DE19526273A1 - Automatisch schaltbares Vorgelege-Wechselgetriebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Automatisch schaltbares Vorgelege-Wechselgetriebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein automatisch schaltbares Vorgelege-Wechselgetriebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge, der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 erläuterten Art.
Aus der GB-PS 1 281 106 ist ein automatisch schaltbares Vor­ gelege-Wechselgetriebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge, be­ kannt, bei dem in einem Getriebegehäuse eine Vielzahl von miteinander ständig in Eingriff stehenden Zahnradpaare ange­ ordnet sind, die über Klauenkupplungen wahlweise mit ihren entsprechenden Wellen verbindbar sind und wobei die Klauen­ kupplungen über elektronisch gesteuerte hydraulische Hilfs­ krafteinrichtungen betätigbar sind, um in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Antriebsmotores und des Kraftfahrzeu­ ges automatische Gangwechsel zu bewerkstelligen und wobei alle erforderlichen Bauelemente, wie Hydraulikpumpe, Betäti­ gungszylinder und dergleichen, in einer am Getriebegehäuse anbringbaren Baueinheit zusammengefaßt sind.
Das bekannte automatisch schaltbare Vorgelege-Wechselge­ triebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge, weist den Nachteil auf, daß es zum Schalten der einzelnen Gangstufen nur Klauen­ kupplungen verwendet und daher an der Vorgelegewelle eine Be­ schleunigungs- und Verzögerungseinheit vorgesehen werden muß, die in Abhängigkeit von an den Wellen angeordneten Drehzahl­ sensoren derart gesteuert wird, daß zunächst ein Gleichlauf der mit einander in Eingriff zu bringenden Klauenkupplungs­ teile hergestellt wird, bevor durch Betätigen der elektrisch gesteuerten hydraulischen Hilfskrafteinrichtungen das Ein­ legen der Gangstufe entsprechend schnell erfolgen kann.
Aus der Zeitschrift "Automobil-Revue Nr. 16, vom 15. April 1993", "Auf den Spuren von Senna, Prost & Co," wird von einem automatisch schaltbaren Vorgelege-Wechselgetriebe, insbeson­ dere für Kraftfahrzeuge, berichtet, bei dem in einem Ge­ triebegehäuse eine Vielzahl von miteinander ständig in Ein­ griff stehenden Zahnradpaaren angeordnet ist und über Syn­ chronisiereinrichtungen miteinander in Eingriff bringbar sind, wobei die Betätigung der Synchronisiereinrichtungen über eine elektronische Steuerung mittels einer über eine Hilfskrafteinrichtung betätigten Kurvensteuerung erfolgt, wo­ bei über die Anordnung der für die Hilfskrafteinrichtung er­ forderlichen Bauelemente nichts berichtet wird.
Aus der Zeitschrift "Automobil-Revue Nr. 12 vom 17.03.1994", "Schalten wie in Formel 1", wird über automatisch schaltbare Vorgelege-Wechselgetriebe berichtet, wobei ganz allgemein darüber berichtet wird, daß eine elektronische Steuerung die pneumatische Hilfskrafteinrichtung derart betätigt, daß ein Wechseln der Gangstufen unter bewußter Schonung der Synchro­ nisiereinrichtungen vorgenommen wird. Über die Art und Weise, wie diese gefühlvolle Betätigung bewerkstelligt wird, wird nichts berichtet.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein automatisch schaltbares Vorgelege-Wechselgetriebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge zu schaffen, das von einem Großserienhandschaltgetriebe mit in diesem üblichen Synchronisiereinrichtungen ausgeht und das nur durch Aufsetzen einer Baueinheit mit allen erforderlichen Einheiten, die zu einem automatischen Schalten des Getriebes erforderlich sind, zu einem automatisch schaltbaren Vorge­ lege-Wechselgetriebe umgestaltet werden kann.
