DE60105029T2

DE60105029T2 - Mikroventil für ein elektronisch gesteuertes getriebe

Info

Publication number: DE60105029T2
Application number: DE60105029T
Authority: DE
Inventors: A. Harry HUNNICUTT; Nelson E. FULLER
Original assignee: Kelsey Hayes Co
Current assignee: Kelsey Hayes Co
Priority date: 2000-06-20
Filing date: 2001-06-20
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2021-06-21
Also published as: US6494804B1; WO2001098688A2; DE60105029D1; JP4913310B2; EP1295054B1; JP2004501330A; AU2001268604A1; EP1295054A2; US6755761B2; JP2007071398A; JP4913558B2; WO2001098688A3; ATE274156T1; US20030092526A1

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein elektromechanische Halbleiterbauteile und insbesondere ein Mikroventilbauteil zum Steuern eines automatischen Getriebes.
MEMS (elektromechanische Mikrosysteme) sind eine Klasse von Systemen, die körperlich klein sind und Merkmale mit Größen im Mikrometerbereich besitzen. Diese Systeme weisen sowohl elektrische als auch mechanische Komponenten auf. Der Begriff "Mikrobearbeitung" wird gemeinhin so verstanden, dass er die Produktion dreidimensionaler Strukturen und beweglicher Teile von MEMS-Bauteilen meint. Ursprünglich nutzten MEMS modifizierte Techniken (wie etwa chemisches Ätzen) und Materialien (wie etwa halbleitendes Siliziummaterial) zur Herstellung integrierter Schaltungen (Computerchips), um diese sehr kleinen mechanischen Bauteile mikrozubearbeiten. Heutzutage sind viel mehr Mikrobearbeitungstechniken und Materialien verfügbar. Der Begriff "Mikroventil", wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, bedeutet ein Ventil, das Merkmale mit Größen im Mikrometerbereich besitzt und somit definitionsgemäß wenigstens teilweise durch Mikrobearbeitung gebildet ist. Der Begriff "Mikroventilbauteil", wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, bedeutet ein Bauteil, das ein Mikroventil umfasst und das weitere Komponenten umfassen kann. Es ist zu beachten, dass dann, wenn andere Komponenten als ein Mikroventil in dem Mikroventilbauteil enthalten sind, diese anderen Komponenten mikrobearbeitete Komponenten oder Komponenten einer (größeren) Standardgröße sein können.
Es sind verschiedene Mikroventilbauteile vorgeschlagen worden, um den Fluidstrom in einem Fluidkreis zu steuern, siehe beispielsweise DE 40 41 579 A1 . Ein typisches Mikroventilbauteil umfasst ein verlagbares Element oder Ventil, welches von einem Körper beweglich gehalten ist und betriebsmäßig mit einem Aktuator zur Bewegung zwischen einer geschlossenen Stellung und einer voll geöffneten Stellung gekoppelt ist. Wenn es in die geschlossene Stellung eingestellt ist, blockiert oder schließt das Ventil eine erste Fluidöffnung, die in fluidischer Verbindung mit einer zweiten Fluidöffnung steht, und verhindert hierdurch, dass Fluid zwischen den Fluidöffnungen strömt. Wenn sich das Ventil aus der geschlossenen Stellung in die voll geöffnete Stellung bewegt, kann zunehmend Fluid zwischen den Fluidöffnungen fließen. Das US-Patent Nr. 6,540,203 B1 mit dem Titel "Pilot Operated Microvalve Device", das am 01.04.2003 veröffentlicht wurde und infolgedessen nicht Teil des Stands der Technik ist, beschreibt ein Mikroventilbauteil, das aus einem elektrisch betätigten Vorsteuer mikroventil und einem vorgesteuerten Mikroventil besteht, dessen Stellung von dem Vorsteuermikroventil gesteuert wird.
Zusätzlich zur Erzeugung einer hinreichenden Kraft, um das verlagerbare Element zu bewegen, muss der Aktuator eine Kraft erzeugen, die die auf das verlagerbare Element wirkenden Fluidströmungskräfte überwinden kann, welche der beabsichtigten Verlagerung des verlagerbaren Elements entgegenwirken. Diese Fluidströmungskräfte werden im Allgemeinen größer, wenn die Durchflussrate durch die Fluidöffnungen zunimmt.
GB 2284026 A offenbart ein elektrohydraulisches Verriegelungssystem zum Steuern einer hydraulisch betätigten Kupplung eines Fahrzeuggetriebes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner ist offenbart ein Ventilbauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3. Das Verriegelungssystem umfasst ein vorgesteuertes Ventil, welches zwischen einer Druckfluidquelle und der Kupplung angeordnet ist. Das vorgesteuerte Ventil wird in Antwort auf ein hydraulisches Vorsteuersignal gesteuert, welches von einem elektrohydraulischen Vorsteuerventil bereitgestellt wird, das zwischen der Kupplung und der Druckfluidquelle angeordnet ist. Das vorgesteuerte Ventil ist in eine erste Stellung federvorgespannt, in der es den Zufluss von Druckfluid zu der Kupplung blockiert. In Antwort auf das Vorsteuersignal bewegt sich das vorgesteuerte Ventil in eine zweite Stellung, in der die Druckfluidquelle in fluidischer Verbindung mit der Kupplung steht. Das Vorsteuerventil umfasst einen elektromagnetischen Aktuator.
ABRISS DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein elektronisch gesteuertes automatisches Getriebe nach Anspruch 1 sowie ein zur Steuerung des Fluidstroms in einem Fluidsteuerkreis eines elektronisch gesteuerten automatischen Getriebes geeignetes Ventilbauteil nach Anspruch 3 bereit.
