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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein Schaltgetriebe für
ein Nutzfahrzeug gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Es ist bekannt, dass Nutzfahrzeuge
mit einem Schaltgetriebe mit einer hohen Anzahl von Übersetzungsverhältnissen
versehen sind, beispielsweise mit acht, zwölf oder sechzehn Vorwärtsübersetzungsverhältnissen
und einem oder mehreren Rückwärtsübersetzungsverhältnissen.
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Die bekannten Schaltgetriebe umfassen
im Allgemeinen zwei oder drei Gruppen oder Stufen, die in Kaskade
zueinander angeordnet sind und jeweils eine verringerte Anzahl (von
zwei bis vier) der Übersetzungsverhältnisse
definieren; daher wird die Gesamtzahl der Übersetzungsverhältnisse
des Schaltgetriebes durch das Produkt der Übersetzungsverhältnisse
der einzelnen Stufen definiert.
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Eine typische Konfiguration ist eine,
die eine Hauptgruppe oder ein "Hauptgehäuse" mit vier Verhältnissen
plus rückwärts und
mindestens eine Hilfsgruppe oder einen "Bereich" umfasst, die stromabwärts der
Hauptstufe vorgesehen ist und zwei Übersetzungsverhältnisse
für insgesamt
acht Übersetzungsverhältnisse
definiert. Die Übersetzungsverhältnisse
der Hilfsgruppe werden so berechnet, dass sie in Kombination mit
den Übersetzungsverhältnissen
der Hauptgruppe zwei Sätze
von Schaltverhältnissen
(I, II, III, IV; V, VII, VIII) definieren, die getrennt und zueinander
benachbart sind.
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Die Auswahl und der Eingriff der Übersetzungsverhältnisse
wird durch einen manuell betätigten
Hebel gesteuert, wobei das Steuerungsgitter (d.h. die Gesamtheit
der Wege entlang derer der Hebel bewegt werden muss, um die verschiedenen Übersetzungsverhältnisse
zu wählen
und zu lösen) zunehmend
komplex wird, wenn die Anzahl der Übersetzungsverhältnisse
zunimmt.
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Unter Verweis auf das oben dargestellte
Beispiel (acht Vorwärtsschaltverhältnisse)
kann das Muster ein sogenannter "Doppel
H"-Typ sein; die Schaltverhältnisse
sind in Paaren (I und II; III und IV; usw.) in jeweiligen Eingriffsebenen
angeordnet, die gewählt
werden können,
indem der Hebel entlang einer Wahlebene (im Allgemeinen quer in
Bezug auf die Richtung der Fahrt des Fahrzeugs) bewegt wird; die
zur gewählten
Eingriffsebene gehörigen
Schaltverhältnisse
können
in Eingriff gebracht werden, indem nachfolgend der Hebel entlang
der Eingriffsebene vorwärts (ungerade Übersetzungsverhältnisse) oder
rückwärts (gerade Übersetzungsverhältnisse)
in Bezug auf die Wahlebene bewegt wird.
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Da die Gesamtdimensionen des Musters
aus ergonomischen Gründen
und aus Platzgründen
begrenzt sind, nimmt, wenn die Anzahl der Verhältnisse zunimmt, unvermeidlich
der Abstand zwischen den verschiedenen Eingriffsebenen ab; im Betrieb
kann dies zum Auftreten von Wahlfehlern in der Eingriffsebene führen, was
zum Eingriff von falschen Schaltverhältnissen führt.
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Mit dem Ziel, dieses Problem zu lösen, wurden
Wahlhebel mit einem "wiederholten
H"-Muster vorgeschlagen;
in diesem Fall ist das Muster ein einfaches H, der Hebel ist jedoch
mit einem Wähler
versehen, der sich vertikal bewegen kann, was es ermöglicht,
das Muster selbst in zwei überlagerte
Ebenen zu trennen, denen jeweils ein jeweiliges Übersetzungsverhältnis der
Hilfsgruppe entspricht. Die Wahl der Übersetzungsverhältnisse
der Hauptgruppe findet in jeder der zwei Ebenen statt, wobei die
Wahl einfach und zuverlässig
ist, da der Abstand zwischen den Eingriffsebenen größer ist
als im Fall eines entsprechenden Doppel H-Musters.
