DE10225249A1

DE10225249A1 - Verfahren zum Regeln eines Anfahrvorganges eines Antriebsstranges

Info

Publication number: DE10225249A1
Application number: DE10225249A
Authority: DE
Inventors: Michael Roske; Ralf Dreibholz
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2003-12-18
Anticipated expiration: 2022-06-08
Also published as: DE10225249B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Regeln eines Anfahrvorganges eines Antriebsstranges und ein Antriebsstrang beschrieben. Der Antriebsstrang weist einen von einer Antriebsmaschine antreibbaren Verbraucher und ein dazwischen angeordnetes Planetengetriebe auf, wobei das Planetengetriebe über ein reibschlüssiges Schaltelement überbrückbar ist und zur variablen Übertragung eines Drehmoments der Antriebsmaschine mit einer drehzahl- und momentenvariablen Maschine in Wirkverbindung steht. Ein von der Antriebsmaschine auf den Verbraucher entsprechend einer Anforderung zu übertragendes Soll-Drehmoment ist zusätzlich stufenlos über das Schaltelement geregelt einstellbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Anfahrvorganges eines Antriebsstranges nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.

Aus der DE 199 34 696 A1 ist ein elektrodynamisches Antriebssystem für ein Fahrzeug bekannt, welches zwischen einer Antriebsmaschine und einem Schaltgetriebe ein Planetengetriebe aufweist. Das Planetengetriebe ist mit einem Sonnenrad, einem Hohlrad und einem Planetenträger ausgebildet. Das Planetengetriebe ist über ein erstes Element mit dem Schaltgetriebe, über ein zweites Element mit der Antriebsmaschine und über ein drittes Element mit wenigstens einem Elektromotor wirkverbunden. Der Elektromotor ist sowohl als Antriebsmotor als auch als Generator betreibbar.

Darüber hinaus ist eine weitere Schaltkupplung zwischen zwei Elementen des Planetengetriebes zur Überbrückung des Planetengetriebes vorgesehen, wobei die Schaltkupplung als eine Klauenkupplung ausgeführt ist.

Nachteilig dabei ist jedoch, daß eine Überbrückung des Planetengetriebes durch die Klauenkupplung nur dann möglich ist, wenn die miteinander in Eingriff zu bringenden Kupplungsverzahnungen gleiche Drehzahl aufweisen, d. h. miteinander synchronisiert sind.

Ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einer an einer Antriebswelle angeordneten Starter- und Generator- Einheit ist aus der DE 199 23 316 A1 bekannt. Die dort beschriebene Starter- und Generator-Einheit weist eine als elektrischen Motor mit Starterfunktion und als elektrischen Generator betreibbare elektrische Maschine und ein damit wirkverbundenes Planetengetriebe mit wenigstens einem Sonnenrad, wenigstens einem Planetenrad und wenigstens einem Hohlrad auf. Dabei ist das Planetengetriebe über Wellen und Schaltelemente mit der elektrischen Maschine, mit der Antriebswelle und mit einem Gehäuse eines in dem Antriebsstrang angeordneten Aggregates derart verbindbar, daß in einem Startbetrieb eine Übersetzung i > 1 und in einem Generatorbetrieb eine Übersetzung i = 1 einstellbar ist.

Das Hohlrad ist über eine weitere Welle einer Kupplung mit einem Gehäuse bzw. dessen Deckel zur Einstellung einer Startübersetzung verbindbar. Während eines Startvorgangs rotiert zunächst die mit dem Sonnenrad und dem Rotor des Planetengetriebes verbundene Welle, während das Planetengetriebe über das Hohlrad, die Welle und die geschlossene Kupplung abgestützt wird. Bei einem Generatorbetrieb, d. h. im Fahrzustand, ist hingegen die das Hohlrad mit dem Deckel verbindende Kupplung geöffnet, und eine weitere Kupplung, welche das Sonnenrad mit der Antriebswelle verbindet, ist geschlossen. Des weiteren ist es vorgesehen, daß im Fahrzustand das Planetengetriebe durch Öffnen der Kupplung zwischen dem Hohlrad und dem Deckel und gleichzeitiges Schließen der weiteren Kupplung zwischen dem Sonnenrad und der Antriebswelle in geblocktem Zustand umläuft. Die weitere Kupplung kann dabei als Freilaufkupplung, als reibschlüssige momentenbetätigte Kupplung oder als hydraulisch betätigte Kupplung ausgebildet sein.

Dieses Kupplungskonzept weist jedoch den Nachteil auf, daß für ein Anfahren ein als ein Drehmomentwandler oder als eine Anfahrkupplung ausgebildetes Anfahrelement erforderlich ist, dessen thermische Belastung während eines Anfahrvorganges bzw. während eines Teillastanfahrvorganges hoch ist, wodurch eine Lebensdauer eines solchen Anfahrelementes stark herabgesetzt ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Regeln eines Anfahrvorganges eines Antriebsstranges sowie einen Antriebsstrang zur Verfügung zu stellen, die eine Reduzierung der thermischen Belastung eines Anfahrelementes während eines Anfahrvorganges ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 und mit einem Antriebsstrang gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 14 gelöst.