Die Erfindung geht daher von dem eingangs genannten nächst­ kommenden Stand der Technik aus, der den Oberbegriff des Pa­ tentanspruches 1 bildet, wobei jedoch noch die Anwendung von an sich bekannten Synchronisiereinrichtungen mit aufgenommen wurde.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein automatisch schaltbares Vorgelege-Wechselgetriebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge, der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 erläuterten Art derart auszubilden, daß die für das manuelle Schalten vorge­ sehenen Synchronisiereinrichtungen durch die elektronisch ge­ steuerte hydraulisch betätigte Schaltung nicht übermäßig be­ ansprucht werden, sondern vielmehr derart angepaßt betätigt werden, daß ein hoher Schaltkomfort und eine hohe Lebensdauer des Getriebes erzielt werden kann.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem bei einem automatisch schaltbaren Vorgelege-Wechselgetriebe, ins­ besondere für Kraftfahrzeuge, der im Oberbegriff des Patent­ anspruches 1 erläuterten Art, die im Kennzeichenteil des Pa­ tentanspruches 1 aufgezeigten Merkmale angewendet werden.
Dadurch, daß der Schaltweg für jede Schaltbewegung über zwei Sensoren, einen für den X-Weg und einen für den Y-Weg erfaßt und die Strecke zwischen den Einrückpunkten zu 100% normiert festgelegt wird und die Schaltkraft in Abhängigkeit von der Gangstufe und der vorhandenen Drehzahldifferenz über den Ein­ rückweg derart variiert wird, daß abhängig von der Funktions­ phase eine niedrigere Kraft während der Synchronisations­ phase, eine höhere Kraft während der Durchschaltphase und eine geringere Kraft während der Eindockphase bereitgestellt wird, wird eine Schonung der Synchronisierung erreicht, die sich in einem hohen Schaltkomfort und einer hohen Lebensdauer widerspiegelt. Beim Abwärtsschalten wird hierbei eine höhere Kraft und beim Aufwärtsschalten wird hierbei eine geringere Kraft aufgewendet. Ebenso wird bei hoher Drehzahldifferenz und bei höherem Motordrehmoment eine höhere Schaltkraft be­ reitgestellt, um die entsprechenden Gangwechsel optimal aus­ zuführen.
Vorzugsweise wird hierbei die Schaltkraft in einem 3-dimen­ sionalen Kennfeld als Funktion des Schaltweges und der Dreh­ zahldifferenz bzw. des dynamischen Lastfaktors abgelegt.
Die Erfindung wird anhand einer schematischen Darstellung des automatisch schaltbaren Vorgelege-Wechselgetriebes, insbeson­ dere für Kraftfahrzeuge, näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Funktionsauf­ baues eines automatisch schaltbaren Vorgelege-Wechsel­ getriebes, insbesondere für Kraftfahr­ zeuge, mit zur leichteren Verständlichkeit als Einzelsysteme aufgezeigte Steuer- und Hilfs­ krafteinheiten für das zu schaltende Getriebe und
Fig. 2 eine Darstellung des 3-dimensionalen Schalt­ kraft-Kennfeldes bezogen auf den Schaltweg und einen dynamischen Lastfaktor;
Fig. 3 ein Diagramm der Drehmomentregelung vor einer Schaltung;
Fig. 4 ein Diagramm der Drehmomentregelung nach einer Schaltung;
Fig. 5 eine Darstellung eines 3-dimensionalen Kennfel­ des der Drehmomentmodulation und
Fig. 6 ein Diagramm der Modulation der Motor-Beschleu­ nigung über dem Motor-Drehmoment.
In Fig. 1 ist ein Vorgelege-Wechselgetriebe 1 angedeutet, an dem zwei Schalteinrichtungen 2 und 3 vorgesehen sind, von denen die eine, Schalteinrichtung 2, zum Vorwählen einer Schaltgasse und die andere, Schalteinrichtung 3, zum Durch­ führen der Schaltung vorgesehen ist. Die beiden Schaltein­ richtungen 2 und 3 werden jeweils über Hilfskrafteinrich­ tungen 4 und 5 betätigt, die von einer Ventilsteuerein­ richtung 6 über entsprechende Leitungen angesteuert werden.
