DE10135899A1 - Steuerung eines automatisierten Anfahrelements - Google Patents

Steuerung eines automatisierten Anfahrelements

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Abstract

Das Verfahren zur Steuerung eines automatisierten Anfahrelements, beispielsweise einer Anfahrkupplung oder einer Anfahrbremse in Abhängigkeit der thermischen Belastung der Anfahrkupplung, das die Steuerparameter in Abhängigkeit eines ermittelten Fahrzustands, eines Fahrwiderstands und/oder einer aktuellen Kupplungstemperatur regelt, weist ein Steuermodul (1) auf, das unterhalb einer kritischen Steuerparametergrenze, ab der eine erhöhte thermische Belastung oder ein erhöhter Verschleiß auftritt, die Reibbarkeit des Anfahrelements reduziert. Die Reduzierung erfolgt durch eine Verringerung der Rutschzeit durch Regelung des Schlupfes in dem Anfahrelement und/oder durch Beeinflussung wenigstens einer der Parameter (mu, P-/I-/D-anteile, M_Steuer, p_Gradient oder n_Soll), wobei die Anzahl der zur Reduzierung der Reibarbeit gleichzeitig eingesetzten Schritte mit der Kupplungstemperatur ansteigt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines automatisierten Anfahrelements eines Kraftfahrzeugs, in Abhängigkeit der thermischen Belastung des Anfahrelements. Der Einfachheit halber wird nachfolgend davon ausgegangen, dass als Anfahrelement überwiegend Anfahrkupplungen verwendet werden; wobei jedoch anstelle einer Anfahrkupplung auch eine Anfahrbremse verwendet werden kann.
  • In bestimmten Fahrsituationen kann es zu einem erhöhten Fahrwiderstand kommen, beispielsweise beim Anfahren an einer Steigung mit Anhänger, bei wiederholtem Anfahren mit nur kurzen Pausen oder beim Anschleppen eines anderen Fahrzeuges im Offrad-Einsatz. Automatisierte Anfahrkupplungen können bei sehr hohem Fahrwiderstand, aber auch bei Kriechfahrt mit Schrittgeschwindigkeit und bewusster Fehlbedienung, wie z. B. durch "Stallspeed", durch einen Schlupf zwischen Bauteilen und einer Erwärmung aufgrund eines gesteigerten Energieeintrags thermisch überlastet werden und schneller verschleißen. Die Folge ist die Beschädigung von Kupplungsteilen wie den Belag- und Stahllamellen sowie die thermische Zersetzung des Getriebeöls.
  • Daher sollte verhindert werden, dass die thermischen Belastungsgrenzen der Kupplung bzw. des Öls überschritten werden. Es sind bereits verschiedene Verfahren bekannt, die den Fahrer auf eine erhöhte Kupplungsbelastung aufmerksam machen. Hierfür werden z. B. optische oder akustische Signale sowie Kupplungspulse eingesetzt, die beim Überschreiten eines Grenzwertes abgegeben werden, der durch einen kritischen Fahrzustand ab dem ein erhöhter Verschleiß zu befürchten ist definiert ist. Für die Festsetzung eines solchen Grenzwertes kommen verschiedene Betriebsparameter in Betracht, beispielsweise die Reibleistung, die Motordrehzahl, die Temperaturerhöhung oder der Schlupfwert.
  • Auf der Grundlage solcher Grenzwerte ist es auch möglich die Kupplungsbelastung durch die Beeinflussung der Kupplungsansteuerung oder der Motorsteuerung zu reduzieren und damit die Gefahr einer thermischen Überlastung vermindern. Dies kann z. B. durch eine rampenförmige Kupplungsmomenterhöhung oder beim Motor durch eine Einspritzungsausblendung geschehen.
  • Aus der DE 198 15 259 A1 ist eine Vorrichtung zur Steuerung einer automatisierten Kupplung im Abtriebsstrang bekannt, die den Kupplungsschlupf im Bereich der Kupplungsreibbeläge bestimmt und mit einer Betätigungseinheit das von der Kupplung übertragene Drehmoment einstellt. Mit Hilfe des Kupplungsschlupfes und des übertragenen Drehmoments wird der Energieeintrag in dem Bereich der Kupplungsreibbeläge, eine Temperaturerhöhung der Reibbeläge gegenüber einem Grenzwert oder ein erhöhter Verschleiß der Beläge bestimmt. In Abhängigkeit eines erhöhten Energieeintrags, einer Temperaturerhöhung oder einem erhöhten Verschleiß gegenüber einem Grenzwert steuert die Steuereinheit in einer ersten Zeitphase das übertragene Kupplungsmoment unbeeinflusst von dem Energieeintrag an. In einer zweiten Zeitphase wird das von der Kupplung übertragene Drehmoment zeitveränderlich gesteuert und in einer dritten Zeitphase wird das übertragenen Drehmoment solange erhöht bis die Motordrehzahl einen Schwellenwert unterschreitet oder bis eine bestimmte Zeitdauer abgelaufen ist. Dabei wird in der zweiten Zeitphase ein sanftes Warnen des Fahrers durch ein Ruckeln und in der dritten Zeitphase ein deutlich spürbares Ruckeln durchgeführt.