Mit dem Verfahren nach der Erfindung besteht in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, eine thermische Belastung eines als reibschlüssiges Schaltelement ausgebildeten Anfahrelementes erheblich zu reduzieren, da ein Antriebsmoment für einen von einer Antriebsmaschine anzutreibenden Verbraucher über eine drehzahl- und momentenvariable Maschine abgestützt wird und bei Erreichen eines zu übertragenden Antriebsmomentes, welches von der Maschine nicht mehr abstützbar ist, zusätzlich von dem reibschlüssigen Schaltelement abgestützt wird.

Damit wird vorteilhafterweise gewährleistet, daß zu Beginn eines Anfahrvorganges keine thermische Belastung eines Anfahrelementes bzw. einer reibschlüssigen Anfahrkupplung auftritt und erst ab einem bestimmten zu übertragenden Antriebsmoment ein Anfahrelement zugeschaltet und einer thermischen Belastung ausgesetzt ist.

Der Antriebsstrang nach der Erfindung weist ein drehzahl- und momentenvariables Anfahrelement auf, das die Maschine, das reibschlüssige Schaltelement und das Planetengetriebe umfaßt, wobei das reibschlüssige Schaltelement zum Verblocken des Planetengetriebes vorgesehen ist. Mit dieser Anordnung kann auf ein bei herkömmlichen Lösungen üblicherweise vorgesehenes Anfahrelement, wie beispielsweise einen hydrodynamischen Drehmomentwandler oder eine reibschlüssige Kupplung, welche zwischen einer Antriebsmaschine und einem Getriebe oder einem Getriebe und einem dem Getriebe nachgeschalteten Verbraucher angeordnet ist, vorteilhafterweise verzichtet werden.

