DE102008026554A1

DE102008026554A1 - Verfahren zum Steuern einer Kupplungseinheit

Info

Publication number: DE102008026554A1
Application number: DE102008026554A
Authority: DE
Inventors: Martin Kiessner-Haiden
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2008-06-03
Filing date: 2008-06-03
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2028-06-04
Also published as: WO2009146815A1; KR101276527B1; KR20110031416A; JP2011522191A; DE102008026554B4; US20110166760A1; JP5474057B2; US8645036B2

Abstract

Eine Kupplungseinheit umfasst eine nasslaufende Reibungskupplung zum steuerbaren Übertragen eines Drehmoments von einem Eingangselement auf ein Ausgangselement, Öl zum Kühlen der Reibungskupplung und einen Aktuator zum Betätigen der Reibungskupplung. Zum Steuern der Kupplungseinheit wird eine Temperatur in der Reibungskupplung ermittelt. In Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur wird eine Kennlinie der Reibungskupplung, welche die Abhängigkeit eines Kupplungsmoments von einer Aktuatorsteuergröße beschreibt, angepasst. Mittels des Aktuators wird die Kupplungseinheit gemäß der Kennlinie gesteuert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Kupplungseinheit für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, wobei die Kupplungseinheit zumindest eine nasslaufende Reibungskupplung zum steuerbaren Übertragen eines Drehmoments von einem Eingangselement auf ein Ausgangselement der Kupplungseinheit, Öl zum Kühlen der Reibungskupplung 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.
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 on 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 Hinterachse 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.
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.
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, weshalb die Reibungskupplung bei den vorgenannten Anwendungen üblicherweise als nasslaufende Lamellenkupplung ausgebildet ist. Typischerweise ist die Reibungskupp lung in ein Gehäuse integriert, welches Öl zum Kühlen und Schmieren der reibenden Komponenten enthält. Beispielsweise ist am Boden des Gehäuses ein Ölsumpf vorgesehen, aus dem eine Ölpumpe während des Kupplungsbetriebs stetig Öl fördert und auf die Reibungsoberflächen träufelt. Von den Reibungsoberflächen gelangt das Öl wieder zurück in den Ölsumpf.
Die Kupplungseinheit umfasst ferner einen Aktuator zum Betätigen der Reibungskupplung. Der Aktuator weist oftmals einen am Gehäuse der Kupplungseinheit befestigten Elektromotor auf und dient dazu, in Ansprechen auf ein angefordertes, zwischen dem Eingangselement und dem Ausgangselement der Kupplungseinheit zu übertragendes Drehmoment die Kupplungslamellen in eine vorbestimmte Einrückstellung zu bewegen.
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.
Dabei ergibt sich das Problem, dass das bei einer bestimmten Aktuatorposition tatsächlich übertragene Drehmoment vom Reibwert der Kupplungslamellen abhängt und dieser sich während des Fahrzeugbetriebs ändern kann. Diese Änderung kann durch die vorstehend genannte statische Zuordnung zwischen Drehmomentanforderung und Aktuatorposition nicht berücksichtigt werden. Neben der Drehzahldifferenz zwischen dem Eingangselement und dem Ausgangselement der Kupplungseinheit beeinflusst insbesondere die Temperatur der Kupplungslamellen oder die des auf den Kupplungslamellen vorhandenen Öls den Reibwert. Da sich die Temperaturverhältnisse in der Reibungskupplung gemäß den Betriebsbedingungen ändern, kann es somit zu unerwünschten Abweichungen zwischen dem angewiesenen Kupplungsmoment (Soll-Wert) und dem tatsächlich übertragenen Kupplungsmoment (Ist-Wert) kommen. Bei niedrigen Temperaturen kann der Betrag des Reibwerts derart hoch sein, dass es aufgrund des überhöhten Drehmoments zu schädlichen Belastungen von Getriebekomponenten, zu Verspannungen im Antriebsstrang oder zu einer übermäßigen Ölschädigung kommt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Abweichungen zwischen dem Soll-Wert und dem Ist-Wert des Kupplungsmoments zu verringern und somit die Genauigkeit der Kupplungssteuerung zu erhöhen. Ferner soll eine unzulässig hohe Belastung von Komponenten der Kupplungseinheit vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Steuern einer Kupplungseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, und insbesondere durch die folgenden Schritte:

– Ermitteln einer Temperatur in der Reibungskupplung;
– Anpassen einer Kennlinie der Reibungskupplung, welche die Abhängigkeit eines Kupplungsmoments von einer Aktuatorsteuergröße beschreibt, in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur; und
– Steuern der Kupplungseinheit mittels des Aktuators gemäß der Kennlinie.

