Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zu dessen
Betrieb, und insbesondere ein Kraftfahrzeug, dessen Antriebseinrichtung
wenigstens eine durch ein Fluid betätigte kinetische Einrichtung aufweist, die
mittels einer Verbindungseinrichtung mit einer Druckerzeugungseinrichtung,
welche den Fluiddruck zum Betrieb dieser kinetischen Einrichtung erzeugt,
verbunden ist.
Unter dem Begriff Kraftfahrzeuge sind hier alle einspurigen und zweispurigen
motorbetriebenen Straßenfahrzeuge zu verstehen, also insbesondere
Personenkraftwagen, Kleinlastwagen, Lastwagen, Sonderfahrzeuge und
Motorräder. Besonders bevorzugt ist die Erfindung aber bei Personenkraftwagen
und Kleinlastwagen mit personenwagenähnlicher Auslegung zu verwenden.
Die Antriebseinrichtung eines Kraftfahrzeuges besteht üblicherweise aus dem
eigentlichen Antriebsmotor, vorzugsweise einem Ottomotor oder einem
Dieselmotor, einer mit der Ausgangswelle dieses Motors, üblicherweise einer
Kurbelwelle verbundenen Kupplungseinrichtung, einem diesem nachgeschalteten
Getriebe und, wenn mehr als ein angetriebenes Rad vorgesehen ist, ein
Ausgleichsgetriebe, welches das Drehmoment und die Drehbewegung auf die
angetriebenen Räder verteilt.
Bei der Auslegung der Antriebseinrichtungen von Kraftfahrzeugen muß eine
Vielzahl von Zielen verfolgt werden, die teilweise im Widerspruch zueinander
stehen. So soll ein modernes Fahrzeug einerseits dem Benutzer einen hohen
Komfort und gute bis sehr gute Fahrleistungen bieten, auf der anderen Seite
sollen der Verbrauch, die Abgasentwicklung, und die Gefahr des Ausfalls eines
Bauteils möglichst gering sein. Um diesen Wünschen gerecht zu werden, ist es
erforderlich, immer mehr Teile der Antriebseinrichtung automatisch zu steuern, um
einerseits den Benutzer zu entlasten und um andererseits einen möglichst optima
len Betriebszustand der Antriebseinrichtung zu erreichen.
Die sich daraus ergebenden Probleme werden nachfolgend insbesondere im
Hinblick auf den Betrieb einer Kupplungseinrichtung beschrieben. Es ist jedoch
darauf hinzuweisen, daß dies die Anwendung der vorliegenden Erfindung in
keiner Weise beschränkt.
Die meisten in Europa ausgelieferten Kraftfahrzeuge werden mit einem
klassischen Schaltgetriebe, welches vier oder fünf Vorwärtsgänge, eine
Neutralstellung (Leerlauf) und einen Rückwärtsgang aufweist, ausgeliefert.
Zwischen Motor und Getriebe ist eine Kupplung, in der Regel eine Einscheiben-
Trockenkupplung vorgesehen, welche ein Reibelement aufweist, welches bei
geschlossener Kupplung durch Federn mit einer genügend hohen Kraft auf
entsprechende Reibflächen gepreßt wird, um über die dadurch entstehende
Reibkraft das Drehmoment des Motors sicher auf das Getriebe übertragen zu
können. Durch einen Ausrückhebel wird die Kupplung z. B. beim Schalten gegen
die Federbelastung außer Eingriff gebracht, so daß Getriebe und Motor mit unter
schiedlicher Drehzahl drehen können.
Die Benutzung der Kupplung ist für den Benutzer relativ lästig. Die korrekte
Funktion erfordert es, das Kupplungspedal jeweils bis zum Anschlag
durchzutreten, was, selbst bei entsprechender hydraulischer Unterstützung, einen
gewissen Kraftaufwand erfordert und insbesondere im Stadtverkehr häufig als
störend empfunden wird.
Um den Fahrer von der Kupplungsbetätigung zu entlasten, wäre eine
automatische Kupplung wünschenswert. Die früher auf dem Markt angebotenen
automatischen Kupplungen haben sich jedoch, wegen zahlreicher technischer
Probleme, nicht durchsetzen können.
Die Alternative ist die Verwendung eines automatischen Getriebes, welches statt
der Trockenkupplung einen hydrodynamischen Wandler aufweist. Bedingt durch
die Trägheit des Wandlers und durch im Wandler entstehenden
Strömungsverluste, vermindert der Einsatz eines automatischen Getriebes jedoch
das Beschleunigungsvermögen des Fahrzeuges und führt weiterhin in den
meisten Fällen auch zu einer Erhöhung des Verbrauches.
Von besonderem Vorteil wäre deshalb eine automatische Kupplung, welche
schneller und präziser arbeitet als ein hydrodynamischer Wandler und welche mit
einem herkömmlichen Getriebe ohne hydrodynamischen Wandler kombiniert
werden könnte. Voraussetzung für den Einsatz einer solchen automatischen
Kupplung ist jedoch, daß die Kupplung präzise und schnell betätigt werden kann.
Die heute für die hydraulischen Kupplungsbetätigungen bekannten Systeme und
Verfahren erfüllen jedoch nicht diese Forderung an die Präzision.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug
und ein Verfahren zu dessen Betrieb zu schaffen, bei welchem wenigstens eine
durch Fluiddruck betätigte kinetische Einrichtung vorgesehen ist, die mit hoher
Präzision gesteuert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1
gelöst.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist Gegenstand des Anspruches 100.
Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
Die präzise Steuerung von hydraulisch betätigten kinetischen Einrichtungen, das
sind Einrichtungen, in denen der Fluiddruck in eine Bewegung eines
Funktionselementes umgewandelt wird, ist in einem Kraftfahrzeug sehr schwierig.
Ein hydraulisches System weist eine Vielzahl von Bauteilen auf, die jeweils mit
einer vorgegebenen Fertigungstoleranz behaftet sind. Eine Verminderung dieser
Toleranzen zur Erhöhung der Präzision der einzelnen Bauteile führt zu einem
nicht akzeptablen Mehraufwand und somit zu nicht tragfähigen Mehrkosten bei
der Fertigung.
Dazu kommt, daß ein hydraulisches System im Kraftfahrzeug erheblichen
Temperaturänderungen unterworfen ist. So muß das System bei
Außentemperaturen im Bereich von -40 bis +50°C präzise funktionieren. Die
üblicherweise verwendete Hydraulikflüssigkeit, meistens eine Flüssigkeit mit den
chemischen und physikalischen Eigenschaften einer Bremsflüssigkeit, ändert das
Volumen mit der Temperatur, so daß bereits die Änderung der Um
gebungstemperatur erhebliche Volumenänderungen des Hydraulikfluids bewirkt.
Die Problematik der Temperaturänderung verschärft sich beim Betrieb des
Fahrzeuges, da dann, je nach Anordnung und Betriebsweise (Stadtfahrt, schnelle
Überlandfahrt) die Temperaturen sich weit über 100°C erhöhen können.
Ein weiteres Problem ist die Bildung von Gasblasen, insbesondere Luftblasen im
Fluid. Die Fähigkeit der Fluide, Gase zu lösen, hängt ebenfalls wesentlich von der
Temperatur und vom Fluiddruck ab. Eine Temperaturänderung verändert deshalb
die Menge der im Fluid vorhandenen Gasblasen. Ebenfalls kann z. B. Luft von
außen in das System eindringen.
Da Gase kompressibel sind, ist das Volumen des Fluides vom Auftreten von
Gasblasen nicht nur temperatur- sondern auch druckabhängig, was eine präzise
Steuerung weiterhin erheblich erschwert.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf die Anmeldungen DE
195 04 847, DE 195 48 799 und DE 196 02 006, deren Inhalte ausdrücklich zum
Offenbarungsinhalt der vorliegenden Anmeldung gehören.
Zur Lösung der so entstehenden Probleme schlägt die vorliegende Erfindung vor,
die Fluidmenge, und insbesondere das Fluidvolumen in einem Systemabschnitt,
der vorzugsweise wenigstens eine Druckerzeugungseinrichtung, wenigstens eine
Verbindungseinrichtung und wenigstens eine kinetische Einrichtung enthält, kon
stant zu halten. Der Begriff Menge ist dabei von der Eigenschaft des Fluides
abhängig. Ist das Fluid eine Flüssigkeit, so ist die konstant zu haltende Menge
das Flüssigkeitsvolumen.
Ist das Fluid gasförmig oder weist wesentliche Gasbestandteile auf, so müssen
die entsprechenden Eigenschaften, also insbesondere die Kompressibialität mit
berücksichtigt werden, um den Begriff Menge korrekt zu definieren.
Durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise werden die vorstehend
geschilderten Probleme zuverlässig vermieden. Da erfindungsgemäß das in
diesem Systemabschnitt befindliche Flüssigkeitsvolumen konstant gehalten wird,
wird der Einfluß der fertigungsbedingten Toleranzen vollständig ausgeschaltet.
