DE3838767A1 - Stufenlos wirkendes hydrostatisch-mechanisches lastschaltgetriebe mit hoher schaltqualitaet - Google Patents

Description

Stufenlos wirkende hydrostatisch-mechanische Lastschaltge­ triebe der im Oberbegriff der Patentansprüche angegebenen Art eignen sich vorteilhaft für Kraftfahrzeuge, da sie sich in weiten Bereichen stufenlos verstellen lassen und außerdem gute Wirkungsgrade haben. Der relativ große Stellbereich er­ laubt den Betrieb der Brennkraftmaschine auf Vorzugskenn­ linien. Solche Kennlinien können z. B. die Kurve für minima­ len Kraftstoffverbrauch oder eine Linie für ein gutes Be­ schleunigungsverhalten sein.

Bei einem Gangwechsel kehrt sich die Leistungsflußrichtung im hydrostatischen Getriebe um. Die Verdrängermaschinen vertau­ schen dabei ihre Funktionen als Pumpe und Motor. Arbeitet die verstellbare Verdrängermaschine in dem alten Gang als Pumpe, dann muß zur Deckung der Leckölströme und zur Erreichung syn­ chroner Drehzahlen in der zu schaltenden Kupplung des neuen Ganges ihr Verdrängungsvolumen V auf einen größeren Wert ein­ gestellt werden als den des theoretischen Verdrän­ gungsvolumens V _theoretisch, der für leckölfreien Betrieb vor­ liegen würde. Wenn diese Verdrängermaschine aber im alten Gang als Motor läuft, hat sie im neuen Gang, wo sie dann als Pumpe wirkt, ein zu kleines Verdrängungsvolumen V.

Bei einem zu vollziehenden Gangwechsel wird zunächst der neue Gang bei synchronen Drehzahlen lastfrei eingelegt. Durch ent­ sprechendes Verändern des Verdrängungsvolumens V erhält der neue Gang Last. Der Hochdruck im hydrostatischen Getriebe geht auf den Speisedruck zurück. Jetzt stützt das hydrostati­ sche Getriebe nicht mehr ab. Der alte und der neue Gang über­ tragen je zur Hälfte das Drehmoment auf die Abtriebswelle. Durch weiteres Verändern des Verdrängungsvolumens übernimmt das hydrostatische Getriebe wieder Last, wobei sich die Funk­ tionen von Pumpe und Motor vertauschen. Führt man die Volu­ menveränderung richtig durch, so übernimmt der neue Gang das gesamte Drehmoment und der alte läßt sich nahezu lastfrei trennen. Die Leckölströme und damit die notwendigen Volumen­ korrekturen hängen aber von den Größen Druck, Drehzahl, Tem­ peratur, Ölviskosität, Schwenkwinkel, Fertigungstoleranzen und Verschleiß ab. Bei jedem Schaltvorgang liegen in der Re­ gel andere Leckölströme vor. Man muß deshalb eine relativ hohe Ausrückkraft bereitstellen, um in jedem Fall den alten Gang trennen zu können. Dies bedeutet aber ein plötzliches Verlagern der Last vom alten auf den neuen Gang. Auf diese Weise entstehen unangenehme Schaltstöße.

Das Einlegen eines neuen Ganges bei synchronen Drehzahlen kann dadurch behindert werden, daß bei der Schaltkupplung Zahn vor Zahn steht. Durch dynamisch bedingtes Überschwingen der volumengeregelten Verdrängermaschine kann der Synchron­ lauf gestört werden, so daß es nicht zum Einlegen des neuen Ganges kommt.

