DE102019219961A1

DE102019219961A1 - Verfahren zur Auflösung einer Zahn-auf-Zahn-Stellung eines formschlüssigen Schaltelements eines automatisierten Schaltgetriebes und Steuergerät

Info

Publication number: DE102019219961A1
Application number: DE102019219961.5A
Authority: DE
Inventors: Alain Tierry Chamaken Kamde; Wilhelm Moser; Markus Eisele; Rupert Kramer; Mario Steinborn
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2021-06-24
Anticipated expiration: 2039-12-19
Also published as: DE102019219961B4; CN114729693A; US20230047435A1; WO2021122266A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Auflösung einer Zahn-auf-Zahn-Stellung eines formschlüssigen Schaltelements eines automatisierten Schaltgetriebes, bei welchem Übersetzungsstufen des automatisieren Schaltgetriebes mittels eines druckmittelbetätigbaren Schaltaktuators (10, 11, 12) gewechselt werden. Tritt bei einem Wechsel einer Übersetzungsstufe des automatisierten Schaltgetriebes an dem formschlüssig ausgebildeten Schaltelement eine Zahn-auf-Zahn-Stellung auf, dann wird eine Ansteuerung des druckmittelbetätigbaren Schaltaktuators (10, 11, 12) zur Auflösung der Zahn-auf-Zahn-Stellung variiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auflösung einer Zahn-auf-Zahn-Stellung eines formschlüssigen Schaltelements eines automatisierten Schaltgetriebes. Ferner betrifft die Erfindung ein Steuergerät, welches zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist sowie ein entsprechendes Computerprogramm zur Ausführung des Verfahrens auf dem Steuergerät.
Bei der Ausführung einer Schaltung in einem automatisierten Schaltgetriebe unter Beteiligung eines formschlüssigen Schaltelements kann es zu einer sogenannten Zahn-auf-Zahn-Stellung an dem formschlüssigen Schaltelement kommen, die ein Schließen des formschlüssigen Schaltelements verhindert. Derartige Zahn-auf-Zahn-Stellungen müssen zur Ausführung einer Schaltung aufgelöst werden.
Eine Zahn-auf-Zahn-Stellung kann beispielsweise dadurch erkannt werden, dass ein Schaltweg einer Schalteinrichtung zum Einlegen einer Übersetzungsstufe des Getriebes nicht die Endstellung erreicht, sondern in einer Zwischenstellung verharrt, oder wenn der einzulegende Gang nicht innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer eingelegt wurde.
Ein Verfahren zum Auflösen einer Zahn-auf-Zahn-Stellung an einem formschlüssigen Schaltelement eines Getriebes ist aus der DE 10 2013 218 426 A1 bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Verfahren zur Auflösung einer an einem formschlüssig ausgebildeten Schaltelement auftretenden Zahn-auf-Zahn-Stellung zu schaffen. Zudem soll ein Steuergerät, welches zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist und ein Computerprogramm zur Ausführung des Verfahrens auf dem Steuergerät angegeben werden.
Aus verfahrenstechnischer Sicht erfolgt eine Lösung dieser Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Ein Steuergerät, das zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist, ist zudem Gegenstand von Patentanspruch 9.
Hinsichtlich eines Computerprogramms wird auf den Patentanspruch 10 verwiesen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnungen. Dabei sollen Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind, auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Steuergerät und dem erfindungsgemäßen Computerprogramm und jeweils umgekehrt gelten, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Auflösung einer Zahn-auf-Zahn-Stellung eines formschlüssigen Schaltelements eines automatisierten Schaltgetriebes zur Verfügung gestellt. Übersetzungsstufen des automatisieren Schaltgetriebes können mittels eines druckmittelbetätigbaren Schaltaktuators gewechselt werden. Das Verfahren zur Auflösung einer Zahn-auf-Zahn-Stellung sieht vor, dass dann, wenn bei einem Wechsel einer Übersetzungsstufe des automatisierten Schaltgetriebes an dem formschlüssig ausgebildeten Schaltelement eine Zahn-auf-Zahn-Stellung auftritt, eine Ansteuerung des druckmittelbetätigbaren Schaltaktuators derart variiert wird, dass eine an der Zahn-auf-Zahn-Stellung vorherrschende Anpresskraft reduziert wird.
Dadurch, dass die Anpresskraft an der Zahn-auf-Zahn-Stellung mittels einer geänderten Ansteuerung des druckmittelbetätigbaren Schaltaktuators reduziert wird, wird auch das über die Zahn-auf-Zahn-Stellung übertragbare Drehmoment reduziert, wodurch die Zahn-auf-Zahn-Stellung einfacher aufgelöst werden kann.
Ein automatisiertes Schaltgetriebe bezeichnet hier insbesondere ein mehrgängiges Getriebe, bei dem mehrere Übersetzungsstufen, also feste Übersetzungsverhältnisse zwischen zwei Wellen des Getriebes, durch Schaltelemente automatisiert schaltbar sind. Derartige Getriebe finden vor allem in Kraftfahrzeugen Anwendung, um die Drehzahl- und Drehmomentabgabecharakteristik der Antriebseinheit den Fahrwiderständen des Kraftfahrzeugs in geeigneter Weise anzupassen. Das automatisierte Schaltgetriebe kann beispielsweise als Gruppengetriebe eines als Nutzfahrzeug ausgebildeten Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Durch eine entsprechende Ansteuerung der Schaltelemente kann das Getriebe in eine Neutralposition gebracht werden, in welcher die Antriebseinheit vom Abtrieb getrennt ist. Bei dem formschlüssigen Schaltelement kann es sich beispielsweise um ein Klauenschaltelement handeln. Das formschlüssige Schaltelement bzw. das Klauenschaltelement kann unsynchronisiert oder synchronisiert ausgebildet sein. Das formschlüssige Schaltelement kann insbesondere als Schaltkupplung ausgestaltet sein.
