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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die vorlie ende Erfindung betrifft
ein halbautomatisches Schaltsteuerungssystem/-verfahren für halbautomatisches
Schalten eines mittels eines Schalthebels geschalteten mechanischen
Getriebes, vorzugsweise eines Verbundgetriebes der Range- und/oder
Split-Bauart. Insbesondere ist in einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ein Verbundgetriebe der Split- oder kombinierten
Split- und Range-Bauart mit Steuerungen und Aktuatoren für manuell
durchzuführendes
dynamisches Schalten von Vorwärtsgängen der
Hauptgetriebegruppe ausgestattet, wobei beim Schalten mittels eines
Schalthebels durch automatische Motorsteuerung eine Unterbrechung
des Drehmoments zum Schalten in den Leerlauf und/oder zur Synchronisierung
für das
Einlegen der Zielgangstufe herbeigeführt wird, ohne dass eine manuelle
Betätigung
des Gaspedals oder der Hauptkupplung erforderlich ist.
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BESCHREIBUNG
DES STANDES DER TECHNIK
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Mechanische Verbundgetriebe der Range-Bauart,
die Steuerungen des so genannten „Doppel-H"-Typs verwenden, bei denen ein Schalten
der Range-Gruppe durch Bewegung des Gangschalthebels automatisch
ausgewählt
wird, ohne dass der Fahrer einen Knopf oder Hebel zur Wahl eines
Wechsels der Bereichsgruppe betätigen
muss, sind hinlänglich
aus dem Stand der Technik bekannt, wie aus den US-Patenten 3 429
202, 4 561 325, 4 455 883, 4 663 725 und 4 944 197 ersichtlich.
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Mechanische Verbundgetriebe des kombinierten
Splitund Range-Typs sind bei Schwerlastfahrzeugen weit verbreitet
und aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, wie dies aus
den US-Patenten 4 754 665, 4 944 197, 5 193 410 und 5 390 561 ersichtlich
ist.
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Systeme zur halbautomatischen Durchführung von
Schaltvorgängen
in mechanischen Verbundgetrieben, in denen bei einem manuellen Schalten
in die höchste
Ganggruppierung automatisches Schalten nur innerhalb der höchsten Ganggruppierung
vorgesehen ist, sind aus dem Stand der Technik bekannt und in den
US-Patent 4 722 248 und 5 038 627 offenbart. Systeme zur halbautomatischen Schaltdurchführung in
mechanischen Verbundgetrieben, bei denen der Fahrer manuell die
Drehmomentunterbrechung herbeiführen
und/oder synchrone Laufbedingungen herstellen muss, sind aus dem Stand
der Technik bekannt und in dem US-Patent 5 053 961 beschrieben.
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Wenigstens teilweise automatisierte
Systeme, bei denen die Steuerung der Kraftstoffzufuhr für den Motor,
bspw. durch Motormodulation, dazu benutzt wird, um von drehmomentinduzierten
Schaltblockaden freie Zustände
zum Schalten in den Leerlauf herzustellen, ohne dass die Hauptkupplung
betätigt
werden muss, sind aus dem Stand der Technik bekannt und in den US-Patenten
4 850 236 und 5 105 357 beschrieben.
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Das US-Patent 5 435 212 offenbart
ein System zur halbautomatischen Durchführung von Schaltvorgängen, das
für jede
Schalthebelposition ein automatisches Schalten der Splitgruppe vorsieht, was
es ermöglicht
ein 10-Gang-Verbundgetriebe vom Typ „(2 + 1) × (2) × (2)" so leicht zu bedienen wie ein 5-Gang-Automatikgetriebe.
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Die obigen Systeme, wie sie offenbart
sind, sind für
bestimmte Anwendungen nicht vollständig zufriedenstellend, weil
der Fahrer beim Schalten mit dem Gangschalthebel etwa die Steuerung
der Splitgruppe und/oder das Gaspedal und/oder die Hauptkupplung
betätigen
muss.
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Ein Getriebesystem gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 ist aus der
EP
427 000 A bekannt. Ein Kupplungspedal ist nicht vorhanden,
was die Schaltentscheidungen des Fahrers begrenzt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
werden viele Merkmale aus dem Stand der Technik in neuartiger Weise
verwendet, um ein Steuerungssystem/-verfahren zur halbautomatischen
Durchführung von
Schaltvorgängen
für ein
mehrgängiges
Getriebesystem, vorzugsweise ein Verbundgetriebesystem, zu schaffen,
das die Effizienz eines mechanischen Getriebes, vorzugsweise eines
mechanischen Verbundgetriebes, behält, es ermöglicht, dass ein solches Getriebesystem
mit relativ kostengünstigen Sensoren,
Aktuatoren und Steuerungen ausgerüstet wird, es dem Fahrer erlaubt,
viele der Schaltentscheidungen selbst zu treffen, und es ermöglicht,
das Getriebe mit der Leichtigkeit eines gewöhnlich für Personenkraftwagen verwendeten,
einfachen, synchronisierten, manuell geschalteten Getriebes zu schalten.
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Das Voranstehende wird in einer bevorzugten
Ausführungsform
durch die Schaffung eines Steuerungssystems/-verfahrens für ein Getriebe, vorzugsweise
ein mechanisches Verbundgetriebe der Split-Bauart, erreicht, das
relativ einfache und kostengünstige
Steuerungen, Sensoren und Ak tuatoren aufweist, wobei ein Schalten
von Vorwärtsgängen der
Hauptgruppe (d. h. Schalten mittels eines Gangschalthebels) von
Hand durchgeführt
wird, ohne ein manuelles Schalten der Splitgruppe oder eine Betätigung der
Hauptkupplung zu erfordern, und eine automatische Motorsteuerung
vorgesehen ist, um eine Drehmomentunterbrechung und/oder eine Synchronisierung
für die
Zielgangstufe herbeizuführen,
und wobei dynamische Vorwärtsgang-Schaltvorgänge, die
reine Split-Schaltvorgänge
sind, in jeder Vorwärtsgangstufe
der Hauptgetriebegruppe vollautomatisch durchgeführt werden. Wenn ein Verbundgetriebe
der kombinierten Range- und Split-Bauart gesteuert werden soll, wird vorzugsweise
das Schalten der Range-Gruppe automatisch durch die Bewegung des
Schalthebels ausgewählt,
wie dies aus den kommerziell erhältlichen
Steuerungen des Typs „Doppel-H" bekannt ist.