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Diese Anordnung weist jedoch auch
Nachteile auf, da es möglich
ist, dass der Fahrer den Wähler unbeabsichtigt
in das obere oder untere Niveau bewegt, oder umgekehrt, wenn der
Gang geschaltet wird, was in einigen Fällen ernsthafte Konsequenzen für sowohl
die Fahrsicherheit als auch die mechanische Fehlerfreiheit des Motors
haben kann. Wenn beispielsweise der Gang verändert wird, so dass von dem
achten Gang heruntergeschaltet wird, könnte ein Fehler dieser Art
zum Eingriff des dritten Gangs anstatt des siebten Gangs führen, des
zweiten Gangs anstatt des sechsten Gangs, wobei die obenstehenden
Risiken auftreten, dass der Motor bei einer Rotationsgeschwindigkeit
läuft,
die im großen Maß die Schranken
der mechanischen Festigkeit übersteigt.
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Um dieses Problem zu lösen, wurden
elektronische Steuersysteme vorgeschlagen, die am Eingang mehrere
Signale empfangen, die auf die Betriebsparameter der Gangänderung
Bezug nehmen (Rotationsgeschwindigkeit der Eingangs- und Ausgangswelle, Übersetzungsverhältnis im
Eingriff, ausgewähltes Übersetzungsverhältnis und
so weiter), und die die Eingangssignale verarbeiten, so dass der Betrieb
des Wählers
auf der Basis von gespeicherten Karten ermöglicht oder verhindert wird.
Solche Systeme bringen jedoch sowohl die Verwendung einer komplizierten
und teuren Regelungseinheit als auch die Installation von zusätzlichen
Komponenten für die Gangänderung
mit sich (mechanische Arretierelemente, Sensoren und zugehörige Verdrahtung).
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Ferner sind die Systeme der oben
beschriebenen Art nicht immer zuverlässig und können sich nicht rechtzeitig
im Fall von insbesondere raschen Manövern einschalten.
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Die US-A-5416698 beschreibt ein manuell geschaltetes
Schaltgetriebe, wobei die Merkmale davon die Grundlage für den Oberbegriff
von Anspruch 1 bilden, bei dem eine Regelungseinheit Eingangssignale
empfängt,
die repräsentativ
für die
Betriebsparameter der Übersetzungsänderung
sind, und ein Kommandoausgangssignal an eine Alarmeinrichtung sendet,
wenn sie erfasst, dass die Eingangswellengeschwindigkeit und das
gegenwärtig
in Eingriff gebrachte Übersetzungsverhältnis zu
einer unerwünschten Überbeschleunigung
oder Unterverzögerung
des Fahrzeugmotors führen
würden;
daher wird der Fahrer lediglich durch einen Alarm gegen das erneute
in Eingriff bringen der Fahrzeughauptkupplung gewarnt, wobei ihn
jedoch nichts daran hindert, es dennoch zu machen. Wenn insbesondere
eine manuelle Schaltung rasch durchgeführt wird, kann die Warnung
vollständig
ineffektiv sein.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein Schaltgetriebe abzuleiten, das die mit den oben beschriebenen
bekannten Schaltgetrieben einhergehenden Nachteile überwindet.
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Die obenstehende Aufgabe wird durch
ein Schaltgetriebe gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Im Hinblick auf ein besseres Verständnis der vorliegenden
Erfindung wird eine bevorzugte Ausführungsform nicht beschränkend beispielhaft
unten und unter Verweis auf die beigefügte Zeichnung, die sie schematisch
darstellt, beschrieben.
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Unter Verweis auf die Figur bezeichnet
Referenzziffer 1 im Allgemeinen ein automatisiertes Schaltgetriebe
für ein
Nutzfahrzeug.
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Das Schaltgetriebe 1 umfasst
eine Eingangswelle 2, die eine Achse A aufweist, eine Zwischenwelle 3,
die koaxial zur Eingangswelle 2 ist, und eine Gegenwelle 4,
die eine Achse B parallel zur Achse A aufweist. Die Eingangswelle 2 und
die Zwischenwelle 3 weisen jeweilige Enden 5, 6 auf,
zueinander benachbart und miteinander so verbunden, dass eine relative
Rotation möglich
ist. Jeweilige Schalträder 7, 7 sind
im Leerlauf auf den Enden 5, 6 montiert, wobei
diese Schalträder
mit jeweiligen Schalträdern 9, 10 kämmen, die
auf der Gegenwelle 4 verkeilt sind.
