DE10230651A1 - Kupplung für Kraftfahrzeuge und Verfahren zum Regeln der Motordrehzahl mittels eines Drehzahlreglers - Google Patents

Kupplung für Kraftfahrzeuge und Verfahren zum Regeln der Motordrehzahl mittels eines Drehzahlreglers

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DE10230651A1
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Abstract

Eine Kupplung für Kraftfahrzeuge, die mit einem Drehzahlregler zur Regelung der Motordrehzahl elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung ein Element zum Detektieren der Kupplungszustände "Offen", "Schlupfend", "Geschlossen" aufweist, das mit dem Drehzahlregler elektrisch verbunden ist. Der Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlregler einen einstellbaren P- und I-Anteil aufweist und so regelbar ist, dass er bei detektiertem Zustand "Schlupfend" oder "Offen" der Kupplung mit einem einstellbaren ersten P- und I-Anteil betreibbar ist und bei detektiertem Zustand "Geschlossen" der Kupplung mit einem einstellbaren zweiten P- und I-Anteil betreibbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kupplung für Kraftfahrzeuge, die mit einem Drehzahlregler zur Regelung der Motordrehzahl elektrisch verbunden ist, sowie ein Verfahren zum Regeln der Motordrehzahl mittels eines Drehzahlreglers in Abhängigkeit vom Schlupf einer Kupplung.
  • Kupplungen der eingangs genannten Art sind bekannt, insbesondere solche, die über ein Kupplungspedal betätigt werden. Bei Kraftfahrzeugen mit derartigen Kupplungen ist der Drehzahlregler gemäß dem Stand der Technik so abgestimmt, dass er sowohl im Stand, bei Leerlauf als auch beim Anfahren mit Leerlaufdrehzahl, das heißt bei nicht betätigtem Fahrpedal, als auch beim Fahren z. B. im ersten oder zweiten Gang mit dem gleichen Parametersatz betrieben wird. Das bedeutet, dass der P- und I-Anteil des Drehzahlreglers für die genannten Situationen gleich sind. Dabei sind dem P- und I-Anteil aus Stabilitätsgründen enge Grenzen gesetzt. Dies ist vor allem durch die sogenannte Ruckelfrequenz bedingt, die im ersten Gang bei etwa 3 Hz liegt. Wird der P- Anteil zu stark gewichtet, kann dadurch die Ruckelfrequenz beim Fahren mit Leerlaufdrehzahl angeregt werden. Wird der I-Anteil zu stark gewichtet, kommt es sehr leicht zum Sägen der Leerlaufdrehzahl. Beim Anfahren mit der Leerlaufdrehzahl kann nun das Problem entstehen, dass das Kupplungspedal nur sehr langsam betätigt werden kann, ohne den Motor abzuwürgen. Dies wird vom Fahrer subjektiv als "schlecht anfahrbar" beurteilt.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kupplung mit verbessertem Anfahrverhalten bei der Leerlaufdrehzahl, d. h. bei nicht betätigtem Fahrpedal, bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kupplung der eingangs genannten Art in der Weise gelöst, dass die Kupplung ein Element zum Detektieren der Kupplungszustände "Offen", "Schlupfend", "Geschlossen" aufweist, das mit dem Drehzahlregler elektrisch verbunden ist.
  • In Ausgestaltung der Erfindung ist an der Kupplung ein Betätigungsmittel angebracht, dessen Betätigung durch das Element zum Detektieren der Kupplungszustände erkennbar ist. Zweckmäßigerweise ist das Betätigungsmittel ein Kupplungspedal, und ist das Element zum Detektieren der Kupplungszustände ein Taster, der in einer Position an dem Kupplungspedal angeordnet ist, in welcher der Taster ein Signal nur dann auslöst, wenn die Kupplung sicher durchrutscht, worunter zu verstehen ist, dass keine Haftung stattfindet.
