DE112011102776B4

DE112011102776B4 - Verfahren zur Ermittlung einer Temperatur einer Reibungskupplung

Info

Publication number: DE112011102776B4
Application number: DE112011102776.1T
Authority: DE
Inventors: Loyal George MacMillian; Daniel Redel; Gerald Küstler
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2011-07-27
Publication date: 2019-02-07
Anticipated expiration: 2031-07-28
Also published as: CN103261724B; US20130161147A1; DE102011079889A1; CN103261724A; US8701855B2; DE112011102776A5; WO2012025082A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung einer Kupplungstemperatur einer Reibungskupplung in einem Kraftfahrzeug mit einer Kupplungsglocke (210), sowie mindestens einem an der Kupplungsglocke (210) angeordneten Lufteinlasskanal (130) und mindestens einem an der Kupplungsglocke (210) angeordneten Luftauslasskanal (140) sowie mindestens einem Temperatursensor (120), wobei der Temperatursensor (120) in der Kupplungsglocke (210) in einem Winkelbereich von 90 Grad (265) bis 360 Grad (250) entlang des Umfangs der Kupplungsglocke ausgehend (250) vom Lufteinlasskanal (130) in Strömungsrichtung (270) der durch den Lufteinlasskanal (130) zugeführten Luft, angeordnet ist oder dass der Temperatursensor (120) im Luftauslasskanal (140) angeordnet ist, wobei mittels eines Kupplungstemperaturmodells welches die Werte des mindestens einen Temperatursensors (120) heranzieht, die Ermittlung der Kupplungstemperatur erfolgt und mittels der ermittelten Kupplungstemperatur die Steuerung einer aktiven Kühlung (100) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Sensorausfall die aktive Kühlung (100) dauerhaft betrieben wird, wobei in diesem Fall die Ermittlung der Kupplungstemperatur mittels eines Kupplungstemperaturmodells durchgeführt wird, welches keine aktive Kühlung berücksichtigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die DE 10 2007 025 408 A1 offenbart eine Kupplungsglocke mit einem im Luftauslasskanal angeordneten Temperatursensor. Die DE 10 2007 041 853 A1 offenbart eine Kupplungsglocke mit darin angeordnetem Temperatursensor. Die US 2 198 792 A offenbart eine Kupplungsbelüftung unter Vermeidung von Luft, die bereits durch den Antriebsmotor angewärmt ist. Die DE 103 38 558 A1 offenbart eine Kühlvorrichtung zur Kühlung des Kupplungsaggregats. Die US 4,382,497 A offenbart ebenfalls eine Kühlvorrichtung für eine Kupplung in einem Kraftfahrzeug. Die EP 1 862 686 A2 offenbart eine Kupplungsglocke mit Eintrittskanal für ein Kupplungskühlmedium, wie Luft.
Reibungskupplungen in Kraftfahrzeugen weisen in der Regel eine Kupplungsglocke auf. Die Glockenlufttemperatur in der Kupplungsglocke kann bei einem Getriebe mit trockener Reibkupplung und aktiver Kühlung nicht ausreichend genau mit den derzeitigen Kupplungstemperaturmodellen online - d.h. im Fahrzeug - berechnet werden. Ein Temperatursensor ist somit sinnvoll zu applizieren und das Kupplungstemperaturmodel daraufhin zu optimieren.
Das Kupplungstemperaturmodel liefert ein Signal, welches für eine Schutzstrategie verwendet wird. Die Kupplungsschutzstrategie schützt die Kupplung gegen übermäßige Erwärmung und somit gegen Effekte, die bei höherer Temperatur auftreten wie beispielsweise Fading, Thermoshock, usw. Durch die eingebrachte Reibleistung erwärmen sich die Kupplungsscheiben wie auch die Kupplungsplatten und andere Bauteile der Kupplung wie beispielsweise Tellerfedern Rückstellsysteme, Lager, etc. Diese erwärmten Teile kühlen sich unter anderem auch an der Glockenluft - also der Luft in der Kupplungsglocke - ab. Die Glockenluft wiederum hat einen Wärmeübertragungspfad in Richtung Motor, Motorraum und Getriebe, wie dies in 1 dargestellt ist.
Die Bestimmung der Glockenlufttemperatur kann derzeit auf unterschiedliche Arten erfolgen:

