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Die Erfindung betrifft eine Kupplungsvorrichtung mit rotierenden Komponenten und mit einem berührungslos funktionierenden Sensor. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Kupplungsvorrichtung.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2011 084 752 A1 ist eine gattungsgemäße Kupplungsvorrichtung mit einer Sensoreinrichtung zur Verschleißerfassung bekannt. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2004 027 117 A1 ist eine Einrichtung zur Erfassung der Wegposition eines Kupplungskolbens zur Kupplungsbetätigung bekannt, der in einer rotierenden Kupplung axial verschiebbar angeordnet ist, wobei die Erfassung der Wegposition des Kupplungskolbens berührungslos erfolgt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Überwachung von rotierenden Komponenten im Betrieb einer Kupplungsvorrichtung mit einem berührungslos funktionierenden Sensor zu vereinfachen.
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Die Aufgabe ist bei einer Kupplungsvorrichtung mit rotierenden Komponenten und mit einem berührungslos funktionierenden Sensor dadurch gelöst, dass der berührungslos funktionierende Sensor mindestens einer Anpressplatte und einem Kupplungsdeckel zugeordnet ist. Die Kupplungsvorrichtung kann als einfache Kupplung ausgeführt sein. Die Kupplungsvorrichtung kann aber auch als Doppelkupplung mit zwei Teilkupplungen und zwei Anpressplatten ausgeführt sein. Der Sensor ist zum Beispiel als Wirbelfeldsensor ausgeführt. Durch den berührungslos funktionierenden Sensor können im Betrieb der Kupplungsvorrichtung Weginformationen der Anpressplatte erfasst werden. Allerdings kann der berührungslos funktionierende Sensor nicht direkt an der Anpressplatte oder deren direkt umgebenden Bauteilen befestigt werden, weil sich die Anpressplatte im Betrieb mit hohen Drehzahlen dreht. Daher ist der berührungslos funktionierende Sensor gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung sowohl der Anpressplatte, gegebenenfalls auch zwei Anpressplatten, und dem Kupplungsdeckel zugeordnet. Die erfindungsgemäße Zuordnung des Sensors ermöglicht darüber hinaus die Erfassung der Drehzahl der Anpressplatte beziehungsweise des Kupplungsdeckels. Das liefert den Vorteil, dass herkömmliche Drehzahlsensoren, die einer Getriebeeingangswelle zugeordnet sind, entfallen können.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kupplungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der berührungslos funktionierende Sensor der Anpressplatte und dem Kupplungsdeckel so zugeordnet ist, dass ein axialer Abstand zwischen der Anpressplatte und dem Kupplungsdeckel erfasst wird. Der Begriff axial bezieht sich auf eine gemeinsame Drehachse von der Anpressplatte und dem Kupplungsdeckel. Bei der erfindungsgemäßen Zuordnung des Sensors wird ausgenutzt, dass die Anpressplatte zwar in axialer Richtung relativ zu dem Kupplungsdeckel verlagerbar, aber drehfest mit diesem verbunden ist. Die Anpressplatte ist zum Beispiel mit Hilfe von Blattfedern tangential mit dem Kupplungsdeckel gekoppelt.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kupplungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der berührungslos funktionierende Sensor der Anpressplatte und dem Kupplungsdeckel so zugeordnet ist, dass ein Verschleiß im Betrieb der Kupplungsvorrichtung erfasst wird. Bei vollständig geschlossener Kupplung kann zum Beispiel ein Differenzabstand für eine Nullposition von Kupplungsdeckel zu Anpressplatte mit dem Sensor erfasst werden. Der erfasste Wert kann in einer Software als aktuelle Nullposition eines Abhubwegs der Kupplungsvorrichtung abgespeichert werden. Durch regelmäßige Aktualisierung dieses Wertes kann ein Einkuppelpunkt der Kupplungsvorrichtung exakt nachgeführt und auch der Verschleiß einer Kupplungsscheibe der Kupplungsvorrichtung sowie gegebenenfalls der Anpressplatte im Betrieb über die Änderung dieses Nullpositionswerts im Betrieb ermittelt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kupplungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der berührungslos funktionierende Sensor innen an einer Getriebeglocke oder Kupplungsglocke befestigt ist. Der Sensor ist vorteilhaft an einem relativ zu der Anpressplatte und dem Kupplungsdeckel feststehenden Gehäuseteil angebracht. Dabei ist der Sensor vorzugsweise einer Seite des Kupplungsdeckels zugewandt, die von einer Antriebsseite abgewandt ist.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kupplungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass an der Anpressplatte Erhöhungen vorgesehen sind, die durch Aussparungen im Kupplungsdeckel ragen. Dadurch wird auf einfache Art und Weise ermöglicht, den axialen Abstand zwischen der Anpressplatte und dem Kupplungsdeckel zu erfassen. Die Erhöhungen können zum Beispiel von Bolzen dargestellt werden, die an der Anpressplatte befestigt sind. Die Bolzen erstrecken sich vorteilhaft durch entsprechende Durchgangslöcher, die in dem Kupplungsdeckel ausgespart sind.