Lastschaltvorgänge in Mehrfachgruppengetrieben für Standardtraktoren
Volllastschaltbare Getriebe mit hoher Ganganzahl werden in Standardtraktoren aus Kosten- und Bauraumgründen als Gruppen- und Mehrfachgruppengetriebe ausgeführt. Diese Bauweise erfordert bei einigen Gangwechseln getriebeinterne Übersetzungswechsel in mehreren Getriebegruppen. Solche Mehrfachgruppenschaltungen unter Last stellen eine Herausforderung für die Schaltparameterabstimmung dar und können vom Fahrer als ruckbehaftet wahrgenommen werden. Die Analyse existierender Forschungsarbeiten und Veröffentlichungen zeigt als wesentliches Problem die Synchronisations- und Drehmomentübergaben der vielfach höheren Drehzahl- und Drehmomentsprünge innerhalb der einzelnen Gruppen im Vergleich zum Stufensprung des direkten Getriebegangwechsels. Für einfache Gruppengetriebe mit zwei Gruppen ist weiterhin bekannt, dass sich die Schaltabläufe eines Getriebes nennenswert unterscheiden, wenn sich der größere interne Stufensprung (Hauptstufe) in der ersten anstatt in der zweiten Gruppe befindet. Für Mehrfachgruppenlastschaltungen sind dahingehend keine Aussagen bekannt, obwohl durch die höhere Gruppenanzahl eine Vielzahl möglicher Getriebestrukturen existiert. In der vorliegenden Arbeit werden systematische Untersuchungen der charakteristischen Besonderheiten und Vorgänge bei Mehrfachgruppenlastschaltungen auf Basis des bekannten Wissens zum Ablauf einfacher Lastschaltungen und einfacher Gruppenlastschaltungen durchgeführt. Daraus resultieren allgemeingültige Beschreibungen des theoretischen Ablaufs von Mehrfachgruppenlastschaltungen für verschiedene Getriebestrukturen und Empfehlungen für die Getriebesteuerung. Beispielsweise sollten die Kupplungen der Hauptstufe und der ausgangsseitigen Getriebegruppe im Drehmoment modulierbar sein, um schwingungsarme Lastschaltvorgänge zu erzielen. Außerdem bieten Getriebe mit Hauptstufe in der hinteren Getriebegruppe Vorteile für Zug-Hochschaltungen und Getriebe mit der Hauptstufe in der ersten Gruppe Vorteile für Zug-Rückschaltungen. Dabei stellen erstgenannte Getriebe geringere Anforderungen an die Getriebesteuerung. Anhand eines Viergruppengetriebes mit Hauptstufe in der hinteren Gruppe werden die zugehörigen Empfehlungen zum Schaltablauf auf einem Getriebeprüfstand und in der Simulation überprüft. Die Ergebnisse bestätigen die aufgestellten Theorien und die aus der Literatur bekannte Aussage, dass bei jeder Schaltung das Getriebeeingangsdrehmoment kurzzeitig in der kleinsten der beteiligten Übersetzungen übertragen wird. Weiterhin ist die Hauptstufenkupplung mit der größeren nachgelagerten Übersetzung beim Schaltvorgang geringfügig belastet und unterliegt spürbarem Fliehkraftdruckeinfluss im Kupplungskolben, sodass bei der Getriebekonstruktion genaues Augenmerk auf die Steuerbarkeit dieser Kupplung zu legen ist. Abschließend zeigt die Simulation, dass die direkten Schaltverluste die Effizienz eines Lastschaltgetriebes marginal reduzieren.
Full power shift transmissions for standard tractors, that offer a high amount of gears, are based on a “grouped” transmission design, to reduce assembly space and costs. This design requires internal ratio changes within several transmission groups during a few gearshifts, called multi-swap gearshifts. If multi-swaps are performed under load, the application of gearshift parameters is challenging and may lead to jerks during gearshifts. By analyzing existing publications and research papers, it appears that the main problem of multi-swap power shifts are the internal synchronization and the torque transfer of the high internal speed and torque steps. These steps are very high, compared to the steps of the direct gearshift. In addition, the analysis shows that a two-group transmission will offer different gearshift behavior if the bigger internal ratio step (main step) is located in the first group instead of locating in the second group. For multi-swap gearshifts, there are no comparable investigations known, even though a high amount of possible transmission designs and group arrangements exist. A systematical investigation of the characteristics of multi-swap power shift operations, based on existing knowledge for basic power shifts and power shifts of transmissions with two groups, is presented. The investigation leads to generally applicable descriptions for the behavior of multi-swap power shift operations for different transmission designs and to guidelines for the transmission control. For example, the clutches of the main step and the last transmission group should offer the possibility for torque modulation to assure less oscillating gearshifts. In addition, transmissions that offer the main step within the last group perform better for upshifts, whereas transmissions with the main step within the first group perform better for downshifts. However, the first design requires less complexity of the transmission control. By means of a power shift transmission, consisting of four groups and offering the main step in the last group, the developed guidelines are verified on a transmission test bench and with a simulation model. The results confirm the developed theory of multi-swap power shifts. They also confirm the fact that the transmission input torque is transferred briefly by the smallest transmission ratio during a multi-swap power shift. Moreover, the clutch of the main step, linked to the higher ratio, transfers less torque and is subjected to noticeable pressure variation due to centrifugal effects. Therefore, the controllability of this clutch should be of high interest during the transmission design. Finally, the simulation model allows investigating the power and energy losses during the multi-swap power shifts. It is shown that the occurring power losses that are directly linked to the gearshift have no big impact on the efficiency of a power shift transmission.
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