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Einsatzgebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern eines sequenziellen Getriebes, bei denen ein Steuerungsmotor und Sensoren zum Schalten von Gängen benutzt werden.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein Getriebe wird benutzt, um Leistung von einem Motor auf einen Antriebsmechanismus zu übertragen. Ein Getriebe macht sich das Hebelprinzip zunutze, um Rotationsgeschwindigkeit, Richtung und Drehmoment eines antreibenden Elements in unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeit, Richtung und Drehmoment eines angetriebenen Elements umzuwandeln. Die meisten Getriebe benutzen eine Kombination von verschiedenen Getriebeübersetzungen, um diese Geschwindigkeits-Drehmoment-Umwandlung zu erreichen.
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Fahrzeuggetriebe umfassen oftmals mehr als einen Satz von Getriebeübersetzungen (typischerweise „Gänge“ genannt), um dem Fahrzeug zu erlauben, unter einer Vielzahl von Bedingungen zu operieren. Wenn sich das Fahrzeug im Stillstand befindet, oder sich mit niedriger Geschwindigkeit fortbewegt, kann ein Übersetzungsverhältnis ausgewählt werden, um ein relativ hohes Drehmoment von dem Motor an den Antriebsstrang zu liefern. Wenn sich das Fahrzeug mit höherer Geschwindigkeit fortbewegt, kann ein anderes Übersetzungsverhältnis benutzt werden, um höhere Rotationsgeschwindigkeiten bei niedrigerem Drehmoment an das Antriebssystem zu liefern. Übersetzungsverhältnisse können ausgewählt werden, um die Leistungsabgabe an das Antriebssystem in Bezug zu der Motorcharakteristik, und insbesondere zu der Leistungsabgabe des Motors als Funktion der Rotationsgeschwindigkeit des Motors zu optimieren. Die Änderung des Übersetzungsverhältnisses eines Getriebes ist allgemein bekannt als Schalten oder Ändern des Ganges und bedarf typischerweise einem kurzen Auskuppeln des Motors von dem Antriebssystem, indem eine Kupplungsanordnung benutzt wird.
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Ein typisches Fahrzeuggetriebe, wie in 1 exemplarisch dargestellt, kann eine Eingangswelle 101 umfassen, welche mit Hilfe eines Motors durch eine Kupplungsanordnung angetrieben wird, und eine Ausgangswelle 102, welche das Antriebssystem antreiben kann, wenn ein Gang ausgewählt ist. Die Eingangswelle 101 greift typischerweise durch eine Anzahl von Eingangsgetrieberädchen 110. Die Ausgangswelle 102 kann in dieser Anordnung durch eine Anzahl von entsprechenden Ausgangsgetrieberädchen 109 durchgreifen, welche mit den Eingangsgetrieberädchen 110 verzahnt sind, wo bei jedes Paar von verzahnten Getrieberädchen einem Getriebesatz entspricht. In jedem Getriebesatz ist eines der Rädchen nicht direkt mit der Eingangs- oder Ausgangswelle verbunden und kann sich im nicht eingelegten Zustand unabhängig drehen, während das andere mit der Eingangs- oder der Ausgangswelle verbunden ist. Angrenzend an jedes frei drehende Rädchen 111 können Schieberädchen 108 an der Welle montiert werden, die das frei drehende Rädchen 111 durchqueren. Jedes Schieberädchen 108 kann an der Länge der Welle entlang gleiten, aber ansonsten in die Welle eingreifen, so dass es sich mit der Welle dreht. Jedes frei drehende Rädchen 111 kann Mitnehmerzähnchen haben, welche in die angrenzenden Schieberädchen 108 eingreifen, wenn die Schieberädchen 108 die Welle entlang gleiten. Das Schieberädchen 108 greift in das frei drehende Rädchen 111 ein, versetzt dieses in Rotation mit der entsprechenden Welle, wodurch ein Gang ausgewählt wird. Nach Einlegen des Gangs wird die Ausgangswelle 102 durch die Eingangswelle 101 in einem Verhältnis angetrieben, das durch den gewählten Gang bestimmt ist.
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Obwohl dies eine gängige Implementierung eines Fahrzeuggetriebes ist, gibt es viele Variationen, welche dieselbe Funktion in ähnlicher Art und Weise erreichen.
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Manche Fahrzeuge benutzen ein sequenzielles Getriebe, welches ein Getriebe mit wenigstens zwei Getriebesätzen ist, welche in einer vorbestimmten Reihenfolge während des Schaltens ausgewählt werden müssen. Falls ein Fahrzeug drei Gänge hat, kann das sequenzielle Getriebe nicht von einem beliebigen Getriebesatz in einen anderen beliebigen Getriebesatz geschaltet werden. Dieser muss in einer Reihenfolge geschaltet werden, welche durch die Konfiguration des Gangschaltungsmechanismus vorbestimmt ist.