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kupplungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhungen der Anpressplatte erste Sensierflächen aufweisen, die mit benachbarten zweiten Sensierflächen des Kupplungsdeckels dem Sensor zugewandt sind. Dadurch wird auf einfache Art und Weise ermöglicht, dass sowohl die ersten Sensierflächen als auch die zweiten Sensierflächen mit ein und demselben Sensor berührungslos erfasst werden. Die Sensierflächen sind vorteilhaft einer Kupplungsscheibe abgewandt, die zwischen der Anpressplatte und einer Gegendruckplatte der Kupplungsvorrichtung einklemmbar ist. Die Sensierflächen sind zum Beispiel schräg angeordnet. Durch unterschiedliche Schrägen oder Rampen der Sensierflächen kann auf einfache Art und Weise ein Gradient des von dem Sensor erfassten Signals dargestellt werden. Die Sensierflächen können auch mit unterschiedlichen Materialien versehen sein. Alternativ oder zusätzlich können die Sensierflächen unterschiedliche Farben oder Rauhigkeiten aufweisen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kupplungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und die zweiten Sensierflächen, zumindest teilweise, eine Kreisringfläche darstellen, die von dem Sensor berührungslos abgetastet wird. Das liefert den Vorteil, dass der axiale Abstand zwischen der Anpressplatte und dem Kupplungsdeckel im Betrieb der Kupplungsvorrichtung dauernd überwacht werden kann. Dabei sind die Sensierflächen vorteilhaft radial außerhalb einer Kupplungsscheibe der Kupplungsvorrichtung angeordnet.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kupplungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der ersten Sensierflächen von einer Grundfläche der Anpressplatte verstellbar ist. Über einen entsprechenden Nachstellmechanismus kann dadurch auf einfache Art und Weise ein Kupplungsverschleiß ausgeglichen werden.
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Bei einer Kupplungsvorrichtung mit rotierenden Teilen und mit einem berührungslos funktionierenden Sensor, insbesondere einer vorab beschriebenen Kupplungsvorrichtung, ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass der berührungslos funktionierende Sensor einer getriebeseitigen Komponente und einer motorseitigen Komponente zugeordnet ist, die durch eine Federeinrichtung tangential miteinander gekoppelt sind. Bei den getriebeseitigen und motorseitigen Komponenten handelt es sich zum Beispiel um Bolzen, die durch die Federeinrichtung tangential miteinander gekoppelt sind. Über die Messung eines Drehwinkels zwischen den getriebeseitigen und den motorseitigen Komponenten kann über eine Federkonstante der Federeinrichtung ein Drehmoment zwischen der Antriebsseite und der Getriebeseite ermittelt werden.
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Bei einem Verfahren zum Betreiben einer vorab beschriebenen Kupplungsvorrichtung ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass eine Drehzahl mindestens einer rotierenden Komponente, ein Drehmoment zwischen einer getriebeseitigen und einer motorseitigen Komponente und/oder ein axialer Abstand zwischen der Anpressplatte und dem Kupplungsdeckel mit Hilfe des berührungslos funktionierenden Sensors erfasst werden/wird.
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Die Erfindung zeichnet sich alternativ oder zusätzlich durch folgende Punkte aus:
- – Messung des Abhubweges über Differenzmessung
- – die Axialschwingungen im Getriebestrang wirken sich nicht auf das Messergebnis aus
- – zwei Bauteile (A + B), die sich um eine gemeinsame in eine Hauptrichtung bewegen, wobei beide Bauteile in Hauptrichtung fest miteinander verbunden sind und sich quer zur Hauptrichtung in der Messrichtung zueinander bewegen können, wobei sich in Messrichtung der Abstand zwischen den beiden Teilen verändert, dadurch gekennzeichnet dass ein mit einem Signal hoher Frequenz arbeitender Abstandssensor einen streifenförmigen Bereich des ersten Bauteils (B) abtastet und dieses Bauteil in diesem Streifen seiner Oberfläche Aussparungen aufweist, in denen Erhöhungen des zweiten Bauteils (A) angeordnet sind, wobei der eine Sensor bei einer Bewegung beider Bauteile in Hauptrichtung (tangential) Abstände (axial) zu beiden Bauteilen (A + B) ermittelt, wobei der Sensor die Abtastflächen den Bauteile A und B anhand charakteristischer Merkmale (Abstandsbereich, Schräge, Zahnung, Werkstoff, Farbe, ...) unterscheiden kann.
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Vorteil: Nur ein Sensor ist erforderlich um den axialen Abstand zu zwei unterschiedlichen Bauteilen, die sich zwar gemeinsam in eine Hauptrichtung (z. B. tangential) bewegen, sich aber auch quer zu dieser (axial) gegeneinander bewegen können zu messen. Durch charakteristische Merkmale sind die beiden Bauteile für den Sensor unterscheidbar und er kann den momentan ermittelten Abstandswert einem Bauteil zuordnen.
- – dass in der Messspur in tangentialer Richtung Charakterisierungsbereiche und Messbereiche hintereinander angeordnet werden.
