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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Kupplungseinheit für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, wobei die Kupplungseinheit zumindest eine Reibungskupplung zum steuerbaren Übertragen eines Drehmoments von einem Eingangselement auf ein Ausgangselement der Kupplungseinheit und einen Aktuator zum Betätigen der Reibungskupplung aufweist.
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Eine derartige Kupplungseinheit dient beispielsweise in einem Verteilergetriebe eines Kraftfahrzeugs mit Allradantrieb zum steuerbaren Übertragen eines Antriebsmoments auf eine Primärachse und/oder eine Sekundärachse des Kraftfahrzeugs. Bei einem so genannten „torque on demand“-Verteilergetriebe sind die Räder der Primärachse permanent angetrieben, während mittels der genannten Kupplungseinheit ein variabler Teil des Antriebsmoments wahlweise auf die Räder der Sekundärachse übertragen werden kann. Das Verteilergetriebe kann auch als steuerbares Mittendifferential ausgebildet sein, bei dem die Kupplungseinheit einer Differentialsperre zugeordnet ist, um die Verteilung des Antriebsmoments in Längsrichtung des Fahrzeugs einzustellen. Eine Kupplungseinheit der genannten Art kann auch in einer Drehmomentübertragungsanordnung Anwendung finden, die in einem Kraftfahrzeug mit permanent angetriebener Vorderachse die Übertragung eines Teils des Antriebsmoments auf die Hinterachse erlaubt, wobei die Einheit beispielsweise am Vorderachsdifferential oder am Hinterachsdifferential angeordnet ist. Derartige unterschiedliche Anwendungen und Anordnungen sind aus der
US 7,111,716 B2 bekannt.
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Eine Kupplungseinheit der eingangs genannten Art kann auch in Querrichtung des Kraftfahrzeugs wirken, beispielsweise für eine Differentialsperre eines Achsdifferentials oder in einer Drehmomentüberlagerungsanordnung eines Achsdifferentials (so genanntes „torque vectoring“). In sämtlichen der vorgenannten Fälle kann die Kupplungseinheit ein rotierendes Eingangselement (z.B. Eingangswelle) und ein rotierendes Ausgangselement (z.B. Ausgangswelle) reibschlüssig miteinander verbinden, insbesondere um ein Antriebsmoment zu übertragen. Alternativ hierzu kann die Kupplungseinheit als Bremse konfiguriert sein, mit einem feststehenden Eingangselement oder einem feststehenden Ausgangselement, insbesondere um ein Bremsmoment zu übertragen.
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In den vorgenannten Anwendungen der Kupplungseinheit ist die Kupplungseinheit bezüglich der Kraftflussrichtung hinter dem Hauptgetriebe des Antriebsstrangs (d.h. hinter dem manuellen oder automatischen Schaltgetriebe oder CVT-Getriebe) angeordnet. Das Kupplungsmoment - also das von der Reibungskupplung übertragene Drehmoment - wird üblicherweise in Abhängigkeit von der jeweiligen Fahrsituation variabel eingestellt. Je nach den fahrdynamischen Erfordernissen, die beispielsweise von der Fahrsituation oder von Umgebungseinflüssen abhängen können (z.B. glatte Fahrbahnoberfläche mit auftretendem Schlupf der Antriebsräder), erfolgt also eine Änderung des von der Kupplungseinheit zu übertragenden Drehmoments. Hierfür ist nicht nur ein gesteuertes Einrücken der Reibungskupplung erforderlich, sondern oftmals auch ein längerer Betrieb mit genau eingestelltem Kupplungsmoment. Die Reibungskupplung kann daher insbesondere als nasslaufende Lamellenkupplung mit alternierend angeordneten primären und sekundären Kupplungslamellen sowie Öl zum Kühlen und Schmieren der Kupplungseinheit ausgebildet sein.
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Die Kupplungseinheit umfasst ferner einen Aktuator zum Betätigen der Reibungskupplung. Der Aktuator weist oftmals einen am Gehäuse der Kupplungseinheit befestigten Elektromotor auf und dient dazu, in Ansprechen auf ein angefordertes, zwischen dem Eingangselement und dem Ausgangselement der Kupplungseinheit zu übertragendes Drehmoment die Kupplungslamellen in eine vorbestimmte Einrückstellung zu bewegen.
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Eine Kupplungseinheit der eingangs genannten Art und ein Verfahren zum Kalibrieren einer solchen Kupplungseinheit sind aus der
WO 2003/025422 A1 (entsprechend
US 7,032,733 B2 ) bekannt, deren Inhalt ausdrücklich in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird. Wie in der
WO 2003/025422 A1 genauer beschrieben ist, muss zum Einstellen eines bestimmten erwünschten Kupplungsmoments nicht notwendigerweise eine direkte Drehmomentregelung vorgesehen sein (mit dem gemessenen tatsächlichen Kupplungsmoment als Regelgröße). Sondern infolge einer entsprechenden Kalibrierung der Kupplungseinheit kann die Steuerung der Reibungskupplung auf dem Umweg über eine Positionsregelung des Aktuators erfolgen. Zum Einstellen des gewünschten zu übertragenden Drehmoments wird also beispielsweise der Drehwinkel des Elektromotors oder eine sonstige Positionsgröße des Aktuators als Regelgröße herangezogen und auf einen Wert eingestellt, welcher dem gewünschten Kupplungsmoment entspricht. Hierfür wird empirisch eine Kupplungsmoment/Aktuatorposition-Abhängigkeit ermittelt, die als Kennlinie beispielsweise in Form einer Tabelle (look up table, LUT) oder einer Funktion (also einer Rechenvorschrift) abgelegt wird. Anhand dieser Abhängigkeit wird somit für eine bestimmte Drehmomentanforderung der entsprechende Sollwert der betreffenden Positionsgröße des Aktuators (z.B. Drehwinkel) bestimmt und eingeregelt.
