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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Schalten von Getrieben mit Schaltelementen wie z.B. Klauenkupplungen.
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Bei Motorrad-, Pkw, NKW-, Hybrid-
oder leistungsverzweigten Überlagerungsgetrieben
mit formschlüssigen
Schaltelementen wie z.B. Klauenschaltung stellt sich das Problem,
daß eine
statistisch hohe Wahrscheinlichkeit besteht, daß die Klauenzähne zum
Zeitpunkt der Schaltung eine „Kopf-
an Kopf-Stellung" aufweisen.
Hierdurch wird die Schaltablauf nachhaltig gestört, der Kraftfluss teilweise
unterbrochen und die Schaltzeit verlängert. Die Lebensdauer sinkt
und der Verschleiß steigt,
weil zum einen das harte Auftreffen der Klauenzähne eine hohe hertzsche Linienpressung
erzeugt, zum anderen, weil durch unzulässig hohe Differenzdrehzahlen,
Abweisen, Prellen und Kratzen eine gegenseitige Materialabtragung
stattfindet.
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Die
DE 25 13 186 C2 zeigt eine Vorrichtung zum
automatischen Wechseln der Gänge
in einem synchronisierten Getriebe, die erkennt, wenn das Einlegen
des Ganges auf Grund einer Zahn auf Zahn Stellung nicht möglich ist,
und in diesem Fall ein stoßartiges
Schließen
der Kupplung bewirkt, um ein Einschalten zu ermöglichen.
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Aus der
DE 34 46 430 A1 ist bereits
ein Zahnrad-Schaltgetriebe bekannt, bei dem ein Schaltvorgang nach
Anforderung automatisch durchgeführt
wird. Um eine „Zahn-auf-Lücke" Position zu erkennen
und daraufhin einen Schaltvorgang auszulösen wird die Stellung von Schaltelementen,
dort Kupplungsverzahnung und Gegenverzahnung einer Schaltmuffe,
durch entsprechend angeordnete Sensoren erkannt. Gegebenenfalls bei
der Wahl des optimalen Schaltzeitpunktes zusätzlich die Trägheit eines
Stellzylinders für
die Schaltmuffe wie auch die Beschleunigung oder Verzögerung der
Zahnräder
ermittelt und berücksichtigt
werden.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik
ist es Aufgabe der Erfindung, eine solche Kopf- an Kopf-Stellung
zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Es wird vorgeschlagen,
daß eine
die Winkellage von Schaltelementen wie z.B. Klauenkupplungen in
einem Getriebe, mit Hilfe von Sensorik, Steuerelektronik, Berechnungsverfahren
und Regelungsabläufe
vor der eigentlichen Schaltung so ausgerichtet werden, daß Klauen
auf Zahnlücken
stehen und die Schaltung nahezu kraft- und verzögerungsfrei abläuft.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
enthalten.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand
des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Getriebeschema für
ein CVT mit einem Überlagerungsgetriebe
mit Klauenkupplung,
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2 ein
Diagramm des Verlaufes einer Übersetzung
des CVT zu einer Gesamtübersetzung,
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3 eine
schematische Darstellung der Drehwinkel und der Drehzahl einer Bereichsschaltung,
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4 eine Übersetzung
in einem Getriebe und einen Zusammenhang zwischen Drehrichtung und
relative Winkeländerung,
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5 eine
aktive Winkelsynchronisation durch gezieltes "Hinauszögern" des Synchronzeitpunktes, 6 eine aktive Winkelsynchronisation
mit: Einregelung einer "Kopf
auf Lücke"-Stellung und
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7 eine Übersicht über ein
System zur Messung von Geschwindigkeit und Rotation eines rotierenden
Bauteiles
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1 zeigt
ein leistungsverzweigtes CVT mit Überlagerungsgetriebe 1.