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Vorteil: Die Charakterisierung erlaubt die Messung zu mehreren Teilen (2, 3, ...) die auch zeitweise den gleichen Abstand zum Sensor aufweisen. Hierdurch sinkt der Messbereich und damit die Sensorkosten.
- – der Sensor kann an eine übergeordnete Elektronik die beiden Abstände getrennt ausgeben, oder durch Differenzrechnung direkt den Abstand der beiden Bauteile zueinander berechnen und ausgeben.
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Vorteil: Erfolgt die Differenzrechnung im Sensor, wird die Datenübertragung vereinfacht (z.B. nur ein PWM-Kanal). Andererseits fehlt der übergeordneten Elektronik die Information über den Abstand des Sensors zu den Bauteilen.
- – dass die Bolzen über Nachstellmechanismus über Kupplungsverschleiß auf gleicher Höhe halten → kleinerer Messbereich über Lebensdauer
- – zusätzlich kann aus der Messinformation die Motordrehzahl gemessen werden
- – „Markierung“ der Messflächen zur Erkennung der Bauteile (Bolzen, Deckel) über:
- – unterschiedliche Länge der nachfolgenden Referenzfläche auf dem Kupplungsdeckel
- – unterschiedliche (abfallende) Oberflächengeometrie Messflächen (Kupplungsdeckel, Bolzenkopf)
- – Aufteilung der Messspur in mindestens 3 Bereiche pro Teil, wobei alle Bereiche in etwa gleich groß sind.
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Vorteil: Mit mindestens drei über den Umfang verteilten Messstellen können, Schrägstellungen erkannt werden. Etwa gleich große Bereiche ermöglichen jeder Messung eine lange Messzeit (Physikalische Effekte (Wirbelströme, Einschwingen stabilisieren sich) was zu einer hohen Messgenauigkeit mit vertretbarem Aufwand führt.
- – Die Erhöhungen (Bolzen der Anpressplatte) sind zweiteilig aufgebaut, wobei der Bolzenkopf sich mit Zunehmendem Verschleiß der Kupplungsscheibe von der Anpressplatte entfernt.
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Vorteil: Die Verschleißnachstellung innerhalb der Bolzen reduziert den Messbereich auf die Nachstellintervalle und senkt somit die Sensorgröße und -kosten.
- – dass mit einem Sensor die Anstände von 2 Anpressplatten zum gemeinsamen Kupplungsdeckel gemessen werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:
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1 eine vereinfachte Darstellung einer Kupplungsvorrichtung mit einem erfindungsgemäß angeordneten Sensor;
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2 eine vereinfachte Darstellung eines Kupplungsdeckels und einer Anpressplatte der Kupplungsvorrichtung aus 1 mit dem Sensor;
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3 eine Variante des Ausführungsbeispiels aus 2;
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4 eine vereinfachte Darstellung eines Bolzens mit einer Sensierfläche im Längsschnitt;
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5 den Bolzen aus 4 nach auftretendem Verschleiß;
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6 eine vereinfachte Darstellung zur Erfassung eines Drehmoments zwischen getriebeseitigen und motorseitigen Komponenten mit Hilfe des erfindungsgemäßen Sensors;
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7 eine Kupplungsdeckel in der Draufsicht und
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8 einen vergrößerten Ausschnitt aus 7.
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In 1 ist ein Antriebsstrang 1 eines Kraftfahrzeugs mit einer Getriebeglocke 4 vereinfacht dargestellt. Der Antriebsstrang 1 umfasst in 1 links einen (nicht dargestellten) Antrieb und rechts ein Getriebe 5. Das Getriebe 5 ist einem Abtrieb des Antriebsstrangs 1 zugeordnet. Der Antrieb ist über eine Kupplungsvorrichtung 10 und das Getriebe 5 antriebsmäßig mit dem Abtrieb verbindbar.
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Die Kupplungsvorrichtung
10 umfasst ein Eingangsteil
6, das drehfest mit dem Antrieb verbunden ist. Das Eingangsteil
6 ist zum Beispiel als Schwungmasse ausgeführt. Die Kupplungsvorrichtung
10 ist als Doppelkupplung mit zwei Teilkupplungen
11,
12 ausgeführt. Der Aufbau und die Funktion von Doppelkupplungen sind zum Beispiel in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2011 084 752 A1 ausführlich beschrieben.
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Die beiden Teilkupplungen 11, 12 umfassen jeweils eine Kupplungsscheibe, die drehfest mit einer Getriebeeingangswelle des Getriebes 5 verbunden ist. Die Kupplungsscheiben der Teilkupplungen 11, 12 sind jeweils zwischen einer Anpressplatte 17, 18 und einer Gegendruckplatte 13, 14 einklemmbar. Die Gegendruckplatten 13, 14 sind einstückig mit dem Eingangsteil 6 der Kupplungsvorrichtung 10 verbunden.
