DE10297579T5 - Schaltstrategien zur Nachahmung eines stufenlos regelbaren Getriebes - Google Patents

Schaltstrategien zur Nachahmung eines stufenlos regelbaren Getriebes Download PDF

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Abstract

Hochschaltstrategie für ein elektromechanisches Getriebe zur Optimierung des Motorkraftstoffverbrauchs eines Kraftfahrzeugs, in dem für jede Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs bei einem gegebenen momentanen Motordrehzahlwert und -drehmomentwert eine Getriebegangstufe für optimalen Kraftstoffverbrauch festgelegt worden ist, wobei die Strategie die Schritte enthält:
a) Auswahl einer nächst höchsten Gangstufe auf der Grundlage einer angestrebten Motordrehzahl für das Hochschalten, wenn sich die momentane Motordrehzahl einem Wert oberhalb der angestrebten Motordrehzahl nähert;
b) fortgesetzte Auswahl aufeinander folgender nächst höchster Gangstufen auf der Grundlage einer Reihe höherer angestrebter Motordrehzahlen für das Hochschalten, in einer Weise, die das Schalten der nächst höchsten Gangstufe ermöglicht, wenn sich die momentane Motordrehzahl dem höheren Wert oberhalb der in der Reihe nächstfolgenden höheren angestrebten Motordrehzahl nähert; und
c) wobei die nächste Gangstufe für einen optimalen Kraftstoffverbrauch vor jedem nachfolgenden Hochschaltvorgang berechnet wird.

Description

  • HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung betrifft allgemein Verbesserungen der Funktionsweise von Fahrzeuggetrieben. Insbesondere betrifft die Erfindung Verbesserungen bei den Getriebeschaltstrategien und gleichermaßen die Verbesserung von Leistungsmerkmalen des Getriebes über einem relativ weiten Bereich von Fahrgeschwindigkeiten und Bergsteigungen.
  • BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
  • Automatisch geschaltete elektromechanische Getriebe enthalten integrierte Software-Schaltmodule, die im Allgemeinen Datenverbindungen zu Motorsteuermodulen enthalten. Ihre automatischen Schaltstrategien basieren meist auf Protokollen, die auf die Funktionen der Fahrpedalanforderung durch den Fahrer, der Motordrehzahl und des Drehmomentes beschränkt sind. Verschiedene Ergebnisse stehen aber bei einer derartigen Beschränkung im Widerspruch zu einer idealen Getriebeleistung und einem idealen Getriebebetrieb. Beispielsweise stellt der Betrieb des Getriebes im Wesentlichen eine Balance oder Mischung zwischen der wirtschaftlichen Verwendung von Kraftstoff und optimalen Leistungsanforderungen dar. Zu einer offensichtlichen Beschränkung gehört, dass das herkömmliche Steuermodul keine Auswahlmöglichkeiten in Bezug auf eine wahlweise Optimierung des Kraftstoffverbrauchs gegenüber einer Optimierung des Leistungseinsatzes als gesonderte Auswahlmodi bietet.
  • Ferner erfüllt eine Lösung, die darauf basiert, Kraftstoffverbrauchs- und Leistungsoptimierungsziele miteinander in Gleichgewicht zu bringen, in der Tat zu wenig die von den meisten Fuhrparkbesitzern und Fahrern gewünschten Zielsetzungen. Soweit für den Fernverkehr vorgesehene Transportfahrzeuge ungefähr neunzig Prozent (90%) ihres Betriebs in den oberen Gangstufen verbringen, sind heutzutage Getriebe erhältlich, die relativ kleine durchschnittliche Übersetzungssprünge zwischen den höchsten Gängen aufweisen. Ein solches Getriebe ist umfassend in dem US-Patent Nr. 6 085 606 beschrieben, das am 11. Juli 2000 im Namen von Stine et al. erteilt wurde und das durch ausdrücklichen Verweis hier mit aufgenommen ist. Der Lösungsansatz, die Übersetzungssprünge zwischen den höchsten Gängen verhältnismäßig klein zu machen, berücksichtigt, dass während des Betriebs des Fahrzeugs auf ebenen Flächen oder relativ geringen Steigungen kleinere Übersetzungsänderungen den Gesamtwirkungsgrad und das Betriebsverhalten des Fahrzeugs verbessern können. Auf der anderen Seite ist im Falle größerer Bergsteigungen normalerweise ein eher optimaler Leistungsmodus erwünscht. Eine Verbesserung, bei der die Auswahlmöglichkeit zwischen einem Kraftstoffverbrauchsmodus und einem leistungsoptimierten Modus vorgesehen ist, wird als vorteilhaft angesehen und liegt vollständig innerhalb der praktischen Grenzen und/oder der Ausführbarkeit bei heutigen Fahrzeugsystemen, speziell solchen von Fernlastern.
  • Beide Strategien sind in unmittelbarer Abhängigkeit von der entwickelten Motorleistung, dem Motordrehmoment, der Getriebeeingangswellendrehzahl und der Fahrgeschwindigkeit gesteuert und überwacht.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugkraftübertragungssystems, das ein verbessertes Getriebebetriebssystem gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet.
  • 2 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines elektronischen Steuermoduls, das in dem Fahrzeugkraftübertragungssystem nach 1 verwendet wird.
  • 3 zeigt eine Draufsicht auf eine Steuerkonsole für einen Fahrer unter Veranschaulichung der Auswahlmöglichkeiten der Getriebegangstufen, die bei dem Betrieb des Kraftübertragungssystems nach 1 verwendet werden.
  • 4 zeigt eine schematische Ansicht eines Fahrpedalstellungssensors und eines zugehörigen Fahrpedals, die bei dem Betrieb des Kraftübertragungssystems nach 1 eingesetzt werden.
  • 5 zeigt ein Diagramm mit drei Kurven, die einem Beispiel des Betriebs des erfindungsgemäßen Kraftübertragungssystems zugeordnet sind, wobei die Motorleistung, das Motordrehmoment und der Kraftstoffverbrauch gesondert veranschaulicht sind, wobei diese jeweils einzeln in Abhängigkeit von der Motordrehzahl dargestellt sind.
