DE10357852A1

DE10357852A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung des Antriebsmoments an der Antriebswelle eines Umschlingungsgetriebes

Info

Publication number: DE10357852A1
Application number: DE2003157852
Authority: DE
Inventors: Hauke Dipl.-Ing. Karstens
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2005-08-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Antriebsdrehmoments (M¶an¶) eines Umschlingungsgetriebes mit einer Antriebswelle (3) und einer Abtriebswelle (4), mit auf den beiden Wellen (3, 4) angeordneten Kegelscheibensätzen (8, 9), bei denen eine der beiden Kegelscheiben eines jeden Kegelscheibensatzes (8, 9) axial gegen die andere Kegelscheibe verschiebbar ist, sowie mit einem Umschlingungsmittel (7), welches die beiden Kegelscheibensätze (8, 9) antriebswirksam miteinander verbindet, und bei dem das Umschlingungsmittel (7) einen Leertrum (1) und einen Lasttrum (2) aufweist. DOLLAR A Zur Verbesserung der Antriebsdrehmomentbestimmung bei einem solchen Getriebe ist vorgesehen, dass am Leertrum (1) und am Lasttrum (2) jeweils wenigstens ein Schwingungssensor (5, 6) angeordnet ist, dass diese Schwingungssensoren (5, 6) mit einer Steuerungseinheit (10) signaltechnisch verbunden sind und dass die Steuerungseinheit (10) zur Bestimmung des Antriebsdrehmoments (M¶an¶) durch Auswertung der Signale (15, 16) der Schwingungssensoren (5, 6) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Antriebsmoments an der Antriebswelle eines Umschlingungsgetriebes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beziehungsweise des Patentanspruchs 3.
Stufenlose Umschlingungsgetriebe sind bekanntermaßen mit je einem Kegelscheibensatz auf der Getriebeantriebswelle und auf der Getriebeabtriebswelle ausgestattet. Jeder Kegelscheibensatz umfasst zwei Kegelscheiben, die zwischen sich einen im wesentlichen V-förmigen Spalt zur Aufnahme eines Umschlingungsmittels bilden. Ein solches Übertragungs- oder Umschlingungsmittel kann als Riemen, Kette oder etwa als Schubgliederband ausgebildet sein und dient zur Übertragung eines Antriebsmomentes von der Antriebswelle auf die Abtriebswelle des Getriebes.
Zur Variierung des Übersetzungsverhältnisses ist eine Kegelscheibe eines jeden Kegelscheibensatzes relativ zu der ihr gegenüberliegenden Kegelscheibe verschiebbar gelagert. Durch die Veränderung des Abstandes der Kegelscheiben zueinander ergeben sich in den jeweiligen Kegelscheibensätzen unterschiedlich wirksame Übertragungsradien für das Umschlingungsmittel und somit unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse des Getriebes.
Die Höhe des Anpressdruckes, mit dem das Umschlingungsmittel bei eingestelltem Abstand der jeweiligen Kegelscheiben zwischen diesen zur Kraftübertragung angepresst wird, ist abhängig von der an dem Umschlingungsmittel wirkenden Umfangskraft und wird von einer Getriebesteuerungseinrichtung automatisch eingeregelt, wobei üblicherweise deutliche Unsicherheitszuschläge notwendig sind.
Dabei ist es erforderlich, eine bestimmte Mindestanpresskraft einzuhalten, die durch das Eingangsdrehmoment am Getriebe bestimmt ist. Zur Erfassung dieses Drehmoments werden bisher üblicherweise die von einem Motorsteuerungsgerät in ein sogenanntes CAN-Bus-Datenübertragungssystem eingespeisten Drehmomentmesswerte des Motors verwendet, welche allerdings der Serienstreuung des Motors und umweltbedingten Störeinflüssen unterliegen.

Aus der DE 44 40 278 C1 ist zudem Zusammenhang bekannt, den Schlupf zwischen den Kegelscheiben und dem Umschlingungsmittel mittels eines Sensors an letzterem zu ermitteln und darüber auf die optimale Anpresskraft zu schließen.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe an die Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzustellen, mittels denen das Antriebsmoment an der Antriebswelle eines Umschlingungsgetriebes genau und möglichst einfach bestimmt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 3, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich das Schwingungsverhalten eines unter Last stehenden Bauteils in Abhängigkeit von der Last ändert. In Analogie dazu kann durch Messung der Schwingungen der Trume des Umschlingungsmittels auf die Kräfte in den Trumen geschlossen werden kann.