Ein elektronisch gesteuertes automatisches Getriebe gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Eingangwelle, eine Ausgangswelle sowie eine Mehrzahl von Getrieberädern, welche eine Antriebsverbindung zwischen der Eingangswelle und der Ausgangsstelle herstellen. Das Getriebe umfasst ferner mindestens eine hydraulisch betätigte Komponente, wie etwa ein hydraulisch betätigtes Bremsband oder eine hydraulisch betätigte Kupplung, welche zur Bewirkung einer Änderung der von den Getrieberädern zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle vorgesehenen Getriebeuntersetzung betätigbar ist. Eine hydraulische Druckfluidquelle ist vorgesehen, um die hydraulisch betätigte Komponente des Getriebes zu betätigen. Ein Ventilbauteil ist dazu betreibbar, den Durchfluss von hydraulischem Druckfluid von der Quelle zu der hydraulisch betätigten Komponente zu steuern. Das Ventilbauteil ist ein Mikroventilbauteil mit einem mikrobearbeiteten Vorsteuerventil und einem mikrobearbeiteten vorgesteuerten Ventil, das durch die Funktion des Vorsteuerventils gesteuert wird. Das vorgesteuerte Ventil dient zum Steuern und selektiven Verhindern des Strömens von hydraulischem Druckfluid zu der hydraulisch betätigten Komponente. Das Vorsteuerventil, das vorzugsweise ein elektronisch gesteuertes Ventil ist, dient zum Steuern des Strömens von hydraulischem Durckfluid zu dem vorgesteuerten Ventil zur Steuerung von dessen Betrieb. Das vorgesteuerte Ventil ist vorzugsweise ein Schieberventil.
Verschiedene Zielsetzungen und Vorteile dieser Erfindung werden einem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen klar werden, so er sie im Lichte der beigefügten Zeichnungen ließt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines elektronisch gesteuerten automatischen Getriebes, das geeigneterweise Mikroventile der vorliegenden Erfindung verwenden kann.
2 ist eine Draufsicht von oben auf eine Ausführungsform eines Mikroventilbauteils gemäß dieser Erfindung, welches zur Verwendung in dem automatischen Getriebe der 1 geeignet ist und teilweise aufgeschnitten ist, um die beweglichen Komponenten des Mikroventilbauteils zu zeigen.
3 ist eine längs der Linie 3–3 genommene Schnittansicht des Mikroventilbauteils der 2.
DETALLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bezugnehmend auf 1 ist dort eine schematische Darstellung eines elektronisch gesteuerten automatischen Getriebes 800 mit einer Eingangswelle 800a und einer Ausgangswelle 800b gezeigt. Automatische Getriebe verwenden gemeinhin Drehmomentwandlerkupplungen mit Planetenradanordnungen 800c, die durch Sperren oder Entsperren verschiedener Elemente der Planetenradanordnung 800c eine Viel zahl von Getriebeuntersetzungen bereitstellen können. Das Sperren und Entsperren kann mittels hydraulisch betätigter Komponenten gesteuert werden, etwa Kupplungen (oder bei einigen Modellen Bremsbändern) 800d. Die Kupplungen oder Bremsbänder 800d werden selektiv mit hydraulischem Druckfluid von einer Pumpe 800e versorgt, um sie zu betätigen. Zusätzlich kann bei bestimmten Getrieben ein Drehmomentwandler 800f "gesperrt" werden, um den Getriebewirkungsgrad zu verbessern, indem dem Sperrmechanismus hydraulisches Druckfluid zugeführt wird. Der Drehmomentwandler 800f ist somit eine weitere hydraulisch betätigte Komponente des elektronisch gesteuerten automatischen Getriebes 800.
Das automatische Getriebe 800 ist mit einer Mehrzahl von elektronisch gesteuerten Ventilen 802 zur Zufuhr von hydraulischem Druckfluid (Getriebefluid) zum Schalten und Sperren des Wandlers des Getriebes 800 (nicht gezeigt) versehen. Eine elektronische Steuereinheit (ECU) 804 für das Fahrzeug umfasst eine Getriebesteuereinheit 806 zum Steuern des Betriebs der Ventile 802 und kann eine Zünd- und Kraftstoffeinspritrsteuereinheit 808 umfassen. Eine Mehrzahl von Sensoren ist vorgesehen, die Signale an die ECU 804 liefern und einen Motordrehzahlsensor 810, einen Luftströmungssensor 812, einen Drosselsensor 814, einen Kickdown-Sensor 816, einen Sauerstoffsensor 818 sowie einen Stellungssensor 820 zur Erfassung der Stellung des Getriebewählhebels umfassen. Diese Sensorsignale werden von der ECU 804 verarbeitet, um die richtigen zu erzeugenden Steuersignale zu bestimmen. Typischerweise ist die ECU 804 auch mit einer Fehleranzeigelampe 822 versehen, um den Fahrer des Fahrzeugs zu warnen, wenn ein Fehlerzustand erfasst wird.