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Während des Betriebs der Reibungskupplung tritt ein Verschleiß an den Komponenten der Kupplungseinheit auf. Beispielsweise kann es zu einer Verringerung der Lamellendicke und zu einer Versteifung des Lamellenmaterials kommen. Bei einer nasslaufenden Reibungskupplung können sich ferner Abriebpartikel im Öl ansammeln. Durch den Verschleiß ändert sich im Lauf der Zeit der Reibwert an den Reibungsoberflächen und somit auch das bei einer bestimmten Aktuatorposition tatsächlich übertragene Drehmoment, da dieses vom Reibwert abhängt. Diese Änderung, die auch als alterungsbedingte Kennlinienversteifung bezeichnet wird, kann durch die vorstehend genannte statische Zuordnung zwischen Drehmomentanforderung und Aktuatorposition nicht berücksichtigt werden. Somit kann es zu unerwünschten Abweichungen zwischen dem angewiesenen Kupplungsmoment (Sollwert) und dem tatsächlich übertragenen Kupplungsmoment (Istwert) kommen.
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Der Verschleißgrad ist in erster Linie von der insgesamt in die Reibungskupplung eingebrachten Verlustarbeit abhängig, weshalb er durch eine fortlaufende Ermittlung der Verlustarbeit oder der Verlustleistung erfasst und entsprechend berücksichtigt werden kann. Allerdings hat sich gezeigt, dass die Belastung der Kupplungskomponenten und somit der Verschleiß nicht nur von dem Gesamtwert der Verlustarbeit abhängig sind, also von der insgesamt eingebrachten Energie, sondern auch von der Art und vom zeitlichen Verlauf der Energieaufnahme. Beispielsweise kann eine geringe Verlustleistung, die über einen längeren Zeitraum hinweg anhält, eine andere Verschleißwirkung entfalten als eine hohe Verlustleistung, die nur über einen kurzen Zeitraum hinweg anhält, selbst wenn im Ergebnis die gleiche (physikalische) Arbeit in die Reibungskupplung eingebracht wird. Ebenso kann die Verschleißwirkung trotz gleicher Verlustleistung unterschiedlich sein, je nachdem, ob ein hohes Kupplungsmoment bei geringem Kupplungsschlupf vorliegt oder ein geringes Kupplungsmoment bei hohem Kupplungsschlupf. Die Beanspruchung der Kupplungskomponenten und somit der Fortschritt des Verschleißes ändern sich also je nach der aktuellen Fahrsituation und variieren insbesondere mit dem Fahrstil des jeweiligen Fahrers des Kraftfahrzeugs. Die genannten Effekte können durch eine rein auf die Verlustarbeit gestützte Steuerungskompensation nicht berücksichtigt werden und führen zu einer schwer vorhersagbaren langfristigen Änderung der Kupplungscharakteristik.
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Aus der
DE 102 36 539 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges, insbesondere zur Ansteuerung eines elektronischen Kupplungsmanagements und/oder eines automatisierten Schaltgetriebes mit einem Antriebsmotor, einer Kupplung und/oder einem Getriebe im Antriebsstrang bekannt. Nach einem Energieeintrag in die Kupplung tritt eine Veränderung der Momentenkennlinie der Kupplung auf: Daher wird eine geeignete Korrektur der Stellmomentenkennlinie nach einem Energieeintrag in die Kupplung vorgesehen, wobei eine Berechnung und/oder eine Kompensation von thermischen Effekten bei einer automatisierten Kupplungsansteuerung erfolgt. Dabei ist vorgesehen, eine Veränderung einer Momentenkennlinie sowie eine Kompensation der Verschiebung und/oder Veränderung in der Kupplungsansteuerung durchzuführen.
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DE 10 2005 029 566 A1 zeigt eine Ermittlung der durch die Kupplung eingetragenen Energie, wobei der Schritt Ermitteln einer Verlustleistung der Reibungskupplung, indem eine Drehzahldifferenz zwischen dem Eingangselement und dem Ausgangselement der Kupplungseinheit mit einem Kupplungsmoment multipliziert wird, ausgeführt wird. Allerdings wird danach keine Gewichtung der Verlustleistung der Reibungskupplung mittels wenigstens eines Gewichtungsfaktors, der eine momentane Belastungssituation der Reibungskupplung repräsentiert, vorgenommen. Vielmehr wird ein Reibmoment aus weiteren Daten ermittelt und daraus die eingetragene Energie berechnet.
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Die Integration findet über die Reibenergie statt, ohne dass zuvor eine Gewichtung angewendet wird. Die Energieeinträge werden dann mit Schwellwerten verglichen, die für bestimmte Fahrsituationen vorbestimmt sind und Maßnahmen, wie in der Tabelle dargestellt (Fahrerwarnung, Bremseingriff, Motoreingriff etc) auslösen.