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In bevorzugten Ausführungsformen
wird ein Display dazu verwendet, um dem Fahrer die vorgeschlagene
Zielgangstufe und/oder die automatisch synchronisierte Gangstufe
anzuzeigen und/oder den Fahrer darauf hinzuweisen, dass hinreichend
synchrone Bedingungen für
die Vollendung eines Schaltvorgangs vorliegen, und/oder es wird
ein Schaltabsichtsensor verwendet, um zu erkennen, wenn der Fahrer
beabsichtigt, aus der momentan eingerückten Gangstufe in den Leerlauf
und anschließend
in die Zielgangstufe zu schalten, um die Vorauswahl des erforderlichen
Split-Schaltvorgangs zu veranlassen und den Motor derart mit Kraftstoff
beliefern zu lassen, dass die drehmomentinduzierte Schaltblockade abgeschwächt oder
minimiert ist.
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Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein neues und verbessertes System zur halbautomatischen
Durchführung
von Schaltvorgängen
in einem mechani schen Getriebe, vorzugsweise einem mittels eines
Schalthebels betätigten
Verbundgetriebe, zu schaffen, das relativ einfach und kostengünstig ist
und es erlaubt, das Getriebe auf ähnliche Art wie ein einfaches
manuell geschaltetes synchronisiertes PKW-Getriebe zu betreiben.
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Diese und andere Rufgaben und Vorteile
der vorliegenden Erfindung erschließen sich beim Lesen der folgenden
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung
mit den beigefügten Zeichnungen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 und 1a zeigen Schnittansichten
eines Verbundgetriebes der kombinierten Range- und Split-Bauart.
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2 veranschaulicht
ein herkömmliches Schaltschema
für das
Getriebe nach 1.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Getriebesystems
zur halbautomatischen Durchführung
von Schaltvorgängen
in Form eines Blockdiagramms.
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4 zeigt
eine graphische Darstellung, die die Schaltpunktlogik des erfindungsgemäßen Steuerungssystems
bzw. Steuerungsverfahrens veranschaulicht.
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5A bis 5D zeigen schematische Darstellungen
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in Form von Flussdiagrammen.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In der folgenden Beschreibung wird
aus Gründen
der Einfachheit bei der Bezugnahme und ohne beschränkende Wirkung
eine bestimmte Terminologie verwendet. Die Begriffe „nach oben", „nach unten", „nach rechts" und „nach links" bezeichnen Richtungen
in den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. Die Ausdrücke „(nach)
vorne" und „(nach)
hinten" beziehen
sich jeweils auf das vordere bzw. hintere Ende des Getriebes, wie
es gewöhnlich in
einem Fahrzeug eingebaut ist, und es handelt sich um die linke bzw.
die rechte Seite des in 1 veranschaulichten
Getriebes. Die Begriffe „(nach)
innen" und „(nach)
außen" bezeichnen Richtungen
auf einen geometrischen Mittelpunkt der Vorrichtung oder deren bezeichneten
Teile zu bzw, von diesem geometrischen Mittelpunkt weg. Zu der besagten
Terminologie gehören
die oben speziell erwähnten
Ausdrücke,
Ableitungen hiervon und Begriffe mit ähnlicher Bedeutung.
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Der Ausdruck „Verbundgetriebe" wird verwendet,
um ein Geschwindigkeitswechsel- oder Stufenwechselgetriebe mit einer
Hauptgetriebegruppe und in einer in Serie liegenden Hilfsantriebsstrangeinheit,
beispielsweise einer Hilfsgetriebegruppe, zu bezeichnen, wodurch
die ausgewählte
Ganguntersetzung in der Hauptgruppe mit einer ferner ausgewählten Ganguntersetzung
in der Hilfsgetriebegruppe kombiniert werden kann. Der Ausdruck „Hochschalten" soll in dem hier
verwendeten Sinne den Schaltvorgang von einem Gang für eine niedrigere Geschwindigkeit
in einen Gang für
eine höhere
Geschwindigkeit bezeichnen, und der Ausdruck "Herunterschalten" soll in dem hier verwendetem Sinne
das Schalten aus einem höheren
Gang in einen niedrigeren Gang bezeichnen.
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1 und 1A veranschaulichen ein
Verbundgetriebe 10 in der kombinierten Split-/Range-Bauart, das
sich besonders für
die Steuerung durch das erfindungsgemäße Steuerungssystem und -verfahren
zur halbautomatischen Durchführung
von Getriebeschaltvorgängen
eignet. Das Getriebe 10 weist eine Hauptgetriebegruppe 12 auf,
die mit einer Hilfsgetriebegruppe 14 in Serie liegt, die
sowohl einen Range- als auch einen Split-Zahnradsatz enthält. Gewöhnlich ist
das Getriebe 10 in einem einzigen mehrteiligen Gehäuse 16 untergebracht
und weist eine Eingangswelle 18 auf, die durch einen Primärantrieb,
beispielsweise einen Dieselmotor, über eine wahlweise auszurückende,
normalerweise eingerückte
Reibungshauptkupplung angetrieben ist.
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In der Hauptgetriebegruppe 12 trägt die Eingangswelle 18 ein
Eingangszahnrad 20, um wenigstens eine Vorgelegewellenanordnung 22 anzutreiben.
