DE19758518B4

DE19758518B4 - Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE19758518B4
Application number: DE19758518.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Rogg
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 1996-06-05
Filing date: 1997-06-04
Publication date: 2016-03-03
Anticipated expiration: 2017-06-05
Also published as: IT1292079B1; ITMI971316A1; ITMI971317A0; ITMI971316A0; DE19723393B4; GB2313886B; ITMI971317A1; FR2749635A1; IT1292080B1; DE19723393A1; FR2749635B1; JPH1081158A; GB9711401D0; GB2313886A; FR2796117A1; RU2213017C2; FR2796117B1; BR9703466A

Abstract

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 zumindest eine Antriebseinheit aufweist und zumindest eine Kenngröße des Aktors detektierbar ist und die Steuereinheit mittels dieser Kenngröße eine eine Betätigung repräsentierende Größe ermittelt, wobei die Kenngröße in Abhängigkeit von der Temperatur des Aktors ermittelt wird, wobei die Temperatur des Aktors von einem Temperatursensor erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die Temperatur des Aktors an einer Position mittels eines thermischen Modelles berechnet, in das eine weitere, an einer anderen Position gemessene Temperatur eingeht, und wobei die zu berechnende Temperatur Terr des Aktors aus der gemessenen Temperatur TMESS durch: Terr = TMESS + ΔTMESS·R/C·F(PVerlust)ermittelt wird, wobei ΔTMESS der Gradient der gemessenen Temperatur, R/C der Quotient aus dem thermischen Übergangswiderstand und der thermischen Kapazität zwischen der Position der gemessenen Temperatur und der Position der berechneten Temperatur ist, und wobei die Funktion F(PVerlust) in Abhängigkeit von der thermischen Verlustleistung ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die EP 0 638 743 B1 offenbart ein Verfahren zur Steuerung der Schaltkraft in einem automatisierten mechanischen Getriebe. Die DE 44 33 825 A1 offenbart eine Kupplungsstelleinrichtung mit einer Lageregelung. Die WO 93/11369 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Rotorposition eines elektromagnetischen Aktuators. Die 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 Offenlegungsschrift JP S63-13 307 A beschreibt wie zur Bestimmung einer Verschiebung in einem Elektromagnet die Spulentemperatur berücksichtigt wird. Das erteilte amerikanische Patent 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 gelöst.
Dies kann also bei Kraftfahrzeugen der oben genannten Art 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 Betatigungskraft 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 T_err aus der einen Temperatur T_mess durch: T_err – T_mess + ΔT_mess·R/C·F(P_Verlust) bestimmt wird, mit ΔT_mess = Gradient der gemessenen Temperatur, R/C = thermischer Übergangswiderstand/thermische Kapazität zwischen der Position der gemessenen Temperatur und der Position der berechneten Temperatur und F(P_Verlust) ist eine Funktion in Abhängigkeit einer thermischen Verlustleistung.
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 der 15,
17 einen Ausschnitt eines Aktors,
18 einen Schnitt der 17,
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 die 26a,
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 Fahrzeuges 1 mit einem Antriebsmotor 2, einem Drehmomentübertragungssystem 3 und einem Getriebe 4. Dem Getriebe 4 ist ein Differential 5 sowie Antriebsachsen/Antriebswellen 6a, 6b nachgeordnet, über welche die angetriebenen Räder 7a und 7b antreibbar sind.
An den Rädern und/oder an den Antriebsachsen können beispielsweise Raddrehzahlsensoren 8 angeordnet sein, welche über eine Signalleitung 9 mit einer Steuereinheit 10 signalverbunden sind. Die Steuereinheit kann somit beispielsweise die Raddrehzahlen der einzelnen angetriebenen oder nicht angetriebenen Räder detektieren und auswerten.
Das Drehmomentübertragungssystem 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit dem Schwungrad 11 verbunden, wobei das Schwungrad 11 mit der Kurbelwelle des Antriebsmotors 2 verbunden ist. Das Drehmomentübertragungssystem besteht im wesentlichen aus einem Kupplungsdeckel 12, einer Kupplungsdruckplatte 13, einem Kraftspeicher 14, wie Tellerfeder, und aus einer Kupplungsscheibe 15, welche mit der Getreibeeingangswelle 16 im wesentlichen drehfest verbunden ist. Die Kupplungsscheibe 15 weist weiterhin radial außen liegende Reibbeläge 17 sowie eine Torsionsschwingungsdämpfungseinrichtung 18 auf. Das Schwungrad 11 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 Schwungrad 11 trägt am radial äußeren Bereich einen Anlasserzahnkranz 19. Über diesen Anlasserzahnkranz kann ein Anlasser den Antriebsmotor 2 starten. Weiterhin kann ein Sensor 20 zur Ermittlung der Motordrehzahl des Antriebsmotors 2 verwendet werden. Der Sensor 20 steht mit der Steuereinheit 10 in Signalverbindung, wobei diese Signalverbindung in der 1 nicht dargestellt ist.
Weiterhin weist das Fahrzeug 1 zumindest ein Betätigungselement einer Bremse 21 auf, wobei diesem Betätigungselement ein Signalgeber 22 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 Geber 23 ist zumindest ein Sensor 24 zugeordnet, welcher detektiert, wie stark oder wie wert 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 Vorrichtung 30 zur automatisierten Betätigung des Drehmomentübertragungssystem 3 und/oder zur automatisierten Betätigung der Übersetzungseinstellung des Getriebes 4 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 Vorrichtung 30 ist über eine Signalleitung 31 mit der Steuereinheit 10 signalverbunden. Die Steuereinheit 10 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 Signalleitungen 32 und 33 Signale oder Meßgrößen mit anderen Elektronikeinheiten ausgetauscht oder von diesen empfangen oder zu diesen übermittelt werden. Beispielsweise kann die Steuereinheit 10 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 Elektronikeinheit 10 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 Vorrichtung 30 eine Aktorik auf zum Betätigen des Drehmomentübertragungssystemes, das in diesem Ausführungsbeispiel der 1 ein hydraulisches System ist, wobei die Aktorik gegebenenfalls mit einem Übersetzungsgetriebe und einem Geberzylinder innerhalb der Vorrichtung 30 vorgesehen ist und über eine Hydraulikleitung 40 mit einem Hydrauliknehmerzylinder 41 in Fluidverbindung steht, wobei bei einer Ansteuerung des Kolbens des Geberzylinders innerhalb der Vorrichtung 30 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 Getriebeübersetztung und/oder den Betätigungsvorgang des Drehmomentübertragungssystemes direkt oder indirekt detektiert.