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Aus der
DE 10 2005 061 080 A1 ist ein Verfahren zum Steuern einer Kupplungseinheit für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs bekannt, wobei die Kupplungseinheit zumindest eine Reibungskupplung zum steuerbaren Übertragen eines Drehmoments von einem Eingangselement auf ein Ausgangselement der Kupplungseinheit und einen Aktuator zum Betätigen der Reibungskupplung aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- Ermitteln einer Verlustleistung der Reibungskupplung
- Ermitteln eines Verschleißgrades der Kupplungseinheit, indem eine Gewichtung der Verlustleistung der Reibungskupplung mittels wenigstens eines Gewichtungsfaktors vorgenommen wird, der eine momentane Belastungssituation der Reibungskupplung repräsentiert, wobei wenigstens ein Zeitintegral über die Verlustleistung der Reibungskupplung während des Betriebs der Kupplungseinheit gebildet wird.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einer Kennlinien-gesteuerten Kupplungseinheit die Abweichungen zwischen dem Sollwert und dem Istwert des Kupplungsmoments über einen langen Zeitraum möglichst gering zu halten und eine hohe Stellgenauigkeit der Kupplungseinheit unter unterschiedlichen Fahrbedingungen zu gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Steuern einer Kupplungseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, und insbesondere durch die folgenden Schritte:
- - Ermitteln einer Verlustleistung der Reibungskupplung, indem eine Drehzahldifferenz zwischen dem Eingangselement und dem Ausgangselement der Kupplungseinheit mit einem Kupplungsmoment multipliziert wird;
- - Ermitteln eines Verschleißgrades der Kupplungseinheit, indem eine Gewichtung der Verlustleistung der Reibungskupplung mittels wenigstens eines Gewichtungsfaktors vorgenommen wird, der eine momentane Belastungssituation der Reibungskupplung repräsentiert, wobei wenigstens ein Zeitintegral über die Verlustleistung der Reibungskupplung während des Betriebs der Kupplungseinheit gebildet wird;
- - Anpassen einer Kennlinie der Reibungskupplung, welche die Abhängigkeit des Kupplungsmoments von einer Aktuatorsteuergröße beschreibt, in Abhängigkeit von dem ermittelten Verschleißgrad; und
- - Steuern der Kupplungseinheit mittels des Aktuators gemäß der Kennlinie.
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Erfindungsgemäß erfolgt eine dynamische Anpassung der Kupplungssteuerung in Abhängigkeit vom Verschleiß- oder Alterungsgrad der Kupplungseinheit, welcher eine bedeutende Einflussgröße in Bezug auf den Zusammenhang zwischen der Aktuatorsteuergröße und dem übertragenen Drehmoment darstellt. Die Berücksichtigung des Verschleißgrads kann auf einfache und zuverlässige Weise durch eine entsprechende Anpassung der Kennlinie der Reibungskupplung erreicht werden, welche üblicherweise in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegt ist. Durch eine derartige Anpassung können verschleißbedingte Abweichungen der Kupplungscharakteristik vom Normalverhalten kompensiert werden, wodurch die Stellgenauigkeit der Kupplungseinheit erhöht wird. Der Zusammenhang zwischen Kupplungsverschleißgrad und zu kompensierender Drehmomentabweichung kann berechnet oder empirisch ermittelt sein und beispielsweise in Form einer Look-up-Tabelle vorliegen. Die Anpassung der Kennlinie kann insbesondere jeweils bei Inbetriebnahme des Fahrzeugs vorgenommen werden. Bei der Aktuatorsteuergröße kann es sich insbesondere wie oben beschrieben um eine Position handeln, beispielsweise den Drehwinkel einer Welle oder eines Ritzels eines Elektromotors. Je nach Ausführung des Aktuators kann die Steuergröße auch ein hydraulischer Druck oder dergleichen sein.
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Zum Ermitteln des Verschleißgrads der Kupplungseinheit wird die Verlustleistung der Reibungskupplung ermittelt, welche auf einfache Weise aus dem Kupplungsmoment sowie der Drehzahldifferenz zwischen dem Eingangselement und dem Ausgangselement der Kupplungseinheit errechnet werden kann. Die entsprechenden Drehzahlen sind durch geeignete Sensoren leicht erfassbar und werden oftmals standardmäßig für verschiedene Aufgaben der Fahrzeugsteuerung zur Verfügung gestellt. Bei dem Kupplungsmoment kann es sich um eine Drehmomentanforderung (Sollwert) oder um das tatsächlich übertragene Drehmoment (Istwert) handeln, welches seinerseits gemessen oder berechnet sein kann. Das Kupplungsmoment steht in Zusammenhang mit der auf die Kupplungslamellen wirkenden Andruckkraft. Die Drehzahldifferenz zwischen Eingangselement und Ausgangselement repräsentiert den in der Reibungskupplung auftretenden Schlupf. Durch das Produkt aus Andruckkraft und Schlupf kann somit auf die Reibungsverluste der Kupplungslamellen geschlossen werden.
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Um von der leicht ermittelbaren Verlustleistung auf die Verlustarbeit zu schließen, welche letztlich mit dem Verschleiß in direktem Zusammenhang steht, wird ein Zeitintegral über die Verlustleistung der Reibungskupplung während des Betriebs der Kupplungseinheit gebildet. Hierbei wird die Verlustleistung direkt oder indirekt mittels eines oder mehrerer Gewichtungsfaktoren gewichtet, die eine momentane Belastungssituation der Reibungskupplung repräsentieren. Hierdurch können Fahrerspezifische Belastungssituationen genauer berücksichtigt werden. Der genannte Gewichtungsfaktor wird beispielsweise in Abhängigkeit von der Drehzahldifferenz, dem Kupplungsmoment oder von beiden Größen ausgewählt.
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Durch die genannte Gewichtung kann die sich situationsbedingt ändernde Art der Beanspruchung der Reibungskupplung bei der Verschleißgradermittlung berücksichtigt werden, wodurch der tatsächliche Verschleißzustand genauer abgebildet wird und eine exaktere Kennlinienanpassung möglich ist. Eine gewünschte Stellgenauigkeit der Kupplungseinheit kann daher in einem weiteren Bereich von Fahrbedingungen und über eine längere Lebensdauer aufrechterhalten werden.
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Um die Gewichtung durchzuführen, wird insbesondere ein Gewichtungsfaktor in Abhängigkeit von dem Kupplungsmoment und/oder der Drehzahldifferenz ausgewählt, und das Zeitintegral wird über das Produkt aus der Verlustleistung und dem Gewichtungsfaktor gebildet. Der Gewichtungsfaktor wird empirisch ermittelt und aus einer in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegten Nachschlagetabelle abgerufen. Durch einen derartigen Faktor kann die vorzunehmende Gewichtung besonders schnell und einfach durchgeführt werden.
