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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltelementes eines Fahrzeugantriebsstranges gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
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Bei aus der Praxis bekannten und als Brennkraftmaschinen ausgeführten Antriebsmaschinen von Fahrzeugantriebssträngen wird das aktuelle Ist-Drehmoment oftmals in Abhängigkeit der Einspritzmenge und üblicherweise im Bereich eines Motorsteuergerätes bestimmt. Das Ist-Drehmoment steht weiteren über den CAN-Bus mit dem Motorsteuergerät verbundenen Steuergeräten jeweils als Eingangsgröße für bestimmte Steuer- und Regelroutinen zur Verfügung. Bei der Bestimmung des aktuellen Ist-Drehmomentes der Antriebsmaschine werden interne Reibungsverluste der Antriebsmaschine, die wiederum in Abhängigkeit von Fertigungstoleranzen der einzelnen Komponenten der Antriebsmaschine stehen, nicht berücksichtigt.
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Darüber hinaus sind Getriebeeinrichtungen von Fahrzeugantriebssträngen Sensoren zur Messung von Drehmomenten zugeordnet. Dabei werden beispielsweise Verdrehwinkel von Voll- oder Hohlwellen über DMS-applizierte Wellen oder magnetisch kodierte Wellen messtechnisch bestimmt. In Abhängigkeit der Verdrehwinkel sind wiederum die jeweils über die Wellen geführten Drehmomente ermittelbar.
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Bei hydrostatisch-mechanisch leistungsverzweigten Getriebeeinrichtungen besteht auch die Möglichkeit, ein über eine Getriebeeinrichtung geführtes Drehmoment in Abhängigkeit eines gemessenen oder berechneten Arbeitsdruckes im Bereich eines Hydrostaten zu berechnen, wobei letztgenannte Vorgehensweise nur eine grobe Abschätzung des aktuell über eine Getriebeeinrichtung zu führenden Drehmomentes darstellt.
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Grundsätzlich werden einem Getriebesteuergerät eines Getriebes Messwerte aller in einer Getriebeeinrichtung vorgesehen Sensoreinheiten als Eingangswerte zugeführt, die diagnostiziert und für interne Funktionen weiter verarbeitet werden. Des Weiteren kommuniziert ein Getriebesteuergerät direkt oder indirekt mit weiteren Steuergeräten eines Fahrzeuges, insbesondere auch mit einem Motorsteuergerät.
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Für mobile Anwendungen vorgesehene Getriebe sind bekannterweise mit einer Vielzahl an Schaltelementen ausgebildet, die vorzugsweise reibschlüssig ausgeführt sind, um Funktionen, wie Drehmomentschaltungen, Drehmomentbegrenzungen oder Drehmomentübergaben, realisieren zu können. Neben der Auslegung auf ein maximal übertragbares Drehmoment ist die Dimensionierung der Schaltelemente unter Berücksichtigung einer zulässigen Wärmebelastung, die durch einen schlupfenden Betrieb bedingt ist, im Wesentlichen bestimmend für die Funktion und die Lebensdauer eines reibschlüssigen Schaltelementes bzw. einer Kupplung.
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Reibschlüssige Kupplungen werden üblicherweise hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch betätigt. Bei einer Betätigung mit einem stufenlos verstellbaren Aktuator, wie einem Proportionalventil einer hydraulisch betätigbaren Kupplung, ist das übertragbare Drehmoment über das Schaltelement durch Modulierung des Hydraulikdrucks steuerbar bzw. regelbar.
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Kupplungen von Landmaschinen, die zum Zuschalten oder zum Abschalten eines Allradbetriebsmodus im Bereich einer Fahrzeugvorderachse angeordnet sind, werden bezüglich ihres übertragbaren Drehmoments im Allgemeinen auf das Rutschmoment der Räder der Fahrzeugvorderachse unter Berücksichtigung der maximalen Vorderachslast ausgelegt. Aufgrund des stark unterschiedlichen Reibwerts zwischen Reifen und Untergrund und während ungünstiger Betriebszustandsverläufe, während welchen die maximale Vorderachslast deutlich überschritten wird, kann eine Beschädigung derartiger Kupplungen durch einen unachtsamen Fahrer nicht ausgeschlossen werden. Derartige Betriebszustandsverläufe treten beispielsweise während einer Bergauffahrt in Rückwärtsfahrtrichtung auf, während der hohe Lasten mittels einer Landmaschine rückwärts bergauf geschoben werden.
