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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrohydraulische Betätigungsvorrichtung für eine Kraftfahrzeug-Reibungskupplung.
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Stand der Technik
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Herkömmliche hydraulische Betätigungsvorrichtungen für Kraftfahrzeugkupplungen, insbesondere Reibkupplungen, weisen einen Geberzylinder und einen Nehmerzylinder auf. Der Geberzylinder ist an einen mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Ausgleichsbehälter angeschlossen und umfasst einen Geberkolben, der über ein Betätigungsorgan, wie ein Kupplungspedal, mit Kraft beaufschlagbar und verschiebbar ist. Der Geberzylinder und der Nehmerzylinder sind über eine Druckleitung hydraulisch verbunden. Bei dem Nehmerzylinder kann es sich beispielsweise um einen Nehmerzylinder mit einem zylindrischen Kolben oder aber um einen sogenannten Zentralausrücker mit einem in Bezug auf eine Getriebeeingangswelle konzentrisch angeordneten Ringkolben handeln. Wird das Kupplungspedal durch den Kraftfahrzeuglenker mechanisch betätigt, d.h. mit dem Fuß niedergetreten, so wird der im Geberzylinder erzeugte Druck über die Flüssigkeitssäule in der Druckleitung auf den Nehmerzylinder übertragen. Im Ergebnis wird das Ausrückelement der Kupplung über den Nehmerzylinderkolben mit einer Betätigungskraft beaufschlagt, um über einen Ausrückmechanismus die Kupplungsdruckplatte zu versetzen und somit den Motor von dem Getriebe des Kraftfahrzeugs zu trennen.
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An moderne Kraftfahrzeuge werden immer mehr Anforderungen, wie beispielsweise eine stärkere Motorisierung bei möglichst niedrigem Kraftstoffverbrauch, gestellt. Eine stärkere Motorisierung des Kraftfahrzeugs bedingt, dass Kraftfahrzeugkupplungen immer höhere Drehmomente übertragen müssen. Im Ergebnis werden die Kraftfahrzeugkupplungen immer stärker dimensioniert, was mit einer enormen Erhöhung der Betätigungskraft zum Ausrücken der Kraftfahrzeugkupplung einhergeht. Bei einer konventionellen hydraulischen Betätigungsvorrichtung, wie oben beschrieben, führt dies zu einem hohen Kraftbedarf am Kupplungspedal, wodurch das Bediengefühl des Kupplungspedals für den Kraftfahrzeuglenker erheblich negativ beeinflusst wird. Im Stand der Technik sind dazu Lösungen bekannt, bei denen beispielsweise der Geberkolben des Geberzylinders stets, zum Beispiel
US 4,918,921 , oder wahlweise, zum Beispiel
US 5,002,166 , über ein mittels eines Elektromotors antreibbares Getriebe kraftbeaufschlagbar und verschiebbar ist.
