DE102015119133A1 - Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstranges eines Fahrzeugs mit einem Kupplungsaggregat zur Verteilung von Drehmoment - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstranges (19) eines Fahrzeugs (4) mit einem Kupplungsaggregat (1), insbesondere zur Verteilung von Drehmoment auf einer primären Achse (2) und einer sekundären Achse (3) des Fahrzeuges (4) und/oder zur Verteilung von Drehmoment zwischen zwei Rädern (9) einer Achse (2, 3) des Fahrzeuges (4), wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte umfasst: a) Ermitteln von Temperaturdaten von zumindest einer dem Kupplungsaggregat (1) zugeordneten elektronischen Steuereinheit (6) oder einer Betätigungseinheit (5) des Kupplungsaggregats (1), b) Auswerten der in Schritt a) ermittelten Temperaturdaten, c) Reduzieren eines Effektivwertes eines Steuerstroms (11) zumindest der elektronischen Steuereinheit (6) oder der Betätigungseinheit (5) durch eine Pulsierung des Steuerstroms (11), wenn die Auswertung in Schritt b) ergibt, dass eine Temperatur (10) zumindest der elektronischen Steuereinheit (6) oder der Betätigungseinheit (5) einen Schwellenwert (24) überschreitet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstranges eines Fahrzeuges mit einem Kupplungsaggregat, insbesondere zur Verteilung von Drehmoment auf einer primären Achse und einer sekundären Achse des Fahrzeuges. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Methode für eine Fahrdynamik-Regelung bei bedarfsorientierten Allrad-Systemen und/oder aktiven Achssperren und in diesem Zusammenhang angepasst eingerichtete Fahrzeuge, bei denen Informationen hinsichtlich des aktuellen Motormoments, der Längsbeschleunigung, der Querbeschleunigung, der Gierraten (Bezeichnet die Geschwindigkeit der Drehung eines Fahrzeugs um die Hochachse), des Lenkwinkels und/oder der Raddrehzahlen vorliegen. Die Erfindung betrifft insbesondere Allrad-getriebene Fahrzeuge, bei denen mittels eines elektronisch geregelten Kupplungsaggregates entweder die Hinterachse oder die Vorderachse (anteilig und/oder zeitweise) zugeschaltet werden kann. Alternativ oder kumulativ kann die Erfindung auch bei Achssperren, insbesondere aktiven Achssperren, bei denen mittels eines elektronisch geregelten Kupplungsaggregates eine Seite einer Achse von einer (in axialer Richtung) gegenüberliegenden Seite der Achse zumindest teilweise entkoppelbar ist, angewendet werden. Hierdurch kann eine bedarfsorientierte Drehmomentverteilung zwischen zwei Rädern einer Achse vorgenommen werden. Bei dem Kupplungsaggregat handelt es sich bevorzugt um ein elektromechanisches Kupplungssystem, insbesondere um eine elektronisch gesteuerte Lamellenkupplung. Unter einem elektromechanischen Kupplungssystem wird hier insbesondere ein solches Kupplungssystem bzw. Kupplungsaggregat verstanden, bei dem ein elektronischer Stellmotor zum Verstellen der Kupplungskraft vorgesehen ist. Bei einem solchen elektronischen Stellmotor ergibt sich die mechanische Kopplung regelmäßig zwischen dem Motordrehwinkel und dem Kupplungs-Verstellweg.
  • Zur Ansteuerung eines entsprechenden Kupplungsaggregats ist es bekannt, dass diesem eine elektronische Steuereinheit (ECU) zugeordnet ist. Eine solche elektronische Steuereinheit kann in das Kupplungsaggregat selbst oder in ein übergeordnetes elektronisches Management-System des Fahrzeugs, insbesondere des Antriebsstrangs, integriert sein.
  • Um möglichst optimale fahrdynamischen Eigenschaften eines bedarfsorientiert Allrad-getriebenen Fahrzeugs auch in Grenzsituationen (z.B. häufige Lastwechsel, wiederholtes Anfahren im Berg, wiederholtes Wechseln zwischen einachsigem Betrieb und Allrad-Betrieb, etc.) gewährleisten zu können, werden hohe Anforderungen an die elektronische Steuereinheit des Kupplungsaggregates gestellt. Insbesondere in den zuvor beschriebenen Grenzsituationen kann es hierbei, infolge hoher Beanspruchung, zu einer starken Erwärmung bis hin zu einer Überhitzung der elektronischen Steuereinheit, der Leistungsstufe und/oder des elektronischen Stellmotors kommen. Bekannte elektronische Steuereinheiten, Leistungsstufen und/oder elektronische Stellmotoren werden in diesen Fällen, insbesondere bei einer drohenden Überhitzung, abgeschaltet, um eine dauerhafte Schädigung der jeweiligen Komponente, insbesondere der Steuereinheit und/oder des elektronischen Stellmotors, zu vermeiden.
  • Solche Überhitzungsschutzmaßnahmen haben jedoch den Nachteil, dass sie sich unmittelbar auf den Betrieb bzw. das Fahrverhalten des Fahrzeugs auswirken und gegebenenfalls zeitweise zu einem Ausfall des bedarfsorientierten Allrad-Systems führen. Dies kann für den Fahrer spürbare Einbußen im Fahrkomfort und/oder der Fahrdynamik zur Folge haben.
  • Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstranges eines Fahrzeuges angegeben werden, das eine Überhitzungsschutzmaßnahme bereitstellt, die sich (fast) nicht auf das Fahrverhalten des Fahrzeugs auswirkt. Das Verfahren soll insbesondere dazu führen, dass auch in Grenzsituationen eine ungewollte Überhitzung der elektronischen Steuereinheit (ECU) und/oder des elektronischen Stellmotors vermieden wird, ohne dass die Fahrerin bzw. der Fahrer einen (deutlichen) Leistungsabfall bemerkt.
  • Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
  • Hierzu trägt ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebstranges eines Fahrzeuges mit einem Kupplungsaggregat, insbesondere zur Verteilung von Drehmoment auf einer primären Achse und einer sekundären Achse des Fahrzeuges und/oder zur Verteilung von Drehmoment zwischen zwei Rädern einer Achse des Fahrzeuges, bei, wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte umfasst:
    • a) Ermitteln von Temperaturdaten von zumindest einer dem Kupplungsaggregat zugeordneten elektronischen Steuereinheit oder einer Betätigungseinheit des Kupplungsaggregats,
    • b) Auswerten der in Schritt a) ermittelten Temperaturdaten,
    • c) Reduzieren eines Effektivwertes eines Steuerstroms zumindest der elektronischen Steuereinheit oder der Betätigungseinheit durch eine Pulsierung des Steuerstroms, wenn die Auswertung in Schritt b) ergibt, dass eine Temperatur zumindest der elektronischen Steuereinheit oder der Betätigungseinheit einen Schwellenwert überschreitet.
  • Die vorangehend angedeutete Reihenfolge der Verfahrensschritte ergibt sich bei einem regulären Betrieb des Antriebstranges des Fahrzeuges. Die Verfahrensschritte a) bis c) können während des Betriebs des Antriebsstrangs kontinuierlich wiederholt ausgeführt werden. Die Verfahrensschritte a) bis c) können zumindest teilweise auch parallel durchgeführt bzw. wiederholt werden.
  • Bevorzugt umfasst die Betätigungseinheit mindestens einen elektronischen Stellmotor. Dem hier vorgeschlagenen Verfahren liegt insbesondere die Idee zugrunde, eine Ansteuerung des Kupplungsaggregats, insbesondere die Ansteuerung bzw. den Steuerstrom der elektronischen Steuereinheit und/oder der Betätigungseinheit, zu verändern bzw. anzupassen, wenn ein Sollmoment des Kupplungsaggregats nicht mehr erreicht werden kann, ohne dass es zu einer Überhitzung der elektronischen Steuereinheit und/oder der Betätigungseinheit kommt.
  • Das hier vorgeschlagene Verfahren kann als eine Überhitzungsschutzmaßnahme einer elektronischen Steuereinheit (ECU) und/oder einer Betätigungseinheit eines Kupplungsaggregats, insbesondere eines bedarfsorientierten Allrad-Systems, verstanden werden. Das Verfahren beruht insbesondere auf der Verringerung der in der elektronischen Steuereinheit und/oder der Betätigungseinheit generierten Wärme, durch eine Pulsierung des Stromes der Steuereinheit bzw. der Betätigungseinheit. Ein (zeitweise) gepulster, insbesondere pulsweitenmodulierter, Steuerstrom bzw. Steuersignal erlaubt es, auch während einer Betriebsphase mit hoher Belastung des Kupplungsaggregats (Überlast), die geforderte Funktion des Kupplungsaggregats, nämlich die Übertragung von Drehmoment, aufrechtzuerhalten und eine Notabschaltung der Steuerung des Kupplungsaggregats zu vermeiden. Dadurch nimmt der Fahrer die Überhitzungsschutzmaßnahme praktisch nicht wahr. Auch während der Überlastphase kann die maximale Drehmomentkapazität nahezu vollständig aufrechterhalten werden. Insbesondere die dauerhafte Verfügbarkeit eines bedarfsorientierten Allrad-Systems wird mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren deutlich verbessert.
  • Gemäß Schritt a) werden zunächst Temperaturdaten von der dem Kupplungsaggregat zugeordneten elektronischen Steuereinheit und/oder der Betätigungseinheit ermittelt. Unter Temperaturdaten werden Parameter und/oder Daten des Fahrzeugs, insbesondere des Antriebstrangs, verstanden, die einen direkten Rückschluss auf die tatsächlich an der bzw. in der Steuereinheit und/oder Betätigungseinheit vorherrschende Temperatur ermöglichen. Bevorzugt wird hierbei mindestens eine Temperatur der elektronischen Steuereinheit und/oder der Betätigungseinheit (direkt) gemessen. Ein Ermitteln gemäß Schritt a) kann über ein Messen, Simulieren und/oder Berechnen der (tatsächlichen) Temperatur an der und/oder in der elektronischen Steuereinheit und/oder der Betätigungseinheit erfolgen.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in Schritt a) eine Temperatur der elektronischen Steuereinheit und/oder der Betätigungseinheit mittels einem der elektronischen Steuereinheit und/oder der Betätigungseinheit zugeordneten Temperatursensor gemessen wird. Dieser befindet sich bevorzugt in wärmeleitendem Kontakt mit dem Kupplungsaggregat, insbesondere mit der elektronischen Steuereinheit und/oder der Betätigungseinheit.
  • Gemäß Schritt b) erfolgt ein Auswerten der in Schritt a) ermittelten Temperaturdaten (der elektronischen Steuereinheit und/oder der Betätigungseinheit). Zum Auswerten können Algorithmen, Vergleichsoperationen oder dergleichen dienen, die in einem Steuerprogramm eines elektronischen Speichers einer elektronischen Steuereinheit abgelegt sind und mittels eines programmgesteuerten Mikroprozessors der Steuereinheit ausgeführt werden können. Schritt b) kann in der zu überwachenden elektronischen Steuereinheit selbst ausgeführt werden.
