DE102013211989B4 - Verfahren zum Überwachen eines Verschleißzustands einer Kupplungseinheit - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Überwachen eines Verschleißzustands einer Kupplungseinheit (47) einer Drehmomentübertragungseinrichtung (15) für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit einer Kupplungseinheit (47) und einer Steuereinrichtung (62) zum Steuern der Kupplungseinheit (47) und zum Überwachen eines Verschleißzustands der Kupplungseinheit (47), wobei die Kupplungseinheit (47) zumindest eine Reibungskupplung (49) mit mehreren ineinander greifenden Kupplungslamellen (63, 65) aufweist, und wobei die Reibungskupplung (49) zum steuerbaren Übertragen eines Drehmoments von einem Eingangselement (41) auf ein Ausgangselement (45) ausgebildet ist und einen elektromagnetischen Aktuator (51) zum Betätigen der Reibungskupplung (49) aufweist, wobei der elektromagnetische Aktuator (51) eine Spule (73) und einen Anker (75) aufweist, der mit einem Teil (76) der Reibungskupplung (49) verbunden und durch Erregung der Spule (73) versetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinrichtung (62) die nachfolgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden: Ändern einer Erregung der Spule (73); und Auswerten des zeitlichen Verlaufs einer hierdurch verursachten Änderung eines die Spule (73) durchfließenden Stroms (I), wobei die Auswertung in mehreren Schritten erfolgt und zunächst ein ohmscher Widerstand (R) der Spule (73) als erster Parameter ausgehend von einem stationären Betriebszustand des Aktuators, in welchem ein die Spule (73) durchfließender Strom (I) verschieden von Null und im Wesentlichen konstant ist oder Null ist, ermittelt und aus dem die Spule durchfließenden Strom (I) eine in der Spule (73) induzierte Spannung (Ui) als zweiter Parameter in einem instationären Zustand des Aktuators, in welchem eine an der Spule (73) anliegende Spannung sprunghaft geändert wird, bestimmt wird, und wobei anschließend ein Integral über den zeitlichen Verlauf einer Änderung der induzierten Spannung (Ui) gebildet wird, wobei der Induktivitätsmesswert (L) in Abhängigkeit von dem gebildeten Integral ermittelt wird, der einen Verschleißzustand der Kupplungseinheit (47) repräsentiert.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Verschleißzustands einer Kupplungseinheit einer Drehmomentübertragungseinrichtung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit einer Kupplungseinheit und einer Steuereinrichtung zum Steuern der Kupplungseinheit und zum Überwachen des Verschleißzustands der Kupplungseinheit. Die Kupplungseinheit weist zumindest eine Reibungskupplung zum steuerbaren Übertragen eines Drehmoments von einem Eingangselement auf ein Ausgangselement und einen elektromagnetischen Aktuator zum Betätigen der Reibungskupplung auf, wobei der elektromagnetische Aktuator eine Spule und einen Anker aufweist, der mit einem Teil der Reibungskupplung verbunden und durch Erregung der Spule versetzbar ist.
• Eine derartige Drehmomentübertragungseinrichtung dient beispielsweise in einem Verteilergetriebe eines Kraftfahrzeugs mit Allradantrieb zum steuerbaren Übertragen eines Antriebsmoments auf eine Primärachse und/oder eine Sekundärachse des Kraftfahrzeugs. Bei einem so genannten ”Torque on Demand”-Verteilergetriebe sind die Räder der Primärachse permanent angetrieben, während mittels der genannten Drehmomentübertragungseinrichtung ein variabler Teil des Antriebsmoments wahlweise auf die Räder der Sekundärachse übertragen werden kann. Das Verteilergetriebe kann auch als steuerbares Mittendifferential ausgebildet sein, bei dem die Drehmomentübertragungseinrichtung einer Differentialsperre zugeordnet ist, um die Verteilung des Antriebsmoments in Längsrichtung des Fahrzeugs einzustellen. Eine Drehmomentübertragungseinrichtung der genannten Art kann auch in einem Kraftfahrzeug mit permanent angetriebener Vorderachse die Übertragung eines Teils des Antriebsmoments auf die Hinterachse erlauben, wobei die Drehmomentübertragungseinrichtung beispielsweise am Vorderachsdifferential oder am Hinterachsdifferential angeordnet ist. Derartige unterschiedliche Anwendungen und Anordnungen sind aus der US 7,111,716 B2 bekannt.
• Eine Drehmomentübertragungseinrichtung der eingangs genannten Art kann auch in Querrichtung des Kraftfahrzeugs wirken, beispielsweise für eine Differentialsperre eines Achsdifferentials oder in einer Drehmomentüberlagerungsanordnung eines Achsdifferentials (so genanntes ”Torque Vectoring”). In sämtlichen der vorgenannten Fälle kann die Drehmomentübertragungseinrichtung ein rotierendes Eingangselement (z. B. Eingangswelle) und ein rotierendes Ausgangselement (z. B. Ausgangswelle) reibschlüssig miteinander verbinden, insbesondere um ein Antriebsmoment zu übertragen. Alternativ hierzu kann die Drehmomentübertragungseinrichtung als Bremse konfiguriert sein, mit einem feststehenden Eingangselement oder einem feststehenden Ausgangselement, insbesondere um ein Bremsmoment zu übertragen.
• In manchen der vorgenannten Anwendungen der Drehmomentübertragungseinrichtung ist die Kupplungseinheit bezüglich der Kraftflussrichtung hinter dem Hauptgetriebe des Antriebsstrangs (d. h. hinter dem manuellen oder automatischen Schaltgetriebe oder CVT-Getriebe) angeordnet. Das Kupplungsmoment – also das von der Reibungskupplung übertragene Drehmoment – wird üblicherweise in Abhängigkeit von der jeweiligen Fahrsituation variabel eingestellt. Je nach den fahrdynamischen Erfordernissen, die beispielsweise von der Fahrsituation oder von Umgebungseinflüssen abhängen können (z. B. glatte Fahrbahnoberfläche mit auftretendem Schlupf der Antriebsräder), erfolgt also eine Änderung des von der Drehmomentübertragungseinrichtung zu übertragenden Drehmoments. Zur Einstellung des zu übertragenden Drehmoments ist in der Drehmomentübertragungseinrichtung ein elektromagnetischer Aktuator vorgesehen, der eine Spule und einen Anker aufweist. Der Anker ist mit einem Teil der Reibungskupplung (z. B. Kolben oder Druckring) verbunden und kann durch Erregung der Spule bewegt werden. In Abhängigkeit von der Magnetkraft des Ankers – und damit in Abhängigkeit von der Erregung der Spule – ist das durch die Kupplungseinheit übertragbare Drehmoment steuerbar. Hierfür steuert die Steuereinrichtung den Aktuator entsprechend einer Drehmomentanforderung.
• Während des Betriebs der Reibungskupplung tritt ein Verschleiß an den Komponenten der Kupplungseinheit auf. Beispielsweise kann die Reibungskupplung als nass- oder trockenlaufende Lamellenkupplung mit alternierend angeordneten primären und sekundären Kupplungslamellen ausgebildet sein. In diesem Fall kann ein Verschleiß beispielsweise durch eine Verringerung der Lamellendicken und/oder durch eine Versteifung des Lamellenmaterials auftreten. Durch den Verschleiß ändert sich im Lauf der Zeit der Reibwert an den Reibungsoberflächen und damit auch das bei einer bestimmten Aktuatorposition tatsächlich übertragene Drehmoment, da dieses vom Reibwert abhängt.
• Bei Verwendung eines elektromagnetischen Aktuators mit einer Spule kann sich durch den auftretenden Verschleiß die Induktivität der Spule verändern. Insbesondere kann sich die Induktivität dadurch ändern, dass der üblicherweise metallische Anker in seiner jeweiligen Position einen verschleißbedingt veränderten Abstand zu der Spule oder einem zugeordneten Stator aufweist und auf diese Weise das Magnetfeld der Spule verändert. Aufgrund des durch die veränderte Ankerposition veränderten Magnetfelds kann wiederum eine Änderung der Induktivität der Spule hervorgerufen werden. Durch eine verschleißbedingte Änderung der Induktivität kann eine Kennlinie der Kupplungseinheit verfälscht werden, die beispielsweise durch eine werksseitige Kalibrierung ermittelt wird und einen Zusammenhang zwischen einer angelegten Spannung oder einem die Spule durchfließenden Strom einerseits und einem übertragenen Drehmoment andererseits repräsentiert. Somit kann es zu unerwünschten Abweichungen zwischen dem angewiesenen Kupplungsmoment (Sollwert) und dem tatsächlich übertragenen Kupplungsmoment (Istwert) kommen.
