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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Kupplungseinheit
für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, wobei die
Kupplungseinheit zumindest eine Reibungskupplung zum steuerbaren Übertragen
eines Drehmoments von einem Eingangselement auf ein Ausgangselement
und einen Aktuator zum Betätigen der Reibungskupplung aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Drehmomentübertragungsanordnung,
die ein Eingangselement, ein Ausgangselement, eine Steuereinrichtung und
eine Kupplungseinheit der vorgenannten Art aufweist.
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Eine
derartige Kupplungseinheit dient beispielsweise in einem Verteilergetriebe
eines Kraftfahrzeugs mit Allradantrieb zum steuerbaren Übertragen
eines Antriebsmoments auf eine Primärachse und/oder eine
Sekundärachse des Kraftfahrzeugs. Bei einem so genannten ”torque
an demand”-Verteilergetriebe sind die Räder der
Primärachse permanent angetrieben, während mittels
der genannten Kupplungseinheit ein Teil des Antriebsmoments wahlweise
auf die Räder der Sekundärachse übertragen
werden kann. Das Verteilergetriebe kann auch als steuerbares Mittendifferential
ausgebildet sein, bei dem die Kupplungseinheit einer Differentialsperre zugeordnet
ist, um die Verteilung des Antriebsmoments in Längsrichtung
des Fahrzeugs einzustellen. Eine Kupplungseinheit der genannten
Art kann auch in einer Drehmomentübertragungsanordnung
Anwendung finden, die in einem Kraftfahrzeug mit permanent angetriebener
Vorderachse die Übertragung eines Teils des Antriebsmoments
auf die Hinter achse erlaubt, wobei die Einheit beispielsweise am
Vorderachsdifferential oder am Hinterachsdifferential angeordnet
ist. Derartige unterschiedliche Anwendungen und Anordnungen sind
aus der
US 7,111,716
B2 bekannt.
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Eine
Kupplungseinheit der eingangs genannten Art kann auch in Querrichtung
des Kraftfahrzeugs wirken, beispielsweise für eine Differentialsperre
eines Achsdifferentials oder in einer Drehmomentüberlagerungsanordnung
eines Achsdifferentials (so genanntes ”torque vectoring”).
In sämtlichen der vorgenannten Fälle kann die
Kupplungseinheit ein rotierendes Eingangselement (z. B. Eingangswelle)
und ein rotierendes Ausgangselement (z. B. Ausgangswelle) reibschlüssig
miteinander verbinden, insbesondere um ein Antriebsmoment zu übertragen. Alternativ
hierzu kann die Kupplungseinheit als Bremse konfiguriert sein, mit
einem feststehenden Eingangselement oder einem feststehenden Ausgangselement,
insbesondere um ein Bremsmoment zu übertragen.
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In
den vorgenannten Anwendungen der Kupplungseinheit ist die Kupplungseinheit
bezüglich der Kraftflussrichtung hinter dem Hauptgetriebe
des Antriebsstrangs (d. h. hinter dem manuellen oder automatischen
Schaltgetriebe oder CVT-Getriebe) angeordnet. Das Kupplungsmoment – also
das von der Reibungskupplung übertragene Drehmoment – wird üblicherweise
in Abhängigkeit von der jeweiligen Fahrsituation variabel
eingestellt. Je nach den fahrdynamischen Erfordernissen, die beispielsweise
von der Fahrsituation oder von Umgebungseinflüssen abhängen
können (z. B. glatte Fahrbahnoberfläche mit auftretendem
Schlupf der Antriebsräder), erfolgt also eine Änderung
des von der Kupplungseinheit zu übertragenden Drehmoments.
Hierfür ist nicht nur ein gesteuertes Einrücken
der Reibungskupplung erforderlich, sondern oftmals auch ein längerer
Betrieb mit genau eingestelltem Kupplungsmoment.
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Die
Kupplungseinheit umfasst eine Reibungskupplung und einen Aktuator
zum Betätigen der Reibungskupplung. Die Reibungskupplung
ist typischerweise eine Lamellenkupplung, d. h. eine Mehrscheibenkupplung.
Der Aktuator kann einen Elektromotor aufweisen. Zusätzlich
kann der Aktuator eine Getriebeeinrichtung zum Übersetzen
einer Drehbewegung einer Motorwelle des Elektromotors ins Langsame
umfassen. Außerdem kann der Aktuator eine Umlenkeinrichtung
aufweisen, die eine Drehbewegung des Aktuators (z. B. Motorwelle
oder Getriebeelement) in eine translatorische Bewegung der Reibungskupplung
(z. B. Anpresskolben) umlenkt. Alternativ kann beispielsweise jedoch
auch ein elektromagnetischer, ein hydraulischer oder ein elektrohydraulischer
Aktuator vorgesehen sein.
