DE10056284A1 - Verfahren zum Ermitteln eines Belastungszustandes eines elektromotorischen Antriebs einer Stelleinrichtung - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zum Ermitteln eines Belastungszustandes eines elektromotorischen Antriebs (26, 46, 119) einer Stelleinrichtung, insbesondere Getriebestelleinrichtung oder Kupplungsstelleinrichtung; umfasst die Schritte: DOLLAR A a) Ermitteln einer Drehzahl des Antriebs (26, 46, 119), DOLLAR A b) Ermitteln einer an den Antrieb (26, 46, 119) angelegten Spannung, DOLLAR A c) beruhend auf der im Schritt a) ermittelten Drehzahl, der im Schritt b) ermittelten Spannung und einer die Abhängigkeit eines in dem Antrieb (26, 46, 119) fließenden Stroms von der Drehzahl des Antriebs (26, 46, 119) und von der an den Antrieb (26, 46, 119) angelegten Spannung wiedergebenden Strom-Drehzahl-Spannung-Zusammenhangs, Ermitteln des in dem Antrieb (26, 46, 119) fließenden Stroms, DOLLAR A d) beruhend auf dem ermittelten Strom, Ermitteln eines den Belastungszustand repräsentierenden Belastungswertes.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Belastungszustandes eines elektromotorischen Antriebs einer Stelleinrich­ tung, insbesondere einer Getriebestelleinrichtung oder einer Kupplungsstell­ einrichtung, bzw. ein Stellsystem, insbesondere für eine automatisierte Kupplung oder ein automatisiertes Getriebe.

Bei modernen Antriebssystemen ist bekannt, die Kupplung oder/und das Getriebe nicht mehr allein durch manuelle Betätigung zu betreiben, sondern diesen Baugruppen jeweils Stelleinrichtungen zuzuordnen, die nach durch Erzeugung entsprechender Schalt- oder Kuppelbefehle vermittels des Fahrers dann die entsprechenden Vorgänge in der Kupplung bzw. im Getriebe auslösen. Bei derartigen Stelleinrichtungen ist es weiterhin bekannt, als die jeweilige Betätigungskraft erzeugende Organe elektromotorische Stellan­ triebe, beispielsweise Gleichstromelektromotoren einzusetzen. Bei derartigen elektromotorischen Antrieben besteht grundsätzlich das Problem, dass bei Überlastung derselben, beispielsweise durch Überhitzung, diese hinsichtlich ihrer Betriebscharakteristik beeinträchtigt werden können. Insbesondere die thermische Beeinträchtigung ist kritisch, da diese Stelleinrichtungen im allgemeinen im thermischen Einflussbereich der Abwärme des Antriebs­ aggregats arbeitet und da des Weiteren durch Erregung der Antriebe selbst elektrische Energie in Wärmeenergie umgesetzt wird und dabei eine Erwärmung der Antriebe erzeugt wird.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ermitteln eines Belastungszustandes vorzusehen, mit welchem in einfacher Art und Weise auf den Belastungszustand eines derartigen elektromotorischen Antriebs geschlossen werden kann, um dann ggf. Gegenmaßnahmen ergreifen zu können.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren, umfassend die Schritte:

• a) Ermitteln einer Drehzahl des Antriebs,
• b) Ermitteln einer an den Antrieb angelegten Spannung,
• c) beruhend auf der im Schritt a) ermittelten Drehzahl, der im Schritt b) ermittelten Spannung und einem die Abhängigkeit eines in dem Antrieb fließenden Stroms von der Drehzahl des Antriebs und von der an den Antrieb angelegten Spannung wiedergebenden Strom-Drehzahl-Spannung-Zusammenhang, Ermitteln des in dem Antrieb fließenden Stroms,
• d) beruhend auf dem ermittelten Strom, Ermitteln eines den Belastungszustand repräsentierenden Belastungswertes.

Die vorliegende Erfindung macht Nutzen von Parametern, die in einem derartigen System ohnehin ermittelt werden. Zum einen wird selbstver­ ständlich die an einen derartigen Antrieb angelegte Spannung bekannt sein, da die Größe und die Zeitdauer einer angelegten Spannung, ob permanent oder moduliert, ein wesentliches Kriterium beim Ansteuern eines elektro­ motorischen Antriebs ist. Auch die Drehzahl ist ein grundsätzlich bekannter Parameter, da durch die Kenntnis der Drehzahl letztendlich auf den momentanen Stellzustand geschlossen werden kann, insbesondere dann, wenn eine Ausgangsstellung des Antriebs bekannt war. Durch das Miteinbeziehen dieser beiden grundsätzlich also bekannten bzw. ohne das Vorsehen zusätzlicher Sensoren zu ermittelnden Werte und unter Mitein­ beziehung einer grundlegend ebenso bekannten Charakteristik eines elektromotorischen Antriebs hinsichtlich der Abhängigkeit des in einem derartigen Antrieb fließenden Stroms von sowohl der Drehzahl als auch der an den Antrieb angelegten Spannung lässt sich also in einfacher Art und Weise Information erlangen, die auf den Belastungszustand schließen lässt.

Um eine möglichst genaue Erfassung ermöglichen zu können, welche von kurzzeitigen Schwankungen soweit als möglich nicht beeinträchtigt ist, kann vorgesehen sein, dass im Schritt a) als Drehzahl des Antriebs ein über ein vorbestimmtes erstes Zeitintervall gemittelter Wert der Drehzahl des Antriebs ermittelt wird, oder/und dass im Schritt b) als an den Antrieb angelegte Spannung eine über ein vorbestimmtes zweites Zeitintervall gemittelte an den Antrieb angelegte Spannung ermittelt wird.

Um hier vergleichbare Werte zu erhalten, ist vorzugsweise vorgesehen, dass das erste Zeitintervall dem zweiten Zeitintervall entspricht.

Es hat sich als zweckdienlich herausgestellt, das erste Zeitintervall oder/und das zweite Zeitintervall im Bereich 5 ms bis 15 ms, vorzugsweise bei ca. 10 ms zu wählen, um eine vergleichsweise genaue Erfassung der verschie­ denen Parameter zu erlangen.

