WO2013156195A1

WO2013156195A1 - Verfahren zum durchführen eines schaltschritts

Info

Publication number: WO2013156195A1
Application number: PCT/EP2013/054454
Authority: WO
Inventors: Bernhard WÜST; Rolf Hoffmann
Original assignee: Voith Patent Gmbh
Priority date: 2012-04-18
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2013-10-24
Also published as: DE102012007622A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen eines Schaltschritts in einem zumindest teilweise von einer elektrischen Maschine angetriebenen Getriebe mit wenigstens einem Klauenschaltelement, wobei -das wenigstenseine Klauenschaltelement nach einem Startsignal eine Schaltbewegung ausführt, wobei -Drehzahl und/oder Drehmoment nach dem Startsignal durch die elektrischen Maschine angepasst werden. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass -eine vorgegebene Zeit nach dem Startsignal oder bei einem damit korrespondierenden Wert ein Aktuator zum Betätigen des Klauenschaltelements ausgelöst wird, wonach -eine die Bewegung des Klauenschaltelements zumindest mittelbar charakterisierende Größe erfasst wird, und wonach -wenn die Größe innerhalb eines vorgegebenen Intervalls liegt, die vorgegebene Zeit oder der damit korrespondierende Wert oder eine Funktion anhand der die elektrischen Maschine die Drehzahl und/oder das Drehmoment anpasst unverändert bleibt, oder wenn die Größe außerhalb eines vorgegebenen Intervalls liegt, die vorgegebene Zeit oder der damit korrespondierende Wert oder eine Funktion anhand der die elektrischen Maschine die Drehzahl und/oder das Drehmoment anpasst verändert und bei einem nachfolgenden vergleichbaren Schaltschritt verwendet wird.

Description

Verfahren zum Durchführen eines Schaltschritts

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen eines Schaltschritts in einem zumindest teilweise von einem elektrischen Motor angetriebenen Getriebe nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Ferner betrifft die

Erfindung eine Motor-Getriebe-Einheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Antriebsvorrichtung mit einer solchen Motor-Getriebe- Einheit. Letztlich betrifft die Erfindung außerdem ein Nutzfahrzeug mit einer derartigen Antriebsvorrichtung.

Die Kombination von elektrischen Maschinen mit Getrieben, beispielsweise zu einer Motor-Getriebe-Einheit, ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Solche Aufbauten können insbesondere in zumindest teilweise elektrischen

Antriebsvorrichtung vorgesehen sein, wie sie beispielsweise für Hybridfahrzeuge oder rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge eingesetzt werden. Als Beispiel hierfür soll auf die DE 197 56 083 AI verwiesen werden, welche Aufbauten mit Motor und Generator zeigt und welche für diese jeweiligen Aufbauten die Ausführung als Motor-Getriebe-Einheit beschreibt. Für einen solchen Aufbau ist es aus der DE 10 2009 055 242 AI bekannt, dass eine Klauenkupplung als Schaltelement in dem Getriebe eingesetzt werden kann. Um den Nachteilen einer Klauenkupplung hinsichtlich der Notwendigkeit einer Synchronisation entgegenzuwirken, schlägt die Schrift vor, über den elektrischen Motor eine Anpassung der Drehzahl vorzunehmen, umso die Klauenschaltelemente der Klauenkupplung einfach und ohne mechanische Synchronisationseinrichtung ausbilden zu können. Die Schrift schlägt dabei ferner vor, um den Schaltvorgang zu beschleunigen, die Drehzahl zuerst über die eigentliche Zieldrehzahl hinaus mit der elektrischen Maschine anzupassen, um diese dann entsprechend abzubremsen und so die unterhalb der Startdrehzahl liegende Zieldrehzahl zu erreichen. Der Nachteil bei diesem Aufbau besteht darin, dass er eine vergleichsweise lange Zeit zum Schalten und Synchronisieren benötigt, da er zuerst die Drehzahl anpasst und, erst nachdem diese angepasst ist und dies auch gemessen worden ist, die Schaltung durchführt. Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Durchführen eines Schaltschritts anzugeben, welches diesen Nachteil vermeidet und sehr schnell arbeitet. Darüber hinaus soll das Verfahren sich sehr einfach und effizient auf unterschiedliche Randbedingungen der jeweiligen Schaltsituation anpassen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist eine bevorzugte Motor-Getriebe-Einheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Antriebsvorrichtung mit einer solchen Motor-Getriebe- Einheit und ein Fahrzeug mit einer solchen Antriebsvorrichtung beansprucht.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass parallel zur Anpassung der Drehzahl und/oder des Drehmoments durch den elektrischen Motor aufgrund des Startsignals nach einer vorgegebenen Zeit oder bei einem damit

korrespondierenden Wert nach dem Startsignal ein Aktuator zum Betätigen des Klauenschaltelements ausgelöst wird, wonach eine die Bewegung des

