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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Echtzeit-Überwachung einer elektromagnetisch betätigten Klauenkupplung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Es wird eine elektromagnetisch betätigte Klauenkupplung betrachtet, die insbesondere in einem Getriebe eines Fahrzeugs verbaut ist. Über die Lebensdauer nimmt die Länge der Verzahnung infolge von Abrasion durch Rutschen der Verzahnung gegeneinander bzw. übereinander beim Schließen der Klauenkupplung ab. Bei Unterschreiten einer Mindestlänge ist die Überdeckung der Verzahnung im eingeklauten Zustand nicht mehr ausreichend zur beschädigungsfreien Aufnahme der erforderlichen Drehmomente. Es ist also eine kontinuierliche Überwachung der Zahnlänge nötig, um Beschädigungen an der Kupplung zu vermeiden.
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Es sind Verfahren bekannt, die eine Positionsbestimmung des Ankers einer Kupplung ohne Sensoren vornehmen, wie z.B. in der
DE 10 2013 211 989 B4 offenbart. Allerdings können die bekannten Verfahren noch weiter verbessert werden.
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Es ist also eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur Überwachung einer elektromagnetisch betätigten Klauenkupplung bereitzustellen. Vorteilhafterweise dient das Verfahren zur Überwachung des Verschleißes.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bereitgestellt wird ein Verfahren zur Echtzeit-Überwachung einer elektromagnetisch betätigten Klauenkupplung, umfassend einen Magnetanker, bei dem basierend auf simultanen transienten Echtzeit-Schätzungen der Position des Magnetankers in einem ersten Schritt eine Bestimmung des Zeitpunkts einer Kollision von einem oder mehreren Zähnen der Klauenkupplung erfolgt, in einem zweiten Schritt eine Ermittlung der Position des Magnetankers zum Zeitpunkt der Kollision erfolgt, und in einem dritten Schritt eine Auswertung des Positionssignals an den erkannten Kollisionszeitpunkten erfolgt, sowie eine Ermittlung, ob die Kollision in einer Zahn-auf-Zahn-Stellung oder in einer anderen Position der Klauenkupplung erfolgte.
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Durch das Verfahren kann eine einfache Rekonstruktion der Zahnlänge bzw. Änderung der Zahnlänge mittels Verfahren zur simultanen Echtzeit-Rekonstruktion der Ankerposition aus den einfach und in Echtzeit zu erfassenden elektrischen Schnittstellengrößen wie Spulenspannung und Spulenstrom der Magnetspule des Ankers der Klauenkupplung erfolgen. Es müssen also keine separaten Diagnose-verfahren vor Inbetriebnahme der Kupplung durchgeführt werden. Durch das Verfahren kann eine Unterscheidung zwischen einer Zahn-auf-Zahn-Position und einer anderen, insbesondere einer mechanischen Endposition, in Echtzeit, d.h. während des Betriebs, erfolgen.
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In einer Ausgestaltung erfolgt in einem vierten Schritt ein Abspeichern der Position des Magnetankers der Klauenkupplung zum erfassten Kollisionszeitpunkt aus dem zweiten Schritt als Zahn-auf-Zahn-Position, wenn im dritten Schritt bestimmt wurde, dass die Kollision in einer Zahn-auf-Zahn-Stellung erfolgte. Somit kann eine Trendermittlung basierend auf den gemessenen Größen erfolgen.
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In einer Ausgestaltung wird die Länge zumindest eines der kollidierenden Zähne oder eine Änderung der Länge zumindest eines der kollidierenden Zähne abhängig von der Position des Magnetankers und dem Zeitpunkt der Kollision bestimmt, wenn im dritten Schritt bestimmt wurde, dass die Kollision in einer Zahn-auf-Zahn-Stellung erfolgte. Durch diese Bestimmung kann der Grad des Verschleißes der Zähne ermittelt werden. Die Ermittlung erfolgt während des Betriebs der Kupplung, d.h. in Echtzeit, so dass keine Versuchsreihen, welche wiederum fehlerbehaftet sein können, im Vorfeld durchgeführt werden müssen.