Weiter ist es bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise vorteilhaft, wenn der Strom-Drehzahl-Spannung-Zusammenhang vor dem Integrieren einer den Antrieb enthaltenden Stelleinrichtung in ein Antriebssystem für einen bestimmten Antrieb oder einen bestimmten Typ eines Antriebs ermittelt wird und in einer Ansteuervorrichtung für die Stelleinrichtung zum Zugriff abgespeichert wird.

Wie bereits eingangs ausgeführt, ist ein wesentlicher Betriebsparameter eines derartigen Antriebs, welcher einen deutlichen Rückschluss auf die Belastung desselben zulässt, die Temperatur des Antriebs oder die Temperatur in dem Bereich, in dem der Antrieb vorgesehen ist. Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung kann daher vorgesehen sein, dass der im Schritt d) ermittelte Belastungswert die Temperatur des Antriebs oder im Bereich des Antriebs repräsentiert. Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass der Ausdruck "repräsentiert" im Sinne der vorliegenden Erfindung sowohl bedeutet, dass dieser Belastungswert die Temperatur an sich wiedergibt, als auch bedeutet, dass dieser Belastungswert eine Größe wiedergibt, die in eindeutiger Weise einen Rückschluss auf die Temperatur zulässt bzw. mit dieser verkoppelt ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann weiter vorgesehen sein, dass zur Ermittlung des Belastungswertes eine mit einem Wärmeenergieeintrag in Zusammenhang stehende Größe beruhend auf in der Vergangenheit ermittelten Stromwerten bestimmt wird und eine mit einer Wärmeenergie­ abgabe in Zusammenhang stehende Größe bestimmt wird. Es wird also dabei berücksichtigt, dass im Betrieb durch Zufuhr elektrischer Energie Wärmeenergie im Bereich des Antriebs erzeugt wird, dass gleichwohl jedoch auch durch Konvektion bzw. Abstrahlung Wärme abgegeben wird.

Um im Betrieb sicherzustellen, dass durch übermäßige Belastung des Antriebs eine Beschädigung oder ungeeignete Betriebsweisen ausge­ schlossen werden können, wird vorgeschlagen, dass dann, wenn der Belastungswert eine vorbestimmte erste Schwelle überschreitet, auf Vorliegen eines Überlastungszustandes des Antriebs entschieden wird und vorzugsweise der Antrieb in einer die Belastung mindernden Weise betrieben wird oder ein weiterer Betrieb des Antriebs unterbunden wird.

Häufige Ansteuer- oder Regelschwankungen können dadurch vermieden werden, dass dann, wenn nach Überschreiten der ersten Schwelle der Belastungswert eine vorbestimmte zweite Schwelle, welche einer geringeren Belastung entspricht als die erste Schwelle, unterschreitet, ein normaler Betrieb des Antriebs zugelassen wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Stellsystem, insbesondere für eine automatisierte Kupplung oder ein automatisiertes Getriebe, umfassend wenigstens einen elektromotorischen Antrieb, eine dem wenigstens einen Antrieb zugeordnete Drehzahlermitt­ lungsanordnung, eine Ansteuervorrichtung zum Anlegen einer vorgegebenen Spannung an den wenigstens einen Antrieb, eine Anordnung zum Ermitteln eines in dem wenigstens einen Antrieb fließenden Stroms beruhend auf der Drehzahl und der an den wenigstens einen Antrieb angelegten Spannung, und eine Anordnung zum Ermitteln eines Belastungszustandes des wenigstens einen Antriebs beruhend auf dem wenigstens einen ermittelten Strom.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine Ansicht einer Stelleinrichtung, bei welcher die vorliegende Erfindung implementiert sein kann;

Fig. 2 ein Diagramm, das die Abhängigkeit des in einem elektromoto­ rischen Antrieb fließenden Stroms von der angelegten Motor­ spannung und von der Drehzahl wiedergibt;

Fig. 3 ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf der Temperatur bzw. einer mit dieser in eindeutiger Weise in Zusammenhang stehenden Größe darstellt.

Die Fig. 1 zeigt eine allgemein mit 10 bezeichnete Stelleinrichtung, durch welche im dargestellten Beispiel Schaltvorgänge in einem Schaltgetriebe eines Kraftfahrzeugs vorgenommen werden können. Eine allgemein mit 12 bezeichnete Schaltwelle bildet ein Ausgangsglied der Stelleinrichtung 10 und wird, wie im Folgenden noch detailliert beschrieben, zur Durchführung von Gangschaltvorgängen linear in Richtung ihrer Längsmittellinie L und zur Drehbewegung um ihre Längsmittellinie angetrieben, wie durch Pfeile P1 und P2 dargestellt. Bei Durchführung der Verschiebebewegung in Richtung P1 bzw. der Drehbewegung in Richtung P2 können über einen an der Schaltwelle 12 vorgesehenen Vorsprung 14 die in einem Getriebe vor­ gesehenen Organe, welche zum Ein- bzw. zum Auslegen eines Ganges führen, angesteuert werden. Diese Organe können beispielsweise mit jeweiligen im Getriebe vorgesehenen Wellen bzw. darauf angeordneten Zahnrädern zusammenwirkende Synchronisiervorrichtungen sein. Durch das Bereitstellen derartiger Synchronisiervorrichtungen o. dgl. wird es der Schaltwelle 12 bzw. dem Vorsprung 14 ermöglicht, eine Bewegung entlang einer Bahn bzw. entlang Bahnen durchzuführen, die in der allgemein mit 16 bezeichneten Schaltkulisse erkennbar sind. Man erkennt hier, dass sogenannte Schaltgassen 18 zwischen jeweils zwei Gängen existieren, wobei bei Bewegung entlang einer Schaltgasse, beispielsweise vom ersten in den zweiten Gang oder umgekehrt, geschaltet werden kann. Ferner kann bei Positionierung der Schaltwelle 12 in einer Stellung, die einer Mitten­ stellung 20 der jeweiligen Schaltgassen 18 zugeordnet ist, nach Durch­ führung einer Drehbewegung eine Auswahl der verschiedenen Schaltgassen entlang einer Gassenwahllinie 22 vorgenommen werden. Das heißt, wenn beispielsweise der erste Gang eingelegt ist, dann befindet sich die Schaltwelle 12 bzw. der Vorsprung 14 in einer dem Punkt 24 in der Kulisse 16 zugeordneten Stellung. Aus dieser Stellung heraus kann die Schaltwelle 12 nur durch Linearbewegung in Richtung P1 bewegt werden. Eine Drehbewegung in dieser Positionierung, beispielsweise in Richtung zum dritten Gang hin, ist bei eingelegtem ersten Gang nicht möglich, das jeweilige Bewegungsspiel der zusammenwirkenden Glieder bei eingelegtem Gang außer Acht gelassen. Dies bedeutet also, dass bereits durch die Ausgestaltung eines Getriebes dafür gesorgt ist, dass die Schaltwelle 12 bzw. der Vorsprung 14 sich lediglich in einem Bewegungsmuster bewegen können, welches den Linien 18 bzw. 22 der Kulisse 16 entspricht.