Erfindungsgemäß erfolgt also eine dynamische Anpassung der Kupplungssteuerung in Abhängigkeit von der Kupplungstemperatur, welche eine bedeutende Einflussgröße in Bezug auf den Zusammenhang zwischen der Aktuatorsteuergröße und dem übertragenen Drehmoment darstellt. Dies kann auf einfache Weise dadurch erreicht werden, dass fortlaufend eine der Kupplungseinheit zugeordnete Temperatur ermittelt wird und die Kennlinie der Reibungskupplung, welche üblicherweise in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegt ist, entsprechend angepasst wird. Durch eine derartige Anpassung können temperaturbedingte Abweichungen der Kupplungscharakteristik vom Normalverhalten kompensiert werden, wodurch die Stellgenauigkeit der Kupplungseinheit erhöht wird. Der Zusammenhang zwischen Kupplungstemperatur und zu kompensierender Drehmomentabweichung kann berechnet oder empirisch ermittelt sein und beispielsweise in Form einer Look-up-Tabelle vorliegen. Durch eine Anpassung der Kennlinie kann die Kupplungssteuerung schnell und zuverlässig korrigiert werden. Aufwändige Berechnungen oder zusätzliche Regelungsmechanismen sind nicht erforderlich. Die Anpassung der Kenn linie kann insbesondere auf periodischer oder kontinuierlicher Basis während des Kupplungsbetriebs vorgenommen werden.
Bevorzugt wird für das Ermitteln der Temperatur in der Reibungskupplung eine Temperatur des Öls ermittelt. Da das Öl während des Betriebs der Reibungskupplung in kontinuierlichem Umlauf auf die Lamellen geleitet wird und nach einem Wärmeaustausch mit diesen wieder in das Reservoir des Ölsumpfs zurückfließt, stellt die Temperatur des Ölsumpfs einen repräsentativen und leicht zugänglichen thermodynamischen Parameter der Reibungskupplung dar. Die Temperatur des Öls erlaubt nicht nur unmittelbare Rückschlüsse auf dessen den Reibwert beeinflussende Viskosität, sondern kann auch als Ausgangspunkt für die Abschätzung oder Berechnung weiterer Temperaturwerte der Reibungskupplung, beispielsweise der Temperatur der Kupplungslamellen, dienen.
Die Temperatur des Öls kann auf direkte und zuverlässige Weise von einem Temperatursensor erfasst werden, der beispielsweise in einem Ölsumpf der Kupplungseinheit angeordnet ist. Dies bietet sich insbesondere bei Kupplungseinheiten an, bei denen ein derartiger Temperatursensor ohnehin vorgesehen ist, um z. B. bei drohender Überhitzung der Reibungskupplung ein Warnsignal auszugeben. Während die reibenden Kupplungslamellen im allgemeinen einer direkten Temperaturmessung nicht zugänglich sind, ist ein Temperatursensor im Ölsumpf auf einfache Weise anzubringen.
Die Temperatur des Öls kann auch anhand eines Wärmeflussmodells berechnet werden. Ein solches Wärmeflussmodell kann beispielsweise auf einer Berechnung der Differenz zwischen einer Wärmeeingangsleistung und einer Wärmeausgangsleistung der Kupplungseinheit beruhen, wobei das Kupplungsmoment und die Drehzahl des Eingangselements und/oder des Ausgangselements berücksichtigt werden können. Der Vorteil einer derartigen Temperaturermittlung auf rechnerischer Grundlage besteht darin, dass keine zusätzliche Sensorik erforderlich ist. Zudem können verschiedene ohnehin im Rahmen der Fahrzeugsteuerung bereitgestellte Messgrößen, wie z. B. die Drehzahlen des Eingangselements und des Ausgangselements, in vorteilhafter Weise als Eingangsparameter für das Wärmeflussmodell genutzt werden.
