DE19907141A1 - Elektronisch gesteuertes Schaltsystem für ein manuelles Schaltgetriebe - Google Patents
Elektronisch gesteuertes Schaltsystem für ein manuelles SchaltgetriebeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein elektronisch gesteuertes Schaltsystem für ein manuelles
Schaltgetriebe eines Motorfahrzeugs. Im einzelnen betrifft die Erfindung ein elek
tronisch gesteuertes Schaltsystem zum Bestimmen einer Synchronisationskraft
und zum Zuführen variabler Kraftwerte zum Einlegen eines ausgewählten Ganges
eines synchronisierten manuellen Schaltgetriebes.
Elektronik ist in viele kraftfahrtechnische Systeme integriert worden, seit die
Vorteile dieser Systeme bemerkt worden sind. Im Bereich des Radantriebs hat
Elektronik Motorsteuersysteme, automatische Getriebesysteme (Hydraulikgetrie
be) und Vierradantriebssysteme entscheidend verbessert. In der Vergangenheit
ist Elektronik auch in Kupplungssystemen angewendet worden. Viele dieser
Systeme waren anfangs wegen fehlender Möglichkeiten im Steuerbereich nicht
erfolgreich. Seit dem Aufkommen von Mikroprozessoren und anderen fortschritt
lichen elektronischen Technologien sind jetzt viele Systeme zu realisieren, die
früher nicht möglich waren. Automatische Kupplungssysteme sind gegenwärtig
Produktionsmerkmale mehrerer europäischer Kleinwagenentwicklungen.
Das manuelle Schaltgetriebe ist ebenfalls zum Ziel der elektronischen Revolution
geworden, aber erst in letzter Zeit. Zwar herrschen mechanische, manuelle
Schaltgetriebe noch immer vor, aber einige automatische, manuelle Schaltgetrie
be stoßen auf den Markt vor. Die meisten dieser Entwicklungen konzentrieren
sich auf Europa, wo die Antriebsfaktoren, wie Treibstoffökonomie und Emission
am relevantesten sind.
Dementsprechend besteht ein Bedürfnis nach einem Getriebe, dessen Schaltbe
tätigung vollständig elektronisch gesteuert ist, so daß keine mechanische Verbin
dung zwischen dem Fahrer und dem Getriebe besteht (abgesehen von der
Kupplung). Das Schalten des Getriebes ist durch einen dem Fahrer zugänglichen
elektronischen Schalthebel zu steuern. Zu den Vorteilen dieses elektronisch ge
steuerten Schaltsystems zählen verringerter Lärm und geringere Vibrationen im
Passagierbereich, größerer Schutz vor Schaltfehlern des Fahrers, leichteres Aus
arbeiten des Schalthebelgefühls, leichteres Anordnen des Schalthebels und ein
Verringern der Anzahl der Getriebekomponenten. Darüber hinaus bietet ein
elektronisch gesteuertes Schaltsystem eine größere Kontrolle des Gangeingriffs
derart, daß die optimale Schaltkraft zur Schaltzeit bestimmt werden kann, Schalt
bemühungen können die Motortemperatur kompensieren und variable Schalt
kräfte können zum Schalten der Gänge angewandt werden.
Durch die Erfindung wird ein elektronisch gesteuertes Schaltsystem für ein syn
chronisiertes, manuelles Schaltgetriebe eines Motorfahrzeugs angegeben. Das
Schaltsystem soll eine bessere Kontrolle des Gangeingriffs durch Bestimmen ei
ner optimalen Schaltkraft zur Schaltzeit ermöglichen, indem diese Schaltkraft
entsprechend der Motortemperatur eingestellt wird, und indem veränderbare
Schaltkräfte zum Beenden eines Gangwechsels angewandt werden.
Ein elektronisch gesteuertes Schaltsystem als ein Ausführungsbeispiel der Erfin
dung hat einen manuell betätigbaren Schalthebel zum Auswählen eines Ganges
und eine mit dem Schalthebel verbundene Antriebssteuereinheit, die entspre
chend einem ausgewählten Gang elektrische Eingangssignale empfängt. Ein
zweifach bewegbares Betätigungsorgan empfängt Betätigungssignale von der
Antriebssteuereinheit zum Betätigen einer Schaltstange des Getriebes zum Einle
gen des ausgewählten Ganges. Die Antriebssteuereinheit hat eine Ausrückroutine
zum axialen Bewegen der Schaltstange aus einer gegenwärtigen eingerückten
Position in eine Leerlaufstellung, eine Querschaltroutine zum Drehen der
Schaltstange (falls nötig) aus der ersten Leerlaufstellung in eine zweite Leer
laufstellung, die mit der eingerückten Position des ausgewählten Ganges fluchtet,
und eine Einlegeroutine zum Betätigen der Schaltstange in die ausgewählte
eingerückte Position. Im einzelnen führt die Einrückroutine eine Anfangskraft zum
Überwinden des Synchronisatorspiels zu, bestimmt eine Synchronisationskraft
und führt diese zu und führt eine geringere Endkraft zum sanften Einrücken der
Schaltstange in die eingerückte Position zu.
Die Antriebssteuereinheit hat außerdem ein Auswahlmodul, ein Schutzmodul und
ein Kupplungsverriegelungsmodul. Das Auswahlmodul ermöglicht dem Fahrzeug
fahrer den nächsten gewünschten Gang mit dem Schalthebel auszuwählen,
wenngleich das System mit dem Schaltvorgang nicht fortfährt, bis die Kupplung
ausgerückt ist. Das Schutzmodul bestimmt die Wellendrehzahl und die Fahr
zeuggeschwindigkeit und ermittelt dann eine Schaltbedingung durch Vergleichen
dieser Werte mit vorbestimmten Drehzahl- und Geschwindigkeitswerten für den
ausgewählten Gang. Während einer unannehmbaren Schaltbedingung verhindert
das Schutzmodul das Schalten. Das Kupplungsverriegelungsmodul letztlich
überwacht die Schaltstange und verhindert ein Einkuppeln, bis die Schaltstange
in den ausgewählten Gang einrückt, indem eine Kupplungsverriegelungseinheit
gesteuert wird, die zwischen dem Kupplungspedal und der Kupplung angeordnet
ist.
Weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unter
ansprüche.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm der Grundkomponenten eines elektronisch ge
steuerten Schaltsystems für ein manuelles Getriebe nach der Erfin
dung,
Fig. 2 eine Darstellung der Fahreranzeige, die zusammen mit dem Schalt
system nach der Erfindung verwendet werden kann,
Fig. 3 eine schematische Ansicht eines synchronisierten, manuellen Ein
stangenschaltgetriebes, das bei dem ersten Ausführungsbeispiel
des Schaltsystems verwendet wird,
Fig. 4A eine Schaltkraft für das Schalten des Getriebes aus einem Gang in
eine Leerlaufstellung unter Verwenden des Schaltsystems nach der
Erfindung,
Fig. 4B eine Schaltkraft zum Schalten des Getriebes aus der Leerlaufstel
lung in eine eingerückte Position unter Verwenden des Schaltsy
stems nach der Erfindung,
Fig. 5 ein Diagramm der Kraftsteuerung eines Betätigungsorgans unter
Verwenden von Pulsbreitenmodulation bei dem Schaltsystem nach
der Erfindung,
Fig. 6 ein Blockdiagramm der Hauptkomponenten eines Antriebssteuer
moduls des Schaltsystems nach der Erfindung,
Fig. 7 ein Flußdiagramm der Schritte, die das Antriebssteuermodul nach
der Erfindung in der Hauptschleife durchführt,
Fig. 8 ein Flußdiagramm der Schritte der Schaltvorwahl und der Schutz
messungen, die das Antriebssteuermodul nach der Erfindung
durchführt,
Fig. 9 ein Flußdiagramm der Schritte zum Gangausrücken, die das An
triebssteuermodul ausführt,
Fig. 10 ein Flußdiagramm der Schritte zum Querverschieben, die das An
triebssteuermodul nach der Erfindung ausführt,
Fig. 11, 12 und 13
Flußdiagramme der Schritte, die das Antriebssteuermodul zum Ein
rücken der Gänge ausführt,
Fig. 14 ein Flußdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels für einen
Bereich der Schritte, die das Antriebssteuermodul zum Einrücken
der Gänge durchführt,
Fig. 15 ein Flußdiagramm der Schritte, die das Antriebssteuermodul für den
Schaltvorgang ausführt, und
Fig. 16 ein Flußdiagramm der Schritte eines proportional abgeleiteten Steuerschemas,
das von dem Schaltsystem nach der Erfindung verwen
det wird.
