DE19723393B4 - Kraftfahrzeug - Google Patents
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- H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
- H02H7/08—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors
- H02H7/085—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors against excessive load
- H02H7/0852—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors against excessive load directly responsive to abnormal temperature by using a temperature sensor
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2.
- Die
EP 0 638 743 B1 offenbart ein Verfahren zur Steuerung der Schaltkraft in einem automatisierten mechanischen Getriebe. DieDE 44 33 825 A1 offenbart eine Kupplungsstelleinrichtung mit einer Lageregelung. DieWO 93/11369 A1 DE 34 900 40 C2 offenbart eine Kupplungssteuerungsvorrichtung, die von einem Elektromotor betätigt wird, wobei Signale eines Drehzahlsensors in die Steuerung des Elektromotors mit eingehen. Die japanische OffenlegungsschriftJP S63-13 307 A US 5 315 218 A beschreibt eine Vorrichtung zum automatisierten Schalten eines Getriebes mit Hilfe von Elektromotoren sowie die entsprechende elektronische Ansteuerung für diese Elektromotoren. - Unter automatisierter Betätigung von Getriebe oder Drehmomentübertragungssystem, wie Kupplung, ist die gesteuerte Gangwahl des Getriebes mittels eines Aktors zu verstehen, wobei zumindest ein getriebeseitiges Schaltorgan zwischen vorgebbaren Positionen betätigt wird, damit ein Gang eingelegt oder nicht eingelegt ist. Entsprechendes gilt für die Betätigung des Drehmomentübertragungssystems, wobei dazu beispielsweise ein Ausrücklager zwischen zwei Positionen betätigbar und einstellbar ist, um den Einrückzustand und das von dem Drehmomentübertragungssystem übertragbare Drehmoment einzustellen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur automatisierten Betätigung einer Kupplung und/oder eines Getriebes.
- Bei solchen Kraftfahrzeugen besteht eine Korrelation zwischen der Ansteuerung zumindest eines Antriebselementes und der automatisierten Betätigung des Drehmomentübertragungssystem und/oder des Getriebes, wobei die Übertragungsstrecke zwischen der zumindest einen Antriebseinheit und den betätigbaren Elementen des Drehmomentübertragungssystemes und/oder des Getriebes beispielsweise zeitlichen Variationen unterliegen. Weiterhin ist die Kenntnis von Größen der Betätigung, wie beispielsweise die Position, die Geschwindigkeit, die Beschleunigung und/oder eine Kraft von betätigbaren Elementen oder auf betätigbare Elemente notwendig um eine relativ genaue Steuerung oder Regelung des Kupplungsvorganges und/oder des Schalt- und/oder des Wählvorganges der Getriebeübersetzung zu erreichen.
- Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug der oben genannten Art zu schaffen, welches einfach und kostengünstig herstellbar ist und eine hohe Funktionssicherheit gewährleistet. Weiterhin sollte ein Kraftfahrzeug mit einer oben genannten Vorrichtung geschaffen werden, welche einfach und kostengünstig eine Sensorik schafft oder aufweist um eine automatisierte Betätigung optimal detektieren und anhand der Daten steuern zu können.
- Diese Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß Anspruch 2 gelöst.
- Dies kann bei Kraftfahrzeugen der oben genannten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, dass zumindest eine Kenngröße des Aktors und/oder der Antriebseinheit des Aktors detektierbar ist und die Steuereinheit mittels dieser Kenngröße eine eine Betätigung repräsentierende Größe ermittelt.
- Dies kann ebenso erreicht werden, wenn der zumindest eine Aktor zumindet einen Sensor aufweist, welcher zumindest eine Kenngröße des Aktors und/oder der Antriebseinheit detektiert, wobei die Steuereinheit mittels dieser Kenngröße eine eine Betätigung repräsentierende Größe ermittelt.
- Vorteilhaft kann es dabei sein, wenn die Kenngröße des Aktors und/oder der Antriebseinheit eine elektrische Kenngröße, wie eine Spannung oder ein Strom ist.
- Ebenso kann es zweckmäßig sein, wenn die Kenngröße des Aktors und/oder der Antriebseinheit eine mechanische Kenngröße, wie eine Drehzahl, eine Drehrichtung, eine Position, eine Geschwindigkeit, eine Beschleunigung, eine Betätigungsrichtung und/oder eine Betätigungskraft ist. Die Variationen der Kenngrößen der Antriebseinheit als Funktion der Zeit mittels der Steuereinheit ermittelt und daraus eine eine Betätigung repräsentierende Größe bestimmt oder berechnet wird.
- Nach dem erfindungsgemäßen Gedanken kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn Maximalwerte, Minimalwerte oder Nullstellen von Kenngrößen, verarbeiteten Kenngrößen, verknüpften Kenngrößen und/oder deren zeitliche Abfolge mittels der Steuereinheit ermittelt und die Steuereinheit daraus eine eine Betätigung repräsentierende Größe ermittelt Ebenso kann es zweckmäßig sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung die Steuereinheit mittels zumindest einer Kenngröße der Antriebseinheit zumindest eine eine Betätigung des Drehmomentübertragungssystemes oder zumindest eine einen Schaltvorgang oder einen Wählvorgang des Getriebes repräsentierende Größe, wie beispielsweise einen Schaltweg, einen Wählweg und/oder einen Betätigungsweg des Drehmomentübertragungssystemes, bestimmt.
- Weiterhin ist es besonders zweckmäßig, wenn die eine Betätigung repräsentierende Größe eine Position, eine Geschwindigkeit, eine Beschleunigung, eine Betätigungsrichtung eines Elementes des Drehmomentübertragungssystemes und/oder des Getriebes und/oder eine Kraftbeaufschlagung auf ein Element des Drehmomentübertragungs-systemes und/oder des Getriebes ist.
- Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn die Steuereinheit aus der zeitlichen Abhängigkeit des Stromes und/oder der Spannung der Antriebseinheit, wie Elektromotor, eine Größe, wie eine Position, eine Geschwindigkeit, eine Beschleunigung, eine Bewegungsrichtung und/oder eine Kraft einer Betätigung bestimmt.
- Ebenso kann es nach dem Erfindungsgedanken zweckmäßig sein, wenn die Steuereinheit mittels inkrementeller Signale die Ermittlung der zumindest einen eine Betätigung repräsentierenden Größe durchführt.
- Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn die Steuereinheit mittels analoger oder digitaler Signale eine Ermittlung der zumindest einen eine Betätigung repräsentierenden Größe durchführt.
- Nach dem erfinderischen Gedanken ist es zweckmäßig, wenn die Steuereinheit eine Ansteuerung, wie Steuerung oder Regelung, der Betätigung des Getriebes und/oder des Drehmomentübertragungssystems mittels der zumindest einen eine Betätigung repräsentierenden Größe als Steuer- oder Regelgröße durchführt.
- Dabei kann es zweckmäßig sein, wenn der Sensor eine Größe einer Linearbewegung, wie eine Wegstrecke, eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung detektiert. Ebenso kann es zweckmäßig sein, wenn der Sensor eine winkelveränderliche Größe, wie eine Rotationsbewegung, eine Drehzahl und/oder eine Winkelbeschleunigung detektiert. Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn der Sensor eine Bewegungsrichtung oder eine Drehrichtung erkennt. Ebenso kann es zweckmäßig sein, wenn ein weiterer Sensor eine Bewegungsrichtung oder eine Drehrichtung erkennt.
- Nach dem erfinderischen Gedanken kann es zweckmäßig sein, wenn der Sensor ein Inkrement einer Linearbewegung oder einer Rotationsbewegung eines Elements des Aktors und/oder der Antriebseinheit detektiert. Ebenso kann es zweckmäßig sein, wenn der Sensor eine Drehzahl oder ein Inkrement einer Drehzahl eines rotierenden Elementes detektiert. Ebenso kann es vorteilhaft sein, wenn der Sensor eine Drehrichtung eines rotierenden Elementes detektiert.
- Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn der Sensor eine Bewegung oder ein Inkrement eines linear bewegbaren Elementes detektiert. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn der Sensor eine Bewegungsrichtung eines linear bewegbaren Elementes detektiert.
- Erfindungsgemäß kann es bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig sein, wenn eine Modulation eines Stromes oder einer Spannung als Inkrement einer Bewegung detektiert wird und mittels dieses Signales eine eine Betätigung repräsentierende Größe bestimmt.
- Ebenso kann es zweckmäßig sein, wenn die Steuereinheit mittels Sensorsignalen Inkremente der Betätigungsbewegung detektiert und zählt und daraus eine eine Betätigung repräsentierende Große bestimmt.
- Vorteilhaft ist es, wenn der zumindest eine Sensor ein Inkrementalgeber oder ein analoger und/oder digitaler Sensor ist.
- Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn der Sensor im wesentlichen gehäusefest angeordnet ist und eine Bewegung eines bewegbaren Elementes detektiert.
- Besonders zweckmäßig ist es, wenn der Sensor zumindest ein bewegbares Sensorelement und zumindest ein im wesentlichen feststehendes Sensorelement aufweist, wobei mittels des einen Sensorelementes die Bewegung oder ein Inkrement der Bewegung des anderen Sensorelementes detektiert wird.
- Ebenso kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn der Sensor ein resistiver, ein induktiver, ein kapazitiver, ein magnetoresistiver oder ein magnetischer Sensor oder ein anderer Sensor ist.
- Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn der Sensor ein optischer oder optoelektronischer Sensor ist. Dabei kann der Sensor im wesentlichen aus einem Geber und/oder aus einem Nehmer bestehen. Der Geber kann eine Strahlungsquelle, wie eine Diode oder ein Laser, wie Halbleiterlaser, sein.
- Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn der Sensor ein Hall-Effekt-Sensor ist.
- Nach dem erfinderischen Gedanken ist es vorteilhaft, wenn die detektierte Kenngröße ein Inkrement einer Kenngröße ist. Die Steuereinheit berechnet aus den gezählten Inkrementen die Betätigung.
- Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn zumindest eine der Antriebseinheiten des zumindest einen Aktors ein Elektromotor, wie Gleichstrommotor oder Wechselstrommotor ist.
- Nach dem erfinderischen Gedanken kann es vorteilhaft sien, wenn eine elektrische Kenngröße, wie ein Strom oder eine Spannung, der Antriebseinheit, wie des Elektromotors, detektiert wird und mittels Kennlinien oder Kennfelder das Antriebsmoment des Elektromotors bestimmt wird.
- Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit aus dem Antriebsmoment des Elektromotors eine Betätigungskraft oder ein – moment unter Berücksichtigung der Übersetzung zwischen Antriebseinheit und Betätigungselement ermittelt.
- Ebenso ist es zweckmäßig, wenn zwischen einer Antriebseinheit und einem Betätigungselement eine Elastizität angeordnet ist und zumindest ein Sensor bei einer angesteuerten Betätigung des Betätigungselementes eine Deformation der Elastizität detektiert und die Steuereinheit mittels des zumindest einen Sensorsignales eine Betätigungskraft ermittelt.
- Weiterhin kann es nach dem erfinderischen Gedanken zweckmäßig sein, wenn zwei Sensoren eine Deformation der Elastizität detektieren, wobei aus den Sensorsignalen eine Betätigungskraft ermittelbar ist. Ebenso kann es vorteilhaft sein, wenn zwei Sensoren zur Detektion einer Deformation einer Elastizität verwendet werden, wobei ein Sensor im Betätigungsweg vor der Elastizität und ein Sensor im Betätigungsweg nach der Elastizität angeordnet ist und die Steuereinheit bestimmt aus einer Differenz oder aus einem Quotient der Sensorsignale eine Betätigungskraft.
- Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Steuereinheit eine detektierte Betätigungskraft oder ein eine solche Kraft repräsentierendes Signal mit zumindest einem Referenzwert vergleicht und bei einem Erreichen oder einem Überschreiten des Referenzwertes durch die Betätigungskraft eine veränderte Ansteuerung einleitet.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Elastizität zumindest einen Kraftspeicher umfaßt. Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn der zumindest eine Kraftspeicher unter einer Belastung bei einer Betätigung von Drehmomentübertragungssystem oder Getriebe deformierbar ist. Ebenso kann es zweckmäßig sein, wenn der zumindest eine Kraftspeicher mit Spiel angeordnet ist. Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn der zumindest eine Kraftspeicher ohne Spiel angeordnet ist. In einer weiteren Variante der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn zumindest eine Kraftspeicher mit Vorspannung angeordnet ist.
- Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Elastizität eine ein- oder mehrstufige Kraft-Weg-Charakteristik aufweist. Ebenso kann es zweckmäßig sein, wenn der zumindest eine Sensor ein analoger oder digitaler Wegsensor ist. Ebenso kann es vorteilhaft sein, wenn der zumindest eine Sensor ein digitaler Schalter oder Taster ist.
- Nach einem weiteren erfinderischen Gedanken kann es zweckmäßig sein, wenn bei Verwendung eines vorgespannten Kraftspeichers ein Schalter oder ein Taster eine Überschreitung einer vorgebbaren Kraftschwelle, wie eines Grenzwertes, detektiert.
- Nach dem erfinderischen Gedanken ist es vorteilhaft, wenn ein verwendeter Schalter ein berührungslos schaltender Schalter, wie Hall-Effekt-Schalter oder ein REED-Schalter ist. Ebenso kann es zweckmäßig sein, wenn der Schalter ein mittels Berührung schaltender Schalter ist.
- Nach einem weiteren erfinderischen Gedanken kann es zweckmäßig sein, wenn bei einem Kraftfahrzeug, mit einer Vorrichtung zur automatisierten Betätigung eines Getriebes und/oder eines Drehmomentübertragungssystemes, mit zumindest einem Aktor mit zumindest einer Antriebseinheit, ein Temperatursensor eine Temperatur eines Elementes des Aktors oder der Antriebseinheit detektiert.
- Ebenso kan es nach einem weiteren erfinderischen Gedanken zweckmäßig sein, wenn die Steuereinheit mittels eines thermischen Modelles aus einer Temperatur eines Elementes eine weitere Temperatur eines anderen Elementes bestimmt.
- Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn die weitere Temperatur Terr aus der einen Temperatur Tmess durch:
Terr = Tmess + Tmess·R/C·F(PVerlust) - Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn die Steuereinheit zumindest eine Temperatur eines Elementes mit einem Referenzwert vergleicht und bei Erreichen oder Überschreiten des Referenzwertes eine veränderte Ansteuerung des Aktors einleitet.
- Ebenso kann es zweckmäßig sein, wenn zur Ansteuerung der Antriebseinheiten, wie Elektromotoren, des Aktors/der Aktoren Endstufenschaltungen verwendet werden, wobei für jeden Elektromotor eine Endstufe mit vier Transistoren in H-Schaltung verwendet wird.
- Nach einem weiteren erfinderischen Gedanken kann es zweckmäßig sein, wenn zur Ansteuerung der Antriebseinheiten, wie Elektromotoren, des Aktors/der Aktoren eine Endstufenschaltung mit vier Transistoren in H-Schaltung für einen ersten Elektromotor und mit je zwei weiteren Transistoren pro weiteren Elektromotor verwendet wird.
- Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung eines Antriebsstranges eines Fahrzeuges, -
2 eine Darstellung eines Aktors, -
3 eine Darstellung eines Aktors, -
4a eine schematische Darstellung eines Sensors, -
4b ein Diagramm, -
5 eine schematische Darstellung eines Sensors, -
6 eine schematische Darstellung eines Sensors, -
7 ein Diagramm, -
7a ein Diagramm, -
8 ein Blockschaltbild, -
9 eine Tabelle, -
10 eine schematische Darstellung eines Schaltplanes, -
11 ein Blockschaltbild, -
12 eine schematische Darstellung eines Schaltplanes, -
13 eine schematische Darstellung eines Schaltplanes, -
14 einen Aktor, -
14a einen Ausschnitt eines Aktors, -
15 einen Ausschnitt eines Aktors, -
16 einen Schnitt der15 , -
17 einen Ausschnitt eines Aktors, -
18 einen Schnitt der17 , -
19 einen Ausschnitt eines Aktors, -
20 einen Sensor, -
21 ein Diagramm, -
22 einen Sensor, -
23 ein Diagramm, -
24 einen Sensor, -
25 ein Diagramm, -
26a einen Sensor, -
26b einen Schnitt durch die26 , -
26c ein Diagramm, -
26d ein Diagramm, -
27 ein Diagramm, -
28 ein Diagramm und -
29a –32 je ein Diagramm. - Die
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Antriebsstranges eines Fahrzeuges1 mit einem Antriebsmotor2 , einem Drehmomentubertragungssystem3 und einem Getriebe4 . Dem Getriebe4 ist ein Differential5 sowie Antriebsachsen/Antriebswellen6a ,6b nachgeordnet, über welche die angetriebenen Räder7a und7b antreibbar sind. - An den Rädern und/oder an den Antriebsachsen können beispielsweise Raddrehzahlsensoren
8 angeordnet sein, welche über eine Signalleitung9 mit einer Steuereinheit10 signalverbunden sind. Die Steuereinheit kann somit beispielsweise die Raddrehzahlen der einzelnen angetriebenen oder nicht angetriebenen Rader detektieren und auswerten. - Das Drehmomentübertragungssystem
3 ist in diesem Ausfuhrungsbeispiel mit dem Schwungrad11 verbunden, wobei das Schwungrad11 mit der Kurbelwelle des Antriebsmotors2 verbunden ist. Das Drehmomentübertragungssystem besteht im wesentlichen aus einem Kupplungsdeckel12 , einer Kupplungsdruckplatte13 , einem Kraftspeicher14 , wie Tellerfeder, und aus einer Kupplungsscheibe15 , welche mit der Getreibeeingangswelle16 im wesentlichen drehfest verbunden ist. Die Kupplungsscheibe15 weist weiterhin radial außen liegende Reibbeläge17 sowie eine Torsionsschwingungsdämpfungseinrichtung18 auf. Das Schwungrad11 kann als einteiliges Schwungrad oder als mehrteiliges Schwungrad mit einer Schwingungsdämpfungseinrichtung zwischen einer Primär- und Sekundärseite des Schwungrades ausgebildet sein. Ein solches mehrteiliges Schwungrad ist auch unter dem Begriff Zweimassenschwungrad allgemein bekannt. Das Schwungrad11 trägt am radial äußeren Bereich einen Anlasserzahnkranz19 . Über diesen Anlasserzahnkranz kann ein Anlasser den Antriebsmotor2 starten. Weiterhin kann ein Sensor20 zur Ermittlung der Motordrehzahl des Antriebsmotors2 verwendet werden. Der Sensor20 steht mit der Steuereinheit10 in Signalverbindung, wobei diese Signalverbindung in der1 nicht dargestellt ist. - Weiterhin weist das Fahrzeug
1 zumindest ein Betätigungselement einer Bremse21 auf, wobei diesem Betätigungselement ein Signalgeber22 zugeordnet ist, welcher detektiert, ob die Bremse, wie Feststellbremse und/oder Betriebsbremse, betätigt oder unbetätigt ist. Das Betätigungselement kann ein Pedal oder ein hand- oder fußbetätigter Hebel, wie Handbremshebel, sein. - Weiterhin ist in dem Fahrzeug ein Geber, wie Lasthebel,
23 vorhanden, welcher beispielsweise als Gaspedal ausgebildet ist und die fahrerseitige Beeinflussung der Motordrehzahl und des Motormomentes erlaubt. Dem Geber23 ist zumindest ein Sensor24 zugeordnet, welcher detektiert, wie stark oder wie wett der Lasthebel betätigt ist. Weiterhin kann gegebenenfalls gleichzeitig oder mittels eines anderen Sensorelementes detektiert werden, ob der Lasthebel unbetätigt, wie in Leerlaufposition, ist oder betätigt ist. - Das Fahrzeug
1 weist eine Vorrichtung30 zur automatisierten Betätigung des Drehmomentübertragungssystem3 und/oder zur automatisierten Betätigung der Übersetzungseinstellung des Getriebes4 auf. Die Vorrichtung kann automatisiert ein Ein- und/oder Ausrücken des Drehmomentübertragungssystems oder ein Einstellen eines von dem Drehmomentübertragungssystem übertragbares Drehmoment durchführen. Ebenso kann die Vorrichtung derart ausgestaltet sein, daß ein Schalten/Wählen der Gänge des Getriebes automatisiert erfolgen kann. - Die Vorrichtung
30 weist zumindest einen Aktor auf, welcher mit zumindest einer Antriebseinheit versehen ist. Ebenso können auch mehrere Aktoren Verwendung finden, wobei diese Aktoren mit ihren Antriebseinheiten die Betätigung des Wählvorganges und/oder des Schaltvorganges des Getriebes und/oder des Betätigungsvorganges des Drehmomentübertragungssystemes gesteuert oder geregelt durchführen können. Die Vorrichtung30 ist über eine Signalleitung31 mit der Steuereinheit10 signalverbunden. Die Steuereinheit10 generiert auf der Basis von eingehenden Signalen und Betriebsgrößen Steuersignale zum Schalten der Gänge des Getriebes und/oder zum Betätigen, wie Ein- oder Ausrücken, des Drehmomentübertragungssystemes. Neben den Sensorsignalen können beispielsweise auch über die Signalleitungen32 und33 Signale oder Meßgrößen mit anderen Elektronikeinheiten ausgetauscht oder von diesen empfangen oder zu diesen übermittelt werden. Beispielsweise kann die Steuereinheit10 mit einer Motorelektronik und/oder mit einer Elektronik einer Anti-Schlupfregelung und/oder eines Anti-Blockiersystemes in Signalverbindung stehen. Weiterhin kann die Steuereinheit auch mit anderen Elektronikeinheiten in Signalverbindung stehen. Die Elektronikeinheit10 kann als Einheit die Steuereinheiten zum Schalten des Getriebes und zum Betätigen des Drehmomentübertragungssystemes umfassen. Weiterhin kann auch eine integrierte Elektronikeinheit mit beispielsweise der Motorelektronik gebildet werden. - Die einzelnen Elektronikeinheiten können aber auch getrennt voneinander realisiert sein, wobei eine Signalverbindung zwischen den Elektronikeinheiten bestehen kann.
- Die Vorrichtung
30 ist beispielsweise auf dem Getriebe angeordnet oder angeflanscht und kann die zentrale Getriebeschaltwelle zumindest teilweise in sich aufnehmen, um über mechanische oder druckmittelbetätigte, wie hydraulische, Stellmittel die Einstellung der Übersetzung des Getriebes vorzunehmen. Weiterhin weist die Vorrichtung30 eine Aktorik auf zum Betätigen des Drehmomentübertragungssystemes, das in diesem Ausführungsbeispiel der1 ein hydraulisches System ist, wobei die Aktorik gegebenenfalls mit einem Übersetzungsgetriebe und einem Geberzylinder innerhalb der Vorrichtung30 vorgesehen ist und aber eine Hydraulikleitung40 mit einem Hydrauliknehmerzylinder41 in Fluidverbindung steht, wobei bei einer Ansteuerung des Kolbens des Geberzylinders innerhalb der Vorrichtung30 der Nehmerzylinder das Ausrücklager betätigt, um die Kupplung zu betätigen, wie ein- oder auszurücken. - Innerhalb der Vorrichtung
30 kann weiterhin zumindest ein Sensor vorhanden sein, welcher die Betätigung des Schaltvorganges oder des Wählvorganges der Getriebeübersetzung und/oder den Betätigungsvorgang des Drehmomentübertragungssystemes direkt oder indirekt detektiert. - Die
2 zeigt einen Ausschnitt der Vorrichtung30 der1 , wie beispielsweise ein Untersystem des Aktors zur Betätigung eines Drehmomentübertragungssystemes, wie es in einer Vorrichtung zur beispielsweise kombinierten Betätigung eines Drehmomentübertragungssystemes sowie zur Übersetzungswahl eines Getriebes verwendet werden kann. Der Aktor100 weist eine Antriebseinheit101 auf. Diese Antriebseinheit101 ist in diesem Ausführungsbeispiel der2 ein Elektromotor, wie beispielsweise Gleichstrommotor oder Wechselstrommotor, Schrittmotor oder Wanderwellenmotor, wobei die Motorwelle102 im Bereich103 und im Bereich104 gelagert ist. Der Elektromotor ist mit einem Polgehäuse105 umgeben und kann in das Gehäuse106 des Aktors100 aufgenommen sein oder auf dieses aufgesetzt sein, so daß die Motorwelle102 in das Gehäuse106 hineinragt. - Die Motorabtriebswelle
102 ist über ein Getriebe110 mit einem Übertragungselement120 wirkverbunden, welches die Betätigung des Drehmomentübertragungssystemes130 ausgehend von der Ansteuerung der Antriebseinheit100 auf ein Betätigungselement131 überträgt. Im Ausführungsbeispiel der2 ist das Getriebe110 ein Schneckengetriebe mit Schubkurbel111 , wobei die Schnecke112 mit der Motorwelle102 drehfest angeordnet ist und ein Schneckenzahnrad113 kämmt. Durch die Rotation der Motorwelle102 wird die Schnecke112 in Rotation versetzt, wodurch das Schneckenzahnrad113 sich um die Drehachse114 dreht. Dadurch wird der Haltezapfen115 der Schubkurbel111 in eine rotatorische Bewegung um die Achse114 versetzt, welche die Schubkurbel111 im wesentlichen in axialer Richtung längs zur Achse116 bewegt. - Der Schubkurbel
116 ist ein druckmittelbetätigtes Übertragungssystem, wie eine Übertragungsstrecke, nachgeordnet, welche im wesentlichen aus einem Druckmittelgeberzylinder121 einer Übertragungsstrecke122 und einem Druckmittelnehmerzylinder123 besteht Die Übertragungsstrecke weist weiterhin eine Vorrichtung zum Volumenausgleich oder zur Entlüftung124 auf, welche zu einem Reservoir125 eine Fluidverbindung aufweist. - Durch die Betätigung des Hydrauliknehmerzylinders
123 wird mittels einer Ausrückgabel126 das Ausrücklager131 des Drehmomentübertragungssystemes betätigt, wobei durch die Betätigung des Ausrücklagers die Tellerfeder132 kraftbeaufschlagt wird und in diesem Falle die Kupplungsdruckplatte133 die Kupplungsscheibe134 im Raumbereich zwischen Kupplungsdruckplatte und Schwungrad135 freigibt. Weiterhin ist der Kupplungsdeckel136 gezeigt. - Zur Detektion der Betätigung des Drehmomentübertragungssystemes
130 ist im Bereich des Aktors100 zumindest ein Sensor150 angeordnet, welcher eine Kenngröße detektiert, welche von einer Steuereinheit in eine, eine Betätigung repräsentierende Größe verarbeitet werden kann. Die Kenngröße, die von dem Sensor detektiert wird, steht in einem gegebenen Zusammenhang mit der eine Betätigung repräsentierenden Größe. Im Ausführungsbeispiel der2 ist die Kenngröße beispielsweise eine Drehzahl und/oder eine Drehrichtung und die eine Betätigung repräsentierende Größe ein Betätigungsweg. Der Betätigungsweg und die Drehzahl stehen aufgrund des Übersetzungsgetriebes und der Übertragungsstrecke in einem festen physikalischen Zusammenhang. - Der Sensor
150 besteht aus einem ersten Sensorelement151 , welches eine Drehzahl und/oder eine Drehrichtung oder eine Geschwindigkeit und/oder eine Betätigungsrichtung detektiert. Weiterhin besteht der Sensor aus einem Geber152 , welcher im Zusammenwirken mit einer Betätigung des Drehmomentübertragungssystemes gleichzeitig betätigt oder bewegt wird. Der Nehmer151 detektiert die Bewegung, wie Rotation, des Gebers152 . - Der Sensor
150 ist als inkrementeller Sensor ausgestaltet, wobei der Geber152 als rotierendes Bauteil ausgestaltet ist, welches bei einer ganzen Umdrehung eine Vielzahl von Impulsen liefert. Der Nehmer151 des Sensors150 detektiert im Lauf einer Umdrehung des Elementes152 die einzelnen Impulse und leitet diese über eine Signalleitung153 an die Steuereinheit weiter. - Der Sensor
150 kann beispielsweise durch ein Zahnrad152 und einen induktiven Nehmer151 ausgebildet werden, wobei das Zahnrad der Geber152 ist und der Nehmer das Sensorelement151 ist. Fahren während einer Umdrehung des Zahnrades oder der Motorwelle eine Vielzahl von Zahnradzähnen am induktiven Nehmer151 vorbei, so wird jeweils ein Signal induziert, das über die Signalleitung weitergeleitet wird und von der Steuereinheit verarbeitet werden kann. Die Steuereinheit zählt beispielsweise die einzelnen Impulse aufgrund der induzierten Signale der jeweiligen Zähne. Durch die Abfolge von Zähnen und Zahnlücken, die am Sensorelement151 vorbeistreichen, ist das Signal des Sensors moduliert, das heißt, daß es maximale und minimale Werte als Funktion der Zeit annehmen kann. - Wird von der Steuereinheit eine Betätigung des Drehmomentübertragungssystemes angesteuert, so wird der Elektromotor
101 bestromt und der Anker des Motors101 wird in eine Drehbewegung versetzt, woraufhin sich die Motorwelle102 dreht. Wenn der Geber152 drehfest mit der Motorwelle102 verbunden ist, dreht sich diese gleichfalls. Durch die Drehung der Motorwelle102 wird über das Schneckengetriebe112 die Schubkurbel116 und somit der Nehmerzylinderkolben des Nehmerzylinders123 und in folge dessen das Ausrücklager131 in eine axiale Bewegung versetzt. - Zum Erreichen des vollen Betätigungshubes des Ausrücklagers
131 ist beispielsweise eine Vielzahl von Umdrehungen des Elektromotors nötig. In eifern Ausführungsbeispiel können beispielsweise 50 Umdrehungen der Motorwelle pro Gesamthub des Drehmomentübertragungssystemes nötig sein. Besteht der Sensorgeber152 aus einem Element, welches pro Umdrehung beispielsweise 10 Signale am Nehmer151 erzeugt, so kann bei einem Gesamtbetätigungshub am Ausrücklager des Drehmomentübertragungssystemes eine Gesamtzahl von 500 Impulsen von dem Sensor150 erzeugt werden. Die Steuereinheit detektiert diese einzelnen inkrementellen Impulse und kann aufgrund der Anzahl der gezählten zImpulse die aktuelle Position beispielsweise des Ausrücklagers bestimmen. - Der Sensor
150 detektiert im Falle, daß der Sensor ein inkrementeller Sensor ist, nicht den gesamten Betätigungsweg, sondern er detektiert nur sehr kleine Einzelinkremente des gesamten Betätigungsweges, wobei die Steuereinheit die Gesamtanzahl der Inkremente zählt und unter der Voraussetzung, daß die Anfangsposition bekannt ist, kann die Steuereinheit zu jedem Zeitpunkt die aktuelle Position des betätigbaren Elementes131 bestimmen. - Neben der Position eines betätigbaren Elementes kann anhand der zeitlichen Veränderung der detektierten Inkremente der Betätigungsbewegung auch eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung des betätigbaren Elementes bestimmt werden.
