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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen
einer Kupplungseinheit für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs.
Die Kupplungseinheit weist zumindest eine nasslaufende Reibungskupplung
zum steuerbaren Übertragen eines Drehmoments von einem
Eingangselement auf ein Ausgangselement der Kupplungseinheit, eine
Getriebekomponente zur Drehmomentumsetzung und Öl zum Kühlen
der Reibungskupplung und zum Schmieren der Getriebekomponente auf.
Die Reibungskupplung weist alternierend angeordnete primäre
und sekundäre Kupplungslamellen auf. 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 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.
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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. 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 Reibungskupplung
in ein Gehäuse integriert, welches Öl zum Kühlen
und Schmieren der Kupp lungskomponenten 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.
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Die
Kupplungseinheit umfasst ferner eine Getriebekomponente zur Umsetzung
des von der Reibungskupplung übertragenen Drehmoments.
Die Getriebekomponente dient beispielsweise dazu, das Drehmoment
auf eine in Bezug auf die Eingangswelle parallel versetzte Ausgangswelle
zu übertragen und es je nach Anwendungsvorgabe betragsmäßig umzuwandeln.
Zu diesem Zweck kann ein Triebsatz vorgesehen sein, beispielsweise
eine Stirnradverzahnung oder ein Kettentrieb, welcher die Reibungskupplung
mit einem Ausgangselement der Kupplungseinheit koppelt. Das Öl
aus dem Ölsumpf kann zum Schmieren des Triebsatzes verwendet
werden. Zur Optimierung der Schmierwirkung kann auch eine bestimmte Ölmenge
in einem von dem Ölsumpf entfernten Zusatzreservoir bereitgehalten
werden.
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Mit
dem Betrieb der Reibungskupplung und der Getriebekomponente tritt
bei dem in der Kupplungseinheit vorhandenen Öl eine zunehmende Schädigung
auf, welche dessen Kühl- und Schmierwirkung beeinträchtigt
und ab einem gewissen Ausmaß einen Ölwechsel erforderlich
macht. Üblicherweise werden daher bei Kupplungseinheiten
der genannten Art Service-Fahrdistanzintervalle festgelegt, nach
deren Ablauf jeweils ein Ölwechsel durchzuführen
ist. Die Intervalle beruhen auf Erfahrungswerten in Bezug auf einen
durchschnittlichen Verschleiß. Sie können zusätzlich
auch von einem vorgegebenen Kundenprofil abhängen. Der
Verschleiß in der Kupplungseinheit und daher die Schädigung
des Öls sind bei einem langer andauernden Betrieb mit einem
hohen Kupplungsmoment besonders hoch. In Abhängigkeit von
den konkreten fahrdynamischen Gege benheiten kann der Schädigungsgrad
des Öls jedoch relativ stark variieren. Bei regelmäßigen,
festen Ölwechselintervallen kann es daher vorkommen, dass der Ölverschleiß bei
einem anstehenden Ölwechsel noch nicht so weit fortgeschritten
ist, dass ein Erneuern des Öls tatsächlich erforderlich
ist. In einem derartigen Fall wird also unnötigerweise
ein Ölwechsel durchgeführt, was unter ökonomischen
Aspekten unerwünscht ist. Ebenso kann der Schädigungsgrad des Öls
unter besonders ungünstigen Betriebsbedingungen schon unzulässig
weit vorangeschritten sein, obwohl gemäß Zeitintervall
noch keine Notwendigkeit für einen Ölwechsel besteht.
In diesem Fall kann durch die unzureichende Kühl- und Schmierwirkung des
geschädigten Öls der Kupplungsbetrieb beeinträchtigt
werden, oder es kann sogar zu Schäden an den mechanischen
Komponenten der Kupplungseinheit kommen.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine geeignete Überwachung
einer Kupplungseinheit der vorstehend beschriebenen Art vorzusehen,
um überflüssige Ölwechsel zu vermeiden
und gleichzeitig einen Kupplungsbetrieb mit unzulässig
stark geschädigtem Öl einfach und zuverlässig
zu verhindern.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Überwachen einer Kupplungseinheit
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, und insbesondere durch
die folgenden Schritte:
- – Ermitteln
einer Verlustarbeit der Kupplungslamellen;
- – Ermitteln einer Verlustarbeit der Getriebekomponente;
- – Summieren zumindest der Kupplungslamellen-Verlustarbeit
und der Getriebekomponenten-Verlustarbeit, um eine Gesamtverlustarbeit
zu ermitteln; und
- – Ermitteln eines Schädigungsgrads des Öls
in Abhängigkeit von der Gesamtverlustarbeit.
