DE19931770A1

DE19931770A1 - Automatisiertes Schaltsystem für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE19931770A1
Application number: DE1999131770
Authority: DE
Inventors: Hartmut Werries; Walter Kuhn
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1999-07-08
Filing date: 1999-07-08
Publication date: 2001-01-11
Also published as: WO2001004514A3; WO2001004514A2

Abstract

Es wird ein automatisiertes Schaltsystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (2) und einem Fahrzeuggetriebe (4) beschrieben, wobei das Fahrzeuggetriebe (4) eine parallel zu einer Abtriebswelle (5) angeordnete Vorgelegewelle (7) und mehrere Gangstufen (I, II, III, IV) mit einer jeweils einer Gangstufe (I, II, IV) zugeordneten Synchronisiereinrichtung (9, 10, 11) aufweist. Einer Gangstufe (III) ist anstelle einer Synchronisiereinrichtung eine Reibschaltkupplung (12) zugeordnet. Zur elektrischen Zugkraftunterstützung bei einer Schaltung ist eine elektrische Maschine (13) vorgesehen, welche mit der Abtriebswelle (5) oder der Vorgelegewelle (7) wirkverbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein automatisiertes Schaltsy stem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Fahrzeuggetriebe, welches eine parallel zu einer Ab triebswelle angeordnete Vorgelegewelle und mehrere Gangstu fen mit einer jeweils einer Gangstufe zugeordneten Synchro nisiereinrichtung aufweist.

Aus der Praxis bekannte automatisierte Schaltsysteme, welche insbesondere in Nutzkraftwagen Anwendung finden, weisen üblicherweise eine elektropneumatische Fahrzeug schaltung auf, welche die Schaltarbeit erleichtert. Hierzu sind in einem elektronischen Steuergerät die Daten des Ver brennungsmotors, des Fahrzeuges und der Getriebeabstufung gespeichert. Abhängig vom Betriebszustand, welcher sich aus der Fahrgeschwindigkeit, der Motorlast und der Fahrdynamik ergibt, wählt das Steuergerät den entsprechenden Gang und bietet ihn über ein Display zum Schalten an. Zum Beispiel werden in einer Fahrstellung für Vorwärtsfahrt des Vorwähl schalters der Anfahrgang und alle weiteren Gangstufen auto matisch vorgewählt. Der Fahrer muß nur noch das Kupplungs pedal betätigen und der vorgewählte Gang wird elektropneu matisch geschaltet.

Automatisierte Schaltsysteme erhöhen den Schaltkom fort, jedoch tritt wie bei herkömmlichen Schaltgetrieben bei einem Schaltvorgang zwischen zwei Gangstufen eine Zug kraftunterbrechung auf, welche von Fahrzeuginsassen deut lich verspürt wird und somit eine Komforteinbuße darstellt.

Des weiteren sind aus der Praxis Antriebssysteme für Kraftfahrzeuge bekannt, bei denen eine elektrische Maschine zur Unterstützung oder Ergänzung des Verbrennungsmotors vorgesehen ist. Mit diesen auch als "Hybrid-Antrieben" be zeichneten Antriebssystemen mit einer elektrischen Maschi ne, welche seriell oder parallel zum Antriebsstrang ange ordnet ist, können die Vorteile der Elektroantriebe, wie z. B. eine Bremsenergierückgewinnung und ein emissionsfrei es Fahren, erzielt werden, ohne auf die große Leistungsfä higkeit und Reichweite des Kraftfahrzeuges mit Hilfe des Verbrennungsmotors verzichten zu müssen.

Aus der deutschen Publikation VDI-Berichte 1378 (1998), M. Lehna: "Audi Duo, ein Hybridfahrzeug für die City-Logistik", 623-647, ist ein Hybridantrieb mit Paralle lanordnung bekannt, bei dem mit einem mit einer Getriebe eingangswelle verbundenen Elektromotor rein elektrisch ange fahren wird. Während dessen steht der Verbrennungsmotor, der durch eine kraftschlüssige Kupplung von der Getriebe eingangswelle getrennt ist. Bei höherem Leistungsbedarf, z. B. ab einer bestimmten höheren Fahrgeschwindigkeit, wird der Verbrennungsmotor durch das Schließen einer Kupplung gestartet, wobei der Verbrennungsmotor dann als primäre Antriebsquelle dient. Der Elektromotor kann dann als Zu satzquelle bzw. Booster oder als Generator zum Laden der Fahrzeugbatterie verwendet werden.

Jedoch ist auch bei den bekannten Hybridantrieben nachteilig, daß beim Schließen der Kupplung ein spürbarer Zugkrafteinbruch am Abtrieb auftritt.

