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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb
eines Antriebsstrangs mit einer an eine Kupplung angeschlossenen
Antriebsmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine.
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Aus
der Praxis des Kraftfahrzeugbaus ist es bekannt, dass an einer Kupplung,
insbesondere einer Anfahrkupplung ein Schlupf auftreten kann. Ein solcher
Schlupf beeinträchtigt die Funktion der Kupplung, und er
wirkt sich auch auf die Lebensdauer der Kupplung aus, wobei allerdings
zu beachten ist, dass ein Schlupf je nach Betriebssituation durchaus
gewünscht oder aber unerwünscht sein kann.
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Erwünscht
ist ein Schlupf beispielsweise im Zusammenhang mit einer Hillhold-Funktion
automatisierter Getriebe. Um eine Hillhold-Funktion zur Verfügung
stellen zu können, bei der die Kupplung nicht einem übermäßigen
Verschleiß oder der Gefahr eines plötzlichen Versagens
ausgesetzt ist, ist allerdings eine Kupplungsschutzfunktion zur
Verfügung zustellen, wie aus der
DE 10 2005 042 971 A1 bekannt.
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Ein
Schlupf an einer Kupplung bewirkt an dieser eine Temperaturänderung.
Aus der
DE 103 12 088
A1 ist bekannt, dass eine solche Temperaturänderung
mittels geeigneter Sensoren erfasst oder aufgrund eines Temperaturmodells
berechnet werden kann. Die erfasste oder berechnete Temperatur kann dann
verwendet werden, um auf das von der Antriebsmaschine abgegebene
Drehmoment Einfluss zu nehmen. Eine solche Einflussnahme ist in
der
DE 103 12 088
A1 als eine Reduzierung des von der Antriebsmaschine abgegebenen
Drehmoments beschrieben, was allerdings mit einer Verminderung der Fahrleistung
eines derart betriebenen Fahrzeuges einhergeht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die über einen Antriebsstrang übertragbare
Leistung zu erhöhen sowie eine Vorrichtung dafür
zur Verfügung zu stellen, welche vorzugsweise mit einer
möglichst geringen Anzahl Sensoren arbeitet.
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Die
Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit
den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 6.
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Gemäß der
Erfindung ist bei einem Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstrangs,
bei dem in Anhängigkeit von einem Temperaturwert einer
Kupplung an eine Antriebsmaschine Betriebsparameter gesendet werden,
die eine von der Antriebsmaschine abgegebene Leistung bestimmen,
wobei der Temperaturwert der Kupplung mittels einer Temperaturberechnung
bestimmt wird, vorgesehen, dass im Rahmen der Temperaturberechnung
eine Gangerkennung durchgeführt wird. Durch die Gangerkennung wird
erreicht, dass der berechnete Temperaturwert der Kupplung der tatsächlichen
Temperatur an der Kupplung sehr genau entspricht, so dass die Wirksamkeit
der aus dem Temperaturwert abgeleiteten Maßnahmen erhöht
wird. Abgeleitete Maßnahmen können neben einer
Einflussnahme auf die Antriebsmaschine auch durchzuführende
Wartungsmaßnahmen sein. Es können dadurch auch
kleinere Toleranzen vorgesehen werden, wodurch bei gleicher Leistung
von Antriebsmaschine, Kupplung und Getriebe höhere Leistungen
zur Verfügung gestellt werden können.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Temperaturwert in der Temperaturberechnung als Summe oder
Summenintegral aus aufgenommenen bzw. abgegebenen Energieteilströmen
berechnet wird. Dadurch ist es möglich, mit einer geringen
Anzahl vorzusehender Sensoren eine besonders präzise Berechnung
des Temperaturwertes der Kupplung durchzuführen, wodurch
die übertragbaren Leistungen weiter gesteigert werden können.