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Eine
Kupplungseinheit der eingangs genannten Art und ein Verfahren zum
Kalibrieren einer solchen Kupplungseinheit sind aus der
WO 2003/025422 A1 (entsprechend
US 7,032,733 B2 ) bekannt,
deren Inhalt ausdrücklich in den Offenbarungsgehalt der
vorliegenden Anmeldung einbezogen wird. Wie in der
WO 2003/025422 A1 genauer beschrieben
ist, muss zum Einstellen eines bestimmten erwünschten Kupplungsmoments
nicht notwendigerweise eine direkte Drehmomentregelung vorgesehen
sein (mit dem gemessenen tatsächlichen Kupplungsmoment
als Regelgröße). Sondern infolge einer entsprechenden
Kalibrierung der Kupplungseinheit kann die Steuerung der Reibungskupplung auf
dem Umweg über eine Positionsregelung des Aktuators erfolgen.
Zum Einstellen des gewünschten zu übertragenden
Drehmoments wird also beispielsweise der Drehwinkel des Elektromotors
oder eine sonstige Positionsgröße des Aktuators
als Regelgröße herangezogen und auf einen Wert
eingestellt, welcher dem gewünschten Kupplungsmoment entspricht.
Hierfür wird empirisch eine Kupplungsmoment/Aktuatorposition-Abhängigkeit
ermittelt, die als Kennlinie beispielsweise in Form einer Tabelle
(look up table, LUT) oder einer Funktion (also einer Rechenvorschrift)
abgelegt wird. Anhand dieser Abhängigkeit wird somit für
eine bestimmte Drehmomentanforderung der entsprechende Sollwert
der betreffenden Positionsgröße des Aktuators
(z. B. Drehwinkel) bestimmt und eingeregelt. Diese Kennlinie (Kupplungsmoment/Aktuatorposition-Abhängigkeit)
kann für jede individuelle Kupplungseinheit bzw. Drehmomentübertragungsanordnung
werksseitig (end of line) als so genannte Erstkalibrierung ermittelt
werden.
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Aufgrund
von Verschleiß innerhalb der Kupplungseinheit kann sich
die genannte Kennlinie allerdings verändern, was beim Einstellen
eines gewünschten Kupplungsmoments berücksichtigt
werden muss. Deshalb soll die Kennlinie in gewissen Zeitabständen
angepasst werden, was im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Nachkalibrierung
bezeichnet wird. Beispielsweise kann ein Kalibrierungslauf der Kupplungseinheit
nach jedem Abstellen des Fahrzeugmotors durchgeführt werden,
also wenn eine der Kupplungseinheit zugeordnete Steuereinrichtung
ein ”Zündung Aus”-Signal (”ignition
off”) erhält. Im Rahmen eines solchen Kalibrierungslaufs wird
die Kupplungseinheit in eine Kalibrierstellung gebracht, die einem
vorbestimmten Kupplungsmoment entspricht. Beispielsweise wird der
Elektromotor der Kupplungseinheit derart angesteuert, dass die Reibungskupplung
vollständig eingerückt wird, was dem maximalen
Kupplungsmoment entspricht. Das vollständige Einrücken
der Reibungskupplung führt zu einem detektierbaren Anstieg
des Motorstroms. Somit kann anhand des gemessenen Stromwerts festgestellt
werden, dass die Kupplungseinheit sich in der Kalibrierstellung
befindet. In dieser Kalibrierstellung wird die Aktuatorposition
(z. B. Drehwinkel) gemessen. Das somit ermittelte Kupplungsmoment/Aktuatorposition-Wertepaar
dient als ein Eichpunkt für die Nachkalibrierung. Alternativ
oder zusätzlich kann ein Eichpunkt beispielsweise für
ein vollständiges Ausrücken der Reibungskupplung
ermittelt werden (entsprechend einem Kupplungsmoment Null).
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Die
somit gemessene jeweilige Aktuatorposition wird mit der Aktuatorposition
verglichen, die für die entsprechende Kalibrierstellung
der Kupplungseinheit im Rahmen eines vorhergehenden Kalibrierungslaufs
(Erstkalibrierung oder vorhergehende Nachkalibrierung) gemessen
wurde. In Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen diesen
beiden gemessenen Aktuatorpositionen wird die Kupplungskennlinie
angepasst, beispielsweise durch Ermitteln und Berücksichtigen
wenigstens eines entsprechenden Korrekturwerts (z. B. Offset und/oder
Steigung). Als Ergebnis eines jeden Kalibrierungslaufs kann ein solcher
Korrekturwert abgespeichert werden, so dass im nachfolgenden Betrieb
der Kupplungseinheit basierend auf der ursprünglichen Kennlinie
unter zusätzlicher Verwendung des zuletzt ermittelten Korrekturwerts
der korrekte Aktuatorposition-Sollwert für das aktuell
gewünschte Kupplungsmoment ermittelt werden kann. Es ist
jedoch auch möglich, dass die Kupplungskennlinie entsprechend
dem ermittelten Korrekturwert aktualisiert und gespeichert wird,
so dass im Betrieb der Kupplungseinheit die zuletzt aktualisierte
Kupplungsmoment/Aktuatorposition-Abhängigkeit unmittelbar
zum Einstellen des zu übertragenden Drehmoments verwendet
werden kann. Vorzugsweise werden im Rahmen der Nachkalibrierung mehrere
Eichpunkte ermittelt und berücksichtigt, um eine möglichst
genaue Anpassung der Kennlinie zu bewirken.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Nachkalibrierung einer Kupplungseinheit
der vorstehend erläuterten Art zu ermöglichen,
ohne die Kupplungseinheit hierdurch übermäßig
zu beanspruchen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Kalibrierverfahren mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst, und insbesondere durch die folgenden
Schritte:
- – Ermitteln eines Verschleißzustands
der Kupplungseinheit; und
- – Auslösen eines Kalibrierungslaufs der Kupplungseinheit
in Abhängigkeit von dem ermittelten Verschleißzustand.
