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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der
Schaltgeschwindigkeit von Automatgetrieben, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Die
immer steigenden Anforderungen an die Funktionalität der Automatgetriebe
durch die Forderung nach mehr Spontaneität, die immer größer werdende
Anzahl der zu schaltenden Gänge,
die verbrauchsoptimierte Auslegung der Automatgetriebe mit größeren Fahranteilen
in den hohen Gängen
sowie die große
Anzahl der auszuführenden
Rückschaltungen
beim Abbremsen des Fahrzeugs bis zum Stillstand führen dazu,
dass Gänge
eines Automatgetriebes immer schneller und häufiger hintereinander geschaltet
werden sollen.
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Bei
Automatgetrieben tritt in der Praxis das Problem auf, dass zwischen
der Leistungsanforderung (Schaltanforderung) des Fahrers über das
Fahrpedal oder über
den Positions-Hebel oder den sogenannten Tipp-Schaltern und der
Umsetzung durch das Automatikgetriebe in Form von zum Beispiel einer
Rückschaltung
eine entsprechend lange Reaktionszeit vergeht.
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Um
eine Gangschaltung durchzuführen, muss
das zu schaltende Schaltelement zuerst für die Momentenübernahme
vorbereitet, d. h. befüllt
werden. Ebenso können
auch vorbereitende Maßnahmen
an dem abschaltenden Schaltelement getroffen werden, wobei dies
ist erst nach Abschluss der vorhergehenden Schaltung möglich ist.
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Üblicherweise
wird der vorbereitende Befüllvorgang
eines Schaltelements in eine Schnellfüllphase und eine Füllausgleichsphase
aufgeteilt: Im Rahmen der Schnellfüllphase wird das Schaltelement
mit Öl
befüllt,
wohingegen in der Füllausgleichsphase der
Kolben mit geringer Last angelegt wird.
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Durch
die Ausführung
der Vorbereitung der zu schaltenden Schaltelemente, die, wie erläutert, in einer
Schnellfüllphase
und eine Füllausgleichsphase unterteilt
ist, sowie der Vorbereitung der abschaltenden Schaltelemente entstehen
Verzögerungszeiten, in
denen die Drehzahländerung
zur nächsten Übersetzungsstufe
nicht kontinuierlich verläuft,
sondern auf der Synchrondrehzahl der vorherigen Schaltung stehen
bleibt; dies resultiert in einer spürbaren Stufe in der Drehzahländerung,
wodurch auch der Schaltkomfort negativ beeinflusst wird. Weitere
Ursachen für
die als unangenehm empfundene Reaktionszeit sind Totzeiten in der
Hydraulik, Sperrzeiten und Reaktionszeiten bis zum Ansprechen der
Motoren auf Laständerungen.
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In
Stufenautomatgetrieben werden Schaltelemente im betätigten Zustand üblicherweise
mit Systemdruck beaufschlagt, wobei der Systemdruck auf dem Druckniveau
des schwächsten
Schaltelements angesteuert wird und die Steuerung entsprechend dem
zu übertragenden
Motor-, bzw. Turbinenmoment erfolgt.
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Die
Ansteuerung der Schaltelemente mit Systemdruck erfolgt nach dem
Stand der Technik üblicherweise über ein
separates Schaltventil, dass im Folgenden als Halteventil bezeichnet
wird. Die Ansteuerung beim Abschalten oder Zuschalten des Schaltelementes
erfolgt über
ein sogenanntes Proportionalventil, das nach Erreichen des maximalen schaltbaren
Druckes durch das Halteventil überbrückt wird.
Diese Anordnung ist notwendig, da der über das Proportionalventil
ansteuerbare Druck nicht zur Übertragung
des maximal möglichen
Momentes ausreicht. Dadurch wird eine gute Auflösung zwischen dem Ansteuerdruck
und dem Kupplungsdruck bei normalen Schaltungen erreicht.