Dies gilt insbesondere, wenn – wie vorzugsweise vorgesehen – als ein
erster Energieteilstrom eine Schlupfenergie berechnet wird, wobei
die Schlupfenergie anhand der Drehzahl der Antriebsmaschine und
mindestens eines ersten Kupplungsausgangsdrehzahl-Rechenwertes ermittelt
wird.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass im Rahmen der Gangerkennung ermittelte Temperaturwerte zu einem
berechneten Temperaturverlauf zusammengefasst werden, ein berechneter
Temperaturverlauf mit mindestens einem typischen Temperaturverlauf
verglichen wird, und bei einem überschreiten eines Toleranzbereiches
mindestens ein erster Energieteilstrom mittels alternativer Rechenparameter neu
berechnet wird, wobei insbesondere die Schlupfenergie mittels eines
zweiten Kupplungsausgangsdrehzahl-Rechenwertes neu berechnet wird.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass zur Berechnung der Schlupfenergie ein Kupplungsausgangsdrehzahl-Rechenwert
anhand der mittleren Drehzahl der Antriebsräder eines Kraftfahrzeuges
ermittelt wird. Bei einer solchen Ausgestaltung lässt sich
das erfindungsgemäße Verfahren mit Sensoren, nämlich
mit einem Drehzahlsensor für die Drehzahl der Antriebsmaschine,
der für eine moderne Motorsteuerung ohnehin vorhanden ist,
und mit Drehzahlsensoren für die Antriebsräder,
die für Stabilitätsprogramme ohnehin vorhanden
sind, mithin also ohne zusätzliche Sensoren, insbesondere
ohne einen Drehzahlsensor an der Getriebeeingangswelle, durchführen.
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Die
Vorteile der Erfindung zeigen sich auch an einer Vorrichtung zum
Betrieb eines eine Antriebsmaschine, eine Kupplung und ein Getriebe
aufweisenden Antriebsstrangs, mit einem Rechenmodul, einem ersten
Eingang zur Erfassung der Drehzahl der Antriebsmaschine, mindestens
einem zweiten Eingang zur Erfassung der Drehzahl mindestens einer hinter
dem Getriebe liegenden Abtriebswelle, und einem Ausgang zur Ausgabe
von Betriebsparametern, die eine von der Antriebsmaschine abgegebene
Leistung bestimmen, wobei das Rechenmodul einen Temperaturwert der
Kupplung mittels einer Temperaturberechnung bestimmt, wenn das Rechenmodul zur
Durchführung einer Gangerkennung im Rahmen der Temperaturberechnung
einen Speicher aufweist. Daher wird auch für eine solche
Vorrichtung Schutz beansprucht. Hinsichtlich der Vorteile und Wirkungsweisen
der Vorrichtung wird auf das erfindungsgemäße
Verfahren ausdrücklich Bezug genommen und verwiesen.
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Die
Vorteile zeigen sich insbesondere dann, wenn – wie vorzugsweise
vorgesehen – das Rechenmodul zur Durchführung
eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgelegt
ist.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung
im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 einen
Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges im Zusammenhang mit einer besonders
bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung, und
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2 eine
Grafik zur Veranschaulichung einer besonders bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Der
in 1 gezeigte Antriebsstrang 10 eines Kraftfahrzeugs
weist eine Antriebsmaschine 11 in Form eines Verbrennungsmotors
auf, welcher über eine Ausgangswelle 12 mittels
einer fußkraftbetätigten Kupplung 13 mit
einer Eingangswelle 14 eines Getriebes 15 koppelbar
ist. Dadurch können ein gewandeltes Drehmoment und eine
gewandelte Drehzahl der Antriebsmaschine 11 über
eine nicht dargestellte Ausgangswelle des Getriebes mittels einer
Antriebswelle 16 und eines Achsgetriebes 17 über
zwei Abtriebswellen 18, 19 an Fahrzeugräder 20, 21 übertragen
werden.
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Zum
Betrieb des Antriebsstrangs 10 ist eine besonders bevorzugte
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung vorgesehen, die nachfolgend als Steuerungseinrichtung 22 bezeichnet
wird. Die Steuerungseinrichtung 22 erhält über
eine Signalleitung 23 Informationen über eine
gemessene Stellung eines Leistungsstellorgans 24, das von
einem Fahrzeugführer betätigbar ist. Mittels des
Leistungsstellorgans 24 kann der Fahrzeugführer
ein Wunschmoment, also einen Sollwert für das abzugebende
Drehmoment der Antriebsmaschine 11 einstellen.
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Weiterhin
erhält die Steuerungseinrichtung 22 über
eine Signalleitung 25 an einem ersten Eingang 25a Informationen über
den Betriebszustand der Antriebsmaschine 11, wie zum Beispiel
eine gemessene Drehzahl der Antriebsmaschine und eine gemessene
Drosselklappenstellung. Aus den genannten Informationen bestimmt
die Steuerungseinrichtung 22 ein abgegebenes Drehmoment
an der Ausgangswelle 12.