Durch das Konstanthalten des Flüssigkeitsvolumens wird weiterhin auch der
Einfluß der Temperatur auf das System praktisch vollständig beseitigt. Erhöht sich
die Temperatur und dehnt sich die Flüssigkeit aus, wird das Volumen
entsprechend korrigiert, so daß immer die gleiche Volumenmenge im
Systemabschnitt vorhanden ist. Entsprechendes gilt bei einer
Volumenverminderung der Flüssigkeit durch eine Erniedrigung der Temperatur.
Damit ist es möglich, eine vom Flüssigkeitsvolumen unabhängige präzise
Steuerung der kinetischen Einrichtung durchzuführen.
Da die erfindungsgemäße Lösung keinen erhöhten Aufwand für die Verminderung
von Fertigungstoleranzen erfordert, ist es durch die Erfindung möglich,
Einrichtungen des Kraftfahrzeuges und insbesondere Einrichtungen der
Antriebseinrichtung mittels einer kinetischen Einrichtung sehr präzise zu steuern,
ohne daß diese höhere Präzision zu wesentlich erhöhten Baukosten führen
würde.
Die erfindungsgemäß verwendete Druckerzeugungseinrichtung kann eine
hydrodynamisch arbeitende Druckerzeugungseinrichtung sein, besonders
bevorzugt ist aber wegen der höheren Präzision eine hydrostatische
Druckerzeugung. Zur Erzeugung des hydrostatischen Druckes kommen
insbesondere nach dem Verdrängungsprinzip arbeitende Einrichtungen in Frage.
Dazu zählen Schraubenspindeln, Rotationskolben, d. h. Kolben die sich innerhalb
einer im wesentlichen zylindrischen Kammer im wesentlichen rotierend bewegen,
nach dem Flügelpumpenprinzipeinrichtung arbeitende Kolben usw. Bevorzugt ist
aber eine hydrostatische Druckerzeugung, bei welcher eine im wesentlichen linear
verlaufende Relativbewegung zwischen einem Verdrängungselement und einer
Kammer vollzogen wird, und insbesondere die Druckerzeugung mittels eines
Kolbens, der sich in einem Zylinder bewegt.
Die Druckerzeugungseinrichtung kann so beschaffen sein, daß das
Verdrängungselement respektive der Kolben zwischen zwei Extrempositionen,
d. h. also einem unteren und einem oberen Totpunkt bewegt. Besonders bevorzugt
ist jedoch eine Gestaltung, bei der das Verdrängungselement respektive der
Kolben eine Vielzahl von ansteuerbaren Positionen im Zylinder einnehmen kann.
Dazu ist vorzugsweise eine Druckerzeugungs-Steuereinrichtung vorgesehen,
welche vorzugsweise innerhalb eines Regelkreislaufes arbeitet. Dies heißt, daß
die Druckerzeugungs-Steuereinrichtung die Ausgangssignale einer
Sensoreinrichtung unmittelbar oder nach einem vorhergehenden
Verarbeitungsschritt aufnimmt und dieses Sensorsignal bei der Verarbeitung
berücksichtigt.
Die Sensoreinrichtung ist dazu mit einem Element verbunden, welches seinerseits
in einer Wirkverbindung mit dem Verdrängungselement respektive dem Kolben
steht.
Um das Verdrängungselement respektive den Kolben zu steuern, wird weiterhin
vorzugsweise eine Bewegungseinrichtung verwendet, welche eine Bewegung
erzeugt, die das Verdrängungselement bewegt. Die Bewegungseinrichtung kann
ihrerseits nach dem hydraulischen Prinzip arbeiten, d. h. einen Fluiddruck in eine
Bewegung, vorzugsweise eine translatorische Bewegung umsetzen, was
beispielsweise über eine Kolben-Zylinder-Einheit erfolgen kann, bei welcher der
Kolben über entsprechend gesteuerte Ventile beidseitig mit Fluiddruck
beaufschlagt wird.
Besonders bevorzugt wird in der Bewegungseinrichtung jedoch elektrische
Energie in Bewegungsenergie umgesetzt, und zwar vorzugsweise in Gestalt eines
Linearmotors, eines Schrittmotors oder, besonders bevorzugt, als üblicher
Elektromotor.
Wird eine translatorische Bewegung zur Druckerzeugung benötigt, wird
vorzugsweise die Bewegung des Elektromotors über einen entsprechenden
Kurbeltrieb, gegebenenfalls unter Einschaltung eines Getriebes in eine
translatorische Bewegung umgewandelt.
Die Sensoreinrichtung weist vorzugsweise wenigstens einen induktiven,
kapazitiven oder elektrooptischen Sensor auf, der die Verschiebung entlang eines
Weges oder die Änderung eines Drehwinkels erfaßt. Die Sensoreinrichtung kann
nach dem Analogprinzip arbeiten, d. h. daß eine Spannungs-, Strom- oder
Frequenzänderung, hervorgerufen durch eine Änderung einer Induktivität oder
einer Kapazität oder eines Widerstandes, erfaßt wird. Die Sensoreinrichtung kann
aber auch unmittelbar digitale Signale ausgeben, indem die Bewegung
schrittweise erfaßt wird und vom Sensor immer nach Überschreiten einer
Schrittgrenze ein entsprechendes Signal ausgegeben wird, welches dann über
eine Zähleinrichtung gezählt wird.
In der kinetischen Einrichtung wird der Fluiddruck zur Erzeugung einer Kraft und
daraus resultierend einer Bewegung verwendet. Die kinetische Einrichtung weist
dazu ein Funktionselement auf. Erfolgt die Umwandlung des Fluiddruckes in
kinetische Energie auf hydrodynamischem Wege, kann dieses Funktionselement
beispielsweise in der Art eines Schaufelrades oder dergleichen gestaltet sein.
Bevorzugt ist aber auch bei dieser Einrichtung eine hydrostatische
Energieumsetzung, bei welcher vorzugsweise ebenfalls eine
Verdrängungswirkung ausgenutzt wird. Auch hier können Verdrängungselemente
vorgesehen sein, wie Rotationskolben und dergleichen, bei denen der Fluiddruck
zu einer Drehwinkeländerung führt. Besonders bevorzugt wird aber auch in
diesem Fall eine translatorische Relativbewegung zwischen einer Kammer und
einem Verdrängungselement für die Energieumsetzung verwendet. Besonders
bevorzugt ist als Funktionselement ein Kolben, der sich in einem Zylinder bewegt.
Das Verdrängungselement kann derart gestaltet sein, daß es sich zwischen zwei
Extrempositionen bewegt, ohne daß einzelne Zwischenpositionen angesteuert
werden können. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Gestaltung, bei der das
Verdrängungselement eine Vielzahl von Zwischenpositionen in Stufen oder in
stufenloser Aufeinanderfolge einnehmen kann.
Die Verbindungseinrichtung bewirkt eine Strömungsverbindung zwischen der
Druckerzeugungseinrichtung und der kinetischen Einrichtung. Bevorzugt wird sie
als Schlauchverbindung ausgeführt. Dies hat den Vorteil der leichteren Montage
und den weiteren Vorteil, daß Vibrationen nicht in der gleichen Weise übertragen
werden, wie bei einer ebenfalls anwendbaren Rohrverbindung. Obwohl durch die
erfindungsgemäße Lehre auch Volumenänderungen des Schlauches mit
ausgeglichen werden, wird vorzugsweise ein steifer Schlauch verwendet. Dies
bedeutet, daß die Volumenänderung bei einer bestimmten Druckänderung bei
spielsweise bei einer Druckänderung um 10 bar unterhalb eines vorgegebenen
Grenzwertes liegt.
Die Konstanthaltung der Fluidmenge respektive des Flüssigkeitsvolumens erfolgt
vorzugsweise durch eine Fluidausgleichseinrichtung. Dies kann ein unter Druck
stehender Vorratsbehälter für das Fluid sein. Weiterhin kann der
Ausgleichsbehälter ein unter Umgebungsdruck stehender Flüssigkeitsbehälter
sein, der unter bestimmten Voraussetzungen über eine Strömungsverbindung mit
diesem Systemabschnitt gebracht wird, wobei der Systemabschnitt die
Druckerzeugungseinrichtung, die Verbindungseinrichtung und die kinetische
Einrichtung umfaßt.
Der Volumenausgleich erfolgt vorzugsweise, indem Druckerzeugungseinrichtung
und kinetische Einrichtung in eine definierte Position gebracht werden und indem
dann ein Überschuß oder ein Defizit an Volumen durch diese
Ausgleichseinrichtung ausgeglichen wird. Zu diesem Zweck wird in dieser
definierten Position eine Strömungsverbindung zu der Ausgleichseinrichtung
geöffnet.
Besonders bevorzugt wird die Position, in der die beweglichen Elemente von
Druckerzeugungseinrichtung und kinetischer Einrichtung beim Volumenausgleich
sind, derart gewählt, daß ein Systemdruck in vorbestimmter Höhe erreicht wird.