  • Gemäß Schritt c) wird ein Effektivwert des Steuerstroms der elektronischen Steuereinheit und/oder der Betätigungseinheit durch eine Pulsierung des Steuerstroms reduziert, wenn die Auswertung in Schritt b) ergibt, dass eine Temperatur der elektronischen Steuereinheit und/oder der Betätigungseinheit einen (vorgegebenen oder aktuell berechneten) Schwellenwert überschreitet. Mit anderen Worten ausgedrückt, soll der Effektivwert reduziert werden, wenn eine Überhitzung oder drohende Überhitzung des Kupplungsaggregats, insbesondere der Steuereinheit und/oder der Betätigungseinheit, erkannt bzw. detektiert wird.
  • Pulsieren bedeutet hier insbesondere, dass das Signal des Steuerstroms zwischen einem oberen Wert und einem unteren Wert oszilliert. Der Steuerstrom kann hierbei in der Art eines Rechtecksignals, eines Dreiecksignals, eines Sägezahnprofils, einer Sinuswelle oder dergleichen verlaufen. Insbesondere wird der Steuerstrom bzw. das Steuersignal in einem vorbestimmten Zeitintervall leicht reduziert und wieder erhöht.
  • Der Effektivwert betrifft einen zeitlichen Mittelwert des Steuerstroms. Hierbei ergibt sich der Effektivwert durch eine Integration des Stromsignals über der Zeit, insbesondere aus einem quadratischen Mittelwert über die Periodendauer. Der Schwellenwert kann unterhalb eines Grenzwertes für die maximal zulässige Temperatur der Steuereinheit und/oder der Betätigungseinheit definiert werden. Insbesondere wird der Schwellenwert in einem Sicherheitsabstand unterhalb des Grenzwertes vordefiniert bzw. vorbestimmt. Der Sicherheitsabstand dient hierbei dazu, eine drohende Überhitzung bzw. eine kurz bevorstehende Überschreitung des Grenzwertes zu erkennen und zu verhindern. Mit anderen Worten ausgedrückt sorgt die hier vorgeschlagene Methode zur Ansteuerung des Kupplungsaggregats, insbesondere der Steuereinheit und/oder der Betätigungseinheit, dafür, dass die Temperatur der Steuereinheit und/oder der Betätigungseinheit (gerade) unter einem zulässigen Grenzwert bleibt.
  • Bevorzugt erzeugt die Steuereinheit und/oder die Betätigungseinheit während des Pulsierens des Steuerstroms ein Drehmoment bzw. Stellmoment, das höher ist, als ein Drehmoment bzw. Stellmoment, welches mit einem konstanten Steuerstrom (dem Effektivwert des gepulsten Stroms) erreicht würde, wobei der gepulste Steuerstrom (nahezu) dieselbe Erwärmung bzw. Temperatur der elektronischen Steuereinheit und/oder der Betätigungseinheit bewirkt, wie der konstante Steuerstrom. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann mittels des gepulsten Steuerstroms, über eine Periodendauer betrachtet, ein höheres Drehmoment erzeugt werden, als bei einer Ansteuerung mit dem Effektivwert des gepulsten Steuerstroms. Dies kann damit begründet werden, dass ein (starker bzw. hoher) Anfangsimpuls (oberer Strompegel) des gepulsten Steuerstroms dazu geeignet ist, die Reibung des Systems (Kupplungskomponenten) schnell zu überwinden, wobei die Dämpfung des Systems hier einen geringeren Einfluss auf die Dynamik des Systems hat. Dahingegen unterstützt die Dämpfung des Systems (zumindest kurzzeitig) die Aufrechterhaltung des Drehmoments, obwohl der Steuerstrom bereits auf den unteren Strompegel abgesenkt wurde.
  • Das während des Pulsierens zwischen einem oberen Wert und einem unteren Wert oszillierende Signal des Steuerstroms kann auch so beschrieben werden, das es aus Intervallen (Perioden) besteht bzw. zusammengesetzt ist, die jeweils zwei (unterschiedliche) Phasen aufweisen. In der ersten Phase (oberer Wert) ist der Steuerstrom größer als ein konstanter Steuerstrom (Effektivwert), so dass eine Stell-Kraft der Betätigungseinheit, insbesondere eine Motorkraft des elektronischen Stellmotors, eine Systemreibung überwindet und das Drehmoment ansteigt. Die Systemreibung betrifft hier die Reibung der Komponenten des Kupplungssystems. In der zweiten Phase (unterer Wert) ist der Steuerstrom kleiner als ein konstanter Steuerstrom (Effektivwert), so dass das Drehmoment abfällt. Die Erwärmungsleistung ist über das Intervall (Periodendauer) genauso groß, wie bei dem konstanten Steuerstrom (Effektivwert).