Des weiteren bietet der Antriebsstrang nach der Erfindung den Vorteil, daß mit der Anordnung eines reibschlüssigen Schaltelementes zum Verblocken des Planetengetriebes, welches zusätzlich als Anfahrelement ansteuerbar ist, keine thermische Belastung des reibschlüssigen Schaltelementes bzw. Anfahrelementes gegenüber Anfahrelementen bekannter Anordnungen gegeben ist, wenn der Anfahrvorgang alleine über die Maschine durchgeführt wird. Das Schaltelement wird in diesem Fall nur noch zum Übertragen des statischen Momentes benötigt.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und dem unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Es zeigt:
Fig. 1 eine stark schematisierte Darstellung eines Planetengetriebes, welches als Überlagerungsgetriebe ausgeführt ist;
Fig. 2 eine stark schematisierte Darstellung eines Antriebsstranges mit einem elektromagnetischen Anfahrelement;
Fig. 3 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Steuern des in Fig. 2 dargestellten Antriebsstranges; und
Fig. 4 ein Drehzahl-Zeit-Diagramm, welches die Drehzahlen der Antriebsmaschine, der elektrischen Maschine und einer Abtriebswelle des Planetengetriebes während eines Anfahrvorganges des Antriebsstranges gemäß Fig. 2 darstellt.
Bezug nehmend auf Fig. 1 ist eine stark schematisierte Darstellung eines als Überlagerungsgetriebe ausgeführten Planetengetriebes 1 eines in Fig. 2 schematisiert dargestellten Antriebsstranges 2 eines Kraftfahrzeuges gezeigt. Das Planetengetriebe 1 bzw. dessen Hohlrad 3 ist mit einer Antriebsmaschine 4 verbunden. Ein Sonnenrad 5 des Planetengetriebes 1 ist mit einer elektrischen Maschine 6 wirkverbunden. Ein Planetenträger 7 ist mit einer Abtriebswelle 8 verbunden, welche gleichzeitig eine Getriebeeingangswelle eines in Fig. 2 dargestellten Vorgelegegetriebes 9 darstellt, wobei anstelle des Vorgelegegetriebes 9 auch jedes beliebige andere Schaltgetriebe oder auch stufenlose Getriebe vorgesehen sein kann.
Die elektrische Maschine 6 stellt vorliegend eine in den Antriebsstrang 2 integrierte Starter-Generator-Einheit dar, welche indirekt über das Planetengetriebe 1 auf das Vorgelegegetriebe 9 wirkt. Das Planetengetriebe 1 weist drei Freiheitsgrade in der Drehbewegung auf, wobei sich jeweils in Abhängigkeit von zwei Drehzahlen eine dritte Drehzahl ergibt und sich zwei Drehbewegungen zu einer dritten Drehbewegung überlagern.
Des weiteren ist zwischen dem Sonnenrad 5 und dem Planetenträger 7 ein reibschlüssiges Schaltelement 10 angeordnet, welches in geschlossenem Zustand zu einem Verblocken des Planetengetriebes 1 führt, wobei in verblocktem Zustand des Planetengetriebes 1 ein von der Antriebsmaschine 4 eingehendes Antriebsmoment mit einer Übersetzung i = 1 an die Getriebeeingangswelle 8 weitergeleitet wird. In geöffnetem Zustand des Schaltelementes bzw. der Kupplung 10 weist das Planetengetriebe 1 eine Übersetzung von beispielsweise i₀ = -3 auf, wobei in Abhängigkeit des jeweilig vorliegenden Anwendungsfalles auch andere Übersetzungen möglich sind.
Die elektrische Maschine 6, das Planetengetriebe 1 und die Kupplung 10 bilden ein elektrodynamisches Anfahrelement, wobei sich die Drehzahlen der Antriebsmaschine bzw. des Hohlrades 3 und die Drehzahl des Sonnenrades 5 bzw. eines Rotors 11 der elektrischen Maschine 6 während eines Anfahrvorganges bei geöffneter Kupplung 10 zu der Drehzahl des Planetenträgers 7 überlagern.
Um Beschädigungen der Verzahnungen des Planetengetriebes 1 durch Ungleichförmigkeiten des Antriebsverhaltens der Antriebsmaschine 4 zu reduzieren bzw. zu vermeiden, ist zwischen der Antriebsmaschine 4, welche vorliegend als Verbrennungsmotor ausgeführt ist, und dem Planetengetriebe 1 ein an sich bekannter Torsionsdämpfer 12 zwischengeschaltet.
Bei dem elektrodynamischen Anfahrsystem gemäß Fig. 1 und Fig. 2 wird ein Drehmoment T_am der Antriebsmaschine 4 auf eine Welle des dreiwelligen Planetengetriebes 1, welche mit dem Hohlrad 3 verbunden ist, aufgebracht. Gleichzeitig wirkt auf eine weitere welle des Planetengetriebes 1 ein Drehmoment T_em der elektrischen Maschine 6, welche mit dem Sonnenrad 5 wirkverbunden ist. Ein Abtriebsmoment an der Summenwelle des Planetengetriebes 1, welche mit dem Planetenträger 7 verbunden ist, wirkt direkt auf die Getriebeeingangswelle 8 des Vorgelegegetriebes bzw. Schaltgetriebes 9.
