DE102015205262B4

DE102015205262B4 - Verfahren zur Ermittlung eines temperaturabhängigen Verhaltens einer Reibungskupplung

Info

Publication number: DE102015205262B4
Application number: DE102015205262.1A
Authority: DE
Inventors: Pierre Lamothe
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-03-24
Filing date: 2015-03-24
Publication date: 2020-01-16
Anticipated expiration: 2035-03-25
Also published as: CN106015377A; CN106015377B; DE102015205262A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung eines temperaturabhängigen Verhaltens einer Reibungskupplung mit zumindest zwei Reibflächen tragenden Platten in Form zumindest einer Gegendruckplatte und zumindest einer Anpressplatte, wobei ein Temperaturmodell zumindest mittels eines Energieeintrags in die Reibungskupplung eine Kupplungstemperatur abschätzt, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der von dem Temperaturmodell abgeschätzten Temperatur und geometrischen Eigenschaften der zumindest zwei Platten eine temperaturabhängige Reibleistung ermittelt wird, wobei bei zumindest einer der zumindest zwei Platten eine temperaturabhängige Topfung ermittelt und aus der Topfung eine Reibwertänderung ermittelt wird, und die Topfung mittels einer Ermittlung eines Biegebalkens der Platte ermittelt wird, der sich abhängig von temperaturabhängigen Materialeigenschaften und den geometrischen Ausbildungen der Platte und den an diesen anliegenden Kräften und Ansatzflächen der Kräfte ändert, wobei der Biegebalken anhand eines temperaturabhängig ermittelten Elastizitätsmoduls der Platte ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Reibungskupplungen sind als Einfach- oder Doppelkupplung in Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen, beispielsweise zwischen der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine und einer Getriebeeingangswelle eines Getriebes beziehungsweise den Getriebeeingangswellen eines Doppelkupplungsgetriebes angeordnet, hinreichend bekannt. Hierbei wird ein steuerbares Drehmoment über die Reibungskupplung mittels eines Reibschlusses zwischen einer Gegendruckplatte und einer axial verlagerbaren Anpressplatte einerseits und Reibbelägen einer Kupplungsscheibe andererseits übertragen, wobei das über den Reibschluss übertragene Drehmoment von der Klemmkraft wie Vorspannkraft der Anpressplatte, der Reibfläche des Reibeingriffs, dem Reibwert der Reibpartner, nämlich der Reibflächen der Reibbeläge und der Gegenreibflächen der Gegendruckplatte und Anpressplatte, und weiteren Parametern abhängt. Die dabei über den Reibschluss übertragbare Reibleistung ist temperaturabhängig, so dass die in Echtzeit bekannte Kupplungstemperatur ein maßgebliches Qualitätsmerkmal für den Betrieb der Reibungskupplung ist. Hierbei kann ein Kupplungstemperatursensor vorgesehen sein, wobei die Umsetzung infolge der drehenden Bauteile der Reibungskupplung schwierig ist. Die DE 2007 053 706 A1 offenbart die Ermittlung einer Verformung von Kupplungsplatten aufgrund von Temperatureinflüssen basierend auf einem Temperaturgradienten innerhalb der Kupplungsplatten. Die DE 2009 041 412 A1 offenbart ein Verfahren zur Echtzeitschätzung der Temperatur von Bestandteilen einer Reibungskupplung. Die DE 103 16 459 A1 offenbart u. a. die kraftgeregelte Positionierung eines Kupplungsaktors. Die DE 10 2012 2007 613 A1 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen von Anfangs- oder Starttemperaturen für einen trockenlaufenden Doppelkupplungsmechanismus beim Starten eines Fahrzeugs umfassend ein Bestimmen einer Zeitspanne vom Ausschalten bis zum Wieder-Starten des Fahrzeugs. Das Kraftfahrtechnische Taschenbuch, 21. Auflage, Düsseldorf, VDI-Verlag, 1991, des Herausgbers Robert Bosch GmbH (ISBN 3-18-419114-1) offenbart auf den Seiten 52 und 53 ein Biegebalken Modell bezüglich Biegebelastung. Weiterhin ist beispielsweise aus der DE 101 55 459 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem die Kupplungstemperatur anhand eines Temperaturmodells abgeschätzt wird. Hierzu werden die über die Reibungskupplung übertragenen Drehmomente und die Drehzahlen der Reibungskupplung am Ein- und Ausgang erfasst, so dass aus der in die Reibungskupplung eingetragene Reibleistung die Erwärmung der Platten der Reibungskupplung, nämlich Gegendruckplatte und Anpressplatte abgeschätzt werden kann. Desweiteren werden Außentemperaturen, beispielsweise die Temperatur des Kühlmittels der Brennkraftmaschine erfasst, um die Wärmeflüsse abhängig von der die Reibungskupplung umgebenden Temperatur zu erfassen und damit die Kupplungstemperatur verbessert abschätzen zu können. Mittels dieser Kupplungstemperatur kann der temperaturabhängige Reibwert des Reibeingriffs und die daraus resultierende Reibleistung quasi in Echtzeit abgeschätzt werden, so dass die Klemmkraft, beispielsweise die Anpresskraft eines Aktors an die Temperatursituation der Reibungskupplung angepasst werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung des Verfahrens, um die die Reibleistung beeinflussenden Parameter besser kompensieren zu können.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Verfahrens des Anspruchs 1 gelöst. Die von diesem abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens des Anspruchs 1 wieder.
Das vorgeschlagene Verfahren dient der Ermittlung eines temperaturabhängigen Verhaltens einer Reibungskupplung, insbesondere einer von einem Aktor, beispielsweise einem Hydrostataktor betätigten Reibungskupplung. Eine derartige Reibungskupplung weist zumindest zwei Reibflächen wie Gegenreibflächen tragende Platten in Form zumindest einer Gegendruckplatte und zumindest einer Anpressplatte auf, wobei die Gegendruckplatte in der Regel axial fest und die Anpressplatte gegenüber dieser drehfest und axial verlagerbar angeordnet ist. Zwischen den Reibflächen der Gegendruckplatte und Anpressplatte sind Reibbeläge mit Reibflächen einer Kupplungsscheibe axial verspannbar angeordnet. Die Verspannung erfolgt mittels der Anpressplatte, die über ein Hebelsystem und ein beispielsweise drehentkoppeltes Betätigungssystem entlang eines Betätigungswegs von dem Aktor verlagert wird. Alternative Bauformen zu dieser Reibungskupplung können zwei zu einer Doppelkupplung zusammengefasste, von jeweils einem Aktor betätigte Reibungskupplungen sein, wobei die Reibungskupplungen jeweils eine Gegendruckplatte und eine Anpressplatte oder eine gemeinsame Gegendruckplatte und jeweils eine Anpressplatte aufweisen können. Weitere Ausführungen von Reibungskupplungen beispielsweise mit Nebenabtrieb und dergleichen sind ebenfalls für das vorgeschlagene Verfahren geeignet. Das vorgeschlagene Verfahren kann für Gegendruckplatten und/oder für Anpressplatten durchgeführt werden, so dass nachfolgend in allgemeiner Beschreibung der Begriff Platten für diese verwendet wird.
