WO2007031191A1 - Schaltklauengetriebe und schaltverfahren für ein solches - Google Patents

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WO2007031191A1
WO2007031191A1 PCT/EP2006/008430 EP2006008430W WO2007031191A1 WO 2007031191 A1 WO2007031191 A1 WO 2007031191A1 EP 2006008430 W EP2006008430 W EP 2006008430W WO 2007031191 A1 WO2007031191 A1 WO 2007031191A1
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motor
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Karl-Ludwig Krieger
Frank Sager
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Daimler Ag
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Definitions

  • the invention relates according to the one-part claim 1, a motor vehicle with a shift claw transmission and according to the one-part claim 7, a switching method for a shift claw transmission of a motor vehicle.
  • a group transmission with dog clutches is known from US 5,560,249, in which a "power synchronizer” is used, which comprises an electric motor The electric motor drives via an intermediate gear on a countershaft from.
  • a vehicle transmission with a frictional synchronization means and a three-phase machine known.
  • the three-phase machine can be brought into active connection with a countershaft, so that it can be used as a synchronization to relieve the frictional synchronization means.
  • a hybrid drive for a motor vehicle is known in which find an internal combustion engine and an electric motor as a drive application.
  • the internal combustion engine and the electric motor act simultaneously or alternately on the drive shaft or the countershaft of a switchable with gear wheels and with synchronous clutches for switching multiple gears provided speed change gearbox.
  • the electric motor can be coupled via a positive coupling with the drive shaft. This clutch is released when engaging a gear and then closed again. Before closing the clutch, the electric motor is at least approximately controlled to synchronous relative to the drive shaft.
  • a switching element in which a spring is provided, so that it does not come in the event that the switching claw clutch tooth-on-tooth, to a deformation of components.
  • the object of the invention is to provide a fail-safe commercial vehicle transmission. This task is solved with the features of claim 1 and claim 7.
  • a clutch in the power flow between the countershaft and the countershaft can be opened.
  • This clutch may be, for example, the starting clutch.
  • it may be a switching element of an intermediate shaft, with which the countershaft in the direct gear can be decoupled to reduce drag losses of turning in the oil bath countershaft.
  • it may be a switching element of a splitter group having a neutral position. This switching element with neutral position can be provided for example in a transmission concept, with which a forward gear passes over the two input constants of the split group.
  • Such transmission concepts with one and two decoupled from the intermediate shaft Input constants are shown, for example, in the non-prepublished applications PCT / EP2005 / 00644-9, DE 102005032224.7 and DE 102005033027.4.
  • the tooth-on-tooth problem is excluded even when changing gears while driving.
  • the electric motor changes the countershaft speed, so that remains until the interlocking engagement of the teeth a small difference in rotational speed between the idler gear of conveniently Wegenden target gear and the shift teeth on the sliding sleeve of the associated shaft.
  • this electric motor for both up and down can be operated both decelerating and accelerating.
  • Several different gears of the main group can be synchronized, so that the electric motor forms a central synchronization.
  • This electric motor does not necessarily have to be suitable for the sole drive of the commercial vehicle, since such a large-sized electric motor is very sluggish. Such a sluggish electric motor could not meet the high dynamic requirements that an electric motor must meet to rapidly accelerate or decelerate the countershaft for comfortable and quick gear changes. However, especially when driving a heavily loaded commercial vehicle on a slope rapid gear changes are beneficial.
  • a possibly additional range group can a) both as a planetary gear with a dog clutch, b) and as a spur gear with a dog clutch, c) and as a spur gear with frictional synchronization means be executed.
  • Such a transmission with claw couplings-in-the-main group-and-friction-locking synchronization means in the range group listed under c) is known, for example, from US Pat. No. 5,560,249.
  • a possible split group can be both with frictional engagement
  • the commercial vehicle with Heidelbergklauengetriebe may due to the low speed band of the drive motor - in particular a diesel engine - and the loaded high payload with a high number of gears - in particular more than six forward gears - be executed.
  • the transmission may have as group transmission in addition to a main group, in particular a split group and / or a range group.
  • Countershaft speed can be determined by the transmission control means of the induction magnitudes on the electric motor. The greater the speed of the countershaft, the greater the voltage induced in the electric motor, with a proportional relationship.
  • a particularly cost-effective embodiment of the electric motor is the power converter-guided squirrel cage induction motor.
  • the electric motor has over hydraulic actuators - such as a hydraulic Getriebelammelenbremse - the advantage that no dependence on the transmission oil temperature occurs. Compared to such a Getriebelammelenbremse also occur no splash losses in Gereteölbad, so that the overall efficiency of Heidelbergklauengetriebes is improved and the fuel consumption " reduces ⁇ " willr
  • the electric motor can assist the drive power of the internal combustion engine, for example during overtaking operations, in order to enable the aforementioned dynamic requirements for comfortable gear changes, but the power of the drive motor is limited to supporting the drive motor.
  • a clutch may be provided between the countershaft and the electric motor.
  • a coupling may be provided between the countershaft and the electric motor.
  • the absence of such a coupling brings advantages.
  • the circulating masses are small compared to the countershaft, so that positive and negative accelerations of the countershaft take place very dynamically.
  • no additional control elements are available, which could bring down dynamics.
  • Claim 14 shows a particularly advantageous embodiment in which the speed of the countershaft can be adjusted by means of the electric motor in contrast to a pure control. This dynamic advantages are associated in particular with friction brakes, which are not suitable for a regulated operation because of their dynamics.
  • control technology is provided that the countershaft is rotatable by means of the electric motor both when the vehicle is stationary and when the vehicle to avoid a tooth-on-tooth position of the shift dogs.
  • the single drawing shows schematically a complete powertrain 10 of a commercial vehicle, not otherwise shown.
  • the drive train 10 includes a drive motor 14, whose injection system 15 is controlled by a control device 16.
  • the drive motor 14 is typical of a utility vehicle designed as a supercharged diesel engine. This diesel engine can be designed for example as a 6-cylinder or 8-cylinder engine.