Klauenschaltelements zumindest mittelbar charakterisierende Größe erfasst wird. Diese Größe wird dann geprüft, ob sie innerhalb eines vorgegebenen Intervalls liegt, in diesem Fall war der Schaltschritt erfolgreich, oder ob sie außerhalb des vorgegebenen Intervalls liegt, die Schaltung also nicht oder zumindest nicht optimal funktioniert hat. Im ersten Fall wird die vorgegebene Zeit, der

vorgegebene Wert oder eine Funktion, anhand der die elektrische Maschine die Drehzahl und/oder das Drehmoment angepasst, unverändert gelassen. Im zweiten Fall wird die vorgegebene Zeit, der vorgegebene Wert oder eine Funktion, anhand der die elektrische Maschine die Drehzahl und/oder das Drehmoment angepasst, für die nächste vergleichbare Schaltung, also bei ähnlichem Drehmoment und ähnlicher Drehzahl, entsprechend angepasst. Bei dem nächsten Schaltschritt in einer vergleichbaren Schaltsituation kann dann zum Beispiel mit der neuen angepassten Zeit, welche anstelle der bisher vorgegebenen Zeit abgespeichert worden ist, operiert werden. Hierdurch verbessert sich der Ablauf des

Schaltschritts zunehmend, sodass eine Anpassung an Fertigungstoleranzen, sich verändernde Umgebungsbedingungen oder dergleichen durch eine selbsttätige Adaption erfolgen kann.

In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Idee ist es dabei vorgesehen, dass ein Schaltvorgang sich aus zwei Schaltschritten zusammensetzt, wobei nach einem Schaltbefehl das Startsignal für den ersten Schaltschritt ausgelöst wird, in welchen das Drehmoment reduziert und das

Klauenschaltelement aus seinem Kontakt mit einem ersten Gegenelement ausgerückt wird, und wobei nach Erreichen einer Neutralstellung des

Klauenschaltelements das zweite Startsignal für den zweiten Schaltschritt ausgelöst wird, in welchem die Drehzahl an eine Zieldrehzahl angepasst und das Klauenschaltelement mit einem zweiten Gegenelement in Eingriff gebracht wird. Ein solcher Schaltvorgang, welcher sich aus den beiden beschriebenen

Schaltschritten zusammensetzt, ist für Klauenschaltungen an sich üblich, da zuerst ein Ausrücken des Klauenschaltelements aus der bisherigen Stellung in eine Neutralstellung erfolgt, bevor das Klauenschaltelement wieder einrückt, um die gewünschte Drehmomentübertragung realisieren zu können. Nun ist es so, dass in dem ersten Schaltschritt ein Drehmoment reduziert wird, wobei ein Ausrücken des Klauenschaltelements im Allgemeinen nur dann erfolgen kann, wenn das

Drehmoment zwischen dem Klauenschaltelement und einem ersten Gegenelement in etwa Null beträgt. Das Drehmoment selbst lässt sich aber außerordentlich schwer messen, sodass vorzugsweise über eine vorgegebene Zeit nach dem Startsignal parallel zum Abbau des Drehmoments durch die elektrische Maschine der Aktuator bereits ausgelöst wird. Der Aktuator selbst benötigt eine gewisse Zeit, um anzusprechen und das Klauenschaltelement auszurücken. Ist dies erfolgreich, bleibt die Zeit unverändert, ist dies kein Erfolg, weil das Ausrücken aufgrund eines Restdrehmoments noch nicht funktioniert, was beispielsweise durch die Stromaufnahme des Aktuators erfasst werden kann, wird die Zeit für den nächsten Schaltvorgang mit ähnlicher Voraussetzung, also ähnlichem

Startdrehmoment und ähnlicher Drehzahl, entsprechend angepasst, umso durch das Adaptieren der Vorgabe für das Auslösen des Aktuators des ersten

Schaltschritts mit zunehmender Zahl an Schaltvorgängen eine immer schnellere und bessere Schaltung zu erreichen.

Nachdem die Neutralstellung des Klauenschaltelements erreicht ist, startet der zweite Schaltschritt wiederum durch ein Startsignal. Dann erfolgt parallel zueinander die Anpassung der Drehzahl auf die benötigte Synchrondrehzahl und die Auslösung, beispielsweise anhand der Zeit oder anhand einer Drehzahl, welche aufgrund der zeitlichen Änderung der Drehzahl nach einer vorgegebenen Kurve ein mit der Zeit korrespondierender Wert ist. Auch hier wird beim Einrücken des Klauenschaltelements in das zweite Gegenelement überprüft, ob die Schaltung erfolgreich war, oder ob es zu einem Drehzahlsprung gekommen ist, die erzielte Drehzahl also nicht exakt der Drehzahl des Gegenelements entsprochen hat. Ein solcher Drehzahlsprung kann insbesondere über eine Drehzahlerfassung, beispielsweise über den Motorumrichter, oder über einen PI-Regler für die