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Das genannte Kupplungsmoment kann aus einer Drehmomentanforderung, aus einem berechneten von der Reibungskupplung übertragenen Drehmoment oder aus einem gemessenen von der Reibungskupplung übertragenen Drehmoment ermittelt werden. Welche dieser Größen zur Ermittlung des Kupplungsmoments herangezogen wird, richtet sich nach der jeweiligen Anwendung.
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Bevorzugt wird der ermittelte Verschleißgrad der Kupplungseinheit bei einer Stillsetzung des Kraftfahrzeugs in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegt, um bei einer nachfolgenden Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs als Startwert für das weitere Ermitteln des Verschleißgrades der Kupplungseinheit verwendet zu werden. Der Gesamtverschleißgrad der Kupplungseinheit wird also kontinuierlich hochgerechnet, da er naturgemäß stetig voranschreitet und sich nicht etwa bei stillgesetztem Fahrzeug zurückbildet. Ein Rücksetzen des ermittelten Verschleißgrads kann allenfalls unter vorbestimmten Bedingungen erfolgen, z.B. bei einem Austausch von Kupplungskomponenten. Auch ein teilweises Rücksetzen ist möglich, z.B. bei einem Ölwechsel.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird für das Anpassen der Kennlinie eine Steigung und/oder ein Offset der Kennlinie modifiziert. Insbesondere können für das Anpassen der Kennlinie ein Steigungs-Korrekturwert und ein Offset-Korrekturwert in Abhängigkeit von dem ermittelten Verschleißgrad der Kupplungseinheit bestimmt werden, wobei ein Sollwert des Kupplungsmoments mit dem Steigungs-Korrekturwert multipliziert wird, um einen modifizierten Sollwert des Kupplungsmoments zu ermitteln, wobei anhand der Kennlinie in Abhängigkeit von dem modifizierten Sollwert des Kupplungsmoments ein vorläufiger Sollwert der Aktuatorsteuergröße ermittelt wird, und wobei auf den vorläufigen Sollwert der Aktuatorsteuergröße der Offset-Korrekturwert addiert wird, um einen Sollwert der Aktuatorsteuergröße zu ermitteln. Die abgespeicherte Kennlinie selbst bleibt bei einem derartigen Vorgehen unverändert, da lediglich zwei der Kennlinie zugeordnete Parameter aktualisiert werden. Eine komplette Neuerstellung der Kennlinie mit entsprechendem Berechnungs- und Speicheraufwand wird auf diese Weise vermieden. Der genannte Steigungs-Korrekturwert und der genannte Offset-Korrekturwert können empirisch ermittelt werden und in einfachen Look-up-Tabellen hinterlegt sein.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Drehmomentübertragungsanordnung mit einer Kupplungseinheit und einer Steuereinrichtung, wobei die Kupplungseinheit zumindest eine Reibungskupplung zum steuerbaren Übertragen eines Drehmoments von einem Eingangselement auf ein Ausgangselement und einen Aktuator zum Betätigen der Reibungskupplung aufweist, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist,
- - eine Verlustleistung der Reibungskupplung zu ermitteln, indem eine Drehzahldifferenz zwischen dem Eingangselement und dem Ausgangselement der Kupplungseinheit mit dem Kupplungsmoment multipliziert wird;
- - einen Verschleißgrad der Kupplungseinheit zu ermitteln, indem eine Gewichtung der Verlustleistung der Reibungskupplung mittels wenigstens eines Gewichtungsfaktors vorgenommen wird, der eine momentane Belastungssituation der Reibungskupplung repräsentiert, wobei wenigstens ein Zeitintegral über die Verlustleistung der Reibungskupplung während des Betriebs der Kupplungseinheit gebildet wird;
- - eine Kennlinie der Reibungskupplung, welche die Abhängigkeit eines Kupplungsmoments von einer Aktuatorsteuergröße beschreibt, in Abhängigkeit von dem ermittelten Verschleißgrad anzupassen; und
- - die Kupplungseinheit mittels des Aktuators gemäß der Kennlinie zu steuern.
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Die erfindungsgemäße Kupplungseinheit bzw. Drehmomentübertragungsanordnung kann in unterschiedlichen Anordnungen verwendet werden, um entlang eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs ein Drehmoment zu übertragen, wie eingangs erläutert wurde. Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen lediglich beispielhaft im Zusammenhang mit einem „torque on demand“-Verteilergetriebe erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs.
- 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Verteilergetriebes.
- 3 zeigt eine Querschnittsansicht des Verteilergetriebes gemäß 2.
- 4 zeigt eine schematische Ansicht eines Kupplungsaktuators.
- 5 zeigt beispielhaft eine unkorrigierte und zwei korrigierte Kennlinien zur Beschreibung der Abhängigkeit eines Kupplungsmoments von einer Aktuatorposition.
- 6 zeigt beispielhaft die Anpassung einer Kennlinie mittels eines Steigungs-Korrekturwerts und eines Offset-Korrekturwerts.
- 7 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern einer Kupplungseinheit.
- 8 zeigt ein Flussdiagramm, das beispielhafte Schritte zum Ermitteln eines Verschleißgrades einer Kupplungseinheit veranschaulicht.
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1 zeigt schematisch einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit zuschaltbarem Allradantrieb. Das von einem Verbrennungsmotor 11 erzeugte Antriebsmoment wird über ein Hauptgetriebe 13 (manuelles Schaltgetriebe oder Automatikgetriebe) einem Verteilergetriebe 15 zugeführt. Ein erster Ausgang des Verteilergetriebes 15 ist über eine Kardanwelle 17 mit einem Hinterachs-Differentialgetriebe 19 gekoppelt. Hierdurch werden die Räder 21 der Hinterachse 23 permanent angetrieben. Die Hinterachse 23 bildet somit die Primärachse des Fahrzeugs. Ein zweiter Ausgang des Verteilergetriebes 15 ist über eine Kardanwelle 25 mit einem Vorderachs-Differentialgetriebe 27 gekoppelt. Hierdurch kann ein Teil des Antriebsmoments des Verbrennungsmotors 11 wahlweise auf die Räder 29 der Vorderachse 31 übertragen werden. Die Vorderachse 31 bildet somit die Sekundärachse des Fahrzeugs.
