DE3838767C2 - - Google Patents
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Description
Stufenlos wirkende hydrostatisch-mechanische Lastschaltgetriebe
der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 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 erlaubt
den Bereich der Brennkraftmaschine auf Vorzugskennlinien.
Solche Kennlinien können z. B. die Kurve für minimalen
Kraftstoffverbrauch oder eine Linie für ein gutes Beschleunigungsverhalten
sein.
Bei einem Gangwechsel kehrt sich die Leistungsflußrichtung im
hydrostatischen Getriebe um. Die Verdrängermaschinen vertauschen
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 synchroner
Drehzahlen in der zu schaltenden Kupplung des neuen
Ganges ihr Verdrängungsvolumen V auf einen größeren Wert eingestellt
werden als den des theoretischen Verdrängungsvolumens
V theoretisch , der für leckölfreien Betrieb vorliegen
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 entsprechendes
Verändern des Verdrängungsvolumens V erhält der
neue Gang Last. Der Hochdruck im hydrostatischen Getriebe
geht auf den Speisedruck zurück. Jetzt stützt das hydrostatische
Getriebe nicht mehr ab. Der alte und der neue Gang übertragen
je zur Hälfte das Drehmoment auf die Abtriebswelle.
Durch weiteres Verändern des Verdrängungsvolumens übernimmt
das hydrostatische Getriebe wieder Last, wobei sich die Funktionen
von Pumpe und Motor vertauschen. Führt man die Volumenveränderung
richtig durch, so übernimmt der neue Gang das
gesamte Drehmoment und der alte läßt sich nahezu lastfrei
trennen. Die Leckölströme und damit die notwendigen Volumenkorrekturen
hängen aber von den Größen Druck, Drehzahl, Temperatur,
Ölviskosität, Schwenkwinkel, Fertigungstoleranzen
und Verschleiß ab. Bei jedem Schaltvorgang liegen in der Regel
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 Synchronlauf
gestört werden, so daß es nicht zum Einlegen des neuen
Ganges kommt.
Die Schaltkräfte zur Betätigung der Schaltkupplungen müssen
so bemessen sein, daß zur unmittelbar nach Verlagern der Last von
dem alten auf den neuen Gang, das durch richtige Verdrängungsvolumenveränderung
bewirkt wird, der alte Gang drehmomentfrei
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 Bereitstellung
der Schaltkräfte erfolgt durch Schaltzylinder, die
vom Speisekreislauf des hydrostatischen Getriebes versorgt
werden. Der Speisedruck richtet sich nach den Betriebsbedingungen.
Ein schwankender Speisedruck hat aber auch veränderliche
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 Vorgänge
beim Umschaltvorgang gehen diese Schriften nicht näher
ein.
Die Offenlegungsschrift DE 28 32 610 A1 befaßt sich auch mit
Getrieben nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Die Lehre
dieser Schrift behandelt den Umschaltvorgang. Allerdings erfolgt
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 Planetenradträger
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 Planetenradträger
47 sowie das Hohlrad 48 und der Planetenradträger
42 jeweils eine Einheit. Im 1. Gang steht die Einheit
48/42 über eine Lamellenbremse 60 mit dem Getriebegehäuse
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 verstellbare
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 erläutert.
Im 1. Gang läuft die verstellbare Verdrängermaschine 25
als Pumpe und die unverstellbare 21 als Motor, wobei die Maschine
25 vor dem Gangwechsel ihr maximales Volumen aufweist,
das dann gleich dem Volumen der Maschine 21 ist. Die Zahnradübersetzungen
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 werden
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 Massen
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 Beginn
und am Ende des Gangwechsels betragsmäßig gleiche Drehmomente
an den Wellen der Verdrängermaschinen vorliegen. Auf
diese Weise soll gewährleistet sein, daß die absolute Druckdifferenz
zwischen Hoch- und Niederdruckseite und damit auch
die Leckölströme konstant bleiben. Der vorstehend beschriebene
Gangwechsel soll sich relativ schnell vollziehen, so daß
sich die Übersetzung des gesamten Getriebes möglichst unbeeinflußt
von den Gangschaltungen kontinuierlich verstellen
lassen kann.
Nach der Lehre der vorstehend erörterten Offenlegungsschrift
DE 28 32 610 A1 läßt sich eine übersetzungsmäßige 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, Fertigungstoleranzen und
Verschleiß. Im allgemeinen wird daher bei jedem Gangwechsel
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 Oberbegriff
des Patentanspruches 1 angegebenen Getrieben die Schaltqualität
zu verbessern. Im einzelnen sollen die Schaltstöße
beseitigt, das Einrücken eines neuen Ganges sichergestellt
und die Schaltkräfte konstant gehalten werden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruches 1. Damit ist der Vorteil verbunden,
daß Schaltstöße vermieden werden, was die Schaltqualität
erheblich verbessert. Mit den Ausgestaltungen nach den
Ansprüchen 2 und 3 wird das sichere Einlegen eines neuen
Ganges ermöglicht, während nach dem Anspruch 4 die Konstanthaltung
der Schaltkraft erreicht wird.
