DE19909203A1 - Verfahren zur Temperaturbestimmung eines Bauteils - Google Patents

Abstract

Das Verfahren zur Temperaturbestimmung eines Bauteils, beispielsweise einer Anfahr- oder Schaltkupplung im Getriebe eines Kraftfahrzeuges, besteht darin, daß die Temperatur des Bauteils mittels eines umfassenden, detaillierten Wärmeberechnungsmodells kontinuierlich berechnet wird und daß das Berechnungsmodell wärmetechnisch relevante Daten des Bauteils, dessen Umgebung sowie weitere Randbedingungen berücksichtigt. Nach einer Kalibrierung wird das Wärmeberechnungsmodell auf wenige bauteilrelevante Knotenpunkte reduziert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturbestimmung eines Bauteils, beispielsweise einer Anfahr- oder Schaltkupplung im Getriebe eines Kraftfahr­ zeugs.

Es wurde bereits vorgeschlagen, beispielsweise die thermische Belastung einer Kupplung anhand der spezifischen Reibleistung zu bestimmen, welche der Kupplung zugeführt wird. Eine Überschreitung dieser spezifischen Reibleistung führt zu einer Überlastung der Kupplung, wobei jedoch bis­ her die Ausgangssituation der Kupplung nicht berücksichtigt werden konnte, d. h., deren Ausgangstemperatur war unbe­ kannt. Dies ist insofern von Bedeutung, da eine überhitzte Kupplung nicht mehr so intensiv belastet werden kann wie eine Kupplung, welche sich im Betrieb innerhalb der zuläs­ sigen Temperaturen erwärmt hat.

Da aber das übertragbare Kupplungsmoment bei einem gleichen Kupplungswert temperaturabhängig ist, bedeutet die Temperaturerhöhung der Kupplung über einen vorgegebenen Schwellwert hinaus eine Komfort-Einschränkung des Schalt­ vorgangs und evtl. eine Beschädigung der Kupplung.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich jedoch nicht nur für die Temperaturbestimmung einer Kupplung, son­ dern ebenso auch für andere Konstruktionselemente, wie z. B. Wandler, Retarder, Verzahnungen, Lager, Umschlin­ gungsgetriebe oder ähnliche. Versuche, beispielsweise die Kupplungstemperatur kontinuierlich zu messen und in die Fahrzeugelektronik zu integrieren, sind bisher an dem gro­ ßen meßtechnischen Aufwand gescheitert, welcher notwendig ist, um die benötigten Abkühlkoeffizienten für ein Wärmebe­ rechnungsmodell zu ermitteln.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Tempe­ raturbestimmung eines Bauteils, beispielsweise einer An­ fahr- oder Schaltkupplung im Getriebe eines Kraftfahrzeugs, vorzuschlagen, mit dem die benötigten Abkühlkoeffizienten und damit die Bauteiltemperatur kontinuierlich ermittelt werden können und dem Fahrer gegebenenfalls ein Warnsignal bei drohender Überlastung des Bauteils, beispielsweise ei­ ner Kupplung, angezeigt wird.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs näher ge­ nannten Art erfolgt die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß die Temperatur des Bauteils mittels eines umfassenden, de­ taillierten Wärmeberechnungsmodells kontinuierlich berech­ net wird und das Wärmeberechnungsmodell wärmetechnisch re­ levante Daten des Bauteils, dessen Umgebung sowie weiterer Randbedingungen berücksichtigt.

Mittels eines derartigen detaillierten Wärmeberech­ nungsmodell, welches insbesondere eine diskrete Differen­ zen-Methode oder eine Finite-Elemente-Methode enthält, wer­ den die Bauteiltemperaturen instationär berechnet. Dieses detaillierte Wärmemodell kann mit Versuchsergebnissen abge­ glichen bzw. kalibriert werden und nach einer Vereinfachung des Modells auf wenige Temperatur-Knotenpunkte werden die Abkühlkoeffizienten gerechnet. Die Abkühlkoeffizienten wer­ den auf die Temperatur-Knotenpunkte mit allen zu betrachte­ ten Systemgrößen, wie z. B. Drehzahl, Kupplungstemperatur, -weg, Getriebetemperatur usw., gerechnet. Eine derartige Modellvereinfachung wird als Reduktion bezeichnet. Hierbei wird im wesentlichen wie bei der Reduktion von elektrischen Netzwerken vorgegangen. Elektrische Netzwerke sind entweder nach linearen oder komplexen Regeln rechenbar. Die Wärme­ leitungen genügen jedoch Funktionen. Da für die Reduktion von Netzwerken mit Funktion noch keine Theorie bekannt ist, werden für die Ersatzwiderstände Datenfelder berechnet. Wenn vorteilhaft, werden aus den Datenfeldern empirische Funktionen erstellt.

