EP1155245A1 - Verfahren zur temperaturbestimmung eines bauteils - Google Patents

Verfahren zur temperaturbestimmung eines bauteils

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EP1155245A1
EP1155245A1 EP00906377A EP00906377A EP1155245A1 EP 1155245 A1 EP1155245 A1 EP 1155245A1 EP 00906377 A EP00906377 A EP 00906377A EP 00906377 A EP00906377 A EP 00906377A EP 1155245 A1 EP1155245 A1 EP 1155245A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
component
determining
heat
clutch
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00906377A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Altvater
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
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Filing date
Publication date
Application filed by ZF Friedrichshafen AG filed Critical ZF Friedrichshafen AG
Publication of EP1155245A1 publication Critical patent/EP1155245A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D23/00—Control of temperature
    • G05D23/19—Control of temperature characterised by the use of electric means
    • G05D23/1917—Control of temperature characterised by the use of electric means using digital means

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining the temperature of a component, for example a starting or shift clutch in the transmission of a motor vehicle.
  • the temperature increase of the clutch beyond a predetermined threshold value means a comfort restriction of the shifting process and possibly damage to the clutch.
  • the method according to the invention is not only suitable for determining the temperature of a coupling, but also for other construction elements, such as, for. B. converters, retarders, gears, bearings, wrap gears or the like. Attempts to measure the clutch temperature continuously and to integrate it into the vehicle electronics, for example, have so far been based on the large ß failed metrological effort, which is necessary to determine the required cooling coefficient for a heat calculation model.
  • the object of the invention is to propose a method for determining the temperature of a component, for example a starting or shift clutch in the transmission of a motor vehicle, with which the required cooling coefficients and thus the component temperature can be determined continuously and, if necessary, a warning signal to the driver when the component is threatened with overload , for example a clutch, is displayed.
  • a component for example a starting or shift clutch in the transmission of a motor vehicle
  • this object is achieved by continuously calculating the temperature of the component by means of a comprehensive, detailed heat calculation model and taking the thermally relevant data of the component, its surroundings and other boundary conditions into account.
  • the component temperatures are calculated transiently.
  • This detailed heat model can be compared or calibrated with test results and after simplifying the model to a few temperature nodes, the cooling coefficients are calculated.
  • the cooling coefficients are based on the temperature nodes with all system variables to be considered, such as B. speed, clutch temperature, travel, gear temperature, etc., calculated.
  • Such a simplification of the model is called a reduction.
  • the procedure is essentially the same as for the reduction of electrical networks. Electrical networks can be calculated according to either linear or complex rules.
  • the heat pipes perform functions. Since no theory is yet known for the reduction of networks with function, data fields are calculated for the equivalent resistors. If advantageous, empirical functions are created from the data fields.
  • This heat calculation model can be mapped in vehicle electronics.
  • the cooling coefficients can either be provided as data fields in which interpolation takes place, or as closed functions which are derived in a separate work step.
  • the use of the heat calculation model according to the invention advantageously enables a reduction in tests after design changes.
  • Such a method can advantageously also be used for the mathematical determination of the aging condition of temperature-critical components.
  • the method can also be used to identify design and design deficiencies in the calculation phase.
  • the heat calculation model which for example depicts the coupling with the surrounding construction components, calculates the points of the heat transfer coefficients in individual calculations. Special features of the geometry, vehicle electronics, material constants etc. can be taken into account. In a further process step, suitable functions for the vehicle electronics heat model are calculated from these individual points.
  • the optimal loading of a clutch can be ensured with minimal clutch wear. Since the clutch temperature is constantly carried along, the transmitted clutch torque can be finely controlled by analytical calculation of a correction factor, so that a considerable improvement in shifting comfort, for example when the clutch is actuated, in particular a dry single-disc clutch for automated mechanical multi-speed transmissions of commercial vehicles, is achieved.
  • the coupling temperature can be calculated exactly; the driver receives a reliable overload warning when the specified threshold values are exceeded, which, depending on the initial state, i. H. cold or warm, at different speeds
  • the single-disc dry clutch usually used for the automation of mechanical multi-step transmissions is either open, closed or regulated according to the driving situation, according to the gear shift, start-up and maneuvering processes, which are realized by a microprocessor-controlled clutch actuation.
  • a heat calculation model can now consist of the fact that for a typical single-plate dry clutch on a test bench with the help of a motor with constant drive rotation number and upstream multi-speed manual transmission certain speeds can be set.
  • stationary clutch disc, pressure plate and flywheel can be rotated with a predetermined clutch input speed; the clutch can be actuated pneumatically via an actuating piston which is controlled according to the clutch position.
  • the clutch input speed, the clutch output speed and the clutch travel are used as measurement signals, as well as the condition of the clutch friction surfaces after removal of the pressure plate and flywheel with regard to thermal aspects.
  • a calculation program can be used to calculate temperature profiles with constant specific power loss, whereby the calculation takes into account the heat emission during the hatching time to the environment with the assumption of a certain heat transfer coefficient.
  • the calculation goes z. B. from a one-dimensional heat conduction perpendicular to the friction surface.
  • the stress on the friction lining of the clutch is calculated for a given number of slip attempts and the clutch torque is measured at the set differential speed and the total slip time.
  • torque and control pressure characteristic curves are created and saved as a function of the clutch travel.
  • Cooling curves are created for an unloaded clutch under different cooling conditions and temperature profiles are recorded after slip tests have ended.
  • the clutch output speed can be taken from the drive shaft on the gearbox and the clutch release travel can be determined by a measuring element.
  • the friction work can be calculated by calculating the corresponding energy through the clutch travel or the accelerator pedal position and the engine speed; A relationship between clutch torque and clutch travel can be established by entering a determined torque characteristic into the control software.
  • the suitable heat calculation model can be created by determining torque characteristics at different friction surface temperatures, by determining limit temperatures with regard to the friction lining, by determining slip times at different clutch torques and differential speeds (power loss) until the limit temperature is reached and by determining cooling curves with the clutch heated up and various cooling conditions.

