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HINTERGRUND
ZU DER ERFINDUNG
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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine robuste Steuerung für
eine Dreistellungs-Aktuatorkolbenanordnung der Art, wie sie zur
Steuerung der zweiseitig wirkenden Kupplungen eines Geschwindigkeitswechselgetriebes,
wie beispielsweise der Split-Kupplungen oder Range-Kupplungen eines
Gruppengetriebes, verwendet werden. Insbesondere betrifft die vorliegende
Erfindung eine robuste Steuerungseinrichtung für eine mittels eines unter
Druck stehenden Fluids betätigte
Aktuatorkolbeneinrichtung, die drei auswählbare, aufrecht erhaltbare
Stellungen (eine axial mittige, eine axial in eine erste Richtung
versetzte und eine axial in eine zweite Richtung versetzte Stellung)
aufweist und lediglich eine einzige steuerbare/regelbare Fluidvorratsvorrichtung
mit veränderbarem
Druck benötigt,
die ein mittels Pulsweitenmodulation magnetisch gesteuertes Ventil
enthält.
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BESCHREIBUNG
DES STANDES DER TECHNIK
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Mechanische Geschwindigkeitswechselgetriebe
mit zweiseitig wirkenden Kupplungseinrichtungen von sowohl der synchronisierten
als auch der nicht synchronisierten Art sind aus dem Stand der Technik
allgemein bekannt, wie aus den US-Patentschriften 3 105 395, 3 335
616, 4 428 469, 4 754 665, 4 920 815, 4 944 197, 5 086 897, 5 370
013 und 5 390 561 ersichtlich. Fluidbetätigte Aktuatorkolbenanordnungen
mit zwei Stellungen und drei Stellungen sowie damit verbundene Aktuatorsysteme
sind ebenso aus dem Stand der Technik allgemein bekannt, wie unter
Verweis auf die US-Patentschriften 4 899 607, 4 928 544, 4 936 156,
5 054 591, 5 193 410, 5 263 379, 5 272 441 und 5 329 826 zu ersehen
ist.
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Ein Getriebe, das einen Dreistellungs-Splitaktuator
und eine Splitkupplung mit vergrößertem Kupplungsspiel
verwendet, ist in der US-Patentschrift mit der Nummer 5 651 292
beschrieben.
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Ein durch Fluiddruck betätigter Schaltaktuator
mit drei Stellungen, der lediglich eine einzige gesteuerte Quelle
mit unter Druck stehendem Fluid benötigt, ist in dem US-Patent
mit der Nummer 5 661 998 offenbart.
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Wie in der US-Patentschrift 5 661
998 beschrieben, wird der Dreistellungskolben dazu verwendet, um
eine Mittenstellung oder einen neutralen Zustand zu erreichen, in
der bzw. dem keines der Split-Zahnräder sich in Eingriff befindet.
Dieser neutrale Zustand ermöglicht
dem Zahnradsatz, zu dem geschaltet wird, eine mit dem einrückenden
Element (der gleitenden Kupplung) synchronisierte Drehzahl zu erreichen,
und sorgt somit für
einen viel sanfteren Schaltvorgang.
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Diese mittlere oder neutrale Stellung
wird erhalten, indem die kleinere Stirnseite des Kolbens des Splitzylinders
mit einem konstanten Luftdrucksignal und die größere Kolbenstirnseite mit einem
niedrigen Druck beaufschlagt wird. Dieser niedrigere Druck wird
durch pulsweitenmodulierte (PWM) Ansteuerung eines Magnetventils
erreicht, das auf der hinteren Seite des Kolbens Luftdruck zuführt. Diese
Pulsweitenmodulation (PWM) bringt ein schnelles Öffnen und nachfolgendes Schließen eines
magnetisch gesteuerten Dreiwegeventils mit zwei Stellungen mit sich,
um einen Druck irgendwo zwischen null Psi und dem vollständigen Systemdruck
herzustellen.
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Tests mit dem herkömmlichen
System haben gezeigt, dass der Bereich von PWM-Werten, die zu diesem
neutralen Zustand führen,
so schmal ist, dass er die Verwendung dieses Verfahrens zur Steuerung für Anwendungen
bei Fahrzeuggetrieben schwierig gestaltet. Betriebsparameter, wie
Temperatur, Spannung, Druck, Verunreinigung und herstellungsbedingte
Abweichungen sowohl bei dem Magnetventil als auch dem Splitkolben,
wirken alle zusammen, um den Bereich von PWM-Werten, die die Neutralstellung ergeben,
zu beinträchtigen.
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US-5 992 267 A beschreibt eine Vorrichtung entsprechend
den Oberbegriffen der Ansprüche
1, 9 und 15.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden
die Nachteile des Standes der Technik auf ein Minimum reduziert
oder überwunden,
indem eine robuste Steuereinrichtung für eine relativ einfach aufgebaute
und kostengünstige
fluidbetätigte
Aktuatorkolbeneinrichtung mit drei Stellungen und ein Aktuatorsystem
geschaffen ist, die/das lediglich eine einzelne steuerbare Quelle
eines Fluids mit wahlweise veränderbarem
Druck benötigt.
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Das Voranstehende wird durch Anpassung der
herkömm lichen
Steuerungseinrichtungen auf wenigstens eine der folgenden Weisen
erreicht:
- (1) Die dem Magnetventil zugeführte Spannung hat
unmittelbaren Einfluss auf die Ansprechzeit des Ventils und somit
auf die PWM-Werte, die zu dem neutralen Zustand führen. Diese
Ansprechzeit des Ventils kann über
dem Bereich von 9 bis 18 Volt Gleichspannung, in dem das System
betrieben werden muss, um einen Faktor von mehr als 2 schwanken.
