DE4422554C1 - Vorrichtung zur Drehzahlsynchronisation für ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb - Google Patents

Vorrichtung zur Drehzahlsynchronisation für ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Drehzahl­ synchronisation für ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 42 02 083 A1 ist ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb bekannt, bei dem ein Verbrennungsmotor über eine Kupplung und ein Elektromotor direkt mit einer Getriebeeingangswelle ver­ bunden sind. Der Elektromotor wird zusätzlich als Synchroni­ sationshilfe verwendet, indem während eines Schaltvorgangs die Getriebeeingangswelle auf eine vorgegebene Solldrehzahl gebracht wird. Die Solldrehzahl wird ermittelt mit Hilfe von Gangwahl­ sensoren, die die Bewegung des Ganghebels in der gewünschten Schaltgasse erfassen.
Außerdem ist aus der AT-PS 310 572 ein Schaltgetriebe für Kraft­ fahrzeuge bekannt, bei dem mit Hilfe eines zusätzlichen Elektro­ motors die Drehzahlen der Getriebeeingangs und Getriebeaus­ gangswellen in Abhängigkeit vom gewünschten Gang synchronisiert werden.
Weitere Synchronisationshilfen sind aus der DE 40 12 595 A1, bei der vor dem Wiedereinkuppeln nach einem Gangwechsel die Drehzahl automatisch angepaßt wird, und aus der US 4 991 454, bei der eine Vorrichtung zur Gangwahl während eines Verzögerungszeit­ raumes bei einer halbautomatischen Schaltung vorgesehen ist, bekannt.
Diese Synchronisationshilfen weisen den Nachteil auf, daß sie zu langsam sind, da sie den gewünschten Gang erst dann erkennen, wenn der Handschalthebel in die entsprechende Schaltgasse einge­ führt wird. Dies kann sich störend bemerkbar machen, wenn der Fahrer den Handschalthebel in die Schaltstellung zwingen will, bevor die Synchronisation beendet ist. In diesem Fall wird die Beendigung des Schaltvorgangs kurzzeitig verweigert beziehungs­ weise mit Hakeln quittiert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine solche Vorrichtung derart zu verbessern, daß die Drehzahlsynchronisation in kürzerer Zeit bewerkstelligt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch das Aufteilen der Drehzahlsynchronisation in zumindest einen vorläufigen und einen nachgeschalteten Synchronisations­ vorgang ist es möglich, die Solldrehzahl an der Getriebe­ eingangswelle schneller einzustellen. Bei der vorläufigen Synchronisation wird durch eine Vorsteuerlogik zum frühest möglichen Zeitpunkt ermittelt, ob es sich bei dem eingeleiteten Schaltvorgang um einen Schaltvorgang in einen höheren oder einen niedrigeren Gang handelt. Entsprechend wird dann die ermittelte Solldrehzahl eingestellt. Werden im Verlauf des Schaltvorgangs weitere Informationen zugänglich, an Hand derer eine genauere Identifikation des gewünschten Ganges möglich wird, so wird eine weitere vorläufige Drehzahlsynchronisation durchgeführt. Wird der Handschalthebel schließlich in eine Schaltgasse eingeführt und damit der gewünschte Gang exakt identifiziert, so wird auf dieser Grundlage eine Solldrehzahl ermittelt, mit der letzten vorläufigen Solldrehzahl verglichen und gegebenenfalls angepaßt.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen gehen aus den Unteran­ sprüchen und der Beschreibung hervor. Die Erfindung ist nach­ stehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben, wobei
Fig. 1 eine schematische Prinzipdarstellung eines Kraftfahrzeugs mit Hybridantrieb,
Fig. 2 die Schaltkulisse eines Kraftfahrzeugs mit Fünfgang­ getriebe,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Fünfganggetriebes mit Dreistangenschaltung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Schwenkbereichs des Schalthebels für den dritten und vierten Gang aus Fig. 3,
Fig. 5 einen Ablaufplan einer Drehzahlsynchronisation
Fig. 6 eine Aufteilung der Schaltkulissenbereiche in ent­ sprechende Wertebereiche der Potentiometer P1-4 und
Fig. 7-12 Zugehörigkeitsfunktionen der Eingangs- und Ausgangs­ größen für die Implementierung eines Fuzzy-Reglers zeigen.
Der Hybridantrieb des nicht näher gezeigten Kraftfahrzeugs in Fig. 1 besteht aus einem Verbrennungsmotor 1, einem Elektromotor 2 und einem Schaltgetriebe 3. Der Verbrennungsmotor 1 und der Elektromotor 2 sind auf einer Getriebeeingangswelle 4 des Schaltgetriebes 3 angeordnet, wobei zwischen dem Verbrennungs­ motor 1 und dem Elektromotor 2 eine Trennkupplung 5 vorgesehen ist. Die Getriebeausgangswelle 7 des Schaltgetriebes 3 ist mit einer Antriebswelle 8 des Kraftfahrzeugs verbunden; gegebenen­ falls kann der Elektromotor 2 über eine weitere Kupplung 6 von der Getriebeeingangswelle 4 abgekoppelt werden.