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Eine
weitere Steuerungseinrichtung 30 erfasst unter anderem über
Signalleitungen 31, 32 von Sensoren 33, 34 gemessene
Drehzahlen der Fahrzeugräder 20, 21 und
damit die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs. Die Steuerungseinrichtungen 22 und 30 sind über
eine Datenleitung 35 wie z. B. eine serielle CAN-Bus Verbindung
gekoppelt, so dass der Informationen, wie zum Beispiel die Drehzahlen
der Fahrzeugräder 20, 21 Fahrzeuggeschwindigkeit
von der weiteren Steuerungseinrichtung 30 der Steuerungseinrichtung 22 an
einem zweiten Eingang 30a zur Verfügung gestellt
werden.
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Auf
Grund der Gesamtzahl der Informationen bestimmt die Steuerungseinrichtung 22 Betriebsparameter
(Stellsignale), zum Beispiel für Kraftstoffzufuhr, Drosselklappenstellung,
Zündzeitpunkt oder Einspritzzeit, welche über
einen Ausgang 36a und eine Signalleitung 36 an
entsprechende, nicht dargestellte Stellglieder der Antriebsmaschine 11 gesendet werden.
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Das
Getriebe 15 ist als ein handgeschaltetes Getriebe mit Schaltstufen
von sechs Vorwärtsgängen und einem Rückwärtsgang
ausgeführt. Schaltungen, also der Wechsel der Gänge
werden vom Fahrzeugführer mit Hilfe eines Schalthebels 37 durchgeführt, welcher
eine mechanische Verbindung 38 zum Getriebe 15 aufweist.
Am Getriebe 15 ist ein Sensor 28 angeordnet, mittels
welchem lediglich erkannt werden kann, ob der Rückwärtsgang
eingelegt ist. Der Sensor 28 ist über eine Signalleitung 29 mit
der Steuerungseinrichtung 22 verbunden. Die Auswertung des
Sensors 28 kann auch von einer anderen Steuerungseinrichtung
durchgeführt werden, welche die daraus abgeleitete Information
der Steuerungseinrichtung 22 zur Verfügung stellt.
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Die
Anfahrkupplung 13 ist als eine Einplatten-Reibtrockenkupplung
ausgeführt. Ebenso kann die Anfahrkupplung 13 vorteilhaft
als Mehrscheibenkupplung ausgeführt sein. Die Anfahrkupplung 13 wird
vom Fahrzeugführer mittels eines Kupplungspedals 39,
welches in Wirkverbindung mit der Anfahrkupplung 13 steht,
geöffnet und geschlossen. An der Anfahrkupplung 13 ist
ein Kupplungsschalter 27 angeordnet, welcher mittels einer
Signalleitung 26 mit der Steuerungseinrichtung 22 in
Signalverbindung steht. Mittels des Kupplungsschalters 27 kann
die Steuerungseinrichtung 22 erkennen, ob der Betätigungsgrad
der Anfahrkupplung 13 größer als ein Auslösegrad
von beispielsweise 20% ist, die Anfahrkupplung 13 also
mehr als ein bestimmtes Maß geöffnet ist.
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Die
Anfahrkupplung 13 dient zum Ausgleich der Drehzahlunterschiede
zwischen der Ausgangswelle 12 der Antriebsmaschine 11 und
der Eingangswelle 14 des Getriebes 15 beim Anfahren
des Kraftfahrzeugs, sowie zum Auftrennen des Antriebsstrangs 10 im
Stand und bei Schaltungen im Getriebe 15. Dabei tritt Schlupf,
also eine Drehzahldifferenz an der Anfahrkupplung 13 auf,
so dass an der Anfahrkupplung 13 eine Energiemenge dissipiert
wird, die zu einer Erwärmung der Anfahrkupplung 13 führt.
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Die
für die reibschlüssige Übertragung des Drehmoments
der Antriebsmaschine 11 notwendige Anpresskraft wird von
einer nicht dargestellten Kupplungsfeder aufgebracht. Die Kupplungsfeder
ist so ausgelegt, dass es bei vollständig geschlossener
Anfahrkupplung 13 nicht zu einem Schlupf an der Anfahrkupplung 13 kommen
dürfte. Auf Grund von erhöhter Reibung innerhalb
der Kupplung, Klemmen von Bauteilen oder Verschleiß von
Kupplungsbelägen kann es dennoch zu einem Schlupf kommen,
so dass eine vom Drehmoment der Antriebsmaschine 11 und
dem Schlupf abhängige Energie- bzw. Wärmemenge
dissipiert wird. Zu Schlupf und dissipierter Wärmemenge
kann es auch kommen, wenn der Fahrzeugführer die Anfahrkupplung 13 mit
dem Kupplungspedal 39 leicht öffnet.