  • In der DE 196 02 006 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Kupplung angegeben, wobei ein Stellglied die Einstellung des von der Kupplung übertragenen Drehmoments steuert. Wird die Zeitdauer eines Betriebszustandes mit erhöhtem Verschleiß oder erhöhter thermischer Belastung überschritten wird dies dem Fahrer durch ein dynamisches Verhalten des Antriebsstranges angezeigt. Gleichzeitig bleibt das Fahrzeug bei diesem dynamischen Verhalten in jeder Situation bewegbar. Ein solches dynamisches Verhalten entsteht z. B., indem das übertragbare Drehmoment zeitlich veränderlich angesteuert wird und zwar derart, dass periodische, aperiodische oder statistische Schwankungen des übertragenen Drehmoments resultieren. Zur Steuerung wird der Reibeintrag in die Reibflächen der Kupplung als Funktion der Zeit und die Temperatur der Kupplung als Funktion der Zeit ermittelt. Hierfür können Systemgrößen, wie Betriebszustand, Gangposition, Drehmoment, Schlupf, Motordrehzahl, Getriebeeingangsdrehzahl, Ansaugdruck, Tachosignal, Kupplungsstellsignal, Getriebeausgangsdrehzahl, übertragenes Kupplungsmoment, Motormoment, Temperatursensorsignal, Neigungssensorsignal und Gangposition verwendet werden.
  • Die meisten der zur Steuerung von Kupplungen verwendeten Systemgrößen werden durch einfache Messvorrichtungen, wie z. B. Sensoren und Detektoren, ermittelt oder durch die Einstellung der entsprechenden Betätigungseinrichtung bestimmt.
  • Die Temperaturmessung an der Kupplung ist jedoch kompliziert. Eine Temperaturmessung über das abströmende Kühlmittel ist insbesondere bei Kupplungen aufwendig, bei denen beide Hälften drehbar sind. Auch ist es schwierig, einen Temperaturfühler nahe genug an den drehenden Teilen unterzubringen.
  • Aus der DE 196 41 074 A1 ist ein Verfahren zur Temperaturbestimmung einer Anfahrkupplung bekannt, bei dem ausgehend von der Umgebungstemperatur der Anfahrkupplung ihre aktuelle Temperatur durch Integration der Temperaturänderung berechnet wird. Die differentielle Temperatur ist dabei proportional zur Differenz aus der Reibleistung der Kupplung und der Wärmeabfuhr, die aus dem abgeführten Kühlmittelfluss ermittelt wird.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines automatisierten Anfahrelements zu schaffen, das bereits unterhalb einer kritischen Grenze die thermische Belastung und den Verschleiß des Anfahrelements minimiert, die Reibarbeit der Beläge reduziert und die Rutschzeit zuverlässig verringert ohne, dass der Fahrer dies registriert und bei dem die Steuerung auf der Grundlage exakter Systemparameter erfolgt.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
  • Demnach wird ein Verfahren zur Steuerung eines automatisierten Anfahrelements in Abhängigkeit der thermischen Belastung des Anfahrelements mit einem Steuermodul vorgeschlagen, bei dem das Steuermodul die Steuerparameter in Abhängigkeit eines ermittelten Fahrzustands, eines Fahrwiderstands und/oder einer aktuellen Kupplungstemperatur regelt. Das Steuermodul reduziert unterhalb einer kritischen Steuerparametergrenze, ab der eine erhöhte thermische Belastung oder ein erhöhter Verschleiß auftritt, die Reibarbeit der Anfahrkupplung durch eine Verringerung der Rutschzeit. Hierfür wird wenigstens einer der Schritte: Regelung des Schlupfes in dem Anfahrelement und/oder Beeinflussung einer der Parameter Reibwert µ, P-/I-/D-Anteile des Motordrehzahlreglers, gesteuerter motorabhängiger Momentenanteil (M_Steuer), gesteuerter motorunabhängiger Druckanteil (p_Gradient) oder Solldrehzahl (n_Soll) eingesetzt, wobei die Anzahl der zur Reduzierung der Reibarbeit gleichzeitig eingesetzten Schritte mit der Kupplungstemperatur ansteigt.
