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Die Erfindung betrifft ein Schaltgetriebe eines Kraftfahrzeugs, insbesondere ein automatisches Schaltgetriebe.
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Klassische Wandler-Automatikgetriebe nutzen zur Betätigung der Stellaktuatoren üblicherweise eine „offene Hydraulik“, bei der ein Getriebeöl als Hydraulikmedium eingesetzt wird, eine fest an die Drehzahl des Kraftfahrzeugmotors gekoppelte Hydraulikpumpe sowie Regelventile, die zumeist vorgesteuert sind. Die fest an die Motordrehzahl gekoppelte Pumpe muss dabei für Betriebspunkte wie „Anfahren unter Volllast“ oder „Schalten bei Leerlauf und erhöhter Temperatur“ ausgelegt sein. Dies führt zu einer erheblichen Verlustleistung, da die Pumpe in den meisten Betriebssituationen ein Überangebot an hydraulischer Leistung bereitstellt, welche für die Schaltarbeit im Getriebe nicht genutzt wird. Der große Bauraumbedarf sowie das hohe Gewicht stellen weitere Nachteile einer solchen Getriebehydraulik dar. Um eine gewünschte Stellkraft präzise bereitstellen zu können, kommen bei Schaltgetrieben ferner besonders feinfühlige Regelventile zum Einsatz, welche jedoch besonders empfindlich auf Schmutzpartikel im Getriebeöl reagieren. So können zum Beispiel über die Lebensdauer der Schaltventile Funktionsbeeinträchtigungen durch Verschmutzung infolge Spaltfiltration im Regelspalt auftreten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schaltgetriebe für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, welches eine kompakte und robuste Getriebehydraulik aufweist sowie besonders energieeffizient betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Schaltgetriebe, mit einem Getriebeölkreislauf zur Schmierung und/oder Kühlung von Getriebekomponenten, einem davon separaten Hydraulikölkreislauf zur Druckbeaufschlagung von hydraulischen Stellgliedern des Schaltgetriebes, mehreren hydraulischen Stellgliedern, die jeweils einem Kupplungssteller oder einem Gangsteller des Schaltgetriebes zugeordnet sind, wobei mindestens ein hydraulisches Stellglied ausschließlich durch wenigstens ein Auf/Zu-Schaltventil, bevorzugt durch genau zwei Auf/Zu-Schaltventile hydraulisch angesteuert ist. Aufwendige und weniger robuste Regelventile, welche bisher bei und zu der hydraulischen Ansteuerung der einzelnen Stellglieder des Schaltgetriebes verwendet wurden, werden folglich durch einfache, preiswerte und robuste Schaltventile ersetzt und werden bei dem mindestens einen hydraulischen Stellglied, welches nur noch mit dem wenigstens einen Auf/Zu-Schaltventil angesteuert wird, nicht mehr verwendet. Unter einem Auf/Zu-Schaltventil ist dabei ein digital schaltbares Ventil mit genau zwei diskreten statischen Schaltstellungen (auf/zu bzw. on/off) zu verstehen, welches jedoch durch kurze Ansteuerimpulse auch (instabile) Zwischenstellungen einnehmen kann.
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Insbesondere werden alle Stellglieder ohne Regelventile, sondern nur durch Auf/Zu-Schaltventile angesteuert.
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Es hat sich herausgestellt, dass die konstruktiv komplexen, sehr feinfühligen Regelventile durch einfache, robuste Zweistellungs-Schaltventile mit feinfühliger elektrischer Steuerung/Regelung ersetzt werden können, ohne dass Funktions- oder Komfortbeeinträchtigungen am Schaltgetriebe auftreten. Mit Bezug auf die präzise Bereitstellung eines gewünschten Stellkraftverlaufs gelten im Bereich der Getriebetechnik hohe Anforderungen, die sich jedoch überraschenderweise auch mittels einfacher Schaltventile erfüllen lassen. Zur Realisierung einer feinfühligen Steuerung/Regelung der Schaltventile muss der Hydraulikölkreislauf allerdings im Wesentlichen leckagefrei ausgeführt sein, weshalb der Hydraulikölkreislauf erfindungsgemäß fluiddicht von einem Getriebeölkreislauf zur Schmierung und/oder Kühlung von Getriebekomponenten getrennt ist. Die Bereitstellung von zwei separaten Ölkreisläufen ist zwar mit einem gewissen Mehraufwand verbunden, der aber auch eine genauere Leistungsbereitstellung ermöglicht und folglich zu einer geringeren Verlustleistung und einem höheren Gesamtwirkungsgrad des Schaltgetriebes führt.