  • a crankshaft 13 is non-rotatably connected via a non-illustrated crankshaft flange with a primary half 106 of a dry frictional clutch 12, which also forms the flywheel of the drive motor 14.
  • This primary half 106 is frictionally coupled with a secondary half 107 of the starting clutch 12th
  • the starting clutch 12 is arranged axially between the crankshaft 13 and a transmission input shaft 11 of an automated synchronous ring-free shift claw transmission 19.
  • the starting clutch 12 and the shift claw transmission 19 are controlled by a transmission control 49.
  • the transmission control 49 is in signal communication with - an actuator 110 of the starting clutch 12, a transmission input shaft speed sensor 108, with which the rotational speed of a transmission input shaft 11 can be detected and not shown sensors of the starting clutch 12 and
  • Shift dog transmission 19 The transmission control 49, the start-up clutch 12 open or close and perform gang change in Heidelbergklauengetriebe 19. From the transmission input shaft speed sensor 108, the transmission input shaft speed is determined and stored in the transmission control 49.
  • the transmission control 49 is in signal communication with the control device 16, whereby an exchange of data, such as operating variables of the drive motor 14 or the shift doggear 19, and a request for speed changes of the drive motor 14, which are then implemented by the controller 16, are possible.
  • the control unit 16 can forward the rotational speed of the crankshaft 13 to the control device 49. This rotational speed of the crankshaft 13 is detected by means of the rotational speed sensor 101.
  • the transmission control 49 is also connected to an operating unit 51, by means of which a driver can request gear changes of the shift lever transmission 19. Alternatively, gear changes from a source to a target gear can be triggered by the transmission controller 49 in a fully automated manner.
  • the determination of the target gear is dependent inter alia on the speed of the motor vehicle and an operating level of an accelerator pedal by the driver.
  • the shift dog transmission 19 is designed as a so-called two-group transmission. In an alternative embodiment, however, it may also be designed as a three-group transmission, wherein a main group 18 is followed by a range group.
  • a primary gear in the form of a split group 17 is arranged.
  • the splitter group 17 is subordinate to the said main group 18.
  • the transmission input shaft 11 is axially consecutive an intermediate shaft 400 and
  • the intermediate shaft is supported at its one front axial end of the transmission input shaft 11 and at its rear axial end in the main shaft 29 400th.
  • the transmission input shaft 11 can be brought into operative connection via two different gear pairings 20a, 21a with a countershaft 22 arranged parallel to the transmission input shaft 11.
  • the front gear stage 20a includes a fixed gear 20b, which is rotatably and coaxially disposed at the front end of the countershaft 22 and a loose wheel 20c, which is rotatable and coaxial with Gereteeinganswelle 11 in the plane of the fixed wheel 20b with the latter in the toothed engagement.
  • the rear gear stage 21a comprises
  • a fixed gear 21 b which is rotatably and coaxially disposed on the countershaft 22 behind the fixed gear 20 b and a gear 21 c, which is rotatably and coaxial with the intermediate shaft 400 in the plane of the fixed gear 21 b with the latter in the toothed engagement.
  • the two gear pairings 20a, 21a have a different ratio and are also referred to as input constants.
  • the translation of the respective gear pair 20a, 21a is selected by a sliding sleeve 41 is pushed axially from a neutral position to a rotationally fixed connection between the transmission input shaft 11 and the idler gear 20c of the front gear pair 20a or by the sliding sleeve 41 from the neutral position axially pushed back to produce a rotationally fixed connection between the transmission input shaft 11 and the intermediate intermediate shaft 400 and the gear 21c.
  • On the countershaft 22 rotatably fixed wheels 23, -24, -25 for three different ratios of the main group 18 are also arranged.
  • the fixed wheels 23, 24, 25 mesh respectively with associated idler gears 26, 27, 28, which are arranged rotatably on the coaxial with the transmission input shaft 11 arranged main shaft 29.
  • the idler gear 26 can be rotationally and positively connected to the main shaft 29 by means of a sliding sleeve 30.
  • the loose wheels 27 and 28, however, can be connected by means of a sliding sleeve 31 rotationally and positively with the main shaft 29.
  • the countershaft 22 is coupled to the rotor of an electric motor M, whose control is designed so that the electric motor M can also be operated as a generator.
  • an electric motor operable to decelerate the countershaft can be used actively in the opposite direction.
  • the electric motor M is designed as a converter-guided squirrel cage induction motor and has a converter, not shown.
  • An advantage of using a squirrel cage rotor is the lack of commutation.
  • a brushless DC motor with permanently energized rotor can be used. The absence of brushes brings in the high demands placed on trucks in terms of running time and maintenance-free advantages.
  • a torque can be fed.
  • boost operation By means of the electric motor M, the rotational speed of the countershaft 22 and thus also the rotational speed of the transmission input shaft 11 can be purposefully increased and reduced, ie the countershaft can be accelerated positively and negatively ,
  • the sliding sleeve 41 of the split group 17 and the sliding sleeves 30, 31, 39 of the main group 18 are each provided with shift rails 42, 43, 44, 45 operable.
  • the shift rails 42, 43, 44, 45 can be actuated with an actuator in the form of an xy-actuator 48a, 48b, which is controlled by the transmission control 49. If no gear is engaged in the shift dog transmission 19, so no idler gear is positively connected to the main shaft 29, then the shift dog transmission 19 is in a so-called neutral position.
  • the converted torque and the rotational speed of the drive motor 14 is transmitted by means of a flanged drive shaft 32 to a transaxle 33, which at balanced torque, the speed of a differential in equal or different proportions via two output shafts 34, 35 to drive wheels 36, 37th transfers.
  • the axle drive is designed as a drive-through shaft, so that the drive power is distributed over several axles.