Der druckmittelbetätigbare Schaltaktuator zum Verstellen des formschlüssig ausgebildeten Schaltelements kann als pneumatisch oder hydraulisch betätigbarer Druckmittelzylinder ausgebildet sein. Mittels des Schaltaktuators wird eine Schaltmechanik des Getriebes zum Verstellen des formschlüssigen Schaltelements während eines Schaltvorgangs betätigt.
Ein Erfassen der Position der Schaltmechanik während eines Schaltvorgangs kann mittels eines Sensors erfolgen. Der Sensor kann als Positionssensor ausgebildet sein, welcher an dem Schaltaktuator oder an der Schaltmechanik des Getriebes, wie beispielsweise an einer Schaltschiene oder einer Schaltgabel, angeordnet sein kann.
Zur Reduzierung der an der Zahn-auf-Zahn-Stellung vorherrschenden Anpresskraft ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass ein Druck in einer zum Wechsel der Übersetzungsstufe mit Druckmittel beaufschlagten Druckkammer des Schaltaktuators reduziert wird. Der Druck in der mit Druckmittel beaufschlagten Druckkammer des Schaltaktuators kann beispielsweise bis auf einen Umgebungsdruck reduziert werden. Unter Umgebungsdruck soll ein Luftdruck der Atmosphäre verstanden werden. Erreicht der Druck in der Druckkammer des Schaltaktuators den Umgebungsdruck, dann bringt der Schaltaktuator keine Kraft mehr auf das formschlüssige Schaltelement auf. Dadurch wird das über die Zahn-auf-Zahn-Stellung übertragbare Moment zu Null und die kraftschlüssige Verbindung an der Zahn-auf-Zahn-Stellung wird gelöst. Schaltklauen des formschlüssig ausgebildeten Schaltelements können sich dann relativ zueinander verdrehen. Anschließend wird der Druck in der Druckkammer des Schaltaktuators zum Einlegen der Übersetzungsstufe des automatisierten Schaltgetriebes wieder erhöht. Tritt eine erneute Zahn-auf-Zahn-Stellung beim Einlegen der Übersetzungsstufe auf, kann die Reduzierung des Drucks in der Druckkammer des Schaltaktuators wiederholt werden.
Das Auflösen der Zahn-auf-Zahn-Stellung kann durch ein Aufbringen eines äußeren Drehmoments auf das formschlüssig ausgebildete Schaltelement unterstützt werden. Unter einem äußeren Drehmoment soll ein Drehmoment verstanden werden, welches unabhängig von der Ansteuerung des Schaltaktuators auf das formschlüssige Schaltelement wirkt. Hierzu können sowohl mit einer antriebsseitigen Schaltelementhälfte in Wirkverbindung stehende Aktuatoren als auch mit einer abtriebsseitigen Schaltelementhälfte in Wirkverbindung stehende Aktuatoren berücksichtigt werden. Als Aktuator zur Auflösung einer Zahn-auf-Zahn-Stellung kann beispielsweise ein Verbrennungsmotor, welcher über eine Trennkupplung mit einer Getriebeeingangswelle verbindbar ist, eine elektrische Maschine, eine Betriebsbremse des Kraftfahrzeugs, eine Getriebebremse, welche beispielsweise an einer Vorgelegewelle des automatisierten Schaltgetriebes angeordnet ist, oder ein auf eine Getriebewelle wirkender Retarder, welcher als Primär- oder als Sekundärretarder ausgebildet sein kann, ausgewählt und angesteuert werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zur Reduzierung der an der Zahn-auf-Zahn-Stellung vorherrschenden Anpresskraft ein Druck in einer Gegendruckkammer des Schaltaktuators erhöht wird. Das Auflösen der Zahn-auf-Zahn-Stellung kann auch hier durch ein Aufbringen eines äußeren Drehmoments auf das formschlüssig ausgebildete Schaltelement unterstützt werden. Wurde die Zahn-auf-Zahn-Stellung bei reduzierter Anpresskraft aufgelöst, dann wird der Druck in der Gegendruckkammer des Schaltaktuators wieder reduziert. Falls die Zahn-auf-Zahn-Stellung nicht beim ersten Versuch aufgelöst werden konnte, kann ein weiterer Versuch zum Auflösen der Zahn-auf-Zahn-Stellung durchgeführt werden, bei welchem die Höhe des Drucks, mit dem die Gegendruckkammer des Schaltaktuators beaufschlagt wird, variiert wird.
Wird eine Druckkammer des druckmittelbetätigbaren Schaltaktuators zum Wechsel einer Übersetzungsstufe mit einem Druck beaufschlagt, dann wird der Schaltaktuator in einer gewünschten Betätigungsrichtung betätigt. Als Gegendruckkammer soll eine Druckkammer des Schaltaktuators verstanden werden, welche bei einer Druckbeaufschlagung eine Kraft auf den Schaltaktuator bewirkt, die der gewünschten Betätigungsrichtung entgegenwirkt.
Die Höhe des Drucks wird dabei derart bestimmt, dass ein Schalten in die der gewünschten Schaltrichtung entgegengesetzte Schaltrichtung vermieden wird. Die Höhe des Drucks kann modellbasiert ermittelt werden, beispielsweise durch einen linearen Zustandsbeobachter. Durch die Bestimmung der Höhe des Druckes mit dem die Gegendruckkammer beaufschlagt wird, können die Schaltventile zur Druckeinstellung gezielt angesteuert werden, wodurch eine an dem formschlüssigen Schaltelement auftretende Gegenkraft vermieden werden kann. Bei der Ansteuerung der Schaltventile kann auch eine sogenannte Totzeit der Schaltventile berücksichtigt werden.
Zur Reduzierung der an der Zahn-auf-Zahn-Stellung vorherrschenden Anpresskraft kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass sowohl der Druck in einer zum Wechsel der Übersetzungsstufe mit Druckmittel beaufschlagten Druckkammer des Schaltaktuators als auch der Druck in einer entsprechenden Gegendruckkammer des Schaltaktuators erhöht wird. Die Druckbeaufschlagung der Druckkammer und der Gegendruckkammer kann zeitgleich erfolgen.