  • 6 zeigt eine graphische Darstellung des Kraftstoffverbrauchs in Abhängigkeit von dem Motordrehmoment und als Funktion der Motordrehzahl, wobei zwei unterschiedliche ideale Bereiche oder "Sweet-Spots" für den Betrieb veranschaulicht sind, abhängig davon, ob die ausgewählte Strategie Kraftstoffoptimierung oder maximale Leistung lautet.
  • 7 zeigt eine Schaltstrategie in einer graphischen Darstellung, die insbesondere Herunterschaltvorgänge in einem Modus der optimalen Leistung/des optimalen Verhaltens des verbesserten Getriebebetriebssystems gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • 8 zeigt einen dem Schaltstrategiegraphen nach 7 zugeordneten Schaltstrategieentscheidungsplan, der insbesondere eine Folge von Zuständen/Entscheidungen veranschaulicht, die bei der Durchführung strategischer Herunterschaltvorgänge in einem Modus der optimalen Leistung/des optimalen Verhaltens des verbesserten Getriebebetriebssystems gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
  • 9 zeigt einen Schaltstrategiegraphen unter Veranschaulichung von Hochschaltvorgängen in einem Modus der optimalen Leistung/des optimalen Verhaltens des verbesserten Getriebebetriebssystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 10 zeigt einen dem Schaltstrategiegraphen nach 9 zugeordneten Schaltstrategieentscheidungsplan, der insbesondere eine Folge von Zuständen/Entscheidungen veranschaulicht, die bei der Durchführung strategiegemäßer Hochschaltvorgänge in einem Modus der optimalen Lei stung/des optimalen Verhaltens des verbesserten Getriebebetriebssystems der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
  • 11 zeigt eine Schaltstrategie in einer graphischen Darstellung, die Hochschaltvorgänge in einem Modus des optimalen Kraftstoffverbrauchs/der optimalen Wirtschaftlichkeit des verbesserten Getriebebetriebssystems gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • 12 zeigt einen dem Schaltstrategiegraphen nach 11 zugeordneten Schaltstrategieentscheidungsplan, der insbesondere eine Folge von Zuständen/Entscheidungen veranschaulicht, die bei der Durchführung strategiegemäßer Hochschaltvorgänge in einem Modus des optimalen Kraftstoffverbrauchs/der optimalen Wirtschaftlichkeit des verbesserten Getriebebetriebssystems gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Indem zunächst auf 1 Bezug genommen wird, ist eine Fahrzeugkraftübertragung 10 veranschaulicht, die zur Verwendung in einem nicht dargestellten Kraftfahrzeug vorgesehen ist und zu der ein Motor 12 sowie ein elektronisch betätigtes mechanisches Getriebe 14 gehören. Der Motor 12 und das Getriebe 14 sind über eine automatisch betätigte Fliehkraftkupplung 16 miteinander gekuppelt. Die spezielle Konfiguration des Kraftübertragungssystems 10 ist insbesondere für Fernverkehrlastwagen geeignet, obwohl der Umfang der Erfindung ausreichend ist, um auch andere Fahrzeuge zu umfassen.
  • Der Motor 12 enthält eine Motorausgangswelle 18, die mit dem Eingangsteil 16A der Kupplung 16 betriebsmäßig verbunden ist, wie sich dies einem gewöhnlichen Fachmann erschließt. Mit dem Ausgangsteil 16B der Kupplung 16 ist eine Getriebeeingangswelle 20 verbunden; und eine Getriebeausgangswelle 22 ragt wiederum von dem gegenüberliegenden Ende des Getriebes 14 weg. Die Welle 22 ist auf herkömmliche Weise mit einem Ausgleich eines Differentialgetriebes 24 verbunden.
  • Indem nun auch auf 2-4 Bezug genommen wird, ist ein Motorcontroller 26 veranschaulicht, der eine Motorsignalsende- und -empfangseinrichtung 27 aufweist, die dazu eingerichtet ist, Befehlssignale von einem Steuermodul 36 der Kraftübertragung zu empfangen und folglich mit diesem zu kommunizieren. Auf ähnliche Weise enthält ein Kupplungsaktuator 28 einen Signalempfänger 29, während ein Getriebeaktuator 30 einen Signalempfänger 31 enthält, wobei beide Empfänger dazu eingerichtet sind, mit dem Kraftübertragungssteuermodul 36 zu kommunizieren. Das Modul 36 liefert auch Befehlsausgangssignale 32 an die Motorsignalsende- und -empfangseinrichtung 27, um gewünschte Ausgaben zu erzielen. Spezielle Befehlseingaben werden dem Kraftübertragungssteuermodul 36 durch den Fahrzeugführer zugeführt und durch einen geeigneten, nicht veranschaulichten Mikroprozessor in elektrische Signale umgesetzt. Schließlich liefern auch Drehzahlsensoren 38, 40 und 42 der jeweils erwähnten Wellen 18, 20 und 22 geeignete Daten zu dem Modul 36, um auch die Erzeugung von Echtzeitdaten/-antworten und das Verhalten des Kraftübertragungssystems zu optimieren.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung und unter Bezugnahme nunmehr insbesondere auf 3 und 4 ist das Fahrzeugkraftübertragungssystem 10 im Wesentlichen durch den Be trieb seines elektromechanischen Getriebes 14 beeinflusst. Das Getriebe 14 ist in erster Linie durch das Kraftübertragungssteuermodul 36 gesteuert. Der Fahrzeugführer kann jedoch das Verhalten und den Betrieb durch manuelle Bedienung einer Getriebekonsole 44 in dem Fahrerhaus des Fahrzeugs beeinflussen. In dem Maße, als das Getriebe dazu eingerichtet ist, tatsächliche Schaltvorgänge der Gänge durch automatische Mittel zu bewerkstelligen, kann der Fahrer darauf nur im Wesentlichen durch die Auswahl der angezeigten Wahlstellungen für Vorwärts-, Rückwärts- und Leerlaufgänge begrenzt Einfluss nehmen. Der Fahrer kann jedoch, wie veranschaulicht, in der Lage sein, den Gangschalthebel nach links oder nach rechts zu "stoßen", um den nächst höheren bzw. nächst niedrigeren Gang einzulegen. Schließlich enthält ein schwenkbares Fahrpedal 43 einen Fahrpedalstellungssensor 46, der in einer für eine technisch versierte Person verständlichen Weise ein Fahrpedalstellungssignal 45 an das Kraftübertragungssteuermodul 36 liefert.