Besonders bevorzugt befindet sich das System beim Ausgleich im wesentlichen in
einem drucklosen Zustand, d. h. daß der Systemdruck im wesentlichen dem
Umgebungsdruck entspricht. Insbesondere in diesem Fall wird ein
Flüssigkeitsvorratsbehälter der Ausgleichseinrichtung derart im Fahrzeug
angeordnet, daß die potentielle Differenz der Flüssigkeit im Ausgleichsbehälter
höher ist als die im Systemabschnitt. Dies wird erreicht, indem der Aus
gleichsbehälter in einer bestimmten Höhendifferenz zu den übrigen Bauteilen des
Systemabschnittes angeordnet wird.
Die Strömungsverbindung zwischen Ausgleichseinrichtung und Systemabschnitt
kann an jeder Stelle des Systemabschnittes hergestellt werden, d. h. in der
Druckerzeugungseinrichtung, in der Verbindungseinrichtung und in der
kinetischen Einrichtung. Zum Herstellen und Unterbrechen der
Strömungsverbindung mit der Ausgleichseinrichtung kann ein Ventil verwendet
werden, welches durch eine geeignete Einrichtung geöffnet und geschlossen wird.
Bevorzugt ist dies ein elektrisch geschaltetes Ventil, welches durch Signale einer
Steuereinrichtung, bevorzugt der Druckerzeugungs-Steuereinrichtung gesteuert
wird.
Besonders bevorzugt wird die Strömungsverbindung aber derart hergestellt, daß
ein zusätzliches Ventil nicht erforderlich ist. Dazu wird z. B. bei der Gestaltung
mittels Kolben und Zylinder in der Druckerzeugungseinrichtung oder der
kinetischen Einrichtung eine Öffnung vorgesehen, welche durch ein Element,
welches gemeinsam mit dem Kolben bewegt wird, verschlossen und geöffnet wird.
Besonders bevorzugt erfolgt das Verschließen und Öffnen der
Strömungsverbindung durch den Kolben selbst.
Die Öffnung kann beispielsweise als Ringnut in einem der Zylinder angeordnet
sein. Da der Volumenausgleich in der Regel jedoch nur einen geringen
Strömungsquerschnitt der Strömungsverbindung erfordert, genügt es in der Regel,
eine entsprechende Bohrung in der Zylinderwand anzubringen.
Der Kolben, vorzugsweise ist dies der Kolben der Druckerzeugungseinrichtung
kann dann in eine Position gefahren werden, in welcher diese Öffnung geöffnet ist
und eine Strömungsverbindung zwischen Ausgleichseinrichtung,
Zylinderverbindungseinrichtung und kinetischer Einrichtung besteht und in eine
Position oder einen Positionsbereich, in dem diese Verbindung nicht besteht.
Der Kolben wird dann in fest vorgegebenen oder veränderlichen Zeitabständen in
die Position gebracht, in welcher diese Strömungsverbindung offen ist, wobei
dann jeweils der Volumenausgleich erfolgt. Anschließend wird der Kolben in eine
Position bewegt, in der die Strömungsverbindung unterbrochen ist, so daß ein
entsprechender Druckaufbau im Systemabschnitt stattfinden kann.
Die Öffnung oder Bohrung, die mit dem Flüssigkeitsausgleichsbehälter in
Strömungsverbindung steht, wird als Schnüffelöffnung oder Schnüffelbohrung,
und der Vorgang des Bringens der beweglichen Elemente oder Ventile in eine
Position, in der die Schnüffelöffnung in Strömungsverbindung mit dem
Systemabschnitt steht, als Schnüffelzyklus bezeichnet.
Der Schnüffelzyklus kann in festen Zeitabständen, oder in Zeitabständen
wiederholt werden, die von den Betriebsbedingungen des Fahrzeuges abhängig
sind, wobei hier insbesondere aktuelle Betriebsgrößen des Motors, wie
Drehmoment, Drehzahl und insbesondere auch Temperaturkennwerte wie
Motoröltemperatur, Kühlwassertemperatur, Umgebungstemperatur,
Getriebeöltemperatur etc. berücksichtigt werden können.
Bevorzugt wird der Schnüffelzyklus in kurzen Zeitabständen von einigen Minuten
oder noch kürzer wiederholt, um die gewünschte Konstanz des
Flüssigkeitsvolumens zu erzielen.
Durch die erreichte hohe Volumenkonstanz kann die erfindungsgemäße Lehre im
Zusammenhang mit einer Vielzahl von Einrichtungen des Kraftfahrzeuges und
insbesondere dessen Antriebseinrichtung verwirklicht werden.
Wie bereits ausgeführt, ist eine zu bevorzugende Gestaltung die Verwendung
einer über eine Steuereinrichtung gesteuerte Kolben-Zylinder-Einrichtung als
Geberzylinder und eine ebenfalls als Kolben-Zylinder-Einheit gestaltete kinetische
Einrichtung, die dann einen Nehmerzylinder bildet. Wird der Geberzylinder, wie
ausgeführt, über eine Bewegungseinrichtung, gesteuert von der Steuereinrichtung
unter Berücksichtigung der Signale der Sensoreinrichtung betätigt, läßt sich die
Position des Geberzylinders und damit auch die Position des Nehmerzylinders
sehr präzise einstellen.
Die Lehre der vorliegenden Erfindung kann in einem Kraftfahrzeug und
insbesondere bei der Antriebseinrichtung eines Kraftfahrzeuges überall dort
angewendet werden, wo es auf die präzise kinetische Steuerung eines Elementes
ankommt.
Bei einem stufenlos übersetzenden Getriebe ist in der Regel wenigstens ein
Element vorgesehen, bei dessen Positionsveränderung sich auch die
Übersetzung des Getriebes ändert. Bei einem Kegelscheibengetriebe ist dies z. B.
die Position einer Kegelscheibe. Mit der Lehre der Erfindung kann die Position der
Kegelscheibe sehr genau gesteuert werden, so daß Positionsänderungen infolge
von Temperaturänderungen des Hydraulikfluids die Position und damit das
Übersetzungsverhältnis nicht beeinflussen.
Besonders vorteilhaft läßt sich die Erfindung bei den Einrichtungen anwenden, bei
denen die Änderung der Position eines Elementes mit der Änderung einer Kraft
verbunden ist, die auf ein Bauteil aufgebracht wird. Bei hydraulisch betätigten
Einrichtungen in Kraftfahrzeugen, wie beispielsweise bei hydraulisch unterstützten
Kupplungen, erfolgt die Steuerung bislang in der Regel in der Weise, daß das
Funktionselement, also z. B. der Kolben im Nehmerzylinder, seine Position im
wesentlichen zwischen zwei Extrempositionen, z. B. "Kupplung geöffnet" -
"Kupplung geschlossen", einnimmt. Zwischenpositionen, d. h. das Schleifen der
Kupplung wird vom Fahrer selbst durch ein entsprechend stärkeres oder
geringeres Niederdrücken des Kupplungspedals bewirkt.
Durch die Lehre der Erfindung läßt sich nicht nur die Position des
Funktionselementes, z. B. im Nehmerzylinder, sondern über eine damit
zusammenwirkende elastische Einrichtung mit vorgegebener Charakteristik auch
die auf ein Bauteil aufgebrachte Kraft ganz präzise steuern.
Die Erfindung kann deshalb überall dort eingesetzt werden, wo eine präzise
Kraftaufbringung erforderlich ist. Eine präzise Kraftaufbringung ermöglicht es,
zwei Bauteile bei im wesentlichen vorgegebener Reibungscharakteristik sich
gegeneinander mit definiertem Schlupf zu verdrehen. Dies kann beispielsweise
bei automatischen Getrieben angewendet werden, wo heute üblicherweise
lediglich das vollständige Bremsen oder Lösen eines Reibelementes vorgesehen
wird.
Weiterhin ist eine Anwendung auch dort von Vorteil, wo eine
Differenzgeschwindigkeit zwischen zwei Bauteilen begrenzt werden soll. Dies ist
z. B. bei Ausgleichsgetrieben der Fall, wie sie als Achsdifferential und
Zentraldifferential bei einachsigem bzw. zweiachsigem Antrieb eingesetzt werden.
Durch die Anwendung der Erfindung kann mit einem entsprechenden Reibelement
eine stufenlos veränderbare Sperrdifferentialwirkung bei einem solchen
Ausgleichsgetriebe erzeugt werden.
Eine besonders bevorzugte Anwendung der Erfindung ist, wie ausgeführt, die
Kupplungseinrichtung eines Fahrzeuges und insbesondere die Steuerung einer
schaltbaren Kupplung und zwar insbesondere die Steuerung einer im
wesentlichen herkömmlichen Kupplung, wie einer Einscheiben-Trockenkupplung.
Der durch eine automatische Kupplung erzielbare Komfort wird vom Fahrer nur
dann akzeptiert, wenn die Kupplungsbetätigung vor und nach dem Schaltvorgang
mit möglichst hoher Geschwindigkeit erfolgt. Dies erfordert kurze Ausrück- und
Wiedereinrückzeiten der Kupplung.