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Ferner ist in 1 eine Fahrdynamik-Regelungseinheit 33 gezeigt. Diese ist mit Raddrehzahl-Sensoren 35, 37 verbunden, die den Rädern 21 der Hinterachse 23 bzw. den Rädern 29 der Vorderachse 31 zugeordnet sind. Die Fahrdynamik-Regelungseinheit 33 ist auch noch mit weiteren Sensoren 39 verbunden, beispielsweise einem Gierraten-Sensor. In Abhängigkeit von den Signalen der Sensoren 35, 37, 39 erzeugt die Fahrdynamik-Regelungseinheit 33 ein Steuersignal, welches einer Steuereinrichtung (in 1 nicht gezeigt) des Verteilergetriebes 15 zugeführt wird, um hierdurch eine bestimmte Verteilung des Antriebsmoments zwischen den beiden Achsen 23, 31 des Fahrzeugs einzustellen. Bei dem genannten Steuersignal handelt es sich insbesondere um einen Sollwert eines Kupplungsmoments, d.h. um eine Drehmomentanforderung für eine Kupplungseinheit des Verteilergetriebes 15.
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2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Verteilergetriebes 15 gemäß 1. Das Verteilergetriebe 15 besitzt eine Eingangswelle 41, eine erste Ausgangswelle 43 und eine zweite Ausgangswelle 45. Die erste Ausgangswelle 43 ist koaxial zu der Eingangswelle 41 und mit dieser drehfest - vorzugsweise einstückig - ausgebildet. Die zweite Ausgangswelle 45 ist parallel versetzt zu der Eingangswelle 41 angeordnet.
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Das Verteilergetriebe 15 besitzt eine Kupplungseinheit 47 mit einer Reibungskupplung 49 und einem Aktuator 51. Die Reibungskupplung 49 weist einen Kupplungskorb 53 auf, der drehfest mit der Eingangswelle 41 und der ersten Ausgangswelle 43 verbunden ist und mehrere Kupplungslamellen trägt. Ferner besitzt die Reibungskupplung 49 eine drehbar gelagerte Kupplungsnabe 55, die ebenfalls mehrere Kupplungslamellen trägt, welche in einer alternierenden Anordnung in die Lamellen des Kupplungskorbs 53 eingreifen. Die Kupplungsnabe 55 ist drehfest mit einem Antriebszahnrad 57 eines Kettentriebs 59 verbunden. Ein Abtriebszahnrad 61 des Kettentriebs 59 ist drehfest mit der zweiten Ausgangswelle 45 verbunden. Anstelle des Kettentriebs 59 kann ein Rädertrieb vorgesehen sein, beispielsweise mit einem Zwischenzahnrad zwischen den genannten Zahnrädern 57, 61.
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Durch Betätigung des Aktuators 51 im Einrücksinn der Reibungskupplung 49 kann ein zunehmender Anteil des über die Eingangswelle 41 in das Verteilergetriebe 15 eingeleiteten Antriebsmoments auf die zweite Ausgangswelle 45 übertragen werden.
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3 zeigt Einzelheiten des Verteilergetriebes 15 gemäß 2 in einer Querschnittsansicht. Insbesondere ist ersichtlich, dass der Aktuator 51 einen Stützring 63 und einen Stellring 65 aufweist, die bezüglich der Rotationsachse A der Eingangswelle 41 und der ersten Ausgangswelle 43 drehbar gelagert sind. Der Stützring 63 ist über ein Axiallager an dem Antriebszahnrad 57 axial abgestützt. Der Verstellring 65 ist hingegen axial verschieblich gelagert. An den einander zugewandten Seiten besitzen der Stützring 63 und der Verstellring 65 jeweils mehrere Kugelrillen 67 bzw. 69. Diese verlaufen bezüglich der Achse A in Umfangsrichtung und sind bezüglich einer Normalebene zu der Achse A in Umfangsrichtung rampenartig geneigt, d.h. die Kugelrillen 67, 69 besitzen in Umfangsrichtung eine variierende Tiefe. Jeweils eine Kugelrille 67 des Stützrings 63 und eine Kugelrille 69 des Verstellrings 65 stehen einander gegenüber und umschließen hierbei eine zugeordnete Kugel 71. Durch Verdrehen des Stützrings 63 und des Verstellrings 65 relativ zueinander kann somit ein axiales Verschieben des Verstellrings 65 bewirkt werden, wobei der Verstellring 65 über ein Axiallager mit einem Andruckring 73 der Reibungskupplung 49 zusammenwirkt. Der Andruckring 73 ist mittels einer Tellerfederanordnung 75 in Ausrückrichtung der Reibungskupplung 49 vorgespannt.
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An dem Stützring 63 und an dem Verstellring 65 ist ein jeweiliger Betätigungshebel 77 bzw. 79 angeformt. An dem freien Ende eines jeden Hebels 77, 79 ist eine jeweilige Rolle 81 bzw. 83 drehbar gelagert. Über die Rollen 81, 83 wirken die Betätigungshebel 77, 79 mit den beiden Stirnseiten 85, 87 einer Steuerscheibe 89 zusammen, die bezüglich einer Achse C drehbar ist. Die Stirnseiten 85, 87 besitzen bezüglich einer Normalebene zu der Achse C einen in Umfangsrichtung geneigten Verlauf, d.h. die Steuerscheibe 89 ist im Querschnitt keilförmig ausgebildet. Durch Verdrehen der Steuerscheibe 89 können die Betätigungshebel 77, 79 somit scherenartig bewegt werden, um den Stützring 63 und den Stellring 65 relativ zueinander zu verdrehen. Die Steuerscheibe 89 besitzt einen angeformten Steckverzahnungsansatz 91. Über diesen kann die Steuerscheibe 89 mit einem Elektromotor und einem zugeordneten Untersetzungsgetriebe antriebswirksam verbunden sein (in 3 nicht gezeigt).
