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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer in Richtung des Reibschlusses durch eine elektromagnetische Kraft beaufschlagbaren Kupplung nach Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Verfahren zur Ansteuerung elektromagnetisch beaufschlagter Kupplungen sind bekannt.
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Elektromagnetische Kupplungen werden im Maschinen- und Anlagenbau zum Zu- und Abschalten von Antrieben verwendet.
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Aus
DE 102 03 640 A1 ist ein Regelungssystem zur Regelung der Eingriffskraft einer elektromagnetischen Kupplung bekannt, bei welchem die Flussdichte des Magnetfeldes geregelt wird.
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Hierzu ist die Messung der Flussdichte des Magnetfeldes erforderlich.
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Die Lageregelung dient allerdings nur der Einstellung des Kupplungsdrehmoments.
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Aus
EP 1 479 936 A1 ist eine Steuereinrichtung zum Ansteuern einer Kupplung bekannt, deren Ziel es ist, ein lautes Aufschlaggeräusch beim Auskuppeln der elektromagnetischen Kupplung zu vermeiden.
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Ein derartiges Verfahren kann zwar für den Vorgang des Auskuppelns einer Kupplung geeignet sein, für den umgekehrten Vorgang ist es jedoch nicht geeignet, weil bereits mit Annäherung des federbeaufschlagten Ankers, der in vorliegender Anmeldung bei einer Kupplung als Kupplungsmitnehmer dient, der Anker in eine anfängliche Kontaktstellung zwischen den an dem Stator beteiligten Reibpaarungen verlagert werden muss und ab dieser anfänglichen Kontaktstellung, ab welcher praktisch bereits Reibkräfte übertragen werden, bis hin zur Stellung, in welcher Presskontakt besteht, abgebremst werden muss, um ein Aufschlaggeräusch zu vermeiden.
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Zur Verringerung des Aufschlaggeräusches wird die Luftspaltweite festgestellt und die Magnetspule entsprechend elektrisch erregt.
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Weiterhin offenbart die
DE 43 40 531 A1 ein Verfahren, bei welchem die Geschwindigkeit des Ankers über ein Signal, welches der Ankergeschwindigkeit proportional ist, so beeinflusst wird, dass die Geschwindigkeit des Ankers mit kleiner werdenden Luftspalt abnimmt.
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Ein anderes Verfahren zur Verminderung der Aufschlaggeschwindigkeit des Ankers ist bekannt aus der
CH 684 508 A5 . Dort sind Maßnahmen vorgesehen, um trotz nachträglicher Änderungen das Aufschlaggeräusch gering zu halten.
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Weiterhin offenbart die
DE 103 60 799 A1 ein Verfahren zur Ansteuerung des Ankers über eine Trajektorie oder eine Kombination aus mehreren Trajektorien.
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Problematisch erscheint hier die fehlende Einflussmöglichkeit auf die Kupplung für den Fall des Kupplungsschlupfes, da für jede einzelne Lastanforderung auch eine eigene Trajektorie vorzugehen ist.
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Auch die Offenbarung der
EP 1 479 936 A1 führt nicht weiter, weil die dort offenbarten Drehzahlsensoren nicht ausgelegt sind, die Relativrotation zu erfassen und insbesondere in demjenigen Bereich, in welchem die Kupplung zwischen erster Kontaktstellung und vollständig eingekuppeltem Zustand betrieben wird, das zu übertragende Drehmoment zu beeinflussen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die bekannten Verfahren zur Ansteuerung von elektromagnetischen Kupplungen so zu verbessern, dass unter Vermeidung möglicher oder ungewollter Schlupfgefahren ein Aufschlaggeräusch des Ankers beim Einkuppel- bzw. Bremsvorgang zuverlässig vermeidbar ist.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.
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Aus der Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die Verlagerung des Ankers im Bereich zwischen der anfänglichen Kontaktstellung und derjenigen Stellung, in welcher letztlich der geforderte Reibschluss stattfindet, nach einem vorgegebenen Funktionsverlauf des Weges über der Zeit, im Folgenden auch Weg-Zeit-Gesetz genannt, durch entsprechende Beeinflussung des Stromverlaufs einstellbar ist.
