DE19652971A1

DE19652971A1 - Synchronisiertes Stufenschaltgetriebe

Info

Publication number: DE19652971A1
Application number: DE1996152971
Authority: DE
Inventors: Josef Schwarz
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1996-12-19
Filing date: 1996-12-19
Publication date: 1998-06-25

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein synchronisiertes Stufen schaltgetriebe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Stufenschaltgetriebe mit einer Antriebs- und ei ner Abtriebswelle, einer Hauptwelle und einem Vorgelege, üblicherweise in Form von mindestens einer Vorgelegewelle, sind z. B. aus "Kraftfahrtechnisches Taschenbuch/Bosch, VDI-Verlag, 21. Auflage, 1991, Seiten 541 ff" bekannt. Beim derartigen Schaltgetrieben werden zur Erzeugung unter schiedlicher Übersetzungen in den einzelnen Schaltstufen bzw. Gängen die Wellen über jeweils paarweise miteinander zu kämmende Zahnräder gekoppelt, wobei zur Drehzahlanpas sung der zu koppelnden Wellen mechanische Synchronisierein richtungen, z. B. Konuskupplungen mit entsprechenden Reib flächen, vorgesehen sind, die mit Hilfe eines durch eine Schaltkraft verschiebbaren Schalthebels und einer damit verbundene Schaltmuffe betätigt werden. Der Schaltvorgang kann hierbei manuell, halbautomatisch oder automatisch er folgen.

Üblicherweise ist bei solchen Getrieben nur eine Vorgelege welle vorgesehen; lediglich bei schweren Nutzkraftwagenge trieben wird die Leistung über zwei oder drei Vorgelegewel len übertragen, um die Belastung der Zahnräder herabzuset zen.

Als mechanische Synchronisiereinrichtungen werden häufig Einfach- oder Doppel- Konussynchronisierungen verwendet, bei denen über Reibflächen eine Kraftübertragung vom Ge triebeausgang zur Vorgelegewelle erfolgt. Über diese Kupp lungen werden die Drehzahlen der über die Zahnräder zu kop pelnden Wellen kraftschlüssig angeglichen, wobei bei einer Sperrsynchronisierung durch eine Sperreinrichtung das form schlüssige Schalten des jeweiligen Ganges erst nach Abschluß des Synchronisierungsvorganges ermöglicht wird. Bei vorgegebenen Getriebedaten und Betriebsbedingungen ist letzlich die Betätigungskraft an der Reibfläche der Syn chronisierungskupplung die entscheidende Größe zur Beein flussung der Schaltzeit. Es ist wünschenswert, daß diese Schaltzeit möglichst kurz ist. Insbesondere bei Nutzfahr zeuggetrieben wird die erforderliche Schaltkraft zur Errei chung akzeptabler geringer Schaltzeiten immer mehr bemän gelt. Es sind daher verschiedentlich Anstrengungen unter nommen worden, durch technische Mittel möglichst kurze Schaltzeiten bei möglichst geringen Schaltkräften zu errei chen.

Hierzu ist es bekannt, für die Betätigung der Synchroni siereinrichtungen Kraftverstärker zu verwenden, wobei pneu matische oder hydraulische Servozylinder bzw. elektromoto rische Servoeinheiten verwendet werden. Ebenso ist eine Servosynchronisierung bekannt, bei der durch eine inte grierte Servoeinrichtung eine Kraftverstärkung beim jewei ligen Gangwechsel erzielt wird.

Mit beiden bekannten Lösungen werden die Schaltzeiten ver kürzt; dieses wird jedoch im wesentlichen dadurch erreicht, daß die Synchronisiereinrichtungen schneller betätigt wer den, was insbesondere zu einer erhöhten Belastung der Reib flächen der Konussynchronisierung führt, in einzelnen Fäl len sogar zur Überlastung dieser Reibflächen.

