DE102017125849B4

DE102017125849B4 - Verfahren zur Ansteuerung eines Kupplungsbetätigungssystems und ein Kupplungsbetätigungssystem

Info

Publication number: DE102017125849B4
Application number: DE102017125849.3A
Authority: DE
Inventors: 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: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2037-11-07
Also published as: DE102017125849A1; WO2019086077A1

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, wobei als der Parameter ein von dem Kupplungsaktor (2) zurückgelegter Weg gemessen wird. Bei einem Verfahren, bei welchem der Aufwand für die Kraft- und Wegmessung an einem Kupplungsaktor reduziert wird, wird neben dem Weg eine in dem Kupplungsaktor (2) des Kupplungsbetätigungssystems (1) auftretende Kraft als Parameter verwendet, wobei zwei Magnetfelder mittels eines eine Spule (8.1) umfassenden Magnetfeldsensors (8) gemessenen werden und in Abhängigkeit des ersten gemessenen Magnetfeldes die Kraft und aus dem zweiten gemessenen Magnetfeld der Weg bestimmt werden.

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, wobei als der Parameter ein von dem Kupplungsaktor zurückgelegter Weg gemessen wird, sowie einem Kupplungsbetätigungssystem zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 7.
Aus der DE 10 2015 201 600 A1 ist ein Aktor mit einer Planetenwälzgewindespindel bekannt, insbesondere zur Betätigung einer Kupplung eines Fahrzeuges. Der Aktor umfasst eine Spindel, die von einem Elektromotor angetrieben wird. Der Elektromotor steht über ein Planetenwälzgetriebe mit der Gewindespindel im Eingriff, wobei die Drehbewegung des Elektromotors in eine Translationsbewegung der Gewindespindel umgewandelt wird. Um den von der Gewindespindel zurückgelegten Weg zu ermitteln, ist an der axial beweglichen Spindel in deren Endbereich ein Sensorelement angeordnet ist, welches mit einem Magnetfeldsensor in einer Wirkverbindung steht.
Aus der DE 10 2007 008 977 A1 ist bereits ein Verfahren zur Ansteuerung eines Kupplungsbetätigungssystems bekannt, bei welchem ein Betätigungsglied entsprechend einer Kennlinie betätigt wird, die in einem ersten Bereich des Kupplungsmoments das Kupplungsmoment in Abhängigkeit von der Stellung des Betätigungsglieds und in einem zweiten Bereich des Kupplungsmoments das Kupplungsmoment in Abhängigkeit von der vom Betätigungsglied auf die Kupplung aufgebrachten Kraft angibt.
Aus der DE 10 2014 208 695 A1 ist ein Kupplungsausrücker bekannt, bei welchem die Wegbestimmung des Kolbens des Ausrückers einer Sensor verwendet wird, welcher eine Spule umfasst, die auf einem, einen Zentraldurchgang aufweisenden Kern vorhanden ist, dessen Innendurchmesser den Außendurchmesser des Sensierraums definiert.
Ebenso sind aus der DE 10 2013 200 492 A1 und der DE 10 2011 086 824 A1 jeweils Kupplungsausrücker bekannt, bei welchen eine Position des Kolben sensiert wird. Auch hier kann der Sensor jeweils eine Spule umfassen.
Aus der DE 10 2012 220 073 A1 ist dagegen eine, eine Spule umfassende Drehmomentsensoreinrichtung bekannt.
Aus der WO 2015/ 078 724 A1 ist es bekannt alternativ einen magnetestriktiven Sensor zu verwenden, der berührungslos das Drehmoment sensieren kann. Hierfür wird entsprechend ein ferromagnetischer Kristall durch den Sensor umfasst, welcher aufmagnetisiert werden kann.
Aus der DE 10 2014 200 461 A1 ist eine Anordnung zum Messen einer Kraft oder eines Drehmoments an einem Maschinenelement bekannt. Die Anordnung kann einen oder mehrere eine Spule aufweisende Magnetfeldsensoren umfassen.
Bei Kupplungssystemen, wie sie in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, wird eine Kraftmessung mittels Kraftmessdose bzw. Piezoelement durchgeführt. Diese Methoden sind aber nicht bei solchen Aktoren anwendbar, die Bauteile enthalten, die sich axial transversal verschieben.
Nachteilig dabei ist, dass für die Weg und die Kraftmessung unterschiedliche Sensoren eingesetzt werden müssen, was sehr kostenintensiv ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Ansteuerung eines Kupplungsbetätigungssystems anzugeben, bei welchem der Aufwand für die Kraft- und Wegmessung an einem Kupplungsaktor reduziert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Kupplungsbetätigungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Neben dem Weg wird eine in dem Kupplungsaktor des Kupplungsbetätigungssystems auftretende Kraft als Parameter verwendet, wobei zwei Magnetfelder mittels eines eine Spule umfassenden Magnetfeldsensors gemessenen werden und in Abhängigkeit des ersten gemessenen Magnetfeldes die Kraft und aus dem zweiten gemessenen Magnetfeld der Weg bestimmt werden. Dies hat den Vorteil, dass durch die Verwendung nur eines Sensor sowohl für die Kraft - als auch für die Wegmessung der Kosten- und der Bauraumaufwand für einen Kupplungsaktor reduziert wird.