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Erfindungsgemäß wird
also unabhängig von festen Zeit- oder Fahrdistanzvorgaben
der tatsächliche Schädigungsgrad des Öls
in der Kupplungseinheit ermittelt. Der Schädigungsgrad
stellt eine verlässliche Grundlage zur Festlegung eines
optimalen Zeitpunkts für einen Ölwechsel bereit.
Die Ermittlung des Ölschädigungsgrads erfolgt
rechnerisch auf der Grundlage von leicht ermittelbaren Energiebeträgen, sodass
kein separater Sensor zum Erfassen der Beschaffenheit des Öls
erforderlich ist. Erfindungsgemäß wurde insbesondere
erkannt, dass die Kupplungslamellen-Verlustarbeit und die Getriebekomponenten-Verlustarbeit
bedeutende Kenngrößen für den Verschleiß in
der Kupplungseinheit darstellen und somit in vorteilhafter Weise
zur Abschätzung des Ölschädigungsgrads
herangezogen werden können. Die Kupplungslamellen-Verlustarbeit
und die Getriebekomponenten-Verlustarbeit können anhand
von leicht zugänglichen Parametern, wie z. B. Drehmomentbeträgen
oder Drehzahlen, ermittelt werden. Aufwändige Zusatzmessungen
werden vermieden, weshalb die erfindungsgemäße
Kupplungsüberwachung besonders kostengünstig realisierbar
ist.
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Das
Ermitteln des Schädigungsgrads des Öls kann beispielsweise
durch Multiplizieren der ermittelten Gesamtverlustarbeit mit einer
empirisch bestimmten Konstante erfolgen. Alternativ hierzu kann der Ölschädigungsgrad
dadurch ermittelt werden, dass er mit der Gesamtverlustarbeit gleichgesetzt wird,
d. h. in diesem Fall sind die geeigneten Umrechnungsfaktoren bereits
bei der Ermittlung der einzelnen Beiträge zu der Gesamtverlustarbeit
berücksichtigt.
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Die
durchzuführenden Schritte des erfindungsgemäßen
Verfahrens müssen nicht notwendigerweise in der angegebenen
Reihenfolge ausgeführt werden. Es ist auch nicht zwingend
erforderlich, dass sie zeitlich nacheinander ausgeführt
werden, d. h. sie können zumindest teilweise auch gleichzeitig miteinander
ausgeführt werden.
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Vorzugsweise
wird für das Ermitteln der Kupplungslamellen-Verlustarbeit
und der Getriebekomponenten-Verlustarbeit eine jeweilige Verlustleistung
ermittelt, und es wird ein Zeitintegral über die Verlustleistung
gebildet. Im Allgemeinen ist die Verlustleistung relativ leicht
ermittelbar, sodass die interessierenden Energiewerte, welche letztlich
mit dem Verschleiß in Zusammenhang stehen, durch eine zeitliche
Integration auf besonders einfache Weise bestimmt werden können.
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Bevorzugt
wird für das Ermitteln der Kupplungslamellen-Verlustleistung
das Kupplungsmoment mit der Differenz zwischen der Drehzahl des Eingangselements
und der Drehzahl des Ausgangselements multipliziert. Die entsprechenden
Drehzahlen sind durch geeignete Sensoren leicht erfassbar und werden
oftmals standardmäßig für verschiedene Aufgaben
der Fahrzeugsteuerung zur Verfügung gestellt. Bei dem Kupplungsmoment
kann es sich um eine Drehmomentanforderung (Soll-Wert) oder um das
von der Reibungskupplung tatsächlich übertragene
Drehmoment (Ist-Wert) handeln, welches seinerseits gemessen oder
berechnet sein kann. Das Kupplungsmoment steht in Zusammenhang mit
der auf die Kupplungslamellen wirkenden Andruckkraft. Die Drehzahldifferenz
zwischen Eingangselement und Ausgangselement repräsentiert
den in der Reibungskupplung auftretenden Schlupf. Durch das Produkt
aus Andruckkraft und Schlupf kann somit auf die Reibungsverluste
der Kupplungslamellen geschlossen werden.