Durch Anwendung der Lehre der Erfindung kann die Steuerung der Kupplung in
der Weise erfolgen, daß die Kupplung jeweils nur so weit eingerückt wird, wie
erforderlich ist, um das jeweils über die Kupplung übertragene Drehmoment zu
übertragen. Muß beispielsweise im aktuellen Betriebszustand ein Drehmoment
von 70 Nm übertragen werden, wird die Kupplung so weit geschlossen, daß sie 80
Nm übertragen kann. Der Weg zum Einrücken und Ausrücken ist dann erheblich
kürzer, als wenn die Kupplung jeweils so weit geschlossen wird, daß das maximal
übertragbare Drehmoment übertragen werden kann. Die dadurch erzielbare
Verringerung der Betätigungszeit der Kupplung ist ein wesentliches Argument
dafür, daß eine automatische Kupplung überhaupt von den Benutzern akzeptiert
wird.
Die durch die erfindungsgemäße Lehre mögliche Drehmomentsteuerung der
automatischen Kupplung ermöglicht es weiterhin, einen Kriechgang vorzusehen,
in welchem die Kupplung nicht vollständig geöffnet, sondern nur so weit
geschlossen ist, daß das Fahrzeug kriecht. Damit wird das Anfahren und
insbesondere das Rangieren des Fahrzeuges beim Parken und dergleichen
erheblich vereinfacht.
Wird die erfindungsgemäße Lehre bei einer automatischen Kupplung
angewendet, so wird vorzugsweise ein System aus Geberzylinder,
Verbindungseinrichtung und Nehmerzylinder verwendet, wobei der Kolben des
Nehmerzylinders unmittelbar auf die Ausrückeinrichtung der Kupplung wirkt. Der
Kolben des Geberzylinders wird über eine Kolbenstange von einer elektrisch
betätigten Bewegungseinrichtung präzise mit Hilfe einer Sensoreinrichtung in
vorbestimmte Positionen gesteuert.
Bei dieser Ausführung wird man vorzugsweise eine Schnüffelöffnung als
Schnüffelbohrung, d. h. eine Bohrung mit relativ geringem Durchmesser von z. B. 1
mm oder geringer in der Zylinderwand vorsehen, welche über eine
Schlauchverbindung oder dergleichen mit einem flüssigkeitsgefüllten
Ausgleichsbehälter in Verbindung steht. Diese Schnüffelöffnung wird im Bereich
des ersten Totpunktes des Kolbens angeordnet, wobei der erste Totpunkt der
Punkt ist, der den maximalen Abstand von der Verbindungseinrichtung aufweist.
Die Kupplung wird derart ausgelegt, daß sich die Kupplung in vollständig
geschlossenem Zustand befindet, wenn der Kolben im ersten Totpunkt ist.
Der Schnüffelzyklus wird dann derart gestaltet, daß der Kolben von der jeweiligen
Position zum ersten Totpunkt gefahren wird, wobei die Kupplung vollständig
geschlossen wird. Da sich die Kupplung vorher in einem Zustand befand, in dem
sie ohnehin mehr Drehmoment übertragen kann, als aktuell erforderlich, wird das
vollständige Schließen der Kupplung vom Fahrer nicht wahrgenommen. Auf dem
Weg zum ersten Totpunkt überfährt der Kolben die Schnüffelbohrung und
verschließt sie dabei. Bei der weiteren Bewegung zum ersten Totpunkt wird die
Schnüffelbohrung wieder geöffnet und der Kolben angehalten, sobald er sich im
Bereich zwischen Schnüffelbohrung und erstem Totpunkt befindet. In diesem
Zustand besteht eine Strömungsverbindung zwischen Ausgleichsbehälter,
Schnüffelbohrung, Geberzylinder, Verbindungseinrichtung und Nehmerzylinder.
Ist in dem durch Geberzylinder, Verbindungseinrichtung und Nehmerzylinder
gebildeten Systemabschnitt ein Volumenüberschuß vorhanden, strömt das Vo
lumen durch die Schnüffelbohrung zum Ausgleichsbehälter. Ist ein Volumendefizit
vorhanden, wird entsprechend Flüssigkeit von Systemabschnitt angesaugt.
Im Zustand "Schnüffelbohrung geöffnet" befinden sich alle beweglichen Teile des
Systemabschnittes in einer für den aktuellen Betriebszustand vorbestimmten
Position. Diese Position wird vorzugsweise durch den ersten Totpunkt des
Geberzylinders und durch den ersten Totpunkt des Nehmerzylinders, der dem
Zustand "Kupplung vollständig geschlossen" entspricht. Da diese Zustände
während des Betriebes des Fahrzeuges immer mit großer Präzision und
unabhängig von den Fertigungstoleranzen der einzelnen Bauteile erreichbar sind,
ist nach dem Schnüffelzyklus immer exakt das gleiche Flüssigkeitsvolumen im
Systemabschnitt eingeschlossen. Die Bewegung des Kolbens im Geberzylinder
nach dem Schnüffelzyklus um eine vorbestimmte Weglänge wird darum immer
exakt dieselbe Verschiebung des Kolbens im Nehmerzylinder hervorrufen.
Der Schnüffelzyklus wird vorzugsweise in kurzen Zeitabständen, die vorzugsweise
im Minutenbereich liegen, wiederholt. Dadurch wird sichergestellt, daß auch bei
einem schnellen Temperaturanstieg, d. h. einem hohen Temperaturgradienten, das
Volumen mit der ausreichen Genauigkeit konstant gehalten wird. Bevorzugt findet
der Schnüffelzyklus in Zeitabständen von 10 bis 300 Sekunden, besonders
bevorzugt zwischen 20 und 200 Sekunden und ganz besonders bevorzugt alle 40
bis 80 Sekunden statt.
Für den Schnüffelzyklus selbst bieten sich verschiedene Varianten an. Im
allgemeinen ist der Kolben mit einem elastischen Dichtelement gegenüber dem
Zylinder des Geberzylinders abgedichtet. Man wird deshalb eine bestimmte
maximale Verfahrgeschwindigkeit zulassen, um einerseits die Dichtung nicht zu
beschädigen und um andererseits auch die Bewegungseinrichtung nicht zu
überlasten.
Sowohl der Durchmesser als auch die Position der Schnüffelbohrung innerhalb
des Zylinders sind mit Fertigungstoleranzen behaftet. Entsprechendes gilt auch
für den Kolben, eine eventuell daran angeordnete Dichtung und die
Bewegungseinrichtung sowie die Elemente, die die Bewegung auf den Kolben
übertragen. Die Präzision der Steuerung der kinetischen Einrichtung läßt sich
deshalb erhöhen, wenn in einem Lernmodus die Position der Schnüffelbohrung
mit größerer Genauigkeit festgelegt wird, als dies anhand der konstruktiven
Auslegung unter Berücksichtigung der Toleranzwerte möglich ist.
Die Erfindung schlägt hierfür mehrere Verfahrensweisen vor. Zunächst ist allen
Verfahren im wesentlichen gemeinsam, daß, mehr oder weniger willkürlich, ein
Ausgangspunkt für die Bestimmung der Schnüffelbohrung festgelegt wird. Dieser
Ausgangspunkt kann z. B. der erste Totpunkt des Kolbens oder aber auch eine im
Bereich des ersten Totpunktes eingenommene Position sein. Für diese
Startposition wird das Ausgangssignal der Sensoreinrichtung gespeichert.
Die Erfassung der Schnüffelbohrung kann in einer ersten Verfahrensweise
erfolgen, indem der Kolben mit einem oder mehreren vorgegebenen
Geschwindigkeitsprofilen im Zylinder bewegt wird, und dabei physikalische
Größen beobachtet werden, die von der Position der Schnüffelbohrung abhängig
sind. So kann beispielsweise der Kolben mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten
aus der Startposition (Kupplung geschlossen) in die andere Extremposition
(Kupplung geöffnet) gefahren und dabei der Druckaufbau beobachtet werden. Da
auch bei den Newton′schen Flüssigkeiten der Strömungswiderstand vom
Schergefälle abhängt, ergeben die unterschiedlichen Geschwindigkeiten
unterschiedliche Druckverläufe, was ggf., je nach Konstruktion, auch zu einer
unterschiedlichen Endposition des Kolbens im Geberzylinder bei der Position
"Kupplung geöffnet" führt.
Durch eine Analyse des während der Bewegung aufgezeichneten Sensorsignals,
kann dann die Lage der Schnüffelbohrung ermittelt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann auch ein weiterer Sensor eingesetzt werden,
beispielsweise ein Drucksensor im Geberzylinder, in der Verbindungseinrichtung
oder im Nehmerzylinder, eine Kraftmeßeinrichtung zur Messung der zur
Verschiebung des Kolbens erforderlichen Kraft oder ein Sensor, der zusätzlich die
vom Kolben des Nehmerzylinders oder von der Ausrückeinrichtung bzw. einem
Element der Kupplung zurückgelegte Wegstrecke erfaßt.
Da der Lernvorgang in der Regel nur einmal stattfinden muß, z. B. bei einer ersten
Inbetriebnahme des Fahrzeuges, können auch ein oder mehrere Teile der
entsprechenden Einrichtungen aus dem Funktionsverbund gelöst werden. So
kann beispielweise die Verbindungseinrichtung von der
Druckerzeugungseinrichtung respektive dem Geberzylinder und es kann die
Verbindung von der Schnüffelbohrung zum Ausgleichsbehälter gelöst werden.