- Die
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Aktors200 , welcher zur automatisierten Betätigung einer Getriebeübersetzung eines Getriebes4 verwendet werden kann. - Der Aktor
200 weist in diesem Ausführungsbeispiel der3 zwei Antriebseinheiten201 und202 auf, welche im wesentlichen gleichartig ausgestaltet sind und vergleichbar sind mit der Antriebseinheit101 der2 . Über die Motorwellen203 und204 wird über jeweils ein Getriebe, wie Schneckengetriebe, jeweils ein Ausgangselement205 ,206 betätigt. Weiterhin sind getriebeinterne Schaltelemente300 des Getriebes4 zu erkennen, welche beispielsweise innerhalb eines Fahrzeuggetriebes angeordnet sind. Durch die axiale Verschiebung des Elementes301 kann über die Hebelanordnung302 der Schaltfinger303 entlang der Schaltgassen304 betätigt werden. Durch eine Betätigung des Elementes305 kann der Schaltfinger303 in axialer Richtung des Elementes305 betätigt werden, um eine Auswahl zwischen den Schaltgassen304 zu erreichen. Eine Betätigung des Elementes305 in axialer Richtung erzeugt eine Bewegung des Schaltfingers303 in Richtung des Pfeiles306 , wobei eine Betätigung des Elementes301 eine Betätigung des Schaltfingers in Richtung des Pfeiles307 hervorruft. Durch die Betätigung des Schaltfingers in Richtung des Pfeiles306 wird zwischen den Schaltgassen des Getriebes gewählt. Durch die Betätigung des Elementes301 wird ein Schalten innerhalb von den Schaltgassen304 ermöglicht. - Um beispielsweise einen ersten Gang aus einem Neutralbereich einzulegen, muß der Schaltfinger
303 in Richtung des Pfeiles307 betätigt werden, um eine Betätigung innerhalb der Schaltgassen304 zu erreichen. - Wird das Element
301 in Richtung des Pfeiles307 betätigt, so wird das Element302 verkippt, da es im Bereich307 geführt ist und um die Achse308 schwenkbar ist. Durch das Verschwenken des Elementes302 wird der Schaltfinger303 verkippt und kann beispielsweise eine Schaltstange zum Einlegen eines Ganges betätigen. - Durch eine Betätigung des Elementes
305 in Richtung des Pfeiles306 kann eine Verlagerung des Schaltfingers303 erfolgen, wodurch beispielsweise eine Schaltstange gewählt werden kann. - Die Vorrichtung
200 weist somit zwei elektromotorisch angetriebene Aktoren auf, die jeweils mit einem ein Schneckengetriebe210 ,211 mit Schnecke212 ,213 und Schneckenrad214 ,215 sowie mit den Schubkurbeln205 und206 ausgebildet sind. - Weiterhin können Kraftspeicher
220 ,221 vorgesehen sein, welche aufgrund ihrer Vorspannung die Betätigung der Ausgangselemente, wie Schubkurbeln,205 ,206 als Funktion des Betätigungsweges unterstützen können. Weiterhin sind Sensoren250 ,251 angeordnet, welche entsprechend dem Sensor150 der2 ausgebildet sind und als inkrementelle Sensoren die Betätigung des Schaltvorganges, das heißt der Bewegung entlang der Schaltgassen und des Wählvorganges, das heißt der Bewegung zwischen den Schaltgassen detektieren. - Die Sensoren
150 ,250 und251 können innerhalb des Aktors sowohl im Bereich des Getriebes110 ,210 ,211 angeordnet sein oder gegebenenfalls auch innerhalb der Antriebseinheiten, wie Elektromotoren, angeordnet sein. Bei einer Anordnung innerhalb des Polgehäuses des Elektromotors ist eine Anordnung in axialer Richtung vor oder hinter den Anker zweckmäßig. Es kann besonders zweckmäßig sein, wenn der Sensor150 ,250 ,251 innerhalb des Polgehäuses des Elektromotores angeordnet ist, da der Sensor somit vormontierbar ist. - Die inkrementellen Sensoren
250 ,251 können derart ausgebildet sein, daß der Geber, wie beispielsweise152 , im Bereich des Elektromotors oder im Bereich des Übersetzungsgetriebes in der Antriebsverbindung nach der Antriebseinheit bereits vorhanden ist oder daß bereits vorhandene Elemente, welche zu anderen Funktionen bereits vorgesehen sind, gleichzeitig als Geber verwendet werden können. In diesem Falle muß nur der Nehmer, wie beispielsweise151 im Bereich der Auswirkung des Gebers152 angeordnet werden, um die gewünschte Betätigung der Übersetzung des Getriebes oder der Betätigung des Drehmomentübertragungssystemes detektieren zu können. Beispielsweise kann der Motoranker als Geber dienen, da dieser über den Umfang betrachtet einen modulierten Radius aufweist. - Die
4a zeigt eine schematische Darstellung eines Sensors400 , wie eines inkrementell arbeitenden oder detektierenden Sensors. Der Sensor weist ein auf einer Drehachse401 angeordnetes Sensorelement402 auf, das mit der Drehachse401 im wesentlichen drehfest verbunden ist. Bei einer Rotation der Drehachse401 wird das Sensorelement402 ebenfalls in eine Rotation versetzt. Dem Sensorelement402 ist ein weiteres Sensorelement403 im wesentlichen gegenüber oder angrenzend angeordnet, welches mit einer Signalverbindung404 mit einer Steuereinheit signalverbunden sein kann. Das Sensorelement403 detektiert die Rotation des Sensorelementes402 . - Das Sensorelement
402 ist im Falle des Ausführungsbeispieles der4a als Geber und das Sensorelement403 als Nehmer ausgebildet. Der Geber402 ist mit einem bei einer Betätigung sich bewegenden, wie sich drehenden, Element des Aktor30 ,100 ,200 drehfest verbunden. Vorzugsweise ist der Nehmer402 mit einem Element des Aktors30 ,100 ,200 verbunden, welches bei einer Betätigung oder Verwendung des Aktors eine relativ hohe Drehzahl erreicht. Dies kann beispielsweise die Motorwelle eines Elektromotors sein. In diesem Ausführungsbeispiel kann es vorteilhaft sein, wenn der Geber innerhalb des Gehäuses des Elektromotors angeordnet ist. Ebenso kann der Geber auch in dem Gehäuse des Aktors angeordnet, wobei er auch außerhalb des Polgehäuses des Elektromotors angeordnet sein kann, wie es beispielsweise die2 zeigt. - Der Aktor kann eine Antriebseinheit, wie beispielsweise einen Elektromotor enthalten, wobei dieser Antriebseinheit ein Getriebe nachgeordnet sein kann. Dieses Getriebe setzt die Antriebsbewegung der Antriebseinheit in eine Betätigungsbewegung um und das Getriebe kann weiterhin eine Untersetzung realisieren. Ebenso kann mit dem Getriebe eine Übersetzung erreicht werden.
- Die Anordnung des Gebers im Bereich vor dem Getriebe kann im Falle, daß das Getriebe eine Untersetzung ins Langsame bewirkt, eine höhere Impulszahl bei gegebenem Betätigungsweg erreichen. Diese Anbringung des Sensors im Bereich eines Bauteiles, welches hohe Drehzahlen oder schnelle Bewegungen vollzieht, kann zu einer erhöhten Genauigkeit bei der Verwendung eines inkrementellen Sensors führen.
- Bei einer genügend hohen Auflösung des Sensors kann dieser jedoch auch an einem anderen Bauelement des Aktors, wie beispielsweise an dem Getriebe oder nach dem Getriebe angeordnet werden. Als solches Getriebe ist in den
2 und3 ein Schneckengetriebe dargestellt. Weiterhin kann auch ein anderes Getriebe, wie beispielsweise ein Überlagerungsgetriebe, Stirnradgetriebe, Planetengetriebe, Kurbelgetriebe, Zahnstangengetriebe oder ein anderes Getriebe eingesetzt werden. - Der Sensor
400 der4a ist als magnetischer Sensor dargestellt, wobei der Geber402 am Umfang eine Modulation der Magnetisierung aufweist. Dies ist durch die alternierende Angabe der Buchstaben N und S dargestellt, wobei dies die magnetischen Nord- und Südpole kennzeichnet. Der Nehmer403 detektiert bei einer Umdrehung oder bei einer Teilumdrehung des Gebers die an dem Fenster Sensors405 vorbei laufenden sich abwechselnden Magnetisierungen. Der Sensor detektiert diese abwechselnde Magnetisierung und erzeugt ein alternierendes oder moduliertes Ausgangssignal oder Sensorsignal, welches von der Steuereinheit verarbeitet wird. - Die
4b zeigt ein solches moduliertes Ausgangssignal Si des Sensors400 als Funktion der Zeit t. In der4b ist eine Funktion S (410 ) für einen kurzen Zeitraum dargestellt, wobei das Signal Si drei Maxima und zwei Minima in diesem Zeitraum aufweist. Die Maxima werden zu den Zeitpunkten t1, t2 und t3 detektiert. Diese Maxima können beispielsweise erzeugt werden, wenn ein magnetischer Nordpol oder ein Südpol an dem Fenster405 des Sensors400 vorbeiläuft. Weiterhin kann ein solches Maximum auch bei eine Änderung der Magnetisierung von einem Nordpol N zu einem Südpol S erzeugt werden. - Die Steuereinheit kann dieses Signal dahingehend auswerten, daß sie die Maxima, Minima oder eventuelle Nulldurchgänge des Signals zählt. Durch die mechanischen Vorgaben des Gebers ist beim Zählen dieser Ereignisse (Maxima, Minima und/oder Nulldurchgänge des Signals) bekannt, um welchen Weg- oder Winkelbetrag- oder -inkrement sich das Element bewegt hat. Weist beispielsweise der Geber
24 magnetische Pole auf (12 Nord- und 12 Südpole), so gibt die Anzahl der detektierten Inkremente Aufschluß über die Bewegung/Rotation. Dadurch kann der Weg oder der Drehwinkel bestimmt werden. Werden bei einer Umdrehung der Antriebswelle24 Inkremente gezählt, so kann bei einer gegebenen Übersetzung von der Motordrehung zu dem Betätigungsweg der pro Inkrement existierende Betätigungsweg detektiert oder berechnet werden, wobei der gesamte Betätigungsweg sich aus einer Summierung der Weginkremente ergibt. - Der magnetische Sensor
403 kann beispielsweise als Hall-Sensor, als magnetoresistiver Sensor oder als induktiver Sensor ausgebildet sein. Der Geber kann neben der Ausbildung als über den Umfang modulierter Magnet auch beispielsweise als Zahnrad ausgebildet sein, wobei der Nehmer die Anwesenheit oder das Fehlen von Zähnen des Zahnrades zählen kann. Der Geber kann beispielsweise auch durch ein anderes Element gebildet sein, wie durch einen Anker eines Elektromotors. Diese Lösung ist besonders vorteilhaft, da ein Element das bereits im System des Aktor vorhanden ist, somit eine zusätzliche Funktion erhält und dadurch ein zusätzliches Bauteil für den Geber gegebenenfalls eingespart werden kann. - Die
5 zeigt einen Sensor, welcher als optischer Sensor oder strahlungsempfindlicher Sensor ausgebildet ist. Der Sensor besteht aus einem mit einer Achse420 drehbaren Element421 , sowie aus einer Lichtquelle423 und aus einem optisch empfindlichen oder strahlungsempfindlichen Empfänger424 . Die Lichtquelle423 kann beispielsweise eine Leuchtdiode oder ein Laser, wie beispielsweise ein Halbleiterlaser, oder eine andere Lichtquelle oder Strahlungsquelle sein. Das emittierte Licht oder die emittierte Strahlung423a trifft auf das Element421 . Durch das Element421 wird diese Strahlung kodiert oder moduliert. Anschließend wird diese kodierte oder modulierte Strahlung von dem Empfänger oder Detektor424 detektiert oder sensiert. - Das Element
421 ist in unterschiedliche Bereiche aufgeteilt, welche sich beispielsweise über den Umfang verteilt wiederholen oder abwechseln. Die unterschiedlichen Bereiche422a und422b modulieren oder kodieren die Strahlung oder das Licht, das den Detektor424 erreicht. Diese Modulation wird beispielsweise dadurch erreicht, daß die Bereiche422a die Strahlung passieren lassen und die Bereiche422b die Strahlung abschirmen. Dadurch kann bei einer Bewegung des Elementes421 eine Modulation der Intensität am Detektor424 erreicht werden, welche als inkrementelles Signal ausgewertet werden kann. - Die Bereiche
422a sind Bereiche, welche die Strahlung passieren lassen, wobei die Bereiche422b die Strahlung nicht zu dem Detektor424 passieren lassen. - Die
6 zeigt einen Sensor450 mit einem Zahnrad452 , welches mit einer Drehachse451 drehbar ist, wobei sich die Drehachse um die Achse451a dreht. Das Zahnrad weist wie üblich Zähne453 und Zahnlücken453a am Umfang auf, wobei die von der Strahlungsquelle454 emittierte Strahlung durch die Zähne behindert wird und durch die Zahnlücken zu dem Empfänger455 gelangen kann. - Bei einem bekannten Ausgangswert der Stellung oder der Position eines Stellgliedes oder eines Betätigungselementes vor der Betätigungsbewegung kann durch eine Zählung der Inkremente der Bewegung die nach der Bewegung aktuelle Position oder Stellung bestimmt werden.
- Vorteilhaft kann es sein, wenn bei einem oben beschriebenen Aktor Endgeber
160 ,162 vorhanden sind, welche derart angesprochen werden, wenn die Betätigungsbewegung einen Endpunkt erreicht hat. Dadurch kann in diesen Positionen die absolute Position immer wieder neu kalibriert werden, da es im Laufe der Betriebsdauer immer wieder vorkommen kann, daß einzelne Inkremente nicht gezählt werden. Durch die Endanschlaggeber160 ,162 oder Endschalter kann somit eine immer wieder neu kalibrierte Endposition festgelegt werden. - Die
2 zeigt solche Endschalter160 und162 , welche in den Endpositionen der Schubkurbel116 beaufschlagt und geschaltet werden. Diese Schalter stehen mit des Signalleitungen161 und163 mit einer Steuereinheit in Signalverbindung. Ist beispielsweise die Schubkurbel in ihrer einen Endposition, so kann diese Position beim Schalten des Schalters161 auf einen Sollwert für diese Position eingestellt werden. Bei der nächsten Betätigung wird dann von diesem Sollwert aus die Position des Betätigungselementes bestimmt. Zum Schalten der Schalter160 und162 ist ein Betätigungselement165 an der Schubkurbel vorgesehen, welche gegen die Schalter- oder Tasterköpfe verlagert werden kann. - Weiterhin kann auch zumindest ein Schalter derart angeordnet sein, daß er im Betätigungsweg an einer vorgebbaren Stelle angeordnet ist und geschaltet wird, wenn diese vorgebbare Position erreicht ist. Dadurch kann eine Kalibrierung der Position des Betätigungsmittels durchgeführt werden, wenn das Betätigungsmittel diese Position erreicht. In dieser Position kann die Position des Betätigungsmittels auf einen Referenzwert festgelegt werden. Ist die vorgebbare Position des Schalters im wesentlichen in einem Bereich der oft erreicht wird, so kann die Kalibrierung relativ oft durchgeführt werden.
- Der oben genannte Schalter kann ein über eine Berührung gesteuerter Schalter oder ein berührungslos arbeitender Schalter, wie beispielsweise ein Hall-Effekt-Schalter oder REED-Schalter, sein.
- Die in den
2 und3 dargestellten Aktoren weisen jeweils eine Antriebseinrichtung oder Antriebseinheit101 ,201 ,202 , wie beispielsweise einen Elektromotor auf, um die Betätigungsarten Schalten, Wählen und Kuppeln bei einem automatisierten Schaltgetriebe mit einer automatisierten Kupplung jeweils einzeln durchzuführen. Entsprechend dieser Anordnung von Antriebseinheiten für die einzelnen Betätigungsarten werden auch einzelne Sensoren zur Detektion der Betätigung eingesetzt. Es werden in den Ausführungsbeispielen der2 und der3 jeweils einzelne Sensoren zur Detektion der Betätigung des Wählens des Getriebes, des Schaltens des Getriebes und des Kuppelns des Drehmomentübertragungssystemes verwendet. - Jeder dieser Sensoren detektiert unabhängig von den anderen Sensoren die Position eines Betätigungselementes und/oder die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung dieses Elementes und/oder die Kraft, welche auf dieses Element wirkt. Die Sensoren können als analoge oder inkrementale Sensoren ausgebildet sein. Aus der Zeitabhängigkeit der Weginformation kann beispielsweise auch eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung und/oder eine Drehrichtung oder Betätigungsrichtung berechnet werden.
- Eine weitergehende Weiterentwicklung eines automatisierten Schaltgetriebes mit einer automatisierten Kupplung kann unter Verwendung geeigneter Getriebe und Getriebekombinationen eine Reduzierung der Antriebseinheiten erlauben, wobei beispielsweise eine Antriebseinheit für den Vorgang Schalten und Wählen verwendet wird, und eine zweite Antriebseinheit für den Vorgang Kuppeln. Eine weitere Ausgestaltung eines automatisierten Schaltgetriebes mit einer automatisierten Kupplung kann beispielsweise eine Antriebseinheit vorsehen für die Betätigung des Kuppelns und des Schaltens, wobei eine zweite Antriebseinheit den Wählvorgang betätigt. Weiterhin können andere Kombinationen unter Verwendung von zwei Antriebseinheiten vorgesehen sein. Ebenso gibt es Möglichkeiten zur Verwendung einer einzelnen Antriebseinheit für das Kuppeln des Drehmomentübertragungssystemes und das Schalten und Wählen des Getriebes. Solche Aktoren mit zwei Antriebseinheiten oder mit nur einer Antriebseinheit können die Funktionen Kuppeln, Schalten und Wählen zum Teil in beliebiger Reihenfolge oder aber auch ein sequentieller Reihenfolge durchführen.
- In Abhängigkeit der Zusammenfassung der Betätigungsarten durch eine Antriebseinheit können diese Betätigungsarten beispielsweise parallel oder seriell erfolgen.
- Die Verwendung von Sensoren zur Detektion der Betätigung hängt unter anderem davon ab, wie viele Antriebseinheiten innerhalb eines Aktors verwendet werden. Bei der Verwendung von drei Antriebseinheiten ist ebenfalls eine Verwendung von drei Sensoren zweckmäßig. Die Anzahl der Sensoren kann unmittelbar mit der Anzahl der Antriebseinheiten zusammenhängen, um eine jeweils möglichst genaue Kenntnis von dem Betätigungszustand des Systems zu erhalten.
- Für die Steuerung des Aktors eines automatisierten Schaltgetriebes ist es nach dem oben beschriebenen zweckmäßig, wenn die Positionserfassung der Betätigungsarten für die drei Teilfunktionen Kuppeln, Schalten und Wählen durchgeführt wird. Zweckmäßig ist es dabei, wenn ein Sensor oder zwei unterschiedliche Sensoren sowohl die Drehzahl als auch die Drehrichtung, respektive die Geschwindigkeit und die Bewegungsrichtung, zumindest eines Betätigungselementes für die Teilfunktionen Kuppeln, Schalten und Wählen detektieren. Ist die Betätigungsbewegung eine Rotationsbewegung, so sind Drehzahl und Drehrichtung die entscheidenden zu detektierenden Größen, ist die Bewegung eine lineare Bewegung, so ist die Geschwindigkeit und die Bewegungsrichtung die zu detektierende entscheidende Größe. Aus den Größen zur Bestimmung der Bewegung, wie beispielsweise Drehzahl und Drehrichtung, kann die Position des Stellgliedes zur Betätigung des Schaltvorganges, des Wählvorganges und/oder des Kuppelvorganges berechnet oder bestimmt werden. Das Antriebselement, wie Elektromotor, kann zum Beispiel ein Elektromotor mit einem nachgeschalteten Getriebe sein. Das Stellglied kann zum Beispiel die Kupplungs-, Schaltungs- oder Wählbetätigung sein.
- Zweckmäßig kann es sein, wenn ein Weg und eine Bewegungsrichtung, respektive eine Drehzahl und eine Drehrichtung, respektive eine Position an einer Stelle des Antriebs ermittelt wird. Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn der Weg und die Bewegungsrichtung bzw. die Position an einer Stelle eines dem Antrieb nachgeschalteten Getriebes detektiert wird.