Drehzahl erfasst werden, da ab dem Nulldurchgang der I-Anteil nicht mehr fällt. Alternativ oder ergänzend hierzu können Schwingungen des Antriebsstrangs überwacht werden, da eine Drehzahländerung diesen zu einer Schwingung anregt. Letztlich wird über eine oder mehrere dieser Maßnahmen erkannt, dass die gewünschte Drehzahl nicht exakt erreicht worden ist. Die Start-Drehzahl oder Startzeit zum Ausrücken des Aktuators wird dann wieder angepasst, je nach Vorzeigen des Drehzahlsprungs oder der ersten Halbwelle der Schwingung in die eine oder die andere Richtung. Kommt es zu einem späteren Zeitpunkt zu einer vergleichbaren Schaltung bei gleichen Drehzahl-/Drehmomentverhältnis, dann wird der neu abgespeicherte Wert oder die neu abgespeicherte vorgegebene Zeit genutzt. Durch diese Adaption lässt sich die Schaltzeit minimieren und die

Schaltqualität und der Schaltkomfort mit zunehmender Betriebsdauer verbessern.

Alles in allem wird die Schaltung durch diese Vorgehensweise nicht nur schneller und effizienter, sondern auch komfortabler und weniger verschleißbehaftet, als wenn sie sich aus Schaltschritten gemäß dem Stand der Technik zusammensetzen würde.

Das erfindungsgemäße Verfahren in der oben beschriebenen Art lässt sich dabei prinzipiell mit jedem Getriebe mit einem Klauenschaltelement und einer

elektrischen Maschine, welche das Getriebe zumindest teilweise antreibt, realisieren. Besonders bevorzugt soll das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Motor-Getriebe-Einheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6 eingesetzt werden. Eine solche Motor-Getriebe-Einheit umfasst eine elektrische Maschine und ein mit der elektrischen Maschine verbundenes Planetengetriebe.

Erfindungsgemäß ist außerdem eine Schalteinrichtung vorgesehen, sodass das Planetengetriebe zwischen einer ersten Gangstufe, einer zweiten Gangstufe und einer Neutralstufe schaltbar ist. Erfindungsgemäß ist dabei das Sonnenrad des

Planetengetriebes mit der Welle der elektrischen Maschine fest verbunden und der Planetenträger ist mit einer Abtriebswelle der Motor-Getriebe-Einheit fest verbunden. Die Schalteinrichtung ermöglicht es, den Außenkranz entweder mit einem feststehenden Bauteil zu verbinden, also gegenüber den anderen Bauteilen des Planetengetriebes festzuhalten, diesen Außenkranz mit dem Planetenträger und damit mit dem Abtrieb beziehungsweise der Abtriebswelle zu verbinden oder den Außenkranz gänzlich freizugeben. Dieser spezielle Aufbau des

Planetengetriebes mit den drei beschriebenen Schaltstufen lässt sich

außerordentlich kompakt realisieren und ermöglicht somit einen in axialer

Richtung sehr kurzen Aufbau der Motor-Getriebe-Einheit. Insbesondere benötigt dieser Aufbau nicht mehr Raum, als es ein einfaches nicht schaltbares Getriebe ebenfalls benötigen würde.

Wird der Außenkranz nun festgehalten, so entsteht die gewünschte Übersetzung des Planetengetriebes. Wird er mit dem Abtrieb beziehungsweise dem

Planetenträger verbunden, dann läuft der Außenkranz und der Planetenträger gemeinsam um, sodass eine Übersetzung von 1 : 1, also ein Direktgang, entsteht. Wird der Außenkranz dagegen losgelassen, dann erfolgt keine Kraftübertragung, sodass eine Neutralstellung des Getriebes erzielt wird. Dies ist bei teilweise elektrischen Antriebsvorrichtungen, insbesondere bei hybridisierten

Antriebssträngen, in bestimmten Fahrsituationen von Vorteil, da hierdurch eine Abkopplung der elektrischen Maschine erzielt werden kann. All dies kann ohne zusätzliche Kupplung außerordentlich bauraumsparend innerhalb der Motor- Getriebe-Einheit direkt erfolgen.

Die Motor-Getriebe-Einheit zur bevorzugten Durchführung des Erfindungsgemäßen Verfahrens bildet insbesondere einen Teil einer Antriebsvorrichtung für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug, also ein Hybridfahrzeug oder Elektrofahrzeug. Die Motor-Getriebe-Einheit benötigt in einer solchen erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung sehr wenig Bauraum und erlaubt den einfachen und effizienten Einsatz einer Elektromaschine, welche entsprechend einfach und effizient ausgelegt werden kann.

Der bevorzugte Einsatzzweck einer solchen Antriebsvorrichtung liegt dabei vorzugsweise im Bereich von Nutzfahrzeugen, welche einen elektrischen Antrieb oder einen seriellen Hybridantrieb aufweisen und in deren Bereich die

Antriebsvorrichtung besonders günstig und effizient eingesetzt werden kann. Solche Nutzfahrzeuge können beispielsweise Omnibusse sein, welche im

Nahverkehr eingesetzt werden, wodurch beispielsweise mittels einer

Hybridisierung ein besonderes Einsparpotenzial erzielt werden kann. Prinzipiell ist die Anwendung jedoch auch in Parallelhybriden oder in rein elektrisch

angetriebenen Fahrzeugen möglich.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Motor-Getriebe- Einheit ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter

Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.