Die Gegendruckkammer kann hierbei mit einem höheren Druck beaufschlagt werden, was zu einer Reduzierung der an der Zahn-auf-Zahn-Stellung vorherrschenden Anpresskraft führt. Bei der Bestimmung der Höhe des Drucks, mit dem die Druckkammer bzw. die Gegendruckkammer beaufschlagt werden, werden auch Wirkflächen der Druckkammern berücksichtigt.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Steuergerät, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Das Steuergerät umfasst Mittel, die der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen. Bei diesen Mitteln handelt es sich um hardwareseitige Mittel und um softwareseitige Mittel. Bei den hardwareseitigen Mitteln des Steuergeräts handelt es sich um Datenschnittstellen, um mit den an der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beteiligten Baugruppen Daten auszutauschen. Das Steuergerät ist hierzu auch mit notwendigen Sensoren sowie soweit notwendig auch mit anderen Steuergeräten verbunden, um die entscheidungsrelevanten Daten aufzunehmen bzw. Steuerbefehle weiterzuleiten. Das Steuergerät kann beispielsweise als Getriebesteuergerät ausgebildet sein. Bei den hardwareseitigen Mitteln des Steuergeräts handelt es sich ferner um einen Prozessor zur Datenverarbeitung und ggf. um einen Speicher zur Datenspeicherung. Bei den softwareseitigen Mitteln handelt es sich um Programmbausteine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein erfindungsgemäßes Computerprogramm ist ausgebildet, ein Steuergerät zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer bevorzugten Weiterbildung zu veranlassen, wenn das Computerprogramm auf dem Steuergerät ausgeführt wird. In diesem Zusammenhang gehört auch ein computerlesbares Medium zum Gegenstand der Erfindung, auf dem ein vorstehend beschriebenes Computerprogramm abrufbar gespeichert ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, aus welchen weitere bevorzugte Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung entnehmbar sind. Es zeigen

1 eine schematische Darstellung eines automatisierten Gruppengetriebes;
2 eine schematische Darstellung einer Schaltmechanik des automatisierten Gruppengetriebes;
3 eine schematische Darstellung eines pneumatischen Schaltzylinders;
4 eine schematische Darstellung eines pneumatischen Schaltventils;
5 eine Struktur eines Zustandsbeobachters;
6 ein Blockdiagramm möglicher Ansätze zur Auflösung einer Zahn-auf-Zahn-Stellung;
7 einen ersten Kennlinienverlauf zur Auflösung einer Zahn-auf-Zahn-Stellung;
8 einen zweiten Kennlinienverlauf zur Auflösung einer Zahn-auf-Zahn-Stellung; und
9 einen dritten Kennlinienverlauf zur Auflösung einer Zahn-auf-Zahn-Stellung.

1 zeigt stark schematisiert ein Blockschaltbild eines pneumatischen Schaltsystems eines als Gruppengetriebe ausgebildeten automatisierten Schaltgetriebes eines Kraftfahrzeugs.
So zeigt 1 mehrere Druckmittelzylinder 10, 11, 12, nämlich einen Druckmittelzylinder 11 für eine sogenannte Hauptgruppe des Gruppengetriebes, einen Druckmittelzylinder 10 für eine sogenannte Vorschaltgruppe des Gruppengetriebes und einen Druckmittelzylinder 12 für eine sogenannte Nachschaltgruppe des Gruppengetriebes. Die Vorschaltgruppe wird auch als Splitter und die Nachschaltgruppe auch als Bereichsgruppe bezeichnet.
Jeder Druckmittelzylinder 10, 11, 12 verfügt über einen in einem Zylindergehäuse angeordneten Kolben 13, 14 bzw. 15, der im Zylindergehäuse des jeweiligen Druckmittelzylinders 10, 11, 12 längsverschiebbar ist, um Schaltungen in der jeweiligen Gruppe des Gruppengetriebes auszuführen. Der jeweilige Druckmittelzylinder 10, 11, 12 kann ausgehend von einem Druckstellerraum 16 des Getriebes mit Druckluft versorgt werden, wobei hierzu vom Druckstellerraum 16 Druckluftleitungen 17, 18 bzw. 19, 20 bzw. 21, 22 in Richtung auf den jeweiligen Druckmittelzylinder 10, 11, 12 führen. Der Druckstellerraum 16 wird auch als Getriebestellerraum bezeichnet.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel führen zu jedem Druckmittelzylinder 10, 11, 12 jeweils zwei Druckluftleitungen 17, 18 bzw. 19, 20 bzw. 21, 22, um Druckkammern des jeweiligen Druckmittelzylinders 10, 11, 12 mit Druckluft zu versorgen. In jeder der Druckluftleitungen 17 bis 22 ist dabei jeweils ein Ventil 23 angeordnet.
Der Druckstellerraum 16 kann ausgehend von einem Vorratsbehälter 24, der auch als Druckkessel bezeichnet wird, mit Druckluft versorgt werden. Vom Vorratsbehälter 24 führen Druckluftleitungen 25, 26 in Richtung auf den Druckstellerraum 16, um abhängig von der Stellung von Ventilen 27, die in diesen Druckluftleitungen 25, 26 angeordnet sind, Druckluft ausgehend von dem Vorratsbehälter 24 in den Druckstellerraum 16 zu fördern. Die zwischen den Vorratsbehälter 24 und den Druckstellerraum 16 geschalteten Schaltventile 27 werden auch als Hauptabschaltventile bezeichnet.
Im Druckstellerraum 16 ist ein Drucksensor 28 verbaut, mithilfe dessen der Druck im Druckstellerraum 16 messtechnisch erfasst werden kann. Der Druck im Druckstellerraum 16 wird als Schaltdruck bezeichnet. Ein im Druckkessel 24 herrschender Druck wird als Systemdruck bezeichnet.