Die vorstehende Beschreibung des in 1 dargestellten elektronisch gesteuerten automatischen Getriebes 800 ist im Stand der Technik geläufig und aus Marks'Standard Handbook for Mechanical Engineers, 9. Ausgabe (herausgegeben von Eugene A. Avallone und Theodore Baumeister III, Copyright 1987 von McGraw-Hill, Inc., Seiten 11-9 bis 11-10) und Modern Automotive Technology (von James E. Duffy, Copyright 1994 von The Goodheart-Willcox Company, Inc., Seite 707) übernommen. Aufbau und Funktion des automatischen Getriebes 800 werden mit Ausnahme der Ventile 802 nicht weiter erläutert. Die Ventile 802 waren im Stand der Technik herkömmliche elektromagnetisch betätigte Ventile, die Drücke bis zu mehreren hundert Pfund pro Quadratzoll (psi) steuern. Ein Beispiel eines herkömmlichen, zur Verwendung in automatischen Getrieben ausgelegten Ventils ist im US-Patent Nr. 4,535,816 für Feder et al. offenbart. Überraschenderweise wird jedoch angenommen, dass für die Ventile 802 Mikroventile statt der herkömmlichen elektromagnetisch betätigten Ventile des Stands der Technik verwendet werden können. Abhängig von der speziellen Ausle gung des Getriebes 800 und der speziellen Verwendung eines einzelnen Ventils 802 können die erfindungsgemäß eingesetzten Mikroventile in einer "Ein-Aus-" (d.h. voll geöffneten-voll geschlossenen) Weise oder als Proportionalventil (d.h. ein Ventil, das Strömung/Druck in kontinuierlich veränderbarer Weise aus einer voll geöffneten in eine voll geschlossene Stellung steuert) arbeiten. Das zuvor angesprochene US-Patent Nr. 6,540,203 B1 beschreibt ein Mikroventilbauteil, das aus einem elektrisch betätigten Vorsteuermikroventil und einem vorgesteuerten Mirkoventil besteht, dessen Stellung von dem Vorsteuerventil gesteuert wird, wobei dieses Mikroventilbauteil in einer Ein-Aus- (voll geöffneten-voll geschlossenen) Weise betrieben werden kann. Mit Techniken der Mikroherstellung gefertigte Ventile sind im Allgemeinen klein im Vergleich zu herkömmlichen Ventilen. Dies fördert die Integration der ECU 804 (oder zumindest der Getriebesteuereinheit 806) und der Ventile 802 zu einer Baugruppe, die in dem Getriebe 800 angeordnet werden kann. Dies fördert auch die Verwendung von Sensoren, die integral mit Mikroventilbauteilen hergestellt werden (wie etwa hydraulischen Fluiddrucksensoren, die die korrekte Funktion der Steuerbauteile des automatischen Getriebes überwachen, in das eine solche Baugruppe eingebaut werden kann). Diese Sensoren könnten zur offenschleifigen oder geschlossenschleifigen Steuerung und Überwachung des automatischen Getriebes 800 eingesetzt werden.
2 stellt eine Ausführungsform eines Mikroventilbauteils 825 gemäß dieser Erfindung dar, das als geeignet zur Verwendung für die Ventile 802 bei dem automatischen Getriebe 800 der 1 angesehen wird. 3 ist eine längs der Linie 3–3 der 2 genommene Schnittansicht des Mikroventilbauteils 825. Das Mikroventilbauteil 825 ist ein vorgesteuertes Mikroventilbauteil mit einem Vorsteuerventil 836 und einem vorgesteuerten Schieberventil 840. Das Mikroventilbauteil 825 umfasst einen Körper 842, welcher einen ersten Hohlraum 844 bildet, in dem das Vorsteuerventil 836 angeordnet ist, einen T-förmigen zweiten Hohlraum 846, in dem das Schieberventil 840 angeordnet ist, sowie einen den ersten Hohlraum 844 und den zweiten Hohlraum 846 verbindenden Fluiddurchgang 848. Ein zweiter Fluiddurchgang 850 verbindet den ersten Hohlraum 844 mit einer Auslassöffnung 852, welche dazu ausgelegt ist, mit einem Niederdruckreservoir oder einer Fluidrückleitung (nicht gezeigt) des elektronisch gesteuerten automatischen Getriebes 800 verbunden zu werden. In dem zweiten Fluiddurchgang 850 ist eine Drossel 854 angeordnet. Die Drossel 854 beschränkt den Fluidstrom von dem ersten Hohlraum 844 zur Auslassöffnung 852. Eine Einlassöffnung 856 ist mit dem ersten Hohlraum 844 verbunden und dazu ausgelegt, mit einer Hochdruck-Fluidquelle verbunden zu werden, also mit der Abflussseite der Pumpe 800e des elektronisch gesteuerten automatischen Getriebes 800.
Der Körper 842 bildet außerdem eine Anzahl von Öffnungen, welche mit dem zweiten Hohlraum 846 verbunden sind. Diese umfassen eine Zufuhröffnung 858, welche dazu ausgelegt ist, mit einer Hochdruck-Fluidquelle, also der Abflussseite der Pumpe 800e, verbunden zu werden, mit der die Einlassöffnung 856 verbunden ist, sowie eine Tanköffnung 860, welche dazu ausgelegt ist, mit einem Niederdruckreservoir oder einer Fluidrückleitung (nicht gezeigt) des elektronisch gesteuerten automatischen Getriebes 800 verbunden zu werden. In dem Körper sind zwei Lastöffnungen 862a und 862b gebildet, welche mit dem zweiten Hohlraum 846 kommunizieren und auf gegenüberliegenden Seiten der Zufuhröffnung 858 angeordnet sind. Die Lastöffnungen 862a und 862b sind dazu ausgelegt, miteinander verbunden zu werden, um einer hydraulisch betätigten Komponente des elektronisch gesteuerten automatischen Getriebes 800 Druckfluid zuzuführen, etwa dem Bremsband oder der Kupplung 800d oder dem Drehmomentwandler 800f des elektronisch gesteuerten automatischen Getriebes 800. Zusätzlich ist, wie in 3 erkennbar, in der der Lastöffnung 862a gegenüberliegenden Oberseite des zweiten Hohlraums 846 eine Rinne 864 gebildet und eine weitere Rinne 865 an der der Tanköffnung 860 gegenüberliegenden Oberseite des zweiten Hohlraums 846 gebildet. Wie die vorstehend beschriebenen Rinnen, so helfen die Rinnen 864 und 865, auf das Schieberventil 840 wirkende Strömungskräfte auszugleichen.