Wie aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und in den US-Patenten
3 105 395 und 3 335 616 veranschaulicht, treibt das Eingangszahnrad 20 vorzugsweise
gleichzeitig mehrere im Wesentlichen identische Vorgelegewellenanordnungen
der Hauptgruppe mit im Wesentlichen identischen Drehzahlen an. Jede
der Vorgelegewellenanordnungen der Hauptgruppe weist eine Hauptgruppen-Vorgelegewelle 24 auf,
die durch Lager 26 und 28 in dem Gehäuse 16 gelagert
ist und die mit drehfest angeordneten Hauptgruppen-Vorgelegewellenzahnrädern 30, 32, 34, 36 und 38 versehen
ist. Mehrere Hauptgruppenantriebs- oder Hauptwellenzahnräder 40, 42 und 44 umgeben
die Getriebehauptwelle 46 und sind einzeln sowie zeitlich
einander ausschließend
mittels verschiebbarer Kupplungsmuffen 48 und 50 mit
der Hauptwelle 46 drehfest zu kuppeln, wie dies aus dem Stand
der Technik hinlänglich
bekannt ist. Die Kupplungsmuffe 48 kann auch dazu verwendet
werden, um das Eingangs- wellenzahnrad 20 an
die Hauptwelle 46 anzukuppeln, um eine direkte Antriebsbeziehung
zwischen der Eingangswelle 18 und der Hauptwelle 46 zu
schaffen. Vorzugsweise umgibt jedes der Hauptgruppen-Hauptwellenzahnräder die Hauptwelle 46,
steht ständig
kämmend
mit den zugehörigen
Vorgelegewellenzahnradgruppen in Eingriff und ist durch diese schwimmend
gelagert, wobei die Lagerungsmittel und die besonderen Vorteile,
die sich daraus ergeben, im Einzelnen in den oben erwähnten US-Patenten
3 105 395 und 3 335 616 erläutert
sind. Gewöhnlich
werden die Kupplungsmuffen 48 und 50 mittels Schaltgabeln
oder -jochen 52 bzw. 54 axial positioniert, die
zu einer Schaltstangengehäuseanordnung 56 gehören, die,
wie aus dem Stand der Technik bekannt, in der Bauart mit mehreren
Schaltstangen oder mit einer einzigen Schaltwelle ausgeführt sein
kann und sich über
einen Gangschalthebel 57 manuell betätigen lässt. Die Kupplungsmuffen 48 und 50 sind
in der bevorzugten Ausführungsform
in der bekannten nicht synchronisierten, zweiseitig wirkenden Klauenkupplungsbauart ausgeführt.
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Das Hauptgruppen-Hauptwellenzahnrad 44 ist
das Rückwärtsgangzahnrad,
und es steht mit den Vorgelegewellenzahnrädern 38 mittels konventioneller
lose laufender Zwischenzahnräder 57 (siehe 1A) ständig kämmend in Eingriff. Das Hauptgruppen-Vorgelegewellenzahnrad 32 dient
dazu, Zapfabtriebe und dergleichen anzutreiben. Die Klauenkupplungen 48 und 50 sind
insofern Dreistellungs-Kupplungen, als sie in eine mittlere, axial
nicht verschobene Nichteingriffstellung, wie veranschaulicht, oder
in eine ganz nach rechts verschobene oder eine ganz nach links verschobene
Eingriffstellung gebracht werden können.
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Die Hilfsgetriebegruppe 14 liegt
in Serie mit der Hauptgetriebegruppe 12, und sie ist von
der kombinierten Split-/Range-Bauart mit drei Schaltebenen und vier
Gängen,
wie in den oben erwähnten
US-Patententen 4 754 665 und 5 390 561 beschrieben. Die Hauptwelle 46 erstreckt
sich bis in die Hilfsgruppe 14 hinein und ist an dem innen
liegenden Ende der Ausgangswelle 58 gelagert, die sich
von dem hinteren Ende des Getriebes aus erstreckt.
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Zu der Hilfsgetriebegruppe 14 gehören in deren
bevorzugten Ausführungsform
mehrere im Wesentlichen identische Hilfsgruppen-Vorgelegewellenanordnungen 60 (siehe 1A), von denen jede eine Hilfsgruppen-Vorgelegewelle 62 aufweist,
die durch Lager 64 und 66 in dem Gehäuse 16 gelagert
ist und drei drehfest an dieser angebrachte Hilfsgruppen-Vorgelegewellenzahnräder 68, 70 und 72 trägt. Die
Vorgelegewellenzahnräder 68 kämmen ständig mit
dem Split-Zahnrad 74 der Hilfsgruppe und lagern dieses.
Die Hilfsgruppen-Vorgelegewellenzahnräder 70 kämmen dauerhaft
mit dem Split-/ Range-Zahnrad 76 der Hilfsgruppe und lagern
dieses, wobei das Zahnrad 76 die Ausgangswelle 58 an
demjenigen Ende umgibt, das sich in der Nähe des koaxial angeordneten
inneren Endes der Hauptwelle 46 befindet. Die Hilfsgruppen-Vorgelegewellenzahnräder 72 kämmen ständig mit
dem Range-Zahnrad 78 der Hilfsgruppe, das die Ausgangswelle 58 umgibt,
und lagern dieses. Demgemäß definieren
die Hilfsgruppen-Vorgelegewellenzahnräder 68 sowie das Split-Zahnrad 74 eine
erste Gangebene, die Hilfsgruppen-Vorgelegewellenzahnräder 70 und
das Split-/Range-Zahnrad 76 eine zweite Gangebene und die
Hilfsgruppen-Vorgelegewellenzahnräder 72 mit dem Range-Zahnrad 78 eine
dritte Gangebene oder Ganggruppe bei der kombinierten Hilfsgetriebegruppe 14,
die in der kombinierten Split- und Range-Bauart ausgeführt ist.