Die Spule bleibt erfindungsgemäß während der ersten Messung des sich kraftabhängig auf Grund von Materialspannungen ändernden Magnetfeldes in einem aufmagnetisierten Bauteil des Kupplungsaktors zur Bestimmung einer magnetostriktive Kraft unbestromt. Aufgrund der an dem mindestens ein aufmagnetisiertes Bauteil umfassenden Kupplungsaktor anliegenden Kraft entstehen im Material des mindestens einen aufmagnetisierten Bauteiles Spannungen, die zu einem Austritt des Magnetfeldes aus dem Inneren des aufmagnetisierten Bauteiles nach außen führen. Dieses Magnetfeld wird gemessen und als Maß für die anliegende Kraft genommen. Die separate Messung der Magnetostriktion erfolgt, da die Magnetostriktion nur sehr kleine Werte aufweist, welche in einem Magnetfeld eines Permanentmagneten nicht messbar sind.
Erfindungsgemäß wird die Spule während der zweiten Messung zur Wegbestimmung zur Ausbildung eines Spulenmagnetfeldes bestromt, wobei das Ergebnis des während der ersten Messung ermittelten Magnetfeldes von dem Ergebnis des während der zweiten Messung detektierten Magnetfeldes abgezogen wird und aus der Differenz der beiden Magnetfelder der von dem Aktor zurückgelegte Weg ermittelt wird. Da sich bei der Bestromung der Spule das von der Spule erzeugte und die austretenden Feldlinien der Magnetstriktion sich überlagern, wird die Genauigkeit der Wegmessung durch die Differenzbildung verbessert.
In einer Variante erfolgen die beiden Messungen unmittelbar nacheinander. Dadurch wird gewährleistet, dass sich in einem geringen zeitlichen Abstand weder Weg noch Kraft signifikant ändern, so dass die Genauigkeit der beiden Messungen beibehalten wird.
In einer Ausführungsform wird als aufmagnetisiertes Bauteil eine im Kupplungsaktor angeordneten axial beweglichen Spindel verwendet. Da die Gewindespindel das entscheidende Bauteil für die Betätigung der Kupplung durch den Kupplungsaktor darstellt, ergeben die direkten Messungen an der Gewindespindel zuverlässige Messergebnisse. Ein weiterer Vorteil der direkten Kraftmessung an der Gewindespindel besteht darin, dass immer die korrekte Betätigungskraft des Kupplungsaktors ermittelt werden kann, da diese von der Gewindespindel übertragen wird.
In einer weiteren Ausgestaltung wird durch den die unbestromte Spule umfassenden Magnetfeldsensor zur Kraftbestimmung 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.
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 ein Aufwand zur Messung der Parameter des Kupplungsaktors reduziert wird, ist nahe der aufmagnetisierten Gewindespindel in deren axialer Erstreckung mindestens ein eine Spule umfassender Magnetfeldsensor zur Messung eines aus der aufmagnetisierten Gewindespindel austretenden Magnetfeldes bei unbestromter Spule und zur Messung eines von der Gewindespindel zurückgelegten Weges im bestromten Zustand positioniert, wobei der Magnetfeldsensor mit einer Auswerteschaltung zur Bestimmung einer auf die aufmagnetisierte Gewindespindel wirkenden Kraft aus dem ersten gemessenen Magnetfeld und zur Bestimmung eines Weges aus dem zweiten gemessenen Magnetfeld verbunden ist. Ein solches Kupplungsbetätigungssystem erfordert zur Kraft- und Wegmessung mittels nur eines Magnetfeldsensors nur eine geringfügige Modifizierung an sich bekannter Magnetfeldsensoren und Kupplungsaktoren. Eine solche Veränderung besteht lediglich in der Aufmagnetisierung der Gewindespindel und der Anordnung der Spule an dem Magnetfeldsensor. 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 Magnetfeldsensor fehlerfrei bestimmt werden kann.
In einer Ausführungsform ist die Gewindespindel während der Kraftmessung bewegbar. Dies ist insbesondere dadurch möglich, 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 Magnetfeldsensors mit einer Spule,
3 ein Ausführungsbeispiel eines Kupplungsaktors des Kupplungsbetätigungssystems nach 1,
4 verschiedene Darstellungen zur Magnetfeldmessung bei unterschiedlichen auf die Gewindespindel einwirkenden Kräften,