Die robuste Steuerung gemäß der vorliegenden
Erfindung erfasst deshalb die Systemspannung mit der ECU und passt
den PWM-Wert für
das Ventil derart an, dass der Splitter einen neutralen Zustand
erreicht.
- (2) Die Ansprechzeit des Ventils beim Schließen wird durch den Maximalstrom
in der Spule direkt beeinflusst. Die robuste Steuerung gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet deshalb eine Schaltung in der ECU, die den Strom
in der Spule des Magnetventils unabhängig von der Spannung an der
Spule auf einen niedrigen und kostenanten Wert absenkt. Indem jedes
Mal von dem gleichen Ausgangspunkt aus gestartet wird, sind die Schließzeiten
des Ventils sehr konstant und daher die Wirkungen der Strompegel
der Spule weitgehend vermindert.
- (3) Ein unter Federspannung stehendes Kolbenelement, das in
eine Öffnung
in der Stange (oder dem Kolben) des Splitters hinein passt, wird
dazu verwendet, um den Splitkolben in der Neutralstellung zu halten.
Dieses federvorgespannte Kolbenelement oder diese Feststellvorrichtung
vergrößert den
Bereich von PWM-Werten, in dem der Splitter in dem neutralen Zustand
gehalten wird, indem eine zusätzliche
Kraft erforderlich ist, um diesen aus diesem Zustand heraus zu bewegen. Die
Feststellvorrichtung ist derart ausgebildet, dass sie eine zusätzliche
Kraft bereitstellt, um den Kolben während PWM-Bedingungen in der
Neutralstellung zu halten, jedoch ist diese Kraft nicht so groß, dass
sie die Ansprechzeit für
den Zylinder bei der Bewegung von der Neutralstellung in die eingerückte Stellung,
um ein Zahnrad in Eingriff zu bringen, verlangsamen würde.
- (4) Je größer die
Durchflussöffnungen
in dem Ventil sind, desto kleiner ist der PWM-Wertebereich, der
zu dem Neutralzustand für
den Splitkolben führt.
Dies rührt
daher, weil durch größere Öffnungen
so viel Luft eingeblasen wird, dass das Ventil lediglich für eine sehr
kurze Zeitspanne geöffnet
werden kann, bevor der Druck in dem Zylinder bis auf eine Höhe anwächst, bei
der der Splitter über
die Neutralstellung hinweg bewegt wird. Da das gleiche Ventil, das
für den
Splitkolben verwendet wird, auch für den Rangekolben (einem, der
hohe Strömungsmengen
erfordert) verwendet werden kann, hatte die erfindungsgemäße robuste
Steuerungseinrichtung anfänglich
einen sehr kleinen PWM-Wertebereich für die Neutralstellung. Zwischen
dem Split-Magnetventil und dem Splitkolben wurde ein Kanal hinzugefügt, um diese
Situation zu verbessern. Dies erhöht wesentlich den PWM-Wertebereich zum
Erreichen der Neutralstellung und ermöglicht es, sowohl für die Split-Kolben
als auch für
die Range-Kolben gewöhnliche
Ventile zu verwenden.
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Durch Verwendung eines oder mehrerer
der oben genannten Merkmale wird eine Steuerung mit offenem Regelkreis
(engt.: open loop control) geschaffen, die in Bezug auf die verschiedenen
Abweichungen der Systemparameter unanfälliger oder robuster ist.
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Diese und andere Ziele und Vorteile
der vorliegenden Erfindung erschließen sich beim Lesen der folgenden
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung
mit den beigefügten Zeichnungen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 veranschaulicht
das mittels Fluids betätigte
Schaltaktuatorsystem mit drei Stellungen gemäß der vorliegenden Erfindung
auf eine schematische Weise.
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2 zeigt
ein Gruppengetriebe, das das erfindungsgemäße Aktuatorsystem auf vorteilhafte Weise
verwendet, in einer schematischen Darstellung.
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3 zeigt
eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Getriebes nach 2.
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4 veranschaulicht
ein herkömmliches Schaltschema
und gewöhnliche Übersetzungen
für das
Getriebe nach 2.
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5 zeigt
eine grafische Darstellung, in der eine durch die erfindungsgemäße Aktuatoreinrichtung
angewandte veränderliche
Kraft in Abhängigkeit von
dem veränderbaren
Pulsweitenmodulationsanteil des einzigen gesteuerten Versorgungsventils oder
von dem dadurch der ersten Kammer zugeführten veränderlichen Fluiddruck aufgetragen
ist.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In der folgenden Beschreibung wird
lediglich zum Zwe cke der Veranschaulichung eine gewisse Terminologie
verwendet, die nicht beschränkend
ist. Die Ausdrücke "nach oben", "nach unten", "nach rechts" und "nach links" bezeichnen Richtungen
in den Zeichnungen, auf die verwiesen wird. Die Ausdrücke "nach vorne" und "nach hinten" beziehen sich jeweils
auf das vordere bzw. das hintere Ende des Getriebes, wie es auf
herkömmliche
Weise in einem Fahrzeug eingebaut ist, wobei sich diese Enden jeweils
auf der linken bzw. der rechten Seite des in 2 veranschaulichten Getriebes befinden.
Die Ausdrücke "nach innen" und "nach außen" beziehen sich jeweils
auf Richtungen in Richtung auf die geometrische Mitte der Vorrichtung
und deren bezeichneter Teile zu bzw. von der geometrischen Mitte
weg. Diese Terminologie schließt
die oben speziell erwähnten
Ausdrücke,
hiervon abgeleitete Ausdrücke sowie
Begriffe mit ähnlichem
Sinngehalt mit ein.