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In einer Ausgestaltung erfolgt basierend auf der Position des Magnetankers ein Erfassen des Trends des Verschleißes für den zumindest einen der kollidierenden Zähne.
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Durch Ermittlung eines Trends können präventive Maßnahmen zur Verringerung des Verschleißes eingeleitet werden, wenn nötig.
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In einer Ausgestaltung ist der Zeitpunkt, an dem eine sprungförmige Änderung der Geschwindigkeit des Magnetankers oder eine impulsförmige Änderung der Beschleunigung des Magnetankers erfasst wird, als der Zeitpunkt der Kollision von einem oder mehreren Zähnen der Klauenkupplung festgelegt.
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In einer Ausgestaltung erfolgt die Ermittlung der Position des Magnetankers im zweiten Schritt durch Auswerten eines rekonstruierten transienten Positionssignals des Magnetankers zum ermittelten Kollisionszeitpunkt.
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Ein derartiges Verfahren hat den Vorteil, dass es keinen dedizierten Sensor für die Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Magnetankers erfordert und somit wegen der praktisch besonders einfach zu realisierenden Spannungs- und Strommessung mit dem elektronischen Steuergerät des elektromagnetischen Klauenaktors besonders preisgünstig ist.
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In einer Ausgestaltung erfolgt die Ermittlung im dritten Schritt, ob die Kollision in einer Zahn-auf-Zahn-Stellung oder in einer anderen Position der Klauenkupplung erfolgte, basierend auf einem Vergleich der zum selben Zeitpunkt ermittelten Position des Magnetankers mit einem durch eine Kollision hervorgerufenen, bei einem Nulldurchgang nach Unterschreiten des Schwellwerts ermittelten Ruck.
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Durch den Vergleich der ermittelten Position gegen einen Schwellwert kann auf einfache Weise mit hoher Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden, dass fälschlicherweise die Position bei der Kollision in der mechanischen Endlage, also falls während des Einlegens der Klaue keine Kollision in der Zahn-auf-Zahn-Stellung stattgefunden hatte, zur Ermittlung des Verschleißes der Verzahnung genutzt wird.
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Ferner wird eine Steuereinrichtung bereitgestellt, die dazu eingerichtet ist, das beschriebene Verfahren durchzuführen.
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Ferner wird ein Computerprogramm mit Programmcode bereitgestellt, welches das Verfahren umsetzt, wenn es auf einer Steuereinrichtung ausgeführt wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt Mess-Diagramme zur Auswertung des Verhaltens einer Klauenkupplung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Bei elektromagnetisch betätigten Klauenkupplungen handelt es sich um schaltende Aktoren mit drei diskreten Schaltpositionen, nämlich den beiden mechanischen Endanschlägen und der sogenannten Zahn-auf-Zahn-Stellung. Die Zahn-auf-Zahn-Stellung liegt dann vor, wenn beim Einlegen der Klaue die Verzahnungen stirnseitig kollidieren und somit noch keine Überdeckung der Zähne vorliegt und keine Momentenübertragung über die Klauenkupplung möglich ist.
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Ein Verharren des Aktors in der Zahn-auf-Zahn-Stellung führt bei einer Drehzahldifferenz zwischen den beiden Klauenverzahnungen zu einem sogenannten Ratschen und somit zum stirnseitigen Abrieb der Zähne, vor allem wenn ein hohes Drehmoment angelegt wird, bevor die Kupplung geschlossen ist, d.h. die Zähne ineinander greifen. Die Zähne werden also über die Lebensdauer des Aktors kürzer. Mit kürzer werdenden Zähnen wiederum verändert sich auch diejenige Position des Magnetankers, bei der die Zahn-auf-Zahn-Stellung erreicht wird. Diese Ankerposition wird im Folgenden als Zahn-auf-Zahn-Position bezeichnet.