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Für
eine besonders genaue Ermittlung der Kupplungslamellen-Verlustleistung
wird das Produkt aus Kupplungsmoment und Drehzahldifferenz mit einem
Gewichtungsfaktor multipliziert, der in Abhängigkeit von
dem Kupplungsmoment, der Drehzahldifferenz oder dem Produkt aus
Kupplungsmoment und Drehzahldifferenz gewählt wird. Der Ölverschleiß hängt
nämlich nicht nur von der reinen Kupplungslamellen-Verlustarbeit,
also von der durch die Kupplungslamellen absorbierten Gesamtenergie,
sondern auch vom zeitlichen Verlauf der Energieaufnahme ab, also
von der zugrundeliegenden Verlustleistung. Beispielsweise führt
eine geringe Verlustleistung, die über einen längeren
Zeitraum hinweg anhält, zu weniger Verschleiß und
somit Ölschädigung als eine hohe Verlustleistung,
die nur über einen kurzen Zeitraum hinweg anhält.
Durch Multiplikation mit einem Gewichtungsfaktor kann diesem Umstand
auf einfache Weise Rechnung getragen werden. Die Gewichtungsfaktoren
können beispielsweise empirisch ermittelt sein. Insbesondere
können hierdurch unterschiedliche Leistungsbereiche berücksichtigt
werden.
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Bevorzugt
wird für das Ermitteln der Getriebekomponenten-Verlustleistung
das Kupplungsmoment mit einem Wirkungsgradverlustfaktor der Getriebekomponente
und mit einer Drehzahl des Eingangselements oder des Ausgangselements
multipliziert. Bei dem Kupplungsmoment kann es sich wiederum um
den Soll-Wert oder um den Ist-Wert handeln. Der Wirkungsgradverlustfaktor
der Getriebekomponente kann eine empirisch ermittelte Konstante
sein und spiegelt beispielsweise die in einer Stirnradverzahnung
oder in einem Kettentrieb zwischen Reibungskupplung und Ausgangselement
auftretenden mechanischen Verluste wieder.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Kupplungseinheit
ferner eine Ölpumpe auf, wobei eine Verlustarbeit der Ölpumpe ermittelt
und auf die Kupplungslamellen-Verlustarbeit und die Getriebekomponenten-Verlustarbeit
summiert wird, um die Gesamtverlustarbeit zu ermitteln. Eine eigene Ölpumpe
ist je nach Ausführungsform der Kupplungseinheit notwendig,
um eine ausreichende Benetzung der Kupplungslamellen oder eine ausreichende
Schmierung der mechanischen Bauteile zu gewährleisten.
Eine derartige Ölpumpe liefert einen bedeutsamen Beitrag
zur Gesamtverlustarbeit der Kupplungseinheit, welcher durch Aufsummieren auf
die anderen Beiträge berücksichtigt werden kann.
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Bevorzugt
wird für das Ermitteln der Ölpumpen-Verlustarbeit
ein Verlustmoment der Ölpumpe mit der Drehzahl des Eingangselements
und/oder der Drehzahl des Ausgangselements multipliziert, und es
wird ein Zeitintegral über das Produkt aus Verlustmoment
und Drehzahl gebildet. Das Verlustmoment der Ölpumpe kann
wiederum selbst von der Drehzahl des Eingangselements und/oder der
Drehzahl des Ausgangselements abhängen. Der entsprechende
Zusammenhang kann empirisch ermittelt sein und beispielsweise aus
einer zuvor abgespeicherten Look-up-Tabelle abgerufen werden. Hierdurch
kann die der Ölpumpe zugeordnete Verlustarbeit auf einfache
Weise genau bestimmt werden.
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Vorzugsweise
umfasst der Schritt des Summierens der Verlustarbeiten, dass die
Verlustarbeiten mit einem jeweiligen Gewichtungsfaktor multipliziert werden,
welcher den unterschiedlichen Beitrag der jeweiligen Verlustarbeit
zur Schädigung des Öls berücksichtigt.
