WO2019219230A1 - Sensorsystem zur gangwahlerkennung bei einem kraftfahrzeug - Google Patents

Sensorsystem zur gangwahlerkennung bei einem kraftfahrzeug Download PDF

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WO2019219230A1
WO2019219230A1 PCT/EP2019/000075 EP2019000075W WO2019219230A1 WO 2019219230 A1 WO2019219230 A1 WO 2019219230A1 EP 2019000075 W EP2019000075 W EP 2019000075W WO 2019219230 A1 WO2019219230 A1 WO 2019219230A1
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gear
sensor
motor vehicle
shift
vehicle according
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PCT/EP2019/000075
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Jakob KÄMMERER
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Psa Automobiles Sa
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    • F16H59/00—Control inputs to control units of change-speed-, or reversing-gearings for conveying rotary motion
    • F16H59/68—Inputs being a function of gearing status
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16H59/68—Inputs being a function of gearing status
    • F16H59/70—Inputs being a function of gearing status dependent on the ratio established
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16H61/00—Control functions within control units of change-speed- or reversing-gearings for conveying rotary motion ; Control of exclusively fluid gearing, friction gearing, gearings with endless flexible members or other particular types of gearing
    • F16H61/26—Generation or transmission of movements for final actuating mechanisms
    • F16H61/36—Generation or transmission of movements for final actuating mechanisms with at least one movement being transmitted by a cable
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2300/00—Purposes or special features of road vehicle drive control systems
    • B60Y2300/18—Propelling the vehicle
    • B60Y2300/18008—Propelling the vehicle related to particular drive situations
    • B60Y2300/18066—Coasting
    • B60Y2300/18083—Coasting without torque flow between driveshaft and engine, e.g. with clutch disengaged or transmission in neutral
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H2306/00—Shifting
    • F16H2306/40—Shifting activities
    • F16H2306/54—Synchronizing engine speed to transmission input speed

Definitions

  • the invention relates to a motor vehicle with an external switching operation for a manual transmission.
  • Motor vehicles with an internal combustion engine and an associated manually operable transmission usually have an external switching operation with a in
  • Shift operation is a kinematic chain, with the mechanical gear selection of the driver is converted into a shift in the transmission.
  • Gear recognition sensors are generally known, with which the gearshifted within the transmission can be determined.
  • gear selection detection sensor with which the gear selected by the driver with the shift or selector lever, e.g. the selected by him 3rd gear of a manual transmission, can be detected.
  • This sensor system comprises a sensor for determining the engine speed and a sensor for determining the vehicle speed.
  • Such a gear selection detection sensor allows to calculate the gear engaged with the known ratios in the transmission, thus requiring a closed clutch.
  • a gear recognition sensor and a gear selection detection sensor provide the same result, ie the same gear ratio of the gearbox.
  • Variations in manual transmissions can occur in the rare cases of the Le Mans effect and the inverse Le Mans effect.
  • the driver selects the first gear with the shift lever, but the gearbox is switched to reverse gear.
  • the inverse Le Mans effect is exactly the opposite, ie the reverse gear is selected but the first gear is switched. Both effects have their cause in the inertia of a very fast accelerated shift shaft of the internal shift operation. It is an object of one embodiment of the invention to provide a gear selection detection sensor that operates with both the clutch and the clutch open.
  • Gear selection detection sensor that can predict the occurrence of the Le Mans or Reverse Le Mans effect so that countermeasures can be taken to prevent inadvertent driving in the wrong direction and associated hazards.
  • the motor vehicle has a first sensor mounted to the vehicle body and a second sensor mounted in the kinematics chain between the external shift operation and the internal shift operation.
  • the first sensor and the second sensor each comprise or comprise a MEMS sensor for detecting translational accelerations in three mutually different spatial directions, and for detecting rotational speeds in two or three different rotational directions, the directions each depending on a Cartesian coordinate system Number of directions is two- or three-dimensional.
  • the MEMS sensor is thus a two- or three-axis gyroscope and at the same time a three-axis acceleration sensor. In terms of linguistic simplicity, this type of sensor is referred to below as a MEMS sensor or simply as a "sensor”.
  • the aforementioned kinematics chain comprises at least the internal shift operation and the external shift operation itself.
  • switching cables and selector cables located therebetween or alternatives thereto for transmitting the desired transmission to the transmission are transmitted.
  • the manually shiftable transmission can be a manual step transmission, a manual transmission with electromotive torque assistance, an automated manual transmission, a dual clutch transmission, or even an automatic transmission, in all cases assuming that the driver manually sets a gear ratio, so that the mechanical choice is detectable.
  • the driver determines the gear to be engaged by actuating a shift lever.
  • the first sensor is mounted to the vehicle body and can, for example, an airbag sensor, an example.
  • an airbag sensor an example.
  • ESP electrospray
  • the position can cause no relative movement to the body.
  • an already existing sensing element if it already exists as a MEMS sensor, be used for the further purpose of gear selection detection.
  • MEMS microelectromechanical system English, which is a miniaturized electronic sensor in training as a sensor. This senses in the present case for three mutually different and in particular mutually orthogonal spatial directions axial or
  • the second sensor is arranged to be movable relative to the first sensor. Because of the above-mentioned properties of the MEMS sensor, a translational and preferably a rotational relative movement of the second sensor relative to the first sensor is possible.
