DE102010034803A1

DE102010034803A1 - Verfahren zum Betreiben eines Riementriebs

Info

Publication number: DE102010034803A1
Application number: DE201010034803
Authority: DE
Inventors: Bernd Hartmann; Andrea Reichert
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-08-19
Filing date: 2010-08-19
Publication date: 2012-02-23
Also published as: WO2012022506A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines von einer Antriebswelle (KW) einer Brennkraftmaschine angetriebenen Riementriebs (1), der ein oder mehrere Nebenaggregate (A/C, Gen) der Brennkraftmaschine antreibt und umfasst: – ein Antriebsrad (2), das seitens der Antriebswelle angeordnet ist, – Abtriebsräder (3, 4), die seitens der jeweils zugehörigen Nebenaggregatwellen (7) angeordnet sind, – einen das Antriebsrad und die Abtriebsräder kraftschlüssig umschlingenden Riemen (5) – und eine ansteuerbare Kupplung (8), die im getrennten Zustand den Antrieb zwischen einer der Wellen und dem seitens dieser Welle angeordneten Rad unterbricht. Dabei soll die Kupplung innerhalb einer Synchronisierungsphase so gesteuert geschlossen wird, dass das von der Kupplung übertragbare Antriebsmoment innerhalb der Synchronisierungsphase stets kleiner als ein Grenzmoment ist, dessen Überschreiten zu einem Riemenschlupf in unerwünschter Höhe führen würde.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines von einer Antriebswelle einer Brennkraftmaschine angetriebenen Riementriebs, der ein oder mehrere Nebenaggregate der Brennkraftmaschine antreibt. Der Riementrieb umfasst:

– ein Antriebsrad, das seitens der Antriebswelle angeordnet ist,
– Abtriebsräder, die seitens der jeweils zugehörigen Nebenaggregatwellen angeordnet sind,
– einen das Antriebsrad und die Abtriebsräder kraftschlüssig umschlingenden Riemen
– und eine ansteuerbare Kupplung, die im getrennten Zustand den Antrieb zwischen einer der Wellen und dem seitens dieser Welle angeordneten Rad unterbricht.