Diese Anordnung ermöglicht ein Anfahren des in Fig. 2 dargestellten Antriebsstranges 2 mit einer geringen thermischen und mechanischen Belastung eines reibschlüssigen Schaltelementes, da die reibschlüssige Kupplung 10 im Antriebsstrang 2 für den Fall vorgesehen ist, daß das Drehmoment T_em der elektrischen Maschine 6 nicht ausreichend ist, um die Drehzahlen der einzelnen Bauelemente des Planetengetriebes 1 zu synchronisieren. Des weiteren ist die reibschlüssige Kupplung 10 dazu vorgesehen, das Planetengetriebe 1 nach Abschluß des Synchronisierungsvorganges des Planetengetriebes durch vollständiges Schließen der Kupplung 10 zu überbrücken.
Die Fig. 3 zeigt ein Flußdiagramm einer Anfahrregelung des Antriebsstranges gemäß Fig. 2, mittels welcher ein Anfahrvorgang des Antriebsstranges 2 vollautomatisch bei geringer Belastung der Kupplung 10 regelbar ist. Die vorgestellte Regelung läßt sich allgemein auf alle Antriebsstränge anwenden, die eine integrierte Starter-Generator- Einheit mit einer drehzahl- und momentenvariablen Maschine als Anfahrelement aufweisen, wobei vorliegend die Anfahrregelung exemplarisch anhand eines Antriebsstranges mit einem elektromechanischen Anfahrelement beschrieben wird.
Des weiteren ist die in Fig. 3 dargestellte Regelung dann sinnvoll einsetzbar, wenn eine elektrische Maschine beispielsweise wegen einer begrenzten Spannung eines 42-Volt-Bordnetzes oder wegen begrenzter Leistungsabgabefähigkeit eines Energiespeichers derart dimensioniert ist, daß ihr aktuell maximal abgebbares Drehmoment T_em_max nicht ausreichend groß ist, um entsprechende Drehmomente einer Antriebsmaschine zur Synchronisierung der Drehzahlen am Planetengetriebe abzustützen. In einem derartigen Fall wird die reibschlüssige Kupplung neben der elektrischen Maschine zum Synchronisieren des Planetengetriebes verwendet.
Zur Reduzierung einer thermischen Belastung der reibschlüssigen Kupplung 10 wird die elektrische Maschine 6 während eines Anfahrvorganges vorrangig für den Synchronisierungvorgang des Planetengetriebes 1 eingesetzt. Ein dynamisches Kupplungsmoment wird erst dann aufgebaut, wenn das aktuell maximal abgebbare Drehmoment T_em_max der elektrischen Maschine 6 für ein Abstützen des Antriebsmomentes T_am der Antriebsmaschine 4 nicht mehr ausreicht.
Dazu wird in Abhängigkeit einer Anforderung "Anfahren" eines Bedieners bzw. eines Fahrers eines Fahrzeuges, welche z. B. über ein Fahrpedal 14 erfolgt, von einem Steuergerät 13 der Antriebsmaschine 4 ein Signal zum Erhöhen der Drehzahl n_am der Antriebsmaschine 4 ausgegeben.
Gleichzeitig ermittelt das Steuergerät 13 der Antriebsmaschine 4 in einem Schritt S1 eine Ist-Drehzahl n_am_ist der Antriebsmaschine 4. Die Ist-Drehzahl n_am_ist wird in einem Schritt S2 einer Soll-Leerlaufdrehzahl n_am_LL_soll der Antriebsmaschine 4 gegenübergestellt, wobei aus der Soll-Leerlaufdrehzahl n_am_LL_soll und der Ist-Drehzahl n_am_ist der Antriebsmaschine 4 eine Differenzdrehzahl Δn_am bestimmt wird. In einem anschließenden Schritt S3 wird die Differenzdrehzahl Δn_am zur Generierung einer Reglervorgabe eines theoretischen Drehmomentwertes T_reg herangezogen, wobei hier ein Proportionalregler verwendet wird.
In einem Schritt S4 wird eine Fahrpedalstellung Phi bestimmt, die als Ausgangssignal des Schritts S4 einen Eingangswert für das Steuergerät 13 der Antriebsmaschine 4 und eines weiteren Schritts S5 darstellt. In dem Schritt S5 wird in Abhängigkeit der Ist-Drehzahl n_am_ist und der Fahrpedalstellung Phi ein aktuell maximal abgebbares Drehmoment T_am_max der Antriebsmaschine 4 über ein in einem weiteren separaten Steuergerät abgelegtes Kennfeld ermittelt. Selbstverständlich liegt es im Ermessen des Fachmannes, das weitere Steuergerät mit dem Kennfeld in das Steuergerät 13 der Antriebsmaschine 4 zu integrieren.
Das aus der Ist-Drehzahl n_am_ist der Antriebsmaschine 4 über das in dem weiteren Steuergerät gespeicherte Verbrennungsmotor-Kennfeld umgerechnete aktuell maximal abgebbare Drehmoment T_am_max der Antriebsmaschine 4 wird mittels eines Korrekturwertes k in einem Schritt S6 an das reale System bzw. an den Antriebsstrang 2 angepaßt. Der Korrekturwert k ist ein Abstimmparameter, der empirisch ermittelt ist und mit dem eine Abstimmung des Systems bzw. des Antriebsstranges erreicht wird.