Zur Erlangung dieser Bewegung weist die Stelleinrichtung 10 einen ersten Stellantrieb 26 auf, welcher beispielsweise als Elektromotor ausgebildet ist. Dieser Elektromotor 26 treibt ein um eine Drehachse 28 drehbares Segmentzahnrad 30 an. An diesem Segmentzahnrad 30 ist zur Drehachse 28 exzentrisch ein Gelenkvorsprung 32 vorgesehen. An der Schaltwelle 12 ist ein weiterer Gelenkvorsprung 34 vorgesehen. Die beiden Gelenkvor­ sprünge 32, 34 sind durch eine Kopplungsstange 36 miteinander ver­ bunden, wobei in den beiden Endbereichen der Kopplungsstange 36 jeweilige Gelenkpfannen 38, 40 gebildet sind, die zusammen mit den Gelenkvorsprüngen 32, 34 dann kugelgelenkartige Verbindungen bereit­ stellen. Es sei hier darauf hingewiesen, dass auch jedwede andere gelenkige Verbindung der Kopplungsstange 36 mit der Schaltwelle 12 bzw. dem Segmentzahnrad 30 möglich ist.

Die Positionierung der Kopplungsstange 36 ist derart, dass sie - bezogen auf ihre Längsmittellinie - einen Winkel β zur Schaltwelle 12 bzw. deren Längsmittellinie L aufweist, welcher Winkel β von 90° verschieden ist. Ferner erkennt man, dass durch das Bereitstellen des Kopplungsvorsprungs 34 die Kopplungsstange 36 an der Schaltwelle 12 zu deren Längsmittellinie L exzentrisch angreift. Bei Erregung des ersten Stellantriebs 26 bzw. des Elektromotors 26 wird durch die dabei erzeugte Dreh- bzw. Schwenkbe­ wegung des Segmentzahnrads 30 auch die Kopplungsstange 36 bewegt, wobei diese dann ziehend oder drückend am Kopplungsvorsprung 34 angreift. Durch die angesprochene exzentrische Zusammenwirkung des Kopplungsvorsprungs 34 mit der Kopplungsstange 36 und durch das Bereitstellen des von 90° verschiedenen Winkels β wird bei Erregung des Stellantriebs 26 auf die Schaltwelle 12 eine Kraft ausgeübt, die bei Komponentenzerlegung sowohl eine in der Richtung P1, also parallel zur Längsmittellinie L der Schaltwelle 12 gerichtete Komponente aufweist, als auch eine in Umfangsrichtung - bezogen auf die Längsmittellinie L - gerichtete Komponente aufweist. Der erste Stellantrieb bzw. Elektromotor 26 hat also im Wesentlichen die Funktion, bei entsprechender Ansteuerung durch eine nicht dargestellte Ansteuervorrichtung auf die Schaftwelle 12 eine Kraft auszuüben, durch welche diese in ihren Lagern 42, 44 sowohl zur Rotation als auch zur Linearverschiebung angetrieben werden kann.

Die erfindungsgemäße Stelleinrichtung 10 weist ferner einen zweiten Stellantrieb 46 auf, der im dargestellten Beispiel ebenfalls als Elektromotor ausgebildet ist. Die als Schneckenrad ausgebildete Ausgangswelle 48 des Elektromotors 46 kämmt mit einem Zahnrad 50 und bildet zusammen mit diesem ein selbsthemmendes Getriebe 52. Das Zahnrad 50, welches auch segmentartig ausgebildet sein kann, ist mit einer Hülse 54 fest verbunden, welche Hülse 54 wiederum zur Schaltwelle 2 konzentrisch und diese umgebend angeordnet ist. Die Hülse 54 und das Zahnrad 50 sind um die Längsmittellinie L der Schaltwelle 12 drehbar, in Richtung dieser Längs­ mittellinie L jedoch nicht bewegbar gehalten.

In dem im Bereich der Hülse 54 liegenden Längenabschnitt weist die Schaltwelle 12 eine Führungsbahn 56 auf, welche in der Figur oberhalb der Schaltwelle 12 noch einmal verdeutlicht dargestellt ist. An der Innenober­ fläche der Hülse 54 ist ein Führungsvorsprung 58 vorgesehen, welcher in die Führungsbahn 56 eingreift. Dieser Führungsvorsprung 58 bildet in Zusammenwirkung mit der Führungsbahn 56 letztendlich eine Zwangs­ führungsanordnung 60, die durch entsprechende Erregung des Elektro­ motors 46 und über das selbsthemmende Getriebe 52 betätigbar ist, so dass, wie im Folgenden noch detailliert beschrieben, je nach Stellung der Zwangsführungsanordnung 60 bzw. der Hülse 54 verschiedene Bewe­ gungen der Schaltwelle 12 bei Erregung des Elektromotors 26 erzwungen werden.