Die Erfindung geht daher von einer Vorrichtung zur Bestimmung des Antriebsdrehmoments M_an eines Umschlingungsgetriebes mit einer Antriebswelle und einer Abtriebswelle aus, wobei auf den beiden genannten Wellen Kegelscheibensätzen angeordnet sind. Eine der beiden Kegelscheiben eines jeden Kegelscheibensatzes ist dabei axial gegen die andere Kegelscheibe verschiebbar. Zudem sind die Kegelscheibensätze von einem gemeinsamen Umschlingungsmittel umspannt, welches die beiden Kegelscheibensätze antriebswirksam miteinander verbindet. Das Umschlingungsmittel weist dabei zwei Abschnitte auf, die mit den Kegelscheiben mechanisch in Kontakt stehen, sowie zwei Trumabschnitte, die die frei umlaufenden Bereiche des Umschlingungsmittels kennzeichnen. Diese beiden Trumabschnitte werden in einen sogenannten Leertrum und einen Lasttrum unterteilt.

Die Vorrichtung zur Bestimmung des Antriebsdrehmoments M_an des Umschlingungsgetriebes ist nun dadurch gekennzeichnet, dass am Leertrum und am Lasttrum jeweils wenigstens ein Schwingungssensor angeordnet ist, dass diese Schwingungssensoren mit einer Steuerungseinheit signaltechnisch verbunden sind, und dass die Steuerungseinheit zur Bestimmung des Antriebsdrehmoments M_an durch Auswertung der Signale der Schwingungssensoren ausgebildet ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung sieht zudem vor, dass die Steuerungseinheit derart ausgebildet ist, dass diese auf der Grundlage der Messsignale Steuersignale zur Betätigung von Stellmitteln an den axial verschiebbaren Kegelscheiben erzeugen kann, mit denen der Anpressdruck der Kegelscheiben auf das Umschlingungsmittel einstellbar ist.

Das Verfahren zur Bestimmung des Antriebsdrehmoments des genannten Umschlingungsgetriebes ist dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsdrehmoment M_an durch Auswertung von Signalen von Schwingungssensoren am Leertrum und am Lasttrum des Umschlingungsmittels ermittelt wird.

Dazu bedient sich das Verfahren vorzugsweise der Gleichung Man = (FLasttrum – FLeertrum)ran bei der r_an den wirksamen Antriebsradius, F_Leertrum die Kraft im Leertrum und F_Lasttrum die Kraft im Lasttrum sind. Diese Kräfte F werden bevorzugt jeweils gemäß nachstehender Gleichung bestimmt: F = 4 μ l2 τmit F für die jeweilige Trumkraft, μ für das spezifisches Gewicht des Trummaterials, l für die Länge des freien Trumabschnitts und τ für die Anzahl der sensierten Trumschwingungen pro Sekunde.

Zur Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine schematische Zeichnung eines Umschlingungsgetriebes beigefügt. Dieses Umschlingungsgetriebe verfügt über eine Antriebswelle 3 und eine Abtriebswelle 4, die jeweils einen Kegelscheibensatz 8 bzw. 9 tragen. Jeder dieser Kegelscheibensätze 8, 9 umfasst zwei Kegelscheiben, von denen jeweils eine Kegelscheibe auf der zugeordneten Getriebewelle 3, 4 axial verschiebbar angeordnet ist.

Zwischen den Kegelscheiben ist ein Umschlingungsmittel 7 aufgenommen, welches die Antriebswelle 3 und die Abtriebswelle 4 antriebstechnisch miteinander verbindet. Dadurch ist das Umschlingungsmittel 7 im Bereich der Kegelscheibensätze zwischen die Kegelscheiben eingespannt, während es außerhalb der Kegelscheiben freie Trumabschnitte 1, 2 aufweist, auf die später eingegangen wird.

Auf die Antriebswelle 3 wirkt das von einem nicht dargestellten Antriebsmotor ausgeübte Antriebsmoment M_an, welches über das Umschlingungsmittel 7 auf die Abtriebswelle 4 übertragen wird und von dieser als Ab triebsmoment M_ab im weiteren Kraftfluss des Kraftfahrzeugantriebes auf die nachfolgenden Bauteile abgegeben wird.

