DE102012210578A1

DE102012210578A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung eines Drehmoments und Getriebe mit dieser

Info

Publication number: DE102012210578A1
Application number: DE201210210578
Authority: DE
Inventors: Georg Göppert
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2013-12-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung eines Drehmoments einer drehenden Welle insbesondere in einem Getriebe mittels eines das Drehmoment in eine elektrische Größe wandelnden Sensors. Um das Drehmoment in einfacher Weise und im Wesentlichen bauraumneutral erfassen zu können, ist die drehende Welle mit einer eine Torsionsbewegung in eine Axiallast wandelnden Getriebekopplung gekoppelt sowie ein die Axiallast erfassender und in ein elektrisches Signal wandelnder Sensor und eine das elektrische Signal einem Drehmoment zuordnende Erfassungseinrichtung vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung eines Drehmoments einer drehenden Welle insbesondere in einem Getriebe mittels eines das Drehmoment in eine elektrische Größe wandelnden Sensors.
Das Drehmoment einer drehenden Welle kann über bekannte Vorrichtungen und Verfahren, wie Sie beispielsweise aus der DD 273 118 A1 und der DD 248 874 A1 bekannt sind, ermittelt werden. Hierbei wird eine kapazitive Größe kontaktlos ermittelt, indem die Kapazität von in Umfangsrichtung abhängig von einem Drehmoment angenäherter Bauteile erfasst und daraus das Drehmoment ermittelt wird. Derartige Vorrichtungen bauen groß und können nur in unzureichender Weise in modernen Anwendungen, beispielsweise einem Getriebe wie Doppelkupplungsgetriebe untergebracht werden.
Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur Erfassung eines Drehmoments insbesondere in einem Getriebe wie Doppelkupplungsgetriebe eines Kraftfahrzeugs mit einfacher Implementierung und geringem Bauraum.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der selbstständigen Ansprüche 1, 7 und 9 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen wieder.
Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmoments einer drehenden Welle insbesondere in einem Getriebe mittels eines das Drehmoment in eine elektrische Größe wandelnden Sensors ist die drehende Welle mit einer eine Torsionsbewegung zumindest teilweise in eine Axialbewegung wandelnden Getriebekopplung gekoppelt, weiterhin erfasst der Sensor die Axialbewegung und wandelt diese in ein elektrisches Signal. Eine das elektrische Signal erfassende und bearbeitende Erfassungseinrichtung weist beispielsweise aufgrund gespeicherter und gegebenenfalls an Änderungen adaptierter Proportionalitätskonstanten den erfassten Sensorsignalen ein Drehmoment zu.
Das auf diese Weise ermittelte Drehmoment wird bevorzugt in einem Getriebe wie Doppelkupplungsgetriebe einem über eine automatisiert betriebene Reibungskupplung zugeordnet. Die drehende Welle ist dabei bevorzugt die Getriebeeingangswelle. Durch eine einfache und bauraumneutrale Ermittlung des Drehmoments kann insbesondere in Schlupfphasen der Reibungskupplung, beispielsweise während einer Überschneidungsschaltung eines Doppelkupplungsgetriebes, bei denen über beide Reibungskupplungen zweier Teilantriebsstränge Drehmoment übertragen wird, eine verbesserte Schaltgenauigkeit beispielsweise mit verkürzter Schaltzeit, einem höheren Komfort oder dergleichen infolge einer verbesserten Steuerung des übertragenen Drehmoments erzielt werden. Im geschlossenen Zustand der Reibungskupplung können Rückschlüsse auf das Motormoment bei zwischen Motor und Getriebe angeordneter Reibungskupplung und entsprechende Kalibrationsroutinen vorgenommen werden.
In besonders einfacher Weise ohne zusätzliche Bauteile kann die vorgeschlagene Getriebekopplung vorgesehen werden, indem ein zwischen der drehenden Welle und einer weiteren Welle angeordnetes Stirnradpaar mit Schrägverzahnung vorgesehen wird. Derartige schräg verzahnte Stirnradpaare werden in den meisten Getrieben, beispielsweise Teilgetrieben von Doppelkupplungsgetrieben als schaltbare Gangradpaare zwischen der Getriebeeingangswelle und einer Getriebeausgangswelle oder einer entsprechenden Vorgelegewelle verwendet. Hierbei wird zumindest ein Teil des übertragenen Drehmoments in eine Axiallast der drehenden oder der anderen Welle übertragen. Unter Berücksichtigung des Schrägungswinkels der Schrägverzahnung und der zwischen den Stirnrädern eingestellten Übersetzung kann aus der Axiallast auf das Drehmoment geschlossen werden.
Als Sensor zur Erfassung derartiger Axiallasten kann ein zwischen einem festen Bauteil und einer die Axiallast aufweisenden Welle angeordneten Kraftsensor vorgesehen sein. Ein derartiger Sensor kann ein Drucksensor oder in besonders bevorzugter Weise ein Piezo-Element sein. Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, unter Berücksichtigung innerer Reibung den Sensor axial zwischen einem Gehäuseteil und einem feststehenden Bauteil eine Drehlagers anzuordnen, so dass eine Relativverdrehung zwischen Welle und Sensor vermieden wird. Der Sensor kann dabei in das Gehäusebauteil oder in bevorzugter Weise in das Drehlager, beispielsweise in dessen Außenring integriert sein. Das Drehlager wird dabei als Rotativ- und Axiallager, beispielsweise als Rillenkugellager vorgesehen, das in der Bohrung des Getriebeteils schwimmend angeordnet ist. Entsprechende die Ermittlung des Drehmoments verfälschende Reib- und Wälzstellen beispielsweise an und im Drehlager, an den Stirnradpaaren und anderen Kontaktstellen werden bevorzugt durch Kalibration kompensiert und können beispielsweise bei geschlossener Reibungskupplung mittels des Motormoments laufend adaptiert werden. Die Ermittlung des Drehmoments kann hierbei an der drehenden Welle und/oder an der von dieser angetriebenen Welle vorgesehen werden, indem an der entsprechenden oder an beiden Wellen entsprechende Sensoren vorgesehen sind.