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Eine verschiebbare, zweiseitig wirkende Klauenkupplungsmuffe 80 wird
dazu verwendet, um wahlweise entweder das Split-Zahnrad 74 oder
das Split-/Range-Zahnrad 76 an die Hauptwelle 46 anzukuppeln,
während
eine synchronisierte Zweistellungs-Kupplungsanordnung 82 dazu
verwendet wird, um wahlweise das Split-/Range-Zahnrad 76 oder
das Range-Zahnrad 78 mit der Ausgangswelle 58 zu
kuppeln. Der Aufbau und die Funktion der zweiseitig wirkenden Klauenkupplungsmuffe 80 ist
im Wesentlichen identisch mit dem Aufbau und der Funktion der verschiebbaren
Kupplungsmuffen 48 und 50, die in der Hauptgetriebegruppe 12 verwendet
werden, und die Konstruktion und Funktion der zweiseitig wirkenden
synchronisierten Kupplungsanordnung 82 ist im Wesentlichen
die gleiche wie die Konstruktion und die Funktion von herkömmlichen
zweiseitig wirkenden synchronisierten Klauenkupplungsanordnungen, von
denen Beispiele in den US-Patenten 4 462 489, 4 125 179 und 2 667
955 beschrieben sind, auf die hier Bezug genommen ist. Die dargestellte
synchronisierte Kupplungsanordnung 82 ist in der Bauart
mit Zapfen ausgeführt,
wie dies in dem oben genannten US-Patent 4 462 489 beschrieben ist.
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Die Split-Klauenkupplung 80 ist
eine zweiseitige oder doppelt wirkende Kupplungsanordnung, die wahlweise
in die äußerst rechte
oder äußerst linke Stellung
gebracht werden kann, um entweder das Zahnrad 76 oder das
Zahnrad 74 an die Hauptwelle 46 anzukuppeln. Im
Stand der Technik wird die Split-Klauenkupplung 80 axial
mittels einer Schaltgabel 84 positioniert, die durch einen
Kolbenaktuator 86 mit zwei Aktuatorstellungen gesteuert
ist, der durch einen an dem Schaltknauf vorgesehenen Fahrerauswahlschalter
(beispielsweise einen Druckknopf oder dergleichen) zu betätigen ist,
wie dies aus den Stand der Technik bekannt ist. Die syn chronisierte
Zweistellungs-Kupplungsanordnung 82 ist ebenfalls eine Kupplung
mit zwei Stellungen, die jeweils entweder in ihre ganz rechte oder
ganz linke Stellung gebracht werden kann, um wahlweise jeweils entweder
das Zahnrad 78 oder das Zahnrad 76 mit der Ausgangswelle 58 zu
kuppeln. Die Positionierung der Kupplungsanordnung 82 geschieht
mittels einer Schaltgabel 88, die durch eine Zweistellungs-Kolbenanordnung 90 betätigt wird,
deren Betätigung
und Steuerung weiter unten eingehender beschrieben sind.
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Wie anhand der 1–2 zu ersehen ist, können durch
wahlweise axiales verschieben der Split-Kupplung 80 und/oder
der Range-Kupplung 82 in deren vordere und/oder hintere
Axialstellungen vier unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse
zwischen der Drehbewegung der Hauptwelle und der Drehbewegung der
Ausgangswelle erzeugt werden. Dementsprechend ist die Hilfsgetriebegruppe 14 eine Hilfsgruppe
in der kombinierten Range-/Split-Bauart mit drei Ebenen, die vier
auswählbare
Gänge oder Antriebsübersetzungsverhältnisse
zwischen deren Eingang (Hauptwelle 46) und deren Ausgang
(Ausgangswelle 58) zur Verfügung stellt. Die Hauptgruppe 12 stellt
einen Rückwärtsgang
und drei potentiell auswählbare
Vorwärtsgänge bereit.
Jedoch wird eine der auswählbaren
Vorwärtsgangstufen
der Hauptgruppe, nämlich
die niedrige Vorwärtsgangstufe,
die dem Hauptwellenzahnrad 42 zugeordnet ist, nicht in dem
hohen Bereich verwendet. Demgemäß wird das Getriebe 110 geeigneterweise
als ein Getriebe des Typs "(2
+ 1) × (2) × (2)" bezeichnet, das
neun oder zehn auswählbare
Vorwärtsgänge zur
Verfügung stellt,
abhängig
davon, ob es wünschenswert
und praktisch ist, die niedrige Gangstufe zu splitten. Während die
Kupplung 82, nämlich
die Range-Kupplung, eine synchronisierte Kupplung sein sollte, braucht
die zweiseitig wirkende Kupplungsmuffe 80, d. h. die Split-Kupplung,
nicht unbedingt synchronisiert zu sein.
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Im Stand der Technik, wie in dem
oben erwähnten
US-Patent 4 944
197 beschrieben, werden die Gangstufen der Hauptgetriebegruppe mittels
eines Gangschalthebels manuell ausgewählt und geschaltet, während Split-Schaltvorgänge durch
Betätigung
eines zumeist an dem Gangschalthebel angeordneten oder in den Schaltknauf
integrierten manuellen Wahlhebels oder -knopfs von Hand ausgewählt und
durch einen ferngesteuerten, zwei Stellungen aufweisenden Aktuator
durchgeführt
werden. Das Schalten des Bereichs (der Range-Gruppe) wird manuell oder automatisch
ausgewählt
und durch einen ferngesteuerten Zweistellungs-Aktuator durchgeführt. Hierfür kann ein
eigener Bereichssteuerungsknopf/-hebel vorgesehen sein oder, wie
in 2 veranschaulicht,
eine mit einem Gangschalthebel zu bedienende Steuerung des "Doppel-H"-Typs verwendet werden.
Range- und Split-Aktuatoren und Steuerungen dieser Art sind aus
dem Stand der Technik hinreichend bekannt, wie aus dem US-Patent
4 788 889 zu ersehen.
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Das herkömmliche Schaltschema zum Schalten
des Getriebes 10 ist schematisiert in 2 veranschaulicht. Unterteilungen in
vertikaler Richtung bei jeder Schalthebelstellung kennzeichnen Split-Schaltvorgänge, während Bewegungen
in horizontaler Richtung aus der 3/4- und 5/6-Gasse des "H"-förmigen
Schaltschemas zu der 7/8- und 9/10-Gasse des "H"-Schaltschemas
einen Schaltvorgang aus dem unteren Bereich in den hohen Bereich des
Getriebes bezeichnen. Wie oben erläutert, wird nach dem Stand
der Technik ein Split-Schaltvorgang in
der üblichen
Weise mittels eines durch den Fahrzeugführer betätigten Split-Schaltknopfes
oder dergleichen bewirkt, gewöhnlich
mittels eines Knopfes, der auf dem Schalthebelknauf angeordnet ist.