- Die Position des Stellgliedes kann unter Berücksichtigung von elastischen Verformungen der Übertragungsstrecke zwischen Antriebseinheit des Aktors und Stellglied ermittelt werden. Hierzu kann es zweckmäßig sein, wenn weitere Größen sensiert werden, aus welchen sich eine Betätigungskraft bestimmen läßt. Dabei können auch dynamische Einflüsse berücksichtigt werden. Zweckmäßig kann es sein, wenn zwei Positionen einer Übertragungsstrecke detektiert werden, wobei zwischen diesen Positionen eine Elastizität angeordnet ist, welche bekannte elastische Eigenschaften aufweist. Aus dem Differenzweg und mittels der Elastizität kann eine Betätigungskraft berechnet werden. Der Differenzweg ist eine Differenz der Positionen der Übertragungsstrecke.
- Aus den Daten der Positionen der detektierten Anteile der Übertragungsstrekke, sowie mit den bekannten elastischen Eigenschaften der Elastizität lassen sich Betätigungskräfte berechnen.
- Weiterhin können zur Erhöhung oder Verbesserung der Genauigkeit der Positionsbestimmung Schalter oder Anschläge an den Endpositionen oder an anderen Positionen zur öfteren oder regelmäßigen oder ständigen Eichung des Positionswertes verwendet werden.
- Bei einem Einsatz von Elektromotoren als Antriebseinheiten kann zur Wegmessung die Ungleichförmigkeit des Laststroms verwendet werden. Zum Beispiel wird bei einem zweipoligen Gleichstrommotor durch die Kommutierung, beispielsweise mit schleifenden Kohlebürsten, die Stromrichtung für den Anker zweimal pro Umdrehung umgepolt. Die bei laufendem Motor im drehenden Anker induzierte Gegenspannung hat zwei Nullstellen pro Umdrehung des Motors. Die Summe aus äußerer Spannung und Gegenspannung hat pro Umdrehung zwei Minima und zwei Maxima. Bei anderen Motorausführungen kann sich eine größere Zahl von Minima und Maxima pro Umdrehung ergeben. Durch die Zählung der Minima bzw. Maxima als Inkremente der Umdrehung ist eine Positionsbestimmung eines Betätigungselementes durch die Steuereinheit möglich.
- Liegen keine äußeren Spannungen an dem Elektromotor an, kann der Ankerstromkreis des Motors kurzgeschlossen werden und die Minima bzw. Maxima des Kurzschlußstromes sind von der Steuereinheit zählbar.
- Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, können Sensoren verwendet werden, welche Bewegungen von bewegbaren Elementen des Motors oder der Aktorik detektieren. Solche Sensoren können beispielsweise in das Gehäuse des Elektromotors integriert werden, wobei der bewegte Teil des Sensors auf der Motorwelle und der stehende Teil im Bereich des Gehäuses angeordnet und befestigt ist. Eine Bewegung der Aktoren wird somit zwangsläufig zur Wirkstelle des Sensors übertragen.
- Bei einer Aktorik mit kombinierter oder gekoppelten Betätigung der jeweiligen Teilvorgänge Kuppeln, Schalten und/oder Wählen kann eine Sensorik vor der Kopplung der Teilbetätigungen angeordnet sein, oder nach der Kopplung angeordnet sein. Erfolgt die Anordnung der Sensoren vor der Kopplung, das heißt, im Bereich der Antriebseinheit oder zwischen der Stelle des Koppelgetriebes, an welche die Kopplung stattfindet und der Antriebseinheit, so kann pro Antriebseinheit jeweils nur ein Sensor benötigt werden. Werden die Sensoren nach der Koppelstelle angeordnet, so wird pro Betätigungsart zumindest ein Sensor benötigt.
- Als Aufnehmer der Sensoren werden inkrementale Wegaufnehmer, wie optoelektronische Wegaufnehmer, magnetische Aufnehmer, wie beispielsweise Hall-Sensoren oder induktive Aufnehmer (Nehmer) verwendet. Als Aufnehmer für inkrementelle Drehzahlaufnehmer können Induktionsaufnehmer, induktive Aufnehmer, Hall-Sensoren oder optoelektronische Drehzahlaufnehmer verwendet werden. Weiterhin können auch andere Drehzahlaufnehmer verwendet werden.
- Bei der Verwendung von inkrementellen Aufnehmern wird durch eine Anordnung von zwei Aufnehmern und einer phasenversetzten Anordnung dieser zwei Aufnehmer eine Bewegungsrichtung mit Hilfe einer Auswerteelektronik ermittelbar. Durch die Erzeugung eines phasenverschobenen Signals des einen Sensors im Vergleich zu dem Signal des anderen Sensors kann die Bewegungsrichtung ermittelt werden, da das vor- oder nacheilen des einen Signales im Vergleich zu dem anderen Signal charakteristisch für die Drehrichtung sein kann.
- Weiterhin können als analoge Weg- und/oder Winkelaufnehmer Sensoren wie resistive Weg- oder Winkelsensoren, induktive Sensoren, Wirbelstromsensoren, kapazitive Sensoren oder optoelektronische Wegsensoren im Analogverfahren oder magnetische Wegsensoren, wie Hall-Sensoren oder magnetoresistive Sensoren verwendet werden. Weiterhin können Sensoren verwendet werden, welche kodierte Weg- oder Winkelaufnehmer beinhalten.
- Die
20 bis25 zeigen weitere Ausführungsbeispiele eines Sensors. - Bei einer Verwendung eines integrierten Sensors im Bereich der Antriebseinheit des Aktors, wie beispielsweise des Elektromotors, kann die Drehzahl des Motors detektiert werden. Beispielsweise kann ein Hall-Sensor oder eine Mehrzahl von Hall-Sensoren in das Gehäuse des Elektromotors integriert werden. Eine mit beispielsweise 12 über den Umfang verteilten Magnetpolen bestückte Scheibe läuft auf der Motorwelle um. Bei der Anordnung von zwei Hall-Sensoren läuft diese Scheibe an diesen Hall-Sensoren vorbei. Die Anordnung der Hall-Sensoren kann derart sein, daß ein phasenverschobenes Signal erzeugt werden kann. Als Signale der Hall-Sensoren ergeben sich somit zwei um beispielsweise 90° phasenverschobene Sinussignale mit je 6 Vollwellen pro Umdrehung (bei 6 Polpaaren). Die Sinussignale können von der Steuereinheit in Impulse verwandelt werden. Weiterhin können auch merhrere Sensoren (n Stück) vorzugsweise im Winkel von 180/n Grad angeordnet sein, wobei mit einer geeigneten Logik ein alternierendes Signal von einer Steuereinheit oder zumindest einer Elektronikeinheit erzeugt werden kann.
- Die
7 zeigt ein Diagramm, in welchem Signale Si als Funktion der Zeit dargestellt sind, wie beispielsweise Sensorsignale von oben genannten Hall-Sensoren. Die Kurven501 und502 sind solche Signale von Hall-Sensoren, wobei die beiden Sensoren, welche diese Ausgangssignale501 und502 liefern, versetzt angeordnet sind, um eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen501 und502 zu generieren. Die Steuereinheit oder eine andere Elektronikeinheit, welche beispielsweise in die Sensoren integriert werden kann, erzeugt aus dem Signal501 ein Signal503 und aus dem Signal502 ein Signal504 . Die sinusförmigen Signale501 und502 werden in im wesentlichen Rechtecksignale umgewandelt, wobei der Anstieg des Signals503 ,504 von einem Minimalwert (gegebenenfalls null) auf einen Maximalwert (gegebenenfalls 1) über eine gewisse Zeitdauer Δt erfolgt. Das Signal503 weist einen minimalen Wert510 auf, wenn das Signal501 , das im wesentlichen sinusförmig ausgebildet ist, eine erste Halbwelle durchläuft. Während der Dauer der zweiten Halbwelle ist das Signal503 im wesentlichen auf einem Maximalwert511 . Entsprechend ist der Kurvenverlauf der Kurve504 an den Kurvenverlauf der Kurve502 gekoppelt. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann das Signal der Kurve503 auch derart an das Signal der Kurve501 angepaßt sein, daß im Bereich der ersten positiven Halbwelle der Kurve501 das Signal503 maximal ist und im Zeitbereich der zweiten negativen Halbwelle des Signals501 der Signalverlauf des Signals503 minimal ist. - Die Kurve
505 ist eine XOR-Verknüpfung der Signale503 und504 . Das Signal505 ist minimal oder null, wenn die beiden Funktionen503 und504 ihren Minimalwert aufweisen oder beide Signale503 und504 ihren Maximalwert aufweisen. Das Signal505 ist maximal, wenn eines der Signale503 oder504 minimal ist und das andere Signal maximal ist. - Durch diese Auswertung der Signale
501 und502 beispielsweise zu dem Signal505 kann bei einer Auslegung von 12 Magnetpolen, das heißt bei 6 Polpaaren über den Umfang des Gebers und zwei um 90° phasenversetzten Hall-Sensoren ein Signal erzeugt werden, welches 24 Impulse (12 High, 12 Low) pro Umdrehung aufweist. Damit ergibt sich beim Zählen der positiven (ansteigenden) oder negativen (abfallenden) Flanken eine Auflösung von einer vierundzwanzigstel Umdrehung der Motorwelle, wobei diese Signale von der Steuereinheit detektiert werden können. Somit ist eine inkrementelle Wegmessung eines Teilweges möglich. Weiterhin kann aufgrund der Zeitverzögerung der Signale relativ zueinander eine Drehrichtungserkennung der Motorwelle oder der Antriebswelle des Gebers des Sensors ermittelt werden. - Die Sensoren können bereits eine Elektronikeinheit aufweisen, welche aus den im wesentlichen sinusförmigen Signalen ein im wesentlichen Rechtecksignal erzeugt. Eine weitere Elektronikeinheit oder die zentrale Steuereinheit kann aus diesen einzelnen im wesentlichen Rechtecksignalen die gewünschte Drehzahl und/oder Drehrichtung oder die Inkremente der Betätigungsbewegung oder die entsprechenden Größen einer linearen Bewegung bestimmen.
- Die
7a zeigt Signale eines Ausführungsbeispiels bei welchem 3 Sensoren derart angeordnet sind, daß eine Phasenverschiebung von 60 Grad, wie 180/3 Grad, bei den Signalen resultiert. Die Kurven510 ,511 und512 zeigen die Signale der Sensoren als Funktion der Zeit. Die Kurve513 zeigt das XOR-veknüpfte Signal der Kurven510 und511 , wie S(510 ) XOR S(511 ). Die Kurve514 zeigt das Singal513 mit dem Signal512 bei einer XOR-Verknüpfung, wie (S(510 ) XOR S(511 )) XOR S(512 ). - Weitere Anordnungen von Sensoren können mit entsprechenden Verknüpfungen zu einer höheren Auflösung von Inkrementen der Betätigungsbewegung führen.
- Eine Anordnung von mehr als einem Sensor kann auch zu einem Redundanten System führen, wenn bei einem Ausfall von einem Sensor ein anderer Sensor zur Erlangung der Informationen herangezogen werden kann. So kann bei einem Ausfall eines Sensors von beispielsweise zwei Sensoren der
7 noch die Drehzahl ermittelt werden, wobei die Drehrichtung durch die Stromeinspeisung oder Steuerung des Stromes bestimmt werden kann. - Weiterhin kann neben dem Sensoriksystem ein zweites Sensoriksystem vorhanden sein, das nur im Falle des Ausfalles des ersten Systems aktiviert wird oder deren Daten nur im Falle eines Ausfalles zur Bestimmung der Betätigung verwendet werden. Weiterhin kann es bei einem Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur automatisierten Betätigung der Übersetzungseinstellung des Getriebes und zur automatisierten Betätigung des Drehmomentübertragungssystemes zweckmäßig sein, wenn die Betätigungskraft beim automatisierten Kuppeln und/oder beim automatisierten Betätigen der Übersetzungseinstellung des Getriebes detektiert wird.
- Die Betätigungskraft kann beispielsweise durch eine Messung des Motorstromes des Aktors und aus einer Berechnung der Betätigungskraft anhand des Motorstromes durchgeführt werden. Weiterhin kann durch eine Messung der Veränderung der Versorgungsspannung aufgrund der Lastströme und des Innenwiderstandes der Spannungsquelle eine Betätigungskraft bestimmt werden. Ebenso kann es zweckmäßig sein, wenn durch die Berechnung des Motorstromes des Aktors aus der Steuerspannung und der Elektromotordrehzahl die Betätigungskraft bestimmt werden kann. Weiterhin kann durch die Messung der Drehzahl des Aktors und gegebenenfalls anderer Größen des Aktors die Betätigungskraft bestimmt werden. Zweckmäßig kann es weiterhin sein, wenn durch die Messung einer Verformung eines elastischen Elementes, das sich im Kraftfluß befindet, eine Betätigungskraft bestimmt werden kann.
- Bei der Betätigung oder Ansteuerung eines automatisierten Schaltgetriebes sowie insbesondere bei Ansteuerung des Aktors oder der Aktoren des automatisierten Schaltgetriebes zum Kuppeln und/oder Schalten und/oder Wählen kann es zweckmäßig sein, wenn die Betätigungskräfte bekannt sind.
- Bei einer Reibungskupplung als Drehmomentübertragungssystem kann beispielsweise über die Betätigungskraftkennlinie das von dem Drehmomentübertragungssystem übertragbare Kupplungsmoment bestimmt werden. Dadurch kann ein vorgebbares übertragbares Kupplungsmoment eingestellt, wie eingeregelt oder angesteuert, werden. Das Drehmomentübertragüngssystem kann als Drehmomentwandler mit Wandlerüberbrükkungskupplung, als Trockenreibungskupplung oder naß laufende Reibungskupplung ausgebildet sein.
- Bei einer automatisierten Betätigung der Einstellung der Getriebeübersetzung, wie bei einem automatisierten Schalt- und Wählvorgang des Getriebes, kann es zweckmäßig und notwendig sein, wenn positionsabhängig bestimmte Betätigungskräfte nicht überschritten werden. Die beim Schalten oder Wählen auftretenden Betätigungskräfte können zum Teil auch abhängig vom zeitlichen Verlauf der Bewegung unterschiedlichen Grenzwerten unterlegen sein. Wenn beispielsweise eine Behinderung der Betätigung oder der Bewegung im Laufe einer automatisierten Betätigung des Getriebes auftritt, sollte aufgrund einer Vermeidung von Folgeschäden eine Maximalkraft nicht überschritten werden. Diese Maximalkraft kann in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern unterschiedlich gewählt werden, wobei beispielsweise verschiedene Maximalkräfte im Laufe des Betätigungsablaufes vorliegen können.
- Die Steuereinheit kann bei einer automatisierten Betätigung des Getriebes anhand von Positions- und/oder Kraftsignalen sicherstellen, daß der Schaltvorgang und/oder Wählvorgang fehlerfrei durchgeführt und/oder beendet wird, so daß bei einem möglicherweise vorhandenen Auftreten eines Betätigungsfehlers die Steuereinheit diesen Fehler als solchen erkennt und auf einen solchen Fehler anhand geeigneter Maßnahmen reagieren zu können. Beispielsweise kann in einem solchen Zusammenhang die Detektion der Betätigungskraft sinnvoll oder zweckmäßig sein. Ebenso kann es zweckmäßig sein, wenn die Betätigungskraft bei einer Ansteuerung vorgegeben wird.
- Ein Fehler bei einer Betätigung eines Getriebes kann beispielsweise bei einem nicht idealen Einspüren der Gangverzahnungen auftreten. In diesem Falle würde eine Betätigungskraft über einen Grenzwert ansteigen können und gegebenenfalls zu einer Zerstörung führen.
- Wird jedoch eine Kraft oder ein eine Kraft repräsentierendes Signal detektiert, so kann bei Überschreiten oder bei Erreichen eines Kraftgrenzwertes die Betätigung abgebrochen oder zurückgenommen werden.