Hintergrund der Erfindung
In der WO 2008/050032 A2 ist ein Nebenaggregate-Riementrieb einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, bei dem der Antrieb des Generators zwecks Vermeidung von Reibungsverlusten bedarfsgerecht erfolgt, indem der Generator mittels einer ansteuerbaren Kupplung in den Riementrieb eingekoppelt oder aus dem Riementrieb ausgekoppelt wird.
In der DE 10 2007 020 867 A1 ist ein Nebenaggregate-Riementrieb einer Brennkraftmaschine mit einer ansteuerbaren Lamellenkupplung offenbart, die zwischen der Kurbelwelle als Antriebswelle und der Kurbelwellenriemenscheibe als Antriebsrad angeordnet ist und im getrennten Zustand den Riementrieb vollständig von der Kurbelwelle abkoppelt.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Riementriebs der eingangs genannten Art anzugeben, welches ein akzeptables dynamisches Verhalten des Riementriebs beim Schließvorgang der Kupplung gewährleistet.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, während vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind. Demnach soll die Kupplung innerhalb einer Synchronisierungsphase so gesteuert geschlossen werden, dass das von der Kupplung übertragbare Antriebsmoment innerhalb der Synchronisierungsphase stets kleiner als ein Grenzmoment ist, dessen Überschreiten zu einem Riemenschlupf in unerwünschter Höhe führen würde. Mit anderen Worten soll die Drehzahl des zuvor vom Riementrieb entkoppelten und in der Regel zum Stillstand gekommenen Nebenaggregats während des Schließvorgangs der Kupplung so kontrolliert mit dem rotierenden Riementrieb synchronisiert werden, dass ein zu Geräuschen und Verschleiß führender, übermäßiger Riemenschlupf zwischen Riemen und Antriebsrad und/oder Abtriebsrad vermieden wird. Dieser ist umso höher, je kleiner das maximal übertragbare Reibmoment zwischen Riemen und Riemenrad und je größer das Antriebsmoment ist, das zur Synchronisation des zu beschleunigenden, mit Trägheit behafteten Nebenaggregats mit der momentanen Betriebsdrehzahl des Riementriebs erforderlich ist. Die vorstehende Betrachtung gilt analog für den Fall, bei dem die Kupplung zwischen der Antriebswelle und dem Antriebsrad der Brennkraftmaschine, in der Regel also zwischen Kurbelwelle und Kurbelwellenriemenscheibe angeordnet ist und zur Abschaltung des gesamten Riementriebs dient.
Als Kupplung eignet sich insbesondere eine Reibkupplung, deren übertragbares Antriebsmoment von der momentanen Kontaktkraft der Reibpartner abhängt, wobei die Kontaktkraft von einem Aktuator gesteuert oder geregelt wird. Für die Steuerung oder Regelung des Schließvorgangs der Kupplung ist es zweckmäßig, das momentan von der Kupplung übertragene Antriebsmoment als Führungsgröße zu verwenden – eine Größe, die mittels einer Kraft- oder Drehmomentmessung an der Kupplung ermittelbar ist. Alternativ oder optional kann auch der momentane Riemenschlupf als Steuer- oder Regelgröße für den zeitlich veränderlichen Schließvorgang der Kupplung herangezogen werden. Dabei ist der Riemenschlupf aus den Signalen von vorzugsweise hochauflösenden Drehzahlsensoren im Riementrieb ermittelbar.
Das genannte Grenzmoment der Kupplung, dessen Überschreiten zum unerwünscht hohen Riemenschlupf führen würde, ist vorzugsweise ein vorbestimmter und in einer mit dem Kupplungsaktuator kommunizierenden Steuer- oder Regeleinrichtung abgelegter Wert oder Kennfeld, der bzw. das von diversen Parametern des Riementriebs und der Kupplung abhängt. Beispielhaft seien genannt: das Massenträgheitsmoment und die momentane Belastung des zu synchronisierenden Nebenaggregats, die aktuelle Drehzahl des Riementriebs, das nominal übertragbare Reibmoment zwischen Riemen und Riemenscheibe sowie alterungs- und umweltbedingte Korrekturparameter.
Der Schließverlauf der Kupplung kann beispielsweise stetig oder stufenartig ansteigend sein. Ein bevorzugter Schließverlauf der Kupplung ist jedoch derart, dass während eines Anfangsintervalls der Synchronisierungsphase die Kupplung mehrmals aufeinanderfolgend geschlossen und getrennt wird und das von der Kupplung übertragbare Antriebsmoment zwischen einem unteren Momentwert und einem oberen Momentwert pulsiert. Das pulsierende Schließen und Trennen der Kupplung bewirkt bei geringer thermischer Belastung der Kupplungsreibpartner eine sukzessive Drehzahlangleichung des einzukoppelnden Nebenaggregats oder ggfls. des gesamten Riementriebs. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Kupplung jeweils so weit geschlossen und getrennt wird, dass der untere Momentwert und der obere Momentwert während des Anfangsintervalls im wesentlichen konstant bleiben. Der untere Momentwert kann beispielsweise demjenigen der vollständig getrennten Kupplung entsprechen, also im wesentlichen Null betragen.
Außerdem soll es sich bei einem der Nebenaggregate um einen Generator handeln, wobei die Kupplung zwischen der Generatorwelle und dem Abtriebsrad in Form der Generatorriemenscheibe angeordnet ist und wobei der Generator innerhalb der Synchronisierungsphase elektrisch unbelastet betrieben wird. Beim Synchronisieren des zuvor entkoppelten Generators ist folglich nur dessen Massenträgheitsmoment wirksam, so dass bezüglich eines elektrisch belasteten Generators das wirksame Antriebsmoment der Kupplung erhöht und die Synchronisierungsdauer bei konstantem Riemenschlupf verringert werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich auch der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer rechnerischen Riementriebsimulation dargestellt ist. Es zeigen:
1 den zeitlichen Schaltkraftverlauf einer Kupplung, die den Generator aus einem Riementrieb entkoppelt;
2 das Layout des simulierten Riementriebs gemäß 1;
3 die Anordnung der Kupplung im Riementrieb gemäß den 1 und 2;