Die Betätigung
der Schaltanordnung für
die Range-Kupplung ist eine automatische Reaktion auf eine Bewegung
des Gangschalthebels zwischen der mittleren und der äußerst rechten
Gasse des Schaltschemas, wie in 2 dargestellt.
Range-Schaltvorrichtungen dieser allgemeinen Art sind aus dem Stand der
Technik bekannt, wie aus den US-Patenten 3 429 202, 4 455 883, 4
561 325 und 4 663 725 ersichtlich.
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Es wird wiederum auf 2 verwiesen und angenommen, dass es wünschenswert
ist, wenn das Getriebe im Wesentlichen gleiche Übersetzungssprünge enthält, wobei
die Gangsprünge
der Hauptgruppe im Allgemeinen gleich sein sollten, der Split-Sprung
allgemein gleich der Quadratwurzel der Gangsprünge in der Hauptgruppe und
der Range-Sprung gleich der N-ten Potenz der Gangsprünge in der
Hauptgruppe sein sollte, wobei N gleich der Anzahl der in beiden
Bereichen auftretenden Gangstufen der Hauptgruppe ist (d. h. N =
2 bei dem (2 + 1) × (2) × (2)-Getriebe 10).
Unter Vorgabe der gewünschten
idealen Übersetzungen
werden die Zahnräder
im Sinne einer Annäherung
an diese Übersetzungen
ausgewählt.
In dem obigen Beispiel betragen die Split-Sprünge etwa 33,3%, während der
Range-Sprung ungefähr
316% beträgt,
was im Allgemeinen für
eine "2 + 1"-Hauptgetriebegruppe
mit Sprüngen
von etwa 78% geeignet ist, da die Quadratwurzel von 1,78 ungefähr gleich
1,33 und die zweite Potenz (d. h. N = 2) von 1,78 in etwa gleich
3,16 ist.
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Um den Schaltvorgang der Rangegruppe des
Verbundgetriebes 10 zu vollenden, ohne dass der Fahrer
außer
der Bewegung des Schalthebels zu der rechten Gasse des aus 2 ersichtlichen Schaltschemas
eine weitere Steuerungseinrichtung zu betätigen braucht, ist eine Steuerventilanord nung für die Rangegruppe
vorgesehen, die ein Signal an ein an der Kolbenanordnung 90 angeordnetes
Hilfsventil 92 ausgibt, um die Schaltgabel 88 zu
verschieben.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird zumindest das Schalten der Vorwärtsgänge des Getriebes 10 halbautomatisch
durch das in 3 veranschaulichte
halbautomatische Fahrzeuggetriebesystem 100 durchgeführt. In 3 ist ein Getriebe 10 in der
Verbundbauart dargestellt, das eine mit einer Hilfsgruppe 14 verbundene
Hauptgetriebegruppe 12 aufweist und durch das erfindungsgemäße Schaltsteuerungssystem/-verfahren
gesteuert ist. Zu der Hauptgetriebegruppe 12 gehört eine
Eingangswelle 18, die im Betrieb mittels einer manuell
betätigten Hauptkupplung 104 an
die Antriebs- oder Kurbelwelle des Fahrzeugmotors 102 gekuppelt
ist, und eine Ausgangswelle 58 der Hilfsgruppe 14 ist,
gewöhnlich mittels
einer Antriebswelle, betriebsmäßig mit
den Antriebsrädern
des Fahrzeugs verbunden (nicht gezeigt).
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Die von der Hauptgetriebegruppe 12 hier verfügbaren Gangstufen
lassen sich manuell auswählen,
indem der Gangschalthebel 57 nach Vorgabe des Schaltschemas
positioniert wird, um die im Einzelnen gewünschte Gangstufe der Hauptgetriebegruppe 12 einzulegen.
Wir nachstehend beschrieben, sind eine Betätigung der Hauptkupplung 104 und
eine manuelle Synchronisierung nicht erforderlich. Vorzugsweise
umfasst das System Mittel, um eine Absicht zu schalten zu erfassen,
und wird automatisch tätig,
um die drehmomentinduzierte Schaltblockade zu vermindern oder zu
minimieren, wodurch das Schalten aus der eingelegten Gangstufe der
Hauptgruppe in die Leerlaufstellung der Hauptgruppe erleichtert
wird und ferner ermöglicht
wird, die erforderlichen Split-Schaltvorgänge im Voraus auszuwählen, um
den Schaltvorgang bei einer Drehmomentunterbrechung und einem Schalten
in die Leerlaufstellung rasch zu vollenden.
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Das System 100 enthält einen
Sensor 106 für
das Erfassen der Motordrehzahl (ES), einen Sensor 108 für das Erfassen
der Eingangswellendrehzahl (IS) und einen Sensor 110 für das Erfassen
der Ausgangswellendrehzahl (OS), die jeweils diese Größen kennzeichnende
Signale liefern. Der Motor 102 kann elektronisch gesteuert/geregelt
sein und eine elektronische Steuereinheit 112 enthalten,
die über
einen elektronischen Datenlink (DL) unter Verwendung eines Industriestandardprotokolls,
wie beispielsweise SAE J-1922, SAE J-1939, ISO 11898 oder dergleichen,
kommuniziert. Die Drossel-/Gaspedalstellung (Anforderung vom Fahrer)
ist ein nützlicher
Parameter für
die Wahl der Schaltpunkte und dient auch anderen Steuerlogikelementen.
Es kann ein separater Drossel-/Gaspedalstellungssensor 113 vorgesehen
sein, oder die Drossel-/Gaspedalstellung (THL) kann aus dem Datenlink
entnommen werden.
