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Die Erfindung betrifft eine Kupplungsanordnung für ein Schaltgetriebe eines Kraftfahrzeugs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Die dem Gegenstand der Erfindung nächst kommende
DE 10 2015 213 260 A1 befasst sich mit einer Vorrichtung mit integrierter Drehmomentmessung für ein Fahrzeug. Die Vorrichtung ist als eine Kupplungsvorrichtung, eine Torsionsdämpfervorrichtung oder eine Kombination aus beiden Vorrichtungen ausgebildet, wobei ein berührungslos arbeitender Drehmomentsensor in der Vorrichtung vorgesehen ist, um ein getriebeseitiges Drehmoment zu bestimmen. Die Kupplungsvorrichtung weist ferner eine Nabe aus magnetischem, vorzugsweise ferromagnetischem Material und den berührungslos arbeitenden Drehmomentsensor auf. Der Drehmomentsensor ist einem zylindrisch ausgebildeten und kraftübertragenden Teil der Nabe zugeordnet. Der Drehmomentsensor funktioniert nach dem Prinzip der Magnetostriktion, die auch invers sein kann. In diesem Fall ändert sich die Magnetisierung der Nabe durch auftretende mechanische Spannungen.
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Die
DE 10 2016 012 863 A1 schlägt einen druckmittelbetätigbaren Zentralausrücker für eine Kraftfahrzeugkupplung vor. Der Zentralausrücker beinhaltet ein mit einem Getriebegehäuse verbindbares ringförmiges Zylindergehäuse, bei dem das Zylindergehäuse konzentrisch zu einer Getriebeeingangswelle angeordnet ist. Das Zylindergehäuse weist einen Druckraum auf, der über eine Anschlussöffnung mit einer Druckmittelquelle verbindbar ist. In dem Zylindergehäuse ist eine ringförmige Kolbenanordnung axial verschiebbar angeordnet, welche mit einer eine Kupplungskraft aufbringenden Tellerfeder der Kraftfahrzeugkupplung zusammenwirkt. Die Kolbenanordnung weist einen im Zylindergehäuse linear geführten und durch ein Druckmittel betätigbaren Antriebskolben sowie einen an dem Antriebskolben kippbar gelagerten Betätigungskolben auf. Der Betätigungskolben wirkt über ein Ausrücklager axial auf die Tellerfeder.
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Die
DE 10 2014 217 248 A1 beschreibt eine Kolben-Zylinder-Anordnung, insbesondere für ein Kupplungsbetätigungssystem in einem Kraftfahrzeug, mit einem Kolben, welcher axial beweglich im Inneren eines Zylinders gelagert ist und ein Sensorsystem beinhaltet, das einen am Kolben positionierten Magneten und mindestens einen am Zylinder befestigten Sensor aufweist. Das Sensorsystem dient einer linearen Wegmessung zur Erfassung der Position des Kolbens des Kupplungsbetätigungssystems. Der Sensor ist einem Magneten gegenüberliegend gelagert, wobei der den mindestens einen Sensor passierende Magnet an einem linear beweglichen Element mechanisch befestigt ist. Der Magnet ist in einer sich in Bewegungsrichtung erstreckenden Ausdehnung durch mindestens einen Flussleitkörper erweitert. Durch die Anbringung des Flussleitkörpers an dem Magneten wird ein Magnetfeld erzeugt, das eine magnetische Flussdichte aufweist, die der eines längeren Magneten entspricht. Dadurch wird zuverlässig in einem vorgegebenen Abstand zwischen Magneten und Sensor ein bestimmtes Minimalmagnetfeld erzeugt, so dass der Sensor optimal arbeiten kann. Der Flussleitkörper kann ein Zwischenstück zwischen zwei räumlich getrennten Magneten bilden, und die räumlich getrennten Magneten können entgegengesetzte Magnetisierungsrichtungen aufweisen. Als Material für die Magnete wird Ferritmaterial, insbesondere Hartferrit oder ein Seltene Erden-Material vorgeschlagen. Als Material für die Flussleitkörper wird ferromagnetisches Material, vorzugsweise Eisen, angegeben.
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Aus der
DE 10 2017 202 835 A1 sind ein Sensorelement und eine Sensoreinrichtung bekannt. Die Sensoreinrichtung ist zur Ermittlung einer Position einer Magnetfeldquelle längs eines Bewegungswegs ausgebildet. Das Sensorelement weist einen Grundkörper mit einer elektrisch isolierenden Trägerfläche auf, auf der mehrere elektrisch leitfähige Messabschnitte aus amorphem, magnetisierbarem Metallmaterial mit vorzugsweise weichmagnetischen Eigenschaften angeordnet sind. Dabei sind die Messabschnitte jeweils mit elektrisch leitfähigen Leitabschnitten verbunden, und die Messabschnitte sind längs eines, insbesondere geradlinigen, Messwegs angeordnet. Die Messabschnitte mit weichmagnetischen Eigenschaften weisen ohne äußere Einflüsse wie externe Magnetfelder eine niedrige Koerzitivfeldstärke, eine hohe relative Permeabilität (relative Permeabilität > 5000, insbesondere > 10000) und damit verknüpft einen vergleichsweise hohen spezifischen elektrischen Widerstand auf. Bei Vorhandensein eines externen Magnetfelds erfolgt eine Flächenimpedanzänderung für den jeweiligen Messabschnitt aus amorphem, magnetisierbarem Metallmaterial, die ermittelt und bei geeigneter Anordnung der Messabschnitte für eine Positionsbestimmung genutzt werden kann.
