DE3605377A1 - Einrichtung zum schalten von stufengetrieben in kraftfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Schalten von Stufengetrieben in Kraftfahrzeugen, mit Sensoren zum Erfas­ sen der Motordrehzahl und der Abtriebsdrehzahl, mit einem Fahrpedal, einem Umschalter, der wahlweise das Fahrpedal oder einen Regler an einen Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs schaltet und mit einem elektronischen Steuergerät, das aus Signalen der Sensoren und weiteren Signalen Ausgangssignale zum Betätigen des Umschalters, des Reglers und des Stufenge­ triebes bildet.

Eine derartige Einrichtung ist aus der DE-OS 27 42 031 bekannt.

Die bekannte Einrichtung dient zum Schalten eines Last­ schaltgetriebes, d.h. eines Getriebes, bei dem während des Umschaltvorganges die Zugkraft nicht unterbrochen wird. Derartige Getriebe, wie sie heutzutage im Kraftfahrzeug als Automatikgetriebe eingesetzt werden, sind üblicherweise als Planetengetriebe ausgebildet. Die Zugkraft wird bei diesen Lastschaltgetrieben während des Umschaltvorganges deswegen nicht unterbrochen, weil durch exakte zeitliche Abstimmung bei der Betätigung der Kupplungen und Bremsbänder der beim Gangwechsel beteiligten Planetensätze im Planetengetriebe die Zugkraft ohne Unterbrechung von einem Gang auf einen anderen Gang übergeleitet werden kann.

Im Gegensatz zu diesen Lastschaltgetrieben stehen sogenannte Stirnradgetriebe, wie sie heutzutage in Kraftfahrzeugen als handgeschaltete Getriebe Verwendung finden. Bei derartigen Stirnradgetrieben steht eine mit mehreren Außenverzahnungen versehene Vorgelegewelle einer weiteren, ebenfalls mit unterschiedlichen Außenverzahnungen versehenen weiteren Getriebewelle gegenüber, und ein Gangwechsel wird dadurch bewirkt, daß durch Verschieben formschlüssiger Elemente, sogenannter Schaltmuffen, eine kraftschlüssige Verbindung zwischen jeweils einem Paar Außenverzahnungen der beiden Wellen hergestellt wird. Beim Übergang von einem Gang zum anderen Gang, d.h. von einem Verzahnungspaar zu einem ande­ ren Verzahnungspaar, befindet sich das Stirnradgetriebe kurzzeitig im Leerlauf, so daß in diesem Augenblick der Kraftfluß vom Motor zum Abtrieb des Kraftfahrzeuges unter­ brochen ist.

Verglichen mit den eingangs erwähnten Lastschaltgetrieben ohne Zugkraftunterbrechung haben derartige Stirnradgetriebe mit Zugkraftunterbrechung jedoch den Vorteil, daß sie erheb­ lich einfacher aufgebaut sind und ein deutlich geringeres Gewicht aufweisen. Sie sind daher auch heute noch bei klei­ neren und leichteren Kraftfahrzeugen überwiegend im Einsatz, und ihr geringes Gewicht trägt dazu bei, den Kraftstoffver­ brauch dieser Kraftfahrzeuge zu vermindern.