Ein mithilfe des Drucksensors 28 messtechnisch erfasster Ist-Schaltdruck im Druckstellerraum 16 kann mit einem gewünschten Soll-Schaltdruck verglichen werden, um abhängig von einer Abweichung zwischen dem Ist-Schaltdruck und dem Soll-Schaltdruck die Ventile 27 zur Regelung des Schaltdrucks im Druckstellerraum 16 anzusteuern. Neben der messtechnischen Erfassung des Schaltdrucks im Druckstellerraum 16 kann der Schaltdruck im Druckstellerraum 16 während einer laufenden Schaltungsausführung auch berechnet werden.
Gemäß 2 wird ein Teil einer Schaltmechanik 30 des automatisierten Gruppengetriebes dargestellt. Die abgebildete Schaltmechanik 30 dient zum Verstellen der Schalkupplungen der Hauptgruppe des Gruppengetriebes. Die Hauptgruppe ist mit drei Übersetzungsstufen G1, G2, G3 für eine Vorwärtsfahrt und einer Übersetzungsstufe R für eine Rückwärtsfahrt dreistufig ausgebildet.
Die Hauptgruppe des Gruppengetriebes ist in Vorgelegebauweise ausgeführt und weist eine Hauptwelle W und zwei hier nicht dargestellte Vorgelegewellen auf, wobei eine der Vorgelegewellen mit einer steuerbaren Getriebebremse versehen sein kann. Losräder der Übersetzungsstufen G1, G2, G3 und R sind jeweils drehbar auf der Hauptwelle W gelagert und über zugeordnete Schaltkupplungen schaltbar. Die zugeordneten Festräder sind drehfest auf den hier nicht dargestellten Vorgelegewellen angeordnet.
Die Schaltkupplungen der Übersetzungsstufen G3 und G2 sowie die Schaltkupplungen der Übersetzungsstufen G1 und R sind jeweils in einem gemeinsamen Schaltpaket S3/2 bzw. S1/R zusammengefasst. Das Hauptgetriebe ist unsynchronisiert schaltbar ausgebildet.
Eine Ansteuerung der Schaltkupplungen zum Einstellen einer gewünschten Ziel-Übersetzungsstufe G3, G2, G1, R wird dabei über ein Steuergerät gesteuert bzw. geregelt. Das Steuergerät kann vorzugsweise als Getriebesteuergerät ausgebildet sein. Die Schaltkupplungen können mittels des Druckmittelzylinders 11 betätigt werden. Der Druckmittelzylinder ist vorliegend als pneumatischer Schleppzylinder ausgebildet. Die Schaltmechanik 30 umfasst hierzu zumindest zwei Schaltgabeln SG1, SG2, welche über eine Schaltschiene durch Betätigung des Druckmittelzylinders 11 in axialer Richtung zum Einlegen einer Ziel-Übersetzungsstufe der Hauptgruppe betätigt werden können. Die Schaltgabeln SG1, SG2 greifen jeweils in eine Schaltmuffe der Schaltmechanik 30 ein. Die Schaltmuffen sind axial verschiebbar auf der Hauptwelle W angeordnet. Die Schaltmuffen weisen hier eine Außenverzahnung auf. Beim Ausführen eines Schaltvorgangs wird die jeweilige Schaltmuffe mit einem Kupplungskörper eines Zahnrads in Wirkverbindung gebracht oder von diesem getrennt. Die Ziel-Übersetzungsstufe kann über einen Wählaktuator WA der Schaltmechanik ausgewählt werden. Beim Einlegen einer Ziel-Übersetzungsstufe kann es zu einer Zahn-auf-Zahn-Stellung kommen, die das Einlegen der Ziel-Übersetzungsstufe verhindert. Bei einer Zahn-auf-Zahn-Stellung stehen die Schaltklauen der Schaltmuffe und die Schaltklauen des Kupplungskörpers des Zahnrads aufeinander und umlaufen mit gleicher Drehzahl. Das Einlegen der Ziel-Übersetzungsstufe ist dann aufgrund der aufeinander stehenden Schaltklauen des formschlüssigen Schaltelements nicht möglich.
Eine schematische Darstellung des als pneumatischer Schleppzylinder ausgebildeten Druckmittelzylinders 11 ist in 3 dargestellt. Der Druckmittelzylinder 11 weist eine Kolbenstange 34 auf, über welche der Druckmittelzylinder 11 mit der Schaltschiene der Schaltmechanik 30 verbunden ist. Die Kolbenstange 34 ist axial beweglich in einem Zylindergehäuse 35 geführt. Auf der Kolbenstange 34 ist ein Schleppkolben 33 beweglich angeordnet. Zwischen dem Schleppkolben 33 und dem Zylindergehäuse 35 sind zudem Schleppringe 31, 32 angeordnet. Die Schleppringe 31, 32 sind auf dem Schleppkolben 33 gleitbeweglich geführt. Dichtelemente sind sowohl zwischen den Schleppringen 31, 32 und dem Schleppkolben 33 als auch zwischen den Schleppringen 31, 32 und dem Zylindergehäuse 35 angeordnet. Durch diese Anordnung weist der pneumatisch Druckmittelzylinder 11 mehrere Druckkammern 36, 37, 38 auf.
Je nach Bewegungsrichtung (+ / -) ergeben sich folgende aktive Volumina in den einzelnen Druckkammern 36, 37, 38 des Druckmittelzylinders 11: $V^{\pm} = V_{0}^{\pm} + V_{s}^{\pm},$
$V_{s}^{+} = (s_{0} - s) * A^{+},$
$V_{s}^{-} = (s - s_{0}) * A^{-},$
wobei V^± das aktive Volumen während einer Schaltung, $V_{0}^{\pm}$
das aktive Volumen in einer Mittelstellung des Druckmittelzylinders (Neutralstellung), $V_{s}^{\pm}$
das positionsabhängig aktive Volumen, A^± die wirksame Kolbenfläche der jeweiligen Druckkammer 36, 37, 38, s die aktuelle Schaltposition und s₀ die Schaltposition in der Neutralstellung ist. Die Kolbenflächen A^± und die Volumina in den einzelnen Druckkammern 36, 37, 38 sind konstruktive Parameter und daher bekannt. Die Kolbenposition s wird während eines Schaltvorgangs mittels einer Wegsensorik gemessen und ist folglich auch bekannt. Die Wegsensorik kann als Wegsensor bzw. Positionssensor ausgebildet sein, welcher an der Schaltmechanik 30 des Gruppengetriebes bzw. an dem Druckmittelzylinder 11 angeordnet sein kann.