4 den Drehmomentverlauf an der Kupplung als Folge des Schaltkraftverlaufs gemäß 1;
5 den Riemenschlupf als Folge des Schaltkraftverlaufs gemäß 1 und
6 den Drehzahlverlauf im Riementrieb als Folge des Schaltkraftverlaufs gemäß 1.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung sei ausgehend von den 2 und 3 erläutert, die das Layout eines von der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine angetriebenen Riementriebs 1 zeigen, der als Simulationsmodell den später erläuterten Simulationsergebnissen zugrunde liegt. Es handelt sich um einen 3-Scheiben-Trieb mit einer auf der Kurbelwelle KW angeordneten Kurbelwellenriemenscheibe 2 als Antriebsrad, einer seitens eines Generators Gen angeordneten Generatorriemenscheibe 3 als Abtriebsrad, einer seitens eines Klimakompressors A/C angeordneten Kompressorriemenscheibe 4 als Abtriebsrad und einem die Riemenscheiben 2, 3, 4 kraftschlüssig umschlingenden Poly-V-Riemen 5, dessen Spannung über einen im Leertrum zwischen der Kurbelwellenriemenscheibe 2 und der Generatorriemenscheibe 3 eingebundenen Riemenspanner 6 eingestellt wird.
Zwischen der Generatorriemenscheibe 3 und der Generatorwelle 7 befindet sich eine Reibkupplung 8, die in der Lage ist, den Generator Gen bedarfsgerecht aus dem Riementrieb 1 aus- und in den Riementrieb einzukoppeln. Hierzu werden die Reibpartner 9, 10 der Kupplung 8 von einem nicht dargestellten Aktuator angesteuert und unterbrechen im getrennten Zustand den Antrieb zwischen der Generatorriemenscheibe 3 und der Generatorwelle 7.
Wie nachfolgend erläutert, erfolgt das Einkoppeln des Generators Gen in den rotierenden Riementrieb 1 derart, dass ein unerwünscht hoher, d. h. zu übermäßigem Geräusch und Verschleiß führender Riemenschlupf während der Synchronisierungsphase von Generatorriemenscheibe 3 und Generatorwelle 7 vermieden wird. Ein solch hoher Riemenschlupf wird dadurch verhindert, dass die Kupplung 8 während der Synchronisierungsphase gesteuert geschlossen wird. Das bedeutet konkret, dass die Reibpartner 9, 10 der Kupplung 8 in einen vom Kupplungsaktuator kontrollierten, gegenseitigen Kontakt mit vorbestimmter Kontaktkraft gebracht werden. Die durchgezogene Linie in 1 zeigt den so erzeugten zeitlichen Verlauf des von der Kupplung 8 übertragbaren Antriebsmoments während der Synchronisierungsphase. Referenz ist der mit gestrichelter Linie dargestellte Schließverlauf derselben Kupplung, jedoch ohne die erfindungsgemäße Ansteuerung bei schließenden Reibpartnern 9, 10. In diesem Fall steigt das übertragbare Antriebsmoment sofort und mit bauartbedingt maximalem Gradienten auf 100% des maximal möglichen Kupplungsmoments an. Demgegenüber wird die erfindungsgemäß angesteuerte Kupplung 8 innerhalb einer Synchronisierungsphase, in der die zunächst stillstehende Generatorwelle 7 auf die Drehzahl der rotierenden Generatorriemenscheibe 3 beschleunigt wird, mehrmals aufeinanderfolgend geschlossen und getrennt, wobei das von der Kupplung 8 übertragbare Antriebsmoment zwischen einem unteren Momentwert, hier konstant Null, und einem oberen Momentwert, hier konstant etwa 13% des maximal möglichen Kupplungsmoments, pulsiert. Der obere Momentwert ist so gewählt, dass dieser kleiner als ein Grenzmoment ist, dessen Überschreiten zu einem Riemenschlupf in unerwünschter Höhe führen würde.
Im Anschluss an die Synchronisierungsphase schließt die Kupplung 8 vollständig und erreicht ihr maximal mögliches Kupplungsmoment, wobei dieser Schließverlauf im wesentlichen identisch mit demjenigen der nicht angesteuerten Kupplung gemäß der gestrichelten Linie ist.
Die 4 bis 6 zeigen in vergleichender Gegenüberstellung die mittels rechnerischer Simulation ermittelte Wirkung der Kupplungsansteuerung auf das dynamische Betriebsverhalten des Riementriebs 1 bei einer Kurbelwellendrehzahl von 2000 1/min. Dabei beziehen sich die mit 'a' bezeichneten Figuren auf eine nicht angesteuerte Kupplung und die mit 'b' bezeichneten Figuren auf die erfindungsgemäß angesteuerte Kupplung 8, deren Schließvorgang in der Simulation jeweils zum Zeitpunkt 0,2 s beginnt.
In den 4 sind mit 'Kupplung' der zeitliche Verlauf des jeweils von der Kupplung übertragenen Antriebsmoments und mit 'Generator' die elektrische Belastung des Generators dargestellt, der erst nach der Synchronisierungsphase belastet wird und dann ein Lastmoment von ca. –12 Nm abnimmt. Bei nicht angesteuerter, d. h. sofort auf 100% maximal mögliches Kupplungsmoment schließender Kupplung (s. 4a und gestrichelte Linie in 1) beginnt die Synchronisierungsphase an der Kupplung mit einem hohen Drehmomentpeak, der etwa 70 Nm erreicht. Wie in 5a erkennbar ist, geht der hohe Drehmomentpeak mit einem unerwünschten, hier 100% deutlich übersteigenden Riemenschlupf an der Generatorriemenscheibe einher. Der in der Einheit '%' angegebene Riemenschlupf ist als Relativgeschwindigkeit des Riemens zur Generatorriemenscheibe RS_Gen bzw. zur Kurbelwellenriemenscheibe RS_KW definiert.
Das übertragene Drehmoment der erfindungsgemäß angesteuerten Kupplung folgt mit vergleichsweise geringen Drehmomentpeaks zunächst dem pulsierenden Verlauf des übertragbaren Drehmoments der Kupplung (s. 4b und durchgezogene Linie in 1). Wie in 5b erkennbar, gehen die geringen Drehmomentpeaks mit ebenfalls deutlich niedrigeren Werten für den Riemenschlupf einher, die an der Kurbelwellenriemenscheibe RS_KW höher als an der Generatorriemenscheibe RS_Gen und mit maximal 8% akzeptabel sind.
Die 6a und 6b zeigen die entsprechenden Drehzahlverläufe von Kurbelwellenriemenscheibe RS_KW, Generatorriemenscheibe RS_Gen und der damit zu synchronisierenden Generatorwelle M_Gen, deren mittlerer Drehzahlgradient im Falle der erfindungsgemäß angesteuerten Kupplung deutlich kleiner als bei nicht angesteuerter Kupplung ist.
Bezugszeichenliste