Dieses Wärmeberechnungsmodell kann in der Fahrzeug­ elektronik abgebildet werden. Die Abkühlkoeffizienten kön­ nen entweder als Datenfelder, in denen interpoliert wird, oder als geschlossene Funktionen, die in einem separaten Arbeitsschritt hergeleitet werden, bereitgestellt werden.

Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Wärmeberech­ nungsmodells wird vorteilhafterweise eine Verringerung von Versuchen nach Konstruktionsänderungen ermöglicht. Ein der­ artiges Verfahren ist mit Vorteil weiter anwendbar zur rechnerischen Bestimmung der Alterungszustandes von tempe­ raturkritischen Bauteilen. Das Verfahren kann außerdem zum Erkennen von Konstruktions- und Auslegungsmängeln in der Berechnungsphase eingesetzt werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung werden mit dem Wärmeberechnungsmodell, das beispielsweise die Kupplung mit den umgebenden Konstruktionsbauteilen abbildet, in Einzel­ rechnungen die Punkte der Wärmeübergangskoeffizienten be­ rechnet. Dabei können Besonderheiten der Geometrie, Fahr­ zeugelektronik, der Materialkonstanten usw. berücksichtigt werden.

Aus diesen Einzelpunkten werden in einem weiteren Ver­ fahrensschritt geeignete Funktionen für das Fahrzeugelek­ tronik-Wärmemodell errechnet.

In einer besonders vorteilhaften Ausbildung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens wird ferner erreicht, daß die opti­ male Belastung einer Kupplung bei einem minimalen Kupp­ lungsverschleiß sichergestellt werden kann. Da die Kupp­ lungstemperatur ständig mitgeführt wird, kann durch analy­ tische Berechnung eines Korrekturfaktors das übertragene Kupplungsmoment feingesteuert werden, so daß eine erhebli­ che Verbesserung des Schaltkomforts, beispielsweise bei Betätigung der Kupplung, insbesondere einer Einscheiben- Trockenkupplung für automatisierte mechanische Stufenge­ triebe von Nutzfahrzeugen, erzielt wird.

Durch ein Wärmemodell kann also die Kupplungstempera­ tur genau mitgerechnet werden; der Fahrzeugführer erhält bei Überschreiten von vorgegebenen Schwellwerten eine zu­ verlässige Überlastwarnung, die je nach dem Ausgangszu­ stand, d. h. kalt oder warm, unterschiedlich schnell zur Verfügung gestellt wird. Eine Kupplungskomfort-Verbesserung erfolgt dabei durch die Berücksichtigung der aktuellen Reibkoeffizienten.

Die für die Automatisierung von mechanischen Stufenge­ trieben üblicherweise eingesetzte Einscheiben-Trockenkupp­ lung ist entsprechend den Fahrsituationen entweder offen, geschlossen oder geregelt, entsprechend den Gangschalt-, Anfahr- und Rangiervorgängen, die durch eine mikroprozes­ sorgesteuerte Kupplungsbetätigung realisiert werden. Ein Wärmeberechnungsmodell kann nun darin bestehen, daß für eine typische Einscheiben-Trockenkupplung auf einem Prüf­ stand mit Hilfe eines Motors mit konstanter Antriebsdreh­ zahl und vorgeschaltetem Mehrgang-Handschaltgetriebe be­ stimmte Drehzahlen eingestellt werden. Bei z. B. stillste­ hender Kupplungsscheibe können Druckplatte und Schwungrad mit einer vorgegebenen Kupplungseingangsdrehzahl in Rota­ tionen versetzt werden; die Betätigung der Kupplung kann pneumatisch über einen Stellkolben erfolgen, der entspre­ chend der Kupplungsstellung gesteuert wird. Dabei werden als Meßsignale die Kupplungseingangsdrehzahl, die Kupp­ lungsausgangsdrehzahl und der Kupplungsweg verwendet, sowie der Zustand der Kupplungsreibflächen nach Ausbau von Druck­ platte und Schwungrad hinsichtlich thermischer Gesichts­ punkte untersucht. Zum Vergleich mit gemessenen Temperatur­ verläufen können mit einem Berechnungsprogramm Temperatur­ verläufe bei konstant anliegender spezifischer Verlustlei­ stung berechnet werden, wobei in die Berechnung die Wär­ meabgabe während der Schlupfzeit an die Umgebung mit Annah­ me eines bestimmten Wärmeübergangskoeffizienten berücksich­ tigt wird. Die Berechnung geht z. B. von einer eindimensio­ nalen Wärmeleitung senkrecht zur Reibfläche aus. Die Bean­ spruchung des Reibbelages der Kupplung wird bei einer vor­ gegebenen Anzahl von Schlupfversuchen berechnet und das Kupplungsmoment bei eingestellter Differenzdrehzahl und der Gesamtschlupfzeit gemessen.