Ein elektronisch gesteuertes Schaltsystem 10 für ein manuelles Getriebe in einem
Motorfahrzeug ist in Fig. 1 dargestellt. Das elektronisch gesteuerte Schaltsystem
10 hat ein Antriebssteuermodul 20, ein zweifach bewegbares Betätigungsorgan
24, einen elektronischen Schalthebel 26, eine Fahreranzeige 30 und ver
schiedene Meßfühler.
Ein elektronischer Schalthebel (d. h. joystick) 26 ist der primäre Schaltsteuerme
chanismus und wird vom Fahrer zum Auswählen des gewünschten Ganges be
nutzt. Der Schalthebel 26 ist mechanisch von dem Getriebe isoliert. Dadurch kann
er überall im Fahrzeugbereich angeordnet werden. Durch Anordnen von
Positionssensoren in der Hebelanordnung wird die Verstellung der Hebelposition
voll elektronisch von dem Antriebssteuermodul 20 überwacht. Mechanisches
Einwirken auf den Schalthebel begrenzt dessen Bewegung auf das für heutige
manuelle Schaltgetriebe typische Doppel-H-Muster. Der Schalthebel 26 ist frei
von den manchmal hohen Schaltkräften, und es treten auch nicht die diversen Vi
brationen auf, die durch den Schaltturm in den Schalthebel dringen, wie z. B.
Rupfen, Doppelschlag, Krachen und andere allgemeine Antriebsstrangvibratio
nen. Das Nachahmen der gleichen Schaltmethode wie bei einem mechanischen
manuellen Schaltgetriebe (Doppel-H-Schalthebelmuster) ermöglicht es dem Fah
rer, die gleiche einleuchtende Steuerung auszuüben wie bei dem üblichen ma
nuellen Schaltgetriebe, ohne daß Fahranpassungen benötigt werden.
Bei einem alternativen zweiten Ausführungsbeispiel können Druckschalter auf
dem Steuerrad als Gangauswahlmechanismus von dem Fahrer verwendet wer
den. Druckschalter können den Schalthebel 26 ersetzen oder als eine zweite
Gangauswahloption dienen. Ein Satz Druckschalter bewirkt ein Hochschalten in
den nächsthöheren Gang, und ein zweiter Satz bewirkt ein Schalten in den
nächstniedrigeren Gang. Ein separater Leerlauf/Rückwärtsschalter schaltet in den
Leerlauf, wenn er einmal gedrückt wird, und er schaltet in den Rückwärtsgang,
wenn er ein zweites Mal gedrückt wird. Es ist auch vorstellbar, andere ver
schiedene (physikalische) Anordnungen eines elektronischen Gangauswahlme
chanismus bei dem Schaltsystem 10 nach der Erfindung zu verwenden.
Die Fahreranzeige 30 versorgt den Fahrer mit visuellen Anzeigen der Schalthe
belposition 32, empfohlenen Kuppelvorgängen 34 und einem Auftreten eines
Schaltfehlers 36. Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Anordnung für die Fahreranzeige
30, die am Armaturenbrett eines Motorfahrzeugs angeordnet sein kann. Nach Fig.
1 hat das Schaltsystem 10 außerdem weitere Eingaben/Ausgaben, die elektrische
Signale zu/von von dem Antriebssteuermodul 20 übertragen/empfangen. Dazu
gehören ein Fahrzeuggeschwindigkeitsfühler 42, ein Wellendrehzahlfühler 44, ein
Temperaturfühler 46 zum Bestimmen der Öltemperatur, ein Zündstatusfühler 48,
ein Anzeiger 49 für das Schaltende, der dem Fahrer beim Beenden eines
gewünschten Schaltvorganges ein hörbares Signal liefert, und ein Fühler 56 für
die Position des Betätigungsorgans.
Eine mechanisch betätigte Kupplung 50 (nicht gezeigt) mit einem Kupplungspedal
52 arbeitet in gleicher Weise wie bei einem üblichen mechanischen, manuellen
Schaltgetriebe. Damit der Fahrer in den nächsten gewünschten Gang schalten
kann, muß das Kupplungspedal 52 vollständig durchgetreten sein. Wenn der
Schalthebel 26 aus einem Gang bewegt wird, ohne daß die Kupplung ausgekup
pelt ist, verbleibt das Getriebe in dem Gang, wobei die Fahreranzeige 30 diesen
Schaltfehler anzeigt. Sobald die Kupplung ausgekuppelt wird, wird der Schaltvor
gang entsprechend dem Befehl des Schalthebels 26 fortgeführt. Die Kupplung
muß ausgekuppelt bleiben bis der Schaltvorgang vollendet ist. Eine Fehlbedie
nung dabei bewirkt, daß eine Kupplungsverriegelungseinheit 54 eingreift (im fol
genden näher beschrieben).
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 3 gezeigt, ist das Schaltsystem
10 bei dem manuellen Schaltgetriebe 60 New Venture Gear Modell NV3500 an
gewendet, das ein Einstangengetriebe ist, bei dem alle Vorwärtsgänge synchroni
siert sind. Die Einstangenanordnung dieses Schaltgetriebes erleichtert das An
ordnen des Betätigungsorgans 24. Durch Anordnen des einfach, zweifach be
wegbaren (linear/drehbar) Betätigungsorgans 24 direkt an der Schaltstange 62
können die Schaltturmkomponenten weggelassen werden, was zu einer verrin
gerten Anzahl Teile führt (und zu geringeren Kosten). Die Zielgruppe der mit die
sem Getriebe herzustellenden Fahrzeuge beinhaltet hinterradangetriebene Autos,
leichte Lastwagen und Nutzfahrzeuge. Dieses erste Ausführungsbeispiel ist in ei
nem-Chevrolet 6-Zylinder, 2WD C Pickup-Lastwagen eingesetzt worden.
Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel kann das zweifach bewegbare Betäti
gungsorgan 24 um +/- 9 mm linear verschoben und um +/- 12° gedreht werden.
Die Drehkraft hat einen verhältnismäßig kleinen Wert (d. h. 6 N m), weil die Quer
bewegung der Getriebeschaltstange (Bewegung zwischen den Schaltebenen)
eine geringe Kraft erfordert. Die lineare Komponente des Betätigungsorgans lie
fert eine größere Kraft (d. h. bis zu 1800 N), um die höheren Kräfte zu liefern, die
während des Synchronisierens und des Einlegens der Gänge benötigt werden.
Nach sorgfältiger Überlegung verwendet das Schaltsystem 10 des Ausführungs
beispiels ein elektromechanisches Betätigungsorgan im Gegensatz zu einem hy
draulischen Betätigungsorgan, weil eine ausreichende Hydraulikquelle in dem
Fahrzeug fehlt (die Versorgung der Kupplung reicht nicht für beide Systeme aus),
um den Pumplärm zu minimieren (auch wenn es nur ein Demonstrationsfahrzeug
ist, kann dieser Lärm immer noch für einen Kunden störend während einer Test
fahrt sein) und um ein flüssigkeitsloses Zusatzsystem anzugeben. Es können
aber genausogut hydraulische Betätigungsorgane oder andere Typen verwendet
werden.
Wichtige Aspekte aus der Sicht des Fahrers für das Durchführen eines vollstän
digen Schaltvorganges (von einem Gang über die Neutralstellung in den nächsten
ausgewählten Gang) sind die Schaltzeit und das Schaltgefühl. Damit das Schalt
system 10 für den Fahrer akzeptabel ist, muß die Schaltzeit gleich oder kürzer
sein als die Zeit eines normalen, fahrerbetätigten, mechanischen Schaltvorgangs.