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Reibschlüssige Kupplungen werden auch in so genannten Lastschaltgruppen für einen zugkraftunterbrechungsfreien Gangwechsel und auch als so genannte Power-Shuttle-Kupplungen zum stillstandsminimierten Reversieren von Getrieben eingesetzt. Dabei wird jeweils durch paralleles Öffnen und Schließen von mindestens zwei Reibkupplungen ein Drehmomentfluss von einem Wellenstrang auf einen anderen umgeleitet.
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Zapfwellengetriebe sind jeweils mit einer so genannten Power-Take-Off-Kupplung (PTO) zur geregelten Drehmomentübertragung auf einen gegebenenfalls lastbehafteten Antriebsstrang ausgeführt. Anbaugeräte, die über das Zapfwellengetriebe angetrieben werden, leiten im Betrieb oft erhebliche Drehmomentstöße in den Getriebestrang ein. Zum Schutz der Anbaugeräte und auch des Zapfwellengetriebes sind die Anbaugeräte mit Schutzmechanismen, wie Rutschkupplungen, ausgeführt, die aber in der Praxis häufig unwirksam sind. Aus diesem Grund liegt der PTO-Kupplung eines Zapfwellengetriebes neben einer Anlauffunktion auch die Aufgabe der Drehmomentbegrenzung über einen Schlupfbetrieb der Kupplung zugrunde. Systembedingt ist ein so genanntes Aufreißmoment der PTO-Kupplung oft sehr hoch, so dass anbaugeräteseitige Drehmomentspitzen trotzdem in den Getriebestrang übertragen werden können und dort zu Schäden führen.
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In Zapfwellengetrieben sind einzelne genormte Abtriebsstufen in ihrer Leistung begrenzt, wobei die PTO-Kupplung nicht drehmomentbegrenzend wirkt. Da diese Begrenzung im Betrieb von Bedienpersonen oftmals ignoriert wird, treten unerwünschterweise im Bereich der Anbaugeräte irreversible Beschädigungen auf.
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Generell ist bei allen vorbeschriebenen Einsatzbereichen von reibschlüssigen Schaltelementen zur Vermeidung einer thermischen Überlastung eine Kontrolle der im Bereich eines reibschlüssigen Schaltelementes auftretenden Reibleistung erforderlich, was gegenwärtig über eine Kennlinienansteuerung realisiert wird.
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Aus der
EP 1 144 886 B1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Betätigung einer Kraftfahrzeugkupplungsvorrichtung bekannt, bei welcher eine aktuelle Reibleistung einer Kupplungsvorrichtung gemessen oder durch eine elektronische Steuereinrichtung berechnet wird. Die automatische Berechnung erfolgt in Abhängigkeit von der Differenzdrehzahl zwischen der Antriebsseite und der Abtriebsseite der Kupplungsvorrichtung, des aktuell an der Kupplungsvorrichtung anliegenden hydraulischen Betätigungsdruckes und/oder von einem von der Kupplungsvorrichtung übertragenen Drehmoment. Dabei wird zur Ermittlung des an der Kupplungsvorrichtung anliegenden Drehmomentes der Betätigungsdruck der vollständig geschlossenen Kupplungsvorrichtung so weit reduziert, bis im Bereich der Kupplungsvorrichtung ein Schlupfbetrieb bzw. ein Rutschen im Bereich der Kupplungsvorrichtung erkannt wird. Neben dem Zeitpunkt, ab welchem die Kupplungsvorrichtung in den Schlupfbetrieb übergeht, wird auch eine Differenzdrehzahl zwischen den Schaltelementhälften der Kupplungsvorrichtung ermittelt.