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In einem sequenziellen Getriebe, das in einem typischen Fahrzeuggetriebe, wies es wie exemplarisch in 1 beschriebenen ist, implementiert ist, werden die Schieberädchen 108 mittels Schaltgabeln 106 bewegt, die schiebbar in eine Schaltgabelwelle 107 eingreifen, welche parallel zur Schaltwalze 104 ausgerichtet ist. Typischerweise gibt es auf der Schaltwalze 104 Kerben 105, Keile oder Grate, welche in die Schaltgabeln 106 eingreifen und die Rotation der Schaltwalze 104 in eine laterale Bewegung der Schaltgabeln 106 entlang der Schaltgabelwelle 107 in eine Richtung parallel zur Eingangswelle 101 und Ausgangswelle 102 umwandeln, und dabei die Schieberädchen 108 entlang der Eingangswelle 101 oder Ausgangswelle 102 bewegen. Die Benutzung einer Schaltwalze 104 zum Auswählen der Gänge zwingt den Bediener bei dieser Anordnung, die Gänge der Reihenfolge nach zu schalten. Die auf der Seite der Schieberädchen 108 gelegenen Mitnehmerzähnchen 112 werden benutzt, um in die Mitnehmerzähnchenlücke 113 einzugreifen, die auf der gemeinsamen Seite des frei drehenden Rädchens 111 gelegen ist. Dieses Eingreifen arretiert in effektiver Weise das frei drehende Rädchen 111 an die Welle, die durch seine Nabe läuft und erlaubt, dass Drehmoment von der Eingangswelle 101 an die Ausgangswelle 102 durch das frei drehende Rädchen 111 und sein Eingriffsrädchen 119 übertragen wird.
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Sequenzielle Getriebe werden bei gewissen Anwendungen gegenüber anderen Getriebetypen wegen ihrer relativen apparativen Einfachheit bevorzugt. Ein typisches sequenzielles Getriebe hat weniger bewegliche Teile und ist generell zuverlässiger als ein vergleichbares vollmanuelles nicht sequenzielles Getriebe. Sie können oftmals, kleiner und leichter als andere vergleichbare Designs gemacht werden und können schneller in der Durchführung des Gangschaltens sein. Sie werden aus diesen Gründen oftmals beim Motorrennsport oder für Motorradanwendungen eingesetzt.
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Viele sequenzielle Getriebe werden vom Bediener manuell betrieben, indem dieser Hand- oder Fußhebel benutzt, die die Schaltwalze 104 mittels einer Ratschenanordnung 114 drehen können. Dies erlaubt es dem Bediener, die Schaltwalze 104 genügend zu drehen, um ein Schalten herbeizuführen, aber hilft auch zu verhindern, dass der Bediener die Auswahlwelle zu weit dreht. In einem Motorrad implementiert kann das sequenzielle Getriebe eine Anzeigeanordnung umfassen, wie beispielsweise ein Nockenanzeiger 116. Die Anzeigeanordnung kann eine Nockenwelle 115 umfassen, die mit der Schaltwalze 104 in Kombination mit einer Klaue oder einem Nockenstößel 118 verbunden ist, der in eine Vertiefung in der Nockenwelle 115 eingreift, wenn die Schaltwalze 104 gedreht wird. Der Nockenstößel 118 kann an einem Ende ein Rädchen 117 haben, welches entlang der Nockenwelle 115 abrollen kann, und es kann ferner vorgespannt sein, so dass das Rädchen 117 den Kontakt mit der Nockenwelle 115 aufrecht erhält. Wenn der Nockenstößel 118 in einer Vertiefung Platz nimmt, wurde die Schaltwalze 104 in eine Position mit eingelegtem Gang gedreht. Durch Kraftausübung auf einen an der Ratschenanordnung 114 angebrachten Schalthebel kann der Bediener die Schaltwalze 104 drehen, wenn die Kraft ausreichend ist, um den Nockenstößel 118 aus der Vertiefung zu holen und die Reibungskräfte zu überwinden. Der Nockenstößel 118 bewegt sich gemäß der Drehung der Schaltwalze 104 in eine benachbarte Vertiefung auf der Nockenwelle 115.
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Automatische und halbautomatische Konfigurationen
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Ein beliebiges aus dem Stand der Technik bekanntes sequenzielles Getriebesystem kann durch automatische oder halbautomatische Steuerungsmittel bedient werden. Diese automatischen oder halbautomatischen Steuerungseinheiten umfassen typischerweise ein elektrisches oder elektronisches Steuerungssystem, das programmierbar sein kann und einen Steuerungsmechanismus, welcher Knöpfe, Hebel oder Schalter umfassen kann, die von dem Fahrzeugführer bedient werden können. In einer vollautomatischen Konfiguration wird das Getriebeschalten vollständig von der Steuerungseinheit in Antwort auf externe Bedingungen, Motorgeschwindigkeit, gegenwärtig eingelegten Gang und andere Faktoren, beispielsweise ob der Fahrzeugführer bremst oder beschleunigt, durchgeführt. Solche automatischen Getriebe schalten die Gänge herauf und herunter, je nachdem, ob der Fahrzeugführer das Fahrzeug zu be- oder entschleunigen versucht.
