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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen eines elektrischen Kupplungsaktuators. Außerdem betrifft die Erfindung einen elektrischen Kupplungsaktuator, der eine derartige Überprüfungsfunktion aufweist. Im Rahmen dieser Erfindung werden die Begriffe „aufweisen“ und „umfassen“ synonym verwendet.
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Aus dem Stand der Technik sind Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor, Handschaltgetriebe und konventioneller, trockener Reibkupplung bekannt. Außerdem ist bekannt, dass die Reibkupplung durch eine automatisierte Kupplungsbetätigung angesteuert werden kann, wobei die automatisierte Kupplungsbetätigung vorteilhafterweise eine bistabile Ausprägung aufweist. Dies bedeutet, dass bei geöffneter Kupplung das Kupplungssystem bei stromloser Aktuatorik im geöffneten Zustand verbleibt. Außerhalb dieses Zustands, das heißt bei geschlossener oder teilweise geöffneter Kupplung schließt das Kupplungssystem komplett oder bleibt geschlossen, sobald die Aktuatorik stromlos geschaltet wird.
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Um eine solche Bistabilität zu erreichen, lassen sich Kurvenscheiben verwenden, auf deren Umfangsfläche ein Stößel anliegt, der die Kupplung betätigt. Die Kurvenscheibe wird von einem Antrieb, insbesondere einem Elektromotor, rotiert. Durch Rotation der Kurvenscheibe lässt sich somit die Kupplung einrücken und ausrücken.
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Zum Anlassen des Verbrennungsmotors ist eine abgesicherte Information erforderlich, dass sich die Kupplung tatsächlich in dem ausgerückten Zustand befindet. Ansonsten würde der Startvorgang bei geschlossenem Antriebsstrang vollführt werden, was zu vermeiden ist. Für den Fall, dass keine geeigneten Sensoren direkt an der Kupplung verfügbar sind, wird die abgesicherte Information oftmals aus der Kombination unterschiedlicher Signalquellen generiert, sodass beispielsweise eine Positionsinformation der Kupplungsaktuatorik, aus der rechnerisch auf die Kupplungsausrückposition geschlossen werden kann, mit weiteren Signalen plausibilisiert wird. Die weiteren Signale umfassen beispielsweise ein Druck-, Kraft- oder Stromsignal der Kupplungsbetätigung oder ein Signal, dass beim Getriebe der Neutralgang eingelegt ist.
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Allerdings stehen nicht immer Signale zur Plausibilisierung der Positionsinformationen der Kupplungsaktuatorik zur Verfügung. Teilweise stehen solche Signale zur Verfügung, jedoch ist die Signalqualität nicht ausreichend, um eine abgesicherte Information über den Kupplungszustand zu erhalten. Somit ist ein sicheres und zuverlässiges Erkennen einer Position der Kupplung oftmals nicht möglich.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein sicheres und zuverlässiges Überprüfen einer Position einer Kupplung und/oder eines Kupplungsaktuators. Insbesondere ist mit dem Verfahren eine abgesicherte Positionsinformation der Kupplung generierbar. Dadurch kann vor einem Starten eines Verbrennungsmotors sichergestellt werden, dass sich die Kupplung tatsächlich in einem ausgerückten Zustand befindet, um ein Starten mit geschlossenem Antriebsstrang zu vermeiden.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren ist vorgesehen, dass der elektrische Kupplungsaktuator eine über einen Elektromotor angetriebene Kurvenscheibe aufweist, die zumindest einen Aktuationsbereich mit sich veränderndem Radius entlang des Umfangs der Kurvenscheibe aufweist. Über einen an der Kurvenscheibe anliegenden Stößel ist ein Hydraulikkolben eines Hydrauliksystems zum Ausrücken und Einrücken der Kupplung bewegbar. Dies bedeutet, dass ein Rotieren der Kurvenscheibe in der Situation, in der der Stößel an dem Aktuationsbereich anliegt, eine lineare Verschiebung des Stößels bewirkt, da sich der Abstand zwischen Stößel und Rotationsachse der Kurvenscheibe aufgrund des sich verändernden Radius der Kurvenscheibe ebenfalls verändert. Die Kurvenscheibe weist vorteilhafterweise zwei an den Aktuationsbereich anschließende Ablagebereiche auf, an denen der Radius der Kurvenscheibe konstant ist. Wird die Kurvenscheibe rotiert, sodass der Stößel an einem dieser Ablagebereiche anliegt, so befindet sich das System in einem stabilen Zustand. Selbst wenn der elektrische Kupplungsaktuator stromlos geschaltet wird, kann ein Bewegen der Kupplung nicht stattfinden.