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Derartige Kupplungs-Betätigungsvorrichtungen bedürfen oftmals einer aufwendigen Regelung um unterschiedlichen Betriebszuständen der Betätigungsvorrichtung gerecht zu werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine elektrohydraulische Betätigungsvorrichtung für eine Kraftfahrzeug-Reibungskupplung anzugeben, die sich durch einen einfachen und kostenoptimierten Aufbau auszeichnet, der es erlaubt unterschiedlichen Betriebszuständen der Betätigungsvorrichtung gerecht zu werden.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine elektrohydraulische Betätigungsvorrichtung für eine Kraftfahrzeug-Reibungskupplung umfassend eine Pedaleinheit mit einem Kupplungspedal und einem Geberzylinder, der einen Geberkolben aufweist, wobei der Geberkolben über eine mechanische Betätigung des Kupplungspedals um einen Geberkolbenweg verschiebbar ist, ein erstes Sensorelement, wobei das erste Sensorelement einen Kupplungspedalweg des Kupplungspedals oder den Geberkolbenweg des Geberkolbens erfasst, eine Aktuatoreinheit mit einem Elektromotor und einem Zwischenzylinder, der zumindest einen Zwischenkolben, welcher über eine erste Druckleitung mit dem Geberkolben hydraulisch verbunden ist, aufweist, wobei der Zwischenkolben über den Geberkolben und/oder den Elektromotor verschiebbar ist, ein zweites Sensorelement, wobei das zweite Sensorelement einen Drehwinkel des Elektromotors erfasst, eine Kupplungseinheit mit einer Reibungskupplung und einem Nehmerzylinder, der einen Nehmerkolben, welcher über eine zweite Druckleitung mit dem Zwischenkolben hydraulisch verbunden ist, aufweist, wobei der Nehmerkolben über den Zwischenkolben verschiebbar ist, eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit mit dem ersten Sensorelement und dem zweiten Sensorelement signalverbunden ist und sowohl ein erstes Regelglied wie auch ein zweites Regelglied aufweist, wobei je nach Betriebszustand der elektrohydraulischen Betätigungsvorrichtung das erste Regelglied über das Signal des zweiten Sensorelements und das zweite Regelglied über das Signal des ersten Sensorelements und des zweiten Sensorelements einen Sollwert für einen Stellweg des Nehmerkolbens ermittelt und der Elektromotor diesen Sollwert einregelt.
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Die erfindungsgemäße elektrohydraulische Betätigungsvorrichtung umfasst erfindungsgemäß eine Pedaleinheit, eine Aktuatoreinheit, eine Kupplungseinheit, eine Steuereinheit, sowie ein erstes Sensorelement und ein zweites Sensorelement.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Pedaleinheit ein Kupplungspedal und einen Geberzylinder. Der Geberzylinder weist einen Geberkolben auf, der über eine mechanische Betätigung des Kupplungspedals um einen Geberkolbenweg verschiebbar ist.
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Das erste Sensorelement der elektrohydraulischen Betätigungsvorrichtung erfasst erfindungsgemäß einen Kupplungspedalweg des Kupplungspedals oder den Geberkolbenweg des Geberkolbens erfasst. Das erste Sensorelement kann somit beispielsweise als ein Wegsensor ausgebildet sein. Eine Ausbildung des ersten Sensorelements als Drehwinkelsensor ist jedoch auch vorstellbar.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung weist die Aktuatoreinheit einen Elektromotor und einen Zwischenzylinder auf. Der Zwischenzylinder umfasst erfindungsgemäß zumindest einen Zwischenkolben, der über eine erste Druckleitung mit dem Geberkolben des Geberzylinders hydraulisch verbunden ist. Weiterhin ist der Zwischenkolben erfindungsgemäß über den Geberkolben und/oder den Elektromotor verschiebbar.
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Das zweite Sensorelement erfasst erfindungsgemäß einen Drehwinkel des Elektromotors. Das zweite Sensorelement kann somit beispielsweise als ein Drehwinkelsensor ausgebildet sein.
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Die Kupplungseinheit umfasst erfindungsgemäß eine Reibungskupplung und einem Nehmerzylinder, der einen Nehmerkolben, welcher über eine zweite Druckleitung mit dem Zwischenkolben hydraulisch verbunden ist, aufweist. Der Nehmerkolben ist erfindungsgemäß über den Zwischenkolben verschiebbar.
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Der Geberzylinder, der Zwischenzylinder und der Nehmerzylinder sind somit hydraulisch in Reihe geschaltet.
x
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Steuereinheit mit dem ersten Sensorelement und dem zweiten Sensorelement signalverbunden. Die Steuereinheit weist erfindungsgemäß sowohl ein erstes Regelglied wie auch ein zweites Regelglied auf, wobei je nach Betriebszustand der elektrohydraulischen Betätigungsvorrichtung das erste Regelglied über das Signal des zweiten Sensorelements und das zweite Regelglied über das Signal des ersten Sensorelements und des zweiten Sensorelements einen Sollwert für einen Stellweg des Nehmerkolbens ermittelt und der Elektromotor diesen Sollwert einregelt.