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Es gibt ein Reihe von Getriebesystemen für sequenzielle Steuerungseinheiten, die einen Steuerungsmotor oder andere Antriebsmittel beinhalten, die direkt mit der Schaltwalze verbunden sind und es der Steuerungseinheit erlauben, die Auswahlwelle anzutreiben und damit das Getriebe von einem Getriebesatz in einen anderen Getriebesatz, in Abhängigkeit von der Programmierung, zu schalten. Viele Konfigurationen für solche von einem Steuerungsmotor angetriebenen sequenziellen Getriebe sind im Stand der Technik offenbart worden. Manche von ihnen beschreiben einen Motor, der mit einem sequenziellen Getriebe gekoppelt ist und einen Getriebesatz benutzt, um das elektrische Motordrehmoment zu erhöhen, und die Geschwindigkeit zu reduzieren. Manche Konfigurationen nach dem Stand der Technik weisen ein Schaltwellengetriebesystem auf, das als eine Anordnung eines Schneckengetriebes implementiert ist.
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Halbautomatische und automatische Getriebesysteme können einen oder eine Anzahl von Sensoren verwenden, um den Getriebestatus, beispielsweise welcher Gang eingelegt ist, die Position des Steuerungsmotors und/oder die Position der Schaltwalze zu bestimmen. Das Steuerungssystem für solche Systeme initiiert oder verhindert ein Schalten unter bestimmten Umständen in Abhängigkeit von sensorischen Eingaben. Ein Steuerungssystem könnte beispielsweise den gegenwärtigen Gang des Getriebes kennen und wie weit und wie lange es benötigt, um den Steuerungsmotor zum Schalten des Systems in einen benachbarten Gang zu betätigen.
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Ein Problem mit solchen Systemen ist, dass das System beim Zusammenbau kalibriert werden muss, um die speziellen Positionen für jeden Gang relativ zum Motor vorzuselektieren. Sind einmal die vorselektierten Getriebepositionen in das System hineinprogrammiert, so wird das System typischerweise den Steuerungsmotor zu der vorselektierten Getriebeposition führen. Dies kann zu Schwierigkeiten im Betrieb führen, weil sich das Getriebe mit der Zeit abnützt und sich als ein Resultat von externen Temperaturschwankungen ausdehnen oder zusammenziehen kann und auf diese Weise die exakte Position, um das Getriebe in einen benachbarten Gang zu schalten, sich mit der Zeit oder unter solchen externen Bedingungen verändern kann.
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Manche existierende sequenzielle Getriebesysteme binden mechanische Mittel ein (wie beispielsweise Federn oder Vorspannmittel), um Änderungen in der Schaltposition durch Abnutzungen und Temperaturänderungen auszugleichen. Das Einbinden eines Steuerungsmotors und eines Steuerungssystems in solche Systeme führt typischerweise zu weiteren Präzisionsverlusten, wenn das Motorsystem diese dynamischen Elemente einlegt, während es versucht, das Schalten durchzuführen, welches das Schalten an der Vollendung hindern kann oder mit einer sensorischen Erfassung interferieren kann, wenn ein Schaltvorgang vollendet wurde.
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Eine andere Schwierigkeit mit elektronisch gesteuerten motorgetriebenen Getriebesystemen ist, dass solche Systeme typischerweise ein schlechtes Betriebsverhalten zeigen, wenn während des Schaltens eine Störung zwischen den Mitnehmerrädchen erfasst und auf diese reagiert wird. Das Problem, das allgemein als Getriebeblockade bekannt ist, entsteht, wenn die Vorderkante eines Mitnehmerrädchens, das zu einem Schieberädchen gehört, gegen die Vorderkante eines Mitnehmerrädchens, das zu einem entsprechenden frei drehenden Rädchen gehört, gebracht wird. Unter diesen Bedingungen kann es sein, dass die Rädchen nicht voll ineinander eingreifen oder sich dem Eingreifen komplett widersetzen und der Schaltversuch fehlschlägt. Viele moderne Getriebe binden einen Synchronisationsmechanismus ein, der allgemein als Synchronisationsgetriebe bekannt ist, um das Gangeinlegen zu ermöglichen, jedoch erhöhen diese Einrichtungen Größe, Gewicht und Kosten des Getriebes. In Abwesenheit eines Synchronisationsgetriebes wird das Steuerungssystem unter exzessiver Belastung der Elemente des Systems den Motor weiter antreiben, wenn es solche Störungsbedingungen sensorisch nicht erfasst. Unter solchen Umständen können das Getriebe, der Steuerungsmotor, oder beide beschädigt werden. Da das Schalten eines sequenziellen Getriebes in einer kurzen Zeitperiode statt finden kann (z. B. in weniger als einer Hundertstelsekunde), müsste jedes Steuerungssystem mit Sensoren ausgestattet sein, die Störungsbedingungen schnell und akkurat erfassen.
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Aus
DE 199 14 394 A1 ,
DE 103 02 051 A1 und
DE 197 09 419 A1 sind Vorrichtungen zum Steuern eines Fahrzeuggetriebes bekannt, die einen mechanisch mit einer Schaltwalze verbunden Steuerungsmotor mit Steuerungseinheit umfassen, wobei die Steuerungseinheit mittels unterschiedlicher Sensoren den Schaltvorgang überwacht.