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Dieser Vorteil wird dadurch erreicht, dass zwischen dem Stromverlauf, der für die Verlagerung des Ankers verantwortlich ist, und der jeweils gemessenen Position des Ankers zwischen der gelüfteten Stellung und der Reibschlussstellung ein funktioneller Zusammenhang zugrunde gelegt wird, so dass allein über den funktionellen Zusammenhang des Weg-Zeit-Gesetzes der Ankerbewegung eine Aufschlaggeschwindigkeit des Ankers zu NULL erreichbar ist.
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Gleichwohl tritt der erforderliche Reibschluss zwischen Anker und Abtriebswelle/Stator zuverlässig ein, weil nicht allein der Weg sondern der jeweilige Weg abhängig von der Zeit, den der Anker in Richtung zum Reibschluss zurücklegt, also dessen Geschwindigkeit, beeinflusst wird.
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Das Weg-Zeit-Gesetz der Ankerbewegung in Richtung zum Reibschluss ist in weiten Bereichen frei vorwählbar.
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Dabei geht die Erfindung davon aus, dass das Aufprallgeräusch direkt mit der Aufprallgeschwindigkeit des Ankers zusammenhängt und die zur Verlagerung des Ankers notwendige Magnetkraft unter anderem auch von der aktuellen Weite des Luftspalts, da z. B. mit zunehmend kleiner werdendem Luftspalt die den Anker in die Öffnungsposition zurückstellende Kraft der Feder wächst.
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Erfindungsgemäß erfolgt daher eine Regelung der Lagepositionierung, so dass eine geräuschlose Betätigung der Kupplung erfolgen kann.
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Die Lageregelung betrifft dabei die Positionierung der Ankerscheibe. Zu diesem Zweck wird über geeignete Lagesensoren die Luftspaltweite zwischen Ankerscheibe und Rotor bzw. Stator ständig erfasst und als Ist-Größe in den Regelkreis zurückgeführt.
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Der Zeitverlauf dieser jeweiligen Ankerscheibenpositionen muss dem vorgegebenen Weg-Zeit-Gesetz folgen, wobei – technisch gesehen – auch noch sehr geringe Aufprallgeschwindigkeiten des Ankers von der Erfindung mit umfasst werden sollen, so lange sie durch den entsprechend gesteuerten Stromverlauf verursacht werden.
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Das Weg-Zeit-Gesetz kann von einem Trajektoriengenerator abhängig von benutzerseitig vorgegebenen Randbedingungen geplant werden.
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Bei einem Trajektoriengenerator wird im vorliegenden Fall davon ausgegangen, dass die Bewegung des Ankers als Translation entlang einer Geraden erfolgt, so dass Soll-Beschleunigungen und Soll-Geschwindigkeiten berechenbar sind, um einerseits die gesamte Verlagerung des Ankers möglichst schnell und andererseits seine Auftreffgeschwindigkeit möglichst gering, vorzugsweise NULL, vorzugeben.
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Durch einen Trajektoriengenerator wird daher ein Soll-Zeit-Verlauf für die Regelgröße berechnet, so dass der für die Verlagerung des Ankers notwendige Stromverlauf dann über einen unterlagerten Regelkreis regelbar ist.
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Der Vorteil der Verwendung eines Trajektoriengenerators liegt auch darin, dass das Weg-Zeit-Gesetz bereits in elektronisch verwertbarer Form erzeugt wird und somit auf einfache Weise in den vollständigen Regelkreis eingebunden werden kann.
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Hierfür werden Ausführungsbeispiele gegeben.
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Der unterlagerte Regelkreis für den Stromverlauf dient dabei dem Zweck, aus der Soll-Vorgabe und der Ist-Messung der jeweiligen Ankerposition und aus dessen Geschwindigkeit die aktuell erforderliche Magnetkraft zu ermitteln.
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Als Regler kommen insbesondere ein PD-Regler oder ein PID-Regler in Betracht.
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Dabei wird der Soll-Strom, der nötig ist, um die gewünschte Magnetkraft zu erzeugen, zweckmäßiger Weise aus dem Funktionszusammenhang zwischen Strom, Federkraft und aktueller Luftspaltweite berechnet.