Die Schaltkräfte zur Betätigung der Schaltkupplungen müssen so bemessen sein, daß unmittelbar nach Verlagern der Last von dem alten auf den neuen Gang, das durch richtige Verdrän­ gungsvolumenveränderung bewirkt wird, der alte Gang drehmo­ mentfrei ausgelegt wird. Bei zu großer Schaltkraft würde der alte Gang vorzeitig herausgerissen. Dies wäre mit Rucken und Verschleiß verbunden. Bei zu kleiner Schaltkraft würde diese zur Trennung der Schaltkupplung nicht ausreichen. Die Bereit­ stellung der Schaltkräfte erfolgt durch Schaltzylinder, die vom Speisekreislauf des hydrostatischen Getriebes versorgt werden. Der Speisedruck richtet sich nach den Betriebsbedin­ gungen. Ein schwankender Speisedruck hat aber auch veränder­ liche Schaltkräfte zur Folge und stört so ein ruckfreies Schalten.

Die Patentschriften US 38 88 139, US 37 09 060, DE 31 47 447 C2 und DE 35 12 523 C1 beschreiben solche Getriebe. Auf die Vor­ gänge beim Umschaltvorgang gehen diese Schriften nicht näher ein.

Die Offenlegungsschrift DE 28 32 610 A1 befaßt sich auch mit Getrieben nach dem Oberbegriff der Patentansprüche. Die Lehre dieser Schrift behandelt den Umschaltvorgang. Allerdings er­ folgt bei diesem keine Volumenkorrektur. Wie hier Schaltstöße vermieden werden sollen, läßt sich z. B. mit dem Getriebe nach Fig. 1 erklären.

Das vierwellige Planetengetriebe besteht aus der Stufe P-1 mit den Gliedern Sonnenrad 40, Hohlrad 43 und Planetenradträ­ ger 42 mit Planetenrädern 41 sowie aus der Stufe P-2 mit den Elementen Sonnenrad 45, Hohlrad 48 und Planetenradträger 47 mit Planetenrädern 46. Es bilden das Hohlrad 43 und der Pla­ netenradträger 47 sowie das Hohlrad 48 und der Planeten­ radträger 42 jeweils eine Einheit. Im 1. Gang steht die Ein­ heit 48/42 über eine Lamellenbremse 60 mit dem Getriebege­ häuse und im 3. Gang über eine Lamellenkupplung 63 mit der Antriebswelle 11 in Verbindung. Das Sonnenrad 45 läuft im 1. und 3. Gang leer. Im 2. Gang schließt die Lamellenkupplung 65 es an die Antriebswelle 11 an. Die Einheit 43/47 stellt die Abtriebswelle dar. Es schließen Zahnräder 18; 17 die ver­ stellbare Verdrängermaschine 25 an die Antriebswelle 11 und Zahnräder 23; 50 die unverstellbare Verdrängermaschine 21 an das Sonnenrad 40 an.

Der Erfindungsgedanke der genannten Offenlegungsschrift DE 28 32 510 A1 sei nun an Hand der vorstehend beschriebenen Fig. 1 beispielhaft für den Wechsel vom 1. in den 2. Gang erläu­ tert. Im 1. Gang läuft die verstellbare Verdrängermaschine 25 als Pumpe und die unverstellbare 21 als Motor, wobei die Ma­ schine 25 vor dem Gangwechsel ihr maximales Volumen aufweist, das dann gleich dem Volumen der Maschine 21 ist. Die Zahnrad­ übersetzungen sind nun so abgestimmt, daß der Gangwechsel vorsynchron beginnt, wobei in der Lamellenkupplung 65 der zum Sonnenrad 45 gehörende Teil etwas langsamer läuft als der Teil, der mit der Antriebswelle 11 eine Einheit bildet. Im weiteren Verlauf des Gangwechsels muß eine überlappende Schaltung erfolgen, wenn die Zugkraft nicht unterbrochen wer­ den soll. Die Bremse 60 lüftet und die Lamellenkupplung 65 schließt. Bei diesem Vorgang soll die Trägheit der mit der Abtriebswelle und der mit der Antriebswelle verbundenen Mas­ sen eine Beschleunigung der Sonnenräder 45 und 40 bewirken, so daß sich die Drehzahlen von Sonnenrad 45 und Antriebswelle 11 angleichen und die Verdrängermaschine 21 eine um ca. 15 höhere Drehzahl als die verstellbare Verdrängermaschine 25 erhält, wodurch die nun als Pumpe wirkende Verdrängermaschine die Leckölströme ausgleichen kann. Das Konzept des Getriebes sieht ferner vor, daß bei gleichem Abtriebsdrehmoment zu Be­ ginn und am Ende des Gangwechsels betragsmäßig gleiche Dreh­ momente an den Wellen der Verdrängermaschinen vorliegen. Auf diese Weise soll gewährleistet sein, daß die absolute Druck­ differenz zwischen Hoch- und Niederdruckseite und damit auch die Leckölströme konstant bleiben. Der vorstehend beschrie­ bene Gangwechsel soll sich relativ schnell vollziehen, so daß sich die Übersetzung des gesamten Getriebes möglichst unbe­ einflußt von den Gangschaltungen kontinuierlich verstellen lassen kann.