Bei diesem Antriebskonzept kann die Gesamt-Übersetzung i mit Hilfe des Überlagerungsgetriebes 1 ohne
Anfahrkupplung und ohne Zugkraftunterbrechung verändert werden
(„Geared
Neutral"). In einem
definierten Zustand, nämlich
bei Drehzahlgleichheit (Synchrondrehzahl), werden zwei Klauenkupplungen
K1 und K2 nahezu zeitgleich geschaltet, um eine Leistungszweig-Umschaltung
zu vollziehen. Eine erste Klauenkupplung K1 schaltet bei Synchrondrehzahl
in einen neuen Leistungszweig, während
eine zweite Klauenkupplung K2 geöffnet
wird, um einen über einen
Rädersatz 3 führenden
alten Leistungszweig zu verlassen. Im Beispiel nach 1 wird nach dem Öffnen der Klauenkupplung K2
der Leistungszweig von einem Umschlingungs-CVT 4 auf einen
Planetenradsatz 5 übertragen.
Die Antriebsdrehzahl nein wird durch die
Gesamtübersetzung
i auf die Abtriebsdrehzahl nab an einem
Hohlrad 8 des Überlagerungsgetriebes 1 gewandelt.
Eine nicht gezeigte Steuerelektronik mit Drehzahlerfassung und Drehzahlregelung überwacht
den zeitlichen Ablauf dieser Bereichsumschaltung und schaltet die Klauenkupplungen
K1, K2 zum jeweils günstigsten
Zeitpunkt zu bzw. ab. Bei einer Übersetzung
am Umschlingungs-CVT 4 von ca. iCVT =
1.5 wird in diesem Beispiel ein Anfahrpunkt 9 (vgl. Diagramm
nach 2) erreicht, mit
dem ohne Anfahrkupplung angefahren wird. Das Umschlingungs-CVT 4 verstellt
die Übersetzung
vom Anfahrpunkt 9 zu einem Schaltpunkt 10 von
iCVT = 1.5 auf iCVT =
0.5. Genau zum Schaltpunkt 10 verschwinden die Differenzdrehzahlen
sowohl an der Klauenkupplung K1 als auch an der Klauenkupplung K2.
Die Klauenkupplung K1 kann dann geschlossen und die Klauenkupplung
K2 ohne kraftfrei geöffnet
werden.
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Das Problem einer solchen Bereichsumschaltung
liegt darin, daß mit
konventionellen Methoden nur die Drehzahlgleichheit von Kupplungshälften der
Klauenkupplungen K1, K2 gewährleistet
bzw. gemessen werden kann. Die Winkelsynchronisation, nämlich das
Ausrichten von Klauenzahn zu Klauenlücke fehlt. Der für die Klauenschaltung
günstigste
Fall, nämlich
daß Klauenzahn
auf die Lücke
fällt,
tritt nur selten auf und wenn, dann nur zufällig. Durch vorzeitiges Zuschalten
der ersten Klauenkupplung (also noch vor Erreichen der Synchrondrehzahl)
erleichtert man durch die geringe Differenzdrehzahl das Einfädeln in
die Lücke.
Jedoch sind die Drehwinkel beider Leistungszweige genau wie deren
Drehzahlen nicht unabhängig
voneinander. Glückt das
Einfädeln
vor Erreichen der Synchrondrehzahl, d.h. bei vorzeitig eingelegten
Schaltklauen, so entsteht nicht selten eine unerwünschte Verspannung
im Antriebsstrang, da beide Leistungszweige plötzlich auf die eingeprägte Synchrondrehzahl „gezwungen" werden. Diese Verspannung
erschwert zum einen das Auslegen der Kupplung K2, zum anderen verursacht
dieser Zustand eine Störung
in der kontinuierlichen Übersetzungsverstellung.
Dies führt
nicht nur zu Komforteinbußen,
sondern auch zu Funktions- und Reglerstörungen, denn die Verspannung
wirkt sich als Störgröße auch
auf die Drehzahlregelung negativ aus.