- Die
8 zeigt ein Blockdiagramm zur Ansteuerung von Elektromotoren bei einem automatisierten Schaltgetriebe. Die Steuereinheit550 steuert die Endstufenschaltungen in551 ,552 und553 an, wobei diese die Ansteuerung der Antriebseinheiten, wie Elektromotoren554 ,555 und556 ansteuert. Die Steuereinheit550 ist somit mit Endstufenschaltungen E1 bis E3 (551 bis553 ) verbunden, wobei jeder Elektromotor M1 bis M3 (554 bis556 ) eine Enstufenschaltung aufweist oder dieser zugeordnet ist. Die Antriebseinheiten M1 bis M3 sind den Betätigungen Schalten, Wählen und Kuppeln zugeordnet. - Die
9 zeigt ein Diagramm oder eine Tabelle zur Verwendung von Antriebseinheiten, wie Elektromotoren M1 bis M3 bei einem automatisierten Schaltgetriebe. In der Spalte560 wird der Elektromotor M1 zum Kuppeln verwendet, was durch das Symbol K wiedergegeben wird, der Motor M2 wird zum Schalten sowie der Motor M3 zum Wählen verwendet. Dies ist durch die Symbole S und W charakterisiert. In der Spalte561 ist eine weitere Ausführungsvariante dargestellt, wobei der Motor M1 zum Kuppeln und Schalten verwendet wird und der Motor M2 zum Wählen zwischen den Schaltgassen. Der Motor M3 wird bei dieser Lösung nicht verwendet. - In der Spalte
562 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel der Motor M1 zum Kuppeln und Wählen verwendet wird und der Motor M2 zur Betätigung des Schaltvorganges. Auch hier wird der Motor M3 nicht verwendet. Die Spalte563 verdeutlicht ein weiteres Ausführungsbeispiel, in welchem die Antriebseinheit, wie Motor M1, zum Kuppeln verwendet wird und die Antriebseinheit, wie Motor M2, zum Schalten und Wählen verwendet wird. In der Spalte564 der9 wird nur eine Antriebseinheit, wie beispielsweise Elektromotor, zum Kuppeln, Schalten und Wählen verwendet. - Die
10 zeigt eine Endstufenschaltung für einen Motor, wie beispielsweise einen der Motoren M1 bis M3 der vorhergehenden Figuren. Bei einer Endstufenschaltung600 werden vier Transistoren601 ,602 ,603 und604 in H-Brückenschaltung für einen Motor, der in beiden Drehrichtungen arbeitet, verwendet. Die diagonal gegenüberliegenden Transistoren601 und604 oder602 und603 werden gleichzeitig geschaltet für einen Rechts- oder Linkslauf des Motors oder die unteren bzw. die oberen Transistoren601 und603 oder602 und604 werden gleichzeitig geschaltet, um einen Kurzschluß zu erzeugen. Die Transistoren können Leistungstransistoren sein. Weiterhin können die Transistoren mit Rückflußdioden ausgestattet sein. - Die Verbindung
605 ist zu einer Stromversorgung, wie beispielsweise einem elektrischen Spannungspotential, ausgerichtet. Die Verbindung606 ist in diesem Ausführungsbeispiel geerdet, wobei der Meßwiderstand607 angeordnet ist, um beispielsweise eine Strommessung/Spannungsmessung im Massepfad durchzuführen. Eine solche Messung würde die Ermittlung des motorseitigen Stromes ermöglichen, wobei die Motorleistung und/oder das Motormoment bei gegebenen Bedingungen, wie beispielsweise Temperatur, Motordrehzahl usw., anhand des Motorstromes bestimmt werden kann. - Eine Endstufenschaltung der
10 kann beispielsweise als Endstufenschaltung im Ausführungsbeispiel der8 unter E1, E2 oder E3 verwendet werden. - Die
11 zeigt ein Blockschaltbild, in welchem eine Steuereinheit650 , eine Endstufenschaltung651 ansteuert, wobei diese Endstufenschaltung zumindest einen, zwei oder auch drei Antriebseinheiten652 ,653 und654 ansteuern kann. Die Antriebseinheiten M1 bis M3 können zum Schalten, Wählen und Kuppeln verwendet werden. - Die
12 zeigt eine Endstufenschaltung, wie sie beispielsweise in Block651 der11 verwendet werden kann. Die Motoren M1 bis M3701 ,702 und703 können als Antriebseinheiten der Antriebseinheiten652 bis654 der11 verwendet werden. Zur Ansteuerung der Motoren701 bis703 werden mehrere H-Brückenschaltungen gemäß der10 zusammengefaßt. Dabei werden zu den vier Transistoren für einen ersten Motor für jeden weiteren Motor zwei Transistoren hinzugefügt. Als Transistor zu Motor M1 gelten die Transistoren704 ,705 ,706 und707 . Entsprechend für den Motor M2 (702 ) sind die Transistoren704 ,708 ,706 und709 angeordnet, wobei die Transistoren704 und710 sowie706 und711 zur Ansteuerung des Motors M3 (703 ) verwendet werden. Weiterhin sind Meßwiderstände712 ,713 ,714 und/oder715 im Blockschaltbild dargestellt, welche zur Verwendung der Messung der Motorströme herangezogen werden können. Die Verbindung716 dient der Spannungsversorgung ebenso wie die Verbindung717 zur Erdung. Die Verbindungen716 und717 dienen somit der Spannungsversorgung, die auch beispielsweise über eine Batterie erfolgen kann. - Das Steuergerät
650 kann über Steuerströme die Transistoren704 bis711 ansteuern, so daß die Motoren701 bis703 in zeitlicher Abfolge nacheinander und gegebenenfalls auch gleichzeitig eingeschaltet werden können. Durch die Anordnung der Transistoren kann die Drehrichtung der Motoren gemeinsam oder unabhängig voneinander gesteuert werden. - Durch die Ausgestaltung der Endstufe der
12 ist jeder Motor getrennt ansteuerbar, wobei über eine Stromrückmessung die Belastung des Motors erfaßbar ist. Weiterhin kann über einen Positionsgeber, wie beispielsweise Hallsensor, der Weg-, Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungsverlauf eines Elementes zur Betätigung des Kupplungsvorganges, des Schaltvorganges oder des Wählvorganges detektiert werden. Ist ein einzelner Motor zur Ausführung der Schaltbewegung vorhanden, können die Schaltpositionen gelernt und adaptiert werden. Ist weiterhin ein einzelner Motor zur Ausführung der Kupplungsbewegung vorhanden, können die für die Kupplungsbetätigung relevanten Positionen, wie beispielsweise der Greifpunkt oder die Schnüffelbohrungsposition bei einer hydrostatischen Kupplungsbetätigung weiterhin gelernt oder adaptiert werden. - Die
13 zeigt eine Endstufenschaltung750 nach der10 , wobei der Elektromotor751 in beiden Drehrichtungen betrieben werden kann. Daher sind vier Transistoren752 ,753 ,754 und755 notwendig, welche in H-Schaltung zur Ansteuerung vorgesehen sind. Um den Elektromotor in Links- bzw. Rechtslauf zu betreiben, werden die diagonal gegenüberliegenden Transistoren752 und754 oder753 und755 gleichzeitig geschaltet. Um den Motor in Kurzschluß zu betreiben, werden zwei gegenüberliegende Transistoren gleichzeitig geschaltet, bzw. der eine Transistor wird geschaltet und es fließt ein Strom bei dem gegenüberliegenden Transistor über die Rückflußdiode. Mit einem Meßwiderstand756 ,757 , der sich entweder im Motorpfad oder im Massepfad befindet, kann der Spannungsabfall als analoges Signal abgegriffen und an die Steuereinheit übergeben werden. Durch den Last- bzw. Kurzschlußstrom kann somit der Betriebszustand des Elektromotors ermittelt werden. Weiterhin kann der Meßwiderstand758 Verwendung finden. - Eine Schaltung zur Ansteuerung eines Elektromotors, beispielsweise eines Aktors zur Betätigung eines Drehmomentübertragungssystemes, und/oder zum Schalten oder Wählen eines Getriebes, wie beispielsweise eines Stufenwechselgetriebes, das nicht lastschaltbar oder das lastschaltbar ist, wird in der
13 schematisch dargestellt. Die Antriebseinheit751 , wie Elektromotor, kann in beiden Drehrichtungen betrieben werden. Aus diesem Grund sind vier Transistoren752 bis755 in H-Schaltung zur Ansteuerung notwendig. Weiterhin sind in der schematischen Darstellung der Schaltung Meßwiderstände oder andere elektronische Bauelemente zur Strommessung angeordnet, wobei diese sich im Versorgungspfad (758 ), im Motorpfad (756 ) und/oder im Massepfad (757 ) befinden. Ein Spannungssignal kann beispielsweise als analoges Signal abgegriffen oder detektiert werden und an die Steuereinheit übergeben werden. - Der Steuereinheit ist der Betriebszustand des Motors (Laststrom oder Kurzschlußstrom) bekannt, da er von der Steuereinheit vorgegeben wird oder in direktem Zusammenhang mit der Ansteuerung steht. Eine Ansteuerung des Last- bzw. Kurzschlußstromes kann in PWM-Logik an der Endstufe durchgeführt werden. PWM steht in diesem Zusammenhang für Pulsweitenmodulation, wobei das Signal zwischen zwei Endwerten, einem High-Wert und einem Low-Wert alterniert, wobei die Dauer eines High-Impulses und/oder eines Low-Impuuses, die Pulsweite, von der Steuereinheit vorgegeben werden kann. Die Endstufenlogik kann derart ausgestaltet sein, daß ein PWM-High-Signal bedeutet, daß der Motorbetrieb eingeschaltet ist und ein PWM-Low-Signal daß der Motor in Kurzschlußbetrieb betrieben wird. Das PWM-Signal wird von der Steuereinheit vorgegeben.
- Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn das von dem Elektromotor abgegebene Drehmoment aus einer Drehmoment-Strom-Kennlinie ermittelt wird, wobei der Strom ein Eingangswert ist und das von dem Motor abgegebene Drehmoment das ermittelte oder berechnete Signal ist.
- Die Bestimmung des Drehmomentes kann über eine solche Kennlinie oder auch über ein Kennfeld bestimmt werden, bei welchem beispielsweise die Temperatur des Elektromotors ein weiterer Parameter ist. Das abgegebene Drehmoment kann beispielsweise auch aus Gleichungssystemen, welche beispielsweise numerisch gelöst werden können, bestimmt werden.
- Bei Verwendung einer temperaturabhängigen Drehmoment-Strom-Kennlinie oder bei Verwendung eines temperaturabhängigen Berechnungsmodelles zur Bestimmung des abgegebenen Drehmomentes, ist es beispielsweise möglich, daß die Temperatur des Elektromotors mittels eines Temperatursensors detektiert wird. Vorteilhaft kann es dabei sein, wenn der Temperatursensor in der Nähe der Kohlebürsten und/oder des Ankers des Elektromotors angebracht ist. Das Sensorsignal der Temperatur kann anschließend an die Steuereinheit weitergeleitet werden, von welcher es weiterverarbeitet wird. Der Meßwert des Temperatursensors kann direkt verarbeitet werden oder anhand eines Temperaturmodelles kann eine Temperatur eines anderen Bauteiles des Elektromotors bestimmt werden. Der Temperatursensor kann vorzugsweise gehäusefest angeordnet werden, wobei mittels eines Temperaturmodelles auch Temperaturen von bewegten Motorteilen bestimmt werden können. Die Anbringung eines Temperatursensors kann somit an einem Bauteil erfolgen, dessen Temperatur zur Berechnung einer Temperatur eines anderen Bauteiles herangezogen wird.
- Die
14 zeigt einen Aktor800 mit einem Antriebsmotor801 , einem Schneckengetriebe mit einer Schnecke802 , einem Schneckenzahnrad803 sowie einer Schubkurbel804 sowie einer Kompensationsfeder805 und einem Druckmittelgeberzylinder806 zur Ansteuerung eines Drehmomentübertragungssystemes3 oder eines Schalt- oder Wählvorganges eines Getriebes4 . - Innerhalb oder außerhalb des Poltopfes
807 des Elektromotors801 ist ein Sensor808 , wie Temperatursensor, angeordnet, welcher die Temperatur innerhalb oder außerhalb des Elektromotors beispielsweise als Funktion der Zeit detektiert. Der Temperatursensor kann insbesondere besonders nahe im Bereich der Bürsten809 des Elektromotors801 angeordnet sein, wobei die Bürsten beispielsweise als Kohlebürsten ausgestaltet sein können. - Weiterhin kann ein Wegsensor
810 im Bereich des Ausgangselementes, wie beispielsweise der Schubkurbel, angeordnet sein, wobei der Wegsensor810 über ein Element811 mit einer Befestigung, wie Anlenkung,812 mit der Schubkurbel804 in Wirkverbindung steht. Der Sensor810 detektiert somit die axiale Verlagerung der Schubkurbel804 , welche zumindest im wesentlichen eine Betätigung eines betätigbaren Elementes, wie beispielsweise einer Kupplung oder eines Getriebes repräsentiert. - Zur Berechnung des abgegebenen Drehmomentes des Motors
801 als auch zur Verhütung von Beschädigung oder Zerstörungen des Aktors aufgrund von Temperaturerhöhungen ist eine Detektion oder eine Berechnung der Temperatur von zumindest kritischen Teilen des Aktors, beispielsweise im Bereich des Elektromotors, zweckmäßig. Eine Temperaturerhöhung eines Elementes im Bereich des Elektromotors kann aufgrund der hohen Belastung, wie beispielsweise einer hohen Bestromung des Elektromotors bereits kurzfristig zu deutlich erhöhten Temperaturen führen. Durch die Temperaturerhöhung können die Bauteile thermisch zu hoch belastet sein. Weiterhin kann dies beispielsweise zu veränderten Widerständen der elektrischen Bauelemente im Bereich des Motors führen, was zu veränderten Kennlinien des Drehmoment-Strom-Kennfeldes führen kann. - Bei Elektromotoren können sich bei der Bestromung die Bürsten
809 , wie Kohlebürsten, und/oder deren Halterungen relativ schnell erhitzen. Um eine Zerstörung dieser Bürsten809 und/oder deren Halterungen zu verhindern, können bei der Kenntnis der Temperatur dieser Elemente die Steuerung der Steuereinheit daraufhin eingreifen, so daß die thermische Belastung des Aktors abgesenkt werden kann. - Ist ein Sensor
808 beispielsweise nicht im Bereich der maximalen thermischen Belastung angeordnet, sondern in einem davon etwas entfernten Bereich, so kann eine direkte Detektion aufgrund von thermischen Übergangswiderständen etwas verzögert sein. In diesem Zusammenhang spielen auch thermische Reservoirs eine Rolle, die als thermische Zwsichenspeicher fungieren können, wobei diese schnelle Temperaturänderungen des kritischen Elementes nicht direkt zu dem Sensor vordringen lassen. - Vorteilhaft kann es sein, wenn anhand eines Sensors
808 die Temperatur eines Elementes detektiert wird und mittels eines Temperaturmodelles die Temperatur eines kritischen Elementes bestimmt wird. - Der Temperatursensor detektiert eine Temperatur TMESS, wobei als Funktion der Zeit ein Temperaturgradient ΔTMESS von der Steuereinheit bestimmt wird. Weiterhin ist ein Übergangswiderstand R und eine Kapazität C der Übertragungsstrecke zwischen dem Element, von welchem die Temperatur bestimmt werden soll, und dem Element, in welchem die Temperatur berechnet wird, vorhanden. Weiterhin ist zwischen der Position der Detektion der Temperatur und der Position für welche die Temperatur berechnet wird, ein Energieverlust oder eine Verlustleistung F(PVerlust) vorhanden. Die Temperatur, welche berechnet werden soll, ergibt sich aus der folgenden Gleichung:
T = TMESS + ΔTMESS·R/C·F(PVerlust). - Der Energieeintrag im Aktor und die resultierende Verlustleistung kann quantitativ ermittelt werden. PVerlust = (1 – η)·PZu, wobei PZu = UMittel·I = (UMittel)2/RSpule ist. Die zugeführte Leistung PZu und die Verlustleistung PVerlust sind somit von der mittleren Ansteuerspannung UMittel abhängig, wobei der Spulenwiderstand RSpule als temperaturabhängig angenommen werden kann.
- Der Wirkungsgrad η kann beispielsweise im Vorfeld an einem Prüfstand empirisch als Funktion der Temperatur ermittelt werden. Die mittlere Ansteuerspannung UMittel ist über die PWM-Ansteuerung und die gemessene Batteriespannung bekannt. Der Strom I kann gemessen werden, oder sofern keine Strommessung mittels beispielsweise eines Schaltwiderstandes vorhanden ist, kann auch der Spulenwiderstand RSpule herangezogen werden, wobei dieser allerdings wieder als temperaturabhängig angesehen werden kann. Bei der Verwendung eines temperaturabhängigen Spulenwiderstandes kann ein implizites Gleichungssystem entstehen, wobei zur Berechnung der Temperatur ein temperaturabhängiger Spulenwiderstand verwendet wird.
- Detektiert die Steuereinheit anhand des Temperaturmodelles oder anhand der Sensorwerte eine erhöhte Temperatur eines thermisch belasteten Bauelementes, so können beispielsweise Steuerverfahren eingeleitet werden, welche eine vermindert hohe thermische Tastung des Aktors verursachen. Beispielsweise kann eine vermindert häufige Betätigung des Aktors resultieren, wenn dies durch die gegebenen Betriebsbedingungen möglich ist. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die Kupplung während des normalen Fahrbetriebes vollständig geschlossen wird. Weiterhin kann ein Anfahren in einem Gang ungleich einem Anfahrgang, wie beispielsweise dem ersten Gang oder dem zweiten Gang oder dem Rückwärtsgang, dadurch verhindert werden, daß die Kupplung geöffnet bleibt, was weiterhin zu einer Reduzierung der thermischen Belastung des Aktors oder der Kupplung führen kann. Ebenso kann bei einem Anfahren mit einer zu hohen Temperatur an der Kupplung, beispielsweise nach einer gewissen Zeitdauer von beispielsweise drei Sekunden einer normalen Anfahrt, die Kupplung bis zur Abwürgeschwelle des Motors geschlossen werden und bei Erreichen der Abwürgeschwelle der Motordrehzahl die Kupplung wieder geöffnet werden. Das Schließen der Kupplung drückt die Motordrehzahl. Wird die Kupplung zu weit geschlossen, wird der Motor über die Abwürgeschwelle gedrückt und der Motor geht aus.
