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WO2011076487A1 - Verfahren und vorrichtung zum einkuppeln einer klauenkupplung zum antrieb einer achse eines kraftfahrzeuges - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum einkuppeln einer klauenkupplung zum antrieb einer achse eines kraftfahrzeuges Download PDF

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WO2011076487A1
WO2011076487A1 PCT/EP2010/067599 EP2010067599W WO2011076487A1 WO 2011076487 A1 WO2011076487 A1 WO 2011076487A1 EP 2010067599 W EP2010067599 W EP 2010067599W WO 2011076487 A1 WO2011076487 A1 WO 2011076487A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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speed
electric machine
dog clutch
rotational speed
electric motor
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2010/067599
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Spoerhase
Markus Peter
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Ceased legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a method for engaging a dog clutch for driving an axle of a motor vehicle, wherein the dog clutch transmits a force between an electric machine and a wheel-carrying axle of the motor vehicle, wherein for engaging an approximately constant speed difference band from a synchronization speed of the electric machine and a Speed of the axle is formed and a device for carrying out the method.
  • jaw clutches For the transmission of rotational movements or torques so-called jaw clutches are used in motor vehicles.
  • the two coupling elements of the dog clutch in this case have teeth which are arranged at predetermined intervals from each other.
  • a first coupling element is connected to the electric drive and the second coupling element with the driven axis of the motor vehicle.
  • To close the dog clutch in a moving vehicle it is necessary to set a differential speed between the two coupling elements, so that the teeth of the two coupling elements engage. That the teeth of one coupling element engage in the spaces between the teeth of the other coupling element and vice versa. This is ensured if the two coupling elements to each other have a differential speed.
  • the electric drive is controlled by a control unit so that a nearly constant speed difference band between the electric drive and the axis to be driven Vehicle results.
  • the axis is at a standstill or rotates only at a very low speed, it is difficult to set a designed as an electric machine drive to the necessary differential speed band, which is between 20 to 40 revolutions per minute. Below a speed of 300 revolutions per minute, the electric machine can no longer be controlled precisely enough to set such a small speed difference as required by the differential speed range.
  • the inventive method for engaging a dog clutch for driving an axle of a motor vehicle having the features of claim 1 has the advantage that at low speeds or the stoppage of the driven axle the necessary for the clutch differential speed band can be reached exactly. Characterized in that the electric machine is accelerated beyond the synchronization speed and then the speed of the electric machine is withdrawn, wherein the dog clutch is engaged when the reduced rotational speed of the electrical machine has reached the differential speed band, can on a control of the electric machine at Speeds below 300 revolutions per minute are dispensed with. There is only a control of the electric machine and a monitoring of the speed behavior of the electric machine after the control. These steps are easy to perform and do not require additional hardware overhead.
  • the synchronization speed is determined from the vehicle speed.
  • the speed of synchronization is understood to mean the speed which the electric machine must at least reach in order to come within the range of the rotational speed of the wheels of the motor vehicle, which is necessary in order to initiate a coupling process at all. It is assumed that the required differential speed range of 20 to 40 revolutions per minute is added to the synchronization speed or subtracted from this. When the speed of rotation of the electric machine approaches, the speed approaches that above the syn- rungsfraciere lying differential speed band, this speed is still above the synchronization speed.
  • the speed of the electric machine is taken back by the electric machine is switched to a generator mode.
  • the electric machine is braked and can roll out. That is, the speed of the electric machine decreases.
  • the mechanical energy of the electric machine is converted into electrical energy with which a high-voltage battery is charged, which supplies it with energy in the active state of the electric machine.
  • the speed of the electric machine is withdrawn by switching off the control of the electric machine. This only causes the electric machine to roll out, where its speed is reduced by the mass inertia of the electric machine. If the speed of the electric machine has fallen within the range of the differential speed band, a command for engaging the dog clutch is issued.
  • a torque control of the electric machine requires a torque of 0 Nm. In such an embodiment remains the
  • Torque control of the electric machine is active and is set only to such a target torque, which reliably causes the speed of the electric machine is reduced to reach the differential speed band of 20 to 40 revolutions per minute between the electric machine and the vehicle axle.
  • the electric machine is accelerated from standstill. Since the electric machine from standstill can reach a maximum torque very quickly, the required synchronization speed or a speed above this synchronization speed is reached in a very short period of time, so that the coupling process can be initiated at short notice.
  • the vehicle is during Einkuppeins at a standstill.
  • the proposed method can thus also be used simply to engage the dog clutch in order to drive the vehicle.
  • a force is transmitted by the electric machine to the stationary vehicle axle, whereby the motor vehicle is put into a driving movement.
  • the axle of the vehicle during the engagement one
  • a further development of the invention relates to a device for engaging a dog clutch for driving an axle of a motor vehicle, wherein the dog clutch transmits a force between an electric machine and an axle supporting the wheels of the motor vehicle, wherein for engaging peln an approximately constant speed difference band from a Synchronisie - Speed of the electrical machine and a speed of the axis is formed.
