DE102009023078A1

DE102009023078A1 - Verfahren zum Steuern eines Kriechvorgangs und Antriebsstrang hierzu

Info

Publication number: DE102009023078A1
Application number: DE102009023078A
Authority: DE
Inventors: Markus Klump; Martin Vornehm; Dietmar Dr. Lang
Original assignee: LuK Lamellen und Kupplungsbau Beteiligungs KG; LuK Lamellen und Kupplungsbau GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-06-05
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2029-05-29
Also published as: US8241180B2; US20090305847A1; DE102009023078B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine, Drehmomentwandler und automatisiertem Getriebe, wobei zwischen Brennkraftmaschine und Drehmomentwandler eine Trennkupplung vorgesehen ist. Um einen Kriechvorgang bei einer vorbestimmten Kriechgeschwindigkeit ausführen zu können wird die Trennkupplung schlupfend betrieben. Auf diese Weise kann die Übersetzung des Anfahrgangs selbst bei Verwendung eines sogenannten harten Drehmomentwandlers lang ausgelegt werden, ohne eine zu hohe Kriechgeschwindigkeit tolerieren zu müssen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang mit einer Brennkraftmaschine, einem Drehmomentwandler und einem automatisierten Getriebe sowie eine zwischen Brennkraftmaschine und Drehmomentwandler angeordnete Trennkupplung und ein Verfahren zum Steuern eines Kriechvorgangs für derartige Antriebsstränge.
Bekannt sind Automatgetriebe, bei denen eine Brennkraftmaschine direkt einen Drehmomentwandler als Anfahrelement antreibt, der das eingespeiste Drehmoment wandelt und auf das automatisierte Getriebe überträgt. Drehmomentwandler sind dabei in hydrodynamischer Bauweise mit einem von der Brennkraftmaschine direkt angetriebenen Pumpenrad und einem von diesem mittels eines Betriebsmittels angetriebenen, abtriebsseitig mit dem Getriebe verbundenen Turbinenrad ausgeführt. Zur Drehmomentüberhöhung ist ein Stator oder Leitrad mittels eines Freilaufs gehäusefest vorgesehen, der sich bei kleinen Drehzahlen des Pumpenrads gehäusefest abstützt und ein zusätzliches Moment auf das Betriebsmittel und damit letztendlich auf das Turbinenrad überträgt.
Infolge der nicht formschlüssigen Anbindung des Turbinenrads an das Pumpenrad kann das Kraftfahrzeug bei im Leerlauf drehender Brennkraftmaschine bei eingelegtem Gang im Stand gehalten werden. Das infolge dieser Stillstandswandlung auftretende Leerlaufmoment kann mittels der Betriebs- oder Feststellbremse gehalten werden. Wird die Bremse gelöst, kriecht das Kraftfahrzeug selbstständig. Dabei wird die Übersetzung des Anfahrgangs zur Erzielung einer vorgegebenen Kriechgeschwindigkeit an das charakteristische Verhalten des Drehmomentwandlers angepasst.
Dieses charakteristische Verhalten hängt beispielsweise von der äußeren Form, der Art der Beschaufelung von Pumpen- und Turbinenrad, dem verwendeten Betriebsmittel und dergleichen ab. Es werden sogenannte harte und weiche Drehmomentwandler unterschieden, wobei ein weicher Drehmomentwandler einen flachen und ein harter Drehmomentwandler einen steileren Drehmomentverlauf über die Drehzahl des Pumpenrads aufweist. Daraus ergibt sich ein vergleichsweise kleinerer Wirkungsgrad bei weichen Drehmomentwandlern gegenüber harten Drehmomentwandlern.
Im Rahmen der Einsparung von Treibstoff sollen Getriebe mit einem höchsten Gang ausgeführt werden, der als sogenannter Overdrive, also mit langer Übersetzung ausgeführt wird. Hieraus folgt, dass infolge der insbesondere bei Planetengetrieben begrenzten Getriebespreizung der erste Gang, also der Anfahrgang ebenfalls vergleichsweise mit langer Übersetzung ausgeführt ist. Dies führt bei einem weichen Drehmomentwandler zu unerwünscht langsamen Beschleunigungswerten des Kraftfahrzeugs und bei harten Drehmomentwandlern zu nicht akzeptabel hohen Kriechgeschwindigkeiten im Bereich einer Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine. Weiterhin ist aus Gründen der Einsparung von Treibstoff wünschenswert, den durch den Wandlerschlupf im Leerlauf der Brennkraftmaschine und während des Stillstands des Kraftfahrzeugs entstehenden Energieverbrauch zu vermeiden.
