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Zentraleinrücker mit TWIN-Sensor für Doppelkupplungsgetriebe
07.03.2011 | Neue Entwicklungen im Bereich der Doppelkupplung bringen neue Herausforderungen für die Anwendung von Zentralausrückern! Zentralausrücker sind hinlänglich bekannt, wenn es darum geht Kupplungen von Schaltgetrieben zu betätigen. Wie sieht es allerdings bei der Betätigung von Doppelkupplungen aus? Diese Frage beantwortet ein gemeinsames Projekt von FTE automotive und Micro-Epsilon Messtechnik.
Bei Doppelkupplungen wird grundsätzlich
zwischen zwei verschiedenen Bauarten unterschieden: Nasse Doppelkupplungen für
die Übertragung der höheren Drehmomente und trockene Doppelkupplungen für
kleinere Fahrzeuge mit niedrigeren Drehmomenten. Weiterhin unterteilt man bei
den Doppelkupplungen aufgrund ihrer Anordnung in radiale und axiale
Doppelkupplungen.
Das gemeinsame
Projekt wurde mit einer trockenen Doppelkupplung in radialer Anordnung
realisiert. Ein Vorteil der radialen Anordnung der Beläge ist der kurze axiale
Bauraum, wobei die außen angeordnete Kupplung durch den größeren mittleren
Reibradius deutlich leistungsfähiger ist.
Wie funktioniert ein Doppelkupplungsgetriebe?
Doppelkupplungsgetriebe, nasse sowie
trockene Ausführung, gehören zur Gruppe der Lastschaltgetriebe. Sie bestehen
aus zwei voneinander unabhängigen Teilgetrieben, jedes Teilgetriebe ist
funktionell wie ein Handschaltgetriebe aufgebaut und besitzt eine separate
Eingangswelle. Jedem Teilgetriebe ist eine separate Reibkupplung zugeordnet,
die den Leistungsfluss vom Motor ins Getriebe sicherstellt. Von den Getriebeeingangswellen ist jeweils eine im
eingelegten Gang durch eine Kupplung reibschlüssig mit dem Schwungrad
verbunden. Die Gänge werden im jeweils lastfreien Teilgetriebe vorgewählt. Der
Gangwechsel selbst erfolgt unter Last durch eine geregelte Übergabe des
Drehmoments von der ersten auf die zweite Kupplung und umgekehrt.
Die geregelte Übergabe des Drehmoments kann
elektromechanisch erfolgen, das heißt über einen Elektromotor, der über eine
Mechanik die jeweilige Kupplung betätigt oder auch (elektro ) -hydraulisch,
wobei ein hydraulisch wirkender Nehmerzylinder die beiden Reibkupplungen
betätigt.
Im Falle des Ausfalls der Strom – oder
Druckölversorgung sind bzw. werden beide Kupplungen geöffnet („fail safe
function“).
Aus der Funktion der Doppelkupplung leitet
sich die Aufgabe des FTE „Zentraleinrückers“ ab, die sich auf das hydraulische
System beschränkt.
Der Zentraleinrücker muss unabhängig voneinander beide
Kupplungen betätigen können. Einrücker deshalb, weil bei Betätigung bzw. Aktuierung
die Kupplung schließt, also einrückt, im
Gegensatz zur herkömmlichen Kupplung, die bei Betätigung öffnet.
Die Aufgabe beide Kupplungen zu betätigen wird erfüllt durch zwei
konzentrisch angeordnete Kolben , die unabhängig voneinander die jeweilige
Kupplung über die Einrücklager betätigen. Die Herausforderung liegt darin,
das beide Lager äußerst platzsparend angeordnet sind, sich aber nicht berühren,
wenn sie ineinander verschoben werden unter Berücksichtigung des radialen
Verschiebewegs zum Ausgleich des Achsversatzes zwischen Kupplung und
Zentraleinrücker. Die Herausforderung in einem definiert kleinen Bauraum den
neuen Zentraleinrücker samt Doppelsensor unterzubringen, wird folglich durch
die gemeinsam entwickelte Lösung von FTE automotive und Micro-Epsilon
beispielhaft erreicht.
