DE19641074C2 - Verfahren zur Temperaturbestimmung einer Reibschlußverbindung - Google Patents

Verfahren zur Temperaturbestimmung einer Reibschlußverbindung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturbe­ stimmung einer Reibschlußverbindung, insbesondere einer Kupplung oder Bremse eines Getriebes, bei der durch Rela­ tivdrehung zweier Reibflächen Reibungswärme erzeugt wird und diese Wärme durch einen Kühlmittelfluß abgeführt wird.
Die direkte Temperaturmessung an der Reibschlußverbin­ dung ist sehr aufwendig, insbesondere bei Kupplungen, bei denen beide Hälften drehbar sind. Die indirekte Temperatur­ messung über das abströmende Kühlmittel ist ebenfalls sehr aufwendig. Darüber hinaus ist es sehr schwierig, einen Tem­ peraturmeßfühler nahe genug an den drehenden Teilen der Reibschlußverbindung unterzubringen. Aus diesem Grund ist dazu übergegangen worden, die bei der Temperaturbestimmung auftretenden Meßabweichungen durch verschiedene Verfahren auszugleichen bzw. zu vermeiden.
Aus der Patent Abstracts of Japan JP 07 012 155 A ist ein Verfahren zur Tempera­ turbestimmung einer Reibschlußverbindung bekannt, bei der durch Relativdrehung zweier Reibflächen Reibungswärme er­ zeugt wird und die Wärme durch einen Kühlmittelfluß abge­ führt. Dabei wird eine innere Temperatur einer Kupplungs­ scheibe einer Kupplung aus den Drehzahlen einer Eingangs­ welle der Kupplung und einer Ausgangswelle der Kupplung, einem an der Ausgangswelle anliegenden Drehmoment und einer Eingangstemperatur eines in die Kupplung geführten Maschi­ nenöls bestimmt.
Daran anschließend wird eine Differenz aus der ermit­ telten inneren Temperatur der Kupplung und einer äußeren Temperatur der Kupplung bestimmt, die mit einem Referenzwert verglichen wird. Erreicht die Differenz den Differenz­ wert oder übersteigt sie diesen, wird ein akustischer Alarm generiert. Dadurch soll eine Beschädigung der Kupplung durch zu hohe Temperaturen vermieden werden.
Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass eine zeitliche Veränderung der Eingangsgrößen zur Bestimmung der Temperatur einer Reibschlußverbindung nicht berücksichtigt wird.
Des weiteren ist aus der DE 196 09 106 A1 ein System zur Ermittlung einer Restlebensdauer einer Mehrfach- Reibungskupplung offenbart. Bei diesem System wird eine Temperatur eines Belags einer Mehrfach-Reibungskupplung entsprechend einer Umdrehungsdifferenz, einem Steueröl­ druck, einer Öltemperatur und der Umdrehungsdifferenz- Erzeugungszeit berechnet. Die Kupplungsbelagstemperaturen, die auf solche Weise bestimmt werden, werden in mehrere Unterteilungen in Bezug auf mehrere vorbestimmte Tempera­ turbereiche unterteilt, um eine Gesamtzeit in jeder Unter­ teilung zu messen. Daran anschließend wird die Restlebens­ dauer der Mehrfach-Reibungskupplung als die restliche auf der Straße zurücklegbare Entfernung aus einem Belastungs­ kraft- oder Lebensdauerdiagramm des Belags der Mehrfachrei­ bungskupplung bestimmt.
Die Temperatur des Belags der Mehrfach-Reibungskupp­ lung wird aus der Summe der Öltemperatur und dem Produkt aus einer Konstanten sowie einer Lastenergie und einer Um­ drehungsdifferenz-Erzeugungszeit bestimmt. Die Öltemperatur wird über eine Öltemperatur-Erfassungsvorrichtung zur Er­ fassung einer Temperatur des Arbeitsdrucks des Steueröl­ drucks bestimmt.
Die Lastenergie wird aus dem Produkt einer weiteren Konstanten, einem übertragen Drehmoment der Mehrfach- Reibungskupplung und einer Umdrehungsdifferenz berechnet.
Nachteilig dabei ist jedoch, dass mit dem System zur Bestimmung der Restlebensdauer der Mehrfach-Reibungs­ kupplung eine aktuelle Temperatur einer Reibschlußverbin­ dung nicht bestimmbar ist, da vielmehr an einem Ende einer betrachteten Betriebsphase einer Reibkupplung ein über die­ se Betriebsphase gemittelte Temperatur bestimmt wird.
