Titel

Verfahren zur Kompensation von Volumenänderungen eines

Hydraulikfluids in einer hydraulischen Betätigungseinrichtung zur

Betätigung einer Kupplung, sowie hydraulische Betätigungseinrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Volumenänderungen eines Hydraulikfluids in einer hydraulischen Betätigungseinrichtung zur Betätigung einer Kupplung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine hydraulische Betätigungseinrichtung zur Betätigung einer Kupplung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.

Stand der Technik

Hydraulisch betätigte Kupplungen werden unter anderem als Trennkupplung zwischen einer Verbrennungskraftmaschine und einem Antriebsstrang von Kraftfahrzeug-Hybridantrieben in Form von nicht-leistungsverzweigenden

Parallel-Hybriden eingesetzt, um die Verbrennungskraftmaschine durch Öffnen der Trennkupplung für den rein elektrischen Fahrbetrieb vom Antriebsstrang abzukuppeln bzw. durch Schließen der Trennkupplung bei erhöhtem Leistungsbedarf oder niedrigem Batterieladezustand mittels der elektrischen Maschine wieder zu starten.

Um Störungen im Antriebsstrang zu vermeiden, wird die Trennkupplung während des Öffnens und des Schließens so gesteuert, dass zwischen ihren Kupplungsscheiben ein definiertes Kupplungs- oder Schlupfmoment vorhanden ist. Zu diesem Zweck wird eine elektrohydraulische Betätigungseinrichtung verwendet, die einen elektrisch gesteuerten und angetriebenen Spindel-Aktuator und einen mit dem Spindel-Aktuator gekoppelten Geberzylinder umfasst, der durch eine Schnüffelbohrung mit einem Vorratsbehälter für Hydraulikfluid und durch eine Hydraulikleitung mit einem Nehmerzylinder verbunden ist. Eine mit einem Kolben des Nehmerzylinders verbundene Kolbenstange wirkt auf eine mit der Drehzahl der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors rotierende trichterförmige Tellerfeder ein, die sich zwischen ihrem inneren, im Kontakt mit der Kolbenstange stehenden Umfang und ihrem äußeren, mit einer der Kupplungsscheiben verbundenen Umfang schwenkbar gegen ein ortsfestes Widerlager abstützt. Um das gewünschte Kupplungs- oder Schlupfmoment zwischen den Kupplungsscheiben zu erzeugen, wird der Spindel-Aktuator um ein bestimmtes Maß verfahren, und somit auch der Kolben des Geberzylinders, wodurch Hydraulikfluid in den Nehmerzylinder gedrückt und von dessen Kolbenstange eine Kraft auf die Tellerfeder aufgebracht wird, die dann eine dem Kupplungs- oder Schlupfmoment entsprechende Andruckkraft zwischen den beiden Kupplungsscheiben erzeugt. Zwischen dem Verfahrweg des Spindel- Aktuators und dem Kupplungs- oder Schlupfmoment besteht dabei ein definierter Zusammenhang, der im Folgenden als nominale Kupplungskennlinie bezeichnet wird.

Bei geschlossener Trennkupplung und bei unbetätigtem Spindel-Aktuator ist die Schnüffelbohrung zwischen dem Geberzylinder und dem Vorratsbehälter mit Hydraulikfluid offen, so dass durch Temperaturschwankungen hervorgerufene Volumenänderungen des Hydraulikfluids im Geberzylinder, im Nehmerzylinder und in der Hydraulikleitung zwischen den Zylindern durch die Schnüffelbohrung ausgeglichen werden können. Wenn die Trennkupplung im elektrischen Fahrbetrieb geöffnet ist, ist die Schnüffelbohrung jedoch geschlossen, wodurch im Geberzylinder, im Nehmerzylinder und in der Hydraulikleitung ein definiertes Volumen an Hydraulikfluid eingeschlossen ist. Eine thermische Ausdehnung oder Schrumpfung dieses Volumens führt daher unmittelbar zu einer Änderung der von der Kolbenstange auf die Tellerfeder ausgeübten Kraft und über diese auf die Andruckkraft der Kupplungsscheiben und somit zu Abweichungen vom gewünschten Kupplungs- oder Schlupfmoment.