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Es gibt einen Bedarf für halbautomatische oder automatische sequenzielle Schaltsysteme, die die Eingriffsposition der Schaltwalze erfasst und die Steuerungseinheit kalibriert, um sich für kurzzeitige Schwankungen in der Temperatur und langfristige Änderungen durch Abnutzung anzupassen. Es gibt einen Bedarf für Steuerungssysteme für motorgesteuerte sequenzielle Getriebe, die eine Getriebeblockade schnell entdecken und akkurat darauf reagieren können, um ein Getriebeeingreifen, ohne einen Maschinenschaden zu riskieren, zu erlauben.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern eines Getriebes eines Fahrzeugs, wobei das Getriebe eine Eingangswelle, eine Ausgangswelle, wenigstens zwei Getriebesätze, die wahlweise kuppelbar sind, und eine Schaltwalze, die, wenn sie gedreht wird, einen Getriebesatz auswählt, welcher einkuppelt, um die Ausgangswelle von der Eingangswelle her anzutreiben, umfasst und wobei die Vorrichtung einen Steuerungsmotor, welcher mechanisch mit der Schaltwalze verbunden ist, um bei Betätigung die Schaltwalze zu drehen, einen Drehmomentsensor, welcher das Drehmoment misst, das durch den Steuerungsmotor auf die Schaltwalze ausgeübt wird, und eine Steuerungseinheit zum Steuern des Motors mittels von dem Drehmomentsensor empfangenen Signalen, um dadurch das Kuppeln des Getriebesatzes zu steuern, umfasst.
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Die Vorrichtung kann des Weiteren als Merkmal beinhalten, dass der Drehmomentsensor einen Stromsensor umfasst, der den vom Steuerungsmotor gezogenen Strom überwacht und die Steuerungseinheit eine Änderung des von dem Steuerungsmotor gezogenen Stroms während des Betriebs des Steuerungsmotors als ein Anzeichen einer Getriebeblockade erkennt und den Steuerungsmotor in Abhängigkeit von der Veränderung des gezogenen Stroms anpasst.
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Die Vorrichtung kann eine Vielzahl von Schaltwalzen einschließen, die jeweils unabhängig von einem Steuerungsmotor betätigt werden, um selektiv einen Getriebesatz einzulegen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden beispielhaft und mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben:
- 1 ist eine Draufsicht eines sequenziellen Getriebes für ein Motorrad nach dem Stand der Technik;
- 2 ist eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, in der ein Steuerungsmotor dargestellt ist, der eine Schaltwalze durch ein Räderwerk antreibt;
- 3a ist eine Seitenansicht eines Indexierungsmittels in einer Position leicht außerhalb der Idealposition gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3b ist eine Seitenansicht eines Indexierungsmittels in einer fest eingelegten Position gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 ist eine schematische Darstellung des Systems, in der die Steuerungseinheit und ihre Verbindungen zu anderen Elementen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist;
- 5 ist eine schematische Ansicht eines Gleichstrom-Bürstenmotors, seines antreibenden Schaltkreises und der Strommessschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 6a ist ein Diagramm, das Mitnehmerrädchen vor dem Eingreifen zeigt;
- 6b ist ein Diagramm, das Mitnehmerrädchen in einem Störungszustand anzeigt;
- 6c ist ein Diagramm, das Mitnehmerrädchen in einem Eingreifzustand zeigt;
- 7 ist ein Flussdiagramm, das die Logik der Steuerungseinheit nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das einen Steuerungsmotor 201 umfasst, der die Schaltwalze 104 antreibt. Ein Nockenanzeiger 116 mit einer Reihe von Einbuchtungen spannt die Schaltwalze 104 mittels eines Nockenstößels 118 in eine feste Anzahl von Getriebepositionen vor. Der Steuerungsmotor 201 kann die Schaltwelle 203 durch eine Reihe von Schaltwellenrädchen 202 antreiben. Der Steuerungsmotor 201 kann einen Positionssensor einbeziehen, wie beispielsweise einen Halleffektsensor, um die Position des Steuerungsmotors 201 zu bestimmen.
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Die Schaltwellenrädchen 202 können Stirnrädchen, Kegelradgetriebe, Schraubenrädchen und Hypoidräder umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform schließen die Schaltwellenrädchen 202 normalerweise keine Schneckenradanordnung ein, weil Schneckenradanordnungen typischerweise schlechte mechanische Übertragungseigenschaften von Umkehrdrehmoment aufweisen und daher möglicherweise für einen Drehmomentsensor keine gute Rückmeldung bereitstellen. Schneckenradgetriebe sind Schraubenräder, deren Schrägungswinkel 50 ° nicht übersteigt.
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Zusätzlich zu oder anstelle von dem Positionssensor in dem Steuerungsmotor 201 kann die Erfindung auch einen Positionssensor 206 umfassen, welcher einen Halleffektsensor oder eine andere Strommessvorrichtung enthalten kann, die die Schaltwelle 203 oder die Schaltwalze 104 umgreift oder umrandet oder unmittelbar an diese angrenzt. Der Positionssensor 206 kann benutzt werden, um die Position der Schaltwelle 203 relativ zu einem Fixpunkt wie dem Motorlager 204 oder relativ zu dem Getriebegehäuse 205 zu erkennen. Der Positionssensor 206 kann mittels der Benutzung eines Potentiometers arbeiten, wobei in solchem Falle die Schaltwelle 203 relativ zu dem Potentiometer rotiert, wobei der Stromfluss durch das Potentiometer verändert wird. Im Falle eines Halleffektsensors kann die Schaltwelle 203 auf ihr montierte Permanentmagnete haben oder einen Teil umfassen, welcher magnetisiert wurde, so dass er ein magnetisches Feld generiert, welches von dem Halleffektsensor erkannt wird. Magnetfeldänderungen können von dem Halleffektsensor als ein digitales Signal oder als eine analoge Spannung ausgegeben werden.