  • the original gear When changing gear from an original gear to a target gear, the original gear must first be designed. Since the shift dog transmission 19 is designed as a transmission without synchronizer rings, the countershaft 22 and thus also the transmission input shaft 11 must be adjusted by means of the drive motor 14 with closed start-up clutch 12 approximately to the synchronous speed of the target gear at least in downshifts to insert the target gear. The synchronous speed is reached when the idler gear of the target gear and the second main shaft 29 have at least approximately the same speed. In upshifts with open starting clutch 12, the countershaft 22 can be braked by means of the electric motor M in its function as a generator and thus the Transmission input shaft 11 are synchronized. On the other hand, at scrubschaltuhgen with " open starting clutch 12, the countershaft 22 by means of the electric motor M accelerates and thus the transmission input shaft 11 are synchronized.
  • the layout of the original gear can be done either with the clutch closed or open. Frequent opening and closing of the starting clutch 12 leads to a heavy wear and thus to high costs for an exchange of the clutch and failure of the motor vehicle during the exchange. Therefore, the goal is to carry out the highest possible proportion of gear changes with the clutch closed.
  • the circuits with a closed clutch are carried out according to the criteria, which are shown in detail in DE 102 49 951 Al.
  • the commercial vehicle is in the state, so is the countershaft 22 and the sliding sleeves 41, 30, 31, 39 are in the neutral position.
  • An internal toothing of these sliding sleeves 41, 30, 31, 39 thus provides no rotationally fixed connection with gear teeth 200, 201, 202, 203, 204, 205, 206 of the gears 20c, 21c, 26, 27, 28 ago.
  • These switching gears 200, 201, 202, 203, 204, 205, 206 are designed as external gears.
  • the transmission control 49 which receives from the control device 16 the information that the utility vehicle is standing, to the inverter of the electric motor E is a signal for rotating the countershaft 22nd
  • the signal can be passed in a first embodiment to the electric motor E, if of the Transmission control 48a is sensed that the power requirement for moving the sliding sleeve by means of the respective shift rod rises above a threshold value.
  • a threshold value indicates that the XY actuator can not move the sliding sleeve because it is tooth-to-tooth with the gearing.
  • the signal of the transmission control for rotating the countershaft by means of electric motor M can be done every time a gear is to be engaged. Thus it can not come from the outset to Zahnauf-tooth problem.
  • the electric motor may be arranged coaxially with the countershaft.
  • the electric motor can also be coupled via a reduction gear i> l with the countershaft.
  • this reduction gear is achieved on the one hand, that the electric motor can be very small dimensions and still provide sufficient torque available to accelerate the countershaft.
  • the speed of the countershaft to the electric motor is translated into fast, so that even low speeds of the countershaft induce a relatively higher speed and thus a higher voltage at the electric motor.
  • even low speeds can be sensed on the electric motor.
  • a reduction gear can be provided both a planetary gear, so that the electric motor is arranged coaxially with the countershaft.
  • an off-axis spur gear can be provided, so that the electric motor is arranged offset parallel to the countershaft.
  • the commercial vehicle transmission is designed as a group transmission with three transmission groups, said transmission groups successively a split group, a main group and include a range group.
  • the range group may be a planetary gear or a countershaft transmission, which connects to the main shaft 29.
  • the range group may in particular have two switching states, of which one switching state is designed to improve the efficiency as a direct drive.
  • two parallel offset countershafts are provided according to the US 5,560,249, of which, however, only one is connected to an electric motor.
  • the countershaft can be decoupled when engaged direct gear, so that no efficiency losses in direct gear on the countershaft no drag losses occur.
  • the countershaft speed is meanwhile zero.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug - insbesondere Nutzfahrzeug - mit einem Schaltklauengetriebe und einem Elektromotor (M). Um bei der Schaltung im Stand das Zahn-auf-Zahn-Problem zu umgehen, ist die Vorgelegewelle (22) mittels des Elektromotors (M) verdrehbar.

Description

Schaltklauengetriebe und Schaltverfahren für ein solches
Die Erfindung betrifft gemäß dem einteiligen Patentanspruch 1 ein Kraftfahrzeug mit einem Schaltklauengetriebe und gemäß dem einteiligen Patentanspruch 7 ein Schaltverfahren für ein Schaltklauengetriebe eines Kraftfahrzeugs.
Aus der US 5,560,249 ist ein Gruppengetriebe mit Klauenkupplungen bekannt, bei welchem ein „power synchronizer" verwendet wird, der einen Elektromotor umfasst. Der Elektromotor treibt über ein Zwischenzahnrad auf eine Vorgelegewelle ab.
Ferner ist aus der gattungsfremden DE 42 020 83 C2 für ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeuggetriebe mit einem reibschlüssigen Synchronisationsmittel und einer Drehstrommaschine bekannt. Die Drehstrommaschine ist mit einer Vorgelegewelle in Wirkverbindung bringbar, so dass dieser als Synchronisation zur Entlastung der reibschlüssigen Synchronisationsmittel eingesetzt werden kann.
Aus der gattungsfremden EP 1007383 Bl ist ebenfalls ein Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug mit Drehstrommaschine auf der Vorgelegewelle bekannt. Aus der gattungsfremden DE 195 30 231 ist ein Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei welchem ein Verbrennungsmotor und einem Elektromotor als Antrieb Anwendung finden. Der Verbrennungsmotor und der Elektromotor wirken gleichzeitig oder alternierend auf die Antriebswelle oder die Vorgelegewelle eines mit schaltbaren Zahnrädern und mit Synchronkupplungen zum Schalten mehrerer Gänge versehenen Geschwindigkeits-Wechselgetriebes. Zur Erzielung komfortabler Gangwechsel ist der Elektromotor über eine formschlüssige Kupplung mit der Antriebswelle kuppelbar. Diese Kupplung ist beim Einlegen eines Ganges gelöst und anschließend wieder geschlossen. Vor dem Schließen der Kupplung ist der Elektromotor zumindest angenähert auf Synchronlauf relativ zur Antriebswelle gesteuert.
Ein Elektromotor mit einem Schaltgetriebe ist ferner aus der gattungsfremden DE 198 59 458 Al bekannt.