  • a Synchronisie - Speed of the electrical machine and a speed of the axis is formed.
  • means are provided which accelerate the electric machine beyond the synchronization speed and then retract the speed of the electric machine, whereby the dog clutch is engaged, when the withdrawn speed of the electric machine reaches the differential speed band.
  • a control unit is connected to the electric machine and a speed sensor, wherein the control unit, the electric machine in
  • Figure 1 Schematic representation of a hybrid vehicle with an electrically driven axle
  • Figure 2 a schematic flow diagram for the engagement of the
  • FIG. 4 Schematic representation of an adaptive torque control of the electric machine
  • FIG. 1 shows a hybrid vehicle which has a hybrid drive consisting of an internal combustion engine 1 and an electric motor 2.
  • the internal combustion engine 1 and the electric motor 2 thereby drive different axes of the hybrid vehicle.
  • the internal combustion engine 1 is connected via a first transmission 3 to the front axle 4 of the hybrid vehicle, on which two drive wheels 5, 6 are arranged.
  • An engine control unit 7 generates the control signals for the internal combustion engine 1.
  • the electric motor 2 drives the rear axle 8 of the hybrid vehicle, which carries two further drive wheels 9 and 10.
  • the electric motor 2 forms with a dog clutch 1 1 and a second gear 12, a structural unit 13.
  • Transmission 12 leads to and is connected to the rear axle 8 of the hybrid vehicle.
  • the electric motor 2, the dog clutch 1 1 and the transmission 12 are located for cooling in a common oil pan.
  • the dog clutch 1 1 is a special design of a clutch. Both coupling elements 1 1 a, 1 1 b of the dog clutch 1 1 point Teeth on, the predetermined distances from each other. To close the jaw clutch 1 1, the teeth of a coupling element 1 1 a engage in the gaps of the other coupling element 1 1 b, whereby a firm engagement is formed and a good power transmission is ensured.
  • the first coupling element 1 1 a of the dog clutch 1 1 is connected to the electric motor 2, while the second coupling element 1 1 b is linked to the transmission 12.
  • the electric motor 2 is further connected to a power output stage 14 in the form of a pulse inverter, which generates the current for the operation of the electric motor 2.
  • the power output stage 14 is connected to a high-voltage battery 15, which provides an electrical voltage of approximately 230 V for the operation of the electric motor 2.
  • the electric motor 2 is formed in the present embodiment as a permanently excited synchronous machine.
  • the electric motor 2 is connected to an electric motor control unit 16 which leads to a speed sensor 17, which is arranged on the wheel 10 of the vehicle and thus measures the speed from which the driving speed of the motor vehicle is determined.
  • a further, connected to the control unit 16 speed sensor 19 is arranged on the shaft 18 of the electric motor 2, which detects the rotational speed of the electric motor 2.
  • the torque control target torque is set to a value of 0 Nm (block 105). This means that the electric motor 2 is no longer regulated. By friction losses and inertia effects occurring, the electric motor 2 is decelerated accordingly. After a predetermined time, it is checked in block 106 whether the rotational speed n E of the electric motor 2 has decayed so far that it has reached the rotational speed difference band ⁇ , which adjoins the rotational speed of the wheel 10 converted into an electric motor rotational speed n A. If this is not the case, the system returns to block 105, where, in the absence of torque control, the
  • FIG. Diagram 3a shows the behavior of the torque M of the electric motor 2 over time t. To overcome the breakaway torque of the electric motor 2 is driven so that it generates an electrical torque M, wherein the torque M starting from 0 increases linearly.
  • the control of the torque is set to 0 Nm.
  • the electric motor 2 keeps constant the torque M due to its inherent energy before, due to the inertia and frictional forces, the torque M linearly decreases approximately to 0, which occurs at a time point T2.
  • the speed n E of the electric motor 2 follows the torque M, as can be seen from the diagram 3b. However, the fall in the rotational speed n E is not linear, but asymptotic, so that the electric motor 2 at time T2 still has a measurable speed. If this measured at the time T2 speed in the differential speed range, so at this time T2, the dog clutch 1 1 from the open to the closed
  • a vibration-resistant as possible behavior is set to a shaft 18 of the electric motor 2, since at high torsional vibrations of the engagement operation can not be performed.
  • no torque control is performed, but the torque controlled to compensate for the friction torque speed dependent. This results in a smooth progression of the speed, since no vibrations can be enhanced by a torque or speed control.
  • the friction of the electric motor 2 is additionally compensated by the electric motor 2 via a friction characteristic which is dependent on the rotational speed in the control unit 16. This means that the electric torque of the electric motor 2 is not equal to 0, but minimizes the mechanical torque on the shaft 18 of the electric motor 2 by providing an additional torque to compensate for the friction. Ideally, the mechanical moment goes to zero. In this case, no torque control is performed, but controlled the torque to compensate for the friction torque speed dependent.