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Im
Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass die Nachkalibrierung selbst
zu einer übermäßigen Beanspruchung der
Kupplungseinheit und somit letztlich zu einer Beeinträchtigung
der langfristigen Stellgenauigkeit der Kupplungseinheit führen
kann. Abgesehen von dem für eine Nachkalibrierung erforderlichen
Energieaufwand und der hiermit verbundenen Belastung des Bordnetzes
des Kraftfahrzeugs bedeutet jede Nachkalibrierung der Kupplungseinheit auch
eine unerwünschte Bauteilebeanspruchung, insbesondere eine
mechanische Bauteilebelastung – z. B. an den Getriebeteilen
des Aktuators-, und/oder eine elektrische Bauteilebelastung – z.
B. an der Wicklung des Elektromotors-. Dies gilt insbesondere dann,
wenn ein Eichpunkt für die Nachkalibrierung durch vollständiges
Einrücken der Reibungskupplung derart erzeugt wird, dass
aufgrund des Aneinanderpressens der Kupplungslamellen das vom Elektromotor
aufzubringende Drehmoment deutlich ansteigt, so dass der Motorstrom
sich erheblich erhöht und entsprechend erhöhte
Drehmomente oder Kräfte entlang der Aktuatorkette (z. B.
Getriebeeinrichtung, Umlenkeinrichtung) übertragen werden
müssen.
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Erfindungsgemäß werden
unnötig häufig durchgeführte Nachkalibrierungen
vermieden, indem ein Verschleißzustand der Kupplungseinheit
ermittelt wird und eine Nachkalibrierung der Kupplungseinheit in
Abhängigkeit von dem ermittelten Verschleißzustand
der Kupplungseinheit ausgelöst wird. Das Ermitteln des
Verschleißzustands der Kupplungseinheit kann regelmäßig
erfolgen, beispielsweise aufgrund des Überschreitens einer
vorbestimmten Distanz, die das Kraftfahrzeug seit der letzten Ermittlung
des Verschleißzustandes zurückgelegt hat, oder
grundsätzlich nach jedem Abstellen des Fahrzeugmotors (”Zündung
Aus”-Signal). Hierdurch wird berücksichtigt, dass
während einer Fahrt des Fahrzeugs möglicherweise
nur ein vernachlässigbar geringer Kupplungsverschleiß aufgetreten
ist, so dass eine Nachkalibrierung – trotz des Erhalts
eines ”Zündung Aus”-Signals – überhaupt
nicht erforderlich ist. Unnötige Kalibriervorgänge
und die hiermit verbundenen mechanischen und elektrischen Belastungen
der Kupplungseinheit werden hierdurch vermieden, und auch die Fahrzeugbatterie
wird nicht unnötig belastet.
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Das
Ermitteln des Verschleißzustands der Kupplungseinheit kann
aufgrund der im Kraftfahrzeug üblicherweise ohnehin vorhandenen
Fahrzustandsdaten auf einfache Weise ermittelt werden, ohne dass
unbedingt eine zusätzliche Sensorik erforderlich ist. Da
der Verschleiß der Kupplungseinheit vorwiegend an den Lamellen
der Reibungskupplung auftritt, kann eine Abschätzung des
Verschleißzustands auf einfache Weise dadurch erfolgen,
dass zumindest die in die Reibungskupplung eingebracht Kupplungsarbeit
berücksichtigt wird. Andere Kriterien können hierbei
zusätzlich berücksichtigt werden.
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Insbesondere
ist es möglich, dass während des Betriebs der
Kupplungseinheit ein Zeitintegral über die Kupplungsleistung
gebildet wird. Die Kupplungsleistung kann beispielsweise als ein
Produkt aus dem Kupplungsmoment und der Drehzahldifferenz zwischen
dem Eingangselement und dem Ausgangselement der Reibungskupplung
(z. B. Kupplungsnabe und Kupplungskorb) ermittelt werden. Das genannte
Kupplungsmoment kann beispielsweise einer Drehmomentanforderung
gleichgesetzt werden, welche die der Kupplungseinheit zugeordnete
Steuereinrichtung von einer übergeordneten Steuereinheit
als Führungsgröße (Sollwert) erhält.
Alternativ kann es sich bei dem genannten Kupplungsmoment um ein
berechnetes von der Reibungskupplung übertragenes Drehmoment
oder um ein gemessenes von der Reibungskupplung übertragenes
Drehmoment han deln. Die genannte Drehzahldifferenz kann auf einfache
Weise aus den Signalen der üblicherweise ohnehin vorhandenen
Raddrehzahl-Sensoren bestimmt werden, ggf. unter Berücksichtigung
der im Antriebsstrang vorhanden Getriebeübersetzungen.
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Das
erläuterte Ermitteln des Verschleißzustands der
Kupplungseinheit bezieht sich vorzugsweise auf eine Änderung
gegenüber dem Verschleißzustand der Kupplungseinheit
zum Zeitpunkt der zuletzt vorgenommenen Kalibrierung der Kupplungseinheit.