Aus der GB 21 49 923 A ist ein Verfahren bekannt, mit­ tels welchem eine Temperatur einer Trockenkupplung durch Integration der Temperaturänderung, die wiederum proportio­ nal zur Reibungsleistung ist, berechnet wird. Treten im Betrieb der Trockenkupplung Kühleffekte auf, ist ein weite­ rer Term bei der Berechnung der aktuellen Temperatur der Trockenkupplung zu verwenden. Darüber hinaus wird die aktu­ elle Temperatur in Abhängigkeit einer Masse und einer Wär­ mekapazität der Kupplungskomponente, welche erwartungsgemäß am stärksten aufgeheizt wird, berechnet.
Hierbei wird das reale System der Trockenkupplung nachteilhafterweise nicht in der erforderlichen Art und Weise abgebildet, so daß eine auf der Temperaturbestimmung aufbauende Ansteuerung der Trockenkupplung nur in derarti­ ger Art und Weise erfolgt, daß eine thermische Überlastung der Trockenkupplung nicht sicher vermieden werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Temperaturbestimmung einer Reibschlußver­ bindung bereitzustellen, mittels dem zeitliche Veränderun­ gen der Eingangsgrößen bei der Bestimmung einer Temperatur der Reibschlußverbindung berücksichtigt werden können und mittels dem ein reales System derart exakt abbildbar ist, daß eine thermische Überlastung sicher vermieden werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Temperaturbe­ stimmung einer Reibschlußverbindung, insbesondere einer Kupplung oder Bremse eines Getriebes, bei der durch Rela­ tivdrehung zweier Reibflächen Reibungswärme erzeugt wird und diese Wärme durch einen Kühlmittelvolumendurchfluß Φ abgeführt wird, wobei ausgehend von einer Umgebungstempera­ tur der Reibschlußverbindung ihre aktuelle Temperatur durch Integration einer Differentialgleichung erster Ordnung, welche eine Temperaturänderung der Reibschlußverbindung über eine Zeitkonstante τ und einen Verstärkungsfaktor K beschreibt, berechnet wird, die proportional zur Differenz aus Reibungsleistung und Wärmeabfuhr ist, ist ein reales System einer Reibschlußverbindung vorteilhafterweise sehr exakt nachbildbar bzw. darstellbar.
Dies wird dadurch erreicht, dass die Zeitkonstante τ und der Verstärkungsfaktor K in Abhängigkeit von im Versuch ermittelten Funktionalen des Kühlmittelvolumendurchflusses Φ bestimmt werden. Durch die Abbildung bzw. Bestimmung der Zeitkonstanten τ und des Verstärkungsfaktors K in Abhängig­ keit der im Versuch ermittelten Funktionalen des Kühlmit­ telmittelvolumendurchflusses Φ finden die realen Gegeben­ heiten bzw. Betriebszustände der betrachteten Reibschluß­ verbindung in besonderer Art und Weise Eingang in die Tem­ peraturbestimmung der Reibschlußverbindung.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegenstände der Unteransprüche.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die aktuelle Temperatur durch die Integration der Dif­ ferentialgleichung
berechnet,
mit der Zeitkonstante
und dem Verstärkungsfaktor
wobei die Symbole bezeichnen:
TR: Temperatur der Reibschlußverbindung
t: Zeit
TK,zu: Temperatur des Kühlmittels beim Zulauf = Umge­ bungstemperatur der Reibschlußverbindung
Δω: Relativwinkelgeschwindigkeit der beiden Hälften der Reibschlußverbindung
MÜ: Übertragungsdrehmoment der Reibschlußverbindung
CR: absolute Wärmekapazität der Reibschlußverbindung
cK: spezifische Wärmekapazität des Kühlmittels
ρ: Dichte des Kühlmittels
Φ: Kühlmittelvolumendurchfluß
α: spezifische Wärmeübergangskonstante an der Grenz­ fläche Reibschlußverbindung-Kühlmittel
A: Fläche der Grenzfläche Reibschlußverbindung- Kühlmittel.
Diese Gleichung läßt sich folgendermaßen herleiten:
Der Reibschlußverbindung wird für den Fall, daß ihre beiden Hälften aufeinander gleiten, Energie in Form von Reibungs­ wärme zugeführt und Wärmeenergie durch ein Kühlmittel, vor­ zugsweise Getriebeöl abgeführt. Im nicht stationären Fall - d. h. Reibungswärmeenergiezufuhr ist ungleich Wärmeenergie­ abfuhr durch Kühlmittel - führt dies zu einer Änderung der Wärmeenergie der Reibschlußverbindung. Der Energieerhal­ tungssatz läßt sich folgendermaßen formulieren:
mit
PR an der Reibschlußverbindung verrichtete Reibleistung,
PK Kühlleistung.
