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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abschätzung einer
an einer Anfahrkupplung eines Kraftfahrzeugs dissipierten Energiemenge
mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die
DE 103 12 088 A1 beschreibt
ein Verfahren zum Schutz einer automatisierten, zwischen einer Antriebsmaschine
und einem automatisierten Getriebe angeordneten Anfahrkupplung in
Form einer Reibungskupplung eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs
gegen Überhitzung. Dazu schätzt eine Steuerungseinrichtung
des Antriebsstrangs eine im Schlupfbetrieb der Anfahrkupplung dissipierte Wärmemenge
ab. Die Abschätzung basiert auf dem Schlupf an der Anfahrkupplung
und dem abgegebenen Drehmoment der Antriebsmaschine. Der Schlupf an
der Anfahrkupplung wird ausgehend von der Drehzahl vor der Anfahrkupplung,
also der Drehzahl der Antriebsmaschine, und einer Drehzahl hinter dem
Getriebe in Form der Drehzahl der Fahrzeugräder bestimmt.
Für diese Bestimmung des Schlupfs an der Anfahrkupplung
ist die Kenntnis des im Getriebe eingelegten Gangs notwendig. Nur
so kann die zur Schlupfberechnung notwendige Drehzahl nach der Anfahrkupplung,
also am Eingang des Getriebes berechnet werden. Beim Einsatz eines
automatisierten Schaltgetriebes stellt dies kein Problem dar, da
in diesem Fall die Übersetzung des Getriebes immer bekannt
ist. Beim Einsatz von handgeschalteten Getrieben ist dies nicht
der Fall. Derartige Getriebe weisen üblicherweise keinen
Gangstellungssensor auf, mittels welchem der eingelegte Gang und
damit die Übersetzung des Getriebes ermittelt werden kann.
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Demgegenüber
ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Abschätzung
einer an einer Anfahrkupplung eines Kraftfahrzeugs dissipierten Energiemenge
vorzuschlagen, welches einfach und kostengünstig umsetzbar
ist und insbesondere ohne zusätzliche Sensoren auskommt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß erfolgt
eine erste Abschätzung der Energiemenge für mehrere Übersetzungen des
Getriebes. Dabei werden für jede Übersetzung einzeln
die Energiemenge abgeschätzt und zwischengespeichert. Mit
Hilfe der Übersetzungen kann aus der Drehzahl hinter dem
Getriebe, beispielsweise einem Mittelwert der Drehzahlen der Fahrzeugräder,
jeweils eine der jeweiligen Übersetzung zugehörige
Drehzahl am Ausgang der fußkraftbetätigten Anfahrkupplung
bestimmt werden. In dem beschriebenen Fall muss dazu zusätzlich
die Übersetzung eines Differentialgetriebes, beispielsweise
eines Achsgetriebes, berücksichtigt werden. Damit kann
aus der Drehzahl vor der Anfahrkupplung in Form der Drehzahl der
Antriebsmaschine und den verschiedenen Drehzahlen am Ausgang der
Anfahrkupplung jeweils ein Schlupf an der Anfahrkupplung bestimmt
werden.
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Die
den Übersetzungen zugehörigen Energiemengen ergeben
sich dann aus einem Intergral eines Produkts aus einem Drehmoment
am Eingang der Anfahrkupplung in Form des abgegebenen Drehmoments
der Antriebsmaschine und den verschiedenen Schlupfwerten an der
Anfahrkupplung über der Zeit.
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Parallel
zur Berechnung der Energiemengen erfolgt eine Erkennung der tatsächlichen Übersetzung
bzw. des tatsächlich eingelegten Gangs des Getriebes. Dazu
wird insbesondere ein Quotient aus einer Drehzahl vor der Anfahrkupplung
und einer Drehzahl nach dem Getriebe gebildet, wobei insbesondere
dieselben Drehzahlen wie zur Abschätzung des Schlupfs an
der Anfahrkupplung verwendet werden. Ein Gang kann dann beispielsweise
als eingelegt erkannt werden, wenn der Quotient eine einstellbare
Zeitspanne ununterbrochen innerhalb eines Erkennbereichs um die
zugehörige Übersetzung liegt. Ein Gangstellungssensor
im Getriebe zur Ermittlung des eingelegten Vorwärtsgangs
und damit der aktuellen Übersetzung des Getriebes ist nicht
vorhanden bzw. notwendig.
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Die
Breite des genannten Erkennbereichs kann für die einzelnen
Getriebeübersetzungen gleich oder unterschiedlich sein.