  • the stored in the control unit 16 electric motor-specific friction characteristic is dependent on the temperature of the environment. Since the electric motor 2 is oil-cooled and is arranged with the dog clutch 1 1 and the transmission 12 in a transmission housing 13, in addition to the temperature, the viscosity of the oily medium affects the friction characteristic.
  • FIG. 4 shows a corresponding method.
  • tO is required that the jaw clutch 1 1 is to be engaged.
  • the course of the speed in this state is determined by a mathematical function n math (t, n 0 ) over time with an initial condition of the starting speed n 0 , which is stored in the control unit 16 (block 200).
  • This mathematically determined speed curve n math (t, n 0 ) is compared in point 201 continuously with the measured actual speed n E of the electric motor 2, wherein a Difference between the measured actual speed n E of the electric motor 2 and the mathematically modeled speed n math (t, n 0 ) is formed.
  • an adaptation factor f (An D ) is determined in block 202.
  • a torque correction TrqFrc is output as a friction torque.
  • This torque correction TrqFrc is based on a torque interface
  • TrqEMdesCalc the torque TrqEMdesCalc of the electric motor 2 to be controlled.
  • TrqDesMech The requested mechanical torque TrqDesMech is also set to zero at this time.
  • this newly determined and adapted characteristic is stored in the control unit 16 and used in the next request. This requirement is when a new command for engaging the dog clutch 1 1 is issued.
  • the stored friction characteristic curve is retrieved according to the method described and checked in dependence on the current speed n E of the electric motor 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einkuppeln einer Klauenkupplung zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges, wobei die Klauenkupplung (11) eine Kraft zwischen einer elektrischen Maschine (2) und der, Räder (9, 10) tragenden Achse (8) des Kraftfahrzeuges überträgt, wobei zum Einkuppeln ein annähernd konstantes Drehzahldifferenzband (Δn) aus einer Synchronisierungsdrehlzahl (ns) der elektrischen Maschine (2) und einer Drehzahl (nA) der Achse (8) gebildet wird. Um bei kleinen Drehzahlen oder dem Stillstand der anzutreibenden Achse das für die Einkupplung notwendige Differenzdrehzahlband genau zu erreichen, wird die elektrische Maschine (2) über die Synchronisierungsdrehzahl (ns) hinaus beschleunigt und anschließend die Drehzahl (nE) der elektrischen Maschine (2) zurückgenommen, wobei die Klauenkupplung (11) eingekuppelt wird, wenn die zurückgenommene Drehzahl (nE) der elektrischen Maschine (2) das Differenzdrehzahlband (Δn) erreicht.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Einkuppeln einer Klauenkupplung zum Antrieb einer Achse eines Kraftfahrzeuges
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einkuppeln einer Klauenkupplung zum Antrieb einer Achse eines Kraftfahrzeuges, wobei die Klauenkupplung eine Kraft zwischen einer elektrischen Maschine und einer, Räder tragenden Achse des Kraftfahrzeuges überträgt, wobei zum Einkuppeln ein annähernd konstantes Drehzahldifferenzband aus einer Synchronisierungsdrehzahl der elektrischen Maschine und einer Drehzahl der Achse gebildet wird und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Übertragung von Drehbewegungen bzw. Drehmomenten werden in Kraftfahrzeugen sogenannte Klauenkupplungen eingesetzt. Die beiden Kupplungselemente der Klauenkupplung weisen dabei Zähne auf, welche in vorgegebenen Abständen von einander angeordnet sind. Ein erstes Kupplungselement ist dabei mit dem elektrischen Antrieb und das zweite Kupplungselement mit der anzutreibenden Achse des Kraftfahrzeuges verbunden. Um die Klauenkupplung bei einem bewegten Fahrzeug zu schließen, ist es notwendig, eine Differenzdrehzahl zwischen den beiden Kupplungselementen einzustellen, damit die Zähne der beiden Kupplungselemente ineinandergreifen. D.h. die Zähne des einen Kupplungselementes greifen in die Zwischenräume zwischen den Zähnen des anderen Kupplungselementes und anders herum. Dies wird gewährleistet, wenn die beiden Kupplungselemente zueinander eine Differenzdrehzahl aufweisen.