Das Vorsteuerventil 836 umfasst einen länglichen Arm 866, welcher in kontinuierlich veränderlicher Weise zwischen einer ersten, in 2 dargestellten Stellung und einer zweiten Stellung (nicht gezeigt) beweglich ist. Der Arm 866 ist mittels eines Biegearms 866a an einem festen Abschnitt des Ventilkörpers 842 angebracht. In der zweiten Stellung ist der Arm 866 des Vorsteuerventils 836 so angeordnet, dass er die Einlassöffnung 856 abdeckt und eine Strömung aus der Einlassöffnung 856 in den ersten Hohlraum 844 im Wesentlichen blockiert. Druckfluid im ersten Hohlraum 844 läuft über die Drossel 854 im zweiten Durchgang 850 zur Auslassöffnung 852 ab. Wenn der Arm 866 des Vorsteuerventils 836 in Richtung zur ersten, offenen Stellung bewegt wird, wird die Einlassöffnung 856 zunehmend freigelegt, was ein schnelleres Strömen von Fluid von der Einlassöffnung 856 in den ersten Hohlraum 844 gestattet. Das so eingelassene Fluid strömt aus dem zweiten Durchgang 850 und bewirkt das Entstehen eines Druckgefälles, wenn das Fluid durch die Drossel 854 strömt, was den Druck im ersten Hohlraum 844 ansteigen lässt. Wird die Einlassöffnung 856 weiter geöffnet, strömt das Fluid noch schneller durch die Drossel 854, was ein stärkeres Druckgefälle und einen weiteren Anstieg des Drucks im ersten Hohlraum 844 bewirkt. Danach ist es klar, dass der Druck im ersten Hohlraum 844 durch Steuern der Strömungsrate von der Einlassöffnung 856 durch den ersten Hohlraum 844, die Drossel 854 und den zweiten Durchgang 850 zur Auslassöffnung 852 gesteuert werden kann. Die Stellung des Arms 866 steuert die Strömungsrate dieses Fluids und folglich den Druck im ersten Hohlraum 844.
Ein allgemein bei 867 angedeuteter Ventilaktuator stellt den Arm 866. Der Aktuator 867 weist einen länglichen Grat 867a auf, welcher an dem Arm 866 angebracht ist. Der Aktuator 867 umfasst ferner mehrere Paare von gegenüberliegenden ersten Rippen 867b und zweiten Rippen 867c. Jede erste Rippe 867b ist mit einem ersten Ende an einer ersten Seite des Grats 867a angebracht und mit einem zweiten Ende an einem feststehenden Abschnitt des Ventilkörpers 842 angebracht. Ähnlich zu den ersten Rippen 867b ist jede zweite Rippe 867c mit einem ersten Ende an einer zweiten Seite des Grats 867a angebracht und mit einem zweiten Rippenende an dem feststehenden Abschnitt des Ventilkörpers 842 angebracht. Die Rippen 867b, 867c sind so ausgelegt, dass sie sich thermisch ausdehnen (längen) und zusammenziehen. Elektrische Kontakte 867d (gezeigt in 4) sind zur Verbindung mit einer elektrischen Energiequelle ausgeführt, um einen elektrischen Strom zu liefern, der durch die Rippen 867b und 867c zur thermischen Ausdehnung der Rippen 867b und 867c fließt. Der Aktuator 867 ist zur Steuerung durch eine elektronische Steuereinheit, etwa die in 1 dargestellte ECU 804, ausgelegt.
Das Schieberventil 840 ist mit einem länglichen Körper ausgeführt, welcher an einem ersten Ende des Körpers ein Paar gegenüberliegend angeordneter, quer verlaufender Arme aufweist, sodass das Schieberventil 840 eine allgemein T-förmige Platte mit einer ersten Stirnfläche (oder Steuerfläche) 868 an einem breiteren Längsende der Platte und einer zweiten Stirnfläche 870 an einem schmäleren Längsende der Platte ist. Das Schieberventil 840 bildet drei durchgehende Öffnungen. Eine erste Öffnung 872, die nahe der ersten Stirnfläche 868 liegt, ist durch das Schieberventil 840 hindurch gebildet, damit sich das Fluidvolumen in der Rinne 865 an den Druck an der Tanköffnung 860 angleichen kann, was die vertikal (bei Betrachtung der 3) auf das Schieberventil 840 wirkenden Kräfte im Gleichgewicht hält. Eine zweite Öffnung 874 durch das Schieberventil 840 bildet ein Innenvolumen, das stets in Verbindung mit der Lastöffnung 862b steht. Ein Steg 876 zwischen der zweiten Öffnung 874 und der ersten Öffnung 872 gestattet oder verhindert eine Strömung zwischen der Lastöffnung 862b und der Tanköffnung 860; in der dargestellten Stellung verhindert der Steg 876 eine Strömung zwischen der Lastöffnung 862b und der Tanköffnung 860. Wenn sich der Steg 876 nach rechts (bei Betrachtung der 2 und 3) bewegt, öffnet sich ein Fluidweg zwischen der Lastöffnung 862b und der Tanköffnung 860, wodurch ein an der Lastöffnung 862b vorhandener Druck zu dem mit der Tanköffnung 860 verbundenen Niederdruckreservoir abgelassen wird.