Unabhängig von der Art der Ermittlung oder Berechnung der Öltemperatur kann für das Ermitteln der Temperatur in der Reibungskupplung zusätzlich ein Wärmeeintrag berücksichtigt werden, welcher der in der Reibungskupplung erzeugten Verlustleistung entspricht. Mit anderen Worten wird ausgehend von der Öltemperatur über den Wärmeeintrag in die Reibungskupplung auf die Temperatur in der Reibungskupplung geschlossen. Hierdurch kann eine noch höhere Genauigkeit der erwünschten Temperaturkompensation erzielt werden, und insbesondere kann der speziellen Beschaffenheit der verwendeten Reibungskupplung Rechnung getragen werden, beispielsweise um danach zu unterscheiden, ob es sich um eine Lamellenkupplung mit Stahllamellen oder Papierlamellen handelt.
Für das erläuterte Verrechnen der Öltemperatur mit dem Wärmeeintrag kann beispielsweise ein der Öltemperatur entsprechender Wert mit einem dem Wärmeeintrag entsprechenden Wert addiert oder multipliziert werden. Der genannte Wärmeeintrag kann beispielsweise in Abhängigkeit von dem Kupplungsmoment (Soll-Wert des zu übertragenden Drehmoments oder Ist-Wert des übertragenen Drehmoments) und einer Differenz zwischen der Drehzahl des Eingangselements und der Drehzahl des Ausgangselements der Kupplungseinheit ermittelt werden. Insbesondere kann der genannte Wärmeeintrag aus einem Produkt aus Kupplungsmoment und Drehzahldifferenz bestimmt werden, wobei als zusätzlicher Faktor eine empirisch ermittelte Konstante berücksichtigt werden kann, welche letztlich einer Wärmeleitzahl entspricht. Zusätzlich kann über das genannte Produkt aus Kupplungsmoment und Drehzahldifferenz zwischen Eingangselement und Ausgangselement ein Zeitintegral gebildet werden.
Vorzugsweise wird für das Anpassen der Kupplungskennlinie eine Steigung und/oder ein Offset modifiziert. Insbesondere können für das Anpassen der Kennlinie ein Steigungs-Korrekturwert und ein Offset-Korrekturwert in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur bestimmt werden, wobei ein Sollwert des Kupplungsmoments mit dem Steigungs-Korrekturwert multipliziert wird, um einen modifizierten Sollwert des Kupplungsmoments zu ermitteln, wobei anhand der Kennlinie in Abhängigkeit von dem modifizierten Sollwert des Kupplungsmoments ein vorläufiger Sollwert der betreffenden Aktuatorsteuergröße ermittelt wird, und wobei auf den vorläufigen Sollwert der Aktuatorsteuergröße der Offset-Korrekturwert addiert wird, um einen Sollwert der Aktuatorsteuergröße zu ermitteln. Die abgespeicherte Kennlinie selbst bleibt bei einem derartigen Vorgehen unverändert, da lediglich zwei der Kennlinie zugeordnete Parameter aktualisiert werden. Eine komplette Neuerstellung der Kennlinie mit entsprechendem Berechnungs- und Speicheraufwand wird auf diese Weise vermieden. Der genannte Steigungs-Korrekturwert und der genannte Offset-Korrekturwert können empirisch ermittelt werden und in einfachen Look-up-Tabellen hinterlegt sein.
Bevorzugt wird für das Steuern der Kupplungseinheit ein Sollwert der betreffenden Aktuatorsteuergröße in Abhängigkeit von einem Sollwert des Kupplungsmoments ermittelt, und der ermittelte Sollwert der Aktuatorsteuergröße wird eingeregelt, wobei ein Istwert der Aktuatorsteuergröße erfasst und mit dem Sollwert verglichen wird. Die Aktuatorsteuergröße ist im Allgemeinen einer messtechnischen Erfassung besser zugänglich als das Kupplungsmoment selbst, sodass eine Regelung, die sich auf Sollwert und Istwert für die gewählte Aktuatorsteuergröße bezieht, leichter bereitgestellt werden kann. Bei der Aktuatorsteuergröße kann es sich beispielsweise um eine Aktuatorposition (insbesondere Drehwinkel) oder um einen hydraulischen Druck handeln.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Drehmomentübertragungsanordnung mit einem Eingangselement, einem Ausgangselement, einer Kupplungseinheit und einer Steuereinrichtung, wobei die Kupplungseinheit zumindest eine nasslaufende Reibungskupplung zum steuerbaren Übertragen eines Drehmoments von dem Eingangselement auf das Ausgangselement, Öl zum Kühlen der Reibungskupplung und einen Aktuator zum Betätigen der Reibungskupplung aufweist, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, eine Temperatur in der Reibungskupplung zu ermitteln, eine Kennlinie der Reibungskupplung, welche die Abhängigkeit eines Kupplungsmoments von einer Aktuatorsteuergröße beschreibt, in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur anzupassen, und die Kupplungseinheit mittels des Aktuators gemäß der Kennlinie zu steuern.