Die 2 zeigt einen Ausschnitt der Vorrichtung 30 der 1, 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 Aktor 100 weist eine Antriebseinheit 101 auf. Diese Antriebseinheit 101 ist in diesem Ausführungsbeispiel der 2 ein Elektromotor, wie beispielsweise Gleichstrommotor oder Wechselstrommotor, Schrittmotor oder Wanderwellenmotor, wobei die Motorwelle 102 im Bereich 103 und im Bereich 104 gelagert ist. Der Elektromotor ist mit einem Polgehäuse 105 umgeben und kann in das Gehäuse 106 des Aktors 100 aufgenommen sein oder auf dieses aufgesetzt sein, so daß die Motorwelle 102 in das Gehäuse 106 hineinragt.
Die Motorabtriebswelle 102 ist über ein Getriebe 110 mit einem Übertragungselement 120 wirkverbunden, welches die Betätigung des Drehmomentübertragungssystemes 130 ausgehend von der Ansteuerung der Antriebseinheit 100 auf ein Betätigungselement 131 überträgt. Im Ausführungsbeispiel der 2 ist das Getriebe 110 ein Schneckengetriebe mit Schubkurbel 111, wobei die Schnecke 112 mit der Motorwelle 102 drehfest angeordnet ist und ein Schneckenzahnrad 113 kämmt. Durch die Rotation der Motorwelle 102 wird die Schnecke 112 in Rotation versetzt, wodurch das Schneckenzahnrad 113 sich um die Drehachse 114 dreht. Dadurch wird der Haltezapfen 115 der Schubkurbel 111 in eine rotatorische Bewegung um die Achse 114 versetzt, welche die Schubkurbel 111 im wesentlichen in axialer Richtung längs zur Achse 116 bewegt.
Der Schubkurbel 116 ist ein druckmittelbetätigtes Übertragungssystem, wie eine Übertragungsstrecke, nachgeordnet, welche im wesentlichen aus einem Druckmittelgeberzylinder 121 einer Übertragungsstrecke 122 und einem Druckmittelnehmerzylinder 123 besteht. Die Übertragungsstrecke weist weiterhin eine Vorrichtung zum Volumenausgleich oder zur Entlüftung 124 auf, welche zu einem Reservoir 125 eine Fluidverbindung aufweist.
Durch die Betätigung des Hydrauliknehmerzylinders 123 wird mittels einer Ausrückgabel 126 das Ausrücklager 131 des Drehmomentübertragungssystemes betätigt, wobei durch die Betätigung des Ausrücklagers die Tellerfeder 132 kraftbeaufschlagt wird und in diesem Falle die Kupplungsdruckplatte 133 die Kupplungsscheibe 134 im Raumbereich zwischen Kupplungsdruckplatte und Schwungrad 135 freigibt. Weiterhin ist der Kupplungsdeckel 136 gezeigt.
Zur Detektion der Betätigung des Drehmomentübertragungssystemes 130 ist im Bereich des Aktors 100 zumindest ein Sensor 150 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 der 2 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 Sensorelement 151, welches eine Drehzahl und/oder eine Drehrichtung oder eine Geschwindigkeit und/oder eine Betätigungsrichtung detektiert. Weiterhin besteht der Sensor aus einem Geber 152, welcher im Zusammenwirken mit einer Betätigung des Drehmomentübertragungssystemes gleichzeitig betätigt oder bewegt wird. Der Nehmer 151 detektiert die Bewegung, wie Rotation, des Gebers 152.
Der Sensor 150 ist als inkrementeller Sensor ausgestaltet, wobei der Geber 152 als rotierendes Bauteil ausgestaltet ist, welches bei einer ganzen Umdrehung eine Vielzahl von Impulsen liefert. Der Nehmer 151 des Sensors 150 detektiert im Lauf einer Umdrehung des Elementes 152 die einzelnen Impulse und leitet diese über eine Signalleitung 153 an die Steuereinheit weiter.
Der Sensor 150 kann beispielsweise durch ein Zahnrad 152 und einen induktiven Nehmer 151 ausgebildet werden, wobei das Zahnrad der Geber 152 ist und der Nehmer das Sensorelement 151 ist. Fahren während einer Umdrehung des Zahnrades oder der Motorwelle eine Vielzahl von Zahnradzähnen am induktiven Nehmer 151 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 Sensorelement 151 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 Motors 101 wird in eine Drehbewegung versetzt, woraufhin sich die Motorwelle 102 dreht. Wenn der Geber 152 drehfest mit der Motorwelle 102 verbunden ist, dreht sich diese gleichfalls. Durch die Drehung der Motorwelle 102 wird über das Schneckengetriebe 112 die Schubkurbel 116 und somit der Nehmerzylinderkolben des Nehmerzylinders 123 und in folge dessen das Ausrücklager 131 in eine axiale Bewegung versetzt.
Zum Erreichen des vollen Betätigungshubes des Ausrücklagers 131 ist beispielsweise eine Vielzahl von Umdrehungen des Elektromotors nötig. In einem Ausführungsbeispiel können beispielsweise 50 Umdrehungen der Motorwelle pro Gesamthub des Drehmomentübertragungssystemes nötig sein. Besteht der Sensorgeber 152 aus einem Element, welches pro Umdrehung beispielsweise 10 Signale am Nehmer 151 erzeugt, so kann bei einem Gesamtbetätigungshub am Ausrücklager des Drehmomentübertragungssystemes eine Gesamtzahl von 500 Impulsen von dem Sensor 150 erzeugt werden. Die Steuereinheit detektiert diese einzelnen inkrementellen Impulse und kann aufgrund der Anzahl der gezählten Impulse 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 Elementes 131 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 Aktors 200, welcher zur automatisierten Betätigung einer Getriebeübersetzung eines Getriebes 4 verwendet werden kann.