Die Breite kann alternativ oder zusätzlich von der Drehzahl
am Eingang der Anfahrkupplung, also von der Drehzahl der Antriebsmaschine
und/oder von der Drehzahl hinter dem Getriebe, also von der Geschwindigkeit
des Kraftfahrzeugs abhängig sein. Außerdem kann
die Breite des Erkennbereichs vom abgegebenen Drehmoment der Antriebsmaschine
abhängig sein.
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Der
Antriebsstrang kann beispielsweise einen Kupplungssensor aufweisen,
mittels welchem ein Betätigungsgrad der Anfahrkupplung
erfassbar ist. Der Antriebsstrang weist insbesondere einen Kupplungsschalter
auf, mittels welchem erkannt werden kann, ob der Betätigungsgrad
der Kupplung größer als ein bestimmter Auslösegrad
ist, die Anfahrkupplung also mehr als ein bestimmtes Maß geöffnet ist.
Wenn der vollständig geöffneten Anfahrkupplung ein
Betätigungsgrad von 100% zugeordnet ist, kann der Auslösegrad
beispielsweise zwischen 15 und 30% liegen. Der Auslösegrad
ist insbesondere so ausgelegt, dass bei einer normalen Betätigung
des Kraftfahrzeugs eine Schaltung ohne Überschreiten des
Betätigungsgrads nicht möglich ist. Ein derartiger Kupplungsschalter
ist bei modernen Fahrzeugen mit fußkraftbetätigter
Anfahrkupplung und handgeschaltetem Getriebe häufig vorhanden.
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Das
Ausgangssignal eines Kupplungssensors oder eines Kupplungsschalters
kann zur Erkennung des eingelegten Gangs im Getriebe herangezogen
werden. Wird beispielsweise ein Gang als eingelegt erkannt und wird
mittels der Ausgangssignale des Kupplungssensors bzw. -schalters
keine Betätigung der Anfahrkupplung erkannt, so ändert
sich der erkannte Gang nicht, auch wenn der genannte Quotient außerhalb
des Erkennbereichs liegt. In diesem Fall wird geschlossen, dass
Schlupf an der Anfahrkupplung vorliegt. Eine Änderung wird
erst nach einer erkannten Betätigung der Anfahrkupplung
durchgeführt.
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Alternativ
dazu kann die Erkennung des eingelegten Gangs auch mit anderen,
dem Fachmann als sinnvoll erachteten Methoden erfolgen.
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Nach
der Erkennung der tatsächlichen Übersetzung wird
die dieser Übersetzung zugehörige Energiemenge
der ersten Abschätzung ausgewählt und für
weitere Berechnungen verwendet.
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Damit
kann eine an der Anfahrkupplung dissipierte Energiemenge auch ohne
den Einsatz zusätzlicher Sensoren sehr genau abgeschätzt
werden. Ausgehend von dieser Abschätzung der Energiemenge
ist es möglich, eine Temperatur der Anfahrkupplung abzuschätzen.
Bei einer Berücksichtigung von Aufheiz- und Abkühlkuren
der Anfahrkupplung, welche beispielsweise den Aufbau der Kupplung,
die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, die Außentemperatur
und/oder die dissipierte Energiemenge berücksichtigen,
kann die momentane Temperatur der Anfahrkupplung sehr genau abgeschätzt
werden. Die Abschätzung der Temperatur läuft insbesondere auch
nach einem Abstellen des Kraftfahrzeugs weiter. Damit kann sichergestellt
werden, dass bei einem anschließenden Neustart die Abschätzung
auf einem sinnvollen Startwert aufsetzen kann.
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Für
die Abschätzung der Wärmemenge ist keine Zwischenspeicherung
von Betriebsgrößen des Antriebsstrangs notwendig.
Dies ist vorteilhaft, da in Steuerungseinrichtungen von Kraftfahrzeugen
Speicher immer noch knapp ist.
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Abhängig
von der abgeschätzten Temperatur der Anfahrkupplung können
Schutzfunktionen für die Anfahrkupplung, beispielsweise
eine Begrenzung des Drehmoments der Antriebsmaschine, oder eine Information
des Fahrzeugführers eingeleitet werden.
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Die
abgeschätzte Energiemenge kann auch aufsummiert und damit
ein Verschleiß der Anfahrkupplung abgeschätzt
werden. Bei Erreichen einer Verschleißgrenze kann der Fahrzeugführer
informiert und zu einem Werkstattbesuch aufgefordert werden. Die
aufsummierte Wärmemenge kann insbesondere auch in einem
Fehlerspeicher einer Steuerungseinrichtung des Antriebsstrangs abgelegt
werden, in dem sie dauerhaft gespeichert wird. Daraus kann eine
Aussage über den Verschleißzustand der Anfahrkupplung
abgeleitet werden. Der Fehlerspeicher kann in einer Werkstatt mittels
eines Auswertegeräts ausgelesen und gelöscht werden.