Bei Getrieben ohne mechanische Synchronisiereinrichtungen wurde auch versucht, die Drehzahlanpassung der bei einem Schaltvorgang zu koppelnden Wellen mit Fremdmitteln, z. B. durch Energiekopplung mit Hilfe eines separaten Antriebes auf die Vorgelegewelle zu erreichen. Eine derartige Zen tralsynchronisierung findet z. B. bei der Steuerung von Klauengetrieben Anwendung. Diese werden heute teilweise noch bei schweren Nutzkraftfahrzeugen verwendet, um das beim Hochschalten erforderliche Doppelkuppeln bzw. beim Rückschalten erforderliche Zwischengasgeben zu vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei den heute üblicherweise verwendeten synchronisierten Stufenschaltge trieben mit mechanischen Synchronisiereinrichtungen die Schaltzeiten zu verkürzen, ohne daß die Getriebe und ins besondere die Synchronisiereinrichtungen stärker belastet werden; außerdem soll für die Schaltzeitverkürzung ein einfacher und ggf. nachrüstbarer Aufbau vorliegen.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Demgemäß wird zur Unterstützung der Drehzahlanpassung der miteinander über die Zahnräder zu koppelnden Wellen bei einem Schaltvorgang die Vorgelegewelle mit einer An triebseinrichtung verbunden, über die die Drehzahl auf den gewünschten Sollwert gebracht wird. Die Schaltunterstützung erfolgt somit nicht mehr über eine stärkere Anpressung der Reibflächen der Synchronisiereinrichtungen, sondern durch direktes Aufbringen einer Beschleunigungsenergie auf die Vorgelegewelle. Bei Getrieben mit mehreren Vorgelegewellen müssen entsprechend mehrere derartige Antriebseinrichtungen vorgesehen sein. Im volgenden wird zur Vereinfachung je weils nur von einer Vorgelegewelle gesprochen.

Bevorzugt ist die Antriebseinrichtung für die Vorgelegewel le ein Elektromotor, der starr oder über eine Kupplung mit der Vorgelegewelle verbunden ist.

Mit dem Vorschlag gemäß der Erfindung ergeben sich mehrere Vorteile: Zum einen werden die Synchronisiereinrichtungen nicht weiter belastet, da gemäß der Erfindung nicht auf die Reibflächen eingewirkt wird, sondern eine direkt schnelle Drehzahlanpassung der Vorlegewelle erfolgt. Hier durch werden trotz geringer Schaltkräfte kurze Schaltzeiten erreicht. Da zum anderen das herkömmliche synchronisierte Stufenschaltgetriebe weiter verwendet wird, besteht auch kein Sicherheitsproblem, insbesondere hinsichtlich einer langfristigen, technischen Überprüfung. Des weiteren ist auch keine negative Rückwirkung auf die Handbetätigung bei einem manuell geschaltetem Getriebe, wie etwa eine Hemmung, vorhanden. Schließlich kann das gesamte System sehr ein fach ausgeführt werden, wobei eine Sensorik nur in einem geringen Umfang notwendig ist und insgesamt der Aufbau für die gewünschte Funktion gering ist. Letztendlich können durch die Antriebseinheit für die Vorgelegewelle noch Ne benfunktionen erfüllt werden: So kann z. B. bei Verwendung eines Elektromotors dieser im Normalbetrieb als zusätzli cher Stromgenerator verwendet werden. Auch zur Verhinde rung, etwa von Fehlschaltungen, kann über die Antriebsein heit, vorzugsweise den Elektromotor, ein entgegengerichte tes Drehmoment erzeugt werden, wenn aufgrund der in eine Systemsteuerung eingegebenen Daten eine gewünschte Schal tung als fehlerhaft erkannt wird. Dadurch wird der Syn chronvorgang und letztendlich auch das Schalten in den fal schen Gang erschwert oder verhindert.

Gemäß der Erfindung ist eine Funktionssteuerung für die Synchronisierung vorgesehen, mit der die Wirksamkeit und Wirkrichtung der mechanischen Synchronisierung erfaßt und die für den optimalen Schaltvorgang zu erreichende Drehzahl der Vorgelegewelle bestimmt wird. Aufgrund der erfaßten Daten wird dann die Antriebseinrichtung, also insbesondere der Elektromotor auf die gewünschte Drehzahl gebracht und mit der Vorgelegewelle gekoppelt.

