DE4326182A1

DE4326182A1 - Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung eines Anzeigesignals oder eines Steuersignals für ein sinnvolles Hochschalten eines Stufengetriebes eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE4326182A1
Application number: DE4326182A
Authority: DE
Inventors: Bernd Guido Dipl Ing Schulze
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1992-08-10
Filing date: 1993-08-04
Publication date: 1994-02-17

Description

Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung eines Anzeigesignals oder eines Steuersignals für ein sinnvolles Hochschalten eines Stufengetriebes eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Erzeugung eines Anzeigesignals oder eines Steuersignals für ein sinnvolles Hochschalten eines handgeschalteten oder eines auto matisch schaltenden Stufengetriebes eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor in den nächsthöheren Gang bzw. in die nächst höhere Schaltstufe.

Der Fahrer eines Kraftfahrzeugs mit handgeschaltetem Stufenge triebe wird während des Fahrbetriebs, insbesondere an Steigungen oder bei starkem Gegenwind o. ä., laufend vor die Frage ge stellt, ob ein Hochschalten in den nächsthöheren Gang möglich bzw. sinnvoll ist. Physikalisch bedeutet das, eine Antwort auf die Frage zu geben, ob nach dem durch das Hochschalten bewirkten Momentenübersetzungssprung die mit dem eingelegten neuen höheren Getriebegang maximal mögliche Zugkraft an der Antriebsachse aus reichend groß sein wird, um die gerade vorliegende Fahrzeugge schwindigkeit zumindest aufrechtzuerhalten.

Der durchschnittlich begabte Fahrer hat unter normalen Be triebsbedingungen im allgemeinen ein recht gutes Gespür für den richtigen Zeitpunkt zum Hochschalten entwickelt; bei atypischen Betriebsbedingungen jedoch, wie z. B. an Steigungen, bei vollbe ladenem Fahrzeug, bei Einsatz eines Dachgepäckträgers oder bei Anhängerbetrieb o. a. ist er dagegen häufig überfordert.

Bei Kraftfahrzeugen mit automatisch schaltenden Stufengetrieben können im Prinzip vergleichbare Schwierigkeiten auftreten, ins besondere dann, wenn sie mit einer Geschwindigkeitsregelanlage ausgestattet sind, die zunehmend Verbreitung finden. In diesen Fällen kann es unter ungünstigen Betriebsbedingungen immer wie der zu einem permanenten Wechsel zwischen zwei Schaltstufen kom men, was sehr lästig ist und daher unbedingt vermieden werden sollte.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, diese Mißlichkeiten auszuräumen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa tentanspruchs 1 sowie des Patentanspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird also aus festabgespeicherten Motor- und Ge triebedaten sowie aus während des Fahrbetriebs kontinuierlich erfaßten relevanten Betriebsdaten kontinuierlich umlaufend zum einen die vor dem Hochschalten gerade wirksame Antriebskraft F₁ an der Antriebsachse errechnet und zum anderen die Antriebskraft F₂, die an der Antriebsachse dann wirksam wäre, wenn bei dersel ben Fahrzeuggeschwindigkeit v_F in die nächsthöhere Getriebestufe hochgeschaltet und gleichzeitig die Kraftstoffzumeßeinrichtung maximal oder im oberen Bereich ausgesteuert werden würde, und es wird ein Anzeigesignal oder ein Steuersignal nur dann abgegeben, wenn die Bedingung F₂F₁-m×b₁ erfüllt ist, worin m die Fahrzeugmasse und b₁ die Fahrzeugbeschleunigung vor dem Hoch schalten bedeuten.

Bei einem Kraftfahrzeug mit handgeschaltetem Stufengetriebe wird dem Fahrer durch das abgegebene akustische oder optische Anzei gesignal ein sicheres Hilfsmittel an die Hand gegeben, um stets nur zum richtigen bzw. sinnvollen Zeitpunkt in den nächsthöheren Getriebegang des Stufengetriebes hochzuschalten, nämlich dann, wenn sicher ist, daß die gerade gefahrene Fahrzeuggeschwindig keit auch im nächsthöheren Gang beibehalten werden kann und der Fahrer nicht etwa wieder wegen abfallender Fahrzeuggeschwindig keit infolge zu geringer Zugkraft an der Antriebsachse sofort wieder in den niedrigeren Gang zurückschalten muß.