Das Kraftfahrzeug kann wahlweise durch den Verbrennungsmotor 1 allein, durch den Elektromotor 2 allein oder gleichzeitig durch Verbrennungsmotor 1 und Elektromotor 2 angetrieben werden. Beim Antrieb mit Hilfe des Verbrennungsmotors 1 ist die Trennkupplung 5 geschlossen, wobei der Elektromotor 2 in diesem Fall als Generator zum Aufladen einer Batterie 9 betrieben werden kann. Zwischen dem Elektromotor 2 und der Batterie 9 ist ein Wechsel­ richter 55 vorgesehen. Im Mischbetrieb bleibt die Trennkupplung 5 weiterhin geschlossen, wobei der Elektromotor 2 als zusätz­ licher Fahrzeugantrieb verwendet wird. In diesem Betriebszustand kann der Fahrzeugantrieb die maximale Leistung bringen, da sich die vom Verbrennungsmotor 1 und vom Elektromotor 2 abgegebenen Drehmomente an der Getriebeeingangswelle 4 addieren. Beim aus­ schließlichen Betrieb mit Hilfe des Elektromotors 2 wird die Trennkupplung 5 geöffnet. Durch das Öffnen der zweiten Trenn­ kupplung 6 kann zusätzlich auch der Elektromotor 2 vom Antriebs­ strang 8 des Fahrzeugs abgekoppelt werden. Dies ist nur dann erforderlich, wenn das Trägheitsmoment des Elektromotors 2 zu so langwierigen Synchronisationen führt, daß der Schaltvorgang dadurch behindert würde.
Das Schaltgetriebe 3 wird mit Hilfe eines Handschalthebels 10 betätigt. Am Schaltgetriebe 3 sind Gangerkennungs- und Gangwahl­ sensoren 11 angeordnet, mit deren Hilfe der eingelegte Gang i beziehungsweise die momentane Position des Handschalthebels 10 während eines Schaltvorgangs detektiert werden kann. Am Hand­ schalthebel 10 sind außerdem Sensoren 12 zur Erfassung der Quer­ bewegung des Handschalthebels 10 vorgesehen. Die Signale dieser Sensoren 11, 12 werden in einem Steuergerät 13, in dem das weiter unten beschriebene Verfahren zur Drehzahlsynchronisation abläuft, ausgewertet und verarbeitet. Zusätzlich wird mit Hilfe von Drehzahlsensoren 28, 29 die Drehzahlen nein, naus der Getriebeeingangs- und -ausgangswelle 4, 7 als Eingangswert für das Steuergerät 13 ermittelt. Das Steuergerät 13 schickt außer­ dem die für die Drehzahlsynchronisation notwendigen Steuer­ befehle an den Wechselrichter 55 des Elektromotors 2 und gegebenenfalls an weitere Fahrzeugaggregate. Das erfindungs­ gemäße Verfahren kann aber nicht nur auf die hier beschriebene Anordnung, sondern auch auf beliebige andere Hybridantriebe, beispielsweise auch solche ohne Trennkupplung 6 zwischen Elektromotor 2 und Schaltgetriebe 3, angewendet werden. Ferner kann bei einem automatisierten Schaltungsablauf auch der Ver­ brennungsmotor 1 zur Synchronisierung mit angesteuert werden. Im Ausführungsbeispiel wird ein herkömmliches Schaltgetriebe 3 mit mechanischer Synchronisierung verwendet. Während des Schalt­ vorgangs soll die mechanische Synchronisiereinrichtung durch aktive Mithilfe des Elektromotors 2 entlastet werden.
Die Schaltung wird nun anhand der Fig. 2-4 näher beschrieben. Der Handschalthebel 10 ist in einer Schaltkulisse 14 geführt.
Bei der in diesem Ausführungsbeispiel beschriebenen Fünfgang- Schaltung weist die Schaltkulisse 14 insgesamt sechs Schalt­ gassen 15-20 auf. Senkrecht zu einer neutralen Gasse 21 erstrecken sich die Schaltgassen 15-18 für den 1. beziehungs­ weise 3. und den 2. beziehungsweise 4. Vorwärtsgang jeweils in entgegengesetzter Richtung. Zusätzlich ist seitlich von der Schaltgasse 17 für den dritten Gang eine weitere Schaltgasse 20 für den 5. Gang vorgesehen. Auf der in Richtung der neutralen Gasse 21 gegenüberliegenden Seite der Schaltkulisse 14 ist außerdem parallel zum 2. Gang noch eine weitere Schaltgasse 20 für den Rückwärtsgang angeordnet.
Mit den Gangerkennungs- und Gangwahlsensoren 11 und dem Sensor 12 wird laufend die Position des Handschalthebeis 10 in der Schaltkulisse 14 überwacht. Die Art und die genaue Anordnung der Sensoren 11, 12 ist nicht Gegenstand der Erfindung und wird deshalb auch nicht näher beschrieben. Lediglich die Punkte innerhalb der Schaltkulisse 14, die für die Vorsteuerlogik beziehungsweise die endgültige Drehzahlsynchronisation wichtig sind, sind in Fig. 2 schematisch eingezeichnet. Mit Ai sind die Positionen gekennzeichnet, an denen die Gangwahlsensoren 11 ein Einspuren des Handschalthebels 10 in die entsprechende Schalt­ gasse 15-19 erkennen. Die Gangerkennungssensoren 11 erkennen an den Punkten Bi, ob der entsprechende Gang i eingelegt, beziehungsweise momentan ausgespurt wird. An den Punkten Ci-j wird schließlich erkannt, ob der Handschalthebel 10 entlang der neutralen Gasse 21 zwischen zwei Schaltgassen 15-20 bewegt wird. Zur Sensierung können Potentiometer oder Schleifkontakte, die am Handschalthebel 10 oder an den Schalthebeln 25-27 am Schalt­ getriebe 3 vorgesehen sind, verwendet werden.