Dadurch wird die Genauigkeit der rechnerischen Ermittlung des Ölschädigungsgrads
weiter erhöht, da einer unterschiedlichen Ölschädigungswirkung
der einzelnen verschleißverursachenden Faktoren Rechnung
getragen wird.
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Vorzugsweise
werden die Gewichtungsfaktoren in Abhängigkeit von der
vorgenannten jeweiligen Verlustleistung der Kupplungslamellen, der
Ge triebekomponente und/oder der Ölpumpe ausgewählt.
Somit kann zusätzlich zur unterschiedlichen Schädigungswirkung
durch die verschiedenen Beiträge der Gesamtverlustarbeit
auch die im Zusammenhang mit der Kupplungslamellen-Verlustleistung diskutierte
Abhängigkeit der Schädigungswirkung in entsprechender
Weise vom Zeitverlauf der Energieaufnahme berücksichtigt
werden.
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Gemäß einer
zweckmäßigen Ausgestaltung werden die ermittelten
Verlustarbeitswerte bei einer Stillsetzung des Kraftfahrzeugs gespeichert
und bei einer erneuten Inbetriebnahme als Startwerte verwendet.
Die Gesamtverlustarbeit wird also kontinuierlich hochgerechnet,
da die durch sie verursachte Ölschädigung irreversibel
ist, also stetig voranschreitet und sich nicht etwa bei stillgesetztem
Fahrzeug zurückbildet.
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Vorzugsweise
wird in Abhängigkeit von dem ermittelten Schädigungsgrad
des Öls ein Warnsignal erzeugt, um hierdurch letztlich
einen rechtzeitigen Ölwechsel auszulösen. Bei
dem Warnsignal kann es sich um ein optisches oder ein akustisches
Signal handeln, das dem Fahrer unmittelbar angezeigt wird. Alternativ
oder zusätzlich kann das Warnsignal in einem Speicher abgelegt
werden, wobei das Warnsignal beispielsweise bei dem nächsten
Werkstattbesuch des Fahrzeugs aus dem Speicher ausgelesen wird,
so dass zu diesem Zeitpunkt ein Ölwechsel vorgenommen werden
kann.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform wird das genannte Warnsignal
erzeugt, wenn der ermittelte Schädigungsgrad des Öls
einen vorbestimmten Schwellwert erreicht oder überschreitet.
Der Schwellwert definiert beispielsweise einen Grenzwert des Ölschädigungsgrads,
ab dem ein ordnungsgemäßer Kupplungsbetrieb nur
noch für eine begrenzte Fahrdistanz oder eine begrenzte
Zeitdauer gewährleistet ist. Der Schwellwert kann wiederum
empirisch ermittelt sein. Das Warnsignal kann erzeugt werden, indem
beispielsweise in einer Steuereinrichtung ein vorbestimmter Fehlercode
gesetzt wird. Es kann auch eine Warnanzeige an dem Kraftfahrzeug
aktiviert werden, beispielsweise eine Warnleuchte am Armaturenbrett
des Fahrzeugs. Der Fahrzeugbediener wird dadurch unmittelbar auf
einen notwendigen Ölwechsel hingewiesen. Um die Schutzwirkung
weiter zu erhöhen, kann das Warnsignal auch eine Deaktivierung
der Kupplungseinheit bewirken, solange kein Ölwechsel durchgeführt
wird.
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Alternativ
oder zusätzlich hierzu ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit
von dem ermittelten Schädigungsgrad des Öls und
einer von dem Kraftfahrzeug seit einem letzten Wechsel des Öls
zurückgelegten Fahrdistanz eine Prognose-Fahrdistanz berechnet
wird, für die das Erreichen oder Überschreiten
eines Ölschädigungsgrad-Schwellwerts erwartet wird,
wobei die berechnete Prognose-Fahrdistanz mit einer vorbestimmten
ersten Service-Fahrdistanz und einer vorbestimmten zweiten Service-Fahrdistanz
verglichen wird, die größer ist als die erste
Service-Fahrdistanz. Das genannte Warnsignal wird ausgegeben, falls
die von dem Kraftfahrzeug seit dem letzten Ölwechsel zurückgelegte
Fahrdistanz geringer ist als die erste Service-Fahrdistanz und falls
die berechnete Prognose-Fahrdistanz größer als die
erste Service-Fahrdistanz, jedoch geringer als die zweite Service-Fahrdistanz
ist.