D.h. das Getriebe muß ohne Verzug entsprechend der Schalthebelbewegung
folgen, wenn der Fahrer den Schalthebel bewegt. Für das erste Ausfüh
rungsbeispiel ist ursprünglich als Ziel ein Maximalwert (im schlimmsten Fall) von
400 ms gewählt worden, um dem Rechnung zu tragen. Diese Gesamtzeit setzt
sich aus folgenden Teilzeiten zusammen:
Schalten aus einem Gang in die Neutralstellung: | 70 ms |
Querschalten (falls nötig): | 50 ms |
Neutralstellung zum Beginn der Synchronisation: | 20 ms |
Synchronisation des ausgewählten Ganges: | 200 ms |
Einrücken des ausgewählten Ganges: | 60 ms |
Die Synchronisationszeit von 200 ms entspricht dem ungünstigsten Fall wie ei
nem Schaltsprung vom fünften in den ersten Gang. Die meisten Synchronisati
onszeiten bei dem ersten Ausführungsbeispiel sind kürzer als 200 ms. Ein
Schalten vom vierten in den fünften Gang ist mit einer vollständigen Schaltzeit
von einem Gang in den anderen unter 200 ms durchgeführt worden. Zu dem
Schaltgefühl zählt nicht allein die für einen Schaltvorgang benötigte Zeit sondern
auch die Leichtigkeit des Schaltens. Schnelle Synchronisationszeiten lassen sich
durch vollständiges Zuführen der Synchronisationskräfte erzielen, aber als Kon
sequenz ergeben sich verschiedene harte Einrückgeräusche (Krachen) und ein
Abnutzen der Synchronisatoren. Die während des Schaltvorgangs auftretenden
Fahrzeugbedingungen bestimmen die zugeführte Schaltkraft.
Das Antriebssteuermodul 20 steuert die Betätigungsorgansteuerung und die
Schaltsteuerung und führt gleichfalls die Schaltkraftberechnung und die Schutz
routinen durch. Das Antriebssteuermodul 20 ist ein auf einem Mikrocontroller
basierendes Modul, das entsprechende ND-Kanäle, Zeitzähler, digitale Eingän
ge, Pulsweitenmodulatoren (PWMs) und EPROM enthält. Auf der Platine ange
ordnete MOSFET H Brückentreiber gewährleisten bidirektionale Steuerung der
linearen und der Drehbereiche des Betätigungsorgans. Zum Testen ist eine SCI-
Schnittstelle zum Kommunizieren mit einem Laptopcomputer vorgesehen, der ein
einfaches Testen, Kalibrieren und Modifizieren der Parameter im Fahrzeug ge
stattet.
Das Antriebssteuermodul 20 berechnet die optimale Schaltkraft, die das Betäti
gungsorgan 24 zum Synchronisieren des Ganges in der vorgegebenen Zeit be
nötigt. Die für die Berechnung verwendete Standardformel ist:
wobei:
Fs = Synchronisationskraft
Ir = rückwirkende Trägheit des ausgewählten Ganges
µ= dynamischer Reibungskoeffizient
Φ = Konuswinkel des Synchronisators
RC = Hauptkonusradius des Synchronisators
S1 = ausgewählte Ganggeschwindigkeit vor der Synchronisation (Eingangswellengeschwindigkeit geteilt durch das Übersetzungsver hältnis)
S2 = ausgewählte Ganggeschwindigkeit nach der Synchronisation (Ausgangswellengeschwindigkeit)
Kt = Temperaturkompensationsterm
ts = gewünschte Synchronisationszeit.
Ir = rückwirkende Trägheit des ausgewählten Ganges
µ= dynamischer Reibungskoeffizient
Φ = Konuswinkel des Synchronisators
RC = Hauptkonusradius des Synchronisators
S1 = ausgewählte Ganggeschwindigkeit vor der Synchronisation (Eingangswellengeschwindigkeit geteilt durch das Übersetzungsver hältnis)
S2 = ausgewählte Ganggeschwindigkeit nach der Synchronisation (Ausgangswellengeschwindigkeit)
Kt = Temperaturkompensationsterm
ts = gewünschte Synchronisationszeit.
Für das NV3500 manuelle Schaltgetriebe 60 nach dem ersten Ausführungsbei
spiel ist der Konuswinkel Φ des Synchronisators gleich 6,5° und Rc für die fünf
synchronisierten Gänge ist 41,61 mm. Abhängig von den Fahrzeugbedingungen
und dem gewünschten Operationsmodus kann der Wert ts zwischen längstens
200 ms bis hinunter zu dem kürzesten Wert variieren, der durch die Kombination
der Materialkonstanten der Synchronisatoren und das Einrücken der Gänge be
stimmt wird.
Kt ist üblicherweise eine lineare Variable, die umgekehrt proportional der Öltem
peratur in dem Getriebegehäuse ist. Weil ein analoger Temperaturmeßfühler teu
rer ist als ein Thermoschalter, wird die Temperaturänderung in zwei Bereiche
aufgeteilt, über und unter -1°C. Unter dieser Temperatur nimmt die Viskosität des
Öls zu, und der Kt-Wert wird auf 1,25 gesetzt, um die zusätzliche Schaltkraft be
reitzustellen, die für die Synchronisation innerhalb des gewünschten Zeitfensters
benötigt wird. Über -1°C wird der Wert 1,0 für Kt verwendet. Es können auch
mehr als zwei Temperaturbereiche verwendet werden. Es ist auch denkbar, einen
diskreten Temperaturfühler zu verwenden, wodurch die genaue Temperatur in die
Berechnung der Kraft eingeführt werden kann.
Wenn man eine Formel für die gesamte Schaltzeit entsprechend der program
mierten Schaltkraft haben möchte, kann Formel 1 folgendermaßen nach ts aufge
löst werden:
Optimiert man die Schaltzeit auf Geschwindigkeit, kann diese Gleichung mit der
programmierten Schaltkraft Fs zum Berechnen der gesamten Synchronisations
zeiten verwendet werden.
Fig. 4A zeigt eine typische Schaltkraft, die nach der Erfindung zum Schalten des
Getriebes aus einem eingelegten Gang in den Leerlauf verwendet wird. Diese
Schaltkraft ist eine Konstante über die vollständige Distanz von der Position, in
der der Gang eingelegt ist, bis in den Leerlauf. Das kommt von der geringen Be
lastung, die während dieser Art des Schaltens auftritt. Fig. 4B zeigt ein Diagramm
der Schaltkraft, die beim Schalten aus dem Leerlauf in eine Position auftritt, in der
ein Gang eingelegt ist. Die Stärke der Kraft ändert sich entsprechend den Bedin
gungen des Fahrzeugs und des Getriebes, hingegen ist die Form der Kurve kon
sistent für alle synchronisierten Schaltvorgänge. Anfänglich wirkt das Betäti
gungsorgan 24 mit einer Eingangskraft (z. B. 100 N) auf die Schaltstange 62, um
die Schaltnut und die Synchronisatoren so zu bewegen, daß das Spiel der Syn
chronisatoren (die ersten 2 mm der Bewegung der Schaltstange) überwunden
wird. Danach wird die berechnete Synchronisationskraft für den größten Teil der
Fertigstellung des Schaltvorganges verwendet. Eine geringere Endkraft (z. B. 220
N) wird nahe dem Ende der Bewegung angewandt, um zu verhindern, daß die
Schaltstange in ihre Begrenzung läuft. Die Synchronisationskraft, wie in Fig. 4B
gezeigt (zwischen 2 mm und 8,25 mm), wird von dem Antriebssteuermodul vor je
dem Schaltvorgang berechnet. Ein proportionaler Betrag der Kraft wird dann dem
Betätigungsorgan 24 unter Verwenden der PWM (Pulsweitenmodulation) zuge
führt, wie in Fig. 5 gezeigt. Die volle Betätigungskraft (100% Arbeitszyklus) wird
bei dem Schaltsystem 10 niemals verwendet.
Fig. 6 zeigt eine Übersicht über die primären Komponenten des Antriebssteuer
moduls 20. Ein Ausrückmodul 92 empfängt ein elektrisches Eingangssignal ent
sprechend einem ausgewählten Gang von dem Schalthebel 26. Zum Durchführen
eines vollständigen Schaltvorganges muß die Schaltstange 62 zunächst aus ihrer
gegenwärtigen eingerückten Position in eine neutrale Position entsprechend
einem von dem Ausrückmodul 92 übermittelten elektrischen Signal geschaltet
werden. Im folgenden übermittelt (falls notwendig) ein Querschaltmodul 94 ein
elektrisches Signal zum Drehen der Schaltstange 62 in eine andere Neutralstel
lung, die mit der eingerückten Position des ausgewählten Ganges fluchtet. Ein
Einrückmodul 96 übermittelt ein elektrisches Signal zum Schalten der Schalt
stange 62 in die ausgewählte eingerückte Position. Wie vorstehend beschrieben
beinhaltet das Schalten spezifisch drei Betätigungskräfte. Deshalb verändert sich
die Pulsweitenmodulation entsprechend einem ersten elektrischen Signal be
zeichnend für eine Eingangskraft, einem zweiten Signal bezeichnend für die be
rechnete Synchronisationskraft und einem dritten elektrischen Signal bezeichnet
für eine Endkraft.
