DE3943770C2 - Verfahren zur Steuerung eines stufenlos wirkenden hydrostatisch-mechanischen Verzweigungsgetriebes mit mehreren Bereichskupplungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines stufenlos wirkenden hydrostatisch-mechanischen Verzweigungsgetriebes mit mehreren Bereichskupplungen für jeweils einen Schaltbereich, bei dem beim Schalten in einen neuen Schaltbereich die Bereichskupplung eines vorhergehenden Schaltbereichs geschlossen ist und anschließend die Bereichskupplung des neuen Schaltbereichs geschlossen wird, wenn ihre beiden zu schaltenden Kupplungsglieder Synchronlauf erreicht haben.

Solche Verfahren sind aus der DE 37 00 813 A1 und aus der DE 28 32 610 A1 bekannt. Bei diesen bekannten Verfahren bleibt die Hydrostateinheit während des Zeitraumes, in dem beide Bereichskupplungen geschlossen sind, auf einem konstanten Wert, d. h. es werden keine unterschiedlichen Leckströme oder ein unterschiedlicher Drehzahlschlupf berücksichtigt, so daß beim Schalten in den nächsten Schaltbereich keine Drehzahlgleichheit zwischen dem mit der Hydrostateinheit verbundenen Kupplungsglied und dem entsprechenden übrigen Getriebegliedern besteht. Folglich kommt es beim Schließen der Bereichskupplung des neuen Schaltbereichs zu einer Ruckbelastung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung eines stufenlos wirkenden hydrostatisch- mechanischen Verzweigungsgetriebes mit mehreren Bereichskupplungen für jeweils einen Schaltbereich zu schaffen, welches eine weitgehend nahtlose und stoßfreie Bereichsschaltung gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand des Patentanspruchs 2.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine nahtlose Bereichsschaltung dadurch, daß in der Schaltphase im Synchronbereich der zu schaltenden Kupplungselemente durch ein Schalt-Signal die Motorregelung derart beeinflußt wird, daß automatisch das Drehmoment abgesenkt wird, wodurch gleichzeitig lastabhängiger Drehzahlschluß, der z. B. bei einem hydrostatischen Wandler infolge des Leckölverlustes auftritt, ausgeglichen wird.

Bei einem stufenlosen hydrostatisch-mechanischen Verzweigungsgetriebe ist in der Regel die hydraulische Leistung am Ende des einen Fahrbereiches positiv und zu Beginn des nächsten Fahrbereiches negativ. Dies bedeutet, daß der leckölbedingte Drehzahlschlupf eine umgekehrte Auswirkung auf das Drehzahlverhalten des mit der entsprechenden Hydrostateinheit gekoppelten Kupplungsgliedes hat; das heißt, daß das mit dem Hydrostatbetriebe gekoppelte Kupplungsglied vor Beginn der Bereichsschaltung eine gegenüber dem theoretischen Wert niedrigere Drehzahl und nach der Bereichsschaltung eine entsprechend höhere Drehzahl aufweist. Um dies auszugleichen, ist es erforderlich, innerhalb der Schaltphase eine gezielte Drehzahlanpassung vorzubereiten. Dies geschieht derart, daß z. B. während des Schaltablaufes eine kurzzeitige Lastunterbrechung durch Beeinflussung der Motorregelung und Rücknahme bzw. Unterbrechung des Kraftstoffzuflusses herbeigeführt wird oder daß innerhalb der Schaltphase bei Erreichen des Synchronzustandes beider zu schaltenden Kupplungsglieder die Folgekupplung dazugeschaltet wird und kurzzeitig innerhalb beider geschlossener Bereichskupplungen das Hydrostatgetriebe entsprechend der Größe des Drehzahlschlupfes bzw. des lastabhängigen Leckölanteiles zurückgeregelt wird, so daß zu Beginn des nächsten Fahrbereiches die Drehzahl des mit der Hydrostateinheit verbundenen Kupplungsgliedes im entsprechenden Lastzustand mit der Drehzahl der übrigen Getriebeglieder zusammenharmoniert und eine ruckfreie Bereichsschaltung gewährleistet.

