DE3404156A1 - Einrichtung zur automatischen betaetigung einer kupplung von fahrzeugen waehrend des anfahrens - Google Patents

Einrichtung zur automatischen betaetigung einer kupplung von fahrzeugen waehrend des anfahrens

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DE3404156A1 DE19843404156 DE3404156A DE3404156A1 DE 3404156 A1 DE3404156 A1 DE 3404156A1 DE 19843404156 DE19843404156 DE 19843404156 DE 3404156 A DE3404156 A DE 3404156A DE 3404156 A1 DE3404156 A1 DE 3404156A1
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Description

Einrichtung zur automatischen Betätigung einer Kupplung von Fahrzeugen während des Anfahrens
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur automatischen Betätigung einer Kupplung von Fahrzeugen während des Anfahrens,mit einem die Kupplung ein- und ausrückenden Stellmotor, mit die Drehzahlen vor und hinter der Kupplung und die Gangstufen eines Schaltgetriebes erfassenden Meßfühlern, deren Meßwerte einer Regelvorrichtung zugeleitet werden, die aus den Meßwerten ein Ausgangssignal bildet, mit dem der Stellmotor beaufschlagt wird.
Eine Einrichtung der vorstehend genannten Art ist aus der DE-OS 30 04 930 bekannt. Beim Anfahren des Fahrzeuges wird durch Berühren des Handschalthebels die Kupplung über eine Regelvorrichtung geöffnet und nach Einlegen des Ganges sowie Betätigen des Fahrpedals von der Regelvorrichtung der Motor zunächst auf eine vorgegebene Motordrehzahl eingestellt und anschließend die Kupplung wieder langsam eingerückt. Sobald durch eine Drehmomentaufnähme der Kupplung die Motordrehzahl abfällt, wird von der Regelvorrichtung der Schließvorgang unterbrochen und erst dann wieder freigegeben, wenn die Motordrehzahl den vorgegebenen Wert wieder
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erreicht hat. Dieser Regelvorgang wiederholt sich solange, bis zwischen Kupplungsscheibe und Motor annähernd Drehzahlgleichheit besteht. Erst dann wird die Kupplung über die Regelvorrichtung vollständig geschlossen.
Von Nachteil ist, daß bei der bekannten Kupplungsregelung die während des Anfahrens im Antriebsstrang auftretenden Torsionsschwingungen unberücksichtigt bleiben, die am Fahrzeug unangenehm starke Beschleunigungen und Schwingungen erzeugen. Die Ursache liegt darin, daß der Antriebsstrang ein drehelastisches Bauteil darstellt, das infolge der dauernden Änderungen des Kupplungsmomentes während des Anfahrvorganges wie eine Torsionsfeder gespannt und entspannt werden kann, wodurch ruckhafte Beschleunigungen und Schwingungen am Fahrzeug entstehen können.
Insbesondere bei Fahrzeugen mit einem langen Antriebsstrang und Blattfedern als Achsaufhängung, wie z.B. bei Nutzfahrzeugen, besitzt der Antriebsstrang eine relativ kleine Drehsteif igkeit, durch die besonders unangenehme Schwingungen entstehen können. Ein feinfühliges Rangieren solcher Fahrzeuge wird durch die geringe Drehsteifigkeit erschwert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Einrichtung zur automatischen Betätigung einer Kupplung so zu verbessern, daß während des Anfahrens die Torsionsschwingungen im Antriebsstrang gedämpft werden.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an dem von der Kupplung bis zu den Antriebsrädern führenden Antriebswellenstrang Meßfühler zur Erfassung der ein- und ausgangsseitigen Drehzahlen und des vom Antriebsstrang zu übertragenden Drehmomentes angeordnet sind, deren Meßwerte dem Kupplungsregler ebenfalls zugeleitet werden, dessen Ausgangssignal
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über den Lageregler den Stellmotor derart beeinflußt, daß an der Kupplung ein solches Kupplungsmoment M2 wirkt, durch das das Torsionsmoment (M-) und die Motordrehzahl (<J,) einem konstanten Wert zustreben.