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Das Verfahren zum Überprüfen des elektrischen Kupplungsaktuators und/oder der Kupplung umfasst die folgenden Schritte: Zunächst erfolgt ein Rotieren der Kurvenscheibe derart, dass der Stößel an einer Prüfstartposition innerhalb des Aktuationsbereichs anliegt. An der Prüfstartposition ist die Kupplung durch das Hydrauliksystem zumindest teilweise ausgerückt. Besonders vorteilhaft befindet sich die Prüfstartposition unmittelbar an der Grenze zwischen Aktuationsbereich und einem der Ablagebereiche, sodass die Kupplung aufgrund der Lage des Stößels an der Kurvenscheibe nahezu vollständig ausgerückt ist. Das System befindet sich jedoch nicht in einem stabilen Zustand, da der Stößel weiterhin an dem Aktuationsbereich der Kurvenscheibe anliegt. Anschließend erfolgt ein Feststellen, dass der elektrische Kupplungsaktuator und/oder die Kupplung defekt ist, wenn, ausgehend von einer Ausrichtung der Kurvenscheibe, bei der der Stößel an der Prüfstartposition anliegt, eine Bewegung der Kurvenscheibe ohne Antriebskraft durch den Elektromotor von einer vordefinierten Bewegung abweicht. Dies bedeutet insbesondere, dass zum Durchführen des Schritts des Feststellens ein Abschalten des Elektromotors erfolgt. Somit wird der elektrische Kupplungsaktuator in einen stromlosen Zustand überführt. Aufgrund der Prüfstartposition ist zu erwarten, dass die Kurvenscheibe durch eine Rückstellkraft der Kupplung auf das Hydrauliksystem, und damit auf den Stößel, von dem Stößel bewegt wird. Es wird daher eine vordefinierte Bewegung der Kurvenscheibe erwartet. Somit erfolgt ein Erfassen der Bewegung der Kurvenscheibe als Funktion der Zeit, ausgehend von der Ausrichtung der Kurvenscheibe, in der der Stößel an der Prüfstartposition anliegt. Zuletzt erfolgt die Feststellung, dass der elektrische Kupplungsaktuator und/oder die Kupplung defekt ist, wenn besagte erfasste Bewegung von der besagten vordefinierten Bewegung abweicht. Insbesondere wird der Defekt festgestellt, wenn keinerlei Bewegung erfasst werden kann. Auch kann die vordefinierte Bewegung eine vordefinierte Geschwindigkeit umfassen, sodass besagter Defekt dann festgestellt wird, wenn die erfasste Bewegungsgeschwindigkeit der Kurvenscheibe von der vordefinierten Bewegungsgeschwindigkeit abweicht. Ein Defekt kann beispielsweise ein Leck in dem Hydrauliksystem oder eine gebrochene Rückstellfeder der Kupplung sein.
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Die Kurvenscheibe kann außerdem keine Positionsregelung aufweisen. In diesem Fall ist unter den Schritten des Rotierens der Kurvenscheibe in eine gewisse Ausrichtung ein Steuerbefehl, z.B. eine festgelegte Dauer der Bestromung, zu verstehen, der den Elektromotor zum Überführen der Kurvenscheibe in besagte, gewünschte Ausrichtung antreibt. Es lässt sich jedoch nicht verifizieren, ob die Kurvenscheibe sich tatsächlich in der gewünschten Position befindet, wenn das Ansteuern des Elektromotors beendet ist. Bei der Prüfstartposition handelt es sich in diesem Fall um eine Soll-Position, die durch eine vordefinierte Ansteuerung des Elektromotors zu erreichen ist. So wird die Prüfstartposition bei einem Defekt des Elektromotors, z.B. bei einem inkorrekt arbeitenden Schrittmotor, nicht erreicht.
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Durch das Verfahren lässt sich somit insbesondere feststellen, ob die Kupplung tatsächlich ausgerückt oder zumindest teilweise ausgerückt ist. Ist dies der Fall, so wird eine Rückstellfeder eine Gegenkraft auf dem Stößel ausüben, die bei Stromlosschalten des Elektromotors zu einer Rotation der Kurvenscheibe führen muss. Findet eine solche Rotation nicht oder nicht wie erwartet statt, so ist darauf zu schließen, dass sich die Kupplung nicht in einem ausgerückten Zustand befindet oder nicht soweit wie erwartet ausgerückt ist und daher keine Gegenkraft oder eine geringere Gegenkraft als erwartet erzeugt. Ein solches Feststellen ist insbesondere dann notwendig, wenn der elektrische Kupplungsaktuator einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs unterbrechen soll, wenn ein Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs gestartet wird. In diesem Fall kann durch das Verfahren verifiziert werden, ob der Antriebsstrang tatsächlich geöffnet ist.
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Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass während des Schritts des Feststellens der Defekt des elektrischen Kupplungsaktuators und/oder der Kupplung dann festgestellt wird, wenn die Kurvenscheibe in einer Ausrichtung verbleibt, in der der Stößel an der Prüfstartposition anliegt. Dies bedeutet, dass die Kurvenscheibe nach dem Abschalten des Elektromotors keine Bewegung vollführt. Dies bedeutet, dass der Stößel selbst kraftlos ist, wodurch keine Rückstellkraft durch die Kupplung erzeugt wird. Da nach dem Ausrücken der Kupplung zwangsläufig eine Rückstellkraft entstehen muss, wird somit auf einen Defekt geschlossen, da trotz entsprechender Ansteuerung durch den Kupplungsaktuator die Kupplung nicht ausgerückt ist. Insbesondere ist somit auch ein Antriebsstrang nicht unterbrochen, weshalb beispielsweise ein Starten eines Verbrennungsmotors, der mit diesem Antriebsstrang verbunden ist, nicht erfolgen sollte. Der Defekt kann beispielsweise ein defekter Elektromotor und/oder ein Leck in dem Hydrauliksystem 4 sein.