Die Regelcharakteristik des stufenlosen Wandlers innerhalb der Schaltphase ist über verschiedenartige Signale ansteuerbar. Eine gezielte Korrektur der Hydrostatverstellung kann durch das Hydrostatdruck-Signal erzielt werden, wobei die Druckgröße ein Maß für die Größe des Drehzahlschlupfes und gleichzeitig ein Maß für die erforderliche Verstellgröße darstellt. Auch die Druck- Signale für den Steuerdruck der Kupplungen können als Auslöse- Signal für die Motorregelung innerhalb der Schaltphase benutzt werden. In gewissen Anwendungsfällen ist es ausreichend, eine fest einprogrammierte Zeitphase bzw. Zeitgröße für die Hydrostatverstellung bzw. Korrektur innerhalb beider geschlossener Bereichskupplungen zu verwenden. Die Hydrostatumsteuerung vom einen in den anderen Schaltbereich kann zweckmäßigerweise über ein Wechselventil erfolgen, das z. B. automatisch über den Steuerdruck der Folgekupplung eine Umkehrung der Verstelleinrichtung des Hydrostatgetriebes bewirkt.

Bei Anwendung des Schaltverfahrens in einem Stufengetriebe ist die Steuer- und Regeleinrichtung so ausgebildet, daß das Steuer-Signal für die Gangschaltung aus einem Drehzahl-Signal, z. B. aus der Getriebeabtriebsdrehzahl oder/und einem Drehzahl- Signal der Antriebsmaschine oder/und einem Signal für die Motorregelung, z. B. Gaspedal-Wegsignal resultiert, wobei das Schalt-Signal verbrauchsorientiert in an sich bekannter Weise mit einem einprogrammierten Motorkennfeld zusammenwirkt und die jeweils günstigsten Motordrehzahlen anstrebt, oder wahlweise, z. B. vorwählbar leistungsorientiert bei Bedarf die Maximalleistung bzw. die Maximaldrehzahl abrufbar hält.

Bei Einleitung des Schaltimpulses, z. B. durch eine automatische Steuereinrichtung wird die geschlossene Kupplung automatisch geöffnet und gleichzeitig die Motorregelung derart beeinflußt, daß die Kraftstoffzufuhr verringert bzw. unterbrochen wird, um die Drehzahl zu senken bis Erreichen eines annähernden Synchronlaufes der zu schaltenden Kupplungselemente für den nächsten Gang. Ein Synchron-Signal, das z. B. aus dem Vergleich des Antriebs- und Abtriebsdrehzahl-Signals des Getriebes gebildet wird, wird automatisch der Schaltimpuls ausgelöst und der Steuerdruck zum Schließen der entsprechenden Kupplung für den nächsten Gang erzeugt. Mit Rücksicht auf einen für alle Betriebssituationen sicheren Schaltablauf ist eine, nicht dargestellte Trennkupplung im oder außerhalb dem Getriebe vorgesehen, die während dem Schließvorgang der Kupplung kurzzeitig öffnet, um eventuelle Drehmomentstöße in der Schaltkupplung zu verhindern.

Für die Rückschaltung sieht das erfindungsgemäße Schaltverfahren vor, das über die Steuer- und Regeleinrichtung zur Drehzahlanpassung an den nächstniedrig-liegenden Gang der Motor automatisch über ein Steuer-Signal den Impuls für eine spontane Drehzahlanhebung erhält, das heißt, daß automatisch ein Gasstoß erzeugt wird. Nach Einleiten des Schaltimpulses wird die geschlossene Kupplung geöffnet und gleichzeitig mit dem Öffnungs-Signal bzw. einem parallel wirkenden Steuer-Signal auf die Motorregelung die Kraftstoffzufuhr derart erhöht, daß bis Beginn des Schließvorganges der nächsten Kupplung eine annähernde Drehzahlgleichheit der zu schließenden Kupplungselemente erzielt wird. Wie im Hochschaltvorgang wird auch bei der Rückschaltung gegebenenfalls eine zwischen Motor und der Schaltkupplung liegende Trennkupplung, die zweckmäßigerweise als Reibkupplung ausgebildet ist, kurzzeitig geöffnet, um eventuelle Synchronabweichungen der zu schaltenden Kupplungselemente auszugleichen bzw. Stoßbelastungen zu verhindern bzw. zu verringern.

Die Erfindung wird an Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Schnitt ein Kupplungssystem eines Getriebes mit vier Kupplungen.

