Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Verschleißes einer elektromechanisch aktuierten Klauenkupplung.

Stand der Technik

Klauenkupplungen, insbesondere in Kraftfahrzeugen verbaut, sind an sich bekannt und werden verwendet, um beispielsweise eine nicht permanent anzutreibende Achse an eine angetriebene Welle zu koppeln oder von dieser abzukoppeln. Es ist auch bekannt, eine Klauenkupplung mittels eines BLDC-Motors zu aktuieren, wobei über ein Ritzel, also ein Zahnrad, direkt eine verzahnte Schaltgabel der Klauenkupplung geschwenkt wird, die dadurch einen erforderlichen Axialweg zurücklegt.

Dabei kann die Übersetzung zwischen Ritzel und verzahnter Schaltgabel so gestaltet sein, dass der gesamte Axialweg inklusive Verschleißreserve innerhalb einer Umdrehung des Motors bewältigt werden kann. Eine eindeutige Bestimmung der Aktuatorposition ist dann auch ohne Kosten für einen zusätzlichen Positionssensor möglich, wenn der Gesamtverschleiß des Aktuatoriksystems bekannt ist.

Da ein Aktuatoriksystem im Laufe seiner Lebensdauer zunehmenden Verschleiß erfährt, stimmen initial, bei Herstellung eines Kraftfahrzeugs mit verbauter Klauenkupplung, ermittelte Verschleißwerte mit zunehmender Laufzeit immer weniger mit der mechanischen Realität überein. Hierdurch kommt es im Laufe des Betriebes eines solchen Kraftfahrzeuges zu Prob- lernen wie, dass beim Koppeln der Zahn-Zahn-Bereich (also der Zahn- Überlappungsbereich) nicht mehr erkannt wird und dadurch der Schaltvorgang nicht oder unzureichend beendet werden kann, oder dass beim Entkoppeln nicht früh genug erkannt wird, wann der Überlappungsbereich der Verzahnung verlassen wurde und entsprechend die Muffe zu spät abgebremst wird, mit der Gefahr des schlagartigen Anfahrens gegen den Anschlag.

Bei nicht bekanntem Gesamtverschleiß des Systems kann es auch dazu kommen, dass der Aktuator mehr als eine Umdrehung für den Gesamtverfahrweg der Aktuatorik benötigt und es dadurch zu einer falschen Interpretation des aktuellen Systemzustandes kommt.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung des Verschleißes einer elektromechanisch aktuierten Klauenkupplung anzugeben, dass die oben beschrieben Probleme vermeidet und insbesondere eine genaue und kostengünstige Ermittlung der Aktuatorposition ermöglicht.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zur Bestimmung des Verschleißes einer elektromechanisch aktuierten Klauenkupplung, wobei der Aktuator der Klauenkupplung einen Elektromotor umfasst, der über ein Ritzel, also ein Zahnrad, direkt eine verzahnte Schaltgabel schwenken kann, wobei die Schaltgabel beim Schwenken durch den Elektromotor einen Axialweg, in Richtung der Achse einer Muffe, zurücklegt, um die Muffe axial mitzunehmen und von einer Entkoppelt-Stellung bis zu einer Gekoppelt-Stellung der Klauenkupplung, und/oder umgekehrt, zu verfahren, wobei während des Betriebes der Klauenkupplung aktuelle, für den Verschleiß der Klauenkupplung charakteristische Winkel des Elektromotorrotors ermittelt werden.

Erfindungsgemäß wird eine Klauenkupplung verwendet, die einen elektromechanischen Aktuator umfasst, mit einem Elektromotor, bevorzugt einem BLDC Elektromotor, der über ein Ritzel direkt eine verzahnte Schaltgabel schwenken kann. Durch das Schwenken der Schaltgabel bewegt sich diese axial, in Richtung der Achse einer Muffe, und nimmt üblicherweise über eine Feder an der Muffe, die Muffe axial mit, um diese in den Gekoppelt oder Entkoppelt-Zustand zu bringen.

Um die Kosten eines Positionssensors zu sparen, wird die Übersetzung zwischen Ritzel und verzahnter Gabel so gestaltet, dass der gesamte Axialweg inklusive Verschleissreserve innerhalb einer Umdrehung des Rotors des Motors bewältigt werden kann. Um eine jederzeit eindeutige Bestimmung der Aktuatorposition zu gewährleisten, wird der aktuelle Gesamtverschleiß des Aktuatoriksystems ermittelt.

