DE19641074A1 - Temperaturbestimmung einer Reibschlußverbindung - Google Patents

Temperaturbestimmung einer Reibschlußverbindung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturbe­ stimmung einer Reibschlußverbindung, insbesondere einer Anfahr- oder Schaltkupplung oder Bremse eines Getriebes. Bei derartigen Reibschlußverbindungen wird durch Relativ­ drehung zweier Reibflächen Reibungswärme erzeugt. Diese Wärme wird durch einen Kühlmittelfluß, insbesondere Getrie­ beöl abgeführt. Die direkte Temperaturmessung an der Reib­ schlußverbindung ist sehr aufwendig, insbesondere bei Kupp­ lungen, bei denen beide Hälften drehbar sind. Die indirekte Temperaturmessung über das abströmende Kühlmittel ist eben­ falls sehr aufwendig. Darüber hinaus ist es sehr schwierig, einen Temperaturmeßfühler nahe genug an den drehenden Tei­ len der Reibschlußverbindung unterzubringen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren zur Temperaturbestimmung einer Reibschlußverbindung zu schaffen, bei dem die Temperatur nicht gemessen werden muß, sondern rechnerisch bestimmt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einem, auch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs aufweisenden, gattungsgemäßen Verfahren gelöst.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die aktuelle Temperatur durch die Integration der Differential­ gleichung
berechnet,
mit der Zeitkonstante
und dem Verstärkungsfaktor
wobei die Symbole bezeichnen:
TR Temperatur der Reibschlußverbindung
t Zeit
TK,zu Temperatur des Kühlmittels beim Zulauf = Umge­ bungstemperatur der Reibschlußverbindung
Δω Relativwinkelgeschwindigkeit der beiden Hälften der Reibschlußverbindung
MÜ Übertragungsdrehmoment der Reibschlußverbindung
CR absolute Wärmekapazität der Reibschlußverbindung
cK relative Wärmekapazität des Kühlmittels
ρ Dichte des Kühlmittels
Φ Kühlmittelvolumendurchfluß
α relative Wärmeübergangskonstante an der Grenz­ fläche Reibschlußverbindung-Kühlmittel
A Fläche der Grenzfläche Reibschlußverbin­ dung-Kühlmittel.
Diese Gleichung läßt sich folgendermaßen herleiten:
Der Reibschlußverbindung wird für den Fall, daß ihre beiden Hälften aufeinander gleiten, Energie in Form von Reibungs­ wärme zugeführt und Wärmeenergie durch ein Kühlmittel, vor­ zugsweise Getriebeöl abgeführt. Im nicht stationären Fall - d. h. Reibungswärmeenergiezufuhr ist ungleich Wärmeenergie­ abfuhr durch Kühlmittel - führt dies zu einer Änderung der Wärmeenergie der Reibschlußverbindung. Der Energieerhal­ tungssatz läßt sich folgendermaßen formulieren:
mit
PR an der Reibschlußverbindung verrichtete Reibleistung,
PK Kühlleistung.
Die an der Reibschlußverbindung verrichtete Reibleistung PR ist das Produkt aus Relativwinkelgeschwindigkeit Δω der beiden Hälften der Reibschlußverbindung und ihrem Übertra­ gungsdrehmoment MÜ
PR = ΔωMÜ (2)
Die Kühlleistung PK führt zu einer Erwärmung des Kühlmit­ tels
PK = cKρΦ(TK,ab-TK,zu) (3)
mit
TK,ab Temperatur des Kühlmittels beim Ablauf von der Reibschlußverbindung.
Dabei ist der Wärmeübergang an der Grenzfläche zwischen Reibschlußverbindung und Kühlmittel gegeben durch
PK = αA(TR-<TK<) (4)
mit
<TK< mittlere Temperatur des Kühlmittels beim Wärme­ übertrag.
