DE10332668B4

DE10332668B4 - Schaltbares Antriebssystem, Komponenten und Betriebsverfahren dafür

Info

Publication number: DE10332668B4
Application number: DE10332668A
Authority: DE
Inventors: Götz Hangen; Rainer Klösel
Original assignee: Adam Opel GmbH
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2003-07-18
Filing date: 2003-07-18
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2023-07-19
Also published as: DE10332668A1

Abstract

Verfahren zum Steuern eines Gangwechsels in einem Schaltgetriebe (5), von dem ein Eingang über eine Kupplung (3) mit einem Motor (1) und ein Ausgang mit einer Last verbunden ist, mit den Schritten:
a) Bestimmen des Sollwerts des Motordrehmoments nach dem Schließen der Kupplung (3);
b) Öffnen der Kupplung (3) (t₀–t₁);
c) Umschalten des Getriebes (5) von einer ursprünglichen Schaltstufe auf eine neue Schaltstufe, bei der die Drehzahl am Eingang des Getriebes bei gleichbleibender Drehzahl des Ausgangs niedriger ist als bei der ursprünglichen Schaltstufe (t₁–t₂);
d) Schließen der Kupplung (3) und Hochregeln des vom Motor (1) ausgeübten Drehmoments auf einen Sollwert (t₂–t₃),
dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Phase (t₂–t_2b) des Schritts d) die Kupplung (3) in einen definierten Drehmomentübertragungszustand überführt wird, wobei der definierte Drehmomentübertragungszustand im Wesentlichen auf den Sollwert des Motordrehmoments eingestellt wird, während der Motor (1) im Wesentlichen auf einem konstanten Drehmoment gehalten...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein schaltbares Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem zwischen mehreren Übersetzungsstufen umschaltbaren Getriebe, einem Motor und einer Kupplung zum Unterbrechen eines Kraftschlusses zwischen dem Motor und dem Getriebe, wenn ein Schaltvorgang von einer Übersetzungsstufe zu einer anderen in dem Getriebe vorgenommen werden soll, sowie ein Verfahren zum Steuern eines Gangwechsels in einem solchen Antriebssystem und Komponenten eines solchen Antriebssystems.

Ein vollständiger Gangwechsel in einem solchen Antriebssystem umfasst die Phasen des Öffnens der Kupplung, des Durchführens eines Schaltvorgangs in dem Getriebe und des Schließens der Kupplung. Bei einem solchen Antriebssystem wird herkömmlicherweise während des Öffnens der Kupplung das vom Motor erzeugte Drehmoment abgeregelt, um während des Schaltvorgangs im Getriebe den Triebstrang zu entlasten. Es ist möglich, dass der Schaltvorgang erst nach völliger Entlastung des Triebstrangs beginnt; er kann sich aber auch mit der Phase des Öffnens der Kupplung und des Abregelns des Motormoments zeitlich überschneiden.

Bei einem solchen Antriebssystem besteht das Problem, dass sich im Laufe eines Gangwechsels die Drehzahl einer mit dem Motor verbundenen ersten Seite der Kupplung nicht oder nur wenig ändert, wohingegen die zweite Seite, die nach dem Schaltvorgang mit einem veränderten Übersetzungsverhältnis an über das Getriebe angetriebene Teile wie etwa das Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, eine abrupte Änderung der Drehzahl erfährt. Wenn nach Abschluss des Schaltvorgangs die Kupplung wieder geschlossen wird, so kommen diese zwei unterschiedlich schnell rotierenden Seiten der Kupplung in Kontakt. Herkömmlicherweise wird während des Schließens der Kupplung das Motormoment bereits wieder hochgeregelt, um eine Motorbremsung im Moment des Kupplungsschließens zu verhindern. Während des Schließens der Kupplung addiert sich zu diesem Motormoment ein beschleunigendes Moment, das aus der Abbremsung des Motors durch den Kontakt der weiterhin schnell rotierenden ersten Seite der Kupplung mit der langsam rotierenden zweiten Seite resultiert. Dies führt zu einer zeitweiligen Beschleunigungserhöhung, die den Schalteindruck nachteilig beeinflusst. Dieser Eindruck lässt sich unterdrücken, indem nach dem Schaltvorgang die Kupplung langsam geschlossen wird, d.h. das von der Kupplung übertragbare Drehmoment langsam erhöht wird, oder das Motormoment langsam aufgebaut wird, doch verlängern diese beiden Maßnahmen die Dauer des Gangwechsels. Da während des Gangwechsels das Fahrzeug nicht beschleunigt werden kann, sollte dessen Dauer jedoch so kurz wie möglich gehalten werden.