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in Schritt c) eine Pulsweitenmodulation (engl.: pulse width modulation; kurz: PWM) des Steuerstroms durchgeführt wird. Der Steuerstrom weist hierbei in der Regel ein Rechtecksignal auf und die Pulse können sich mit einer festen Grundfrequenz wiederholen. Zur Durchführung der Pulsweitenmodulation kann eine Stromsteuerung vorgesehen sein. Zur weiteren, grundsätzlichen Erläuterung der Pulsweitenmodulation wird auf die Beschreibung der 4 verwiesen. Alternativ oder kumulativ zu einer (mittels einer Stromsteuerung gesteuerten) Pulsweitenmodulation, kann die Pulsierung des Steuerstroms auch durch eine Stromregelung durchgeführt werden. Die Stromregelung kann hierbei den Steuerstrom entsprechend einem (vorbestimmten) gepulsten Soll-Stromprofil regeln.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass ein Tastverhältnis (duty cycle) der Pulsweitenmodulation (PWM) des Steuerstroms zwischen 0,05 und 0,5 liegt. Bevorzugt liegt das Tastverhältnis zwischen 0,1 und 0,4 oder sogar zwischen 0,25 und 0,37. Das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation ergibt sich aus dem Verhältnis zwischen der Einschaltzeit (erste Phase) und der Periodendauer des gepulsten Signals. Daraus ergibt sich auch, dass mit höherem Tastverhältnis der Effektivwert größer wird.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der gepulste Steuerstrom zwischen einem oberen Strompegel (erste Phase) und einem unteren Strompegel (zweite Phase) oszilliert, wobei ein Verhältnis von unterem Strompegel zu oberem Strompegel zwischen 0,25 und 0,8 liegt. Bevorzugt liegt dieses Verhältnis zwischen 0,5 und 0,79 oder sogar zwischen 0,65 und 0,78. Aus diesem Verhältnis ergibt sich, dass der untere Strompegel nicht null bzw. von null verschieden ist. Mittels der hier vorgeschlagenen Verhältnisse kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass der untere Strompegel noch groß genug (im Verhältnis zum oberen Strompegel) ist, um eine ausreichende Anpresskraft, die auf ein Lamellenpaket des Kupplungsaggregates ausgeübt wird, aufrecht erhalten zu können. Die Pulsierung kann umgesetzt werden, indem unterschiedliche Pulsweitenmodulation-Tastverhältnisse angesteuert werden, oder der Sollstrom einer Stromregelung einem entsprechenden gepulsten Profil entspricht. Beispielsweise kann der obere Strompegel im Bereich von 17 A bis 28 A [Ampere] und der untere Strompegel im Bereich von 10 A bis 16,5 A [Ampere] liegen. Der obere Strompegel kann für eine Einschaltzeit von 10 ms bis 30 ms [Millisekunden] und der untere Strompegel für eine Zeitspanne von 30 ms bis 60 ms [Millisekunden] vorliegen.
  • Um das hier vorgeschlagene Verfahren möglichst effektiv bzw. effizient zu gestalten, können die folgenden Hinweise berücksichtigt werden. Der obere Strompegel (Steuerstrom in der ersten Phase) sollte groß genug gewählt werden, sodass die Betätigungseinheit, insbesondere der elektronische Stellmotor, schnell beschleunigt und die Systemreibung deutlich bzw. schnell überwindet. Der obere Strompegel sollte (nur) so hoch gewählt werden, dass die elektronische Steuereinheit und/oder die Betätigungseinheit ihn auch zur Verfügung stellen kann. In der zweiten Phase hat der elektronische Stellmotor zunächst noch Schwung in Richtung eines höheren Moments. Danach nimmt das Moment (Stellmoment) aufgrund von Dämpfungseigenschaften oder Reibungsungleichförmigkeiten ab. Die Anpassung der Zeitdauern der ersten Phase und zweiten Phase sowie der Strompegel sollte stets unter der Bedingung erfolgen, dass die Grenztemperatur zu keinem Zeitpunkt überschritten wird.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in einem Schritt d) die Pulsierung des Steuerstroms beendet wird, wenn die Temperatur der elektronischen Steuereinheit und/oder der Betätigungseinheit den Schwellenwert wieder unterschreitet. Nach dem Beenden der Pulsierung kehrt der Steuerstrom in der Regel in seine (normale) binäre Betriebsweise zurück. Binäre Betriebsweise bedeutet hier, dass die Steuereinheit entweder eingeschaltet oder ausgeschaltet ist, also entweder mit einem (konstanten) Steuerstrom bestromt wird oder nicht. Von diesem Binär-Modus wird nur zeitweise, nämlich in der gepulsten Phase des Betriebs, abgewichen. Es ist möglich, dass der (Start-)Schwellwert für die Initiierung von Schritt c) von dem (End-)Schwellwert für die Durchführung von Schritt d) verschieden ist, insbesondere kann der (End-)Schwellwert eine kühlere Temperatur sein.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass ein Verhältnis von dem in Schritt c) reduzierten Effektivwert zu einem Ausgangswert des Steuerstroms höchstens 0,85 beträgt. Bevorzugt beträgt dieses Verhältnis höchstens 0,7. Unter dem Ausgangswert ist hier der Wert des Steuerstroms (zeitlich) vor dem Beginn des Pulsierens verstanden. Der Ausgangswert ist in der Regel nahezu konstant. Besonders bevorzugt ist der obere Strompegel kleiner als der Ausgangswert des Steuerstroms.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Pulsierung des Steuerstroms kontinuierlich an ermittelte (gemessene) Zustandsdaten mindestens einer Kupplungskomponente und/ oder mindestens einer Antriebstrangkomponente angepasst wird. Grundsätzlich kann eine Pulsweitenmodulation variierend bzw. variabel ausgeführt werden. Beispielsweise kann bei konstanter Grundfrequenz das Tastverhältnis eines Rechteckpulses moduliert werden. Demnach kann die Pulsweitenmodulation, insbesondere dank ihrer Variabilität, dazu genutzt werden, die Pulsierung des Steuerstroms kontinuierlich an ermittelte Zustandsdaten anzupassen. Hierzu kann mindestens eine der folgenden Größen in Abhängigkeit der ermittelten Zustandsdaten geändert werden: oberer Strompegel, unterer Strompegel, Effektivwert, Tastverhältnis, Einschaltzeit, Ausschaltzeit, Periodendauer, Grundfrequenz. Bei den Zustandsdaten handelt es sich bevorzugt um solche Daten, die einen Rückschluss auf den vorliegenden Verschleißzustand einer Kupplungskomponente, insbesondere der Kupplungs-Aktuatorik und/oder der Kupplungslamellen, zulassen. Alternativ oder kumulativ können auch Zustandsdaten ermittelt bzw. gemessen werden, die einen Rückschluss auf betriebspunktabhängige Eigenschaften des Kupplungsaggregates zulassen. Beispielsweise können sich die Reibeigenschaften der Kupplungslamellen in Abhängigkeit von den Kupplungskomponententemperaturen, insbesondere in Abhängigkeit von den Lamellentemperaturen, ändern.
  • Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Fahrzeug mit einem Kupplungsaggregat zur variablen Verteilung von Drehmoment auf unterschiedlichen Achsen des Fahrzeugs vorgeschlagen, wobei dem Kupplungsaggregat eine elektronische Steuereinheit zugeordnet ist, die zur Durchführung des hier vorgeschlagenen Verfahrens geeignet und eingerichtet ist. Hierzu kann die elektronische Steuereinheit einen programmgesteuerten Mikroprozessor und einen elektronischen Speicher, in dem ein entsprechendes Steuerprogramm abgelegt ist, umfassen.
  • In der Regel hat das Kupplungsaggregat eine Lamellenkupplung sowie mindestens eine (extern steuerbare) Betätigungseinheit zur Aktivierung, beziehungsweise Deaktivierung der Drehmomentübertragung. Die Betätigungseinheit kann einen elektronischen Steller, insbesondere einen elektronischen Stellmotor, umfassen. Die Lamellenkupplung umfasst in der Regel mindestens ein komprimierbares Lamellenpaket, das mittels der Betätigungseinheit komprimierbar ist, um eine Drehmomentübertragung einzuleiten. Die Betätigungseinheit wird regelmäßig von der elektronischen Steuereinheit gesteuert, die entsprechend elektrische Steuerströme über entsprechende Betätigungsleitungen an die Betätigungseinheit abgibt.
  • Die vorstehend im Zusammenhang mit dem Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Fahrzeug auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
  • Nach einem weiteren Aspekt wird auch eine Verwendung eines gepulsten Stromsignals zur Vermeidung einer Überhitzung einer elektronischen Steuereinheit und/oder eines elektronischen Stellmotors einer elektromechanischen Kupplung eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen. Das gepulste Stromsignal bzw. die Pulsierung des Stromsignals kann hierbei durch eine Pulsweitenmodulation und/oder durch eine entsprechende Stromregelung erzeugt werden.
  • Die vorstehend im Zusammenhang mit dem Verfahren und/oder dem Fahrzeug erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei der hier vorgestellten Verwendung auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
  • Die Erfindung, sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen schematisch:
  • 1: ein Fahrzeug mit einem Kupplungsaggregat zur variablen Verteilung von Drehmoment auf unterschiedliche Achsen des Fahrzeuges, das grundsätzlich geeignet und eingerichtet ist zur Durchführung des hier erläuterten Verfahrens,
  • 2: einen Ablaufplan zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des Verfahrens,
  • 3: zeitliche Verläufe von Parametern während eines Betriebs eines Antriebstrangs,
  • 4: die Veranschaulichung eines pulsweitenmodulierten Signals,
  • 5: ein vereinfachtes mechanisches Ersatzmodel zur Veranschaulichung der dynamischen Eigenschaften des Kupplungsaggregats, und
  • 6: weitere zeitliche Verläufe von Parametern während eines Betriebs eines Antriebstrangs.
  • 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Fahrzeuges 4, bezüglich der mit dem Betrieb des Antriebsstranges 19 maßgeblichen Komponenten. Das Fahrzeug 4 hat einen (mit Kraftstoff und/oder elektrisch betrieben) Motor 7, dem ein Ganggetriebe 8 direkt zugeordnet ist. Dem Ganggetriebe 8 nachgeordnet ist ein Verteilergetriebe 20, welches das Antriebsmoment vom Ganggetriebe 8 in einem vorbestimmten symmetrischen oder unsymmetrischen Verhältnis auf eine vordere primäre Achse 2 und eine hintere sekundäre Achse 3 des Fahrzeuges 4 aufteilt. Das Antriebsmoment wird so über die Seitenwellen 14, beziehungsweise die Längswelle 15 hin zu den Rädern 9 des Fahrzeuges 4 übertragen.
  • Weiter ist ein Kupplungsaggregat 1 vorgesehen, das beispielsweise einem hinteren Differentialgetriebe 21 vorgeschaltet ist und eine Lamellenkupplung, sowie extern steuerbare Betätigungseinheiten 5 zur Aktivierung, beziehungsweise Deaktivierung, aufweist. Es versteht sich, dass das Kupplungsaggregat 1 auch an einer anderen Stelle innerhalb des Antriebsstranges angeordnet sein kann, beispielsweise vorne am Anschluss, beziehungsweise integriert bei dem Verteilergetriebe 20. Die Betätigungseinheit 5 wird von einer elektronischen Steuereinheit 6 gesteuert, die entsprechend elektrische Steuerströme über entsprechende Betätigungsleitungen 17 an die Betätigungseinheit 5 abgibt. Zur elektrischen Signalübertragung von und zur Steuereinheit beziehungsweise Einrichtung 6 ist eine serielle BUS-Anordnung 16 vorgesehen, die beispielsweise als CAN(controller area network)-BUS ausgebildet sein kann. Schnittstellen, Protokolle und elektrische Schaltungstechnik für die Signalübertragung auf einen CAN-BUS sind bekannt und müssen hier nicht näher erläutert werden. Es versteht sich, dass alternativ zu einer BUS-Anordnung 16, auch eine individuelle Verdrahtung der verschiedenen elektrischen Komponenten des Fahrzeuges mit der Steuereinheit vorgesehen sein kann. Die elektronische Steuereinheit 6 umfasst einen programmgesteuerten Mikroprozessor und einen elektronischen Speicher, in dem ein Steuerprogramm abgelegt ist. Dabei werden vom Mikroprozessor nach Maßgabe eines Steuerprogramms entsprechende Steuersignale für die Betätigungseinheit 5 erzeugt. Zur Erzeugung entsprechender Steuersignale ist die Steuereinheit auf Informationen über verschiedene Betriebsparameter des Fahrzeuges angewiesen. Hierfür kann die Steuereinheit über die BUS-Anordnung 16 auf verschiedene Signale zugreifen, welche für diese Betriebsparameter repräsentativ sind. Es sind insbesondere Radsensoren für ein (jedes) Rad, sowie Lenksensoren zur Feststellung eines Lenkwinkels des Fahrzeugs vorgesehen und (über Signalleiter 12) mit der Steuereinheit 6 über die BUS-Anordnung 16 verbunden. Beispielhaft ist an der elektronischen Steuereinheit 6 (ECU) ein Temperatursensor 13 angebracht. Dieser kann natürlich auch in der Steuereinheit 6 angeordnet sein.
