Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer externen Schaltbetätigung für ein manuelles Getriebe.

Kraftfahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor und einem zugeordneten manuell betätigbaren Getriebe besitzen üblicherweise eine externe Schaltbetätigung mit einem im

Mittelkonsolenbereich nach oben ragenden Schalt- oder Wählhebel zum manuellen Einlegen der Gänge. Das Schalten der Gänge innerhalb des Getriebes erfolgt mit einer teilweise in das Getriebe hineinragenden internen Schaltbetätigung. Zwischen externer und interner

Schaltbetätigung befindet sich eine Kinematikkette, mit der die mechanische Gangwahl des Fahrers in einen Schaltvorgang im Getriebe umgesetzt wird.

Allgemein bekannt sind Gangerkennungssensoren, mit der der innerhalb des Getriebes geschaltete Gang bestimmt werden kann.

Bekannt ist ferner eine Gangwahlerkennungssensorik, mit denen der vom Fahrer mit dem Schalt- oder Wählhebel gewählte Gang, z.B. der von ihm gewählte 3. Gang eines manuellen Getriebes, erkannt werden kann. Diese Sensorik umfasst einen Sensor zum Bestimmen der Motordrehzahl und einen Sensor zur Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit. Eine derartige Gangwahlerkennungssensorik erlaubt es, mit den bekannten Übersetzungen im Getriebe den eingelegten Gang zu berechnen, erfordern somit eine geschlossene Kupplung.

Im Regelfall liefern ein Gangerkennungssensor und ein Gangwahlerkennungssensorik dasselbe Ergebnis, d.h. dieselbe Gangstufe des Schaltgetriebes. Abweichungen bei manuellen Getrieben kann es in den selten auftretenden Fällen des Le Mans-Effekts und des inversen Le Mans- Effekts geben. Beim Le Mans-Effekt wählt der Fahrer mit dem Schalthebel den ersten Gang, wird im Getriebe jedoch der Rückwärtsgang geschaltet. Beim inversen Le Mans-Effekt ist es genau umgekehrt, d.h. wird der Rückwärtsgang gewählt aber der erste Gang geschaltet. Beide Effekte haben ihre Ursache in der Trägheit einer sehr schnell beschleunigten Schaltwelle der internen Schaltbetätigung. Eine Aufgabe einer Ausführungsform der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Gangwahlerkennungssensorik, der sowohl mit geschlossener als auch mit offener Kupplung funktioniert.

Eine Aufgabe einer weiteren Ausführungsform besteht in der Bereitstellung eines

Gangwahlerkennungssensorik, mit dem das Auftreten des Le Mans- oder inversen Le Mans- Effekts prognostiziert werden kann, so dass Gegenmaßnahmen getroffen werden können, um ein unbeabsichtigtes Fahren in die falsche Richtung und damit verbundene Gefahren vermieden werden können.

Diese und weitere Aufgaben werden mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Bauliche Ausgestaltungen und weitere Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen.

Eine Lösung für die oben genannte Aufgabe ist ein Kraftfahrzeug mit einer externen

Schaltbetätigung zum Einlegen von Gängen eines manuellen Getriebes, insbesondere ausgebildet als Stufen- oder als Schaltgetriebe, und mit einer teilweise in das Getriebe hineinragenden internen Schaltbetätigung zum Schalten der Gänge. Das Kraftfahrzeug hat einen karosseriefest montierten ersten Sensor und einen in der Kinematikkette zwischen externer Schaltbetätigung und interner Schaltbetätigung befestigten zweiten Sensor. Der erste Sensor und der zweite Sensor sind oder umfassen jeweils einen MEMS-Sensor zur Erfassung von Translationsbeschleunigungen in drei voneinander verschiedenen Raumrichtungen sowie zur Erfassung von Rotationsgeschwindigkeiten in zwei oder drei voneinander verschiedenen Rotationsrichtungen, wobei die Richtungen jeweils ein kartesisches Koordinatensystem aufspannen mögen, das je nach Zahl der Richtungen zwei- oder dreidimensional ist. Der MEMS-Sensor ist also ein zwei- oder dreiachsiges Gyroskop und gleichzeitig ein dreiachsiger Beschleunigungssensor. Sprachlich vereinfachend sei diese Art von Sensor nachfolgend als MEMS-Sensor oder einfach als„Sensor“ bezeichnet.