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Die Hauptkupplung ist über ein
manuell zu betätigendes
Kupplungspedal 115 gesteuert, und ein Sensor 114 stellt
ein Signal (CL) zur Verfügung,
das für
den Zustand kennzeichnend ist, ob die Kupplung eingerückt oder
ausgerückt
ist. Der Betätigungszustand
der Kupplung kann auch durch einen Vergleich der Motordrehzahl mit
der Drehzahl der Eingangswelle ermittelt werden. Ein Split-Aktuator 116 ist
dazu vorgesehen, um die Split-Kupplung 82 in Abhängigkeit
von Ausgangsbefehlssignalen zu betätigen. Der Gangschalthebel 57 weist
einen Schaltknauf 118 auf, der mit einem Sensormittel oder
Knopf 120 ausgestattet ist, mittels dessen erfasst werden
kann, wenn der Fahrer beabsichtigt, einen Schaltvorgang einzuleiten.
Ein Sensor 122 stellt ein Signal (ITS) zur Verfügung, das
für die
erfasste Bedingung, nämlich
ob eine Absicht des Fahrers in die Neutralstellung zu schalten vorliegt
oder nicht, kennzeichnend ist. Es können vielfältige andere Sensoren, die
die Bewegung des Gangschalthebels erfassen, verwendet werden, wie
sich dem SAE-Dokument
mit der Nummer 840307 entnehmen lässt.
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Eine Steuerungsanzeigeeinheit 124 für den Fahrer
bildet das sechs Stellungen aufweisende Schaltschema grafisch ab
und ist mit individuell aufleuchtbaren Knöpfen oder sonstigen Anzeigeelementen 126, 128, 130, 132, 134 und 136 ausgestattet,
die jede einzelne der wählbaren
Schaltstellungen darstellen. Zu der Einheit gehört ferner ein Knopf 138,
der mit Kippschalter-artigen Steuerelementen verbunden ist, die
zum Auswählen
des hohen oder niedrigen Split-Bereichs für die Auswahl der Split-Stellung
beim Anfahren aus dem Stand dienen. Die Wahl wird durch Lichter 142 oder 144 angezeigt.
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Das System umfasst eine Steuereinheit 146, vorzugsweise
eine auf einem Mikroprozessor basierende Steuereinheit von der Bauart,
wie sie in den US-Patenten 4 595 986, 4 361 065 und 5 335 566 veranschaulicht
ist, die dazu dient, Eingangssignale entgegen zu nehmen und diese
gemäß vorgegebenen
logischen Regeln zu verarbeiten, um Ausgangssteuerbefehle 150 an
Systemaktuatoren auszugeben, beispielsweise an den Splitgruppenaktuator 116,
den Motorcontroller 112 und die Displayeinheit 124.
Es kann ein gesonderter Systemcontroller 146 vorgesehen
sein, oder es kann der Motorcontroller 112 verwendet werden,
der über
einen elektronischen Datenlink kommuniziert.
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Der Splitgruppenaktuator 116 kann
eine Zweistellungs- Vorrichtung
oder, wie in der noch anhängigen
US-Patentanmeldung mit der Nummer 08/597,304 veranschaulicht, die
der EP-A-789 171 entspricht, eine Dreistellungs-Vorrichtung sein,
die eine wählbare
und haltbare Leerlaufstellung der Splitgruppe erlaubt.
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Dynamische Wechsel der Vorwärtsgänge, die
reine Split-Schaltvorgänge sind,
beispielsweise von dem dritten in den vierten Gang oder von dem vierten
in den dritten Gang, werden automatisch und ohne Eingreifen des
Fahrers durchgeführt.
Wenn erfasst wird, dass ein Schaltvorgang der Splitgruppe erforderlich
ist, gibt die ECU 146 zum Beispiel im Falle eines Dreistellungs-Splitgruppenaktuators
Steuerbefehlssignale an den Aktuator 116, um den Aktuator
in Richtung auf die Neutralstellung hin vorzuspannen, und an den
Motorcontroller 112 aus, um das Drehmoment zu minimieren
oder zu unterbrechen. Sobald die Leerlaufstellung der Splitgruppe
erfasst worden ist, wird der Motor veranlasst, eine für die angestrebte
Gangstufe bei der aktualen Ausgangswellendrehzahl synchrone Motordrehzahl
anzunehmen (ES = IS = OS*GRT ± ERROR). Der Zeitpunkt des Einkuppelns wird
im Hinblick auf die Ansprechzeiten, Wellendrehzahlen und Beschleunigungen
in der Weise abgestimmt, dass er unmittelbar nach Eintreten der
Synchronität
erfolgt, um ein Zahn-auf-Zahn-Stoßen der Kupplung zu verhindern.
Automatisches Split-Schalten dieser Art ist in den oben erwähnten US-Patenten 4
722 248 und 5 435 212 veranschaulicht.
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Die Bedingung, ob in dem Getriebe 10 ein Gang
eingelegt ist oder die Leerlaufstellung vorliegt (d. h. kein Gang
eingelegt ist) kann durch einen über eine
Zeitspanne hinweg durchgeführten
Vergleich des Quotienten von Eingangswellendrehzahl/Ausgangswellendrehzahl
mit bekannten Übersetzungs verhältnissen
(IS/OS = GRi=1 bis 10 ± Y?) erfasst werden. Anstelle
von oder zusätzlich
zu der Logik, die die Drehzahlen von Eingangswelle und Ausgangswelle verwendet,
können
Positionssensoren eingesetzt werden.
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Bei der Synchronisierung für das Einlegen
einer Zielgangstufe wird der Motor veranlasst, eine Drehzahl von
ca. 30 bis 100 Umdrehungen pro Minute (vorzugsweise ungefähr 60 U/min)
oberhalb oder unterhalb (vorzugsweise unterhalb) der exakten Synchrondrehzahl
anzunehmen und beizubehalten (ESSYNCHRO =
(OS × GRT) – 45
U/min) , um ein komfortables, stoßfreies Einrücken der
Klauenkupplung zu erreichen. Um das Einlegen einer Zielgangsstufe
zu verifizieren, wartet das System ab, bis die Drehzahl der Eingangswelle
für eine
Zeitspanne von ca. 100 bis 400 Millisekunden gleich dem Produkt
aus der Ausgangswellendrehzahl und dem numerischen Wert des angestrebten Übersetzungsverhältnisses
plus oder minus etwa 10 bis 30 U/min ist (IS = (OS × GRT) ± 20
U/min).
