welche wie bei dem Schaltelement 100 dazu dienen, eine Bewegung des Ventilkolbens 331 zurückzuhalten und damit ein Verschließen des Schnellfülldruckraums 326 zu vermeiden, bevor die Schnellbefüllung vollständig abgeschlossen ist. Es können mehrere Sperrvorrichtungen 350 auf den Umfang verteilt werden, um ein Verkanten des Ventilkolbens 331 bei seiner Bewegung zu vermeiden. Es sind mindestens zwei Sperrvorrichtungen 350 gegenüberliegend angeordnet, damit sich deren Radialkräfte auf den Ventilkolben 331 kompensieren. Die Sperrvorrichtung 350 weist einen Sperrschieber 356 auf, welcher in einer radial ausgerichteten Sperrschieberbohrung 355 geführt ist und von der Kraft einer Druckfeder 357 im montierten zustand gegen eine Außen- oder Innenfläche des Ventilkolbens 331 gedrückt wird. In Richtung der Sperrvorrichtungen 350 weist der Ventilkolben 331 zwei Schrägen 375 auf, welche jeweils einem Sperrschieber 356 zugewandt sind. Die Schrägen 375 sind als umlaufende Fasen an dem ringförmigen Ventilkolben 331 ausgebildet sind. Die Druckfeder 357 kann beispielsweise als zylinderförmige Spiralfeder oder als Blattfeder ausgebildet sein.
  • Der Ventilkolben 331 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel einteilig dargestellt. Es ist jedoch auch eine zweiteilige Ausgestaltung wie bei dem Schaltelement 100 möglich, so dass der Ventilkolben einen Verschluss- und einen Steuerkörper aufweist, welche durch eine Spreizfeder in der Lage vor einer Schaltung auseinandergedrückt werden.
  • Zu Beginn einer Schaltung drückt der Schnellfüllkolben 302 durch einen Druckanstieg im Schnellfülldruckraum 326 über das mit dem Schnellfüllkolben 302 fest verbundene Ventilgehäuse 306 und das Zwischenstück 314 den Kupplungskolben 301 gegen das Lamellenpaket 304, wodurch das Lüftspiel aufgehoben wird. Analog zu den Steuervorgängen bei dem Schaltelement 100. Nach der Schnellbefüllung findet eine Erhöhung des Druckes statt, wodurch der Ventilkolben 331 gegen Widerstand der Sperrvorrichtung 350 verschoben wird und mit einem Dichtrand 333 den Schnellfülldruckraum 326 verschließt. Mit der Verschiebung des Ventilkolbens 331 gibt dieser mit seiner Steuerkante 335 ein Steuerfenster 337 und damit eine Leitung 351 frei, durch welche nun ein Kupplungsdruckraum 317 mit dem hydraulischen Schaltgerät 308 verbunden ist, und von diesem druckbeaufschlagt werden kann. Der im Kupplungsdruckraum 317 auf die Druckfläche A31 wirkende Druck kann nun entsprechend einem Flächenverhältnis a31 der Druckflächen A32 und A31 abgesenkt werden. Das Flächenverhältnis a31 berechnet sich zu a31 = A32/A31. Ein weiteres Flächenverhältnis a32 ist der Quotient aus einer Druckfläche A35 des Dichtrandes 333 des Ventilkolbens 331 und einer größeren Druckfläche A33 an der dem Steuerdruckraum 376 zugewandten Seite des Ventilkolbens 331. Das Flächenverhältnis a32 errechnet sich damit zu a32 = A35/A33.