In einem vorteilhaften, mittels der vorgeschlagenen Vorrichtung zur Ermittlung eines Drehmoments durchgeführten Verfahren wird mittels der die Torsionsbewegung in eine Axiallast wandelnden Getriebekopplung eine dem Drehmoment zuordenbare Axiallast auf einen Sensor übertragen und von der Erfassungseinrichtung ein der Axialbewegung zuordenbares elektrisches Signal des Sensors einem Drehmoment zugeordnet. Hierbei enthält die Erfassungseinrichtung alle beziehungsweise alle relevanten Parameter, die zur Umrechnung der Axiallast in ein Drehmoment nötig sind, beispielsweise die tribologischen Daten des Getriebes zumindest in dem Drehmomentpfad zwischen dem Ort des zu erfassenden Drehmoments und dem Ort der Axiallast, den Schrägungswinkel einer gegebenenfalls als Getriebekopplung eingesetzten Schrägverzahnung, das Teilungsverhältnis zwischen Drehmoment und Axiallast sowie die Abbildungsgrößen zur Umrechnung dieser Größen ineinander und dergleichen. Die relevanten Parameter können gelernt, empirisch oder anhand eines Modells bereitgestellt und laufend anhand eines definierten Moments, beispielsweise des Motormoments bei geschlossener Reibungskupplung adaptiert werden.
In einem vorteilhaften Getriebe mit einer einer Getriebeeingangswelle des Getriebes zugeordneten Reibungskupplung mit der vorgeschlagenen Vorrichtung zur Erfassung des Drehmoments der Reibungskupplung ist die Ermittlung des Drehmoments mittels zweier mittels der Getriebekopplung verbundener Getriebewellen des Getriebes vorgesehen. In gleicher Weise kann in einem Doppelkupplungsgetriebe mit zwei Teilgetrieben mit jeweils einer zwischen dem Motor und einer Getriebeeingangswelle angeordneten Reibungskupplung das Drehmoment für beide Reibungskupplungen separat ermittelt werden. Auf diese Weise ist das über die Reibungskupplungen jeweils übertragene Teilmoment ermittelbar, so dass während Überschneidungsschalten, bei dem bei jeweils in einem Teilgetriebe eingelegtem Gang durch Öffnen der einen und Schließen der anderen Reibungskupplung ein Gangwechsel durchgeführt wird, mit verbessertem Komfort geschaltet werden kann, indem die beiden Drehmomente zur Steuerung der Reibungskupplung herangezogen werden.
Die Erfindung wird anhand der einzigen Figur erläutert. Diese zeigt schematisch und auszugsweise ein Getriebe mit einer Vorrichtung zur Erfassung des Drehmoments.
Das nur ausschnittsweise dargestellte Getriebe 1 mit der drehenden Welle 3, beispielsweise in Form der Getriebeeingangswelle 4 ist mittels der Getriebekopplung 7 – hier dem Stirnradpaar 8 mit Schrägverzahnung und mit der weiteren Welle 5 in Form der Getriebeausgangswelle 6 gekoppelt. Die Schrägverzahnung überträgt das Drehmoment M1 der Welle 3 in Form des Drehmoments M2 auf die Welle 5. Durch den Schrägungswinkel 9 der Schrägverzahnung des Stirnradpaars 8 wird weiterhin an der Welle 5 die Axiallast F2 erzeugt, die von dem Gehäusebauteil 10 aufgenommen ist. Zur Drehlagerung der Welle 5 ist diese mittels des Drehlagers 11 aufgenommen. Zur Erfassung zumindest eines repräsentativen Anteils der Axiallast F2 ist zwischen dem Außenring 15 und dem Gehäusebauteil 10 der Sensor 12 in Form des Piezo-Elements 13 aufgenommen, welches abhängig von der anliegenden Axiallast ein elektrisches Signal auf die Erfassungseinrichtung 14 überträgt. In der Erfassungseinrichtung 14 wird anhand der relevanten Zusammenhänge zwischen der Axiallast F2 das Drehmoment M1 und/oder das Drehmoment M2 ermittelt beziehungsweise zumindest so exakt abgeschätzt, dass eines oder beide Drehmomente M1, M2 als ausschließliche oder partielle Steuergröße herangezogen werden können. Beispielsweise wird das Drehmoment M1, M2 zur Ermittlung eines über eine mit der Getriebeeingangswelle 4 verbundenen automatisierten Reibungskupplung übertragenes Kupplungsmoment verwendet.
Alternativ oder zusätzlich kann eines der Drehmomente M1, M2 ermittelt werden, indem die als Gegenkraft zu der Axiallast F2 auftretende Axiallast F1 erfasst und ausgewertet wird. Hierzu ist axial zwischen dem Gehäusebauteil 16 und dem die Welle 3 drehlagernd aufnehmenden Drehlager 17 der Sensor 18 in Form des Piezo-Elements 19 bevorzugt zwischen drehfest gelagertem Außenring 20 und Gehäusebauteil 16 aufgenommen. Das Piezo-Element 19 erzeugt abhängig von der Axiallast F1 ein elektrisches Signal und überträgt dieses an die Erfassungseinrichtung 14. Diese berechnet aus dem elektrischen Signal unter Verwendung relevanter Parameter die Drehmomente M1, M2.
Bezugszeichenliste