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Schaltungen,
die bei niedrigen Drehzahlen bei einer hohen Wandlerverstärkung angefordert werden
können
somit entweder nicht ausgeführt
werden, oder nur dann, wenn durch eine deutliche Motormomentenreduzierung
die Schaltkupplungen das zu schaltende Moment im Proportionalbereich übertragen
können.
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Bei
Umschaltung des Schaltelementes von Halteventildruck auf Proportionalventildruck
bei Betriebstemperatur entsteht eine Totzeit von ca. 50 – 100 ms.
Zusätzlich
ergibt sich aus der Umsteuerung von Halteventildruck auf Proportionalventildruck
ein Unterschwinger im Druckverlauf mit anschließendem Einschwingverhalten,
der weitere 100 – 200
ms bis zur Beruhigung des Druckverlaufs benötigt.
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Da
bei der Zugrückschaltung
insbesondere das abschaltende Schaltelement sich auf die Reaktionszeit
der Schaltung auswirkt, ist somit bei jeder Rückschaltung mit einer Totzeit
von ca. 150 – 300
ms bis zur Reaktion der Motordrehzahl zu rechnen, die von manchem
Fahrer als störend
empfunden wird.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zu entwickeln, mittels dessen ein Schaltelement ohne Verzögerung in die
Schaltphase übergehen kann,
so dass die Spontaneität
des Getriebes erhöht
wird und Reaktionszeiten weitestgehend vermieden werden.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere
Ausgestaltungen und Varianten gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Demnach
wird vorgeschlagen, dass außerhalb
von Schaltungen der Druck im abzuschaltenden Schaltelement für die nächstmögliche Rück- und/oder
Hochschaltung derart reduziert wird, dass das Schaltelement nahe
der Rutschgrenze oder mit geringem Schlupf betrieben wird.
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Wird
z.B. vom Fahrer eine Rückschaltung angefordert,
so muss der Druck an der entsprechenden Kupplung nicht erst soweit
reduziert werden, dass die Kupplung zu rutschen beginnt, sondern
sie ist sofort schon in diesem Zustand. D.h., eine weitere Druckabsenkung
führt sofort
zu einer für
den Fahrer spürbaren
Reaktion an der Drehzahl, da die hydraulische Reaktionszeit nicht
erst überbrückt werden muss.
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Ist
die Kupplung für
die nächstmögliche Rückschaltung
nicht die gleiche Kupplung wie für
die nächstmögliche Hochschaltung,
so kann maximal eine der Kupplungen im Schlupfbetrieb gefahren werden.
Die andere Kupplung wird dabei nahe der Rutschgrenze gefahren.
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Dies
gilt auch dann, wenn z.B. zwei mögliche Rückschaltungen
z.B. 6 – 5
oder 6 – 4
geschaltet werden könnten
und die jeweils abschaltenden Kupplungen unterschiedliche Kupplungen
sind. Es werden dann entweder beide Kupplungen nahe der Rutschgrenze
gefahren, oder maximal eine Kupplung schlupft. Dies gilt auch, wenn
drei oder vier Rückschaltungen
möglich
wären (z.B.
6 – 5,
6 – 4,
6 – 3,
6 – 2,
6 – 1).
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Sollten
in solch einem Fall mehrere Kupplungen im Schlupf betrieben werden,
so sind mehrere Drehzahlsensoren notwendig, um bei den einzelnen Kupplungen
den Schlupf einzustellen. Es muss anhand der gemessenen Drehzahlen
immer ein Rückschluss
auf die Kupplungseingangsdrehzahl und Kupplungsausgangsdrehzahl
möglich
sein.
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Gemäß der Erfindung
kann anhand der Drehzahlgradienten, der Momente und/oder der Trägheitsmassen
des Systems, mittels eines entsprechenden Berechnungsverfahrens
die tatsächliche Übertragungsfähigkeit
der Schaltelemente während
einer Schaltung ermittelt werden. Auf Basis dieser tatsächlichen Übertragungsfähigkeit
dann der wirksame Kupplungsdruck bekanntlich über die Getriebelebensdauer
zum Ausgleich von Serientoleranzen und Alterungseffekten adaptiert
werden und das Schaltelement auch außerhalb von Schaltungen knapp
oberhalb der Rutschgrenze betrieben werden, so dass es bei Einleitung
einer bestimmten Schaltung sehr schnell ins Rutschen kommt.