1.) Glockenlufttemperatursensor innerhalb der Kupplungsglocke jedoch ohne aktive Kühlung. Dies ist beispielsweise durch die DE 41 00 091 A1 offenbart.
2.) Temperatursensor an der Außenwand außerhalb der Kupplungsglocke mit einer aktiven Belüftung. Dies ist beispielsweise in der DE 10 2009 044 385 A1 offenbart.
3.) Eine berechnete Glockenlufttemperatur in Abhängigkeit der Reibleistung und des Wärmeübertragungsverhalten von Fahrzeug, Motor, Getriebe und der Kupplung selbst in einem System ohne aktive Kühlung

Der bekannte Stand der Technik lässt keine Strömungssimulation online im Fahrzeug zu, da gegenwärtig eine zu hohe Rechenkapazität erforderlich ist. Die Nachteile der Einzellösungen sind folgende:

1.) Ohne aktive Kühlung wird die Kupplungsanwendbarkeit und damit die Fahrzeugverfügbarkeit thermisch eingeschränkt bzw. die Kupplung wird thermisch überbeansprucht was zu einer Verkürzung der Lebensdauer führt.
2.) Mit einem Temperatursensor an der Glockenaußenwand außerhalb der Glocke lässt sich der Wert der Glockenlufttemperatur nur ungenügend genau beurteilen, da die an der Außenwand der Glocke ermittelte Temperatur abhängig von der Kapazität des Glockengusses, der Wärmeströmung innerhalb des Motorraums und auch der Glockenluft ist. Dies führt zu einer Ungenauigkeit des Kupplungsmodels was zu einer Einschränkung der Fahrbarkeit bzw. Verfügbarkeit des Fahrzeugs führt oder eine Überhitzung oder Beschädigung der Kupplung verursacht.
3.) Eine Berechnung der Glockenlufttemperatur mit einer aktiven Kühlung ist verbunden mit einer erhöhten Rechenkomplexität, was eine erhöhte Rechenleistung benötigt. Durch die Erhöhung der Komplexität sind recht viele Eingangssignale erforderlich, welche die Genauigkeit des Models verschlechtern was zu einer Einschränkung der Fahrbarkeit bzw- Verfügbarkeit des Fahrzeugs führt oder eine Überhitzung oder Beschädigung der Kupplung verursachen kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kupplungstemperatur bei Verwendung einer aktiven Glockenluftkühlung mit erhöhter Genauigkeit mittels eines Kupplungstemperaturmodells zu ermitteln.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Nicht-erfindungsgemäß wird eine Reibungskupplung in einem Kraftfahrzeug mit einer Kupplungsglocke, sowie mindestens einem an der Kupplungsglocke angeordneten Lufteinlasskanal und mindestens einem an der Kupplungsglocke angeordneten Luftauslasskanal sowie mindestens einem Temperatursensor vorgeschlagen, wobei der Temperatursensor in der Kupplungsglocke in einem Winkelbereich von 90 Grad bis 360 Grad, insbesondere von 180 Grad bis 360 Grad, entlang des Umfangs der Kupplungsglocke ausgehend vom Lufteinlasskanal in Strömungsrichtung der durch den Lufteinlasskanal zugeführten Luft, angeordnet ist oder dass der Temperatursensor im Luftauslasskanal angeordnet ist. In vorteilhafter Weise kann so die Temperatur in der Kupplungsglocke ermittelt werden.
In einer nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsform ist bzw. sind der Einlasskanal und/oder der Auslasskanal im Wesentlichen in Umfangsrichtung tangential zur Kupplungsglocke oder in einem vorgegebenen Winkel zur Tangente der Kupplungsglocke angeordnet. Der vorgegebene Winkel wird dabei aus Gründen einer optimierten Aerodynamik klein gewählt, beispielsweise zwischen 0 und 45 Grad und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform zwischen 0 und 25 Grad gewählt.
In einer weiteren nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsform reichen die Enden von Einlasskanal und/oder der Auslasskanal in die Kupplungsglocke hinein.
In einer weiteren nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsform weisen die Kanalenden eine Krümmung auf und/oder die Kanalenden weisen Umlenkschaufeln wie beispielsweise Leitschaufeln im Bereich der Enden auf, sodass die Enden aerodynamisch optimiert sind.
In einer weiteren nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsform schließen die Enden bündig mit der Kupplungsglocke ab.
In einer weiteren nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der innerhalb der Kupplungsglocke angeordnete Temperatursensor von der Kupplungsglockenwand durch eine Distanziervorrichtung und/oder eine thermische Isolation beispielsweise einen keramischen Isolator beabstandet ist, sodass der Temperatursensor die Temperatur der Glockenluft misst.
In einer weiteren nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die durch den Lufteinlasskanal zugeführte Luft verglichen mit der Umgebungsluft des Fahrzeugs gekühlt ist, was mittels Ankopplung an eine Klimaanlage und/oder an die Fahrzeugkühlung und/oder an eine Motorkühlung und/oder an einen Niedertemperaturkreislauf erfolgt.
In einer weiteren nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die durch den Lufteinlasskanal zugeführte Luft verglichen mit der Umgebungsluft des Fahrzeugs angewärmt ist, was mittels Ankopplung an eine Fahrzeugheizung erfolgt.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Ermittlung einer Kupplungstemperatur einer Reibungskupplung in einem Kraftfahrzeug vorgeschlagen, wobei die Reibungskupplung gemäß den oben gemachten Ausführungen ausgeführt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren, sieht vor, dass mittels eines Kupplungstemperaturmodells welches die Werte des mindestens einen Temperatursensors heranzieht, die Ermittlung der Kupplungstemperatur erfolgt und mittels der ermittelten Kupplungstemperatur die Steuerung der aktiven Kühlung erfolgt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass bei einem Sensorausfall die aktive Kühlung dauerhaft betrieben wird, wobei in diesem Fall die Ermittlung der Kupplungstemperatur mittels eines Kupplungstemperaturmodells durchgeführt wird, welches keine aktive Kühlung berücksichtigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Steuerung der aktiven Kühlung mittels eines Getriebesteuergeräts oder mittels eines Motorsteuergerätes erfolgt.
Die erfindungsgemäße Reibungskupplung sowie das erfindungsgemäße Verfahren hat folgende Vorteile:

a) Vermeidung von zu hoher bzw. nicht zur Verfügung stehender Rechenkapazität
b) Vermeiden einer eingeschränkten Fahrzeugverfügbarkeit durch eine zu scharf greifende Kupplungsschutzstrategie
c) Verhindern einer Kupplungsbeschädigung durch unzureichende Modellgenauigkeit

Weiter Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der 2 sowie deren Beschreibung.

2 schematisch die erfindungsgemäße Reibungskupplung

Zur Bestimmung der Kupplungstemperatur bei Verwendung einer aktiven Glockenluftkühlung 100 ist ein Temperatursensor 120 innerhalb des Glockenluftvolumens 150 vorgesehen. Mit dem Bezugszeichen 120 wird sowohl der Temperatursensor als auch seine Position bezeichnet. In 2 sind beispielhaft einige Positionen angegeben. Besonders zweckmäßige Sensorpositionen 120 lassen sich anhand einer Untersuchung des Strömungsverhaltens innerhalb der Kupplung bzw. der Kupplungsglocke feststellen. Vorteilhafte Sensorpositionen 120 sind vom Einlasskanal 130 betrachtet der Winkelbereich zwischen 90 Grad 265 bis 360 Grad 250, insbesondere zwischen 180 Grad 260 bis 360 Grad 250, in Strömungsrichtung 270 der durch den Einlasskanal 130 zugeführten Luft oder ein Sensor 120 im Auslasskanal 140. Eine vorteilhafte Messposition wäre somit allgemein formuliert die Glockeninnenluft 150, noch ohne Zumischung der Frischluft 160, d.h. nicht im direkten Strom der zugemischten Außenluft 160. Der Winkelbereich von 180 Grad bis 360 Grad hat daher gegenüber dem Winkelbereich von 90 Grad bis 360 Grad den Vorteil, dass die Durchmischung der Frischluft 160 mit der Glockeninnenluft 150 bereits stärker erfolgt ist. Auch Einlasskanal 130 und Auslasskanal 140 sind aerodynamisch optimiert. Dies erfolgt beispielsweise - wie in 2 dargestellt - durch radial in die Kupplung bzw. die Kupplungsglocke hineinreichende Kanalenden 300, durch eine Krümmung der in die Kupplung hineinreichenden Enden 300, durch Umlenkschaufeln wie beispielsweise Leitschaufeln im Bereich der Kanalenden 300 oder in der Kupplung oder einer Kombination aus diesen Möglichkeiten. Auch ein bündiger Abschluss zwischen den Enden 300 und der Kupplungsglocke ist vorteilhaft. Der Einlasskanal 130 und/oder der Auslasskanal 140 sind im Wesentlichen - insbesondere im Bereich der Einmündung in die Kupplungsglocke - in Umfangsrichtung tangential zur Kupplungsglocke oder in einem vorgegebenen Winkel zur Tangente der Kupplungsglocke 210 angeordnet. Der vorgegebene Winkel wird dabei aus Gründen einer optimierten Aerodynamik klein gewählt, beispielsweise zwischen 0 und 25 Grad.
Im Fall eines Sensorausfalls gibt es prinzipiell zwei Lösungsmöglichkeiten. Zum einen kann ein zweiter Sensor zur Kontrolle oder als Ersatz vorgesehen sein und das Verfahren läuft mit Hilfe des zweiten Sensors. Zum anderen kann bei einem Sensorausfall vorgesehen werden, den Lüfter der aktiven Kühlung 100 dauerhaft zu betreiben aber mit dem konventionellen Kupplungstemperaturmodell - also unter der Annahme, dass keine aktive Kühlung vorhanden ist - um die Temperatur zu ermitteln.
Die Steuerung der aktiven Kühlung 100 - die in einer bevorzugten Ausführungsform als eine Belüftung ausgeführt ist - kann über das Getriebesteuergerät oder das Motorsteuergerät erfolgen. Die Vorteile durch eine Ansteuerung mittels der Getriebesteuerung ist, dass die aktive Kühlung 100 direkt auf die ermittelten Signale der Kupplungstemperaturen reagieren kann.