Das vorgeschlagene Verfahren erfasst in der herkömmlichen Weise die Kupplungstemperatur mittels eines Kupplungstemperatursensors oder in bevorzugter Weise mittels eines Temperaturmodells. Das Temperaturmodell schätzt dabei zumindest mittels eines Energieeintrags in die Reibungskupplung die Kupplungstemperatur ab. Der Energieeintrag ergibt sich beispielsweise aus dem über die Reibungskupplung übertragenen Kupplungsmoment, der Schlupfdrehzahl, also der Differenz zwischen einer Drehzahl der Kurbelwelle beziehungsweise des Eingangsteils, beispielsweise der Gegendruckplatte der Reibungskupplung und der Drehzahl der Getriebeeingangswelle beziehungsweise der Kupplungsscheibe, der Anpresskraft der Anpressplatte, der Reibfläche der Reibpartner, aktuell gültiger und mittels des vorgeschlagenen Verfahrens zu adaptierender Reibwerte, Wärmekapazitäten der Platten, Wärmeleitfähigkeit der Platten und/oder dergleichen. Die Drehzahlen können mittels eines Drehzahlsensors erfasst werden und mittels Direktleitung oder über CAN-Bus auf ein das vorgeschlagene Verfahren ausführendes Steuergerät übertragen werden. Alternativ können die Drehzahlen, beispielsweise die Drehzahl der Getriebeeingangswelle mittels Raddrehzahlsensoren unter Berücksichtigung der Übersetzung des Getriebes gewonnen werden.
Neben der quasi in Echtzeit erfassten oder mittels des Temperaturmodells abgeschätzten Kupplungstemperatur werden in dem vorgeschlagenen Verfahren die geometrischen Eigenschaften der zumindest zwei Platten berücksichtigt und abhängig von diesen eine temperaturabhängige Reibleistung ermittelt. Während mittels des Temperaturmodells lediglich axiale beziehungsweise Temperaturgradienten in der Reibungskupplung berücksichtigt werden können, können durch das vorgeschlagene Verfahren infolge der Berücksichtigung der geometrischen Ausbildung der Platten auch radiale Einflüsse der Platten auf die Reibleistung ermittelt beziehungsweise abgeschätzt werden.
Gemäß einer ersten Ausführungsform können die temperaturabhängigen Einflüsse auf die Reibleistungen anhand von 2D- oder 3D-Modellen der Temperatur in den Platten ermittelt werden. Soweit in dem vorgeschlagenen Steuergerät ausreichend Rechenkapazitäten vorhanden sind, können hierzu Simulationsrechnungen beispielsweise FEM-Berechnungen durchgeführt werden.
Insbesondere kann bei zumindest einer der zumindest zwei Platten eine temperaturabhängige Topfung ermittelt und aus der Topfung eine durch diese bedingte Reibwertänderung ermittelt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur Einsparung des Rechenaufwands und/oder bei beschränkter Rechnerkapazität kann von einer FEM-Berechnung abgesehen werden, wobei die geometrischen Eigenschaften, beispielsweise die temperaturabhängige Topfung einer oder mehrerer Platten mittels einer Ermittlung eines Biegebalkens dieser berechnet oder abgeschätzt wird. Die Platten einer Reibungskupplung stützen hierbei die Anpresskräfte an ihren Reibflächen gegenüber den Reibflächen axial ab, beispielsweise im Falle einer axial festen Gegendruckplatte an der Kurbelwelle, einem axialen Festlager oder dergleichen und im Falle der Anpressplatte an dem Gehäuse wie Kupplungsdeckel der Reibungskupplung über das Hebelsystem, beispielsweise eine Tellerfeder oder Hebelfeder sowie gegen die Aktorkraft des Aktors. Auf diese Weise entsteht ein Biegebalken, der sich abhängig von den temperaturabhängigen Materialeigenschaften und den geometrischen Ausbildungen der Platten und den an diesen anliegenden Kräften und Ansatzflächen der Kräfte ändert.