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Unter der Begrifflichkeit „Betriebszustände der elektrohydraulischen Betätigungsvorrichtung“ sind insbesondere zwei Betriebszustände, nämlich ein erster Betriebszustand und ein zweiter Betriebszustand, zusammengefasst.
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Der erste Betriebszustand beschreibt einen Betriebszustand der elektrohydraulischen Betätigungsvorrichtung in dem die Reibungskupplung autonom, d.h. ohne mechanische Betätigung des Kupplungspedals durch den Fahrer, ausgekuppelt wird. Dieser Betriebszustand wird umgangssprachlich auch als „Segeln“ bezeichnet und trägt erheblich zu einem kraftstoffoptimierten Betrieb des Kraftfahrzeugs bei.
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Der zweite Betriebszustand beschreibt einen Betriebszustand der elektrohydraulischen Betätigungsvorrichtung in dem eine mechanische Kupplungspedalbetätigung des Fahrers kraftbezogen unterstützt wird. Derart kann das Bedienverhalten des Kupplungspedals dem gewünschten Fahrkomfort entsprechend eingestellt werden.
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Die erfindungsgemäße elektrohydraulische Betätigungsvorrichtung erlaubt sowohl die Reibungskupplung während des Fahren, unabhängig von einem durch den Fahrer ausgelösten Auskuppelvorgang an dem Kupplungspedal, zu öffnen (erster Betriebszustand der elektrohydraulischen Betätigungsvorrichtung), wie auch den Fahrer während des Auskuppelvorgangs zu unterstützen (zweiter Betriebszustand der elektrohydraulischen Betätigungsvorrichtung).
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
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Das erste Regelglied umfasst bevorzugt eine Kennlinie, wobei die Kennlinie den Zusammenhang zwischen dem Stellweg des Nehmerkolbens und dem Reibungskupplungsmoment beschreibt.
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Weiterhin umfasst das zweite Regelglied einen mathematischen Zusammenhang, nämlich
mit s
Zwischenkolben: dem Stellweg des Zwischenkolbens, s
Geberkolben oder Kupplungspedal: dem mittels des ersten Sensorelements erfassten Geberkolbenweg des Geberkolbens oder dem mittels des ersten Sensorelements erfassten Kupplungspedalweg des Kupplungspedals, und k: einem in der Steuereinheit abgelegten Proportionalitätsfaktor. Der Proportianalitätsfaktor k kann dabei wiederum eine Funktion sein, die von weiteren Einflussgrößen wie Sensorelementen oder Fahrzuständen abhängig ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der elektrohydraulischen Betätigungsvorrichtung umfasst diese ein drittes Sensorelement, wobei das dritte Sensorelement mit der Steuereinheit signalverbunden ist und wobei das dritte Sensorelement in der zweiten Druckleitung angeordnet ist und den Druck in der zweiten Druckleitung erfasst.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrohydraulischen Betätigungsvorrichtung.
- 2 zeigt zum einen eine Kennlinie „Kupplungsmoment gegen Stellweg des Nehmerkolbens“ und zum anderen eine hysteresebehaftete Kennlinie „Ausrückkraft gegen Stellweg des Nehmerkolbens“.
- 3 zeigt schematisch eine bespielhafte Ausführung eines Zwischenzylinders
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt schematische eine elektrohydraulische Betätigungsvorrichtung 1 entsprechend der vorliegenden Erfindung. Die elektrohydraulische Betätigungsvorrichtung 1 dient der Betätigung einer Kraftfahrzeug-Reibungskupplung und weist eine Pedaleinheit 2, eine Aktuatoreinheit 7, eine Kupplungseinheit 13, eine Steuereinheit 18, sowie ein erstes Sensorelement 6, ein zweites Sensorelement 12 und ein drittes Sensorelement 19 auf.