Die aktive Kühlung 100 kann für die Anwendung mit Glockenlufttemperatursensor 120 und optimiertem Temperaturmodel auf unterschiedlichste Weise erfolgen, unabhängig davon, ob mit einer Belüftung, per Druckluft über den Einlasskanal 130 oder via Absaugung - beispielsweise durch Unterdruck im Abluftkanal 140 - die Zusatzkühlung erzeugt wird. Es besteht auch die Möglichkeit die Luftströmung 160 zu kühlen - z.B. mittels Ankoppelung an die Klimaanlage oder eine Integrierung an die Fahrzeug- oder Motorkühlung beispielsweise einen Niedertemperaturkreislauf. Ebenso ist eine Kombination aus den oben genannten Möglichkeiten vorgesehen. Es besteht ebenso die Möglichkeit, die Luftströmung 160 anzuwärmen, beispielsweise durch Ankopplung an eine Fahrzeugheizung.
Kennzeichnend für diese Konstruktion sind sinnvolle Messstellen 120 für den Glockenlufttemperatursensor 120 und eine Anpassung des Kupplungstemperaturmodels. Der Temperatursensor 120 sollte nicht direkt an der Getriebegehäusewand oder der Glockengehäusewand die Temperatur ermitteln sondern sollte die reine Glockenlufttemperatur messen was einen gewissen Abstand oder eine Isolation - beispielsweise einen keramischen Isolator zwischen Glockenguss und Sensor 120 - zum Glockenguss erfordert. Die Kabelführung der Sensorik kann durch eine vorhandene Aktordurchführung - wie beispielsweise bei einem Hebelaktor- oder über eine andere Sensorzuleitung laufen.
Eine aktiv gekühlte Kupplung mit einem Lufttemperatursensor innerhalb der Kupplungsglocke führt zu einer Verbesserung des Kühlverhaltens der Kupplung und der Genauigkeit des Kupplungstemperaturmodels. Ein Kupplungssystem ohne Glockenlufttemperatursensor und aktiver Kühlung kann zu einer Verminderung der Fahrzeugverfügbarkeit bzw. zu einer thermischen Überbeanspruchung der Kupplung führen, da es sehr viele zu identifizierende Parameter geben würde und somit die Komplexität nicht mehr zu Hand haben wäre. Der Einsatz einer Onlineermittlung des Strömungsverhaltens und ein daran ermittelter Wert der Glockenlufttemperatur würde eine zu hohe Rechenkapazität benötigen. Die Messposition des Glockenlufttemperatursensors muss nach einer Abschätzung der aerodynamischen Gegebenheiten in der Kupplungsglocke bestimmt werden. Eine mögliche Messstelle, welche sich dafür empfiehlt ist innerhalb der Abführung der erwärmten Luft; hier sollte das aerodynamische Verhalten ob mit eingeschalteter aktiver Kühlung oder ausgeschalteter aktiven Kühlung keine allzu großen Änderungen ergeben (z.B. Totwassergebiete). Es besteht die Möglichkeit, dass die aktive Kühlung entweder über das Motorsteuerungsgerät oder das Getriebesteuerungsgeräte betätigt wird. Es gibt verschiedene Möglichkeiten bei einem Ausfall des Sensors zu verfahren: konventionelle Berechnung ohne aktive Kühlung wobei die aktive Kühlung in Betrieb ist, oder ein zweiter Glockenlufttemperatursensor. Der Sensor sollte nicht direkt die Gusstemperatur messen, da dies eine Ungenauigkeit der ermittelten Gussmassentemperaturen zur Folge haben könnte. Die Kabelführung des Sensors kann über die Kupplungsaktorik erfolgen.
Bezugszeichenliste