Die Ventilsteuereinheit 6 wird über eine Druckmitteleinheit 7, die an einen Druckmittelbehälter 8 angeschlossen ist, mit hydraulischen Druckmittel versorgt.
Die elektronische Steuerung der hydraulischen Ventile in der Ventilsteuereinheit 6 erfolgt über einen Ventilkontroll­ rechner 9 und eine Steuereinheit 10.
Der Ventilkontrollrechner 9 steht über ein Sicherheitsrelais 11 in Verbindung mit der Steuerventileinheit 6. Dem Ventil­ kontrollrechner 9 werden über entsprechende Leitungen 12 und 13 jeweils die Stellungen der Hilfskrafteinrichtungen 4 und 5 mitgeteilt, die innerhalb der Schaltwege auf 100% normiert sind. Die Leitung 13 meldet hierbei den Betrag des Vorwähl­ weges (WS = Weg-Selector) und die Leitung 12 meldet den Be­ trag des Einrückweges (WE = Engagement).
Die Steuereinheit 10 erhält Signale von einem Schalthebel 14, wobei über eine Leitung 15 eine vom Fahrer beeinflußte Gang­ wahl möglich ist, während über eine Leitung 16 ein vollauto­ matischer Betrieb das Wechselgetriebes möglich ist, abhängig davon, ob der Fahrer durch Betätigen eines Wählknopfes die gewünschte Betriebsart auswählt. Über eine Leitung 17 wird hierbei auf einem Display 18 dem Fahrer die jeweils einge­ legte Gangstufe zur Kenntnis gebracht.
Die Steuereinheit 10 wird über an sich im Kraftfahrzeug vor­ handene Sensoren mit verschiedenen Betriebsdaten versorgt, so z. B. über eine Leitung 19 mit der Motordrehzahl und über eine Leitung 20 mit der Fahrgeschwindigkeit. Über Leitung 21 kann die Steuereinheit 10 Einfluß auf die Betriebsweise des Ver­ brennungsmotors und mit den Leitungen 22 und 23 Einfluß auf die Betriebsweise der automatisierten Kupplung ausüben. Zur Steuerung der Kupplung ist ein Kupplungsrechner 25 und zur Steuerung der Drosselklappe ein Drosselklappenrechner 24 vor­ gesehen.
In Fig. 2 ist das 3-dimensionale Schaltkraft-Kennfeld über dem Schaltweg und dem dynamischen Lastfaktor aufgezeigt.
Festlegung der Einrückpunkte
Zu Beginn jeder Schaltbewegung wird der Weg zwischen der ak­ tuellen Ausgangsposition und der Zielposition zu 100 [%] nor­ miert. Start bei 0 [%] entspricht z. B. der Position neutral in der Gasse, Ziel bei 100 [%] entspricht dem eingelegten Gang in der Endrastung (Endlage).
Aus Messungen ist bekannt, daß die Synchronisation bei Ein­ legen eines Ganges zwischen 15 und 30 [%] und der Formschluß der Klauenverzahnung zwischen 80 und 85 [%] des Weges statt­ findet.
Bestimmung des dynamischen Lastfaktors
Vor Beginn eines Schaltvorganges wird aus der Stellung der Drosselklappe und der Motordrehzahl das von der Verbren­ nungskraftmaschine erzeugte Moment berechnet.
Mit Hilfe der Information des geschalteten und des zu schal­ tenden Ganges wird die zu erwartende Differenzdrehzahl zwi­ schen den beiden Gängen ermittelt. Diese Differenzdrehzahl muß von der Synchronisierung zu Null abgebaut werden, bevor der Gang bei Differenzdrehzahl Null geräusch- und verschleiß­ frei einrasten kann.