  • Durch Anbringen eines Tasters am Kupplungspedal kann jederzeit erkannt werden, ob das Kupplungspedal betätigt wird oder nicht. Die Position des Tasters ist so gewählt, dass dieser erst auslöst, sobald die Kupplung weitergehend schlupft, dies ist dann der Fall, wenn die Reibung, Hysterese und die Spiele in der Übertragung von dem Kupplungspedal zu dem Ausrücklager sich nicht mehr auswirken. Solange der Taster nicht auslöst, bedeutet dies, dass die Kupplung haftet bzw. geschlossen ist. Umgekehrt gilt, dass die Kupplung rutscht, wenn der Taster betätigt ist.
  • In einer Variante des Erfindungsgedankens erfolgt eine näherungsweise Bestimmung des Durchrutschens der Kupplung dadurch, dass Mittel vorhanden sind, welche die Motordrehzahl und die Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit vist detektieren, eine aufgrund der Motordrehzahl und der Gesamtübersetzung von Differential und Getriebe berechnete theoretische Fahrzeuggeschwindigkeit vtheor mit der Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit vist vergleichen und für alle Gänge, für die vist < k * vtheor ist, mit k < 1, ein Schlupfen der Kupplung feststellen und in diesem Falle den Drehzahlregler mit einem Parametersatz regeln, der sich von dem Parametersatz bei nicht schlupfender Kupplung unterscheidet.
  • In Ausgestaltung der Erfindung muss die detektierte Ist- Fahrzeuggeschwindigkeit mindestens 5% und bis zu 10% kleiner als die theoretische Fahrzeuggeschwindigkeit vtheor zum Feststellen einer schlupfenden Kupplung sein.
  • Für die Abschätzung gilt, dass die Kupplung dann schlupft, wenn für alle Gänge vist < k.vtheor ist, wobei k < 1 ist, nämlich 0,95 bis 0,90 beträgt. Dieser k-Wert ergibt somit eine 5- bis 10%ige Sicherheitsreserve.
  • In Ausgestaltung der Erfindung treibt bei schlupfender Kupplung den Drehzahlregler ein Parametersatz an, der auf einen offenen Antriebsstrang abgestimmt ist, der nur den Motor und die Kupplungsscheibe umfasst.
  • Die weitere Ausgestaltung der Kupplung ergibt sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 7 bis 9.
  • Ein Verfahren zum Regeln der Motordrehzahl mittels eines Drehzahlreglers in Abhängigkeit vom Schlupf einer Kupplung für Kraftfahrzeuge zeichnet sich dadurch aus, dass der Zustand der Kupplung, ob offen, schlupfend oder geschlossen, festgestellt wird und der Drehzahlregler bei offener oder schlupfender Kupplung mit einem ersten P- und einem ersten I-Anteil betrieben wird und bei geschlossener Kupplung mit einem zweiten P- und/oder einem zweiten I- Anteil betrieben wird.
  • In Ausgestaltung des Verfahrens ist der zweite P- und/oder der zweite I-Anteil höher als der jeweils erste P- und/oder I-Anteil und ist auf den geschlossenen Antriebsstrang, der alle Antriebselemente vom Motor bis zu den Reifen umfasst, abgestimmt.
  • Die weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus den Maßnahmen der Patentansprüche 12 bis 14.
  • Mit der Erfindung wird der Vorteil erzielt, dass das Anfahren im Leerlauf, d. h. ohne Betätigung des Fahrpedals, verbessert wird, da ab dem Zeitpunkt, an dem die Kupplung vom Gleiten bzw. Schlupfen in den Haftzustand übergeht, auf einen anderen Regelparametersatz umgeschaltet wird.