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Somit kann durch entsprechende Ansteuerung des genannten Elektromotors die Steuerscheibe 89 zu einer Drehbewegung angetrieben werden, um hierdurch die Betätigungshebel 77, 79 relativ zueinander zu verschwenken. Die hierdurch verursachte Verdrehung des Stützrings 63 und des Verstellrings 65 relativ zueinander bewirkt eine axiale Bewegung des Verstellrings 65. Der Andruckring 73 bewirkt somit ein Einrücken der Reibungskupplung 49 oder - unterstützt von der Tellerfederanordnung 75 - ein Ausrücken der Reibungskupplung 49.
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4 zeigt den Aktuator 51 gemäß 2 und 3 in einer schematischen Ansicht. Der Aktuator 51 besitzt einen steuerbaren Elektromotor 93 mit einer Ankerwelle 95, ein Untersetzungsgetriebe 97 mit einer Schnecke 99 und einem Schneckenrad 101, sowie eine Umlenkeinrichtung 103. Mittels der Umlenkeinrichtung 103 wird eine Drehbewegung einer Ausgangswelle 105 des Untersetzungsgetriebes 97 in eine translatorische, d.h. geradlinige Bewegung des Andruckrings 73 (3) umgesetzt. Die Umlenkeinrichtung 103 umfasst die Steuerscheibe 89 sowie den Stützring 63 und den Verstellring 65 mit den Betätigungshebeln 77, 79 und den Kugeln 71 gemäß 3. An der Ankerwelle 95 des Elektromotors 93 ist ein Sensor 107 angeordnet, der beispielsweise als ein Inkrementalgeber ausgebildet ist. Wie in 4 gezeigt ist, kann der Sensor 107 alternativ auch als Sensor 107' an der Ausgangswelle 105 angeordnet sein.
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Der Sensor 107 erzeugt ein Signal, das einem Aktuatorpositionswert entspricht. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist dies der Drehwinkel-Istwert α' der Ankerwelle 95. Dieses Signal α' wird einer Steuereinrichtung 109 des Verteilergetriebes 15 zugeführt. Von der Fahrdynamik-Regelungseinheit 33 des Kraftfahrzeugs (1) erhält die Steuereinrichtung 109 auch eine Drehmomentanforderung M, also einen Sollwert des Kupplungsmoments. Aus einer Kupplungsmoment/Drehwinkel-Kennlinie 111, die in einem nichtflüchtigen Speicher 113 der Steuereinrichtung 109 abgelegt ist, ermittelt die Steuereinrichtung 109 anhand der Drehmomentanforderung M einen Drehwinkel-Sollwert α. In Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Drehwinkel-Sollwert α und dem Drehwinkel-Istwert α' erzeugt die Steuereinrichtung 109 ein Steuersignal für den Elektromotor 93, um die Reibungskupplung 49 (2 und 3) entsprechend zu verstellen. Die Steuereinrichtung 109 wirkt somit als Positionsregler.
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Die Steuereinrichtung 109 ist dazu ausgebildet, einen Verschleißgrad der Kupplungseinheit 47 zu ermitteln und bei deren Steuerung zu berücksichtigen, indem die Kennlinie 111 der Reibungskupplung 49 entsprechend angepasst wird. Das Ermitteln des Verschleißgrades geschieht durch Erfassen einer Verlustleistung der Kupplungseinheit 47, bei der eine Kupplungsmoment- und Drehzahldifferenz-abhängige Gewichtung durchgeführt wird. Die Verlustleistung wird über die Betriebszeit der Kupplungseinheit 47 integriert.
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Die Steuerung der Kupplungseinheit 47 unter Verwendung der Kennlinie 111 wird nun unter Bezugnahme auf die 5 und 6 näher erläutert. 5 zeigt ein Diagramm, in welchem die Drehmomentanforderung (Kupplungsmoment-Sollwert) M in Abhängigkeit vom Drehwinkel-Sollwert α in willkürlichen Einheiten und mit willkürlichem Nulldurchgang aufgetragen ist. Beispielhaft gezeigt ist eine ursprünglich in dem Speicher 113 der Steuereinrichtung 109 abgelegte Kennlinie 111 sowie zwei zur Kompensation des Verschleißes angepasste Kennlinien 111', 111". Wenn die Steuereinrichtung 109 eine Drehmomentanforderung M empfängt, so kann mittels der Kennlinie 111 der zugehörige Drehwinkel-Sollwert α des Elektromotors 93 ermittelt werden. Wenn infolge des berechneten Verschleißgrads eine Korrektur der Kupplungssteuerung vorgenommen werden soll, kann nun statt der ursprünglich abgelegten Kennlinie 111 eine angepasste Kennlinie 111' verwendet werden, deren Steigung modifiziert ist. Bei Verwendung der Kennlinie 111' ergibt sich der modifizierte Drehwinkel-Sollwert αmod, der beim dargestellten Beispiel geringer ist als der unmodifizierte Drehwinkel-Sollwert α. Die Reibungskupplung 49 wird also in diesem Fall weniger stark eingerückt als durch die ursprünglich abgelegte Kennlinie 111 angegeben ist, um z.B. einen erhöhten Reibwert zu berücksichtigen. Die ebenfalls dargestellte Kennlinie 111" veranschaulicht eine andere Variante der Anpassung, bei welcher eine Modifizierung des Offsets der ursprünglich abgelegten Kennlinie 111 vorgenommen wird, was einer Parallelverschiebung im Aktuatorposition/Kupplungsmoment-Diagramm entspricht.