Insbesondere kann das vorgenannte Zeitintegral ab der letzten Nachkalibrierung
der Kupplungseinheit gebildet werden.
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Für
die Berücksichtigung der Kupplungsarbeit oder der Kupplungsleistung
kann zusätzlich auch eine Unterscheidung nach verschiedenen
Belastungssituationen oder Belastungsbereichen vorgenommen werden.
Beispielsweise kann durch Verwendung unterschiedlicher Gewichtungsfaktoren
danach differenziert werden, ob die Reibungskupplung bei einer hohen
Drehzahldifferenz mit einem geringen Kupplungsmoment oder bei einer
geringen Drehzahldifferenz mit einem hohen Kupplungsmoment betrieben
wird.
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Der
jeweilige Zusammenhang zwischen Kupplungsarbeit oder Kupplungsleistung
einerseits und Kupplungsverschleiß andererseits kann empirisch
ermittelt werden und dann dauerhaft in der der Kupplungseinheit
zugeordneten Steuereinrichtung abgelegt werden.
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Bezüglich
des Auslösens einer Nachkalibrierung ist es bevorzugt,
dass dies lediglich dann geschieht, wenn der ermittelte Verschleißzustand
der Kupplungseinheit einen vorbestimmten Schwellwert erreicht oder überschreitet.
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Allerdings
können für das Auslösen einer Nachkalibrierung
optional zusätzliche notwendige Bedingungen vorgesehen
sein. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine Nachkalibrierung
lediglich dann ausgelöst wird, wenn – zusätzlich
zu dem Erreichen eines bestimmten Verschleißzustands – das
Fahrzeug seit der letzten Nachkalibrierung eine vorbestimmte Distanz
zurückgelegt hat.
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Es
ist optional auch möglich, dass andere hinreichende Kriterien
für das Auslösen einer Nachkalibrierung berücksichtigt
werden. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass eine Nachkalibrierung
bereits dann ausgelöst wird, wenn das Fahrzeug seit der
letzten Nachkalibrierung eine vorbestimmte Distanz zurückgelegt
hat, selbst wenn der ermittelte Verschleißzustand der Kupplungseinheit noch
gering ist und insbesondere den vorgenannten Schwellwert noch unterschreitet.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf eine Drehmomentübertragungsanordnung
mit einem Eingangselement, einem Ausgangselement, einer Kupplungseinheit
der vorstehend erläuterten Art und einer Steuereinrichtung,
wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, einen Verschleißzustand
der Kupplungseinheit zu ermitteln und in Abhängigkeit von
dem ermittelten Verschleißzustand eine Nachkalibrierung
der Kupplungseinheit auszulösen.
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Die
erfindungsgemäße Kupplungseinheit bzw. Drehmomentübertragungsanordnung
kann in unterschiedlichen Anordnungen verwendet werden, um entlang
eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs ein Drehmoment zu übertragen,
wie eingangs erläutert wurde. Die Erfindung wird nachfolgend
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen lediglich beispielhaft im Zusammenhang
mit einem ”torque an demand”-Verteilergetriebe
erläutert.
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1 zeigt
eine schematische Ansicht eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs.
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2 zeigt
eine schematische Ansicht eines Verteilergetriebes.
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3 zeigt
eine Querschnittsansicht des Verteilergetriebes gemäß 2.
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4 zeigt
eine schematische Ansicht eines Kupplungsaktuators.
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5 zeigt
ein Flussdiagramm eines Kalibrierungsverfahrens.
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1 zeigt
schematisch einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit zuschaltbarem
Allradantrieb. Das von einem Verbrennungsmotor 11 erzeugte
Antriebsmoment wird über ein Hauptgetriebe 13 (manuelles
Schaltgetriebe oder Automatikgetriebe) einem Verteilergetriebe 15 zugeführt.
Ein erster Ausgang des Verteilergetriebes 15 ist über
eine Kardanwelle 17 mit einem Hinterachs-Differentialgetriebe 19 gekoppelt.
Hierdurch werden die Räder 21 der Hinterachse 23 permanent
angetrieben. Die Hinterachse 23 bildet somit die Primärachse
des Fahrzeugs. Ein zweiter Ausgang des Verteilergetriebes 15 ist über
eine Kardanwelle 25 mit einem Vorderachse-Differentialgetriebe 27 gekoppelt.
Hierdurch kann ein Teil des Antriebsmoments des Verbrennungsmotors 11 wahlweise
auf die Räder 29 der Vorderachse 31 übertragen
werden. Die Vorderachse 31 bildet somit die Sekundärachse
des Fahrzeugs.
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Ferner
ist in 1 eine Fahrdynamik-Regelungseinheit 33 gezeigt.