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Dieser Zusammenhang lässt sich formelmäßig darstellen durch
wobei i der jeweilige Strom, x die jeweils gemessene Luftspaltweite, F die erforderliche Magnetkraft und Lambda ein Systemparameter ist, der die Einflussgrößen der Kupplung/Bremse erfasst.
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Dieser Strom wird von dem Regler im unterlagerten Regelkreis innerhalb kürzester Zeit eingestellt.
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Dabei kann im Bereich zwischen der anfänglichen Kontaktstellung und derjenigen Stellung, in welcher Reibschluss durch Presskontakt besteht, ein Weg des Ankers von nur wenigen Mikrometern vorgegeben sein, in einem Ausführungsbeispiel etwa 150 Mikrometer.
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Die anfängliche Kontaktstellung ist daher als diejenige Stellung des Ankers anzusehen, in welcher z. B. aufgrund von Oberflächenrauhigkeiten etc. zwischen den beteiligten Reibflächen bereits ein Mitnehmereffekt erzeugt wird.
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Zwischen dieser anfänglichen Kontaktstellung und der Reibschlussstellung wird aber, wie gesagt, der Anker ebenfalls nicht sich selbst überlassen, sondern durch Steuerung des Stromverlaufs stets kontrolliert bewegt, so dass ein Aufschlaggeräusch vermeidbar ist, z. B. bis zum nicht mehr durch den Menschen wahrnehmbaren Geräusch.
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Weiterhin ist von Bedeutung, dass sich das Weg-Zeit-Gesetz zweckmäßiger Weise zumindest im Bereich zwischen der anfänglichen Kontaktstellung bis zum Presskontakt asymptotisch einer Geschwindigkeit annähert, bei welcher sehr kleine Wege des Ankers nur noch in sehr großen Zeiten zurückgelegt werden, bei denen also die Geschwindigkeit des Ankers fast NULL ist.
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Auch hierfür werden Ausführungsbeispiele angegeben.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in einer variablen Einstellung des übertragbaren Drehmoments. Hieraus ergibt sich nämlich auch eine Begrenzung des übertragbaren Drehmoments.
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Diese Begrenzung wird durch eine gezielte Beeinflussung des Stroms erreicht, der den elektromagnetischen Aktuator durchfließt.
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Infolge der sich mit dem Strom ändernden Anpresskraft des Ankers lässt sich das übertragbare Drehmoment beeinflussen.
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Über die Zusammenhänge zwischen Anpresskraft, Reibbeiwert und Stromstärke kann näherungsweise folgende Formel angesetzt werden:
wobei F die Anpresskraft angibt, Lambda mit dem Index NULL die systembedingten Parameter und Einflussgrößen der Kupplung/Bremse sowie i den Strom.
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Damit ist insbesondere die Stromstärke gemeint, welche die Magnetspule durchfließen muss.
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Von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, dass der Strom über einen Regler ausgeregelt wird, so dass der zum Übertragen einer vorbestimmten Reibkraft notwendige Strom auch in kürzester Zeit erreicht wird.
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Ferner lässt sich über die Messung der Drehzahlen von Abtrieb und Antrieb mit zugehöriger Differenzbildung auch feststellen, ob die Kupplung Schlupf hat.
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Soll sie keinen Schlupf haben, kann der Strom entsprechend nachgeregelt werden.
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Auch eine Ermittlung des Drehmomentwertes ist auf diese Art und Weise möglich.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung ermöglicht ein vom menschlichen Ohr nicht mehr wahrnehmbares geräuschloses Öffnen und Schließen der Kupplung.
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Dabei kann die zum Einrücken der Kupplung zur Verfügung gestellte Zeit insbesondere durch elektronische Maßnahmen, wie durch einen Trajektoriengenerator, in weiten Teilen vorgegeben und beeinflusst werden.
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Während des freien Weges, den der Anker bis zur Reibschlussstellung zurücklegt, kann dieser hohen Beschleunigungen und Geschwindigkeiten ausgesetzt werden, ohne dass dies auf das Aufschlaggeräusch irgendeinen Einfluss hätte, sofern der Anker stromgesteuert entsprechend früh auf eine Geschwindigkeit von NULL oder annähernd NULL abgebremst wird.