Der Aktor 200 weist in diesem Ausführungsbeispiel der 3 zwei Antriebseinheiten 201 und 202 auf, welche im wesentlichen gleichartig ausgestaltet sind und vergleichbar sind mit der Antriebseinheit 101 der 2. Über die Motorwellen 203 und 204 wird über jeweils ein Getriebe, wie Schneckengetriebe, jeweils ein Ausgangselement 205, 206 betätigt. Weiterhin sind getriebeinterne Schaltelemente 300 des Getriebes 4 zu erkennen, welche beispielsweise innerhalb eines Fahrzeuggetriebes angeordnet sind. Durch die axiale Verschiebung des Elementes 301 kann über die Hebelanordnung 302 der Schaltfinger 303 entlang der Schaltgassen 304 betätigt werden. Durch eine Betätigung des Elementes 305 kann der Schaltfinger 303 in axialer Richtung des Elementes 305 betätigt werden, um eine Auswahl zwischen den Schaltgassen 304 zu erreichen. Eine Betätigung des Elementes 305 in axialer Richtung erzeugt eine Bewegung des Schaltfingers 303 in Richtung des Pfeiles 306, wobei eine Betätigung des Elementes 301 eine Betätigung des Schaltfingers in Richtung des Pfeiles 307 hervorruft. Durch die Betätigung des Schaltfingers in Richtung des Pfeiles 306 wird zwischen den Schaltgassen des Getriebes gewählt. Durch die Betätigung des Elementes 301 wird ein Schalten innerhalb von den Schaltgassen 304 ermöglicht.
Um beispielsweise einen ersten Gang aus einem Neutralbereich einzulegen, muß der Schaltfinger 303 in Richtung des Pfeiles 307 betätigt werden, um eine Betätigung innerhalb der Schaltgassen 304 zu erreichen.
Wird das Element 301 in Richtung des Pfeiles 307 betätigt, so wird das Element 302 verkippt, da es im Bereich 307 geführt ist und um die Achse 308 schwenkbar ist. Durch das Verschwenken des Elementes 302 wird der Schaltfinger 303 verkippt und kann beispielsweise eine Schaltstange zum Einlegen eines Ganges betätigen.
Durch eine Betätigung des Elementes 305 in Richtung des Pfeiles 306 kann eine Verlagerung des Schaltfingers 303 erfolgen, wodurch beispielsweise eine Schaltstange gewählt werden kann.
Die Vorrichtung 200 weist somit zwei elektromotorisch angetriebene Aktoren auf, die jeweils mit einem ein Schneckengetriebe 210, 211 mit Schnecke 212, 213 und Schneckenrad 214, 215 sowie mit den Schubkurbeln 205 und 206 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 Sensoren 250, 251 angeordnet, welche entsprechend dem Sensor 150 der 2 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 und 251 können innerhalb des Aktors sowohl im Bereich des Getriebes 110, 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 Sensor 150, 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 beispielsweise 152, 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 beispielsweise 151 im Bereich der Auswirkung des Gebers 152 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 Sensors 400, wie eines inkrementell arbeitenden oder detektierenden Sensors. Der Sensor weist ein auf einer Drehachse 401 angeordnetes Sensorelement 402 auf, das mit der Drehachse 401 im wesentlichen drehfest verbunden ist. Bei einer Rotation der Drehachse 401 wird das Sensorelement 402 ebenfalls in eine Rotation versetzt. Dem Sensorelement 402 ist ein weiteres Sensorelement 403 im wesentlichen gegenüber oder angrenzend angeordnet, welches mit einer Signalverbindung 404 mit einer Steuereinheit signalverbunden sein kann. Das Sensorelement 403 detektiert die Rotation des Sensorelementes 402.
Das Sensorelement 402 ist im Falle des Ausführungsbeispieles der 4a als Geber und das Sensorelement 403 als Nehmer ausgebildet. Der Geber 402 ist mit einem bei einer Betätigung sich bewegenden, wie sich drehenden, Element des Aktor 30, 100, 200 drehfest verbunden. Vorzugsweise ist der Nehmer 402 mit einem Element des Aktors 30, 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 die 2 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 und 3 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 der 4a ist als magnetischer Sensor dargestellt, wobei der Geber 402 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 Nehmer 403 detektiert bei einer Umdrehung oder bei einer Teilumdrehung des Gebers die an dem Fenster des Sensors 405 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 S_i des Sensors 400 als Funktion der Zeit t. In der 4b ist eine Funktion S (410) für einen kurzen Zeitraum dargestellt, wobei das Signal S_i 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 Fenster 405 des Sensors 400 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 Antriebswelle 24 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 Losung 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 Achse 420 drehbaren Element 421, sowie aus einer Lichtquelle 423 und aus einem optisch empfindlichen oder strahlungsempfindlichen Empfänger 424. Die Lichtquelle 423 kann beispielsweise eine Leuchtdiode oder ein Laser, wie beispielsweise ein Halbleiterlaser, oder eine andere Lichtquelle oder Strahlungsquelle sein. Das emittierte Licht oder die emittierte Strahlung 423a trifft auf das Element 421. Durch das Element 421 wird diese Strahlung kodiert oder moduliert. Anschließend wird diese kodierte oder modulierte Strahlung von dem Empfänger oder Detektor 424 detektiert oder sensiert.
Das Element 421 ist in unterschiedliche Bereiche aufgeteilt, welche sich beispielsweise über den Umfang verteilt wiederholen oder abwechseln. Die unterschiedlichen Bereiche 422a und 422b modulieren oder kodieren die Strahlung oder das Licht, das den Detektor 424 erreicht. Diese Modulation wird beispielsweise dadurch erreicht, daß die Bereiche 422a die Strahlung passieren lassen und die Bereiche 422b die Strahlung abschirmen. Dadurch kann bei einer Bewegung des Elementes 421 eine Modulation der Intensität am Detektor 424 erreicht werden, welche als inkrementelles Signal ausgewertet werden kann.
Die Bereiche 422a sind Bereiche, welche die Strahlung passieren lassen, wobei die Bereiche 422b die Strahlung nicht zu dem Detektor 424 passieren lassen.
Die 6 zeigt einen Sensor 450 mit einem Zahnrad 452, welches mit einer Drehachse 451 drehbar ist, wobei sich die Drehachse um die Achse 451a dreht. Das Zahnrad weist wie üblich Zähne 453 und Zahnlücken 453a am Umfang auf, wobei die von der Strahlungsquelle 454 emittierte Strahlung durch die Zähne behindert wird und durch die Zahnlücken zu dem Empfänger 455 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 Endanschlaggeber 160, 162 oder Endschalter kann somit eine immer wieder neu kalibrierte Endposition festgelegt werden.