Um die Klauenkupplung einzukuppeln, wird der elektrische Antrieb von einem Steuergerät so angesteuert, dass sich ein nahezu konstantes Differenzdrehzahlband zwischen dem elektrischen Antrieb und der anzutreibenden Achse des Fahrzeuges ergibt. Befindet sich die Achse im Stillstand oder dreht sich nur mit einer sehr geringen Drehzahl, ist es schwierig, einen als elektrische Maschine ausgebildeten Antrieb auf das notwendige Differenzdrehzahlband einzustellen, welches zwischen 20 bis 40 Umdrehungen pro Minute liegt. Unterhalb einer Drehzahl von 300 Umdrehungen pro Minute ist die elektrische Maschine nicht mehr genau genug regelbar, um eine solche geringe Drehzahldifferenz, wie es das Differenzdrehzahlband fordert, einzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Einkuppeln einer Klauenkupplung zum Antrieb einer Achse eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass bei kleinen Drehzahlen oder dem Stillstand der anzu- treibenden Achse das für die Einkupplung notwendige Differenzdrehzahlband genau erreicht werden kann. Dadurch, dass die elektrische Maschine über die Synchronisierungsdrehzahl hinaus beschleunigt wird und anschließend die Drehzahl der elektrische Maschine zurückgenommen wird, wobei die Klauenkupplung eingekuppelt wird, wenn die zurückgenommene Drehzahl der elektrischen Ma- schine das Differenzdrehzahlband erreicht hat, kann auf eine Regelung der elektrischen Maschine bei Drehzahlen unter 300 Umdrehungen pro Minute verzichtet werden. Es erfolgt lediglich eine Ansteuerung der elektrischen Maschine und eine Überwachung des Drehzahlverhaltens der elektrischen Maschine nach der Ansteuerung. Diese Schritte können einfach ausgeführt werden und benötigen keinen zusätzlichen hardwaremäßigen Aufwand.
Vorteilhafterweise wird die Synchronisierungsdrehzahl aus der Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt. Unter der Synchronisierungsgeschwindigkeit wird die Geschwindigkeit verstanden, welche die elektrische Maschine mindestens errei- chen muss, um in den Bereich der Drehzahl der Räder des Kraftfahrzeugs zu kommen, was notwendig ist, um überhaupt einen Kupplungsvorgang einzuleiten. Es wird davon ausgegangen, dass das erforderliche Differenzdrehzahlband von 20 bis 40 Umdrehungen pro Minute auf die Synchronisierungsdrehzahl aufgeschlagen wird oder von dieser abgezogen wird. Nähert sich die Drehzahl beim Zurücknehmen der elektrischen Maschine dem oberhalb der Synhronisie- rungsdrehzahl liegenden Differenzdrehzahlband, liegt diese Drehzahl immer noch oberhalb der Synchronisierungsdrehzahl.
In einer Ausgestaltung wird die Drehzahl der elektrischen Maschine zurückge- nommen, indem die elektrische Maschine in einen Generatorbetrieb geschaltet wird. Dabei wird die elektrische Maschine abgebremst und kann ausrollen. Das heißt, die Drehzahl der elektrischen Maschine verringert sich. Gleichzeitig wird die mechanische Energie der elektrischen Maschine in elektrische Energie umgewandelt, mit welcher eine Hochvoltbatterie aufgeladen wird, die im aktiven Zu- stand der elektrischen Maschine diese mit Energie versorgt.
Alternativ wird die Drehzahl der elektrischen Maschine zurückgenommen, indem die Ansteuerung der elektrischen Maschine abgeschaltet wird. Dadurch kommt es lediglich zum Ausrollen der elektrischen Maschine, wo sich durch die Massen- trägheit der elektrischen Maschine deren Drehzahl verringert. Ist die Drehzahl der elektrischen Maschine in den Bereich des Differenzdrehzahlbandes abgesunken, wird ein Befehl zum Einkuppeln der Klauenkupplung ausgegeben.
In einer Weiterbildung fordert eine Drehmomentregelung der elektrischen Ma- schine ein Drehmoment von 0 Nm an. Bei einer solchen Ausführung bleibt die
Drehmomentregelung der elektrischen Maschine aktiv und wird nur auf ein solches Solldrehmoment eingestellt, welches zuverlässig bewirkt, dass die Drehzahl der elektrischen Maschine verringert wird, um das Differenzdrehzahlband von 20 bis 40 Umdrehungen pro Minute zwischen der elektrischen Maschine und der Fahrzeugachse zu erreichen.
Vorteilhafterweise wird die elektrische Maschine aus dem Stillstand beschleunigt. Da die elektrische Maschine aus dem Stillstand sehr schnell ein maximales Drehmoment erreichen kann, wird die erforderliche Synchronisierungsdrehzahl bzw. eine über dieser Synchronisierungsdrehzahl liegende Drehzahl in einer äußerste kurzen Zeitspanne erreicht, so dass der Kupplungsvorgang kurzfristig eingeleitet werden kann.
In einer Ausgestaltung befindet sich das Fahrzeug während des Einkuppeins im Stillstand. Das vorgeschlagene Verfahren kann somit auch einfach zum Einkup- pel der Klauenkupplung verwendet werden, um das Fahrzeug anzufahren. In diesem Fall wird durch die elektrische Maschine auf die stillstehende Fahrzeugachse eine Kraft übertragen, wodurch das Kraftfahrzeug in eine Fahrbewegung versetzt wird. In einer Variante weist die Achse des Fahrzeuges während des Einkuppelns eine
Drehzahl von weniger als 300 Umdrehungen pro Minute auf. Somit ist eine zuverlässige Einkupplung der Klauenkupplung auch bei sehr langsamen Bewegungen des Fahrzeuges möglich, welche sich in der kleinen Drehzahl der Achse widerspiegelt.