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Die Schalträder 7, 8 können selektiv
auf dem Ende 5 der Eingangswelle 2 durch eine
Synchronkupplung 12 in Eingriff gebracht werden, die mit
einer verschiebbaren Kupplungshülse 13 versehen
ist.
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Die Schalträder 15, 16, 17 sind
im Leerlauf auf der Zwischenwelle 3 montiert und weisen
Durchmesser auf, die größer als
das Zahnrad 8 sind und die progressiv von einem zum nächsten zunehmen. Die
Zahnräder 8, 15 können selektiv
auf der Zwischenwelle 3 durch eine Synchronkupplung 18 in Eingriff
gebracht werden, die mit einer verschiebbaren Kupplungshülse 19 versehen
ist. Auf eine vollständig
analoge Weise können
die Zahnräder 16, 17 selektiv
auf der Zwischenwelle 3 durch eine Synchronkupplung 20 in
Eingriff gebracht werden, die mit einer verschiebbaren Kupplungshülse 24 versehen ist.
Die Zahnräder 15, 16, 17 kämmen mit
entsprechenden Zahnrädern 26, 27, 28,
die auf der Gegenwelle 4 verkeilt sind.
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Ein weiteres Zahnrad 29 ist
im Leerlauf auf der Zwischenwelle 3 montiert und kämmt mit
einem Leerlaufzahnrad 30, das wiederum mit einem Zahnrad 31 kämmt, das
auf der Gegenwelle 4 verkeilt ist. Das Zahnrad 29 kann
mit der Zwischenwelle 3 durch eine Kupplung 32 gekoppelt
werden, die mit einer verschiebbaren Steuerhülse 33 versehen ist.
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Aus einem funktionellen Gesichtspunkt
definieren die Zahnräder 8, 15, 16, 17, 29,
die mit der Zwischenwelle 3 gekoppelt werden können, zusammen
mit den entsprechenden Zahnrädern 10, 26, 27, 28, 31 auf
der Gegenwelle 4 eine Hauptstufe 35 oder einen "Hauptkasten" des Schaltgetriebes 1 mit
vier Vorwärtsübersetzungsverhältnissen
(Hauptübersetzungsverhältnisse)
und einem Rückwärtsübersetzungsverhältnis; die
Zahnräder 7, 8,
die mit der Eingangswelle 2 gekoppelt werden können, und
die entsprechenden Zahnräder 9, 10 auf
der Gegenwelle 4 bilden eine erste Hilfsstufe 34 des
Schaltgetriebes 1 oder einen "Verteiler", der zwei Hilfsübersetzungsverhältnisse
mit einem unterschiedlichen Reduktionsverhältnis definiert, so dass Zwischenübersetzungsverhältnisse
zwischen den Hauptübersetzungsverhältnissen
definiert werden.
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Das Zahnrad 8 und das Zahnrad 10 werden als
zur sowohl der Hilfsstufe 34 als auch der Hauptstufe 35 gehörend angesehen,
da das Zahnrad 8 mit sowohl der Eingangswelle 2 als
auch der Zwischenwelle 3 gekoppelt werden kann und daher
konzeptuell mit zwei getrennten, aber gleichen Zahnrädern verglichen
werden kann, von denen jedes mit der jeweiligen Welle gekoppelt
werden kann.
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Die vier Vorwärtsübersetzungsverhältnisse der
Hauptstufe 35 werden durch Koppeln der Zwischenwelle 3 mit
jeweils dem Zahnrad 17 (rechte Hülse
24), dem Zahnrad 16 (linke
Hülse 24),
dem Zahnrad 15 (rechte Hülse 19) und dem Zahnrad 8 (linke Hülse 19)
erhalten.