Die Bewegung des Handschalthebels 10 innerhalb der Schaltkulisse 14 wird mit Hilfe eines Schaltgestänges 22-24 auf Schalthebel 25-27 am Schaltgetriebe 3 übertragen. Wird der Handschalthebel 10 innerhalb der neutralen Gasse 21 bewegt, so befinden sich alle Schalthebel 25-27 ebenfalls in Neutralstellung, so daß keine Kraftübertragung von der Eingangswelle 4 auf die Ausgangs­ welle 7 des Schaltgetriebes 3 erfolgt. Wird nun der Handschalt­ hebel 10 in eine der Schaltgassen 15-20 eingespurt, so wird über die entsprechende Stange 22-24 der zugehörige Schalthebel 25-27 verschwenkt und damit ein vorgegebenes Übersetzungsverhältnis fi am Schaltgetriebe 3 eingestellt. Zu beachten ist, daß der Rück­ wärtsgang und der 5. Gang über eine gemeinsame Stange 22 auf das Schaltgetriebe 3 übertragen wird.
Der Ablauf der Drehzahlsynchronisation wird nun anhand von Fig. 5 näher erläutert. Die folgenden Ausführungen beziehen sich ausschließlich auf Schaltvorgänge zwischen Vor­ wärtsgängen, also in diesem Ausführungsbeispiel des 1. bis 5. Ganges. Auf die Problematik, die bei Schaltvorgängen in und aus dem Rückwärtsgang auftreten, wird weiter unten eingegangen. Die Vorsteuerlogik wird in Block 30 immer dann aktiviert, wenn von einem der Gangerkennungssensoren 11 beim Ausspuren des Hand­ schalthebels 10 aus seiner Rastposition im i. Gang der Beginn eines Schaltvorgangs erkannt wird. In der ersten Stufe des Verfahrens wird anschließend in den Blöcken 31 beziehungsweise 32 überprüft, ob der niedrigste beziehungsweise höchste Gang i eingelegt war. Wird dabei in Block 31 erkannt, daß der Hand­ schalthebel 10 aus dem ersten Gang ausgespurt wurde, so wird zum Block 32 gesprungen, wo der Erwartungswert auf z=2 gesetzt wird. Als Erwartungswert z wird hierbei der von der Vorsteuerlogik erkannte Gangwunsch bezeichnet. War nicht der erste Gang ein­ gelegt, so wird von Block 31 zum Block 33 verzweigt und an­ schließend überprüft, ob der fünfte Gang eingelegt war. Ist dies der Fall, so wird zum Block 34 verzweigt und der Erwartungswert auf z=4 gesetzt. Im anderen Fall, das heißt wenn i≠5 war, wird das Verfahren im Block 35 fortgesetzt. Dieser erste Teil der Vorsteuerlogik beruht auf der Erkenntnis, daß aus dem nied­ rigsten Gang, wiederum ohne Berücksichtigung des Rückwärts­ ganges, nur in einen höheren Gang, beziehungsweise aus dem höchsten Gang nur in einen niedrigeren Gang geschaltet werden kann. Somit kann in diesen beiden Fällen bereits zu diesem sehr frühen Zeitpunkt eine vorläufige Drehzahlsynchronisation durch­ geführt werden. Sollte sich später herausstellen, daß beim aktuellen Schaltvorgang der nächst höhere beziehungsweise niedrigere Gang übersprungen wird, so muß spätestens beim Einspuren in die gewünschte Schaltgasse 15-19 eine weitere Drehzahlsynchronisation auf die dann gültige Solldrehzahl nsoll(z) durchgeführt werden. Die dabei zu überwindende Dreh­ zahldifferenz wird aber durch die vorläufige Drehzahlkorrektur reduziert und somit die Dauer des Synchronisationsvorgangs verkürzt.
Wurde im ersten Teil der Vorsteuerlogik kein Erwartungswert z festgelegt, so wird direkt im Anschluß in Block 35 der zweite Teil der Vorsteuerlogik gestartet. Der zweite Teil betrifft alle Gänge, aus denen sowohl ein Hoch- als auch ein Herunterschalten möglich ist. In diesem Ausführungsbeispiel betrifft dies also die Gänge zwei bis vier. Hierbei wird in Block 35 beziehungs­ weise 37 ausgehend von der momentanen Drehzahl naus der Getriebeausgangswelle 7 anhand des entsprechenden Übersetzungs­ verhältnisses fi+1, fi-1 eine Solldrehzahl nsoll(i+1) für den nächst höheren Gang i+1, beziehungsweise eine Solldrehzahl nsoll(i-1) für den nächst niedrigeren Gang i-1 ermittelt. In Block 35 wird dann überprüft, ob die Solldrehzahl nsoll(i+1) eine für den i+1. Gang vorgegebene Mindestdrehzahl nmin(i+1) unterschreitet. Ist dies der Fall, so wird in Block 36 der Erwartungswert auf z=i-1 gesetzt. Im anderen Fall wird in Block 37 überprüft, ob die Solldrehzahl nsoll(i-1) eine für den i-1. Gang vorgegebene Höchstdrehzahl nmax(i-1) übersteigt und gegebenenfalls in Block 38 der Erwartungswert auf z=i+1 gesetzt.
Im zweiten Teil der Vorsteuerlogik wird also die aktuelle Dreh­ zahlinformation dazu verwendet, einen Wert für den Erwartungs­ wert z zu ermitteln. Auch dieser zweite Teil kann unmittelbar nach dem Ausspuren des Handschalthebels 10 aus der jeweiligen Rastposition Bi durchgeführt werden. Er beruht auf der Erkennt­ nis, daß dann, wenn vor dem Schaltvorgang der Antrieb bereits mit einer niedrigen Drehzahl arbeitete, ein Schaltvorgang in einen höheren Gang unwahrscheinlich ist. Entsprechend kann aus einer hohen Momentandrehzahl geschlossen werden, daß ein Schalt­ vorgang in einen niedrigeren Gang unwahrscheinlich ist. In diesen Fällen wird dann der nächst niedrigere beziehungsweise höhere Gang als Erwartungswert z vorgegeben.