  • the sensor data of both sensors can be determined
  • Coordinate transformations calculate the motion of that element of the kinematic chain to which the second sensor is attached. Since the respective position of the relevant elements of the kinematics chain is mutually known by design, this in turn allows the movement and also the position of the shift lever to be determined so that the two MEMS sensors together assume the function of a gear selection sensor.
  • Gear selection detection also works when the driver has pedaled the clutch pedal.
  • the second sensor may be attached to or in an axially movable and / or rotatable part or element of the kinematic chain so that it can follow its movements.
  • the attachment of the second sensor to a rotatable element lends itself to, because attaching the MEMS sensor to an axially moving element with time adjusts a signal drift, which complicates the evaluation of the sensor data or and reduces their significance.
  • the three axially measuring acceleration sensors in, for example, the x, y and z directions produce a vector g which corresponds in magnitude to the gravitational acceleration and points in the direction of the earth. This makes it possible to determine the position of the sensor relative to the vector g or to the earth. With a movement of externally entered accelerations, so not the gravitational acceleration) they are inaccurate.
  • the sensors of the MEMS sensor are well suited to reliably determine the absolute position of the shift lever, and this stable and without drift.
  • the provision of the two MEMS sensors or such a gear selector sensor ensures a determination of the shift lever position in space and thus the gear selected by the driver.
  • the gear selection is independent of whether the clutch is open or closed.
  • the MEMS sensor has the potential to provide the shift lever position with high sampling frequency and thus high time resolution so that it can provide predictive gear selection detection or shift intent recognition.
  • the second sensor may be connected to an axial and / or
  • the said part may be in particular the shift lever or the latter when actuated on an imaginary
  • Be spherical surface moving and thus rotatable shift knob, and the data can either by cable or wirelessly to an evaluation, for example.
  • Engine control unit to be transmitted.
  • a part or element of the external shifting mechanism which is suitably mechanically coupled to the shift lever and which follows the shifting process kinematically as a movable part.
  • the embodiment of the last paragraph requires a high accuracy compared to other points of the kinematic chain, since the second sensor is located at the beginning of the kinematic chain and tolerances with respect to a relative position of the said element to the shift lever are by definition zero.
  • the sensor signal due to the required mechanical transmission of the gear selection is delivered with a time lag, so that attachment of the second sensor as described above on the external switching operation for the predictive gear selection detection is particularly suitable.
  • Alternative positions of the second sensor are also axially and / or rotatable parts of a shift linkage, a shift shaft, a shift mass or a vibration absorber of the internal shift operation.
  • An embodiment of the motor vehicle has a microcontroller which is set up to determine the engaged gear on the basis of the data of the first and second sensors.
  • the microcontroller may be, for example, the engine control unit.
  • first and second sensors are designed to deliver data to the microcontroller in real time during gear selection.
  • the microcontroller is further configured to first determine current positions of the shift lever during a gear selection and, based thereon, to predict the gear the driver will engage.
  • Such usually per Software implemented predictive training is done using well-known in the field of machine learning self-learning algorithms, with which the skilled person is well versed. Only examples of such algorithms are SVM algorithms (support vector machines), decision trees or artificial neural networks.
  • Torque support is used, based on the already inserted or the predicted gear and alternative or cumulative to the procedure of the last paragraph make an adjustment of the speed of the transmission input shaft and thus support the synchronization process. This is particularly useful when the
  • Electric motor is arranged on the transmission input shaft and can apply a torque to this shaft.
  • a further embodiment provides that the transmission has a gear recognition sensor for detecting the gearshifted gear and the microcontroller is set up to determine whether the predicted or already engaged via the external shift operation gear on the one hand and the gear on the other hand differ. If the two gears differ, the above-mentioned Le Mans effect and the inverse Le Mans effect can be detected and a suitable countermeasure taken. Thus, an optical or audible warning can be issued or the driver
  • the motor vehicle is operable in a sailing mode, that is, the vehicle is configured to roll while the vehicle is in motion, especially at speeds greater than 5 to 100 km / h or more, with the clutch disengaged, with the engine either idling or is switched off.
  • a sailing mode that is, the vehicle is configured to roll while the vehicle is in motion, especially at speeds greater than 5 to 100 km / h or more, with the clutch disengaged, with the engine either idling or is switched off.
  • the microcontroller is set up, at the driver's side initiated leaving the sailing mode, eg. Initially initiated by pressing the clutch pedal, the at the current
  • the detection of this difference can also be used to prevent the insertion of the selected new gear. In this way, either a transmission damage can be prevented (if the driver's selected gear ratio is too small) or a stalling can be reduced (if the selected on the driver side gear ratio is too large).
  • Fig. 3 shows an internal switching operation.
  • Fig. 1 shows schematically a motor vehicle 5 with an internal combustion engine 10 in the form of a gasoline engine, the crankshaft 15, the waves of a transmission 20, in this case a
  • a body-mounted first MEMS sensor 27 in the front area selected as a commercially available MPU-6050 module from InvenSense. This has a 3-axis gyroscope for capturing
  • Fig. 2 shows the internal switching operation 50. This has a pin 60 to which the Wählvon 45 is attached, and a pin 65 to which the shift cable 40 is attached.