Der Korrekturwert k nimmt dabei Werte zwischen 0 und 1 an, wobei mit der Abstimmung ein eventuelles Abwürgen einer als Verbrennungsmotor ausgebildeten Antriebsmaschine vermieden wird. Selbstverständlich kann hierbei auch ein Adaptionsverfahren in die Anfahrregelung implementiert werden, welches ein Abstimmen des Systems im Betrieb durch eine entsprechende Adaption des Korrekturwertes k zur Folge hat.
Das Produkt aus dem Korrekturwert k und dem aktuell maximal abgebbaren Drehmoment T_am_max der Antriebsmaschine 4 wird als sogenanntes Vorsteuermoment bezeichnet, wobei das der Fahrerwunschvorgabe entsprechende Soll-Drehmoment T_soll aus der Summe der Regelvorgabe T_reg und dem Vorsteuermoment k.T_am-max in einem Schritt S7 bestimmt wird.
Parallel zu der Bestimmung des von der Antriebsmaschine 4 zu übertragenden Soll-Drehmoments T_soll wird in einem Schritt S8 mittels eines nicht näher dargestellten Drehzahlsensors eine Ist-Drehzahl n_em_ist der elektrischen Maschine 6 ermittelt und in einem Schritt S9 ein der Ist- Drehzahl n_em_ist der elektrischen Maschine 6 entsprechendes Signal generiert. In einem Schritt S10 wird in Abhängigkeit der Ist-Drehzahl n_em_ist der elektrischen Maschine 6 ein aktuell maximal abgebbares Drehmoment T_em_max der elektrischen Maschine 6 über eine in dem weiteren Steuergerät abgelegte Vollast-Kennlinie der elektrischen Maschine 6 bestimmt.
In einem Schritt S11 wird überprüft, ob das Soll-Drehmoment T_soll kleiner oder gleich dem aktuell maximal abgebbaren Drehmoment T_em_max der elektrischen Maschine 6 ist oder nicht. Bei einem positiven Abfrageergebnis erfolgt in einem Schritt S12 eine Drehmomentenvorgabe dahingehend, daß ein Soll-Drehmoment T_em_soll der elektrischen Maschine 6 dem Soll-Drehmoment T_soll entspricht und ein Soll-Drehmoment T_ku_soll der reibschlüssigen Kupplung 10 auf den Wert null gesetzt wird und diese geöffnet bleibt. Somit ist die Kupplungsbelastung während des Anfahrvorganges bis zum Erreichen des maximal möglichen Drehmomentes T-em_max der elektrischen Maschine 6 gleich Null.
Bei einem negativen Abfrageergebnis des Schrittes S11 wird in einem nachfolgenden Schritt S13 das Soll-Drehmoment T_em_soll der elektrischen Maschine auf das maximale Drehmoment T_em_max ausgeregelt, und das Soll-Drehmoment T_ku_soll der reibschlüssigen Kupplung 10 wird aus der Differenz des Soll-Drehmoments T-soll und dem maximalen Drehmoment T_em_max der elektrischen Maschine 6 gebildet, wobei unter dem Soll-Drehmoment T_ku_soll der Kupplung 10 der Teil des Drehmomentes der Antriebsmaschine 4 bezeichnet ist, welches von der Kupplung abgestützt wird. Damit ist gewährleistet, daß der Anfahrvorgang abgeschlossen werden kann.
Mit dem in Fig. 3 schematisiert dargestellten Regelungssystem wird eine Anforderung "Anfahren eines Antriebsstranges" durch das Drücken des Fahrpedals 14 bzw. durch Betätigen eines Leistungsanforderungselementes bei eingelegtem ersten Gang bzw. bei einer Anfahrübersetzung über die Fahrpedalstellung Phi an das Steuergerät 13 der Antriebsmaschine und das Anfahrregelsystem weitergegeben. Die Drehzahl der Antriebsmaschine 4 erhöht sich, wobei die Ist- Drehzahl n_am_ist der Antriebsmaschine 4 mit der vorgegebenen Soll-Leerlaufdrehzahl n_am_LL_soll verglichen wird.
Die Differenzdrehzahl Δn_am bewirkt ein Ansprechen des Proportionalreglers, wobei die Ist-Drehzahl n_am_ist der Antriebsmaschine 4 gleichzeitig über das in dem weiteren Steuergerät gespeicherte Antriebsmaschinen-Kennfeld in ein mögliches maximales Drehmoment T_am_max umgerechnet wird, woraus das Vorsteuermoment k.T_am_max bestimmt wird. Die Summe aus dem Vorsteuermoment und der Reglervorgabe T_reg ergibt das Soll-Drehmoment T_soll, welches nachfolgend in ein wirksames Drehmoment T_em_soll der elektrischen Maschine 6 und ein Kupplungsmoment T_ku_soll aufgeteilt wird. Die vorgegebene Strategie ist dabei derart, daß die elektrische Maschine 6 vorrangig bis zu deren Leistungsgrenze belastet wird, bevor die reibschlüssige Kupplung 10 das jeweilige Restmoment bzw. Abstützmoment T_ku_soll für den Anfahrvorgang aufbringen muß. Dabei wird über die Ist-Drehzahl n_em_ist und die gespeicherte Vollast-Kennlinie der elektrischen Maschine 6 ein aktuell maximal mögliches Drehmoment T_em_max der elektrischen Maschine 6 bestimmt.