- Aus den Stromverläufen und Drehzahlverläufen, der Versorgungsspannung sowie den Kenngrößen des Elektromotors, wie beispielsweise des Ankerwiderstandes bei beispielsweise Raumtemperatur, der Leerlaufdrehzahl, bei beispielsweise 13 Volt und der Induktivität kann mittels eines regelungstechnischen Modells des Elektromotors der Ankerwiderstand adaptiert werden. Aus dem adaptierten Ankerwiderstand kann die Temperatur des Ankers bestimmt werden. Aus den thermischen Zeitkonstanten des Motors, beispielsweise aus Übergangswiderständen oder thermischen Kapazitäten, sowie aus der Umgebungstemperatur des Motors kann auf eine Magnettemperatur des Motors oder ein Kohlentemperatur geschlossen werden. Damit kann die temperaturabhängige Drehmoment-Strom-Kennlinie und daraus das vom Elektromotor gegebene Drehmoment als Funktion der Temperatur bestimmt werden.
- In der Steuereinheit kann ein Temperaturmodell des Elektromotors ständig oder getaktet oder in Abhängigkeit von gewissen Betriebsparameter berechnet werden, wobei die folgenden Eingangsgrößen hierfür verwendet werden können: Der Ankerstrom, die Versorgungsspannung, die Drehzahl des Motors, der Betriebszustand des Motors, die Zeit und/oder die Umgebungstemperatur. Die zufließende elektrische Leistung und die abfließende mechanische Leistung können aus den Eingangsgrößen sowie aus den von der aktuellen Motortemperatur abhängigen Parameter berechnet werden. Die Differenz zwischen der zugeführten elektrischen Leistung und der abgeführten mechanischen Leistung ist die Verlustleistung, die im Elektromotor in der Regel als Wärme umgesetzt ist. Unter Zuhilfenahme von thermischen Zeitkonstanten des Elektromotors, wie beispielsweise für die Wärmeableitung der Wärme vom Anker über die Mantelfläche sowie über die Stirnseiten sowie von den Bürsten sowie den Eingangsgrößen, kann eine Erwärmung des Elektromotors und damit eine aktuelle Temperatur von Bauteilen des Elektromotors, wie beispielsweise der Bürsten oder der Kontakte, berechnet werden. Mittels dieser neuen Temperatur kann die temperaturabhängige Drehmoment-Strom-Kennlinie und daraus das vom Elektromotor abgegebene Drehmoment bei gegebenen Eingangsgrößen bestimmt werden.
- Die Kraft, die der elektromotorische Aktor ausübt zum Betätigen des Drehmomentübertragungssystemes und/oder zum Schalten oder Wählen des Getriebes, insbesondere zum Einlegen oder Herausnehmen oder Wechseln von Übersetzungen des Getriebes kann beispielsweise durch Messungen des Laststromes des Elektromotors unter Zuhilfenahme beispielsweise einer Strom-Drehmoment-Kennlinie ermittelt werden. Der Laststrom kann als Spannungsabfall an einem Innenwiderstand der Spannungsquelle ermittelt werden: Weiterhin kann der Laststrom auch an einem anderen Meßwiderstand durch einen Spannungsabfall ermittelt werden.
- Für die Messung des Spannungsabfalls am Innenwiderstand der Spannungsquelle gelten in der Regel die gleichen Gesetzmäßigkeiten wie bei der Verwendung eines Meßwiderstandes, insbesondere im Massepfad. Die Versorgungsspannung liegt im allgemeinen als Eingangssignal am Steuergerät vor, so daß bei Kenntnis des Innenwiderstandes R, der Spannungsquelle der Laststrom I direkt aus der Differenz der Versorgungsspannung UO ohne Belastung und der Versorgungsspannung UL bei Laststrom berechnet werden kann:
IL = (UNull – UL)/Ri. - Weiterhin kann ein regelungstechnisches Verfahren durchgeführt werden, welches parallel zu der realen Ansteuerung und der realen Zustandsänderung, wie beispielsweise Temperaturerhöhungen, mitberechnet werden kann. Dieses Verfahren, liefert die Zustandsgrößen beispielsweise von Strom und/oder Drehzahl als Schätzwerte, wobei mittels den Differenzen von den gemessenen und geschätzten Werten, wie beispielsweise der Drehzahl, Größen eines modellierten Elektromotors mit einem realen Elektromotor abgeglichen werden können. Durch das Modell des Elektromotors kann mittels einer Meßgröße, wie beispielsweise einer Drehzahl, der gesamte Elektromotor in seinen Größen bestimmt werden. Aus einer Drehzahl kann der Strom und daraus die Verlustenergie und damit die Temperatur des Motors bestimmt werden. Des Modell des Motors kann unter Zuhilfenahme der Berechnung von Größen eine Anwendung von Sensoren vermeiden helfen. Die mittels des Modelles gewonnenen Daten können zu einer Adaption des Ankerwiderstandes des Motors verwendet werden. Eine Adaption des Ankerwiderstandes des Elektromotors kann beispielsweise aus den zeitabhängigen Verläufen von dem Strom und der Drehzahl durchgeführt werden, wobei diese Daten gemessen oder berechnet werden können. Ist der Ankerwiderstand bestimmt, so kann mittels einer Kennlinie die Temperatur beispielsweise des Ankers bestimmt werden. Diese Temperatur kann zur Adaption von Größen des Elektromotors verwendet werden, wenn diese Größen Temperaturabhängigkeiten zeigen. Dadurch kann ein temperaturabhängiges Antriebsmoment des Elektromotors zur Steuerung oder Regelung realisiert werden.
- Ebenso kann mittels eines Drehzahl-Drehmoment-Spannungs-Kennfeldes des Elektromotors und der Drehzahl und der PWM-Spannung das Drehmoment des Motors abtriebsseitig berechnet werden. In Kenntnis des aktorseitig abgegebenen Drehmomentes kann die Betätigungskraft des Aktors zur Betätigung des Drehmomentübertragungssystemes und/oder zur Betätigung des Getriebes bestimmt werden. Weiterhin kann ein Steuerverfahren oder ein Regelverfahren angewendet werden zur Steuerung oder Regelung der Betätigungskraft des zumindest einen Aktors, wobei maximale Betätigungskräfte in Abhängigkeit des Betätigungsweges nicht überschritten werden sollten, um ein unkomfortables Verhalten oder um zu starke Beeinträchtigung und/oder Zerstörungen zu erzeugen.
- Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Gedanken kann es zweckmäßig sein, wenn zur Bestimmung der Betätigungskraft das elektromotorischen Aktors eine Verformung eines elastischen Elementes detektiert wird, wobei das elastische Element, dessen Verformung detektiert wird, sich im Kraftfluß befinden kann. Bei diesem elastischen Element kann es sich um eine bereits vorhandene Elastizität im Kraftfluß zwischen der Antriebseinheit und dem Betätigungselement handeln, wobei auch eine zusätzliche Elastizität in den Kraftfluß eingebracht werden kann. Die Elastizität kann einer linearen oder nichtlinearen Weg-Kraft-Relation folgen, wobei die Elastizität nicht vorgespannt oder vorgespannt sein kann.
- Der Aktor, wie er beispielsweise in den vorangehenden Figuren dargestellt ist, weist eine Antriebseinheit, wie beispielsweise einen Elektromotor, auf, welcher ein Drehmoment abgibt, das mittels gleichförmiger und/oder ungleichförmig übersetzender Getriebe in eine Kraft gewandelt wird. Diese Kraft wird bis zur Wirkstelle, im Bereich des Betätigungselementes, am Drehmomentübertragungssystem oder im Getriebe geleitet. Durch eine Verformung eines elastischen Elementes, wie eine Elastizität, das sich im Kraftfluß befindet und/oder in den Kraftfluß eingebracht wird, kann das Drehmoment oder die Betätigungskraft ermittelt werden. Weiterhin kann es möglich sein, daß eine Elastizität derart angeordnet ist, daß dadurch beispielsweise eine Lagerkraft detektiert werden kann, welche als Reaktionskraft zu der Betätigungskraft vorhanden ist.
- Die Defektion der Verformung eines elastischen Elementes kann kontinuierlich durch beispielsweise zumindest einen Wegsensor erfaßt werden oder diskontinuierlich erfaßt werden, wie beispielsweise durch einen oder mehrere Schalter, welche so angebracht sind, daß sie ansprechen, wenn ein definierter Relativweg zurückgelegt ist. Die diskontinuierliche Kraftmessung oder Wegmessung wird also durch das Erfassen von einer bzw. mehrerer Kraftschwellen ersetzt.
- Die Elastizität kann auch derart angeordnet sein, daß sie als abstützendes Element wirkt, welche bei Überschreitung einer vorgegebenen Abstützkraft ausweicht und einer Verformung unterliegt. Durch die Überschreitung einer Abstützkraft kann beispielsweise eine Überschreitung einer Betätigungskraft detektiert werden.
- Die
14a zeigt einen Ausschnitt eines Aktors, wie beispielsweise des Aktors800 der14 . Die angetriebene Welle840 wird durch eine Antriebseinheit angetrieben oder ist als Motorwelle ausgestaltet. Die Schnekke802 ist mit der Welle840 im wesentlichen drehfest aber axial verlagerbar verbunden. Die Schnecke802 ist gegenüber den Kraftspeichern841 und842 in axialer Richtung verlagerbar, wobei die Kraftspeicher841 und842 unter Vorspannung stehen, so daß eine vorgebbare Axialkraft erreicht oder überschrittenm sein muß, damit die Schnecke in axialer Richtung verlagert wird. Die Schnecke802 kämmt das Schneckenzahnrad803 , wobei dieses Schneckenzahnrad eine Betätigung eines betätigbaren Elementes ansteuert. Dem Schneckenzahnrad kann auch ein weiteres Getriebe, wie beispielsweise ein Kurbelgtriebe, nachgeordnet sein. - Die Antriebseinheit übt auf die Welle
840 ein Antriebsmoment aus, welches einer Gegenkraft von dem betätigbaren Element entgegenwirken kann. Im Betätigungsweg des betätigbaren Elementes können unterschiedliche Gegenkräfte auftreten, wie beispielsweise bei einer Synchronisierung innerhalb eines Getriebes oder bei einem Einspuren einer Gangverzahnung innerhalb des Getriebes. Ist die auf die Schnecke802 in axialer Richtung wirkende Gegenkraft größer als die Vorspannung der Kraftspeicher841 und842 , so wird die Schnecke in axialer Richtung verlagert. Die Schnecke802 weist einen Aufnahmebereich843 auf, welcher als Nut oder als Vertiefung ausgebildet ist, in welche ein Element845 eines Sensors oder Schalters844 eingreift. Wird die Schnecke in axialer Richtung verlagert wird das Element843 betätigt und der Sensor/Schalter wird betätigt. Die Steuereinheit registriert dieses Signal und wertet dies derart, daß die Gegenkraft größer ist als ein vorgebbarer Wert, woraufhin die Steuereinheit ein entsprechendes Verfahren zur Ansteuerung aktivieren kann, welches eine geringere Belastung für die Mechanik als auch für die Antriebseinheit zur Folge haben kann. - Der Sensor kann auch in einer anderen Art und Weise an die Schnecke angekoppelt sein, um die axiale Verlagerung der Schnecke zu detektieren.
- Die
15 zeigt ein elastisches Element850 , welches beispielsweise in der Verbindung zwischen dem Aktor und dem Betätigungselement angeordnet ist, wobei es beispielsweise derart angeordnet sein kann, daß es zwischen dem Element205 und dem Element301 der3 oder zwischen dem Element206 und dem Element305 der3 Verwendung findet. Weiterhin kann eine solche Elastizität beispielsweise im Kraftfluß der Anordnung der2 angeordnet sein. - Das Element
851 kann beispielsweise antriebsseitig wirkverbunden sein, wobei das Element854 beispielsweise abtriebsseitig verbunden ist, so daß eine Kraftbeaufschlagung der Wirkverbindung von dem Aktor zu dem Betätigungselement über die Elemente851 und854 erfolgt. Das Element851 weist zwei Schenkel im axialen Endbereich auf, wobei die beiden Schenkel852a und852b voneinander beabstandet sind und eine Lücke oder ein Freiraum853 zwischen diesen beiden Schenkeln vorhanden ist. In diesen Freiraum853 greift ein Element854 ein, welches im Bereich seiner axialen Erstreckung ein Fenster855 aufweist. Weiterhin weisen die Schenkel852a und852b Aufnahmebereiche860 auf. Im unbelasteten Zustand ist ein Kraftspeicher856 in den Aufnahmebereichen860 der Elemente852a und852b sowie im Fenster855 des Elementes854 aufgenommen. Unter einer axialen Belastung auf Zug oder Schub wird der. Kraftspeicher in axialer Richtung deformiert, so daß eine relative Verschiebung der Elemente854 und851 erfolgen kann. Im Falle, daß der Kraftspeicher vorgespannt in die Aufnahmebereiche855 und860 aufgenommen ist, erfolgt eine Verformung des Kraftspeichers856 erst bei einer Überschreitung der Beaufschlagungskraft des Kraftspeichers gegenüber der Vorspannkraft des Kraftspeichers. - Das Element
854 weist in seinem einen Endbereich einen Aufnahmebereich859 auf, welcher einen Tastkopf oder Schalterkopf858 aufnimmt. Dieser Tastkopf oder Schalterkopf ist einem Schalter857 oder Taster zugeordnet, welcher im Bereich des Elementes851 angeordnet oder befestigt oder eingelassen ist. Bei einer axialen Verschiebung des Elementes854 gegenüber dem Element851 wird der Tasterkopf oder Schalterkopf beaufschlagt, wie beispielsweise betätigt, so daß ein elektronischer Stromkreis geschaltet werden kann, welcher signalisiert, daß eine axiale Verschiebung dieser Element851 und854 relativ zueinander erfolgt ist. Bei der Anordnung des Kraftspeichers in vorgespannter Art und Weise ist eine Kraftschwelle in definierter Art und Weise gesetzt, so daß die Betätigung des Schalters erst erfolgt, wenn die Betätigungskraft die Vorspannkraft des Kraftspeichers überschreitet. Weiterhin kann auch ein berührungsloser Sensor, wie beispielsweise ein Magnet mit einem Hall-Effekt-Schalter, verwendet werden. - Die
16 zeigt das Element850 im Schnitt entlang der Linie II-III, wobei die Schenkel852b und852a des Elementes851 zu erkennen ist, sowie die Randbereiche des Elementes854 sowie den Aufnahmebereich855 . In den Aufnahmebereichen855 und860 ist der Kraftspeicher856 aufgenommen. Der Kraftspeicher liegt mit seinen axialen Endbereichen an axialen Endbereichen der Aufnahmebereiche855 und860 an, wobei die Aufnahmebereiche855 und860 der Kontur des Kraftspeichers angepaßt sein können. Weiterhin ist der Sensor, wie beispielsweise Schalter oder Taster,857 zu erkennen. - Die
17 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Elastizität in der Antriebsverbindung zwischen der Antriebseinheit des Aktors und einem Betätigungselement. Die Antriebsverbindung wird durch eine angetriebene Walze900 dargestellt, welche in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung eine Nut am Umfang aufweist. Diese Nut901 ist durch die unterbrochene Linie902 dargestellt. Wenn die Walze900 durch eine Antriebseinheit, wie beispielsweise einen Elektromotor, in eine Drehung versetzt wird und ein Zapfen903 in die Nut in radialer Richtung eingreift, so wird der geführte Zapfen903 durch die Mitnahme in der Nut901 betätigt oder verlagert. - Der Zapfen
903 ist in dem Element904 beispielsweise mittels der Lager905 drehbar gelagert. - Das Element
904 ist um die Drehachse906 sowie um die Stange907 drehbar geführt. Das Element908 ist mit der Welle oder Stange907 drehfest verbunden, wobei zwischen dem Element904 und908 ein Kraftspeicher909 angeordnet ist, welcher in Ausnehmungen der Elemente904 und908 aufgenommen ist, wobei bei einer Verlagerung, wie Verdrehung, des Elementes904 um die Achse906 eine Beaufschlagung des Kraftspeichers909 erfolgt und somit eine Kraftübertragung oder Drehmomentübertragung auf des Element908 durchgeführt wird. - Der Kraftspeicher
909 kann in den Aufnahmebereiche der Elemente904 und908 mit oder ohne Vorspannung aufgenommen sein. - Bei einer Verlagerung des Elementes
904 erfolgt bei einer Aufnahme des Kraftspeichers mit Vorspannung eine Verlagerung des Elementes908 direkt falls die Kraftbeaufschlagung des Elementes903 durch das Element904 nicht größer ist als die Vorspannung des Kraftspeichers multipliziert mit dem Hebelverhältnis des Angriffes, wobei dieses Hebelverhältnis gleich dem Abstand des Mittelpunktes des Kraftspeichers910 zu der Achse906 im Vergleich zu dem Abstand des Mittelpunktes911 des Zapfens zu dem Abstand906 ist. - Weiterhin ist ein elektrischer Kontakt