Eine weitere Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einkuppeln einer Klauenkupplung zum Antrieb einer Achse eines Kraftfahrzeuges, wobei die Klauenkupplung eine Kraft zwischen einer elektrischen Maschine und einer, Räder tragenden Achse des Kraftfahrzeuges überträgt, wobei zum Einkup- peln ein annähernd konstantes Drehzahldifferenzband aus einer Synchronisie- rungsdrehzahl der elektrischen Maschine und einer Drehzahl der Achse gebildet wird. Um bei kleinen Drehzahlen oder dem Stillstand der anzutreibenden Achse das für die Einkupplung notwendige Differenzdrehzahlband genau zu erreichen, sind Mittel vorhanden, welche die elektrische Maschine über die Synchronisie- rungsdrehzahl hinaus beschleunigen und anschließend die Drehzahl der elektrischen Maschine zurücknehmen, wobei die Klauenkupplung eingekuppelt wird, wenn die zurückgenommene Drehzahl der elektrischen Maschine das Differenzdrehzahlband erreicht. Es erfolgt lediglich eine Ansteuerung der elektrischen Maschine und eine Überwachung des Drehzahlverhaltens der elektrischen Maschi- ne nach der Ansteuerung. Auf eine Regelung der Drehzahl der elektrischen Maschine zur Einstellung des erforderlichen Differenzdrehzahlbandes kann somit verzichtet werden.
In einer Variante ist ein Steuergerät mit der elektrischen Maschine und einem Drehzahlsensor verbunden, wobei das Steuergerät die elektrische Maschine in
Abhängigkeit von den Signalen des die Drehzahl des Rades oder der Achse messenden Drehzahlsensors ansteuert. Die Einstellung des Differenzdrehzahlbandes zwischen der elektrischen Maschine und der Achse bzw. den Rädern des Kraftfahrzeuges ist somit ohne großen konstruktiven Aufwand möglich, da Rad- drehzahlsensoren im Kraftfahrzeug schon zur Ausführung anderer Fahrzeugfunktionen vorhanden sind. Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden. Es zeigt:
Figur 1 : Prinzipdarstellung eines Hybridfahrzeuges mit einer elektrisch angetriebenen Achse Figur 2: schematisches Ablaufdiagramm für den Einkuppelvorgang der
Klauenkupplung
Figur 3: Verlauf von Drehmoment und Drehzahl der elektrischen Maschine über der Zeit während des Einkuppelvorganges einer Klauen- kupplung
Figur 4: Prinzipdarstellung einer adaptiven Drehmomentenregelung der elektrischen Maschine In Figur 1 ist ein Hybridfahrzeug dargestellt, welches einen Hybridantrieb bestehend aus einem Verbrennungsmotor 1 und einem Elektromotor 2 aufweist. Der Verbrennungsmotor 1 und der Elektromotor 2 treiben dabei unterschiedliche Achsen des Hybridfahrzeuges an. Der Verbrennungsmotor 1 ist über ein erstes Getriebe 3 mit der Vorderachse 4 des Hybridfahrzeuges verbunden, an welcher zwei Antriebsräder 5, 6 angeordnet sind. Ein Motorsteuergerät 7 erzeugt die An- steuersignale für den Verbrennungsmotor 1 .
Der Elektromotor 2 treibt die Hinterachse 8 des Hybridfahrzeuges an, welche zwei weitere Antriebsräder 9 und 10 trägt. Der Elektromotor 2 bildet mit einer Klauenkupplung 1 1 und einem zweiten Getriebe 12 eine bauliche Einheit 13. Das
Getriebe 12 führt an die Hinterachse 8 des Hybridfahrzeuges und ist mit dieser verbunden. Der Elektromotor 2, die Klauenkupplung 1 1 und das Getriebe 12 befinden sich zur Kühlung in einer gemeinsamen Ölwanne.
Bei der Klauenkupplung 1 1 handelt es sich um eine spezielle Bauform einer Kupplung. Beide Kupplungselemente 1 1 a, 1 1 b der Klauenkupplung 1 1 weisen Zähne auf, die vorgegebene Abstände voneinander aufweisen. Zum Schließen der Klauenkupplung 1 1 greifen die Zähne des einen Kupplungselementes 1 1 a in die Lücken des anderen Kupplungselementes 1 1 b, wodurch ein fester Eingriff entsteht und eine gute Kraftübertragung gewährleistet ist. Das erste Kupplungs- element 1 1 a der Klauenkupplung 1 1 ist mit dem Elektromotor 2 verbunden, während das zweite Kupplungselement 1 1 b mit dem Getriebe 12 verknüpft ist.