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Zur Anpassung der Kennlinie 111 muss nicht notwendigerweise die gesamte abgespeicherte Kurve oder deren zugehörige Tabelle überschrieben werden. Es genügt beispielsweise, jede Drehmomentanforderung M mit einem verschleißgradabhängigen Korrekturwert zu multiplizieren und danach den Drehwinkel-Sollwert α anhand der ursprünglich abgelegten Kennlinie 111 zu ermitteln. Diese Vorgehensweise ist mit einer Änderung der Kennliniensteigung äquivalent, entspricht also im Ergebnis beispielsweise einer Verwendung der angepassten Kennlinie 111'. Alternativ ist es auch möglich, zunächst den Drehwinkel-Sollwert α gemäß der unveränderten Drehmomentanforderung M und der unmodifizierten Kennlinie 111 zu ermitteln und den so erhaltenen Drehwinkel-Sollwert α um einen verschleißgradabhängigen Korrekturwert zu erhöhen oder zu verringern. Diese Vorgehensweise ist mit einer Änderung des Kennlinien-Offsets äquivalent, entspricht also im Ergebnis beispielsweise einer Verwendung der parallelverschobenen Kennlinie 111". Je nach Anwendung kann es auch vorteilhaft sein, die Änderung des Offsets und der Steigung miteinander zu kombinieren. Der Rechenaufwand ist dadurch auf ein Minimum reduziert, dass während des laufenden Kupplungsbetriebs jeweils nur ein jeweiliger Zahlenwert für die Steigung und/oder für den Offset aktualisiert wird.
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Die Kennlinienanpassung kann sich in der Praxis somit so gestalten, dass die einmalig abgespeicherte Kennlinie 111 stets unverändert bleibt, wie in 6 veranschaulicht ist. Zur Anpassung wird die aktuelle Drehmomentanforderung M mit einem Steigungs-Korrekturwert K1 multipliziert, sodass sich eine modifizierte Drehmomentanforderung Mmod ergibt. Anhand der Kennlinie 111 wird nun derjenige vorläufige Drehwinkel-Sollwert (αtemp ermittelt, welcher der modifizierten Drehmomentanforderung Mmod entspricht. Auf den ermittelten Drehwinkel-Sollwert αtemp wird anschließend ein Offset-Korrekturwert K2 addiert, um den gewünschten, der Anpassung entsprechenden Drehwinkel-Sollwert α zu erhalten. Der Steigungs-Korrekturwert K1 und der Offset-Korrekturwert K2, die dem aktuellen Verschleißgrad der Kupplungseinheit zugeordnet sind, können beispielsweise aus einer einfachen, zuvor gespeicherten jeweiligen Look-up-Tabelle abgerufen werden, die empirisch ermittelt worden ist. Die in dem Speicher 113 der Steuereinrichtung 109 abgelegte Kennlinie 111 bleibt in diesem Fall stets unverändert. Der Steigungs-Korrekturwert K1 kann auch kleiner als eins sein, so dass die Multiplikation einer Division äquivalent ist. Ebenso kann der Offset-Korrekturwert K2 negativ sein, so dass die Addition einer Subtraktion äquivalent ist.
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Unter Bezugnahme auf 7 wird ein beispielhaftes Verfahren zum Steuern einer Kupplungseinheit unter Berücksichtigung des Verschleißgrads beschrieben. Sofern in einem Schritt S1 festgestellt wird, dass das Fahrzeug in Betrieb genommen worden ist (die Steuereinrichtung 109 gemäß 4 erhält das Signal „Zündung Ein“), wird in einem Schritt S2 der zuletzt gespeicherte Wert für den Verschleißgrad der Kupplungseinheit abgerufen. Bei einer Erstinbetriebnahme des Kraftfahrzeugs kann ein entsprechender werkseitig vorgegebener Startwert abgerufen werden (z.B. Startwert Null).
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In Abhängigkeit von dem abgerufenen Verschleißgrad-Wert und gegebenenfalls weiterer Parameter wird dann in einem Schritt S3 die Steigung der Kennlinie 111 gemäß 5 modifiziert, um beispielsweise die angepasste Kennlinie 111' gemäß 5 zu erhalten. Sofern das Anpassen der Kennlinie 111 durch Verwendung von Korrekturwerten erfolgt wie im Zusammenhang mit 6 beschrieben, können in dem Schritt S3 in Abhängigkeit von dem Verschleißgrad der Kupplungseinheit der Steigungs-Korrekturwert K1 und der Offset-Korrekturwert K2 ausgelesen werden.
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In einem Schritt S4 wird dann die Kupplungseinheit 47 gemäß der modifizierten Kennlinie 111' gesteuert. Hierfür werden die Korrekturwerte K1, K2 dazu verwendet, anhand der Drehmomentanforderung M letztlich den angepassten Drehwinkel-Sollwert α zu ermitteln. Während des Betriebs der Kupplungseinheit 47 ermittelt die Steuereinrichtung 109 ferner fortlaufend einen Verschleißgrad der Kupplungseinheit 47 (Schritt S5), wie nachstehend unter Bezugnahme auf 8 ausführlicher beschrieben wird.
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In einem Schritt S6 wird fortlaufend geprüft, ob der Fahrzeugmotor 11 stillgesetzt worden ist. Sofern die Steuereinrichtung 109 ein entsprechendes Signal erhält („Zündung Aus“), wird in einem Schritt S7 der Verschleißgrad der Kupplungseinheit aktualisiert. Zu diesem Zweck wird der in dem Schritt S5 fortlaufend ermittelte Verschleißgrad der Kupplungseinheit 47 zu dem in Schritt S2 abgerufenen bisherigen Verschleißgrad hinzuaddiert. Der aktualisierte Verschleißgrad-Wert wird dann in einem Schritt S8 gespeichert, um für die nächste Fahrzeuginbetriebnahme als Startwert zur Verfügung zu stehen.