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Während des Schritts des Feststellens wird der Defekt des elektrischen Kupplungsaktuators und/oder der Kupplung bevorzugt dann festgestellt, wenn zum Verbleib der Kurvenscheibe in einer Ausrichtung, in der der Stößel an der Prüfstartposition anliegt, durch den Elektromotor eine Haltekraft auf die Kurvenscheibe aufzubringen ist, die von einer vordefinierten Haltekraft abweicht. In diesem Fall erfolgt kein Abschalten des Elektromotors, sodass der elektrische Kupplungsaktuator nicht stromlos geschaltet wird. Vielmehr wird eine Haltekraft von dem Elektromotor auf die Kurvenscheibe aufgebracht. Dabei ist zu erwarten, dass die Kurvenscheibe in einer stabilen Position verbleibt, da die von dem Elektromotor aufgebrachte Haltekraft derart gewählt wird, dass diese einer erwarteten Gegenkraft des Stößels entgegenwirkt. Findet trotzdem eine Bewegung der Kurvenscheibe statt, so ist davon auszugehen, dass die Gegenkraft des Stößels nicht der erwarteten Gegenkraft entspricht. Daraus kann geschlossen werden, dass bei Stromlosschalten des Elektromotors eine Bewegung erfolgen würde, die nicht der vordefinierten Bewegung entspricht. Somit ist von einem Defekt auszugehen. Gleiches gilt auch, wenn eine Haltekraft aufgebracht wird, die höher oder niedriger als eine erwartete Haltekraft ist, um die Kurvenscheibe im Gleichgewicht zu halten. Ein Defekt wird somit erkannt, wenn eine Bewegung der Kurvenscheibe bei Anlegen der erwarteten Haltekraft auftritt, oder die zum Stillstand der Kurvenscheibe benötigte Haltekraft von der erwarteten Haltekraft abweicht.
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Eine Position und/oder Bewegung der Kurvenscheibe wird vorteilhafterweise durch Sensoren des Elektromotors erfasst. Bei dem Elektromotor handelt es sich insbesondere um einen elektrisch kommutierten Gleichstrommotor, insbesondere einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC-Motor). Ein solcher Elektromotor benötigt einzelne Sensoren, um einen ruhigen Rundlauf zu erzeugen. Solche Sensoren können auch dafür verwendet werden, eine Ausrichtung der Kurvenscheibe zu erkennen, sodass für die Kurvenscheibe kein eigener Sensor vorgesehen sein muss. Dies vereinfacht den Aufbau des elektrischen Kupplungsaktuators. Ist ein derartiger Sensor vorhanden, so kann vorteilhafterweise eine Positionsregelung der Kurvenscheibe durchgeführt werden. In diesem Fall ist sichergestellt, dass die Positionen der Kurvenscheibe, die als Vorgaben angefahren werden sollen, zuverlässig erreicht werden. Somit handelt es sich nicht, wie zuvor allgemein beschrieben, lediglich um SollPositionen, sondern tatsächlich um Ist-Positionen. Damit kann erreicht werden, dass bei der Überprüfung der Kupplung und/oder des Kupplungsaktuators keine Fehler aufgrund einer fehlerhaften Ansteuerung des Elektromotors auftreten können. Sollte mittels der zuvor beschriebenen Methoden festgestellt werden, dass ein Defekt vorliegt, so muss dieser Defekt zwangsläufig von dem Kupplungssystem selbst herrühren, nicht jedoch von einer fehlerhaften Ausrichtung der Kurvenscheibe.
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Besonders vorteilhaft wird die Kurvenscheibe vor dem Schritt des Rotierens in die Prüfstartposition in eine solche Ausrichtung rotiert, in der der Stößel an einer Vorprüfposition anliegt. In der Vorprüfposition liegt der Stößel an einem solchen Bereich der Kurvenscheibe, der nicht zu dem Aktuationsbereich gehört. Insbesondere ist an der Vorprüfposition der Kurvenscheibe ein Radius der Kurvenscheibe konstant. Liegt der Stößel an der Vorprüfposition an, so ist vorgesehen, dass das Hydrauliksystem die Kupplung maximal ausgerückt hat. Ein Defekt des elektrischen Kupplungsaktuators und/oder der Kupplung wird dann festgestellt, wenn ausgehend von besagter Ausrichtung der Kurvenscheibe, in der der Stößel an der Vorprüfposition anliegt, eine Bewegung der Kurvenscheibe ohne Antriebskraft durch den Elektromotor von einer vordefinierten Bewegung abweicht. Durch eine derartige Methode lassen sich insbesondere zwei Fehlerbilder feststellen. Zum einen kann festgestellt werden, ob die Kurvenscheibe einen Defekt aufweist. Ist ein solcher Defekt vorhanden, so ist an der Vorprüfposition, das bedeutet, an einem Ablagebereich, die sich an den Aktuationsbereich anschließt, kein konstanter Radius vorhanden. Die Kurvenscheibe ist daher vermutlich beschädigt. Somit führt ein Stromlosschalten des Elektromotors zu einer Bewegung der Kurvenscheibe, die nicht vorhanden sein dürfte, da sich der Stößel an der Vorprüfposition befindet, an der die Kurvenscheibe einen konstanten Radius aufweisen sollte. Auf der anderen Seite kann festgestellt werden, ob die Kurvenscheibe korrekt rotiert wurde. So ist die Vorprüfposition vorteilhafterweise, wie zuvor bereits beschrieben, lediglich als Soll-Position anzusehen. In diesem Fall ist keine Rückmeldung vorhanden, ob die Vorprüfposition tatsächlich auch erreicht wurde. Dies lässt sich durch die zuvor beschriebenen Schritte einfach und aufwandsarm erkennen, da ein Erreichen der Vorprüfposition nur dann stattgefunden hat, wenn keine Bewegung oder nur eine minimale Bewegung der Kurvenscheibe nach Stromlosschalten des Elektromotors erfolgt.