  • 2 zeigt einen schematischen Ablaufplan, der eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Verfahrens veranschaulicht. Das Verfahren beginnt in Schritt (a) mit einem Ermitteln von Temperaturdaten einer dem Kupplungsaggregat 1 zugeordneten elektronischen Steuereinheit 6. Beispielhaft ist die elektronische Steuereinheit 6 mit einem Temperatursensor 13 ausgeführt, mit dem eine Temperatur 10 der Steuereinheit 6 ermittelt bzw. gemessen werden kann. In Schritt (b) werden die in Schritt (a) ermittelten Temperaturdaten der elektronischen Steuereinheit 6, hier die mittels des Temperatursensors 13 gemessene Temperatur 10, ausgewertet.
  • In Schritt (c) folgt eine sogenannte Wenn-Dann-Unterscheidung. Wenn die Auswertung in Schritt (b) ergibt, dass eine Temperatur 10 der elektronischen Steuereinheit 6 einen Schwellenwert 24 überschreitet, so wird das Verfahren entlang des Entscheidungspfades c2 fortgeführt. In einem Schritt c3 erfolgt dann ein Reduzieren eines Effektivwertes eines Steuerstroms 11 der elektronischen Steuereinheit 6 durch eine Pulsierung des Steuerstroms 11. Wenn die Auswertung jedoch ergibt, dass die Temperatur 10 den Schwellenwert 24 nicht überschreitet, so wird das Verfahren entlang des Entscheidungspfades c1 fortgeführt und beginnt erneut bei Schritt (a).
  • Wenn zuvor eine Reduzierung des Effektivwertes des Steuerstroms in Schritt (c) erfolgte, so wird das Verfahren hier beispielhaft mit einem Schritt (d) weitergeführt. In einem Schritt d1 erfolgt zunächst ein erneutes Ermitteln und Auswerten der Temperatur 10 der elektronischen Steuereinheit 6. Dann erfolgt wiederum eine Wenn-Dann-Unterscheidung. Wenn die Temperatur 10 der elektronischen Steuereinheit 6 den Schwellenwert 24 wieder unterschreitet, so wird das Verfahren entlang des Entscheidungspfades d3 fortgeführt, wobei in einem Schritt d4 die Pulsierung des Steuerstroms 11 wieder beendet wird. Wenn die Temperatur 10 jedoch oberhalb des Schwellenwertes 24 verbleibt, so wird das Verfahren hier beispielhaft entlang des Entscheidungspfades d2 fortgeführt und ab dem Schritt d1 wiederholt. Der Entscheidungspfad d2 könnte gemäß einer anderen beispielhaften Ausführung auch wieder zu Schritt (a) des Verfahrens führen.
  • 3 zeigt schematisch und zur weiteren Verdeutlichung des Verfahrens, zeitliche Verläufe von Parametern während eines Betriebs des Antriebstrangs 19. Über die Zeit t aufgetragen, sind hier ein Steuerstrom 11, eine Temperatur 10 der elektronischen Steuereinheit 6, ein Drehmoment 26 und eine Anpresskraft 27, die auf ein Lamellenpaket eines Kupplungsaggregates 1 ausgeübt wird, gezeigt.
  • Um eine Überhitzung oder drohende Überhitzung der elektronischen Steuereinheit zu vermeiden, werden hier ein Schwellenwert 24 und ein Grenzwert 25 vorgegeben bzw. festgelegt. Der Grenzwert 25 bildet hier eine Obergrenze der Temperatur 10, die zur Vermeidung einer Überhitzung nicht überschritten werden darf. In einem Sicherheitsabstand unterhalb des Grenzwertes 25 ist ein Schwellenwert 24 definiert. Der Schwellenwert 24 hat hier eine Warnfunktion, um eine drohende Überhitzung abzuwenden.
  • Überschreitet die Temperatur 10 den Schwellenwert 24, so wird eine Reduzierung des Effektivwertes 18 des Steuerstroms 11 durch eine Pulsierung des Steuerstroms 11 vorgenommen. Die Pulsierung wird hier mittels einer Pulsweitenmodulation (PWM) des Steuerstroms 11 durchgeführt. Dementsprechend weist das Stromsignal des Steuerstroms 11 während einer Zeitspanne t2 einen oberen Strompegel 22 und einen unteren Strompegel 23 auf, zwischen denen das Stromsignal (Rechtecksignal) oszilliert. Beispielhaft liegen hier der obere Strompegel 22 und ein Ausgangswert des Steuerstroms 11 vor der Reduzierung etwa auf demselben Stromniveau. Der Ausgangswert ist der Wert des Steuerstroms 11 während der Zeitspanne t1 und hier nahezu konstant. Es ist weiter zu erkennen, dass der untere Strompegel 23 hier beispielhaft nicht den Wert Null annimmt.