  • Ferner wird eine Vorrichtung angegeben, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist und die eine Motorsteuereinheit mit Sollwertvorgabe zur Abgabe einer Solldrehzahl und eines gesteuerten motorabhängigen Momentenanteils, einen Motordrehzahlregler zur Abgabe eines Regelmoments in Abhängigkeit einer Ist- und einer Solldrehzahl des Motors sowie eines Proportional-, eines Integral- oder Differentialanteils und eine Druckberechnungseinheit zur Berechnung des Kupplungsregeldrucks aufweist.
  • Automatisierte Anfahrkupplung und deren Regelung über verschiedene mit herkömmlichen Mitteln bestimmte Systemgrößen sind dem Fachmann wohl bekannt, so dass hier nur auf die Besonderheiten der vorliegenden Erfindung eingegangen wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahrens kann die thermische Belastung durch entsprechende Beeinflussung der Steuerungsparameter schon unterhalb einer kritischen Grenze reduziert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Fahrer dabei während des Anfahrvorgangs nicht über die thermische Belastung des Anfahrelements informiert, so dass er den Steuervorgang nicht registriert. Bei dem Verfahren können verschiedene Steuerungsparameter in Abhängigkeit des ermittelten Fahrzustandes oder Fahrwiderstandes und der aktuellen Kupplungstemperatur verändert werden. Der Fahrwiderstand wird durch ein von der Anmelderin entwickeltes ASIS-Verfahren angegeben. Bei trockenen Anfahrelementen (Bremse/Kupplung) wird die Kupplungstemperatur über ein Temperaturmodell errechnet. Bei ölgekühlten Anfahrelementen wird die Kupplungstemperatur durch die Kühlöltemperatur des abspritzenden Kupplungskühlöls bestimmt, wie es in der DE 196 41 074 A1 beschrieben ist. Durch Beeinflussung der Steuerungsparameter wird die Reibarbeit der Kupplung während des Anfahrvorgangs reduziert.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist zur Reduzierung der Reibarbeit der Anfahrkupplung und die Verringerung der Rutschzeit mehrere Schritte auf, die einzeln oder kombiniert angewendet werden können. Hierfür ist der thermische Zustand der Anfahrkupplung maßgebend. Je höher die Belastung bzw. die Temperatur des abspritzenden Öls ist, desto umfangreicher werden die Maßnahmen hinsichtlich Verkürzung der Rutschzeit, d. h. umso mehr der einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden gleichzeitig ausgeführt.
  • Grundsätzlich werden bei dem Verfahren unterschiedliche Regelungsansätze verfolgt. Bei einer Regelung des Kupplungsmoments wird der Reibwert des Kupplungsbelags berücksichtig. Die Anfahrregelung wird beeinflußt von einem Proportional-/Integral- oder Differentialanteil der Motordrehzahl, einen motorabhängigen Drehzahlanteil, eine Solldrehzahl und einen motormomentabhängigen Druckanteil. Eine Schlupfregelung steuert den Sollschlupf nach Ende des Anfahrvorgangs.
  • Zur Regelung des Kupplungsmoments bei der Berechnung des Kupplungsdrucks wird ein mit längeren Rutschzeiten abfallender Reibwert berücksichtigt. Dabei wird für die Berechnung des Kupplungsdrucks aus dem vorgegebenen Kupplungsmoment neben geometrisch bedingten Faktoren der Reibwert des Kupplungsbelags benötigt:

    PKupplung = TKupplung.Konstante/Reibwert
  • Dieser Reibwert wird bisher während der Rutschphase als konstant betrachtet. Tatsächlich ist jedoch bei längeren Rutschzeiten ein Reibwertabfall realistisch. Dieser Reibwertabfall wird bei Berechnung des Kupplungsdrucks berücksichtigt, um die Rutschzeit der Kupplung zu reduzieren.
  • Zur Minimierung der Rutschzeit können bei der Anfahrregelung verschiedene Maßnahmen durchgeführt werden.
  • Zunächst wird ein Proportionalanteil oder im Falle eines PID-Reglers ein Integral- oder ein Differentialanteil der Motordrehzahl bzw. Kupplungsdifferenzdrehzahl bei einem steigenden Fahrwiderstand und/oder bei einer steigenden Kupplungstemperatur vergrößert. Dies geschieht in gewissen Stabilitätsgrenzen in Abhängigkeit des Fahrwiderstands und der Kupplungstemperatur bzw. der Kühlöltemperatur. Bei hohen Fahrwiderständen und Kupplungs- bzw. Kühlöltemperaturen steigt der Kupplungsregeldruck an und damit wird die Regelabweichung bzw. die Motordrehzahl bzw. Kupplungsdifferenzdrehzahl kleiner bzw. der Sollwert wird schneller erreicht.