• Es ist bekannt, aus der oben erläuterten Änderung der Induktivität Rückschlüsse auf den Verschleiß der Kupplungseinheit zu ziehen. Dazu wird herkömmlicherweise in die Spule ein zusätzlicher Wechselstrom eingeprägt und anhand des Wechselstroms der komplexe Widerstand der Spule ermittelt. Ein solches Vorgehen ist aus der DE 101 47 817 A1 , der DE 195 48 520 A1 , der DE 11 33 458 A , der DE 11 53 574 A , der DE 37 39 836 C2 und der DE 42 27 535 A1 bekannt. Alternativ beschreibt die DE 198 14 042 C1 die Ermittlung einer Induktivitätsänderung einer Spule relativ zu einer Sensorspule. Eine direkte Messung einer veränderten Aktuatorposition auf der Basis einer Magnetflussmessung geht aus der DE 102 30 090 A1 hervor. Nachteiligerweise müssen insbesondere zur Einprägung eines zusätzlichen Wechselstroms eine entsprechende Wechselstromquelle sowie geeignete Messmittel vorgehalten werden.
• Aus der DE 10 2005 001 905 A1 ist weiterhin ein Verfahren zur Überwachung eines Verschleißmaßes von Kupplungsbelägen bekannt. Hierbei wird beim Kuppelvorgang die Zeit für das Zurücklegen der Luftspaltstrecke als Belaganzugzeit ermittelt. Die Bestimmung der Belaganzugzeit, die sich mit zunehmendem Verschleiß ändert, erfolgt durch Auswertung des Magnetspulenstromverlaufes während des Schließvorganges.
• Die DE 10 2011 052 966 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetischen Kupplung, mit dem die Lageralterung eines zwischen Antriebs- und Abtriebsseite angeordneten Lagers verzögert werden kann. Hierbei wird die Bestromung der Magnetspule gezielt geändert, so dass es zu einer Relativverdrehung zwischen Antriebs- und Abtriebsseite kommt.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Überwachen eines Verschleißzustandes einer Kupplungseinheit einer Drehmomentübertragungseinrichtung mit einer einfach durchführbaren Verschleißermittlung für eine Reibungskupplung anzugeben.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Überwachen eines Verschleißzustandes einer Kupplungseinheit einer Drehmomentübertragungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch gelöst, dass mittels der Steuereinrichtung eine Erregung der Spule geändert wird und der zeitlichen Verlauf einer hierdurch verursachten Änderung eines die Spule durchfließenden Stroms ausgewertet wird, um einen Induktivitätsmesswert zu ermitteln, der einen Verschleißzustand der Kupplungseinheit repräsentiert.
• Die Steuereinrichtung der Drehmomentübertragungseinrichtung ist also dazu ausgelegt, zunächst eine Erregung der Spule zu ändern, beispielsweise indem eine an die Spule angelegte Spannung oder ein der Spule eingeprägter Strom geändert wird. Diese Änderung kann generell ausgehend von einem Ruhezustand des Aktuators (in dem kein Strom die Spule durchfließt und die Reibungskupplung nicht betätigt wird) oder von einem Betriebszustand des Aktuators (in dem bereits ein Strom die Spule durchfließt und dementsprechend die Reibungskupplung betätigt wird) erfolgen. In beiden Fällen verursacht die Änderung der Erregung der Spule eine Änderung des die Spule durchfließenden Stroms. Der zeitliche Verlauf dieser Stromänderung kann beobachtet und ausgewertet werden, indem während der Änderung des Spulenstroms wenigstens ein Wert des Spulenstroms gemessen wird (wobei vorzugsweise mehrere Messwerte erzeugt werden oder für eine Integralbildung eine kontinuierliche oder quasikontinuierliche Messung erfolgt, wie nachfolgend noch erläutert wird). Anhand dieser Auswertung kann (indirekt) ein Induktivitätsmesswert ermittelt werden.
• Der Induktivitätsmesswert repräsentiert bereits dadurch einen Verschleißzustand der Kupplungseinheit, dass sich durch Verschleiß an den Kupplungslamellen die Position des Ankers des elektromagnetischen Aktuators zumindest dann ändert, wenn die Reibungskupplung betätigt ist und die Kupplungslamellen kraftbeaufschlagt aneinander anliegen. Mit der Änderung der Position des Ankers ändern sich auch die magnetische Reluktanz und damit die Induktivität der Anordnung, beispielsweise weil sich die Weite eines Luftspalts zwischen dem Anker und der Spule (oder einem zugeordneten Stator) ändert.
• Der Erfindung liegen die folgenden Erkenntnisse zugrunde: Sofern an die Spule des elektromagnetischen Aktuators beispielsweise eine gegebene Spannung angelegt wird, so stellt sich (abgesehen von Temperatureffekten) nach einem asymptotischen Einschwingen letztlich stets derselbe, der dem ohmsche Widerstand entsprechende Endwert des Stromes ein, der die Spule durchfließt. Der zeitliche Verlauf des Spulenstroms während des asymptotischen Einschwingens hängt jedoch von der Induktivität der Spule ab. Die Induktivität der Spule wiederum kann sich, wie vorstehend erläutert, durch Verschleiß der Kupplungseinheit und insbesondere mit einer Änderung der Dicke der Kupplungslamellen ändern. Indem bei einer Änderung der Erregung der Spule der resultierende zeitliche Verlauf des Spulenstroms gemessen und ausgewertet wird, kann hieraus ein aktueller Induktivitätsmesswert der Spule abgeleitet und somit ein aktueller Verschleiß der Kupplungseinheit bestimmt werden.
• Mit anderen Worten erfolgt bei einer Änderung einer an die Spule angelegten Spannung oder eines der Spule eingeprägten Stroms aufgrund der Induktivität der Spule keine unmittelbare Änderung der Erregung der Spule und insbesondere des die Spule durchfließenden Stroms. Stattdessen wird in der Spule eine Spannung induziert, die der Änderung entgegenwirkt. Je größer die Induktivität der Spule, umso größer ist die induzierte Spannung. Die induzierte Spannung verringert sich mit zunehmendem Zeitablauf, wodurch es zu einer asymptotischen Annäherung des die Spule durchfließenden Stroms an einen Endwert kommt. Durch eine Änderung der Erregung der Spule und der zeitlichen Messung der hierdurch hervorgerufenen charakteristischen Änderung des die Spule durchfließenden Stroms kann folglich auf die Induktivität der Spule rückgeschlossen werden, wobei die Induktivität der Spule durch den Induktivitätsmesswert dargestellt wird. Die Auswertung des Zeitverlaufs kann vorteilhafterweise durch eine oder mehrere einfache Strommessungen durchgeführt werden.
• Hierfür ist keine Sekundärspule oder sonstige zusätzliche Sensorik erforderlich, sondern es wird die Eigeninduktivität der Spule ausgenutzt. Im Unterschied zu dem erläuterten Einprägen eines zusätzlichen Wechselstroms in die Spule ist keine Wechselstromquelle erforderlich. Bei der Erfindung wird stattdessen vorzugsweise nur ein sich monoton ändernder Verlauf des die Spule durchfließenden Stroms benötigt und ausgewertet, wodurch auch die erforderliche Änderung der Erregung der Spule auf einfache Weise erzeugt werden kann und beispielsweise allein durch eine Sprungfunktion herbeigeführt wird.
• Der ermittelte Induktivitätsmesswert wiederum ist abhängig von der Position des Ankers des Aktuators. Bei gegenseitigem Anliegen der Kupplungslamellen repräsentiert der Induktivitätsmesswert somit auch den Verschleißzustand. Beispielsweise kann bei gegebener Drehmomentübertragung durch die Reibungskupplung die Position des Ankers abhängig vom Verschleißzustand variieren. Damit variiert auch der Induktivitätsmesswert, wodurch aus dem Induktivitätsmesswert auf den Verschleißzustand und auch Fertigungstoleranzen rückgeschlossen werden kann.
• Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, den Unteransprüchen und den Zeichnungen angegeben.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird bei dem Verfahren mittels der Steuereinrichtung der Induktivitätsmesswert ausgehend von einem stationären Betriebszustand des Aktuators ermittelt, in welchem der die Spule durchfließende Strom im Wesentlichen konstant und verschieden von Null ist. Der die Spule durchfließende Strom kann im Ausgangszustand für die Ermittlung des Induktivitätsmesswerts auch Null sein. In beiden Fällen wird die Veränderung der Erregung der Spule dann vorgenommen, wenn ein stationärer Betriebszustand vorliegt.
• Dabei ist anzumerken, dass durch die bekannten asymptotischen Stromkennlinien von Spulen ein konstanter Strom theoretisch erst im Unendlichen auftritt. Daher soll im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung generell davon ausgegangen werden, dass nach Erreichen von mehr als 90%, bevorzugt von 95%, des im eingeschwungenen Zustand durch die Spule fließenden Stroms von einem stationären bzw. von einem eingeschwungenen Betriebszustand gesprochen werden kann, in dem der Strom im Wesentlichen konstant ist. Liegt also ein stationärer Betriebszustand vor, so kann die Erregung der Spule verändert werden, wobei die hierdurch verursachte Änderung des die Spule durchfließenden Stroms ausgewertet wird, um einen Induktivitätsmesswert zu ermitteln.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Reibungskupplung mehrere ineinandergreifende Kupplungslamellen auf, wobei bei dem Verfahren mittels der Steuereinrichtung der Induktivitätsmesswert ausgehend von einem Betriebszustand des Aktuators ermittelt wird, in welchem die Reibungskupplung von dem Aktuator kraftbeaufschlagt ist und die Kupplungslamellen aneinander anliegen. Der (vorzugsweise stationäre) Betriebszustand, der somit als Ausgangszustand oder Startzeitpunkt für die Ermittlung des Induktivitätsmesswerts dient, kann sich also dadurch auszeichnen, dass die Kupplungslamellen gegeneinander vorgespannt sind. Wird durch die Änderung der Erregung der Spule nun die Kraftbeaufschlagung der Kupplungslamellen vergrößert, so kann eine durch die Vergrößerung verursachte Bewegung des Ankers minimiert oder gar unterbunden werden, wodurch Ungenauigkeiten bei der Ermittlung des Induktivitätsmesswerts, die von der Ankerbewegung herrühren, minimiert werden können. Insbesondere kann hierdurch auch ein für mehrere Messungen reproduzierbarer Ausgangszustand erreicht werden.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dazu angepasst, dass mittels der Steuereinrichtung die Erregung der Spule gemäß einem monoton ansteigenden oder abfallenden Verlauf einer an die Spule angelegten Spannung oder eines der Spule eingeprägten Stroms geändert wird. Eine derartige monotone Änderung der Erregung der Spule kann mit besonders einfachen Mitteln herbeigeführt werden und ermöglicht eine einfache Auswertung des Spulenstroms.
• Bevorzugt ist das Verfahren dazu angepasst, dass mittels der Steuereinrichtung ein an der Spule anliegende Spannung sprunghaft vergrößert oder verringert wird, um den Induktivitätsmesswert zu ermitteln. Beispielsweise kann die an die Spule angelegte Spannung in Form eines Rechtecksprungs verändert werden, wodurch der durch die Spule fließende Strom mit einem exponentialförmigen Verlauf nachfolgt. Mit anderen Worten wird durch eine sprunghafte Änderung der Erregung der Spule erreicht, dass die resultierende Änderung des Spulenstroms und die resultierende Änderung der in der Spule induzierten Spannung U_i einer Exponentialfunktion folgen. Dabei entspricht die in der Spule induzierte Spannung U_i, der Differenz zwischen der nach dem Sprung an der Spule angelegten Spannung und der an dem ohmschen Widerstand der Spule abfallenden Spannung, welche durch den an einem jeweiligen Zeitpunkt durch die Spule fließenden Strom hervorgerufen wird. Die induzierte Spannung U_i nimmt dabei im zeitlichen Verlauf ab. Durch die Kenntnis des grundsätzlichen Verlaufs des Spulenstroms und der induzierten Spannung kann sich die Auswertung vereinfachen, da weniger Messpunkte benötigt werden, um den zeitlichen Verl des Spulenstroms bzw. der induzierten Spannung U_i zu bestimmen.
• Eine derartige sprunghafte Änderung der Erregung der Spule kann auch während der Fahrt des Kraftfahrzeugs im regulären Betrieb der Drehmomentübertragungseinrichtung erfolgen, insbesondere wenn aufgrund einer geänderten Drehmomentanforderung die Erregung der Spule ohnehin verändert werden muss.
• Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das Verfahren dazu angepasst, dass mittels der Steuereinrichtung aus dem die Spule durchfließenden Strom eine in der Spule induzierte Spannung U_i bestimmt und ein Integral über den zeitlichen Verlauf einer Änderung der induzierten Spannung U_i gebildet wird. Bei dieser Ausführungsform wird der Induktivitätsmesswert in Abhängigkeit von dem gebildeten Integral ermittelt, wobei die induzierte Spannung U_i indirekt durch eine Messung des die Spule zu einem gegebenem Zeitpunkt durchfließenden Stroms beispielsweise an einer Messbrücke (bestehend aus mehreren Widerständen) oder an einem einzelnen Messwiderstand zeitabhängig gemessen werden kann. Die Brückenschaltung oder der Messwiderstand kann beispielsweise in Serie mit der Spule geschaltet sein. Die Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Änderung des Spulenstroms erfolgt bei dieser Ausführungsform also dadurch, dass aus den zeitabhängig gewonnenen Messwerten für den Spulenstrom letztlich die in der Spule induzierte Spannung U_i ermittelt wird und dass über die ermittelte induzierte Spannung U_i ein Integral gebildet wird. Falls der Spulenstrom nicht kontinuierlich gemessen wird, sind während der Änderung des Spulenstroms nacheinander mehrere Messwerte für den Spulenstrom erforderlich, wobei die Integralbildung im Falle eines lediglich quasikontinuierlichen oder zeitlich diskreten Erfassens des Spulenstroms einer Summenbildung entspricht.
• Während bei einer Änderung der Erregung der Spule der Endwert des resultierenden Spulenstroms, wie vorstehend erläutert, unabhängig von der Induktivität der Spule ist, kann durch das Bilden eines zeitlichen Integrals über die induzierte Spannung U_i auf einfache Weise und unter Verwendung der ohnehin vorhandenen Komponenten des Aktuators ein charakteristischer Wert bestimmt werden, welcher von der Induktivität der Spule abhängt. Durch das Bilden eines Integrals über die induzierte Spannung U_i wird letztlich eine Fläche in einem Zeit/Strom-Diagramm bestimmt. Für eine möglichst einfache Messung und Auswertung wird die Integralbildung vorzugsweise während eines stationären Betriebszustands des Aktuators begonnen und während eines stationären Betriebszustands des Aktuators beendet.
• Bei dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, wenn bei dem Verfahren mittels der Steuereinrichtung der Induktivitätsmesswert dadurch ermittelt wird, dass das gebildete Integral durch den Strom dividiert wird, der die Spule in einem eingeschwungenen Zustand durchfließt. Die induzierte Spannung U_i hängt mit dem die Spule durchfließenden Strom über LI_e = ∫U_idt L(I – I_Start) = ∫U_idt mit U_i – U_ges – RI zusammen, wobei I_e der die Spule im eingeschwungenen Zustand durchfließende Strom ist. Dieser Stromwert kann auf einfache Weise als zusätzlicher Messwert gewonnen werden (wiederum beispielsweise mittels einer der Spule in Serie geschalteten Messbrücke oder eines Messwiderstands). Es ist also lediglich eine zusätzliche Messung des Spulenstroms erforderlich, die jedoch nach der Änderung der Erregung der Spule durchgeführt wird, wenn ein stationärer Betriebszustand vorliegt und der Spulenstrom (aufgrund seines asymptotischen Verlaufs) im Wesentlichen konstant ist. Damit diese Bedingung erfüllt ist, muss nach der Änderung der Erregung der Spule ein gewisser Zeitablauf abgewartet werden (mehrere Zeitkonstante τ). Dabei kann beispielsweise für jede Ermittlung des Induktivitätsmesswerts auch der im eingeschwungenen Zustand durch die Spule fließende Strom ermittelt werden.