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Die Hülsen 19, 24 und 33 werden
mechanisch durch einen manuell betätigten Hebel 36 über eine
Getriebeeinrichtung bekannter Art gesteuert, die in den Zeichnungen
nicht dargestellt ist. Der Hebel 36 weist ein Steuergitter
mit fünf
Positionen (vier Vorwärtsfahrtpositionen,
die in einem einfachen H angeordnet sind, und einer Rückwärtsposition)
auf.
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Die zwei Übersetzungsverhältnisse
der Hilfsgruppe 34 werden durch Koppeln von jeweils dem Zahnrad 7 (linke
Hülse)
und dem Zahnrad 8 (rechte Hülse 13) mit der Eingangswelle
erhalten.
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Die Hülse 13 wird durch
einen Betätiger 37 durch
eine Betätigungsgabel 37a bekannter
Art kontrolliert. Der Betätiger 37 ist
pneumatisch und gemäß der vorliegenden
Erfindung von einer Art, die drei mechanisch bestimmte Positionen
aufweist; zwei Grenzpositionen, links und rechts jeweils, entsprechen
den oben beschriebenen jeweiligen Kupplungspositionen der Hülse 13;
eine mittlere Position, die in der Zeichnung dargestellt ist, hält die Kupplung 12 in einer
Neutralposition, in der die Eingangswelle 2 nicht mit der
Gegenwelle 4 gekoppelt ist und daher bezüglich des
Winkels auch von der Zwischenwelle 3 entkoppelt ist, unabhängig von
dem Übersetzungsverhältnis, das
optional in der Hauptstufe 35 gekoppelt ist.
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Das Schaltgetriebe 1 umfasst
ferner eine zweite Hilfsgruppe 38 oder "Bereich", die im Wesentlichen durch ein epizyklisches
Reduktionsgetriebe gebildet ist, das ein Sonnenrad 39,
das auf der Zwischenwelle 3 verkeilt ist, als Eingangselement
und eine Ausgangswelle 40 aufweist, die an einem Zugträger 41 angebracht
ist.
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Das Sonnenrad 39 kämmt mit
mehreren Planetenrädern 42,
die in einer winkelmäßig freien
Weise durch den Zugträger 41 getragen
werden und die wiederum mit einem internen Ringrad 43 kämmen.
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Das Ringrad 43 ist an einer
Kupplungshülse 44 angebracht,
die axial zwischen einer ersten Position (links in Bezug auf die
Zeichnung), in der das Ringrad 43 mit dem Zugträger 41 verbunden
ist, und einer zweiten Position (rechts in Bezug auf die Zeichnung),
in der das Ringrad 43 mit dem Getriebe verbunden ist, verschiebbar
ist. In der ersten Position drehen sich das Sonnenrad 39,
der Zugträger 41 und das
Ringrad 43 zusammen, wodurch sie ein einziges Übersetzungsverhältnis (Direktantrieb)
zwischen der Zwischenwelle 3 und der Ausgangswelle 40 bilden;
in der zweiten Position ist ein Übersetzungsverhältnis zwischen
dem Gang der Zwischenwelle 3 und der Ausgangswelle 40 vorhanden;
diese Verhältnisse werden
so berechnet, dass sie in Kombination mit den Hauptübersetzungsverhältnissen
zwei Sätze
von getrennten und benachbarten Schaltverhältnissen definieren.
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Die Hülse 44 wird durch
einen pneumatischen Betätiger 45 durch
eine Betätigungsgabel 46 bekannter
Art gesteuert.
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Die Hilfsgruppen 34 und 38 werden
durch eine Steuereinheit 47 kontrolliert, die Steuersignale sc für
jeweilige Solenoidventile 48, 49 zum Bedienen des
Betätigers 37 und
für jeweilige
Solenoidventile 50, 51 zum Bedienen des Betätigers 45 als
Antwort auf Eingangssignale erzeugen kann, die im Einzelnen unten
beschrieben werden.
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Die Solenoidventile 48, 49, 50, 51 sind
vom Dreiwegetyp mit zwei normal geschlossenen Positionen. Die drei
Positionen des Betätigers 37 werden durch
Energetisieren von jeweils dem Solenoidventil 48 an sich,
dem Solenoidventil 49 an sich oder von gleichzeitig beiden
Solenoidventilen 48, 49 erhalten. Die zwei Positionen
des Betätigers 45 werden
durch Anregen von jeweils dem Solenoidventil 50 an sich und
dem Solenoidventil 51 an sich erhalten.