Wurde keine der Bedingungen in den Blöcken 31, 33, 35 und 37 erfüllt, so kann zu diesem frühen Zeitpunkt noch keine Aussage über den Erwartungswert z gemacht werden. Als Erwartungswert z wird in diesem Fall in Block 39 der momentan eingelegte Gang i vorgegeben. Das Verfahren wird anschließend in Block 49 fortge­ setzt wo aus dem momentan gültigen Erwartungswert z und der momentanen Ausgangsdrehzahl naus des Schaltgetriebes 3 die Synchrondrehzahl nsoll(z) berechnet und laufend eingestellt wird. Die genaue Vorgehensweise bei der Drehzahlsynchronisation wird weiter unten beschrieben.
Fortgesetzt wird die Synchronisation anschließend im dritten Teil der Vorsteuerlogik, der die Blöcke 40-48 umfaßt. Hierbei wird in den Blöcken 40 und 44 überprüft, ob der Handschalthebel 10 entlang der neutralen Gasse 21 von einer Schaltgasse 15-20 in eine in Richtung der neutralen Gasse 21 benachbarte Schaltgasse 15-20 bewegt wird. Die Überwachung der Querbewegung erfolgt mit Hilfe der Sensoren 12, die gegebenenfalls die Signale C4-5, C2-3 be­ ziehungsweise CR-1 erzeugen. Wird nun in Block 40 erkannt, daß vom Sensor 12 ein Signal C4-5 erzeugt wurde, so wird zum Block 41 verzweigt. Dort wird überprüft, welcher Gang i bisher einge­ legt war. War bisher der 5. Gang eingelegt, so wird zum Block 42 gesprungen, wo der nächst niedrigere Gang als Erwartungswert z=4 vorgegeben wird. War bisher nicht der fünfte Gang eingelegt, so wird vom Block 41 zum Block 43 gesprungen, wo als Erwartungswert z=5 dann der fünfte Gang vorgegeben wird.
Entsprechend ist die Vorgehensweise, wenn in Block 44 ein Signal C2-3 erkannt wird. In diesem Fall wird in Block 45 überprüft, auf welcher Seite des Sensors 12 sich der Handschalthebel 10 zuvor befunden hat. Wird dabei erkannt, daß der bisherige Gang größer als 2 ist, so wird in Block 46 der nächst niedrigere Gang, also z=2, als neuer Erwartungswert vorgegeben. Wird dagegen erkannt, daß der bisherige Gang kleiner oder gleich zwei war, so wird zum Block 47 verzweigt, wo der nächst höhere Gang, also z=3, als neuer Erwartungswert vorgegeben wird. Aus den Blöcken 42, 43, 46 beziehungsweise 47 wird nach dem Erkennen einer Querbewegung des Handschalthebels 10 jeweils zum Block 48 gesprungen, wo als aktueller Gang i der Erwartungswert z vorgegeben wird, obwohl sich der Handschalthebel 10 zu diesem Zeitpunkt noch in der neutralen Gasse 21 befindet. Anschließend wird dann in Block 49 auf der Basis des aktuellen Erwartungs­ wertes z wiederum die Synchrondrehzahl nsoll(z) ermittelt.
Dieser dritte Teil der Vorsteuerlogik, der dem ersten und zweiten Teil nachgelagert ist, wird ebenfalls noch zu einem Zeitpunkt, an dem der Handschalthebel 10 noch nicht in die gewünschte Schaltgasse 15-20 eingespurt ist, durchgeführt. Auch hier kann der gewünschte Gang im allgemeinen noch nicht endgül­ tig vorhergesagt werden. Die Drehzahlsynchronisation weist jedoch auch hier tendenziell in die richtige Richtung, so daß die bei der endgültigen Drehzahlsynchronisation zu überwindende Drehzahldifferenz zumindest reduziert wird.
Der vierte Teil der Drehzahlsynchronisation, der die Blöcke 50-51 umfaßt, wird durch das Einspuren des Handschalthebels 10 in eine Schaltgasse 15-20 aktiviert. Dieser Vorgang wird von einem der Gangwahlsensoren 11 erkannt, welcher dann ein ent­ sprechendes Signal Aj erzeugt. Für den Rückwärtsgang ist es auch möglich, das Einspuren des Handschalthebels 10 in die Schalt­ gasse 20 bereits durch den Sensor CR-1 zu erkennen, wobei dann auf den Sensor AR verzichtet werden kann. Wird nun in Block 50 ein solches Signal Aj registriert, so wird zum Block 51 ver­ zweigt, wo der Erwartungswert z und anschließend in Block 48 auch der aktuelle Gang i auf diesen Wert j festgelegt wird. Das Verfahren wird dann in Block 49 fortgesetzt, wo die Synchron­ drehzahl nsoll(z) auf der Basis des alten oder gegebenenfalls auf der Basis des neuen Erwartungswertes z ermittelt wird.
Der vierte Teil dient also dazu, eine auf Basis des Erwartungs­ wertes z zuvor durchgeführte vorläufige Drehzahlsynchronisation beim Einspuren in eine Schaltgasse 15-20 gegebenenfalls zu korrigieren. Die vorläufige Drehzahlsynchronisation dient dazu, auf der Basis des Erwartungswertes z die zu überwindende Drehzahldifferenz und somit die für die Drehzahlsynchronisation benötigte Zeitspanne zu verringern. Im Zweifelsfalle hat die endgültige Drehzahlsynchronisation jedoch absoluten Vorrang.