Ein weiteres Problem bei bekannten automatisierten Schaltgetrieben stellt die Anordnung von Anlasser und Lichtmaschine dar, bei der der Verbrennungsmotor herkömmli cherweise auf seine Startdrehzahl gebracht wird, indem das Starterdrehmoment über ein Ritzel auf ein Schwungrad des Motors übertragen wird. Diese bekannten Starter sind so an einem Motorblock angeflanscht, daß bei Betätigung das Rit zel in einen Zahnkranz auf der Schwungscheibe einspurt, um den Motor darüber in Drehung zu versetzen.

Nachteiligerweise ist die Leistung derartiger Starter für moderne Schaltstrategien, wie z. B. einen auf die ver brauchs- und emissionsoptimierte Zu- bzw. Abschaltung des Verbrennungsmotors bezogenen "Start-Stop-Betrieb", unzurei chend.

Aus der Publikation "European Automotive Design", Aus gabe April 1998, S. 24, ist eine alternative Startereinheit bekannt, bei der ein zwischen Verbrennungsmotor und Getrie be installierter Elektromotor direkt mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden ist und zusätzlich zur Starterfunktion eine Generatorfunktion hat.

Eine derartige Starter-Generator-Einheit mit einer elektrischen Maschine, welche zahlreiche Funktionen über nehmen kann, erweitert die Schaltmöglichkeiten für ein au tomatisiertes Schaltsystem. Jedoch tritt bei dieser Lösung ebenfalls zwangsläufig eine Zugkraftunterbrechung bei der Koppelung der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors mit der Getriebeeingangswelle ein.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein automatisiertes Schaltsystem für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, mit dem eine durch Zugkraftunterbrechung bedingte Komforteinbuße bei einer Schaltung vermieden wird und das ein weites Spektrum an Schaltstrategien ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem automati sierten Schaltsystem gemäß den Merkmalen des Patentanspru ches 1 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen automatisierten Schaltsystem für ein Kraftfahrzeug, bei dem eine elektrische Maschine am Fahrzeuggetriebe in Verbindung mit einer Reibschaltkupplung eine elektrische Zugkraftunterstützung bei einem Schaltvor gang ermöglicht, wird eine Zugkraftunterbrechung bei einer Schaltung zwischen zwei Gangstufen vermieden, was zu einer erheblichen Komfortverbesserung führt.

Die erfindungsgemäße Lösung, welche vorteilhafterweise mit geringem Bauraumbedarf realisierbar ist, ermöglicht ein kompaktes Gesamtsystem aus Fahrzeuggetriebe, Steuerung und elektrischen Aggregaten. Dabei kann die elektrische Maschi ne weitere Funktionen eines Elektromotors übernehmen. So kann die elektrische Maschine als Booster bei einem Anfahr vorgang oder einem Kick-down dienen, sowie als Antrieb für kurzzeitige Anwendungen, bei denen z. B. ein emissionsloser Betrieb gewünscht ist, oder als Ersatz für den Rückwärts gang.

In besonders vorteilhafter Weise läßt sich die elek trische Maschine als Stator-Generator-Einheit nutzen. Dabei fungiert sie als Anlasser für den Verbrennungsmotor und als Generator anstatt einer Lichtmaschine. Weiterhin möglich ist die Verwendung der elektrischen Maschine als Antrieb weiterer Nebenaggregate, wie z. B. eines Klimakompressors, einer Lenkhilfspumpe oder eines Bremskraftverstärkers.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des automatisierten Schaltsystems läßt sich in vorteilhafter Weise auch als "Add-On-Lösung" für ein kostengünstiges Basisgetriebe wie z. B. ein Handschaltgetriebe in Vorgelegebauweise verwirk lichen, wobei dessen Getriebespreizung und Getriebeabstu fung beibehalten werden kann.

Als weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich eine höhere Lebensdauer der Synchronisiereinrichtungen bei spielsweise im Vergleich zu einem Handschalter, da bessere Schaltzeitpunkt gewählt werden können. Gegebenenfalls kann sogar auf Synchronisierungen verzichtet werden, wenn exakt bei Erreichen einer Synchrondrehzahl geschaltet wird.

Des weiteren ist vorteilhaft, daß die elektrische Ma schine nur für eine kleine Nennleistung ausgelegt werden muß. Der Grund dafür ist in der Unempfindlichkeit eines Elektromotors gegen eine kurzfristige Überlastung zu sehen, da keine thermischen Probleme bei einem kurzzeitigem Ein satz auftreten. Beim Schalten zwischen zwei Gangstufen un terstützt die Trägheit des Verbrennungsmotors, der Vorgele gewelle und der elektrischen Maschine den Schaltvorgang, was ebenfalls in vorteilhafter Weise zu einer Reduktion der erforderlichen Motorleistung beiträgt.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung kann darüber hinaus der Aufwand für einen Powerpack, z. B. mit Nickel-Cadmium- Akku oder Kondensatorelementen, gering gehalten werden, da nur eine geringe Gesamtenergie, z. B. für einen fünfminüti gen Betrieb, gespeichert wird.