Die vorstehend genannte Kinematikkette umfasst zumindest die interne Schaltbetätigung und die externe Schaltbetätigung selbst. Hinzu treten ferner dazwischen befindliche Schaltkabel und Wählkabel oder Alternativen hierzu zum Übertragen des fahrerseitig gewählten Wunschgangs an das Getriebe, bspw. ein Schaltgestänge. Bei dem manuell schaltbaren Getriebe kann es sich um ein manuelles Stufengetriebe, ein manuelles Getriebe mit elektromotorischer Drehmomentunterstützung, ein automatisiertes manuelles Getriebe, ein Doppelkupplungsgetriebe, oder auch um ein Automatikgetriebe handeln, in allen Fällen voraussetzend, dass der Fahrer eine Gangstufe manuell vorgibt, so dass die mechanische Wahl detektierbar ist. Diesen Varianten ist gemeinsam, dass der Fahrer durch ein Betätigen eines Schalthebels den einzulegenden Gang bestimmt.

Der erste Sensor ist karosseriefest montiert und kann bspw. ein Airbagsensor, ein bspw. im Stoßfängerbereich angeordneter Aufprallsensor oder ein ESP- (elektronisches

Stabilitätsprogramm) Sensor sein, der lagebedingt keine Relativbewegung zur Karosserie ausführen kann. Damit kann ein bereits vorhandenes Sensierelement, sofern es bereits als MEMS-Sensor vorliegt, für den weiteren Zweck der Gangwahlerkennung verwendet werden.

MEMS steht englisch für microelectromechanical System, das bei Ausbildung als Sensor ein miniaturisierter elektronischer Sensor ist. Dieser sensiert vorliegend für drei voneinander verschiedene und insbesondere zueinander orthogonale Raumrichtungen axiale bzw.

translatorische Beschleunigungen und zusätzlich in zwei oder drei voneinander verschiedenen und insbesondere zueinander orthogonalen Raumrichtungen Drehbeschleunigungen.

Der zweite Sensor ist relativbeweglich zum ersten Sensor angeordnet. Wegen der oben genannten Eigenschaften des MEMS-Sensors ist eine translatorische und bevorzugt eine rotatorische Relativbewegung des zweiten Sensors relativ zum ersten Sensor möglich.

Ist der erste Sensor karosseriefest und der zweite Sensor in der genannten Kinematikkette angeordnet, so lässt sich aus den Sensordaten beider Sensoren durch

Koordinatentransformationen die Bewegung desjenigen Elements der Kinematikkette berechnen, an dem der zweite Sensor befestigt ist. Da die jeweilige Lage der betreffenden Elemente der Kinematikkette zueinander konstruktionsbedingt bekannt ist, lässt sich damit wiederum die Bewegung und auch die Position des Schalthebels bestimmen, so dass die zwei MEMS-Sensoren zusammen die Funktion eines Gangwahlsensors einnehmen. Die

Gangwahlerkennung funktioniert dabei auch dann, wenn der Fahrer das Kupplungspedal durchgetreten hat. Der zweite Sensor kann an oder in einem axialbeweglichen und/oder drehbeweglichen Teil oder Element der Kinematikkette befestigt werden, so dass er dessen Bewegungen folgen kann.

Insbesondere die Befestigung des zweiten Sensors an einem drehbeweglichen Element bietet sich an, weil sich bei Befestigung des MEMS-Sensors an einem sich nur axial bewegenden Element mit der Zeit ein Signaldrift einstellt, der die Auswertung der Sensordaten erschwert bzw. und deren Aussagekraft mindert. Bei einer Sensierung einer Drehbewegung kann besser die Funktionalität des Gyroskops genutzt werden, der Winkelgeschwindigkeiten liefert, welche integriert werden müssen, um relative Winkellagen zu berechnen. Durch die Integration kommt es aber zu einem Drift, weil ein unbekannter Messfehler mitintegriert wird.