Man erkennt, dass die Führungsbahn 56 grundsätzlich vier Eckpunkte 62, 64, 66, 68 aufweist. Ein Bahnabschnitt 70 verbindet die beiden Eckpunkte 62, 64, ein Bahnabschnitt 72 verbindet die Eckpunkte 64, 66 und ein Bahnabschnitt 74 verbindet die Eckpunkte 62, 68. Ein weiterer Bahn­ abschnitt 76 verbindet die Eckpunkte 68, 66. Man erkennt, dass die Bahnabschnitte 70, 72, 74 zwischen den jeweiligen Eckpunkten im Wesentlichen geradlinig verlaufen (die Krümmung der Oberfläche der Schaltwelle 12 außer Acht gelassen), wohingegen der Bahnabschnitt 76 abgewinkelt bzw. gekrümmt verläuft.

Je nach dem, welcher Schaltvorgang durchgeführt werden soll, wird durch entsprechende Ansteuerung des Elektromotors 46 und die dadurch induzierte Drehung der Hülse 54 um die Längsmittellinie L der Schaltwelle 12 entweder der Bahnabschnitt 70 oder der Bahnabschnitt 76 zum Erzwingen einer definierten Stellbewegung der Schaltwelle 12 ausgewählt. Es sei hierzu beispielsweise angenommen, dass zunächst im Getriebe der erste Gang eingelegt ist. Bei eingelegtem ersten Gang befindet sich die Schaltwelle 12 bzw. der Vorsprung 14 in der in der Kulisse 16 mit 24 bezeichneten Positionierung. Das heißt, die Schaltwelle 12 ist in diesem Zustand in der Darstellung der Fig. 1 im größtmöglichen Ausmaß in der Richtung P1 nach links verschoben. In diesem Zustand befindet sich der Führungsvorsprung 58 im Bahnabschnitt 72. Soll nun ein Schaltvorgang vom ersten Gang zum zweiten Gang vorgenommen werden, so wird zunächst durch Ansteuerung des Elektromotors 46 die Hülse 54 gedreht, und zwar derart, dass der Führungsvorsprung 58 im Eckpunkt 64 der Führungsbahn 56 zu liegen kommt. Ist diese Positionierung erreicht, wird die Ansteuerung des Elektromotors 46 beendet, und aufgrund der Selbst­ hemmungswirkung des Getriebes 52 ist dafür gesorgt, dass zunächst keine externen Kräfte zu einer Verdrehung der Hülse 54 und somit einer Verlagerung des Führungsvorsprungs 58 führen können. Nachfolgend wird dann der Elektromotor 26 angesteuert, so dass durch entsprechende Kraftübertragung vermittels der Kopplungsstange 36 nunmehr die Schalt­ welle 12 in der Darstellung nach rechts bewegt wird, so dass letztendlich eine der Schaltgasse 18 zugeordnete Verschiebebewegung der Schaltwelle 12 bzw. des Vorsprungs 14 erzwungen wird. Eine Drehbewegung wird zum einen durch die bereits angesprochene Wirkung der verschiedenen Getriebekomponenten und die dadurch erzeugte Kulisse 16 verhindert, und wird des Weiteren durch den im Bahnabschnitt 70 sich bewegenden Führungsvorsprung 58 verhindert. Dies ist insbesondere auch bei Erreichung der Neutralstellung 20 von Bedeutung, da in dieser Neutralstellung eine seitliche Ausweichbewegung, d. h. Drehung der Schaltwelle 12 durch die verschiedenen Getriebekomponenten grundsätzlich nicht verhindert wäre. Der Elektromotor 26 wird solange angesteuert, bis letztendlich der Führungsvorsprung 58 den Eckpunkt 62 erreicht hat und dabei auch der zweite Gang eingelegt worden ist. Aufgrund der selbsthemmenden Wirkung des Getriebes 52 könnte grundsätzlich insbesondere auch beim Durchlaufen der Neutralstellungen 20 keine externe Krafteinwirkung auf die Schaltwelle 12, insbesondere erzeugt durch das windeschiefe Angreifen der Kopplungs­ stange 36 an der Schaltwelle 12, zu einer ungewünschten Verdrehung der Hülse 54 und somit des Führungsvorsprungs 58 führen. Dies bedeutet, durch die selbsthemmende Wirkung des Getriebes 52 ist zunächst sichergestellt, dass die Zwangsführungsanordnung 60 dann, wenn sie einmal in eine bestimmte Zwangsführungsstellung gebracht worden ist, in dieser Stellung verbleibt und somit eine definierte Stellbewegung der Schaltwelle 12 auch dann erzwingt, wenn die aus der Getriebekonstruktion sich ergebende Kulisse 16 keine Führungsfunktion übernehmen kann.