Es wird insoweit auf die EP 0 348 732 B1 und die DE 198 41 856 C1 verwiesen.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zum Steuern eines Gangwechsels in einem Schaltgetriebe bzw. ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug anzugeben, die es ermöglichen, die Dauer des Gangwechsels auf ein Minimum zu reduzieren und dabei den Beschleunigungsruck zu vermeiden, der beim Heraufschalten des Getriebes aus der Abbremsung des Motors während des Schließens der Kupplung resultiert.

Die Aufgabe wird gemäß der Patentansprüche 1, 6, 7 und 8 dadurch gelöst, dass der Schritt des Schließens der Kupplung und des Hochregelns des vom Motor ausgeübten Drehmoments nach einem Hochschalten unterteilt wird in eine erste Phase, in der die Kupplung in einen definierten Drehmomentübertragungszustand überführt wird, während der Motor im wesentlichen auf einem konstanten Drehmoment gehalten wird, und eine zweite Phase, in der das antreibende Drehmoment des Motors hochgeregelt wird, wobei diese zweite Phase mit einer Verzögerung nach Beginn des Schließens der Kupplung eingeleitet wird. So kann bereits während der ersten Phase die Drehgeschwindigkeit des Motors an die des Getriebeeingangs angeglichen werden, um dann in der zweiten Phase den Motor sprunghaft auf sein Sollmoment aufzuregeln. Der für den Fahrer spürbare eigentliche Schaltvorgang, d.h. das Schließen der Kupplung, ist nach der Erfindung bereits kurz nach Beginn der ersten Phase beendet, nämlich dann, wenn die Kupplungsbeläge derart in Reibschluss kommen, so dass der vorauszubestimmende Drehmomentübertragungszustand erreicht ist. Erfolgt hingegen, wie bei den früheren Verfahren, das Aufregeln des Motors parallel zum Schließen der Kupplung auf den definierten Drehmomentübertragungszustands plus womöglich zuzüglich einer Sicherheitsbeaufschlagung, können sich die Drehzahlgeschwindigkeiten, aufgrund des kumulativen Verhaltens der Motormomente erst zu einem viel späteren Zeitpunkt angleichen.

Vorzugsweise wird in ersten Phase der Motor mit einer minimalen Kraftstoffmenge versorgt, die dessen Drehmoment im wesentlichen auf Null hält, damit der Motor einer mit dem Beginn der zweiten Phase einsetzenden Drehmomentanforderung schnell folgen kann. Es ist auch denkbar, den Motor während der ersten Phase nicht mit Kraftstoff zu versorgen, so dass die Motorreibung zusätzlich zum Schließen der Kupplung eine Abbremsung des Motors bewirkt. Durch ein solches negatives Drehmoment, ist es möglich die Drehzahlangleichung zwischen Motor und Getriebe sogar noch schneller zu erreichen. Selbstverständlich kann es beim erfindungsgemäßen Einkuppeln unter bestimmten Umständen auch sinnvoll sein das Motormoment auf einen konstant positiven Wert festzulegen, was voraussichtlich zu einer Verlängerung des Einkuppelvorgangs führt. Durch die verschiedenen Festlegungsmöglichkeiten des Motormoments besteht in jedem Fall die Möglichkeit im Rahmen der Erfindung die Schaltgeschwindigkeit gezielt zu beeinflussen.