• Bei der genannten Ausführungsform mit Integralbildung ist es ferner bevorzugt, wenn die Steuereinrichtung einen ohmschen Widerstand, d. h. elektrischen Widerstand der Spule ermittelt und diesen Widerstand zusätzlich für das Ermitteln des Induktivitätsmesswerts berücksichtigt. Durch Kenntnis des Spulenwiderstands kann für die Ermittlung des Induktivitätsmesswerts die am Spulenwiderstand abfallende Spannung ermittelt und berücksichtigt werden.
• Vorzugsweise ist das Verfahren dazu angepasst, dass mittels der Steuereinrichtung der ohmsche Widerstand der Spule in einem stationären Betriebszustand des Aktuators ermittelt wird, in welchem der die Spule durchfließende Strom im Wesentlichen konstant und verschieden von Null ist. Der Widerstand der Spule kann also (vor oder nach der genannten Änderung der Erregung der Spule) in einem eingeschwungenen Zustand ermittelt werden, in welchem die induzierte Spannung in der Spule sehr klein oder Null ist und somit die Ermittlung des Widerstands nicht verfälscht. Beispielsweise kann die Ermittlung des Widerstands zeitnah, insbesondere unmittelbar vor und/oder nach jeder Ermittlung eines Induktivitätsmesswerts erfolgen. Dies kann die Genauigkeit der Ermittlung des Induktivitätsmesswerts erhöhen, da sich der Widerstand der Spule beim Betrieb der Drehmomentübertragungseinrichtung mit der Temperatur ändern kann.
• Weiterhin ist es bevorzugt, wenn das Verfahren dazu angepasst, dass mittels der Steuereinrichtung der ermittelte ohmsche Widerstand der Spule für das Ermitteln des Induktivitätsmesswerts dadurch berücksichtigt wird, dass der ermittelte Spulenwiderstand mit dem zu einem gegebenen Zeitpunkt gemessenen Spulenstrom multipliziert wird, welcher infolge der genannten Änderung der Erregung der Spule zeitabhängig variiert. Durch diese Multiplikation wird für den gegebenen Zeitpunkt ein Spannungswert der Spule ermittelt, der als Basisspannungswert bezeichnet werden kann. Die Steuereinrichtung kann bei der erläuterten Integralbildung diesen (zeitabhängig ermittelten) Basisspannungswert von einem Gesamtspannungswert subtrahieren, um hierdurch für den gegebenen Zeitpunkt die genannte induzierte Spannung U_i zu erhalten. Bei dem Gesamtspannungswert kann es sich um die an die Spule angelegte Spannung handeln, die nicht zeitlich variieren muss sondern vorzugsweise konstant ist. Mit anderen Worten kann aus Kenntnis der von außen an die Spule angelegten elektrischen Spannung und des ohmschen Widerstands der Spule, welcher mit dem zeitabhängig ermittelten Spulenstrom multipliziert wird, die induzierte Spannung U_i für einen gegebenen Zeitpunkt ermittelt werden, um hierüber das zeitliche Integral bilden zu können.
• Bei der vorstehend erläuterten Ausführungsform wird zur Überwachung des Verschleißzustandes der Kupplungseinheit und insbesondere der Reibungskupplung der Induktivitätsmesswert in Abhängigkeit von einem Integral ermittelt, welches über den zeitlichen Verlauf einer in der Spule induzierten Spannung U_i gebildet wird. Eine Auswertung des zeitlichen Verlaufs des die Spule durchfließenden Stroms erfolgt hierbei also zum Zwecke der Ermittlung der induzierten Spannung U_i. Allerdings kann der zeitliche Verlauf einer Änderung des Spulenstroms auch auf andere Weise ausgewertet werden, um auf die Induktivität der Spule schließen zu können.
• Insbesondere ist es gemäß einer alternativen Ausführungsform möglich, dass die Steuereinrichtung während der Änderung des die Spule durchfließenden Stroms wenigstens einen Wert des Stroms misst und in Abhängigkeit von dem gemessenen Stromwert eine Zeitkonstante der Änderung des Spulenstroms ermittelt, wobei die Steuereinrichtung den Induktivitätsmesswert in Abhängigkeit von der ermittelten Zeitkonstanten ermittelt. Bei dieser Ausführungsform sind weniger Strommessungen erforderlich. Insbesondere können eine einzige oder lediglich zwei Messungen genügen, die während der durch die Änderung der Spulenerregung verursachten Änderung des Spulenstroms durchgeführt werden müssen. Man kann sich hierbei nämlich zunutze machen, dass die mathematische Funktion, welche den zeitlichen Verlauf der Änderung des Spulenstroms (entsprechend dem Abklingen der induzierten Spannung) beschreibt, grundsätzlich bekannt ist. Beispielsweise kann im Falle einer sprunghaften Änderung der an die Spule angelegten Spannung von einem exponentiellen Verlauf ausgegangen werden. Somit müssen nur noch die speziellen Parameter der Funktion ermittelt werden, insbesondere die genannte Zeitkonstante und beispielsweise ein Anfangswert, ein Zwischenwert und/oder ein Endwert.
• Bei dieser Ausführungsform wird der zeitliche Verlauf der Änderung des Spulenstroms somit dadurch ausgewertet, dass nur einige wenige Messungen des Spulenstroms durchgeführt werden. Der zeitliche Verlauf der Änderung des Spulenstroms wird also daraufhin ausgewertet, dass aus den für mehrere Zeitpunkte ermittelten Werten des Spulenstroms die Parameter einer Exponentialfunktion ermittelt werden, welche den zeitlichen Verlauf der Änderung des Spulenstroms generell beschreibt, wobei die genannte Zeitkonstante einer der Parameter ist.
• Dies soll noch näher wie folgt erläutert werden: In Abhängigkeit der Induktivität und des ohmschen Widerstands der Spule kann der durch die Spule fließende Strom I(t) schneller oder langsamer zunehmen und sich dem Strom I_e im eingeschwungenen Zustand annähern. Dieses Verhalten wird durch die Gleichung I(t) = I₀ + I_e·(1 – e –t / τ) ausgedrückt, wobei t die Zeit ist, I₀ den zum Startzeitpunkt (t = 0) durch die Spule fließenden Strom bezeichnet und τ die Zeitkonstante des Einschwingvorgangs darstellt. Ein von Null verschiedener Stromstartwert I₀ liegt vor, falls die Erhöhung oder Verringerung der an die Spule angelegten Spannung nicht von einem Wert Null ausgeht, sondern von einem von Null verschiedenen Wert, d. h. wenn zum Startzeitpunkt (t = 0) bereits eine Erregung der Spule und dementsprechend eine Kraftbeaufschlagung der Reibungskupplung vorliegen. Vorzugsweise liegt jedoch zum Startzeitpunkt (t = 0) ein stationärer Betriebszustand vor, in dem der die Spule durchfließende Strom I₀ im Wesentlichen konstant ist (Wert Null oder im Wesentlichen konstanter Wert ungleich Null).
• Die Zeitkonstante τ berechnet sich gemäß: τ = L/R
• Die Zeitkonstante τ ist also der Quotient aus der Induktivität L und dem ohmschen Widerstand R der Spule. Beispielsweise ist nach Ablauf einer Zeitspanne, die einer Zeitkonstante τ entspricht, der Strom I(t) durch die Spule bei etwa 63% des Stroms I_e im eingeschwungenen Zustand angelangt. Nach Ablauf von drei Zeitkonstanten sind bereits etwa 95% des Stroms I_e im eingeschwungenen Zustand erreicht. Es ergibt sich also, dass der Induktivitätsmesswert, der der Induktivität L der Spule entspricht, auf einfache Weise aus der Zeitkonstante τ berechnet werden kann, wenn durch Messung bekannt ist, wann beispielsweise 63% oder 95% des Stroms im eingeschwungenen Zustand erreicht sind. Somit kann es zur Ermittlung des Induktivitätsmesswerts L ausreichen, eine Strommessung an zwei Zeitpunkten durchzuführen, beispielsweise am Startzeitpunkt (t = 0) und bei 95% des Stroms im eingeschwungenen Zustand (t = 3τ).