Die hydraulische Druckversorgung muss für
jeden Hydraulikkreis bzw. Kolben unabhängig voneinander erfolgen. Die
Druckversorgungsbohrungen müssen deshalb überschneidungsfrei im Gehäuse
verlaufen. Wichtig ist, das die Bohrungen den notwendigen Querschnitt
aufweisen, um die hohe Betätigungsgeschwindigkeit der Kolben zu gewährleisten,
ohne zu hohe Staudrücke zu generieren.
Betriebsmedium ist üblicherweise Mineralöl.
Die Dichtungen müssen auf das Medium abgestimmt werden und einen relativ hohen
Temperaturbereich von –40°C bis +180°C max. Temperatur abdecken. Dieser ist
bedingt durch erhöhte Kupplungsreibung bei Doppelkupplungsgetrieben,
hervorgerufen durch die Überschneidungen der Kupplungseingriffe, die notwendig
sind um eine zugkraftunterbrechungsfreie Schaltung zu gewährleisten.
Der Dichtungswerkstoff wird deshalb
zugeschnitten auf das Betriebsmedium und die Temperaturanforderungen bei FTE
spezifisch entwickelt. Als Grundwerkstoffe bieten sich hier Hydrierter
Nitrilkautschuk oder Fluorkarbon-Kautschuk an.
DZE
sorgt für Energieeinsparung
Ein weiterer wichtiger Aspekt zur Auslegung
des DZE (Doppelzentraleinrücker) ist der mögliche Anschlag der Kolben in
0-Position. Im Vergleich zum herkömmlichen Zentralausrücker besitzt der hier
beschriebene DZE keine Vorlastfeder, die das Lager gegen die Kupplung
vorspannt. Die Vorlast wird hier durch die Kupplung selbst erzeugt. Der Kolben
der entlasteten Kupplung fährt dabei auf einen definierten Anschlag in
0-Position zurück um als Gegenlager zu wirken.
Dadurch wird erreicht, das die entlastete
Kupplung nicht permanent mit Drucköl versorgt werden muss und dadurch Energie
spart.
Je nach Aufbau der Kupplung kann es
notwendig werden, dass im DZE in einem oder in beiden Kreisen eine Hubbegrenzung
installiert werden muss, um ein Überdrücken und damit eine Beschädigung
der Kupplung zu vermeiden. Bei
Ausführung mit Aluminiumkolben lässt sich das relativ einfach integrieren.
Letztendlich ist es wichtig für die
Regelung der hydraulischen Ansteuerung der Kupplungen deren exakte Position
bzw. die der jeweiligen Kolben bzw. Einrücklager zu kennen und zwar so exakt
wie möglich, d.h. ohne Verluste. Relativ einfach wäre die Platzierung der
beiden Sensoren außerhalb der Getriebeglocke beispielsweise an zwei
zusätzlichen Ansteuerzylindern. Das bedeutet jedoch Abweichungen durch
Temperaturunterschiede innerhalb und außerhalb der Glocke sowie mögliche
Einflüsse durch das Medium selbst aufgrund von Luft im Medium. Folglich muss
die Position direkt im DZE gemessen werden.
Herausforderung für
die Sensorik
Die Aufgabenstellung an beide Wegsensoren lautet, die
jeweilige Position der beiden Kupplungseinrücklager fortwährend und zuverlässig
festzustellen. Dabei müssen die Messwerte für das Außenlager – verantwortlich
für die ungeraden Gänge – und das Innenlager – verantwortlich für die geraden
Gänge – unabhängig voneinander erfasst und ausgegeben werden.
Auswahl der
Sensoren
Neben der eigentlichen Messaufgabe sind im automobilen
Umfeld vor allem auch die Umgebungsbedingungen bei der Auswahl geeigneter
Messprinzipien maßgeblich. Da die Kupplung sehr nahe am Motor liegt, muss
sicher gestellt werden, dass grundsätzlich die Funktionsfähigkeit der
Wegsensoren über den vorgegebenen großen Temperaturbereich (-40°C bis +150°C)
gewährleistet ist.