Zum bereitstellen des jeweiligen konstanten Motormoments können auch Hilfsquellen, wie z.B. Kompressor einer Klimaanlage oder Starter-Generator-Systeme, zum Einsatz kommen, mit deren Hilfe der Motor entweder abgebremst oder beschleunigt werden kann.

Vorzugsweise wird die Kupplung in der ersten Phase in einen Drehmomentübertragunszustand mit einem quantitativem Drehmoment überführt, der dem Sollwert entspricht, der für das vom Motor ausgeübte Drehmoment für die Zeit nach dem Schließen der Kupplung festgelegt ist. Diese Festlegung bzw. Bestimmung erfolgt in der Regel rechnerisch bereits vor dem Schließen der Kupplung. So bleibt das von der Kupplung übertragene Drehmoment, welches eine eventuelle Beschleunigung des Fahrzeugs festlegt, in den beiden Phasen des Schließvorgangs der Kupplung konstant, so dass ein absolut gleichmäßiger Beschleunigungsverlauf resultiert. D.h., bereits mit Beginn des Schließens der Kupplung steht derjenige Wert des Drehmoments zur Verfügung, den der Fahrer des Fahr zeugs durch Treten des Fahrpedals vorgibt. Das Fahrzeug verhält sich folglich noch vor dem vollständigen Schließen der Kupplung exakt so, als wäre die Kupplung bereits geschlossen und der Gangwechsel abgeschlossen. D.h. während des allmählichen Schließens der Kupplung wird, obwohl das Drehmoment des Motors den Sollwert noch nicht erreicht hat, ein diesem Sollwert entsprechendes Drehmoment auf das Fahrwerk übertragen und folglich auch ein entsprechender Beschleunigungsverlauf des Fahrzeugs erzielt, indem die hierfür benötigte Energie der kinetischen Energie der Drehbewegung der Motorwelle entzogen wird.

Die Erfindung betrifft auch ein Antriebssystem zur Ausführung eines Verfahrens wie oben definiert, speziell eine Steuerschaltung eines solchen Antriebssystems sowie einen Datenspeicher, in dem von einer Datenverarbeitungseinrichtung, bei der es sich insbesondere um die besagte Steuerschaltung handeln kann, zur Durchführung des Verfahrens auszuführende Programmschritte gespeichert sind. Dieser Datenspeicher kann ein durch die Steuerschaltung direkt lesbarer Speicherbaustein sein, aber auch ein Datenträger wie etwa eine Diskette oder CD-ROM, von dem die Programmschritte vor ihrer Ausführung im Allgemeinen erst in einen direkt lesbaren Speicherbaustein übertragen werden müssen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines Antriebssystems, in dem die vorliegende Erfindung realisierbar ist;
2 den zeitlichen Verlauf von Drehzahlen und -momenten in dem Antriebssystem während eines in herkömmlicher Weise gesteuerten Gangwechsels; und
3 den zeitlichen Verlauf der Drehzahlen und -momente bei erfindungsgemäßer Steuerung.
1 zeigt stark schematisiert ein Kraftfahrzeug mit einem Antriebssystem gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Otto- oder Diesel-Motor dient als Motor 1. Eine Kurbelwelle 2 dieses Motors 1 ist drehfest verbunden mit einer ersten Seite 3₁ einer Hauptkupplung 3. Eine zweite Seite 3₂ dieser Kupplung 3 ist drehfest verbunden mit einer Eingangsseite eines mehrstufigen Schaltgetriebes 5. Eine elektronische Steuereinheit 7 ist mit der Kupplung 3 verbunden, um diese zu öffnen bzw. zu schließen. Diese Steuereinheit 7 ist ferner in der Lage, die Schaltstufe des Schaltgetriebes 5 festzulegen. Sie ist mit einem an der Kurbelwelle 2 angeordneten Drehzahlsensor 8 und mit einem Drehzahlsensor 9 verbunden, der an einer mit dem Fahrwerk verbundenen Abtriebswelle 10 des Schaltgetriebes 5 angeordnet ist.
Die Steuereinheit 7 kann als vollautomatische Steuereinheit ausgeführt sein, die die am Schaltgetriebe 5 einzustellende Schaltstufe anhand einer Reihe von Betriebsparametern des Fahrzeugs wie etwa Stellung eines vom Fahrer betätigten Fahrpedals, Motorlast, etc. selbsttätig festlegt und/oder es kann sich um eine halbautomatische Einheit handeln, die dazu dient, einen Befehl des Fahrers, der eine ausgewählte Schaltstufe spezifiziert, zu empfangen und diese im Schaltgetriebe 5 einzustellen.
Das Diagramm der 2 zeigt den zeitlichen Verlauf einer Mehrzahl von Betriebsparametern des Fahrzeugs im Laufe eines durch die Steuereinheit 7 in herkömmlicher Weise gesteuerten Gangwechsels. Dabei bezeichnen die Kurven jeweils folgende Parameter:

21: eine von der Steuereinheit 7 einzustellende Ziel-Schaltstufe,
22: die vom Drehzahlsensor 8 erfasste Drehzahl der Kurbelwelle 2 bzw. der mit ihr verbundenen ersten Seite 3₁ der Kupplung 3;
23: eine Eingangsdrehzahl des Schaltgetriebes 5 bzw. die Drehzahl der zweiten Seite 3₂ der Kupplung 3;
24: das von dem Motor 1 erzeugte Drehmoment; und
25: das an der Hauptkupplung 3 übertragbare, je nach Öffnungs- oder Schließzustand der Hauptkupplung variable Drehmoment.

Die Gerade 26 ist eine Nulllinie des Drehmoments. Die Getriebeeingangsdrehzahl gemäß Kurve 23 kann von der Steuerschaltung 7 gemäß 1 nicht direkt gemessen werden, sondern wird aus der vom Sensor 9 erfassten Drehzahl in Kenntnis der jeweils eingestellten Schaltstufe des Getriebes 5 und deren Übersetzungsverhältnis berechnet. Eine direkte Messung durch einen Drehzahlsensor am Eingang des Getriebes 5 währe selbstverständlich auch möglich.
Der Zeitpunkt t₀ bezeichnet einen Anfang des Gangwechsels. Der vor diesem Zeitpunkt dargestellte Verlauf der Parameter entspricht einer gleichmäßig beschleunigten Fahrt, die Drehmomente der Kurven 24, 25 sind konstant, und die Drehzahlen der Kurven 22, 23 sind gleich und nehmen gleichmäßig zu. Zum Zeitpunkt t₀ ändert sich die Ziel-Schaltstufe der Kurve 21, wobei es für das nachfolgende Schaltverfahren ohne Belang ist, ob diese Änderung auf eine automatische Entscheidung der Steuereinheit 7 oder auf einen Fahrerbefehl zurückgeht.
In einer nun beginnenden ersten Phase des Gangwechsels, bis zu dem Zeitpunkt t₁, fährt die Steuereinheit 7 das Drehmoment 24 der Hauptkraftmaschine zurück und lockert gleichzeitig die Hauptkupplung 3, so dass die Kurve 25 auf die Nulllinie 26 abfällt. Die Kurve 24 geht sogar auf einen negativen Wert zurück, was der Tatsache entspricht, dass der Motor 1 nicht mehr antreibt, sondern durch Eigenreibung eine Verzögerung erfährt.
Dementsprechend nimmt auch die Drehzahl des Motors 1 gemäß Kurve 22 ab dem Zeitpunkt t₁ langsam ab.
Während des Zeitraums von t₁ bis t₂ führt die Steuereinheit 7 am Schaltgetriebe 5 einen Schaltvorgang durch, in dessen Verlauf die neue Ziel-Schaltstufe eingestellt wird. Mit Einsetzen des Kraftschlusses in der neuen Schaltstufe nimmt die Drehzahl 23 am Eingang des Schaltgetriebes abrupt auf einen Wert ab, dessen Verhältnis zur vorherigen Drehzahl durch die Übersetzungsverhältnisse der betreffenden Schaltstufen festgelegt ist.
Wenn zum Zeitpunkt t₂ begonnen wird, die Kupplung wieder zu schließen und das Motordrehmoment hoch zu regeln, wird die Kurbelwellendrehzahl gemäß Kurve 22 all mählich auf die Getriebeeingangsdrehzahl abgebremst. Zum Zeitpunkt t₄ ist die Kupplung geschlossen, das Motordrehmoment auf einem durch die Stellung des Fahrpedals definierten Sollwert, und der Gangwechsel ist abgeschlossen.