Über die logische Abfrage des Schrittes S11 bzw. bei einem positiven Abfrageergebnis des Schrittes S11 wird nur ein Regler der elektrischen Maschine 6 mit einem Signal beaufschlagt, welches eine dem Soll-Drehmoment T_soll entsprechende Drehmomentvorgabe für die elektrische Maschine 6 ergibt. Bei einem negativen Abfrageergebnis des Schritts S11 wird die elektrische Maschine 6 auf ihr maximales Drehmoment ausgeregelt, wobei das verbleibende Differenzdrehmoment von der reibschlüssigen Kupplung 10 erzeugt werden muß, um den Anfahrvorgang erfolgreich abzuschließen.
Das Drehmoment T_am der Antriebsmaschine 4 wird vorliegend durch eine Brennkraftmaschine erzeugt, wobei das Antriebsmoment auch durch andere geeignete leistungsabgebende Maschinen wie beispielsweise einen Hydrostaten, eine Elektromaschine, eine Gasturbine oder dergleichen erzeugt werden kann. Das Drehmoment T_em der elektrischen Maschine kann auch durch andere geeignete drehmomenterzeugende, die als drehzahl- und momentenvariable Maschinen ausgeführt sind, wie beispielsweise ein Hydrostat, eine hydrodynamische Bremse, eine elektrodynamische Wirbelstrombremse oder dergleichen, erzeugt werden. Die geringste Kupplungsbelastung beim Anfahren der Antriebsmaschine an der Getriebeeingangswelle 8 wird erreicht, wenn beim Anfahren eine elektrische oder eine hydrostatische Maschine eingesetzt wird, die im Vierquadrantenbetrieb unter Ausnutzung von zwei Quadranten ihr Drehmoment an die mit dem Sonnenrad 5 des Planetengetriebes 1 verbundene Welle abgibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung eines Anfahrvorganges eines Antriebsstranges läßt sich bei allen entsprechend Fig. 1 aufgebauten Antriebssträngen anwenden, bei denen eine Maschine oder ein Fahrzeug von einer Hauptantriebsmaschine, wie hier einer Kurbelwelle und einem Verbrennungsmotor, über ein dreiwelliges Getriebe, wie hier ein Planetengetriebe, welches als Überlagerungsgetriebe betrieben werden kann, angefahren und angetrieben wird. Der Antriebsstrang kann somit generell ein Antriebsstrang eines Fahrzeugs, einer Werkzeugmaschine, eines Flurförderfahrzeuges, einer lasthebenden Maschine oder dergleichen sein. Auch ist die beschriebene Regelungsstrategie für Fahrzeugantriebe, die ein Automatgetriebe beinhalten, einsetzbar.
Fig. 4 zeigt jeweils einen Verlauf der Drehzahl n_am der Antriebsmaschine 4, einer Drehzahl n_ga der Getriebeeingangswelle 8 und der Drehzahl n_em der elektrischen Maschine 6 während eines Anfahrvorganges, wobei die verschiedenen Drehzahlen über der Zeit t aufgetragen sind. Zum Zeitpunkt t = 0, an dem die Antriebsmaschine 4, welche vorliegend als eine Dieselbrennkraftmaschine ausgeführt ist, mit der Leerlaufdrehzahl umläuft, ist die Drehzahl n_ga der Getriebeantriebswelle gleich null. Die Drehzahl n_em der elektrischen Maschine 6 ist aufgrund des im vorliegenden Ausführungsbeispiel ausgewählten Übersetzungsverhältnisses i = -3 des Planetengetriebes 1 gleich dem Dreifachen der Drehzahl n_am der Antriebsmaschine 4. Bei einer entsprechenden Anforderung eines Fahrers des Fahrzeuges durch eine Veränderung der Fahrpedalstellung Phi steigt die Drehzahl n_am der Dieselbrennkraftmaschine an.
Gleichzeitig wird an der während dieser Phase generatorisch betriebenen elektrischen Maschine 6 Strom abgenommen, so daß von der elektrischen Maschine 6 ein Bremsmoment erzeugt wird. Die Maschine 6 wird in dieser Phase des Anfahrvorganges in einem zweiten Kennfeld-Quadranten eines Vier-Quadranten-Kennfeldes betrieben, wobei die Maschine im zweiten Kennfeld-Quadranten ein positives Moment und eine negative Drehzahl aufweist. Dieses Bremsmoment der elektrischen Maschine 6 führt dazu, daß die Drehzahl n_em der elektrischen Maschine in Richtung eines sogenannten Durchstoßpunktes DP von der Dieselbrennkraftmaschine "hochgezogen" wird. Gleichzeitig steigt die Drehzahl n_ga der Getriebeantriebswelle in Richtung der Drehzahl n_am der Dieselbrennkraftmaschine an. Der Durchstoßpunkt DP entspricht dem Punkt des Verlaufes der Drehzahl n_em der elektrischen Maschine 6, an welchem diese null ist.