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Der Positionssensor 206 kann auch benutzt werden, um das Drehmoment zu bestimmen, welches von der Schaltwelle 203 erfahren wird, wenn es auf einem Teil der Schaltwelle 203 positioniert ist, der durch das Drehmoment verursachten mechanischen Spannungen ausgesetzt ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Positionssensor 206 zwischen den antreibenden Rädchen und der Schaltwalze gelegen, die durch das Drehmoment verursachten mechanischen Spannungen unterworfen ist.
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Wenn die Positionsmessvorrichtung in Zusammenhang mit mechanischen Vorspannmitteln des Systems benutzt wird, ist es für das System möglich, sich mit der Zeit anzupassen, um Abnutzungen zu berücksichtigen und auch sich spontan anzupassen, um vorübergehend gefährliche Getriebeblockadezustände anzugehen. In einem Ausführungsbeispiel, welches Vorspannmittel zum mechanischen Vorspannen der Schaltwalze 104 in eine Anzahl von Getriebepositionen umfasst, wenn die Steuerungseinheit den Steuerungsmotor 201 ausgelöst hat und die Schaltwalze 104 in eine dieser gewünschten Positionen getrieben hat, wie es von der Kontrolleinheit in Übereinstimmung mit einem Satz vorprogrammierter Steuerungspositionen erkannt wurde, hat der Steuerungsmotor 201 seine Betätigung in die nächste Schaltposition vollendet. Falls die vorprogrammierte Steuerungsposition aus ihrer Kalibrierung gebracht wurde, führt der Nockenanzeiger 116 ein korrigierendes Drehmoment auf die Schaltwalze 104 aus, um sie in die mechanisch korrekte Position zu verbringen. Durch Positionsüberwachung der Schaltwalze 104 mittels des Positionssensors 206 kann die Steuerungseinheit erkennen, wenn die vorprogrammierten Steuerungspositionen aus ihrer Kalibrierung gewandert sind. Das Steuerungssystem kann daher die gespeicherten Motorsteuerungspositionen verändern, um den festgesetzten Werten des mechanischen Systems nahezukommen. Es kann dieses durch Berechnung der Differenz zwischen den Motorpositionskoordinaten nach einem Gangwechsel und den gespeicherten Motorpositionskoordinaten, die diesem Gang entsprechen, bewerkstelligen und modifiziert die gespeicherten Motorpositionskoordinaten, wenn die Differenz größer als ein vordefinierter Grenzwert ist.
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Beim Betrieb treibt der Steuerungsmotor 201 die Schaltwellenrädchen 202 an, welche ihrerseits die Schaltwelle 203 zu einer vorprogrammierten Position antreiben, wobei der Reibungswiderstand und Vorspannmittelanzeiger überwunden wird, um das System in einen benachbarten Gang zu schalten.
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Die 3 a und 3 b zeigen mechanische Vorspannmittel, die eine Nockenwelle 115 mit einer Reihe von Einbuchtungen umfassen und einen Nockenstößel 118, der an einem Ende klappbar ist, und am anderen Ende ein Rädchen 117 oder einen Nockenstößel und eine Feder 301 hat, um den Nockenstößel 118 gegen die Nockenwelle 115 vorzuspannen. Der Nockenstößel 118 greift, wenn er eingelegt wird, in eine der Einbuchtungen ein. Wie zuvor beschrieben, kann ein Steuerungssystem erkennen, wenn die Schaltwalze 104 in eine Position getrieben wurde, in welcher der Nockenstößel 118 nicht richtig in eine der Einbuchtungen eingreift, weil die Schaltwalze 104 ein Drehmoment erfährt, das durch den gegen die Oberfläche der Nockenwelle 115 vorgespannten Nockenstößel 118, um diesen in Position festzusetzen, verursacht wird. Dies erlaubt dem System sich kontinuierlich relativ zu der mechanischen Umgebung zu kalibrieren, welches notwendig ist, weil, wie bereits erwähnt, das System mit der Zeit unpräzise wird in dem Maße wie Abnutzung und Sensorverschlechterung eintreten.
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4 stellt schematisch das System dar und zeigt eine Steuerungseinheit 401, die mit einer Anzahl von Elementen verbunden ist. Die Steuerungseinheit 401 steuert einen Steuerungsmotor 402, vorzugsweise einen bürstenlosen Gleichstrommotor, wobei der Motor 402 ein Drehstrommotor sein kann, der eine Wechselstromsteuerung des Motors 402 erlaubt und kann auch in einer solchen Umgebung einen Motorpositionssensor 412 umfassen, welcher in dem Design des Motors 402 berücksichtigt sein kann oder separat ist. Das System kann auch einen Getriebepositionssensor 403 umfassen separat und unabhängig von den sensorischen Fähigkeiten in dem Motor 402, wobei der Getriebepositionssensor 403 die Position der Schaltwalze sensorisch erfasst und die Position der Schaltwalze direkt misst. Das System kann auch eine Getriebepositionsanzeige 405 umfassen, um den gegenwärtigen Gang anzuzeigen, der auf den Eingaben von dem Getriebepositionssensor 403 oder dem Motor 402 basiert und von der Getriebesteuerungseinheit 401 bestimmt wird.