Bei einem Kraftfahrzeug mit einem automatisch schaltenden Stu fengetriebe wird dagegen vorteilhafterweise erreicht, daß eine durch die üblichen Regeleinrichtungen des automatischen Stufen getriebes ggf. initiierte Ansteuerung der nächsthöheren Schalt stufe automatisch so lange unterdrückt wird, bis durch das abge gebene Steuersignal eine Freigabe erfolgt, d. h. so lange, bis gewährleistet ist, daß die in der nächsthöheren Schaltstufe wirksame Antriebskraft an der Antriebsachse so groß ist, daß sie mit Sicherheit zumindest die Aufrechterhaltung der gerade gefah renen Fahrzeuggeschwindigkeit gewährleistet.

Für das Kräftegleichgewicht in Fahrzeuglängsrichtung gilt für ein Kraftfahrzeug ganz allgemein:

F - m × b - W_L - W_R - m × g × sinα = 0 (1)

worin F die Zugkraft an der Antriebsachse,
m die Fahrzeugmasse,
b die Fahrzeugbeschleunigung,
W_L den Luftwiderstand,
W_R den Rollwiderstand und
m × g × sinα den Steigungswiderstand der Fahrbahn bedeuten.

Für den Zusammenhang zwischen der Zugkraft F an der Antriebsach se und dem Motormoment M_mot gilt die Beziehung:

worin i* die Gesamtübersetzung und
R_dyn den dynamischen Reifenhalbmesser des Antriebsrades bedeuten.

Die Größe des Motormoments eines Verbrennungsmotors ist bekannt lich abhängig von der Motordrehzahl n_mot sowie von der Größe der Aussteuerung α_DK der Kraftstoffzumeßeinrichtung, bei einem Ver gasermotor also vom Drosselklappenöffnungswinkel. Für jeden Ver brennungsmotor gibt es daher ein spezifisches Motorkennfeld oder Drosselklappen-Kennfeld M_mot=f(α_DK, n_mot), das in elektroni schen Speichereinrichtungen abgespeichert werden kann. Aus einem solchen abgespeicherten Motor- bzw. Drosselklappen-Kennfeld kann für jedes meßtechnisch erfaßte Drehzahl/Drosselklappen-Wertepaar das dazugehörige Motormoment M_mot entnommen werden.

Unter der realistischen Annahme, daß sich die wirksamen Fahrwi derstände W_L, W_R und m×g×sinα in der kurzen Zeitspanne eines Hochschaltens in den nächsthöheren Getriebegang bzw. in die nächsthöhere Schaltstufe praktisch nicht ändern, kann unter Zu grundelegung der Gleichung (1) für das Kräftegleichgewicht in Fahrzeuglängsrichtung des Kraftfahrzeuges unmittelbar vor und unmittelbar nach einem Hochschalten die Beziehung aufgestellt werden,

F₁ - m × b₁ - F₂ + m × b₂ = 0 (3)

worin die Indizes 1 und 2 die wirksamen Werte vor bzw. nach dem Hochschalten in die nächsthöhere Getriebestufe bedeuten.

Unter der praxisgerechten vereinfachenden Annahme, daß die Fahr zeugbeschleunigung unmittelbar nach dem Hochschalten b₂=0 ist (Grenzfall), ergibt sich aus Gleichung (3) für die nach dem Hochschalten an der Antriebsachse wirksame Zugkraft die Bezie hung

F₂ = F₁ - m × b₁ (4)

oder, als Voraussetzung für ein sinnvolles Hochschalten in die nächsthöhere Getriebeübersetzung:

F₂ F₁ - m × b₁ (5).

Ob die Gleichung bzw. Ungleichung (5) erfüllt ist oder nicht, kann bei Kenntnis einiger meßtechnisch einfach erfaßbarer aktu eller Betriebsdaten mit vergleichsweise geringem Aufwand an be kannten elektronischen Bauelementen ermittelt und dann zur Abga be von ein Hochschalten als sinnvoll signalisierenden Anzeige signalen oder ein Hochschalten zulassenden Steuersignalen ausge nutzt werden.

Mit entsprechenden Sensoreinrichtungen erfaßt werden müssen im wesentlichen lediglich die Fahrzeuggeschwindigkeit v_F, welche der Drehzahl der Fahrzeugräder proportional ist, die Motor drehzahl n_mot sowie der Aussteuerungsgrad α_DK der Kraftstoffzu meßeinrichtung (z. B. Drosselklappenöffnungswinkel des Verga sers).