1: Riementrieb
2: Kurbelwellenriemenscheibe
3: Generatorriemenscheibe
4: Kompressorriemenscheibe
5: Riemen
6: Riemenspanner
7: Generatorwelle
8: Kupplung
9: Reibpartner
10: Reibpartner

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

WO 2008/050032 A2 [0002]
DE 102007020867 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines von einer Antriebswelle (KW) einer Brennkraftmaschine angetriebenen Riementriebs (1), der ein oder mehrere Nebenaggregate (A/C, Gen) der Brennkraftmaschine antreibt und umfasst: – ein Antriebsrad (2), das seitens der Antriebswelle (KW) angeordnet ist, – Abtriebsräder (3, 4), die seitens der jeweils zugehörigen Nebenaggregatwellen (7) angeordnet sind, – einen das Antriebsrad (2) und die Abtriebsräder (3, 4) kraftschlüssig umschlingenden Riemen (5) – und eine ansteuerbare Kupplung (8), die im getrennten Zustand den Antrieb zwischen einer der Wellen (KW, 7) und dem seitens dieser Welle angeordneten Rad (2, 3) unterbricht, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (8) innerhalb einer Synchronisierungsphase so gesteuert geschlossen wird, dass das von der Kupplung (8) übertragbare Antriebsmoment innerhalb der Synchronisierungsphase stets kleiner als ein Grenzmoment ist, dessen Überschreiten zu einem Riemenschlupf in unerwünschter Höhe führen würde.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem gesteuerten Schließen der Kupplung (8) das von dieser momentan übertragene Antriebsmoment als Messgröße zugrunde gelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Anfangsintervalls der Synchronisierungsphase die Kupplung (8) mehrmals aufeinanderfolgend geschlossen und getrennt wird und das von der Kupplung (8) übertragbare Antriebsmoment zwischen einem unteren Momentwert und einem oberen Momentwert pulsiert.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (8) jeweils so weit geschlossen und getrennt wird, dass der untere Momentwert und der obere Momentwert während des Anfangsintervalls im wesentlichen konstant bleiben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei einem der Nebenaggregate (A/C, Gen) um einen Generator (Gen) handelt, wobei die Kupplung (8) zwischen der Generatorwelle (7) und der Generatorriemenscheibe (3) angeordnet ist und wobei der Generator (Gen) innerhalb der Synchronisierungsphase elektrisch unbelastet betrieben wird.