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Der Ausdruck "Gruppengetriebe" oder "Verbundgetriebe" wird dazu verwendet, um einen Geschwindigkeitswechsel-
oder Gangschaltgetriebe zu bezeichnen, das eine Hauptgetriebegruppe
und eine Hilfsantriebsstrangeinheit, beispielsweise eine Hilfsgetriebegruppe
aufweist, die in Serie verbunden sind, wobei die ausgewählte Ganguntersetzung
in der Hauptgetriebegruppe weiter mit einer gewählte Ganguntersetzung in der
Hilfsgetriebegruppe kombiniert werden kann. Der Ausdruck "Hochschalten", wie er hier verwendet
wird, soll den Schaltvorgang von einer Gangstufe für eine niedrigere
Geschwindigkeit in eine Gangstufe für eine höhere Geschwindigkeit bedeuten,
und der Ausdruck "Herunterschalten" soll in dem hier
bezeichneten Sinne das Schalten aus einem höheren Gang in einen niedrigeren
Gang bezeichnen. Die Ausdrücke "Gang für niedrige
Geschwindigkeit" oder "niedriger Gang" oder "unterer Gang" soll in dem hier
verwendeten Sin ne eine Gangstufe bezeichnen, die in einem Getriebe
für einen
Betrieb bei einer relativ niedrigen Vorwärtsgeschwindigkeit verwendet
wird (d. h. einen Satz von Zahnrädern,
der ein höheres
Untersetzungsverhältnis
der Ausgangswellendrehzahl in Bezug auf die Eingangswellendrehzahl
aufweist). Der Ausdruck "synchronisierte
Kupplungseinrichtung" sowie
Begriffe mit ähnlicher
Bedeutung sollen eine Kupplungseinrichtung bezeichnen, die dazu
verwendet wird, um ein ausgewähltes
Zahnrad mittels einer formschlüssigen
Kupplung drehfest an eine Welle anzukuppeln, wobei ein Versuch des
Einrückens
dieser Kupplung verhindert wird, bis die Glieder der Kupplung im
Wesentlichen synchron umlaufen, und wobei den Kupplungsgliedern
Reibmittel mit relativ großer
Aufnahmefähigkeit
zugeordnet sind, die ausreichend sind, um auf die Initialisierung
des Einrückens
einer Kupplung hin zu bewirken, dass die Kupplungsglieder und alle
damit umlaufenden Elemente mit einer im Wesentlichen synchronen
Drehzahl rotieren.
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Das fluidbetätigte Schaltaktuatorsystem 10 mit
drei Stellungen gemäß der vorliegenden
Erfindung und der darin verwendete Dreistellungs-Kolbenaktuator 12 können besonders
vorteilhaft als Splitkupplungsaktuator in einem Gruppengetriebe 110 verwendet
werden, wie in den 2–4 veranschaulicht.
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Das Getriebe 110 weist eine
Hauptgruppe 112 und eine Hilfsgruppe 114 auf,
die beide innerhalb eines Gehäuses 116 untergebracht
sind. Das Gehäuse 116 enthält eine
vordere Stirnwand 116A und eine hintere Stirnwand 116B,
jedoch keine Zwischenwand.
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Eine Eingangswelle 118 trägt ein drehfest
an dieser angebrachtes Eingangszahnrad 120 und bildet eine
sich nach hinten öffnende
Aufnahmetasche 118A, in der ein einen verminderten Durchmesser aufweisender
Fortsatz 158A einer Ausgangswelle 158 gelagert
ist. In der Tasche oder Sackbohrung 118A kann eine reibungslose
oder -arme Buchse 118B oder dergleichen vorgesehen sein.
Das vordere Ende der Eingangswelle 118 ist mittels eines
Lagers 118C in der vorderen Stirnwand 118A gelagert, während das
hintere Ende 158C der Ausgangswelle 158 durch
eine Lageranordnung 158D in der hinteren Stirnwand 116B gelagert
ist. Die Lageranordnung 158D kann durch ein paar gegenüber liegender Schrägwälzlager
oder durch ein einzelnes Wälz- oder
Kugellager gebildet sein, wie dies in 3 veranschaulicht
ist.
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Die Hauptwelle 146, die
Hauptwellenkupplungen 148 und 150 sowie die Hauptwellen-Splitkupplung 180 trägt, ist
in der Form eines im Wesentlichen rohrförmigen Körpers 146A gebildet,
der eine keilverzahnte Außenumfangsfläche 146B und
eine sich in Axialrichtung erstreckende Durchgangsbohrung 146C zum
Durchführen
der Ausgangswelle 158 aufweist. Zum Schalten der Kupplungen 148 bzw. 150 sind
Schaltgabeln 152 und 154 vorgesehen. Die Hauptwelle 146 ist
in Bezug auf die Eingangswelle 118 und die Ausgangswelle 158 unabhängig von
diesen drehbar und lässt
sich in radialer Richtung relativ zu diesen begrenzt frei bewegen.
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Die Hauptgruppe 112 enthält zwei
im Wesentlichen identische Hauptgruppen-Vorgelegewellenanordnungen 122,
von denen jede eine Hauptgruppen-Vorgelegewelle 124 aufweist,
die drehfest an dieser befestigte Vorgelegewellenzahnräder 130, 132, 134, 136 und 138 trägt. Die
Zahnradpaare 130, 134, 136 und 138 stehen
ständig
kämmend
mit dem Eingangszahnrad 118, den Hauptwellenzahnrädern 140 und 142 bzw. einem
Zwischenrad 157 in Eingriff, dass mit dem Rückwärtszahnrad 144 der
Hauptwelle kämmt.
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Die Hauptgruppenvorgelegewelle 124 erstreckt
sich nach hinten bis in die Hilfsgruppe hinein, wo ihr hinteres
Ende 124A unmittelbar oder mittelbar in der hinteren Gehäusestirnwand 116B gelagert
ist.