Aufgabe der Erfindung ist daher, einen Antriebsstrang und ein Verfahren zur Steuerung eines Kriechvorgangs für diesen vorzuschlagen, die bei vermindertem Treibstoffverbrauch einen Betrieb bei einer akzeptablen, vorgebbaren Kriechgeschwindigkeit erlauben. Hierbei sollen insbesondere Energiespareffekte durch Verwendung eines lang übersetzten Anfahrgangs bei hartem Drehmomentwandler einbezogen werden.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Steuern eines Kriechvorgangs in einem Antriebsstrang mit einer Brennkraftmaschine, einem Drehmomentwandler und einem automatisierten Getriebe gelöst, wobei Brennkraftmaschine und Drehmomentwandler mittels einer Trennkupplung voneinander abkoppelbar sind und die Trennkupplung während des Kriechvorgangs zumindest teilweise schlupfend betrieben wird. Durch dieses Verfahren ist die Drehzahl des Pumpenrads und damit des Turbinenrads von der Brennkraftmaschine abgekoppelt, so dass eine durch entsprechend lange Übersetzungen des Anfahrgangs in Verbindung mit einem harten Drehmomentwandler bewirkte Kriechgeschwindigkeit durch einen mittels der Trennkupplung erzeugten Schlupf zwischen der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und dem Pumpenrad des Drehmomentwandlers die Drehzahl der Brennkraftmaschine auf eine auf das Pumpenrad übertragene geringere Drehzahl des Pumpenrads gewandelt werden kann. Es wird dadurch eine Drehzahl der Brennkraftmaschine am Pumpenrad simuliert beziehungsweise erzeugt, die physikalisch an der Brennkraftmaschine gar nicht einstellbar ist. Auf diese Weise kann der Drehmomentwandler trotz langer Übersetzung des Anfahrgangs hart ausgelegt werden, ohne eine gewünschte Kriechgeschwindigkeit, die einer über das Getriebe auf ein Antriebsrad übertragenen Drehzahl pro Zeiteinheit entspricht, von beispielsweise 5 bis 10 km/h zu überschreiten.
Insbesondere in Zusammenwirkung mit den Eigenschaften einer Drehmomentüberhöhung des Drehmomentwandlers unter Verwendung eines Leitrads kann eine Schlupfrate zwischen Brennkraftmaschine und Drehmomentwandler zumindest zweistufig ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass zur Aufnahme eines Kriechvorgangs die Trennkupplung auf ein vorgegebenes maximales Kriechmoment gesteuert werden kann und mit Erreichen einer maximalen Kriechgeschwindigkeit das Kriechmoment unter Beibehaltung der Kriechgeschwindigkeit zurückgeregelt werden kann. Diese Regelung ist überraschend robust, weil die vom Drehmomentwandler erzeugte Last ebenfalls abhängig von der Drehzahl sinkt. Das zurückgeregelte Kriechmoment ist aufgrund der Drehmomentüberhöhung des Drehmomentwandlers immer noch ausreichend um die Kriechgeschwindigkeit aufrecht zu erhalten.
Durch die über einen weiten Bereich einstellbare Schlupfrate der Trennkupplung kann die Kriechgeschwindigkeit über einen weiten Geschwindigkeitsbereich frei eingestellt werden beziehungsweise vorgewählt werden. Diese kann beispielsweise abhängig von einem vorgegebenen Fahrprogramm eingestellt werden, wobei entsprechende Fahrprogramme beispielsweise ein Sport-, Komfort-, Winterprogramm oder dergleichen sein können. Alternativ oder zusätzlich kann die Kriechgeschwindigkeit von einem Fahrer individuell einstellbar sein, beispielsweise mittels eines Schalters, Schiebereglers und/oder eines Auswahlmenüs einer Fahrzeugsteuerung. Ebenso ist es vorteilhaft, dass Schutzfunktionen einen Einfluss auf die Kriechgeschwindigkeit haben, beispielsweise um die thermische Belastung der Trennkupplung in Grenzen zu halten.