Der Geberzylinder kann dann mit einem Medium, vorzugsweise mit Druckluft,
gefüllt werden und es kann mit einem Sensor, z. B. einem Drucksensor der durch
das Medium erzeugte Druck in der Schnüffelbohrung während der Bewegung des
Kolbens gemessen werden.
Insbesondere bei der Durchströmung des Geberzylinders, aber nicht
ausschließlich, ist es zweckmäßig, die Strategie zu Ermittlung der aktuellen
Schnüffelbohrungs-Position zu optimieren.
Dies kann dadurch geschehen, daß der Kolben ausgehend von einer bestimmten
Position in vorgegebenen Schritten bewegt wird, bis das Öffnen der
Schnüffelbohrung detektiert wird. Als Startposition wird hier vorzugsweise eine
Position gewählt, bei welcher sich der Kolben sicher in einer Position befindet, bei
welcher keine Strömungsverbindung zwischen Schnüffelbohrung und dem
Druckauslaß des Geberzylinders besteht. Sobald die Schnüffelbohrungs-Position
erkannt worden ist, kann der Vorgang von einer geänderten Startposition mit
kleinerer Schrittweite wiederholt werden, damit der Beginn des Öffnens der
Schnüffelbohrung, welcher für die Gestaltung des Schnüffelzyklus wesentlich ist,
präzise erkannt werden kann.
Statt dieses Verfahrens sind auch andere Suchstrategien möglich. So kann
insbesondere eine Intervallschachtelung verwendet werden, bei der der Kolben
zunächst in eine erste Startposition gebracht wird, in der keine
Strömungsverbindung zwischen Schnüffelbohrung und Druckauslaß des
Geberzylinders besteht, dann in eine zweite Position, in der diese Verbindung
besteht, worauf dann jeweils der Kolben in die Mitte der zwischen den beiden
vorangegangenen Positionen liegende Wegstrecke gefahren wird und ermittelt
wird, ob diese Position auf der einen oder anderen Seite der Schnüffelbohrung
liegt.
Ein derartiges Verfahren hat den Vorteil, daß die Schrittanzahl, die erforderlich ist,
um die Schnüffelbohrung mit einer vorgegebenen Genauigkeit zu detektieren von
vornherein feststeht. Insbesondere bei einem Vermessen der Schnüffelbohrung
am Band während der Fertigung oder während der Inbetriebnahme kann somit die
Erfassung der Schnüffelbohrungs-Position mit einer genau bekannten Anzahl von
Verfahrensschritten erfolgen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispiel s in Zusammenhang mit der Zeichnung. Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Teils der
Antriebseinrichtung eines Kraftfahrzeuges, in welchem die
vorliegende Erfindung verwirklicht ist;
Fig. 2 eine schematische Erläuterungsskizze zur Erläuterung des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 3 eine stark vergrößerte, teilweise geschnittene schematische
Darstellung der Druckerzeugungseinrichtung und eines sich
darin bewegenden Kolbens zur Erläuterung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun in bezug auf die Fig. 1
beschrieben.
Ein Kraftfahrzeug weist eine Antriebsmaschine auf, und zwar einen Otto-Motor
oder einen Diesel-Motor, der über eine elektronische Motorsteuerung gesteuert
wird. Die elektronische Motorsteuerung ist u. a. mit Sensoren zur Erfassung der
angesaugten Luftmenge und der aktuellen Kurbelwellendrehzahl verbunden und
gestattet die Ermittlung des vom Motor jeweils erzeugten Drehmomentes. Die
Drehbewegung des Motors wird über ein Schwungrad und eine automatisch
geschaltete Kupplung auf ein Schaltgetriebe übertragen, welches fünf
Vorwärtsgänge, einen neutralen Gang (Leerlauf) und einen Rückwärtsgang
aufweist. Das Schaltgetriebe wir über einen im Fahrzeug angeordneten Schalt
hebel vom Fahrer geschaltet.
Die Ausgangsdrehzahl des Schaltgetriebes wird über ein Ausgleichsgetriebe auf
die angetriebenen Räder des Fahrzeuges übertragen. Der Motor, die
Motorsteuerung, der konstruktive Aufbau der Kupplung, das Schaltgetriebe und
das Ausgleichsgetriebe sind von herkömmlicher, im Stand der Technik bekannter
Bauart und sind deshalb in den Figuren nicht dargestellt und brauchen auch nicht
im einzelnen erläutert zu werden.
Die automatische Kupplung wird über eine Kupplungssteuereinrichtung gesteuert.
Diese Kupplungssteuereinrichtung erhält Signale der Motorsteuerung und ist mit
einem am Schaltgestänge vorgesehenen Sensor verbunden. Sobald die Drehzahl
des Motors unter einen vorgegebenen Wert sinkt bzw. wenn über eine Verän
derung des Sensorsignals am Schaltgestänge ein Schaltwunsch erkannt wird, gibt
die Kupplungssteuereinrichtung ein Signal aus, um die Kupplung zu öffnen.
Die Kupplung selbst ist ebenfalls von herkömmlicher Bauart und ist als
Einscheiben-Trockenkupplung ausgeführt, die über einen Ausrückhebel in eine
Ausrückstellung gebracht wird. Um die Kupplung ohne Betätigung eines
Kupplungspedals durch den Benutzer öffnen zu können, muß der Ausrückhebel
aus der geschlossenen Position in eine entsprechende geöffnete Position bewegt
werden. Diese Bewegung erfolgt gegen die Kraft von Druckfedern, die die
Kupplung im geschlossenen Zustand halten.
In Fig. 1 ist mit 1 die Kupplungssteuereinrichtung bezeichnet, die, wie
schematisch dargestellt, mit der Motorsteuereinrichtung 2 und einer
Schaltwunsch-Erkennungseinrichtung 3 verbunden ist.
Wenn die Kupplungssteuereinrichtung feststellt, daß die Kupplung zu betätigen
ist, wird ein entsprechender Befehl an einen Elektromotor 10 gegeben. Der
Elektromotor 10 weist eine Motorausgangswelle 12 auf, deren Drehung ein
insgesamt mit 14 bezeichnetes Getriebe antreibt. Die Drehbewegung des Motors
wird ggf. untersetzt und über einen Kurbeltrieb in eine translatorische Bewegung
umgewandet. Der Kurbeltrieb weist eine rotierende Scheibe 16 auf, die in
Richtung des Pfeiles 17 um eine Welle 18 rotiert und eine gelenkig an dieser
Scheibe angeordnete Kurbel 20 antreibt, die über ein Gelenk 22 mit einer
Kolbenstange 24 verbunden ist. Die Kolbenstange 24 erstreckt sich in einen
Zylinder 30, an dessen (in der Zeichnung linken) Seite ein Deckel 32 vorgesehen
ist, welcher über eine Dichtung 34 in bezug auf die Kolbenstange 24 abgedichtet
ist. Die Kolbenstange ist über ein Gelenk 36 mit einem Kolben 38 verbunden. Der
Kolben 38 weist ein Ventil, im Ausführungsbeispiel ein Plattenventil 40 auf,
dessen Funktion später noch erläutert wird. An seinem Umfang trägt der Kolben
eine umlaufende Dichtung 42.
Der Zylinder ist an seinem vorderen Endabschnitt 43 mit einer Platte 44
verschlossen, welche einen Auslaß 45 mit einem Gewindestutzen 46 aufweist.
Der Kolben und der Zylinder bilden zusammen eine Druckerzeugungseinrichtung,
wobei die Öffnung 45 den Druckauslaß bildet. Aufgrund seiner Funktion wird der
Zylinder mit dem Kolben 38 auch als Geberzylinder bezeichnet. Ein zweiter
Zylinder 60, der Nehmerzylinder, weist ebenfalls einen Kolben 62 auf, an dem
eine Kolbenstange 64 angeordnet ist. Im vorderen Endbereich 63 des Zylinders
60 ist eine Platte 66 vorgesehen, in der eine durchgehende Öffnung mit einem
Anschraubstutzen 68 angeordnet ist. An diesem Anschraubstutzen 68 ist ein
Schlauch 50 festgeschraubt. Der Schlauch bildet somit eine
Verbindungseinrichtung zu Verbindung von Geberzylinder und Nehmerzylinder.
Der Zylinder 30, der Schlauch 50 und der Zylinder 60 sind vollständig mit einem
Hydraulikfluid, und zwar mit einer Bremsflüssigkeit bekannter physikalischer und
chemischer Charakteristik gefüllt.
Wenn der Kolben 38 durch den Motor 10 bewegt wird, und zwar in Richtung auf
das Ende 44 des Zylinders 30 hin, wird der Druck in der (in der Figur rechten)
Zylinderkammer B, im Schlauch und im Nehmerzylinder erhöht. Dadurch
verschiebt sich der Kolben 62 in Richtung des Pfeiles 66 und betätigt (die nicht
dargestellte) Ausrückeinrichtung einer ansonsten herkömmlichen Einscheiben-
Trockenkupplung.