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Die
genannte zurückgelegte Fahrdistanz bezieht sich auf diejenige
Entfernung, welche seit dem letzten Ölwechsel (einschließlich
der erstmaligen Inbetriebnahme) vom Fahrzeug zurückgelegt
worden ist. Die genannte jeweilige Service-Fahrdistanz ist z. B.
ein vom Fahrzeughersteller vorgegebener Wert, der sich auf die nächste
empfohlene Service-Untersuchung der Kupplungseinheit oder des Kraftfahrzeugs
bezieht. Es kann sich hier um einen absoluten Distanzwert handeln
(entsprechend dem Fahrdis tanzanzeiger des Fahrzeugs) oder um einen
relativen Distanzwert (bezogen auf die vorhergehende Service-Untersuchung).
Es ist aus ökonomischer Sicht von Vorteil, einen Ölwechsel
der Kupplungseinheit im Rahmen einer regulären Service-Untersuchung durchzuführen,
um einen zusätzlichen Werkstattaufenthalt zu vermeiden.
Allerdings ist ein Kupplungsbetrieb mit unzulässig stark
geschädigtem Öl zu vermeiden. Zum Schutz der mechanischen
Kupplungsbauteile vor einer möglichen Beschädigung
wird deshalb rechtzeitig ein Warnsignal ausgegeben, wenn aufgrund
des ermittelten Ölschädigungsgrads und einer hierauf
gestützten Prognose derjenigen Fahrdistanz, für
die eine unzulässige Ölschädigung erreicht
sein wird, bereits absehbar ist, dass die übernächste
reguläre Service-Untersuchung nicht mehr abgewartet werden
kann, um einen Ölwechsel durchzuführen, sondern
dieser bereits bei der nächsten regulären Service-Untersuchung
durchzuführen ist. Es wird also eine auf dem ermittelten Ölschädigungsgrad
basierende Prognose mit den ohnehin vorgesehenen Service-Intervallen
abgeglichen, um überflüssige Werkstattaufenthalte
zu vermeiden. Das genannte Warnsignal kann als optisches oder akustisches
Signal direkt dem Fahrer angezeigt werden, und/oder es wird in Form
eines Fehlercodes an ein Steuergerät des Fahrzeugs übermittelt,
und/oder es wird in einem Fehlerspeicher abgelegt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung wird das Warnsignal nur dann ausgegeben,
wenn die von dem Kraftfahrzeug zurückgelegte Fahrdistanz
innerhalb eines vorbestimmten Intervalls vor der genannten ersten
Service-Fahrdistanz liegt. Somit wird vermieden, dass das Warnsignal
unnötig früh vor der nächsten regulären
Service-Untersuchung ausgegeben wird.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf eine Drehmomentübertragungsanordnung
mit einem Eingangselement, einem Ausgangselement, einer Kupplungseinheit
und einer Steuereinrichtung, wobei die Kupplungsein heit zumindest
eine nasslaufende Reibungskupplung zum steuerbaren Übertragen
eines Drehmoments von dem Eingangselement auf das Ausgangselement,
eine Getriebekomponente zur Drehmomentumsetzung und Öl
zum Kühlen der Reibungskupplung und zum Schmieren der Getriebekomponente
aufweist, wobei die Reibungskupplung alternierend angeordnete primäre
und sekundäre Kupplungslamellen aufweist, und wobei die
Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, eine Verlustarbeit der Kupplungslamellen
zu ermitteln, eine Verlustarbeit der Getriebekomponente zu ermitteln,
die Kupplungslamellen-Verlustarbeit und die Getriebekomponenten-Verlustarbeit
zu summieren, um eine Gesamtverlustarbeit zu ermitteln, und einen
Schädigungsgrad des Öls in Abhängigkeit
von der Gesamtverlustarbeit zu ermitteln.
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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
ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Überwachen einer Kupplungseinheit.
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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 Vorderachs-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 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 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 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.
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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 Rota tionsachse
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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In 3 ist
auch ein Ölsumpf 93 gezeigt, aus dem während
des Betriebs kontinuierlich Getriebeöl zu den einzelnen
Komponenten der Kupplungseinheit 47 gefördert
wird.