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Die Hilfsgruppe 114 enthält zwei
im Wesentlichen identische Hilfsgruppen-Vorgelegewellenanordnungen 160,
von denen jede eine Hilfsgruppen-Vorgelegewelle 162 enthält, die
drehfest daran befestigte Hilfsgruppen-Vorgelegewellenzahnräder 168, 170 und 172 trägt. Die
Hilfsgruppen-Vorgelegewellenzahnradpaare 168, 170 und 172 stehen
ständig
kämmend
mit dem Splitzahnrad 174, dem Split-/Rangezahnrad 176 bzw.
dem Rangezahnrad 178 in Eingriff. Die Splitkupplung 180 ist
an der Hauptwelle 146 angebracht, um wahlweise entweder das
Zahnrad 174 oder das Zahnrad 176 an diese anzukuppeln,
während
die synchronisierte Rangekupplung 182 an der Ausgangswelle 158 befestigt
ist, um wahlweise entweder das Zahnrad 176 oder das Zahnrad 178 an
diese anzukuppeln. Die Splitkupplung wird vorzugsweise mittels einer
Schaltgabel 180A axial positioniert, die durch das Akutatorsystem 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung betätigt
wird.
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Die Hilfsgruppenvorgelegewellen 162 weisen
eine im Wesentlichen rohrförmige
Gestalt auf, wodurch Durchgangsbohrungen 162A zur Aufnahme der
hinteren Verlängerungen
der Hauptgruppenvorgelegewellen 124 definiert sind. Es
sind Lager oder Buchsen 162B und 162C vorgesehen,
um die Hilfsgruppenvorgelegewelle 162 auf der Hauptgruppenvorgelegewelle 124 drehbar
zu lagern. Mittels eines Lagers 162D sind die hinteren
Enden der Vorgelegewellen 124 und 162 in der hinteren
Stirnwand 116B mittelbar oder unmittelbar gelagert.
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Der Aufbau und die Funktion der zweiseitig wirkenden
Klauenkupplungsmuffe 180 ist im Wesentlichen gleich dem
Aufbau und der Funktion der gleitenden Kupplungsmuffen 148 und 150,
die in der Hauptgetriebegruppe 112 verwendet werden, und der
Aufbau und die Funktion der zweiseitig wirkenden synchronisierten
Kupplungsanordnung 162 ist im Wesentlichen identisch mit
dem Aufbau und der Funktion von herkömmlichen zweiseitig wirkenden synchronisierten
Kupplungsanordnungen, von denen Beispiele aus den US-Patentschriften
Nr. 4 462 489, 4 125 179 und 2 667 955 ersichtlich sind. Die veranschaulichte
synchronisierte Kupplungsanordnung 182 ist von der Bauart
mit Zapfen, wie sie in dem oben beschriebenen US-Patent 4 462 489
beschrieben ist.
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Die Splitklauenkupplung 180 ist,
wenn sie in Verbindung mit dem Aktuatorsystem 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, eine Dreistellungskupplungsanordnung,
die wahlweise in die äußerst rechte
(Direkt-) oder die äußerst linke
(Overdrive-) Stellung, um jeweils entweder das Zahnrad 176 oder
das Zahnrad 174 an die Hauptwelle 146 anzukuppeln,
oder in eine nicht eingerückte
(neutrale) Zwischenstellung positioniert werden kann. Die neutrale
Stellung bezieht sich auf den Bereich von in der Mitte liegenden
Zwischenpositionen der Kupplung 180, in dem weder das Zahnrad 174 noch
das Zahnrad 176 an die Hauptwelle 146 angekuppelt
ist.
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Wie anhand der 2–4 zu ersehen ist, können durch
wahlweise axiales Verschieben der Splitkupplung 180 und/oder
der Rangekupplung 182 in deren vordere und/oder hintere
Axialstellungen vier unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse
zwischen der Drehbewegung der Hauptwelle und der Drehbewegung der
Ausgangswelle geschaffen werden. Dementsprechend ist die Hilfsgetriebegruppe 114 eine
Hilfsgruppe in der kombinierten Range- und Split-Bauart mit drei
Schaltebenen, die vier auswählbare
Gänge oder
Antriebsübersetzungsverhältnisse zwischen
deren Eingang (Hauptwelle 146) und deren Ausgang (Ausgangswelle 158)
zur Verfügung
stellt. Die Hauptgruppe 112 stellt einen Rückwärtsgang
und drei potentiell auswählbare
Vorwärtsgänge bereit.
Jedoch wird einer der auswählbaren
Vorwärtsgänge der
Hauptgruppe, nämlich
der niedrige Vorwärtsgang,
der dem Hauptwellenzahnrad 42 zugeordnet ist, nicht in
dem hohen Bereich verwendet. Demgemäß wird das Getriebe 110 geeigneterweise
als ein Getriebe des Typs "(2
+ 1) × (2 × 2)" bezeichnet, das neun
oder zehn auswählbare
Vorwärtsgänge zur
Verfügung
stellt, abhängig
davon, ob es wünschenswert und
praktisch ist, den niedrigsten Gang zu splitten.
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Das Schaltschema zum Schalten des
Getriebes 110 ist in einer schematischen Darstellung in 4 veranschaulicht. Unterteilungen
in vertikaler Richtung bei jeder Schalthebelstellung kennzeichnen Split-Schaltvorgänge, während Bewegungen
in horizontaler Richtung aus der 3/4- und 5/6-Gasse des H-förmigen Schaltschemas
zu der 7/8- und 9/10-Gasse des H-Schaltschemas Schaltvorgänge aus
dem unteren Bereich (Range) in den hohen Bereich des Getriebes bezeichnen.