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Die elektrohydraulische Betätigungsvorrichtung 1 läuft im Wesentlichen in zwei Betriebszuständen, nämlich einem ersten Betriebszustand und einem zweiten Betriebszustand. Der erste Betriebszustand beschreibt einen Betriebszustand der elektrohydraulischen Betätigungsvorrichtung 1 in dem die Reibungskupplung 14 autonom, d.h. ohne mechanische Betätigung des Kupplungspedals 3 durch den Fahrer, ausgekuppelt, also geöffnet, wird. Der zweite Betriebszustand beschreibt einen Betriebszustand der elektrohydraulischen Betätigungsvorrichtung 1 in dem eine mechanische Betätigung des Kupplungspedals 3 durch den Fahrers kraftbezogen unterstützt wird.
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Die Pedaleinheit 2 der elektrohydraulischen Betätigungsvorrichtung 1 weist ein Kupplungspedal 3 und einen Geberzylinder 4 auf. Der Geberzylinder 4 weist einen Geberkolben 5 auf, der über eine mechanische Betätigung des Kupplungspedals 3 um einen Geberkolbenweg sGeberkolben verschiebbar ist.
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Die Aktuatoreinheit 7 umfasst einen Elektromotor 8 und einen Zwischenzylinder 9. Der Zwischenzylinder 9 umfasst einen Zwischenkolben 10 und einen weiteren Zwischenkolben 20, die über eine erste Druckleitung 11 mit dem Geberkolben 5 des Geberzylinders 4 hydraulisch verbunden sind. Der Zwischenkolben 10 sowie der weitere Zwischenkolben 20 sind über den Geberkolben 5 und/oder den Elektromotor 8 verschiebbar.
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Die Kupplungseinheit 13 umfasst eine Reibungskupplung 14 und einem Nehmerzylinder 15, der einen Nehmerkolben 16 aufweist. Der Nehmerkolben 16 ist über eine zweite Druckleitung 17 mit dem Zwischenkolben 10 des Zwischenzylinders 9 hydraulisch verbunden und über den Zwischenkolben 10 des Zwischenzylinders 9 verschiebbar.
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Der Geberzylinder, der Zwischenzylinder und der Nehmerzylinder sind hydraulisch in Serie geschaltet.
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Das erste Sensorelement 6 der elektrohydraulischen Betätigungsvorrichtung 1 erfasst ist im Bereich der Pedaleinheit 2 angeordnet und erfasst einen Kupplungspedalweg sKupplungspedal des Kupplungspedals 3 oder den Geberkolbenweg sGeberkolben des Geberkolbens 5. Das erste Sensorelement 6 ein Wegsensor ausgebildet. Das zweite Sensorelement 12 ist im Bereich der Aktuatoreinheit 7 angeordnet und erfasst einen Drehwinkel des Elektromotors 8. Das zweite Sensorelement 12 ist als ein Drehwinkelsensor ausgebildet.
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Die Steuereinheit 18 ist ebenso im Bereich der Aktuatoreinheit 7 angeordnet und mit dem ersten Sensorelement 6 und dem zweiten Sensorelement 12 signalverbunden. Die Steuereinheit 18 weist ein erstes Regelglied wie auch ein zweites Regelglied auf. Das erste Regelglied umfasst eine Kennlinie und ist derart ausgebildet, dass in dem ersten Betriebszustand der elektrohydraulischen Betätigungsvorrichtung 1 über das Signal des zweiten Sensorelements 12 ein Sollwert für einen Stellweg des Nehmerkolbens sNehmerkolben ermittelt wird und der Elektromotor 8 diesen Sollwert einregelt.
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Die gestrichelte Kennlinie in 2 beschreibt den Zusammenhang zwischen dem Stellweg des Nehmerkolbens sNehmerkolben (X-Achse) und der Kupplungsmoment y1, der Reibungskupplung 14 (rechte Y-Achse).