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 on demand”-Verteilergetriebe erläutert.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs.
2 zeigt eine schematische Ansicht eines Verteilergetriebes.
3 zeigt eine Querschnittsansicht des Verteilergetriebes gemäß 2.
4 zeigt eine schematische Ansicht eines Kupplungsaktuators.
5 zeigt beispielhaft eine unkorrigierte und zwei korrigierte Kennlinien zur Beschreibung der Abhängigkeit eines Kupplungsmoments von einer Aktuatorposition.
6 zeigt beispielhaft die Anpassung einer Kennlinie mittels eines Steigungs-Korrekturwerts und eines Offset-Korrekturwerts.
7 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern einer Kupplungseinheit.
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.
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.
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.
Das Verteilergetriebe 15 besitzt eine Kupplungseinheit 47 mit einer Reibungskupplung 49 und einem Aktuator 51. Die Reibungskupplung 49 weist einen 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 gela gerte 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 Abtriebszahnrad 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.
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.
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 Verstell ring 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.
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).
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.
Aus 3 ist auch ersichtlich, dass der untere Teil des Gehäuses des Verteilergetriebes 15 einen Ölsumpf 120 bildet, der Öl zum Kühlen und Schmieren der Reibungskupplung 47 und der weiteren Komponenten des Verteilergetriebes 15 aufnimmt. In dem Ölsumpf 120 ist ein Temperatursensor 122 angeordnet, der ein Signal T ausgibt, welches die Öltemperatur repräsentiert.
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. geradlinige 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.
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 Diffe renz 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.
Die Steuerung der Kupplungseinheit 47 unter Verwendung der Kennlinie 111 wird nun unter Bezugnahme auf die 5 und 6 näher erläutert. Das in 5 dargestellte Diagramm, in welchem die Drehmomentanforderung (Kupplungsmoment-Sollwert) M in Abhängigkeit vom Drehwinkel-Sollwert α aufgetragen ist, zeigt beispielhaft eine ursprünglich in dem Speicher 113 der Steuereinrichtung 109 abgelegte Kennlinie 111 sowie zwei zur Kompensation des Temperatureinflusses angepasste Kennlinien 111', 111''. Wenn die Steuereinrichtung 109 eine Drehmomentanforderung M empfängt, so kann mittels der Kennlinie 111 der zugehörige Drehwinkel-Sollwert α des Elektromotors 93 ermittelt werden. Wenn infolge des von dem Temperatursensor 122 (3) erzeugten oder mittels eines Wärmeflussmodells berechneten Werts der Öltemperatur T eine Temperaturkompensation der Kupplungssteuerung vorgenommen werden soll, kann nun statt der ursprünglich abgelegten Kennlinie 111 eine angepasste Kennlinie 111' verwendet werden, deren Steigung modifiziert ist. Bei Verwendung der Kennlinie 111' ergibt sich der modifizierte Drehwinkel-Sollwert α_mod, der beim dargestellten Beispiel geringer ist als der unmodifizierte Drehwinkel-Sollwert α. Die Reibungskupplung 49 wird also in diesem Fall weniger stark eingerückt als durch die ursprünglich abgelegte Kennlinie 111 angegeben ist, um z. B. eine geringe Kupplungstemperatur zu berücksichtigen. Die ebenfalls dargestellte Kennlinie 111'' veranschaulicht eine andere Variante der Anpassung, bei welcher eine Modifizierung des Offsets der ursprünglich abgelegten Kennlinie 111 vorgenommen wird, was einer Pa rallelverschiebung im Aktuatorposition/Kupplungsmoment-Diagramm entspricht.