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Üblicherweise
sind bei Automatikgetrieben die für einen bestimmten Gang im
Kraftfluss liegenden Schaltelemente derart im Druck beaufschlagt, dass
diese deutlich mehr Moment übertragen
können als
es notwendig ist. Dies ist notwendig, um eine einwandfreie Funktion
der Schaltelemente unabhängig von
Toleranzen, z.B. Serientoleranzen zu gewährleisten. Außerdem wird
nach dem Stand der Technik das Schaltelement nach einer Schaltung
an einen Systemdruck angehängt,
der wiederum so eingestellt ist, dass die schwächste sich im Kraftfluss befindliche Kupplung
sicher das Moment übertragen
kann.
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Bei
direkt angesteuerten Schaltelementen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
den für
das zu übertragene
Moment notwendigen Druck an jedem Schaltelement gesondert einzustellen.
Dies hat zur Folge, dass das abzuschaltende Schaltelement z.T. von
einem deutlich niedrigeren Druckniveau aus abgesenkt wird, was einen
Zeitvorteil bezüglich
der Reaktionszeit bedeutet. Durch geeignete Adaptionsverfahren kann
im Betrieb des Automatgetriebes im Fahrzeug das sich im Kraftfluss
befindliche Schaltelement ständig
adaptiert werden und außerhalb
von Schaltungen immer an die Rutschgrenze gefahren werden. Diese
Grenze kann beispielsweise mittels Drehzahlgebern detektiert werden.
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Auf
diese Weise ergibt sich für
ein bestimmtes Schaltelement ein Übertragungskennfeld, welches
in Abhängigkeit
der Temperatur, des Momentes am Getriebeeingang bzw. an der Kupplung,
der Drehzahl, des Kupplungsdruckes oder sonstiger auf die Übertragung
einflussnehmender Parameter abgelegt werden kann.
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Gemäß einer
Variante der Erfindung ist vorgesehen, das Verfahren zur Verbesserung
der Schaltgeschwindigkeit nur bei bestimmten Fahraktivitäten durchzuführen. Beispielsweise
kann es bei Situationen, bei denen das Fahrzeug in der Tippebene gefahren
wird aktiviert bzw. durchgeführt
werden.
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Es
ist auch möglich,
das Verfahren anhand von Fahrersportlichkeitskennzahlen zu aktivieren. Der
Grund hierfür
ist, dass das Betreiben des Getriebes in einem solchen Mo dus insbesondere
bei ständigen
Schlupf am Schaltelement eine Reduzierung des Wirkungsgrades zur
Folge hat.
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Im
Rahmen einer besonders vorteilhaften Variante des Verfahrens ist
vorgesehen, dass die Umschaltung der Kupplungsansteuerung zwischen Proportionalventildruck
und Halteventildruck bei Überschreiten
des durch den schaltbaren Druck über das
Proportionalventil übertragbaren
Momentes erfolgt, wobei die Umschaltung nur dann erfolgt, wenn aus
dem Momentenanstieg keine Schaltung erfolgen soll. Insbesondere
wird, wenn der Schaltelementdruck dem theoretischen Haltedruck (Umschiebedruck
des Halteventils) entspricht, der vorhandene Reibwert mittels Adaption
bei bekanntem Motormoment durch die Einstellung einer Schlupfdrehzahl
berechnet, wobei eine Momentenerhöhung zu einer Erhöhung der
Schlupfdrehzahl führt
und wobei über das
Fahrstrategieprogramm oder das Schaltprogramm entschieden wird,
ob eine Erhöhung
der Schlupfdrehzahl zu einer Rückschaltung
führt oder diese
gesteuert wieder eingefangen werden soll, um anschließend durch
das Umschalten von Proportionalventildruck auf Halteventildruck
das Aufreißen
des Schaltelementes zu vermeiden.