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Die
Steuerungseinrichtung 22 ermittelt einen Rechenwert für
die bei Schlupfbetrieb dissipierte Energiemenge (Schlupfenergie),
wobei dies im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt
wird. Die Berechnung wird in einem festen Zeittakt von beispielsweise
20 ms durchgeführt. Die ermittelten Betriebsgrößen
werden für die Dauer zwischen zwei Abschätzungsschritten
als konstant angenommen, wobei die Berechnungen in einem Rechenmodul
(nicht gezeigt) (Abschätzungen) nach folgender Formel durchgeführt
werden: E_a_k = Σ(n_mot-i_k·n_rad)·M_mot·Δt (1)mit
- E_a_k:
- Wärmemenge
für eine Übersetzung k
- n_mot:
- Drehzahl der Antriebsmaschine
- i_k:
- Übersetzung,
welche sich aus den Übersetzungen der verschiedenen Gänge
des Getriebes (z. B. k = 1–6, wenn Rückwärtsgang
nicht eingelegt) und der Übersetzung des Achsgetriebes
ergibt,
- n_rad:
- Mittelwert der Drehzahl
der angetriebenen Fahrzeugräder
- M_mot:
- abgegebenes Drehmoment
der Antriebsmaschine
- Δt:
- Zeitraster der Abarbeitung
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Die
Differenz n_mot – i_k·n_rad ist dabei der Schlupf
an der Anfahrkupplung.
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Die
Wärmemenge E_a_k wird (bei nicht eingelegtem Rückwärtsgang)
jeweils für alle 6 Vorwärtsgänge des
Getriebes einzeln berechnet, und die so gewonnenen Energieteilströme
werden aufsummiert, woraus sich unter Berücksichtigung
einer angenommenen Abkühlung der Kupplung durch Wärmeabstrahlung
ein in 2 gezeigter (berechneter) Temperaturverlauf 100 ergibt.
Alternativ dazu kann auch ausgehend von n_rad die für die
verschiedenen Übersetzungen notwendige Drehzahl der Antriebsmaschine
berechnet werden. Die erste Abschätzung der Wärmemenge
wird dann nur für die Übersetzungen ausgeführt,
deren zugehörige Drehzahl der Antriebsmaschine innerhalb
eines Drehzahlbereichs von 800–6500 U/min liegen.
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Zur
Erkennung des eingelegten Gangs bildet die Steuerungseinrichtung
des Antriebsstrangs zunächst einen Quotienten i aus der
Drehzahl n_mot der Antriebsmaschine und dem Mittelwert n_rad der Drehzahlen
der Fahrzeugräder 20, 21: i = n_mot/n_rad (2)
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Die
Steuerungseinrichtung prüft, ob der Quotient für
eine einstellbare Zeitspanne innerhalb eines Bestimmbereichs um
eine der möglichen Übersetzungen zwischen Antriebsmaschine
und Fahrzeugräder 20, 21 liegt. Wird
außerdem mit Hilfe des Kupplungsschalters 27 erkannt,
dass die Anfahrkupplung 13 nicht geöffnet ist,
so wird der Gang des Getriebes, aus welchem sich die Übersetzung,
in dessen Bestimmbereich der Quotient liegt, als der eingelegte Gang
k erkannt.
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Kann
aufgrund der Drehzahlverhältnisse ein eingelegter Gang
nicht erkannt werden, wird eine Gangerkennung unter Verwendung eines
berechneten Temperaturverlaufs durchgeführt, indem ein
berechneter Temperaturverlauf mit einem in einem Speicher abgelegten
typischen Temperaturverlauf verglichen wird.