  • Unter diesem Hintergrund und unter Bezugnahme nunmehr insbesondere auf 5 sind in dieser eine Leistungskurve, eine Drehmomentkurve und eine Kraftstoffverbrauchskurve in der angegebenen Reihenfolge veranschaulicht, wobei jede Kurve über der Motordrehzahl aufgetragen ist. Es ist leicht einzusehen, dass jeder Motor seinen eigenen allgemeinen Satz Betriebsmerkmale aufweist und dass die hier veranschaulichten Daten unter unterschiedlichen Motoren möglicherweise wesentlich variieren können.
  • Indem zunächst auf die Leistungskurve P verwiesen wird, ist die Größe der Leistung längs der vertikalen Achse in Kilowatt (kW) aufgetragen und liegt, wie veranschaulicht, innerhalb des beispielhaften Bereiches von 195 bis ungefähr 350 kW. Die horizontale Achse stellt, wie erwähnt, die Motordrehzahl dar und liegt in einem Bereich von 1000 bis ungefähr 1900 U/min. Es ist zu ersehen, dass kennzeichnenderweise Drehmomentwerte T (gemessen in Newtonmeter) dazu neigen, an dem oberen Ende des Leistungsbereiches, das, wie dargestellt, einer erhöhten Motordrehzahl zugeordnet ist, abzufallen. Die untere Kurve F repräsentiert den Kraftstoffverbrauch, der in Gramm pro Kilowattstunde gemessen wird. Die Kraftstoffkurve ist, wie weiter oben erwähnt, ebenfalls über der Motordrehzahl aufgenommen. Bei dem bestimmten Motor fällt die Kraftstoffverbrauchsgröße innerhalb eines relativ schmalen Bereiches von bis ungefähr 1600 U/min und steigt dann in dem Bereich zwischen 1600 und 1800 U/min messbar an.
  • 6 zeigt eine graphische Darstellung, in der mehrere der vorstehend beschriebenen Beziehungen integriert sind. Insbesondere zeigt 6 ein Schaubild mit mehreren birnenförmigen "Kraftstoffverbrauchsinseln", z.B. 50, die über den Primärkoordinaten, nämlich dem Motordrehmoment gegenüber der Motordrehzahl, eingezeichnet sind. Die durchgehend eingezeichneten Isobaren F kennzeichnen Linien konstanten Kraftstoffverbrauchs, während die punktierten Isobaren P Linien gleichbleibender Leistung repräsentieren. Das Kennfeld zeigt insbesondere einen Wirtschaftlichkeits"Sweet-Spot" oder idealen Wirtschaftlichkeitsbereich 52, der Kraftstoffverbrauchs- und Leistungsanforderungswerte kennzeichnet, die für einen gegebenen Satz von Motordrehzahl- und Motordrehmomentwerte optimiert sind. Das Kennfeld zeigt gleichermaßen einen optimierten Leistungs-"Sweet-Spot" oder idealen Leistungsbereich 54, der entsprechend höhere Kraftstoffverbrauchs- und Leistungsanforderungswerte bei geringfügig höheren Motordrehzahl- und größeren Motordrehmomentwerten kennzeichnet.
  • Ein als aufsteigende punktierte Linie dargestellter Pfad 56 verbindet die beiden Sweet-Spots und repräsentiert einen herkömmlichen Übergangsbereich oder einen normalen Betriebsbereich des Motors, der die zuvor erwähnten unterschiedlichen Strategien der vorliegenden Erfindung "auszubalancieren" versucht. Somit ist die graphische Darstellung hier speziell dazu vorgesehen, die in einzigartiger Weise gesonderten Strategien zum Schalten der Getriebegänge zu demonstrieren, die dazu dienen, um entweder einen optimalen Kraftstoffverbrauch oder eine optimale Leistungsanforderung aufrechtzuerhalten, wie dies im Folgenden beschrieben ist.
  • Es sollte zu Beginn betont werden, dass die zu beschreibenden Schaltschemas in Abhängigkeit von den Merkmalen der speziellen Motoren, die in dem Kraftübertragungssystem 10 eingesetzt werden, variieren können. Ferner ist zu verstehen, dass für eine optimale Wirtschaftlichkeit hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs sämtliche Schaltvorgänge in einer solchen Weise durchgeführt werden, um in den Bereich um den Sweet-Spot 52 des optimalen Kraftstoffverbrauchs herum zu fallen. Im Gegensatz hierzu ist der Ablauf sämtlicher leistungsorientierter Hochschaltvorgänge und Herunterschaltvorgänge in der Weise gesteuert, um den Motor nahe an dem maximalen Leistungsbedarf zu halten. Es ist offensichtlich, dass die aufrechterhaltbare Bergauffahrtfähigkeit auf dem jeweiligen Drehmoment- und Leistungsvermögen und somit der Fähigkeit eines gegebenen Motors, Anforderungen unter jedem gegebenen Satz von Bedingungen zu erfüllen, beruht. Schließlich sind die hier beschriebenen Strategien insbesondere für mechanische Getriebe mit in den oberen Gängen reduzierten Übersetzungssprüngen geeignet.