Soll nun weiter vom zweiten in den dritten Gang geschaltet werden, so wird durch entsprechende Ansteuerung des Elektromotors 46 die Hülse 54 derart gedreht, dass der Führungsvorsprung 58 nunmehr in dem Eckpunkt 68 zu liegen kommt. Daraufhin kann durch Ansteuerung des Elektromotors 26 eine Kraft auf die Schaltwelle 12 ausgeübt werden, so dass diese zunächst derart bewegt wird, dass letztendlich eine Bewegung entlang der Schalt­ gasse 18 erhalten wird. Ist die Neutralstellung 20 erreicht, so wird durch den abgekrümmten Verlauf des Bahnabschnitts 76 nunmehr eine Linearver­ schiebung der Schaltwelle 12 verhindert und die durch den Stellantrieb 26 erzeugte Betätigungskraft, welche auch eine Komponente in Umfangs­ richtung aufweist, wird nunmehr in eine Drehbewegung der Schaltwelle 12 umgesetzt. Bei Erreichung der Neutralstellung 20 zwischen den Gängen 3 und 4 der Schaltkulisse 16 wird wiederum eine Umlenkung der Betätigungs­ kraft in derartiger Weise erzwungen, dass wieder eine Verschiebebewegung der Schaltwelle 12 erzwungen wird, so dass der Führungsvorsprung 58 sich zum Eckpunkt 66 hin bewegt. Bei Erreichen des Eckpunkts 66 ist dann auch der dritte Gang eingelegt. Beim Zurückschalten vom dritten in den zweiten Gang wird in umgekehrter Richtung der Bahnabschnitt 76 durchlaufen, so dass der Führungsvorsprung 58 sich vom Eckpunkt 66 zum Eckpunkt 68 bewegt. Soll vom dritten in den vierten Gang geschaltet werden, so wird zunächst durch erneute Ansteuerung des Elektromotors 46 die Hülse 54 wieder gedreht, so dass der Führungsvorsprung 58 sich vom Eckpunkt 66 entlang des Bahnabschnitts 72 zum Eckpunkt 64 bewegt. Eine darauf folgende Erregung des Elektromotors 26 führt dazu, dass der Führungsvor­ sprung 58 sich wieder entlang des Bahnabschnitts 70 bewegt, so dass hier wieder eine reine Linearbewegung erzwungen wird. Der Schaltvorgang vom vierten in den fünften Gang entspricht letztendlich dem Schaltvorgang vom zweiten in den dritten Gang. Soll beispielsweise vom zweiten in den vierten Gang oder vom ersten in den dritten oder in den fünften Gang geschaltet werden, so wird zunächst der Elektromotor 46 derart angetrieben, dass der Führungsvorsprung 58 im Bahnabschnitt 70 entweder im Eckpunkt 62 oder im Eckpunkt 64 liegt. Daraufhin wird durch Erregung des Elektromotors 26 die Schaltwelle 12 derart weit verschoben, dass der Führungsvorsprung 58 etwa in der Längenmitte des Bahnabschnitts 70 zu liegen kommt. Dies entspricht der Neutralstellung 20 in der Kulisse 16. Daraufhin wird dann bei nicht erregtem Elektromotor 26 der Elektromotor 46 zur Drehung ange­ trieben und durch die Hülse 54 und den Führungsvorsprung 58 die Schaltwelle 12 zur Drehung angetrieben. Je nach dem, ob in die nächste oder in die übernächste Schaltgasse gestellt werden soll, wird der Elektro­ motor 46 für ein vorbestimmtes Zeitintervall zur Erzeugung einer ent­ sprechend großen Drehbewegung angesteuert. Ist dann die gewünschte Schaltgasse erreicht, wird durch erneute Ansteuerung des Elektromotors 26 die Schaltwelle 12 durch Zusammenwirkung des Führungsvorsprungs 58 mit dem Bahnabschnitt 70 wieder linear verschoben, und zwar entweder derart, dass der Führungsvorsprung 58 sich dem Eckpunkt 62 oder dem Eckpunkt 64 annähert.

In der vorangehend beschriebenen Art und Weise lassen sich letztendlich alle im Muster der Kulisse 16 vorhandenen Gänge einlegen, insbesondere auch der Rückwärtsgang, wobei durch entsprechende Blockiermaßnahmen dafür gesorgt ist oder sein sollte, dass das Einlegen des Rückwärtsgangs nur dann möglich ist, wenn zuvor der erste Gang eingelegt war.

Es sei darauf hingewiesen, dass an der dargestellten Ausgestaltung der Stelleinrichtung 10 selbstverständlich verschiedene Variationen vor­ genommen werden können. So kann beispielsweise die Abfolge der Gänge in der Schaltkulisse 16 anders sein und es kann die Konfiguration der Führungsbahn 56, insbesondere auch die Ausgestaltung des gekrümmt verlaufenden Bahnabschnitts 76 anders sein, beispielsweise mit ge­ schwungenem Profil.

Ferner kann selbstverständlich auch die Linearbewegung zur Gassenwahl und die Drehbewegung zum Aus- bzw. Einlegen eines Ganges genutzt werden.

Die Stelleinrichtung 10, wie sie vorangehend beschrieben wurde, kann beispielsweise Anwendung finden bei Antriebssystemen, bei welchen auch eine in der Figur schematisch dargestellt und allgemein mit 100 bezeichnete Kupplungsanordnung automatisiert betrieben wird. Diese Kupplungsanord­ nung 100 dient zur Herstellung einer Drehmomentübertragungsverbindung zwischen einer Kurbelwelle 102 eines Antriebsaggregats und einer Getriebeeingangswelle 104. Mit der Kurbelwelle 102 kann ein Schwungrad 106 drehfest verbunden sein, und an diesem Schwungrad 106 ist ein mit 108 bezeichnetes Gehäuse der Kupplungsanordnung vorgesehen. In diesem Gehäuse liegt eine mit der Getriebeeingangswelle 104 drehfest gekoppelte Kupplungsscheibe. Eine Anpressplatte 112 ist vermittels eines Kraft­ speichers 114 gegen die Kupplungsscheibe 110 pressbar, so dass im eingekuppelten Zustand die Kupplungsscheibe 110 zwischen der Anpress­ platte 112 und dem Schwungrad 106 festgeklemmt ist. Dieser Kupplungs­ anordnung 100 ist ferner eine Ausrückeranordnung 116 zugeordnet, welche über ein schematisch dargestelltes Stellglied 118 zur Durchführung von Aus- und Einrückvorgängen betrieben werden kann. Das Stellglied bzw. Stelleinrichtung 118 umfasst vorzugsweise wiederum einen elektromoto­ rischen Antrieb 119.

Den verschiedenen vorangehend angesprochenen elektromotorischen Antrieben, welche im allgemeinen als Gleichstrom-Elektromotoren ausgebil­ det sind, sind jeweils Drehzahlsensoren 80, 82, 120 zugeordnet. Diese können als Inkrementgeber ausgebildet sein, so dass dann durch Abzählen der einzelnen Inkremente bzw. Impulse auf die Drehzahl der verschiedenen Antriebe geschlossen werden kann. Wie durch Pfeile P_E angedeutet, geben diese Drehzahlsensoren 80, 82, 120 ihre Erfassungssignale in eine allgemein mit 84 bezeichnete Ansteuervorrichtung ein. Beruhend unter anderem auf diesen Drehzahlsignalen und selbstverständlich auch weiteren den Betrieb eines Gesamtsystems charakterisierenden und beispielsweise Auskuppelvor­ gänge oder Schaltvorgänge anfordernden Signalen gibt die Ansteuervor­ richtung 84, wie durch Pfeile P_A angedeutet, entsprechende Signale an die verschiedenen Antriebe ab, beispielsweise auch in Form einer an die jeweiligen Antriebe angelegten Spannung. Je nach dem, wie schnell oder wie weit ein derartiger Antrieb betrieben werden soll, kann die Dauer der angelegten Spannung bzw. die Höhe der Spannung bzw. die Impulsbreite bei pulsbreitenmodulierter Spannung variiert werden.