  • Beim Untersuchen des Verhaltens des Regelkreises für die Motordrehzahl bei geöffneter Kupplung wurde überraschend gefunden, daß in diesem Fall die Stabilitätsreserve höher ist; wahrscheinlich weil in diesen Fall die oben erwähnte Ruckelfrequenz keine Rolle spielt. Somit kann in diesem Fall der P- bzw. der I-Anteil stärker gewichtet werden. Um dennoch beim Fahren mit Drehzahlregler im Leerlauf bei vollständig geschlossener Kupplung ein stabiles Verhalten des Regelkreises zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, ab dem Zeitpunkt, ab dem die Kupplung von Schleifen bzw. Schlupfen zu Haften übergeht, auf einen anderen Reglerparametersatz umzuschalten. Von diesem Zeitpunkt an wird also von einem "offenen Antriebsstrang", der nur den Motor und die Kupplungsscheibe umfasst, auf einen "geschlossenen Antriebsstrang", der alle Antriebselemente vom Motor bis zu den Reifen umfasst, umgeschaltet. Solange die Kupplung schlupft, also beim Anfahren, kann der Drehzahlregler im Leerlauf mit dem Parametersatz für den offenen Antriebsstrang betrieben werden. Für die Umschaltung von Gleiten nach Halten ist das Detektieren des Kupplungszustandes erforderlich, um rechtzeitig auf den Reglerparametersatz für den geschlossenen Antriebsstrang umzuschalten.
  • Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kupplung zeichnet sich dadurch aus, dass die Kupplung ein Betätigungsmittel aufweist, vorzugsweise ein Kupplungspedal, und dass das Mittel zum Detektieren der Kupplungszustände mit diesem Betätigungsmittel verbunden ist. Dieses Mittel ist beispielsweise ein Taster, der über das Kupplungspedal betätigbar ist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfassen die Mittel zum Detektieren der Kupplungszustände Mittel zum Detektieren der Motordrehzahl und der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs. Diese sind mit den Drehzahlregler elektrisch verbunden. Dabei wird der Drehzahlregler mit dem Parametersatz für eine offene bzw. schlupfende Kupplung betrieben. Hierzu wird aus der Motordrehzahl und der aktuellen Getriebeübersetzung eine theoretische Fahrzeuggeschwindigkeit berechnet und mit der detektierten, tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit verglichen. Der Zustand "Schleifen" oder "Offen" wird so lange für die Kupplung detektiert, als die tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit kleiner ist als die theoretische Fahrzeuggeschwindigkeit.
  • Eine beispielhafte Darstellung solcher Mittel zur Betätigung einer Kupplung und anderer Elemente bzw. Sensoren in einem Kraftfahrzeug sowie deren Zusammenwirken mit einer elektronischen Steuerung bzw. einem Regler ist in den Dokumenten DE 40 11 850 A1 und DE 44 26 260 A1 offenbart. Auf beide Dokumente, sowie auf die EP 1018606 A2 wird in diesem Zusammenhang ausdrücklich Bezug genommen.
  • Um den Zustand der schleifenden Kupplung mit einer gewissen Sicherheit zu detektieren, wird dieser Zustand dann als gegeben festgelegt, wenn die tatsächliche Geschwindigkeit mindestens um 5%, vorzugsweise um mindestens 10% kleiner ist als die theoretische Fahrzeuggeschwindigkeit.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind Mittel zum Detektieren der Betätigung des Kraftstoffzufuhrbemessungsgliedes vorhanden und mit dem Drehzahlregler verbindbar. Dabei ist der Drehzahlregler so verschaltet oder programmiert, daß der erste P- und der erste I-Anteil nur einstellbar sind, wenn detektiert ist, daß das Kraftstoffzufuhrbemessungsglied nicht betätigt ist.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer beispielhaften Ausgestaltung näher erläutert. Eine Beschränkung in irgendeiner Weise ist dadurch nicht beabsichtigt.
  • Mittels eines Tasters, der an dem Kupplungspedal angebracht ist, wird die Betätigung des Kupplungspedals und das Schlupfen der Kupplung detektiert. Dabei ist die Position des Tasters so gewählt, daß dieser erst auslöst, wenn die Kupplung sicher durchrutscht, das heißt Reibung, Hysterese und Spiele bei der Übertragung vom Kupplungspedal zum Ausrücklager sich nicht mehr auswirken. Das bedeutet wiederum, daß die Kupplung als rutschend bzw. schlupfend angesehen wird, solange der Taster ein Signal auslöst, durch das der Reglerparametersatz für den offenen Antriebsstrang den Drehzahlregler betätigt wird.
  • Eine weitere Möglichkeit für eine näherungsweise Bestimmung des Durchrutschens der Kupplung besteht darin, aus der für die Motorsteuerung vorhandenen Motordrehzahl und der dadurch vorgegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit eine "worst case"-Abschätzung durchzuführen, wie sie im folgenden Beispiel beschrieben ist.