Bewegt sich der Kolben 38 im Geberzylinder vom Druckauslaß Auslaß 45 weg
(nach links in der Figur), kann der Druck in der Kammer A erhöht werden.
Dadurch kann sich das Plattenventil 40 öffnen, so daß Hydraulikfluid von der
Kammer A in die Kammer B strömen kann.
Zur Erfassung der Position des Kolbens 38 ist an der Kolbenstange 24 ein
schematisch angedeuteter Sensor 70 vorgesehen, der mit einer
Druckerzeugungs-Steuereinrichtung 72 verbunden ist. Die Druckerzeugungs-
Steuereinrichtung ist ihrerseits mit der Kupplungssteuereinrichtung 1 verbunden.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß die Druckerzeugungs-Steuerein
richtung auch in die Kupplungssteuereinrichtung integriert werden kann. Weiterhin
ist es möglich, sowohl die Kupplungssteuereinrichtung als auch die
Druckerzeugungseinrichtung in eine übergeordnete Steuereinrichtung, welche
weitere oder praktisch alle Fahrzeugfunktionen steuert, zu integrieren.
Die Kammer B des Zylinders 30, der Schlauch 50 und die Druckkammer des
Zylinder 60 bilden einen Systemabschnitt. Um das Volumen des Druckfluids in
diesem Systemabschnitt konstant zu halten, ist eine Schnüffelbohrung 80
vorgesehen, die einen Durchmesser von ca. 0,7 mm aufweist und kreiszylindrisch
ausgebildet ist. Die in der Wand 37 des Zylinders 30 angeordnete
Schnüffelbohrung steht in Strömungsverbindung mit einem
Schlauchanschlußstutzen 82, über den die Schnüffelbohrung mittels eines
Schlauches 84 mit einem Ausgleichsbehälter 86 verbunden ist. Der Deckel 88, der
den Ausgleichsbehälter 86 verschließt, weist eine Druckausgleichsbohrung 87
auf, so daß der Druck der Flüssigkeit im Ausgleichsbehälter an der Flüssig
keitsoberfläche immer gleich dem Umgebungsdruck des Fahrzeuges ist.
Unter der Voraussetzung, daß das im Systemabschnitt eingeschlossene
Flüssigkeitsvolumen konstant ist, entspricht eine bestimmte Position des Kolben
30, die über die Sensoreinrichtung 70 erfaßt werden kann, einer bestimmten
Position des Kolbens 62 und damit auch einer bestimmten Position der Ausrück
einrichtung. Wenn sich das Volumen der Hydraulikflüssigkeit, beispielsweise
durch die Änderung der Temperatur ändert, ändert sich die Zuordnung der beiden
Kolbenpositionen und damit auch die Zuordnung zwischen der Position des
Geberzylinders und dem Einrückzustand der Kupplung.
Um das Volumen erfindungsgemäß konstant zu halten, wird in regelmäßigen
Abständen ein Schnüffelzyklus durchgeführt, der wie folgt abläuft:
Beim gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht die Stellung, bei der sich der
Kolben 62 des Nehmerzylinders 60 in seiner linken Extremposition befindet, dem
Zustand des vollständigen Schließens der Kupplung. In diesem Zustand kann die
Kupplung das maximale Drehmoment übertragen. Für den Geberzylinder gibt es
im wesentlichen drei Betriebszustände, die in Fig. 2 graphisch dargestellt sind.
Befindet sich der Kolben in der dortigen Darstellung links von der
Schnüffelbohrung, d. h. im Bereich I, besteht eine Strömungsverbindung zwischen
Auslaßbehälter 101, Schnüffelbohrung 100 und dem Systemabschnitt. Befindet
sich der Kolben innerhalb des Bereiches II, ist die Schnüffelbohrung vollständig
verschlossen. Die Breite des Bereiches II hängt vom Verhältnis des Durchmessers
bzw. der Längserstreckung der Schnüffelbohrung in Zylinderlängsrichtung zur
Länge des Dichtungselementes in Zylinderlängsrichtung ab. Ist das Dichtungse
lement beispielsweise 5 Mal breiter als der Durchschnitt der Schnüffelbohrung, so
entspricht die Länge des Bereiches II, in dem die Schnüffelbohrung vollständig
verschlossen ist, dem dreifachen Durchmesser der Schnüffelbohrung.
Bewegt sich der Kolben vom ersten Totpunkt, das ist der Totpunkt am linken Ende
des Bereiches I in Richtung auf die Schnüffelbohrung zu, findet bei langsamer
Bewegung kein Druckaufbau in der Zylinderkammer B statt, da das gesamte
Flüssigkeitsvolumen über die Schnüffelbohrung in den Ausgleichsbehälter
gedrückt wird. Sobald der Kolben die Schnüffelbohrung im Bereich II verschließt,
findet bei weiterer Bewegung nach rechts ein Druckaufbau statt. Die Höhe des
Druckaufbaus setzt sich zusammen aus den (geringen) Strömungsverlusten der
Flüssigkeit in dem Systemabschnitt, dem Druck, der erforderlich ist, um die der
Verschiebung des Kolbens 62 entgegenwirkende Reibkraft zu überwinden und
dem aus der Ausrückkraft der Kupplung resultierenden Druck. Falls die
Druckfedern der Kupplung beispielsweise im wesentlichen dem Hook′schen
Gesetz folgen, steigt der Druck im wesentlichen proportional entlang des
Verschiebeweges an. Bei einer anderen Charakteristik der Kupplungskennlinie
folgt ein anderer Druckanstieg als Funktion des Verschiebeweges.
Im drucklosen Zustand ist die Kupplung vollständig geschlossen. Mit der
Erhöhung des Druckes wirkt die Ausrückeinrichtung der Kraft der Druckfedern
entgegen, so daß die Anpreßkraft der Kupplung vermindert wird. Damit sinkt auch
das von der Kupplung übertragbare Drehmoment. Da die Übertragung des vollen
Motordrehmomentes über die Kupplung jedoch nur in relativ seltenen Fällen
erforderlich ist, genügt in den meisten Fällen eine verminderte Anpreßkraft, um
eine schlupflose Drehmomentübertragung sicherzustellen. Über die Position des
Kolbens wird somit die Anpreßkraft der Kupplung und damit das Drehmoment
eingestellt. Der Bereich III wird deshalb auch als Modulationsbereich bezeichnet.
Bei jedem Schnüffelzyklus wird der Kolben vollständig in den Bereich I
zurückgefahren. Dadurch wird die Schnüffelbohrung und der Ausgleichsbehälter
mit dem Inneren des Zylinders verbunden, so daß das ganze System drucklos
wird bzw. den Umgebungsdruck annimmt. In diesem Zustand ist die Kupplung
vollständig geschlossen und der Kolben des Nehmerzylinders befindet sich in der
Position, die der der vollständig geschlossenen Kupplung entspricht.
Sobald der Kolben beim Zurückfahren den Bereich II erreicht hat, beginnt der
Volumenausgleich und ein zuviel oder zuwenig an Flüssigkeitsvolumen wird
ausgeglichen. Wenn die beiden Kolben ihre Endposition erreicht haben, befindet
sich, nach einer entsprechenden Ausgleichszeit, ein ganz exakt definierten Flüs
sigkeitsvolumen innerhalb des Systemabschnittes, wobei darauf hinzuweisen ist,
daß die Schnüffelbohrung, der Schlauch 84 und der Ausgleichsbehälter 86 selbst
nicht zum Systemabschnitt gehören.
Anschließend wird der Kolben wieder zurückbewegt und es beginnt, abhängig von
der Verfahrgeschwindigkeit, der Viskosität des Hydraulikfluids und dem
Strömungswiderstand der Schnüffelbohrung bereits im Bereich I ein Druckanstieg,
der bei kleinerer Verfahrgeschwindigkeit aber vernachlässigbar ist. Sobald die
Position II erreicht ist, beginnt der eigentliche Druckaufbau und der Kolben wird in
die durch die Druckerzeugungseinrichtung vorgegebene Position gefahren.
Zu welchen Zeitabständen ein Schnüffelzyklus durchzuführen ist, hängt vom
Wärmeausdehnungs-Koeffizienten der Flüssigkeit und von der insgesamt im
Systemabschnitt befindlichen Flüssigkeitsmenge ab. Bei höherem Volumen und
höherem Wärmeausdehnungs-Koeffizienten ist ein geringerer Zeitabstand
zwischen zwei Schnüffelzyklen erforderlich, als bei geringerem Volumen und
kleinerem Wärmeausdehnungs-Koeffizienten. Als besonders günstig hat sich eine
Wiederholung des Schnüffelzyklus in einem Zeitbereich zwischen 20 sec. und 180
sec. herausgestellt. Als besonders günstig hat sich ein Wert zwischen 120 sec.
und 30 sec. erwiesen, insbesondere wurde ein besonders günstiger Bereich
zwischen 40 sec. und 90 sec. gefunden.