In 1 ist schematisch ein Aufbau eines automatisierten Kupplungsbetätigungssystems 1 am Beispiel eines schematisch dargestellten Kupplungsaktors 2 gezeigt, 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 Wegänderung des Kolbens 6 entlang dem Aktorweg nach rechts, wird die Kupplung 7 betätigt. Um die Kraft, welche im Kupplungsbetätigungssystem 1 wirkt, und den von dem Kupplungsaktor zurückgelegten Weg direkt zu messen, ist nahe der vollumfänglich magnetisierten Gewindespindel 5 mindestens ein eine Spule 8.1 umfassender Magnetfeldsensor 8 angeordnet (2), 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.
3 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 Planetenrolle 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 einer ersten Magnetfeldmessung wird mit dem Magnetfeldsensor 8 bleibt die Spule 8.1 unbestromt, d.h. dass es liegt kein Spulenmagnetfeld an. In 4 sind verschiedene Zustände der ersten 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 4a 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 4b 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 (Planetenrolle 9) 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 einer zweiten Messung des Magnetfeldsensors 8 wird die Spule bestromt, um den von der Gewindespindel 5 zurückgelegten Weg zu messen. Dabei erzeugt die Spule ein Spulenmagnetfeld, in welchem sich die Gewindespindel bewegt. Dabei wird durch die metallische Gewindespindel 5 das Spulenmagnetfeld verändert, was von dem Magnetfeldsensor detektiert wird. Das durch die Magnetostriktion hervorgerufene Magnetfeld, welches in der ersten Messung bestimmt wurde, wird von dem in der zweiten Messung ermittelten Magnetfeld abgezogen, da sich die beiden Magnetfelder überlagern. Aus der Differenz wird durch die Auswerteschaltung der Weg bestimmt, den die Gewindespindel 5 zurückgelegt.
Sowohl die erste als auch die zweite Magnetfeldmessung erfolgen unmittelbar hintereinander, so dass Kraft und Weg sich während der beiden Messvorgänge nicht signifikant ändern.
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
8.1: Spule
9: Planetenrolle eines Planetenwälzgetriebes
10: Lager
11: Kugellager
12: Kugellager
13: Stator
14: Trägergehäuse

Claims

Verfahren zur Ansteuerung eines Kupplungsbetätigungssystems, bei welchem die Ansteuerung einer Kupplung in Abhängigkeit eines im Kupplungsbetätigungssystem auftretenden veränderlichen Parameters erfolgt, wobei als der Parameter ein von dem Kupplungsaktor (2) zurückgelegter Weg gemessen wird und wobei neben dem Weg eine in dem Kupplungsaktor (2) des Kupplungsbetätigungssystems (1) auftretende Kraft als Parameter verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Magnetfelder mittels eines eine Spule (8.1) umfassenden Magnetfeldsensors (8) gemessenen werden und in Abhängigkeit des ersten gemessenen Magnetfeldes die Kraft und aus dem zweiten gemessenen Magnetfeld der Weg bestimmt werden, die Spule (8.1) während der ersten Messung des sich kraftabhängig auf Grund von Materialspannungen ändernden Magnetfeldes in einem aufmagnetisierten Bauteil (5) des Kupplungsaktors (2) zur Bestimmung einer magnetostriktive Kraft unbestromt bleibt, und die Spule (8.1) während der zweiten Messung zur Wegbestimmung zur Ausbildung eines Spulenmagnetfeldes bestromt wird, wobei das Ergebnis des während der ersten Messung ermittelten Magnetfeldes von dem Ergebnis des während der zweiten Messung detektierten Magnetfeldes abgezogen wird, wobei aus der Differenz der beiden Magnetfelder der von dem Kupplungsaktor (2) zurückgelegte Weg ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Messungen unmittelbar nacheinander erfolgen.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kraft und Weg einer im Kupplungsaktor (2) angeordneten axial beweglichen Gewindespindel (5) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch den die unbestromte Spule (8.1) umfassenden Magnetfeldsensor (8) zur Kraftbestimmung ein vektorieller Anteil des Magnetfeldes der Gewindespindel (5) gemessen und ausgewertet wird.
Kupplungsbetätigungssystem, welches zur Durchführung des Verfahrens zur Ansteuerung eines Kupplungsbetätigungssystems nach einem der vorigen Ansprüche eingerichtet ist, 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 nahe der aufmagnetisierten Gewindespindel (5) in deren axialer Erstreckung mindestens ein eine Spule (8.1) umfassender Magnetfeldsensor (8) zur Messung eines aus der Gewindespindel (5) austretenden Magnetfeldes bei unbestromter Spule (8.1) und zur Messung eines von der Gewindespindel (5) zurückgelegten Weges im bestromten Zustand der Spule (8.1) positioniert ist, wobei der Magnetfeldsensor (8) mit einer Auswerteschaltung (3) zur Bestimmung einer auf die aufmagnetisierte Gewindespindel (5) wirkenden Kraft aus dem ersten gemessenen Magnetfeld und zur Bestimmung eines Weges aus dem zweiten gemessenen Magnetfeld verbunden ist.
Kupplungsbetätigungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (5) in einem Querschnitt geschlossen magnetisiert ist.