Beschreibung

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Kalibriervorrichtung und ein Verfahren zum Kalibrieren eines Schaltgetriebes, welches zwei Zahnräder und eine dazwischen angeordnete Schalt-ZKupplungsmuffe aufweist, welche jeweils koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die Schalt-ZKupplungsmuffe durch einen Elektromotor antreibbar ist, um wahlweise mit einem der zwei Zahnräder in Eingriff zu kommen.

Gemäß dem Stand der Technik, insbesondere auf dem Gebiet der Schaltgetriebe im elektrischen Antriebsstrang für schwere Nutzfahrzeuge (NKW), werden Schaltgetriebe mit Schalt-ZKupplungsmuffen eingesetzt, welche über Schaltgabeln bewegt werden.

Die derzeitigen Konzepte nutzen zur Schaltgabelbewegung vornehmlich hydraulische oder elektrohydraulische Systeme. Hydrauliksysteme werden deshalb favorisiert, da dadurch große Kräfte auf einem kleinen Bauraum bereitstellbar sind, wodurch Hydrauliksysteme sehr gut zum AntreibenZ für Stellbewegungen von Kupplungsmuffen geeignet sind. Dies trifft umso mehr zu, da im Bereich der schweren Nutzfahrzeuge hohe Drehmomente im Getriebe übertragen werden und entsprechende Schalt-Z Kupplungsmuffen unter Umständen gegen diese hohen Lasten die Kupplungsbewegung durchführen müssen. Allerdings werden bei hydraulischen oder teilhydraulischen Systemen eine hohe Anzahl von Bauteilen benötigt, wodurch diese eine hohe Anzahl von Verschleißteilen und ein hohes Gewicht aufweisen. Somit entstehen hohe Fertigungs-, Montage-, Wartungs- und Betriebskosten.

Rein elektrische Antriebe der Schaltgabelbewegung werden in der Regel nicht vorgesehen, da ein Elektromotor seine Position bzw. seinen Drehwinkel relativ erfassenZ tracken kann, während eine Spannungsversorgung vorhanden ist. Liegt ein Spannungsverlust vor (z.B. durch einen Batteriewechsel, Bauteildefekt, gegebenenfalls bei einer Start-Stopp-Automatik, O.Ä.), „vergisst“ der Elektromotor seine aktuelle PositionZ seinen aktuellen Drehwinkel, welcher somit wieder auf Null gesetzt wird. Diese Position kann ferner jederzeit verdreht werden, sofern keine ggf. aufwändige mechanische Arretierung des Elektromotors bereitgestellt ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kalibriervorrichtung und ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, durch welche Probleme des Stands der Technik reduziert oder beseitigt werden. Insbesondere soll eine einfache und sichere Kalibrierung einer elektrischen Verstellung einer Schalt-/ Kupplungsmuffe ermöglicht werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Kalibriervorrichtung und ein Kalibrierverfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Genauer wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Vermessen und Kalibrieren eines Schaltgetriebes, welches zwei Zahnräder und eine dazwischen angeordnete Schalt-ZKupplungsmuffe aufweist, welche jeweils koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die Schalt-ZKupplungsmuffe durch einen Elektromotor antreibbar ist, um wahlweise mit einem der zwei Zahnräder in Eingriff zu kommen. Die Kalibriervorrichtung weist eine Drehwinkelerfassungseinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, einen Drehwinkel eines Elektromotors zu erfassen. Ferner weist die Kalibriervorrichtung eine Rechnereinheit auf, die dazu ausgebildet ist, ein ggf. unabhängig beanspruchbares Verfahren zum Vermessen und Kalibrieren mit den folgenden Schritte auszuführen:

Antreiben des Elektromotors, um die Schalt-ZKupplungsmuffe in eine erste Richtung zu bewegen,

Erfassen eines ersten End-Drehwinkels des Elektromotors über die Drehwinkelerfassungseinrichtung, wenn eine Bewegung der Schalt- ZKupplungsmuffe in der ersten Richtung blockiert ist,

Antreiben des Elektromotors, um die Schalt-ZKupplungsmuffe in eine zweite Richtung zu bewegen,

Erfassen eines zweiten End-Drehwinkels des Elektromotors über die Drehwinkelerfassungseinrichtung, wenn eine Bewegung der Schalt- ZKupplungsmuffe in der zweiten Richtung blockiert ist, und Speichern und Auswerten der ersten und zweiten End-Drehwinkel des Elektromotors.