3 zeigt ein Diagramm analog dem der 2 für einen erfindungsgemäß gesteuerten Gangwechsel. Die Schritte des Öffnens der Kupplung von t₀ bis t₁ und des Schaltens des Schaltgetriebes von t₁ bis t₂ laufen in der gleichen Weise ab wie oben mit Bezug auf 2 beschrieben. Zum Zeitpunkt t₂ beginnt die Steuerschaltung 7, den Motor mit einer kleinen Kraftstoffmenge zu versorgen, die so bemessen ist, dass sie innere Reibungsverluste des Motors in etwa kompensiert, d.h. das Drehmoment des Motors, das während des vorhergehenden Schaltvorgangs negativ war, in etwa zu Null macht. Gleichzeitig beginnt die Steuerschaltung, die Kupplung 3 zügig so weit zu schließen, dass das von der Kupplung übertragbare Drehmoment, wie durch die Kurve 25 dargestellt, einen Wert entsprechend dem durch die Stellung des Fahrpedals festgelegten Motordrehmoments vor und nach dem Gangwechsel annimmt. Die Kupplung erreicht dieses Drehmoment zum Zeitpunkt t_2a und verharrt auf diesem Wert so lange, bis zum Zeitpunkt t_2b die Steuerschaltung 7 feststellt, dass die Differenz zwischen der Kurbelwellendrehzahl 22 und der Getriebeeingangsdrehzahl 23 einen vorgegebenen Grenzwert unterschritten hat, bei dem die Angleichung der Drehzahlen nahezu vollzogen ist. Nun beginnt die Steuerschaltung abrupt, das Motordrehmoment auf den Sollwert hoch zu regeln und die Kupplung vollständig zu schließen, so dass zum Zeitpunkt t₃ der Motor durch Verbrennung von Kraftstoff exakt dasjenige Drehmoment liefert, das zuvor durch Entzug von kinetischer Energie aus seinen beweglichen Teilen gewonnen wurde.
Da der Motor bereits vor dem Beginn des Hochregelns, nämlich ab dem Zeitpunkt t₂ mit Kraftstoff, wenn auch in geringer Menge, versorgt wurde, steht zum Zeitpunkt t_2b Luft-Kraftstoff-Gemisch im Ansaugkrümmer des Motors an, so dass dieser einer Drehmomentanforderung der Steuerschaltung 7 sehr schnell folgen kann.
Da mit dem erfindungsgemäße Steuerverfahren nach dem Schaltvorgang des Getriebes 5 die Kurbelwellendrehzahl schnell abgebremst werden kann – von t_2a bis t_2b liefert diese Abbremsung das gesamte auf das Fahrwerk wirkende Antriebsmoment – kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die für den Gangwechsel benötigte Zeitspanne von t₀ bis zum vollständigen Schließen der Kupplung bei t₃ deutlich verkürzt werden, ohne dass beim Schließen der Kupplung ein Beschleunigungsstoß auftritt. Da das gemäß der Stellung des Fahrpedals vom Fahrer gewünschte Drehmoment bereits ab dem Zeitpunkt t_2a, also noch vor dem Abschluss des Gangwechsels, zur Verfügung steht, ergibt sich für den Fahrer der Eindruck, dass der Gangwechsel noch schneller, nämlich schon zum Zeitpunkt t_2a, vollzogen ist.