Wie oben erläutert, wird
ein manueller Split-Schaltvorgang in der üblichen Weise mittels eines
durch den Fahrzeugführer zu
betätigenden
Split-Schaltknopfes oder dergleichen bewirkt, gewöhnlich mittels
eines Knopfes, der auf dem Schalthebelknauf angeordnet ist, während die
Betätigung
der Schaltanordnung für
die Range-Kupplung eine automatische Reaktion auf die Bewegung des
Gangschalthebels zwischen der mittleren und der äußerst rechten Gasse des Schaltschemas
ist, wie dies in 4 veranschaulicht
ist. Range-Schaltvorrichtungen dieser allgemeinen Art sind aus dem
Stand der Technik bekannt und sind aus den US-Patentschriften 3
429 202, 4 455 883, 4 561 325, 4 663 725 und 4 974 468 ersichtlich.
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Es wird wiederum auf 4 Bezug genommen und angenommen, dass
es wünschenswert
ist, dass das Getriebe im Wesentlichen gleiche Übersetzungssprünge aufweist,
wobei die Gangsprünge
der Hauptgruppe im Allgemeinen gleich sein sollten, der Split-Sprung
allgemein gleich der Quadratwurzel der Gangsprünge in der Hauptgruppe und
der Range-Sprung ungefähr
gleich der N-ten Potenz der Gangsprünge in der Hauptgruppe sein
sollte, wobei N gleich der Anzahl der in beiden Bereichen auftretenden
Gangstufen der Hauptgruppe ist (d. h. N = 2 bei dem (2 + ) × (2 × 2) – Getriebe 110).
Unter Vorgabe dieser gewünschten
idealen Übersetzungen
werden die Zahnradsätze
im Sinne einer Annäherung
an diese Übersetzungen
ausgewählt.
Bei dem obigen Beispiel betragen die Split-Sprünge etwa 33,3, während der
Range-Sprung ungefähr
316% beträgt,
was im Allgemeinen für
eine "2 + 1"-Hauptgetriebegruppe mit
Sprüngen
von etwa 78% geeignet ist, da die Quadratwurzel von 1,78 ungefähr gleich
1,33 und die zweite Potenz von 1,78 (d. h. N = 2) in etwa gleich 3,16
ist.
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Für
bestimmte wenigstens teilweise automatisierte mechanische Getriebesysteme,
die mechanische Getriebe ähnlich
dem in den 2–4 veranschaulichten Getriebe 110 verwenden,
kann es unter bestimmten Betriebsbedingungen wünschenswert sein, die Split-Klauenkupplung 180 zu
veranlassen, sich in ihre neutrale Stellung zu bewegen und darin zu verbleiben,
und/oder die auf die Schaltgabel 180A und die Kupplung 180 ausgeübte Kraft
zu variieren. Durch die Schaltaktuatorkolbeneinrichtung 12 und das
Aktuatorsystem 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung werden relativ einfache, kostengünstige und zuverlässige Mittel
zur Verfügung
gestellt, um diese gewünschten
Steuerungsfunktionen für
die Splitkupplung zu bieten.
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Gemäß 1 enthält die fluidbetätigte Schaltaktuatoranordnung 12 mit
drei Stellungen einen zweiteiligen zylindrischen Grundkörper 14 mit
einem Grundkörperhauptelement 14A und
einem Abschlussdeckel 14D. Der Zylinderkörper weist
eine Sackbohrung 16 auf, aus der eine Kolbenstange 18 ragt,
die einen Schaltaktuator, beispielsweise die Schaltgabel 180A,
derart trägt,
dass sich dieser zusammen mit der Stange axial bewegen lässt. Die Sackbohrung 16 weist
einen Abschnitt 16A mit größerem Innendurchmesser, einen
Abschnitt 16B mit kleinerem Innendurchmesser und einen
Abschnitt 16C mit mittlerem Innendurchmessern auf, der
zwischen den Abschnitten mit großem und kleinem Innendurchmesser
liegt. An den Übergängen zwischen den
Bohrungsabschnitten 16A und 16C bzw. zwischen
den Bohrungsabschnitten 16C und 16B sind Schultern 16D bzw. 16E definiert.
Um ein Beispiel zu geben, bei einem Getriebe für Schwerlastfahrzeuge können die
Bohrungsabschnitte 16A, 16B bzw. 16C Innendurchmesser 16F, 16G und 16H von
ungefähr 2,203
Zoll, 1,197 Zoll bzw. 1,850 Zoll aufweisen (wobei 1 Zoll 2,54 cm
entspricht).
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Ein vergrößertes Differenzflächenkolbenelement 20 ist
gleitend und abgedichtet in dem größeren Bohrungsabschnitt 16A aufgenommen
und an der Stange 18 starr befestigt, um mit dieser in
axialer Richtung bewegt zu werden. Der Kolben
20 enthält eine
nach links weisende große
Stirnfläche 20A und eine
nach rechts gewandte kleinere Stirnseite 20B.
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Die Stange 18 ist in dem
Bohrungsabschnitt 16D mit dem kleineren Durchmesser verschiebbar aufgenommen
und trägt
auf ihrer Außenumfangsfläche 18A ein
ringartiges, rohrförmiges
Kolbenelement 22. Das ringartige rohrförmige Kolbenelement 22 weist
eine Innenumfangsfläche 22A,
die gleitend und abgedichtet auf der Außenumfangsfläche 18A der Stange 18 gelagert
ist, sowie eine Außenumfangsfläche 22B auf,
die gleitend und abgedichtet in dem Abschnitt 16C mittleren
Durchmessers aufgenommen ist. Ferner weist der rohrförmige Kolben
eine nach links weisende Kolbenstirnfläche 22C auf.