Eine derartige Kalibriervomchtung/ein derartiges Kalibrierverfahren ermöglicht die Verwendung eines rein elektrischen Antriebs zum Antreiben einer Schalt- /Kupplungsmuffe. Somit können Bauteile und Kosten eines entsprechenden Schaltgetriebes reduziert werden. Es wird eine genaue Positionierung der Schalt- /Kupplungsmuffel/einer zugehörigen Schaltgabel ermöglicht. Der vorliegenden Offenbarung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass dadurch, dass der elektrische Stellaktuator/der Elektromotor gemäß dem Kalibrierungsverfahren mit festen Bezugswerten seiner Drehwinkelposition/seines Drehwinkels angelernt werden kann, eine besonders genaue, einfache und schnelle Messung bzw. Kalibrierung möglich ist. Somit ist der Einsatz eines Elektromotors ermöglicht, welcher relativ häufig kalibriert werden muss. Ferner wird durch eine derartige Vorrichtung/ein derartiges Verfahren eine präzise Vermessung der Kupplungsmechanik/des Schaltgetriebes bereitgestellt.

Bevorzugt ist die Rechnereinheit in dem Elektromotor integriert bzw. ist der Elektromotor ein sogenannter elektrischer Smart-Aktor. Insbesondere ist das Schaltgetriebe Teil eines elektrischen Antriebsstrangs für ein Fahrzeug, insbesondere ein schweres Nutzfahrzeug (NKW). Insbesondere ist die Rechnereinheit dazu ausgebildet, zu erfassen, dass ein Fahrzeug, in welchem die Schaltvorrichtung eingebaut ist, stillsteht, bevor die Kalibriervorrichtung durchgeführt wird. Eine Blockierung der Schalt-ZKupplungsmuffe (Muffe) insbesondere dann erfasst, wenn der Elektromotor für eine parametrierbare Zeit nicht mehr weiter verdreht/betätigt werden kann.

Bevorzugt hat die Kalibriervorrichtung ferner eine Positionserfassungsvorrichtung, die separat zur Drehwinkelerfassungseinrichtung ausgebildet ist und dazu ausgebildet ist, eine Position der Schalt-ZKupplungsmuffe relativ zu zumindest einem der zwei Zahnräder zu erfassen und mit dem Drehwinkel des Elektromotors zu vergleichen. Dies erhöht die Genauigkeit der Drehwinkelerfassung des Elektromotors und ermöglicht eine Plausibilitätsprüfung derselben. Gleichzeitig können durch die Verwendung der Drehwinkelerfassungseinrichtung zur Erfassung des Drehwinkels des Elektromotors insbesondere im späteren Betrieb des Schaltgetriebes hohe Rechenaufwände und durch bedingte Kosten, welche bei einer reinen Verwendung der Positionserfassungsvorrichtung entstehen würden, vermieden werden. Die Positionserfassungsvorrichtung kann beispielsweise einen an der Schalt-/ Kupplungsmuffe und oder einem damit bewegten Bauteil befestigten Permanent- Magneten aufweisen. Zu Beginn des Verfahrens wird in der Recheneinheit bevorzugt ein unbekannter Stellweg der Schalt-/ Kupplungsmuffe angenommen. Dadurch können Fehler vermieden werden, die dadurch bedingt sind, dass Spiele und Steifigkeiten in der Mechanik die gemessenen Positionen voneinander entkoppeln.

Bevorzugt ist die Rechnereinheit dazu ausgebildet, vor dem Antreiben des Elektromotors die Positionserfassungsvorrichtung auszulesen, um eine Startposition der Schalt-ZKupplungsmuffe zu erfassen, und anschließend das Antreiben des Elektromotors durchzuführen, wobei eine Antriebsrichtung des Elektromotors abhängig von der Startposition der Schalt-ZKupplungsmuffe eingestellt wird. Dies ermöglicht es, einen Fahrweg beim Kalibrieren des Elektromotors zu optimieren und dadurch eine Kalibrierdauer zu minimieren.