• Sofern ohnehin eine Messung des ohmschen Widerstands der Spule in einem stationären Betriebszustand des Aktuators erfolgt, genügt für die Ermittlung der Zeitkonstante τ sogar eine einzige zusätzliche Messung während der Änderung des Spulenstroms. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Messung des ohmschen Widerstands der Spule unmittelbar vor der Änderung der Erregung der Spule durchgeführt wird und diese Messung zugleich als erste Messung für die Zeitkonstante τ herangezogen wird, d. h. als Messung des Spulenstroms I(t) zum Startzeitpunkt (t = 0). Der Strom I_e, welcher im eingeschwungenen Zustand durch die Spule fließt, kann dabei durch den Quotienten aus der an der Spule angelegten Spannung und dem ohmschen Widerstand der Spule berechnet werden, oder der Wert des Stroms I_e im eingeschwungenen Zustand kann aus dem Gleichungssystem herausgekürzt werden, falls während der Änderung des Spulenstroms wenigstens zwei Messungen für den Spulenstrom durchgeführt werden.
• Wie erläutert, kann auch bei dieser Ausführungsform die Steuereinrichtung den ohmschen Widerstand R der Spule ermitteln und für das Ermitteln des Induktivitätsmesswerts berücksichtigen. Insbesondere kann die Steuereinrichtung den Induktivitätsmesswert dadurch ermitteln, dass die ermittelte Zeitkonstante τ mit dem Spulenwiderstand R multipliziert wird.
• Auch bei dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, wenn das Verfahren dazu angepasst ist, dass mittels der Steuereinrichtung der ohmsche Widerstand R der Spule in einem stationären Betriebszustand des Aktuators ermittelt wird, in welchem der die Spule durchfließende Strom im Wesentlichen konstant und verschieden von Null ist. Insbesondere kann dies unmittelbar vor und/oder nach einer Ermittlung eines Induktivitätsmesswerts erfolgen, um Temperatureffekte berücksichtigen zu können.
• Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform kann der zeitliche Verlauf einer Änderung des Spulenstroms auch dadurch ausgewertet werden, dass nicht die Zeitkonstante τ, sondern die Steigung des Anstiegs oder Abfalls des durch die Spule fließenden Stroms I(t) bestimmt wird, um auf die Induktivität der Spule schließen zu können. Sofern nämlich die mathematische Funktion, welche den zeitlichen Verlauf der Änderung des Spulenstroms I(t) beschreibt, grundsätzlich bekannt ist (vgl. die vorstehend erläuterte Exponentialfunktion), kann aus einem oder mehreren Werten der zeitlichen Ableitung und beispielsweise einem Anfangswert und/oder ein Endwert letztlich ein Induktivitätsmesswert ermittelt werden, welcher dem charakteristischen Verlauf der Änderung des Spulenstroms I(t) entspricht.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Verfahren dazu angepasst, dass mittels der Steuereinrichtung ein Unterschied zwischen dem ermittelten Induktivitätsmesswert und einem früher ermittelten Induktivitätsmesswert bestimmt wird (nachfolgend auch als Induktivitätsunterschied bezeichnet). Dieser Unterschied repräsentiert einen Verschleiß der Kupplungseinheit, der zwischen der jeweiligen Ermittlung der beiden Induktivitätsmesswerte aufgetreten ist. Vorzugsweise wird für beide Induktivitätsmesswerte von derselben Erregung der Spule ausgegangen. Wird beispielsweise jeweils ein Induktivitätsmesswert bei Anlegen derselben vorbestimmten Spannung bestimmt, so repräsentiert der Unterschied zwischen den hierbei bestimmten Induktivitätsmesswerten den Verschleiß der Kupplungseinheit.
• Gemäß einer Ausführungsform ist das Verfahren dazu angepasst, dass mittels der Steuereinrichtung der genannte Induktivitätsunterschied, welcher einem zwischenzeitlich aufgetretenen Verschleiß der Kupplungseinheit entspricht, mit einem Schwellenwert verglichen wird und bei Erreichen oder Überschreiten des Schwellenwerts ein Warnsignal erzeugt wird. Beispielsweise kann ein aktueller Induktivitätsmesswert mit einem Induktivitätsmesswert verglichen werden, der bei der Herstellung der Drehmomentübertragungseinrichtung bestimmt wurde. Die Differenz der ermittelten Induktivitätsmesswerte gibt dabei den bisher aufgetretenen Verschleiß an. Dabei ist von Vorteil, dass durch die Bildung einer Differenz dem absoluten Induktivitätsmesswert keine Bedeutung zukommen kann und auf diese Weise Fertigungstoleranzen der Reibungskupplung neutralisiert werden. Bei Erreichen oder Überschreiten des Schwellenwerts kann ein Warnsignal ausgegeben werden, das beispielsweise in einen Speicher eingeschrieben wird oder einen Fahrer des Kraftfahrzeugs dazu auffordert, die Reibungskupplung warten oder ersetzen zu lassen.
• Bevorzugt ist das Verfahren dazu angepasst, dass mittels der Steuereinrichtung die Kupplungseinheit gemäß einer Kupplungskennlinie gesteuert wird, wobei das Verfahren ferner dazu angepasst ist, dass mittels der Steuereinrichtung in Abhängigkeit von dem ermittelten Induktivitätsmesswert (insbesondere in Abhängigkeit von dem vorgenannten Induktivitätsunterschied) die Kupplungskennlinie der Kupplungseinheit (z. B. Offset und/oder Steigung) angepasst wird, um einen Verschleiß der Kupplungseinheit zu kompensieren. In der Kupplungskennlinie ist dabei hinterlegt, welche Erregung der Spule des elektromagnetischen Aktuators welchem Anteil an übertragenem Drehmoment entspricht. Durch den Verschleiß der Kupplungseinheit kann die durch die Kupplungskennlinie vorgegebene Zuordnung zwischen der Erregung der Spule und dem übertragenem Drehmoment nicht mehr der Realität entsprechen. Aufgrund des ermittelten Verschleißes der Kupplungseinheit und/oder der veränderten Induktivitätsmesswerte kann eine korrekte Zuordnung erreicht werden, indem eine Anpassung der Kupplungskennlinie vorgenommen wird. Auf diese Weise kann der Verschleiß der Kupplungseinheit kompensiert werden.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform repräsentiert die Kupplungskennlinie einen vorbestimmten Zusammenhang zwischen einer an die Spule angelegten elektrischen Spannung oder einem die Spule durchfließenden Strom einerseits und dem von der Reibungskupplung übertragenen Drehmoment andererseits. Die Erregung der Spule kann also konkret entweder durch die an die Spule angelegte elektrische Spannung oder den die Spule durchfließenden Strom ausgedrückt werden. Die angelegte Spannung oder der die Spule durchfließende Strom sind durch die Kupplungskennlinie mit dem von der Reibungskupplung übertragenen Drehmoment verknüpft. Bevorzugt weist der elektromagnetische Aktuator ferner einen Stator auf, wobei zwischen dem Stator und dem Anker ein variabler Luftspalt vorgesehen ist, der bei einer Betätigung der Reibungskupplung seine Weite ändert. Dabei kann die Spule den Stator umgeben, wodurch der Stator als Kern der Spule dienen kann. Ferner können der Stator, der Anker und der Luftspalt einen magnetischen Ringschluss für die Spule bilden. In Abhängigkeit der Weite des Luftspalts können sich die magnetische Reluktanz des Luftspalts und damit die Induktivität ändern.
• Rein beispielhaft können Stator und Anker jeweils im Wesentlichen U-förmig ausgebildet sein und aus Eisen bestehen. Folglich können Stator und Anker in zwei Bereichen aufeinandertreffen, in welchen sich jeweils ein variabler Luftspalt ausbilden kann. Als magnetisches Ersatzschaltbild dieses Ringschlusses kann eine geschlossene Serienschaltung aus einer magnetischen Spannungsquelle (der Spule), einer Reluktanz R_Fe, die die magnetische Reluktanz von Stator und Anker angibt, und einer Reluktanz 2R_δ, die die Reluktanz der zwei Luftspalte repräsentiert, dienen.
• Die magnetische Spannung Θ entspricht dem Produkt aus der Windungszahl N der Spule und dem durch die Spule fließenden Strom I: Θ = NI = Θ_Fe + 2Θ_δ = ∫H_Fel_Fe + 2∫H_δδ wobei H die magnetische Erregung darstellt. Wird davon ausgegangen, dass die magnetische Spannung im Stator und Anker näherungsweise gleich Null ist, so ergibt sich NI = 2Θ_δ mit dem magnetischen Fluss Φ = Θ/R ergibt sich NI = 2ΦR_δ Zudem ist Ψ = NΦ = LI wobei Y die Flussverkettung ist, woraus sich NI = 2 Ψ / NR_δ ergibt. Beim Auflösen nach der Induktivität L ergibt sich N²I = 2ΨR_δ