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Zudem
wird vorgeschlagen, dass der Schaltelementdruck des bei der nächstmöglichen
Schaltung abschaltenden Schaltelementes soweit reduziert wird, bis
sich eine entsprechende Schlupfdrehzahl einstellt und dass über das
Fahrstrategieprogramm oder das Fahrprogramm die Schlupfdrehzahl entweder
reduziert oder eine Rückschaltung
angefordert wird.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es stellen
dar:
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1: Ein Drehzahl-Zeit Diagramm,
bei dem die Drehzahl als Funktion der Zeit für eine Zugrückschaltung nach dem Stand
der Technik und gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt ist;
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2: Ein Druck-Zeit Diagramm,
bei dem der Druck des abzuschaltenden Schaltelementes als Funktion
der Zeit für
eine Zugrückschaltung
nach dem Stand der Technik und gemäß der vorliegenden Erfindung
dargestellt ist;
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3: Ein Druck-Zeit Diagramm,
bei dem der Druck des zuzuschaltenden Schaltelementes als Funktion
der Zeit für
eine Zugrückschaltung
nach dem Stand der Technik und gemäß der vorliegenden Erfindung
dargestellt ist;
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4: Ein Drehzahl-Zeit Diagramm,
bei dem die Drehzahl als Funktion der Zeit für eine Schubhochschaltung nach
dem Stand der Technik und gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt ist;
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5: Ein Druck-Zeit Diagramm,
bei dem der Druck des abzuschaltenden Schaltelementes als Funktion
der Zeit für
eine Schubhochschaltung nach dem Stand der Technik und gemäß der vorliegenden Erfindung
dargestellt ist;
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6: Ein Druck-Zeit Diagramm,
bei dem der Druck des zuzuschaltenden Schaltelementes als Funktion
der Zeit für
eine Schubhochschaltung nach dem Stand der Technik und gemäß der vorliegenden Erfindung
dargestellt ist;
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7: Eine schematische Darstellung
eines Getriebes mit den erfindungsgemäß vorgesehenen Drehzahlsensoren;
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8: Ein Anwendungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
bei dem die Umschaltung der Kupplungsansteuerung zwischen Proportionalventildruck
und Halteventildruck bei Überschreiten
des durch den schaltbaren Druck über
das Proportionalventil übertragbaren
Momentes erfolgt, wobei die Umschaltung nur dann erfolgt, wenn aus
dem Momentenanstieg keine Schaltung erfolgen soll; und
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9: Ein Vergleichsbeispiel
zum Anwendungsbeispiel gemäß 8.
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In
den 1 bis 3 ist das erfindungsgemäße Verfahren
für den
Fall von Zugrückschaltungen
dargestellt. Demnach wird das Schaltelement bzw. die Kupplung, die
bei der nächstmöglichen
Rückschaltung
die abschaltende Kupplung ist, im momentanen Gang ständig auf
geringem Schlupf oder nah an der Schlupfgrenze gehalten.
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Gemäß 2 wird der Druck an dem
abzuschaltenden Schaltelement p_kab soweit reduziert, bis sich ein
entsprechender Schlupf von z.B. 5 Umdrehungen einstellt oder bis
die Schlupfgrenze erreicht wird. Die gestrichelte Linie in 2 stellt den Druck am Schaltelement
gemäß der Erfindung;
die durchgezogene Linie stellt den Druck nach dem Stand der Technik
dar. Wird nun vom Fahrer eine Rückschaltung
angefordert, so muss der Druck an dem entsprechenden Schaltelement
nicht erst soweit reduziert werden, dass die Kupplung zu rutschen
beginnt, sondern ist sofort schon in diesem Zustand, so dass eine
weitere Druckabsenkung sofort zu einer für den Fahrer spürbaren Reaktion
an der Drehzahl führt,
da die hydraulische Reaktionszeit nicht erst überbrückt werden muss. Gemäß dem Stand
der Technik erfolgt die Drehzahlreaktion zum Zeitpunkt t_3, wie
in 1 dargestellt.