Ein mit der Kupplung 50 verbundenes Vorwahlmodul 97 verhindert die Übertra
gung dieser Betätigungssignale so lange, bis das Kupplungspedal 52 getreten
worden ist. Zusätzlich überwacht ein Schutzmodul 98 die Wellendrehzahlen und
die Fahrzeuggeschwindigkeit und bestimmt durch Vergleichen dieser Werte mit
vorbestimmten Drehzahl- und Geschwindigkeitswerten eine Schaltbedingung. Das
Schutzmodul 98 verhindert während einer unannehmbaren Schaltbedingung die
Übertragung der Betätigungssignale an das Betätigungsorgan 24. Außerdem ist
ein Kupplungsverriegelungsmodul 99 mit einer Kupplungsverriegelungseinheit 54
verbunden, die das Betätigen der Schaltstange 62 überwacht und damit das Ein
kuppeln verhindert, bis die Schaltstange 62 in den ausgewählten Gang eingerückt
ist.
Die Schaltvorwahl, die Schutzmessungen und die Kupplungsverriegelung werden
jeweils näher erläutert. Die Schaltvorwahl ermöglicht dem Fahrer, den als näch
stes gewünschten, einzulegenden Gang unter Verwenden des Schalthebels 26
auszuwählen. Der vorgewählte Gang wird durch Verschieben des Gangschalthe
bels in die gewünschte Position ausgewählt, ohne daß das Kupplungspedal getre
ten wird. Weil die Kupplung damit noch nicht betätigt ist, nimmt das Schaltsystem
10 von dem gewünschten Gang Kenntnis und wartet auf das Kupplungssignal,
welches das Trennen der Kupplung bezeichnet. Diese Vorwahl kann jederzeit er
folgen, während sich das Fahrzeug in einem beliebigen Gang und mit einer be
liebigen Geschwindigkeit bewegt. Diese Option ist hinzugefügt worden, um das
Einfügen eines automatischen, manuellen Schaltgetriebes zu unterstützen.
Sobald der neue Gang ausgewählt ist, zeigt die Fahreranzeige 30 den gegenwär
tig eingerückten Gang und zeigt gleichzeitig den neuen, ausgewählten Gang
durch eine blinkende Anzeige. Wird die Kupplung ausgekuppelt, führt das Schalt
system 10 automatisch den gewünschten Schaltvorgang bis zum Ende durch.
Wird das Kupplungspedal 62 nur halb getreten, weist das Vorwahlmodul 97 das
Betätigungsorgan 24 zum Schalten aus dem Gang in den Leerlauf an. Sobald das
Kupplungspedal 62 ganz durchgetreten ist, wird der Schaltvorgang durch
Einrücken in den vorgewählten Gang beendet. Während dieser Abfolge über
wacht das Schutzmodul 98 permanent das Fahrzeug und das Getriebe (d. h.
Fahrzeuggeschwindigkeit und Wellendrehzahl), um sichere Arbeitsbedingungen
zu gewährleisten.
Ein hörbarer Piepton zeigt dem Fahrer das Beenden des Schaltvorgangs an. Der
Fahrer weiß dann, daß er die Kupplung 50 einkuppeln kann. Die Schaltsequenz
läßt sich deshalb bereits bei nur halbgetretenem Kupplungspedal 52 beginnen,
um den Anschein eines schneller empfundenen Schaltens zu geben. Das Her
ausschalten aus einem Gang bei losgelassener Kupplung 50 stellt keine Gefahr
für den Fahrer oder das Getriebe dar.
Mit einer Methode der softwareseitigen Steuerung lassen sich die Schutzmessun
gen einfach in das Antriebssteuermodul 20 implementieren. Die Hauptaufgabe für
ein manuell betätigtes Schaltsystem ist das Schalten in Gänge, wenn die Be
dingungen entweder für den Fahrer oder die Mechanik des Getriebes nicht sicher
sind. Mit kräftigen Betätigungsorganen hat der Fahrer wenig Möglichkeiten, wenn
ein Schaltvorgang erst einmal angewählt worden ist.
Herunterschalten ist ein Hauptgrund für das Abnutzen der Synchronisatoren und
unverhältnismäßigen Verschleiß. Z.B. würde ein Herunterschalten vom 5. Gang in
den 1. Gang bei 90 km/h die Synchronisatoren überlasten und möglicherweise
zerstören. Das Schutzmodul 98 überwacht die Fahrzeuggeschwindigkeiten und
die ausgewählten Gänge, um ein Einleiten unsicherer Schaltvorgänge zu verhin
dern. Dabei werden Schalthebelkommandos übergangen. Nach der Erfindung
gestattet das Antriebssteuermodul 20 das Einrücken der folgenden Gänge nur
dann, wenn sich die Getriebeausgangswelle in den folgenden Bereichen befindet:
Sicherer Gangeinrückbereich (Ausgangswelle U/min)
1. Gang: 0 bis 1250 U/min
2. Gang: 0 bis 2150 U/min
3. Gang: 575 bis 3575 U/min
4. Gang: 800 bis 5000 U/min
5. Gang: 1100 bis 6850 U/min
Rückwärtsgang:0 bis 300 U/min
1. Gang: 0 bis 1250 U/min
2. Gang: 0 bis 2150 U/min
3. Gang: 575 bis 3575 U/min
4. Gang: 800 bis 5000 U/min
5. Gang: 1100 bis 6850 U/min
Rückwärtsgang:0 bis 300 U/min
Eine elektronische Steuerung ermöglicht eine Sperre für den Rückwärtsgang, oh
ne daß weitere mechanische Komponenten benötigt werden. Die traditionellen
Feder- und Nockenkomponenten werden nicht weiter benötigt. Diese Funktion
wird durch Überwachen der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Wellengeschwin
digkeiten des Antriebs erfüllt. Wenn sich das Fahrzeug mit einer Geschwindigkeit
der hinteren Ausgangswelle von mehr als 300 U/min vorwärts bewegt, verhindert
die Steuerlogik ein Einlegen des Rückwärtsgangs durch das Betätigungsorgan.
Bei einigen Getrieben ist der Rückwärtsgang zwecks Kosteneinsparung nicht
synchronisiert. Beim schnellen Schalten beim Anhalten in den Rückwärtsgang tritt
dementsprechend ein Krachen auf, weil sich die Ausgangswelle oder die Ein
gangswelle immer noch geringfügig dreht. Das Antriebssteuermodul 20 überwacht
beide Wellengeschwindigkeiten (Eingang und Ausgang), um sicherzustellen, daß
während solcher Bedingungen nicht in den Rückwärtsgang geschaltet wird, bei
denen ein Krachen auftritt.
Eine Kupplungsverriegelungsfunktion ist dem System ebenfalls eingefügt worden,
um ein versehentliches, gleichzeitiges Einkuppeln und Gangeinrücken zu verhin
dern. Weil der Fahrer die Steuerung der Kupplung 50 durchführt, muß das Modul
sicherstellen, daß Fehler des Fahrers nicht die Sicherheit des Systems gefähr
den. Als Kupplungsverriegelungseinheit 54 ist eine Zylinderspule zwischen dem
Kupplungspedal 52 und der Kupplung 50 angeordnet. Zwei Kupplungsschalter
werden verwendet, um zu bestimmen, wann das Kupplungspedal 52 ungefähr
halb getreten ist, und ebenfalls wann die Kupplung 50 nahezu vollständig ausge
kuppelt ist. Die Kupplungsverriegelungseinheit kann auch ein hydraulisches Ventil
mit einem Einwegbypass oder einer ähnlichen Einrichtung sein, die dem Fahrer
ein weiteres Treten der Kupplung bei betätigter Verriegelung gestattet.