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Obwohl die Stange 18 in
Verbindung mit einer Schaltgabel 180A dargestellt ist,
kann die Stange auch dazu dienen, um andere Vorrichtungen zu betätigen, beispielsweise
Schalteinrichtungen von den Bauarten, wie sie in dem US-Patent 4 920 815
veranschaulicht sind.
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Eine nach rechts gerichtete axiale
Bewegung des ringartigen, rohrförmigen
Kolbens 22 relativ zu der Stange 18 ist durch
ein Anschlagelement 24 begrenzt, während eine axiale Bewegung
des Kolbens 22 nach links in Bezug auf die Stange 18 durch die
Stirnseite 20B des Kolbens begrenzt ist. Eine nach rechts
gerichtete Bewegung des rohrförmigen Kolbens 22 in
Bezug auf die Bohrung 16 und den Grundkörper 14 ist durch
eine Schulter 16E begrenzt. Die Stirnseite 20A des
Kolbens und der Bohrungsabschnitt 16A definieren eine erste
Kammer 26, die über
einen Durchlasskanal 28 mit einer Fluidleitung A störungsmäßig verbunden
ist, die wahlweise unter Druck gesetzt bzw. druckentlastet werden
kann, während
die Stirnseite 20B des Kolbens, der Bohrungsabschnitt
16A und
die nach links weisende Stirnseite 22C des rohrförmigen Sekundärkolbens 22 eine zweite
Kammer 30 festlegen, die über einen Durchlasskanal 32 mit
einer unter konstantem Druck stehenden Leitung B störungsmäßig verbunden
ist.
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Es kann ein Positionssensor 64 vorgesehen sein,
um ein Eingangssignal zur Verfügung
zu stellen, das für
die axiale Stellung der Stange 18 und/oder der Schaltgabel 180A kennzeichnend
ist. Wie veranschaulicht ist, kann die Schaltgabel 180A vollständig nach
links verschoben werden, um die Split-Gangstufe für den Overdrive
einzurücken
(d. h. das Zahnrad 174 wird an die Hauptwelle 146 angekuppelt),
sie kann ganz nach rechts verschoben werden, um die Split-Gangstufe für den Direktantriebsgang
einzurücken
(d. h. das Zahnrad 176 wird an die Hauptwelle 146 angekuppelt),
oder sie kann mittig in einem Bereich der neutralen Stellung positioniert
werden (in der die Hauptwelle 146 weder an das Zahnrad 174 noch
an das Zahnrad 176 angekuppelt ist).
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Ein auf einem Mikroprozessor basierender Controller 36 kann
dazu vorgesehen sein, um unterschiedliche Eingangssignale 38 zu
empfangen, die entsprechend vorgegebenen logischen Regeln verarbeitet
werden, um Ausgangsbefehlssignale 40 an verschiedene Systemaktuatoren
auszugeben, z. B. an eine durch Pulsweitenmodulation elektromagnetisch
gesteuerte Ventilvorrichtung 42, die dazu dient, die Druckbeaufschlagung
und Druckentlastung der Leitung A und der Kolbenkammer 26 zu
steuern. Controller dieser Bauart sind aus dem Stand der Technik
bekannt, wie sich den US-Patentschriften 4 360 060, 4 595 986, 5
281 902 und 5 445 126 entnehmen lässt.
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Eine fahrzeuginterne Quelle 44 für gefilterte und
re gulierte Druckluft, in der Regel von dem Kompressor des Fahrzeugs,
steht über
die Leitung B und den Kanal 32 in dem Grundkörper 14 ständig in
unmittelbarer strömungsmäßiger Verbindung
mit der Kammer 30. Die Kammer 26 steht in Abhängigkeit von
der Stellung der zwei Stellungen aufweisenden pulsweitenmoduliert
elektromagnetisch gesteuerten Dreiwegeventilvorrichtung 42 über die
Leitung A und den Kanal 38 wahlweise mit der Quelle 44 oder
mit der Atmosphäre
(ATMO) in Verbindung. In einem herkömmlichen Schwerlastnutzfahrzeug
stellt die Druckluftquelle 44 einen geregelten Druck von
ca. 80 Psi zur Verfügung.
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Der Mikroprozessor gestützte Controller 36 kann
Eingangssignale von einem elektronischen Datenlink, beispielsweise
einem von denjenigen, die von der Industrie etablierten Standardprotokollen,
z. B. SAE J1922, SAE J1939 und/oder ISO 11898, entsprechen, und/oder
von vielfältigen
Sensoren entgegennehmen, beispielsweise solchen Sensoren, die für die Fahrpedalstellung,
die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Getriebewellendrehzahlen, die Motordrehzahl,
das Motordrehmoment, den Betätigungszustand
des Gangschalthebels und/oder des Split-Wählschalters, den Betriebszustand
der Hauptkupplung und dergleichen kennzeichnend sind. Der Controller 36 kann
ferner Ausgangsbefehlssignale 40 an Anzeigevorrichtungen,
an Aktuatoren der Hauptgetriebegruppe und/oder der Range-Gruppe,
an Motorcontroller, an Betätigungsvorrichtungen
für die Hauptkupplung,
an Aktuatoren des Antriebsstrangretarders und ähnliches ausgeben. Der Controller 36 gibt
ebenfalls Ausgangsbefehlssignale an die mittels Pulsweitenmodulation
elektromagnetisch gesteuerte Ventilvorrichtung 42 aus.
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Es kann ein Sensor 158E vorgesehen
sein, um ein Signal zur Verfügung
zu stellen, das die Drehzahl der Ausgangswelle 158 kennzeichnet
(und auch für
die Fahrzeuggeschwindigkeit kennzeichnend ist), und ein Sensor 60 kann
dazu dienen, um ein Signal bereitzustellen, das für den Betriebszustand
des auf dem Gangschalthebel 64 angeordneten Split-Wählschalters 62 kennzeichnend
ist.