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Unter
Bezugnahme auf 4 wird nun erläutert,
wie gemäß einer besonders einfachen Ausführungsform
mittels einer der Kupplungseinheit 47 zugeordneten Steuereinrichtung
(in 2 und 3 nicht dargestellt) ein Schädigungsgrad
des Öls in der Kupplungseinheit 47 ermittelt und
berücksichtigt werden kann.
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In
einem Schritt S1 wird eine Kupplungslamellen-Verlustleistung P1, eine Triebsatz-Verlustleistung P2 und eine Ölpumpen-Verlustleistung
P3 ermittelt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Kupplungslamellen-Verlustleistung P1 berechnet,
indem das Kupplungsmoment mit der Drehzahldifferenz zwischen der
Eingangswelle 41 oder der ersten Ausgangswelle 43 einerseits
und der zweiten Ausgangswelle 45 andererseits multipliziert
wird. Der Triebsatz der Kupplungseinheit 47 ist gemäß 3 durch
das Antriebszahnrad 57, den Kettentrieb 59 und
das Abtriebszahnrad 61 gebildet. Die Verlustleistung P2 des Kettentriebs 59 wird vorzugsweise
aufgrund eines Produkts aus dem Kupplungsmoment, der Drehzahl der
Eingangswelle 41 sowie einer empirisch ermittelten Konstante
berechnet, welche mit dem Wirkungsgrad des Kettentriebs 59 in
Zusammenhang steht. Die Verlustleistung P3 einer Ölpumpe (in 2 und 3 nicht
gezeigt) wird ermittelt, indem die Drehzahl der Eingangswelle 41 oder
der ersten Ausgangswelle 43 mit einer empirisch ermittelten Konstante
multipliziert wird. Die Konstante hängt insbesondere selbst
von der Drehzahl der Eingangswelle 41 ab und wird aus einer
gespeicherten Look-up-Tabelle abgerufen. Die jeweilige Drehzahl der
Eingangswelle 41, der ersten Ausgangswelle 43 und
der zweiten Ausgangswelle 45 lässt sich auf einfache
Weise aus den Signalen der Raddrehzahl-Sensoren 35, 37 der
Hinterräder 21 bzw. der Vorderräder 29 ermitteln
(1), die über den Datenbus des Fahrzeugs üblicherweise
ohnehin zur Verfügung stehen.
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Die
Velustleistungswerte P1, P2 und
P3 werden in einem Schritt S2 entsprechend
der ihnen zugeordneten Ölschädigungswirkung relativ
zueinander gewichtet. Die Gewichtung wird vorzugsweise durchgeführt,
indem die Verlustleistungswerte mit einem aus einer Speichereinrichtung
(nicht dargestellt) abgerufenen Gewichtungsfaktor multipliziert
werden. Anschließend werden die drei gewichteten Verlustleistungswerte
in einem Schritt S3 summiert, und über die Summe wird ein
Zeitintegral gebildet, um die Gesamtverlustarbeit WGES der
Kupplungseinheit 47 zu erhalten. Anstelle der Integralbildung über
die Summe der Leistungswerte kann auch separat über die
einzelnen Verlustleistungen integriert werden, und die jeweils erhaltenen
Verlustarbeiten können im Anschluss summiert werden. Die
resultierende Gesamtverlustarbeit WGES wird
bei der beschriebenen Ausführungsform direkt als Schädigungsgrad
des Öls in der Kupplungseinheit 47 interpretiert,
beispielsweise in der Einheit kWh. Alternativ kann die Gesamtverlustarbeit
WGES auch zusätzlich mit einem Proportionalitätsfaktor
multipliziert werden, um eine angepasste Maßzahl für
den Ölschädigungsgrad zu erhalten.
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Bei
der Integralbildung ist zu beachten, dass die Gesamtverlustarbeit
WGES als kumulative Größe behandelt
wird, d. h. sie wird kontinuierlich hochgerechnet. Bei einer Stillsetzung
des Fahrzeugs wird dementsprechend der aktuelle Wert von WGES in einem nichtflüchtigen Speicher
abgelegt. Bei erneuter Inbetriebnahme wird der Wert abgerufen und
als Startwert für die weitere Integration herangezogen. Die
hier beschriebene Überwachung kann zu bestimmten festgelegten
Zeitpunkten durchgeführt werden, z. B. bei jedem Start
des Kraftfahrzeugs, oder auf regelmäßiger oder
kontinuierlicher Basis während des Fahrzeugbetriebs. Demgemäß ist
bei jeder erneuten Ermittlung der Gesamtverlustarbeit WGES der
zuletzt ermittelte Betrag als Ausgangswert zu berücksichtigen.