Weitere Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung er geben sich aus den Unteransprüchen und aus den nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausfüh rungsbeispielen.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfin dungsgemäßen automatisierten Schaltsystems für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbren nungsmotor und einem Fahrzeuggetriebe, wel ches eine Vorgelegewelle und eine mit dieser verbundene elektrische Maschine zur elektri schen Zugkraftunterstützung aufweist;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung der Erfindung, wobei die elektri sche Maschine alternativ zur Ausführung ge mäß Fig. 1 auf einer Abtriebswelle angeord net ist und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung der Erfindung, wobei die elektri sche Maschine alternativ zu den Ausführungen nach Fig. 1 und Fig. 2 parallel zu der Vor gelegewelle und mit dieser wirkverbunden an geordnet ist.

Bezug nehmend auf Fig. 1 bis Fig. 3 ist äußerst sche matisch ein automatisiertes Schaltsystem für ein Kraftfahr zeug mit einem Antriebsstrang 1 dargestellt, welcher von einem Verbrennungsmotor 2 über ein Anfahrelement 3 zu einem als automatisiertes Schaltgetriebe ausgebildeten Fahrzeug getriebe 4 mit mehreren Gangstufen führt, wobei von den Gangstufen lediglich ein erster Gang I, ein zweiter Gang II, ein dritter Gang III und ein vierter Gang IV dar gestellt sind. Von dem Fahrzeuggetriebe 4 führt der An triebsstrang 1 als Abtriebswelle 5 zu einem mit dem Bezugs zeichen 6 lediglich symbolisch angedeuteten Abtrieb. Paral lel zu der Abtriebswelle 5 ist in dem Fahrzeuggetriebe 4 eine Vorgelegewelle 7 angeordnet.

Zur automatisierten Vorwahl von Gangstufen ist das Fahrzeuggetriebe 4 mit einem elektronischen Steuergerät 8 verbunden, welches mit Rechnereinheiten weiterer Fahrzeug aggregate kommuniziert.

Wie aus den Figuren ersichtlich ist, ist jeweils einer Gangstufe I, II, IV eine Synchronisiereinrichtung 9, 10 bzw. 11 zugeordnet, wobei einer höheren Gangstufe, hier dem dritten Gang III, eine Reibschaltkupplung 12 anstelle einer Synchronisiereinrichtung zugeordnet ist.

Zur elektrischen Zugkraftunterstützung bei einer Schaltung ist jeweils eine elektrische Maschine 13 vorgese hen, welche mit der Abtriebswelle 5 oder der Vorgelegewel le 7 wirkverbunden ist. Bei der Ausführung nach Fig. 1 ist die elektrische Maschine 13 auf der Vorgelegewelle 7 ange ordnet und treibt diese an. Alternativ hierzu kann es vor gesehen sein, daß die elektrische Maschine 13 wie in Fig. 2 auf der Abtriebswelle 5 angeordnet ist, wobei sie dem als Trockenkupplung oder Wandler ausgebildeten Anfahrelement 3 nachgeschaltet ist. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, kann die elektrische Maschine 13 jedoch auch parallel zu der Vorge legewelle 7 angeordnet und mit dieser verbunden sein. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die elektrische Maschine 13 in den Figuren jeweils mit demselben Bezugszeichen bezeichnet, da funktionell keine Abweichungen gegeben sind.

Die elektrische Maschine 13 ist in allen Ausführungen als Motor und Generator betreibbar, wobei sie gleichzeitig eine Starter-Generator-Einheit darstellt, welche zum Star ten des Verbrennungsmotors 2 und als Generator für das elektrische System, d. h. zum Laden einer Batterie 14 oder zur Abgabe von elektrischer Leistung an andere Verbraucher betrieben wird.

Anstelle der mit der elektrischen Maschine 13 verbun denen Batterie 14 kann in alternativen Ausführungen selbst verständlich auch ein Powerpack mit einer Batterie, einem Akkumulator und/oder einem Kondensator als Energiequelle vorgesehen sein.