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Aus der Kenntnis der Zahn-auf-Zahn-Position kann also auf die verbleibende Länge der Zähne geschlossen werden. Alternativ kann durch Vergleich der aktuellen Zahn-auf-Zahn-Position mit derjenigen im Neuzustand des Aktors auf die Veränderung der Zahnlänge geschlossen werden. Eine Ermittlung der Zahn-auf-Zahn-Position des Magnetankers erlaubt also eine Überwachung des Verschleißes der Verzahnung.
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Die vorliegende Erfindung macht sich das Prinzip der sensorlosen Rekonstruktion von Zustandsgrößen, hier der Zahn-auf-Zahn-Position einer Klauenkupplung, zu eigen. Wie oben beschrieben sind elektromagnetisch betätigte Klauenkupplungen schaltende Aktoren mit drei diskreten Schaltpositionen, nämlich den beiden mechanischen Endanschlägen E und der sogenannten Zahn-auf-Zahn ZaZ-Stellung. Die Zahn-auf-Zahn-Stellung ZaZ liegt dann vor, wenn beim Einlegen der Klaue die Verzahnungen stirnseitig kollidieren und somit noch keine Überdeckung der Zähne vorliegt, also keine Momentenübertragung über die Klauenkupplung möglich ist.
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Kern der Erfindung ist die Rekonstruktion der Zahnlänge mittels Verfahren zur simultanen Echtzeit-Rekonstruktion der Ankerposition aus einfach zu erfassenden elektrischen Schnittstellengrößen, also vor allem Spulenspannung und Spulenstrom der Magnetspule des Ankers.
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Die Ermittlung der Zahn-auf-Zahn-Position erfolgt erfindungsgemäß während des Einlegens der Klaue, d.h. während den Schaltvorgängen der Klauenkupplung, bei denen sich die Verzahnungen der Klauenkupplung aufeinander zu bewegen. Je nach Spiel in der Verzahnung wird bei anteilig wenigen oder anteilig vielen dieser Schaltvorgänge eine stirnseitige Kollision der Verzahnungen stattfinden, also mehr oder weniger häufig die Zahn-auf-Zahn-Stellung zumindest kurzzeitig erreicht. Bei geringem Zahnspiel werden die Stirnseiten der Zähne verhältnismäßig häufig während des Einlegens der Klaue kollidieren, bei großem Zahnspiel hingegen verhältnismäßig selten. In jedem Fall wird es bei einer hinreichend großen Anzahl von Einlegevorgängen eine oder mehrere Fälle geben, in denen eine Kollision in der Zahn-auf-Zahn-Stellung stattfindet.
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Die Rekonstruktion der Zahn-auf-Zahn-Position ZaZ des Magnetankers erfolgt dabei in nachfolgend beschriebenen Schritten während des Einlegens der Klaue, wie auch in 2 durch Diagramme mit realistischen Messwerten dargestellt ist.
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Gemäß dem in 1 gezeigten Verfahren erfolgt zuerst (Schritt 1) eine Erfassung des Zeitpunkts einer Kollision von einem oder mehreren Zähnen. Als nächstes (Schritt 2) erfolgt eine Ermittlung der Ankerposition zum Zeitpunkt der Kollision. Danach (Schritt 3) erfolgt eine Unterscheidung, ob die Kollision im mechanischen Endanschlag oder in der Zahn-auf-Zahn-Stellung stattfand.
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Für die Schritte 1 bis 3 der oben genannten Rekonstruktion der Zahn-auf-Zahn-Position wird vorteilhafterweise ein Verfahren zur Rekonstruktion der transienten bzw. dynamischen Position des Magnetankers aus der Spulenspannung und dem Spulenstrom genutzt, z.B. ein Verfahren, bei dem kein dedizierter Sensor für die Ankerposition, die Ankergeschwindigkeit oder Ankerbeschleunigung erforderlich ist und somit wegen der praktisch besonders einfach zu realisierenden Spannungs- und Strommessung mit dem elektronischen Steuergerät des elektromagnetischen Klauenaktors besonders preisgünstig ist.
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Bisher verwendete Verfahren, welche keine Sensoren verwenden, ziehen lediglich die Ankerposition, die Ankergeschwindigkeit und in einzelnen Fällen noch die Ströme in die Berechnungen des Beobachters mit ein.