Die mittlere Temperatur des Kühlmittels beim Wärmeübertrag wird als das arithmetische Mittel der Zu- und Abflußtempe­ ratur angesetzt:
Gleichung (5) in (4) eingesetzt ergibt:
Gleichung (6) nach TK,ab aufgelöst ergibt:
Einsetzen von Gleichung (6′) in (3) eliminiert die unbe­ kannte Temperatur des Kühlmittels beim Ablauf von der Reib­ schlußverbindung TK,ab:
Auflösen nach PK ergibt:
Gleichung (2) und (7′) in (1) eingesetzt gibt folgende Dif­ ferentialgleichung:
Der Term
hat dabei die Bedeutung einer Zeitkonstante τ und der Term
die Bedeutung eines Verstärkungsfaktors K. Mit diesen beiden Abkürzungen er­ hält man obige Differentialgleichung:
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Relativwinkelgeschwindigkeit Δω der beiden Hälf­ ten der Reibschlußverbindung als Differenz der absoluten Winkelgeschwindigkeiten der Primär- und Sekundärseite die­ ser Reibschlußverbindung berechnet. Dabei wird die die Pri­ mär- bzw. Sekundärwinkelgeschwindigkeit jeweils als Produkt der Winkelgeschwindigkeit eines im Antriebsstrang auf der Primär- bzw. Sekundärseite dieser Reibschlußverbindung be­ findlichen Bauteils und dem Übersetzungsverhältnis zwischen jeweils diesem Bauteil und der Primär- und Sekundärseite dieser Reibschlußverbindung bestimmt. Die Winkelgeschwin­ digkeit wird dabei jeweils mittels eines Drehzahlsensors gemessenen.
Vorteilhafterweise wird die Motordrehzahl als Drehzahl eines Bauteils auf der Primärseite der Reibschlußverbindung und die Getriebeabtriebsdrehzahl als Drehzahl eines Bau­ teils auf der Sekundärseite der Reibschlußverbindung heran­ gezogen.
Das Übertragungsdrehmoment der Reibschlußverbindung wird vorzugsweise anhand von dem Druck im Stellzylinder der Reibschlußverbindung ermittelt. Da die Stellkolbenfläche bekannt ist, ebenso wie die Fläche und der Reibungskoeffi­ zienten der Reibschlußverbindung, kann die Reibungskraft der Reibschlußverbindung berechnet werden. Multipliziert mit dem mittleren Radius der Reibschlußverbindung ergibt sich damit das Übertragungsdrehmoment der Reibschlußverbin­ dung.
Vorzugsweise wird obige Differentialgleichung für die aktuelle Temperatur mittels eines Digitalrechners berech­ net. Vorteilhafterweise wird zur Berechnung der aktuelle Temperatur das Runge-Kutta-Verfahren angewendet.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung wird die aktuelle Temperatur mittels eines Analo­ grechners berechnet.
Vorzugsweise ist das Getriebesteuerungsprogramm von dem Ergebnis der Temperaturberechnung abhängig. Durch eine Verringerung der Schalthäufigkeit bei hohen Temperaturen wird die Reibschlußverbindung thermisch entlastet und kann sich wieder abkühlen. Bei hohen Temperaturen der Reib­ schlußverbindung wird vorzugsweise der Ablauf des Last­ schaltvorgangs in der Weise abgeändert, daß die thermische Belastung der Reibschlußverbindung abnimmt. Dies bedeutet, daß bei hohen Fahrgeschwindigkeiten die Reibschlußverbin­ dung schnell geschlossen wird und bei niedrigen Fahrge­ schwindigkeiten schnell geöffnet wird. Das führt zwar zu einem ruppigen Schaltverhalten und mangelndem Schaltkom­ fort, entlastet aber die Reibschlußverbindung thermisch. Zwar ist dabei das Übertragungsdrehmoment und damit die Reibleistung für kurze Zeit noch höher, aber die gesamte Reibungswärme, d. h. das Integral der Reibleistung ist in­ folge kürzere Schaltzeiten, d. h. Zeiten, in denen die Kupplung schleift, geringer. Bei geringen Fahrgeschwindig­ keiten, bei denen zwar das Übertragungsdrehmoment klein ist, aber die Kupplung permanent schleift, und damit eine hohe Reibungswärme anfällt, wird die Reibschlußverbindung vorteilhafterweise schnell geöffnet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Zeitkonstante τ und der Verstärkungsfaktor K in Abhängigkeit von im Versuch ermittelten Funktionalen des Kühlmittelvolumendurchflusses Φ bestimmt.