Als wesentlicher Parameter im Vorfeld der Sensorauswahl
wirkt sich der zur Verfügung stehende Bauraum aus. Dazu Andreas Püschel,
Projektverantwortlicher Ingenieur bei Micro-Epsilon: „Wie so häufig stehen für
die Sensorik nicht mehr als wenige cm³ zur Verfügung. Nur selten kann der
Bauraum zur Optimierung der Sensorposition erweitert werden. Auch in diesem
Fall war es nicht möglich.“
Des Weiteren müssen die benachbarten Bauteile hinsichtlich
des Materials (ferromagnetisch oder nicht ferromagnetisch) berücksichtigt
werden. Ferromagnetische Materialien wirken auf Magnetsensoren und tragen
außerdem dazu bei, dass sich magnetische Störfelder aus der weiteren Umgebung
in die Messumgebung einkoppeln können.
Im Falle des FTE Zentraleinrückers besteht die Möglichkeit
am äußeren Lager die Wegmessung seitlich vorzunehmen. Die Entscheidung fiel
daher auf das von Micro-Epsilon patentierte Messsystem VIP
(Verschleißfrei-Induktiv-Potentiometrisch). Dieses Messprinzip benötigt keinen
Permanentmagnet. Stattdessen dient ein kleiner Ring aus Aluminium oder anderen
leitfähigen Materialien als Messobjekt (Target). Dieser wird, gleichsam wie ein
Schmuckring über den Finger einer Hand, über den Sensor gestülpt. In realer
Umgebung kann dieser Ring natürlich auch als eine Bohrung in bestehenden
leitfähigen Bauteilen oder Anbauten ausgeführt werden.
Für das innere Lager wird eine äußerst kompakte
Sensorbauweise benötigt da nur eine schmale, längliche Kavität als Bauraum zur
Verfügung steht. Hier wurde das neue Messprinzip mainSENSOR MDS (magneto
inductive) als am besten geeignet ausgewählt. Für diesen Sensor muss ein
Permanentmagnet als Target am Messobjekt eingebaut werden.
Aus konstruktionstechnischen und ökonomischen Gründen werden
beide Sensoren auf einer gemeinsamen Halterung (eine Art Bodenplatte)
befestigt. Wegen der sehr hohen Temperaturen im Getriebe bei laufendem Motor
muss die Elektronik zur Signalverarbeitung ausgelagert werden.
Die Elektronik wird folglich in einem separaten kleinen
Gehäuse untergebracht. Dieses Gehäuse ist durch ein ca. 35cm langes Kabel mit
den Sensoren verbunden und wird an geeigneter Stelle im Motorraum montiert.
Messprinzip VIP
Elektromagnetische
Wegsensoren der Serie VIP (Verschleißfrei-Induktiv-Potentiometrisch) arbeiten
nach einem von Micro-Epsilon patentierten Messverfahren. Dabei wird eine
Messspule auf einen Spulenkörper aufgewickelt und mit mehreren
Spannungsabgriffen ausgestattet. Als Messobjekt (Target) dient ein kleiner Ring
aus elektrisch leitendem Material, z.B. Aluminium, bzw. eine Bohrung in diesem
leitenden Material.
Die Messspule wird
von einem Oszillator mit zwei komplementären (gegensinnigen) Wechselspannungen
gespeist. In Abhängigkeit von der Position des Messobjektes ändert sich im
abgedeckten Bereich die Impedanz der Messspule.
Eine
Auswerteelektronik bereitet die abgegriffenen Spannungen so auf, dass an ihrem
Ausgang ein kontinuierliches Signal erzeugt wird, welches der Position des
Targets proportional ist. Befindet sich beispielsweise das Messobjekt genau in
der Mitte des Messbereichs (und damit auch in der Mitte der Messspule), so
entspricht das Ausgangssignal genau der Referenzspannung.