Aus der pneumatischen Gasgleichung lässt sich die Druckänderungsrate ṗ in den einzelnen Druckkammern 36, 37, 38 des Druckmittelzylinders 11 unter Annahme eines polytropen Druckaufbaus wie folgt berechnen: $p^{\pm} * V^{\pm} = m^{\pm} * R * T,$
${\dot{p}}^{\pm} = \frac{R . T . n}{V^{\pm}} * {\dot{m}}^{\pm} - \frac{{\dot{V}}^{\pm}}{V^{\pm}} * p^{\pm},$
${\dot{m}}^{\pm} = \frac{V^{\pm}}{R . T . n} * {\dot{p}}^{\pm} + \frac{{\dot{V}}^{\pm}}{R . T . n} * p^{\pm},$
wobei m^± die Luftmasse in der jeweiligen Druckkammer, R die spezifische Gaskonstante für Luft, T die absolute Lufttemperatur, n der polytropen Exponent, ṗ^± die Druckänderungsrate, ṗ^± der Druck in der jeweiligen Druckkammer und ̇ṁ^± der Massenstrom in die jeweilige Druckkammer ist. Der Luftmassenstrom ṁ^± in die jeweilige Druckkammer des Druckmittelzylinders 11 wird durch die pneumatischen Ventile 23 gesteuert. Die Ventile 23 können beispielsweise als Schaltventile oder als Proportionalventile ausgebildet sein. In 3. befindet sich der Druckmittelzylinder 11 in einer seiner End-Positionen, d. h. in dem automatisierten Schaltgetriebe ist eine Übersetzungsstufe eingelegt. Hierzu wurde die Druckkammer 36 mit einem Druckmittel beaufschlagt und die Kolbenstange 34 des Druckmittelzylinders 11 in der Bewegungsrichtung (-) verschoben. In der Druckkammer 36 herrscht dann ein positionsabhängig aktives Volumen V_s ⁺ vor.
Eine schematische Darstellung eines pneumatischen Schaltventils 23 ist in 4 dargestellt. Das Schaltventil 23 ist elektromagnetisch betätigbar. In der linken Abbildung der 4 ist das Schaltventil 23 angesteuert, um die Druckkammern des Druckmittelzylinders 11 zum Schalten des Getriebes mit Druckmittel zu Befüllen. Dabei fließt ausgehend von dem Druckstellerraum 16, in welchem ein Schaltdruck p_vor vorherrscht, ein Luftmassenstrom ṁ in die jeweilige Druckkammer des Druckmittelzylinders 11, in welcher sich ein entsprechender Druck p^± bildet. In der mittleren Abbildung der 4 ist das Schaltventil 23 angesteuert, um die Druckkammern des Druckmittelzylinders 11 zu Entlüften. Dabei fließt ausgehend von der Druckkammer des Druckmittelzylinders 11 ein Luftmassenstrom ṁ in die Atmosphäre ab. Eine Drosselfunktion des Schaltventils 23 ist in der rechten Abbildung der 4 dargestellt. Die Drossel stellt eine Verengung des Leitungsquerschnitts dar und wirkt somit als örtlicher Strömungswiderstand. Da sich der Luftmassenstrom ṁ vor der Querschnittsverengung staut, entsteht eine Druckdifferenz p_vor/p^±.
Der Luftmassenstrom ṁ durch ein Schaltventil kann wie folgt modelliert werden: $\dot{m} = C * p_{v o r} * ρ_{0} * \sqrt{\frac{T_{1}}{T_{0}}} * ψ (p_{v o r}, p^{\pm}) m i t ψ (p_{v o r}, p^{\pm}) = \sqrt{{(\frac{\frac{p^{\pm}}{p_{v o r}} - b}{1 - b})}^{2}},$
wobei C der Leitwert des Ventils, ρ₀ die Luftdichte, T₀ die absolute Temperatur der Luft im Normzustand, ψ(p_vor, p^±) die Ausflussfunktion, b das kritische Druckverhältnis des Ventils, p_vor der Luftdruck vor und p^± der Luftdruck nach der Drossel ist.
Mit Hilfe der Gleichungen (6) und (7) lassen sich die Ventilparameter C und b bestimmen. Für die Bestimmung der Ventilparameter müssen die Drücke p^± und p₁ in den jeweiligen Druckkammern messbar sein. Diese Ventilparameter sind notwendig für die modellbasierte Detektion und Auflösung von Zahn-auf-Zahn-Stellungen. Eine Bewegung des Kolbens des Druckmittelzylinders 11 lässt sich modellieren, vorzugsweise nach folgenden Formeln: $m * \ddot{s} - (p^{\pm} - p_{0}) * A^{-} - (p_{v o r} - p_{0}) * A^{+} - F_{e x t},$
$m * \ddot{s} = F - F_{e x t},$
wobei m die Masse des Kolbens, s die Beschleunigung des Kolbens, p₀ der atmosphärische Luftdruck, Fext die Summe aller extern auf den Kolben wirkenden Kräfte, wie beispielsweise Reibungskräfte, und F die von dem Kolben aufgebrachte Kraft ist.