Als Beispiel zeigt Fig. 1 ein stufenlos wirkendes hydrostatisch-mechanisches Lastschaltgetriebe bei dem das Anfahren
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 Konzepts 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 Planetenradträger
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 Verdrängermaschine
b, Glied s′ die langsamlaufende Koppelwelle E
und Glied 2″ die schnellaufende Koppelwelle A.Die volumenverstellbare
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 Antriebswelle 2
verbinden. Die rechte Hälfte von Z 4 verfügt über Synchronisierungselemente, um Rad 6 vorbereitend zu- oder ausschalten
zu können. Das Lösen von Rad 6 soll zu hohe Losraddrehzahlen
von Rad 5 vermeiden, die im 4. Gang entstehen würden.
Fig. 2 stellt für das Getriebe nach Fig. 1 Verläufe von Drehzahlen
n dar. Das Diagramm zeigt die auf die Antriebsdrehzahl
bezogene Abtriebsdrehzahl n₂/n₁ abhängig vom Drehzahlverhältnis
der Verdrängermaschinen n b /n a und markiert die jeweils
leistungsführenden Gänge und Koppelwellen.
Nachfolgende Tafel demonstriert die Schaltlogik. Es bedeuten
die Zeichen
vorbereitend ausschalten
○ vorbereitend zuschalten
○ vorbereitend zuschalten
Fig. 3 bringt für das Getriebe nach Fig. 1 schematisch den
Aufbau der Steuer- und Regeleinrichtung. Das hydrostatisch-mechanische
Lastschaltgetriebe dient als Stellglied zur Beeinflussung
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 Betreib entlang A minimaler Kraftstoffverbrauch und entlang
B größere Motordrehmomentreserven für sportliches Fahren.
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 Spannung
U zugeordnet, die in einem elektronischen Speicher 5
entsprechend der gewählten Kennlinie A oder B eine der Motorsolldrehzahl
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 Verdrängermaschine
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 Ölstrom
in den hydrostatischen Kreislauf der Verdrängermaschinen
a, b. Die Hauptleitungen 12; 13 mit den Druckbegrenzungsventilen
14; 15 und die Speiseleitung 16 mit den Rückschlagventilen
17; 18 bilden den hydrostatischen Kreislauf. Die
Speiseleitung 16 steht auch mit dem Proportionalventil 19 zur
Verstellung des Stellkolbens 20 zur Veränderung des Verdrängervolumens
V a der Verdrängermaschine a in Verbindung. Leckölströme
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 Regelsignal y dem
Proportionalventil zurückgeführt wird. y verhält sich proportional
dem Verdrängungsvolumen V a . Ein Verändern von V a
bewirkt die Verstellung der Übersetzung i₁₂ = n₁/n₂ des hydrostatisch-mechanischen
Lastschaltgetriebes. Außerhalb einer
vorgegebenen Toleranz verkleinert sich bei positiven Werten
U i-US und vergrößert sich bei negativen Werten U i-Us die
Übersetzung i₁₂. Wenn der Fahrer des Gaspedal nicht mehr betätigt,
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. Erfordert
die Regelung einen Gangwechsel, so verändert entsprechend
dem 2. Anspruch der Schalter 23 die Regelgrößen von
U i -U s auf U i -U b . Ein Subtrahierer 26 bildet die notwendige
Spannungsdiferenz 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-Zahnkupplung
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 bewegen
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. unaktive
Lage der Schaltkolben 29, 30, 31 und 32 für die Zahnkupplungen
melden. Somit liegt bei einem Gangwechsel die Reihenfolge
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. Anspruch
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 entspricht
dem Ansteuerwert unmittelbar nach eingelegtem neuen
Gang.
Das theoretische Verdrängungsvolumen V a theoretisch ist konstant,
also unabhängig von den Btriebsbedingungen und läßt
sich experimentell ermitteln. Bei hochgebocktem Fahrzeug regelt
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 anschließend
im 2. Gang zum Übergang auf den 1. Gang. Beim ersten
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 drehmomentfrei
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 Schaltkolben
29, 30, 31 und 32 müssen daher mit einem richtig bemessenen
konstanten Druck beaufschlagt werden. Deshalb befindet
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 Proportionalventil
19 einen Impuls zur geringfügigen Veränderung
des Verdrängungsvolumens V a , um ein Durchschalten zu gewährleisten.
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 Gangwechsel
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 Drehzahldifferenz
der Verdrängermaschine des hydrostatischen Getriebes
als Regelgröße für die Verstellung des Verdrängungsvolumens
V benutzt wird, um das Schalten bei synchronen Drehzahlen
zu ermöglichen.
3. Getriebe nach den Ansprüchen 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet,
daß zum Einlegen des Anfahrganges das Verdrängungsvolumen V
von Null auf einen 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 dieses
Ventils gewährleistet.
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DE19883838767 DE3838767A1 (de) | 1987-05-12 | 1988-05-09 | Stufenlos wirkendes hydrostatisch-mechanisches lastschaltgetriebe mit hoher schaltqualitaet |
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DE3838767A1 DE3838767A1 (de) | 1989-06-08 |
DE3838767C2 true DE3838767C2 (de) | 1990-04-12 |
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Country | Link |
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DE (1) | DE3838767A1 (de) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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