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Will man darüber hinaus sehr kurze Einschaltzeiten erreichen, kann der Anker ohne weiteres auch kurz vor der anfänglichen Kontaktstellung positioniert werden, so dass er dann lediglich noch aus dieser Stellung bis zur Reibschlussstellung verfahren werden muss.
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Die elektronische Vorgabe des Weg-Zeit-Gesetzes und die Regelung des Stroms entsprechend dieser Vorgabe ermöglichen daher entsprechend kurze Einschaltzeiten, so dass die Anfangsposition des Ankers im stromlosen Zustand an Bedeutung verliert.
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Insbesondere lassen sich daher größere Fertigungstoleranzen realisieren, ohne dass die Funktion in Frage gestellt wäre.
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Zusätzlich lässt sich das übertragbare Drehmoment der Kupplung einstellen, weil der elektromotorische Antrieb für den Anker von einem variabel regelbaren Strom durchflossen wird, der letztlich die Anpresskraft zwischen Anker und Abtrieb bzw. Stator bestimmt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
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2 ein Prinzipschaltbild des Regelkreises,
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3 den Verlauf des Ankerwegs über der Zeit.
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Sofern im Folgenden nichts anderes gesagt ist, gilt die folgende Beschreibung stets für alle Figuren.
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Die Figuren erläutern das erfindungsgemäße Verfahren sowie die hierzu bevorzugt verwendeten Vorrichtungen.
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Eine mit einer elektromagnetischen Kraft beaufschlagte Kupplung besteht prinzipiell aus einem Stator 1, der, je nach Verwendung, auch als Abtriebsseite der Kupplung bezeichnet wird.
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Um zwischen dem Antrieb 5 und der Abtriebseite die notwendige Verbindung herzustellen, dient ein in Öffnungsrichtung durch die Federn 4 beaufschlagter Anker 3.
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Ist der Anker außer Kraft mit dem Stator 1, ist die Kupplung gelüftet.
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Um den Kontakt herzustellen, dient die Spule 2 des Elektromagneten, die bedarfsweise von einem Strom i durchflossen wird, um auf diese Weise den Anker 3 mit seiner zugehörigen Reibfläche in Richtung des Stators 1 zu bewegen.
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Diese Bewegung erfolgt gegen die Kraft der Federn 4 so lange, bis der erwünschte Reibschluss zwischen den beteiligten Reibpaarungen an Anker 3 und Stator 1 hergestellt ist.
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Dann wird die Abtriebswelle 6 mit der Drehzahl des Antriebs 5 bewegt.
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Der Anker 3 überwindet bei seiner Bewegung eine vorbestimmte Wegstrecke, die in der 1 als Xe – Xa dargestellt ist.
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Je nach Geschwindigkeit, die der Anker 3 beim Auftreffen auf den Stator 1 besitzt, gibt es möglicherweise ein mehr oder weniger stark ausgeprägtes Auftreffgeräusch, welches es zu vermeiden gilt.
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Zu diesem Zweck wird der Verlauf des Stromes i, der die elektromagnetische Kraft zur Bewegung des Ankers 3 hervorruft, ausgehend von der gelüfteten Stellung X bis wenigstens zur anfänglichen Kontaktstellung nach einem Weg-Zeit-Gesetz entsprechend 3 gestellt, bei welchem die Geschwindigkeit des Ankers 3 bereits mit Annäherung zur anfänglichen Kontaktstellung abnimmt.
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Die anfängliche Kontaktstellung ist diejenige Stellung, in welcher die an dem Reibschluss beteiligten Reibpaarungen des Ankers 3 einerseits und des Stators 1 andererseits im Sinne einer drehenden Mitnahme aneinander geraten.
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Diese anfängliche Kontaktstellung ist selbstverständlich abhängig von der Bauart der Kupplung.
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Die hier gezeigte Bauart mit scheibenförmigen Reibbelägen ist daher keine Beschränkung der Erfindung.
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Wesentlich ist, dass die Geschwindigkeit des Ankers 3 bereits so früh abnehmen kann, dass letztlich die Auftreffgeschwindigkeit auf den Stator 1 praktisch NULL sein kann bzw. ist.
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Dies ist zwar nur ein theoretischer Wert, da sich der Anker 3 zwangsläufig bis zum Presskontakt an den Stator 1 heranbewegen muss, die Geschwindigkeit lässt sich jedoch so einstellen, dass das Auftreffen des Ankers 3 auf den Stator 1 nicht mehr hörbar ist.