Nach der Lehre der Erfindung der vorstehend erörterten Offen­ legungsschrift DE 28 32 610 A1 läßt sich eine überset­ zungsmäßige Auslegung nur für einen bestimmten Leckölstrom, z. B. 15% im hydrostatischen Getriebe vornehmen. Dieser richtet sich aber, wie bereits erwähnt, nach den Größen Druck, Drehzahl, Temperatur, Ölviskosität, Fertigungstoleran­ zen und Verschleiß. Im allgemeinen wird daher bei jedem Gang­ wechsel ein anderer Leckölstrom vorliegen, so daß man ein ruckfreies Schalten, d. h. einen hohen Schaltkomfort nicht erzielen kann. Außerdem gestattet die Lösung keinen Einsatz von Schalt-Zahnkupplungen.

Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, bei den im Oberbe­ griff der Patentansprüche angegebenen Getrieben die Schalt­ qualität zu verbessern. Im einzelnen sollen die Schaltstöße beseitigt, das Einrücken eines neuen Ganges sichergestellt und die Schaltkräfte konstant gehalten werden.

Anspruch 1 beschreibt die Lösung zur Beseitigung von Schalt­ stößen. Die Ansprüche 2 und 3 geben Lehren für das sichere Einlegen eines neuen Ganges. Aus Anspruch 4 geht die Maßnahme für eine konstante Schaltkraft hervor.

Als Beispiel zeigt Fig. 1 ein stufenlos wirkendes hy­ drostatisch-mechanisches Lastschaltgetriebe bei dem das An­ fahren vorwärts oder rückwärts rein hydrostatisch über einen 0. Gang erfolgt. Fig. 2 gibt den zugehörigen Drehzahlplan wieder. Fig. 3 stellt den Plan für die Steuerung und Regelung dieses Getriebes dar.

Das vierwellige Planetengetriebe des Konzeptes nach Fig. 1 besteht aus der Planetenstufe I mit dem Sonnenrad 1′, Hohlrad 2′ und Planetenradträger s′ mit den Planetenrädern p′ und der Planetenstufe II mit dem Sonnenrad 1′′, Hohlrad 2′′ und Plane­ tenradträger s′′ mit den Planetenrädern p′′. Es bilden die Glieder s′′ und 2′ die Antriebswelle 1, die Glieder 1′ und 1′′ die Welle B für den Anschluß der volumenkonstanten Ver­ drängermaschine b, Glied s′ die langsamlaufende Koppelwelle E und Glied 2′′ die schnellaufende Koppelwelle A. Die volumen­ verstellbare Verdrängermaschine a steht über die Zahnräder 3,4 mit der Antriebswelle 1 in Verbindung. Die Koppelwellen verhalten sich so, daß sie in einer Extremstellung des hydrostatischen Getriebes gleiche Drehzahlen aufweisen und daß sie beim Verstellen des hydrostatischen Getriebes in die andere Extremlage ihre Drehzahlen so ändern, daß die Koppelwelle A stetig schneller und die Koppelwelle E stetig langsamer wird. Die Schalt-Zahnkupplung Z 1 kann zum Anfahren vorwärts oder rückwärts den 0. Gang mit den Rädern 9, 10, 11 einlegen und so die Verdrängermaschine b mit der Abtriebswelle 2 verbinden. Mit der Doppelschalt-Zahnkupplung Z 2 läßt sich die Koppelwelle E über die Räder 5, 6 für den 1. Gang oder über die Räder 7, 8 für den 3. Gang und mit der Schalt-Zahnkupplung Z 3 die Koppelwelle A über die Räder 5, 6 für den 2. Gang sowie mit der Doppelschalt-Zahnkupplung Z 4 über die Räder 7′, 8′ für den 4. Gang mit der Abtriebswelle 2 verbinden. Die rechte Hälfte von Z 4 verfügt über Synchro­ nisierungselemente, um Rad 6 vorbereitend zu- oder ausschal­ ten zu können. Das Lösen von Rad 6 soll zu hohe Losraddreh­ zahlen von Rad 5 vermeiden, die im 4. Gang entstehen würden.