Wie sich gezeigt hat, können im Hydraulikfluid in der Tat signifikante Temperaturänderungen auftreten, vor allem wenn beim Öffnen der Trennkupplung kaltes Hydraulikfluid in den heißen Nehmerzylinder gedrückt wird und sich innerhalb des Nehmerzylinders relativ schnell, das heißt innerhalb weniger Sekunden, erwärmt. Da das bei geöffneter Trennkupplung im Nehmerzylinder befindliche Hydraulikvolumen einen großen Anteil am Gesamtvolumen des eingeschlossenen Hydraulikfluids ausmacht, ist in diesem Fall eine Volumenzunahme möglich, die erhebliche störende Auswirkungen auf die nominale Kupplungskennlinie und damit Abweichungen des gewünschten Kupplungs- oder Schlupfmoments zur Folge hat.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Kupplung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit denen durch Temperaturschwankungen verursachte Volumenänderungen von eingeschlossenem Hydraulikfluid im Geberzylinder, im Nehmerzylinder und in der Hydraulikleitung zwischen den Zylindern ausgeglichen werden können.

Offenbarung der Erfindung

Im Hinblick auf das Verfahren wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Position des Kolbens des Geberzylinders temperaturabhängig korrigiert wird, während die Aufgabe im Hinblick auf die Kupplung erfindungsgemäß durch Mittel zur temperaturabhängigen Korrektur der Position des Kolbens des Geberzylinders gelöst wird.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Position des Kolbens des Geberzylinders durch gesteuerte Betätigung des Aktuators korrigiert wird, um den Kolben des Geberzylinders entsprechend der thermischen Ausdehnung bzw. Schrumpfung des Hydraulikfluids im Nehmerzylinder zurückzuziehen bzw. vorzuschieben.

Als Grundlage für die Steuerung des Aktuators dient zweckmäßig eine Temperaturdifferenz zwischen einer gemessenen Temperatur am Nehmerzylinder und einer Referenztemperatur.

Da eine signifikante thermische Ausdehnung des Hydraulikfluids im Nehmerzylinder insbesondere dann festgestellt wird, wenn sich kaltes, unmittelbar nach dem Öffnen der Kupplung in den heißen Nehmerzylinder gedrücktes Hydraulikfluid innerhalb des Nehmerzylinders relativ schnell erwärmt und dadurch ausdehnt, sieht eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Position des Kolbens des Geberzylinders unmittelbar nach dem Öffnen der Kupplung korrigiert wird, vorzugsweise entsprechend der folgenden Beziehung:

\Korr,GZ = K ₅ X (t/vz - t _NZ ,Ref) X (1 )

wobei lκ _o/r,G zdie Positionskorrektur am Geberzylinder, K _E ein Erwärmungsfaktor, T _E eine Zeitkonstante für die Erwärmungsphase des Hydraulikfluids, t _N ∑die aktuelle Temperatur am Nehmerzylinder und t _N z,Ref die Temperatur ist, die am Nehmerzylinder mindestens vorliegen muss, damit ein entsprechender Wärmeeintrag in das Hydraulikfluid stattfinden kann.

Da eine signifikante thermische Schrumpfung des Hydraulikfluids im Nehmerzylinder insbesondere dann festgestellt wird, wenn sich das Hydraulikfluid im Nehmerzylinder bei geöffneter Kupplung allmählich abkühlt, sieht eine noch weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, die Position des Kolbens des Geberzylinders kurze Zeit nach dem Öffnen der Kupplung erneut zu korrigieren, vorzugsweise entsprechend der folgenden Beziehung:

wobei \κorr,Gz die Positionskorrektur am Geberzylinder, K _A ein Abkühlungsfaktor, t/vz,o _P /i die Temperatur am Nehmerzylinder zum Zeitpunkt des Öffnens der Kupplung und t/vz die aktuelle Temperatur am Nehmerzylinder ist.

Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn man die durch die obigen

Beziehung (1 ) und (2) erhaltenen Werte für die Positionskorrektur am Kolben des Geberzylinders einander überlagert bzw. addiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer hydraulisch betätigten Trennkupplung für einen Kraftfahrzeug-Hybridantrieb; Fig. 2 den Druckverlauf im Nehmerzylinder mit und ohne Kompensation von Volumenänderungen des Hydraulikfluids infolge von Temperaturschwankungen;

Fig. 3 den Verlauf einer nominalen Kupplungskennlinie der Kupplung, die den Zusammenhang zwischen einem Bewegungsweg eines Aktuators zum Betätigen der Kupplung und dem Druck zwischen zwei Kupplungsscheiben der Kupplung wiedergibt;

Fig. 4 den Verlauf der nominalen Kupplungskennlinie sowie von Abweichungen der Kupplungskennlinie infolge von betriebsbedingten Temperaturschwankungen.

Ausführungsform der Erfindung

Die in der Zeichnung dargestellte Trennkupplung 2 eines nicht- leistungsverzweigenden Parallel-Hybridantriebs eines Kraftfahrzeugs ist zwischen einer Verbrennungskraftmaschine des Hybridantriebs und einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs angeordnet. Die Trennkupplung 2 dient dazu, einerseits die Verbrennungskraftmaschine beim Übergang in den elektrischen Fahrbetrieb vom Antriebsstrang abzukoppeln, wenn das Kraftfahrzeug allein mit Hilfe einer elektrischen Maschine des Hybridantriebs betrieben werden soll, bzw. andererseits bei einem erhöhten Leistungsbedarf und/oder bei einem niedrigen Batterieladezustand die Verbrennungskraftmaschine zum Übergang in den hybriden Fahrbetrieb wieder mittels der elektrischen Maschine zu starten.

Wie am besten in Fig. 1 dargestellt, umfasst die Trennkupplung 2 zwei Kupplungsscheiben 4, 6 und eine gebogene Tellerfeder 8 in Form eines flachen Trichters, die sich gemeinsam um die Drehachse 10 einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine drehen. Die Tellerfeder 8 ist an ihrem äußeren Umfang 10 mit der benachbarten Kupplungsscheibe 6 verbunden und zwischen ihrem äußeren Umfang 10 und einem mittigen Betätigungsteil 12 in einem ortsfesten Widerlager 14 schwenkbar gelagert. Die Trennkupplung 2 ist normalerweise geschlossen und wird zum Übergang in den elektrischen Fahrbetrieb geöffnet, indem eine Kraft F in Richtung des Pfeils in Fig. 1 auf den mittigen Betätigungsteil 12 ausgeübt wird, um die Tellerfeder 8 um das Widerlager 14 zu verschwenken und die mit der Tellerfeder 8 verbundene Kupplungsscheibe 6 entgegen der Richtung des Pfeils in Fig. 1 von der anderen Kupplungsscheibe 4 weg zu bewegen. Das Schließen der Kupplung 2 erfolgt mit Hilfe einer Rückstellfeder 16, die auf der zur Kupplungsscheibe 6 entgegengesetzten Seite auf den äußeren Umfang 10 der Tellerfeder 8 einwirkt und diese dort zusammen mit der Kupplungsscheibe 6 gegen die andere Kupplungsscheibe 4 drückt, wenn keine Kraft F auf den Betätigungsteil 12 einwirkt.