Die drei axial messenden Beschleunigungssensoren in bspw. x-, y- und z-Richtung ergeben im Ruhezustand des Sensors einen Vektor g, der im Betrag der Erdbeschleunigung entspricht und in Richtung Erde zeigt. Damit lässt sich die Lage des Sensors relativ zum Vektor g bzw. zur Erde bestimmen. Bei einer Bewegung von extern eingetragenen Beschleunigungen, also nicht der Erdbeschleunigung) werden sie ungenau.

Im Zusammenspiel sind die Sensoren des MEMS-Sensors gut geeignet, die absolute Position des Schalthebels zuverlässig bestimmen, und dies stabil und ohne Drift.

Die Bereitstellung der zwei MEMS-Sensoren bzw. eines derartigen Gangwahlsensors gewährleistet eine Bestimmung der Schalthebelposition im Raum und damit des vom Fahrer gewählten Gangs. Die Gangwahlerkennung ist dabei unabhängig davon, ob die Kupplung offen oder geschlossen ist.

Als elektronisches Bauteil hat der MEMS-Sensor das Potenzial, die Schalthebelposition mit hoher Abtastfrequenz und damit hoher Zeitauflösung zu liefern, so dass er eine prädiktive Gangwahlerkennung bzw. eine Schaltabsichtserkennung ermöglichen kann.

Gemäß einer Ausführungsform kann der zweite Sensor an einem axial- und/oder

drehbeweglichen Teil der externen Schaltbetätigung befestigt sein. Das besagte Teil kann insbesondere der Schalthebel oder dessen sich bei Betätigung auf einer gedachten

Kugeloberfläche bewegende und damit drehbewegliche Schaltknauf sein, und die Daten können entweder per Kabel oder kabellos an eine Auswerteeinheit, bspw. dem

Motorsteuergerät, übertragen werden. Es kann aber auch ein Teil bzw. Element der externen Schaltbetätigung gewählt werden, das mit dem Schalthebel geeignet mechanisch gekoppelt ist und als bewegbares Teil dem Schaltvorgang kinematisch folgt.

Die Ausführungsform des letzten Absatzes bedingt eine hohe Genauigkeit im Vergleich zu anderen Stellen der Kinematikkette, da sich der zweite Sensor am Anfang der Kinematikkette befindet und Toleranzen bzgl. einer Relativposition des besagten Elements zum Schalthebel definitionsgemäß Null sind. Außerdem wird bei anderen Position des zweiten Sensors das Sensorsignal wegen der erforderlichen mechanischen Übertragung der Gangwahl erst mit zeitlichem Versatz geliefert, so dass sich eine Befestigung des zweiten Sensors wie vorstehend beschrieben an der externen Schaltbetätigung für die prädiktive Gangwahlerkennung besonders eignet.

Alternative Positionen des zweiten Sensors sind ferner axial- und/oder drehbeweglichen Teile eines Schaltgestänges, einer Schaltwelle, einer Schaltmasse oder eines Schwingungstilgers der internen Schaltbetätigung.

Eine Ausführungsform des Kraftfahrzeugs besitzt einen Mikrocontroller, der eingerichtet ist, anhand der Daten des ersten und zweiten Sensors den eingelegten Gang zu bestimmen. Der Mikrocontroller kann beispielsweise das Motorsteuergerät sein.

Um eine prädiktive Gangwahlerkennung zu ermöglichen, bedarf es hinreichend kurzer

Zeitabstände zwischen zwei vom Sensor gelieferten Positionsdaten, da ansonsten die

Genauigkeit der Gangwahlprognose zu gering ist. Um eine hinreichende Genauigkeit zu gewährleisten sieht eine weitere Ausführungsform vor, dass der erste und zweite Sensor ausgebildet sind, während einer Gangwahl Daten in Echtzeit an den Mikrocontroller zu liefern.