Fig. 2 einen Schaltplan für die Steuerung und Regelung des Getriebes.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Kupplungssystem sind auf einem Kupplungsträger 1 vier Kupplungen 26, 27, 28, 29 angeordnet. Jeder Kupplung 26-29 ist ein Kolben 14 bzw. 15 zugeordnet, der mit Öldruck beaufschlagbar ist. Auf dem Kupplungsträger 1 ist drehfest eine Druckplatte 10; 11 sowie ein Kupplungsring 2; 4 ebenfalls drehfest gelagert. Über eine Feder 12; 13 wird der Kupplungsring 2; 4, sowie der Kolben 14; 15 in Neutrallage zurückgedrückt. Der mit dem ersten Kupplungsring 2 zu verbindende Kupplungsring 3 ist drehfest am äußeren Umfang mit seinen Mitnehmern 18 in Ausnehmungen 16 der Kupplungsglocke 23 gelagert. Bei Kupplung 27 greift der Kupplungsring 4 am äußeren Umfang mit seinen Mitnehmern 19 in Ausnehmungen 17 des Kupplungsträgers 1 ein und ist mit dem Kupplungsring 5, der auf einer Außenverzahnung einer Welle sitzt, über ein Kupplungsprofil 8 und 9 verbindbar.

Beim Schalten, z. B. der Kupplung 26, wird z. B. durch Öldruck über die Druckleitung 41 der Kolben 14 beaufschlagt. Gegen den Druck der Feder 12 wird der Kupplungsring 2 mit seinem Kupplungsprofil 6 in das Kupplungsprofil 7 des Kupplungsringes 3 eingerückt. Damit ist eine Verbindung zwischen der Kupplungsglocke 23 und dem Kupplungsträger 1 hergestellt. Das Kupplungsprofil 7 bzw. 6 der Kupplungsringe 3 bzw. 2 ist vorzugsweise mit Schrägflächen 22 bzw. 21 ausgebildet. Durch das Drehmoment wird entsprechend einem in axialer Richtung verlaufenden schrägen Winkel eine axiale Kraftkomponente in Richtung Öffnen der Kupplung erzeugt. Diese Kraftkomponente stellt sicher, daß die Kupplung im Lastzustand nach Auslösung des Öffnungsimpulses der Kupplung durch Abfall des Öldruckes zuverlässig und sicher öffnet. Das Kupplungsprofil 6 bzw. 7 kann in Axialrichtung sehr kurz ausgebildet werden - je nach Anwendungsfall und Drehmomentbeanspruchung weniger als 1 mm - um den Kolbenhub für den Kolben 14 bzw. die erforderliche Schaltölmenge auf ein Mindestmaß zu reduzieren. Auch der erforderliche Öldruck kann relativ niedrig gehalten werden, da es in den meisten Anwendungsfällen reicht, wenn die Schrägflächen 21, 22 des Kupplungsprofiles 6, 7 unter einem Winkel ausgebildet werden, der nur wenig größer ist als der maximale Reibungswinkel innerhalb der Mitnahmeflächen des Kupplungsprofiles 6, 7 und der Mitnehmer 19, 20. Das bedeutet, daß entsprechend geringe Axialkraft erforderlich ist, um die Kupplung geschlossen zu halten. Die Feder 12 kann mit entsprechend hoher Federkraft dimensioniert werden, um in allen Betriebszuständen, d. h. auch bei niedrigen Drehmomenten ein schnelles Öffnen der Kupplung 26 gegen den Druck des Kolbens 14 und gegebenenfalls des Rotationsdruckes im Kolbenraum im ausgeschalteten Zustand zu gewährleisten.

Bei Anwendung des Kupplungssystems in einem stufenlosen Kraftfahrzeuggetriebe mit mehreren Schaltbereichen besteht die Forderung, daß bei annäherndem Synchronlauf der Kupplungselemente ein Kupplungswechsel stattfindet. Ist beispielsweise die Kupplung 26 die erste Bereichskupplung und die Kupplung 27 die zweite Bereichskupplung, so kann der Schaltablauf wie folgt stattfinden: Die Kupplung 26 ist bis zum Ende des ersten Schaltbereiches geschlossen. Zu Beginn des zweiten Fahrbereiches haben die Kupplungsringe 4 und 5 nahezu Synchronlauf erreicht, wonach in der Regel automatisch der Schaltimpuls zum Schließen der Kupplung 27 erfolgt. Nach Beaufschlagung des Kolbens 15 wird der Kupplungsring 4 mit seinem Kupplungsprofil 8 in das Kupplungsprofil 9 des Kupplungsringes 5 eingerückt. Sobald im eingerückten Zustand der Kolben 15 mit vollem Druck beaufschlagt ist, kann, ausgelöst durch diesen Druckimpuls, das Signal zum Öffnen der Kupplung 26 ausgelöst werden, indem spontan der Öldruck in der Druckleitung 41 auf Null abfällt und der Kolben 14 sowie der Kupplungsring 2 über die Feder 12 in die Neutrallage zurückgedrückt wird. Reicht die Federkraft der Feder 12 für ein spontanes Öffnen der Kupplung 26 nicht aus, so wird durch die aus der Schrägfläche 21; 22 des Kupplungsprofils 6; 7; 8; 9; über den Winkel resultierende Axialkraft der Öffnungsvorgang der Kupplung 26 beschleunigt, solange noch ein Drehmoment in die eine oder andere Drehrichtung der Kupplung 26 vorhanden ist.