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Die Anpressplatten 17, 18 sind, zum Beispiel mit Hilfe von Blattfedern, tangential mit einem Kupplungsdeckel 15 gekoppelt. Die Blattfedern dienen zum einen dazu, die Anpressplatten 17, 18 drehfest mit dem Kupplungsdeckel 15 zu verbinden. Darüber hinaus ermöglichen die Blattfedern axiale Bewegungen der Anpressplatten 17, 18 relativ zu dem Kupplungsdeckel 15. Der Kupplungsdeckel 15 ist an dem Eingangsteil 6 der Kupplungsvorrichtung 10 befestigt.
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Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung ist dem Kupplungsdeckel 15 und den Anpressplatten 17, 18 ein berührungslos funktionierender Sensor 20 zugeordnet. Der berührungslos funktionierende Sensor 20 ermöglicht zum einen, die Messung beziehungsweise das Erfassen eines axialen Abstands zwischen dem Kupplungsdeckel 15 und den Anpressplatten 17, 18. Darüber hinaus kann mit Hilfe des Sensors 20 ein Verschleiß im Betrieb der Kupplungsvorrichtung 10 erfasst werden. Des Weiteren kann mit Hilfe des Sensors 20 ein von der Kupplungsvorrichtung 10 übertragenes Drehmoment erfasst werden.
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In den 2 und 3 sind der Kupplungsdeckel 15 und die Anpressplatte 18 der Kupplungsvorrichtung 10 aus 1 zur Veranschaulichung der Funktion des Sensors 20 stark vereinfacht dargestellt. In der vereinfachten Darstellung sieht man, dass die Anpressplatte 18 Erhöhungen 22 aufweist. Die Erhöhungen 22 der Anpressplatte 18 sind zum Beispiel als Bolzen ausgeführt, die an der Anpressplatte 18 befestigt sind.
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Die Erhöhungen 22 der Anpressplatte 18 erstrecken sich durch Aussparungen hindurch, die in dem Kupplungsdeckel 15 ausgespart sind. Die Erhöhungen 22 der Anpressplatte 18 weisen dabei eine vergrößerte Oberfläche auf, die innerhalb einer Vertiefung des Kupplungsdeckels 15 angeordnet ist. An der Oberfläche der Erhöhung 22 ist eine erste Sensierfläche 23 ausgebildet. Benachbart zu der Oberfläche der Erhöhung 22 weist der Kupplungsdeckel einen erhabenen Bereich 24 mit einer zweiten Sensierfläche 25 auf.
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Die Erhöhungen 22 der Anpressplatte 18 und die erhabenen Bereiche 24 des Kupplungsdeckels 15 stellen mit den ersten Sensierflächen 23 und den zweiten Sensierflächen 25 eine Kreisringfläche dar, die dem Sensor 20 zugewandt ist. Die ersten Sensierflächen 23 sind in 2 von links nach rechts schräg ansteigend ausgeführt. Die zweiten Sensierflächen 25 des Kupplungsdeckels 15 sind in 2 von links nach rechts schräg abfallend ausgeführt.
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Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind an den Erhöhungen 22 der Anpressplatte 18 und den erhabenen Bereichen 24 des Kupplungsdeckels 15 erste Sensierflächen 32 und zweite Sensierflächen 35 ausgebildet, die in tangentialer Richtung der Kreisringfläche, also in 3 horizontal, eine größere Ausdehnung als die Sensierflächen 23, 25 in 2 aufweisen.
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Die Erhöhungen 22 der Anpressplatte 18 können zum Beispiel von Bolzen dargestellt werden, die an der Anpressplatte 18 befestigt sind und durch den Kupplungsdeckel 15 hindurch ragen. Die durch den Kupplungsdeckel 15 hindurch ragenden Bolzen weisen an ihren Enden vorzugsweise Köpfe mit einer vergrößerten Querschnittsfläche auf.
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Der Sensor 20 tastet im Betrieb der Kupplungsvorrichtung 10 berührungslos die Kreisringfläche ab, die von den axialen Stirnflächen der Bolzen beziehungsweise Erhöhungen 22 mit den Sensierflächen 23; 32 und den erhabenen Bereichen 24 mit den Sensierflächen 25; 35 gebildet wird.
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Bei vollständig geschlossener Kupplungsvorrichtung 10 kann hierbei der Differenzabstand für die Nullposition von Kupplungsdeckel 15 zu Anpressplatte 18 gemessen werden. Dieser Wert kann in der Software als aktuelle Nullposition des Abhubwegs gespeichert werden. Somit kann durch regelmäßige Aktualisierung dieses Werts der Einkuppelpunkt exakt nachgeführt und auch der Verschleiß der Kupplungsscheibe und gegebenenfalls der Anpressplatte 18 im Betrieb über die Änderung dieses Nullpositionswerts über die Betriebszeit ermittelt werden.
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Wird eine Verschleißnachstellung genutzt, wirkt sich der nachgestellte Weg nicht auf die Ermittlung des Einkuppelpunkts aus. Über die Differenzmessung kann jederzeit der Abhubweg der Anpressplatte 18 bestimmt werden.