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Es ist wichtig zu bemerken, dass
der rohrförmige
Kolben 22 mit der Schulter 16E in Berührung kommt,
wenn die Kolbenstange 18/Schaltgabel 180A die
neutrale Stellung einnimmt und der rohrförmige Kolben 22 an
dem Anschlag 24 anliegt (ein Zustand, der sich zwangsläufig aufgrund
der beständigen Druckbeaufschlagung
der Kammer 30 einstellt). Dementsprechend wird, falls die
Stange 18/Gabel 180A in die Richtung des Overdrive
(nach links) verschoben wird, durch die Stirnseite 22C des
Kolbens 22 auf die Stange und die Gabel eine nach rechts
gerichtete Kraft (von in dem vorliegenden Beispiel ca. 130 Pfund)
ausgeübt,
wobei diese Kraft schlagartig nachlässt, sobald die Stange 18/Gabel 180A in
die neutrale Stellung hinein oder aus der neutralen Stellung in
Richtung auf den direkten Gang zu (weiter nach rechts) bewegt wird.
Diese Charakteristik wird dazu verwendet, um die Positionierung
des Aktuators 12 mit drei Stellungen zu steuern, wie im
Einzelnen nachstehend näher
erläutert.
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5 veranschaulicht
in einer graphischen Darstellung die Kräfte, die der Schaltgabel 180A je nach
dem Grad der Pulsweitenmodulation zugeführt werden in Abhängigkeit
von der Positionierung der Gabel und unter Annahme der oben angegebenen Abmessungen
sowie einer Druckfluidquelle von 80 Psi (d. h. 20A = 2,203
Zoll; 20B = 1,197 Zoll; 20C = 1,850 Zoll; und
Quelle 44 = 80 Psi). In 5 variiert der
pro zentuelle Grad der Pulsweitenmodulation (% PWM) von 0% Modulation
(vollständig
erregt) bis 100 Modulation (zu keinem Zeitpunkt erregt), und eine Kraft
in Richtung des direkten Gangs (nach rechts) ist eine positive Kraft,
während
eine Kraft in Richtung des Overdrive (nach links) durch eine negative
Kraft dargestellt ist. Die Kurve 50 repräsentiert
die auf die Gabel ausgeübten
Kräfte,
falls die Gabel auf die Seite des Overdrive (nach links) in Bezug
auf die Neutralstellung verschoben ist, während die Kurve 52 die Kräfte darstellt,
die auf die Gabel wirken, falls diese in Bezug auf die Neutralstellung
auf die Seite des direkten Gangs (nach rechts) verschoben ist. Für jeden gegebenen
Grad der Pulsweitenmodulation des Magnetventils 42, oder
bei jeder entsprechend daraus resultierenden Druckbeaufschlagung
der Leitung A, entspricht der Abstand zwischen den Kurven 50 und 52 einer
Kraftdifferenz von ungefähr
130 Pfund, die eine nach rechts gerichtete Differenzkraft darstellt, die
der rohrförmige
Kolben zur Verfügung
stellt, wenn die Gabel 180A auf die links von der neutralen
Stellung befindliche Seite (Overdriveseite) positioniert wird.
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So wird beispielsweise, falls der
Overdrive eingelegt ist und eine Modulation von 0% (d. h. maximale
Erregung) des Magnetventils 42 befohlen wird, die Gabel
aus der Overdrivestellung heraus mit einer Kraft von ca. 220 Pfund
in Richtung auf die Neutralstellung hin gedrückt, bis die Neutralstellung
erreicht ist (Kurve 50), und anschließend mit einer Kraft von ungefähr 90 Pfund
aus der Neutralstellung heraus in die Stellung des direkten Gangs
gedrückt
(Kurve 52). In ähnlicher
Weise wird die Gabel bei einer Modulation von 20% (d. h. das Ventil
ist zu 80% der Gesamtzeit erregt) mit einer Kraft von ca. 170 Pfund
in Richtung auf die neutrale Stellung zu und anschließend aus
der neut ralen Stellung heraus mit einer Kraft von ca. 40 Pfund in
die Stellung des direkten Gangs gedrängt.
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Wie durch die Linie 54 gekennzeichnet,
wird die Gabel bei einer Modulation von ca 38% (d. h. die Magnetspule
des Ventils ist zu 62% der Zeit erregt) unabhängig von der Stellung der Gabel
mit einer Kraft von ungefähr
65 Pfund in Richtung auf die neutrale Stellung hin vorgespannt und
anschließend
abrupt in der neutralen Stellung angehalten. Theoretisch wird die
Gabel bei einer Modulation zwischen ca. 28% (Linie 56)
und einer Modulation von ca. 52% (Linie 58) mit verschiedenen
Kraftstärken
gegen die Neutralstellung vorgespannt und in der Neutralstellung
oder in deren Nähe
verbleiben.
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Dementsprechend ist bei der Verwendung des
erfindungsgemäßen Aktuatorsystems 10 mit
drei Stellungen, das lediglich eine einzige mittels Pulsweitenmodulation
elektromagnetisch gesteuerte Ventilvorrichtung 42 benötigt, ein
Aktuator geschaffen, der drei auswählbare und aufrecht erhaltbare
Stellungen sowie wahlweise variable Betätigungskräfte aufweist.
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In dem veranschaulichten System hat
eine Modulation von 0% bis ungefähr
28% zur Folge, dass der Aktuator in die Stellung des direkten Gangs schaltet,
eine Modulation von ungefähr
28% bis 52% bewirkt ein Schalten des Aktuators in die neutrale Stellung,
und eine Modulation von ungefähr
52% bis 100 führt
dazu, dass der Aktuator in die Stellung des Overdrive schaltet.