Fig. 2 stellt für das Getriebe nach Fig. 1 Verläufe von Dreh­ zahlen n dar. Das Diagramm zeigt die auf die Antriebsdrehzahl bezogene Abtriebsdrehzahl n ₂/n ₁ abhängig vom Drehzahlverhält­ nis der Verdrängermaschinen n _b/n _a und markiert die jeweils leistungsführenden Gänge und Koppelwellen.

Nachfolgende Tafel demonstriert die Schaltlogik. Es bedeuten die Zeichen

Fig. 3 bringt für das Getriebe nach Fig. 1 schematisch den Aufbau der Steuer- und Regeleinrichtung. Das hydrostatisch- mechanische Lastschaltgetriebe dient als Stellglied zur Be­ einflussung der Motordrehzahl.

Der Fahrer 1 wählt über einen Schalter 2 die Neutralstellung N, Rückwärtsfahrt R oder Vorwärtsfahrt V 0 bei Betrieb mit dem 0. Gang, V 1 bei Betrieb mit dem 0. Gang und 1. Gang, V 2 bei Betrieb mit dem 0., 1. und 2. Gang, V 3 bei Betrieb mit dem 0., 1., 2. und 3. Gang oder im Normalfall, V 4 bei Betrieb mit allen Vorwärtsgängen sowie über einen weiteren Wahlschalter 3 die Kennlinie A oder B. Die Kennlinien A und B liegen im Kennfeld der Brennkraftmaschine bzw. des Motors. Es bedeuten der Betrieb entlang A minimaler Kraftstoffverbrauch und ent­ lang B größere Motordrehmomentreserven für sportliches Fah­ ren. Das Umschalten zwischen den Stellungen V 0 bis V 4 sowie zwischen A und B kann während der Fahrt erfolgen. Der Betrieb mit verringerter Gangzahl unterstützt das sportliche Fahren. Außerdem bedient der Fahrer das Gaspedal mit dem Winkel δ und damit die Drosselklappe mit dem Winkel α.

Dem Gashebelwinkel δ ist über ein Potentiometer 4 eine Span­ nung U zugeordnet, die in einem elektronischen Speicher 5 entsprechend der gewählten Kennlinie A oder B eine der Motor­ solldrehzahl proportionale Spannung U _s aktiviert. Die zum Drosselklappenwinkel α jeweils gehörende Motoristdrehzahl wird zum Beispiel mit Hilfe der Zündspule 6 in Form einer proportionalen Spannung U _i angezeigt. Betragsmäßig hat die Verdrängermaschine a dieselbe Drehzahl wie der Motor. U _i =U _a verhält sich daher auch proportional der Drehzahl der Ver­ drängermaschine a. Ein Sensor 7 liefert eine zur Drehzahl der Verdrängermaschine b proportionale Spannung U _b .