Wurde in den Blöcken 40, 44 und 50 kein Signal eines Gangwahl­ sensors 11 registriert, so wird in Block 52 überprüft, ob der Handschalthebel 10 seine Rastposition Bi erreicht hat. Solange diese Rastposition Bi nicht erreicht ist wird zum Block 49 zurückgesprungen, wo jeweils die Synchrondrehzahl nsoll(z) aktualisiert wird. Beim Erreichen der Rastposition Bi wird vom Block 53 zum Block 54 verzweigt, wo das Verfahren beendet wird.
Die vorläufige und die endgültige Drehzahlsynchronisation laufen folgendermaßen ab: ausgehend von der Ausgangsdrehzahl naus des Schaltgetriebes 3 und von dem angestrebten Gang z wird anhand des jeweiligen Übersetzungsverhältnisses fz die Synchrondrehzahl nsoll(z) berechnet, bei der die in Eingriff zu bringenden Zahnräder des Schaltgetriebes 3 mit gleicher Drehzahl umlaufen. Da sich die Drehzahl naus der Getriebeausgangswelle 7 während des Schaltvorgangs ändern kann, muß die Berechnung der Synchron­ drehzahl nsoll(z) laufend erfolgen. Mit Hilfe des Elektromotors 2 wird dann die Getriebeeingangswelle 4 auf diese Synchrondreh­ zahl nsoll(z) beschleunigt beziehungsweise verzögert. Dies gilt ebenso bei einer Veränderung der Getriebeeingangsdrehzahl nein aufgrund von Reibung.
Die vorläufige Drehzahlsynchronisation wird aber nur dann durch­ geführt, wenn die Solldrehzahl nsoll(z) eine vorgegebene Höchst­ drehzahl nmax(z) beziehungsweise Mindestdrehzahl nmin(z) nicht übersteigt beziehungsweise unterschreitet. In diesem Fall wird die Drehzahlsynchronisation erst dann durchgeführt, wenn der Handschalthebel 10 in eine Schaltgasse 15-20 eingespurt wird.
Zusätzlich kann auch noch für die endgültige Drehzahlsynchroni­ sation eine kritische Drehzahl nkrit(i) vorgegeben werden, ober­ halb der auch die endgültige Drehzahlsynchronisation unterdrückt wird.
Für einen ordnungsgemäßen Schaltvorgang reicht es aber nicht aus, daß sich die in Eingriff zu bringenden Zahnräder mit gleicher Drehzahl bewegen. Solange nämlich durch den Elektro­ motor 2 ein Drehmoment auf die Getriebeeingangswelle 4 über­ tragen wird, befindet sich ein nicht dargestellter Synchronring des Schaltgetriebes 3 in Sperrlage. Um dem Synchronring den nötigen Freigang zu verschaffen, muß der Elektromotor 2 dreh­ momentfrei geschaltet werden. Um zu gewährleisten, daß die Drehzahl nein immer wieder auf die Synchrondrehzahl nsoll(z) nachkorrigiert werden kann, wird vorgeschlagen, daß der Elektro­ motor 2 nach dem erstmaligen Erreichen der Synchrondrehzahl nsoll(z) nur intermittierend drehmomentfrei geschaltet wird.
Ein weiteres Problem bei der Drehzahlsynchronisation besteht darin, daß es aufgrund von endlichen Meßintervallen, Rechen­ zeiten, Triebstrangschwingungen, usw. nicht möglich ist, die Synchrondrehzahl nsoll(z) exakt einzustellen. Ein Durchlaufen der Synchrondrehzahl nsoll(z) soll aber vermieden werden, da sonst der Synchronring die Sperrlage von einem zum gegen über­ liegenden Anschlag wechseln würde. In dieser Zeit würde der Synchronring den Weg zum Durchrasten der Schaltklauen freigeben. Dadurch könnten die Schaltklauen beschädigt werden. Aus diesem Grund wird vom Steuergerät 13 vorzugsweise nicht die exakte Synchrondrehzahl nrech als Drehzahlsollwert nsoll(z) vorgegeben, sondern ein Drehzahlsicherheitsabstand ±Δη, der geringfügig größer als die Drehzahl-Toleranzabweichung ist, belassen. Bei der Drehzahlsynchronisation wird demnach die Synchrondrehzahl nsoll(z) bis auf einen Abstand ±Δη durch den Elektromotor 2 angefahren und anschließend drehmomentfrei geschaltet. Die verbleibende Drehzahlanpassung erfolgt dann durch den Synchron­ ring selbst. Bei einer Anordnung, bei der zwischen Elektromotor 2 und Schaltgetriebe 3 eine Trennkupplung 6 vorgesehen ist, kann auf den Drehzahlsicherheitsabstand ±Δη verzichtet werden. Das Vorzeichen des Drehzahlsicherheitsabstandes ±Δη berücksichtigt lediglich, daß es sich um ein Hochschalten oder Herunterschalten handeln kann. Dies bedeutet aber keinesfalls, daß die exakte Synchrondrehzahl nrech - aus höherer oder tieferer Ausgangsdreh­ zahl kommend - überfahren werden darf. Viele Schaltgetriebe 3 werden eine Vernachlässigung dieses Aspekts in der Praxis schadenfrei überstehen, sofern die Trennkupplung 5 nicht zu früh geschlossen wird.