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In einer Ausführungsform des Schaltgetriebes weist der Hydraulikölkreislauf einen maximalen Betriebsdruck von wenigstens 80 bar, insbesondere wenigstens 100 bar auf.
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Außerdem weist der Hydraulikölkreislauf bevorzugt eine elektromotorisch angetriebene Pumpe zur Bereitstellung eines Betriebsdrucks auf. Auf diese Weise lässt sich der Betriebsdruck im Hydraulikölkreislauf unabhängig von der Drehzahl des Fahrzeugmotors steuern sowie einfach und energieeffizient auf den jeweiligen Bedarf abstimmen.
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Vorzugsweise ist das wenigstens eine Auf/Zu-Schaltventil ein Sitzventil. Im Vergleich zu Regelventilen sind Sitzventile deutlich einfacher und robuster aufgebaut sowie erheblich preiswerter herstellbar.
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Gemäß einer Ausführungsform des Schaltgetriebes ist eine Steuereinheit vorgesehen, die das wenigstens eine Auf/Zu-Schaltventil elektrisch so ansteuert, dass sich ein Ventilkörper des Auf/Zu-Schaltventils während einer Stellbewegung des zugeordneten hydraulischen Stellglieds mehrfach zwischen seinen Endstellungen, also einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung hin und her bewegt. Unter einer Stellbewegung des zugeordneten hydraulischen Stellglieds ist in diesem Zusammenhang beispielsweise das Einlegen oder Auslegen einer Gangstufe sowie das Öffnen oder Schließen einer Kupplung zu verstehen. Der Ventilkörper eines zugeordneten Auf/Zu-Schaltventils bewegt sich dabei mehrfach zwischen seiner Öffnungs- und Schließstellung hin und her, wobei vorzugsweise höchstens eine der Endstellungen, d.h. entweder nur die Öffnungsstellung oder nur die Schließstellung tatsächlich erreicht wird, oder auch keine Endstellung erreicht wird, weil ein instabiler Zwischenbereich genutzt wird.
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Bevorzugt stellt das wenigstens eine Auf/Zu-Schaltventil durch elektrische Ansteuerung mit einem Zeit-Schaltschema einen Teilöffnungsquerschnitt bereit, der kleiner ist als ein Nennöffnungsquerschnitt des Auf/Zu-Schaltventils. Infolge dieser Ansteuerung ist es möglich, ein konstruktiv einfaches Schaltventil mit lediglich zwei diskreten, statischen Schaltstellungen zumindest vorübergehend in eine (instabile) Zwischenstellung zu bewegen und über den entsprechenden Teilöffnungsquerschnitt einen verminderten Durchfluss bereitzustellen.
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Das verwendete Zeit-Schaltschema zur Ansteuerung des Auf/Zu-Schaltventils ist beispielsweise eine Pulsweitenmodulation. Bei geeigneter Grundfrequenz der Pulsweitenmodulation lässt sich der Durchfluss der Schaltventile mit geringem Aufwand sehr präzise steuern. Insbesondere können die Auf/Zu-Schaltventile bei Bedarf im ballistischen Modus betrieben werden. In diesem Betriebsmodus erfahren die digitalen Zweistellungs-Schaltventile einen Stromimpuls, der so kurz ist, dass die Ventile nur teilweise öffnen und bereits vor Erreichen ihrer Endstellung (Öffnungsstellung) sofort wieder schließen. Auf diese Weise lässt sich mit geringem Aufwand eine gewünschte Spreizung im Durchflussverhalten der Auf/Zu-Schaltventile realisieren.