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Die genaue Messung eines Antriebsdrehmoments bei einem Kraftfahrzeug stellt nach wie vor ein Problem dar, welches im Hinblick auf neue Antriebssysteme an Relevanz gewinnt, bei denen mehrere Drehmomentquellen aufeinander abgestimmt werden müssen (bspw. Hybridantriebe, bei denen Verbrennungsmotoren mit Elektromotoren parallel und/oder in Reihe betrieben werden). Falls das Antriebsmoment eines Motors oder die Beiträge aus anderen Quellen nicht exakt bekannt sind, kann dies bspw. zu einem ruckartigen Anfahren oder ungewollten Lastwechselreaktionen und Ruckeln beim Gangwechsel führen. Darüber hinaus lassen sich Kraftstoffverbrauch und somit CO2-Emissionen bei genauer Kenntnis des Antriebsmoments optimieren. Im Stand der Technik wird dies normalerweise dadurch gelöst, dass umfangreiche Versuchsreihen durchgeführt werden, um Steueralgorithmen zu entwickeln, die die jeweilige Höhe des Drehmoments beim Betrieb des Kraftfahrzeugs abschätzen sollen. Für diese Versuche werden die relevanten Antriebskomponenten mit teuren Drehmoment- und Zylinderdrucksensoren ausgestattet. Diese haben nur eine geringe Lebensdauer und benötigen erheblich mehr Bauraum als normalerweise beim Serienfahrzeug verfügbar ist. Darüber hinaus ist dieses Verfahren kosten- und zeitintensiv, da für jedes Kraftfahrzeug und jedes Antriebssystem eine Testreihe durchgeführt werden muss, um das entsprechende Steuermodell zu entwickeln. Schließlich ist die Genauigkeit der hieraus resultierenden Abschätzung des Drehmoments begrenzt. Dies ist einerseits durch Ungenauigkeiten innerhalb des zu Grunde gelegten Steuermodells bedingt, andererseits durch verschiedene Störfaktoren, wie Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, Zustand und Toleranzen der beteiligten Sensoren oder Aktoren etc.
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Bei einem Schaltgetriebe können insbesondere dann, wenn der Fahrer den Zeitpunkt des Gangwechsels selbst bestimmt, sehr unterschiedliche Drehzahlen bzw. Drehmomente auf Seiten des Motors einerseits sowie auf Seiten des Getriebes andererseits gegeben sein, wenn ein Gangwechsel erfolgt. Diese müssen über eine Schaltkupplung, welche normalerweise gleichzeitig auch als Anfahrkupplung fungiert, geregelt aneinandergekoppelt werden. Für eine entsprechende Regelung ist allerdings wiederum eine möglichst genaue Kenntnis des Antriebsmoments (also des Motorausgangsmoments bzw. des Getriebeeingangsmoments) notwendig, wie bereits oben geschildert, wobei bei derzeit eingesetzten Schaltkupplungen die Ermittlung des Antriebsmoments auf einer modellbasierten Schätzung beruht, die zwangsläufig ungenau ist.
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Die
DE 10 2008 052 254 A1 offenbart ein Hybridmodul eines Hybridantriebes eines Kraftfahrzeuges, mit einem Elektromotor und einer Trennkupplung, wobei das Hybridmodul zwischen einem Kraftfahrzeuggetriebe und einem Verbrennungsmotor angeordnet ist. Mindestens ein der Trennkupplung zugeordneter Betriebsparameter, insbesondere ein Verschiebeweg eines verschiebbaren Kolbens der Trennkupplung und/oder das von der Trennkupplung übertragene Drehmoment, kann bestimmt werden. Ein Sensormittel ist vorgesehen, welches so angeordnet und ausgestaltet ist, dass der mindestens eine Betriebsparameter direkt messbar ist.
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Aus der
US 6 330 833 B1 ist ein Verfahren zur Anbringung eines magnetoelastischen Messwandlers an einem eine Längsachse aufweisenden Bauteil bekannt, zur Erzeugung eines im Inneren des Bauteils enthaltenen Magnetfeldes, das bei Torsion des Bauteils verzerrt wird, so dass es von der Orientierung in Umfangsrichtung abweicht. Das Verfahren umfasst ein Aufbringen eines im Wesentlichen aus einem magnetostriktiven Material bestehenden, sich in Umfangsrichtung erstreckenden Überzugs, welcher eine die Curie-Temperatur des besagten Materials übersteigende Temperatur aufweist, auf einen Oberflächenbereich des Bauteils, welcher die Achse umgibt. Der Überzug kühlt danach auf eine Temperatur ab, die niedriger als die besagte Curie-Temperatur ist, und wenigstens solange die Temperatur des Überzugs niedriger als die besagte Curie-Temperatur ist, wird ein Magnetfeld an den Überzug angelegt, um diesen in einer vordefinierten Umfangsrichtung um die Achse herum magnetisch zu polarisieren.
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Die
US 9 631 722 B2 offenbart ein Automatikgetriebe mit einer Welle, die aneinander angrenzende, alternierend polarisierte erste, zweite und dritte magnetisierte Streifen aufweist. Ein erster Drehmomentsensor ist angrenzend an den ersten und zweiten Streifen angeordnet und weist erste und zweite Magnetfeldmesser auf, um einen magnetischen Fluss zu detektieren, der aus dem ersten und zweiten Streifen austritt. Ein zweiter Drehmomentsensor ist angrenzend an den zweiten und dritten Streifen angeordnet und weist dritte und vierte Magnetfeldmesser auf, um einen magnetischen Fluss zu detektieren, der aus dem zweiten und dritten Streifen austritt.
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Die
US 6 688 445 B2 offenbart ein Kupplungssystem, mit einer Kupplungsanordnung sowie einer Stelleinrichtung zur Betätigung der Kupplungsanordnung, welche Stelleinrichtung zur Durchführung von Betätigungsvorgängen unter Ansteuerung einer Ansteuervorrichtung steht. Eine Wegsensoranordnung ist zur Erfassung einer mit der Bewegung einer bei Durchführung eines Betätigungsvorgangs sich verlagernden Komponente in Zusammenhang stehenden ersten Größe vorgesehen. Eine Drehmomentsensoranordnung ist zur Erfassung einer mit einem über die Kupplungsanordnung übertragenen Kupplungsmoment in Zusammenhang stehenden zweiten Größe vorgesehen, wobei die Ansteuervorrichtung die Stellvorrichtung, zur Durchführung von Betätigungsvorgängen, wenigstens zeitweise in Abhängigkeit von der zweiten Größe ansteuert.