Die 2 zeigt solche Endschalter 160 und 162, welche in den Endpositionen der Schubkurbel 116 beaufschlagt und geschaltet werden. Diese Schalter stehen mit des Signalleitungen 161 und 163 mit einer Steuereinheit in Signalverbindung. Ist beispielsweise die Schubkurbel in ihrer einen Endposition, so kann diese Position beim Schalten des Schalters 161 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 Schalter 160 und 162 ist ein Betätigungselement 165 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 und 3 dargestellten Aktoren weisen jeweils eine Antriebseinrichtung oder Antriebseinheit 101, 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 der 2 und der 3 jeweils einzelne Sensoren zur Detektion der Betätigung des Wählens des Getriebes, des Schattens 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 Übertragungsstrecke, 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 bis 25 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 S_I als Funktion der Zeit dargestellt sind, wie beispielsweise Sensorsignale von oben genannten Hall-Sensoren. Die Kurven 501 und 502 sind solche Signale von Hall-Sensoren, wobei die beiden Sensoren, welche diese Ausgangssignale 501 und 502 liefern, versetzt angeordnet sind, um eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen 501 und 502 zu generieren. Die Steuereinheit oder eine andere Elektronikeinheit, welche beispielsweise in die Sensoren integriert werden kann, erzeugt aus dem Signal 501 ein Signal 503 und aus dem Signal 502 ein Signal 504. Die sinusförmigen Signale 501 und 502 werden in im wesentlichen Rechtecksignale umgewandelt, wobei der Anstieg des Signals 503, 504 von einem Minimalwert (gegebenenfalls null) auf einen Maximalwert (gegebenenfalls 1) über eine gewisse Zeitdauer Δt erfolgt. Das Signal 503 weist einen minimalen Wert 510 auf, wenn das Signal 501, das im wesentlichen sinusförmig ausgebildet ist, eine erste Halbwelle durchläuft. Während der Dauer der zweiten Halbwelle ist das Signal 503 im wesentlichen auf einem Maximalwert 511. Entsprechend ist der Kurvenverlauf der Kurve 504 an den Kurvenverlauf der Kurve 502 gekoppelt. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann das Signal der Kurve 503 auch derart an das Signal der Kurve 501 angepaßt sein, daß im Bereich der ersten positiven Halbwelle der Kurve 501 das Signal 503 maximal ist und im Zeitbereich der zweiten negativen Halbwelle des Signals 501 der Signalverlauf des Signals 503 minimal ist.
Die Kurve 505 ist eine XOR-Verknüpfung der Signale 503 und 504. Das Signal 505 ist minimal oder null, wenn die beiden Funktionen 503 und 504 ihren Minimalwert aufweisen oder beide Signale 503 und 504 ihren Maximalwert aufweisen. Das Signal 505 ist maximal, wenn eines der Signale 503 oder 504 minimal ist und das andere Signal maximal ist.
Durch diese Auswertung der Signale 501 und 502 beispielsweise zu dem Signal 505 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 Kurven 510, 511 und 512 zeigen die Signale der Sensoren als Funktion der Zeit. Die Kurve 513 zeigt das XOR-veknüpfte Signal der Kurven 510 und 511, wie S(510) XOR S(511). Die Kurve 514 zeigt das Singal 513 mit dem Signal 512 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 Infomationen 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, des 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 Drehmomentübertragungssystem kann als Drehmomentwandler mit Wandlerüberbrückungskupplung, 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 Einspuren 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 Steuereinheit 550 steuert die Endstufenschaltungen in 551, 552 und 553 an, wobei diese die Ansteuerung der Antriebseinheiten, wie Elektromotoren 554, 555 und 556 ansteuert. Die Steuereinheit 550 ist somit mit Endstufenschaltungen E1 bis E3 (551 bis 553) verbunden, wobei jeder Elektromotor M1 bis M3 (554 bis 556) 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 Spalte 560 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 Spalte 561 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 Spalte 563 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 Spalte 564 der 9 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 Endstufenschaltung 600 werden vier Transistoren 601, 602, 603 und 604 in H-Brückenschaltung für einen Motor, der in beiden Drehrichtungen arbeitet, verwendet. Die diagonal gegenüberliegenden Transistoren 601 und 604 oder 602 und 603 werden gleichzeitig geschaltet für einen Rechts- oder Linkslauf des Motors oder die unteren bzw. die oberen Transistoren 601 und 603 oder 602 und 604 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 Verbindung 606 ist in diesem Ausführungsbeispiel geerdet, wobei der Meßwiderstand 607 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 der 8 unter E1, E2 oder E3 verwendet werden.
Die 11 zeigt ein Blockschaltbild, in welchem eine Steuereinheit 650, eine Endstufenschaltung 651 ansteuert, wobei diese Endstufenschaltung zumindest einen, zwei oder auch drei Antriebseinheiten 652, 653 und 654 ansteuern kann. Die Antriebseinheiten M1 bis M3 können zum Schalten, Wählen und Kuppeln verwendet werden.
Die 12 zeigt eine Endstufenschaltung, wie sie beispielsweise in Block 651 der 11 verwendet werden kann. Die Motoren M1 bis M3 701, 702 und 703 können als Antriebseinheiten der Antriebseinheiten 652 bis 654 der 11 verwendet werden. Zur Ansteuerung der Motoren 701 bis 703 werden mehrere H-Brückenschaltungen gemäß der 10 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 Transistoren 704, 705, 706 und 707. Entsprechend für den Motor M2 (702) sind die Transistoren 704, 708, 706 und 709 angeordnet, wobei die Transistoren 704 und 710 sowie 706 und 711 zur Ansteuerung des Motors M3 (703) verwendet werden. Weiterhin sind Meßwederstände 712, 713, 714 und/oder 715 im Blockschaltbild dargestellt, welche zur Verwendung der Messung der Motorströme herangezogen werden können. Die Verbindung 716 dient der Spannungsversorgung ebenso wie die Verbindung 717 zur Erdung. Die Verbindungen 716 und 717 dienen somit der Spannungsversorgung, die auch beispielsweise über eine Batterie erfolgen kann.