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Ein Defekt des elektrischen Kupplungsaktuators und/oder der Kupplung wird insbesondere dann festgestellt, wenn sich die Kurvenscheibe ausgehend von einer Ausrichtung, in der der Stößel an der Vorprüfposition anliegt, ohne Antriebskraft des Elektromotors bewegt. Wie bereits beschrieben, ist an der Vorprüfposition zu erwarten, dass sich der Stößel an einem Ablagebereich der Kurvenscheibe befindet. Eine Bewegung der Kurvenscheibe aufgrund einer Rückstellkraft, die der Stößel auf die Kurvenscheibe ausübt, ist daher nicht möglich. Findet eine solche Bewegung trotzdem statt, so kann insbesondere darauf geschlossen werden, dass eine erwartete Ausrichtung der Kurvenscheibe nicht erreicht wurde, obwohl der Elektromotor entsprechend angesteuert wurde. Dies kann insbesondere aufgrund von einer defekten Sensorik oder aufgrund von falsch gezählten Schritten eines Schrittmotors der Fall sein. Insgesamt ist durch die Vorprüfposition sicherzustellen, dass für die anschließende Messung an der Prüfposition sämtliche internen Defekte des Kupplungsaktuators ausgeschlossen sind. Sobald dies der Fall ist, kann durch die zuvor beschriebenen Schritte anhand der Prüfposition eindeutig auf einen Defekt der Kupplung selbst geschlossen werden, da der Defekt nicht durch den Kupplungsaktuator begründet sein kann.
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Eine vordefinierte Bewegung der Kurvenscheibe ist vorteilhafterweise eine solche Bewegung der Kurvenscheibe, die bei intaktem Kupplungsaktuator und/oder bei intakter Kupplung aufgrund einer Rückstellfeder der Kupplung ausführt. Rückstellfedern werden in Kupplungen üblicherweise eingesetzt, um den eingerückten Zustand sicher und zuverlässig zu erreichen und die Kupplung in dem eingerückten Zustand zu belassen. Ist die Kupplung zumindest teilweise ausgerückt, so wird durch die Rückstellfeder eine Rückstellkraft auf den Kupplungsaktuator aufgebracht, da die Kupplung aufgrund der Rückstellfeder in den eingerückten Zustand drängt. Somit wird auch der Kupplungsaktuator bewegt, sollte dieser keine entsprechende Gegenkraft generieren.
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Die Erfindung betrifft außerdem einen elektrischen Kupplungsaktuator. Der elektrische Kupplungsaktuator umfasst eine Steuervorrichtung zum Empfangen von Stellsignalen einer Kupplungspedaleinheit. Bei der Kupplungspedaleinheit handelt es sich insbesondere um ein Kupplungspedal, das einen Rotationssensor aufweist, um eine Rotation des Kupplungspedals abzugreifen. Anhand dieses Rotationssensors lassen sich die Stellsignale für die Steuervorrichtung extrahieren. Außerdem umfasst der Kupplungsaktuator einen von der Steuervorrichtung ansteuerbaren Elektromotor. Über den Elektromotor ist eine Kurvenscheibe antreibbar, wobei die Kurvenscheibe zumindest einen Aktuationsbereich mit sich veränderndem Radius entlang ihres Umfangs aufweist. Ein Hydrauliksystem des Kupplungsaktuators dient zum Betätigen der Kupplung, wobei ein Hydraulikkolben des Hydrauliksystems über einen an der Kurvenscheibe anliegenden Stößel bewegbar ist. Der Stößel liegt insbesondere an einer äußeren Umfangsfläche der Kurvenscheibe an und ist somit zumindest durch den Aktuationsbereich linear verschiebbar, da sich aufgrund des variablen Radius der Kurvenscheibe ein Abstand zwischen Rotationsachse und Stößel verändert. Diese lineare Bewegung dient insbesondere zum Betreiben des Hydrauliksystems. Die Steuervorrichtung ist vorteilhafterweise zum Durchführen des zuvor beschriebenen Verfahrens ausgebildet. Somit kann der elektrische Kupplungsaktuator feststellen, ob ein Defekt in dem Kupplungssystem oder in dem Kupplungsaktuator selbst vorliegt. Damit kann der elektrische Kupplungsaktuator sicherstellen, dass eine Kupplung tatsächlich ausgerückt ist und somit einen Antriebsstrang unterbricht. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der elektrische Kupplungsaktuator in Kraftfahrzeugen verwendet wird, da lediglich im Falle des unterbrochenen Antriebsstrangs ein Starten des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs erfolgen sollte.
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Der Kupplungsaktuator kann somit folgende Komponenten umfassen: die Steuervorrichtung, den Elektromotor (ggf. mit einem oder mehreren Sensoren), ein Getriebe, die Kurvenscheibe, den Stößel sowie das Hydrauliksystem, welches seinerseits den Hydraulikkolben umfasst sowie eine Hydraulikleitung und einen Hydrauliksteller umfassen kann.
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Zur Kupplung kann im Rahmen der vorliegenden Anmeldung auch ein Ausrücklager und ein Kupplungs-Ausrückhebel gehören. Ausrücklager und Kupplungs-Ausrückhebel können auch zu Fehlerbildern führen, welche durch das vorgeschlagene Verfahren überprüft werden können. Beispielsweise können Ausrücklager und Kupplungs-Ausrückhebel schwergängig sein oder verklemmen. Dies bedeutet, dass eine Bewegung der Kupplung bzw. des Kupplungsaktuators bei stromlos geschaltetem Elektromotor langsamer vom geöffneten zum geschlossenen Zustand erfolgt als im Soll-Zustand, also von der vordefinierten Bewegung abweicht.