Die mit der Erfindung erreichten Vorteile bestehen darin, daß die Torsionsschwingungen im Antriebsstrang durch gezielte Änderungen des Kupplungsmomentes gedämpft werden und damit ein ruckfreies und gleichmäßiges Beschleunigen des Fahrzeuges gegeben ist. Weiterhin erlaubt diese Kupplungsregelung ein feinfühliges zentimetergenaues Rangieren des Fahrzeuges. Schließlich wird noch ein gleichmäßiger Drehmomentenverlauf erzielt, welcher keine kurzzeitigen Maximalwerte aufweist, wodurch somit die Antriebsaggregate geschont werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Merkmalen der Unteransprüche zu entnehmen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 in einem Blockschaltbild den Aufbau der erfindungsgemäßen Kupplungsregelung an einem schematisch dargestellten Fahrzeug,
Fig. 2 ein vereinfachtes .reduziertes Massensystem eines Fahrzeuges für die Festlegung der Regelvorschriften der Kupplung,
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Fig. 3 in graphischer Darstellung eine Kupplungskennlinie.
In Fig. 1 ist mit 1 eine Brennkraftmaschine des nicht weiter dargestellten Fahrzeuges insbesondere eines Nutzfahrzeuges bezeichnet, an deren Abtriebswelle 2 ein Schwungrad 3 angebracht ist. Auf der Abtriebsseite des Schwungrades 3 ist eine Kupplung 4 angeflanscht, deren Kupplungsscheibe 5 mit einem bis zu den Antriebsrädern 6 führenden Antriebsstrang 7 verbunden ist. Der Antriebsstrang 7 setzt sich aus einer Antriebswelle 8, den von einem Differentialgetriebe 9 bis zu den Antriebsrädern 6 führenden Achswellen 10 und einem Schaltgetriebe 11 zusammen. Das Ein- und Ausrücken der Kupplung 4 erfolgt über einen Stellhebel 12 von einem Stellmotor 13 aus, der von einer insgesamt mit 14 bezeichneten Regelungsvorrichtung entsprechende Stellwerte erhält.
Die Ermittlung der RegelVorschriften, über die letztendlich der Stellmotor 13 über den Stellhebel 12 die Kupplung 4 so einstellt, daß die Tors ionsschwingungen im Antriebsstrang 7 gedämpft werden, erfolgt entsprechend dem dynamischen Verhalten des Antriebsstranges 7, der Kupplung und des Antriebsmotors. Zur Vereinfachung der Darstellung der im Antriebsstrang ablaufenden dynamischen Vorgänge wird das Fahrzeug aus Fig. 1 in ein vereinfachtes Schwingungsersatzmodell gemäß Fig. 2 übergeführt. Dieses besteht aus dem Motor 1 von dem ein Motormoment M- bei der Drehgeschwindigkeit U) 1 an der Abtriebswelle 2 erzeugt wird und von dieser auf das Schwungrad 3 mit dem Trägheitsmoment J-übertragen wird. Ferner aus einer Kupplung 4, deren Kupplungsscheibe 5 das Trägheitsmoment J2 besitzt und an der das Kupplungsmoment M2 wirkt. Von dort überträgt eine Torsionswelle :15:mit der-Tbrsionssteifigkeit "c"' als Ersatzmodell für die·. Antriebswelle i8 .und die Achswellen 10 Üas Bre-momentrM^ zu einem Schwunj
—5—* Daim 15 090/4
mit dem Massenträgheitsmoment J3, welches die Fahrzeugmasse ersetzt. Mit U) 7 und ^f , ist dessen Drehgeschwindigkeit und Drehwinkel bezeichnet, wobei die Obersetzungsverhältnisse des Schaltgetriebes i und der Antriebsachse i„ berücksichtigt sind.