In Echtzeit soll hierbei bedeuten, dass Sensordaten mit einem zeitlichen Abstand von weniger als 10 ms, besonders bevorzugt weniger als 5 ms an den Mikrocontroller geliefert werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Mikrocontroller ferner eingerichtet, während einer Gangwahl zunächst momentane Positionen des Schalthebels zu bestimmen und basierend darauf den Gang zu prognostizieren, den der Fahrer einlegen wird. Eine derartige, meist per Software realisierte prädiktive Ausbildung erfolgt unter Verwendung von im Bereich des maschinellen Lernens allgemein bekannten selbstlernenden Algorithmen, mit denen der Fachmann wohl vertraut ist. Nur beispielhaft für solche Algorithmen seien SVM-Algorithmen (englisch: support vector machines), Entscheidungsbäume (englisch: decision trees) oder künstliche neuronale Netzwerke genannt.

Ist der voraussichtlich eingelegte bzw. prognostizierte Gang oder alternativ der bereits eingelegte Gang ermittelt, so sieht eine weitere Ausführungsform als Nutzung vor, dass abhängig vom derart ermittelten Gang eine Anpassung der Kurbelwellendrehzahl an die Drehzahl der Getriebeeingangswelle vorgenommen wird, um den Einkuppelvorgang

komfortabler und verschleißärmer zu machen. Durch Nutzung des prognostizierten Gangs kann diese Anpassung zudem besonders früh erfolgen, was im Vergleich zu einer Nutzung des bereits eingelegten Gangs nochmals zu mehr Komfort und noch weniger Verschleiß führt.

Für den Fall, dass ein manuelles Getriebe mit einer elektromotorischen

Drehmomentunterstützung zum Einsatz kommt, lässt sich auf Basis des bereits eingelegten oder des prognostizierten Gangs und alternativ oder kumulativ zur Vorgehensweise des letzten Absatzes eine Anpassung der Drehzahl der Getriebeeingangswelle vornehmen und damit den Synchronisierungsvorgang unterstützen. Dies bietet sich insbesondere an, wenn der

Elektromotor auf der Getriebeeingangswelle angeordnet ist und ein Drehmoment auf diese Welle aufbringen kann.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Getriebe über einen Gangerkennungssensor zum Erkennen des im Getriebe geschalteten Gangs verfügt und der Mikrocontroller eingerichtet ist festzustellen, ob sich der prognostizierte oder bereits über die externe Schaltbetätigung eingelegte Gang einerseits und der geschaltete Gang andererseits unterscheiden. Wenn sich die beiden Gänge unterscheiden, so lässt sich der vorstehend genannte Le Mans-Effekt und der inverse Le Mans-Effekt detektieren und eine geeignete Gegenmaßnahme ergreifen. So kann eine optische oder akustische Warnung herausgegeben werden oder die fahrerseitig

gewünschte Beschleunigung zumindest reduziert werden, insbesondere dann, wenn mit Hilfe von Detektoren eine Kollision mit einem anderen Verkehrsteilnehmer zu befürchten ist. Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Kraftfahrzeug in einem Segelmodus betreibbar, d.h. ist das Fahrzeug eingerichtet, während der Fahrt, insbesondere bei Geschwindigkeiten von mehr als 5 bis 100 km/h oder mehr, mit geöffneter Kupplung zu rollen, wobei der Motor entweder im Leerlauf oder abgeschaltet ist. In diesem der Kraftstoffersparnis dienenden

Betriebsmodus ist der Mikrocontroller eingerichtet, bei fahrerseitig initiiertem Verlassen des Segelmodus, bspw. initiierbar durch Treten des Kupplungspedals, den bei den aktuellen

Fahrbedingungen geeigneten Gang zu bestimmen und bei einem Unterschied zum

prognostizierten Gang eine optische oder akustische Warnung auszugeben. Das Erfassen dieses Unterschieds kann auch genutzt werden, das Einlegen des gewählten neuen Gangs zu verhindern. Auf diese Weise kann entweder ein Getriebeschaden verhindert werden (wenn die fahrerseitig gewählte Gangstufe zu klein gewählt ist) oder ein Abwürgen vermindert werden (wenn die fahrerseitig gewählte Gangstufe zu groß gewählt ist).