  • Es wird nun auf 7 verwiesen, in der ein so genannter "die Leiter erklimmender" Lösungsansatz zum Schalten des Getriebes in einem Gangschaltdiagramm veranschaulicht ist, das die Motordrehzahl als Funktion der Fahrgeschwindigkeit darstellt. Jedesmal, wenn die Fahrzeugmotorlast hoch wird, wie beispielsweise, wenn ein Fahrzeug sich einer beträchtlichen Bergauffahrt ausgesetzt sieht, neigt die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs dazu abzusinken, falls der Fahrer in dem gleichen Gang bleibt. Somit wird jeder, der mit der Technik vertraut ist, verstehen, dass es erforderlich wird, die Gangstufen herunterzuschalten, was wiederum die Motordrehzahl mit jedem nachfolgenden Herunterschaltvorgang größer werden lässt (daher der Ausdruck "die Leiter erklimmen"). Soweit die kleineren Übersetzungsänderungen den oberen Gängen 7–12 zugeordnet sind, ergibt die erfindungsgemäße Gangschaltstrategie, immer wenn das Getriebe in seinen oberen Gängen betrieben ist, ein simuliertes Verhalten eines stufenlos regelbaren Getriebes.
  • Ein Diagramm für eine optimal leistungsorientierte Gangschaltung und ein zugehöriger Gangschaltstrategieplan sind in den 7 und 8 dargestellt, um eine Gangschaltstrategie wiederzugeben, die versucht, den leistungsbedarfsgemäßen Sweet-Spot 54 zu optimieren, wie er vorstehend im Zusammenhang mit 6 identifiziert worden ist. Aufgetragen in dem Diagramm sind die Leistungsanforderungskurven 58, 60, 62. Die Kurve 58 ist eine Leistungskurve, die die minimale Leistung wiedergibt, die erforderlich ist, um die Geschwindigkeit auf einer relativ flachgeländigen Straße aufrechtzuerhalten. Die Kurve 60 gibt eine repräsentative Größe der Leistung wieder, um die Geschwindigkeit auf einer leichten bis mittelmäßigen Steigung aufrechtzuerhalten. Schließlich zeigt die Kurve 62 den minimalen Betrag der Leistung, um die Geschwindigkeit auf einer beträchtlichen Steigung aufrechtzuerhalten. Jeder, der mit der Technik vertraut ist, wird verstehen, dass all diese zu Beispielszwecken hier angegebenen repräsentativen Werte relativ sind.
  • Die Leistungsanforderungskurven 58, 60, 62 sind durch sanft nach oben gekrümmte Linien gebildet; die gezackte Kurve 64 gibt eine Reihe von Gangstellungen wieder, die sowohl in rautenförmigen als auch in dreieckigen Knoten dargestellt sind. Jeder Knoten kennzeichnet eine Getriebegangstellung; die rautenförmigen Stellungen geben die Gänge 1 bis 12 wieder, wie sie in der Tat als wirtschaftliche Schaltpunkte auf einer flachen Straße beim Beschleunigen oder Abbremsen vorkommen. Die vertikalen Abschnitte zwischen den jeweiligen Gangstellungen kennzeichnen Gangstufenwechsel oder physikalische Gangschaltungen, wie sie durch die Strategiesoftware befohlen werden. Der sogenannte "die Leiter erklimmende" Abschnitt des Diagramms ist durch die Gangwechsel angezeigt, die innerhalb des punktierten Kreises in dem oberen rechten Eck des Diagramms enthalten sind. Es ist ersichtlich, dass, wenn es zu Herunterschaltvorgängen kommt, z.B. beim Auftreffen auf eine beträchtliche Bergsteigung, die Motorleistung steigt, während die Fahrgeschwindigkeit in gleichem Maße abnimmt. Die Strategie bewirkt jedoch, dass das Betriebsverhalten des Motors so nahe wie möglich an dem vorstehend beschriebenen leistungsorientierten Sweet-Spot 54 liegt.
  • Beim Auftreffen auf eine beträchtliche Steigung wird eine Folge von Herunterschaltungen der Reihe nach von dem Gang 12' zu dem Gang 11', anschließend von dem Gang 11' zu dem Gang 10' und so weiter durchgeführt. Bei relativ sanf ten Steigungen erniedrigt die Schaltstrategie die Gangstufen lediglich bis zu dem Gang 7', was bedeutet, dass somit innerhalb des Getriebes zwischen den relativ kleinen Übersetzungssprüngen der höchsten Getriebegangstufen geschaltet wird. Es ist offensichtlich, dass bei einer sehr beträchtlichen Steigung das Getriebe eventuell in sogar niedrigere Gänge geschaltet werden muss, um eine Bergauffahrt zu ermöglichen. Die besondere Leistungsoptimierungsstrategie ist jedoch derart entwickelt, um innerhalb der beschriebenen Betriebsparameter in wenigstens achtzig Prozent (80%) der voraussehbaren Bergauffahrten zu funktionieren.
  • Es wird nun insbesondere auf den Schaltstrategieentscheidungsplan gemäß 8 Bezug genommen, in dem veranschaulicht ist, dass die erforderlichen Softwareeingaben Datenabbildungen des maximalen Motordrehmoments als Funktion der Motordrehzahl, der maximalen Motorleistung als Funktion der Motordrehzahl, des Kraftstoffverbrauchs als Funktion der Drehzahl und der Leistung und die verfügbaren Getriebegangstufen enthalten. Zusätzlich liest die Strategie Eingaben, die momentane Fahrpedalstellung und Motordrehzahl, momentane Motorleistung, momentane Fahrzeuggeschwindigkeit, momentanen bremsspezifischen Kraftstoffverbrauch sowie momentane Gangstufenauswahl enthalten, ein und reagiert auf diese. Für die strategischen Berechnungen ist es von grundsätzlicher Bedeutung, dass die erforderliche Motorleistung in jedem beliebigen gegebenen Betriebspunkt eine Funktion der momentanen Fahrzeuggeschwindigkeit, der momentanen Bergsteigung und des momentanen Fahrwiderstandes ist, wie sie angezeigt werden. Schließlich sind Geschwindigkeitsänderungen eines Fahrzeugs während eines gegebenen Gangwechsels eine Funktion der momentanen Fahrpedalstellung, der Fahrzeuggeschwindigkeit, des Fahrwiderstandes und der Zeit, die erforderlich ist, um den Schaltvorgang durch das automatische Getriebe durchzuführen.