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Bei der vorbeschriebenen Vorgehensweise zur Bestimmung der Reibleistung im Bereich einer Kupplungsvorrichtung wird ein Reibwert der Kupplungsbeläge berücksichtigt, der allerdings aufgrund der Belag- und Ölqualitäten, der Fertigungsstreuung, dem Verschleiß, einem Einlauf und dergleichen, stark schwankt, weshalb die Ermittlung des anliegenden Drehmomentes sehr ungenau ist und die berechneten Werte der Reibleistung für eine feine Regelung der Übertragungsfähigkeit eines reibschlüssigen Schaltelementes nicht geeignet sind. Die Kupplungsvorrichtung ist nicht bis an ihre Leistungsgrenze heran betreibbar und daher größer zu dimensionieren als erforderlich, um die Funktionsweise der Kupplungsvorrichtung sicher gewährleisten zu können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltelementes eines Fahrzeugantriebsstranges zur Verfügung zu stellen, mittels welchem eine aktuelle Reibleistung im Bereich des Schaltelementes exakt bestimmbar ist, eine Überdimensionierung des Schaltelementes vermeidbar ist und mittels dem Schädigungen im Bereich des Schaltelementes durch zu hohe Reibbeanspruchungen sicher vermieden werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Schaltelementes eines Fahrzeugantriebsstranges, über das Drehmoment von einem mit einer ersten Schaltelementhälfte in Wirkverbindung bringbaren Bauelement auf ein weiteres mit einer zweiten Schaltelementhälfte koppelbaren Bauelement durch Reibkontakt zwischen einem Bereich der ersten Schaltelementhälfte und einem Bereich der zweiten Schaltelementhälfte führbar ist, werden ein an einer der Schaltelementhälften anliegendes Drehmoment über wenigstens einen Drehmomentsensor und Drehzahlen der Schaltelementhälften über Drehzahlsensoren messtechnisch ermittelt.
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Das bedeutet, dass die Reibleistung, die im Bereich des Schaltelementes während eines Schlupfbetriebes entsteht, mithilfe eines vorzugsweise im Bereich einer Kupplungswelle gemessenen Drehmomentes und den gemessenen Drehzahlen der Schaltelementhälften vor und nach dem Schaltelement ermittelbar ist. Aufgrund des Einsatzes der direkten Drehmomentmessung sind Maß- und Drucktoleranzen sowie Verschleißzustände und Toleranzen die Zusammensetzung der Reibbeläge des reibschlüssigen Schaltelementes betreffend sowie des Ölzustands im Schaltelement auf einfache Art und Weise kompensierbar. Damit ist die Bestimmung der Reibleistung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlich genauer als über aus dem Stand der Technik bekannte Vorgehensweisen, die zur Bestimmung der Reibleistung geometrische Nenndaten eines Schaltelementes sowie einen theoretischen Anpressdruck verwenden.
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Aufgrund der Kenntnis der exakten Reibleistung besteht zudem bei Steuerungs- oder Regelvorgängen im Bereich des Schaltelementes die Möglichkeit, das Schaltelement nahe an seiner Belastungsgrenze zu betreiben und somit eine Überdimensionierung des Schaltelementes zu vermeiden.
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Bei einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Abhängigkeit des ermittelten und an einer der Schaltelementhälften anliegenden Drehmomentes und der ermittelten Drehzahlen der Schaltelementhälften eine im Bereich des Schaltelementes erzeugte aktuelle Reibleistung bestimmt und einem zulässigen Grenzwert gegenübergestellt. Damit kann auf einfache Art und Weise eine thermische Überlastung der Kupplung, die bei einem zu langen Schlupfbetrieb auftreten kann, rechtzeitig erkannt und durch geeignete Maßnahmen vermieden werden. Das bedeutet, dass eine durch thermische Schädigungen ausgelöste Verringerung des Reibwertes der Reibflächenpaarungen des Schaltelementes und eine daraus resultierende Herabsetzung des übertragbaren Drehmomentes verhinderbar sind.