1: Getriebe
2: Vorrichtung
3: Welle
4: Getriebeeingangswelle
5: Welle
6: Getriebeausgangswelle
7: Getriebekopplung
8: Stirnradpaar
9: Schrägungswinkel
10: Gehäusebauteil
11: Drehlager
12: Sensor
13: Piezo-Element
14: Erfassungseinrichtung
15: Außenring
16: Gehäusebauteil
17: Drehlager
18: Sensor
19: Piezo-Element
20: Außenring
F1: Axiallast
F2: Axiallast
M1: Drehmoment
M2: Drehmoment

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

DD 273118 A1 [0002]
DD 248874 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung (2) zur Erfassung eines Drehmoments (M1, M2) einer drehenden Welle (3) insbesondere in einem Getriebe (1) mittels eines das Drehmoment in ein elektrisches Signal wandelnden Sensors (12, 18), dadurch gekennzeichnet, dass die drehende Welle (3) mit einer eine Torsionsbewegung zumindest teilweise in eine Axiallast (F1, F2) wandelnden Getriebekopplung (7) gekoppelt sowie der die Axiallast (F1, F2) erfassende und in ein elektrisches Signal wandelnde Sensor (12, 18) und eine das elektrische Signal einem Drehmoment (M1, M2) zuordnende Erfassungseinrichtung (14) vorgesehen sind.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebekopplung (7) eine zwischen der drehenden Welle (3) und einer weiteren Welle (5) angeordnetes Stirnradpaar (8) mit Schrägverzahnung ist.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (12, 18) ein zwischen einem festen Bauteil und einer die Axiallast (F1, F2) aufweisenden Welle (3, 5) angeordneter Kraftsensor ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor ein Piezo-Element (13, 19) ist.
Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (12) axial zwischen einem Gehäusebauteil (10) und einem feststehenden Bauteil eines Drehlagers (11) der weiteren Welle (5) angeordnet ist.
Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (18) zwischen einem Gehäusebauteil (16) und einem feststehenden Bauteil eines Drehlagers (17) der drehenden Welle (3) angeordnet ist.
Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (14) das Drehmoment (M1, M2) abhängig von einem Schrägungswinkel (9) der Schrägverzahnung ermittelt.
Verfahren zur Ermittlung eines Drehmoments (M1, M2) einer drehenden Welle (3, 5) mittels einer Vorrichtung (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der die Torsionsbewegung in eine Axiallast (F1, F2) wandelnden Getriebekopplung (7) eine dem Drehmoment (M1, M2) zuordenbaren Axiallast (F1, F2) auf einen Sensor (12, 18) übertragen wird und von der Erfassungseinrichtung (14) ein der Axiallast (F1, F2) zuordenbares elektrisches Signal des Sensors (12, 18) einem Drehmoment (M1, M2) zugeordnet wird.
Getriebe (1) mit einer, einer Getriebeeingangswelle (4) des Getriebes (1) zugeordneten Reibungskupplung mit einer Vorrichtung (2) zur Erfassung des Drehmoments der Reibungskupplung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Ermittlung des Drehmoments (M1, M2) mittels zweier mittels der Getriebekopplung (7) verbundener Wellen (3, 5) des Getriebes (1) vorgesehen ist.