Das Steuergerät 650 kann über Steuerströme die Transistoren 704 bis 711 ansteuern, so daß die Motoren 701 bis 703 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 Endstufenschaltung 750 nach der 10, wobei der Elektromotor 751 in beiden Drehrichtungen betrieben werden kann. Daher sind vier Transistoren 752, 753, 754 und 755 notwendig, welche in H-Schaltung zur Ansteuerung vorgesehen sind. Um den Elektromotor in Links- bzw. Rechtslauf zu betreiben, werden die diagonal gegenüberliegenden Transistoren 752 und 754 oder 753 und 755 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 Meßwiderstand 756, 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 Meßwiderstand 758 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 Antriebseinheit 751, wie Elektromotor, kann in beiden Drehrichtungen betrieben werden. Aus diesem Grund sind vier Transistoren 752 bis 755 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-Impluses, die Pulsweite, von der Steuereinheit vorgegeben werden kann. Die Endstufenlogik kann derart ausgestaltet sein, daß ein PWM-High-Signal bedeutet, da 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 Aktor 800 mit einem Antriebsmotor 801, einem Schneckengetriebe mit einer Schnecke 802, einem Schneckenzahnrad 803 sowie einer Schubkurbel 804 sowie einer Kompensationsfeder 805 und einem Druckmittelgeberzylinder 806 zur Ansteuerung eines Drehmomentübertragungssystemes 3 oder eines Schalt- oder Wählvorganges eines Getriebes 4.
Innerhalb oder außerhalb des Poltopfes 807 des Elektromotors 801 ist ein Sensor 808, 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 Bürsten 809 des Elektromotors 801 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 Wegsensor 810 über ein Element 811 mit einer Befestigung, wie Anlenkung, 812 mit der Schubkurbel 804 in Wirkverbindung steht. Der Sensor 810 detektiert somit die axiale Verlagerung der Schubkurbel 804, 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 Bürsten 809 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 T_MESS, wobei als Funktion der Zeit ein Temperaturgradient ΔT_MESS 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(P_Verlust) vorhanden. Die Temperatur, welche berechnet werden soll, ergibt sich aus der folgenden Gleichung: T = T_MESS + ΔT_MESS·R/C·F(P_Verlust).
Der Energieeintrag im Aktor und die resultierende Verlustleistung kann quantitativ ermittelt werden. P_Verlust = (1 – η)·P_Zu, wobei P_Zu = U_Mittel·I = (U_Mittel)²/R_Spule ist. Die zugeführte Leistung P_Zu und die Verlustleistung P_Verlust sind somit von der mittleren Ansteuerspannung U_Mittel abhängig, wobei der Spulenwiderstand R_Spule 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 U_Mittel 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 R_Spule 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 Betriebsparametern 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 einen 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_I der Spannungsquelle der Laststrom I_L direkt aus der Differenz der Versorgungsspannung U₀ ohne Belastung und der Versorgungsspannung U_L bei Last-Strom berechnet werden kann: I_L = (U_Null – U_L)/R_I.
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. Das 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 des 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 Detektion 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 Aktors 800 der 14. Die angetriebene Welle 840 wird durch eine Antriebseinheit angetrieben oder ist als Motorwelle ausgestaltet. Die Schnecke 802 ist mit der Welle 840 im wesentlichen drehfest aber axial verlagerbar verbunden. Die Schnecke 802 ist gegenüber den Kraftspeichern 841 und 842 in axialer Richtung verlagerbar, wobei die Kraftspeicher 841 und 842 unter Vorspannung stehen, so daß eine vorgebbare Axialkraft erreicht oder überschrittenm sein muß, damit die Schnecke in axialer Richtung verlagert wird. Die Schnecke 802 kämmt das Schneckenzahnrad 803, 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 Schnecke 802 in axialer Richtung wirkende Gegenkraft größer als die Vorspannung der Kraftspeicher 841 und 842, so wird die Schnecke in axialer Richtung verlagert. Die Schnecke 802 weist einen Aufnahmebereich 843 auf, welcher als Nut oder als Vertiefung ausgebildet ist, in welche ein Element 845 eines Sensors oder Schalters 844 eingreift. Wird die Schnecke in axialer Richtung verlagert wird das Element 843 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 Element 850, welches beispielsweise in der Verbindung zwischen dem Aktor und dem Betätigungselement angeordnet ist, wobei es beispielsweise derart angeordnet sein kann, daß es zwischen dem Element 205 und dem Element 301 der 3 oder zwischen dem Element 206 und dem Element 305 der 3 Verwendung findet. Weiterhin kann eine solche Elastizität beispielsweise im Kraftfluß der Anordnung der 2 angeordnet sein.
Das Element 851 kann beispielsweise antriebsseitig wirkverbunden sein, wobei das Element 854 beispielsweise antriebsseitig verbunden ist, so daß eine Kraftbeaufschlagung der Wirkverbindung von dem Aktor zu dem Betätigungselement über die Elemente 851 und 854 erfolgt. Das Element 851 weist zwei Schenkel im axialen Endbereich auf, wobei die beiden Schenkel 852a und 852b voneinander beabstandet sind und eine Lücke oder ein Freiraum 853 zwischen diesen beiden Schenkeln vorhanden ist. In diesen Freiraum 853 greift ein Element 854 ein, welches im Bereich seiner axialen Erstreckung ein Fenster 855 aufweist. Weiterhin weisen die Schenkel 852a und 852b Aufnahmebereiche 860 auf. Im unbelasteten Zustand ist ein Kraftspeicher 856 in den Aufnahmebereichen 860 der Elemente 852a und 852b sowie im Fenster 855 des Elementes 854 aufgenommen. Unter einer axialen Belastung auf Zug oder Schub wird der Kraftspeicher in axialer Richtung deformiert, so daß eine relative Verschiebung der Elemente 854 und 851 erfolgen kann. Im Falle, daß der Kraftspeicher vorgespannt in die Aufnahmebereiche 855 und 860 aufgenommen ist, erfolgt eine Verformung des Kraftspeichers 856 erst bei einer Überschreitung der Beaufschlagungskraft des Kraftspeichers gegenüber der Vorspannkraft des Kraftspeichers.