Aus der abschätzten Energiemenge können auch weitere
dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Größen,
wie beispielsweise eine Reibleistung abgeleitet, weiterverarbeitet
und auch abgespeichert werden.
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Die
beschriebenen Verfahrensschritte werden insbesondere von der Steuerungseinrichtung
der Antriebsmaschine ausgeführt. Es ist aber auch möglich,
dass sie von einer anderen, vorhandenen Steuerungseinrichtung des
Antriebsstrangs oder von einer zusätzlichen Steuerungseinrichtung
ausgeführt werden.
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In
Ausgestaltung der Erfindung wird die erste Abschätzung
nur für einen Teil der Übersetzungen des Getriebes
durchgeführt. Insbesondere nur für solche Übersetzungen
des Getriebes, welche bei der aktuellen Drehzahl nach dem Getriebe
als tatsächliche Übersetzung möglich
sind. Ausgehend von der Drehzahl nach dem Getriebe ergibt sich für
jede Übersetzung eine zugehörige Drehzahl der
Antriebsmaschine. Die Antriebsmaschine beispielsweise in Form einer
Brennkraftmaschine kann aber nur in einem bestimmten Drehzahlbereich,
beispielsweise zwischen 800 und 6500 U/min betrieben werden. Liegt
die für eine bestimmte Übersetzung notwendige Drehzahl
der Antriebsmaschine außerhalb dieses Drehzahlbereichs,
kann diese Übersetzung nicht der tatsächlichen Übersetzung
entsprechen. Die Übersetzungen, deren zugehörigen
Drehzahlen der Antriebsmaschine außerhalb des Drehzahlbereichs
liegen, werden bei der ersten Abschätzung der Wärmemenge
nicht berücksichtigt.
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Bei
der Auswahl der Übersetzungen für die erste Abschätzung
kann auch eine Information über ein Einlegen eines Rückwärtsgangs
berücksichtigt werden. Diese Information wird standardmäßig
erfasst, da sie auch zur Ansteuerung eines Rückfahrlichts
des Kraftfahrzeugs benötigt wird.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus der Beschreibung und der
Zeichnung hervor. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind
in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Dabei
zeigt:
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1 einen
Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs.
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Gemäß 1 verfügt
ein Antriebsstrang 10 eines Kraftfahrzeugs über
eine Antriebsmaschine 11 in Form eines Verbrennungsmotors,
welcher über eine Ausgangswelle 12 mittels einer
fußkraftbetätigten Kupplung 13 und über
eine Eingangswelle 14 eines Getriebes 15 mit dem
genannten Getriebe 15 koppelbar ist. Das gewandelte Drehmoment
und die Drehzahl der Antriebsmaschine 11 werden über
eine nicht dargestellte Ausgangswelle des Getriebe 15 mittels
einer Antriebswelle 16 an ein Achsgetriebe 17 übertragen,
welches in an sich bekannter Weise das Drehmoment über
zwei Abtriebswellen 18, 19 an Fahrzeugräder 20, 21 überträgt.
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Die
Antriebsmaschine 11 wird von einer Steuerungseinrichtung 22 angesteuert.
Die Steuerungseinrichtung 22 erhält über
eine Signalleitung 23 Informationen über eine
gemessene Stellung eines Leistungsstellorgans 24, das vom
Fahrzeugführer betätigt wird. Mittels des Leistungsstellorgans 24 kann
der Fahrzeugführer ein Wunschmoment, also einen Sollwert
für das abgegebene Drehmoment der Antriebsmaschine 11 einstellen.
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Weiterhin
erhält die Steuerungseinrichtung 22 über
eine Signalleitung 25 Informationen über den Betriebszustand
der Antriebsmaschine 11, wie zum Beispiel eine gemessene
Drehzahl der Antriebsmaschine und eine gemessene Drosselklappenstellung. Aus
den genannten Informationen bestimmt die Steuerungseinrichtung 22 ein
abgegebenes Drehmoment an der Ausgangswelle 12.