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In einer weiteren Ausführungsform des Schaltgetriebes weist wenigstens ein Stellglied eine an den Hydraulikölkreislauf angeschlossene Druckkammer mit einem Fluidzulauf und einem Fluidrücklauf auf, wobei dem Fluidzulauf und/oder dem Fluidrücklauf jeweils genau ein Auf/Zu-Schaltventil zugeordnet ist. Ein Druckaufbau und/oder Druckabbau in der Druckkammer des Stellglieds lässt sich dadurch sehr einfach und präzise regeln, sodass eine gewünschte Stellkraft des Stellglieds, beispielsweise zum Synchronisieren des Schaltgetriebes, besonders exakt einstellbar ist.
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In dieser Ausführungsform des Schaltgetriebes kann das Auf/Zu-Schaltventil im Fluidzulauf einen ersten Nennöffnungsquerschnitt und das Auf/Zu-Schaltventil im Fluidrücklauf einen vom ersten Nennöffnungsquerschnitt unterschiedlichen zweiten Nennöffnungsquerschnitt aufweisen. Über eine solche Anpassung der Nennöffnungsquerschnitte an die individuellen Randbedingungen des jeweiligen Schaltgetriebes lässt sich eine gewünschte Regeldynamik erreichen.
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Vorzugsweise ist das Schaltgetriebe ein Doppelkupplungsgetriebe oder ein automatisiertes Schaltgetriebe ohne Drehdurchführung. Bei diesen Getriebetypen sind zwei getrennte Ölkreisläufe für Getriebeöl und Hydrauliköl leichter darstellbar als bei Planeten-Wandler-Automatikgetrieben, wobei der Hydraulikölkreislauf im Wesentlichen leckagefrei ausgebildet ist. Alle Aktoren können bei diesen Getrieben im stehenden System angeordnet werden, wodurch keine leckagebehaftete Drehdurchführung erforderlich ist. Daher sind derartige Getriebe besonders geeignet für die Ansteuerung ihrer hydraulischen Stellglieder ausschließlich durch Zweistellungs-Schaltventile.
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Insbesondere kann das Schaltgetriebe ein Doppelkupplungsgetriebe mit einem ersten Teilgetriebe und einem zweiten Teilgetriebe sein, wobei zur Druckregelung der Teilgetriebe ausschließlich Auf/Zu-Schaltventile vorgesehen sind. Bevorzugt ist genau ein diskretes Zweistellungs-Schaltventil für jedes Teilgetriebe vorgesehen. Somit können auch die herkömmlichen Regelventile zum Einstellen des Teilgetriebedrucks durch einfache Schaltventile ersetzt werden, wodurch sich die Kosten und der erforderliche Bauraum für das Schaltgetriebe weiter verringern.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:
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1 eine schematische Skizze eines hydraulisch angesteuerten Stellglieds für ein Schaltgetriebe gemäß dem Stand der Technik;
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2 eine schematische Skizze eines hydraulisch angesteuerten Stellglieds für ein erfindungsgemäßes Schaltgetriebe;
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3 ein Diagramm, das einen Schaltventil-Öffnungsquerschnitt abhängig von einer elektrischen Schaltimpulsdauer darstellt; und
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4 einen schematischen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Schaltgetriebes.
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Die 1 zeigt ein hydraulisches Stellglied 10 für ein herkömmliches Schaltgetriebe 12' eines Kraftfahrzeugs, welches in bekannter Weise durch ein relativ komplexes Regelventil 14 angesteuert ist.
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Das hydraulische Stellglied 10 des Schaltgetriebes 12' weist eine Druckkammer 16 auf, welche über das Regelventil 14 mit einem Druckanschluss 18 oder einem Rücklaufanschluss 20 eines Ölkreislaufs verbunden werden kann.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Regelventil 14 ein proportionales 3/3-Wegeventil, welches beispielsweise zur Volumenstromregelung oder Druckregelung im Schaltgetriebe 12' eingesetzt wird. Abhängig von der elektrischen Bestromung kann das Regelventil 14 zwischen der in 1 dargestellten, mittigen Sperrstellung und den benachbarten Öffnungsstellungen für Zulauf bzw. Rücklauf beliebige statische, d.h. stabile Zwischenstellungen einnehmen, in denen das Regelventil 14 lediglich teilweise geöffnet ist.