Es ist bereits auf verschiedene Arten und Weisen versucht worden, auch Stirnradgetriebe mit Zugkraftunterbrechung zu automatisieren, indem man sich sogenannter Halbautomaten bediente, bei denen die Kupplungs- und Schaltfunktion, die üblicherweise vom Fahrer ausgeführt wird, von pneumatischen oder hydraulischen Stellantrieben übernommen wird. Diese Halbautomaten haben sich jedoch in der Praxis kaum durch­ setzen können, weil die Schaltqualität, d.h. das Zusammen­ spiel aus Schaltdauer und Ruckfreiheit, nicht im gewünschten Maße realisiert werden konnte. Dies lag vor allem daran, daß einerseits die Synchronisierung zwischen Motor und Abtrieb beim Einlegen des neuen Ganges nicht mit der erforderlichen Präzision oder aber nicht mit der erforderlichen Schaltge­ schwindigkeit ausgeführt werden konnte.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ein­ richtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubil­ den, daß ein Einsatz bei Stirnradgetrieben mit Zugkraft­ unterbrechung möglich ist und daß eine optimale Schaltquali­ tät erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Stufengetriebe ein Stirnradgetriebe mit Zugkraftunterbre­ chung beim Schalten ist, daß dem elektronischen Steuergerät Signale eines Kupplungsschalters und eines Gangwählhebels zugeführt werden und daß das Steuergerät erste Schaltmittel zum Bestimmen einer Synchrondrehzahl aus der jeweiligen Abtriebsdrehzahl und eines mittels des Gangwahlhebels vorge­ wählten Ganges, zweite Schaltmittel zum Vergleich der Motordrehzahl mit der Synchrondrehzahl, dritte Schaltmittel zum Betätigen einer zwischen Antriebsmotor und Stirnradge­ triebe angeordneten Trennkupplung in Abhängigkeit vom Er­ scheinen eines Signales des Kupplungsschalters sowie vierte Schaltmittel zum Einlegen des vorgewählten Ganges und zum Schließen der Trennkupplung aufweist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird damit voll­ kommen gelöst, weil zum einen die wesentlichen Elemente heutiger Stirnradgetriebe mit Zugkraftunterbrechung erhalten bleiben, so daß auf bewährte Serienteile zurückgegriffen werden kann, die preiswert und mit niedrigem Baugewicht zur Verfügung stehen. Auch in die eigentlichen Schaltfunktionen, die der Fahrer ausübt, wird kaum eingegriffen, weil der Fahrer nach wie vor ein Kupplungspedal treten und einen Gang vorwählen muß. Das Umschalten selbst wird hingegen von der erfindungsgemäßen Einrichtung übernommen, indem zunächst der Antriebsstrang sowie die Verbindung zwischen Fahrpedal und Motor aufgetrennt werden, dann der Motor mit optimaler Geschwindigkeit auf den Synchronpunkt geregelt und schließ­ lich der Antriebsstrang nach Einlegen des neuen Ganges wieder geschlossen wird.

Auf diese Weise läßt sich der Gangwechsel reproduzierbar optimieren, so daß die bereits genannten Serienteile nur minimalem Verschleiß unterliegen, was die Lebensdauer des Antriebsstranges erhöht, ohne daß dies jedoch zu Einbußen an Schaltqualität führt.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein extrem vereinfachtes Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung;

Fig. 2 ein ebenfalls stark vereinfachtes Blockschaltbild eines in Fig. 1 verwendeten elektronischen Steuer­ gerätes.

In Fig. 1 bezeichnet 10 einen Antriebsmotor eines Kraftfahr­ zeuges, an dessen Ausgang ein Motordrehzahl-Sensor 11 ange­ ordnet ist. Der Antriebsmotor 10 ist mit einer Trennkupp­ lung 12 verbunden, deren Ausgang seinerseits mit einem Stirnradgetriebe 13 verbunden ist. Die Abtriebsdrehzahl am Ausgang des Stirnradgetriebes 13 wird mittels eines Ab­ triebsdrehzahl-Sensors 14 erfaßt. Der Ausgang des Stirnrad­ getriebes 13 steht ferner mit einem Abtrieb 15 in Verbin­ dung, der seinerseits Räder 16 des Kraftfahrzeugs antreibt.

In Reichweite des Fahrers sind ein Fahrpedal 20, ein Kupp­ lungsschalter 21 sowie ein Gangwahlhebel 22 angeordnet. Das Fahrpedal 20 ist über einen Umschalter 24 mit dem Antriebs­ motor 10 verbunden.

Das elektronische Steuergerät 23 verfügt über vier Ein­ gänge E ₁, E₂, E₃, E₄ sowie vier Ausgänge A ₁, A₂, A₃ und A₄.

Der Eingang E ₁ ist mit dem Motordrehzahl-Sensor 11 verbun­ den, so daß dem Steuergerät 23 ein Motordrehzahl-Signal n _M zugeführt wird.

Der Eingang E ₂ ist mit dem Abtriebsdrehzahl-Sensor 14 verbunden, so daß dem Steuergerät 23 ferner ein Abtriebs­ drehzahl-Signal n _A zugeführt wird.

Der Eingang E ₃ ist mit dem Gangwahlhebel 22 verbunden, so daß dem Steuergerät 23 ferner ein Signal i zugeführt wird, das dem vom Fahrer vorgewählten Gang entspricht, der als nächstes im Stirnradgetriebe 13 eingelegt werden soll.