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Die Kurvenscheibe weist zumindest eine an dem Aktuationsbereich anliegenden ersten Ablagebereich und/oder zweiten Ablagebereich auf. An dem ersten Ablagebereich und dem zweiten Ablagebereich weist die Kurvenscheibe jeweils einen Haltebereich, insbesondere mit einem lokalen Minimum oder einem konstanten Radius, auf. Besonders vorteilhaft ist der Aktuationsbereich durch den ersten Ablagebereich und den zweiten Ablagebereich eingerahmt. Somit ist der elektrische Kupplungsaktuator bistabil, da sowohl in einer ausgerückten Position der Kupplung als auch in einer eingerückten Position der Kupplung ein Bewegen des Kupplungsaktuators selbst im stromlosen Fall durch allein die Rückstellkraft der Kupplung nicht möglich ist. Insbesondere korrespondiert der erste Ablagebereich zu einer eingerückten Kupplung, während der zweite Ablagebereich zu einer ausgerückten Kupplung korrespondiert. Dies bedeutet, dass der Kupplungsaktuator den Stößel von dem ersten Ablagebereich über den Aktuationsbereich zu dem zweiten Ablagebereich bewegen kann, indem die Kurvenscheibe rotiert wird, sodass durch den Stößel das Hydrauliksystem betätigt wird, um die Kupplung von dem eingerückten in den ausgerückten Zustand zu überführen. Dabei ist der ausgerückte Zustand wiederum ein stabiler Zustand, in dem die Kupplung auch bei Stromlosschalten des Kupplungsaktuators verbleibt.
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Der Elektromotor ist besonders vorteilhaft ein bürstenloser Gleichstrommotor. Der bürstenlose Gleichstrommotor vereinfacht das Ansteuern der Kurvenscheibe und ist einfach und zuverlässig zu betreiben. Insbesondere ist eine Wartung aufgrund der fehlenden Bürsten stark vereinfacht, da ein Verschleiß des bürstenlosen Gleichstrommotors minimiert ist.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Ansicht der Komponenten eines Kupplungssystems umfassend einen elektrischen Kupplungsaktuator gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Ansicht eines Kupplungsaktuators gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 eine erste schematische Ansicht einer Kurvenscheibe sowie eines Stößels des elektrischen Kupplungsaktuators gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 eine zweite schematische Ansicht einer Kurvenscheibe sowie eines Stößels des elektrischen Kupplungsaktuators gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 5 eine dritte schematische Ansicht einer Kurvenscheibe sowie eines Stößels des elektrischen Kupplungsaktuators gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt schematisch ein Kupplungssystem 26 umfassend einen Kupplungsaktuator 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Kupplungssystem 26 weist eine Kupplungspedaleinheit 25 auf. Die Kupplungspedaleinheit 25 umfasst ein Kupplungspedal 22, eine Rückstellfeder 23 sowie einen Pedalsensor 24. Über den Pedalsensor 24 ist zu ermitteln, in welcher Ausrichtung sich das Kupplungspedal 22 befindet. Über die Rückstellfeder 23 ist sichergestellt, dass sich das Kupplungspedal 22 ohne externe Kraft in einer vordefinierten Position befindet.
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Betätigt ein Benutzer das Kupplungspedal, so kann diese Betätigung anhand des Pedalsensors 24 erkannt werden. Über eine Verbindung, insbesondere über eine Steckverbindung 9, ist dieses Signal als Stellsignal an eine Steuervorrichtung 8 des elektrischen Kupplungsaktuators 1 übertragbar. Die Steuervorrichtung 8 steuert basierend auf diesem Stellsignal einen Elektromotor 6 des Kupplungsaktuators 1 an, um eine Kurvenscheibe 2 des Kupplungsaktuators 1 zu bewegen. Insbesondere ist zwischen Elektromotor 6 und Kurvenscheibe 2 ein Getriebe 17 vorhanden.
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An einem äußeren Umfang der Kurvenscheibe 2 liegt ein Stößel 10 an. Durch die Rotation der Kurvenscheibe 2 wird der Stößel 10 somit linear verschoben. Diese lineare Verschiebung wird zum Betätigen eines Hydraulikkolbens 3 eines Hydrauliksystems 4 verwendet, wobei das Hydrauliksystem 4 eine Hydraulikleitung 21 umfasst, die sowohl mit dem Hydraulikkolben 3 als auch mit einem hydraulischen Kupplungssteller 20 verbunden ist. Der hydraulische Kupplungssteller 20 kann somit in Abhängigkeit von der Stellung des Hydraulikkolbens 3 die Kupplung 5 einrücken oder ausrücken. Die Kupplung 5 weist außerdem eine Rückstellfeder 19 auf, um die Kupplung 5 stets in den eingerückten Zustand zu drängen. Sollte anhand des elektrischen Kupplungsaktuators 1 keinerlei Kraft erzeugt werden, so wird die Kupplung 5 durch die Rückstellfeder 19 in den eingerückten Zustand überführt.
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Der Elektromotor 6 des elektrischen Kupplungsaktuators 1 ist vorteilhafterweise ein bürstenloser Gleichstrommotor. Der bürstenlose Gleichstrommotor weist vorteilhafterweise einen einzigen internen Sensor oder mehrere interne Sensoren 7 auf, wobei besagte Sensoren 7 eine Ausrichtung der Welle des Elektromotors 6 erfassen. Anhand dieser Sensoren 7 sowie anhand des Getriebes 17 lässt sich damit eine Ausrichtung der Kurvenscheibe 2 ermitteln. Die Kurvenscheibe 2 braucht somit nicht zwangsläufig einen eigenen Sensor zum Erfassen einer Ausrichtung der Kurvenscheibe 2.
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Der Kupplungsaktuator 1 der vorliegenden Anmeldung umfasst also die Steuervorrichtung 8, den Elektromotor 6, das Getriebe 17, die Kurvenscheibe 2, den Stößel 10 sowie das Hydrauliksystem 4, welches seinerseits den Hydraulikkolben 3, die Hydraulikleitung 21 und den Hydrauliksteller 20 umfasst.