Für den Rückwärtsgang können zusätzlich noch Sensoren 11, 12, vorgesehen werden, die die Bewegung des Handschalthebels 10 durch die Punkte Ar, Br und CR-1 erkennen. Da der Rückwärtsgang jedoch nur bei Rangiergeschwindigkeit eingelegt werden kann, sind spezielle technische Maßnahmen für diesen Fall im allge­ meinen nicht notwendig. Denn selbst wenn beim Auskuppeln im ersten Gang sofort die Drehzahl nsoll(2) des zweiten Gangs vor­ synchronisiert wird, beeinträchtigt dies nicht die Schaltbarkeit des Rückwärtsgangs, weil das Steuergerät die Synchrondrehzahl nsoll(z) laufend an die aktuelle Fahrgeschwindigkeit anpaßt. Da sich das Fahrzeug beim Einlegen des Rückwärtsgangs aber zumindest annähernd im Stillstand befindet bedeutet dies, daß auch die Synchrondrehzahl nsoll(2) des zweiten Ganges annähernd bei Null liegt. Somit ist der Schaltvorgang problemlos möglich. Um zu verhindern, daß im Stillstand des Fahrzeugs beim Einlegen eines Gangs nicht zufällig Zahn auf Zahn steht, wird die Getriebeeingangswelle 4 durch den Elektromotor 2 langsam mit schwachen Pulsstößen in Bewegung versetzt. Die drehmomentfreien Phasen zwischen den einzelnen Pulsstößen sind notwendig, um den Synchronringen Gelegenheit zu geben, die Schaltklauen des Schaltgetriebes 3 in die richtige Lage zu rücken. Bei einem kontinuierlichen Weiterdrehen des Elektromotors 2 wäre dies nicht möglich. Nach dem Überschreiten der Signalpunktes Ai werden die Pulsstöße abgeschaltet.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Position des Handschalthebels 10 mit Hilfe von vier Potentiometern P1-4 bestimmt. Drei dieser Potentiometer P1-3 sind zur Erkennung der Stellung der Schalthebel 25-27 direkt am Schaltgetriebe 3 angeordnet. Das vierte Potentiometer P₄ zur Erkennung der Quer­ bewegung befindet sich am Handschalthebel 10. Somit erfassen die Potentiometer P1-4 jeweils die Bewegung des Handschalthebels 10 in den Schaltgassen 15-16, 17-18, 19-20 beziehungsweise in der neutralen Gasse 21. Der mögliche Wertebereich der Potentiometer P₁-P₄ ist jeweils in fünf unterschiedlich große Bereiche gg1, n₁ aufgeteilt, die den in Fig. 6 gezeigten Positionen Gg1, N₁ innerhalb der Schaltkulisse 14 entsprechen. Hierbei bezeichnet der Index g den jeweiligen Gang und 1 die Lage in der jeweiligen Schaltgasse 15-20.
Die Bereiche gg1, n₁ der einzelnen Potentiometer P1-4 stehen aufgrund des mechanischen Aufbaus der Schaltkulisse 14 in Korrelation zueinander. Deshalb hat die Stellung eines der Potentiometer P1-4 innerhalb einer Schaltgasse 15-21 bei korrekter Funktion der Potentiometer P1-4 automatisch einen Bereich gg1, n₁, in dem sich die anderen Potentiometer befinden, zur Folge. Die möglichen Kombinationen dieser Potentiometer­ bereiche gg1, n₁ können in einer Tabelle abgelegt werden, wobei in jeder Zeile dieser Tabelle die zugehörige Position Gg1, N₁ des Handschalthebels 10 abgelegt ist. Zusätzlich wird in jeder Zeile die Information abgelegt, ob im jeweiligen Bereich Gg1, N₁ die Drehzahlsynchronisation aktiviert wird. In Fig. 6 sind die Bereiche, in denen die aktive Synchronisation durchgeführt wird, schraffiert dargestellt. Wird eine ungültige Kombination detektiert, so kann auf einen Potentiometer-Defekt oder auf einen Fehler in der Mechanik geschlossen werden. In diesem Fall wird der Elektromotor 2 stromlos geschaltet.
Durch die Verwendung der Potentiometer P1-4 ist es außerdem jederzeit möglich, die Richtung der Schalthebelbewegung zu bestimmen. Hierzu wird lediglich der jeweils aktuelle Potentio­ meterwert mit dem jeweils letzten Wert verglichen, wobei beide Potentiometerwerte auch im selben Potentiometerbereich gg1, n₁ liegen können. Bei einer Umkehr der Richtung der Schalthebel­ bewegung kann somit schneller ein neuer Erwartungswert z vor­ gegeben werden. Außerdem kann mit den Potentiometern P1-4 ein sogenanntes Toggelfilter realisiert werden. Als Toggeln bezeich­ net man das mehrfache Hin- und Herbewegen des Handschalthebels 10 in den Bereichen N12, Nm, N34 innerhalb der neutralen Gasse 21, ohne daß hierbei ein Gang eingelegt wird. In diesem Fall wird die aktive Synchronisation abgeschaltet, um unnötige Geräusche und Energieverbrauch durch den Elektromotor 2 zu verhindern.
Analog zum ersten Ausführungsbeispiel kann auch bei dieser An­ ordnung die Drehzahlinformation naus durch Vergleich mit vorge­ gebenen Mindestdrehzahlen nmin(i+1) beziehungsweise Höchstdreh­ zahlen nmax(i-1) zur Ermittlung des Erwartungswertes z verwendet werden. Die eigentliche Berechnung der Solldrehzahl nsoll(z) erfolgt dann nach der Formel
nsoll(z) = {naus * fz + korr[beschl] [z]} * σ (x)
wobei korr[beschl] [z] ein zweidimensionales Array mit Korrek­ turfaktoren, mit deren Hilfe ein Drehzahlsicherheitsabstand ±Δη vorgegeben werden kann, und σ(x) den Einheitssprung darstellt. Die Variable [beschl] hat den Wert eins beziehungsweise null, falls die Synchrondrehzahl nsoll(z) motorisch beziehungsweise generatorisch angefahren wird. Der Einheitssprung σ(x) hat den Wert eins, falls x im Synchronisationsbereich liegt und ansonsten null.