Im Hinblick darauf, daß die Schaltung von einem in den anderen Schaltbereich möglichst nahtlos und ohne Lastunterbrechung abläuft, wird das Signal zum Öffnen der auszuschaltenden Kupplung 26 vorzugsweise durch den Öldruck der Folgekupplung, d. h. der neu geschalteten Kupplung 27 ausgelöst, indem entweder durch das Drucksignal dieser Folgekupplung ein Öffnungssignal auf hydraulischem Wege auf das Schaltventil der zu öffnenden Kupplung 26 ausgelöst wird oder daß über ein elektrisches Rückmeldesignal aus dem Öldruck der Folgekupplung das Schaltventil der zu öffnenden Kupplung 26 direkt ansteuert oder gegebenenfalls über die Elektronik den Befehl zum Öffnen der anderen Kupplung erteilt.

Nach Ausführung Fig. 1 sind vier Kupplungen 26, 27, 28, 29 zu einer Einheit zusammengefaßt, wobei jeweils zwei Kupplungen übereinander angeordnet sind. Z. B. kann die Kupplung 26 als erste Bereichskupplung, die Kupplung 27 als zweite Bereichskupplung, die Kupplung 28 als dritte Bereichskupplung und die Kupplung 29 als Rückwärtsbereichskupplung dienen. Alle Kupplungen 26-29 haben ein gemeinsames Kupplungsglied und zwar bei dieser Ausführung den Kupplungsträger 1, der dreh- und achsfest mit einer Welle, vorzugsweise einer Abtriebswelle 28, verbunden ist.

Jede Kupplung besitzt eine Druckplatte 10; 11, die drehfest und axialfest, zumindest in eine Richtung, auf dem Kupplungsträger 1 sitzt. Ein Kupplungsring 3; 5 ist drehfest und gegen eine Druckplatte 10, 11 axial anliegend auf einer Welle 28 bzw. einer Kupplungsglocke 23 gelagert, wodurch auch die Möglichkeit gegeben ist, Kupplungsglocke 23 und Kupplungsring 3, 5 bzw. Kupplungsring 3, 5 und Welle 28, gegebenenfalls zweckmäßigerweise einteilig auszubilden, um Kosten zu sparen, wie es z. B. Verbindungsmuffe 42 zeigt.

In Fig. 1 ist die Kombination des gesamten Kupplungspaketes 25 mit einem Planetengetriebe 30 in kompakter Bauweise dargestellt, wobei das Hohlrad 43 mit der Kupplungsglocke 23, dem Kupplungsring 3 verbunden und das Sonnenrad 44 des Planetengetriebes mit der Kupplungsglocke 37 der Kupplung 29 gekoppelt ist, z. B. zum Schalten eines Rückwärtsbereiches eines Kraftfahrzeuggetriebes.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem stufenlosen Getriebe mit mehreren Schaltbereichen erfolgt der Impuls für die Bereichsschaltung aus einem Synchron-Signal aus dem Synchronlauf der entsprechenden Kupplungselemente oder/und aus einem Signal eines Verstellorgans eines stufenlosen Getriebeteiles, z. B. dem Stellwinkel eines Hydrostat-Aggregates in Abhängigkeit einer dem Synchronlauf entsprechenden Verstellgröße. Synchrondrehzahl-Ungenauigkeiten der Kupplungselemente, bedingt z. B. durch Leckölverluste innerhalb der Hydrostatelemente, die abhängig vom Hydrostatdruck unterschiedlich groß sind, werden in diesem Kupplungssystem oder/und im Steuerungssystem ausgeglichen. Das heißt, daß drehzahlschlupfabhängige Synchronlaufabweichungen bzw. Gleichlaufabweichungen hinsichtlich der Schaltqualität und der spezifischen Kupplungs-Schaltbelastung ausgeglichen werden.

Unter der Definition "Synchronbereich" bzw. "Synchron-Drehzahlbereich" wird der Bereich der Drehzahlabweichung der zu schaltenden Kupplungsglieder, z. B. durch derartige Leckölverluste, verstanden.