Die einzelnen Figuren zeigen:

Figur 1 eine Prinzipdarstellung eines Nutzfahrzeugs in einer möglichen

Ausgestaltung gemäß der Erfindung;

Figur 2 eine prinzipmäßige Schnittdarstellung durch die obere Hälfte einer erfindungsgemäßen Motor-Getriebe-Einheit;

Figur 3 eine Darstellung eines Drehmoment-Zeit-Diagramms zur Erläuterung eines ersten Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer beispielhaften Ausgestaltung; und

Figur 4 eine Darstellung eines Drehzahl-Zeit-Diagramms zur Erläuterung

eines zweiten Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer beispielhaften Ausgestaltung.

In der Darstellung der Figur 1 ist stark schematisiert ein Fahrzeug 1, insbesondere ein Nutzfahrzeug beispielsweise ein Omnibus, zu erkennen. Zum Antrieb des Fahrzeugs 1 dient eine Antriebsvorrichtung 2, welche hier als sogenannter serieller Hybrid ausgebildet sein soll. Dies ist rein beispielhaft zu verstehen. Die Antriebsvorrichtung 2 umfasst einen Verbrennungsmotor 3, beispielsweise einen Dieselmotor. Dieser treibt einen elektrischen Generator 4 an, welcher über eine Leistungselektronikeinheit 5, welche überdies elektrische Energiespeicher mit aufweisen kann, mit einer Motor-Getriebe-Einheit 6 in Verbindung steht. Über eine Abtriebswelle 7 der Motor-Getriebe-Einheit 6 werden dann direkt oder, wie hier dargestellt, über ein Differential 8 Räder 9 des Nutzfahrzeugs 1 angetrieben. Der Kern der hier dargestellten Antriebsvorrichtung 2 des Nutzfahrzeugs 1 ist die Motor-Getriebe-Einheit 6. Diese weist, wie es bereits in der Figur 1 prinzipmäßig angedeutet ist, eine elektrische Maschine 10 und ein Getriebe 11 auf. Dieses Getriebe 11 ist als Planetengetriebe 11 ausgebildet.

In der Schnittdarstellung der Figur 2 ist nun stark schematisiert die obere Hälfte der Motor-Getriebe-Einheit 6 nochmals in einer Schnittdarstellung angedeutet. Die elektrische Maschine 10, welche sowohl motorisch und bei Bedarf auch

generatorisch zur Rekuperation von Bremsenergie betrieben werden kann, umfasst einen Stator 12, welcher drehfest in einem Gehäuse 13 angeordnet ist und einen Rotor 14 umgibt. Der Rotor 14 läuft mit einer Welle 15 um. In der Darstellung der Figur 2 schließt sich in axialer Richtung auf der rechten Seite an diese Welle 15 das Planetengetriebe 11 mit der Abtriebswelle 7 der Motor- Getriebe-Einheit 6 an. Eine Sonne beziehungsweise ein Sonnenrad 16 des

Planetengetriebes 11 ist fest mit der Welle 15 der elektrischen Maschine 10 verbunden und gemeinsam mit dieser über die angedeuteten Lager 17 gelagert. Um das Sonnenrad 16 laufen mehrere Planetenräder 18 um, welche in einen gemeinsamen Planetenträger 19 aufgenommen sind. Der Planetenträger 19 stützt sich in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Lagerung 20 ebenfalls auf der Welle 15 ab. Ferner ist ein Außenkranz 21 vorgesehen, welcher in der üblichen Art und Weise als Hohlrad ausgebildet ist, und welcher sich über eine Lagerung 22 beispielsweise auf dem Planetenträger 19 abstützt. Bei dem hier dargestellten Planetengetriebe 11 ist nun außerdem eine

Klauenschalteinrichtung 23 vorgesehen. Die hier prinzipmäßig dargestellte

Klauenschalteinrichtung 23 weist eine Schaltklaue 24 auf, welche, wie durch den Doppelpfeil angedeutet, gegenüber der dargestellten Position in axialer Richtung in zwei weitere Positionen verschoben werden kann. Die hier dargestellte Position der Schaltklaue 24 zeigt einen Neutralgang der Motor-Getriebe-Einheit 6, bei welcher die elektrische Maschine 10 von der Abtriebswelle 7 abgekoppelt ist. Die Schaltklaue 24 steht so, dass diese lediglich mit dem Außenkranz 21 in Eingriff steht. Hierdurch ist der Außenkranz 21 lose und kann sich frei in dem Gehäuse 13 bewegen. Eine Kraftübertragung zwischen der mit der Welle 15 verbundenen

Sonne 16 und dem mit der Abtriebswelle 7 verbundenen Planetenträger 19 findet in dieser Schaltstellung nicht statt.