  • an external shift operation 25 with H-circuit diagram causes a movement of the shift lever along a shift gate, so for example from gear 1 to gear 2, a pull on pin 65 with rotation of the switching shaft 55.
  • a movement of the shift lever in respect of the shift gate vertically arranged selection gate is pulled to pin 60, which leads to a movement of the switching shaft along its longitudinal axis.
  • Gear arranged inside sensor 85 may be attached to the switching shaft 55, alternatively also to the switching mass 75 or a vibration absorber 80 coupled thereto.
  • Fig. 3 shows an external shift operation 25 for shifting the gears of the manual transmission 20 with a shift lever 30 (sometimes also called selector lever) with knob 35.
  • the engagement of the gears causes a movement of the shift cable 40 in the cable longitudinal direction (either forward or backward, as the case may be whether to switch to the smaller or the larger gear of the shift gate), which is connected to the transmission-side end with pin 65.
  • the second sensor 70 is attached directly to the shift lever 30 and thus at the beginning of
  • Kinematic chain The first sensor 27, the second sensor 70 and the gear recognition sensor system 85 installed in the transmission interior send their data to a microcontroller 95 via data lines 90, 90 ', 90 ".
  • the gear selection is done as follows:
  • the first body-mounted MEMS sensor 27 senses its translatory
  • Acceleration and its rotational speed in three spatial directions relative to the environment The acceleration values span a vehicle moving with the motor vehicle 5
  • the second sensor 70 moves on a spherical surface, which is detected by second, identical MEMS sensor 70, wherein its measured acceleration and rotation speed values span a second coordinate system K2, which is brought into coincidence with a coordinate transformation with K1. Moving the shift lever 30, this changes the position of the second sensor in the coordinate system. Overall, the position of the second sensor 70 relative to the body can thus be calculated.
  • the two sensors 27 and 70 allow measurements with a sampling frequency of at least 200 Hz, which provides measured values at a time interval of 3 ms and thus in real time, but faster data delivery is also possible.
  • From the detected acceleration of gravity by the MEMS sensors 27 and 70 can be by evaluation software based on the acceleration of gravity of the absolute deflection of the equipped with a ball joint lever relative to its neutral position (shift lever in the selector gate and at the same time in the shift gate between 3rd and 4th Gang) and thus determine its position in the H-circuit diagram. The same is possible with the recorded
  • Rotation speeds but here a relative angle is determined, which is related to the start of the measurement.
  • the deflection angle consists of a
  • the selection angle reflects the pivoting of the
  • the ultimately engaged gear can then be compared with the gearshift sensor 85 delivered, actually switched gear in the transmission.
  • the (possibly inverse) Le Mans effect may be present, in which the motor vehicle enters the
  • the travel of the shift lever 30 in the H-diagram may be determined by means of a number of a few momentary positions of the shift lever and based thereon predicts the gear the driver will engage.
  • known algorithms such as a neural network are used.
  • a MEMS sensor for detecting three translational and two or three rotational directions of movement for detecting the inserted or predicted engaged gear, the Le Mans effect or the inverse Le Mans effect in a manual transmission.

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Abstract

Beschrieben wird ein Kraftfahrzeug (5) mit einer externen Schaltbetätigung (25) zum Einlegen von Gängen eines manuellen Getriebes (20) und einer teilweise in das Getriebe hineinragenden internen Schaltbetätigung (50) zum Schalten der Gänge. Das Kraftfahrzeug besitzt einen karosseriefest montierten ersten Sensor (27) und einem in der Kinematikkette zwischen externer Schaltbetätigung (25) und interner Schaltbetätigung befestigten zweiten Sensor (70). Beide Sensoren sind jeweils ein MEMS-Sensor zur Erfassung von Translationsbeschleunigungen in drei voneinander verschiedenen Raumrichtungen sowie zur Erfassung von Rotationsgeschwindigkeiten in zwei oder drei voneinander verschiedenen Rotationsrichtungen, oder umfassen diesen.

Description

Sensorsystem zur Gangwahlerkennung bei einem Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer externen Schaltbetätigung für ein manuelles Getriebe.
Kraftfahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor und einem zugeordneten manuell betätigbaren Getriebe besitzen üblicherweise eine externe Schaltbetätigung mit einem im
Mittelkonsolenbereich nach oben ragenden Schalt- oder Wählhebel zum manuellen Einlegen der Gänge. Das Schalten der Gänge innerhalb des Getriebes erfolgt mit einer teilweise in das Getriebe hineinragenden internen Schaltbetätigung. Zwischen externer und interner
Schaltbetätigung befindet sich eine Kinematikkette, mit der die mechanische Gangwahl des Fahrers in einen Schaltvorgang im Getriebe umgesetzt wird.
Allgemein bekannt sind Gangerkennungssensoren, mit der der innerhalb des Getriebes geschaltete Gang bestimmt werden kann.
Bekannt ist ferner eine Gangwahlerkennungssensorik, mit denen der vom Fahrer mit dem Schalt- oder Wählhebel gewählte Gang, z.B. der von ihm gewählte 3. Gang eines manuellen Getriebes, erkannt werden kann. Diese Sensorik umfasst einen Sensor zum Bestimmen der Motordrehzahl und einen Sensor zur Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit. Eine derartige Gangwahlerkennungssensorik erlaubt es, mit den bekannten Übersetzungen im Getriebe den eingelegten Gang zu berechnen, erfordern somit eine geschlossene Kupplung.