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Aktive Winkelsynchronisation
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Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren
zur Messung und Auswertung von Relativbewegungen und Relativlagen
von Klauenkupplungen bzw. deren Schaltklauen vorgeschlagen, bei
dem aus Drehzahlsensoren Informationen zur Relativlagenermittlung
herangezogen wird. Durch die Verwendung bekannter Randbedingungen
bei der Verknüpfung
der Sensorinformationen wird mit einfachen Mitteln und mit geringem
Aufwand hinsichtlich der Sensorbestückung und des Meßverfahrens,
die Winkellage der Schaltzähne
bzw. Schaltlücken
berechnet. Durch die ständige
Aktualisierung der relativen Rotationsgeschwindigkeit, Rotationsbeschleunigung
und Winkelstellung wird eine Vorausberechnung der Winkelstellung
möglich.
Durch das Einbinden der aktuellen und zukünftigen Schaltklauenstellung
in die Drehzahlregelung wird schließlich neben der üblichen
Drehzahlsynchronisierung auch eine aktive Winkelsynchronisierung
erreicht und eine schnelle, störungsfreie,
verschleißarme
und funktionssichere Klauenschaltung gewährleistet.
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Die Grundlagen für diese Idee ist im Beispiel
nach 3 dargestellt. Hier
sind die Winkellagen für Kupplungshälften der
Klauenkupplung K1 und der zeitliche Verlauf einer Bereichsumschaltung
gezeigt.
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Der Verlauf der Abtriebsdrehzahl
nab steigt über die Zeit t an. Der Verlauf
einer Drehzahl A und der Verlauf einer Drehzahl B kennzeichnen die
Drehzahlverläufe
der beiden Kupplungshälften
der Klauenkupplung K1. Für
eine Schaltklauen der Kupplung K1 ergibt sich ein Relativwinkel 23 zwischen
den Drehzahlen A und B. Bei hohem Drehzahlunterschied ergibt sich
ein steiler Anstieg der Kurve für
den Relativwinkel. In der Nähe des
Synchronpunktes 22 flacht diese Kurve ab und bildet im
Synchronpunkt 22 eine horizontale Tangente 26. Bei Drehzahlgleichheit
(horizontale Tangente) verändern
die Schaltklauen und Lücken
ihre Lage zueinander nicht mehr. Wenn hier Schaltklaue auf Schaltklaue
steht, wird die Schaltung fehlerhaft ablaufen.
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Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen,
die Absolutwinkel der Kupplungshälften
schon von Anfang an vorauszuberechnen. Für die Berechnung gelten die
Gesetze der Bewegungsmechanik, die in 4 skizziert
sind.
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Die Drehgeschwindigkeit ω1 und ω2 der Zahnräder 31 und 32 folgen
den Bewegungsgesetzen der Mechanik. Dies gilt auch für die Veränderung
der Drehwinkel φ1 und φ2. Die Winkellagen miteinander kämmender Zahnräder lassen
sich ähnlich
ermitteln und berechnen sich wie deren Geschwindigkeiten. Daher
läßt sich
die relative Lage des Zahnrades 32 aus der relativen Lage
des Zahnrades 31 berechnen, wenn die Startwinkel beider
Zahnräder
bekannt sind. Diese Bewegungsgesetze lassen sich auch anwenden,
wenn mehr als zwei Zahnräder
miteinander kämmen.
Dabei ändert
sich jeweils nur die Übersetzung
i.
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Es gilt folgender mathematischer
Zusammenhang:
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Ein Randwertproblem für die Ermittlung
der absoluten Winkelposition φ2 stellt die Integrationskonstante φ0 dar.
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In der Regel gibt keine meßbare Größe für diesen
frei wählbaren
Absolutwinkel φ0. Es gilt vielmehr diesen Winkel φ0 aus gegebenen Randbedingungen geeignet
so auszuwählen,
daß für die Winkellagen
(z.B. φ2) sinnvolle und verwertbare Informationen
entstehen. Vor allem bei zuschaltbaren und rotierenden Bauteilen mit
Klauen hat dieser im folgenden als Offsetwinkel φOffset bezeichnete
Absolutwinkel φ0 eine besondere Bedeutung. Er sollte so
gewählt
werden, daß der
Absolutwinkel φ2 des Zahnrades 32, (bzw. der zuzuschaltenden Schaltklaue)
eine Berechnungsgröße für die Stellung
Schaltklaue auf Schaltklaue, d.h. Kopf auf Kopf, bzw. Schaltklaue
auf Lücke
darstellt. Mit anderen Worten: es soll mit dem Offsetwinkel φOffset möglich
gemacht werden, daß man
aus dem Absolutwinkel φ2 des Zahnrades 32 mathematisch
berechnen kann, ob er kompatibel zu einem Winkel φ1 des anderen Zahnrades 31 steht,
so daß berechenbar
wird, ob das Zahnrad 32 mit dem Zahnrad 31 kämmt. Es
wird vorgeschlagen, daß der
Winkel 0° zum
Beispiel eine solche „kompatible" Winkellage beschreibt.