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In
einem Schritt S4 wird dann geprüft, ob die berechnete Gesamtverlustarbeit
WGES einen vorgegebenen Schwellwert WLIMIT erreicht oder übersteigt. WLIMIT entspricht einem gerade noch tolerierbaren Ölschädigungsgrad,
wobei ein angemessener Sicherheitspuffer berücksichtigt
ist. Wenn WGES kleiner als WLIMIT ist,
ist der Ölschädigungsgrad im zulässigen Bereich
und das Verfahren beginnt von neuem bei Schritt S1. Wenn WGES größer oder gleich
WLIMIT ist, hat der Ölschädigungsgrad
einen kritischen Wert erreicht und ein Ölwechsel ist erforderlich.
Daher wird in einem Schritt S5 ein Warnsignal erzeugt. Beispielsweise
wird eine Warnmeldung ”Ölwechsel erforderlich” auf
einer Anzeige an dem Armaturenbrett des Kraftfahrzeugs ausgegeben.
Der Fahrer ist somit gehalten, ab sofort einen Ölwechsel
vornehmen zu lassen.
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Um
einen optimalen Zeitpunkt für einen Ölwechsel
der Kupplungseinheit 47 festzulegen, kann der aktuelle Ölschädigungsgrad
zu einem Servicein tervall des Kraftfahrzeugs ins Verhältnis
gesetzt werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise anhand des aktuellen Ölschädigungsgrads
und der bislang zurückgelegten Fahrdistanz des Fahrzeugs
ein prognostizierter Ölschädigungsgrad berechnet
werden, welcher sich auf die nächste festgelegte Service-Fahrdistanz
bezieht. Der bisherige Verlauf der Ölschädigung
wird also hinsichtlich der zukünftigen Entwicklung extrapoliert,
um die letzte regulär vorgesehene Service-Untersuchung
zu ermitteln, nach welcher eine Überschreitung des Schwellwerts
WLIMIT zu erwarten wäre. Ein Warnsignal
wird dann rechtzeitig vor Erreichen dieser Service-Untersuchung
erzeugt. Um allerdings einen vorzeitigen Ölwechsel bzw.
eine unerwünscht lang fortbestehende Alarmmeldung zu vermeiden,
wird das Warnsignal erst dann erzeugt oder weitergeleitet, wenn
die zurückgelegte Fahrdistanz des Kraftfahrzeugs in einem
vorbestimmten Bereich vor Erreichen der betreffenden Service-Fahrdistanz
liegt, d. h. wenn ein Werkstattaufenthalt unmittelbar bevorsteht.
Das Warnsignal kann auch in Form eines Fehlercodes direkt an ein Steuergerät
des Fahrzeugs gesendet werden oder in einem Speicher abgelegt werden,
ohne den Fahrer ausdrücklich auf den erforderlichen Ölwechsel
hinzuweisen.
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Insgesamt
stellt die Erfindung also eine Ölschädigungsdiagnose
für eine Kupplungseinheit zur Verfügung, die es
ermöglicht, die Anzahl der einzuplanenden Ölwechsel
zu verringern oder durch Festlegen zusätzlicher Zeitpunkte
für einen Ölwechsel einen Schutz für
die mechanischen Bauteile der Kupplungseinheit vorzusehen.
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Während
die Erfindung in einem Verteilergetriebe 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.
Anstelle der beschriebenen elektromechanischen Betätigung
der Reibungskupp lung 49 kann beispielsweise auch eine elektromagnetische,
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
- Ölsumpf
- A
- Rotationsachse
- B
- Rotationsachse
- C
- Rotationsachse
- P1
- Verlustleistung
der Kupplungslamellen
- P2
- Verlustleistung
der Getriebekomponente
- P3
- Verlustleistung
der Ölpumpe
- WGES
- Gesamtverlustarbeit
- WLIMIT
- Ölschädigungsschwellwert
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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