Der Elektromotor 2 ist weiterhin mit einer Leistungsendstufe 14 in Form eines Pulswechselrichters verbunden, die den Strom für den Betrieb des Elektromotors 2 erzeugt. Dazu ist die Leistungsendstufe 14 mit einer Hochvoltbatterie 15 verbunden, die eine elektrische Spannung von annähernd 230V zum Betrieb des Elektromotors 2 bereitstellt. Der Elektromotor 2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als permanent erregte Synchronmaschine ausgebildet. Weiterhin ist der Elektromotor 2 mit einem Elektromotorsteuergerät 16 verbunden, welches auf ei- nen Drehzahlsensor 17 führt, der am Rad 10 des Fahrzeuges angeordnet ist und somit die Drehzahl misst, aus welcher die Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeuges bestimmt wird. Außerdem ist an der Welle 18 des Elektromotors 2 ein weiterer, mit dem Steuergerät 16 verbundener Drehzahlsensor 19 angeordnet, der die Drehzahl des Elektromotors 2 detektiert.
In Hybridfahrzeugen treten häufig Fälle auf, wo das Fahrzeug allein durch den Verbrennungsmotor 1 angetrieben wird. Zwar erfolgt der Antrieb, wie beschrieben, an der Vorderachse 4 des Hybridfahrzeuges, wobei durch die Fahrbewegung des Hybridfahrzeuges die Hinterachse 8 mit den Rädern 9, 10 beschleunigt wird. Da die Hinterachse 8 fest mit dem Getriebe 12 verbunden ist, welches im vorliegenden Fall nur eine fest eingestellte Übersetzungsstufe aufweist, dreht sich das Getriebe 12 entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit. Durch die Verbindung des Getriebes 12 mit dem zweiten Kupplungselement 1 1 b der Klauenkupplung 1 1 befindet sich auch dieses Kupplungselement 1 1 b in einer Drehbe- wegung.
Bei einem erhöhtem Schlupf der Räder 5, 6 der Vorderachse 4 wird der Elektromotor 2 eingeschaltet und die Räder 9, 10 der zuschaltbaren Hinterachse 8 durch den Elektromotor 2 angetrieben. Mit Hilfe von Figur 2 soll das Verfahren zum Einkuppeln einer Klauenkupplung beschrieben werden, wobei davon ausgegangen wird, dass die Drehzahl des Rades der von dem Elektromotor 2 angetriebenen Hinterachse kleiner ist als 300 Umdrehungen pro Minute
Im Block 100 wird abgefragt, ob ein Einkuppelvorgang durchgeführt werden soll. Ist dies der Fall, wird im Block 101 mit Hilfe des Drehzahlmessers 17 die Drehzahl des Rades 10 an der Hinterachse des Kraftfahrzeuges gemessen und diese unter Einbeziehung der Übersetzung des Getriebes 12 in eine Elektromotordreh- zahl nA umgerechnet. Im Block 102 wird die in eine Elektromotordrehzahl nA umgewandelte Drehzahl des Rades 10 mit einer Synchronisierungsdrehzahl ns des Elektromotors 2 verglichen. Die Synchronisierungsdrehzahl ns wird aus der aus der Raddrehzahl des Rades 10 gebildeten Elektromotordrehzahl plus dem für das Einkuppeln der Klauenkupplung erforderlichen Differenzdrehzahlband Δη von ca. 20 bis 40 Umdrehungen pro Minute gebildet. ns = nA + Δη
Liegt die aus der Drehzahl des Rades 10 ermittelte Elektromotordrehzahl nA über der Synchronisierungsdrehzahl ns, wird der sich im Stillstand befindliche Elektromotor 2 im Block 103 gestartet und durch das Steuergerät 16 ein solches Drehmoment M eingestellt, dass der Elektromotor 2 ein sogenanntes Losreismoment überwindet. Dabei handelt es sich um ein sehr starkes Drehmoment M, welches notwendig ist, um die Massenträgheit und die damit verbundene me- chanische Reibung zu überwinden, welche auftritt, wenn der Elektromotor 2 aus dem Stillstand bewegt werden soll. Befindet sich der Elektromotor 2 schon in Bewegung, wird ein entsprechend kleineres Drehmoment M als Sollwert der Regelung eingestellt. Im Block 104 wird die Drehzahl nE des Elektromotors 2 mittels des Drehzahlsensors 19 gemessen und festgestellt, ob die Synchronisierungs- drehzahl ns erreicht oder überschritten ist. Ist die augenblickliche Drehzahl nE des Elektromotors 2 höher als die Synchronisierungsdrehzahl ns, wird das Solldrehmoment der Drehmomentregelung auf einen Wert von 0 Nm eingestellt (Block 105). Dies bedeutet, dass der Elektromotor 2 nicht mehr geregelt wird. Durch Reibungsverluste und auftretende Trägheitseffekte wird der Elektromotor 2 entsprechend abgebremst. Nach einer vorgegebenen Zeit wird im Block 106 geprüft, ob die Drehzahl nE des Elektromotors 2 soweit abgeklungen ist, dass sie das Drehzahldifferenzband Δη erreicht hat, welches sich oberhalb der in eine Elektromotordrehzahl nA umgerechnete Drehzahl des Rades 10 anschließt. Ist dies nicht der Fall, wird zum Block 105 zurückgekehrt, wo bei ausbleibender Drehmomentenregelung der
Elektromotor 2 weiter ausrollt.