Alternativ zum Einheitssprung können beispielsweise auch Rampen oder andere Funktionen innerhalb eines Fuzzy-Reglers implemen­ tiert werden. Fuzzy-Regler weisen den Vorteil auf, daß es für die Schaltkulissen-Bewegung keine harten Entscheidungsschwellen gibt. Dies hat zur Folge, daß die empfindliche Sensorik der Schaltkulisse und die dazugehörigen Parameter weniger schnell zu einem Fehlverhalten der aktiven Synchronisation führen. Kleinere Drifts in der Sensorik können hierbei sogar vernachlässigt werden und das Verhalten des Reglers insgesamt wird stabiler. Vorteilhaft ist auch die Tatsache, daß die Regeln verbal beschrieben sind. Der Regler ist dadurch leichter modifizierbar und kann gegebenenfalls sogar an das Verhalten des jeweiligen Fahrers angepaßt werden. Da die Synchrondrehzahl für den jeweils gewünschten Gang z keine Sprünge aufweist, sondern stetig ange­ fahren wird, wird außerdem das Über- beziehungsweise Unter­ schwing-Verhalten bei Drehzahländerungen des Elektromotors ge­ dämpft. Schließlich kann anhand des Verlaufs der Synchrondreh­ zahl auch eine implizite Tendenz-Analyse für die Schalthebel­ bewegung vorgenommen werden. Somit kann indirekt eine statische oder auch dynamische Analyse des Schaltvorgangs ermittelt wer­ den. Die stetigen Änderungen der Synchrondrehzahl bewirken zudem eine Geräuschreduzierung, da der Elektromotor nicht mehr sprung­ haft seine neu einzustellende Drehzahl anfährt.
Bei Fuzzy-Reglern werden den Eingangs- und Ausgangsgrößen je­ weils eine Zugehörigkeitsfunktion zugeordnet. In Fig. 7 sind Zugehörigkeitsfunktionen für die Bewegung der Schalthebel 25-27 gezeigt. Die Zugehörigkeitsfunktionen beschreiben jeweils die Wahrscheinlichkeit, mit der eine vorgegebene Aussage in Ab­ hängigkeit von einem Meßwert zutrifft. Als Meßwert wird in Fig. 7 der relative Weg des Handschalthebels 10 in der jeweiligen Schaltgasse 15-20 verwendet. Der relative Weg wird für alle Schaltgassen durch eine lineare Normierung der Potentiometer­ spannungen auf eine vorgegebene Bandbreite von 0-100% angepaßt. Die Zugehörigkeitsfunktionen Xe, Ye entsprechen dabei der Aus­ sage "Gang X, Y ist eingelegt". Entsprechend wird Xa, Ya der Aussage "Gang X, Y ist fast eingelegt" zugeordnet. Fast einge­ legt bedeutet in diesem Zusammenhang, daß der Handschalthebel sich in der entsprechenden Schaltgasse 15-20 befindet, jedoch nicht eingespurt ist. Die Zugehörigkeitsfunktion Nxy entspricht schließlich der Aussage "Schalthebel XY in neutraler Position". Die Variable X kann hierbei die Werte 1, 3 oder 5 annehmen, Y die Werte 2, 4 oder R für Rückwärtsgang.
Die Fig. 8-10 zeigen entsprechende Zugehörigkeitsfunktionen für die Schalthebelbewegung in der neutralen Gasse 21, für die Dreh­ zahl nmot des Elektromotors 2 und für den zuletzt eingelegten
Tabelle 1
Entscheidungstabelle für Fuzzy-Regler
Gang ialt. Die Zugehörigkeitsfunktionen für die Ausgangsgrößen sind schließlich in den Fig. 11-12 dargestellt. Die Ausgangs­ größen umfassen den Erwartungswert z, auf den synchronisiert werden soll und die Aussage, ob ein Gang eingelegt ist. Der Wert für den zuletzt eingelegten Gang ialt wird über eine Verknüpfung der beiden Ausgangsgrößen ermittelt. Sobald der Ausgangswert "Gang" eingelegt" die Größe "ja" anliegen hat, kann über den Ausgangswert Erwartungswert z ermittelt werden, welcher Gang i eingelegt worden ist. Eine Aktualisierung erfolgt in Abhängig­ keit zur Zugehörigkeitsfunktion "Ja" der Ausgangsgröße "Gang eingelegt". Die Drehzahl nmot des Elektromotors 2 errechnet sich aus dem zuletzt eingelegten Gang ialt und der Ausgangsdrehzahl naus des Schaltgetriebes 3. Der Wert wird kontinuierlich durch die Ausgangsdrehzahl naus aktualisiert.