Soll eine Schaltung immer gleich lange dauern, muß mit stei­ gender Differenzdrehzahl eine steigende Kraft aufgewendet werden (Linearer Zusammenhang.
Aus der vorberechneten Differenzdrehzahl wird mit Hilfe einer Tabelle ein Faktor 1 ermittelt, z. B.:
Tabelle 1
Ermittlung des Faktors 1 aus der Differenzdrehzahl (Beispiel)
Aus dem aktuellen Moment der Verbrennungskraftmaschine wird ein zweiter Faktor 2 ermittelt, der die Fahrsituation auf der Seite des Fahrerwunsches erfaßt (hier könnte man z. B. auch auf die Stellung des Fahrpedals bzw. auf den Gradient der Stellung des Fahrpedals eingehen, um den Fahrerwunsch zu er­ fassen), z. B.:
Tabelle 2
Ermittlung des Faktors 2 aus dem Drehmoment des Motors vor der Schaltung (Beispiel)
Die beiden Faktoren werden nun multipliziert und ergeben einen Zeiger auf die Reihe des Schaltkraft-Kennfeldes oder auf einen Lastfaktor [%] in Abhängigkeit von der Fahrsitua­ tion, z. B.:
Reihe (oder Lastfaktor in % siehe Fig. 2) = Faktor 1 * Faktor 2
Bestimmung der Schaltkraft in Abhängigkeit von Schaltweg und Lastfaktor
Im Schaltkraft-Kennfeld, Fig. 2, ergeben die zwei Eingangs­ größen Schaltweg und Lastfaktor als Ausgang den aktuellen Kraftwert, z. B.:
Tabelle 3
Ermittlung der aktuellen Schaltkraft F (Sch) aus Lastfaktor und Schaltweg
Im Bereich der Synchronisation (zwischen 15 und 30% des zu schaltenden Weges bei Einlegen des Ganges) wird, wie im Bei­ spiel der Tabelle gezeigt, die Schaltkraft in Abhängigkeit von der Fahrsituation vorgegeben. Nach Abschluß der Synchro­ nisationsphase, z. B. bei 35%, wird die Kraft stark erhöht, um ein schnelles Durchschalten zu bewirken. Bei Erreichen der Zielposition 100% des Schaltweges, wenn der Gang vollständig eingelegt ist, wird die Kraft auf Null abgebaut und die End­ lagenregelung für die Kraft wird aktiviert. Diese stellt sicher, daß nur dann Kraft auf das Schaltsystem gegeben wird, wenn die Position des Schaltmechanismus stark von der vorge­ gebenen Position abweicht. (Zur Vermeidung von Gangspringern z. B. Abweichung von 100% nach 75% oder nach 120%).
Beispiel
Tabelle 4
Kraftregelung in der Endlage geht der Mechanismus über den def. Zielwert hinaus, wird der Weg <100%
Verbleibt der Schaltmechanismus in der korrekten Endlage, wird keine Kraft aufgegeben und somit werden die Schaltgabeln nicht verschlissen. Bei größeren Abweichungen wird die Kraft erhöht, um damit aktiv den Schaltmechanismus in die korrekte Endlage zurückzubringen (siehe Beispiel in der Tabelle).
Da jeder Gang in Richtung eines Hochschaltens oder in Rich­ tung eines Herunterschaltens betätigt werden kann, sind für jeden Gang zwei Tabellen angelegt (analog Tabelle 3). In der Tabelle für das Hochschalten sind dabei niedrigere Kräfte für das Synchronisieren angesetzt als in der Tabelle für das Her­ unterschalten.