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Zur transienten bzw. dynamischen oben genannten Überwachung wird ein (von der Anmelderin ebenfalls angemeldetes) Verfahren angewendet, das basierend auf einem erfassten elektrischen Strom (und evtl. auch einer erfassten Spannung) eine Rekonstruktion von Zustandsgrößen eines elektromagnetischen Aktors mittels eines Beobachters durchführt. Zusätzlich zu den bekannten Beobachtern, welche die Dynamik des Aktors beschreiben, werden hier weitere bisher nicht betrachtete und komplex in das Modell einzubindende Komponenten oder Parameter betrachtet. Solche Parameter sind beispielsweise die Temperatur der Magnetspule, der elektrische Widerstand der Magnetspule, ein Anteil der auf den Anker wirkenden Kraft oder ein Vielfaches davon, Wirbelströme, ein oder mehrere Operatoren, die eine gedächtnisbehaftete Nichtlinearität nachbilden. Auch kann dem Stellsignal für mindestens eine Magnetspule des Aktors ein Dither-Signal überlagert werden.
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Durch die simultane Echtzeit-Rekonstruktion von bisher nicht in Betracht gezogenen Zustandsgrößen des Aktors basierend auf gemessenen Größen, d.h. ohne dedizierte Sensoren zur Bestimmung der Zustandsgrößen, kann das Verfahren sowohl für langsame als auch für schnelle Aktorbewegungen während des Betriebs, also in Echtzeit, verwendet werden.
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Außerdem kann durch das erfindungsgemäße Verfahren, vor allem den eine Vielzahl an bisher nicht beachteten Parametern einbeziehenden Beobachter, eine höhere Genauigkeit und bessere Robustheit z.B. gegenüber variierender Aktortemperaturen und damit gegenüber variierenden Ohm'schen Widerständen der Aktorspule erzielt werden. Ferner kann eine vereinfachte Integration in vorhandene Systeme bzw. Steuerungen bzw. Regelungen erfolgen, da das Verfahren keine spezielle Ansteuerung z.B. einer sprungförmigen Änderung der Spulenspannung und hinreichend langes Warten erfordert.
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Es wird also im Folgenden davon ausgegangen, dass während des Schaltvorgangs ein transientes bzw. dynamisches Positionssignal des Magnetankers zu jedem Zeitpunkt, also in Echtzeit, zur Verfügung steht. Ein Ausführungsbeispiel der Schritte 1 bis 3 wird nachfolgend dargestellt und ist in 2 als Mess-Diagramme zur Auswertung des Verhaltens einer Klauenkupplung mit realistischen Messwerten gezeigt.
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Das obere Diagramm in 2 zeigt dabei über die Zeit in Sekunden einen je nach Öffnungsstellung der Klauenkupplung vorhandenen, messbaren Luftspalt in Millimeter. Das untere Diagramm in 2 zeigt wieder über die Zeit in Sekunden eine Messwertkurve, die einen aufgrund einer Kollision von einem oder mehreren Zähnen auftretenden Ruck in m/s3 dargestellt. Dieser Ruck erfolgt sowohl bei einer Zahn-auf-Zahn-Position ZaZ als auch beim mechanischen Endanschlag E. Die Zahn-auf-Zahn-Position ZaZ wird bestimmt, indem ein erster Nulldurchgang, d.h. ein Ruck, nach Unterschreiten eines Schwellwert S anzeigt, dass die Zahn-auf-Zahn-Position erreicht wurde.
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Für Schritt 1, der Detektion des Zeitpunkts einer Kollision, also der ZaZ-Position in 2, kann vorteilhaft ausgenutzt werden, dass eine Kollision mit einer näherungsweise sprungförmigen Änderung der Ankergeschwindigkeit einhergeht. Entsprechend wird sich die Ankerbeschleunigung näherungsweise impulsförmig ändern. Für eine präzise Ermittlung des Zeitpunktes der näherungsweise sprungförmigen Geschwindigkeitsänderung bzw. näherungsweise impulsförmigen Beschleunigungsänderung (was gleichbedeutend ist) wiederum sind zahlreiche Verfahren bekannt, z.B. basierend auf differenzierenden Filtern.