Eine dritte Öffnung 878 durch das Schieberventil 874 hindurch gestattet eine Angleichung des Fluidvolumens in der Rinne 864 an den Druck an der Lastöffnung 862a, wodurch die vertikal (bei Betrachtung der 3) auf das Schieberventil 840 wirkenden Kräfte im Gleichgewicht gehalten werden. Ein Steg 880 zwischen der zweiten Öffnung 874 und der dritten Öffnung 878 verhindert eine Strömung zwischen der Zufuhröffnung 858 und der Lastöffnung 862b in allen Stellungen des Schieberventils 840. Ein letzter Steg 882 zwischen der dritten Öffnung 878 und der zweiten Längsstirnfläche 870 gestattet oder verhindert eine Strömung zwischen der Zufuhröffnung 858 und der Lastöffnung 862a; in der dargestellten Stellung verhindert der Steg 882 eine Strömung zwischen der Zufuhröffnung 858 und der Lastöffnung 862a. Wenn sich das Schieberventil 840 nach links (bei Betrachtung der 2 und 3) bewegt, öffnet sich ein Fluidweg zwischen der Zufuhröffnung 858 und der Lastöffnung 862a, wodurch Druckfluid zu der mit der Lastöffnung 862a verbundenen Last geliefert wird.
Da Schieberventil 840 wirkt mit den Wänden des zweiten Hohlraums 846 zur Bildung einer ersten Kammer 882 zwischen der ersten Längsstirnfläche 868 und der gegenüberliegenden Wand des zweiten Hohlraums 846 zusammen. Der erste Durchgang 848 steht zu allen Zeiten in fluidischer Verbindung mit der ersten Kammer 882. Eine zweite Kammer 884 ist zwischen der zweiten Stirnfläche 870 und der gegenüberliegenden Wand des zweiten Hohlraums 846 gebildet. Die Kammer 884 steht zu allen Zeiten in fluidischer Verbindung mit der Lastöffnung 862a. Außerdem sind zwei Volumina 886 und 888 zwischen jeweiligen Schulterpaaren der das Schieberventil 840 bildenden T-förmigen Platte und den Schultern des T-förmigen zweiten Hohlraums 846 gebildet. Die Volumina 886 und 888 stehen zu allen Zeiten in Verbindung mit der Tanköffnung 860. Auf diese Weise wird eine hydraulische Sperrung des Schieberventils 840 verhindert.
Die Größe der ersten Stirnfläche 868 des Schieberventils 840 ist größer als die Größe der zweiten Stirnfläche 870 des Schieberventils 840. Wenn die Drücke in der ersten und zweiten Kammer 882 und 884 gleich sind, drängt daher die resultierende, nichtausgeglichene Nettokraft, die auf das Schieberventil 840 wirkt, das Schieberventil 840 nach links (bei Betrachtung der 2 und 3).
Die Einlassöffnung 856 im Vorsteuerventil 836 ist relativ klein, insbesondere im Vergleich zur Zufuhröffnung 858 und der Lastöffnung 862a des vorgesteuerten Schie berventils 840. Im Betrieb legt der Arm 866 des Vorsteuerventils 836 die Einlassöffnung 856 frei, wobei Fluid durch die Einlassöffnung 856, den ersten Hohlraum 844, die Drossel 854 und den zweiten Durchgang 850 zur Auslassöffnung 852 strömt. Die Einlassöffnung 856 kann in diesem Strömungsweg als zusätzliche Drossel dienen. Aufgrund des Druckabfalls an der drosselartigen Einlassöffnung 856 ist es möglicherweise nicht möglich, den Druck im ersten Hohlraum 844 (und somit in der ersten Kammer 882) auf den Druck am Auslass der Pumpe 800e hochzubringen. Der Druck in der zweiten Kammer 884 kann einen höheren Druck (bei oder nahe des Pumpauslassdrucks) erreichen, als er möglicherweise in der ersten Kammer 882 erreicht wird, und zwar aufgrund der größeren Weite der Zuführöffnung 858 und der Lastöffnung 862 des Schieberventils 840 und des resultierenden geringen Druckabfalls, wenn Fluid durch diese Öffnungen strömt. Weil jedoch die Größe der ersten Stirnfläche 868 größer als die Größe der zweiten Stirnfläche 870 ist, kann das Schieberventil 840 dennoch nach links (bei Betrachtung der 2 und 3) bewegt werden, selbst wenn der auf die erste Stirnfläche 868 wirkende Druck in der ersten Kammer 882 geringer als der Druck in der zweiten Kammer 884 ist.
Genauer bildet die Einlassöffnung 856 zusammen mit dem Vorsteuerventil 836 eine Art einer einstellbaren Drossel, deren Durchflussquerschnitt sich mit der Stellung des Arms 866 des Vorsteuerventils 836 ändert. Die Drossel 854 wirkt mit der von dem Vorsteuerventil 836 gebildeten "variablen Drossel" zur Bildung einer Druckteileranordnung zusammen. Die Druckteileranordnung steuert den an die Steuerfläche (die erste Stirnfläche 866) des Schieberventils 840 angelegten Druck gemäß der Formel
wobei
P₁ der Versorgungsdruck für die Druckteileranordnung ist (der von der Pumpe 800e an die Einlassöffnung 856 gelieferte Druck);
P2 der Druck des Fluids im ersten Hohlraum 844 ist und wegen des Fluiddurchgangs 848 zwischen dem ersten Hohlraum 844 und der ersten Kammer 882 somit der auf die Steuerfläche des Schieberventils 840 (die erste Stirnfläche 868) gerichtete Steuerdruck ist;
A1 der Öffnungsquerschnitt (Strömungsquerschnitt) der stromaufwärtigen Drossel der Druckteileranordnung ist, also der von dem Vorsteuerventil 836 und der Einlassöffnung 856 gebildeten variablen Drossel; und
A2 der Öffnungsquerschnitt (Strömungsquerschnitt) der stromabwärtigen Drossel der Druckteileranordnung ist, also der Strömungsquerschnitt der Drossel 854.