Wird die Schaltklaue 24 mit der Klauenschalteinrichtung 23 nun in axialer Richtung in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel nach rechts verschoben, dann verbindet sie über ein Gegenelement 26 den Außenkranz 21 mit einem

feststehenden Bauteil 25, welches drehfest an dem Gehäuse 13 angeordnet ist. Der Außenkranz 21 wird also„festgehalten". Hierdurch ergibt sich eine erste Gangstufe der Motor-Getriebe-Einheit 6, welche durch das Verhältnis der

Zähnezahl des Außenkranzes 21 und der Sonne 16 festgelegt wird. Um den

Aufbau der Motor-Getriebe-Einheit 6 möglichst kompakt zu realisieren, soll diese Übersetzung vorzugsweise in der Größenordung von 1 : 2,5 - 3, besonders bevorzugt in der Größenordnung von 1: 2,6 - 2,9, realisiert sein. Die maximale Drehzahl der elektrischen Maschine 10 wird dann um das 1,5 - 2-fache gegenüber der gewünschten maximalen Drehzahl der Abtriebswelle 7 überhöht. Dieser Aufbau lässt sich außerordentlich kompakt realisieren.

Wird die Schaltklaue 24 nun aus ihrer Neutralposition in die andere Richtung, also in axialer Richtung in der Darstellung der Figur 2 nach links verschoben, dann verbindet sie über ein weiteres Gegenelement 27 den Außenkranz 21 mit dem Planetenträger 19 beziehungsweise der mit dem Planetenträger 19 verbundenen Abtriebswelle 7. Planetenträger 19 und Außenkranz 21 bilden also eine

gegeneinander feststehende Einheit, wodurch sich eine Übersetzung von 1 : 1 in dem Planetengetriebe 11 als zweite Gangstufe ergibt.

Der außerordentlich kompakte Aufbau ermöglicht sehr einfach und platzsparend die Anforderungen an eine Motor-Getriebe-Einheit 6 in einem hybridisierten oder elektrisch ausgestalteten Antriebsstrang ideal zu erfüllen. Der Aufbau der Motor- Getriebe-Einheit 6 kann dabei insbesondere in dem einen hier dargestellten Gehäuse 13 integriert sein, welches in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem ersten Gehäuseteil 13.1 um die elektrische Maschine 10 und einem zweiten Gehäuseteil 13.2 um das Planetengetriebe 11 besteht. Das Gehäuseteil 13.2 kann dabei vorzugsweise in Richtung des anderen Gehäuseteils 13.1 offen ausgebildet sein, sodass eine einfache und effiziente Montage des Planetengetriebes 11 erfolgen kann. Die beiden Gehäuseteile 13.1 und 13.2 werden dann zu dem gemeinsamen Gehäuse 13 verbunden, beispielsweise über angedeutete Flansche, welche über Schrauben oder dergleichen, verbunden werden. Auch eine

Schweißverbindung der Gehäuseteile 13.1 und 13.2 ist im Prinzip denkbar und möglich.

Die in dieser Art aufgebaute Motor-Getriebe-Einheit 6 lässt sich, wie bereits mehrfach erwähnt, außerordentlich kompakt realisieren. Dies gilt insbesondere dann, wenn die elektrische Maschine 10 und das Planetengetriebe 11 über einen gemeinsamen Ölkreislauf verfügen, welcher sowohl zur Schmierung als auch zur Kühlung der elektrischen Maschine 10 und des Planetengetriebes 11 eingesetzt wird.

Über das Klauenschaltelement 23 mit der Schaltklaue 24 lässt sich der Aufbau sehr einfach und kompakt realisieren. Ein Klauenschaltelement 23 muss dabei jedoch immer entsprechend synchronisiert werden, um auch ohne mechanische Synchronisationseinrichtungen eine sichere und zuverlässige Schaltung zu ermöglichen. In dem Diagramm der Figur 3 ist nun beispielhaft ein erster

Schaltschritt eines Schaltablaufs bei der Motor-Getriebe-Einheit 6 dargestellt.

Durch Aufbau der Motor-Getriebe-Einheit 6 mit der elektrischen Maschine 10 lässt sich ein Abbremsen und Beschleunigen der elektrischen Maschine 10 und damit eine gezielte Variation des Drehmoments M und/oder der Drehzahl n über die elektronische Ansteuerung der elektrischen Maschine 10, beispielsweise über eine hier nicht dargestellten Umrichter, einfach und effizient realisieren. Beispielhaft soll ein entsprechender Schaltschritt des Schaltvorgangs, welcher sich aus zwei einzelnen Schaltschritten zusammensetzt, anhand des Diagramms des

Drehmoments M über der Zeit t in der Figur 3 erläutern. Die Erläuterung erfolgt dabei am Beispiel einer Hochschaltung, lässt sich jedoch von dem Fachmann problemlos auch auf ein Runterschalten entsprechend übertragen. Die Schaltung erfolgt dabei ausgehend von einer nicht dargestellten Startdrehzahl n und einem Drehmoment M_a. Diese beiden Größen charakterisieren den jeweiligen Schaltvorgang. Zum Zeitpunkt ts erfolgt ein Startbefehl für den gesamten Schaltvorgang. Wie an der unten dargestellten Drehmomentkurve zu erkennen ist, wird durch die Ansteuerung der elektrischen Maschine 10 das