Das Einlegen eines Ganges kann in Phasen eingeteilt werden:
  • - Anfahren der Synchronisation
  • - Synchronisation
  • - Durchschalten und Herstellen einer formschlüssigen Ver­ bindung
  • - Erreichen der Endlage
In Abhängigkeit dieser Phasen werden die Kräfte eingestellt. So würde in der Synchronisationsphase, bei der die Synchroni­ sation die Differenzdrehzahl zwischen der Welle und dem zu schaltenden Zahnrad durch Reibung angleichen muß, eine zu hohe Schaltkraft zu erhöhtem Verschleiß oder Zerstörung der Synchronisierung führen. Beim Durchschalten hingegen kann durch eine hohe Schaltkraft nichts beschädigt werden und zur Erzielung einer kurzen Schaltzeit wird deshalb auch die Schaltkraft auf das Maximum erhöht.
Beeinflussung der Betriebsweise des Verbrennungsmotors
Um eine möglichst komfortable Schaltung zu erzielen, kann in­ folge der dabei auftretenden starken Beschleunigungsände­ rungen das Drehmoment des Motors nicht schlagartig wegge­ nommen werden. Daher muß eine Beeinflussung der Betriebsweise des Verbrennungsmotors sorgfältig gesteuert erfolgen.
Im vorliegenden Beispiel wird diese Funktion durch einen Drosselklappeneingriff (siehe Fig. 3) dargestellt. Die elek­ tronische Drosselklappe schließt vor dem Schaltvorgang ge­ regelt, bleibt während des Schaltvorganges geschlossen (um ein Durchgehen des Motors zu verhindern) und öffnet nach dem Schaltvorgang wieder geregelt. Der Öffnungs- und Schließvor­ gang wird in Abhängigkeit von der Last des Motors vor der Schaltung geregelt.
Allgemein gesagt, wird durch das geregelte Schließen und Öffnen der Drosselklappe ein gewünschter Ab- und Aufbau des Drehmoments um den Schaltvorgang herum erzielt, der wesent­ lichen Einfluß auf den Komfort des Schaltvorganges hat.
Infolge des stark nichtlinearen Drehmomentkennfeldes von Ver­ brennungsmotoren ist es sinnvoll, nicht die Drosselklappen­ stellung zu steuern, sondern es ist besser, das Drehmoment abzubauen. Damit soll in Abhängigkeit von der jeweiligen Lastsituation (Last = f (Motordrehzahl, Drosselklappenstel­ lung) ein gleichförmiger Abbau des Drehmoments erreicht werden.
Ist die von der Drosselklappe einzustellende Drehzahl kleiner als z. B. 700 min-1, so wird die elektronische Drosselklappe gemäß Rampe 1 und Rampe 2 geregelt, d. h., das Drehmoment wird ab- bzw. aufgebaut. Wird dieser Wert von min-1 überschritten, so wird auf eine Solldrehzahl geregelt, die in Abhängigkeit von der nächsten zu schaltenden Gangstufe bestimmt wird.
Bei Schließen der Drosselklappe sollen die Gradienten als Funktion des Startdrehmomentwertes bei Auslösung des Schalt­ vorganges kalibrierbar sein. Damit wird ein sanftes, lang­ sames Schließen bei wenig geöffneter Drosselklappe und ein schnelles Schließen bei weit geöffneter Drosselklappe mög­ lich. Eine gezielte Beeinflussung des Schaltkomforts wird durch die Kalibration der Drosselklappenbetätigung erreicht.
Beim Öffnen der Drosselklappe nach Abschluß der Schaltung sollen die Gradienten des Drosselklappenwinkels in Abhängig­ keit des Zieldrehmomentwertes (Funktion der aktu. Pedalposi­ tion) kalibrierbar sein. (Siehe hierzu Fig. 4.)
Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, sorgt die Kupplungssteuerung ebenso dafür, daß während der durchzuführenden Schaltung ein "drehmomentloses Fenster" vorgesehen wird, wobei in Abhängig­ keit vom dynamischen Lastfaktor der Zeitbereich, in dem die Kupplung offen ist, gesteuert wird, d. h., bei niedriger Last wird eine größere Zeitspanne zugelassen, wohingegen bei einer größeren Last die Zeitspanne geringer gehalten wird.