  • Basierend auf den vorerwähnten Parametern kann die vorgeschlagene tatsächliche Strategie in einer beispielhaften Weise wie folgt beschrieben werden. Es wird angenommen, dass das Fahrzeug auf stationäre Weise bei ungefähr 105 Kilometer pro Stunde in seinem obersten (12.) Gang auf einer relativ flachen Steigung fährt. Wenn das Fahrzeug einer relativ beträchtlichen Bergaufsteigung begegnet, beginnt das Fahrzeug zu diesem Augenblick langsamer zu werden. In dem Maße, in dem die fortgesetzte Verlangsamung hinderlich ist, mag der Fahrer wünschen, die Fahrzeuggeschwindigkeit soweit wie möglich aufrechtzuerhalten. Dies wird durch eine Reihe von Herunterschaltvorgängen des Getriebes erreicht.
  • Wie aus dem oben erwähnten punktierten Kreisbereich der 7 ersichtlich und unter der Annahme, dass das Fahrzeug bis auf eine Geschwindigkeit von ungefähr 102 Kilometer pro Stunde langsamer geworden ist, löst die unmittelbare Schaltstrategie einen Herunterschaltvorgang von dem Gang 12' zu 11' aus, wodurch die Geschwindigkeit gemäß dem Diagramm nach 7 von 102 Kilometer pro Stunde auf ungefähr 98 Kilometer pro Stunde vermindert wird. Die Motordrehzahl steigt augenblicklich von ungefähr 1150 auf 1200 U/min an. Nachfolgende Erniedrigungen der Gangstufen, d.h. von 11' bis zu 7' minimieren ferner Geschwindigkeitsverluste, bis die Fahrzeuggeschwindigkeit in dem dargestellten Beispiel ungefähr 92 Kilometer pro Stunde erreicht und die Motordrehzahl zu diesem Zeitpunkt bei ihrem angezeigten Betriebsgrenzwert von 1800 U/min liegt. Deshalb erhöhen die sogenannten "die Leiter erklimmenden" Gangwechsel, wie vorstehend erläutert, die Motordrehzahl, während ein Verfall oder eine Verminderung der Fahrzeuggeschwindigkeit optimalerweise minimiert wird, wie dies durch die Schaltfolge wiedergegeben ist, die in dem punktierten Kreisabschnitt des oberen rechten Eckes des Schaltdiagramms gezeigt ist.
  • Zusammengefasst optimiert die Strategie zum Herunterschalten eines Getriebes das Motorleistungsanforderungsverhalten eines Kraftfahrzeugs, in dem für jede Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs gemäß dem tatsächlichen Motordrehzahlwert und -drehmomentwert eine Getriebegangstufe für optimale Leistung festgelegt worden ist. Die Schaltstrategie enthält die Schritte:
    • a) Auswahl einer nächst niedrigsten Gangstufe auf der Grundlage einer angestrebten Motordrehzahl für das Herunterschalten, wenn sich die momentane Motordrehzahl einem Wert unterhalb der angestrebten Motordrehzahl nähert;
    • b) fortgesetzte Auswahl nachfolgender nächst niedrigster Gangstufen auf der Grundlage einer Reihe niedrigerer angestrebter Motordrehzahlen für das Herunterschalten, in einer Weise, die ein Einlegen einer nächst niedrigsten Gangstufe ermöglicht, wenn sich die momentane Motordrehzahl einem Wert unterhalb einer nächstfolgenden niedrigeren angestrebten Motordrehzahl nähert, und
    • c) Berechnung einer nächsten Getriebegangstufe für optimale Leistung vor jedem nachfolgendem Herunterschaltvorgang.
  • Es wird nun auf die 9 und 10 Bezug genommen, in der ein anderes Diagramm für leistungsorientiertes Schalten sowie ein zugehöriger Schaltstrategieentscheidungsplan dar gestellt sind, um eine Folge von Hochschaltvorgängen eines nachgeahmten stufenlos regelbaren Getriebes unter Beschleunigungsbedingungen wiederzugeben. Der beschriebene besondere Betriebsmodus ist derjenige, der auftreten kann, wenn beispielsweise ein Fahrzeug auf einer relativ ebenen Fläche schnell beschleunigt, z.B. wenn ein Fahrzeugführer wünscht, ein anderes Fahrzeug auf einer Schnellstraße zu überholen. Wenn auf die durch die gezackte Schaltkurve 64' repräsentierte Schaltfolge Bezug genommen wird, ist es klar, dass das Ziel die Aufrechterhaltung der höchsten verfügbaren Motorleistung zwischen sämtlichen Gangwechseln ist. Die bestimmte Schaltfolge, die veranschaulicht ist, zeigt, dass unter der Annahme, dass das Fahrzeug auf einer Horizontalebene oder ohne auf eine wesentliche Bergsteigung zu treffen betrieben wird, der Fahrzeugführer in der Lage ist, das Leistungsverhalten bei oder fortdauernd nahe dem Sweet-Spot 54 aufrechtzuerhalten. Die Schaltstrategie setzt den zeitlichen Ablauf der Hochschaltvorgänge entsprechend den Leistungsanforderungsparametern fest. Sämtliche Schaltvorgänge laufen automatisch, entsprechend der Strategie und sicherlich ohne das Erfordernis eines Eingriffs durch den Fahrer oder selbst bei einem solchen ab.
  • Indem insbesondere auf den Hochschaltstrategieplan gemäß 10 Bezug genommen wird, bleiben die früheren Datenabbildungen anwendbar und sind in der bei dem vorherigen Strategiebeispiel beschriebenen Software enthalten. Die leistungsorientierte Strategie für flache Straßen ist jedoch gegenüber derjenigen, die im Zusammenhang mit der leistungsorientierten Strategie für beträchtliche Bergsteigungen beschrieben ist, derart modifiziert, dass das Getriebe den Versuch unternimmt, leistungsorientierte Schaltvorgänge nach oben durchzuführen, während die maximale Leistung auf rechterhalten wird. Im Gegensatz hierzu werden bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel für beträchtliche Bergsteigungen die leistungsorientierten Schaltvorgänge nach unten derart durchgeführt, um Geschwindigkeitsverluste unter einer wesentlichen Leistungsanforderung zu minimieren.