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Die voranstehend beschriebene Logik
ermöglicht
es, auf der Grundlage der Drehzahlen von Eingangswelle und Ausgangswelle
zu erfassen, ob in einem Getriebe ein Gang eingelegt ist oder eine Leerlaufstellung
vorliegt, ohne dass es zu einer fehlerhaften Erfassung des Zustands
eines eingelegten Ganges aufgrund der Synchronisierung der Motordrehzahl
im Hinblick auf das Einlegen einer Zielgangsstufe kommt.
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Bei einem geradzahligen Gang (d.
h. in einer hohen Gangstufe der Splitgruppe) und einer Motordrehzahl/Eingangswellendrehzahl
oberhalb eines vorgegebenen Wertes (beispielsweise ca. 1375 U/min
für einen
Dieselmotor, der bis ca. 2100 U/min geregelt wird) ist ein mit dem
Gangschalthebel durchgeführtes
Hochschalten (begleitet von einem automatischen Split-Herunterschaltvorgang)
zweckmäßig, und
das System führt
diesen Schaltvorgang, falls durch den Fahrer angefordert, halbautomatisch durch.
In ähnlicher
Weise ist in einem ungeradzahligen Gang (d. h. in der niedrigen
Gangstufe der Splitgruppe) und bei einer Motordrehzahl unterhalb
eines vorgegebenen Wertes (beispielsweise ca. 1350 U/min für denselben
Motor) ein mittels des Gangschalthebels ausgelöstes Herunterschalten (begleitet von
einem automatischen Split-Hochschalten) zweckmäßig und das System wird, falls
durch den Fahrer angefordert, diesen Schaltvorgang halbautomatisch
durchführen. 4 veranschaulicht die Schaltpunkte
für das
automatische Schalten der Splitgruppe und die geeigneten Schaltpunkte
für das Schalten
mittels des Gangschalthebels. Es ist zu beachten, dass Split-Schaltvorgänge automatisch durchgeführt werden,
während
Schaltvorgänge
mittels des Gangschalthebels, die von Split-Schaltvorgängen begleitet
sind, ein Einleiten des Schaltvorgangs durch den Fahrer sowie eine
Betätigung
einer Klauenkupplung der Hauptgetriebegruppe erfordern.
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Die Displayeinheit oder Anzeigevorrichtung 124
informiert den Fahrer über
die Schalthebelstellung der gegenwärtig eingelegten Gangstufe
und die Hebelstellung für
einen gegebenenfalls gegenwärtig geeigneten,
mittels des Gangschalthebels durchzuführenden Schaltvorgang. In einer
Ausführungsform wird
die Schalthebelstellung des gegenwärtig eingelegten Ganges durch
einen dauernd leuchtenden Knopf angezeigt, während die Schalthebelstellung für einen
zweckmäßigen, mittels
des Schalthebels auszuführenden
Schaltvorgang durch einen blinkenden Knopf angegeben wird.
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Unter der Annahme, dass der vierte
Gang eingelegt ist und die Eingangswellendrehzahl 1525 U/min beträgt, leuchtet
der 3/4-Knopf 130 dauernd auf und zeigt damit an, dass der dritte
oder vierte Gang eingelegt ist, und der 5/6-Knopf 132 blinkt, da ein
Hochschalten in den fünften
Gang zweckmäßig ist.
Der Fahrer kann selbst entscheiden, ob der vierte Gang beizubehalten
ist oder ein Wechsel in den fünften
Gang gewünscht
ist.
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Falls der Fahrer den Schalthebel
in die Leerlaufstellung bewegt und die Leerlaufstellung bei eingerückter Hauptkupplung
bestätigt
ist, erlischt der 3/4-Knopf, während
der Controller 146 Steuerbefehle an den Motorcontroller
ausgibt, um zu veranlassen, dass sich die Drehzahlen des Motors
und der Eingangswelle den entsprechenden Synchronwerten nähern, bei
deren Erreichen der geeignete Split-Schaltvorgang zu Ende geführt wird
(im vorliegenden Beispiel ein Schaltvorgang aus dem hohen in den
niedrigen Gang der Splitgruppe). Auf die Bestätigung, dass Gleichlauf herrscht,
kann der Fahrer ohne Betätigung
der Kupplung in die Stellung 5/6 des Schalthebels schalten. Als
Bestätigung,
dass der fünfte
Gang eingelegt ist, leuchtet der 5/6-Knopf 132 kontinuierlich auf.
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Vorzugsweise weist der Schaltknauf 118 einen
Sensor oder einen Schaltabsichtsknopf 120 auf, mit dem
der Fahrer anzeigen kann, dass er beabsichtigt, einen mittels des
Schalthebels durchzuführenden
Schaltvorgang einzuleiten. Nach dem Empfangen des Schaltabsichtssignals
(ITS) gibt der Controller 146 Steuersignale an den Motorcontroller 112,
um durch Steuerung der Kraftstoffzufuhr die drehmomentinduzierte
Schaltblockade zu verringern, und an den Splitgruppenaktuator 116 aus,
um den erforderlichen Schaltvorgang der Splitgruppe vorzuwählen. Dies
erlaubt einfaches Schalten von dem eingelegten (vierten) Gang in
den Leerlauf ohne Betätigung
des Gaspedals oder Trennen der Hauptkupplung durch den Fahrer und
führt zu
einem schnellen Schalten der Splitgruppe. Motorbetrieb zur Verminderung
der drehmomentinduzierte Schaltblockade ohne die Notwendigkeit,
die Hauptkupplung zu trennen, ist in den zuvor genannten US-Patenten 4 850 236
und 5 105 357 genauer beschrieben. Vorzugsweise erfolgt auf das
Schaltabsichtssignal hin keine Reaktion, falls zu diesem Zeitpunkt
kein Schaltvorgang in einen niedrigeren Gang angemessen ist.