Weiterhin wird die Aufgabe durch einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, einem Drehmomentwandler und einem automatisierten Getriebe mit mehreren Gängen sowie einer Brennkraftmaschine und Drehmomentwandler koppelnden Trennkupplung gelöst, wobei eine bei einer in einem Anfahrgang mit kurzer, das heißt kleiner Übersetzung vollständig geschlossener Trennkupplung und im Leerlauf betriebenen Brennkraftmaschine eine größere Geschwindigkeit als eine maximale Kriechgeschwindigkeit erzielt wird. Durch die Verwendung eines harten Wandlers und/oder einer langen Übersetzung des Anfahrgangs können Geschwindigkeiten erzielt werden, die lediglich durch den Schlupf der Trennkupplung auf eine akzeptable Kriechgeschwindigkeit im Leerlauf der Brennkraftmaschine geregelt werden können. Entsprechend wird zur Einstellung der Kriechgeschwindigkeit die Trennkupplung schlupfend betrieben.
Dabei kann die Kriechgeschwindigkeit abhängig von den Eigenschaften des Drehmomentwandlers in der Weise eingestellt werden, dass der Schlupf der Trennkupplung abhängig von einer Überhöhung des übertragbaren Moments über den Drehmomentwandler eingestellt wird. So kann beispielsweise unter Beibehaltung einer vorgegebenen Kriechgeschwindigkeit der Schlupf der Trennkupplung abhängig von einer Kennlinie des über den Drehmomentwandler übertragenen Moments in Abhängigkeit von der Drehzahl des Pumpenrads, des Turbinenrads oder des Schlupfs zwischen beiden eingeregelt werden. Infolge des mit der Drehzahl zunehmenden, über den Drehmomentwandler übertragbaren Moments kann beispielsweise bei gleichbleibender Kriechgeschwindigkeit mit zunehmendem übertragbarem Moment über den Drehmomentwandler der Schlupf der Trennkupplung erhöht werden. Dabei kann eine Drehzahl der Brennkraftmaschine während eines Kriechvorgangs im Wesentlichen konstant, beispielsweise auf der Leerlaufdrehzahl gehalten werden.
Die Erfindung wird anhand der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen Antriebsstrang und
2 ein Diagramm zur Erläuterung einer Steuerung eines Kriechvorgangs.
1 zeigt einen teilweise schematisch dargestellten Antriebsstrang 1 mit einer Brennkraftmaschine 2 mit einer Kurbelwelle 3, die mit dem Eingangsteil 4 einer Trennkupplung 5 verbunden ist. Das Ausgangsteil 6 der Trennkupplung 5 ist mit dem Pumpenrad 7 verbindbar. Das Pumpenrad 7 treibt ein Turbinenrad 8 und ein am Wandlerhals 9 gehäusefest mittels eines Freilaufs 10 angeordnetes Leitrad 11 an. Das Turbinenrad 8 ist mittels der Turbinennabe 12, die gleichzeitig Eingangsteil 17 für den Turbinendämpfer 13 ist, der drehfest mit der Getriebeeingangswelle 14 des automatisierten Getriebes 15 verbunden ist. Die Wandlerüberbrückungskupplung 16 verbindet bei geschlossener Trennkupplung 5 das Pumpenrad 7 mit dem Eingangsteil 17 des Turbinendämpfers 13, so dass bei vorzugsweise höheren Drehzahlen des Pumpenrads 7 ein hoher Schlupf zwischen Pumpenrad 7 und Turbinenrad 8 vermieden und das von der Kurbelwelle 3 auf das Pumpenrad 7 übertragene Drehmoment direkt unter Zwischenschaltung des Turbinendämpfers 13 auf die Getriebeeingangswelle 14 übertragen wird. Zwischen dem Wandlergehäuse 19 und dem Pumpenrad 7 ist weiterhin ein Drehschwingungsdämpfer 20 wirksam.