1: Hauptkraftmaschine
2: Kurbelwelle
3: Hauptkupplung
4: Hilfskupplung
5: Schaltgetriebe
6: Hilfsdrehmomentquelle
7: Steuereinheit
8: Drehzahlsensor
9: Drehzahlsensor
10: Abtriebswelle
11
12
13
14
15
16
17
18
18
19
20
21: Ziel-Schaltstufe
22: Kurbelwellendrehzahl
23: Getriebedrehzahl
24: Drehmoment von 1
25: übertragenes Moment
26: Nulllinie

Claims

Verfahren zum Steuern eines Gangwechsels in einem Schaltgetriebe (5), von dem ein Eingang über eine Kupplung (3) mit einem Motor (1) und ein Ausgang mit einer Last verbunden ist, mit den Schritten: a) Bestimmen des Sollwerts des Motordrehmoments nach dem Schließen der Kupplung (3); b) Öffnen der Kupplung (3) (t₀–t₁); c) Umschalten des Getriebes (5) von einer ursprünglichen Schaltstufe auf eine neue Schaltstufe, bei der die Drehzahl am Eingang des Getriebes bei gleichbleibender Drehzahl des Ausgangs niedriger ist als bei der ursprünglichen Schaltstufe (t₁–t₂); d) Schließen der Kupplung (3) und Hochregeln des vom Motor (1) ausgeübten Drehmoments auf einen Sollwert (t₂–t₃), dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Phase (t₂–t_2b) des Schritts d) die Kupplung (3) in einen definierten Drehmomentübertragungszustand überführt wird, wobei der definierte Drehmomentübertragungszustand im Wesentlichen auf den Sollwert des Motordrehmoments eingestellt wird, während der Motor (1) im Wesentlichen auf einem konstanten Drehmoment gehalten wird und dass eine zweite Phase (t_2b–t₃) des Schritts d), in der das antreibende Drehmoment des Motors (1) auf den Sollwert hochgeregelt wird, mit einer Verzögerung nach Beginn (t₂) des Schließens der Kupplung (3 ) eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Phase durch den Motor und/oder einer Hilfsquelle im Wesentlichen kein oder ein negatives oder ein positives Drehmoment erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Phase (t₂–t_2b) endet, sobald eine Differenz zwischen der Drehzahl (22) des Motors (1) und der (23) des Eingangs des Getriebes (5) einen Grenzwert unterschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Kraftfahrzeug angewendet wird und dass die Last durch das Fahrwerk des Kraftfahrzeugs gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert anhand der Stellung eines Fahrpedals berechnet wird.
Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug, mit einem Motor (1), einer Kupplung (3), einem Schaltgetriebe (5) und einer Steuerschaltung (7), die an die Kupplung (3) und das Schaltgetriebe (5) gekoppelt ist, um die Kupplung (3) zu öffnen und zu schließen und die Schaltstufe des Schaltgetriebes (5) einzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (7) eingerichtet ist, die Kupplung (3) und das Schaltgetriebe (5) nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche anzusteuern.
Steuerschaltung (7) für ein Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (7) eingerichtet ist, eine Kupplung (3) und ein Schaltgetriebe (5) des Antriebssystems nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 anzusteuern.
Datenspeicher zum Ausführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 mit Hilfe einer Datenverarbeitungseinrichtung (7), dadurch gekennzeichnet, dass Schritte des Verfahrens in einem in dem Datenspeicher gespeicherten Programm codiert sind.