Aus der DE 10224357 Al ist ein Schaltelement bekannt, bei welchem eine Feder vorgesehen ist, so dass es in dem Fall, dass die Schaltklauenkupplung Zahn-auf-Zahn steht, nicht zu einer Verformung von Bauteilen kommt.
Gemäß der nicht vorveröffentlichten DE 102005012308.2 wird zur Vermeidung des Zahn-auf-Zahn-Problems eine Kupplung geöffnet .
Aus der EP 0 873 902 Bl ist ein Schaltverfahren für ein Schaltklauengetriebe bekannt, bei welchem eine Drehzahldifferenz an der zu schaltenden Schaltklauenkupplung sichergestellt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein ausfallsicheres Nutzfahrzeuggetriebe zu schaffen. Diese Aufgäbe -wird mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 und Patentanspruch 7 gelöst.
Nutzfahrzeuggetriebe mit Schaltklauen weisen aufgrund des Verzichts auf reibende Synchronisationsmittel eine hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit auf. Ferner sind Schaltklauen kostengünstiger als Sperrsynchronringe. Die mit dem Verzicht auf Sperrsynchronringe einhergehende Problematik, dass im Extremfall die Schaltverzahnungen der Schaltklauenkupplung Zahn-auf-Zahn stehen könnten, wird erfindungsgemäß sicher umgangen. Dabei stellt der Elektromotor sicher, dass der Anfahrgang im Stand des Nutzfahrzeuges und bei niedrigen Geschwindigkeiten schnell eingelegt werden kann. So werden die Losräder und insbesondere das Losrad des einzulegenden Ganges mittels der Vorgelegewelle bzw. des Elektromotors verdreht, so dass es im Stand nicht zur Zahn-auf-Zahn- Problematik kommen kann. Da der in einer vorteilhaften Ausgestaltung sehr dynamische und damit nur relativ klein dimensionierte Elektromotor dabei nicht drehfest mit dem Antriebsmotor verbunden sein kann, kann eine Kupplung im Kraftfluss zwischen der Vorgelegewelle und der Vorgelegewelle geöffnet sein. Diese Kupplung kann beispielsweise die Anfahrkupplung sein. Ferner kann es sich um ein Schaltelement einer Zwischenwelle handeln, mit welchem die Vorgelegewelle im Direktgang entkoppelbar ist, um Schleppverluste der sich im Ölbad drehenden Vorgelegewelle zu verringern. Alternativ oder zusätzlich kann es sich um ein Schaltelement einer Splitgruppe handeln, dass eine Neutralstellung aufweist. Dieses Schaltelement mit Neutralstellung kann beispielsweise in einem Getriebekonzept vorgesehen sein, mit welchem ein Vorwärtsgang über die beiden Eingangskonstanten der Splitgruppe verläuft. Solche Getriebekonzepte mit einem und mit zwei von der Zwischenwelle entkoppelbaren Eingangskonstanten sind beispielsweise in den nicht vorveröffentlichten Anmeldungen PCT/EP2005/00644-9, DE 102005032224.7 und DE 102005033027.4 dargestellt.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird auch beim Gangwechsel in der Fahrt das Zahn-auf-Zahn- Problem ausgeschlossen. Dazu ändert der Elektromotor die Vorgelegewellendrehzahl, so dass bis zum formschlüssigen Eingriff der Verzahnungen eine geringe Drehzahldifferenz zwischen dem Losrad des einzurückenden Zielganges und der Schaltverzahnung an der Schiebemuffe der zugehörige Welle verbleibt. Somit kann dieser Elektromotor zum Hoch- und Rückschalten sowohl abbremsend als auch beschleunigend betrieben werden. Dabei sind mehrere verschiedene Gänge der Hauptgruppe synchronisierbar, so dass der Elektromotor eine Zentralsynchronisierung bildet. Dieser Elektromotor muss nicht zwangsläufig auch für den alleinigen Antrieb des Nutzfahrzeuges geeignet sein, da ein so groß dimensionierter Elektromotor sehr träge ist. Ein solch träger Elektromotor könnte nicht die hohen dynamischen Anforderungen erfüllen, die ein Elektromotor erfüllen muss, um die Vorgelegewelle für komfortable und schnelle Gangwechsel schnell zu beschleunigen bzw. abzubremsen. Insbesondere beim Fahren eines schwer beladenen Nutzfahrzeuges an einer Ansteigung sind jedoch schnelle Gangwechsel von Vorteil.
Die erfindungsgemäße Verwendung von Schaltklauen bezieht sich primär auf die Schaltkupplungen in der Hauptgruppe. Eine eventuell zusätzliche Rangegruppe kann a) sowohl als Planetengetriebe mit einer Klauenkupplung, b) als auch als Stirnradgetriebe mit einer Klauenkupplung, c) als auch als Stirnradgetriebe mit reibschlüssigen Synchronisationsmitteln ausgeführt sein. Ein solches unter c) aufgeführtes Getriebe mit- Klauenkupp-lungen—i-n-der- Hauptgruppe -und-rei-bschlüssige Synchronisationsmitteln in der Rangegruppe ist beispielsweise aus der US 5,560,249 bekannt. Ebenso kann eine möglich Splitgruppe sowohl mit reibschlüssigen
Synchronisationsmitteln als auch mit Schaltklauen ausgeführt sein.
Das Nutzfahrzeug mit Schaltklauengetriebe kann aufgrund des geringen Drehzahlbandes des Antriebsmotors - insbesondere eines Dieselmotors - und der im beladenen Zustand hohen Nutzlast mit einer hohen Anzahl von Gängen - insbesondere mehr als sechs Vorwärtsgängen - ausgeführt sein. Dabei kann das Getriebe als Gruppengetriebe neben einer Hauptgruppe insbesondere eine Splitgruppe und/oder eine Rangegruppe aufweisen.
In besonders kostengünstiger Weise kann die
Vorgelegewellendrehzahl von der Getriebesteuerung mittels der Induktionsgrößen am Elektromotor ermittelt werden. Je größer die Drehzahl der Vorgelegewelle ist, desto größer ist die im Elektromotor induzierte Spannung, wobei ein proportionaler Zusammenhang besteht.