Die Funktionssteuerung weist bevorzugt eine Kraftsensorein richtung mit zumindest einem Kraftsensor auf, der die bei einem Schaltvorgang jeweils vorliegende Schaltkraft am Schalthebel bzw. der Schaltmuffe mißt. Des weiteren ist eine Drehzahlsensoreinrichtung mit zumindest einem Dreh zahlsensor vorgesehen, mit dem die Drehzahl und die Wirk richtung des Drehzahlverlaufes der Vorgelegewelle bei ei nem Schaltvorgang erfaßt wird. Die Daten dieser beiden Sensoreinrichtungen werden einer Auswerteeinrichtung inner halb der Funktionssteuerung zugeführt, die daraus die zu einer Drehzahlanpassung notwendige Drehzahl der Vorgelege welle bestimmt und die Antriebseinheit, also insbesondere den Elektromotor entsprechend ansteuert und mit der Vorge legewelle koppelt.

Zur optimalen Drehzahlanpassung der Vorgelegewelle bei ei nem Schaltvorgang können natürlich noch weitere Parameter der Funktionssteuerung eingegeben und dort entsprechend berücksichtigt werden. So kann etwa das Drehzahlverhältnis zwischen Antriebs- und Abtriebswelle ausgewertet werden, ebenso der Schaltweg der Synchronisiereinrichtungen, der z. B. mit Hilfe eines Wegsensors, ferner der jeweils zu schaltende Gang, der etwa aus der Schalthebelstellung ab leitbar ist, etc. Ferner kann die Steuerelektronik etwa über weitere elektronische Mittel direkt den Verbrennungs motor in seinen Kenndaten führen, um dadurch den Schaltvor gang zusätzlich zu unterstützen.

Auch wenn als Antriebseinheit bevorzugt ein Elektromotor vorgeschlagen ist, so ist es natürlich möglich, die Ener giekopplung auf die Vorgelegewelle über andere mechanische Mittel zu erreichen, z. B. eine Vorgelegebremse zum Absen ken der Drehzahl der Vorgelegewelle und entsprechende Hoch treiber, z. B. eine einschaltbare Kopplung zwischen An triebs- und Vorgelegewelle, zum Anheben der Drehzahl der Vorgelegewelle.

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand einer einzigen Figur näher erläutert, in der ein synchronisiertes Stufenschaltgetriebe gemäß der Erfindung in einem schema tischen Diagramm dargestellt ist.

Das Schaltgetriebe weist eine Antriebswelle 1, eine Ab triebswelle 2 und getriebeintern eine Hauptwelle 3 sowie eine Vorgelegewelle 4 auf. Hauptwelle 3 und Vorgelegewelle 4 können über mehrere Zahnräder 5 miteinander gekoppelt werden, wobei die Zahnräder jeweils paarweise in Eingriff stehen und zum Koppeln der beiden Welle in ihrer Drehzahl durch Synchronisiereinrichtungen 6 miteinander in Eingriff bringbar sind.

Im vorliegenden Fall ist ein manuell schaltbares Getriebe dargestellt, so daß zum manuellen Schalten in unterschied liche Gänge des Getriebes mit entsprechend unterschiedli chen Übersetzungen ein Schalthebel 7 vorgesehen ist, der in einem Schwenklager 8 gehalten ist und an seinem Ende eine Schaltgabel 9 mit einer Schaltmuffe 10 trägt, die über eine hier nicht dargestellte Schaltschiene in die Synchroni siereinrichtungen 6 des Getriebes eingreift. Über den Schalthebel können die Zahnräder auf der Haupt- und Vorge legewelle miteinander gekoppelt werden, wobei durch die Synchronisiereinrichtungen 6 bei einem Schaltvorgang die Drehzahlen der beiden Wellen aneinander angepaßt werden.

Mit einem Kraftsensor 11, der entweder wie dargestellt, direkt am Schalthebel 7 oder im Bereich der Schaltgabel 9 bzw. der Schaltmuffe 10 angeordnet ist, wird die bei einem Schaltvorgang aufgebrachte Schaltkraft gemessen und einer Funktionssteuerung 12 als Kraftsignal zugeführt.

Für die Vorgelegewelle 4 ist ein Drehzahlsensor 13 zuge führt, dessen Ausgangssignal an die Funktionssteuerung 12 als Drehzahlsignal weitergeleitet wird.

