DE3838767C2

DE3838767C2 -

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Publication number: DE3838767C2
Application number: DE19883838767
Authority: DE
Inventors: Friedrich Prof. Dr.-Ing. 4300 Essen De Jarchow; Dietrich Dr.-Ing. 4630 Bochum De Haensel; Peter Dipl.-Ing. 4690 Herne De Doettger
Original assignee: Individual
Current assignee: Claas Industrietechnik GmbH
Priority date: 1987-05-12
Filing date: 1988-05-09
Publication date: 1990-04-12
Also published as: DE3838767A1

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

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-U_S und vergrößert sich bei negativen Werten U _i-U_s 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

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.