Die an der Reibschlußverbindung verrichtete Reibleistung PR ist das Produkt aus Relativwinkelgeschwindigkeit Δω der beiden Hälften der Reibschlußverbindung und ihrem Übertra­ gungsdrehmoment MÜ
PR = ΔωMÜ (2)
Die Kühlleistung PK führt zu einer Erwärmung des Kühlmit­ tels
PK = cKρΦ(TK,ab - TK,zu) (3)
mit
TK,ab Temperatur des Kühlmittels beim Ablauf von der Reibschlußverbindung.
Dabei ist der Wärmeübergang an der Grenzfläche zwi­ schen Reibschlußverbindung und Kühlmittel gegeben durch
PK = αA(TR - <TK<) (4)
mit
<TK< mittlere Temperatur des Kühlmittels beim Wärme­ übertrag.
Die mittlere Temperatur des Kühlmittels beim Wärme­ übertrag wird als das arithmetische Mittel der Zu- und Abflußtemperatur angesetzt:
Gleichung (5) in (4) eingesetzt ergibt:
Gleichung (6) nach TK,ab aufgelöst ergibt:
Einsetzen von Gleichung (6') in (3) eliminiert die unbe­ kannte Temperatur des Kühlmittels beim Ablauf von der Reibschlußverbindung TK,ab:
Auflösen nach PK ergibt:
Gleichung (2) und (7') in (1) eingesetzt gibt folgende Dif­ ferentialgleichung:
Der Term
hat dabei die Bedeutung einer Zeit­ konstante τ und der Term
die Bedeutung eines Verstärkungsfaktors K.
Mit diesen beiden Abkürzungen erhält man obige Diffe­ rentialgleichung:
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Relativwinkelgeschwindigkeit Δω der beiden Hälf­ ten der Reibschlußverbindung als Differenz der absoluten Winkelgeschwindigkeiten der Primär- und Sekundärseite die­ ser Reibschlußverbindung berechnet. Dabei wird die die Pri­ mär- bzw. Sekundärwinkelgeschwindigkeit jeweils als Produkt der Winkelgeschwindigkeit eines im Antriebsstrang auf der Primär- bzw. Sekundärseite dieser Reibschlußverbindung be­ findlichen Bauteils und dem Übersetzungsverhältnis zwischen jeweils diesem Bauteil und der Primär- und Sekundärseite dieser Reibschlußverbindung bestimmt. Die Winkelgeschwin­ digkeit wird dabei jeweils mittels eines Drehzahlsensors gemessen.
Vorteilhafterweise wird die Motordrehzahl als Drehzahl eines Bauteils auf der Primärseite der Reibschlußverbindung und die Getriebeabtriebsdrehzahl als Drehzahl eines Bau­ teils auf der Sekundärseite der Reibschlußverbindung heran­ gezogen.
Das Übertragungsdrehmoment der Reibschlußverbindung wird vorzugsweise anhand von dem Druck im Stellzylinder der Reibschlußverbindung ermittelt. Da die Stellkolbenfläche bekannt ist, ebenso wie die Fläche und der Reibungskoeffi­ zienten der Reibschlußverbindung, kann die Reibungskraft der Reibschlußverbindung berechnet werden. Multipliziert mit dem mittleren Radius der Reibschlußverbindung ergibt sich damit das Übertragungsdrehmoment der Reibschlußverbin­ dung.
Vorzugsweise wird obige Differentialgleichung für die aktuelle Temperatur mittels eines Digitalrechners berech­ net. Vorteilhafterweise wird zur Berechnung der aktuellen Temperatur das Runge-Kutta-Verfahren angewendet.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung wird die aktuelle Temperatur mittels eines Analog­ rechners berechnet.
Vorzugsweise ist das Getriebesteuerungsprogramm von dem Ergebnis der Temperaturberechnung abhängig. Durch eine Verringerung der Schalthäufigkeit bei hohen Temperaturen wird die Reibschlußverbindung thermisch entlastet und kann sich wieder abkühlen. Bei hohen Temperaturen der Reib­ schlußverbindung wird vorzugsweise der Ablauf des Last­ schaltvorgangs in der Weise abgeändert, daß die thermische Belastung der Reibschlußverbindung abnimmt. Dies bedeutet, daß bei hohen Fahrgeschwindigkeiten die Reibschlußverbin­ dung schnell geschlossen wird und bei niedrigen Fahrge­ schwindigkeiten schnell geöffnet wird.