Eine besonders kostengünstige Ausführungsform des Elektromotors ist der stromrichtergeführte Käfigläufer- Asynchronmotor .
Der Elektromotor hat gegenüber hydraulischen Stellgliedern - wie beispielsweise einer hydraulischen Getriebelammelenbremse - den Vorteil, dass keine Abhängigkeit von der Getriebeöltemperatur auftritt. Gegenüber einer solchen Getriebelammelenbremse treten auch keine Planschverluste im Getriebeölbad auf, so dass der Gesamtwirkungsgrad des Schaltklauengetriebes verbessert wird und der Kraftstoffverbrauch "reduzlert~"wirdr
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Elektromotor im sogenannten „Boost-Betrieb" die Antriebsleistung des Verbrennungsmotors beispielsweise bei Überholvorgängen unterstützen. Um die zuvor genannten Dynamikanforderungen für komfortable Gangwechsel zu ermöglichen, ist die Leistung des Antriebsmotors jedoch auf eine Unterstützung des Antriebsmotors begrenzt.
Zwischen der Vorgelegewelle und dem Elektromotor kann eine Kupplung vorgesehen sein. Jedoch bringt der Verzicht auf eine solche Kupplung Vorteile mit sich. So sind bei entsprechend kleiner Dimensionierung des Elektromotors die umlaufenden Massen gegenüber der Vorgelegewelle gering, so dass positive und negative Beschleunigungen der Vorgelegewelle sehr dynamisch erfolgen. Durch den Verzicht auf eine solche Kupplung sind keine zusätzlichen Stellelemente vorhanden, die Dynamikeinbußen mit sich bringen könnten.
Patentanspruch 14 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform, bei welcher die Drehzahl der Vorgelegewelle mittels des Elektromotors im Gegensatz zu einer reinen Steuerung eingeregelt werden kann. Damit gehen Dynamikvorteile insbesondere gegenüber Reibungsbremsen einher, die wegen ihrer Dynamik nicht für einen geregelten Betrieb taugen.
In besonders vorteilhafter Weise ist steuerungstechnisch vorgesehen, dass die Vorgelegewelle mittels des Elektromotors sowohl bei stehendem Fahrzeug als auch bei fahrendem Fahrzeug zur Vermeidung einer Zahn-auf-Zahn-Stellung der Schaltklauen verdrehbar ist. Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus den weiteren Patentansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung vor.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.
Dabei zeigt die einzige Zeichnung schematisch einen kompletten Antriebsstrang 10 eines ansonsten nicht dargestellten Nutzfahrzeugs. Der Antriebsstrang 10 umfasst einen Antriebsmotor 14, dessen Einspritzsystem 15 von einer Steuerungseinrichtung 16 angesteuert wird. Der Antriebsmotor 14 ist nutzfahrzeugtypisch als aufgeladener Dieselmotor ausgeführt. Dieser Dieselmotor kann beispielsweise als 6- Zylinder- oder 8-Zylinder-Motor ausgeführt sein.
Eine Kurbelwelle 13 ist über einen nicht näher dargestellten Kurbelwellenflansch drehfest mit einer Primärhälfte 106 einer trockenen reibschlüssigen Anfahrkupplung 12 verbunden, welche auch die Schwungmasse des Antriebsmotors 14 bildet. Diese Primärhälfte 106 ist reibschlüssig koppelbar mit einer Sekundärhälfte 107 der Anfahrkupplung 12.
Die Anfahrkupplung 12 ist axial zwischen der Kurbelwelle 13 und einer Getriebeeingangswelle 11 eines automatisierten synchronringfreien Schaltklauengetriebes 19 angeordnet. Die Anfahrkupplung 12 und das Schaltklauengetriebe 19 werden von einer Getriebesteuerung 49 angesteuert. Die Getriebesteuerung 49 steht in Signalverbindung mit - einem Stellglied 110 der Anfahrkupplung 12, einem Getriebeeingangswellendrehzahlsensor 108, mit welchem die Drehzahl einer Getriebeeingangswelle 11 erfassbar ist und nicht dargestellten Sensoren der Anfahrkupplung 12 und des
Schaltklauengetriebes 19. Damit kann die Getriebesteuerung 49 die Anfahrkupplung 12 öffnen oder schließen und Gängwechsel im Schaltklauengetriebe 19 durchführen. Von dem Getriebeeingangswellendrehzahlsensor 108 wird die Getriebeeinganswellendrehzahl ermittelt und in der Getriebesteuerung 49 abgelegt.
Die Getriebesteuerung 49 steht in Signalverbindung mit der Steuerungseinrichtung 16, wodurch ein Austausch von Daten, beispielsweise von Betriebsgrößen des Antriebsmotors 14 oder des Schaltklauengetriebes 19, sowie eine Anforderung von Drehzahländerungen des Antriebsmotors 14, welche dann von der Steuerungseinrichtung 16 umgesetzt werden, möglich sind. Insbesondere kann das Steuergerät 16 die Drehzahl der Kurbelwelle 13 an die Steuereinrichtung 49 weitergeben. Diese Drehzahl der Kurbelwelle 13 wird mittels des Drehzahlsensors 101 erfasst. Die Getriebesteuerung 49 ist außerdem mit einer Bedieneinheit 51 verbunden, mittels welcher ein Fahrzeugführer Gangwechsel des Schaltklauengetriebes 19 anfordern kann. Alternativ dazu können Gangwechsel von einem Ursprungs- in einen Zielgang auch in vollautomatisierter Weise von der Getriebesteuerung 49 ausgelöst werden. Die Ermittlung des Zielgangs ist dabei unter anderem von der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs und einem Betätigungsgrad eines Fahrpedals durch den Fahrzeugführer abhängig.
Das Schaltklauengetriebe 19 ist als ein sogenanntes Zwei- Gruppen-Getriebe ausgeführt. In einer alternativen Ausgestaltung kann es jedoch auch als Drei-Gruppen-Getriebe ausgeführt sein, wobei sich einer Hauptgruppe 18 eine Rangegruppe anschließt.