Das Kraftsignal und das Drehzahlsignal der Sensoren 11 bzw. 13 werden in einer Auswerteschaltung 14 der Funktionssteue rung 12 so ausgewertet, daß die Wirksamkeit und Wirkrich tung der mechanischen Synchronisierung bei einem Schaltvor gang erkannt und die für eine Drehzahlanpassung der Hauptwelle 3 und Vorgelegewelle 4 notwendige Drehzahlände rung der Vorgelegewelle 4 bestimmt wird. Eine mit der Aus werteeinrichtung 14 gekoppelte Steuereinrichtung 15 inner halb der Funktionssteuerung 12 liefert aufgrund dieser Be stimmungen Steuersignale an einen Elektromotor 16, der über eine Kupplung 17 und eine Zahnradübersetzung 18 mit der Vorgelegewelle 4 verbunden werden kann.

Der Elektromotor 16 wird durch die Steuersignale auf eine entsprechende, für eine Drehzahlanpassung der Wellen 3 und 4 erforderliche Drehzahl gebracht und über die Kupplung 17 und die Zahnradübersetzung 18 mit der Vorgelegewelle 4 ge schaltet. Damit kann die Schaltmuffe 10 die Synchroni siereinrichtungen 6 betätigen, wodurch der Schaltvorgang abgeschlossen ist.

Solange der Elektromotor 16 nicht zur Unterstützung der Drehzahländerung benötigt wird, kann er als zusätzlicher Stromgenerator verwendet werden, der dann im Normalbetrieb des Kraftfahrzeuges ein entsprechendes Stromsignal I ab gibt.

Die Drehzahlanpassung der Vorgelegewelle 4 in Verbindung mit der Funktion der Synchronisiereinrichtungen 6 kann noch durch weitere Parameter verbessert werden. Hierzu ist ein Stellungssensor 19 vorgesehen, der die Stellung des Schalt hebels 7 erfaßt und diese als Stellungssignal in die Funk tionssteuerung 12 eingibt. Des weiteren ist ein Wegsensor 20 vorgesehen, der die Stellwege innerhalb der Synchroni siereinrichtungen 6 erfaßt und als Wegsignale ebenfalls in die Funktionssteuerung 12 eingibt. Weiterhin können in die Funktionssteuerung 12 noch die Drehzahl der Antriebswelle und die Drehzahl der Abtriebswelle sowie weitere Motorpara meter eingegeben werden, was exemplarisch durch die zusammengefaßte Eingabe 21 dargestellt ist. Mit diesen zusätz lichen Parametern kann die Drehzahlanpassung der Vorgelege welle 4 optimiert werden, so daß die Schaltzeit des Ge triebes weiter verringert wird.

Aufgrund der zusätzlichen Eingaben 21 können zudem noch, wie durch den Pfeil 22 angedeutet, Motorsteuerungssignale ermittelt werden, die an die Motorsteuerung weitergeleitet werden, so daß dadurch der aktuelle Zustand des Motors so eingestellt wird, daß der jeweilige Schaltvorgang des Ge triebes zusätzlich unterstützt wird.

Mit dem Elektromotor 16 und der Zahnradübersetzung 18 ist noch eine weitere Kupplung 23 verbunden, die ebenfalls von der Funktionssteuerung 12 angesteuert wird und mit der die Trägheitsmassen des Elektromotors und sonstiger damit ge koppelter Elemente 24 im Bedarfsfalle zugekoppelt bzw. ent koppelt werden können.

Wenn kein Elektromotor 16 zur Drehzahlanpassung der Vorge legewelle verwendet wird, so ist, wie in der Figur gestri chelt dargestellt, eine Anpassungseinrichtung 25 vorgese hen, die zwischen der Antriebswelle 1 und der Vorgelegewel le 4 eingeschaltet ist. Diese Anpassungseinrichtung 25 weist dann z. B. eine Vorgelegebremse und eine zwischen den beiden Wellen wirkende Übersetzung auf, die beide über die Funktionssteuerung 12 zur Drehzahlanpassung angesteuert werden.

Bei Verwendung eines Elektromotors wird dieser bevorzugt während des Anlaßvorganges des Motors zugeschaltet, um Schleppverluste im Getriebe zu reduzieren.