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Die Steuereinheit 47 umfasst
einen Vergleichsschaltkreis 52, der mit einem Winkelgeschwindigkeitssensor 53 verbunden
ist, der zu der Eingangswelle 2 gehört, von dem sie ein Eingangssignal
sw empfängt,
das mit der Winkelgeschwindigkeit der Eingangswelle 2 korreliert
ist; wenn die Kupplung geschlossen ist, fällt diese Geschwindigkeit offensichtlich
mit der Rotationsgeschwindigkeit der Hauptwelle zusammen. Der Schaltkreis 52 kann
das Eingangssignal sw, d.h. die Winkelgeschwindigkeit
der Eingangswelle, mit einem Referenzwert sT vergleichen,
der einem oberen Grenzwert der Winkelgeschwindigkeit der Eingangswelle
entspricht, und am Ausgang ein Ermächtigungssignal se erzeugen,
dessen Logikniveau vom Ergebnis des Vergleichs abhängt, wie
unten erklärt
wird.
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Die Steuereinheit 47 umfasst
ferner einen Steuerkreis 54, der am Eingang zusätzlich zu
dem Signal se Signale ss,
sr empfängt,
die durch Transducereinrichtungen 55 erzeugt werden, die
zu dem Schalthebel 46 gehören. Diese Transducereinrichtungen, die
von bekanntem Typ sind und somit nicht im Einzelnen beschrieben
werden, können
die Signale ss, sr als
Antwort auf die manuelle Betätigung
der Hilfswahlelemente 56, 57 erzeugen, die zu
dem Hebel gehören.
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Insbesondere sind diese Elemente
durch einen Hilfswähler 56 geformt,
der passend in den Hebel 36 integriert ist und der in einer
Axialrichtung in Bezug dazu zwischen zwei Positionen (A, B) betätigt werden
kann, und durch einen kleinen Hebel 57, der auf dem Handgriff
des Hebels selbst angebracht ist und der zwischen zwei Positionen
(U, D) bewegt werden kann. Der Wähler 56 kontrolliert
die Hilfsgruppe 38; die Transducer 55 erzeugen
Eingangssignale sr zum Steuern der Hilfsgruppe 38,
die einen (Logik-)Wert aufweisen, der zur Position des Wählers 56 korreliert
ist (beispielsweise 1 für
Position A, 0 für
Position B). Der kleine Hebel 57 kontrolliert die Hilfsgruppe 34;
die Transducereinrichtung 55 erzeugt Eingangssignale ss zum Kontrollieren der Hilfsgruppe 34,
die einen (Logik-)Wert aufweisen, der mit der Position des kleinen
Hebels 57 korreliert ist (beispielsweise 1 für Position
U, 0 für
Position D).
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Die Betriebsweise des Schaltgetriebes 1 ist wie
folgt:
Die Übersetzungsverhältnisse
in der Hauptgruppe 35 (I, II, III, IV, R) werden manuell
durch den Hebel 36 gewählt
und in Eingriff gebracht.
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Wenn zusätzlich zu dem Hebel 36 der
Wähler 56 und/oder
der kleine Hebel 57 betätigt
wird, beinhaltet die Änderung
des Schaltverhältnisses
auch die Hilfsgruppe 38 und/oder die Hilfsgruppe 34.
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In diesem Fall erzeugt als Antwort
auf ein Signal ss und/oder sr der
Steuerkreis 54 der Steuereinheit 47 Steuersignale
für die
Solenoidventile, die zu den Betätigern 48, 49, 50, 51 des
Schaltgetriebes 1 gehören,
so dass der vorher in Eingriff gebrachte Gang gelöst wird
und somit das neue benötigte Schaltverhältnis in
Eingriff gebracht wird. Das Logikniveau von se ist
normalerweise so, dass es die Änderung
des Schaltverhältnisses
ermöglicht.