Erfindungsgemäß werden während des Betriebes einer solchen Klauenkupplung aktuelle, für den Verschleiß der Klauenkupplung charakteristische Winkel des Elektromotorrotors ermittelt, also nach der Herstellung und dem Einbau der Klauenkupplung vorzugsweise in ein Kraftfahrzeug, während des Normalbetriebs der Kupplung im Kraftfahrzeug.

Um den Systemzustand funktional beschreiben zu können, werden bevorzugt vier charakteristische Größen - unten näher beschrieben - während des Betriebes, während der Lebensdauer der Kupplung, ermittelt, die bereits an einem EOL (End of Line) -Prüfstand ein erstes Mal gemessen werden können und in das NVM (Non volatile memory) eines Steuergerätes geschrieben werden können. Die erwähnten Winkel werden bevorzugt einmal am EOL, also am Ende der Fertigung der Kupplung, ermittelt und danach erfindungsgemäß aktualisiert. Da das Aktuatoriksystem im Laufe seiner Lebensdauer zunehmenden Verschleiß erfährt, stimmen die initial ermittelten Winkel mit zunehmender Laufzeit immer weniger mit der mechanischen Realität überein.

Weiters kann es durch die unterschiedlichen Einbauzustände im Fahrzeug und am EOL ebenfalls zu weiteren Abweichungen zwischen EOL- Werten und späteren realen Werten kommen, insbesondere durch eine axiale Verschieblichkeit durch aufsummierte Lagerluft.

Wenn die laufenden, aktuellen Systemgrößen nicht bekannt sind, führt das zu Problemen beim Einregeln, insbesondere im Zahn-Zahn-Bereich.

Der Verschleiß wird daher, bevorzugt während der gesamten Aggregate- Lebensdauer, kontinuierlich mitgemessen. Dazu werden die, vorzugsweise vier, charakteristischen Größen analog zu einer vorzugsweisen Lernroutine am EOL auch während des Fahrzeug-Betriebes ermittelt. Dadurch wird der maßgebliche Zahn-Zahn-Bereich immer in der korrekten Umgebung (TTC-Suchbereich) gesucht, sowie der aktuelle Gesamtverschleiß der Ak- tuatorik ermittelt.

Hierdurch wird die Berücksichtigung des Verschleiß der Aktuatorikompo- nenten in der Betriebsstrategie der DCU (Decouple Unit) und damit die Aufrechterhaltung des Schaltkomforts und der Schaltperformance über die Lebensdauer ermöglicht.

Vorteile der Kenntnis des Verschleißzustandes sind insbesondere: Beim Koppeln: ein höherer Schaltkomfort (der Regler wird im TTC- Bereich nicht aufziehen) und höhere Schaltgeschwindigkeit,

Beim Entkoppeln: exaktes Triggern der Muffen-Abbremsfunktion, sobald der Zahn-Überlappungsbereich verlassen wird,

Außerdem ist dadurch immer der tatsächliche mechanische Verschleiß bekannt und es kann ein Fehler gemeldet werden, bevor ein falscher Sy stemzu stand ausgegeben wird.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.

Vorzugsweise werden während des Betriebes der Klauenkupplung aktuelle Werte folgender für den Verschleiß der Klauenkupplung charakteristischer Winkel ermittelt:

Offset-Winkel (phiOfs), also ein absoluter Winkel, der angibt, wann die Muffe und/oder der Aktuator gegen einen Entkoppelt-Anschlag drückt. Dieser Winkel wird bevorzugt auch als Referenzwinkel für die Bestimmung des TTC-(Zahn-auf-Zahn)-Winkels (siehe unten) und des Full- Range-(Gesamtverdrehwinkel)-Winkels (siehe unten) verwendet, und/oder

TTC-Winkel (phiActTTC), also ein relativer Winkel, der einen Differenzwinkel angibt zwischen dem Offsetwinkel und einem Winkel, an dem die Muffe auf eine Zahn-Zahn-Position trifft, und/oder

Fullrange-Winkel (phiActFullRng), also ein relativer Winkel, der einen Differenzwinkel angibt, zwischen dem Offsetwinkel und einem Winkel, an dem die Muffe und/oder der Aktuator auf einen Gekoppelt-Anschlag trifft, und/oder Backlash-Winkel (phiBL), also ein relativer Winkel, der das Gesamtspiel des Aktuators bis zur Muffe angibt.

Von diesen vier Winkeln können ein oder mehrere, bevorzugt jedoch alle vier, ermittelt werden, da sie zusammen das Systemverhalten definieren. Von diesen Größen können dann weitere, für die Schaltung relevante, Größen, insbesondere Positionen, abgeleitet werden.