912 in dem Element908 eingebracht, welcher erst bei einer Verformung des Kraftspeichers909 mit einem Kontaktbereich des Elementes904 in Kontrakt tritt und dadurch einen Stromfluß von dem Element908 zu dem Element904 ermöglicht, wobei somit ein Schalter realisiert ist, welcher durch die Stromzuführung913 als Sensor mit der Steuereinheit in Signalverbindung stehen kann. - Die
18 zeigt die Anordnung der17 in einem Schnitt, wobei die Walze900 mit der Nut901 dargestellt ist. Der Zapfen903 greift in die Nut901 ein, wobei bei einer Verdrehung der Walze900 der Zapfen903 betätigt wird. Zur Reduzierung einer Reibung des Zapfens903 ist der Zapfen903 durch das Lager905 im Element904 gelagert. Weiterhin ist der Kraftspeicher909 zu erkennen, welcher beispielsweise als Tellerfederpaket oder als Druckfeder ausgestaltet sein kann. - Das Element
908 kann beispielsweise über eine Verzahnung mit dem Element907 in Wirkverbindung stehen. - Die
19 zeigt eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit einer Walze, wie sie in17 dargestellt ist. Die Walze1000 besteht im wesentlichen aus zwei Elementen1001 und1002 . Das Element1001 ist im wesentlichen radial innerhalb des Elementes1002 , wobei die beiden Elemente durch den Kraftspeicher1003 in axialer Richtung miteinander verspannt sind. Der Einfachheit halber ist in der19 nur eine Hälfte der rotationssymmetrischen Elemente der Walze1000 dargestellt, wobei diese Elemente bezüglich der Achse1004 rotationssymmetrisch angeordnet sind. - Der Kraftspeicher
1003 ist unter einer Vorspannung zwischen den Anschlägen1005 und1006 der Elemente1001 und1002 angeordnet, wobei dadurch eine axiale Verspannung entsteht. Wird aufgrund einer Betätigung eines Zapfens, wie beispielsweise des Zapfens903 der17 , eine Kraftbeaufschlagung des Elementes1001 im Vergleich zu dem Element1002 verursacht, so kann bei einer Überschreitung dieser Kraftbeaufschlagung im Vergleich zu der Vorspannkraft des Kraftspeichers1003 eine Verlagerung des Elementes1002 in axialer Richtung im Vergleich zu dem Element1001 erfolgen. Der Sensor1007 kann dies durch einen Eingriff des Sensorelementes1008 in einen Aufnahmebereich1009 derart detektieren, daß bei einer Verlagerung des Elementes1002 in axialer Richtung das Element1008 aus dem Aufnahmebereich1009 entweicht und somit ein Kontakt, wie elektrischer Kontakt, geöffnet oder geschlossen werden kann. - Die
20 zeigt schematisch eine Sensoranordnung1100 mit einem Geber1101 und einem Nehmer1102 . Der Geber ist als Zahnrad ausgebildet, bei welchem die Zähne1103 eine abgestufte Zahnhöhe aufweisen. Der Zahn1103 weist in einem ersten Bereich1104 eine volle radiale Höhe auf, wobei der Zahn1105 ein reduzierte radiale Höhe aufweist. Streicht dieser Zahn1103 an dem Nehmer1102 infolge einer Rotationsbewegung vorbei, so detektiert der Nehmer1102 ein Signal in Abhängigkeit der Zahnhöhe. Ein solches Signal ist in der21 als Funktion der Zeit t dargestellt, wobei in der oberen Bildhälfte das Signal Su als Funktion der Zeit dargestellt ist, was bedeutet, daß sich das Element1101 im Uhrzeigersinn dreht. In der unteren Bildhälfte ist das Signal Sg als Funktion der Zeit dargestellt, was bedeutet, daß sich das Element1101 gegen den Uhrzeigersinn dreht. Man erkennt die Unterschiede der Signalverläufe Su als Funktion der Zeit und Sg als Funktion der Zeit. Das Signal Su als Funktion der Zeit steigt von einem minimalen Wert1106 auf einen mittleren Wert1107 , bevor es den maximalen Wert1108 erreicht. Anschließend fällt das Signal vom Wert1108 auf den Wert1106 zurück, bevor das Signal wieder ansteigt. Das Signal entsprechend einer Drehung im Gegenuhrzeigersinn verhält sich demgegenüber anders, insofern das Signal von einem minimalen Wert1110 zuerst auf den maximalen Wert1111 ansteigt, bevor es den mittleren Wert1112 annimmt. Durch die Ermittlung der Reihenfolge der Signalsprünge, insbesondere der Reihenfolge der Größen der Signalsprünge, kann die Drehrichtung des Elementes1101 , wie des Gebers, ermittelt werden. - Die
22 zeigt weiterhin einen Geber1201 und einen Nehmer1202 eines Sensors1200 , wobei die23 das Signal S als Funktion der Zeit darstellt, welches von dem Nehmer1202 beispielsweise an die Steuereinheit weitergeleitet wird. Der Nehmer ist als Zahnrad ausgebildet, wobei die Zähne des Zahnrades gleichförmig und gleichmäßig ausgebildet sind. Aufgrund dieser Ausgestaltung der Zahnradzähne ist das Signal S als Funktion der Zeit ebenfalls gleichmäßig, wobei das Signal in beiden Drehrichtungen gleich ist. - Anhand der Signale der
21 läßt sich sowohl die Drehzahl als auch die Drehrichtung ermitteln, wobei aus dem Signal der23 in erster Linie nur die Drehzahl ermittelbar ist. Unter Zuhilfenahme von am Motor anliegenden Spannungen kann jedoch auch eine Drehrichtung erkennbar gemacht werden. - Die
24 zeigt weiterhin einen Geber1251 und einen Nehmer1252 eines Sensors1250 , wobei die Verzahnung des Gebers sägezahnartig ausgebildet ist. Entsprechend der Ausbildung der Verzahnung sind die Signale Su und Sg als Funktion der Zeit in der25 dargestellt, wobei das Signal Su im zeitlichen Ablauf spiegelverkehrt zu dem Signal Sg ist, welches für eine Rotation des Elementes1251 im Gegenuhrzeigersinn gilt. Durch die Signalformen Su und Sg läßt sich sowohl die Drehzahl des Elementes1251 als auch die Drehrichtung bestimmen. - Die
26a zeigt einen Sensor1300 , welcher einen Geber1301 und zwei Nehmer1302 und1303 aufweist. - Die
26b zeigt diese Darstellung im Schnitt, wobei der Geber1301 dargestellt ist und die beiden Nehmer1302 und1303 , die im wesentlichen radial übereinander angeordnet sind. Die Ausbildung der Zähne des Gebers1301 ist in Umfangsrichtung betrachtet moduliert, das heißt der Zahn1304 weist einen Bereich1305 mit größerer radialer Ausdehnung auf sowie einen Bereich1306 mit kleinerer radialer Ausdehnung. - Die
26c zeigt Signale als Funktion der Zeit, wobei das Signal1310 das Signal des Sensors1302 ist und das Signal1311 das Signal des Sensors1303 . Aufgrund der Modulation des Signales1310 im Vergleich zu dem Signal1311 kann das Signal derart interpretiert werden, daß eine Drehung des Elementes1301 in Gegenuhrzeigerrichtung erfolgt. - Die
26d zeigt ebenfalls Signale1312 und1313 , wobei das Signal1312 von dem Sensor1302 entstammt und das Signal1313 von dem Sensor1303 . Im Falle einer solchen zeitlichen Abhängigkeit der Signale1312 und1313 kann auf eine Drehung des Elementes1301 im Uhrzeigersinn geschlossen werden. - Eine Sensoreinrichtung
1300 erlaubt somit eine Bestimmung der Drehzahl des Elementes1301 als auch eine Drehrichtungsbestimmung. - Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn eine drehzahlabhängige Ansteuerung des Momentes oder der Kraft des Aktors, wie des Elektromotors, durchgeführt wird. Wird die Ansteuerung des Elektromotors mit einem pulsweitenmodulierten Steuerstrom durchgeführt, kann die Reduzierung der Pulsweite in abhängigkeit der Drehzahl durchgeführt werden, wenn bei einer vorgebbaren Drehzahl das Antriebsmoment oder die Kraft einen vorgebbaren Wert nicht überschreiten soll. Die
27 stellt diesen Sachverhalt in einem Diagramm, in welchem eine Drehzahl n und ein Strom I als Funktion des Antriebsmomentes M dargestellt ist. Die Kurve1400 entspricht der Drehzahl n als Funktion von M und die Kurve1401 dem Strom I als Funktion von M. Übersteigt n einen Grenzwert nG, so ist der Strom kleiner als ein oberer Grenzwert und das Moment ist ebenfalls im erlaubten Bereich. Unterschreitet n die Grenzdrehzahl nG steigt der stom1402 zu stark an und das Moment wird ebenfalls zu groß. Durch eine Reduzierung der Pulsweite des Stromsignales kann das Moment bei reduzierter Drehzahl entsprechend der Kurve1404 im wesentlichen auf einen konstanten Wert gesteuert werden. - Die
28 zeigt ein Diagramm, in welchem die Signale1450 und1451 von zwei Sensoren nach den7 und7a als Funktion der Zeit dargestellt sind. Die Signale weisen eine Phasenverschiebung auf. Durch die Phasenverschiebung kann die Drehzahl bestimmt werden. Währed das Signal1451 eine aufsteigende Flanke1452 aufweist ist das Signal1450 auf seinen niedrigen Wert1453 . Diese Konstellation der Signale entspricht beispielsweise einer Drehrichtung im Uhrzeigersinn. Zum Zeitpunkt t1 findet ein Drehrichtungsumkehr statt, welche derart detektiert wird, daß bei der aufsteigenden Flanke1454 das Signal1450 seinen höheren Wert1455 aufweist. Somit kann die Änderung der Drehrichtung zum Zeitpunkt t2 erkannt werden. - Strommessung/Kraftregelung, -steuerung
- Ein Bestandteil des ASG-Konzeptes ist, mittels des Laststromes des Aktors festzustellen, mit welcher Kraft der Aktor das Schaltgestänge belastet (Kraftregelung, Erkennen eines Anschlags).
- Hierzu wird die Drehmoment-Strom-Kennlinie benutzt. Die Fehlerrechnung für die Bestimmung des Drehmomentes des E-Motors aus dem Laststrom zeigt, daß die Temperaturabhängigkeit der Kennlinien i Einfluß auf den Fehler hat.
- Momentensteuerung
- Eine weitere Möglichkeit ist, mittels der PWM-Spannung und E-Motordrehzahl das Drehmoment vorzugeben (Steuerung). Dazu wird das Drehzahl-Drehmoment-Spannungs-Kennfeld verwendet. Zur Erzeugung eines bestimmten Drehmomentes (max. Drehmoment) wird bei niedriger E-Motortemperatur weniger PWM-Spannung benötigt als bei hoher. Wenn der Temperatureinfluß auf das Drehzahl-Drehmoment-Spannungs-Kennfeld nicht berücksichtigt wird, muß von dem kalten E-Motor ausgegangen werden. Durch die Vorgabe aufgrund der Kennlinie des kalten Motors wird im Fall hoher E-Motortemperaturen das Drehmoment um bis zu 45% zu niedrig eingestellt.
- Zur Ermittlung der E-Motortemperatur gibt es die Möglichkeiten:
- 1. Messung mit einem Temperatursensor
- 2. Messung mit einem Temperatursensor in Verbindung mit einem Temperaturmodell (derzeitiger Stand bei EKM),
- 3. Adaption des Ankerwiderstandes mittels eines Parallelmodells des E-Motors,
- 4. Temperaturmodell des E-Motors
- 5. Kombination von 2. und 3. zum Abgleichen des Temperaturmodells
- Momentenberechnung ohne Strommessung
- Mit Hilfe eines Parallelmodells des E-Motors kann aus den ohnehin zur Verfügung stehenden Signalen PWM-Spannung und E-Motordrehzahl der Strom als Schätzwert ermittelt werden. Auf die Messung des Stromes kann dann verzichtet werden. Wichtig bei der Berechnung des Parallelmodells ist die Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeiten. Zur Berechnung der E-Motortemperatur (Adaption, Temperaturmodell, Kombination) wird der geschätzte Strom verwendet.
- Bei der Schaltungsbetätigung durch den ASG-Aktor darf die maximal zulässige Schaltkraft, die vom Schaltgestänge des Getriebes vorgeben ist, nicht überschritten werden. Im Schaltablauf dürfen positionsabhängig bestimmte Betätigungskräfte nicht überschritten werden, wenn z. B. eine Hinderung der Bewegung eintritt. Im Zusammenwirken mit der Positionsmessung muß sichergestellt werden, der Schaltungsvorgang fehlerfrei beendet wird bzw. daß Fehler von der Steuerung als solche erkannt werden und entsprechend reagiert werden kann. Hierzu muß die Betätigungskraft ermittelt werden.
-
- Zur Steuerung des Momentes wird das Drehzahl-Drehmoment-Spannungs-Kennfeld (6) verwendet. Durch Vorgabe der PWM-Spannung (3) wird der Strom (5) und das Moment vorab eingestellt. Für die Spannung am Anker gilt:
UPWM = UBAT%PWM – (RE + 2RB)I (3) - RE
- : Widerstand der Endstufe (Transistoren und ggf. Meßwiderstand)
- RB
- : (temperaturabhängiger) Widerstand der Kohlebürsten
- Die elektrische Gleichung des E-Motors lautet (stationär):
UPWM = cΦω + RAI (4) - RA
- : (temperaturabhängiger) Widerstand des Ankers.
-
-
- 4.1 Möglichkeiten der Strommessung
- Die Schaltung zur Ansteuerung des E-Motors ist in
13 gezeigt. Der E-Motor wird in beiden Drehrichtungen betrieben, daher sind vier Transistoren in H-Schaltung zur Ansteuerung notwendig. Um den E-Motor in Links- bzw. Rechtslauf zu betreiben, werden die diagonal gegenüberliegenden Transistoren gleichzeitig geschaltet. Um den Motor im Kurzschluß zu betreiben, werden zwei gegnüberliegende Transistoren gleichzeitig geschaltet bzw wird ein Transistor geschaltet und fließt der Strom bei dem gegenüberliegenden Transistor über die Rückflußdiode. - Mit einem Meßwiderstand, der sich entweder im Motor- oder im Massepfad befinden kann, wird der Spannungsabfall als analoges Signal abgegriffen und an die Steuerung übergeben wird. Die Steuerung gibt den Betriebszustand des E-Motors (Last- bzw Kurzschlußstrom) vor, daher ist dieser bekannt.
- Der Meßwiderstand im Motorpfad bietet bezüglich des Meßergebnisses Vorteile gegenüber, dem Meßwiderstand im Massepfad.
- 4.2 Besonderheiten der E-Motorstrom-Messung bei PWM-Ansteuerung
- Die Schalttransistoren werden mit der PWM-Frequenz von 16 kHz (AFT-Steuergerät) angesteuert. Mit dieser Frequenz wird der Transistor vom nichtleitenden in leitenden Zustand und – je nach Tastverhältnis froher oder später – wiederum in nichtleitenden Zustand umgeschaltet. Wenn das PWM-Signal ”high” ist, fließt der Strom über die diagonal gegenüberliegenden Transistoren. Wenn das PWM-Signal ”low” ist, wird der E-Motor in Kurzschluß geschaltet. Der Strom im E-Motorpfad kann aufgrund der Zeitverzögerung (elektrische Zeitkonstante des E-Motors) den Spannungssprüngen nicht folgen und stellt sich. auf einen Wert ein, der sich aus dem Tastverhältnis (Mittelwert der PWM-Spannung) und der: E-Motordrehzahl ergibt, siehe Gl. (5).
- Über den Massepfad, in dem der Heßwiderstand angeordnet ist, fließt nur Strom, wenn das PWM-Signal ”high” ist. Nur in diesem Zustand ist also eine Messung des E-Motorstromes im Massepfad möglich.
- Die Schalttransistoren befinden sich beim Ein- bzw. Ausschalten kurzzeitig in einem Übergangszustand. Bei sehr kleinem Tastverhältnis, also sehr geringer Pulsbreite, ist das Verhältnis der Dauer der Übergangszustände zur Pulsbreite groß. Da der im Massepfad fliessende Strom im Übergangszustand der Transistoren nicht gleich dem im Motorpfad fliessenden Strom ist, liefert die Messung des Stromes im Massepfad bei sehr geringem Tastverhältnis ungenaue Werte.
- 5 Kennlinienänderung des E-Motors im Betrieb
- Das thermische Verhalten des permanenterregten Gleichstrommotors wird im wesentlichen beinflußt von
- 1. der Änderung des Ankerwiderstandes-Erwärmung durch Verlustleistung (η E-Motor)
- 2. der Änderung des Kohlenwiderstandes-Erwärmung durch Verlustleistung (Spannungsabfall am Kohlenwiderstand)
- 3. der Änderung des magnetischen Flusses-Erwärmung durch Wärmeableitung vom Anker.
- Jeder dieser Effekte kann durch eine Leistungsbilanz und PT1-Glieder mit den Zeitkonstanten des jeweiligen Effektes beschrieben werden. Wenn die Wärmeabfuhr über mehrere Wege erfolgt, sind mehrere PT1-Glieder zur Beschreibung eines Effektes notwendig. So wird z. B. die Ankerwärme zum Teil auf den Magneten übertragen, ein anderer Teil wird (drehzahlabhängig) durch Luftreibung der Wicklungen an den Stirnseiten des Ankers abgeleitet.
