Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer stufenlos verstellbaren Antriebseinheit für Kraftfahrzeuge mit einer regelbaren Brennkraftmaschine und einem hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebe mit stufenlos veränderlichem

10 Übersetzungsverhältnis nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1

Aus der Patentschrift (DE 35 12 523) ist ein stufenlos einstellbares leistungsverzweigendes Verbundlastschaltgetriebe ^* mit Gruppenschaltungen bekannt.

^**■ -' Das Getriebe besteht aus zwei Teilgetrieben. Das eine ist ein εtufenlos einstellbares leistungsverzweigendes Koppelgetriebe mit mehreren Wellen. Das andere Teilgetriebe ist ein Schaltgetriebe mit einer Ganggruppe und mehreren Gruppengängen, die auf die Hauptabtriebswelle wirken. Die

- beiden Koppelwellen treiben alternativ das Schaltgetriebe an. Die Gangschaltungen erfolgen bei Synchrondrehzahlen lastfrei und ohne Zugkraftunterbrechung. Das Getriebe wirkt wie ein stufenloses Getriebe mit großem Stellbereich und erlaubt in einem Fahrzeug das Betreiben der

^■ -* ^■•■ -' Brennkraftmaschine entlang der Kurve für minimalen

Kraftstoffverbrauch und ermöglicht so Kraftstoffeinsparung.

Derartige hydrostisch mechanische

Leistungsverzweigungsgetriebe für Kraftfahrzeuge sind in

**- ^* -' bestimmten Betriebεzuständen mit besonders hohen Verlusten behaftet, da sich der Wirkungsgrad im hydrostatischen Zweig bei großem Fördervolumen zwischen Primäreinheit und

Sekundäreinheit verschlechtert. Die bei großem Fördervolumen der Primäreinheit im hydrostatischen Zweig auftretenden 35

hohen Drücke führen im Zusammenhang mit den von einer Brennkraftmaschine auf die Primäreinheit übertragenen hohen Drehzahlen zu hohen Verlusten, frühzeitigem Verschleiß und zu hoher Geräuschemission des Getriebes.

Da der Leistungsanteil des hydrostatischen Zweiges bei großem Fördervolumen der Primäreinheit im Verhältnis zur gesamten Leistung, die durch das

Leistungsverzweigungsgetriebe fließt, groß ist, wirkt sich dessen schlechter Wirkungsgrad sehr nachteilig für den

Gesamtwirkungsgrad des Leistungsverzweigungsgetriebes aus.

Bei Getrieben mit hydrostatisch-mechanischer Leistungsverzweigung über den gesamten Fahrbereich tritt in der Regel während des Schaltvorgangs, im mechanischen Zweig die Belastungskombination mit großem Fördervolumen der Primäreinheit und hohem Druck im hydrostatischen Zweig auf. Während eines Schaltvorgangs wird die Getriebeausgangswelle von einer der Koppelwellen des Koppelgetriebes getrennt und mit einer anderen Koppelwelle verbunden. Dieser

Schaltvorgang erfolgt bei synchroner Drehzahl der beteiligten Koppelwellen. Die Koppelwellen sind über Kupplungen mit der Ausgangswelle des Getriebes verbunden, wobei Überschneidungen in der Kupplungsbetätigung während des Schaltvorganges auftreten, bei welchem ein starres Übersetzungsverhältnis zwischen hydrostatischem und mechanischem Getriebezweig besteht.

Der Betrieb des Leistungsverzweigungsgetriebes unter Last führt zu Leckageverlusten im hydrostatischen Zweig. Um diese Verluste zu kompensieren, muß ein verändertes Fördervolumen der Primäreinheit vorgegeben werden, um eine bestimmte Drehzahl der von der Sekundäreinheit getriebenen Eingangεwellen des Koppelgetriebes zu erreichen, und demzufolge muß auch, um Synchrondrehzahl der zu schaltenden Kcppelwellen zu erreichen, der Winkel der Schwenkscheibe der Primäreinheit im hydrostatischen Zweig je nach den an

der Ausgangswelle des Getriebes anliegenden Drehmomenten unterschiedlich eingestellt werden.

Im Zug- bzw. Schubbetrieb der Antriebseinheit muß die Schwenkscheibe der Primäreinheit auf einen größeren bzw. kleineren Winkel eingestellt werden, um die Sekundäreinheit auf die zur Erreichung des Schaltpunkts nötige Drehzahl zu bringen.