Der Eingang E ₄ ist mit dem Kupplungsschalter 21 verbunden, so daß dem Steuergerät 23 ferner ein Signal k zugeführt wird, das dann erscheint, wenn der Kupplungsschalter 21 betätigt wird. Der Kupplungsschalter 21 kann in Form eines üblichen Kupplungspedals ausgeführt sein, er kann jedoch auch ein Druckknopf am Gangwahlhebel 22 sein o. dgl.

Der Ausgang A ₁ ist mit einem Wechselkontakt des Umschal­ ters 24 verbunden, so daß bei entsprechender Stellung des Umschalters 24 dem Antriebsmotor 10 ein Steuersignal statt vom Fahrpedal 20 vom Steuergerät 23 zugeführt wird.

Der Ausgang A ₂ ist mit der Trennkupplung 12 verbunden, so daß das Steuergerät 23 die Trennkupplung 12 öffnen und schließen kann.

Der Ausgang A ₃ ist mit dem Steuereingang des Umschal­ ters 24 verbunden, so daß das Steuergerät 23 wahlweise das Fahrpedal 20 oder das Steuergerät 23 mit seinem Ausgang A ₁ an den Antriebsmotor 10 schalten kann.

Der Ausgang A ₄ schließlich ist mit dem Stirnradgetriebe 13 verbunden, so daß das Steuergerät 23 dort den vorgewählten Gang i einlegen kann, beispielsweise mittels eines hydrauli­ schen oder eines pneumatischen Stellantriebs.

Die Wirkungsweise des elektronischen Steuergeräts 23 soll nun anhand der näheren Einzelheiten in Fig. 2 erläutert werden.

Man erkennt in Fig. 2, daß der Eingang E ₁ mit dem Motor­ drehzahl-Signal n _M an einem Komparator 30 angeschlossen ist, dessen anderem Eingang ein Synchrondrehzahl- Signal n _MS vom Ausgang eines Multiplizierers 31 zugeführt wird. Der Multiplizierer 31 steht eingangsseitig mit den Eingängen E ₂ und E₃ in Verbindung, so daß ihm das Ab­ triebsdrehzahl-Signal n _A und das Gangwahl-Signal i zuge­ führt werden. Der Eingang E ₄ ist mit einem Monoflop 32 verbunden.

Vom Ausgang des Komparators 30 führt eine Leitung über einen Regler 33 zum Ausgang A ₁. Eine weitere Leitung führt über einen Betragsbildner 34 und einen Nulldetektor 35 zu einem dynamischen Rücksetzeingang eines Flip-Flops 36, dessen Setzeingang mit dem Ausgang des Monoflops 32 verbunden ist. Ein invertierender Ausgang des Flip-Flops 36 führt direkt auf einen Steuereingang eines Schalters 37, der eingangssei­ tig mit dem Gangwahl-Signal i beschaltet ist und ausgangs­ seitig zum Ausgang A ₄ führt. Weiterhin ist der invertierte Ausgang des Flip-Flops 36 über eine Parallelschaltung eines Verzögerungsgliedes 38 und eine Diode 39 mit den Ausgän­ gen A ₂ und A₃ verbunden.

Die Wirkungsweise des Blockschaltbildes gemäß Fig. 2 ist wie folgt:

Fährt das Kraftfahrzeug mit eingelegtem Gang, ist der An­ triebsstrang zwischen Motor 10 und Abtrieb 15 geschlossen. Die Synchrondrehzahl n _MS ist dann gleich der Motordreh­ zahl n _M, und am Ausgang des Komparators 30 erscheint das Signal O. Der Regler 33 und der Betragsbildner 34 sind daher nicht beaufschlagt. Das Flip-Flop 36 befindet sich im Ruhe­ zustand, und sein Ausgangssignal ist 0. Der Schalter 37, der als Öffner ausgebildet ist, ist geschlossen, so daß dem Stirnradgetriebe 13 dauernd das Signal i des jeweils einge­ legten Ganges zugeführt wird. Die anderen Ausgänge A ₁ bis A₃ haben das Ausgangssignal 0.