Das Kupplungsverriegelungsmodul 99 bestimmt kontinuierlich die Position der
Schaltstange und aktiviert die Kupplungsverriegelungseinheit 54. Es gestattet ein
Einleiten des Gangwechsels nur dann, wenn das Kupplungspedal 52 vollständig
getreten ist. Wenn das Kupplungspedal 52 losgelassen wird, nachdem das Ein
rücken des Ganges eingeleitet worden ist, verhindert die Kupplungsverriege
lungseinheit 54 entweder das Einkuppeln der Kupplung oder verlangsamt dieses,
damit der Schaltvorgang beendet werden kann. Diese Einheit hat ein Rück
schlagventil, damit die Kupplung 50 auch bei aktivierter Kupplungsverriegelungs
einheit 54 getreten werden kann. Sie wird das Betätigen der Kupplung 50 durch
den Fahrer nicht stören.
Fig. 7 bis 16 sind Flußdiagramme und zeigen die Wirkung des Antriebssteuermo
duls 20 nach dem ersten Ausführungsbeispiel. Anfangsschritt 100 bezeichnet den
Beginn der Ausführung der Hauptschleife. Schritt 102 gibt den aktuellen Gang an.
In Schritt 104 wird bestimmt, ob ein neuer Gang entsprechend einem elektrischen
Eingangssignal vom Schalthebel 26 ausgewählt worden ist. Wenn das der Fall ist,
wird im Schritt 106 der Hochschaltpfeilanzeiger in der Fahreranzeige 30
abgeschaltet und anschließend die Schutzroutine 120 durchgeführt. Ist kein neuer
Gang ausgewählt worden, wird im Schritt 108 bestimmt, ob ein Hochschalten not
wendig ist. Wenn die Wellendrehzahl einige vorbestimmte Kriterien überschreitet,
die die Notwendigkeit zum Schalten in den nächsthöheren Gang angeben, wird in
Schritt 110 der Hochschaltpfeilanzeiger eingeschaltet. Andernfalls wird in Schritt
112 der Hochschaltpfeilanzeiger ausgeschaltet. In beiden Fällen wird zurück zum
Beginn der Hauptschleife in Schritt 100 verzweigt.
Fig. 8 zeigt ein Flußdiagramm der Schutzroutine 120 mit den Schritten für das
Schutzmodul 98 und das Vorwahlmodul 97. In Schritt 122 wird die visuelle Anzei
ge für den ausgewählten Gang eingeschaltet, wodurch der Ring um den entspre
chenden Gang auf der Fahreranzeige 30 blinkt. In Schritt 124 wird bestimmt, ob
ein neuer Gang ausgewählt worden ist. Ist dies der Fall, werden in Schritt 126 der
Summer für das Ende des Schaltvorgangs und andere Schaltwarnungen abge
schaltet. Anschließend wird zurück zum Schritt 122 verzweigt. Wenn andererseits
kein neuer Gang ausgewählt worden ist, wird in Schritt 128 der Status der
Fahrzeugzündung bestimmt. Bei eingeschalteter Zündung werden im Schritt 130
Schutzmessungen ausgeführt. Wie vorstehend beschrieben, werden in den
Schutzmessungen in Schritt 130 die Schaltbedingungen durch Vergleichen der
Wellendrehzahl und der Fahrzeuggeschwindigkeit mit vorbestimmten Werten für
den ausgewählten Gang bestimmt. Falls Wellendrehzahl und Fahrzeugge
schwindigkeit in den geeigneten, vorbestimmten Bereichen sind, werden in Schritt
132 der Summer für das Schaltende und andere Fehlerwarnungen abgeschaltet,
bevor der Schaltvorgang fortgesetzt werden kann. Andernfalls wird in Schritt 133
das visuelle Fehlersymbol eingeschaltet und das Symbol für das Auskuppeln auf
der Fahreranzeige 30 ausgeschaltet. Wegen dieser unannehmbaren
Schaltbedingung wird von Schritt 133 zurück zu Schritt 124 verzweigt.
Nach Schritt 132 wird der Schaltvorgang in Schritt 134 fortgesetzt, in dem der
Status der Kupplung bestimmt wird. Weil der Schaltvorgang nicht durchgeführt
wird, bis das Kupplungspedal getreten ist (bei annehmbaren Schaltbedingungen),
kann ein Fahrer den nächsten gewünschten Gang unter Verwenden des
Schalthebels vorwählen. Wenn die Kupplung nicht getreten ist und eine akzepta
ble Schaltbedingung vorliegt, wird in Schritt 136 das Blinken des Symbols Kupp
lungtreten veranlaßt und es wird anschließend zurück zu Schritt 124 verzweigt.
Diese Schleifenlogik ermöglicht dem Fahrer, den nächsten gewünschten Gang
vorzuwählen. Wenn andernfalls bei annehmbaren Schaltbedingungen das Kupp
lungspedal getreten worden ist, wird in Schritt 138 das Symbol Kupplungtreten
abgeschaltet und die Kupplungsverriegelungseinheit betätigt. Der physikalische
Schaltvorgang beginnt in Schritt 150 mit dem Ausrücken.
Wenn in Schritt 128 die Zündung als ausgeschaltet erkannt wird, werden in
Schritt 140 der Summer für das Schaltende und andere Schaltwarnungen ausge
schaltet. Als nächstes wird in Schritt 142 bestimmt, ob der nächste gewählte Gang
der Leerlauf ist, und falls das der Fall ist, wird zur Hauptschleife in Schritt 100 zu
rückverzweigt. Wenn der nächste ausgewählte Gang nicht der Leerlauf ist und die
Fahrzeuggeschwindigkeit nicht Null ist, wird von Schritt 144 zurück zur Schutz
routine in Schritt 120 geführt. Ist hingegen die Fahrzeuggeschwindigkeit Null,
dann folgt als nächstes in Schritt 150 das Ausrücken.
Die Ausrückroutine 150 erzeugt, wie in Fig. 9 gezeigt das Signal zum Betätigen
der Schaltstange aus ihrer gegenwärtigen eingerückten Stellung in eine Leer
laufstellung. In Schritt 152 wird bestimmt, ob die Schaltstange in einer Leerlauf
stellung ist. Ist das der Fall, folgt die Querschaltroutine in Schritt 160. Ist die
Schaltstange nicht in einer Leerlaufstellung, wird in Schritt 154 ein elektrisches
Signal zum Bewegen der Schaltstange in eine Leerlaufstellung übertragen. In
Schritt 156 wird überprüft, ob die Schaltstange ihre bezweckte Leerlaufstellung
erreicht hat, bevor in Schritt 158 das an das Betätigungsorgan 24 übertragene
elektrische Signal unterbrochen wird. Ein entsprechend abgeleitetes Kontroll
schema, wie in Fig. 16 gezeigt, wird dazu verwendet, um das Betätigungsorgan
auf die gewünschte Leerlaufstellung zu positionieren. Nach Schritt 158 folgt bei
dem Schaltvorgang die Querschaltroutine in Schritt 160.
In Fig. 10 überträgt die Querschaltroutine 160 ein elektrisches Signal (falls not
wendig), um die Schaltstange in eine andere Leerlaufstellung zu drehen, die mit
der Einrückposition für den ausgewählten Gang fluchtet. Wenn z. B. die Schalt
stange gegenwärtig in der Leerlaufstellung B (zum und 3. und 4. Gang gehörig)
ist, muß sie im Uhrzeigersinn in die Leerlaufstellung A gedreht werden, wenn der
ausgewählte Gang entweder der 1. oder 2. Gang ist. In Schritt 162 wird bestimmt,
ob der ausgewählte Gang der Leerlauf ist. Ist das der Fall, folgt als nächstes die
Einrückroutine 190 (weil die Schaltstange nicht betätigt zu werden braucht).
Wenn die Schaltstange hingegen nicht in einer Leerlaufstellung ist, wird in Schritt
164 bestimmt, ob der neu ausgewählte Gang der 1. oder der 2. Gang ist. Ist das
der Fall, dann wird in Schritt 166 bestimmt, ob die Schaltstange in der
Leerlaufstellung A ist. Befindet sich die Schaltstange gegenwärtig in der Leerlauf
stellung A, folgt als nächstes die Einrückroutine 190. Andernfalls wird in Schritt
168 die Leerlaufstellung auf (X=)A gesetzt und es folgt als nächstes Schritt 180.