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Bei dem Sensor 20 handelt es sich zum Beispiel um einen Wirbelfeldsensor, der mit hoher Frequenz berührungslos funktioniert. Der Sensor 20 ist auf der Rückseite, das heißt, der dem Getriebe 5 zugewandten Seite des Kupplungsdeckels 15 angeordnet. Dabei tastet der Sensor 20 mit elektromagnetischen und optischen Wellen den Abstand zu der Kreisringfläche mit den Sensierflächen 23, 25; 32, 35 ab. Durch die unterschiedlichen Schrägen kann der als Abstandssensor ausgeführte Sensor 20 die Sensierflächen an der Anpressplatte 18 und dem Kupplungsdeckel 15 unterscheiden.
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Zur Unterscheidung kann die Schrägung oder ein Breitenverhältnis von Erhöhung und Vertiefung in Umfangsrichtung oder ein Wechsel von Materialeigenschaften wie elektrischer Leitwert, Farbe et cetera, verwendet werden. Bei einer Bewegung der Teile mit den Sensierflächen wird im Sensor 20 ein unstetiges Signal erzeugt. Dabei wird, zum Beispiel durch die unterschiedlichen Schrägen oder Rampen der Sensierflächen, ein markantes Signalmuster erzeugt.
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Das markante Signalmuster kann von der Elektronik derart ausgewertet werden, dass Informationen, wie Drehzahl, mittlerer Abstand zu der Anpressplatte 18, mittlerer Abstand zu dem Kupplungsdeckel 15, Schrägstellung der Anpressplatte 18, Schrägstellung des Kupplungsdeckels 15, ermittelt werden können. Durch eine entsprechende Differenzbildung kann besonders vorteilhaft auch der Abstand in axialer Richtung zwischen der Anpressplatte 18 und dem Kupplungsdeckel 15 elektronisch ermittelt werden.
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Indem die Auswerteelektronik den Messwert einem Teil zuordnen kann, ist es möglich, dass die durch den Verschleiß verursachte Änderung des Abstandes zu Teil 2 (Bolzenkopf) alleine den maximalen Messbereich bestimmt. Der Abstand des 1. Teils (Kupplungsdeckel) ist dabei vorzugsweise in der Messbereichsmitte angeordnet in dem der Sensor mit hoher Genauigkeit arbeitet (hierauf wird kalibriert). Im Neuzustand ist der Abstand zum Bolzenkopf kleiner (Untergrenze des Messbereichs) und im verschlissenen Zustand ist der Abstand großer (Obergrenze) des Messbereichs. Bei dieser Begrenzung des Messbereichs auf den Verschleißweg kommt es somit zu einem (Verschleiß-)Zustand bei dem die Oberfläche des Bolzenkopfes und die Kupplungsdeckeloberfläche in etwa den gleichen Abstand zum Sensor aufweisen.
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Neben dem Vorteil nur einen kleinen Messbereich abdecken zu müssen (der durch eine zusätzliche Verschleißnachstellung der Bolzenhöhe noch weiter verringert werden kann), ergibt sich der vorteilhafte Effekt, dass die Sprunganregung durch den Abstandswechsel zwischen den beiden Teilen klein ist. Eine kleine Sprunganregung vermindert das Einschwingen des Messsignals und ein stabiler Wert ist schneller verfügbar. Ohnehin sollte die Elektronik vorzugsweise nur Messwerte nach dem Einschwingen des Messsignals nutzen – also zeitlich den Messbereich direkt vor dem Teilewechsel. Um auch bei geringen Abstandsunterschieden eine signifikante Erkennung der beiden Teile zu ermöglichen sind in der Kreisringfläche in den Übergangsbereichen – also am Anfang oder Ende der Messflächen – markante Strukturmerkmale (Rampen, Erhöhungen, Vertiefungen) angeordnet. Vorzugsweise werden einfach nur unterschiedlich breite Lücken realisiert. (nach einer kurzen Lücke kommt ein Bolzenkopf nach einer langen ein Teil des Kupplungsdeckels).
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Die Messung erfolgt hochfrequent, wobei die Abtastfrequenz größer als 10kHz, vorzugsweise größer als 100kHz und besonders bevorzugt größer als 1MHz liegt.
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Bei jedem vom Sensor erkannten Wechsel von Bauteil A (Teil 2) zu Bauteil B (Teil 1) kann der Differenzabstand bestimmt werden. Der letzte Wert wird in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegt und steht jederzeit während dem Stillstand der Teile A- und B zur Verfügung. Damit für beide Teile ein stabiler (eingeschwungener) Messwert erreicht wird sollten die zur Messung bereitgestellten Sektoren (Winkelbereiche) für beide Teile annähernd gleich groß sein. Bei 3 Messrechen pro Teil ergeben sich so 6 Messsektoren mit Messlängen die jeweils ca. 60° des Umfangs betragen.