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels anhand der exemplarisch aufzufassenden Figuren näher erläutert werden, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche Gegenstände bezeichnen. Es zeigt:

Fig. 1 ein Kraftfahrzeug,

Fig. 2 eine externe Schaltbetätigung,

Fig. 3 eine interne Schaltbetätigung.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 5 mit einem Verbrennungsmotor 10 in Gestalt eines Otto-Motors, dessen Kurbelwelle 15 die Wellen eines Getriebes 20, vorliegend ein

Schaltgetriebe mit 6 Gängen, antreiben. Das Einlegen der Gänge erfolgt fahrerseitig von Hand durch Betätigen der externen Schaltbetätigung 25. Eingezeichnet ist ebenfalls ein karosseriefest verbauter erster MEMS-Sensor 27 im Frontbereich, gewählt als kommerziell erhältliches MPU- 6050 Modul von InvenSense. Dieses besitzt ein 3-Achsen Gyroskop zum Erfassen von

Drehgeschwindigkeiten sowie ein 3-Achsen-Beschleunigungssensor zum Erfassen von

Axialbewegungen. Die Messwerte werden sensorintern per A/D-Wandler digitalisiert und sind per Kabel auslesbar. Fig. 2 zeigt die interne Schaltbetätigung 50. Diese besitzt einen Pin 60, an dem das Wählkabel 45 befestigt ist, sowie einen Pin 65, an dem das Schaltkabel 40 befestigt ist. Bei einer externen Schaltbetätigung 25 mit H-Schaltbild bewirkt eine Bewegung des Schalthebels entlang einer Schaltgasse, also zum Beispiel von Gang 1 zu Gang 2, ein Ziehen an Pin 65 mit Verdrehen der Schaltwelle 55. Bei einer Bewegung des Schalthebels in der bzgl. der Schaltgasse senkrecht angeordneten Wählgasse wird an Pin 60 gezogen, was zu einer Bewegung der Schaltwelle entlang ihrer Längsachse führt. Der zum ersten Sensor 27 baugleiche zweite im

Getriebeinneren angeordnete Sensor 85 kann an der Schaltwelle 55 befestigt sein, alternativ auch an der Schaltmasse 75 oder einem daran gekoppelten Schwingungstilger 80.

Fig. 3 zeigt eine externe Schaltbetätigung 25 zum Schalten der Gänge des manuellen Getriebes 20 mit einem Schalthebel 30 (mitunter auch Wählhebel genannt) mit Knauf 35. Das Einlegen der Gänge bewirkt eine Bewegung des Schaltkabels 40 in Kabellängsrichtung (entweder vor oder zurück, je nachdem, ob man in den kleineren oder den größeren Gang der Schaltgasse schaltet), die am getriebeseitigen Ende mit Pin 65 verbunden ist.

Der zweite Sensor 70 ist direkt am Schalthebel 30 befestigt und damit am Anfang der

Kinematikkette. Der erste Sensor 27, der zweite Sensor 70 und der im Getriebeinneren verbaute Gangerkennungssensorik 85 senden ihre Daten über Datenleitungen 90, 90‘, 90“ zu einem Mikrocontroller 95.