Ein wesentlicher Vorteil in dem beschriebenen Schnüffelzyklus ist die Tatsache,
daß der Schnüffelzyklus den Betriebszustand des Fahrzeuges in keiner Weise
verändert oder ihn beibehält. Der Fahrer bemerkt den Schnüffelzyklus nicht und
auch die Steuerung der automatischen Kupplung kann in einer Weise erfolgen,
die vom Schnüffelzyklus unbeeinflußt bleibt. Dies wird dadurch erreicht, daß der
Schnüffelzyklus sofort abgebrochen wird, wenn die Kupplungssteuereinrichtung
einen Schaltwunsch erkennt und einen Schaltbefehl ausgibt, der das Ausrücken
der Kupplung erforderlich macht.
Der Schnüffelzyklus kann in der Weise durchgeführt werden, daß der Kolben 36
mit maximaler Geschwindigkeit in dem Bereich I gefahren wird, wobei die
maximale Geschwindigkeit von der Gestaltung der Bewegungseinrichtung und von
der für die Dichtung zulässige maximale Verschiebegeschwindigkeit abhängig ist.
Anschließend wird der Kolben dann wieder mit maximaler Geschwindigkeit in den
Bereich II in die vorherige Position oder die nun neu vorgegebene Position
zurückgefahren. Diese Gestaltung des Schnüffelzyklus hat den Vorteil, daß die
Zeitdauer zur Erreichung der Schnüffelposition minimiert wird.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird der Geschwindigkeitsverlauf beim
Schnüffeln jedoch anders gewählt. Die Kupplung wird auch hier mit maximaler
Geschwindigkeit geschlossen, d. h. der Kolben wird mit maximaler
Geschwindigkeit vom Bereich III in den Bereich I gefahren. Anschließend wird der
Kolben in der Position gehalten, in der die Schnüffelbohrung geöffnet ist, wobei
diese Haltezeit
vorzugsweise im Bereich zwischen 0,01 und 0,5 sec., besonders bevorzugt im
Bereich zwischen 0,06 und 0,2 sec. ist.
Anschließend wird der Kolben zurückbewegt, aber mit abgestufter
Geschwindigkeit. Innerhalb des Bereiches I und II und soweit im Bereich III, bis
der Kolben mit dem Dichtelement die Schnüffelbohrung wieder vollständig
freigegeben hat, wird eine geringe Geschwindigkeit gewählt. Dabei beträgt die
Geschwindigkeit vorzugsweise zwischen 1% und 20%, besonders bevorzugt
zwischen 5% und 15% der maximal zulässigen Geschwindigkeit. Sobald der Punkt
erreicht ist, in dem die Schnüffelbohrung vollständig offen ist, wird die Kupplung
dann mit maximaler Geschwindigkeit in die vorherige Position bzw. die jetzt
gültige neue Position zurückgefahren.
Diese Verfahrensweise hat den wesentlichen Vorteil, daß die Zykluszeit zwar
weiterhin sehr gering ist, was durch die maximale Verfahrgeschwindigkeit beim
Schließen der Kupplung und in der letzten Phase erreicht wird. Andererseits wird
durch das langsame Überfahren in Öffnungsrichtung der Kupplung das Dichtele
ment geschont, da sich vor dem Überfahren der Schnüffelbohrung kein
nennenswerter Druck aufbauen kann, der die Dichtung in bezug auf die
Schnüffelbohrung verformen und damit zu einem vorzeitigen Verschleiß führen
könnte.
Einen besonderen Vorteil hat diese Verfahrensweise jedoch für den Transport von
Gasblasen, insbesondere Luftblasen im System.
Durch den schnellen Druckabfall beim Schließen der Kupplung, werden die
Luftblasen in Richtung auf die Schnüffelbohrung mitgerissen. Da die
Schnüffelbohrung vorzugsweise so angeordnet ist, daß sie, im Querschnitt
gesehen, an der in Vertikalrichtung höchsten Stelle des Zylinders angeordnet ist,
haben die Luftblasen in dieser Phase Zeit, durch die Schnüffelbohrung zu
entweichen. Wird, wie bevorzugt, das System so ausgeführt, daß der
Geberzylinder in vertikaler Richtung höher angeordnet ist, als
Verbindungseinrichtung und Nehmerzylinder, findet, durch den Schnüffelvorgang,
ein ständiger Transport von eventuell gebildeten Gasblasen hin zur
Schnüffelbohrung und durch die Schnüffelbohrung aus dem Systemabschnitt
heraus, statt.
Die Lage der Schnüffelbohrung ist konstruktiv vorgegeben, aber den
Fertigungstoleranzen unterworfen. Der Modulationsbereich III muß so gewählt
werden, daß die Dichtung 42 des Kolbens 36 die Schnüffelbohrung nicht berührt.
Andernfalls bestünde die Gefahr des vorzeitigen Verschleißes der Dichtung.
Diese Gefahr ist insbesondere dann groß, wenn als Dichtung, wie bevorzugt, eine
Lippendichtung gewählt wird, die durch den dann noch herrschenden Druck in die
Schnüffelbohrung gedrückt wird. Von dem Modulationsbereich III ist deshalb nur
ein Bereich IV praktisch nutzbar, der in Fig. 2 ebenfalls eingezeichnet ist. Da die
Länge des erforderlichen Modulationsbereiches konstruktiv vorgegeben ist, muß
der Zylinder entsprechend lang gestalte 12128 00070 552 001000280000000200012000285911201700040 0002019734038 00004 12009t werden, damit der Abstand vom Bereich
IV zum Bereich II ausreichend groß ist. Damit wird einerseits der Geberzylinder
vergrößert und andererseits die Schnüffelzeit verlängert, da die zurückzulegende
Wegstrecke größer wird. Die Toleranz muß im übrigen nicht nur im
Modulationsbereich, sondern auch im Bereich I berücksichtigt werden, da auch
hier sichergestellt sein muß, daß die Schnüffelbohrung beim Schnüffeln
vollständig geöffnet ist.
Die vorbeschriebenen Nachteile werden zumindest teilweise vermieden, indem
die Schnüffelbohrung beim individuellen Geberzylinder exakt lokalisiert wird.
Dazu wird die Druckerzeugungs-Steuereinrichtung vom normalen Betriebsmodus,
in dem die Druckerzeugung gesteuert wird, in einen Lernmodus umgeschaltet, der
bei der Erstinbetriebnahme des Fahrzeuges oder nach einer entsprechenden
Reparatur ausgeführt wird. Zum Lernmodus wird beim Ausführungsbeispiel der
Schlauch 50 und der Schlauch 84 vom Geberzylinder abgenommen. Auf den
Anschlußstutzen 82 der Schnüffelbohrung 80 wird eine Druckmeßeinrichtung
aufgesetzt.
Fig. 3 zeigt in starker Vergößerung die Zylinderinnenwand 37 mit der
Schnüffelbohrung 80. Darunter ist die Dichtung 42 des Kolbens 36 gezeigt. In der
Darstellung gemäß Fig. 3 befindet sich die vordere Kante der Dichtung 42 genau
unterhalb der vordersten Stelle der Schnüffelbohrung, d. h. genau in dem Punkt,
in dem die Öffnung der Schnüffelbohrung beginnt. Auf der darunter und parallel
dazu angeordneten x-Achse ist dieser Punkt mit X bezeichnet.
Zur Detektion der Schnüffelbohrung wird in den Zylinder durch den Druckauslaß
Druckluft eingeblasen. Dann wird der Kolben durch die Bewegungseinrichtung
von einer festen Ausgangsposition, z. B. einer Ausgangsposition A in die Position
der Stützstelle S₁ gefahren. In dieser Stellung gibt es keine Strömungsverbindung
zur Schnüffelbohrung und es wird kein Druck in der Schnüffelbohrung angezeigt.
Anschließend wird der Kolben zur Stützstelle S₂ verfahren. In dieser Stellung
besteht eine Strömungsverbindung und es wird ein Druck in der Schnüffelbohrung
angezeigt. Das Intervall I₁, mit der Intervallänge L₁ wird nun exakt halbiert, woraus
sich die Stützstelle S₃ ergibt. Die Messung wird nun für die Stützstelle S₃
durchgeführt, woraus sich im vorliegenden Fall ergibt, daß die gesuchte Position
X in der rechten Hälfte dieses Intervalls liegen muß. Das Intervall wird erneut
halbiert, woraus sich die Stützstelle S₄ ergibt und für diese Stützstelle S₄
wiederum festgestellt, daß keine Strömungsverbindung besteht.
Diese Intervallschachtelung wird für eine vorbestimmte Anzahl von Intervallen
durchgeführt. Da die Ausgangsschrittlänge L₁ vorgegeben ist, führt dies mit einer
festen Anzahl von Schritten zu einem vorgegebenen Toleranzbereich für die
Erkennung der Schnüffelbohrungs-Position, die z. B. in einem Bereich von 20 µm
oder weniger sein kann. Um mögliche Hysterese-Einflüsse des Gebers
auszuschließen, kann die Intervallschachtelung in der Weise durchgeführt werden,
daß jeder Punkt von der Ausgangsposition A aus angefahren wird.
Der Vorteil dieser Intervallschachtelung ist, daß bei jedem individuellen
Geberzylinder eine genau gleiche Anzahl von Schritten erforderlich ist, um die
gewünschte Genauigkeit zu erzielen.