Das Element 854 weist in seinem einen Endbereich einen Aufnahmebereich 859 auf, welcher einen Tastkopf oder Schalterkopf 858 aufnimmt. Dieser Tastkopf oder Schalterkopf ist einem Schalter 857 oder Taster zugeordnet, welcher im Bereich des Elementes 851 angeordnet oder befestigt oder eingelassen ist. Bei einer axialen Verschiebung des Elementes 854 gegenüber dem Element 851 wird der Tasterkopf oder Schalterkopf beaufschlagt, wie beispielsweise betätigt, so daß ein elektronischer Stromkreis geschaltet werden kann, welcher signalisiert, daß eine axiale Verschiebung dieser Element 851 und 854 relativ zueinander erfolgt ist. Bei der Anordnung des Kraftspeichers in vorgespannter Art und Weise ist eine Kraftschwelle in definierter Art und Weise gesetzt, so da 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 Element 850 im Schnitt entlang der Linie II-III, wobei die Schenkel 852b und 852a des Elementes 851 zu erkennen ist, sowie die Randbereiche des Elementes 854 sowie den Aufnahmebereich 855. In den Aufnahmebereichen 855 und 860 ist der Kraftspeicher 856 aufgenommen. Der Kraftspeicher liegt mit seinen axialen Endbereichen an axialen Endbereichen der Aufnahmebereiche 855 und 860 an, wobei die Aufnahmebereiche 855 und 860 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 Walze 900 dargestellt, welche in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung eine Nut am Umfang aufweist. Diese Nut 901 ist durch die unterbrochene Linie 902 dargestellt. Wenn die Walze 900 durch eine Antriebseinheit, wie beispielsweise einen Elektromotor, in eine Drehung versetzt wird und ein Zapfen 903 in die Nut in radialer Richtung eingreift, so wird der geführte Zapfen 903 durch die Mitnahme in der Nut 901 betätigt oder verlagert.
Der Zapfen 903 ist in dem Element 904 beispielsweise mittels der Lager 905 drehbar gelagert.
Das Element 904 ist um die Drehachse 906 sowie um die Stange 907 drehbar geführt. Das Element 908 ist mit der Welle oder Stange 907 drehfest verbunden, wobei zwischen dem Element 904 und 908 ein Kraftspeicher 909 angeordnet ist, welcher in Ausnehmungen der Elemente 904 und 908 aufgenommen ist, wobei bei einer Verlagerung, wie Verdrehung, des Elementes 904 um die Achse 906 eine Beaufschlagung des Kraftspeichers 909 erfolgt und somit eine Kraftübertragung oder Drehmomentübertragung auf des Element 908 durchgeführt wird.
Der Kraftspeicher 909 kann in den Aufnahmebereiche der Elemente 904 und 908 mit oder ohne Vorspannung aufgenommen sein.
Bei einer Verlagerung des Elementes 904 erfolgt bei einer Aufnahme des Kraftspeichers mit Vorspannung eine Verlagerung des Elementes 908 direkt falls die Kraftbeaufschlagung des Elementes 903 durch das Element 904 nicht größer ist als die Vorspannung des Kraftspeichers multipliziert mit dem Hebelverhältnis des Angriffes, wobei dieses Hebelverhältnis gleich dem Abstand des Mittelpunktes des Kraftspeichers 910 zu der Achse 906 im Vergleich zu dem Abstand des Mittelpunktes 911 des Zapfens zu dem Abstand 906 ist.
Weiterhin ist ein elektrischer Kontakt 912 in dem Element 908 eingebracht, welcher erst bei einer Verformung des Kraftspeichers 909 mit einem Kontaktbereich des Elementes 904 in Kontrakt tritt und dadurch einen Stromfluß von dem Element 908 zu dem Element 904 ermöglicht, wobei somit ein Schalter realisiert ist, welcher durch die Stromzuführung 913 als Sensor mit der Steuereinheit in Signalverbindung stehen kann.
Die 18 zeigt die Anordnung der 17 in einem Schnitt, wobei die Walze 900 mit der Nut 901 dargestellt ist. Der Zapfen 903 greift in die Nut 901 ein, wobei bei einer Verdrehung der Walze 900 der Zapfen 903 betätigt wird. Zur Reduzierung einer Reibung des Zapfens 903 ist der Zapfen 903 durch das Lager 905 im Element 904 gelagert. Weiterhin ist der Kraftspeicher 909 zu erkennen, welcher beispielsweise als Tellerfederpaket oder als Druckfeder ausgestaltet sein kann.
Das Element 908 kann beispielsweise über eine Verzahnung mit dem Element 907 in Wirkverbindung stehen.
Die 19 zeigt eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit einer Walze, wie sie in 17 dargestellt ist. Die Walze 1000 besteht im wesentlichen aus zwei Elementen 1001 und 1002. Das Element 1001 ist im wesentlichen radial innerhalb des Elementes 1002, wobei die beiden Elemente durch den Kraftspeicher 1003 in axialer Richtung miteinander verspannt sind. Der Einfachheit halber ist in der 19 nur eine Hälfte der rotationssymmetrischen Elemente der Walze 1000 dargestellt, wobei diese Elemente bezüglich der Achse 1004 rotationssymmetrisch angeordnet sind.
Der Kraftspeicher 1003 ist unter einer Vorspannung zwischen den Anschlägen 1005 und 1006 der Elemente 1001 und 1002 angeordnet, wobei dadurch eine axiale Verspannung entsteht. Wird aufgrund einer Betätigung eines Zapfens, wie beispielsweise des Zapfens 903 der 17, eine Kraftbeaufschlagung des Elementes 1001 im Vergleich zu dem Element 1002 verursacht, so kann bei einer Überschreitung dieser Kraftbeaufschlagung im Vergleich zu der Vorspannkraft des Kraftspeichers 1003 eine Verlagerung des Elementes 1002 in axialer Richtung im Vergleich zu dem Element 1001 erfolgen. Der Sensor 1007 kann dies durch einen Eingriff des Sensorelementes 1008 in einen Aufnahmebereich 1009 derart detektieren, daß bei einer Verlagerung des Elementes 1002 in axialer Richtung das Element 1008 aus dem Aufnahmebereich 1009 entweicht und somit ein Kontakt, wie elektrischer Kontakt, geöffnet oder geschlossen werden kann.