Als Ergebnis liefert der Fuzzy-Regler einen Wert für die Soll­ drehzahl nsoll(z). Diese Solldrehzahl nsoll(z) wird auf der Basis der Zugehörigkeitsfunktionen und einer Entscheidungs­ tabelle, wie sie auszugsweise in Tab. 1 gezeigt ist, anhand einer der bekannten Fuzzy-Regelalgorithmen ermittelt.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Drehzahlsynchronisation für ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb, bestehend aus einem Verbrennungsmotor, der über eine Kupplung und ein Schaltgetriebe mit einer Antriebs­ welle des Kraftfahrzeugs verbunden ist, einem Elektromotor, welcher zumindest zeitweise mit einer Getriebeeingangswelle des Schaltgetriebes kraftschlüssig verbindbar ist, Gangerkennungs­ sensoren zur Erkennung, ob ein Gang eingelegt ist, Gangwahl­ sensoren zur Erkennung, in welcher Gasse der Schaltkulisse der Handschalthebel bewegt wird, und einem Steuergerät, in dem bei geöffneter Kupplung anhand der Signale der Gangerkennungs­ sensoren der Beginn eines Schaltvorgangs und anhand der Signale der Gangwahlsensoren der gewünschte Gang erkannt wird und in dem in Abhängigkeit vom gewünschten Gang und von der Drehzahl der Getriebeausgangswelle eine Solldrehzahl für die Getriebe­ eingangswelle laufend ermittelt und mit Hilfe des Elektromotors eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Steuergerät (13) bereits vor dem Erreichen der gewünschten Schaltgasse (15-20) zumindest ein Erwartungswert (z für den gewünschten Gang ermittelt wird, daß auf der Basis des Erwartungswertes (z) eine vorläufige Solldrehzahl (nsoll(z)) für die Getriebeeingangswelle (4) ermittelt und mit Hilfe des Elektromotors (2) laufend eingestellt wird, daß beim Einführen des Handschalthebels (10) in eine Schaltgasse (15-20) der gewünschte Gang (i) erkannt und mit dem Erwartungswert (z) verglichen wird, und daß dann, wenn der gewünschte Gang (i) vom Erwartungswert (z) abweicht, auf der Basis des gewünschten Ganges (i) eine endgültige Solldrehzahl (nsoll(i)) ermittelt und mit Hilfe des Elektromotors (2) eingestellt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ausspuren des Handschalthebels (10) aus dem niedrigsten beziehungsweise höchsten Gang (i) der nächst höhere (i+1) beziehungsweise niedrigere Gang (i-1) als Erwartungswert (z) vorgegeben wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn die ermittelte vorläufige Solldrehzahl (nsoll(z)) eine für den gewünschten Gang (z) vorgegebene Höchst- (nmax(z)) beziehungsweise Mindestdrehzahl (nmin(z)) übersteigt beziehungs­ weise unterschreitet, die vorläufige Drehzahlsynchronisation unterdrückt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bereits beim Ausspuren des Handschalthebels (10) aus dem aktuellen Gang (i) vorläufige Solldrehzahlen (nsoll(i+1)) für die Getriebeeingangswelle (4) auf der Grundlage des nächst höheren Ganges (i+1) ermittelt wird und daß dann, wenn diese vorläufige Solldrehzahl (nsoll(i+1)) die Mindestdrehzahl (nmin(i+1)) für den nächst höheren Gang (i+1) unterschreitet, der nächst niedrigere Gang (i-1) als Erwartungswert (z) vorgegeben wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bereits beim Ausspuren des Handschalthebels (10) aus dem aktuellen Gang (i) vorläufige Solldrehzahlen (nsoll(i-1)) für die Getriebeeingangswelle (4) auf der Grundlage des nächst niedrigeren Ganges (i-1) ermittelt wird und daß dann, wenn diese vorläufige Solldrehzahl (nsoll(i-1)) die Höchstdrehzahl (nmax(i-1)) für den nächst niedrigeren Gang (i-1) übersteigt, der nächst höhere Gang (i+1) als Erwartungswert (z) vorgegeben wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn erkannt wird, daß der Handschalthebel (10) entlang der neutralen Gasse (21) zwischen zwei Schaltgassen (15-20) bewegt wird, der nächst höhere (i+1) beziehungsweise niedrigere Gang (i-1) der benachbarten Schaltgassen (15-20) als Erwartungswert (z) vorgegeben wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn die ermittelte vorläufige Solldrehzahl (nsoll(z)) eine für den gewünschten Gang (z) vorgegebene kritische Höchst­ drehzahl (nkrit(z)), die höher als die entsprechende Höchstdreh­ zahl (nmax(z)) liegt, übersteigt, die Drehzahlsynchronisation unterdrückt wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Solldrehzahl (nsoll(z)) als Summe aus dem rechnerischen Sollwert (nrech) für die Getriebeeingangswelle (4), der aus der gemessenen Ausgangsdrehzahl (naus) des Schaltgetriebes (3) anhand des übersetzungsverhältnisses (fz) ermittelt wird, und ein Drehzahlsicherheitsabstand (±Δη) vorgegeben wird, wobei der Drehzahlsicherheitsabstand (±Δη) beim Hochschalten einen negativen Wert und beim Herunterschalten einen positiven Wert annimmt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Fahrzeugstillstand und bei geöffneter Kupplung (5) die Getriebeeingangswelle (4) mit Hilfe des Elektromotors (2) schrittweise bewegt wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (2) bei geöffneter Kupplung (5) und nach dem Erreichen der Solldrehzahl (nsoll(z)) intermittierend drehmomentfrei geschaltet wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung des Erwartungswertes (z) für den gewünschten Gang in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Handschalt­ hebels (10), die mit Hilfe der Gangerkennungs- und der Gangwahlsensoren (11) ermittelt wird, erfolgt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn sich die Bewegungsrichtung des Handschalthebels (10) innerhalb der neutralen Gasse (21) mehrmals ändert, ohne daß der Handschalthebel (10) zwischenzeitlich in eine Schaltgasse (15-20) eingespurt wurde, die Synchronisation abgebrochen wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erwartungswert (z) für den gewünschten Gang anhand einer Fuzzy-Logik ermittelt wird.
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