DE102017125848A1

DE102017125848A1 - Verfahren zur Ansteuerung eines Kupplungsbetätigungssystems und ein Kupplungsbetätigungssystem

Info

Publication number: DE102017125848A1
Application number: DE102017125848.5A
Authority: DE
Inventors: Simon Hör; Markus Dietrich
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-11-06
Filing date: 2017-11-06
Publication date: 2019-05-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Kupplungsbetätigungssystems, bei welchem die Ansteuerung einer Kupplung in Abhängigkeit eines im Kupplungsbetätigungssystem auftretenden veränderlichen Parameters erfolgt. Bei einem Verfahren, bei welchem zuverlässig die tatsächlich wirkende Kraft im Kupplungsbetätigungssystem gemessen wird, wird als Parameter eine an einer aufmagnetisierten Gewindespindel (5) eines Kupplungsaktors (2) des Kupplungsbetätigungssystems (1) auftretende Kraft verwendet, welche durch eine magnetostriktive Kraftbestimmung direkt an der Gewindespindel (5) ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Kupplungsbetätigungssystems, bei welchem die Ansteuerung einer Kupplung in Abhängigkeit eines im Kupplungsbetätigungssystem auftretenden veränderlichen Parameters erfolgt, sowie einem Kupplungsbetätigungssystem zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 5.
Aus der DE 10 2012 220 073 A1 sind ein elektromechanisches Kupplungsbetätigungssystem und ein Verfahren zum Ansteuern einer Kupplung bekannt. Das elektromechanische Kupplungsbetätigungssystem weist ein elektromotorisch angetriebenes Bauteil auf, insbesondere eine elektromotorisch angetriebenen Welle, das beim Betätigen der Kupplung mit einem Drehmoment beaufschlagt wird, wobei dem Bauteil eine berührungslos arbeitende Drehmomentsensoreinrichtung zugeordnet ist, die das beim Betätigen der Kupplung in dem Bauteil auftretende Moment erfasst.
Die DE 10 2014 219 336 B3 offenbart ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung einer Kraft oder eines Momentes mit mehreren Magnetfeldsensoren. Die Kraft und/oder das Moment eines sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelementes werden unter Nutzung eines invers-magnetostriktiven Effektes bestimmt.
Bei Kupplungssystemen, wie sie in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, die hydrostatischer, hydraulischer oder elektromechanischer Natur sein können, besteht bisher keine Möglichkeit, eine direkte Kraftmessung durchzuführen. Die aktuell bekannten Messmethoden mittels Kraftmessdose bzw. Piezoelement sind bei solchen Aktoren nicht anwendbar, da diese Bauteile enthalten, die sich axial transversal verschieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Ansteuerung eines Kupplungsbetätigungssystems anzugeben, bei welchem eine Kraftmessung auch bei sich axial verschiebenden Komponenten des Aktors zuverlässig möglich ist.
Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass als Parameter eine an einer aufmagnetisierten Gewindespindel eines Kupplungsaktors des Kupplungsbetätigungssystems auftretende Kraft verwendet wird, welche durch eine magnetostriktive Kraftbestimmung direkt an der Gewindespindel ermittelt wird. Dies hat den Vorteil, dass für die verschiedensten Arten von Kupplungsbetätigungssystemen, ob hydraulisch oder elektromechanisch auch bei sich verschiebenden Bauteilen, insbesondere der Gewindespindel, eine zuverlässige Kraftmessung erfolgen kann. Ein weiterer Vorteil der direkten Kraftmessung an der Gewindespindel besteht darin, dass immer die korrekte Betätigungskraft des Aktors ermittelt werden kann, da diese von der Gewindespindel übertragen wird.
Vorteilhafterweise wird die magnetostriktive Kraftbestimmung in Abhängigkeit von einer Messung eines sich kraftabhängig ändernden Magnetfeldes der Gewindespindel bestimmt. Aufgrund der an der Gewindespindel anliegenden Kraft entstehen im Material der Gewindespindel Spannungen, die zu einem Austritt des Magnetfeldes aus dem Inneren der aufmagnetisierten Gewindespindel nach außen führen. Dieses Magnetfeld wird gemessen und als Maß für die anliegende Kraft genommen.
In einer Ausgestaltung wird durch einen Magnetfeldsensor ein vektorieller Anteil des Magnetfeldes der Gewindespindel gemessen und ausgewertet. Dieser vektorielle Anteil reicht vollständig aus, um Rückschlüsse auf die auf die Gewindespindel wirkende Kraft zu ziehen.
In einer Ausführungsform ist die Gewindespindel in einem kraftfreien Zustand nach außen magnetfeldfrei. Dadurch lässt sich ein Nullpunkt der Messung genau festlegen.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft ein Kupplungsbetätigungssystem zur Durchführung des Verfahrens zur Ansteuerung eines Kupplungsbetätigungssystems, mit einem eine Kupplung ansteuernden Kupplungsaktor, welcher einen Elektromotor umfasst, der mit einer Gewindespindel zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Translationsbewegung verbunden ist. Bei einem solchen Kupplungsbetätigungssystem, bei welchem eine Kraftmessung direkt möglich ist, ist die Gewindespindel aufmagnetisiert und mindestens ein Magnetfeldsensor nahe der Gewindespindel zur direkten Messung eines aus der Gewindespindel auftretenden Magnetfeldes positioniert, wobei der Magnetfeldsensor mit einer Auswerteschaltung zur Bestimmung der auf die Gewindespindel wirkenden Kraft aus dem gemessenen Magnetfeld verbunden ist. Ein solches Kupplungsbetätigungssystem erfordert zur Kraftmessung nur geringfügige Veränderungen an sich bekannter Kupplungsbetätigungssysteme. Eine solche Veränderung besteht lediglich in der Aufmagnetisierung der Gewindespindel und der Anordnung des Magnetfeldsensors. Dadurch ist ein solches Kupplungsbetätigungssystem sehr kostengünstig herzustellen.
Vorteilhafterweise ist die Gewindespindel in einem Querschnitt geschlossen magnetisiert. Dies hat zur Folge, dass wenn keine Kraft auf die Gewindespindel einwirkt, kein Magnetfeld messbar ist, so dass auch der kraftfreie Zustand durch den Sensor fehlerfrei bestimmt werden kann.
In einer Ausgestaltung sind mindestens zwei Magnetfeldsensoren über einen Umfang der Gewindespindel verteilt angeordnet. Dadurch wird die Genauigkeit der Messung des Magnetfeldes verbessert, da z.B. eine Eliminierung von asymmetrischen Belastungen der Gewindespindel oder von Einflüssen durch Verschiebung der Gewindespindel erfolgen kann. Darüber hinaus können mehrere Sensoren zur Plausibilisierung bzw. Diagnosefähigkeit der Messung herangezogen werden.
In einer Ausführungsform ist die Gewindespindel während der Kraftmessung bewegbar. Dies ist insbesondere dadurch gewährleistet, weil die Messung des Magnetfeldes durch den Magnetfeldsensor berührungslos erfolgt und somit die Gewindespindel in ihrer Bewegungsfreiheit nicht eingeschränkt wird.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kupplungsbetätigungssystems,
2 ein Ausführungsbeispiel eines Kupplungsaktors des Kupplungsbetätigungssystems nach 1,
3 verschiedene Darstellungen zur Magnetfeldmessung bei unterschiedlichen auf die Gewindespindel einwirkenden Kräften,
4 einen Querschnitt durch die Gewindespindel gemäß 1.