Ist der ausgewählte Gang nicht der erste oder der zweite Gang, wird in Schritt 170
bestimmt, ob der ausgewählte Gang der 3. oder der 4. Gang ist. Ist das der Fall,
wird in Schritt 172 bestimmt, ob die Schaltstange in der Leerlaufstellung B ist.
Befindet sich die Schaltstange gegenwärtig in der Leerlaufstellung B, folgt als
nächstes die Einrückroutine 190. Andernfalls wird in Schritt 174 die
Leerlaufstellung auf (X=)B gesetzt, und es folgt als nächstes Schritt 180. Wenn
der ausgewählte Gang nicht der 3. oder 4. Gang ist, wird in Schritt 176 der ausge
wählte Gang als der 5. oder Rückwärtsgang angenommen. In Schritt 178 wird als
nächstes bestimmt, ob die Schaltstange in der Leerlaufposition C ist. Ist das der
Fall, folgt als nächstes die Einrückroutine 190. Andernfalls wird in Schritt 179 die
Leerlaufstellung auf (X=)C gesetzt, und es folgt als nächstes der Schritt 180.
In Schritt 180 wird ein elektrisches Signal übertragen, wodurch die Schaltstange
in die vorgegebene Position X gedreht wird. In Schritt 182 wird überprüft, ob die
Schaltstange bereits in die Stellung X gedreht worden ist. Ist das nicht der Fall,
wird zurück zu Schritt 180 verzweigt. Wieder wird ein von dem in Fig. 16 gezeig
ten proportional abgeleitetes Steuerschema verwendet, um das Betätigungsorgan
in seine gewünschte Leerlaufstellung zu stellen. Nachdem die Schaltstange die
Stellung X erreicht hat, wird in Schritt 184 das Betätigungsorgan abgeschaltet.
Anschließend folgt die Einrückroutine 190.
Nach Fig. 11 erzeugt die Einrückroutine 190 ein Signal zum Betätigen der
Schaltstange in die ausgewählte Einrückposition. In Schritt 192 wird bestimmt, ob
der ausgewählte Gang der Leerlauf ist. Ist das der Fall, folgt als nächstes in
Schritt 270 eine Routine für das Schaltende (weil die Schaltstange nicht betätigt
werden muß). Ist der ausgewählte Gang hingegen nicht der Leerlauf, wird in
Schritt 194 die Drehzahl der Eingangswelle (ISS) und die Drehzahl der Aus
gangswelle (QSS) berechnet. Abhängig von dem ausgewählten Gang wird in
Schritt 196 bestimmt, ob die Schaltgabel des Betätigungsorgans zum Einlegen
des Ganges vorwärts oder rückwärts bewegt werden muß. In Schritt 198 wird die
Schaltgabel zurückbewegt (wenn der ausgewählte Gang der 1., 3. oder 5. ist).
Hingegen wird in Schritt 200 die Schaltgabel vorwärts bewegt. In beiden Fällen
folgt als nächstes Schritt 202. In Schritt 202 werden verschiedene Konstanten
kontrolliert, u. a. die Geschwindigkeitskonstante (K1), die Kraftkonstante oberhalb
-1° (K2), die Kraftkonstante unterhalb -1° (K3), die minimale Synchronisationskraft
usw. Diese Konstanten sind in einem dem Antriebssteuermodul 20 zugeordneten
EPROM gespeichert. In Schritt 204 wird die Drehzahldifferenz zwischen der
Eingangswelle und der Ausgangswelle berechnet, bevor der Ablauf in Schritt 206
in Fig. 12 fortgesetzt wird.
Nach Schritt 206 wird in Schritt 208 die Öltemperatur des Fahrzeugmotors be
stimmt. Ist die Öltemperatur größer als -1°C, wird in Schritt 210 die Synchronisati
onskraft unter Verwenden von K2 berechnet. Danach wird in Schritt 212 bestimmt,
ob diese berechnete Synchronisationskraft einen vorbestimmten Minimalwert für
die Kraft überschreitet. Ist das der Fall, folgt als nächstes Schritt 222. Andernfalls
wird die Synchronisationskraft in Schritt 214 auf diese Minimalkraft gesetzt, bevor
der Schritt 222 folgt. Entsprechend wird in Schritt 216 die Synchronisationskraft
unter Verwenden von K3 berechnet, wenn die Öltemperatur unter -1°C ist. In
Schritt 218 wird bestimmt, ob die berechnete Synchronisationskraft einen
Minimalwert für die Kraft übersteigt. Ist das der Fall, folgt Schritt 222. Andernfalls
wird die Synchronisationskraft in Schritt 220 auf die Minimalkraft gesetzt, bevor
Schritt 222 folgt. In Schritt 222 wird ein Zeitmesser für das Einrücken gestartet,
die Schaltstangenbremse wird gelöst und der Pulsweitenmodulator wird
angesteuert, um das lineare Betätigen der Schaltstange mit einer vorbestimmten
Anfangskraft zu beginnen. In Schritt 224 wird die Position der Schaltstange von
einem Sensor ermittelt, um in Schritt 226 die Schaltstangenposition in Bezug auf
eine vorbestimmte Anfangsstrecke zu bestimmen. Wenn die Schaltstange diese
Anfangsstrecke zurückgelegt hat, folgt der Schritt 230. Andernfalls wird in Schritt
228 die vergangene Einrückzeit bestimmt. Wenn die vergangene Zeit kleiner als
12 ms ist, wird zurück zu Schritt 224 verzweigt. Ist die vergangene Zeit größer als
12 ms, wird als nächstes der Schritt 230 ausgeführt. In Schritt 230 wird damit be
gonnen, die berechnete Synchronisationskraft durch Setzen des Pulsweitenmodu
lators auf den entsprechenden Ausgangswert auf die Schaltstange auszuüben.
Schritt 232 stellt den Übergang zu Fig. 13 dar.
In Schritt 234 bestimmt ein Meßfühler die Position der Schaltstange, um diese in
Schutt 236 mit einer vorbestimmten Synchronisationsstrecke zu vergleichen.
Wenn die Schaltstange diese Strecke noch nicht zurückgelegt hat, wird in Schritt
238 die vergangene Einrückzeit bestimmt. Wenn die vergangene Einrückzeit klei
ner als 400 ms ist, wird zurück zu Schritt 234 verzweigt. Andernfalls zeigt die ver
gangene Zeit einen Fehler im Schaltvorgang, und es folgt Schritt 240. Wenn in
Schritt 240 die vergangene Einrückzeit kleiner als 480 ms erkannt wird, wird in
Schritt 242 das Ausgangssignal des Pulsweitenmodulators unterbrochen, und es
folgt Schritt 234. Eine 480 ms überschreitende Einrückzeit läßt Schritt 244 folgen.
Wieder wird die vergangene Einrückzeit bestimmt, und wenn sie kleiner als 860
ms ist, wird in Schritt 246 das Ausgangssignal des Pulsweitenmodulators auf ei
nen Maximalwert gesetzt. Danach wird zurück zu Schritt 234 verzweigt. Andern
falls folgt der Schritt 264, in dem der Pulsweitenmodulator abgeschaltet, die
Bremse angezogen, die Kupplungsverriegelungseinheit gelöst und der Einrück
zeitgeber und der Endzeitgeber zurückgesetzt werden. Danach wird zurück zur
Hauptschleife in Schritt 100 verzweigt.