Bei Überschreiten des Durchstoßpunktes DP des Verlaufes der Drehzahl n_em der elektrischen Maschine 6 muß die elektrische Maschine 6 zum Synchronisieren der Drehzahlen des Planetengetriebes 1 motorisch betrieben werden. Die Maschine 6 wird in dieser Phase des Anfahrvorganges in einem ersten Kennfeld-Quadranten eines Vier-Quadranten- Kennfeldes betrieben, wobei die Maschine im ersten Kennfeld-Quadranten ein positives Moment und eine positive Drehzahl aufweist. Dazu wird der elektrischen Maschine 6 von einer Stromquelle Strom zugeführt. Durch den motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 6 steigt die Drehzahl n_em der elektrischen Maschine in Richtung der Drehzahl n_am der Antriebsmaschine 4 bzw. der Dieselbrennkraftmaschine an. Gleichzeitig wird die Drehzahl n_ga der Getriebeeingangswelle 8 in Richtung der Drehzahl n_am der Dieselbrennkraftmaschine geführt, bis die Drehzahl n_am der Antriebsmaschine 4, die Drehzahl n_ga der Getriebeeingangswelle 8 und die Drehzahl n_em der elektrischen Maschine 6 im Synchronpunkt SP identisch sind.
Diese Synchronisierung der Drehzahlen des Planetengetriebes 1 wird ohne thermische Kupplungsbelastung der reibschlüssigen Kupplung 10 realisiert, da das Drehmoment T_am der Antriebsmaschine 4 nur über die elektrische Maschine 6 abgestützt wird. Nach Erreichen des Synchronpunktes SP kann die reibschlüssige Kupplung 10 ohne Schlupfphase geschlossen werden. Danach wird das Antriebsmoment der Antriebsmaschine 4 direkt auf die Getriebeeingangswelle 8 geführt.
Für den Fall, daß das von der elektrischen Maschine 6 maximal abgebbare Drehmoment T_em_max zum Synchronisieren der Drehzahlen am Planetengetriebe 1 nicht ausreichen sollte, wird die reibschlüssige Kupplung 10 mit einer erforderlichen Schließkraft beaufschlagt. Die Kupplung 10 stützt zunächst in einem schlupfenden Zustand den von der elektrischen Maschine nicht abstützbaren Teil des Antriebsmomentes der Antriebsmaschine 4 ab, bis das Planetengetriebe 1 synchronisiert ist. Anschließend wird die reibschlüssige Kupplung endgültig geschlossen.
Alternativ kann anstatt einer elektrischen Maschine auch eine Scheibenbremse zum Einleiten des Synchronisiervorganges des Planetengetriebes eingesetzt werden, die gegen ein feststehendes Gehäuse des Planetengetriebes abbremst. Dabei wird der gleiche Effekt wie mit einer elektrischen Maschine im generatorischen Betriebsbereich, wie zu Fig. 4 beschrieben, erzielt. Die verbleibende Differenz der Drehzahlen am Planetengetriebe zwischen dem Durchstoßpunkt DP und dem Synchronpunkt SP wird durch die dann im Schlupfbetrieb geregelte reibschlüssige Kupplung eliminiert.
Beim Einsatz einer elektrischen Maschine zum Synchronisieren der Drehzahlen eines Planetengetriebes sowie zum Abstützen der dynamischen Momente der Antriebsmaschine besteht vorteilhafterweise die Möglichkeit, während des generatorischen Betriebs der elektrischen Maschine Strom an ein Bordnetz bzw. an einen Stromspeicher abzuführen. Der Einsatz eines Stromspeichers bietet hierbei wiederum den Vorteil, daß für einen sich an den generatorischen Betrieb anschließenden motorischen Betriebsbereich der elektrischen Maschine, bei welchem der elektrischen Maschine Strom zugeführt werden muß, eine Stromquelle zur Verfügung steht. Des weiteren kann die elektrische Maschine in Verbindung mit dem Stromspeicher zum Starten einer als Brennkraftmaschine ausgeführten Antriebsmaschine verwendet werden. Bezugszeichen 1 Planetengetriebe
2 Antriebsstrang
3 Hohlrad
4 Antriebsmaschine
5 Sonnenrad
6 elektrische Maschine
7 Planetenträger
8 Abtriebswelle, Getriebeeingangswelle
9 Schaltgetriebe, Vorgelegegetriebe
10 reibschlüssiges Schaltelement
11 Rotor der elektrischen Maschine
12 Torsionsdämpfer
13 Steuergerät der Antriebsmaschine
14 Fahrpedal, Leistungsanforderungselement
DP Durchstoßpunkt
i Übersetzungsverhältnis
k Korrekturwert
n_am Drehzahl der Antriebsmaschine
n_am_ist Ist-Drehzahl der Antriebsmaschine
n_am_LL_soll Soll-Leerlaufdrehzahl der Antriebsmaschine
Δn_am Differenzdrehzahl
n_em Drehzahl der elektrischen Maschine
n_em_ist Ist-Drehzahl der elektrischen Maschine
n_ga Drehzahl der Getriebeantriebswelle
Phi Fahrpedalstellung
S1-S13 Schritt
SP Synchronpunkt
t Zeit
T_am Drehmoment der Antriebsmaschine
T_am_max maximales Drehmoment der Antriebsmaschine bzw. aktuell maximal abgebbares Drehmoment der Antriebsmaschine
T_em Drehmoment der elektrischen Maschine
T_em_max maximales Drehmoment der elektrischen Maschine bzw. aktuell maximal abgebbares Drehmoment der elektrischen Maschine
T_soll Soll-Drehmoment
k × T_am_max Vorsteuermoment
T_ku_soll Soll-Drehmoment des reibschlüssigen Schaltelementes
T_reg Reglervorgabe