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Der Fahrer wird gewöhnlich ein
rhythmisches Gefühl
für den
Zeitpunkt entwickeln, zu dem ein Schalten aus dem Leerlauf in die
Zielgangstufe geschehen soll. Alternativ kann das System den Fahrer
darüber
informieren, wenn die Motordrehzahl gleich der Synchrondrehzahl
ist oder sich dieser ausreichend angenähert hat, um ein Bewegen des Schalthebels
die angestrebte Schalthebelstellung zuzulassen. Dies kann durch
ein akustisches Signal, eine separate Anzeigeleuchte "Bereit-zum-Schalten" (Schalten OK) und/oder
einfach durch Änderung
der Aufblinkfrequenz des Knopfs in der Zielposition des Schalthebels
erfolgen. Alternativ kann die Information für den Fahrer beinhalten, dass
ein Schaltvorgang verhindert wird, bis richtig synchrone Bedingungen bestehen,
wie dies in dem US-Patent 4 023 443 gezeigt ist. Ferner können an
Stelle einer Gesamtbeleuchtung eines Stellungsknopfs, z. B. des
Knopfes 130 für
die 3/4-Schalthebelstellung, für
jede Gangstufe individuell angesteuerte, aufleuchtende Knöpfe oder
dergleichen vorgesehen sein (d. h. gesondert angesteuerte Anzeigeelemente
für jeden
der beiden Rückwärts- und
der zehn Vorwärtsgänge).
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Nach Vollendung eines Schaltvorgangs
und deren Bestätigung
wird die Kontrolle über
die Kraftstoffzufuhr an den Fahrer zurückgegeben. Das Kupplungspedal 115 soll
nicht benutzt werden, mit Ausnahme des Anfahrens aus dem Stillstand.
Wenn die Hauptkupplung während
eines Schaltvorgangs manuell getrennt wird, wird die Drossel-/Gaspedalsteuerung
sofort wieder an den Fahrer zurück übergeben.
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Die Ausgangswellendrehzahl (OS) wird
ständig überwacht
und, falls sich während
eines Schaltvorgangs durch Geschwindigkeitsänderungen die Vorgaben für den zweckmäßigen oder "besten Gang" ändern, wird über einen
aufleuchtenden Knopf ein neuer "bester
Gang" angezeigt
und Synchronisierung für
diesen Gang veranlasst.
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Fehlt ein Schaltabsichtssensor, schaltet
der Fahrer, um einen Schaltvorgang mittels des Schalthebels (wie
z. B. den Schaltvorgang vom vierten in den fünften Gang) durchzuführen, aus
der Stellung 3/4 des Schalthebels in den Leerlauf; wenn zu diesem
Zeitpunkt die Kupplung 104 eingerückt ist, leitet der Controller 146 anschließend den
erforderliche Split-Herunterschaltvorgang ein und steuert die Kraftstoffzufuhr
zu dem Motor 102 derart, dass eine synchrone Motor- und
Eingangswellendrehzahl für das
Einlegen des angestrebten fünften
Gangs (ES = IS = (OS*3,16) ± X)
erreicht wird. Nach dem Einlegen des fünften Gangs und dessen Bestätigung wird
der Knopf 5/6 kontinuierlich beleuchtet und die Kontrolle über die
Kraftstoffzufuhr an den Fahrer zurückgegeben. Unter vielen Betriebsbedingungen
wird das Schalten in den Leerlauf die Betätigung von Gaspedal und/oder
Hauptkupplung durch den Fahrer erfordern.
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Eine ähnliche Logik kann verwendet
werden, um eine Drehzahldifferenz an den eingerückten oder einrückenden
Kupplungszähnen
zu erfassen oder zu steuern. In diesem Falle rotieren die Kupplungsmuffen 48 und 50 mit
der Ausgangswellendrehzahl multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis der
Hilfsgruppe in der Zielgangsstufe (OS*GRAT),
während die
mit den Zahnrädern
fest verbundenen Kupplungselemente mit der Eingangswellendrehzahl
multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis der
Hauptgruppe in der Zielgangsstufe umlaufen (IS*GRMT). Um
zum Beispiel über
einer einrückenden
Hauptgruppenkupplung eine Drehzahldifferenz von 60 U/min herbeizuführen, würde die
Motor- und Eingangswellendrehzahl unter der Annahme, dass sich die
Hilfsgruppe vollständig
in Eingriff befindet, ES = IS = ((OS*GRAT) – 60)/GRMT betragen.
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Während
viele Merkmale des Steuerungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung
auf viele Typen von Getrieben anwendbar sind, ist die vorliegende
Erfindung besonders gut für
ein Verbundgetriebe von der Split- oder der kombinierten Split-
und Range-Bauart mit einer Schaltvorrichtung zum automatischen Schalten
der Rangegruppe geeignet (siehe US-Patent 5 000 060), weil diese Getriebearten bei
einer gegebenen Anzahl von Vorwärtsgängen eine
minimale Zahl von Schaltvorgängen
mittels des Schalthebels durchführen.
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Es wird ferner bemerkt, dass im Falle
eines Totaloder Teilausfalls des Systems 100 das Verbundgetriebe 10 über einen
Notbetriebsmodus verfügt, der
ein überspringendes
Schalten von Vorwärtsgängen über zwei,
drei oder fünf
Gangstufen hinweg ermöglicht.
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Obwohl in der Beschreibung der vorliegenden
Erfindung bis zu gewissem Grad auf Besonderheiten eingegangen wurde,
versteht sich, dass die Beschreibung der bevorzugten Aus führungsform
lediglich exemplarischer Natur ist und dass zahlreiche Änderungen
der Form und im Detail möglich
sind, ohne dass der Schutzbereich der Erfindung gemäß den beigefügten Ansprüchen verlassen
wird.