  • Es wird nun auf die 11 und 12 Bezug genommen, in denen ein Diagramm für eine wirtschaftliche Hochschaltstrategie sowie ein zugehöriger Schaltstrategieentscheidungsplan unter Bedingungen, bei denen die Fahrpedalanforderung durch den Fahrer relativ niedrig ist, dargestellt sind. Zu den für diese Strategie geeigneten Bedingungen gehören ebenfalls relativ ebene Straßenflächen oder leichte Bergsteigungen. Bezugnehmend zunächst auf das Gangschaltdiagramm gibt die gezackte Schaltkurve 64'' einen Wirtschaftlichkeitsmodus wieder, bei dem der optimale Motordrehzahlbereich bei einem relativ niedrigen Wert im Vergleich zu der vorstehend beschriebenen Leistungsstrategie gehalten wird. In einem gewissen Sinne ist diese Strategie insofern etwas mehr komplex, als anstatt ständig nach der maximalen Motordrehzahl zu streben, die in die Strategie aufgenommenen unterschiedlichen Kraftstoffverbrauchsvariablen in einer Weise verwendet werden müssen, um einen wirtschaftlichen Betrieb zu erreichen, bei dem versucht wird, stets in einem Bereich um den Kraftstoffverbrauchs-Sweet-Spot 52 herum zu gelangen, wie weiter oben beschrieben. In der Tat wird bei den höchsten Gangstufen 7–12 erzwungen, dass die Motordrehzahl in dem dargestellten Beispiel in dem Bereich von 1000 bis 1200 U/min bleibt.
  • Wenn insbesondere auf den verbrauchsorientierten Strategieentscheidungsplan für das Hochschalten nach 12 verwiesen wird, wird bemerkt, dass die Entscheidungs punkte und -prozesse der Strategie alle einen Versuch wiederspiegeln, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, während wenigstens eine minimal akzeptable vorwärtsbeschleunigende Antriebskraft des Fahrzeugs aufrechterhalten wird. Einem gewöhnlichen Fachmann erschließen sich die Ziele, die mit den beschriebenen gesonderten Strategien verfolgt werden, von selbst.
  • Schließlich können die unterschiedlichen Strategien entweder unabhängig voneinander eingesetzt werden, wie beschrieben, oder sie können kombiniert werden, um das gesamte Verhalten eines Fahrzeugs wesentlich zu verbessern. In einem kombinierten Modus erfasst die Strategie Fahrbedingungen, um zu bestimmen, ob ein Wirtschaftlichkeitsmodus geeignet ist oder ob ein Leistungsmodus auszuwählen ist. Beispielsweise würde eine kombinierte Strategie es ermöglichen, eine kraftstoffverbrauchsorientierte Strategie normalerweise als Standardmodus auszuführen, der umgangen werden würde, wenn die Leistungsanforderungen derart sind, dass der Wirtschaftlichkeits-Sweet-Spot 52 nicht aufrechterhalten werden könnte, beispielsweise weil auf eine beträchtliche Bergsteigung gestoßen wird.
  • Eine akzeptable Strategie kann beispielsweise vorsehen, dass jedes Mal, wenn die Fahrpedalstellung sehr hoch ist, z.B. wenigstens zu fünfundneunzig Prozent (95%) verstellt ist oder mehr, ein Modusumschalter automatisch neu gesetzt wird, um einen Betrieb unter der Strategie des leistungsorientierten Modus sicherzustellen. Immer dann, wenn die Fahrpedalstellung weniger als fünfundneunzig Prozent beträgt, würde der Umschalter neu gesetzt werden, um den Wirtschaftlichkeitsmodus sicherzustellen. Somit würde der Modusumschalter strikt auf der Grundlage der Fahrpedalstel lung zwischen den Modi wählen.
  • Selbstverständlich soll die obige Beschreibung lediglich zur Veranschaulichung und nicht zur Beschränkung der Erfindung dienen. Viele Ausführungsformen erschließen sich einem gewöhnlichen Fachmann, wenn er die obige Beschreibung liest. Der Schutzumfang der Erfindung sollte jedoch nicht aus der obigen Beschreibung sondern gemäß den beigefügten Ansprüchen unter Einbeziehung äquivalenter Formen, die unter die Ansprüche fallen, bestimmt werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bietet einen verbesserten Betrieb eines Fahrzeuggetriebesteuermoduls an, indem sie für den Fahrzeugführer eine Auswahl von Schaltstrategien, insbesondere in Abhängigkeit von den auftretenden Fahrbedingungen, zur Verfügung stellt. Bei der beschriebenen Ausführungsform werden zwei gesonderte Schaltstrategien vorgestellt; eine ist auf wirtschaftlichen Kraftstoffverbrauch gerichtet, während die andere auf Leistungsoptimierung abzielt. Das Steuermodul ist derart konfiguriert, um das Verhalten eines in den oberen Gängen des Getriebes stufenlos regelbaren Getriebes zu simulieren oder "nachzubilden"/"nachzuahmen". Somit sind die beiden Schaltstrategien besonders zur Verwendung in einem elektromechanisch betätigten Kraftfahrzeuggetriebe geeignet, das in seinen oberen Gangstufenbereichen reduzierte Übersetzungssprünge aufweist.
  • In einer beschriebenen Ausführungsform umfasst ein 12-gängiges Lastwagengetriebe eine Hauptgruppe mit fünf Gängen und eine Hilfsgruppe mit Split- und Range-Untergruppen, die dazu eingerichtet sind, die 12 Gangstufen bereitzustellen. Beide Strategien zielen lediglich auf die oberen Gangstufen ab, die diejenigen Gangstufen kennzeichnen, die erfahrungsgemäß in ungefähr neunzig Prozent (90%) der Betriebszyklen von für den Fernverkehr vorgesehenen Lastwagen verwendet werden. Bei der beschriebenen Ausführungsform gehören zu den anwendbaren Gangstufen die Gänge 7–12, die relativ kleine Übersetzungsänderungen zwischen einander aufweisen, und die Schaltstrategien werden durch eine integrierte Software realisiert, die dem Befehl eines elektronischen Steuermoduls eines zugehörigen Fahrzeugmotors unterliegt.