Diese ist mit Raddrehzahl-Sensoren 35, 37 verbunden,
die den Rädern 21 der Hinterachse 23 bzw.
den Rädern 29 der Vorderachse 31 zugeordnet
sind. Die Fahrdynamik-Regelungseinheit 33 ist auch noch
mit weiteren Sensoren 39 verbunden, beispielsweise einem
Gierraten-Sensor. In Abhängigkeit von den Signalen der
Sensoren 35, 37, 39 erzeugt die Fahrdynamik-Regelungseinheit 33 ein
Steuersignal, welches einer Steuereinrichtung (in 1 nicht
gezeigt) des Verteilergetriebes 15 zugeführt wird,
um hierdurch eine bestimmte Verteilung des Antriebsmoments zwischen
den beiden Achsen 23, 31 des Fahrzeugs einzustellen.
Bei dem genannten Steuersignal handelt es sich insbesondere um einen
Sollwert eines Kupplungsmoments, d. h. um eine Drehmomentanforderung
für eine Kupplungseinheit des Verteilergetriebes 15.
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2 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht des Verteilergetriebes 15 gemäß 1.
Das Verteilergetriebe 15 besitzt eine Eingangswelle 41, eine
erste Ausgangswelle 43 und eine zweite Ausgangswelle 45.
Die erste Ausgangswelle 43 ist koaxial zu der Eingangswelle 41 und
mit dieser drehfest – vorzugsweise einstückig – ausgebildet.
Die zweite Ausgangswelle 45 ist parallel versetzt zu der
Eingangswelle 41 angeordnet.
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Das
Verteilergetriebe 15 besitzt eine Kupplungseinheit 47 mit
einer Reibungskupplung 49 und einem Aktuator 51.
Die Reibungskupplung 49 weist eine Kupplungskorb 53 auf,
der drehfest mit der Eingangswelle 41 und der ersten Ausgangswelle 43 verbunden
ist und mehrere Kupplungslamellen trägt. Ferner besitzt
die Reibungskupplung 49 eine drehbar gelagerte Kupplungsnabe 55,
die ebenfalls mehrere Kupplungslamellen trägt, welche in
einer alternierenden Anordnung in die Lamellen des Kupplungskorbs 53 eingreifen.
Die Kupplungsnabe 55 ist drehfest mit einem Antriebszahnrad 57 eines
Kettentriebs 59 verbunden. Ein Abtriebszahn rad 61 des
Kettentriebs 59 ist drehfest mit der zweiten Ausgangswelle 45 verbunden.
Anstelle des Kettentriebs 59 kann ein Rädertrieb
vorgesehen sein, beispielsweise mit einem Zwischenzahnrad zwischen
den genannten Zahnrädern 57, 61.
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Durch
Betätigung des Aktuators 51 im Einrücksinn
der Reibungskupplung 49 kann ein zunehmender Anteil des über
die Eingangswelle 41 in das Verteilergetriebe 15 eingeleiteten
Antriebsmoments auf die zweite Ausgangswelle 45 übertragen
werden.
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3 zeigt
Einzelheiten des Verteilergetriebes 15 gemäß 2 in
einer Querschnittsansicht. Insbesondere ist ersichtlich, dass der
Aktuator 51 einen Stützring 63 und einen
Stellring 65 aufweist, die bezüglich der Rotationsachse
A der Eingangswelle 41 und der ersten Ausgangswelle 43 drehbar
gelagert sind. Der Stützring 63 ist über
ein Axiallager an dem Antriebszahnrad 57 axial abgestützt.
Der Verstellring 65 ist hingegen axial verschieblich gelagert. An
den einander zugewandten Seiten besitzen der Stützring 63 und
der Verstellring 65 jeweils mehrere Kugelrillen 67 bzw. 69.
Diese verlaufen bezüglich der Achse A in Umfangsrichtung
und sind bezüglich einer Normalebene zu der Achse A in
Umfangsrichtung rampenartig geneigt, d. h. die Kugelrillen 67, 69 besitzen
in Umfangsrichtung eine variierende Tiefe. Jeweils eine Kugelrille 67 des
Stützrings 63 und eine Kugelrille 69 des
Verstellrings 65 stehen einander gegenüber und
umschließen hierbei eine zugeordnete Kugel 71.
Durch Verdrehen des Stützrings 63 und des Verstellrings 65 relativ
zueinander kann somit ein axiales Verschieben des Verstellrings 65 bewirkt
werden, wobei der Verstellring 65 über ein Axiallager
mit einem Andruckring 73 der Reibungskupplung 49 zusammenwirkt.
Der Andruckring 73 ist mittels einer Tellerfederanordnung 75 in
Ausrückrichtung der Reibungskupplung 49 vorgespannt.
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An
dem Stützring 63 und an dem Verstellring 65 ist
ein jeweiliger Betätigungshebel 77 bzw. 79 angeformt.
An dem freien Ende eines jeden Hebels 77, 79 ist
eine jeweilige Rolle 81 bzw. 83 drehbar gelagert. Über
die Rollen 81, 83 wirken die Betätigungshebel 77, 79 mit
den beiden Stirnseiten 85, 87 einer Steuerscheibe 89 zusammen,
die bezüglich einer Achse C drehbar ist. Die Stirnseiten 85, 87 besitzen bezüglich
einer Normalebene zu der Achse C einen in Umfangsrichtung geneigten
Verlauf, d. h. die Steuerscheibe 89 ist im Querschnitt
keilförmig ausgebildet. Durch Verdrehen der Steuerscheibe 89 können die
Betätigungshebel 77, 79 somit scherenartig
bewegt werden, um den Stützring 63 und den Stellring 65 relativ
zueinander zu verdrehen. Die Steuerscheibe 89 besitzt einen
angeformten Steckverzahnungsansatz 91. Über diesen
kann die Steuerscheibe 89 mit einem Elektromotor und einem
zugeordneten Untersetzungsgetriebe antriebswirksam verbunden sein (in 3 nicht
gezeigt).