Das Umschlingungsmittel 7 läuft wie bereits erwähnt zwischen den Kegelscheibensätze um, so dass sich der wirksame Antriebsradius r_an und der wirksame Abtriebsradius r_ab durch Verändern des Abstandes der jeweils gegenüberliegenden Kegelscheiben vergrößern oder verringern lässt. Da durch diese Radien r_an, r_ab auch das Übersetzungsverhältnis bestimmt ist, lässt sich darüber das Übersetzungsverhältnis stufenlos verstellen.

Die optimale Anpresskraft der Kegelscheiben auf das Umschlingungsmittel 7 ist abhängig von dem aktuellen Antriebsmoment M_an, das der Antriebsmotor auf die Antriebswelle des Umschlingungsgetriebes ausgeübt. Um den optimalen Anpressdruck einstellen zu können, muss daher zunächst einmal das Antriebsmoment M_an an der Antriebswelle 3 bekannt sein.

Das Umschlingungsmittel 7 wird unterteilt in einen Lasttrum 2 und einen Leertrum 1. Der Lasttrum 2 ist derjenige Abschnitt des Umschlingungsmittels 7, der bei einer Drehung der Antriebswelle 3 die von der Antriebswelle 3 auf die Abtriebswelle 4 ausgeübte Zugkraft überträgt. In dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel ist dies bei einer Drehung der Antriebswelle 3 im Uhrzeigersinn derjenige Abschnitt des Umschlingungsmittels 7, der von dem Kegelscheibensatz 8 auf der Antriebswelle 3 aufgenommen wird. Der Leertrum 1 wird bei gleicher Drehung der Antriebswelle 3 von dieser an der gegenüberliegenden Seite des Kegelscheibensatzes 8 freigegeben. Der begriffliche Unterschied resultiert daraus, dass der Lasttrum 2 aufgrund der Zugrichtung der Antriebswelle 3 einer erheblich höheren Last unterliegt als der Leertrum 1. Am Lasttrum 2 und am Leertrum 1 sind Schwingungssensoren 5, 6 angeordnet, die die im Betrieb des Getriebes vorhandenen Schwingungen des Umschlingungsmittels 7 sensieren anhand derer schließlich das Antriebsmoment bestimmt wird. Die schwingungsbedingte Auslenkung der Trume 1, 2 ist in der Zeichnung durch deren gestrichelt dargestellten Lagen ersichtlich.

Die Messsignale 15, 16 der Sensoren 5, 6 werden an eine Steuereinheit 10 weitergeleitet. Dort werden diese Signale derart ausgewertet, dass von der Steuereinheit 10 Steuerungssignale 11, 12 erzeugt und an hier als Kolben-Zylinder-Anordnungen ausgebildete Stellvorrichtungen 13, 14 weitergeleitet werden können, wobei mittels letzteren der Anpressdruck der axial verschiebbaren Kegelscheiben auf das Umschlingungsmittel 7 einstellbar ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Schwingungsfrequenz eines eingespannten Stabes direkt von der auf ihn einwirkenden Belastung abhängt. Die Eigenfrequenz eines unter mechanischer Belastung stehenden, momentenfrei eingespannten Stabes lässt sich aus der folgenden Gleichung ermitteln

wobei F_achs die Trumkräfte für das Elastizitätsmodul des Stabmaterials, I für dessen Flächenträgheitsmoment, μ für dessen spezifisches Gewicht und l für die Länge des eingespannten Stabes steht. Diese Länge I wird in Analogie zur Lösung der an die Erfindung gestellten Aufgabe gleichgesetzt mit der freien Länge des Lasttrummes 2 und des Leertrummes 1.