Sobald die Schaltstange die Synchronisationsstrecke zurückgelegt hat, wird in
Schritt 250 ein Endzeitgeber gestartet und der Pulsweitenmodulator zum Erzeu
gen einer Endkraft angesteuert, die die endgültige Kraft zum Bewegen der
Schaltnut in den Gang ist. Ein Meßfühler ermittelt in Schritt 252 die Stellung der
Schaltstange, um in Schritt 254 zu bestimmen, ob die Schaltstange in den ausge
wählten Gang eingerückt ist. Wenn der ausgewählte Gang eingerückt ist, wird in
Schritt 256 der Pulsweitenmodulator abgeschaltet, die Bremse angezogen und
die Zeitgeber für die Einrückzeit und für die Endzeit zurückgesetzt. Danach folgt
in Schritt 270 die Routine für das Beenden des Schaltvorgangs. Wenn der aus
gewählte Gang nicht eingerückt ist, wird in Schritt 258 die vergangene Einrückzeit
bestimmt. Wenn diese Zeit 980 ms überschreitet, folgt Schritt 264. Andernfalls
wird in Schritt 260 die Endzeit bestimmt. Wenn die vergangene Endzeit 100 ms
überschreitet, wird in Schritt 262 der Pulsweitenmodulator zum Erzeugen einer
höheren Endkraft (d. h. 900 N) angesteuert, wodurch sichergestellt wird, daß der
Gang eingerückt wird. Danach wird zu Schritt 252 zurückverzweigt. Andernfalls
wird direkt zu Schritt 252 zurückverzweigt.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel für den vorstehend beschriebenen Ablauf
nach Fig. 13 ist in Fig. 14 gezeigt. Der Ablauf stimmt bei diesem Ausführungsbei
spiel abgesehen von den Schritten 266 und 268 (ähnlich den Schritten 234 und
236 nach Fig. 13) mit dem Vorgenannten überein. Anstelle der Überwachung der
Schaltstangenstellung wird bei diesem Ausführungsbeispiel die Drehzahl der
Eingangswelle mit der Drehzahl der Ausgangswelle verglichen, um dadurch zu
bestimmen, wann die Synchronisation erfolgt. Ein Meßfühler bestimmt die Dreh
zahlen der Eingangswelle und der Ausgangswelle in Schritt 266. In Schritt 268
werden diese Werte miteinander verglichen. Der übrige Ablauf entspricht dem an
hand Fig. 13 beschriebenen.
Obwohl der Gangwechsel damit physikalisch beendet ist, müssen, wie in Fig. 15
gezeigt, noch einige Funktionen in der Schaltendroutine 270 beendet werden. In
Schritt 272 wird die Kupplungsverriegelungseinheit abgeschaltet, wird die Fehler
anzeige abgeschaltet, wird ein hörbares Signal von dem Summer für das Schalt
ende erzeugt, wird die sichtbare Anzeige für den vorhergehend ausgewählten
Gang abgeschaltet und eine sichtbare Anzeige für den gegenwärtig ausgewählten
Gang eingeschaltet. In Schritt 274 wird bestimmt, ob ein neuer Gang ausgewählt
worden ist. Bei Auswahl eines neuen Ganges wird in Schritt 276 die Einkuppel
warnung abgeschaltet, und es folgt die Schutzroutine 120. Andernfalls wird in
Schritt 278 der Status der Kupplung überprüft. Wenn die Kupplung nicht einge
kuppelt ist, wird in Schritt 280 die Einkuppelwarnung dem Fahrer mit einem Blink
licht übermittelt, und es folgt dann der Schritt 274. Ist die Kupplung hingegen ein
gekuppelt, wird in Schritt 282 die Einkuppelwarnung ausgeschaltet. Wenn der
vormals ausgewählte Gang in Schritt 284 als Leerlauf bestimmt wird, kehrt der
Ablauf zur Hauptschleife in Schritt 100 zurück. Andernfalls wird in Schritt 286 eine
Wartezeit vorgegeben, damit die Kupplung einkuppeln und der Antriebsstrang
antreiben kann. Wenn ein neuer Gang während dieser Wartezeit ausgewählt
worden ist, wird in Schritt 288 die Wartezeit abgebrochen, und es wird zurück zur
Hauptschleife in Schritt 100 verzweigt. Falls kein neuer Gang ausgewählt worden
ist, wird die Wartezeit nicht abgebrochen, und es wird in Schritt 290 überprüft, ob
die Eingangs- und Ausgangsgeschwindigkeiten dem eingelegten Gang entspre
chen. Bei korrektem Betrieb werden in Schritt 292 die Fehlerwarnungen abge
schaltet, und es folgt die Hauptschleife in Schritt 100. Bei nicht korrektem Betrieb
werden in Schritt 294 die Fehlerwarnungen eingeschaltet, bevor zurück zur
Hauptschleife in Schritt 100 geführt wird.
Letztlich muß das Synchronisatordesign sorgfältig bei jedem automatisierten
Schaltschema berücksichtigt werden und im einzelnen auch bei dem Schaltsy
stem nach der Erfindung. Ein Getriebe für normales mechanisches Schalten ist für
die spezifischen typischen Schaltkräfte und die Schaltkräfte entwickelt, die im-
ungünstigsten Fall durch den Fahrer und den Schalthebel erzeugt werden kön
nen. Das zusätzliche Einfügen von hydraulischen oder elektromechanischen Be
tätigungsorganen kann Schaltkräfte über und unter denen erzeugen, die bei dem
Originalaufbau auftreten. Fehlerhafte Berücksichtigung der am Synchronisator
auftretenden Kräfte und der Energiedichten kann zu vorzeitiger Abnutzung der
Synchronisatoren und zu einem krachenden Schalten führen.
Die idealen Schaltzeiten für das Schaltsystem 10 wären so klein wie möglich z. B.
< 50 ms. Dadurch würde sich ein System ergeben, bei dem kein Versatz zwischen
den mit dem Schalthebel gegebenen Fahreranweisungen und der Reaktion des
Antriebs empfunden wird. Bei vollautomatisierten manuellen Schaltgetriebesy
stemen sind Unterbrechungen des Drehmoments stark merkbar, besonders im
Vergleich mit einem konventionellen Automatikgetriebe. Um diesen mehr oder
weniger idealen Schaltzeiten nahezukommen, müßten die Synchronisationszeiten
(nur ein Teil der gesamten Schaltzeit) sehr klein sein. Das Verwenden eines
kraftvollen (hydraulischen) Betätigungsorgans könnte dieses Ziel mit oder ohne
rauhe Einrückgeräusche erfüllen. Wenn ständig hohe Energiedichten an den Koni
der Synchronisatoren bei allen Schaltvorgängen auftreten, ist eine übermäßige
Axialabnutzung der Synchronisatoren die Folge, was zu einer verringerten
Lebensdauer und Leistung führt.
Die Synchronisatorabnutzung hängt vorrangig von dem Typ des Reibungsüber
zugsmaterials der Synchronisatoren und von der Energiedichte der auftretenden
Reibung ab. Einige verwendete typische Materialien sind Kupfer, Papier, Molyb
dän und gesinterte Reibungsüberzüge. Wenn höhere Schaltkräfte bei dem
Schaltsystem 10 auftreten als üblich, sollte der Typ des Synchronisatormaterials
überdacht werden. Kupfer hat Verschleißwerte am unteren Ende der Leistungs
kurven, während gesintertes Material sehr gute Verschleißcharakteristik hat. Das
erste Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet die gleichen Synchronisato
ren wie die Serienversion des Getriebes. Diese sind aus gesinterter Bronze.
Keine weiteren Besonderheiten traten aufgrund der möglicherweise höheren
Schaltkräfte auf, die das Schaltsystem 10 verwendet. Wenn Papier verwendet
worden wäre, müßte der Synchronisatoraufbau überdacht werden.
Weil das Schaltsystem funktionell als mechanisches, manuelles Schaltgetriebe
arbeitet, gibt es damit keine dem System zugeordnete elektronische Motorsteue
rung oder elektronische Kupplungssteuerung. Deshalb muß der Fahrer beim
Schalten nicht nur die Kupplung steuern, sondern er muß außerdem das Gaspe
dal beim Schalten bedienen. Beim Auskuppeln muß der Fahrer immer noch vom
Gaspedal gehen, um ein Aufheulen des Motors zu verhindern. Es ist denkbar, das
Schaltsystem 10 nach der Erfindung mit einem automatischen Kuppelsystem und
anderen Motorsteuersystemen zu versehen.
Das Schaltsystem 10 läßt sich bei vielen verschiedenen Typen manueller Schalt
getriebe verwenden. Z.B. kann für ein Getriebe mit drei Schaltstangen der gleiche
Steuerablauf mit geringfügiger Abänderung verwendet werden, um die Betäti
gungssignale zu den drei mit den entsprechenden Schaltstangen jeweils verbun
denen Betätigungsorganen zu übertragen. Die Anzahl und der Typ der verwen
deten Betätigungsorgane kann genau so wie die Einbeziehung der Kupplung für
das Schaltsystem nach der Erfindung abhängig von der Anordnung des Antriebs
variieren. Zusätzlich lassen sich mechanische Abwandlungen zum Verbessern
der Schaltgeschwindigkeiten an dem Getriebe vornehmen, wie z. B. das Verwen
den von Doppelkonussynchronisatoren und verbesserten Betätigungsorganen.