Drehfest verbunden mit der Getriebeeingangswelle 11 ist ein Vorschaltgetriebe in Form einer Splitgruppe 17 angeordnet. Der Splitgruppe 17 nachgeordnet ist die besagte Hauptgruppe 18. Somit sind bei dem Schaltklauengetriebe 19 axial aufeinander folgend die Getriebeeingangswelle 11, eine Zwischenwelle 400 und
- ~ dϊe~ ~Häuptwelle 29 " angeordnet. Dabei ist die Zwischenwelle 400 an ihrem einen vorderen axialen Ende in der Getriebeeingangswelle 11 und an ihrem hinteren axialen Ende in der Hauptwelle 29 gelagert.
Mittels der Splitgruppe 17 kann die Getriebeeingangswelle 11 über zwei verschiedene Zahnradpaarungen 20a, 21a mit einer parallel zur Getriebeeingangswelle 11 angeordneten Vorgelegewelle 22 in Wirkverbindung gebracht werden. Dazu umfasst die vordere Zahnradstufe 20a eine Festrad 20b, welches drehfest und koaxial am vorderen Ende der Vorgelegewelle 22 angeordnet ist und ein Losrad 20c, welches drehbar und koaxial zur Getriebeeinganswelle 11 in der Ebene des Festrades 20b mit letzterem im verzahnten Eingriff angeordnet ist. Die hintere Zahnradstufe 21a umfasst hingegen
- ein Festrad 21b, welches drehfest und koaxial auf der Vorgelegewelle 22 hinter dem Festrad 20b angeordnet ist und ein Zahnrad 21c, welches drehfest und koaxial zur Zwischenwelle 400 in der Ebene des Festrades 21b mit letzterem im verzahnten Eingriff angeordnet ist.
Die beiden Zahnradpaarungen 20a, 21a weisen eine unterschiedliche Übersetzung auf und werden auch als Eingangskonstanten bezeichnet. Die Übersetzung der jeweiligen Zahnradpaarung 20a, 21a wird ausgewählt, indem eine Schiebemuffe 41 aus einer Neutralstellung axial nach vorne geschoben wird, um eine drehfeste Verbindung zwischen der Getriebeeingangswelle 11 und dem Losrad 20c der vorderen Zahnradpaarung 20a oder indem die Schiebemuffe 41 aus der Neutralstellung axial nach hinten geschoben wird, um eine drehfeste Verbindung zwischen der Getriebeeingangswelle 11 und der mittleren Zwischenwelle 400 bzw. dem Zahnrad 21c herzustellen. Auf der Vorgelegewelle 22 sind ferner drehfest Festräder 23, -24,-25 für drei verschiedene Übersetzungsverhältnisse der Hauptgruppe 18 angeordnet. Die Festräder 23, 24, 25 kämmen jeweils mit zugehörigen Losrädern 26, 27, 28, welche drehbar auf der koaxial zur Getriebeeingangswelle 11 angeordneten Hauptwelle 29 angeordnet sind. Das Losrad 26 kann mittels einer Schiebemuffe 30 verdrehfest und formschlüssig mit der Hauptwelle 29 verbunden werden. Die Losräder 27 und 28 können hingegen mittels einer Schiebemuffe 31 verdrehfest und formschlüssig mit der Hauptwelle 29 verbunden werden.
Am vorderen Ende ist die Vorgelegewelle 22 mit dem Rotor eines Elektromotors M gekoppelt, dessen Steuerung so ausgelegt ist, dass der Elektromotor M auch als Generator betreibbar ist. Alternativ kann ein zur Abbremsung der Vorgelegewelle aktiv in die Gegenrichtung betreibbarer Elektromotor Einsatz finden. Der Elektromotor M ist dabei als stromrichtergeführter Käfigläufer-Asynchronmotor ausgeführt und weist einen nicht näher dargestellten Umrichter auf. Ein Vorteil der Verwendung eines Käfigläufers liegt in der fehlenden Kommutierung. Alternativ kann ein bürstenloser Gleichstrommotor mit permanent erregtem Rotor Einsatz finden. Der Verzicht auf Bürsten bringt bei den hohen an Lastkraftwagen gestellten Anforderungen an Laufzeit und Wartungsfreiheit Vorteile mit sich. Zusätzlich zum Verbrennungmotor kann - beispielsweise zur Spitzenlastabdeckung bei Überholvorgängen - mittels des Elektromotors M ein Drehmoment eingespeist werden. Ein solcher Betrieb mit addierten Antriebsmomenten kann auch als „Boost-Betrieb" bezeichnet werden. Mittels des Elektromotors M kann die Drehzahl der Vorgelegewelle 22 und damit auch die Drehzahl der Getriebeeingangswelle 11 gezielt erhöht und verringert werden. D.h. die Vorgelegewelle kann positiv und negativ beschleunigt werden.
Die Schiebemuffe 41 der Splitgruppe 17 und die Schiebemuffen 30, 31, 39 der Hauptgruppe 18 sind jeweils mit Schaltstangen 42, 43, 44, 45 betätigbar. Damit kann eine formschlüssige Verbindung zwischen zugehörigen Schältelementen mit Schaltklauen und der Hauptwelle 29 hergestellt oder unterbrochen werden. Die Schaltstangen 42, 43, 44, 45 können mit einem Stellglied in Form eines xy-Stellers 48a, 48b, welcher von der Getriebesteuerung 49 angesteuert wird, betätigt werden. Wenn kein Gang im Schaltklauengetriebe 19 eingelegt ist, also kein Losrad formschlüssig mit der Hauptwelle 29 verbunden ist, dann befindet sich das Schaltklauengetriebe 19 in einer sogenannten Neutralstellung.