Als Alternative dazu kann die Schnüffelbohrung auch in der Weise erkannt
werden, daß der Bereich zwischen S₁ und S₂ mit konstanter Schrittweite
abgesucht wird. So kann z. B. der Kolben bei jedem Schritt um 50 µm bewegt
werden. Daraus ergibt sich das Auffinden der Schnüffelbohrung mit einer
rechnerischen Genauigkeit von 25 µm. Der Nachteil ist hier jedoch, daß die
Anzahl der Schritte bis zum Auffinden der Schnüffelbohrungs-Position von
Zylinder zu Zylinder variiert.
Das Verfahren kann insoweit verbessert werden, indem zunächst mit einer
groberen Schrittweite detektiert und dann, sobald die Bohrung detektiert ist, der in
Frage kommende Bereich mit einer kleinere Schrittweite detektiert wird.
Die beiden zuvor erläuterten Mechanismen erfordern eine Veränderung im
konstruktiven Aufbau, um das Medium, z. B. Druckluft in den Zylinder
einzublasen.
Bei einer Alternative dieses Ausführungsbeispiels ist das Einblasen von Luft nicht
erforderlich. Bei dieser Alternative wird der Druck im Hydrauliksystem, in der
Verbindungsrichtung oder dergleichen erfaßt. Der Kolben wird, ausgehend vom
linken Totpunkt in Fig. 1 mit unterschiedlichen Verfahrgeschwindigkeiten nach
rechts bewegt. Dabei wird sowohl das Weg-Signal der Sensoreinrichtung als auch
das Drucksignal erfaßt. Wie bereits ausgeführt, bewirkt die unterschiedliche
Verfahrgeschwindigkeit einen unterschiedlichen Druckaufbau innerhalb des
Bereiches I. Durch eine Analyse der Druckverläufe läßt sich die Lage der
Schnüffelbohrung anhand von, aus Experimenten gewonnenen Erfahrungswerten
sehr zuverlässig bestimmten.
Statt der Druckmessung kann auch der Ausrückweg der Kupplung ermittelt
werden. Ist, bei hoher Verfahrgeschwindigkeit im Bereich I, der Druck zu Beginn
des Bereiches II bereits relativ hoch, so wird an einer bestimmten Position des
Zylinders III der Druck höher sein, als bei einer langsamen Verfahrgeschwin
digkeit. Bei höherer Verfahrgeschwindigkeit ist an der gleichen Position ein
höherer Druck vorhanden, und damit wird die Kupplung auch weiter geöffnet als
bei niedrigerer Verfahrgeschwindigkeit. Da der Druckaufbau nur innerhalb des
Bereiches I von der Verfahrgeschwindigkeit abhängt, läßt sich aus dem Ausrück
weg die Position der Schnüffelbohrung im individuellen Zylinder feststellen. Es
genügt also hier festzustellen, bei welchem Verschiebeweg die Kupplung
vollständig geöffnet ist.
Ist das System derart gestaltet, daß nach Erreichen der geöffneten Position eine
weitere Bewegung des Kolbens des Nehmerzylinders nicht mehr möglich ist, wird
die Bewegung des Kolbens des Nehmerzylinders in dieser Position gestoppt, da
dann zum Verschieben des Kolbens eine (theoretisch) sehr große Kraft benötigt
werden würde, die von der Bewegungseinrichtung nicht aufgebracht werden kann.
Aus dem Endpunkt der Bewegung des Kolbens des Geberzylinders läßt sich somit
der Druckaufbau im Bereich I und damit die Lage der Schnüffelbohrung ermitteln.
Gemäß einer weiteren Alternative wird zur Erkennung der Schnüffelbohrungs-
Position ein vorbestimmter Greifpunkt der Kupplung überprüft. Bei einer
bevorzugten Ausführungsform der automatischen Kupplung wird die Kupplung im
neutralen Gang derart gesteuert, daß ein Kriechbetrieb des Fahrzeuges, ähnlich
wie bei einem automatischen Getriebe mit hydrodynamischem Wandler, möglich
ist. Der Greifpunkt der Kupplung, bei einem Mittelklassefahrzeug ist dieser z. B.
im Bereich zwischen 8 und 10 Nm, wird im Fahrzeug überprüft und im Rahmen
einer Greifpunktadaption auf den vorbestimmten Wert eingestellt. Wird der Kolben
schnell innerhalb des Bereiches I verfahren, ist der Druck höher und der
Kupplungsgreifpunkt wird an einer früheren Position erreicht, als bei langsamer
Verfahrgeschwindigkeit im Bereich I. Durch eine Analyse der Position des Kolbens
36 bei Erreichen des Greifpunktes bei unterschiedlichen
Verfahrgeschwindigkeiten im Bereich I kann somit ebenfalls die Lage der
Schnüffelbohrung beim individuellen Zylinder detektiert werden.
Die Lage der Schnüffelbohrung wird nach dem Erkennungsvorgang in einer
Speichereinrichtung der druckerzeugenden Steuereinrichtung, welche eine
langfristige Speicherung ermöglicht, eingespeichert und bei der Steuerung der
Kupplung sowie bei der Steuerung des Schnüffelzyklus berücksichtigt.
Vorteilhaft ist es, wenn bei einem Schnüffelvorgang in einem ersten Teilbereich
des Kupplungsbetätigungsweges die Kupplung langsamer geschlossen wird als in
einem weiteren Teilbereich des Kupplungsbetätigungsweges. Der erste
Teilbereich kann auf übertragbare Drehmomente im Bereich von 3 Nm bis 50 Nm
beschränkt sein.
Ein Schnüffelvorgang kann auch bei einem automatisierten Getriebe durchgeführt
werden, wenn bei diesem Getriebe neben der automatisierten Betätigung des
Getriebeschaltvorganges auch die Kupplungsbetätigung automatisiert
durchgeführt wird. Ein Schnüffelvorgang ist beispielsweise dann möglich, wenn
das Getriebe in die Neutralposition geschaltet wird. In dieser Getriebeeinstellung
kann ein Schnüffelvorgang gesteuert werden. Ebenso kann bei einem
Schaltvorgang die Neutralposition zumindest kurzfristig eingestellt werden, damit
ein Schnüffelvorgang durchgeführt werden kann.
Ebenso ist ein Schnüffelvorgang bei zumindest im wesentlichen stehendem
Fahrzeug mit betätigter Bremse möglich.
Bei Fahrzeugen kann bei einer Erkennung einer hohen Dringlichkeit eines
Schnüffelvorganges auch in einer Stellung eines Getriebewahlelementes in einer
Stellung, welche einen vollautomatischen Getriebeschaltmodus kennzeichnet,
oder in einer Stellung, welche einen manuellen Getriebeschaltmodus
kennzeichnet oder in einer Stellung mit im Getrieb eingelegtem Gang,
durchgeführt werden. Dabei kann die das Getriebe betätigende Aktorik das
Getriebe zumindest kurzfristig in einen neutralen Bereich schalten, einen
Schnüffelvorgang durchführen und anschließend in eine andere oder die
vorherige Getriebestellung schalten.
In einer solchen Situation kann ein Schaltvorgang zur Durchführung eines
Schnüffelvorganges auch verlangsamt werden oder verzögert werden, um den
Schnüffelvorgang beispielsweise in der Neutralposition oder in einer anderen
Getriebeposition durchzuführen.
Der Schaltvorgang kann beispielsweise in den folgenden Betriebssituationen
verlangsamt durchgeführt werden, um einen Schnüffelvorgang durchzuführen:
- - wenn der letzte Schnüffelvorgang länger als eine
vorgebbare Zeitpanne zurückliegt,
- - und/oder wenn bei einer Berechnung der Temperatur einer
hydraulischen Strecke, dies für notwendig erkannt wird,
weil beispielsweise ein Temperaturgrenzwert
überschritten ist.
Somit kann durch den Eingriff der Steuerung auf die Getriebeschaltbetätigung ein
Schnüffelvorgang durchgeführt werden.
Die mit der Anmeldung eingereichten Patentansprüche sind Formulierungsvorschläge
ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Patentschutzes. Die Anmelderin
behält sich vor, noch weitere, bisher nur in der Beschreibung und/oder Zeichnungen
offenbarte Merkmale zu beanspruchen.
In Unteransprüchen verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung
des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unter
anspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen,
gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu
verstehen.
Die Gegenstände dieser Unteransprüche bilden jedoch auch selbständige
Erfindungen, die eine von den Gegenständen der vorhergehenden Unteransprüche
unabhängige Gestaltung aufweisen.
Die Erfindung ist auch nicht auf das (die) Ausführungsbeispiel(e) der Beschrei
bung beschränkt. Vielmehr sind im Rahmen der Erfindung zahlreiche Abände
rungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten, Elemente
und Kombinationen und/oder Materialien, die zum Beispiel durch Kombination
oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den in der allgemeinen
Beschreibung und Ausführungsformen sowie den Ansprüchen beschriebenen
und in den Zeichnungen enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfah
rensschritten erfinderisch sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem
neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschritt
folgen führen, auch soweit sie Herstell-, Prüf- und Arbeitsverfahren betreffen.