Die Änderung der Getriebeübersetzung im mechanischen Zweig vor und nach dem Schaltvorgang bestimmt die Drehmomentdifferenz, die vor und nach dem Schaltvorgang auf den hydrostatischen Zweig wirkt. Wird der Winkel der Schwenkscheibe der Primäreinheit, mit dem ein Schaltpunkt unter Last erreicht wird, nach vollzogener Schaltung beibehalten, entspricht das Fördervolumen der Primäreinheit nicht dem Fördervolumen, das für das neu übertragene Drehmoment nötig ist. Der unterschiedliche Bedarf an Fördervolumen im hydrostatischen Zweig vor und nach dem Schaltpunkt führt bei Nichtberücksichtigung zu einem fühlbaren Ruck des mit der Antriebseinheit verbundenen Gesamtsystems, zu einem schlechteren Wirkungsgrad der Antriebseinheit und erhöhtem Verschleiß , insbesondere der Kupplungen im Leistungsverzweigungsgetriebe.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung und ein Verfahren zu schaffen, das den Wirkungsgrad eines Leistungsverzweigungsgetriebes im Bereich seiner Schaltpunkte verbessert und den Verschleiß mindert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Regeleinrichtung die Drehzahl n. der Brennkraftmaschine vor Erreichen eines Übersetzungsverhältnisses im Leistungsverzweigungsgetriebe, bei welchem die Sekundäreinheit maximale Drehzahl aufweist, auf eine niedrigere Drehzahl reduziert, und das Stellsignal für eine Schwenkscheibe der Primäreinheit derart ändert, daß bei

fallender Drehzahl der Brennkraftmaschine annähernd konstante Drehzahl an einer Ausgangswelle des Getriebes erhalten bleibt, daß die Regeleinrichtung das Stellsignal für die Schwenkscheibe der Primäreinheit nach erreichtem Schaltpunkt um einen Wert verändert, der sich aus der Differenz des größten Stellεignals I . vm-ä- einem vorgegebenen Stellsignal I. . und dem Verhältnis der Übersetzungen im mechanischen Zweig am Schaltpunkt errechnet und nach abgeschlossenem Schaltvorgang die Regeleinrichtung die Drehzahl der B ennkraftmaschine weiter absenkt und das Stellsignal für die Schwenkscheibe derart ändert, daß die Drehzahl der Ausgangswelle des Getriebes weiterhin annähernd konstant bleibt und anschließend die Drehzahl der Ausgangswelle des Getriebes bei konstanter Übersetzung des Getriebes durch Anheben der Drehzahl der Brennkraftmaschine verändert wird, bis die Drehzahl n. wieder erreicht ist und die weitere Änderung der Drehzahl der Ausgangswelle des Getriebes bei konstanter Drehzahl n. der Brennkraftmascl durch Ändern der Übersetzung des Getriebes erfolgt.

Durch die erfindungsgemäße Einrichtung und das Verfahren zum Betrieb der Antriebseinheit wird der Vorteil erreicht, daß der schaltpunktnahe Betriebsbereich mit schlechtem Wirkungsgrad des Leistungsverzweigungsgetriebes in kurzer Zeit durchfahren wird bei insgesamt niedrigerer Eingangsdrehzahl von der Brennkraftmaschine, so daß die Verlustleistung und der Verschleiß des

Leistungsverzweigungsgetriebes, insbesondere der Kupplungen, geringer werden.

Einen besonderen Anteil an der erfindungsgemäßen Verbesserung hat die- Anpassung des Fördervolumens der Primäreinheit an das tatsächlich vor und nach dem Schaltpunkt am hydrostatischen Zweig anliegende Drehmoment.

Elektronische Regeleinrichtungen weisen ein besonders günstiges Preisleistungsverhältnis auf und ermöglichen in besonders vorteilhafter Weise die Kombination der erfindungsgemäßen Regelungsfunktion mit Fahrprogrammen.

Wird die Kraftmaschine in der Nähe zum Beispiel bei 90 % ihrer Eckleistung betrieben, unterbleibt die Regelung der Brennkraftmaschinendrehzahl entsprechend dem kennzeichnenden Teil des ersten Anspruchs, um einer möglichen Drehzahldrückung und damit Leistungsverringerung der Brennkraftmaschine vorzubeugen.

Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und einzelnen Anspruchsmerkmalen aus der Aufgabenstellung.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Einrichtung,

Fig. 2 zeigt den Verlauf der

Brennkraftmaschinendrehzahl und der Verstellung der Schwenkscheibe im Leistungsverzweigungsgetriebe in Abhängigkeit von der Zeit,

Fig. 3 zeigt den tatsächlichen und den idealen Verlauf des Schwenkwinkels der Verstelleinheit im Hydroεtaten über den gesamten Geschwindigkeitεbereich und die erfinduήgsgemäße Korrektur des Schwenkwinkels am Schaltpunkt aus errechneten Werten.