Die Gangwahlerkennung erfolgt wie folgt:

Der erste, karosseriefest montierte MEMS-Sensor 27 sensiert seine translatorische

Beschleunigung und seine Drehgeschwindigkeit in drei Raumrichtungen relativ zur Umwelt. Die Beschleunigungswerte spannen ein sich mit dem Kraftfahrzeug 5 bewegendes

Koordinatensystem K1 auf. Bei Betätigung des um einen Drehpunkt schwenkbaren

Schalthebels 30 bewegt sich der zweite Sensor 70 auf einer Kugeloberfläche, was von zweiten, baugleichen MEMS-Sensor 70 erfasst wird, wobei dessen gemessene Beschleunigungs- und Drehgeschwindigkeitswerte ein zweites Koordinatensystem K2 aufspannen, das mit einer Koordinatentransformation mit K1 zur Deckung gebracht wird. Bewegt man den Schalthebel 30, so verändert dies die Lage des zweiten Sensors im Koordinatensystem. Insgesamt lässt sich somit die Position des zweiten Sensors 70 relativ zur Karosserie errechnen. Die beiden Sensoren 27 und 70 lassen Messungen mit einer Abtastfrequenz von mindestens 200 Hz zu, was Messwerte in zeitlichem Abstand von 3 ms und damit in Echtzeit liefert, aber auch eine schnellere Datenlieferung ist natürlich möglich.

Aus den erfassten Erdbeschleunigung durch die MEMS-Sensoren 27 bzw. 70 lässt sich per Auswertesoftware auf Grundlage der Erdbeschleunigung der absolute Auslenkwinkel des mit einem Kugelgelenk ausgestatteten Schalthebels relativ zu seiner Neutralstellung (Schalthebel in der Wählgasse und gleichzeitig in der Schaltgasse zwischen 3. und 4. Gang) bestimmen und damit dessen Position im H-Schaltbild. Gleiches ist möglich mit den erfassten

Rotationsgeschwindigkeiten, wobei hier allerdings ein relativer Winkel bestimmt wird, der auf den Start der Messung bezogen ist. Der Auslenkwinkel setzt sich zusammen aus einem

Wählwinkel und einem Schaltwinkel. Der Wählwinkel reflektiert das Verschwenken des

Schalthebels in seinem Kugelgelenk bei seiner Bewegung entlang der Wählgasse, der

Schaltwinkel entsprechend bei Bewegung in einer Schaltgasse.

Die nur aus den Beschleunigungsmesswerten bestimmten Schalthebelpositionen unterlagen einem Rauschen und die nur aus den Messwerten der Rotationsgeschwindigkeiten erhaltenen Schalthebelpositionen einen zeitlichen Drift. Über Sensor Fusion erfolgte eine Kombination der Daten, genauer des absoluten Winkels und des relativen Winkels, was robuste Ergebnisse des absoluten Winkels lieferte.

Der letztlich eingelegte Gang kann dann mit dem vom Gangerkennungssensorik 85 gelieferten, im Getriebe tatsächlich geschalteten Gang verglichen werden. Bei einem Unterschied kann bspw. der (ggf. inverse) Le Mans Effekt vorliegen, bei dem das Kraftfahrzeug in die

entgegengesetzte Richtung als vom Fahrer gewollt rollen würde.

Der Wegverlauf des Schalthebels 30 im H-Schaltbild (oder einem anderen Schaltbild) kann mit Hilfe einer Anzahl von einigen wenigen momentanen Positionen des Schalthebels zu bestimmen und basierend darauf den Gang zu prognostizieren, den der Fahrer einlegen wird. Hierzu werden bekannte Algorithmen wie ein neuronales Netzwerk eingesetzt.

Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich lässt sich ein MEMS-Sensor zur Erfassung von drei translatorischen und zwei oder drei rotatorischen Bewegungsrichtungen für das Erkennen des eingelegten oder prognostizierten eingelegten Gangs, des Le Mans-Effekts oder des inversen Le Mans-Effekts bei einem manuellen Getriebe einsetzen.

Bezugszeichenliste

Kraftfahrzeug

Motor

Kurbelwelle

Getriebe

externe Schaltbetätigung

Schalthebel

Knauf

Schaltkabel

Wählkabel

interne Schaltbetätigung

Schaltwelle

Pin

Pin

zweiter Sensor

Schaltmasse

Schwingungstilger

Gangerkennungssensorik

' Datenleitung

“ Datenleitung

“‘Datenleitung

Mikrocontroller