Im Regelfall liefern ein Gangerkennungssensor und ein Gangwahlerkennungssensorik dasselbe Ergebnis, d.h. dieselbe Gangstufe des Schaltgetriebes. Abweichungen bei manuellen Getrieben kann es in den selten auftretenden Fällen des Le Mans-Effekts und des inversen Le Mans- Effekts geben. Beim Le Mans-Effekt wählt der Fahrer mit dem Schalthebel den ersten Gang, wird im Getriebe jedoch der Rückwärtsgang geschaltet. Beim inversen Le Mans-Effekt ist es genau umgekehrt, d.h. wird der Rückwärtsgang gewählt aber der erste Gang geschaltet. Beide Effekte haben ihre Ursache in der Trägheit einer sehr schnell beschleunigten Schaltwelle der internen Schaltbetätigung. Eine Aufgabe einer Ausführungsform der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Gangwahlerkennungssensorik, der sowohl mit geschlossener als auch mit offener Kupplung funktioniert.
Eine Aufgabe einer weiteren Ausführungsform besteht in der Bereitstellung eines
Gangwahlerkennungssensorik, mit dem das Auftreten des Le Mans- oder inversen Le Mans- Effekts prognostiziert werden kann, so dass Gegenmaßnahmen getroffen werden können, um ein unbeabsichtigtes Fahren in die falsche Richtung und damit verbundene Gefahren vermieden werden können.
Diese und weitere Aufgaben werden mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Bauliche Ausgestaltungen und weitere Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen.
Eine Lösung für die oben genannte Aufgabe ist ein Kraftfahrzeug mit einer externen
Schaltbetätigung zum Einlegen von Gängen eines manuellen Getriebes, insbesondere ausgebildet als Stufen- oder als Schaltgetriebe, und mit einer teilweise in das Getriebe hineinragenden internen Schaltbetätigung zum Schalten der Gänge. Das Kraftfahrzeug hat einen karosseriefest montierten ersten Sensor und einen in der Kinematikkette zwischen externer Schaltbetätigung und interner Schaltbetätigung befestigten zweiten Sensor. Der erste Sensor und der zweite Sensor sind oder umfassen jeweils einen MEMS-Sensor zur Erfassung von Translationsbeschleunigungen in drei voneinander verschiedenen Raumrichtungen sowie zur Erfassung von Rotationsgeschwindigkeiten in zwei oder drei voneinander verschiedenen Rotationsrichtungen, wobei die Richtungen jeweils ein kartesisches Koordinatensystem aufspannen mögen, das je nach Zahl der Richtungen zwei- oder dreidimensional ist. Der MEMS-Sensor ist also ein zwei- oder dreiachsiges Gyroskop und gleichzeitig ein dreiachsiger Beschleunigungssensor. Sprachlich vereinfachend sei diese Art von Sensor nachfolgend als MEMS-Sensor oder einfach als„Sensor“ bezeichnet.
Die vorstehend genannte Kinematikkette umfasst zumindest die interne Schaltbetätigung und die externe Schaltbetätigung selbst. Hinzu treten ferner dazwischen befindliche Schaltkabel und Wählkabel oder Alternativen hierzu zum Übertragen des fahrerseitig gewählten Wunschgangs an das Getriebe, bspw. ein Schaltgestänge. Bei dem manuell schaltbaren Getriebe kann es sich um ein manuelles Stufengetriebe, ein manuelles Getriebe mit elektromotorischer Drehmomentunterstützung, ein automatisiertes manuelles Getriebe, ein Doppelkupplungsgetriebe, oder auch um ein Automatikgetriebe handeln, in allen Fällen voraussetzend, dass der Fahrer eine Gangstufe manuell vorgibt, so dass die mechanische Wahl detektierbar ist. Diesen Varianten ist gemeinsam, dass der Fahrer durch ein Betätigen eines Schalthebels den einzulegenden Gang bestimmt.
Der erste Sensor ist karosseriefest montiert und kann bspw. ein Airbagsensor, ein bspw. im Stoßfängerbereich angeordneter Aufprallsensor oder ein ESP- (elektronisches
Stabilitätsprogramm) Sensor sein, der lagebedingt keine Relativbewegung zur Karosserie ausführen kann. Damit kann ein bereits vorhandenes Sensierelement, sofern es bereits als MEMS-Sensor vorliegt, für den weiteren Zweck der Gangwahlerkennung verwendet werden.
MEMS steht englisch für microelectromechanical System, das bei Ausbildung als Sensor ein miniaturisierter elektronischer Sensor ist. Dieser sensiert vorliegend für drei voneinander verschiedene und insbesondere zueinander orthogonale Raumrichtungen axiale bzw.
translatorische Beschleunigungen und zusätzlich in zwei oder drei voneinander verschiedenen und insbesondere zueinander orthogonalen Raumrichtungen Drehbeschleunigungen.
Der zweite Sensor ist relativbeweglich zum ersten Sensor angeordnet. Wegen der oben genannten Eigenschaften des MEMS-Sensors ist eine translatorische und bevorzugt eine rotatorische Relativbewegung des zweiten Sensors relativ zum ersten Sensor möglich.