  • Wenn das Schaltelement 300 zur drehfesten Verbindung zwischen den Getriebeelementen 348 und 349 geschlossen werden muss, wird der Druck entsprechend angehoben. Damit der Schnellfülldruckraum 326 bei dieser Druckerhöhung geschlossen bleibt, müssen die Flächeninhalte der Druckflächen unter Berücksichtigung der Kraft der Tellerfeder 339 so gewählt sein, dass das Flächenverhältnis a32 am Ventilkolben 331entsprechend kleiner ist als das Flächenverhältnis a31 von Schnellfüllkolben 302 und Kupplungskolben 301.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Schaltelement
    101
    Kupplungskolben
    102
    Schnellfüllkolben
    103
    Ventil
    104
    Lamellenpaket
    106
    Getriebegehäuse
    108
    hydraulisches Schaltgerät, Druckölquelle
    112
    Führungsstück
    113
    Andruckstück
    114
    Mittelstück
    115
    Durchgang
    117
    Kupplungsdruckraum
    118
    Innenkontur
    119
    Kupplungsfeder, Druckfeder
    121
    Innenteil
    122
    Außenteil
    123
    Bohrungsgrund
    124
    Bolzen
    125
    Nutgrund
    126
    Schnellfülldruckraum
    131
    Ventilkolben
    132
    Verschlusskörper
    133
    Sitzkegel
    134
    Steuerkörper
    135
    Steuerkante
    136
    Ventilbohrung
    137
    Steuerfenster
    138
    Spreizfeder
    139
    Druckfeder
    141
    Außenlamellen
    142
    Außenlamelle
    143
    Innenlamellen
    145
    Außenlamellenträger
    146
    Innenlamellenträger
    147
    Wellfeder
    150
    Sperrvorrichtung
    151
    Leitung
    152
    Steuerkörperabschnitt
    153
    Steuerkörperabschnitt
    155
    Sperrschieberbohrung
    156
    Sperrschieber
    157
    Druckfeder
    158
    Langloch
    161
    Gehäuseelement
    162
    Hohlrad
    163
    Zufuhrleitung
    164
    Außenkontur des Gehäuseteils
    165
    Ringnut
    166
    Federraum
    171
    Führungsbohrung
    172
    Führungsbolzen
    173
    Spreizfederanschlag
    175
    kegelstumpfförmiger Steuerkörperabschnitt, Schräge
    176
    Steuerdruckraum
    177
    Leitung
    178
    Leitung
    179
    Anschlussdruckraum
    181
    Bohrungsabschnitt
    182
    Bohrungsabschnitt
    183
    Bohrungsabschnitt
    184
    Absatz
    185
    Ventilsitz
    186
    Verbindungskanal
    187
    Verschlusswandung
    191
    O-Ring, Dichtelement (Kupplungskolben)
    192
    Dichtlippe, Dichtelement
    193
    O-Ring, Dichtelement
    203
    Ventil
    231
    Ventilkolben
    237
    Steuerfenster
    239
    Druckfeder
    251
    Leitung
    300
    Schaltelement
    301
    Kupplungskolben
    302
    Schnellfüllkolben
    303
    Ventil
    304
    Lamellenpaket
    305
    Schnellfülleinheit
    306
    Ventilgehäuse
    308
    hydraulisches Schaltgerät, Druckölquelle
    314
    Zwischenstück
    316
    Druckausgleichsraum
    317
    Kupplungsdruckraum
    319
    Kupplungsfeder, Druckfeder
    325
    Schnellfüllzylinder
    326
    Schnellfülldruckraum
    329
    Federraum
    331
    Ventilkolben
    333
    Dichtrand
    335
    Steuerkante
    337
    Steuerfenster
    339
    Tellerfeder, Druckfeder
    341
    Außenlamellen
    343
    Innenlamellen
    344
    Innenlamelle
    345
    Außenlamellenträger
    346
    Innenlamellenträger
    347
    Wellfeder
    348
    drehbares Getriebeelement
    349
    drehbares Getriebeelement
    350
    Sperrvorrichtung
    351
    Leitung
    355
    Sperrschieberbohrung
    356
    Sperrschieber
    357
    Druckfeder
    363