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Somit
kann durch entsprechende Ansteuerung des genannten Elektromotors
die Steuerscheibe 89 zu einer Drehbewegung angetrieben
werden, um hierdurch die Betätigungshebel 77, 79 relativ
zueinander zu verschwenken. Die hierdurch verursachte Verdrehung
des Stützrings 63 und des Verstellrings 65 relativ
zueinander bewirkt eine axiale Bewegung des Verstellrings 65.
Der Andruckring 73 bewirkt somit ein Einrücken
der Reibungskupplung 49 oder – unterstützt
von der Tellerfederanordnung 75 – ein Ausrücken
der Reibungskupplung 49.
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4 zeigt
den Aktuator 51 gemäß 2 und 3 in
einer schematischen Ansicht. Der Aktuator 51 besitzt einen
steuerbaren Elektromotor 93 mit einer Ankerwelle 95,
ein Untersetzungsgetriebe 97 mit einer Schnecke 99 und
einem Schneckenrad 101, sowie eine Umlenkeinrichtung 103.
Mittels der Umlenkeinrichtung 103 wird eine Drehbewegung
einer Ausgangswelle 105 des Untersetzungsgetriebes 97 in
eine translatorische, d. h. geradlini ge Bewegung des Andruckrings 73 (3)
umgesetzt. Die Umlenkeinrichtung 103 umfasst die Steuerscheibe 89 sowie den
Stützring 63 und den Verstellring 65 mit
den Betätigungshebeln 77, 79 und den
Kugeln 71 gemäß 3. An der
Ankerwelle 95 des Elektromotors 93 ist ein Sensor 107 angeordnet,
der beispielsweise als ein Inkrementalgeber ausgebildet ist. Wie
in 4 gezeigt ist, kann der Sensor 107 alternativ
auch als Sensor 107' an der Ausgangswelle 105 angeordnet sein.
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Der
Sensor 107 erzeugt ein Signal, das einem Aktuatorpositionswert
entspricht. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist dies
der Drehwinkel-Istwert α' der Ankerwelle 95. Dieses
Signal α' wird einer Steuereinrichtung 109 des
Verteilergetriebes 15 zugeführt. Von der Fahrdynamik-Regelungseinheit 33 des
Kraftfahrzeugs (1) erhält die Steuereinrichtung 109 auch
eine Drehmomentanforderung M, also einen Sollwert des Kupplungsmoments.
Aus einer Kupplungsmoment/Drehwinkel-Kennlinie 111, die
in einem nichtflüchtigen Speicher 113 der Steuereinrichtung 109 abgelegt
ist, ermittelt die Steuereinrichtung 109 anhand der Drehmomentanforderung
M einen Drehwinkel-Sollwert α. In Abhängigkeit
von der Differenz zwischen dem Drehwinkel-Sollwert α und dem
Drehwinkel-Istwert α' erzeugt die Steuereinrichtung 109 ein
Steuersignal für den Elektromotor 93, um die Reibungskupplung 49 (2 und 3)
entsprechend zu verstellen. Die Steuereinrichtung 109 wirkt
somit als Positionsregler.
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Die
genannte Kupplungsmoment/Drehwinkel-Kennlinie 111 ist aufgrund
einer Erstkalibrierung des betreffenden Verteilergetriebes 15 erstellt
und in dem Speicher 113 abgelegt worden. Durch verschiedene
Einflussfaktoren kann sich die durch die Kennlinie 111 repräsentierte
Abhängigkeit des mittels der Kupplungseinheit 47 eingestellten
Kupplungsmoments von der Aktuatorposition (Drehwinkel-Istwert α')
im Laufe der Zeit jedoch andern.
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Hierdurch
kann sich die Kennlinie beispielsweise verschieben, und/oder die
Steigung der Kennlinie verändert sich. Deshalb wird regelmäßig
eine Nachkalibrierung der Kupplungseinheit 47 durchgeführt,
wie eingangs erläutert wurde. Beispielsweise wird bei stillstehendem
Fahrzeug der Elektromotor 93 solange im Einrücksinn
der Reibungskupplung 49 angesteuert, bis die Reibungskupplung 49 im
Wesentlichen vollständig eingerückt ist und der
Motorstrom des Elektromotors 93 aufgrund der ansteigenden
Last schließlich einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
Für die hierdurch definierte Kalibrierungsstellung der
Kupplungseinheit 47 wird das Signal α' des Sensors 107 ermittelt,
welches somit einem Drehwinkel-Kalibrierwert entspricht. Dieser Drehwinkel-Kalibrierwert α'
wird mit einem Kalibrierwert verglichen, der bei einem vorhergehenden
Kalibrierungslauf der Kupplungseinheit 47 für
die entsprechende Kalibrierstellung ermittelt worden ist. In Abhängigkeit
von dem Unterschied zwischen diesen beiden Kalibrierwerten wird
die Kennlinie 111 angepasst. Dies kann beispielsweise durch
Anpassung eines Korrekturwerts (z. B. Offset-Korrekturwert und/oder
Steigungs-Korrekturwert) erfolgen, oder durch Überschreiben
der in dem Speicher 113 abgelegten Kennlinie 111.