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Ist nun der Zeitpunkt der Kollision bekannt, wird in Schritt 2, der Ermittlung der Ankerposition zum Zeitpunkt der Kollision, das rekonstruierte transiente Positions-signal des Magnetankers zum im Schritt 1 ermittelten Zeitpunkt ausgewertet. Eine Kollisionserkennung erfolgt bei Nulldurchgang des durch die kollidierenden Zähne entstehenden Rucks nach Unterschreiten des Schwellwerts, wie auch in 2 gezeigt.
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In Schritt 3 erfolgt eine Auswertung des Positionssignals bei den erkannten Kollisionszeitpunkten. Das heißt, dass die Information der Zahn-auf-Zahn-Position bzw. Endlage bestimmt wird. Es erfolgt also eine Unterscheidung, ob die Kollision im mechanischen Endanschlag oder in der Zahn-auf-Zahn-Stellung stattfand.
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Im einfachsten Fall kann die ermittelte Position gegen einen Schwellwert verglichen werden, um zu erkennen, ob eine ZaZ-Position erreicht wurde oder ob es sich um eine andere Position, z.B. einen mechanischen Endanschlag E, handelt. Hierdurch kann auf einfache Weise mit hoher Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden, dass fälschlicherweise die Position bei der Kollision in der mechanischen Endlage E, also falls während des Einlegens der Klaue keine Kollision in der Zahn-auf-Zahn-Stellung stattgefunden hatte, zur Ermittlung des Verschleißes bzw. der (verbleibenden) Länge der Verzahnung genutzt wird.
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In einem weiteren Schritt 4 wird, falls die Kollision in der Zahn-auf-Zahn-Stellung stattfand, die Ankerposition zum erfassten Kollisionszeitpunkt aus Schritt 2 als Zahn-auf-Zahn-Position ZaZ gespeichert. Andernfalls wird die Ankerposition aus Schritt 2 verworfen.
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Nach einer hinreichend großen Anzahl von Schaltvorgängen wird also ein aktualisierter Wert der Zahn-auf-Zahn-Position ermittelt und steht somit zur Überwachung des Verschleißes der Klauenverzahnung zur Verfügung. Bei hinreichend kleinem Zahnspiel wird sogar bei fast jedem Einlegevorgang eine Kollision in der Zahn-auf-Zahn-Stellung stattfinden und somit auch bei fast jedem Schaltvorgang ein aktualisierter Wert für die verbleibende Länge der Klauenverzahnung ermittelt.
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Folgende Vorteile ergeben sich aus der sensorlosen Rekonstruktion der Zahnlänge bzw. Änderung der Zahnlänge:
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Eine Bestimmung sicherheitskritischer Eigenschaften wie der Zahnlänge aus einfach zu messenden elektrischen Größen ist möglich.
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Es müssen keine separaten Diagnoseabläufe durchgeführt werden. Die Ermittlung der Zahnlänge erfolgt simultan zu den normalen Betätigungsvorgängen der Kupplung.
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Die interessierende Information, also die verbleibende Zahnlänge, wird wegen der simultanen Ermittlung bei jedem Betätigungsvorgang sehr häufig ermittelt. Durch die Vielzahl an Messwerten können Ermittlungsfehler, z.B. Messrauschen, gut numerisch ausgeglichen werden, bspw. mit Tiefpassfiltern. Ferner werden weiterführende statistische Auswertungen möglich, bspw. Trendermittlung zur präventiven Wartung.
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Es sind keine Messinformationen, wie z.B. Drehzahlen, zur Erkennung der Schaltposition der Klaue erforderlich. Der Kupplungsaktor generiert die benötigten Informationen autark, was die elektrische Schnittstelle des Kupplungssystems und somit die Systemintegration vereinfacht und die Plattformfähigkeit verbessert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013211989 B4 [0003]