  • Ferner kann bei der Anfahrregelung ein gesteuerter motorabhängiger Momentenanteil bei einem steigenden Fahrwiderstand und/oder bei einer steigenden Kupplungstemperatur vergrößert werden. Diese Steigerung erfolgt ebenfalls in Abhängigkeit des Fahrwiderstandes und der Kupplungstemperatur bzw. der Kühlöltemperatur, da bei hohen Fahrwiderständen und Kupplungs- bzw. Kühlöltemperaturen der gesteuerte Anteil ansteigt und damit die Regelabweichung bzw. Motordrehzahl bzw. Kupplungsdifferenzdrehzahl kleiner wird.
  • Außerdem kann bei der Anfahrregelung eine Solldrehzahl bei einem steigenden Fahrwiderstand und/oder bei einer steigenden Kupplungstemperatur während des Anfahrvorgangs verringert werden. Bei hohen Fahrwiderständen und Kupplungs- bzw. Kühlöltemperaturen wird die Solldrehzahl vor oder während des Anfahrvorgangs reduziert und damit wird die Kupplungsbelastung geringer.
  • Letztlich kann bei der Anfahrregelung ein gesteuerter motorunabhängiger Druckanteil nach Ablauf einer vorgegebenen Rutschzeit in Abhängigkeit des Fahrwiderstand und/oder der Kupplungstemperatur auf einen Regeldruck addiert werden. Der zusätzliche motorunabhängige Anteil hat die Form eines konstanten Offsetdrucks oder eines Druckgradienten (Druckrampe). Dabei kann die definierte Rutschzeit auch vom Fahrwiderstand und/oder der Kupplungstemperatur bzw. der Kühlöltemperatur abhängig sein. Der zusätzliche motorunabhängige Anteil hat ein früheres Schließen der Kupplung zur Folge.
  • In dem letzten möglichen Regelungsschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die thermische Belastung der Anfahrkupplung bei hohen Fahrwiderständen und/oder hohen Kühlöltemperaturen weiterhin reduziert werden, wenn nach dem Anfahrvorgang, wenn die Anfahrkupplung im wesentlichen geschlossen ist, die Schlupfregelung, die hauptsächlich zur Schwingungsisolierung durchgeführt wird, eingeschränkt wird. Dies kann entweder durch eine Reduzierung des Sollschlupfes oder eine vollständige temporäre Unterbrechung der Schlupfregelung durchgeführt werden, solange bis sich die Kupplung abgekühlt hat bzw. die Kühlöltemperatur gesunken ist.
  • Eine Unterscheidung, ob es sich um einen Anfahrvorgang oder um eine bewusste Fehlbedienung (Stallspeed) handelt, kann durch Berücksichtigung der Abtriebsdrehzahl erfolgen. Anfahrvorgang: nab > 0 min-1.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt ist.
  • Die Figur zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Steuerung eines automatisierten Anfahrelements beispielsweise einer Anfahrkupplung in Abhängigkeit der thermischen Belastung der Anfahrkupplung, mit der das oben beschriebene Verfahren ausgeführt werden kann. Die Vorrichtung weist ein Steuermodul 1 auf, das eine Motorsteuereinheit und Sollwertvorgabe 2 zur Abgabe einer Solldrehzahl n_Soll und eines gesteuerten motorabhängigen Momentenanteils M_Steuer, einen Motordrehzahl- bzw. Differenzdrehzahlregler 3 zur Abgabe eines Proportional- und/oder eines Integral- und/oder eines Differentialanteils PID der Motor- bzw. der Kupplungsdifferenzdrehzahl in Abhängigkeit einer Ist- und einer Solldrehzahl des Motors und eine Kupplungsdruck-Berechnungseinheit 4 zur Berechnung des Kupplungsregeldrucks p_Regel umfasst.
  • Entsprechend einer vom Fahrer gewählten Fahrpedaleinstellung wird eine bestimmte Motordrehzahl n_Soll angefordert, welche an die Steuereinheit 2 und an ein Fahrzeug 5 abgegeben wird. Vom Fahrzeug 5 wird eine Istdrehzahl n_Ist und von der Steuereinheit 2 eine Solldrehzahl n_Soll an den Motordrehzahl- bzw. Kupplungsdifferenzdrehzahl 3 abgegeben. Die Solldrehzahl n_Soll kann erfindungsgemäß in Abhängigkeit des Fahrwiderstands und der Kupplungstemperatur verringert werden. Der Drehzahlregler 3 regelt eine Drehzahl ein, die bei steigendem Fahrwiderstand und/oder steigender Kupplungstemperatur durch einen steigenden P- und/oder I- und/oder D-Anteil verringert wird. Zu der Reglerstellgröße M_Regel wird ein von der Steuereinheit 2 motormomentabhängiger Anteil M_Steuer addiert.