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Zur Kupplung 5 kann im Rahmen der vorliegenden Anmeldung auch ein Ausrücklager und ein Kupplungs-Ausrückhebel gehören. Ausrücklager und Kupplungs-Ausrückhebel sind in der schematischen Ausführung gemäß 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Ausrücklager und Kupplungs-Ausrückhebel können auch zu Fehlerbildern führen, welche durch das vorgeschlagene Verfahren überprüft werden können. Beispielsweise können Ausrücklager und Kupplungs-Ausrückhebel schwergängig sein oder verklemmen. Dies bedeutet, dass eine Bewegung der Kupplung 5 bzw. des Kupplungsaktuators 1 bei stromlos geschaltetem Elektromotor 6 langsamer vom geöffneten zum geschlossenen Zustand erfolgt als im Soll-Zustand.
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2 zeigt schematisch den elektrischen Kupplungsaktuator 1. Dabei zeigen gleiche Bezugszeichen wie in 1 gleiche oder gleichartige Bauteile an. In 2 ist insbesondere gezeigt, dass das Getriebe 17 eine Schnecke 14 aufweist, in der ein Schneckenrad 15 kämmt. Der Elektromotor 6 ist dabei zum Rotieren der Schnecke 14 vorgesehen, die wiederum eine Rotation auf das Schneckenrad 15 überträgt. Das Schneckenrad 15 weist einen Mitnehmer 16 auf, um die Kurvenscheibe 2 zu rotieren. Die Kurvenscheibe 2 wiederum ist um eine Rotationsachse 600 rotierbar aufgehängt, wobei die Rotationsachse 600 gleichzeitig auch die Rotationsachse für das Schneckenrad 15 darstellt. Die Kurvenscheibe 2 weist zumindest einen Bereich mit einem variablen Radius auf, was nachfolgend mit Bezug auf die 3 bis 5 im Detail erläutert wird. An einem äußeren Umfang 13 der Kurvenscheibe 2 liegt ein Stößel 10 an. Der Stößel 10 ist bevorzugt gelagert und ist lediglich linear verschiebbar, sodass ein Rotieren der Kurvenscheibe 2 zu einem linearen Verschieben des Stößels 10 führt. Der Stößel 10 weist vorteilhafterweise ein Rotationslager 11 auf, das an dem äußeren Umfang 13 der Kurvenscheibe 2 anliegt und somit ein Abrollen des Stößels 10 auf der Kurvenscheibe 2 ermöglicht. Das Rotationslager 11 ist mit einer Stange 12 des Stößels 10 verbunden, die eine Verbindung zu dem Hydraulikkolben 3 des Hydrauliksystems 4 herstellt.
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Wird die Kurvenscheibe 2 durch den Elektromotor 6 entlang einer Einrückrichtung 700 rotiert, so wird die Kupplung 5 durch das Hydrauliksystem 4 eingerückt. Wird hingegen die Kurvenscheibe 2 entlang einer Ausrückrichtung 800 rotiert, so wird die Kupplung 5 durch das Hydrauliksystem 4 ausgerückt.
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Die 3 bis 5 zeigen verschiedene Zustände der Kurvenscheibe 2. Dabei ist in 3 gezeigt, dass die Kurvenscheibe 2 in eine solche Position rotiert wurde, in der der Stößel 10 an einem ersten Ablagebereich 400 anliegt. An dem ersten Ablagebereich 400 weist die Kurvenscheibe 2 einen Haltebereich, insbesondere mit einem konstanten Radius oder einem lokalen Minimum, auf. Durch die Position des Stößels 10 ist die Kupplung 5 vollständig eingerückt. Somit befindet sich die Kurvenscheibe 2 in einer stabilen Lage, da selbst ein Stromlosschalten des Elektromotors 6 nicht zu einer Bewegung des elektrischen Kupplungsaktuators 1 und/oder der Kupplung 5 führen würde, da einerseits die Kupplung 5 selbst in einer stabilen Position ausgerichtet ist, während gleichzeitig der Stößel 10 an einer stabilen Position an der Kurvenscheibe 2 anliegt, da die Kurvenscheibe 2 dort einen konstanten Radius aufweist.
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4 zeigt schematisch eine Situation, in der die Kupplung 5 teilweise ausgerückt ist. Die Kurvenscheibe 4 ist derart rotiert, dass der Stößel 10 an einem Aktuationsbereich 100 der Kurvenscheibe 2 anliegt, wobei der Aktuationsbereich 100 an den ersten Ablagebereich 400 anschließt. In dem Aktuationsbereich 100 weist die Kurvenscheibe 2 einen über ihren Umfang veränderlichen Radius auf, sodass eine Rotation der Kurvenscheibe 4 zu einem linearen Verschieben des Stößels 10 führt. Die Kupplung kann somit durch Rotieren der Kurvenscheibe 2 entlang der Ausrückrichtung 800 nach und nach ausgerückt werden.
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5 zeigt schließlich den Fall, in dem die Kupplung 5 maximal ausgerückt ist. Die Kurvenscheibe 2 ist derart rotiert, dass der Stößel 10 an einem zweiten Ablagebereich 500 anliegt. An dem zweiten Ablagebereich 500 ist wiederum vorgesehen, dass der Radius der Kurvenscheibe 2 konstant ist. Somit befindet sich der elektrische Kupplungsaktuator 1 wiederum in einer stabilen Position, obwohl durch die Rückstellfeder 19 der Kupplung 5 stets eine Rückstellkraft auf den Stößel 10 aufgebracht wird. Der Stößel 10 kann jedoch aufgrund des zweiten Ablagebereichs 500 nicht zu einer Rotation der Kurvenscheibe 2 führen.