Wenn diese Betriebsdaten bekannt sind, können aus abgespei cherten Motor- bzw. Drosselklappen-Kennfeldern M_mot = f(n_mot, α_DK) sowie abgespeicherten Getriebedaten in einfacher Weise das zu einem bestimmten erfaßten n_mot/α_DK - Wertepaar gehörige Mo tormoment M_mot sowie - aus dem Quotienten aus Motordrehzahl n_mot und Fahrgeschwindigkeit v_F (bzw. der dazu proportionalen Rad drehzahl) - das gerade wirksame Gesamtübersetzungsverhältnis i* ermittelt und entsprechend Gleichung (2) die an der Antriebs achse wirksame Zugkraft errechnet werden. Die in Gleichung (5) auftretende Fahrzeugbeschleunigung b₁ vor dem Hochschalten kann entweder in bekannter Weise durch Differentiation aus der er faßten Fahrzeuggeschwindigkeit v_F ermittelt oder aber ebenfalls meßtechnisch erfaßt werden.

Eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Erzeugung eines zugkraft abhängigen Anzeigesignals oder Steuersignals für das Hochschal ten eines handgeschalteten oder eines automatisch schaltenden Stufengetriebes eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor in den jeweils nächsthöheren Gang bzw. in die nächsthöhere Schalt stufe enthält daher eine elektronische Speichereinrichtung, in welcher u. a. das Motor- bzw. Drosselklappen-Kennfeld M_mot= f(n_mot, α_DK) des Verbrennungsmotors sowie die Daten der in den einzelnen Gängen bzw. Schaltstufen des Stufengetriebes vor liegenden Gesamtübersetzungsverhältnisse i* abrufbar abgespei chert sind, sowie Sensoreinrichtungen zumindest zur Erfassung der Fahrzeuggeschwindigkeit v_F oder einer dazu proportionalen Raddrehzahl n, zur Erfassung der Motordrehzahl n_mot sowie zur Erfassung des Aussteuerungszustandes α_DK der Kraftstoffzumeßein richtung, also der Drosselklappenstellung bei einem Vergasermo tor. Darüber hinaus enthält die erfindungsgemäße Einrichtung ei ne u. a. elektronische Speicher-, Rechen- und Logikbausteine enthaltene elektronische Steuereinheit, z. B. einen Mikropro zessor oder einen Mikrorechner, in welcher aus den in der Spei chereinrichtung fest eingespeicherten Motor- und Getriebedaten sowie aus den ihr von den Sensoreinrichtungen zugeführten zwi schengespeicherten Betriebsdaten kontinuierlich umlaufend zu nächst jeweils das aktuelle Gesamtübersetzungsverhältnis i₁*, die aktuelle Fahrzeugbeschleunigung b₁ (falls diese nicht be reits durch Sensoreinrichtungen unmittelbar erfaßt wurde), sowie die aktuelle Zugkraft F₁ an der Antriebsachse nach der Beziehung

ermittelt werden. Außerdem wird in der elektronischen Steuerein heit die sich bei der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit v_F1 nach einem evtl. Hochschalten für das nächsthöhere Gesamtüberset zungsverhältnis i₂* ergebende niedrigere Motordrehzahl n_mot2 so wie die dazugehörige Zugkraft F₂ an der Antriebsachse nach der Beziehung

errechnet, wobei für den Aussteuerungszustand α_DK2 der Kraft stoffzumeßeinrichtung nach dem Hochschalten eine maximale oder im oberen Bereich liegende Aussteuerung angenommen wird.

Sobald die Gleichung (5), d. h. die Beziehung F2F-m×b₁ er füllt ist, wird von der Steuereinheit bei handgeschalteten Stu fengetrieben ein akustisches oder optisches Anzeigesignal ausge löst, das den Fahrer erkennen läßt, daß die Fahrzeuggeschwindig keit auch nach einem Hochschalten in den nächsthöheren Getriebe gang zumindest aufrechterhalten werden kann, ein Hochschalten also sinnvoll wäre.

Bei einem automatisch schaltenden Stufengetriebe wird bei Erfül lung der Gleichung (5) dagegen ein Steuersignal abgegeben, durch welches das zuvor steuerungstechnisch blockierte Hochschalten des Automatikgetriebes in die nächsthöhere Schaltstufe automa tisch aufgehoben wird.

Es ist leicht erkennbar, daß es bei Einsatz der erfindungsgemä ßen Einrichtung generell nicht mehr vorkommen kann, daß das au tomatisch schaltende Stufengetriebe eines Kraftfahrzeugs bei un günstigen Betriebsbedingungen u. U. für eine gewisse Zeit zwi schen zwei Schaltstufen des Getriebes nervös hin- und herschal tet.

Wie die Gleichung bzw. Ungleichung (5) erkennen läßt, spielt für die Entscheidung über ein sinnvolles Hochschalten in die nächst höhere Getriebestufe auch die Fahrzeugmasse m eine Rolle.