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Die durchgehende Kennlinie in 2 beschreibt den Zusammenhang zwischen dem Stellweg des Nehmerkolbens sNehmerkolben (X-Achse) und der Ausrückkraft y2 (linke Y-Achse).
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Die Ausrückkraft y2 beschreibt die Kraft, die über die Kupplungsfeder 22 an dem Nehmerkolben 16 wirkt.
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Während des ersten Betriebszustandes der elektrohydraulischen Betätigungsvorrichtung 1 wird die Reibungskupplung 14 unabhängig von dem Kupplungspedalweg sKupplungspedal oder dem Geberkolbenweg sGeberkolben betätigt. Der Steuereinheit 18 wird ein angefordertes Kupplungsmoment y1 der Reibungskupplung 14 von einem Fahrzeugregler 26 zugeführt. Über die in dem ersten Regelglied hinterlegte Kennlinie wird in Abhängigkeit von dem angeforderten Kupplungsmoment y1 der Reibungskupplung 14, zum Beispiel 0 Nm, ein Sollwert für den Stellweg des Nehmerkolbens sNehmerkolben ermittelt. Der Sollwert wird in eine Reglerkaskade zur Regelung des Elektromotors 8 weitergeleitet, die wiederum eine Strom- oder Spannungsvorgabe an den Elektromotor 8 weitergibt. Der Elektromotor 8 verschiebt über einen Spindeltrieb den Zwischenkolben 10 des Zwischenzylinders 9, wodurch wiederum Ölvolumen über die zweite Druckleitung 17 in den Nehmerzylinder 15 der Kupplungseinheit 13 geschoben wird. Der Nehmerkolben 16 des Nehmerzylinders 15 bewegt sich in Abhängigkeit von der Position des Zwischenkolbens 10 des Zwischenzylinders 9 und stellt ein übertragbares Kupplungsmoment y1 an der Reibungskupplung 14 ein.
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Das zweite Regelglied umfasst einen mathematischen Zusammenhang und ist derart ausgebildet, dass in dem zweiten Betriebszustand der elektrohydraulischen Betätigungsvorrichtung 1 über das Signal des ersten Sensorelements 6 ein Sollwert für einen Stellweg des Nehmerkolbens sNehmerkolben ermittelt wird und der Elektromotor 8 diesen Sollwert einregelt.
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Der mathematische Zusammenhang ist
mit
sZwischenkolben : dem Stellweg des Zwischenkolbens
10,
sGeberkolben oder Kupplungspedal: dem mittels des ersten Sensorelements
6 erfassten Geberkolbenweg des Geberkolbens
5 oder dem mittels des ersten Sensorelements
6 erfassten Kupplungspedalweg des Kupplungspedals
3, und
k: einem in der Steuereinheit
18 abgelegten Proportionalitätsfaktor, wobei der Proportionalitätsfaktor
k nicht konstant sein muss.
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Während des zweiten Betriebszustands der elektrohydraulischen Betätigungsvorrichtung 1 verfährt die Aktuatoreinheit 7, genauer der Zwischenkolben 10 des Zwischenzylinders 9, in Abhängigkeit zum Kupplungspedalweg sKupplungspedal oder in Abhängigkeit zum Geberkolbenweg sGeberkolben um dadurch die Kräfte an dem Kupplungspedal 3 zu reduzieren.