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Der Kupplungsaktuator 1 ist insbesondere dazu eingerichtet, mittels der Steuervorrichtung 8 festzustellen, ob sich die Kupplung 5 tatsächlich in einem ausgerückten Zustand befindet, wenn die Kurvenscheibe entlang der Ausrückrichtung 800 bis zu einer solchen Stellung rotiert wurde, in der der Stößel 10 bei intaktem Elektromotor 6 und bei intakter Kurvenscheibe 2 an dem zweiten Ablagebereich 500 anliegt. Ist die Kurvenscheibe 2 wie in 5 ausgerichtet, so ist zu erwarten, dass die Kupplung 5 vollständig ausgerückt ist. Allerdings kann dies beispielsweise aufgrund von Leckage im Hydrauliksystem 4 nicht der Fall sein. Somit muss verifiziert werden, ob die Kupplung 5 tatsächlich in den ausgerückten Zustand überführt wurde, was anhand der nachfolgenden Schritte erklärt wird:
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Zunächst wird eine Überprüfung der Positionsstabilität durchgeführt. Die Positionsstabilitätsprüfung ist insbesondere optional und kann auch ausgelassen werden. Die Prüfung der Positionsstabilität stellt sicher, dass sich die Kurvenscheibe 2 physisch tatsächlich in der in 5 gezeigten Ausrichtung befindet. Somit lassen sich Ansteuerungsfehler durch den Elektromotor 6 oder Defekte der Kurvenscheibe 2 selbst erkennen.
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Zum Prüfen der Positionsstabilität wird der Elektromotor 6 abgeschaltet, wenn sich der Stößel 10 an einer Vorprüfposition 300 befindet. Die Vorprüfposition 300 befindet sich an einer beliebigen Stelle innerhalb des ersten Ablagebereichs 500. An der Vorprüfposition 300 ist somit zu erwarten, dass sich der Kupplungsaktuator 1 in einer stabilen Position befindet, sodass sich bei Stromlosschalten des Elektromotors 6 keine Bewegung einstellen dürfte. Daher erfolgt ein Abschalten des Elektromotors 6 und ein Überwachen der Bewegung der Kurvenscheibe 2. Weicht die Bewegung der Kurvenscheibe 2 von einer vordefinierten Bewegung ab, so wird auf einen Defekt geschlossen. Bei der vordefinierte Bewegung handelt es sich insbesondere um definierte Grenzen, innerhalb derer sich die Kurvenscheibe 2 bewegen darf, ohne dass auf einen Defekt geschlossen wird. Somit sind kleinere Bewegungen der Kurvenscheibe 2 unbeachtlich. Wird festgestellt, dass kein Defekt vorliegt, das bedeutet die Bewegung der Kurvenscheibe 2 weicht nicht von einer vordefinierten Bewegung ab, was besonders vorteilhaft bedeutet, dass die Kurvenscheibe 2 sich überhaupt nicht bewegt, so wird die Prüfung der Positionsstabilität als nicht negativ abgeschlossen, da dennoch ein Defekt vorliegen könnte. Das Ergebnis ist somit lediglich dann aussagekräftig, wenn kein Defekt in der Kupplung 5 oder dem Hydrauliksystem 4 vorliegt. In diesem Fall kann ein Defekt der Kurvenscheibe 2 und/oder des Elektromotors 6 erkannt werden, da keine Positionsstabilität gegeben ist. Sind hingegen die Kupplung 5 und/oder das Hydrauliksystem 4 (zusätzlich), so erfolgt unabhängig von der Positionsstabilität keine oder durch gegebenenfalls vorhandene Hilfsfedern innerhalb des Hydrauliksystems nur eine geringe Bewegung der Kurvenscheibe, sodass die Prüfung der Positionsstabilität als nicht negativ abgeschlossen wird. Der vorhandene Defekt wird dann aber mit der nachfolgend beschriebenen Prüfung erkannt.
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Nach dem Prüfen der Positionsstabilität wird die Kurvenscheibe 2 erneut rotiert, sodass der Stößel 10 an einer Prüfstartposition 200 anliegt. Die Prüfstartposition 200 ist insbesondere die Grenze zwischen zweitem Ablagebereich 500 und Aktuationsbereich 100, sodass es sich nicht um eine stabile Position handelt. Vielmehr ist zu erwarten, dass bei Stromlosschalten des Elektromotors 6 die Rückstellfeder 19 der Kupplung 5 eine Gegenkraft auf den Stößel 10 ausübt, die zu einer Rotation der Kurvenscheibe 2 entlang der Einrückrichtung 700 führt.
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Somit wird der Elektromotor 6 erneut stromlos geschaltet. Anschließend wird die Bewegung der Kurvenscheibe 2 erfasst. Entspricht die Bewegung der Kurvenscheibe 2 nicht einer vordefinierten Bewegung, so wird auf einen Defekt geschlossen. Bei der vordefinierten Bewegung handelt es sich insbesondere um die zuvor beschriebene Rotation der Kurvenscheibe 2 entlang der Einrückrichtung 700. Außerdem kann insbesondere eine Geschwindigkeit vordefiniert sein, mit der eine Rotation der Kurvenscheibe 2 entlang der Einrückrichtung 700 erwartet wird. Findet keine Bewegung der Kurvenscheibe 2 statt oder eine Bewegung, die von der erwarteten Bewegung abweicht, so ist darauf zu schließen, dass keine oder eine zu geringe Rückstellkraft von der Kupplung 5 auf den Stößel 10 ausgeübt wird. Dies kann beispielsweise auf eine Leckage des Hydrauliksystems 4 hindeuten. In jedem Fall ist nicht sichergestellt, dass die Kupplung 5 vollständig ausgerückt ist. Findet hingegen Bewegung wie erwartet statt, so ist verifiziert, dass sich die Kupplung 5 in einem ausgerückten Zustand befindet.