Bevorzugt ist die Rechnereinheit ferner dazu ausgebildet, einen basierend auf den ersten und zweiten Endpositionen eine maximale Bewegungsdistanz der Schalt- ZKupplungsmuffe zu berechnen und mit einem gespeicherten Abstand zwischen den Zahnrädern zu vergleichen. Dies entspricht im Wesentlichen einer zusätzlichen Plausibilitätsprüfung. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Kalibrierung korrekt durchgeführt wurde bzw. dass die Schalt-ZKupplungsmuffe mit beiden Zahnrädern vollständig in Eingriff gebracht werden konnte. Der Abstand ist basierend auf der konkreten Konstruktion und/oder basierend auf einer initialen Messung bestimmt und in einem Speichermodul der Rechnereinheit hinterlegt.

Bevorzugt ist die Rechnereinheit ferner dazu ausgebildet, eine Warnmeldung auszugeben, wenn die maximale Bewegungsdistanz größer als der gespeicherte Abstand ist. Weiter bevorzugt wird durch die Warnmeldung eine Untersuchung in Hinblick auf Verschleißerscheinungen und/ oder mechanische Defekte im Schaltgetriebe eingeleitet. Dadurch ist es möglich, besonders früh derartige Verschleißerscheinungen und/oder Defekte zu erkennen und Maßnahmen zu ergreifen. Bevorzugt ist die Rechnereinheit ferner dazu ausgebildet, die vorhergehenden Schritte zu wiederholen, wenn die maximale Bewegungsdistanz kleiner als der gespeicherte Abstand ist. Somit kann auch bei einer frühzeitigen Blockierung der Schalt- /Kupplungsmuffe zum Beispiel, wenn Eingriffsklauen der Muffe auf Eingriffsklauen des betreffenden Zahnrads treffen, der Prozess wiederholt und abgeschlossen werden. Insbesondere wird eine bestimmte Anzahl solcher Wiederholungen durchgeführt, und wird, wenn bei der letzten Wiederholung die maximale Bewegungsdistanz immer noch kleiner als der gespeicherte Abstand ist, eine weitere Warnmeldung ausgegeben bzw. eine Untersuchung im Hinblick auf Verschleißerscheinungen und/oder mechanische Defekte im Schaltgetriebe eingeleitet.

Bevorzugt ist die Rechnereinheit dazu ausgebildet, einen Antriebs-Elektromotor, der den Antriebsstrang des Fahrzeugs antreibt, mit einer oszillierenden Drehzahl anzutreiben. In anderen Worten wird gleichzeitig mit der Bewegung des Schaltaktors/der Muffe durch den Elektromotor dem antreibenden Antriebs-Elektromotor im drehmomenten- oder drehzahlgesteuerten Regelmodus zunächst für eine bestimmte Zeitspanne ein/e geringe/s positive/s Drehmoment/Drehzahl und anschließend für die gleiche bestimmte Zeitspanne ein geringes negatives Drehmoment/Drehzahl vorgegeben. Dies führt zu einer Differenzdrehzahl an der Kupplungsverzahnung/ den Eingriffsklauen der Muffe bzw. der Zahnräder, die bei einem Eingriffs-/ Einkuppelvorgang der Muffe mit den Zahnrädern von Vorteil ist.

Bevorzugt ist die Rechnereinheit dazu ausgebildet, einen Start einer Spannungszufuhr zu dem Elektromotor zu erfassen und anschließend das Kalibrierverfahren einzuleiten. Somit kann automatisiert der Elektromotor kalibriert und stets präzise betrieben werden.

Bevorzugt wird die Schalt-ZKupplungsmuffe rein elektrisch angetrieben.

Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Figuren dargestellt.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Schaltgetriebevorrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Kalibrierverfahren nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Schaltgetriebevorrichtung 1 mit zwei Zahnrädern 2, die in einer Axialrichtung koaxial zueinander angeordnet sind. An ihren einander zugewandten Stirnseiten haben die Zahnräder 2 jeweils erste Klauen 4. Zwischen den Zahnrädern 2 ist koaxial dazu eine Schalt-ZKupplungsmuffe 6 angeordnet, welche entlang der Axialrichtung verschiebbar ist. Die Schalt-ZKupplungsmuffe 6 hat an ihren Stirnseiten jeweils zweite Klauen 5. Wird die Schalt-ZKupplungsmuffe 6 ausgehend von einer mittigen Position zwischen den Zahnrädern 2 um eine erste Distanz a axial verschoben, liegen Stirnseiten der ersten und zweiten Klauen 4, 5 in einer Ebene quer zur Axialrichtung. Treffen die ersten und zweiten Klauen 4, 5 aufeinander, wird eine Bewegung der Schalt-ZKupplungsmuffe 6 blockiert und ein entsprechender End- Drehwinkel eines Elektromotors erfasst, der die Schalt-ZKupplungsmuffe 6 antreibt. Alternativ gleiten die ersten und zweiten Klauen 4, 5 beim Weiterbewegen der Muffe 6 ineinander, sodass die Schalt-ZKupplungsmuffe 6 ausgehend von der mittigen Position um eine zweite Distanz von b verschoben wird, und wird ein entsprechender End- Drehwinkel erfasst. An der Schalt-ZKupplungsmuffe 6 kann radial außen ein Permanentmagnet 7 als ein Teil einer Positionserfassungsvorrichtung angebracht sein, welcher eine absolute Position der Schaltmuffe relativ zu den Zahnrädern 2 erfasst.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Kalibrierverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung. Zunächst wird ein Zähler i = 1 gesetzt. In einem ersten Schritt S1 wird geprüft, ob der Zähler i kleiner als eine maximale Zählerzahl ist. Falls nein, wird eine Fehlermeldung E ausgegeben. Falls ja wird in einem zweiten Schritt S2 der Elektromotor mit einer positiven Drehzahlregelung betrieben, d. h. in einen Gang bzw. hin zu einem der Zahnräder 2 verfahren. Kann der Elektromotor für eine bestimmte Zeit nicht weiter verfahren werden, wird in einem dritten Schritt S3 ein Block bzw. eine Endposition erkannt und wird ein entsprechender Drehwinkel als ein erster End- Drehwinkel erkannt und gespeichert.

Anschließend wird in einem vierten Schritt S4 der Elektromotor mit einer negativen Drehzahlregelung betrieben, d. h. in einen Gang bzw. hin zu dem anderen der Zahnräder 2 verfahren. Kann der Elektromotor für eine bestimmte Zeit nicht weiter verfahren werden, wird in einem fünften Schritt S5 ein zweiter Block bzw. eine zweite Endposition erkannt und wird ein entsprechender Drehwinkel als ein zweiter End- Drehwinkel erkannt und gespeichert.

Anschließend wird in einem sechsten Schritt S6 anhand der ersten und zweiten End- Drehwinkel eine Wegstrecke im berechnet, welche die Muffe 6 zurückgelegt hat. Die Wegstrecke wird mit einem gespeicherten Wert für den Abstand zwischen den Zahnrädern 2 verglichen. Ist diese Wegstrecke größer als der Abstand unter Berücksichtigung eines bestimmten Toleranzbereichs (z.B. Wegstrecke > b), wird eine Fehlermeldung E ausgegeben. Ist die Wegstrecke kleiner als der Abstand unter Berücksichtigung der Toleranzbereichs (z.B. Wegstrecke < a), wird der Zähler um 1 erhöht (i=i+1 ) und wird das Verfahren ausgehend vom ersten Schritt S1 wiederholt. Entspricht die Wegstrecke dem Abstand oder liegt innerhalb des Toleranzbereichs, wird das Verfahren beendet.

Bezugszeichenliste

1 Schaltgetriebevorrichtung

2 Zahnräder

4 erste Klauen

5 zweite Klauen

6 Schalt-ZKupplungsmuffe

7 Permanentmagnet / Positionserfassungsvorrichtung