100: aktive Kühlung
120: vorteilhafte Stellen für einen Temperatursensor
130: Einlasskanal
140: Auslasskanal
150: Kupplungsglockenluft
160: kühle Luft / Frischluft
170: warme Luft
200: Drehrichtung der Kupplung
210: Kupplungsglocke
250: Winkel 0 Grad bzw. 360 Grad
260: Winkel 180 Grad
265: Winkel 90 Grad
270: Strömungsrichtung der durch den Einlasskanal zugeführten Luft
300: Kanalenden

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Kupplungstemperatur einer Reibungskupplung in einem Kraftfahrzeug mit einer Kupplungsglocke (210), sowie mindestens einem an der Kupplungsglocke (210) angeordneten Lufteinlasskanal (130) und mindestens einem an der Kupplungsglocke (210) angeordneten Luftauslasskanal (140) sowie mindestens einem Temperatursensor (120), wobei der Temperatursensor (120) in der Kupplungsglocke (210) in einem Winkelbereich von 90 Grad (265) bis 360 Grad (250) entlang des Umfangs der Kupplungsglocke ausgehend (250) vom Lufteinlasskanal (130) in Strömungsrichtung (270) der durch den Lufteinlasskanal (130) zugeführten Luft, angeordnet ist oder dass der Temperatursensor (120) im Luftauslasskanal (140) angeordnet ist, wobei mittels eines Kupplungstemperaturmodells welches die Werte des mindestens einen Temperatursensors (120) heranzieht, die Ermittlung der Kupplungstemperatur erfolgt und mittels der ermittelten Kupplungstemperatur die Steuerung einer aktiven Kühlung (100) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Sensorausfall die aktive Kühlung (100) dauerhaft betrieben wird, wobei in diesem Fall die Ermittlung der Kupplungstemperatur mittels eines Kupplungstemperaturmodells durchgeführt wird, welches keine aktive Kühlung berücksichtigt.
Verfahren nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der aktiven Kühlung (100) mittels eines Getriebesteuergeräts oder mittels eines Motorsteuergerätes erfolgt.