Die 20 zeigt schematisch eine Sensoranordnung 1100 mit einem Geber 1101 und einem Nehmer 1102. Der Geber ist als Zahnrad ausgebildet, bei welchem die Zähne 1103 eine abgestufte Zahnhöhe aufweisen. Der Zahn 1103 weist in einem ersten Bereich 1104 eine volle radiale Höhe auf, wobei der Zahn 1105 ein reduzierte radiale Höhe aufweist. Streicht dieser Zahn 1103 an dem Nehmer 1102 infolge einer Rotationsbewegung vorbei, so detektiert der Nehmer 1102 ein Signal in Abhängigkeit der Zahnhöhe. Ein solches Signal ist in der 21 als Funktion der Zeit t dargestellt, wobei in der oberen Bildhälfte das Signal S_u als Funktion der Zeit dargestellt ist, was bedeutet, daß sich das Element 1101 im Uhrzeigersinn dreht. In der unteren Bildhälfte ist das Signal S_g als Funktion der Zeit dargestellt, was bedeutet, daß sich das Element 1101 gegen den Uhrzeigersinn dreht. Man erkennt die Unterschiede der Signalverläufe S_u als Funktion der Zeit und S_g als Funktion der Zeit. Das Signal S_u als Funktion der Zeit steigt von einem minimalen Wert 1106 auf einen mittleren Wert 1107, bevor es den maximalen Wert 1108 erreicht. Anschließend fällt das Signal vom Wert 1108 auf den Wert 1106 zurück, bevor das Signal wieder ansteigt. Das Signal entsprechend einer Drehung im Gegenuhrzeigersinn verhält sich demgegenüber anders, insofern das Signal von einem minimalen Wert 1110 zuerst auf den maximalen Wert 1111 ansteigt, bevor es den mittleren Wert 1112 annimmt. Durch die Ermittlung der Reihenfolge der Signalsprünge, insbesondere der Reihenfolge der Größen der Signalsprünge, kann die Drehrichtung des Elementes 1101, wie des Gebers, ermittelt werden.
Die 22 zeigt weiterhin einen Geber 1201 und einen Nehmer 1202 eines Sensors 1200, wobei die 23 das Signal S als Funktion der Zeit darstellt, welches von dem Nehmer 1202 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 der 23 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 Geber 1251 und einen Nehmer 1252 eines Sensors 1250, wobei die Verzahnung des Gebers sägezahnartig ausgebildet ist. Entsprechend der Ausbildung der Verzahnung sind die Signale S_u und S_g als Funktion der Zeit in der 25 dargestellt, wobei das Signal S_u im zeitlichen Ablauf spiegelverkehrt zu dem Signal S_g ist, welches für eine Rotation des Elementes 1251 im Gegenuhrzeigersinn gilt. Durch die Signalformen S_u und S_g läßt sich sowohl die Drehzahl des Elementes 1251 als auch die Drehrichtung bestimmen.
Die 26a zeigt einen Sensor 1300, welcher einen Geber 1301 und zwei Nehmer 1302 und 1303 aufweist.
Die 26b zeigt diese Darstellung im Schnitt, wobei der Geber 1301 dargestellt ist und die beiden Nehmer 1302 und 1303, die im wesentlichen radial übereinander angeordnet sind. Die Ausbildung der Zähne des Gebers 1301 ist in Umfangsrichtung betrachtet moduliert, das heißt der Zahn 1304 weist einen Bereich 1305 mit größerer radialer Ausdehnung auf sowie einen Bereich 1306 mit kleinerer radialer Ausdehnung.
Die 26c zeigt Signale als Funktion der Zeit, wobei das Signal 1310 das Signal des Sensors 1302 ist und des Signal 1311 das Signal des Sensors 1303. Aufgrund der Modulation des Signales 1310 im Vergleich zu dem Signal 1311 kann das Signal derart interpretiert werden, daß eine Drehung des Elementes 1301 in Gegenuhrzeigerrichtung erfolgt.
Die 26d zeigt ebenfalls Signale 1312 und 1313, wobei das Signal 1312 von dem Sensor 1302 entstammt und das Signal 1313 von dem Sensor 1303. Im Falle einer solchen zeitlichen Abhängigkeit der Signale 1312 und 1313 kann auf eine Drehung des Elementes 1301 im Uhrzeigersinn geschlossen werden.
Eine Sensoreinrichtung 1300 erlaubt somit eine Bestimmung der Drehzahl des Elementes 1301 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 Kurve 1400 entspricht der Drehzahl n als Funktion von M und die Kurve 1401 dem Strom I als Funktion von M. Übersteigt n einen Grenzwert n_G, so ist der Strom kleiner als ein oberer Grenzwert und das Moment ist ebenfalls im erlaubten Bereich. Unterschreitet n die Grenzdrehzahl n_G steigt der stom 1402 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 Kurve 1404 im wesentlichere auf einen konstanten Wert gesteuert werden.
Die 28 zeigt ein Diagramm, in welchem die Signale 1450 und 1451 von zwei Sensoren nach den 7 und 7a als Funktion der Zeit dargestellt sind. Die Signale weisen eine Phasenverschiebung auf. Durch die Phasenverschiebung kann die Drehzahl bestimmt werden. Währed das Signal 1451 eine aufsteigende Flanke 1452 aufweist ist das Signal 1450 auf seinen niedrigen Wert 1453. 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 Flanke 1454 das Signal 1450 seinen höheren Wert 1455 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 daß 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 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 reicht 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 aus 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.
Eine Möglichkeit zur Bestimmung der Betätigungskraft besteht in der Messung des Motorstromes des E-Motors. Die Kraft, die der elektromotorische Aktor ausübt, wird mittel der (temperaturabhängigen) Strom-Drehmoment-Kennlinie ermittelt: M = cΦI (1) wobei
Zur Steuerung des Momentes wird des Drehzahl-Drehmoment-Spannungs-Kennfeld (6) verwendet. Durch Vorgabe der PWM-Spannung (3) wird der Strom (5) und des Moment vorab eingestellt. Für die Spannung am Anker gilt: U_PWM = U_BAT%PWM – (R_E + 2R_B)I (3) wobei
R_E: Widerstand der Endstufe (Transistoren und ggf. Meßwiderstand)
R_B: (temperaturabhängiger) Widerstand der Kohlebürsten
Die elektrische Gleichung des E-Motors lautet (stationär): U_PWM = cΦω + R_AI (4) wobei
R_A: (temperaturabhängiger) Widerstand des Ankers.
Aus (3) und (4) ergibt sich der Strom zu:
Aus (1), (3) und (4) ergibt sich das Drehzahl-Drehmoment-Spannungs-Kennfeld:
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 gegenüberlegenden 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 früher 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 Meßwiderstand 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 keinem 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 Flußschwächung 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 = R_messI (8)
Für zufällige Fehler gilt:
Des Drehmoment wird über die Drehmoment-Strom-Kennlinie bestimmt: M = kΦI (10)
Für die zufälligen Fehler gilt:
Tab. 1: Ursachen der zufälligen Fehler