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Während des Stillstands kann der Sensor weiter den Abstand kontinuierlich messen, wobei eine übergeordnete Logik dem Sensor auch einen Sleep-Modus mit nur periodischen Messungen vorgeben kann, um den Stromverbrauch zu minimieren. Durch die periodischen Messungen kann der Sensor Veränderungen des Abstands erfassen und der übergeordneten Logik mitteilen. Damit sind auch nach längeren Stillstandszeiten abgesicherte Abstandswerte als Startwerte verfügbar. Innerhalb einem Umdrehungsbruchteil kann der Startwert durch einen aktualisierten Wert abgesichert oder korrigiert werden.
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Durch eine Erhöhung der Aussparungszahl (Zahl der Wechsel zwischen den Bauteilen A + B auf der Sensorspur) kann der Drehwinkel der für eine Aktualisierung notwendig ist für hohe Dynamikanforderungen verkleinert werden.
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Bei einer Kupplung kann beim Motorstart die Aktualisierung des Kupplungsplattenabstands schon beim Anlaufen des Anlassers erfolgen und ein Kupplungssteller schon vor Beginn der Einspritzung reagiert haben.
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Die Erhöhungen des B-Teils sind vorzugsweise Bolzen, die mit ausreichend Spiel für axiale Bewegungen in Löchern des A-Teils angeordnet sind und direkt oder über weitere Bauteile (Plattfedern) eine drehsteife Verbindung der beiden drehenden Bauteile A und B herstellen.
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Ein berührungsloser Sensor misst somit den Abstand zu beiden drehenden Teilen, wobei vorzugsweise pro Umdrehung jeweils mindestens 3 von einander getrennte Erhöhungsoberflächen des B-Teils und dazwischen Abstandswerte zum A-Teil gemessen werden. Durch mindestens 3 winkelversetzte Messstellen pro Bauteil kann neben dem Abstand auch die Schrägstellung des Bauteils ermittelt werden.
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Die Erhöhungen des B-Teils können über den gesamten Abstandsbereich (über Lebensdauer) gegenüber der gemessenen Oberfläche des Teil ein entweder signifikant näher oder entfernter vom Sensor angeordnet sein. Durch diese signifikante Abweichung kann der Sensor die Bauteile erkennen, damit den Messwert einem Bauteil zuordnen und über die Differenzbildung den Abstand zwischen den Bauteilen A und B ermitteln.
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Die Erhöhungen sowohl in Teil A als auch in Teil B erzeugen im Sensor vorteilhaft charakteristische Signale, wodurch der gemessene Abstandswert einem Teil zu geordnet werden kann. Die Charakterisierung des Signals kann durch Schrägen (Gradient des Signals), Breite und oder Tastverhältnis einer Zahnung oder auch durch Materialwechsel erfolgen. Diese bevorzugten Varianten sind in den Zeichnungen dargestellt. Weitere Charakterisierungsmethoden wie Farben oder Rauhigkeiten bei optischen Sensoren sind möglich und werden vom Lösungsansatz mit abgedeckt.
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Bevorzugt werden in der Anwendung in einer Kupplung jene Varianten, die in Blechteilen kostengünstig umgesetzt werden können – also geformte Schrägen und geprägte Zahnungen mit variabler Breite.
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Bevorzugt wird ein Wirbelfeldsensor eingesetzt, der die elektrische Leitfähigkeit der Bleche zur Dämpfung seines Messsignals nutzt. Der Sensor ist auf den über Toleranzen und Lebensdauer maximalen Abstand ausgelegt. Ändert sich der zu messende Abstandsbereich so kann der Wirbelstromsensor seine Sendeleistung entsprechend steigern indem seine Versorgungsspannung entsprechend angepasst (bei wachsendem Abstandsbereich erhöht) wird. Um die Sendeleistung bei großen Abständen klein zu halten wird auf der passiven Seite (der Messspur auf den Bauteilen A + B) eine strukturierte Oberfläche aus gut leitfähigem Material, vorzugsweise Kupfer- oder Aluminiumlegierungen angeordnet und die Spulen des Sensors ausreichend groß ausgelegt.
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Die Auswerteelektronik des Sensors ist vorzugsweise außerhalb der Kupplungsglocke im Stecker angeordnet, und kann so bei niedrigeren Temperaturen arbeiten und preiswerter realisiert werden.
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In einer einfachen Variante sind die Erhöhungen des B-Teils (vom Sensor gesehen hinter dem A-Teil) über Lebensdauer immer klar niedriger (oder höher) als die Erhöhungen des A-Teils. Hierdurch ist keine strukturelle Charakterisierung erforderlich, da mit der Signalstärke auch die Teilezuordnung erfolgen kann. Die Gesamte Variation des Abstands inkl. Verschleiß ist als Höhendifferenz vorzuhalten.