Zur Anpassung der Kennlinie 111 muss nicht notwendigerweise die gesamte abgespeicherte Kurve oder deren zugehörige Tabelle überschrieben werden. Es genügt beispielsweise, jede Drehmomentanforderung M mit einem temperaturabhängigen Korrekturwert zu multiplizieren und danach den Drehwinkel-Sollwert α anhand der ursprünglich abgelegten Kennlinie 111 zu ermitteln. Diese Vorgehensweise ist mit einer Änderung der Kennliniensteigung äquivalent, so dass diese Vorgehensweise beispielsweise der angepassten Kennlinie 111' entspricht. Alternativ ist es auch möglich, zunächst den Drehwinkel-Sollwert α gemäß der unveränderten Drehmomentanforderung M und der unmodifizierten Kennlinie 111 zu ermitteln und den so erhaltenen Drehwinkel-Sollwert α um einen temperaturabhängigen Korrekturwert zu erhöhen oder zu verringern. Diese Vorgehensweise ist mit einer Änderung des Kennlinien-Offsets äquivalent, so dass diese Vorgehensweise beispielsweise der parallelverschobenen Kennlinie 111'' entspricht. Bei dem in 5 dargestellten Beispiel entspricht die Kennlinie 111' mit modifizierter Steigung einer Korrektur des Drehwinkel-Sollwerts nach unten, z. B. um bei niedriger Temperatur einen übermäßigen Anstieg des tatsächlich übertragenen Drehmoments zu verhindern. Die Kennlinie 111'' mit modifiziertem Offset entspricht einer Korrektur des Drehwinkel-Sollwerts nach oben, wie es beispielsweise zur Kompensation der verringerten Viskosität des Öls bei hohen Temperaturen erfoderlich ist. Je nach Anwendung kann es auch vorteilhaft sein, die Änderung des Offsets und der Steigung miteinander zu kombinieren. Der Rechenaufwand ist dadurch auf ein Minimum reduziert, dass während des laufenden Kupplungsbetriebs jeweils nur ein Zahlenwert für die Steigung und/oder für den Offset aktualisiert wird.
Die Kennlinienanpassung kann sich in der Praxis somit so gestalten, dass die einmalig abgespeicherte Kennlinie 111 stets unverändert bleibt, wie in 6 veranschaulicht ist. Zur Anpassung wird die aktuelle Drehmomentanforderung M mit einem Steigungs-Korrekturwert K₁ multipliziert, sodass sich eine modifizierte Drehmomentanforderung M_mod ergibt. Anhand der Kennlinie 111 wird nun derjenige vorläufige Drehwinkel-Sollwert α_temp ermittelt, welcher der modifizierten Drehmomentanforderung M_mod entspricht. Auf den ermittelten Drehwinkel-Sollwert α_temp wird anschließend ein Offset-Korrekturwert K₂ addiert, um den gewünschten, der Anpassung entsprechenden Drehwinkel-Sollwert α zu erhalten. Der Steigungs-Korrekturwert K₁ und der Offset-Korrekturwert K₂, die der aktuellen Temperatur T des Öls zugeordnet sind, können beispielsweise aus einer einfachen, zuvor gespeicherten jeweiligen Look-up-Tabelle abgerufen werden, die durch eine einmalige Kalibrierung des betreffenden Verteilergetriebes 15 erzeugt worden ist. Die in dem Speicher 113 der Steuereinrichtung 109 abgelegte Kennlinie 111 bleibt in diesem Fall stets unverändert. Der Steigungs-Korrekturwert K₁ kann auch kleiner als eins sein, so dass die Multiplikation einer Division äquivalent ist. Ebenso kann der Offset-Korrekturwert K₂ negativ sein, so dass die Addition einer Subtraktion äquivalent ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann die erwünschte Temperaturkompensation zusätzlich auf Grundlage eines Wärmeeintrags erfolgen, welcher der in der Reibungskupplung 49 erzeugten Verlustleistung entspricht. In diesem Fall wird die mittels des Temperatursensors 122 (3) bestimmte Öltemperatur T zunächst hinsichtlich des genannten Wärmeeintrags korrigiert, bevor anhand des korrigierten Temperaturwerts die erläuterte Kennlinienanpassung durchgeführt wird und insbesondere der genannte Steigungs-Korrekturwert K₁ und der genannten Offset-Korrekturwert K₂ aus einer jeweiligen Look-up-Tabelle ausgelesen werden. Der genannte Wärmeeintrag kann insbesondere in Abhängigkeit von einem Produkt aus der Drehmomentanforderung M und einer Differenz zwischen der Drehzahl der Eingangswelle 41 und der zweiten Ausgangswelle 45 (vgl. 2 und 3) berechnet werden. Diese Drehzahlen stehen aufgrund der Signale der Raddrehzahl-Sensoren 35, 37 (1) ohnehin zur Verfügung, ohne dass zusätzliche Sensoren erforderlich sind.