Claims

1. Verfahren zum Regeln eines Anfahrvorganges eines Antriebsstranges (2) mit einem von einer Antriebsmaschine (4) antreibbaren Verbraucher (9) und einem dazwischen angeordneten Planetengetriebe (1), wobei das Planetengetriebe (1) über ein reibschlüssiges Schaltelement (10) überbrückbar ist und zur variablen Übertragung eines Drehmoments (T_am) der Antriebsmaschine (4) mit einer drehzahl- und momentenvariablen Maschine (6) in Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Antriebsmaschine (4) auf den Verbraucher (9) entsprechend einer Anforderung zu übertragendes Soll-Drehmoment (T_soll) zusätzlich stufenlos über das Schaltelement (10) geregelt einstellbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Soll-Drehmoment (T_soll) bis zu einem Wert, der einem aktuell maximal von der drehzahl- und momentenvariablen Maschine (6) abgebbaren Drehmoment (T_em_max) entspricht, über die Maschine (6) geregelt eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Soll-Drehmoment (T_soll) ab einem Wert, der größer als das von der Maschine (6) aktuell maximal abgebbare Drehmoment (T_em_max) ist, zusätzlich über das Schaltelement (10) geregelt eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein bei einer aktuellen Drehzahl (n_em_ist) der Maschine (6) von dieser aktuell maximal abgebbares Drehmoment (T_em_max) über eine in einem Steuergerät abgelegte Vollastkennlinie der Maschine (6) bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Soll-Drehmoment (T_soll) in Abhängigkeit einer Differenzdrehzahl (Δn_am) zwischen einer Soll-Leerlaufdrehzahl (n_am_LL_soll) der Antriebsmaschine (4) und einer Ist-Drehzahl (n_am_ist) der Antriebsmaschine (4) ermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reglervorgabe (T_reg) für das Soll-Drehmoment (T_soll) in Abhängigkeit der Differenzdrehzahl (Δn_am) durch einen Proportionalregler erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Soll-Drehmoment (T_soll) in Abhängigkeit eines bei einer Ist-Drehzahl (n_am_ist) der Antriebsmaschine (4) von dieser maximal abgebbaren Drehmoments (T_am_max) bestimmt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Antriebsmaschine (4) aktuell maximal abgebbares Drehmoment (T_am_max) über ein in einem Steuergerät abgelegtes Kennfeld in Abhängigkeit der Ist-Drehzahl (n_am_ist) der Antriebsmaschine (4) und einer Stellung eines Leistungsanforderungselementes (14) der Antriebsmaschine (4) ermittelt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Antriebsmaschine (4) aktuell maximal abgebbares Drehmoment (T_am_max) über einen Korrekturwert (k) korrigiert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Soll-Drehmoment (T_soll) aus der Summe eines Vorsteuerdrehmoments (k × T_am_max) der Antriebsmaschine (4) und der Reglervorgabe (T_reg) gebildet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Soll- Drehmoment (T_soll) eine Drehmomentvorgabe für die Maschine (6) darstellt, wenn das Soll-Drehmoment (T_soll) kleiner oder gleich dem von der Maschine (6) aktuell maximal abgebbaren Drehmoment (T_em_max) ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Soll-Drehmoment (T_soll) eine Drehmomentvorgabe für die Maschine (6) und das reibschlüssige Schaltelement (10) darstellt, wenn das Soll-Drehmoment (T_soll) größer als das von der Maschine (6) aktuell maximal abgebbare Drehmoment (T_em_max) ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmomentvorgabe für die Maschine (6) gleich dem von der Maschine (6) aktuell maximal abgebbaren Drehmoment (T_em_max) ist und die Drehmomentvorgabe für das Schaltelement (10) ein Differenzdrehmoment (T_ku_soll) zwischen dem Soll-Drehmoment (T_soll) und dem von der elektrischen Maschine (6) aktuell maximal abgebbaren Drehmoment (T_em_max) darstellt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine (6) als eine elektrische Maschine oder als ein Hydrostat ausgebildet ist.

15. Antriebsstrang (2) mit einem Planetengetriebe (1), wobei eine Antriebsmaschine (4), eine drehzahl- und momentenvariable Maschine (6) und ein von der Antriebsmaschine anzutreibender Verbraucher (9) mit dem Planetengetriebe (1) wirkverbunden sind und ein Drehmoment (T_am) der Antriebsmaschine (4) von der elektrischen Maschine (6) während eines Anfahrvorganges wenigstens teilweise abstützbar ist, und wobei ein reibschlüssiges Schaltelement (10) zum Verblocken des Planetengetriebes (1) vorgesehen ist, welches als zusätzliches Anfahrelement ansteuerbar ist.

16. Antriebsstrang nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmaschine (4) mit einem Hohlrad (3) und die drehzahl- und momentenvariable Maschine (6) mit einem Sonnenrad (5) des Planetengetriebes (1) verbunden ist und über das Schaltelement (10) das Sonnenrad (5) des Planetengetriebes (1) mit dessen Hohlrad (3) oder dessen Planetenträger (7) fest verbindbar ist, wobei das Schaltelement (10) in Abhängigkeit eines angeforderten Soll-Drehmomentes (T_soll) für einen Verbraucher (9) mit einer derartigen Schließkraft beaufschlagbar ist, daß das Soll-Drehmoment (T_soll) von der Antriebsmaschine (4) über das Planetengetriebe (1) auf den Verbraucher (9) übertragbar ist.

17. Antriebsstrang nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die drehzahl- und momentenvariable Maschine (6) als eine elektrische oder eine hydrostatische Maschine ausgebildet ist.