Da derartige Stelleinrichtungen, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, im allgemeinen im Bereich des Antriebsaggregats positioniert sind, ist grundsätzlich davon auszugehen, dass sie in einer Umgebung erhöhter Temperatur arbeiten. Auch beim Betrieb bzw. Erregen der verschiedenen Antriebe durch Anlegen einer Spannung an diese wird elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt, so dass insbesondere dann, wenn das Gesamtsystem bei hohen Außentemperaturen und beispielsweise hoher Belastung betrieben wird, auch im Bereich der verschiedenen Antriebe der Stelleinrichtung bzw. Stelleinrichtungen die Gefahr einer Überlastung durch Überhitzung erzeugt wird.

Die vorliegende Erfindung sieht Maßnahmen vor, mit welchen zunächst erkannt werden kann, ob ein derartiger Antrieb in einem Zustand betrieben wird, welcher grundsätzlich als Überlastungszustand zu betrachten ist, und sieht des Weiteren Maßnahmen vor, die dann, wenn auf Vorliegen eines derartigen Überlastungszustands geschlossen wird, eine Entlastung bieten können.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zumindest für einen der Antriebe, vorzugsweise jedoch für jeden der Antriebe, beruhend auf der Ausgabe des jeweils zugeordneten Drehzahlsensors für ein vorbestimmtes Zeitintervall, beispielsweise ein Zeitintervall im Bereich von 10 ms, eine gemittelte Drehzahl bestimmt. Dies kann beispielsweise in der Ansteuervorrichtung 84 erfolgen. Ebenso wird für ein vorbestimmtes Zeitintervall, beispielsweise das gleiche 10 ms-Zeitintervall, die gemittelte Spannung ermittelt, welche an den jeweiligen Antrieb angelegt worden ist. Für den beobachteten Antrieb ist nun ein Parameterpaar, umfassend eine gemittelte Drehzahl und umfassend eine gemittelte angelegte Spannung für ein bestimmtes vergleichsweise kurzes Zeitintervall bekannt.

Derartige Gleichstromelektromotoren weisen im allgemeinen einen definierten Zusammenhang zwischen der angelegten Spannung, der Drehzahl und dem dann in dem Motor bzw. den Motorwicklungen fließenden elektrischen Strom auf. Ein derartiger Zusammenhjang ist beispielsweise in Fig. 2 dargestellt. Man erkennt, dass für eine vorgegebene Drehzahl mit zunehmender Spannung auch der fließende Strom zunimmt. Des Weiteren erkennt man, dass für einen vorbestimmten Spannungswert mit zunehmen­ der Drehzahl der Stromfluss abnimmt. In der Darstellung der Fig. 2 repräsentiert die oberste Kurve den bei einer Drehzahl von 0 Umdrehungen pro Minute vorhandenen Zusammenhang zwischen der angelegten Spannung und dem fließenden Strom, und die darauf nach unten hin folgenden Kurven stellen einen sukzessiven Anstieg der Drehzahl dar. Der Grund für die mit zunehmender Drehzahl bei gleicher Spannung abnehmende Stromstärke ist die im Elektromotor selbst auftretende Gegeninduktion.

Ist nun einmal das Wertepaar angelegte Spannung und Drehzahl eines derartigen elektromotorischen Antriebs bekannt, so kann aus dem in der Fig. 2 dargestellten Zusammenhang zwischen der angelegten Spannung, der Drehzahl und dem fließenden Strom für einen derartigen Antrieb der während des betrachteten Intervalls, über welches sowohl die Drehzahl als auch die Spannung gemittelt worden ist, fließende Strom ermittelt werden, ohne hierfür einen separaten Stromsensor zu benötigen.

Der in Fig. 2 dargestellte Zusammenhang kann beispielsweise für einen bestimmten Antrieb oder einen bestimmten Typ eines Antriebs im Vorfeld bereits im Labor ermittelt werden und dann in der Ansteuervorrichtung 84 in einem Speicher z. B. nach Art eines Kennfeldes abgelegt werden, so dass während der Überwachung des Antriebs durch die Ansteuervorrichtung 84 nach Ermittlung des angesprochenen Wertepaares aus Drehzahl und angelegter Spannung durch Zugriff auf einen derartigen Zusammenhang sofort ein jeweiliger Stromwert ermittelt werden kann.