Die Betätigung der Trennkupplung 2 wird mittels einer hydraulischen Betätigungseinrichtung 18 vorgenommen, die einen durch eine Schnüffelbohrung 20 mit einem Vorratsbehälter 22 für Hydraulikfluid verbundenen Geberzylinder 24, einen starr mit einer Kolbenstange 26 des Geberzylinders 24 verbundenen elektrisch gesteuerten Spindel-Aktuator 28 zum Verschieben eines Kolbens 30 des Geberzylinders 24, sowie einen zum Ausrücken der Kupplung 2 dienenden Nehmerzylinder 32 umfasst, dessen Kolbenstange 34 auf den Betätigungsteil 12 der Kupplung 2 einwirkt. Der Geberzylinder 24 und der Nehmerzylinder 32 sind durch eine Hydraulikleitung 36 verbunden, die jeweils auf der von der Kolbenstange 26 bzw. 34 abgewandten Seite in den Zylinder 24 bzw. 32 mündet.

Bei der Betätigung der Trennkupplung 2 ergibt sich infolge der Federkennlinie der Tellerfeder 8 ein in Fig. 3 dargestellter definierter Druck/Weg-Verlauf, der den Druck zwischen den beiden Kupplungsscheiben 4, 6 in Abhängigkeit vom Verfahrweg des Spindel-Aktuators 28 wiedergibt und üblicherweise als nominale Kupplungskennlinie K der Kupplung 2 bezeichnet wird. Da der Druck/Weg- Verlauf beim Ein- und Ausfahren des Geber- und Nehmerzylinders 24, 32 jeweils unterschiedlich ist, ist die Kupplungskennlinie K eine Hysterese.

Die Schnüffelbohrung 20 ist so im Geberzylinder 24 angeordnet, dass sie bei geschlossener Kupplung 2 in einen mit der Hydraulikleitung 36 kommunizierenden Kolbenraum 38 des Zylinders 24 mündet, so dass eine durch Temperaturschwankungen bedingte Ausdehnung oder Schrumpfung des Hydraulikfluidvolumens im Kolbenraum 38 des Geberzylinders 24, in der Hydraulikleitung 36 und in einem mit der Hydraulikleitung 36 kommunizierenden Kolbenraum 40 des Nehmerzylinders 32 ausgeglichen werden kann.

Bei geöffneter Kupplung 2 mündet die Schnüffelbohrung 20 jedoch auf der entgegengesetzten Seite des Kolbens 30 in den Zylinder 24, wie in Fig. 1 dargestellt, so dass im Kolbenraum 38 des Geberzylinders 24, in der Hydraulikleitung 36 und im Kolbenraum 40 des Nehmerzylinders 32 ein definiertes unveränderliches Hydraulikfluidvolumen eingeschlossen ist. Eine durch Temperaturschwankungen bedingte Ausdehnung oder Schrumpfung dieses Hydraulikfluidvolumens führt daher zu einer Veränderung der von der Kolbenstange 34 auf die Tellerfeder 8 ausgeübten Kraft F und somit zu einer unerwünschten Abweichung von der nominalen Kupplungskennlinie K.

Eine Ausdehnung des Hydraulikfluidvolumens tritt zum Beispiel auf, wenn die Verbrennungskraftmaschine längere Zeit mit höherer Drehzahl betrieben wird, wie z.B. bei einer Autobahnfahrt, wodurch sich der Nehmerzylinder 32 stark erhitzt, und anschließend in elektrischen Fahrbetrieb übergegangen wird, wie z.B. in einer Stau-Situation. Wenn in diesem Fall zum Übergang in den elektrischen Fahrbetrieb die Kupplung 2 durch Verfahren des Spindel-Aktuators 28 geöffnet wird, wird aus dem Geberzylinder 24 kaltes Hydraulikfluid in den heißen

Nehmerzylinder 32 gedrückt, wo es sich innerhalb weniger Sekunden erwärmt. Infolge der Erwärmung dehnt sich das eingeschlossene Hydraulikfluid aus, das sich bei geöffneter Kupplung 2 zum größten Teil im Nehmerzylinder 32 befindet.