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Eine erste Alternative ist die Breite der Erhöhungen in Umfangsrichtung signifikant unterschiedlich auszuführen. So können die Erhöhungen des 1 Teils erkennbar kleiner (z. B. 50° des Umfangs) als die Erhöhungen des 2. Teils (z. B. 70° des Umfangs) sein. Weisen die in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Anstiege der Erhöhungen den einen konstanten tangentialen Abstand auf, so kann aus den Signalanstiegsflanken stets die aktuelle Periodendauer (Geschwindigkeit) und darüber die Erhöhungsbreite elektronisch ermittelt werden. Mit der bekannten Erhöhungsbreite ist die Zuordnung zu den Bauteilen und sogar die Zuordnung jeder Erhöhung möglich, woraus sich wiederum die Option ergibt die Reihenfolge auf Plausibilität zu prüfen. Starke Drehzahlschwankungen (innerhalb einer Periodenzeit und die Notwendigkeit mindestens zweier Erhöhungsimpulse zur ersten Abstandsaktualisierung, führen zu Einschränkungen im Motorstartbetrieb.
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Mit einer signifikanten Charakterisierung (Schräge, Zahnbreitenvariation, ...) der Erhöhungsoberflächen kann dieser Nachteil vermieden werden. Die Erhöhungen der beiden Bauteile sind nicht verwechselbar und müssen sich auch im Abstand zum Sensor nicht signifikant unterscheiden. Vielmehr ist es vorteilhaft wenn sich bei der vorhersehbaren Abstandsänderung z. B. durch Verschleiß über Lebensdauer das Teil mit zunächst niedrigeren Erhöhungen zum Sensor hin verändert und so später die höchsten Erhöhungen aufweist. Die Bewegung durch Verschleiß wirkt sich somit nur vermindert auf den geforderten Messbereich aus.
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Durch Verschleiß vermindert sich der Abstand der Teile 1 + 2 um 4mm über Lebensdauer, wobei sich das Teil 1 vom Sensor weg bewegt. Im Start weisen die Erhöhungen des A-Teils einen minimalen Abstand zum Sensor von 2mm auf die Erhöhungen des B-Teils weisen einen Abstand von 4mm auf. Am Ende der Lebensdauer beträgt der Abstand vom Sensor zu den Erhöhungen des B-Teils weiterhin 4mm während sich der Abstand zu den Erhöhungen des A-Teil auf 6mm vergrößert hat. Schwanken die Teile zusätzlich 0,5mm axial sollte der Sensor einen Abstand von 1,5 bis 6,5mm mit ausreichender Genauigkeit messen können.
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Wird als Charakterisierung eine Schräge benutzt, erhöht sich der geforderte Messbereich um den Schrägungshub.
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Der Wirbelstromsensor wird vorzugsweise intelligent angesteuert. Falls erforderlich erhöht er mit zunehmendem Verschleiß (Messobjektabstand) die Stromstärke in der Primärwicklung.
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Steigen die Kosten des Sensors durch den verschleißbedingten erhöhten Messbereich erheblich so lohnt sich der Aufwand für einen Nachstellmechanismus für die Höhe der Erhöhungen (Bolzen) des Bauteil 1.
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Wenn der Verschleiß steigt und somit die Relativbewegung zwischen Deckel und sensierter Bolzenoberfläche größer wird, kann über den Nachstellmechanismus die Relativbewegung und somit der zu sensierender Messbereich klein gehalten werden, in dem bei steigender Relativbewegung die Bolzenoberfläche durch den Deckel nach mit Kraft nach außen gedrückt wird. Durch diese Kraft wird der Bolzen über die Rastfunktion verlängert (der Bolzen kann nur verlängert werden, nicht aber verkürzt).Somit wird der Messbereich klein gehalten. Um die neue Bolzenhöhe in das System einzulernen wird bei zugedrückter Kupplung jede einzelne neue Bolzenhöhe gemessen und im System abgespeichert.
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In den 4 und 5 ist eine Erhöhung 22 dargestellt, die als Bolzen 45 mit einem Bolzenkopf 44 ausgeführt ist. An dem Bolzenkopf 44 ist eine Sensierfläche 43 ausgebildet. Durch eine Rasteinrichtung 46 kann der Bolzen aus der Anpressplatte 18 herausgezogen werden, so dass sich ein Abstand zwischen der Sensierfläche 43 und einer Grundfläche 48 verändert.
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In 4 ist der Bolzen 45 in seinem vollständig eingefahrenen Zustand dargestellt. In 5 ist der Bolzen 45 in einem ausgefahrenen Zustand dargestellt. Die Rasteinrichtung 46 ist mit ineinander greifenden Verzahnungen ausgeführt, so dass der Bolzen 45 nur von der Grundfläche 48 der Anpressplatte 18 weg, nicht aber auf die Grundfläche 48 der Anpressplatte 18 zu bewegt werden kann.
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Um den Verschleiß der Kupplung zu bestimmen wird im Neuzustand die Kupplung zugedrückt und diese Position im Steuergerät gespeichert. Wird nun im Fahrbetrieb die Kupplung komplett geschlossen, wird die Position der Anpressplatte in axialer Richtung gemessen und der Wert mit dem im Neuzustand gemessen verglichen. Die Differenz ergibt den Verschleiß.
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Dies kann bei einem Doppelkupplungsgetriebe bei beiden Kupplungsscheiben angewendet werden.