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Die
vorstehend erläuterte Nachkalibrierung der Kupplungseinheit 47 kann
zu fest vorgegebenen Anlässen durchgeführt werden,
beispielsweise nach jedem Abschalten des Fahrzeugmotors 11,
was der Steuereinrichtung 109 durch Übermittlung
eines ”Zündung Aus”-Signals übermittelt
wird. Erfindungsgemäß wird das erläuterte
Nachkalibrieren der Kupplungseinheit 47 jedoch bedarfsabhängig
gesteuert, wodurch nicht nur das Bordnetz des Kraftfahrzeugs weniger
belastet wird, sondern die gesamte Kupplungseinheit 47 insgesamt
weniger beansprucht wird.
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Unter
Bezugnahme auf 5 wird das erfindungsgemäße
Kalibrierverfahren beispielhaft erläutert.
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In
einem Schritt S1 erfolgt eine Erstkalibrierung des Verteilergetriebes 15 mit
der Kupplungseinheit 47 in der vorstehend erläuterten
Weise, beispielsweise im Werk des Herstellers des Verteilergetriebes 15.
Anschließend wird ein Wert W, der die in die Reibungskupplung 49 eingebrachte
Kupplungsarbeit repräsentiert und dessen Bedeutung nachstehend
noch erläutert wird, auf Null gesetzt (Schritt S2).
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Sofern
in einem nachfolgenden Schritt S3 festgestellt wird, dass das Fahrzeug
in Betrieb genommen worden ist (die Steuereinrichtung 109 gemäß 4 erhält
das Signal ”Zündung Ein”), wird in einem
Schritt S4 fortlaufend die vorgenannte Kupplungsarbeit W ermittelt.
Die in die Reibungskupplung 49 während des Betriebs
des Verteilergetriebes 15 eingebrachte Kupplungsarbeit
W repräsentiert den Verschleißzustand der Kupplungseinheit 47.
Die Kupplungsarbeit W wird abgeschätzt, indem während
der Betriebsdauer des Verteilergetriebes 15 ein Zeitintegral über
die Kupplungsleistung gebildet wird. Die Kupplungsleistung wiederum
wird als Produkt aus dem Kupplungsmoment und der Drehzahldifferenz
zwischen der Eingangswelle 41 und der zweiten Ausgangswelle 45 des
Verteilergetriebes 15 (2 und 3)
berechnet. Bezüglich des Kupplungsmoments kann vorteilhafterweise
die Drehmomentanforderung M angesetzt werden, welche die Steuereinrichtung 109 von
der übergeordneten Fahrdynamik-Regelungseinheit 33 erhält
(4). Die genannte Drehzahldifferenz lässt
sich auf einfache Weise aus den Signalen der Raddrehzahl-Sensoren 35, 37 der
Hinterachse 23 bzw. der Vorderachse 31 des Fahrzeugs
berechnen (1), da diese Signale über den
Fahrzeug-Datenbus (z. B. CAN) ohnehin zur Verfügung stehen.
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Um
eine noch höhere Genauigkeit zu erzielen, kann die Berechnung
der Kupplungsarbeit W in dem Schritt S4 auch noch weitere Einflussfaktoren oder
Messwerte berücksichtigen. Beispielsweise können
durch entsprechende Gewichtungsfaktoren unterschiedliche Drehmomentbereiche,
unterschiedliche Drehzahlbereiche und/oder unterschiedliche Zeitintervalle
berücksichtigt werden. Alternativ oder zusätzlich
kann auch die von dem Fahrzeug jeweils zurückgelegte Distanz
berücksichtigt werden.
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In
einem Schritt S5 wird fortlaufend überprüft, ob
der Fahrzeugmotor 11 stillgesetzt worden ist. Sofern die
Steuereinrichtung 109 ein entsprechendes Signal erhält
(”Zündung Aus”), wird in einem Schritt
S6 überprüft, ob die ermittelte Kupplungsarbeit
W einen vorbestimmten Schwellwert Wmax überschreitet. Dieser
Schwellwert Wmax kann für den betreffenden Typ des Verteilergetriebes 15 empirisch
ermittelt und in dem Speicher 113 abgelegt worden sein.
Sofern die Überprüfung ergibt, dass die Kupplungsarbeit
W den Schwellwert Wmax überschritten hat, wird in einem
Schritt S7 eine Nachkalibrierung ausgelöst, die in der
vorstehend erläuterten Weise abläuft. Anschließend
wird der zuletzt ermittelte Wert der Kupplungsarbeit W wieder auf
Null gesetzt (Schritt S2), und es wird abgewartet, bis das Fahrzeug
wieder in Betrieb gesetzt wird.