Dabei ergibt sich nach dem Öffnen der Kupplung 2 ein in Fig. 4 dargestellter typischer Druck/Weg-Verlauf, der im oberen Bereich der Hysterese in drei, in Fig. 4 mit 1 , 2 und 3 bezeichneten Phasen von der nominalen Kupplungskennlinie K abweicht:

Phase 1 stellt einen kurzen Druckeinbruch dar, der unmittelbar nach dem Öffnen der Kupplung 2 erfolgt und einerseits durch einen Druckabfall infolge einer Wegumkehr der Kolbenstangen 28 und 34 der beiden Zylinder 24 und 32 sowie andererseits durch einen Druckabfall infolge einer abnehmenden Zentrifugalkraft an der Tellerfeder 8 und einer dadurch bedingten Zunahme des Wegs der Kolbenstange 34 verursacht wird und zu einer Abweichung von einem oberen Zweig oZ der Hysterese K nach unten führt.

Phase 2 stellt einen wenige Sekunden dauernden Wiederanstieg des Drucks mit einer anschließenden Sättigung dar, der durch den zuvor beschriebenen

Wärmeeintrag aus dem Nehmerzylinder 32 in das Hydraulikfluid verursacht wird und ein Zurücklaufen auf den oberen Zweig oZ der Hysterese K bewirkt.

Phase 3 stellt einen anschließenden Druckabfall infolge einer Abkühlung des Nehmerzylinders 32 und des darin enthaltenen Hydraulikfluids dar, wodurch ein Übergang auf den unteren Zweig uZ der Hysterese K erfolgt.

Die durch Temperaturschwankungen bedingten Änderungen des Druck/Weg- Verlauf in den Phasen 2 und 3 werden erfindungsgemäß durch eine entsprechende Korrektur der Position des Kolbens 30 des Geberzylinders 24 ausgeglichen, um im Idealfall während des elektrischen Fahrbetriebs einen konstanten Druck im Kolbenraum 40 des Nehmerzylinders 32 zu erzielen, wie in Fig. 2 durch die strichpunktierte Linie L1 oberhalb der drei Phasen 1 , 2 und 3 dargestellt. Die durchgezogene Linie L2 in dieser Figur stellt den Verlauf des Drucks im Nehmerzylinder 32 ohne Kompensation dar.

In der Phase 2 kann die Ausdehnung des Hydraulikfluids näherungsweise durch eine Exponentialfunktion angegeben werden, womit die notwendigen Positionskorrektur am Geberzylinder 24 durch die folgende Beziehung berechnet werden kann:

\Korr,GZ = K ₅ X (t/vz - t/VZ,Ref) X ^β ^V (1 )

Dabei ist \κ _orr ,Gz die Positionskorrektur am Geberzylinder 24, K _E ist ein Erwärmungsfaktor zur Berücksichtigung der Ausdehnung des Hydraulikfluids aufgrund des Wärmeeintrags durch den Nehmerzylinder 32, X _E ist eine Zeitkonstante für die Erwärmungsphase des Hydraulikfluids, t/vz ist die aktuelle Temperatur am Nehmerzylinder 32 und t/vz,Ref ist die Referenztemperatur, die am Nehmerzylinder 32 mindestens vorliegen muss, damit ein entsprechender Wärmeeintrag in das Hydraulikfluid stattfinden kann. Es hat sich gezeigt, dass ein relevanter Wärmeeintrag in das Hydraulikfluid und damit eine entsprechende Ausdehnung desselben erst dann erfolgt, wenn der Nehmerzylinder 32 eine Mindesttemperatur besitzt, die entsprechend höher sein muss als die mittlere Temperatur des Hydraulikfluids. Deshalb ist es sinnvoll, als Nehmerzylinder-Referenztemperatur t _NZ ,Ref die Temperatur des Hydraulikfluids außerhalb des Nehmerzylinders 32 heranzuziehen. Da diese Temperatur üblicherweise nicht bekannt ist, kann als Nehmerzylinder-Referenztemperatur t/vz,Ref zweckmäßig entweder eine konstante Temperatur verwendet werden, oder die Umgebungstemperatur, zum Beispiel wenn der Geberzylinder 24 in einem Teil des Kraftfahrzeugs verbaut ist, der Umgebungstemperatur besitzt.