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Aus der
DE 10 2014 211 679 A1 ist ein Kraftfahrzeug mit einem Handschaltungsgetriebe bekannt, das eine automatisierte Kupplung aufweist, welche mit einer elektrischen Kupplungsausrückeinrichtung betätigbar ist, wobei die Kupplungsausrückeinrichtung von einem Fahrer des Kraftfahrzeuges zum Ausrücken der Kupplung mit einer ersten elektrischen Kupplungsbetätigungseinrichtung aktivierbar ist, die kein Kupplungspedal umfasst. Das Kraftfahrzeug weist eine zweite elektrische Kupplungsbetätigungseinrichtung auf, welche mit einem Kupplungspedal in Wirkverbindung steht, so dass die Kupplungsausrückeinrichtung sowohl mit dem Kupplungspedal als auch mittels der ersten Kupplungsbetätigungseinrichtung aktivierbar ist. Die Kupplungsbetätigungseinrichtung kann insbesondere ein Drehmomentsensor sein, der ein auf einen Gangwahlhebel wirkendes Drehmoment erfasst.
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In der Masterarbeit „Torque Sensor for Automotive Applications - An investigation of torque sensing techniques for drivetrain integration“, O. Persson, G. Persson, Universität Lund, Mai 2015, werden unterschiedliche Messmethoden untersucht, mittels derer ein Drehmoment in einer sich drehenden Welle bestimmt werden kann. Dabei werden insbesondere auch eine magnetoelastische Messmethoden vorgestellt.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Bestimmung des Antriebsmoments an einer Kupplung eines Schaltgetriebes noch Raum für Verbesserungen. Die Bestimmung bzw. Erfassung soll dabei mit möglichst kompakten und bauraumneutralen Mitteln erfolgen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bestimmung des Antriebsmoments an einer Kupplung eines Schaltgetriebes zu optimieren.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Kupplungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Aufgezeigt wird eine Kupplungsanordnung für ein Schaltgetriebe eines Kraftfahrzeugs, aufweisend eine axial verlaufende Getriebeeingangswelle, die über eine Kupplung mit einem an der Getriebeeingangswelle angeordneten Zentralausrücker an eine Motorausgangswelle koppelbar ist. Erfindungsgemäß weist die Getriebeeingangswelle eine Mehrzahl von in axialer Richtung versetzten, ferromagnetischen Messabschnitten auf, deren Magnetisierungen magnetoelastisch von einer Torsion der Getriebeeingangswelle beeinflussbar sind, wobei jeweils zwei benachbarte Messabschnitte entgegengesetzt magnetisiert sind, und wobei der Zentralausrücker die Mehrzahl der Messabschnitte wenigstens abschnittsweise umgibt und eine Sensorvorrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, eine von der Magnetisierung wenigstens eines Messabschnitts abhängige Größe zu messen.
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Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Durch die Erfindung wird eine Kupplungsanordnung für ein Schaltgetriebe eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich um ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, ein Hybridfahrzeug oder ein reines Elektrofahrzeug handeln. In jedem Fall weist das entsprechende Kraftfahrzeug ein Schaltgetriebe auf, d.h. im Gegensatz zu einem Automatikgetriebe erfolgt die Gangwahl durch den Fahrer. Dies schließt die Möglichkeit ein, dass der Kupplungsvorgang entsprechend einem manuell betätigten Schaltgetriebe (manual transmission; MT) durch den Fahrer gesteuert wird, oder auch mittels einer sog. E-clutch, also einer automatisierten Kupplung. Ebenso besteht die Möglichkeit, dass der Kupplungsvorgang entsprechend einem automatisierten Schaltgetriebe (automated manual transmission; AMT) bei jedem Gangwechsel sowie beim Anfahren automatisch erfolgt. Im Falle eines automatisierten Schaltgetriebes besteht auch die Möglichkeit, dass ein Fahrmodus existiert, in welchem auch der Zeitpunkt des Gangwechsels automatisch bestimmt wird, ebenso wie die Möglichkeit, dass bestimmte vom Fahrer angeforderte Gangwechsel von einer Fahrzeugsteuerung überprüft und nicht zugelassen werden (bspw. das Überspringen von Gängen). Unter Umständen kann es sich auch um ein Doppelkupplungsgetriebe (dual clutch transmission; DCT) handeln.
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Die Kupplungsanordnung weist eine axial verlaufende Getriebeeingangswelle auf, die über eine Kupplung mit einem an der Getriebeeingangswelle angeordneten Zentralausrücker an eine Motorausgangswelle koppelbar ist. Die Getriebeeingangswelle ist innerhalb der Kupplungsanordnung auf Seiten des Getriebes angeordnet bzw. getriebeseitig. Sie besteht normalerweise wenigstens überwiegend aus Metall, in der Regel einem speziellen Stahl. Der Querschnitt der Getriebeeingangswelle ist normalerweise wenigstens abschnittsweise kreisförmig, wobei der Durchmesser nicht entlang der gesamten Länge der Getriebeeingangswelle konstant sein muss. Abschnittsweise können auch nicht-kreisförmige Querschnitte gegeben sein, bspw. derart, dass die Getriebeeingangswelle eine Zahnung aufweist. Durch die Verlaufsrichtung der Getriebeeingangswelle ist eine axiale Richtung definiert und somit implizit auch eine radiale und tangentialer Richtung.