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Wie insbesondere 3 zeigt, weist ein bevorzugtes Weg-Zeit-Gesetz einen Verlauf auf, der zwischen der gelüfteten Stellung Xa und der voll eingerückten Stellung Xe einen Wendepunkt besitzt.
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Bei einem derartigen Verlauf wird der Anker 3 zunächst einmal in Richtung zur Reibschlussstellung beschleunigt und anschließend stetig abgebremst.
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Die Verlagerung des Ankers 3 zwischen beiden Stellungen erfolgt daher innerhalb kürzester Zeit und trotzdem geht der Anker praktisch geräuschlos in seine Endposition.
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Ein derartiger Verlauf kann insbesondere über eine elektronische programmierbare Vorrichtung, z. B. einen Trajektoriengenerator, erzeugt werden, in welchem die bedienerseitig vorgebbaren Parameter eingegeben werden.
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Als Beispiel für einen derartigen Funktionsverlauf dient etwa folgende Funktion:
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Aus dieser Formel wird deutlich, dass der Weg, den der Anker zwischen der gelüfteten Stellung und der Reibschlussposition zurücklegt, praktisch zeitabhängig ist und von dem Strom, welcher die Spule 2 des Elektromagneten durchfließt, entsprechend gesteuert wird.
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Dabei muss allerdings der Strom i entsprechend ausgeregelt werden.
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Zu diesem Zweck wird in dem instabilen System, welches der Anker 3 praktisch darstellt, eine Lageerfassung über einen Positionssensor 7 durchgeführt, so dass der in 2 als PID-Regler bezeichnete Lageregler ständig eine Kraft ausgibt, welche die vorgegebene Bewegung des Ankers 3 bewirkt.
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Dabei kann der Strom i beispielsweise entsprechend der Formel
berechnet werden (als Modell in
2 bezeichnet).
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Da x eine zeitabhängige Größe entsprechend oben genannter Formel ist, folgt hieraus, dass auch der Strom i zeitabhängig einzustellen ist.
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Wie sich insbesondere aus 2 ergibt, ist ergänzend ein Regelkreis vorgesehen, bei welchem der Strom zur Erzeugung der elektromagnetischen Kraft im Bereich zwischen der anfänglichen Kontaktstellung und dem Presskontakt in Abhängigkeit von dem zu übertragenden Drehmoment einstellbar ist.
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Dies erfolgt durch den Stromregler, der unmittelbar auf die Kupplung bzw. deren Spule 2 wirkt.
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Dieser Teil der Erfindung ermöglicht es nämlich durch eine gezielte Änderung oder Begrenzung des Stroms eine variable Einstellung des übertragbaren Drehmoments der Kupplung zu erzielen.
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Ist dabei die Kupplung geschlossen, ergibt sich die vorliegende Anpresskraft aus der Formel
wobei Lambda Index NULL ein Systemparameter ist, welcher die hardwaremäßigen Einflussgrößen erfasst.
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Hierzu wird vorgeschlagen, dass dieser oder ein ähnlicher Formelzusammenhang für die Regelung des gewünschten übertragbaren Drehmoments verwendet wird.
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Gibt insoweit der Bediener ein gewünschtes Drehmoment vor, kann mit Hilfe des bekannten Reibbeiwertes für die vorliegende Reibpaarung eine geforderte Anpresskraft berechnet werden.
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Aus der Formel
ergibt sich der notwendige Strom.
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Dieser Strom wird zweckmäßiger Weise über den unmittelbar auf die Spule 2 der Kupplung wirkenden Stromregler entsprechend 2 der Spule zugeführt.
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Für die hier nicht ausführlichen Offenbarungen insbesondere zur Generierung von Trajektorien wird auf den Stand der Technik verwiesen.
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Weiterhin sind Rotationssensoren 8 vorgesehen, um erforderlichenfalls feststellen zu können, ob zwischen Anker 3 und Stator 1 Schlupf besteht und ggf. in welchem Ausmaß. Die Rotationssensoren stellen also die Relativrotation fest und deren Signal kann z. B. zur Einstellung der erforderlichen Stromstärke dienen.