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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

Verfahren zur Temperaturbestimmung eines Bauteils
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturbestimmung eines Bauteils, beispielsweise einer Anfahr- oder Schaltkupplung im Getriebe eines Kraftfahrzeugs .
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 bisher die Ausgangssituation der Kupplung nicht berücksichtigt werden konnte, d. h., deren Ausgangstemperatur war unbekannt. 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 zulässigen 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, sondern 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 Wärmeberechnungsmodell zu ermitteln.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Temperaturbestimmung eines Bauteils, beispielsweise einer Anfahr- 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 einer 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, detaillierten Wärmeberechnungsmodells kontinuierlich berechnet wird und das Wärmeberechnungsmodell wärmetechnisch relevante Daten des Bauteils, dessen Umgebung sowie weiterer Randbedingungen berücksichtigt.
Mittels eines derartigen detaillierten Wärmeberechnungsmodells, welches insbesondere eine diskrete Differenzen-Methode oder eine Finite-Elemente-Methode enthält, wer- den die Bauteiltemperaturen instationär berechnet. Dieses detaillierte Wärmemodell kann mit Versuchsergebnissen abgeglichen 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 betrachteten 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 Wärmeleitungen 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 Fahrzeugelektronik abgebildet werden. Die Abkühlkoeffizienten können 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 Wärmeberechnungsmodells wird vorteilhafterweise eine Verringerung von Versuchen nach Konstruktionsänderungen ermöglicht. Ein derartiges Verfahren ist mit Vorteil weiter anwendbar zur rechnerischen Bestimmung des Alterungszustandes von temperaturkritischen 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 Einzelrechnungen die Punkte der Wärmeübergangskoeffizienten berechnet. Dabei können Besonderheiten der Geometrie, Fahr- zeugelektronik, der Materialkonstanten usw. berücksichtigt werden. Aus diesen Einzelpunkten werden in einem weiteren Verfahrensschritt geeignete Funktionen für das Fahrzeugelektronik-Wärmemodell errechnet.
In einer besonders vorteilhaften Ausbildung des erfin- dungsgemäßen Verfahrens wird ferner erreicht, daß die optimale Belastung einer Kupplung bei einem minimalen Kupplungsverschleiß sichergestellt werden kann. Da die Kupplungstemperatur ständig mitgeführt wird, kann durch analytische Berechnung eines Korrekturfaktors das übertragene Kupplungsmoment feingesteuert werden, so daß eine erhebliche Verbesserung des Schaltkomforts, beispielsweise bei Betätigung der Kupplung, insbesondere einer Einscheiben- Trockenkupplung für automatisierte mechanische Stufengetriebe von Nutzfahrzeugen, erzielt wird.
Durch ein Wärmemodell kann also die Kupplungstemperatur genau mitgerechnet werden; der Fahrzeugführer erhält bei Überschreiten von vorgegebenen Schwellwerten eine zuverlässige 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 Stufengetrieben 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 Prüfstand mit Hilfe eines Motors mit konstanter Antriebsdreh- zahl und vorgeschaltetem Mehrgang-Handschaltgetriebe bestimmte Drehzahlen eingestellt werden. Bei z. B. stillstehender 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 entsprechend der Kupplungsstellung gesteuert wird. Dabei werden als Meßsignale die Kupplungseingangsdrehzahl, die Kupplungsausgangsdrehzahl und der Kupplungsweg verwendet, sowie der Zustand der Kupplungsreibflächen nach Ausbau von Druckplatte und Schwungrad hinsichtlich thermischer Gesichtspunkte untersucht. Zum Vergleich mit