Vorzugsweise ist das Verhältnis der Größe der ersten Stirnfläche 868 zur Größe der zweiten Stirnfläche 870 des Schieberventils 840 derart, dass der Druck in der Kammer 884 (der auf die zweite Stirnfläche 870 wirkt) auf einen Druck hochgebracht werden kann, der beinahe gleich P1 ist.
Das Schieberventil 840 hat drei grundlegende Arbeitszonen oder -stellungen: Eine Druckerhöhungsstellung, eine Druckhaltestellung sowie eine Druckminderungsstellung. In der Darstellung der 2 und 3 ist das Schieberventil 840 in einer Druckhaltestellung, d.h. es hält Druckfluid an der Last. Wenn sich das Schieberventil 840 nach rechts (bei Betrachtung der 2 und 3) bewegt, ist das Schieberventil 840 in der Druckminderungsstellung. Dies wird erreicht, wenn die ECU 804 dem Vorsteuerventil 836 den Befehl zum Schließen gibt, indem sie den dem Aktuator 867 zugeführten elektrischen Strom erhöht. Die Rippen des Aktuators 867 dehnen sich, was bewirkt, dass der Arm 866 auslenkt (unter Biegen des Biegearms 866a) und die Einlassöffnung 856 stärker überdeckt. Die Strömung im zweiten Durchgang 850 von der Einlassöffnung 856 zur Auslassöffnung 852 nimmt ab. Der Druckabfall an der Drossel 854 wird geringer. Auch der Druck in dem ersten Hohlraum 844, dem ersten Durchgang 848 und der ersten Kammer 882 nimmt ab. Dies führt zu einem Ungleichgewicht der auf das Schieberventil 840 wirkenden Kräfte. Die (wegen des abgesenkten Drucks in der ersten Kammer 882) verringerte Kraft, die auf die erste Stirnfläche 868 wirkt, ist nun kleiner als die unveränderte Kraft, die aufgrund des Drucks in der Kammer 884 (welche mit der Last verbunden ist) auf die zweite Stirnfläche 870 wirkt. Das Kraftungleichgewicht drängt das Schieberventil 840 nach rechts (bei Betrachtung der 2 und 3). Der Steg 876 bewegt sich so nach rechts, was eine Strömung von Druckfluid von der Last durch die Lastöffnung 862b und durch die zweite Öffnung 874 im Schieberventil 840 gestattet. Von dort geht ein Teil der Strömung direkt aus der Tanköffnung 860 heraus, während etwas Strömung hoch in die Rinne 865, über die Oberseite des Stegs 876, herunter durch die erste Öffnung 872 und aus der Tanköffnung 860 heraus gehen kann, Auf diese Weise wird der Druck von der Last weggenommen und zu dem mit der Tanköffnung 860 verbundenen Niederdruckreservoir abgelassen. Das Schieberventil 840 bewegt sich zurück in die Druckhaltestellung, wenn der Druck in der Kammer 884 (der durch die Lastöffnung 882a hindurch wirkt) hinreichend kleiner wird, sodass die auf das Schieberventil 840 wirkenden Kräfte das Schieberventil 840 dazu drängen, sich nach links (bei Betrachtung der 2 und 3) zu bewegen. Bei ausgeglichenen Kräften hält das Schieberventil 840 in der Druckhaltestellung an. Der Druck an der Last (gefühlt durch die Lastöffnungen 862a hindurch) ist somit proportional (bei der dargestellten Ausfüh rungsform umgekehrt proportional) zu dem elektrischen Signal (Strom), das dem Aktuator 867 zugeführt wird.
Wenn die ECU 804 den Stromfluss durch die Rippen des Aktuators 867 senkt, verschwenkt sich der Arm 866 des Vorsteuerventils 836 und legt die Einlassöffnung 856 stärker frei. Dies führt zu einer Druckerhöhung im ersten Hohlraum 844 und der ersten Kammer 882, während der Druck in der zweiten Kammer 884 konstant bleibt. Das Schieberventil 840 bewegt sich aufgrund des resultierenden Ungleichgewichts der auf das Schieberventil 840 wirkenden Kräfte nach links (bei Betrachtung der 2 und 3). Wenn sich das Schieberventil 840 in der Druckminderungsstellung befand, bewegt die Bewegung nach links das Schieberventil zurück in die in den 2 und 3 gezeigte Druckhaltestellung. Wenn die ECU 804 den Stromfluss weiter absenkt und ein weiteres Öffnen des Vorsteuerventils 836 bewirkt, steigt der Druck in der ersten Kammer 884 weiter an, was das Schieberventil 840 weiter nach links (bei Betrachtung der 2 und 3) in die Druckerhöhungsstellung drängt. Der Steg 870 bewegt sich nach links, was einen Strom von Druckfluid von der Zufuhröffnung 858 durch die Öffnung 878 im Schieberventil 840 gestattet. Von dort geht ein Teil der Strömung direkt aus der Lastöffnung 862 heraus, während etwas Strömung hoch in die Rinne 864, über die Oberseite des Stegs 870, durch die zweite Kammer 884 hindurch und aus der Lastöffnung 862a heraus gehen kann. Auf diese Weise wird der Druck von der mit der Zufuhröffnung 868 verbundenen Hochdruck-Fluidquelle auf die mit der Lastöffnung 862a verbundene Last (z.B. die hydraulisch betätigten Komponenten des elektronisch gesteuerten automatischen Getriebes 800) gerichtet und an diese angelegt.