Ist der erste Sensor karosseriefest und der zweite Sensor in der genannten Kinematikkette angeordnet, so lässt sich aus den Sensordaten beider Sensoren durch
Koordinatentransformationen die Bewegung desjenigen Elements der Kinematikkette berechnen, an dem der zweite Sensor befestigt ist. Da die jeweilige Lage der betreffenden Elemente der Kinematikkette zueinander konstruktionsbedingt bekannt ist, lässt sich damit wiederum die Bewegung und auch die Position des Schalthebels bestimmen, so dass die zwei MEMS-Sensoren zusammen die Funktion eines Gangwahlsensors einnehmen. Die
Gangwahlerkennung funktioniert dabei auch dann, wenn der Fahrer das Kupplungspedal durchgetreten hat. Der zweite Sensor kann an oder in einem axialbeweglichen und/oder drehbeweglichen Teil oder Element der Kinematikkette befestigt werden, so dass er dessen Bewegungen folgen kann.
Insbesondere die Befestigung des zweiten Sensors an einem drehbeweglichen Element bietet sich an, weil sich bei Befestigung des MEMS-Sensors an einem sich nur axial bewegenden Element mit der Zeit ein Signaldrift einstellt, der die Auswertung der Sensordaten erschwert bzw. und deren Aussagekraft mindert. Bei einer Sensierung einer Drehbewegung kann besser die Funktionalität des Gyroskops genutzt werden, der Winkelgeschwindigkeiten liefert, welche integriert werden müssen, um relative Winkellagen zu berechnen. Durch die Integration kommt es aber zu einem Drift, weil ein unbekannter Messfehler mitintegriert wird.
Die drei axial messenden Beschleunigungssensoren in bspw. x-, y- und z-Richtung ergeben im Ruhezustand des Sensors einen Vektor g, der im Betrag der Erdbeschleunigung entspricht und in Richtung Erde zeigt. Damit lässt sich die Lage des Sensors relativ zum Vektor g bzw. zur Erde bestimmen. Bei einer Bewegung von extern eingetragenen Beschleunigungen, also nicht der Erdbeschleunigung) werden sie ungenau.
Im Zusammenspiel sind die Sensoren des MEMS-Sensors gut geeignet, die absolute Position des Schalthebels zuverlässig bestimmen, und dies stabil und ohne Drift.
Die Bereitstellung der zwei MEMS-Sensoren bzw. eines derartigen Gangwahlsensors gewährleistet eine Bestimmung der Schalthebelposition im Raum und damit des vom Fahrer gewählten Gangs. Die Gangwahlerkennung ist dabei unabhängig davon, ob die Kupplung offen oder geschlossen ist.
Als elektronisches Bauteil hat der MEMS-Sensor das Potenzial, die Schalthebelposition mit hoher Abtastfrequenz und damit hoher Zeitauflösung zu liefern, so dass er eine prädiktive Gangwahlerkennung bzw. eine Schaltabsichtserkennung ermöglichen kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann der zweite Sensor an einem axial- und/oder
drehbeweglichen Teil der externen Schaltbetätigung befestigt sein. Das besagte Teil kann insbesondere der Schalthebel oder dessen sich bei Betätigung auf einer gedachten
Kugeloberfläche bewegende und damit drehbewegliche Schaltknauf sein, und die Daten können entweder per Kabel oder kabellos an eine Auswerteeinheit, bspw. dem
Motorsteuergerät, übertragen werden. Es kann aber auch ein Teil bzw. Element der externen Schaltbetätigung gewählt werden, das mit dem Schalthebel geeignet mechanisch gekoppelt ist und als bewegbares Teil dem Schaltvorgang kinematisch folgt.
Die Ausführungsform des letzten Absatzes bedingt eine hohe Genauigkeit im Vergleich zu anderen Stellen der Kinematikkette, da sich der zweite Sensor am Anfang der Kinematikkette befindet und Toleranzen bzgl. einer Relativposition des besagten Elements zum Schalthebel definitionsgemäß Null sind. Außerdem wird bei anderen Position des zweiten Sensors das Sensorsignal wegen der erforderlichen mechanischen Übertragung der Gangwahl erst mit zeitlichem Versatz geliefert, so dass sich eine Befestigung des zweiten Sensors wie vorstehend beschrieben an der externen Schaltbetätigung für die prädiktive Gangwahlerkennung besonders eignet.
Alternative Positionen des zweiten Sensors sind ferner axial- und/oder drehbeweglichen Teile eines Schaltgestänges, einer Schaltwelle, einer Schaltmasse oder eines Schwingungstilgers der internen Schaltbetätigung.
Eine Ausführungsform des Kraftfahrzeugs besitzt einen Mikrocontroller, der eingerichtet ist, anhand der Daten des ersten und zweiten Sensors den eingelegten Gang zu bestimmen. Der Mikrocontroller kann beispielsweise das Motorsteuergerät sein.