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Betätigt der Fahrer das Kupplungspedal 3, so wird Öl von dem Geberzylinder 4 über die erste Druckleitung 11 in den Zwischenzylinder 9 geschoben und verschiebt dort den Zwischenkolben 10 des Zwischenzylinders 9. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Zwischenzylinder 10 einen weiteren Zwischenkolben 20 auf. Der weitere Zwischenkolben 20 des Zwischenzylinders 9 steht an einem Anschlag 21 und wird nicht verschoben. Der Fahrer spürt an dem Kupplungspedal 3 zunächst die Gegenkraft einer Kupplungsfeder 22. Aufgrund der mechanischen Betätigung des Kupplungspedals 3 regelt die Aktuatoreinheit 7, genauer der Elektromotor 8 über die beiden Zwischenkolben 10, 20 des Zwischenzylinders 9, ihre Position nach und übernimmt die Führung des Zwischenkolbens 10 des Zwischenzylinders 9. Infolge der Bewegung des Elektromotors 8 wird der Anschlag 21 verschoben und der weitere Zwischenkolben 20 des Zwischenzylinders 9 freigegeben. Der Fahrer drückt nun mit dem Kupplungspedal 3 gegen den weiteren Zwischenkolben 20 des Zwischenzylinders 9 und spürt eine Vorspannkraft einer Tellerfeder 23 an dem weiteren Zwischenkolben 20. Die Charakteristik der Tellerfeder 23 ist maßgeblich für das Gefühl des Fahrers am Kupplungspedal 3 verantwortlich. Um den Übergang der Kraftführung von dem Zwischenkolben 10 auf den weiteren Zwischenkolben 20 für den Fahrer fließend zu gestalten, können die Anschläge 21, 21' der beiden Zwischenkolben 10, 20 des Zwischenzylinders 9 federnd ausgeführt werden.
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Das dritte Sensorelement 19 der elektrohydraulischen Betätigungsvorrichtung 1 ist mit der Steuereinheit 18 signalverbunden. Das dritte Sensorelement 19 ist in der zweiten Druckleitung 17 angeordnet und erfasst den Druck in der zweiten Druckleitung 17.
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Mit dem dritten Sensorelement 19 wird der Druckverlauf eines Kupplungsvorganges überwacht und mit der Kennlinie „Ausrückkraft y2 gegen den Stellweg des Nehmerkolbens sNehmerkolben “ verglichen. Bei Abweichungen wird korrigierend die Kennlinie „Kupplungsmoment y1 gegen den Stellweg des Nehmerkolbens sNehmerkolben “ adaptiert und somit auf unterschiedliche thermische und verschleißbedingte Betriebszustände eingegangen.
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Die Steuereinheit 18 ist mit dem Fahrzeugregler 26 verbunden. Über diese Verbindung werden Fahrzustände wie Fahrgeschwindigkeit, Gangwahl, Motordrehzahl, Drehzahl der Getriebeeingangswelle übermittelt und wirken auf die Regelglieder 6, 12 ein bzw. adaptieren die Kennlinie „Kupplungsmoment y1 gegen den Stellweg des Nehmerkolbens sNehmerkolben“.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrohydraulische Betätigungsvorrichtung
- 2
- Pedaleinheit
- 3
- Kupplungspedal
- 4
- Geberzylinder
- 5
- Geberkolben
- 6
- Erstes Sensorelement
- 7
- Aktuatoreinheit
- 8
- Elektromotor
- 9
- Zwischenzylinder
- 10
- Zwischenkolben
- 11
- Erste Druckleitung
- 12
- Zweites Sensorelement
- 13
- Kupplungseinheit
- 14
- Reibungskupplung
- 15
- Nehmerzylinder
- 16
- Nehmerkolben
- 17
- Zweite Druckleitung
- 18
- Steuereinheit
- 19
- Drittes Sensorelement
- 20
- Weiterer Zwischenkolben
- 21, 21'
- Anschlag
- 22
- Kupplungsfeder
- 23
- Tellerfeder
- 26
- Fahrzeugregler
- y1
- Kupplungsmoment (der Reibungskupplung)
- y2
- Ausrückkraft
- sZwischenkolben
- Stellweg des Zwischenkolbens
- sNehmerkolben
- Stellweg des Nehmerkolbens
- sGeberkolben oder Kupplungspedal
- Geberkolbenweg oder Kupplungspedalweg
- k
- Proportionalitätsfaktor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4918921 [0003]
- US 5002166 [0003]