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Dem tatsächlichen Eingriff des Schaltverhältnisses
geht ein Synchronisationsschritt voran, in dem die Differenz zwischen
den Winkelgeschwindigkeiten jedes in Eingriff zu bringenden Zahnrads
und der zugehörigen
Welle progressiv eliminiert wird. Es kann in einer anfänglichen
Näherung
angenommen werden, dass die Winkelgeschwindigkeit der Ausgangswelle 40 während der
Schaltstufenänderung
konstant bleibt (somit wird die Variation in der Geschwindigkeit des
Fahrzeugs vernachlässigt):
daher ruft die Synchronisation eine Geschwindigkeitsvariation der
Eingangswelle 2 hervor. Insbesondere wird die Eingangswelle 2 bei
Gangänderungen
auf ein niedrigeres Schaltverhältnis
beschleunigt und bei Gangänderungen
auf ein höheres
Schaltverhältnis
verzögert.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
vergleicht der Schaltkreis 52 der Steuereinheit 47 das Signal
sw, das repräsentativ für die Geschwindigkeit der Eingangswelle 2 ist,
mit einem Referenzwert sT, der einer oberen
Grenze der Rotationsgeschwindigkeit des Motors entspricht, was mit
der Sicherheit und der mechanischen Unversehrtheit des Motors kompatibel
ist.
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Wenn das Signal sw niedriger
als der Schwellenwert ist, d.h. die Geschwindigkeit der Eingangswelle 2 innerhalb
eines akzeptablen Wertebereichs ist, bleibt das Niveau des Ermächtigungssignals
se unverändert
und der Gangänderungsvorgang
zu Ende geführt.
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Im gegenteiligen Fall, d.h. wenn
die Geschwindigkeit der Eingangswelle höher als die Sicherheitsgrenze
ist, ändert
sich das Signal se und der Steuerkreis 54 energetisiert
als Antwort darauf die zwei Solenoidventile 48, 49;
daher platziert der Betätiger 40 die
Hülse 13 in
der mittleren oder neutralen Position.
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Als Folge davon wird die Eingangswelle 2 von
der Gegenwelle 4 und daher von der Zwischenwelle 3 entkoppelt.
Somit wird ein Schaltverhältnisänderungsvorgang
verhindert und das Schaltgetriebe 1 in einer neutralen
Position platziert.
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Vorteilhafterweise wird nach einer
Wartezeit, die ausreichend ist, um den neutralen Zustand einzunehmen,
das Signal se erneut auf den logischen Ermächtigungswert
gesetzt, wartend auf einen nachfolgenden Wählvorgang.
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Die Vorteile, die mit der vorliegenden
Erfindung erreicht werden können,
sind aus einer Studie der Merkmale des Schaltgetriebes 1 offensichtlich.
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Hauptsächlich werden Schaltänderungsvorgänge verhindert,
die für
die Sicherheit und für
die Unversehrtheit des Motors gefährlich sind, und die beispielsweise
als Folge eines unbeabsichtigten Schaltens des Wählers 56 aus der Wahlposition
für die
hohen Gänge
in die Wahlposition für
die niedrigen Gänge
resultieren könnten.
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Diese Funktion wird auf eine einfache
und zuverlässige
Weise erhalten und erfordert keine Modifikation an der Struktur
des Schaltgetriebes oder irgendwelche zusätzlichen Komponenten (der Sensor 45 ist
normalerweise in jedem automatisierten Schaltgetriebe vorhanden),
außer
der Verwendung eines Drei-Positions-Betätigers für den Verteiler 34. Die
Zusatzkosten zum Vorsehen der Funktion sind somit sehr niedrig und
beträchtlich
niedriger als diejenigen, die mit der Verwendung einer elektronischen Steuerung
mit einer mechanischen Arretierung des Wählers einhergehen.
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Schließlich ist deutlich, dass das
oben beschriebene Schaltgetriebe Modifikationen und Variationen
unterliegen kann, ohne vom Schutzrahmen abzuweichen, der durch die
Ansprüche
definiert wird.
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Insbesondere könnte die Neutralfunktion in Notfallbedingungen
der Hilfsgruppe 38 anstatt der Gruppe 34 auferlegt
werden; in diesem Fall müsste die
Gruppe 38 mit einer Neutralzwischenposition versehen werden
und der Betätiger 45 drei
Positionen aufweisen. Der Betätiger 37 könnte jedoch
auch konventionell mit zwei Positionen sein.