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Die Getriebeeingangswelle ist über eine Kupplung an eine Motorausgangswelle koppelbar. Die Motorausgangswelle ist hierbei allgemein eine Welle, die direkt oder indirekt an wenigstens einen Motor gekoppelt ist, bei dem es sich um einen Verbrennungsmotor oder einen Elektromotor handeln kann. D.h. die Motorausgangswelle ist auf Seiten des Motors bzw. motorseitig angeordnet. Im Falle eines Verbrennungsmotors kann sie drehfest mit der Kurbelwelle verbunden sein oder auch einen Teil der Kurbelwelle bilden. Hinsichtlich des Materials sowie der geometrischen Ausgestaltung der Motorausgangswelle bestehen grundsätzlich die gleichen Möglichkeiten wie oben bezüglich der Getriebeeingangswelle erläutert. Die Kupplung ist dabei in bekannter Weise dazu vorgesehen, bei einem Gangwechsel geöffnet und wieder geschlossen zu werden, sie fungiert somit als Schaltkupplung. Daneben ist in der Regel auch als Anfahrkupplung vorgesehen, d.h. sie wird beim Anfahren des Kraftfahrzeugs geschlossen. Die Kupplung stellt normalerweise über ein System von Scheiben einen Kraftschluss zwischen der Getriebeeingangswelle und der Motorausgangswelle her. Bspw. kann eine Motorschwungscheibe drehfest mit der Motorausgangswelle verbunden sein, während eine Kupplungsscheibe drehfest mit der Getriebeeingangswelle verbunden ist. Hierbei kann die Kupplungsscheibe zwischen der Motorschwungscheibe und einer Druckscheibe bzw. Anpressscheibe angeordnet sein, die axial verschiebbar ist, um wahlweise die Kupplungsscheibe gegen die Motorschwungscheibe zu drücken und auf diese Weise den Kraftschluss herzustellen. Die Kupplung weist einen Zentralausrücker an der Getriebeeingangswelle auf. Der Zentralausrücker umgibt dabei die Getriebeeingangswelle (bzw. ein Teil derselben) und ist zum Betätigen der Kupplung eingerichtet. Genauer gesagt erstreckt sich der Zentralausrücker in tangentialer Richtung umlaufend um die Getriebeeingangswelle. Er kann bspw. auf die oben erwähnte Druckscheibe einwirken und so für deren axiale Verstellung sorgen. Dies geschieht bspw. über eine zwischengeordnete Membranfeder, die durch eine axiale Beaufschlagung seitens des Zentralausrückers betätigt wird. Normalerweise weist der Zentralausrücker einen Teil auf, der axial an der Getriebeeingangswelle fixiert ist, sowie einen Teil, der (bspw. durch elektrische Ansteuerung) axial gegenüber der Getriebeeingangswelle verschiebbar ist. Die genaue Funktionsweise des Zentralausrückers ist im Rahmen der Erfindung nicht beschränkt. So ist neben einer elektrischen Betätigung auch eine hydraulische oder mechanische Betätigung möglich.
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Die Getriebeeingangswelle weist wenigstens einen ferromagnetischen Messabschnitt auf, dessen Magnetisierung magnetoelastisch von einer Torsion der Getriebeeingangswelle beeinflussbar ist. Man könnte auch sagen, dass der wenigstens eine Messabschnitt an der Getriebeeingangswelle angeordnet ist. Er ist ferromagnetisch ausgebildet, d.h. er besteht aus einem ferromagnetischen Material.
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Aufgrund des sogenannten magnetoelastischen Effekts (auch als inverser magnetostriktiver Effekt oder Villari-Effekt bezeichnet) beeinflusst eine mechanische Spannung innerhalb eines ferromagnetischen Materials dessen Magnetisierung. Die entsprechende Veränderung der Magnetisierung kann durch unterschiedliche Messverfahren registriert werden, wodurch wiederum ein Rückschluss auf die mechanische Spannung und somit die zugrunde liegenden mechanischen Kräfte möglich ist. Der jeweilige Messabschnitt ist mechanisch derart an die Getriebeeingangswelle gekoppelt, dass eine Torsion der Getriebeeingangswelle eine Verformung des Messabschnitts, bspw. ebenfalls eine Torsion desselben, bewirkt. Hierdurch wiederum wird die Magnetisierung des Messabschnitts verändert. Somit ist über die Veränderung der Magnetisierung des Messabschnitts ein Rückschluss auf die Torsion der Getriebeeingangswelle möglich.
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Der Zentralausrücker umgibt wenigstens einen Messabschnitt wenigstens teilweise und weist eine Sensorvorrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, eine von der Magnetisierung wenigstens eines Messabschnitts abhängige Größe zu messen. Der Zentralausrücker umgibt den Messabschnitt wenigstens teilweise bzw. abschnittsweise. Genauer gesagt erstreckt sich der Zentralausrücker in tangentialer Richtung umlaufend um den wenigstens einen Messabschnitt (oder um einen Teil desselben). Hinsichtlich der axialen Ausdehnung erstreckt sich der Zentralausrücker entweder entlang eines Teilabschnitts des jeweiligen Messabschnitts oder entlang der gesamten axialen desselben.
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Der Zentralausrücker weist eine Sensorvorrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, eine von der Magnetisierung wenigstens eines Messabschnitts abhängige Größe zu messen. Vereinfachend könnte man auch sagen, dass die Sensoreinrichtung dazu eingerichtet ist, wenigstens indirekt die Magnetisierung des Messabschnitts zu detektieren. Dies schließt die Möglichkeit ein, dass kein absoluter Wert der Magnetisierung detektiert wird, sondern nur eine Veränderung derselben. Es existieren verschiedene Messmethoden zur Ermittlung der genannten Größe, die von der Magnetisierung abhängig ist. Die Erfindung ist diesbezüglich nicht eingeschränkt, wenngleich einige bevorzugte Messmethoden nachfolgend noch erwähnt werden. Der Zentralausrücker weist die Sensorvorrichtung auf, was insbesondere die Möglichkeit einschließt, dass diese fest mit ihm verbunden sein kann. Normalerweise bildet die Sensorvorrichtung zusammen mit dem Zentralausrücker (bzw. mit anderen Teilen des Zentralausrückers) eine Baugruppe, die vormontiert als Ganzes in die Kupplungsanordnung eingebaut wird. Bevorzugt ist die Sensorvorrichtung in den Zentralausrücker integriert. Die Gesamtabmessungen des Zentralausrückers müssen hierfür nicht bzw. nicht wesentlich verändert werden, da sich eine zuverlässig arbeitende Sensorvorrichtung mit äußerst geringem Bauraum realisieren lässt. Sofern der Zentralausrücker einen axial beweglichen Teil und einen axial stationären Teil aufweist, ist die Sensorvorrichtung bevorzugt mit dem axial stationären Teil verbunden. Auf diese Weise variiert die axiale Position der Sensorvorrichtung gegenüber dem wenigstens einen Messabschnitt nicht, was eine zuverlässige Messung der Magnetisierung erschweren könnte.