Das dynamische Verhalten des reduzierten Antriebsstranges gemäß Fig. 2 wird durch folgendes System von Differentialgleichungen beschrieben:
~ Hz
3a
λU) und Atf handelt es sich um die Differenzen der Drehgeschwindigkeiten und Drehwinkel an den Enden der Torsionswelle. Das Vergleichsmoment J ergibt sich aus der Beziehung:
A 1,1
J JZ J3
Der Wert von M. wird vom Fahrer mit dem Fahrpedal vorgegeben und soll nachfolgend den konstanten Wert M- = Μ~ haben, wobei Mp das im angestrebten Gleichgewichtszustand des Systems wirkende Drehmoment ist. Die Größe des Kupplungsmomentes M2 wird dabei entsprechend der Kupplungskennlinie aus Fig. 3 in Abhängigkeit vom Ausrückweg χ der Kupplung nach der Formel
ermittelt, wobei xr die Stelle bezeichnet, an der gerade das Moment Mp von der Kupplung übertragen werden kann und "b" das Gefälle der Kennlinie darstellt. Zwischen dem Torsionsmoment M, und dem Verdrehwinkel Atf der gedachten Torsionswelle be-
Daim 15 090/4
steht der Zusammenhang
Weiterhin ist für die Beschreibung des Regelvorganges das Zeitverhalten der den Stellmotor„-13 enthaltenden- Eä'gerregelung zu berücksichtigen. Dieser Zusammenhang sei durch ein Verzögerungsglied 1.'Ordnung nach der Gleichung
T . χ + χ = xs
angenommen, wobei T die Zeitkonstante der Lageregelung xg den Sollwert des Ausrückweges und χ den tatsächlichen Ausrückweg der Kupplung darstellen.
Grundvoraussetzung für die Schwingungsfreiheit bei der Momentenübertragung ist, daß jeweils konstante Momente vom Motor bis zu den Antriebsrädern 6 hin übertragen werden. Zusammengefaßt läßt sich dies wie folgt darstellen:
M1 = konst. M2 - konst. M, = konst.
Als Regelvorschriftjnach welcher die Kupplung zu steuern ist, dient beispielsweise der folgende lineare Ansatz:
Xs -
wobei K-i/4 ···· Regelparameter
(jOs. .... Sollwert der Motorwinkelgeschwindigkeit
CJ- .... Winkelgeschwindigkeit der Motorwelle
Cj .... 1. Ableitung vom LJS
... 1. Ableitung von U)1
... Verdrehwinkel der gedachten Torsionswelle
.... Differenz der Winkelgeschwindigkeit zwischen Kupplungsscheibe W - und Ersatzschwungrad tO
340Α156
Daim 15 090/4
Die in der Regelvorschrift enthaltenen Koeffizienten K- ,. sind nun so zu bestimmen, daß sich ein stabiler Anfahrvorgang bei günstigem Einschwingverhalten des Antriebsstanges 7 ergibt. Die Werte der Koeffizienten K1 /. lassen sich entweder durch Versuche oder rechnerisch aus einer Stabilitätsbetrachtung des gesamten dynamischen Verhaltens des Systems bestimmen.
Ein solchermaßen geregeltes System wird durch ein gekoppeltes Differentialgleichungssystem beschrieben. Im vorliegenden Fall lauten die homogenen Anteile dieses Gleichungssystems die für die Stabilität des geregelten Vorgangs allein maßgebend sind:
ΔΪ - Δ ω
Dieses homogene Differentialgleichungssystem, das das Einschwingverhalten zu einem Gleichgewichtszustand beschreibt, hat als Lösung eine Linearkombination von e^ , wobei die Eigenwerte ρ durch die chrakteristische Gleichung
Λ T O
ρ + Λ3ρ + X2V * /I1P + X0 = ο
festgelegt sind.