Von der Hauptwelle 29 wird das gewandelte Drehmoment und die Drehzahl des Antriebsmotors 14 mittels einer angeflanschten Antriebswelle 32 an ein Achsgetriebe 33 übertragen, welches bei ausgewogenem Drehmoment die Drehzahl über ein Differential in gleichen oder unterschiedlichen Anteilen über zwei Abtriebswellen 34, 35 an Antriebsräder 36, 37 überträgt. In einer alternativen Ausgestaltung ist das Achsgetriebe als Durchtriebsachse ausgeführt, so dass die Antriebsleistung auf mehrere Achsen verteilt wird.
Bei einem Gangwechsel von einem Ursprungsgang in einen Zielgang muss zuerst der Ursprungsgang ausgelegt werden. Da das Schaltklauengetriebe 19 als ein Getriebe ohne Synchronringe ausgeführt ist, muss zumindest bei Rückschaltungen, um den Zielgang einlegen zu können, die Vorgelegewelle 22 und damit auch die Getriebeeingangswelle 11 mittels des Antriebsmotors 14 bei geschlossener Anfahrkupplung 12 ungefähr auf die Synchrondrehzahl des Zielgangs eingestellt werden. Die Synchrondrehzahl ist erreicht, wenn das Losrad des Zielgangs und die zweite Hauptwelle 29 zumindest näherungsweise die selbe Drehzahl aufweisen. Dabei ist ein geringfügiger Drehzahlunterschied zwischen der Hauptwelle 29 und dem jeweiligen Losrad 26 bzw. 27 bzw. 28 bzw. 29. Bei Hochschaltungen mit geöffneter Anfahrkupplung 12 kann die Vorgelegewelle 22 mittels des Elektromotors M in seiner Funktion als Generator abgebremst und damit die Getriebeeingangswelle 11 synchronisiert werden. Hingegen kann bei Rückschaltuhgen mit" geöffneter Anfahrkupplung 12 die Vorgelegewelle 22 mittels des Elektromotors M beschleunig und damit die Getriebeeingangswelle 11 synchronisiert werden.
Das Auslegen des Ursprungsgangs kann entweder bei geschlossener oder geöffneter Kupplung durchgeführt werden. Ein häufiges Öffnen und Schließen der Anfahrkupplung 12 führt dabei zu einem starken Verschleiß und damit zu hohen Kosten für einen Tausch der Kupplung und Ausfall des Kraftfahrzeugs während des Tauschs . Deshalb ist es das Ziel, einen möglichst hohen Anteil der Gangwechsel mit geschlossener Kupplung durchzuführen. Die Schaltungen mit geschlossener Kupplung erfolgen dabei nach den Kriterien, welche ausführlich in der DE 102 49 951 Al dargestellt sind.
Befindet sich das Nutzfahrzeug im Stand, so steht auch die Vorgelegewelle 22 und die Schiebemuffen 41, 30, 31, 39 befinden sich in der Neutralstellung. Eine Innenverzahnung dieser Schiebemuffen 41, 30, 31, 39 stellt somit keine drehfeste Verbindung mit Schaltverzahnungen 200, 201, 202, 203, 204, 205, 206 der Zahnräder 20c, 21c, 26, 27, 28 her. Diese Schaltverzahnungen 200, 201, 202, 203, 204, 205, 206 sind dabei als Außenverzahnungen ausgeführt. Wird nun zum Einlegen eines Ganges eine der Schiebemuffen 41 bzw. 30 bzw. 31 bzw.39 derart verschoben, dass sie in Kontakt mit der jeweiligen Schaltverzahnungen 200 bzw. 201 bzw. 202 bzw. 203 bzw. 204 bzw. 205 bzw. 206 kommt, so kann es im seltenen Extremfall dazu kommen, dass die Innenverzahnung der Schiebemuffe und die Schaltverzahnung Zahn-auf-Zahn stehen. Um dies zu vermeiden, gibt die Getriebesteuerung 49, die von der Steuerungseinrichtung 16 die Information erhält, dass das Nutzfahrzeug steht, an den Umrichter des Elektromotors E ein Signal zum Verdrehen der Vorgelegewelle 22.
Das Signal kann dabei in einer ersten Ausführungsform an den Elektromotor E geleitet werden, wenn von der Getriebesteuerung 48a sensiert wird, dass der Strombedarf zum Verschieben der Schiebemuffe mittels der jeweiligen Schaltstange über einen Schwellwert ansteigt. Ein solch hoher Strombedarf lässt nämlich darauf schließen lässt, das der XY- Steller die Schiebemuffe deshalb nicht weiter verschieben kann, weil sie Zahn-auf-Zahn mit der Schaltverzahnung steht.
In einer zweiten Ausführungsform kann das Signal der Getriebesteuerung zum Verdrehen der Vorgelegewelle mittels Elektromotor M jedes mal erfolgen, wenn ein Gang eingelegt werden soll. Damit kann es von vorneherein nicht zur Zahnauf-Zahn-Problematik kommen.
Der Elektromotor kann koaxial zur Vorgelegewelle angeordnet sein. In einer alternativen Ausgestaltung kann der Elektromotor auch über ein Untersetzungsgetriebe i>l mit der Vorgelegewelle gekoppelt sein. Mittels dieses Untersetzungsgetriebes wird zum einen erreicht, dass der Elektromotor sehr klein dimensioniert sein kann und dennoch ein ausreichendes Drehmoment zur Verfügung stellen kann, um die Vorgelegewelle zu beschleunigen. Zum anderen wird die Drehzahl der Vorgelegewelle zum Elektromotor ins Schnelle übersetzt, so dass auch geringe Drehzahlen der Vorgelegewelle eine relativ höhere Drehzahl und damit eine höhere Spannung am Elektromotor induzieren. Somit können auch geringe Drehzahlen am Elektromotor sensiert werden. Als Untersetzungsgetriebe kann sowohl ein Planetengetriebe vorgesehen sein, so dass das der Elektromotor koaxial zur Vorgelegewelle angeordnet ist. Alternativ kann ein achsversetzendes Stirnradgetriebe vorgesehen sein, so dass der Elektromotor parallel versetzt zur Vorgelegewelle angeordnet ist.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das Nutzfahrzeuggetriebe als Gruppengetriebe mit drei Getriebegruppen ausgeführt, wobei diese Getriebegruppen aufeinander folgend eine Splitgruppe, eine Hauptgruppe und eine Rangegruppe umfassen. Die Rangegruppe kann ein Planentengetriebe oder- ein Vorgelegegetriebe sein, das sich der Hauptwelle 29 anschließt. Die Rangegruppe kann insbesondere zwei Schaltzustände aufweisen, von denen der eine Schaltzustand zur Wirkungsgradverbesserung als direkter Durchtrieb ausgeführt ist.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind entsprechend der US 5,560,249 zwei parallel versetzt angeordnete Vorgelegewellen vorgesehen, von denen jedoch nur eine mit einem Elektromotor verbunden ist.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann die Vorgelegewelle bei eingelegtem direktem Gang entkoppelbar sein, so dass zur Wirkungsgradverbesserung im direkten Gang an der Vorgelegewelle keine Schleppverluste auftreten. Die Vorgelegewellendrehzahl ist währenddessen also Null.