  • In 3 ist zudem gezeigt, dass der Steuerstrom 11 zu seinem Ausgangswert zurückkehren kann (siehe Zeitspanne t3), wenn die Temperatur 10 den Schwellenwert 24 wieder unterscheitet und infolgedessen die Pulsierung des Steuerstroms 11 beendet wird. Ein Drehmoment 26, welches mittels des Kupplungsaggregates 1 übertragen wird, kann hier trotz zwischenzeitlich (während der Zeitspanne t2) gepulstem Steuerstrom 11 nahezu konstant aufrechterhalten werden. Somit bemerkt eine Fahrerin bzw. ein Fahrer des Fahrzeugs 4, die mittels des hier vorgeschlagenen Verfahrens bereitgestellte Überhitzungsschutzmaßnahme (fast) nicht. Beispielsweise kann der Fahrerin bzw. dem Fahrer während der Zeitspanne t2 jedoch ein entsprechendes Warnsignal ausgegeben werden, um sie bzw. ihn auf die durchgeführte Überhitzungsschutzmaßnahme hinzuweisen.
  • Gemäß der Darstellung nach 3 ist darüber hinaus der zeitliche Verlauf einer Anpresskraft 17 gezeigt, die auf ein Lamellenpaket eines Kupplungsaggregates 1 während der Drehmomentübertragung mittels der Betätigungseinheit 5 ausgeübt wird. Es ist zu erkennen, dass die Anpresskraft 17 aufgrund des gepulsten Steuerstromes 1, wiederholt während der kurzzeitigen Reduzierungen des tatsächlichen Steuerstromes 1 abnimmt. Jedoch ist die Pulsweitenmodulation, insbesondere das Tastverhältnis und der obere Strompegel 22, hier so ausgelegt, dass die mittels des Steuerstromes 1 zur Verfügung gestellte Leistung ausreicht, um auch während der Zeitspanne t2 eine Anpresskraft 17 bereitzustellen, die hoch genug ist, um das Lamellenpaket ausreichend zu komprimieren.
  • 4 dient der allgemeinen Veranschaulichung eines pulsweitenmodulierten Signals, hier Stromsignals I(t) des Steuerstroms 11. Das Stromsignal I(t) ist über der Zeit t aufgetragen. Das Stromsignal I(t) weist einen oberen Strompegel 22 und einen unteren Strompegel 23 auf. Das Signal ist ein Rechtecksignal, welches zwischen dem oberen Strompegel 22 und dem unteren Strompegel 23 oszilliert. Auch hier ist zu erkennen, wie oben im Zusammenhang mit dem gepulsten Steuerstrom 11, dass der untere Strompegel 23 nicht auf null (also I ungleich „0“) abfällt, was bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren jedoch auch nicht grundsätzlich ausgeschlossen sein soll. Der obere Strompegel 22 weist eine obere Stromstärke I1 und der untere Strompegel 23 eine untere Stromstärke I2 auf.
  • Der Effektivwert 18 betrifft einen zeitlichen Mittelwert des Steuerstroms 11. Hierbei ergibt sich der Effektivwert 18 durch eine Integration des Stromsignals I(t) über der Zeit t. Der zeitliche Verlauf des Stromsignals ist hier durch eine sogenannte Einschaltzeit t22 und eine Ausschaltzeit t21 bestimmt. Grundsätzlich kann bei einer Pulsweitenmodulation (PWM) das Verhältnis zwischen der Einschaltzeit t22 und der Periodendauer des Rechtecksignals bei fester Grundfrequenz variiert werden. Die Periodendauer ergibt sich hier aus der Summe von Einschaltzeit t22 und Ausschaltzeit t21. Das Verhältnis zwischen der Einschaltzeit t22 und der Periodendauer (t22 + t21) wird als Tastverhältnis bezeichnet. Daraus ergibt sich, dass mit höherem Tastverhältnis und mit höherer oberer Stromstärke I1 der Effektivwert 18 größer wird.
  • 5 zeigt schematisch ein vereinfachtes mechanisches Ersatzmodel zur Veranschaulichung der dynamischen Eigenschaften des Kupplungsaggregats 1. Die Trägheit des Systems ist maßgeblich durch die Trägheit der Betätigungseinheit 5 (beispielhaft ein elektronischer Stellmotor 28) bestimmt. Das System umfasst darüber hinaus weitere Kupplungskomponenten, wie beispielsweise Kupplungslamellen, Lamellenträger oder dergleichen. Die Reibungs- und Dämpfungseigenschaften des Systems sind hier mittels der Feder 29, der Dämpfung 30 und der Reibung 31 ersatzweise dargestellt. Die Systemmasse ist hier als Masse 32 gezeigt. Auf die Masse 32 wirkt eine Kraft 33, die die Stellkraft infolge einer Bestromung bzw. Betätigung der Betätigungseinheit 5 darstellt.