Hat die Elektromotordrehzahl nE das Differenzdrehzahlband Δη erreicht, wird im Block 107 die Klauenkupplung geschlossen.
Das Verhalten des Elektromotors 2 bei der Beschleunigung aus dem Stillstand ist aus Figur 3 ersichtlich. Das Diagramm 3a zeigt das Verhalten des Drehmomentes M des Elektromotors 2 über der Zeit t. Zur Überwindung des Losbrechmomentes wird der Elektromotor 2 so angesteuert, dass es ein elektrisches Dreh- moment M erzeugt, wobei das Drehmoment M von 0 ausgehend linear ansteigt.
Zum Zeitpunkt T1 wird die Regelung des Drehmomentes auf 0 Nm eingestellt. Zunächst behält der Elektromotor 2 infolge der ihm innewohnenden Energie das Drehmoment M konstant, ehe, bedingt durch die Massenträgheit und Reibungskräfte, das Drehmoment M linear annähernd gegen 0 abfällt, was zu einem Zeit- punkt T2 erfolgt. Die Drehzahl nE des Elektromotors 2 folgt dem Drehmoment M, wie aus dem Diagramm 3b ersichtlich ist. Allerdings erfolgt der Abfall der Drehzahl nE nicht linear, sondern asymptotisch, so dass der Elektromotor 2 zum Zeitpunkt T2 immer noch eine messbare Drehzahl aufweist. Liegt diese zum Zeitpunkt T2 gemessene Drehzahl im Differenzdrehzahlband, so wird zu diesem Zeitpunkt T2 die Klauenkupplung 1 1 von dem geöffneten in den geschlossenen
Zustand verfahren (Diagramm 3c).
Bei diesem Vorgang wird ein möglichst drehzahlschwingungsfestes Verhalten an einer Welle 18 des Elektromotors 2 eingestellt, da bei zu hohen Drehschwingun- gen der Einkupplungsvorgang nicht ausgeführt werden kann. Bei dem vorliegenden Verfahren wird keine Drehmomentenregelung durchgeführt, sondern das Drehmoment zum Ausgleichen des Reibungsmomentes drehzahlabhängig gesteuert. Dadurch entsteht ein glatter Verlauf der Drehzahl, da keine Schwingungen durch eine Drehmoment- oder Drehzahlregelung enhstehen können. Wird durch die Drehmomentregelung das Solldrehmoment M = 0 Nm von dem Elektromotor 2 angefordert, wird von dem Elektromotor 2 über eine im Steuergerät 16 abgelegte Reibungskennlinie, die von der Drehzahl abhängig ist, zusätzlich die Reibung des Elektromotors 2 ausgeglichen. Das bedeutet, dass das elektrische Drehmoment des Elektromotors 2 ungleich 0 ist, was jedoch durch das Stellen eines zusätzlichen Drehmomentes zum Ausgleich der Reibung das mechanische Moment an der Welle 18 des Elektromotors 2 möglichst minimiert. Im Idealfall geht das mechanische Moment gegen Null. Hierbei wird keine Drehmomentenregelung durchgeführt, sondern das Drehmoment zum Ausgleichen des Reibungsmomentes drehzahlabhängig gesteuert.
Die im Steuergerät 16 abgelegte elektromotorspezifische Reibungskennlinie ist abhängig von der Temperatur der Umgebung. Da der Elektromotor 2 ölgekühlt ist und mit der Klauenkupplung 1 1 und dem Getriebe 12 in einem Getriebegehäuse 13 angeordnet ist, wirkt sich neben der Temperatur auch die Viskosität des öligen Mediums auf die Reibungskennlinie aus.
Bei kleinen Fahrgeschwindigkeiten oder bei einem Fahrzeugstillstand müssen diese Einflüsse auf das Drehzahlverhalten des Elektromotors 2 genau bekannt sein, um das notwendige Differenzdrehzahlband zu erreichen, da ein Einkuppeln sonst nicht möglich ist. Aus diesem Grund wird das Drehmoment des Elektromotors 2 bei kleinen Drehzahlen oder Stillstand des Fahrzeuges adaptiv nachgeführt. Figur 4 zeigt ein entsprechendes Verfahren. Zum Zeitpunkt tO wird gefordert, dass die Klauenkupplung 1 1 eingekuppelt werden soll. Dabei wird das Soll- drehmoment des Elektromotors 2 auf 0 Nm eingestellt. Aus der aktuellen Drehzahl nE des Elektromotors 2 wird zum Zeitpunkt tO eine Startdrehzahl n0 bestimmt, wobei n0 = nE (tO)
ist.