Drehmoment M_A entsprechend reduziert, da die Schaltklaue 24 aus ihrem

Gegenelement, beispielsweise dem Gegenelement 26, nur ausgerückt werden kann, wenn das Drehmoment in etwa Null ist beziehungsweise unter dem in der Darstellung der Figur 3 mit M_G bezeichneten Grenzdrehmoment liegt. Nun ist es einerseits aufwändig, das aktuelle Drehmoment zuverlässig zu messen und andererseits benötigt der Aktuator zum Ausrücken der Schaltklaue 24 von dem Gegenelement 26 ohnehin eine gewisse Zeit, welche in Abhängigkeit von

Fertigungstoleranzen, Schmierung, Temperatur und dergleichen in der Praxis typischerweise nicht bekannt ist. Anstatt die vollständige Drehmomentreduktion des Drehmoments M_A auf einen Wert kleiner als M_G abzuwarten, wird nach einer vorgegebenen Zeit, ausgehend von dem Schaltbefehl ts das Ausrücken der Schaltklaue 24 über den Aktuator gestartet. Dies findet zum Zeitpunkt t_A statt. Fällt das Ende der benötigten

Betätigungszeitspanne Ät_Ab des Aktuators mit dem Erreichen eines Drehzahlwerts unterhalb M_G zusammen, dann war der erste Schaltschritt erfolgreich und kann so bei der nächsten gleichartigen Schaltung, welche durch ein gleiches Drehmoment in eine gleiche Drehzahl als Ausgangsgröße charakterisiert ist, vergleichbar durchgeführt werden. Ist er jedoch nicht erfolgreich gewesen, weil das

Drehmoment M_A noch nicht ausreichend reduziert war, dann erfolgt eine Korrektur des Startzeitpunkts t_A in der Art, dass der Zeitabstand zwischen dem

Startzeitpunkt t_A und dem Schaltbefehl ts verringert wird. Bei der nächsten gleichartigen Schaltung wird dann dieser abgespeicherte verringerte Wert als vorgegebener Zeitwert für den Startzeitpunkt t_A verwendet und, falls der

Schaltschritt wiederum nicht optimal verläuft, wird dieser Wert erneut angepasst. Durch diese Adaption des Zeitwerts wird der Schaltschritt mit zunehmender Anzahl an Schaltungen entsprechend verbessert, um so einen sehr schnellen,

zuverlässigen und komfortablen ersten Schaltschritt zu erreichen. Alternativ zu einer solchen reinen Zeitadaption ließe sich auch der Verlauf des Drehmomentabbaus, welcher beispielsweise linear oder anhand einer 1 - cos Funktion erfolgen kann, entsprechend variieren wie es gestrichelt dargestellt ist, indem beispielsweise die Steigung des Drehmomentabbaus im verfügbaren

Bereich vergrößert wird, um das Drehmoment so schneller abzubauen. Auch hier kann eine entsprechende Adaption des Formelwerts zum Abbau des Drehmoments in vergleichbarer Art und Weise erfolgen.

Nachdem die Schaltklaue 24 nun die Neutralstellung, welche in der Darstellung der Figur 2 dargestellt ist, erreicht hat, kann über einen entsprechenden Geber, beispielsweise einen Mikroschalter oder einen entsprechenden Kontakt oder eine abfallende Leistungsaufnahme eines elektrischen Aktuators für die Schaltklaue 24 oder dergleichen, diese Neutralstellung detektiert werden. Diese löst dann ein Startsignal für einen zweiten Schaltschritt aus. Bei diesem Schaltschritt wird, wie es in der Figur 4 beispielhaft dargestellt ist, durch die elektrische Maschine die Drehzahl n entsprechend reduziert, um sich der hier auf einer Mittellinie

dargestellten Synchrondrehzahl n_Sync beziehungsweise Zieldrehzahl anzupassen. Der Drehzahlverlauf kann dabei einfach und effizient gemessen werden, da die Drehzahl zu bestimmten Zeitpunkten am CAN-Bus zur Verfügung steht. Diese Zeitpunkte beziehungsweise zugeordneten Drehzahlwerte sind in dem Diagramm der Figur 4 mit ni bis n₄ beziehungsweise mit ti bis t₄ dargestellt. Der Aktuator startet auch hier analog dem Abbau des Drehmoments M wiederum zu einem vorgegebenen Zeitpunkt t_x oder alternativ dazu zu einer mit diesem Zeitpunkt zusammenhängenden Drehzahl n_x, welche in dem hier dargestellten