Bevorzugt werden Mittelwerte über eine Anzahl von zeitlich hintereinander ermittelten aktuellen Werten der charakteristischen Winkel, als Lernwerte der charakteristischen Winkel, berechnet.

Vorzugsweise ist die Klauenkupplung in einem Kraftfahrzeug verbaut und die aktuellen Werte, der für den Verschleiß der Klauenkupplung charakteristischen Winkel, werden während des Betriebes des Kraftfahrzeugs ermittelt.

Bevorzugt wird der Offset-winkel (phiOfs) dadurch ermittelt, dass die Muffe mit einem definierten Spannungsprofil gegen einen Entkoppelt- Anschlag gedrückt wird. Dabei werden alle Spiele in die Entkoppelt- Richtung aufgebraucht. Vorzugsweise wird bei einer ersten Bestimmung am EOL die gleiche Parametrierung verwendet, wie bei weiteren Ermittlungen während des Normalbetriebes. Dieser Winkel wird vorzugsweise in jedem Zyklus der Ermittlung von Winkeln als erstes angelernt, da zu Beginn immer der Entkoppelt-Anschlag verifiziert wird.

Bevorzugt wird der TTC-Winkel (phiActTTC) dadurch ermittelt, dass die Position, an der der Aktuator, der mit einer vordefinierten Strombegrenzung betrieben wird, innerhalb eines bestimmten Bereiches, nämlich des sog. TTC-Bereiches, nicht weiter verfahren werden kann (“stecken bleibt”), gespeichert wird. Die Strombegrenzung in diesem Bereich ist bevorzugt so gewählt, dass sie möglichst dem resultierenden Strom bei der EOL- Routine entspricht. Bei Ermittlung der TTC-Positionen werden alle Spiele in Gekoppelt-Richtung aufgebraucht - der System-Backlash, phiBL, ist also darin enthalten. Die erste Bestimmung des TTC-Winkels, am EOL, kann über eine Routine erfolgen, die mit definierter Spannung gegen die Zahn-Zahn-Stellung drückt. Dabei kann die mechanische Herstellung dieser Stellung durch die EOL-Routine gewährleistet werden.

Bevorzugt wird der Backlashwinkel (phiBL) dadurch ermittelt, dass, während des gekoppelten Zustandes, ein vorbestimmtes Minimalmoment an die Schaltgabel übertragen wird, indem mit definierter Spannung in CW- und CCW-Richtung (also im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn) gedreht wird, bis die Schaltgabel an der Muffe ansteht, also die Muffe die Schwenkbewegung der Schaltgabel blockiert, wobei die Differenz dieser beiden Winkel in CW- und CCW-Richtung, dem Winkel phiBL entspricht.

Bevorzugt wird der Full-Range-Winkel (phiActFullRng) dadurch ermittelt, dass die Muffe mit einem definierten Spannungsprofil gegen einen Gekop- pelt-Anschlag gedrückt wird. Dieser Wert entspricht auch dem maßgeblichen Gesamtverschleiß des Systems.

Um die Robustheit der gelernten Werte zu gewährleisten, werden vorzugsweise für die Rechenmodelle, über eine bevorzugt variable (abhängig von Sonderereignissen wie ECU-Tausch) Anzahl an Lernevents (anzLernE- vents) gemittelte Lernwerte benutzt, also für die n-te Bestimmung eines Winkels phiXY: phiXYLern(n) = (phiXYLern(n- l) * (anzLernEvents - 1) + phiXYAktuell) / anzLernEvents

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Auswirkungen des Verschleißes auf die vier charakteristischen Winkel, zu den Zeitpunkten a) EOL (End of Line), b) nach Verbau im Fahrzeug (neu) und c) im Fahrzeug nach längerem Betrieb.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der Ermittlung des

Offset-Winkels (phiOfs).

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Ermittlung des

Fullrange-Winkels (phiActFullRng) .

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung der Ermittlung des

Backlash-Winkels (phiBL).

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In der Fig. 1 sie die Auswirkungen des Verschleißes auf die vier charakteristischen Winkel, zu den Zeitpunkten a) EOL (End of Line), b) nach Ver- bau im Fahrzeug (neu) und c) im Fahrzeug nach längerem Betrieb, dargestellt.