    • Beispiel
  • Die Motordrehzahl beträgt im Leerlauf nLL = 800 l/min. Wird im 1. Gang bei geschlossener Kupplung mit nLL gefahren, ergibt sich bei einer Gesamtübersetzung i1 = 12 (Differential und Getriebe) und einem Rollradius r = 0,2 m eine theoretische Fahrzeuggeschwindigkeit vtheor 1 = (nLL/i1) r.2.π 60 = 5 km/h. Im 2. Gang folgt bei i2 = 8 eine Fahrzeuggeschwindigkeit vtheor 2 = 7,5 km/h. In den höheren Gängen ist die Fahrzeuggeschwindigkeit entsprechend höher. Ist die tatsächlich gemessene Geschwindigkeit nun kleiner als z. B. vtheor 1, so heißt das, dass die Kupplung rutscht. Ist keine Information über den eingelegten Gang vorhanden, so kann als "worst case" die Abschätzung angewandt werden, dass die Kupplung dann schlupft, wenn für alle Gänge die tatsächliche Geschwindigkeit veff kleiner als die theoretische Geschwindigkeit vtheor 1 ist, d. h. vtheor ≤ k.vtheor 1 mit k < 1 als Sicherheitsreserve. Beispielsweise rutscht die Kupplung gemäß dieser Abschätzung, solange veff ≤ 4,5 km/h für k = 0.9 ist, also eine 10%-ige Sicherheitsreserve vorgesehen ist. Weiterhin wird für diese Abschätzung zu jedem Zeitpunkt, zu dem die aktuellen Werte von der Steuerungselektronik abgetastet werden, die aktuelle Ist-Leerlaufdrehzahl in der angegebenen Formel zur Erkennung des Kupplungszustandes angewandt, wodurch automatisch das kurzzeitige Abfallen der Motordrehzahl während des Anfahrvorganges berücksichtigt wird.
  • Durch das Detektieren der schlupfenden Kupplung wird der Drehzahlregler im Leerlauf mit einem Parametersatz betrieben, der auf den offenen Antriebsstrang abgestimmt ist. Der P- und I-Anteil sind hier entsprechend höher gewichtet, wodurch ein besseres Anfahren gewährleistet ist. Wenn die Bedingung für die rutschende Kupplung nicht mehr erfüllt ist, d. h. veff > 4,5 km/h oder der Taster nicht mehr aktiv ist, was der Fall sein kann, wenn der Motor mit Leerlaufdrehzahl läuft, wird der Drehzahlregler mit einem auf den geschlossenen Antriebsstrang abgestimmten Reglerparametersatz betrieben, um die Stabilität des Anfahrens zu gewährleisten.
  • Die mit der Anmeldung eingereichten Patentansprüche sind Formulierungsvorschläge ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Patentschutzes. Die Anmelderin behält sich vor, noch weitere, bisher nur in der Beschreibung und/oder Zeichnungen offenbarte Merkmalskombination zu beanspruchen.
  • In Unteransprüchen verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen.
  • Da die Gegenstände der Unteransprüche im Hinblick auf den Stand der Technik am Prioritätstag eigene und unabhängige Erfindungen bilden können, behält die Anmelderin sich vor, sie zum Gegenstand unabhängiger Ansprüche oder Teilungserklärungen zu machen. Sie können weiterhin auch selbständige Erfindungen enthalten, die eine von den Gegenständen der vorhergehenden Unteransprüche unabhängige Gestaltung aufweisen.
  • Die Ausführungsbeispiele sind nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten, Elemente und Kombinationen und/oder Materialien, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den in der allgemeinen Beschreibung und Ausführungsformen sowie den Ansprüchen beschriebenen und in den Zeichnungen enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen, auch soweit sie Herstell-, Prüf- und Arbeitsverfahren betreffen.