Je nach den konstruktiven Gegebenheiten bzw. baulichen Gegebenheiten des Getriebes, können weitere unterschiedliche Kupplungsausführungen mit diesen erfindungsgemäßen Merkmalen ausgebildet werden, wobei z. B. der Schaltkolben und der Kupplungsring einteilig ausgeführt ist und der Kolbenraum durch ein Blechprägeteil gebildet wird oder im Gehäuse eingearbeitet ist. Diese Ausführungsformen sind in den Zeichnungen nicht dargestellt.

Diese neuartige Schaltkupplung besitzt den weiteren Vorteil, daß die modernen Fertigungsmethoden - Blechtechnik, Sintertechnik und andere - in besonders hohem Maße anwendbar sind, wodurch neben dem Bauraumvorteil große Kostenteile durch wirtschaftliche Fertigung erzielt werden.

In Fig. 2 ist die Steuer- und Regelungseinrichtung schematisch dargestellt. Über die Wähleinrichtung 62 wird, wie bei üblichen Automatgetrieben, die Vorwahl der Gänge getroffen. Die Steuerung und Regelung besteht aus einem, insbesondere elektronischen Steuer- und Regelgerät R, in dem die Signale des Fahrers, des Motors, des Getriebes und des Fahrzeugs verarbeitet werden. Über die Signale f und g wird das Vorwahl-Signal des Fahrers über die Wähleinrichtung 62 eingegeben. Über die Signale c erhält das Regelgerät R und die Wähleinrichtung 62 des Motors das Fahrpedal- Signal. Über das Brems-Signal e durch das Bremspedal B kann die Getrieberegelung zusätzlich beeinflußt werden mit dem Ziel, die Getriebeübersetzung zusätzlich zurückzuregeln, um die Motorbremsfähigkeit ausnutzbar zu machen. Über das Motordrehzahl- Signal a und dem Abtriebsdrehzahl-Signal d wird das Synchron- Signal gebildet, wodurch entsprechende Kupplungen 208 und 209 über die Steuer-Signale k und l bei Erreichen der Synchrondrehzahl aus den Vergleichs-Signalen der Drehzahlen einer Antriebswelle 60 und einer Abtriebswelle 61 durch ihre entsprechenden Signale a und d betätigt werden. Bei Ausbildung des Getriebes als stufenloses Getriebe bzw. als stufenloses hydrostatisch-mechanisches Verzweigungsgetriebe ist ein stufenloser Wandler 64, 65 vorgesehen, dessen Verstelleinheit 64 über das Verstell-Signal h die beschriebene gezielte Anpassung der Drehzahlen der Kupplungsglieder einer der beiden Kupplungen 208 und 209 bewirkt. Über das Druck-Signal e wird der lastabhängige Betriebszustand bzw. das Last-Signal für die Steuerung/Regelung zur Beeinflussung der beschriebenen Schaltabläufe, z. B. als Maß für den Drehzahlschlupf bzw. der entsprechenden Synchronabweichungen oder als Maß für die erforderliche Rückregelung bzw. Korrektur der Hydrostatverstellung signalisiert, wie in der Beschreibung näher erläutert.

Claims (3)

1. Verfahren zur Steuerung eines stufenlos wirkenden hydrostatisch-mechanischen Verzweigungsgetriebes mit mehreren Bereichskupplungen für jeweils einen Schaltbereich, bei dem beim Schalten in einen neuen Schaltbereich

• - die Bereichskupplung eines vorhergehenden Schaltbereichs geschlossen ist,
• - anschließend die Bereichskupplung des neuen Schaltbereichs geschlossen wird, wenn ihre beiden zu schaltenden Kupplungsglieder Synchronlauf erreicht haben, und
• - die vorhergehende Bereichskupplung nach Schließung der Bereichskupplung des neuen Schaltbereichs getrennt wird,

wobei während des Zeitraums, in dem beide Bereichskupplungen geschlossen sind, die Hydrostateinheit entsprechend des Drehzahlschlupfes oder des lastabhängigen Leckölanteiles zurückgeregelt oder in ihrer Verstellgröße korrigiert wird, um eine ruckfreie Bereichsschaltung zu gewährleisten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bereichskupplungen für die Rückregelung der Hydrostateinheit eine bestimmte Schließzeit lang geschlossen sind, wobei die Schließzeit anhand eines vorgegebenen Zeitsignals und/oder eines definierten Verstellwegsignals der Hydrostateinheit und/oder durch ein lastabhängiges Signal bestimmt wird.