Die Speisepumpe 8 fördert über ein Rückschlagventil 9 und einen Filter 10 gegen das Druckbegrenzungsventil 11 einen Öl­ strom in den hydrostatischen Kreislauf der Verdrängermaschi­ nen a, b. Die Hauptleitungen 12; 13 mit den Druckbegrenzungs­ ventilen 14; 115 und die Speiseleitung 16 mit den Rückschlag­ ventilen 17, 18 bilden den hydrostatischen Kreislauf. Die Speiseleitung 16 steht auch mit dem Proportionalventil 19 zur Verstellung des Stellkolbens 20 zur Veränderung des Verdrän­ gervolumens V _a der Verdrängermaschine a in Verbindung. Leck­ ölströme gelangen zurück in den Ölsumpf 21 des Getriebes.

Der Subtrahierer 22 gibt die Spannungsdifferenz U _i -U _s über einen Schalter 23 an den Regler 24, dessen Stellsignal y dem Proportionalventil 19 zurückgeführt wird. y verhält sich pro­ portional dem Verdrängungsvolumen V _a . Ein Verändern von V _a bewirkt die Verstellung der Übersetzung i ₁₂=n ₁/n ₂ des hy­ drostatisch-mechanischen Lastschaltgetriebes. Außerhalb einer vorgegebenen Toleranz verkleinert sich bei positiven Werten U _i -U _s und vergrößert sich bei negativen Werten U _i -U _s die Übersetzung i ₁₂. Wenn der Fahrer das Gaspedal nicht mehr be­ tätigt, verringert sich automatisch die Übersetzung. Hingegen bewirkt das Treten der Bremse eine Erhöhung der Übersetzung, so daß der Motor zusätzlich verzögert.

Ein Logikbaustein 25 registriert den eingelegten Gang. Erfor­ dert die Regelung einen Gangwechsel, so verändert ent­ sprechend dem 2. Anspruch der Schalter 23 die Regelgrößen von U _i-U_s auf U _i-U_b. Ein Subtrahierer 26 bildet die notwen­ dige Spannungsdifferenz U _i-U_b, die auf Null eingeregelt wird. Durch die Pendelung um Null stellt man sicher, daß der Gang eingelegt wird, auch wenn momentan in der Schalt-Zahn­ kupplung Zahn vor Zahn steht.

Der Komparator 27 unterscheidet, ob U _i größer oder kleiner U _s ist. Er teilt dem Logikbaustein ein entsprechendes Signal mit, um den Stellkolben 20 in die richtige Richtung zu bewe­ gen und um den Zähler um 1 hinauf oder herunter zu setzen. Der Komparator 28 gibt dem Logikbaustein 25 mit U _b < U _i den Startimpuls zum Gangwechsel. Ferner erhält der Logikbaustein 25 Signale von den Wegaufnehmern, die die neutrale bzw. unak­ tive Lage der Schaltkolben 29, 30, 31 und 32 für die Zahn­ kupplungen melden. Somit liegt bei einem Gangwechsel die Rei­ henfolge der zu betätigenden 4/3-Wegeventile 33 und 34 sowie der 4/2-Wegeventile 35 und 36 fest.

Nach Einlegen eines neuen Ganges wird nun gemäß dem 1. An­ spruch ein neuer Ansteuerwert y _neu =2 y _theoretisch - y _alt , d. h. V _{a neu} = 2 V _{a theoretisch} - V _{a alt} vorgegeben. y _theoretisch liegt als gespeicherter Wert vor. y _alt ent­ spricht dem Ansteuerwert unmittelbar nach eingelegtem neuen Gang.