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Wie
der 1 zu entnehmen ist,
vergeht ab dem Zeitpunkt der Einleitung der Schaltung t_0 erheblich
weniger Zeit als nach dem Stand der Technik, bis die Schaltung durchgeführt ist.
Dies geschieht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Zeitpunkt
t_1 und nach dem Stand der Technik zum Zeitpunkt t_2. Hierbei bezeichnet
n_ab die Abtriebsdrehzahl, n_ein die Eingangsdrehzahl und i_gang
die Gangübersetzung.
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In 3 ist der Druckverlauf des
zuzuschaltenden Schaltelementes als Funktion der Zeit dargestellt,
wobei die gestrichelte Linie dem Druck p_kzu gemäß dem hier vorgestellten Verfahren
entspricht. Da die Schaltung wesentlich früher durchgeführt wird,
erreicht der Druck den Maximalwert sehr früh. Nach dem Stand der Technik
wäre dies
später
der Fall (durchgezogene Linie). Zudem wird der Druck erfindungsgemäß auch hier
nah an der Schlupfgrenze gehalten.
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In
den 4 bis 6 ist das erfindungsgemäße Verfahren
für den
Fall von Schubhochschaltungen dargestellt. Hierbei wird das Schaltelement
bzw. die Kupplung, die bei der nächstmöglichen
Hochschaltung die abschaltende Kupplung ist, im momentanen Gang
ständig
auf geringem Schlupf oder nah an der Schlupfgrenze gehalten.
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Der
Druck p_kab an dem abzuschaltenden Schaltelement wird gemäß 5 soweit reduziert, bis
sich ein entsprechender Schlupf von z.B. 5 Umdrehungen einstellt
oder bis die Schlupfgrenze erreicht wird. Die gestrichelte Linie
in
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5 stellt den Druck am Schaltelement
gemäß der Erfindung;
die durchgezogene Linie stellt den Druck nach dem Stand der Technik
dar. Wird nun vom Fahrer eine Hochschaltung angefordert, so muss
der Druck an dem entsprechenden Schaltelement nicht erst soweit
reduziert werden, dass die Kupplung zu rutschen beginnt, was zu
einer für
den Fahrer spürbaren
Reaktion an der Drehzahl führt,
da die hydraulische Reaktionszeit nicht erst überbrückt werden muss. Gemäß dem Stand
der Technik erfolgt die Drehzahlreaktion zum Zeitpunkt t_3, wie
in 4 dargestellt.
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Wie
zudem aus 4 ersichtlich,
wird der Schaltvorgang beschleunigt. Dies geschieht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Zeitpunkt t_1 und nach dem Stand der Technik zum Zeitpunkt t_2.
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In 6 ist der Druckverlauf des
zuzuschaltenden Schaltelementes als Funktion der Zeit dargestellt,
wobei die gestrichelte Linie dem Druck p_kzu gemäß dem hier vorgestellten Verfahren
entspricht. Da die Schaltung wesentlich früher durchgeführt wird,
erreicht der Druck den Maximalwert sehr früh und wird nah an der Schlupfgrenze
gehalten, um spätere
Schaltvorgänge
analog zu beschleunigen.
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Zur
Durchführung
des Verfahrens sind entsprechende Drehzahlaufnehmer am Eingang und Ausgang
des Radsatzes und eine entsprechende Regeleinheit vorgesehen, welche
die vorgegebene Schlupf-Solldrehzahl (kann auch Null sein, wenn
die Schaltelemente nah an der Schlupfgrenze gehalten werden) so
einregelt, dass dies vom Fahrer nicht wahrgenommen wird. In 7 sind die Sensoren bzw.
Drehzahlaufnehmer 1, 2 für Eingangsdrehzahl (Turbinendrehzahl)
und Abtriebsdrehzahl im Rahmen eines Getriebeschemas dargestellt.
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Ferner
sind der Radsatz 3, zwei Schaltelemente 4 und 5,
ein mit dem Getriebe 6 verbundener Wandler 7 sowie
ein Getriebeabtrieb 8 dargestellt.