Alternativ lassen sich dieselben Ergebnisse auf einfache Weise erzielen,
indem der Leitung A eine Druckfluidquelle mit variablem Druck zur
Verfügung
gestellt wird, wobei der Druck wahlweise zwischen 0 Psi und 80 Psi variiert
werden kann. Die Betriebscharakteristik des Systems 10 kann
den Anforderungen entsprechend durch Variation des Verhältnisses
der effektiven Angriffsflächen
der Stirnseiten 20A, 20B und 22C des
Kolbens verändert
werden.
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Die Ventilvorrichtung 42 enthält ein Solenoid 42A zur
Steuerung der Positionierung eines Zweistellungs-Ventilelements 42B.
Ein Solenoidcontroller 42C, der mittels Befehlssignalen 40 von
der ECU 36 betrieben wird, ist dazu vorgesehen, um die
Spulen des Solenoids 42A wahlweise mit Strom von einer (nicht
veranschaulichten) fahrzeuginternen elektrischer Energiequelle,
beispielsweise einer Batterie oder Lichtmaschine, zu speisen oder
die Stromzufuhr zu unterbrechen. Der Controller 42C kann
vollständig oder
zum Teil in die ECU 36 integriert sein. Das Ventil kann
den Aufbau aufweisen, wie er in der oben erwähnten US-Patentschrift 5 661
998 veranschaulicht ist.
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Die an das Magnetventil 42 angelegte
Spannung V hat einen direkten Einfluss auf die Ansprechzeit des
Ventils und als solche auf die PWM-Werte, die zu einem neutralen
Zustand führen.
Diese Ventilansprechzeit kann über
dem Gleichspannungsbereich von 9 bis 18 Volt, in dem ein gewöhnliches
fahrzeuginternes System betrieben werden muss, um einen Faktor von
mehr als 2 variieren. Die Systemspannung V wird durch den Controller 42C erfasst und
an die ECU 36 übermittelt,
um den PWM-Wert des Ventils derart anzupassen, dass der Splitter
einen neutralen Zustand erreicht. Die Steuerung des Solenoids 42A erfolgt
somit in variabler Abhängigkeit von
erfassten Spannung V, die dem Solenoid zugeführt wird. Insbesondere wird
berücksichtigt,
dass sich Ansprechzeiten (und somit die erforderlichen Vorlaufzeiten)
umgekehrt zu der erfassten Spannung verändern.
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Die Antwortzeit des Ventils beim
Schließen ist
durch den maximalen Strom in der Spule direkt beeinflusst. Es wird
eine Schaltung 46 in der ECU und/oder dem Controller 42C eingesetzt,
die den Strom in der Spule des Solenoid-Ventils auf einen niedrigeren und konstanten
Wert herabsetzt, und dies unabhängig
von der an der Spule anliegenden Spannung. Indem jedes Mal von demselben
Ausgangspunkt aus ausgegangen wird, sind die Schließzeiten
des Ventils sehr konstant, und die veränderlichen Wirkungen des Strompegels
der Spule sind als solche deutlich reduziert.
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Ein unter Federspannung gesetztes
Kolbenelement 48, das in eine Rastkerbe 50 in
der Split-Stange 18 oder dem Split-Kolben hineinpasst, wird
dazu verwendet, um den Split-Kolben 20 in der Neutralstellung
zu halten. Dieses federvorgespannte Kolbenelement oder diese Feststellvorrichtung
vergrößert den
Bereich von PWM-Werten, bei denen der Splitter in dem neutralen
Zustand gehalten wird, dadurch, dass für die Bewegung aus diesem Zustand heraus
eine zusätzliche
Kraft erforderlich ist. Die Feststellvorrichtung ist derart ausgebildet,
dass sie eine zusätzliche
Kraft zur Verfügung
stellt, um den Kolben während
entsprechender PWM-Bedingungen in der Neutralstellung zu halten,
dass diese Kraft jedoch nicht so groß ist, dass sie die Ansprechzeit
für den
Zylinder verlangsamen würde,
wenn sich dieser von der Neutralstellung in die eingerückte Stellung bewegt.
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Je größer die Durchflussöffnungen
in dem Ventil und/oder den Leitungen sind, desto kleiner ist der
PWM-Wertebereich, der zu einem neutralen Zustand für den Split-Kolben führt. Dies
rührt daher,
weil durch größere Durchflussöffnungen
so viel Luft hineinströmt,
dass das Ventil lediglich für
eine sehr kurze Zeitspanne geöffnet
werden kann, bevor der Druck in dem Zylinder bis auf eine Höhe ansteigt,
bei der der Splitter über
die Neutralstellung hinausschießt.
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Da das gleiche Ventil 42B,
das für
den Split-Kolben verwendet wird, auch für den Range-Kolben (einem Kolben,
der erforderlichenfalls eine höhere
Strömung
erfordert) verwendet werden kann, wurde zwischen dem Split-Solenoidventil 42B und
der Split-Kolbenkammer 26 zur Verbesserung dieser Situation
eine Öffnung
oder Drossel 52 hinzugefügt. Dies vergrößert wesentlich
den Bereich von PWM-Werten zur Erreichung des Neutralzustands und
ermöglicht
die Verwendung gewöhnlicher
Ventile für
die Split- und die Range-Kolben.
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Obwohl in der Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in gewissem Maße auf Einzelheiten eingegangen
worden ist, lassen sich zahlreiche Änderungen bezüglich der
Form und im Detail vornehmen, ohne das der Schutzbereich der Erfindung,
wie er hier nachfolgend beansprucht ist, verlassen wird.