Bei modellbasierten Ansätzen zur Erkennung von Zahn-auf-Zahn-Stellungen können in vorteilhafter Weise Informationen über das Modellverhalten genutzt werden. Hierbei wird die Bewegung des Kolbens des Druckmittelzylinders 11, beschrieben durch die oben hergeleiteten mathematischen Gleichungen, in Echtzeit simuliert. Gleichzeitig werden die simulierten Größen mit den real gemessenen Größen verglichen. Kommt es zu Abweichungen zwischen den simulierten Werten und den gemessenen Werten, dann wird das Modellverhalten automatisch derart korrigiert, dass der Fehler konvergiert. Ein in Echtzeit mit Messwerten korrigiertes Simulationsmodell wird auch Beobachter genannt. Eine allgemeine Struktur eines solchen Beobachters ist in 5 dargestellt, wobei der Beobachter als linearer Zustandsbeobachter ausgebildet ist.
Das Getriebe als Referenzsystem ist hierbei mit dem Bezugszeichen 39 versehen, während der Beobachter mit dem Bezugszeichen 40 versehen ist.
Bei dem Beobachterentwurf kann ein Gütefunktional über einen unendlichen Zeithorizont minimiert werden, vorzugsweise nach folgender Formel: $J (t) = \frac{1}{2} \int_{t = 0}^{\infty} (x^{T} (t) * Q * x (t) + r * e^{2} (t)),$
wobei Q eine symmetrische, positiv definite Gewichtungsmatrix und r eine positive skalare Größe ist. Das in Gleichung (10) formulierte Optimierungsproblem erfordert die Lösung folgender algebraischen Riccati-Gleichung, aus der die optimale Beobachterverstärkung wie folgt berechnet werden kann: $P * A^{T} + A * P - P * c^{T} * r^{- 1} * c * P + Q = 0,$
$l = - r^{- 1} * P * c^{T} .$
Der Vorteil eines linearen Zustandsbeobachters liegt insbesondere darin, dass er zusätzlich zu dem Systemausgang auch weitere Zustandsgrößen schätzen kann. Da bei dem vorliegenden Verfahren zur Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung nur die Position des Kolbens des Druckmittelzylinders 11 gemessen wird, können andere Zustände wie die Kolbengeschwindigkeit oder die Kolbenkraft durch den Beobachter geschätzt werden.
Bei einer Zahn-auf-Zahn-Stellung werden Schaltklauen des formschlüssig ausgebildeten Schaltelements aufeinandergepresst und sind dadurch kraftschlüssig miteinander verbunden. Das maximal über die kraftschlüssige Verbindung übertragbare Drehmoment lässt sich näherungsweise nach folgender Formel ermitteln: $M_{m a x} = F * μ_{R} * \bar{r}$
wobei F die Anpresskraft, µ_R der Reibungskoeffizient, r der mittlere Reibradius und
Mmax das maximal übertragbare Drehmoment ist.
Die Zahn-auf-Zahn-Stellung kann aufgelöst werden, indem das maximal übertragbare Drehmoment unterschritten wird, wobei eine Haftreibung zwischen den Schaltklauen des formschlüssigen Schaltelements überwunden wird. Dadurch lässt eine relative Verdrehung zwischen den Schaltklauen des formschlüssigen Schaltelements die Schaltklauen schlupfen, was schließlich zum Einspuren der Schaltklauen führen kann.
6 zeigt ein Blockdiagramm mit möglichen Ansätzen zur Auflösung einer Zahn-auf-Zahn-Stellung. Wird in einem Block S1 eine Zahn-auf-Zahn-Stellung beim Wechsel einer Übersetzungsstufe des automatisierten Schaltgetriebes erkannt, kann in einem Block S2 der Schaltvorgang erneut ausgelöst werden. Hierzu wird ein Druck in der Druck beaufschlagten Druckkammer 36 des Druckmittelzylinders 11 reduziert, wodurch das über die Zahn-auf-Zahn-Stellung übertragbare Moment zu Null wird und eine Haftreibung zwischen den Schaltklauen des formschlüssigen Schaltelements in einem Block S3 überwunden werden kann. Anschließend wird der Druck in der Druckkammer 36 des Druckmittelzylinders 11 zum Einlegen der Übersetzungsstufe des automatisierten Schaltgetriebes erneut erhöht.
Ausgehend von dem Block S1 kann in einem Block S4 zum Auflösen der Zahn-auf-Zahn-Stellung vorgesehen sein, dass das an der Zahn-auf-Zahn-Stellung maximal übertragbare Drehmoment Mmax überwunden wird. Hierzu kann ausgehend von dem Block S4 auf einen Block S8 übergegangen werden, in welchem ein äußeres Drehmoment auf das formschlüssig ausgebildete Schaltelement aufgebracht wird, durch welches die Zahn-auf-Zahn-Stellung aufgelöst wird. Ausgehend von Block S4 kann in einem Block S5 das Auflösen der Zahn-auf-Zahn-Stellung durch Reduzieren der an der Zahn-auf-Zahn-Stellung vorherrschenden Anpresskraft erfolgen. Hierzu kann in einem Block S6 ein Druck in der Druck beaufschlagten Druckkammer 36 des Druckmittelzylinders 11 reduziert werden oder in einem Block S7 ein Druck in einer Gegendruckkammer 38 erhöht werden. Zusätzlich zu der Druckanpassung in Block S6 bzw. Block S7 kann das Auflösen der Zahn-auf-Zahn-Stellung durch aufbringen eines äußeren Drehmoments auf das formschlüssige Schaltelement erfolgen.