Bei derartigen Stelleinrichtungen mit ihren verschiedenen Antrieben ist es weiterhin bekannt bzw. kann im Laborversuch oder durch theoretische Berechnungsmethoden ermittelt werden, wie ein im Antrieb fließender elektrischer Strom über eine bestimmte Zeitdauer hinweg zur Erwärmung beiträgt, d. h. in welchem Ausmaß die dem elektromotorischen Antrieb zugeführte elektrische Energie in Wärmeenergie umgesetzt wird. In entsprechender Art und Weise kann für ein bestimmtes Antriebssystem an sich mit dem vorhandenen Umfeld, welches beispielsweise das Antriebs­ aggregat, das Getriebe usw. umfasst, ermittelt werden, in welchem Ausmaß Wärmeenergie von dem elektromotorischen Antrieb abgegeben wird, beispielsweise durch Wärmeabstrahlung oder Wärmekonvektion. Es besteht also für jeden Zeitpunkt oder jedes Zeitintervall eine Gesamtgröße der Erwärmung oder Abkühlung eines derartigen Antriebs, welche sich zusammensetzt aus der in diesem Zeitintervall zugeführten Wärme sowie der in diesem Zeitintervall abgeführten Wärme. Die zugeführte Wärme wird in erster Linie abhängen von der Größe des im Antrieb fließenden Stroms, die abgeführte Wärme wird in erster Linie abhängen von der Temperatur­ differenz zwischen dem Antrieb und der Umgebung sowie von den konstruktiven Gegebenheiten. Diese Parameter lassen sich beispielsweise im Laborversuch für ein bestimmtes Antriebssystem ermitteln, so dass beispielsweise für einen bestimmten elektromotorischen Antrieb in einem bestimmten Gesamtantriebssystem ermittelt werden kann, dass bei einem bestimmten im elektromotorischen Antrieb fließenden elektrischen Strom und ggf. bei vorbestimmter Umgebungstemperatur bzw. Temperatur des elektromotorischen Antriebs selbst Wärmeenergie in einem bestimmten Ausmaß zugeführt bzw. in einem bestimmten Ausmaß abgeführt wird und sich somit eine bestimmte Temperatur des elektromotorischen Antriebs einstellen wird. Dies bedeutet letztendlich, dass beruhend auf den im Laborversuch oder in theoretischer Simulation zuvor ermittelten Parametern und beruhend auf dem im tatsächlichen Betrieb ermittelten elektrischen Strom eine Größe berechnet werden kann, die mit der Temperatur des elektromotorischen Antriebs in klarem Zusammenhang steht bzw. diese Temperatur selbst wiedergibt. Dabei kann beispielsweise auch derart vorgegangen werden, dass die Wärmeentwicklung in der Vergangenheit derart berücksichtigt wird, dass die anhand in der Vergangenheit ermittelter Stromwerte ebenfalls ermittelten Werte der Wärmeenergiezufuhr bzw. der Wärmeenergieabfuhr mit zur Vergangenheit hin geringerer Gewichtung berücksichtigt werden, wenn für einen bestimmten Zeitpunkt die mit der Temperatur in eindeutigem Zusammenhang stehende Größe ermittelt werden soll.

Im Folgenden wird diese erfindungsgemäße Vorgehensweise in Verbindung mit der Fig. 3 erläutert.

In der Fig. 3 bezeichnen Zeitpunkte t₁, t₂, . . . t₈ jeweilige Zeitpunkte, zu welchen die Temperatur des elektromotorischen Antriebs bzw. die damit in Verbindung stehende Größe ermittelt wird. Es werden beispielsweise also zum Zeitpunkt t₁ beruhend auf dem Intervall I vor diesem Zeitpunkt t₁, das eine Invervalllänge von 10 ms aufweisen kann, der mittlere Wert der Drehzahl, sowie der mittlere Wert der angelegten Spannung ermittelt, so dass für den Zeitpunkt t₁ letztendlich unter Berücksichtigung des Intervalls I vor t₁ so wie vorangehend beschrieben der Motorstrom bestimmt werden kann. Entsprechendes trifft für die Zeitpunkte t₂, t₃ usw. zu. Zu jedem dieser Zeitpunkte kann beispielsweise dann auch eine größere Anzahl der in der Vergangenheitermittelten Stromwerte bzw. zugeordneten Temperaturwerte berücksichtigt werden, um zum jeweiligen Zeitpunkt auf die vorherrschende Temperatur schließen zu können. Beispielsweise kann also zum Zeitpunkt t₄, um dort die Temperatur bzw. die dort in eindeutiger Weise damit verkoppelte Größe zu ermitteln, jeweils auch der Temperatur- oder Stromwert der Zeitpunkte t₃, t₂, t₁ usw. berücksichtigt werden, wobei weiter zurückliegende Erfassungswerte mit immer geringerer Gewichtung beitragen werden.

Durch die periodische Ermittlung der Temperatur wird letztendlich eine einhüllende Kurve K abschnittsweise oder punktweise erhalten, und die einzelnen Erfassungswerte bzw. Ermittlungswerte zu den verschiedenen Zeitpunkten werden mit verschiedenen Schwellenwerten verglichen. So wird beispielsweise angenommen, dass bis zum Zeitpunkt t₃ die Temperatur noch so gering war, dass ein unbeeinträchtigter Betrieb des überwachten elektromotorischen Antriebs vorausgesetzt werden kann. Auch zum Zeitpunkt t₄ sei angenommen, dass die Temperatur noch unkritisch ist und keine übermäßige Belastung des Antriebs bedeutet. Der im Zeitpunkt t₅ ermittelte Wert der Temperatur liegt jedoch über einer ersten Schwelle S1. Dieses Vergleichsergebnis zeigt also an, dass nunmehr ein derartiger Belastungszustand des elektromotorischen Antriebs vorliegt, dass ein einwandfreies und fehlerfreies Funktionieren desselben nicht mehr gewährleistet werden kann. Wird erkannt, dass eine derartige erste Schwelle S1 überschritten worden ist, so können Sicherungsmaßnahmen ergriffen werden. Diese können beispielsweise darin liegen, dass der elektromotorische Antrieb, der in Überwachung gehalten ist, vollständig abgeschaltet wird und eine weitere Erregung desselben nicht zugelassen ist. Dies ist jedoch häufig bedingt durch den Einsatzzweck nicht akzeptierbar, beispielsweise bei Kupplungen oder Schaltgetrieben. Hier kann zur Entlastung eines derartigen Antriebs auch dazu übergegangen werden, die Anzahl der Schaltvorgänge auf ein mindest erforderliches Maß zu redu­ zieren, d. h. beispielsweise die Schaltkennlinien derart zu verschieben, dass im normalen Fahrbereich nur noch eine geringe Anzahl an Schaltvorgängen, welche dann selbstverständlich eine ebenso geringe Anzahl an Kuppelvor­ gängen bedeutet, vorgesehen ist. Durch diese geringere Belastung des elektromotorischen Antriebs und die damit einhergehende geringere Wärmeenergiezufuhr bzw. -erzeugung in diesem, wird eine Abkühlung stattfinden, mit der Folge, dass zunächst die Schwelle S1 wieder unter­ schritten wird und dann auch eine zweite Schwelle S2 unterschritten wird. Die zweite Schwelle S2 entspricht einem geringeren Belastungs- oder Temperaturwert und hat letztendlich die Funktion, zu häufige Umschaltvor­ gänge zwischen einem überlasteten und einem normalen Betriebszustand zu vermeiden, d. h. eine Hysterese im Entscheidungsvorgang bereitzustellen. Zum Zeitpunkt t₇ wird also erkannt werden, dass die zweite Schwelle S2 nunmehr unterschritten worden ist. Das Antriebssystem bzw. der elektro­ motorische Antrieb, dessen Betrieb vorher als kritisch beurteilt worden ist, kann nunmehr wieder in einen normalen Betriebszustand gebracht werden.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht in einfacher Art und Weise durch Miteinbeziehung von Parametern, die in derartigen Systemen ohnehin vorliegen oder in einfacher Weise ermittelt werden können, unter Berück­ sichtigung der physikalischen Gegebenheiten im Umfeld, d. h. insbesondere auch des Wärmeabgabevermögens, die Ermittlung einer Größe, die der Temperatur eines derartigen Antriebs entspricht bzw. mit dieser in eindeutigem Zusammenhang steht, so dass letztendlich in eindeutiger Weise auch auf den Belastungszustand des überwachten elektromotorischen Antriebs geschlossen werden kann. Zusätzliche Maßnahmen, wie z. B. das Bereitstellen eines Temperatursensors oder das Bereitstellen eines Strom­ sensors sind nicht erforderlich.