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Die Ermittlung des Verschleißgrades der Kupplungseinheit 47 gemäß Schritt S5 von 7 ist in 8 anhand eines Flussdiagramms dargestellt. In einem Schritt S11 erfasst die Steuereinrichtung 109 den aktuellen Wert für die Drehzahldifferenz zwischen dem Eingangselement 41 und dem Ausgangselement 45, beispielsweise anhand von Signalen, welche durch die Raddrehzahlsensoren 35, 37 bereitgestellt werden. Ebenso wird der aktuelle Wert für das angeforderte Kupplungsmoment M erfasst. In einem Schritt S12 wird in Abhängigkeit von der Drehzahldifferenz und der Drehmomentanforderung M ein Gewichtungsfaktor ausgewählt, beispielsweise indem eine zweidimensionale, durch einen Drehzahldifferenzwert und einen Kupplungsmomentwert referenzierte Look-up-Tabelle ausgelesen wird. In einem Schritt S13 werden die Drehzahldifferenz, das Kupplungsmoment und der Gewichtungsfaktor miteinander multipliziert, um eine gewichtete Verlustleistung zu erhalten. Über die jeweilige gewichtete Verlustleistung wird während des Betriebs der Kupplungseinheit 47 ein Zeitintegral gebildet, um den Verschleißgrad der Kupplungseinheit 47 zu erhalten (Schritt S14). Alternativ könnte auch zunächst ein Zeitintegral über die ungewichtete Verlustleistung gebildet werden und anschließend der Wert des Integrals mit dem Gewichtungsfaktor multipliziert werden.
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Bei der hier beschriebenen Ausführungsform wird das Zeitintegral über die gewichtete Verlustleistung direkt als Verschleißgrad der Kupplungseinheit 47 interpretiert. Optional kann der Wert des Zeitintegrals mit einer vorbestimmten Proportionalitätskonstante multipliziert werden, um einen angepassten Verschleißgrad-Wert zu erhalten.
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Auf die beschriebene Weise kann berücksichtigt werden, dass sich mit zunehmendem Verschleiß der Kupplungseinheit 47 die Kupplungscharakteristik ändert. Durch die Berücksichtigung der unterschiedlichen Belastung der Kupplungskomponenten durch unterschiedlich hohe Werte für Kupplungsmoment und Drehzahldifferenz kann die Stellgenauigkeit der Kupplungseinheit 47 wesentlich erhöht werden, wobei die erläuterte Gewichtung den unterschiedlichen Belastungsarten Rechnung trägt.
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Während die Erfindung in einem Verteilergetriebe mit elektromechanischer Betätigung der Reibungskupplung besonders vorteilhafte Anwendung findet, ist die Erfindung nicht auf das vorstehend erläuterte Ausführungsbeispiel beschränkt. Auch andere Anordnungen im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs sind möglich, wie eingangs erläutert. Ferner kann der Aktuator 51 anders ausgebildet sein als vorstehend im Zusammenhang mit den Figuren erläutert. Beispielsweise kann ein andersartiges Untersetzungsgetriebe 97 oder eine andersartige Umlenkeinrichtung 103 vorgesehen sein. Anstelle der gezeigten elektromechanischen Betätigung der Reibungskupplung 49 kann beispielsweise auch eine elektromagnetische, eine hydraulische oder eine elektrohydraulische Aktuierung vorgesehen sein. In diesem Fall wird anstelle der erläuterten Drehwinkel/Kupplungsmoment-Kennlinie 111 beispielsweise eine Druck/Kupplungsmoment-Kennlinie in Abhängigkeit von dem Verschleißgrad der Kupplungseinheit angepasst.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Verbrennungsmotor
- 13
- Hauptgetriebe
- 15
- Verteilergetriebe
- 17
- Kardanwelle
- 19
- Hinterachs-Differentialgetriebe
- 21
- Rad
- 23
- Hinterachse
- 25
- Kardanwelle
- 27
- Vorderachs-Differentialgetriebe
- 29
- Rad
- 31
- Vorderachse
- 33
- Fahrdynamik-Regelungseinheit
- 35
- Raddrehzahl-Sensor
- 37
- Raddrehzahl-Sensor
- 39
- Sensor
- 41
- Eingangswelle
- 43
- erste Ausgangswelle
- 45
- zweite Ausgangswelle
- 47
- Kupplungseinheit
- 49
- Reibungskupplung
- 51
- Aktuator
- 53
- Kupplungskorb
- 55
- Kupplungsnabe
- 57
- Antriebszahnrad
- 59
- Kettentrieb
- 61
- Abtriebszahnrad
- 63
- Stützring
- 65
- Verstellring
- 67
- Kugelrille
- 69
- Kugelrille
- 71
- Kugel
- 73
- Andruckring
- 75
- Tellerfederanordnung
- 77
- Betätigungshebel
- 79
- Betätigungshebel
- 81
- Rolle
- 83
- Rolle
- 85
- Stirnseite
- 87
- Stirnseite
- 89
- Steuerscheibe
- 91
- Steckverzahnungsansatz
- 93
- Elektromotor
- 95
- Ankerwelle
- 97
- Untersetzungsgetriebe
- 99
- Schnecke
- 101
- Schneckenrad
- 103
- Umlenkeinrichtung
- 105
- Ausgangswelle
- 107
- Positionssensor
- 107'
- Positionssensor
- 109
- Steuereinrichtung
- 111
- Kupplungsmoment/Drehwinkel-Kennlinie
- 111'
- Kennlinie mit modifizierter Steigung
- 111"
- Kennlinie mit modifiziertem Offset
- 113
- Speicher
- A
- Rotationsachse
- B
- Rotationsachse
- C
- Rotationsachse
- α
- Drehwinkel-Sollwert
- α'
- Drehwinkel-Istwert
- amod
- modifizierter Drehwinkel-Sollwert
- αtemp
- vorläufiger Drehwinkel-Sollwert
- M
- Drehmomentanforderung
- Mmod
- modifizierte Drehmomentanforderung
- K1
- Steigungs-Korrekturwert
- K2
- Offset-Korrekturwert