Dabei ist jeweils links die gekoppelte Position 4 mit ihrem Gekoppelt- Anschlag 10 dargestellt und rechts die entkoppelte Position 3 mit ihrem Entkoppelt-Anschlag 9. Zwischen den beiden Positionen Gekoppelt 4 und Entkoppelt 3 befindet sich eine Zahn-auf-Zahn Position (TTC-Position) 16, mit einem Zahn-auf-Zahn-„Anschlag“ 5, der den für das Ein- und Auskoppeln wichtigen Beginn des Zahn-Überlappungsbereichs beschreibt.

Dargestellt sind in den drei verschiedenen Verschleiß-Zuständen a) b) und c) die Winkel Offset-Winkel phiOfs, TTC-Winkel phiActTTC, Fullrange - Winkel phiActFullRng und Backlash-Winkel phiBL. Der Offset-Winkel phiOfs ist ein absoluter Winkel, der angibt, wann die Muffe 2 und/oder der Aktuator gegen den Entkoppelt-Anschlag 9 drückt. Er ist auch der Referenzwinkel für die Bestimmung des TTC (Zahn-auf-Zahn) Winkels und des FullRng (Gesamtverdrehwinkel) Winkels. Der TTC-Winkel phiActTTC ist ein relativer Winkel, der einen Differenzwinkel angibt zwischen dem Offsetwinkel phiOfs und einem Winkel, an dem die Muffe 2 auf einen Zahn-Zahn-Anschlag 5 trifft, also den Beginn des Zahn-Zahn- Überlappungsbereichs. Der Fullrange-Winkel phiActFullRng ist ein relativer Winkel, der einen Differenzwinkel angibt, zwischen dem Offsetwinkel phiOfs und einem Winkel, an dem die Muffe 2 und/oder der Aktuator auf einen Gekoppelt-Anschlag 10 trifft. Der Backlash-Winkel phiBL ist ein relativer Winkel, der das Gesamtspiel des Aktuators, insbesondere auch der Schaltgabel 1, bis hin zur Muffe 2 angibt.

Im linken unteren Bereich der Fig. 1 ist schematisch auch eingezeichnet, wo der TTC-Suchbereich 8 festgelegt werden kann, der den möglichen Bereich der Zahn-Zahn-Stellung am Ende des TTC-Winkels phiActTTC beschreibt, und zwar im nicht-realen unkompensierten Fall 6, mit EOL Winkeln (Zustand a)), und im kompensierten Fall 7, wenn also von den ermittelten realen Winkeln im aktuellen Verschleißzustand der Kupplung ausgegangen wird (Zustand c)). Der TTC-Suchbereich 8 kann je nach weiteren bekannten Eigenschaften der Kupplung verschieden groß ausgebildet werden, zum Beispiel größer nach einem Tausch der ECU (Electronic Control Unit).

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der Ermittlung des Offset-Winkels phiOfs.

Das Diagramm zeigt in der x-Achse die Zeit t und an der y-Achse den aktuellen Winkel phiAct (oben), sowie die vorgegebene Spannung uReq (unten). Für den Winkel phiAct ist auch der Winkel des Entkoppelt-Anschlags 9 eingezeichnet, sowie des Gekoppelt-Anschlags 10 - jeweils strichliert. Vor dem Entkoppelt-Anschlag 9 liegt eine Entkoppelt-Position 3 (strichpunktiert) und vor dem Gekoppelt-Anschlag 10 liegt eine Gekoppelt- Position 4 (ebenfalls strich-punktiert).

Die drei Pfeile unterhalb der x-Achse geben unterschiedliche Phasen der Ermittlung an, nämlich die Suchdauer 11, die Haltedauer 12 und die Lernphase 13. Während der Suchdauer 11 und Haltedauer 12 erfolgt ein „Überdrücken“ der Aktuatorik 14, an deren Ende ein Entlasten der Aktua- torik 15 erfolgt.

Der Offset-winkel phiOfs wird dadurch ermittelt, dass die Muffe 2 mit einem definierten Spannungsprofil uReq gegen einen Entkoppelt-Anschlag 9 gedrückt wird („Überdrücken“ der Aktuatorik 14). Dabei werden alle Spiele in die Entkoppelt-Richtung aufgebraucht. Nach einer kurzen Gegenbewegung bei der Entlastung der Aktuatorik 15 kann in der Lernphase 13 der aktuelle Wert des Offset-winkel phiOfs als aktueller Winkel phiAct bestimmt werden.