Das
VIP-Prinzip ermöglicht sehr kurze Reaktionszeiten und ist dadurch auch für
hochdynamische Prozesse geeignet. Durch das günstige Verhältnis zwischen
Messbereich und Sensorlänge und die daraus folgende kompakte Bauform eignen
sich diese Sensoren hervorragend für beengte Bauräume.
Messprinzip
mainSENSOR
Das dem mainSENSOR
zugrunde liegende Funktionsprinzip arbeitet auf magnetisch-induktiver Basis und
kann folgendermaßen beschrieben werden: Eine mit Wechselstrom gespeiste Spule
hat ein primäres Magnetfeld zur Folge. Nach der Maxwellschen Gleichung erzeugt
dieses Magnetfeld in dem, der Spule gegenüber angeordnetem elektrisch
leitfähigem Material, Wirbelströme. Die Wirbelströme bewirken ihrerseits ein
zweites, sekundäres Magnetfeld. Das sekundäre Magnetfeld wirkt, gemäß der
Lenzschen Regel, dem primären Magnetfeld entgegen und schwächt es daher ab. Bei
Annäherung des Permanentmagneten (Target) wird der Sensor zwischen Spule und
elektrisch leitfähigem Material in seinen elektromagnetischen Eigenschaften so
verändert, dass eine Rückkopplung zwischen der Position des Permanentmagneten
und den Wirbelströmen zur Signalauswertung genutzt werden kann. Das Verfahren
ist bereits zum Patent angemeldet.
Da für den
mainSENSOR gedruckte Spulen Verwendung finden können, ist das notwendige
Herstellungsverfahren nicht auf Halbleiterprozesse angewiesen. Der Sensor
verfügt über eine extrem hohe Grundempfindlichkeit, was eine sehr einfache und
folglich kostengünstige Auswerteschaltung möglich macht. Mit einem
Wirbelstromsensor als technologischem Kern können dabei sowohl sehr schnelle
als auch sehr hoch auflösende Ausführungen umgesetzt werden. Im Vergleich zu
Hall-Sensoren können z.B. deutlich größere Messbereiche (aktuell sind 60 mm
realisiert) erreicht werden.
Als Ausgangssignal steht ein PWM Signal zur
Verfügung, das von einem Mikrokontroller einfach über eine Zeitmessung
ausgelesen werden kann.ZusammenfassungDie Aufgabenstellung schließt den Einsatz
von herkömmlichen Wegsensoren aus technischen und räumlichen Gründen aus. In
einer innovativen Entwicklung ist es gelungen zwei unterschiedliche Messsysteme
in einem Twin-Sensor zu kombinieren. Die deutlichen Vorteile liegen auf der
Hand:
- Beide Sensoren arbeiten berührungslos und somit
verschleißfrei
- In kleinstem Bauraum können zwei unabhängige Sensoren
untergebracht werden.
- Die eingesetzten Messverfahren beeinflussen sich nicht
gegenseitig
- Als Konsequenz kann der Zentraleinrücker ebenfalls eine
innovative kompakte Bauform haben.
Der technologische
Ansatz, zwei Sensoren in einer Einheit als Twin-Sensor zu kombinieren,
erscheint vielversprechend im zukünftigen Bestreben beim Fahrzeugbau beständig
Gewicht und Platz einzusparen. Firmeninfos:FTE automotive ist
ein international führender Hersteller von hydraulischen Brems- und
Kupplungssystemen für PKW und NKW. Das seit über 60 Jahren bestehende
Unternehmen sorgt mit modernsten Technologien für mehr Sicherheit und Komfort
auf den Straßen.Micro-Epsilon löst
seit 40 Jahren schwierige und auch außergewöhnliche Aufgaben für die
Messung von geometrischen Größen wie Weg, Abstand, Position und auch von
Temperatur. Wir bieten dafür weltweit das breiteste Spektrum an Sensoren,
Systemen und Prüfanlagen und beherrschen alle aktuellen Technologien.
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