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Es versteht sich, dass durch die von der Sensorvorrichtung ermittelten Messwerte auf die Torsion der Getriebeeingangswelle geschlossen werden kann und somit indirekt auf das Drehmoment, welches auf diese wirkt. Mit der erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung ist daher eine Ermittlung des Drehmoments in der Getriebeeingangswelle (man könnte auch sagen, des Abtriebsmoments) möglich. Es ist somit ein direkter Rückschluss auf das Drehmoment möglich, womit sämtliche Ungenauigkeiten vermieden werden, die im Stand der Technik bei modellbasierten Abschätzungen des Drehmoments auftreten. Die Messungen können somit nicht nur innerhalb von Testreihen bei der Entwicklung eines Fahrzeugs durchgeführt werden, sondern können vielmehr auch beim Serienfahrzeug zur Echtzeit-Ermittlung des Drehmoments eingesetzt werden. Ein großer Vorteil ist auch, dass die Messung der von der Magnetisierung abhängigen Größe kontaktlos möglich ist, so dass keine messungsbedingte Reibung oder Verschleiß auftreten. Selbstverständlich ermöglicht eine exakte Messung des Antriebsmoments eine bessere Steuerung der Kupplung, wodurch Probleme wie ruckartiges Anfahren, ungewollte Lastwechselreaktionen und Ruckeln beim Gangwechsel oder dergleichen vermieden und auch Treibstoffverbrauch und somit CO2-Emissionen gesenkt werden können.
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Dabei lässt sich die notwendige Messung mit einer klein bauenden Sensorvorrichtung realisieren, so dass gegenüber einer herkömmlichen Kupplungsanordnung ohne entsprechende Messmöglichkeit keine oder nur geringfügige Modifikationen der anderen Komponenten, abgesehen vom Zentralausrücker, notwendig sind. Wie bereits erwähnt, kann der Zentralausrücker insgesamt eine vergleichbare Außenabmessung haben wie ein herkömmlicher Zentralausrücker ohne Sensorvorrichtung. Es ist daher möglich, den erfindungsgemäß eingesetzten Zentralausrücker mit Sensorvorrichtung in verschiedenste herkömmliche Kupplungsanordnungen zu integrieren, was sogar im Rahmen einer Nachrüstung möglich wäre. Auch ein Austausch eines Zentralausrückers mit entsprechender Sensorvorrichtung ist ohne größeren Aufwand möglich. Bevorzugt kann die Sensorvorrichtung in ein Plastikgehäuse des Zentralausrückers integriert sein. Insbesondere dann, wenn die Sensorvorrichtung in den Zentralausrücker integriert ist, lässt sich die Kupplungsanordnung ohne eine aufwändige und komplizierte Justierung der Sensorvorrichtung montieren. Darüber hinaus ermöglicht die auf dem magnetoelastischen Effekt basierende Messung eine Ermittlung des Drehmoments, die gegenüber äußeren Störeinflüssen sowie gegenüber einer möglichen Alterung der Sensorvorrichtung ausgesprochen unempfindlich ist. Die robuste Einbauposition der Sensorvorrichtung am bzw. im Zentralausrücker schützt diese normalerweise vor Verschmutzung sowie erhöhten Temperaturen, welche sie beschädigen könnten.
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Es können unterschiedliche Messanordnungen und Messprinzipien verwendet werden, um Rückschlüsse auf die Magnetisierung des Messabschnitts und somit auf die Torsion der Getriebeeingangswelle zu gewinnen. Bspw. könnte die Sensorvorrichtung eine Primärspule sowie eine Sekundärspule aufweisen, wobei die Primärspule zur Erzeugung eines den wenigstens einen Messabschnitt durchdringenden Magnetfeldes eingerichtet ist, durch welches eine Spannung in der Sekundärspule induzierbar ist. In diesem Fall würde also durch die Sensorvorrichtung gewissermaßen aktiv die Magnetisierung des Messabschnitts beeinflusst, wobei der Messabschnitt ohne Einwirkung der Sensorvorrichtung auch unmagnetisiert sein kann. Insgesamt wird in diesem Fall das von der Primärspule erzeugte Magnetfeld durch die Magnetisierung des Messabschnitts und somit durch die Torsion der Getriebeeingangswelle beeinflusst, wodurch wiederum eine in der Sekundärspule induzierte Spannung beeinflusst wird. Allgemein ist allerdings eine gewissermaßen „passive“ Detektion der Torsion bevorzugt. Gemäß einer entsprechenden Ausgestaltung ist der wenigstens eine Messabschnitt dauerhaft magnetisiert und die Sensorvorrichtung ist dazu eingerichtet, ein wenigstens anteilig durch den wenigstens einen Messabschnitt erzeugtes Magnetfeld zu messen. Das entsprechende Magnetfeld ist dabei selbstverständlich außerhalb des Messabschnitts vorhanden, um von der Sensorvorrichtung detektiert zu werden. Unter Umständen kann das vom Messabschnitt erzeugte Magnetfeld durch externe Magnetfelder überlagert sein, welche von der Sensorvorrichtung ebenfalls miterfasst werden. Durch geeignete Verfahren ist es allerdings allgemein möglich, festzustellen, welcher Anteil des Magnetfelds von einer sich ändernden Torsion des Messabschnitts herrührt. Die Magnetisierung des Abschnitts kann grundsätzlich axiale, radiale und/oder tangentiale Komponenten aufweisen. Bevorzugt ist die Magnetisierung (bei nicht tordierter Getriebeeingangswelle) wenigstens überwiegend, insbesondere vollständig, tangential ausgebildet. Weiter ist es bevorzugt, dass die Stärke der Magnetisierung wenigstens bei nicht tordierter Getriebeeingangswelle in tangentialer Richtung umlaufend konstant ist, d.h. sie ist unabhängig von der tangentialen Position. Man könnte auch sagen, dass eine solche Magnetisierung bezüglich der axial verlaufenden Verlaufsachse der Getriebeeingangswelle rotationssymmetrisch ist. Dies steht im Gegensatz zu im Stand der Technik bekannten Detektionsmethoden, bei denen durch eine in tangentialer Richtung veränderliche Magnetisierung eine (tangentiale) Kodierung eingeprägt ist.