■/ff ·
' ' Daim 15 090/4
Die Koeffizienten λ* bis Λ τ sind abhängig von den Systemwerter (Federsteifigkeit, Trägheitsmomente, Kupplungskennlinie usw.) und der Einstellung des Reglers (Koeffizienten K- bis K«):
>Λ - be Ha
ι - be· K2. , c _b:
Λ/ί" Γ3γ3 ^T-J ^T
3 T-- 3α TOa
+. .Kzi-b.
T ' T ■ Oi
Der Regler ist nun so einzustellen, daß sich ein stabiler Anfahrvorgang ergibt. Dies ist der Fall, wenn die Stabilitätsbedingungen
1. alle Koeffizienten λ o bis A, vorhanden und positiv 2 · Λ ι · Λ ? * Kx - A.1 - /^ · Λ, /· ο
erfüllt sind. In diesem Fall haben alle Eigenwerte nur negative Realteile, so daß die Einschwingvorgänge auf einen Gleichgewichtszustand mit zunehmender Zeit abklingen. Für jeden Getriebegang können so geeignete Regelungsparameter festgelegt werden.
Die in Fig. 1 beispielsweise dargestellte Regelvorrichtung 14, mittels der die Kupplung 4 so eingestellt werden kann, daß Tors ionsSchwingungen im Antriebsstrang 7 gedämpft werden, umfaßt einen Festwertspeicher 17, eine Recheneinheit 18, einen Kupplungsregler 19 und einen Lageregler 20.
Im Festwertspeicher 17 sind für jeden Gang die den Antriebsstrang 7 charakterisierenden Kennwerte, wie Torsionssteifigkeit "c", das sich aus der jeweiligen Getriebeübersetzung
a-
Daim 15 090/4
und Achsübersetzung ergebende gesamte Übersetzungsverhältnis i und die Werte K- ,. eingespeichert. An der Abtriebswelle befindet sich ein Meßfühler 22, der die Drehgeschwindigkeit
Q * des Motors ermittelt und über eine Signalleitung 23 direkt dem Kupplungsregler 19 zuführt. Am Antriebsstrang sind Meßfühler 24 und 25 angebracht, die über die Signalleitung 26 die Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle 8 und über eine weitere Signalleitung 27 das momentane von der Antriebswelle 8 übertragene Torsionsmoment direkt der Recheneinheit 18 übermitteln. Schließlich befinden sich noch an den Antriebsrädern 6 Meßfühler 28, die über die Signalleitung 29 die an den Antriebsrädern erfaßten Drehgeschwindigkeiten als gemittelten Wert (a1r der Recheneinheit 18 übermitteln.
In Abhängigkeit von der jeweils eingelegten Gangstufe, die über die Signalleitung 21 erkannt wird, werden dabei im Rahmen eines Mikroprozessorsystems die entsprechenden Daten des Festwertspeichers 17 ausgelesen und über die Signalleitung
30 dem Kupplungsregler 19 (K1/.) und über die Signalleitungen
31 und 32 der Recheneinheit 18 übermittelt.
Die anderen Kennwerte "c" und i , welche ebenfalls von der
ges ·
jeweils eingelegten Gangstufe abhängig sind, werden über die Signalleitungen 31 und 32 der Recheneinheit 18 zugeführt. Die Recheneinheit 18 ermittelt aus dem Kennwert i___ und
ges .
den Meßwerten 6Jo, (λ) τΌ einen eventuell im Antriebsstrang auftretenden Drehgeschwindigkeitsunterschied7ünd aus dem vom Antriebsstrang momentan übertragenen Drehmoment M3 und der entsprechend der eingelegten Gangstufe vorhandenen Torsionssteif igkeit c eine gegebene Drehwinkeldifferenz A*f . Diese beiden Erte, die den momentanen Schwingungszustand des Antriebsstranges 7 darstellen, werden über die Signalleitungen 33 und 34 dem Kupplungsregler 19 zugeführt. Im Kupplungsregler wird aus den zugeleiteten Kennwerten und einem vorgegebenen Drehgeschwindigkeitswert GJ$ des Motors ein Ausgangswert χ
- 10 -
<Λί ·
Daim 15 090/4
entsprechend der Regelungsvorschrift berechnet. Dieser Ausgangswert χ wird dem Lageregler 20 zugeführt, der ihn mit dem momentan vorhandenen Ausrückweg χ, welcher über die Signalleitung 35 zugeführt wird, vergleicht und bei einer sich ergebenden Abweichung den Stellmotor 13 in einer solchen Weise beaufschlagt, daß vorhandene Abweichungen beseitigt werden.