An einem Fahrschalter 1 wird eine frei wählbare Geschwindigkeit und ein Economy- oder Vollastprogramm zum Betrieb einer Brennkraftmaschine 2 bei Drehzahlen mit

Verbrauchsbeεtwerten oder bei Nenndrehzahl voreingestellt. Eine Regeleinrichtung 3 tauscht über Leitungen <-. , 5

elektrische Signale, zum Beispiel Vorgabe und Rückmeldung, mit dem Fahrschalter 1 aus. Eine stufenlos verstellbare Antriebseinheit besteht aus der regelbaren Brennkraftmaschine 2 herkömmlicher Bauart, die ein hydrostatisch-mechanisches Leistungsverzweigungsgetriebe 6 antreibt. Zwischen der Brennkraftmaschine 2 und dem Leistungsverzweigungsgetriebe 6 befindet sich keine schaltbare Kupplung. Die zum Beispiel elektronisch ausgebildete Regeleinrichtung 3 kontrolliert automatisch die Drehzahl der Brennkraftmaschine 2 und das

Übersetzungsverhältnis des stufenlos verstellbaren hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes 6, so daß die vorgewählte Geschwindigkeit erreicht wird. Hierzu befinden sich nicht dargestellte Meßwertaufnehmer an einer motordrehzahlabhängig angetriebenen Eingangswelle 7 und an einer Getriebeausgangswelle 8, die die Wellendrehzahlen über Leitungen 9, 10 an die Regeleinrichtung 3 weitergeben. Die Regeleinrichtung 3 vergleicht die Drehzahlmeßwerte mit den Vorgaben vom Fahrschalter 1. In Abhängigkeit von in der Regeleinrichtung 3 gespeicherten Fahrprogrammen gehen von der Regeleinrichtung 3 Stellsignale über die Leitungen 11, 12 an die Kraftmaschine 2 und an das Leistungsverzweigungsgetriebe 6.

Die Brennkraftmaschine 2 wird in üblicher Weise durch Drosselung des Luftansaugquerschnittes oder der Brennstoffeinspritzmenge geregelt und vorwiegend bei konstanter Drehzahl zum Beispiel der Drehzahl mit niedrige Verbrauchswerten, betrieben.

Das Übersetzungsverhältnis des hydrostatisch- mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes 6 wird stufenlo verändert, indem das Fördervolumen einer Primäreinheit 13 und damit die Drehzahl einer Sekundäreinheit 14 eines hydrostatischen Zweiges 15 des

Leistungsverzweigungsgetriebes 6 kontinuierlich beeinflußt wird. Die Primäreinheit 13 im hydrostatischen

Getriebezweig 15 ist über die Eingangswelle 7 von der regelbaren Brennkraftmaschine 2 direkt angetrieben und dreht sich mit einer Drehzahl proportional zur Drehzahl der Brennkraftmaschine 2.

Der hydrostatische Getriebezweig 15 ist mit dem mechanischen Getriebezweig 16 über ein Vorgelege 17 und eine Hohlwelle 18 verbunden. Der kontinuierliche Ubersetzungsbereich des hydrostatischen Getriebezweiges 15 im Leistungsverzweigungsgetriebe 6 wird durch

Getriebeelemente, zum Beispiel Planetengetriebe im mechanischen Getriebezweig 16 des Leistungsverzweigungsgetriebes 6, vervielfacht.

Die Brennkraftmaschine 2 treibt über ein Vorgelege 19 und eine Antriebswelle 20 den mechanischen Getriebezweig 16 an, der mindestens ein Koppelgetriebe (nicht dargestellt) enthält. Koppelwellen 21, 22 der Koppelgetriebe sind angetrieben mit stufenlos variablen Drehzahlen, die sich aus der Summierung der stufenlos variablen Drehzahlen der

Sekundäreinheit 14 und der konstanten Drehzahl der Welle 20 ergeben. Kupplungen 23 verbinden wahlweise eine der Koppelwellen 21 oder 22 mit der Getriebeausgangswelle 8, die eine Hinterachse 24 antreibt. Während des Schaltvorgangε sind zumindest für eine kurze Zeit beide Koppelwellen 21 und 22 über die Kupplung 23 mit der Getriebeausgangswelle 8 verbunden.