Claims (20)

  1. Hochschaltstrategie für ein elektromechanisches Getriebe zur Optimierung des Motorkraftstoffverbrauchs eines Kraftfahrzeugs, in dem für jede Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs bei einem gegebenen momentanen Motordrehzahlwert und -drehmomentwert eine Getriebegangstufe für optimalen Kraftstoffverbrauch festgelegt worden ist, wobei die Strategie die Schritte enthält: a) Auswahl einer nächst höchsten Gangstufe auf der Grundlage einer angestrebten Motordrehzahl für das Hochschalten, wenn sich die momentane Motordrehzahl einem Wert oberhalb der angestrebten Motordrehzahl nähert; b) fortgesetzte Auswahl aufeinander folgender nächst höchster Gangstufen auf der Grundlage einer Reihe höherer angestrebter Motordrehzahlen für das Hochschalten, in einer Weise, die das Schalten der nächst höchsten Gangstufe ermöglicht, wenn sich die momentane Motordrehzahl dem höheren Wert oberhalb der in der Reihe nächstfolgenden höheren angestrebten Motordrehzahl nähert; und c) wobei die nächste Gangstufe für einen optimalen Kraftstoffverbrauch vor jedem nachfolgenden Hochschaltvorgang berechnet wird.
  2. Hochschaltstrategie für ein elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 1, wobei die Strategie in einem Getriebe angewandt wird, das zwischen seinen höchsten Gängen kleinere Übersetzungssprünge aufweist als die Übersetzungssprünge zwischen seinen niedrigsten Gängen.
  3. Hochschaltstrategie für ein elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 2, wobei die Strategie auf einer Funktion der auftretenden Fahrbedingungen beruht, wobei zu den Bedingungen das Motordrehmoment, die Motorleistung, die Motordrehzahl, der Kraftstoffverbrauch, die Fahrzeuggeschwindigkeit und die momentan ausgewählte Getriebegangstufe gehören.
  4. Hochschaltstrategie für ein elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 3, wobei die Strategie ein simuliertes Verhalten eines stufenlos regelbaren Getriebes ergibt, wenn das Getriebe in seinen oberen Gängen betrieben wird.
  5. Herunterschaltstrategie für ein elektromechanisches Getriebe zur Optimierung des Motorleistungsanforderungsverhaltens eines Kraftfahrzeugs, in dem für jede Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs bei einem gegebenen momentanen Motordrehzahlwert und -drehmomentwert eine Getriebegangstufe für optimale Leistung festgelegt worden ist, wobei die Strategie die Schritte umfasst: a) Auswahl einer nächst niedrigsten Gangstufe auf der Grundlage einer angestrebten Motordrehzahl für das Herunterschalten, wenn sich die momentane Motordrehzahl einem Wert unterhalb der angestrebten Motordrehzahl nähert; b) fortgesetzte Auswahl aufeinander folgender nächst niedrigster Gangstufen auf der Grundlage einer Reihe von angestrebten Motordrehzahlen für das Herunterschalten, in einer Weise, die ein Schalten der nächst niedrigsten Gangstufe ermöglicht, wenn sich die momentane Motordrehzahl dem niedrigeren Wert unterhalb der nächstfolgenden angestrebten Motordrehzahl nähert; und c) wobei die nächste Getriebegangstufe für optimale Leistung vor jedem nachfolgenden Herunterschaltvorgang berechnet wird.
  6. Herunterschaltstrategie für ein elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 5, wobei die Strategie in einem Getriebe verwendet wird, das zwischen seinen höchsten Gängen kleinere Übersetzungssprünge aufweist als die Übersetzungssprünge zwischen seinen niedrigsten Gängen.
  7. Herunterschaltstrategie für ein elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 6, wobei die Strategie auf einer Funktion der auftretenden Fahrbedingungen beruht, wobei zu den Bedingungen das Motordrehmoment, die Motorleistung, die Motordrehzahl, der Kraftstoffverbrauch, die Fahrgeschwindigkeit und die momentan ausgewählte Getriebegangstufe gehören.
  8. Herunterschaltstrategie für ein elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 7, wobei die Strategie ein simuliertes Verhalten eines stufenlos regelbaren Getriebes ergibt, wenn das Getriebe in seinen oberen Gängen betrieben wird.
  9. Hochschaltstrategie für ein elektromechanisches Getriebe zur Optimierung des Motorleistungsanforderungsverhaltens eines Kraftfahrzeugs, in dem für jede Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs bei gegebenen momentanen Motordrehzahl- und -drehmomentwerten eine Getriebegangstufe für optimale Leistung festgelegt worden ist, wobei die Strategie die Schritte umfasst: a) Auswahl einer nächst höchsten Gangstufe auf der Grundlage einer angestrebten Motordrehzahl für das Hochschalten, wenn sich die momentane Motordrehzahl einem Wert oberhalb der angestrebten Motordrehzahl nähert; b) fortgesetzte Auswahl aufeinander folgender nächst höchster Gangstufen auf der Grundlage einer Reihe von angestrebten Motordrehzahlen für das Hochschalten, in einer Weise, die das Schalten der nächst höchsten Gangstufe ermöglicht, wenn sich die momentane Motordrehzahl dem höheren Wert oberhalb der nächst folgenden angestrebten Motordrehzahl nähert; und c) wobei die nächste leistungsorientierte Getriebegangstufe vor jedem nachfolgendem Hochschaltvorgang berechnet wird.
  10. Hochschaltstrategie für ein elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 9, wobei die Strategie in einem Getriebe eingesetzt wird, das zwischen seinen höchsten Gängen kleinere Übersetzungssprünge aufweist als die Übersetzungssprünge zwischen seinen niedrigsten Gängen.
  11. Hochschaltstrategie für ein elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 10, wobei die Strategie auf einer Funktion der auftretenden Fahrbedingungen beruht, wobei zu den Bedingungen das Motordrehmoment, die Motorleistung, die Motordrehzahl, der Kraftstoffverbrauch, die Fahrgeschwindigkeit und die momentan ausgewählte Getriebegangstufe gehören.