Der Drehmomentwandler 18 ist als Multifunktionswandler ausgestaltet, der im Wandlergehäuse 19 sowohl die Wandlerbestandteile wie Pumpenrad 7, Turbinenrad 8, Leitrad 11, die Wandlerüberbrückungskupplung 16, den Turbinendämpfer 13 und den Drehschwingungs dämpfer 20 sowie die Trennkupplung 5 aufnimmt. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Trennkupplung auch außerhalb des Wandlergehäuses 19, beispielsweise in Form einer trockenen Reibungskupplung vorgesehen sein, wobei diese beispielsweise von einem elektromotorisch betriebenen Aktor betätigt wird. Die Trennkupplung 5 wird durch einen Kolben 21 geschaltet, indem dieser durch einen in der Wandlerkammer 22 aufgebauten Druck des Betriebsmittels axial verlagert wird. Die Wandlerüberbrückungskupplung 16 wird durch den Kolben 23 geschaltet, indem dieser mittels des durch die Bohrung 25 in der Getriebeeingangswelle und die Bohrung 26 in der Turbinennabe 12 in die Druckkammer 24 eingebrachten Betriebsmittels mit gegenüber der Wandlerkammer 22 höherem Druck axial verlagert wird.
Mittels eines nicht näher gezeigten Steuergeräts zur Steuerung der Betriebsmittelsdrücke wird die Trennkupplung 5 bei vorliegenden Kriechbedingungen, beispielsweise nicht betätigtem Fahrpedal, nicht betätigter Betriebs- und Feststellbremse und einer Fahrzeuggeschwindigkeit kleiner als einer vorgegebenen Kriechgeschwindigkeit soweit geschlossen, dass ein vorgegebenes Kriechmoment übertragen wird.
Hierzu zeigt das Diagramm 27 der 2 in drei übereinander angeordneten Diagrammteilen einen entsprechenden Kriechablauf über die Zeit t. Dabei ist im oberen Drittel in der Kurve 28 das über die Trennkupplung übertragene Kriechmoment M(K) dargestellt. Das zweite Drittel zeigt die Drehzahlen n über die Zeit t, wobei die Kurve 29 die Drehzahl der Brennkraftmaschine, die Kurve 30 die Drehzahl des Pumpenrads und die Kurve 31 die Drehzahl des Turbinenrads darstellen. Das untere Drittel zeigt die Kurve 32 mit der Kriechgeschwindigkeit v des Kraftfahrzeugs über die Zeit t, die infolge der im Getriebe fest eingestellten Übersetzung des eingelegten Anfahrgangs proportional zur Drehzahl des Turbinenrads ist.
Vor Beginn des Kriechvorgangs zum Zeitpunkt t(1) wird bei einer zu erwartenden Kriechfahrt die Trennkupplung bereits auf ein minimales Kriechmoment M(min) geschlossen. Infolgedessen ist die Drehzahl des Pumpenrads nicht gleich Null. Vielmehr dreht das Pumpenrad beispielsweise mit 250 bis 300 1/min, während eine Anfahrt jedoch durch eine noch betätigte Bremse verhindert wird. Durch das vergleichsweise geringe Kriechmoment M(min) wird der Treibstoffverbrauch im Stillstand reduziert.
Wird die Bremse geöffnet, wird zu Beginn des Kriechvorgangs am Zeitpunkt t(1) über die Trennkupplung das maximale Kriechmoment M(max) vorgegeben. Infolgedessen wird das Pumpenrad beschleunigt und die Drehzahl der Brennkraftmaschine bricht kurzzeitig gering fügig ein, bis sie vom Drehzahlregler wieder auf die aktuelle Leerlaufdrehzahl, beispielsweise 800 bis 900 1/min eingeregelt wird. Hierbei ist ein Steuersignal hilfreich, mit dem der Brennkraftmaschine signalisiert wird, dass die Trennkupplung eingerückt wird. Das Turbinenrad nimmt Drehzahl auf und beschleunigt das Kraftfahrzeug. Das Pumpenrad kann hierbei die Drehzahl der Brennkraftmaschine erreichen, die Trennkupplung kann also völlig geschlossen sein.
Zum Zeitpunkt t(2) erreicht das Turbinenrad bzw. die Fahrzeuggeschwindigkeit die Nähe der gewünschten Kriechgeschwindigkeit. Zu diesem Zeitpunkt wird begonnen, die Trennkupplung wieder teilweise zu öffnen. Infolgedessen sinkt die Pumpendrehzahl und es reduziert sich die Fahrzeugbeschleunigung. Bis zum Erreichen der Kriechgeschwindigkeit v(max) zum Zeitpunkt t(3) wird das Kriechmoment M(K) heruntergeregelt, ein entsprechender Schlupf zwischen der stets konstanten Drehzahl der Brennkraftmaschine und dem Pumpenrad stellt sich ein.