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Wie oben bereits erwähnt weist die Getriebeeingangswelle erfindungsgemäß eine Mehrzahl in axialer Richtung versetzter Messabschnitte auf, wobei jeweils zwei benachbarte Messabschnitte entgegengesetzt magnetisiert sind. Insbesondere können hierbei zwei entgegengesetzte magnetisierte Messabschnitte vorgesehen sein, es sind aber auch drei oder mehr Messabschnitte denkbar. Die Magnetisierung kann auch im Fall mehrerer Messabschnitte unterschiedliche axiale, radiale und/oder tangentiale Komponenten aufweisen. Allerdings ist auch in diesem Fall bevorzugt, dass die Magnetisierung jedes Messabschnitts tangential ausgebildet ist. D.h. die Magnetisierung der zueinander benachbarten Messabschnitte läuft in zueinander entgegengesetztem Sinn um die Verlaufsachse der Getriebeeingangswelle. Dabei ist vorgesehen, dass die Stärke der Magnetisierung jedes Messabschnitts wenigstens bei nicht tordierter Getriebeeingangswelle in tangentialer Richtung umlaufend konstant ist, d.h. sie ist unabhängig von der tangentialen Position. Durch die Kombination der Magnetisierung unterschiedlicher Messabschnitte lassen sich unterschiedliche Vorteile erzielen. Bspw. ist es möglich, so Überlagerungseffekte zu erzielen, die eine präzisere Ermittlung der Torsion ermöglichen. Insbesondere ist es allerdings so, dass sich hiermit unterscheiden lässt, welche axialen Komponenten des Magnetfelds auf eine Torsion zurückgehen und welche auf einen unter Umständen vorhandenes äußeres Magnetfeld. So entsteht bei einer Torsion eine axiale Komponente, die in entgegengesetzt magnetisierten Messabschnitten entgegengesetzt ausgerichtet ist, während sie bei einem externen (axialen) Magnetfeld in allen Messabschnitten die gleiche Ausrichtung aufweist.
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Wie bereits erwähnt, ist jeder Messabschnitt aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet. Gemäß einer Ausführungsform ist er separat von der Getriebeeingangswelle gefertigt und mit dieser in geeigneter Weise mechanisch verbunden, so dass eine Torsion der Getriebeeingangswelle auch eine Verformung des Messabschnitts bewirkt. Da sich verschiedene Metalle, insbesondere einige Stahlsorten, einerseits durch ferromagnetische Eigenschaften auszeichnen, andererseits aber auch solche mechanischen Eigenschaften aufweisen, die für die Funktion der Getriebeeingangswelle notwendig sind, ist auch eine einteilige Fertigung möglich. D.h., gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der wenigstens eine Messabschnitt einteilig mit der Getriebeeingangswelle ausgebildet. Dabei ist es möglich, die Getriebeeingangswelle aus einem magnetisierbaren Metall, bspw. Stahl, zu fertigen und den Messabschnitt im Zuge der Herstellung oder anschließend an diese zu magnetisieren. Dabei ist es selbstverständlich auch möglich, eine Mehrzahl von entgegengesetzt magnetisierten Abschnitten zu erzeugen. Durch die einteilige Ausbildung des wenigstens einen Messabschnitts mit der Getriebeeingangswelle wird zum einen eine optimale mechanische Verbindung erreicht, wobei eine Torsion der Getriebeeingangswelle gleichzeitig auch eine Torsion des Messabschnitts bedeutet. Zum anderen vereinfacht sich normalerweise die Herstellung, da es unnötig ist, den Messabschnitt separat herzustellen und anschließend in geeigneter Weise mit der Getriebeeingangswelle zu verbinden. Eine permanente Magnetisierung der Getriebeeingangswelle kann auch an einem bereits eingebauten Getriebe nachträglich erzeugt bzw. eingeprägt werden.
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Bevorzugt ist die Sensorvorrichtung wenigstens überwiegend radial innenseitig am Zentralausrücker angeordnet. Auf diese Weise ist sie unmittelbar benachbart zum wenigstens einen Messabschnitt angeordnet und von diesem ggf. nur durch einen Luftspalt getrennt. Es wäre allerdings auch möglich, zwischen der Sensorvorrichtung bzw. zwischen deren sensorisch relevanten Komponenten und dem Messabschnitt noch eine Schutzschicht vorzusehen, die bspw. aus Kunststoff bestehen könnte oder einem anderen Material, das keinen wesentlichen Einfluss auf die vorhandenen Magnetfelder hat. Außerdem ist die Sensorvorrichtung durch die radial innenseitige Anordnung optimal vor Verschmutzung oder Beschädigung (bspw. auch während des Zusammenbaus) geschützt.
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Insbesondere dann, wenn der wenigstens eine Messabschnitt dauerhaft magnetisiert ist, weist die Sensorvorrichtung bevorzugt wenigstens eine Sensoreinheit auf, die dazu eingerichtet ist, ein Magnetfeld außerhalb des wenigstens einen Messabschnitts zu messen, das wenigstens anteilig von der Magnetisierung des wenigstens einen Messabschnitts abhängt. Die Sensoreinheit, die auch schlicht als Sensor bezeichnet werden kann, kann bspw. einen Hall-Sensor, einen magneto-resistiven Sensor, einen Magneto-Transistor, eine Magneto-Diode, einen magnetischen Feldeffekt-Transistor (MAGFET), ein Fluxgate-Magnetometer oder ein anderes zur Messung von Magnetfeldern geeignetes Element aufweisen.