  
• Mit

  

  wobei δ die Weite des Luftspalts, μ₀ die magnetische Feldkonstante und A die Fläche des Luftspalts ist, ergibt sich: L = 1 / 2N²μ₀A 1 / δ
• Es ist somit zu erkennen, dass die Induktivität L der Spule von der Weite δ des Luftspalts abhängt, insbesondere wird die Induktivität mit kleiner werdendem Luftspalt größer.
• Bevorzugt ist das Verfahren dazu angepasst, dass mittels der Steuereinrichtun die Kupplungseinheit gemäß einer Stromregelung gesteuert wird. Beispielsweise kann die Stromregelung durch die Einstellung der Spannung an der Spule erfolgen, wobei der eingeprägte Strom, insbesondere im eingeschwungenen Zustand, über einen gemessenen Spannungsabfall ermittelbar ist.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Verfahren dazu angepasst, dass mittels der Steuereinheit die Ermittlung des Induktivitätsmesswerts bei einem Betriebsstart des Kraftfahrzeugs und/oder nach einem Abstellen des Kraftfahrzeugs und/oder während eines Stillstands des Kraftfahrzeugs durchgeführt wird. Die Ermittlung des Induktivitätsmesswerts kann also immer dann erfolgen, wenn durch die Kupplungseinheit kein Drehmoment übertragen werden soll. Dies ist insbesondere beim Anlassen des Kraftfahrzeugs, nach dem Abstellen oder während eines Stillstands der Fall. Auch kann der Induktivitätsmesswert ermittelt werden, wenn eine Veränderung des von der Kupplungseinheit übertragenen Drehmoments vorgenommen wird und folglich die Erregung der Spule ohnehin verändert wird.
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Verschleißzustandes einer Kupplungseinheit einer Drehmomentübertragungseinrichtung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, wobei die Drehmomentübertragungseinrichtung eine Reibungskupplung zum steuerbaren Übertragen eines Drehmoments von einem Eingangselement auf ein Ausgangselement und ferner einen elektromagnetischen Aktuator zum Betätigen der Reibungskupplung aufweist, wobei der elektromagnetische Aktuator eine Spule und einen Anker aufweist, der mit einem Teil der Reibungskupplung verbunden und durch Erregung der Spule versetzt werden kann. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Erregung der Spule geändert und der zeitliche Verlaufs einer hierdurch verursachten Änderung des die Spule durchfließenden Stroms ausgewertet wird, um einen Induktivitätsmesswert zu ermitteln, der einen Verschleißzustand der Kupplungseinheit repräsentiert.
• Gemäß einer Ausführungsform wird der zeitliche Verlaufs des Spulenstroms dadurch ausgewertet, dass eine in der Spule induzierte Spannung bestimmt wird und ein Integral über den zeitlichen Verlauf der Änderung der induzierten Spannung gebildet wird, wobei der Induktivitätsmesswert in Abhängigkeit von dem gebildeten Integral ermittelt wird.
• Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird der zeitliche Verlaufs des Spulenstroms dadurch ausgewertet, dass während der Änderung des die Spule durchfließenden Stroms wenigstens ein Wert des Stroms gemessen wird und dass in Abhängigkeit von dem gemessenen Stromwert eine Zeitkonstante τ der Änderung des Spulenstroms ermittelt wird, wobei der Induktivitätsmesswert in Abhängigkeit von der ermittelten Zeitkonstanten τ ermittelt wird.
• Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird in Abhängigkeit von dem ermittelten Induktivitätsmesswert eine Kupplungskennlinie der Kupplungseinheit angepasst, um einen Verschleiß der Kupplungseinheit zu kompensieren.
• Im Übrigen sind die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Drehmomentübertragungseinrichtung erläuterten Merkmale auch auf das genannte Verfahren übertragbar.
• Die Erfindung wird nachfolgend rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Gleiche oder gleichartige Elemente sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
• Es zeigen:
• 1 eine schematische Ansicht eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs;
• 2 eine schematische Ansicht eines Verteilergetriebes; und
• 3 eine Querschnittsansicht einer Kupplungseinheit des Verteilergetriebes gemäß 2.
• 1 zeigt schematisch einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit zuschaltbarem Allradantrieb. Das von einem Verbrennungsmotor 11 erzeugte Antriebsmoment wird über ein Hauptgetriebe 13 (manuelles Schaltgetriebe oder Automatikgetriebe) einem Verteilergetriebe 15 zugeführt. Ein erster Ausgang des Verteilergetriebes 15 ist über eine Kardanwelle 17 mit einem Hinterachs-Differentialgetriebe 19 gekoppelt. Hierdurch werden die Räder 21 der Hinterachse 23 permanent angetrieben. Die Hinterachse 23 bildet somit die Primärachse des Fahrzeugs. Ein zweiter Ausgang des Verteilergetriebes 15 ist über eine Kardanwelle 25 mit einem Vorderachs-Differentialgetriebe 27 gekoppelt. Hierdurch kann ein Teil des Antriebsmoments des Verbrennungsmotors 11 wahlweise auf die Räder 29 der Vorderachse 31 übertragen werden. Die Vorderachse 31 bildet somit die Sekundärachse des Fahrzeugs. Das Verteilergetriebe 15 dient hierdurch als Drehmomentübertragungseinrichtung.
• Ferner ist in 1 eine Fahrdynamik-Regelungseinheit 33 gezeigt. Diese ist mit Raddrehzahl-Sensoren 35, 37 verbunden, die den Rädern 21 der Hinterachse 23 bzw. den Rädern 29 der Vorderachse 31 zugeordnet sind. Die Fahrdynamik-Regelungseinheit 33 ist auch noch mit weiteren Sensoren 39 verbunden, beispielsweise einem Gierraten-Sensor. In Abhängigkeit von den Signalen der Sensoren 35, 37, 39 erzeugt die Fahrdynamik-Regelungseinheit 33 ein Steuersignal, welches einer Steuereinrichtung (in 1 nicht gezeigt) des Verteilergetriebes 15 zugeführt wird, um hierdurch eine bestimmte Verteilung des Antriebsmoments zwischen den beiden Achsen 23, 31 des Fahrzeugs einzustellen. Bei dem genannten Steuersignal handelt es sich insbesondere um einen Sollwert eines Kupplungsmoments, d. h. um eine Drehmomentanforderung für eine Kupplungseinheit des Verteilergetriebes 15.
• 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Verteilergetriebes 15 gemäß 1. Das Verteilergetriebe 15 besitzt eine Eingangswelle 41, eine erste Ausgangswelle 43 und eine zweite Ausgangswelle 45. Die erste Ausgangswelle 43 ist koaxial zu der Eingangswelle 41 und mit dieser drehfest – vorzugsweise einstückig – ausgebildet. Die zweite Ausgangswelle 45 ist parallel versetzt zu der Eingangswelle 41 angeordnet.
• Das Verteilergetriebe 15 besitzt eine Kupplungseinheit 47 mit einer Reibungskupplung 49 und einem Aktuator 51. Die Reibungskupplung 49 weist einen Kupplungskorb 53 auf, der drehfest mit der Eingangswelle 41 und der ersten Ausgangswelle 43 verbunden ist und mehrere Kupplungslamellen trägt. Ferner besitzt die Reibungskupplung 49 eine drehbar gelagerte Kupplungsnabe 55, die ebenfalls mehrere Kupplungslamellen trägt, welche in einer alternierenden Anordnung in die Lamellen des Kupplungskorbs 53 eingreifen. Die Kupplungsnabe 55 ist drehfest mit einem Antriebszahnrad 57 eines Kettentriebs 59 verbunden. Ein Abtriebszahnrad 61 des Kettentriebs 59 ist drehfest mit der zweiten Ausgangswelle 45 verbunden. Anstelle des Kettentriebs 59 kann ein Rädertrieb vorgesehen sein, beispielsweise mit einem Zwischenzahnrad zwischen den genannten Zahnrädern 57, 61.
• Durch Betätigung des Aktuators 51 im Einrücksinn der Reibungskupplung 49 kann ein zunehmender Anteil des über die Eingangswelle 41 in das Verteilergetriebe 15 eingeleiteten Antriebsmoments auf die zweite Ausgangswelle 45 übertragen werden. Zum Ansteuern des Aktuators 51 ist eine Steuereinrichtung 62 vorgesehen, die den Aktuator 51 gemäß einer Drehmomentanforderung der Fahrdynamik-Regelungseinheit 33 steuert.
• In 3 ist die Kupplungseinheit 47 aus 2 detaillierter gezeigt. An dem Kupplungskorb 53 sind mehrere Außenlamellen 63 befestigt. Ferner trägt die Kupplungsnabe 55 mehrere Innenlamellen 65, welche in einer alternierenden Anordnung in die Außenlamellen 63 des Kupplungskorbs 53 eingreifen. Die Kupplungseinheit 47 ist zylindrisch um eine Symmetrieachse 67 ausgebildet.
• Sowohl der Kupplungskorb 53 als auch die Kupplungsnabe 55 sind um die Symmetrieachse 67 drehbar. Durch Kraftbeaufschlagung sind die Außen- und Innenlamellen 63, 65 miteinander in Reibeingriff bringbar, wodurch ein Drehmoment von der Kupplungsnabe 55 auf den Kupplungskorb 53 übertragen werden kann. Dabei kann umso mehr Drehmoment übertragen werden, je stärker Innen- und Außenlamellen 63, 65 in Kontakt stehen und somit aufeinandergepresst werden.
• Zur Aktuierung der Innenlamellen 65 mittels des Aktuators 51 umfasst die Kupplungseinheit 47 einen Hubmagneten 69, welcher einen U-förmigen Stator 71 umfasst. In dem Stator 71 ist eine Spule 73 gewickelt, welche durch einen elektrischen Strom bzw. durch Anlegen einer elektrischen Spannung erregbar ist und bei Erregung ein Magnetfeld ausprägt, das einen Anker 75 in Richtung des Stators 71 bewegt. Der Anker 75 ist als ringförmige Platte ausgebildet und mit einem Kolben 76 verbunden. Durch eine Bewegung des Ankers 75 in Richtung des Stators 71 werden über den Kolben 76 die Innenlamellen 65 auf die Außenlamellen 63 gepresst und das übertragbare Drehmoment der Kupplungseinheit 47 erhöht.
• Zugleich wird durch eine Bewegung des Ankers 75 in Richtung des Stators 71 ein zwischen Anker 75 und Stator 71 vorgesehener Luftspalt 77 verkleinert. Eine auf den Anker 75 wirkende magnetische Kraft F entspricht dabei der Maxwellschen Zugkraft, die sich nach