Das führt zwar zu einem ruppigen Schaltverhalten und man­ gelndem Schaltkomfort, entlastet aber die Reibschlußverbin­ dung thermisch. Zwar ist dabei das Übertragungsdrehmoment und damit die Reibleistung für kurze Zeit noch höher, aber die gesamte Reibungswärme, d. h. das Integral der Reibleis­ tung ist infolge kürzerer Schaltzeiten, d. h. Zeiten, in denen die Kupplung schleift, geringer. Bei geringen Fahrge­ schwindigkeiten, bei denen zwar das Übertragungsdrehmoment klein ist, aber die Kupplung permanent schleift, und damit eine hohe Reibungswärme anfällt, wird die Reibschlußverbin­ dung vorteilhafterweise schnell geöffnet.

Claims (11)

1. Verfahren zur Temperaturbestimmung einer Reibschlußverbindung, insbesondere einer Kupplung oder Bremse eines Getriebes, bei der durch Relativdrehung zweier Reibflächen Reibungswärme erzeugt wird und diese Wärme durch einen Kühlmittelvolumendurchfluß Φ abgeführt wird, wobei ausgehend von einer Umgebungstemperatur der Reibschlußverbindung ihre aktuelle Temperatur durch Integ­ ration einer Differentialgleichung erster Ordnung, welche eine Temperaturänderung der Reibschlußverbindung über eine Zeitkonstante τ und einen Verstärkungsfaktor K beschreibt, berechnet wird, die proportional zur Differenz aus Rei­ bungsleistung und Wärmeabfuhr ist, und wobei die Zeitkon­ stante τ und der Verstärkungsfaktor K in Abhängigkeit von im Versuch ermittelten Funktionalen des Kühlmittelvolumen­ durchflusses Φ bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die aktuelle Temperatur durch die Integration der Differentialgleichung
berechnet wird,
mit der Zeitkonstante
und dem Verstärkungsfaktor
wobei die Symbole bezeichnen:
TR: Temperatur der Reibschlußverbindung
t: Zeit
TK,zu: Temperatur des Kühlmittels beim Zulauf = Umge­ bungstemperatur der Reibschlußverbindung
Δω: Relativwinkelgeschwindigkeit der beiden Hälften der Reibschlußverbindung
MÜ: Übertragungsdrehmoment der Reibschlußverbindung
CR: absolute Wärmekapazität der Reibschlußverbindung
cK: spezifische Wärmekapazität des Kühlmittels
ρ: Dichte des Kühlmittels
Φ: Kühlmittelvolumendurchfluß
α: spezifische Wärmeübergangskonstante an der Grenz­ fläche Reibschlußverbindung-Kühlmittel
A: Fläche der Grenzfläche Reibschlußverbindung- Kühlmittel
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Relativwinkelgeschwindigkeit Δω der beiden Hälften der Reibschlußverbindung als Diffe­ renz der absoluten Winkelgeschwindigkeiten der Primär- und Sekundärseite dieser Reibschlußverbindung berechnet wird, wobei die Primär- und die Sekundärwinkelgeschwindigkeit jeweils als Produkt der mittels jeweils eines Drehzahlsen­ sors gemessenen Winkelgeschwindigkeit eines im Antriebs­ strang auf der Primär- und der Sekundärseite dieser Reibschlußverbindung befindlichen Bauteils und dem Überset­ zungsverhältnis zwischen jeweils diesem Bauteil und der Primär- und Sekundärseite dieser Reibschlußverbindung be­ stimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Drehzahl des Bauteils auf der Primärseite der Reibschlußverbindung die Motordrehzahl und als Drehzahl des Bauteils auf der Sekundärseite der Reibschlußverbindung die Getriebeabtriebsdrehzahl herange­ zogen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Übertragungsdrehmoment der Reibschlußverbindung anhand von dem Druck im Stellzylinder bei bekannter Stellkolbenfläche der Reibschlußverbindung und der Abmessung sowie des Reibungskoeffizienten der Reibschlußverbindung ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die aktuelle Temperatur mittels eines Digitalrechners berechnet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die aktuelle Temperatur nach dem Runge-Kutta-Verfahren berechnet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die aktuelle Temperatur mittels eines Analogrechners berechnet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Reibschlußverbindung eine Kupplung oder eine Bremse eines Getriebes ist und das Getriebesteuerungsprogramm des Getriebes von dem Ergebnis der Temperaturberechnung abhängig ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Getriebesteuerungsprogramm bei hohen Temperaturen der Reibschlußverbindung die Schalthäu­ figkeit verringert.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Getriebesteuerungspro­ gramm bei hohen Temperaturen der Reibschlußverbindung diese bei hohen Fahrgeschwindigkeiten schnell schließt und bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten schnell öffnet.
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