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Um die Zielwinkel für eine störungsfreie
Schaltung einzustellen, werden die Beschleunigungen so angepaßt, damit
zum Zeitpunkt der Drehzahlgleichheit die Klauen der Schalträder „Kopf auf
Lücke" stehen. Im Normalfall
ist die Antriebsleistung begrenzt, so daß eine Erhöhung der Beschleunigung nur
im Teillastbereich möglich
ist. Es wird daher vorgeschlagen, die Beschleunigungen der Zahnräder gegebenenfalls
kontrolliert zu reduzieren, um den Zeitpunkt der Synchronzeitpunkt
bzw. den Zeitpunkt der Drehzahlgleichheit etwas hinauszuschieben.
(s. 5). Die längere Drehzahlanpassungsphase
verändert
die relative Winkellage beider Bauteile zueinander. Durch eine ständige Aktualisierung
der Offsetwinkel (z.B. durch exakte Winkelmessung wie unten beschrieben),
der Rotationsgeschwindigkeit und Vorausberechung des Zielwinkels
entscheidet der zum System gehörende
Drehzahlregler, ob die Beschleunigungs-/Verzögerungsphase weiter ausgedehnt
oder verkürzt
werden muß.
Je weiter die Drehzahlen von der Synchrondrehzahl entfernt sind,
desto sensibler wirkt sich die aktive Winkelsynchronisation auf
die Klauenstellung aus. In der Nähe
des Synchronpunktes dagegen verlangsamt sich die Winkelausrichtung
bei zeitlicher Verlängerung
der Beschleunigung, so daß der
Regler um so feiner regeln kann, kann je näher sich die Drehzahlen angleichen.
Bei der Regelung können
grundsätzlich zwei
verschiedene Typen der Winkelsynchronisation unterschieden werden:
die sprungbehaftete und die koninuierliche Winkelsynchronisation.
Bei der sprungbehafteten Methode wird die Antriebsleistung (Beschleunigung
bzw. Verzögerung) „sprunghaft" reduziert (im Teillastbereich
kann sie auch erhöht
werden), um eine Winkelanpassung vorzunehmen. Bei der kontinuierlichen
Methode wird die Antriebsleistung durch kleine, kaum merkliche Beschleunigungsänderungen
(Inkremente bzw. Dekremente) angepaßt. Im Idealfall wird durch
die aktive Winkelsynchronisation nur der Winkel einer halben Zahnteilung
korrigiert.
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6 zeigt
die Wirkung eines solchen „Hinauszögerns" des Synchronzeitpunktes.
Als Basis soll das Beispiel A.1 aus 5 dienen.
Beim Annähern
an den Synchronpunkt (Drehzahl A = Drehzahl B) wird zum Zeitpunkt „X" vorausberechnet,
daß die
Klauenstellung „Kopf
auf Lücke" zum Zeitpunkt „0" nicht erreicht wird. Der
Drehzahlregler verlangsamt die Beschleunigung und hält die Drehzahl
beider Klauenhälften
(A und B) für eine
Zeit delta t nahezu konstant. Danach wird z. B. die ursprüngliche
Beschleunigung/Verzögerung
wieder aufgenommen, bis im Synchronpunkt die Klauenstellung „Kopf auf
Lücke" auftritt und die
Schaltung störungsfrei
ablaufen kann. Dieser Ablauf gilt analog auch für die weiteren in 5 aufgeführten Beispiele A.2 bis A.4. Bei
der kontinuierlichen aktiven Winkelsynchronisation (Beispiel A.2
in 5) erfährt die
Drehzahl eine unmerkliche Änderung
in der Beschleunigung/Verzögerung.