Ausführungsbeispiel zwischen den Drehzahlen n₂ und n₃ liegen würde. Der Startzeitpunkt t_x liegt dabei um Ät_Sy vor dem Synchronisationszeitpunkt t_Syn Der vorhergesagte Synchronisationszeitpunkt ts_ync,präd lässt sich im Prinzip

vorausberechnen durch die Formel

t Svyn Yra -dj = t n + (n n — n n- ,Y ) /

— t n- ,Y ) x (n n—n S_vync ) oder er lässt sich anhand einer Tabelle bei der jeweiligen Startdrehzahl

entsprechend nachschlagen. Da der Aktuator in der Realität eine zusätzliche unbekannte Zeitspanne ÄtE zusätzlich zu Äts_y benötigt, wird die Klaue in der Regel aber zu früh oder zu spät eingelegt, wenn man von einem theoretisch

vorausbestimmten Zeitpunkt t_x beziehungsweise einer damit korrespondierenden Drehzahl n_x zum Auslösen des Aktuators ausgeht. In der Darstellung der Figur 4 lässt sich dies daran erkennen, dass ein Drehzahlsprung Δη beim Einlegen der Schaltklaue 24 zum Zeitpunkt tE auftritt, da die durch die elektrische Maschine 10 abgebaute Drehzahl n im dargestellten Ausführungsbeispiel bereits unterhalb der Zieldrehzahl n_Sync lag. Nun lässt sich dieser Drehzahlsprung Δη beispielsweise über den Umrichter erkennen oder daran, dass bei einer geregelten Drehzahlreduktion über einen PI-Regler der I-Anteil ab dem„Nulldurchgang" bei der Zieldrehzahl n_Sync abfällt. Durch einen solchen Sprung und das Vorzeichen des Drehzahlsprungs Δη lässt sich dann eine Korrektur der Zeitspanne Äts_y einschließlich des

unbekannten Anteils ÄtE beziehungsweise des Zeitpunkts t_x oder der damit korrespondierenden Drehzahl vornehmen und abspeichern. Beim nächsten vergleichbaren Schaltvorgang kann dann auf Basis dieser Werte das Auslösen des Aktuators für die Schaltklaue 24 erfolgen und somit die Schaltung verbessert werden. Mit zunehmender Anzahl an Schaltungen steigt die Qualität des

Schaltschritts und damit des gesamten Schaltvorgangs und dieser erfolgt nach einiger Zeit der Adaption mit der maximal möglichen Schaltgeschwindigkeit.

Als Startwerte für die Adaption lassen sich dabei in beiden Schaltschritten sowohl theoretisch berechnete Werte als auch an einem beispielhaften Getriebeaufbau simulierte oder tatsächlich aufgenommene und in einem Kennfeld hinterlegte Werte verwenden. Zusätzlich können diese Werte mit weiteren Einflussgrößen gewichtet werden, insbesondere mit der Temperatur des Getriebes, sodass beispielsweise ein Kennfeld mit den vorgegebenen und adaptierten Werten eine temperaturabhängige Verschiebung seiner Einzelwerte erfährt.

Durch die unabhängige Adaption der beiden Schaltschritte des Schaltvorgangs lässt sich eine sehr gute und schnelle Anpassung aller an dem Schaltvorgang beteiligten Einzelschritte erreichen. Fertigungstoleranzen und unvermeidliche Abweichungen zwischen den einzelnen Getrieben lassen sich so durch die

Adaption mit zunehmender Laufzeit eliminieren, die Schaltung stellt sich selbst auf den idealen Schaltablauf ein. Außerdem kann eine Adaption auch bei eventuellen Verschleißerscheinungen innerhalb des Getriebes 11 für eine weiterhin

zuverlässige Funktionalität der Motor-Getriebe-Einheit 6 sorgen. Da ein solcher Verschleiß jedoch immer auch kritisch ist, besteht aufgrund derart gespeicherter Werte die Möglichkeit über eine Diagnosesoftware, beispielsweise bei einem Serviceaufenthalt in einer Werksatt, eine entsprechende Veränderung der abgespeicherten Werte zu erkennen. Eine über eine bestimmte Grenze

hinausgehende Adaption beziehungsweise eine sich stetig verändernde Anpassung der Werte kann so über die Diagnosesoftware erkannt werden. Ist diese

Veränderung so groß, dass von einem Fehler oder einem die Funktion

beeinträchtigenden Verschleiß ausgegangen werden muss, dann kann frühzeitig, im Allgemeinen bevor Bauteile zerstört werden und das Getriebe 11 nachhaltig schädigen, bei einer Wartung durch eine veränderte Einstellung, ein Austausch des verschlissenen Bauteils oder dergleichen eingegriffen werden.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Durchführen eines Schaltschritts in einem zumindest

teilweise von einer elektrischen Maschine (10) angetriebenen Getriebe (11) mit wenigstens einem Klauenschaltelement (21), wobei

1.1 das wenigstens eine Klauenschaltelement (23) nach einem Startsignal eine Schaltbewegung ausführt, wobei

1.2 Drehzahl (n) und/oder Drehmoment (M) nach dem Startsignal durch die elektrische Maschine angepasst werden,

dadurch gekennzeichnet, dass

1.3 eine vorgegebene Zeit (tx) nach dem Startsignal oder bei einem damit

korrespondierenden Wert ein Aktuator zum Betätigen des

Klauenschaltelements (23) ausgelöst wird, wonach

1.4 eine die Bewegung des Klauenschaltelements (23) zumindest mittelbar charakterisierende Größe erfasst wird, und wonach