Um die Temperaturabhängigkeit der Materialeigenschaften zu berücksichtigen, kann der Biegebalken beispielsweise anhand eines temperaturabhängig ermittelten Elastizitätsmoduls der Platte ermittelt werden. Hierbei kann das Temperaturverhalten des Elastizitätsmoduls vor einer Inbetriebnahme, beispielsweise vor deren Einbau an einem Montagebandende beispielsweise während einer Qualitätskontrolle der Reibungskupplung beispielsweise in Form einer Kennlinie des Elastizitätsmoduls über die Temperatur bestimmt werden und anschließend in einem Steuergerät hinterlegt werden. In dem Steuergerät kann zudem die Langzeitentwicklung des Elastizitätsmoduls - beispielsweise gewonnen aus empirischen Daten oder aus FEM-Berechnungen - hinterlegt werden. Die Ermittlung des Biegebalkens kann anschließend im eingebauten Zustand der Reibungskupplung quasi in Echtzeit während des Betriebs der Reibungskupplung vorgenommen werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann dabei nach Ermittlung des Biegebalkens der zumindest einen Platte eine von dem Biegebalken abhängige Anpresskraftänderung der zumindest einen Anpressplatte gegenüber der zumindest einen Gegendruckplatte ermittelt werden. Aus der auf diese Weise ermittelten Anpresskraftänderung, die der sich ändernden Elastizität einer der Platten oder deren Topfung geschuldet ist, kann eine Reibleistungsänderung der Reibungskupplung ermittelt werden, so dass eine Kennlinie der Aktorkraft beziehungsweise Anpresskraft des Aktors über den Betätigungsweg und damit der Reibwert beziehungsweise des bei vorgegebener Anpresskraft über die Reibungskupplung übertragbaren Kupplungsmoment korrigiert beziehungsweise adaptiert werden kann.
Zur Durchführung der Berechnung beziehungsweise Ermittlung des Biegebalkens kann die im Wesentlichen rotationssymmetrische zumindest eine Platte rechnerisch in zumindest ein Biegebalkensegment aufgeteilt werden, wobei der Biegebalken anhand des zumindest einen Biegebalkensegments ermittelt wird.
In einer Ausführungsform einer einfachen Reibungskupplung oder einer Doppelkupplung mit zwei Reibungskupplungen mit jeweils einer Gegendruckplatte und einer Anpressplatte kann die temperaturabhängige Reibleistung durch Ermittlung des Biegebalkens für die jeweilige Gegendruckplatte und die jeweilige Anpressplatte ermittelt werden.
In einer Ausführungsform einer Doppelkupplung mit zwei Reibungskupplungen mit einer gemeinsamen Gegendruckplatte kann anhand der Biegebalken der Gegendruckplatte und der Biegebalken der beiden Anpressplatten die temperaturabhängige Reibleistung für beide Reibungskupplungen ermittelt werden.
Im Falle einer Doppelkupplung kann der Störeinfluss der beiden Reibungskupplungen aufeinander bezüglich des Temperaturmodells und/oder der Ermittlung der Biegebalken der Reibungskupplungen berücksichtigt werden.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft für eine vereinfachte Ausführungsform des Verfahrens erwiesen, wenn der temperaturabhängige Elastizitätsmodul vernachlässigt, beispielsweise als über die Temperatur konstante Größe in Ansatz gebracht wird. Desweiteren kann in Doppelkupplungen mit einer gemeinsamen Zentralplatte für beide Reibungskupplungen der Einfluss des Biegebalkens der Zentralplatte aufgrund deren hoher Steifigkeit gegenüber den Anpressplatten vernachlässigt werden und die Ermittlung des Biegebalkens dieser entfallen.
Die Erfindung wird anhand des in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiels des vorgeschlagenen Verfahrens näher erläutert. Dabei zeigen:

1 ein Blockschaltbild mit aufeinander folgenden Verfahrensschritten des vorgeschlagenen Verfahrens,
2 ein Biegebalkensegment einer Platte zur Berechnung des Biegebalkens der Platte in 3D-Ansicht,
3 eine schematische Darstellung eines Kräftespiels einer Platte und
4 ein Diagramm der Anpresskraft einer Reibungskupplung über deren Abhub.

Das Blockschaltbild 10 der 1 zeigt den Ablauf des vorgeschlagenen Verfahrens. In Schritt 1 wird die Kupplungstemperatur ermittelt. Die Kupplungstemperatur kann mittels eines oder mehrerer gegebenenfalls vorhandener Temperatursensoren gemessen oder anhand dieser modelliert werden. Alternativ kann die Kupplungstemperatur ohne einen Kupplungstemperatursensor mittels eines Temperaturmodells abgeschätzt werden. Hierzu können weitere Betriebsparameter, beispielsweise ein in eine Reibungskupplung eingetragenes Reibmoment, welches beispielsweise aus dem Schlupf der Reibungskupplung wie aus Eingangs- und Ausgangsdrehzahl und dem anliegenden Drehmoment ermittelt werden kann, der Wärmekapazität der Reibungskupplung, einem aktuellen Reibwert, die Kupplungsglocke, in welcher die Reibungskupplung aufgenommen ist, umgebende Temperaturen und dergleichen verarbeitet werden.