Fig. 2: Ansteuern eines Schaltpunkts gemäß der Erfindung. Die Brennkraftmaschine 2 der Antriebseinheit läuft vorwiegend mit konstanter Drehzahl n , = n. entεprechend Linie Ll . Die vorgewählte Geεchwindigkeit wird durch Änderung des Übersetzungsverhältnis (Linie L2) des

Leistungsverzweigungsgetriebes 6 erreicht. Die Linie L3 charakterisiert den Drehzahlverlauf an der

Getriebeausgangswelle 8. Im mechanischen Getriebezweig 16 ist im Fahrbereich die überεetzung Un = konstant. Zwischen

den Schaltpunkten ändert sich das Übersetzungsverhältnis des Leistungsverzweigungsgetriebes 6 durch Verstellen der Schwenkscheibe 25 der Primäreinheit 13 im hydrostatischen Zweig 15 annähernd linear mit der Zeit t. In der Nähe eines Schaltpunktes des mechanischen Zweiges 16 des

Leistungsverzweigungsgetriebes 6 bei einer Drehzahl der Ausgangswelle 8 des Getriebes 6 von zum Beispiel 90 % der Drehzahl am Schaltpunkt im mechanischen Zweig 16 wird das Stellsignal der Regeleinrichtung 3 für die Drehzahl n. der Brennkraftmaschine 2 tun Δ abgesenkt, und gleichzeitig wird das Stellsignal für die Schwenkεcheibe 25 der Primäreinheit 13 des hydrostatischen Zweigs 15 beschleunigt um eine zur Zeit quadratischen Funktion zum Auslenkungswinkel PHI hin von SO nach Sl verstellt. Bei Sl ist Synchrondrehzahl der Koppelwellen zweier benachbarter Fahrbereiche erreicht.

Die Stellsignale für die Brennkraftmaschinen- Drehzahlabsenkung und die Verstellung der Schwenkscheibe 25 sind so aufeinander abgestimmt, daß die Drehzahl der

Ausgangswelle 8 des Getriebes 6 annähernd konstant bleibt während dieses Vorgangs auf der Linie L3, P1-P2. Bei um ^ niedrigerer Drehzahl der Brennkraftmaschine 2 wird der Schaltpunkt Sl des Leistungsverzweigungsgetriebeε 6 bei um Δ n mal einem getriebeabhängigen Faktor niedrigerer Synchrondrehzahl n erreicht.

Die Koppelwelle 22 deε nächsten Fahrbereicheε mit der

Übersetzung Ü . im mechanischen Zweig 16 wird über die Kupplung 23 am Punkt Sl zur Koppelwelle 21 zugeschaltet, und das Koppelgetriebe und damit das Getriebe 6 insgesamt laufen als starre Einheit um. In der ersten Phase des

Schaltvorgangs bleibt die Drehzahl der Brennkraftmaschine 2 konstant, siehe Linie Ll, B2-B3, die Übersetzung deε Getriebes 6 Ü = Ü = ü , . = konstant, siehe Linie L2, ges n n+1

SI-S2, und die Regeleinrichtung 3 ermittelt einen Korrekturwert für die Verstellung der Schwenkscheibe 25 der

Primäreinheit 13 gemäß dem Verfahren, das in Fig. 3 dargestellt ist.

Der Korrektur der. Verstellung der Schwenkscheibe 25 vo

S2 nach S3 folgt eine weitere kurze Phase S3 nach S4 auf der

Linie L3 während der weiterhin die Koppelwellen 21 und 22 beider Fahrbereiche gemeinsam in Verbindung mit der

Hinterachse 24 sind. Die Drehzahl der Brennkraftmaschine 2 bleibt konstant, siehe Linie Ll , B3-B4. Bei S4 wird die

10 Koppelwelle 21 für den Fahrbereich mit der Übersetzung Ü im mechanischen Zweig 16 gelöst und die Schwenkεcheibe 25 verstellt beschleunigt von S4 nach S5 mit einer zur Zeit quadratischen Funktion aus dem Bereich der größten

Auslenkung der Schwenkscheibe zu einem kleineren Winkel PHI

1*- ^* und größerer Übersetzung Ugeε des Getriebes 6. Das beschleunigte Zurückschwenken der Schwenkscheibe 25 wird durch eine weiter abfallende Drehzahl der Brennkraftmaschine ; unterstützt, siehe Linie Ll von B4-B5, so daß insgesamt die