Ursache

ΔR_mess Streuung

ΔI Rauschen

ΔI f(%PWM)

ΔkΦ Streuung

ΔkΦ Temperatur (ohne Kompensation)

ΔkΦ Temperatur (mit Kompensation

Tab. 2: Meßfehler

ΔU₂

ΔM ohne Kompensation der Temperatur

ΔM mit Kompensation der Temperatur
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
Es wird davon ausgegangen, daß die PWM-Spannung nicht mit Fehlern behaftet ist. Für das Drehmoment gilt:
Wenn der Temperatureinfluß als zufälliger Fehler gewertet wird, gilt für die Abweichung des Momentes:
Die größte Abweichung wird sich bei dem Anlaufmoment (ω = 0) ergeben, (siehe auch Bild 2c):
Tab. 3: Steuerungsfehler

ΔM_A (Meßwert von AEG)

ΔM(ω = 0) ohne Kompensation der Temperatur

ΔM(ω = 0) mit Kompensation der Temperatur
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 EKMist, 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 Laststrom des E-Motors gilt:
Für den geschätzten Strom i ^(t) gilt:
Für den Stromfehler gilt: e(t) = i ^(t) – i(t) (17)
Nach [1] folgt daraus die Adaptionsgleichung: R ^ = K₁∫e(τ)i ^(τ)dτ + R ^₀ + K₂e(τ)i ^(τ) (18)
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 das 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
Mit Hilfe des stark temperaturabhängigen Drehzahl-Drehmoment-Spannungs-Kennfeldes nach Gl (6) wird aus der Drehzahl und der PWM-Spannung das Drehmoment berechnet:
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.
Für den Gleichstrommotor gilt nach [2]:
Nach [2] werden die Schätzwerte für Drehzahl und Strom mit den Gleichungen berechnet:
Mit den freien Konstanten d₁ und d₂ wird die Dynamik des Models (Abklingen der Fehler) an das reale System angepaßt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf die ältere Anmeldung DE 196 22 643.0 , deren Inhalt ausdrücklich zum Offenbarungsinhalt der vorliegenden Anmeldung gehört.
Die mit der Anmeldung eingereichten Patentansprüche sind Formulierungsvorschläge ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Patentschutzes. Die Anmelderin behält sich vor, nach 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 Unteranspruches 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 Beschreibung beschränkt. Vielmehr sind im Rahmen der Erfindung zahlreiche Abänderungen 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 Verfahrensschritten erfinderisch sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen, auch soweit sie Herstell-, Prüf- und Arbeitsverfahren betreffen.

Claims

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 zumindest eine Antriebseinheit aufweist und zumindest eine Kenngröße des Aktors detektierbar ist und die Steuereinheit mittels dieser Kenngröße eine eine Betätigung repräsentierende Größe ermittelt, wobei die Kenngröße in Abhängigkeit von der Temperatur des Aktors ermittelt wird, wobei die Temperatur des Aktors von einem Temperatursensor erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die Temperatur des Aktors an einer Position mittels eines thermischen Modelles berechnet, in das eine weitere, an einer anderen Position gemessene Temperatur eingeht, und wobei die zu berechnende Temperatur T_err des Aktors aus der gemessenen Temperatur T_MESS durch: T_err = T_MESS + ΔT_MESS·R/C·F(P_Verlust) ermittelt wird, wobei ΔT_MESS der Gradient der gemessenen Temperatur, R/C der Quotient aus dem thermischen Übergangswiderstand und der thermischen Kapazität zwischen der Position der gemessenen Temperatur und der Position der berechneten Temperatur ist, und wobei die Funktion F(P_Verlust) in Abhängigkeit von der thermischen Verlustleistung ermittelt wird.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße des Aktors eine elektrische Kenngröße ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße des Aktors eine mechanische Kenngröße ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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 4, 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 5, 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 6, 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 7, 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 8, 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 9, 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 10, 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 Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die als Strom oder 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 12, 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 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Antriebseinheiten des zumindest einen Aktors ein Elektromotor ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Kenngröße des Elektromotors, detektiert wird und mittels Kennlinien oder Kennfeldern das Antriebsmoment des Elektromotors bestimmt wird.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 15, 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 16, 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 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sensoren eine Deformation der Elastizität detektieren, wobei aus den Sensorsignalen eine Betätigungskraft ermittelbar ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 17 oder 18, 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 bestimmt beispielsweise aus einer Differenz und/oder aus einem Quotient der Sensorsignale eine Betätigungskraft.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 19, 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 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastizität zumindest einen Kraftspeicher umfasst.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kraftspeicher unter der Belastung bei einer Betätigung von Drehmomentübertragungssystem oder Getriebe deformierbar ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kraftspeicher mit Spiel angeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kraftspeicher ohne Spiel angeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kraftspeicher mit Vorspannung angeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastizität eine ein- oder mehrstufige Kraft-Weg-Charakteristik aufweist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 25 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines vorgespannten Kraftspeichers ein Schalter oder ein Taster eine Überschreitung einer vorgebbaren Kraftschwelle detektiert.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, 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 sowie 28, 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.