In 1 ist schematisch ein Aufbau eines automatisierten Kupplungsbetätigungssystems 1 am Beispiel eines schematisch dargestellten Kupplungsaktors 2 dargestellt, wie es in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommt. Das Kupplungsbetätigungssystem 1 umfasst ein Steuergerät 3, welches einen Elektromotor 4 ansteuert, der wiederum eine Gewindespindel 5 zur Umwandlung der Rotationsbewegung des Elektromotors 4 in eine Translationsbewegung der Gewindespindel 5 antreibt, die einen Kolben 6 betätigt, der axial beweglich gelagert ist. Verursacht eine Drehbewegung des Elektromotors 4 eine Änderung des Kolbens 6 entlang dem Aktorweg nach rechts, wird die Kupplung 7 betätigt. Um die Kraft, welche im Kupplungsbetätigungssystem 1 wirkt, direkt zu messen, ist nahe der vollumfänglich magnetisierten Gewindespindel 5 mindestens ein Magnetfeldsensor 8 angeordnet, der wiederum mit der Steuereinheit 3 zur Auswertung der Messergebnisse des Magnetfeldsensors 8 verbunden ist. Der Magnetfeldsensor 8 kann dabei als Flux-Gate, GMR-Sensor oder AMR-Sensor ausgebildet sein.
2 zeigt einen Querschnitt durch einen elektromechanischen Kupplungsaktors 2. Dabei weist der Kolben 6, der durch die Gewindespindel 5 betätigt wird, in Richtung der nicht weiter dargestellten Kupplung 7, während die Gewindespindel 5 im Niederkraftbereich des elektromechanischen Kupplungsaktors 2 angeordnet ist. Ausgehend von einer Kraft, die an dem Kolben 6 angreift, wird diese über die Gewindespindel 5 auf ein Planetenwälzgetriebe übertragen, indem die Gewindespindel 5 in einen Planeten 9 eingreift, wodurch der Kraftfluss (Pfeil KF) über den Planeten 9 und ein Lager 10 auf ein erstes Kugellager 11 und von diesem auf ein zweites Kugellager 12 des Planetenwälzgetriebes übertragen wird. Die Kraftübertragung erfolgt weiter über den Stator 13 des Elektromotors 4 und endet an einem Trägergehäuse 14, welches eine Kraftabstützung darstellt.
In 3 sind verschiedene Zustände der Messung des Magnetfeldes der aufmagnetisierten Gewindespindel 5 bei verschiedenen angreifenden Kräften dargestellt. Die Magnetisierung der Gewindespindel 5 ist dabei durch den Pfeil M schleifenförmig dargestellt. In 3a beträgt eine resultierende Gesamtkraft F=0, so dass auch kein Magnetfeld aus der Gewindespindel 5 nach außen tritt.
Liegt eine resultierende Gesamtkraft von F <0 an der Gewindespindel 5 an, wie es in 3b gezeigt ist, wird die Gewindespindel 5 gegen die Betriebskraft nach rechts verschoben. Dabei treten Veränderungen im Material der Gewindespindel 5 auf und das Magnetfeld tritt aus der Oberfläche der Gewindespindel 5 aus. Es wird ein vektorieller Anteil des austretenden Magnetfeldes (Pfeil M1) durch den Magnetfeldsensor 8 gemessen. Bei einem solchen Kraftverhältnis stützt sich die Gewindespindel 5 gegenüber dem Planetenwälzgetriebe (Planet 8) mit einer Abstützkraft AK1 ab. Sind die Kraftverhältnisse umgekehrt und ist die resultierende Gesamtkraft F>0, so wird die Gewindespindel 5 nach links verschoben. Dabei wird ein anderer vektorieller Anteil Pfeil M2) des Magnetfeldes durch den Magnetfeldsensor 8 gemessen und das Planetenwälzgetriebe stützt sich an der Gewindespindel 5 mit einer Abstützkraft AK2 ab. Ein solcher Zustand ist beispielsweise gegeben, wenn der Elektromotor 4 ausgeschaltet ist, aber die Gewindespindel 5 trotzdem bewegt wird.
In 4 sind zwei Querschnitte durch die Gewindespindel 5 gezeigt. In 4a ist der Magnetfeldsensor 8 berührungslos außen zum Umfang der Gewindespindel 5 angeordnet. Die Magnetisierung in Form der Schleife M ist ebenfalls dargestellt, wobei im linken Teil T1 der Magnetisierung die Feldlinien des Magnetfeldes aus der Bildebene heraustreten, während in dem rechten Teil T2 der Magnetisierung die Feldlinien in die Bildebene hinein weisen. Wie aus 4b zu erkennen, können auch mindestens zwei Magnetfeldsensoren 8, 15 am Umfang der Gewindespindel 5 angeordnet werden, was den Vorteil hat, dass die Asymmetrie der Gewindespindel 5 durch zwei vergleichende Messungen ausgeglichen werden kann.
Der Vorteil der beschriebenen Lösung besteht darin, dass aus dem direkt an der Gewindespindel bestimmten Magnetfeld die tatsächlich in dem Kupplungsbetätigungssystem 1 auftretende Kraft bestimmt wird, ohne dass diese durch Reibungseffekte an Lager und ähnlichen Komponenten verfälscht wird.
Bezugszeichenliste