Bis zum Abbruch des Kriechvorgangs, beispielsweise durch eine Betätigung der Bremse, wird das Kraftfahrzeug mit geringem Kriechmoment, beispielsweise einem minimalen Kriechmoment M(min) betrieben. In vorteilhafter Weise wird die Kriechgeschwindigkeit auf Werten zwischen 5 und 10 km/h eingestellt. Durch entsprechende Vorgaben durch die Steuersoftware, beispielsweise durch ein entsprechendes Fahrprogramm, oder durch Vorgaben des Fahrers kann der Sollwert für die Kriechgeschwindigkeit entsprechend vorgegeben werden. Entsprechend können die minimalen und maximalen Kriechmomente vorgegeben werden.

1: Antriebsstrang
2: Brennkraftmaschine
3: Kurbelwelle
4: Eingangsteil
5: Trennkupplung
6: Ausgangsteil
7: Pumpenrad
8: Turbinenrad
9: Wandlerhals
10: Freilauf
11: Leitrad
12: Turbinennabe
13: Turbinendämpfer
14: Getriebeeingangswelle
15: Getriebe
16: Wandlerüberbrückungskupplung
17: Eingangsteil
18: Drehmomentwandler
19: Wandlergehäuse
20: Drehschwingungsdämpfer
21: Kolben
22: Wandlerkammer
23: Kolben
24: Druckkammer
25: Bohrung
26: Bohrung
27: Diagramm
28: Kurve
29: Kurve
30: Kurve
31: Kurve
32: Kurve
M(K): Kriechmoment
M(min): minimales Kriechmoment
M(max): maximales Kriechmoment
n: Drehzahl
t: Zeit
t(1): Zeitpunkt
t(2): Zeitpunkt
t(3): Zeitpunkt
v: Kriechgeschwindigkeit
v(max): maximale Kriechgeschwindigkeit

Claims

Verfahren zum Steuern eines Kriechvorgangs in einem Antriebsstrang (1) mit einer Brennkraftmaschine (2), einem Drehmomentwandler (18) und einem Getriebe (15), wobei Brennkraftmaschine (2) und Drehmomentwandler (18) mittels einer Trennkupplung (5) voneinander abkoppelbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennkupplung (5) während des Kriechvorgangs zumindest teilweise schlupfend betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schlupfrate zwischen Brennkraftmaschine (2) und Drehmomentwandler (18) zumindest zweistufig ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme eines Kriechvorgangs die Trennkupplung (5) auf ein vorgegebenes maximales Kriechmoment (M(max)) gesteuert und mit Erreichen der Kriechgeschwindigkeit das Kriechmoment unter Beibehaltung der Kriechgeschwindigkeit (v) zurückgeregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kriechgeschwindigkeit (v) abhängig von einem vorgegebenen Fahrprogramm eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrprogramm ein Sport-, Komfort- oder Winterprogramm ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kriechgeschwindigkeit (v) von einem Fahrer individuell einstellbar ist.
Antriebsstrang (1) für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine (2), einem Drehmomentwandler (18) und einem automatisierten Getriebe (15) mit mehreren Gängen sowie einer Brennkraftmaschine (2) und Drehmomentwandler (18) koppelnden Trennkupplung (5), wobei bei nicht betätigtem Fahrpedal und nicht betätigter Bremse ein Kriechvorgang mit vorgegebener Kriechgeschwindigkeit aktiviert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine bei einer in einem Anfahrgang mit kleinster Übersetzung vollständig geschlossener Trennkupplung (5) und im Leerlauf betriebene Brennkraftmaschine (2) eine größere Geschwindigkeit als die Kriechgeschwindigkeit erzielt wird.
Antriebsstrang (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der Kriechgeschwindigkeit (v) die Trennkupplung (5) schlupfend betrieben wird.
Antriebsstrang (1) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kriechgeschwindigkeit (v) abhängig vom Schlupf der Trennkupplung (5) und einer Überhöhung des übertragbaren Moments über den Drehmomentwandler (18) eingestellt wird.
Antriebsstrang (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei gleichbleibender Kriechgeschwindigkeit mit zunehmendem übertragbarem Moment über den Drehmomentwandler (18) der Schlupf der Trennkupplung (5) erhöht wird.
Antriebsstrang (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahl der Brennkraftmaschine (2) während eines Kriechvorgangs konstant gehalten wird.