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Bei Vorliegen einer positiven Abweichung zwischen der aktuellen Reibleistung und dem Grenzwert wird bei einer werteren vorteilhaften Variante des Verfahrens nach der Erfindung die Übertragungsfähigkeit des Schaltelementes durch Verringern des Reibkontaktes zwischen den Bereichen der Schaltelementhälften, vorzugsweise durch vollständiges Öffnen des Schaltelementes, auf einfache Art und Weise reduziert.
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Um sicherheitskritische Betriebszustände eines Fahrzeuges zu vermeiden, wird bei Vorliegen einer positiven Abweichung zwischen der aktuellen Reibleistung und dem Grenzwert ein Warnsignal ausgegeben, womit eine Bedienperson auf eine bevorstehende Überlastung im Bereich des Schaltelementes entsprechend reagieren kann, um eine dauerhafte Schädigung des Schaltelementes zu vermeiden.
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Zusätzlich oder alternativ zu den vorgenannten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es bei einer weiteren vorteilhaften Variante des Verfahren vorgesehen, dass das an dem Schaltelement anliegende Drehmoment bei Vorliegen einer positiven Abweichung zwischen der aktuellen Reibleistung und dem Grenzwert beispielsweise durch einen Motoreingriff reduziert wird. Diese Vorgehensweise ist beispielsweise während eines Betriebes von als Synchronisierung ausgeführten Schaltelementen vorteilhaft.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass bei einer Abweichung zwischen einer aktuellen Differenzdrehzahl zwischen den Schaltelementhälften und einem mit einer Betätigungskraft des Schaltelementes korrespondierenden Differenzdrehzahlwert größer als ein Schwellwert ein verringerter Reibwert zwischen den Schaltelementhälften ermittelt wird. Damit ist auf einfache Art und Weise ein unzulässig hoher Verschleißzustand des Schaltelementes ermittelbar und eine Bedienperson beispielsweise auf einen erforderlichen Werkstattbesuch hinweisbar. Zusätzlich besteht mit dieser Vorgehensweise auch die Möglichkeit, eine den Reibwert zwischen den Schaltelementhälften in unzulässigem Umfang herabsetzende Ölalterung festzustellen oder die Verwendung eines nicht geeigneten Öles zu ermitteln und durch entsprechende Hinweise einen erforderlichen Ölwechsel anzuzeigen.
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Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die im nachfolgenden Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in beliebiger Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildung des Gegenstandes nach der Erfindung keine Einschränkung dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Patentansprüchen und dem nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine stark schematisierte Blockschaltbilddarstellung eines Fahrzeuges, das mit einem erfindungsgemäß betriebenen Schaltelement ausgebildet ist.
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In der Figur ist ein Fahrzeug 1 mit einem Fahrzeugantriebsstrang 2 stark schematisiert dargestellt. Der Fahrzeugantriebsstrang 2 ist mit einer Antriebsmaschine 3, einer Getriebeeinrichtung 4 und einem Abtrieb 5 ausgebildet. Im Bereich der Getriebeeinrichtung 4 ist ein Schaltelement 6 vorgesehen, über das Drehmoment von einem mit einer ersten Schaltelementhälfte 7 in Wirkverbindung bringbaren Bauteil 8 auf ein weiteres mit einer zweiten Schaltelementhälfte 9 koppelbaren Bauelement 10 durch Reibkontakt zwischen einem Bereich der ersten Schaltelementhälfte 7 und einem Bereich der zweiten Schaltelementhälfte 9 führbar ist.
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In Abhängigkeit der jeweils vorliegenden Ausführungsform des Fahrzeugantriebsstranges 2 kann das zumindest bereichsweise reibschlüssig ausgeführte Schaltelement 6 zur Darstellung einer Übersetzung der Getriebeeinrichtung 4 vorgesehen sein oder als eine so genannte Power-Shuttle-Kupplung zum Umschalten zwischen einem Vorwärtsfahrtbetrieb und einem Rückwärtsfahrtbetrieb ausgebildet sein.