1.5 wenn die Größe innerhalb eines vorgegebenen Intervalls liegt, die

vorgegebene Zeit (t_A, t_x) oder der damit korrespondierende Wert oder eine Funktion anhand der die elektrischen Maschine (10) die Drehzahl (n) und/oder das Drehmoment (N) anpasst unverändert bleibt, oder wenn die Größe außerhalb eines vorgegebenen Intervalls liegt, die vorgegebene Zeit (t_A, t_x) oder der damit korrespondierende Wert oder eine Funktion anhand der die elektrischen Maschine (10) die Drehzahl (n) und/oder das

Drehmoment (M) anpasst, verändert und bei einem nachfolgenden vergleichbaren Schaltschritt verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein

Schaltvorgang sich aus zwei Schaltschritten gemäß Anspruch 1

zusammensetzt, wobei durch einem Schaltbefehl (ts) das Startsignal für den ersten Schaltschritt ausgelöst wird, in welchem das Drehmoment (M) reduziert und das Klauenschaltelement (23) aus seinem Kontakt mit einem ersten Gegenelement (26, 27) ausgerückt wird, und wobei mit Erreichen einer Neutralstellung des Klauenschaltelements (23) das Startsignal für den zweiten Schaltschritt ausgelöst wird, in welchem die Drehzahl (n) an eine Zieldrehzahl (n_Sync) angepasst, und das Klauenschaltelement (23) mit einem zweiten Gegenelement (27, 26) in Eingriff gebracht wird.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als die die Bewegung des Klauenschaltelements (23) zumindest mittelbar charakterisierende Größe zumindest eine der nachfolgenden Größen verwendet wird:

Leistungsaufnahme des Aktuators;

Zeit bis zum Erreichen einer vorgegebenen Drehzahl;

Schwingung im Antriebsstrang;

Drehzahländerung (Δη) durch den Schaltschritt; und/oder

der I-Anteil einer PI-Regelung der Drehzahl- und/oder

Drehmomentänderung.

Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zeit (t_A, t_x) oder der damit korrespondierende Wert eine Funktion anhand der die elektrischen Maschine (10) die Drehzahl (n) und/oder das Drehmoment (M) anpasst in Abhängigkeit des

Ausgangsdrehmoments und der Ausgangsdrehzahl in einem Kennfeld gespeichert werden.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zeit oder der damit korrespondierende Wert eine Funktion ist, anhand der die elektrischen Maschine (10) die Drehzahl (n) und/oder das Drehmoment (M) in Abhängigkeit der Temperatur des Getriebes (11) angepasst wird.

6. Motor-Getriebe-Einheit (6) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, für eine zumindest teilweise elektrische

Antriebsvorrichtung (12), mit

6.1 einer elektrischen Maschine (10), und

6.2 einem mit der elektrischen Maschine (10) verbundenen Planetengetriebe (11), mit einem Sonnenrad (16), mit mehreren auf einem umlaufenden Planetenträger (19) gelagerten Planetenrädern (18) und mit einem als Hohlrad ausgebildeten Außenkranz (21),

dadurch gekennzeichnet, dass

6.

3 das Sonnerad (16) mit einer Welle (15) der elektrischen Maschine (10) fest verbunden ist,

6.

4 der Planetenträger (19) mit einer Abtriebswelle (7) fest verbunden ist,

6.

5 eine Klauenschalteinrichtung (23), über welche wahlweise eine erste

Gangstufe, eine zweite Gangstufe oder eine Neutralstufe schaltbar ist, vorgesehen ist, wobei

6.6 über die Schalteinrichtung (23) in der ersten Gangstufe der Außenkranz (21) mit einem feststehenden Bauteil (25) verbunden ist, wobei

6.7 über die Schalteinrichtung (23) in der zweiten Gangstufe der Außenkranz (21) mit dem Planetenträger (19) verbunden ist, und wobei

6.8 über die Schalteinrichtung (23) in der Neutralstufe der Außenkranz (21) freigegeben ist.

7. Motor-Getriebe-Einheit (6) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (11) in der ersten Gangstufe eine Übersetzung von 1 2,5 - 3 und in der zweiten Gangstufe eine Übersetzung von 1 : 1 aufweist, wobei die maximale Drehzahl der elektrischen Maschine (10) um das 1,5 - 2-fache größer ist, als die maximale Drehzahl der Abtriebswelle (7).

8. Motor-Getriebe-Einheit (6) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch

gekennzeichnet, dass die Klauenschaltung ohne mechanische

Synchronisiereinrichtungen ausgebildet ist.

9. Antriebsvorrichtung (12) für ein zumindest teilweise elektrisch

angetriebenes Fahrzeug (1) mit einer Motor-Getriebe-Einheit (6) nach einem der Ansprüche 6 bis 8.

10. Nutzfahrzeug (1), vorzugsweise Omnibus, mit einer Antriebsvorrichtung (12) nach Anspruch 9.