Drehzahl der Ausgangεwelle 8 konεtant bleibt, siehe Linie L3

^• *-*-' von P3-P4. Hat die Auslenkung der Schwenkscheibe 25 der

Primäreinheit 13 einen Winkel PHI in der Nähe des

Auslenkungsmaximumε erreicht, zum Beispiel 90 % der maximalen Auslenkung ³ PHImax, wird die Schwenkscheibe 25 von

S5 bis S6 auf der Linie L2 in dieser Position festgehalten,

2 und die Drehzahl der Ausgangswelle 8 des Getriebes 6 steigt ^' wieder an ab ^' P4, siehe Linie L3 , da die Drehzahl nm,ot. der

Brennkraftmaschine 2 wieder auf das Niveau n. vor Beginn des

Schaltvorgangs von B5 nach B6 auf der Linie Ll angehoben wird. 30

Fig. 3: Die durchgezogene Linie L4 zeigt das Stellsignal von der Regeleinrichtung 3, das zur Auslenkung der Schwenkscheibe 25 der Primäreinheit 13 proportional ist für ein Getriebe unter Last mit drei Fahrbereichen und den *-* ⁵ Übersetzungen Ul, Ü2, U3 im mechanischen Zweig des

Getriebes 6. Die gestrichelte Linie L5 zeigt den aus Prüfstandverεuchen bekannten Verlauf deε Stellεignalε für

die Schwenkscheibe 25 der Primäreinheit 13 bei lastfreiem

Betrieb des Getriebes 6. In lastfreiem Betrieb werden die

Schaltpunkte Sl und S2 bei einem Stellsignal I erreicht. Der Regeleinrichtung 3 ist das Stellsiσnal I ,, soll fest vorgegeben, zum Beispiel einprogrammiert. Unter Last werden die Schaltpunkte Sl und S2 bei einem Stellsignal

Ii.st, erreicht, das um * ^■ * I von Is ^' ol,l, abweicht. Die

Differenz A I in den erforderlichen Stellsignalen ist auf die erhöhte Leckage im hydrostatischen Zweig 15 bei Betrieb unter Last zurückzuführen. Am Schaltpunkt bildet die

Regeleinrichtung 3 die Differenz A, I aus dem zuletzt an die

Schwenkscheibe 25 ausgegebenen Stellsignal I. und dem vorgegebenen Stellsignal I .. und errechnet einen

Korrekturwert K. Der Betrag des unter Last erreichten Stellεig ^r nals Ii.st. wird um den Korrekturwert K verkleinert.

Der Korrekturwert K = A I - V »^I, wobei V der Quotient aus den beiden Übersetzungen ist, zwiεchen denen geschaltet wird im mechanischen Zweig 16 des Getriebes 6.

Bezugszeichen

1 Fahrschalter

2 Brennkraftmaschine 3 Regeleinrichtung

4 Leitung

5 Leitung

6 Leistungsverzweigungsgetriebe

7 Eingangswelle 8 Getriebeausgangswelle

9 Leitung

10 Leitung

11 Leitung

12 Leitung 13 Primäreinheit

14 Sekundäreinheit

15 hydrostatischer Zweig

16 mechanischer Getriebezweig

17 Vorgelege 18 Hohlwelle

19 Vorgelege

20 Antriebswelle

21 Koppelwelle

22 Koppeiwelle 23 Kupplung

24 Hinterachse

25 Schwenkscheibe

Ll Kennlinie Brennkraftmaschinendrehzahl

L2 Kennlinie Schwenkscheibenverstellung L3 Drehzahl der Ausgangswelle des Getriebes 6

L4 Stellsignal Schwenkscheibe unter Last

L5 Stellsignal Schwenkscheibe lastfrei

51 Schaltpunkt Fahrbereich 1, 2

52 Schaltpunkt Fahrbereich 2, 3

Formelzeichen

I = Steuerstrom für den Schwenkscheibenwinkel

I , , - Steuerstrom am Schaltpunkt lastfrei

I. . = Steuerstrom am Schaltpunkt unter Last ün = Übersetzung im Fahrbereich n ü . - Übersetzung im Fahrbereich n+1

PHI = Schwenkscheibenwinkel

PHIs = Schwenkscheibenwinkel bei Svnchrondrehzahl n = Drehzahl n. = Dauerbetriebsdrehzahl Brennkraftmaschine = Drehzahlreduktion n n = Synchrondrehzahl

Uges = Übersetzung des gesamten Getriebes

K = Korrekturwert = I + V ^• Λ I

S _Λ = Schaltpunkt 1 S„ = Schaltpunkt 2