Es ist zu verstehen, dass das Mikroventilbauteil 825 dieser Erfindung durch Lieferung geeigneter jeweiliger Nullstrom/Maximalstrom-Signale an den Aktuator 867 in einer voll geöffneten/voll geschlossenen Weise betrieben werden könnte. Es ist weiter zu verstehen, dass das Vorsteuerventil 836 so ausgebildet werden könnte, dass der Aktuator 867 auf den Arm 866 zwischen der durch den Biegearm 866a vorgesehenen Schwenkverbindung und dem die Einlassöffnung 856 abdeckenden und freilegenden Ende des Arms 866 einwirkt. Bei einer solchen Ausführungsform würde ein maximaler Stromfluss zu dem Aktuator 867 zu einem zunehmenden Druck führen, der der zugehörigen hydraulisch betätigten Komponente des elektronisch gesteuerten automatischen Getriebes 800 zugeführt wird, während ein an den Aktuator 867 angelegter Nullstrom zu einer Abnahme des der zugehörigen hydraulisch betätigten Komponente zugeführten Drucks führen würde.
Wenngleich das Mikroventilbauteil 825 so beschrieben wurde, dass es sowohl das elektronisch gesteuerte Vorsteuerventil 836 als auch das vorgesteuerte Schieberventil 840 umfasst, wird miteinbezogen, dass das Vorsteuerventil eine andere Ausgestaltung als die hier gezeigte besitzen kann, dass das vorgesteuerte Ventil eine andere Ausgestaltung als die hier gezeigte haben kann oder dass in der Tat das Mikroventilbauteil 825 stattdessen mit einem elektronisch gesteuerten Mikroventil ausgeführt sein kann, das den Druckfluidstrom von der Pumpe 800e zu den hydraulisch betätigten Komponenten des elektronisch gesteuerten automatischen Getriebes 800 direkt steuert. Außerdem wird ebenfalls berücksichtigt, dass – wenngleich nicht gezeigt – verschiedene andere mikrobearbeitete und elektronische Komponenten in dem Körper 842 des Mikroventilbauteils 825 hergestellt sein können. Beispiele dieser Komponenten können die Getriebesteuereinheit 806 oder die gesamte ECU 804, zusätzliche mikrobearbeitete Ventile zur Betätigung anderer hydraulisch betätigter Komponenten des elektronisch gesteuerten automatischen Getriebes 800 sowie eine breite Anzahl von Sensoren einschließlich Drucksensoren, Positionssensoren, Temperatursensoren und Beschleunigungmessern umfassen.
4 stellt beispielsweise einen Drucksensor 890 dar, der an der Außenseite des Körpers 842 des Mikroventilbauteils befestigt ist. Der Drucksensor 890 ist ein MEMS-Bauteil. Der Drucksensor 890 umfasst einen metallischen Dehnungsmessstreifen 890a, welcher im Bereich der der Lastöffnung 862a gegenüberliegenden Rinne 864 an dem Körper 842 angebracht ist. Der Dehnungsmessstreifen 890a und andere Teile des Drucksensors können durch beliebige geeignete Mittel an dem Körper fixiert sein, einschließlich metallischer Plattierung oder Metallabscheidung. Der Körper 842 weist in diesem Bereich eine relativ dünne Wand auf, welche sich fein auswölbt und eindrückt, wenn der Druck in der zweiten Kammer 884 stärker wird und abnimmt. Diese Bewegung der Körperwand ruft Änderungen des Innenwiderstands des Dehnungsmessstreifens 890 vor. Diese Änderungen können über eine Mehrzahl von Geräteleitungen 890b überwacht werden, welche von dem Dehnungsmessstreifen 890a zu Anschlussflecken 890c verlaufen, wo Steuersystemdrähte angebracht werden können. Auf diese Weise kann der Drucksensor 890 ein Signal erzeugen, das für den Druck an der Lastöffnung 862a repräsentativ ist.
Bezugnehmend nunmehr auf 5 ist eine Mehrzahl der Mikroventilbauteile 825 zur Steuerung mehrerer hydraulisch betätigter Komponenten 800d schematisch gezeigt. Wie dargestellt, wird jedes der Mikroventilbauteile mit Druckfluid von der Pumpe 800e versorgt. Die Mikroventilbauteile 825 werden von der ECU elektronisch gesteuert. An jedem der Mikroventilbauteile 867d sind vorzugsweise Drucksensoren 890 vorgesehen, um an die ECU 840 ein Drucksignal zu liefern. Jedes der Mikroventilbauteile 825 und die ECU 804 sind auf einem gemeinsamen Substrat 892 angebracht, welches beispielsweise eine gedruckte elektronische Leiterplatte sein kann.

Claims

Elektronisch gesteuertes automatisches Getriebe, mit: einer Eingangswelle (800a); einer Ausgangswelle (800b); einer Mehrzahl von Getrieberädern (800c), welche eine Antriebsverbindung zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle herstellen; mindestens einer hydraulisch betätigte Komponente (800d), welche zum Bewirken einer Änderung der von den Getrieberädern zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle vorgesehenen Getriebeuntersetzung betreibbar ist; einer Quelle (800e) für hydraulisches Druckfluid; und einem Ventilbauteil (802) welches zum Steuern des Durchflusses von hydraulischem Druckfluid von der Quelle zu der hydraulisch betätigten Komponente betreibbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilbauteil ein Mikroventilbauteil (825) mit einem mikrobearbeiteten Vorsteuerventil (836) und einem mikrobearbeiteten vorgesteuerten Ventil (840) ist, welches durch den Betrieb des Vorsteuerventils gesteuert wird.