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Eine
weitere Steuerungseinrichtung 30 erfasst unter anderem über
Signalleitungen 31, 32 von Sensoren 33, 34 gemessene
Drehzahlen der Fahrzeugräder 20, 21 und
damit die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs. Die Steuerungseinrichtungen 22 und 30 sind über
eine Datenleitung 35 wie z. B. eine serielle CAN-Bus Verbindung
gekoppelt, mittels der Informationen, wie zum Beispiel die Drehzahlen
der Fahrzeugräder 20, 21 Fahrzeuggeschwindigkeit
zwischen den Steuerungseinrichtungen 22 und 30 ausgetauscht
werden.
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Auf
Grund der Gesamtzahl der Informationen bestimmt die Steuerungseinrichtung 22 Stellsignale,
zum Beispiel für Kraftstoffzufuhr, Drosselklappenstellung,
Zündzeitpunkt oder Einspritzzeit, welche über
eine Signalleitung 36 an entsprechende, nicht dargestellte
Stellglieder der Antriebsmaschine 11 gesendet werden.
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Das
Getriebe 15 ist als ein handgeschaltetes Getriebe mit Schaltstufen
von sechs Vorwärtsgängen und einem Rückwärtsgang
ausgeführt. Schaltungen, also der Wechsel der Gänge
werden vom Fahrzeugführer mit Hilfe eines Schalthebels 37 durchgeführt, welcher
eine mechanische Verbindung 38 zum Getriebe 15 aufweist.
Am Getriebe 15 ist ein Sensor 28 angeordnet, mittels
welchem lediglich erkannt werden kann, ob der Rückwärtsgang
eingelegt ist. Der Sensor 28 ist über eine Signalleitung 29 mit
der Steuerungseinrichtung 22 verbunden. Die Auswertung des
Sensors 28 kann auch von einer anderen Steuerungseinrichtung
durchgeführt werden, welche die daraus abgeleitete Information
der Steuerungseinrichtung 22 zur Verfügung stellt.
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Die
Anfahrkupplung 13 ist als eine Einplatten-Reibtrockenkupplung
ausgeführt. Die Anfahrkupplung 13 wird vom Fahrzeugführer
mittels eines Kupplungspedals 39, welches in Wirkverbindung
mit der Anfahrkupplung 13 steht, geöffnet und
geschlossen. An der Anfahrkupplung 13 ist ein Kupplungsschalter 27 angeordnet,
welcher mittels einer Signalleitung 26 mit der Steuerungseinrichtung 22 in
Signalverbindung steht. Mittels des Kupplungsschalters 27 kann
die Steuerungseinrichtung 22 erkennen, ob der Betätigungsgrad
der Anfahrkupplung 13 größer als ein
Auslösegrad von beispielsweise 20% ist, die Anfahrkupplung 13 also
mehr als ein bestimmtes Maß geöffnet ist.
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Die
Anfahrkupplung 13 dient zum Ausgleich der Drehzahlunterschiede
zwischen der Ausgangswelle 12 der Antriebsmaschine 11 und
der Eingangswelle 14 des Getriebes 15 beim Anfahren
des Kraftfahrzeugs, sowie zum Auftrennen des Antriebsstrangs 10 im
Stand und bei Schaltungen im Getriebe 15. Dabei tritt Schlupf,
also eine Drehzahldifferenz an der Anfahrkupplung 13 auf,
so dass an der Anfahrkupplung eine Energiemenge dissipiert wird,
die zu einer Erwärmung der Anfahrkupplung führt.
Die für die reibschlüssige Übertragung
des Drehmoments der Antriebsmaschine 11 notwendige Anpresskraft wird
von einer nicht dargestellten Kupplungsfeder aufgebracht. Die Kupplungsfeder
ist so ausgelegt, dass es bei vollständig geschlossener
Anfahrkupplung 13 nicht zu einem Schlupf an der Anfahrkupplung 13 kommen
dürfte. Auf Grund von erhöhter Reibung innerhalb
der Kupplung, Klemmen von Bauteilen oder Verschleiß von
Kupplungsbelägen kann es dennoch zu einem Schlupf kommen,
so dass eine vom Drehmoment der Antriebsmaschine 11 und
dem Schlupf abhängige Energie- bzw. Wärmemenge
dissipiert wird. Zu Schlupf und dissipierter Wärmemenge
kann es auch kommen, wenn der Fahrzeugführer die Anfahrkupplung 13 mit
dem Kupplungspedal 39 leicht öffnet.