Es sei noch einmal darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Vorgehensweise selbstverständlich in jedwedem Einsatzbereich elektro­ motorischer Antriebe Einsatz finden kann, bei welchen insbesondere die im Bereich des Antriebs vorhandene Temperatur ein kritischer Parameter ist.

Claims (11)

1. Verfahren zum Ermitteln eines Belastungszustandes eines elektro­ motorischen Antriebs (26, 46, 119) einer Stelleinrichtung, ins­ besondere Getriebestelleinrichtung oder Kupplungsstelleinrichtung, umfassend die Schritte:

• a) Ermitteln einer Drehzahl des Antriebs (26, 46, 119),
• b) Ermitteln einer an den Antrieb (26, 46, 119) angelegten Spannung,
• c) beruhend auf der im Schritt a) ermittelten Drehzahl, der im Schritt b) ermittelten Spannung und einem die Abhängigkeit eines in dem Antrieb (26, 46, 119) fließenden Stroms von der Drehzahl des Antriebs (26, 46, 119) und von der an den Antrieb (26, 46, 119) angelegten Spannung wiedergebenden Strom-Drehzahl-Spannung-Zusammenhang, Ermitteln des in dem Antrieb (26, 46, 119) fließenden Stroms,
• d) beruhend auf dem ermittelten Strom, Ermitteln eines den Belastungszustand repräsentierenden Belastungswertes.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt a) als Drehzahl des Antriebs (26, 46, 119) ein über ein vorbestimmtes erstes Zeitintervall (I) gemittelter Wert der Drehzahl des Antriebs (26, 46, 119) ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) als an den Antrieb (26, 46, 119) angelegte Spannung eine über ein vorbestimmtes zweites Zeitintervall (I) gemittelte an den Antrieb (26, 46, 119) angelegte Spannung ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zeitintervall (I) dem zweiten Zeitintervall entspricht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zeitintervall (I) oder/und das zweite Zeitintervall (I) im Bereich von 5 ms bis 15 ms, vorzugsweise bei ca. 10 ms liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom-Drehzahl-Spannung- Zusammenhang vor dem Integrieren einer den Antrieb (26, 46, 119) enthaltenden Stelleinrichtung in ein Antriebssystem für einen bestimmten Antrieb oder einen bestimmten Typ eines Antriebs ermittelt wird und in einer Ansteuervorrichtung (84) für die Stell­ einrichtung zum Zugriff abgespeichert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der im Schritt d) ermittelte Belastungs­ wert die Temperatur des Antriebs (26, 46, 119) oder im Bereich des Antriebs (26, 46, 119) repräsentiert.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Belastungswertes eine mit einem Wärmeenergieeintrag in Zusammenhang stehende Größe beruhend auf in der Vergangenheit ermittelten Stromwerten bestimmt wird und eine mit einer Wärmeenergieabgabe in Zusammen­ hang stehende Größe bestimmt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn der Belastungswert eine vorbestimmte erste Schwelle (S1) überschreitet, auf Vorliegen eines Überlastungszustandes des Antriebs (26, 46, 119) entschieden wird und vorzugsweise der Antrieb (26, 46, 119) in einer die Belastung mindernden Weise betrieben wird oder ein weiterer Betrieb des Antriebs (26, 46, 119) unterbunden wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn nach Überschreiten der ersten Schwelle (S1) der Belastungswert eine vorbestimmte zweite Schwelle (S2), welche einer geringeren Belastung entspricht als die erste Schwelle (S1), unterschreitet, ein normaler Betrieb des Antriebs (26, 46, 119) zugelassen wird.

11. Stellsystem, insbesondere für eine automatisierte Kupplung oder ein automatisiertes Getriebe, umfassend:
wenigstens einen elektromotorischen Antrieb (26, 46, 119),
eine dem wenigstens einen Antrieb (26, 46, 119) zugeordnete Drehzahlermittlungsanordnung (80, 82, 120, 84),
eine Ansteuervorrichtung (84) zum Anlegen einer vorgege­ benen Spannung an den wenigstens einen Antrieb (26, 46, 119),
eine Anordnung (84) zum Ermitteln eines in dem wenigstens einen Antrieb (26, 46, 119) fließenden Stroms beruhend auf der Drehzahl und der an den wenigstens einen Antrieb (26, 46, 119) angelegten Spannung,
eine Anordnung (84) zum Ermitteln eines Belastungszustandes des wenigstens einen Antriebs (26, 46, 119) beruhend auf dem wenigstens einen ermittelten Strom.