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Bevorzugt ist jedem Messabschnitt wenigstens eine Sensoreinheit zugeordnet, welche entlang der axialen Richtung wenigstens teilweise auf Höhe des Messabschnitts angeordnet ist. Anders ausgedrückt, die axialen Positionen der Sensoreinheit einerseits sowie des Messabschnitts andererseits überschneiden sich wenigstens teilweise. Umgekehrt kann jede Sensoreinheit genau einem Messabschnitt zugeordnet sein oder eine Sensoreinheit kann gleichzeitig zwei Messabschnitten zugeordnet sein, so dass sie in axialer Richtung mit beiden Messabschnitten eine Überschneidung bzw. Überlappung aufweist. Es versteht sich, dass die von der Magnetisierung eines Messabschnitts herrührenden Magnetfelder überwiegend oder ausschließlich von der wenigstens einen Sensoreinheit registriert werden, die diesem Messabschnitt zugeordnet ist. Im Falle mehrerer Messabschnitte kann durch die Mehrzahl von Sensoreinheiten eine erhöhte Redundanz bezüglich der Messungen erzielt werden, wodurch einerseits die Präzision im Vergleich zu einem einzelnen Messabschnitt und einer einzelnen Sensoreinheit erhöht werden kann sowie andererseits für den unwahrscheinlichen Ausfall einer Sensoreinheit die Möglichkeit besteht, die Funktionsfähigkeit der Sensorvorrichtung weiter zu gewährleisten.
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Bspw. unter dem Aspekt der erhöhten Messgenauigkeit sowie der Redundanz können alternativ oder ergänzend zu der oben dargestellten Ausführungsform wenigstens einem Messabschnitt eine Mehrzahl von tangential zueinander versetzt angeordneter Sensoreinheiten zugeordnet sein. Die entsprechenden Sensoreinheiten weisen in axialer Richtung eine Überlappung mit dem Messabschnitt auf und können alle in der gleichen axialen Position angeordnet sein. Sie unterscheiden sich allerdings im Hinblick auf ihre tangentiale Position, also ihre Winkelposition bezüglich der Getriebeeingangswelle. Bspw. könnten zwei Sensoreinheiten einander bezüglich der Getriebeeingangswelle gegenüberliegend angeordnet sein.
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Bevorzugt weist die Sensorvorrichtung eine Ausgabeschnittstelle auf und ist dazu ausgebildet, über diese ein von der Torsion abhängiges Ausgangssignal auszugeben. Bei der Ausgangsschnittstelle könnte es sich um eine drahtlose Schnittstelle handeln, normalerweise handelt es sich allerdings um eine drahtgebundene Schnittstelle. Diese kann mit einem Verbindungskabel verbunden sein bzw. ein Verbindungskabel aufweisen, welches mehradrig ausgebildet sein kann und bspw. auch zur Energieversorgung der Sensorvorrichtung dient. Sofern der Zentralausrücker einen Aktor mit elektrischer Energieversorgung aufweist, könnte letztere auch mit der Energieversorgung der Sensorvorrichtung zusammengefasst werden.
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Die Sensorvorrichtung kann eine Verarbeitungseinheit aufweisen, die dazu eingerichtet ist, das Ausgangssignal zu erzeugen. Die Verarbeitungseinheit empfängt dabei in der Regel von der bzw. den Sensoreinheiten analoge Messsignale und erzeugt auf Basis derselben das Ausgangssignal. Dies kann bspw. eine einfache Umwandlung in ein digitales Signal beinhalten, eine Mittelwertbildung der einzelnen analogen Messsignale oder eine komplexere mathematische Auswertung derselben, aus welcher sich dann das Ausgangssignal ergibt. Die Verarbeitungseinheit kann bspw. auf einer Leiterplatte angeordnet sein, auf der auch wenigstens eine Sensoreinheit angeordnet ist. Die Verarbeitungseinheit ist selbstverständlich mit der oben erwähnten Ausgangsschnittstelle verbunden.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand von einem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt
- 1 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung; sowie
- 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Zentralausrückers der Kupplungsanordnung aus 1.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 zeigt in schematischer Schnittdarstellung eine erfindungsgemäße Kupplungsanordnung 1 für ein Schaltgetriebe eines Kraftfahrzeugs, welches bspw. einen Verbrennungsmotor, einen Elektromotor oder eine Kombination von beiden aufweisen kann. Erkennbar ist eine mit wenigstens einem Motor verbundene Motorausgangswelle 2, die drehfest mit einer Schwungscheibe 4 verbunden ist. Die Schwungscheibe 4 bildet einen Teil einer Kupplung 3, über welche die Motorausgangswelle 2 an eine Getriebeeingangswelle 9 koppelbar ist, welche wiederum mit dem hier nicht dargestellten Schaltgetriebe verbunden ist. Sowohl die Motorausgangswelle 2 als auch die Getriebeeingangswelle 9 verlaufen entlang einer axialen Mittelachse A. Eine Kupplungsscheibe 5 ist drehfest, aber axial verschiebbar mit der Getriebeeingangswelle 9 verbunden. Eine Druckplatte bzw. ein Anpressring 6 ist zusammen mit einer Membranfeder 8 drehfest mit einem Kupplungsdeckel 7 verbunden, welcher wiederum am Schwungrad 4 befestigt ist. Die Kupplungsscheibe 5 weist Reibflächen auf, über die sie in der in 1 dargestellten eingerückten Position der Kupplung 3 durch einen Kraftschluss an den Anpressring 6 sowie das Schwungrad 4 gekoppelt ist. Somit sind die Motorausgangswelle 2 und die Getriebeeingangswelle 9 drehfest aneinander gekoppelt. Die Membranfeder 8 kann mittels eines Zentralausrückers 10 betätigt werden, der einen Abschnitt der Getriebeeingangswelle 9 ringartig umgibt.