Claims (14)

1. Kupplung für Kraftfahrzeuge, die mit einem Drehzahlregler zur Regelung der Motordrehzahl elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung ein Element zum Detektieren der Kupplungszustände "Offen", "Schlupfend", "Geschlossen" aufweist, das mit dem Drehzahlregler elektrisch verbunden ist.
2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kupplung ein Betätigungsmittel angebracht ist, dessen Betätigung durch das Element zum Detektieren der Kupplungszustände erkennbar ist.
3. Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungsmittel ein Kupplungspedal ist und das Element zum Detektieren der Kupplungszustände ein Taster ist, der in einer Position an dem Kupplungspedal angeordnet ist, in welcher der Taster ein Signal nur dann auslöst, wenn die Kupplung sicher durchrutscht.
4. Kupplung für Kraftfahrzeuge, die mit einem Drehzahlregler zur Regelung der Motordrehzahl elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, welche die Motordrehzahl und die Ist- Fahrzeuggeschwindigkeit vist detektieren, eine auf Grund der Motordrehzahl und der Gesamtübersetzung von Differential und Getriebe berechnete theoretische Fahrzeuggeschwindigkeit vtheor mit der Ist- Fahrzeuggeschwindigkeit vist vergleichen und für alle Gänge, für die vist < k.vtheor ist, mit k < 1, ein Schlupfen der Kupplung feststellen und in diesem Fall den Drehzahlregler mit einem Parametersatz regeln, der sich von dem Parametersatz bei nicht schlupfender Kupplung unterscheidet.
5. Kupplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die detektierte Fahrzeuggeschwindigkeit vist mindestens 5% und bis zu 10% kleiner als die theoretische Fahrzeuggeschwindigkeit vtheor zum Feststellen einer schlupfenden Kupplung sein muss.
6. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei schlupfender Kupplung den Drehzahlregler ein Parametersatz antreibt, der auf einen offenen Antriebsstrang abgestimmt ist, der nur den Motor und die Kupplungsscheibe umfasst.
7. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlregler einen einstellbaren P- und I-Anteil aufweist und so regelbar ist, dass er bei detektiertem Zustand "Schlupfend" oder "Offen" der Kupplung mit einem einstellbaren ersten P- und I-Anteil betreibbar ist, und bei detektiertem Zustand "Geschlossen" der Kupplung mit einem einstellbaren zweiten P- und I-Anteil betreibbar ist.
8. Kupplung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlregler so regelbar ist, dass die aus der Motordrehzahl und der Getriebeübersetzung berechnete theoretische Geschwindigkeit vtheor mit der detektierten Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit vist verglichen wird und aus dem Vergleich der Zustand "Schlupfend" oder "Offen" der Kupplung als zutreffend detektierbar ist, wenn die detektierte Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit vist kleiner als die theoretische Fahrzeuggeschwindigkeit vtheor ist.
9. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlregler so geregelt ist, dass er mit dem zweiten P- und dem zweiten I-Anteil betreibbar ist, wenn detektiert ist, dass die Ist- Fahrzeuggeschwindigkeit v > 4,5 km/h oder das Element zum Detektieren der Kupplungszustände nicht aktiv ist.
10. Verfahren zum Regeln der Motordrehzahl mittels eines Drehzahlreglers in Abhängigkeit vom Schlupf einer Kupplung für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand der Kupplung, ob offen, schlupfend oder geschlossen festgestellt wird und der Drehzahlregler bei offener oder schlupfender Kupplung mit einem ersten P- und einem ersten I-Anteil betrieben wird und bei geschlossener Kupplung mit einem zweiten P- und/oder einem zweiten I-Anteil betrieben wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite P- und/oder der zweite I-Anteil höher ist als der jeweils erste P- und/oder I-Anteil und auf den geschlossenen Antriebsstrang, der alle Antriebselemente vom Motor bis zu den Reifen des Kraftfahrzeugs umfasst, abgestimmt ist.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlregler mit dem ersten P- und/oder I-Anteil betrieben wird, wenn das Element zum Detektieren der Kupplungszustände aktiv ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungszustände durch Feststellen einer Betätigung des Kupplungspedals detektiert werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungszustände durch Feststellen eines Kupplungsschlupfes detektiert werden.
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