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Die Steuerungseinheit kann Hardware, elektronische oder elektrische Schaltungen, und/oder einen Prozessor und einen Speicher zum Ausführen von Software umfassen. Software besteht aus ausführbaren Anweisungen und Instruktionen, die in einem Datenspeicher zur Ausführung durch einen Prozessor gespeichert sind. Ein Datenspeicher kann statische, vorübergehende oder dynamische Datenspeicher oder Speichermedien umfassen, wobei ohne Einschränkung Read-Only-Memories (ROM) oder programmierbare Random-Access-Register-Memory (RAM) vorübergehende Speicher in Registern oder in elektrischen, magnetischen, Quanten-, optischen oder elektronischen Speichermedien eingeschlossen sind. Ein Prozessor beinhaltet Vorrichtungen oder Vorrichtungssätze, wie auch immer ausgestaltet, verteilt oder an einem einzelnen Ort betrieben, die dazu entworfen sind oder den Effekt haben, einen Satz von Anweisungen auszuführen, dabei aber Individuen oder Personen ausschließt. Ein System das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung implementiert ist kann ein Computersystem mit einem Speicher und einem Prozessor zur Ausführung der Software umfassen.
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Das System kann auch verschiedene Arten von Benutzerschnittstellen umfassen, wie beispielsweise eine Anordnung von Schaltknöpfen 404 in einem halbautomatischen Ausführungsbeispiel, und es kann auch in Zusammenhang mit anderen aus dem Stand der Technik bekannten Steuereinrichtungen benutzt werden.
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Die Steuerungseinheit 401 kann eine automatische oder halbautomatische Kupplung 409 in Zusammenhang mit dem System in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel steuern. Eine halbautomatische oder automatische Kupplung 409 kann direkt durch die Getriebesteuerungseinheit 401 derart gesteuert werden, dass die Steuerungseinheit 401 sowohl die Kupplung betätigt als auch die Gänge schaltet in Antwort auf eine einzelne Eingabe von einem Fahrer oder in Antwort auf eine automatische Steuerungsstrategie, die in die Steuerungseinheit 401 hineinprogrammiert ist oder andere im Fahrzeug angeordneten elektronischen Steuerungseinheiten („ECUs“) 410.
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Die Steuerungseinheit 401 kann direkt mit den Fahrzeugsensoren verbunden sein oder kann mit den ECUs 410 oder mit einem Bordcomputersystem über eine Direktverbindung oder einen Bus kommunizieren. Ein üblicherweise benutzter Standard für Fahrzeugkommunikation ist ein Bus, in dem der CAN Multi-Master Broadcast Serial-Bus Standard implementiert ist, wobei aber beliebig andere elektronische oder elektrische Kommunikationsmittel benutzt werden können. Durch solche Kommunikationsmittel oder durch die direkte Benutzung eines oder mehrerer separater Busse 411 kann die Steuerungseinheit 401 auf beliebige Informationen, die durch die Fahrzeugsensoren erzeugt wurden, einschließlich Radgeschwindigkeit, Gaspedalposition, Zündzeitpunkt etc., zugreifen und diese benutzen. Diese Information kann zur Getriebesteuerung benutzt werden, um Schaltgeschwindigkeit und - timing zu optimieren und um Schäden vorzubeugen.
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Die Steuerungseinheit 401 kann beispielsweise die momentane Radgeschwindigkeit mittels eines Radgeschwindigkeitssensor messen, welches eine Steuerung erlaubt, in welche Gänge seitens des Fahrers geschaltet werden darf, um Schaltfehler, welche dem Getriebe oder dem Motor schaden könnten, seitens des Fahrers zu verhindern.
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Die Steuerungseinheit 401 kann auch Eingaben über die Kabelstränge von dem Zündungssystem erhalten, wie beispielsweise die Position des Ausschalters, die Position des Gaspedals und die Motorgeschwindigkeit.
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Das System kann auch eingerichtet sein, um mit anderen Steuerungssystemen des Fahrzeugs, wie beispielsweise jedes beliebige existierende Steuerungssystem für die Motorsteuerung, das Bremsen, die Traktionskontrolle oder vergleichbare automatische oder halbautomatische Systeme, in Verbindung zu treten, um das Schalten mit diesen Systemen zu koordinieren. Eine solche Koordination hätte den Vorteil, jenen Schaltvorgängen, die zu einer der Sicherheit abträglichen Bedingung führen könnten, vorzubeugen.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Schaltvorgang nicht weitergeführt, wenn der Schaltversuch die Getrieberädchen interferieren oder zusammenstoßen lässt. Unter solchen Umständen misst der Drehmomentsensor, in diesem Fall zwei Halleffektstromsensoren 408, die neben den Motorstromkabeln 413 angeordnet sind, mittels eines erhöhten Stromflusses ein signifikantes Drehmoment und die Steuerungseinheit 401 kann die Geschwindigkeit, die Zielposition oder das anliegende Drehmoment des Steuerungsmotors 402 ändern, um die vorübergehende Bedingung zu beheben, so dass die Schaltwalze in die gewünschte Position fortfahren kann. Dieser Mechanismus erlaubt das Erkennen von vorübergehenden Getriebestörungsbedingungen und die Vermeidung von Schäden an dem Steuerungsmotor 402 und/oder dem Getriebe, die ansonsten erfolgen könnten, wenn das Getriebe in eine Position angetrieben wird, in welche es mechanisch nicht hineinpasst.