Der Verlauf der Drehzahl in diesem Zustand wird durch eine mathematische Funktion nmath(t, n0) über der Zeit mit einer Anfangsbedingung der Startdrehzahl n0, welche im Steuergerät 16 abgelegt ist, bestimmt (Block 200). Dieser mathe- matisch bestimmte Drehzahlverlauf nmath(t, n0) wird im Punkt 201 kontinuierlich mit der gemessenen Istdrehzahl nE des Elektromotors 2 verglichen, wobei eine Differenz zwischen der gemessenen Istdrehzahl nE des Elektromotors 2 und der mathematisch modellierten Drehzahl nmath(t, n0) gebildet wird. In Abhängigkeit von der Größe dieser Differenz wird im Block 202 ein Adaptionsfaktor f(AnD) bestimmt. Dieser wird dem Block 203 zugeführt, wo die in dem Steuergerät 16 abgelegte Reibungskennlinie in Abhängigkeit von der Öltemperatur als Kennfeld dargestellt ist. Durch den Adaptionsfaktor f(AnD) und der Berücksichtigung der Temperatur wird diese Reibungskennlinie angepasst, wobei der Adaptionsfaktor f(AnD) als Offset auf die Kennlinie addiert wird. Als Ausgangsgröße des Blocks
203 wird eine Drehmomentkorrektur TrqFrc als Reibungsmoment ausgegeben. Diese Drehmomentkorrektur TrqFrc wird auf eine Drehmomentenschnittstelle
204 geführt, wo es unter Kompensation ungewollter mechanischer Abweichungen zur Bestimmung des zu steuernden Drehmomentes TrqEMdesCalc des Elektromotors 2 genutzt wird. Das angeforderte mechanische Drehmoment TrqDesMech ist zu diesem Zeitpunkt ebenfalls auf Null gesetzt.
Nach erfolgter Adaption der Reibungskennlinie wird diese neu bestimmte und adaptierte Kennlinie im Steuergerät 16 abgelegt und bei der nächsten Anforderung verwendet. Diese Anforderung liegt vor, wenn ein neuer Befehl zum Einkuppeln der Klauenkupplung 1 1 ausgegeben wird. In dem Fall wird die abgespeicherte Reibungskennlinie nach dem beschriebenen Verfahren wieder aufgerufen und in Abhängigkeit der aktuellen Drehzahl nE des Elektromotors 2 überprüft.

Claims

Ansprüche
Verfahren zum Einkuppeln einer Klauenkupplung zum Antrieb einer Achse eines Kraftfahrzeuges, wobei die Klauenkupplung (1 1 ) eine Kraft zwischen einer elektrischen Maschine (2) und einer, Räder (9, 10) tragenden Achse (8) des Kraftfahrzeuges überträgt, wobei zum Einkuppeln ein annähernd konstantes Differenzdrehzahlband (Δη) aus einer Synchronisierungsdrehl- zahl (ns) der elektrischen Maschine (2) und einer Drehzahl (nA) der Achse (8) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (2) über die Synchronisierungsdrehzahl (ns) hinaus beschleunigt wird und anschließend die Drehzahl (nE) der elektrischen Maschine (2) zurückgenommen wird, wobei die Klauenkupplung (1 1 ) eingekuppelt wird, wenn die zurückgenommene Drehzahl (nE) der elektrischen Maschine (2) das Differenzdrehzahlband (Δη) erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisierungsdrehzahl (ns) aus der Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl (nE) der elektrischen Maschine (2) zurückgenommen wird, indem die elektrische Maschine (2) in einen Generatorbetrieb geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl (nE) der elektrischen Maschine (2) zurückgenommen wird, indem die Ansteue- rung der elektrischen Maschine (2) abgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehmomentregelung der elektrischen Maschine (2) ein Drehmoment von 0 Nm anfordert.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (2) aus dem Stillstand beschleunigt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich das Fahrzeug während des Einkuppelns im Stillstand befindet.
8. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (8) des Fahrzeuges während des Einkuppelns eine Drehzahl (nA) von weniger als 300 Umdrehungen pro Minute aufweist.
9. Vorrichtung zum Einkuppeln einer Klauenkupplung zum Antrieb einer Achse eines Kraftfahrzeuges, wobei die Klauenkupplung (1 1 ) eine Kraft zwischen einer elektrischen Maschine (2) und einer, Räder (9, 10) tragenden Achse (8) des Kraftfahrzeuges überträgt, wobei zum Einkuppeln ein annähernd konstantes Drehzahldifferenzband (Δη) aus einer Synchronisierungsdrehl- zahl (ns) der elektrischen Maschine (2) und einer Drehzahl (nA) der Achse (8) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (16, 17) vorhanden sind, welche die elektrische Maschine (2) über die Synchronisierungsdreh- zahl (ns) hinaus beschleunigen und anschließend die Drehzahl (nE) der elektrischen Maschine (2) zurücknehmen, wobei die Klauenkupplung (1 1 ) eingekuppelt wird, wenn die zurückgenommene Drehzahl (nE) der elektrischen Maschine (2) das Differenzdrehzahlband (Δη) erreicht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät (16) mit der elektrischen Maschine (2) und einem Drehzahlsensor (17) verbunden ist, wobei das Steuergerät (16) die elektrische Maschine (2) in Abhängigkeit von den Signalen des die Drehzahl (nA) des Rades (9, 10) oder der Achse (8) messenden Drehzahlsensors (17) ansteuert.
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