In Schritt 2 erfolgt die Ermittlung des Elastizitätsmoduls zumindest einer Platte der Reibungskupplung, deren Reibleistungserhöhung ermittelt werden soll, beispielsweise der Anpressplatte oder der Gegendruckplatte. Die Ermittlung des Elastizitätsmoduls erfolgt anhand der geometrischen Ausbildung und verwendeten Eigenschaften der Platte und kann temperaturabhängig anhand der aktuell ermittelten Kupplungstemperatur erfolgen oder als Festwert vorgesehen werden. Der Elastizitätsmodul kann vorab als Kennlinie oder als Festwert über die Temperatur in einem Speicher des Steuergeräts zur Durchführung des Verfahrens abgelegt sein und bei Durchführung des Verfahrens aufgerufen werden. Kennlinie oder Festwert können vorab vor Einbau der Reibungskupplung in das Fahrzeug beispielsweise rechnerisch oder empirisch für die entsprechenden Geometrie und Materialeigenschaften ermittelt werden.
In Schritt 3 erfolgt die rechnerische Aufteilung der Platte in ein Biegebalkensegment, an dem die nachfolgende Berechnung des Biegebalkens erfolgt.
In Schritt 4 wird die Biegung, beispielsweise die maximale Biegung des in Schritt 3 definierten Biegebalkens abhängig von der Kupplungstemperatur berechnet. Aufgrund der anliegenden Anpresskraft und/oder der geometrischen Ausbildung der Platte erfolgt temperaturabhängig eine Änderung der Reibfläche beziehungsweise eine Änderung der Anpresskraft der Platte gegenüber der Reibfläche eines Reibbelags, beispielsweise hervorgerufen durch eine Topfung der Platte.
In Schritt 5 wird aus der Biegung des Biegebalkens eine Änderung, beispielsweise eine Erhöhung der auf die Reibbeläge wirksamen Anpresskraft ermittelt, beispielsweise berechnet oder abgeschätzt.
In Schritt 6 wird aus der Änderung der Anpresskraft die Änderung der Reibleistung der Reibungskupplung ermittelt, beispielsweise abgeschätzt oder berechnet. Mittels der ermittelten Reibleistung kann der Reibwert der Kupplungskennlinie adaptiert werden. Die Kupplungskennlinie gibt die Abhängigkeit des über die Reibungskupplung übertragbaren Moments über den Betätigungsweg der Reibungskupplung wieder. Die Kupplungskennlinie wird dabei anhand des Tastpunkts und des die Steigung der Kupplungskennlinie wiedergebenden Reibwerts laufend und abhängig von der Kupplungstemperatur adaptiert. Die Reibungskupplung kann dabei als zugedrückte oder aufgedrückte Reibungskupplung ausgebildet sein.
Schritt 7 entspricht Schritt 1, so dass das vorgeschlagene Verfahren zyklisch durchgeführt wird. Das Verfahren zeigt den Ablauf für eine einzelne Platte, bevorzugt die Anpressplatte. In weiteren Ausführungsformen kann das Blockschaltbild 10 auf mehrere Platten, beispielsweise Anpressplatte und Gegendruckplatte, einer Reibungskupplung und/oder auf mehrere, beispielsweise zwei in einer Doppelkupplung zusammengefasste Reibungskupplungen erweitert werden.
Die 2 zeigt das den Berechnungen des Blockschaltbilds 10 der 1 zugrunde gelegte Biegebalkensegment 11. Das Biegebalkensegment 11 weist aufgrund der ringscheibenförmigen Ausbildung der Anpressplatte einen inneren Radius r_in und einen äußeren Radius rout und eine Höhe h auf.