Das theoretische Verdrängungsvolumen V _{a theoretisch} ist kon­ stant, also unabhängig von den Betriebsbedingungen und läßt sich experimentell ermitteln. Bei hochgebocktem Fahrzeug re­ gelt man im Leerlauf synchrone Drehzahlen der Kupplungsteile von den betroffenen Gängen ein, und zwar zum Beispiel zunächst im 1. Gang zum Übergang auf den 2. Gang und an­ schließend im 2. Gang zum Übergang auf den 1. Gang. Beim er­ sten Vorgang wirkt die volumenverstellbare Verdrängermaschine als Pumpe mit V _{a 1} < V _{a theoretisch} und im zweiten Vorgang als Motor mit V _{a 2} < V _{a theoretisch} . Da in beiden Fällen die Leckölströme relativ klein und nahezu gleich sind folgt

V _{a theoretisch} = 0,5 (V _{a 1} + V _{a 2})

Nach der Volumenkorrektur und Herausnahme des alten Ganges tritt der Regelkreis für die Verstellung der Übersetzung des Getriebes wieder in Aktion.

Die Schaltkräfte zur Betätigung der Schaltkupplungen müssen so bemessen sein, daß unmittelbar nach Verlagern der Last von dem alten auf den neuen Gang der alte Gang nahezu drehmoment­ frei ausgerückt wird. Bei zu großer Schaltkraft würde der alte Gang vorzeitig herausgerissen. Dies wäre mit Rucken und Verschleiß verbunden. Bei zu kleiner Schaltkraft würde diese zur Trennung der Schaltkupplung nicht ausreichen. Die Schalt­ kolben 29, 30, 31 und 32 müssen daher mit einem richtig be­ messenen konstanten Druck beaufschlagt werden. Deshalb befin­ det sich gemäß dem 4. Anspruch in der Speiseleitung 37 zu den Schaltventilen 33, 34, 35 und 36 ein Druckminderventil 38. Es baut den je nach Betriebszustand schwankenden Druck in der Speiseleitung 16 bzw. 37 auf einen konstanten Wert ab.

Falls beim Einlegen des 0. Ganges in der Schalt-Zahnkupplung Zahn vor Zahn steht, erhält nach dem 3. Anspruch das Propor­ tionalventil 19 einen Impuls zur geringfügigen Veränderung des Verdrängungsvolumens V _a , um ein Durchschalten zu gewähr­ leisten.

Claims (4)

1. Hydrostatisch-mechanisches Lastschaltgetriebe bestehend aus einem vierwelligen Zahnräder-Planetengetriebe und einem dazu parallel angeordneten stufenlos einstellbaren hydrostatischen Getriebe sowie aus weiteren Zahnrädern, wobei Schaltkupplungen mehrere Gänge realisieren, in denen jeweils das hydrostatische Getriebe eine stufenlose Verstellung der Übersetzung des gesamten Getriebes bewirkt, wobei der Gang­ wechsel bei synchronen Drehzahlen ohne Zugkraftunterbrechung erfolgt und wobei beim Gangwechsel die Verdrängermaschine des hydrostatischen Getriebes ihre Funktionen als Pumpe und Motor vertauschen, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einlegen des neuen Ganges und vor dem Auslegen des alten Ganges die Verdrängermaschine mit dem verstellbaren Verdrängungsvolumen V eine Volumenkorrektur erfährt, und zwar betragsmäßig nach der Beziehung V _neu = 2 V _theoretisch - V _alt .

2. Getriebe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einlegen des neuen Ganges anstelle der Differenz von Ist- und Solldrehzahl der Brennkraftmaschine die Dreh­ zahldifferenz der Verdrängermaschine des hydrostatischen Ge­ triebes als Regelgröße für die Verstellung des Verdrängungs­ volumens V benutzt wird, um das Schalten bei synchronen Dreh­ zahlen zu ermöglichen.

3. Getriebe nach den Ansprüchen 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, daß zum Einlegen des Anfahrganges das Verdrängungsvolumen V von Null auf einen kleinen Wert verstellt wird.

4. Getriebe nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß in der Speiseleitung zu den Schaltventilen für die Schaltzylinder der Gänge ein Druckminderventil vorgesehen wird, das einen konstanten Druck in der Ausgangsleitung die­ ses Ventils gewährleistet.