  • 6 zeigt schematisch den Verlauf eines gepulsten Stromsignals I(t) des Steuerstroms 11 über der Zeit t. Das Stromsignal I(t) weist in einer ersten Phase einen oberen Strompegel 22 und in einer zweiten Phase einen unteren Strompegel 23 auf. Das Signal ist ein Rechtecksignal, welches zwischen dem oberen Strompegel 22 und dem unteren Strompegel 23 oszilliert. Es ist auch der Effektivwert 18, als zeitlicher Mittelwert des Stromsignals I(t) eingetragen. Darüber hinaus zeigt 6 den zeitlichen Verlauf einer mittels der Betätigungseinheit 5 vorgebbaren Stellposition X(t). Das dynamische Verhalten des Systems kann so beschrieben werden, dass in der ersten Phase die Reibung 31 deutlich bzw. schnell überwunden wird, sodass die Dämpfung 30 wenig Einfluss hat. In der zweiten Phase unterstützt die Dämpfung 30 die Aufrechterhaltung der Federkraft der Feder 29. Somit kann erreicht werden, dass über das ganze Intervall bzw. die Periodendauer betrachtet, die Federkraft höher bleibt als diejenige, die mit einer konstanten Kraft gleichen Energieeintrags erreicht würde. Dementsprechend liefert die Steuereinheit 6 und/oder die Betätigungseinheit 5 während des Pulsierens des Steuerstroms 11 ein Drehmoment bzw. Stellmoment, das höher ist, als ein Drehmoment bzw. Stellmoment, welches mit einem konstanten Steuerstrom erreicht würde, wobei der gepulste Steuerstrom 11 (nahezu) dieselbe Erwärmung bzw. Temperatur der elektronischen Steuereinheit 6 und/oder der Betätigungseinheit 5 bewirkt, wie der konstante Steuerstrom.
  • Es wird hier ein Verfahren angegeben, dass die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise löst. Das Verfahren stellt eine Überhitzungsschutzmaßnahme bereit, die sich nicht spürbar auf das Fahrverhalten des Fahrzeugs auswirkt. Das Verfahren ermöglicht es zudem, dass auch in Grenzsituationen eine ungewollte Überhitzung der elektronischen Steuereinheit (ECU) und/oder der Betätigungseinheit vermieden wird, ohne dass die Fahrerin bzw. der Fahrer einen Leistungsabfall bemerkt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kupplungsaggregat
    2
    primäre Achse
    3
    sekundäre Achse
    4
    Fahrzeug
    5
    Betätigungseinheit
    6
    Steuereinheit
    7
    Motor
    8
    Ganggetriebe
    9
    Rad
    10
    Temperatur
    11
    Steuerstrom
    12
    Signalleiter
    13
    Temperatursensor
    14
    Seitenwelle
    15
    Längswelle
    16
    BUS-Anordnung
    17
    Betätigungsleitung
    18
    Effektivwert
    19
    Antriebsstrang
    20
    Verteilergetriebe
    21
    Differentialgetriebe
    22
    oberer Strompegel
    23
    unterer Strompegel
    24
    Schwellenwert
    25
    Grenzwert
    26
    Drehmoment
    27
    Anpresskraft
    28
    elektronischer Stellmotor
    29
    Feder
    30
    Dämpfung
    31
    Reibung
    32
    Masse
    33
    Kraft

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstranges (19) eines Fahrzeugs (4) mit einem Kupplungsaggregat (1), wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte umfasst: a) Ermitteln von Temperaturdaten von zumindest einer dem Kupplungsaggregat (1) zugeordneten elektronischen Steuereinheit (6) oder einer Betätigungseinheit (5) des Kupplungsaggregats (1), b) Auswerten der in Schritt a) ermittelten Temperaturdaten, c) Reduzieren eines Effektivwertes (18) eines Steuerstroms (11) zumindest der elektronischen Steuereinheit (6) oder der Betätigungseinheit (5) durch eine Pulsierung des Steuerstroms (11), wenn die Auswertung in Schritt b) ergibt, dass eine Temperatur (10) zumindest der elektronischen Steuereinheit (6) oder der Betätigungseinheit (5) einen Schwellenwert (24) überschreitet.
  2. Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei in Schritt a) eine Temperatur (10) zumindest der elektronischen Steuereinheit (6) oder der Betätigungseinheit (5) mittels mindestens einem zumindest der elektronischen Steuereinheit (6) oder der Betätigungseinheit (5) zugeordneten Temperatursensor (13) gemessen wird.
  3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei in Schritt c) eine Pulsweitenmodulation (PWM) des Steuerstroms (11) durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach Patentanspruch 3, wobei ein Tastverhältnis (duty cycle) der Pulsweitenmodulation (PWM) des Steuerstroms (11) zwischen 0,05 und 0,5 liegt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der gepulste Steuerstrom (11) zwischen einem oberen Strompegel (22) und einem unteren Strompegel (23) oszilliert und wobei ein Verhältnis von unterem Strompegel (23) zu oberem Strompegel (22) zwischen 0,25 und 0,8 liegt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei in einem Schritt d) die Pulsierung des Steuerstroms (11) beendet wird, wenn die Temperatur (10) zumindest der elektronischen Steuereinheit (6) oder der Betätigungseinheit (5) den Schwellenwert (24) wieder unterschreitet.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei ein Verhältnis von dem in Schritt c) reduzierten Effektivwert zu einem Ausgangswert des Steuerstroms (11) höchstens 0,85 beträgt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Pulsierung des Steuerstroms (11) kontinuierlich an ermittelte Zustandsdaten zumindest mindestens einer Kupplungskomponente oder mindestens einer Antriebstrangkomponente angepasst wird.
  9. Fahrzeug (4) mit einem Kupplungsaggregat (1) zur variablen Verteilung von Drehmoment auf unterschiedlichen Achsen (2, 3) des Fahrzeugs (4) oder zur Verteilung von Drehmoment zwischen zwei Rädern (9) einer Achse (2, 3) des Fahrzeugs (4), wobei dem Kupplungsaggregat (1) eine elektronische Steuereinheit (6) zugeordnet ist, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Patentansprüche geeignet und eingerichtet ist.
  10. Verwendung eines gepulsten Stromsignals (11) zur Vermeidung einer Überhitzung zumindest einer elektronischen Steuereinheit (6) oder eines elektronischen Stellmotors (28) einer elektromechanischen Kupplung (1) eines Kraftfahrzeugs (4).
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