  12. Hochschaltstrategie für ein elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 11, wobei die Strategie ein simu liertes Verhalten eines stufenlos regelbaren Getriebes ergibt, wenn das Getriebe in seinen höheren Gängen betrieben wird.
  13. Strategie für ein elektromechanisches Getriebe zur gezielten Auswahl einer Schaltstrategie, um a) die Kraftstoffwirtschaftlichkeit eines Motors eines Kraftfahrzeugs zu optimieren oder b) das Leistungsanforderungsverhalten eines Motors eines Kraftfahrzeugs zu optimieren, wobei a) für jede Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs bei gegebenen momentanen Motordrehzahl- und -drehmomentwerten eine Getriebegangstufe für optimale Wirtschaftlichkeit festgelegt worden ist oder b) für jede Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs bei gegebenen momentanen Werten der Fahrpedalstellung, der Motordrehzahl und des Drehmoments eine Getriebegangstufe für optimale Leistung festgelegt worden ist, wobei zu der Strategie die Schritte gehören: a) Auswahl einer nächsten geeigneten Gangstufe auf der Grundlage einer angestrebten Motordrehzahl zum Schalten, wenn sich die momentane Motordrehzahl einem Wert in der Nähe der angestrebten Motordrehzahl nähert; b) fortgesetzte Auswahl aufeinander folgender nächster Gangstufen auf der Grundlage einer Reihe angestrebter Motordrehzahlen zum Schalten, in einer Weise, die ein Schalten der nächsten Gangstufe ermöglicht, wenn sich die momentane Motordrehzahl dem nächsten Wert in der Nähe der nächstfolgenden angestrebten Motordrehzahl nähert; und c) wobei die Strategie a) auf die Auswahl des optimalen Wirtschaftlichkeitsmodus anspricht und die beste Wirtschaftlichkeitsgangstufe vor jedem nächsten nachfolgen den Schaltvorgang berechnet, falls die Fahrbedingungen keine Anforderungen nach einem leistungsorientierten Verhalten anzeigen, und b) auf die Auswahl des Leistungsmodus anspricht und die beste Leistungsgangstufe vor jedem nächst nachfolgenden Schaltvorgang berechnet, falls die Fahrbedingungen nicht anzeigen, dass ein wirtschaftlichkeitsorientiertes Verhalten gerechtfertigt ist.
  14. Schaltstrategie für ein elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 13, wobei die Strategie in einem Getriebe eingesetzt wird, das verhältnismäßig kleinere Übersetzungssprünge zwischen seinen höchsten Gängen als zwischen seinen niedrigsten Gängen aufweist.
  15. Schaltstrategie für ein elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 14, wobei die Strategie auf einer Funktion der auftretenden Fahrbedingungen beruht, wobei zu den Bedingungen die Fahrpedalstellung, das Motordrehmoment, die Motorleistung, die Motordrehzahl, der Kraftstoffverbrauch, die Fahrgeschwindigkeit und die momentan ausgewählte Getriebegangstufe gehören.
  16. Schaltstrategie für ein elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 15, wobei die Strategie ein simuliertes Verhalten eines stufenlos regelbaren Getriebes ergibt, wenn das Getriebe in seinen oberen Gängen betrieben wird.
  17. Elektromechanisches Getriebe, das mehrere Gänge mit kleineren Übersetzungsänderungen unter seinen höheren Gangstufen als unter seiner niedrigeren Gangstufen aufweist, wobei das Getriebe eine Hochschaltstrategie zur Optimierung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit eines Motors eines Kraftfahrzeugs enthält, bei dem für jede Fahr geschwindigkeit des Fahrzeugs bei gegebenen momentanen Motordrehzahl- und -drehmomentwerten eine für optimale Wirtschaftlichkeit vorgesehene Getriebegangstufe festgelegt worden ist.
  18. Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 17, wobei die Strategie die Schritte umfasst: a) Auswahl einer nächst höchsten Gangstufe auf der Grundlage einer angestrebten Motordrehzahl für das Hochschalten, wenn sich die momentane Motordrehzahl einem Wert oberhalb der angestrebten Motordrehzahl nähert; b) fortgesetzte Auswahl aufeinander folgender nächst höchster Gangstufen auf der Grundlage einer Reihe von höheren angestrebten Motordrehzahlen für das Hochschalten, in einer Weise, die ein Schalten der nächst höchsten Gangstufe ermöglicht, wenn sich die momentane Motordrehzahl dem höheren Wert oberhalb der nächst nachfolgenden höheren angestrebten Motordrehzahl nähert; und c) wobei die nächste Gangstufe für optimale Wirtschaftlichkeit vor jedem nachfolgenden Hochschaltvorgang berechnet wird.
  19. Elektromechanisches Getriebe, das mehrere Gänge mit kleineren Übersetzungsänderungen unter seinen höheren Gangstufen als unter seinen niedrigeren Gangstufen aufweist, wobei das Getriebe eine Herunterschaltstrategie zur Optimierung des Motorleistungsanforderungsverhaltens eines Kraftfahrzeugs enthält, in dem für jede Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs bei gegebenen momentanen Motordrehzahl- und -drehmomentwerten eine für optimale Leistung vorgesehene Getriebegangstufe festgelegt worden ist.
  20. Elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 17, wobei zu der Strategie die Schritte gehören: a) Auswahl einer nächst niedrigsten Gangstufe auf der Grundlage einer angestrebten Motordrehzahl für das Herunterschalten, wenn sich die momentane Motordrehzahl einem Wert unterhalb der angestrebten Motordrehzahl nähert; b) fortgesetzte Auswahl aufeinander folgender nächst niedrigster Gangstufen auf der Grundlage einer Reihe angestrebter Motordrehzahlen für das Herunterschalten, in einer Weise, die ein Schalten der nächst niedrigsten Gangstufe ermöglicht, wenn sich die momentane Motordrehzahl dem niedrigeren Wert unterhalb der nächstfolgenden angestrebten Motordrehzahl nähert; und c) wobei die nächste Getriebegangstufe für optimale Leistung vor jedem nachfolgendem Herunterschaltvorgang berechnet wird.
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