Der regelungstechnische Aufwand kann besonders klein gehalten werden, wenn in Gleichung (5) als Fahrzeugmasse m ein konstanter Wert angesetzt wird, was in jedem Falle dann sinnvoll und von Vorteil ist, wenn das betreffende Kraftfahrzeug zumindest wäh rend des größten Teils seiner Betriebszeit zumindest annähernd mit derselben Last betrieben wird.

Die Praxis zeigt, daß ein Großteil der Personenkraftwagen über einen wesentlichen Teil ihrer Betriebszeit nur mit dem Fahrer besetzt sind. In diesen Fällen ist es zweckmäßig, die Steuerein heit der erfindungsgemäßen Einrichtung derart auszubilden, daß bei der Ermittlung der Beziehung F₂F₁-m×b₁ als Fahrzeug masse m die Summe aus dem Fahrzeugleergewicht und dem Gewicht eines mittelschweren Fahrers, im allgemeinen etwa 75 kg, vorge geben ist.

Wenn in Gleichung (5) für die Fahrzeugmasse m ein vergleichs weise niedriger konstanter Wert eingesetzt wird, dann werden das Anzeigesignal bzw. das Steuersignal natürlich nur für diesen speziellen Ladungszustand des Fahrzeugs zum exakt richtigen Zeitpunkt ausgelöst. Bei tatsächlich größerer Fahrzeugmasse, d. h. bei höherer Beladung des Fahrzeugs, erfolgt die Abgabe eines Anzeige- bzw. Steuersignals lediglich etwas später als an sich möglich. Die Abgabe der Signale liegt also in jedem Fall "auf der sicheren Seite".

Mit steuerungstechnischen Mehraufwand ist es aber auch möglich, die jeweils vorliegende aktuelle Fahrzeugmasse m aus den festab gespeicherten Motor- und Getriebekennfeldern sowie aus von den Sensoreinrichtungen zu zwei zeitlich dicht aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t₁, t₂ erfaßten Betriebsdaten zu errechnen.

Unter der realistischen Annahme, daß die Fahrwiderstände während dieser kurzen Zeitspanne praktisch konstant bleiben, ergibt sich auf der Basis der Gleichung (1) für das Kräftegleichgewicht in Längsrichtung des Fahrzeugs für die beiden Zeitpunkte t₁ und t₂ die Beziehung

F(t₁) - m × b(t₁) - F(t₂) + m × b(t₂) = 0 (6)

woraus sich die aktuelle Masse ergibt:

Die zu den Zeitpunkten t₁ und t₂ wirksamen Zugkräfte F(t₁) und F(t₂) sowie die Fahrzeugbeschleunigungen b(t₁) und b(t₂) werden wie zuvor bereits erläutert auf der Basis der zu diesen Zeit punkten ermittelten Betriebsdaten v_F, n_mot und α_DK sowie aus den fest abgespeicherten Motor- und Getriebekennfeldern errechnet.

Um bei der rechnerischen Ermittlung der tatsächlichen Fahrzeug masse größere Fehler zu vermeiden, ist es zweckmäßig, unter An wendung üblicher Methoden laufend eine Plausibilitätsunter suchung durchzuführen und hierbei zu berücksichtigen, daß die aktuelle Masse zum einen größer oder gleich der Summe aus Fahr zeugleergewicht und Fahrergewicht ist, d. h. m m_leer+Fahrer und zum anderen während einer durchgeführten Fahrt konstant ist, also m≃const.

Durch fortwährende Mittelwertbildung plausibler Werte ergibt sich so nach Gleichung (7) eine recht exakte Berechnung der Mas se m.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung eines Anzeigesignals oder eines Steu ersignals für ein sinnvolles Hochschalten eines handgeschal teten oder eines automatisch schaltenden Stufengetriebes ei nes Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor in den nächst höhe ren Gang bzw. in die nächst höhere Schaltstufe,
dadurch gekennzeichnet,
daß aus fest abgespeicherten Motor- und Getriebedaten sowie aus kontinuierlich erfaßten relevanten Betriebsdaten kontinu ierlich umlaufend zum einen die gerade wirksame Zugkraft F₁ an der Antriebsachse errechnet wird und zum anderen die Zug kraft F₂, die an der Antriebsachse dann wirksam wäre, wenn bei derselben Fahrzeuggeschwindigkeit v_F und bei maximaler oder im oberen Bereich liegender Aussteuerung α_DK2 der Kraft stoffzumeßeinrichtung in die nächst höhere Getriebestufe hochgeschaltet werden würde,
und daß ein Hochschalten als sinnvoll signalisierende Anzei gesignale oder ein Hochschalten zulassende Steuersignale nur dann abgegeben werden, wenn die Bedingung F₂F₁-m×b₁ erfüllt ist, worin m die Fahrzeugmasse und b₁ die Fahrzeugbe schleunigung vor dem Hochschalten bedeuten.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß kontinuierlich umlaufend die Fahrzeuggeschwindigkeit v_F oder eine dazu proportionale Drehzahl n, die Motordrehzahl n_mot und der Aussteuerungsgrad α_DK der Kraftstoffzumeßein richtung erfaßt, daraus sowie aus den fest abgespeicherten Motor- und Getriebedaten oder -kennlinien bzw. -kennfeldern die gerade wirksame Zugkraft an der Antriebsachse sowie die nach einem eventuellen Hochschalten sich für das nächst höhere Gesamtübersetzungsverhältnis i₂* ergebende Zug kraft an der Antriebsachse errechnet werden
und daß ein Anzeigesignal oder ein Steuersignal zum Hoch schalten nur dann abgegeben wird, wenn die GleichungF₂ F₁ - m × b₁erfüllt ist, worin m die Fahrzeugmasse bedeutet.