1: Kupplungsbetätigungssystem
2: Kupplungsaktor
3: Steuergerät
4: Elektromotor
5: Gewindespindel
6: Kolben
7: Kupplung
8: Magnetfeldsensor
9: Planet eines Planetenwälzgetriebes
10: Lager
11: Kugellager
12: Kugellager
13: Stator
14: Trägergehäuse
15: Magnetfeldsensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012220073 A1 [0002]
DE 102014219336 B3 [0003]

Claims

Verfahren zur Ansteuerung eines Kupplungsbetätigungssystems, bei welchem die Ansteuerung einer Kupplung in Abhängigkeit eines im Kupplungsbetätigungssystem auftretenden veränderlichen Parameters erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter eine an einer aufmagnetisierten Gewindespindel (5) eines Kupplungsaktors (2) des Kupplungsbetätigungssystems (1) auftretende Kraft verwendet wird, welche durch eine magnetostriktive Kraftbestimmung direkt an der Gewindespindel (5) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetostriktive Kraftbestimmung in Abhängigkeit von einer Messung eines sich kraftabhängig ändernden Magnetfeldes der Gewindespindel (5) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Magnetfeldsensor (8, 15) ein vektorieller Anteil des Magnetfeldes der Gewindespindel (5) gemessen und ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (5) in einem kraftfreien Zustand nach außen magnetfeldfrei ist.
Kupplungsbetätigungssystem zur Durchführung des Verfahrens zur Ansteuerung eines Kupplungsbetätigungssystems, mit einem eine Kupplung (7) ansteuernden Kupplungsaktor (2), welcher einen Elektromotor (4) umfasst, der mit einer Gewindespindel (5) zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Translationsbewegung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (5) aufmagnetisiert ist und mindestens ein Magnetfeldsensor (8, 15) nahe der Gewindespindel (5) zur direkten Messung eines aus der Gewindespindel (5) austretenden Magnetfeldes positioniert ist, wobei der Magnetfeldsensor (8, 15) mit einer Auswerteschaltung (3) zur Bestimmung der auf die Gewindespindel (5) wirkenden Kraft aus dem gemessenen Magnetfeld verbunden ist.
Kupplungsbetätigungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel in einem Querschnitt geschlossen magnetisiert ist.
Kupplungsbetätigungssystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Magnetfeldsensoren (8, 15) über einen Umfang der Gewindespindel (5) verteilt angeordnet sind.
Kupplungsbetätigungssystem nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (5) während der Kraftmessung axial bewegbar ist.