Um eine prädiktive Gangwahlerkennung zu ermöglichen, bedarf es hinreichend kurzer
Zeitabstände zwischen zwei vom Sensor gelieferten Positionsdaten, da ansonsten die
Genauigkeit der Gangwahlprognose zu gering ist. Um eine hinreichende Genauigkeit zu gewährleisten sieht eine weitere Ausführungsform vor, dass der erste und zweite Sensor ausgebildet sind, während einer Gangwahl Daten in Echtzeit an den Mikrocontroller zu liefern.
In Echtzeit soll hierbei bedeuten, dass Sensordaten mit einem zeitlichen Abstand von weniger als 10 ms, besonders bevorzugt weniger als 5 ms an den Mikrocontroller geliefert werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Mikrocontroller ferner eingerichtet, während einer Gangwahl zunächst momentane Positionen des Schalthebels zu bestimmen und basierend darauf den Gang zu prognostizieren, den der Fahrer einlegen wird. Eine derartige, meist per Software realisierte prädiktive Ausbildung erfolgt unter Verwendung von im Bereich des maschinellen Lernens allgemein bekannten selbstlernenden Algorithmen, mit denen der Fachmann wohl vertraut ist. Nur beispielhaft für solche Algorithmen seien SVM-Algorithmen (englisch: support vector machines), Entscheidungsbäume (englisch: decision trees) oder künstliche neuronale Netzwerke genannt.
Ist der voraussichtlich eingelegte bzw. prognostizierte Gang oder alternativ der bereits eingelegte Gang ermittelt, so sieht eine weitere Ausführungsform als Nutzung vor, dass abhängig vom derart ermittelten Gang eine Anpassung der Kurbelwellendrehzahl an die Drehzahl der Getriebeeingangswelle vorgenommen wird, um den Einkuppelvorgang
komfortabler und verschleißärmer zu machen. Durch Nutzung des prognostizierten Gangs kann diese Anpassung zudem besonders früh erfolgen, was im Vergleich zu einer Nutzung des bereits eingelegten Gangs nochmals zu mehr Komfort und noch weniger Verschleiß führt.
Für den Fall, dass ein manuelles Getriebe mit einer elektromotorischen
Drehmomentunterstützung zum Einsatz kommt, lässt sich auf Basis des bereits eingelegten oder des prognostizierten Gangs und alternativ oder kumulativ zur Vorgehensweise des letzten Absatzes eine Anpassung der Drehzahl der Getriebeeingangswelle vornehmen und damit den Synchronisierungsvorgang unterstützen. Dies bietet sich insbesondere an, wenn der
Elektromotor auf der Getriebeeingangswelle angeordnet ist und ein Drehmoment auf diese Welle aufbringen kann.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Getriebe über einen Gangerkennungssensor zum Erkennen des im Getriebe geschalteten Gangs verfügt und der Mikrocontroller eingerichtet ist festzustellen, ob sich der prognostizierte oder bereits über die externe Schaltbetätigung eingelegte Gang einerseits und der geschaltete Gang andererseits unterscheiden. Wenn sich die beiden Gänge unterscheiden, so lässt sich der vorstehend genannte Le Mans-Effekt und der inverse Le Mans-Effekt detektieren und eine geeignete Gegenmaßnahme ergreifen. So kann eine optische oder akustische Warnung herausgegeben werden oder die fahrerseitig
gewünschte Beschleunigung zumindest reduziert werden, insbesondere dann, wenn mit Hilfe von Detektoren eine Kollision mit einem anderen Verkehrsteilnehmer zu befürchten ist. Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Kraftfahrzeug in einem Segelmodus betreibbar, d.h. ist das Fahrzeug eingerichtet, während der Fahrt, insbesondere bei Geschwindigkeiten von mehr als 5 bis 100 km/h oder mehr, mit geöffneter Kupplung zu rollen, wobei der Motor entweder im Leerlauf oder abgeschaltet ist. In diesem der Kraftstoffersparnis dienenden
Betriebsmodus ist der Mikrocontroller eingerichtet, bei fahrerseitig initiiertem Verlassen des Segelmodus, bspw. initiierbar durch Treten des Kupplungspedals, den bei den aktuellen
Fahrbedingungen geeigneten Gang zu bestimmen und bei einem Unterschied zum
prognostizierten Gang eine optische oder akustische Warnung auszugeben. Das Erfassen dieses Unterschieds kann auch genutzt werden, das Einlegen des gewählten neuen Gangs zu verhindern. Auf diese Weise kann entweder ein Getriebeschaden verhindert werden (wenn die fahrerseitig gewählte Gangstufe zu klein gewählt ist) oder ein Abwürgen vermindert werden (wenn die fahrerseitig gewählte Gangstufe zu groß gewählt ist).