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Wie in der Einzeldarstellung des Zentralausrückers 10 in 2 erkennbar, weist dieser einen ersten Teil 11 auf, der axial stationär gegenüber der Getriebeeingangswelle 9 bleibt, sowie einen zweiten Teil 12, der in axialer Richtung zur Motorausgangswelle 2 hin verschiebbar ist. Bei der entsprechenden Verschiebung wird die Membranfeder 8 derart gedrückt, dass der Kraftschluss zwischen dem Anpressring 6, der Kupplungsscheibe 5 und der Schwungscheibe 4 reduziert oder vollständig aufgehoben wird. Der Zentralausrücker 10 wird dabei über eine Verbindungsleitung 13 angesteuert, die bspw. im Falle eines elektrischen Zentralausrückers 10 ein elektrisches Verbindungskabel sein kann, oder im Falle eines hydraulisch betriebenen Zentralausrückers 10 eine Hydraulikleitung. Radial innenseitig des Zentralausrückers 10 ist eine Sensorvorrichtung 15 ausgebildet, die fest mit den anderen Teilen des Zentralausrückers 10 verbunden ist und insofern in diesen integriert ist. Sie kann insbesondere in ein Kunststoffgehäuse des Zentralausrückers 10 integriert sein. Die Sensorvorrichtung 15 weist vier Sensoreinheiten 16 - 19 auf sowie eine Verarbeitungseinheit 20. Ein Verbindungskabel 21 dient einerseits zur Stromversorgung der Sensorvorrichtung 15 sowie andererseits zur Ausgabe eines Ausgangssignals. Die Sensoreinheiten 16 - 19 können bspw. als Spulen oder Fluxgates ausgebildet sein, die mit der Verarbeitungseinheit 20 verbunden sind.
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Wie in 1 angedeutet ist, weist die Getriebeeingangswelle 9 einen ersten Messabschnitt 9.1 sowie einen zweiten Messabschnitt 9.2 auf. Diese sind einteilig mit der restlichen Getriebeeingangswelle 9 ausgebildet, weisen allerdings eine dauerhafte Magnetisierung auf, die jeweils tangential verläuft, wobei die Verlaufsrichtung der Magnetisierung im ersten Messabschnitt 9.1 entgegengesetzt zu derjenigen im zweiten Messabschnitt 9.2 ist. Die Stärke der Magnetisierung ist - zumindest bei nichttordierter Getriebeeingangswelle 9 - in tangentialer Richtung umlaufend konstant, d.h. sie ist unabhängig von der tangentialen Position. Eine erste und zweite Sensoreinheit 16, 17 sind dem ersten Messabschnitt 9.1 zugeordnet und in einer axialen Position angeordnet, die wenigstens teilweise der des ersten Messabschnitts 9.1 entspricht. Allerdings ist die erstem Sensoreinheit 16 tangential zur zweiten Sensoreinheit 17 versetzt, genau gesagt ist sie bezüglich der Getriebeeingangswelle der zweiten Sensoreinheit 17 gegenüberliegend angeordnet. Eine dritte und vierte Sensoreinheit 18, 19 sind dem zweiten Messabschnitt 9.2 zugeordnet und in einer axialen Position angeordnet, die wenigstens teilweise der des zweiten Messabschnitts 9.2 entspricht. Die dritte Sensoreinheit 18 ist bezüglich der Getriebeeingangswelle der vierten Sensoreinheit 19 gegenüberliegend angeordnet.
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Jeder der Messabschnitte 9.1, 9.2 weist eine Magnetisierung auf, die wiederum zu einem Magnetfeld (und einem magnetischen Fluss) führt, welches durch die Sensoreinheiten 16 - 19 detektiert werden kann. Insbesondere sind die Sensoreinheiten 16 - 19 dazu eingerichtet, eine axiale Komponente des Magnetfelds zu detektieren. Die entsprechende Komponente ist bei einer tangentialen Magnetisierung der beiden Messabschnitte 9.1, 9.2 idealerweise gleich Null, sofern keine externen Magnetfelder einwirken und kein Drehmoment auf die Getriebeeingangswelle 9 ausgeübt wird. Sobald ein Drehmoment auf die Getriebeeingangswelle 9 wirkt, führt dies zu einer Torsion derselben, durch die sich wiederum die Magnetisierung der beiden Messabschnitte 9.1, 9.2 ändert. Es bildet sich beim ersten Messabschnitt 9.1 eine (zusätzliche) axiale Komponente und beim zweiten Messabschnitt 9.2 eine (zusätzliche) axiale Komponente, die derjenigen des ersten Messabschnitts 9.1 entgegengesetzt ist. Dies ist beispielsweise von einer axialen Komponente eines externen Magnetfelds unterscheidbar, welche im Bereich beider Messabschnitte 9.1, 9.2 gleich ausgerichtet wäre. Das Auftreten bzw. die Veränderung der axialen Komponenten wird durch die Sensoreinheiten 16 - 19 detektiert und von der Verarbeitungseinheit 20 ausgewertet. Diese kann hieraus ein normalerweise digitales, ggf. aber auch analoges Ausgangssignal erzeugen, welches die Torsion und/oder das auf die Getriebeeingangswelle 9 wirkende Drehmoment repräsentiert. Es kann über das Verbindungskabel 21 ausgegeben werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kupplungsanordnung
- 2
- Motorausgangswelle
- 3
- Kupplung
- 4
- Schwungscheibe
- 5
- Kupplungsscheibe
- 6
- Anpressring
- 7
- Kupplungsdeckel
- 8
- Membranfeder
- 9
- Getriebeeingangswelle
- 9.1, 9.2
- Messabschnitt
- 10
- Zentralausrücker
- 11
- erster Teil
- 12
- zweiter Teil
- 13
- Verbindungsleitung
- 15
- Sensorvorrichtung
- 16-19
- Sensoreinheit
- 20
- Verarbeitungseinheit
- 21
- Verbindungskabel
- A
- Mittelachse