In der 7 ist ein erster Kennlinienverlauf zur Auflösung einer Zahn-auf-Zahn-Stellung dargestellt. Zum Zeitpunkt t0 wird erfasst, dass in dem automatisierten Schaltgetriebe eine Übersetzungsstufe eingelegt werden soll. Hierzu wird ein Schaltventil 23 angesteuert, um eine Druckkammer 36 des Druckmittelzylinders 11 zum Schalten des Getriebes mit Druckluft zu Befüllen. Ausgehend von einer Neutralstellung s₀ des Druckmittelzylinders 11 wird die Druckkammer 36 des Druckmittelzylinders 11 nach Ablauf einer Totzeit tt des Schaltventils zum Zeitpunkt t1 zum Einlegen einer Ziel-Übersetzungsstufe mit Druckluft beaufschlagt. Zum Zeitpunkt t2 tritt an dem formschlüssig ausgebildeten Schaltelement eine Zahn-auf-Zahn-Stellung auf. Die Zahn-auf-Zahn-Stellung wird nach Ablauf einer Detektionszeit t_D von beispielweise 40ms erkannt. Nach Ablauf einer optionalen Wartezeit tw, während der abgewartet wird, ob sich die Zahn-auf-Zahn-Stellung selbst auflöst, wird zum Zeitpunkt t3 das Schaltventil 23 deaktiviert, wodurch die Druckkammer 36 des Druckmittelzylinders 11 nach Ablauf einer Totzeit tt zum Zeitpunkt t4 entlüftet wird. Die optionale Wartezeit tw kann beispielsweise 50ms betragen. Während eines Zeitraumes t_A wird der Druck in der Druckkammer 36 zur Auflösung der Zahn-auf-Zahn-Stellung reduziert, bis dieser zum Zeitpunkt t5 auf das Niveau des Umgebungsdruckes abgesunken ist. Nach Auflösung der Zahn-auf-Zahn-Stellung wird die Druckkammer 36 des Druckmittelzylinders 11 erneut mit Druckluft beaufschlagt um den Schaltvorgang abzuschließen. Bei eingelegter Übersetzungsstufe befindet sich der Druckmittelzylinder 11 in seiner End-Position s^-. Der Schaltdruck p_vor in dem Druckstellerraum 16 ist während des Schaltvorganges konstant und liegt hier bei ca. 8 bar.
8 zeigt einen zweiten Kennlinienverlauf zur Auflösung einer Zahn-auf-Zahn-Stellung. Zum Zeitpunkt t0 wird erfasst, dass in dem automatisierten Schaltgetriebe eine Übersetzungsstufe eingelegt werden soll. Hierzu wird ein Schaltventil 23 angesteuert, um eine Druckkammer 36 des Druckmittelzylinders 11 zum Schalten des Getriebes mit Druckmittel zu befüllen. Ausgehend von einer Neutralstellung s₀ des Druckmittelzylinders 11 wird die Druckkammer 36 des Druckmittelzylinders 11 nach Ablauf einer Totzeit tt des Schaltventils zum Zeitpunkt t1 zum Einlegen einer Ziel-Übersetzungsstufe mit Druckluft beaufschlagt. Zum Zeitpunkt t2 tritt an dem formschlüssig ausgebildeten Schaltelement eine Zahn-auf-Zahn-Stellung auf. Die Zahn-auf-Zahn-Stellung wird nach Ablauf einer Detektionszeit t_D von beispielweise 35ms erkannt.
Nach Ablauf einer optionalen Wartezeit tw, während der abgewartet wird, ob sich die Zahn-auf-Zahn-Stellung selbst auflöst, wird zum Zeitpunkt t3 ein Schaltventil 23 aktiviert, wodurch die Gegendruckkammer 38 des Druckmittelzylinders 11 nach Ablauf einer Totzeit tt zum Zeitpunkt t4 mit Druckluft befüllt wird. Die optionalen Wartezeit tw kann beispielsweise 50ms betragen. Während eines Zeitraumes t_A wird der Druck in der Gegendruckkammer 38 zur Auflösung der Zahn-auf-Zahn-Stellung erhöht, wodurch sich die Anpresskraft an der Zahn-auf-Zahn-Stellung verringert. Zum Zeitpunkt t5 wird die Zahn-auf-Zahn-Stellung an dem formschlüssigen Schaltelement aufgelöst und der Druck in der Gegendruckkammer 38 wird wieder reduziert. Bei eingelegter Übersetzungsstufe befindet sich der Druckmittelzylinder 11 in seiner End-Position s^-. Der Schaltdruck p_vor in dem Druckstellerraum 16 ist während des Schaltvorganges konstant und liegt hier bei ca. 8 bar.
In der 9 wird ein weiterer Kennlinienverlauf zur Auflösung einer Zahn-auf-Zahn-Stellung dargestellt. Dieser Kennlinienverlauf unterscheidet sich von den in 7 und 8 dargestellten Kennlinienverläufen unter anderem dadurch, dass der Schaltdruck p_vor in dem Druckstellerraum 16 während des Schaltablaufs nicht konstant geregelt wird. Vielmehr steht bei diesem Schaltablauf nur die in dem Druckstellerraum 16 vorhandene Druckluft zum Einlegen der neuen Übersetzungsstufe zur Verfügung.