3. Einrichtung zur Erzeugung eines zugkraftabhängigen Anzeige signals oder Steuersignals für das Hochschalten eines handge schalteten oder eines automatisch schaltenden Stufengetriebes eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor in den nächsthöhe ren Gang bzw. in die nächsthöhere Schaltstufe, gekennzeichnet

a) durch eine Speichereinrichtung, in der u. a. das Motor kennfeld M_mot=f(n_mot, α_DK) sowie die Daten der in den einzelnen Gängen bzw. Schaltstufen vorliegenden Gesamt übersetzungsverhältnisse i* abrufbar abgespeichert sind,
b) durch Sensoreinrichtungen zumindest zur Erfassung der Fahrzeuggeschwindigkeit v_F oder einer dazu proportionalen Drehzahl n, zur Erfassung der Motordrehzahl n_mot sowie zur Erfassung des Aussteuerungszustands α_DK der Kraftstoffzu meßeinrichtung (z. B. Drosselklappenstellung des Vergasers bei Vergasermotoren) und
c) durch eine u. a. Speicher-, Rechen- und Logikbausteine enthaltende elektronische Steuereinheit (z. B. Mikro prozessor, Mikrorechner), in der aus den in der Speicher einrichtung fest abgespeicherten Motor- und Getriebedaten sowie aus den ihr von den Sensoreinrichtungen zugeführten zwischengespeicherten Betriebsdaten kontinuierlich umlauf end
- c1) zunächst jeweils das aktuelle Gesamtübersetzungsver hältnis i₁*, die aktuelle Beschleunigung b₁ - falls nicht bereits durch Sensoreinrichtungen miterfaßt -, sowie die aktuelle Zugkraft an der Antriebsachse ermittelt werden,
- c2) danach die sich bei der aktuellen Fahrgeschwindigkeit v_F1 nach einem eventuellen Hochschalten für das nächst höhere Gesamtübersetzungsverhältnis i₂* erge bende niedrigere Motordrehzahl n_mot2 sowie die dazu gehörige Zugkraft an der Antriebsachse bei angenommener maximaler oder im oberen Bereich liegender Aussteuerung α_DKmax der Kraftstoffzumeß einrichtung errechnet werden und
- c3) ein Hochschalten als sinnvoll signalisierende Anzei gesignale oder ein Hochschalten zulassende Steuersig nale erst dann erzeugt werden, wenn die Beziehung F₂ F₁-m×b₁ erfüllt ist, worin m die Fahrzeug masse bedeutet.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ermittlung der Beziehung F₂F₁-m×b₁ als Fahrzeugmasse m ein konstanter Wert vorgegeben ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Fahrzeugmasse in etwa die Summe aus dem Fahrzeugleer gewicht und dem Gewicht eines mittelschweren Fahrers vorgege ben ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ermittlung der Beziehung F₂F₁-m×b₁ die Fahrzeugmasse m aus den fest abgespeicherten Motor- und Ge triebedaten sowie aus den von den Sensoreinrichtungen zu je weils zeitlich dicht aufeinander folgenden Zeitpunkten t₁, t₂ erfaßten Betriebsdaten nach der Beziehung errechnet wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Errechnung der Fahrzeugmasse m zur Vermeidung größerer Fehler nach an sich üblichen Methoden fortlaufend eine Plausibilitätsuntersuchung durchgeführt wird.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie zumindest zum Teil integrierter Bestandteil bereits zu anderen Zwecken installierter Sensor- und/oder Speicher einrichtungen und/oder elektronischer Steuer- und/oder Regel einrichtungen ist.