Wie aus Fig. 6 zu ersehen ist, ergibt sich durch die Beein­ flussung der Betriebsweise des Verbrennungsmotors über die elektronische Drosselklappe ein sanfter Übergang beim Ab- und Aufbau des Drehmomentverlaufes.

Claims (3)

1. Automatisch schaltbares Vorgelege-Wechselgetriebe, insbe­ sondere für Kraftfahrzeuge, mit in einem Getriebegehäuse (1) angeordneten Vielzahl von miteinander ständig in Ein­ griff stehenden Zahnradpaaren und Synchronisiereinrich­ tungen, die über von einer elektronischen Steuerung (10) selektiv an gesteuerten Hilfskrafteinrichtungen (4 und 5) betätigten Schalteinrichtungen (2 und 3) betätigbar sind, wobei über ein elektronisches Leistungssteuerorgan eine Beeinflussung des Antriebsmotors (25) während des Aus­ führens von Gangwechseln vorgesehen ist und wobei alle für die Hilfskrafteinrichtungen (4 und 5) erforderlichen Bauelemente, wie Hydraulikpumpe (7), Reservoire (8) und die hydraulischen Betätigungszylinder (4 und 5) in einer am Getriebegehäuse (1) anbringbaren Baueinheit zusammen­ gefaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Schaltwege (WS und WE) zu 100% normiert festge­ legt werden und über Sensoren erfaßt und über Lei­ tungen (12 und 13) einem Ventilkontrollrechner (9) zugeführt werden, wird die Schaltkraft (FSch) in Ab­ hängigkeit von der Gangstufe und der vorhandenen dy­ namischen Belastung (Ldyn) über den Einrückweg (WE) derart variiert, daß
  • - abhängig von der Funktionsphase eine niedrigere Kraft während der Synchronisationsphase (15-30% des Schaltweges),
  • - eine höhere Kraft ( ) während der Durchschaltphase (30-80% des Schaltweges) und
  • - eine geringere Kraft ( ) während der Eindockphase (80-85% des Schaltweges) bereitgestellt wird, wobei
  • - beim Abwärtsschalten eine höhere Kraft und
  • - beim Aufwärtsschalten eine geringere Kraft aufge­ wendet wird;
  • - bei hohem dynamischen Lastfaktor eine höhere Schalt­ kraft bereitgestellt wird und
  • - die Schaltkraft (FSch) durch ein 3-dimensionales Schaltkraft-Kennfeld (Fig. 2) bestimmt wird, in dem die Schaltkraft (FSch) in Abhängigkeit von der jewei­ ligen Funktionsphase und dem dynamischen Lastfaktor (Ldyn) abgelegt ist.
2. Automatisch schaltbares Vorgelege-Wechselgetriebe, insbe­ sondere für Kraftfahrzeuge, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - vor der Durchführung einer Schaltung eine Drehmoment­ modulation in Richtung Absenken des Drehmomentes und
  • - nach Durchführung einer Schaltung eine Drehmomentmo­ dulation in Richtung Anheben des Drehmomentes vorge­ nommen wird, wobei
  • - die Drehmomentmodulation durch ein 3-dimensionales Kennfeld (Fig. 5) bestimmt wird, in dem das Drehmo­ ment (Md) in Abhängigkeit von der Zeit (T) abgelegt ist.
3. Automatisch schaltbares Vorgelege-Wechselgetriebe, insbe­ sondere für Kraftfahrzeuge, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die automatische Kupplungssteuerung (25) in Abhängig­ keit vom dynamischen Lastfaktor (Ldyn) ein "drehmo­ mentloses Fenster" während der Durchführung von Schaltungen bereitstellt, wobei die drehmomentlose Zeitspanne bei niedrigem Lastfaktor größer und bei höherem Lastfaktor kleiner gehalten wird.
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