Automatisches Getriebe nach Anspruch 1, bei dem das vorgesteuerte Ventil (840) zwischen einer Druckerhöhungsstellung, einer Druckhaltestellung und einer Druckminderungsstellung bewegbar ist, um den Durchfluss von Druckfluid von der Quelle (800e) zu der hydraulisch betätigten Komponente (800d) zu steuern.
Ventilbauteil zum Steuern des Fluiddrucks in einem elektrisch gesteuerten automatischen Getriebe (800), mit: einem Ventilkörper (842), welcher einen Einlass (858) bildet, der dazu ausgelegt ist, mit einer Quelle (800e) für Druckfluid in dem automatischen Getriebe verbunden zu werden, und einen Auslass (862a) bildet, der dazu ausgelegt ist, mit einer hydraulisch betätigten Komponente (800d) des automatischen Getriebes in fluidische Verbindung gebracht zu werden, wobei der Ventilkörper ferner einen Vorsteuerventileinlass (856) bildet, der dazu ausgelegt ist, mit der Druckfluidquelle und einem Fluiddurchgang (850) verbunden zu werden; einem vorgesteuerten Ventil (840), welches zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist, wobei das vorgesteuerte Ventil eine erste Stellung aufweist, in der der Durchfluss von hydraulischem Druckfluid von dem Einlass zu dem Auslass gestattet ist, sowie eine zweite Stellung, in der der Durchfluss von hydraulischem Druckflu id von dem Einlass zu dem Auslass verhindert ist, wobei das vorgesteuerte Ventil eine Steuerfläche (868) in fluidischer Verbindung mit dem Fluiddurchgang aufweist, wobei das vorgesteuerte Ventil nach Maßgabe des Drucks in dem Fluiddurchgang zwischen der ersten und der zweiten Stellung betrieben wird; und einem Vorsteuerventil (836), welches in dem Durchgang angeordnet ist, wobei das Vorsteuerventil zwischen einer ersten Stellung, in der der Durchfluss von Druckfluid von dem Vorsteuerventileinlass zu dem Durchgang verhindert ist, und einer zweiten Stellung, in der der Durchfluss von Druckfluid von dem Vorsteuerventileinlass zu dem Durchgang zwecks Druckerhöhung in dem Durchgang gestattet ist, betreibbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilbauteil ein Mikroventilbauteil ist, wobei das Vorsteuerventil und das vorgesteuerte Ventil beide mikrobearbeitet sind.
Ventilbauteil nach Anspruch 3, bei dem der Ventilkörper (842) ferner eine Vorsteuerventilauslassöffnung (852) bildet, welche dazu ausgelegt ist, mit einem Niederdruckreservoir des automatischen Getriebes (800) verbunden zu werden, eine Drossel (854) in dem Fluiddurchgang (850) zwischen dem Vorsteuerventileinlass (856) und der Vorsteuerventilauslassöffnung sowie einen zweiten Fluiddurchgang (848), welcher die fluidische Verbindung zwischen dem Fluiddurchgang und der Steuerfläche (868) des vorgesteuerten Ventils (840) bereitstellt, wobei der zweite Fluiddurchgang mit dem Fluiddurchgang verbunden ist.
Ventilbauteil nach Anspruch 4, bei dem die Drossel (854) in dem Fluiddurchgang (850) zwischen dem Vorsteuerventil (836) und der Vorsteuerventilauslassöffnung (852) angeordnet ist.
Ventilbauteil nach Anspruch 5, bei dem der zweite Fluiddurchgang (848) mit dem Fluiddurchgang (850) zwischen dem Vorsteuerventil (836) und der Drossel (854) verbunden ist.
Ventilbauteil nach Anspruch 6, bei dem das vorgesteuerte Ventil (840) einen länglichen Körper mit einem Paar querverlaufender, gegenüberliegender Arme an einem ersten Ende des Körpers aufweist, sodass das vorgesteuerte Ventil allgemein T-förmig ist, wobei die Steuerfläche (868) eine axiale Stirnfläche des Körpers an dem ersten Ende des Körpers ist.
Ventilbauteil nach Anspruch 3, ferner umfassend eine Druckteileranordnung (854) in dem Fluiddurchgang (850).
Ventilbauteil nach Anspruch 8, bei dem die Druckteileranordnung (854) den an die Steuerfläche (868) angelegten Druck nach der Formel
steuert, wobei P1 = Versorgungsdruck für die Druckteileranordnung; P2 = Steuerdruck, der auf die Steuerfläche gerichtet ist; A1 = Öffnungsquerschnitt einer stromaufwärtigen Drossel (856) der Druckteileranordnung; und A2 = Öffnungsgerschnitt einer stromabwärtigen Drossel (852) der Druckteileranordnung.
Ventilbauteil nach Anspruch 3, ferner umfassend einen Druckdetektor (890), welcher ein den Druck an dem Auslass (862a) angebendes Signal erzeugt.
Ventilbauteil nach Anspruch 10, bei dem der Druckdetektor (890) ein an einer Außenfläche des Ventilkörpers (842) angebrachter elektromechanischer Mikrosystem-(MEMS) Dehnungsmessstreifen ist.
Ventilbauteil nach Anspruch 10, ferner umfassend eine elektronische Steuereinheit (804), welche ein elektrisches Signal zum Steuern der Stellung des Vorsteuerventils (836) erzeugt, wobei das Signal der elektronischen Steuereinheit zur geschlossenschleifigen Steuerung des Ventilbauteils zugeführt wird.
Ventilbauteil nach Anspruch 12, bei dem die elektronische Steuereinheit (804) und der Ventilkörper (842) auf einem gemeinsamen Substrat (894) angebracht sind.