Die 3 zeigt schematisch die auf das plan dargestellte Biegebalkensegment 11 zwischen dem inneren Radius r_in und dem äußeren Radius rout wirkende Anpresskraft F_APK . Diese führt zu einer temperaturabhängigen Durchbiegung f des Biegebalkensegments 11 um die gehäusefeste Abstützung 12 an dem Radius r_c der Anpressplatte und damit des Biegebalkensegments 11. Aufgrund der Berechnung der Durchbiegung f wird über das übertragene Kupplungsmoment die Reibleistungsänderung berechnet oder abgeschätzt.
Die 4 zeigt das Diagramm 13 der Anpresskraft über den Betätigungsweg einer hier aufgedrückten Reibungskupplung bei einer vorgegebenen Temperatur. Aus der gezeigten Anpresskraft wird anhand des vorgeschlagenen Verfahrens die Durchbiegung der Anpressplatte und daraus folgend die Änderung der Reibleistung der Reibungskupplung berechnet.
Bezugszeichenliste

1: Schritt
2: Schritt
3: Schritt
4: Schritt
5: Schritt
6: Schritt
7: Schritt
10: Blockschaltbild
11: Biegebalkensegment
12: Abstützung
13: Diagramm
f: Durchbiegung
F_APK: Anpresskraft
h: Höhe
r_c: Radius
r_in: Radius
rout: Radius

Claims

Verfahren zur Ermittlung eines temperaturabhängigen Verhaltens einer Reibungskupplung mit zumindest zwei Reibflächen tragenden Platten in Form zumindest einer Gegendruckplatte und zumindest einer Anpressplatte, wobei ein Temperaturmodell zumindest mittels eines Energieeintrags in die Reibungskupplung eine Kupplungstemperatur abschätzt, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der von dem Temperaturmodell abgeschätzten Temperatur und geometrischen Eigenschaften der zumindest zwei Platten eine temperaturabhängige Reibleistung ermittelt wird, wobei bei zumindest einer der zumindest zwei Platten eine temperaturabhängige Topfung ermittelt und aus der Topfung eine Reibwertänderung ermittelt wird, und die Topfung mittels einer Ermittlung eines Biegebalkens der Platte ermittelt wird, der sich abhängig von temperaturabhängigen Materialeigenschaften und den geometrischen Ausbildungen der Platte und den an diesen anliegenden Kräften und Ansatzflächen der Kräfte ändert, wobei der Biegebalken anhand eines temperaturabhängig ermittelten Elastizitätsmoduls der Platte ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturverhalten des Elastizitätsmoduls vor einer Inbetriebnahme der Reibungskupplung in einem Steuergerät hinterlegt wird und die Ermittlung des Biegebalkens in Echtzeit während des Betriebs der Reibungskupplung vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ermittlung des Biegebalkens der zumindest einen Platte eine von dem Biegebalken abhängige Anpresskraftänderung der zumindest einen Anpressplatte gegenüber der zumindest einen Gegendruckplatte ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Anpresskraftänderung eine Reibleistungsänderung der Reibungskupplung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Biegebalkens die zumindest eine Platte rechnerisch in zumindest ein Biegebalkensegment (11) aufgeteilt und der Biegebalken anhand des zumindest einen Biegebalkensegments (11) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Reibungskupplung oder einer Doppelkupplung mit zwei Reibungskupplungen mit jeweils einer Gegendruckplatte und einer Anpressplatte die temperaturabhängige Reibleistung durch Ermittlung der Biegebalken für die jeweilige Gegendruckplatte und die jeweilige Anpressplatte ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Doppelkupplung mit zwei Reibungskupplungen mit einer gemeinsamen Gegendruckplatte anhand des zumindest einen Biegebalkens der Gegendruckplatte und der Biegebalken der beiden Anpressplatten die temperaturabhängige Reibleistung für beide Reibungskupplungen ermittelt wird.