Vorzugsweise wird bei einer ersten Bestimmung am EOL die gleiche Pa- rametrierung verwendet, wie bei weiteren Ermittlungen während des Normalbetriebes. Dieser Winkel wird vorzugsweise in jedem Zyklus der Ermittlung von Winkeln als erstes angelernt, da zu Beginn immer der Ent- koppelt-Anschlag 9 verifiziert wird.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Ermittlung des Fullrange - Winkels phiActFullRng. Die Figur entspricht weitgehend der Fig. 2, wobei jedoch die Muffe 2 gegen den Gekoppelt-Anschlag 10 gedrückt wird, statt gegen den Entkoppelt-Anschlag 9: Die Muffe 2 wird mit einem definierten Spannungsprofil uReq gegen den Gekoppelt-Anschlag 10 gedrückt („Überdrücken“ der Aktuatorik 14. Dabei werden alle Spiele in die Gekoppelt- Richtung aufgebraucht. Nach einer kurzen Gegenbewegung bei der Entlastung der Aktuatorik 15 kann in der Lernphase 13 der aktuelle Wert des Fullrange-Winkels phiActFullRng als Differenzwinkel bestimmt werden, zwischen dem Offsetwinkel phiOfs und dem aktuellen Winkel phiAct.

Die Bestimmung des TTC-Winkels (phiActTTC) erfolgt dadurch, dass die Position, an der der Aktuator, der mit einer vordefinierten Strombegrenzung betrieben wird, innerhalb eines bestimmten Bereiches, nämlich des sog. TTC-Suchbereiches 8, nicht weiter verfahren werden kann, also “stecken bleibt”, gespeichert wird. Die Strombegrenzung in diesem Bereich ist so gewählt, dass sie möglichst dem resultierenden Strom bei der entsprechenden EOL-Routine entspricht. Bei Ermittlung der TTC-Positionen werden alle Spiele in Gekoppelt-Richtung aufgebraucht, der System- Backlash, phiBL, ist also darin enthalten. Die Bestimmung des TTC- Winkels zum Zeitpunkt EOL erfolgt über eine Routine, die mit definierter Spannung gegen den Zahn-Zahn-Anschlag 5 drückt. Die mechanische Herstellung dieser Stellung bei der EOL Bestimmung wird durch eine EOL-Routine gewährleistet.

Fig. 4 zeigt schließlich eine schematische Darstellung der Ermittlung des Backlash-Winkels phiBL. Dargestellt sind in der x- und y-Achse die selben Größen, wie in Fig. 2 und 3. Zusätzlich ist aber noch das übertragende Kupplungsmoment M an der y-Achse, unterhalb von uReq, dargestellt. M 1 stellt ein Kupplungsmoment >= 20 Nm dar, M2 ein Kupplungsmoment <= -20 Nm und MO ein Kupplungsmoment von 0 Nm und den Zustand der Blockade der Muffe 2 durch das EOL Motormoment.

Der Backlashwinkel phiBL wird dadurch ermittelt, dass, während des gekoppelten Zustandes 4, ein vorbestimmtes Minimalmoment M an die Schaltgabel 1 übertragen wird, indem mit definierter Spannung uReq in CW- und CCW-Richtung gedreht wird, mit positivem Motormoment M l bzw. negativem Motormoment M2, jeweils bis die Schaltgabel 1 an der Muffe 2 ansteht, also die Muffe 2 die Schwenkbewegung der Schaltgabel 1 blockiert. Die Differenz der beiden Winkel phiAct in CW- und CCW- Richtung, entspricht dem Winkel phiBL.

Bezugszeichenliste

1 Schaltgabel

2 Muffe

3 Entkoppelt-Position

4 Gekoppelt-Position

5 Zahn-auf-Zahn Anschlag (TTC-Position)

6 unkompensierter Fall

7 kompensierter Fall

8 TTC-Suchbereich

9 Entkoppelt-Anschlag

10 Gekoppelt-Anschlag

11 Suchdauer

12 Haltedauer

13 Lernphase

14 Überdrücken der Aktuatorik

15 Entlasten der Aktuatorik

16 Zahn-Zahn-Position (TTC-Position)

M Kupplungsmoment

M l Kupplungsmoment >= 20 Nm

M2 Kupplungsmoment <= -20 Nm

MO Kupplungsmoment = 0 Nm, Blockade der Muffe 2 durch das EOL Motormoment uReq vorgegebene Spannung phiOfs Offset-Winkel phiActTTC Zahn-auf-Zahn-Winkel = TTC-Winkel phiActFullRng Fullrange-Winkel phiBL Backlash-Winkel