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Das hydraulische Stellglied 10 ist beispielsweise mit einem Kupplungssteller 38 oder einem Gangsteller 40 des Schaltgetriebes 12' verbunden (4), wobei über das Regelventil 14 eine Stellgeschwindigkeit und/oder Stellkraft des hydraulischen Stellglieds 10 kontrolliert wird.
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Die 2 zeigt das hydraulische Stellglied 10 für ein Schaltgetriebe 12 eines Kraftfahrzeugs, welches im Unterschied zum hydraulischen Stellglied 10 gemäß 1 jedoch ausschließlich durch wenigstens ein Auf/Zu-Schaltventil 22, insbesondere genau zwei Auf/Zu-Schaltventile 22 hydraulisch angesteuert ist. Unter Auf/Zu-Schaltventilen 22 sind in diesem Zusammenhang konstruktiv einfach aufgebaute, digital schaltbare 2/2-Wegeventile mit genau zwei diskreten (statischen) Schaltstellungen zu verstehen, die jedoch bei einer Beaufschlagung mit kurzen Ansteuerimpulsen auch (instabile) Zwischenstellungen einnehmen können. Diese digitalen Zweistellungs-Schaltventile 22 sind im Vergleich zu den in 1 dargestellten Regelventilen 14 klein, robust und preiswert herstellbar.
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Das hydraulische Stellglied 10 ist gemäß 2 als Kolben/Zylinder-Einheit ausgeführt und weist eine Druckkammer 16 auf, die über einen Fluidzulauf 26 und einen Fluidrücklauf 28 an einen Hydraulikölkreislauf 24 angeschlossen ist, wobei im Fluidzulauf 26 und im Fluidrücklauf 28 jeweils genau ein Auf/Zu-Schaltventil 22 angeordnet ist.
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Die Auf/Zu-Schaltventile 22 sind im vorliegenden Fall als robuste Sitzventile ausgeführt, die einen besonders gut reproduzierbaren Schaltverlauf aufweisen.
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Um eine gewünschte Regeldynamik sowie die gewünschten Durchflussraten zu erreichen, kann das Auf/Zu-Schaltventil 22 im Fluidzulauf 26 einen ersten Nennöffnungsquerschnitt und das Auf/Zu-Schaltventil 22 im Fluidrücklauf 28 einen zweiten Nennöffnungsquerschnitt aufweisen, der sich vom ersten Nennöffnungsquerschnitt unterscheidet.
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Die 3 zeigt ein Diagramm, welches das Öffnungs- und Schließverhalten eines Auf/Zu-Schaltventils 22 abhängig von einer elektrischen Schaltimpulsdauer veranschaulicht. Hierzu ist ein Öffnungsquerschnitt A des Auf/Zu-Schaltventils 22 über der Zeit t aufgetragen. Zum Zeitpunkt t = 1 ms wird das Auf/Zu-Schaltventil 22 mit einem elektrischen Stromimpuls beaufschlagt und öffnet entsprechend der dargestellten Ventilkurve. Zum Zeitpunkt t = 3 ms, d.h. nach einer Schaltimpulsdauer ∆t ≈ 2 ms, ist das Auf/Zu-Schaltventil 22 vollständig geöffnet und stellt seinen Nennöffnungsquerschnitt AN zur Verfügung.
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Obwohl das Auf/Zu-Schaltventil 22 lediglich zwei diskrete statische Schaltstellungen aufweist, nämlich eine Schließstellung bei t = 1 ms und eine Öffnungsstellung bei t = 3 ms, wird anhand des Diagramms deutlich, dass das Auf/Zu-Schaltventil 22 bei entsprechend kurzen Schaltimpulsen (∆t < 2 ms) auch (instabile) Zwischenstellungen einnehmen kann, in denen das Auf/Zu-Schaltventil 22 einen Teilöffnungsquerschnitt aufweist, der kleiner ist als der Nennöffnungsquerschnitt AN. So weist das Auf/Zu-Schaltventil 22 mit einer beispielhaften Öffnungscharakteristik gemäß 3 bei einem Schaltimpuls mit einer Impulsdauer ∆t ≈ 0,5 ms einen Teilöffnungsquerschnitt auf, der etwa der Hälfte des Nennöffnungsquerschnitts AN entspricht.