Unter Bezugnahme auf 7 wird ein beispielhaftes Verfahren zum Steuern einer Kupplungseinheit unter Berücksichtigung der Temperatur T beschrieben. In einem Schritt S1 empfangt die Steuereinrichtung 109 eine aktuelle Drehmomentanforderung M. In einem Schritt S2 wird die Temperatur T des Ölsumpfs der Reibungskupplung ermittelt. In Abhängigkeit von der Temperatur T des Ölsumpfs wird in einem Schritt S3 eine zugeordnete Steigung aus einer Look-up-Tabelle abgerufen, und die Kennlinie 111 wird gemäß der abgerufenen Steigung modifiziert. In einem Schritt S4 wird die Kennlinie 111' mit modifizierter Steigung dazu verwendet, den dem angeforderten Drehmoment M zugeordneten korrigierten Drehwinkel-Sollwert α_mod zu ermitteln. Dieser korrigierte Drehwinkel-Sollwert wird als neuer einzuregelnder Positionswert für den Aktuator betrachtet, und der Elektromotor 93 wird in einem Schritt S5 in die entsprechende Position gestellt.
Sofern das Anpassen der Kennlinie 111 durch Verwendung von Korrekturwerten erfolgt wie im Zusammenhang mit 6 beschrieben, können in dem Schritt S3 in Abhängigkeit von der Temperatur T des Ölsumpfs der Steigungs-Korrekturwert K₁ und der Offset-Korrekturwert K₂ ausgelesen werden, wobei diese Werte K₁, K₂ in dem Schritt S4 dazu verwendet wer den können, anhand der Drehmomentanforderung M letztlich den angepassten Drehwinkel-Sollwert α zu ermitteln.
Auf diese Weise kann beispielsweise berücksichtigt werden, dass mit zunehmender Betriebstemperatur der Kupplungseinheit 47 die Viskosität des Schmieröls abnimmt und sich somit die Kupplungscharakteristik ändert. Durch die Kompensation der Temperatureinflüsse kann die Genauigkeit der Kupplungsmomentsteuerung erhöht werden. Die ermittelte Temperatur des Ölsumpfs kann zusätzlich auch für andere Steuerungsaufgaben im Rahmen des Fahrzeugbetriebs eingesetzt werden. Sie kann zu diesem Zweck z. B. an einen CAN-Bus ausgegeben werden, um so anderen Steuereinrichtungen zur Verfügung zu stehen.
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 elektromagnetische, eine hydraulische oder eine elektrohydraulische Aktuierung vorgesehen sein. In diesem Fall wird anstelle der erläuterten Drehwinkel/Kupplungsmoment-Kennlinie 111 beispielsweise eine Druck/Kupplungsmoment-Kennlinie temperaturabhängig angepasst.