    Zufuhrleitung
    368
    Entlüftungsbohrung
    375
    Schräge, Fase
    376
    Steuerdruckraum
    377
    Leitung
    378
    Leitung
    386
    Verbindungskanal
    391
    Dichtlippe, Dichtelement (Kupplungskolben)
    394
    Dichtlippe, Dichtelement (Kupplungskolben)
    a11
    Flächenverhältnis A12/A11
    a12
    Flächenverhältnis A15/A13
    a13
    Flächenverhältnis A12/A17
    a31
    Flächenverhältnis A32/A31
    a32
    Flächenverhältnis A35/A33
    A
    Drehachse Automatikgetriebe
    A11
    Druckfläche
    A12
    Druckfläche
    A13
    Druckfläche
    A14
    Druckfläche
    A15
    Druckfläche
    A16
    Druckfläche
    A17
    Druckfläche
    A31
    Druckfläche
    A32
    Druckfläche
    A33
    Druckfläche
    A34
    Druckfläche
    A35
    Druckfläche
    da121
    Außendurchmesser
    di101
    Innendurchmesser
    di118
    Innendurchmesser
    di183
    Innendurchmesser
    L
    Lüftspiel
    M
    Mittelachse Kupplungskolben
    pK
    Kupplungsdruck
    pS
    Solldruckverlauf
    pSF
    Schnellfülldruck
    p2S
    Solldruckwert
    p3S
    Solldruckwert
    p4S
    Solldruckwert
    p1
    Vorbefülldruckwert
    p2
    Druckwert
    p3
    Druckwert
    p4
    Druckwert
    p5
    Druckwert
    t
    Zeit
    t0
    Zeitpunkt
    t1
    Zeitpunkt
    t2
    Zeitpunkt
    t3
    Zeitpunkt
    t4
    Zeitpunkt
    t5
    Zeitpunkt
    t6
    Zeitpunkt
    t7
    Zeitpunkt
    t8
    Zeitpunkt
    t9
    Zeitpunkt
    V
    Ventilbohrungsachse
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10247702 A1 [0002]

Claims (20)

  1. Hydraulisch betätigbares Schaltelement (100, 300) für ein Automatikgetriebe, umfassend einen Kupplungskolben (101, 301) mit einer ersten hydraulischen Druckfläche (A11, A31) und mehrere Reibkörper (104, 304), wobei die erste Druckfläche (A11, A31) des Kupplungskolbens (101, 301) in einem Kupplungsdruckraum (117, 317) mit einem Kupplungsdruck (pK) aus einer Druckölquelle (108, 308) druckbeaufschlagbar ist, um das Schaltelement durch eine Erhöhung des Reibmoments oder Herstellung von Haftreibung an den Reibkörpern zu schließen oder zumindest dessen Drehmomentübertragungsfähigkeit zu erhöhen, indem die Reibkörper aneinander gedrückt werden, wobei zumindest zwischen den Reibkörpern im unbetätigten Zustand des Schaltelements ein Lüftspiel (L) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement eine Lüftspielausgleichseinrichtung (102, 103) aufweist, in welcher eine Kraft erzeugbar ist, und welche derart angeordnet ist, dass diese Kraft auf die Reibkörper in einer solchen Weise auf die Reibkörper wirksam ist, dass das Lüftspiel reduziert oder zu Null wird.
  2. Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibkörper ein Lamellenpaket (104, 304) bilden und dass die Lüftspielausgleichseinrichtung einen Schnellfüllkolben (102, 302) und eine Arretiervorrichtung (103, 203, 303) zur Festsetzung des Schnellfüllkolbens aufweist, wobei der Schnellfüllkolben (102, 302) im unbetätigten Zustand des Schaltelements (100, 300) am Kupplungskolben (101, 301) anliegt, wobei über die Lüftspielausgleichseinrichtung eine Kraft auf den Schnellfüllkolben erzeugbar ist, so dass der Kupplungskolben vom Schnellfüllkolben zur Reduktion oder Aufhebung des Lüftspiels gegen das Lamellenpaket verschiebbar ist, wobei die Arretiervorrichtung den Schnellfüllkolben in der Stellung, in welcher das Lüftspiel reduziert oder aufgehoben ist, zumindest zeitweise gegen ein Zurückschieben festsetzt.