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In 2 ist
dies anhand eines abgebrochenen Anfahrvorgangs 102 gezeigt,
innerhalb dessen ein Synchronzustand zwischen Motordrehzahl und der
Getriebeeingangsdrehzahl (= Kupplungsausgangsdrehzahl) nicht erreicht
wurde. Eine Anfahrt im ersten Gang ohne Synchronzustand (bzw. mit
einer zu kurzen Synchronzeit) zwischen Motor und Getriebe wird immer
dann interpretiert, wenn der Temperaturwert (die berechnete Temperatur
in der Kupplung) steigt, jedoch während einem applizierbaren
Zeitfenster nicht weiter steigt und dabei kein Gang anhand der Drehzahlen
erkannt wird. Der Temperaturverlauf 104 in dem entsprechenden
Zeitfenster 106, das als Blase dargestellt ist, ist also
entscheidend für die Gangerkennung und somit für
die Präzision der gesamten Berechnung. In diesem Zustand
wird die bis dahin angefallene Energie mit dem ersten Gang berechnet
und im Speicher abgelegt.
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Ist
also ein eingelegter Gang erkannt, also die tatsächliche Übersetzung
des Getriebes festgestellt, so wird die Wärmemenge E_a_k,
die dem eingelegten Gang zugeordnet ist, als Rechenwert der dissipierten
Wärme bzw. Energiemenge bestimmt. Ergibt die Bestimmung
des eingelegten Gangs also beispielsweise, dass der 4. Gang (k =
4) eingelegt ist, so wird die Wärmemenge E_a_4 als Abschätzung der
dissiperten Energiemenge E verwendet.
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Die
abgeschätzten Energiemengen werden nicht nur in Form des
sich daraus ergebenden Temperaturwerts zu einem Betrieb des Antriebstrangs,
d. h. zur Ausgabe von Betriebsparametern verwendet, wobei vorzugsweise
wie in der
DE 103
12 088 A1 angegeben vorgegangen wird, sondern auch über
die Laufzeit des Antriebstrangs aufsummiert und in einem Langzeit-
oder Fehlerspeicher abgelegt. Mit der aufsummierten Energiemenge
wird ein Verschleiß der Anfahrkupplung ermittelt. Bei Erreichen
einer Verschleißgrenze wird der Fahrzeugführer
informiert und zu einem Werkstattbesuch aufgefordert.
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Bei
der Ermittlung des Temperaturwerts der Kupplung werden vorzugsweise
auch der Aufbau der Kupplung, die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, die
Außentemperatur und/oder weitere Energiemengen berücksichtigt.
Dadurch kann der Temperaturwert der Anfahrkupplung sehr genau ermittelt
werden.
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Die
Ermittlung des Temperaturwerts läuft auch nach einem Abstellen
des Kraftfahrzeugs weiter.
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Mit
der besonders bevorzugten Ausführungsform wird insgesamt
folgender Problemstellung besonders Rechnung getragen: Im Rahmen
der Temperaturberechnung einer Anfahrkupplung ohne erfindungsgemäße
Gangerkennungssensorik kann es vorkommen, dass der Fahrer beim Anfahren
so schnell vom ersten zum zweiten Gang schaltet, dass eine Erkennung
des ersten Ganges anhand der Drehzahlen nicht möglich ist,
da die Erkennung des eingelegten Ganges erst dann möglich
ist, wenn der Quotient Motor-Raddrehzahl in einer applizierbaren Zeitspanne
ununterbrochen in einem für einen Gang plausiblen Bereich
liegt (siehe 2).
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Um
unterscheiden zu können, ob der Fahrer mit dem ersten oder
zweiten Gang angefahren ist, oder ob der Synchronzustand nach der
ersten Gang-Anfahrt zu kurz oder nicht erreicht wurde und dann in
den zweiten Gang geschaltet wurde, ist eine Erkennung für „Abgebrochene
Anfahrten" eingebaut. Dabei wird der erste Gang aufgrund des Temperaturverlaufs
während des Eventes erkannt. Die Bildung eines nicht realistischen,
zu hohen Temperaturverlaufs 108 wird vermieden, so dass
auch eine zu frühe Aktivierung einer Kupplungsschutzfunktion
verhindert werden kann. Die Schutzfunktion greift somit nicht zu
früh in die Motorfunktion ein, und den Fahrer beeinträchtigende
Fahreigenschaftsänderungen des Fahrzeugs (Drehzahlabsenkung
beim Anfahren, Meldung im Display beim Halten des Fahrzeugs an einer Steigung
mit Kupplung oder die Drehmomentenrücknahme bei schlupfender
Kupplung beim Fahren) aufgrund der aktiven Schutzfunktion erfolgen
später.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005042971
A1 [0003]
- - DE 10312088 A1 [0004, 0004, 0033]