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Im
Rahmen einer besonders vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens,
welche in 8 veranschaulicht
wird, wird ebenfalls der Schaltelementdruck des (bei der nächstmöglichen Schaltung)
abschaltenden Schaltelementes soweit reduziert, bis sich eine entsprechende
Schlupfdrehzahl einstellt. Die Schlupfdrehzahl wird hierbei entweder über Modellbildung
oder über
einen Regler eingestellt, wobei sich bei Verwendung eines Reglers die
Schlupfdrehzahl bei Anhebung des Momentes durch den Fahrer erhöht. Über das
Fahrstrategieprogramm oder das Fahrprogramm wird anschließend die
Schlupfdrehzahl entweder reduziert oder eine Rückschaltung angefordert. Bei
einer Berechnung des Schaltelementdruckes über Modellbildung kann die
Schlupfdrehzahl auch bei steigendem oder fallendem Moment konstant
gehalten werden. Wenn keine Schaltung erfolgen soll, wird die Umschaltung
der Kupplungsansteuerung zwischen Proportionalventildruck und Halteventildruck
bei Überschreiten
des durch den schaltbaren Druck über
das Proportionalventil übertragbaren
Momentes durchgeführt.
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Kurve
A entspricht der Gaspedalstellung als Funktion der Zeit und Kurve
B veranschaulicht den Zeitpunkt des Schaltbefehls t_0. Des weiteren
entspricht Kurve C dem Druckverlauf im zuzuschaltenden Schaltelement
und Kurve D dem Verlauf der Druckansteuerung zum Schaltelement.
Die mit E bezeichnete Kurve entspricht der Getriebeeingangsdrehzahl
bzw. Turbinendrehzahl n_t als Funktion der Zeit. In gepunkteter
Linie zusätzlich
eingezeichnet ist der seitliche Verlauf der aus Abtriebsdrehzahl
n_ab und Getriebeüberset zung
i_gang berechneten Synchrondrehzahl n_syn. Der Druckverlauf des
abzuschaltenden Schaltelementes ist mit F bezeichnet; Kurve G stellt
den Verlauf der Druckansteuerung zum abzuschaltenden Schaltelement
dar. Wie aus 8 ersichtlich
erfolgt die Reaktion auf die Gaspedalstellung sofort, so dass die
Spontaneität
optimiert wird.
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Dieser
Vorteil wird besonders deutlich anhand dem in 9 dargestellten Vergleichsbeispiel, bei
dem im Unterschied zu 8 die
Reaktion nicht sofort erfolgt, weil hier zunächst auf den Systemdruck umgeschaltet
und der Schaltbefehl erst anschließend ausgegeben und dann umgesetzt
wird. Hierdurch vergeht, ausgehend vom Zeitpunkt des Gasgebens (Fahrerwunsch)
bis zur eigentlichen Drehzahlreduzierung, die auch von dem Fahrer
spürbar
ist und als Reaktionszeit auf seine Anforderung hin interpretiert wird,
eine unter Umständen
unerwünscht
lange Zeitspanne. Würde
die Umschaltung auf den Systemdruck zugunsten einer sofortigen Schaltung
an dieser Stelle nicht stattfinden, so würde der zeitliche Verzug bei
der Umsetzung des sonst anschließenden Schaltbefehls entfallen
(Entfall der Reaktionszeit zwischen Vorgabe der sprunghaften Systemdruckanhebung
und deren hydraulischer Umsetzung sowie Entfall der Beruhigungsphase
des Druckabbaus des erhöhten
Systemdrucks auf das Niveau vor der sprunghaften Systemdruckanhebung).
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- 1
- Drehzahlsensor
für Turbinendrehzahl
n_ein
- 2
- Drehzahlsensor
für Abtriebsdrehzahl
n_ab
- 3
- Radsatz
- 4
- Schaltelement
- 5
- Schaltelement
- 6
- Getriebe
- 7
- Wandler