Wird nun der Kupplungsschalter 21 betätigt, erzeugt das Monoflop 32 ein Signal, das an den Setzeingang des Flip- Flops 36 gelangt und dieses umschaltet. Am Ausgang des Flip-Flops 36 erscheint nun ein positives logisches Signal, das den Schalter 37 öffnet und über die Diode 39 unmittelbar die Ausgänge A ₂ und A₃ mit positivem Signal beschaltet. Die Wirkung dieser Vorgänge ist, daß über den Ausgang A ₂ die Trennkupplung 12 geöffnet und über den Ausgang A ₄ der alte Gang gelöst wird. Über den Ausgang A ₃ wird der Um­ schalter 24 umgeschaltet, so daß der Antriebsmotor 10 nun über den Ausgang A ₁ mit dem Regler 33 in Verbindung steht.

Infolge des Öffnens der Trennkupplung 12 über den Aus­ gang A ₂ laufen die Motordrehzahl n _M und die Abtriebs­ drehzahl n _A, multipliziert mit dem Gangwahl-Signal i des mittels des Gangwahlhebels 22 vorgewählten neuen Ganges auseinander. Am Ausgang des Komparators 30 erscheint ein vorzeichenrichtiges Signal, das über den Regler 33 auf den Antriebsmotor 10 derart einwirkt, daß der Antriebsmotor 10 je nach Schaltvorgang in seiner Drehzahl erhöht oder vermin­ dert wird. Dieser Regelvorgang kann in sehr kurzer Zeit, typischerweise in Zeiten von weniger als 1 Sekunde, durchge­ führt werden.

Wird nun der Synchrondrehpunkt für den einzulegenden Gang erreicht, ist die Motordrehzahl n _M gleich der Synchron­ drehzahl n _MS, und am Ausgang des Komparators 30 erscheint wieder ein Signal 0. Dies wird über den Betragsbildner 34 und den Nulldetektor 35 erkannt, und über den dynamischen Rücksetzeingang schaltet das Flip-Flop 36 in den Ausgangszu­ stand zurück. Am Ausgang des Flip-Flops 36 erscheint wieder ein Signal 0, und der Schalter 37 wird demzufolge sofort geschlossen, so daß im Stirnradgetriebe 13 sofort der neue Gang über den Ausgang A ₄ eingelegt wird. Die Ausgänge A ₂ und A₃ werden nicht sofort zurückgeschaltet, weil wegen der Polarität der Diode 39 das Verzögerungsglied 38 wirksam wird. Diese Maßnahme dient dazu, um erst das vollständige Einlegen des neuen Ganges abzuwarten, ehe über den Aus­ gang A ₂ die Trennkupplung 12 wieder geschlossen und über den Ausgang A ₃ wieder das Fahrpedal 20 an den Antriebs­ motor 10 gelegt wird.

Claims (1)

1. Einrichtung zum Schalten von Stufengetrieben in Kraft­ fahrzeugen, mit Sensoren (11, 14) zum Erfassen der Motordrehzahl (n _M) und der Abtriebsdrehzahl (n _A), mit einem Fahrpedal (20), einem Umschalter (24), der wahlweise das Fahrpedal (20) oder einen Regler (33) an einen Antriebsmotor (10) des Kraftfahrzeugs schaltet und mit einem elektronischen Steuergerät (23), das aus Signalen (n _M, n_A) der Sensoren (11, 14) und weite­ ren Signalen (k, i) Ausgangssignale zum Betätigen des Umschalters (24), des Reglers (33) und des Stufenge­ triebes bildet, dadurch gekennzeichnet, daß das Stu­ fengetriebe ein Stirnradgetriebe (13) mit Zugkraft­ unterbrechung beim Schalten ist, daß dem elektroni­ schen Steuergerät (23) Signale eines Kupplungsschal­ ters (21) und eines Gangwählhebels (22) zugeführt werden und daß das Steuergerät (23) erste Schaltmittel (30) zum Bestimmen einer Synchrondrehzahl (n _MS) aus der jeweiligen Abtriebsdrehzahl (n _A) und eines mittels des Gangwahlhebels (22) vorgewählten Ganges (i), zweite Schaltmittel (30) zum Vergleich der Mo­ tordrehzahl (n _M) mit der Synchrondrehzahl (n _MS), dritte Schaltmittel (32, 36) zum Betätigen einer zwischen Antriebsmotor (10) und Stirnradgetriebe (13) angeordneten Trennkupplung (12) in Abhängigkeit vom Erscheinen eines Signals (k) des Kupplungsschalters (21) sowie vierte Schaltmittel (34, 35, 36, 37, 38, 39) zum Einlegen des vorgewählten Ganges (i) und zum Schließen der Trennkupplung (12) aufweist.