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Falls
in dem Schritt S6 hingegen festgestellt wurde, dass die ermittelte
Kupplungsarbeit W den vorbestimmten Schwellwert Wmax noch nicht
erreicht hat, wird generell auf eine Nachkalibrierung der Kupplungseinheit 47 verzichtet,
und es wird abgewartet, bis der Fahrzeugmotor 11 wieder
in Betrieb gesetzt wird (Schritt S3). Der zuletzt ermittelte Wert der
Kupplungsarbeit W wird in diesem Fall beibehalten, so dass dieser
Wert ab der neuerlichen Inbetriebnahme des Fahrzeugs als Anfangswert
für die Abschätzung des Kupplungsverschleißes
zur Verfügung steht.
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Somit
kann erreicht werden, dass das betreffende Verteilergetriebe 15 nicht
unnötig häufig nachkalibriert wird. Stattdessen
wird ein Kalibrie rungslauf lediglich dann durchgeführt,
wenn davon auszugehen ist, dass auch ein entsprechender Verschleißzustand
der Kupplungseinheit 47 dies erforderlich macht.
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Wie
aus 5 ersichtlich ist, können optional weitere
notwendige oder hinreichende Bedingungen für das Auslösen
einer Nachkalibrierung berücksichtigt werden. Sofern die Überprüfung
in dem Schritt S6 ein negatives Ergebnis liefert – also
wenn die ermittelte Kupplungsarbeit W den vorbestimmten Schwellwert
Wmax noch nicht erreicht hat-, kann beispielsweise in einem Schritt
S8 überprüft werden, ob die seit dem letzten Kalibrierungslauf
der Kupplungseinheit 47 von dem Fahrzeug zurückgelegte
Distanz D einen vorbestimmten Schwellwert Dmax überschritten
hat. Zutreffendenfalls wird in dem Schritt S7 eine Nachkalibrierung
ausgelöst, obwohl dies allein bezüglich der in
die Kupplungseinheit 47 eingebrachten Kupplungsarbeit W
nicht zwingend erforderlich erscheint. Die vom Fahrzeug zurückgelegte
Distanz kann von der Steuereinrichtung 109 ebenfalls anhand
der über den Fahrzeug-Datenbus verfügbaren Signale
auf einfache Weise ermittelt und berücksichtigt werden.
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Während
die Erfindung in einem Verteilergetriebe mit elektromechanischer
Betätigung der Reibungskupplung besonders vorteilhafte
Anwendung findet, ist die Erfindung nicht auf das vorstehend erläuterte
Ausführungsbeispiel beschränkt. Auch andere Anordnungen
im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs sind möglich, wie
eingangs erläutert. Ferner kann der Aktuator 51 anders
ausgebildet sein als vorstehend im Zusammenhang mit den Figuren
erläutert. Beispielsweise kann ein andersartiges Untersetzungsgetriebe 97 oder
eine andersartige Umlenkeinrichtung 103 vorgesehen sein.
Anstelle der gezeigten elektromechanischen Betätigung der
Reibungskupplung 49 kann beispielsweise auch eine elektromagneti sche,
eine hydraulische oder eine elektrohydraulische Aktuierung vorgesehen
sein.
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- 11
- Verbrennungsmotor
- 13
- Hauptgetriebe
- 15
- Verteilergetriebe
- 17
- Kardanwelle
- 19
- Hinterachs-Differentialgetriebe
- 21
- Rad
- 23
- Hinterachse
- 25
- Kardanwelle
- 27
- Vorderachs-Differentialgetriebe
- 29
- Rad
- 31
- Vorderachse
- 33
- Fahrdynamik-Regelungseinheit
- 35
- Raddrehzahl-Sensor
- 37
- Raddrehzahl-Sensor
- 39
- Sensor
- 41
- Eingangswelle
- 43
- erste
Ausgangswelle
- 45
- zweite
Ausgangswelle
- 47
- Kupplungseinheit
- 49
- Reibungskupplung
- 51
- Aktuator
- 53
- Kupplungskorb
- 55
- Kupplungsnabe
- 57
- Antriebszahnrad
- 59
- Kettentrieb
- 61
- Abtriebszahnrad
- 63
- Stützring
- 65
- Verstellring
- 67
- Kugelrille
- 69
- Kugelrille
- 71
- Kugel
- 73
- Andruckring
- 75
- Tellerfederanordnung
- 77
- Betätigungshebel
- 79
- Betätigungshebel
- 81
- Rolle
- 83
- Rolle
- 85
- Stirnseite
- 87
- Stirnseite
- 89
- Steuerscheibe
- 91
- Steckverzahnungsansatz
- 93
- Elektromotor
- 95
- Ankerwelle
- 97
- Untersetzungsgetriebe
- 99
- Schnecke
- 101
- Schneckenrad
- 103
- Umlenkeinrichtung
- 105
- Ausgangswelle
- 107
- Sensor
- 107'
- Sensor
- 109
- Steuereinrichtung
- 111
- Kupplungsmoment/Drehwinkel-Kennlinie
- 113
- Speicher
- A
- Rotationsachse
- B
- Rotationsachse
- C
- Rotationsachse
- a
- Drehwinkel-Sollwert
- α'
- Drehwinkel-Istwert
- M
- Drehmomentanforderung
- D
- Distanz
- W
- Kupplungsarbeit
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 7111716
B2 [0002]
- - WO 2003/025422 A1 [0006, 0006]
- - US 7032733 B2 [0006]