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Wird das Auf/Zu-Schaltventil 22 folglich durch eine elektrische Steuereinheit 30 (siehe 4) mit einem geeigneten Zeit-Schaltschema, beispielsweise einer Pulsweitenmodulation angesteuert, so kann das eigentlich digitale Zweistellungs-Schaltventil 22 auch Teilöffnungsquerschnitte bereitstellen, die kleiner sind als der Nennöffnungsquerschnitt AN des Schaltventils 22. Dabei wird das Auf/Zu-Schaltventil 22 durch die elektrische Steuereinheit 30 elektrisch so angesteuert, dass sich ein Ventilkörper 32 des Auf/Zu-Schaltventils 22 während einer Stellbewegung des zugeordneten hydraulischen Stellglieds 10 mehrfach zwischen seiner Öffnungs- und Schließstellung hin und her bewegt, wobei vorzugsweise höchstens eine der Endstellungen, d.h. entweder nur die Öffnungsstellung oder nur die Schließstellung tatsächlich erreicht wird. Mit anderen Worten werden die digitalen Zweistellungs-Schaltventile 22 zur Durchflusssteuerung vorzugsweise in einem sogenannten ballistischen Modus betrieben, wobei die Schaltventile 22 einen so kurzen Stromimpuls erfahren, dass sie nur teilweise öffnen und danach sofort wieder schließen.
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Die 4 zeigt einen Ausschnitt eines Kraftfahrzeug-Schaltgetriebes 12, mit einem Getriebeölkreislauf 34 zur Schmierung und/oder Kühlung von Getriebekomponenten 36, einem separaten, vom Getriebeölkreislauf 34 fluiddicht getrennten Hydraulikölkreislauf 24 zur Druckbeaufschlagung von hydraulischen Stellgliedern 10 des Schaltgetriebes 12, sowie mehreren hydraulischen Stellgliedern 10, die jeweils mit einem Kupplungssteller 38 oder einem Gangsteller 40 des Schaltgetriebes 12 verbunden sind.
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Im Allgemeinen ist mindestens ein hydraulisches Stellglied 10 ausschließlich durch wenigstens ein Auf/Zu-Schaltventil 22 hydraulisch angesteuert, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel alle sechs hydraulischen Stellglieder 10 jeweils durch genau zwei Auf/Zu-Schaltventile 22 angesteuert sind. Konkret weist jedes Stellglied 10 eine an den Hydraulikölkreislauf 24 angeschlossene Druckkammer 16 mit einem Fluidzulauf 26 und einem Fluidrücklauf 28 auf, wobei dem Fluidzulauf 26 und dem Fluidrücklauf 28 jeweils genau ein Auf/Zu-Schaltventil 22 zugeordnet ist (siehe auch 2).
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Gemäß 4 weist der Hydraulikölkreislauf 24 eine Hydraulikpumpe 42 zur Bereitstellung eines Betriebsdrucks auf, wobei die Hydraulikpumpe 42 von einem Elektromotor 44 angetrieben wird. Durch diese elektromotorisch angetriebene Hydraulikpumpe 42 lässt sich der Betriebsdruck im Hydraulikölkreislauf 24 bedarfsgerecht einstellen und ist insbesondere unabhängig von der Drehzahl des Kraftfahrzeugmotors. Die entstehenden Leistungsverluste sind entsprechend gering, sodass das Schaltgetriebe 12 einen besonders hohen Gesamtwirkungsgrad aufweist.