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels anhand der exemplarisch aufzufassenden Figuren näher erläutert werden, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche Gegenstände bezeichnen. Es zeigt:
Fig. 1 ein Kraftfahrzeug,
Fig. 2 eine externe Schaltbetätigung,
Fig. 3 eine interne Schaltbetätigung.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 5 mit einem Verbrennungsmotor 10 in Gestalt eines Otto-Motors, dessen Kurbelwelle 15 die Wellen eines Getriebes 20, vorliegend ein
Schaltgetriebe mit 6 Gängen, antreiben. Das Einlegen der Gänge erfolgt fahrerseitig von Hand durch Betätigen der externen Schaltbetätigung 25. Eingezeichnet ist ebenfalls ein karosseriefest verbauter erster MEMS-Sensor 27 im Frontbereich, gewählt als kommerziell erhältliches MPU- 6050 Modul von InvenSense. Dieses besitzt ein 3-Achsen Gyroskop zum Erfassen von
Drehgeschwindigkeiten sowie ein 3-Achsen-Beschleunigungssensor zum Erfassen von
Axialbewegungen. Die Messwerte werden sensorintern per A/D-Wandler digitalisiert und sind per Kabel auslesbar. Fig. 2 zeigt die interne Schaltbetätigung 50. Diese besitzt einen Pin 60, an dem das Wählkabel 45 befestigt ist, sowie einen Pin 65, an dem das Schaltkabel 40 befestigt ist. Bei einer externen Schaltbetätigung 25 mit H-Schaltbild bewirkt eine Bewegung des Schalthebels entlang einer Schaltgasse, also zum Beispiel von Gang 1 zu Gang 2, ein Ziehen an Pin 65 mit Verdrehen der Schaltwelle 55. Bei einer Bewegung des Schalthebels in der bzgl. der Schaltgasse senkrecht angeordneten Wählgasse wird an Pin 60 gezogen, was zu einer Bewegung der Schaltwelle entlang ihrer Längsachse führt. Der zum ersten Sensor 27 baugleiche zweite im
Getriebeinneren angeordnete Sensor 85 kann an der Schaltwelle 55 befestigt sein, alternativ auch an der Schaltmasse 75 oder einem daran gekoppelten Schwingungstilger 80.
Fig. 3 zeigt eine externe Schaltbetätigung 25 zum Schalten der Gänge des manuellen Getriebes 20 mit einem Schalthebel 30 (mitunter auch Wählhebel genannt) mit Knauf 35. Das Einlegen der Gänge bewirkt eine Bewegung des Schaltkabels 40 in Kabellängsrichtung (entweder vor oder zurück, je nachdem, ob man in den kleineren oder den größeren Gang der Schaltgasse schaltet), die am getriebeseitigen Ende mit Pin 65 verbunden ist.
Der zweite Sensor 70 ist direkt am Schalthebel 30 befestigt und damit am Anfang der
Kinematikkette. Der erste Sensor 27, der zweite Sensor 70 und der im Getriebeinneren verbaute Gangerkennungssensorik 85 senden ihre Daten über Datenleitungen 90, 90‘, 90“ zu einem Mikrocontroller 95.
Die Gangwahlerkennung erfolgt wie folgt:
Der erste, karosseriefest montierte MEMS-Sensor 27 sensiert seine translatorische
Beschleunigung und seine Drehgeschwindigkeit in drei Raumrichtungen relativ zur Umwelt. Die Beschleunigungswerte spannen ein sich mit dem Kraftfahrzeug 5 bewegendes
Koordinatensystem K1 auf. Bei Betätigung des um einen Drehpunkt schwenkbaren
Schalthebels 30 bewegt sich der zweite Sensor 70 auf einer Kugeloberfläche, was von zweiten, baugleichen MEMS-Sensor 70 erfasst wird, wobei dessen gemessene Beschleunigungs- und Drehgeschwindigkeitswerte ein zweites Koordinatensystem K2 aufspannen, das mit einer Koordinatentransformation mit K1 zur Deckung gebracht wird. Bewegt man den Schalthebel 30, so verändert dies die Lage des zweiten Sensors im Koordinatensystem. Insgesamt lässt sich somit die Position des zweiten Sensors 70 relativ zur Karosserie errechnen. Die beiden Sensoren 27 und 70 lassen Messungen mit einer Abtastfrequenz von mindestens 200 Hz zu, was Messwerte in zeitlichem Abstand von 3 ms und damit in Echtzeit liefert, aber auch eine schnellere Datenlieferung ist natürlich möglich.
Aus den erfassten Erdbeschleunigung durch die MEMS-Sensoren 27 bzw. 70 lässt sich per Auswertesoftware auf Grundlage der Erdbeschleunigung der absolute Auslenkwinkel des mit einem Kugelgelenk ausgestatteten Schalthebels relativ zu seiner Neutralstellung (Schalthebel in der Wählgasse und gleichzeitig in der Schaltgasse zwischen 3. und 4. Gang) bestimmen und damit dessen Position im H-Schaltbild. Gleiches ist möglich mit den erfassten
Rotationsgeschwindigkeiten, wobei hier allerdings ein relativer Winkel bestimmt wird, der auf den Start der Messung bezogen ist. Der Auslenkwinkel setzt sich zusammen aus einem
Wählwinkel und einem Schaltwinkel. Der Wählwinkel reflektiert das Verschwenken des
Schalthebels in seinem Kugelgelenk bei seiner Bewegung entlang der Wählgasse, der
Schaltwinkel entsprechend bei Bewegung in einer Schaltgasse.
Die nur aus den Beschleunigungsmesswerten bestimmten Schalthebelpositionen unterlagen einem Rauschen und die nur aus den Messwerten der Rotationsgeschwindigkeiten erhaltenen Schalthebelpositionen einen zeitlichen Drift. Über Sensor Fusion erfolgte eine Kombination der Daten, genauer des absoluten Winkels und des relativen Winkels, was robuste Ergebnisse des absoluten Winkels lieferte.