Zum Zeitpunkt t0 wird erfasst, dass in dem automatisierten Schaltgetriebe eine Übersetzungsstufe eingelegt werden soll. Hierzu wird ein Schaltventil 23 angesteuert, um eine Druckkammer 36 des Druckmittelzylinders 11 zum Schalten des Getriebes mit Druckmittel zu befüllen. Ausgehend von einer Neutralstellung s₀ des Druckmittelzylinders 11 wird die Druckkammer 36 des Druckmittelzylinders 11 nach Ablauf einer Totzeit tt des Schaltventils zum Zeitpunkt t1 zum Einlegen einer Ziel-Übersetzungsstufe mit Druckluft beaufschlagt. Da hier nur die in dem Druckstellerraum 16 vorhandene Druckluft zum Einlegen der neuen Übersetzungsstufe zur Verfügung steht, nimmt der Schaltdruck p_vor im Druckstellerraum 16 ab, während die Druckkammer 36 des Druckmittelzylinders 11 mit Druckluft befüllt wird. Der Schaltdruck p_vor im Druckstellerraum 16 befindet sich dann beispielsweise auf einem Druckniveau von ca. 6 bar. Zum Zeitpunkt t2 tritt an dem formschlüssig ausgebildeten Schaltelement eine Zahn-auf-Zahn-Stellung auf. Die Zahn-auf-Zahn-Stellung wird nach Ablauf einer Detektionszeit t_D von beispielweise 35ms erkannt. Nach Ablauf einer optionalen Wartezeit tw, während der abgewartet wird, ob sich die Zahn-auf-Zahn-Stellung selbst auflöst, wird zum Zeitpunkt t3 ein Schaltventil 23 aktiviert, durch das die Gegendruckkammer 38 des Druckmittelzylinders 11 nach Ablauf einer Totzeit tt zum Zeitpunkt t4 mit Druckluft befüllt wird. Zum Zeitpunkt t3 wird auch ein Schaltventil 27 aktiviert, zur Regelung des Schaltdrucks p_vor im Druckstellerraum 16. Hierbei fließt Druckluft aus dem Druckkessel 24 in den Druckstellerraum 16, bis der Schaltdruck p_vor in dem Druckstellerraum 16 wieder auf 8 bar geregelt ist. Wird eine Zahn-auf-Zahn-Stellung erkannt, dann werden hier also während eines Zeitraumes t_A von beispielsweise 20ms, sowohl die Druckkammer 36 als auch die Gegendruckkammer 38 mit Druckluft befüllt, um die Zahn-auf-Zahn-Stellung aufzulösen. Aufgrund von unterschiedlich ausgebildeten Wirkflächen des Kolbens des Druckmittelzylinders nimmt die resultierende Kraft des Kolbens und somit die Anpresskraft an der Zahn-auf-Zahn-Stellung ab. Zum Zeitpunkt t5 wird die Zahn-auf-Zahn-Stellung an dem formschlüssigen Schaltelement aufgelöst und der Druck in der Gegendruckkammer 38 wird wieder reduziert. Bei eingelegter Übersetzungsstufe befindet sich der Druckmittelzylinder 11 in seiner End-Position s^-. Die optionalen Wartezeit tw kann beispielsweise 50ms betragen.
Die vorgeschlagenen Verfahren zur Auflösung von Zahn-auf-Zahn-Stellungen in einem automatisierten Schaltgetriebe sind sehr effektiv und benötigt sowohl wenig Speicher als auch wenig Rechenaufwand, da keine aufwendigen Kennfelder benötigt werden.
Bezugszeichenliste

10: Druckmittelzylinder/Schaltaktuator
11: Druckmittelzylinder/Schaltaktuator
12: Druckmittelzylinder/Schaltaktuator
13: Kolben
14: Kolben
15: Kolben
16: Druckstellerraum
17: Druckmittelleitung
18: Druckmittelleitung
19: Druckmittelleitung
20: Druckmittelleitung
21: Druckmittelleitung
22: Druckmittelleitung
23: Ventil
24: Vorratsbehälter
25: Druckmittelleitung
26: Druckmittelleitung
27: Ventil
28: Drucksensor
30: Schaltmechanik
31: Schleppring
32: Schleppring
33: Schleppkolben
34: Kolbenstange
35: Zylindergehäuse
36: Druckkammer
37: Druckkammer
38: Druckkammer
39: Getriebe als Referenzsystem
40: Beobachter
SG1: erste Schaltgabel
SG2: zweite Schaltgabel
WA: Wählaktuator
G1: (erste) Übersetzungsstufe (HG)
G2: (zweite) Übersetzungsstufe (HG)
G3: (dritte) Übersetzungsstufe (HG)
R: Rückwärts-Übersetzungsstufe (HG)
S1/R: Schaltpaket (HG)
S3/2: Schaltpaket (HG)
W: Hauptwelle (HG)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013218426 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Auflösung einer Zahn-auf-Zahn-Stellung eines formschlüssig ausgebildeten Schaltelements eines automatisierten Schaltgetriebes, bei welchem Übersetzungsstufen des automatisieren Schaltgetriebes mittels eines druckmittelbetätigbaren Schaltaktuators (10, 11, 12) gewechselt werden, wobei dann, wenn bei einem Wechsel einer Übersetzungsstufe des automatisierten Schaltgetriebes an dem formschlüssig ausgebildeten Schaltelement eine Zahn-auf-Zahn-Stellung auftritt, eine Ansteuerung des druckmittelbetätigbaren Schaltaktuators (10, 11, 12) derart variiert wird, dass eine an der Zahn-auf-Zahn-Stellung vorherrschende Anpresskraft reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druck in einer zum Wechsel der Übersetzungsstufe mit Druckmittel beaufschlagten Druckkammer (36) des Schaltaktuators (11) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der mit Druckmittel beaufschlagten Druckkammer (36) des Schaltaktuators (11) bis auf einen Umgebungsdruck reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druck in einer Gegendruckkammer (38) des Schaltaktuators (11) erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl ein Druck in einer zum Wechsel der Übersetzungsstufe mit Druckmittel beaufschlagten Druckkammer (36) des Schaltaktuators (11) als auch ein Druck in einer Gegendruckkammer (38) des Schaltaktuators (11) erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Druckes in der Gegendruckkammer (38) durch einen Zustandsbeobachter derart bestimmt wird, dass ein Schalten in die der gewünschten Schaltrichtung entgegengesetzte Schaltrichtung vermieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Totzeit der Schaltventile (23, 27) bei der Ansteuerung des druckmittelbetätigbaren Schaltaktuators (11) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflösung der Zahn-auf-Zahn-Stellung durch aufbringen eines äußeren Drehmoments auf das formschlüssig ausgebildete Schaltelement unterstützt wird.
Steuergerät, das zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Computerprogramm, das ausgebildet ist, ein Steuergerät zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche zu veranlassen, wenn das Computerprogramm auf dem Steuergerät ausgeführt wird.
Automatisiertes Schaltgetriebe, welches ein Steuergerät gemäß Anspruch 9 aufweist und gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 betreibbar ist.
Automatisiertes Schaltgetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das automatisierte Schaltgetriebe als Gruppengetriebe eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug mit einem automatisierten Schaltgetriebe nach Anspruch 11 oder 12.