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Des Weiteren besteht auch die Möglichkeit, dass das Schaltelement 6 eine PTO-Kupplung ist oder auch ein reibschlüssiges Schaltelement zum Zuschalten eines Allradbetriebsmodus eines Fahrzeugantriebsstranges. Generell stellt das Schaltelement 6 ein Bauelement eines Fahrzeugantriebsstranges dar, über das Drehmoment zu führen ist und das zumindest phasenweise zur Darstellung einer gewünschten Funktion des Fahrzeugantriebsstranges schlupfend zu betreiben ist und daher mit einer Reibleistung beaufschlagt wird.
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Ein an einer der Schaltelementhälften 7 bzw. 9 anliegendes Drehmoment wird über wenigstens einen Drehmomentsensor 11 messtechnisch ermittelt. Zusätzlich werden Drehzahlen der Schaltelementhälften 7 und 9 über Drehzahlsensoren 12 gemessen, um in Abhängigkeit des ermittelten und an einer der Schaltelementhälften 7 bzw. 9 anliegenden Drehmomentes und der ermittelten Drehzahlen der Schaltelementhälften 7 und 9 eine im Bereich des Schaltelementes 6 erzeugte Reibleistung zu ermitteln und einem zulässigen Grenzwert der Reibleistung gegenüberstellen zu können. Der Grenzwert ist dabei in einem Steuergerät der Getriebeeinrichtung 4 hinterlegt oder über das Schaltelement 6 abbildende Modelle ermittelbar.
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Dabei sind sowohl der Drehmomentsensor 11 als auch die Drehzahlsensoren 12 an beliebiger Stelle im Fahrzeugantriebsstrang positionierbar, wobei in Abhängigkeit der Lage des Drehmomentsensors 11 und auch der Drehzahlsensoren 12 jeweils eine zwischen den Schaltelementhälften 7 und 9 und den Sensoren 11, 12 vorliegende Übersetzung bei der Bestimmung des Drehmomentes bzw. der Drehzahlen zu berücksichtigen ist. Sind die Sensoren 11 und 12 direkt im Bereich der Schaltelementhälften 7 und 9 positioniert, sind das Drehmoment und die Drehzahlen der Schaltelementhälften 7 und 9 direkt bestimmbar.
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Liegt eine positive Abweichung zwischen der über die Sensoren 11 und 12 ermittelten aktuellen Reibleistung im Bereich des Schaltelementes 6 und dem Grenzwert der Reibleistung vor, wird die Übertragungsfähigkeit des Schaltelementes 6 durch Verringern des Reibkontaktes zwischen den Bereichen der Schaltelementhälften 7 und 9 reduziert, wobei das Schaltelement 6 unter Berücksichtigung der aktuellen Fahrsituation hierfür ganz oder nur teilweise geöffnet wird. Zusätzlich oder alternativ hierzu wird bei Vorliegen einer positiven Abweichung zwischen der aktuellen Reibleistung im Bereich des Schaltelementes 6 und dem Grenzwert der Reibleistung ein vorzugsweise visuelles, haptisches oder akustisches Warnsignal an eine Bedienperson des Fahrzeuges 1 ausgegeben und die Bedienperson über den kritischen Betriebszustand des Schaltelementes 6 informiert.
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Wiederum zusätzlich oder alternativ zu den vorgenannten Vorgehensweisen wird bei Vorliegen einer positiven Abweichung zwischen der aktuellen Reibleistung im Bereich des Schaltelementes 6 und dem Grenzwert der Reibleistung das am Schaltelement 6 anliegende Drehmoment reduziert. Dies ist beispielsweise über einen Motoreingriff realisierbar, über welchen das Antriebsmoment der Antriebsmaschine 3 oder auch ein im Bereich der Antriebsmaschine 3 zur Verfügung gestelltes Schubmoment entsprechend reduziert wird, um thermische Überlastungen im Bereich des Schaltelementes 6 vermeiden zu können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Fahrzeugantriebsstrang
- 3
- Antriebsmaschine
- 4
- Getriebeeinrichtung
- 5
- Abtrieb
- 6
- Schaltelement
- 7
- erste Schaltelementhälfte
- 8
- Bauteil
- 9
- zweite Schaltelementhälfte
- 10
- Bauteil
- 11
- Drehmomentsensor
- 12
- Drehzahlsensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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