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Unter solchen Bedingungen kann die Steuerungseinheit 401 auf verschiedene Art und Weise reagieren, um die Getriebestörung zu beheben. Die Steuerungseinheit 401 kann eine Strategie zur Positionssteuerung, Geschwindigkeitssteuerung oder Drehmomentsteuerung anwenden, um die Störung zu bewältigen.
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In einem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel beinhalten die Mittel, die zum sensorischen Erfassen des Drehmoments benutzt werden, das Erfassen von Strom in den Motorstromkabeln 503. Der Drehmomentsensor in der Steuerungseinheit 501 kann einen Reihenwiderstand 504 oder einen oder mehrere Halleffektsensoren umfassen, um Stromänderungen in den Motorstromkabeln 503 als von dem Steuerungsmotor 502 konsumiert oder generiert zu erfassen. Strommessungen können benutzt werden, um von dem Steuerungsmotor 502 erfahrene Leistung oder Drehmoment zu erfassen, wenn die an dem Steuerungsmotor 502 angelegte Spannung bekannt ist, wie es im Fall eines elektrisch gesteuerten Systems der Fall ist. Eine Steuerungseinheit 501 kann nach dem Messen der Stromänderung im Vergleich zu der Eingangsspannung das von dem Steuerungsmotor 502 erfahrene Drehmoment berechnen und es entsprechend anpassen, um Schäden an dem Getriebe vorzubeugen. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Steuerungsmotor 502 durch die Steuerungseinheit 501 mittels eines Satzes von Schaltern 505, die eine MOSFET Schaltung benutzen, gesteuert. Es können auch andere Strommessmittel benutzt werden, wie beispielsweise ein dynamischer Umformer, der entweder an dem Steuerungsmotor oder der Schaltwalze befestigt ist. Die Steuerungsmittel des Steuerungsmotors 502 können auch eine Leistungsregelungseinheit 506 enthalten, um die elektrische Leistung, die an den Steuerungsmotor 502 geliefert wird, zu regeln hinsichtlich Spannung, Polarität, Verpolungsschutz und Schaltgeräuschunterdrückung und sie können die Leistung für den Steuerungsmotor 502 innerhalb der optimalen Parameter liefern. Die Drehmomentmessmittel können auch eine Steuersignalregeleinheit 507 umfassen, um die Steuersignalgeräusche zu filtern und um die Verstärkung oder Dämpfung der Steuersignale zum Antreiben des Steuerungsmotors 502 bereitzustellen.
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Wie in 6a bis 6c gezeigt, entstehen Getriebestörungen oder eine Getriebeblockade typischerweise, wenn ein Schieberädchen 601 in Richtung eines frei drehenden Rädchens 602 geschoben wird. Wenn die nach außen gerichtete Oberfläche 605 des Mitnehmerzähnchens 603 des Schieberädchens die nach außen gerichtete Oberfläche 606 des Mitnehmerzähnchens 604 des frei drehenden Rädchens berührt, wenn sie zusammengeschoben werden, greifen die Mitnehmerzähnchen 603, 604 unter Verursachung eine Blockade nicht ineinander ein. Diese Mitnehmerradstörung verursacht eine laterale Kraft, die durch die Schaltgabeln ausgeübt wird und schnell zunimmt, welche in ein Drehmoment umgewandelt wird, das basierend auf dem Nockenprofil der in die Schaltwalze geschnittenen Einkerbungen an der Schaltwalze wahrgenommen wird. Wenn die Blockade beseitigt ist, oder unter normalen Betrieb, greifen die Mitnehmerzähnchen 603, 604 ineinander ein, wobei sie das frei drehende Rädchen zusammen mit dem Schieberädchen antreiben.
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Es gibt typischerweise einen spezifischen Satz von Schaltwalzenpositionen, an denen eine Blockade entstehen kann. Diese Positionen sind je nach Form der Schaltwalze und des Getriebes besonders und liegen typischerweise dort, wo die Schaltwalze die Mitnehmerrädchen zusammenbewegt, dies jedoch nicht überlappend oder eingreifend. Außerhalb dieser besonderen Sätze der Walzenposition können hohe aktuelle Messwerte gemessen werden, jedoch sind diese mit anderen vorübergehenden Belastungen assoziiert, die nicht zu einer Blockadesituation gehören, wie beispielsweise Belastungen, die durch den Start des Fahrzeug oder beim Bremsen verursacht werden.