gemessenen Temperaturverläufen können mit einem Berechnungsprogramm Temperaturverläufe bei konstant anliegender spezifischer Verlustlei- stung berechnet werden, wobei in die Berechnung die Wärmeabgabe während der Schlupfzeit an die Umgebung mit Annahme eines bestimmten Wärmeübergangskoeffizienten berücksichtigt wird. Die Berechnung geht z. B. von einer eindimensionalen Wärmeleitung senkrecht zur Reibfläche aus. Die Bean- spruchung des Reibbelages der Kupplung wird bei einer vorgegebenen 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 Kupplung bei unterschiedlichen Abkühlbedingungen erstellt und Temperaturverläufe nach Beendigung von Schlupfversuchen aufgenommen. Die Kupplungsausgangsdrehzahl kann am Schaltgetriebe von der Antriebswelle abgenommen werden und der Kupplungsausrückweg kann von einem Meßglied ermittelt werden. Die Berechnung der Reibarbeit kann durch Berechnung der entsprechenden Energie durch den Kupplungsweg oder die Gaspe- dalstellung und der Motordrehzahl realisiert werden; durch Eingabe einer ermittelten Momentkennlinie in die Steuersoftware kann eine Beziehung zwischen Kupplungsmoment und Kupplungsweg hergestellt werden. Unter Berücksichtigung des Kupplungsmomentes und insbesondere der Reibflächentempera- tur an der Druckplatte kann das geeignete Wärmeberechnungsmodell erstellt werden, durch Ermittlung von Momentkennlinien bei verschiedenen Reibflächentemperaturen, durch Ermittlung 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 verschiedenen Abkühlbedingungen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Temperaturbestimmung eines Bauteils, beispielsweise einer Anfahr- oder Schaltkupplung im Getriebe eines Kraftfahrzeugs, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , 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 g e k e n n z e i c h n e t , daß die wärmetechnisch relevanten Daten physikalische und/oder chemische Daten sind und beispielsweise die geometrischen Daten, die spezifische Wärmeleitung, die spezifische 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 g e k e n n z e i c h n e t , daß die weiteren Randbedingungen beispielsweise die Drehzahl, der Alterungszustand und /oder der Verschleißzustand oder eine ähnliche Bedingung des Bauteils sind.
4. Verfahren zur Temperaturbestimmung eines Bauteils nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge k e n n - z e i c h n e t , 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 g e k e n n z e i c h n e t , daß das Wärmeberechnungsmodell mittels Versuchsergebnissen kalibriert wird.
6. Verfahren zur Temperaturbestimmung eines Bauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Wärmeberechnungsmodell auf wenige Temperaturknoten reduziert wird und daß die Abkühlkoeffizienten gerechnet werden.
7. Verfahren zur Temperaturbestimmung eines Bauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß als Wärmeberechnungsmodell die Abbildung einer Kupplung zusammen mit den zugehörigen Konstruktionsbauteilen verwendet wird, wobei in Einzelrechnungen Wärmeübergangskoeffizienten berechnet werden.
8. Verfahren zur Temperaturbestimmung eines Bauteils nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß aus den einzeln berechneten Wärmeübergangskoeffizienten Datenfelder und entsprechende Funktionen für ein Fahrzeugelektronik-Wärmemodell errechnet werden.
9. Verfahren zur Temperaturbestimmung eines Bauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kupplungstemperatur kontinuierlich mitgeführt wird und daß durch analytische Berechnung eines Korrekturfaktors das übertragene Kupplungsmoment kontinuierlich gesteuert wird.
10. Verfahren zur Temperaturbestimmung eines Bauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß bei Überschreiten vorgebbarer Grenzwerte und Erreichen einer Kupplungsüberlastung Warnsignalefür den Fahrer erzeugt werden.
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