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Die
Steuerungseinrichtung der Antriebsmaschine schätzt die
bei Schlupfbetrieb dissipierte Energiemenge ab. Die Abschätzung
wird in einem festen Zeittakt von beispielsweise 20 ms durchgeführt. Die
ermittelten Betriebsgrößen werden für
die Dauer zwischen zwei Abschätzungsschritten als konstant angenommen,
so dass die erste Abschätzung nach folgender Formel ermittelt
wird: E_a_k = F(n_mot – i_k·n_rad)·M_mot·Δt (1)mit
- E_a_k:
- abgeschätzte
Wärmemenge für eine Übersetzung k
- n_mot:
- Drehzahl der Antriebsmaschine
- i_k:
- Übersetzung,
welche sich aus den Übersetzungen der verschiedenen Gänge
des Getriebes (z. B. k = 1 – 6, wenn Rückwärtsgang
nicht eingelegt) und der Übersetzung des Achsgetriebes
ergibt,
- n_rad:
- Mittelwert der Drehzahlen
der angetriebenen Fahrzeugräder
- M_mot:
- abgegebenes Drehmoment
der Antriebsmaschine
- Δt:
- Zeitraster der Abarbeitung
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Die
Differenz n_mot – i_k·n_rad ist dabei der Schlupf
an der Anfahrkupplung.
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Die
Wärmemenge E_a_k wird bei nicht eingelegtem Rückwärtsgang
jeweils für alle 6 Vorwärtsgänge des
Getriebes abgeschätzt. Alternativ dazu kann auch ausgehend
von n_rad die für die verschiedenen Übersetzungen
notwendige Drehzahl der Antriebsmaschine berechnet werden. Die ersten
Abschätzung der Wärmemenge wird dann nur für
die Übersetzungen ausgeführt, deren zugehörige
Drehzahl der Antriebsmaschine innerhalb eines Drehzahlbereichs von
800–6500 U/min liegen.
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Zur
Erkennung des eingelegten Gangs bildet die Steuerungseinrichtung
des Antriebsstrangs zunächst einen Quotienten i aus der
Drehzahl n_mot der Antriebsmaschine und dem Mittelwert n_rad der Drehzahlen
der Fahrzeugräder 20, 21: i = n_mot/n_rad (2)
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Die
Steuerungseinrichtung prüft, ob der Quotient für
eine einstellbare Zeitspanne innerhalb eines Bestimmbereichs um
eine der möglichen Übersetzungen zwischen Antriebsmaschine
und Fahrzeugräder 20, 21 liegt. Wird
außerdem mit Hilfe des Kupplungsschalters 27 erkannt,
dass die Anfahrkupplung 13 nicht geöffnet ist,
so wird der Gang des Getriebes, aus welchem sich die Übersetzung,
in dessen Bestimmbereich der Quotient liegt, als der eingelegte Gang
g erkannt. Kann kein eingelegter Gang erkannt werden, so nimmt g
den Wert 0 an. Damit nimmt g bei einer Schaltung im Getriebe zumindest
kurzzeitig den Wert 0 an.
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Zur
Bestimmung des eingelegten Gangs können noch weitere Bedingungen
abgeprüft werden, wobei dies hier aber nicht weiter von
Interesse ist. Eine derartige Bestimmung des eingelegten Gangs wird
von modernen Steuerungseinrichtungen von Antriebsmaschinen standardmäßig
durchgeführt.
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Wird
ein eingelegter Gang erkannt, also die tatsächliche Übersetzung
des Getriebes festgestellt, so wird die Wärmemenge E_a_k,
die dem eingelegten Gang zugeordnet ist, als Abschätzung
der dissipierten Wärme bzw. Energiemenge ausgewählt.
Ergibt die Bestimmung des eingelegten Gangs also beispielsweise,
dass der 4. Gang (g = 4) eingelegt ist, so wird die Wärmemenge
E_a_4 als Abschätzung der dissiperten Energiemenge E verwendet.
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Die
abgeschätzten Energiemengen werden über die Laufzeit
des Antriebsstrangs aufsummiert und in einem Langzeit- oder Fehlerspeicher
abgelegt.
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Mit
der aufsummierten Energiemenge wird ein Verschleiß der
Anfahrkupplung abgeschätzt. Bei Erreichen einer Verschleißgrenze
wird der Fahrzeugführer informiert und zu einem Werkstattbesuch
aufgefordert.
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Ausgehend
von dieser Abschätzung der Energiemenge wird auch eine
Temperatur der Anfahrkupplung abgeschätzt. Dabei werden
Aufheiz- und Abkühlkuren der Anfahrkupplung beachtet, welche den
Aufbau der Kupplung, die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, die
Außentemperatur und/oder die dissipierte Energiemenge berücksichtigen,
kann die momentane Temperatur der Anfahrkupplung sehr genau abgeschätzt
werden.
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Die
Abschätzung der Temperatur läuft auch nach einem
Abstellen des Kraftfahrzeugs weiter.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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