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Der Hydraulikölkreislauf 24 weist bei einer Druckbeaufschlagung durch die elektromotorisch angetriebene Hydraulikpumpe 42 einen maximalen Betriebsdruck von wenigstens 40 bar, insbesondere wenigstens 60 bar auf. Der vom Hydraulikölkreislauf 24 getrennte, separate Getriebeölkreislauf 34 weist eine weitere Pumpe 45 auf, die den Getriebeölkreislauf 34 mit einem Betriebsdruck beaufschlagt, wobei der Betriebsdruck des Getriebeölkreislaufs 34 bei deutlich unter 5 bar liegt und damit erheblich geringer ist als der Betriebsdruck des Hydraulikölkreislaufs 24.
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Aufgrund der feinfühligen Ansteuerung der Auf/Zu-Schaltventile 22 durch ein oben beschriebenes Zeit-Schaltschema muss der Hydraulikölkreislauf 24 im Wesentlichen leckagefrei und dementsprechend getrennt vom Getriebeölkreislauf 34 ausgeführt sein. Daher ist das Schaltgetriebe 12 bevorzugt ein Doppelkupplungsgetriebe oder ein automatisiertes Schaltgetriebe ohne Drehdurchführung.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Schaltgetriebe 12 konkret ein Doppelkupplungsgetriebe mit einem ersten Teilgetriebe 46 und einem zweiten Teilgetriebe 48, wobei zur Druckregelung der Teilgetriebe 46, 48 ausschließlich Auf/Zu-Schaltventile 22 vorgesehen sind. Insbesondere ist genau ein digitales Zweistellungs-Schaltventil 22 für jedes Teilgetriebe 46, 48 vorgesehen. Somit erfolgt nicht nur die Ansteuerung der hydraulischen Stellglieder 10 des Schaltgetriebes 12, sondern auch die Drucksteuerung der Teilgetriebe 46, 48 ausschließlich durch Auf/Zu-Schaltventile 22.
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Die zur Druckregelung in den Teilgetrieben 46, 48 herkömmlich verwendeten Regelventile 14 gemäß 1 können demzufolge entfallen.
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Der Hydraulikölkreislauf 24 umfasst gemäß 4 einen Versorgungsabschnitt 54 mit der Hydraulikpumpe 42, einen ersten Teilgetriebeabschnitt 56, der dem ersten Teilgetriebe 46 zugeordnet ist, und einen zweiten Teilgetriebeabschnitt 58, der dem zweiten Teilgetriebe 48 zugeordnet ist. Soll zur Druckregelung in wenigstens einem der Teilgetriebeabschnitte 56, 58 das herkömmliche Regelventil 14 (siehe 1) durch ein Auf/Zu-Schaltventil 22 (siehe 2) ersetzt werden, so muss in dem jeweiligen Teilgetriebeabschnitt 56, 58 ein Drucksensor 50 vorhanden sein. Ein üblicherweise im Versorgungsabschnitt 54 vorgesehener Drucksensor 52 ist in diesem Fall nicht mehr unbedingt nötig und kann entfallen.
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Ferner ist gemäß 4 in den Teilgetriebeabschnitten 56, 58 jeweils ein optionaler Druckspeicher 60 vorhanden, der im Falle einer Druckregelung im jeweiligen Teilgetriebeabschnitt 56, 58 die Schaltimpulse des Auf/Zu-Schaltventils 22 dämpft. Im Versorgungsabschnitt 54 ist ein weiterer Druckspeicher 61 vorgesehen.
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Sofern lediglich eine Abschaltung, nicht jedoch eine Druckregelung der Teilgetriebeabschnitte 56, 58 gewünscht wird, ist alternativ lediglich der Drucksensor 52 im Versorgungsabschnitt 54 des Hydraulikölkreislaufs 24 notwendig, wohingegen die Drucksensoren 50 und die Druckspeicher 60 in den Teilgetriebeabschnitten 56, 58 entfallen können.
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Den beiden Kupplungsstellern 38 der Teilgetriebe 46, 48 ist im Ausführungsbeispiel gemäß 4 jeweils ein Rückschlagventil 62 zugeordnet, das den beiden Auf/Zu-Schaltventilen 22 im Fluidzulauf 26 bzw. Fluidrücklauf 28 parallelgeschaltet ist. Dieses Rückschlagventil 62 in den Teilgetriebeabschnitten 56, 58 ist lediglich optional vorgesehen und kann gegebenenfalls entfallen.