Der letztlich eingelegte Gang kann dann mit dem vom Gangerkennungssensorik 85 gelieferten, im Getriebe tatsächlich geschalteten Gang verglichen werden. Bei einem Unterschied kann bspw. der (ggf. inverse) Le Mans Effekt vorliegen, bei dem das Kraftfahrzeug in die
entgegengesetzte Richtung als vom Fahrer gewollt rollen würde.
Der Wegverlauf des Schalthebels 30 im H-Schaltbild (oder einem anderen Schaltbild) kann mit Hilfe einer Anzahl von einigen wenigen momentanen Positionen des Schalthebels zu bestimmen und basierend darauf den Gang zu prognostizieren, den der Fahrer einlegen wird. Hierzu werden bekannte Algorithmen wie ein neuronales Netzwerk eingesetzt.
Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich lässt sich ein MEMS-Sensor zur Erfassung von drei translatorischen und zwei oder drei rotatorischen Bewegungsrichtungen für das Erkennen des eingelegten oder prognostizierten eingelegten Gangs, des Le Mans-Effekts oder des inversen Le Mans-Effekts bei einem manuellen Getriebe einsetzen.
Bezugszeichenliste
Kraftfahrzeug
Motor
Kurbelwelle
Getriebe
externe Schaltbetätigung
Schalthebel
Knauf
Schaltkabel
Wählkabel
interne Schaltbetätigung
Schaltwelle
Pin
Pin
zweiter Sensor
Schaltmasse
Schwingungstilger
Gangerkennungssensorik
' Datenleitung
“ Datenleitung
“‘Datenleitung
Mikrocontroller

Claims

Patentansprüche
1. Kraftfahrzeug (5) mit einer externen Schaltbetätigung (25) zum Einlegen von Gängen eines manuellen Getriebes (20), einer teilweise in das Getriebe hineinragenden internen Schaltbetätigung (50) zum Schalten der Gänge, einem karosseriefest montierten ersten Sensor (27) und einem in der Kinematikkette zwischen externer Schaltbetätigung (25) und interner Schaltbetätigung befestigten zweiten Sensor (70), wobei der erste Sensor (27) und der zweite Sensor (70) jeweils ein MEMS-Sensor zur Erfassung von Translationsbeschleunigungen in drei voneinander verschiedenen Raumrichtungen sowie zur Erfassung von
Rotationsgeschwindigkeiten in zwei oder drei voneinander verschiedenen Rotationsrichtungen ist oder diesen umfassen.
2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 , bei dem der zweite Sensor an oder in einem axial- und/oder drehbeweglichen Teil (30, 35) der externen Schaltbetätigung, insbesondere einem Schalthebel (30) oder einem Schaltknauf (35), befestigt ist.
3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 , bei dem der zweite Sensor an oder in einem axial- und/oder drehbeweglichen Teil der internen Schaltbetätigung oder eines Schaltgestänges befestigt ist.
4. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der erste und der zweite Sensor ausgebildet sind, während einer Gangwahl Daten in Echtzeit zu liefern.
5. Kraftfahrzeug nach Anspruch 4, mit einem Mikrocontroller (95), der eingerichtet ist, während der Gangwahl mit den Daten zunächst momentane Positionen des Schalthebels zu bestimmen und basierend darauf den Gang zu prognostizieren, den der Fahrer einlegen wird.
6. Kraftfahrzeug nach Anspruch 5, bei dem der Mikrocontroller eingerichtet ist, während der Gangwahl abhängig vom prognostizierten Gang eine Anpassung der Drehzahl der
Kurbelwelle (15) an die Drehzahl der Getriebeeingangswelle () vorzunehmen.
7. Kraftfahrzeug nach Anspruch 5 oder 6, bei dem das Getriebe über einen
Gangerkennungssensorik (85) zum Erkennen des im Getriebe geschalteten Gangs verfügt und der Mikrocontroller (95) eingerichtet ist festzustellen, ob sich der prognostizierte Gang oder der eingelegte Gang einerseits und der geschaltete Gang andererseits unterscheiden.
8. Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, bei dem der Mikrocontroller eingerichtet ist, für den Fall, dass sich der prognostizierte oder eingelegte Gang einerseits und der geschaltete Gang andererseits unterscheiden, eine optische oder akustische Warnung auszugeben oder eine Beschleunigung des Kraftfahrzeugs mindestens mindern.
9. Kraftfahrzeug nach Anspruch 5, betreibbar in einem Segelmodus und bei dem der Mikrocontroller eingerichtet ist, bei fahrerseitig initiiertem Verlassen des Segelmodus den bei den aktuellen Fahrbedingungen geeigneten Gang zu bestimmen und bei einem Unterschied zum prognostizierten Gang eine optische oder akustische Warnung auszugeben.
10. Verwendung eines MEMS-Sensor zur Erfassung von drei translatorischen und zwei oder drei rotatorischen Bewegungsrichtungen für die Gangerkennung bei einem Kraftfahrzeug mit einem manuellen Getriebe.
11. Verwendung eines MEMS-Sensor zur Erfassung von drei translatorischen und zwei oder drei rotatorischen Bewegungsrichtungen für das Erkennen des Le Mans-Effekts oder des inversen Le Mans-Effekts bei einem manuellen Getriebe.
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