Nachfolgend wird die Funktionsweise des automatisier ten Schaltsystems für das Fahrzeuggetriebe 4 anhand der Ausführung nach Fig. 1 näher erläutert. Darin treibt die elektrische Maschine 13 die Vorgelegewelle 7 an. Bei einem Schaltvorgang mit Zughochschaltung von dem ersten Gang I in den zweiten Gang II bleibt das als Trockenkupplung ausge führte Anfahrelement 3 während der gesamten Schaltung ge schlossen. Der Schaltvorgang wird mit Anlegen der Reib schaltkupplung 12 eingeleitet, wobei sich eine Lastüber nahme der schlupfenden Reibschaltkupplung 12 einstellt. Die Gangübersetzung des ersten Ganges I wird dabei lastfrei. Die im Motorbetrieb befindliche elektrische Maschine 13 überlagert ein Moment auf die Vorgelegewelle 7, damit keine Zugkraftunterbrechung spürbar ist. Danach wird die Gang übersetzung des ersten Ganges I ausgekuppelt, und die Dreh zahl der Vorgelegewelle 7 wird durch die Regelung und Steuerung der Reibschaltkupplung 12 bis zur Synchrondreh zahl des zweiten Ganges II reduziert. Bei Erreichen der Synchrondrehzahl des zweiten Ganges II wird dieser einge legt. Die Reibschaltkupplung 12 wird danach entlastet, und ein Zahnradpaar des zweiten Ganges II überträgt das Moment.

In der beschriebenen Ausführung findet das automati sierte Schaltsystem Anwendung bei einem Nutzkraftwagen, jedoch ist seine Verwendung in allen anderen Fahrzeugarten, wie z. B. Personenkraftwagen, Baumaschinen oder Schleppern möglich.

Bezugszeichen

1

Antriebsstrang

2

Verbrennungsmotor

3

Anfahrelement, Trockenkupplung

4

Fahrzeuggetriebe, automatisiertes Schaltgetriebe

5

Abtriebswelle

6

Abtrieb

7

Vorgelegewelle

8

elektronisches Steuergerät

9

Synchronisiereinrichtung

10

Synchronisiereinrichtung

11

Synchronisiereinrichtung

12

Reibschaltkupplung

13

Elektrische Maschine

14

Batterie
I Gangstufe, erster Gang
II Gangstufe, zweiter Gang
III Gangstufe, dritter Gang
IV Gangstufe, vierter Gang

Claims

1. Automatisiertes Schaltsystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (2) und einem Fahrzeuggetrie be (4), welches eine parallel zu einer Abtriebswelle (5) angeordnete Vorgelegewelle (7) und mehrere Gangstufen (I, II, III, IV) mit einer jeweils einer Gangstufe (I, II, IV) zugeordneten Synchronisiereinrichtung (9, 10, 11) aufweist, wobei einer Gangstufe (III) anstelle einer Synchronisier einrichtung eine Reibschaltkuppluhg (12) zugeordnet ist, und wobei zur elektrischen Zugkraftunterstützung bei einer Schaltung eine elektrische Maschine (13) vorgesehen ist, welche mit der Abtriebswelle (5) oder der Vorgelegewel le (7) wirkverbunden ist.

2. Automatisiertes Schaltsystem nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Reibschalt kupplung (12) einer dritten oder höheren Gangstufe (III) zugeordnet ist.

3. Automatisiertes Schaltsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (13) mit der Vorgelegewelle (7) ver bunden, angeordnet ist, wobei während einer Schaltung ein zugkraftunterstützendes Moment mittels der elektrischen Maschine (13) auf die Vorgelegewelle (7) aufbringbar ist.

4. Automatisiertes Schaltsystem nach Anspruch 3, da durch gekennzeichnet, daß während einer Schaltung ein auszulegender Gang (I) bei Lastübernahme durch die Reibschaltkupplung (12) und zugkraftunterstützen dem Moment auf die Vorgelegewelle (7) ausgekuppelt wird.

5. Automatisiertes Schaltsystem nach Anspruch 4, da durch gekennzeichnet, daß eine Drehzahl der Vorgelegewelle (7) mittels einer Regelung und/oder Steuerung der Reibschaltkupplung (12) während der Schaltung zwischen zwei Gangstufen (I, II) auf eine einem einzulegen den Gang (II) zugeordnete Synchrondrehzahl eingestellt wird.

6. Automatisiertes Schaltsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (13) auf der Abtriebswelle (5) ange ordnet ist.

7. Automatisiertes Schaltsystem nach Anspruch 6, da durch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (13) auf der Abtriebswelle (5) einem Anfahrele ment (3) nachgeschaltet ist.

8. Automatisiertes Schaltsystem nach einem der Ansprü che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (13) als Motor und Generator be treibbar ist.

9. Automatisiertes Schaltsystem nach Anspruch 8, da durch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (13) eine Starter-Generator-Einheit darstellt.

10. Automatisiertes Schaltsystem nach einem der An sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (13) mit einer als Akkumulator und/oder Kondensator und/oder Batterie ausgebildeten Ener giequelle (14) verbunden ist.