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Der Kupplungsaktuator 1 ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn dieser in einem Fahrzeug verwendet wird. Da ein Verbrennungsmotor zum Antrieb des Fahrzeugs nur dann angelassen werden sollte, wenn der Antriebsstrang unterbrochen ist, ist gerade bei elektrischen Kupplungsaktuatoren wichtig, dass diese Position der Kupplung 5 sicher und zuverlässig bestimmt werden kann. Der elektrische Kupplungsaktuator 1 ermöglicht somit eine Rückmeldung, dass die Kupplung 5 tatsächlich ausgerückt ist und somit ein gefahrloses Anlassen des Verbrennungsmotors möglich ist.
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Mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens lassen sich insbesondere die folgenden Fehlerbilder erkennen, die hier lediglich exemplarisch aufgeführt sind - Mischformen mit z.B. nur graduell defekten Systemen kann der Fachmann leicht erkennen:
- • Elektromotor 6 nicht defekt, Hydrauliksystem 4 defekt
Die Positionsstabilitätsprüfung wird nicht negativ abgeschlossen, da die Bewegung der Kurvenscheibe 2 nach Stromlosschalten des Elektromotors 6 nicht von der vordefinierten Bewegung abweicht. Insbesondere bewegt sich die Kurvenscheibe 2 nicht, da der Stößel 10 an der Vorprüfposition 300 und somit in einem stabilen Ablagebereich ist, anliegt. Der Defekt des Hydrauliksystems 4 wird anschließend mit Hilfe der Prüfstartposition 200 erkannt, da hier nach Stromlosschalten des Elektromotors 6 eine Bewegung der Kurvenscheibe 2 von einer vordefinierten Bewegung abweicht. Insbesondere wird aufgrund der Gegenkraft der Kupplung 5, die über das Hydrauliksystem 4 übertragen wird, eine Rotation der Kurvenscheibe 2 erwartet, da der Stößel 10 nicht an einem stabilen Ablagebereich anliegt. Erfolgt keine solche Rotation oder eine Bewegung, die langsamer ist als erwartet, so ist ein Defekt des Hydrauliksystems 4 erkannt.
- • Elektromotor 6 defekt, Hydrauliksystem 4 nicht defekt
Bei der Positionsstabilitätsprüfung wird die Vorprüfposition 300 und somit ein stabiler Ablagebereich fehlerhaft nicht erreicht. Dies ist nach Stromlosschalten des Elektromotors 6 durch Abweichen der Bewegung der Kurvenscheibe 2 von einer vordefinierten Bewegung erkennbar, da sich insbesondere die Kurvenscheibe 2 aufgrund des nicht-Erreichens der Vorprüfposition 300 aufgrund der Gegenkraft der Kupplung 5, die mittels des Hydrauliksystems 4 übertragen wird, bewegt. Dieses Fehlerbild kann auch auf einen Defekt der Steuervorrichtung 8 hinweisen.
- • Elektromotor 6 defekt, Hydrauliksystem 4 defekt
Die Positionsstabilitätsprüfung wird nicht negativ abgeschlossen, da die Bewegung der Kurvenscheibe 2 nach Stromlosschalten des Elektromotors 6 nicht von der vordefinierten Bewegung abweicht. Insbesondere bewegt sich die Kurvenscheibe 2 nicht, da der Stößel 10 zwar nicht an einem stabilen Ablagebereich anliegt, eine Gegenkraft von der Kupplung 5 aber aufgrund des defekten Hydrauliksystems 4 nicht übertragen wird. Dennoch kann mittels der Prüfstartposition 200 erkannt werden, dass die Bewegung der Kurvenscheibe 2 nicht der vordefinierten Bewegung entspricht. Es ist irrelevant, ob die Prüfstartposition 200 aufgrund des defekten Elektromotors 6 fälschlicherweise nicht erreicht wurde und der Stößel 10 stattdessen an einem stabilen Ablagebereich anliegt, oder ob die Gegenkraft der Kupplung 5 wegen des defekten Hydrauliksystems 4 nicht an den Stößel 10 übertragen wird. In beiden Fällen weicht die Bewegung der Kurvenscheibe 2 bei stromlosen Elektromotor 6 von der vordefinierten Bewegung ab, insbesondere bewegt sich die Kurvenscheibe 2 nicht, obwohl dies erwartet wird.
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Ein Defekt des Elektromotors 6 liegt insbesondere dann vor, wenn eine gewünschte Position nicht erreicht wird, beispielweise weil eine Ansteuerung fehlerhaft ist oder weil der Elektromotor 6 als Schrittmotor ausgebildet ist und sich nicht um die angeforderten Schritte bewegt. Die oben genannten Fehlerbilder gelten auch dann, wenn statt des Elektromotors 6 die Kurvenscheibe 2 oder anstatt des Hydrauliksystems 4 die Rückstellfeder 19 defekt ist.
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In ähnlicher Weise kann auch überprüft werden, ob ein Defekt bzw. ein Verklemmen des Ausrücklagers bzw. des Kupplungs-Ausrückhebels vorliegt. Ein solcher Defekt wäre in analoger Weise als eine von der vordefinierten Bewegung abweichende Bewegung erkennbar.