  • Die Stellgröße wird in die Druckberechnungseinheit 4 eingegeben, in der der Kupplungsregeldruck unter Berücksichtigung eines abfallenden Reibwerts µ berechnet wird. Zu dem Kupplungsregeldruck wird ein motorunabhängiger Druckanteil p_Gradient nach Ablauf einer vorgegebenen Rutschzeit in form eines Druckgradienten addiert, woraus sich der am Fahrzeug 5 anliegende Kupplungsdruck p_Kupplung ergibt. Bezugszeichen 1 Steuermodul
    2 Motorsteuereinheit und Sollwertvorgabe
    3 Motordrehzahlregler
    4 Kupplungsdruck-Berechnungseinheit
    5 Fahrzeug

Claims (9)

1. Verfahren zur Steuerung eines automatisierten Anfahrelements, insbesondere einer Anfahrkupplung oder einer Anfahrbremse eines Kraftfahrzeugs, in Abhängigkeit der thermischen Belastung des Anfahrelements mit einem Steuermodul (1), das die Steuerparameter in Abhängigkeit eines ermittelten Fahrzustands, eines Fahrwiderstands und/oder einer aktuellen Kupplungstemperatur regelt, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Steuermodul (1) unterhalb einer kritischen Steuerparametergrenze, ab der eine erhöhte thermische Belastung oder ein erhöhter Verschleiß auftritt, die Reibarbeit des Anfahrelements reduziert wird, indem man die Rutschzeit verringert durch Regelung des Schlupfes in dem Anfahrelement und/oder durch Beeinflussung wenigstens einer der Parameter: Reibwert (µ), (P-/I-/D-)Anteile, (M_Steuer), (p_Gradient) oder (n_Soll), wobei die Anzahl der zur Reduzierung der Reibarbeit gleichzeitig eingesetzten Schritte mit der Kupplungstemperatur ansteigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Fahrer keine Benachrichtigung über die thermische Belastung des Anfahrelements abgegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung des Kupplungsdrucks (p_Kupplung) ein mit längeren Rutschzeiten abfallender Reibwert berücksichtigt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Proportionalanteil (P) und/oder der Integralanteil (I) und/oder der Differentialanteil (D) des Motordrehzahlregler (3) bzw. des Differenzdrehzahlreglers bei einem steigenden Fahrwiderstand und/oder bei einer steigenden Kupplungstemperatur vergrößert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gesteuerte motorabhängige Momentenanteil (M_Steuer) bei einem steigenden Fahrwiderstand und/oder bei einer steigenden Kupplungstemperatur vergrößert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solldrehzahl (n_Soll) bei einem steigenden Fahrwiderstand und/oder bei einer steigenden Kupplungstemperatur während des Anfahrvorgangs verringert wird.
7. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gesteuerter motorunabhängiger Druckanteil (p_Gradient) nach Ablauf einer vorhergegebenen Rutschzeit in Abhängigkeit des Fahrwiderstand und/oder der Kupplungstemperatur auf einen Regeldruck (p_Regel) addiert wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regelung des Schlupfes in dem Anfahrelement bei nach dem Anfahrvorgang im wesentlichen geschlossener Kupplung ein Sollschlupf vermindert bzw. verhindert wird, indem der Sollschlupf gleich Null vorgegeben ist.
9. Vorrichtung zur Steuerung eines automatisierten Anfahrelements, insbesondere einer Anfahrkupplung bzw. einer Anfahrbremse eines Kraftfahrzeugs, in Abhängigkeit der thermischen Belastung des Anfahrelements gemäß Anspruch 1 mit einem Steuermodul (1), das aufweist:
eine Motorsteuereinheit mit Sollwertvorgabe (2) zur Abgabe einer Solldrehzahl (n_Soll) und eines gesteuerten motorabhängigen Momentenanteils (M_Steuer),
einen Motordrehzahlregler (3) zur Ausgabe eines Regelmoments (M_Regel) in Abhängigkeit einer Ist- und einer Solldrehzahl (n_Ist, n_Soll) des Motors sowie eines Proportional-, Integral- oder Differentialanteils und
eine Druckberechnungseinheit (4) zur Berechnung des Kupplungsregeldrucks (p_Regel).
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