Für die meisten automatisierten manuellen Anwendungen werden kleinere Getrie
begehäuse als das für das Schaltsystem nach dem ersten Ausführungsbeispiel
verwendet. Obwohl dieses Getriebe zu einem Kleinlaster gehört als Anwendung
für ein Nutzfahrzeug, betreffen die meisten automatisierten manuellen Anwen
dungen die kleinen und mittleren Autogruppen. Diese Verringerung der Getriebe
größe bedeutet eine geringere Getriebe-, Wellen- und Kupplungsträgheit, wo
durch sich geringere Synchronisationsbelastungen ergeben. Außerdem verringert
sich die Größe des Betätigungsorgans.
Claims (16)
1. Vorrichtung zum Unterstützen eines elektronisch gesteuerten Schaltsystems
für ein Getriebe (60) eines Motorfahrzeugs, mit einem Schalthebel (26) zum
Auswählen eines Ganges, mit einem Betätigungsorgan (24), mit einem mit
dem Schalthebel (26) verbundenen Einleitmodul, das von diesem ein
elektrisches Eingangssignal entsprechend dem ausgewählten Gang emp
fängt und das ein erstes elektrisches Signal entsprechend einer An
fangskraft überträgt, mit einem mit dem Einleitmodul verbundenen Syn
chronisationsmodul, das eine Synchronisationskraft bestimmt und das ent
sprechend dieser Synchronisationskraft ein zweites elektrisches Signal
überträgt, und mit einem mit dem Synchronisationsmodul verbundenen Ab
schlußmodul, das ein drittes elektrisches Signal entsprechend einer Endkraft
überträgt, wobei das Betätigungsorgan (24) eine Schaltstange (62) des Ge
triebes (60) entsprechend dem ersten Signal, dem zweiten Signal und dem
dritten Signal betätigt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ge
triebe eine Kupplung (50) verbunden ist, die ein Kupplungspedal (52) und
zwischen diesem und der Kupplung (50) damit verbunden eine Kupplungs
verriegelungseinheit (54) hat, und daß mit der Kupplungsverriegelungsein
heit (54) ein Kupplungsverriegelungsmodul (99) verbunden ist, das das
Einkuppeln solange verhindert, bis die Schaltstange (62) in den ausgewähl
ten Gang eingerückt ist, indem die Betätigung der Schaltstange (62) über
wacht wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Betä
tigungsorgan (24) und mit der Kupplung (50) ein Vorwahlmodul (97) ver
bunden ist, das das Übertragen des ersten Signals, des zweiten Signals und
des dritten Signals verhindert, bis das Kupplungspedal (52) getreten ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß mit dem Getriebe (60) ein Schutzmodul (98) verbunden ist,
das mindestens eine Wellendrehzahl des Getriebes und eine Fahrzeugge
schwindigkeit des Fahrzeugs überwacht, das durch Vergleichen der Wellen
drehzahl und der Fahrzeuggeschwindigkeit mit einer vorbestimmten Wel
lendrehzahl und mit einer vorbestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit für den
ausgewählten Gang eine Schaltbedingung bestimmt und das das Übertra
gen des ersten Signals, des zweiten Signals und des dritten Signals wäh
rend einer unannehmbaren Schaltbedingung verhindert.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutz
modul (98) durch Vergleichen der Wellendrehzahl und der Fahrzeugge
schwindigkeit mit einem vorbestimmten Akzeptanzbereich von Wellendreh
zahlen für den ausgewählten Gang und mit einem vorbestimmten Ak
zeptanzbereich von Fahrzeuggeschwindigkeiten für den ausgewählten Gang
eine Schaltbedingung bestimmt und das das Übertragen des ersten Signals,
des zweiten Signals und des dritten Signals verhindert, wenn die
Wellendrehzahl außerhalb des vorbestimmten Akzeptanzbereichs der Wel
lendrehzahlen liegt oder wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit außerhalb des
vorbestimmten Akzeptanzbereichs der Fahrzeuggeschwindigkeiten liegt.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß mit dem Schalthebel (26) ein Ausrückmodul (92) verbunden
ist, das das elektrische Eingangssignal empfängt und das ein Ausrücksignal
überträgt, dem entsprechend das Betätigungsorgan (24) die Schaltstange
(62) aus einem aktuellen Gang in eine erste Leerlaufstellung schaltet, und
daß mit dem Ausrückmodul (92) ein Querschaltmodul (94) verbunden ist,
das ein Querschaltsignal überträgt, dem entsprechend das Betätigungsor
gan (24) die Schaltstange (62) aus der ersten Leerlaufstellung in eine zweite
Leerlaufstellung schaltet.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Betäti
gungsorgan (24) die Schaltstange (62) in Axialrichtung aus einem aktuellen
Gang in eine erste Leerlaufstellung entsprechend dem Ausrücksignal ver
schiebt.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Getriebe ein manuelles Mehrganggetriebe (60) ist, daß
der Schalthebel (26) manuell betätigbar ist, und daß das Betätigungsorgan
(24) zweifach bewegbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Kupplung (50) mechanisch betätigbar ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Synchronisationskraft unter Verwenden eines ersten
Temperaturkompensationsterms bestimmt wird, wenn die Öltemperatur über
einem Grenzwert liegt, und daß ein zweiter Temperaturkompensationsterm
verwendet wird, wenn die Öltemperatur unter dem Grenzwert ist.
11. Verfahren zum Schalten eines elektronisch gesteuerten Schaltsystems für
ein Getriebe (60) eines Motorfahrzeugs, bei dem eine Synchronisationskraft
zum Verschieben einer Schaltstange (62) des Getriebes (60) aus einer
Leerlaufstellung in einen ausgewählten Gang bestimmt wird, bei dem eine
Anfangskraft zum Bewegen der Schaltstange (62) aus der Leerlaufstellung
in eine Vorsynchronisationsstellung zugeführt wird, wodurch das Synchroni
satorspiel aufgenommen wird, bei dem die Synchronisationskraft zum Betä
tigen der Schaltstange (62) zugeführt wird, um diese aus der Vorsynchroni
sationsstellung in den ausgewählten Gang zu schalten, und bei dem zum
Erleichtern des Einrückens der Schaltstange (62) in den ausgewählten Gang
eine Endkraft zugeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem ma
nuell betätigbaren Schalthebel (26) ein Gang ausgewählt wird, dem der
Gang entspricht, den die Schaltstange (62) des Getriebes (60) einlegt, und
daß vor dem Bestimmen einer Synchronisationskraft eine mechanisch betä
tigte Kupplung (50) ausgekuppelt wird, um den Schaltvorgang einzuleiten.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die mecha
nisch betätigte Kupplung (50) einen Kupplungsverriegelungsmechanismus
hat, der das Einkuppeln verhindert, so lange die Schaltstange (62) noch
nicht in den ausgewählten Gang eingerückt ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Wellendrehzahl des Getriebes (60) und eine Fahrzeuggeschwin
digkeit des Fahrzeugs überwacht wird, daß durch Vergleichen der Wellen
drehzahl und der Fahrzeuggeschwindigkeit mit einer vorbestimmten Wel
lendrehzahl und mit einer vorbestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit für den
ausgewählten Gang eine Schaltbedingung bestimmt wird, und daß der
Gangwechsel während einer nicht annehmbaren Schaltbedingung verhindert
wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaltstange (62) aus einem aktuellen Gang in eine erste Leerlauf
stellung geschaltet wird, und daß die Schaltstange (62) in eine zweite Leer
laufstellung geschaltet wird, aus der die Schaltstange (62) in den ausge
wählten Gang geschaltet werden kann, bevor die Anfangskraft zugeführt
wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet,
daß beim Bestimmen der Synchronisationskraft außerdem eine Öltemperatur
bestimmt wird, und daß die Synchronisationskraft unter Verwenden eines
ersten Temperaturkompensationsterms berechnet wird, wenn die Öltempe
ratur über einem Grenzwert liegt, und daß ein zweiter Temperaturkompen
sationsterm verwendet wird, wenn die Öltemperatur unter dem Grenzwert
liegt.
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