  3. Schaltelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnellfüllkolben (102, 302) hydraulisch betätigbar ist eine zweite hydraulische Druckfläche (A12, A32) auf der dem Kupplungskolben (101, 301) abgewandten Seite aufweist, wobei die zweite Druckfläche (A12, A32) in einem Schnellfülldruckraum (126, 326) druckbeaufschlagbar ist, und wobei die zweite Druckfläche (A12, A32) kleiner ist als die erste Druckfläche (A11, A31), und dass bei der Druckbeaufschlagung der zweiten Druckfläche der Schnellfüllkolben mechanisch auf den Kupplungskolben wirksam ist, und wobei das Verhältnis von zweiter (A12, A32) zu erster Druckfläche (A11, A31) ein erstes Flächenverhältnis (a11, a31) bildet.
  4. Schaltelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Schnellfüllkolben (102, 302) und dem Kupplungskolben (101, 301) der Kupplungsdruckraum (117, 317) ausgebildet ist, welcher zu dessen Druckbeaufschlagung mit der Druckölquelle (108, 308) verbindbar ist, wobei in dem Kupplungsdruckraum die erste Druckfläche (A11, A31), die am Kupplungskolben ausgebildet ist, und eine dritte Druckfläche (A17), die am Schnellfüllkolben (102, 302) auf der Seite ausgebildet ist, welche der zweiten Druckfläche (A12, A32) gegenüberliegt, ausgebildet ist, druckbeaufschlagbar sind.
  5. Schaltelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Arretiervorrichtung als ein Ventil (103, 203, 303) ausgebildet ist, welches zwischen der Druckölquelle (108, 308) und dem Schnellfülldruckraum (126, 326)sowie dem Kupplungsdruckraum angeordnet ist, das Ventil (103, 203, 303) umfassend einen Ventilkolben (131, 231, 331), welcher in mindestens zwei Schaltstellungen verschiebbar ist, wobei in der ersten Schaltstellung der Schnellfülldruckraum mit der Druckölquelle verbunden ist und der Kupplungsdruckraum von dem Ventilkolben (131, 231, 331) von der Druckölquelle getrennt ist, und wobei in der zweiten Schaltstellung der Schnellfülldruckraum vom Ventilkolben verschlossen und der Kupplungsdruckraum mit der Druckquelle verbunden ist, wobei der Schnellfülldruckraum und der Schnellfüllkolben derart ausgebildet sind, dass ein im Schnellfülldruckraum eingeschlossener Schnellfülldruck (pSF) zumindest zweitweise konstant bleibt, wenn der Schnellfülldruckraum vom Ventilkolben verschlossen ist.
  6. Schaltelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (131, 231, 331) an einem Ende eine vierte Druckfläche (A13) und am entgegengesetzten Ende eine fünfte Druckfläche (A14) aufweist, welche in der ersten Schaltstellung gemeinsam von der Druckquelle mit einem gleich großen Druck beaufschlagbar sind, wobei die vierte Druckfläche (A13) größer ist als die fünfte Druckfläche (A14).
  7. Schaltelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Schaltstellung, in welcher der Schnellfülldruckraum (126, 326) vom Ventilkolben (131, 231, 331) dicht verschlossen ist, der Ventilkolben auf einer sechsten Druckfläche (A15, A35), welche ein Teil der fünften Druckfläche (A14, A34) ist, vom eingeschlossenen Schnellfülldruck (pSF) beaufschlagt wird, während der Druck an der vierten Druckfläche (A13, A33) in einem Steuerdruckraum (176, 376) und der Kupplungsdruck (pK) im Kupplungsdruckraum (117, 317) beide von der Druckquelle (108, 308) einstellbar sind, wobei das Verhältnis von sechster Druckfläche (A15, A35) zu vierter Druckfläche (A13, A33) ein zweites Flächenverhältnis (a12, a32) bildet.