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In 7 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, in dem die Logik der Steuereinheit während eines Schaltvorgangs zum Erkennen eines Blockadeereignisses dargestellt ist. Der Prozess beginnt mit dem Erfassen, ob die Schaltwalze in eine der Positionen, in welcher eine Blockade möglich ist (eine „Blockadezone“) 701, eingetreten ist. Das System kann erfassen, ob die Schaltwalze in eine Blockadezone eingetreten ist, indem ein Positionssensor benutzt wird. Der Positionssensor kann direkt an die Schaltwalze gekoppelt sein oder kann in den Kontrollmotor integriert sein. In letzterem Falle kann die Position der Schaltwalze aus der Zahl der Umdrehungen, die der Kontrollmotor seit Beginn des Schaltvorgangs gemacht hat, geschlussfolgert werden. Das System kann auch nach einer vorbestimmten Verzögerung seit dem Beginn des Schaltvorgangs die Schaltwalze als in einer Blockadezone befindlich erachten.
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Wenn der Gangwähler in einer Blockadezone ist, misst der Prozess, ob der Steuerungsmotor mehr Strom als im Vergleich zu einem vordefinierten Grenzwert 702 zieht. Der Wert des vordefinierten Grenzwerts 702 hängt von dem System und dem Strom ab, der typischerweise von dem Steuerungsmotor während eines Blockadeereignisses gezogen wird, wie dies durch Modellierung oder Experimente bestimmt wurde oder basierend auf vorherigen Blockadeereignissen, die von der Steuerungseinheit aufgezeichnet wurden. Der Prozess setzt ein Blockadeereignis-Flag 703, wenn der gegenwärtige Grenzwert überschritten wird immer dann, wenn die Walze in einer Blockadezone 701, 704 ist. Sollte der Prozess erfassen, dass das Blockadeereignis-Flag gesetzt ist, kann der Prozess Strategien anwenden bezüglich Positionssteuerung, Geschwindigkeitssteuerung oder Drehmomentsteuerung, um die Störung dynamisch während des Schaltvorgangs zu beheben. Diese Steuerungsstrategien sind gestaltet, um das Getriebe aus der Blockadezone entweder in den gewünschten Gang oder zurück in den Ausgangsgang zu führen. Die Statusprüfung 706 das Blockadeereignis-Flag stellt sicher, dass das Ereignis zur einmal angezeigt wird. Wenn die Walze die Blockadezone verlassen hat, kann der Prozess ein „Gang-eingelegt“--Flag 705 setzten, um anzuzeigen, dass der Gang voraussichtlich erfolgreich eingelegt werden wird. Sollte der Prozess entdecken, dass das Gang-eingelegt-Flag 705 gesetzt ist, kann der Prozess externe Ereignisse wie Kupplungssteuerung oder Motorsteuerung auslösen. Wenn das Blockadeereignis-Flag 703 am Ende des Prozesses gesetzt ist, kann der Prozess eine Diagnoseroutine ablaufen lassen, um die Blockadeursache zu identifizieren oder eine Strategie anzuwenden zur Positionssteuerung, Geschwindigkeitssteuerung oder Drehmomentsteuerung, um die Störung zu beheben, falls diese fortbesteht (z. B. weil der Schaltvorgang komplett fehlgeschlagen ist und die Walze an ihre Startposition zurückgekehrt ist).
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- 101
- Eingangswelle
- 102
- Ausgangswelle
- 104
- Schaltwalze
- 106
- Schaltgabel
- 107
- Schaltgabelwelle
- 108
- Schieberädchen
- 109
- Ausgangsgetrieberädchen
- 110
- Eingangsgetrieberädchen
- 111
- frei drehendes Rädchen
- 112
- Mitnehmerzähnchen
- 113
- Mitnehmerzähnchenlücke
- 114
- Ratschenanordnung
- 115
- Nockenwelle
- 116
- Nockenanzeiger
- 117
- Rädchen
- 118
- Nockenstößel
- 119
- Eingriffsrädchen
- 201
- Steuerungsmotor
- 202
- Schaltwellenrädchen
- 203
- Schaltwelle
- 204 ,
- Motorlager
- 205
- Getriebegehäuse
- 206
- Getriebepositionssensor
- 301
- Feder
- 401
- Steuerungseinheit
- 402
- Steuerungsmotor/Motor
- 403
- Getriebepositionssensor
- 404
- Schaltknöpfe
- 405
- Getriebepositionsanzeige
- 408
- Drehmomentsensor, Halleffektsensor
- 409
- Kupplung
- 410
- elektronische Steuerungseinheit ECU
- 411
- Bus
- 412
- Motorpositionssensor
- 413
- Motorstromkabel
- 501
- Steuerungseinheit
- 502
- Steuerungsmotor
- 503
- Motorstromkabel
- 504
- Reihenwiderstand
- 505
- Schalter
- 506
- Leistungsregelungseinheit
- 507
- Steuersignalregeleinheit
- 601
- Schieberädchen
- 602
- frei drehenden Rädchens
- 603
- Mitnehmerzähnchen
- 604
- Mitnehmerzähnchen
- 605
- Oberfläche des Mitnehmerzähnchens 603
- 606
- Oberfläche des Mitnehmerzähnchen 604
- 701
- Erfassen Eintritt in Blockadezone
- 702
- Grenzwertvergleich
- 703
- Blockadeereignis-Flag setzen
- 704
- Erfassen Verlassen der Blockadezone
- 705
- Gang-eingelegt-Flag setzen
- 706
- Blockadeereignis-Flag prüfen