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In 6 ist vereinfacht dargestellt, dass der erfindungsgemäße Sensor auch zur Messung eines von der Kupplungsvorrichtung übertragenen Drehmoments verwendet werden kann. Die Messung des Drehmoments wird über die Sensierung zweier über Federeinrichtungen 54, 55 miteinander verbundenen Komponenten 51, 52 und 61, 62 erreicht. Bei den Komponenten 51 und 52 handelt es sich um getriebeseitige Komponenten, wie zum Beispiel Bolzen, die fest mit der Getriebeseite verbunden sind. Bei den Komponenten 61, 62 handelt es sich um motorseitige Komponenten, also Komponenten, die fest mit der Motorseite verbunden sind. Bei den Federeinrichtungen 54, 55 handelt es sich zum Beispiel um tangential zu einer Drehachse 58 angeordnete Schraubenfedern oder Bogenfedern.
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Die getriebeseitigen Komponenten 51, 52 sind nur über die Federeinrichtungen 54, 55 in tangentialer Richtung mit den motorseitigen Komponenten 61, 62 verbunden. Über die Messung eines im Betrieb auftretenden Drehwinkels kann über die Federkonstanten der Federeinrichtungen 54, 55 das Drehmoment berechnet werden. Wenn eine Streuung der Federkonstante zu groß ist, kann im Zusammenbau eine Referenzmessung durchgeführt werden, die zur Kalibrierung des Systems verwendet wird. Zur Messung des Drehmoments kann gegebenenfalls ein bereits vorhandenes Zweimassenschwungrad genutzt werden. Ein herkömmliches Zweimassenschwungrad umfasst motorseitige und getriebeseitige Komponenten, die über Federeinrichtungen miteinander gekoppelt sind.
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In 7 ist ein Kupplungsdeckel 70 mit drei Referenzpunkten 71 bis 73 dargestellt. Die Referenzpunkte 71 bis 73 stellen ein Nullniveau des Kupplungsdeckels 70 dar. Von der Anpressplatte erstrecken sich drei Bolzen 74 bis 76 durch den Kupplungsdeckel 70 hindurch. In der vergrößerten Darstellung der 8 sieht man, wie der Bolzen 74 aus dem Kupplungsdeckel 70 heraus ragt. Die Bolzen 74 bis 76 sind auf dem gleichen Radius wie die Referenzpunkte 71 bis 73 angeordnet.
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Die Referenzpunkte 71 bis 73 werden verwendet, um das Nullniveau der drehfest mit dem Kupplungsdeckel 70 verbundenen Anpressplatte zu bestimmen, die im Betrieb eine Taumelbewegung relativ zu dem Kupplungsdeckel 70 ausführt. Mit Hilfe der Referenzpunkte 71 bis 73 können aufgrund der Taumelbewegung auftretende Bewegungen der Anpressplatte relativ zu dem Kupplungsdeckel 70 heraus gerechnet werden. Durch eine entsprechende Mittelwertbildung können Messfehler vermieden werden.
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In Doppelkupplungssystemen können durch die signifikanten Charakterisierungen auch die Abstände zu drei Teilen mit nur einem Abstandssensor gemessen werden. Hierzu ragen von beiden Anpressplatten Erhöhungen auf dem gleichen Radius durch Aussparungen des gemeinsamen Kupplungsdeckels. In der Messspur des einen Abstandssensors wechseln sich somit Oberflächen von 3 axial zueinander beweglichen Bauteilen ab. Indem die Position der Anpressplatten in beiden Kupplungen durch nur einen Sensor zeitnah und mit geringem Einfluss von mechanischen Verformungen erfolgt ist der Ansatz der differentiellen Abstandsmessung durch hochfrequent arbeitende berührungslose Sensoren direkt an der Kupplungsstirnseite bei Doppelkupplungen besonders vorteilhaft.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsstrang
- 4
- Getriebeglocke
- 5
- Getriebe
- 6
- Eingangsteil
- 10
- Kupplungsvorrichtung
- 11
- Teilkupplung
- 12
- Teilkupplung
- 13
- Gegendruckplatte
- 14
- Gegendruckplatte
- 15
- Kupplungsdeckel
- 17
- Anpressplatte
- 18
- Anpressplatte
- 20
- Sensor
- 22
- Erhöhung
- 23
- erste Sensierfläche
- 24
- erhabener Bereich
- 25
- zweite Sensierfläche
- 32
- Sensierfläche
- 35
- Sensierfläche
- 43
- Sensierfläche
- 44
- Bolzenkopf
- 45
- Bolzen
- 46
- Rasteinrichtung
- 48
- Grundfläche
- 51
- Bolzen
- 52
- Bolzen
- 54
- Federeinrichtung
- 55
- Federeinrichtung
- 58
- Drehachse
- 61
- Bolzen
- 62
- Bolzen
- 70
- Kupplungsdeckel
- 71
- Referenzpunkt
- 72
- Referenzpunkt
- 74
- Referenzpunkt
- 74
- Bolzen
- 75
- Bolzen
- 76
- Bolzen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011084752 A1 [0002, 0030]
- DE 102004027117 A1 [0002]