  

  berechnet, wobei ϕ der Luftspaltfluss, A die Luftspaltfläche und μ₀ die magnetische Feldkonstante ist. Über die bereits oben dargestellten Zusammenhänge ergibt sich zudem, dass der Luftspaltfluss linear mit der Induktivität der Spule 73 zusammenhängt, wobei die Induktivität der Spule 73 wiederum mit kleiner werdendem Luftspalt 77 größer wird. Daraus folgt, dass die magnetische Kraft F auf den Anker 75 mit kleiner werdendem Luftspalt 77 quadratisch ansteigt.
• Im Betrieb sendet die Fahrdynamik-Regelungseinheit 33 (1) eine Anforderung mit einem gewünschten Anteil eines von der Eingangswelle 41 auf das Zahnrad 57 zu übertragenden Drehmoments an die Steuereinrichtung 62 der Kupplungseinheit 47. Die Steuereinrichtung 62 überprüft daraufhin anhand einer gespeicherten Kupplungskennlinie, mit welchem Strom die Spule 73 erregt werden muss, um das gewünschte Drehmoment zu übertragen und prägt diesen Strom in die Spule 73 ein. Dadurch werden der Anker 75 und der Kolben 76 in Richtung der Kupplungslamellen 63, 65 versetzt und ein Reibschluss von Außen- und Innenlamellen 63, 65 derart angepasst, dass das gewünschte Drehmoment übertragen wird. Dieser Vorgang wird während des Betriebs des Kraftfahrzeugs bei neuen Drehmomentanforderungen der Fahrdynamik-Regelungseinheit 33 wiederholt.
• Wie vorstehend im Zusammenhang mit der Maxwellschen Zugkraft erläutert, kann sich jedoch im Falle von betriebsbedingtem Verschleiß an den Kupplungslamellen 63, 65 die Weite des Luftspalts 77 für einen gegebenen Betriebszustand der Kupplungseinheit 47 ändern. Beispielsweise kann bei derselben Spannung, die an die Spule 73 angelegt wird, aufgrund einer verschleißbedingten Verringerung des Luftspalts 77 und einer entsprechenden Vergrößerung der Induktivität der Spule 73 eine größere Aktuierungskraft auf die Kupplungslamellen 63, 65 ausgeübt werden, wodurch die Kupplungseinheit 47 ein höheres Drehmoment überträgt als bei der ursprünglichen Dicke der Kupplungslamellen 63, 65.
• Daher wird regelmäßig eine Nachkalibrierung der Kupplungseinheit 47 durchgeführt, um bei aufgetretenem Verschleiß die genannte Kupplungskennlinie entsprechend zu korrigieren. Zum Beispiel nach dem Abschalten des Kraftfahrzeugs oder auch während der Fahrbetriebs ermittelt die Steuereinrichtung 62 der Kupplungseinheit 47 den Verschleißzustand der Außen- und Innenlamellen 63, 65. Beispielsweise wird dazu der Anker 75 durch eine vorbestimmte Erregung der Spule 73 in eine Position gebracht, in der die Außen- und Innenlamellen 63, 65 gegeneinander vorgespannt sind. Diese Position wird für eine gewisse Zeitdauer gehalten, um das Abklingen der in der Spule 73 auftretenden Induktionsspannung und damit das Erreichen eines stationären Zustandes abzuwarten. In dem stationären Zustand wird aus der an der Spule 73 anliegenden Spannung und dem die Spule durchfließenden Strom der ohmsche Widerstand der Spule für den aktuellen Betriebszustand (z. B. für die aktuelle Betriebstemperatur) ermittelt.
• Anschließend wird die an die Spule 73 angelegte Spannung sprunghaft erhöht, und es wird beispielsweise der durch die Spule 73 fließende Strom über den zeitlichen Verlauf gemessen (z. B. über eine der Spule 73 in Serie geschaltete Messbrücke oder einen Messwiderstand). Durch Multiplikation des zeitabhängig gemessenen Spulenstroms mit dem zuvor ermittelten ohmschen Widerstand der Spule 73 ergibt sich die an dem Widerstand der Spule 73 abfallende Spannung. Die Differenz der an die Spule 73 angelegten Spannung und der ermittelten an dem ohmschen Widerstand der Spule 73 abfallenden Spannung ist dabei die induzierte Spannung. Die induzierte Spannung wird während der Änderung der Erregung der Spule 73 über den zeitlichen Verlauf integriert. Nach einer gewissen Zeitdauer, wenn die induzierte Spannung abgeklungen ist, wird noch der durch die Spule 73 im stationären Zustand fließende Strom gemessen. Anschließend wird die zeitlich aufintegrierte induzierte Spannung durch den durch die Spule 73 im stationären Zustand fließenden Strom dividiert, um einen Induktivitätsmesswert der Spule 73 zu ermitteln, der der Induktivität der Spule 73 entspricht. Aus der Induktivität kann nun auf die Weite des Luftspalts 77 und somit auf eine Änderung der Dicke der (aneinander liegenden) Kupplungslamellen 63, 65 rückgeschlossen werden.
• Der Induktivitätsmesswert kann, wie bereits erläutert, auch auf andere Weise aus dem zeitlichen Verlauf der Änderung des Spulenstroms abgeleitet werden. L = Int1 – 2(Uind·dt)/(I2 – I1) (entspricht L = Uind/(dl/dt))
• Wird eine im Vergleich zu vorangegangenen Messungen – die mit dem gleichen durch die Spule 73 fließenden Strom durchgeführt wurden – eine erhöhte Induktivität der Spule 73 und damit eine verringerte Weite des Luftspalts 77 festgestellt, so liegt Verschleiß der Außen- und Innenlamellen 63, 65 vor. Um den Verschleiß zu kompensieren, wird die Kupplungskennlinie angepasst, indem der Strom für eine gewünschte Drehmomentübertragung verringert wird, wodurch eine erhöhte magnetische Kraft auf den Anker 75, welche durch die verringerte Weite des Luftspalts 77 hervorgerufen wird, kompensiert wird.
• Bezugszeichenliste