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: Positionssensor
107': Positionssensor
109: Steuereinrichtung
111: Kupplungsmoment/Drehwinkel-Kennlinie
111': Kennlinie mit modifizierter Steigung
111'': Kennlinie mit modifiziertem Offset
113: Speicher
120: Ölsumpf
122: Temperatursensor
A: Rotationsachse
B: Rotationsachse
C: Rotationsachse
α: Drehwinkel-Sollwert
α': Drehwinkel-Istwert
α_mod: modifizierter Drehwinkel-Sollwert
α_temp: vorläufiger Drehwinkel-Sollwert
M: Drehmomentanforderung
M_mod: modifizierte Drehmomentanforderung
K₁: Steigungs-Korrekturwert
K₂: Offset-Korrekturwert
T: Öltemperatur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 7111716 B2 [0002]
- WO 2003/025422 A1 [0006, 0006]
- US 7032733 B2 [0006]

Claims

Verfahren zum Steuern einer Kupplungseinheit (47) für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, wobei die Kupplungseinheit (47) zumindest aufweist: – eine nasslaufende Reibungskupplung (49) zum steuerbaren Übertragen eines Drehmoments von einem Eingangselement (41) auf ein Ausgangselement (45) der Kupplungseinheit (47); – Öl zum Kühlen der Reibungskupplung (49); und – einen Aktuator (51) zum Betätigen der Reibungskupplung (49); wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Ermitteln einer Temperatur in der Reibungskupplung (49); – Anpassen einer Kennlinie (111) der Reibungskupplung (49), welche die Abhängigkeit eines Kupplungsmoments von einer Aktuatorsteuergröße beschreibt, in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur; und – Steuern der Kupplungseinheit (47) mittels des Aktuators (51) gemäß der Kennlinie (111).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei für das Ermitteln der Temperatur in der Reibungskupplung (49) eine Temperatur (T) des Öls ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Temperatur (T) des Öls von einem Temperatursensor (122) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Temperatursensor (122) in einem Ölsumpf (120) der Kupplungseinheit (47) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Temperatur des Öls anhand eines Wärmeflussmodells berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei für das Ermitteln der Temperatur in der Reibungskupplung (49) die ermittelte Öltemperatur (T) mit einem Wärmeeintrag verrechnet wird, der der in der Reibungskupplung (49) erzeugten Verlustleistung entspricht.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Wärmeeintrag in Abhängigkeit von dem Kupplungsmoment und einer Differenz zwischen der Drehzahl des Eingangselements (41) und der Drehzahl des Ausgangselements (45) der Kupplungseinheit (47) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei für das Ermitteln des Wärmeeintrags ein Zeitintegral über das Produkt aus Kupplungsmoment und Drehzahldifferenz gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für das Anpassen der Kennlinie (111) eine Steigung und/oder ein Offset der Kennlinie (111) modifiziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für das Anpassen der Kennlinie (111) ein Steigungs Korrekturwert (K₁) und ein Offset-Korrekturwert (K₂) in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur (T) bestimmt werden, wobei ein Sollwert (M) des Kupplungsmoments mit dem Steigungs-Korrekturwert (K₁) multipliziert wird, um einen modifizierten Sollwert (M_mod) des Kupplungsmoments zu ermitteln, wobei anhand der Kennlinie (111) in Abhängigkeit von dem modifizierten Sollwert (M_mod) des Kupplungsmoments ein vorläufiger Sollwert (α_temp) der Aktuatorsteuergröße ermittelt wird, und wobei auf den vorläufigen Sollwert (α_temp) der Aktuatorsteuergröße der Offset-Korrekturwert (K₂) addiert wird, um einen Sollwert (α) der Aktuatorsteuergröße zu ermitteln.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für das Steuern der Kupplungseinheit (47) ein Sollwert (α) der Aktuatorsteuergröße in Abhängigkeit von einem Sollwert (M) des Kupplungsmoments ermittelt wird und der ermittelte Sollwert (α) der Aktuatorsteuergröße eingeregelt wird, wobei ein Istwert (α') der Aktuatorsteuergröße erfasst und mit dem Sollwert (α) der Aktuatorsteuergröße verglichen wird.
Drehmomentübertragungsanordnung (15) mit einem Eingangselement (41), einem Ausgangselement (45), einer Kupplungseinheit (47) und einer Steuereinrichtung (109), wobei die Kupplungseinheit (47) zumindest eine nasslaufende Reibungskupplung (49) zum steuerbaren Übertragen eines Drehmoments von dem Eingangselement (41) auf das Ausgangselement (45), Öl zum Kühlen der Reibungskupplung (49), und einen Aktuator (51) zum Betätigen der Reibungskupplung (49) aufweist, wobei die Steuereinrichtung (109) dazu ausgebildet ist, – eine Temperatur in der Reibungskupplung (49) zu ermitteln; – eine Kennlinie (111) der Reibungskupplung (49), welche die Abhängigkeit eines Kupplungsmoments von einer Aktuatorsteuergröße beschreibt, in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur anzupassen; und – die Kupplungseinheit (47) mittels des Aktuators (51) gemäß der Kennlinie (111) zu steuern.