  8. Schaltelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (131) einen Steuerkörper (134) und einen Verschlusskörper (132) umfasst, wobei der Verschlusskörper (132) und der Steuerkörper (134) so miteinander gekoppelt sind, dass diese innerhalb zweier Anschlagstellungen gegeneinander verschiebbar sind, wobei der Ventilkolben (131) in der ersten Schaltstellung des Ventils (103) in einer ersten Anschlagstellung befindlich ist, in welcher der Steuerkörper (134) und der Verschlusskörper (132) von einer zwischen diesen eingespannten Spreizfeder (138) auseinander gedrückt sind, wobei der Steuerkörper (134) ein Steuerfenster (137) verschließt, wodurch der Kupplungsdruckraum (117) von der Druckquelle (108) getrennt ist, und wobei der Ventilkolben (131) in der zweiten Schaltstellung des Ventils (103) in einer zweiten Anschlagstellung befindlich ist, in welcher der Verschlusskörper (132) an einem Ventilsitz (185) anliegt und damit den Schnellfülldruckraum (126) dicht verschließt und bis an einen Anschlag (123) im Steuerkörper (134) entgegen der Kraft der Spreizfeder (138) in diesen eingeschoben ist, und der Steuerkörper (134) das Steuerfenster (137) öffnet, wodurch der Kupplungsdruckraum (117) mit der Druckquelle (108) verbunden ist..
  9. Schaltelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (231) einen Steuerkörper und einen Verschlusskörper umfasst, welche starr miteinander verbunden sind oder dass der Ventilkolben (231) einstückig ausgebildet ist.
  10. Schaltelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Steuerkörper (134) und einem Absatz (184) in einem Ventilgehäuse (161) eine Druckfeder (139) vorgespannt angeordnet ist, durch deren Vorspannkraft der Ventilkolben (131) in der ersten Schaltstellung gehalten wird, wenn der Steuerdruckraum (126) drucklos ist oder durch einen Druck beaufschlagt ist, welcher unter einem bestimmten Wert liegt.
  11. Schaltelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes Flächenverhältnis (a13) von der zweiten (A12) zur dritten Druckfläche (A17) größer ist als ein zweites Flächenverhältnis (a12) von der sechsten (A15) zur vierten Druckfläche (A13), wobei der Unterschied der beiden Flächenverhältnisse (a12, a13) so gewählt ist, dass in der zweiten Schaltstellung des Ventilkolbens (131) die hydraulische Kraft, welche unter einem bestimmten Druckwert über die vierte Druckfläche (A13) auf den Ventilkolben (131) wirkt, größer ist als die Summe der entgegen gerichteten Kräfte der Druckfeder (139) und der Spreizfeder (138) sowie der hydraulischen Kräfte des abgeschlossenen Schnellfülldrucks (pSF) und des bestimmten Drucks auf den Verschlusskörper (132), wobei der Schnellfülldruck (pSF) in der zweiten Schaltstellung des Ventilkolbens (131) aus dem auch im Kupplungsdruckraum (117) wirkenden bestimmten Druck über das dritte Flächenverhältnis (a13) erzeugt wird, wobei der bestimmte Druckwert im Kupplungsdruckraum (117) ausreichend ist zur Übertragung eines Drehmoments über das Schaltelement.