Dabei ist es grundsätzlich nicht unbedingt erforderlich, die genaue Temperatur und damit die genaue Ausdehnung des Hydraulikfluids zu kennen. Dadurch, dass sich das System während des elektrischen Fahrens stets innerhalb der Hysterese des oberen Bereichs der Kupplungskennlinie K befindet, ist es lediglich relevant zu wissen, ob eine Ausdehnung oder eine Schrumpfung des Hydraulikfluids stattfindet. Abhängig davon bewegt sich der Druck entweder entlang des oberen Zweigs oZ oder entlang des unteren Zweigs uZ der Hysterese. Da diese beiden Zweige im oberen Bereich der Kupplungskennlinie K nahezu waagerecht verlaufen, wie in Fig. 3 und 4 dargestellt, spielt der Betrag der Ausdehnung bzw. Schrumpfung des Hydraulikfluids nur eine untergeordnete Rolle. Vielmehr ist die Kenntnis der Größe der Hysterese und des Übergangsverhaltens beim Übergang vom oberen Zweig oZ zum unteren Zweig uZ und umgekehrt von Bedeutung.

Die Zeitkonstante % _E für die Erwärmungsphase des Hydraulikfluids lässt sich aus entsprechenden Temperatur- und Druckmessungen am Nehmerzylinder 32 ermitteln und liegt allgemein im Bereich von wenigen Sekunden.

Der Betrag des Druckanstiegs in Phase 2 hängt vor allem davon ab, wie weit nach der Phase 1 der Druck in die Hysterese hinein eingebrochen ist. Messungen haben gezeigt, dass sich der Druck umso sicherer auf den oberen Zweig oZ der Hysterese zurück bewegt, je höher der Wärmeeintrag in das Hydraulikfluid im Nehmerzylinder 32 ist. Für die Phase 3, in der sich das Hydraulikfluid infolge der Abkühlung des Systems aufgrund des rein elektrischen Fahrbetriebs ebenfalls abkühlt, kann hinsichtlich der Schrumpfung des Hydraulikfluids angenommen werden, dass diese proportional zur Temperaturabnahme des Systems erfolgt. Da sich zudem gezeigt hat, dass die Temperaturabnahme im Hydraulikfluid mit der Temperaturabnahme des Nehmerzylinders 32 vergleichbar ist, reicht die Kenntnis der Temperatur des Nehmerzylinders 32 für die Abschätzung der Schrumpfung des Hydraulikfluids aus, womit sich die notwendigen Positionskorrektur am Geberzylinder 24 durch die folgende Beziehung ergibt:

Dabei ist lκ _O /r,Gzdie Positionskorrektur am Geberzylinder 24, K _A ist ein Abkühlungsfaktor, \.Nz,o _P n ist die Temperatur am Nehmerzylinder 32 zum Zeitpunkt des Öffnens der Kupplung 2 und W ist die aktuelle Temperatur am Nehmerzylinder 32.

Durch die Überlagerung der beiden vorgenannten Beziehungen (1 ) und (2) ergibt sich die gesamte zur Kompensation der Volumenänderungen des Hydraulikfluids erforderliche Positionskorrektur am Geberzylinder 24, wie in Fig. 2 durch die durchgezogene Linie K dargestellt.

Wenn der Druck im hydraulischen System nicht kontinuierlich gemessen wird, können temperaturbedingten Abweichungen des Druck-Weg-Verlaufs mittels der zuvor genannten Beziehungen (1 ) und (2) zumindest in einer gesteuerter Form kompensiert werden, wozu allerdings eine genaue Vermessung des hydraulischen Systems (Druck-Weg-Kennlinie, Volumenverteilungen, Hydraulikgeometrien, Wärmeausdehnungskoeffizienten, Zeitverhalten Wärmeeintrag, usw. ) erforderlich ist.

Besser ist es, den Systemdruck kontinuierlich zu messen und ihn mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf den gewünschten Wert zu regeln, wodurch sich die durch Temperaturschwankungen bedingten Störungen noch wesentlich genauer ausgleichen lassen.