Claims (5)

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 15 090/4 Stuttgart 25. Januar 1S EPT da-re Ansprüche
1. Einrichtung zur automatischen Betätigung einer Kupplung von Fahrzeugen während des Anfahrens mit einem die Kupplung ein- und ausrückenden Stellmotor, mit die Drehzahlen vor und hinter der Kupplung und die Gangstufen eines Schaltgetriebes erfassenden Meßfühlern, deren Meßwerte einer Regelvorrichtung zugeleitet werden, die aus den Meßwerten ein Ausgangssignal bildet, mit dem der Stellmotor beaufschlagt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß an dem von der Kupplung (4) bis zu den Antriebsrädern (6) führenden Antriebsstrang (7) zur Erfassung der ein- und ausgangsseitigen Drehzahlen und des vom Antriebsstrang /7) zu übertragenden Drehmomentes (M,) Meßfühler angeordnet sind, deren Meßwerte der Regelvorrichtung (14) ebenfalls zugeleitet werden, deren Ausgangssignal den Stellmotor (13) derart beeinflußt, daß an der Kupplung (4) stets ein solches Kupplungsmoment (M2) wirkt, durch das das Torsionsmoment (Mj) und die Motordrehzahl (CJ-j) einem konstanten Wert zustrebe
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtung (14) eine Recheneinheit (18), einen Kupplungsregler (19), einen Lageregler (20) und einen Festwertspeicher (17) enthält, in dem für jede Gangstufe des Schaltgetriebes (11) ermittelte Kennwerte (K1 ,.; c ,-i„oc)
ι / *r ges
- 2 - Daim 15 090/4
gespeichert sind.
3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Festwertspeicher (17) über Signalleitungen (31 und 32) mit der Eingangsseite einer Rechen einheit (18) gekoppelt ist, der über Signalleitungen (26, 27, 29) mit den am Antriebsstrang (7) angeordneten Meßfühlern (24, 25, 28) Meßwerte betreffend die Drehgeschwindigkeit ώ% der Kupplungsscheibe (5), das Torsionsmoment (M3) der Antriebswelle (8) und der gemittelten Drehgeschwindigkeit (J 3 der Antriebsräder (6) zugeleitet werden, wobei die Recheneinheit (18) diese Kenn- und Meßwerte in zwei Signale Δ$ und AlP verarbeitet, die dem Kupplungsregler (19) eingegeben werden.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupplungsregler (19) aus den Eingangssignalen (K*,,;A*f , Δ U) )einen, der folgenden Beziehung entsprechenden Ausgangswert (χ ) bildet:
Xs * Κι Co5-U*)+ Kz(O5-ώή)+ K3-AT+ K^-Δω
χ .... Sollwert des Ausrückweges der Kupplung
K-/*.... Koeffizienten
... Sollwert Motorwinkelgeschwindigkeit
... Winkelgeschwindigkeit Motorausgangswelle
... Zeitableitung von (J^
h .... Zeitableitung von W5
.... Verdrehwinkel der gedachten Torsionswelle des reduzierten
λ tf Fahrzeugmodells
Differenz der Winkelgeschwindigkeiten zwischen Kupplungs- · ■ · scheibe und Ersatzschwungrad
- 3 - Daim 15 090/4
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Kupplung (4) durch einen Meßfühler erfaßte Ausrückweg χ mittels des Laeereglers und des Stellmotors (13) dem Ausgangswert χ des Kupplungsreglers (19) nachgeführt wird.
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