- – Die Ankererwärmung führt zu größerem Ankerwiderstand. Dieser führt zu einer Drehung der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie, siehe
29c - – Die Kohlenerwärmung führt zu einer Momentenreduzierung, die u. a. vom Verhältnis des Kohlenwiderstandes zum Ankerwiderstand abhängig ist:
- – Die Erwärmung der Magneten führt zu einer Floßschwächung und damit zu einer Drehung der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie, siehe
29b - Die Abhängigkeit der Kennlinien von der Ankerspannung muß berücksichtigt werden, da die PWM-Spannung (3) im Betrieb unterschiedlich ist.
- 6 Fehlerrechnungen
- 6.1 Fehlerrechnung zur Bestimmung der Betätigungskraft aus dem Motorstrom
- Bei der Fehlerrechnung wird nur der Zusammenhang zwischen gemessenem Strom und Drehmoment des E-Motors betrachtet. Der Einfluß der Übertragungsstrecke vom E-Motor zur Wirkstelle im Getriebe wird nicht betrachtet.
- Der Motorstrom wird als Spannungsabfall an den Meßwiderstand bestimmt:
U2 = RmessI (8) -
- Das Drehmoment wird über die Drehmoment-Strom-Kennlinie bestimmt:
M = kΦI (10) -
- Das E-Motormoment läßt sich also mit einer Unsicherheit durch Messung des Stromes bestimmen.
- 6.2 Fehlerrechnung zur Bestimmung des Drehmoments aus PWM-Spannung und Drehzahl
-
-
-
- Wenn bei der Vorgabe des durch die PWM-Spannung Momentes (max. Drehmoment darf nicht überschritten werden) der Temperatureinfluß nicht berücksichtigt wird, wird das Moment zu niederig eingestellt. Bei Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit reduziert sich der Fehler.
- 7 Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Drehmoment-Strom-Kennlinie
- Um die Temperaturabhängigkeit der Drehmoment-Strom-Kennlinie zu berücksichtigen, muß die Temperatur des E-Motors bekannt sein. Zur Ermittlung der Temperatur des E-Motors gibt es verschiedene Möglichkeiten:
- 7.1 Messung mit Temperatursensor
- Ein Temperatursensor wird in der Nähe der Kohlebürsten angebracht. Aufgrund der Zeitverzögerungen beim Wärmeübergang durch den dazwischenliegenden Werkstoff reagiert der Sensor entsprechend träge auf Änderung der zu messenden Kohletemperatur. Die Erwärmung bei kurzzeitigen Vorgängen kann nicht erfaßt werden. Kritisch für den E-Motor sind aber insbesondere die kurzzeitigen Einschaltvorgänge mit Anlaufstrom.
- Der Temperatursensor ist als Abgleich eines Temperaturmodells, und zum Erfassen der schnellen thermischen Änderungen im E-Motor geeignet.
- 7.2 Temperatursensor in Verbindung mit einem Temperaturmodell
- Der Meßwert des Temperatursensors wird in Verbindung mit einem Temperaturmodell ausgewertet.
- Als Eingangsgrößen für das Temperaturmodell werden die gemessene Temperatur, deren Gradient sowie die PWM-Spannung verwendet.
- Der derzeitige Stand beim EKM ist, daß die Ankertemperatur mittles des Temperatursensors erfaßt wird. Für die Kohlen wird ein Temperaturmodell, basierend auf dem Energieeintrag in den E-Motor, berechnet.
- 7.3 Adaption des Ankerwiderstandes
- Aus den Strom- und Drehzahlverläufen, der Versorgungsspannung sowie den E-Motorkonstanten Ankerwiderstand bei Raumtemperatur, Leerlaufdrehzahl (bei z. B. 13 V) und Induktivität wird mittels eines regelungstechnischen Modells des E-Motors der Ankerwiderstand adaptiert, siehe
30 . Aus dem Ankerwiderstand kann auf die Temperatur des Ankers und mit den thermischen Zeitkonstanten des Motors und der Umgebungstemperatur auf die Magnettemperatur geschlossen werden. Damit kann die temperaturabhängige Drehmoment-Strom-Kennlinie und daraus das vom E-Motor abgegebene Drehmoment bestimmt werden. - Nach [1] ergibt sich folgende Lösungsmöglichkeit:
-
-
- Für den Stromfehler gilt:
e(t) = i ^(t) – i(t) (17) -
- Mit den freien Konstanten K1 und K2 wird die Dynamik des Modells an das reale System angepaßt.
- 7.4 Temperaturmodell E-Motor
- In der Steuerung wird ein Temperaturmodell des E-Motors laufend mitgerechnet. Eingangsgrößen hierfür sind: Ankerstrom, Versorgungsspannung, Drehzahl, Betriebszustand des Motors, Zeit und evtl die Umgebungstemperatur. Die zufließende elektrische Leistung und die abfließende mechanische Leistung werden aus den Eingangsgrößen sowie der aktuellen E-Motortemperatur berechnet. Die Differenz ist die Verlustleistung, die im E-Motor in Wärme umgesetzt wird. Mit Hilfe der (versuchstechnisch zu bestimmenden) thermischen Zeitkonstanten des E-Motors (Wärmeableitung vom Anker über die Mantelfläche sowie über, die Stirnseiten, von den Bürsten, usw.) und der Eingangsgrößen wird die Erwärmung des E Motors und damit die neue Temperatur berechnet, siehe
31 . Somit kann die temperaturabhängige Drehmoment-Strom-Kennlinie und das vom E-Motor abgegebene Drehmoment bestimmt werden. - Ein Abgleich ist über die Außentemperatur möglich, wenn über längere Zeit kein Betrieb stattfindet.
- 7.5 Adaption der Ankertemperatur zum Abgleich des Temperaturmodells
- Das unter 7.3 beschriebene Verfahren zur Identifikation des Ankerwiderstandes wird, verwendet, um des unter 7.4 beschriebene Temperaturmodell abzugleichen und so zu verhindern, daß die Fehler des Modells zu fehlerhaft berechneter Temperatur führen. Es werden auch die kurzzeitigen Vorgänge erfaßt. Ein zusätzlicher Sensor wird nicht benötigt.
- 8 Weitere Möglichkeiten:Berechnung des Motorstromes
- Im Folgenden werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie durch Berechnungsansätze der Strom geschätzt und (im fortgeschrittenen Entwicklungsstadium) auf die Messung des Stromes verzichtet werden kann.
- 8.1 Berechnung des Drehmomentes des E-Motors aus PWM-Spannung und Drehzahl
-
- Das Tastverhältnis ist außerdem notwendig, um festzustellen, ob der E-Motor gegen Last arbeitet oder von der Last getrieben wird.
- Die ausgeprägte Temperaturabhängigkeit muß kompensiert werden. Der für ein Temperaturmodell notwendige E-Motorstrom mit (1) oder mit (5) berechnet.
- Diese statischen Formeln führen bei dynamischen Vorgängen (Anfahren) zu Fehlern. Ob diese Fehler hinnehmbar sind, muß noch untersucht werden.
- 8.2 Berechnung des Stromes mit Hilfe eines dynamischen Modells
- Es wird ein regelungstechnisches Modell des E-Motors gebildet, das parallel zum realen Geschehen in der Steuerung mitberechnet wird, siehe [2]. Das Parallelmodell liefert die Zustandsgrößen Strom und (nicht verrauschte) Drehzahl als Schätzwerte, siehe
32 - Da die Parameter des Modells nicht vollständig mit denen des realen Systems übereinstimmen, ergibt sich für das Modell einen andere Drehzahl als für den realen E-Motor. Aufgrund dieser Abweichung wird das Modell nachgeführt und die Zustandsgrößen des Modells an den realen Vorgang angeglichen.
- Wie genau die Schätzwerte mit den realen Werten übereinstimmen, hängt davon ab, wie schnell das Modell nachgeführt wird (und die Fehler abklingen) sowie von der Übereinstimmung der Modellparameter mit den realen Parameter, ab. Mit welchen Fehlern zu rechnen ist, muß noch untersucht werden. Da sich der E-Motor sehr gut als regelungstechnisches Modell abbilden läßt, sind die Fehler vermutlich klein.
-
-
- Mit den freien Konstanten d1 und d2 wird die Dynamik des Modells (Abklingen der Fehler) an das reale System angepaßt.
Claims (46)
- Kraftfahrzeug mit einem Antriebsmotor, einem Getriebe und einem Drehmomentübertragungssystem, mit einer Vorrichtung zur automatisierten Betätigung der Übersetzungseinstellung des Getriebes und/oder zur automatisierten Betätigung des Drehmomentübertragungssystemes mit zumindest einer Steuereinheit und zumindest einem von der Steuereinheit ansteuerbaren Aktor zur automatisierten Betätigung, wobei der zumindest eine Aktor als Antriebseinheit einen Elektromotor aufweist und zumindest eine Kenngröße der Antriebseinheit des Aktors detektierbar ist und die Steuereinheit mittels dieser Kenngröße eine, eine Betätigung des Aktors repräsentierende Größe ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass ein regelungstechnisches Modell der Antriebseinheit des Aktors gebildet ist, das parallel zum realen Geschehen, in der Steuereinheit mitberechnet wird, wobei das Modell die Kenngrößen Strom und Drehzahl als Schätzwerte liefert, und wobei bei Abweichung der Schätzwerte von den realen Werten der realen Antriebseinheit des Aktors das Modell nachgeführt und die Kenngrößen des Modells an den realen Vorgang angeglichen werden.
- Kraftfahrzeug mit einem Antriebsmotor, einem Getriebe und einem Drehmomentübertragungssystem, sowie mit einer Vorrichtung zur automatisierten Betätigung der Übersetzungseinstellung des Getriebes und/oder zur automatisierten Betätigung des Drehmomentübertragungssystemes, mit zumindest einer Steuereinheit und zumindest einem von der Steuereinheit ansteuerbaren Aktor zur automatisierten Betätigung, wobei der zumindest eine Aktor als Antriebseinheit einen Elektromotor aufweist und der zumindest eine Aktor zumindest einen Sensor aufweist, welcher zumindest eine Kenngröße der Antriebseinheit des Aktors detektiert, wobei die Steuereinheit mittels dieser Kenngröße eine, eine Betätigung des Aktors repräsentierende Größe ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass ein regelungstechnisches Modell der Antriebseinheit des Aktors gebildet ist, das parallel zum realen Geschehen, in der Steuereinheit mitberechnet wird, wobei das Modell die Kenngrößen Strom und Drehzahl als Schätzwerte liefert, und wobei bei Abweichung der Schätzwerte von den realen Werten der realen Antriebseinheit des Aktors das Modell nachgeführt und die Kenngrößen des Modells an den realen Vorgang angeglichen werden.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass Variationen der Kenngrößen des Aktors als Funktion der Zeit mittels der Steuereinheit ermittelt und daraus eine eine Betätigung repräsentierende Größe bestimmt oder berechnet wird.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Maximalwerte, Minimalwerte oder Nullstellen von Kenngrößen, verarbeiteten Kenngrößen, verknüpften Kenngrößen und/oder deren zeitliche Abfolge mittels der Steuereinheit ermittelt und die Steuereinheit daraus eine eine Betätigung repräsentierende Größe ermittelt.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit mittels zumindest einer Kenngröße der Antriebseinheit zumindest eine eine Betätigung des Drehmomentübertragungssystemes oder zumindest eine einen Schaltvorgang oder einen Wählvorgang des Getriebes repräsentierende Größe bestimmt.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Betätigung repräsentierende Größe zumindest eine Position, eine Geschwindigkeit, eine Beschleunigung, eine Bewegungsrichtung, eine Kraftbeaufschlagung eines zu beaufschlagenden Elementes bewirkt.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit aus der zeitlichen Abhängigkeit der als Strom und/oder Spannung erfassten Kenngröße einer als Elektromotor ausgestalteten Antriebseinheit zumindest eine Größe einer Position, einer Geschwindigkeit, einer Beschleunigung, einer Bewegungsrichtung oder Kraft bestimmt.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit mittels inkrementeller Signale die Ermittlung der zumindest einen eine Betätigung repräsentierenden Größe durchführt.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit mittels analoger und/oder digitaler Signale eine Ermittlung der zumindest einen eine Betätigung repräsentierenden Größe durchführt.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die Betätigung des Getriebes und/oder des Drehmomentübertragungssystems mittels der zumindest einen eine Betätigung repräsentierenden Größe steuert oder regelt.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor eine Größe einer Linearbewegung detektiert.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor eine winkelveränderliche Größe detektiert.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor ein Inkrement einer Linearbewegung oder einer Rotationsbewegung eines Elements des Aktors detektiert.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor eine Drehzahl oder ein Inkrement einer Drehzahl eines rotierenden Elementes detektiert.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor eine Drehrichtung eines rotierenden Elementes detektiert.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor eine Bewegung oder ein Inkrement eines linear bewegbaren Elementes detektiert.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Bewegungsrichtung eines linear bewegbaren Elementes detektiert.
- Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die als Spannung vorliegende Kenngröße moduliert wird und als Inkrement einer Bewegung detektiert wird und mittels dieses Signales eine eine Betätigung repräsentierende Größe bestimmt wird.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit mittels Sensorsignalen Inkremente einer Betätigungsbewegung detektiert und zählt und daraus eine eine Betätigung repräsentierende Große bestimmt.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor an einem Gehäuse des Aktors fest angeordnet ist.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor zumindest ein bewegbares Sensorelement und zumindest ein feststehendes Sensorelement aufweist, wobei mittels des einen Sensorelementes die Bewegung oder ein Inkrement der Bewegung des anderen Sensorelementes detektiert wird.
- Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor ein resistiver, ein induktiver, ein kapazitiver, ein magnetoresistiver oder ein magnetischer Sensor ist.
- Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor ein optischer oder optoelektronischer Sensor ist.
- Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor ein Hall-Effekt-Sensor ist.
- Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kenngröße inkrementell erfasst wird.
- Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Kenngröße des Elektromotors, detektiert wird und mittels Kennlinien oder Kennfeldern das Antriebsmoment des Elektromotors bestimmt wird.
- Kraftfahrzeug nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit aus dem Antriebsmoment des Elektromotors eine Betätigungskraft unter Berücksichtigung der Übersetzung zwischen Antriebseinheit und Betätigungselement ermittelt.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zumindest einen Antriebseinheit und einem Betätigungselement eine Elastizität angeordnet ist und zumindest ein Sensor bei einer angesteuerten Betätigung des Betätigungselementes eine Deformation der Elastizität detektiert und die Steuereinheit mittels des zumindest einen Sensorsignales eine Betätigungskraft ermittelt.
- Kraftfahrzeug nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sensoren eine Deformation der Elastizität detektieren, wobei aus den Sensorsignalen eine Betätigungskraft ermittelbar ist.
- Kraftfahrzeug nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Sensoren zur Detektion einer Deformation einer Elastizität verwendet werden, wobei ein Sensor im Betätigungsweg vor der Elastizität und ein Sensor im Betätigungsweg nach der Elastizität angeordnet ist und die Steuereinheit aus einer Differenz und/oder aus einem Quotient der Sensorsignale eine Betätigungskraft bestimmt.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit eine detektierte Betätigungskraft mit zumindest einem Referenzwert vergleicht und bei einem Erreichen oder einem Überschreiten des Referenzwertes durch die Betätigungskraft eine veränderte Ansteuerung einleitet.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 27 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastizität zumindest einen Kraftspeicher umfasst.
- Kraftfahrzeug nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kraftspeicher unter der Belastung bei einer Betätigung von Drehmomentübertragungssystem oder Getriebe deformierbar ist.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kraftspeicher mit Spiel angeordnet ist.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kraftspeicher ohne Spiel angeordnet ist.
- Kraftfahrzeug nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kraftspeicher mit Vorspannung angeordnet ist.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 32 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastizität eine ein- oder mehrstufige Kraft-Weg-Charakteristik aufweist.
- Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor ein analoger oder digitaler Wegsensor ist.
- Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor ein digitaler Schalter oder Taster ist.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 36 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines vorgespannten Kraftspeichers ein Schalter oder ein Taster eine Überschreitung einer vorgebbaren Kraftschwelle detektiert.
- Kraftfahrzeug nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter ein Hall-Effekt-Schalter, ein REED-Schalter oder ein mittels Berührung schaltender Schalter ist.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Aktors von einem Temperatursensor erfasst wird.
- Kraftfahrzeug nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die Temperatur des Aktors mittels eines thermischen Modelles bestimmt, in das eine weitere, gemessene Temperatur eingeht.
- Kraftfahrzeug nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur Terr des Aktors aus der gemessenen Temperatur Tmess durch:
Terr = Tmess + ΔTmess·R/C·F(PVerlust) - Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 42 oder 43, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit zumindest eine Temperatur eines Elementes des Aktors mit einem Referenzwert vergleicht und bei Erreichen oder Überschreiten des Referenzwertes eine veränderte Ansteuerung des Aktors einleitet.
- Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung von mindestens zwei Elektromotoren eine Endstufenschaltung mit vier Transistoren in H-Schaltung für einen ersten Elektromotor und mit je zwei weiteren Transistoren pro weiteren Elektromotor verwendet wird.
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