Die im Ausführungsbeispiel dargestellte Aufteilung, dass sich die Losräder koaxial auf der Getriebeeingangswelle 11 und der Hauptwelle 29 befinden, wohingegen sich die Festräder auf der Vorgelegewelle 22 befinden, kann auch umgekehrt ausgeführt sein. Ferner sind Mischformen möglich, bei welchen auf der jeweiligen Welle sowohl Festräder als auch Losräder angeordnet sind.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen handelt es sich nur um beispielhafte Ausgestaltungen. Eine Kombination der beschriebenen Merkmale für unterschiedliche Ausführungsformen ist ebenfalls möglich. Weitere, insbesondere nicht beschriebene Merkmale der zur Erfindung gehörenden Vorrichtungsteile, sind den in den Zeichnungen dargestellten Geometrien der Vorrichtungsteile zu entnehmen.

Claims

Patentansprüche
1. Kraftfahrzeug - insbesondere Nutzfahrzeug - mit einem Schaltklauengetriebe (19) und einem Elektromotor (M), der in Wirkverbindung mit einer Vorgelegewelle (22) bringbar ist, wobei diese Vorgelegewelle (22) Zahnräder (20b, 21b, 23, 24, 25) trägt, die mit Zahnrädern (20c, 21c, 26, 27, 28) einer Hauptwelle (29) kämmen, wobei die Zahnräder (20b, 21b, 23, 24, 25, 20c, 21c, 26, 27, 28) als Festräder und als Losräder ausgeführt sind, wobei die Losräder mittels der Schaltklauen mit der dem jeweiligen Losrad zugeordneten Welle (22 bzw. 29) drehfest kuppelbar sind, und wobei die Vorgelegewelle (22) bei stehendem Fahrzeug mittels des Elektromotors (M) zur Vermeidung einer Zahn-auf-Zahn-Stellung der Schaltklauen verdrehbar ist.
2. Kraftfahrzeug nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (M) ferner zur zentralen Synchronisation der Gangwechsel ansteuerbar ist.
3. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (M) koaxial zur Vorgelegewelle (22) angeordnet ist.
4. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (M) als stromrichtergeführter
Käfigläufer-Asynchronmotor ausgeführt ist.
5. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gangwechsel bei geschlossener Anfahrkupplung (12) durchführbar sind.
6. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antriebsmotor (14) des Kraftfahrzeugs ein aufgeladener Dieselmotor ist und das Kraftfahrzeug ein Gruppengetriebe mit mehr als sechs Vorwärtsgängen ist, welches eine Splitgruppe (17) mit zumindest zwei Eingangskonstanten und einer Hauptgruppe (18) umfasst.
7. Schaltverfahren für ein Schaltklauengetriebe eines Kraftfahrzeugs, wobei eine Vorgelegewelle (22) zeitlich vor oder bei dem Einrücken eines Schaltelementes bei stehendem Fahrzeug mittels des Elektromotors (M) zur Vermeidung einer Zahn-auf-Zahn-Stellung der Schaltklauenverbindung zwischen einem Losrad (20c bzw. 21c bzw. 26 bzw. 27 bzw. 28) und einer Schiebemuffe (41 bzw. 30 bzw. 31 bzw. 39) beschleunigbar ist.
8. Schaltverfahren nach Patentanspruch 7, dadurch - gekennzerchnet, dass~ eine im Kraftfluss zwischen dem Antriebsmotor (12) und der Vorgelegewelle (22) angeordnete Kupplung zumindest teilweise geöffnet ist.
9. Schaltverfahren nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Kupplung eine Anfahrkupplung (12) ist.
10. Schaltverfahren nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Kupplung ein Schaltelement ist, welches einer Getriebeeingangswelle zugehörig ist und mit welchem die Vorgelegewelle bei eingelegtem Direktgang entkoppelbar ist.
11. Schaltverfahren für ein Kraftfahrzeug nach Patentanspruch 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Kupplung ein Schaltelement ist, welches einer Splitgruppe (17) zugehörig ist und welches zur Öffnung in eine Neutralstellung verschoben wird.
12. Schaltverfahren für ein Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor zum Abbremsen der Vorgelegewelle (22) auch als Generator betreibbar ist.
13. Schaltverfahren für ein Kraftfahrzeug nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor zum Abbremsen der Vorgelegewelle (22) in die zur Vorgelegewellendrehrichtung gegenläufige Drehrichtung aktiv angetrieben werden kann.
14. Schaltverfahren für ein Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor in seiner Drehzahl und/oder seinem
Drehwinkel regelbar ist.
15. Schaltverfahren für ein Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorgelegewellendrehzahl von der Getriebesteuerung (49) mittels der Induktionsgrößen am Elektromotor (M) ermittelbar ist.
16. Kraftfahrzeug nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorgelegewelle (22) auch bei fahrendem Fahrzeug mittels des Elektromotors (M) zur Vermeidung einer Zahnauf-Zahn-Stellung der Schaltklauen verdrehbar ist.
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