Bei variablen Reibflächentemperaturen werden Moment- und Steuerdruckkennlinien als Funktion des Kupplungsweges erstellt und gespeichert.

Es ist auch möglich, das Wärmeberechnungsmodell da­ durch zu erstellen, daß die Kupplungsscheibe antreibend ist und die Druckplatte und das Schwungrad festgelegt sind.

Es werden Abkühlkurven für eine nicht belastete Kupp­ lung bei unterschiedlichen Abkühlbedingungen erstellt und Temperaturverläufe nach Beendigung von Schlupfversuchen aufgenommen.

Die Kupplungsausgangsdrehzahl kann am Schaltgetriebe von der Antriebswelle abgenommen werden und der Kupplungs­ ausrückweg kann von einem Meßglied ermittelt werden. Die Berechnung der Reibarbeit kann durch Berechnung der ent­ sprechenden Energie durch den Kupplungsweg oder die Gaspe­ dalstellung und der Motordrehzahl realisiert werden; durch Eingabe einer ermittelten Momentkennlinie in die Steuer­ software kann eine Beziehung zwischen Kupplungsmoment und Kupplungsweg hergestellt werden. Unter Berücksichtigung des Kupplungsmomentes und insbesondere der Reibflächentempera­ tur an der Druckplatte kann das geeignete Wärmeberechnungs­ modell erstellt werden, durch Ermittlung von Momentkennli­ nien bei verschiedenen Reibflächentemperaturen, durch Er­ mittlung von Grenztemperaturen bezüglich des Reibbelages, durch Ermittlung von Schlupfzeiten bei verschiedenen Kupp­ lungsmomenten und Differenzdrehzahlen (Verlustleistungen) bis zum Erreichen der Grenztemperatur und durch Ermittlung von Abkühlkurven bei aufgeheizter Kupplung und verschiede­ nen Abkühlbedingungen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Temperaturbestimmung eines Bauteils, beispielsweise einer Anfahr- oder Schaltkupplung im Getrie­ be eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeich­ net, daß die Temperatur des Bauteils mittels eines Wärmeberechnungsmodells kontinuierlich berechnet wird und das Wärmeberechnungsmodell wärmetechnisch relevante Daten des Bauteils, dessen Umgebung und weitere Randbedingungen berücksichtigt.

2. Verfahren zur Temperaturbestimmung eines Bauteils nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmetechnisch relevanten Daten physikalische und/oder chemische Daten sind und beispielsweise die geome­ trischen Daten, die spezifische Wärmeleitung, die spezifi­ sche Wärmekapazität, die Oberflächeneigenschaften, wie die Wärmestrahlungs-Emissionskonstante, die Geschwindigkeiten des Bauteils und/oder der Umgebung, die Stoffeigenschaften von das Bauteil umgebenden Gasen und/oder ähnliche Daten berücksichtigen.

3. Verfahren zur Temperaturbestimmung eines Bauteils nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die weiteren Randbedingungen beispielswiese die Drehzahl, der Alterungszustand und/oder der Ver­ schleißzustand oder eine ähnliche Bedingung des Bauteils sind.

4. Verfahren zur Temperaturbestimmung eines Bauteils nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Wärmeberechnungsmodell eine diskrete Differenzen-Methode oder eine Finite-Elemente- Methode enthält.

5. Verfahren zur Temperaturbestimmung eines Bauteils nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Wärmeberechnungsmodell mittels Versuchsergebnissen kalibriert wird.

6. Verfahren zur Temperaturbestimmung eines Bauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Wärmeberechnungsmodell auf wenige Temperaturknoten reduziert wird und daß die Ab­ kühlkoeffizienten gerechnet werden.

7. Verfahren zur Temperaturbestimmung eines Bauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Wärmeberechnungsmodell die Abbildung einer Kupplung zusammen mit den zugehörigen Konstruktionsbauteilen verwendet wird, wobei in Einzelrech­ nungen Wärmeübergangskoeffizienten berechnet werden.

8. Verfahren zur Temperaturbestimmung eines Bauteils nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß aus den einzeln berechneten Wärmeübergangskoeffizien­ ten Datenfelder und entsprechende Funktionen für ein Fahr­ zeugelektronik-Wärmemodell errechnet werden.

9. Verfahren zur Temperaturbestimmung eines Bauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kupplungstemperatur kontinuierlich mitgeführt wird und daß durch analytische Berechnung eines Korrekturfaktors das übertragene Kupp­ lungsmoment kontinuierlich gesteuert wird.

10. Verfahren zur Temperaturbestimmung eines Bauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei Überschreiten vorgebba­ rer Grenzwerte und Erreichen einer Kupplungsüberlastung Warnsignale für den Fahrer erzeugt werden.