Für biegeweiche Bauteile vereinfacht sich die o.g. Formel ab der Eigenfrequenz ω_e zu

oder in Schwingungen τ pro Sekunde ausgedrückt durch die Gleichung

Damit lassen sich aus den Schwingungen in den Trumen 1, 2 die dort herrschenden Kräfte bestimmen, so dass sich in Kenntnis des aktuellen Antriebsradius r_an das Antriebsmoment M_an nach folgender Gleichung bestimmen lässt: Man = (FLasttrum – FLeertrum)ran

Diese Ausführungen machen deutlich, dass mittels der erfindungsgemäße Vorrichtung sowie des diesbezüglichen Verfahrens das Eingangsdrehmoment M_an in das Umschlingungsgetriebe sehr viel genauer bestimmt werden kann, als wenn wie bisher üblich das eingangs genannte CAN-Signal über das Motormoment genutzt wird. Dadurch lässt sich auch die Anpresskraftsteuerung für das Umschlingungsgetriebe genauer durchführen.

Zudem ist es durch die genannte Signalauswertung möglich, umwelt- und alterungsbedingte Veränderungen des Antriebsmotors zu erfassen sowie eine gegebenenfalls eintretende Drehmomenterhöhung durch einen hydrodynamischen Drehmomentwandler bei der Anpresskraftsteuerung zu berücksichtigen.

1: Leertrum
2: Lasttrum
3: Antriebswelle
4: Abtriebswelle
5: Schwingungssensor
6: Schwingungssensor
7: Umschlingungsmittel
8: Kegelscheibensatz
9: Kegelscheibensatz
10: Steuereinheit
11: Steuersignal
12: Steuersignal
13: Stellvorrichtung
14: Stellvorrichtung
15: Messsignal
16: Messsignal
E: Elastizitätsmodul
I: Flächenträgheit
F: Trumkraft
F_Lasttrum: Kraft im Lasttrum
F_Leertrum: Kraft im Leertrum
t: Spezifisches Gewicht
l: Länge
ω_e: Eigenfrequenz
ω_an: Antriebsseitige Eigenfrequenz
ω_ab: Abtriebsseitige Eigenfrequenz
t: Schwingungen pro Sekunde
r_an: Wirksamer Antriebsradius
r_ab: Wirksamer Abtriebsradius
M_an: Wirksames Antriebsmoment
M_ab: Wirksames Abtriebsmoment

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung des Antriebsdrehmoments (M_an) eines Umschlingungsgetriebes mit einer Antriebswelle (3) und einer Abtriebswelle (4), mit auf den beiden Wellen (3, 4) angeordneten Kegelscheibensätzen (8, 9), bei denen eine der beiden Kegelscheiben eines jeden Kegelscheibensatzes (8, 9) axial gegen die andere Kegelscheibe verschiebbar ist, sowie mit einem Umschlingungsmittel (7), welches die beiden Kegelscheibensätze (8, 9) antriebswirksam miteinander verbindet, und bei dem das Umschlingungsmittel (7) einen Leertrum (1) und einen Lasttrum (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass am Leertrum (1) und am Lasttrum (2) jeweils wenigstens ein Schwingungssensor (5, 6) angeordnet ist, dass diese Schwingungssensoren (5, 6) mit einer Steuerungseinheit (10) signaltechnisch verbunden sind, und dass die Steuerungseinheit (10) zur Bestimmung des Antriebsdrehmoments (M_an) durch Auswertung der Signale (15, 16) der Schwingungssensoren (5, 6) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (10) derart ausgebildet ist, dass diese auf der Grundlage der Messsignale (15, 16) Steuersignale (11, 12) zur Betätigung von Stellmitteln (13, 14) an den axial verschiebbaren Kegelscheiben erzeugen kann, mit denen der Anpressdruck der Kegelscheiben auf das Umschlingungsmittel (7) einstellbar ist.
Verfahren zur Bestimmung des Antriebsdrehmoments eines Umschlingungsgetriebes gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsdrehmoment (M_an) durch Auswertung von Signalen (15, 16) von Schwingungssensoren (5, 6) am Leertrum (1) und am Lasttrum (2) des Umschlingungsmittels (7) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmoment (M_an) nach der Gleichung Man = (FLasttrum – FLeertrum)ran bestimmt wird, mit r_an als wirksamen Antriebsradius, wobei die Kraft F_Leertrum im Leertrum (1) und die Kraft F_Lasttrum im Lasttrum (2) jeweils nach folgendem Zusammenhang bestimmt wird: F = 4 μ l2 τmit F für die jeweilige Trumkraft, μ für das spezifisches Gewicht des Trummaterials, l für die Länge des freien Trumabschnitts und τ für die Anzahl der sensierten Trumschwingungen pro Sekunde.