Der Ruck durch die Längsbeschleunigung
des Drehzahlreglers wird vermieden. Beim Bereichswechsel einer zugkraftunterbrechungsfreien
Schaltung treten bei der Lastübergabe
Zahnflankenwechsel auf. Mit der aktiven Synchronisierung können die
günstigeren
Klauen-Anlageflanken
von der Zug oder von Schubseite her angefahren werden und somit
eine störungsfreie Lastübergabe
gewährleistet
werden.
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Berechnung
der Winkelstellung aus der Zahnimpulsfolge
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Für
die Ausrichtung von Schaltklauen zu Schaltlücken wird eine Methode vorgeschlagen,
mit der die Drehwinkel von Zahnrädern
und Schaltzähnen
sensorisch erfaßt
bzw. berechnet werden können.
Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in 7 dargestellt Ausführungsbeispieles näher beschrieben.
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Bei der konventionellen Rotationsgeschwindigkeitsmessung
eines Zahnrades 41 mit einer endlichen Anzahl von Zähnen z wird üblicherweise
die gezählte
Impulsfolge N oder das fertige Geschwindigkeitssignal V ausgewertet.
Als Vergleichsgröße dient
hierzu die zeitlich konstant schwingende Quarzimpulsfolge 42 eines Schwingquarzes
mit der Schwingfrequenz Fquarz. Die ebenfalls
verfügbare
Information aus der Zahnimpulsfolge 43 wird in der Regel
nicht benötigt
und verworfen, bzw. nicht weiter ausgewertet. In der Zahnimpulsfolge
steckt jedoch die Information der relativen "Winkellage", denn durch die endlich begrenzte Anzahl
der Zähne
entspricht eine Periode 44 der Zahnimpulsfolge 43 einer
Rotationsbewegung um 360°/z.
Wenn man die Zahnimpulsfolge 43 einem Zähler zuführt und jede Periode mitzählt, so
kann die absolute oder relative Winkelstellung eines Bauteils zu
jeder Zeit mit einer Genauigkeit von ±360°/z ermittelt werden.
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Hierzu ein Beispiel: würde man
die Zahnimpulsfolge eines Anlasserkranzes mit 144 Zähnen einem vorzeichenbehafteten
48-bit Zähler
(entspricht dem Speicherbedarf von 6 Byte oder 6 Buchstaben) zuführen, so
könnte
man den aktuellen Rotationswinkel dieses Bauteils und aller Bauteile,
die mit diesem Zahnrad schlupffrei einkämmen, bei einer Drehzahl von
6000 l/min ca. 309 Jahre lang mit einer Genauigkeit von ca. ±2.5° kontinuierlich
mitmessen.
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Berechnung
der Zwischenwinkel aus der aktuell gelesenen der Quarzimpulsanzahl
seit dem letzten Zeitpunkt der Auslesung
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Unter der Annahme, daß sich die
Geschwindigkeit seit der letzten Impulsmessung nur unwesentlich geändert hat
läßt sich
aus der aktuellen Quarzimpulsanzahl die Genauigkeit der Winkelmessung
weiter erhöhen.
Der maximale Winkelfehler ist dabei kleiner als die Zahnteilung.
Die zuletzt ermittelte Geschwindigkeit entspricht einer definierten
Anzahl von Quarzimpulsen NQo für den Zahnteilungswinkel
Wo. Die Anzahl der Quarzimpule seit dem letzten Zahnimpuls NQakt kann zum Zeitpunkt der Winkelauswertung
ebenfalls ausgewertet werden. Wird eine kleinere Anzahl von Quarzimpulsen
ermittelt, als für
eine kompletten Zahnteilung bei der Geschwindigkeit Vo nötig sind,
so entspricht der Winkel dem linearen Anteil dieser Anzahl der Quarzimpulse
NQAkt zur notwendigen Anzahl NQo für einen
ganzen Zahnteilungswinkel. (Siehe 8)