  12. Schaltelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (100, 300) mindestens eine Sperrvorrichtung (150, 350) umfasst, welche einer Verschiebung des Ventilkolbens (131, 331) aus dessen erster Schaltstellung eine erste Widerstandskraft entgegenstellt und erst ab einem bestimmten Mindestdruckwert (p3) des im Steuerdruckraum (176, 376) herrschenden Druckes eine Verschiebung des Ventilkolbens (131, 331) in Richtung der zweiten Schaltstellung zulässt, wobei nach der Überwindung der ersten Widerstandskraft eine weitere Widerstandkraft von der Sperrvorrichtung (150, 350) zumindest geringer als die erste Widerstandskraft oder eine weitere Widerstandskraft aufgehoben ist.
  13. Schaltelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrvorrichtung (150) einen Sperrschieber (156) und eine Sperrschieberfeder (157) umfasst, wobei der Sperrschieber (156) in einer Sperrschieberbohrung (155) axial beweglich geführt ist, wobei die Sperrschieberbohrung (155) senkrecht zu einer Ventilbohrungsachse (V) angeordnet ist, wobei der Sperrschieber (156) unter der Vorspannkraft der Sperrschieberfeder (157) an einer Außen- und/oder Innenfläche (152, 153, 175) des Steuerkörpers (134) anliegt.
  14. Schaltelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkörper sowohl zylindrische Abschnitte (152, 153) als auch einen kegelstumpfförmigen Abschnitt (175) aufweist.
  15. Schaltelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (331) zumindest teilweise kreisringförmig und hohlzylindrisch ausgebildet ist.
  16. Schaltelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement als Getriebebremse oder als Getriebekupplung ausgebildet ist.
  17. Schaltelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil in einem feststehenden Teil (161) des Getriebes angeordnet ist.
  18. Automatikgetriebe mit mindestens einem hydraulisch betätigbaren Schaltelement (100, 300) nach einem der vorangegangenen Ansprüche.
  19. Verfahren zur Betätigung eines Schaltelements nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Signal zum Schließen des Schaltelements ein Signal von der ECU an die Lüftspielausgleichseinrichtung zur Reduzierung des Lüftspiels ausgegeben wird und ab einem applizierten oder gemessenen Zeitpunkt, wenn das Lüftspiel ausgeglichen ist, ein Signal zur Druckbeaufschlagung des Kupplungskolbens und damit des Lamellenpakets (104, 304) ausgegeben.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Betätigung eines Schaltelements (100) zu einem Ausgangszeitpunkt (t0) von einer ECU ein Solldruck (pS) des Schnellfülldrucks (pSF) auf einen zweiten Solldruckwert (p2S) erhöht wird und ab einem applizierten zweiten Zeitpunkt (t2) vor einem erwarteten Anstieg eines Istwertes aufgrund des Verschließens des Schnellfülldruckraums (126) durch den Ventilkolben (131) der Solldruck bis zu einem dritten Zeitpunkt (t3) auf einen dritten Solldruckwert (p3S) herabgesetzt wird, wobei nach dem Abwarten einer applizierten Zeitdauer bis zum Abschluss des Verschließens des Schnellfülldruckraumes an einem fünften Zeitpunkt (t5), ab diesem der Solldruck (pS) von dem dritten Solldruckwert (p3S) auf einen vierten Solldruckwert (p4S) zur Vermeidung von Druckspitzen insbesondere im Kupplungsdruckraum (117) verringert wird bis dieser zu einem sechsten Zeitpunkt (t6) erreicht ist, so dass ab dem sechsten Zeitpunkt (t6) der Kupplungsdruck (pK), welcher auch den Steuerdruckraum (176) beaufschlagt, bis auf den vierten Solldruckwert (p4S) ansteigt und einen vierten Druckwert (p4) zu einem siebten Zeitpunkt (t7) erreicht, wobei der vierte Solldruckwert (p4S) bis zu einem applizierten achten Zeitpunkt (t8) konstant gehalten und danach auf einen fünften Solldruckwert (p5S) erhöht wird, welcher zu einem neunten Zeitpunkt (t9) erreicht wird.
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