Bezugszeichenliste

1

Antriebswelle

2

Abtriebswelle

3

Hauptwelle

4

Vorgelegewelle

5

Zahnräder

6

Synchronisiereinrichtungen

7

Schalthebel

8

Schwenklager

9

Schaltgabel

10

Schaltmuffe

11

Kraftsensor

12

Funktionssteuerung

13

Drehzahlsensor

14

Auswerteschaltung

15

Steuereinrichtung

16

Elektromotor

17

Kupplung

18

Zahnradübersetzung

19

Stellungssensor

20

Wegsensor

21

zusätzliche Eingaben

22

Pfeil

23

Kupplung

24

Elemente

25

Anpassungseinrichtung

Claims

1. Synchronisiertes Stufenschaltgetriebe mit einer An triebswelle (1) und einer Abtriebswelle (2), einer Hauptwelle (3) und mindestens einer Vorgelegewelle (4), die zur Erzeugung unterschiedlicher Übersetzungen in einzelnen Gangstufen über jeweils paarweise miteinander zu kämmende Zahnräder (5) koppelbar sind, wobei zur Drehzahlanpassung der zu koppelnden Wellen mechanische Synchronisiereinrichtungen (6) vorgesehen sind, die mit Hilfe eines durch eine Schaltkraft verschiebbaren Schalthebels (7) und einer damit verbundenen Schaltmuf fe (10) betätigbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterstützung der Drehzahlanpassung der miteinander zu koppelnden Wellen (3, 4) bei einem Schaltvorgang die zumindest eine Vorgelegewelle (4) mit einer An triebseinrichtung (16) zur Änderung der Drehzahl der Vorgelegewelle (4) verbunden ist.

2. Schaltgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Funktionssteuerung (12) vorgesehen ist, die die Wirkrichtung der mechanischen Synchronisierung (6) erfaßt, die zu erreichende Drehzahl der zumindest ei nen Vorgelegewelle (4) bestimmt und entsprechend der erfaßten Daten die Antriebseinrichtung (17) mit der zumindest einen Vorgelegewelle (4) koppelt.

3. Schaltgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Funktionssteuerung (12) einen Kraftsensor (11), der die bei einem Schaltvorgang des Getriebes jeweils vorliegende Schaltkraft am Schalthebel (7) oder der Schaltmuffe (10) mißt, einen Dreh zahlsensor (13) zum Bestimmen der Drehzahl und der Wirk richtung des Drehzahlverlaufes der zumindest einen Vorgelegewelle (4) bei einem Schaltvorgang und eine Auswerte- und Steuerschaltung (14, 15) aufweist, die aus den Daten der Sensoren (11, 13), die zu erreichende Drehzahl der zumindest einen Vorgelegewelle (4) be stimmt, die Antriebseinrichtung (16) entsprechend steu ert und mit der zumindest einen Vorgelegewelle (4) kop pelt.

4. Schaltgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehzahlanpassung der zumindest einen Vorgelegewelle (4) bei einem Schaltvor gang die Funktionssteuerung (12) das Drehzahlverhältnis zwischen An- und Abtriebswelle (1, 2) auswertet.

5. Schaltgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Wegsensoren (20) zum Er fassen des Schaltweges der Synchronisiereinrichtungen (6) vorgesehen sind, deren Ausgangssignale an die Funk tionssteuerung (12) übertragen und dort zur Optimierung der Drehzahlanpassung ausgewertet werden.

6. Schaltgetriebe nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Funktionssteuerung mit einer Signalquelle (19) für den zu schaltenden Gang verbunden ist.

7. Schaltgetriebe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalquelle für den zu schaltenden Gang ein Stellungssensor (19) ist, der die Schalthebelstellung erfaßt.

8. Schaltgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung ein Elektromotor (16) ist.

9. Schaltgetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (16) starr mit der zumindest ei nen Vorgelegewelle (4) des Schaltgetriebes gekoppelt ist.

10. Schaltgetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (16) über eine Kupplung (17) mit der Vorgelegewelle (4) gekoppelt ist.

11. Schaltgetriebe nach einem der Ansprüche 8 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (16) als Zusatzstromgenerator ausgelegt ist.

12. Schaltgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verhinderung einer in der Funktionssteuerung (12) aufgrund der gelieferten Daten erkannten Fehlschaltung die Antriebseinrichtung (16) ein der erforderlichen Drehzahlanpassung entgegen gesetztes Drehmoment auf die zumindest eine Vorgelege welle (4) überträgt und damit den Synchronisierungsvor gang bei einem Schaltvorgang erschwert bzw. einen sol chen verhindert.

13. Schaltgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (25) eine Vorgelegebremse und einen Hochtreiber für die Vorgelegewelle (4) auf weist.