11

Verbrennungsmotor

13

Hauptgetriebe

15

Verteilergetriebe

17

Kardanwelle

19

Hinterachs-Differentialgetriebe

21

Rad

23

Hinterachse

25

Kardanwelle

27

Vorderachs-Differentialgetriebe

29

Rad

31

Vorderachse

33

Fahrdynamik-Regelungseinheit

35

Raddrehzahl-Sensor

37

Raddrehzahl-Sensor

39

Sensor

41

Eingangswelle

43

erste Ausgangswelle

45

zweite Ausgangswelle

47

Kupplungseinheit

49

Reibungskupplung

51

Aktuator

53

Kupplungskorb

55

Kupplungsnabe

57

Antriebszahnrad

59

Kettentrieb

61

Abtriebszahnrad

62

Steuereinrichtung

63

Außenlamelle

65

Innenlamelle

67

Symmetrieachse

69

Hubmagnet

71

Stator

73

Spule

75

Anker

76

Kolben

77

Luftspalt

Claims (14)

1. Verfahren zum Überwachen eines Verschleißzustands einer Kupplungseinheit (47) einer Drehmomentübertragungseinrichtung (15) für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit einer Kupplungseinheit (47) und einer Steuereinrichtung (62) zum Steuern der Kupplungseinheit (47) und zum Überwachen eines Verschleißzustands der Kupplungseinheit (47), wobei die Kupplungseinheit (47) zumindest eine Reibungskupplung (49) mit mehreren ineinander greifenden Kupplungslamellen (63, 65) aufweist, und wobei die Reibungskupplung (49) zum steuerbaren Übertragen eines Drehmoments von einem Eingangselement (41) auf ein Ausgangselement (45) ausgebildet ist und einen elektromagnetischen Aktuator (51) zum Betätigen der Reibungskupplung (49) aufweist, wobei der elektromagnetische Aktuator (51) eine Spule (73) und einen Anker (75) aufweist, der mit einem Teil (76) der Reibungskupplung (49) verbunden und durch Erregung der Spule (73) versetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinrichtung (62) die nachfolgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden: Ändern einer Erregung der Spule (73); und Auswerten des zeitlichen Verlaufs einer hierdurch verursachten Änderung eines die Spule (73) durchfließenden Stroms (I), wobei die Auswertung in mehreren Schritten erfolgt und zunächst ein ohmscher Widerstand (R) der Spule (73) als erster Parameter ausgehend von einem stationären Betriebszustand des Aktuators, in welchem ein die Spule (73) durchfließender Strom (I) verschieden von Null und im Wesentlichen konstant ist oder Null ist, ermittelt und aus dem die Spule durchfließenden Strom (I) eine in der Spule (73) induzierte Spannung (Ui) als zweiter Parameter in einem instationären Zustand des Aktuators, in welchem eine an der Spule (73) anliegende Spannung sprunghaft geändert wird, bestimmt wird, und wobei anschließend ein Integral über den zeitlichen Verlauf einer Änderung der induzierten Spannung (Ui) gebildet wird, wobei der Induktivitätsmesswert (L) in Abhängigkeit von dem gebildeten Integral ermittelt wird, der einen Verschleißzustand der Kupplungseinheit (47) repräsentiert.
2. Verfahren zum Überwachen eines Verschleißzustands einer Kupplungseinheit (47) einer Drehmomentübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinrichtung (62) der Induktivitätsmesswert (L) ausgehend von einem Betriebszustand des Aktuators (51) ermittelt wird, in welchem die Reibungskupplung (49) von dem Aktuator (51) kraftbeaufschlagt ist und die Kupplungslamellen (63, 65) aneinander anliegen.
3. Verfahren zum Überwachen eines Verschleißzustands einer Kupplungseinheit (47) einer Drehmomentübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinrichtung (62) der Induktivitätsmesswert (L) ermittelt wird, indem das gebildete Integral durch einen die Spule (73) in einem eingeschwungenen Zustand durchfließenden Strom (I_e) die während des Integrationszeit auftretenden Stromdifferenz (I_e – I_a) dividiert wird.
4. Verfahren zum Überwachen eines Verschleißzustands einer Kupplungseinheit (47) einer Drehmomentübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinrichtung (62) die zu einem gegebenen Zeitpunkt (t) in der Spule (73) induzierte Spannung (U_i) bestimmt wird, indem der ermittelte ohmsche Widerstand (R) der Spule (73) mit dem die Spule (73) zu dem gegebenen Zeitpunkt (t) durchfließenden Strom (I) multipliziert wird, um einen Basisspannungswert zu ermitteln, und indem der ermittelten Basisspannungswert bei der Bildung des Integrals zur Ermittlung der induzierten Spannung von einem Gesamtspannungswert subtrahiert wird.
5. Verfahren zum Überwachen eines Verschleißzustands einer Kupplungseinheit (47) einer Drehmomentübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinrichtung (62) während der Änderung des die Spule (73) durchfließenden Stroms (I) wenigstens ein Wert des Stroms (I) gemessen und in Abhängigkeit von dem gemessenen Stromwert (I) eine Zeitkonstante (τ) der Änderung des die Spule (73) durchfließenden Stroms (I) ermittelt wird, wobei weiterhin der Induktivitätsmesswert (L) in Abhängigkeit von der ermittelten Zeitkonstanten (τ) ermittelt wird.
6. Verfahren zum Überwachen eines Verschleißzustands einer Kupplungseinheit (47) einer Drehmomentübertragungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinrichtung (62) unmittelbar vor der Änderung der Erregung der Spule (73) oder während der Änderung des die Spule (73) durchfließenden Stroms (I) wenigstens ein weiterer Wert des Stroms (I) gemessen und die Zeitkonstante (τ) ferner in Abhängigkeit von dem weiteren gemessenen Stromwert (I) ermittelt wird.
7. Verfahren zum Überwachen eines Verschleißzustands einer Kupplungseinheit (47) einer Drehmomentübertragungseinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinrichtung (62) ein ohmscher Widerstand (R) der Spule (73) ermittelt und der ermittelte ohmsche Widerstand (R) für das Ermitteln des Induktivitätsmesswerts (L) berücksichtigt wird.
8. Verfahren zum Überwachen eines Verschleißzustands einer Kupplungseinheit (47) einer Drehmomentübertragungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinrichtung (62) der Induktivitätsmesswert (L) ermittelt wird, indem die ermittelte Zeitkonstante (τ) mit dem ermittelten ohmschen Widerstand (R) der Spule (73) multipliziert wird.
9. Verfahren zum Überwachen eines Verschleißzustands einer Kupplungseinheit (47) einer Drehmomentübertragungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinrichtung (62) ein Unterschied zwischen dem ermittelten Induktivitätsmesswert (L) und einem früher ermittelten Induktivitätsmesswert (L) ermittelt wird, wobei der Unterschied einen zwischen der jeweiligen Bestimmung der beiden Induktivitätsmesswerte (L) aufgetretenen Verschleiß der Kupplungseinheit (47) repräsentiert.
10. Verfahren zum Überwachen eines Verschleißzustands einer Kupplungseinheit (47) einer Drehmomentübertragungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinrichtung (62) der ermittelte Unterschied mit einem Schwellenwert verglichen und bei Erreichen oder Überschreiten des Schwellenwerts ein Warnsignal erzeugt wird.
11. Verfahren zum Überwachen eines Verschleißzustands einer Kupplungseinheit (47) einer Drehmomentübertragungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinrichtung (62) die Kupplungseinheit (47) gemäß einer Kupplungskennlinie gesteuert wird, wobei weiterhin, in Abhängigkeit von dem ermittelten Induktivitätsmesswert (L) die Kupplungskennlinie der Kupplungseinheit (47) angepasst wird, um einen Verschleiß und/oder Fertigungstoleranzen der Kupplungseinheit (47) zu kompensieren.
12. Verfahren zum Überwachen eines Verschleißzustands einer Kupplungseinheit (47) einer Drehmomentübertragungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Kupplungskennlinie ein vorbestimmter Zusammenhang zwischen einer an die Spule (73) angelegten elektrischen Spannung oder einem die Spule (73) durchfließenden Strom (I) einerseits und einem von der Reibungskupplung (49) übertragenen Drehmoment andererseits repräsentiert wird.
13. Verfahren zum Überwachen eines Verschleißzustands einer Kupplungseinheit (47) einer Drehmomentübertragungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetische Aktuator (51) ferner einen Stator (71) aufweist, wobei zwischen dem Stator (71) und dem Anker (75) ein variabler Luftspalt (77) vorgesehen ist, der bei einer Betätigung der Reibungskupplung (49) seine Weite (δ) ändert.
14. Verfahren zum Überwachen eines Verschleißzustands einer Kupplungseinheit (47) einer Drehmomentübertragungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinrichtung (62) die Kupplungseinheit (47) gemäß einer Stromregelung gesteuert wird.

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