Claims (13)

1. Verfahren zur Temperaturbestimmung einer Reib­ schlußverbindung, insbesondere einer Kupplung oder Bremse eines Getriebes, bei der durch Relativdrehung zweier Reib­ flächen Reibungswärme erzeugt wird und diese Wärme durch einen Kühlmittelfluß abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von einer Umgebungstemperatur der Reibschlußver­ bindung ihre aktuelle Temperatur durch Integration der Tem­ peraturänderung berechnet wird, die proportional zur Diffe­ renz aus Reibungsleistung und Wärmeabfuhr ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuelle Temperatur durch die Integration der Differen­ tialgleichung berechnet wird,
mit der Zeitkonstante und dem Verstärkungsfaktor wobei die Symbole bezeichnen:
TR Temperatur der Reibschlußverbindung
t Zeit
TK,zu Temperatur des Kühlmittels beim Zulauf = Umge­ bungstemperatur der Reibschlußverbindung
Δω Relativwinkelgeschwindigkeit der beiden Hälften der Reibschlußverbindung
MÜ Übertragungsdrehmoment der Reibschlußverbindung
CR absolute Wärmekapazität der Reibschlußverbindung
cK relative Wärmekapazität des Kühlmittels
ρ Dichte des Kühlmittels
Φ Kühlmittelvolumendurchfluß
α relative Wärmeübergangskonstante an der Grenz­ fläche Reibschlußverbindung-Kühlmittel
A Fläche der Grenzfläche Reibschlußverbindung-Kühl­ mittel.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativwinkelgeschwindigkeit Δω der beiden Hälften der Reibschlußverbindung als Differenz der absoluten Winkelge­ schwindigkeiten der Primär- und Sekundärseite dieser Reib­ schlußverbindung berechnet wird, wobei die die Primär- bzw. Sekundärwinkelgeschwindigkeit jeweils als Produkt der mit­ tels jeweils eines Drehzahlsensors gemessenen Winkelge­ schwindigkeit eines im Antriebsstrang auf der Primär- bzw. Sekundärseite dieser Reibschlußverbindung befindlichen Bau­ teils und dem Übersetzungsverhältnis zwischen jeweils die­ sem Bauteil und der Primär- und Sekundärseite dieser Reib­ schlußverbindung bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Drehzahl eines Bauteils auf der Primärseite der Reib­ schlußverbindung die Motordrehzahl und als Drehzahl eines Bauteils auf der Sekundärseite der Reibschlußverbindung die Getriebeabtriebsdrehzahl herangezogen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsdrehmoment der Reibschlußverbindung anhand von dem Druck im Stellzylinder bei bekannter Stellkolben­ fläche der Reibschlußverbindung und der Abmessung sowie des Reibungskoeffizienten der Reibschlußverbindung ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuelle Temperatur mittels eines Digitalrechners be­ rechnet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuelle Temperatur nach dem Runge-Kutta-Verfahren be­ rechnet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuelle Temperatur mittels eines Analogrechners be­ rechnet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebesteuerungsprogramm von dem Ergebnis der Tempe­ raturberechnung abhängig ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebesteuerungsprogramm bei hohen Temperaturen der Reibschlußverbindung die Schalthäufigkeit verringert.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebesteuerungsprogramm bei hohen Temperaturen der Reibschlußverbindung den Ablauf des Lastschaltvorgangs in der Weise abändert, daß die thermische Belastung der Reib­ schlußverbindung abnimmt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebesteuerungsprogramm bei hohen Temperaturen der Reibschlußverbindung diese bei hohen Fahrgeschwindigkeiten schnell schließt und bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten schnell öffnet.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante τ und der Verstärkungsfaktor K in Abhän­ gigkeit von im Versuch ermittelten Funktionalen des Kühl­ mittelvolumendurchfluß Φ bestimmt werden.
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